KR101286502B1

KR101286502B1 - 내균열성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR101286502B1
Application number: KR1020110140815A
Authority: KR
Inventors: 박상민; 조진환
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-07-16
Also published as: KR20130073124A

Abstract

본 발명은 충격인성이 우수할 뿐만 아니라, 후판의 초층 용접에서도 용접부의 고온균열을 효과적으로 방지할 수 있는 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로서,
강재 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.035~0.050%, Ti₂O: 5.5~8.5%, MgO: 0.2~0.7, SiO₂: 0.3~0.8, Na₂O: 0.1~0.7, K₂O: 0.1~0.3%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 1.5~2.5%, Mg:0.3~0.7%, 불화물의 F 환산량: 0.05~0.15%, 나머지는 외피중의 Fe, 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고, (Mn/Si)×C의 값이 0.15~0.20인 것을 포함하는 내균열성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

Description

내균열성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어{TITANIA TYPE FLUX CORED WIRE HAVING EXCELLENT CRACK RESISTANCE}

본 발명은 강재 외피내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 균열을 억제하는 내균열성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

티타니아계 플럭스 충전 와이어는 종래부터 그 탁월한 비드 외관과 용접성능 및 용접효율의 우수성으로 인하여 연강 및 50kgf/㎟급 고장력강과 60kgf/㎟급의 고장력강 등의 구조물을 용접하는데 널리 사용되어 오고 있다. 그러나, 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 맞대기(Butt) 용접시 용접금속의 충격인성이 만족스럽지 못하기 때문에, 충격인성이 엄격히 제한되는 경우에는 그 사용에 많은 제한이 있었다.

나아가, 최근 사용되는 강재의 두께가 증가함으로써 용접부의 구속력이 증가하였고, 생산성 향상을 위해 고전류 용접을 실시하는 경우가 많아, 초층용접시 고온균열 발생에 대한 우려가 높아지고 있다. 용접시 용융 금속은 응고가 되어 고온에서 상온으로 냉각되면서 부피가 수축하는 성질이 있지만, 용접구조물은 고정되어 있어서, 용접금속의 수축현상을 방해한다.

특히, 초층 용접 비드의 형상은 두께는 얇고 폭은 넓어 폭방향으로 수축하려는 특성이 커셔 균열이 발생하기 쉽다.

본 발명의 일측면은 충격인성이 우수할 뿐만 아니라, 후판의 초층 용접에서도 용접부의 고온 균열을 효과적으로 방지할 수 있는 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 강재 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.035~0.050%, Ti₂O: 5.5~8.5%, MgO: 0.2~0.7, SiO₂: 0.3~0.8, Na₂O: 0.1~0.7, K₂O: 0.1~0.3%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 1.5~2.5%, Mg:0.3~0.7%, 불화물의 F 환산량: 0.05~0.15%, 나머지는 외피중의 Fe, 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,

(Mn/Si)×C의 값이 0.15~0.20인 것을 포함하는 내균열성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

본 발명 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 이용하여 용접을 행하면, 충격인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 용접금속의 항복비(최대인장강도/하항복강도의 비)를 크게 함으로써 35mm 이상 후판의 초층 용접시에도 고온균열 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 충격인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있고, 후판의 편면 초층 용접시 고온균열을 방지할 수 있는 플럭스 충전 와이어의 개발을 위해 수많은 연구와 실험을 거듭하였다.

