KR100925608B1 - 저온인성이 우수한 950ＭＰａ급 이상의 초고강도용접이음부 - Google Patents

저온인성이 우수한 950ＭＰａ급 이상의 초고강도용접이음부 Download PDF

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Abstract

용접구조체, 특히 인장강도 950MPa급 이상의 초고강도 강재를 용접하여 구성한 용접구조체의 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 용접이음부가 제공된다.
이 용접이음부는 용접구조체의 용접이음부에 있어서, 모재와 용가재에 의해 형성되는 용접금속이 하기 (1)식에서 나타난 탄소당량 Ceq 값 0.7~0.8%의 범위 안에 있고, 조직은 60면적% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite)와 베이나이트 및 10~20 면적%의 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어지는 것이다.
Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 + ([Ni] + [Cu])/15) … (1)
단, [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V], [Ni] 및 [Cu]는, 각각 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 인장강도 950MPa급 이상의 초고강도 강재를 용접하여 구성한 용접구조체에서 저온인성이 우수하고 950MPa급 이상의 초고강도를 갖는 용접이음부를 제공할 수 있는 효과가 있다.
초고강도, 저온인성, 서브머지드 아크 용접, 용접금속, 용가재, 탄소당량

Description

저온인성이 우수한 950ＭＰａ급 이상의 초고강도 용접이음부{Ultra High Strength Welding Joint of 950ＭＰａ grade Having Excellent Low Temperature Toughness}
본 발명은 용접구조체, 특히 인장강도 950MPa급 이상의 초고강도 강재를 용접하여 구성한 용접구조체의 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 용접이음부에 관한 것이다. 보다 상세하게는 모재와 용가재에 의해 형성되는 용접금속의 탄소당량 및 조직을 제어함에 따라 우수한 저온인성 및 950MPa급 이상의 초고강도를 갖는 용접이음부에 관한 것이다.
최근에는 석유나 천연가스의 자원개발이 점차 한랭지로 이동하면서, 이에 필요한 해양구조물, 선박, 파이프 라인 등이 -30℃ 이하에서도 안정적으로 운영될 수 있도록 우수한 저온인성 확보의 중요성이 점차 높아지고 있다.
게다가 저장 및 수송 효율의 향상, 구조물의 두께 및 크기 감소에 의한 시공비용 저감을 위해 강재의 고강도화가 절실히 요구되고 있는 상황이다.
일반적으로 강재는 강도가 증가할수록 인성은 감소하는 경향을 나타내므로,강도와 저온인성의 발란스(Balance)를 도출하기 위한 많은 노력들이 행해지고 있다.
한편, 구조물을 제작하는 경우 필수적인 용접공정에 의해 형성되는 용접이음부는 용접열원에 의하여 급열 및 급냉을 겪게 되고 이때, 금속조직학적으로 그 부위는 결정립이 조대화되거나 취약한 조직으로 상변태가 발생하여 결국 모재 대비 품질 특성이 필연적으로 열화된다.
따라서, 구조물의 강도와 저온인성을 확보함에 있어서, 언제나 용접이음부가 핵심이 되며, 용접이음부 품질이 목표로 하는 수준을 얻지 못한다면 강판은 제조할 수 있어도 구조물을 시공할 수가 없는 것이다. 이러한 이유로 우수한 용접이음부 품질을 얻기 위하여 강재 설계 및 용접재료, 용접시공 기술개발 등의 다양한 노력이 이루어지고 있다.
지금까지로는 인장강도 700MPa급의 강재에 대한 용접이음부 저온인성이 확보되고 있는 상황이나, 고강도화의 요구가 더욱 강해짐에 따라 950MPa급의 초고강도 강재를 사용한 구조물이 필요로 하게 되었다.
이와 같은 초고강도 강재에 대하여 동급의 강도와 우수한 저온인성을 보유한 용접이음부를 얻기 위해서는 기존의 기술적용으로는 한계를 가지고 있는 실정이다. 심지어 그 특성을 만족하도록 하는 용가재 역시 상용화되어 있지 않다.
