KR19990042046A - 용접부 강도가 우수한 60ｋｇｆ/㎟급 고장력강용 가스아크 용접재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 아크 용접에 이용되는 용접재료에 관한 것이며; 그 목적은 60kg/mm²급 고장력강의 용접에 사용되는 가스 아크 용접재료를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.03%-0.08%, Mn:1.7-2.0%, Si:0.6-0.9%, Mo:0.2-0.4%, Ti:0.10-0.20%, P:0.020%이하, S:0.020%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 용접부 강도가 우수한 60kgf/mm²급 고장력강의 가스아크 용접재료에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

용접부 강도가 우수한 60ｋｇｆ/㎟급 고장력강용 가스아크 용접재료

본 발명은 가스아크용접에 이용되는 용접재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력용기 중장비, 교량 등에 이용되는 60kgf/mm²급 고장력강의 용접에 사용되는 가스 아크 용접재료에 관한 것이다.

가스아크용접(Gas Metal Arc, 이하 'GMA용접'이라 함)은 용접과정중 모재와 용접와이어 사이에 대기를 차단하기 위해 CO₂나 Ar 등의 보호가스를 사용하는 용접하는 방법이다. GMA용접방법중 탄소가스 아크용접은 용접과정중 스패터가 많이 발생하는 등의 단점이 있으나, 저가의 탄소가스를 사용하는 잇점으로 가장 많이 사용되고 있다. 이러한 탄산가스 용접에 사용되는 용접와이어는 크게 나누어 신선된 상태에서 그대로 사용하는 solid wire와 wire중에 플럭스(flux)를 충진하여 사용하는 Flux Cored Wire로 대별되는데 Flux Cored wire의 증가 추세에도 불구하고 현재까지는 solid wire가 태반을 점유하고 있다.

참고로, 일본에서의 용접재료 생산추이를 살펴보면, 1979년에 63%로 절반 이상을 차지하던 수동 피복아크용접재료는 1988년에 이르러 33%로 감소한 대신, GMA용접용 solid wire가 24%에서 56%로 증가하고 있어 용접의 자동화에 따른 GMA용접의 solid wire의 급격한 생산증대를 나타내고 있다.

한편, 각 산업계별로 GMA용접기가 차지하는 비율을 보면, 전체 산업계에서는 GMA용접기가 30%를 차지하고 있으나, 차량/자동차업계에서는 72%, 산업기계/전기기계업계에서는 50%를 차지하여 GMA용접은 차량, 자동차, 산업기계, 전기기계업계등에서 많이 사용되고 있음을 알 수 있다. 이러한 GMA용접재료의 사용확대에 부응하여 연강 및 50kg/mm²급 고장력강에 사용되는 가스아크용접와이어가 포항종합제철에서 개발되어 공급되고 있다. 그런데, 최근의 산업발전 추세에따라 교량, 압력용기, 산업기계 등에는 연강 및 50kg/mm²급 고장력강 뿐만 아니라, 60kg/mm²급 고장력강의 사용이 증대되고 있어 이러한 60kg/mm²급 고장력강용 solid wire의 개발이 시급한 실정이다.

이에, 본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 전용착금속 기계적 성질은 인장강도, 충격흡수에너지가 최적화되도록 성분계를 조정하여 용접에 의해 형성되는 용접금속이 인장강도 60kg/mm²급을 확보할 수 있는 용접재료를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용접재료는 중량%로, C:0.03%-0.08%, Mn:1.7-2.0%, Si:0.6-0.9%, Mo:0.2-0.4%, Ti:0.10-0.20%, P:0.020%이하, S:0.020%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기 C(탄소)는 강재의 강도를 향상시키는 필수성분으로 이를 위해 0.03%이상 함유되는 것이 필요하나, 다량 함유된 경우에는 인성과 용접성을 저하 시키므로 용접재료의 C를 0.03-0.08%범위로 한정한다. 본 발명과 같이 저탄소화하면 용접금속 용접부 균열이 발생하지 않아 우수한 내균열성이 확보되는 반면, C량이 0.1%이상으로 증가하면, 용접시 스패터(spatter)량이 증가하여 용접작업성이 좋지 않을 뿐만 아니라, 용접 재료를 와이어로 신선시 경조직에 의한 신선성이 떨어진다.

상기 Si(실리콘)는 용접시 중요한 탈산재임과 더불어 고용강화 원소로 이를 위해 0.6%함유하나 과도하게 함유되는 경우 용접부의 인성을 열화시키므로 0.6~0.9%로 한정한다. Si는 그 양이 증가하면 용접시 스패터가 감소하고, Si함량이 감소함에 따라 스패터량이 증가하는 경향을 보이는데, 이러한 Si의 특성은 Mn에 비해 스패터를 감소시키는 효과가 크다.

