KR102025551B1 - 고강도 Ni-Cr-Mo-W-Nb-Ti 용접 생성물 및 이를 사용한 용접 및 용착 방법 - Google Patents

고강도 Ni-Cr-Mo-W-Nb-Ti 용접 생성물 및 이를 사용한 용접 및 용착 방법 Download PDF

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Abstract

17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50% 알루미늄, 0.0005 내지 0.100% 탄소, 2.0% 미만의 철, 5.0% 미만의 코발트, 및 잔량 니켈(여기서, 상기 니켈은 56.0 내지 65.0%이다)을 중량%로 포함하는 용접 충전제 금속 또는 용접 충전제 금속 생성물이 제공된다. 상기 용접 충전제 금속으로부터 형성된 용착물이 용접된 그대로의 조건에서 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는다. 또한 17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50% 알루미늄, 0.0005 내지 0.100% 탄소, 8% 미만의 철, 5.0% 미만의 코발트, 및 잔량 니켈(여기서, 상기 니켈은 56.0 내지 65.0%이다)을 중량%로 포함하는 용착물이 제공된다. 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는다.

Description

고강도 Ni-Cr-Mo-W-Nb-Ti 용접 생성물 및 이를 사용한 용접 및 용착 방법{HIGH STRENGTH Ni-Cr-Mo-W-Nb-Ti WELDING PRODUCT AND METHOD OF WELDING AND WELD DEPOSIT USING THE SAME}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 4월 4일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/975,358호 및 2014년 5월 6일자로 출원된 미국 가출원 번호 제61/989,188호에 대한 우선권을 주장하고 상기 출원 둘다는 이들의 전문이 본원에 참조로 인용된다.
본 발명은 고강도 Ni-Cr-Mo-W-Nb-Ti 용접 충전제 금속 및 용착물 및 상기 용접 충전제 금속을 사용한 용착물을 생성시키는 방법에 관한 것이고, 보다 특히 용접된 그대로의 조건에서 높은 항복 강도를 갖는 용착물을 제조하기 위해 사용되는 Ni-Cr-Mo-W-Nb-Ti 용접 충전제 금속에 관한 것이다.
원유의 연안 탐사, 개발 및 생산 동안에, 매우 고가의 "레이 바아지(lay barge)"의 사용 시간을 최소화하기 위해 신속하게 파이프를 설치할 필요가 있다. 이러한 필요성은 "스풀 베이스(Spool Base)"로 불리우는 설비에서 마른 땅 위에 절단한 면과 다른 한끝을 봉합하는 긴 길이의 용접된 ID 클래드(Clad) 파이프를 "릴링(Reeling)"시킨다는 개념에 의해 충족된다. 이들 설비는 작동하기에 매우 고가이고 긴 길이의 고강도 ID-clad X-65, X-70, 및 X-80 파이프의 제조, 용접, 일련의 연속된 NDE 조사 및 코팅을 위한 베이스내 다수의 스테이션(station)을 갖는다. 해양에 있는 동안, 릴의 말단부를 연결하는 것은 심지어 레이-바아지 작동의 상승된 비용으로 인해 스풀 베이스에서 요구되는 것 보다 시간에 민감하다. 스풀 베이스 작동자 및 레이-바아지 용접자는 INCO-WELD 충전제 금속 725NDUR과 같은 석출-경화 용접 금속을 사용하는 것을 꺼리고 이는 석출 경화를 통해 고강도를 나타내는데 승온 유지 시간을 필요로 하고 이는 공정을 서행시키고 이는 아마도 고강도 강철 파이프 상에 안 좋은 효과를 나타나게 하기 때문이다.
이들 "스풀 베이스"를 가장 효율적으로 작동하게 하기 위한 열망으로, 보다 신속한 용접 때문에 가스 금속 아크 용접(GMAW)이 사용된다.