따라서, 저온인성이 우수하면서 초고강도의 용접이음부를 제조하는 것이 강재 제조 및 용접가공업계의 주요 과제들 중의 하나가 되어 왔다.
종래에는 이러한 문제의 해결 수단으로서 일본 공개특허공보 2000-199036호에서는 용접금속의 평균인장강도가 강판의 인장강도-100MPa 이상이며, Ni함유량이 모재와 비교하여 1% 이상 높은 것을 특징으로 하는 초고강도 라인파이프의 제조방법을 제공하고 있다. 그러나, 이는 결과론적인 데이터 제공에 한정되어 있으며 쉽고 간편한 실질적인 제조방법으로 도입하기에는 한계가 있는 실정이다.
또한, 일본 공개특허공보 2002-115032호에서는 잔류 오스테나이트 상을 1% 이상 함유하는 용접금속을 특징으로 하는 초고강도 라인파이프의 제조방법을 보고하고 있으나, 이는 용접이음부의 저온인성 향상이 목적이 아니라 저온균열의 방지를 주목적으로 하고 있으며 간단하게 계산하여 용접금속을 설계하는 데에 도움을 주지 못할 뿐만 아니라 결과론적인 정보 제공에 지나지 않는다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 인장강도 950MPa급 이상의 초고강도 강재를 용접하여 구성한 용접구조체에서 저온인성이 우수하고 950MPa급 이상의 초고강도를 갖는 용접이음부를 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
용접구조체의 용접이음부에 있어서, 모재와 용가재에 의해 형성되는 용접금속이 하기 (1)식에서 나타난 탄소당량 Ceq 값 0.7~0.8%의 범위 안에 있고, 조직은 60면적% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite)와 베이나이트 및 10~20 면적%의 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어지는 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 용접이음부에 관한 것이다.
Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 + ([Ni] + [Cu])/15) … (1)
단, [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V], [Ni] 및 [Cu]는, 각각 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 저온인성이 우수한 950MPa 급 이상의 초고강도 용접이음부를 제조할 수 있는 방안을 연구하기 위하여 강판 설계, 용가재 설계 및 용접조건 등에 초점을 맞추어 면밀히 검토하던 중, 초고강도와 저온인성의 밸런스를 확보할 수 있 는 최적의 조직 분율을 도출하였으며, 이러한 조직 분율을 확보하기 위하여 용접금속의 탄소당량식의 범위를 적절히 제어하면 용접이음부의 저온인성뿐만 아니라 950MPa 급 이상의 초고강도를 확보할 수 있다는 것을 새롭게 규명하고, 그 결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, 본 발명의 저온인성이 우수한 950MPa 급 이상의 초고강도 용접이음부에 대하여 상세히 설명한다.
일반적으로 700MPa급 이하의 용접금속을 제조하는 경우에는 동급의 강도와 우수한 저온인성을 얻을 수 있는 침상 페라이트 (Acicular ferrite) 조직을 목표로 성분설계가 이루어졌으나, 그 이상의 강도 특히 950MPa급 이상의 초고강도에서는 침상 페라이트 조직으로 동등의 강도를 맞출 수가 없으며, 따라서 강도 향상을 위하여 새로운 조직들의 최적 혼합을 필요로 한다.
본 발명은 용접구조체의 용접이음부에 있어서, 모재와 용가재에 의해 형성되는 용접금속의 조직이 60면적% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite)와 베이나이트 및 10~20 면적%의 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어지는 것이다.
상기 강도가 높은 마르텐사이트 조직 비율이 많아지면 용접금속의 강도는 쉽게 달성할 수는 있는 반면 저온인성 측면에서는 만족스럽지 못한 결과를 가져올 수 있다. 반대로 상기 인성이 우수한 침상 페라이트 및 하부 베이나이트(Lower bainite) 조직 비율이 높아지면 용접금속의 인성은 향상될 수 있는 반면 강도는 초고강도 급에 이르지 못할 수 있다. 따라서, 상기 용접금속의 조직은 60면적% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite)와 베이나이트 및 10~20면적%의 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 용접금속의 혼합조직을 얻기 위해서는 모재와 용가재가 통상의 용접조건에 의해 희석이 되어 형성된 용접금속이 아래에서 나타낸 탄소당량 Ceq 값 0.7~0.8%의 범위 안에 있도록 모재와 용가재의 성분설계가 이루어져야 한다.
Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 + ([Ni] + [Cu])/15) … (1)
단, [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V], [Ni] 및 [Cu]는, 각각 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.
여기서 탄소당량 Ceq 값은 0.7~0.8 범위 안에 있어야만 저온인성과 초고강도의 밸런스가 이루어지며, 이때 용접금속 조직은 60면적% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite)와 베이나이트 및 10~20면적%의 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어지는 것이다. 상기 용접금속의 탄소당량 Ceq 값이 0.7 미만일 경우에는 저온인성은 우수하나 초고강도를 달성하지 못하는 반면 0.8을 초과일 경우에는 초고강도는 이루어지나 저온인성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 모재는 중량%로, C: 0.03~0.10%, Si: 0.6% 이하, Mn: 1.6~2.1%, Cu: 1.0% 이하, Ni: 1.0% 이하, Nb: 0.01~0.06%, V: 0.01~0.1%, Mo: 0.1 ~0.5%, Cr: 1.0% 이하, Ti: 0.005~0.03%, Al: 0.001~0.06%, B: 0.0005~0.0025%, N: 0.001~0.006%, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, Ca: 0.006% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 용가재는 중량%로, C: 0.05~0.1%, Si: 0.3~0.6%, Mn: 1.0~3.0%, Ni: 1.5~6.0%, Cr+Mo+V: 0.5~2.5%, N: 0.006% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, O: 0.03% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따르면, 인장강도 950MPa급 이상의 초고강도 강재를 용접하여 구성한 용접구조체에서 저온인성이 우수하고 950MPa급 이상의 초고강도를 갖는 용접이음부를 제공할 수 있는 효과가 있다.
(실시예)
모재의 제조는 300톤 전로에서 용융금속(Molten metal)의 정련을 통해 화학성분을 제어한 후, 연속 주조하여 슬래브를 얻는다. 그 후 1100℃에서 재가열한 후 압연과정을 통해 누적 압하량이 80%가 되는 제어 압연을 16mm까지 행하고, 그 뒤 20~30℃/sec의 냉각속도로 수냉 처리하여 강판을 얻었다. 상기에서 얻어진 강판의 화학성분 및 기계적 특성을 표 1에 나타내었다.
강판 화학성분 (wt. %) 기계적 특성
C Si Mn P S Cr+Mo+V Ni+Cu Ceq TS (MPa) vE-30℃ (J)
A 0.05 0.15 1.9 0.006 0.001 0.64 0.5 0.52 1018 240
B 0.09 0.15 1.9 0.005 0.001 0.64 0.2 0.55 1077 186
표 1에 나타난 바와 같이, 강판 A는 강도가 목표 범위 내에 있으며 동시에 저온인성(샤르피 V 노치 충격시험을 통한 -30℃에서의 흡수 에너지) 값도 높게 나타났다. 한편, 강판 A에 비교하여 C 및 Cr 함량이 높고 Mo 및 Ni 함량이 적은 강판 B의 강도는 목표범위에 있지만 저온인성값은 다소 낮게 나타났다.
