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KR100502570B1 - 안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어 Download PDF

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KR100502570B1
KR100502570B1 KR10-2000-0041590A KR20000041590A KR100502570B1 KR 100502570 B1 KR100502570 B1 KR 100502570B1 KR 20000041590 A KR20000041590 A KR 20000041590A KR 100502570 B1 KR100502570 B1 KR 100502570B1
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KR
South Korea
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slag
flux
welding
wire
stainless steel
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유광재
Original Assignee
현대종합금속 주식회사
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Abstract

안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어가 제공된다.
본 발명은 와이어에 대한 중량%로, Ni: 0.1∼3.0%, Cr: 2.5∼8.0%, Nb: 0.3~0.6%, Al+Ti+Si+Mg+Na+K: 1.0~2.0%, TiO2: 2.0∼10%, SiO2: 0.5∼2.5%, Al2O3: 0.1∼1.0%, ZrO2: 0.1∼1.0%, K2O: 0.05∼0.25%, Na2O: 0.01∼0.20%, NaF: 0.01∼0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 조성되고, Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)가 0.30이하로 제어된 플럭스가 금속외피내 충전된 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
본 발명은, 안정화 처리된 스테인레스강의 용접시에 빈발하는 슬래그 폭발을 제어할 뿐만 아니라 슬래그 박리성 및 전자세 용접성이 우수한 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용하다.

Description

안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어{Flux Cored Wire for stabilized stainless steel}
본 발명은 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플럭스의 조성성분 중 니오븀(Nb)의 함량이 와이어에 대한 중량%로 0.3%이상으로 첨가될 때라도 응고 슬래그의 폭발 현상이 방지되고 우수한 슬래그 박리성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 입향 상진 및 오버헤드 용접성도 우수한 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
스테인레스강에 니오븀(Nb)을 첨가하면 내부식성이 일반 스테인레스강보다 더욱 양호해진다. 이러한 강을 안정화 처리된 스테인레스강이라 한다. 이는 스테인레스강중의 Cr이 표면산화물(CrO2)을 형성하여 부동태화 하기 때문에 내부식성이 높은 것으로 알려져 있는데 통상적으로 Cr이 12%이상 첨가되어야만 가능하다. 그런데, Cr은 강중의 C와 반응하여 입계에 Cr23C6를 형성하기 때문에 내식성을 오히려 저해시키는 문제가 있다. 이 때문에 Nb, Ti 또는 Ta등을 첨가하여 NbC, TiC 또는 TaC를 형성시켜 내식성을 유지하고 있다. 이는, Nb, Ti 또는 Ta이 Cr 보다도 C와의 친화력이 크기 때문인 것으로 기인되어진다.
이러한 스테인레스강의 용접에 사용되는 용접재는 용접모재의 조성을 고려할 필요가 있다. 즉, 상기 니오븀(Nb)으로 안정화 처리된 스테인레스강의 용접 작업시에는 용착금속내에 안정화 원소인 니오븀(Nb)을 탄소(C)의 8~10배 정도로 함유하게 하도록 하는 조성을 갖는 플럭스 충전 와이어 또는 피복 아아크 용접봉등의 용접재료가 일반적으로 이용된다.
근래에는 피복 아크 용접봉보다 우수한 용접효율과 작업성을 가진 플럭스 충전 와이어의 사용이 증가하고 있다. 그러나, 니오븀(Nb)이 첨가된 와이어를 사용하여 용접을 실시하는 경우, 용접이 완료된 후 용융된 슬래그가 냉각도중 니오븀 산화물(Nb2O5)과 크롬 산화물(Cr2O3, CrO) 등에 의해 응고 슬래그의 폭발현상이 발생하거나 슬래그 제거가 어려운 등의 문제가 있었다.
통상 슬래그 폭발현상이란 용접이 완료된 후 용융 슬래그가 응고시 용착 금속과 슬래그의 열응력 편차로 인해 튀어오르는 현상을 말하는데, 이는 용접작업자에게 화상의 위험성뿐만 아니라 작업장 화재의 위험성도 초래할 수 있다. 그러나 용접 비드로 부터 수 cm 정도(약 10cm 이내) 튀어오르는 슬래그는 위험성이 없기 때문에 폭발 슬래그라 하지 않고 정상 슬래그로 간주한다.
