피복아크 용접봉

1. 용접봉 심선

 심선(core wier)은 용접하는데 있어서 중요한 역할을 하는 것이므로 용접봉 선택시 심선의 성분을 알아보아야 한다. 심선재의 제조 방법으로는 전기로, 평로, 순산소 전로에 강괴로부터 열간압연 및 냉간 인발에 의하여 제조되며 특히 지정이 없는 한 열처리를 하지 않는다.

 심선은 용접 후 용착금속의 균열을 방지하기 위하여 저탄소 림드강으로 제조 하는데 황(S), 인(P), 규소(Si), 구리(Cu)드의 불순물이 적게 포함되어야 한다. 연강용 용접보의 심선은 규소와 망간등을 포함한 저탄소 림드강(low carbon rimmed steel)이 많이 사용된다.

 한편 용접봉 심선재의 5대 원소는 강의 5대 원소와 동일하므로 탄소, 규소, 망간, 인 황이 함유되어 있다. 이들 원소가 용접에 수는 영향은 다음과 같다.

가. 탄소( C )

 탄소는 용접봉의 심선에서는 되도록 적은 것이 좋다. 탄소는 녹는 온도를 낮게 하는 관계로 용접 작업이 곤란하며 강 중의 탄소와 공기 중의 산소가 화합하여 일산화탄소 또는 탄산가스로 용접된 금속에 남아 있어 주의를 요한다.

나. 망간( Mn )

망간의 강의 제조 과정에서 강질을 좋게 하기 위해 탈산제를 첨가시 함유시 첨가된다. 망간은 황의 해(황열, 적열취성)를 해소하며 전연성을 감소시키지 않고 강도를 증가시키며,고온소성을 증가 시키고 주조성을 좋게 한다.

 보통 강 중에는 0.2 ~ 0.8%함유되며 일부는 ɑ - Fe중에 고용이 되고 나머지는 S와 결합하며 MnS로 존재한다. 유황과 결합한 MnS로 된 것은 슬래그 속에 함유되어 제거 되므로 유항의 해를 없앤다.

다. 규소( Si )

 탈산제로 사용하며 ɑ고용체 중에 고용해서 경도, 인장강도 탄성 한계를 높이며 연신율과 충격치를 감소 시킨다. 또한 결정 입자를 성장 조대화 시켜서 단접성을 감소 시킨다. 보통 강 중에 0.35%이하이므로 별다른 해는 없다.

라. 인 ( p )

 인은 선철원료, 내화 재로 및 연료 등을 통하여 함유되며 결정 입자의 조대화를 촉진 시킨다. 다소 인장강도 경도를 증가 시키지만 연신율을 감소 시키고 상온에서는 충격치를 저하 시키는 상온 취성(cold shortness)의 원인이 된다.

마. 황 ( S )

유황은 0.02%정도 있어도 인장 강도 연신율 충격치를 감소 시킨다. 또한 FeS은 융접이 낮으므로 고온에서 취약하고 가공할 때 파괴의 원인이 된다. 유황은 쇳물의 유동성을 저하 시키고 용접성을 나쁘게 하므로 강중에 0.03%이하가 요구된다.

바. 구리 ( Cu )

동은 인장강도, 탄성 한계를 높이며 소량만 첨가 하여도 부식성이 급격히 증가 시킨다. 보통 0.3%이하로 한다.

 

2. 피복제의 작용

 금속선에 특정한 피복을 한 용접봉을 피복 용접봉이라 하며 심선 주위를 피복한 물질을 피복제라 하는데 이 피복제는 유기물질과 광물성으로 된 무기물과 유기물을 가루로 만들어 혼합하여 입힌 것으로 다음과 같은 역할을 한다.

① 아크의 발행을 용이하게 하며 아크를 안정 시킨다.

② 피복제를 연소시켜 가스를 발생하여 중성 또는 환원성 분위기를 만들어 대기와 차단시

   켜 용융금속을 보호한다.

③ 용융금속의 탈산 정련 작용을 한다.

④ 용융금속의 응고와 냉각 속소를 느리게 한다.

⑤ 용융점이 낮은 적당한 점성의 슬래그(slag)를 만든다.

