KR20110091847A

KR20110091847A - Ｃｒｍｏｖ강의 서브머지드 아크 용접을 위한 플럭스 및 와이어

Info

Publication number: KR20110091847A
Application number: KR1020117002657A
Authority: KR
Inventors: 브루노 르뒤; 니콜라스 플로로스; 코린 쇼베
Original assignee: 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드; 에어 리키드 웰딩 프랑스
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-08-16
Also published as: FR2939340B1; JP6140925B2; EP2376256B1; FR2939340A1; KR101651698B1; JP2012511431A; CN102112270B; BRPI0917214A2; EP2376256A1; WO2010066981A1; CN102112270A

Abstract

본 발명은, 0.1 내지 0.6 %의 탄소 (C), 0.3 내지 3 %의 망간 (Mn), 0.006 % 미만의 황 (S), 0.015 % 미만의 납 (Pb), 0.025 % 미만의 인 (P), 0.1 내지 0.8 %의 티타늄 (Ti), 0.02 % 미만의 안티몬 (Sb)을 포함 (플럭스의 중량%로 표현됨)하는 응집된 용접 플럭스에 관한 것으로, (% S) + (% Sb) + (% P) + (% Pb) < 0.040 % - 여기서, (% S), (% Sb), (% P) 및 (% Pb)는 플럭스 중 원소 S, Sb, P 및 Pb 각각의 중량에 의한 양(플럭스의 중량 %로 표현됨) 임 - 이다. 본 발명은 또한, 이러한 플럭스와 함께 사용할 수 있는 용접 와이어, 및 용접후 응력-완화 열처리 중 재가열시 이에 따라 생성되는 용접 균열 위험성을 감소시키거나 최소화하기 위해 이러한 플럭스 및 이러한 와이어를 사용하는 CrMoV강의 서브머지드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

Description

ＣＲＭＯＶ강의 서브머지드 아크 용접을 위한 플럭스 및 와이어{FLUX AND WIRE FOR SUBMERGED ARC WELDING OF CRMOV STEELS}

본 발명은 재열 균열(reheat cracking (RC))을 방지하거나 최소화할 수 있는 CrMoV강의 서브머지드-아크 용접을 위한 용접 플럭스, 및 또한 용접 와이어, 이러한 와이어 및 이러한 플럭스를 사용한 서브머지드-아크 용접 방법, 및 상기 와이어를 용융시키고 하나 이상의 CrMoV강 작업편을 용접함으로써 수득되는 용접 금속 조성물(즉, 용접 접합부)에 관한 것이다.

CrMoV강으로도 지칭되는, 원소 Cr, Mo 및 V를 함유하는 저-합금강, 즉 3.5 중량% 미만의 상기 합금 원소를 함유하는 강은, 특히 석유 제품의 정유 및 석유화학 분야에 사용되는 반응기 또는 탱크의 제조에 적합하다.

이러한 저-합금강의 통상적인 야금 조성, 즉 이러한 강을 구성하는 기재 금속의 조성이 이하 표 1에 주어진다.

이러한 강은 통상적으로 전기 아크에 의해 용융되는 와이어 및 용접 플럭스를 사용하여 원하는 용접 접합부를 형성하도록 용접재(filler metal)를 공급하는 서브머지드-아크 용접(이하 "SA 용접"으로 지칭됨) 공정을 수행함으로써 용접된다.

용접되는 CrMoV강 작업편은 시트, 평판(plate), 단조품(forging) 또는 파이프일 수 있다.

모든 경우에서, 이러한 CrMoV강 작업편의 SA 용접 동안, 용접된 구조체의 일체성에 유해한 재열 균열 현상을 방지하거나 적어도 최소화하는 것이 필요하다.

실제로, SA 용접에 의해 용접된 이러한 CrMoV강으로 적어도 부분적으로 제조되는 반응기 등과 같은 용접된 구조체의 제조 중에, 하나 이상의 용접후 응력-완화 중간 열처리가 전체 구조체의 최종 열처리 이전에 약 620 내지 690 ℃, 통상 약 650 내지 680 ℃에서 수행된다.

