KR102034470B1

KR102034470B1 - 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법

Info

Publication number: KR102034470B1
Application number: KR1020150100414A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 이카이; 겐 야마시타; 시게키 니시야마; 도모아키 나카니시; 마사토 야마다; 다다시 이케우치; 이쿠오 마에다; 도시아키 후카다; 시게노부 남바; 히토시 하타노
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2019-10-21
Also published as: CN105269127B; JP6209135B2; KR20160010340A; JP2016022503A; CN105269127A

Abstract

본 발명의 과제는 개량 9Cr-1Mo 강의 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접에 있어서, 용접 능률이 우수한 동시에, 슬래그 박리성 및 비드 상태가 양호하고, 용접 금속의 고온화의 발생을 억제할 수 있는 용접 방법을 제공하는 것이다. 해결 수단으로서, 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법은, C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Al, Ti, Zr, N을 소정량 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 개량 9Cr-1Mo 강을 모재로 하여, C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, V, Nb, N, O를 소정량 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 와이어 직경이 4.0㎜φ인 용접 와이어를 이용하고, 상기 용접 와이어와 소정의 염기도의 용접 플럭스의 조합으로, 수하 특성을 나타내는 교류 전원을 이용하여, 선행극의 와이어 송급 속도 V_L, 후행극의 와이어 송급 속도 V_T, 용접 속도 v, 단위 길이당의 용착량을 소정으로 하는 조건으로 용접하는 것을 특징으로 한다.

Description

협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법{NARROW-GAP TANDEM SUBMERGED ARC WELDING PROCESS}

본 발명은 서브머지 아크 용접법(submerged arc welding process)에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 개량 9Cr-1Mo 강에 대한 협개선(狹開先) 내의 탠덤 서브머지 아크 용접 방법에 관한 것이다.

탈황, 중유 분해를 실행하는 화학 반응 용기(리액터)는 중유의 유효 이용, 석유 정제의 효율화에 사용되는 압력 용기이다. 리액터는, 고온, 고압으로 운전되기 때문에, 재료로서는, 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1.0Mo, 2.25Cr-1.0Mo-V 강 등의 페라이트계 내열강이 적용된다. 현재, 2.25Cr-1.0Mo-V 강이 주재료이며, 그 설계 온도는 일반적으로 454℃까지이다. 최근, 중유의 유효 이용이나 석유 정제에 있어서, 더욱 고효율화가 요구되고 있으며, 설계 온도 500℃ 전후에서의 운전이 가능해지는 개량 9Cr-1Mo 강제의 리액터의 연구 개발이 적극적으로 진행되고 있다.

개량 9Cr-1Mo 강은 9Cr-1Mo 강에 Nb 및 V를 첨가하여, 고온 강도의 향상을 도모한 강이다. 예를 들면, ASTM(American Society for Testing and Materials : 미국 재료 시험 협회) 혹은 ASME(American Society of Mechanical Engineers : 미국 기계 협회) 규격에 규정된 SA335Gr. P91 및 SA213Gr. T91 등이 있다. 개량 9Cr-1Mo 강은, 그 대다수는 화력 발전용의 보일러 분야에서 실적이 있다.

리액터는, 판두께 50㎜ 이상, 내경 3~5m, 전체 길이 수십 m, 중량 수백 톤의 종형(縱型) 원통형상의 압력 용기이다. 리액터의 동체(胴體)는, 판을 감아서 용접한 링 혹은 단조 링의 단부를 기계 가공하여, 링끼리를 둘레 용접함으로써 제조된다. 그 때문에, 구조상, 압력 용기에서 차지하는 용접부의 비율이 커지기 때문에, 용접 재료의 저감, 용접의 고능률화가 강하게 요구되고 있다. 일반적으로, 용접 재료의 저감에 대해서는, 개선폭(開先幅)을 좁게 또한 개선 각도를 작게 함으로써, 용접부를 저감하는 방법이 있다. 또한, 고능률화에 대해서는, 최초층으로부터 최종층까지를 탠덤 전극으로 서브머지 아크 용접하는 방법이 있다. 그렇지만, 용접 시의 고온 균열에 대해서는, 모두 불리한 조건이 되기 때문에, 그 억제 기술의 개발이 과거에 검토되고 있었다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 개선 폭이 10~25㎜, 개선 각도가 15도 이하인 협개선을 서브머지 아크 용접에 의해 1층 1패스로 용접함에 있어서, 선행 전극으로서 1.6~3.2㎜의 전극을, 또한 후행 전극으로서 4.0~4.8㎜φ의 전극을 각각 사용하는 동시에, 전극간 거리를 50~150㎜로 하고, 소결형 플럭스를 이용하여 용접하는 것을 특징으로 하는 내로우 갭 서브머지 아크 용접 방법이 개시되어 있다.

이러한 용접 방법에서는, 탠덤 용접으로 전극 간 거리를 50~150㎜로 함으로써, 비드 형상비(비드 깊이 H/비드 폭 W)를 억제하고 있다. 그 때, 선행 전극의 와이어 직경을 1.6~3.2㎜φ, 후행 전극의 와이어 직경을 4.0~4.8㎜φ로 하고 있다. 이것에 의해, 고온 균열의 발생을 억제하고 있다.

일본 특허 공개 제 1985-177966 호 공보

그러나, 종래의 기술에 있어서 이하의 문제가 있다.

