KR20080030936A - 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어 - Google Patents

고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는 C; 0.02 내지 0.14%, Si; 0.4 내지 1.1%, Mn; 0.8 내지 3.0%, Ni; 0.2 내지 3.1%, Ti; 0.2% 이하, Cr 및 Mo 중 적어도 1종; 총량으로 0.1 내지 4.0%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2% 함유하고, N; 0.0150% 이하로 규제하고, 또한 필요에 따라 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg를 총량으로 2.0% 이하 함유하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지며, x(=MgO/TiO2)라 하였을 때 0.05≤x≤0.22이다. 본 발명의 와이어에 따르면, 내력 620MPa급 이상의 고장력강의 용접에 있어서 -60℃ 정도에서의 저온 인성, 용접 작업성 및 용접 금속의 내크랙성이 향상된다.

Description

고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어{FLUX-CORED WIRE FOR GAS-SHIELDED ARC WELDING OF HIGH TENSILE STRENGTH STEEL}
본 발명은 내력이 620MPa급 이상인 고장력강의 가스 실드 아크 용접에 사용하기에 적합한 플럭스 함유 와이어에 관한 것으로서, 특히 저온 인성이 뛰어난 용접 금속을 얻을 수 있고, 전자세 용접에서의 용접 작업성 및 내크랙성이 뛰어난 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 관한 것이다.
최근의 강 구조물의 대형화에 따라 구조물의 경량화가 도모되게 되었으며, 따라서 강 구조물에의 고장력강의 적용이 진행되고 있다. 특히 해양 구조물 및 압력 용기 등의 분야에서는 강 구조물의 양호한 저온 인성이 필요하며, 이를 만족시키는 용접 재료의 수요가 높아지고 있다. 현재까지 피복 아크 용접 및 서브머지 아크 용접 등에서는 저온 인성이 뛰어난 용접 재료가 적용되고 있는데, 작업 능률, 용접 작업성 및 적용 자세 등의 면에서 과제가 있는 것이 현 실정이다. 따라서, 고능률, 뛰어난 저온 인성 및 전자세 용접에서 양호한 용접 작업성이라는 세 특성 이 뛰어난 플럭스 함유 와이어가 강하게 요망되고 있다.
이러한 고성능의 플럭스 함유 와이어로서 다양한 것이 개발되고 있다. 그 일례로서 일본 특허 공개 평 9-253886호 공보에는 인장 강도: 690MPa급의 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어가 개시되어 있는데, 이 플럭스 함유 와이어는 와이어 전체 중량에 대하여 TiO2, 금속 불화물, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, Cu, Mg, Ti 및 B의 함유량 및 와이어 중의 Mg량/금속 불화물량 비의 적정 범위를 규정하여 양호한 용접 작업성과, 장시간 PWHT(용접후 열처리: Post Weld Heat Treatment) 후의 고온 강도 및 저온 인성을 확보하는 것이다.
또한 일본 특허 공개 평 3-047695호 공보에는 TiO2, MgO 및 MnO를 주 성분으로 하는 티타니아계 플럭스가 충전된 고장력강용 플럭스 함유 와이어가 개시되어 있다. 이 종래 기술은 고장력강용 플럭스 함유 와이어의 C, Mn, Ni 및 Mo의 함유량을 규정하고, 또한 TiO2/MgO 비의 최적화 및 Co 및 Cr 첨가에 의해 양호한 용접 작업성 및 인성을 확보하는 것이다.
또한 일본 특허 공개 평 8-174275호 공보에는 인장 강도가 680N/mm2급 이상인 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어가 개시되어 있다. 이 종래 기술은 와이어 전체 중량에 대하여 C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr 및 Mo의 함유량의 적정 범위를 규정하고, Ta의 첨가량을 규제함으로써 소입열부터 대입열까지의 넓은 사용 범위에 있어서 모재 강도에 상당한 강도 및 양호한 인성을 확보하고, 또한 작업 능률 향상을 위하여 플럭스 중의 금속분의 중량 비율을 규정하는 것이다.
