KR100423419B1 - 용접부인성이우수한입열량300KJ/cm급용접재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접부 인성이 우수한 입열량 300KJ/cm급 용접재료에 관한 것으로, 본 발명은 와이어 및 플럭스의 성분을 조정하므로써 용접에 의해 형성되는 용접금속이 우수한 충격인성을 갖도록 입열량 300KJ/cm급의 용접재료를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량 %로, C:0.03-0.07%, Mn:1.8-2.2%, Si:0.05%이하, P:0.020%이하, S:0.005% 이하 및, B:0.0020-0.0030%를 포함하여 이루어지는 와이어와, Fe:25-35%, Si:6-8%, Al:7-9%, Mn:1.0-2.0%, Mo:0.10-0.18%, Ni:0.02-0.03%, Ti:4-5%, Zr:0.04-0.05%, Ca:3-4%, Mg:8.5-9.5%, Na:1.5-2.0%, K:0.02-0.03%, 및 B:0.10-0.20%를 포함하여 이루어지는 플럭스로 구성되는 용접부인성이 우수한 입열량 300KJ/cm급 용접재료에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

용접부 인성이 우수한 입열량 300KJ/cm급 용접재료

본 발명은 와이어와 플럭스로 구성되는 용접재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입열량 300KJ/cm급의 초대입열 용접에 의해 형성된 용접금속이 우수한 인성을 갖는 용접재료에 관한 것이다.

SA(Submerged Arc)용접법은 가스에 의하여 용접금속의 산화를 방지하는 GMA(Gas Metal Arc) 용접법과는 달리 플럭스에 의하여 용융금속을 대기로부터 차단하기 때문에, 적용되는 용접재료는 와이어와 플럭스의 조합에 의하여 결정되며, 타 용접법과는 달리 용접 생산성 향상을 위하여 1000A 이상의 대전류를 적용함으로써 대입열 용접기술이 가능한 용접 방법이다. 특히 후판 용접의 경우 두께 40-50mm를 1pass 용접이 가능한 SA 용접기술이 박스컬럼(Box column) 제작시 적용되고 있으며, 조선 및 건축구조물의 대형화에 따라 용접생산성 향상 측면에서 대입열 SA 용접기술의 적용필요성이 증대되어, 현재 초대입열 용접기술이 실용화되고 있는 실정이다. 그러나, 용접시 입열량이 증대되면 용융금속이 크게 형성되고, 상온까지의 냉각시간이 크게 지연된다. 따라서 용접후 냉각시 페라이트 변태의 조대영역을 통과함에 따라 용접금속의 조직은 현저히 조대화 된다. 이러한 조대한 조직으로 이루어진 용접금속은 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 충격인성이 현저히 저하한다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 와이어 및 플럭스의 성분을 조정하므로써 용접에 의해 형성되는 용접금속이 우수한 충격인성을 갖도록 하는 입열량 300KJ/cm급의 용접재료를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

제1도는 용접조건을 나타내는 모식도

제2도는 용접금속의 조직사진

본 발명은 중량%로, C:0.03-0.07%, Mn:1.8-2.2%, Si:0.05%이하, P:0.020%이하, S:0.005% 이하 및, B:0.0020-0.0030%를 포함하여 이루어지는 와이어와, Fe:25-35%, Si:6-8%, Al:7-9%, Mn.1.0-2.0%, Mo:0.10-0.18%, Ni:0.02-0.03%, Ti:4-5%, Zr:0.04-0.05%, Ca:3-4%, Mg:8.5-9.5%, Na:1.5-2.0%, K:0.02-0.03% 및 B:0.10-0.20%를 포함하여 이루어지는 플럭스로 구성되는 용접부 인성이 우수한 입열량 300KJ/cm급 용접재료에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 용접재료의 성분을 조정하여 용접후 용접금 속의 성분계가 중량%로, C:0.08-0.11%, Mn:1.35-1.45%, Si:0.30-0.40%, P:0.010-0.020%, S:0.005%이하,Mo:0.10-0.18%, Ti:0.012-0.018% 및 B:0.0020-0.0030%를 함유하여 구성되도록 하기 위한 것이다. 즉, 상기한 바와 같은 와이어와 플럭스로 구성되는 용접재료를 이용하면 인성이 우수한 상기 용접금속의 성분계가 얻어지는 것이다. 이를 각 성분별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 C는 강재의 강도를 향상시키는 필수성분이지만 다량 함유된 경우에는 인성과 용접성을 저하시키므로 용접금속의 C 성분범위는 0.08-0.11%가 바람직하다.

이를 위해 용접재료인 와이어의 C를 0.03-0.07%범위로 한정하였는데 와이어의 저탄소화에 따른 용접금속 용접부 균열이 발생하지 않아 우수한 내균열성을 확보토록 하였다.

