KR101995029B1

KR101995029B1 - 작업성이 우수한 저온용 티그 용접용 와이어

Info

Publication number: KR101995029B1
Application number: KR1020180017770A
Authority: KR
Inventors: 김건우; 박상민
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-07-02

Abstract

작업성이 우수한 저온용 티그 용접용 와이어가 제공된다.
본 발명의 용접용 와이어는, 중량%로 C: 0.06~0.15%, Si: 0.80~1.15%, Mn: 1.40~1.85%, P: 0.020% 이하, S: 0.025% 이하, Ni, Cr, Al 및 Cu: 각 0.030% 이하, Mo+ Ti: 0.010% 이하, N₂와 O₂: 각 50ppm 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 관계식 1 및 관계식 2에 의해 정의되는 값이 각각 0~1 사이를 만족하도록 조성되어 있다.

Description

작업성이 우수한 저온용 티그 용접용 와이어{Gas Tungsten Arc Welding Wire}

본 발명은 연강이나 50Kg급의 저온용강 용접에 사용되는 티그 용접 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, -50℃의 저온에서 27J 이상의 충격인성을 보장하며 작업성이 우수한 티그 용접용 와이어에 관한 것이다.

티그용접은 해양플랜트나 석유화학플랜트의 파이프 배관 및 발전 설비의 피팅제에 주로 사용되며 이음용접 및 덧살 용접에 사용된다. 티그용접이 가장 많이 활용되는 분야는 파이프 배관분야로 기본적으로 오비탈 용접이 가능해야 한다. 오비탈 용접을 수행하기 위해서는 전자세 용접이 가능해야 하므로 우수한 용착성과 이면비드성, 비드퍼짐성 등의 작업성이 요구된다.

티그용접은 기본적으로 MIG나 MAG 용접에 비해 아크가 안정적이며 균일한 비드외관을 얻을 수 있으나, 강재가 저온 충격인성을 요구하는 경우에는 작업성과 저온 충격인성을 동시에 확보하기는 어렵다.

종래 티그용접이 필요한 연강이나 50Kg급 탄소 강관에는 저온 충격인성이 요구되지 않았다. 하지만 저온 환경에서의 파이프 공사 수요에 따라 파이프 이음 용접시(Girth welding) 저온 충격인성이 요구되는 티그 용접재료의 수요도 증가하고 있다. 종래 탄소강용 티그와이어는 저온 충격인성 부분이 고려되지 않아 티그 와이어의 성분 설계가 작업성을 맞추는 초점이 이루어져 작업성이 양호하면 저온 충격인성이 저하되고, 저온 충격인성이 양호하면 작업성이 저하되는 단점이 있었다.

그러므로 저온 충격인성이 요구되는 티그 와이어에서는 Ni, Cr, Mo 등의 합금이 첨가된 60Kg급이상의 고장력강용 티그와이어를 사용해왔으나, 고장력강 티그와이어는 합금 원소의 영향으로 작업성과 비드외관이 50Kg급 이하의 티그 와이어 대비 저하되는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은, 합금 원소의 첨가 없이 기본적인 강의 성분만으로 함량을 적절히 제어하여 작업성과 저온 충격인성을 동시에 만족시키는 티그 용접용 와이어를 제공함을 목적으로 한다. 즉, 강의 기본 5성분(C, Si, Mn, P, S)과 탄소강에서 불순물로 해당되는 Ni, Cr, Mo 등을 최소로 제어하여 비드 퍼짐성을 좋게 하고 이면 비드 형성이 양호한 용착성과 -50℃의 저온에서 27J 이상의 충격인성을 제공하는 티그 용접용 와이어를 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로 C: 0.06~0.15%, Si: 0.80~1.15%, Mn: 1.40~1.85%, P: 0.020% 이하, S: 0.025% 이하, Ni, Cr, Al 및 Cu: 각 0.030% 이하, Mo+ Ti: 0.010% 이하, N₂와 O₂: 각 50ppm 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1 및 관계식 2에 의해 정의되는 값이 각각 0~1 사이를 만족하도록 조성되어 있는 TIG 용접용 와이어에 관한 것이다.

