KR20010062494A - 용접재료 및 용접조인트의 제조방법 - Google Patents

용접재료 및 용접조인트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

용접재료는 질량%로 C : 0.20%이하, Cr : 6.0∼16.0%, Ni : 6.0∼16.0%를 함유하며, 마르텐사이트(martensite) 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 0℃이상의 철기합금을 사용한다. 용접금속은, 질량%로, C : 0.20%이하, Cr : 3.0∼13.0%, Ni : 3.0∼13.0%를 함유하며, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 360℃이하 50℃이상의 철합금조성을 갖는다.

Description

용접재료 및 용접조인트의 제조방법{Welding material and method for producing welding joint by using the same}
본 발명은 선박, 교량, 저장조, 건설기계 등의 대형 강구조물의 용접에 알맞게 사용되는 용접재료에 관한 것이며, 특히 용접조인트부의 내용접균열성의 개선, 내피로특성의 개선에 관한 것이다.
선박, 해양구조물, 수압관(penstock), 교량이나 저장조, 건설기계 등의 대형 강구조물에 있어서, 경량화의 목적으로 사용강재의 고강도화가 요망되고 있다. 이들 강구조물에 사용되는 강재에는 주로, Cr, Ni, Mo등의 합금원소가 10질량%미만, 바람직하게는 5.0질량%미만이 함유된, 이른바 저합금강이 사용되며, 그 강도는 인장강도 : 290MPa∼1180MPa의 범위를 가지고 있다.
이와 같은 강재의 고강도화로의 요망에 대응하여, 저합금강 중에서도 고강도의 강재를 사용하면, 용접할 때 저온균열이 많이 발생하는 경우가 있다. 이 고강도 강재의 용접조인트에 발생하는 저온균열의 주원인은 용접중에 용접금속에 용해한 수소이며, 이 수소는 냉각 중에 확산되며, 특히 용접열에 의해 경화된 지단부(止端部), 루트부 등의 응력 집중부에 모여서 균열을 발생시킨다. 용접금속에 용해한 확산성 수소가 많을수록, 또 응력이 높을수록 저온균열이 발생하기 쉽고, 확산성 수소량이 많을수록 낮은 응력에서 저온균열이 발생한다는 것은 잘 알려져 있다. 저온균열 발생의 한계곡선을 모식적으로 도 2에 도시한다.
이와 같은 용접에 있어서의 저온균열의 발생을 회피하기 위해서, 종래부터,
① 용접시에 예열을 실시하는 것,
② 용접직후에 적정한 후열을 실시하는 것,
③ 저수소계의 용접재료를 사용하는 것, 등이 실시되고 있으며, 다시, 피용접재료인 강재에 대해서도,
④ C 등을 저감시켜 저 탄소 당량으로 하여 용접경화성을 저감시킨 강재,
⑤ PCM치를 저감시켜 저온균열 감수성을 저감시킨 강재 등이, 채용되고 있다.
그러나, 용접에 있어서 예열, 후열을 실시한다는 것은 용이한 일이 아니며 또한 다대한 시간을 요하며, 용접작업 비용의 증대나, 용접작업 능률의 저하를 초래한다. 또, 780MPa급 이상의 고장력강에서는 강도확보를 위해 합금원소를 다량첨가하고 있으며, 저 수소계 용접재료를 사용하여도 또한, 용접 저온균열방지의 관점에서, 용접시의 예열을 필수로 하고 있다.
이와 같은 문제에 대하여, 예를 들면, 일본국 특개평9-253860호 공보에는 전체 용착금속의 Ms점이 400℃이하에서, Ni : 7.5∼12.0중량% 및 H : 2중량ppm이하로 한 솔리드와이어를 사용하며, 와이어의 공급속도를 5∼40g/min으로 하고, 760∼980N/mm2급의 고장력강을 TIG용접하는 용접방법이 제안되어 있다. 이 용접방법에 의하면, 50mm를 초과하는 극후(極厚)의 760∼980N/mm2급 고장력강에 있어서도, 실온에 있어서의 용접균열의 발생을 방지할 수 있는 것으로 되어 있다.
또, 일본국 특개평11-138280호 공보에는 용접에 의해 생성하는 용접금속을, 용접후의 냉각과정에서 마르텐사이트 변태를 일으켜서, 실온에 있어서 그 마르텐사이트 변태의 개시때보다 팽창되어 있는 상태로 하는 용접방법이 개시되어 있다. 그 때, 용접재료로서, 마르텐사이트 변태 개시온도가 250℃미만 170℃이상의 철합금을 사용한다고 기재되어 있다.
그러나, 일본국 특개평9-253860호 공보에 기재된 기술에서는 TIG용접에 한정되며, 그 이외의 확산성 수소가 2중량ppm이상으로 많아지는 용접방법에서는 여전히, 용접균열을 방지하기 위한 예열을 필요로 한다는 문제가 있다.
또, 일본국 특개평11-138290호 공보에 기재된 기술에 있어서는 용접금속의 강도가 피용접재료의 강도와 비교하여 높아지며, 소위, 오버매칭의 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제를 해결하고, 490∼1180MPa급 고장력강의 용접조인트를, 예열을 실시하지 않고도 저온균열을 방지할 수 있으며, 다시 용접조인트의 피로강도를 높이고, 또, 용접금속의 강도를 적정하게 조정할 수 있는 용접재료 및 용접조인트의 제조방법을 제안함과 동시에, 용접의 저온균열을 방지한 용접조인트를 제안하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 용접금속의 변태특성 일례를 나타낸 온도-신장곡선을 모식적으로 나타낸 설명도.
도 2는 용접부의 저온균열발생 한계를 모식적으로 나타낸 설명도.
도 3은 본 발명의 실시예인 맞댄 용접조인트의 일례를 나타낸 설명도.
도 4는 본 발명의 실시예인 십(十)자 용접조인트의 일례를 나타낸 설명도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
5 ; 용접금속 10 ; 용접 최종층
11 ; 피 용접재 21 ; 주판(主板)
22 ; 부판(副板)
본 발명자들은 490∼1180MPa급 고장력강을, 각종 용접재료를 사용하여 용접하며, 저온균열, 용접조인트부의 피로강도, 용접금속의 강도에 미치는 요인 및 저온균열의 방지방법에 대하여 예의 연구하였다.
그 결과, 저온균열의 발생을 방지하고, 용접조인트의 피로강도를 향상시키기 위해서는 용접금속을, 용접후의 냉각과정에서 마르텐사이트 변태가 발생하고, 실온까지 냉각된 후에 마르텐사이트 변태개시때에 비하여 팽창상태가 되는 온도-신장곡선(열팽창곡선)을 갖도록 하는 조성으로 하는 것이 중요하다는 것에 착상하게 되었다.
그리고, 본 발명자들은 용접금속이, 용접의 냉각과정에서 마르텐사이트 변태를 생성하며, 게다가 상온에서, 마르텐사이트 변태개시때보다 팽창상태가 되는 것에 의하여, 냉각과정에서 용접금속에 발생한 인장잔류응력을 완화하는 것, 혹은 인장 잔류응력에 대신하여 압축잔류응력으로 할 수 있다는 것을 발견하였다. 그리고, 이것에 의해서, 용접열로 경화하는 지단부나 루트부로 인장응력이 집중하는 것을 방지하여, 용접조인트부의 피로강도를 향상시키며, 다시, 확산성 수소가 지단부나 루트부로 확산, 집중하는 것을 방지하며, 예열을 실시하지 않고, 저온균열을 저지할 수 있다는 지견을 얻게 되었다.