이러한 강판에 대하여 하기 표 2에 나타낸 용가재(a~c)를 사용하여 서브머지드 아크 용접을 실시하였다. 플럭스는 상용화된 소결형의 고염기성 타입을 사용하였으며, 3전극봉을 이용하여 용접속도 1.6m/min, 용접입열량 2.0~5.0kJ/mm을 적용하였다. 용접이음부의 화학성분, 조직분율 및 기계적 특성에 대한 실험을 실시한 후, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
용가재 화학성분(Wt.%)
C Si Mn Ni Cr+Mo+V
a 0.06 0.51 1.6 2.0 0.53
b 0.08 0.40 2.6 5.7 2.34
c 0.07 0.44 2.3 4.5 1.74
분실시 번호 강판 용가재 용접 입열량 (kJ/mm) 용접금속 특성
화학성분 조직분율 기계적 특성
C Mn Cr+Mo +V Ni+Cu Ceq 마르텐 사이트 (%) AF+B (%) TS (MPa) vE- 30℃ (J)
1 A b 5.0 0.07 1.8 1.33 2.5 0.8 19 81 1096 126
2 A c 2.8 0.07 1.9 1.0 2.3 0.74 12 88 988 130
3 A c 3.2 0.07 1.9 1.1 2.2 0.75 17 83 1004 144
4 B a 2.0 0.09 2.2 0.68 1.55 0.70 11 89 963 98
5 B c 3.2 0.08 1.9 1.1 1.9 0.74 12 88 971 106
6 A a 3.2 0.06 1.7 0.55 1.2 0.52 0 100 898 94
7 A b 3.2 0.08 2.2 1.45 3.3 0.94 76 24 1114 65
8 B a 3.2 0.08 1.7 0.6 1.1 0.55 0 100 904 43
9 B b 3.2 0.1 2.2 1.41 2.9 0.95 84 16 1102 50
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 탄소당량 범위를 만족하는 발명예(1~5)의 경우 목표로 하는 10~20면적% 분율의 마르텐사이트와 80% 이상의 침상 페라이트 및 베이나이트의 혼합조직을 확보할 수 있었다. 따라서, 이러한 발명예(1~5)는 인장강도 950MPa 이상의 초고강도를 만족시키면서 저온인성은 -30℃ 에서도 90J 이상의 우수한 흡수에너지를 나타냄을 잘 알 수 있다.
반면, 비교예(6 및 8)는 용접금속의 탄소당량 (Ceq)이 본 발명의 한정범위 (0.7~0.8)보다 작은 값을 나타내었다. 따라서 이러한 성분계로 인하여 용접 이후 냉각시 소입성(Hardenability)이 작아 강도상승에 주 역할을 하는 마르텐사이트 변태가 전혀 이루어지지 않았으며(마르텐사이트 분율 0%) 그 결과 목표로 하는 인장강도를 확보하지 못하였다.
또한, 비교예(7 및 9)의 경우에는 용접금속의 탄소당량(Ceq)이 본 발명의 한정범위보다 큰 값을 나타내었다. 이러한 과도한 성분계로 인하여 용접 이후 냉각시 소입성(Hardenability)이 높아져서 강도 상승에 주 역할을 하는 마르텐사이트 생성이 과하게 이루어지고(마르텐사이트 분율 76%(비교예 7), 84%(비교예 9)), 반면 저온인성 향상에 유리한 역할을 하는 침상 페라이트의 분율이 목표로 하는 60% 보다 훨씬 작은 24%(비교예 7), 16%(비교예 9)를 나타내었다. 그 결과 용접금속의 인장강도는 950MPa급 보다 큰 1100MPa 이상의 초고강도를 나타내고 있지만, 저온인성은 -30℃에서 비교예 7 65J, 비교예 9 50J로서, 만족스럽지 못한 특성을 나타냄을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 용접구조체의 용접이음부에 있어서, 모재와 용가재에 의해 형성되는 용접금속이 하기 (1)식에서 나타난 탄소당량 Ceq 값 0.7~0.8%의 범위 안에 있고, 조직은 80~90면적%의 침상 페라이트(Acicular ferrite)와 베이나이트 및 10~20 면적%의 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어지는 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 용접이음부.
    Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 + ([Ni] + [Cu])/15) … (1)
    단, [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V], [Ni] 및 [Cu]는, 각각 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모재는 중량%로, C: 0.03~0.10%, Si: 0.6% 이하, Mn: 1.6~2.1%, Cu: 1.0% 이하, Ni: 1.0% 이하, Nb: 0.01~0.06%, V: 0.01~0.1%, Mo: 0.1 ~0.5%, Cr: 1.0% 이하, Ti: 0.005~0.03%, Al: 0.001~0.06%, B: 0.0005~0.0025%, N: 0.001~0.006%, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, Ca: 0.006% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 용접이음부.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 용가재는 중량%로, C: 0.05~0.1%, Si: 0.3~0.6%, Mn: 1.0~3.0%, Ni: 1.5~6.0%, Cr+Mo+V: 0.5~2.5%, N: 0.006% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, O: 0.03% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 용접이음부.
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