KR100508399B1 - 대입열 서브머지 아크용접 이음매, 그 이음매의 제조방법및 그것에 사용하는 용접용 강와이어 및 용접용 플럭스 - Google Patents

대입열 서브머지 아크용접 이음매, 그 이음매의 제조방법및 그것에 사용하는 용접용 강와이어 및 용접용 플럭스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 인성을 갖는 용접금속이 얻어지는 대입열 서브머지 아크용접 이음매, 그 이음매의 제조방법 및 그것에 사용하는 용접용 와이어 및 용접용 플럭스를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
구체적으로는, 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매 및 그 제조방법에서, 상기 용접 이음매의 용접금속성분이 질량% 로, C : 0.03 ∼ 0.15 %, Si : 0.10 ∼ 1.00 %, Mn : 0.70 ∼ 2.50 %, Ti : 0.003 ∼ 0.030 %, N : 0.0050 % 이하이며, 또한 상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하인 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매 및 그 제조방법이다. 나아가 상기 용접금속이 질량% 로, Mo : 0.10 ∼ 0.50 %, Nb : 0.010 ∼ 0.200 %, Ni : 0.05 ∼ 1.0 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, 또한 0.6 ≤B/N ≤1.2 및 상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10.0 면적% 이하를 만족하는 것이 바람직하다.

Description

대입열 서브머지 아크용접 이음매, 그 이음매의 제조방법 및 그것에 사용하는 용접용 강와이어 및 용접용 플럭스 {LARGE HEAT INPUT SUBMERGED ARC WELDING JOINT, METHOD FOR PRODUCING THE JOINT, STEEL WIRE FOR THE SUBMERGED ARC WELDING JOINT, AND FLUX FOR THE SUBMERGED ARC WELDING JOINT}
본 발명은 대입열 (大入熱) 서브머지 아크용접에 관하여, 특히 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 적합한 용접 이음매, 그 이음매의 제조방법 및 그것에 사용하는 용접용 강와이어 및 용접용 플럭스에 관한 것이다.
용접시공에서는 종래부터 용접능률의 향상이 크게 요망되고 있다. 용접능률을 높이기 위해서는, 용접 입열을 높이는 것이 일반적이지만, 통상, 용접 입열을 높이면 용접금속의 인성이 저하된다. 이것은 용접 입열의 증가에 따라 용접부의 냉각속도가 저하되어 용접금속의 조직이 조대화되기 쉬운 것에 그 원인이 있다.
서브머지 아크용접법은 용접개선내에 산포된 플럭스중에서 아크를 발생시켜 연속용접을 실행하는 방법이며, 대전류라도 안정적인 아크를 형성할 수 있고, 깊은 용입과 큰 용착량이 얻어지는 고 능률의 용접방법으로서, 조선, 교량, 압력용기, 산업기계 등의 후강판을 접합하는 분야에서 넓게 이용되고 있다. 그러나, 서브머지 아크용접법은 대전류로 용접을 실행하기 때문에, 용접 입열이 커져 용접금속의 인성이 저하되기 쉽다는 경향을 갖고 있었다.
이와 같은 문제에 대하여, 예컨대 일본 공개특허공보 평7-328793 호에는, 서브머지 아크용접에서 플럭스에 붕소 (B) 산화물을 첨가하고, 플럭스를 통하여 용접금속에 B 를 함유시켜 용접금속의 인성을 개선하는 기술이 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 평7-328793 호에 기재된 기술은 서브머지 아크용접용 플럭스를, B2O3 : 0.7 ∼ 2.0 질량% 를 함유하는 조성으로 하고, 와이어의 Si 함유량을 낮추어 플럭스와 와이어중의 Mn 함유량을 최적화함으로써, 용접금속의 인성을 향상시키는 용접방법이다.
그러나, 일본 공개특허공보 평7-328793 호에 기재된 기술에 의해서도, 대입열 서브머지 아크용접으로 얻어지는 용접금속의 인성은, 사용하는 강재 및/또는 용접와이어에 의해 현저하게 열화되는 경우가 있어 안정적으로 고 인성의 대입열 용접금속을 얻을 수 없다는 문제가 명확해졌다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고, 특히 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접으로 강재를 용접한 경우에도, 우수한 인성을 갖는 용접금속이 얻어지는 대입열 서브머지 아크용접 이음매, 그 이음매의 제조방법 및 그것에 사용하는 용접용 와이어 및 용접용 플럭스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매 및 그 이음매의 제조방법에서, 상기 용접 이음매의 용접금속성분이 질량% 로, C : 0.03 ∼ 0.15 %, Si : 0.10 ∼ 1.00 %, Mn : 0.70 ∼ 2.50 %, Ti : 0.003 ∼ 0.030 %, N : 0.0050 % 이하를 함유하며, 또한 상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하인 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매 및 그 제조방법이다.
추가로 본 발명은 상기 용접금속이 질량% 로, Mo : 0.10 ∼ 0.50 %, Nb : 0.010 ∼ 0.20 %, Ni : 0.05 ∼ 1.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, 또한 0.60 ≤B/N ≤1.20 이고, 상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10.0 면적% 이하를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이하인 저입열 서브머지 아크용접에 사용할 수 있는 것은, 원래부터 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 사용하는 용접용 와이어에 있어서, 질량% 로, C : 0.03 ∼ 0.10 %, N : 0.0035 % 이하, Si : 0.40 % 이하, Mn : 1.00 ∼ 2.50 % 를 함유하고, 또한 Ti 를 0.030 % 이상으로, 추가로 Ti/N : 15 ∼ 50 을 만족하도록 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 와이어조성을 갖는 것을 특징으로 하는 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어이다.
또한, 본 발명은 상기 와이어 조성에 더하여 질량% 로, Mo : 0.10 ∼ 0.60 %, Nb : 0.010 ∼ 0.100 %, B : 0.0005 ∼ 0.0100 %, Ni : 0.20 ∼ 2.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법에서, Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하인 모재 조성을 갖는 강재를 질량% 로, C : 0.03 ∼ 0.10 %, N : 0.0035 % 이하, Si : 0.40 % 이하, Mn : 1.00 ∼ 2.50 % 를 함유하고, 추가로 Ti 를 0.030 % 이상으로, 또한 Ti/N : 15 ∼ 50 을 만족하도록 함유하거나, 추가로 Mo : 0.10 ∼ 0.60 %, Nb : 0.010 ∼ 0.100 %, B : 0.0005 ∼ 0.0100 %, Ni : 0.20 ∼ 2.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어로 용접하는 것을 특징으로 하는 우수한 용접금속부 인성을 갖는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법이다.
또, 본 발명에서는 상기 대입열 서브머지 아크용접에서 사용하는 상기 용접 와이어에 더하여, 플럭스가 붕소산화물을 함유하고, 또는 추가로 철분 이외의 합금분을 8 질량% 이하 함유하거나, 추가로 질량% 로, N : 0.0030 % 이하를 포함하는 철분을 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 % 함유하는 플럭스로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이하인 저입열 서브머지 아크용접에 사용할 수 있는 것은, 원래부터 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 사용하는 용접용 플럭스에 있어서, 통상 공지의 용접 와이어를 사용하는 경우, N 함유량이 0.0030 질량% 이하인 아토마이즈 철분을, 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 질량% 함유하고, 추가로 B 화합물을, B 환산으로 플럭스 전량에 대하여 0.03 ∼ 0.30 질량% 함유하고, 또는 추가로 (A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.2 ∼ 2.0 질량%, (B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중의 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.02 ∼ 0.15 질량% 중에서 선택된 1 군 또는 2 군 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 에 기재된 서브머지 아크용접용 플럭스이다.
