KR101439650B1 - 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료 - Google Patents

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Abstract

코어 및 상기 코어를 감싸는 외피를 포함하는 용접재료로서, 중량%로 C: 0.05~1.20%, Si: 0.3~1.2%, Mn: 3~15%, P 및 S 중 1종 이상: 0.03%이하 (0% 제외), Ni: 25~50%, Al: 1.5% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 외피는 중량%로 Ni: 35~46%, 기타 불순물: 0.05%이하, 잔부 Fe로 이루어지는, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료가 제공된다.
본 발명에 따르면, 극저온 환경에서 충격인성이 우수하고, 상온 항복강도가 뛰어나며, 용접성이 우수한 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료를 제공할 수 있다.

Description

서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료{MATERIAL FOR SUBMERGED ARC WELDING AND GAS METAL ARC WELDING}
본 발명은 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료에 관한 것이다.
최근 LNG 수요의 폭발적 증가로 인해 극저온의 LNG의 수송ㆍ보관을 위한 수송설비 및 저장 탱크의 폭발적 증가가 일어나고 있다. LNG를 수송하거나 저장하는 탱크는 필연적으로 LNG 온도인 -162℃ 이하의 온도에서 충격에 충분히 견딜 수 있는 구조로 이루어져야만 한다. 이를 위해 극저온에서의 충격인성이 높은 소재로서대표적으로 사용되는 것은 Al, 9%Ni강, 스테인리스스틸(이하 STS)이다.
그러나, Al의 경우 낮은 인장강도로 인해 두꺼운 후판을 사용해야 하며 용접성이 불량하다는 문제점이 있다.
또한, 9%Ni강의 경우는 용접재료(Inconel 625 소재: Ni 50중량%이상, Cr 20중량%이상 함유)가 고가이고 용접부 항복강도가 낮다는 문제가 있고, STS는 높은 가격, 낮은 열변형율 및 극저온 보증 불가 등의 문제가 있다.
따라서, 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni 대비 저가이면서도 용접성을 확보가능한 극저온용 고Mn계 용접재료의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은 극저온 환경에서도 인성이 우수한 오스테나이트 상으로 유지시킴과 동시에 용접시 고온균열을 방지하여 우수한 저온 충격인성 및 상온 항복강도를 갖는 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료를 제시하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 코어 및 상기 코어를 감싸는 외피를 포함하는 용접재료로서, 중량%로 C: 0.05~1.20%, Si: 0.3~1.2%, Mn: 3~15%, P 및 S 중 1종 이상: 0.03%이하 (0% 제외), Ni: 25~50%, Al: 1.5% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 그 중 상기 외피는 중량%로 Ni: 35~46%, 기타 불순물: 0.05%이하, 잔부 Fe로 이루어지는, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 극저온 환경에서 충격인성이 우수하고, 상온 항복강도가 뛰어나며, 용접성이 우수한 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접재료의 일단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접재료의 일단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접재료의 일단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
일반적으로, 극저온용 고Mn강은 LNG 저장 탱크용으로 사용되는 9%Ni강, STS 304강 등을 대체하기 위해 고Mn을 첨가시킨 강으로 극저온에서도 안정한 오스테나이트 조직을 형성해 추가 열처리 등이 필요하지 않고 용접시 열영향부(HAZ)부에서 인성 열화가 없는 특성을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료는 극저온용 해양구조물, 에너지, 조선 및 압력용기 등에 사용되는 극저온용 고Mn강과 이종재료를 용접할 수 있으면서도 우수한 저온 충격인성 갖도록 설계된다. 따라서, 극저온 환경에서 인성이 우수한 오스테나이트 상으로 유지시킴과 동시에 용접시 고온균열을 방지하도록 성분을 제어함으로써, 우수한 저온 충격인성이 우수하면서 전자세 용접이 가능하게 한다.
이를 구현하기 위한 수단으로서 합금 및 프럭스 분말을 포함한 코어와 외피로 구성되는 복합와이어를 구상하게 되었다.
본 발명에서의 용접재료는 소정의 합금으로 이루어지는 코어와 상기 코어의 외면을 감싸는 단일 외피 또는 이중 외피를 포함하는 2중 구조로 되어 있다.
이를 위하여, 본 발명은, 코어 및 상기 코어를 감싸는 외피를 포함하는 용접재료로서, 중량%로 C: 0.05~1.20%, Si: 0.3~1.2%, Mn: 3~15%, P 및 S 중 1종 이상: 0.03%이하 (0% 제외), Ni: 25~50%, Al: 1.5% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료를 제공한다.
상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다. 이하, 각 성분의 함량 단위는 특별히 언급하지 않은 경우에는 중량%임에 유의할 필요가 있다.
탄소(C): 0.05~1.20중량%