상술한 응고 슬래그의 폭발 현상과 슬래그 제거의 어려움과 같은 문제를 해결하기 위한 종래기술의 예로서 대한민국 특허공보 96-4342호를 들 수 있다. 상기 특허공보에서는 Bi배출 플럭스 시스템을 사용함으로써 크롬을 함유하는 플럭스 충전 와이어에서 슬래그 폭발현상이 없을 뿐 아니라 우수한 슬래그 박리성을 얻고자 하였다. 그러나 상기 공보에 개시된 발명에 있어서는, 니오븀(Nb)이 와이어에 대한 중량%로 0.3%이상으로 함유된 플럭스 충전 와이어의 경우, 응고 슬래그의 폭발현상제어가 곤란해지는데, 이는 니오븀(Nb) 첨가에 따라 Bi의 역할이 감쇄됨에 따른 결과이다.
따라서 상기 문제점을 감안하여, 니오븀(Nb)이 함유된 플럭스 충전 와이어에 있어서 슬래그의 융점을 현저히 낮춤으로써 니오븀산화물과의 열응력 편차를 조정하여 응고 슬래그 폭발현상의 제어를 꾀하였으나, 이러한 저융점 슬래그는 입향 상진이나 오버헤드 용접에서 용융 슬래그가 흘러내려 용접이 불가능하다는 또다른 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 와이어의 구성성분중 니오븀(Nb) 함량에 대하여 탈산제의 첨가량을 최적으로 제어함으로써 응고 슬래그 폭발현상을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 입향 상진이나 오버헤드 용접시에도 우수한 작업성을 갖는 안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 플럭스가 금속외피내에 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 플럭스는, 상기 와이어에 대한 중량%, Ni: 0.1∼3.0%, Cr: 2.5∼8.0%, Nb: 0.3~0.6%, Al+Ti+Si+Mg+Na+K: 1.0~2.0%, TiO2: 2.0∼10%, SiO2: 0.5∼2.5%, Al2O3: 0.1∼1.0%, ZrO2: 0.1∼1.0%, K2O: 0.05∼0.25%, Na2O: 0.01∼0.20%, NaF: 0.01∼0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 조성되고, Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)가 0.30이하로 제어됨을 특징으로 하는 안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
이하, 본 발명 플럭스 충전와이어에 있어서의 플럭스의 구성성분을 설명한다.
먼저, 본 발명의 와이어는 합금성분으로 Ni,Cr 및 Nb를 포함한다.
상기 원소들은 또한 용접모재인 안정화 처리된 스테인레스강을 구성하는 중요한 원소로서, 본 발명에서 이들의 첨가량은 상기 용접모재인 안정화 처리된 스테인레스강의 조성에 따라 결정될 수 있다.
바람직하게는, Ni과 Cr의 첨가량을 와이어에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.1~3.0%와 2.5~8.0%로 각각 제한하는 것이다.
즉, Ni과 Cr은 AWS A5.22 E347계 또는 E309LCb계의 용착금속 조성범위를 만족하기 위한 것이기는 하나, 내부식성을 도모하기 위하여 용착금속의 Cr은 최소 12%이상되어야 할 것이 요구된다. 따라서, 금속외피의 화학성분을 고려하여 충진된 플럭스중 Ni과 Cr의 함량을 0.1~3.0%와 2.5~8.0%로 각각 제한하는 것이다.
니오븀(Nb)으로 안정화처리된 스테인레스강은 Nb가 C의 8~10배가 함유된 것을 고려하여 본 발명에서도 Nb의 첨가량을 0.3%이상으로 제한함이 바람직하다.
본 발명에서, Nb의 첨가량을 0.3%이상으로 하는 것은 용착금속의 내부식성의 향상을 도모하기 위해 Cr보다도 C의 친화력이 큰 Nb를 C의 8~10배가 함유되도록 하는 것과, 용접시 보호가스(CO2)로부터 C의 침입에 의한 C량의 증가를 고려하여 Nb를 0.3%이상으로 제한하는 것이다. 다만, 그 첨가량이 0.6%를 초과하면 슬래그의 폭발을 증가시키게 되고, 이를 방지하기 위하여 탈산제를 많이 첨가하게 되므로, 이로 인한 아크 안정성 및 용접 작업성이 나빠지게 된다. 따라서, 그 첨가량을 0.3~0.6%로 제한함이 바람직하다.
본 발명의 와이어는 또한, Al,Ti,Si,Mg,Na 및 K과 같은 탈산제를 포함하는데, 바람직하게는 Al,Ti,Si,Mg,Na 및 K의 함량의 합을 1.0~2.0%로 제한하는 것이다. 왜냐하면, 그 첨가량의 합이 1.0%미만일 경우에는 입향 상진 및 오버헤드 용접시 느린 슬래그 응고속도 때문에 용접 작업성이 저하되며, 반면에 2.0%를 초과하면 탈산제의 첨가량이 너무 많아 아크 안정성이 저하되고 다량의 스패터가 발생하기 때문이다.
