KR101210294B1

KR101210294B1 - 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR101210294B1
Application number: KR1020110057338A
Authority: KR
Inventors: 유상근; 유철
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-12-10

Abstract

본 발명은 용접작업성이 우수한 동시에 용접금속의 저온충격인성 및 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것으로,
강재외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.01~0.12%, TiO₂: 3.5~10%, Mn: 0.6~2.5%, Si: 0.1~1.0%, Ni: 0.1~3.0%, Ti: 0.1~0.7%, ZrO₂: 0.09~0.3%, SiO₂: 0.1~0.55%, Al₂O₃: 0.02~0.1%, Na₂O: 0.004~0.02%, K₂O: 0.02~0.15%, 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 관계식 T의 값이 1.05~1.35인 것을 만족하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

Description

가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어{TITANIA BASED FLUX CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING}

본 발명은 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접시 용접금속의 저온 충격인성, 내균열성이 우수하고, 용접작업성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

최근, 전세계적인 천연자원의 고갈 및 유가의 지속적인 상승으로 인해 자원 개발을 위한 해양구조물의 공사가 많아지고 있으며, 특히 극지방 및 한랭지역에도 많은 구조물들이 건설되고 있다. 이에 따라 해양구조물에 사용되는 강재는 고강도화 및 극후물화 뿐만 아니라, 극저온에서의 충격인성이 보증될 수 있을 것이 요구되고 있다.

이러한 해양구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 해양구조물의 용접부 저온 충격인성 확보가 무엇보다 중요하다. 일반적으로 해양구조물의 용접에서는 플럭스 코어드 용접이 적용되고, 상기 플럭스 코어드 용접시 대략 7~25kJ/㎝에 해당되는 입열량이 많이 사용되고 있다.

일반적으로 용접시 형성되는 용접금속(weld metal)은 응고하면서 주상정 조직이 형성되며, 결정입내에 오스테나이트 결정입계를 따라 조대한 입계 페라이트 등이 형성된다. 이런 조대한 조직이 형성된 용접금속은 저온충격인성 특성이 가장 열화되는 부위이다.

따라서, 용접구조물의 극저온에서의 충격인성을 확보하기 위해서, 용접금속의 미세조직을 제어하여 용접금속의 저온충격인성을 확보할 필요가 있다. 이와 관련된 종래 기술로는 대한민국 공개특허 2002-0008681호가 있다. 상기 특허에서는 C, Si, Mn, Mg, Ni, F 함량과 티탄산화물 및 비티탄산화물의 비를 제어하여 양호한 저온충격인성 및 용접작업성의 향상을 제안하고 있으나, 현재의 고객요구에 대응하기에는 저온충격인성이 충분치 않고, 내균열성이 미흡한 한계가 있다.

따라서, 용접작업성이 우수하면서도, 저온충격인성 및 내균열성이 우수한 플럭스 충전 와이어에 대한 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면은 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 성분을 적절히 제어함으로써, 용접작업성이 우수한 동시에 용접금속의 저온충격인성 및 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 강재외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.01~0.12%, TiO₂: 3.5~10%, Mn: 0.6~2.5%, Si: 0.1~1.0%, Ni: 0.1~3.0%, Ti: 0.1~0.7%, ZrO₂: 0.09~0.3%, SiO₂: 0.1~0.55%, Al₂O₃: 0.02~0.1%, Na₂O: 0.004~0.02%, K₂O: 0.02~0.15%, 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,

하기 관계식 T의 값이 1.05~1.35인 것을 만족하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

본 발명의 플럭스 충전 와이어를 사용하면, 우수한 용접작업성을 확보할 수 있는 동시에, 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 용접금속을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 T값에 따른 저온 충격인성의 변화를 나타낸 그래프임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 플럭스 충전 와이어의 조성에 대해 상세히 설명한다. 이하 조성은 와이어 전중량에 대한 중량%(이하, %)로 나타낸다.

