KR101843638B1 - 저수소계 피복 아크 용접봉 - Google Patents

저수소계 피복 아크 용접봉 Download PDF

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Abstract

690㎫급 이상의 내력을 갖는 고장력강의 용접에 있어서, 용접 금속의 우수한 내균열성, 강도 및 인성을 갖고, 전체 자세 용접에 있어서의 양호한 용접 작업성을 가지며, 피복제의 우수한 내흡습성 및 고착성을 갖는 저수소계 피복 아크 용접봉이 제공된다. 저수소계 피복 아크 용접봉은 피복제가 도포된 강 심선을 포함하며, 피복제에서는, 금속 탄산염의 CO2 환산값, 금속 플루오르화물의 F 환산값, TiO2, ZrO2, Al2O3, Li 화합물의 Li 환산값, 및 Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계에 대한 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 함유량을 규정하고, 저수소계 피복 아크 용접봉 전체에서는, Mo와 Cr의 합계, C, Si와 SiO2의 합계의 Si 환산값, Mn 및 Ni에 대한 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 함유량을 규정하고 있다.

Description

저수소계 피복 아크 용접봉{LOW HYDROGEN-BASED COVERED ELECTRODE}
본 발명은 저수소계 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.
고장력강용의 저수소계 피복 아크 용접봉(이하, 적절히, 피복 아크 용접봉 또는 단순히 용접봉이라 함)은 지금까지 다양하게 개발되고 있다. 그 일 예로서, 특허문헌 1에는, 950㎫급의 인장 강도를 갖는 고장력강에 이용되는 저수소계 피복 아크 용접봉이 개시되어 있다. 이러한 피복 아크 용접봉에서는, 금속 탄산염, 금속 플루오르화물, Mg 등의 함유량, 소성 온도 등을 규정하는 것에 의해, 용접 금속 중의 산소량 저감에 의한 저온 인성을 향상시키고, 수소량 저감에 의한 내균열성을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 아크 용접봉에서는, 용접 금속 중에 5ml/100g 이하의 확산성 수소량을 확보할 수 있는 금속 탄산염 및 금속 플루오르화물의 적정량이 규정되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 880㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 고장력강에 이용되는 저수소계 피복 아크 용접봉이 개시되어 있다. 이러한 피복 아크 용접봉에서는, 금속 탄산염 및 금속 플루오르화물 등의 최적 성분 범위가 규정되고, 또한 입계 에너지 저감에 의한 입계에서의 균열 발생 및 균열 전파의 억제를 목적으로 하여 적정량의 B가 첨가되어 있다. 이러한 특징에 의해, 양호한 내균열성이 확보된다.
또한, 특허문헌 3의 저수소계 피복 아크 용접봉에서는, 금속 탄산염, 금속 산화물, 금속 플루오르화물의 적정량이 규정되고, 3ml/100g 이하의 확산성 수소량을 확보하면서, 전체 자세 용접에서의 양호한 용접 작업성이 실현되고 있다.
일본 특허 공개 제 1997-327793 호 공보 일본 특허 공개 제 1999-123589 호 공보 일본 특허 공개 제 2010-110817 호 공보
특허문헌 1에 기재된 피복 아크 용접봉에서는, 용접 금속 중의 확산성 수소량은 5ml/100g 이하이다. 그렇지만, 극후판을 고려한 용접 시공에서의 내균열성에 관해서는, 용접 금속 중의 확산성 수소량에 대하여 더욱 엄격한 기준을 적용하는 것이 바람직하다.
특허문헌 2에 기재된 피복 아크 용접봉에서는, 용접 금속 중의 확산성 수소량은 3 내지 5ml/100g이다. 그렇지만, 780㎫ 이상의 인장 강도 레벨(690㎫급 이상의 내력 레벨)을 갖는 고장력강의 내균열성에 관해서는, 용접 금속 중의 확산성 수소량에 대해 더욱 엄격한 기준을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 특허문헌 2에서는, 약 -60℃의 저온역에서의 인성은 어떠한 방식으로도 의식되고 있지 않다.
특허문헌 3에 기재된 피복 아크 용접봉에서는, 용접 금속의 내균열성이 향상되지만, 내균열성을 더욱 향상시키기 위해서, 피복제의 내흡습성을 향상시키는 것이 바람직하다. 또한, 생산성의 관점에서, 피복제의 고착성에 대해서도 고려하는 것이 바람직하다.
또한, 피복 아크 용접봉에서는, 용접 금속의 내균열성, 강도 및 인성의 향상이나, 피복제의 내흡습성 및 고착성의 향상에 부가하여, 양호한 용접 작업성을 달성하는 것이 요망되어 왔다. 또한, 본원에서의 "용접 작업성"이란, 아크 안정성, 슬래그 박리성 및 비드 형상의 품질을 말한다.
그래서, 본 발명의 과제는, 690㎫급 이상의 내력을 갖는 고장력강의 용접에 있어서, 용접 금속의 우수한 내균열성, 강도 및 인성을 갖고, 전체 자세 용접에 있어서의 양호한 용접 작업성을 가지며, 피복제의 우수한 내흡습성 및 고착성을 갖는 저수소계 피복 아크 용접봉을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하기의 기술 해결책을 제공하고 있다.