[관계식 1]

(100(C-0.05)-1)×(10(Si-0.7)-1)×(10(Mn-1.35)-1)

[단, 관계식 1의 3개의 항에서 각 항의 결과값이 모두 정수이거나 모두 소수일 때 유효함]

[관계식 2]

(10(Si-0.7)-1)×((1000(S-0.014)-1))/5)

[단, 관계식 2의 2개의 항에서 각 항의 결과값이 모두 정수이거나 모두 소수일 때 유효함]

상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 비드 퍼짐성과 이면비드 형성이 우수한 특성이 있어 용접사가 용접작업을 하기 수월하며 저온 환경(-50℃)에서도 우수한 충격인성을 갖는 용접부를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명의 티그용접용 와이어는, 중량%로 C: 0.06~0.15%, Si: 0.80~1.15%, Mn: 1.40~1.85%, P: 0.020% 이하, S: 0.025% 이하, Ni, Cr, Al 및 Cu: 각 0.030% 이하, Mo와 Ti: 각 0.010% 이하, N₂와 O₂: 각 50ppm 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 관계식 1 및 관계식 2에 의해 정의되는 값이 0~1 사이를 만족하도록 조성되어 있다.

먼저, 본 발명의 티그용접용 와이어의 조성성분 및 그 함량 제한사유를 설명한다. 한편 여기에서 제시된 %는 중량%임을 밝혀 둔다.

· C: 0.06~0.15%

탄소는 용접부의 강도를 향상시키고 저온 충격인성을 확보 할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소이다. 용접부의 기계적 성능을 제어하기 위한 가장 핵심적인 역할을 하는 원소로써 일정범위로 함량을 제한함이 바람직하다. 탄소함량이 0.06%미만이면 용접부의 인장특성이 저하되며 0.15%초과되면 인성저하와 탄소당량 과대로 균열감수성이 증가된다. 따라서 탄소의 함량은 0.06~0.15%로 제한함이 바람직하다.

·Si: 0.80~1.15%

실리콘은 강탈산제로 용융금속의 점성을 결정하고 용접부의 기계적 성능을 제어하는 원소이다. Si함량이 0.8% 미만이면 탈산력이 줄어들어 점성이 증가되고 비드퍼짐이 저하된다. 1.15%초과하면 과탈산되어 슬래그량이 과다해져 비드외관이 지저분해질 뿐만 아니라 인장강도가 과대해져 인성이 저하되므로 실리콘 함량은 0.80~1.15%로 제한함이 바람직하다.

·Mn: 1.40~1.85%

망간은 실리콘과 더불어 강탈산제로 실리콘과 유사한 역할을 하며 저온 안정상인 오스테나이트를 생성시키는 주요 성분이다. Mn함량이 1.40% 미만이면 충분한 오스테나이트가 생성되지 않아 저온 충격인성이 불안정해지며, 1.85% 초과하면 고온균열감수성이 증가되고 슬래그량이 과다해져 비드외관이 지저분해지므로 망간함량은 1.40~1.85%로 제한함이 바람직하다.

·P: 0.020% 이하

인은 강의 불순물로써 결정입계에 편석되어 취성을 유발하므로 0.020% 이하로 제한함이 바람직하다.

·S: 0.025% 이하

황은 용접재료에서는 필수적인 원소로써 표면활성화 원소이다. 표면장력을 제어하여 비드퍼짐성을 결정한다. 하지만 그 함량이 과대할 경우 FeS, MnS등 저융점화합물을 형성하므로 인성을 저하시킨다. 그러므로 0.025% 이하로 제한함이 바람직하다.

·Ni, Cr, Cu 및 Al: 각 0.030% 이하

탄소강에서 Ni, Cr, Cu는 제강원료상 불순물로 포함되므로 그 함량이 낮을수록 좋다. 그리고 알루미늄은 강탈산제로 용착금속의 산소함량을 낮춰 용접부의 기계적 성능을 향상시킬 수 있다. 알루미늄의 함량이 과대하면 Al₂O₃ 등의 비금속개재물을 증가시키므로 용접부의 건전성을 저하 시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 Ni, Cr, Cu 및 Al 각각의 함량을 0.030% 이하로 제한함이 바람직하다.

·Mo+ Ti: 0.010% 이하

탄소강에서 Mo과 Ti은 제강원료상 불순물로 포함되므로 그 함량이 낮을수록 좋다. 따라서 두 원소의 합을 0.010% 이하로 제한함이 바람직하다.

