용접기술/ 다용도 저전압 특수용접봉에 대하여



용접기술: 다용도 저전압 특수용접봉에 대하여
오늘은 입니다.
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제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
다용도 저전압 특수용접봉에 대하여
KYOSHIN MATERIAL CO., LTD.
HIDEHIKO HATTORT
이종금속특수용접봉, 경화육성용접봉, 및 금속용탕개량제는 핫토리 다케오씨가 합금원소를 발견, 개발하면서 시작되었습니다.
심합금 탐구라는 것은 미래의 발전을 지향하기 위해, 오늘날 이미 직면하고 있는 문제이며, 그것을 해결하는 데에는 수 십년을 필요로 하는 중요한 과제입니다.

대부분의 경우 우선 합금을 만들고 나서, 그 성질을 연구합니다만, 그러한 방법으로 요구되 는 재료를 만들기는 어려운 것입니다.

당면한 과제로서, 재료의 성질을 알아낸 후에야 합금이론의 확립을 얻어낼 수 있습니다. 새 로운 기술분야에 있어 미지의 성질을 가진 금속재료를 발견한다고 하는 것은 다시말해 물 리학 ,화학, 금속학 등에 있어 새로운 문제제기가 되며 많은 기술상의 어려운 문제를 해결하 리라 예측됩니다.

그래서, 합금원소를 발견하기까지 아버님께선 30년간 세월을 투자하여 완성시킨 것입니다. 그것의 발명은 특이한 접근에서 시작되었습니다.
핫토리 다케오씨는 일본도의 연구가로서, 일본도의 우수함을 철에서 찾아내기 위한 연구를 오랜동안 해왔습니다. 일본도는 단지 형태가 잘리는 정도 등의 상미뿐만 아니라, 그 칼 하나 하나의 철 성분 등을 분석, 연구하는 학문이며, 그 역사는 천년축적을 자랑하고 있습니다.

그러한 일본도의 뛰어나게 우수한 조성을 연구, 분석해서 결국 도달한 결론은 탄소와 티탄 으로 집약된 것이었습니다.
순수한 철은 은백색으로 끈기와 가단성이 풍부한 금속입니다. 그리고 물러서 잘 압연되므 로, 연초를 마는 종이보다도 얇은 판을 만들 수 있습니다. 순도 높은 철은 금과 마찬가지로 공기 중에 산화되지 않습니다. 하지만 너무 물러서 강도가 없습니다. 여기에 강도를 주기 위 해 탄소를 첨가합니다.

일반적으로 철제라고 하는 것은, 강철 또는 주철, 모든 철과 탄소의 합금을 말합니다. 여 기에 등장하는 철은 모두 도금, 결국 칼을 만드는데 사용되는 쇠를 이릅니다. 강해서 칼을 만드는데 두움이 된다고 하여, 일본도에 사용되고, 담금질이라고 하는 열처리에 의해, 경도 를 높일 수 있었습니다.

또한 티탄의 내화학성은 상당히 훌륭하며, 습기와 해수에 침식당하지 않을 뿐만 아니라, 유 화, 초산, 염산은 말할 것도 없고, 쇠를 녹이는 농염산에도 견딜 수 있습니다. 이러한 놀랄만 한 내약품성은, 그 표면을 감싸고 있는 산화물의 얇은 막이 안정성과 강도를 가지고 있기 때문입니다.
스텐레스 보다도 15~20배의 내구성을 가지고 있으며, 더욱이 그 탄화물은 상당 히 강해서 초합금으로 사용되고 있습니다. 그러한 탄소와 티탄의 특성을 기초로 상기제품의 기초재료인 "CYPLO" 키프로의 발견과 개발에 성공했습니다.

아버님께서는 독자적인 이론과 신념을 가지고, 결국 '금속이 금속으로서 인류로부터 부여 된, 혹은 요구된 특성을 충분히 발휘하기 위해서는 그 조직속에서 유효하게 작용해야만 하 는 원소가 존재한다'고 믿고, 결국 10년 전에 그 합금원소의 합성에 성공한 것입니다.

그 합 금원소 키프로는 동경공업대학 사끼가와 명예교수로부터 명명받아, 상당한 찬미를 받고 있 습니다. 키프로는 금속원소에 직접 작용하여, 요구된 효과를 발휘하며 금속 용탕 중에 있어 서는 촉매반응을 일으켜, 그 반응작용으로 종래 불가능하다고 여겨지고 있던 과제를 점차 극복하는 것을 알게 되었습니다.

그러면, 이종금속특수용접봉을 사용해서 FC250의 수동피복아크용접에 의한 용접이음부 성 능시험결과를 정리한 것을 소개해 드리겠습니다.

(1)모재 : FC250(두께20㎜)으로 아래에 나타낸 화학성분, 인장강도를 가진 재료이다.
(2)사용 용접봉 : 이종금속용접용
봉지름 길이 : 3.2㎜Φ x 350㎜
(3)용접요령 : 용접판의 크기 및 개선형상, 치수


용접요령
(4)용접조건
예열. 후열 : 없음
용접 전류 : 110Amp(전층)
용접자세 : 아래보기 자세
운봉법 : 스트레이트 및 위빙 병용
층 수 : 표면, 안쪽 각 5층 안쪽 깍아냄 없음.

