KR20090126201A - 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 - Google Patents

스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 Download PDF

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Abstract

스테인리스강으로 이루어지는 외피에 플럭스를 충전한 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에 있어서, 와이어 전체 질량당, Cr: 22 내지 28질량%, Ni: 8 내지 12질량%, 및 Fe: 55 내지 70질량%를 함유하고, C 함유량을 0.06질량% 이하, N 함유량을 0.05질량% 이하로 규제하고, Cr 함유량을 [Cr], Mo 함유량을 [Mo], Ni 함유량을 [Ni], C 함유량을 [C], N 함유량을 [N]이라고 할 때, 하기 수학식 1 및 2로부터 각각 계산되는 Cr 당량 Eq(Cr)과 Ni 당량 Eq(Ni)의 비 Eq(Cr)/Eq(Ni)가 2.0 내지 2.6이다.
[수학식 1]
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
[수학식 2]
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
이러한 구성에 의해, 매우 두꺼운 스테인리스 강판을 용접하는 경우에도, 개선(開先) 내에 융합 불량 및 언더 커트가 발생하지 않아, 높은 강도 및 극저온 환경에서의 높은 인성을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있다.

Description

스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어{FLUX-CORED WIRE FOR STAINLESS STEEL ELECTRO GAS ARC WELDING}
본 발명은 강도 및 인성이 요구되는 LNG(액화 천연 가스)의 구형 탱크의 각(脚) 부재 및 선박 등, 스테인리스강으로 이루어져서 강도 및 극저온 환경에서의 인성을 필요로 하는 구조물의 용접에 사용되는 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에 관한 것이다.
종래, LNG의 구형 탱크의 각 부재 등, 대형 구조물에 사용되고 대기에 노출한 상태로 사용되는 스테인리스강에는, 내식성, 강도 및 극저온 환경에서의 인성이 요구되기 때문에, 20mm 정도를 넘는 두께의 스테인리스강 후판이 사용되고 있다. 종래, 이러한 스테인리스강 후판의 용접에는, 아크 방전봉을 사용한 수동에 의한 피복 아크 용접법, 또는 플럭스 함유 와이어 및 실드 가스가 자동적으로 공급되는 반자동 가스 실드 아크 용접법이 행해지고 있다.
그러나, 피복 아크 용접법 및 반자동 가스 실드 아크 용접법에 의한 시공은, 용착 속도가 낮아 입향(立向) 용접의 작업 효율이 매우 낮기 때문에, 연강 및 고장력강으로 이루어지는 후판을 사용하는 조선, 교량 및 화학 저장 탱크 등의 용접에는, 용착 속도가 높아 높은 효율로 입향 용접을 실시할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접법이 사용되고 있다.
극후판의 용접에 있어서는, 개선(開先)이 깊기 때문에 용접부가 다층으로 되기 쉽고, 이 용접부에 슬래그 권입(卷入) 및 언더 커트 등의 결함이 발생하기 쉽다. 용접부에 슬래그 권입이 발생하면, 용접 금속의 강도 및 인성 등의 기계적 성능이 열화하고, 언더 커트가 발생하면 응력 집중에 의해 피로 강도가 저하된다. 이 때문에, 일렉트로 가스 아크 용접에 의한 시공을 1패스 용접으로 하는 것이 강하게 요구되고 있고, 또한 극후판을 1패스 시공에 의해 용접하는 경우에도, 개선부로의 용해가 양호하여, 용접부에 결함이 생기지 않고, 건전하고 충분한 기계적 성능을 갖는 용접 금속이 얻어지는 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어가 강하게 요구되고 있다.
예컨대, 일본 특허 공개 평성 제11-138295호 공보에는, 관상(管狀)으로 형성된 스테인리스강으로 이루어지는 외피 내에 충전되는 플럭스 중에 TiO2, SiO2 및 금속 불화물을 함유하는 슬래그제를 함유하고, 이 슬래그제의 함유량을 특정함으로써, 후판 스테인리스강의 입향 자세에 있어서 고능률이고 안정한 용해 용접이 가능하고, 또한 용접 작업성이 우수하고, 언더 커트 및 피트 등의 발생이 없기 때문에 용접 금속의 기계적 성질이 양호한 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭 스 함유 와이어가 개시되어 있다.