그러나, 이러한 응력-완화 중간 열처리 중에, 재열 균열 효과가 일어날 수 있어서, 바람직하게는 650 내지 680 ℃에서의 응력-완화 처리 자체 중에, 또는 온도가 이러한 온도 범위에 도달하는 때에 용접 접합부에 그래뉼간(inter granular) 균열이 형성될 수 있다.

이러한 그래뉼간 균열은 용접 금속 또는 기재 금속의 열영향부(HAZ)에서 나타날 수 있다. 실제로, 이러한 재열 균열 효과는 세 가지 요인, 즉 용접으로 인한 잔류 응력의 존재, 그레인(grain)의 탄화물 석출 경화, 및 원소 편석에 의한 그레인 경계 취화(embrittlement)의 조합으로부터 기인하며, 이중 주된 요인은 그레인 경계 취화이다.

이러한 재열 균열은 균열된 용접 구조체에 보수 작업을 필요로 하기 때문에 산업상 관점에서 매우 문제가 있다 - 심지어 균열이 적기에 검출되어 보수되지 않는 경우, 용접 구조체의 파열을 야기할 수 있다.

이러한 문제점이 공지되어 있지만, 완전히 또는 부분적으로 원소 Cr, Mo 및 V를 함유한 저-합금강으로 형성되거나 이들로 구성된 하나 이상의 작업편의 용접후 응력-완화 중간 열처리에 의해 발생되는 이러한 재열 균열 효과를 방지하거나 최소화하기 위한 실제로 효과적인 해결책이 아직 제안되지 않았다.

또한, 원소 C, Si, Mn, Cr, Mo, V, N 및 Fe, 및 P, Al, Ni, Ti, S, Sn, As, Sb 및 O 타입의 불순물을 함유한 고-강도 Cr-Mo강의 서브머지드-아크 용접을 위해 용착되는 금속 및 와이어를 교시하는, 문헌 FR-A-2740715가 공지되어 있다. 재열 균열에 대한 기타 원소 또는 불순물의 가능한 영향을 상기 문헌에서는 언급하고 있지 않다.

또한, 문헌 FR-A-2074278은 용착 금속의 인성 및 수득된 용접 비드의 형상을 개선할 수 있는, 강의 서브머지드-아크 용접 방법을 개시한다. 이를 위해서, 상기 문헌은, 그레인 크기가 제어된 원소 Fe, Si 및 Mn을 함유하는 금속 분말, 및 MgO, 카르보네이트 또는 옥살레이트 및 슬래그-형성제(slag-forming agent)로부터 형성된 비금속 분말로 형성되고, 소정의 염기성을 갖는 플럭스를 사용하는 것을 권장한다. 재열 균열에 대한 원소 또는 가능한 불순물의 영향을 상기 문헌에서는 해결하고 있지 않다.

따라서, 해결되어야 할 한 가지 과제는 결과적으로, SA 용접 공정에 의해 용접된 CrMoV 시일(seal)의 재열 균열을 방지하거나 적어도 최소화할 수 있는 방법이다.

본 발명에 따른 한 가지 해결책은 상기 재열 균열을 방지하거나 최소화할 수 있는 CrMoV강의 서브머지드-아크 용접을 위한 용접 와이어 및 플럭스 조성물을 기반으로 하며, 특히 상기 와이어 및 플럭스를 이용하여 상기 SA 용접 공정을 수행함으로써 수득되고, 우수한 재열 균열 내성을 나타내는 용접 금속 조성물을 기반으로 한다.

제1 태양에 따라, 본 발명은,

- 0.1 내지 0.6 %의 탄소 (C);

- 0.3 내지 3 %의 망간 (Mn);

- 0.006 % 미만의 황 (S);

- 0.015 % 미만의 납 (Pb);

- 0.025 % 미만의 인 (P);

- 0.1 내지 0.8 %의 티타늄 (Ti);

- 0.02 % 미만의 안티몬 (Sb)을 포함(플럭스의 중량%로 표현됨)하고;

- (% S) + (% Sb) + (% P) + (% Pb) < 0.040 % - 여기서, (% S), (% Sb), (% P) 및 (% Pb)는 플럭스 중 원소 S, Sb, P 및 Pb 각각의 중량에 의한 양 (중량 %로 표현됨) 임 - 인 응집된 용접 플럭스에 관한 것이다.