·N₂와 O₂: 각 50ppm 이하

N₂는 용접부의 강도를 증가시키는 원소이나 TiN등의 질화물을 형성하여 입계에 편석이 발생될 경우 용접부의 건전성을 저하시킨다. O₂는 Si, Mn, Al 등의 탈산제에 의해 탈산되고 용접부에 잔량으로 남는 성분이다. 산소는 용접부에 Si, Mn, Al 등과 결합하여 비금속게재물을 생성하여 인성을 저하시킬 수 있으므로 두 원소 모두 50ppm 이하로 제한함이 바람직하다.

·[관계식 1]

(100(C-0.05)-1)×(10(Si-0.7)-1)×(10(Mn-1.35)-1)[단, 관계식 1의 3개의 항에서 각 항의 결과값이 모두 정수이거나 모두 소수일 때 유효함]

C, Si, Mn은 용접부의 기계적 성능을 결정하는 주요 성분으로 탄소강에서는 3가지 성분만으로 용접부의 인장강도, 충격인성을 제어 할 수 있다. 본 관계식 1은 저온 충격인성을 만족하기 위한 C, Si, Mn의 유효함량을 계산하여 하나의 수식으로 도출한 결과 값이다. 본 발명에서 상기 관계식 1에 의해 정의되는 값이 0~1임이 바람직하다. 만일 본 발명에서 해당 범위 미만의 값이면 용접부에 충분한 강도를 확보할 수 없고 탈산력이 저하되어 표면결함을 유발 할 수 있으며, 해당범위를 초과하는 값이면 용접부가 경화되어 인장강도가 과대해지거나 균열에 취약해져 저온 충격인성이 불안정해질 수 있다.

·[관계식 2]

(10(Si-0.7)-1)×((1000(S-0.014)-1))/5)[단, 관계식 2의 2개의 항에서 각 항의 결과값이 모두 정수이거나 모두 소수일 때 유효함]

본 발명에서 Si, S는 용융금속의 유동특성을 결정하는 주요성분으로 비드퍼짐성과 이면비드 형성에 핵심적인 역활을 한다. 일반적으로 Si, S는 표면 활성화 원소로써 용탕의 표면장력과 용용금속의 점성을 제어한다.

본 발명에서는 상기 관계식 2에 의해 정의되는 값이 0~1임이 바람직하며, 본 관계식 2는 용접 작업성을 만족하기 위한 Si, S의 유효함량을 계산하여 하나의 수식으로 도출한 결과 값이다. 따라서 본 발명에서 해당 범위 미만의 값이면 비드퍼짐성이 저하되어 용입이 얕아질 뿐만 아니라 이면비드 형성이 어려워지고, 해당 범위를 초과하는 값이면 비드퍼짐성이 과대해지고 슬래그량이 증가하여 전체적인 용접부 외관이 저하될 수 있다.

또한 상기 성분 이외에 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 2.4mm의 티그 와이어를 제조한 후, 이를 사용하여 두께 13mm의 SS400 모재에 하기 표 2에 나타낸 용접조건으로 용접성을 실시하였다. 그리고 이러한 용접 작업으로 와이어 조성별로 작업성(비드퍼짐, 이면비드성)과 저온 충격인성을 평가하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 한편 하기 표 3에서 비드퍼짐성과 이면비드성은 용접작업자의 관능 평가를 통해 우수(○), 보통(△), 불량(×)으로 평가하였다.