또, 본 발명자들은 내균열성 향상에 최적의 용접금속의 변태특성을 검토한 결과, 온도-신장곡선(열팽창곡선)에 있어서, 마르텐사이트 변태에 의해 신장이 팽창으로 전환되는 온도, 즉 변태개시 직후에 있어서의 신장의 최저점의 온도로부터 50℃까지의 온도범위의 선팽창량이 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm의 범위가 될 때, 용접의 균열율이 제로(0)가 된다는 것을 발견하였다.
또, 다시 본 발명자들은 용접금속에 오스테나이트를 적당량 잔류시킴으로써, 상기한 용접금속의 특성을 유지하면서, 용접금속의 강도를 적정범위로 조정할 수 있으며, 용접금속의 강도가 높아지는 것에 의해 방생하는 오버매칭의 정도가 크게 되는 것을 방지할 수 있다는 것을 발견하였다.
상기한 바와 같은 조성의 용접금속으로 하기 위해서는 용접재료 이외에, 피용접재료로부터의 희석을 고려할 필요가 있으며, 피용접재료로서 저합금강의 조성에 따라서, 용접재료의 조성 및 용접입열(鎔接入熱)등의 용접조건을 조정하여, 용접하는 것이 긴요하게 된다. 용접재료로서는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 0℃이상으로 되는 조성으로 함으로써, 통상의 강구조물의 적용 용접조건의 범위내에서는 충분하다는 것을 발견하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 지견에 의거하고, 다시 검토를 행하여 완성된 것이다.
즉, 본 발명은 질량%로, C : 0.20%이하, Cr : 6.0∼16.0%, Ni : 6.0∼16.0%를 함유하며, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 0℃이상의 조성을 갖는 철기합금인 것을 특징으로 하는 용접재료이며, 또, 본 발명에서는 상기의 조성이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음 (1)식
0≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (1)
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%))을 만족하도록 조정되는 것이 바람직하다. 또 본 발명에서는 상기 각 조성이, 질량%로, C : 0.20%이하, Cr : 6.0∼16.0%, Ni : 6.0∼16.0%를 함유하며, 더욱이 Si : 1.0%이하, Mn : 2.5%이하를 포함하며, 및/또는 Mo : 4.0%이하, Nb : 1.0%이하의 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성인 것이 바람직하다.
또, 본 발명에서는 상기 조성이, 더욱이 신장-온도곡선에 있어서, 마르텐사이트 변태에 의한 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서의 선팽창량이, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm가 되는 조성인 것이 바람직하다.
제2의 본 발명은 용접재료를 사용하여 피용접재료끼리 용접하여 용접조인트로 하는 용접조인트의 제조방법에 있어서, 상기 피용접재료를 저합금 강재로 하고, 상기 용접에 의해 형성되는 용접금속이, C : 0.20질량%이하, Cr : 3.0∼13.0질량%, Ni : 3.0∼13.0질량%를 함유하는 철합금조성으로서, 또한 360℃이하 50℃이상의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 갖도록, 상기 저합금 강재의 조성에 따라서, 상기 용접재료의 조성, 용접조건을 조정하는 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법이다. 또, 제2의 본 발명에서는 상기 용접금속의 조성이, 다음 (2)식
50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜360 …… (2)
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)을 만족하도록 조정되는 것이 바람직하다. 또, 제2의 본 발명에서는 상기 용접금속의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가, 170℃미만 50℃이상으로 하는 것이 바람직하며, 또, 제2의 본 발명에서는 상기 용접금속이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음 (3)식
50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (3) (여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%))을 만족하도록 조정되는 것이 바람직하다. 또, 제2의 본 발명에서는 상기 용접금속이, 용접후의 냉각과정에서 마르텐사이트 변태를 일으키고, 실온에 있어서 그 마르텐사이트 변태의 개시때보다 팽창한 상태로 되는 것이 바람직하다, 또 제2의 본 발명에서는 상기 용접이 예열없이 실시되는 것이 바람직하며, 또, 상기 용접을 다층용접의 초층용접 및/또는 최종용접에 의해 형성되는 용접금속의 조성이, 상기 (1)식, 또는 (2)식을만족하는 것이 바람직하다. 또, 제2의 본 발명에서는 상기 각 용접금속의 선팽창량이, 각 용접금속의 온도-신장곡선에 있어서 마르텐사이트 변태에 의한 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm인 것이 바람직하다.
제3의 본 발명은 용접재료를 사용하여 피용접재료끼리 용접한 용접조인트로서, 상기 피용접재료를 저합금 강재로 하고, 상기 용접에 의해 형성된 용접금속이, C : 0.20질량%이하, Cr : 3.0∼13.0질량%, Ni : 3.0∼13.0질량%를 함유하는 철합금조성으로서, 또한 360℃이하 50℃이상의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms 점)를 가지며, 다시, 그 용접금속이 실온에 있어서 마르텐사이트 변태의 개시때보다 팽창한 상태의 온도-신장곡선을 나타낸 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 용접조인트이며, 또, 제3의 본 발명에서는 상기 용접금속이, C : 0.20질량%이하, Cr : 3.0∼13.0질량%, Ni : 3.0∼13.0질량%를 함유하며, 더욱이 Si : 1.0질량%이하, Mn : 2.5질량%이하를 포함하며, 및/또는 Mo : 4.0질량%이하, Nb : 1.0질량%이하의 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철합금조성을 갖는 것이 바람직하다. 또, 제3의 본 발명에서는 상기 용접금속의 조성이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 상기 (2)식을 만족하도록 조절하는 것이 바람직하다. 또, 제3의 본 발명에서는 상기 용접금속의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 50℃이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 제3의 본 발명에서는 상기 용접금속이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 상기 (1)식을 만족하도록 조정하는 것이 바람직하다. 또, 제3의 본 발명에서는 상기 각 용접금속의 선팽창량이, 각 용접금속의 온도-신장곡선에 있어서 마르텐사이트 변태에 의한 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm인 것이 바람직하다.
(실시예)
본 발명의 용접재료는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 0℃이상의 조성을 갖는 철기합금으로 이루어진다. Ms점이 170℃이상에서는 용접금속의 마르텐사이트 변태에 의한 팽창량이 많아지는 바, 용접금속의 강도가 피용접재료인 저합금 강재의 강도에 비해서 지니치게 높다. 한편, Ms점이 0℃미만에서는 냉각과정에 있어서의 용접금속의 마르텐사이트 변태에 의한 팽창효과가 충분치 않으며, 내저온균열성의 개선, 피로강도의 증가가 적다. 이와 같은 이유때문에, 용접재료를, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 0℃이상의 조성을 갖는 철기합금으로 한정하였다. 이것에 의해서, 내저온균열성이 개선되며, 용접조인트의 피로강도가 증가한다.
또, 용접재료의 Ms점을 170℃미만 0℃이상으로 하는 것에 의하여, 실온의 용접금속중에 잔류 오스테나이트가 적정량 존재하는 것이 되며, 합금원소의 다량첨가에 의한 강도의 이상증가를 억제할 수 있으며, 용접금속을 적정한 강도로 할 수 있다. 이것에 의해서, 용접금속으로의 응력집중을 방지할 수 있다.
다음에, Ms점이 170℃미만 0℃이상이 되는 본 발명의 용접재료의 조성에 대하여 설명한다. 또한 본 발명에 있어서의 용접재료의 화학성분, Ms점은 JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제작한 용착금속에 있어서의 값으로 한다.