용어 "응집된 플럭스"는 플럭스가, 주로 미네랄 물질, 예컨대, 산화알루미늄 또는 산화 규소, 및 가능하게는 수성 무기 실리케이트, 예컨대 소듐 실리케이트를 기재로 하는 결합제(또는 결합제들)가 첨가된 분말 형태의 금속 화합물로 구성된 입자 또는 작은 그래뉼로부터 형성됨을 의미한다. 이러한 추가 물질 및 가능한 가루(pulverulant) 금속 화합물은 플럭스의 조성 대부분을 형성한다. 존재하는 추가 화합물 및 물질은 서로 및 상기 원소와 함께 응집되어 플럭스 입자를 형성한다.

플럭스에 존재하는 탄소 및 황 모두는 적외선 흡수법에 의해 분석될 수 있고, 망간 및 인은 XRF (X-선 형광법)에 의해 분석될 수 있으며, 납, 티타늄 및 안티몬은 ICP-AES (유도-결합 플라즈마 원자 방출 분광법) 및/또는 ICP-MS (유도 결합 플라즈마 질량 분광법)에 의해 분석될 수 있다는 것을 인지해야 한다.

경우에 따라, 본 발명의 플럭스는 이하 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

- 플럭스는 0.2 내지 0.5 %의 탄소 (C); 0.5 내지 2 %의 망간 (Mn); 0.004 % 미만의 황 (S); 0.0005 내지 0.01 %의 납 (Pb); 0.005 내지 0.015 %의 인 (P); 0.3 내지 0.6 %의 티타늄 (Ti); 0.001 내지 0.01 %의 안티몬 (Sb)을 포함하고;

- 바람직하게는 (% S) + (% Sb) + (% P) + (% Pb) < 0.025 %이다.

이들 네 원소 (P, S, Sb, Pb) 각각에 대한 개별적인 제한 임계치에 대해 추가되어야 하는, 이들의 조합된 효과에 관한 추가적인 제약이 존재한다. 구체적으로, 이들에 합에 대한 허용가능한 제한 임계치를 초과하는 경우, 이들 원소들의 전체적인 농도는 재열 균열에 대해 유해한 결과를 가져올 것이다.

- 탄소는 하나 이상의 금속 카르보네이트 또는 탄화물, 예컨대 칼슘 카르보네이트 또는 탄화철의 형태이고;

- 플럭스는 2 내지 10 %의 규소 (Si), 바람직하게는 4 내지 8 %의 Si를 포함한다. Si는 단일 산화물 형태 (SiO₂) 및/또는 혼합된 산화물 형태 (규회석, 파라규회석(parawollastonite) 또는 다른 실리케이트) 및/또는 금속 합금 형태로 공급될 수 있고;

- 플럭스는 10 내지 30 %의 마그네슘, 바람직하게는 15 내지 25 %의 마그네슘을 포함하고;

- 플럭스는 5 내지 15 %의 알루미늄, 바람직하게는 7 내지 12 %의 알루미늄을 포함하고;

- 마그네슘 및 알루미늄은 단일 산화물 형태, 즉 각각 MgO 및 Al₂O₃ 이고;

- 플럭스는 20 내지 40 %의 알칼리-토금속 플루오라이드, 바람직하게는 하나 이상의 칼슘 (Ca) 플루오라이드, 예컨대 CaF₂, 및/또는 수성 실리케이트 형태의 1 내지 2 %의 알칼리 금속, 예컨대 소듐 실리케이트를 더 포함하고;

- 플럭스는 하나 이상의 칼슘 플루오라이드, 특히 CaF₂를 포함한다.

알루미늄, 규소 및 마그네슘 함량은 XRF에 의해, 및 알칼리 금속은 ICP-AES 또는 ICP-MS에 의해 측정될 수 있다는 것을 인지해야 한다.

