KR100439571B1 - 용접 재료, 가스 금속 아크 용접 방법 및 용접 구조물 - Google Patents

용접 재료, 가스 금속 아크 용접 방법 및 용접 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 Cr 8 내지 13 중량%를 함유하고, 가스 금속 아크(GMA) 용접 방법에 사용할 수 있는 용접 재료, 아크 안정성이 뛰어나고 탁월한 특성을 갖는 용접된 재료를 제공할 수 있는 GMA 용접 방법, 및 용접 구조물을 제공하는 것이며, 이러한 목적을 달성하기 위해 용접 재료는 C 0.01 내지 0.15 중량 %, Si 0.1 내지 0.6 중량 %, Mn 0.1 내지 2.0 중량 %, Cr 8 내지 13 중량 %, Ni 0.1 내지 1.5 중량 %, Mo 0.3 내지 2.0 중량 %, V 0.05 내지 0.5 중량 %, W 0.08 내지 0.5 중량 %, Co 0.5 내지 5.0 중량 %, Ta 0.1 내지 0.5 중량 %, N 0.08 중량 % 이하, 희토류 금속(REM) 0.01 내지 0.1 중량 %, 및 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

용접 재료, 가스 금속 아크 용접 방법 및 용접 구조물{WELD MATERIAL, GAS METAL ARC WELDING METHOD, AND WELDED STRUCTURE}
본 발명은, 용접 재료, 구체적으로는 Cr 8 내지 13 %를 함유하고 고온에서 높은 강도를 가지며 가스 금속 아크 용접에 적절한 강, 가스 금속 아크 용접 방법 및 용접 구조물에 관한 것이다.
본 출원은 일본 특허 출원 제(평)12-29582호를 기초로 한 것이며, 이는 본 명세서에 참고로 포함된다.
최근들어, 발전용 보일러는 그의 효율을 향상시키기 위해 고온 및 고압의 조건하에서 이용되는 경향이 있다. 따라서, 9 Cr 강 및 12 Cr 강과 같이 고온에서 높은 강도를 갖는 고 Cr 강이 발전용 보일러 구성용 재료로서 시험되어 왔다. 고 Cr 강을 발전용 보일러에 이용할 때, 상기 고 Cr 강에 최적인 용접 방법을 선택하는 것이 지극히 중요하다.
피복 금속 아크 용접 방법(shielded metal arc welding method) 및 TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접 방법에 의해 용접될 수 있는 몇 가지의 고 Cr 강이 이용되어 왔다. 예를 들어, 일본 특허공개 공보 제(평)2-280993호에는 C 0.01 내지 0.1 중량 %, Si 0.01 내지 1 중량 %, Mn 0.01 내지 2.0 중량 %, Cr 8 내지 12 중량 %, Ni 1 내지 내지 5 중량 %, Mo 0.1 내지 3.0 중량 %, V 0.1 내지 0.5 중량 %, W 0.1 내지 3중량 %, Nb 0.01 내지 0.2 중량 %, Al 0.04 중량 % 이하, N 0.003 내지 0.08 중량 %, O 0.01 중량 % 이하 및 Ca 0.0005 내지 0.01 중량 %, 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, Cr 당량[Cr 당량=Cr+ 6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+12A-40C-30N- 4Ni-2Mn( %)]이 13 % 이하이고, Qc[Qc=C+Mn/20+Si/30 (%)]가 0.15 % 이하인 용접 재료가 개시되어 있다.
또한, 일본 특허공개 공보 제(평)7-268563호 공보에는, C 0.03 내지 0.12 중량 %, Si 0.01 내지 0.3 중량 %, Mn 0.3 내지 1.5 중량 %, Cr 8 내지 13 중량 %, Ni 1 내지 5 중량 %, Mo 0.3 내지 1.6 중량 %, V 0.03 내지 0.40 중량 %, W 0.5 내지 3.5 중량 %, Nb 0.01 내지 0.15 중량 %, N 0.01 내지 0.08 중량 %, 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, Co 1.0 내지 5.0 중량 %, 및 Cu 0.5 내지 4.0 중량 % 중 하나 이상을 함유하고, 조성물중에서 Mo, W, Co 및 Cu의 함량이 수학식 (Mo+W)/(Co+Cu)≤1.5를 만족하는 용접 재료가 개시되어 있다.