탄소(C): 0.01~0.12%

C는 본 발명 와이어의 강재 외피 및 플럭스에 함유되는 것으로, 용접금속의 강도를 유지하고, 입계 페라이트의 생성을 억제하여 저온 충격인성을 향상시키며, 아크력을 증대시켜 용입을 충분하게 함으로서, 용입 부족을 막아주는 역할을 한다. 상기 C의 함량이 0.01% 미만에서는 용접금속의 인성 및 강도가 저하되고, 0.12%를 초과해서는 강도가 과도하게 높아지고 고온 균열 저항성이 저하되기 때문에 그 함량은 0.01~0.12%인 것이 바람직하다.

TiO₂: 3.5~10%

TiO₂는 Ti 산화물 형태로 첨가되는 주된 슬래그 형성제로서 대기로부터 용융금속을 보호하는 역할을 한다. 상기 TiO₂의 함량이 3.5% 미만에서는 슬래그량이 부족하여 용융금속을 대기로부터 충분히 보호할 수 없고 스패터 발생이 많아지며, 10%를 초과해서는 슬래그 형성이 과다하고 유동성이 저하되며, 슬래그의 일부가 용접금속의 내부에 혼입되어 용접부의 기계적 성능이 크게 저하되는 문제가 있으므로, 그 함량을 3.5~10%로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.6~2.5%

Mn은 비교적 약한 탈산제로서 용접금속내 산소량을 저감시키며, 용접금속의 강도를 유지함과 아울러 비드 외관을 향상시키는 역할을 한다. 상기 Mn의 함량이 0.6% 미만에서는 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며 비드 외관 향상효과가 미흡하고, 2.5%를 초과하면 용접시 용융성이 떨어짐과 아울러 충격인성 저하 및 고온 균열 발생 우려가 있기 때문에, 그 함량은 0.6~2.5%로 하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.1~1.0%

Si는 상기 Mn과 마찬가지로 비교적 약한 탈산제로서 용접금속내 산소량을 저감시키며, 용접금속의 강도를 유지함과 아울러, 적정량 첨가시 슬래그 유동성과 비드외관을 향상시키는 역할을 한다. 상기 Si의 함량이 0.1% 미만에서는 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며 비드 외관 향상 효과가 미흡하고, 1.0%를 초과하면 슬래그 유동성이 떨어지고, 충격인성이 저하되며 고온 균열이 발생할 우려가 있기 때문에 그 함량은 0.1~1.0%인 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 0.1~3.0%

Ni는 오스테나이트 안정화 원소로서 저온에서 충격인성을 안정화시키는데 유효한 성분으로, 그 함량이 0.1% 미만에서는 저온 충격인성의 안정화 효과를 나타낼 수 없고, 3.0%를 초과해서는 용접금속의 균열을 야기할 우려가 있으므로, 0.1~3.0%인 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.1~0.7%

Ti는 금속 Ti의 형태로 첨가되며 O₂와 결합하여 미세한 Ti산화물을 형성하여 용접금속내 핵생성 사이트 역할을 하며, 상기 Ti산화물들이 성장하여 용접금속 조직을 미세화시켜 저온 충격인성 및 내균열성을 향상키는 역할을 하는 원소이다. 상기 미세한 Ti산화물 효과를 얻기 위해서는 Ti 함량범위를 0.1~0.7%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Ti의 함량이 0.1% 미만에서는 산화물의 O와 반응할 Ti 함량이 적기 때문에, Ti산화물들을 통한 용접금속 응고조직의 미세화 효과가 적어 용접금속의 저온 충격인성 및 내균열성이 저하되고, 0.7%를 초과하면 용접금속내 Ti 함량의 증가로 인해 용접금속의 강도가 높아지게 되어 저온 충격인성 및 내균열성이 저하된다.

SiO₂: 0.1~0.55%

SiO₂는 슬래그 형성제로서, 슬래그 박리성과 용접 비드 외관을 향상시키기 위해 첨가된다. SiO₂가 0.1% 미만에서는 슬래그의 점성이 부족해져 슬래그의 포피성이 열화되는 동시에 비드 외관이 저하되고, 0.55%를 초과하면 용융 슬래그의 점성이 지나치게 높아져 슬래그 유동성을 떨어뜨리며, 개재물로서 용접금속 조직에 존재하여 내균열성 및 저온 충격인성을 저하시킨다.

