KR20080022520A - 와이어, 플럭스 및 큰 니켈 함유량을 갖는 강을 용접하기위한 방법 - Google Patents

와이어, 플럭스 및 큰 니켈 함유량을 갖는 강을 용접하기위한 방법 Download PDF

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은, 강 외피와 충전 요소를 포함하며, 와이어의 중량에 대해, 2% 내지 15%의 불소, 8% 내지 13%의 니켈과 철을 함유하는 니켈강을 용접하기 위한 플럭스-코어 와이어에 관한 것이며, 또한, 중량비로서 25% 내지 35%의 MgO, 20% 내지 30%의 CaO, 10% 내지 15%의 SiO2, 10% 내지 30%의 Al2O3, 및 5% 내지 20%의 불소를 함유하는 용접 플럭스에 관한 것이며, 그리고, 특히 6% 초과의 니켈을 함유하는 바람직하게는 9%의 니켈을 함유하는 강 공작물들을 접합시키기 위하여 이러한 와이어와 이러한 플럭스를 사용하는 서브머지드-아크 용접 방법에 관한 것이다.
니켈강, 플럭스-코어 와이어, 서브머지드 아크 용접 방법, 용접 플럭스, 용접 조인트

Description

와이어, 플럭스 및 큰 니켈 함유량을 갖는 강을 용접하기 위한 방법 {WIRE, FLUX AND PROCESS FOR WELDING STEEL HAVING A HIGH NICKEL CONTENT}
본 발명은 니켈강의 특히 9% 니켈강의 고-생산성 균질 용접에 관한 것이다.
보통 "9% 니켈 스틸(9% Ni steel)"이라 불리는 9% 니켈강은 탱크 또는 예를 들어 파이프 등의 극저온에서 사용하도록 된 산업 장비의 구성에 사용되는 재료이다.
이러한 목적으로, 이 강(鋼)들은 심지어 액화 질소 온도에서도 즉 -196 ℃에서도 양호한 기계적 강도 및 양호한 충격 강도를 특징으로 한다.
9% 니켈강은 약 9 중량%의 니켈을 함유하는 저-탄소 유형의 강이며, 매우 낮은 온도에서 양호한 연성을 유지하기 위해 적절한 열처리를 받는다.
이런 유형의 강은 통상 0.1 중량% 미만의 낮은 탄소 함유량과, 다른 무엇보다도 낮은 수준의 불순물, 특히 낮은 수준의 황 및 인을 특징으로 한다. 이것은 낮은 수준의 불순물 함유가 저온에서의 양호한 충격 강도를 보장하는데 그리고 뜨임 취성화(temper brittleness)의 위험을 제한하는데 가장 중요한 인자이다.
에너지에 대한 증가된 요구에 직면하여, 액화 천연 가스(liquefied natural gas)가 현재 석유 제품에 대한 유리한 대안을 제공하고 있다. 이러한 이유 때문에 그리고 저온 특성 덕분에, 9% 니켈강이 부식성이 없는 천연 가스 등의 극저온 유체를 수송하고 저장하며 그리고 -196 ℃의 온도까지 내려가서 수송 및 저장하는 기능을 하는 장비를 생산하는데 점점 더 사용되고 있다.
그러나, 9% 니켈강으로부터 이러한 장비를 제조하기 위해서는, 특별한 용접 제품과 특별한 용접 방법을 사용하는 것이 필요한데, 즉, 이들 용접 제품 및 방법이 용융 영역(melted zone; MZ) 내에서 그리고 열-영향 영역(heat-affected zone; HAZ)에서 동일한 수준의 기계적 특성을 달성할 수 있게 한다.
환언하면, 이러한 9% 니켈강을 용접할 때 생기는 문제는, 최소한의 제조 비용으로 조립체의 일체성을 보장하기 위해, 그 결과로 MZ 및 HAZ 내에서 어떻게 양호한 기계적 특성을 얻는가이다.
현재, 9% 니켈강을 용접하기 위한 소모성 와이어는 2개 유형이 있는데, 즉, 균질 용접을 위한 페라이트 충전 제품(ferritic filler product)과 이질 용접(heterogeneous welding)을 위한 니켈 함유량이 매우 큰 충전 제품이다.
이질 용접은 가장 통상적으로 사용되는 용접이다. 이 경우, 모든 아크 용접 방법이 특히, 서브머지드 아크 용접이 사용될 수 있다. 9% 니켈강 부품들 또는 플레이트들의 조립은 매우 큰 니켈 함유량을 함유하는 통상 적어도 50%의 니켈을 함유하는 니켈계 유형의 오스테나이트 소모성 와이어로 수행된다. 이러한 소모재로 얻어진 용접부는 오스테나이트 성질을 가지며 그 결과 연성-취성 전이(ductile-brittle transition)를 갖지 않는다. 그러므로, 심지어 액화 질소 온도에서도 양호한 인성 특성을 갖는다.
