KR100955551B1 - 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및일렉트로 가스 아크 용접 금속 - Google Patents

일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및일렉트로 가스 아크 용접 금속 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 와이어 전체 질량 당, C: 0.03 내지 0.07질량%, Si: 0.3 내지 0.8질량%, Mn: 1.5 내지 2.2질량%, Ni: 0.4 내지 1.5질량%, Cr 및 Mo의 합계량: 0.05 내지 0.60질량%, Ti: 0.02 내지 0.20질량%, B: 0.005 내지 0.020질량%, Mg: 0.20 내지 0.50질량%를 함유하고, Al≤0.10질량%로 규제하고, 슬래그 생성제: 1.0 내지 2.0질량%를 함유하고, 이 슬래그 생성제는, 와이어 전체 질량 당, F: 0.30 내지 0.70질량%, K: 0.02 내지 0.20질량%를 함유하고, [A]=(Cr+Mo)/Ni: 0.10 내지 1.0, 및 [B]=C/(Ti+20×B): 0.12 내지 0.58이다. 이러한 구성에 의해, 용접 금속의 강도 및 신도와 인성을 향상시킬 수 있고, 또한 용접 작업성이 우수하다.

Description

일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 일렉트로 가스 아크 용접 금속{FLUX-CORED WIRE FOR ELECTRO GAS ARC WELDING AND ELECTRO GAS ARC WELD METAL}
본 발명은, 판 두께가 25㎜ 내지 70㎜인 수직 자세 1패스 용접이 가능한 1전극 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 일렉트로 가스 아크 용접 금속에 관한 것이다.
일렉트로 가스 아크 용접은, 고능률 수직 용접 방법으로서, 선박, 석유 저장 탱크 및 교량 등의 폭 넓은 분야에 적용되고 있다. 최근, 중국·동아시아 제국의 경제, 산업의 발전이 현저하여 물류량이 증가함에 따라, 컨테이너 화물의 효율적인 수송을 목적으로 콘테이너선의 대형화가 급속히 진행되고 있다.
콘테이너선의 대형화에 따라, 선박 측 외판 및 해치 코밍 등의 후육화(厚肉化)가 진행되고 있어, 판 두께 50㎜ 이상의 강판이 사용되고 있다. 이러한 후강판을 고능률로 용접할 수 있는 시공법으로서, 일렉트로 가스 아크 용접법에 의한 대 입열 1패스 용접화의 요구가 높아지고 있다.
이와 같이 후강판으로 되면 용접 속도가 대폭 저하되고 입열이 400kJ/cm를 초과하는 경우도 있기 때문에, 용접 금속의 조직은 조대화된다. 따라서, 소정의 강도 및 충격 성능을 만족시키기 위해서는, 와이어의 성분으로서 Mn, Ni, Mo 등의 원소를 용접 금속에 첨가하여 담금질 성을 높여, 강도 및 충격 성능을 확보해 왔다.
예컨대, 일본 특허공개 제2005-330578호 공보는, 고강도이면서 판 두께 50㎜를 초과하는 후판재의 용접에 있어서도 충분한 파괴 인성을 확보하는 것을 목적으로 소정 조성의 용접 금속을 제안하고 있다. 또한, 일본 특허공개 제2005-305498호 공보는, 최대 입열이 500kJ/cm 정도까지인 일렉트로 가스 아크 용접법에 있어서, 저온 인성이 매우 양호한 용접 금속을 얻는 것을 목적으로 소정 조성의 용접용 와이어를 제안하고 있다. 또한, 일본 특허공개 제2005-329460호 공보는, 용접부의 내취성 파괴 발생 특성의 향상을 목적으로 한 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 제안하고 있다.
그러나, 이와 같이 와이어로부터 Mn, Ni, Mo 등의 합금 원소를 다량 첨가하면, 용접 시공시의 전압의 떨림 등에 의해, 모재 희석이 변동하기 쉬워지기 때문에, 용접 금속의 화학 성분은 크게 변동하여, 소정의 성능을 만족하지 않는 경우도 관찰되었다.
특히, 사용자에 의해, 시공 능률의 관점에서 박판에서 후판까지 폭 넓은 판 두께에 대하여 적용가능한 와이어의 개발이 요청되고 있으며, 후판재에 대응한 와이어는 합금 성분을 첨가하여 강도를 확보하고 있기 때문에, 비교적 박판에서는 인장 강도가 너무 높아 인장 시험에서의 신도가 얻어지기 어렵고, 조선 분야에서 적용되고 있는 배급 규격의 신도 22% 이상에 대하여 여유가 없는 경우도 관찰되었다. 추가적으로는, 인성도 열화되는 경향이 있었다.
