KR100805494B1 - Ｎｉ기 합금 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어에 있어서는, 용착 금속 성분의 Cr값 [Cr], Mo값 [Mo]은 18.38-0.54[Cr] ≤ [Mo] ≤ 24.53-0.76[Cr]을 만족한다. 또한, 와이어 전체 중량에 대한 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 각 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O], [Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때, ([Na2O]+[K2O]+[Li2O]+2×[MnO])/([SiO2]+0.5×([Al2O3]+[TiO2]+[ZrO2]))의 값이 0.5 이하이다. 9% Ni 강 및 각종 고 Ni 합금 등의 용접에 있어서, 전 자세에서의 용접 작업성이 우수한 동시에, 내고온 균열성, 강도 및 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어진다.

Description

Ｎｉ기 합금 플럭스 코어드 와이어{Ni-BASE ALLOY FLUX-CORED WIRE}
도 1은 실시예에서 이용한 시험판 형상을 나타내는 단면도이다.
도 2는 실시예에서 이용한 시험판 형상을 나타내는 단면도이다.
도 3은 실시예에서 이용한 시험판 형상을 나타내는 단면도이다.
도 4는 실시예에서 이용한 각 시험편의 채취 위치를 나타내는 단면도이다.
도 5는 실시예에서 이용한 각 시험편의 채취 위치를 나타내는 단면도이다.
본 발명은, Ni기 합금을 외피로 하는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이며, 특히 액화 천연 가스 탱크 등의 극저온용 용기 및 화학 기기 등에 사용되는 9% Ni 강을 용접할 때에 사용되는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
Ni기 합금계 용접 재료는, 기존의 철계 용접 재료 및 스테인레스계 용접 재료에 비해 내식성 및 내열성이 비약적으로 우수하기 때문에, TIG, MIG 및 SMAW 등 의 각종 용접법에 적용되고 있다. 또한, Ni기 합금계 용접 재료는 내열성 및 내식성 뿐만 아니라, 극저온에서의 강도 및 인성 특성도 우수하기 때문에, 9% Ni 강에 의해 제작되는 LNG(액화 천연 가스)용 등의 극저온용 탱크의 용접 시공에도 적용되고 있다.
또한, 최근 용접 시공의 고능률화가 진행되어 각종 플럭스 코어드 와이어가 개발되어 있고, 극저온용 용기 및 화학 기기 등의 분야에 있어서도 용접 능률의 고능률화를 목표로 하여, 플럭스 코어드 와이어를 도입하는 움직임이 활발해지고 있다. 그러나, 종래의 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어는, LNG용 등의 극저온 환경에서 사용되는 탱크 및 압력 용기를 제조할 때에 요구되는 품질을 충분히 만족시키고 있다고는 말할 수 없다. 예컨대, 현재 시판되고 있는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어는 그의 용접 금속의 내균열 성능의 한계로 인해 적용 범위가 극히 일부의 용도에 한정되고 있다. 또한, 최근 용접부에 대한 인성 요구의 레벨은 종래에도 증가하여 높아져 있고, 종래의 용접 재료로는 충분히 성능을 만족시키는 것이 어려워지고 있다. 또한, 전 자세에서의 용접 작업성이 우수한 플럭스 코어드 와이어는 기계 성능, 특히 저온 인성이 낮아지는 경향이 있어, 용접 작업성과 기계 성능의 양립이 큰 과제로 되어 있다.
종래, Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어의 용접 작업성 및 내균열성을 개선하기 위해, 여러 가지의 검토가 이루어졌다. 일본 특허공개 제1997-309583호 공보, 일본 특허공개 제1999-197883호 공보, 일본 특허공개 제2000-343276호 공보 및 일본 특허공개 제2000-343277호 공보에 기재된 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어는, 슬래그 형성재의 조성을 최적화하여, 전 자세에서의 용접 작업성의 향상을 도모하고 있다. 또한, 일본 특허공개 제2005-59077호 공보에 기재된 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어는 와이어의 화학 성분을 최적화하여, 내고온 균열성의 향상을 도모하고 있다.
그러나, 전술한 종래의 기술에는 이하에 나타내는 문제점이 있다. 즉, 일본 특허공개 제1997-309583호 공보, 일본 특허공개 제1999-197883호 공보, 일본 특허공개 제2000-343276호 공보 및 일본 특허공개 제2000-343277호 공보에 기재된 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어는 모두 용접 작업성의 향상을 도모한 것으로, 용접 금속의 내고온 균열(응고 균열) 성능은 충분하지 않다고 하는 문제점이 있다.