특허문헌 1에 있어서, 실시예에 기재되어 있는 용접용 솔리드 와이어는 연강이다. 여기서, 개량 9Cr-1Mo 강과 공재(共材)로 구성된 용접용 솔리드 와이어는 연강과 공재로 구성된 용접용 솔리드 와이어와 비교하여, 줄(Joule) 발열이 크기 때문에, 용착량이 커져 고온 균열의 감수성이 높아진다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 방법만으로, 개량 9Cr-1Mo 강의 용접에 있어서의 고온 균열에 대한 과제를 해결하는 것은 어렵다. 또한, 선행의 전극에서 형성한 슬래그가, 후행의 전극에서 충분히 용해할 수 없는 리스크도 있어, 리액터의 둘레 용접과 같은 고품질이 요구되는 개소에 적절하지 않다.

또한, 후판(厚板)을 고능률로 용접하기 위해서는, 용접 입열을 높여서, 즉, 용접 전류, 아크 전압을 높여서, 용접 속도를 낮게 하는 것이 유효하다. 그러나, 용접 입열을 높이면, 특히 협개선에서는 비드 형상이 배형(梨型)이 되기 쉬워, 고온 균열의 발생 리스크가 높아진다. 여기서 문제되는 고온 균열은, 용접 금속 내에 포함되는 P, S, Si, Nb 등의 저융점 화합물이 응고 시에 덴드라이트(dendrite) 사이나 오스테나이트 결정입계에 편석하고, 용접 수축 변형이 가해져서 발생하는 이른바 응고 균열이다

그 때문에, 고온 균열의 억제책으로서, 와이어의 성분, 구체적으로는, P, S 등의 불순물을 초고순도(Extra High Purity) 용해에 의해 100ppm 이하로 억제하는 것도 효과적이다. 그렇지만, 초고순도 용해는 전자 비임 용해나 전용의 특수 노벽 내화재를 사용해야만 하므로 경제적으로 난점이 있다. 이 때문에, 일반적인 불순물 레벨에서도, 고온 균열의 발생을 억제할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

또한, 본 발명에서 대상으로 하는 개량 9Cr-1Mo 강과 공재로 구성된 용접용 솔리드는, 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1.0Mo, 2.25Cr-1.0Mo-V 강과 공재로 구성된 각 용접용 솔리드 와이어와 비교하여, 줄 발열이 높고, 용착량이 커지기 때문에, 고온 균열 감수성이 보다 높아지고 있다. 따라서, 개량 9Cr-1Mo 강에 대하여 고온 균열의 발생을 억제할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

또한, 탠덤 서브머지 아크 용접에서는, 용접 능률의 향상에 부가하여, 양호한 슬래그 박리성이나, 비드의 상태가 양호한 것도 요구된다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 과제는, 개량 9Cr-1Mo 강의 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접에 있어서, 용접 능률이 우수한 동시에, 슬래그 박리성 및 비드의 상태가 양호하고, 용접 금속의 고온 균열의 발생을 억제할 수 있는 용접 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 예의 연구한 결과, 이하의 사항을 발견했다.

협개선 탠덤 용접에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과, 본 발명에서 규정한 성분의 모재, 용접 와이어, 용접 플럭스를 사용하여, 선행극 및 후행극의 와이어의 송급 속도, 용접 속도, 양자의 비로 산출되는 단위 길이당의 용착량을 규정하는 것에 의해, 고온 균열의 발생을 억제할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

즉, 본 발명에 따른 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법은, C : 0.08~0. 0.12 질량%, Si : 0.20~0.50 질량%, Mn : 0.30~0.60 질량%, P : 0.020 질량% 이하, S : 0.010 질량% 이하, Ni : 0.40 질량% 이하, Cr : 8.00~9.50 질량%, Mo : 0.85~1.05 질량%, V : 0.18~0.25 질량%, Nb : 0, 06~0.10 질량%, Al : 0.02 질량% 이하, Ti : 0.01 질량% 이하, Zr : 0.01 질량% 이하, N : 0.030~0.070 질량%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 개량 9Cr-1Mo 강을 모재로 하여, C : 0.03~0.08 질량%, Si : 0.05~0.30 질량%, Mn : 0.50~2.20 질량%, P : 0.015 질량% 이하, S : 0.010 질량% 이하, Ni : 0.30~1.00 질량%, Cr : 8.00~10.50 질량%, Mo : 0.80~1.20 질량%, V : 0.10~0.40 질량%, Nb : 0.020~0.080 질량%, N : 0.016~0.055 질량%, O : 0.03 질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 와이어 직경이 4.0㎜φ의 용접 와이어를 이용하고, 상기 용접 와이어와 하기 식 (1)로 나타내는 염기도가 2.3~2.7인 용접 플럭스의 조합으로, 수하(垂下) 특성을 나타내는 교류 전원을 이용하여, 선행극의 와이어 송급 속도 V_L을 45~90g/min, 후행극의 와이어 송급 속도 V_T를 60~110g/min, 용접 속도 v를 30~55㎝/min, 단위 길이당의 용착량을 2.8~3.8g/㎝로 하는 조건으로 용접하는 것을 특징으로 한다.

염기도 = (CaF₂+CaO+MgO+SrO+Na₂O+Li₂O+1/2(MnO+FeO))/(SiO₂

+1/2(Al₂O₃+TiO₂+ZrO₂)) …… (1)

여기서, 각 화합물은 플럭스 전체 질량당의 각 화합물의 함유량(질량%)을 나타낸다.

