KR102257858B1 - 플럭스 코어드 아크 용접 금속부 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 저온에서의 우수한 저온 파괴 인성을 가지는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 중량%로, 탄소(C): 0.01 ~ 0.10%, 실리콘(Si): 0.1 ~ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ~ 2.5%, 니켈(Ni): 2.0 ~ 3.0%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.1%, 보론(B): 0.001 ~ 0.01%, 산소(O): 0.03 ~ 0.07%, 인(P): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 황(S): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 4Ni[중량%]+3Ti[중량%]+2.5B[중량%]가 10.0 초과 ~ 10.5 미만으로 제어된다.

Description

플럭스 코어드 아크 용접 금속부{Flux cored arc welding joint}
본 발명의 기술적 사상은 플럭스 코어드 아크 용접 금속부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 파괴 인성이 우수한 플럭스 코어드 아크 용접 금속부에 관한 것이다.
일반적으로, 통상 선박과 같은 용접을 필요로 하는 대형 구조물은 작은 판재를 이어 붙여서 제작된 많은 블록들을 상호 연결하는 조립 작업을 필요로 하게 되는데, 이러한 경우 필수적으로 상기 각각의 블록들을 모재로 하여 상방을 향하는 수직 용접 작업을 필요로 하게 된다. 이러한 대형 구조물의 수직 용접작업에는 일반적으로 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding:FCAW)법과, 일렉트로가스 용접(Electro Gas Welding:EGW)법이 사용되고 있다.
최근 육상 또는 근해에서 채굴 범위를 벗어나 심해저의 원유 및 천연가스를 채굴하기 위한 해양구조물 제작 필요성이 급증함에 따라 구조물의 형태 또한 고정식에 부유식으로 변화되는 추세이다. 해양 구조물이란 원거리 채굴에 대한 단점을 보완하기 위하여 생산, 정제, 저장 및 하역을 동시에 수행 가능한 대형화된 구조물을 일컫는데, 심해저 채굴에 따른 엄격한 환경에서 견딜 수 있는 강재 사양과 이에 대한 맞춤형 용접재료를 필요로 한다. 한편, 최근 해양 구조물의 경우, 대형화와 함께 고강도화가 요구되고 있다. 해양구조물의 대형화 요구에 함께 요구되는 강재 또한 고강도화 되면서 기존 YS420급에서 YS460/500MPa급 강재까지 적용되고 있는 추세이다.
특히, 극지 자원 개발을 활발해지면서 해양 구조물에 대해서도 저온에서 향상된 파괴 인성을 요청하고 있다. 이러한 극지 자원개발 증가 추세에 따른 용접부(용접 금속부, 용접열영향부)는 영하 -10℃ ~ -40℃에서의 CTOD(Crack Tip Open Displacement, 균열 개구변위 시험) 저온 취성균열에 대한 저항 특성이 요구되고 있다. 최근에는 일부 극지방에서 사용되는 강재의 경우에는 설계온도를 용접부에 대해서 까지도 영하 -60℃ CTOD 파괴인성을 요구하고 있는 실정이다. 따라서, 해양구조물에 사용되는 강재가 사용 환경의 변화에 따라 고인성/고강도강재가 요구되면서 용접부에서 요구되는 특성 또한 가혹화됨에 따라 저온에서 CTOD(파괴인성) 특성이 우수한 용접 금속부 확보가 필수적으로 요구된다.