또한, 일본 특허공개 제2005-59077호 공보에 기재된 플럭스 코어드 와이어는 전 자세의 용접 작업성이 충분하지 않다고 하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 9% Ni 강의 용접에 있어서, 전 자세에서의 용접 작업성이 우수한 동시에, 내고온 균열성, 강도 및 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어는, Ni기 합금을 외피로 하 는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스 코어드 와이어에 의해 얻어지는 용착 금속 성분이
C: 0.005 내지 0.05질량%,
Si: 0.1 내지 0.5질량%,
Mn: 0.2 내지 6.0질량%,
Cr: 0.1 내지 15.0질량%, 바람직하게는 0.1 내지 8.0질량%,
Mo: 10.0 내지 25.0질량%, 바람직하게는 15.0 내지 25.0질량%,
Fe: 0.1 내지 10.0질량%,
W: 1.0 내지 4.0질량%,
Ti: 0.01 내지 1.0질량%,
잔부가 Ni 및 불가피적 불순물이다.
불가피적 불순물로서는 이하의 것으로 이하의 범위이면 허용된다.
P: 0.020질량% 이하
S: 0.010질량% 이하
Nb: 0.1질량% 이하
V: 0.1질량% 이하
Al: 0.1질량% 이하
또한, 용착 금속 성분의 Cr값을 [Cr], Mo값을 [Mo]로 할 때, 하기 수학식 1을 만족하고,
Figure 112007009955177-pat00001
상기 플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 및 Ni기 합금 외피 중 어느 한 쪽 또는 양쪽에 함유되는 와이어 전체 중량에 대한 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 각 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O], [Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때, 하기 수학식 2의 값이 0.5 이하이다.
Figure 112007009955177-pat00002
본 발명은, 9% Ni 강의 용접에 사용되는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어 이며, 이 와이어를 특정하기 위해 그루브(groove) 면에 버터링(buttering)을 실시한 후에, 본 용접에 의해 그루브 내에 충전된 용착 금속(모재 희석의 영향을 받고 있지 않음)의 조성을 규정한다. Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어를 사용하여 9% Ni 강을 용접하면, 수득된 용접 금속은 5 내지 30질량% 정도의 희석의 영향을 받고, 이 때의 희석율은 용접 전류, 용접 전압 및 용접 속도 등의 용접 조건에 따라 다르고, 또한 그루브 면 근방에서는 커진다. 따라서, 용접 이음부의 화학 성분은 엄밀하게는 패스마다 다르다. 단, 이러한 용접부에 사용되는 용접 재료는 희석의 영향을 받지 않는 용착 금속의 특성을 평가함으로써 평가할 수 있다. 이 용착 금속의 조성을 시험하기 위해, 본 발명에 있어서는 버터링을 수행했다. 즉, 예컨대 V자 그루브의 사면 및 기저 금속(backing metal)의 윗면에 대하여 본 용접용의 Ni기 합 금 플럭스 코어드 와이어 또는 동종의 와이어를 사용하여 용접 금속의 층(버터링 층)을 육성한다. 이 버터링층은 모재로부터의 성분이 혼입되어 희석되어 있으나, 다층 적층에 의해 모재의 영향은 작아지고, 3층 적층하면 모재의 영향을 거의 무시할 수 있다. 그리고, 이 버터링 후, 버터링 층으로 둘러싸인 그루브 부분은 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어를 사용하여 본 용접하고, 그루브 내부를 용착 금속으로 충전한다. 이 본 용접에 의해 얻어지는 용착 금속은 모재의 희석의 영향을 받지 않는 것이다. 본 발명은, 이 용착 금속의 조성을 규정함으로써 본 발명의 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어를 특정하는 것이다. 한편, 실 구조물에 있어서는 이러한 버터링을 수행하지 않는다. 따라서, 용접 금속에 있어서는, 모재로부터의 희석이 존재하지만, 상술한 바와 같이, 그 영향은 동일한 그루브에서도 부분에 따라 다르고, 화학 성분이 똑같지 않다. 따라서, 용접 금속의 성능도 엄밀하게는 용접 금속 중에서 똑같지 않다고 생각되지만, 이러한 개소를 용접하는 용접 재료 자체의 평가로서는 희석의 영향을 받지 않는 용착 금속으로써 평가할 수 있다. 단, 후술하는 실시예에 있어서, 피스코 균열 시험에 의해 고온 균열을 감수성 시험했으나, 이는 버터링을 행하지 않고, 모재의 용융에 의해 모재 성분이 용접 금속 중에 혼입되어 모재 성분에 의한 희석의 영향을 받은 부분을 포함하는 시험편에 대하여 수행한 것이다. 이와 같이, 본 발명에 있어서는, 모재의 희석에 의한 영향도 고려하여 본 발명의 와이어 조성을 규정하고 있다.
