KR20030054561A

KR20030054561A - ２２％Ｃｒ계 2상 스테인레스강의 용접부 내공식성향상을 위한 티크 용접방법

Info

Publication number: KR20030054561A
Application number: KR1020010084737A
Authority: KR
Inventors: 최두열; 김봉운
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-02
Also published as: KR100805060B1

Abstract

본 발명은 화학 플랜트, 원자력 발전설비, 해양 구조물, 공해방지설비, 열교환기 튜브(Tube), 석유/천연가스 생산 및 처리 설비등 고강도와 고내식성이 요구되는 환경에 이용되는 22%Cr계 2상 스테인레스강의 용접부에 대한 내공식성 향상을 위한 티크 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 주성분으로 Cr : 20 ∼ 30%, Ni : 4 ∼ 10%, Mo : 1.5 ∼ 5.0%, N : 0.1 ∼ 0.5%, C : 0.01 ∼ 0.05%을 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 2상 스테인레스강에 대하여, 용접입열량을 2.0~30.0 kJ/cm로 하고, 표면의 산화방지 및 용접성 개선을 목적으로 용접토치에서 공급되는 보호가스로 불활성 기체인 Ar 가스에 질소가스를 2 - 20% 섞은 혼합가스를 공급하고, 용접후면 보호가스(Backing gas)로 100% 질소가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 22% Cr계 2상 스테인레스강의 용접부 내공식성 향상을 위한 티크 용접 방법을 제공한다.

Description

２２％Ｃｒ계 2상 스테인레스강의 용접부 내공식성 향상을 위한 티크 용접 방법{TIG WELDING METHOD TO IMPROVE PITTING CORROSION RESISTANCE OF 22%Cr DUPLEX STAINLESS STEEL WELDS}

일반적으로 페라이트상과 오스테나이트상이 50:50의 비율로 구성된 스테인리스강인 2상 스테인레스강은 페라이트계 스테인리스강의 단점인 저인성과 오스테나이트계의 단점인 응력부식균열(SCC)성을 보완한 특성을 가지고 있다. 또한 고강도인 점과 동등한 내식성을 갖는 오스테나이트계에 비해 고가의 Ni을 절약할 수 있다는 점에서 경제적인 이점도 지니고 있다. 이러한 이유에서 화학 플랜트, 원자력 발전설비, 해양 구조물, 공해방지설비, 열교환기 튜브, 석유/천연가스 생산 및 처리 설비 등 고강도와 고내식성이 요구되는 환경에서의 수요가 증가하고 있다.

페라이트/오스테나이트의 2상 조직과 높은 함량의 Cr, Mo, N 때문에 2상 스테인레스강은 오스테나이트계나 페라이트계 스테인레스강에 비해 매우 우수한 공식 저항성을 보인다. 그러나 TIG 용접과 같은 아크 용접을 하게 되면 급열/급냉의 열사이클에 의해 용접금속 및 열영향부에서 페라이트상이 오스테나이트상에 보다 많아져서 상균형이 깨어지고, 많아진 페라이트상으로 인하여 기지에 고용되지 못한 질소가 Cr과 화합하여 질화물이 페라이트상 입내에 다량 석출하게 된다.

또한, 급냉으로 인하여 Cr과 Mo와 같은 내식성 관련 원소의 확산이 충분히 일어나지 못하여 성분 분배(element partitioning)가 충분히 열처리된 모재와 다르다. 이러한 현상에 의해 용접부의 내공식성은 모재에 비해 크게 저하된다. 또 다른 용접부 내공식 저하의 원인은 용접중에 용융 풀(pool)에서의 탈질이다.

용융 풀과 대기와의 질소 분압에 차이에 의해 용융 풀에 존재하는 질소가 대기로 빠져나감으로써, 응고 후 용접금속의 질소농도를 떨어뜨리는 결과를 가져온다. 오스테나이트계나 2상 스테인레스강에서의 질소는 내공식성과 아주 밀접한 원소로서 탈질은 바로 내공식성의 저하로 직결된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종종 모재에 비해 Ni 함량이 2-3% 높은 용접재료(2205의 경우, 2209)를 사용하면, 용접 후 열처리 없이 원하는 상분율을 얻을 수 있지만, Ni 첨가는 상분율 뿐만 아니라 Cr, Mo, N과 같은 원소의 두 상간의 분포에 영향을 줌으로써 내식성에 치명적인 영향을 줄 수도 있다. 또한 필러 와이어(filler wire)를 사용하게 되면 용접 시공시의 추가 비용이 요구되므로 경제적인 손실도 고려되어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 필러 와이어를 사용하지 않으면서 22% Cr계 2상 스테인레스강을 티그 용접할 때, 용접부의 오스테나이트상과 페라이트상의 균형을 이루고, 탈질현상을 방지함으로써 용접부의 내공식성을 향상시키는 22% Cr계 2상 스테인레스강의 용접부 내공식성 향상을 위한 티크 용접 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제 1도는 보호가스의 질소함량에 따른 용접금속의 질소농도 변화를 도시한 그래프도;

