KR101937553B1 - 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 용접 금속 - Google Patents

2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 용접 금속 Download PDF

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Abstract

[과제] 2상 스테인리스강의 아크 용접에 사용되고, 용접부의 저온 인성 및 내공식성이 우수한 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 용접 금속을 제공한다.
[해결 수단] 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 스테인리스강제의 외피 중에 플럭스를 충전한 것으로서, 와이어 전체 질량당, 소정량의 Cr, Ni, Mo, N, Mn 및 Si를 함유하고, Ti 합금의 Ti 환산값을 [Ti], Al 합금의 Al 환산값을 [Al]로 했을 때, [Ti] 및 [Al]이 소정값이고, A=[Ti]+2×[Al]로 표시되는 파라미터 A의 값이 소정값을 만족시키며, 잔부가 Fe, 슬래그 형성 성분 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

Description

2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 용접 금속{FLUX-CORED WIRE FOR ARC WELDING OF DUPLEX STAINLESS STEEL AND WELD METAL}
본 발명은 2상 스테인리스강의 아크 용접에 이용되는 플럭스 코어드 와이어 및 와이어에 의해 용접되어서 제작되는 용접 금속에 관한 것이다.
오스테나이트상과 페라이트상을 약 1:1의 비율로 포함하는 2상 스테인리스강은, 특히 강도 특성·내공식성·내응력부식균열성이 우수하기 때문에, 화학 플랜트 기기, 석유 또는 천연 가스의 굴착용 유정관, 해수 담수화 장치 등 다양한 분야에서 적용이 퍼지고 있다. 그 중에서도, 해양 구조물에 적용되는 2상 스테인리스강에는 해수 환경에서의 내공식성이 요구되기 때문에, 강재의 그레이드로서 UNS S31803, UNS S32750 상당의 것이 많이 사용되고 있다. 이와 같은 해양 구조물은, 저온 환경에서 사용되는 경우가 많고, 또한 메인터넌스 프리의 관점에서, 그 용접부에 대해서 요구되는 저온 인성도 일반적인 구조물에 대한 2상 스테인리스강의 용접부에 대한 요구와 비교해서 엄격화되고 있다. 예를 들면, -40℃ 내지 -50℃ 전후에서의 충격 흡수 에너지가 클 것이 요구되는 경향이 있다.
이 해양 구조물의 시장(이하, 간단히 「해구(海構) 시장」이라고 한다)의 요구에 대해, 종래의 플럭스 코어드 와이어에 의한 2상 스테인리스강의 MAG 용접에서는, 용융 상태의 용접 금속 중에 슬래그 성분 또는 탈산 성분 유래의 비금속 개재물이 불가피적이면서 다량으로 도입된다. 이들의 일부는 응고 종료 후에도 용접 금속 중에 잔류하여, 보이드의 형성 기점 등에서 연성 파괴의 기점으로서 작용한다. 그 때문에, 종래의 플럭스 코어드 와이어에서는, 2상 스테인리스강의 MAG 용접에 있어서 상기와 같은 저온 인성 요구를 만족시키는 것이 곤란하다.
한편, 2상 스테인리스강의 용접에 있어서, 순 Ar 가스를 이용한 TIG 용접에서는, 비금속 개재물이 적은 청정한 용접 금속이 용이하게 얻어지기 때문에, 용접부의 저온 인성이 양호하여, 해구 시장에 있어서의 주된 용접 시공법이 되고 있다. 그러나, TIG 용접은, MAG 용접과 비교하여 시공 능률의 점에서 뒤떨어지는 공법이다. 따라서, 양호한 저온 인성을 얻을 수 있는 2상 스테인리스강용 MAG 용접용 플럭스 코어드 와이어의 요구는 큰 것이다.
2상 스테인리스강의 용접에 이용되는 플럭스 코어드 와이어를 사용해서, 용접부의 저온 인성을 개선하는 수법으로서, 여러 가지의 기술이 개시되어 있다.
예를 들면, 특허문헌 1, 2에는, 플럭스 중의 Bi2O3을 규제하고, 또한 Ti, Mg, Al, 희토류 원소 등의 강탈산 원소를 와이어 중에 첨가하는 것에 의해, 용접 금속 중의 산소량을 저하시켜, 용접부의 저온 인성을 개선한 플럭스 코어드 와이어가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 와이어 중에 Ti 및 Mg를 복합으로 첨가시킴과 더불어, Ti와 N의 관계를 제어함으로써, 용접 금속의 응고 결정립을 미세화시켜, 용접부의 저온 인성을 개선한 플럭스 코어드 와이어가 개시되어 있다.
일본 특허공개 2000-176681호 공보 일본 특허공개 2011-125875호 공보 일본 특허 제4531118호 공보
그러나, 특허문헌 1, 2의 플럭스 코어드 와이어에서는, 모두 인성 개선에 대해 일정한 효과는 있지만, 특허문헌 1에서는 -46℃에서의 충격 흡수 에너지가 27J 이상인 것을, 특허문헌 2에서는 -40℃에서의 충격 흡수 에너지가 35J 이상인 것을 인성 양호라고 평가하고 있다. 따라서, 특허문헌 1, 2의 플럭스 코어드 와이어에서는, 요즈음의 해구 시장의 저온 인성 요구를 충분히 만족시킬 수 있다고는 말할 수 없다.