따라서, INCONEL® 합금 625 (58.0% min. Ni, 20.0-23.0% Cr, 5.0% max. Fe, 8.0-10.0% Mo, 3.15-4.15% Nb, 0.10% max. C, 0.50% max. Mn, 0.50% max. Si, 0.015% max. P, 0.015% max. S, 0.40% max. Al, 0.40% max. Ti, 및 1.0% max. Co, 중량%로) 보다 사워 유 및 가스 적용에서 동일하거나 약간 우수한 내식성을 나타내는 가스 금속 아크 용접 공정과 함께 사용될 수 있는 용접 와이어가 필요하다. 상기 와이어는 용접된 베이스 강철 각각 보다 용접된 그대로의 조건에서 보다 큰 항복 강도를 제공하면서 아메리칸 석유 산업 명세서 5L (API 5L) X-65, X-70, 및 X-80 강철로 만들어진 ID-클래드 고강도 파이프를 용접하기 위해 필요하다. 바람직한 용접 금속은 용접되는 파이프에 대해 특정된 최소 항복 강도 보다 큰 대략 14.5 ksi (100 MPa)인 항복 강도를 갖는데 그 이유는 횡단 2-두께 (2T) 180도 굽힘(bend)이, 사용되는 실제 파이프 상에 수행되어야하고 횡단 인장 시험이 베이스 금속에서 실패해야함을 요구하는 자격요건 때문이다. 추가로, 보다 나은 강도는 용접점에서 또는 이의 부근에서 킹킹(kinking)의 가능성 없이 "릴링"을 촉진시키기 위해 요구될 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 % 중량을 기준으로 다음을 포함하는 용접 충전제 금속에 관한 것이다: 17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50%의 알루미늄, 0.0005 내지 0.100%의 탄소, 2.0% 미만의 철, 5.0% 미만의 코발트, 및 잔량 니켈(여기서, 상기 니켈은 56.0 내지 65.0%이다). 상기 용접 충전제 금속으로부터 형성된 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는다. 용접 충전제 금속은 64.0%의 최대 니켈, 22.0%의 최대 크롬, 10.5%의 최대 몰리브덴, 9.5%의 최대 텅스텐, 4.5%의 최대 니오븀, 1.5%의 최대 탄탈, 2.5%의 최대 티탄, 1.25%의 최대 알루미늄, 0.075%의 최대 탄소, 1.0%의 최대 철, 및 4.0%의 최대 코발트를 포함할 수 있다. 상기 용접 충전제 금속은 57.0%의 최소 니켈, 18.0%의 최소 크롬, 5.5%의 최소 몰리브덴, 3.5%의 최소 텅스텐, 3.3%의 최소 니오븀, 1.3%의 최소 티탄, 0.10%의 최소 알루미늄 및 0.005% 최소 탄소를 포함할 수 있다. 상기 용접 충전제 금속은 62.0%의 최대 니켈, 21.0%의 최대 크롬, 9.0%의 최대 몰리브덴, 8.0%의 최대 텅스텐, 4.0%의 최대 니오븀, 1.0%의 최대 탄탈, 2.0%의 최대 티탄, 1.00%의 최대 알루미늄, 0.050%의 최대 탄소, 0.5%의 최대 철, 및 2.5%의 최대 코발트를 포함할 수 있다. 상기 용접 충전제 금속은 58.0%의 최소 니켈, 19.0%의 최소 크롬, 6.0%의 최소 몰리브덴, 4.0%의 최소 텅스텐, 3.5%의 최소 니오븀, 1.4%의 최소 티탄, 0.15%의 최소 알루미늄, 및 0.010%의 최소 탄소를 포함할 수 있다. 상기 용접 충전제 금속은 최소 3.5% 니오븀 + 탄탈을 포함할 수 있다. 상기 용접 충전제 금속은 최대 6.0% 니오븀 + 탄탈을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 용접 충전제 금속을 위해 상기된 조성을 갖는 용접 충전제 금속 생성물에 관한 것이다. 상기 용접 충전제 금속 생성물로부터 형성된 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는다. 상기 용접 충전제 금속 생성물은 튜브형 와이어 또는 용융제 와이어 형태로 존재할 수 있다.
본 발명은 또한 다음을 포함하는 용착물에 관한 것이다: 17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50%의 알루미늄 , 0.0005 내지 0.100%의 탄소, 8.0% 미만의 철, 5.0% 미만의 코발트, 및 잔량 니켈(여기서, 상기 니켈은 56.0 내지 65.0%이다). 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는다. 상기 용착물은 64.0% 최대 니켈, 22.0%의 최대 크롬, 10.5%의 최대 몰리브덴, 9.5%의 최대 텅스텐, 4.5%의 최대 니오븀, 1.5%의 최대 탄탈, 2.5%의 최대 티탄, 1.25%의 최대 알루미늄, 0.075%의 최대 탄소, 7.0%의 최대 철, 및 4.0%의 최대 코발트를 포함할 수 있다. 상기 용접 충전제 금속은 57.0%의 최소 니켈, 18.0%의 최소 크롬, 5.5%의 최소 몰리브렌, 3.5%의 최소 텅스텐, 3.3%의 최소 니오븀, 1.3%의 최소 티탄, 0.10%의 최소 알루미늄, 및 0.005%의 최소 탄소를 포함할 수 있다. 상기 용착물은 62.0%의 최대 니켈, 21.0%의 최대 크롬, 9.0%의 최대 몰리브덴, 8.0%의 최대 텅스텐, 4.0%의 최대 니오븀, 1.0%의 최대 탄탈, 2.0%의 최대 티탄, 1.00%의 최대 알루미늄, 0.050%의 최대 탄소, 5.0%의 최대 철 및 2.5%의 최대 코발트를 포함할 수 있다. 상기 용착물은 58.0%의 최소 니켈, 19.0%의 최소 크롬, 6.0%의 최소 몰리브덴, 4.0%의 최소 텅스텐, 3.5%의 최소 니오븀, 1.4%의 최소 티탄,0.15%의 최소 알루미늄, 및 0.010%의 탄소를 포함할 수 있다. 상기 용착물은 최소 3.5% 니오븀 + 탄탈을 포함할 수 있다. 상기 용착물은 최대 6.0% 니오븀 + 탄탈을 포함할 수 있다.
상기 용착물은 미세하게 분산된 제2 상 입자를 포함하는 미세구조를 가질 수 있다. 상기 제2 상 입자는 5㎛ 미만일 수 있다. 상기 용착물의 연신율은 적어도 20%일 수 있다. 상기 용착물의 인성은 -50°F에서 적어도 50J일 수 있다.