제 2도는 용접금속에서의 질소 농도와 페라이트 함량과의 관계를 도시한 그래프도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100... Ar 가스와 질소함량이 2 ~ 50% 첨가된 Ar 혼합가스를 공급하였을 때, GTA 용접금속에서의 질소농도 표시점

110... 질소함량이 0%, 즉 100% Ar 가스이고, 용접후면 보호(Backing) 가스로 100% 질소를 공급하였을 때, GTA 용접금속에서의 질소농도 표시점

120... 질소함량이 0%, 즉 100% Ar 가스이고, 용접후면 보호(Backing) 가스를 공급하지 않았을 경우와 100% Ar 가스를 공급한 때, GTA 용접금속에서의 질소농도 표시점

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 주성분으로 Cr : 20 ∼ 30%, Ni : 4 ∼ 10%, Mo : 1.5 ∼ 5.0%, N : 0.1 ∼ 0.5%, C : 0.01 ∼ 0.05%을 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 2상 스테인레스강에 대하여, 용접입열량을 2.0~30.0 kJ/cm로 하고, 표면의 산화방지 및 용접성 개선을 목적으로 용접토치에서 공급되는 보호가스로 불활성 기체인 Ar 가스에 질소가스를 2 - 20% 섞은 혼합가스를 공급하고, 용접후면 보호가스(Backing gas)로 100% 질소가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 22% Cr계 2상 스테인레스강의 용접부 내공식성 향상을 위한 티크 용접 방법을 마련함에 의한다.

상기 2상 스테인레스강의 용접시 용접 입열량이 너무 적으면 용접금속 및 용접 열영향부에서의 냉각속도가 매우 빨라져서 페라이트의 분율이 높게 된다. 반면, 용접 입열량이 과다할 경우는 오스테나이트 분율이 상대적으로 많은 미세조직을 갖게 된다. 더욱이 수퍼 2상 스테인리스강의 경우, 시그마상과 같은 중간상이 석출하게 되어 기계적 성질 및 내식성 저하의 원인이 되기도 한다.

따라서, 기계적 성질과 내식성을 모두 만족하기 위해서는 적정 입열량이 선택되어야 한다. 일반적으로 순수 Ar가스를 보호가스를 사용하여 티그 용접을 할 때, 22% Cr계 2상 스테인레스강의 적정 입열량 범위는 6~20 kJ/cm 로 알려져 있다. 그러나 질소를 함유하는 보호가스를 통하여 용접부의 질소농도를 높여주면 보다 낮은 입열량에서도 용접부의 기계적 성질이나 내공식성을 확보할 수 있다.

왜냐하면, 질소는 강력한 오스테나이트 형성 원소로서 오스테나이트 변태 온도를 높여주고, 또한 용접 후 냉각과정에서 페라이트에서 오스테나이트로의 변태를 촉진함으로써 용접금속의 오스테나이트 함량을 증가시켜 줌으로써 상분율을 적정화하고 이로 인하여 Cr 질화물의 양이 크게 감소되기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

[실시예]

표 1에 나타낸 화학성분을 주성분으로 하는 두께 3mm의 2상 스테인레스강 판재에 대해서 Ar+(0~50)%N2의 혼합가스를 보호가스를 공급하면서 티크 용접을 하였으며, 자세한 용접조건을 아래의 표 2에 나타내었다.

표 1

표 2

즉, 상기 표 2에서 용접(welding)은 TIG를 실행하고, 용접속도(Welding speed)는 20cm/분, 보호가스(shielding gas)는 Ar+(0~50)%N2, 유량(flow rate)은 15l/분, 용접후면 보호가스는 순 Ar, 순 N2, 없음(None)등을 시행하였고, 전극(electrode)는텅스텐 3.6mmφ, 아크길이 2mm, 용접 입열량 5.9~6.5 kJ/cm 이었다.

도 1은 순 Ar 가스와 질소함량이 2 ~ 50% 첨가된 Ar 혼합가스를 공급하였을 때, GTA 용접금속에서의 질소농도를 보여주는 것으로, 이는 둥근 원(100)으로 도시된 바와 같이, 용접금속의 질소 농도는 보호가스 중의 질소 함량이 증가함에 따라 증가 하였다. 10%의 질소함량까지는 거의 직선적으로 용접금속의 질소 농도가 증가하다가 10 ~ 20% 범위에서는 약 0.25% 로 포화되는 경향을 보였다.