특허문헌 3의 플럭스 코어드 와이어는, 이른바 염가형 2상 스테인리스강재를 용접할 때에 사용되는 와이어이며, Mn 함유량이 많은 것이다. 또한, 특허문헌 3의 플럭스 코어드 와이어는, 0℃에서의 충격 흡수 에너지 향상에는 일정한 효과는 있지만, 해구 시장에 있어서의 필수 요구인 -40℃ 전후에서의 충격 흡수 에너지, 및 내공식성에 대해서 고려된 것은 아니다.
또한, 특허문헌 1∼3의 플럭스 코어드 와이어는, 모두 용접부에 있어서의 -40℃ 전후에서의 주된 파괴 기점인 비금속 개재물을 제어하는 관점에서 충격 흡수 에너지의 향상을 도모한 것은 아니다.
그래서, 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 그 과제는 2상 스테인리스강의 아크 용접에 이용되고, 용접부의 저온 인성 및 내공식성이 우수한 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 용접 금속을 제공하는 것에 있다.
상기와 같이, 플럭스 코어드 와이어에 의한 2상 스테인리스강의 MAG 용접에서는, 용접 금속 중에 비금속 개재물이 불가피적이면서 다량으로 도입되고, 이들이 연성 파괴 온도역에 있어서는 파괴 기점으로서 작용한다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 본 발명자들은, 용접 금속 중에 포함되는 비금속 개재물을 가능한 한 연성 파괴의 기점으로서 작용시키지 않음으로써, 인성을 개선시키는 방법에 대해서 예의 검토를 행했다.
그 결과, 본 발명자들은, 연성 파괴의 기점으로서 작용하고 있는 연성 파면의 보이드 바닥에 관찰되는 비금속 개재물의 대부분이 φ1.5μm 이상의 지름을 갖고 있는 것, 및 와이어 전체 질량당 Ti량, Al량 및 양자의 관계를 적절히 제어하는 것에 의해 용접 금속 중에 잔류하는 비금속 개재물의 조성을 개질할 수 있다는 것을 발견했다. 그리고, 본 발명자들은, 이와 같은 φ1.5μm 이상의 조대 개재물의 개수 밀도를 저하시킴으로써, 용접 금속의 인성을 향상시키면서 내공식성과의 양립을 도모할 수 있다는 것을 발견했다.
또한, 본 발명자들은, 슬래그 형성 성분으로서의 금속 산화물, 금속 불화물 및 알칼리 금속 화합물을 적정한 범위로 함유하는 것에 의해, 슬래그의 유동성 및 융점을 최적화하여, 가스 홈·블로우홀 등의 기공 결함이 억제된다는 것도 발견했다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 상기한 검토에 의해 이하와 같은 구성으로 했다. 즉, 본 발명에 따른 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 스테인리스강제의 외피 중에 플럭스를 충전한 것으로서, 와이어 전체 질량당, Cr: 21.0∼27.0질량%, Ni: 7.0∼11.0질량%, Mo: 2.0∼4.0질량%, N: 0.08∼0.25질량%, Mn: 0.1∼2.5질량%, Si: 0.1∼1.0질량%를 함유하고, Ti 합금의 Ti 환산값을 [Ti], Al 합금의 Al 환산값을 [Al]로 했을 때, [Ti]: 0.3∼0.8질량%, [Al]: 0.05∼0.35질량%이고, A=[Ti]+2×[Al]로 표시되는 파라미터 A의 값이 0.6∼1.20을 만족시키며, 또한 잔부가 Fe, 슬래그 형성 성분 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬래그 형성 성분을 총량으로 8∼13질량% 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 [Ti]가 0.3∼0.7질량%, 상기 [Al]이 0.05∼0.30질량%, 상기 파라미터 A의 값이 0.7∼1.20인 것이 바람직하다.
본 발명의 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의하면, Cr, Ni, Mo, N, Mn, Si를 적정한 범위로 함유한 뒤에, 와이어 전체 질량당 Ti 환산값, Al 환산값 및 양자의 관계가 도 1에 나타내는 사선부의 범위로 제어되고 있기 때문에, 2상 스테인리스강의 용접부에 있어서 -40℃ 전후의 온도역이더라도 양호한 저온 인성과 내공식성을 양립시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 상기 슬래그 형성 성분으로서 금속 산화물 및 금속 불화물을 함유하고, 와이어 전체 질량당, 상기 금속 산화물이, TiO2: 5.0∼9.0질량%, SiO2: 0.1∼2.0질량%, ZrO2: 0.5∼3.0질량%임과 더불어, 상기 금속 불화물의 불소 환산값을 [F]로 했을 때, [F]: 0.01∼0.5질량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의하면, 슬래그 형성 성분으로서 TiO2, SiO2, ZrO2를 적정한 범위로 함유한 뒤에, 와이어 전체 질량당 불소 환산값이 적절히 제어되고 있기 때문에, 저온 인성과 내공식성의 양립을 할 수 있을 뿐만 아니라, 전(全)자세 용접에서의 용접 작업성이 양호해지면서 내기공결함성도 양호해진다.