본 발명에 따른 저수소계 피복 아크 용접봉은 피복제가 도포된 강 심선을 포함하며, 이러한 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서,
상기 피복제는, 상기 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당,
금속 탄산염의 CO2 환산값: 3.0 질량% 내지 7.5 질량%,
금속 플루오르화물의 F 환산값: 0.9 질량% 내지 3.0 질량%,
TiO2 ≤ 0.30 질량%,
ZrO2: 0.4 질량% 내지 1.8 질량%,
Al2O3 ≤ 0.15 질량%,
Li 화합물의 Li 환산값: 0.01 질량% 내지 0.12 질량%, 및
Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계: 0.30 질량% 내지 0.90 질량%를 함유하고,
상기 저수소계 피복 아크 용접봉은, 상기 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당,
Mo와 Cr의 합계: 0.06 질량% 내지 1.20 질량%,
C ≤ 0.06 질량%,
Si와 SiO2의 합계의 Si 환산값: 1.5 질량% 내지 3.0 질량%,
Mn: 0.9 질량% 내지 2.7 질량%, 및
Ni: 1.2 질량% 내지 3.0 질량%를 함유한다.
이러한 구성을 갖는 저수소계 피복 아크 용접봉에 따르면, 피복재에 있어서, 금속 탄산염의 CO2 환산값, 금속 플루오르화물의 F 환산값, TiO2, ZrO2, Al2O3, Li 화합물의 Li 환산값, Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계에 대한 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 함유량을 규정하는 것에 의해, 우수한 내균열성, 강도 및 인성을 갖는 용접 금속이 얻어진다. 또한, 용접 작업성이 향상되고, 또한 피복제의 내흡습성 및 고착성이 향상된다.
또한, 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서, Mo와 Cr의 합계, C, Si와 SiO2의 합계의 Si 환산값, Mn 및 Ni에 대한 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 함유량을 규정하는 것에 의해, 우수한 내균열성, 강도 및 인성을 갖는 용접 금속이 얻어진다. 또한, 피복제의 도장성이 향상되며, 또한 용접 금속의 비드 형상이 양호해진다. 또한, 블로우홀의 발생이 억제된다.
또한, 본 발명에 따른 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서, 상기 피복제는 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 1.2 질량% 이상의 Fe를 함유하는 것이 바람직하다.
이러한 특징에 따르면, 용착 속도가 보다 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서, 상기 금속 탄산염은 75㎛의 입경을 갖는 금속 탄산염을 상기 금속 탄산염 전체 질량당 50 질량% 내지 80 질량%의 양으로 함유하는 것이 바람직하다.
이러한 특징에 따르면, 확산성 수소량은 저감되기 쉽고, 또한 아크 안정성이 보다 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서, 하기의 수학식 1의 값이 5 내지 50이다.
[수학식 1]
(1.22×[Na]＋1.49×[K])/[Li]
여기에서, [Na]는 상기 피복제 중에 있어서의 Na 화합물의 Na 환산값의 함유량(질량%)이고, [K]는 상기 피복제 중에 있어서의 K 화합물의 K 환산값의 함유량(질량%)이며, [Li]는 상기 피복제 중에 있어서의 Li 화합물의 Li 환산값의 함유량(질량%)이다.
이러한 특징에 따르면, 피복제의 도장성 및 내흡습성이 보다 향상된다.
본 발명의 저수소계 피복 아크 용접봉에 따르면, 690㎫급 이상의 내력을 갖는 고장력강의 용접에 있어서, 우수한 내균열성, 강도 및 인성을 갖는 용접 금속이 얻어질 수 있다. 또한, 690㎫급 이상의 내력을 갖는 고장력강의 용접에 있어서, 전체 자세 용접에 있어서의 용접 작업성이 향상된다. 또한, 피복제는 우수한 내흡습성 및 고착성을 갖는다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 저수소계 피복 아크 용접봉은 피복제가 도포된 강 심선을 포함하며, 피복제는, 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당, 금속 탄산염, 금속 플루오르화물, TiO2, ZrO2, Al2O3, 및 Li 화합물을 소정량 함유하고, Na 화합물 및 K 화합물을 합계량으로서 소정량 함유한다.
또한, 저수소계 피복 아크 용접봉은, 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당, C, Mn 및 Ni를 소정량 함유하고, Mo 및 Cr을 합계량으로서 소정량 함유하며, Si 및 SiO2를 합계량으로서 소정량 함유한다.
또한, 금속 탄산염의 함유량은 CO2 환산값이고, 금속 플루오르화물의 함유량은 F 환산값이고, Li 화합물의 함유량은 Li 환산값이고, Na 화합물과 K 화합물의 합계의 함유량은 Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계의 함유량이다. 또한, Si과 SiO2의 합계의 함유량은 Si 환산값이다.
이하, 저수소계 피복 아크 용접봉의 성분 한정 이유에 대하여 설명한다.
＜피복제＞
피복제는 플럭스 성분으로서 강 심선의 주위에 피복하는 것이다.
이하, 피복제 중에 있어서의, 금속 탄산염의 CO2 환산값, 금속 플루오르화물의 F 환산값, TiO2, ZrO2, Al2O3, Li 화합물의 Li 환산값, 및 Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계에 대한 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 함유량에 대하여 설명한다.