상기의 선행 문헌에 개시되어 있는 고 Cr 강은 전술한 피복 금속 아크 용접 방법, TIG 용접 방법에 의해 용접되고 있다. 그러나, 이들 고 Cr 강이 이러한 용접 방법으로 용접될 때, 용접 효율은 떨어지게 된다.
피복 금속 아크 용접 방법 및 TIG 용접 방법에 비해 높은 용접 효율을 갖는 용접 방법으로서 가스 금속 아크 용접 방법(이하 "GMA 용접 방법"으로 칭함)이 알려져 있다. 가스 금속 아크 용접 방법의 용접 속도는 피복 금속 아크 용접 방법 및 TIG 용접 방법의 용접 속도에 비해 대략 10 배 정도 빠르다. 따라서, 발전용 보일러의 제조 비용을 절감하기 위하여, 고 Cr 강용으로 GMA 용접 방법을 채택하는 것이 바람직하다.
GMA 용접 방법에 있어서, 아크의 주위를 Ar 등의 불활성 가스 또는 이산화탄소로 보호한다. 아크를 안정화시키기 위해, 보호 가스가 특정량의 산소를 필수적으로 함유하여야 한다는 사실이 알려져 있다. 그러나, 고 Cr 강을 용접하고, 보호 가스중의 산소 농도가 높을 때, 용접 재료의 인성은 감소하게 된다. 따라서, 고 Cr 강용으로 GMA 용접 방법이 실제 채택되었다는 사실이 보고된 바 없었다.
진술된 종래 기술의 문제점을 고려하여, 본 발명의 목적은, GMA 용접 방법에 사용할 수 있는, Cr 8 내지 13 중량 %를 함유하는 용접 재료, 아크 안정성이 뛰어나고 탁월한 특성을 갖는 용접된 재료를 제공할 수 있는 GMA 용접 방법, 및 용접 구조물을 제공하는 것이다.
도 1은, 보호 가스중의 산소 농도, 흡수 에너지 및 용접 금속중의 산소 농도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 발명자들은 용접 재료의 성분들에 대해 상세하게 연구한 결과, 용접 재료중에 희토류 금속 원소(이하 "REM"로 칭함) 및 필요한 경우 칼슘 또는 마그네슘을 추가로 가함으로써, 보호 가스중의 산소 농도가 낮은 조건하에서 충분한 아크 안정성을 얻을 수 있음을 밝혀냈다. 더욱이, 본 발명자들은, 용접 재료중에 최적량의 코발트를 가함으로써 용접 재료의 유동성이 향상되었고, 따라서 한쪽 용접 금속의 개방 단부에 형성된 비드가 다른쪽 용접 금속의 개방 단부에까지 매끄럽게 도달하여 긴밀하게 접촉하게 된다는 사실을 밝혀냈다.
본 발명의 용접 재료는 상기의 발견에 근거한 것으로서, C 0.01 내지 0.15 중량 %, Si 0.1 내지 0.6 중량 %, Mn 0.1 내지 2.0 중량 %, Cr 8 내지 13 중량 %, Ni 0.1 내지 1.5 중량 %, Mo 0.3 내지 2.0 중량 %, V 0.05 내지 0.5 중량 %, W 0.08 내지 0.5 중량 %, Co 0.5 내지 5.0 중량 %, Ta 0.1 내지 0.5 중량 %, N 0.08 중량 % 이하, REM 0.01 내지 0.1 중량 %, 및 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 또한, "%"는 "중량 %"를 의미한다.
이하 본 발명 용접 재료의 성분 비율을 한정한 이유에 대하여 설명한다.
[C : 0.01 내지 0.15 중량 %]
C가 Cr, Mo, W 등과 같은 탄화물-형성 원소와 함께 탄화물 또는 탄화 질화물을 형성할 때, 용접 재료의 크리프 강도가 향상될 수 있다. 더욱이, 경화능(hardenability)을 향상시킬 수도 있다. 그러나, C의 % 함량이 0.01 중량 % 미만인 경우, 이러한 효과를 충분히 얻을 수 없다. 반대로, 0.15 중량 %를 초과할 때는, 쉽게 균열이 생성된다. 따라서 본 발명의 용접 재료는 C 0.01 내지 0.15 중량 %, 바람직하게는 0.06 내지 0.12 중량 %를 함유한다.