Al₂O₃: 0.02~0.1%

Al₂O₃는 하향자세 용접시 비드 외관 및 입향 상진 자세 용접에서의 비드처짐 방지를 위해 첨가된다. Al₂O₃의 함량이 0.02% 미만에서는 하향 용접에서 비드 외관이 저하되고, 입향 상진 용접에서 비드 처짐이 발생하여 전반적인 용접작업성이 저하되며, 0.1%를 초과해서는 슬래그 박리성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 함량은 0.02~0.1%인 것이 바람직하다.

Na₂O: 0.004~0.02% 및 K₂O: 0.02~0.15%

상기 Na₂O 및 K₂O는 용접시 아크 안정제로 첨가되며, 상기 Na₂O 및 K₂O의 함량은 각각 0.004~0.02% 및 0.02~0.15%로 하는 것이 바람직하다. 각각의 함량이 상기 범위 미만에서는 아크 불안 및 스패터발생 증가를 초래하고, 상기 범위를 초과하게 되면 슬래그의 유동성이 저하되고, 입향상진 자세에서 용융금속이 유화되어 작업성을 악화시키기 때문이다.

ZrO₂: 0.09~0.3%

ZrO₂는 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 성분으로, 본 발명에서는 그 함량을 0.09~0.3%로 하는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.09% 미만에서는 하향 및 수평필렛 용접시 양호한 용접비드를 얻을 수 없고, 0.3%를 초과하면 수평필렛 용접 중에서 비드 등각성이 저하되며, 입향 상진 용접시 용접비드가 볼록해지는 문제가 있다.

상기 조성이외에 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중의 철분 및 불가피하게 첨가되는 불순물을 포함하며, 이는 다른 성분이 첨가되는 것을 배제하는 것이 아니다.

한편, 본 발명자들은 양호한 저온 충격인성 및 우수한 내균열성의 확보를 위해서는 각 산화물과 Ti의 함량을 적절히 제어해야 하는 것을 연구를 통해 인지하였다. 즉, 산화물중 O₂와 Ti가 반응하여 미세한 Ti산화물(Ti₂O₃)들을 형성하여 용접금속 내에서 핵생성 사이트 역할을 하게 되며, 용접금속내 미세한 Ti산화물들이 성장하게 되어 용접금속의 응고조직을 미세하게 한다. 이로 인해 용접금속의 저온 충격인성 및 내균열성을 향상시키게 된다. 이때 산화물과 Ti의 함량비가 특정 범위내에 있을 때 가장 양호한 충격인성 및 내균열성을 갖게 되고, 아울러 양호한 용접작업성을 나타내는 것을 발견하고 그 함량을 아래의 관계식 T로 도출하게 되었다.

본 발명에서는 상기 T값이 1.05~1.35를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 T값이 1.05 미만에서는 용접금속내의 Ti가 산화물의 O₂와 결합할 수 있는 양보다 많아지게 되어 결국 용접금속의 저온충격인성을 저하시키게 되며, 산화물의 함량이 감소하여 용접작업성이 저하된다. 또한, T값이 1.35를 초과하는 경우에는 용접금속내에 Ti산화물들을 형성하기 위한 Ti의 함량이 적어져서, 미세한 Ti산화물들을 통한 용접금속 응고조직 미세화 효과가 떨어져 저온 충격인성 및 내균열성이 저하되고, 산화물들의 함량이 과도하게 증가하게 되어 용접작업성이 저하된다.

상기 관계식 T값의 변화에 따른 저온 충격인성 변화를 확인하기 위하여, 산화물과 Ti의 함량을 변화시켜 상기 T값의 변화에 따른 -40℃의 용접금속 충격인성에 대한 평가를 행하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1의 결과에서 알 수 있듯이, T값이 1.05~1.35를 만족하는 경우에 우수한 저온 충격인성을 확인할 수 있었다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 직경 1.4㎜의 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 마련하였다. 표 1의 와이어에서 미기재 성분은 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중 철분 및 불가피한 불순물이다. 한편 이때 사용된 강재 외피의 조성을 표 2에 나타내었다(상기 표 2의 조성은 강재 외피에 대한 중량%임).

