KR20020042983A - Welding method of low cr ferritic stainless steels with excellent impact toughness - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법에 관한 것이며, 특히, 저온에서 가해진 충격에 대하여 우수한 충격특성을 가지는 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for welding low chromium ferritic stainless steel, and more particularly, to a method for welding low chromium ferritic stainless steel having excellent impact characteristics against impacts applied at low temperatures.
스테인레스강은 철에 녹을 방지할 수 있는 소재, 즉 크롬을 11%이상 섞어서만든 크롬 합금강이다. 일반적으로 쓰는 스테인레스는 공기중이나 물 등의 일반적인 환경에서 부식에 견디는 성질이 좋다. 그러기에 흔히 볼 수 있는 칼, 주전자, 냄비, 세탁기, 싱크대, 식기세척기 등 다양한 형태로 쓰여지고 있다. 그런데 이들 보다 더 스테인레스가 중요하게 쓰이는 곳은 공장 설비이다. 다양하고 고순도의 스테인레스강은 여러 형태의 부식환경에 노출되어 있는 장비나 플랜트 등에 사용된다. 예를 들어 화학공장이나 석유화학 공단, 제지공장, 식품이나 음료공장 등이 그 대상이라 할 수 있다. 그러나, 스테인레스의 특성 중에서의 단점으로는 용접성이 나쁘다는 단점이 있다.Stainless steel is a material that prevents rust from iron, that is, a chromium alloy steel made by mixing more than 11% of chromium. Generally used stainless steel has good resistance to corrosion in general environment such as air or water. Therefore, it is used in various forms such as cutlery, kettle, pot, washing machine, sink and dishwasher. However, where stainless steel is more important than these is the factory equipment. Various high purity stainless steels are used in equipment and plants that are exposed to various types of corrosive environments. For example, chemical plants, petrochemical complexes, paper mills, food and beverage plants, etc. may be considered. However, a disadvantage among the properties of stainless steel is its disadvantage of poor weldability.
한편, 이런 다양한 스테인레스강 중에서 저 크롬 페라이트계 스테인레스강은 KS에 STS 410L로 분류되어 있으며, 주로 발전설비, 탄광의 대차, 컨테이너 등 용접 구조재로 사용되며, 주기적인 보수 유지가 요구되는 일반강의 대체재로서 많이 사용되고 있다.On the other hand, among these various stainless steels, low chromium ferritic stainless steel is classified as STS 410L in KS, and is mainly used as welding structural materials such as power generation facilities, coal mine trucks, containers, etc., and is a substitute for general steel requiring periodic maintenance. It is used a lot.
그러나, 이런 저 크롬 페라이트계 스테인레스강은 주로 상온 용도의 구조물에 제한적으로 사용되고 있는데, 그 이유로는 용접부 성능, 특히 용접부의 충격특성을 확보하는데 문제가 있기 때문이다. 즉 용접성을 고려하여 모재의 화학조성을 적정화되었더라도, 실 구조물의 용접부는 용접재료와 용접조건 등 용접 시공조건에 따라 용접금속과 열영향부의 충격특성이 현저히 변화한다. 따라서, 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접부 충격특성을 개선하기 위해서는 모재의 화학조성과 함께, 용접재료의 선택 및 용접조건 등을 모두 적정화시키지 않으면 안된다.However, such low chromium ferritic stainless steel is mainly used in a limited temperature structure, because there is a problem in securing the weld performance, in particular the impact characteristics of the weld. That is, even if the chemical composition of the base material is optimized in consideration of the weldability, the impact characteristics of the weld metal and the heat affected zone are significantly changed according to the welding construction conditions such as the welding material and the welding conditions of the welded portion of the real structure. Therefore, in order to improve the weld impact properties of the low chromium ferritic stainless steel, both the chemical composition of the base metal and the selection of the welding material and the welding conditions must be optimized.
이러한 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 단점을 보완하기 위해, "대한민국 특허공개번호 제1997-043236호(발명의 명칭 : 용접부 충격특성이 우수한 구조용 13%Cr 스테인레스강)"에서는 용접성 충격에 강한 특성을 가진 스테인레스에 대하여 소개하고 있다. 이 특허를 개략적으로 살펴보면, 다음과 같다.In order to make up for the shortcomings of the low chromium ferritic stainless steel, "Korean Patent Publication No. 1997-043236 (Invention name: Structural 13% Cr stainless steel with excellent weld impact properties)" has a stainless steel having a strong impact against weldability. It is introduced. A brief look at this patent is as follows.