탄소는 용접금속의 강도를 확보하고, 용접금속의 극저온 충격인성을 확보할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서 현존하는 가장 강력한 원소이며, 본 발명에서는 필수적인 원소이다. 그러나, 용접 와이어 중에서는 이러한 탄소성분이 낮더라도 플럭스로부터 충분한 양의 탄소를 혼입시킬 수 있으므로. 탄소 함량의 하한은 0.05중량%로 한정하여도 충분하다. 다만, 탄소 함량이 0.05중량% 미만이 되면 극저온에서 오스테나이트가 나타나지 않음으로 인해 인성이 저하하는 문제가 있다. 또한, 탄소의 함량이 1.20중량%를 초과하는 경우 용접시 이산화탄소 가스 등이 발생하여 용접이음부에 결함을 유발할 수 있으며, 망간, 크롬 등의 합금원소와 결합하여 MC, M23C6 등의 카바이드를 생성하여 저온에서 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 탄소의 함량은 0.05-1.20중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
실리콘( Si ): 0.30~1.2중량％
실리콘의 함량은 0.30중량% 미만인 경우에는 용접금속 내의 탈산효과가 불충분하고 용접금속의 유동성을 저하시킬 수 있다. 반면에, 실리콘의 함량이 1.2중량%를 초과하는 경우에는 용접금속 내의 편석 등을 유발하여 저온 충격인성을 저하시키고 용접균열감수성에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.30~1.2중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
망간( Mn ): 3~15중량％
망간은 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 원소로 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이고 니켈에 비해 매우 저렴한 원소이다. 망간의 함량이 3중량% 미만인 경우에는 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 극저온에서 인성이 매우 낮게 된다. 반면에, 망간의 함량이 15중량%를 초과하는 경우에는 편석이 과다하게 발생하고 고온균열이 유발되는 문제가 있다. 따라서, 망간의 함량은 3~15중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
황(P) 및 인(S) 중 1종 이상: 0.03중량%이하 (0% 제외)
황(P)과 인(S)는 용접후 응고시 최종 응고부위에 편석되는 특성이 있다. 이 원소는 저융점 화합물을 만들게 되며, 이들 부위에서 용접시 발생하는 응력에 의해서 균열이 발생하게 되는 문제가 있다. 따라서, 황(P) 및 인(S) 중 1종 이상의 함량은 0.03중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
니켈( Ni ): 25-50중량％
니켈은 오스테나이트 안정화 원소로 본 발명에서 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이다. 극저온 인성 보증을 위해서 25%이상 첨가되어야 하며, 제조단가를 고려하여 50중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 따라서, 니켈의 함량은 25-50중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
알루미늄( Al ): 1.5중량% 이하
알루미늄은 강도를 감소시키나, 아울러, SFE(Stacking Fault Energy)를 증가시켜 저온에서의 인성을 확보할 수 있도록 한다. 그러나, 알루미늄의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우에는 서브머지드 용접에서 TiO2가 포함된 플럭스를 사용하여 용접하는 경우 용접부에 TiO2를 환원시켜 Ti(C,N)이 생성되어 극저온 충격인성이 극단적으로 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 알루미늄의 함량은 1.5중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 성분들 이외에, 본 발명의 용접재료는 중량%로 Cr: 0.001~6%, Mo, W 및 Co 중 1종 이상: 0.001~6%, Nb 및 V 중 1종 이상: 0.001~1.5% 및 N: 0.01~0.5%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 더 포함하여 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
크롬( Cr ): 0.001~6중량%
크롬은 페라이트 안정화 원소이며, 강도 및 부식특성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.001중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 크롬의 함량이 6중량%를 초과하는 경우에는 크롬계 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 크롬의 함량은 0.001~6중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
몰리브덴( Mo ), 텅스텐(W) 및 코발트( Co ) 중 1종 이상: 0.001~6중량%
몰리브덴, 텅스텐, 코발트는 기지의 강도를 향상시킬 수 있는 원소로서 본 발명에서는 0.001중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 원소의 함량이 6중량%를 초과하는 경우에는 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 코발트(Co) 중 1종 이상의 함량은 0.001~6%로 한정하는 것이 바람직하다.
니오비움 ( Nb ) 및 바나듐(V) 중 1종 이상: 0.001~1.5중량%
니오븀과 바나듐은 기지의 강도를 향상시킬 수 있는 원소로서 본 발명에서는 0.001중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 원소의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우에는 탄화물이 과도하게 생성되어 극저온 인성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 니오비움(Nb) 및 바나듐(V) 중 1종 이상의 함량은 0.001~1.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