그리고, 본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하기 위해 예의 실험 연구를 행한 결과, 용접 금속의 산소량이 높아지는 것과 같은 저염기도의 슬래그이어도 용착 금속의 합금 성분 중 Cr과 Mo를 최적화함으로써 양호한 저온 인성을 확보할 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명은, 이러한 지견에 기초하여, 저염기도의 슬래그계로 하여 전 자세에서의 용접 작업성을 확보하는 동시에, 용착 금속의 조성을 상술한 범위 내로 함으로써, 전 자세에서의 용접 작업성과, 용접 금속의 내고온 균열성, 용착 금속의 기계 성능, 특히 저온 인성을 양립시킨 것이다. 이와 같이, 용착 금속의 조성이 저온 인성 등의 특성과 밀접하게 관련있다는 지견을 기초로 하고 있기 때문에, 와이어 자체의 구성만으로 발명을 규정하는 것보다도 용착 금속의 조성도 포함시켜 규정하는 쪽이 합리적이라고 생각되어, 이렇게 규정하는 방법을 이용했다. 와이어의 구성만으로 발명의 범위를 정하고자 하면, 자유도가 지나치게 커지기 때문에 무리가 있다.
이하, 본 발명에 따른 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어에 대하여 구체적으로 설명한다. 우선, 본 발명의 와이어에 의해 형성되는 용착 금속의 조성에 대하여 설명한다.
「C: 용착 금속 중의 0.005 내지 0.05질량%」
C는 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 단, C 함유량이 0.005% 미만이면 강도를 향상시키는 효과를 충분히 얻는다고 할 수 없다. 한편, 용착 금속의 C 함유량이 0.05질량%를 초과하면, 내고온 균열성 및 인성이 저하된다. 따라서, C의 함유량은 0.05질량% 이하로 한다. 한편, 본 발명에서의 용착 금속의 C원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 Mn-C, Cr-C, W-C 등의 금속 탄화물, 실드 가스 중의 CO2 가스 및 슬래그 성분으로부터 환원된 C이다.
「Si: 용착 금속 중의 0.1 내지 0.5질량%」
Si는 용접 금속의 입계 강도를 높이고, 연성을 향상시키는 효과가 있다. 단, 용착 금속의 Si 함유량이 0.1질량% 미만이면 그 효과는 충분하지 않다. 한편, Si가 0.5질량%를 초과하면, Ni와 화합하여 저융점 화합물을 생성하기 때문에, 내고온 균열성을 열화시키는 동시에 인성도 저하된다. 따라서, Si의 함유량은 0.1 내지 0.5질량%로 한다. 한편, 본 발명에서의 용착 금속의 Si원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 Si 및 Fe-Si 합금 등, 또는 SiO 등의 슬래그 성분으로부터 환원된 Si이다.
「Mn: 용착 금속 중의 0.2 내지 6.0질량%」
Mn은 Ni와 저융점 화합물을 형성하여 내고온 균열성을 열화시키는 S와 결합하여 S를 무해화하는 효과가 있다. 단, 용착 금속에서의 Mn 함유량이 0.2질량% 미만인 경우, S를 무해화하는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 6.0질량%를 초과하면 슬래그 박리성이 저하된다. 따라서, 용착 금속의 Mn 함유량은 0.2 내지 6.0질량%로 한다. 한편, 본 발명의 용착 금속에서의 Mn원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 Mn, Fe-Mn 합금, MnO2 및 MnCO3 등이 있으며, 어느 것의 첨가에 의해서든 용착 금속의 Mn량을 조정할 수 있다.
「Cr: 용착 금속 중의 0.1 내지 15.0질량%, 바람직하게는 0.1 내지 8.0질량%」
Cr은 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있지만, 0.1질량% 미만이면 그 효과가 없고, 용착 금속 중의 Cr량이 15.0질량%를 초과하면 인성이 저하된다. 따라서, 용착 금속 중의 Cr 함유량은 15.0질량% 이하로 한다. 또한, 보다 바람직하게는 Cr 함유량이 0.1 내지 8.0질량%이다. 한편, 본 발명의 용착 금속에서의 Cr원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 Cr, Fe-Cr 합금 및 Cr2O3 등이 있으며, 어느 것의 첨가에 의해서든 용착 금속의 Cr량을 조정할 수 있다.
