KR101264606B1

KR101264606B1 - 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR101264606B1
Application number: KR1020110049629A
Authority: KR
Inventors: 조진환; 김용덕
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2013-05-27
Also published as: KR20120131453A

Abstract

저온 충격인성 및 내균열성을 확보할 수 있는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것으로, 금속외피내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, TiO₂: 4~9%, C: 0.01~0.07%, Si: 0.2~0.6%, Mn: 1.0~3.0%, Ni: 0.1~1.0%, Mg: 0.1~1.0%, F: 0.01~0.1%, B: 0.002~0.007%, 철분: 2.0~6.0%, Nb: 0.03%이하, V: 0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 관계식 (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 1.5~6.0인 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

Description

내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어{GAS SHIELDED ARC WELDING TITANIA BASED FLUX CORED WIRE HAVING EXCELLENT CRACK RESISTANCE}

본 발명은 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접금속의 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

최근 선박이나 철 구조물, 해양 플랜트, 화공설비 및 저장 시설물 등 다양한 분야에서 고강도와 기능성을 갖는 강재를 요구함에 따라 용접재료도 그에 맞는 기능성 재료를 선택해 주어야 한다. 특히, 후판용접에서는 고입열의 용접조건, 용접기법에 따른 다양한 변수로 인하여 충격인성 및 내균열성이 취약해질 수 있다. 또한, 일반적인 티타니아계 타입의 플럭스 충전 와이어는 산화물로 인하여 전자세 용접성은 우수하나 상대적으로 저온 충격인성의 확보가 어려운 문제가 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해서 일본 특개소 58-16796호에서는 가스실드 아크용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어에 대한 중량%로, TiO₂: 4~8.5%, Mg: 0.2~0.8%, Ti: 0.03~0.7%, B: 0.002~0.025%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.1~1.2%, 그 밖에 금속불화물과 산화물로 이루어진 플럭스를 제공함으로서 저온에서 용접금속 충격인성을 확보한다고 기재하고 있다.

그러나, 상기 특허에서 첨가되는 보론(B)은 용접금속 충격인성을 확보케 할 수는 있으나, 입계편석에 의해 고온 균열을 일으키는 원인으로 작용할 수도 있어 내균열성 향상면에서는 미흡한 점이 있었다.

또한, 한국 공개특허 2002-0008681호에서는 티탄 산화물 및 비티탄 산화물 등의 비를 제어함으로써, 양호한 저온충격인성 확보 및 용접작업성의 향상을 제안하고 있으나, 내균열성 측면에서는 다소 미흡한 점이 있었다.

따라서, 본 발명자들은 지속적 연구를 통해 전자세 용접작업성이 우수하고 용접금속 저온 충격인성 및 내균열성이 우수한 플럭스 충전 와이어를 발명하여 이에 개시하는 바이다.

본 발명의 일측면은 양호한 용접작업성을 유지하면서, 내균열성 및 저온충격인성을 확보할 수 있는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 금속외피내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, TiO₂: 4~9%, C: 0.01~0.07%, Si: 0.2~0.6%, Mn: 1.0~3.0%, Ni: 0.1~1.0%, Mg: 0.1~1.0%, F: 0.01~0.1%, B: 0.002~0.007%, 철분: 2.0~6.0%, Nb: 0.03%이하, V: 0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며,

관계식 (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 1.5~6.0인 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

본 발명에 의하면, 플럭스 충전 와이어의 조성성분을 제어함과 동시에, 이들의 성분관계를 제어함으로서, 우수한 내균열성 및 저온충격인성을 갖는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공할 수 있다.

도 1은 실시예의 고온 균열 발생시험 모재의 측단면(a)과 평면(b)을 나타낸 것임.
도 2는 (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값에 대한 -40℃ 저온 충격인성 값을 나타낸 그래프임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명 플럭스 충전 와이어의 조성에 대하여 상세히 설명한다. 하기 조성은 와이어 전중량에 대한 중량%(이하, %)이다.