질소(N): 0.01~0.5중량%
더불어, 본 발명의 용접 와이어는 하기 설명하는 질소(N)를 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 질소는 탄소와 동일한 특성을 나타내는 원소이며, 본 발명에서는 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 질소의 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우에는 질화물이 과다하게 생성되어 충격인성이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 질소의 함량은 0.01~0.5중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상기 용접재료 중 외피는 중량%로 Ni: 35~46%, 기타 불순물: 0.05%이하, 잔부 Fe로 이루어지는데, 상기 외피는 고Ni 함유강으로서 용접시 용접이음부에 Ni의 함량을 증가시키는 기능을 하며, Ni와 기타 불순물의 함량을 상기와 같이 한정하는 이유는 극저온에서의 인성확보 및 용접시 균열 등의 결함을 낮추기 위해서이다.
상기 용접재료의 직경은 0.9~6.0mm 정도가 적당하며, 상기 외피의 무게 분율은 외피의 밀도와 코어의 밀도차이를 고려하여 대략 용접재료 전체 대비 50~90%가 바람직하다.
이러한 형태의 외피는 도 1에 도시한 바와 같으며, 합금 성분의 코어를 감싸는 단일 외피 구조로 나타내어질 수 있다.
또한, 상기 코어와 상기 외피 사이, 또는 상기 외피의 외면에 추가적인 외피를 더 포함할 수 있으며, 각각 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 2중 외피 구조로 나타내어질 수 있다. 상기 추가적인 외피는 중량%로 C: 0.025%이하, Mn: 0.025%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
상기 추가적인 외피는 저탄소강으로서 용접시 용입깊이를 증가시키는 역할을 함과 동시에 용접와이어의 강도를 향상시켜 용접시 용접와이어의 직진성을 향상시키는 기능을 하며, 상기 탄소나 망간이 상기 수치 범위를 벗어나면 용접재료 제조시에 인발 등의 공정에서 어려움이 발생할 수 있다.
이와 같이, 추가적인 외피가 용접재료에 포함되는 경우에도 전체 용접재료의 조성은 중량%로 C: 0.05~1.20%, Si: 0.3~1.2%, Mn: 3~15%, P 및 S 중 1종 이상: 0.03%이하 (0% 제외), Ni: 25~50%, Al: 1.5% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어짐에는 변함이 없으며, 필요에 따라 선택적으로, Cr: 0.001~6%, Mo, W 및 Co 중 1종 이상: 0.001~6%, Nb 및 V 중 1종 이상: 0.001~1.5% 및 N: 0.01~0.5으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 더 포함할 수도 있다.
상기 추가적인 외피가 포함된 용접재료의 직경은 0.9~6.0mm 정도가 적당하며, 상기 추가적인 외피를 포함한 전체 외피의 무게 분율은 외피의 밀도와 코어의 밀도차이를 고려하여 용접재료 전체대비 50~90%가 바람직하며, 전체적으로 코어 부분에는 필수적으로 들어가야 하는 원소가 있으므로, 전체 용접재료 중 코어의 무게 분율이 10~50%이다. 따라서, 2중 외피 구조를 갖는 경우에도 용접재료 전체 대비 외피 전체의 무게 분율은 동일하게 50~90%이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
[ 실시예 ]
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분을 갖는 용접재료를 준비하였다. 각 성분의 함량 단위는 중량%이다.
발명재와 비교재의 외피 구성 및 외피의 성분은 동일하며 전체 용접재료의 함량만 달리하였다.
비교재 1,3,4와 발명재 1,3,4,5,6,7,9는 단일외피 구조를 가지고 고Ni강 외피는 중량%로 Ni: 35~46%, 기타 불순물: 0.05%이하, 잔부 Fe로 이루어지며, 비교재 2와 발명재 2,8는 2중 외피 구조를 가지고 고Ni강 외피는 중량%로 Ni: 35~46%, 기타 불순물: 0.05%이하, 잔부 Fe로 이루어지며, 저탄소강 외피는 중량%로 C: 0.025%이하, Mn: 0.025%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
각각의 용접재료에 대하여 서브머지드 아크 용접(SAW; Submerged Arc Welding)과 가스메탈 아크 용접(GMAW; Gas Metal Arc Welding)을 실시하였다.
SAW의 경우 플럭스 AB계(일반 상용 플럭스)를 사용하여 입열량 2.4~3.0 kJ/mm으로 용접을 실시하였다. SAW용 와이어의 직경은 4.0mm인 것을 사용하였다.
GMAW의 경우 80%Ar+20%CO2 조건에서 입열량 1.7 kJ/mm으로 용접을 실시하였다. GMAW용 와이어의 직경은 1.2mm 인 것을 사용하였다.
이 후, 용접이음부의 균열기공 여부, -196℃에서의 충격인성, 항복강도를 측정하여 하기 표 1에 함께 나타내었다. 충격인성(CVN) 값의 단위는 J이며, 항복강도의 단위는 MPa이다. 또한 '＋'로 연결된 성분들은 해당 성분들의 1종 이상의 함량을 의미한다.
Figure 112012096567134-pat00001
상기 표 1의 결과를 통해 본 발명의 합금 성분을 만족하는 발명재의 경우 균일기공이 나타나지 않았으며, 충격인성은 -196℃의 극저온에서 모두 27J 이상으로 나타났으며, 상온 항복강도는 모두 360MPa 이상의 성능을 보여 준다.
반면에, 비교재의 경우는 균열기공, 충격인성, 항복강도 중 적어도 어느 하나에서 열위한 결과를 보여주어 용접재료로서 부적격한 것으로 판명되었다.
11: 코어 12: 외피(고Ni함유)
21: 코어 22: 추가적인 외피(저탄소강) 23: 외피(고Ni함유)
31: 코어 32: 추가적인 외피 (저탄소강) 33: 외피(고Ni함유)

