KR102625068B1 - Weld metal having excellent impact toughness at low temperature and welding method for forming it - Google Patents
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Abstract
플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 통해 저온 환경에서도 우수한 충격인성을 갖는 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법을 제안한다. 상기 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 형성하기 위한 용접방법은 배치단계, 부착단계, 초층용접단계, 제거단계, 채움층 용접단계 및 표면층 용접단계를 수행하고, 상기 저온 충격인성이 우수한 용접금속은 중량 %로 C: 0.05%, Si: 0.23~0.32%, Mn: 0.67~0.74%, Cr: 0.026~0.032%, Ni: 3.17~3.39%, Mo: 0.01% 이하, B: 0.003~0.004%, Nb: 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: 0.001% 미만, P: 0.01% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.We propose a weld metal with excellent impact toughness even in a low-temperature environment and a welding method to form it through flux-cored arc welding (FCAW). The welding method for forming the weld metal with excellent low-temperature impact toughness includes a placement step, an attachment step, an initial layer welding step, a removal step, a filling layer welding step, and a surface layer welding step, and the weld metal with excellent low-temperature impact toughness is weighted. In % C: 0.05%, Si: 0.23~0.32%, Mn: 0.67~0.74%, Cr: 0.026~0.032%, Ni: 3.17~3.39%, Mo: 0.01% or less, B: 0.003~0.004%, Nb: 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: less than 0.001%, P: less than 0.01%, S: less than 0.01%, the remainder includes Fe and inevitable impurities.
Description
본 발명은 저온 충격인성이 우수한 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 통해 -60℃의 저온 환경에서도 우수한 충격인성을 갖는 저온 충격인성이 우수한 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법에 관한 것이다.The present invention relates to a weld metal with excellent low-temperature impact toughness and a welding method for forming the same. More specifically, the present invention relates to a weld metal with excellent low-temperature impact toughness even in a low-temperature environment of -60°C through flux cored arc welding (FCAW). It relates to this excellent weld metal and the welding method for forming it.
최근 LPG 운반선 화물창 설계온도는 셰일 가스 채굴에 의한 에탄 함유에 따라 -52 ~ -55℃ 수준으로 낮아져 설계온도보다 5℃ 낮은 용접부 충격인성이 요구되고 있는 실정이다. 즉, IGC Code(International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk)에 따라 -60℃ 충격인성이 보증되는 용접이음부가 요구되어지고 있다.Recently, the design temperature of the LPG carrier cargo hold has been lowered to -52 ~ -55℃ due to the ethane content from shale gas mining, and the impact toughness of the weld zone 5℃ lower than the design temperature is required. In other words, according to the IGC Code (International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk), welded joints with guaranteed -60℃ impact toughness are required.
특히, LPG 화물창의 경우 두께 8 ~ 25mm의 저온용 강이 적용되는데, 그 중 11mm, 12mm 두께의 강재가 가장 많이 사용된다. 이러한 두께의 강재는 맞대기 이음시, 후판 대비 상대적으로 냉각속도가 느리다. 또한, 용접부 충격인성 시험 시 표면부/이면부 구분이 없고 충격인성이 열악한 초층부의 영향을 많이 받게 되므로, -60℃ 충격인성 보증이 쉽지 않다.In particular, in the case of LPG cargo holds, low-temperature steel with a thickness of 8 to 25 mm is used, of which steel with a thickness of 11 mm and 12 mm is most commonly used. Steel materials of this thickness have a relatively slow cooling rate compared to thick plates when making butt joints. In addition, when testing the impact toughness of welded joints, there is no distinction between the surface and back sections and the impact toughness is greatly affected by the upper layer, so it is not easy to guarantee the impact toughness at -60°C.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 용접 입열량 제한, 층간온도 제한 및 채움층 및 표면층을 여러 패스로 나누어 용접하는 방법(도 1 참조) 등을 현업에 제안하고 있는 실정이다.In order to solve these problems, methods such as limiting welding heat input, limiting interlayer temperature, and dividing the fill layer and surface layer into several passes to weld (see Figure 1) are currently being proposed in the field.
그러나, 반자동 용접 기법인 플럭스 코어드 아크 용접 수행 시에는 서브머지드 아크 용접과 같은 자동 용접 시와는 달리 용접사의 작업 방식에 따라 용접 조건이 변화될 여지가 크기 때문에 엔지니어가 제안하는 지침서대로 용접이 수행되지 않는 경우가 많다. 지침서대로 수행되더라도 여러가지 제약조건 때문에 용접 생산성이 열악해진다.However, when performing flux cored arc welding, which is a semi-automatic welding technique, unlike automatic welding such as submerged arc welding, welding conditions are likely to change depending on the welder's work method, so welding must be done according to the guidelines suggested by the engineer. In many cases, it is not performed. Even if performed according to the instructions, welding productivity is poor due to various constraints.