그러나, 질소함량이 50%로 되면 0.32%로 다시 급격히 증가하지만, 용접금속 내부에 대형 기공이 발생하며 용접 중에도 다량의 스패터(spatter) 발생과 텅스텐 전극의 손실을 초래하였다.

한편, 질소함량이 0%, 즉 100% Ar 가스의 경우, 도 1에서 점선(110)으로 도시된 바와 같이, 용접후면 보호(Backing) 가스로 100% 질소를 공급하였을 때 용접금속의 질소농도는 모재와 동일한 0.16%를 보였지만, 용접후면 보호 가스를 공급하지 않은 경우(None)와 100% Ar 가스를 공급한 경우는 검은 점(120)으로 표시된 바와 같이, 0.14%로 용접금속에서의 질소 손실이 발생하였다.

이러한 용접금속의 질소 손실은 2상 스테인리스강의 용접부 특성 저하를 초래할 가능성이 크므로 보호가스 성분의 조정을 통하여 질소농도의 보상이 필요하다.

용접금속의 질소농도와 용접금속에서의 페라이트 함량과의 관계를 도 2에 나타낸 것으로서 질소 농도가 증가함에 따라 페라이트 함량은 직선적으로 감소하였다. 이는 질소가 강력한 오스테나이트 형성 원소로서 오스테나이트 변태 온도를 높여주고, 또한 용접 후 냉각 과정에서 페라이트에서 오스테나이트로의 변태를 촉진함으로써 용접금속의 오스테나이트 함량을 증가시켰기 때문이다.

용접금속의 내공식성에 미치는 질소 농도의 영향을 알아 보기 위하여 용접부를 포함하는 45mm(L) X 25mm(W) X 2.5mm(T) 크기의 시편에 대해 6% FeCl₃용액에서의 침지시험을 통한 임계공식온도(CPT)를 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

표 3

상기 표 3에서 용접금속의 질소농도가 모재 보다 낮거나 같은(0.16% 이하) 경우, CPT가 30℃ 였으며, 공식이 용접금속에서 발생하였다. 그러나 0.19%의 질소농도에서는 CPT가 40℃로 10℃ 상승하고, 공식(Pitting)도 용접금속과 용접 열영향부에서 동시에 발생하였다. 그리고 질소농도가 증가하여 0.23% 이상이 되었을 경우, CPT는 40℃로 앞의 경우와 동일하였지만, 공식은 열영향부에서만 발생하였다. 이는 열영향부의 CPT가 40℃이며, 질소농도가 0.23% 이상인 용접금속의 CPT는 40℃보다 높다는 것을 의미한다.

이를 확인하기 위하여 질소농도가 0.23% 이상인 용접금속에 대하여 추가적으로 42.5℃에서 침지 시험한 결과 용접금속에서 공식이 발생하였다. 즉, 용접금속의 질소농도 0.19% 보다 작으면 열영향부 보다 용접금속의 내공식성이 떨어지며, 0.19% 보다 크면 용접금속이 열영향부 보다 내공식성이 우수함을 말해준다. 따라서 열영향부와 동등 이상의 내공식성을 갖는 용접금속을 얻기 위해서는 용접금속의 질소농도가 0.19% 이상 되어야 하며, 이를 위해서는 2% 이상의 질소를 함유하는 Ar+N2 혼합가스를 사용하는 것이 요구된다.

상기에서와 같이, 본 발명에서는 필러 와이어를 사용하지 않으면서 22% Cr계 2상 스테인레스강을 티그 용접할 때, 용접입열량을 2.0~30.0 kJ/cm로 하고, 표면의 산화방지 및 용접성 개선을 위하여 용접토치에서 공급되는 보호가스로 불활성 기체인 Ar 가스에 질소가스를 2 - 20% 섞은 혼합가스를 공급하고, 용접후면 보호가스(Backing gas)로 100% 질소가스를 공급함으로써 용접부의 오스테나이트상과 페라이트상의 균형을 이루고, 탈질현상을 방지함으로써 용접부의 내공식성을 향상시키는 효과를 얻게 된다.

Claims

주성분으로 Cr : 20 ∼ 30%, Ni : 4 ∼ 10%, Mo : 1.5 ∼ 5.0%, N : 0.1 ∼ 0.5%, C : 0.01 ∼ 0.05%을 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 2상 스테인레스강에 대하여, 용접입열량을 2.0~30.0 kJ/cm로 하고, 표면의 산화방지 및 용접성 개선을 목적으로 용접토치에서 공급되는 보호가스로 불활성 기체인 Ar 가스에 질소가스를 2~ 20% 섞은 혼합가스를 공급하고, 용접후면 보호가스(Backing gas)로 100% 질소가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 티크 용접 방법.