KR101778422B1

KR101778422B1 - 용접 금속 및 이것을 구비한 용접 구조체

Info

Publication number: KR101778422B1
Application number: KR1020157023990A
Authority: KR
Inventors: 요시토미 오카자키; 히데노리 나코; 다쿠야 고치; 와타루 우루시하라; 히로유키 가와사키; 펑 한; 요시히코 기타가와
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2017-09-13
Also published as: US20160008931A1; RU2015142675A; EP2965857A1; RU2623527C2; CN105026100B; WO2014136601A1; EP2965857A4; EP3424637A1; CA2900744A1; KR20150114561A; CN105026100A; JP2014195832A; JP6211950B2; CA2900744C

Abstract

본 발명의 용접 금속은, C: 0.02∼0.10%, Si: 0.10∼0.60%, Mn: 0.90∼2.5%, Ni: 0.20∼2.00%, Cr: 0.05∼1.0%, Mo: 0.10∼1.50%, Ti: 0.040∼0.15%, B: 0.0010∼0.0050%, O: 0.030∼0.100%, N: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음)를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 용접 금속의 입계에 존재하는 탄화물 중, 원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 탄화물의 평균 원 상당 직경이 0.75μm 이하이다. 작업 효율이 우수한 플럭스 코어드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접을 적용한 경우이더라도, SR 소둔 후에 높은 강도와 함께, 보다 낮은 온도에서의 우수한 저온 인성을 발휘하는 용접 금속, 및 이와 같은 용접 금속을 구비한 용접 구조체를 제공한다.

Description

용접 금속 및 이것을 구비한 용접 구조체{WELDED METAL AND WELDED STRUCTURE PROVIDED WITH SAME}

본 발명은 해양 구조물 등의 용접 구조물에서 적용되는 용접 금속, 및 용접 금속을 구비한 용접 구조체에 관한 것이며, 특히 응력 제거 소둔 후의 강도 및 저온 인성을 개선한 용접 금속, 및 이러한 용접 금속을 구비한 용접 구조체에 관한 것이다.

해저 유전의 굴착·생산 시에 건조(建造)되는 해양 구조물(석유 플랫폼)에서는, 설비의 대형화, 한랭지에서의 유전 개발 확대가 진행되고 있다. 그 때문에, 해양 구조물에서 적용되는 강판이나 용접 재료에서는, 고강도와 저온 인성을 높은 수준으로 겸비할 것이 요구되고 있다. 특히, 용접 구조물에 있어서의 용접 금속부에서는, 용접 시공 후에 응력 제거를 목적으로 한 장시간의 소둔 처리(Stress Relief 소둔: SR 소둔)가 실시되지만, 이 SR 소둔에 의해 강도·인성이 열화되는 경우가 있다는 것이 지적되고 있다. 이러한 것 때문에, SR 소둔 후에 높은 강도와 함께, -40℃에서의 우수한 저온 인성을 충분히 확보할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

한편, 상기와 같은 용접 구조물을 구축함에 있어서는, 다양한 용접 방법이 적용되고 있지만, 작업 효율이 우수하다는 관점에서 보면, 플럭스 코어드 와이어(FCW: Flux Cored Wire, 이하 경우에 따라 「플럭스 함유 와이어」라고 한다)를 이용한 가스 실드 아크 용접의 적용이 바람직하다고 여겨지고 있다.

용접 금속의 강도와 저온 인성에 착안한 기술로서, 지금까지도 여러 가지 제안되어 있다.

예컨대, 특허문헌 1에서는, 탄화물의 양, 개수 밀도를 제어함으로써, SR 소둔 후에 용접 금속에 높은 강도와 우수한 저온 인성을 확보하고 있다. 그러나 이 기술에서는, 서브머지드 아크 용접을 적용하여 형성되는 용접 금속을 주로 상정하고 있고, 이와 같은 서브머지드 아크 용접은 작업 자세가 한정되어, 대형 강 구조물에 불가피한 전자세 용접에 대응할 수 없다는 약간의 문제가 있다.

특허문헌 2에서는, 조대해지기 쉬운 탄화물의 사이즈를 미세하게 제어함으로써, SR 소둔 후에 높은 강도와 우수한 저온 인성을 확보하고 있다. 그러나, 이 기술에서는, 인성 평가 온도가 -30℃로 약간 높은 것이어서, 보다 저온인 -40℃에서의 인성은 보증되어 있다고는 말할 수 없다.