제2 태양에 따라, 본 발명은,

- 0.05 내지 0.15 %의 탄소 (C), 바람직하게는 0.07 내지 0.13 %의 C;

- 0.4 내지 1.3 %의 망간 (Mn), 바람직하게는 0.45 내지 1.2 %의 Mn;

- 0.07 내지 0.20 %의 규소 (Si), 바람직하게는 0.09 내지 0.18 %의 Si;

- 2 내지 2.8 %의 크롬 (Cr), 바람직하게는 2.2 내지 2.6 %의 Cr;

- 0.5 내지 1.2 %의 몰리브덴 (Mo), 바람직하게는 0.7 내지 1.1 %의 Mo;

- 0.01 내지 0.2 %의 니켈 (Ni), 바람직하게는 0.01 내지 0.15 %의 Ni;

- 0.001 내지 0.01 %의 황 (S), 바람직하게는 0.001 내지 0.008 %의 S;

- 0.001 내지 0.012 %의 인 (P), 바람직하게는 0.003 내지 0.010 %의 P;

- 1 내지 20 ppm의 안티몬 (Sb), 바람직하게는 1 내지 15 ppm의 Sb;

- 0.01 내지 3 ppm의 납 (Pb), 바람직하게는 0.01 내지 2 ppm의 Pb;

- 0.01 내지 3 ppm의 비스무스 (Bi), 바람직하게는 0.01 내지 2 ppm의 Bi; 및

- 0.10 내지 0.35 %의 바나듐 (V), 바람직하게는 0.15 내지 0.30 %의 V;

- 그리고, 그외에 철 (Fe)

을 포함(와이어의 총 중량에 대해 표현됨)하는 용접 와이어에 관한 것이다.

이 경우에, 탄소 및 황은 적외선 흡수법에 의해, 및 기타 원소는 ICP-AES 및/또는 ICP-MS에 의해 분석될 수 있다.

경우에 따라, 본 발명의 와이어는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

- 0.004 내지 0.035 %의 니오븀 (Nb), 바람직하게는 0.005 내지 0.03 %의 Nb;

- 1 내지 100 ppm의 주석 (Sn), 바람직하게는 1 내지 80 ppm의 Sn;

- 1 내지 100 ppm의 비소 (As), 바람직하게는 1 내지 80 ppm의 As.

이 원소들은 ICP-AES 및/또는 ICP-MS로 분석될 수 있다.

제3 태양에 따라, 본 발명은 하나 이상의 CrMoV강 작업편의 서브머지드-아크 (SA) 용접 공정에 관한 것으로, 상기 하나 이상의 CrMoV강 작업편에 용접 접합부를 생성하는데 소모성 와이어 및 플럭스가 사용되며, 와이어가 본 발명에 따른 용접 와이어이고/이거나 플럭스가 본 발명에 따른 용접 플럭스인 것을 특징으로 한다.

경우에 따라, 본 발명의 용접 방법은 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

- 작업편은, 통틀어 원소 Mo, Cr 및 V의 합을 3 중량% 미만으로 포함하는 CrMoV강으로 제조되고;

- 작업편은, 2 내지 2.5 %의 Cr, 0.9 내지 1.1 %의 Mo, 0.25 내지 0.35 %의 V 및 철을 포함하는 CrMoV강으로 제조되고;

- 용접 접합부는, 일반적으로 10 초과의 용접 패스, 통상적으로 20 내지 200 용접 패스를 이용하는 다중-패스 용접에 의해 생성된다.

