KR101075202B1 - 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어 Download PDF

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Abstract

오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로, 외피, 및 외피와 플럭스에 포함된 화학 조성을 제어하거나, 플럭스의 겉보기 밀도 및 입도를 제어함으로써, 방사성 동위원소와 관련하여 미량성분 규정이 보다 엄격한 차세대 원자력 발전설비의 보수용접이나 클래드 육성용접에 있어서 다양한 요구특성을 만족시킬 수 있고, 아울러 용접작업성, 인장강도 및 저온인성 등의 기계적 성능도 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.
플럭스, 오스테나이트계, 스테인리스강, 외피

Description

오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어 {Flux Cored Wire for Welding Austenitic Stainless Steels}
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사성 동위원소와 관련하여 미량성분 규정이 보다 엄격한 차세대 원자력 발전설비의 보수용접이나 클래드 육성용접에 있어서 다양한 요구특성을 만족시킬 수 있고, 아울러 용접작업성, 인장강도 및 저온인성 등의 기계적 성능도 우수 하기 때문에 선박, 석유정제, 건축 등 폭넓게 적용이 가능한 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
전세계적으로 심각해지고 있는 지구 온난화 문제를 해결하기 위해 탄산가스 배출량 규제에 대한 관심이 고조되고 있다. 탄산가스는 주로 화석연료가 연소하면서 발생되는 것으로, 다양한 산업분야에서 이들 화석연료를 대체하기 위한 에너지원 개발에 힘을 쓰고 있으며, 원자력 산업 또한 이것들의 일환으로 적극적인 관심을 보이면서 차세대를 겨냥한 새로운 공법의 발전설비 디자인 및 보다 엄격하게 규제 및 관리된 원, 부자재 사용을 요구하고 있다.
원자력 발전의 경우 탄산가스를 배출하지 않아 지구 온난화 방지에는 크게 도움이 되는 반면, '방사능 물질'이라고 하는 위험 요소가 있기 때문에 원자력 설비를 실제 디자인하거나 또는 제작하는 시공업체들은 다양한 관점에서 방사능 유출 방지를 위한 보다 근본적인 대책이나 안전한 설비제작 및 가동이 될 수 있도록 여러 가지 노력을 기울이고 있다. 그런데 '방사능 물질'이라고 하는 것이 사용강재 및 용접재료 내부에는 근본적으로 포함되어 있는 합금성분으로서 방사성 동위원소라고 불리는 인(P), 크롬(Cr), 코발트(Co), 스트론튬(Sr), 세시움(Cs) 등과 직접적인 관련성이 있는데, 차세대 원자력 발전설비의 경우 안전성 측면에서 이러한 미량성분에 대해 종전보다 보다 엄격하게 규제하지 않으면 안 된다.
원자력 발전설비에 대한 시공이나 보수 용접을 위한 용접재료로는, 우수한 용접 작업성 및 고능률성을 갖춘 플럭스 코어드 와이어의 사용이 주를 이룰 뿐만 아니라 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 이 경우에 대부분의 강재는 ASTM A508 Gr.3 CL.1 단조강에 오스테나이트계 스테인리스 용접재료로 육성하여 스테인리스 클래드강을 만들어 사용하기 때문에 스테인리스 용접재료의 특성이 매우 중요하게 여겨지고 있다.
일반적으로 유통되고 있는 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어 용접재료들의 경우, AWS, JIS, KS, EN 등과 같은 국제규격에서 일반적으로 요구하는 성분규정, 즉 C(탄소), Si(실리콘), Mn(망간), P(인), S(황), Cr(크롬), Ni(니켈), Mo(몰리브덴), Cu(구리) 등 비교적 어렵지 않은 일반적인 특성에 대해서는 대체로 만족한다.
하지만, 원자력 산업과 관련해 요구되는 용접부 특성 요건은 이들 성분들을 보다 까다롭게 규제하는 것은 기본이고, 여기에 방사성 동위원소인 Co(코발트, 이하, "Co"로 표기한다) 성분에 대한 규제를 추가하고 있다. 아울러, 과거의 원자력과 관련한 규정에서는 Co를 최대 0.1%이하로 규정하였지만, 차세대 원자력 설비를 제작함에 있어서는 0.05%이하로 보다 엄격하게 규정하면서 설비의 안전성을 도모하고 있는데, 종래에 일반적으로 사용되어 온 오스테나이트계 스테인리스 용접용 플럭스 코어드 와이어 제품들로는 이러한 규정들을 만족시킬 수 없는 실정이다.
방사성 동위원소 성분규정이 엄격한 차세대 원자력 발전설비용으로 적합하면서, 용접 작업성, 인장강도 및 저온인성 등 기계적 성능 또한 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.
하나의 실시예에 따르면, 스테인리스강 외피 내부에 플럭스가 충전된 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어로서, 상기 외피는 상기 와이어 전체 중량에 대해서, 금속 또는 합금 성분으로서 0%<C≤0.03%, 0%<Si≤1.0%, 0%<Mn≤1.0%, 0%<P≤0.04%, 0%<S≤0.03%, Cr 17%∼19%, 0%<N≤0.03%, Ti [0.2+4(C%+N%)]∼1.1%, 0%<Al≤0.15%, 0%<Ni≤0.50%, 0%<Co≤0.05% 및, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어이다.
또한 상기 외피 및 플럭스는 상기 와이어 전체 중량에 대해서, 금속 또는 합금 성분으로서 Cr 18.0~25.0%, Ni 9.0~14.0%, Si 0.3~1.0%, Mn 1.0~2.5%, C 0.01~0.03%, Mo 0.01~0.5%, Cu 0.01~0.5%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고; 상기 플럭스는 와이어 전체 중량에 대해서, TiO2 환산치+SiO2 환산치+ZrO2 환산치+Al2O3 환산치 7.00~12.00%, Li2O 환산치+K2O 환산치+Na2O 환산치 0.1~0.5%, Fe2O3 환산치+MnO 환산치+MgO 환산치+Bi2O3 환산치 0.5~3.0%, 금속불화물(F 환산치) 0.01~0.30%를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 플럭스는 상기 외피 내에 25~33%로 충전되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 플럭스는 겉보기 밀도가 3.7~4.2 g/l 이고, 입도가 300㎛ 입도 표준체(standard sieve)를 전체 통과하고, 충전되는 전체 플럭스에 대해 45∼250㎛ 크기의 입자가 ≥80%를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 실시예들에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 방사성 동위원소와 관련하여 미량성분 규정이 보다 엄격한 차세대 원자력 발전설비의 보수용접이나 클래드 육성용접에 있어서 다양한 요구특성을 만족시킬 수 있고, 아울러 용접작업성, 인장강도 및 저온인성 등의 기계적 성능도 우수해서, 산업적 효용가치가 우수하다.