지금까지는, 이들 문제에 대하여 언제나 충분한 검토가 이루어지고 있다고는 말할 수 없었다. 그래서, 본 발명자들은, 폭 넓은 판 두께 25㎜ 내지 70㎜에서도, 충분한 인장 강도, 신도 및 충격 성능이 양호하고 또한 우수한 용접 작업성을 갖는 와이어 및 용접 금속 성분계를 개발하도록 예의 실험 연구한 결과, 적절한 조성 범위의 규정 및 슬래그 생성제의 규정에 의해 우수한 용접 금속 특성 및 작업성을 얻을 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 종래 기술에서는 곤란하였던 폭 넓고 판 두께 25 내지 70㎜인 대상 강판에 대하여, 용접 금속의 강도 및 신도와 인성을 향상시킬 수 있고, 또한 용접 작업성이 우수한 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 일렉트로 가스 아크 용접 금속을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 강제 외피에 플럭스를 충전하여 이루어진 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 와이어 전체 질량 당,
C: 0.03 내지 0.07질량%,
Si: 0.3 내지 0.8질량%,
Mn: 1.5 내지 2.2질량%,
Ni: 0.4 내지 1.5질량%,
Cr 및 Mo의 합계량: 0.05 내지 0.60질량%,
Ti: 0.02 내지 0.20질량%,
B: 0.005 내지 0.020질량%,
Mg: 0.20 내지 0.50질량%를 함유하고,
Al≤0.10질량%로 규제하고,
슬래그 생성제: 1.0 내지 2.0질량%를 함유하고,
이 슬래그 생성제는, 와이어 전체 질량 당,
F: 0.30 내지 0.70질량%,
K: 0.02 내지 0.20질량%를 함유하고,
또한, [A], [B]가 각각 Cr, Mo, Ni, C, Ti, B의 함유량으로부터,
[A]=(Cr+Mo)/Ni 및 [B]=C/(Ti+20×B)의 식에 의해 결정되는 값으로 하면,
[A]: 0.10 내지 1.0,
[B]: 0.12 내지 0.58이다.
본 발명에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 금속은, 일렉트로 가스 아크 용접에 의해 형성된 일렉트로 가스 아크 용접 금속에 있어서, 용접 금속의 전체 질량 당,
C: 0.035 내지 0.075질량%,
Si: 0.1 내지 0.6질량%,
Mn: 1.1 내지 1.8질량%,
Ni: 0.4 내지 1.5질량%,
Cr 및 Mo의 합계량: 0.05 내지 0.60질량%,
Ti: 0.005 내지 0.050질량%,
B: 0.002 내지 0.008질량%를 함유하고,
O≤0.05질량%,
N≤0.007질량%,
Al≤0.03질량%,
P≤0.025질량%,
S≤0.025질량%,
Nb≤0.1질량%로 규제하고,
잔부는, 90질량% 이상의 Fe, 및 Cu, V 및 불가피적 불순물이면서,
또한, PCM, [A], [B]가 각각 C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B의 함유량으로부터,
PCM=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+(5×B),
[A]=(Cr+Mo)/Ni,
[B]=C/(Ti+20×B)의 식에 의해 결정되는 값으로 하면,
PCM: 0.175 내지 0.220,
[A]: 0.10 내지 1.0,
[B]: 0.25 내지 1.67이다.
본 발명에 따르면, 용접 금속의 강도가 적정 범위내이며, 신도도 높고 또한 충격치도 양호하고 인성이 우수하다. 또한, 본 발명의 와이어를 사용하면, 우수한 용접 작업성이 얻어진다.
종래, 후육화에 따르는 용접 입열의 증대에 기인하는 용접 금속의 강도 저하 및 인성 열화에 대하여, 주로 와이어에의 Ni 첨가에 의한 개선을 도모해 왔다. 따라서, 용접판의 판 두께가 60㎜와 같이 두꺼운 경우에는, 일렉트로 가스 아크 용접 금속의 Ni량이 2질량% 이상에도 도달하는 경우가 관찰되었다. 그러나, 이와 같이 Ni량이 많은 와이어를 사용하여 비교적 얇은 판 두께 25㎜의 용접판을 용접하면, 입열이 저하됨에 따라 담금질성이 커지기 때문에, 입열로서는, 인성의 향상 및 신도를 개선하는 방향이지만, Ni를 주체로 하는 과대한 합금 성분량에 의해 강도가 지나치게 높아지고, 인성 열화와 신도가 얻어지기 어려운 경향이 관찰되었다. 그래서, 본 발명자들은, 용접판의 판 두께가 얇은 경우에 강도가 지나치게 높아지지 않도록 하는 동시에, 용접판의 판 두께가 두꺼운 경우에 합금 성분량이 적더라도 강도 저하 및 인성 열화에 대하여 유효한 성분계를 개발하기 위해 예의 실험 연구했다. 그 결과, Cr, Mo, Ni량의 밸런스가 중요하다는 것을 발견했다.
Cr 및 Mo는 Ni보다도 담금질 효과가 크다. 따라서, 소량의 첨가로도 조직의 미세화가 가능해져, 후판에서의 강도 및 인성의 확보에 유효하다. Ni는 담금질 효과가 Cr 및 Mo보다도 작지만 충격 특성의 천이 온도를 낮추는 효과가 있고, 지나치게 적으면 저온에서의 인성이 현저히 열화된다. 따라서, Cr, Mo, Ni량의 밸런스를 적정히 관리함으로써, 합금 성분량을 적게 하고, 또한 후판에서의 강도 및 인성의 확보가 가능해진다. 또한, 용접판의 판 두께가 얇은 경우에도, 과대한 합금 성분량에 의해 강도가 지나치게 높아지는 일이 없고, 신도 및 인성이 안정한 방향으로 된다.
이와 같이, 폭 넓은 범위의 판 두께에 있어서, 강도 및 인성을 확보하는 것이 가능해졌지만, 용접 금속의 신도에 관해서는 안정한 방향으로는 되었지만, 아직 충분히 신도를 확보할 수 있는데는 이르지 않고 있다.