제4 태양에 따라, 본 발명은 본 발명에 따른 용접 방법에 의해 생성될 수 있는 용접 접합부, 즉 와이어를 용융시킴으로써 생성되는 용착 금속에 관한 것이며,

- 0.07 내지 0.13 %의 탄소 (C);

- 0.55 내지 1 %의 망간 (Mn);

- 0.09 내지 0.18 %의 규소 (Si);

- 2.2 내지 2.6 %의 크롬 (Cr);

- 0.7 내지 1.1 %의 몰리브덴 (Mo);

- 10 내지 100 ppm의 황 (S);

- 30 내지 100 ppm의 인 (P)

- 1 내지 20 ppm의 안티몬 (Sb);

- 0.01 내지 3 ppm의 납 (Pb);

- 0.01 내지 3 ppm의 비스무스 (Bi);

- 0.15 내지 0.3 %의 바나듐 (V);

- 1 내지 100 ppm의 주석 (Sn);

- 1 내지 100 ppm의 비소 (As);

- 그리고, 그외에 철 (Fe)을 포함(접합부의 중량에 의해 표현됨)하고,

접합부의 중량에 대해 ppm으로 표현된, 원소 P, S, As, Sn, Sb, Pb 및 Bi 각각의 중량에 의한 양은: RC지수 < 25, 바람직하게는 RC지수 < 20 (여기서 RC지수 = 0.05 × (P) + 0.01 × (S) + 0.01 × (As) + 0.18 × (Sn) + 0.01 × (Sb) + 5 × (Pb) + 2 × (Bi) 임) 인 것을 특징으로 한다.

실제로, 이러한 지수(RC지수)는 재열 균열에 대해 유해한 영향을 미치는 다양한 잔류 화학 원소의 조합된 효과를 평가하는 역할을 한다.

용착 금속의 화학적 분석은 접합부의 축 상에서, 즉 CrMoV강으로부터 (즉, 기재 금속으로부터) 나오는 금속에 의한 임의의 희석으로부터 떨어져서 수행된다.

탄소, 산소 및 황은 적외선 흡수법에 의해, 질소는 카타로미터법(katharometry)에 의해, 망간, 규소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 니켈 및 니오븀은 OES (광학 방출 분광법)에 의해, 및 기타 원소는 ICP-AES 및/또는 ICP-MS에 의해 분석될 수 있다.

또한, 접합부는 또한 이하의 원소 중 하나 이상을 함유할 수 있다:

- 0.002 내지 0.01 %의 티타늄 (Ti);

- 0.015 내지 0.04 %의 산소 (O);

- 0.003 내지 0.015 %의 질소 (N);

- 0.005 내지 0.03 %의 니오븀 (Nb); 및

- 0.01 내지 0.2 %의 니켈 (Ni).

제5 태양에 따라, 본 발명은 2 내지 2.5 %의 Cr, 0.9 내지 1.1 %의 Mo, 0.25 내지 0.35 %의 V, 및 철을 포함하는 CrMoV강 작업편에 관한 것이며, 본 발명에 따른 하나 이상의 용접 접합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 작업편은 파이프, 평판 또는 단조품이다.

본 발명은 용접 접합부에 존재하는 다양한 금속성 원소의 재열 균열 내성에 대한 영향을 다루는 이하의 설명에 의해 더 잘 이해될 것이다.

탄소 (C)

실온 및 고온 인장 특성 및 인성 특성을 보장하기 위해 탄소를 첨가한다. 접합부, 즉 용착 금속 중 너무 높은 C 함량은 마르텐사이트(martensite) 형태의 경질 구조체 및/또는 구조체를 경화시키는 과량의 탄화물 석출물(너무 낮은 인성을 초래함)을 야기한다. 반대로, 너무 낮은 C 함량은 불충분한 기계적 인장 특성을 초래한다. 따라서, 접합부에서 약 0.07 내지 0.13 중량%, 바람직하게는 0.075 내지 0.12 중량%의 탄소(C)의 양을 준수하는 것이 필요하다.

규소 (Si)

규소는 용접 금속 중 탈산소제로 작용한다. 따라서, 산소(O) 함량을 제어하기 위해 충분한 양이 존재해야 한다. Si 함량이 너무 높은 경우, 인성 특성이 저하되며 재열 균열 내성도 저하된다. 따라서, 접합부 중 Si의 양을 0.07 내지 0.20 중량%, 바람직하게는 0.09 내지 0.18 중량% 범위 내로 제한하는 것이 필요하다.