또, 본 발명에 따른 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 상기 슬래그 형성 성분으로서 Li를 포함하는 알칼리 금속 화합물을 함유하고, 상기 알칼리 금속 화합물의 Li 환산값을 [Li]로 했을 때, 와이어 전체 질량당, [Li]: 0.01∼0.15질량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의하면, 와이어 전체 질량당 Li 환산값이 적절히 제어되고 있기 때문에, 2상 스테인리스강의 용접부에 있어서 내기공결함성이 양호해진다.
본 발명에 따른 용접 금속은, 상기 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의해 용접되어서 제작되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 용접 금속에 의하면, 상기 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의해 용접되어서 제작되기 때문에, 저온 인성과 내공식성의 양립을 할 수 있을 뿐만 아니라, 전자세 용접에서의 용접 작업성이 양호해지면서 내기공결함성도 양호해진다.
본 발명에 따른 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 용접 금속에 의하면, 2상 스테인리스강의 아크 용접에 사용되었을 때에, 우수한 저온 인성, 내공식성 및 내기공결함성을 얻을 수 있다.
도 1은 종축에 와이어 중의 Ti 환산값, 횡축에 와이어 중의 Al 환산값을 취해서, 양호한 저온 인성과 내공식성의 양립이 가능한 Ti 환산값 및 Al 환산값의 범위를 나타내는 그래프 도면이다.
도 2는 하향/입향 상진 용접 이음의 개선 형상을 나타내는 모식도이다.
본 발명에 따른 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어(이하, 와이어라고 칭함)의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 와이어는, 플럭스가 외피에 내포된 플럭스 코어드 와이어이다.
여기에서, 외피는, 스테인리스강으로 이루어지고, 바람직하게는 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진다. 또한, 와이어 전체 질량에 대한 플럭스의 질량비인 플럭스 충전율은, 20∼40질량%인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 와이어에 있어서, 와이어의 단면 형상 및 와이어 지름은 여러 가지 가능하여, 용접 시공은 JIS Z 3323:2007 「스테인리스강 아크 용접 플럭스 코어드 와이어 및 용가봉」에 기초해서 행하면 되고, 그때의 실드 가스의 성분계 및 조성은 종래 공지의 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 와이어는, 스테인리스강제의 외피 중에 플럭스를 충전한 것으로서, 와이어 전체 질량당, Cr, Ni, Mo, N, Mn 및 Si를 소정량 함유하고, Ti 합금의 Ti 환산값을 [Ti], Al 합금의 Al 환산값을 [Al]로 했을 때, [Ti] 및 [Al]이 소정량이고, A=[Ti]+2×[Al]로 표시되는 파라미터 A의 값이 소정값을 만족시키며, 잔부가 Fe, 슬래그 형성 성분, 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 한편, 잔부로는, Fe, 슬래그 형성 성분 외, 플럭스 중에 K, Na, Mg 등을 아크 감의 미세조정제로서 플럭스에 소량 함유시킬 수도 있어, 본 발명의 목적에는 영향을 미치지 않는다. 이하, 와이어 성분의 수치 한정 이유에 대해서 설명한다.
(Cr: 와이어 전체 질량당 21.0∼27.0질량%)
Cr은 페라이트 안정화 원소로서 페라이트/오스테나이트상 밸런스를 조정하는 역할이 있음과 더불어, 부동태 피막의 형성 원소로서 용접부의 내공식성을 향상시키는 작용을 갖는다. Cr의 함유량이 21.0질량% 미만이면, 이 작용을 충분히 얻을 수 없다. 한편, Cr의 함유량이 27.0질량%를 초과하면, 금속간 화합물인 σ상이 석출되어 용접부의 저온 인성이 저하된다. 이 때문에, Cr의 함유량을 21.0∼27.0질량%로 규정한다. 한편, Cr 함유량의 하한은 21.5질량%가 바람직하고, 상한은 24.0질량%가 바람직하다.
(Ni: 와이어 전체 질량당 7.0∼11.0질량%)
Ni는 오스테나이트 안정화 원소로서 페라이트/오스테나이트상 밸런스를 조정하는 역할이 있음과 더불어, 용접부의 저온 인성 향상에 유효한 원소이다. Ni의 함유량이 7.0질량% 미만이면, 이 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, Ni의 함유량이 11.0질량%를 초과하면, 용접 금속 중의 오스테나이트상이 과다해져 용접부의 강도가 저하된다. 이 때문에, Ni의 함유량을 7.0∼11.0질량%로 규정한다. 한편, Ni 함유량의 하한은 8.0질량%가 바람직하고, 상한은 10.0질량%가 바람직하다.