「Mo: 용착 금속 중의 10.0 내지 25.0질량%, 바람직하게는 15.0 내지 25.0질량%」
Mo는 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 단, 용착 금속의 Mo 함유량이 10.0질량% 미만인 경우는, 용착 금속의 강도를 확보할 수 없다. 한편, Mo 함유량이 25.0질량%를 초과하면 용착 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mo 함유량은 와이어 전체 질량 당 10.0 내지 25.0질량%로 한다. 한편, 보다 바람직하게는, Mo 함유량은 15.0 내지 25.0질량%이다. 한편, 본 발명의 용착 금속에서의 Mo원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 Mo 및 Fe-Mo 합금 등이 있으며, 어느 것의 첨가에 의해서든 용착 금속의 Mo량을 조정할 수 있다.
「Fe: 용착 금속 중의 0.1 내지 10.0질량%」
Fe는 용접 금속의 연성을 확보하기 위해 첨가한다. Fe 함유량이 0.1질량% 미만인 경우, 이 효과를 충분히 확보할 수 없다. 한편, 용착 금속의 Fe 함유량이 10.0질량%를 초과하면 용착 금속의 내고온 균열성이 열화된다. 따라서, 용착 금속 중의 Fe 함유량은 10.0질량% 이하로 한다. 한편, 본 발명의 용착 금속에서의 Fe원 으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 Fe, Fe-Mn 합금, Fe-Cr합금, Fe-Mo 합금 및 Fe-Ti 합금 등이 있고, 어느 것의 첨가에 의해서든 Fe량을 조정할 수 있다.
「W: 용착 금속 중의 1.0 내지 4.0질량%」
W는 용접 금속의 강도를 향상시키는 성분이다. 단, 용착 금속 중의 W 함유량이 1.0질량% 미만인 경우, 용착 금속의 강도를 확보할 수 없다. 한편, W 함유량이 4.0질량%를 초과하면 용착 금속의 인성이 저하된다. 따라서, 용착 금속 중의 W 함유량은 1.0 내지 4.0질량%로 한다. 한편, 본 발명의 용착 금속에서의 W원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 W, Fe-W 합금, W-C 등이 있으며, 어느 것의 첨가에 의해서든 W량을 조정할 수 있다.
「Ti: 용착 금속 중의 0.01 내지 1.0질량%」
Ti는 용접 금속의 탈산제로서 효과가 있는 성분이지만, 용착 금속 중의 Ti 함유량이 0.01질량% 미만인 경우, 이 탈산 효과를 충분히 확보할 수 없다. 한편, Ti 함유량이 1.0질량%를 초과하면 용착 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Ti 함유량은 와이어 전량 당 0.01 내지 1.0질량%로 한다. 한편, 본 발명의 용착 금속에서의 Ti원으로서는, 외피를 형성하는 Ni기 합금, 플럭스에 포함되는 금속 Ti 및 Fe-Ti 합금 등, TiO2 등의 슬래그 성분으로부터 환원된 Ti가 있다.
「불가피적 불순물」
불가피적 불순물로서는, P, S, Nb, V 및 Al 등이 있다. 이들 불순물은, 이 하의 규제 범위이면 허용된다.
P: 용착 금속 중의 0.020질량% 이하
S: 용착 금속 중의 0.010질량% 이하
Nb: 용착 금속 중의 0.1질량% 이하
V: 용착 금속 중의 0.1질량% 이하
Al: 용착 금속 중의 0.1질량% 이하
P 및 S는 플럭스 코어드 와이어 중에 존재하는 불가피적 불순물이다. P 및 S는 Ni와 화합하여 저융점 화합물을 생성하기 때문에, 내고온 균열성이 저하된다. 따라서, P 및 S의 함유량은 각각 P: 0.020질량% 이하, S: 0.010질량% 이하로 규제한다.
Nb, V는 플럭스 코어드 와이어 중에 존재하는 불가피적 불순물이다. Nb 및 V는 Ni와 화합하여 저융점 화합물을 생성하기 때문에 내고온 균열성이 저하된다. 따라서, 용착 금속 중의 Nb 및 V의 함유량은 각각 0.1질량% 이하로 규제한다.
Al은 플럭스 코어드 와이어 중에 존재하는 불가피적 불순물이다. 외피를 형성하는 Ni기 합금, Al2O3 등의 슬래그 성분으로부터의 환원에 의해 용착 금속에 혼입되지만, 용착 금속 중의 Al 함유량이 0.1질량%를 초과하면 인성이 저하된다. 따라서, 용착 금속 중의 Al량은 0.1질량% 이하로 규제한다.