나아가 일본 특허 공개 평 3-294093호 공보는 티타니아계의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에 관한 것으로서, 이 플럭스 함유 와이어에 대하여 MgO 및 금속 불화물을 첨가함으로써 용융 금속으로부터의 용융 슬래그의 부상 분리를 촉진하고, 용접 금속 중의 산소량을 저감하여 용접 금속의 저온 인성을 개선하는 방법이 제안된 바 있다.
그러나, 전술한 각 종래 기술에 있어서는 -30 내지 -40℃에서의 샤르피 충격값에 의해 저온 인성을 평가하기 때문에 그 목적도 -30 내지 -40℃ 정도의 저온 인성의 확보에 있다. 그러나, 해양 구조물 등의 극저온 하에서 사용되는 구조물에의 적용을 고려한 경우, 전술한 온도 영역에서 고인성이 얻어져도 불충분하며, -60℃ 정도의 극저온 영역에서의 고인성의 확보가 필요하다.
또한 일본 특허 공개 평 9-253886호 공보 및 일본 특허 공개 평 8-174275호 공보에 개시된 기술에서는 티타니아계 플럭스에 대한 MgO 첨가에 의한 작용 효과가 개시되어 있지 않다. 더욱이 일본 특허 공개 평 3-294093호 공보에서는 전자세 용접에서의 용접 작업성의 향상은 과제로 되어 있지 않으며, 또한 동 문헌에서 규정되어 있는 TiO2/MgO 비로는 입향 상진 용접에서의 비드 형상이 불량해지게 된다. 따라서, 포지셔너 등으로의 용접 부위의 전개에 따른 자세의 변경이 불가능한 대형 구조물을 현지에서 용접할 때에는 그 용접 와이어의 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
일본 특허 공개 평 3-047695호 공보에서는 150A 정도의 비교적 저전류에 있어서 입향 상진 용접에서의 용접 작업성을 평가하고, TiO2/MgO 비의 범위를 결정하는데, 150A 정도의 저전류에서는 용접 시공 능률 향상을 목적으로 플럭스 함유 와이어(FCW)를 적용하는 것의 효과를 얻기가 어렵다. 한편, 용접 시공 능률의 향상 을 위하여 220A 정도의 고전류를 사용하면, 일본 특허 공개 평 3-047695호 공보에 규정되어 있는 TiO2/MgO 비로는 비드 형상 불량이 발생하거나, 용접이 불가능해질 가능성이 매우 높다.
이와 같이 종래 기술에서는 보다 일층의 저온 영역에서의 인성 확보, 전자세 용접에서의 양호한 용접 작업성, 용접 시공 능률 향상, 뛰어난 내크랙성을 만족시키는 고장력강용 플럭스 함유 와이어는 얻어지지 않아, 그 개발이 강하게 요망되고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 내력 620MPa급 이상의 고장력강의 용접에 있어서 -60℃ 정도에서의 저온 인성이 뛰어난 용접 금속을 얻을 수 있고, 또한 전자세 용접에 있어서 양호한 용접 작업성을 확보할 수 있으며, 용접 시공 능률이 향상되고, 또한 용접 금속의 내크랙성이 뛰어난 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량에 대하여 C; 0.02 내지 0.14 질량%, Si; 0.4 내지 1.1 질량%, Mn; 0.8 내지 3.0 질량%, Ni; 0.2 내지 3.1 질량%, Ti; 0.2 질량% 이하, Cr 및 Mo; 총량으로 0.1 내지 4.0 질량%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2 질량% 함유하고, 또한 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg를 총량으로 2.0 질량% 이하 함유하고, 또한 N; 0.0150 질량% 이하로 규제하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어진다.
또한 본 발명에 따른 다른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량에 대하여 C; 0.02 내지 0.14 질량%, Si; 0.4 내지 1.1 질량%, Mn; 0.8 내지 3.0 질량%, Ni; 0.2 내지 3.1 질량%, Ti; 0.2 질량% 이하, Cr 및 Mo; 총량으로 0.1 내지 4.0 질량%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2 질량% 함유하고, 또한 N; 0.0150 질량% 이하로 규제하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지며, MgO의 함유량과 TiO2의 함유량의 비를 x(=MgO/TiO2)라 하였을 때 0.05≤x≤0.22이다.