저 크롬 페라이트계 스테인레스강은 조직적으로 압연 직후에 페라이트와 마르텐사이트의 혼합조직을 갖지만, 소둔 후에는 마르텐사이트가 페라이트로 변태하여 페라이트 단상을 나타내는 특징이 있으며, 스테인레스강으로서 최소한의 내식성을 갖도록 Cr이 11%가 첨가되어 있다. 또 용접부 충격특성 측면에서 열영향부가 마르텐사이트 단상을 확보할 수 있도록 Cr당량(= Cr + 2Si - Mn - 2Ni - 30C - 15N)이 9.8미만이 되는 성분계로 제조되고 있으며, 이 때 마르텐사이트의 인성을 위해 C+N은 0.04wt% 이하로 관리하여야 한다고 기술되어 있다.Low chromium ferritic stainless steels have a mixed structure of ferrite and martensite immediately after rolling, but after annealing, martensite transforms into ferrite and shows a single phase of ferrite, and Cr is a stainless steel with minimal corrosion resistance. 11% is added. In addition, the Cr equivalent (= Cr + 2Si-Mn-2Ni-30C-15N) is manufactured in a component system of less than 9.8 so that the heat affected zone can secure the martensite single phase in terms of the impact properties of the welded part. It is stated that C + N should be controlled to 0.04 wt% or less.
그러나, 대한민국 특허공개번호 제1997-043236호(발명의 명칭 : 용접부 충격특성이 우수한 구조용 13%Cr 스테인레스강)에 공개된 기술의 스테인레스강의 용접조건은 한 종류의 입열량으로 제한되어 있으며, 소비자는 이런 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 가지고 다양한 용접방법으로 용접하여 사용하고 있다. 따라서, 다양한 용접방법에 따른 용접조건 즉, 입열량 및 용접재료 등에 따라 용접부의 충격특성이 약화되는 단점이 있다.However, the welding conditions of stainless steel of the technology disclosed in Korean Patent Publication No. 1997-043236 (Invention name: Structural 13% Cr stainless steel with excellent weld impact characteristics) is limited to one kind of heat input. These low chromium ferritic stainless steels are used for welding by various welding methods. Therefore, there is a disadvantage in that the impact characteristic of the weld is weakened according to welding conditions, that is, heat input amount and welding material according to various welding methods.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 저온에서도 용접부에 가해진 충격에 대하여 우수한 충격특성을 가지는 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide a welding method of low chromium ferritic stainless steel having excellent impact characteristics against the impact applied to the weld even at low temperatures.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접할 때에 재현 열영향부의 최고온도에 따른 충격치의 변화를 나타낸 그래프이고,1 is a graph showing a change in the impact value according to the maximum temperature of the heat affected zone when welding low chromium ferritic stainless steel according to an embodiment of the present invention,
도 2는 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접할 때 가해지는 용접 입열량에 따른 충격치의 변화를 나타낸 그래프이며,2 is a graph showing the change of the impact value according to the amount of heat input welding when welding low chromium ferritic stainless steel,
도 3은 본 발명의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접하기 위해 사용되는 309L 플럭스 코아드 용접부의 부위별 충격치 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the change of the impact value for each part of the 309L flux cored weld used to weld the low chromium ferritic stainless steel of the present invention.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, Cr당량이 9.8 이하의 조건을 만족하는 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법에 있어서, 309형 오스테나이트계 용접재료를 이용하여, 용접비드가 형성되는 조건하에서 용접 입열량을 15 KJ/cm이하로 적용하여 상기 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접하는 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법이 제공된다.According to the present invention for achieving the object as described above, in the welding method of low chromium ferritic stainless steel, Cr equivalent content of 9.8 or less, the welding bead is formed using a 309 austenitic welding material Provided is a welding method of low chromium ferritic stainless steel for welding the low chromium ferritic stainless steel by applying a welding heat input amount of 15 KJ / cm or less under such a condition.
아래에서, 본 발명에 따른 용접부의 충격에 대한 우수한 특성을 가진 저 크롬 페라이트계 스테인레스강 및 그 용접방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.In the following, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a low chromium ferritic stainless steel and its welding method having excellent characteristics against the impact of the weld according to the present invention will be described in detail.