또한, 입열이 큰 일렉트로 가스 아크 용접은, 용접 금속이 응고하기까지의 냉각 속도가 낮기 때문에, 용접 금속의 조직이 비교적 조대화(粗大化)하는 경향이 있다. JIS Z3323에 규정되는 308계 등, 종래 사용되는 스테인리스강 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 일렉트로 가스 아크 용접에 사용하면, 조대화한 용접 금속 조직에 의해 내력 및 인장 강도가 크게 저하된다. 일본 특허 공개 평성 제11-138295호 공보에 개시된 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에 의하면, 외피 및/또는 충전 플럭스 중에 N 또는 질화 금속을 첨가하고, 그 첨가량을 특정함으로써, 0.2% 내력을 확보하면서, 피트 발생 또는 스퍼터 발생량의 증가 등의 문제를 억제할 수 있는 것이 개시되어 있다.
그러나, 전술한 종래 기술에는 이하와 같은 문제점이 있다.
스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에 N을 많이 첨가하면, 극저온 환경에서의 용접 부분의 인성이 저하된다. 일본 특허 공개 평성 제11-138295호 공보에 기재된 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는 0.2% 내력을 확보하기 위해 외피 및/또는 충전 플럭스 중에 N 또는 질화 금속을 첨가하고 있지만, 그 첨가량이 0.05 내지 0.16질량%로 커서, 극저온 환경에서의 인성이 저하되기 때문에, LNG용 탱크 등, 극저온 환경에서 사용되는 구조물의 용접에는 적당하지 않게 된다.
또한, 일본 특허 공개 평성 제11-138295호 공보에 기재된 실시예에 있어서, 판두께 20mm의 SUS304 강판 및 SUS316 강판을 이용한 용접 시험이 개시되어 있지만, 판두께가 20mm를 넘는 스테인리스 강판의 용접에 있어서는, 이 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 이용해도, 개선 내에 융합 불량이 발생하는 것을 피할 수 없다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 매우 두꺼운 스테인리스 강판을 용접하는 경우에 있어서도, 개선 내에 융합 불량 및 언더 커트가 발생하지 않고, 높은 강도 및 극저온 환경에서의 높은 인성을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있는 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 스테인리스강으로 이루어지는 외피에 플럭스를 충전하여 이루어지는 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어로서, 와이어 전체 질량당, Cr: 22 내지 28질량%, Ni: 8 내지 12질량%, CaF2: 1.0 내지 2.0질량% 및 Fe: 55 내지 70질량%를 함유하고, C 함유량을 0.06질량% 이하, N 함유량을 0.05질량% 이하로 규제하고, Cr 함유량을 [Cr], Mo 함유량을 [Mo], Ni 함유량을 [Ni], C 함유량을 [C], N 함유량을 [N]이라고 할 때, 하기 수학식 1 및 2로부터 각각 각각 계산되는 Cr 당량 Eq(Cr)과 Ni 당량 Eq(Ni)의 비 Eq(Cr)/Eq(Ni)가 2.0 내지 2.6이다.
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
또한, 상기 플럭스는 와이어 전체 질량당 슬래그 조재제(造滓劑)를 1.5 내지 2.5질량% 함유하는 것이 바람직하다. 여기서, 슬래그 조재제는 외피 내에 충전되는 플럭스 성분 중, Fe, Cr, Ni 및 Mn 등의 용접 금속의 합금 성분으로 되는 금속 분말을 제외하고, 최종적으로 슬래그 형성에 관여하는 모든 원료가 포함되며, 아크 안정화를 목적으로서 첨가되는 성분도 포함된다. CaF2도 슬래그 조재제의 일부로서 함유된다. 플럭스 성분으로서 슬래그 조재제의 각 성분이 존재하는 형태는, 산화 물, 불화물, 탄산염, 규산염, 탄화물 및 질화물 등의 화합물이어도 좋다.
또한, 상기 플럭스는 TiO2, SiO2 및 ZrO2 중 적어도 하나를 함유하고, CaF2 함유량의 TiO2, SiO2 및 ZrO2 함유량의 총합에 대한 비가 5.0 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에 있어서, 와이어 중에 Cr을 함유시킴으로써 용접 금속을 고용 강화하면서, 와이어 중의 Cr 함유량을 특정함으로써 연성 및 인성을 저하시키지 않는다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스에 있어서 침입형 원소인 C 및 N의 함유량을 제한함으로써, 내충격성 및 저온 환경하에서의 인성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 와이어 중의 금속 원소의 Cr 당량과 Ni 당량의 배분을 특정함으로써, 용접 금속 중의 조직 밸런스가 적정화되어, 연성 및 저온 환경하에서의 인성을 저하시키지 않고, 내력 및 인장 강도를 향상시킬 수 있기 때문에, LNG용 탱크 등, 극저온 환경에서 사용되는 구조물의 용접에 이용되는 경우에 있어서도 우수한 기계적 특성을 갖는 스테인리스강 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 얻을 수 있다.