그러나, 니켈계 충전 금속은 여러 단점을 갖는데, 즉,
- 이 방법의 높은 생산성에도 불구하고, 큰 니켈 함유량을 갖는 충전 금속의 높은 비용, 특히 소모성 와이어의 높은 비용은 이 해법을 비싸게 하며, 이에 따라 경제적인 관점에서 경쟁적이지 않게 한다는 것과,
- 니켈계 유형의 일부 충전 금속은 열간 균열에 매우 민감하다는 것과,
- 마지막으로, 무엇보다, 용융 금속의 인장 강도가 기저 금속보다 낮다는 것이다. 예를 들어, 기저 금속은 700 ㎫보다 큰 인장 강도를 갖는 반면, 용융 영역(MZ)의 인장 강도는 조인트의 구성에 따라 640 ㎫까지 떨어질 것이다. 이는 탱 크의 경우 구성 코드(construction code)의 권고를 만족시키기 위해 장비를 과치수 설정(overdimension)하게 하며, 종방향으로 용접된 파이프의 경우 파이프가 용접 후에 정확하게 형성되는 것을 불가능하게 한다.
균질 용접에서는, 특히 니켈 함유량에 있어서 기저 금속의 화학 조성에 근접하는 화학 조성을 갖는 벌크 와이어가 사용된다.
TIG 또는 MIG 용접 방법과 조합하면, 현 균질 페라이트성 소모성 와이어는 기저 금속의 인장 강도에 적합한 인장 강도를 가지며 열처리 없이 충분한 저온 인성 값이 달성되도록 즉, 표준 크기(10×10 ㎜)의 시편에 대해 -196 ℃에서 34 J의 인성 값이 달성되도록 허용한다.
그러나, 소모성 와이어를 사용하는 것은 그 유익한 비용에도 불구하고 이 방법들의 저 생산성으로 인해 경제적으로 성장 가능하지 않다.
또한, 보다 높은 생산성을 갖는 다른 방법으로, 그리고 특히 문서 "페라이트성 충전제 서브머지드 아크 용접에 의한 9% 니켈강 UOE 파이프의 생산"(학회 회보 ISU, 볼륨 26, 1986년, 359 내지 366쪽)에 기술된 서브머지드 아크 용접으로, 벌크 와이어 유형의 균질 소모재들은 요구되는 인성 수준을 달성하는 것을 허용하지 않는다.
또한, 벌크 와이어의 사용은 조성의 각각의 조정을 위해, 예를 들어, 기저 금속 내의 니켈의 % 함유량을 고려하기 위해, 소정의 조성으로 와이어를 제조하기 위해 수행될 금속 주조 작업을 위해, 필요한 만큼 이상적이지 않다. 이것은 경제적 관점에서 손해이며, 생산의 어려움을 야기한다.
게다가, 이 경우, -196 ℃에서의 요구되는 인성 수준을 달성하기 위해, 전체 장치에 열처리를 수행하는 것이 가장 중요한데, 이 중 일부는 특히 작업 현장(work site)에서 용접되는 장비의 지리학적 위치 탓에 종종 달성할 수 없으며, 또는 예를 들어 용접되는 파이프를 위해서 등의 매우 큰 치수의 즉 수 미터의 장비인 경우에 달성할 수 없다.
마지막으로, 벌크 와이어를 사용하는 이러한 유형의 방법으로 얻은 용접부는 종종 통상적으로 0.040% 초과의 너무 많은 산소 함유량을 갖는다.
즉, 용접 소모재, 즉, 와이어, 플럭스 또는 이들의 조합은 현재 존재하지 않으며, 또는, 양호한 용접 특성을 얻을 수 있게 할 뿐만 아니라 경제적으로 성장할 수 있게 하고/하거나 산업적 규모로 수행될 수 있는 이들 소모재를 사용하는 용접 방법이 존재하지 않는다.
그러므로, 문제는 어떻게 높은 니켈 함유량을 갖는 강을 특히 9% 니켈강을 효과적으로 용접하는데 사용될 수 있는 용접 플럭스 및/또는 용접 와이어를 제공할 것이며, 용접 조인트 또는 침전된 금속의 양호한 특성으로 귀결되는 경제적으로 성장할 수 있으며 산업적 규모로 빠르게 실행될 수 있는 이러한 와이어 및/또는 이러한 플럭스를 사용하는 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 니켈강을 용접하기 위한 플럭스-코어 와이어가 제공되며, 이 플럭스-코어 와이어는 강 외피(steel sheath)와 충전 요소를 포함하며, 와이어 중량에 대해 2% 내지 15%의 불소와, 8% 내지 13%의 니켈과 철을 함유하 는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플럭스-코어 와이어는 불소(F)의 비율로 표현된 2% 내지 15%의 불소 함유량을 특징으로 한다. 그러나, 사용될 수 있는 불소는, 바람직하게는 형석의 형태 뿐만 아니라 천연 또는 인조 빙정석 또는 플루오르화 나트륨, 플루오르화 리튬, 또는 플루오르화 칼륨 또는 임의의 기타 플루오르화물 등의 플루오르화된 화합물의 형태의, 다양한 형태일 수 있다.