⑥ 슬래그 박리성을 좋게하고 파형이 고운 비드를 만든다.

⑦ 용융금속의 유동성을 좋게 한다.

2. 피복 배합제의 종류

 피복 배합제 종류는 위의 피복제의 역할에서 나타낸 아크 안정제, 환원제(가스발생제),탈산제, 합금제, 고착제, 슬래그 생성제 외에 유동성 증가재(횡혈염, 형석, 빙정석, 규사,산화티탄), 고착제(규산소오다, 소맥분, 아교, 당밀) 슬래그 이탈성 증가제가 있으며 표 5 - 1 과 같다.

                                  표 5 - 1 피복 배합제의 성질

물질                           성질 -->	아 크 의 안 정	슬 래 그 생 성 제	탈   산   제	환 원 가 스 발 생 제	산   화   재	합   금   재	유 동 성 증 가	고   착   제	슬 래 그 생 성 제
탄산소오다, 중탄산소오다, 산성백토	O	O
탄산칼리, 석탄, 석회석	O	O
황혈염	O	O					O
형석	O	O					O		O
붕사, 붕산, 고토, 제강 슬래그		O
탄산마그네슘, 알루미나		O
빙정석		O					O
규사, 이산화망간
산화티탄, 석면	O	O					O		O
밀스켓, 사철	O	O			O		O		O
페로실리콘, 페로티탄, 페로바나륨			O		O
산화몰리브덴, 산화니켈					O	O
망간, 페로망간, 크롬, 페로크롬			O			O
알루미늄, 마그네슘			O
니켈, 크롬선, 구리						O
규산소오다, 규산칼리	O	O					O
소맥분	O		O	O			O
면사, 면포, 종이, 목재, 톱밥	O		O	O
탄분	O		O	O		O
해초풀, 아교, 카세인, 젤라틴, 아라비아 고무, 당밀				O			O

 

 

가. 아크 안정제

 아크의 발생과 지속을 쉽게하여(작업성) 안정시키는 것으로서 교류 아크 용접에서 재점화 전압이 낮을수록 좋으므로 인온화 전압이 낮은 물질이 좋다. 산화티탄(TiO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 석회석(CaCo3), 규산칼륨(K2SiO3)등이 사용된다.

나. 가스발생제

 가스를 발생시켜 용접부를 대기와 차단하여 산화 . 질화를 방지하는 것으로서 녹말, 석회석(CaCO3), 톱밥, 탄산바륨(BaCO3), 셀룰로오스(cellulose)등이 있다.

다. 탈산제

 용융 금속중에 침입한 산소를 제거하는 것으로서 규소철(Fe - Si), 티탄철(Fe - Ti), 망간철(Fe - Mn), 알루미늄(Al)등이 사용된다.

라. 슬래그 생성제

 용접부의 표면을 덮어 산화 . 질화를 막으며 냉각 속도를 느리게 하는 것으로 규사, 운모,석면, 석회석, 사철, 일미나이트, 이산화망간형석, 장석 등이 사용된다.

마. 합금첨가제

 용융 금속 중에 합금 원소를 첨가하여 그 화학 성분을 조성하는 것으로 망간, 실리콘, 크롬, 구리, 바나듐 등의 금속원소가 이용된다.

바. 고착제

 피복제를 단단하게 심선에 고착시키는 것으로서 규산나트륨, 규산칼륨, 소맥분 등이 사용된다.

 한편 피복 용접봉을 용착금속을 보호하는 방식에 따라 분류하면 슬래그 생성식, 가스 발생식, 반가스 발생식으로 나눌수 있다.

3. 연강용 피복 아크 용접봉의 규격

  연강용 피복 아크 용접봉은 KS D 7004에 규정되어 있다 용접봉의 표시기호(electrode indication symbol)는 다음과 같은 의미를 가지고 있다.

 

 

 

 

 

 연가용 피복아크 용봉의 규격 중 마지막 숫자. 즉 피복제의 종류(극성에 영향)을 나타내는 숫자는 표 5 - 2와 같다.