이하, 본 발명의 이점들과 특징들 및 이를 수행하는 방법들이 하기 실시예들에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 언급한 실시예들로만 한정되어 구성되는 것은 아니다.
본 발명자들은 과거의 원자력 설비와 차세대 원자력 설비의 차이점을 인지하고, 또한 용접시공방법이나 차별화된 용접재료의 요구사항들에 보다 많은 관심을 가지고 다양한 원재료를 사용하여 시험한 결과 차세대 원자력 발전설비에서 요구하는 미량원소 규정들을 만족시키면서 보다 안전하고, 편리하게 용접 가능한 용접재 료를 개발하기에 이르렀다.
다양한 화학 성분 규정 및, 특히 Co 성분을 차세대 원자력 발전설비에서 요구하는 수준으로 제어하기 위해 Co 성분이 용접금속 내로 주입되는 원리를 다수의 시험으로 확인해본 결과, 특히 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire)에 있어서, Co성분의 경우 플럭스 또는 외피를 통해 주입되는 전체 양(wt%) 중에서 스패터로 배출되는 양(wt%)과, 기체로 휘발되어 빠져나가는 흄 량(wt%)을 제외한 나머지가 전부 용접금속부로 용착된다는 것을 확인하였다. 이에 따라 Co성분이 근본적으로 배제된 플럭스 또는 외피의 원재료를 개발하기 위한 연구를 계속한 결과, 특히 외피 특성이 지배적 요인이라는 사실을 확인하고 외피에서 Co 성분을 적절하게 관리하면 차세대 원자력의 요구수준을 만족시킬 수 있다는 사실을 알게 되었다.
인위적으로 주입하는 경우를 제외하고는 외피에서 Co성분 함량에 지배적인 영향을 미치는 요인은 친화력이 뛰어난 Ni(니켈) 광석이다. 스테인리스 원재료 ROD나 HOOP 제강과정을 살펴본 결과 오스테나이트계 스테인리스 원재료를 제강할 때 사용하는 Ni(니켈) 광석이 Co를 함유시키는 주요 요인이라는 것을 알 수 있었는데, 그렇다고 해서 미리 니켈 광석에서 코발트 성분을 완전히 배제시키는 작업을 거친 후에 사용할 경우 Co 함량을 목표수준까지 저감시킬 수는 있지만, 이것은 추가 공정에 따른 실제 비용상승으로 인해 원재료 단가 상승문제 뿐만 아니라 원재료 공급업체의 기술력 정도에 따라 Co 함량을 0.05%이하로 관리하는 것이 쉽지 않다는 문제가 있다.
따라서 기본적으로 니켈 원재료를 사용하지 않으면서도 스테인리스(Stainless) 용접재료에 필요한 Cr(크롬)을 비롯한 합금성분은 보충할 수 있는 수준의 외피를 연구하였는데, 우수한 내식성, 고온 내산화성 때문에 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 용접재료로 범용되어 온 오스테나이트계 스테인리스강 STS 304 또는 STS 304L 외피의 경우, 외피 성분 중에 기본적으로 Cr 18~20%, Ni 8~12%를 함유하고 있으므로, 니켈 함량 때문에 엄격한 Co 성분 규제를 맞출 수 없다는 문제가 있었다.
외피의 특성을 파악하기 위해서 기존의 오스테나이트(Austenite)계 스테인리스강 외피와 페라이트(Ferrite)계 스테인리스강 외피의 합금성분 및 기계적 특성을 정밀하게 비교 분석해 본 결과, 페라이트계 스테인리스강의 합금성분이 기존의 오스테나이트계 스테인리스강과 다소 차이는 있으나 미량성분이 안정적으로 규제되어 있고, 특히 Co 함량이 0.05%이하로 낮게 함유되어 있어서 엄격한 원자력 설비용으로 사용 가능하다는 장점이 있었지만, 연신율이 상대적으로 낮기 때문에 제조성을 향상시키기 위한 개선방법이 추가로 필요하였다.
이에, 본 발명자들은 외피 성분 중에 니켈을 거의 함유하지 않으면서도 Cr(크롬) 등의 합금성분은 보충 가능한 페라이트계 스테인리스강 외피를 사용하고, 또한 제조성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어 용접재료를 개발해냈다.
이하, '%'는 별도로 설명하지 않는 한, '중량'을 의미하는 것으로 한다.
본 발명의 하나의 실시예에서는 페라이트계 스테인리스강 성분계의 외피를 사용하였는바, 상기 외피는 상기 와이어 전체 중량에 대해서, 금속 또는 합금 성분으로서 0%<C≤0.03%, 0%<Si≤1.0%, 0%<Mn≤1.0%, 0%<P≤0.04%, 0%<S≤0.03%, Cr 17%∼19%, 0%<N≤0.03%, Ti [0.2+4(C%+N%)]∼1.1%, 0%<Al≤0.15%, 0%<Ni≤0.50%, 0%<Co≤0.05% 및, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
플럭스 코어드 와이어 용접시 필요한 최소한의 슬래그량 확보와, 18∼25%Cr, 9∼14%Ni의 합금성분과 기타 합금성분 등의 특성을 나타내는 오스테나이트계 스테인리스 최종 용접금속부 형성을 위해 상기 성분계의 외피를 사용하는 것이 바람직한데, 만약 상기 성분계를 벗어나게 되면, 슬래그량이 너무 적어지거나, C(탄소), Cr(크롬), Ni(니켈) 등과 같은 합금성분 제어가 어려우며, 그렇지 않으면 플럭스 충전율이 지나치게 높아 신선성이 현저히 떨어지기 때문에 채택할 수 없으며, 상기 외피보다 높은 급의 페라이트계 스테인리스강 외피의 경우 Mo(몰리브덴), Nb(니오븀), Cu(구리) 등의 합금성분이 외피 내에 추가되어 있어 본 발명의 목적에는 맞지 않는 합금계가 될 우려가 있기 때문이다.
상기 외피 중의, P는 과다 존재하면 응고시에 내고온 용접 균열성 및 인성을 저하시키기 때문에 0.04% 이하로 함량을 제어하는 것이 바람직하고, S도 과다 존재하면 내고온 용접 균열성, 연성 및 내식성을 저하시키기 때문에 0.03% 이하로 함량을 제어하는 것이 바람직하다. 또한 N은 과다 존재시 용접 중에 블로우 홀이 발생 하기 쉽기 때문에 그 함량을 0.03% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. Co는 상술한 바와 같이 차세대 원자력 설비 조건에 맞도록 0.05% 이하인 것이 바람직하다.