특허문헌 3에는, C, Si, Mn, Mo, Ti, Ni, Al 및 O의 함유량을 제어하는 것에 의해서, SR 소둔 후에 높은 강도와 우수한 저온 인성을 확보할 수 있는 용접 재료가 제안되어 있다. 그러나, 인성 평가 온도가 -29℃로 약간 높은 것이어서, 보다 저온인 -40℃에서의 인성은 보증되어 있다고는 말할 수 없다. 또한, 적용되는 용접 방법이, 시공 효율이 낮은 TIG 용접을 상정한 것이어서, 시공 비용의 관점에서, 더한층의 개선이 요망되고 있다.

특허문헌 4에는, 용접의 고능률화가 도모되는 플럭스 함유 와이어에 있어서, 와이어에 Cr, Mo, Cu, Ti, B 등을 적량 첨가함과 더불어, 슬래그제의 조성을 제어함으로써, SR 소둔 후에 높은 강도와 우수한 저온 인성을 확보할 수 있는 용접 재료가 개시되어 있다. 그러나, 인성 평가 온도가 -30℃로 약간 높은 것이어서, 보다 저온인 -40℃에서의 인성은 보증되어 있다고는 말할 수 없다.

특허문헌 5에는, 입계 탄화물의 형태를 제어함으로써, SR 소둔 후에 높은 강도와 우수한 저온 인성을 확보할 수 있는 용접 재료가 제안되어 있다. 그러나, 인성 평가 온도가 -30℃로 약간 높아, 보다 낮은 -40℃에서의 저온 인성은 보증되어 있다고는 말할 수 없다.

일본 특허공개 2011-219821호 공보 일본 특허공개 2010-227945호 공보 일본 특허공개 2006-239733호 공보 일본 특허공개 평9-253886호 공보 일본 특허공개 2012-166203호 공보

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로서, 그 목적은, 작업 효율이 우수한 플럭스 코어드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접을 적용한 경우이더라도, SR 소둔 후에 높은 강도와 함께, 보다 낮은 온도에서의 우수한 저온 인성을 발휘하는 용접 금속, 및 이러한 용접 금속을 구비한 용접 구조체를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 따른 용접 금속이란, C: 0.02∼0.10%(「질량%」의 의미. 이하 동일), Si: 0.10∼0.60%, Mn: 0.90∼2.5%, Ni: 0.20∼2.00%, Cr: 0.05∼1.0%, Mo: 0.10∼1.50%, Ti: 0.040∼0.15%, B: 0.0010∼0.0050%, O: 0.030∼0.100%, N: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음)를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 용접 금속의 입계에 존재하는 탄화물 중, 원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 탄화물의 평균 원 상당 직경이 0.75μm 이하인 점에 요지를 갖는다.

한편, 상기 「원 상당 직경」이란, 현미경(예컨대 투과형 전자 현미경: Transmission Electron Microscope(TEM))의 관찰면 상에서 확인되는 탄화물 입자의 크기에 착안하여, 그의 면적이 동등해지도록 상정한 원의 직경이다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, 추가로 다른 원소로서, (a) Cu: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 V: 0.40% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 1종, (b) Al: 0.030% 이하(0%를 포함하지 않음), 등을 포함하는 것도 바람직하고, 함유시키는 원소의 종류에 따라 용접 금속의 특성이 더욱 개선된다.

본 발명은 상기와 같은 용접 금속을 구비한 용접 구조체도 포함한다.

본 발명에 의하면, 화학 성분 조성과 함께, 용접 금속 중에 존재하는 소정 크기의 탄화물의 평균 원 상당 직경을 규정하도록 했으므로, SR 소둔 후에 있어서도 충분한 강도를 갖고, 저온 인성도 우수한 용접 금속을 실현할 수 있다.

도 1은 용접 금속을 제작할 때의 개선(開先) 형상을 나타내는 개략 설명도이다.
도 2a는 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 산출하는 방법을 설명하기 위한 제 1 개념도이다.
도 2b는 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 산출하는 방법을 설명하기 위한 제 2 개념도이다.
도 2c는 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 산출하는 방법을 설명하기 위한 제 3 개념도이다.
도 3은 인장 시험을 행했을 때의 시험편의 형상을 나타내는 설명도이다.
도 4는 샤르피 충격 시험편의 채취 위치를 나타내는 개략 설명도이다.