한국특허출원번호 제2009-0112495호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 저온에서의 우수한 저온 파괴 인성을 가지는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 저온에서의 우수한 저온 파괴 인성을 가지는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 중량%로, 탄소(C): 0.01 ~ 0.10%, 실리콘(Si): 0.1 ~ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ~ 2.5%, 니켈(Ni): 2.0 ~ 3.0%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.1%, 보론(B): 0.001 ~ 0.01%, 산소(O): 0.03 ~ 0.07%, 인(P): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 황(S): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 4Ni[중량%]+3Ti[중량%]+2.5B[중량%]가 10.0 초과 ~ 10.5 미만으로 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, (Ti[중량%]+B[중량%])/O[중량%]가 0.5 초과 ~ 2.0 미만으로 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 상온 인장강도 600MPa 이상 및 -60℃ 에서의 CTOD 0.2 mm 이상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, -60℃ 에서의 평균 충격 에너지 60 J 이상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용접 금속부의 미세 조직이 면적 분율로 75% 이상의 침상 페라이트와 나머지 베이나이트로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 아크 안정제 또는 탈수소제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 플럭스 코어드 아크 용접을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 용접 금속부의 합금 조성, 미세 조직 등을 제어함으로써, -60℃의 극저온에서도 우수한 파괴 인성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공할 수 있다. 따라서, 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 저온 취성균열에 대한 저항이 강화되어, 극저온에서도 사용이 강한 강재 제품을 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 형성하는 FCAW시 용접 시험편의 개선형상과 적층방법을 나타내는 모식도 및 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부의 CTOD 시험편의 노치위치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부의 미세 조직을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부의 CTOD시험 결과를 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
고강도 강재의 용접 금속부의 저온 파괴인성 확보를 위해서 용접금속 조직의 미세화가 반드시 선행되어야 한다. 용접 금속부의 미세조직 변태에 영향을 미치는 합금설계 최적화 및 미세한 복합산화물의 고온 정출 균일분산을 통한 조대한 입계 페라이트 생성억제 및 침상 페라이트 생성 촉진을 통한 용접금속 부의 CTOD 향상에 기여할 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상은 저온 파괴인성(CTOD)을 요구하는 극지 해양구조물 제작 시에 주로 적용되는 용접프로세스인 FCAW(Flux Cored Arc Welding, 플럭스 코어드 아크 용접)를 이용하여 형성한 플럭스 코어드 아크 용접 금속부에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 용접 입열량 7kJ/cm의 FCAW 용접에 있어서 인장강도 600MPa 이상의 고강도 물성을 가지면서 동시에, 용접 금속부의 미세조직과 산화물 제어를 통하여 -60℃ 의 극저온에서도 우수한 CTOD 파괴인성를 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 제공할 수 있다.
상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 중량%로, 탄소(C): 0.01 ~ 0.10%, 실리콘(Si): 0.1 ~ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ~ 2.5%, 니켈(Ni): 2.0 ~ 3.0%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.1%, 보론(B): 0.001 ~ 0.01%, 산소(O): 0.03 ~ 0.07%, 인(P): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 황(S): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부에 있어서, 상술한 바와 같이, 상기 용접 금속부의 성분조성을 제어함이 필요한데, 그 상세한 내용에 대하여 다음과 같이 설명한다. 이하, 용접 금속부에 대한 중량%이며, 이하 단지 '%'로 기재하기로 한다.
탄소(C): 0.01 ~ 0.10%
탄소(C)는 와이어를 구성하는 강의 외피와 내부 플럭스의 조성물에 함유되는 성분으로 통상 인위적으로 첨가하지는 않지만 용접금속의 상온/고온 기계적 성질에 영향을 주는 인자이므로 그 함량을 제한할 것이 요구된다. 탄소(C)의 함량은 용접 금속부에 대해 0.01 ~ 0.10% 범위로 함유함이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.01% 미만인 경우에는, 용접금속의 조직이 연화되어 저온인성 및 인장성능이 열화될 수 있다. 탄소(C)의 함량이 0.10%를 초과하는 경우에는, 용접 시 스패터가 증가하여 용접 작업성이 저하되고, 용접금속의 조직이 취화되어 저온균열 감수성이 증가하고 충격인성이 열화될 수 있다.
