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2.1 장점
(2) 단점
FCAW용접은 Semiautomatic으로 운전되며, 연속적인 작업의 특징으로 생산성이 높다. 이 용접 방법은 SMAW (Shield Metal Arc Welding), SAW (Submerged Arc Welding), Gas Metal Arc Welding (GMAW)의 장점을 모두 살린 매우 효과적인 용접 방법이다.
(1) Gas Shielded FCAW
Gas Shielded FCAW는 흔히 Dual Shielded FCAW라고 더 많이 알려 져 있다. 아래의 그림1에 개략적인 용접 과정의 모형이 간단하게 표시되어 있다. 이 방법은 Shielding Gas로 사용되는 CO2 혹은 여기에 Ar을 섞어 사용하는 혼합기체를 용접기 Tip에 부착된 Nozzle을 통해 공급해 주어 외기의 산소나 질소로 부터 용접부를 보호하는 것이다.
용접과정에서 해리된 CO2로 인해 약간의 산소와 CO Gas가 생성되며, 고온에서는 CO가 분리하여 발생되는 산소와 Carbon으로 인해 탈탄이나 침탄의 문제 발생의 소지가 있지만 용접 Wire의 성분에 적당한 양의 탈산제를 첨가하여 이로 인한 문제를 해결한다.
Gas Shielded FCAW는 Self Shielded FCAW에 비해 좁고 깊은 용입을 얻을 수 있다. Wire의 직경에 상관없이 Gas Shielded FCAW는 Wire의 Extension을 작게 하고 높은 전류를 사용한다.
그림 1 Gas Shielded Flux Cored Arc Welding 개요
(2) Self Shielded FCAW
그림 2에 표기된 바와 같이 용접부 Shielding을 위한 별도의 보호 Gas공급은 없고 Flux의 용융 연소 과정에서 발생되는 Gas와 용접 금속을 감싸고 있는 Slag에 의해 용접부가 보호되는 것이다.
용접부 보호를 위한 CO2의 생성과 산소와 질소를 제거하기 위한 성분들은 용탕 (Weld Pool)의 표면에서 제공되기 때문에 Dual Shield Type보다 더 강력하게 외부 대기로 부터 용접부를 보호한다.
이렇게 뛰어난 용접부 보호 특성으로 인해 아직 국내에서는 대부분 Dual Shield를 선호하지만 해외에서는 특히 Field 공사시에 Self Shielded Type을 선호하고 있다.
Self Shielded FCAW 는 Gas Shield의 경우보다 용접 Wire의 Extension을 길게 한다. 보통 재질과 용도에 따라 통상적으로19 ~ 95mm까지의 범위에서 사용하며 Wire를 길게 함으로서 저항 열(Resistance Heat)을 늘인다. 이 열을 이용해 Wire의 Preheating 효과를 기대하며 Arc를 통한 전압 강하를 작게 하여 Arc의 안정성을 확보할 수 있다.
이때에 전류는 낮아 져서 모재를 녹이는 데 필요한 열을 줄일 수 있으며, 결과적으로 좁고 얕은 용접 Bead를 얻을 수 있다.
그림 2 Self-Shielded Flux Cored Arc Welding 개요
아직 까지 FCAW용접은 Ferrous 와 Nickel Base의 합금에만 적용 가능하며 초기 기기 설치 비용의 과다와 관련 업계의 인식 부족에 기인한 거부감으로 인해 주로 조선 업계에서 Main 용접 방법의 하나로 적용하고 있으나, 석유 화학 쪽에서는 일반적인 Carbon Steel 강종에 국한하여 비 압력 부재의 Fillet용접부 등에만 선별적으로 적용하고 있다.
해외의 경우에는 Pressure Retaining Part의 Main 용접 Seam에서 직접적으로 적용하는 경우가 많으며, Lap Joint의 Spot용접이나 표면 경화 용접(Surface Hardfacing) 및 Cladding 작업에도 적용될 수 있다.
다음 그림 3은 육성 용접으로 Cladding작업에 사용되는 FCAW의 설명이다. 아래 그림에서 여러 개의 용접Wire를 동시에 사용하여 용접 효율을 높이고 있다.