보다 바람직하게는, Al≥(Ti+Si+Mg+Na+K)이 만족하도록 상기 탈산제를 첨가하는 것인데, 이는 Al은 탈산역할 뿐만 아니라 용접공정중 산화되어 Al2O3를 형성하여 비교적 높은 융점을 가진 슬래그를 형성하게 되므로 입향 상진 또는 오버헤드 용접시에도 용융 슬래그가 처지지 않고 즉시 응고하는 등 양호한 용접성을 나타냄을 고려한 까닭이다.
한편, 상술한 바와 같이, Nb가 C의 8~10배가 함유된 스테인레스강을 용접하는 경우 슬래그 폭발 현상이 발생한다. 이러한 현상을 제어하기 위해서는 슬래그 폭발현상의 주원인인 크롬산화물과 니오븀산화물의 형성을 억제해야 한다.
따라서, 본 발명에서는 상기 산화물의 형성을 억제하기 위하여 강탈산제인 Al,Ti,Si,Mg,Na 및 K를 첨가할 것이 요구되는데, 본 발명자는 첨가되는 Nb의 함량에 대하여 상기 탈산제들을 일정수준 이상으로 첨가함이 상술한 산화물의 형성을 억제함에 보다 효과적임을 발견하였다. 즉, 본 발명은 Nb의 첨가량에 대하여 탈산제의 첨가량을 일정수준 이상으로 제어함을 그 특징으로 한다.
상세하게 설명하면, Al,Ti,Si,Mg,Na 및 K는 니오븀(Nb)보다 산화능이 커서 니오븀(Nb)과 크롬(Cr)보다 먼저 산화하여 슬래그로 부상하므로 슬래그중의 니오븀 산화물, 크롬 산화물 함량을 낮추는 작용을 한다. 따라서 니오븀(Nb)의 함량에 대해 Al,Ti,Si,Mg,Na 및 K를 충분히 첨가하는 것이 필요한 것이다.
상기 점을 고려하여, 본 발명에서는 Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)≤0.30을 만족하는 범위로 탈산제를 첨가함이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 조성비가 0.30을 초과하면 첨가된 니오븀(Nb) 함량에 대해 탈산제의 첨가량이 충분하지 않아 충분한 탈산을 도모할 수 없으며, 이에 따라 크롬 및 니오븀산화물이 과량으로 생성되어 폭발현상이 나타날 뿐만 아니라 생성된 산화물이 슬래그 기능을 열화시켜 원활한 슬래그 제거가 이루어지지 않는 문제가 발생하기 때문이다.
본 발명의 와이어는 또한, TiO2, SiO2, Al2O3 및 ZrO 2와 같은 슬래그 형성제를 포함한다.
TiO2는 슬래그 포피성과 박리에 유효한 슬래그의 주성분이다. 그러나 그 첨가량이 너무 과다하면 슬래그의 배출량이 많아지고 슬래그 뒤틀림 현상이 발생하며, 그 양이 너무 적으면 슬래그 포피성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 그 첨가량을 2.0~10%로 제한함이 바람직하다.
SiO2는 슬래그의 점성 및 유동성을 조절하여 용접 비이드성을 향상시키는 성분으로 그 첨가량이 과다하면 유동성의 증가로 슬래그가 흘러 내리는 반면에, 과소하면 슬래그 유동성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.5~2.5%로 제한함이 바람직하다.
Al2O3는 슬래그 점성에는 큰 영향을 주지 않으나 슬래그 융점을 상승시키는 작용을 하는 성분이며, 아울러 슬래그 포피성 및 스패터성 향상에도 유효하다. 그러나, 그 첨가량이 과소하면 스패터 발생이 증가하는 반면에, 그 양이 과다하면 슬래그의 과다로 슬래그 포피성과 박리성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.1~1.0%로 제한함이 바람직하다.
ZrO2도 슬래그의 융점을 상승시키고 아아크의 집중성을 도모함에 유효한 성분이다. 그러나 그 첨가량이 너무 적으면 효과가 너무 미약하고, 그 양이 너무 많으면 점성이 증가하여 비이드 형상이 불균일해지는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.1~1.0%로 제한함이 바람직하다.
본 발명의 와이어는 또한, 아아크 안정제와 금속 불화물을 포함한다.