또한, 본 발명에 따른 또 다른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량에 대하여 C; 0.02 내지 0.14 질량%, Si; 0.4 내지 1.1 질량%, Mn; 0.8 내지 3.0 질량%, Ni; 0.2 내지 3.1 질량%, Ti; 0.2 질량% 이하, Cr 및 Mo; 총량으로 0.1 내지 4.0 질량%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2 질량% 함유하고, 또한 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg를 총량으로 2.0 질량% 이하 함유하고, 또한 N; 0.0150 질량% 이하로 규제하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지며, MgO의 함유량과 TiO2의 함유량의 비를 x(=MgO/TiO2)라 하였을 때, 0.05≤x≤0.22이다.
본 발명에 따르면, -60℃ 정도의 저온에서도 용접 금속의 양호한 저온 인성을 얻을 수 있고, 전자세 용접에서의 뛰어난 용접 작업성 및 용접 시공 능률을 얻을 수 있으며, 내크랙성이 뛰어난 용접 금속을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명자들은 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 저온 인성을 향상시키기 위하여 유효한 합금 성분 및 슬래그 조재제에 대하여 다양한 검토를 행하였으며, 이 결과 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어 중의 합금 성분의 첨가량과 용접 금속의 저온 인성과의 관계를 명확하게 하였다. 또한 양호한 저온 인성 및 용접 작업성을 확보하는 TiO2량과 MgO량과의 관계를 알아내었다. 또한 용접 금속의 인성은 합금 성분의 상호적인 작용에 따른 영향이 있기 때문에, 용접 금속의 저온 인성에 미치는 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어 중의 각종 합금 성분의 영향에 대하여 조사한 결과, 이하의 깨달음을 얻었다.
먼저, 내력 620MPa급 이상의 고장력강의 용접에 있어서는 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어 중의 C, Cr, Ti, Mo의 증가에 따라 인성이 저하되는 경향이 있으며, 특히 C, Ti의 함유에 따른 영향이 크다.
Ti의 증가에 의해 용접 금속 중의 고용 Ti가 증대하고, 재열부에서는 TiC가 석출되기 때문에 핵 생성능이 저하된다. 이에 따라 조대한 라스형 베이나이트가 지배적이게 되어 인성이 크게 저하된다. 한편, 재열부란 용접 금속의 후속 패스(후속 전극에 의한 용접 패스)에 의한 열 영향부를 말한다. 또한 C의 증가에 의해 용접 금속에 섬 형태의 마텐사이트가 생성되어 인성이 열화된다.
반대로, Si, Mn, Ni의 첨가는 인성이 향상되는 경향이 있으며, 특히 Si 및 Mn의 함유에 따른 인성 향상 효과가 크다. Mn 및 Si의 함유량의 증가에 의해 용접 금속 중의 산소량이 저감되어 양호한 인성을 확보할 수 있다.
MgO는 다양한 슬래그 조재제 중에서도 가장 탈산력이 강한 염기성 슬래그 조재제의 하나이다. 티타니아계 FCW에 있어서, 슬래그 조재제로서 MgO를 첨가함으로써 용접 금속 중의 산소 농도를 대폭 저감할 수 있고, 저온 인성이 대폭 개선된다.
한편, 티타니아계 플럭스에서의 MgO 첨가에서는 슬래그 점성 및 융점이 저하되기 때문에 전자세 용접, 특히 입향 상진 용접에서의 비드 형상이 볼록해지는 등 용접 작업성을 열화시키는 요인이 된다. 슬래그의 점성 및 융점 저하에 의해 용융 슬래그가 잘 응고되지 않아 흘러내리기가 쉬워진다. 그에 따라, 슬래그에 의한 용융 금속의 낙하 억제가 어려워지며, MgO 다량 첨가에서는 낙하가 발생하여 용접이 어려워진다.