FCAW 적용상의 여러 가지 장점 중에 하나는 다른 Process에 비해 정밀한 개선(Joint Preparation) 작업이나 용접부 Cleaning작업이 필요하지 않다는 것이다.
그림 3 여러 개의 용접봉을 사용한 FCAW의 표면 육성 용접
(1) Carbon Dioxide (CO2)
FCAW에 사용되는 Shielding Gas는 주로 CO2가 사용된다.
이 Gas의 장점은 저렴한 가격과 깊은 용입을 얻을 수 있다는 점이다.
CO2를 사용하면 주로 Globular Transfer가 만들어 지지만 Flux의 조합에 따라서는 Spray Transfer와 유사한 형태의 용융 금속 이행도 얻을 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 CO2로 Shielding할 경우에는 일부 CO2가 분해하여 CO와 산소로 분해한다. 이때 발생된 산소는 용접부를 산화 시키기 때문에 적당한 양의 탈산제를 Flux를 통해 공급하여야 한다.
2CO2 → 2CO + O2
Fe + CO2 ↔ FeO + CO
또한 적열 구간 (Red Heat Temperature)인 약 800℃ ~ 1000℃의 온도 구간에서는 다음과 같이 일산화탄소(CO)가 분해하여 탄소와 산소로 분해한다.
2CO ↔ 2C + O2
이때 발생된 Carbon은 용접봉의 탄소 농도에 따라 용접 금속을 탈탄(Decarburization, Carbon Pick Up) 혹은 침탄(Carburization, Carbon Loss) 시킨다. 용접 Wire의 탄소양이 0.05% 이하이면 침탄 (Carburization, Carbon Pick Up) 현상이 일어나고, 탄소량이 0.10% 이상일 경우에는 탈탄 (Decaburization, Carbon Loss)현상이 일어난다.
이때 용접 금속으로부터 빠져 나간 탄소는 적열 구간에서 일산화 탄소(CO)를 형성하는데 사용된다. 이러한 현상은 고온에서 CO2의 산화성 분위기 때문이다. 이때 발생된 CO는 용접 금속내에 기공(Porosity)을 만들게 되며 기공을 방지 하기 위해 Core에 탈산제를 넣어야 한다.
(2) Gas Mixtures (혼합 가스)
GMAW와 마찬가지로 다양한 혼합가스가 사용될 수 있다.
그러나, 가장 대표적으로 많이 사용되는 것은 Ar을 CO2섞어서 사용하는 것으로서 보통 75% Ar에 25% CO2를 혼합해서 많이 사용한다.
Ar은 고온에서도 용접 금속을 적절하게 보호하므로, Ar의 함량이 많을수록 Core에 포함된 탈산제의 효과가 커진다.
Ar-CO2사용하면 CO2사용할 경우에 비해 다음과 같은 특징을 나타낸다.
1) 장점으로
① Porosity의 발생이 적어진다.
② 산화로 인한 Metal Loss가 작다.
③ 인장강도 등 용접부의 기계적 특성이 좋아진다
④ Spray Transfer가 얻어진다.
⑤ 용접 자세의 제한이 자유롭다.
⑥ Arc의 안정성이 좋다.
2) 단점으로
① Ar의 함량이 높을수록 Mn, Si등의 탈산제가 용접금속에 쌓인다.
② 이로 인해 용접금속의 기계적 특성이 변한다.
Tube형태의 Wire의 내부에 충진되어 있는 Flux는 용접 작업성, Crack방지성, 기계적 성질등의 제반 용접 특성을 향상시키기 위한 주 역할을 맡고 있으며 Slag형성제, Arc안정제, 탈산제, 합금 성분제 및 철분 등으로 구성되어 있다.
이러한 Flux는 Slag의 형성 유무(정확한 표현은 Slag의 형성 양)에 따라 Slag계와 Metal계로 분류한다. Slag 계는 다시 Slag의 염기도 등에 따라 Titania계(산성 Slag), Lime-Titania계(중성 또는 염기성 Slag), Lime계(염기성 Slag)로 분류되고 있다.
