KR20110076685A

KR20110076685A - 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR20110076685A
Application number: KR1020090133442A
Authority: KR
Inventors: 유철; 김용덕; 유상근
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-07-06

Abstract

본 발명은 저온 충격인성 및 용접작업성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로써,

강제외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서,

와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.02~0.10%, TiO₂: 4~10%, Mn: 0.7~2.7%, Si: 0.2~0.9%, B: 0.001~0.021%, Ni: 0.3~3.0%, 아크 안정제: 0.05~0.75%을 포함하고, Ca, Mg 및 Al으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상: 0.1~1.5%을 포함하며, 나머지는 강제 외피 중의 Fe와 플럭스 중의 철분 및 불가피하게 첨가되는 불순물을 포함하고,

하기 수학식 1의 F 값이 0.35~0.85인 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

(수학식 1)

티타니아계 플럭스 충전 와이어, 저온 충격인성, 용접작업성, 내균열성

Description

가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어{TITANIA BASED FLUX CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING}

본 발명은 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후판 용접시 용접 금속의 저온 충격인성 및 용접작업성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

최근 전 세계 해운 물동량의 증가에 따라 10,000TEU를 초과하는 컨테이너선들의 건조가 늘어나고 있으며, 이러한 대형 선박들에는 기존에 적용되던 EH36, EH40 급(Grade)보다 고강도인 EH47급 TMCP(Thermo Mechanical Control Process)강의 적용이 시작되고 있는 추세이다. 대체로 이러한 강재는 40t 이상의 후판이 일반적이며, 주지하는 바와 같이 후판의 경우 제조과정에서의 부위별 냉각속도의 차이로 인하여 금속조직이 다소 불안정한 측면이 있으며, 이로 인하여 용접부 또한 내균열성이 취약해지는 경향이 있다.

따라서, 기존에 EH36, EH40 급(Grade) 강재에 적용되던 플럭스 충전 와이어를 EH47급 TMCP강에 적용할 경우, 강도부족, 후판 내균열성 부족 등의 문제점을 안 고 있다. 따라서 EH47급 TMCP강재에 적용할 수 있는 플럭스 충전 와이어의 개발이 시급한 실정이다.

상기 문제점과 관련하여 대한민국 공개특허번호 1999-015625호에서는 TiO₂, Mn, Mg, B를 첨가하고, Nb 및 V 함량과 금속철/총철의 비를 제어하여 용접작업성 및 충격인성의 향상을 제안하고 있으나, 상기 공개특허는 후판부에서의 균열저항성이 미흡하고 강도 또한 만족스럽지 못하다.

또한, 대한민국 공개특허번호 2002-0008681호에서는 C, Si, Mn, Mg, B, Al, Ni, F 함량과 티탄산화물 및 비티탄산화물 등의 비를 제어함으로써 양호한 저온충격인성 및 용접작업성의 향상을 제안하고 있으나, 상기 공개특허는 후판부에서의 저온충격치가 불안하고 균열저항성에 있어서 미흡한 점이 있다.

본 발명의 일측면은 와이어의 조성을 적절히 제어함으로서, 후판 용접시 용접작업성, 용접금속의 저온 충격인성 및 균열저항성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 강제외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서,

하기 수학식 1의 F 값이 0.35~0.85인 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

(수학식 1)

본 발명의 플럭스 충전 와이어를 사용하면, 후판 용접시 용접작업성과 저온 충격인성이 우수하고, 균열에 대한 저항성이 우수한 용접금속을 확보하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 와이어는 강제외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로서, 본 발명의 조성범위는 와이어 전중량에 대한 중량%이다.

C의 함량: 0.02~0.10%

C는 본 발명 와이어의 외피 및 플럭스에 함유되는 것으로, 용접금속의 강도를 유지하고, 입계페라이트의 생성을 억제하여 저온충격인성을 향상시키며 또한, 아크력을 증대시켜 용입을 충분하게 하므로써 용입부족을 막아 주는 역할을 한다. 본 발명에서는 탄소의 함량을 0.02~0.10%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면 그 함량이 0.02% 미만이면 용접금속의 인성 및 강도가 열화되고, 반면에 0.10%를 초과하면 강도가 과도하게 높아지고 고온균열 저항성이 열화되기 때문이다.