(Mo: 와이어 전체 질량당 2.0∼4.0질량%)
Mo는 페라이트 안정화 원소로서 페라이트/오스테나이트상 밸런스를 조정하는 역할이 있음과 더불어, Cr과 함께 용접부의 내공식성을 개선하는 작용을 갖는다. Mo의 함유량이 2.0질량% 미만이면, 이 작용을 충분히 얻을 수 없다. 한편, Mo의 함유량이 4.0질량%를 초과하면, σ상의 석출이 조장되어 용접부의 저온 인성이 저하된다. 이 때문에, Mo의 함유량을 2.0∼4.0질량%로 규정한다. 한편, Mo 함유량의 하한은 2.5질량%가 바람직하고, 상한은 3.5질량%가 바람직하다.
(N: 와이어 전체 질량당 0.08∼0.25질량%)
N은 오스테나이트 안정화 원소로서 페라이트/오스테나이트상 밸런스를 조정하는 역할이 있음과 더불어, Cr, Mo와 함께 용접부의 내공식성을 개선하는 작용을 갖는다. N의 함유량이 0.08질량% 미만이면, 이 작용을 충분히 얻을 수 없다. 한편, N의 함유량이 0.25질량%를 초과하면, 내기공결함성이 저하되어서, 건전한 용접 이음을 얻는 것이 어렵다. 이 때문에 N의 함유량을 0.08∼0.25질량%로 규정한다. 한편, N 함유량의 하한은 0.10질량%가 바람직하고, 상한은 0.20질량%가 바람직하다.
(Mn: 와이어 전체 질량당 0.1∼2.5질량%)
Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 페라이트/오스테나이트상 밸런스를 조정하는 역할이 있음과 더불어, 탈산 원소로서 작용한다. 본 발명에 있어서는, 후기하는 Ti 및 Al의 탈산 효과 쪽이 커, 탈산 원소로서의 적극적인 Mn의 첨가는 반드시 필요하지는 않지만, 용접부의 상 밸런스의 관점에서, Mn의 함유량은 0.1질량% 이상으로 한다. 한편, Mn의 함유량이 2.5질량%를 초과하면, MnS를 형성하여 용접부의 저온 인성이 저하된다. 이 때문에, Mn의 함유량을 0.1∼2.5질량%로 규정한다. 한편, Mn 함유량의 하한은 0.5질량%가 바람직하고, 상한은 2.0질량%가 바람직하다.
(Si: 와이어 전체 질량당 0.1∼1.0질량%)
Si는 페라이트 안정화 원소로서 페라이트/오스테나이트상 밸런스를 조정하는 역할이 있음과 더불어, 탈산 원소로서 작용한다. 본 발명에 있어서는, 후기의 Ti 및 Al의 탈산 효과 쪽이 커, 탈산 원소로서의 적극적인 Si의 첨가는 반드시 필요하지는 않지만, 용접부의 상 밸런스의 관점에서, Si의 함유량은 0.1질량% 이상으로 한다. 한편, Si의 함유량이 1.0질량%를 초과하면, 고용 Si량의 증가에 의해 용접부의 저온 인성이 저하된다. 이 때문에, Si의 함유량을 0.1∼1.0질량%로 규정한다. 한편, Si 함유량의 하한은 0.2질량%가 바람직하고, 상한은 0.7질량%가 바람직하다.
([Ti]: Ti 합금의 Ti 환산값에 있어서 와이어 전체 질량당 0.3∼0.8질량%)
([Al]: Al 합금의 Al 환산값에 있어서 와이어 전체 질량당 0.05∼0.35질량%)
(A: 0.6∼1.20)
Ti 및 Al은 강력한 탈산 원소이며, 본 발명에 있어서의 가장 중요한 원소이다. 즉, 적정량의 Ti 및 Al을 첨가하는 것에 의해, 용융 상태의 용접 금속 중에 잔류하는 비금속 개재물의 조성을 Si-Mn계로부터 Ti-Al계 주체의 산화물로 개질할 수 있다. 용접 금속은, 이 산화물 조성으로의 변화, 특히 Si계 개재물의 저감에 의해, 개재물의 응집·성장이 억제된 결과, 연성 파괴의 기점이 되는 φ1.5μm 이상의 조대 개재물의 개수 밀도를 저감할 수 있기 때문에, -40℃ 전후에서의 용접부의 저온 인성이 개선된다.
이 작용을 충분히 얻기 위해서, 본 발명자들은, 수많은 실험적 검토에 의해 와이어 중의 Ti 및 Al 함유량과 용접부의 저온 인성·내공식성의 관계를 조사했다. 그 결과, Ti 및 Al 단독의 제어로는 효과가 불충분하여, 쌍방의 함유량을 적정화하는 것이 불가결하다는 것을 발견했다.