구분		조성성분(중량%)													관계식1	관계식2
구분		C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Al	Cu	Ti	N₂	0₂	관계식1	관계식2
발 명 예	1	0.062	0.82	1.54	0.015	0.017	0.015	0.026	0.001	0.021	0.013	0.002	26	30	0.04	0.08
	2	0.068	0.83	1.52	0.012	0.016	0.012	0.021	0.001	0.016	0.016	0.001	20	43	0.17	0.06
	3	0.065	0.85	1.56	0.016	0.018	0.021	0.029	0.002	0.025	0.019	0.001	15	29	0.28	0.30
	4	0.070	0.90	1.55	0.011	0.020	0.017	0.024	0.000	0.012	0.018	0.001	35	40	1.00	1.00
	5	0.064	0.85	1.51	0.015	0.019	0.026	0.029	0.002	0.024	0.021	0.001	20	27	0.12	0.40
비 교 예	1	0.062	0.85	1.44	0.014	0.011	0.024	0.019	0.000	0.016	0.011	0.002	60	31	-0.01	-0.40
	2	0.072	0.96	1.56	0.018	0.017	0.022	0.019	0.001	0.022	0.017	0.001	45	58	2.11	0.64
	3	0.068	0.85	1.48	0.017	0.003	0.028	0.025	0.000	0.021	0.028	0.003	38	26	0.12	-1.20
	4	0.062	0.84	1.52	0.013	0.004	0.025	0.019	0.000	0.023	0.026	0.001	32	19	0.06	-0.88
	5	0.075	0.93	1.60	0.012	0.016	0.013	0.021	0.001	0.012	0.023	0.004	58	62	2.93	0.26
	6	0.076	0.89	1.56	0.013	0.012	0.016	0.021	0.001	0.026	0.024	0.001	40	21	1.58	-0.54
	7	0.081	0.86	1.55	0.015	0.016	0.018	0.023	0.002	0.019	0.021	0.002	90	21	1.26	0.12
	8	0.085	0.91	1.55	0.014	0.006	0.023	0.018	0.001	0.027	0.014	0.006	75	51	2.75	-1.98
	9	0.087	0.89	1.52	0.019	0.016	0.019	0.026	0.000	0.028	0.022	0.002	80	20	1.70	0.18
	10	0.09	0.90	1.55	0.013	0.02	0.029	0.027	0.001	0.015	0.015	0.002	42	34	3.00	1.00

*표 1에서 N2와 O2의 함량 단위는 ppm임

그리고 관계식 1은 (100(C-0.05)-1)×(10(Si-0.7)-1)×(10(Mn-1.35)-1)이며, 관계식 2는(10(Si-0.7)-1)×((1000(S-0.014)-1))/5)이다.

보호가스	100%Ar
극성	DC-
용접전류	220A
용접속도	20~25cpm

구분		-50℃ 충격인성(J)	비드 퍼짐성	이면비드성
발명예	1	86	○	○
	2	72	○	○
	3	70	○	○
	4	51	○	○
	5	62	○	○
비교예	1	26	△	△
	2	15	○	○
	3	69	×	×
	4	81	×	×
	5	15	○	○
	6	26	△	△
	7	22	○	○
	8	19	×	×
	9	16	○	○
	10	8	○	○

상기 표 1-3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 와이어 조성성분 범위를 만족하는 와이어를 이용한 발명예 1~5는 모두 용접 작업성이 우수하고 양호한 비드외관를 얻을 수 있으며, 나아가, -50℃ 저온 충격인성 또한 만족하며 표면에 용접결함 발생이 없는 건전한 용접부를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 특히, 관계식 1의 값이 0에 가까워 질수록 저온 충격인성이 양호하게 나타나는 경향을 확인할 수 있다.

이에 반하여, 비교예 3-4는 관계식 1을 만족하여 -50℃ 저온 충격인성은 만족하지만, 관계식 2를 만족하지 못하여 비드퍼짐 및 이면비드성이 현저히 저하되었다.

또한 비교예 2, 5, 7, 9 및 10은 관계식 1을 만족하지 못하지만 관계식 2를 만족하여 용접작업성은 양호하지만 저온 충격인성이 저하됨을 확인할 수 있다.

그리고 비교예 1, 6 및 8은 관계식 1-2를 모두 만족하지 못하기 때문에 용접작업성과 저온 충격인성 모두 저하되어 본 발명에는 적합하지 않았다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

중량%로 C: 0.06~0.15%, Si: 0.80~1.15%, Mn: 1.40~1.85%, P: 0.020% 이하, S: 0.025% 이하, Ni, Cr, Al 및 Cu: 각 0.030% 이하, Mo+ Ti: 0.010% 이하, N₂와 O₂: 각 50ppm 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1 및 관계식 2에 의해 정의되는 값이 각각 0~1 사이를 만족하도록 조성되어 있는 TIG 용접용 와이어.
[관계식 1]
(100(C-0.05)-1)×(10(Si-0.7)-1)×(10(Mn-1.35)-1)
[단, 관계식 1의 3개의 항에서 각 항의 결과값이 모두 정수이거나 모두 소수일 때 유효함]
[관계식 2]
(10(Si-0.7)-1)×((1000(S-0.014)-1))/5)
[단, 관계식 2의 2개의 항에서 각 항의 결과값이 모두 정수이거나 모두 소수일 때 유효함]