상기에서와 같이 니켈과 코발트 성분 함량이 제어된 외피 내부에 플럭스를 충전시킨 플럭스 코어드 와이어의 경우, 상기 외피 및 플럭스는 상기 와이어 전체 중량에 대해서, 금속 또는 합금 성분으로서 Cr 18.0~25.0%, Ni 9.0~14.0%, Si 0.3~1.0%, Mn 1.0~2.5%, C 0.01~0.03%, Mo 0.01~0.5%, Cu 0.01~0.5%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고; 상기 플럭스는 와이어 전체 중량에 대해서, TiO2 환산치+SiO2 환산치+ZrO2 환산치+Al2O3 환산치 7.00~12.00%, Li2O 환산치+K2O 환산치+Na2O 환산치 0.1~0.5%, Fe2O3 환산치+MnO 환산치+MgO 환산치+Bi2O3 환산치 0.5~3.0%, 금속불화물(F 환산치) 0.01~0.30% 를 더 포함할 수 있는바, 이하에서 각 성분의 역할 및 함량을 수치한정한 이유에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다.
Cr : 18.0∼25.0%
Cr 성분은 오스테나이트계 스테인리스강용 용접재료를 만들기 위해 필수적으로 사용해야 하는 원소로서 용접금속 중의 페라이트 조직을 안정화시키고, 내식성 및 강도성능을 향상시키는 역할을 한다. Cr의 함량이 18.0% 미만이면 본 발명에 부합되는 충분한 효과를 기대할 수 없으며, 25.0%를 초과하면 σ상 석출로 취화되기 쉽고, 용접부의 인성이나 연성이 현저히 떨어진다. 따라서 외피 및 플럭스 내 Cr 함량은 와이어 전체 중량에 대해 18.0∼25.0%로 규정한다. 플럭스 중에 Cr을 공급하는 원재료로는 메탈 크롬(Me-Cr), 페로 크롬(Fe-Cr(L/C)) 또는 질화 크롬(CrN) 등이 있으나, 이들에만 한정하는 것은 아니다. (L/C는 저탄소를 의미하며, 이하부터는 동일한 개념이다.)
Ni : 9.0∼14.0%
Ni 성분은 용접금속 중의 오스테나이트 조직을 안정화시키는 원소로서 용접금속부의 페라이트상 생성을 억제시키고, 내공식성, 내입계부식성, 내균열성 뿐만 아니라 용접금속의 인성을 향상시켜 주는 원소이다. Ni의 함량이 9.0% 미만이면 그 효과를 충분히 얻을 수 없는 반면에 14.0%를 초과할 경우 본 발명에서 추구하는 오스테나이트 합금성분계를 형성시킬 수 없다. 그래서 본 발명에서는 Ni 성분의 함량을 와이어 전체 중량에 대해 9.0∼14.0%로 규정한다. 플럭스 중에 Ni을 공급하는 원료로는 Co성분이 제어된 페로 니켈(Fe-Ni) 또는 메탈 니켈(Me-Ni)을 사용할 수 있지만, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
Si : 0.3∼1.0%
Si 성분은 슬래그 생성과 용접금속의 강화원소로 유효하고, 페라이트에 고용되어 경도, 탄성계수, 인장강도를 증대시키고, 연신율, 충격치는 감소시킨다. Si의 함량이 0.3% 미만이면 용접금속부의 적절한 강도 및 경도를 얻기 어렵고, Si 함량이 1.0%를 초과하면 강도 상승 효과보다 인성저하 효과가 크게 되어 바람직하지 않다. 따라서, Si의 함량은 와이어 전체 중량에 대해 0.30∼1.00%로 규정한다. 플럭스 중에 Si 을 공급하는 원료로는 페로 실리망간(Fe-Si-Mn(L/C)), 메탈 실리콘(Me-Si) 또는 페로 실리콘(Fe-Si) 등의 어느 것을 사용할 수 있지만, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
Mn : 1.0~2.5%
Mn 성분은 탈산원소로 오스테나이트 조직을 안정화시키며 대부분이 용해되지만 일부는 S 성분과 반응하여 구상 MnS를 형성시켜 적열취성을 방지와 용접금속의 조직을 미세화시킬 뿐만 아니라 용접부의 연성을 높이는 역할을 한다. 그러나 자체의 전기 전도성이 낮기 때문에 과다하게 함유될 경우 용접이행시 스패터 발생과 슬래그량을 증가시킨다. 따라서 Mn 함량은 와이어 전체 중량에 대해 1.0~2.5%로 규정한다. 플럭스 중에 Mn 을 공급하는 원료로는 메탈망간(Metal-Mn), 페로망간(Ferro-Mn(L/C)) 또는 페로실리망간(Fe-Si-Mn(L/C)) 등의 어느 것을 사용할 수 있지만, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
C : 0.01~0.03%
C 성분은 일반적으로 용접 시에 탈산원소로 작용해서 일부는 주위의 산소와 반응하여 탄산가스를 형성시키고, 나머지는 용접금속부에 용착되어 강도를 향상시키는 역할을 하는데, 외피 중에 C 성분 함량 증가는 용접 시 스패터 발생량을 증가시키는 경향이 있는데, 본 발명의 실시예에서 사용된 페라이트계 스테인리스강 외 피 내의 C 성분 함량이 일반 오스테나이트계 스테인리스강 외피보다 적게 함유되어 있어 적정한 강도유지 뿐만 아니라 스패터 발생량을 최소화시키는데 효과가 있다. 따라서 외피 중의 C 함량을 와이어 전체 중량에 대해 0.01~0.03%로 규정한다.
Mo : 0.01~0.5%
Mo 성분의 일반적인 특성은 용접금속의 내입계부식성과 고온강도 및 고온에서의 크립(Creep) 강도를 개선시키는 역할을 하는 원소이며, 원자력 설비에 적용시키기 위해서는 반드시 규제되어야 하는 대상이고, 만약 Mo의 함량이 0.01% 미만에서는 상기에서 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 0.5%를 초과할 경우 원자력 규제를 벗어나 사용이 불가능하기 때문에 본 발명의 실시예에서는 플럭스와 외피에 포함된 함량을 와이어 전체중량에 대하여 0.01~0.5% 로 규정한다.
Cu : 0.01~0.5%
Cu 성분은 특히 산(acid)에 대한 내식성을 향상시키는 원소로서 환원성의 pH가 낮은 환경, 예를 들어 H2SO4 또는 규화수소를 함유한 환경에서 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 용접부의 가공성을 양호하게 하는 특성이 있다. Cu 성분도 Mo 성분과 동일하게 함량이 0.01% 미만에서는 상기에서 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 0.5%를 초과할 경우 원자력 규제를 벗어나 사용이 불가능하기 때문에 본 발명의 실시예에서는 플럭스와 외피에 포함된 함량을 와이어 전체중량에 대하여 0.01~0.5% 로 규정한다.