이에, 본 발명자들은, 더욱 검토를 가한 결과, C, Ti 및 B량의 밸런스가 신 도에 크게 영향을 미친다는 것을 발견했다. 용접 금속의 신도를 개선하기 위해서는, 금속 결정에 존재하는 전위를 움직이기 쉽게 할 필요가 있다. 그러나, 종래, 용접 금속 중의 합금 성분량이 많기 때문에 석출 입자 및 고용 원소가 많고, 전위를 강고히 고착하여 이동을 막아왔기 때문에 신도가 낮았다.
용접 금속 중의 C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서는 빼놓을 수 없는 원소이다. 상술한 바와 같이, 후판이 대입열이어도 강도 및 인성을 확보하고, 박판에서도 강도가 지나치게 높아지지 않도록 하고, 또한 신도를 개선하기 위해서는, 합금 성분량을 가능한 한 적게 하는 편이 좋다. C는 Si, Mn, Ni, Cr, Mo와 비교하여 소량 첨가로도 강도를 확보할 수 있다. 따라서, 강도를 확보하면서 신도를 개선하기 위해서는 유효한 성분이다. 한편, Ti 및 B는 Ti 산화물 또는 B 질화물 등을 생성하여, 이것이 결정핵이 되거나, 또한 결정립계에 B가 확산되어 초절(初折) 페라이트의 석출을 억제하는 등 조직을 미세화시키는 효과가 있기 때문에, 충격 성능의 향상에는 유효한 성분이다. 그러나, 상술한 바와 같이, Ti 및 B는 전위의 이동을 막는 효과가 높기 때문에, 신도에 대해 악영향을 미친다. 따라서, C, Ti, B량의 밸런스를 적정히 관리하는 것이 신도의 개선에 대하여 중요하다.
이하, 본 발명의 용접 와이어의 성분 첨가 이유 및 조성 한정 이유에 대하여 설명한다. 여기서의 함유량은 전부 와이어 전체 질량 당 값이다.
「C: 0.03 내지 0.07질량%」
C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서는 빼놓을 수 없는 원소이다. C의 함유량이 0.03질량% 미만이면, 용접 금속의 강도가 저하되는 동시에, 조직이 조대 화되고 인성도 열화된다. 한편, C 함유량이 0.07질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화된다. 한편, C 원으로서는, 강철제 외피 중의 C, 플럭스 중의 C 단체, 철분 및 금속 가루의 C 등이 있다.
「Si: 0.3 내지 0.8질량%」
Si는 탈산제로서 용접 금속의 산소량을 저감시키고 인성을 향상시킨다. 그러나, Si 함유량이 0.3질량% 미만이면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Si가 0.8질량%를 초과하면, 탈산하여 슬래그로 된 SiO2의 양이 과잉으로 되어 슬래그의 점도가 높아지기 때문에, 슬래그의 배출성이 나빠진다. 따라서, 아크가 넓어지지 않고, 모재 희석이 적어지고, 강도가 높아지고, 신도가 낮고, 인성도 열화된다. 한편, Si 원으로서는, 강철제 외피 중의 Si, 플럭스 중의 Fe-Si, Fe-Si-Mn, Fe-Si-Mg, REM-Ca-Si 등이 있다.
「Mn: 1.5 내지 2.2질량%」
Mn은 탈산제로서 용접 금속의 산소량을 저감시키고 인성을 향상시킴과 동시에, 용접 금속의 강도를 확보하는 데에도 유효한 원소이다. Mn 함유량이 1.5질량% 미만이면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Mn 함유량이 2.2질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화된다. 한편, Mn 원으로서는, 강철제 외피 중의 Mn, 금속 Mn, Fe-Mn, Fe-Si-Mn 등이 있다.
「Ni: 0.4 내지 1.5질량%」
Ni는 오스테나이트 형성 원소이며, 상술한 바와 같이, 용접 금속의 인성을 안정화시키는 효과가 있다. Ni 함유량이 0.4질량% 미만이면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Ni 함유량이 1.5질량%를 초과하면, 판 두께가 얇은 곳에서는, 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 신도가 낮아진다. 한편, Ni 원으로서는, 금속 Ni, Fe-Ni, Ni-Mg 등이 있다.
「Cr 및 Mo의 합계량: 0.05 내지 0.60질량%」
Cr 및 Mo는 페라이트 형성 원소이며, 용접 금속의 담금질성을 높이는 효과가 있으며, 입열이 400kJ/cm를 초과하는 경우의 응고 조직 미세화에 유효한 원소이다. 따라서, Cr 및 Mo는 인성을 향상시키고, 또한 소량의 첨가로도 강도를 높인다. Cr 및 Mo의 합계 함유량이 0.05질량% 미만이면, 응고 조직은 조대화되고 인성은 열화된다. 한편, Cr 및 Mo의 합계 함유량이 0.60질량%를 초과하면 강도가 높아져 인성은 열화된다. Cr과 Mo가 둘다 함유되어 있어도 좋으며, 어느 한쪽만 함유하여도 괜찮다. 한편, Cr 원으로서는, 금속 Cr, Fe-Cr 등, Mo 원으로서는, 금속 Mo, Fe-Mo 등이 있다.