경우에 따라, 본 발명의 플럭스-코어 와이어는 하나 이상의 아래 특징을 갖는데, 즉,
- 강은 탄소-망간 강이며, 외피의 탄소 함유량은 바람직하게는 0.05% 미만이며,
- 충전 요소를 갖는 와이어의 충전 수준은 와이어의 총 중량에 대해 8% 내지 40%이며, 바람직하게는 12% 내지 30%이며,
- 철은 강 외피로부터만 생기며, 충전 요소에는 철이 없으며, 특히 철 분말이 없으며,
- 와이어의 중량에 대해 8% 내지 15%의 불소와 9% 내지 11.75%의 니켈을 함유한다.
또한, 다른 태양에 따르면, 본 발명은 니켈강으로 된 적어도 하나의 공작물을, 바람직하게는 적어도 6%의 니켈을 함유하는 적어도 하나의 공작물을, 바람직하게는 플럭스-코어 와이어를 사용하여, 아크 용접, 레이저 용접 또는 하이브리드 레이저/아크 용접을 하는 용접 방법을 제공한다.
바람직하게는, 이 용접 방법은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따르는 플럭스-코어 와이어를 사용하는 서브머지드 아크 용접이며, 플럭스는 중량비로, 25% 내지 35%의 MgO, 20% 내지 30%의 CaO, 10% 내지 15%의 SiO2, 10% 내지 30%의 Al2O3 및 5% 내지 20%의 불소를 함유한다.
본 발명의 방법에 따르면, 7% 초과의 니켈을, 통상적으로 7% 내지 13% 니켈을 함유하는 강으로 된 하나 이상의 공작물이 함께 용접된다.
유리하게는, 용접 조인트에서의 패스의 밀도가 2 패스/㎠보다 크도록 용접 조인트가 생성된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따르는 방법에서 사용될 수 있는 용접 플럭스이며, 이 용접 플럭스는, 중량비로, 25% 내지 35%의 MgO, 20% 내지 30%의 CaO, 10% 내지 15%의 SiO2, 10% 내지 30%의 Al2O3 및 5% 내지 20%의 불소를 함유하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플럭스는 Na2O와 K2O로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 성분의 비율은 3 중량% 미만이다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따르는 방법을 실행하고/실행하거나 본 발명에 따르는 플럭스-코어를 용융시켜서 얻을 수 있는 침전 금속 또는 용접 조인트를 제공하며, 이 침전 금속 또는 용접 조인트는,
0.010% 내지 0.07%의 탄소, 바람직하게는 0.010% 내지 0.05%의 탄소와,
0.02% 내지 0.20%의 규소와,
0.15% 내지 0.6%의 망간과,
0.002% 내지 0.007%의 인과,
0.0013% 내지 0.0050%의 황과,
7% 내지 13%의 니켈과,
0.002% 내지 0.012%의 티타늄과,
0.005% 내지 0.018%의 알루미늄과,
주원소인 철을 함유하는 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 용접 조인트는 300 ppm 미만의 산소를 함유한다.
또, 용접 조인트는 2 중량% 미만의 비율로 바륨, 지르코늄, 크롬 및/또는 리튬도 포함할 수 있으며, 이들 원소들이 금속 형태 내에서, 산화물의 형태 내에서 및/또는 하나 이상의 이들 원소들을 포함하는 화합물의 형태 내에서 존재할 수 있게 한다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 제공되는 이하 설명 및 예에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.
일반적으로, 기저 금속의, 즉, 예를 들어 9% 니켈강으로 된 용접될 공작물의 우수한 저온 인성 및 우수한 기계 강도는 재료의 개선된 미세 구조에 기인하다.
재료의 미세 구조가 마텐자이트 또는 베이나이트 및 탄소-농축 오스테나이트로 구성된다. 이러한 특정 구조는 뜨임 처리에 이은 이중 불림 처리에 의해 또는 뜨임 처리에 이은 담금질에 의해 생성된다. 뜨임 처리는 소위 "임계 온도" 범위에 서 수행된다.
이러한 열처리 동안, 오스테나이트가 조금 나타나게 되고 기저 금속 내의 탄소 농도가 오스테나이트 안쪽으로 우선적으로 이동하게 된다. 이후에 형성된 고탄소 오스테나이트가 안정화되어 -200 ℃까지 낮게 냉각된다.
오스테나이트 변환은 단지 부분적이기 때문에, 따라서 열처리 후의 강의 미세 구조는 매우 낮은 탄소 함유량의 마텐자이트와 잔류 오스테나이트로 구성될 것이다. 재료의 우수한 수준의 저온 인성을 결정하는 것은 이러한 특정 미세 구조이다.
최적의 잔류 오스테나이트 함유량은 강의 탄소 함유량에 의존한다. 이것은 기저 금속의 탄소를 포획하기 위해 반드시 충분해야 하기 때문이며, 그러나 만일 너무 과도하면 오스테나이트가 냉각에 대해 안정하게 유지되기에 충분한 탄소를 포함하지 못하여 마텐자이트로 변환될 것이다. 이러한 잔류 오스테나이트 함유량은 한 쌍의 처리 온도 및 처리 시간(treatment temperature, time pair)에 의해 제어된다.
뜨임 처리가 열악하게 제어된 경우, 몇몇 현상이 발생할 것인데, 즉, 구조-취성화 카바이드(structure-embrittling carbide)가 형성될 것이며, 처리 동안 형성된 오스테나이트의 양은 상당히 많으며 안정적이지 않을 것이며, 이에 따라 새로운 마텐자이트의 형성을 일으킨다.