   표 5 - 2 연강용 피복 아크 용접봉 규격중 마지막 숫자의 의미

마지막 숫자	0	1	2	3	4	5	6	7	8
전 원	E4301 DCRP E4320 AC~DC	AC DCRP	AC DC	AC DC	AC DC	DCRP	AC DCRP	AC DC	AC DCRP
용 입	E4301깊다. E4320 중간	깊다	중간	얕다	중간	중간	중간	중간	중간

 

 

4. 연강용 피복 아크 용접봉의 종류와 특성  

연강용 피복 아크 용접봉은 용접기술의 눈부신 발달과 더불어 사용범의가 더욱 넓어져 가고 있으며, 현재 가장 많이 쓰이고 있다. 용접봉은 각각 다른 특성을 가지고 있으므로 각 용접공사와 용접 자세 등에 따라 알맞은 특성과 성능을 가진 용접봉을 선택하여 사용해야 한다. 연강용 피복 아크 용접봉을 현재 국제적 분류법에 따라 우리나라에서도 KS D 7004에 자세히 규정하고 있다.

       표 5 - 3 연강용 피복 아크 용접봉의 종류(KS D 7004)

종    류	피복제의  계    통	용접자세	전류의 종  류	용착 금속의 기계적 성질
				인장강도 (Kg/mm2)	항복점 (Kg/mm2)	연신율 (%)	충격치 (Kg.m/Cm2) 0℃,2V노치
E4301	일미나이트계	F,V,O,H	AC DC(정.역)	43이상	35이상	22이상	4.8
E4303	라임 티타니아계	F,V,O,H	AC DC(정.역)	43이상	35이상	22이상
E4311	고셀룰로스계	F,V,O,H	AC DC(정.역)	43이상	35이상	22이상
E4313	고산화 티탄계	F,V,O,H	AC DC(정)	43이상	35이상	17이상
E4316	저수소계	F,V,O,H	AC DC(.역)	43이상	35이상	25이상
E4324	철분 산화티탄계	F,H	AC DC(정.역)	43이상	35이상	17이상
E4326	철분 저수소계	F,H	AC DC(역)	43이상	35이상	25이상
E4327	철분 산화철계	F,H	F에서는 AC DC(정.역) H에서는 AC DC(정)	43이상	35이상	25이상
E4340	특수계	F,V,O,H	AC DC(정.역)	43이상	35이상	22이상

 

① 용접 자세에 사용된 기호의 뜻은 다음에 따른다.

   F(flat position) , V(vertcal position), O(overhehd position), H(horizontal position)

    아래보기자세    수직자세          위보기자세           수평자세

② 전류 종류에 사용된 깃호의 뜻은 다음과 같다.

    AC : 교류, DC : 직류, DC( - ) : 직류정극성(봉 마이너스) DC( + ) : 직류역극성( 봉       플러스) DC(    )직류 정극성 또는 역극성( 봉 마이너스 또는 봉 플러스)

가. 일미나이트계(ilmenit type : E 4301)

 일미나이트(TiO2, FeO)를 약 30% 함유한 용접봉으로서 일본에서 처음 개발한 이 봉은 작업성, 용접성이 우수하여 선박, 교량, 압력용기 등의 중요한 일반기계 및 연강제 구조물의 용접에 널리 사용되고 특히 수직, 위보기 자세에서 작업성이 우수하여 전자세 용접이 가능하다.

나. 라임 티탄계(Lime tiania type : E 4303)

 산화 티탄(,TiO2)을 주성분( 약 30%)으로 하며 일반적으로  두꺼운 피복을 한 것이다. 비이드 외관은 곱고 작없성이 양호하며 전자세 용접에 사용된다. 측히 아래보기 자세나 수평필렛 용접에 적합하다. 용입은 약간 적고 아크가 부드러우며 기계적 성질도 좋다.

다. 고셀룰로우즈계(high cellulise type : E 4311)

 피복제 중에 가스 시일드계의 대표적인 것으로 셀룰로우즈(유기물)을 약 20 ~ 30% 정도 포함하고 있다. 이 용접봉은 피복이 얇고 가스 발생량이 대단히 많으며 슬래그 생성량이 적은 관계로 수직 또는 위보기 자세 용접이 용이하다. 아크는 스프레이형의 아크를 발생하므로 용입이 깊고 스패터가 많고 표면은 거칠다. 건축이나 파이프 용접에 약간 사용되는 정도이다.