[금속 탄산염의 CO2 환산값: 3.0 질량% 내지 7.5 질량%]
금속 탄산염의 함유량이 CO2 환산값으로 3.0 질량% 미만에서는, 가스 발생량이 부족하여, 양호한 실드성을 유지할 수 없다. 그 때문에, 용접 금속 중의 수소량 및 질소량이 증가되어, 용접 금속의 인성이나 내균열성이 열화된다. 한편, 금속 탄산염의 함유량이 CO2 환산값으로 7.5 질량%를 초과하면, 아크가 불안정해져서, 스패터의 양이 증가된다.
따라서, 피복제 중의 금속 탄산염의 함유량은, CO2 환산값으로, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 3.0 질량% 내지 7.5 질량%로 한다. 금속 탄산염의 함유량은, 용접 금속의 인성이나 내균열성을 보다 향상시키는 관점에서, CO2 환산값으로, 바람직하게는 3.5 질량% 이상, 보다 바람직하게는 4.0 질량% 이상으로 한다. 또한, 아크 안정성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 7.0 질량% 이하, 보다 바람직하게는 6.5 질량% 이하로 한다.
[금속 플루오르화물의 F 환산값: 0.9 질량% 내지 3.0 질량%]
금속 플루오르화물의 함유량이 F 환산값으로 0.9 질량% 미만에서는, 용융 슬래그의 점성이 부족하여, 비드 형상이 열화된다. 한편, 금속 플루오르화물의 함유량이 F 환산값으로 3.0 질량%를 초과하면, 아크가 불안정해진다.
따라서, 피복제 중의 금속 플루오르화물의 함유량은, F 환산값으로, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.9 질량% 내지 3.0 질량%로 한다. 금속 플루오르화물의 함유량은, 비드 형상을 보다 양호하게 하는 관점에서, F 환산값으로, 바람직하게는 1.5 질량% 이상으로 한다. 또한, 아크 안정성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 2.7질량% 이하로 한다.
[TiO2 ≤ 0.30 질량%]
TiO2는 용접 금속 중의 산소량 및 고용 Ti량을 증가시킨다. 또한, TiO2의 함유에 의해 다층 용접의 재열부에서는 TiC가 석출되기 때문에, 침상(acicular) 핵 생성능이 저하된다. 이것에 의해, 조대한 래스상(lath-like) 베이나이트가 생성되어, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, TiO2의 함유량이 억제되어야 한다. 그러나, TiO2는, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.30 질량%까지의 양으로 함유되는 것이 허용된다.
따라서, 피복제 중의 TiO2의 함유량은 0.30 질량% 이하로 한다. TiO2의 함유량은, 용접 금속의 인성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.20 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.10 질량% 이하이다.
또한, TiO2의 함유량은 0 질량%가 바람직하지만, TiO2의 함유량을 0 질량%로 제어하는 것은 곤란하다. 그러므로, 그 하한을 0.002 질량%로 할 수도 있다.
[ZrO2: 0.4 질량% 내지 1.8 질량%]
ZrO2를 적정량 첨가하는 것에 의해 비드 형상 및 비드 외관이 양호해질 수 있다. ZrO2의 함유량이 0.4 질량% 미만에서는, 조재제(slag-making agent)로서의 효과가 부족하여, 비드 형상이 열화된다. 한편, ZrO2의 함유량이 1.8 질량%를 초과하면, 슬래그가 유리상으로 되어, 슬래그 박리성이 열화된다.
따라서, ZrO2의 함유량은, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.4 질량% 내지 1.8 질량%로 한다. ZrO2의 함유량은, 비드 형상을 보다 양호하게 하는 관점에서, 바람직하게는 0.6 질량% 이상으로 한다. 또한, 슬래그 박리성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 1.5 질량% 이하로 한다.
[Al2O3 ≤ 0.15 질량%]
피복제 중에는, 조재제로서 통상 Al2O3이 첨가되어 있다. 그러나, 본 발명에서는, 피복 아크 용접봉 중의 SiO2의 함유량을 종래보다 증가시키고, Al2O3의 함유량을 고의로 첨가하지 않고 0.15 질량% 이하로 제어하는 것이 슬래그 박리성을 개선하는데 효과적이라는 것을 발견했다.
따라서, Al2O3의 함유량은, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.15 질량% 이하로 한다. Al2O3의 함유량은, 슬래그 박리성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.10 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.05 질량% 이하로 한다.
또한, Al2O3의 함유량은 0 질량%가 바람직하지만, Al2O3의 함유량을 0 질량%로 제어하는 것은 곤란하다. 그러므로, 그 하한을 0.002 질량%로 할 수도 있다.
[Li 화합물의 Li 환산값: 0.01 질량% 내지 0.12 질량%]
Li는 피복제의 내흡습성을 향상시키는 목적에서 통상 물유리(water glass) 중에 첨가된다. Li 화합물의 함유량이 Li 환산값으로 0.01 질량% 미만에서는, 피복제의 내흡습성을 향상시키는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Li 화합물의 함유량이 Li 환산값으로 0.12 질량%를 초과하면, 우수한 내흡습성이 얻어지지만, 물유리의 점성이 작아져서 피복제의 피복 공정에 있어서의 윤활제로서의 성능이 저하된다. 이에 의해, 피복 작업이 곤란해지는 동시에, 고착 강도가 저하되며, 그에 따라 피복후에 있어서의 피복제의 탈락 및 건조시에 있어서의 건조 균열이 생기기 쉬워진다.
