KR100502572B1

KR100502572B1 - 가스 보호형 내열강용 플럭스 충전 복합와이어

Info

Publication number: KR100502572B1
Application number: KR10-2000-0043615A
Authority: KR
Inventors: 김주석
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2005-07-22
Also published as: CN1191912C; KR20020009936A; CN1336264A

Abstract

가스보호형 내열강용 플럭스 충전 복합와이어가 제공된다.

본 발명은, 강재외피내 플럭스가 충전된 플럭스 충전와이어에 있어서, 상기 강재외피내, 상기 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.15%, Mn :0.5~1.5%, Si: 0.3~1.0%, Cr: 1.0~5.0%, Mo: 0.4~1.5%, Ti: 0.01~0.1%, Fe: 10~20% 및 N: 0.004~0.02%로 이루어진 금속분말, K₂O, Na₂O, Li₂CO₃ 및 TiO₂중 선택된 2종이상의 아크 안정제의 합: 0.05~0.2%, F: 0.05~0.30%, 잔여 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 플럭스가 충전되어 있고, 상기 충전된 플럭스의 전체중량에 대하여 상기 금속분말 함량의 합이 95~98%로 제어되어 있음을 특징으로 하는 내열강 용접을 위한 가스 보호형 플럭스 충전 복합 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 와이어는 용접시 균열발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용접작업성 향상을 꾀할 수 있으며, 아울러 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있다.

Description

가스 보호형 내열강용 플럭스 충전 복합와이어{Composite Wire for gas shield arc welding for heat resistant steel}

본 발명은 내열강용 강재의 용접을 위한 가스 보호형 내열강용 플럭스 충전 복합 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 용접작업성이 우수하고 다층용접이 가능한 내열강 강재 용접을 위한 가스 보호형 플럭스 충전 복합 와이어에 관한 것이다.

종래의 루타일계 플럭스 충전 와이어는 Cr, Mo, Al, C, Si, S, P, B, Nb등의 금속에 의한 경화와 슬라그 형성제에 의해 용접시 다량의 균열이 발생하였다. 상세하게 설명하면, 종래의 루타일계 플럭스 충전 와이어는 슬라그 형성을 위하여 다량의 슬라그 형성제를 첨가하였으나, 이 슬라그 형성제중 일부가 용접금속으로 이행되어 용접시 균열을 발생시킨 것이다.

따라서, 이를 해소하기 위하여 예열이나 용접입열을 줄여 시공하는 방법을 채용하고 있으나 근본적인 문제의 치유책은 되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 종래의 루타일계 플럭스 충전 와이어는 고온에서만 사용하기 때문에 저온 충격인성을 요구하지 않았으나, 현재의 구조물의 거대화 및 고온, 고압 분위기등에 따라 용접에 의해 얻어지는 용접금속이 중요한 문제로 대두되고 있어 그 사용에 많은 제한이 있었다.

따라서, 상술한 루타일계 플럭스 충전 와이어의 단점인 저온 충격인성특성을 개선하고 용접효율 및 생산성 극대화를 꾀할 수 있는 플럭스 충전 복합 와이어의 개발이 요구되고 있다.

이에, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 마련된 것으로, 용접시 균열발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용접작업성 및 생산성이 우수하고, 아울러 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있는 내열강 강재 용접을 위한 가스 보호형 플럭스 충전 복합 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강재외피내 플럭스가 충전된 플럭스 충전와이어에 있어서, 상기 강재외피내, 상기 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.15%, Mn :0.5~1.5%, Si: 0.3~1.0%, Cr: 1.0~5.0%, Mo: 0.4~1.5%, Ti: 0.01~0.1%, Fe: 10~20% 및 N: 0.004~0.02%로 이루어진 금속분말, K₂O, Na₂O, Li₂CO₃ 및 TiO₂중 선택된 2종이상의 아크 안정제의 합: 0.05~0.2%, F: 0.05~0.30%, 잔여 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 플럭스가 충전되어 있으며, 상기 충전된 플럭스의 전체중량에 대하여 상기 금속분말의 함량의 합이 95~98%로 제어되어 있음을 특징으로 하는 내열강 용접을 위한 가스 보호형 플럭스 충전 복합 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

먼저 본 발명은 내열강용 플럭스 충전 복합와이어에 있어서, 용접시 발생하는 균열발생을 억제하고 건전한 용접금속을 확보하기 위하여 금속 외피내 충전되는 플럭스의 성분중 금속분말을 최적으로 제어함을 특징으로 하는데, 이에 의해 용접금속의 확산성 수소가스량 증가가 방지될 수 있다.

또한, 본 발명은 -20℃에서 40J이상 충격인성을 확보하기 위하여 질화물 형성을 위한 질소의 함유량을 제어함을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 와이어를 구성하는 플럭스의 구성성분인 금속분말을 먼저 설명한다.