본 발명은 또한 상기된 바와 같은 용접 충전제 금속 또는 용접 충전제 금속 생성물을 포함하는 용착물을 제공하고, 상기 용접 충전제 금속 또는 용접 충전제 금속 생성물을 용융시키고 냉각시켜 용착물을 생성시킴을 포함하는, 용착물을 제조하고; 용융 및 냉각 동안에 상기 용착물의 철 희석을 제한하여 용접된 그대로의 용착물이 8% 미만의 철을 함유도하도록 하고 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는 방법에 관한 것이다. 상기 용접 충전제 금속 또는 용접 충전제 금속 생성물의 용융 및 냉각은 가스 금속 아크 용접 (GMAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에 의해 성취될 수 있다. 상기 용접 충전제 금속 또는 용접 충전제 금속 생성물은 2개의 강철 성분 사이에 협소한 그루브 연결체에서 용융되고 냉각될 수 있고, 여기서, 상기 협소한 그루브 연결체는 2 내지 5도의 협각을 갖는다. 상기 강철 성분은 니켈 합금을 갖는 적어도 하나의 측면상의 클래드일 수 있다.
본 발명은 또한 용접된 그대로의 조건에서 상기된 조성을 갖고 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는 용착물에 의해 연결된 65 ksi(448 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는 적어도 2개의 고강도 강철 성분을 포함하는 용접물에 관한 것이다.
도 1은 작은 제2 상 입자를 보여주는 본 발명의 용착물의 한 구체예의 미세구조에 대한 스캐닝 전자 현미경이고;
도 2는 인장 시험 후 본 발명의 용접 충전제 금속 HV1654으로 용접된 X-65 파이프의 샘플 사진이고;
도 3은 인장 시험 후 본 발명의 용접 충전제 금속 HV1708로 용접된 X-65 파이프의 샘플 사진이다.
본원에 언급된 모든 항복 강도는 0.2% 오프셋에서 측정하였고 모든 조성물은 중량%로 나타낸다.
본 발명은 용접 충전제 금속 및 용착물, 및 바람직하게 사워 유에서 INCONEL® 합금 625 (58.0% min. Ni, 20.0-23.0% Cr, 5.0% max. Fe, 8.0-10.0% Mo, 3.15-4.15% Nb, 0.10% max. C, 0.50% max. Mn, 0.50% max. Si, 0.015% max. P, 0.015% max. S, 0.40% max. Al, 0.40% max. Ti, 및 1.0% max. Co)와 동일하거나 약간 양호한, 우수한 내식성을 나타내는 용착물을 성취하기 위해 용접 충전제 금속을 사용하는 방법에 관한 것이고 가스 적용은 여전히 용접된 그대로의 조건에서 용접된 베이스 강철, 아메리칸 석유 산업 명세서 5L (API 5L) X-65, X-70, 및 X-80 강철의 각각 보다 높은 항복 강도를 제공한다. 상기 용착물은 바람직하게 용접된 파이프에 대해 특정된 최소 항복 강도 보다 높은 적어도 14.5 ksi (100 MPa)인 용접된 그대로의 항복 강도를 갖는다.
65 ksi (448 MPa)의 요구되는 최소 항복 강도를 갖는 X-65 파이프에 대해, 전형적인 항복 강도는 약 72-74 ksi (496-510 MPa)이고 최고 예상되는 항복 강도는 약 75-77 ksi (517-531 MPa)이다. 또한, 70 ksi (483 MPa)의 요구되는 최소 항복 강도를 갖는 X-70 파이프에 대해, 전형적인 항복 강도는 75-77 ksi (517-531 MPa)이고, 최고 예상되는 항복 강도는 약 80-82 ksi (552-565 MPa)이고, 80 ksi (552 MPa)의 요구되는 최소 항복 강도를 갖는 X-80 파이프에 대해, 전형적인 항복 강도는 약 84-86 ksi (579-593 MPa)이고 최대 예측되는 항복 강도는 약 88-90 ksi (607-621 MPa)이다. 따라서, 용접되고 있는 파이프에 대해 특정된 최소 항복 강도 보다 높은 적어도 14.5 ksi (100 MPa)의 항복 강도를 갖는 용착물을 갖기 위해서는 79.8 ksi (550 MPa) 최소, 84.8 ksi (585 MPa) 최소, 및 94.5 ksi 최소 (652 MPa)의 용착물 항복 강도가 각각 X-65, X-70, 및 X-80 파이프에 대해 요구된다.
표 1은 X-65, X-70, 및 X-80 파이브의 전형적이고 예측된 최대 항복 강도를 보여주고, 전형적인 최소 항복 강도는 이들 파이프에서의 용착물을 위해 요구되고, 이들 파이프에서 본 발명의 용착물의 목적하는 최소 용접 강도, 7개의 시판되는 용접 충전 금속의 용착물의 항복 강도 (이의 일부는 X-65에 대해 사용되어 왔다) 및 본 발명에 따라 제조된 5개의 용착물에 대한 항복 강도이다. 표 2는 표 1에 열거된 용접 충전 금속에 대한 조성을 보여준다. 석출 경화 합금 INCO-WELD® 725NDUR을 포함하는 시판되는 용접 충전제 금속의 모든 7개는 낮고, 일관되지 않은 용접된 그대로의 강도를 나타내고 7개의 시판되는 용접 충전제 금속을 사용하여 제조된 상기 용착물 중 어느 것도 보다 높은 강도 파이프의 요건을 꾸준히 충족하기에 충분한 항복 강도를 갖는다. 다른 석출 경화 내식 용접 와이어가 가용하지만 이들은 충분한 강도를 성취하기 위해서는 시간 소모적인 용접후 가열 처리(pwht)를 요구하고 이는 이들을 매력적이지 않게 한다.