따라서, 본 발명자들에 의한 다양한 검토 결과, TiO2량과 MgO량의 관계를 MgO/TiO2 비로서 정리함으로써 저온 인성 개선에 효과가 있고, 전자세 용접에서의 용접 작업성을 확보할 수 있는 최적 밸런스를 알아내는 것이 가능해졌다. 여기서, MgO는 MgO의 양과 금속 Mg 및 Mg 화합물의 양을 산화물 양으로 환산한 값과의 합계이다. 금속 Mg 및 Mg 화합물은 MgO와 마찬가지로 용접 금속의 탈산 효과가 강하여 저온 인성 개선에는 커다란 효과가 있지만, 다량 첨가하면 비드 형상 불량, 낙하에 의한 용접 불가를 초래하는 것이다. 따라서 이 금속 Mg 및 Mg 화합물의 양을 산화물량으로 환산하고, MgO량으로서 정리함으로써 저온 인성 및 전자세 용접에서의 용접 작업성에 영향을 주는 인자를 명백하게 할 수가 있었다.
그러나, MgO/TiO2비의 최적화만으로는 전자세 용접에서의 용접 작업성을 평가하기에 충분하지 않다. 입향 상진 용접에서의 비드 형상에는 슬래그량이 크게 관계되어 있으며, 이 슬래그량을 규정하는 것이 중요하다.
슬래그량 과소의 경우 입향 상진 용접에 있어서 용융 금속을 억제하는 슬래그의 절대량을 확보할 수 없기 때문에 볼록 비드 또는 낙하가 발생하게 된다. 반대로, 슬래그량 과다의 경우, 아크가 용융 슬래그 중에 파묻히게 되어 아크 안정성이 열화되고, 스퍼터 발생량이 현저하게 증가하는 경향이 보인다.
이러한 사실로부터, MgO/TiO2비(각 화합물의 질량비)의 최적 밸런스를 확보한 후에 최적 슬래그량을 규정함으로써 전자세 용접에서의 양호한 용접 작업성을 확보할 수 있다. 이에 더하여, 전술한 합금 성분 최적화와 맞춤으로써 저온 인성과의 양립이 가능해진다.
본 발명은 이상의 깨달음을 바탕으로 와이어 중의 합금 성분의 적정화 및 슬래그 조재제의 성분 최적화(MgO/TiO2 비, 슬래그량)에 의해 본 발명의 과제를 해결 하는 것이다.
다음, 본 발명의 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 대하여 성분 첨가 이유 및 그 조성 한정 이유에 대하여 설명한다. 한편, 이하에 나타낸 성분은 와이어 전체 중량 당 성분을 나타낸다. 본 발명에 따른 고장력강용 플럭스 함유 와이어는 강제 외피와 충전 플럭스로 이루어지며, 이하에 나타낸 성분은 강제 외피의 조성 성분 및/또는 충전 플럭스의 함유 성분으로서 첨가되는 것이다.
"C: 0.02 내지 0.14 질량%"
C는 용접 금속의 강도 확보에 있어서 매우 중요한 성분이다. 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 있어서, C 함유량이 0.02 질량% 미만에서는 620MPa급 이상의 내력을 확보할 수 없다. 또한 C 함유량이 0.14%를 초과하면 용접 금속의 강도가 증가하고, 저온 크랙 감수성이 현저하게 높아진다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 C 함유량은 0.02 내지 0.14 질량%로 하고, 보다 바람직하게는 0.02 내지 0.08 질량%로 한다.
"Si: 0.4 내지 1.1 질량%"
Si는 탈산제이며, 용접 금속의 강도 확보 및 산소량 저감의 효과를 갖는 원소이다. 본 실시 형태에 따른 고장력강형 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 있어서, Si 함유량이 0.4 질량% 미만에서는 탈산 부족이 되어 블로홀 발생 및 인성 불량이 된다. 한편, Si 함유량이 1.1 질량%를 초과하면 용접 금속의 점성이 높아지고, 모재에의 친화가 나빠지는 등 용접 작업성이 열화된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 Si 함유량은 0.4 내지 1.1 질량%로 하고, 보다 바람직하게는 0.4 내지 0.9 질량%로 한다.
"Mn: 0.8 내지 3.0 질량%"
Mn은 Si와 마찬가지로 탈산제로서 사용하는 것 이외에, 용접 금속의 인성 향상에 유효하다. 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 있어서, Mn 함유량이 0.8 질량% 미만에서는 탈산 부족이 되고, 블로홀 발생 및 인성 불량이 된다. 한편, Mn 함유량이 3.0 질량%를 초과하면 용접 금속의 강도가 증가하고, 저습 크랙 감수성이 현저하게 높아진다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 Mn 함유량은 0.8 내지 3.0 질량%로 하고, 보다 바람직하게는 2.1 내지 2.9 질량%로 한다.