또, 본 발명은 추가로 플럭스 전량에 대하여 질량% 로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2O3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접용 플럭스이다.
또한, 본 발명은 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법에서, Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하인 모재 조성을 갖는 강재를 N 함유량이 0.0030 질량% 이하인 아토마이즈 철분을 플럭스 전량에 대하여 질량% 로 20 ∼ 45 % 포함하는 플럭스 조성의 플럭스로 용접하는 것을 특징으로 하는 우수한 용접금속부 인성을 갖는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법이다.
또, 본 발명은 상기 플럭스 조성이 추가로 B 화합물을 플럭스 전량에 대하여 B 환산으로 0.03 ∼ 0.30 질량% 를 함유하고, 추가로 (A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.2 ∼ 2.0 질량%, (B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.02 ∼ 0.15 질량% 중에서 선택된 1 군 또는 2 군 이상을 함유하고, 또는 추가로 플럭스 전량에 대하여 질량% 로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2O3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법이다.
본 발명자들은 상기한 과제를 달성하기 위해, 피용접재인 490 ∼ 520 MPa 급 강재를 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접으로 접합하고, 얻어진 용접금속의 인성에 영향을 주는 각종 요인에 대하여 예의연구하였다. 그 결과, 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 얻어진 용접금속의 인성은, 질소에 대하여 매우 민감하고 질소량의 약간의 변화에 의해 인성이 현저하게 열화되는 경우가 있는 것을 발견하였다.
특히, 피용접재가 Ti 및 Nb 함유량이 적은 강재인 경우에는, 약간의 질소량의 증가에 의해 용접금속의 조직이 조대화하여 현저하게 열화된다. 이것은 Ti 함유량이 적은 강재인 경우에는, 용접금속에 Ti 가 충분히 공급되지 않아 고용(固溶) N 량의 조정이 어렵기 때문인 것으로 생각된다.
본 발명자들은 상기한 지견에 기초하여 더욱 검토를 진행한 결과, 피용접재가 Ti 및 Nb 함유량이 적은 강재의 경우에도, 안정적으로 고 인성의 대입열 서브머지 아크용접금속을 얻기 위해서는, 용접용 강와이어의 N 함유량을 적정하게 조정함과 동시에, 와이어중에 Ti 를, 와이어중의 N 함유량에 맞춘 적정량 함유시킴에 따 라서 대입열용접해도 미세한 용접금속조직을 얻을 수 있는 것에 이르렀다.
또, 발명자들은 대입열 서브머지 아크용접금속에 가일층의 고 인성을 안정적으로 부여하기 위한 연구, 검토를 행하였다. 처음에 용접금속중의 입계 페라이트 생성량과 샤르피 흡수에너지, 인성값 (vEO) 의 관계에 대하여 Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하인 판두께 40 ㎜ 의 강재를 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접한 용접금속에서 조사하였다. 그 조사결과를 도 4 에 나타낸다. 도 4 를 보면, 용접금속중의 입계 페라이트 생성량을 15 면적% 이하, 바람직하게는 10 면적% 이하로 함으로써 고 인성을 안정적으로 부여할 수 있다는 새로운 지견이 얻어졌다.
또한, 용접금속중의 B/N 의 질량% 비와 입계 페라이트 생성량의 관계에 대하여 조사하였다. 그 결과를 도 5 에 나타낸다. 도 5 에서 알 수 있듯이, 와이어중에 Mo, Nb 등을 함유시킴으로써 용접금속에 적정량의 Mo, Nb 등을 첨가하고, B/N 의 질량% 비를 적정량으로 조정함으로써, 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하, 바람직하게는 10.0 면적% 이하로 제어가 가능하다는 것이 명확해졌다.
또, 용접금속중의 고용 질소량의 조정은, 용접와이어로서 Ti 또는 Nb 를 함유하는 와이어를 사용함으로써, 어느 정도는 개선이 가능하지만, 용접와이어로서 Ti 또는 Nb 를 함유하지 않는 와이어를 사용하는 경우에는 그 조정이 곤란하며, 용접금속의 인성이 현저하게 열화되고 있었다. Ti 를 함유하지 않는 와이어를 사용한 경우에는, 용접금속의 인성의 열화는 특히 현저해진다.
일반적으로 범용성이 높은, 490 ∼ 520 MPa 급 강재로는, Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하인 Ti, Nb 함유가 적은 강재가 대표적이며, 안정적으로 높은 인성의 용접금속을 얻는 것이 어려운 경우가 많고, 이러한 종류의 강재의 용접시에, 안정적으로 인성이 우수한 용접금속을 얻는 것이 열망되고 있다.
본 발명자들은 상기한 지견에 기초하여 더욱 검토를 진행한 결과, 피용접재가 Ti 및 Nb 함유량이 적은 강재인 경우에, Ti 를 특별히 함유하지 않는 용접용 와이어를 사용하여 대입열 서브머지 아크용접을 실행하여도, 용접용 플럭스에 첨가되는 철분으로서 N 함유량이 0.0030 질량% 이하인 아토마이즈 철분을 사용함으로써, 안정적으로 고 인성의 용접금속을 얻을 수 있는 것에 상도하였다. 또 대입열 서브머지 아크용접금속에 가일층의 고 인성을 안정적으로 부여하기 위해서는, 플럭스중에 Mo, Nb 등을 함유시키는 것이 바람직하고, 용접금속에 적정량의 Mo, Nb 등을 첨가하여 B/N 의 질량% 비를 적정값으로 조정함으로써, 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하, 바람직하게는 10.0 면적% 이하로 제어가 가능하다는 것이 명확해졌다. 이 경우, 소량의 Ti 를 플럭스로부터 용접금속에 첨가하면 효과가 커진다.
이상 설명한, 대입열 서브머지 아크용접하여 얻어진 용접금속의 성분조성은 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이하, 조성에서의 질량% 는 간단히 % 로 표시한다.
C : 0.03 ∼ 0.15 %
용접금속중의 C 량이 0.03 % 미만이면 용접금속의 인성은 개선하기 어렵고, 0.15 % 초과하면 용접균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서 용접금속중 C 량은 0.03 ∼ 0.15 % 로 한다.
Si : 0.10 ∼ 1.00 %
용접금속중의 Si 량이 0.10 % 미만이면 용접금속의 산소량이 높아지고, 양호한 용접금속 인성이 얻어지기 어려워진다. 또 용접금속중 Si 량이 1.00 % 를 초과하면 용접금속중에 섬형상 마르텐사이트가 생성하게 되며, 용접금속의 인성이 열화되게 된다. 따라서 용접금속중의 Si 량은 0.10 ∼ 1.00 % 로 한다.
Mn : 0.70 ∼ 2.50 %
용접금속중의 Mn 량이 0.70 % 미만이면 용접금속에서의 펄라이트 변태가 억제되어 용접금속의 인성이 열화된다. 한편 용접금속중의 Mn 량이 2.50 % 를 초과하면 용접금속중에 섬형상 마르텐사이트가 생성하게 되어 용접금속의 인성이 열화되게 된다. 따라서 용접금속중의 Mn 량은 0.70 ∼ 2.50 % 로 한다.