이러한 용접 방법에 의하면, 개량 9Cr-1Mo 강을 모재로 하는 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법(이하, 적절히, 서브머지 아크 용접 방법 혹은, 단순히 용접 방법이라 함)은, 와이어 성분을 규정함으로써, 용접 금속의 크리프 파단 강도, 인성, 내산화성, 고온 강도가 향상하는 동시에, 용접 금속의 고온 균열 감수성이 저하된다. 또한, 와이어 직경을 규정함으로써, 용착량이 적절하게 되고, 용접 능률이 향상하는 동시에 용접 금속의 고온 균열이나 인성의 열화가 억제된다.

또한, 플럭스의 염기도를 규정함으로써, 용접 금속의 인성이 향상하는 동시에, 비드 외관이나 비드 형상이 양호해진다. 또한, 수하 특성을 나타내는 교류 전원을 이용함으로써, 안정된 용접을 실행할 수 있다. 또한, 와이어의 송급 속도, 용접 속도, 단위 길이당의 용착량을 규정하는 것에 의해, 용접 능률, 비드의 상태 및 슬래그 박리성이 향상하는 동시에 용접 금속의 고온 균열의 발생이 억제된다.

본 발명의 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법은, 개량 9Cr-1Mo 강의 용접에 있어서, 용접 능률이 우수한 동시에, 비드의 상태가 양호하고, 슬래그 박리성, 내고온 균열성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 용접 방법에 있어서의 선행극과 후행극 상태를 도시하는 정면도,
도 2는 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 형상을 도시하는 정면도,
도 3은 도 2에 도시하는 용접 팁의 측면도,
도 4는 도 2에 도시하는 용접 팁의 팁 선단부측의 단부면도,
도 5는 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 상태를 도시하는 정면도,
도 6은 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 상태를 도시하는 정면도,
ㄷ 7은 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 상태를 도시하는 정면도,
도 8은 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 상태를 도시하는 정면도,
도 9는 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 상태를 도시하는 정면도,
도 10은 본 발명의 용접 방법에 있어서의 용접 팁의 상태를 도시하는 정면도,
도 11은 실시예에서 이용한 시험체 및 용접 금속의 적층 상태를 도시하는 단면도.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 용접 방법은, 협개선의 용접을 대상으로 하는 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법이다. 탠덤 서브머지 아크 용접 방법이란, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이, 개량 9Cr-1Mo 강으로 구성된 모재(10)를, 와이어(12a, 12b)가 각각 내부로 삽입된 용접 팁(11a, 11b)과, 도시하지 않는 용접 플럭스를 이용하여 아크 용접으로 용접하는 방법이다. 즉, 본 발명의 용접 방법은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 선행극(15a) 및 후행극(15b)의 2 전극으로 용접하는 것이다. 여기서, 본 발명에 있어서, 모재(10)의 협개선은 판 두께(t)가 50㎜ 이상, 개선 각도(θ)가 0~5°의 개선으로 정의된다(도 11 참조). 예를 들면, 후술하는 실시예에서 이용하는 도 11의 시험체(20)에서는, 판 두께(t)가 250㎜, 개선 각도(θ)가 2°+2°인 4°이다.

또한, 팁 형상은, 도 1에 도시하는 직관 형상, 도 2 내지 도 4에 도시하는 벤드 각재 형상, 혹은 일본 특허 공개 제 1987-58827 공보의 도 3b에 도시하는 바와 같은 형상이어도 상관없고, 와이어 송급성과 급전 위치 안정화를 확보하는 관점에서 적절히 선택된다. 특히, 도 2 내지 도 4에 도시하는, 와이어 송급을 저해하지 않는 범위에서 팁 선단부(30a)가 굽혀진 벤드 각재 형상 팁이라면, 급전 위치가 안정화되어, 결과적으로 송급 속도가 안정화된다.

또한, 도 2 내지 도 10은 선행극 혹은 후행극을 도시하고 있으며, 편의상, 이들을 한꺼번에 도시하고 있다.

여기서, 팁/모재간 거리는, 도 1, 도 5 내지 도 7 및 도 8 내지 도 10에 도시하는 바와 같이, 와이어(12a, 12b, 40)가 최종적으로 용접 팁(11a, 11b, 30)으로부터 돌출하는 부분인 팁 선단부(13a, 13b, 30a)와, 모재(10) 사이의 수직인 거리(L)이다.

팁 각도는, 도 1, 도 5 내지 도 7, 도 8 내지 도 10에 도시하는 바와 같이, 모재(10)의 표면에 대하여 수직인 선과, 와이어(12a, 12b, 40)가 최종적으로 용접 팁(11a, 11b, 30)으로부터 돌출하는 부분인 팁 선단부(13a, 13b, 30a)에서의 축선이 이루는 각도이다.

또한, 부호(α)는 팁 각도에 있어서의 후퇴각, 부호(β)는 팁 각도에 있어서의 전진각이다.

전극간 거리는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 선행극(15a)의 와이어(12a)의 선단과 후행극(15b)의 와이어(12b)의 선단의 수평인 거리(W)이다.

본 발명의 협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법은, C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Al, Ti, Zr, N을 소정량 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 개량 9Cr-1Mo 강을 모재로 하여, C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, V, Nb, N, O를 소정량 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 와이어 직경이 4.0㎜φ의 용접 와이어를 이용하는 것이다.