[표 1]
Figure 112018066347313-pat00001
[표 2]
Figure 112018066347313-pat00002
본 발명은 다음을 포함하는 용접 충전제 금속에 관한 것이다: 17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50%의 알루미늄, 0.0005 내지 0.100%의 탄소, 2.0% 미만의 철, 5.0% 미만의 코발트, 및 잔량 니켈(여기서, 상기 니켈은 56.0 내지 65.0%이다). 바람직하게는 19.0 내지 21.0%의 크롬, 6.0 내지 9.0%의 몰리브덴, 4.0 내지 8.0%의 텅스텐, 3.5 내지 4.0%의 니오븀, 0 내지 1.0%의 탄탈, 1.4 내지 2.0%의 티탄, 0.20 내지 1.00%의 알루미늄, 0.005 내지 0.050%의 탄소, 0.5% 미만의 철, 2.5% 미만의 코발트, 및 잔량 니켈(여기서, 상기 니켈은 58.0 내지 62.0%이다)을 포함한다.
니켈 (Ni) - 니켈은 상기 양의 용질 원자를 용해시킬 수 있는 연성의 내식성 매트릭스를 제공하기 위해 이롭다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 상기 니켈 함량은 적어도 56.0%, 바람직하게 적어도 57.0%, 및 보다 바람직하게 58.0%이도록 조절된다. 그러나, 과도한 양의 니켈은 강화 및 내식 성분의 양을 제한하는데 해로운 효과를 갖는다. 따라서, 상기 니켈 함량은 최대 65.0%, 바람직하게는 최대 64.0%, 및 보다 바람직하게는 최대 62.0%이도록 조절된다.
크롬(Cr) - 크롬은 내식 및 일부 강화를 위해 이롭다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 크롬 함량은 적어도 17.0%, 바람직하게는 적어도 18.0%, 및 보다 바람직하게 적어도 19.0% 이도록 조절된다. 그러나, 과량의 크롬은 CTE 및 연성에 해로운 효과를 갖는다. 따라서, 상기 크롬 함량은 최대 23.0%, 바람직하게는 최대 22.0%, 및 보다 바람직하게는 최대 21.0%이도록 조절된다.
알루미늄 (AD) - 알루미늄은 충전제 금속을 탈산화시키고 감마 프라임 강화를 제공하기 위해 이롭다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 상기 알루미늄 함량은 적어도 0.005%, 바람직하게 적어도 0.10%, 보다 바람직하게 적어도 0.15%, 및 보다 더 바람직하게 적어도 0.20%이도록 조절된다. 그러나, 과량의 알루미늄은 고온-균열 내성(hot-cracking resistance) 및 표면 청결에 대해 해로운 효과를 갖는다. 따라서, 상기 알루미늄 함량은 최대 1.50%, 바람직하게 최대 1.25%, 및 보다 바람직하게 최대 1.00%이도록 조절된다.
니오븀 (Nb) - 니오븀은 제2 상 입자의 석출에 의해 강화시키기 위해 이롭다. 목적하는 제2 상을 성취하기 위해, 상기 니오븀 함량은 적어도 3.0%, 바람직하게 적어도 3.3%, 및 보다 바람직하게 적어도 3.5%이도록 조절된다. 그러나, 너무 많은 니오븀은 고온-균열 민감성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 니오븀 함량은 최대 5.0%, 바람직하게 최대 4.5%, 및 보다 바람직하게 최대 4.0%이도록 조절된다.
몰리브덴 (Mo) - 몰리브덴은 내식 및 고체 용액 매트릭스 강화를 위해 이롭다. 이것은 또한 용접 충전제 금속을 강화시키는 Mu 상을 형성한다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 상기 몰리브덴 함량은 적어도 5.0%, 바람직하게 적어도 5.5%, 및 보다 바람직하게 적어도 6.0%이도록 조절된다. 그러나, 보다 높은 양의 몰리브덴은 제조 동안에 용접 충전제 금속의 고온 작업을 복잡하게 할 수 있다. 따라서, 상기 몰리브덴 함량은 최대 12.0%, 바람직하게는 최대 10.5%, 및 보다 바람직하게는 최대 9.0%이도록 조절된다.
텅스텐 (W) - 텅스텐은 강화 및 내식을 위해 이롭다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 상기 텅스텐 함량은 적어도 3.0%, 바람직하게 적어도 3.5%, 및 보다 바람직하게 적어도 4.0%, 및 최대 11.0%, 바람직하게 최대 9.5%, 및 보다 바람직하게 최대 8.0%이도록 조절된다.
탄탈(Ta) - 탄탈은 Nb 처럼 강화를 위해 이롭고 미세구조 상의 조절을 위해 Nb와 관련하여 조정될 수 있다. 상업적 조건하에, 탄탈은 의도적으로 부가되지 않는다 해도 적어도 1 ppm의 양으로 존재하는 것으로 예측된다. 탄탈은 2.0%를 초과하지 말아야 하고, 바람직하게는 1.5%를 초과하지 말아야 하고, 바람직하게는 1.0%를 초과하지 말아야 한다.