"Ni: 0.2 내지 3.1 질량%"
Ni는 용접 금속의 강도 및 인성 확보에 있어서 매우 중요한 성분이다. 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 있어서, Ni 함유량이 0.2 질량% 미만에서는 충분한 인성 개선 효과를 얻을 수 없고, Ni 함유량이 3.1%를 초과하면 고온 크랙의 위험성이 높아진다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 Ni 함유량은 0.2 내지 3.1 질량%로 하고, 보다 바람직하게는 0.8 내지 2.7 질량%로 한다.
"Ti: 0.2 질량% 이하"
Ti의 소량 첨가는 결정 알맹이의 미세화에 효과가 있지만, 0.2 질량%를 초과 하는 Ti 첨가에서는 용접 금속 중의 고용 Ti가 증대하고, 재열부에서는 TiC가 석출되기 때문에 핵 생성능이 저하된다. 이에 따라 조대한 라스형 베이나이트가 지배적이게 되어 인성이 크게 저하된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 Ti 함유량은 0.2 질량% 이하로 규제한다. 단, 본 발명에서는 Ti 무첨가이어도 다른 합금 성분의 적정화에 의해 양호한 저온 인성을 확보하는 것이 가능하다. 한편, Ti는 금속 Ti, Fe-Ti 등의 Ti 합금으로 첨가하기로 한다.
"N; 0.0150 질량% 이하"
N은 0.0150 질량%를 초과하면 용접 금속 중의 N량이 증가하고, 블로홀이 발생하고, 나아가 인성 열화의 원인이 된다. 따라서 N은 0.0150 질량% 이하로 한다.
"Cr+Mo: 0.1 내지 4.0 질량%"
Cr은 안정적으로 강도를 확보할 수 있고, 또한 Mo는 안정적인 강도 확보가 가능하며, 또한 그 첨가에 의해 결정 알맹이의 미세화를 도모할 수 있고, 저온 인성이 향상되는 성분이다. 본 발명에 따른 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 있어서, Cr 및 Mo 중 어느 하나 또는 이들 모두를 함유하는데, Cr+Mo 함유량(Cr 또는 Mo의 단독 첨가이면 그 양, Cr 및 Mo의 복합 첨가이면 총량)이 0.1 질량% 미만에서는 충분한 강도를 확보할 수 없다. 한편, Cr+Mo 함유량이 4.0 질량%를 초과하면 용접 금속의 강도가 증가함과 아울러 인성이 열화되고, 또한 저온 크랙의 원인도 된다. 따라서, 본 발명의 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 Cr+Mo 함유량은 0.1 내지 4.0 질량%로 하고, 보다 바람직하게 는 0.2 내지 1.1 질량%로 한다.
"TiO2+MgO: 5.0 내지 7.2 질량%"
본 발명의 고장력강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어에 있어서, TiO2+MgO 함유량(TiO2 및 MgO의 함유량 합계)이 5.0 질량% 미만에서는 슬래그량 과소에 의해 입향 상진 용접에 있어서 용접 금속을 슬래그에 의해 억제할 수 없어 낙하되게 된다. 한편, TiO2+MgO 함유량이 7.2 질량%를 초과하면 슬래그량 과다에 의해 아크가 용융 슬래그 중에 파묻히게 되어 아크 안정성이 열화되고, 스퍼터 발생량이 증가한다. 따라서, TiO2+MgO 함유량은 5.0 내지 7.2 질량%로 한다. 한편, 여기서, MgO는 MgO와 금속 Mg, Mg 화합물의 산화물 환산의 합계이다. TiO2는 TiO2로t서 첨가된 것의 양이다.
"알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg: 총량으로 2.0 질량% 이하"
알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg는 함유되어 있을 수도 있으나 함유되어 있지 않을 수도 있다. 그러나, 이들 원소 또는 화합물을 함유하는 경우에는 총량으로 2.0 질량% 이하로 한다. 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물은 아크 안정성을 향상시키고 스파터를 감소시킨다. 또한 B는 용접 금속의 인성을 향상시킨다. Al 및 Mg는 탈산제로서 첨가된다. 이 들 물질은 총량으로 2.0 질량%를 초과하여 함유되면 본 발명의 효과를 저해하므로, 이들 물질의 함유량은 총량으로 2.0 질량% 이하로 한다.