「Ti: 0.02 내지 0.20질량%」
Ti는 B와의 상승 효과에 의해 용접 금속 조직을 미세화시키고, 인성을 향상시키는 효과가 있다. Ti 함유량이 0.02질량% 미만이면, 조직의 미세화 효과가 얻어지지 않고, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Ti가 0.20질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 Ti가 과잉으로 되어 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다. 한편, Ti 원으로서는, 금속 Ti, Fe-Ti 등이 있다.
「B: 0.005 내지 0.020질량%」
B는 소량의 첨가로 Ti와의 상승 효과에 의해 용접 금속 조직을 미세화시키고, 인성을 향상시키는 효과가 있다. B 함유량이 0.005질량% 미만이면, 조직의 미세화 효과가 얻어지지 않고, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, B 함유량이 0.02질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 B가 과잉으로 되어 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다. 한편, B 원으로서는, Fe-B, Fe-Si-B, B2O3 등이 있다.
「Mg: 0.20 내지 0.50질량%」
Mg는 탈산제로서 용접 금속의 산소량을 저감시키고 인성을 향상시키는 효과가 있다. Mg 함유량이 0.20질량% 미만이면, 용접 금속의 산소량 저감 효과가 얻어지지 않고, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Mg 함유량이 0.50질량%를 초과하면, 아크가 불안정해지고, 스패터가 다발한다. 한편, Mg 원으로서는, 금속 Mg, Al-Mg, Fe-Si-Mg, Ni-Mg 등이 있다.
「[A]=(Cr+Mo)/Ni: 0.10 내지 1.0」
상술한 바와 같이, Cr 및 Mo는 Ni보다도 담금질 효과가 크다. 따라서, Cr 및 Mo는 소량의 첨가로도 조직의 미세화가 가능해져, 후판에서의 강도 및 인성의 확보에 유효하다. Ni는, 담금질 효과는 Cr 및 Mo보다도 작지만 충격 특성의 천이 온도를 낮추는 효과가 있고, 지나치게 적으면 저온에서의 인성이 현저히 열화된다. 따라서, Cr, Mo, Ni량의 밸런스를 적정히 관리함으로써, 합금 성분량을 적게 하고, 또한 후판에서의 강도 및 인성의 확보가 가능해진다. 또한, 판 두께가 얇은 경우 에도, 과대한 합금 성분량에 의해 강도가 지나치게 높아지는 일이 없고, 신도도 인성도 안정한 방향으로 된다. 용접 와이어의 [A]가 0.10 미만이면, 조직이 조대화되고 인성이 열화된다. 한편, 용접 와이어의 [A]가 1.0을 초과하면, 천이 온도가 높아지기 때문에 인성이 열화된다.
「[B]=C/(Ti+20×B): 0.12 내지 0.58」
용접 금속의 신도를 개선하기 위해서는, 금속 결정에 존재하는 전위를 움직이기 쉽게 할 필요가 있다. 그러나, 지금까지는, 용접 금속 중의 합금 성분량이 많기 때문에, 석출 입자 및 고용 원소가 많고, 전위를 강고히 고착하여 이동을 막아왔기 때문에 신도가 낮다고 하는 문제점이 있었다. 용접 금속 중의 C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서는 빼놓을 수 없는 원소이다. 상술한 바와 같이, 후판이 대입열이어도 강도 및 인성을 확보하고, 박판에서도 강도가 지나치게 높아지지 않도록 하고, 또한 신도를 개선하기 위해서는, 합금 성분량을 가능한 한 적게 하는 편이 좋다. C는 Si, Mn, Ni, Cr 및 Mo와 비교하여 소량 첨가로도 강도를 확보할 수 있다. 따라서, 강도를 확보하면서 신도를 개선하기 위해서는 C는 유효한 성분이다. 한편, Ti 및 B는 Ti 산화물 또는 B 질화물 등을 생성하여, 이것이 결정핵이 되거나, 또한 결정립계에 B가 확산되어 초절 페라이트의 석출을 억제하는 등 조직을 미세화시키는 효과가 있기 때문에, 충격 성능의 향상에는 유효한 성분이다. 그러나, 상술한 바와 같이, Ti 및 B는 전위의 이동을 막는 효과가 높기 때문에, 신도에 대해 악영향을 미친다. 용접 와이어의 [B]가 0.12 미만이면, Ti 및 B량이 많기 때문에, 용접 금속이 얻는 신도가 낮아진다. 한편, 용접 와이어의 [B]가 0.58 을 초과하면, 강도가 지나치게 높아지기 때문에, 용접 금속의 인성이 열화된다.
「Al≤0.10질량%」
Al은 탈산제로서 용접 금속의 산소량 저감에 효과는 있지만, 과잉으로 첨가되면 Ti 산화물의 생성을 방해한다. 따라서, Ti 산화물에 의한 조직의 미세화 효과가 얻어지지 않기 때문에, Al의 첨가량은 0.10질량% 이하로 한다.