니오븀 + 탄탈 (Nb + Ta) - 니오븀 및 탄탈은 둘다 제2 상 형성제 및 강화제이고, 따라서 제2 상의 조절을 위해 조정될 수 있지만; 총량은 적어도 3.0%, 바람직하게 적어도 3.3%, 및 보다 바람직하게 적어도 3.5% 및 최대 7.0%, 바람직하게 최대 6.0%, 및 바람직하게 최대 5.0%이다.
티탄(Ti) - 티탄은 제2 상 형성 뿐만 아니라 다공성 조절 및 감마 프라임 형성을 위해 이롭다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 상기 티탄 함량은 적어도 1.2%, 바람직하게 적어도 1.3%, 및 보다 바람직하게 적어도 1.4%이도록 조절된다. 그러나, 너무 많은 티탄은 에타 상의 형성을 유발한다. 따라서, 상기 티탄 함량은 최대 3.0%, 바람직하게 최대 2.5%, 및 보다 바람직하게 최대 2.0% 이도록 조절된다.
탄소 (C) - Ti 및 Nb와 연계된 탄소는 제2 상 형성 뿐만 아니라 용접된 그대로의 용착물의 낟알 크기 조절을 위해 이롭다. 목적하는 효과를 성취하기 위해, 상기 탄소 함량은 적어도 0.0005%, 바람직하게 적어도 0.005%, 빛 보다 바람직하게 적어도 0.010% 및 최대 0.100%, 바람직하게 최대 0.075, 및 보다 바람직하게 최대 0.050%이도록 조절된다.
코발트 (Co) - 코발트는 측정가능한 방식으로 경도를 증가시키고 인장 및 항복 강도를 높이는데 기여하는 매트릭스-강화 성분이다. 그러나, 비용 때문에, 이의 부가를 최대 5.0%, 바람직하게 최대 4.0% 및 보다 바람직하게 촤대 2.5%로 제한하는 것이 바람직할 수 있다.
철(Fe) - 용접 충전제 금속에서의 철은 용착물에서 철을 낮게 유지시키기 위해서는 2.0% 미만, 바람직하게 1.0% 미만, 및 보다 바람직하게 0.5% 미만으로 조절 되어야 한다. 용착물 중에 과도한 철은 용접된 그대로의 조건에서 항복 강도를 감소시킨다.
규소 (Si) - 규소는 소량으로 푸들(puddle) 유동성을 개선시키는데 도움이 될 수 있지만 보다 높은 수준에서는 고온-균열 또는 고화 균열에 증가된 민감성을 유도할 수 있다. 따라서, 상기 규소 함량은 최대 0.75%, 바람직하게 0.50% 이하, 보다 바람직하게 0.25% 이하, 및 가장 바람직하게 0.15% 이하이도록 조절된다.
망간 (Mn) - 망간은 M23C6 형성을 방지하기 위해 최대 3.0%, 바람직하게 2.0% 이하, 보다 바람직하게 1.0% 이하, 및 가장 바람직하게 0.20% 이하이어야 한다.
황 (S). 인 (P). 칼슘 (Ca), 및 마그네슘 (Mg) - 황 및 인은 불순물로서 존재할 수 있고 다음과 같이 제한되어야만 한다: 0.002% 미만의 황, 0.010% 미만의 인, 및 보다 바람직하게 0.005% 미만의 인. 반면, 칼슘 및 마그네슘이 부가될 수 있고 0.006% 미만의 칼슘, 및 보다 바람직하게 0.005% 미만의 칼슘, 및 0.020% 미만의 마그네슘, 및 보다 바람직하게 0.010% 미만의 마그네슘으로 조절되어야 한다.
본 발명의 조성을 갖는 5개의 용접 충전제 금속이 제조되었다. 이들 용접 충전제 금속의 조성은 표 2에 나타낸다. 2회 기계적 성질 시험은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)을 사용하여 제조된 종축의 모든 용접 금속 시험편을 사용하여 용접된 그대로의 조건에서 본 발명의 용착물 중 4개에 대해 수행하였다. 2개의 조건을 시험하였다. 제1 조건은 용접 충전제 금속의 15-20% 철 희석물을 갖고 제2 조건은 용접 충전제 금속의 5% 미만의 철 희석물을 갖는다. 상기 결과는 표 3 및 4에 나타내고, 이의 비교는 높은 철 희석물이 항복 강도에 대해 해로운 효과를 가짐을 보여준다.
표 5a는 5% 미만의 철 희석물을 갖는 용접된 그대로의 조건에서 제5의 본 발명의 용접 충전제 금속의 차르피 V 노치 충격 성질을 보여주고 용접점이 9.4% Fe를 함유하는 경우 표 5b에 나타낸 값과 비교할 수 있다.