본 발명자들은, SR 소둔 후에 높은 강도와 우수한 저온 인성을 발휘하는 용접 금속을 실현하기 위해, 다양한 각도로부터 검토했다. 그 결과, 입내(粒內)에 미세 석출되는 것에 의해, 입계 탄화물의 조대화와 소둔 연화를 억제하는 작용이 있는 Mo를 첨가하면서 용접 금속의 화학 성분 조성을 제어함과 더불어, 용접 시에 용접 금속의 입계 상에 생성되는 소정의 크기의 탄화물(이 탄화물을 「입계 탄화물」이라고 부르는 경우가 있음)의 평균 원 상당 직경을 규정함으로써, 상기 여러 가지 특성을 겸비할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

즉, 본 발명에서는, Mo의 함유량을 0.10% 이상으로 하면서 용접 금속의 화학 성분 조성을 적절히 제어함과 더불어, 원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 0.75μm 이하로 함으로써, 고강도 및 저온 인성을 겸비할 수 있었던 것이다.

본 발명에 있어서는, 입계 탄화물의 제어가 극히 중요하다. 일반적으로, SR 소둔에 있어서 생성되는 탄화물의 사이즈가 조대할수록 인성은 낮아지지만, 입계에 생성되는 입계 탄화물은 입내의 탄화물에 비하여 조대화되기 쉽다. 또한, 구 오스테나이트 입계는 소둔에 의해 취화(템퍼링 취화)되기 때문에, 인성을 평가하는 샤르피 시험에 있어서 균열이 우선적으로 진전되기 쉽다. 이때, 조대한 탄화물이 구 오스테나이트 입계에 존재하면, 그들을 기점으로 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, 템퍼링 취화 현상과 맞물려, SR 소둔 시에 용접 금속의 인성값이 현저하게 열화된다. 그 때문에, SR 소둔 후에 우수한 저온 인성을 확보하기 위해서는, 템퍼링 취화를 억제함과 더불어, 입계 탄화물을 미세하게 유지하는 것이 중요한 요건이 된다.

이러한 관점에서, 본 발명에 있어서는, 용접 금속의 입계에 존재하는 탄화물 중, 원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 탄화물의 평균 원 상당 직경을 0.75μm 이하로 규정했다. 이 평균 원 상당 직경은, 바람직하게는 0.70μm 이하이고, 보다 바람직하게는 0.65μm 이하이다. 한편, 입계 탄화물 사이즈가 현저하게 미세화되어, 후술하는 입계 탄화물 평가 방법에 의해서도 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 평가할 수 없는 경우가 있지만, 이러한 경우도 본 발명의 「원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 탄화물의 평균 원 상당 직경을 0.75μm 이하」에 포함된다.

본 발명의 용접 금속에 있어서, 그의 화학 성분 조성을 적절히 제어하는 것도 중요한 요건인데, 그의 범위 설정 이유는 이하와 같다.

(C: 0.02∼0.10%)

C는 SR 소둔 후에 있어서의 용접 금속의 강도를 확보함에 있어서 필요한 원소이다. C 함유량이 0.02%보다도 적어지면, 소정의 강도가 얻어지지 않는다. 그러나, C 함유량이 과잉이 되면, SR 소둔 시에 입계 탄화물의 조대화를 초래함으로써, 인성 저하의 원인이 되므로 0.10% 이하로 한다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.03% 이상(보다 바람직하게는 0.04% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.08% 이하(보다 바람직하게는 0.07% 이하)이다.

(Si: 0.10∼0.60%)

Si는 SR 소둔 후에 있어서의 용접 금속의 강도를 확보함에 있어서 필요한 원소이다. Si 함유량이 0.10%보다도 적어지면, 소정의 강도가 얻어지지 않는다. 그러나, Si 함유량이 과잉이 되면, SR 소둔 시의 템퍼링 취화를 조장하여, 인성 저하의 원인이 되므로 0.60% 이하로 한다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.12% 이상(보다 바람직하게는 0.15% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.50% 이하(보다 바람직하게는 0.45% 이하)이다.