상기와 같이, 마련된 와이어를 이용하여 표 3의 용접조건으로 용접을 진행하였다. 이렇게 용접을 마친 후 각 와이어별 용접작업성, 충격인성 및 내균열성을 측정하여 그 결과를 표 4에 나타내었다. 표 4에서 충격인성은 -40℃에서 충격흡수에너지가 60Joules 이상인 경우 합격으로 규정하였으며, 내균열성은 용접 후 72시간이 경과한 후, 비파괴 검사를 실시하여 균열발생 여부를 검사하였다.

표 4의 결과에서 ?은 우수, ○은 양호, △는 보통, ×는 불량으로 표시하였다.

구분	TiO₂	C	Si	Mn	Ni	Ti	ZrO₂	SiO₂	Al₂O₃	Na₂O	K₂O	식 T
발명예 1	6.0	0.070	0.38	1.80	2.10	0.14	0.09	0.10	0.020	0.004	0.020	1.14
발명예 2	3.5	0.075	0.15	0.60	0.10	0.10	0.10	0.18	0.033	0.0075	0.043	1.32
발명예 3	9.0	0.072	0.42	1.72	1.90	0.30	0.20	0.37	0.066	0.015	0.087	1.19
발명예 4	8.0	0.062	0.60	1.25	1.66	0.60	0.24	0.46	0.083	0.019	0.108	1.05
발명예 5	5.2	0.043	0.28	1.16	2.30	0.70	0.30	0.55	0.100	0.020	0.150	1.07
발명예 6	7.0	0.090	0.34	0.97	1.40	0.30	0.24	0.46	0.083	0.019	0.108	1.25
발명예 7	8.0	0.057	0.64	1.70	2.70	0.31	0.16	0.35	0.056	0.015	0.091	1.14
발명예 8	10.0	0.120	1.00	2.50	3.00	0.54	0.24	0.46	0.083	0.019	0.108	1.08
발명예 9	4.0	0.050	0.48	1.20	1.20	0.14	0.10	0.18	0.033	0.0075	0.043	1.21
발명예 10	6.1	0.060	0.53	1.60	1.35	0.24	0.15	0.28	0.050	0.011	0.065	1.17
발명예 11	8.7	0.068	0.50	1.80	2.40	0.54	0.30	0.55	0.100	0.020	0.150	1.14
발명예 12	6.7	0.054	0.49	1.57	1.29	0.47	0.24	0.46	0.083	0.019	0.108	1.12
발명예 13	7.2	0.080	0.80	2.00	2.50	0.20	0.15	0.28	0.050	0.011	0.065	1.23
발명예 14	6.4	0.064	0.43	1.88	2.13	0.30	0.20	0.37	0.066	0.015	0.087	1.19
발명예 15	9.1	0.071	0.58	1.71	1.44	0.14	0.15	0.28	0.050	0.011	0.065	1.34
비교예 1	7.8	0.060	0.55	1.6	1.4	0.05	0.16	0.20	0.074	0.008	0.038	1.74
비교예 2	7.2	0.075	0.51	1.5	1.2	0.85	0.24	0.41	0.083	0.018	0.108	0.96
비교예 3	6.5	0.066	0.55	2.1	1.5	0.35	0.65	0.42	0.068	0.006	0.055	1.43
비교예 4	8.4	0.077	0.48	1.5	2.8	0.53	0.18	0.04	0.042	0.015	0.077	0.98
비교예 5	5.8	0.055	0.60	1.3	1.6	0.61	0.22	0.65	0.091	0.008	0.064	1.02
비교예 6	6.5	0.060	0.55	1.8	1.3	0.45	0.25	0.50	0.010	0.017	0.090	1.10
비교예 7	6.2	0.061	0.57	1.9	1.3	0.38	0.29	0.35	0.200	0.007	0.120	1.25
비교예 8	7.4	0.088	0.64	1.5	2.2	0.40	0.23	0.16	0.048	0.002	0.031	1.09
비교예 9	8.1	0.069	0.61	1.4	2.8	0.35	0.25	0.27	0.026	0.035	0.055	1.16
비교예 10	6.9	0.071	0.52	1.2	1.5	0.41	0.21	0.48	0.050	0.014	0.015	1.07
비교예 11	7.3	0.066	0.45	1.1	1.7	0.39	0.14	0.45	0.039	0.016	0.250	1.13
비교예 12	7.6	0.064	0.45	1.6	2.6	0.70	0.11	0.12	0.021	0.005	0.020	0.79
비교예 13	4.5	0.061	0.61	2.1	1.4	0.10	0.29	0.52	0.095	0.019	0.030	1.67
비교예 14	5.3	0.091	0.34	1.7	1.6	0.45	0.15	0.33	0.065	0.012	0.080	1.02
비교예 15	6.8	0.110	0.88	2.3	2.5	0.20	0.25	0.55	0.085	0.015	0.120	1.40