본 발명의 용접재료는 C : 0.20질량%이하, Cr : 6.0∼16.0질량%, Ni : 6.0∼16.0질량%를 함유하는 조성을 갖는 철기합금으로서, 바람직하게는 다시 Si : 1.0질량%이하, Mn : 2.5질량%이하를 함유하며, 및/또는 Mo : 4.0질량%이하, Nb : 1.0질량%이하의 가운데 1종 또는 2종을 함유하며, 잔부Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다(이하, 질량%는 %로 기재한다.).
C는 마르텐사이트의 경도를 증가시키며, 용접경화성을 증대시켜 저온균열을 조장하는 원소이며, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하며, 용접균열의 관점에서 0.20%이하, 바람직하게는 0.10%이하로 한다.
Cr는 마르텐사이트 변태개시온도를 저온으로 하는 원소이며, 본 발명의 용접재료로서는 중요한 원소의 하나이며, 6.0%이상의 함유를 필요로 한다. Cr의 함유량이 6.0%미만에서는 마르텐사이트 변태개시온도를 170℃미만으로 하기 위해 고가의 Ni의 다량첨가 및 가공성을 열화시키는 원소의 다량첨가를 필요로 하며, 경제성, 제조성의 관점에서 볼때 문제가 있다. 한편, Cr의 첨가량이 16.0%를 초과하면, 용접금속에 페라이트가 현출하며, 인성(靭性)의 관점에서 바람직하지 않다. 이와 같은 이유때문에 용접재료의 Cr함유량을 6.0∼16.0%로 한다.
Ni는 마르텐사이트를 안정화시키는 원소이며, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 170℃미만의 저온으로 하는데 중요한 원소이다. 이와 같은 관련에 의하여, 본 발명에서는 Ni는 6.0%이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, 16.0%를 초과하는 다량의 함유량은 용접재료를 고가의 것으로 하여 경제적으로 불리하다.
또한, Si는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 저하시키는 작용을 가지며, Ms점의 저하를 위해서는 많이 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 1.0%를 초과하여 함유하게 되면, 가공성이 저하하며, 용접재료의 제조성이 저하한다. 이 때문에, Si는 1.0%이하로 하는 것이 바람직하다.
Mn은 탈산제로서 작용하는 바, 2.5%를 초과하여 함유하면, 가공성이 저하하며, 용접재료의 제조성이 저하한다. 이 때문에, Mn은 2.5%이하로 조정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 또, Mo, Nb가운데 1종 또는 2종을 함유할 수 있다.
Mo는 용접금속의 내부식성을 향상시킬 목적으로, 첨가할 수 있으나, 4.0%를 초과하여 함유하면, 가공성이 저하하며, 용접재료의 제조성이 저하한다. 이 때문에, Mo는 4.0%이하로 하는 것이 좋다.
Nb는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 저하시키는 작용을 가지며, Ms점 저하를 위해서는 많이 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 1.0%를 초과하여 함유하면, 가공성이 저하하고, 용접재료의 제조성이 저하한다. 이 때문에, Nb는 1.0%이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기한 것 이외는 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는 N : 0.050%이하, O : 0.080%이하, P : 0.010%이하, S : 0.010%이하가 허용된다. 또한, 용접재료에는 내부식성의 관점에서 Cu도금을 실시하는 것도 좋다는 것은 물론이다.
본 발명의 용접재료는 상기한 조성범위에서, 또한 C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음의 (1)식
0≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (1)
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%))을 만족하도록 조정하는 것이 바람직하다. 또 본 발명에 있어서는 (1)식에 있어서의 각 원소가운데, 함유하지 않는 원소가 있는 경우에는 그 원소량을 0으로 하여 (1)식을 계산하는 것으로 한다.
상기한 (1)식을 만족시키도록, 용접재료의 조성을 조정함으로서, 내저온균열성을 향상시키며, 다시 용접조인트의 피로강도를 증가시키며, 용접금속의 이상 강도증가를 억제할 수 있다. (1)식을 만족시키지 않는 경우에 있어서도 내용접균열성 및 피로강도를 확보할 수 있는 경우가 있으나. 용접금속의 강도가 크게 증가하는 것에 의한 오버매칭이 발생한다.
또, 본 발명의 용접재료는 온도-신장곡선에 있어서, 마르텐사이트 변태에 의해 신장이 팽창으로 전환하는 온도, 즉 변태개시직후에 신장이 최저가 되는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서 선팽창량이, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm가 되는 조성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서의 용접재료의 선팽창량은 JIS Z 3111의 규정에 준거하여 제작한 용접금속에 있어서의 값으로 한다.
상기한 온도범위에서의 선팽창량이 길이 1mm당 2x10-3mm미만, 혹은 8x10-3mm를 초과하면, 용접부에 인장 잔류응력이 잔류하여, 균열이 발생하기 쉽게 된다.
다음에, 본 발명의 용접조인트는 용접재료를 사용하여, 피용접재료끼리 용접하는 것에 의해 제작된다.
본 발명의 용접조인트에 있어서는 피용접재료로서, 저합금강을 사용한다. 저합금강은 20mm두께이상의 490∼980MPa급 고장력강재가 적당하며, 그 중에서도, 75mm두께이상의 극후(極厚)490MPa급 고장력강재 및 590∼1180MPa급 고장력강재가 적합하다. 단, 본 발명에 사용되는 이들 저합금 강재의 조성에 대해서는 특히 한정할 필요는 없으며, 통상 공지된 강재 가운데 어느 것이라도 적용이 가능하다.
본 발명에서는 피용접재료에 따라서, 용접재료의 조성 및 용접방법, 용접조건을 조정하여, 적정조성의 용접금속을 형성한다. 본 발명의 용접조인트의 제조에 있어서는 피복 아크용접, 가스메털 실용접, 서브머지드 아크용접, FCW 등 각종 용접법이 어느 것이나 적합하게 적용된다. 또, 조인트의 형상은 하중 비전달형(荷重非傳達型)십(十)자 용접조인트, 각돌림 용접 등의 필릿용접(fillet welding)조인트, 맞댄 용접(butt welding)조인트 등, 선박, 해양구조물, 수압관(penstock), 교량, 저장탱크, 건설기계 등의 대형 구조물에 사용되는 조인트형상이 어느 것이나 적합하다.
다음에, 본 발명의 용접조인트에 있어서의 용접금속에 대하여 설명한다.
본 발명의 용접조인트에 있어서의 용접금속은 온도-신장곡선, 즉, 열팽창곡선이 실온에 있어서 마르텐사이트 변태의 개시때보다 팽창한 상태의 온도-신장곡선을 나타낸다. 본 발명의 용접조인트에 있어서의 용접금속의 온도-신장곡선의 일례를 도 1에 나타낸다. 본 발명의 용접금속(실선)은 냉각과정에 있어서, 마르텐사이트 변태를 생성하고, 그 마르텐사이트 변태에 의한 팽창으로, 실온에 있어서, 마르텐사이트 변태 개시때보다 팽창한 상태가 되는 것이다. 이와 같은 조성의 용접금속으로 하는 것에 의해, 용접조인트에는 냉각시의 수축에 의한 인장응력을 완화하거나, 혹은 압축응력이 잔류하게 된다.