(Mn: 0.90∼2.5%)

Mn은 용접 시의 미세 조직 생성의 기점이 되는 산화물을 형성하여, 용접 금속의 강도, 인성을 향상시키는 데 있어서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Mn의 함유량은 0.90% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Mn 함유량이 과잉이 되면, SR 소둔 시의 템퍼링 취화를 조장하여, 인성 저하의 원인이 되므로, 2.5% 이하로 할 필요가 있다. 한편, Mn 함유량의 바람직한 하한은 1.1% 이상(보다 바람직하게는 1.3% 이상)이고, 바람직한 상한은 2.2% 이하(보다 바람직하게는 2.0% 이하)이다.

(Ni: 0.20∼2.00%)

Ni는 용접 금속의 인성 향상에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ni의 함유량은 0.20% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Ni 함유량이 과잉이 되면, 샤르피 시험에 있어서의 상부 셸프 에너지(upper shelf energy)를 저하시키기 때문에, SR 소둔 후에 있어서 소정의 인성이 얻어지지 않게 되므로, Ni의 함유량은 2.00% 이하로 할 필요가 있다. 한편, Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.4% 이상(보다 바람직하게는 0.6% 이상)이고, 바람직한 상한은 1.80% 이하(보다 바람직하게는 1.60% 이하)이다.

(Cr: 0.05∼1.0%)

Cr은 SR 소둔 시의 입계 탄화물을 미세화하는 작용을 갖는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은 0.05% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 과잉이 되면, 입계 탄화물이 조대화되어 인성을 오히려 저하시키기 때문에, 1.0% 이하로 할 필요가 있다. 한편, Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.20% 이상(보다 바람직하게는 0.30% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.80% 이하(보다 바람직하게는 0.70% 이하)이다.

(Mo: 0.10∼1.50%)

Mo는 입계 탄화물의 조대화와 소둔 연화를 억제함에 있어서 중요한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Mo 함유량은 0.10% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Mo 함유량이 과잉이 되면, SR 소둔 시에 강도의 과대한 상승에 의해 인성을 오히려 저하시키므로, 1.50% 이하로 할 필요가 있다. 한편, Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.20% 이상(보다 바람직하게는 0.30% 이상)이고, 바람직한 상한은 1.2% 이하(보다 바람직하게는 1.0% 이하)이다.

(Ti: 0.040∼0.15%)

Ti는 용접 시의 미세 조직 생성의 기점이 되는 산화물을 형성하여, 용접 금속의 인성을 향상시킴에 있어서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti 함유량은 0.040% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Ti 함유량이 과잉이 되면, SR 소둔 시에 미세 탄화물을 형성하여 강도의 과대한 상승에 의해 인성을 저하시키므로, 0.15% 이하로 할 필요가 있다. 한편, Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.050% 이상(보다 바람직하게는 0.055% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.110% 이하(보다 바람직하게는 0.090% 이하)이다.

(B: 0.0010∼0.0050%)

B는 용접 금속의 강도, 인성에 대하여 악영향을 미치는 입계 페라이트의 생성을 억제함에 있어서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, B 함유량은 0.0010% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, B 함유량이 과잉이 되면, 강도의 과대한 상승을 가져와, 인성 저하의 원인이 되므로, 0.0050% 이하로 한다. 한편, B 함유량의 바람직한 하한은 0.0012% 이상(보다 바람직하게는 0.0015% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.0045% 이하(보다 바람직하게는 0.0040% 이하)이다.

(O: 0.030∼0.100%)

O는 용접 시의 미세 조직 생성의 기점이 되는 산화물을 형성하여, 용접 금속의 인성을 향상시키는 데 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, O 함유량은 0.030% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, O 함유량이 과잉이 되어 0.100%를 초과하면, 산화물의 조대화를 초래하여, 인성을 오히려 저하시킨다. 한편, O 함유량의 바람직한 하한은 0.035% 이상(보다 바람직하게는 0.040% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.080% 이하(보다 바람직하게는 0.060% 이하)이다.

