KR101035723B1 - 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 충격인성 및 내균열성이 뛰어나고 용접작업성이 우수한 인장강도 620MPa급 이상의 고장력강의 용접에 사용되는 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
본 발명은 강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량 %로, C: 0.03~0.11%, TiO2: 3.0~10%, Mn: 1.0~4.5%, Si: 0.3~2.0%, B: 0.002~0.04%, Ni: 0.5~3.5%, Mg: 0.1~1.5%, Al: 0.01~0.8%이 포함되고,
Cr, Mo 및 V로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상이 0.1~1.2% 포함되고, 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중의 철분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기 수식 F 값이 110~210을 만족하는 것을 특징으로 하는 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
Figure 112010081178213-pat00001
고장력강, 극저온 충격인성, 내균열성, 용접작업성

Description

고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어{FLUX CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING OF HIGH TENSILE STRENGTH STEEL}
본 발명은 인장강도 620MPa급 이상의 고장력강의 용접에 사용되는 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 극저온 충격인성 및 내균열성이 뛰어나고 용접작업성이 우수한 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
최근 조선, 해양 구조물, 철골분야에서 구조물의 대형화 추세가 계속되고, 원가절감 및 안전성 향상 등의 목적으로 구조물의 경량화가 추진되고 있어, 사용되는 강재의 고강도화가 빠르게 진행되고 있다. 그러나 이에 부응하는 용접재료 즉, 전자세 용접작업성 및 극저온 충격인성이 우수하고 내균열성이 확보되는 고장력강 용접용 플럭스 충전 와이어의 개발은 현재까지도 더디게 진행되고 있는 실정이다.
이에 관련된 기술을 살펴보면 다음과 같다. 일본 특허공개공보 평3-47695호에서는 TiO2, MnO, MgO의 함량 및 TiO2/MgO의 비를 제어하여 용접작업성 및 충격인 성의 향상을 제안하고 있으나, -60℃에서의 극저온 충격인성을 확보하기는 어려운 문제가 있다. 또한 일본 특허공개공보 평8-174275호에서는 C, Si, Mn, P, S, Ni 등의 함량을 규제하고 적정량의 Ta를 첨가함으로써 양호한 충격인성 및 작업능률의 향상을 제안하고 있으나, 양호한 전자세 용접작업성을 확보하는데는 다소 한계가 있었다.
따라서, 산업현장의 기대에 부응하기 위해서는 인장강도 620MPa급 이상의 고장력강 용접에 있어서, 극저온 충격인성 및 내균열성이 뛰어나고 전자세 용접작업성이 우수한 플럭스 충전 와이어의 개발이 요구된다.
본 발명은 고장력강의 용접후 얻어지는 용접금속의 극저온 충격인성 및 내균열성이 우수하고, 전자세 용접작업성이 우수한 고장력강용 가스실드 아크 용접 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
본 발명은 강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량 %로, C: 0.03~0.11%, TiO2: 3.0~10%, Mn: 1.0~4.5%, Si: 0.3~2.0%, B: 0.002~0.04%, Ni: 0.5~3.5%, Mg: 0.1~1.5%, Al: 0.01~0.8%이 포함되고,
Cr, Mo 및 V로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상이 0.1~1.2% 포함되고, 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중의 철분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기 수식 F 값이 110~210을 만족하는 것을 특징으로 하는 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
Figure 112008081493030-pat00002
상술한 바와 같이, 본 발명은 용접 금속의 극저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 동시에 전자세 용접작업성이 우수한 고장력강용 가스실드 아크 용접 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자는 인장강도 620MPa급 이상의 고장력강의 용접에 적합한 가스실드 아크 용접용 와이어의 개발을 위한 연구와 노력을 거듭한 결과, 와이어에 함유되는 C, Mn, B, Ni 등의 함량을 제어하고, 각각의 성분들이 극저온 충격인성과 내균열성에 기여하는 정도 및 그 특성을 고려한 비를 특정함으로써, 극저온 충격인성 및 내균열성이 우수하고 전자세 용접작업성이 우수한 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 개발하여, 본 발명을 제안하게 되었다.
이하, 본 발명의 조성성분에 대하여 상세히 설명한다(이하, 중량%).
탄소(C)는 본 발명 플럭스 충전 와이어의 강재 외피와 충전된 플럭스에 포함되는 것으로, 용접금속의 인장강도를 유지하고 산화개재물(MnS, Al2O3, SiO2 등)이 용접금속 내부로 침투하는 것을 억제시켜 건전한 용접부를 형성하게 된다. 본 발명에서는 C의 함량을 0.03~0.11%로 제한함이 바람직하다. 그 함량이 0.03% 미만에서는 용접금속의 충격인성 및 인장강도가 열화되고, 반면에 0.11%를 초과하면 인장강도가 과도히 높아지고, 고온균열 저항성이 저하되기 때문이다.