TiO 2 환산치+SiO 2 환산치+ZrO 2 환산치 +Al 2 O 3 환산치 7.00~12.00%
Ti 성분은 슬래그 형성제로서 아크 안정성을 향상시키고, 용접 시 슬래그의 피포성을 향상시킴과 동시에 비드형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 본 발명의 실시예에서는 Ti 금속성분 및 Ti 산화물의 함량을 TiO2 환산치로 정의하는데, 그 함량이 너무 적으면 언더컷이 발생할 수 있고, 용접금속에 충분한 슬래그량을 확보하는 것이 어렵기 때문에 양호한 비드형상을 얻기 어려우며, 그 함량이 과다할 경우는 스패터 발생량이 많아지며, 슬래그 혼입과 같은 용접결함을 발생시킨다. 플럭스 중에 Ti 성분을 공급하는 원료로는 루틸(Rutile, TiO2) 또는 일미나이트(Ilminite, FeTiO3) 등의 어느 것을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
Si 성분은 산성계 플럭스로서 용융슬래그의 염기도를 조정하고, 점성과 융점을 조정하여 비드 외관을 개선하며, 슬래그 박리성을 양호하게 하는 효과가 있다. 본 발명의 실시예에서는 Si 금속성분 및 Si 산화물의 함량을 SiO2 환산치로 정의하는데, 그 함량이 너무 적으면 점성이 부족하여 사행비드나 언더컷이 발생하기 쉬우며, 비드외관이 불균일해지고, 비드 퍼짐성이 감소하여 볼록비드가 발생하기 때문에 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편 그 함량이 과다하면 슬래그의 점성이 과잉 으로 되어 비드 형상이 열화됨과 동시에 슬래그 박리성이 열화된다. 플럭스 중에 Si 성분을 공급하는 원료로는 규석(Silicate, SiO2), 규조토(Diatomaceous earth, SiO2-Al2O3-Fe2O3), 가리장석(Feldspar, K2O-Al2O3-6SiO2) 등의 어느 것을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
Zr 성분은 입향 및 상향 용접에 있어 슬래그의 점성을 양호하게 유지하고, 슬래그의 흘러내림을 방지시킴과 동시에 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 본 발명의 실시예에서는 Zr 금속성분 및 Zr 산화물의 함량을 ZrO2 환산치로 정의하는데, 그 함량이 너무 적으면 상기한 효과를 충분히 얻을 수 없고, 과다하게 함유될 경우 슬래그의 점성이 지나치게 높아져 용융지를 슬래그가 과도하게 덮기 때문에 아크가 안정하게 되지 않으며, 슬래그의 혼입의 용접결함이 발생하기 쉬워진다. 플럭스 중에 Zr 성분을 공급하는 원료로는 지르콘 샌드(Zircon-sand, ZrSiO4) 또는 지르코니아(Zirconia, ZrO2) 등의 어느 것을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
Al 성분은 슬래그의 점성 및 융점을 조정하는데 중요한 성분으로, 슬래그를 형성하고, 염기도를 조정하여 용접작업성을 개선하는데 필요한 중성 성분으로, 본 발명의 실시예에서는 Al 금속성분 및 Al 산화물의 함량을 Al2O3 환산치로 정의하는데, 그 함량이 너무 적으면 점성과 융점이 낮아져서 비드폭과 결이 불균일해지며 언더컷 등의 결함이 발생할 수 있고, 슬래그 박리성이 떨어진다. 함량이 과다하게 되면 응고온도를 상승시켜 용접비드가 열화하게 되고, 점성이 높아져 볼록한 비드가 형성되며, 슬래그의 혼입이 발생할 뿐만 아니라 산소가 증가하여 용착금속의 인성이 나빠지고, 비드 종단부의 직선성이 저하된다. 플럭스 중에 Al 성분을 공급하는 원료로는 알루미나(Alumina)를 사용할 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.
플럭스 중에 TiO2 환산치+SiO2 환산치+ZrO2 환산치+Al2O3 환산치의 값이 7.0% 미만일 경우, 슬래그 생성량이 적기 때문에 슬래그 피포성과 박리성이 좋지 않으며, 용접 시 아크 안정성이 떨어져 양호한 비드형상을 얻기 어려우며, 함량이 12.0%를 초과할 경우, 과다한 슬래그량으로 인해 아크가 불안하고, 스패터 발생량이 많아지며, 슬래그 혼입과 같은 용접결함을 발생시킨다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 와이어 전체중량에 대하여 TiO2 환산치+SiO2 환산치+ZrO2 환산치+Al2O3 환산치의 함량은 7.0~12.0%로 규정한다.
Li 2 O 환산치+K 2 O 환산치+Na 2 O 환산치 0.1~0.5%
Li2O, K2O, Na2O 성분들은 고속 용접시에 아크 안정성을 확보하는데 중요한 성분이며, 슬래그의 융점 및 점성을 조절하고, 표면장력을 감소시켜 비드 외관을 좌우하는 기능이 있다. 본 발명의 실시예에서는 Li 금속성분 및 Li 산화물의 함량을 Li2O 환산치로, K 금속성분 및 K 산화물의 함량을 K2O 환산치로, Na 금속성분 및 Na 산화물의 함량을 Na2O 환산치로 정의하는데, Li2O 환산치+K2O 환산치+Na2O 환산치의 값이 0.1% 미만에서는 상기에서 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 0.5%을 초과할 경우에는 볼록한 비드가 형성되어 용접작업성이 나쁘고, 피트 등 용접결함이 발생할 수 있다. 따라서 플럭스 중에 Li2O 환산치+K2O 환산치+Na2O 환산치의 값은 와이어 전체중량에 대하여 0.1~0.50% 로 규정한다. 플럭스 중에 Li2O를 공급하는 원료로는 산화리튬(Lithium oxide)의 복합물로 사용 가능하며, K2O는 가리장석(Feldspar), C-MICA 파우더 또는 하우스만나이트(Hausmannite) 등의 어느 것이든 사용 할 수 있으며, Na2O는 가리장석(Feldspar) 또는 빙정석(Cryolite) 등의 어느 것을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
Fe 2 O 3 환산치+MnO 환산치+MgO 환산치+Bi 2 O 3 환산치 0.5~3.0%
본 발명의 실시예에서는 Fe 금속성분 및 Fe 산화물의 함량을 Fe2O3 환산치로, Mn 금속성분 및 Mn 산화물의 함량을 MgO 환산치로, Bi 금속성분 및 Bi 산화물의 함량을 Bi2O3 환산치로 정의하는데, 상기 성분들의 경우 용접금속에 산소를 보충하고, 슬래그 융점 및 량을 조정하기 위해 첨가하며, 0.5% 미만에서는 상기에서 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 3.0%를 초과할 경우 슬래그량이 과다하여 스패터 발생량을 증가시키기 때문에 함량을 플럭스 중에 와이어 전체 중량에 대해 0.5~3.0% 첨가한 다. 산화물 공급원으로는 산화철(Fe2O3), 망간산화물(MnO), 마그네사이트(MgO), 산화비스무스(Bi2O3) 중의 적어도 1종 이상을 사용한다.