「슬래그 생성제의 양: 1.0 내지 2.0질량%」
슬래그 생성제는, 아크의 안정화, 스패터 저감 및 용접 작업성의 안정화에 불가결한 것이다. 슬래그 생성제의 양이 1.0질량% 미만이면, 슬래그량이 부족해져 용융 금속을 그루브 안에 고정시켜 두기 어려워져 용융 금속이 용락(溶落)되기 쉬워진다. 또한, 슬래그량이 2.0질량%를 초과하면, 슬래그량이 과다해져 슬래그의 배출성이 나빠진다. 따라서, 아크가 넓어지지 않고, 모재 희석이 적어지고, 강도가 높아지는 동시에, 신도가 낮아지고, 인성도 열화된다. 한편, 슬래그 생성제로서는, SiO2, CaO, Na2O, Al2O3, Li2O, CaF2, BaF2, NaF, SrF2, AlF3, MgF2, LiF, CaCO3, MgCO3, BaCO3, Li2CO3, Na2CO3, Sr2CO3 등이 있다.
「슬래그 생성제 중 F량: 0.30 내지 0.70질량%」
슬래그 생성제 중의 F는 슬래그의 점성을 낮게 하여, 슬래그의 배출성을 좋게 한다. F의 함유량이 0.30질량% 미만이면, 슬래그의 배출성이 나빠져, 아크가 넓어지지 않고, 모재 희석이 적어지고, 강도가 높아지는 동시에, 신도가 낮아지고, 인성도 열화된다. 한편, F가 0.70질량%를 초과하면, 슬래그의 배출성이 좋아져 용 융 금속을 그루브 안에 고정시켜 둘 수 없어져 용융 금속이 용락되기 쉬워진다. 한편, F 원으로서는, CaF2, BaF2, NaF, K2SiF6, SrF2, AlF3, MgF2, LiF 등이 있다.
「슬래그 생성제 중 K량: 0.02 내지 0.20질량%」
슬래그 생성제의 K는, 아크를 안정화시키는 효과가 있다. 따라서, 전압의 변동이 적어져, 모재 희석도 안정하고, 설계대로의 용접 금속이 얻어진다. 그러나, K의 함유량이 0.02질량% 미만이면, 아크가 불안정해져, 전압 변동에 의해 용접 금속의 품질이 열화된다. 한편, K의 함유량이 0.20질량%를 초과하면, 내흡습성이 현저히 열화되고, 용접 금속부에 가스 결함이 발생한다. 한편, K 원으로서는, K2O, K2SiF6 등이 있다.
「잔부: Fe 등」
플럭스 코어드 와이어의 잔부는, Fe, B2O3의 O, REM(희토류 원소), P, S, Al, Ca 외에 불가피적 불순물이다. 한편, 잔부 중, Fe는 90질량% 이상을 함유하고, 그의 Fe 원으로는, 강판 외피, 철분, Fe 합금의 Fe 등이 있다. 또한, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어의 플럭스 충전율은 20 내지 30질량%로 한다.
다음으로, 용접 금속의 조성 한정 이유에 대하여 설명한다. 여기서의 함유량은, 전부 용접 금속 전체 질량 당 값이다.
「C: 0.035 내지 0.075질량%」
C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서는 빼놓을 수 없는 원소이다. C 함유량이 0.035질량% 미만이면, 용접 금속의 강도가 저하된다. 또한, C가 적으면, 조직이 조대화되고 인성도 열화된다. 한편, C 함유량이 0.075질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화된다.
「Si: 0.1 내지 0.6질량%」
Si는 탈산제로서 용접 금속의 산소량을 저감시키고 인성을 향상시킨다. Si 함유량이 0.1질량% 미만이면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Si 함유량이 0.6질량%를 초과하면, 강도가 높아지고, 신도가 낮아지고, 인성도 열화된다.
「Mn: 1.1 내지 1.8질량%」
Mn은 탈산제로서 용접 금속의 산소량을 저감시키고 인성을 향상시킴과 동시에, 용접 금속의 강도를 확보하는 데에도 유효한 원소이다. Mn 함유량이 1.1질량% 미만이면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Mn 함유량이 1.8질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다.
「Ni: 0.4 내지 1.5질량%」
Ni는 오스테나이트 형성 원소이며, 상술한 바와 같이, 용접 금속의 인성을 안정화시키는 효과가 있다. Ni 함유량이 0.4질량% 미만이면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Ni 함유량이 1.5질량%를 초과하면, 판 두께가 얇은 곳에서는 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 신도가 낮아진다.
「Cr 및 Mo의 합계 함유량: 0.05 내지 0.60질량%」
Cr 및 Mo는 페라이트 형성 원소이며, 용접 금속의 담금질성을 높이는 효과가 있고, 입열이 400kJ/cm를 초과하는 경우의 응고 조직의 미세화에 유효한 원소이다. 따라서, Cr 및/또는 Mo의 첨가는, 용접 금속의 인성을 향상시키고, 또한 소량의 첨 가로도 강도를 높인다. Cr 및 Mo의 합계 함유량이 0.05질량% 미만이면, 응고 조직은 조대화되고 인성은 열화된다. 한편, Cr 및 Mo의 합계 함유량이 0.60질량%를 초과하면, 강도가 높아지고, 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다. 한편, Cr과 Mo가 둘다 함유되어 있어도 좋으며, 어느 한쪽만 함유하여도 괜찮다.
「Ti: 0.005 내지 0.050질량%」
Ti는 B와의 상승 효과에 의해 용접 금속 조직을 미세화시키고, 인성을 향상시키는 효과가 있다. 그 질량이 0.005질량% 미만이면, 조직의 미세화 효과가 얻어지지 않고, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Ti가 0.050질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 Ti가 과잉으로 되어, 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다.