따라서, 피복제 중의 Li 화합물량의 함유량은, Li 환산값으로, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.01 질량% 내지 0.12 질량%로 한다. Li 화합물의 Li 환산값의 함유량은, 피복제의 내흡습성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.02 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.05 질량% 이상으로 한다. 또한, 피복 작업을 보다 향상시키는 동시에, 피복후에 있어서의 피복제의 탈락 및 건조시에 있어서의 건조 균열의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.10 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.08 질량% 이하로 한다.
[Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계: 0.30 질량% 내지 0.90 질량%]
Na 및 K는 피복제의 고착성 및 아크 안정성을 확보하기 위해서 첨가된다. Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계가 0.30 질량% 미만에서는, 아크가 불안정해지는 동시에, 피복제의 고착 강도가 저하되며, 그에 따라 피복후에 있어서의 피복제의 탈락 및 건조시에 있어서의 건조 균열이 생기기 쉬워진다. 한편, Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계가 0.90 질량%를 초과하면, 피복제의 내흡습성이 열화된다.
따라서, 피복제 중의 Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계는 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.30 질량% 내지 0.90 질량%로 한다. Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계는, 아크 안정성을 보다 향상시키는 동시에, 피복후에 있어서의 피복제의 탈락 및 건조시에 있어서의 건조 균열의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.40 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.50 질량% 이상으로 한다. 또한, 피복제의 내흡습성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.80 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.70 질량% 이하로 한다.
[잔부]
피복제는, 상기한 각 성분, 및 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다. 피복제의 잔부의 주성분은 각종 Fe 합금(Fe-Si, Fe-Mo 및 Fe-Cr 등) 및 철분으로부터 유래하는 Fe이다. 또한, 불가피적 불순물로서는, 그 예로서 P, S, V, Nb, Sn 등을 들 수 있다. 또한, 잔부에는, CaCO, BaCO 등도 포함될 수 있다.
피복제에서는, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 Fe의 함유량을 규정할 수도 있다.
[Fe: 1.2 질량% 이상]
상기한 바와 같이, 피복제의 잔부의 주성분은, 각종 Fe 합금(Fe-Si, Fe-Mo 및 Fe-Cr 등) 및 철분으로부터 유래하는 Fe이다. Fe 함유량이 증가되면, 용착 속도가 향상되어, 용접 작업 능률을 개선시키는 것이 가능해진다. 본 발명에서는, Fe 함유량이 1.2 질량% 이상이면, 용착 속도가 향상되어, 용접 작업 능률이 향상된다.
따라서, 피복제 중의 Fe 함유량은, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 1.2 질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 그 상한이 특별히 규정되는 것은 아니지만, Fe 함유량은 예를 들어 10.0 질량% 이하로 할 수도 있다.
＜저수소계 피복 아크 용접봉＞
이하, 피복 아크 용접봉 전체 중, 즉 강 심선과 피복제를 포함하는 용접봉 전체 중에 있어서의, Mo와 Cr의 합계, C, Si과 SiO2의 합계의 Si 환산값, Mn 및 Ni에 대한 피복 아크 용접봉의 전체 질량당의 함유량에 대하여 설명한다.
[Mo과 Cr의 합계: 0.06 질량% 내지 1.20 질량%]
피복 아크 용접봉은, Cr 및 Mo의 적정량을 첨가하는 것에 의해 안정적으로 용접 금속의 강도를 확보할 수 있다. Cr 및 Mo는, Cr 또는 Mo의 단독 첨가, 혹은 Cr 및 Mo의 복합 첨가 중 어느 하나에 의해 첨가될 수도 있다. 그러나, Mo 함유량과 Cr 함유량의 합계가 0.06 질량% 미만에서는, 용접 금속의 강도가 충분히 확보될 수 없다. 한편, Mo 함유량과 Cr 함유량의 합계가 1.20 질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 과잉으로 증가되는 동시에 인성이 열화된다. 또한, 저온 균열의 원인으로도 된다.
따라서, 피복 아크 용접봉 전체 중의 Mo 함유량과 Cr 함유량의 합계는, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.06 질량% 내지 1.20 질량%로 한다. Mo 함유량과 Cr 함유량의 합계는, 용접 금속의 강도를 보다 적절하게 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.20 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.40 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 강도의 과잉 증가를 보다 억제하는 동시에 인성을 보다 향상시키고, 저온 균열을 억제하는 관점에서, 바람직하게는 1.0 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.80 질량% 이하이다.
[C: ≤ 0.06 질량%]
C는 용접 금속의 강도 확보에 유효한 성분이다. 그렇지만, 690㎫ 이상의 내력을 갖는 용접 금속에 있어서, C의 첨가에 의해 강도가 과잉으로 되고, 또한 섬 형상 마르텐사이트의 생성에 의해 인성이 열화된다.
따라서, 피복 아크 용접봉 전체 중의 C 함유량은 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.06 질량% 이하로 규제한다. C 함유량은, 용접 금속의 강도의 과잉 증가 및 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.04 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.02 질량% 이하이다.