「용착 금속 성분의 Cr값을 [Cr], Mo값을 [Mo]로 할 때, 하기 수학식 1을 만족하는 것
수학식 1
Figure 112007009955177-pat00003
본 발명자는 Cr: 0.1 내지 15.0질량%, Mo: 10.0 내지 25.0%의 범위에 있어서, 실시예에 나타내는 화학 성분이 다른 9종류(No. 1 내지 9)의 플럭스 코어드 와이어를 작성하여, 용착 금속의 인장 강도와 -196℃에서의 충격치를 조사했다. 그리고, 시험 결과에 대하여 Cr과 Mo의 중회귀분석을 행하여, 인장 강도로서 690MPa 이상, -196℃에서의 충격치로서 70J 이상을 합격으로 하여 계산을 한 결과, 상기 수학식 1을 만족하는 경우에, 인장 강도 690MPa 이상 및 -196℃에서의 충격치 70J 이상이 얻어졌다. [Mo]가 18.38-0.54[Cr] 미만인 경우, 인장 강도는 690MPa 미만이 되어 인장 강도가 부족하다. 또한, [Mo]가 24.53-0.76[Cr]를 초과하는 경우는 -196℃에서의 충격치는 70J 미만이 되어 인성 부족이 된다.
「플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 및 Ni기 합금 외피 중 어느 한 쪽 또는 양쪽을 함유하는 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O] ,[Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때, 하기 수학식 2의 값이 0.5 이하
수학식 2
Figure 112007009955177-pat00004
수학식 2는 플럭스의 염기도를 나타낸다. 이 플럭스의 염기도가 작아지면, 용융 슬래그의 융점 및 점성이 높아져 전 자세 용접의 작업성이 향상된다. 단, 염 기도(수학식 2)가 0.5를 초과하면, 용융 슬래그의 점성이 낮아져, 용접 중의 용접 금속은 수직 방향 등에서 처지기 쉬워져, 전 자세 용접에 적합하지 않게 된다. 따라서, 수학식 2로 표시되는 염기도는 0.5 이하로 한다. Li, K, Na의 화합물의 첨가원으로서는, LiF, NaF, KF, Na3AlFe, K2SiFe6, 소다장석, 칼리장석, Li-Fe 등이며, TiO원으로서는, 루틸, 백 타이타늄, 타이타늄산 칼륨, 타이타늄산 소다 등, 금속 Ti, Fe-Ti, 외피의 Ni기 합금 중의 Ti 등이 있으며, SiO2원으로서는 규석재, 규사, 마이카, 소다장석, 칼리장석 등, Fe-Si, 외피의 Ni기 합금 중의 Si 등이 있고, ZrO2원으로서는, 지르콘 샌드, 지르콘 플라워 등, Al2O3원으로서는 알루미나, Fe-Al, Al-Mg 등이 있다.
「플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 및 Ni기 합금 외피 중 어느 한 쪽 또는 양쪽에 함유되는 와이어 전체 중량에 대한 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O], [Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때, 와이어 전체 질량에 대하여 [Na2O], [K2O], [Li2O]의 1종 또는 2종 이상의 총계로 0.1 내지 3.0질량%」
아크 안정제로서 Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 첨가함으로써 아크가 안정하고 스패터링의 발생을 억제하는 효과가 있다. [Na2O], [K2O], [Li2O]의 총량으로 0.1질량% 미만이면 스패터링의 발생을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 없고, 3.0질량%를 초과하면 아크가 불안정해져 스패터링이 많아진 다. 따라서, Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 함유량은[Na2O], [K2O], [Li2O]로 0.1 내지 3.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
「Mn 화합물: 와이어 전체 질량에 대하여 [MnO] 환산으로 0.5 내지 10.0질량%」
MnO2는 슬래그의 유동성을 높여 비드 외관을 양호하게 하기 위해 첨가한다. 또한, 합금 조정을 위해 첨가한 금속 Mn 및 Mn 합금에 관해서도, 용접시의 산화에 의해 일부 슬래그 중에 혼입되어, 슬래그의 유동성을 높여 비드 외관을 향상시키는 효과를 가져온다. Mn 화합물의 첨가량이 [MnO] 환산으로 0.2질량% 미만이면, 비드 외관을 양호하게 하는 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Mn 화합물의 첨가량이 MnO 환산으로 10.0질량%를 초과하면, 슬래그의 피포성이 저하된다. 따라서, Mn 화합물의 첨가량은 MnO 환산으로 0.5 내지 10.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