"MgO/TiO2 비(x): 0.05 내지 0.22"
MgO의 함유량과 TiO2의 함유량의 비(x(=MgO/TiO2))가 0.22를 초과하면 입향 상진 용접에 있어서 용접 금속을 낙하시키기 쉬운 성분인 MgO량이 TiO2량에 비하여 상대적으로 과대해지기 때문에 용접 중에 슬래그가 흘러내리기 쉬워지고, 슬래그에 의해 용융 금속의 낙하를 억제하기가 어려워진다. 따라서 비드 형상이 볼록해지거나 낙하된다. x가 0.22 이하이면 모살 용접에 있어서 필렛 비드의 다리 길이(L)와 용접 덧살 높이(H)와의 비(이후의 실시예에서 설명)가 10 이상이 되어 양호한 특성을 얻을 수 있다. 또한 x가 0.10 이하이면 L/H가 12 이상이 되어 보다 바람직한 특성을 얻을 수 있다. 한편, 후술하는 함수(F(x))의 상한값이 15이기 때문에 필연적으로 MgO/TiO2 비(x)의 하한값은 0.05가 된다. 따라서, MgO/TiO2 비(x)는 0.05 내지 0.22로 한다. 한편 여기서, MgO는 MgO와 금속 Mg, Mg 화합물의 산화물 환산의 합계이다. TiO2는 TiO2로서 첨가된 것의 양이다.
"F(x): 11 내지 15"
F(x)는 하기 수학식 1에 의해 주어진다. 여기서, x는 전술한 것(MgO/TiO2 )의 비이다.
Figure 112007070605706-PAT00001
F(x)는 실험적으로 구한 MgO/TiO2 비(x)와 저온 인성과의 관계를 보인 식이다. 이 관계식은 이하에 나타낸 각종 합금 및 슬래그 조재제의 성분 범위에 있어서 십 수 종류의 와이어를 사용하고, 그 용착 금속의 -60℃에서의 샤르피 충격 시험 결과와 와이어 성분 중의 MgO/TiO2 비(x)와의 관계를 통계 처리에 의해 산출한 것이다.
C: 0.02 내지 0.14 질량%
Si: 0.4 내지 1.1 질량%
Mn: 0.8 내지 3.0 질량%
Ni: 0.2 내지 3.1 질량%
Cr: 0.1 내지 4.0 질량%.
Mo: 0.1 내지 4.0 질량%
Ti: 0 내지 0.2 질량%
Fe: 84.1 내지 90.1 질량%
N: 0.0150 질량% 이하
기타 성분(B, Na, F, K, Li, Al, Ca, Mg, P, S): 0.10 내지 3.25 질량%
TiO2: 3.5 내지 7.8 질량%
MgO: 0.1 내지 5.0 질량%
도 1은 본 발명자들의 실험에 의해 구한 F(x)값과 -60℃에서의 샤르피 충격값(이하, vE-60℃라고 함)과의 관계를 보인 그래프도이다. F(x)와 vE-60℃는 단조 감소의 관계에 있으며, F(x)≤15에서는 vE-60℃≥47J가 되어 뛰어난 저온 인성을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 MgO/TiO2 비(x)의 상한값이 0.22이기 때문에 필연적으로 F(x)의 하한값은 11이 된다. 따라서, 이 F(x)에 의해 고강도강용 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어의 와이어 성분과 용접 금속의 저온 인성의 관계를 정밀하게 추정하는 것이 가능하다.
이상의 x 및 F(x)에 관하여 정리해서 말하면, 본 발명의 범위를 정리하면 0.05≤x≤0.22이면 되게 된다.