따라서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 플럭스 코어드 아크용접을 통해 저온 환경(-60℃)에서도 우수한 충격인성을 갖는 용접금속을 제공하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a weld metal with excellent impact toughness even in a low temperature environment (-60°C) through flux cored arc welding.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 고온균열 민감성이 낮은 적정 니켈 함량을 선정하여 고온균열 발생이 없는 건전한 용접금속을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a sound weld metal without high-temperature cracking by selecting an appropriate nickel content with low high-temperature cracking susceptibility.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 플럭스 코어드 아크용접을 통해 저온 환경(-60℃)에서도 우수한 충격인성을 갖는 용접금속을 형성하기 위한 용접방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a welding method for forming a weld metal with excellent impact toughness even in a low temperature environment (-60°C) through flux cored arc welding.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 용접 생산성을 고려하여 기존 대비 용접 횟수를 줄여 저온 환경(-60℃)에서도 우수한 충격인성을 갖는 용접금속을 형성하기 위한 용접방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a welding method for forming a weld metal with excellent impact toughness even in a low temperature environment (-60°C) by reducing the number of welds compared to the existing method in consideration of welding productivity.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법은 용접할 두 모재를 FCAW로 맞대기 용접하여 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 형성하는 방법에 있어서, 상기 용접금속은 제1 패스, 제2 패스 및 제3 패스로 이루어지고, 상기 맞대기 용접은 상기 두 모재를 서로 맞대는 형태로 배치시키는 배치단계; 상기 맞대어진 모재의 저면에 세라믹 백킹재를 부착하는 부착단계; 상기 세라믹 백킹재 상부에 초층 용접을 실시하여 상기 제1 패스인 초층을 형성하는 초층용접단계; 상기 제1 패스가 냉각된 뒤에 상기 세라믹 백킹재를 제거하는 제거단계; 상기 제1 패스 상부에 용접하여 상기 제2 패스인 채움층을 형성하는 채움층 용접단계; 및 상기 채움층 상부에 용접하여 상기 제3 패스인 표면층을 형성하는 표면층 용접단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above-described task, the weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention and the welding method for forming the same are a method of forming a weld metal with excellent low-temperature impact toughness by butt welding two base materials to be welded with FCAW. wherein the weld metal is made of a first pass, a second pass, and a third pass, and the butt welding includes an arrangement step of arranging the two base materials in a form facing each other; An attachment step of attaching a ceramic backing material to the bottom of the butted base material; An ultra-layer welding step of performing ultra-layer welding on the ceramic backing material to form the first layer, which is the first pass; A removal step of removing the ceramic backing material after the first pass is cooled; A fill layer welding step of welding an upper part of the first pass to form a fill layer that is the second pass; and performing a surface layer welding step of forming the third pass surface layer by welding the top of the fill layer.
또한, 상기 맞대기 용접은 9 ~ 12mm 두께의 두 모재를 4 ~ 6mm 간격을 두고 배치하여 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the butt welding is characterized in that two base materials with a thickness of 9 to 12 mm are placed at intervals of 4 to 6 mm.
또한, 상기 맞대기 용접은 아래보기 용접으로 수행되며, 상기 제1 패스는 전류 180 ~ 190A, 전압 24 ~ 25V, 속도 13 ~ 14CPM, 입열량 19 ~ 24KJ/CM 및 예열온도 0℃ 이상; 상기 제2 패스는 전류 230 ~ 270A, 전압 25 ~ 26V, 속도 16 ~ 26CPM, 입열량 13 ~ 27KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하; 상기 제3 패스는 전류 240 ~ 270A, 전압 25 ~ 26V, 속도 18 ~ 22CPM, 입열량 16 ~ 23KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하의 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the butt welding is performed by downward welding, and the first pass is performed at a current of 180 to 190 A, a voltage of 24 to 25 V, a speed of 13 to 14 CPM, a heat input of 19 to 24 KJ/CM, and a preheating temperature of 0° C. or higher; The second pass has a current of 230 to 270A, a voltage of 25 to 26V, a speed of 16 to 26CPM, a heat input of 13 to 27KJ/CM, and an interlayer temperature of 250°C or less; The third pass is characterized in that the current is 240 to 270A, the voltage is 25 to 26V, the speed is 18 to 22CPM, the heat input is 16 to 23KJ/CM, and the interlayer temperature is 250℃ or less.
또한, 상기 맞대기 용접은 수직상진 용접으로 수행되며, 상기 제1 패스는 전류 180 ~ 190A, 전압 21 ~ 22V, 속도 7 ~ 8CPM, 입열량 28 ~ 33KJ/CM 및 예열온도 0℃ 이상; 상기 제2 패스는 전류 190 ~ 200A, 전압 22 ~ 23V, 속도 15 ~ 16CPM, 입열량 16 ~ 18KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하; 상기 제3 패스는 전류 190 ~ 200A, 전압 22 ~ 23V, 속도 14 ~ 16CPM, 입열량 17 ~ 20KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하의 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the butt welding is performed by vertical upward welding, and the first pass is performed at a current of 180 to 190 A, a voltage of 21 to 22 V, a speed of 7 to 8 CPM, a heat input of 28 to 33 KJ/CM, and a preheating temperature of 0° C. or higher; The second pass has a current of 190 to 200A, a voltage of 22 to 23V, a speed of 15 to 16CPM, a heat input of 16 to 18KJ/CM, and an interlayer temperature of 250°C or less; The third pass is characterized in that the current is 190 to 200A, the voltage is 22 to 23V, the speed is 14 to 16CPM, the heat input is 17 to 20KJ/CM, and the interlayer temperature is 250℃ or less.