도 1은 일렉트로 가스 아크 용접용 와이어를 나타내는 단면도이고, 도 2는 일렉트로 가스 아크 용접의 용접부를 일부 연직 방향 및 수평 방향의 단면으로 나타내는 사시도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 일렉트로 가스 아크 용접은 입향 자세에서 모재(5) 사이의 개선(6)에 배킹 금속(backing metal)(3)을 마련하고, 또한 작업자 측에 슬라이드 구리판(2)을 설치하며, 개선(6)에 용접 토치(13)에 의해 와이어(11)를 공급하면서 용접 금속(43)과 와이어(11) 사이에 아크 방전을 발생시킴으로써 행해진다. 용접부에는 슬라이드 구리판(2)에 마련된 가스 공급구(22)로부터 실드 가스가 공급되고, 이 실드 가스에 의해 아크(12) 및 용접부(4)를 덮음으로써 용접 분위기 내에 공기가 침입하는 것을 막을 수 있다. 슬라이드 구리판(2)은 용접부(4)의 이동에 맞춰서 상하로 슬라이드되고, 또한, 이 슬라이드 구리판(2) 내에는 냉각수를 유통시키는 냉각관(23)이 설치되어 있어, 냉각관(23)에 물을 유통시킴으로써 슬라이드 구리판(2)을 통해 용접부(4)를 냉각할 수 있도록 되어 있다.
와이어(11)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 관상의 외피(11a) 및 외피(11a)의 내부에 충전된 플럭스(11b)로 이루어진다. 외피(11a)는 용접 대상의 모재와 동일한 금속으로 이루어지는 기재가, 용접 금속의 조직을 안정화, 내력, 인장 강도 및 인성 등의 기계적 성질의 향상, 또는 내부식성 등의 화학적 성질의 향상을 목적으로 하여 C, Ni, Cr, Si, Mo 등의 성분을 함유하는 스테인리스강이다. 또한, 이들 C, Si 등의 성분은, 외피(11a)의 스테인리스강 내의 성분 외에, 플럭스(11b) 중에도 단체(單體) 또는 화합물로서 존재하고, 용접부(4)에 외피(11a) 및 플럭스(11b)의 양쪽에 의해 공급된다.
본 발명의 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량당, Cr: 22 내지 28질량%, Ni: 8 내지 12질량%, 및 Fe: 55 내지 70질량%를 함유하고 있다. 또한, 와이어가 함유하는 C 함유량을 0.06질량% 이하, N 함유량을 0.05질량% 이하로 규제하고 있다. 또한, 와이어 내의 Cr 함유량을 [Cr], Mo 함유량을 [Mo], Ni 함유량을 [Ni], C 함유량을 [C], N 함유량을 [N]이라고 할 때, 와이어 내의 Cr 당량 Eq(Cr) 및 Ni 당량 Eq(Ni)를 하기 수학식 1 및 2로 정의할 때, Cr 당량 Eq(Cr)과 Ni 당량 Eq(Ni)의 비 Eq(Cr)/Eq(Ni)가 2.0 내지 2.6이다.
[수학식 1]
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
[수학식 2]
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
용접부(4)에서는 아크 방전에 의한 입열에 의해 모재(5) 및 와이어(11)가 용융되어 용융부(41)를 형성한다. 플럭스(11b)는 가스 발생원으로서 아크 분위기를 생성하는 것 외에, 플럭스 중에 포함되는 슬래그 조재제에 의해 용접 슬래그(42)를 형성하여 용융부(41) 내의 탈산 정련, 합금 성분의 보충, 및 용융 금속의 급냉을 완화한다. 용접부(4)의 용융부(41)로부터 부상한 슬래그(42)는 용접 금속과 슬라이드 구리판(2) 사이로 흘러들어가서 비드 표면을 피복하여 대기를 차단하여, 평활한 용접 비드를 형성한다. 본 발명의 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량당 슬래그 조재제를 1.5 내지 2.5질량% 함유 한다. 또한, 이 슬래그 조재제는 외피 내에 충전되는 플럭스 성분 중, Fe, Cr, Ni 및 Mn 등의 용접 금속의 합금 성분으로 되는 금속 분말을 제외하고, 최종적으로 슬래그 형성에 관여하는 모든 원료가 포함되며, 아크 안정화를 목적으로 하여 첨가되는 성분도 포함된다. 이 슬래그 조재제의 각 성분이 플럭스 성분으로서 존재하는 형태는, 산화물, 불화물, 탄산염, 규산염, 탄화물 및 질화물 등의 화합물이어도 된다.