(N: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음))

N은 용접 금속 중에 불가피하게 포함되는 원소이며, 그의 함유량을 0%로 하는 것은 공업적으로 불가능하다. 그러나, N 함유량이 과잉이 되면, 인성에 악영향을 미치는 것이 되므로, 0.015% 이하로 할 필요가 있다. 한편, N 함유량의 바람직한 상한은 0.010% 이하(보다 바람직하게는 0.008% 이하)이다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기와 같고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물이며, 해당 불가피적 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해서 혼입되는 원소(예컨대 P, S, Sn 등)의 혼입이 허용될 수 있다. 불가피적 불순물 중, 특히 P에 대해서는, SR 소둔 시에 템퍼링 취화를 현저하게 조장하는 원소이므로, 적어도 0.010% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, 추가로 다른 원소로서, (a) Cu: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 V: 0.40% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 1종, (b) Al: 0.030% 이하(0%를 포함하지 않음), 등을 함유시키는 것이 바람직하고, 함유시키는 원소의 종류에 따라 용접 금속의 특성이 더욱 개선된다. 이들 원소를 함유시킬 때의 범위 설정 이유는 하기와 같다.

(Cu: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 V: 0.40% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 1종)

Cu는 용접 금속의 강도를 확보함에 있어서 유용한 원소이지만, 과잉으로 함유시키면 SR 소둔 시에 미세하게 석출됨으로써 강도를 과대하게 상승시켜, 인성 저하의 원인이 된다. 이러한 관점에서, Cu를 함유시킬 때에는, 1.0% 이하로 하는 것이 바람직하다(보다 바람직하게는 0.80% 이하). 한편, Cu를 함유시키는 것에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 그의 함유량은 0.05% 이상(보다 바람직하게는 0.10% 이상)으로 하는 것이 바람직하다.

한편, V는 SR 소둔 시에 미세 탄화물을 형성하여 강도를 향상시키는 데 유효한 원소이지만, 과잉으로 함유시키면 강도를 과대하게 상승시켜, 인성 저하의 원인이 된다. 이러한 관점에서, V를 함유시킬 때에는, 0.40% 이하로 하는 것이 바람직하다(보다 바람직하게는 0.30% 이하). 한편, V를 함유시키는 것에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 그의 함유량은 0.05% 이상(보다 바람직하게는 0.10% 이상)으로 하는 것이 바람직하다.

(Al: 0.030% 이하(0%를 포함하지 않음))

Al은 용접 시의 미세 조직 생성의 기점이 되는 산화물을 형성하여, 용접 금속의 강도, 인성을 향상시키는 데 유용한 원소이지만, Al 함유량이 과잉이 되어 0.030%를 초과하면, 산화물의 조대화를 초래하여, 인성을 오히려 저하시킨다. 한편, Al 함유량의 바람직한 하한은 0.005% 이상(보다 바람직하게는 0.010% 이상)이고, 바람직한 상한은 0.025% 이하(보다 바람직하게는 0.020% 이하)이다.

본 발명의 용접 금속을 얻기 위한 용접 방법은, 플럭스 코어드 와이어(FCW)를 이용한 가스 실드 아크 용접을 상정한 것이며, 이러한 아크 용접법을 적용하는 것에 의해서, 용접 시의 작업 효율도 향상되게 된다.

본 발명의 용접 금속을 실현하기 위해서는, 용접 재료 및 용접 조건을 적절히 제어할 필요가 있다. 용접 재료 성분은, 당연하지만 필요하다고 여겨지는 용접 금속 성분에 의해 제약을 받고, 또한 소정의 탄화물 형태를 얻기 위해서는, 용접 조건 및 용접 재료 성분이 적절히 제어되어야 한다.

플럭스 코어드 와이어(FCW)를 이용한 가스 실드 아크 용접에 있어서의 바람직한 용접 조건은, 용접 입열량이 2.5kJ/mm 이하이고, 또한 용접 시의 예열-패스간 온도가 180℃ 이하이다. 또한 이용하는 용접 재료(플럭스 함유 와이어)에 있어서의 금속 Si량과 SiO₂량의 비(금속 Si/SiO₂)가, 0.90 이상인 것이 바람직하다.

가스 실드 아크 용접에 있어서의 입열량이 2.5kJ/mm를 상회하면, 용접 시의 냉각 속도가 저하되어, 소정의 강도가 얻어지지 않게 됨과 더불어, 냉각 도중에 탄화물이 생성되어, 이것이 SR 소둔 시에 성장함으로써, 원하는 입계 탄화물 형태가 얻어지지 않게 된다. 그 결과, SR 소둔 후의 인성이 저하되게 된다. 용접 입열량은 작을수록 좋고, 바람직하게는 2.0kJ/mm 이하, 더 바람직하게는 1.6kJ/mm 이하이다. 용접 입열량의 하한에 대해서는, 용접 시의 시공 효율 등을 고려하면, 대략 0.7kJ/mm 이상인 것이 바람직하다.