그리고, 서브머지 아크 용접 방법은, 상기 용접 와이어와, 소정의 염기도의 용접 플럭스의 조합으로, 수하 특성을 나타내는 교류 전원을 이용하여, 선행극의 와이어 송급 속도 V_L, 후행극의 와이어 송급 속도 V_T, 용접 속도 v, 단위 길이당의 용착량을 소정으로 하는 조건으로 용접하는 방법이다.

이하, 모재 및 와이어의 성분 한정 이유, 용접 조건 등에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 모재의 각 성분 함유량은 모재 전체에 관한 것이며, 용접 와이어의 각 성분 함유량은 용접 와이어 전체에 관한 것이다.

[모재의 화학 성분]

모재의 화학 성분은, C : 0.08~0.12 질량%, Si : 0.20~0.50 질량%, Mn : 0. 30~ 0.60 질량%, P : 0.020 질량% 이하, S : 0.010 질량% 이하, Ni : 0.40 질량% 이하, Cr : 8.00~9.50 질량%, Mo : 0.85~1.05 질량%, V : 0.18~0.25 질량%, Nb : 0.06~0.10 질량%, Al : 0.02 질량% 이하, Ti : 0.01 질량% 이하, Zr : 0.01 질량% 이하, N : 0.030~0.070 질량%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 개량 9Cr-1Mo 강이다.

본 발명은 피용접재(모재)로서 개량 9Cr-1Mo 강을 대상으로 한다. 이것에는 각종의 규격이 있고 개량 9Cr-1Mo 강(이하, Mod. 9Cr-1Mo 강이라고도 함)은 9Cr-1Mo 강에 Nb 및 V를 첨가한 것이며, 예를 들면, ASTM 규격 혹은 ASME 규격에 규정된 SA335Gr. P91 및 SA213Gr. T91, EN 규격(European standards : 유럽 규격)에 규정된 X10CrMoVNb9-1 및 화력 기술 규준에 규정된 화(火)STBA28, 화STPA28, 화SCMV28 및 화SFVAF28이 있다.

본 발명에서 규정하고 있는 모재의 성분은 이들 규격을 만족하는 범위이다.

[용접 와이어의 화학 성분 및 사이즈]

C는, Cr, Mo, V 및 Nb와 결합하여 각종 탄화물을 석출하고, 크리프 파단 강도를 향상시키는 효과가 있다. 단, C 함유량이 0.03 질량% 미만에서는 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, C를 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, C 함유량이 0.08 질량%를 초과하면, 내고온 균열성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 C 함유량은 0.03~0.08 질량%로 한다. C 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.045 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.045 질량% 이상이다. 또한, 내고온 균열성을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.07 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.065 질량% 이하이다.

Si는, 탈산제로서 작용하며, 용접 금속 중의 산소량을 저감하여 용접 금속의 인성을 개선하는 효과가 있다. 단, Si 함유량이 0.05 질량% 미만에서는 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Si는 페라이트 생성 원소이며, 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, Si 함유량이 0.30 질량%를 초과하면, 용접 금속에 있어서의 δ-페라이트의 잔류를 일으켜, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Si 함유량은 0.05~0.30 질량%로 한다. Si 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.10 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.25 질량% 이하이다.

Mn은 탈산제로서 작용하며, 용접 금속 내의 산소량을 저감하여 인성을 개선하는 효과가 있다. 또한, Mn 및 Ni는 오스테나이트 생성 원소이며, 모두 용접 금속에 있어서의 δ-페라이트의 잔류에 의한 인성 열화를 억제하는 효과가 있다. 단, Mn 함유량이 0.50 질량% 미만인 경우, 또는 Ni 함유량이 0.30 질량% 미만인 경우는, 이들 효과는 얻어지지 않고 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Mn 함유량이 2.20 질량%를 초과하는 경우, 또는 Ni 함유량이 1.00 질량%를 초과하는 경우는, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Mn 함유량은 0.50~2.20 질량%, 용접 와이어의 Ni 함유량은 0.30~1.00 질량%로 한다.

Mn 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.80 질량% 이상, 보다 바람직하게는 1.10 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 1.90 질량% 이하, 보다 바람직하게는 1.60 질량% 이하이다.

Ni 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.40 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.50 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.90 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.80 질량% 이하이다.

Cr은 본 발명에서 이용하는 용접 와이어가 대상으로 하고 있는 Mod. 9Cr-1Mo 강의 주요 원소이며, 내산화성, 고온 강도를 확보하기 위해서 불가결한 원소이다. 단, Cr 함유량이 8.00 질량% 미만에서는, 내산화성 및 고온 강도가 불충분하게 된다. 한편, Cr은 페라이트 생성 원소이며, 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, Cr 함유량이 10.50 질량%를 초과하면, δ-페라이트의 잔류를 일으켜, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Cr 함유량은 8.00~10.50 질량%로 한다. 이것에 의해, 우수한 내산화성 및 고온 강도가 얻어진다. Cr 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 8.40 질량% 이상, 보다 바람직하게는 8.60 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 9.40 질량% 이하, 보다 바람직하게는 9.20 질량% 이하이다.