(5)시험조각형상
①모재의 시험조각형상 : 인장시험조각(8B호) 항절시험조각(A호)
②용접 이음부 시험조각형상 : 인장시험조각(A호) 항절시험조각(A호)

(6)시험항목 및 결과
①외관관찰결과
표면, 안쪽 모두 최종층은 위빙비드이다.
②침투탐상시험결과
용접 비드 및 주변 모재부의 균열 유무에 대해 시험했다. 시험결과, 균열과 피트 등의 표면 결함은 검출되지 않았다.
③X선투과시험결과
시험은 JIS Z 3104 (1968) "강철용접부의 방사선 투과 시험방법 및 투과사진의 등급분류방 법"에 준하여 시행했다. 투과사진의 등급분류는 1급이다.
④인장검사결과(표 1 참조)
이음부의 파단은 모재부분이며, 용접부의 강도는 모재보다도 높다. 모재의 인장강도는 19.9㎏f/㎟ , 이음부는 19.4㎏f/㎟이며, 용접에 의한 모재의 강도저하는 발생하지 않았다.

표 1
⑤항절시험결과
이음부의 파단위치는 모재부분이며, 용접부의 연석은 모재 보다도 뛰어났다. 최대하중, 휘 어짐에 있어서는 이음부쪽이 모재보다도 약간 높은 수치를 나타내고 있고, 용접에 따른 연 성저하는 생기지 않았다.
⑥마크로 조직의 관찰결과
균열과 융합불량, 용입부족등의 유해한 용접결함은 생기지 않았다. 용입상태는 양호하며, 용접열영향부의 폭은 약 1-2㎜ 이다.
⑦미크로 조직의 관찰결과
본드부(모재부 측)에는, 공결상조직이 인지되었다. 열영향부의 기지는 멀틴사이트에 가깝게 담금질 조직을 나타내고 있다. 모재부는 편상흑연 + 페라이트 + 파라이트 조직이다. 용접금 속부, 본드부, 열영향부의 어느곳에도 균열의 발생이나 융합불량 부분은 인지되지 않았다.
⑧경도측정결과
용접금속부의 경도는 모재부에 비해 높다. 최고 경도는 열영향부 (본드부부근)에서 나타났 고, HV429이다. 모재부의 경도에 비하면, 약 2.5-3.5배 경화되어 있다. (모재부의 경도는 측 정위치에 따라서 차이가 있지만, HV122-184정도이다.)
(7)조사결과 정리
이들 조사결과에서, FC250材의 예열, 후열없는 조건에서 이종금속용접봉을 사용해서 용접 한 이음부의 성능은, 강도적으로는 모재에 비해 손색이 없으며, 또한 균열 등의 유해한 용접 결함은 생기지 않았음이 확인되었다.
계속해서 FC250材의 육성용접보수시험결과를 보면

(1)모재 : FC250(두께 40㎜의 판상)으로 아래에 나타난 화학성분, 인장강도를 가진 재료이 다.
(2)사용용접봉 : 이종금속용접용
봉의 지름과 길이 : 3.2㎜Φ X 350㎜
(3)용접요령 : 용접판의 크기 및 개선형상 치수
(4)용접조건(그림1 참조)
예열 : 표면의 수분을 제거하는 정도의 버너불꽃에 의한 가열
후열 : 없음
용접전류: 90-100 Amp
용접자세 : 아래보기 자세
운봉법:스트레이트 비드
적층법 : 아래에 나타낸다.



그림 1

용접요령
(5)모재의 시험조각 채취위치

그림
(6)시험항복 및 내용

PT는 침투탐상시험, RT는 X선투과시험 SR은 응력제거 설담금을 나타낸다.