실리콘(Si): 0.1 ~ 0.5%
실리콘(Si)은 슬래그 형성제로서 비드 퍼짐성을 향상시키며, 탈산 효과에 의한 용접금속의 건전성에도 기여할 수 있다. 실리콘(Si)의 함량은 용접 금속부에 대해 0.1 ~ 0.5% 범위로 함유함이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.1% 미만인 경우에는, 그 효과를 기대할 수 없다. 실리콘(Si)의 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는, 도상 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 저온 충격인성이 열화될 수 있다.
망간(Mn): 1.0 ~ 2.5%
망간(Mn)은, 실리콘(Si)과 유사하게, 탈산 효과를 발휘하며, 인장강도 및 충격 인성에 영향을 주는 성분이다. 망간(Mn)의 함량은 용접 금속부에 대해 1.0 ~ 2.5% 범위로 함유함이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 1.0% 미만인 경우에는, 그 효과를 기대할 수 없다. 망간(Mn)의 함량이 2.5%를 초과하는 경우에는, 용접금속의 강도가 과도해지며 용접시 용접 금속부의 고온 균열 발생에 민감해질 수 있다.
니켈(Ni): 2.0 ~ 3.0%
니켈(Ni)은 용접 금속의 충격 인성 향상에 기여하여 충격 천이 온도를 낮추는데 유효한 원소이다. 니켈(Ni)의 함량은 용접 금속부에 대해 2.0 ~ 3.0% 범위로 함유함이 바람직하다. 니켈(Ni)의 함량이 2.0% 미만인 경우에는, 그 효과를 기대할 수 없다. 니켈(Ni)의 함량이 3.0%를 초과하는 경우에는, 소입성을 크게 증가시키고 고온균열 발생할 수 있다.
티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.1%
티타늄(Ti)은 티타늄 산화물을 형성하여 침상형 페라이트의 핵생성 사이트를 제공하고, 침상형 페라이트의 핵생성 위치로 작용하여 미세한 침상형 페라이트를 생성시켜 용접 금속의 조직을 미세화시킬 수 있다. 티타늄(Ti)의 함량은 용접 금속부에 대해 0.01 ~ 0.1% 범위로 함유함이 바람직하다. 티타늄(Ti)의 함량이 0.01% 미만인 경우에는, 그 효과를 기대할 수 없다. 티타늄(Ti)의 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는, 조대한 티타늄 산화물 및 티타늄 석출물을 형성할 수 있다.
보론(B): 0.001 ~ 0.01%
보론(B)은 용접 작업후에 용접부를 냉각시킬 때 구오스테나이트 결정립계에 편석하여 입계 페라이트의 생성을 억제하고 보론 질화물을 형성할 수 있다. 상기 보론 질화물은 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 용접부의 인성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 보론(B)의 함량은 용접 금속부에 대해 0.001 ~ 0.01% 범위로 함유함이 바람직하다. 보론(B)의 함량이 0.001% 미만인 경우에는, 그 효과를 기대할 수 없다. 보론(B)의 함량이 0.01%를 초과하는 경우에는, 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 용접부 경화능을 증가시킬 수 있다.
산소(O): 0.03 ~ 0.07%
산소(O)는 용접 금속부 응고 중에 티타늄(Ti)과 반응하여 티타늄 산화물을 형성시킬 수 있다. 상기 티타늄 산화물은 용접 금속부 내에서 침상형 페라이트의 변태를 촉진시킬 수 있다. 산소(O)의 함량은 용접 금속부에 대해 0.03 ~ 0.07% 범위로 함유함이 바람직하다. 산소(O)의 함량이 0.03% 미만인 경우에는, 그 효과를 기대할 수 없다. 산소(O)의 함량이 0.04%를 초과하는 경우에는, 조대한 티타늄 산화물 및 기타 철 산화물 등의 금속 산화물을 형성하여 용접 금속부의 충격 인성을 열화시킬 수 있다.