또한, 상기 용접금속은, 중량 %로 C: 0.05%, Si: 0.23~0.32%, Mn: 0.67~0.74%, Cr: 0.026~0.032%, Ni: 3.17~3.39%, Mo: 0.01% 이하, B: 0.003~0.004%, Nb: 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: 0.001% 미만, P: 0.01% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the weld metal is C: 0.05%, Si: 0.23-0.32%, Mn: 0.67-0.74%, Cr: 0.026-0.032%, Ni: 3.17-3.39%, Mo: 0.01% or less, B : 0.003~0.004%, Nb: 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: less than 0.001%, P: 0.01% or less, S: 0.01% or less, the remainder including Fe and inevitable impurities. .
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법에 의하면, -60℃의 저온 환경에서도 충격인성 확보가 가능하므로, production test 탈락에 따른 재 작업을 방지할 수 있다.As described above, according to the weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention and the welding method for forming the same, impact toughness can be secured even in a low-temperature environment of -60°C, thereby preventing rework due to failure in the production test. You can.
또한, 고온균열 민감성이 낮은 적정 니켈 함량을 선정하여 고온균열 발생이 없는 용접금속을 형성할 수 있으므로, 고온균열 민감성을 낮추어 건전한 용접부를 제작할 수 있다.In addition, by selecting an appropriate nickel content with low high-temperature crack susceptibility, weld metal without high-temperature cracking can be formed, thereby lowering high-temperature crack susceptibility and producing a sound weld.
또한, 용접 생산성을 고려하여 기존 대비 용접 횟수를 줄여 빠른 용접 생산성을 확보할 수 있다.In addition, considering welding productivity, it is possible to secure fast welding productivity by reducing the number of welds compared to before.
도 1은 종래기술에 따른 맞대기 용접 이음의 용접부 형상을 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 형성하기 위한 용접방법을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속과, 그 용접금속을 형성하기 위한 용접조건을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 용접 조건을 충족함에 따라 형성된 용접금속의 형상을 보인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속에 포함된 화학성분을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 니켈의 적정함량을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing the shape of the weld part of a butt weld joint according to the prior art.
Figure 2 is a process diagram showing a welding method for forming a weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention.
Figure 3 is a diagram showing a weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention and welding conditions for forming the weld metal.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the shape of weld metal formed as the welding conditions shown in FIG. 3 are met.
Figure 5 is a diagram showing the chemical components contained in the weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention.
Figure 6 is a diagram for explaining the appropriate content of nickel shown in Figure 5.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, its operational advantages, and the objectives achieved by practicing the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating exemplary embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, identical or corresponding components will be assigned the same drawing numbers and overlapping descriptions thereof will be omitted. do.
도 2는 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 형성하기 위한 용접방법을 나타낸 공정도이다.Figure 2 is a process diagram showing a welding method for forming a weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 형성하기 위한 용접방법은 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 통해 용접할 두 모재(10)를 맞대기 용접하여 저온 환경(-60℃)에서도 우수한 충격인성을 갖는 용접금속을 제공하기 위한 것으로, 배치단계(110), 부착단계(120), 초층용접단계(130), 제거단계(140), 채움층 용접단계(150) 및 표면층 용접단계(160)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 2, the welding method for forming a weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention is to butt weld two
배치단계(110)에서는 용접할 두 개의 모재(10)를 서로 맞대는 형태로 배치시킨다. 이때, 모재(10)는 용접 또는 가스 절단의 소재가 되는 금속으로서, 본 발명에서는 두께가 9 ~ 12mm 인 것을 사용할 수 있다. 또한, 두 개의 모재(10)는 4 ~ 6mm의 간격을 두고 서로 맞대어 배치되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 본 발명에서 맞대기 용접은 9 ~ 12mm 두께의 두 모재를 4 ~ 6mm 간격을 두고 배치하여 진행하게 된다.In the
부착단계(120)에서는 맞대기 이음 용접 시 초층부(30)의 용락을 방지하기 위하여 맞대어진 모재(10)의 저면에 세라믹 백킹재(20)를 부착한다. 여기서, 세라믹 백킹재(20)는 이면 비드 형성을 위한 것으로, 일정 두께를 갖는 세라믹 재질로 이루어진 백킹재로 이루어질 수 있고, 알루미늄 테이프(21)에 의해 맞대어진 모재(10)의 저면에 부착될 수 있다. In the
이때, 세라믹 백킹재(20) 및 알루미늄 테이프(21)는 통상적인 것을 사용하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.At this time, since the
초층용접단계(130)에서는 부착단계(120)에서 부착된 세라믹 백킹재(20)의 상부에 초층 용접을 실시하여 제1 패스(30)인 초층을 형성한다. 이때, 초층용접단계(130)는 통상적인 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)으로 이루어질 수 있다. 또한, 초층용접단계(130)에서 적용되는 용접 자세는 아래보기, 수직 상진 및 수평 용접자세 중 어느 하나일 수 있다.In the first
이때, 초층용접단계(130)에서 아래보기 및 수직 상진 용접 자세를 적용하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같은 용접 조건을 충족하는 것이 바람직하다.At this time, when applying the downward view and vertical upward welding posture in the first
도 3은 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속과, 그 용접금속을 형성하기 위한 용접조건을 나타낸 도면으로서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 초층용접단계(130)에서 아래보기 용접 자세를 통해 제1 패스(30)인 초층을 형성하는 경우, 아래보기 용접 자세의 조건은 전류 180 ~ 190A, 전압 24 ~ 25V, 속도 13 ~ 14CPM, 입열량 19 ~ 24KJ/CM 및 예열온도 0℃ 이상을 충족하는 것이 바람직하다.Figure 3 is a diagram showing a weld metal having excellent low-temperature impact toughness according to the present invention and welding conditions for forming the weld metal. Referring to Figures 2 and 3, a bottom view welding posture in the first
이와는 달리, 초층용접단계(130)에서 수직 상진 용접 자세를 통해 제1 패스(30)인 초층을 형성하는 경우, 수직 상진 용접 자세의 조건은 전류 180 ~ 190A, 전압 21 ~ 22V, 속도 7 ~ 8CPM, 입열량 28 ~ 33KJ/CM 및 예열온도 0℃ 이상을 충족하는 것이 바람직하다.In contrast, when forming the first layer, which is the
한편, 상기 수평 용접자세는 기존 용접방법을 적용하더라도 충격인성이 양호하므로, 따로 설명하지는 않는다.Meanwhile, the horizontal welding position has good impact toughness even when using the existing welding method, so it will not be described separately.