스테인리스의 용접 금속의 융점은 1400 내지 1500℃로서, 일반적인 연강에 비해 100℃ 정도 낮다. 따라서, 스테인리스강의 일렉트로 가스 아크 용접에 있어서는, 용접 금속이 응고를 개시하는 것이 느려서, 슬래그(42)와 용융부(41)의 각각이 응고를 개시하는 타이밍의 차가 연강에 비해 커진다. 그리고, 용융부(41)로부터 부상한 슬래그 성분은, 응고를 개시하고 있는 슬래그(42)로 받아들여질 수 없게 되면, 슬래그 성분이 용융부(41) 내로 권입되어 버려, 이 권입된 슬래그 성분을 제거할 수 없게 된다.
본 발명자들은 슬래그의 융점을 내려 스테인리스의 융점에 근접시키는 슬래그 조재재(造滓材)의 성분으로서 CaF2를 착안하고, 와이어 중의 CaF2 함유량을 조정함으로써, 20mm를 넘는 후판을 일렉트로 가스 아크 용접으로 용접하는 경우에 있어서도, 용접부에 융합 불량 및 슬래그 권입이 발생하지 않고, 아름다운 용접 비드를 형성하는 것이 가능한 것을 발견하여 본 발명을 안출하였다. 본 발명의 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량당 CaF2를 1.0 내지 2.0질량% 함유한다. 또한, 본 발명은 스테인리스강의 후프재를 외피로 하고, 그 후프재의 내부에 플럭스를 충전함으로써 얻어지는 플럭스 함유 와이어에 관한 것이지만, 용접에 사용하는 전류 범위에 따라 가는 직경 내지 큰 직경을 구분해서 사용하는 와이어의 선 직경은, 반자동 용접에서 일반적으로 사용되는 1.0 내지 2.0mm이면, 어느 것이나 본 발명에 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 와이어 조성에 있어서의 수치 한정의 이유에 대해 설명한다.
「Cr: 22 내지 28질량%」
Cr은 스테인리스 합금강의 표면에 부동태 피막을 형성하여, 대기 또는 산에 대한 내식성을 향상시킨다. 또한, Cr은 철에 대하여 고용 강화하는 효과를 갖기 때문에, Cr을 첨가하면 내력 및 인장 강도가 향상된다. Cr의 첨가에 의한 용접 금속의 고용 강화 효과를 얻기 위해서는, 용접 금속 중의 Cr 함유량을 20질량% 이상으로 해야 한다. 첨가된 Cr은 모재의 용융에 의해 희석되고, 또한 산화되어 슬래그로서 소모됨으로써 용접 금속 중에 고용하는 Cr의 함유량은 감소하기 때문에, 와이어 중의 Cr 함유량을 22질량% 이상으로 하면 좋다. 한편, 와이어 중의 Cr 함유량이 28질량%를 초과하면, 용접 금속 중의 페라이트 조직이 과다해져 연성이 저하되거나, Fe, Cr을 주체로 하는 금속간 화합물이 용접 금속 중에 석출되어 인성 및 연성이 저하되기 쉬워진다. 따라서, 와이어 중의 Cr 함유량은 22 내지 28질량%이고, 또한 22 내지 26질량%인 것이 바람직하다.