금속 불화물(F 환산치) : 0.01~0.3%
금속 불화물은 내피트성을 향상시키고, 슬래그의 융점을 조정할 뿐만 아니라 슬래그의 두께를 균일하게 하는 효과가 있기 때문에 슬래그의 피포성 및 박리성을 향상시키지만 F 환산치로, 0.01% 미만에서는 상기에서 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 0.3%를 초과하면 슬래그의 융점이 현저히 저하되며, 슬래그의 피포성이 열화하고, 또한 불소 가스 발생에 따른 흄이 다량으로 발생한다. 따라서 플럭스 중에 금속 불화물(F 환산치)의 함량은 와이어 전체 중량에 대해 0.01~0.3% 로 한다. 금속 불화물은 불화리튬(LiF), 불화마그네슘(MgF2), 불화알루미늄(AlF3), 형석(CaF2) 등을 사용할 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어의 외피 내에 충전되는 플럭스의 충전율을 한정하였는바, 와이어 전체 중량 대비 외피 내에 충전되는 플럭스의 함량이 25% 미만이면, 오스테나이트계 스테인리스 용접금속부에 부응하는 정도의 화학성분을 만족시키지 못하게 되거나, 비드 외면을 덮어주어야 하는 슬래그량을 충분히 확보하기 어렵게 되는 문제가 있고, 33%를 초과하면, 와이어 충전부의 비율이 높아져 제조 시 단선문제를 유발하거나, 슬래그량이 과다하게 되어 양호한 용접작업성을 얻기가 어려워진다. 따라서, 플럭스 충전율은 와이어 전체 중량에 대해 25~33%가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서는 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어의 제조성을 향상시키기 위해 플럭스의 겉보기 밀도(g/l)와 입도 분포 값을 한정하였는바, 그 이유에 대해 상세히 설명한다.
플럭스의 겉보기 밀도는 플럭스 코어드 와이어 제조공정 중 외피 내에 플럭스를 충전하는 공정 및/또는 조관하는 공정, 인발/압연 공정에 있어서 상당히 중요한 인자임을 시험을 통해 확인하였는데, KS D 0036에서 규정하는 시험방법에 따라 외피 내에 충전되는 플럭스들의 겉보기 밀도(g/l)를 개별 플럭스 및 혼합된 플럭스의 형태로 동시에 측정한 후 다양하게 조정하여 최적의 범위로 규정하였다. 여기서 '겉보기 밀도'란 혼합된 플럭스 1l당 혼합된 플럭스의 무게중량(g)을 나타낸 값이다.
또한 제조성 향상을 위한 또 다른 방법으로서 플럭스 입도를 최적화하였는데, 여기서 '플럭스 입도'란 혼합된 플럭스의 입자크기를 의미하며, ASTM E11-70-1970에서 규정된 300㎛(50mesh), 250㎛(60mesh), 150㎛(100mesh), 106㎛(140mesh), 75㎛(200mesh), 63㎛(230mesh), 53㎛(270mesh), 45㎛(325mesh), 극미분 형태로 분류하여 입도 표준체(standard sieve)를 이용해 제어하면서 입도 최적화 시험을 실시하였다.
겉보기 밀도가 3.7g/l 미만으로서 낮은 플럭스가 외피 내로 충전되는 경우에는, 상대적으로 혼합 플럭스의 부피가 크기 때문에 외피 밖으로 흘러 넘침 현상이 발생하거나, 입도가 작으면서 겉보기 밀도가 낮은 플럭스 일부는 충전 시 외피 밖으로 비산되기도 하여 균일화된 와이어를 만들기 어려우며, 이에 따라 용접금속의 합금성분과 기계적 성능이 열화하였다. 반면, 겉보기 밀도가 4.2g/l를 초과하여 높은 플럭스가 많을 경우에는, 신선 시 가공경화 정도가 심해져 단선문제가 심하게 발생하여 제품 제조성을 떨어뜨리게 된다.
따라서, 외피 내로 충전되는 플럭스의 겉보기 밀도(g/l)가 3.7∼4.2인 것을 사용하는 것이 제품의 신선성 및 제조성의 측면에서 바람직하다. 또한 ASTM E11-70-1970에서 규정하는 혼합된 플럭스의 입자가 300㎛ 입도 표준체(standard sieve)를 전체 통과하고, 충전되는 전체 플럭스에 대해 45∼250㎛ 크기의 입자가 ≥80%를 만족할 때 용접 작업성도 양호하게 되고, 뿐만 아니라 신선성을 향상시켜 제품 생산성을 높이고, 보다 균일화된 제품을 상대적으로 저렴하게 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 상기 페라이트계 스테인리스강 외피재 스트립을 U자형으로 성형하는 조관공정, 미리 금속 또는 합금 성분이나 슬래그 형성제 등을 배합한 충전 플럭스를 상기 U자형으로 성형된 외피 내부로 충전하는 공정, 상기 충전된 U자 관을 관형으로 성형하는 공정; 상기 성형된 관형을 원하는 직경으로 신선하는 공정으로 이루어지는, 통상적인 플럭스 코어드 와이어 제조공정을 통해 제조될 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상술한다.
하기 [표 4-5] 및 [표7-8]에 나타낸 화학 성분으로 된 외피 및 플럭스를 이용하여, 와이어 지름 1.2 mm의 플럭스 코어드 와이어를 제조하였다.
본 실시예에서 사용된 분석 및 평가방법은 하기와 같다.
본 발명의 외피, 및 외피 내에 충전된 플럭스, 그리고 이들로 구성된 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어의 용접금속부 등의 화학성분 분석은 유도결합 플라즈마 원자방출분광 분석기(ICP-AES, Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer), X선 형광분석기
(XRF, X-ray Fluorescence Spectrometry), 스파크 발광분광 분석기(E/S, Spark Emission Spectrometer) 및 X선 회절 분석기(XRD, X-ray Diffractometer) 등을 사용하여 그 함량을 분석하였다.
하기 [표 1]은 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어를 평가하기 위한 용접 모재의 화학조성을 나타내고, [표 2] 및 [표3]은 용접작업성을 평가하기 위한 용접자세별 사용 용접조건을 나타낸다.