한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 용접금속(점선)에서는 마르텐사이트 변태개시온도에 의한 팽창이 적기 때문에, 실온에 있어서는 변태후의 냉각으로 수축한 상태로 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 용접금속의 변태거동은 통상의 열팽창에 의한 신장의 온도변화를 연속적으로 측정하여 얻어지는 온도-신장곡선(열팽창곡선)을 작성하여 구하는 것으로 한다. 이와 같은 상태가 되는 용접금속으로 하기 위해서는 피용접재료, 용접재료 및 용접조건에 의해 얻어지는 용접금속의 조성을, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 360℃이하 50℃이상이 되는 조성으로 할 필요가 있다. Ms점이 360℃를 초과하면, 마르텐사이트 변태에 의한 팽창량이 적어짐과 동시에, 변태팽창의 최대점이 실온보다 지나치게 높아지기 쉽기 때문에, 변태후의 냉각에 의해 재차 열수축이 일어나며, 이것에 의해서 인장잔류 응력이 발생하게 되어, 내저온균열성이 저하한다. 또, Ms점이 50℃미만에서는 냉각과정에 있어서의 마르텐사이트 변태에 의한 팽창효과가 충분치 않으며, 내저온균열성의 개선이 적다. 이와 같은 이유때문에, 용접금속의 조성을, 용접금속의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 360℃이하 50℃이상이 되는 조성으로 한정하였다. 이것에 의하여, 내저온균열성이 개선된다. 또한, 내저온균열성을 더욱 개선하기 위해서는 용접금속의 Ms점은 170℃미만 50℃이상으로 하는 것이 바람직하다.
용접금속의 Ms점이 50℃이상 360℃이하가 되어도, 온도-신장곡선에 있어서 마르텐사이트 변태개시 직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도(도 1 ; T점)로부터 50℃까지의 온도범위에서의, 용접금속의 선팽창량이, 길이 1mm당 2x10-3mm미만에서는 용접열 영향부에 인장 잔류응력이 걸리기 때문에 저온균열이 발생한다. 한편, 상기한 T점으로부터 50℃까지의 온도범위에서, 용접금속의 선팽창량이, 길이 1mm당 8x10-3mm초과에 있어서는 용접금속의 루트부에 인장 잔류응력이 발생하여, 용접금속에 있어서 균열이 일어난다. 이와 같은 이유때문에, 용접금속의 온도-신장곡선에 있어서 마르텐사이트 변태에 의한 변태개시 직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도(T점)로부터 50℃까지의 온도범위에서의 용접금속의 선팽창량이, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm의 범위로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 이와 같은 범위의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 갖는 용접금속이 되기 위해서는 용접금속의 조성을, 질량%로, C : 0.20%이하, Cr : 3.0∼13.0%, Ni : 3.0∼13.0%를 함유하는 철합금조성으로, 바람직하게는 다시 Si : 1.0질량%이하, Mn : 2.5질량%이하를 함유하며, 혹은 다시 Mo : 4.0질량%이하, Nb : 1.0질량%이하 가운데 1종 또는 2종을 함유하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철합금조성으로 한다(이하, 질량%는 %로 기재한다.).
C는 마르텐사이트의 경도를 증가시키며, 용접경화성을 증대시켜 저온균열을 조장하는 원소이며, 가능한한 저감시키는 것이 바람직하며, 용접균열의 관점에서0.20%이하, 바람직하게는 0.12%이하로 한다.
Cr는 마르텐사이트 변태개시온도를 저온으로 하는 원소이며, 본 발명의 용접금속으로서는 중요한 원소의 하나이며, 3.0%이상의 함유를 필요로 한다. Cr의 함유량이 3.0%미만에서는 마르텐사이트 변태개시온도를 360℃미만으로 하는데는 용접재료에 고가의 Ni의 다량첨가 및 용접재료의 가공성을 열화시키는 원소의 다량첨가를 필요로 하며, 경제성, 제조성의 관점에서 문제가 있다. 한편, Cr의 첨가량이 13.0%를 초과하면, 용접금속에 페라이트가 현출하며, 인성(靭性)의 관점에서 바람직하지 않다. 이와 같은 이유때문에 용접금속의 Cr함유량을 3.0∼13.0%로 한다.
Ni는 마르텐사이트를 안정화시키는 원소이며, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 360℃이하의 저온으로 하는데 중요한 원소이다. 이와 같은 이유때문에, 본 발명에서는 Ni는 3.0%이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, 13.0%를 초과하는 다량의 함유량은 용접재료를 고가의 것으로 만들어 경제적으로 불리하게 된다.
또한, Si는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 저하시키는 작용을 가지며, Ms점의 저하를 위해서는 많이 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Si는 탈산제로서 용접재료로부터 주로 공급되며, 용접금속에 Si를 1.0%를 초과하여 함유시키게 되면, 용접재료의 제조에 있어서의 가공성이 저하한다. 이 때문에, Si는 1.0%이하로 조정하는 것이 좋다.
Mn은 탈산제로서 용접재료로부터 공급되는 바, 2.5%를 초과하여 함유시키면, 용접재료의 제조시에 있어서의 가공성이 저하한다. 이 때문에, Mn은 2.5%이하로 조정하는 것이 좋다.
본 발명에서는 또, Mo, Nb가운데 1종 또는 2종을 함유할 수 있다.
Mo는 용접금속의 내부식성을 향상시킬 목적으로, 첨가할 수 있으나, 4.0%를 초과하여 함유하면, 용접재료의 가공성이 저하한다. 이 때문에, Mo는 4.0%이하로 하는 것이 좋다.
Nb는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 저하시키는 작용을 가지며, Ms점 저하를 위해서는 많이 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 1.0%를 초과하여 함유시키면, 용접재료의 제조에 있어서의 가공성이 저하한다. 이 때문에, Nb는 1.0%이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기한 이외의 원소에 대해서는 특별히 한정되지 않으나, V, Cu, REM을 각각 0.5%이하 함유하는 것은 허용된다. 또한, 상기한 원소이외에 피용접재료, 용접재료에 함유되는 원소가 불가피적으로 함유되어도 아무런 문제는 없다.
본 발명에서는 상기한 조성범위에서, 또한 C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음의 (2)식
50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜360 …… (2)
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%))을 만족하도록 조정하는 것이 바람직하다. 또 본 발명에 있어서는 (2)식에 있어서의 각 원소가운데, 함유하지 않는 원소가 있는 경우에는 그 원소량을 0으로 하여 (2)식을 계산하는 것으로 한다.
또, 내저온균열성을 개선하는 관점에서는 다음의 (3)식
50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (3)
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%))을 만족하도록 조정하는 것이 바람직하다.
상기한 (1)식 또는 (2)식을 만족시키도록, 용접금속의 조성을 조정함으로서, 내저온균열성이 향상된다. (1)식 또는 (2)식을 만족시키지 못하는 경우에는 용접금속의 마르텐사이트 변태에 의한 팽창이 적고, 용접조인트에 생기는 인장 잔류응력의 완화가 적으며, 혹은 압축 잔류응력의 발생을 볼 수 없으며, 내저온균열성이 떨어진다.
본 발명에서는 저합금 강재를 피용접재료로 하며, 용접재료를 사용하여 피용접재료 끼리를 용접시켜 용접조인트로 하는 바. 상기한 조성, 특성의 용접금속이 형성되도록 저합금 강재의 조성에 따라서, 용접재료의 조성, 용접입열 등의 용접조건을 조정한다.
다음에, 각종 조인트형상의 용접조인트의 제조방법에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다. 도 3에는 단부를 소정의 개선(開先)형상(여기에서는 X개선)으로 가공한 피용접재료(11)의 단부 끼리를 대향시켜, 이 개선내에 많은 층이 겹치도록 적층시킨 다층용접에 의해 용접조인트를 제작한 예를 나타낸다. 피용접재료의 판 두께에 따라서, 적층수가 결정된다는 것은 말할 것도 없다. 도 3의 경우에는 극후(極厚)재료이기 때문에, 판 두께의 중앙을 경계로 하여 양측에서 적층하는 것이 좋으며, 양면에 용접 최종층(10)이 형성된다.또한, 1방향에서 적층 하여도 좋다는 것은 물론이다.