Mo는 고용 강화 원소이며, 크리프 파단 강도를 향상시키는 효과가 있다. 단, Mo 함유량이 0.80 질량% 미만에서는, 충분한 크리프 파단 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Mo는 페라이트 생성 원소이기 때문에, 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, Mo 함유량이 1.20 질량%를 초과하면, 용접 금속에 있어서의 δ-페라이트의 잔류를 일으켜, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Mo 함유량은 0.80~1.20 질량%로 한다. Mo 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.90 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 1.10 질량% 이하이다.

V는 석출 강화 원소이고, 탄질화물로서 석출하여 크리프 파단 강도를 향상시키는 효과가 있다. 단, V 함유량이 0.10 질량% 미만에서는, 충분한 크리프 파단 강도가 얻어지지 않는다. 한편, V는 페라이트 생성 원소이기도 하며, 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, V 함유량이 0.40 질량%를 초과하면, 용접 금속에 있어서의 δ-페라이트의 잔류를 일으켜, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 V 함유량은 0.10~0.40 질량%로 한다. V 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.15 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.20 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.35 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.30 질량% 이하이다.

Nb는 고용 강화 및 질화물로서 석출하여 크리프 파단 강도의 안정화에 기여하는 원소이다. 단, Nb 함유량이 0.020 질량% 미만에서는, 충분한 크리프 파단 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Nb는 페라이트 생성 원소이기도 하며, 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, Nb 함유량이 0.080 질량%를 초과하면, 용접 금속에 있어서의 δ-페라이트의 잔류를 일으켜, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Nb 함유량은 0.020~0.080 질량%로 한다. Nb 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.030 질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.035 질량% 이상이다. 또한, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.070 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.065 질량% 이하이다.

P는 고온 균열 감수성을 높이는 원소이다. P 함유량이 0.015 질량%를 초과하면, 내고온 균열성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 P 함유량은 0.015 질량% 이하로 규제한다. P 함유량은, 내고온 균열성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.010 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.005 질량% 이하이다. 또한, P 함유량은 0 질량%가 바람직하지만, 실질적으로 0.003 질량%가 하한값이 된다.

S는 고온 균열 감수성을 높이는 원소이다. S 함유량이 0.010 질량%를 초과하면, 내고온 균열성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 S 함유량은 0.010 질량% 이하로 규제한다. S 함유량은, 내고온 균열성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.008 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.005 질량% 이하이다. 또한, S 함유량은 0 질량%가 바람직하지만, 실질적으로 0.003 질량%가 하한값이 된다.

N은 고용 강화 및 질화물로서 석출하여 크리프 파단 강도의 안정화에 기여하는 원소이다. 단, N 함유량이 0.016 질량% 미만에서는, 충분한 크리프 파단 강도가 얻어지지 않는다. 한편, N을 과잉으로 첨가하면, 구체적으로는, N 함유량이 0.055 질량%를 초과하면, 블로우홀(blowhole)이 발생한다. 따라서, 용접 와이어의 N 함유량은 0.016~0.055 질량%로 한다. N 함유량은, 상기 효과를 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 0.025 질량% 이상이다. 또한, 블로우홀의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.045 질량% 이하이다.

O는 용접 금속 중에 산화물로서 잔존하여 용접 금속의 인성을 열화시킨다. 구체적으로는, O 함유량이 0.03 질량%를 초과하면, 잔존 산화물이 증가하여 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 O 함유량은 0.03 질량% 이하로 규제한다. O 함유량은, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.02 질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.015 질량% 이하이다. 또한, O 함유량은 0 질량%가 바람직하지만, 실질적으로 0.002 질량%가 하한값이 된다.

<잔부 : Fe 및 불가피적 불순물>

용접 와이어의 성분의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, 예를 들면, Cu, As, Sb, Sn 등을 들 수 있다. Cu는 와이어 표면에 구리 도금하는 것에 의해 포함된다.

<용접 와이어의 와이어 직경>

본 발명에서 이용하는 와이어 직경은 4.0㎜φ가 필수가 된다. 본 발명에 있어서, 와이어 직경은 선행극, 후행극 모두 4.0㎜φ를 사용한다. 와이어 직경이 3.2㎜φ에서는 충분한 용착량을 얻을 수 없어, 용접 능률이 희생된다. 한편, 4.8㎜φ에서는, 용착량이 많기 때문에, 고온 균열을 억제하는 용착량의 컨트롤이 어려워진다. 또한, 4.8㎜φ에서는, 층 두께가 커지기 때문에, 용접 금속의 인성이 열화되는 문제도 있다. 따라서, 와이어 직경은, 선행극, 후행극 모두 4.0㎜φ로 한다.

<용접 플럭스의 염기도>

본 발명에서 사용하는 서브머지 아크 용접용 플럭스는 염기도가 2.3~2.7인 것이 필수이다. 염기도가 2.3 미만에서는, 용접 금속 중의 산소량이 충분히 낮아지지 않으며 저인성이 된다. 한편, 염기도가 2.7을 초과하면, 비드 외관이나 비드 형상이 열화된다. 따라서, 염기도는 2.3~2.7의 범위 내로 한다. 염기도는, 용접 금속의 인성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 2.4 질량%이다. 또한, 비드 외관이나 비드 형상의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 2.6 질량% 이하이다. 또한, 본 발명에서의 염기도는 하기와 같이 식 (1)에 의한다.