[Si과 SiO2의 합계의 Si 환산값: 1.5 질량% 내지 3.0 질량%]
Si는 탈산제이며, 용접 금속의 강도의 확보 및 산소량의 저감의 효과를 갖는 원소이다. 또한, 피복제 중에는, 조재제 또는 점결제(binder)로서 SiO2를 첨가할 필요가 있다. Si 함유량과 SiO2 함유량의 합계가 Si 환산값으로 1.5 질량% 미만에서는, 점결제나 탈산제로서의 효과가 얻어지지 않으며, 생산시의 피복제의 도장성이 열화되거나 탈산 부족에 의해 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Si 함유량과 SiO2 함유량의 합계가 Si 환산값으로 3.0 질량%를 초과하면, 슬래그가 유리상으로 되어 슬래그 박리성이 열화되는 동시에, 용융 금속의 점성이 높아져 모재에의 친화성이 나빠져서 비드 형상이 열화된다.
따라서, 피복 아크 용접봉 전체 중의 Si 함유량과 SiO2 함유량의 합계는, Si 환산값으로, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 1.5 질량% 내지 3.0 질량%로 한다. Si 함유량과 SiO2 함유량의 합계의 Si 환산값은, 피복제의 도장성을 보다 향상시키거나 용접 금속의 인성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 1.8 질량% 이상, 보다 바람직하게는 2. 0 질량% 이상이다. 또한, 슬래그 박리성을 보다 향상시키는 동시에 비드 형상을 보다 양호하게 하는 관점에서, 바람직하게는 2.7 질량% 이하, 보다 바람직하게는 2.6 질량% 이하이다.
또한, Si 및 SiO2는 각각 필수의 원소이지만, 이들 개별 함유량은 특별히 규정되지는 않는다. 상기한 바와 같이, Si과 SiO2 함유량의 합계의 Si 환산값이 규정된 값을 만족하면 된다. 그러나, 용접 금속의 강도 향상 및 인성 향상의 관점에서, Si의 함유량은 0.3 질량% 내지 1.5 질량%인 것이 바람직하다. 또한, 조재제 또는 점결제로서 도장성을 향상시키고 비드 형상을 양호하게 하는 관점에서, SiO2의 함유량의 Si 환산값은 0.7 질량% 내지 1.5 질량%인 것이 바람직하다.
[Mn: 0.9 질량% 내지 2.7 질량%]
Mn은, Si와 유사하게, 탈산제로서 첨가되고, 용접 금속의 인성의 향상에 유효한 원소이다. Mn 함유량이 0.9 질량% 미만에서는, 탈산이 부족하게 되어, 블로우홀이 발생한다. 한편, Mn 함유량이 2.7 질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도가 과잉으로 증가되어, 저온 균열 감수성이 높아진다.
따라서, 피복 아크 용접봉 전체 중의 Mn 함유량은, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 0.9 질량% 내지 2.7 질량%로 한다. Mn 함유량은, 블로우홀의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 1.0 질량% 이상이다. 또한, 저온 균열 감수성을 보다 저감시키는 관점에서, 바람직하게는 2.5 질량% 이하이다.
[Ni: 1.2 질량% 내지 3.0 질량%]
Ni는 용접 금속의 강도 및 인성의 확보에 극히 중요한 원소이다. 그렇지만, Ni 함유량이 1.2 질량% 미만에서는, 충분한 인성 개선 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Ni 함유량이 3.0 질량%를 초과하면, 고온 균열의 발생 가능성이 높아진다.
따라서, 피복 아크 용접봉 전체 중의 Ni 함유량은, 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 1.2 질량% 내지 3.0 질량%로 한다. Ni 함유량은, 인성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 1.5 질량% 이상이다. 또한, 고온 균열의 발생 가능성을 보다 저감시키는 관점에서, 바람직하게는 2.5 질량% 이하이다.
[잔부]
피복 아크 용접봉은 상기한 각 성분, 및 강 심선 및 피복제에서 제외된 성분, 철, 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.
피복 아크 용접봉의 전체적으로서의 잔부는 강 심선 및 피복제에서 제외된 성분, 강 심선 및 피복제의 불가피적 불순물, 및 강 심선의 Fe이다.
[금속 탄산염 중, 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염: 50 질량% 내지 80 질량%]
또한, 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서, 피복제 중의 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 함유량은 금속 탄산염 전체 질량당 50 질량% 내지 80 질량%로 하는 것이 바람직하다.
금속 탄산염의 입도는 확산성 수소량 및 아크 안정성에 영향을 미친다. 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 함유량이 50 질량% 이상이면, 확산성 수소량이 저감된다. 한편, 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 함유량이 80 질량% 이하이면, 아크 안정성이 보다 양호하게 유지될 수 있다.
따라서, 금속 탄산염 전체 중, 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 함유량은 50 질량% 내지 80 질량%로 하는 것이 바람직하다. 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 함유량은, 확산성 수소량을 보다 저감시키는 관점에서, 보다 바람직하게는 55 질량% 이상이다. 또한, 아크 안정성을 보다 양호하게 유지하는 관점에서, 보다 바람직하게는 70 질량% 이하이다.
75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 측정은, 구체적으로는 하기에 나타낸 바와 같이, 체진동기(sieve shaker)를 이용하여 실행될 수 있다.
주식회사 세이신 기교우(Seishin Enterprise Co., Ltd.)제 RPS-105를 사용하여, 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염이 JIS Z8801-1:2006에 따른 체에 의해 분리된다. 그러한 경우에, 체 분리의 조건으로서는, 음파 주파수가 80Hz, 펄스 간격이 1초, 분급 시간이 2분이다.