그 결과, 종래 플럭스 충전 와이어의 조성 성분 중 B의 사용을 배재하여, 항복비(최대인장강도/하항복강도의 비)를 크게 하면, 용접부의 연성이 증가되어 효과적으로 고온균열을 방지할 수 있음을 발견하였다. 또한, B를 사용하지 않은데 따른 저온 충격인성 저하를 방지하기 위하여, 용접금속내 개재물 생성을 촉진하는 Al과 Si에 주목하여, Al은 그 사용을 배제하였고, Si 함량은 최소화하는 동시에, Mn, Si 및 C의 상관관계를 고려하여 적정범위와 비를 한정함으로서, 상기 효과를 확보할 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명 플럭스 충전 와이어의 조성에 대해 상세히 설명한다. 상기 플럭스 충전 와이어는 강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 것으로서, 플럭스 충전 와이어 전중량에 대한 중량%(이하, %)로, C: 0.035~0.050%, Ti₂O: 5.5~8.5%, MgO: 0.2~0.7, SiO₂: 0.3~0.8, Na₂O: 0.1~0.7, K₂O: 0.1~0.3%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 1.5~2.5%, Mg:0.3~0.7%, 불화물의 F 환산량: 0.05~0.15%, 나머지는 외피중의 Fe, 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고, (Mn/Si)×C의 값이 0.15~0.20인 것을 포함한다.

C: 0.035~0.050%

C는 본 발명 와이어를 구성하는 강재 외피와 충전되는 플럭스에 함유되는 성분으로 용접금속의 기계적 성질에 영향을 주는 중요한 인자이며, 특히 B를 배제하면서 저온 충격인성을 확보하기 위하여 그 함유량을 엄격히 제한할 것이 요구된다.

C함량이 0.035% 미만이면 용접금속의 인성이 열화되고, 0.050%를 초과하면 강도가 과도하게 높아지고 균열 감수성을 증가시켜 고온균열이 발생하기 쉽다.

TiO₂: 5.5~8.5%

TiO₂는 아크안정성을 향상시키고, 비드표면을 균일하게 하여 비드외관을 향상시키는 역할을 한다. 그 함량이 5.5% 미만으로 함유되면 슬래그량이 부족하게 되어 아크 안정성이 저하될 뿐만 아니라, 슬래그의 포피성이 열화되어 비드외관이 열악해진다. 또한, 그 함량이 8.5%를 초과하면 슬래그가 과다해져 입향하진 등의 용접자세에서 용융금속이 흘러내리고 비드외관이 열악해지므로, 그 함량을 5.5~8.5%로 하는 것이 바람직하다.

MgO: 0.2~0.7%

MgO는 고융점 슬래그 형성제로서 하향 필렛용접이나 입향상진의 용접자세에서 슬래그의 응고속도를 향상시켜 비드의 처짐을 방지하고 비드외관을 안정화시키는 역할을 한다. 상기 MgO의 함량이 0.2% 미만이면 슬래그 응고속도가 지연되어 비드가 처지거나 외관이 나빠지는 반면에, 0.7%를 초과하게 되면 용융성이 저하되어 스패터 발생량이 증가하는 단점이 있으므로, 그 함량을 0.2~0.7%로 하는 것이 바람직하다.

SiO₂: 0.3~0.8%

SiO₂는 슬래그의 점성을 향상시키며 슬래그가 비드 표면에 고르게 응고하도록 하는 역할을 한다. 그러나, 그 함량이 0.3% 미만으로 너무 적으면 슬래그 점성이 작아져 포피성 저하 및 비드 불균일을 초래하며, 0.8%를 초과하여 과다하게 첨가되면 언더컷이 발생하고 스패터 발생량이 증가하므로, 그 함량을 0.3~0.8%로 하는 것이 바람직하다.

Na₂O: 0.1~0.7%

Na₂O는 아크 안정제로서 사용되고 용융성을 향상시키는 성분이다. 그 함량이 0.1% 미만이면 아크 안정제로서의 효과가 부족하고, 용융성 저하에 따라 스패터 발생량이 증가한다. 반면 그 함량이 0.7%를 초과하면 아크 집중이 과다하여 비드 외관을 해치게 되므로, 그 함량을 0.1~0.7%로 하는 것이 바람직하다.

K₂O: 0.1~0.3%

K₂O도 Na₂O와 마찬가지로 아크 안정제로 사용되고 용융성을 향상시키는 역할을 한다. 그 함량이 0.1% 미만에서는 첨가에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 0.3%를 초과하는 경우에는 용입이 부족하여 퓸(Fume)의 발생이 증가할 수 있기 때문에, 그 함량을 0.1~0.3%로 하는 것이 바람직하다.