「Ni: 8 내지 12질량%」
Ni는 용접 금속의 응고 조직에 오스테나이트를 형성시키기 위해 유효한 성분이고, 또한, 비산화성의 산에 대한 용접 금속의 내식성을 향상시킨다. 일렉트로 가스 아크 용접과 같이, 용접되는 모재의 판두께에 의해 용접부로의 입열량이 크게 상이하고, 또한 입열량의 변화에 따라 용융부에서의 모재의 희석율이 상이한 용접법에 있어서는, 와이어 중에 포함되는 Ni량이 모재 중에 포함되는 Ni량보다 작아지면, 용접 금속 중의 Ni량이 모재보다 적어지기 때문에 용접 금속의 내식성이 모재보다 저하된다. 와이어 중의 Ni 함유량이 8질량% 미만이면, 용접 금속 중의 Ni량이 모재보다 적어져서 내식성이 저하된다. 한편, 와이어 중의 Ni 함유량이 12질량%를 초과하면, 용접 금속의 응고 조직 중에 포함되는 페라이트 및 오스테나이트 조직의 밸런스가 모재의 희석율에 의해 크게 변동해 버려서, 용접 금속의 기계적 성질을 안정하게 얻을 수 없게 된다. 따라서, 와이어 중의 Ni 함유량은 8 내지 12질량%이다.
「Fe: 55 내지 70질량%」
Fe는 상술한 Cr 및 Ni 성분을 함유하는 스테인리스강의 잔부이다. 본 발명의 스테인리스 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, Cr 및 Ni 외에, 슬래그 조재제, C, N, Mo 또는 불가피적 불순물을 함유한다. 따라서, 와이어 중의 Fe 함유량은 55 내지 70질량%이다.
「Cr 당량 Eq(Cr)의 Ni 당량 Eq(Ni)에 대한 비 Eq(Cr)/Eq(Ni): 2.0 내지 2.6」
와이어 중의 Cr 당량 Eq(Cr)의 Ni 당량 Eq(Ni)에 대한 비를 특정함으로써, 용접 금속 중의 조직 밸런스가 적정화된다. 여기서, 와이어 중의 Cr 당량은 용접 금속 중의 페라이트 조직의 형성을 촉진하는 성분에 대응하고, Ni 당량은 용접 금속 중의 오스테나이트 조직의 형성을 촉진하는 성분에 대응한다. 본 발명에 있어서는, 용접에 의해 와이어 중의 함유 금속이 희석될 수 있는 것 등을 고려하여, 하기 수학식 1 및 2에 의해 와이어가 함유하는 Cr 당량 및 Ni 당량을 특정함으로써, 용접 금속 중의 페라이트 조직 및 오스테나이트 조직의 함유 비율을 적정화하고, 일렉트로 가스 아크 용접과 같은 큰 입열에 의한 용접 금속에서도 모재와 동등한 내력 및 인장 강도를 얻을 수 있다. 와이어 중의 Cr 당량의 Ni 당량에 대한 비가 2.0 미만이면, 용접 금속 중의 오스테나이트 조직이 증가하여, 내력 및 인장 강도가 저하된다. 한편, 와이어 중의 Cr 당량의 Ni 당량에 대한 비가 2.6을 초과하면, 용접 금속 중의 페라이트 조직이 많아져서, 연성 및 인성이 저하된다. 따라서, 와이어 중의 Cr 당량의 Ni 당량에 대한 비는 2.0 내지 2.6이다.
[수학식 1]
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
[수학식 2]
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
「C: 0.06질량% 이하」
C는 와이어의 외피, 플럭스 원료 및 와이어 표면에 도포되는 윤활제에 포함된다. 또한, 실드 가스 중의 CO2가 아크 방전에 의해 환원되고, 환원된 C가 용접 금속 중에 받아들여진다. C를 첨가하면, SUS304L 등의 오스테나이트계 스테인리스에 있어서 침입형 원소로서 고용하여, 용접 금속의 내력 및 인장 강도가 증가하지만, 그 첨가량의 증가에 따라, 용접 금속 중에 Cr 탄화물이 석출되기 시작하기 때문에, 저온 환경하에서의 인성이 저하된다. 와이어 중의 C의 함유량이 0.06질량%를 초과하면, 내충격성 및 저온 환경하에서의 인성이 현저히 저하된다. 따라서, 와이어 중의 C의 함유량은 0.06질량% 이하이고, 또한 0.02질량% 이하인 것이 바람직하다.