탄소(C)의 함량은 0.01~0.07%로 하는 것이 바람직하다. 상기 C의 함량이 0.01% 미만에서는 용착금속의 인성 및 인장특성이 열화되며, 0.07%를 초과해서는 펄라이트 생성이 촉진되며 균열에 대한 감수성이 증가하여 고온균열이 발생하기 쉬운 문제가 있을 뿐만 아니라, 용접작업성에 있어서도 스패터가 다량 발생하는 문제가 있기 때문에, C의 함량은 0.01~0.07%로 하는 것이 바람직하다.

TiO₂의 함량은 4~9%로 하는 것이 바람직하다. 상기 TiO₂의 함량이 4% 미만이면 슬래그량이 부족하여 용융금속을 대기로부터 충분히 보호할 수 없고, 전자세 용접시 슬래그 응고가 느려져 용접성을 저하시키는 문제가 있다. 또한, 상기 TiO₂의 함량이 9%를 초과하게 되면 슬래그 형성이 과다하고 용융성 및 유동성이 떨어질 뿐만 아니라, 슬래그의 일부가 용접금속 내부에 혼입되어 용접부의 기계적 성능이 열화될 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

망간(Mn)의 함량은 1.0~3.0%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Mn은 비교적 약한 탈산제로서 S와 반응하여 FeS보다 MnS를 먼저 형성하기 때문에 S의 편석에 의한 저융점 화합물의 형성을 방지하는 역할을 한다. 상기 Mn의 함량이 1.0% 미만에서는 용접금속의 강도가 저하되고, 소입성 부족에 따라 용접금속의 조대화가 촉진되며 저온인성 열화를 가져올 수 있다. 또한, 그 함량이 3.0%를 초과하게 되면 용융성이 저하되며, 슬래그 응고가 느려지고 비드외관이 나빠질 수 있으며 고온균열 발생의 우려가 있다.

나트륨(Na)은 아크안정제로서, 용접시 아크의 안정화를 이루어 양호한 작업성을 나타내는 성분이다. 상기 Na의 함량은 0.2~1.0%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Na의 함량이 0.2% 미만에서는 아크불안, 스패터의 증가 등의 현상이 있고, 1.0%를 초과하면 아크 집중이 높아지고 아크 크기가 작아지며 아크 불안을 가져오는 문제가 있으므로, 그 함량을 0.2~1.0%로 하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)의 함량은 0.1~1.0%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Ni는 용접금속 충격인성의 천이온도를 낮춤과 동시에 저온 충격인성의 안정화를 도모할 수 있는 원소이다. 상기 Ni의 함량이 0.1% 미만에서는 전술한 소정의 효과를 나타낼 수 없고, 1.0%를 초과하면 소입성을 과도하게 증가시켜 용접열영향부의 인성을 저하시키고 용접열영향부 및 용접금속에서 고온균열의 발생 가능성이 있기 때문에 그 함량을 0.1~1.0%로 하는 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg)의 함량은 0.1~1.0%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Mg는 강탈산제로서 용융금속내의 산소와 반응하여 비금속 개재물의 생성을 억제하여 용접금속의 청정도를 향상시키는 역할을 하는 성분이다. 상기 Mg의 함량이 0.1% 미만에서는 전술한 소정의 효과를 기대하기 어렵고, 1.0%를 초과하면 용접 흄 및 스패터 발생량이 증가하고, 슬래그 포피성을 열화시키므로 그 함량을 0.1~1.0%로 하는 것이 바람직하다.

플루오르(F)의 함량은 0.01~0.1%로 하는 것이 바람직하다. 상기 F는 금속플루오르 화합물 형태로 첨가되며, 이러한 F는 아크 안정성을 향상하는 역할과 함께 결함발생을 억제하는 역할을 한다. 상기 F의 함량이 0.01% 미만에서는 상기 역할이 미미하고, 0.1%를 초과하게 되면 흄발생량이 증가하고 용접성도 저하하기 때문에, 그 함량은 0.01~0.1%로 하는 것이 바람직하다.