즉, Ti 및 Al은 Ti 합금의 Ti 환산값을 [Ti], Al 합금의 Al 환산값을 [Al], 파라미터 A=[Ti]+2×[Al]로 했을 때, [Ti]가 0.3질량% 미만, [Al]이 0.05질량% 미만, 또는 파라미터 A가 0.6 미만이면, 상기의 비금속 개재물 조성의 개질 작용이 불충분하여, φ1.5μm 이상의 조대 개재물의 개수 밀도 저감 효과를 충분히 얻을 수 없어, 원하는 용접부의 저온 인성 개선 효과가 얻어지지 않는다.
한편, Ti는 [Ti]가 0.8질량%를 초과하면, 상기의 비금속 개재물 조성의 개질에 필요해지는 것 이상의 Ti가 용융 상태의 용접 금속 중에 도입되게 된다. 이들 개재물 조성의 개질에 기여하지 않는 잉여 Ti의 일부는, 동일하게 용접 금속 중에 다량으로 존재하는 N과 반응해서 TiN을 형성한다. 그 때문에, [Ti]가 0.8질량%를 초과하면, 반대로 개재물의 응집·조대화를 초래하여 공식의 기점이 되는 리스크가 증대할 뿐만 아니라, 모상 중에 포함되는 N량이 감소하는 것에 의해, 용접부의 내공식성이 저하된다.
또한, Al은 [Al]이 0.35질량%를 초과하면, 개재물 조성이 Al2O3 주체가 되는 것에 의해 개재물의 조대화를 초래하여, 상기와 같이 용접부의 내공식성이 저하된다. 또한, Al의 탈산력은 Ti보다도 강력하기 때문에, 과잉된 Al의 첨가는 비금속 개재물 조성의 개질에 기여하지 않는 잉여 Ti를 증가시키는 것으로 이어진다. 이에 의해, [Al]이 0.35질량%를 초과하면, 간접적으로 TiN의 형성 요인이 되기 때문에, 상기와 같이 용접부의 내공식성을 저하시킬 우려가 있다.
더욱이, Ti 및 Al은 상기와 같이 Al의 첨가량에 의해 잉여 Ti의 양이 좌우되기 때문에, 와이어 전체 질량당 [Ti] 및 [Al]이 상기의 범위를 모두 만족시키는 경우이더라도, 파라미터 A가 1.20을 초과하면, 잉여 Ti의 증가에 의해, 용접부의 내공식성이 저하된다.
이상의 이유에 의해, 본 발명에 있어서는, [Ti]를 0.3∼0.8질량%, [Al]를 0.05∼0.35질량%, 또한 파라미터 A([Ti]+2×[Al])를 0.6∼1.20으로 하여, 도 1에 나타내는 바와 같은 범위로 규정한다. 바람직하게는 [Ti]가 0.3∼0.7질량%, [Al]이 0.05∼0.30질량%, 또한 파라미터 A가 0.7∼1.20의 범위이다.
한편, Ti 및 Al의 첨가 형태로서는, 금속 Ti, 금속 Al, Fe-Ti, Fe-Al 등 중 어느 형태여도 된다. 그리고, 이들 중 어느 형태라도, [Ti], [Al] 및 파라미터 A를 상기의 범위로 하는 것에 의해, 동등한 효과를 얻을 수 있다.
(잔부)
잔부는 Fe, 슬래그 형성 성분 및 불가피적 불순물로 이루어진다.
슬래그 형성 성분은, 금속 산화물, 금속 불화물, 알칼리 금속 화합물 등이다. 이들은 메탈계를 제외하는, 일반적인 MAG 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서 통상 함유되는 것으로, 특히 전자세 용접을 행할 때에는 용접 금속을 유지하기 위해서 필수가 된다. 슬래그 형성 성분의 함유량이 총량으로 8질량% 미만이면, 슬래그량이 과소하기 때문에 슬래그가 용접 금속을 균일하게 포피(包被)하지 않아, 비드 외관이 손상될 뿐만 아니라, 용접 금속의 유지력이 저하되어 전자세 용접에서 용접 작업성이 저하되기 쉬워진다. 한편, 슬래그 형성 성분의 함유량이 총량으로 13질량%를 초과하더라도, 슬래그의 포피성 및 용접 금속의 유지력은 향상되지 않을 뿐만 아니라, 슬래그량이 과다해지기 때문에, 용접 금속의 응고 시에 발생하는 가스가 슬래그/용접 금속 계면에 트랩되기 쉬워져, 피트 등의 기공 결함이 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 슬래그 형성 성분의 함유량은 총량으로 8∼13질량%가 바람직하다. 더 바람직하게는, 하한값이 9질량%이고, 상한값이 12질량%이다.
불가피적 불순물로서는, C, P, S, Cu, Nb, V, W 등이며, 본 발명의 효과를 방해하지 않는 범위로 함유되어 있어도 된다. 이 외, 플럭스 중에 K, Na, Mg 등을 아크 감의 미세조정제로서 플럭스에 소량 함유시킬 수도 있고, 본 발명의 목적에는 영향을 미치지 않는다.
다음으로, 본 발명에 따른 와이어의 바람직한 실시형태에 대해서 설명한다.