본 발명에서는 각층 용접에서 형성되는 용접금속을 각각, 상기한 360℃이하50℃이상, 바람직하게는 170℃미만 50℃이상의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 갖는 조성의 용접금속이 되도록 조정하는 것이 바람직하다.
이에 의해서, 용접금속에 생기는 인장 잔류응력이 변태팽창에 의해 완화되거나, 혹은 압축응력이 잔류하게 되어, 내저온균열성이 개선된다. 이때, 앞서서 놓인 용접금속이 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)이상인 상태일 때 다음차례의 층을 중첩시키는 것이 바람직하다.
또한, 많은 다층용접에서는 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 적어도, 초층 용접 혹은 다시 최종층 용접에 의해 형성되는 용접금속만을 상기 조성의 용접금속이 되도록 조정하여도 좋다. 이에 의해서, 예열, 후열을 필요로 하지 않고도, 저온균열의 발생은 방지된다. 초층 또는 최종층 이외의 용접금속을, 상기한 조성, 특성의 용접금속으로 한다는 것은 반드시 필요한 것이 아니다.
또, 본 발명에서는 각층 용접에서 형성하는 용접금속 중에, 적어도 초층 또는 최종층을 마르텐사이트 변태에 의해 변태개시 직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서, 용접금속의 선팽창량이 길이 1mm 2x10-3mm∼8x10-3mm의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이 용접금속의 선팽창량을, 상기한 범위 이내로 함으로서 내용접균열 감수성이 개선된다.
또, 본 발명은 도 4에 나타낸 바와 같이, 십(十)자 용접조인트를 제작하는 경우에도 유효하다. 이 경우에도, 용접금속이 상기한 본 발명의 범위의 조성이 되도록, 용접재료, 용접조건을 조정하는 것이 좋다. 이것에 의해서, 저온균열의 발생은 방지된다.
또, 본 발명은 필릿용접(fillet welding), 원주용접, 보수용접인 덧땜용접(buildup welding)등의 경우에도 적용할 수 있다는 것은 물론이다.
다음에, 피 압연재료와 용접재료의 적합한 조합을 예시한다.
먼저, 피용접재료로서,
C : 0.05∼0.20, Si : 0.05∼0.30, Mn : 0.50∼1.50, Cr : 3%이하, Ni : 3%이하, Mo : 1%이하를 함유하며, 다시 Cu : 0.5%이하, Nb : 0.020%이하, V : 0.02%이하, Ti : 0.02%이하, P : 0.020%이하 가운데 1종 또는 2종 이상을 함유하며, 잔부Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 780MPa급 고장력강재를 사용하는 경우는 용접재료로서, 피복 아크용접의 경우에는 JIS Z 3111의 규정에 의한 용착금속의 조성이, C ; 0.20%이하, SI : 1.00%이하, Mn : 2.0%이하, Cr : 3∼13%, Ni : 3∼13%를 함유하며, 다시 Mo : 1.0%이하, Nb : 0.10%이하, Ti : 0.05%이하, V : 0.10%이하, Cu : 0.5%이하 가운데 1종 또는 2종 이상을 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 용접재료를 사용하여, 5∼50KJ/cm의 입열로 용접하는 것이 바람직하며, 가스아크용접의 경우에는 5∼100KJ/cm의 입열로 용접하는 것이 바람직하다.
실시예 1
표 1에 나타낸 조성의 저합금 강재(강판)를 피용접재료로 하며, 표 2에 나타낸 조성(JIS Z 3111에 준거하여 측정한 용착금속의 조성)의 용접재료를 사용하며, 표 3에 나타낸 용접조건으로, JIS Z 3158의 규정에 준거한 시험편을 사용하여 용접의 균열성을 조사하였다.
시험조건은 ① 온도 : 30℃, 상대온도 : 80%, ② 온도 : 20℃, 상대온도 : 60%의 분위기 중에서 실시하고, 예열은 실시하지 않았다. 시험의 반복수를 3으로 하고, 용접부에 발생한 균열을 JIS Z 3158의 규정에 준거하여 균열의 유무, 균열의 율을 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
본 발명의 예에서는 예열없이도 저온균열의 발생은 보이지 않았다. 한편, 비교예에서는 엄격한 시험조건인 ①의 경우에는 균열이 발생하였다.
실시예 2
표 1에 조성을 나타낸 저합금 강재(강판)를 피용접재료로 하며, 표 2에 나타낸 조성(JIS Z 3111에 준거하여 측정한 용착금속의 조성)의 용접재료의 일부를 사용하며, 표 5에 나타낸 용접조건(예열, 후열없이)으로, 도 3, 도 4에 나타낸 맞댄 용접조인트, 십자 용접조인트(조인트 길이 0.5m)를 제작하였다.
이들 용접조인트에 대하여, 용접부의 균열발생상황을 표면관찰에 의해 조사하였다. 또, 각 용접조인트에 대하여, 모재(母材)부의 경도 및 용접금속부의 경도(용접금속 단면의 평균경도)를 측정하였다. 또한, 용접금속중의 잔류 오스테나이트의 양을 X선 회절법에 의해 측정하였다. 더욱이, 이들 조인트로부터, 피로시험편을 채취하고, 실온의 대기중에서 1방향의 편진(片振)인장피로시험을 실시하여, 200만회의 피로강도를 구하였다. 이들의 결과를 표 6에 나타낸다.
본 발명 예는 균열의 발생도 없고, 또 피로강도도 높고, 내용접저온균열성, 내피로특성에 우수하다는 것을 알 수 있다. 다시, 본 발명 예에서는 용접금속의 잔류 오스테나이트량이 많으며, 그 때문에, 용접금속의 경도가 낮으며, 모재 강도와의 강도차이는 적어져서, 용접금속 강도의 현저한 증가가 억제되고 있다. 이에 대하여, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는 용접균열의 발생은 없고, 또 피로강도도 높으며, 내용접저온균열성, 내피로특성은 본 발명의 예와 동등하지만, 잔류 오스테나이트량이 적고, 용접금속의 경도가 높으며, 모재 강도와의 강도차이가 크게 되어, 오버매칭의 정도가 크게 되어 있다.
실시예 3
표 7에 나타낸 조성의 저합금 강재(강판)를 피용접재료로 하며, 표 8에 나타낸 조성(JIS Z 3111에 준거하여 측정한 용착금속의 조성)의 용접재료를 사용하며, 표 9에 나타낸 용접조건으로, JIS Z 3158의 규정에 준거한 시험편을 사용하여 용접의 균열성을 조사하였다.
시험조건은 ① 온도 : 30℃, 상대온도 : 80%, ② 온도 : 20℃, 상대온도 : 60%의 2조건의 분위기중에서 실시하고, 예열은 실시하지 않았다. 이어서, 형성된 용접금속의 조성분석을 비드(bead)중앙부 부근에서 실시하였다. 시험의 반복수를 3으로 하고, 용접부에 발생한 균열을 JIS Z 3158의 규정에 준거하여 균열의 유무, 균열의 율을 측정하였다.
다시, 형성된 용접금속으로부터 열팽창시험편을 채취하며, 온도-신장곡선을 구하고, 마르텐사이트 변태에 의한 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 길이 1mm당 선팽창량을 측정하였다. 이들의 결과를 표 10에 나타낸다.
본 발명의 예에서는 시험조건 ②의 경우에는 예열없이도, 저온균열의 발생은보이지 않았다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는 시험조건 ②의 경우에도 균열의 발생이 인정되었다.