본 발명의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강(STS 410L)의 성분조성은 표 1에서와 같다.Composition of the low chromium ferritic stainless steel (STS 410L) of the present invention is shown in Table 1.
여기에서, Cr당량은 Cr(wt%) + 2Si(wt%) - Mn(wt%) - 2Ni(wt%) - 30C(wt%) - 15N(wt%)으로 계산된다.Here, Cr equivalent is calculated as Cr (wt%) + 2Si (wt%)-Mn (wt%)-2Ni (wt%)-30C (wt%)-15N (wt%).
저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 Cr당량은 9.5이고 , C+N은 0.026wt%로서, 용접성은 양호하다고 할 수 있다. 여기에서, 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접성을 Cr당량으로 설명하는 이유는 Fe-Cr 2원계 상태도에서 용접 열영향부는 급열에 의해 고온에서 페라이트 단상조직을 나타내다가 냉각 도중에, 오스테나이트 영역을 거쳐 최종적으로 마르텐사이트 변태조직의 특징을 갖는데, 이들은 미세한 패킷(Packet)으로 구성된 저탄소의 소프트 마르텐사이트(Soft Martensite)로서, 충격특성이 페라이트에 비해 상대적으로 우수하기 때문이다. 그러나, Cr당량이 9.8 이상이 되면, 용접 열영향부는 냉각 도중에, 페라이트와 오스테나이트의 2상 구역을 통과함으로써, 상온 미세조직은 충격특성에 불리한 조대한 페라이트와 마르텐사이트의 혼합조직을 갖게 된다. 따라서, 표 1의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강(STS 410L)의 기초 용접성은 양호하다.The Cr equivalent of the low chromium ferritic stainless steel is 9.5, and C + N is 0.026 wt%, which is a good weldability. Here, the reason why the weldability of the low chromium ferritic stainless steel is explained by Cr equivalent is that in the Fe-Cr binary system diagram, the weld heat affected zone shows the ferrite single phase structure at high temperature due to rapid heat, and then finally passes through the austenitic region during cooling. It has the characteristics of martensitic transformation tissue, because they are low carbon soft martensite composed of fine packets, and the impact characteristics are relatively superior to ferrite. However, when the Cr equivalent weight is 9.8 or more, the welding heat affected zone passes through the two-phase zone of ferrite and austenite during cooling, so that the room temperature microstructure has a coarse ferrite and martensite mixed structure that is detrimental to the impact characteristics. Therefore, the basic weldability of the low chromium ferritic stainless steel (STS 410L) of Table 1 is good.
한편, 도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접할 때에 재현 열영향부의 최고온도에 따른 충격치의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 2는 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접할 때 가해지는 용접 입열량에 따른 충격치의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 3은 본 발명의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접하기 위해 사용되는 309L 플럭스 코아드 용접부의 부위별 충격치 변화를 나타낸 그래프이다.On the other hand, Figure 1 is a graph showing the change in the impact value according to the maximum temperature of the heat affected zone when welding the low chromium ferritic stainless steel according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a low chromium ferritic stainless Figure 3 is a graph showing the change of the impact value according to the welding heat input applied when welding steel, Figure 3 shows the change in the impact value of the 309L flux cored weld portion used to weld the low chromium ferritic stainless steel of the present invention. It is a graph.
여기에서, 실 용접부가 아닌 재현 시험으로 열영향부의 충격특성을 조사한 것은 실 용접부에서 열영향부는 용접금속을 포함하기 때문에 정확한 조사가 어렵기 때문이다. 그러나, 실 용접시 열전대를 사용하여 용접 입열량에 따른 냉각시간을 직접 측정한 결과를 열 사이클 조건으로 사용했으므로 재현시험이라도 실 용접부와 거의 동일하다고 판단된다. 재현시험과 실 용접부에서 열영향부가 거의 동일하다는정의 하에서, 아래에서는 본 발명의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강을 용접하는 방법에 대하여 상세히 설명하겠다.Here, the impact characteristics of the heat affected zones were examined by the reproducing test, not the seal welded section, because the heat affected zone contains the weld metal in the seal welded section, so it is difficult to accurately investigate the heat affected zone. However, since the result of directly measuring the cooling time according to the heat input amount of the welding using a thermocouple was used as the heat cycle condition, it is judged that the reproducing test is almost the same as the actual welding part. The method of welding the low chromium ferritic stainless steel of the present invention will be described in detail below, with the definition that the heat affected zone is almost the same in the reproducing test and the seal weld.