다음의 표는 각 Flux별 Slag의 개략적인 성분 분석표 이다.
Table 1 FCAW 충진 Flux와 slag의 성분 분석표
Flux종류 |
Titania계 |
Lime-Titania계 |
Lime계 | |||
Flux |
Slag |
Flux |
Slag |
Flux |
Slag | |
SiO2 |
21.0 |
16.8 |
17.8 |
16.1 |
7.5 |
14.8 |
Al2O3 |
2.1 |
4.2 |
4.3 |
4.8 |
0.5 |
- |
TiO2 |
40.5 |
50.0 |
9.8 |
10.8 |
- |
- |
ZrO2 |
- |
- |
6.2 |
6.7 |
- |
- |
CaO |
0.7 |
- |
9.7 |
10.0 |
3.2 |
11.3 |
Na2O |
1.6 |
2.8 |
1.9 |
- |
- |
- |
K2O |
1.4 |
- |
1.5 |
2.7 |
0.5 |
- |
CO2 |
0.5 |
- |
- |
- |
2.5 |
- |
C |
0.6 |
- |
0.3 |
- |
1.1 |
- |
Fe |
20.1 |
- |
24.7 |
- |
55.0 |
- |
Mn |
15.8 |
- |
13.0 |
- |
7.2 |
- |
CaF2 |
- |
- |
18.0 |
24.0 |
20.5 |
43.5 |
MnO |
- |
21.3 |
- |
22.8 |
- |
20.4 |
Fe2O3 |
- |
5.7 |
- |
2.5 |
- |
10.3 |
Flux % |
14 |
- |
14 |
- |
13 |
- |
AWS A5.20에 의한 분류 |
E70T-1 또는 E70T-2, E71T-1 |
E70T-1 |
E70T-5 |
일반적으로 Titania계는 Bead외관이 아름답고 전자세의 용접 작업성이 우수하지만 Lime계와 비교하여 Notch Toughness나 내 Crack성이 열등하다.
반대로 Lime계는 Notch Toughness나 내 Crack성은 우수하지만 Bead외관이 나쁘고 작업성이 좋지 않기 때문에 국내에서는 별로 사용하지 않고 있으나, 외국에서는 주로 Ar-CO2의 혼합 가스를 사용하여 아래보기 자세를 중심으로 활용도가 커지고 있다.
Metal계는 Slag 형성제가 거의 포함되어 있지 않아 Bead외관, 형상 등은 Solid Wire를 사용하는 GMAW와 거의 유사하지만 Arc가 안정되고 Spatter발생량이 적은 등 용접 작업성은 Titania계와 같이 우수하면서 Solid Wire의 경우 보다 높은 용착 효율을 가지고 있다.
Self Shielded FCAW에 사용되는 Flux는 Arc열에 의해 용융 분해 되어 금속 증기, 가스 및 Slag를 형성하고 용착 금속을 외부 공기로부터 보호하는 Shield재를 포함하며, 용착 금속에 침입하는 산소, 질소를 제거하기 위한 강력한 탈산제 및 질화물 생성제 (Al, Ti, Zr 등)를 포함한다.