「B: 0.002 내지 0.008질량%」
B는 소량의 첨가로, Ti와의 상승 효과에 의해 용접 금속 조직을 미세화시키고, 인성을 향상시키는 효과가 있다. B의 함유량이 0.002질량% 미만이면, 조직의 미세화 효과가 얻어지지 않고, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, B의 함유량이 0.008질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 B가 과잉으로 되어, 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다.
「PCM=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+(5×B): 0.175 내지 0.220」
상술한 이유에 의해, 용접 금속의 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, Ti, B량을 한정했지만, 적용되는 모재에 따라서는, Cu, V 및 Nb를 포함하는 경우도 고려된다. 일렉트로 가스 아크 용접 금속은 모재의 영향도 받기 때문에, 모재의 Cu, V, Nb량이 높 으면 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 신도가 낮아진다. 식 PCM은 용접 금속의 강도와 강한 상관 관계가 있고, 본 발명에서는, PCM의 값의 범위를 소정 범위로 한정함으로써, 적용되는 모재를 고려한 용접 금속 성분 설계를 가능하게 한다. PCM이 0.175 미만이면, 입열이 400kJ/cm를 초과하는 경우, 강도가 부족해진다. 한편, PCM이 0.220을 초과하는 경우는, 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 또한 신도가 낮아진다.
「[A]=(Cr+Mo)/Ni: 0.10 내지 1.0」
상술한 바와 같이, Cr 및 Mo는 Ni보다도 담금질 효과가 크다. 따라서, Cr 및 Mo는 소량의 첨가로도 조직의 미세화가 가능해져, 후판에서의 강도 및 인성의 확보에 유효하다. Ni는 담금질 효과는 Cr 및 Mo보다도 작지만 충격 특성의 천이 온도를 낮추는 효과가 있고, 지나치게 적으면, 저온에서의 인성이 현저히 열화된다. 따라서, Cr, Mo, Ni량의 밸런스를 적정히 관리함으로써, 합금 성분량을 적게 하고, 또한 후판에서의 강도 및 인성의 확보가 가능해진다. 또한, 판 두께가 얇은 경우에도, 과대한 합금 성분량에 의해 강도가 지나치게 높아지는 일이 없고, 신도도 인성도 안정한 방향으로 된다. 용접 와이어의 [A]가 0.10 미만이면, 조직이 조대화되고 인성이 열화된다. 한편, 용접 와이어의 [A]가 1.0을 초과하면, 천이 온도가 높아지기 때문에 인성이 열화된다.
「[B]=C/(Ti+20×B): 0.25 내지 1.67」
용접 금속의 신도를 개선하기 위해서는, 금속 결정에 존재하는 전위를 움직이기 쉽게 할 필요가 있다. 그러나, 종래, 용접 금속 중의 합금 성분량이 많기 때 문에, 석출 입자 및 고용 원소가 많아, 전위를 강고히 고착하여 이동을 막아왔기 때문에 신도가 낮다고 하는 문제점이 있었다. 용접 금속 중의 C는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서는 빼놓을 수 없는 원소이다.
상술한 바와 같이, 후판이 대입열이어도 강도 및 인성을 확보하고, 박판에서도 강도가 지나치게 높아지지 않도록 하고, 또한 신도를 개선하기 위해서는, 합금 성분량을 가능한 한 적게 하는 편이 좋다. C는 Si, Mn, Ni, Cr 및 Mo와 비교하여 소량 첨가로도 강도를 확보할 수 있다. 따라서, 강도를 확보하면서 신도를 개선하기 위해서는 C는 유효한 성분이다. 한편, Ti 및 B는 Ti 산화물 또는 B 질화물 등을 생성하여, 이것이 결정핵이 되거나, 또한 결정립계에 B가 확산되어 초절 페라이트의 석출을 억제하는 등 조직을 미세화시키는 효과가 있기 때문에, 충격 성능의 향상에는 유효한 성분이다. 그러나, 상술한 바와 같이, Ti 및 B는 전위의 이동을 막는 효과가 높기 때문에, 신도에 대해 악영향을 미친다. [B]가 0.25 미만이면, Ti 및 B량이 많기 때문에, 신도가 낮아진다. 한편, [B]가 1.67을 초과하면, 강도가 지나치게 높아지기 때문에, 인성이 열화된다.
「O≤0.05질량%」
용접 금속의 O량이 높으면 인성이 열화되기 때문에, O는 0.05질량% 이하로 규제된다.
「N≤0.007질량%」
용접 금속의 N량이 높으면 인성이 열화되기 때문에, N은 0.007질량% 이하로 규제된다.
「Al≤0.03질량%」
용접 금속의 Al량이 높으면 Ti 산화물에 의한 조직 미세화 효과가 억제되어 인성이 열화되기 때문에, Al은 0.03질량% 이하로 규제된다.
「P≤0.025질량%」
용접 금속의 P량이 높으면 고온 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, P는 0.025질량% 이하로 규제된다.
「S≤0.025질량%」
용접 금속의 S량이 높으면 고온 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, S는 0.025질량% 이하로 규제된다.
「Nb≤0.1질량%」
용접 금속의 Nb량이 높으면 고온 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, Nb는 0.1질량% 이하로 규제된다.