예열-패스간 온도가 180℃를 상회하면, 용접 시의 냉각 속도가 저하되어, 소정의 강도가 얻어지지 않게 될 뿐만 아니라, 냉각 도중에 탄화물이 생성되어, 이것이 SR 소둔 시에 성장함으로써, 원하는 입계 탄화물 형태가 얻어지지 않게 된다. 그 결과, SR 소둔 후의 인성이 저하되게 된다. 예열-패스간 온도는, 보다 바람직하게는 160℃ 이하이다. 한편, 저온 균열 억제의 관점에서 보면, 패스간 온도는 100℃ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 120℃ 이상이다.

또한 용접 재료(플럭스 함유 와이어)에 있어서의 금속 Si량과 SiO₂량의 비(금속 Si/SiO₂)가 0.90을 하회하면, 고용 Si가 부족해서 탄화물의 불안정화를 가져와, 입계 탄화물 사이즈가 증가함으로써, 원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 0.75μm 이하로 유지할 수 없게 된다. 상기 비(금속 Si/SiO₂)는, 보다 바람직하게는 0.93 이상이고, 더 바람직하게는 1.00 이상이다. 이 비(금속 Si/SiO₂)의 값의 상한은, 용접 시의 작업성이라는 관점에서, 대략 3.0 이하(보다 바람직하게는 2.5 이하)가 바람직하다.

한편, SR 소둔 조건(온도, 시간)에 대해서는, 종래부터 행해지고 있는 조건에 따라서 행하면 되지만, 입계 탄화물의 제어라는 관점에서, 그 조건은 하기와 같이 설정하는 것이 바람직하다.

SR 소둔 온도가 680℃를 상회하면, SR 소둔 시의 입계 탄화물의 조대화가 조장되어, 원하는 입계 탄화물 형태가 얻어지지 않게 된다. 그 결과, SR 소둔 후의 인성이 저하되는 경향을 나타낸다. 이러한 것 때문에, SR 소둔 온도는 680℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 650℃ 이하이다. 한편, SR 소둔 온도의 하한에 대해서는, 용접 시의 응력 제거 효과를 고려하면, 580℃ 이상인 것이 바람직하다.

SR 소둔 시간에 대해서는, 12시간(hr)을 상회하면, SR 소둔 시의 입계 탄화물의 조대화가 조장되어, 원하는 입계 탄화물 형태가 얻어지지 않게 된다. 그 결과, SR 소둔 후의 인성이 저하되는 경향을 나타낸다. 이러한 관점에서, SR 소둔 시간은 12시간 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10시간 이하이다. 한편, 소둔 시간의 하한에 대해서는, 용접 시의 응력 제거 효과를 고려하면, 2시간 이상인 것이 바람직하다.

상기와 같은 조건에 따라서 용접 금속을 형성하는 것에 의해서, 충분한 강도를 가짐과 더불어, 우수한 저온 인성을 발휘하는 용접 금속이 얻어져, 이와 같은 용접 금속을 구비한 용접 구조체가 실현될 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해서 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

와이어 직경 φ1.2mm, 플럭스 충전율: 15.5%의 플럭스 함유 와이어를 제작하여(화학 성분 조성은 하기 표 1, 2에 나타냄), 하기와 같이 특성 평가를 행했다.

SM490A 강판(모재)을 도 1에 나타내는 개선 형상으로 가공하고, 후술하는 각 용접 조건에서 가스 실드 아크 용접으로 용접 금속을 제작하여, 열처리(SR 소둔)를 실시한 후, 각종 특성을 평가했다.