염기도 = (CaF₂+CaO+MgO+SrO+Na₂O+Li₂O+1/2(MnO+FeO))/(SiO₂

+1/2(Al₂O₃+TiO₂+ZrO₂)) …… (1)

여기서, 각 화합물은 플럭스 전체 질량당의 각 화합물의 함유량(질량%)을 나타낸다. 또한, 본 발명에서 이용하는 플럭스로서는, 염기도가 상기 범위를 만족하는 것이면, 성분 등의 다른 조건은 특별히 규정되는 것은 아니다.

[용접 조건]

고온 균열의 발생을 억제하는 수법의 하나로서, 입열을 제한한다고 하는 수법이 사용된다. 그렇지만, 용접 전류나 아크 전압은, 워크의 상태, 통전점 등의 용접 환경에 의해, 와이어의 용융에 사용되는 에너지가 변해 버리는 경향이 있다. 즉, 동일한 입열로 용접하여도, 고온 균열의 발생의 유무에 차이가 생길 가능성이 있다. 그래서, 본 발명자들은 와이어의 송급 속도, 용접 속도, 단위 길이당의 용착량을 규정하는 것에 의해, 그 과제를 해결했다.

<와이어의 송급 속도 : 선행극의 와이어 송급 속도 V_L이 45~90g/min, 후행극 와이어의 송급 속도 V_T가 60~110g/min>

선행극의 와이어의 송급 속도가 45g/min 미만, 또는, 후행극의 와이어 송급 속도가 60g/min 미만에서는, 용접 전류가 너무 작아서 아크가 불안정하게 되어, 용입 불량이 발생한다. 한편, 선행극의 와이어의 송급 속도가 90g/min을 초과하거나, 또는 후행극의 와이어 송급 속도가 110g/min을 초과하면, 용착량이 너무 많아져 고온 균열이 발생하는 동시에, 슬래그 박리성도 열화된다. 따라서, 와이어 송급 속도는 선행극의 와이어 송급 속도 V_L을 45~90g/min, 후행극의 와이어 송급 속도 V_T를 60~110g/min으로 한다.

선행극의 와이어 송급 속도는, 용입 불량의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 50g/min 이상, 보다 바람직하게는 55g/min 이상이다. 또한, 고온 균열의 발생, 슬래그 박리성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 85g/min 이하, 보다 바람직하게는 80g/min 이하이다. 후행극의 와이어 송급 속도는, 용입 불량의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 65g/min 이상, 보다 바람직하게는 70g/min 이상이다. 또한, 고온 균열의 발생, 슬래그 박리성의 열화를 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 105g/min 이하, 보다 바람직하게는 100g/min 이하이다.

와이어의 송급 속도에 대하여, 선행극의 와이어 송급 속도의 범위와, 후행극의 와이어 송급 속도의 범위를 비교하면, 선행극의 와이어 송급 속도의 범위가 약간 작다. 여기서, 선행극에 의한 용접 금속량과 후행극에 의한 용접 금속량은, 선행극에 의한 것과 후행극에 의한 것으로 등분으로 하는 것보다, 선행극에 의한 용접 금속량이 약간 작아지게 함으로써, 비드 깊이를 작게 하고, 비드 폭을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 고온 균열에 대해서 유리하게 된다. 따라서, 와이어의 송급 속도는 「선행극 V_L<후행극 V_T」이 바람직하다.

<용접 속도 v : 30~55㎝/min>

용접 속도가 30㎝/min 미만에서는, 용착량이 너무 많아 고온 균열이 발생한다. 한편, 용접 속도가 55㎝/min을 초과하면, 용융 금속의 공급이 충분하지 않아, 비드 형상이 불안정하게 되고, 융합 불량이나 슬래그 권입이 발생한다. 따라서, 용접 속도 v는 30~55㎝/min으로 한다. 용접 속도는, 고온 균열의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 35㎝/min이다. 또한, 비드 형상 안정화와 융융 불량·슬래그 권입 방지의 관점에서, 바람직하게는 50㎝/min 이하이다. 또한, 용접 속도란, 도 1에 도시하는 바와 같이, 용접기의 용접 팁(11a, 11b)의 용접 방향으로의 이동 속도이다.

<단위 길이당의 용착량 : 2.8~3.8g/㎝>

단위 길이당의 용착량은 「와이어의 송급 속도/용접 속도」에 의해 계산된다. 즉, 단위 길이당의 용착량은 와이어의 송급 속도와 용접 속도의 비로 구한다. 또한, 와이어의 송급 속도는 선행극의 와이어 송급 속도와 후행극의 와이어 송급 속도의 합계이다.

본 발명의 포인트는 이러한 단위 길이당의 용착량을 적절히 제어하는 것이다. 단위 길이당의 용착량이 2.8g/㎝ 미만에서는, 용착량이 너무 적어서 용접 능률이 악화된다. 한편, 단위 길이당의 용착량이 3.8g/㎝를 초과하면, 수축에 따른 힘이 커진다. 또한, 비드의 형상은, 배형에 근접해지기 때문에, 용접 금속의 응고 방향이 비드 중앙을 향하여 수평이 되며, 수축력이 가해지는 방향이 최종 응고부에 대해 수직이 된다. 그 때문에, 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 단위 길이당의 용착량은 2.8~3.8g/㎝로 한다. 단위 길이당의 용착량은, 용접 능률을 보다 향상시키는 관점에서, 바람직하게는 2.9g/㎝ 이상, 보다 바람직하게는 3.0g/㎝ 이상이다. 또한, 고온 균열의 발생을 보다 억제하는 관점에서, 바람직하게는 3.7g/㎝ 이하, 보다 바람직하게는 3.6g/㎝ 이하이다.