[Si : 0.1 내지 0.6 중량 %]
Si는 탈산제로서 작용하고, 고온에서 용접 재료의 내산화성을 향상시킨다. Si를 함유하는 용접 재료가 GMA 용접 방법에 의해 용접될 때, 용융된 용접 재료의 유동성이 향상되며, 이에 의한 비드의 형상은 용접에 적절하다. 이는 용접 결함이 발생되는 것을 방지하는데 효과적이다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Si 0.1 중량 % 이상을 함유한다. 그러나, 용접 재료가 과량의 Si를 함유할 때, 용접 금속의 인성이 감소된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Si 0.1 내지 0.6 중량 %를 함유한다.
[Mn : 0.1 내지 2.0 중량 %]
Mn도 Si와 유사하게 탈산제로서 작용한다. 또한, Mn는 용접 재료의 강도를 향상시킨다. 그러나, Si와 유사하게, 용접 재료가 과량의 Mn을 함유할 때, 용접 금속의 인성이 감소된다. 따라서, 용접 재료는 Mn 0.1 내지 2.0 중량 %를 함유한다. 더욱이, 강도를 유지하기 위해, 용접 재료는 바람직하게는 Mn 0.5 중량 % 이상을 함유한다.
[Cr : 8 내지 13 중량 %]
Cr는 용접 금속의 내산화성을 유지하는데 효과적인 원소이다. 고온 및 고압의 조건하에서 용접 재료의 내산화성을 유지하기 위해, 용접 재료는 Cr 8 중량 % 이상을 함유한다. 그러나, 용접 재료가 과량의 Cr을 함유하는 경우, δ- 페라이트가 용접 금속중에 결정화되며, 이에 의해 인성이 저하된다. 따라서, Cr 함량(%)의 상한은 13 중량 %로 한다. 본 발명의 용접 재료는 바람직하게는 Cr 8.5 내지 11 중량 %를 함유한다.
[Ni : 0.1 내지 1.5 중량 %]
Ni는 페라이트의 생성을 방지하고 용접 금속의 인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 목적 중 하나는 장기간 동안 고온에 노출되게 되는 부재를 구성하는 물질에 적합한 용접 재료를 제공하는 것이다. 따라서, Ni는 본 발명의 용접 재료에 특히 중요하다. 용접 재료가 Ni 0.1 중량 % 미만을 함유할 때, 용접 재료는 장기간 동안 고온에 충분하게 견뎌내지 못할 수도 있다. 반대로, 용접 재료가 Ni 1.5 중량 % 이상을 함유하는 경우, Ac1변태점(transformation point)이 낮아지게 됨으로 인해, 용접 후의 열처리에 의해 오스테나이트상(austenite phase)이 생성되고, 고온 크리프 특성이 저하된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Ni 0.1 내지 1.5 중량 %, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 중량 %를 함유한다.
[Mo : 0.3 내지 2.0 중량 %]
Mo가 기재중에서 용액 처리될 때, 용접 재료의 고온 크리프 강도가 향상된다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 용접 재료가 Mo 0.3 중량 % 이상을 함유할 필요가 있다. 그러나, Mo의 % 함량이 과도할 때, δ-페라이트가 생성되며, 이로 인해 인성이 저하된다. 따라서, Mo % 함량의 상한은 2.0 중량 %로 한다. 본 발명의 용접 재료는 바람직하게는 Mo 0.8 내지 1.2 중량 %를 함유한다.
[Cu : 0.5 내지 4.0 중량 %]
Cu는 δ-페라이트의 생성을 방지하고 용접 금속의 인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 더욱이, Cu는 용접 재료의 Cr 당량을 저하시키며, 이로 인해 고온 균열 감수성이 감소된다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, 용접 재료에 대한 Cu의 % 함량은 0.5 중량 % 이상일 것이 필요하다. 그러나, 반대로, Cu의 % 함량이 과도할 때, AC1변태점이 저하되며, 이로 인해 고온 단조가 수행될 수 없다. 이러한 용접 재료는 실제로 사용할 수 없다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Cu 4.0 중량 % 이하, 바람직하게는 1.0 내지 2.0 중량 %를 함유한다.
[V : 0.05 내지 0.5 중량 %]
V는 C 및 N과 함께 탄화 질화물을 형성하며, 이로 인해 용접 재료의 크리프 강도가 향상된다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 용접 재료는 V 0.05 중량 % 이상을 함유할 필요가 있다. 반면, V의 % 함량이 과도할 때, 탄화 질화물이 조대화되고 크리프 강도가 저하된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 V 0.5 중량 % 이하, 바람직하게는 0.1 내지 0.3 중량 %를 함유한다.