Ti : 0.003 ∼ 0.030 %
Ti 는 용접금속중에 산화물로서 존재하고, 페라이트의 생성핵으로서 기능하며, 페라이트의 미세화에 필수적이다. 그러나, 이 Ti 함유량이 0.003 % 미만에서는 그 효과는 불충분하다. 또 용접금속중의 Ti 량이 0.030 % 를 초과하면 용접금속의 강도가 너무 높아져서 용접금속의 경도상승에 의한 저온균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서 용접금속중의 Ti 량은 0.003 ∼ 0.030 % 로 한다.
N : 0.0050 % 이하
N 은 용접금속의 인성을 열화시키는 원소이며, 본 발명에서는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 용접금속중 N 량이 0.0050 % 를 초과하여 함유하면 인성이 열화되기 때문에 0.0050 % 이하로 한정하였다. 또한 N 함유량은 0.0020 % 이하로 저감하는 것도 가능하지만, 용접재료비용이 증가하여 용접 이음매의 제작비가 고가로 되기 때문에 N 은 0.0020 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Mo : 0.10 ∼ 0.50 %, Nb : 0.010 ∼ 0.200 %, Ni : 0.05 ∼ 1.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상
Mo, Nb, Ni 는 모두, 용접금속의 인성을 현저하게 향상시키는 작용을 갖고 있으며, 본 발명에서는 필요에 따라 선택하여 함유할 수 있다. Mo, Nb 는 오스테나이트 입계로 석출하는 조대한 입계 페라이트의 생성을 억제하여 용접금속의 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과는 Mo : 0.10 % 이상, Nb : 0.010 % 이상의 함유로 현저해진다. 한편, Mo : 0.50 %, Nb : 0.200 % 를 각각 초과하는 함유는, 용접금속의 조직이 상부 베이나이트가 되기 쉬워 인성이 열화된다. 이와 같은 점에서 각각 Mo : 0.10 ∼ 0.50 %, Nb : 0.010 ∼ 0.200 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또, Ni 는 페라이트상의 인성을 향상시켜 용접금속의 인성을 향상시킨다. 이 효과는 0.05 % 이상의 함유로 현저해진다. 한편, 1.00 % 를 초과하면 저온에서 균열의 발생이 일어나기 쉬어진다. 따라서 Ni 는 0.05 ∼ 1.00 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
용접금속중의 입계 페라이트 생성량 : 15.0 면적% 이하
대입열 서브머지 아크용접금속에 가일층의 고 인성을 안정적으로 부여하기 위해서는, 단순한 용접금속조성의 조정뿐만 아니고 용접금속중의 입계 페라이트 생성량을 15.0 면적% 이하로 할 필요가 있다. 추가로 고 인성을 안정적으로 얻기 위해서는 용접금속중의 입계 페라이트 생성량을 10.0 % 면적 이하로 할 필요가 있다. 또한 용접금속의 입계 페라이트 생성량은 용접금속을 관찰하여 측정하였다. 관찰에는 광학현미경, 전자현미경 등을 사용하고, 관찰배율은 10 ∼ 500 배에서 실행하였다. 관찰면을 경면연마후, 부식액으로 에칭하고, 화상해석처리장치를 사용하여 관찰상을 화상처리하고, 용접금속중의 입계 페라이트 생성량을 구하였다. 용접금속중 입계 페라이트 생성량의 측정은 특별히 제한할 필요는 없고 통상의 측정방법이면 적용할 수 있다.
0.60 ≤B/N ≤1.20
용접금속중의 입계 페라이트 생성량을 10.0 면적% 이하로 하기 위해서는, 단순한 용접금속의 고용 N 량의 조정뿐만 아니고 용접금속에 적정량의 Mo, Nb 등을 적정량 첨가함과 동시에 용접금속중의 B/N 의 질량% 비를 조정할 필요가 있다. B 는 오스테나이트 입계로 석출하는 조대한 입계 페라이트의 생성을 억제하여 용접금속의 인성을 향상시키는 원소이다. B/N 의 질량% 비가 0.60 미만이면 그 효과가 불충분하여 가일층의 고 인성을 안정적으로 얻을 수 없다. 또 B/N 의 질량% 비가 1.20 을 초과하면 인성이 열화된다. 따라서 용접금속중의 B/N 의 질량 % 비가 0.60 이상, 1.20 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 용접금속을 얻는 제 1 방법으로서 용접와이어의 조성을 한정하는 방법이 있다. 이 경우의 용접용 플럭스는 특별히 한정할 필요는 없고, 통상의 공지의 소성형 플럭스이면 모두 사용할 수 있다.
우선, 본 발명의 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어의 와이어조성 한정이유에 대하여 설명한다. 이하, 조성에서의 질량% 는 간단히 % 로 표시한다.
C : 0.03 ∼ 0.10 %
C 는 용접금속의 강도를 증가시키는 원소이며, 본 발명에서는 원하는 용접금속강도를 확보하기 위해 와이어중에 0.03% 이상 함유한다. 와이어중의 C 함유량이 0.03 % 미만이면 소정의 용접금속강도를 얻는 것이 어려워지고 게다가 용접시 아크분위기중의 CO 분압이 낮아져 대기중으로부터 N 을 빨려들게 하여 용접금속의 N 함유량이 증가될 우려가 있다. 한편 0.10 % 를 초과하여 함유하면, 용접금속중의 C 함유량이 증가하여 용접금속의 인성이 열화됨과 동시에 고온균열이 발생하기 쉬어진다. 따라서 C 는 0.03 ∼ 0.10 % 로 한정하였다. 또한 바람직하게는 0.04 ∼ 0.08 % 이다.
N : 0.0035 % 이하
N 은 용접금속의 인성을 열화시키는 원소이며, 본 발명에서는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 와이어중에 0.0035 % 를 초과하여 함유하면, 용접금속중의 N 함유량이 너무 높아져서 인성이 열화된다. 따라서 N 은 0.0035 % 이하로 한정하였다. 또한, N 함유량을 0.0010 % 이하로 저감하는 것도 가능하지만, 정련비용이 증가하여 경제적으로 고가로 되기 때문에, N 은 0.0010 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Si : 0.40 % 이하
Si 는 탈산제로서 작용하여 용접금속중의 산소저감에 유효한 원소이지만, 0.40 % 를 초과하여 다량으로 함유하면, 용접금속의 시멘타이트성분을 억제하여 섬형상 마르텐사이트를 생성시킴과 동시에, 페라이트의 조대화를 촉진하여 용접금속의 인성을 열화시킨다. 따라서 Si 는 0.40 % 이하로 한정하였다. 또한 강재의 Si 또는 플럭스중의 SiO2 로부터의 기여도 있어 와이어중의 Si 는 0.30 % 이하로 하는 것이 바람직하다.
Mn : 1.00 ∼ 2.50 %
Mn 은 탈산제로서 작용하여 용접금속중의 산소저감에 유효한 원소이다. 또 Mn 은 경화성을 향상하여 조직을 미세화함과 동시에, 고용강화에 의해 용접금속의 강도를 증가시키는 작용을 갖는다. 이와 같은 효과를 얻기 위해, 본 발명에서는 1.00 % 이상의 Mn 함유를 필요로 한다. 1.00 % 미만의 함유에서는 원하는 용접금속강도를 얻는 것이 어렵고 게다가 용접금속조직에 조대한 조직이 발생하기 쉬워 용접금속의 인성이 열화된다. 한편, 2.50 % 를 초과하여 함유하여도 조직미세화 효과가 포화하고, 오히려 C 의 확산을 저해하여 섬형상의 마르텐사이트를 생성시킴과 동시에, 고용강화에 의해 용접금속을 현저하게 경화시켜 용접금속의 인성을 열화시킨다. 따라서 Mn 은 1.00 ∼ 2.50 % 로 한정하였다. 또한 바람직하게는 1.40 ∼ 2.10 % 이다.