「Si 화합물: 와이어 전체 질량에 대하여, [SiO2] 환산으로 0.1 내지 3.0 질량%」
SiO2는 슬래그의 점성을 높여 비드 형상을 양호하게 하기 위해 첨가한다. Si 화합물의 첨가량이 [SiO2] 환산으로 0.1질량% 미만이면 비드 형상을 양호하게 하는 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Si 화합물의 첨가량이 SiO2 환산으로 3.0질량%를 초과하면, 슬래그의 박리성이 저하된다. 따라서, Si 화합물의 함유량은 SiO2 환산으로 0.1 내지 3.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
「Al, Ti, Zr 화합물: 와이어 전체 질량에 대하여 1종 또는 2종 이상의 [Al2O3], [TiO2], [ZrO2] 환산 총계로 5.0 내지 12.0질량%」
Al, Ti, Zr 화합물은 슬래그의 융점을 높여 전 자세 용접의 작업성을 양호하게 하기 위해 첨가한다. Al, Ti, Zr 화합물의 1종 또는 2종 이상의 [Al2O3], [TiO2], [ZrO2] 환산 총계로 5질량% 미만이면, 슬래그의 양이 충분하지 않아 슬래그의 피포성이 열화된다. 한편, Al, Ti, Zr 화합물의 1종 또는 2종 이상의 [Al2O3], [TiO2], [ZrO2] 환산 총계로 12.0질량%를 초과하면, 슬래그 권취 결함이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Al, Ti, Zr 화합물의 1종 또는 2종 이상의 [Al2O3], [TiO2], [ZrO2] 환산 총계로 5.0 내지 12.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
또한, 사용하는 Ni기 합금 외피의 Mo 함유량 및 W 함유량은 하기 범위로 하는 것이 바람직하다.
「Mo: 10 내지 25질량%, W: 1 내지 4질량%」
Mo, W는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해 불가결한 원소이지만, 외피 중의 Mo, W 함유량이 적은 경우에는 부족한 부분을 플럭스에 첨가해야 한다. 플럭스에 Mo, W를 첨가하는 경우는 통상 금속 Mo, W를 사용하지만, 금속 Mo, W는 융점이 높기 때문에, 용접시에 녹아 남아 결함이 되기 쉽기 때문에, 외피로부터의 첨가가 바람직하다.
본 발명의 플럭스 코어드 용접 와이어의 플럭스율에 대해서는, 10% 이상의 플럭스율로 하여 와이어를 설계하는 것이 가능하다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예의 용착 금속의 강도, 충격치, 내고온 균열성 및 전 자세에서의 용접 작업성에 대하여 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다. 우선, 하기 표 1에 나타내는 조성의 Ni기 합금으로 이루어진 두께 0.4㎜, 폭 9.0㎜의 밴드를 만곡시켜 원통상의 외피(No. A 내지 C)를 제작했다. 이들 외피에, 금속 원료와 슬래그 성분으로 이루어진 플럭스를 내포한 플럭스 코어드 와이어(No. 1 내지 25)를 작성했다. 이 플럭스의 조성은 하기 표 3에 나타내는 바와 같다. 표 3 중, B의 란은 화학식 2의 값으로, 플럭스의 염기도이다. 이 와이어를 직경이 1.2㎜가 되도록 신선 가공한 후, 가열에 의해 와이어 중에 포함되는 수분을 400ppm 이하로 한 것을 공시 와이어로 했다. 이 플럭스 코어드 와이어를 사용한 용접에 의해 얻어지는 용착 금속의 조성은, 표 3의 와이어 No. 1 내지 25 및 외피 No. A 내지 C에 따라, 하기 표 2에 나타내는 전 용착 금속 성분 조성이 되는 것이었다. 단, 표 2에 기재되어 있지 않지만, V는 모두 0.01질량% 미만이었다.
한편, 각 실시예 및 비교예에 있어서, 플럭스율은 23 내지 33%였다. 각 실시예 및 비교예의 플럭스에는, 표 3에 나타내는 성분 외에 플럭스 코어드 용접 와이어에 통상 사용되는 바와 같은 금속 성분, 불화물 등이 포함되어 있다.
Figure 112007009955177-pat00005
Figure 112007009955177-pat00006
Figure 112007009955177-pat00007
그리고, 전술한 방법으로 제조한 No. 1 내지 25의 와이어에 대하여, 수직에서의 용접 작업성 평가, 용착 금속의 화학 성분 분석, 인장 및 충격 시험, 고온 균열 시험으로서 피스코 균열 시험을 수행했다.