또한, 뜨임 처리를 기점으로 한 냉각 속도는 저온에서의 9% 니켈강의 연성에 직접적인 영향을 갖는다.
이것은 용접에 의해 9% 니켈강 부품들을 조립하기 위해 특별히 조심해야만 함을 의미한다. 따라서, 용접 처리에 의해 공급되는 열은 낮춰져야만 하며, 열-영향 영역(HAZ)에서의 강의 변환을 제한하기 위해 패스(pass)들 간의 온도는 낮춰져야만 한다.
용접된 조립체들을 위해, 열처리는 항상 두 단계로, 즉, 600 ℃ 부근에서 담금질 후 뜨임으로 수행된다. 뜨임 처리에 의해 얻어진 오스테나이트는 뜨임 처리가 최적인 경우에만 안정적이다.
침전된 금속의 양호한 화학 조성에 대해서는 기계 강도와 인성 사이의 균형이 고려되어야만 하며, 여기서 합금 원소들은 인성에 영향을 미치는 인자이다.
따라서, 용접화율(susceptibility of the weld)은 결정 경계에서 분리되는 원소들을 줄임으로써 특히 인과 망간을 줄임으로써 감소될 수 있다.
특히, 취성화의 원인인 망간의 함유량은 -196 ℃를 포함하여, 양호한 수준의 인성을 얻을 수 있도록 가능한 낮춰져야만 한다. 최대 망간 함유량은 탄소 함유량과 연관된 것으로 생각되는 반면, 최소 망간 함유량은 황 함유량에 관계된다. 따라서, 0.3 중량%의 Mn 함유량은 통상의 탄소 범위 내에서, 즉, 0.05% 부근에서 효과적이다.
또한, 인 함유량도 0.007% 이하로 제어 및 유지되어야만 한다.
황 함유량은 망간의 추가에 의해 완화될 수 있는 균열이 생길 위험에 영향을 주기 때문에 가능한 낮춰져야만 한다. 황 함유량이 0.005% 미만일 경우, 대략 0.15%의 망간 함유량은 만족스런 결과를 얻기에 충분할 것이다.
니켈은 중요한 원소이다. 니켈 함유량은 7 중량% 내지 13 중량% 사이어야만 하며, 바람직하게는 9% 초과 및/또는 12% 미만이다. 이는 이 범위 밖에서 소정 수준의 인성이 달성될 수 없기 때문이다. 니켈 함유량을 7%에서 11%로 늘리는 것은 에너지 흡수의 최대 수준 및 연성-취성 전이에 있어서의 동시 감소에 반영된다.
한편, 탄소는 0.07 중량%까지 인성의 수준에 중요한 영향을 갖는 것으로 생각되지 않으며, 탄소 함유량은 약 0.05% 이하인 것이 바람직하다.
규소도 역할을 담당하며, 0.2% 미만의 최대 함유량으로 존재해야만 한다.
요약하면, 본 발명에 따르는 용접될 공작물 상에 침전되는 금속은 (중량에 있어서) 0.007% 미만의 함유량의 인과, 바람직하게는 0.15%와 0.3% 사이의 함유량의 망간과, 0.001% 내지 0.070%의 바람직하게는 많아도 0.050% 함유량의 탄소와, 0.005% 미만의 함유량을 갖는 황과, 7% 내지 13% 함유량의 니켈과, 0.2% 미만의 함유량을 갖는 규소와, 기본적으로 잔부로 철을 함유한다.
그러나, 용접 조인트용으로도 티타늄 및 알루미늄을 함유하는 것이 제외되지 않는다.
모든 경우에서, 낮은 수준의 함유는 인성을 증가시키는 경향을 갖는다.
일반적으로, 탱크, 파이프, 또는 특히 극저온에서 액화 천연 가스(liquefied natural gas; LNG)를 저장 및 수송하는 역할을 하는 기타 유사한 구조를 형성하기 위해, 니켈강 공작물이 이러한 응용들에 적합한 인장 강도 및 충격 강도를 제공하는 용접 조립체를 생산할 수 있는 용접 처리에 의해 조립된다.
이와 관련하여, 이하 처리들을 이용하는 것이 가능한데, 즉, 전기 아크(또는 수 개의 아크들), 레이저/아크 조합용 레이저 비임(또는 수개의 비임들)인 와이어를 용융시키기 위한 에너지원과 함께, 소모성 와이어, 용접 가스, 및/또는 용접 플럭스를 이용하는 서브머지드 아크 용접 또는 충전 와이어를 구비한 하이브리드 레이저/아크 용접, 플라즈마 용접, 레이저 용접, TIG 용접, MIG/MAG 용접이 이용 가능하다.
실은, 용접된 조립체는 용융된 금속, 열-영향 영역(HAZ) 즉 에너지원에 의해 영향을 받는 영역, 및 HAZ 부근의 기저 금속에 특징이 있다.
용융된 금속은 본질적으로 용융된 소모성 와이어에 대응하며, 혹은 용접 동안 용융된 기저 금속에 의해 침전 및 희석되는 플럭스에 대응한다.