Si: 0.4~0.6%

Si는 탈산제 및 슬래그 형성제로서, 비드퍼짐성을 향상시켜 비드외관을 양호하게 하고, 페라이트 안정화 원소로 고온균열을 억제하는 효과가 있다. 그 함량이 0.4% 미만이면 상기 효과를 기대하기 어렵고, 0.6%를 초과하게 되면 Si 개재물로 인하여 인성이 열화되고 고온균열을 초래하기 때문에, 그 함량을 0.4~0.6%로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 1.5~2.5%

Mn은 탈황제로서 저융점 화합물의 형성을 방지하고 용접금속의 탈산효과와 Mn 개재물 형성으로 충격인성과 강도를 상승시킨다. 또한, 비드외관과 형상을 개선하고 양호한 작업성을 얻을 수 있도록 하는 성분이다. 그 함량이 1.5% 미만이면 상기 효과를 기대할 수 없으며, 2.5%를 초과하면 아크 안정성과 용융성이 저하되고 강도도 지나치게 증가하여 고온균열의 발생가능성이 높아지는 문제가 있으므로, 그 함량을 1.5~2.5%로 하는 것이 바람직하다.

Mg: 0.3~0.7%

Mg는 강력한 탈산제로서 기능을 발휘하여 용접금속을 건전하게 한다. 그러나, 상기 함량이 0.3% 미만이면 탈산기능을 제대로 발휘하기 어렵고, 0.7%를 초과하면 용접금속의 건전성은 좋아질 수 있으나, 고온 산화물 형성으로 슬래그 응고속도가 빨라져 비드결이 거칠어지는 단점이 있으므로, 그 함량을 0.3~0.7%로 하는 것이 바람직하다.

불화물의 F 환산량: 0.05~0.15%

불화물은 강력한 탈수소제로서 기능을 발휘하여 용접금속의 확산성 수소함량을 낮추어 저온균열 등의 용접결함을 방지하는 역할을 한다. 그 함량이 0.05% 미만이면 상기 역할을 기대하기 어렵고, 0.15%를 초과하는 경우에는 아크가 격렬해져 아크안정성과 비드형상이 저하되므로, 그 함량을 0.05~0.15%로 하는 것이 바람직하다.

상기 불화물로는 NaF, NaF, Na₂SiF₆, KF, K₂SiF₆, CaF, MgF₂등이 있다.

상기 성분 외 나머지로는 강재 외피중의 Fe, 철분 및 불가피한 불순물이 포함된다. 그러나, 상기 성분이외에 다른 성분의 첨가를 배제하는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 상기한 바와 같이 종래 플럭스 충전 와이어의 조성 성분 중 B 의 사용을 배제하여 항복비(최대인장강도/하항복강도의 비)를 크게 함으로써 용접부의 연성을 증가시켜 효과적으로 고온균열을 방지한다. 그러나 B의 사용을 배제함에 따라 저온 충격인성이 저하되는 현상을 방지하기 위하여, Al의 사용을 배제하고 Si 함량을 줄여 용접금속내 Al 과 Si 개재물 생성을 억제하는 동시에, (Mn/Si)×C 값을 0.15~0.20 로 제한한다.

상기 (Mn/Si)×C 값이 0.15 미만이면 충격인성이 부족하고, 0.20을 초과하면 충격인성은 향상되나 고온균열이 발생하는 문제가 있다.

본 발명의 플럭스 충전 와이어는 플럭스의 충전율이 14~17%인 것이 바람직하다.

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

(실시예)

강재 외피에 플럭스를 충전하여, 하기 표 1의 조성을 갖는 직경 1.4㎜, 충전율 16%의 티티니아계 플럭스 충전 와이어를 마련하였다.

고온균열 저항성을 평가하기 위하여, 상기 표 1의 와이어를 이용하여 표 2의 용접조건으로 두께 35㎜ AH36 용접모재를 편면 용접(세라믹 백킹재 사용)하였으며, 용접 후 균열발생율(%)을 측정하여 그 결과를 표 4에 나타내었다. 이때 균열발생율(%)은 용접비드 표면에 발생한 균열의 길이를 전체 용접길이(500㎜)에 대한 백분율로 계산하였으며, 그 결과치가 2% 이하이면 고온균열 저항성이 우수한 것으로 판단하였다.