용접 모재의 화학성분(%)
C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo 그 외
0.03 0.45 1.25 0.027 0.01 18.5 10.1 0.15 0.12 Fe 및 기타 미량성분
용접조건
항목 하향 용접 입향/상향 용접 Fillet 용접
용접전류(A) 160~240 180 180~220
용접전압(V) 25~31 26 27~30
용접속도(cm/min) 30~40 12 30~40
용접입열량(kJ/cm) 6.0~14.9 23.4 7.3~13.2
와이어경(mm) 1.2 1.2 1.2
극성 DCEP DCEP DCEP
차폐가스 100%CO2 100%CO2 100%CO2
전류
(A)		 전압
(V)		 와이어
돌출길이
(mm)		 차폐가스 용접속도
(cm/min)		 용접
입열량
(kJ/cm)
종류 유량
(l/min)
200~210 28~29 20 100%CO2 20 30 9.9~12.0
상기 용접조건을 기초로, 본 발명의 실시예 및 비교예의 용접 와이어에 대해서 아크 안정성, 스패터 발생량, 슬래그 박리성, 슬래그 도포성 및 비드 외관 특성을 포함한 용접 작업성을 평가하였으며, 그 결과에 대해서 [표 6] 및 [표 9]에서 우수(◎), 보통(○), 불량(X)으로 표기하여 나타내었으며, 또한 JIS Z 3184 규격에 따라 용접한 용접부의 화학성분이 차세대 원자력 발전설비의 요건을 만족시킬 경우 '적합', 그렇지 않으면 '부적합'으로 나타내었다.
그리고 인장시험은 JIS Z 3111에 따라 실시하였으며, 시편을 약 100℃에서 1시간 시효처리 한 후 인장강도 시험을 실시하고, 그 결과 또한 [표 6] 및 [표9]에서 '양호'는 인장강도 값이 550N/mm2 이상이고, 연신율이 30%이상일 경우, 그렇지 않으면 '불량'으로 판정했고, 저온인성은 0℃ 47J 이상이면 '양호', 그렇지 않으면 '불량'으로 판정하여 나타내었다.
본 발명의 실시예에 대한 제조성 평가 기준은 제조 시 단선문제가 발생하지 않을 경우 또는 플럭스 급분 시 흘러넘침 현상이 없을 경우 '양호', 단선문제가 빈번히 일어나고, 플럭스가 흘러 넘치거나 이음부 사이로 빠져 나오는 경우를 '불량'으로 표현하였다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 용접작업성 평가를 위한 용접 자세 및 모재 제작방법을 상세히 설명하면, 도 1에 나타낸 바와 같이 용접 대상 두 모재(11)(12) 사이에 루트 간격(d)을 형성시킨 후, 두 용접 개선면(11A)(12A) 사이에 용접금속(W)이 형성되도록 하는 방법이 하향용접이며, 바닥에 놓여진 평판 모재(13)의 상면에 용접 부재(14)를 수직하게 세운 후 접촉선(13A)을 따라 용접하는 방법이 하향 필렛 용접이고, 지면에 수직하게 세워진 평판 모재(15)의 일측면에 용접 부재(16)를 수직하게 접촉시킨 후, 접촉선(15A)을 따라 상향으로 용접하는 방법이 수직상향 용접이다. 그리고 도 2에 나타낸 대로 용접부 화학성분은 모재(17) 위에 JIS Z 3184 규격에 따라 다층으로 용접하여 E/S 분석기로 분석하였다.
상기 외피 내에 충전되는 플럭스들의 겉보기 밀도(g/l)를 측정하는 방법은 KS D 0036 규격을 따랐다. 그리고 혼합 플럭스는 ASTM E11-70-1970에서 규정하는 입도 표준체(standard sieve)로 하고, 측정은 하기와 같은 방법으로 실시했다.
1. 입도 표준체를 50mesh에서 270mesh의 순서로 위에서 아래로 올려놓는다.
2. 혼합 플럭스 100g을 정확히 측정하여 50mesh부터 입도 표준체에 옮겨 뚜껑을 덮은 다음 진탕기에서 15분간 진탕을 실시한다.
3. 진탕을 완료한 다음 50mesh 입도 표준체를 통과하지 못한 입자들을 붓으로 모아 입도를 측량한 후 입도 표준체 크기별로 각각의 중량%를 구한다.
[실시예 1-13]
하기 [표 4]는 페라이트계 스테인리스강 외피(STS 439)를 사용한 실시예 1-13의 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어의 와이어 전체 중량에 대한 외피 및 플럭스에 포함된 금속 및 합금 성분을 나타낸 것이다. 또한 [표5]는 플럭스의 겉보기 밀도와 입도 분포 값, 및 플럭스 충전율을 각각 나타내고, 용접을 수행하여 생긴 용접금속부 화학성분을 나타낸 것이다.
No C Si Mn Cr Ni Mo Cu TiO2+SiO2
ZrO2+Al2O3 		Li2O
+K2O
+Na2O		 기타
산화물		 금속
불화물
(F환산치)		 잔
부
실시예1 0.017 0.53 2.0 21.0 9.7 0.04 0.07 8.90 0.50 2.78 0.13 Bal.
실시예2 0.016 0.66 2.2 19.6 9.4 0.03 0.07 7.46 0.42 2.91 0.12 Bal.
실시예3 0.018 0.46 1.5 23.6 12.6 0.03 0.07 8.17 0.46 2.06 0.13 Bal.
실시예4 0.017 0.46 1.7 23.6 12.6 0.03 0.07 7.02 0.38 2.21 0.17 Bal.
실시예5 0.018 0.42 2.0 18.7 12.7 0.03 0.07 10.26 0.25 2.49 0.12 Bal.
실시예6 0.018 0.48 1.9 19.0 12.3 0.03 0.07 11.37 0.24 2.36 0.10 Bal.
실시예7 0.018 0.42 2.0 20.0 9.5 0.05 0.10 11.35 0.25 2.51 0.12 Bal.
실시예8 0.017 0.41 1.8 19.2 9.6 0.05 0.10 9.94 0.22 2.20 0.10 Bal.
실시예9 0.018 0.49 1.7 24.5 13.7 0.05 0.10 8.79 0.21 2.17 0.11 Bal.
실시예10 0.018 0.48 1.7 23.6 13.8 0.05 0.10 8.31 0.33 2.07 0.10 Bal.
실시예11 0.019 0.57 1.7 23.2 12.8 0.05 0.10 8.88 0.29 2.18 0.10 Bal.
실시예12 0.020 0.64 1.8 23.7 13.9 0.05 0.10 8.86 0.29 2.32 0.18 Bal.
실시예 13 0.019 0.66 1.9 23.6 12.6 0.05 0.10 8.64 0.28 2.33 0.26 Bal.