본 발명에서는 아크 안정제로서 K2O와 Na2O를 함유하는데, 이들은 용접시 용융 풀(Pool)을 안정화시키는 역할을 하는 성분이다. 그러나, 그 양이 너무 적으면 그 첨가에 따른 효과가 미미하고, 너무 과다하면 아아크의 집중성이 열화되는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 K2O와 Na2O의 첨가량을 0.05~0.25%와 0.01~0.20%로 각각 제한함이 바람직하다.
본 발명에서는 또한, 금속 불화물인 NaF를 포함하는데, 이러한 금속 불화물은 확산성 수소를 저감시키고 내기공성을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에서는 NaF의 첨가량을 0.01~0.5%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 첨가량이 0.01%미만에서는 아아크 집중성이 저하되고 확산성 수소의 증가로 결함발생이 초래되며, 0.5%를 초과하면 슬래그의 융점이 저하되어 비드 형상이 열악해지기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1와 같이 Ni, Cr 및 Nb과 같은 합금성분, 슬래그 형성제, 아아크 안정제, 금속불화물 및 탈산제등으로 구성된 플럭스가 금속 외피내에 충전된 플럭스 충전 와이어를 마련하였으며, 이때 금속 외피의 화학성분은 표 2와 같으며 와이어의 플럭스 충진율은 10~25%로 하였다.
발명예 번호 Ni Cr Nb D* Al Ti+Si+Mg+Na+K TiO2 SiO2 Al2O3 ZrO2 Na2O K2O NaF
1 0.27 6.32 0.31 0.17 0.6 1.2 2.72 2.50 1.00 0.35 0.05 0.16 0.09
2 0.26 6.15 0.42 0.28 0.5 1.0 2.95 2.22 0.98 0.46 0.06 0.17 0.02
3 0.25 5.16 0.30 0.19 0.7 0.9 3.65 1.82 0.72 0.51 0.05 0.11 0.05
4 0.23 7.34 0.50 0.25 0.8 1.2 3.89 1.47 0.65 0.31 0.04 0.19 0.15
5 0.23 6.85 0.34 0.19 1.1 0.7 4.15 1.37 0.63 0.65 0.02 0.13 0.19
6 0.29 7.21 0.32 0.17 1.3 0.6 5.64 1.30 0.76 0.67 0.10 0.21 0.27
7 0.15 5.85 0.46 0.24 1.0 0.9 6.12 1.26 0.55 0.73 0.09 0.25 0.36
8 0.21 5.47 0.60 0.30 1.0 1.0 6.84 1.01 0.32 0.57 0.03 0.23 0.31
9 0.29 6.55 0.32 0.19 1.2 0.5 7.23 0.98 0.43 0.85 0.07 0.24 0.47
10 0.30 7.39 0.30 0.21 0.8 0.6 8.46 0.85 0.31 0.89 0.08 0.11 0.01
11 0.13 6.84 0.30 0.30 0.6 0.4 9.52 0.52 0.38 0.95 0.10 0.15 0.21
비교예 1 0.14 6.57 0.59 0.33 1.0 0.8 2.73 1.43 0.96 0.63 0.02 0.25 0.06
2 0.21 6.14 0.75 0.44 1.1 0.6 2.91 2.37 0.88 0.31 0.04 0.17 0.15
3 0.22 6.15 0.19 0.07 1.4 1.2 3.66 1.37 0.18 0.44 0.03 0.21 0.08
4 0.21 7.21 0.47 0.52 0.5 0.4 3.99 1.92 0.57 0.39 0.07 0.06 0.19
5 0.28 7.34 0.35 0.22 0.7 0.9 4.51 2.75 0.75 1.27 0.26 0.13 0.25
6 0.27 7.33 0.74 0.39 - 1.9 5.76 2.23 0.34 0.94 0.09 0.22 0.29
7 0.18 7.28 0.46 0.38 1.2 - 6.08 1.34 0.27 0.61 0.10 0.14 0.38
8 0.22 6.98 0.70 2.33 0.2 0.1 6.63 1.11 0.41 0.67 0.07 0.16 0.44
9 0.25 6.88 1.00 1.67 0.4 0.2 7.83 0.88 0.33 0.73 0.08 0.09 0.11
10 0.24 6.79 0.95 4.75 - 0.2 8.12 0.91 0.39 0.91 0.01 0.19 0.31
11 0.26 7.31 1.12 3.73 0.3 - 9.75 0.51 0.21 0.77 0.10 0.24 0.23
*상기 표에서 D*는 Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)
C Si Mn P S Ni Cr Fe
0.02 0.50 1.00 0.02 0.001 10.0 18.2 잔량
상기와 같이 마련된 플럭스 충전와이어를 이용하여 용접모재 347계 스테인레스 스틸판재를 용접하였으며,이때 구체적인 용접조건은 하기 표 3과 같다. 그리고 상기 용접후 폭발 슬래그발생율(%)과 슬래그 제거성을 평가하여 하기 표 4에 나타내었으며, 아울러 용접작업성및 아크 안정성도 평가하여 하기 표4에 나타내었다. 여기서, 슬래그 제거성은 용접후 작업자가 슬래그 제거망치로 2~3회 가벼운 타격에 의해 용이하게 제거될 수 있는 량을 강제로 긁거나 강한 타격으로 완전히 제거된 전체 슬래그 량에 대해 비율로 나타내어 슬래그 제거율(%)이 95%이상 ◎, 90~94% O, 85~89% △, 85%미만 X 로 평가하였으며, 폭발 슬래그발생율(%)은 포집장치를 이용하여 포집된 슬래그를 전체 슬래그 량에 대해 비율(%)로 나타내었다. 또한, 용접작업성 및 아크안정성은 작업자의 관능에 의해 그 결과치를 평가하였다.