「잔부: Fe 및 불가피적 불순물」
용접 금속의 잔부는, Fe 및 모재의 희석에 의해 혼입되는 Cu, V 외에 불가피적 불순물이다. 한편, 잔부 중 Fe는 90질량% 이상이다. Cu는 플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 중 및 강제 외피 중에 불순물로서 포함되거나, 또한 이음매 없는(seamless) 와이어의 경우에는 와이어 표면의 Cu 도금에 포함된다. 또한 모재에 함유되는 Cu가 희석되어 용접 금속 중에 들어간다. 이 경우, Cu가 0.5질량%를 초과하면, 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되고, 신도도 낮아진다. V에 대해서도 플럭스 코어드 와이어의 충전 플럭스 중 및 강제 외피 중에 불순물로서 포함되 거나, 모재에 함유되는 V가 희석에 의해 용접 금속 중에 포함되지만, 그의 양은 0.5질량%까지 허용되고, 그것을 초과하면 강도가 과잉으로 되어, 인성이 저하되고, 신도가 저하된다.
실시예
다음으로, 본 발명의 효과를 실증하기 위해서 행한 시험 결과에 대하여 설명한다. 하기 표 1은 공시 강판의 조성을 나타낸다. 이 공시 강판은 항복 강도가 390N/mm2 이상이고, 판 두께가 25 내지 70㎜, 폭이 500㎜, 길이가 1000㎜인 크기를 갖는다. 하기 표 2는 시험 조건, 하기 표 3은 용접 시공 조건을 나타낸다. 와이어 직경은 1.6㎜이며, 표 2 및 표 3에 나타내는 조건으로 1패스 용접을 행했다.
용접 중에 작업성을 확인했다. 용접 후, UT 검사를 행하여 결함의 유무를 확인했다. 한편, 용접이 안정되어 있지 않은 스타트 측 및 크레이터 측의 각 100㎜는 검사 대상 외로 하였다. 따라서, 유효 길이는 800㎜이다. 또, 도중에 용락된 것은 짧아진다. 용접 금속의 인장 시험편은, 직경이 10㎜, 표점 간 거리가 50㎜인 크기로, 판 두께 중앙에서 채취하여 인장 시험한 결과, 인장 강도가 510 내지 690N/㎜2 이상인 것을 적정한 강도가 얻어지고 있다고 판단했다. 신도는, 인장 시험 전후의 표점 간 거리를 측정하여 그들의 변화율을 구했다. 신도에 관해서는 22% 이상인 것을 합격으로 했다. 충격 시험에 관해서는, JIS Z 3128에 규정되어 있는 방법에 의해, -20℃에서의 충격치를 측정하여, 그 값이 41J 이상인 것을 충격 성능이 양호하다고 판단했다.
하기 표 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 용접 와이어의 조성을 나타낸다. No. 1 내지 No. 70의 와이어에 대하여, 표 1에 나타내는 공시 강판을 다양하게 조합하여 일렉트로 가스 아크 용접을 행했다. 하기 표 5a, 5b, 5d, 5e는 용접 대상 모재(표 1의 공시 강판)와 용접 금속의 조성을 나타낸다. 또한, 하기 표 5c, 5f는 용접 금속의 기계적 성능을 나타낸다.
본 발명의 실시예 No. 1 내지 No. 32에서는, 용접 금속의 강도는 적정 범위내이고 또한 신도도 22% 이상이었다. 또한, 충격치도 양호하고, 또한 용접 작업성도 실용상 문제 없이 양호했다.
이에 비해, 비교예 No. 33에서는, 와이어 C량이 0.03질량% 미만, 용접 금속 C량이 0.035질량% 미만으로, 강도가 부족하고, 또한 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 34에서는, 와이어 C량이 0.07질량%, 용접 금속 C량이 0.075질량%를 초과하여, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 인성이 열화되었다. 비교예 No. 35에서는, 와이어 Si량이 0.3질량%, 용접 금속 Si량이 0.1질량% 미만으로, 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 36에서는, 와이어 Si량이 0.8질량%, 용접 금속 Si량이 0.6질량%를 초과하여, 슬래그가 된 SiO2량이 과잉으로 되기 때문에, 슬래그의 배출성이 나빠져 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다.
비교예 No. 37에서는, 와이어 Mn량이 1.5질량% 미만, 용접 금속 Mn량이 1.1질량% 미만으로, 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 38에서는, 와이어 Mn량이 2.2질량%, 용접 금속 Mn량이 1.8질량%를 초과하여, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 비교예 No. 39에서는, 와이어 Ni량이 0.4질량% 미만, 용접 금속 Ni량이 0.4질량% 미만으로, 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 40에서는, 와이어 Ni량이 1.5질량%, 용접 금속 Ni량이 1.5질량%를 초과하여, 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다.
비교예 No. 41 및 42에서는, 와이어 Cr+Mo량이 0.05질량% 미만, 용접 금속 Cr+Mo량이 0.05질량% 미만으로, 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 43 및 44에서는, 와이어 Cr+Mo량이 0.60질량%, 용접 금속 Cr+Mo량이 0.60질량%를 초과하여, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 비교예 No. 45에서는, 와이어 Ti량이 0.02질량% 미만, 용접 금속 Ti량이 0.005질량% 미만으로, 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 46에서는, 와이어 Ti량이 0.20질량%, 용접 금속 Ti량이 0.050질량%를 초과하여, 신도 및 인성이 열화되었다.