C는 용접 후열처리시에 탄화물을 형성하여 강도 및 연성을 부여하는 성분원소이다. 그러나 그 함유량이 0.01%미만이면 인장강도가 떨어지고 고온에서 기계적 성질을 유지하기 어렵고 충격인성이 급감하며, 0.15%를 초과하면 인장강도가 급격히 증가하고 균열이 발생할 수 있으며 연신율도 감소하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 C의 함유량을 0.01~0.15%로 제한함이 바람직하다.

Mn은 본 발명에서 그 함유량을 0.5~1.5%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함량이 0.5%미만에서는 탈산부족으로 충격인성이 저하될 뿐만 아니라 원하는 수준의 강도확보가 곤란하며, 1.5%를 초과하면 열처리에 의한 균열이 발생할 우려가 있기 때문이다.

Si는 본 발명에서 그 함유량을 0.3~1.0%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함량이 0.3%미만이면 탈산 부족으로 결함이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 강도가 낮아지며, 특히 고온강도를 확보하기 곤란하다. 또한, 그 함량이 1.0%를 초과하면 템퍼(Temper)취성을 일으킬 수 있으며, 충격인성이 저하되고 용접시 균열이 발생할 수 있기 때문이다.

Cr은 고온에서 안정성이 우수하고 크리프(creep)강도를 증가시키며, 열처리시에는 C와 결합하여 탄화물을 형성하여 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 내산화성 향상에 유효한 원소로서, 그 함유량을 1.0~5.0%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 함유량이 1.0%미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 5.0%를 초과하면 용접균열이 발생할 수 있기 때문이다.

Mo은 상술한 Cr과 유사한 특성을 가지고 있으며, 고온 안정성이 우수하고 특히, 소량으로 고온 크리프강도 향상에 효과적이며 인강강도를 향상시킴에도 유효한 원소이다. 또한, 열처리시 C와 결합하여 탄화물을 형성하여 강도를 향상시키는 원소로서, 본 발명에서는 그 함유량을 0.4~1.5%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 함유량이 0.4%미만이면 그 함유에 따른 효과를 얻을 수 없으며, 1.5%를 초과하면 균열발생 및 충격인성의 저하를 초래하기 때문이다.

Ti는 탈산제로 사용되며, 충격인성 및 강도를 향상시킴에 유용한 원소이다. 그러나 그 첨가량이 0.01%미만에서는 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.1%를 초과하면 용접 아크가 불안해지고 스파터 발생량이 증가할 뿐만 아니라 슬라그량도 급격히 증가한다. 이런 연유로, 본 발명에서는 Ti의 함유량을 0.01~0.1%로 제한함이 바람직하다.

Fe는 용착효율의 증가와 아크의 안정화를 꾀할 수 있는 성분으로, 본 발명에서는 그 함유량을 10~20%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 함유량이 10%미만이면 용착효율이 감소될 뿐만 아니라 슬라그의 증가와 박리성이 열악해져 비드 외관을 해치며, 20%를 초과하면 Fe외의 금속분말과 아크 안정제가 상대적으로 적게 함유되어 아크 불안정으로 용접작업성이 열악해지며 용접금속의 결함발생의 위험이 높아질 뿐만 아니라 인장강도의 급격한 감소를 초래할 수 있기 때문이다.

한편, 상기와 같은 조성계에 의해 용접금속의 산소함유량을 1000ppm이하로 제어함으로써 내열강 용접재료의 충격인성을 향상시킬 수 있지만, -20℃에서의 저온인성을 확보함에는 많은 한계가 있다.

따라서, 본 발명에서는 -20℃에서 40J이상의 충격인성을 확보하기 위하여 질소의 함유량을 최적으로 제어함으로써 질화물을 형성시켜 후열처리시 용접금속의 충격인성을 향상시킴에 그 특징이 있다.

상세하게 설명하면, 질소는 열처리시 템퍼취성을 일으킬 수 있기 때문에 그 양의 적절한 제어가 긴요하다. 즉, 적정량의 질소는 용접후 열처리에 의해 Cr, Ti등과 결합하여 질화물을 형성하여 조직을 미세화시키고 충격인성을 향상시키는 역할을 한다.

본 발명에서는 질소(N)의 함유량을 0.004~0.02%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면 그 함량이 0.004%미만에서는 적정량의 질화물을 형성하지 못하여 우수한 충격인성을 담보할 수 없으며, 0.02%를 초과하면 용접금속의 균열을 유발할 수 있으며, 아울러 질소에 의한 기공 결함이 형성될 수 있으며 인장강도가 급격히 증가하고 연신율이 급감하는 결과를 초래할 수 있기 때문이다.