구분	C	Si	Mn	P	S	Fe
함량	0.035	0.02	0.24	0.007	0.004	나머지

모재	루트갭	개선각도	적층	전류	전압	용접속도	입열량	용접자세
AH36,20㎜t	13㎜	45도	15pass	300A	32V	20~40㎝/min	14~25kJ/㎝	아래보기

구분	용접작업성	샤르피 V-노치 충격값(Joules@ -40℃)	균열발생여부
발명예 1	○	87	-
발명예 2	○	90	-
발명예 3	○	106	-
발명예 4	?	72	-
발명예 5	○	105	-
발명예 6	○	107	-
발명예 7	?	105	-
발명예 8	○	81	-
발명예 9	?	73	-
발명예 10	?	118	-
발명예 11	?	88	-
발명예 12	○	85	-
발명예 13	○	110	-
발명예 14	?	103	-
발명예 15	○	78	-
비교예 1	○	27	발생
비교예 2	○	43	발생
비교예 3	×	38	발생
비교예 4	×	53	발생
비교예 5	×	49	발생
비교예 6	×	71	-
비교예 7	×	88	-
비교예 8	×	75	-
비교예 9	×	81	-
비교예 10	×	68	-
비교예 11	×	73	-
비교예 12	×	21	발생
비교예 13	△	24	발생
비교예 14	×	37	발생
비교예 15	△	31	발생

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1 내지 15의 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어는 각각 우수한 용접작업성과 저온 충격인성 및 내균열성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이에 비해, Ti의 함량과 관계식 T값이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1 및 2의 경우 저온 충격인성이 저하되고, 균열이 발생하였으며, ZrO₂, SiO₂ 중 일부 성분 함량과 T값이 본 발명 범위를 벗어난 비교예 3 내지 5의 경우에는 용접작업성이 저하되고 균열이 발생하였으며, 저온 충격인성 또한 바람직하지 않았다.

또한, 비교예 6 내지 11의 경우에는, T값은 본 발명 범위를 만족하지만, 용접작업성에 영향을 미치는 Al₂O₃, Na₂O, K₂O의 함량이 본 발명 범위를 벗어나 용접작업성이 크게 저하되었다.

마지막으로 비교예 12 내지 15의 경우는 각 구성성분의 함량은 모두 본 발명 범위를 만족하지만, T값이 본 발명 범위를 벗어나 저온 충격인성이 저하되고 균열이 발생하였으며, 용접작업성 또한 바람직하지 않았다.

Claims

강재외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.01~0.12%, TiO₂: 3.5~10%, Mn: 0.6~2.5%, Si: 0.1~1.0%, Ni: 0.1~3.0%, Ti: 0.1~0.7%, ZrO₂: 0.09~0.3%, SiO₂: 0.1~0.55%, Al₂O₃: 0.02~0.1%, Na₂O: 0.004~0.02%, K₂O: 0.02~0.15%, 나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 관계식 T의 값이 1.05~1.35인 것을 만족하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.