HAZ는 기저 금속의 일부분, 즉, 용접된 공작물(들)을 구성하는 재료의 일부분인데, 이들 부분은 용접 동안 용융되지 않지만 그 미세 구조 및 기계적 특성은 아크 또는 레이저 용접 동안 방출되는 열에 의해 변경된다.
따라서, 파이프, 탱크 또는 극저온 유체와 접촉하도록 된 임의의 다른 장비를 구성하기 위해, 극저온 응용들에 적합한 인장 강도와 인성이 얻어질 수 있게 허용하는 용접 처리를 갖는 것이 가장 중요하다. 따라서, 용접 처리는 경제적으로 만족할만한 생산성을 가지면서 극저온 응용의 요구 조건을 만족시킬 수 있는 연성 미세 구조 및 기계 특성을, 즉, 최소 인성은 -196 ℃에서 34 J이고 최소 횡방향 팽창은 0.38 ㎜인 특성을 생성하도록 해야만 한다.
만족할만한 생산성과 액화 질소 온도에서 34 J 초과의 인성 수준을 얻기 위해, 본 발명의 발명자들은 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding; SAW) 처 리는 높은 생산성이 달성될 수 있게 하면서 가장 적합한 것임을 증명하였다.
이것은 용접 속도가 사용되는 와이어의 개수에 정비례하기 때문이다. 따라서, 와이어 1개로는 SAW 처리로의 용접 속도가 일반적으로 대략 50 ㎝/분 이상이며, 와이어 5개로는 250 ㎝/분의 속도를 달성하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르는 SAW 용접에서 사용될 수 있는 플럭스 및 용접 와이어를 개발할 필요가 있었으며, 더욱이 이들은 전술한 조성을 갖는 침전된 금속을 생기게 한다.
이에 따라, 본 발명의 발명자들은 0.01 중량% 미만의 가능한 가장 낮은 수준의 산소 및 황 함유량을 얻는 것이 가능하도록 SAW 용접용의 특수한 플럭스를 개발하였다. 이 플럭스의 조성은 후술한다.
게다가, 소모성 와이어에 관해서와 같이, 본 발명의 발명자들은 용융된 금속의 조성 및 보다 큰 제조의 유연성을 얻기 위해 SAW 용접에서 보통 사용되는 벌크 와이어를 플럭스-코어 와이어로 대체하는 것을 고려하였다. 이 플럭스-코어 와이어의 조성도 아래에서 상세히 설명한다.
이를 행하기 위해, ASTM 표준에 따르는 A553형의 두께가 12㎜인 9% 니켈강으로 만들어진 "X" 조인트(도1) 또는 "Y" 조인트(도2)가 시험되었다. 인성의 수준에 대한 용접 에너지의 영향을 평가하기 위하여, "X" 조인트와 "Y" 조인트가 종래 기술에 따르는 처리를 사용하여 가변 개수의 패스로 충전되었으며, 비교를 위해, 본 발명에 따른 플럭스-코어 와이어를 구비한 SAW 용접을 사용하였다.
이러한 시도들은 아래 예들에 제공된다.
예 1 : 종래 기술에 따라 벌크 와이어를 갖는 SAW 용접
두꺼운 파이프가 시트로부터 제조되어, 2개의 종방향 에지들이 기계 가공된 후 접합된다. 시트의 형상화는 기계 가공된 에지들이 접합하도록 하여 도1에 도시된 X형 프로파일을 갖는 프리-튜브(pre-tube)를 형성할 수 있도록 허용하였다.
MIG 용접 처리를 이용하는 연속적인 가용접이 실제 SAW 용접 전에 조립체를 제 위치로 유지하는데 사용되었다.
그 다음, 용접이 고형 플럭스(solid flux) 아래로 침지된 아크(SA)에 의해 2회의 패스로 수행되었다. 용접 비드의 완전 침투를 보장하기 위해, 제1 패스는 튜브 안에서 수행된 반면, 제2 패스는 튜브 바깥에서 수행되었다.
우리는 ASTM 표준에 따르는 A553형의 두께가 12㎜인 9% 니켈강으로부터 이러한 조립체를 만들었다. 이러한 시도에 대하여, 우리는 보니섭스키(Bonisevsky)에 따르는 염기도 지수(basicity index)가 2.7인 플럭스를 사용하였다. 충전 제품은 직경이 1.2 ㎜인 9% 니켈강 벌크 와이어였다.
더 정밀하게는, 참조 OP76 하의 오리콘(Oerlikon)으로부터 입수 가능한 CaO-MgO-Al2O3 유형의 상업용 플럭스였으며, 또한 사용된 벌크 와이어는 참조 TGS-9N하의 코베 스틸(Kobe Steel)로부터 입수 가능한 상업용 와이어였다.
용접 파라미터는 아래 표1에 주어져 있다. 사용된 다른 작동 조건들은 SAW 용접에서 통상적으로 사용되는 것이다.