[W : 0.08 내지 0.5 중량 %]
Mo와 유사하게, W가 기재중에서 용액처리될 때, 용접 재료의 고온 크리프 강도가 향상된다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 용접 재료는 W 0.08 중량 % 이상을 함유할 필요가 있다. 그러나, W의 % 함량이 과도할 때, δ-페라이트가 생성되며, 이로 인해 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, W % 함량의 상한은 0.5 중량 %로 한다. 본 발명의 용접 재료는 바람직하게는 W 0.1 내지 0.3 중량 %를 함유한다.
[Co : 0.5 내지 5.0 중량 %]
Si와 유사하게, Co는 용융된 용접 금속의 유동성을 향상시키며, 이로 인해 비드의 형상은 용접에 적합하다. 더욱이, Co는 δ-페라이트의 생성을 방지하고, 용접 금속의 인성을 향상시킨다. 또한, Co는 Cr 당량을 저하시키며, 이로 인해 용접하는 동안 고온 균열이 감소된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Co 0.5 중량 % 이상을 함유한다. 그러나, 용접 재료가 Co를 과도하게 함유할 때, AC1변태점이 낮아지며, 이로 인해 고온 단조가 수행될 수 없다. 이러한 용접 재료는 실제로 사용할 수 없다. 또한, 용접 재료의 가격이 상승한다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Co 5.0 중량 % 이하, 바람직하게는 1.5 내지 3.5 중량 %를 함유한다.
[Ta : 0.1 내지 0.5 중량 %]
Ta는 C와 함께 탄화물을 형성하며, 이로 인해 용접 재료의 고온 강도 및 크리프 강도가 향상된다. 이러한 효과를 얻기 위해, 용접 재료는 Ta 0.1 중량 % 이상을 함유해야 한다. 반면, Ta의 % 함량이 과도할 때, 인성이 저하된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Ta 0.5 중량 % 이하, 바람직하게는 0.15 내지 0.3 중량 %를 함유한다.
[N : 0.08 중량 % 이하]
N이 질화물을 형성하거나, 기재중에서 용액 처리될 때, 용접 재료의 고온 강도 및 크리프 강도가 향상된다. 그러나, N의 % 함량이 과도할 때, 과량의 질화물이 형성되며, 이로 인해 인성이 저하되고, 장기간 동안 크리프 강도가 감소된다. 이로 인해 기포(blow hole)가 생성된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 N 0.08 중량 % 이하, 바람직하게는 0.01 내지 0.04 중량 %를 함유한다.
[REM : 0.01 내지 0.1 중량 %]
무산소 또는 낮은 농도의 산소를 함유하는 불활성 가스중에서 아크를 안정화시키기 위해 REM이 함유된다. 달리 말하면, 아크를 안정시키기 위해서는, 음극점(cathode spot)인 아크점(arc spot)을 안정화시키거나, 소적을 안정하게 이동시킬 필요가 있다.
REM의 산화물은 다른 산화물보다 작은 일 함수 및 형성 자유 에너지를 가지며, 이로 인해 REM이 쉽게 산화물로 변환된다. 용접하는 동안, 용접 재료에 함유된 최소량의 산소가 REM과 반응하고, REM 산화물이 쉽게 형성된다. REM 산화물은 음극점으로서 작용한다. 따라서, 용접 재료가 REM을 함유할 때, 소적은 안정하게 이동할 수 있다.
상기의 관점을 고려하여, 본 발명의 용접 재료는 0.01 중량 % 이상의 REM을 함유한다. 그러나, REM의 % 함량이 과도할 때, 고온 균열 감수성이 증가한다. 더욱이, 과량의 REM 산화물이 용융된 금속의 표면에서 형성될 때, 비드의 형상은 용접에 부적합하며, 이로 인해 인성이 감소된다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 REM 0.1 중량 % 이하, 바람직하게는 0.03 내지 0.08 중량 %를 함유한다.
본 발명의 용접 재료는 임의 종류의 REM을 함유할 수 있다. 본 명세서에서는, REM은 Y 및 1 종 이상의 란타노이드 원소를 의미한다. 용접 재료의 비용을 고려하여, 순수 REM 보다는 메쉬(mesh) 금속을 함유하는 것이 바람직하다.