상기 와이어는, 상기 슬래그 형성 성분으로서 금속 산화물 및 금속 불화물을 함유하고, 와이어 전체 질량당, 상기 금속 산화물이 소정량의 TiO2, SiO2, ZrO2임과 더불어, 상기 금속 불화물의 불소 환산값을 [F]로 했을 때, [F]를 소정량으로 하는 것이 바람직하다. 이하, 상기 와이어 성분의 수치 한정 이유에 대해서 설명한다.
(TiO2: 와이어 전체 질량당 5.0∼9.0질량%)
TiO2는 전자세 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 슬래그 형성제의 주성분이며, 용접 금속으로의 슬래그의 덮임을 향상시켜 비드 형상을 양호하게 하는 작용을 가짐과 더불어, 슬래그의 응고를 빠르게 하여 입향·상향 용접 시의 용접 작업성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, TiO2를 소정량 함유하는 것은, 아크를 안정화하는 효과를 갖는다. TiO2의 함유량이 5.0질량% 미만이면, 이들 작용을 충분히 얻을 수 없어, 용접 작업성이 저하된다. 한편, 9.0질량%를 초과하면, 용접 시에 슬래그가 경화되어 박리성이 저하됨과 더불어, 내기공결함성이 저하된다. 이 때문에, TiO2의 함유량을 5.0∼9.0질량%로 규정한다.
(SiO2: 와이어 전체 질량당 0.1∼2.0질량%)
SiO2는 용접 금속으로의 슬래그의 덮임을 향상시켜 비드 형상을 양호하게 하는 작용을 가짐과 더불어, 비드 친화성을 향상시키는 효과가 있다. SiO2의 함유량이 0.1질량% 미만이면, 이들 작용을 충분히 얻을 수 없어, 용접 작업성이 저하된다. 한편, 2.0질량%를 초과하면, 슬래그가 경화되어 박리성이 현저하게 저하된다. 이 때문에, SiO2의 함유량을 0.1∼2.0질량%로 규정한다.
(ZrO2: 와이어 전체 질량당 0.5∼3.0질량%)
ZrO2는 슬래그의 응고를 빠르게 하여 입향·상향 용접 시의 용접 작업성을 향상시키는 효과가 있다. ZrO2의 함유량이 0.5질량% 미만이면, 이 작용을 충분히 얻을 수 없어, 용접 작업성이 저하된다. 한편, 3.0질량%를 초과하면, 슬래그 박리성이 저하된다. 이 때문에, ZrO2의 함유량을 0.5∼3.0질량%로 규정한다.
([F]: 와이어 전체 질량당 0.01∼0.5질량%)
금속 불화물은 슬래그의 유동성을 조정하는 작용이 있음과 더불어, 슬래그 박리성을 향상시킨다. 또한, 피트·블로우홀 등의 기공 결함을 억제시키는 작용을 갖는다. 따라서, F는 금속 불화물의 불소 환산값을 [F]로 했을 때, 금속 불화물의 [F]가 0.01질량% 미만이면, 이들 작용을 충분히 얻을 수 없어, 용접 작업성이 저하된다.
한편, F는 [F]가 0.5질량%를 초과하더라도, 더한층의 슬래그 박리성 개선, 내기공결함성 개선 효과는 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 슬래그의 유동성이 과대해져 입향·상향 용접이 곤란해진다. 또한, [F]가 0.5질량%를 초과하면, 퓸 발생량이 과대해짐과 더불어 아크 안정성이 저하된다. 이 때문에, F는 금속 불화물의 [F]를 0.01∼0.5질량%로 규정한다.
또한, 본 발명에 따른 와이어의 바람직한 실시형태는, 상기 와이어는, 상기 슬래그 형성 성분으로서 Li를 포함하는 알칼리 금속 화합물을 함유하고, 상기 알칼리 금속 화합물의 Li 환산값을 [Li]로 했을 때, 와이어 전체 질량당, [Li]가 소정량인 것이 바람직하다. 이하, 상기 와이어 성분의 수치 한정 이유에 대해서 설명한다.
([Li]: 와이어 전체 질량당 0.01∼0.15질량%)
Li 화합물은 Na, K 등의 알칼리 금속 화합물과 마찬가지로 아크 안정 효과를 갖는 것 외에, 2상 스테인리스강에 있어서는 기공 결함의 억제에도 매우 효과적인 원소이다. 즉, 2상 스테인리스강은, 모재 및 용접 금속 모두에 다량의 N을 함유하기 때문에, N2 가스에 의한 피트·블로우홀 등의 기공 결함이 매우 발생하기 쉬운 강종이다. 그러나, 용접부에 Li를 첨가하는 것에 의해, Li가 용접 금속 중에 포함되는 미량의 Ti 및 고용 한계를 초과하는 N과 결합하여, 슬래그로서 용접 금속 중으로부터 배출된다. 따라서, Li에는, 블로우홀 발생을 억제하는 작용이 있다. 또한, Li는 슬래그의 융점 및 점성을 함께 저하시킴으로써, 용접부에 발생하는 가스의 대기 중으로의 이탈을 촉진하여, 피트·블로우홀의 발생을 방지하는 효과도 갖는다.