[표 1]
전류의 전극 전류 (A) 전압 (V) 용접 속도
"내측-튜브" 제1 패스 AC 370 32 80 ㎝/분
"외측-튜브" 제2 패스 AC 410 32 80 ㎝/분
AC: 교류
이후에 용접된 튜브들은 [샤피(Charpy) 유형의] 통상적인 인성 시험을 받았으며, 용접되는 상태에서 9 KJ/㎝의 용접 에너지에도 불구하고 인성 값이 34 J 이하로 얻어졌으며, 결과적으로, 만족할만한 값을 즉 적어도 34 J의 값을 얻기 위해서는, 전술한 문제들을 갖는 위 설명과 같은 사후-용접 열처리를 수행하는 것이 가장 중요하였음을 보여주었다.
예 2 : 종래 기술에 따라 벌크 와이어를 갖는 다중-패스 TIG 용접
예 1의 것과 유사한 "Y" 조인트가 15 ㎝/분의 용접 속도로 10개의 연속 패스에서의 통상적인 TIG 처리를 사용하여 용접되었다.
TIG 용접의 작동 조건들은 이러한 유형의 처리에 사용되는 통상적인 조건들이었으며, 와이어는 예 1의 것이 사용되었다.
이와 같이 용접된 조인트의 인장 강도 및 인성의 수준은 34 J보다 컸으므로 만족할만했다.
그러나, "Y" 프로파일을 충전하기 위한 많은 횟수의 패스로 인해 얻어진 용 접 속도가 매우 느리다면, 2번의 패스로 튜브들을 용접하는 보통의 처리와 비교하여, 생산성이 상당히 떨어지고 대량 생산에 적합하지 않았다.
예 3 : 본 발명에 따르는 플럭스-코어 와이어를 갖는 SAW 용접
본 발명에 따르는 플럭스-코어 와이어를 갖는 SAW 용접 처리의 효율성을 검사하기 위해, 용접이 도2에 도시된 "Y"-형상 프로파일을 갖는 것을 제외하면 예 1의 경우와 같이 수행되었다.
즉, 도 3에서 수행된 처리는 플럭스-코어 와이어와 동력 플럭스(powered flux)를 사용하여 (도2에 도시된) "Y" 프로파일로 9% 니켈강 제품 단편들 상에 수행된 서브머지드 아크 용접 처리였다.
이미 언급한 바와 같이, 사용된 플럭스는 -196 ℃에서의 인성의 수준을 유지하고 냉간 균열의 위험을 제한하기 위해 많은 구속 조건들을 만족시켜야만 한다. 인성의 수준은 주로 규소 및 산소 함유량에 따른다.
TIG 및 MIG/MAG 처리에서는, 산소 및 규소 수준이 매우 낮을 것이고, 충전 금속과 동일한 규소 수준을, 즉, 약 0.05%의 수준을 얻는 것이 가능하며, 산소의 경우에는 50 ppm이다. 그러나, 서브머지드 아크 용접에서는, 시장에 나와 있는 벌크 와이어 및 용접 플럭스가 이렇게 낮은 산소 수준을 달성하는 것을 허용하지 않는다. 일반적으로, 산소 함유량은 보니섭스키 분류에 따르는 염기성 플럭스(basic flux)에 대해 약 300 ppm이다.
규소 및 산소 함유량의 현저한 감소를 갖는 신규한 용접 플럭스를 개발할 필요가 있었다. 표2는 이들 기준을 만족시키는 플럭스 조성을 제공하며, 예 3의 환경에서 사용된다.
[표 2] 플럭스의 조성
ZrO2 MgO Na2O Fe2O3 Cr2O3 BaO TiO2 MnO CaOT SiO2 K2O P2O5 Al2O3 F
0 31 1.1 0.4 0 0 0.05 0.8 24 13 1.2 0.03 18 11
이제, 서브머지드 아크 처리에 의해 적합한 9% 니켈강을 용접하기 위한 균질 플럭스-코어는 존재하지 않는다. 현존하는 소모성 제품은 전술한 문제들을 갖는 벌크 와이어다.
따라서, 특히 용접 처리의 생산성을 높이기 위해, 본 발명의 발명자들은 충전 요소들을 함유하는 탄소-망간 강 외피(carbon-manganese steel sheath)를 갖는 플럭스-코어 와이어를 개발하였으며, 이는 예 3에서 사용되었다.
특히, 충전 요소는 와이어의 총 중량에 대해 약 12%의 불소 및 11%의 니켈을 함유하며, 철 분말은 함유하지 않는다. 이것은 플럭스-코어 와이어에는 철 분말이 없으며 철은 외피 또는 포일에 의해 제공된다는 것이 본 발명의 플럭스-코어 와이어의 신규한 면 중 하나이기 때문이다.
종래 기술의 예 1과 예 2 및 본 발명에 따르는 예 3(시도 A, B, C)에서의 결과들을 나타낸 표3이 보여주는 바와 같이, SAW 용접 처리에서 이 균질 플럭스-코어 와이어/플럭스 쌍을 사용하는 것은 시도들에서 얻어진 결과들이 보여주는 바와 같이 -196 ℃에서의 바람직한 수준의 인성을 달성하는 것을 가능하게 한다.