75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염의 함유량은, 입도 분포가 다른 원료를 이용하여 그들 배합율을 변경하는 것에 의해, 50 질량% 내지 80 질량%로 제어될 수 있다.
또한, 피복 아크 용접봉에서는, 하기 수학식 1의 값이 5 내지 50인 것이 바람직하다.
[수학식 1]
(1.22×[Na]＋1.49×[K])/[Li]
여기에서, [Na]는 상기 피복제 중에 있어서의 Na 화합물의 Na 환산값의 함유량(질량%)이고, [K]는 상기 피복제 중에 있어서의 K 화합물의 K 환산값의 함유량(질량%)이며, [Li]는 상기 피복제 중에 있어서의 Li 화합물의 Li 환산값의 함유량(질량%)이다.
[수학식 1의 값: 5 내지 50]
피복제의 고착 강도와 내흡습성에 있어서의 알칼리 성분의 영향도는 각각의 원소의 원자 반경과 상관이 있는 것으로 여겨진다. Li의 원자 반경을 1로 한 경우, Na의 원자 반경은 1.22로 나타나고, K의 원자 반경은 1.49로 나타난다. Na와 K를 분자에 배치하고 Li를 분모에 배치한 상기 수학식 1의 파라미터에 의해, 피복제의 고착 강도와 내흡습성이 동시에 평가될 수 있다.
수학식 1의 값이 5 이상이면, 피복제의 도장성이 향상된다. 한편, 수학식 1의 값이 50 이하이면, 피복제의 흡습성이 향상된다. 따라서, 수학식 1의 값은 5 내지 50으로 하는 것이 바람직하다. 수학식 1의 값은, 도장성을 보다 향상시키는 관점에서, 보다 바람직하게는 20 이상이다. 또한, 흡습성을 보다 향상시키는 관점에서, 보다 바람직하게는 30 이하이다.
또한, 수학식 1은 실험 결과로부터 통계적으로 구한 것이다.
[피복률]
피복 아크 용접봉의 피복제의 피복률은, 특별히 규정되는 것은 아니지만, 22 질량% 내지 45 질량%로 하는 것이 바람직하다. 피복률은 "(피복제의 질량)/(용접봉 전체 질량)×100"에 의해 산출된다. 피복제의 피복률이 22 질량% 이상이면, 용융 풀의 실드가 부족하게 되기 어려워, 용접 금속 중의 N량 및 확산성 수소량이 저하되기 쉬워진다. 그 때문에, 용접 금속의 인성 및 내균열성이 향상되기 쉽다. 한편, 피복률이 45 질량% 이하이면, 아크가 보다 안정되기 쉬워진다. 또한, 여기서의 피복률은 소성후의 용접봉 전체에 대한 피복제의 비율이다.
＜저수소계 피복 아크 용접봉의 제조 방법＞
본 발명의 피복 아크 용접봉은 예를 들어 하기에 나타낸 바와 같이 제조될 수 있다.
우선, 상기한 피복제는, 규산소다, 규산칼리로 대표되는 물유리 등의 점결제에 의해, 상기한 강 심선의 주위에 피복률이 22 질량% 내지 45 질량%가 되도록 통상의 용접봉 도장기를 이용하여 피복 도장된다. 그 후, 수분을 제거하기 위해, 470℃ 내지 540℃에서 소성한다.
또한, 상기한 피복제의 성분의 함유량은 피복 도장 및 소성후의 용접봉(용접봉 제품)의 값이다. 또한, 피복률은 소성후의 용접봉 전체에 기초한 피복제의 비율이다.
[실시예]
이하, 본 발명의 범위 내에 있는 실시예에 대하여, 본 발명의 효과를 본 발명의 범위에서 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다.
피복제는, 4.0㎜의 직경을 갖는 강 심선의 주위에, 피복률이 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 22 질량% 내지 45 질량%의 범위가 되도록, 통상의 용접봉 도장기를 이용하여 피복 도장되었다. 그 후, 수분을 제거하기 위해, 470℃ 내지 540℃로 소성했다. 따라서, 표 1 및 표 2에 나타낸 화학 성분으로 이루어지는 각 피복 아크 용접봉이 실험적으로 제조되었다. 또한, 피복제의 성분의 함유량은 피복 도장 및 소성후의 용접봉(용접봉 제품)의 값이다. 또한, 피복률은 소성후의 용접봉 전체에 기초한 피복제의 비율이다.
이러한 각 피복 아크 용접봉을 사용하여 용접이 실행되었다. 용접 작업성이 평가되는 동시에, 얻어진 용접 금속의 기계적 성능 및 확산 수소량이 평가되었다. 또한, 피복제의 내흡습성 및 고착성이 평가되었다. 또한, 기계 성능, 내흡습성 및 확산성 수소량의 시험에 있어서의 재건조는 각각의 시험전에 실행되고, 중복하여 실행되지는 않았다.
표에서는, 밑줄친 값이 본 발명의 범위를 벗어난 것이다. 또한, 표 2에서, "tr."은 검출 불능인 정도의 미량인 것을 나타낸다. 또한, 표 2에 있어서, 성분의 잔부는, 강 심선 및 피복제에 있어서 환산값으로 제외된 성분, 강 심선 및 피복제의 불가피적 불순물, 및 강 심선의 Fe이다.