(용접 조건)

모재 판 두께: 20mm

개선 각도: 20°(V자형)

루트 간격: 16mm

용접 자세: 하향

실드 가스: 20% CO₂-80% Ar 혼합 가스(유량: 25L/min)

입열 조건

가) 1.0kJ/mm(230A-25V, 5.7mm/초)

나) 1.6kJ/mm(280A-29V, 5.1mm/초)

다) 2.0kJ/mm(280A-29V, 4.1mm/초)

라) 2.6kJ/mm(300A-31V, 3.6mm/초)

예열-패스간 온도: 100∼190℃

적층 방법: 6층 12패스

SR 소둔 온도: 600∼680℃

SR 소둔 시간: 2∼10시간

(원 상당 직경이 0.40μm 이상인 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경의 측정)

SR 소둔 후의 용접 금속의 최종 패스 중앙부로부터 레플리카 TEM 관찰용 시험편을 채취하여, 7500배에서 13.3×15.7μm의 시야를 갖는 화상을 4장 촬영했다. 화상 해석 소프트(「Image-Pro Plus」 Media Cybernetics사제)에 의해, 원 상당 직경: 0.40μm 이상의 탄화물을 선택한 뒤에, 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경을 산출했다. 이때, 하기의 방법으로 탄화물 형태의 해석을 행했다.

(1) 길이가 6μm이고, 원 상당 직경으로 해서 0.40μm 이상의 탄화물 중 적어도 3개와 교차하는 직선 Ai(i=1, 2, 3… n, n: 직선의 총 개수)를 선정한다(도 2a, 2b). 도 2a에 있어서, 파선의 원형으로 나타낸 영역(도면 중 「B」로 나타냄)은 직경이 0.40μm인 원의 크기(대상으로 하는 탄화물의 크기의 기준)를 가상하여 나타낸 것이다.

(2) 상기 직선 Ai와 교차하는 원 상당 직경이 0.40μm 이상인 탄화물을 선정하여(도 2c), 화상 해석에 의해 평균 원 상당 직경을 산출한다. 도 2c에는, 선정된 탄화물을 부호 1∼11로 나타내고 있다. 상기 도 2b에 나타낸 직선 A1은 탄화물 1, 2, 3과 교차하는 직선이다. 마찬가지로, 직선 A2는 탄화물 2, 3, 4와 교차하는 직선, 직선 A3은 탄화물 3, 4, 5와 교차하는 직선, 직선 A4는 탄화물 4, 5, 6과 교차하는 직선, 직선 A5는 탄화물 5, 8, 9와 교차하는 직선, 직선 A6은 탄화물 8, 9, 10과 교차하는 직선, 직선 A7은 탄화물 9, 10, 11과 교차하는 직선, 직선 A8은 탄화물 8, 6, 7과 교차하는 직선을 각각 나타내고 있다.

한편, 탄화물 사이즈가 현저하게 미세하여, 원 상당 직경으로 해서 0.40μm 이상의 탄화물 중 적어도 3개와 교차하는 길이 6μm의 직선을 그을 수 없는 경우에는, 「평균 원 상당 직경이 0.75μm 이하」를 만족하는 것으로서 평가된다(하기 표 5, 6에 있어서 「◎」로 표시).

(강도)

SR 소둔 처리를 실시한 용접 금속의 판 두께 중앙부로부터, 용접 방향에 평행하게 인장 시험편(JIS Z2242: 2005)에 준거한 시험편을 채취하여(도 3), 실온(25℃)에서, JIS Z2241: 1998의 요령으로, 인장 강도(TS)를 측정했다. 인장 강도(TS)>620MPa을 강도가 우수하다고 평가했다.

(저온 인성)

SR 소둔 처리를 실시한 용접 금속의 판 두께 중앙부로부터, 도 4에 기초하여 용접선 방향에 수직으로 샤르피 충격 시험편(JIS Z3111 4호 V 노치 시험편)을 채취하고, JIS Z2242: 2005의 요령으로, -40℃에서의 흡수 에너지(vE_-40)를 측정하여, 3회에서의 평균값이 60J을 초과하는 것을 저온 인성이 우수하다고 평가했다.

용접 금속을 형성했을 때에 이용한 각종 용접 재료(플럭스 함유 와이어)의 화학 성분 조성을 하기 표 1, 2에 나타낸다(용접 재료 No. F1∼51). 또한, 형성된 용접 금속의 화학 성분 조성을 용접 조건(용접 재료 No., 입열 조건, 예열-패스간 온도)과 함께 하기 표 3, 4에 나타낸다(시험 No. 1∼51). 또, 각 용접 금속의 평가 특성 결과(탄화물 평균 원 상당 직경, 인장 강도(TS), 저온 인성(vE_-40))를 SR 소둔 조건(SR 온도, SR 시간)과 함께 하기 표 5, 6에 나타낸다(시험 No. 1∼51). 한편, 표 5, 6에 있어서, 탄화물 평균 원 상당 직경의 항목에서 「◎」로 표시한 것은, 탄화물 사이즈가 현저하게 미세해져 있어, 상기 평가 방법에서는 평균 원 상당 직경을 측정할 수 없다는 것을 의미하지만, 「평균 원 상당 직경이 0.75μm 이하」를 만족하는 것이다.