Ti : 0.030 % 이상, Ti/N 의 질량% 비 : 15 ∼ 50
Ti 는 용접금속의 조직을 미세화하기 위해, 본 발명에서는 와이어중에 첨가시킨다. 특히, 피용접재인 강재중의 Ti 함유량이 적은 경우에 유효하다. 이와 같은 용접금속조직의 미세화를 위해서는 0.030 % 이상의 함유를 필요로 한다. 0.030 % 미만이면, 특별히 피용접재인 강재중의 Ti 함유량이 적은 경우에는 용접금속조직의 미세화가 불충분해진다. 용접금속으로의 Ti 첨가를 플럭스에서 실행하면, 비드외관열화 또는 슬래그 박리불량 등의 문제가 있어 용접금속으로의 Ti 첨가는 본 발명에서는 주로 와이어에서 실행한다.
또, Ti 는 N 을 고정하여 고용 N 량을 조정하여 인성을 향상시키기 위해, 본 발명에서는, Ti 함유량은 0.030 % 이상이고 또한 와이어중의 N 함유량에 따라 Ti/N 의 질량% 비가 15 ∼ 50 이 되도록 조정한다. Ti/N 의 질량% 비가 15 미만이면 용접금속의 인성개선효과가 적다. 한편 Ti/N 의 질량% 비가 50 을 초과하여 과잉으로 Ti 를 함유하면, 용접금속의 인성이 열화된다. 따라서 Ti 는 0.030 % 이상이고, 또 Ti/N 의 질량% 비 : 15 ∼ 50 의 범위가 되도록 한정하였다. 또한 Ti 는 인성의 관점에서 0.200 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.150 % 이하이다.
Mo : 0.10 ∼ 0.60 %, Nb : 0.010 ∼ 0.100 %, B : 0.0005 ∼ 0.0100 %, Ni : 0.20 ∼ 2.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상
Mo, Nb, B, Ni 는 모두, 용접금속의 인성을 현저하게 향상시키는 작용을 갖고 있으며, 본 발명에서는 필요에 따라 선택하여 함유할 수 있다. Mo, Nb, B 는 오스테나이트 입계로 석출하는 조대한 입계 페라이트의 생성을 억제하여 용접금속의 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과는 Mo : 0.10 % 이상, Nb : 0.010 % 이상, B : 0.0005 % 이상의 함유로 현저해진다. 한편 Mo : 0.60 %, Nb : 0.100 %, B : 0.0100 % 를 각각 초과하여 함유하면, 용접금속의 조직이 상부 베이나이트가 되기 쉬워 인성이 열화된다. 이와 같은 점에서 각각 Mo : 0.10 ∼ 0.60 %, Nb : 0.010 ∼ 0.100 %, B : 0.0005 ∼ 0.0100 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또, Ni 는 페라이트상의 인성을 향상시켜 용접금속의 인성을 향상시킨다. 그 효과는 0.20 % 이상에서 함유할 때 현저해진다. 한편 2.00 % 를 초과하면 저온균열의 발생이 일어나기 쉬워진다. 따라서 Ni 는 0.20 ∼ 2.00 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기한 성분 이외의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로는 O : 0.0050 % 이하, P : 0.020 % 이하, S : 0.010 % 이하를 허용할 수 있다.
또한, 본 발명의 강와이어는 송급성 향상, 녹방지성의 관점에서 와이어 표면에 Cu 도금을 실시하는 것이 바람직하다. 또 본 발명의 강와이어는 입열이 150 kJ/㎝ 미만인 저입열 서브머지 아크용접에 적용하여도 아무런 문제는 없고, 우수한 인성을 갖는 용접금속이 안정적으로 얻어지는 것은 말할 것도 없다.
또, 상기 본 발명의 용접와이어를 사용하는 경우에 사용하는 플럭스는 특별히 한정할 필요는 없고, 통상 공지의 소성형 플럭스이면 모두 사용할 수 있지만, 바람직하게는 0.1 ∼ 1.0 질량% 의 붕소산화물을 포함하는 소성형 플럭스가 적합하며, 이로써 용접금속에 B 를 공급하여 조직의 조대화를 억제하여 인성의 열화를 방지한다. 또한 붕소산화물 이외의 플럭스 성분은 특별히 한정되지 않지만, 질량% 로, SiO2 : 15 ∼ 28 %, MgO : 15 ∼ 38 %, 철분 :15 ∼ 35 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, Al2O3 : 5 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 또한 철분 이외의 금속분은 8 질량% 를 초과하여도 우수한 인성의 용접금속은 얻어지지만, 용접재료비용이 증가하고 용접 이음매의 제작비가 고가로 되기 때문에, 철분 이외의 금속분 : 8 % 이하를 함유하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서는, 플럭스는 이것에 한정되는 것은 아니고, JIS Z 3352 로 규정되는 플럭스중, 작업성이 좋은 플럭스라면 철분을 함유하지 않는 것이라도 좋은 것은 말할 것도 없다. 또한 플럭스중에 철분을 첨가하는 경우에는 N : 0.0030 질량% 이하인 철분을 사용하는 것이 바람직하다. N : 0.0030 질량% 이하인 철분은 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 질량% 함유하는 것이 바람직하다.
철분중의 N 함유량이 0.0030 질량% 를 초과하면, 얻어지는 용접금속의 N 함유량이 증가하여 고 인성을 안정적으로 확보하는 것이 어려워지는 경향을 나타낸다. 또한 철분중의 N 함유량은 0.0025 질량% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
플럭스중의 철분은 용접시에 용융지 (metal pool) 로 이행하여 용착속도를 증가하여 용접능률의 향상과 용접 입열의 저감에 기여한다. 플럭스중의 N : 0.0030 질량% 이하인 철분의 함유량이 20 질량% 미만이면 상기한 효과가 적고, 한편 45 질량% 를 초과하여 함유하면, 아크가 불안정해져서 비드외관이 열화되는 경향을 나타낸다. 이와 같은 점에서 N : 0.0030 질량% 이하인 철분의 함유량은 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 질량% 로 하는 것이 바람직하다.
또, 상기 본 발명의 용접금속을 얻는 제 2 방법으로서 용접플럭스의 조성을 한정하는 방법이 있다. 이 경우의 용접용 와이어는 특별히 한정할 필요는 없고, 통상의 공지의 서브머지 아크용접용 강와이어이면 모두 사용할 수 있다.
본 발명의 서브머지 아크용접용 플럭스는 소성형 플럭스이며, 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 적합하다. 우선, 본 발명의 서브머지 아크용접용 플럭스의 조성한정이유에 대하여 설명한다. 이하 특별히 문제가 없는 경우에는 플럭스 전량에 대한 질량% 로 한다. 이하 질량% 는 단지 % 로 표시한다.
철분 : 20 ∼ 45 %
서브머지 아크용접용 플럭스는 주로 산화물, 불화물로 구성되어 있지만, 대입열이고 또한 고 능률의 용접에 사용하는 플럭스에는 금속분, 주로 철분이 함유되 있다. 플럭스중의 철분은 용접시에 용융지로 이행하고 용착속도를 증가시켜 용접능률의 향상에 기여한다.