본 발명에서는 또한, 상기와 같이 조성된 금속분말의 총함량이 플럭스의 전체중량에 대하여 95~98%로 제어됨을 요하는데, 이는 95%미만에서는 슬라그 형성이 과도하여 비드 외관이 조악해 지고, 98%를 초과하면 스파터 발생이 과도해 지고 비드 외관이 거칠어질 뿐만 아니라 결함발생의 위험성이 높기 때문이다.

본 발명의 와이어를 구성하는 플럭스는 또한, K₂O, Na₂O, Li₂CO₃, TiO₂와 같은 아크 안정제를 포함한다. 바람직하게는, K₂O, Na₂O, Li₂CO₃, TiO₂로 이루어진 아크 안정제 그룹중 선택된 2종이상의 성분의 합을 0.05~0.2%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 합이 0.05%미만에서는 아크 안정성이 떨어지고 스파터 발생량이 과도하게 많아지며, 0.2%를 초과하면 슬라그 발생량이 과도하게 많아지게 되고 그 박리가 불량해질 뿐만 아니라 비드 외관이 조악해지기 때문이다.

본 발명은 또한 F를 포함한다.

플루오르(F)는 대기로부터 유입되는 질소 및 산소로부터 용접금속을 보호하는 역할을 하며 용접금속의 내결함성을 향상시킨다. 그러나 그 함량이 0.05%미만에서는 상술한 함유효과를 얻을 수 없으며, 0.30%를 초과하면 아크가 불안정해지고 슬라그 발생량이 과도하게 많아져 그 박리가 불량해지고 비드 외관도 조악해지기 때문이다 .

한편, 상기와 같이 마련된 조성을 포함하는 본 발명의 플럭스는 와이어 전체중량에 대하여 15~25%가 바람직한데, 이는 그 량이 15%미만이면 본 발명이 목적하는 바를 달성할 수 없으며, 25%를 초과하면 슬라그를 과다하게 형성하여 용접비드가 조악해지기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 플럭스 조성을 가진 플럭스를 각각 마련하였으며, 이러한 플럭스들을 하기 표 2와 같은 조성의 강외피에 충전시켜 직경 1.2mm의 내열강 용접용 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였다.

상기와 같이 마련된 플럭스 충전 와이어를 이용하여 도 1과 같은 형상의 약 150℃정도로 예열된 용접모재(ASTM A387 Gr.11)에 용접을 행하였으며, 이때 구체적인 용접조건은 하기 표 3과 같다. 그런 연후, 얻어진 용접금속을 160℃/hr의 속도로 가열하여 620℃에서 약 60분간 유지한후, 약 60℃/hr의 냉각속도로 300℃까지 냉각하였으며, 이후 공냉을 실시하였다.

이러한 용접결과 얻어진 용접금속의 기계적 성질을 평가하기 위하여 용접금속 시편을 각각 채취하고, 채취된 시편들에 대하여 인장시험 및 샤르피 충격시험을 행하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

또한, 그 용접시 아크성, 비드 외관, 스파터성 및 슬라그 박리성과 같은 용접작업성을 육안으로 비교 측정하였으며, 그 결과를 양호(◎), 우수(○), 보통(△) 및 불량(x)으로 나누어 평가하여 하기 표 4에 나타내었다.

그리고, 상술한 인장시험결과 얻어지는 파단면을 관찰하여 결함발생정도를 측정하였으며 그 결과치를 또한, 양호(◎), 우수(○), 보통(△) 및 불량(x)으로 나누어 평가하여 하기 표 4에 나타내었다.