도 1에 도시된 바와 같이, 재현 열영향부의 0℃ 충격치는 최고 가열온도에 따라 현저히 변화한다. 즉, 800에서 500℃까지의 냉각시간이 42초 조건(용접 입열량이 약 25 KJ/cm에 상당)에서 최고 온도가 1200℃ 이상으로 가열된 열영향부는 20 J 정도로서, 0℃의 구조용 재료로서 부적합한 충격특성을 보인 반면, 1000℃ 이하의 최고 가열온도에서는 재결정에 의해 충격특성은 모재 수준으로 다시 회복되고 있음을 알 수 있다. 여기에서, 1200℃ 이상으로 가열된 열영향부의 충격치가 감소하는 것은 약 25 KJ/cm의 입열조건에서는 1100℃ 이상에서 나타나는 단상의 페라이트 결정립이 상당히 조대화 되었기 때문이다. 이로부터 열영향부의 충격특성을 향상시키기 위해서는 용접 입열량의 제한이 필요함을 알 수 있다.As shown in Fig. 1, the 0 DEG C impact value of the reproducing heat affected zone changes markedly with the maximum heating temperature. That is, the heat affected zone where the maximum temperature is heated to 1200 ° C. or higher at a cooling time of 800 to 500 ° C. for 42 seconds (welding heat input equivalent to about 25 KJ / cm) is about 20 J. As a structural material of 0 ° C. While inadequate impact characteristics were shown, it can be seen that the impact characteristics were restored to the base metal level by recrystallization at the maximum heating temperature of 1000 ° C or lower. Here, the impact value of the heat affected zone heated to 1200 ° C. or more is reduced because the ferrite grains of the single phase appearing at 1100 ° C. or more are significantly coarsened under a heat input condition of about 25 KJ / cm. From this, it can be seen that in order to improve the impact characteristic of the heat affected zone, the limit of heat input of the welding is required.
도 2에 도시된 바와 같이, 용접 입열량이 6.2 KJ/cm와, 15 KJ/cm 및, 25 KJ/cm에 상당하는 800℃에서 500℃까지의 냉각시간을 7초 , 18초 및, 42초의 조건으로 변화시켰을 때, 0 ℃에서의 충격치 변화를 나타낸 것이다. 15 KJ/cm까지는 충격치가 약 80 J로서, 0 ℃에서도 양호한 충격특성을 보였다. 따라서, 저 크롬 페라이트계 스테인레스강은 최대 15 KJ/cm이하의 용접 입열량에서 우수한 충격특성을 확보할 수 있다.As shown in FIG. 2, the cooling time from 800 ° C. to 500 ° C. corresponding to 6.2 KJ / cm, 15 KJ / cm, and 25 KJ / cm was measured for 7 seconds, 18 seconds, and 42 seconds. The change in impact value at 0 deg. The impact value was about 80 J up to 15 KJ / cm, showing good impact characteristics even at 0 ° C. Therefore, the low chromium ferritic stainless steel can secure excellent impact characteristics at welding heat inputs of up to 15 KJ / cm or less.
한편, 저 크롬 페라이트계 스테인레스강(STS 410L)은 주로 두께 3 mm이상이 사용되기 때문에, 실 용접시 용접재료의 사용이 불가피하며, 용접재료의 선택은 용접금속의 충격특성과 밀접한 관계가 있다. 본 발명에서는 309L계 플럭스 코아드 용접재료를 선택하였고, 309L계 플럭스 코아드 용접재료를 선택한 이유는 다음과 같다.On the other hand, the low chromium ferritic stainless steel (STS 410L) is mainly used because the thickness of more than 3 mm, it is inevitable to use the welding material during the actual welding, the selection of the welding material is closely related to the impact characteristics of the weld metal. In the present invention, the 309L flux cored welding material was selected, and the reason for selecting the 309L flux cored welding material is as follows.