본 발명의 서브머지 아크용접용 플럭스는 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 % 의 철분을 함유한다. 플럭스중의 철분의 함유량이 20 % 미만이면 상기한 효과가 적고, 한편 45 % 를 초과하여 함유하면, 아크가 불안정하게 되어 비드외관이 열화되는 경향을 나타낸다. 이와 같은 점에서 철분의 함유량은 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 % 로 한다.
또, 본 발명에서는 철분으로서 N 함유량이 0.0030 % 이하인 아토마이즈 철분을 사용한다. 플럭스중의 철분에 포함되는 N 은 용접금속중의 N 을 증가시켜 용접금속의 인성을 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 플럭스중의 철분의 N 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 철분중의 N 함유량이 0.0030 % 를 초과하면, 얻어지는 용접금속의 N 함유량이 증가하여 고 인성을 안정적으로 확보하는 것이 어려워지는 경향을 나타내고, 따라서 본 발명에서는 플럭스중의 철분의 N 함유량을 0.0030 % 이하로 한정하였다. 또한 철분중의 N 함유량은 0.0025 % 이하로 하는 것이 바람직하고, 경제적인 관점에서 0.0010 % 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
N 함유량을 저감한 철분으로서는, 아토마이즈법에 의하여 용탕으로 제조된 아토마이즈 철분을 사용하는 것이 경제적으로 유리하다. 또 아토마이즈 철분을 플럭스원료로 사용함으로써 플럭스 조립(造粒)시의 결합제량을 적게 할 수 있다는 이점도 있다.
아토마이즈 철분은 용탕을 분무 (아토마이즈) 하여 분화(粉化)한 뒤, 일반적으로는 탈수-건조-해쇄(解碎)-분급(分級)-마무리환원-해쇄-분급하는 공정에 의해 제품이 된다. 통상의 아토마이즈 철분의 N 함유량은 0.0050 % 정도이며, 0.0030 % 이하인 저 N 아토마이즈 철분으로 하기 위해서는, 용탕의 N 양을 저감하는 것은 물론이지만, 마무리환원공정에서의 환원온도, 냉각속도 등을 적당히 조정할 필요가 있다.
B 화합물 : B 환산으로 0.03 ∼ 0.30 %
B 는 용접시에 용접금속중으로 이행하여 용접금속중에서 오스테나이트 입계에 생성하는 조대한 페라이트의 생성을 억제하고 용접금속의 인성을 향상시키는 효과를 갖으며, B 는 이와 같은 효과를 저렴하게 달성할 수 있다. 이와 같은 효과는 B 화합물을 B 환산으로 플럭스 전량에 대하여 0.03 % 이상 함유함으로써 현저해진다. 한편, B 화합물을 B 환산으로 플럭스 전량에 대하여 0.30 % 를 초과하여 함유하면, 용접금속인성이 열화되는 경향이 있다.
(A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상 : Mo 환산으로 합계 0.2 ∼ 2.0 %,
(B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상 : Nb 환산으로 합계 0.02 ∼ 0.15 % 중 1 군 또는 2 군
(A) 군은 Mo 를, 또 (B) 군은 Nb 를, 용접금속중에 함유시키기 위한 공급원이다. Mo, Nb 는 모두 용접시에 용접금속중으로 이행하고, 용접금속중에서 오스테나이트 입계에 생성하는 조대한 페라이트의 생성을 억제하여 용접금속의 인성을 향상시키는 효과를 갖고 있다. 상기한 효과는 (A) 군, (B) 군에서 선택된 1 군 또는 2 군을 필요에 따라 선택하여 함유할 수 있다.
상기한 효과는, (A) 군의 Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계 0.2 % 이상, (B) 군의 Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계 0.02 % 이상에서 현저해진다. 한편 (A) 군의 Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계 2.0 %, (B) 군의 Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계 0.15 % 를 각각 초과하여 함유하면, 용접금속의 조직이 상부 베이나이트가 되기 쉬워 용접금속의 인성이 열화되는 경향이 있다.
상기한 성분에 더하여 추가로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2O3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상
본 발명의 용접용 플럭스는, 상기한 철분(아토마이즈 철분), B 화합물분 및 Mo 분, 페로몰리브덴분, Mo 화합물분의 1 종 또는 2 종 이상, Nb 분, 페로니오브분, Nb 화합물분의 1 종 또는 2 종 이상에 더하여 추가로 SiO2, CaCO3, MgO, Al2 O3, TiO2, CaF2 및 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분, 페로니오브분 이외의 금속분중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.
SiO2 는 조재제(造滓劑)로서 유효한 성분이며, 슬래그의 점성을 조정하기 위해 함유하는 것이 바람직하다. SiO2 의 함유량이 10 % 미만이면 생성하는 슬래그의 융점이 상승하는 경향이 되며, 한편 28 % 를 초과하여 함유하면, 융점이 너무 낮아져서 비드외관이 불균일해지기 쉬워지고, 또 용접금속의 산소량이 증가하여 용접금속의 인성이 열화되는 경향이 된다. 따라서 SiO2 는 10 ∼ 28 % 로 하는 것이 바람직하다.
CaCO3 는 용접중에 분해되어 CaO 와 CO2 가 된다. 이 CO2 가스에 의해 용접금속을 외기로부터 실드함과 동시에, 용접분위기중의 수소분압을 저하시켜 용접금속내로의 수소의 침입을 방지하는데 유효하게 작용한다. 또 CaO 는 염기성 성분이며, 슬래그의 융점을 상승시켜 용접금속의 인성을 향상시키는 효과를 갖는다.
CaCO3 의 함유량이 5 % 미만이면, 상기한 바와 같은 CO2 가스에 의한 실드효과를 얻을 수 없어 내수소균열성이 저하되는 경향이 있다. 한편, 15 % 를 초과하여 함유하면, CO2 가스의 발생량이 증가하여 용접작업성, 비드외관이 저하된다. 따라서 CaCO3 는 5 ∼ 15 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
MgO 는 플럭스의 과도한 유동을 방지하는 작용을 갖고, 대입열 용접에서의 비드형상을 안정화시키는 효과를 갖는다. 또 MgO 는 슬래그의 염기도를 증가시켜 용접금속중의 산소함유량을 저감하여 용접금속의 인성을 향상시키는 유용한 성분이다. MgO 의 함유량이 15 % 미만이면 상기한 효과를 얻을 수 없어 한편 38 % 를 초과하여 함유하면, 융점이 너무 상승하여 비드외관이 열화되는 경향이 있다. 따라서 MgO 는 15 ∼ 38 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
Al2O3 는 점성을 저하시키지 않고 슬래그의 융점을 상승시키기 때문에 슬래그의 융점의 조정에 유효한 성분이다. Al2O3 의 함유량이 3 % 미만이면 상기한 효과를 얻을 수 없어 한편 20 % 를 초과하여 함유하면, 슬래그의 융점이 너무 상승하여 비드폭의 불균일 또는 비드외관의 열화를 초래한다. 따라서 Al2O3 는 3 ∼ 20 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
TiO2 는 슬래그의 유동성을 향상시켜 슬래그의 박리성을 개선함과 동시에, 아크공동내에서 부분적으로 환원되어 Ti 로서 용접금내로 이행하여 용접금속의 인성을 개선하는데 유효하게 작용한다. TiO2 의 함유량이 2 % 미만이면 상기한 효과를 얻을 수 없어 한편 10 % 를 초과하여 함유하면 비드외관이 열화되는 경향을 나타낸다. 따라서 TiO2 는 2 ∼ 10 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
CaF2 는 융점을 상승시키지 않고 슬래그의 염기도를 증가시킬 수 있어 용접금속의 산소량의 조정에 유효하다. CaF2 의 함유량이 2 % 미만이면 그 효과가 적고, 한편 10 % 를 초과하여 함유하면, 슬래그의 점성이 너무 저하되어 비드외관이 악화된다. 따라서 CaF2 는 2 ∼ 10 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분은, 탈산제 또는 합금원소원으로서 첨가하지만, 그 함유량이 2 % 미만이면 용접금속의 인성을 확보하기 어렵게 됨과 동시에, 비드외관이 악화하는 경향이 있다. 한편 8 % 를 초과하여 함유하면, 용접금속의 산소량이 낮아지며, 용접금속의 조직이 베이나이트 또는 마르텐사이트 주체의 조직이 되기 때문에, 용접금속의 인성이 저하되는 경향이 있다. 따라서 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분은 2 ∼ 8 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 금속분으로서는 페로망간, 페로실리콘, 페로티탄, 망간, 티탄 등이 있다. 또한 금속분은 분말 이외의 형태로서 호일형상, 침형상이어도 된다.