(2)식을 만족시키는 본 발명의 예는 엄격한 조건의 시험조건 ①에서도 저온균열의 발생은 보이지 않았다. 또, 본 발명의 예인 용접조인트No.3-18∼No.3-21은 선팽창량이 5.8X10-3∼7.1X10-3mm/길이 1mm로 크며, 내용접균열성의 현저한 개선과 일치한다.
실시예 4
표 7에 조성을 나타낸 저합금 강재(강판)의 일부를 피용접재료로 하며, 표 8에 조성(JIS Z 3111에 준거하여 측정한 용착금속의 조성)을 나타낸 용접재료의 일부를 사용하며, 표 11에 나타낸 용접조건(예열, 후열없이)으로, 도 3, 도 4에 나타낸 맞댄 용접조인트, 십자 용접조인트(조인트 길이 0.5m)를 제작하였다. 이들 용접조인트에 대하여, 용접부의 균열발생 상황을 표면관찰에 의해 조사하였다. 또한 일부의 조인트에 대해서는 초층과 최종층을 본 발명의 범위의 용접금속으로 하였다. 그 결과를 표 12에 나타낸다. 본 발명에서는 균열의 발생이 나타나지 않았다.
[표 1-1]
강판판No. 화 학 성 분(질량%)
C Si Mn P S Al Cu Ni Cr
A 0.12 0.14 0.89 0.002 0.001 0.059 0.25 1.29 0.44
B 0.06 0.22 0.61 0.003 0.001 0.029 0.01 9.25 0.02
C 0.13 0.24 1.33 0.003 0.001 0.028 0.02 0.01 0.03
[표 1-2]
강판No. 화 학 성 분(질량%) 항복강도MPa 인장강도MPa 판두께mm
Mo V Nb Ti B
A 0.52 0.039 0.002 0.005 0.0012 686 811 45
B 0.01 0.009 0.008 0.002 0.0001 622 711 30
C 0.052 0.040 0.002 0.002 - 402 554 30
[표 2-1]
용재No 화 학 성 분(질량%)***
C Si Mn P S Al Cu Ni Cr Mo V Nb Ti H*
a 0.022 0.28 0.71 0.012 0.011 0.030 - 9.2 12.4 0.24 0.029 0.002 0.001 4
b 0.030 0.24 0.79 0.011 0.014 0.029 - 10.4 15.2 0.12 0.019 0.003 0.002 3
c 0.024 0.24 0.81 0.012 0.009 0.033 - 9.4 13.2 0.22 0.022 0.003 0.002 3
d 0.025 0.25 0.69 0.014 0.012 0.032 - 11.1 12.5 0.16 0.021 0.003 0.003 4
e 0.029 0.22 0.77 0.013 0.012 0.031 - 5.7 13.1 0.29 0.018 0.002 0.003 4
f 0.030 0.24 0.81 0.014 0.013 0.032 - 11.1 5.4 0.28 0.019 0.002 0.003 3
g 0.019 0.24 0.82 0.013 0.013 0.032 - 5.2 12.8 0.22 0.031 0.002 0.002 4
[표 2-2]
용재 No. 봉지름또는와이어지름mm (1)식M치** (1)식적합의유무 Ms점***℃ 항복강도***MPa 인장강도***MPa 용접방법**** 비고
a 5.0 139 ○ 142 682 781 SMAW 본발명예
b 1.2 37 ○ 39 670 769 FCW 본발명예
c 4.0 114 ○ 119 711 801 SMAW 본발명예
d 1.4 87 ○ 92 680 779 MAG 본발명예
e 4.0 220 × 228 921 1104 SMAW 비교예
f 1.4 258 × 264 861 1021 FCW 비교예
g 1.2 249 × 258 893 1091 MAG 비교예
*) ppm
**) M=719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb
***) JIS Z3111NI에 준거한 용착금속
****) SMAW :피복아크용접
FCW: 플럭스함유와이어
MAG: 가스아크용접
[표 3]
조인트No. 조합 용접방법* 용접조건
강판No. 용재No. 전압V 전류A 용접속도cm/min 분위기가스 입열kJ/cm 적층수 예열
1 A a SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
2 B a SMAW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
3 C a SMAW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
4 A b FCW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
5 A c SMAW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
6 A d MAG ˝ ˝ ˝ 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
7 A e SMAW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
8 A f FCW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
9 A g MAG ˝ ˝ ˝ 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
10 B b FCW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
11 B c SMAW ˝ ˝ ˝ - 17 1 없슴
12 B d MAG ˝ ˝ ˝ 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
*)SMAW : 피복아크용접
FCW : 플럭스함유와이어
MAG : 가스아크용접
[표 4]
조인트No. 조합 용접균열(%)* 용접균열(%)* 비고
조건 ① 조건 ②
강판No. 용재No. 표면균열 단면균열 루트균열 표면균열 단면균열 루트균열
1 A a 0 0 0 0 0 0 본발명예
2 B a 0 0 0 0 0 0 본발명예
3 C a 0 0 0 0 0 0 본발명예
4 A b 0 0 0 0 0 0 본발명예
5 A c 0 0 0 0 0 0 본발명예
6 A d 0 0 0 0 0 0 본발명예
7 A e 0 12 39 0 0 0 비교예
8 A f 0 18 61 0 0 0 비교예
9 A g 0 22 61 0 0 0 비교예
10 B b 0 0 0 0 0 0 본발명예
11 B c 0 0 0 0 0 0 본발명예
12 B d 0 0 0 0 0 0 본발명예
*) 3조인트의 평균
[표 5]
조인트종류 용접방법* 용 접 조 건
전압V 전류A 용접속도cm/min 분위기가스 입열kJ/cm 적층No 예열
맞댐 SMAW 20 210 10 - 43 1 없슴
20 210 11 - 38 최종층 없슴
십자 MAG 33 240 60 80%Ar+20%CO2 8 1 없슴
33 240 60 8 2 없슴
십자 SMAW 20 210 10 - 43 1 없슴
십자 FCW 33 240 40 - 10 1 없슴
*) SMAW : 피복아크용접
MAG : 가스아크용접
FCW : 플럭스함유와이어
[표 6]
용접조인트 NO. 조합 조인트종류 용접방법 용접부균열의 유무 내피로성 용접금속부 모재부 경도차△HvHvWM-HvBM 비고
강판No. 용재No. 200만회피로강도MPa 잔류오스테나이트vol% 평균경도HvWM 평균경도HvBM
2-1 A a 십자 SMAW 무 105 15.2 302 270 42 본발명예
2-2 A a 십자 SMAW 무 100 14.8 299 230 69 본발명예
2-3 A a 십자 SMAW 무 102 17.2 241 200 41 본발명예
2-4 A b 십자 FCW 무 110 19.1 312 274 38 본발명예
2-5 A c 맞댐 SMAW 무 112 18.4 309 274 35 본발명예
2-6 A d 십자 MAG 무 105 16.1 310 274 36 본발명예
2-7 A e 십자 SMAW 무 112 1.2 401 280 131 비교예
2-8 A f 십자 FCW 무 108 <1 420 274 146 비교예
2-9 A g 십자 MAG 무 102 <1 410 272 138 비교예
2-10 B e 맞댐 SMAW 무 104 <1 400 281 119 비교예
2-11 B a 십자 SMAW 무 108 16.1 312 279 33 본발명예
2-12 B b 십자 FCW 무 112 19.8 316 279 37 본발명예
[표 7]
강판No. 화 학 성 분(질량%) 판두께mm
C Si Mn P S Al Cu Ni Cr Mo V Nb Ti B
D 0.11 0.16 0.83 0.003 0.001 0.066 0.25 1.27 0.49 0.50 0.035 0.001 0.005 0.0011 40
E 0.12 0.26 1.31 0.003 0.001 0.035 0.02 0.01 0.03 0.056 0.039 0.002 0.002 0.0001 45
F 0.06 0.24 0.59 0.003 0.001 0.030 0.01 9.29 0.02 0.01 0.005 0.008 0.002 0.0001 38
G 0.07 0.25 0.61 0.003 0.001 0.031 0.01 4.89 0.02 0.02 0.003 0.012 0.002 0.0003 30
H 0.11 0.20 0.81 0.003 0.001 0.50 0.24 1.21 0.48 0.52 0.033 0.001 0.004 0.0010 50
[표 8-1]
용재No. 화 학 성 분(질량%)
C Si Mn P S Al Cu Ni Cr
h 0.025 0.33 0.70 0.013 0.014 0.031 - 10.0 10.0
i 0.019 0.26 0.69 0.012 0.011 0.033 - 4.2 12.9
j 0.022 0.22 0.88 0.011 0.012 0.029 - 12.8 3.9
k 0.029 0.26 0.89 0.012 0.012 0.0133 - 7.8 11.5
l 0.026 0.33 0.78 0.012 0.011 0.028 - 6.9 12.8
m 0.017 0.25 0.71 0.013 0.008 0.028 - 8.9 10.8