[표 1]
Figure 112016055102037-pat00001
[표 2]
Figure 112016055102037-pat00002
[표 2 계속]
Figure 112016055102037-pat00003
[표 2 계속]
Figure 112016055102037-pat00004
[표 2 계속]
Figure 112016055102037-pat00005
각 시험 항목의 평가 기준은 하기와 같다.
＜기계적 성능＞
JIS Z3111:2005에 따른 방법으로, 용접 금속의 기계적 성능이 평가되었다. 용접용 강판(모재)으로는, JIS G3106:2008 SM490A(판 두께: 20㎜)를 이용했다. 개선 형상은 20°-각도 V형 개선으로 하고, 루트 간격은 16㎜로 했다. 용접 자세는 하향으로 하고, 극성은 DCEP(Direct Current Electrode Plus: 직류 봉 플러스)로 하고, 용접 전류는 150A 내지 160A로 하고, 아크 전압은 22V 내지 23V로 하고, 용접 입열은 2.0 내지 2.1 kJ/㎜, 예열-패스간 온도는 90℃ 내지 110℃로 했다. 또한, 피복제의 재건조를 위해, 용접전에, 용접봉을 350℃의 온도 조건하에서 1시간 동안 가열했다.
기계적 성능에 대해서는, 용접 금속의 강도가 0.2% 내력에 의해 평가되고, 용접 금속의 인성이 -60℃에서의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지(vE -60℃)에 의해 평가되었다. 그리고, 0.2% 내력이 690㎫ 내지 900㎫이고, 또한 흡수 에너지가 69J 이상인 것을 양호라고 판단했다.
＜용접 작업성＞
기계적 성능을 평가할 때의 용접시에, 용접 작업성이 평가되었다. 용접 작업성은 아크 안정성, 슬래그 박리성 및 비드 형상에 의해 평가되었다. 각각 관능에 의해 1 내지 5의 5 단계로 평가하고, 3 이상을 양호라고 판단했다.
비드 형상에 대해서는, 비드의 평활성이 평가되고, 슬래그 박리성에 대해서는, 용접후, 슬래그를 에어 치퍼(air chipper)로 제거할 때에 쉽게 벗겨지는 여부로 평가했다.
＜피복제의 내흡습성＞
피복제의 내흡습성은, 350℃의 온도 조건하에서 1시간 동안 가열함으로써 재건조된 피복 아크 용접봉을, 30℃의 온도, 80%의 상대 습도의 분위기 중에서 6시간 폭로하여, 피복제가 흡습한 수분량을 칼 피셔법(Karl Fischer method)(기화법)으로 측정하는 것에 의해 평가되었다. 측정시에 피복제로부터 수분을 기화시키기 위해서, 750℃로 가열을 실행하고, 건조 공기를 캐리어 가스로서 측정 장치로 도입했다. 그 결과, 피복제 중의 수분량(표에서, KF 흡습이라고 기재함)이 3000 질량ppm 이하의 것을 양호라고 판단했다.
＜피복제의 고착성＞
피복제의 고착성에 대해서는, 우선, 소성후에, 육안으로 피복제 표면의 균열의 유무를 관찰하고, 그 후, 용접 중의 보호통의 안정성을, 관능에 의해 1 내지 5의 5 단계로 평가했다. 그 결과, 3 이상인 것을 양호라고 판단했다.
＜확산 수소량＞
용접 금속 중의 확산성 수소량은 JIS Z3118:2007에 따른 방법에 의해 측정되었다. 하향의 용접 자세에서, 극성을 DCEP(직류 봉 플러스)로 하여, 용접 전류 150A 내지 160A, 아크 전압 22V, 용접 속도 180㎜/분의 조건하에서 1 패스의 용접이 실행되었다. 그러한 경우에, 용접 분위기는 온도를 20℃로 하고, 습도를 10%RH로 했다. 또한, 피복제의 재건조를 위해서, 용접전에, 각 용접봉을 350℃의 온도 조건하에서 1시간 동안 가열했다.
용접에 의해 얻어진 용접 금속 중의 확산성 수소량을 측정했다. 그 결과, 확산성 수소량(표에서, [H]D라고 기재함)이 3.0mL/100g 이하의 것을 양호라고 판단했다.
평가 결과를 표 3에 나타낸다. 표에서, 밑줄친 값은 평가 기준을 만족하지 못한 것이다.
[표 3]
Figure 112016055102037-pat00006
[표 3 계속]
Figure 112016055102037-pat00007
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위 내에 있는 시험 No.1 내지 26(실시예)은 모든 평가 항목에서 양호한 결과가 얻어지고 있다.
한편, 본 발명의 범위를 벗어난 시험 No.27 내지 40(비교예)은 하기의 결과가 되었다.
No.27에서는, 피복제 중의 Li 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 피복제의 내흡습성이 뒤떨어졌다.
No.28에서는, 피복제 중의 Li 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 피복제의 고착성이 뒤떨어졌다.
No.29에서는, 피복제 중의 ZrO2 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 슬래그 박리성이 뒤떨어졌다.
No.30에서는, 피복제 중의 Al2O3 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 슬래그 박리성이 뒤떨어졌다. 또한, "강 심선＋피복제" 중의 C 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 강도가 너무 높아지는 동시에 인성이 뒤떨어졌다.
