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Flux Cored Arc Welding (FCAW)
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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. |
자료제공 : LG 건설 이진희과장(senior@lgenc.co.kr)