n 0.022 0.22 0.81 0.012 0.011 0.030 - 12.9 12.7
o 0.031 0.31 0.79 0.014 0.010 0.031 - 10.4 3.4
p 0.028 0.33 0.84 0.014 0.007 0.031 - 11.5 14.8
q 0.027 0.33 0.76 0.013 0.012 0.029 - 2.4 9.1
r 0.31 0.29 0.78 0.013 0.012 0.027 - 8.1 7.7
s 0.102 0.20 0.83 0.015 0.006 0.025 - 1.27 0.48
t 0.023 0.31 0.71 0.011 0.012 0.030 - 12.1 9.2
u 0.27 0.32 0.66 0.012 0.011 0.029 - 12.8 10.7
v 0.024 0.29 0.69 0.011 0.009 0.029 - 11.3 11.1
[표 8-2]
용재 No. 화 학 성 분(질량%) 봉지름또는와이어지름mm 비고
Mo V Nb Ti B H*
h 0.13 0.032 0.003 0.004 - 4 4.0
i 0.01 0.024 0.003 0.003 - 3 1.4 플럭스포함
j 0.02 0.011 0.004 0.004 - 3 5.0
k 0.52 0.022 0.005 0.006 - 2 1.2
l 0.15 0.025 0.033 0.002 - 4 4.0
m 0.17 0.009 0.004 0.003 - 4 1.2 플럭스포함
n 0.13 0.008 0.003 0.004 - 3 1.2
o 0.16 0.011 0.003 0.004 - 4 1.4 플럭스포함
p 0.01 0.012 0.002 0.006 - 4 5.0
q 0.02 0.014 0.002 0.008 - 4 1.2 플럭스포함
r 0.11 0.021 0.003 0.005 - 2 1.2
s 0.01 0.011 0.002 0.004 - 2 1.4
t 0.19 0.021 0.003 0.004 - 3 4.0
u 0.24 0.011 0.002 0.003 - 4 1.2
v 0.16 0.018 0.003 0.004 - 3 1.4 플럭스포함
*) ppm
[표 9-1]
용접조인트No. 조 합 용접방법* 용 접 조 건
강판No. 용재No. 전압V 전류A 용접속도cm/min 분위기가스 입열kJ/cm 적층수 예열
3-1 D h SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-2 E h SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-3 F h SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-4 G h SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-5 D i FCW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-6 D j SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-7 D k MAG 15 220 15 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
3-8 D l SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-9 D m FCW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-10 D n MAG 15 220 15 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
3-12 D p SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-13 D q FCW 15 220 15 - 17 1 없슴
[표 9-2]
용접조인트No. 조 합 용접방법* 용 접 조 건
강판No. 용재No. 전압V 전류A 용접속도cm/min 분위기가스 입열kJ/cm 적층수 예열
3-14 D r MAG 15 220 15 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
3-15 D s MAG 15 220 15 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
3-16 H h SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-17 H i FCW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-18 D t SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-19 E t SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
3-20 D u MAG 15 220 15 80%Ar+20%CO2 17 1 없슴
3-21 D v SMAW 15 220 15 - 17 1 없슴
*)SMAW : 피복아크용접
FCW : 플럭스함유와이어
MAG : 가스아크용접
[표 10-1]
용접조인트 No. 조 합 화 학 성 분 (질량%) (1)식M치*
강판No. 용재No. C Si Mn Ni Cr Mo Nb
3-1 D h 0.070 0.33 0.74 9.30 9.30 0.12 0.003 172
3-2 E h 0.068 0.32 0.71 9.39 9.33 0.16 0.003 170
3-3 F h 0.051 0.31 0.65 9.30 9.30 0.12 0.003 189
3-4 G h 0.051 0.31 0.65 9.30 9.30 0.12 0.003 189
3-5 D i 0.064 0.26 0.75 3.78 11.61 0.01 0.003 273
3-6 D j 0.063 0.22 0.91 11.90 3.63 0.02 0.004 246
3-7 D k 0.084 0.26 0.93 7.02 10.35 0.47 0.005 188
3-8 D l 0.072 0.33 0.82 6.42 11.91 0.14 0.031 184
3-9 D m 0.060 0.25 0.77 8.01 9.72 0.16 0.004 206
3-10 D n 0.070 0.22 0.86 11.61 11.43 0.12 0.003 62
3-12 D p 0.076 0.33 0.87 10.70 13.77 0.01 0.002 26
3-13 D q 0.080 0.32 0.82 2.16 8.19 0.02 0.002 381
3-14 D r 0.320 0.29 0.83 7.29 8.82 0.10 0.003 38
3-15 D s 0.228 0.21 0.88 1.14 0.43 0.01 0.004 478
3-16 H h 0.069 0.31 0.73 9.31 9.31 0.12 0.002 173
3-17 H i 0.064 0.24 0.74 3.75 11.59 0.01 0.003 275
3-18 D t 0.068 0.32 0.75 11.8 8.4 0.16 0.003 129
3-19 E t 0.068 0.30 0.72 12.4 7.6 0.11 0.002 133
3-20 D u 0.066 0.31 0.74 12.4 10.3 0.18 0.002 69
3-21 D v 0.065 0.31 0.74 11.4 10.4 0.13 0.003 96
[표 10-2]
용접조인트No. (1)식의적합유무 (2)식의 적합유무 Ms점℃ 선팽창량mm/mm10-3 용 접 균 열(%) ** 비고
조건 ① 조건 ②
표면균열 단면균열 루트균열 표면균열 단면균열 루트균열
3-1 ○ × 180 4.8 0 5 17 0 0 0 본발명예
3-2 ○ × 179 4.7 0 6 22 0 0 0 본발명예
3-3 ○ × 180 5.1 0 8 17 0 0 0 본발명예
3-4 ○ × 179 5.0 0 7 22 0 0 0 본발명예
3-5 ○ × 281 2.1 0 11 61 0 0 0 본발명예
3-6 ○ × 251 2.2 0 14 39 0 0 0 본발명예
3-7 ○ × 196 4.8 0 3 17 0 0 0 본발명예
3-8 ○ × 188 5.0 0 4 17 0 0 0 본발명예
3-9 ○ × 211 4.5 0 11 17 0 0 0 본발명예
3-10 ○ ○ 66 4.1 0 0 0 0 0 0 본발명예
3-12 × × 30 0.9 - - - 16 33 24 비교예
3-13 × × 394 1.2 - - - 32 67 41 비교예
3-14 × × 41 1.6 - - - 0 11 7 비교예
3-15 × × 489 -2.1 - - - 51 100 73 비교예
3-16 ○ × 178 2.3 0 4 22 0 0 0 본발명예
3-17 ○ × 280 2.2 0 14 39 0 0 0 본발명예
3-18 ○ ○ 137 7.1 0 0 0 0 0 0 본발명예
3-19 ○ ○ 141 6.8 0 0 0 0 0 0 본발명예
3-20 ○ ○ 77 5.9 0 0 0 0 0 0 본발명예
3-21 ○ ○ 102 5.8 0 0 0 0 0 0 본발명예
*) M=719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb
**) 3조인트의 평균
[표 11]
용접조인트No. 조인트종류 조합 용접방법* 용접조건
강판No. 용재No. 전압V 전류A 용접속도cm/min 분위기가스 입열kJ/cm 적층수 예열
4-1 맞댐 D h SMAW 20 210 10 - 43 1 없슴
20 210 11 - 38 최종층 없슴
십자
4-2 D k MAG 33 240 60 80%Ar+20%CO2 8 1 없슴
33 240 60 80%Ar+20%CO2 8 2 없슴
4-3 맞댐 D t SMAW 20 210 10 - 43 1 없슴
20 210 11 - 38 최종층 없슴
4-4 십자 D t SMAW 20 210 10 - 43 1 없슴
*) SMAW : 피복아크용접
MAG : 가스아크용접
[표 12]
용접조인트No. 조 합 적층위치 화 학 성 분(질량%) * (1)식M치 * (1)식의 적합유무 (2)식의 적합유무 Ms점℃ 용접균열의유무 비고
강판No. 용재No. C Si Mn Ni Cr Mo Nb