[Ca 또는 Mg : 0.0005 내지 0.02 중량 %]
REM과 유사하게, 무산소 또는 낮은 농도의 산소를 함유하는 불활성 가스중에서 아크를 안정화시키기 위해, Ca가 용접 재료중에 선택적으로 함유된다. 산화 칼슘의 일 함수는 지극히 낮다. 따라서, 아크를 안정화시키기 위해, 본 발명의 용접 재료는 Ca 0.005 중량 % 이상을 함유한다. 그러나, Ca의 % 함량이 과도할 때, Ca를 포함하는 산화 피막이 비드의 표면에 쉽게 생성되며, 이로 인해 비드의 형상은 용접에 부적합하다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Ca 0.02 중량 % 이하를 함유한다.
REM 및 Ca와 유사하게, 무산소 또는 낮은 농도의 산소를 함유하는 불활성 가스중에서 아크를 안정화시키기 위해, Mg가 용접 재료에 선택적으로 함유된다. 더욱이, Mg는 Si를 고정시키고, 고온 작업을 향상시킨다. 따라서, Mg는 용접 재료에 유용하다. 그러나, 용접 재료가 과량의 Mg를 함유할 때, 산화 피막이 비드의 표면에 쉽게 형성되고, 비드의 형상은 용접에 부적합하다. 따라서, 본 발명의 용접 재료는 Mg 0.02 중량 % 이하를 함유한다.
더욱이, 본 발명에 따른 용접 재료의 Cr 당량[Cr eq.=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11 V-40C-30N-2Co-Cu-4Ni-2Mn (%)]은 바람직하게는 10 % 이하이다. 예를 들어, 발전용 보일러에 사용되는 두꺼운 부재의 좁은 개방 단부를 용접할 때, 반응 응력이 크다. 따라서, 두꺼운 부재를 종래의 용접 재료로 제조하였을 때, 용접하는 동안에 때때로 고온 균열이 발생한다. 그러나, Cr 당량을 본 발명에 따른 용접 재료의 10 % 이하로 할 때, δ-페라이트 잔사의 생성이 방지되며, 이로 인해 용접 금속의 인성이 향상된다. 본 발명에 따른 용접 재료의 Cr 당량을 5 % 이하로 함으로써, 우수한 용접 물질에 필요한 특성을 얻을 수 있다.
본 발명의 용접 재료는 불순물로서 P 및 S를 함유한다. 그러나, P 및 S의 % 함량은 바람직하게는 각각 0.005 중량 % 이하 및 0.003 중량 % 이하이다. 더욱이, 본 발명의 용접 재료는 불순물로서 O를 함유한다. O는 용접 재료의 인성에 악영향을 미치기 때문에, O의 % 함량은 바람직하게는 0.01 중량 % 이하이다.
하기에, 본 발명의 용접 재료를 이용한 GMA 용접 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 용접 재료로 제조된 용접 와이어를 이용한다. 일반적으로, 불활성 가스 Ar을 보호 가스로 사용한다. 그러나, 아크의 안정성을 향상시키기 위해, Ar 및 He를 함유하는 혼합 가스를 보호 가스로 사용하는 것이 바람직하다. 보호 가스는 He 20 내지 50 부피%를 함유하는 것이 바람직하다.
종래의 GMA 용접 방법에 있어서, 아크의 안정성을 얻기 위해서 보호 가스중에 미량의 산소를 함유시켰다. 그러나, 보호 가스가 산소를 함유할 때, 용접 금속중의 산소량이 증대되며, 이로 인해 인성이 저하된다. 도 1은 보호 가스중의 산소농도, 흡수 에너지 및 용접 금속중의 산소 농도간의 관계를 표시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보호 가스중의 산소 농도가 증가할 때, 용접 금속중의 산소 농도가 증가하는 경향에 있다. 그러나, 흡수 에너지는 보호 가스중의 산소 농도가 0.25 % 이상일 때 고정된다. 따라서, 용접 금속의 인성을 고려하여, 보호 가스중의 산소 농도는 0.25 % 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 본 발명자 등의 검토에 의하면, 보호 가스중의 산소 농도가 0 %일 때의 아크 안정성은 0.25 %일 때의 아크 안정성과 동일하다는 사실이 밝혀졌다. 따라서, 보호 가스중의 산소 농도는 0 %인 것이 보다 바람직하다.