다시 도 2를 참조하면, 제거단계(140)에서는 초층용접단계(130)에서 용접한 제1 패스(30)가 냉각된 뒤에 세라믹 백킹재(20)를 맞대어진 모재(10)의 저면에서 분리 제거한다. 이때, 세라믹 백킹재(20)는 제거단계(140)에서 제거되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 세라믹 백킹재(20)는 용접사의 성향에 따라 초층 용접 후 제거하거나, 제2 패스(40)인 채움층을 형성한 후 제거할 수도 있다.Referring again to FIG. 2, in the
채움층 용접단계(150)에서는 초층용접단계(130)에서 형성된 제1 패스(30) 상부에 용접하여, 제2 패스(40)인 채움층을 형성한다. 이때, 채움층 용접단계(150)는 초층용접단계(130)와 같이, 통상적인 플럭스 코어 아크 용접으로 이루어질 수 있다. 또한, 채움층 용접단계(150)에서 적용되는 용접 자세는 아래보기, 수직 상진 및 수평 용접자세 중 어느 하나일 수 있다.In the filling
이때, 채움층 용접단계(150)에서 아래보기 및 수직 상진 용접 자세를 적용하여 제2 패스(40)를 형성하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같은 용접 조건을 충족함에 따라 형성될 수 있다.At this time, when forming the
도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 채움층 용접단계(150)에서 아래보기 용접 자세를 통해 제2 패스(40)인 채움층을 형성하는 경우, 아래보기 용접 자세의 조건은 전류 230 ~ 270A, 전압 25 ~ 26V, 속도 16 ~ 26CPM, 입열량 13 ~ 27KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하를 충족하는 것이 바람직하다.In more detail with reference to FIG. 3, when forming the filling layer of the
이와는 달리, 채움층 용접단계(150)에서 수직 상진 용접 자세를 통해 제2 패스(40)인 채움층을 형성하는 경우, 수직 상진 용접 자세의 조건은 전류 190 ~ 200A, 전압 22 ~ 23V, 속도 15 ~ 16CPM, 입열량 16 ~ 18KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하를 충족하는 것이 바람직하다.In contrast, when forming the
한편, 상기 수평 용접자세는 기존 용접방법을 적용하더라도 충격인성이 양호하므로, 따로 설명하지는 않는다.Meanwhile, the horizontal welding position has good impact toughness even when using the existing welding method, so it will not be described separately.
표면층 용접단계(160)에서는 제2 패스(40)인 채움층 상부에 용접하여 제3 패스(50)인 표면층을 형성한다. 이때, 표면층 용접단계(160)는 초층용접단계(130) 및 채움층 용접단계(150)와 마찬가지로 통상적인 플럭스 코어 아크 용접으로 이루어질 수 있다. 또한, 표면층 용접단계(160)에서 적용되는 용접자세는 아래보기, 수직 상진 및 수평 용접자세 중 어느 하나일 수 있다.In the surface
이때, 표면층 용접단계(160)에서 아래보기 및 수직 상진 용접 자세를 적용하여 제3 패스(50)를 형성하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같은 용접 조건을 충족함에 따라 형성될 수 있다.At this time, when forming the
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 표면층 용접단계(160)에서 아래보기 용접 자세를 통해 제3 패스(50)인 표면층을 형성하는 경우, 아래보기 용접 자세의 조건은 전류 240 ~ 270A, 전압 25 ~ 26V, 속도 18 ~ 22CPM, 입열량 16 ~ 23KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하를 충족하는 것이 바람직하다.Specifically, as shown in FIG. 3, when forming the surface layer, which is the
이와는 달리, 표면층 용접단계(160)에서 수직 상진 용접 자세를 통해 제3 패스(50)인 표면층을 형성하는 경우, 수직 상진 용접 자세의 조건은 전류 190 ~ 200A, 전압 22 ~ 23V, 속도 14 ~ 16CPM, 입열량 17 ~ 20KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하를 충족하는 것이 바람직하다.In contrast, when forming the surface layer of the
한편, 상기 수평 용접자세는 기존 용접방법을 적용하더라도 충격인성이 양호하므로, 따로 설명하지는 않는다.Meanwhile, the horizontal welding position has good impact toughness even when using the existing welding method, so it will not be described separately.