인(P), 황(S): 각각 0 초과 ~ 0.03% 이하
인(P)과 황(S)은 불순물 원소로서 저융점 개재물을 생성하여 내균열성을 저하시키고 충격인성에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 각각 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 플럭스 코어드 아크 용접 금속부에 추가로 아크 안정제 또는 탈수소제를 첨가하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에서는, 상기 용접 금속부 합금 원소의 함량이, 아래의 관계식 1의 함량 제어에 따를 수 있다.
<관계식 1>
10 < 4Ni[중량%]+3Ti[중량%]+2.5B[중량%] < 10.5
한편, 본 발명의 실시예에서는, 상기 용접 금속부 합금 원소의 함량이, 아래의 관계식 2의 함량 제어에 따를 수 있다.
<관계식 2>
0.5 < (Ti[중량%]+B[중량%])/O[중량%] < 2.0
상기 관계식 1 및 상기 관계식 2를 만족시키도록 상기 합금 원소 간 함량 제어를 한 용접 금속부가, 관계식 1 또는 관계식 2을 만족시키지 못하도록 상기 합금 원소 간 합량 제어를 한 용접 금속부에 비하여, -60℃ 에서의 평균 충격 에너지 및 -60℃ 에서의 CTOD가 우수할 수 있다. 이러한 사실은 후술하는 실시예의 결과를 통해 명확하게 나타난다.
상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 일 예로서, 용접 입열량 15 ~ 30 kJ/cm의 플럭스 코어드 아크 용접에 의해 형성될 수 있으며, 인장강도 600 MPa 이상의 고강도 물성을 가질 수 있다. 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 예를 들어 600 MPa 내지 700 MPa 범위의 인장강도를 가질 수 있다.
상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, -60℃ 에서의 CTOD(Crack Tip Open Displacement) 0.2 mm 이상을 가질 수 있다. 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 예를 들어 0.2 mm 내지 1.0 mm 의 CTOD를 가질 수 있다.
상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 -60℃ 에서의 평균 충격 에너지 60 J 이상을 가질 수 있다. 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 예를 들어 60 J 내지 100 J의 평균 충격 에너지를 가질 수 있다.
또한, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 그 미세 조직이 면적 분율로 75% 이상의 침상 페라이트와 나머지 베이나이트로 이루어질 수 있다. 상기 침상 페라이트는 입계보다는 입내에 배치되는 분율이 클 수 있다. 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 75% 내지 90% 범위의 침상 페라이트와 나머지 베이나이트로 이루어질 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.
중량%로, 탄소(C): 0.14% 이하, 실리콘(Si): 0.15~0.55%, 망간(Mn): 1.65% 이하, 인(P): 0.020% 이하, 황(S): 0.007% 이하, 기타 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 기타 불순물 및 여분의 철로 이루어지는 항복강도 460MPa급 해양구조용 강재에 대하여, 직경이 1.2 mm인 와이어를 이용하여 100% CO2 보호가스를 적용하여 15 ~ 20 kJ/cm 용접 입열량으로 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 실시하였다. 상기 강재의 탄소 당량(Ceq)은 0.40 이하이고, 상기 탄소 당량은 "Ceq(%) = [C 중량%]+ [Mn 중량%]/6 + ([Ni 중량%] + [Cu 중량%])/15 + ([Cr 중량%]+ [Mo 중량%]+ [V 중량%])/5" 으로부터 얻을 수 있다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 형성하는 FCAW시 용접부 개선 형상 및 세부 용접조건을 나타낸다.
전류
극성		 전류
(A)		 전압
(V)		 용접속도
(cm/분)		 용접입열량
(KJ/cm)		 보호가스 및 유량 용접자세
DC+ 230~250 24~26 45~55 7 80% Ar +20% CO2
20~25L/분		 1G
(하향)
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부를 형성하는 FCAW시 용접 시험편의 개선형상과 적층방법을 나타내는 모식도 및 사진이다.