구 분		플럭스의 조성(중량%)											M*(%)
		금속분말 성분								아크안정제	F	잔여분
		C	Si	Mn	Cr	Mo	Ti	N	Fe	아크안정제	F	잔여분
발명예	1	0.05	0.5	1.2	1.1	0.54	0.02	0.006	13.05	0.08	0.22	0.234	96.7
	2	0.04	0.6	1.4	1.2	0.40	0.03	0.004	12.73	0.10	0.09	0.406	96.3
	3	0.10	0.6	0.7	1.4	0.40	0.08	0.010	13.12	0.15	0.15	0.290	96.1
	4	0.14	0.8	1.1	1.3	0.51	0.01	0.020	12.58	0.05	0.10	0.390	96.8
	5	0.02	1.0	1.3	1.1	0.52	0.05	0.015	12.58	0.08	0.05	0.285	97.3
	6	0.01	0.8	0.5	1.0	0.53	0.04	0.008	13.36	0.20	0.28	0.272	95.3
	7	0.015	0.9	1.3	1.4	0.58	0.01	0.009	12.24	0.18	0.07	0.296	96.7
	8	0.08	0.4	0.8	1.5	0.45	0.05	0.018	12.93	0.07	0.30	0.402	95.2
비교예	1	0.11	0.3	1.5	1.3	0.44	0.10	0.015	12.97	0.08	0.01	0.175	97.9
	2	0.15	0.9	0.6	1.2	0.45	0.09	0.014	12.90	0.15	0.41	0.136	95.4
	3	0.07	1.0	1.2	1.0	0.45	0.04	0.005	12.86	0.03	0.10	0.245	97.6
	4	0.05	0.8	1.1	1.4	0.46	0.02	0.010	12.51	0.24	0.15	0.260	96.1
	5	0.04	0.7	0.8	1.2	0.48	0.06	0.001	13.30	0.09	0.07	0.259	97.2
	6	0.08	0.8	0.6	1.1	0.46	0.05	0.025	13.14	0.12	0.08	0.545	95.3
	7	0.03	0.3	0.7	1.3	0.45	0.03	0.015	12.58	0.17	0.27	1.155	90.4
	8	0.13	0.4	1.5	1.4	0.46	0.09	0.014	12.87	0.06	0.06	0.016	98.7

* 상기 표에서 아크 안정제는 K₂O,Na₂O,Li₂CO₃,TiO₂ 그룹중 선택된 2종이상의 합이며, M*는 플럭스의 전체 중량에 대한 금속분말의 중량(%)이다.

C	Si	Mn	P	S
0.01-0.08	0.01-0.05	0.1-1.0	0.02이하	0.02이하

용접전류/전압	사용가스	가스 유량	용접 속도
270~290Amp/28~31Volt	Ar(80%) + CO₂(20%)	20~25 ℓ/min	25~40cm/min

구 분		용접 작업성				내결함성	기계적 성질
구 분		아크성	비드외관	스파터성	슬라그박리성	내결함성	인장강도(N/mm²)	충격강도(-20℃,J)
발명예	1	○	◎	○	○	○	598	55
	2	◎	○	○	○	○	610	44
	3	◎	○	○	○	◎	659	64
	4	○	○	◎	◎	◎	632	41
	5	○	○	○	◎	○	645	58
	6	○	○	○	○	◎	591	60
	7	◎	◎	○	○	○	608	63
	8	◎	◎	○	○	◎	587	48
비교예	1	○	○	○	○	X	592	58
	2	X	△	X	X	◎	604	60
	3	X	○	X	○	○	612	50
	4	◎	△	○	X	○	603	64
	5	◎	○	○	◎	○	584	34
	6	◎	○	○	◎	X	652	30
	7	○	X	○	△	○	646	58
	8	△	X	X	○	X	630	60

상기 표 1 및 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 플럭스의 조성 및 플럭스중 금속분말 함량의 총합이 최적으로 제어된 본 발명예(1~8)의 경우 우수한 기계적 성질을 갖는 용접금속을 얻을 수 있었으며, 아울러 용접 작업성 및 내결함성 또한 우수하였다.

이에 반하여, F의 함유량이 본 발명의 범위밖인 비교예(1~2)는 내결함성 내지 용접 작업성이 좋지 않았으며, 아크 안정제의 함유량이 본 발명 범위밖인 비교예(3~4)의 경우에는 용접 작업성이 좋지 않았다.

또한, 질소의 함유량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예(5~6)은 모두 충격강도가 40J이하로 좋지 않았으며, 플럭스중 함유된 금속분말의 총합이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예(7~8)은 용접 작업성이 불량함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 그 조성 및 금속분말 함량이 최적으로 제어된 플럭스가 충전된 내열강용 플럭스 충전 복합와이어를 제시함으로써 용접시 균열발생 및 용접결함을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용접 작업성 향상을 도모할 수 있고, 아울러 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 효과적으로 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 용접모재 형상을 나타내는 개략도

Claims

강재외피내 플럭스가 충전된 플럭스 충전와이어에 있어서,

상기 강재외피내, 상기 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.15%, Mn :0.5~1.5%, Si: 0.3~1.0%, Cr: 1.0~5.0%, Mo: 0.4~1.5%, Ti: 0.01~0.1%, Fe: 10~20% 및 N: 0.004~0.02%로 이루어진 금속분말, K₂O, Na₂O, Li₂CO₃ 및 TiO₂중 선택된 2종이상의 아크 안정제의 합: 0.05~0.2%, F: 0.05~0.30%, 잔여 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 플럭스가 충전되어 있으며, 상기 충전된 플럭스의 전체중량에 대하여 상기 금속분말 함량의 합이 95~98%로 제어되어 있음을 특징으로 하는 내열강 용접을 위한 가스 보호형 플럭스 충전 복합 와이어