철분의 함량은 2.0~6.0%로 하는 것이 바람직하다. 상기 철분은 용접시 용접금속량을 증대시키고 산소와 결합하여 산화물을 형성하는 역할을 한다. 상기 철분의 함량이 2.0% 미만에서는 용접금속량이 충분치 않고, 아크 불안과 슬래그 유동 저하를 초래할 수 있으며, 6.0%를 초과해서는 흄, 스패터의 과다발생 및 슬래그 박리성을 저하시키므로, 그 함량은 2.0~6.0%로 하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb) 0.03%이하, 바나듐(V) 0.04%이하를 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 Nb와 V는 불순물로 첨가되는 원소로서, 결정입계에 석출하여 고용강화에 의하여 용접부 강도를 증가시킬 뿐만 아니라, 경도를 증가시키지만, 과도하게 포함될 경우에는 용접금속의 인성을 저하시키므로, 그 함량을 각각 0.03%이하, 0.04%이하로 하는 것이 바람직하다.

보론(B)의 함량은 0.002~0.007%로 하는 것이 바람직하다. 상기 B는 BN을 형성하여 입계 페라이트의 생성을 억제하고 조직을 미세화시켜 용접부의 강도 및 인성을 증가시키는 역할을 한다. 상기 B의 함량이 0.002% 미만에서는 상기 역할을 기대하기 어렵고, 0.007%를 초과하는 경우에는 붕화물이 연속적인 망상으로 형성되어 경화에 의한 충격치 감소가 일어나며, 인성도 열화될 뿐만 아니라, 용융성 저하 및 균열 발생의 우려가 있기 때문에 그 함량을 0.002~0.007%로 하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si)의 함량은 0.2~0.6%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Si는 용접금속의 강도를 유지함과 아울러 슬래그 유동성과 비드형상을 향상시키는 역할을 한다. 상기 Si의 함량이 0.2% 미만에서는 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며 슬래그 유동 및 비드 외관이 저하되는 문제가 있다. 그 함량이 0.6%를 초과하면 용접금속내의 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진시켜 저온 충격인성을 저하시키고 균열이 발생할 우려가 있다. 즉, Fe-S-Si-O 화합물을 형성하여 고온균열을 조장할 수 있으며, 이러한 화합물로 인해 저온충격인성을 저하시킬 수 있다.

상기 조성이외에 나머지는 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 이로 인해 다른 조성의 첨가를 배제하는 것은 아니다.

본 발명의 플럭스 충전 와이어는 상기 조성 중 C, B 및 Si의 함량의 관계식, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 1.5~6.0을 만족하는 것이 바람직하다. C와 B는 그 함유량이 많지는 않지만 충격인성 및 내균열성에 크게 영향을 미치는 성분이며, Si 역시 충격인성 향상에 기여하지만, 그 함량이 많으면 내균열성이 저하되는 문제가 있다. 본 발명자 등은 이 점에 착안하여, C, B 및 Si의 함량 변화에 따른 충격인성 및 내균열성 평가를 실시하였고, 그 결과, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 1.5~6.0을 만족할 때 안정적인 충격인성과 내균열성을 동시에 확보할 수 있음을 확인하여 본 발명을 제안하는 것이다. 상기 값을 벗어나게 되면, 안정적인 충격인성과 내균열성을 동시에 확보하기 어렵다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 만족하는 플럭스 충전 와이어를 준비하였다. 상기 플럭스 충전 와이어는 금속 외피에 플럭스가 10~20%의 충전율로 충전되었고, 직경이 1.2㎜인 티타니아계 플럭스 충전 와이어이다. 한편, 상기 금속 외피는 C: 0.02%, Si: 0.002%, Mn: 0.2%, P: 0.02%, S: 0.009%를 포함하는 연강재를 이용하였다. 하기 표 1에서 나머지는 외피 중의 Fe 및 불가피한 불순물이다.

상기 플럭스 충전 와이어를 사용하여 ASTM E36 강재의 용접을 실시하였으며, AWS A5.20에 따라 충격인성 및 인장강도를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 이때, 항복강도 390MPa 이상, 인장강도 490~670MPa, 연신율 22%이상, 충격인성 -40℃에서 47J 이상인 경우를 합격으로 평가하였다. 상기 표 2의 결과에 대해서, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값에 대한 저온 충격인성 값의 그래프를 도 2에 나타내었다.