한편, 항복비와 충격인성 평가를 위해, 상기 표 1의 와이를 이용하여 두께 20㎜ AH36 용접모재를 표 3의 용접조건으로 용접한 후, 용접에 따른 용접금속의 기계적 성능을 평가하여 하기 표 4에 나타내었다.

용접금속의 기계적 성능 시험을 실시하여 항복비(최대 인장강도/하항복강도의 비)가 1.120 이상인 경우에는 우수한 것으로, 1.120미만인 경우에는 만족스럽지 못한 것으로 평가하였고, 충격인성은 -30℃에서 테스트하여 그 값이 60J 이상인 경우에는 우수한 것으로, 60J 미만인 경우에는 열위한 것으로 평가하였다.

또한, 용접사의 관능평가를 통해 아크안정성과 비드 형상을 평가하여 우수(◎), 양호(○), 미흡(△) 및 불량(×)으로 표 4에 나타내었다.

충격인성 평가를 위해, 상기 표 1의 와이를 이용하여 두께 20㎜ AH36 용접모재를 표 3의 용접조건으로 용접한 후, 용접에 따른 용접금속의 기계적 성능을 평가하여 하기 표 4에 나타내었다.

구분	와이어 조성(중량%)										(Mn/Si)×C
구분	C	TiO₂	MgO	SiO₂	Na₂O	K₂O	Si	Mn	Mg	불화물(F환산량)	(Mn/Si)×C
발명예 1	0.039	7.3	0.35	0.36	0.22	0.16	0.45	2.10	0.52	0.08	0.182
발명예 2	0.040	6.8	0.61	0.38	0.50	0.21	0.48	2.34	0.38	0.09	0.195
발명예 3	0.038	8.1	0.53	0.46	0.56	0.14	0.42	1.68	0.46	0.13	0.152
발명예 4	0.039	7.5	0.49	0.57	0.43	0.15	0.45	2.10	0.51	0.12	0.182
발명예 5	0.038	7.0	0.52	0.52	0.47	0.23	0.42	1.68	0.66	0.06	0.152
발명예 6	0.038	6.9	0.61	0.49	0.60	0.28	0.42	1.68	0.54	0.14	0.152
발명예 7	0.044	8.8	0.41	0.38	0.36	0.13	0.60	2.49	0.68	0.15	0.183
발명예 8	0.045	7.4	0.30	0.54	0.58	0.15	0.56	1.92	0.39	0.05	0.154
발명예 9	0.036	6.8	0.45	0.60	0.43	0.21	0.43	2.35	0.43	0.09	0.197
발명예 10	0.048	7.3	0.56	0.52	0.41	0.13	0.52	2.08	0.58	0.10	0.192
비교예 1	0.036	7.2	0.63	0.47	0.58	0.20	0.51	1.95	0.45	0.11	0.138
비교예 2	0.037	8.2	0.51	0.48	0.36	0.25	0.53	2.08	0.55	0.13	0.145
비교예 3	0.036	5.8	0.59	0.63	0.28	0.22	0.42	2.42	0.61	0.08	0.207
비교예 4	0.048	6.9	0.64	0.61	0.18	0.18	0.43	2.12	0.59	0.09	0.237
비교예 5	0.047	7.3	0.39	0.55	0.53	0.15	0.52	2.38	0.66	0.12	0.215
비교예 6	0.049	7.9	0.44	0.46	0.49	0.13	0.58	1.62	0.47	0.10	0.137
비교예 7	0.055	7.4	0.62	0.69	0.33	0.19	0.55	1.65	0.44	0.11	0.165
비교예 8	0.049	6.5	0.47	0.52	0.24	0.14	0.73	2.32	0.55	0.12	0.156
비교예 9	0.039	6.7	0.38	0.46	0.35	0.21	0.52	2.62	0.53	0.08	0.197
비교예 10	0.044	8.3	0.51	0.47	0.42	0.20	0.40	1.39	0.67	0.10	0.153
비교예 11	0.042	6.6	0.48	0.49	0.05	0.03	0.41	1.87	0.62	0.11	0.192
비교예 12	0.036	9.2	0.35	0.46	0.43	0.21	0.56	2.45	0.39	0.13	0.158
비교예 13	0.041	7.1	0.43	1.20	0.51	0.19	0.57	2.23	0.56	0.10	0.160
비교예 14	0.047	6.9	0.52	0.53	0.35	0.26	0.45	1.78	0.58	0.25	0.186