따라서, 본 발명에 따른 저온충격 인성이 우수한 용접금속 및 용접방법에 의하면, 총 6패스로 용접했던 기존의 방법과는 다르게 3패스 만에 용접할 수 있고, -60℃에서 충격인성을 확보할 수 있게된다.Therefore, according to the weld metal and welding method with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention, unlike the existing method of welding in a total of 6 passes, welding can be done in 3 passes, and impact toughness can be secured at -60°C. There will be.
도 4는 도 3에 도시된 용접 조건을 충족함에 따라 형성된 용접금속의 형상을 보인 단면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view showing the shape of weld metal formed as the welding conditions shown in FIG. 3 are met.
도 3에 도시된 용접 조건을 충족함에 따라 형성된 제1 패스(30), 제2 패스(40) 및 제3 페스(50)는 아래보기 자세와 수직 상진 자세에 따라 도 4와 같은 단면을 갖도록 형성된다. 즉, 아래보기 자세에 따라 형성된 용접금속(60)은 도 4a와 같은 형태로 형성될 수 있다. 또한, 수직 상진 자세에 따라 형성된 용접금속(60)은 도 4b와 같은 형태로 형성될 수 있다.The
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 층을 한 패스로 용접 하는 것이 도 1에 도시된 종래 용접방법과 차별된다.That is, as shown in FIG. 4, welding one layer in one pass is different from the conventional welding method shown in FIG. 1.
보다 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 종래 용접방법과 같이, 한 층을 2패스로 나눠 용접하는 것이 충격인성 확보에 유리하나, 본 발명에 따른 용접방법과 같이, 충격인성 확보가 가능한 화학성분의 용접재료를 적용하여 한 층을 한패스로 용접할 수 있다. 이로 인해, 본 발명에서 사용하는 모재(10)와 같이 9 ~ 12mm의 두께를 갖는 모재(10)를 사용하는 경우, 총3 패스로 용접의 마무리가 가능하다. 이에 따라, 용접 생산성을 높일 수 있다.To be more specific, as in the conventional welding method shown in Figure 1, it is advantageous to secure impact toughness by dividing one layer into two passes and welding, but as in the welding method according to the present invention, chemical composition that can secure impact toughness is used. One layer can be welded in one pass by applying welding materials. For this reason, when using a
한편, 상기 화학성분은 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire)와 모재(10)가 용접 아크에 의해 용융, 응고됨에 따라 형성된다.Meanwhile, the chemical composition is formed as the flux cored wire and the
제1 패스(30), 제2 패스(40) 및 제3 패스(50)는 동일한 화학성분의 용접재료를 통해 용접되어 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that the
이때, 상기 용접금속(30, 40, 50)의 화학성분은 용접재료의 화학성분이 가장 큰 영향을 미치지만, 모재(10)의 희석(dilution) 영향 및 용접 조건에 따른 용접 금속 회수율 차이도 영향을 미친다. At this time, the chemical composition of the
즉, 제1 패스(30), 제2 패스(40) 및 제3 패스(50)의 모재 희석율과 용접 조건이 다르므로, 각 위치 별 화학성분은 다소 다를 수 있다.That is, since the base material dilution rate and welding conditions of the
이에 따라, 후술한 용접금속(60)의 화학성분은 제3 패스(50)인 표면층에서 측정한 값을 나타낸다.Accordingly, the chemical composition of the weld metal 60 described later represents the value measured in the surface layer, which is the
이와 같이, 제3 패스(50)의 표면에서 측정된 화학성분은 도 5 및 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.As such, the chemical composition measured on the surface of the
도 5는 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속에 포함된 화학성분을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 니켈의 적정함량을 설명하기 위한 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the chemical components contained in the weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention, and Figure 6 is a diagram explaining the appropriate content of nickel shown in Figure 5.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 저온 충격인성이 우수한 용접금속은 중량 %로 C: 0.05%, Si: 0.23~0.32%, Mn: 0.67~0.74%, Cr: 0.026~0.032%, Ni: 3.17~3.39%, Mo: 0.01% 이하, B: 0.003~0.004%, Nb: 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: 0.001% 미만, P: 0.01% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.Referring to Figures 5 and 6, the weld metal with excellent low-temperature impact toughness according to the present invention is C: 0.05%, Si: 0.23-0.32%, Mn: 0.67-0.74%, Cr: 0.026-0.032%, Ni: 3.17-3.39%, Mo: 0.01% or less, B: 0.003-0.004%, Nb: 0.010-0.013%, V: 0.01%, N: less than 0.001%, P: 0.01% or less, S: 0.01% or less, The remainder includes Fe and inevitable impurities.
도 5 및 도 6을 참조하여 상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다. 이하, 각 성분의 함량 단위는 특별히 언급하지 않은 경우에는 중량%임에 유의할 필요가 있다.With reference to Figures 5 and 6, the reason for limiting the numerical value of each component is explained as follows. Hereinafter, it should be noted that the unit of content of each ingredient is weight% unless specifically mentioned.
탄소(C): 0.05중량%Carbon (C): 0.05% by weight
탄소는 용접금속의 강도를 확보하기 위한 필수적인 원소이다. 또한, 적정 범위의 델타-페라이트를 형성함으로써 불순물 원소의 고용도를 높여 용접부 고온균열 저항성을 향상 시킬 수 있다. 본 발명의 용접금속이 필요로 하는 최소 인장 강도 490MPa 이상을 형성하고 니켈 함량을 고려하여 초정 응고상이 델타-페라이트가 되기 위해 0.05% 함량 범위가 바람직하다.Carbon is an essential element to ensure the strength of weld metal. In addition, by forming delta-ferrite in an appropriate range, the high-temperature cracking resistance of the weld zone can be improved by increasing the solubility of impurity elements. In order to form the minimum tensile strength of 490 MPa or more required by the weld metal of the present invention and to make the primary solidified phase delta-ferrite considering the nickel content, the content range of 0.05% is preferable.