한편, 내균열성에 대한 평가를 위한 고온 균열 발생시험은 두께 25㎜, 길이 500㎜의 EH36 모재를 도 1과 같이 준비하여 고입열 용접조건(250A/32V)으로 초층용접을 실시하였으며, 그 용접에 따른 고온균열 발생 정도를 측정하여 하기 표 4에 나타내었다. 상기 도 1(a)는 모재의 측단면을 나타낸 것이고, 도 1(b)는 평면을 나타낸 것이다.

본 실시예에서는 고온균열 발생 판정방법으로 먼저 하기 표 3과 같은 용접조건으로 도 1과 같이 세라믹백킹제를 이용하여 용접모재에 편면 초층용접을 실시하고, 그 이후 용접비드 표면에 발생한 균열의 길이를 전체 용접길이(500㎜)에 대한 백분율로 계산하였다.

나아가, 저온균열 발생을 확인하기 위해 초층균열이 일어난 부분에는 가우징을 실시하여 재용접을 실시하였으며, 총 5Layer 7Pass로 용접을 실시하여 용접을 완료하였다. 그리고, 용접 후 72시간이 경과한 다음, 비파괴 검사를 실시하여 균열발생 여부를 검사하였다.

구분	C	Si	Mn	B	Ni	Mg	TiO₂	F	Na	Nb	V	철분	(CB10⁴)²+(Si³*10)
발명예1	0.031	0.48	2.2	0.0028	0.35	0.45	6.45	0.078	0.58	0.012	0.023	3.05	1.86
발명예2	0.043	0.45	2.4	0.0033	0.38	0.48	6.58	0.023	0.44	0.015	0.024	4.28	2.92
발명예3	0.029	0.47	2.1	0.0032	0.35	0.44	7.25	0.083	0.58	0.013	0.019	4.12	1.90
발명예4	0.031	0.58	2.3	0.0027	0.45	0.40	5.88	0.098	0.74	0.009	0.025	3.65	2.65
발명예5	0.038	0.21	2.5	0.0034	0.48	0.42	4.99	0.042	0.81	0.012	0.024	4.02	1.76
발명예6	0.042	0.24	2.7	0.0029	0.50	0.49	6.15	0.084	0.52	0.009	0.019	3.88	1.62
발명예7	0.041	0.36	2.3	0.0041	0.57	0.50	7.32	0.026	0.57	0.016	0.024	3.75	3.29
발명예8	0.051	0.38	2.4	0.0043	0.80	0.38	6.87	0.095	0.68	0.012	0.023	3.94	5.36
비교예1	0.018	0.35	2.2	0.0029	0.45	0.40	8.15	0.066	0.61	0.014	0.021	4.01	0.70
비교예2	0.031	0.21	2.6	0.0020	0.42	0.41	7.85	0.071	0.58	0.013	0.024	4.08	0.48
비교예3	0.068	0.35	2.1	0.0051	0.39	0.54	6.32	0.058	0.34	0.011	0.021	4.38	12.46
비교예4	0.042	0.58	2.8	0.0069	0.47	0.38	6.11	0.042	0.65	0.014	0.032	5.25	10.35
비교예5	0.130	0.42	2.3	0.0025	0.31	0.44	5.85	0.068	0.74	0.011	0.022	4.55	11.30
비교예6	0.032	0.45	2.2	0.0009	0.43	0.48	5.97	0.085	0.80	0.009	0.019	4.32	0.99
비교예7	0.031	0.40	2.6	0.0122	0.38	0.47	6.88	0.048	0.84	0.008	0.024	3.98	14.94
비교예8	0.019	0.18	2.4	0.0033	0.33	0.50	5.81	0.056	0.81	0.014	0.021	4.25	0.45
비교예9	0.030	0.20	3.0	0.0018	0.75	0.43	7.12	0.021	0.85	0.009	0.020	3.86	0.37
비교예10	0.029	0.84	2.9	0.0028	0.80	0.51	8.08	0.094	0.45	0.013	0.021	4.15	6.59
비교예11	0.090	0.83	2.5	0.0013	0.42	0.48	7.45	0.019	0.56	0.014	0.023	3.25	7.09
비교예12	0.033	1.1	2.4	0.0035	0.39	0.37	6.55	0.071	0.31	0.011	0.019	4.22	14.64