또한, 상기 Si는 용접시 중요한 탈산재 임과 고용강화 원소이지만 과도하게 함유되는 경우 용접부의 인성을 열화시키므로 용접금속의 Si 성분범위는 0.30-0.40%가 바람직하다. 이를 위해 와이어에는 Si를 0.05% 이하로 한정하고 플럭스에 6-8%를 조합하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 Mn은 기본적으로 강도를 확보하기 위하여 필요한 원소이지만 다량 함유하면 용접성을 저하시키고 편석부의 인성을 저하시키므로 용접금속의 Mn 성분범위는 1.35-1.45%가 바람직하다.

이를 위해 와이어에 1.8-2.2%Mn과 플럭스에 1.0-2.0%Mn를 조합하였다.

용접금속의 인성은 일반적으로 잘 알려지고 있는 산소함유량에 의해서만 영향을 받는 것이 아니라, Si 및 Mn 함유량에 따라서도 크게 변화하고, 특히 Si, Mn 함유량의 특정 범위내에서 높은 인성치를 확보할 수 있다. 이러한 원인은 Si 및 Mn이 탈산원소로서의 역할뿐만 아니라, 합금원소로서 용접금속의 조직변화에도 큰 역할을 수행하기 때문이다. 저Si-저Mn계에서는 소입성이 부족하여, 조대한 페라이트(ferrite)가 발달하고, 고Si-고Mn계에서는 래스(lath)상 조직이 발달하여, 파괴의 유효 결정립경을 크게 하여 인성을 열화시킨다. 적정 Si-Mn계에서는 비교적 입내페라이트를 미세화하여 인성을 향상시킨다.

또한, 상기 P는 강의 제조상 불가피하게 함유되는 원소로서 편석되기 쉽고 저온변태 조직을 형성하기 쉬우며, 산소와 친화력이 강하여 용접성을 해치기 때문에 와이어에서 그 상한값을 0.020%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

또한, S는 강의 제조상 불가피하게 함유되는 원소로서 비금속 개재물을 증가시켜 인성을 열화시키므로, 와이어 및 용접금속에서의 그 상한값을 0.005% 이하로 엄격히 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 Mo는 용접금속의 인성향상을 위하여 초대입열과 같이 냉각속도가 완만한 경우에 페라이트 변태 냉각속도를 조정하여 조대한 페라이트의 형성을 억제하고 입내에 미세한 페라이트(AF:acicular ferrite)의 생성을 촉진시켜, 균일한 미세조직에 의한 충격시험시 균열을 복잡한 경로로 전파시킴으로써 인성을 확보토록 하기 위해 플럭스에 0.10-0.18%를 조합하는 것이 바람직하다.

용접금속중 Mo 함량이 0.20%이상 함유되면 충격흡수에너지가 저하하는데, 이는 용접금속이 래스상 페라이트로 이루어지고 페라이트와 페라이트 사이에 고경화 조직이 생성되고, 취성균열의 전파경로가 되기 때문이다.

또한, 상기 Ti는 모재 및 용접부의 저온인성 향상에 유효한 원소이나 너무많은 경우에는 효과가 포화되기 때문에 용접금속에서 Ti 성분범위는 0.012-0.018%가 바람직하며, 이를 위해 플럭스에 4-5% Ti를 조합하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 B(보론)은 소입성 지수가 커서 미량첨가(0.003%이하)시 소입성향상으로 강도증가에 유효한 원소로서 용접금속중에서 B성분범위는 0.0020-0.0030%가 바람직한데, 0.0020%이하에서는 강도향상 효과가 불충분하고, 0.0030%이상으로 과잉첨가시는 용접부 취성이 발생하기 때문이다.

또한, 상기 Al은 용접부 탈산을 위해 필수적으로 7-9%를 플럭스에 조합하는 것이 바람직하며, 상기 Ni은 고용강화원소로서, 인성확보를 위해 첨가되며, 다량 함유되면 용접성이 열화되므로 0.02-0.03%를 플럭스에 조합하는 것이 바람직하다.

또한, 플럭스에 0.04-0.05%Zr, 3-4%Ca, 8.5-9.5%Mg, 1.5-2.0%Na, 0.02-0.03%K, 25-35%Fe 등을 조합하여 용접금속의 건전성과 용접작업성을 결정할 수 있도록 성분 범위를 한정하는 것이 바람직하다. 그 이유는, SA 용접시 용융금속에 슬래그(slag)가 형성되는데, 용접금 속의 산소 함유량은 슬래그 조성에 따라서 변화한다. 용융슬래그의 염기도가 높을수록 용접금속의 산소량이 적게되는데, 이것은 염기성을 나타내는 산화물일수록 해리가 어려워 용융지로의 산소용해가 어렵기 때문이다. 따라서 용접금속의 인성향상을 위해서는 SiO₂등의 산성 산화물의 양을 억제하고, 대신 CaO, MgO 등의 염기성 산화물이 많이 첨가된 플럭스의 조합이 바람직하기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예

용접금속 물성 및 기계적 성질을 측정하기 위하여 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 모재를 사용하여, 하기 표 2와 같은 용접조건으로 제1도와 같이 용접하였다.