No. 플럭스 충전율
(%)		 용접금속부 화학성분(%)
겉보기 밀도
(g/ℓ)		 플럭스
입도(%)		 C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Co
실시예1 3.85 87.2 27.0 0.030 0.45 1.14 0.017 0.006 19.8 9.5 0.03 0.06 0.021
실시예2 3.86 87.0 25.0 0.028 0.59 1.21 0.018 0.007 18.4 9.1 0.03 0.05 0.020
실시예3 3.93 81.2 32.0 0.030 0.42 0.92 0.017 0.007 23.0 12.3 0.02 0.05 0.021
실시예4 4.01 88.2 29.0 0.030 0.45 0.92 0.017 0.007 23.2 12.0 0.02 0.05 0.021
실시예5 3.88 90.0 28.0 0.030 0.45 1.13 0.019 0.008 18.4 10.5 0.03 0.05 0.021
실시예6 3.88 90.1 28.0 0.031 0.46 1.01 0.020 0.008 18.7 12.2 0.03 0.05 0.025
실시예7 3.82 98.1 28.0 0.026 0.49 1.09 0.018 0.006 19.7 8.6 0.04 0.08 0.022
실시예8 3.75 90.0 25.6 0.026 0.39 1.10 0.020 0.005 18.6 9.4 0.04 0.09 0.015
실시예9 4.08 89.8 32.0 0.032 0.43 1.02 0.018 0.009 23.6 13.8 0.05 0.08 0.022
실시예10 4.06 88.3 32.0 0.030 0.48 1.07 0.019 0.010 22.7 13.4 0.05 0.08 0.022
실시예 11 4.03 95.8 32.0 0.030 0.52 1.07 0.017 0.007 22.9 12.1 0.03 0.09 0.018
실시예 12 4.02 88.7 32.5 0.028 0.63 1.08 0.018 0.008 22.9 13.7 0.04 0.09 0.024
실시예 13 4.02 88.8 32.0 0.026 0.56 1.21 0.017 0.009 22.9 12.1 0.04 0.07 0.021
No 차세대
원자력
요건		 용접 작업성 인장강도 저온
인성		 제조성
아크
안정성		 스패터
발생량		 슬래그
박리성		 슬래그
도포성		 비드
외관
실시예1 적합 ◎ ◎ ○ ○ ◎ 양호 양호 양호
실시예2 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예3 적합 ◎ ◎ ◎ ○ ◎ 양호 양호 양호
실시예4 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예5 적합 ○ ○ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예6 적합 ◎ ◎ ○ ○ ◎ 양호 양호 양호
실시예7 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예8 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예9 적합 ○ ○ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예10 적합 ◎ ○ ◎ ◎ ○ 양호 양호 양호
실시예 11 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ○ 양호 양호 양호
실시예 12 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
실시예 13 적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
[비교예 1-13]
하기 [표 7]에서 비교예 1-5 및 7-11은 페라이트계 스테인리스강 외피(STS 439)를 사용한 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어, 비교예 6 및 12는 오스테나이트계 스테인리스강 외피(STS 304L)를 사용한 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어의 와이어 전체 중량에 대한 외피 및 플럭스에 포함된 금속 및 합금 성분을 나타낸 것이다. 또한 [표8]은 플럭스의 겉보기 밀도와 입도 분포 값, 및 플럭스 충전율을 각각 나타내고, 용접을 수행하여 생긴 용접금속부 화학성분을 나타낸 것이다.
No C Si Mn Cr Ni Mo Cu TiO2+SiO2
ZrO2+Al2O3 		Li2O
+K2O
+Na2O		 기타
산화물		 금속
불화물
(F환산치)		 잔
부
비교예1 0.060 0.56 2.0 19.8 9.6 0.05 0.07 10.30 0.42 1.80 0.12 Bal.
비교예 2 0.020 0.68 1.9 17.7 10.2 0.05 0.07 9.4 0.28 2.10 0.14 Bal.
비교예 3 0.018 0.57 2.0 20.4 10.6 0.03 0.07 12.50 0.11 1.40 0.14 Bal.
비교예 4 0.017 1.20 1.8 20.8 9.8 0.03 0.07 9.40 0.38 1.00 0.14 Bal.
비교예 5 0.017 0.46 2.0 23.9 12.6 0.05 0.07 9.40 0.36 2.24 0.36 Bal.
비교예 6 0.017 0.64 1.9 23.7 13.8 0.05 0.07 7.60 0.34 2.50 0.16 Bal.
비교예 7 0.017 0.54 1.8 19.8 10.4 0.05 0.10 7.24 0.36 3.80 0.18 Bal.
비교예 8 0.018 0.42 1.5 18.4 9.4 0.05 0.10 11.28 0.44 2.46 0.12 Bal.
비교예 9 0.018 0.54 1.8 18.2 14.8 0.05 0.10 8.80 0.34 2.45 0.12 Bal.
비교예 10 0.018 0.49 3.4 23.4 13.2 0.05 0.10 7.60 0.24 1.80 0.18 Bal.
비교예 11 0.018 0.62 2.0 23.5 13.4 0.05 0.10 9.40 0.48 2.52 0.18 Bal.
비교예 12 0.022 0.72 2.0 20.4 9.8 0.14 0.22 9.20 0.32 2.37 0.13 Bal.
No. 플럭스 충전율
(%)		 용접금속부 화학성분(%)
겉보기 밀도
(g/ℓ)		 플럭스
입도(%)		 C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Co
비교예1 3.88 89.2 28.0 0.055 0.54 1.20 0.018 0.006 18.9 9.4 0.04 0.06 0.022
비교예2 3.82 88.7 27.4 0.031 0.062 1.22 0.018 0.009 17.4 9.9 0.04 0.05 0.020
비교예3 3.83 81.0 25.4 0.028 0.55 1.09 0.019 0.006 19.6 10.2 0.03 0.06 0.018
비교예4 3.84 87.9 28.4 0.028 1.08 1.16 0.020 0.006 20.2 9.6 0.03 0.06 0.021
비교예5 4.02 88.6 32.2 0.026 0.45 1.18 0.018 0.007 23.3 12.4 0.04 0.06 0.022
비교예6 3.96 89.8 32.5 0.030 0.58 1.19 0.017 0.008 23.4 13.6 0.04 0.06 0.112
비교예7 3.86 87.5 27.2 0.030 0.52 1.16 0.018 0.008 19.4 10.2 0.04 0.08 0.022
비교예8 3.40 64.6 26.4 0.028 0.46 0.94 0.018 0.008 18.1 9.2 0.03 0.09 0.021
비교예9 4.06 88.9 32.2 0.030 0.050 1.15 0.020 0.010 18.0 14.4 0.04 0.08 0.022
비교예10 3.92 90.2 32.0 0.030 0.54 2.52 0.021 0.010 23.1 13.0 0.04 0.09 0.024
비교예11 4.08 88.8 34.0 0.033 0.66 1.22 0.018 0.008 23.4 13.3 0.04 0.08 0.023
비교예12 3.95 88.8 28.0 0.033 0.66 1.25 0.018 0.008 19.8 9.6 0.12 0.20 0.088
No 차세대
원자력
요건		 용접 작업성 인장강도 저온
인성		 제조성
아크
안정성		 스패터
발생량		 슬래그
박리성		 슬래그
도포성		 비드
외관
비교예1 부적합 ○ ○ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
비교예2 부적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 불량 양호 양호
비교예3 적합 × × ◎ ◎ ○ 양호 양호 양호
비교예4 부적합 ◎ ◎ × ◎ ○ 양호 불량 양호
비교예5 적합 × × ◎ ◎ ○ 양호 양호 양호
비교예6 부적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
비교예7 적합 × × ○ ◎ × 양호 양호 양호
비교예8 적합 ○ ○ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 불량
비교예9 부적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
비교예10 부적합 × ○ ○ ◎ ○ 양호 양호 양호
비교예11 적합 ○ ○ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 불량
비교예12 부적합 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 양호 양호 양호
[표 6]에 나타낸 것 같이 본 발명의 바람직한 범위 내에 속하는 실시예 1 내지 13의 플럭스 코어드 와이어는 어느 것이든 양호한 결과를 나타내었다. 특히 실시예 2, 3, 4, 7, 8, 11, 12, 13의 와이어는 용접 작업성에 있어서 극히 우수한 결과를 나타내었으며, 실시예 1, 5, 6, 9, 10의 와이어는 용접 작업성 보다는 강도성능, 저온인성이 우수하였으며, 실시예 1-13 모두 제조성에서 양호한 결과를 나타내었다.