상기 Mn은 기본적으로 강도를 확보하여 필요한 원소로 1.7%이상 함유하나, 다량 함유하면 용접성을 저하시키고 편석부의 인성을 저하시키므로 용접금 속의 Mn 성분범위를 1.7~2.0%로 한정한다. 일반적으로 잘 알려진 바와같이 용접금 속의 인성은 산소함유량에 의해서만 영향을 받는 것이 아니라, Si 및 Mn 함유량에 따라서도 크게 변화하고, 특히 Si, Mn 함유량의 특정범위내에서 높은 인성치를 확보할 수 있다. 이러한 원인은 Si 및 Mn이 탈산원소로서의 역할뿐만 아니라, 합금원소로서 용접금 속의 조직변화에도 큰 역할을 수행하기 때문이다. 저Si-저Mn계에서는 소입성이 부족하여, 조대한 페라이트(ferrite)가 발달하고, 고Si-고Mn계에서는 래스(lath)상 조직이 발달하여, 파괴의 유효 결정립경을 크게하여 인성을 열화시킨다. 적정 Si-Mn계에서는 비교적 입내페라이트를 미세화하여 인성을 향상시킨다.

상기 Mo는 용접금속의 조대한 페라이트의 형성을 억제하고 입내에 미세한 페라이트(AF:acicular ferrite)의 생성을 촉진시켜, 균일한 미세조직에 의한 충격 시험시 균열을 복잡한 경로로 전파시킴으로써 용접금속의 인성을 향상시키고, 용접금속의 강도를 확보하기 위하여 0.2%이상 함유한다. 그러나, 용접금속중 Mo함량이 0.4%이상 과다하게 되면 강도는 증가하나 인성이 저하하는데, 이는 용접금속이 래스상 페라이트로 이루어지고 페라이트와 페라이트 사이에 고경화 조직이 생성되고, 취성균열의 전파경로가 되므로 Mo는 0.2-0.4%의 범위로 한정한다.

상기 Ti은 모재 및 용접부의 저온인성 향상에 유효한 원소로 이를 위해 0.10%함유하나, 너무 많은 경우에는 효과가 포화되기 때문에 용접와이어에서 Ti성분범위를 0.10-0.20%로 한정한다. Ti량이 증가할수록 스패터 발생량은 감소한다. 이러한 효과는 탄소(C)량에 따라서 다소 차이가 있다. 즉, C량이 적은 경우에는 스패터 및 단락수에 대한 Ti의 효과는 함량이 거의 0.1%정도에서 포화상태가 되지만, C량이 많은 경우에 Ti량이 적으면 C의 효과가 지배적으로 되어 스패터 및 단락수가 증가하고, Ti량이 증가하면 스패터량은 C량이 적은 경우 보다 감소한다.

상기 P는 강의 제조상 불가피하게 함유되는 원소로서 편석되기 쉽고, 저온 변태 조직을 형성하기 쉬우며, 산소와 친화력이 강하여 용접성을 해치기 때문에 그상한값을 0,020%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 S은 강의 제조상 불가피하게 함유되는 원소로서 비금속개재물을 증가시켜 인성을 열화시키므로 그 상한값을 0.020%로 한정한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

본 실시예의 용접재료는 전로에서 출강후 로외정련 공정에서 청정강 제조를 위한 Flux처리 및 탈가스 처리를 거쳐 단면치수가 250x330mm연주 블룸으로 연속주조후 강편공정에서 160x160mm 빌렛으로 압연후 선재공정에서 5.5mm∮의 용접와이어로 신선한 후 동도금하였다. 용접용 와이어들의 화학성분을 도 2에 나타내었는데, 그 성분은 Cu가 와이어에 코팅된 그대로 상태에서의 습식분석치이다.

용접은 AWS A5.28의 규정에 따라 contact tip에서 표면까지의 거리를 20mm로 하여 280A로 용접하였다. 용접속도는 30cpm이며 CO₂가스의 유량은 20l/min이다. 용접시 예열/층간온도는 150℃이며 용접은 7층 13pass로 일정하게 하였다. 이와 같이 용접된 용착금속의 기계적 성질은 인장시험 및 충격시험으로 평가하고, 그 결과를 하기표 3에 나타내었다.

이때, 용착금속의 충격시험은 Charpy 2mm V notch 시험편을 사용하여 행하였으며 notch 위치는 용착금속의 중앙으로 하였다. 충격시험온도는 0,-5,-20℃의 3구간으로 나누어서, 각 시험온도별 3회 측정하였다.