[표 3]
Figure 112018066347313-pat00003
[표 4]
Figure 112018066347313-pat00004
[표 5a]
Figure 112018066347313-pat00005
[표 5b]
Figure 112018066347313-pat00006
표 3, 4, 5a 및 5b에서의 기계적 성질로부터 알 수 있는바와 같이, 본 발명의 용접 충전제 금속이 15%-20% Fe로 희석되는 경우, 항복 강도는 철 희석물이 5% 미만인 경우 보다 낮은 약 20 ksi (138 MPa)이다. 또한, 본 발명의 용접 충전제 금속이 9% 초과의 Fe로 희석되는 경우, 충격 성질은 희석이 5%미만의 Fe로 조절되는 경우 보다 상당히 낮다. 따라서, 용착물 중 Fe는 8.0% 미만, 바람직하게 7.0% 미만, 및 보다 바람직하게 5.0% 미만으로 유지되어야 한다. 철 희석물은 보다 높은 항복 및 충격 강도를 촉진시키면서 제2 상 입자 분말도를 유지하는 낮은 열 투입을 유지함에 의해 낮은 값으로 조절될 수 있다. 항복 및 충격 강도의 최고 값을 위해, 용접의 열 투입은 50 kJ/in 미만, 바람직하게 45 kJ/in 미만, 및 보다 바람직하게 40 kJ/in 미만이어야 한다. 동시에, 보다 낮은 열 투입은 일반적으로 후속적 비드 또는 패스의 열 투입과 함께 이전의 비드 또는 패스의 강화를 증가시키는 보다 많은 용접 비드 또는 패스를 요구한다.
용착물은 적어도 72 ksi (496 MPa), 바람직하게 적어도 78 ksi (538 MPa), 및 보다 바람직하게 적어도 80 ksi (552 MPa)의 항복 강도, 적어도 20%, 바람직하게 적어도 25%, 및 보다 바람직하게 적어도30%의 연신율, -50°F에서 적어도 50J의 인성, 바람직하게 -50°F에서 적어도 70J, 및 보다 바람직하게 -50°F에서 적어도 100J 및 200-400 HV 사이의 경도를 갖는다.
용착물의 미세구조는 수지상간 영역에서 제2 상 입자를 함유한다. 제2 상 입자는 도 1에 나타내고 이는 본 발명의 용접 충전제 금속 HV 1655를 사용하여 제조된 용착물의 미세구조의 스캐닝 전자 현미경이다. 상기 제2 상 입자들은 원칙적으로 5㎛ 미만이고 0.5㎛ 미만일 수 있다.
상기 제2 상 입자는 텅스텐 및 몰리브덴으로 경직된 매트리스로 고화 및 냉각 강하시 석출되고 다수의 용접 비드 또는 패스의 강화 효과와 커플링된 이의 조합은 예상치않게 높은 항복 강도를 제공한다. 입자의 분말도 및 밀도는 용착물의 극히 높은 충격 인성 및 높은 연신율에 기여한다. 상기 조합은 강도가 선행 기술의 용착물에서 증가됨에 따라 인성 및 연성이 일반적으로 감소되기 때문에 매우 높은 강도의 니켈 합금 용착물에서 예상되지 않는다.
상당량의 니오븀 및 티탄 (INCO-WELD® C-276, INCONEL® Alloy 622, INCO-WELD® 686CPT®, Phyweld NCW, Alloy 59)을 함유하지 않는 선행 기술 분야의 용접 충전제 금속에 대해서 알 수 있는 바와 같이, 60-65 ksi (414-448 MPa) 범위에서 용착물의 항복 강도가 달성된다. 또한, 230- W® 충전제 금속 용착물의 인장 시험은 68-78 ksi (469-538 MPa) 범위에 있는 항복 강도를 결정하였다. 따라서, 니오븀 및 티탄 부가 없이 니켈 매트릭스에서 3% 몰리브덴과 함께 14%의 고함량의 텅스텐은 본 발명의 용접 충전제 금속의 높은 용착물 강도를 생성시키지 못한다. 용접 충전제 금속에서 철의 낮은 함량 및 용접 공정으로부터의 철 희석물의 낮은 함량과 커플링된 본 발명의 용접 충전제 금속에서 3.0-5.0% 니오븀 및 1.2-3.0% 티탄은 72-92 ksi (496-634 MPa) 정도의 항복 강도를 나타낸다. 또한, 용접 공정의 열 투입이 충전 금속의 낮은 철 함량 및 용접에서 낮은 철 희석물에서 낮은 철 함량의 보다 낮은 값으로 조절되는 경우,83-95 ksi (572-655 MPa) 정도의 항복 강도가 나타나는 것으로 사료된다.
선행 기술의 용접 충전제 금속은 열 처리에 의한 제2 상의 조절에 포커싱되었지만, 본 발명의 용접 충전제 금속에 대한 석출 및 조절 장치는 고화 및 냉각 강하를 통한 용융으로부터 효과적이기 때문에, 본 발명의 충전제 금속은 용접된 그대로의 조건에서 높은 용착물 강도와 함께 고속 조립을 성취하기 위해 사용될 수 있다.
시판되는 보증된 4" 직경 INCONEL® 합금 625 ID 클래드 X-65 파이프는 본 발명의 용접 충전제 금속의 시험을 위해 수득하였다. 용접되지 않은 파이프 샘플의 기계적 시험은 87.2 ksi (601 MPa) (4개 시험의 평균, 표 6)인 항복 강도를 결정한다. 기계적 성질을 기준으로, 상기 로트의 파이프는 X-65, X-70, 및 X-80 파이프로서 2회 또는 3회로 보증받았다. 표 7은 상기 로트의 파이프의 조성을 제공한다. 상기 파이프는 X-65, X-70, 또는 X-80 파이프로서 2회 또는 3회 보증받았기 때문에, X-70 및 X-80 파이프의 전형적인 조성물은 약 1.5-1.7%의 약간 높은 Mn을 갖는 것과 유사하다.