이때, 시험용 모재는 490㎫급(PILAC-BT33)의 건축구조용강으로서 두께 45mm의 후판소재를 사용하였으며, 시험에 사용한 용접방법은 2전극 서브머지드아크(Submerged Arc) 용접으로 1패스(Pass) 용접법을 적용하였으며, 용접 입열량은 300KJ/cm의 초대입열을 사용하였다.

상기와 같은 용접조건으로, 본 발명에 의해 제조된 용접재료를 사용하여 얻은 용접금속의 화학성분과, 종래재 및 비교재의 용접금속 화학성분을 하기 표 3에 비교하여 나타내었다.

상기표 3에서 종래재(A) 의 용접금속은 0.11C-1.42Mn-0.014Ti-0.0027B계 이고, 종래재(B)의 용접금속은 0.10C-1.38Mn-0.04Mo-0.013Ti-0.0023B계 이고, 발명재(A)(B) 및 비교재(A)(B)의 용접금속은 0.10C-1.41Mn-0.015Ti-0.0024B를 기본 성분계로 하고 Mo함량이 각각 0.10%, 0.17%, 0.21%, 0.30%인 경우이다.

제2도(a)(b)는 본 발명에 의하여 입열량 300KJ/cm로 용접을 실시하여 얻은 발명재, 종래재 및 비교재의 용접금속 조직을 비교하여 나타낸 것이다.

용접금속의 조직은 Mo 함량에 따라 큰 차이를 보이고 있다. 즉 Mo함량이 거의 함유되어 있지 않은 종래재(A)의 경우는 입열량에 따른 냉각속도가 완만하여 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite) 와 퍼얼라이트(pearlite)로 형성되어 있으며, Mo함량이 0.04%인 종래재(B)의 경우는 조대한 입계페라이트(GBF:Grain Boundary Ferrite), 침상의 미세한 페라이트 및 퍼얼라이트로 되어 있다.

한편 Mo이 0.1%정도 첨가된 발명재(A)의 경우는 종래재(B)의 조직구성과 유사한 특성을 보이지만 종래재(B)에 비하여 미세한 AF 조직의 발달이 현저함을 알수 있다. Mo함량이 0.17%인 발명재(B) 및 0.21%인 비교재(A)는 종래재(B)에 비하여 GBF의 비율이 감소하고 미세한 AF 페라이트의 발달이 현저하였다. 한편 Mo이 0.30% 첨가된 비교재(B)의 경우는 GBF가 연속적으로 발달하지 못하고 미세한 조직 구성을 보이고 있으나, 부분적으로 래스상 페라이트 등과 같은 조직이 혼재하는 것으로 보인다. 이와같이 Mo의 함량에 따라 입열량 300KJ/cm의 용접금 속의 조직은 폴리고날 페라이트와 퍼얼라이트의 혼합조직으로 부터 Mo함량이 0.15-0.20% 영역에서는 미세한 AF 와 GBF의 혼합조직으로 형성되며, Mo함량이 0.30%로 현저히 증가하면 미세한 조직으로 형성되고 GBF생성이 억제되지만 부분적으로 래스상 페라이트가 생성되고 있음을 알 수 있다.

상기 용접금속의 기계적 성능을 평가하기 위하여 전 용접금속(all weld metal)에 대한 인장 및 충격시험을 실시하였다. 용접금속의 인장시험은 JISZ 2201에 상당하는 시험편을 제작하여 사용하였다. 용접금속의 충격시험은 노치(notch)위치를 용접 금속의 중앙부로 하였고 시험온도는 0℃로 하였다.

하기 표 4는 입열량 300KJ/cm인 전 용접금속(all weld metal)에 대한 인장시험 및 경도시험 결과를 나타낸 것이다.