도 1을 참조하면, (a)는 용접 시험편 단면의 예시적인 모식도이고, (b)는 용접 시험편의 사진이다. 모재부(A1, A2) 사이에 형성된 플럭스 코어드 아크 용접 금속부(B)가 도시되어 있다. 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부(B)는 267 패스로 형성하였고, 39층으로 구성되어 있다. 상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부(B)는 아래 보기(1G)의 용접 자세로 용접하여 형성하였다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부의 CTOD 시험편의 노치위치를 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 노치 위치와 용융선(fusion line, FL) 사이는 예를 들어 2 mm일 수 있다.
또한, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 후 형성된 용접 금속부의 화학조성 결과를 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다. 상기 조성의 함량은 중량%로 표시되고, 다만 산소는 ppm으로 표시되어 있다. 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
C Si Mn Ni Ti B O
(ppm)		 P S
실시예 0.04 0.10 1.50 2.52 0.08 0.0035 420 0.008 0.005
비교예1 0.04 0.15 1.56 2.45 0.04 0.0038 480 0.014 0.007
비교예2 0.05 0.12 1.50 2.08 0.08 0.0040 520 0.014 0.007
비교예3 0.04 0.13 1.43 2.47 0.07 0.0060 350 0.013 0.007
관계식 1의 수치
4Ni+3Ti+2.5B		 관계식 2의 수치
(Ti+B)/O		 비고
실시예 10.33 1.99
비교예1 9.93 0.91 티타늄 영향 검토
비교예2 8.57 1.62 니켈 영향 검토
비교예3 10.10 2.17 보론 영향 검토
표 2 및 표 3을 참조하면, 실시예의 경우, 상기 관계식 1의 수치가 10.33으로서, 본 발명의 범위인 10.0 초과 ~ 10.5 미만의 범위를 만족하였고, 상기 관계식 2의 수치가 1.99로 본 발명의 범위인 0.5 초과 ~ 2.0 미만의 범위를 만족하였다.
비교예1의 경우, 티타늄의 함량이 낮게 설정되어 상기 관계식 1의 수치가 본 발명의 범위의 하한치인 10.0 미만인 경우이다. 비교예2의 경우, 니켈의 함량이 낮게 설정되어 상기 관계식 1의 수치가 본 발명의 범위의 하한치인 10.0 미만인 경우이다. 비교예3의 경우, 보론의 함량이 높게 설정되어 상기 관계식 2의 수치가 본 발명의 범위의 상한치인 2.0 초과인 경우이다.
용접금속 기계적 성질 중 용접 금속부의 상온 인장시험은 KS규격(KS B0802)을 따라 전 두께에 대한 맞대기 용접부 인장시험을 진행하였으며, 목표치는 600 MPa 이상이다. 충격인성은 KS규격(KS B0809) 충격 시험편을 이용하여 샤르피 충격시험을 통해 용접 금속부의 충격흡수에너지(vE)를 평가하였으며, 목표치는 -60℃에서 평균 60J 이상이다. 파괴인성은 CTOD 시험규격인 BS7448 규격에 의거하여 CTOD 평가를 실시하였고, 상기 CTOD는 굽힘을 가했을 때 미리 설치한 균열의 진전 없이 에너지를 흡수할 수 있는 량을 평가한 것이며, 목표치는 -60℃에서 0.2 mm 이상이다.