「N: 0.05질량% 이하」
N은 와이어의 외피 및 플럭스 원료 등에 포함된다. C와 마찬가지로, N은 오스테나이트계 스테인리스에 있어서 침입형 원소로서 고용하기 때문에, N의 첨가량의 증가에 따라 용접 금속의 내력 및 인장 강도가 증가하여, 내충격성 및 저온 환경하에서의 인성이 저하된다. 또한, N의 첨가량이 많으면 용융 금속 중에 기체의 N이 방출되어, 블로우 홀(blow hall) 및 피트 등의 기공 결함이 생기기 쉬워진다. 와이어 중의 N의 함유량이 0.05%를 초과하면 내충격성 및 저온 환경하에 있어서의 인성이 저하되고, 또한 기공 결함이 생기기 쉬워진다. 따라서, 와이어 중의 N의 함유량은 0.05질량% 이하이고, 또한 0.03질량% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 상술한 Cr, Ni, Fe, C 및 N 외에, 내식성의 향상을 목적으로 하여 Mo를 함유할 수 있다. 그러나, 와이어 중의 Mo 함유량이 1.0질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 금속간 화합물이 석출되어 저온 환경에서의 용접부의 인성이 저하된다. 따라서, 와이어 중의 Mo 함유량은 1.0질량% 이하로 억제되는 것이 바람직하다.
「슬래그 조재제 합계: 1.5 내지 2.5질량%」
와이어 중에 포함되는 플럭스 성분 중, 슬래그 조재제는 일렉트로 가스 아크 용접에 있어서 아크열에 의해 용융한 상태에서 용접 금속 상부로 부상하면서, 용융 금속의 탈산 정련 작용 및 용융 금속의 급냉을 완화하는 작용을 가진다. 와이어 중의 슬래그 조재제의 합계가 1.5질량% 미만이면, 상술한 작용을 충분히 얻을 수 없어, 융합 불량이 발생하기 쉬워진다. 한편, 와이어 중의 슬래그 조재제의 합계가 2.5질량%를 초과하면, 발생하는 슬래그가 과다해져, 아크 방전에 의한 슬래그 튐 및 스퍼터의 발생이 많아지기 때문에, 비드의 외관이 손상되기 쉬워진다. 또한, 아크 방전이 도중에 끊기기 쉬워지기 때문에, 용접 금속 내의 슬래그 권입, 피트 및 블로우 홀 등이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 와이어 중의 슬래그 조재제 합계는 1.5 내지 2.5질량%이다.
「CaF2: 1.0 내지 2.0질량%」
슬래그 조재제 중, CaF2는 슬래그의 융점을 내려 스테인리스의 융점에 근접시키고, 60mm 정도의 극후판의 스테인리스 강판을 용접하는 경우에 있어서도, 개선 내에 발생하는 슬래그 권입 등의 결함을 억제하는 작용을 가져서, 양호한 용접 작업성 및 건전한 용접 금속을 얻을 수 있다. 본 발명자들은 슬래그 조재제 중에 포함되는 성분 중, 이 CaF2의 함유량에 착안하여, 그 첨가량 및 첨가 비율을 검토한 결과, CaF2의 첨가량을 1.0 내지 2.0질량%로 함으로써 양호한 용접 작업성 및 건전 한 용접 금속을 얻을 수 있는 것을 발견하였다. CaF2의 함유량이 1.0질량% 미만이면, 슬래그의 융점을 내리는 효과를 충분히 없을 수 없어, 슬래그 권입 및 융합 불량이 발생하기 쉬워지고, 또한 불균일하게 발생하는 슬래그에 의해 비드 외관이 손상되기 쉬워진다. 한편, CaF2의 함유량이 2.0질량%를 초과하면, 종래의 플럭스에서의 주성분인 SiO2 및 TiO2 등의 성분이 부족하기 때문에, 슬래그의 고온 점도가 저하되어 용접 비드가 표면에 불균일한 물결 모양이 생기게 됨과 아울러, 슬래그 박리성이 저하된다. 따라서, 와이어 중의 CaF2의 함유량은 1.0 내지 2.0질량%이다. 또한, 와이어 중에 포함되는 슬래그 조재제 중, TiO2, SiO2 및 ZrO2는 슬래그의 유동성을 높이는 효과를 갖지만, 응고가 완료된 용접 금속 중에 미소한 복합 산화물 개재물로서 분산ㆍ잔류하여, 용접 금속의 침투 탐상 시험에 있어서 점상(點狀)의 결함으로서 검출되는 일이 있다. 따라서, 그 총함유량은 CaF2의 함유량에 비해서 적은 쪽이 바람직하다. 와이어 중의 CaF2의 함유량이 TiO2, SiO2 및 ZrO2 함유량의 총합에 대한 비에서 5.0 미만이면, 침투 탐상 시험에 있어서 검출되는 점상의 결함이 현저히 증가한다. 따라서, 와이어 중의 CaF2 함유량의 TiO2, SiO2 및 ZrO2 함유량의 총합에 대한 비는 5.0 이상인 것이 바람직하고, 15.O 이상인 것이 더욱 바람직하다.