4-1 D h 초층 0.071 0.32 0.74 9.21 9.24 0.11 0.002 176 ○ × 190 무 본발명예
최종 0.060 0.33 0.72 9.70 9.03 0.12 0.001 162 ○ ○ 173 무
4-2 D k 1 0.080 0.24 0.90 6.99 10.11 0.45 0.003 199 ○ × 208 무 본발명예
4-3 D t 초층 0.067 0.32 0.74 11.5 8.2 0.16 0.002 142 ○ ○ 148 무 본발명예
최종 0.066 0.32 0.72 11.9 8.8 0.14 0.002 117 ○ ○ 125 무
4-4 D t 1 0.064 0.31 0.74 11.3 8.3 0.13 0.002 149 ○ ○ 156 무 본발명예
본 발명에 의하면, 490∼980MPa급의 고장력강재의 용접에 있어서도, 예열을 실시하지 않고도, 저온균열을 방지할 수 있으며, 용접작업의 능률향상에 기여할 수 있으며, 산업상 각별한 효과를 발휘한다. 또, 내피로특성에 우수하며, 또한 용접금속 강도의 현저한 증가를 억제할 수 있는 용접금속으로의 응력 집중을 회피할 수 있으며, 강구조물의 시공이 용이하게 되는 효과도 있다.

Claims (18)

  1. 질량%로,
    C : 0.20%이하, Cr : 6.0∼16.0%, Ni : 6.0∼16.0%를 함유하며, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가 170℃미만 0℃이상의 조성을 갖는 철기합금인 것을 특징으로 하는 용접재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음의 식 (1)을 만족하도록 조정된 것을 특징으로 하는 용접재료.
    - 다음 -
    0≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (1)
    여기에서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조성이, 질량%로,
    C : 0.20%이하, Cr : 6.0∼16.0%, Ni : 6.0∼16.0%를 함유하며, 또한 Si : 1.0%이하, Mn : 2.5%이하를 함유하며, 및/또는 Mo : 4.0%이하, Nb : 1.0%이하의 1종 또는 2종을 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성인 것을 특징으로 하는 용접재료.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성이, 온도-신장곡선에 있어서, 마르텐사이트 변태에 의해, 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서의 선팽창량이, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm가 되는 조성인 것을 특징으로 하는 용접재료.
  5. 용접재료를 사용하여 피용접재료끼리 용접하여 용접조인트로 하는 용접조인트의 제조방법에 있어서,
    상기 피용접재료를 저합금강재로 하고, 상기 용접에 의해 형성되는 용접금속이, C : 0.20질량%이하, Cr : 3.0∼13.0질량%, Ni : 3.0∼13.0질량%를 함유하는 철합금조성이고, 또한 360℃이하 50℃이상의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 갖도록 상기 저합금강재의 조성에 따라 상기 용접재료의 조성, 용접조건을 조정하는 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용접금속의 조성이, 다음의 식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
    - 다음 -
    50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜360 …… (2)
    여기에서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)
  7. 제5항에 있어서,
    상기 용접금속의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가, 170℃미만 50℃이상인 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용접금속이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음의 식 (3)을 만족하도록 조정된 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
    - 다음 -
    50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (3)
    여기에서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)
  9. 제5항 내지 제8항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접금속이, 용접후의 냉각과정에서 마르텐사이트 변태를 일으키고, 실온에 있어서 그 마르텐사이트 변태의 개시때보다 팽창된 상태로 되는 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
  10. 제5항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접금속이, 온도-신장곡선에 있어서 마르텐사이트 변태에 의해 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위에서, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm의 선팽창량을 갖는 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
  11. 제4항 내지 제10항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접이 다층용접인 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다층용접의 초층용접 및/또는 최종용접에 의해 형성되는 용접금속의 조성이, 다음의 식 (2), 또는 식 (3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접조인트의 제조방법.
    - 다음 -
    50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (3)
    50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜360 …… (2)
    여기에서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)
  13. 용접재료를 사용하여 피용접재료끼리 용접시킨 용접조인트로서, 상기 피용접재료를 저합금강재로 하고, 상기 용접에 의해 형성된 용접금속이, C : 0.20질량%이하, Cr : 3.0∼13.0질량%, Ni : 3.0∼13.0질량%를 함유하는 철합금조성이고, 또한360℃이하 50℃이상의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)를 가지며, 또한, 상기 용접금속이 실온에 있어서 마르텐사이트 변태의 개시때보다 팽창된 상태의 온도-신장곡선을 나타낸 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 용접조인트.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 용접금속이, 온도-신장곡선에 있어서 마르텐사이트 변태에 의해 변태개시직후에 신장이 팽창으로 전환하는 온도로부터 50℃까지의 온도범위이고, 길이 1mm당 2x10-3∼8x10-3mm의 선팽창량을 갖는 것을 특징으로 하는 용접조인트.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 용접금속의 조성이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음의 식 (2)를 만족하도록 조절된 것을 특징으로 하는 용접조인트.
    - 다음 -
    50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜360 …… (2)
    여기에서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 용접금속의 마르텐사이트 변태개시온도(Ms점)가, 170℃미만 50℃이상인 것을 특징으로 하는 용접조인트.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 용접금속이, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb의 함유량을 다음의 식 (3)을 만족하도록 조정된 것을 특징으로 하는 용접조인트.
    - 다음 -
    50≤719-795C-35.55Si-13.25Mn-23.7Cr-26.5Ni-23.7Mo-11.85Nb＜170 …… (3)
    여기에서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb : 각 원소의 함유량(질량%)
  18. 제13항 내지 제16항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접금속이, C : 0.20질량%이하, Cr : 3.0∼13.0질량%, Ni : 3.0∼13.0질량%를 함유하며, 또한 Si : 1.0질량%이하, Mn : 2.5질량%이하를 함유하며, 및/또는 Mo : 4.0질량%이하, Nb : 1.0질량%이하의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 철합금조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용접조인트.
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