구 분 하향필렛 입향상진 오버헤드
용접전류(A) 220 150 150
용접전압(V) 30 24 24
보호가스 100% CO2
유량 25ℓ/분
상기 표 1 및 하기 표 4에 나타난 바와 같이, 탈산제의 첨가량(Al+ Ti+Si+Mg+Na+K) 및 Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)의 조성비가 최적으로 제어된 본 발명예(1~11)의 경우 모두 용접작업성과 아크 안정성뿐만 아니라 슬래그 제거성 및 폭발 슬래그의 발생량 측면에서도 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
특히, 탈산제 성분중 Al≥(Ti+Si+Mg+Na+K)을 만족하는 본 발명예(5~11)의 경우는 입향상진 및 오버헤드 용접시 매우 우수한 용접 작업성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
발명예 번호 폭발 슬래그 (%) 슬래그 제거성 용접 작업성(입향상진, 오버헤드) 아크 안정성
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
10 0
11 0
비교예 1 0.53
2 0.92
3 0
4 1.14
5 0
6 0.78
7 0.76
8 31.17
9 21.72
10 36.15
11 35.84
* ◎ : 매우 좋음 ○ : 좋음 △ : 보통 X : 나쁨
이에 반하여, 비교예(1~2, 4 및 6~7)은 Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)조성비가 본 발명범위를 벗어난 것으로 슬래그 제거성과 용접작업성이 나쁠 뿐만 아니라, 특히 폭발 슬래그 발생이 많아짐을 알 수 있다.
또한, 비교예(8-11)은 탈산제가 본 발명에 비해 과소한 경우로써 용접후 냉각도중 니오븀 산화물 및 크롬 산화물의 발생을 억제하지 못하므로 이들 산화물에 의한 응고 슬래그의 폭발현상의 제어가 곤란할 뿐만 아니라 슬래그 제거도 어려움을 알 수 있다. 또한, 입향상진 및 오버헤드 용접시 용접 작업성도 매우 나쁘게 나타났다.
그리고, 비교예(3)는 탈산제가 과다하게 첨가된 경우로 용접 작업성이 매우 열악하였으며, 슬래그 형성제와 아크 안정제 첨가량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예(5)의 경우에도 폭발 슬래그 발생정도는 만족할 수준이나 용접 작업시 슬래그가 흘러내려 용접 비드가 매우 불균일하고 아크성도 매우 불안정하여 건전한 용접 비드를 얻을 수 없음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 니오븀과 탈산제의 첨가량을 소정비로 제한하므로써 안정화 처리된 스테인레스강의 용접시에 빈발하는 슬래그 폭발을 제어할 뿐만 아니라 슬래그 박리성 및 전자세 용접성이 우수한 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용하다.

Claims (2)

  1. 플럭스가 금속외피내에 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서,
    상기 플럭스는, 상기 와이어에 대한 중량%로, Ni: 0.1∼3.0%, Cr: 2.5∼8.0%, Nb: 0.3~0.6%, Al+Ti+Si+Mg+Na+K: 1.0~2.0%, TiO2: 2.0∼10%, SiO2: 0.5∼2.5%, Al2O3: 0.1∼1.0%, ZrO2: 0.1∼1.0%, K2O: 0.05∼0.25%, Na2O: 0.01∼0.20%, NaF: 0.01∼0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 조성되고, Nb/(Al+Ti+Si+Mg+Na+K)가 0.30이하로 제어됨을 특징으로 하는 안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플럭스는 Al≥(Ti+Si+Mg+Na+K)을 만족하도록 조성됨을 특징으로 하는 안정화 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어
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