상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 종래재(A)(B)의 경우는 인장강도가 52 및 54kgf/㎟ 인데 비하여, Mo함량을 변화시킨 발명재(A)(B) 및 비교재(A)(B)의 경우는 54kgf/㎟ 이상으로 높은 인장강도를 보였다. 이와 같은 인장강도의 증가는 용접금속중의 Mo함량의 증가에 기인하여 탄소당량(Ceq)이 증가하기 때문이다. 한편 발명재(A)의 용접금속의 경도는 172.3Hv을 보이며, 발명재(B)는 180.5Hv보이고 있다. 반면에 비교재B의 경우는 208.2Hv를 보이고 있어 발명재(A)(B)에 비하여 현저히 높은 용접금속의 경도 분포를 나타내고 있다. 이러한 것은 상기 표 4에 나타낸 바와 같이 용접금속의 경도값은 용접금속의 화학조성 즉, 탄소당량과 직접적인 상관성을 갖기 때문이다.

하기 표 5는 입열량 300KJ/cm의 용접금속애 대한 충격시험 결과를 나타낸 것이다. 0℃에서 용접금속의 충격치를 예로 보면, 종래 용접재료를 사용한 종래재(A)(B)의 경우 6, 5.2kgf-m 정도인데 비하여 Mo의 성분을 조정한 발명재의 경우는 8.8kgf-m 이상으로 충격치가 크게 개선되었음을 나타내고 있다. 충격인성개선효과는 -20℃~-60℃에서도 약 2배 이상 향상됨을 보인다.

이와 같이 종래재 용접재료의 경우 초대입열 용접을 행하였을 때 용접금속의 충격인성이 현저히 저하하는 것은 용접금속에 조대한 페라이트가 많이 분포하여, 충격시험시 취성균열은 비교적 취약한 페라이트 결정입계를 따라서 우선적으로 전파하기 때문으로 보인다.

한편 발명재의 Mo첨가에 따른 충격치 개선 효과는 용접금속의 조직의 미세화와 직접적인 상관이 있으며, 또한 용접금속의 미세조직은 용접금속의 화학조성에 따라 직접적으로 영향을 받는 것으로 생각된다. 즉 종래재의 경우 성분계가 1.38Mn-(0.003-0.04)Mo-0.015Ti-25ppm B계로서 용접금속의 조직은 GBF의 성장이 촉진되어 조대화된 반면에, Mo가 0.10-0.30%정도 첨가된 발명재 및 비교재의 경우는 Mo함량에 따라 다소 차이를 보이지만 GBF의 성장이 억제되고 입내에 미세한 AF의 형성으로 전반적으로 종래재에 비하여 용접금속의 조직이 미세화 되었음을 알 수 있다. 따라서 충격시험시 취성균열의 진전은 용접금속중에 분포하는 GBF에 의해 이루어지지만 입내에 다수 분포하는 미세한 AF에 의하여 억제되기 때문에 발명재 및 비교재의 경우 종래재에 비하여 충격인성이 양호한 것으로 판단된다.

그러나, Mo함량이 0.10-0.30% 범위에 포함되는 발명재 및 비교재의 경우 종래재에 비하여 충격인성이 크게 향상되었으나, 비교재(A)(B)의 경우 발명재(A)(B)에 비하여 충격인성이 다소 저하하는 것을 보이고 있으며, 특히 0℃에서 1kgf-m정도로 인성 저하가 발생하고 있다. 이와 같은 원인은 전술한 용접금속의 경도에서 Mo함량 증가에 따른 경화능의 증가가 그 원인으로 생각된다.

상기와 같이, 본 발명에 의하면 용접재료에 의해 300KJ/cm에서 용접금속의 충격인성을 크게 향상시킬 수 있음에 따라, 초 대입열 용접기술의 적용이 활발하여 짐에 따라 용접 생산성 향상은 물론 용접구조물의 안정성에 크게 이바지 할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 용접 와이어 및 플럭스를 포함하여 이루어지고, 용접에 의하여 용접금속을 형성하는 용접재료에 있어서, 상기 용접 와이어는 중량%로, C:0.03-0.07%, Mn:1.8-2.2%, Si:0.05%이하, P:0.020%이하, S:0.005%이하 및 B:0.0020-0.0030%를 포함하여 이루어지고;

   상기 플럭스는 Fe:25-35%, Si:6-8%, Al:7-9%, Mn:1.0-2.0%, Mo:0.10-0.18%, Ni:0.02-0.03%, Ti:4-5%, Zr:0.04-0.05%, Ca:3-4%, Mg:8.5-9.5%, Na:1.5-2.0%, S:0.02-0.03%, 및 B:0.10-0.20%를 포함하여 이루어지고; 그리고

   상기 용접 와이어와 플럭스의 조성은 용접후 용접금속의 성분계가 중량%로, C:0.08-0.11 %, Mn:1.35-1.45%, Si:0.30-0.40%, P:0.010-0.020%, S:0.005%이하, Mo:0.10-0.18%, Ti:0.012-0.018% 및 B:0.0020-0.0030%를 함유하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 용접부 인성이 우수한 입열량 300KJ/cm급 용접재료.