<수하 특성을 나타내는 교류 용접기>

용접 전류 및 아크 전압은 상기 와이어 송급 속도를 적정 범위로 컨트롤하는 하나의 수단으로서 조정된다.

본 발명에서 사용하는 용접기는 수하 특성을 나타내는 교류 용접기이다. 수하 특성이란, 아크 길이가 변동하여도, 전류의 변화가 작고 안정된 용접이 가능한 전원의 특성인 것이다. 구체적으로는, 아크 길이가 길어진 경우는, 일시적으로 와이어의 송급 속도가 빨라지고, 아크 길이가 짧아진 경우는 와이어의 송급 속도가 느려진다. 즉, 전원 특성이 와이어 송급 속도에 영향을 미치기 때문에, 와이어 송급 속도는 본 발명의 범위로 관리할 필요가 있다. 일반적으로는 시공 조건은 용접 전류, 아크 전압으로 결정되지만, 이것으로는 불충분하고 본 발명에 있어서 와이어 송급 속도로 관리할 필요가 있다는 것을 발견했다. 용접 전류가 일정하여도 아크의 상태, 와이어의 각도 등에 의해 변화하기 때문에, 와이어 송급 속도를 파라미터로 할 필요가 있다.

그리고 본 발명에서는, 수하 특성을 나타내는 교류 전원을 이용하는 것으로 했다.

이상과 같이, 본 발명은 탈황, 중유 분해를 실행하는 화학 반응 용기(리액터)에 사용되는 개량 9Cr-1Mo 강의 서브머지 아크 용접에 적절한 것이다.

[실시예]

이하, 본 발명의 범위에 들어가는 실시예에 대해서, 그 효과를 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다.

표 1에 나타내는 화학 성분의 모재를 이용하여, ASTM SA335Gr. P91의 화학 성분에 합치한 개량 9Cr-1Mo 강을 3종류 준비했다. 이러한 개량 9Cr-1Mo 강에 대해서, 도 11에 도시하는 바와 같이, 판 두께(t)가 250㎜, 홈 바닥의 곡률 반경(R)이 10㎜, 개선 각도(θ)가 2°+ 2°의 4°인 협개선을 기계 가공으로 형성하여 개량 9Cr 강의 시험체(20)로 했다.

또한, 표 2에 나타내는 화학 성분의 와이어를 3종류 사용했다. 와이어 직경은 4.0㎜φ이다. 또한, 표 3에 나타내는 입도, 화학 성분, 염기도의 플럭스를 3종류 사용했다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

그리고, 도 11에 도시하는 시험체(20)의 협개선 내를, 표 2에 기재된 와이어와 표 3에 기재된 플럭스를 이용하여, 와이어 송급 속도 및 용접 속도를 변화시켜 서브머지 아크 용접을 실시했다. 와이어 송급 속도는 용접 전류, 용접 속도를 변화시키는 것에 의해 컨트롤했다. 또한, 본 용접에 있어서, 용접 금속(21)은 도면 중의 화살표 방향으로 적층된다.

용접 조건은 이하와 같다. 또한, 기타 조건은 표 4에 나타낸다. 또한, 표 중, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 것은 수치에 밑줄을 그어 나타낸다.

<용접 조건>

팁/모재간 거리 : 선행극 25㎜, 후행극 30㎜

팁 각도 : 선행극 : -5°(후퇴각 5°), 후행극 : 40°(전진각 40°)

전극간 거리 : 20㎜

극성 : AC-AC 탠덤

전원 특성 : 수하 특성

용접 자세 : 하향

적층 방법 : 최초층 1패스, 이후 1층 2패스

이러한 용접을 실시한 시험체(20)에 대하여, 슬래그 박리성, 비드의 상태, 용접 능률, 내고온 균열성을 평가했다.

<슬래그 박리성의 평가>

용접 종료 후, 비드 표면에 부착된 플럭스를 해머로 3회 두들겨, 용이하게 박리된 조건은 ○, 박리되지 않는 조건은 ×로 판정했다.

<비드 상태의 평가>

상기 슬래그 박리성의 평가에 있어서 슬래그를 박리한 후의 표면 외관을 육안으로 확인하고, 용접 결함이 없고, 비드 형상이 양호하면 ○, 용접 결함이 발생한 경우 또는 비드 형상이 불안정한 경우는 ×로 판정했다.

<용접 능률의 평가>

용접 능률은, 적층 방법이 1층당 2패스로 용접 가능하면 ○, 용착량이 줄어들어 1층당 3패스 이상으로 용접이 필요하게 된 경우는 ×로 평가했다.

<내고온 균열성의 평가>

용접 비드의 시작, 종료부를 제외한 300㎜의 범위에서, 50㎜ 마다의 단면에서 마크로 조직을 관찰했다. 합계 5의 단면 모두에서, 균열이 발생하고 있지 않은 조건을 ○, 균열이 발생한 조건을 ×로 판정했다.

이들의 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 표 중, 「-」는 평가를 실행하지 않은 것이다

[표 4]

표 4에 나타내는 바와 같이, N0. 1~7은 본 발명의 범위를 만족하고 있으며, 슬래그 박리성, 비드의 상태, 용접 능률에 문제가 없고, 고온 균열이 미발생이었다.