실리콘(Si): 0.23~0.32중량%Silicon (Si): 0.23~0.32% by weight
실리콘은 용접금속 내 탈산 작용을 하고 용융 금속의 유동성에 관여하며 용접금속 강도를 유지한다. 또, 실리콘은 슬래그 유동성에 영향을 미치며 비드 외관 향상에 영향을 미친다. 다만, 과다하게 첨가 될 경우 도상 마르텐사이트(M-A constituent) 변태를 촉진시켜 충격인성 저하 및 균열감수성에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 실리콘 함량을 0.23~0.32%로 한정하는 것이 바람직하다.Silicon acts as a deoxidizer in the weld metal, participates in the fluidity of the molten metal, and maintains the strength of the weld metal. Additionally, silicon affects slag fluidity and improves bead appearance. However, if added excessively, it may accelerate the transformation of island-phase martensite (M-A constituent), which may have a negative effect on the impact toughness and crack susceptibility. Therefore, in the present invention, it is preferable to limit the silicon content to 0.23 to 0.32%.
망간(Mn): 0.67~0.74중량%Manganese (Mn): 0.67~0.74% by weight
망간은 용접금속에서 탈산 작용 및 강도를 향상시키는 원소로, TiO 산화물 주위에 MnS 형태로 형성되어 충격인성에 유리한 침상형 페라이트 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 또한, 저융점 화합물인 FeS보다 MnS를 먼저 형성하기 때문에 고온균열 저항성 향상에 기여한다. 본 발명에서는 다른 원소들과의 조합을 고려하여 0.67~0.74%의 함량 범위가 바람직하다.Manganese is an element that improves the deoxidation effect and strength of weld metal. It is formed in the form of MnS around TiO oxide and plays a role in promoting the formation of needle-shaped ferrite, which is advantageous for impact toughness. In addition, since MnS is formed before FeS, a low-melting point compound, it contributes to improving high-temperature crack resistance. In the present invention, a content range of 0.67 to 0.74% is preferable considering combination with other elements.
크롬(Cr): 0.026~0.032중량%Chromium (Cr): 0.026~0.032% by weight
크롬은 강도 향상에 기여하는 원소이지만 과다할 경우 탄화물 및 질화물을 형성하여 충격인성을 저하시킬 우려가 있다. 이에 따라, 본 발명의 화학조성에서는 0.026~0.032%의 함량 범위가 바람직하다.Chromium is an element that contributes to strength improvement, but if it is excessive, it forms carbides and nitrides, which may reduce impact toughness. Accordingly, in the chemical composition of the present invention, a content range of 0.026 to 0.032% is preferable.
니켈(Ni): 3.17~3.39중량%Nickel (Ni): 3.17~3.39% by weight
니켈은 고용강화에 의해 기지(matrix)의 강도와 인성을 향상 시키는 원소이다. 오스테나이트 안정화 원소로 충격인성의 천이온도를 낮춤과 동시에 충격 인성의 안정화를 도모할 수 있는 원소이다. 용접금속의 니켈 함량이 3.17% 미만에서는 생산성을 고려한 고입열 용접시 충격인성 안정화 효과를 나타낼 수 없고, 3.40% 이상에서는 용융성 저하로 인해 용접성이 저하될 수 있다. Nickel is an element that improves the strength and toughness of the matrix through solid solution strengthening. It is an austenite stabilizing element that can lower the transition temperature of impact toughness and simultaneously stabilize impact toughness. If the nickel content of the weld metal is less than 3.17%, the impact toughness stabilization effect cannot be achieved during high heat input welding considering productivity, and if the nickel content of the weld metal is more than 3.40%, weldability may be reduced due to lower meltability.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 니켈 함량이 3.17~3.39%인 용접금속은 초정 응고상이 BCC 구조의 델타-페라이트지만, 니켈 함량이 4.00% 이상 첨가된 용접금속은 초정 응고상이 FCC 구조의 오스테나이트이다. 이러한 경우, 불순물 원소의 고용도가 작은 오스테나이트 수지상 내에 고용되지 못한 S와 P가 액상에 편성되어 저융점 화합물을 형성함으로서 고온균열에 매우 민감해진다. 따라서, -60℃ 충격인성 보증, 고온균열 저항성, 용접 작업성을 모두 고려 하였을 때, 3.17~3.39%의 함량 범위가 바람직하다.Meanwhile, as shown in Figure 6, the primary solidified phase of the welded metal with a nickel content of 3.17 to 3.39% is delta-ferrite with a BCC structure, but the primary solidified phase of the welded metal with a nickel content of 4.00% or more is auste with an FCC structure. It's a night. In this case, S and P that are not dissolved in the austenite resin phase, which has a small solubility of impurity elements, are organized in the liquid phase to form a low melting point compound, making it very sensitive to high temperature cracking. Therefore, when considering all -60℃ impact toughness guarantee, high-temperature crack resistance, and welding workability, a content range of 3.17 to 3.39% is preferable.