TiO2는 주된 슬래그 형성제로서 용접과정 중 대기로부터 용융지를 보호하며 용접금속을 형성하는 역할을 한다. 본 발명에서는 TiO2의 함량을 3.0~10%로 제한함이 바람직하다. 그 함량이 3.0% 미만이면 아크가 불안정하며 슬래그량이 부족하여 용접금속을 대기로부터 충분히 보호할 수 없고, 그 함량이 10%를 초과하면 슬래그 형성이 과다하고 유동성이 열화되며, 슬래그의 일부가 용접금속 내부에 혼입되어 용접부의 기계적 성질이 저하되기 때문이다.
망간(Mn)은 탈산제로서 본 발명 플럭스 충전 와이어의 강재 외피와 충전되는 플럭스에 포함되어, 용접금속내 산소량을 저감시키며 용접금속의 강도를 유지하고, 또한 비드 외관을 향상시키는 역할을 하며 오스테나이트 안정화 성분으로써 극저온에서의 충격인성 저하를 방지한다. 본 발명에서는 Mn의 함량을 1.0~4.5%로 제한함이 바람직하다. 그 함량이 1.0% 미만에서는 비드 외관 향상 효과가 미흡하고 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며, 4.5%를 초과하면 아크가 불안정해지고 용융성이 저하되며, 고온균열이 발생할 우려가 있기 때문이다.
실리콘(Si)은 탈산제로서 본 발명 플럭스 충전 와이어의 강재 외피와 충전되는 플럭스에 포함되어, 용접금속내 산소량을 저감시키며 용접금속의 강도를 유지하고, 비드 외관과 슬래그의 유동성을 향상시키는 역할을 하며, 또한 페라이트 안정화 성분으로써 용접부의 연성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 그 함량을 0.3~2.0%로 제한함이 바람직한데, 그 함량이 0.3% 미만에서는 첨가에 따른 효과를 얻을 수 없고, 2.0%를 초과하면 아크가 불안정해지고 충격인성이 저하될 우려가 있다.
보론(B)은 용접시에 BN을 형성하며 입계 페라이트의 생성을 억제하여 조직을 미세화함으로써 용접부의 인장강도 및 충격인성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 B의 함량을 0.002~0.04%로 제한함이 바람직한데, 이는 0.002% 미만에서는 소정의 효과를 나타내지 못하고, 0.04%를 초과하면 고온균열이 발생할 우려가 크기 때문이다.
니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화 성분으로써 극저온에서의 충격인성을 안정화시키는데 유효한 성분으로, 본 발명에서는 0.5~3.5% 첨가하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 그 함량이 0.5% 미만에서는 첨가에 따른 효과를 나타낼 수 없고, 3.5%를 초과하면 용접금속의 강도가 과도하게 증가하고 아크 불안 및 균열을 야기할 수 있기 때문이다.
크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)은 용접부의 적정 강도 유지와 충격인성 향상에 기여하는 성분들로써, 본 발명에서는 Cr, Mo 및 V로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상이 0.1~1.2% 첨가하는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.1% 미만이면 소정의 효과를 볼 수 없고, 1.2%를 초과하면 충격인성의 저하 및 균열을 유발할 우려가 있다.
마그네슘(Mg)은 강탈산제로서 용접금속내 산소량을 저감시키며 아크 안정성 및 집중성을 향상시킨다. 본 발명에서는 그 함량을 0.1~1.5%로 제한함이 바람직한데, 그 함량이 0.1% 미만에서는 탈산부족으로 인해 충격인성이 저하될 우려가 있고, 1.5%를 초과하면 아크가 불안정해지고 스패터 발생이 많아지며, 용접부의 경화를 유발하여 균열이 발생할 위험이 있다.
알루미늄(Al)은 강탈산제로서 용접금속내 산소량을 저감시키며 아크 안정성 및 집중성 향상에 효과가 있고, 또한 페라이트 안정화 성분으로써 용접부의 연성을 향상하여 내균열성을 향상시킨다. 본 발명에서는 그 함량을 0.01~0.8%로 제한함이 바람직한데, 0.01% 미만에서는 첨가에 따른 효과를 볼 수 없으며, 0.8%를 초과하면 아크가 불안정해지고 충격인성 저하를 야기할 수 있다.