또한 이후의 실시예에서도 나타낸 바와 같이, 이 x의 범위를 만족시키지 않고도 전술한 다른 조건을 만족시킴으로써 용접 작업성과 용접 금속의 저온 인성이 모두 양호해지는 플럭스 함유 와이어를 얻을 수 있다. 그러나, 이 x의 범위를 만족시킴으로써 용접 금속의 저온 인성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어의 나머지 주요 성분은 강제 외피, 충전 플럭스 중에 포함되는 각종 Fe 합금(Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-Ti 등) 및 철분으로부터 유래하는 Fe이다. 이 Fe는 와이어 전체 중량 당 80 질량% 이상 포함된다. 그 이외에, 본 발명의 플럭스 함유 와이어에는 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al, Mg 등이 함유되어 있다.
본 시험에 사용한 플럭스 함유 와이어의 N량은 0.0150 질량% 이하이다. 이 N량이 0.0150 질량%를 초과하는 경우, 용접 금속 중의 N량이 증가하여 블로홀이 다발한다.
<실시예>
이하, 본 발명의 실시예의 효과에 대하여 본 발명의 범위에서 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 실시예 및 비교예의 와이어로서 하기 표 3 내지 표 5에 나타낸 와이어 성분(와이어 전체 질량에 대한 비율) 및 F(x)값의 와이어를 사용하였다. 이들 공시 와이어의 후프 조성을 하기 표 6에 나타내었다. 표 7은 실시예 및 비교예의 와이어에서 사용한 후프 종류를 보인 대조표이다. 이 표 7에 나타낸 바와 같이, 표 3 및 표 4에 나타낸 각 와이어는 이 표 6에 기재된 A 또는 B의 후프를 사용하였다. 한편, 실시예 및 비교예의 와이어에 있어서, 기타 첨가 성분은 P, S, Nb, V이다.
(하향 용접)
표 1은 하향 용접 시의 용접 조건을 나타낸다. 이 표 1에 나타낸 용접 조건으로 HT780강을 용접하여 용착 금속을 제작하였다. 이 용착 금속으로부터 인장 시험편(JIS Z3111 A1호) 및 샤르피 충격 시험편(JIS Z3111 A4호)을 채취하고, 기계 시험을 실시하였다. 그 결과, 얻어진 0.2% 내력 및 샤르피 충격값의 측정값, 및 용접 작업성의 평가 결과를 하기 표 8 및 표 9에 나타내었다. 표 8 및 표 9에 있어서, 종합 평가란은 ○가 양호, ×가 불가이다.
한편, 용착 금속의 0.2% 내력이 620MPa 이상, -60℃에서의 샤르피 충격값이 27J 이상이면 기계적 성질이 양호하다고 판단하였다. 또한 -60℃에서의 샤르피 충격값이 47J 이상이면 뛰어난 저온 인성을 가지고 있다고 판단하였다.
Figure 112007070605706-PAT00002
용접 조건은 다음과 같다.
실드 가스: 80% Ar-20% CO2, 25리터/분
와이어 지름: 1.2mm
용접 자세: 하향
공시 강판: JIS G 3128 SHY685(두께: 20mm)
개선 형상: 45°V
개선 갭: 12mm
(모살 용접)
표 2은 모살 용접에서의 용접 조건을 나타낸다. 표 2에 나타낸 용접 조건으로 입향 상진 모살 용접을 행하고, 입향 상진 용접에서의 용접 작업성을 평가하였다. 도 2는 비드 형상의 평가 방법을 나타낸 도면이다. 이 때, 필렛 비드의 다리 길이(L)와 용접 덧살 높이(H)에 관하여 비드의 낙하 용이함을 평가하기 위하여 L/H를 사용하여, 이 L/H의 값이 10 이상이면 양호하다고 판단하였다. 한편, 비드가 낙하하여 용접 불가로 된 경우에는 L/H의 값을 0으로 하였다.
Figure 112007070605706-PAT00003
용접 조건은 다음과 같다.
실드 가스: 80% Ar-20% CO2, 25리터/분
와이어 지름: 1.2mm
용접 자세: 입향 상진
공시 강판: JIS G 3128 SHY685(두께: 12mm)
개선 갭: 0mm
또한 이들 하향 용접 및 모살 용접의 용접 시험에 있어서, 저온 크랙, 고온 크랙의 평가 방법은 이하와 같다. 즉, 저온 크랙은 용접 후 96시간 방치한 후, 뒷댐쇠를 절삭하고, 초음파 탐상 시험(JIS Z 3060), 자분 탐상 시험(JIS G 0565)에 의해 결함의 유무를 확인하였다. 또한 파단면을 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해 관찰하고, 크랙의 형태를 확인하였다.