TiO₂의 함량: 4~10%

TiO₂는 용접시 주된 슬래그 형성제로서 대기로부터 용융지(용융금속)를 보호 하는 역할을 한다. 본 발명에서는 TiO₂의 함유량을 4~10%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면 그 함량이 4% 미만이면 슬래그량이 부족하여 용융금속을 대기로부터 충분히 보호할 수 없고, 스패터 발생이 많아지며, 그 함량이 10%를 초과하면 슬래그 형성이 과다하고 유동성이 저하되며, 슬래그의 일부가 용접금속 내부에 혼입되어 용접부의 기계적 성능이 크게 열화되기 때문이다.

Mn의 함량: 0.7~2.7%

Mn은 비교적 약한 탈산제로서 용접금속내 산소량을 저감시키며, 용접금속의 강도를 유지함과 아울러 비드 외관을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 Mn을 0.7~2.7%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함량이 0.7% 미만에서는 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며 비드 외관 향상효과가 미흡하고, 2.7%를 초과하면 용접시 용융성이 떨어짐과 아울러 저온인성 저하 및 고온균열 발생 우려가 있기 때문이다.

Ca, Mg 및 Al로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상: 0.1~1.5%

상기 Ca, Mg, Al은 강탈산제로서 용접금속내 산소 및 질소량을 급격하게 감소시키고 충격 인성을 향상시키는 효과가 있다. 본 발명에서는 Ca, Mg, Al중 1종 이상의 함유량을 0.1~1.5%로 제한함이 바람직한데, 이는 0.1% 미만에서는 상기 탈산 효과를 나타내지 못하고, 1.5%를 초과하면 용접작업성이 열화되고 균열이 발생 할 우려가 크기 때문이다.

Si의 함량: 0.2~0.9%,

Si는 비교적 약한 탈산제로서 용접금속내 산소량을 저감시키며, 용접금속의 강도를 유지함과 아울러, 적정량 첨가시 슬래그 유동성과 비드외관을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 Si는 0.2~0.9%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함량이 0.2% 미만에서는 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며 비드 외관 향상 효과가 미흡하고, 0.9%를 초과하면 슬래그 유동성이 떨어지고, 저온인성이 저하되며 고온균열 발생 우려가 있기 때문이다.

B의 함량: 0.001~0.021%

B는 용접시에 BN을 형성하여 입계 페라이트의 생성을 억제하고 조직을 미세화시킴으로써, 용접부의 강도 및 인성을 증가시킨다. 본 발명에서는 B의 함유량을 0.001~0.021%로 제한함이 바람직한데, 이는 0.001%미만에서는 소정의 효과를 나타내지 못하고, 0.021%를 초과하면 균열이 발생할 우려가 크기 때문이다.

아크 안정제: 0.05~0.75%,

아크 안정제는 용접시 아크의 안정화를 이루어 양호한 작업성을 나타내는데 필수불가결한 요소로써 그 종류로는 Li, Na, K, Rb 등이 있다. 본 발명에서는 그 함량을 0.05~0.75%로 제한함이 바람직한데, 그 함량이 0.05% 미만에서는 아크불안, 스패터 발생의 증가를 초래하고, 0.75%를 초과하면 슬래그의 유동성이 열화되고 입향상진 자세에서 용융금속이 유화되어 작업성을 악화시킨다.

Ni의 함량: 0.3~3.0%

Ni는 오스테나이트 안정화 원소로서 -30℃이하의 저온에서 충격인성을 안정화시키는 유효한 성분으로, 함량범위를 0.3~3.0%로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 Ni함량이 0.3% 미만에서는 저온 충격인성의 안정화 효과를 나타낼 수 없고, 3.0%를 초과하면 용접금속의 강도가 과도하게 증가하고 균열을 야기하기 쉽기 때문이다.