비교예 No. 47에서는, 와이어 Al량이 0.10질량%, 용접 금속 Al량이 0.03질량%를 초과하여, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 48에서는, 와이어 B량이 0.005질량% 미만, 용접 금속 B량이 0.002질량% 미만으로, 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 49에서는, 와이어 B량이 0.020질량%, 용접 금속 B량이 0.008질량%를 초과하여, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 비교예 No. 50에서는, 와이어 Mg량이 0.20질량% 미만으로, 용접 금속 O량이 0.005질량%를 초과하여, 인성이 열화되었다.
한편, 비교예 No. 51에서는, 와이어 Mg량이 0.50질량%를 초과하여, 아크가 불안정해지고 스패터가 다발했다. 비교예 No. 52에서는 용접 금속 PCM이 0.175 미만으로, 강도가 부족하였다. 한편, 비교예 No. 53에서는 용접 금속 PCM이 0.220을 초과하여, 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 비교예 No. 54, 55 및 56은 와이어 및 용접 금속 [A]가 0.10 미만으로, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 57 및 58은 와이어 및 용접 금속 [A]가 1.0을 초과하여, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 59 및 60은 와이어 [B] 0.12 미만, 용접 금속 [B]가 0.25 미만으로, 신도가 열화되었다. 비교예 No. 61은, 용접 금속 N량이 0.007질량%를 초과하여, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 62는, 용접 금속 S량이 0.025질량%를 초과하여, 고온 균열이 발생했다. 비교예 No. 63은, 용접 금속 P량이 0.025질량%를 초과하여, 고온 균열이 발생했다. 비교예 No. 64는, 용접 금속 Nb량이 0.1질량%를 초과하여, 고온 균열이 발생했다. 비교예 No. 65에서는, 슬래그 생성제의 양이 1.0질량% 미만으로, 도중에 용락되었다.
한편, 비교예 No. 66에서는, 슬래그 생성제의 양이 2.0질량%를 초과하여, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 비교예 No. 67에서는, 와이어 F량이 0.30질량% 미만으로, 용접 금속의 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 68에서는, 와이어 F량이 0.70질량%를 초과하여, 도중에 용락이 발생하였다. 비교예 No. 69에서는, 와이어 K량이 0.02질량% 미만으로, 전압이 불안정해진 결과, 모재 희석이 적어지고, 용접 금속 강도가 지나치게 높아지고, 신도 및 인성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 70에서는, 와이어 K량이 0.20질량%를 초과하여, 내흡습성이 열화되고, 용접 금속에 가스 결함이 발생했다.
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Figure 112007082745287-pat00002
Figure 112007082745287-pat00003
Figure 112007082745287-pat00004
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Figure 112007082745287-pat00006
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Figure 112007082745287-pat00008
Figure 112007082745287-pat00009
Figure 112007082745287-pat00010
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Claims (2)

  1. 강제 외피에 플럭스를 충전하여 이루어진 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어로서, 와이어 전체 질량 당,
    C: 0.03 내지 0.07질량%,
    Si: 0.3 내지 0.8질량%,
    Mn: 1.5 내지 2.2질량%,
    Ni: 0.4 내지 1.5질량%,
    Cr 및 Mo의 합계량: 0.05 내지 0.60질량%,
    Ti: 0.02 내지 0.20질량%,
    B: 0.005 내지 0.020질량%,
    Mg: 0.20 내지 0.50질량%를 함유하고,
    Al≤0.10질량%로 규제하고,
    슬래그 생성제: 1.0 내지 2.0질량%를 함유하고,
    이 슬래그 생성제는, 와이어 전체 질량 당,
    F: 0.30 내지 0.70질량%,
    K: 0.02 내지 0.20질량%를 함유하고,
    잔부는 Fe 및 기타 불가피적 불순물이며,
    또한, [A], [B]가 각각 Cr, Mo, Ni, C, Ti, B의 함유량으로부터,
    [A]=(Cr+Mo)/Ni 및 [B]=C/(Ti+20×B)의 식에 의해 결정되는 값으로 하면,
    [A]: 0.10 내지 1.0,
    [B]: 0.12 내지 0.58인,
    일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  2. 일렉트로 가스 아크 용접에 의해 형성된 일렉트로 가스 아크 용접 금속으로서, 용접 금속의 전체 질량 당,
    C: 0.035 내지 0.075질량%,
    Si: 0.1 내지 0.6질량%,
    Mn: 1.1 내지 1.8질량%,
    Ni: 0.4 내지 1.5질량%,
    Cr 및 Mo의 합계량: 0.05 내지 0.60질량%,
    Ti: 0.005 내지 0.050질량%,
    B: 0.002 내지 0.008질량%를 함유하고,
    O≤0.05질량%,
    N≤0.007질량%,
    Al≤0.03질량%,
    P≤0.025질량%,
    S≤0.025질량%,
    Nb≤0.1질량%로 규제하고,
    잔부는, 90질량% 이상의 Fe, 및 Cu, V 및 불가피적 불순물이면서,
    또한, PCM, [A], [B]가 각각 C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B의 함유량으로 부터,
    PCM=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+(5×B),
    [A]=(Cr+Mo)/Ni,
    [B]=C/(Ti+20×B)의 식에 의해 결정되는 값으로 하면,
    PCM: 0.175 내지 0.220,
    [A]: 0.10 내지 1.0,
    [B]: 0.25 내지 1.67인,
    일렉트로 가스 아크 용접 금속.
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