또한 고온 크랙은 용접 후 뒷댐쇠를 절삭하고, 초음파 탐상 시험(JIS Z 3060), 방사선 투과 시험(JIS Z 3104)에 의해 결함의 유무를 확인하였다. 또한 파단면을 SEM에 의해 관찰하고, 크랙의 형태를 확인하였다.
또한 인장 시험 및 샤르피 충격 시험은 JIS Z 3111 용착 금속의 인장 및 충격 시험 방법에 준거하였다.
Figure 112007070605706-PAT00004
Figure 112007070605706-PAT00005
한편, 표 3 및 표 4에 있어서, 기타 란에 기재된 수치의 내역은 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg와 불가피적 불순물(P, S, V, Nb)와의 총량이다. 단, 불가피적 불순물의 양은 모두 0.1 질량%이며, 따라서 예컨대 표 4의 실시예 17은 기타가 1.0 질량%인데, 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg의 총량이 0.9 질량%, 불가피적 불순물이 0.1 질량%이다. 또한 실시예 20은 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg가 포함되어 있지 않으며, 기타 란의 수치는 불가피적 불순물의 양이다.
Figure 112007070605706-PAT00006
Figure 112007070605706-PAT00007
Figure 112007070605706-PAT00008
Figure 112007070605706-PAT00009
Figure 112007070605706-PAT00010
상기 표 8 및 표 9는 이들 시험 결과를 나타낸다. 실시예 1 내지 5 및 실시예 17 내지 21은 0.2% 내력(PS)과 -60℃에서의 저온 인성과 비드 형상을 포함하는 용접 작업성 모두에서 뛰어난 특성을 얻을 수 있었다. 이에 대하여 비교예 6 내지 16 및 비교예 22 내지 30은 이들 특성 중 어느 하나가 낮은 것이었다.
도 1은 F(x)와 vE-60℃와의 관계를 보인 그래프도이다.
도 2는 비드 형상의 평가 방법을 보인 도면이다.

Claims (3)

  1. 와이어 전체 질량에 대하여, C; 0.02 내지 0.14 질량%, Si; 0.4 내지 1.1 질량%, Mn; 0.8 내지 3.0 질량%, Ni; 0.2 내지 3.1 질량%, Ti; 0.2 질량% 이하, Cr 및 Mo; 총량으로 0.1 내지 4.0 질량%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2 질량% 함유하고, 또한 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg를 총량으로 2.0 질량% 이하 함유하고, 또한 N; 0.0150 질량% 이하로 규제하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지는 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어.
  2. 와이어 전체 질량에 대하여 C; 0.02 내지 0.14 질량%, Si; 0.4 내지 1.1 질량%, Mn; 0.8 내지 3.0 질량%, Ni; 0.2 내지 3.1 질량%, Ti; 0.2 질량% 이하, Cr 및 Mo; 총량으로 0.1 내지 4.0 질량%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2 질량% 함유하고, 또한 N; 0.0150 질량% 이하로 규제하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지며, MgO의 함유량과 TiO2의 함유량의 비를 x(=MgO/TiO2)라 하였을 때 0.05≤x≤0.22인 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어.
  3. 와이어 전체 질량에 대하여 C; 0.02 내지 0.14 질량%, Si; 0.4 내지 1.1 질량%, Mn; 0.8 내지 3.0 질량%, Ni; 0.2 내지 3.1 질량%, Ti; 0.2 질량% 이하, Cr 및 Mo; 총량으로 0.1 내지 4.0 질량%를 함유하고, TiO2 및 MgO를 총량으로 5.0 내지 7.2 질량% 함유하고, 또한 알칼리 금속 불화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 불화물, 알칼리 토류 금속 산화물, B, Al 및 Mg를 총량으로 2.0 질량% 이하 함유하고, 또한 N; 0.0150 질량% 이하로 규제하고, 나머지가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지며, MgO의 함유량과 TiO2의 함유량의 비를 x(=MgO/TiO2)라 하였을 때 0.05≤x≤0.22인 가스 실드 아크 용접 플럭스 함유 와이어.
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