몰리브덴(Mo): 0.01중량% 이하Molybdenum (Mo): 0.01% by weight or less
몰리브덴은 기지(Matrix)의 강도를 향상시키는 역할을 하지만 0.01% 초과시 냉각속도가 빠른 용접조건에서 경화성이 증가하여 저온변태조직을 생성 시킬 수 있어 저온균열 발생 위험이 있다. 또한, 충격인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 몰리브덴의 함량은 0.01% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.Molybdenum plays a role in improving the strength of the matrix, but if it exceeds 0.01%, hardenability increases under welding conditions with a fast cooling rate, which can create a low-temperature transformation structure, which poses a risk of low-temperature cracking. Additionally, impact toughness may be reduced. Therefore, it is desirable to limit the molybdenum content to 0.01% or less.
보론(B): 0.003~0.004중량%Boron (B): 0.003~0.004% by weight
보론은 소입성을 향상 시키는 원소로 입계에 편석되어 입계 페라이트 형성을 억제한다. 하지만, 과도하게 첨가될 경우 용접 경화성이 크게 증가하여 저온변태조직 생성을 촉진시켜 저온균열 발생 및 인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 보론의 함량은 0.003~0.004%로 한정하는 것이 바람직하다.Boron is an element that improves hardenability and segregates at grain boundaries to suppress the formation of grain boundary ferrite. However, if added excessively, it is undesirable because it greatly increases weld hardenability and promotes the creation of low-temperature transformation tissue, resulting in low-temperature cracks and lowering toughness. Therefore, it is desirable to limit the boron content to 0.003-0.004%.
니오븀(Nb): 0.010~0.013중량%Niobium (Nb): 0.010~0.013% by weight
니오븀은 결정입계에 석출하여 용접부 강도와 경도를 증가시키지만 용접금속의 인성 및 내균열성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 니오븀의 함량은 0.010~0.013%로 한정하는 것이 바람직하다.Niobium precipitates at grain boundaries and increases the strength and hardness of the weld zone, but can reduce the toughness and crack resistance of the weld metal. Therefore, it is desirable to limit the niobium content to 0.010-0.013%.
바나듐(V): 0.01중량%Vanadium (V): 0.01% by weight
바나듐은 결정입계에 석출하여 용접부 강도와 경도를 증가시키지만 용접금속의 인성 및 내균열성을 저하 시킬 수 있다. 따라서, 바나듐의 함량은 0.01%로 한정하는 것이 바람직하다.Vanadium precipitates at grain boundaries and increases the strength and hardness of the weld zone, but can reduce the toughness and crack resistance of the weld metal. Therefore, it is desirable to limit the vanadium content to 0.01%.
질소(N): 0.001중량% 미만Nitrogen (N): less than 0.001% by weight
질소는 함량이 과도하면 용접금속 내에 존재하는 고용질소량의 증가로 인해 인성 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 질소의 함량은 0.001% 미만으로 한정하는 것이 바람직하다.If the nitrogen content is excessive, it may cause a decrease in toughness due to an increase in the amount of dissolved nitrogen present in the weld metal. Therefore, it is desirable to limit the nitrogen content to less than 0.001%.
인(P): 0.01중량% 이하Phosphorus (P): 0.01% by weight or less
인은 용접부 고온균열을 조장하는 불순물 원소이기 때문에 가능한 낮게 관리해야한다. 따라서, 인의 함량은 0.01% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.Phosphorus is an impurity element that promotes high-temperature cracks in welds, so it must be kept as low as possible. Therefore, it is desirable to limit the phosphorus content to 0.01% or less.
황(S): 0.01중량% 이하Sulfur (S): 0.01% by weight or less
황은 FeS 등의 저융점 화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있다. 따라서, 황의 함량은 0.01% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.Sulfur can cause high-temperature cracking by forming low-melting point compounds such as FeS. Therefore, it is desirable to limit the sulfur content to 0.01% or less.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다. The remaining components of the present invention include iron (Fe) and inevitable impurities.
따라서, 상술한 화학성분으로 이루어진 용접금속(60)은 종래의 용접방법과는 차별되도록 한 층을 한 패스로 용접하여 총 3패스만에 용접을 마무리할 수 있으므로, 용접 생산성을 높일 수 있다.Therefore, the weld metal 60 made of the above-mentioned chemical composition can complete the welding in a total of three passes by welding one layer in one pass, different from the conventional welding method, thereby increasing welding productivity.
또한, 상술한 화학성분으로 이루어진 용접금속(60)은 저온 환경에서도 우수한 충격인성을 갖게 된다.In addition, the weld metal 60 composed of the above-mentioned chemical components has excellent impact toughness even in a low-temperature environment.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above-mentioned embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and, of course, can be changed in various ways without departing from the gist of the invention.