[표 6]
Figure 112018066347313-pat00007
[표 7]
Figure 112018066347313-pat00008
원주 그루브 용접물은 낮은 Fe 희석 기술과 함께 GTAW 공정을 사용한 본 발명의 용접 충전제 금속 본 발명의 용접 충전제 금속 HV1654, HV1655, 및 HV1708을 사용한 X-65 파이프에서 제조하였고, 여기서, 단지 측벽이 충분하게 용융되어 측벽으로 매우 적게 침투된 융합체를 수득하였다. 횡단 인장 시험은 용접된 파이프상에 수행하였다. T-2 및 T-3 둘다의 시험편을 제조하고 시험하였다. 표 8은 HV1654 용접 충전제 금속과 함께 제조된 용접된 파이프에 대한 횡단 인장 결과를 보여주고 시험편 모두는 열에 영향받은 존 (HAZ) 및 융합선으로부터 이탈된 베이스 금속에서 실패하였음을 보여준다. 도 2는 인장 시험 후 2개의 표본을 보여준다. 이들 결과는 용접 충전제 금속 HV1654의 강도가 X-65 파이프를 용접하기 위해 사용되는 경우80.9 ksi (558 MPa) 초과임을 지적한다. 횡단 굽힘 시험을 또한 수행하고 결점 없이 통과하였다.
표 9는 용접 충전제 금속 HV1708을 사용하여 용접된 X-65 파이프에 대한 횡단 인장 시험 결과를 보여준다. 모든 시험편은 융합선 및 HAZ로부터 이탈된 베이스 금속에서 실패하였다. 이들 결과는 용접 충전제 금속 HV1708의 강도가 X-65 파이프를 용접하기 위해 사용되는 경우 86.7 ksi(598 MPa) 초과임을 지적한다. 도 3은 실패된 인장 시험편을 보여준다.
[표 8]
Figure 112018066347313-pat00009
[표 9]
Figure 112018066347313-pat00010
이전의 데이터를 기준으로, 본 발명의 용접 충전제 금속이 고강도의 INCONEL® 합금 625 IP 클래드 X-65, X-70, 및 X-80 강철 파이프를 연결하기 위해 사용될 수 있고 베이스 금속에서 실패한 수용가능한 굽힘 시험 및 인장 시험을 나타냄을 알 수 있다. 이들 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 베이스 금속 보다 강하고 -50°F에서 차르피 V 노치 시험에서 매우 높은 인성을 제공한다. 높은 항복 강도 및 인성 둘다가 용접된 그대로의 조건에서 존재하는 것은 예상치 않은 것이다. 이러한 성질의 조합은 몰리브덴 및 텅스텐 경직된 니켈 및 크롬의 매트릭스내에 제2 상 입자의 미세한 분산에 의해 생성된다. 이들 입자는 고화 및 냉각 강하 동안에 용융물로부터 석출되고 임의의 선행 기술 분야의 내식 니켈 기반 용접 충전제 금속을 사용해서는 성취되지 않았던 용접된 그대로의 성질을 제공한다. 니켈 매트릭스내 Cr, Mo, 및 W를 기반으로, 이들 용착물은 ASTM G-48 환경에서 시험되는 경우 INCONEL® 합금 625 용착물의 내식성과 적어도 동등한 우수한 내식성을 나타내어야만 한다. 균열 팁 개방 대체 (CTOD) 결과 및 내피로성은 또한 우수해야 한다.
상기 용접 충전제 금속은 튜브형 와이어 및 용융제 와이어를 포함하는 임의의 적합한 형태로 공급될 수 있다. 고체 와이어는 통상적인 고체 용액 니켈 합금으로서 제조되지만 비교적 고온의 어닐링을 요구하고 다른 니켈 합금 보다 더 빈번하게 어닐링되어야만 한다. 상기 공정은 재용융될 수 있는 잉곳의 통상적인 진공 용융, 주조 및 빌릿(billet)을 형성하기 위한 상기 잉곳의 고온 후처리를 포함한다. 상기 빌릿은 이어서 고온 롤링시켜 와이어/로드를 형성한다. 상기 와이어/로드는 2000°F (1093°C) 이상에서 어닐링되는, 200ksi(1379 MPa) 초과의 인장 강도로 냉각 유도되고 최종 크기로 재유도된다. 어닐링된 조건에서, 상기 와이어는 120-140 ksi (827-965 MPa)의 인장 강도를 가질 수 있다.
용접 충전제 금속은 임의의 적합한 용접 공정,바람직하게 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 함께 사용될 수 있다. 용접 공정 동안에, 용접 충전제 금속은 용융되고 냉각되어 용착물을 형성한다. 용접 시간 및 용착물의 철 희석을 감소시키기 위해, 용접 연결체의 사이각이 소위 흔히 협소한 그루브로 불리우는 소형의 2 내지 5도이고 수직 하강 GMAW 용접 공정을 사용하여 열 투입을 감소시켜 상기 용접 공정의 비교적 신속한 운행을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 추가로, INCONEL® 합금 625 또는 유사 합금 ID 클래드 고강도 강철이 용접되는 경우, 상기 클래딩은 연결체의 측벽으로 나오는 양으로만 철 희석물의 양을 제한하는 3-4 mm의 INCONEL® 합금 625 또는 유사 용접된 금속의 베이스(이미 융합된 연결체의 뿌리)를 제공한다.