망간 (Mn)

Mn은 용접 금속의 경화성에 강한 영향력을 미치므로, 결과적으로 용접 금속의 기계적 특성을 보장하기 위해 매우 중요한 원소이다. 한편, 너무 많은 양의 Mn은 최종 열처리 중 취화를 야기할 수 있다. Mn의 양은 0.55 내지 1.3 중량%, 바람직하게는 0.60 내지 1.2 중량%여야 한다.

크롬 (Cr) 및 몰리브덴 (Mo)

원소 Cr 및 Mo는 고온 강도 CrMoV강의 주요 합금 원소이다. 원소 Cr 및 Mo는 강의 탄소 (C)와 조합되어, 강 및 또한 이에 따른 용접 금속에 고온 기계적 강도 특성을 부여하는 탄화물을 형성한다. 너무 낮은 Cr 함량 및/또는 너무 낮은 Mo 함량은 낮은 고온 강도를 야기한다. 용접 금속 중 과량의 Cr 또는 Mo는 용접 금속의 인성 특성 저하를 초래한다. 따라서, 접합부 중에 Cr의 양이 2.2 내지 2.6 중량% 및 Mo의 양이 0.7 내지 1.1 중량%, 더 바람직하게는 2.3 내지 2.5 중량%의 Cr 및/또는 0.8 중량% 이상의 Mo가 존재하는 것을 보장하도록 조치가 취해져야 한다.

바나듐 (V)

고온 강도 CrMoV강에서, V를 첨가하는 목적은 그레인 내에 석출되는 매우 미세한 탄화바나듐을 형성하기 위한 것이다. 이러한 석출물은 금속이 우수한 고온 기계적 강도 특성을 갖도록 보장하는 것을 돕는다. 너무 낮은 V 함량은 고온에서 용접 금속의 특성 저하를 초래한다. 따라서, 0.15 내지 0.3 중량%의 바나듐 함량을 선택한다.

니오븀 (Nb)

V와 같이, Nb는 용접 금속의 고온 강도를 향상시키는 효과를 미친다. 그러나, 너무 높은 Nb 함량은 인성 특성 저하로 이어진다. 따라서, 용착 금속 중 0.005 내지 0.03 중량%의 니오븀 비율을 준수하는 것이 필요하다.

티타늄 (Ti)

용접 금속에 소량의 Ti를 첨가하는 것은 인성 특성을 개선한다. 그러나, 과량의 Ti는 이러한 인성 특성의 저하를 야기한다. 결과적으로, 용착 금속 중 0.002 내지 0.010 중량%의 티타늄 비율을 준수하는 것이 필요하다.

니켈 (Ni)

니켈의 첨가는 인성 수준을 감소시키는 효과를 미친다. 이러한 이유로, Ni 수준은 0.2 중량% 미만, 바람직하게는 0.15 중량% 이하여야 한다.

산소 (O)

산소는 산화물의 형태로 용접 금속 중에 존재한다. 이 산화물의 작용은, 소량으로 존재하는 경우, 일차 오스테나이트(austenite) 그레인 내에 미세한 미소구조체의 핵생성을 촉진하는 것이다. 이러한 작용은 우수한 인성 특성을 달성하는데 유익하다. 그러나, 과량의 산소는 용접 금속의 특성을 저하시킨다. 따라서, 용접 금속 중에, 즉 접합부 중에 약 150 내지 400 ppm, 바람직하게는 180 내지 350 ppm의 산소 함량을 갖는 것이 바람직하다.

질소 (N)

용접 금속 중 함유된 질소는 와이어에 의해 제공되거나 용접 중 주위 공기에 의해 공급될 수 있다. 과량의 질소는 열처리 중 V, Nb 또는 Ti 질화물 석출물의 형성을 초래하며, 이는 용접 금속의 기계적 특성을 저하시킬 것이다. N 함량은 바람직하게는 150 ppm 미만 및 유익하게는 120 ppm 미만이다.

기타 원소 : P, S, Sn, Sb, As, Pb 및 Bi

원소 P, S, Sn, Sb, As, Pb 및 Bi는 와이어, 플럭스 또는 이들 모두로부터 나올 수 있는 잔류 원소이다. 용접 금속에서, 이들 원소는 그레인 경계에서 편석되어 이들을 취화시킨다.