한편, 비교예 1과 9는 용접 작업성이나 강도, 저온인성 및 제조성은 양호한 편이나 비교예 1의 경우 C 함량이 지나치게 높았고, 또한 비교예 9는 Ni 성분이 차세대 원자력 발전설비와 관련된 용접요건에 부적합한 결과를 나타내었다. 비교예 2도 용접 작업성이나 저온인성, 제조성 모두 양호한 수준이나 기본적으로 Cr 성분 함량이 차세대 원자력 발전설비와 관련된 요건에는 부적합하고, 특히 인장강도가 목표치인 550N/mm2 이하의 결과를 나타내었다
비교예 3은 용접금속부의 화학성분은 만족스러운 결과를 얻었으나 슬래그량을 결정하는 TiO2 환산치+SiO2 환산치+ZrO2 환산치+Al2O3 환산치 함량이 너무 많아서 용접 시 아크가 불안정하고, 스패터가 다량으로 발생하여 비드외관을 열화시키는 결과를 나타내었다. 비교예 4는 용접작업성 면에서 아크 안정성이나 슬래그 도포성은 양호한 수준인 반면 용접비드 외관에 슬래그 눌러붙음 현상과 틤 현상이 발생하여 비드 외관이 나쁘며, Si 함량이 지나치게 높아 차세대 원자력 발전설비와 관련된 요건에는 부적합한 결과를 나타내었다. 비교예 5는 용접금속부의 화학성분은 양호한 결과를 얻었으나 금속 불화물의 함량이 높기 때문에 용접이행이 불안하여 대립 크기의 스패터 발생이 많아 용접 비드외관이 좋지 않았다.
비교예 6 및 12는 Co 성분을 별도 관리하지 않거나 또는 시중에서 일반적으로 구입하는 오스테나이트계 스테인리스인 STS 304L 외피를 사용한 결과 용접 작업성과 용접부의 화학성분이 전반적으로 양호한 수준으로는 나왔으나, Co 성분이 차세대 원자력 설비의 용접요건인 0.05% 이하를 만족시키지 못하는 결과가 나왔다.
비교예 7은 슬래그를 생성하는 산화물 중 TiO2+SiO2+ZrO2+Al2O3를 제외한 기타 산화물로 용융점이 높은 MgO를 다량으로 사용한 결과 용접 작업성 평가 시 아크가 폭발적으로 반응하여 용접비드 주위에 대립의 스패터가 많이 발생하는 문제점이 발생하였다. 비교예 8 및 11은 용접 작업성이나 용접부의 화학성분 측면에서는 양호한 수준으로 확인되었으나, 비교예 8의 경우 사용되는 플럭스 원료 중 Li2O 환산치+K2O 환산치+Na2O 환산치 함량이 너무 높기 때문에 혼합된 플럭스의 겉보기 밀도가 낮고, 또한 입도 분포에서 45㎛(325mesh)이하의 극미분이 많기 때문에 혼합된 플럭스가 외피로 충전되는 상태가 좋지 못해 제품 제조상의 불균일한 충전율 결과를 초래했고, 비교예 11의 경우 외피 내로 충전되는 충전율이 과다하게 높아 제품 제조 시 빈번한 단선문제로 인해 제품 제조상의 어려움이 발생하였다.
비교예 10은 용접부의 강도성능, 저온인성 및 제조성이 모두 양호한 수준으로 확인되었으나 사용 플럭스 중 전기 전도성이 나쁜 Mn 함량이 지나치게 높아 아크 안정성이 떨어지고, 또한 용접 시 흄이 과다하게 발생하여 비드 외관을 열화시켰으며, 특히 용접부의 Mn 함량이 차세대 원자력 설비의 용접요건인 0.5 ∼2.5%를 만족시키지 못하는 결과가 나왔다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접작업성 평가를 위한 용접 자세 및 모재 제작방법을 나타낸 모식도이며, (가)는 하향용접자세, (나)는 하향필렛용접자세, (다)는 수직상향용접자세를 나타낸다;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 화학성분 분석방법을 나타낸 모식도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
11~17…용접대상 모재 및 부재 11A, 12A…용접 개선면
13A, 15A…접촉선 d…루트 간격
W…용접금속

Claims (4)

  1. 스테인리스강 외피 내부에 플럭스가 충전된 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어로서,
    상기 외피는 금속 또는 합금 성분으로서, 상기 와이어 전체 중량에 대해서 0%<C≤0.03%, 0%<Si≤1.0%, 0%<Mn≤1.0%, 0%<P≤0.04%, 0%<S≤0.03%, Cr 17%∼19%, 0%<N≤0.03%, Ti [0.2+4(C%+N%)]∼1.1%, 0%<Al≤0.15%, 0%<Ni≤0.50%, 0%<Co≤0.05% 및, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외피 및 플럭스는 금속 또는 합금 성분으로서, 상기 와이어 전체 중량에 대해서 Cr 18.0~25.0%, Ni 9.0~14.0%, Si 0.3~1.0%, Mn 1.0~2.5%, C 0.01~0.03%, Mo 0.01~0.5%, Cu 0.01~0.5%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고; 상기 플럭스는 와이어 전체 중량에 대해서, TiO2 환산치+SiO2 환산치+ZrO2 환산치+Al2O3 환산치 7.00~12.00%, Li2O 환산치+K2O 환산치+Na2O 환산치 0.1~0.5%, Fe2O3 환산치+MnO 환산치+MgO 환산치+Bi2O3 환산치 0.5~3.0%, 금속불화물(F 환산치) 0.01~0.30% 를 더 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스는 와이어 전체 중량에 대해서, 상기 외피 내에 충전된 함유량이 25~33%인, 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스는 겉보기 밀도가 3.7~4.2 g/l 이고, 입도가 300㎛ 입도 표준체(standard sieve)를 전체 통과하고, 충전되는 전체 플럭스에 대해 45∼250㎛ 크기의 입자가 ≥80%를 만족하는 것인, 오스테나이트계 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어.
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