본 발명의 플럭스는, 상기한 플럭스원료를 상기한 범위의 소정량 배합하고 결합제와 함께 혼련하여 조립(造粒)한 뒤 소성된다. 조립방법으로는 특별히 한정되지 않지만, 전동식 조립기, 압출식 조립기 등을 사용하는 것이 적합하다. 조립후, 먼지제거, 조대립(粗大粒)의 해쇄 등의 정립(整粒)처리를 행하여 평균입경이 0.075 ∼ 5 ㎜ 인 범위의 입자로 하는 것이 바람직하다.
또한, 결합제로서는 폴리비닐알콜 등의 수용액, 규산소다 수용액, 규산칼리 수용액 및 규산소다 수용액과 규산칼리 수용액의 혼합액 등이 바람직하다. 결합제 첨가량은 플럭스원료의 합계량 1 ㎏ 당 50 ∼ 300 cc 정도로 하는 것이 바람직하다. 또 본 발명의 용접용 플럭스는 입열이 150 kJ/㎝ 미만인 저입열 서브머지 아크용접에 적용해도 아무런 문제는 없고, 우수한 인성을 갖는 용접금속이 안정적으로 얻어지는 것은 말할 것도 없다.
또, 상기 본 발명의 용접용 플럭스를 사용한 경우의 용접용 와이어는 특별히 한정할 필요는 없고, 통상 공지의 서브머지 아크용접용 강와이어이면 모두 사용할 수 있다.
다음으로, 용접금속부의 인성이 우수한 대입열 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 대입열 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법은 피용접재로서 Ti, Nb 함유량이 적은 강재를 사용하고, 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합을 실행하는 경우에, 고 인성의 용접금속을 얻는데 특히 유효해진다.
피용접재로서 사용하는 강재는 Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하, 바람직하게는 N 함유량이 0.0055 % 이하인 모재 조성을 갖는 강재이다. 그 외의 성분으로는 C : 0.07 ∼ 0.18 %, Si : 0.40 % 이하, Mn : 1.00 ∼ 1.60 %, P : 0.020 % 이하, S : 0.010 % 이하를 포함하며, 또는 추가로 Al : 0.050 % 이하를 함유하는 것이 바람직하다. 상기한 성분 이외에 V 를 함유해도 된다. 또한 본 발명에서 말하는 강재란, 후강판, 형강, 강관, 봉관을 포함하는 것으로 한다.
상기한 강재에 소정 형상의 개선가공을 실시한 뒤, 이 개선내에 플럭스를 산포하고, 상기한 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어를 사용하여 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합한다.
본 발명에서의 서브머지 아크용접은 다전극의 서브머지 아크용접을 포함하는, 통상 공지의 용접법을 모두 적용할 수 있고, 특별히 한정할 필요는 없다. 또 용접조건도 특별히 한정할 필요는 없다.
이와 같은 피용접재, 용접재료의 조합으로, 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합하여 용접 이음매 (용접구조물) 를 제작한다. 얻어진 용접 이음매 (용접구조물) 의 용접금속은 고 인성의 용접금속이 된다.
(실시예 1)
표 1 에 나타내는 모재 조성인 490 MPa 급 강판 (판두께 : 25 mm, 40 mm) 에 도 1a, 도 1b 에 나타내는 형상의 개선가공 (開先加工) 을 실시하고, 1 패스의 서브머지 아크용접에 의해 용접 이음매을 제작하였다. 강판이 25 mm 두께인 경우의 개선형상은 일본어 レ 자형 개선으로 하고, 개선각도 (開先角度) 40 °, 루트페이스 2 mm 로 하였다. 또 강판 40 mm 두께의 경우의 개선형상은 Y 형 개선으로 하고, 개선각도 35 °, 루트페이스 3 mm 로 하였다.
서브머지 아크용접은 2 전극의 서브머지 아크용접기를 사용하여 표 2 에 나타내는 용접조건으로, 표 3 에 나타내는 와이어조성의 용접용 강와이어를 사용하여 실행하였다. 또한 사용한 플럭스는 표 4 에 나타내는 조성의, 산화붕소를 0.4 질량% 함유하는 시판하는 철분함유 소성형 플럭스로 하였다. 또한 플럭스중에 함유하는 철분은 해면철을 원료로 한 철분을 사용하였다. 용접 입열은 판두께 25 mm 인 경우에 153 kJ/㎝, 판두께 40 mm 인 경우에 270 kJ/㎝ 였다.
이와 같이 하여 얻어진 용접 이음매에 대하여, 용접길이 중앙부인 도 2a, 도 2b 에 나타내는 위치로부터 시험편을 채취하여 용접금속의 인장강도, 인성을 조사하였다. 인장시험은 JIS Z 3111 의 규정에 준거하고, 또 충격시험은 JIS Z 3112 의 규정에 준거하여 실시하고, 인장강도 TS 및 0 ℃, -20 ℃ 에서의 샤르피 흡수에너지값 (vE0, vE-20) 을 구하였다.
그것들의 결과를 표 5 에 나타낸다.
본 발명예는 모두, 용접금속의 vE0 이 27J 이상으로, 모재 규격의 일반 레벨과 동등한 우수한 인성을 갖는 용접 이음매가 얻어지고 있다. 또 본 발명의 범위내의 Mo, Nb 를 함유하는 강와이어를 사용하여 얻어진 용접 이음매 (용접 이음매 No.3, No.4, No.5) 는 용접금속의 vE-20 이 27J 를 초과하는 우수한 인성을 갖고 있다.
한편, 강와이어의 N 함유량이 본 발명의 범위를 크게 벗어나는 비교예 (용접 이음매 No.6) 에서는 용접금속의 vE0 이 27J 미만으로 인성이 열화되고 있다. 또 강와이어의 Ti 함유량이 본 발명의 범위를 작게 벗어나는 비교예 (용접 이음매 No.7) 에서는 조직이 조대화하고, 용접금속의 vE0 이 27J 미만으로 인성이 열화되고 있다. 또한 강와이어의 Ti/N 이 본 발명의 범위를 조금 벗어나는 비교예 (용접 이음매 No.6, No.7, No.8) 에서는 용접금속의 vE0 이 27J 미만으로 인성이 열화되고 있다. 또 강와이어의 Ti 함유량이 본 발명의 범위를 크게 벗어나는 비교예 (용접 이음매 No.9) 에서는 조직이 상부 베이나이트 주체의 조직이 되며, 용접금속의 vE0 이 27J 미만으로 인성이 열화되고 있다. 또한 강와이어의 Mn 함유량이 본 발명의 범위를 조금 벗어나는 비교예 (용접 이음매 No.10), 강와이어의 Si 함유량이 본 발명의 범위를 크게 벗어나는 비교예 (용접 이음매 No.11) 에서는 용접금속의 페라이트가 조대화하고, vE0 이 27J 미만으로 용접금속의 인성이 열화되고 있다.