수직에서의 용접 작업성 평가는 도 1에 나타낸 바와 같이 판 두께가 12㎜이고, 그루브 각도가 55°가 되도록 사면이 형성된 그루브부를 갖는 모재를, 그루브의 루트 갭이 2㎜가 되도록 조정하여, 수직 상진(上進로) 자세에서 용접함으로써 수행했다. 이 모재의 조성을 하기 표 4에 나타낸다. 그 때의 용접 조건은, 용접 전류가 150A, 전압이 27V이며, 실드 가스로는 Ar-80% CO2를 사용하고, 실드 가스의 유량은 25ℓ/분으로 했다.
Figure 112007009955177-pat00008
용착 금속은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 판 두께 20㎜의 SM 490 강판의 그루브 면에 그루브 각도가 45°가 되도록 사면을 형성하고, 이 그루브를 공시 와이어로 하여 버터링층(2)을 형성했다. 그 후, 버터링된 모재(1) 끼리 루트 갭이 12㎜가 되도록 배치하고, 그루브가 좁은 측에 동일한 표면을 버터링한 기저 금속(3)(강재)을 배치했다. 이 그루브에 JIS Z32222에 준하여 용접하여 용착 금속을 작성했다. 화학 성분 분석 시험 및 인장 시험편(JIS Z3111 A호 시험편 4, 5를 채취했다. 이 때의 용접 조건은 용접 전류가 200A, 전압이 29V, 용접 속도가 300 내지 400㎜이며, 실드 가스로는 80% Ar-20% CO2를 사용하고, 실드 가스의 유량은 25ℓ/분으로 했다.
인장 강도는 690MPa 이상, 신도는 30% 이상, -196℃에서의 충격치는 70J 이상을 합격으로 했다.
고온 내균열 시험은, 표 4에 나타내는 성분의 모재를 사용하여, 도 3에 나타낸 바와 같이 그루브 각도가 60°가 되도록 판 두께의 반까지 사면이 형성된 판 두께가 20㎜, 폭이 125㎜, 길이가 300㎜인 모재를 간격이 2㎜가 되도록 조정하여, 구속균열 시험 방법에 의해 수행했다. 자동 용접기에 의한 싱글 비드 용접을 수행하고, 스타트와 크레이터를 제외한 용접 금속부에 발생하는 균열의 유무를 확인했다.
한편, 고온 균열 시험의 용접 조건은, 전류를 280A, 전압을 34V, 용접 속도를 50cm/분, 실드 가스로는 80% Ar-20% CO2를 사용하고, 실드 가스의 유량은 25ℓ/분으로 했다.
그 결과를 하기 표 5에 나타낸다.
Figure 112007009955177-pat00009
표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위에 있는 실시예 No. 1 내지 6은 수직의 용접 작업성, 기계적 성능 및 내고온 균열성에 대하여 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 비교예 No. 7, 8 및 17은 용착 금속의 Mo가 24.53-0.76×[Cr]을 초과하기 때문에, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 9 내지 11은 용착 금속의 Mo가 18.38-0.54×[Cr] 미만이기 때문에, 인장 강도가 열화되었다. 비교예 No. 11은 용착 금속의 Si가 0.1질량% 미만이기 때문에, 신도가 열화되었다. 비교예 No. 12는 용착 금속의 C가 0.05질량%를 초과하기 때문에, 인성 및 내균열성이 열화되었다. 비교예 No. 13은 용착 금속의 Si가 0.5질량%를 초과하기 때문에, 인성 및 내균열성이 열화되었다. 또한, 와이어 전체 질량에 대한 Si 화합물의 양이 산화물 환산으로 3.0질량%를 초과하기 때문에, 용접시의 슬래그 박리성이 열화되었다. 비교예 No. 14는 용착 금속의 Mn이 6.0질량%를 초과하기 때문에, 용접시의 슬래그 박리성이 열화되었다. 또한, 와이어 전체 질량에 대한 Mn 화합물의 양이 산화물 환산으로 10.0질량%를 초과하기 때문에, 용접시의 슬래그 피포성이 열화되었다. 비교예 No. 15는 용착 금속의 P가 0.02질량%를 초과하기 때문에, 내균열성이 열화되었다. 비교예 No. 16은 용착 금속의 S가 0.01질량%를 초과하기 때문에, 내균열성이 열화되었다. 비교예 No. 17은 용착 금속의 Cr이 15.0질량%를 초과하기 때문에, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 18은 용착 금속의 Mo가 25.0질량%를 초과하기 때문에, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 19는 용착 금속의 Nb가 0.1질량%를 초과하기 때문에, 내균열성이 열화되었다. 비교예 No. 20은 용착 금속의 Fe가 10.0질량%를 초과하기 때문에, 내균열성이 열화되었다. 비교예 No. 21은 용착 금속의 W가 1.0질량% 미만이기 때문에, 인장 강도가 열화되었다. 비교예 No. 22는 용착 금속의 W가 4.0질량%를 초과하기 때문에, 인성이 열화되었다.