용접 후, 응력을 제거하기 위해 어닐링이 수행된다. 어닐링은 750 내지 780 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 어닐링이 750 ℃ 이상에서 수행될 때, 용접 금속의 인성이 향상될 수 있다. 그러나, 어닐링은 과도하게 높은 온도에서 수행되면, 고온 강도가 저하된다. 따라서, 어닐링은 750 내지 780 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 어닐링 기간은 어닐링 온도에 따라 다르게 고정될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 어닐링 기간은 1 내지 5 시간으로 충분하다.
이어서, 본 발명의 실시 양태에 대해 설명한다.
우선, 하기의 표 1에 나타낸 성분들을 포함하는 용접용 와이어를 제조하였다.
용접 와이어는 용접 재료를 진공 용융로에서 용융시키고, 단조하고, 압연하고, 연신하여 제조하였다. 수득한 와이어를 GMA 용접 방법으로 용접하였다. 용접 조건은 하기와 같다:
용접 전류 : 220 내지 260 (A)
용접 전압 : 27 내지 30 (V)
보호 가스 : Ar 65 부피% 및 He 35 부피 %를 함유하는 혼합 가스.
용접하는 동안, 아크 거동, 비드 형상(비드 표면의 외관), 균열의 생성, 및 와이어의 개방 단부 조건을 와이어의 표면 및 절단면을 시각 관찰하여 평가하였다.
아크를 개방 단부에 조사하여 1 번 와이어를 그루브 용접하는 동안, 1 번 와이어의 개방 단부 사이에서의 비드 사행(meandering) 관찰하였다. 따라서, 아크가 개방 단부 전체에 도달되지 않으며, 이로 인해 투과도가 불완전하다. 2 번 와이어의 개방 단부 사이에서는 비드 사행이 관찰되지 않았다. 그러나, 개방 단부의 상부 표면에서 아크 거동이 갑자기 불안정하게 되었다. 그 결과 비드가 때때로 사행하게 되었다. 개방 단부를 그루브 용접하는 동안, 비드의 제1 층 및 제2 층의 중심 영역에서, 고온으로 인해 생성된 것으로 추측되는 균열이 관찰되었다. 3 번 와이어의 그루브 용접은 전체 층에서 실질적으로 안정하게 수행될 수 있다. 그러나, 제2 층에서 고온 크랙이 때때로 생성되었다. 전체 층에서 4 번 와이어를 안정하게 용접하였다. 더욱이, 개방 단부에서의 비드 형상 및 투과도가 우수하였다. 이러한 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
와이어번호 와이어직경(mm) 비드형상 개방 단부에서 투과 균열 비고
1 1.2 × × - 용접된 비드가 사행하여, 투과가 불완전해짐
2 1.6 △ ○ △ 개방 단부에서 아크가 불안정함
3 1.2 ○ ○ ○
4 1.2 ◎ ○ ◎ 용접 금속의 유동성이 탁월하여, 개방 단부에서 비드 형상 및 투과 조건이 우수함
◎ 매우 탁월, ○ 평균, △ 약간 열악, × 열악
4 번 와이어를 이용하고 보호 가스중의 산소 농도를 각각 0 %, 0.25 %, 0.5 %, 1.0 % 및 2.0 %로 변화시킴으로써, 보호 가스중의 산소 농도, 용접 금속중의 산소 농도 및 흡수 에너지 사이의 관계를 시험하였다. 이들 결과를 도 1에 나타내었다. 또한, 용접 조건은 상기에 언급한 바와 같다.
상기에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시한 것 처럼 용접 금속중의 산소 농도는 보호 가스중의 산소 농도에 비례하게 증가한다. 특히, 보호 가스중의 산소 농도가 0 %일 때 용접 금속중의 산소 농도는 15 ppm이었다. 그러나, 보호 가스중의 산소 농도가 0.25 %일 때 용접 금속중의 산소 농도는 156 ppm으로 증가된다.
더욱이, 보호 가스중의 산소 농도가 0 %이고, 용접 금속중의 산소 농도가 15 ppm일 때, 흡수 에너지는 4.5 kgf·m 이상이다. 즉, 상기 조건에서 인성이 탁월하다. 그러나, 보호 가스중의 산소 농도가 0.25 % 이상이고, 용접 금속중의 산소 농도가 약 156 ppm일 때, 흡수 에너지는 갑자기 0.8 % 이하로 감소한다. 즉, 인성이 갑자기 감소한다.