참고로, 하기 표2에는 저탄소형인 발명재A와 저Mn-Si형인 발명재B, 그리고 비교재로서, 시판되고 있는 비교재A, 비교재B의 전용착금속의 화학성분을 용접재료와 함께 나타내었다.

와이어	C	Mn	Si	Mo	Ti	P	S	Cu
발명재A	0.04	2.00	0.88	0.31	0.14	0.12	0.010	0.17
발명재B	0.06	1.80	0.74	0.30	0.14	0.13	0.010	0.17
비교재A	0.07	1.60	0.78	-	0.17	0.13	0.013	0.25
비교재B	0.06	1.15	0.59	-	0.07	0.011	0.009	0.25

와이어	화학성분(wt%)
	C	Mn	Si	Mo	Ti	P	S
발명재A	와이어	0.04	2.00	0.88	0.31	0.14	0.012	0.010
	용착금속	0.05	1.58	0.66	0.30	0.03	0.011	0.010
발명재B	와이어	0.06	1.80	0.74	0.30	0.14	0.013	0.010
	용착금속	0.06	1.37	0.52	0.29	0.04	0.011	0.010
비교재A	와이어	0.07	1.60	0.78	-	0.17	0.013	0.013
	용착금속	0.07	0.96	0.49	-	0.05	0.012	0.013
비교재B	와이어	0.06	1.15	0.59	-	0.07	0.011	0.009
	용착금속	0.06	0.56	0.24	-	0.01	0.010	0.009

와이어	인장강도(kgf/㎟)	항복강도(kgf/㎟)	연신율(%)	충격흡수에너지
				시험온도(℃)	흡수에너지, J(평균)
발명재 A	65.1	56.3	29.8	0	103.0, 99.2, 90.7 (97.6)
				-5	92.3, 97.6, 95.5 (95.1)
				-20	81.0, 76.0, 72.1 (76.4)
발명재 B	61.1	53.2	28.3	0	137.7, 129.4, 131.0 (132.7)
				-5	123.7, 128.3, 124.1 (125.4)
				-20	84.0, 93.0, 87.1 (88.1)
비교재 A	54.9	45.1	33.6	0	72.1, 39.3, 42.2 (51.2)
				-5	38.4, 41.6, 43.8 (41.3)
				-20	37.0, 37.0, 39.7 (37.9)
비교재 B	49.2	38.5	35.2	0	71.6, 53.1, 41.3 (55.3)
				-5	56.8, 35.4, 40.3 (44.2)
				-20	6.2, 20.8, 13.3 (13.4)

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 융착금 속의 화학성분은 발명재 A를 사용한 경우가 0.05C-1.58Mn-0.66Si, 발명재B를 사용한 경우는 0.06C-1.37Mn-0.52Si, 비교재A는 0.07C-0.96Mn-0.49Si, 비교재B는 0.06C-0.56Mn-0.24Si를 각각 나타내고 있다. 탄소의 경우 발명재 A를 사용한 경우가 가탄(0.01%)을 보이고 있으나, 다른 와이어는 변화를 나타내지 않고 있으며, Mn과 Si는 모든 와이어에서 많은 산화 손실을 나타내고 있다.

이러한 산화손실에도 불구하고 전용착금속의 인장강도는 상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 발명재A, 발명재B를 사용한 경우가 각각 65.1kgf/mm²(638MPa)와 61.1kgf/mm²(599MPa)을 나타내어 본발명에서 목표로 하고 잇는 AWS ER80SG 혹은 JIS YGW21의 규격인 550MPa과 570MPa을 상회하고 있다.

전용착금속의 충격흡수에너지는 저 Mn-Si형인 발명재B를 사용한 경우가 가장 우수한 값을 나타내어, JIS규정 시험온도인 -5℃에서 47J보다 휠씬 높은 평균 125.4J을 나타내고 있다. 발명재 B와이어를 사용한 경우의 충격흠수 에너지도 95.1J로 JIS규격치인 47J보다 2배이상 높은 결과를 보이고 있다.

이상의 시험결과, 발명재A, 발명재B 모두 전용착금속의 강도와 인성치가 규격을 상회하고 있어 인장강도 60kgf/mm²의 고장력강의 가스아크용접에 모두 적용가능함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 용접금 속의 인성, 특히 인장강도 60kgf/mm²이상을 확보할 수 있는 가스아크 용접재료를 제공할 수 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.03%-0.08%, Mn:1.7-2.0%, Si:0.6-0.9%, Mo:0.2-0.4%, Ti:0.10-0.20%, P:0.020%이하, S:0.020% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용접부 강도가 우수한 60kgf/mm²급 고장력강용 가스아크 용접재료