본 발명의 플럭스 충전 와이어는 상기 성분 외에 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중의 철분 및 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명에서는 양호한 극저온 충격인성 및 우수한 내균열성의 확보를 위해서, 충격인성을 향상시키는 성분과 용접부의 연성을 증대시켜 내균열성을 향상시키는 성분들간의 비를 적정 범위로 적절히 제어한다.
즉, 각 성분의 오스테나이트 안정화에 기여하는 정도 및 극저온 충격인성에 미치는 영향을 고려하여 Ni, Mn, B에 각각 지수를 부여하고, 페라이트 안정화에 기여하는 정도 및 용접부 연성에 기여하는 영향을 고려하여 Si, Al에 적정한 지수를 부여하였다. 그 다음, 오스테나이트 안정화 성분에 대한 페라이트 안정화 성분의 비를 고려하여 하기 수식 F 값을 구하였으며, 실험으로 얻은 결과를 토대로 그 범위를 설정하였다.
Figure 112008081493030-pat00003
본 발명에서 상기 F 값은 110~210을 만족하는 것이 바람직하다. F 값이 110~210의 범위에 있는 경우에는 극저온 충격인성 및 내균열성이 우수하지만, 그 값이 110 미만에서는 극저온 충격인성이 미흡하고, 210을 초과하게 되면 충격인성은 양호하나 내균열성이 저하되는 단점이 있다.
상기 F값과 -60℃에서의 충격인성 및 균열발생과의 상관관계를 도 1에 표시하였다. 도 1을 참조하면 F 값이 110~210일 때 극저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있다.
본 발명의 고장력강용 가스실드 아크 용접 플럭스 충전 와이어는 CO2 가스 혹은 Ar과 CO2의 혼합가스 중 어느 것이라도 보호가스로 사용할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1의 조성을 갖는 직경 1.2㎜의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였으며, 이때 사용된 강재 외피의 조성을 외피 전중량에 대한에 대한 중량%로 하기 표 2에 나타내었다.
상기와 같이 마련된 각각의 와이어를 이용하여 HT780급 모재에 표 3의 용접조건으로 용접(V형개선 Butt 용접)을 실시하여, 용접금속의 내균열성, 인장강도 및 충격인성을 평가하였으며, 와이어별 전자세 용접작업성을 평가하여 하기 표 4에 나타내었다.
균열발생 여부는 용접을 실시하고 168시간이 경과한 후에 비파괴 검사를 통해 평가하였으며, 인장강도는 620N/㎟이상, 충격인성은 -60℃에서 47Joule 이상인 경우를 양호한 것으로 평가하였다. 그리고, 용접작업성은 용접사의 관능평가를 통해 측정하였다. 단, 표 4에서 ⊙는 우수, ○은 양호, △는 보통, ×는 불량을 나타낸다.
구분 TiO2 C Mn Si Ni B Cr Mo V Cr+Mo+V Mg Al F 값
발명예1 5.1 0.05 1.5 0.4 0.6 0.008 0.1 0.1 0.2 0.15 0.02 138
발명예2 5.5 0.07 2.5 0.7 3.4 0.035 0.1 0.1 0.5 0.02 175
발명예3 9 0.11 4.5 2 2.9 0.002 0.1 0.1 0.8 0.40 112
발명예4 9 0.05 4 0.35 3.5 0.035 1.2 1.2 0.8 0.2 191
발명예5 5.5 0.07 1.1 0.6 3.4 0.04 0.5 0.5 1.4 0.8 129
발명예6 3.5 0.06 1.3 1 3.2 0.038 0.2 0.5 0.3 1.0 1.3 0.3 147
발명예7 7.8 0.08 3.8 0.5 3.2 0.035 0.5 0.5 0.65 0.01 200
발명예8 9.5 0.04 3.8 0.65 2.9 0.018 0.3 0.2 0.5 0.4 0.05 170
발명예9 5.6 0.03 4.2 0.8 2.5 0.015 0.3 0.6 0.9 0.6 0.65 127
발명예10 4.2 0.04 4.3 0.32 2.5 0.008 0.4 0.4 0.8 0.01 210
발명예11 6.8 0.05 1.9 1.1 1.7 0.017 0.4 0.2 0.6 0.9 0.45 110
발명예12 6.3 0.08 2.3 0.35 2.2 0.009 0.5 0.1 0.6 0.7 0.02 184
비교예1 4.5 0.04 0.8 0.8 3.4 0.03 0.1 0.2 0.3 0.3 0.1 151
비교예2 9 0.06 1.2 2.3 3.5 0.006 0.5 0.2 0.1 0.8 0.3 0.5 100
비교예3 3.5 0.09 2.5 1.8 0.3 0.02 0.2 0.1 0.2 0.5 1 0.69 86
비교예4 5.8 0.11 1.5 0.4 1.2 0.043 0.1 0.2 0.3 0.8 0.1 165
비교예5 4.7 0.09 3.2 1.5 2 0.003 0.4 1 1.4 0.4 0.5 105
비교예6 6.9 0.08 4.1 1.4 3.2 0.03 0.5 0.1 0.6 0.05 0.05 143