상기 용접시의 용접조건, 용접 후 용접 금속부의 상온 인장시험 및 -60℃ 저온 충격시험 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
구분 상온인장시험 충격시험(CVN) CTOD
인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 -60℃
(평균 J)		 -60℃
(mm)
실시예 635 30 98 0.258
비교예1 638 28 54 0.135
비교예2 615 32 53 0.128
비교예3 659 24 42 0.105
표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 및 비교예 1~3의 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 상온 인장강도, -60℃ 충격흡수 에너지 및 -60℃ CTOD 측면에서 모두 목표치를 만족하였다. 하지만, 상기 관계식 1을 만족하는 합금 조성을 가지는 실시예의 플럭스 코어드 아크 용접 금속부가, 상기 관계식 1 또는 관셰식2를 만족하지 않는 비교예 1~3의 플럭스 코어드 아크 용접 금속부보다 -60℃ 충격흡수 에너지 및 -60℃ CTOD 측면에서 우수한 것을 확인할 수 있다. 즉, 실시예는, 비교예 1~3과 대비하여 -60℃ 충격흡수 에너지 측면에서 81 ~ 133%의 향상을 보이고 있다. 또한, 실시예는 비교예 1~3과 대비하여 -60℃ CTOD 측면에서 91 ~ 145%의 향상을 보이고 있다.상기 관계식을 통한 합금 성분의 제어를 통해, 즉, 구체적으로 산소의 함량을 0.03~0.07%로 제어하여, 티타늄 산화물을 형성하여 용접금속의 응고 중 오스테나이트 결정립 조대화 방지 및 침상페라이트 변태촉진하고, 저온인성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 제어된 함량의 티타늄(Ti) 투입을 통해 티타늄 산화물의 미세 분산을 달성함으로써, 침상 페라이트 분율을 75% 이상으로 확보할 수 있다. 또한, 상기 제어된 함량의 니켈(Ni) 첨가를 통해 기지 조직의 강도 및 인성을 달성함으로써 저온 충격 및 파괴 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제어된 함량의 보론(B)의 투입을 통해, 보론이 오스테나이트 입계에 편석되게 함으로써 초석 페라이트의 생성을 억제하여 침상 페라이트 분율을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 이를 통해 용접 금속부의 우수한 파괴 인성을 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부의 미세 조직을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 3을 참조하면, 용접 금속부는 미세조직이 높은 분율의 침상 페라이트와 하부 베이나이트로 형성된 것을 확인할 수 있다. 통상, 종래의 경우 구오스테나이트 결정립계 근방에 생성되는 폴리고날 페라이트를 관찰할 수 없었다. 대신, 상기 침상 페라이트(AF)는 면적 분율로 75% 이상을 차지하고 있음을 확인하였다. 따라서, 우수한 충격인성 및 파괴인성을 확보할 수 있다. 상기 면적 분율은 현미경 사진을 이미지 분석기를 이용하여 각 상에 따라 구분함으로써, 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부의 CTOD시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 4를 참조하면, -60℃에서의 CTOD의 개별 수치는 0.207 mm 내지 0.324 mm로 나타났고, 평균 수치는 0.258 mm로 나타났다. 상기 CTOD 수치는 균열전 소성변형된 길이로서, 값이 클수록 인성이 우수하다는 의미이다. 통상적으로 0.2 mm이면 인성이 우수한 것으로 평가되는데, 본 발명의 일실시예에 따른 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는 평균 0.258 mm, 최대값이 0.324 mm이므로, -60℃에서의 저온인성이 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.01 ~ 0.10%, 실리콘(Si): 0.1 ~ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ~ 2.5%, 니켈(Ni): 2.0 ~ 3.0%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.1%, 보론(B): 0.001 ~ 0.01%, 산소(O): 0.03 ~ 0.07%, 인(P): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 황(S): 0 초과 ~ 0.03% 이하, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    4Ni[중량%]+3Ti[중량%]+2.5B[중량%]가 10.0 초과 ~ 10.5 미만으로 제어되는,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (Ti[중량%]+B[중량%])/O[중량%]가 0.5 초과 ~ 2.0 미만으로 제어되는,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상온 인장강도 600MPa 이상 및 -60℃ 에서의 CTOD 0.2 mm 이상을 가지는,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  4. 제 1 항에 있어서,
    -60℃ 에서의 평균 충격 에너지 60 J 이상을 가지는,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 금속부의 미세 조직이 면적 분율로 75% 이상의 침상 페라이트와 나머지 베이나이트로 이루어지는,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 아크 안정제 또는 탈수소제를 더 포함하는,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 아크 용접 금속부는, 플럭스 코어드 아크 용접을 이용하여 형성된,
    플럭스 코어드 아크 용접 금속부.
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