구분	인장강도(MPa)	충격인성(Joule)		평가
구분	인장강도(MPa)	-30℃	-40℃	평가
발명예1	601	105	61	합격
발명예2	611	122	85	합격
발명예3	603	118	82	합격
발명예4	625	92	63	합격
발명예5	598	135	108	합격
발명예6	615	121	102	합격
발명예7	624	152	113	합격
발명예8	620	155	128	합격
비교예1	580	78	35	불합격
비교예2	558	38	18	불합격
비교예3	604	164	115	합격
비교예4	620	105	55	합격
비교예5	645	95	43	불합격
비교예6	635	78	29	불합격
비교예7	620	182	158	합격
비교예8	565	85	36	불합격
비교예9	578	51	17	불합격
비교예10	630	65	25	불합격
비교예11	642	48	18	불합격
비교예12	660	105	73	합격

보호가스 및 유량	극성	용접자세	용접전류/전압	용접속도	기타
100% CO₂ 20~25ℓ/min	직류 역극성 (DC+)	하향(1G)	250A/32V	18(㎝/min)	개선각: 34° Root Gap: 5㎜ Stick Out: 20~25㎜ 용접방법: 후퇴법

구분	고온균열 발생여부	고온균열 발생율(%)	저온균열 발생여부	평가
발명예1	무	-	무	합격
발명예2	무	-	무	합격
발명예3	무	-	무	합격
발명예4	무	-	무	합격
발명예5	무	-	무	합격
발명예6	무	-	무	합격
발명예7	무	-	무	합격
발명예8	무	-	무	합격
비교예1	무	-	무	합격
비교예2	무	-	무	합격
비교예3	유	32	유	불합격
비교예4	유	41	유	불합격
비교예5	유	76	유	불합격
비교예6	무	-	무	합격
비교예7	유	39	유	불합격
비교예8	무	-	무	합격
비교예9	무	-	무	합격
비교예10	유	12	유	불합격
비교예11	유	62	유	불합격
비교예12	유	58	유	불합격

상기 도 2, 표 2 및 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1 내지 8의 조성인 플럭스 충전 와이어는 저온 충격인성과 내균열성이 모두 우수한 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 비교예 1 내지 4는 성분 범위는 본 발명의 범위에 포함되나, 비교예 1 및 2는 (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 본 발명의 범위에 미치지 않는 경우이고, 비교예 3 및 4는 본 발명의 범위를 초과한 경우이다. 이때, 비교예 1 및 2는 저온충격인성이 만족스럽지 못하며, 비교예 3 및 4는 고온 및 저온에서 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

비교예 5는 C의 함량이 본 발명 범위를 벗어나고, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 본 발명범위를 벗어난 경우로서, 저온 충격인성이 만족스럽지 못하고, 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 6, 8 및 9는 B 또는 Si의 함량이 본 발명에 미치지 못하고, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 저온 충격인성이 열위에 있음을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예 7은 B의 함량이 본 발명의 범위를 초과하고, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 본 발명 범위를 벗어난 경우로서, 고온균열과 저온균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 10 내지 12는 C, Si, B 중 하나 이상의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나고, (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 본 발명의 범위를 초과한 경우로서, 비교예 10 및 11은 저온 충격인성과 균열저항성에 대해 모두 만족스럽지 못하였고, 비교예 12는 고온 및 저온 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 범위를 벗어난 플럭스 충전 와이어의 경우에는 후판의 초층 용접에 적절히 이용될 수 없음을 알 수 있다.

Claims

금속외피내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, TiO₂: 4~9%, C: 0.01~0.07%, Si: 0.2~0.6%, Mn: 1.0~3.0%, Ni: 0.1~1.0%, Mg: 0.1~1.0%, F: 0.01~0.1%, B: 0.002~0.007%, 철분: 2.0~6.0%, Nb: 0.03%이하, V: 0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며,
상기 C, B 및 Si의 함량에 대한 관계식 (C*B*10⁴)²+(Si³*10)의 값이 1.5~6.0인 내균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.