[표 3] 비교 시도들의 결과
시도 예 1 예 2 A B C
표본의 유형 (용접될 프로파일) X Y Y Y Y
패스의 횟수 2 10 5 8 4
용접 에너지 (KJ/㎝) 9 5 12 7 14
-196 ℃에서의 평균 인성(J) 8 200 38 34 48
측방향 팽창(㎜) ND ND 0.45 0.46 0.7
용접 속도 (㎝/분) 60 15 60 60 60
ND: 측정되지 않음
얻어진 결과들은, SAW 용접에서 충분한 수준의 인성을 얻기 위해서는 Y-형상 배벨(bevel)을 갖는 적어도 4회 패스가 필요했다는 것을 보여준다.
Y-형상 배벨 및 4회 패스를 갖는 본 발명의 시도 C와 2회 용접 패스를 갖는 X 구성의 시도의 용접 에너지를 비교하면, 매우 낮은 용접 에너지가 양호한 수준의 인성과 반드시 관련되지 않음을 보여준다. 시도 C에서 얻어진 용접은 결과적으로 극저온 장치의 구성을 위한 코드(code)에 적합한 인장 강도를 생기게 하며, -196 ℃에서 34 J보다 큰 충격 강도를 가지면서도, 제조자들의 경제적 요청에 적합한 생산성을 여전히 갖는데, 이들 중 어떤 것은 비록 용접 처리가 또한 SAW 용접이지만 예 1에 대해서의 경우는 아니다.
시도 C는 낮은 수준의 불순물을 얻을 수 있게 한다. 또한, 양호한 미세 구조가 용융된 금속의 적합한 화학 조성을 사용함으로써 그리고 열 사이클을 제어함으로써 얻어진다.
또한, 예 2의 조건은 아주 양호한 인성 값을 제공하지만, 다른 예들은 약 60 ㎝/분이었던 반면 도달된 용접 속도가 겨우 15 ㎝/분이기 때문에 생산성에 손해를 준다. 예 2에서 얻어진 낮은 속도는 산업의 관점에서 허용될 수 없다.
양호한 인성 값 뿐만 아니라 산업의 관점에서 사용에 적합한 빠른 용접 속도를 얻을 수 있게 하는 본 발명의 처리들(시도 A 내지 C)과 비교하면, 종래 기술 처리들(예 1 및 예 2)의 한계들은 바로 이해된다.
용융된 영역의 화학 조성을 제어하는 것과 별개로, 용접 절차(패스의 횟수)는 용융된 영역과 열-영향 영역 양자 모두에서 만족할만한 인성 값을 얻기 위한 중요한 파라미터이다.
용접 조인트의 급속 냉각을 얻기 위해, 용접 전압과 용접 전류를 곱하고 이를 용접 속도로 나눈 값인 용접 에너지가 낮아야 바람직함을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 환경 내에서의 용접 에너지는 바람직하게는 8 내지 15 KJ/㎝이다.
표3에 주어진 결과로부터, 발명자들은 낮은 용접 에너지(예 1)임에도 불구하고 왜 얻어진 인성이 34 J 미만으로 열악했는지를 조사하였다.
언급한 바와 같이, 이들 결과들의 한가지 설명은 수행된 패스의 회수에 있다.
그 결과, 본 발명의 용접 처리가 보다 양호하게 제어되도록 하기 위해, 1 ㎠당 패스의 횟수인 "패스 밀도(density of passes)"라 불리는 새로운 파라미터가 정의되었다.
패스 밀도를 계산하기 위해, 제조된 조인트의 박편(slice)의 확대도가 사용되었다. 확대도는 용융 영역의 면적이 모든 패스로부터 측정되도록 그리고 수행된 패스의 횟수가 헤아려지는 것을 가능하게 한다. 이들 두 값의 비율(패스의 횟수/용융된 면적)이 패스 밀도를 제공한다.
아래 표4는 예 1 및 예 3의 시도에서 얻어진 인성 값 및 패스 밀도를 나타낸다.
[표 4] 시도의 결과
시도 예 1 A B C
패스 밀도 (nb/㎠) 1.7 3 5 2.6
-196 ℃에서의 평균 인성(J) 8 38 34 48
표4의 결과는 2 패스/㎠보다 큰 패스 밀도가 양호한 인성(> 34J)을 얻기 위해 필요함을 보여주고 있다.
예 4 : 침전된 금속의 산소 함유량의 비교 검토
예 4의 목적은, 조성의 유연성(compositional flexibility) 외에, 특히, SAW 용접이 사용되는 경우에 있어서 종래 기술의 벌크 와이어와 비교되는 용접부의 산소 함유량에 대한, 본 발명에 따르는 플럭스-코어 와이어를 사용하는 좋은 영향을 비교하는 것이었다.
이를 위하여, 용접 비드가 본 발명에 따르는 플럭스-코어 와이어로 9% 니켈강 상에 생성되었으며, 비교를 위해, 예 1에 따르는 벌크 와이어로 동일한 작동 조건 하에서 특히 동일한 플럭스 및 동일한 용접 에너지로 용접 비드가 생성되었다.
얻어진 결과는 아래 표5에 주어진다.