비교예7 9.5 0.04 4.3 2.1 1.7 0.02 1.2 1.2 1.7 0.2 111
비교예8 4.7 0.03 1.1 1.8 0.6 0.003 0.5 0.5 1.0 0.5 0.75 69
비교예9 4.0 0.08 2.2 1.5 1.1 0.006 0.2 0.2 0.4 0.5 0.5 92
비교예10 4.7 0.05 4.2 1.32 3.4 0.038 0.5 0.2 0.7 0.5 0.015 233
비교예11 6. 0.08 4.4 0.4 3.5 0.037 0.2 0.4 0.4 1.0 1.2 0.012 221
비교예12 3.5 0.06 2.8 0.32 3.2 0.032 0.1 0.2 0.5 0.8 0.8 0.03 216
비교예13 6.5 0.05 1.2 1.7 2.4 0.03 0.2 0.2 1.2 0.8 101
구분 C Si Mn P S Fe
함량(중량%) 0.025 0.02 0.24 0.007 0.004 잔부
모재 루트갭 각도 적층 전류 전압 용접속도 입열량
HT780,
35mmt		 5㎜ 40도 15pass 280 31 25~40
㎝/min		 13~21
KJ/㎝
구분 전자세 용접작업성 인장강도
(N/㎟)		 충격인성
Ve-60℃(Joules)		 균열발생여부
발명예1 ⊙ 650 85 -
발명예2 ○ 731 100 -
발명예3 ⊙ 785 85 -
발명예4 ○ 780 60 -
발명예5 ○ 654 79 -
발명예6 ○ 850 105 -
발명예7 ⊙ 830 89 -
발명예8 ⊙ 754 90 -
발명예9 ○ 690 81 -
발명예10 ○ 790 65 -
발명예11 ○ 695 71 -
발명예12 ○ 825 65 -
비교예1 × 610 80 -
비교예2 × 755 40 -
비교예3 ○ 665 24 -
비교예4 ○ 784 78 발생
비교예5 △ 851 46 발생
비교예6 △ 700 38 -
비교예7 × 787 62 -
비교예8 △ 654 35 -
비교예9 ○ 784 37 -
비교예10 ○ 843 85 발생
비교예11 △ 812 80 발생
비교예12 ○ 774 90 발생
비교예13 △ 673 40 -
상기 표 4에 나타난 바와 같이 발명예 1 내지 12의 경우, 우수한 용접작업성과 기계적 성질(인장강도 및 저온충격인성) 및 내균열성을 나타냄을 알 수 있다.
이에 반해 비교예 1은 Mn의 함량의 본 발명의 범위를 벗어난 경우로써, 용접작업성과 인장강도가 미흡하였고, Si의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 2의 경우에는 용접작업성 및 충격인성이 저하되었다.
또한, 비교예 3은 Ni의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나 충격인성이 저하되었으며, 비교예 4는 B의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우로써, 내균열성이 저하되었다.
그리고, Cr, Mo 및 V 함량의 합이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 5는 충격인성이 바람직하지 않았으며, 내균열성이 저하되었다.
Mg의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 6 및 7은 각각 충격인성 및 용접작업성이 열화되었다.
또한 수식 F 값이 본 발명범위에 미치지 못하는 비교예 8, 9 및 13의 경우, 내균열성에는 문제가 없었으나, 충격인성이 미흡하였고, 반대로 F 값이 본 발명범위를 초과하는 비교예 10, 11 및 12의 경우는 충격인성은 양호하나 내균열성이 저하되었다.
도 1은 수식 F 값과 -60℃ 저온 충격인성 및 균열발생영역을 나타낸 그래프이다.

Claims (1)

  1. 강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량 %로, C: 0.03~0.11%, TiO2: 3.0~10%, Mn: 1.0~4.5%, Si: 0.3~2.0%, B: 0.002~0.04%, Ni: 0.5~3.5%, Mg: 0.1~1.5%, Al: 0.01~0.8%이 포함되고,
    Cr, Mo 및 V로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상이 0.1~1.2% 포함되고, 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중의 철분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기 수식 F 값이 110~210을 만족하는 것을 특징으로 하는 고장력강용 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.
    Figure 112010081178213-pat00004
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