라. 고산화 티탄계(hugh titanium type : E 4313)

 슬래그 생성계인 산화티탄을 약 35% 정도 주성분이며 널리 사용되고 있다. 아크의 안정성이 우수하고 스패터도 적으며 슬래그 제거도 양호하며 전자세 용접에 사용되며 수직 하진용접이 가능하다. 용입이 작으므로 박판용접에 종으며 비이드 모양이 곱고, 작업성이 좋와 일반 경구조물의 용접에 많이 사용된다. 용착금속의 기계적 성질인 용접성이 다른 용접봉에 비하여 약하고 고온귤열(hot crack)을 일으키기 쉬우므로 주요부분(하중구조물)에는 사용하지 않는다.

마. 저수소계(,low hydrogen type : E 4316)

 피복제중에 수소원이 되는 성분의 유기물을 포함하고 있지 않고 석회석이나 형석(불화칼숨)을 주성분이며 용접시 석회석은 분해되어 아크에 탄산가스 분위기를 주어 용착금속 중에 용해하는 수소량을 적게한다. 용접직후 수소 확산량 측정이 다른 용접봉에 비하여 수소의 존재가 현저히 낮고(약 1/10) 강력한  탈산정련 삭용으로 용착금속의 인성이 좋으며 내균열성 기계적 성질이 우수하다. 균열의 감수성도 극히 낮고 후판의 초층 용접시 응력이 큰 연강 구조물 및 고장력강 및 탄소나 황의 함유량이 많은 강의 용접에 사용되고 있다.

 저수소계 용접봉의 단점은 아크의 불안정, 슬래그 유동성이 나쁨, 비드의 미려도가 거칠고 심한 볼록 비드 모양으로 되므로 운봉(motion of electrod)에 다소 숙련이 필요하다. 용접의 시점에서 기공의 발생이 쉬우무로 백스탭법등을 사용하여 용접조작에 주의 하여야 한다. 기공의 방지는 시 . 종점 끝단부에 붙이는 보조철판 엔드 탶(end tap)을 부착하여 방지한다. 흡습이많은 저수소계 용접봉의 건조온도는 300 ~ 350℃ 정도로 2시간 정도 건조시켜 사용해야한다.

바. 철분산화 티탄계(iron powdr titania : E 4324)

 고산화 티탄계에서 피복제에 약 50% 정도의 철분을 가한 것으로서 고산화 티탄계(E 4313)의 우수한 작업성과 철분계의 고능률성을 겸비한 용접봉이다.

아크는 조용하고 스패터가 적으며 용입이 얕고 비이드면은 곱다. 용착금속의 기계적 성질은 E 4313과 거의 같고 보통 저탄소강 용접에 사용된다. 그러나 저합금 강이나 중, 고탄소강의 용접에 사용된다. 주로 수평 필릿 용접 및 아래보기 자동용접에 사용된다.

사. 철분저수소계(iron powder 1ow hydrogen type : 4326)

 E 4316 용접봉에 30 ~ 50% 정도의 철분을 가해 보다 고능률화를 도모한 용접봉으로서 용착속도가 크고 작업능력이 좋으며 아크는 조용하고 스패터도 적으며 비이드면이 곱다.용착금속의 기계적 성질이 좋고 아래보기 및 수평필렛 용접자세에 한하여 사용된다.

마. 철분 산화 철계(iron powder iron oxide type : E 4327)

 고산화 철계 피복제 중에 철분을 많이 첨가한 용접봉으로 용접능률이 대단히 큭고 용접 속도가 빨라 고능률을 목적으로 하는 아래보기 및 수평 필릿 용접에 많이 사용된다. 아크는 스프레이형으로 스패터도 적다. 비드가 미려하고 사용전류는 다른 용접봉에 비하여 크므로 두께가 두꺼운 판의 용접에 적합하다.

 철분산화 티탄계, 철분 저수소계, 철분 한화 철계처럼 철분을 증가시켜 용착금속의 용융속도를 증가 함 으로서 아래보기 용접 및 수평 필릿의 아크 자동용접 (그레비티용접용)에 많이 사용된다.