용접 동안 아크 안정성을 관찰하였을 때, 보호 가스중의 산소 농도가 0 %일때의 아크 안정성은 실질적으로 보호 가스중의 산소 농도가 0.25 %일 때의 아크 안정성과 동일하다는 사실을 확인하였다. 따라서, 인성을 고려하면, 보호 가스중의 산소 농도는 0 %으로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
이어서, 4 번 와이어를 보호 가스중의 산소 농도가 0 %인 조건하에서 용접하고, 표 3에 나타낸 조건하에서 어닐링하여 응력을 제거함으로써, 4 번 와이어의 흡수 에너지 및 경도를 측정하였다. 결과를 표 3에 나타내었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 어닐링 온도 상승되고 어닐링 시간이 길어질 때, 흡수 에너지가 증가한다. 즉, 인성이 증가한다. 더욱이, 표 3에 나타낸 흡수 에너지는 4 번 와이어 3 개의 평균 값이고, 경도는 5 개의 평균 값이다.
어닐링 조건 흡수 에너지(kgf·m) 경도(HV)
740 ℃, 2 시간 2.85 284
760 ℃, 2 시간 5.63 -
760 ℃, 4 시간 10.43 244
흡수 에너지 및 용접 기재 재료의 경도에 대한 어닐링 조건의 영향을 시험하였다. 결과를 표 4에 나타내었다.
어닐링 조건 흡수 에너지(kgf·m) 경도(HV)
740 ℃, 2 시간 6.05 275
760 ℃, 4 시간 6.57 249
어닐링 조건이 변화할 때, 용접 기재 재료의 흡수 에너지는 용접 금속의 흡수 에너지 만큼 변화하지 않았다. 어닐링 온도가 760 ℃이고, 어닐링 기간이 4 시간인 조건에서, 용접 금속의 흡수 에너지는 용접 기재 재료의 흡수 에너지보다 컸다.
어닐링 온도가 760 ℃이고 어닐링 기간이 4 시간인 조건에서의 용접 기재 재료의 경도는, 어닐링 온도가 740 ℃이고 어닐링 기간이 2 시간인 조건에서의 용접 기재 재료의 경도보다 작았다. 이러한 조건에서 용접 기재 재료의 경도 차이는 이러한 조건에서 용접 기재의 경도 차이의 대략 반이었다. 달리 말하면, 용접 기재 재료의 경도 차이는 26 HV였고, 반대로, 용접 금속 재료의 경도 차이는 40 HV였다. 용접 기재 재료를 770 ℃에서 단조하고, 어닐링하기 전에 용접하였기 때문에, 용접 기재 재료의 금속조직 구조는 충분히 안정하였다. 반대로, 용접 금속은 단지 어닐링하기전에 용접되었다. 이러한 열 처리의 차이가 경도의 차이를 가져왔다고 생각할 수 있다.
응력을 제거하기 위해, 760 ℃에서 2 시간 동안 어닐링한 용접 금속의 인장 강도를 600 ℃ 및 650 ℃에서 측정하였다. 결과를 하기의 표 5에 나타내었다.
600 ℃에서 인장 강도(kgf·mm2) 650 ℃에서 인장 강도(kgf·mm2)
760 ℃, 2 시간 43.5 33.8
용접 금속의 인장 강도는 용접 기재 재료의 인장 강도와 상응하였다. 용접 금속이 탁월한 인장 강도를 갖는다는 사실이 확인되었다.
이어서, 표 6에 나타낸 조성을 갖는 와이어를 제조하고, 상기에 언급한 조건에서 용접하였다.
이어서, 제조된 와이어를 이용하여 표 7에 나타낸 시험을 수행하였다.
5 번 와이어는 REM인 Ce를 소량 함유하여, 아크 안정성이 열악하다. 게다가, 비드 형상도 약간 열악하다. 반대로, 6 번 와이어는 다량의 Ce를 함유하여, 흡수 에너지, 즉 인성이 작다. 소량의 Co를 함유하는 10 번 와이어의 비드 표면은 불규칙하다. 반면, 다량의 Co를 함유하는 11 번 와이어의 흡수 에너지는 작다. 소량의 Ta를 함유하는 15 번 와이어는 650 ℃에서 작은 인장 강도를 갖는다. 다량의 Ta를 함유하는 16 번 와이어는 650 ℃에서 작은 인장 강도 및 흡수 에너지를 갖는다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 용접 재료를 사용함으로써, 고 Cr 강의 가스 금속 아크 용접이 가능해지기 때문에, 저비용으로 고 Cr 강의 용접이 가능해진다.