Table 2 충진 Flux의 종류와 그 일반적 특성
비교 항목 |
Slag 계 |
Metal 계 |
Solid Wire | |||
Titania계 |
Lime-Titania계 |
Lime 계 | ||||
작업성 |
Bead 외관 |
미려하다 |
보통 |
거칠고 |
보통 |
거칠고 |
Bead 형상 |
양호 |
보통 |
볼록하고 |
보통 |
다소 볼록하고 | |
Arc안정성 |
양호 |
다소 |
열등함 |
양호 |
열등함 | |
용적 이행 |
Spray 이행 |
Globular이행 |
Globular 이행 |
Spray 이행 |
Globular이행 | |
Spatter발생 |
소립자이고 |
소립자이지만 |
대립자이고 많음 |
소립자이고 적음 |
대립자이고 많음 | |
Slag 피복성 |
양호 |
다소 불량 |
불량 |
극소량 피복 |
극소량 피복 | |
Slag 박리성 |
양호 |
다소 불량 |
불량 |
양호 |
불량 | |
Fume 발생량 |
보통 |
약간 많음 |
많음 |
적음 |
적음 | |
용접성 |
인성(Toughness) |
양호 |
양호 |
매우 우수함 |
양호 |
양호 |
산소량(ppm) |
450 ~ 900 |
400 ~ 700 |
350 ~ 650 |
500 ~ 700 |
500 ~ 700 | |
확산성 수소량 |
2 ~ 10 |
2 ~ 6 |
1 ~ 4 |
1 ~ 3 |
0.5 ~ 1 | |
내 균열성 |
다소 열등함 |
양호 |
매우 양호 |
양호 |
양호 | |
내 기공성 |
다소 열등함 |
양호 |
양호 |
양호 |
보통 | |
경제성 |
용착 효율 (%) |
80 ~ 90 |
70 ~ 85 |
70 ~ 84 |
91 ~ 96 |
93 ~ 96 |
용착 속도 |
빠름 |
빠름 |
보통 |
가장 빠름 |
보통 | |
Slag, Spatter 제거 |
가장 용이 |
다소 곤란 |
곤란 |
용이 |
곤란 |
(1) 용접 전류
용접 전류는 용접 Wire의 Feeding Rate와 비례하며 용접 전류의 변화는 다양한 효과를 나타낸다.
① 전류가 증가하면 용착률이 증가 한다.
② 전류가 증가하면 용입이 깊어진다.
③ 과도한 전류는 볼록하고 외관이 나쁜 Bead를 만든다.
④ 전류가 부족하면 용융 금속의 Droplet이 커지고 Spatter가 과다하게 생성된다.
⑤ Self Shielded FCAW로 용접시 전류가 부족하면 용접 금속내의 질소의 양이 많아지고 과다한 Porosity가 발생한다. (Shielding 부족)
이러한 특징과 함께 용접 Wire의 Extension이 커지면 용접 전류는 줄어 든다.
(2) Arc 전압
용접 전압은 Arc의 길이와 밀접한 관계가 있다.
Arc 전압이 너무 높으면 - 즉, Arc의 길이가 너무 길면 - Spatter가 과다해 지고, 넓고 거칠며 불균일한 용접부가 얻어진다.
Self Shielded FCAW에서 너무 높은 전압은 Nitrogen에 의한 용접부의 오염을 초래하고, 연강 용접 Wire의 경우에는 과도한 Porosity, Stainless Steel 의 경우에는 Ferrite Content의 저하를 초래하여 결국 Crack에까지 이르게 된다.
Arc 전압이 너무 낮으면 ? 즉, Arc의 길이가 너무 짧으면 ? 좁고 오목한 용접 Bead가 얻어지며, 과도한 Spatter가 발생하고 용입이 얕아 진다.
(3) Electrode Extension
Electrode(용접 Wire) Extension은 그 길이에 비례하여 저항열로 가열된다. 용접 Wire의 온도는 Arc의 Energy, 용착률, 용입의 깊이와 용접부의 건전성에 영향을 미친다.
모든 조건이 동일할 때, Extension이 과도하면 Arc의 안정성이 떨어지고 Spatter가 많아지게 된다. 너무 짧은 Extension은 주어진 전압에서 Arc의 길이를 필요이상 길게 한다.
Gas Shielded FCAW에서는 Extension이 짧으면 과도한 Spatter의 원인이 되어 Nozzle을 막게 되고, 정상적인 Gas Flow를 할 수 없게 된다.
부적절한 Shielding은 결국 Porosity의 생성이나 과도한 산화의 원인이 된다. 일반적으로 Gas Shielding의 경우에는 19 ~ 38 mm정도의 Extension을, Self Shielding의 경우에는 19 ~ 95 mm정도의 Extension을 추천한다.
FCAW는 우수한 용접 효율과 손쉬운 용접으로 산업계 전반에 널리 사용되고 있지만, 아직 까지는 많은 결함의 위험성에 노출되어 있는 용접 방법이라고 할 수 있다. 그 대부분의 용접 결함은 기공 등과 같이 용접 중에 발생하는 가스와 관련된 것이 주종이다.