10: 모재
20: 세라믹 백킹재
30: 제1 패스
40: 제2 패스
50: 제3 패스
60: 용접금속
110: 배치단계
120: 부착단계
130: 초층용접단계
140: 제거단계
150: 채움층 용접단계
160: 표면층 용접단계10: Base material
20: Ceramic backing material
30: 1st pass
40: 2nd pass
50: Third pass
60: Weld metal
110: Placement step
120: Attachment step
130: First layer welding step
140: Removal step
150: Filling layer welding step
160: Surface layer welding step
Claims (5)
상기 용접금속은
제1 패스, 제2 패스 및 제3 패스로 이루어지고,
상기 맞대기 용접은
상기 두 모재를 서로 맞대는 형태로 배치시키는 배치단계;
상기 맞대어진 모재의 저면에 세라믹 백킹재를 부착하는 부착단계;
상기 세라믹 백킹재 상부에 초층 용접을 실시하여 상기 제1 패스인 초층을 형성하는 초층용접단계;
상기 제1 패스가 냉각된 뒤에 상기 세라믹 백킹재를 제거하는 제거단계;
상기 제1 패스 상부에 용접하여 상기 제2 패스인 채움층을 형성하는 채움층 용접단계; 및
상기 채움층 상부에 용접하여 상기 제3 패스인 표면층을 형성하는 표면층 용접단계를 수행하되,
상기 맞대기 용접은 9 ~ 12mm 두께의 두 모재를 4 ~ 6mm 간격을 두고 배치하여 진행하고,
상기 맞대기 용접은, 아래보기 용접으로 수행되는 경우, 상기 제1 패스는 전류 180 ~ 190A, 전압 24 ~ 25V, 속도 13 ~ 14CPM, 입열량 19 ~ 24KJ/CM 및 예열온도 0℃ 이상; 상기 제2 패스는 전류 230 ~ 270A, 전압 25 ~ 26V, 속도 16 ~ 26CPM, 입열량 13 ~ 27KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하; 상기 제3 패스는 전류 240 ~ 270A, 전압 25 ~ 26V, 속도 18 ~ 22CPM, 입열량 16 ~ 23KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하의 조건으로 이루어지고,
상기 맞대기 용접은, 수직상진 용접으로 수행되는 경우, 상기 제1 패스는 전류 180 ~ 190A, 전압 21 ~ 22V, 속도 7 ~ 8CPM, 입열량 28 ~ 33KJ/CM 및 예열온도 0℃ 이상; 상기 제2 패스는 전류 190 ~ 200A, 전압 22 ~ 23V, 속도 15 ~ 16CPM, 입열량 16 ~ 18KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하; 상기 제3 패스는 전류 190 ~ 200A, 전압 22 ~ 23V, 속도 14 ~ 16CPM, 입열량 17 ~ 20KJ/CM 및 층간온도 250℃ 이하의 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 충격인성이 우수한 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법.In the method of butt welding two base materials to be welded with FCAW to form a weld metal with excellent low-temperature impact toughness,
The weld metal is
Consisting of a first pass, a second pass and a third pass,
The butt welding is
A placement step of arranging the two base materials in a form facing each other;
An attachment step of attaching a ceramic backing material to the bottom of the butted base material;
An ultra-layer welding step of performing ultra-layer welding on the ceramic backing material to form the first layer, which is the first pass;
A removal step of removing the ceramic backing material after the first pass is cooled;
A fill layer welding step of welding an upper part of the first pass to form a fill layer that is the second pass; and
A surface layer welding step is performed to form the third pass surface layer by welding the top of the fill layer,
The butt welding is performed by placing two base materials with a thickness of 9 to 12 mm at intervals of 4 to 6 mm,
When the butt welding is performed by downward welding, the first pass is performed at a current of 180 to 190 A, a voltage of 24 to 25 V, a speed of 13 to 14 CPM, a heat input of 19 to 24 KJ/CM, and a preheating temperature of 0° C. or higher; The second pass has a current of 230 to 270A, a voltage of 25 to 26V, a speed of 16 to 26CPM, a heat input of 13 to 27KJ/CM, and an interlayer temperature of 250°C or less; The third pass is performed under the conditions of current 240 to 270A, voltage 25 to 26V, speed 18 to 22CPM, heat input 16 to 23KJ/CM, and interlayer temperature 250℃ or less,
When the butt welding is performed by vertical upward welding, the first pass uses a current of 180 to 190 A, a voltage of 21 to 22 V, a speed of 7 to 8 CPM, a heat input of 28 to 33 KJ/CM, and a preheating temperature of 0° C. or higher; The second pass has a current of 190 to 200A, a voltage of 22 to 23V, a speed of 15 to 16CPM, a heat input of 16 to 18KJ/CM, and an interlayer temperature of 250°C or less; The third pass is a weld metal with excellent low-temperature impact toughness, characterized in that it is made under the conditions of a current of 190 to 200 A, a voltage of 22 to 23 V, a speed of 14 to 16 CPM, a heat input of 17 to 20 KJ/CM, and an interlayer temperature of 250 ℃ or less. Welding method for forming.
중량 %로 C: 0.05%, Si: 0.23~0.32%, Mn: 0.67~0.74%, Cr: 0.026~0.032%, Ni: 3.17~3.39%, Mo: 0.01% 이하, B: 0.003~0.004%, Nb: 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: 0.001% 미만, P: 0.01% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 충격인성이 우수한 용접금속 및 이를 형성하기 위한 용접방법.In claim 1, the weld metal is,
By weight %, C: 0.05%, Si: 0.23-0.32%, Mn: 0.67-0.74%, Cr: 0.026-0.032%, Ni: 3.17-3.39%, Mo: 0.01% or less, B: 0.003-0.004%, Nb : 0.010~0.013%, V: 0.01%, N: less than 0.001%, P: 0.01% or less, S: 0.01% or less, the remainder containing Fe and inevitable impurities. A weld metal with excellent low-temperature impact toughness. and a welding method for forming it.
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