[실시예]
이하, 본 발명의 일렉트로 가스 용접용 플럭스 함유 와이어의 효과를 나타내는 실시예를 비교예와 함께 나타낸다.
SUS304L로 이루어지는 후프재에 플럭스를 충전한 와이어를 제조하고, 이 와이어를 이용하여 일렉트로 가스 아크 용접을 행하였다. 이 후프재의 제조에 사용한 판재의 조성 및 치수를 표 1에 나타낸다.
모재는 표 2에 나타내는 성분을 함유하는 스테인리스강으로 이루어지는 판두께 50mm의 후판을 사용하고, 이 양쪽 후판의 V자형의 개선을 개선 갭 5mm로 맞대어 배치하고, 모재의 뒤쪽에 세라믹제의 배킹 금속을 배치하였다. 또한, 맞댄 모재 사이에서 V자의 개선이 이루는 각도는 20°로 하고, 이 V자 개선에 대하여 CO2 또는 Ar-20% CO2를 실드 가스로서 공급하면서 일렉트로 가스 아크 용접을 행하였다. 용접 장치는 직류 역극성(DC-EP)이고 400A-43V의 용접 조건으로 설정하고, 실드 가스의 유량은 35L/분으로 하였다.
Figure 112009033282708-PAT00001
Figure 112009033282708-PAT00002
표 1에 나타내는 조성을 갖는 후프재에 여러 가지의 조성을 갖는 플럭스를 충전하고, 실시예 및 비교예의 일렉트로 가스 용접용 플럭스 함유 와이어의 공시재로 하여, 표 2에 나타내는 모재에 대하여 일렉트로 가스 아크 용접을 행하였다. 그리고, 실시예 및 비교예의 와이어를 사용하여 용접한 용접 금속에 대하여, 종방향 인장 시험 및 -196℃ 환경하에서의 V노치 샤르피 충격 시험을 행하여 0.2% 내력, 인장 강도 및 흡수 에너지를 측정하였다. 그리고, 0.2% 내력이 280[N/㎟] 이상, 인장 강도가 580[N/㎟] 이상, 흡수 에너지가 34[J] 이상이면 각 성능의 항목이 양호하다고 판정하였다. 모든 항목을 만족한 것을 ○, 만족하지 않는 항목이 하나라도 있는 것을 ×로 하여 표 3에 나타낸다.
용접 금속의 건전성에 대해서는, 비드 외관, 융합 불량의 유무 및 슬래그 권입의 유무에 대해 평가하여, 판정하였다. 비드 외관은 육안에 의한 평가의 결과, 슬래그의 권입이 없고, 평활한 비드가 형성되어 있는 것을 양호로 하였다. 또한, X선 투과 시험에 의해 융합 불량 및 슬래그 권입의 크기 및 개수로부터 결함의 유무를 판정하여, 결함이 전무한 것을 양호로 하였다. 비드 외관, 융합 불량 및 슬래그 권입의 유무의 판정 결과에 대해서, 양호한 것을 ○, 종래와 동등한 것을 △로 하여 표 3에 나타낸다.
Figure 112009033282708-PAT00003
Figure 112009033282708-PAT00004
Figure 112009033282708-PAT00005
Figure 112009033282708-PAT00006
표 3에 나타내는 No.1 내지 7, 9, 10, 17은 본 발명의 필수 요건을 만족하는 실시예이다. 실시예 No.1 내지 7, 9, 10, 17은 와이어 중의 Cr, Ni, CaF2, C 및 N의 함유량, 및 Cr 당량의 Ni 당량에 대한 비가 본 발명의 범위를 만족하여, 우수한 내력 및 인장 강도를 나타내고, 흡수 에너지로부터 판정할 수 있는 양호한 인성이 얻어졌다.