Table 3 FCAW 용접 결함과 대책 (1/2)
결 함 |
원 인 |
대 책 |
피트(Pit), |
1.탄산가스가 공급되지 않을 때 |
1.Cylinder에 가스가 충진되어 있는지, 밸브가 열려 있는지 점검한다. |
2.강풍 때문에 용접부 보호 (Shield)효과가 충분하지 않을 때 |
2.풍속 2 m/sec이상의 장소에서는 바람을 막아준다. | |
3.노즐에 Spatter가 다량 부착되어 가스의 흐름이 막힐 때 |
3.노즐에 부착된 Spatter를 제거한다. | |
4.순도가 나쁜 가스를 사용 |
4.용접용 가스를 사용한다. | |
5.용접부에 다량의 녹, 기름, 페인트 등이 |
5.용접부를 깨끗이 손질해준다. | |
6.아크 길이가 길 때 |
6.아크 전압을 낮춘다. | |
7.Wire가 발청(Rusting)되어 있을 때 |
7.정상적인 Wire를 사용한다. | |
언 더 컷 |
1.아크 길이가 길 때 |
1.아크 길이를 짧게 한다. |
2.용접속도가 빠를 때 |
2.용접속도를 늦춘다. | |
3.Torch 겨냥위치가 나쁠 때 (수평 필렛) |
3.겨냥위치를 변경한다. | |
오버랩 |
1.용접전류에 대하여 전압이 낮을 때 |
1.아크 전압을 올린다. |
2.용접속도가 늦을 때 |
2.용접속도를 빨리한다. | |
3.Torch 겨냥위치가 나쁠 때 |
3.겨냥위치를 변경한다. | |
균 열 |
1.용접조건이 부적당할 때 |
1.적정조건으로 한다. |
(1) 전류가 높고 전압이 낮다. |
(1) 전압을 높게 한다. | |
(2) 용접속도가 빠르다. |
(2) 용접속도를 늦춘다. | |
2.개선각도가 적을 때 |
2.개선(홈)각도를 크게 해준다. | |
3.모재의 탄소, 기타 합금원소의 함량이 높을 때 |
3.예열을 시행한다. | |
4.순도가 나쁜 가스를 사용 할 때 |
4.용접용 고순도 가스를 사용한다. | |
5. Crater에서 아크를 빨리 끊을 때 |
5. Crater부분의 용착량을 증가 시킨다. |
Table 3 FCAW 용접 결함과 대책 (2/2)
결 함 |
원 인 |
대 책 |
Spatter가 |
1.용접조건이 부적당 |
1.적정한 용접조건으로 한다. |
Bead의 지그재그 |
1.Wire 교정이 불충분 |
1.교정 로울러를 조정한다. |
2.Wire 돌출길이가 길다 |
2.25mm이하로 한다. | |
3.Conduct 튜브가 마모되어 있다. |
3.Conduct 튜브를 교환한다. | |
4.Torch 조작이 미숙 |
4.훈련하여 숙달시킨다. | |
아 크 |
1.Torch 끝단 직경이 Wire경에 비하여 크다. |
1.적정한 Torch 직경으로 교환한다. |
2.Wire가 연속으로 송급되지 않는다. |
2.송급 로울러를 청소한다. 교정기를 조정 하여 Wire의 굴곡을 교정한다. | |
3.송급 로울러의 회전이 원활치 못하다. |
3.원활하게 작동토록 조정한다. | |
4.송급 로울러와 가이드 튜브가 멀리 떨어져 있다. |
4.송급 로울러와 가이드 튜브를 짧게 한다. | |
5.용접전원의 1차전압이 과도하게 변경 한다. |
5.전원 용량을 크게 한다. | |
6.Wire의 발청(Rusting) |
6.녹이 없는 Wire를 사용한다. | |
Wire와 Torch 끝단의 융착 |
1.Torch 끝단과 모재와의 거리가 짧다. |
1.적정한 길이로 한다. |
2.Wire의 송급이 갑자기 멈출 때 |
2.송급이 원활하도록 한다. |
첫댓글 동석아 수고했다 하지만 필요한거만 요약해주면 안되겠니~~