나머지는 강제 외피 중의 Fe와 플럭스 중의 철분 및 불가피하게 첨가되는 불순물을 포함한다.

한편, 본 발명자들은 양호한 저온 충격인성 및 우수한 내균열성의 확보를 위하여 각 탈산제의 특성을 실험한 결과, 그 함량비와 종류에 따라서 용접금속의 기계적 성능이 밀접한 관계가 있는 것을 발견하였다. 즉, 강탈산제와 약탈산제간의 고유한 역할이 따로 있어서, 상기 강탈산제와 약탈산제의 특정비에서 가장 양호한 충격인성 및 내균열성을 나타내는 것을 발견하고, 이를 아래의 수학식 1의 F로 설정하였다.

본 발명에서는 상기 수학식 1의 F 값이 0.35~0.85를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 수학식 1의 F 값이 0.35 미만일 경우에는 전체적인 탈산이 부족하여 충격인성이 저하되는 문제가 있고, 0.85를 초과하는 경우에는 강탈산제의 역할에 비하여 상대적으로 약탈산제의 역할이 거의 없어져 충격인성의 편차가 심하고 과도한 잔류응력으로 인하여 균열발생에 취약한 문제가 있다.

본 발명자들은 상기 F값의 변화에 따른 저온 충격인성을 확인하기 위하여 상기 F값을 다양하게 변화시켜 -40℃의 충격인성에 대한 평가를 행하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1의 결과에서 나타난 바와 같이, F값이 본 발명의 범위인 0.35~0.85를 만족하는 경우에 우수한 저온인성을 확보하고, 그 편차를 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 직경 1.4mm의 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였으며, 이때, 사용된 강제 외피의 조성을 하기 표 2에 나타내었다.

상기와 같이 마련된 각각의 와이어를 이용하여 EH47급 모재에 용접하였으며, 이때 모재 사양은 V형개선 맞대기(Butt)용접이었으며, 이때의 구체적인 용접조건은 하기 표 3과 같다.

다음으로, 용접을 마친 연후, 각각의 와이어별 용접작업성, 기계적 성질및 균열발생 여부를 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.

항복강도는 470N/mm²이상, 충격인성은 -40℃에서 충격흡수에너지가 47Joules 이상인 경우 합격으로 규정하였으며, 내균열성은 용접후 72시간이 경과한 후에 비파괴 검사를 실시하여 균열발생 여부를 검사하였다. 단, 표 4에서 ⊙는 우수, ○는 양호, △는 보통, ×는 불량을 나타낸다.

구분	TiO₂	C	Mn	Si	Ni	B	아크안정제	Ca,Mg,Al중 1종이상	F 값
발명예1	4.5	0.02	0.7	0.25	0.5	0.0015	0.08	0.1	0.38
발명예2	5	0.08	2.3	0.2	0.3	0.0018	0.12	0.2	0.36
발명예3	6.5	0.09	1.2	0.6	1.4	0.002	0.07	0.5	0.54
발명예4	9	0.06	2.4	0.6	2.2	0.007	0.5	0.5	0.46
발명예5	5.5	0.04	0.8	0.9	2.5	0.0054	0.27	1.1	0.71
발명예6	10	0.05	2.5	0.4	0.9	0.006	0.35	0.4	0.44
발명예7	9.5	0.07	1.9	0.7	2.8	0.0054	0.45	1.2	0.67
발명예8	6.7	0.02	2.7	0.5	1.5	0.015	0.65	1.3	0.66
발명예9	5.7	0.03	1.7	0.3	1.4	0.02	0.06	1.5	0.85
발명예10	6.8	0.04	1.9	0.3	3.0	0.021	0.74	1.4	0.80
발명예11	7.2	0.04	0.7	0.9	1.6	0.011	0.64	0.8	0.64
발명예12	8	0.09	2.3	0.8	2.6	0.008	0.34	0.7	0.51
비교예1	4.5	0.04	0.6	0.8	0.8	0.01	0.1	0.8	0.67
비교예2	9	0.06	1.2	1.2	1.8	0.006	0.5	1.0	0.60
비교예3	5.5	0.09	1.7	0.7	3.4	0.02	0.2	0.5	0.49
비교예4	5.8	0.10	1.5	0.4	1.2	0.03	0.7	0.9	0.69
비교예5	7.1	0.09	0.9	0.7	0.4	0.003	0.9	0.2	0.38
비교예6	6.9	0.08	1.1	0.4	1.3	0.014	0.1	1.8	0.98
비교예7	9.5	0.04	0.7	0.25	1.7	0.02	0.7	0.9	0.89
비교예8	4.7	0.05	0.7	0.2	0.6	0.005	0.2	1.5	1.13
비교예9	4.0	0.08	2.2	0.9	1.1	0.002	0.55	0.1	0.23
비교예10	4.7	0.05	2.5	0.9	1.8	0.004	0.35	0.2	0.30