용접전류 및 전압	보호가스 및 유량	개선각도	용접방법	루트폭	스틱아웃(stick out)	백 스트롱(back strong)
250A X 32V	CO₂ 20ℓ/분	34°	후퇴	5㎜	25㎜	20㎜ 두께 3개 부착

용접전류 및 전압	보호가스 및 유량	개선각도	용접층/Pass	루트폭	스틱아웃(stick out)
300A X 31V	CO₂ 20ℓ/분	40°	6층/12Pass	13㎜	20~25㎜

구분	항복비	충격인성(J)	균열발생율(%)	아크안정성	비드 형상
발명예 1	1.134	117	0.0	○	◎
발명예 2	1.128	99	0.0	◎	◎
발명예 3	1.132	95	0.0	◎	◎
발명예 4	1.127	128	0.0	○	◎
발명예 5	1.139	68	0.0	◎	○
발명예 6	1.122	146	0.0	◎	◎
발명예 7	1.136	122	0.0	◎	◎
발명예 8	1.129	89	0.0	◎	◎
발명예 9	1.133	105	0.0	◎	◎
발명예 10	1.142	72	0.0	◎	◎
비교예 1	1.135	26	0.0	◎	○
비교예 2	1.131	33	0.4	◎	◎
비교예 3	1.104	62	4.6	○	◎
비교예 4	1.109	75	6.6	○	○
비교예 5	1.112	68	6.1	◎	◎
비교예 6	1.115	49	3.8	◎	◎
비교예 7	1.114	32	8.9	◎	◎
비교예 8	1.089	21	11.8	◎	◎
비교예 9	1.115	62	5.5	△	○
비교예 10	1.125	20	0.0	△	△
비교예 11	1.131	101	0.0	×	△
비교예 12	1.128	123	0.0	△	×
비교예 13	1.126	125	0.3	△	×
비교예 14	1.138	98	0.0	×	×

상기 표 1 내지 4로부터 알 수 있듯이, 와이어 조성이 본 발명범위를 만족하고, (Mn/Si)×C 값이 0.15~0.20로 제어된 발명예 1 내지 10은 모두 우수한 고온균열 저항성과 양호한 충격인성을 확보할 수 있었다.

이에 반하여, 비교예 1 내지 6은 (Mn/Si)×C의 값이 본 발명의 범위를 벗어난 것으로, 고온균열이 발생하거나 충격인성이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 비교예 7 내지 10은 (Mn/Si)×C의 값은 본 발명의 범위를 만족하지만, Mn, Si, C의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 것으로서, 고온균열이 발생하거나, 충격인성이 저하되는 것을 알 수 있다.

한편, 비교예 11 내지 14는 (Mn/Si)×C의 값은 본 발명의 범위이나, TiO₂, Na₂O와 같은 다른 성분이 본 발명의 범위를 벗어난 것으로서, 용접작업성(아크 안정성, 비드 형상) 측면에서 바람직하지 않음을 알 수 있다.

Claims

강재 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.035~0.050%, TiO₂: 5.5~8.5%, MgO: 0.2~0.7, SiO₂: 0.3~0.8, Na₂O: 0.1~0.7, K₂O: 0.1~0.3%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 1.5~2.5%, Mg:0.3~0.7%, 불화물의 F 환산량: 0.05~0.15%, 나머지는 외피중의 Fe, 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,
(Mn/Si)×C의 값이 0.15~0.20인 것을 포함하는 내균열성이 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어.