Li는 Li를 포함하는 알칼리 금속 화합물의 Li 환산값을 [Li]로 했을 때, [Li]가 0.01질량% 미만이면, 이들 작용을 충분히 얻을 수 없어, 내기공결함성이 저하된다. 한편, Li는 [Li]가 0.15질량%를 초과하더라도, 더한층의 내기공결함성 개선 효과는 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 슬래그의 융점 저하가 과잉이 되어 입향·상향 용접이 곤란해진다. 또한, 퓸 발생량이 과대해지는 것 외에, 와이어의 흡습 특성이 저하된다. 이 때문에, Li는 [Li]를 0.01∼0.15질량%로 규정한다. 한편, Li를 포함하는 알칼리 금속 화합물로서는, Li 산화물, Li 불화물, Li 탄산염 등의 형태에 상관없이, 어느 형태라도 [Li]를 상기의 범위로 하는 것에 의해, 동등한 효과를 얻을 수 있다.
상기의 바람직한 실시형태의 와이어에 있어서는, 슬래그 형성 성분으로서, 상기에서 규정한 각종 성분 이외에도, 여러 가지의 금속 산화물, 금속 불화물 및 알칼리 금속 화합물을 함유할 수 있다. 예를 들면, 상기의 TiO2, ZrO2, SiO2, 금속 불화물, Li 화합물 외에, Al2O3, MgO, MnO2, Na2O, K2O 등을 포함해도 된다. 단, 상기 Al2O3 등의 슬래그 형성 성분의 총합은 3질량% 미만인 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따른 용접 금속의 실시형태에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 용접 금속은, 상기 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의해 용접되어서 제작된다. 그리고, 용접 금속은, 상기 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의해 용접되어서 제작되기 때문에, 저온 인성, 내공식성 및 내기공결함성이 우수한 것이 된다. 한편, 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 성분 조성 등에 대해서는, 상기와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예와 그 비교예에 의해, 본 발명의 효과를 구체적으로 설명한다.
우선, 표 1에 나타내는 바와 같은 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강을 외피로 하고, 이 외피를 원통 형상으로 성형하면서, 그의 내부에 플럭스를 충전함으로써, 와이어 전체 질량당으로 표 4에 나타내는 조성을 갖는 실시예 및 비교예의 플럭스 코어드 와이어를 제작했다.
한편, 플럭스 충전율은 27질량%로 했다.
다음으로, 도 2에 나타내는 바와 같이, 판 두께가 20mm인 2상 스테인리스강으로 이루어지는 모재(1)의 개선면에, 개선 각도가 60°가 되도록 경사면을 형성했다. 그 후, 모재(1)끼리를 루트 갭이 6mm가 되도록 배치하고, 개선이 좁아지는 측에 세라믹제의 뒷댐재(2)를 배치했다. 한편, 모재의 조성은 표 2에 나타내는 대로이다.
그리고, 상기 플럭스 코어드 와이어를 이용해서 표 3에 나타내는 용접 조건에서 상기 모재(1)를 용접하여, 300mm 길이의 하향 및 입향 상진 용접 이음을 제작했다. 제작한 하향 용접 이음에 대해서, 이하에 나타내는 방법으로 용접부의 저온 인성, 내공식성에 대해서 평가했다. 내기공결함성에 대해서는, 입향 상진 용접에 있어서는, 하향 용접보다도 결함이 발생하기 쉽기 때문에, 입향 이음에 대해서 이하에 나타내는 방법으로 평가했다.
(저온 인성)
하향 용접 이음의 판 두께 방향 중앙 및 용접 금속의 폭 방향 중앙부로부터 각각 AWS A5.22에 준거한 10mm×10mm, 2mm-V 노치의 샤르피 충격 시험편을 3본 채취, -40℃에서의 충격 시험을 실시하여, 충격 흡수 에너지의 평균값을 산출했다. 이때, 충격 흡수 에너지의 평균값(vE-40℃)이 70J 미만인 것을 「×」, 70J 이상 80J 미만인 것을 「△」, 80J 이상인 것을 「○」라고 평가했다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.
(내공식성)
하향 용접 이음의 용접 금속부로부터 각각 ASTM G48 A법에 준거한 시험편을 채취하고, 22℃, 72시간의 공식 시험을 행하여, 부식 속도를 산출했다. 이때, 부식 속도가 10mdd 이상인 것을 「×」, 10mdd 미만 5mdd 이상인 것을 「△」, 5mdd 미만인 것을 「○」라고 평가했다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.
(내기공결함성)
입향 상진 용접 이음의 덧붙임을 각각 판면까지 평탄하게 연삭한 후, X선 투과 시험에 의해 용접부의 내기공결함성을 평가했다. 이때, 용접부에 φ1.5mm를 초과하는 블로우홀이 존재하는 것을 「×」, φ0.8mm 이상 φ1.5mm 이하의 블로우홀이 존재하는 것을 「△」, 블로우홀이 존재하지만 φ0.8mm 미만인 것 또는 블로우홀이 존재하지 않는 것을 「○」라고 평가했다. 그 결과를 표 5에 나타낸다. 한편, 이번 내기공결함성의 결과는, 「○」와 「△」뿐이고 「×」인 것은 없었다.