Claims (7)

  1. 코어 및 상기 코어를 감싸는 외피를 포함하는 용접재료로서, 중량%로 C: 0.05~1.20%, Si: 0.3~1.2%, Mn: 3~15%, P 및 S 중 1종 이상: 0.03%이하 (0% 제외), Ni: 25~50%, Al: 1.5% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
    그 중 상기 외피는 중량%로 Ni: 35~46%, 기타 불순물: 0.05%이하, 잔부 Fe로 이루어지는, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 용접재료는 중량%로 Cr: 0.001~6%, Mo, W 및 Co 중 1종 이상: 0.001~6%, Nb 및 V 중 1종 이상: 0.001~1.5% 및 N: 0.01~0.5의 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 코어와 상기 외피 사이, 또는 상기 외피의 외면에 추가적인 외피를 더 포함하며,
    상기 추가적인 외피는 중량%로 C: 0.025%이하, Mn: 0.025%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용접재료를 이용한 용접이음부의 충격인성은 -196℃의 극저온에서 27J 이상인 것인, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용접재료를 이용한 용접이음부의 상온 항복강도는 360MPa 이상인 것인, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 외피는 상기 용접재료 대비 무게 분율로 50~90%인 것인, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 외피 및 상기 추가적인 외피의 총합은 상기 용접재료 대비 무게 분율로 50~90%인 것인, 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료.
KR1020120133245A 2012-11-22 2012-11-22 서브머지드 및 가스메탈 아크 용접재료 KR101439650B1 (ko)

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