비교예 No. 23은 용착 금속의 Al이 0.1질량%를 초과하기 때문에, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 24는 용착 금속의 Ti가 1.0질량%를 초과하기 때문에, 인성이 열화되었다. 또한, 와이어 전체 중량에 대한 Li, Na, K 화합물의 총량이 산화물 환산으로 0.1질량% 미만이기 때문에, 용접시에 스패터링이 다발했다. 비교예 No. 25는 와이어 전체 중량에 대한 Li, Na, K 화합물의 총량이 산화물 환산으로 3.0질량%를 초과하기 때문에, 아크가 불안정해져 스패터링이 다발했다. 비교예 No. 14 및 25는 와이어 전체 중량에 대한 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O], [Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때, ([Na2O]+[K2O]+[Li2O]+0.2×[MnO])/([SiO2]+0.5×([Al2O3]+[TiO2]+[ZrO2]))가 0.5를 초과하기 때문에, 수직 작업성이 열화되었다.
한편, 실시예 No. 2는 와이어 전체 중량에 대한 Ti, Zr, Al 화합물의 총량이 산화물 환산으로 12.0질량%를 초과하기 때문에, 약간 슬래그 권취가 발생했지만, 기계적 성질은 문제가 없는 레벨이었다. 실시예 No. 5는 와이어 전체 중량에 대한 Ti, Zr, Al 화합물의 총량이 산화물 환산으로 5.0질량% 미만이기 때문에, 다른 실시예보다도 슬래그 피포성이 낮다.
본 발명에 의하면, 저염기도의 슬래그계로 하여 전 자세에서의 용접 작업성을 확보하는 동시에, 용착 금속의 조성을 상술한 범위 내로 함으로써, 전 자세에서의 용접 작업성과 용착 금속의 내고온 균열성, 용착 금속의 기계 성능, 특히 저온 인성을 양립시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. Ni기 합금 외피에 플럭스가 충전된 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어에 있어서,
    이 플럭스 코어드 와이어에 의해 얻어지는 용착 금속 성분이
    C: 0.005 내지 0.05질량%,
    Si: 0.1 내지 0.5질량%,
    Mn: 0.2 내지 6.0질량%,
    Cr: 0.1 내지 15.0질량%,
    Mo: 10.0 내지 25.0질량%,
    Fe: 0.1 내지 10.0질량%,
    W: 1.0 내지 4.0질량%,
    Ti: 0.01 내지 1.0질량%,
    잔부가 Ni 및 불가피적 불순물이며,
    이 불가피적 불순물은
    P: 0.020질량% 이하,
    S: 0.010질량% 이하,
    Nb: 0.1질량% 이하,
    V: 0.1질량% 이하,
    Al: 0.1질량% 이하
    로 규제되고,
    용착 금속 성분의 Cr 함유량을 [Cr], Mo 함유량을 [Mo]로 할 때, 하기 수학식 1을 만족하고, 또한
    상기 플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 및 Ni기 합금 외피 중 어느 한 쪽 또는 양쪽에 함유되는 와이어 전체 중량에 대한 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 각 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O], [Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때, 하기 수학식 2의 값이 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어.
    수학식 1
    Figure 112007009955177-pat00010
    수학식 2
    Figure 112007009955177-pat00011
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 및 Ni기 합금 외피 중 어느 한 쪽 또는 양쪽에 함유되는 Na, K, Li, Mn, Si, Al, Ti 및 Zr의 각 화합물의 함유량을 각 산화물로 환산한 값을 각각 [Na2O], [K2O], [Li2O], [MnO], [SiO2], [Al2O3], [TiO2] 및 [ZrO2]로 할 때,
    와이어 전체 중량에 대하여
    [Na2O], [K2O], [Li2O]: 그의 1종 또는 2종 이상의 총계로 0.1 내지 3.0질량%,
    [SiO2]: 0.1 내지 3.0질량%,
    [MnO]: 0.5 내지 10.0질량%,
    [Al2O3], [TiO2], [ZrO2]: 그의 1종 또는 2종 이상의 총계로 5.0 내지 12.0질량%인 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용착 금속 성분이
    Cr: 0.01 내지 8.0질량%,
    Mo: 15.0 내지 25.0질량%
    인 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외피가 Mo: 10 내지 25질량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외피가 W: 1 내지 4질량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 Ni기 합금 플럭스 코어드 와이어.
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