(종합 평가)
종합 평가로서, 3항목 중 적어도 1개가 「×」인 것을 「×: 불량」, 3항목 중 1개가 「△」이고 나머지가 「○」인 것을 「○: 양호」, 3항목 전부가 「○」인 것을 「◎: 극히 양호」라고 평가했다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.
Figure 112017014399738-pat00001
Figure 112017014399738-pat00002
Figure 112017014399738-pat00003
Figure 112017014399738-pat00004
Figure 112017014399738-pat00005
표 4, 표 5에 나타내는 바와 같이, 실시예 No. 1∼16은 플럭스 코어드 와이어의 조성이 본 발명의 범위를 만족하므로, 용접부의 성능이 양호했다. 특히, 실시예 No. 1∼9에 대해서는, 플럭스 코어드 와이어의 조성이 본 발명의 보다 바람직한 범위를 만족하기 때문에, 실시예 No. 10∼16과 비교해서 더 양호한 결과가 얻어졌다.
비교예 No. 17∼26은 플럭스 코어드 와이어의 조성이 이하의 점에서 본 발명의 범위를 만족하지 않기 때문에, 실시예 No. 1∼16에 비해서 용접부의 성능이 불량했다.
구체적으로는, 비교예 No. 17은 Al은 하한값 미만이고, 또한 파라미터 A도 하한값 미만이기 때문에, 저온 인성이 뒤떨어졌다. 비교예 No. 18은 파라미터 A가 하한값 미만이기 때문에, 저온 인성이 뒤떨어졌다. 비교예 No. 19는 Al이 하한값 미만이기 때문에, 저온 인성이 뒤떨어졌다. 비교예 No. 20은 [Ti]가 하한값 미만이기 때문에, 저온 인성이 뒤떨어졌다.
비교예 No. 21은 [Ti]가 상한값을 초과하기 때문에, 내공식성이 뒤떨어졌다. 또한, 비교예 No. 21은 TiO2량도 하한값 미만이기 때문에, 전자세 용접성도 저하되었다. 비교예 No. 22는 [Al]이 상한값을 초과하기 때문에, 내공식성이 뒤떨어졌다. 비교예 No. 23은 파라미터 A가 상한값을 초과하기 때문에, 내공식성이 뒤떨어졌다. 또한, 비교예 No. 23은 SiO2량도 상한값을 초과하기 때문에, 슬래그 박리성도 뒤떨어졌다.
비교예 24는 [Ti]가 상한값을 초과하기 때문에, 내공식성이 뒤떨어졌다. 비교예 No. 25는 [Ti], 파라미터 A가 상한값을 초과하기 때문에, 내공식성이 뒤떨어졌다. 비교예 No. 26은 Ni량이 하한값 미만, Mn이 상한값을 초과하기 때문에, 저온 인성이 뒤떨어졌다. 또한, 비교예 No. 26은 Mo가 하한값 미만이기 때문에, 내공식성이 뒤떨어졌다.
1: 모재
2: 뒷댐재

Claims (10)

  1. 스테인리스강제의 외피 중에 플럭스를 충전한 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어로서, 와이어 전체 질량당,
    Cr: 21.0∼27.0질량%,
    Ni: 7.0∼11.0질량%,
    Mo: 2.0∼4.0질량%,
    N: 0.08∼0.25질량%,
    Mn: 0.1∼2.5질량%,
    Si: 0.1∼1.0질량%를 함유하고,
    Ti 합금의 Ti 환산값을 [Ti], Al 합금의 Al 환산값을 [Al]로 했을 때,
    [Ti]: 0.3∼0.7질량%,
    [Al]: 0.05∼0.30질량%이고,
    A=[Ti]+2×[Al]로 표시되는 파라미터 A의 값이 0.7∼1.20을 만족시키며, 잔부가 Fe, 슬래그 형성 성분 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
    상기 슬래그 형성 성분으로서 금속 산화물 및 금속 불화물을 함유하고, 와이어 전체 질량당,
    상기 금속 산화물이,
    TiO2: 5.0∼9.0질량%,
    SiO2: 0.1∼2.0질량%,
    ZrO2: 0.5∼3.0질량%임과 더불어,
    상기 금속 불화물의 불소 환산값을 [F]로 했을 때,
    [F]: 0.01∼0.5질량%인 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬래그 형성 성분으로서 Li를 포함하는 알칼리 금속 화합물을 함유하고,
    상기 알칼리 금속 화합물의 Li 환산값을 [Li]로 했을 때, 와이어 전체 질량당,
    [Li]: 0.01∼0.15질량%인 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  10. 제 1 항에 기재된 2상 스테인리스강용 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의해 용접되어서 제작되는 것을 특징으로 하는 용접 금속.
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