No.31에서는, 피복제 중의 ZrO2 함유량이 하한값 미만이기 때문에 비드 형상이 뒤떨어졌다. 또한, "강 심선＋피복제" 중의 Mn 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 강도가 너무 높아졌다.
No.32에서는, 피복제 중의 금속 플루오르화물의 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 아크 안정성이 뒤떨어졌다. 또한, "강 심선＋피복제" 중의 Mo 함유량과 Cr 함유량의 합계가 하한값 미만이기 때문에, 강도가 뒤떨어졌다.
No.33에서는, 피복제 중의 금속 탄산염의 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 확산 수소량이 많고, 인성이 뒤떨어졌다. 또한, "강 심선＋피복제" 중의 Si 함유량과 SiO2 함유량의 합계가 상한값을 초과하기 때문에, 슬래그 박리성 및 비드 형상이 뒤떨어졌다.
No.34에서는, "강 심선＋피복제" 중의 Ni 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 고온 균열이 발생했다.
No.35에서는, 피복제 중의 금속 탄산염의 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 아크 안정성이 뒤떨어졌다. 또한, "강 심선＋피복제" 중의 Mo 함유량과 Cr 함유량의 합계가 상한값을 초과하기 때문에, 강도가 너무 높아지는 동시에 인성이 뒤떨어졌다.
No.36에서는, "강 심선＋피복제" 중의 Ni 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 인성이 뒤떨어졌다. 또한, 피복제 중의 Fe 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 용착 속도가 낮아졌다.
No.37에서는, "강 심선＋피복제" 중의 Mn 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 블로우홀이 발생했다. 또한, 피복제 중의 Na 함유량과 K 함유량의 합계가 하한값 미만이기 때문에, 아크 안정성 및 피복제의 고착성이 뒤떨어졌다.
No.38에서는, 피복제 중의 금속 플루오르화물의 함유량이 하한값 미만이기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어졌다. 또한, 피복제 중의 Na 함유량과 K 함유량의 합계가 상한값을 초과하기 때문에, 피복제의 내흡습성이 뒤떨어졌다.
No.39에서는, 피복제 중의 TiO2 함유량이 상한값을 초과하기 때문에, 인성이 뒤떨어졌다.
No.40에서는, "강 심선＋피복제" 중의 Si 함유량과 SiO2 함유량의 합계가 하한값 미만이기 때문에, 인성이 뒤떨어졌다. 또한, 도장성의 열화로 인해 피복제의 고착성이 열화되었다.
이상, 본 발명에 대해 실시형태 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 취지는 상기한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 권리 범위는 특허청구범위에 근거하여 넓게 해석되어야 한다. 또한, 본 발명의 내용은, 상기한 기재에 근거하여 넓게 개변 또는 변경될 수도 있다는 것은 말할 필요도 없다.

Claims (5)

  1. 피복제가 도포된 강 심선을 포함하는 저수소계 피복 아크 용접봉에 있어서,
    상기 피복제는, 상기 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당,
    금속 탄산염의 CO2 환산값: 3.0 질량% 내지 7.5 질량%,
    금속 플루오르화물의 F 환산값: 0.9 질량% 내지 3.0 질량%,
    TiO2 ≤ 0.30 질량%,
    ZrO2: 0.4 질량% 내지 1.8 질량%,
    Al2O3 ≤ 0.15 질량%,
    Li 화합물의 Li 환산값: 0.01 질량% 내지 0.12 질량%, 및
    Na 화합물의 Na 환산값과 K 화합물의 K 환산값의 합계: 0.30 질량% 내지 0.90 질량%를 함유하며,
    상기 저수소계 피복 아크 용접봉은, 상기 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당,
    Mo와 Cr의 합계: 0.06 질량% 내지 1.20 질량%,
    C ≤ 0.06 질량%,
    Si와 SiO2의 합계의 Si 환산값: 1.5 질량% 내지 3.0 질량%,
    Mn: 0.9 질량% 내지 2.7 질량%, 및
    Ni: 1.2 질량% 내지 3.0 질량%를 함유하는
    저수소계 피복 아크 용접봉.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피복제는 상기 저수소계 피복 아크 용접봉의 전체 질량당 1.2 질량% 이상 10.0 질량% 이하의 Fe를 함유하는
    저수소계 피복 아크 용접봉.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 탄산염은 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염을 상기 금속 탄산염의 전체 질량당 50 질량% 내지 80 질량%의 양으로 함유하는
    저수소계 피복 아크 용접봉.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 탄산염은 75㎛ 이하의 입경을 갖는 금속 탄산염을 상기 금속 탄산염의 전체 질량당 50 질량% 내지 80 질량%의 양으로 함유하는
    저수소계 피복 아크 용접봉.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기의 수학식 1의 값이 5 내지 50인
    저수소계 피복 아크 용접봉.
    [수학식 1]
    (1.22×[Na]＋1.49×[K])/[Li]
    여기에서, [Na]는 상기 피복제 중에 있어서의 Na 화합물의 Na 환산값의 함유량(질량%)이고, [K]는 상기 피복제 중에 있어서의 K 화합물의 K 환산값의 함유량(질량%)이며, [Li]는 상기 피복제 중에 있어서의 Li 화합물의 Li 환산값의 함유량(질량%)이다.
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