구분	C	Si	Mn	P	S	Fe
함량	0.035	0.02	0.24	0.007	0.004	잔부

모재	루트갭	개선각도	적층	전류	전압	용접속도	입열량	용접자세
EH47,40㎜t	6㎜	40도	14pass	300A	32V	20~40 (㎝/min)	14~25 (KJ/㎝)	아래보기

구분	용접작업성	항복강도 (N/㎟)	Ve-40℃ (Joules)	균열발생여부
발명예1	⊙	495	52	-
발명예2	○	525	58	-
발명예3	○	582	60	-
발명예4	⊙	550	62	-
발명예5	○	590	78	-
발명예6	○	545	60	-
발명예7	⊙	595	85	-
발명예8	⊙	584	80	-
발명예9	○	620	85	-
발명예10	○	600	75	-
발명예11	○	585	71	-
발명예12	○	570	65	-
비교예1	△	450	40	-
비교예2	×	595	35	발생
비교예3	○	670	70	발생
비교예4	○	660	78	발생
비교예5	×	580	55	-
비교예6	×	570	85	발생
비교예7	○	620	43	발생
비교예8	○	625	41	발생
비교예9	○	580	25	-
비교예10	○	550	32	-

상기 표 4에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명예 1 내지 12의 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전와이어는 각각 우수한 용접작업성과 기계적 성질 및 내균열성을 나타냄을 알 수 있다.

이에 반하여, Mn함량이 본 발명 범위를 벗어나는 비교예 1의 경우 용접작업성 및 기계적 성질이 미흡하였고, Si함량이 본 발명 범위를 벗어난 비교예 2의 경우 슬래그 유동성이 미흡하고 충격인성이 저하되었으며 균열이 발생하였다. 또한, Ni와 B함량이 각각 본 발명 범위를 벗어난 비교예 3, 4의 경우, 내균열성이 미흡하였다.

또한, 아크 안정제의 함량이 본 발명 범위를 벗어난 비교예 5의 경우 용접작업성이 크게 저하되었으며, Ca, Mg, Al중 1종 이상의 함량이 본 발명 범위를 벗어난 비교예 6의 경우 스패터 발생이 과다하고 균열이 발생하였다.

또한, F값이 본 발명 범위를 초과하는 비교예 7, 8의 경우, 저온 충격인성이 저하되고 균열이 발생되었으며, 반대로 F값이 본 발명 범위 미만인 비교예 9, 10의 경우 저온 충격인성이 저하되는 것을 확인할 수 있다.

도 1은 F값에 따른 저온 충격흡수에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.

Claims

강제외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서,

와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.02~0.10%, TiO₂: 4~10%, Mn: 0.7~2.7%, Si: 0.2~0.9%, B: 0.001~0.021%, Ni: 0.3~3.0%, 아크 안정제: 0.05~0.75%을 포함하고, Ca, Mg 및 Al으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상: 0.1~1.5%을 포함하며, 나머지는 강제 외피 중의 Fe와 플럭스 중의 철분 및 불가피하게 첨가되는 불순물을 포함하고,

하기 수학식 1의 F 값이 0.35~0.85인 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.

(수학식 1)
청구항 1에 있어서,

상기 아크 안정제는 Li, Na, K 및 Rb로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.