또, 표 6 은 용접금속의 조성, 용접금속중의 B/N 의 질량% 비와 입계 페라이트 생성량을 나타낸다. 본 발명예는 모두 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15 면적% 이하가 되어 있으며, 용접금속의 vE0 이 27J 이상으로 우수한 인성을 갖는 용접 이음매가 얻어지고 있다. 또 본 발명의 범위내의 Mo, Nb 를 함유하는 강와이어를 사용하여 용접금속중의 B/N 질량% 비가 본 발명의 범위내로 되는 용접 이음매 (용접 이음매 No.3, No.4, No.5) 는 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10 면적% 이하가 되어 있으며, 용접금속의 vE-20 이 27J 를 초과하는 우수한 인성을 갖고 있다.
(실시예 2)
표 7 에 나타내는 모재 조성인 490 MPa 급 강판 (판두께 t : 40 mm), 건축구조용 TMCP 강판 (판두께 t : 60 mm) 에 도 3 에 나타내는 형상의 개선가공을 실시하고, 1 패스의 서브머지 아크용접에 의해 용접 이음매를 제작하였다. 개선형상은 Y 형 개선으로 하고, 개선각도 35 °, 루트페이스 d (mm) 를 판두께 t : 40 mm 인 경우에는 2 mm 로 하고, 판두께 t : 60 mm 인 경우에는 3 mm 로 하였다.
서브머지 아크용접은, 2 전극의 서브머지 아크용접기를 사용하고, 표 8 에 나타내는 용접조건으로, 표 9 에 나타내는 와이어조성의 용접용 강와이어를 사용하여 실행하였다. 또한 플럭스는 표 10 에 나타내는 조성이 되도록 원료를 배합하고, 규산소다 수용액과 함께 혼련하여 조립한 뒤, 500 ℃ ×15 min 의 조건에서 소성하고, 입자경을 3 mm 이하로 한, 산화붕소와 철분을 포함하는 플럭스를 사용하였다. 또한 플럭스중에 첨가한 철분은 표 11 에 나타내는 질소함유량의 철분을 사용하였다. 용접 입열은 판두께가 40 mm 인 경우에 269 kJ/㎝, 판두께가 60 mm 인 경우에 549 kJ/㎝ 였다.
이와 같이 하여 얻어진 용접 이음매에 대하여, 실시예 1 과 마찬가지로, 용접길이 중앙부인 도 2a, 도 2b 에 나타내는 위치에서 시험편을 채취하여 용접금속의 인장강도, 인성을 조사하였다. 또 실시예 1 과 마찬가지로, 인장시험은 JIS Z 3111 의 규정에 준거하고, 또 충격시험은 JIS Z 3112 의 규정에 준거하여 실시하고, 인장강도 (TS) 및 0 ℃, -20 ℃ 에서의 샤르피 흡수에너지값 (vE0, vE-20) 을 구하였다.
그들의 결과를 표 12 에 나타낸다.
본 실시예의 강와이어 및 플럭스를 사용한 용접 이음매에서는, 용접금속의 vE0 는 판두께가 40 mm 인 경우에는 100J 이상, 판두께가 60 mm 인 경우에는 47J 이상을 만족하고, 또 용접금속의 vE-20 은 판두께가 40 mm 인 경우에는 80J 이상, 판두께가 60 mm 인 경우에는 50J 이상을 만족하여 우수한 인성을 갖는 용접 이음매가 얻어지고 있다.
또, 표 13 은 용접금속의 조성, 용접금속중의 B/N 의 질량% 비와 입계 페라이트 생성량을 나타낸다. 본 발명의 강와이어 및 플럭스를 사용하여 용접금속중의 B/N 질량% 비가 본 발명의 범위내로 되는 용접 이음매 (용접 이음매 No.2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5) 는, 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10 면적% 이하가 되어 있으며, 매우 우수한 인성을 갖는 용접금속이 얻어지고 있다.
(실시예 3)
표 7 에 나타내는 모재 조성인 490 MPa 급 강판 (판두께 t : 40 mm), 건축구조용 TMCP 강판 (판두께 t : 60 mm) 에 도 3 에 나타내는 형상의 개선가공을 실시하고, 1 패스의 서브머지 아크용접에 의해 용접 이음매를 제작하였다. 개선형상은 Y 형 개선으로 하고, 개선각도 35 °, 루트페이스 d (mm) 를 판두께 t : 40 mm 인 경우에는 2 mm 로 하고, 판두께 t : 60 mm 인 경우에는 3 mm 로 하였다.
서브머지 아크용접은 2 전극의 서브머지 아크용접기를 사용하고, 표 14 에 나타내는 용접조건으로, 표 15 에 나타내는 와이어조성의 용접용 강와이어를 사용하고, 표 16 에 나타내는 조성의 플럭스를 사용하여 실행하였다.
또한, 플럭스는 표 16 에 나타내는 조성이 되도록 원료를 배합하고, 규산소다 수용액 (첨가량 : 플럭스 1 ㎏ 당 약 200 cc) 와 함께 혼련하여 조립한 뒤, 500 ℃ ×15 min 의 조건에서 소정하여 입자경 3 mm 이하로 하였다. 또한 표 16 중의 화학조성은 합계 100 질량% 가 되지 않지만, 잔부는 규산소다 고형분과 불가피적 불순물이다. 또 플럭스중에 첨가한 철분은 아토마이즈 철분으로 하고, 표 17 에 나타내는 질소 함유량의 아토마이즈 철분을 사용하였다. 용접 입열은 판두께가 40 mm 인 경우에서 269 kJ/㎝, 판두께가 60 mm 인 경우에서 521 kJ/㎝ 였다.
이와같이 하여 얻어진 용접 이음매에 대하여, 용접길이 중앙부인 도 2a, 도 2b 에 나타내는 위치에서 시험편을 채취하여 용접금속의 인장강도, 인성을 조사하였다. 인장시험은 도 2a 의 위치에서 시험편을 채취하여 JIS Z 3111 의 규정에 준거하여 실시하여 인장강도 (TS) 를 구하였다. 또 충격시험은 도 2b 의 위치로부터 시험편을 채취하여 JIS Z 3112 의 규정에 준거하여 실시하고, 0 ℃ 에서의 샤르피 흡수에너지값 (vE0) 을 구하였다.
그들의 결과를 표 18 에 나타낸다.
본 발명예에서는 모두, 용접금속의 vE0 이 27J 이상을 만족하고, 우수한 인성을 갖는 용접 이음매가 얻어지고 있다. 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 용접금속의 인성은 저하되고 있다.
또, 표 19 는 용접금속의 조성, 용접금속중의 B/N 의 비와 입계 페라이트 생성량을 나타낸다. 본 발명예의 플럭스를 사용한 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하로 되어 있으며, 우수한 인성을 갖는 용접금속을 얻을 수 있다. 또, 용접금속중의 B/N 질량% 비가 본 발명의 범위내로 되는 용접 이음매 (용접 이음매 No.3-5, 3-9, 3-10) 는 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10 면적% 이하로 되어 있으며, 또한 우수한 인성을 갖고 있다.