먼저, 용접부는 조직적으로 이방성을 갖으며, 또한, 개재물 및 미세 편석의 발생 등 모재에 비해 부식성이 저하하기 때문에 모재보다 부식성이 우수한 용접재료를 선택해야만 하고, 상기의 열영향부와 달리 다양한 용접조건에서도 충격특성에 민감하지 않는 미세조직을 만족시켜야 한다.First, the welding part has anisotropy in structure and also has to select a welding material which is more corrosive than the base material because the corrosion resistance is lower than that of the base material such as inclusions and micro segregation. In addition, it should satisfy the microstructure that is not sensitive to impact characteristics.
여기에서, 309L계 플럭스 코아드 용접재료는 오스테나이트계로서, 저 탄소에 20Cr-10Ni을 주성분으로 하기 때문에 부식성과 밀접한 Cr 함량이 모재보다 많고, 또 용접 입열량에 따른 모재의 희석률을 10~30%로 가정하더라도, 용접금속은 소량의 페라이트+마르텐사이트, 또는 페라이트와 오스테나이트의 혼합조직을 구성하기 때문에 저온 충격특성이 우수하다. 그리고, 페라이트계 스테인레스강에서 문제가 될 수 있는 저온균열 측면에서도 수소의 고용도가 페라이트 보다 큰 오스테나이트 조직으로 인해 매우 유리하다고 볼 수 있다.Here, the 309L flux cored welding material is austenitic, and has a low carbon content of 20Cr-10Ni as its main component, which is more corrosive and has a higher Cr content than the base material. Even if it is assumed to be 30%, the weld metal is excellent in low temperature impact characteristics because it forms a small amount of ferrite + martensite or a mixed structure of ferrite and austenite. In addition, in terms of low temperature cracking, which may be a problem in ferritic stainless steels, it may be considered to be very advantageous due to the austenite structure in which the solubility of hydrogen is larger than that of ferrite.
도 3에 도시된 바와 같이, 용접 입열량 15 KJ/cm의 조건에서 309L계 플럭스 코아드 용접재료를 사용한 용접부의 부위별 0℃ 충격치를 살펴보면, 용접금속 및 열영향부의 충격치는 80 J 또는 그 이상으로서, 모재에 비해 다소 감소했으나, 0℃ 에서 우수한 충격특성을 갖는다.As shown in FIG. 3, when the 0 ° C. impact value of each welded part using the 309L flux cored welding material is used under the condition of welding heat input amount of 15 KJ / cm, the impact value of the weld metal and the heat affected zone is 80 J or more. Although slightly reduced compared to the base material, it has excellent impact characteristics at 0 ° C.
이와 같이, 모재의 Cr당량을 9.8 이하로 하고, 309L계 용접재료와, 15 KJ/cm 이하의 용접조건을 사용하면, 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 0℃ 충격특성을 충분히 확보할 수 있다. 단, 용접조건으로서의 용접 입열량은 용접비드가 형성되는조건하에서 15 KJ/cm 이하이다.Thus, when Cr equivalent of a base material is set to 9.8 or less, and the 309L type welding material and the welding conditions of 15 KJ / cm or less are used, the 0 degreeC impact characteristic of low chromium ferritic stainless steel can fully be ensured. However, the welding heat input as a welding condition is 15 KJ / cm or less under the conditions in which a weld bead is formed.
또한, 본 발명의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법은 저 크롬의 STS 410에도 동일하게 적용할 수 있다.In addition, the welding method of the low chromium ferritic stainless steel of the present invention can be similarly applied to the low chromium STS 410.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법은 저 크롬 페라이트계 스테인레스강에 가장 적합한 용접조건 즉, 입열량 및 용접재료를 한정하여 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접부위의 충격특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.As described in detail above, the welding method of the low chromium ferritic stainless steel of the present invention is the most suitable welding conditions for the low chromium ferritic stainless steel, that is, the impact characteristics of the welding region of the low chromium ferritic stainless steel by limiting the heat input and the welding material There is an advantage that can be improved.
이상에서 본 발명의 충격에 대한 우수한 특성을 가진 저 크롬 페라이트계 스테인레스강의 용접방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical idea of the welding method of the low chromium ferritic stainless steel having the excellent characteristics against the impact of the present invention has been described with the accompanying drawings, this is illustrative of the best embodiment of the present invention, and the present invention is limited. It is not. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| WITN | Withdrawal due to no request for examination |