Claims (10)

  1. C 0.01 내지 0.15 중량 %, Si 0.1 내지 0.6 중량 %, Mn 0.1 내지 2.0 중량 %, Cr 8 내지 13 중량 %, Ni 0.1 내지 1.5 중량 %, Mo 0.3 내지 2.0 중량 %, V 0.05 내지 0.5 중량 %, W 0.08 내지 0.5 중량 %, Co 0.5 내지 5.0 중량 %, Ta 0.1 내지 0.5 중량 %, N 0.08 중량 % 이하, 희토류 금속(REM) 0.01 내지 0.1 중량 %, 및 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는, 가스 금속 아크(gas metal arc: GMA) 용접에 사용하기 위한 용접 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Cu 0.5 내지 4.0 중량 %를 추가로 함유하는, 가스 금속 아크 용접에 사용하기 위한 용접 재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    Ca 또는 Mg 0.0005 내지 0.02 중량 %를 추가로 함유하는, 가스 금속 아크 용접에 사용하기 위한 용접 재료.
  4. 제 1 항에 있어서,
    Cr 당량[Cr eq.=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V-40C-30N-2Co-Cu-4Ni-2Mn (%)]이 10 % 이하인, 가스 금속 아크 용접에 사용하기 위한 용접 재료.
  5. C 0.06 내지 0.12 중량 %, Cr 8.5 내지 11 중량 %, Ni 0.3 내지 0.7 중량 %, Mo 0.8 내지 1.2 중량 %, V 0.15 내지 0.3 중량 %, W 0.1 내지 0.3 중량 %, Co 1.5 내지 3.5 중량 %, Ta 0.1 내지 0.5 중량 %, N 0.001 내지 0.04 중량 % 및 REM 0.03 내지 0.08 중량 %, 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는, 가스 금속 아크 용접에 사용하기 위한 용접 재료.
  6. Ar, He, 및 보호 가스의 총 부피에 대해 0.25 % 이하의 산소를 함유하는 보호 가스를 이용하여, C 0.01 내지 0.15 중량 %, Si 0.1 내지 0.6 중량 %, Mn 0.1 내지 2.0 중량 %, Cr 8 내지 13 중량 %, Ni 0.1 내지 1.5 중량 %, Mo 0.3 내지 2.0 중량 %, V 0.05 내지 0.5 중량 %, W 0.08 내지 0.5 중량 %, Co 0.5 내지 5.0 중량 %, Ta 0.1 내지 0.5 중량 %, N 0.08 중량 % 이하, REM 0.01 내지 0.1 중량 %, 및 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용접 재료에 의해 용접하는 단계를 포함하는, 8 내지 13%의 크롬 함량을 갖는 강의 가스 금속 아크 용접 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보호 가스가 He 20 내지 50 부피 %를 함유하는, 8 내지 13%의 크롬 함량을 갖는 강의 가스 금속 아크 용접 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 용접 재료에 의해 용접된 후에 700 내지 800 ℃ 범위의 온도로 어닐링하여 응력을 제거하는, 8 내지 13%의 크롬 함량을 갖는 강의 가스 금속 아크 용접 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 용접 재료가 Cu 0.5 내지 4.0 중량%를 추가로 함유하는, 8 내지 13%의 크롬 함량을 갖는 강의 가스 금속 아크 용접 방법.
  10. Ar, He, 및 보호 가스의 총 부피에 대해 0.25 % 이하의 산소를 함유하는 보호 가스를 이용하여, C 0.01 내지 0.15 중량 %, Si 0.1 내지 0.6 중량 %, Mn 0.1 내지 2.0 중량 %, Cr 8 내지 13 중량 %, Ni 0.1 내지 1.5 중량 %, Mo 0.3 내지 2.0 중량 %, V 0.05 내지 0.5 중량 %, W 0.08 내지 0.5 중량 %, Co 0.5 내지 5.0 중량 %, Ta 0.1 내지 0.5 중량 %, N 0.08 중량 % 이하, REM 0.01 내지 0.1 중량 %, 및 잔여량으로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용접 재료로 용접하여 수득한, 8 내지 13%의 크롬 함량을 갖는 강의 용접 구조물.
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