상기된 용접 충전제 금속 및 방법을 사용하여 본 발명의 용접 충전제 금속을 사용하여 제조된 용착물에 의해 연결되 적어도 2개의 고강도 강철 성분을 포함하고 상기된 성질을 갖는 용접물을 제조할 수 있다. 또한, 상기 언급된 바와 같이, 적어도 2개의 고강도 강철 성분은 INCONEL® 합금 625의 ID 클래딩을 가질 수 있는 X-65, X-70, 또는 X-80 파이프로부터 선택될 수 있다.
본 발명이 현재 가장 현질적이고 바람직한 구체예인 것으로 고려되는 것을 기준으로 설명을 목적으로 상세히 기재되었지만, 상기 세부사항은 단지 상기 목적을 위한 것이고 본 발명은 기재된 구체예로 제한되지 않는 것으로 이해되어야만 하지만, 반대로, 첨부된 특허청구범위내에 있는 변형 및 균등한 구성을 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 본 발명은 가능한 정도로 임의의 구체예의 하나 이상의 특징이 임의의 다른 구체예의 하나 이상의 특징과 조합될 수 있는 것을 고려하는 것으로 이해되어야만 한다.

Claims (21)

  1. 용착물에 의해 연결되어 65 ksi(448 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분을 포함하며,
    상기 용착물은, 56.0 내지 65.0%의 니켈, 17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50% 알루미늄, 0.0005 내지 0.100% 탄소, 8.0% 미만의 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분으로부터의 철 희석물 및 5.0% 미만의 코발트를 중량%로 포함하고,
    상기 용착물은, 용접된 그대로의 조건에서, 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도, 적어도 20%의 연신율 및 -50°F (-45oC)에서 적어도 50 J의 인성을 갖는, 용접물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 최소 3.5%의 니오븀 + 탄탈을 포함하는, 용접물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 최대 6.0%의 니오븀 + 탄탈을 포함하는, 용접물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 항에 있어서, 상기 용착물은 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분으로부터 7.0% 미만의 철 희석물을 포함하는, 용접물.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 항에 있어서, 상기 용착물은 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분으로부터 5.0% 미만의 철 희석물을 포함하는, 용접물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 78 ksi (538 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는, 용접물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 적어도 80 ksi (552 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는, 용접물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 적어도 25%의 연신율을 갖는, 용접물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 적어도 30%의 연신율을 갖는, 용접물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건의 -50oF (-45oC)에서 적어도 70 J의 인성을 가지는, 용접물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 용착물은 그대로의 조건의 -50oF (-45oC)에서 적어도 100 J의 인성을 가지는, 용접물.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 항에 있어서, 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 200-400 HV 사이의 경도를 갖는, 용접물.
  13. 용접 충전제 금속을 용융 및 냉각시켜 용착물을 65 ksi(448 MPa)의 최소 항복 강도를 갖는 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분 사이에 생성시킴으로써 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분을 연결하는 단계를 포함하는, 용착물을 제조하는 방법으로서,
    상기 용착물은, 56.0 내지 65.0%의 니켈, 17.0 내지 23.0%의 크롬, 5.0 내지 12.0%의 몰리브덴, 3.0 내지 11.0%의 텅스텐, 3.0 내지 5.0%의 니오븀, 0 내지 2.0%의 탄탈, 1.2 내지 3.0%의 티탄, 0.005 내지 1.50% 알루미늄, 0.0005 내지 0.100% 탄소, 8.0% 미만의 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분으로부터의 철 희석물 및 5.0% 미만의 코발트를 중량%로 포함하고,
    상기 용착물은, 용접된 그대로의 조건에서, 적어도 72 ksi (496 MPa)의 최소 항복 강도, 적어도 20%의 연신율 및 -50°F (-45oC)에서 적어도 50 J의 인성을 갖는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분으로부터의 상기 철 희석물은 7.0% 미만인, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분으로부터의 상기 철 희석물은 5.0% 미만인, 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 용접 충전제 금속의 용융 및 냉각이 가스 금속 아크 용접(GMAW)에 의해 성취되는, 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 항에 있어서, 상기 용접 충전제 금속을 50 kJ/in. (19.7 kJ/cm) 미만의 열 투입으로 용융하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 항에 있어서, 상기 용접 충전제 금속을 45 kJ/in. (17.7 kJ/cm) 미만의 열 투입으로 용융하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제13항 내지 제16항 중 어느 항에 있어서, 상기 용접 충전제 금속을 40 kJ/in. (15.7 kJ/cm) 미만의 열 투입으로 용융하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 용착물은 용접된 그대로의 조건에서 200-400 HV 사이의 경도를 갖는, 방법.
  21. 제13항에 있어서, 상기 적어도 둘 이상의 고강도 강철 성분은 니켈 합금을 갖는 적어도 하나의 측벽 상에서 클래드인, 방법.
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