본 발명에 의하면, 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접으로 Ti, Nb 등의 함유량이 적은 강재를 용접한 경우에도, 우수한 인성을 갖는 용접금속이 안정적으로 얻어지며, 용접능률을 현저하게 향상시킬 수 있어 산업상 현격한 효과를 얻을 수 있다.
도 1a 는 본 발명의 실시예 1 에 사용한 용접 이음매의 개선형상의 개요를 나타내는 모식도이다.
도 1b 는 본 발명의 실시예 1 에 사용한 용접 이음매의 개선형상의 개요를 나타내는 모식도이다.
도 2a 는 실시예 1 ∼ 3 에서 채용한 인장시험편 채취위치를 모식적으로 설명하는 설명도이다.
도 2b 는 실시예 1 ∼ 3 에서 채용한 충격시험편 채취위치를 모식적으로 설명하는 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 실시예 2 및 3 에 사용한 용접 이음매의 개선형상의 개요를 나타내는 모식도이다.
도 4 는 용접금속중의 입계 페라이트 생성량과 샤르피 흡수에너지 (vEo) 의 관계를 나타낸다.
도 5 는 용접금속중의 B/N 의 질량% 비와 입계 페라이트 생성량의 관계를 나타낸다.

Claims (21)

  1. 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매에서, 상기 용접 이음매의 용접금속성분이 질량% 로,
    C : 0.03 ∼ 0.15 %, Si : 0.10 ∼ 1.00 %, Mn : 0.70 ∼ 2.50 %, Ti : 0.003 ∼ 0.030 %, N : 0.0020 % 이상 0.0050 % 이하 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 또한
    상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하인 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용접금속이 추가로 질량% 로,
    Mo : 0.10 ∼ 0.50 %, Nb : 0.010 ∼ 0.200 %, Ni : 0.05 ∼ 1.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, 또한
    0.60 ≤B/N≤1.20을 만족하는 질량%의 B를 함유하고, 상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10.0 면적% 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매.
  3. 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법에서,
    상기 용접 이음매의 용접금속이 질량% 로,
    C : 0.03 ∼ 0.15 %, Si : 0.10 ∼ 1.00 %, Mn : 0.70 ∼ 2.50 %, Ti : 0.003 ∼ 0.030 %, N : 0.0020 % 이상 0.0050 % 이하 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 또한
    상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 15.0 면적% 이하인 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 용접금속이 추가로 질량% 로,
    Mo : 0.10 ∼ 0.50 %, Nb : 0.010 ∼ 0.200 %, Ni : 0.05 ∼ 1.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, 또한
    0.60 ≤B/N≤1.20을 만족하는 질량%의 B를 함유하고, 상기 용접금속중의 입계 페라이트 생성량이 10.0 면적% 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  5. 질량% 로,
    C : 0.03 ∼ 0.10 %, N : 0.0010 % 이상 0.0035 % 이하, Si : 0.40 % 이하, Mn : 1.00 ∼ 2.50 % 를 포함하며, 추가로 Ti 를 0.030 % 이상 0.150 % 이하로, 또한 Ti/N : 15 ∼ 50 을 만족하도록 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 와이어조성을 갖는 것을 특징으로 하는 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 와이어조성이 추가로 질량% 로, Mo : 0.10 ∼ 0.60 %, Nb : 0.010 ∼ 0.100 %, B : 0.0005 ∼ 0.0100 %, Ni : 0.20 ∼ 2.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어.
  7. 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법에서,
    Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하인 모재 조성을 갖는 강재를 질량% 로,
    C : 0.03 ∼ 0.10 %, N : 0.0010 % 이상 0.0035 % 이하, Si : 0.40 % 이하, Mn : 1.00 ∼ 2.50 % 를 포함하며, 추가로 Ti 를 0.030 % 이상 0.150 % 이하로, 또한 Ti/N : 15 ∼ 50 을 만족하도록 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어로 용접하는 것을 특징으로 하는 우수한 용접금속부 인성을 갖는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 와이어의 조성이 추가로 질량% 로, Mo : 0.10 ∼ 0.60 %, Nb : 0.010 ∼ 0.100 %, B : 0.0005 ∼ 0.0100 %, Ni : 0.20 ∼ 2.00 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 대입열 서브머지 아크용접용 강와이어인 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 대입열 서브머지 아크용접에서 사용하는 플럭스를, 붕소산화물을 포함하는 플럭스로 하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 대입열 서브머지 아크용접에서 사용하는 플럭스를, 철분 이외의 합금분을 8 질량% 이하 함유하는 플럭스로 하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 플럭스가 질량% 로, N : 0.0030 % 이하를 함유하는 철분을 20 ∼ 45 % 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  12. N 함유량이 0.0030 질량% 이하인 아토마이즈 철분을, 플럭스 전량에 대하여 20 ∼ 45 질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접용 플럭스.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 플럭스가 추가로, B 화합물을 B 환산으로 플럭스 전량에 대하여 0.03 ∼ 0.30 질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접용 플럭스.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 플럭스가 추가로 (A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.2 ∼ 2.0 질량%, (B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.02 ∼ 0.15 질량% 중에서 선택된 1 군 또는 2 군 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접용 플럭스.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 플럭스가 플럭스 전량에 대하여 질량% 로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2O 3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접용 플럭스.
  16. 용접 입열이 150 kJ/㎝ 이상인 대입열 서브머지 아크용접에 의해 용접접합된 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법에서,
    Ti 함유량이 0.006 질량% 이하, Nb 함유량이 0.012 질량% 이하인 모재 조성을 갖는 강재를 N 함유량이 0.0030 질량% 이하인 아토마이즈 철분을 플럭스 전량에 대하여 질량% 로 20 ∼ 45 % 포함하는 플럭스 조성의 플럭스로 용접하는 것을 특징으로 하는 우수한 용접금속부 인성을 갖는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 플럭스조성이, 추가로 B 화합물을 플럭스 전량에 대하여 B 환산으로 0.03 ∼ 0.30 질량% 를 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 플럭스조성이, 추가로 (A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.2 ∼ 2.0 질량%, (B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.02 ∼ 0.15 질량% 중에서 선택된 1 군 또는 2 군 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  19. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 플럭스 조성이 추가로 플럭스 전량에 대하여 질량% 로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2O3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
  20. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 플럭스가 추가로 (A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.2 ∼ 2.0 질량%, (B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.02 ∼ 0.15 질량% 중에서 선택된 1 군 또는 2 군 이상을 포함하고, 또한 플럭스 전량에 대하여 질량% 로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2 O3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접용 플럭스.
  21. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 플럭스조성이 추가로 (A) 군 : Mo 분, 페로몰리브덴분 및 Mo 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Mo 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.2 ∼ 2.0 질량%, (B) 군 : Nb 분, 페로니오브분 및 Nb 화합물분중 1 종 또는 2 종 이상을 Nb 환산으로 합계로 플럭스 전량에 대하여 0.02 ∼ 0.15 질량% 중에서 선택된 1 군 또는 2 군 이상을 포함하고, 또한 플럭스 전량에 대하여 질량% 로, SiO2 : 10 ∼ 28 %, CaCO3 : 5 ∼ 15 %, MgO : 15 ∼ 38 %, Al2O3 : 3 ∼ 20 %, TiO2 : 2 ∼ 10 %, CaF2 : 2 ∼ 10 %, 아토마이즈 철분, Mo 분, 페로몰리브덴분, Nb 분 및 페로니오브분 이외의 금속분 : 2 ∼ 8 % 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지 아크용접 이음매의 제조방법.
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