No.11은 와이어 중의 Cr 함유량이 본 발명의 범위를 하회하고 있어, Cr의 첨가에 의한 고용 강화의 효과가 얻어지지 않은 비교예이다. No.12는 와이어 중의 Cr 함유량이 본 발명의 범위를 초과하고 있어, 용접 금속 중의 지나친 페라이트 조직의 증가에 의해 인장 강도가 저하되고, 또한 금속간 화합물의 석출에 의해 인성이 저하된 비교예이다. No.13은 와이어 중에 포함되는 Cr 당량의 Ni 당량에 대한 비가 본 발명의 범위를 하회하여, 용접 금속 중의 오스테나이트 조직의 증가에 의해 인장 강도가 저하된 비교예이다. 비교예 No.14는 와이어 중에 포함되는 Cr 당량의 Ni 당량에 대한 비가 본 발명의 범위를 초과하고 있어, 용접 금속 중의 페라이트 조직의 증가에 의해 인성이 저하되었다. 비교예 No.15는 와이어 중의 C의 함유량이 본 발명의 범위를 초과하고 있어, 인성이 저하되었다. 비교예 No.16은 와이어 중의 N의 함유량이 본 발명의 범위를 초과하고 있어, 인성이 저하되었다.
본 발명의 필수 요건을 만족하는 실시예 No.1 내지 7, 9, 10, 17 중, 실시예 No.1 내지 6은 와이어 중의 슬래그 조재재 함유량이 본 발명의 범위를 만족하여, 아름다운 비드 외관을 갖고, 용접 금속 중에 슬래그 권입 및 융합 불량을 발생하는 경우가 없었다. No.7은 본 발명의 조건을 만족하지만, 슬래그 조재제 중 CaF2를 함유하는 비율이 비교적 작기 때문에, 슬래그 조재재의 다른 성분에 의한 작용에 의해 비드 외관이 종래와 동등하게 된 예이다.
실시예 No.8은 와이어 중의 CaF2 함유량이 본 발명의 범위를 하회하고 있어, 슬래그 융점을 내리는 효과가 충분히 얻어지지 않아서, 융합 불량의 발생 및 비드 외관이 종래와 동등하게 되었다. No.17은 와이어 중의 CaF2 함유량이 많아서, 비드 외관이 약간 열화하였다. No.9는 와이어 중의 슬래그 조재제의 함유량이 많아서, 발생 슬래그가 과다해져 비드의 외관이 손상되고, 또한, 슬래그 권입이 종래와 동등하게 발생한 예이다. No.10은 슬래그 부족에 의해 용접부의 급냉이 완화되지 않아, 융합 불량이 종래와 동등하게 발생하였다.
도 1은 일렉트로 가스 아크 용접용 와이어를 나타내는 단면도이다.
도 2는 일렉트로 가스 아크 용접의 용접부를 연직 방향 및 수평 방향으로 잘라내어 나타내는 사시도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 슬라이드 구리판 3 : 배킹 금속
4 : 용접부 5 : 모재
6 : 개선 11 : 와이어
11a : 외피 11b : 플럭스
12 : 아크 13 : 용접 토치

Claims (3)

  1. 스테인리스강으로 이루어지는 외피에 플럭스를 충전하여 이루어지는 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어로서,
    와이어 전체 질량당, Cr: 22 내지 28질량%, Ni: 8 내지 12질량%, CaF2: 1.0 내지 2.0질량% 및 Fe: 55 내지 70질량%를 함유하고,
    C 함유량을 0.06질량% 이하, N 함유량을 0.05질량% 이하로 규제하고,
    Cr 함유량을 [Cr], Mo 함유량을 [Mo], Ni 함유량을 [Ni], C 함유량을 [C], N 함유량을 [N]이라고 할 때, 하기 수학식 1로부터 계산되는 Cr 당량 Eq(Cr)과 하기 수학식 2로부터 계산되는 Ni 당량 Eq(Ni)의 비 Eq(Cr)/Eq(Ni)가 2.0 내지 2.6인
    스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어.
    [수학식 1]
    Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
    [수학식 2]
    Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스는 와이어 전체 질량당 슬래그 조재제를 1.5 내지 2.5질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와 이어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스는 TiO2, SiO2 및 ZrO2 중 적어도 하나를 함유하고, CaF2 함유량의 TiO2, SiO2 및 ZrO2 함유량의 총합에 대한 비가 5.0 이상인 것을 특징으로 하는 스테인리스강 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 함유 와이어.
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