표 2
③시험조각 C는 RT용으로서, 별도로 시험조각 D를 사용했다.
(7)조사결과 정리

①침투탐상시험( PT)
용접비드 및 주변 모재부 표면의 균열시험을 한 결과 어떠한 시험조각에서도 균열은 검출 되지 않았다.
②시험은 JIS Z 3104(1968) "철강용접부의 방사선 투과시험 방법 및 투과사진의 등급분류 방법"에 준하여 행했다. 그 결과 어떠한 시험조각에서도 균열은 검출되지 않았다.. 단지, 미 세한 기공이 검출되었다. (등급분류 1급)
③응력제거설담금 (SR)시험
SR는 가와사끼중공업(주) KM통지 [쥐 주철품의 응력제거 설담금]에 준하여 다음의 조건으 로 행했다.
유지온도 : 570 + 20℃ 유지시간 : 2시간 냉각 : 로냉
모든 표면은 암갈색으로 변색되었다. (강판에서 보여지는 양상과 동일) 또한 SR에 의한 균 열발생 유무 확인은 마크로, 미크로 조직이외에 대표적으로 시험조각 D에 대해서 RT에 의 한 확인 결과, 균열은 검출되지 않았다.
④단면 마크로 조직의 관찰
일부에 부로홀과 슬랙혼입, 융합불량이 인정되지만 , 균열은 생기지 않았다. 열영향부의 폭 은 약 1-2㎜이다. SR에 의한 조직변화는 생기지 않았다.
⑤단면 미크로 조직의 관찰
관찰은 SR전후로 거의 같은 위치에서 했다. 각 시험조각 공통으로 다음과 같이 말할 수 있 다.
(A)용접금속부의 중앙부 부근에서는 페라이트 + 파라이트 조직이지만, 모재 가까운 쪽에서 는 파라이트가 많은 조직으로 되어 있다. (모재의 희석 영향에 의한 것이라고 생각되어진 다.)
(B)용접금속부에서는 본드부 측이 높아, 모재와의 희석영향을 받고 있다고 생각할 수 있다.
(C)본드부 부근 이외에서는 SR에 의한 경도저하는 별로 나타나지 않는다.(별로 변화가 없 다.)
(D)본드부 부근에서는 차이가 있으며, 장소에 따라서는 HV100전후의 저하가 보여진다.

표 3
마지막으로 경화육성시험 결과를 소개드리겠습니다.

(1)모재 : 버켓 에이지
(2) 사용 용접봉 : 경화용접봉 봉지름과 길이 : 4.0㎜ X 350㎜

(3)용접요령:

(4)용접조건
예열, 후열 : 없음
용접전류 : 135Amp
용접자세 : 아래보기 자세
운봉법 : 위빙
층수 : 한 층

(5)시험항목 및 결과
①침투탐상 시험결과
용접금속 및 주변 모재부의 균열 유무에 대해서 시험했다. 시험경로가, 균열과 피트 등의 표면 결함은 검출되지 않았다.
②마크로 조직관찰 결과
균열과 융합불량, 용입부족등의 유해한 용접결함은 발생하지 않았다.
용입상태는 양호하며, 용접열영향부 폭은 1-3㎜였다.
③미크로 사진


④경도측정 결과
마크로 검사와 컬러체크에 의한, 단면경도 측정결과
모재부 : HV356
용착금속 : HV892(4군데 평균치)
(6) 정리: 이들 조사결과로부터 ,예열, 후열 없이도 평균적인 경도를 가진 용착금속을 얻을 수 있었다. 이상, 이종 금속용접봉을 사용한 용접이음부 성능시험, 육성용접보수시험, 경화봉 을 사용한 경화육성시험을 실시하여, 효과를 확인한 결과에 입각하여 다음과 같은 자료를 얻을 수 있었습니다.

■ 이종금속용접봉
이 특수용접봉을 사용하여 주철X. 주철 X 탄소철. 주철X 스텐레스강, 주철X 크롬강, 탄소 강 X스텐레스강을 80-120Amp(AC 또는 DC봉 +)로 용접할 수 있다.

특수합금철을 심선으로한 것으로, 니켈합금을 심선으로하는 종래의 보수접합용 용접봉에 비해, 팽창계수가 거의 같은 정도이며, 열팽창 및 수축에 의한 균열은 발생하지 않는다. 모 재와의 합금화가 즉 완전용접의 진행에 의해 완성되고, 녹발생에 의한 용접부분이 눈에 띄 지 않는다.
용착금속은 주철과 성분조직이 동일하게 되기 때문에 절삭가공 후의 색조는 주철과 거의 같은색이다.

모재 및 용착금속 상호간의 합금화가 진행되어 용입이 커지기 때문에, 인장이 강력하다. 특 수피복재와 저전류 조작에 의하기 때문에 용착금속에 이상한 경화없이 마무리가 쉽게되 고, 모재료로의 열영향이 적어 뒤틀림이 생기지 않는다. 용착금속은 열처리없이 축수면, 마 모면에 충분히 견딜 수 있는 경도를 가지고 있다. 예열, 후열이 필요없고, 소형웰다를 사용 하여 현장에서도 용접이 가능하다.

■ 경화육성봉용접
육성봉은 금속재에 대해 완벽하게 침투하면서, 비커스 경도 100HV이상을 달성하고 있으 며, 실증되고 있다. 전류는 100-140Amp(AC 또는 DC봉 +)로 예열은 필요없고, 소형웰다로 용접할 수 있다.

소개드린 용접봉은 장년의 과제였던 융점이 다른 이종금속의 용접을 가능케했으며, 또한 저온으로도 용접할 수 있다고하는, 지금까지 용접봉에 부과되었던 2대 과제를 가능하게 했 습니다.

이 용접봉은, 새롭고 획기적인 발명품이며, 그 활용범위는 통상의 상식을 초월하는 기술상 의 혁신을 일으킬 수 있는 것이라고 생각되어집니다. 또한 동시에 그 효과는 비단 관련산업 에만 그치지 않고 폭넓게 사회에 공헌하는 것이라고 확신하고 있습니다.
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