표 1∼6으로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. 시험 No. 1∼31은, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예이고, 충분한 강도(TS>620MPa)를 가짐과 더불어, 우수한 저온 인성(vE_-40>60J)을 발휘하는 용접 금속이 얻어졌다는 것을 알 수 있다.

한편, 시험 No. 32∼51은, 본 발명에서 규정하는 어느 요건을 벗어나는 예이다. 어느 것인가의 특성이 뒤떨어졌다. 이 중, 시험 No. 32는, 입열량이 적정한 범위보다도 높아져 있고(입열량이 2.6kJ/mm), 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져, 강도가 부족함과 더불어 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 33은, 예열-패스간 온도가 적정한 범위보다도 높아져 있고(예열-패스간 온도가 190℃), 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져, 강도가 부족함과 더불어 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 34는, 비(금속 Si/SiO₂)가 0.90보다도 작은 용접 재료를 이용한 것이고, 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 35, 36은, SR 소둔 조건(온도, 시간)이 적절한 범위를 벗어나는 것이고, 모두 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 37은, 용접 금속의 C 함유량이 부족하고, Mn 함유량이 과잉이 되어 있어, 탄화물의 미세화는 달성되고 있지만, 강도가 부족함과 더불어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 38은, 용접 금속의 C 함유량 및 Cr 함유량이 과잉이 되어 있어, 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 39는, 용접 금속의 Si 함유량 및 Cr 함유량이 부족하여, 강도가 부족함과 더불어, 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 40은, 용접 금속의 Mn 함유량 및 Ni 함유량이 부족하여, 강도가 부족함과 더불어, 입계 탄화물의 평균 원 상당 직경이 커져 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 41은, 용접 재료 중의 금속 Si의 함유량이 큰 것에 기인하여 용접 금속의 Si 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 42는, 용접 금속의 B 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 43은, 선택 성분인 Al 함유량이 과잉이 되어 있어, 강도가 부족함과 더불어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 44는, 용접 금속의 B 함유량이 부족하여, 강도가 부족함과 더불어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 45는, 용접 금속의 Mo 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 46은, 용접 금속의 Ni 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 47은, 용접 금속의 Ti 함유량이 부족하여, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 48은, 용접 금속의 Ti 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

시험 No. 49는, 용접 금속의 O 함유량이 부족하고, N 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 50은, 용접 금속의 O 함유량이 과잉이 되어 있고, 선택 성분인 Cu 함유량이 과잉이 되어 있어, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다. 시험 No. 51은, 용접 금속의 V 함유량이 과잉이 되어 있어, 탄화물의 미세화는 달성되고 있지만, 저온 인성(vE_-40)이 열화되었다.

Claims

C: 0.02∼0.10%(「질량%」의 의미. 이하 동일),
Si: 0.10∼0.60%,
Mn: 0.90∼2.5%,
Ni: 0.20∼2.00%,
Cr: 0.05∼1.0%,
Mo: 0.10∼1.50%,
Ti: 0.040∼0.15%,
B: 0.0010∼0.0050%,
O: 0.030∼0.100%,
N: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음)
V: 0.40% 이하(0%를 포함)를 각각 함유하고,
잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며,
용접 금속의 입계에 존재하는 탄화물 중, 원 상당 직경으로 0.40μm 이상의 탄화물의 평균 원 상당 직경이 0.75μm 이하인 것을 특징으로 하는 SR 소둔 후의 용접 금속.
제 1 항에 있어서,
추가로 다른 원소로서, Cu: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 것인 SR 소둔 후의 용접 금속.
제 1 항에 있어서,
추가로 다른 원소로서, Al: 0.030% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 것인 SR 소둔 후의 용접 금속.
제 2 항에 있어서,
추가로 다른 원소로서, Al: 0.030% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 것인 SR 소둔 후의 용접 금속.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 SR 소둔 후의 용접 금속을 구비한 용접 구조체.