[표 5]
O (ppm)
예 1의 벌크 와이어 (종래 기술) 310
예 3의 플럭스-코어 와이어 (본 발명) 250
플럭스-코어 와이어 내에 함유된 분말은 용접부 안쪽으로 대량의 산소를 공급할 것으로 생각되기 때문에 본 발명에 따르는 플럭스-코어 와이어의 사용 덕분에 침전된 금속 내의 산소 함유량을 벌크 와이어로 얻어진 것보다 더 많이 얻을 것으로 예상될 수 있었기에, 이들 결과는 특히 놀랄만하다.
그러나, 얻어진 결과들은 본 발명에 따르는 플럭스-코어 와이어를 갖는 것은 특히 본 발명의 플럭스-코어 와이어의 충전 요소들 내의 철 분말의 부재에 기인하는 경우가 아니라는 것을 보여준다.
이것에 이어서, 본 발명에 따르는 염기성 플럭스의 사용과 결합하여 플럭스-코어 와이어의 사용은 벌크 와이어와 염기성 플럭스로 얻어진 것보다 작은 용접부 내의 산소 함유량을 갖는 것을 가능하게 한다. 산소 함유량의 이러한 감소는 양호한 인성 값을 얻는데 유리하다.
그러므로, 본 발명은 위에서 보인 결과에 따라, 구성 코드에 의해 요구되는 최소값을 초월하는 매우 낮은 온도에서의 측방향 팽창과 인성 및 최저 금속 수준의 인장 특성을 보장하면서도, 높은 생산성으로 극저온 응용에 대해 9% 니켈강을 조립하기 위한 효과적인 용접 처리에 이르게 된다.
즉, 본 발명의 용접 처리는 -196 ℃에서의 극저온 응용의 요구 조건을, 즉, 경제적으로 만족할만한 생산성을 가지면서 -196 ℃에서의 34 J의 최소 인성 및 적 어도 0.38 ㎜의 측방향 팽창을 만족시킬 수 있는 기계적 특성 및 연성 미세 구조를 얻을 수 있게 한다.
도1은 X형 프로파일을 갖는 "X" 조인트를 도시한 도면.
도2는 Y형 프로파일을 갖는 "Y" 조인트를 도시한 도면.

Claims (13)

  1. 니켈강을 용접하기 위한 플럭스-코어 와이어이며,
    강 외피와 충전 요소를 포함하며,
    와이어의 중량에 대해 2% 내지 15%의 불소와, 8% 내지 13%의 니켈과, 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 강은 탄소-망간 강이며, 바람직하게는 외피의 탄소 함유량이 0.05% 미만인 것을 특징으로 하는 플럭스-코어 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전 요소를 갖는 와이어의 충전 수준은 와이어의 총 중량에 대해 8% 내지 40%이며, 바람직하게는 12% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 플럭스-코어 와이어.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 철은 강 외피로부터만 생기며, 충전 요소에는 철이 없으며, 특히 철 분말이 없는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어 와이어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어의 중량에 대해 8% 내지 15%의 불소와 9% 내지 11.75%의 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어 와이어.
  6. 니켈강으로 된 적어도 하나의 공작물, 바람직하게는 적어도 6%의 니켈을 함유하는 적어도 하나의 공작물을, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따르는 플럭스-코어 와이어를 사용하여, 아크 용접, 레이저 용접 또는 하이브리드 레이저/아크 용접을 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 용접 방법은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따르는 플럭스-코어 와이어를 사용하는 서브머지드 아크 용접 방법이며, 플럭스는 중량비로, 25% 내지 35%의 MgO, 20% 내지 30%의 CaO, 10% 내지 15%의 SiO2, 10% 내지 30%의 Al2O3 및 5% 내지 20%의 불소를 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 7% 초과의 니켈, 통상적으로는 7% 내지 13%의 니켈을 함유하는 강으로 된 하나 이상의 공작물이 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 용접 조인트는 용접 조인트에서의 패스의 밀도가 2 패스/㎠보다 크도록 생성되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  10. 제7항에 따르는 방법에서 사용될 수 있는 용접 플럭스이며,
    중량비로, 25% 내지 35%의 MgO, 20% 내지 30%의 CaO, 10% 내지 15%의 SiO2, 10% 내지 30%의 Al2O3 및 5% 내지 20%의 불소를 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 플럭스.
  11. 제10항에 있어서, Na2O와 K2O로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 성분의 비율은 3 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 용접 플럭스.
  12. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 실행하고/실행하거나 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따르는 플럭스-코어를 용융시켜서 얻을 수 있는 침전 금속 또는 용접 조인트이며,
    0.010% 내지 0.07%의 탄소, 바람직하게는 0.010% 내지 0.05%의 탄소와,
    0.02% 내지 0.20%의 규소와,
    0.15% 내지 0.6%의 망간과,
    0.002% 내지 0.007%의 인과,
    0.0013% 내지 0.0050%의 황과,
    7% 내지 13%의 니켈과,
    0.002% 내지 0.012%의 티타늄과,
    0.005% 내지 0.018%의 알루미늄과,
    주원소로 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 침전 금속 또는 용접 조인트.
  13. 제12항에 있어서, 300 ppm 미만의 산소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 침전 금속 또는 용접 조인트.
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