N0. 8은 선행극 및 후행극의 와이어의 송급 속도가 본 발명의 하한을 벗어나 있다. N0. 8에서는, 용접 전류가 작고 와이어의 송급 속도가 적기 때문에, 아크가 안정되지 않고, 개선면과 비드의 경계에서 용입 불량이 발생했다. 또한, 단위 길이당의 용착량이 본 발명의 하한을 벗어났다. 또한, 비드의 상태가 불량이기 때문에, 용접 능률 및 내고온 균열성의 평가는 실행하지 않았다.

N0. 9는 선행극 및 후행극의 와이어의 송급 속도가 본 발명의 상한을 벗어나 있다. 용접 전류가 크고 와이어의 송급 속도가 크기 때문에, 용착량이 너무 많아서 고온 균열이 발생하는 동시에, 슬래그 박리성도 저하되었다. 또한, 단위 길이당의 용착량이 본 발명의 상한을 벗어나, 고온 균열이 발생했다. 또한, 슬래그 박리성이 불량이기 때문에, 비드의 상태 및 용접 능률의 평가는 실행하지 않았다.

N0. 10은 용접 속도가 본 발명의 하한을 벗어나 있다. 용접 속도가 느리기 때문에, 용착량이 너무 많아서 고온 균열이 발생했다. 또한, 단위 길이당의 용착량이 본 발명의 상한을 벗어나, 고온 균열이 발생했다.

N0. 11은 용접 속도가 본 발명의 상한을 벗어나 있다. 따라서, 와이어의 송급이 용접 속도에 대하여 충분하지 않아, 비드 폭이 불안정하게 되었다. 또한, 비드의 상태가 불량이기 때문에, 용접 용융 및 내고온 균열성의 평가는 실행하지 않았다.

N0. 12, 14, 15는 단위 길이당의 용착량이 본 발명의 상한을 벗어나 있다. 따라서, 비드 형상이 배형에 근접해져, 고온 균열이 발생했다.

N0. 13은 단위 길이당의 용착량이 본 발명의 하한을 벗어나 있다. 따라서, 용착량이 작기 때문에, 개선 내부의 용접 회수가 증가하여, 용접 능률이 저하되었다. 또한, 용접 능률이 불량이기 때문에, 내고온 균열성의 평가는 실행하지 않았다.

또한, 본 발명은, 선행극 및 후행극의 와이어 송급 속도, 용접 속도, 단위 길이당의 용접량을 규정한 것에 특징을 갖기 때문에, 와이어 성분 등, 기타의 요건의 비교예는 생략했다. 성분 등, 기타의 요건의 한정 이유는 본 명세서 중에 기재한 바와 같다.

이상, 본 발명에 대해서 실시형태 및 실시예를 도시하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 취지는 상기한 내용에 한정되는 일이 없고, 그 권리 범위는 특허청구범위의 기재에 근거하여 넓게 해석되어야 한다. 또한, 본 발명의 내용은 상기한 기재에 근거하여 넓게 개변·변경 등을 하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

10 : 모재(피용접재) 11a, 11b, 30 : 용접 팁
12a, 12b, 40 : 용접 와이어 13a, 13b, 30a : 팁 선단부
15a : 선행극 15b : 후행극
20 : 시험체

Claims

C : 0.08~0.12 질량%, Si : 0.20~0.50 질량%, Mn : 0.30~0.60 질량%, P : 0.020 질량% 이하, S : 0.010 질량% 이하, Ni : 0.40 질량% 이하, Cr : 8.00~9.50 질량%, Mo : 0.85~1.05 질량%, V : 0.18~0.25 질량%, Nb : 0.06~0.10 질량%, Al : 0.02 질량% 이하, Ti : 0.01 질량% 이하, Zr : 0.01 질량% 이하, N : 0.030~0.070 질량%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 개량 9Cr-1Mo 강을 모재로 하여,
C : 0.03~0.08 질량%, Si : 0.05~0.30 질량%, Mn : 0.50~2.20 질량%, P : 0.015 질량% 이하, S : 0.010 질량% 이하, Ni : 0.30~1.00 질량%, Cr : 8.00~10.50 질량%, Mo : 0.80~1.20 질량%, V : 0.10~0.40 질량%, Nb : 0.020~0.080 질량%, N : 0.016~0.055 질량%, O : 0.03 질량% 이하를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, 와이어 직경이 4.0㎜φ인 용접 와이어를 이용하고,
상기 용접 와이어와, 하기 식 (1)로 나타내는 염기도가 2.3~2.7인 용접 플럭스의 조합으로,
수하 특성을 나타내는 교류 전원을 이용하여, 선행극의 와이어 송급 속도 V_L을 45~90g/min, 후행극의 와이어 송급 속도 V_T를 60~110g/min, 용접 속도 v를 30~55㎝/min, 단위 길이당의 용착량을 2.8~3.8g/㎝로 하고, 선행극의 와이어 송급 속도를 후행극의 와이어 송급 속도보다 느리게 하는 조건으로 용접하는 것을 특징으로 하는
협개선 탠덤 서브머지 아크 용접 방법.
염기도 = (CaF₂+CaO+MgO+SrO+Na₂O+Li₂O+1/2(MnO+FeO))/(SiO₂
+1/2(Al₂O₃+TiO₂+ZrO₂)) …… (1)
여기서, 각 화합물은 플럭스 전체 질량당의 각 화합물의 함유량(질량%)을 나타낸다.