이하 실시예에 나타낸 바와 같이, 과량의 이들 원소들은 높은 재열 균열 민감도를 야기한다 : 특히, 납의 부정적 영향은 과량의 납이 용착 금속에 존재하는 경우에 특히 현저하다.

본 발명의 내용에서, 따라서 용접 접합부 중 이러한 기타 원소의 존재는, 용접재(filler material), 즉 와이어 및/또는 플럭스 중 이들의 존재를 이하의 표 2에 주어진 수치로 제한함으로써 제한되어야 한다.

바람직하게는, 용착 금속 중 Sn 함량은 60 ppm 미만, 심지어 더 바람직하게는 40 ppm 미만이다. 마찬가지로, 용착 금속 중 Sb 함량은 바람직하게는 15 ppm미만, As 함량은 80 ppm 미만, Pb 함량은 2 ppm 미만 또는 심지어 1 ppm 미만, 또는 Bi 함량은 2 ppm 미만 또는 심지어 1 ppm 미만이다. 또한, S 함량은 바람직하게는 80 ppm 미만이거나 P 함량은 80 ppm 미만이다.

유익하게는, 재열 균열 위험성을 더 최소화하기 위해, 특히 상기 파라미터 RC지수로 나타낸, (임의의 희석으로부터 떨어져 있는) 용착 금속 중 존재하는 원소의 중량에 의한 양(ppm)의 합이 20 미만, 바람직하게는 16 이하, 및/또는 2 이상이도록 권장된다.

예시적인 실시예

이하에 주어진 시험의 목적은, 본 발명에 따른 야금 조성을 갖는 용접 접합부, 특히 잔류 원소 P, S, Sn, Sb, As, Pb 및 Bi의 양이 제어된 접합부를 생성할 수 있는 플럭스 및 와이어를 사용하여 CrMoV강 작업편에 SA 용접 공정을 수행하는 경우, 접합부의 높은 재열 균열 내성이 달성됨을 보여주는 것이다.

여기서 시험하는 시편의 재열 균열 감도를 고온, 즉 650 ℃에서 수행된 저인장 시험에 의해 평가하였다.

시편의 네킹(necking)이 적을수록, CrMoV강은 재열 균열에 더 민감하고 접합부는 더 취성이다. 30 % 초과의 네킹 계수는 제조시 우수한 재열 균열 내성을 나타낸다.

임의의 희석으로부터 떨어진, 예컨대 용접 접합부의 중앙으로부터 떨어져 있는 용착 금속으로부터 기계가공된 시편에 대해 저속(slow) 인장 시험을 수행하였다. 즉, 야금 조성이 전적으로 용접 와이어 및 플럭스의 용융으로부터 기인하는 용접 접합부의 일부, 따라서 CrMoV강 작업편의 기재 금속으로 인한 임의의 희석으로부터 떨어져서 측정을 수행하였다.

용접 금속이 용착된 CrMoV강 작업편은 이하 표 3에 주어진 조성을 가졌다.

SA 용접에 사용된 두 플럭스 (플럭스 1 및 플럭스 2)는 이하 표 4에 주어진 조성을 가졌다.

또한, 시험한 네 개의 와이어 (와이어 1 내지 와이어 4)는 이하 표 5에 주어진 조성을 가지며, 여기서 원소의 비율은 달리 표시되지 않는 한, 즉 와이어의 중량에 의한 ppm 이라고 표시되지 않은 한, 와이어의 중량%로 표현하였다.

이하의 SA 용접 파라미터를 적용하여, 임의의 희석으로부터 떨어져 용착 금속의 시편을 생성하였다:

- 표 4의 플럭스 F1 및 F2와 함께 3.2 mm의 직경을 갖는 와이어 (와이어 1 내지 4) (그 조성이 표 5에 있음)를 이용하여 SA 용접;

- 180 내지 200 ℃로 예열;

- 30 내지 50의 용접 패스;

- 용접 패스 사이의 기재 금속 온도 : 200 내지 230 ℃;

- 50 cm/분의 용접 속도에 대한 약 1.9 kJ/mm의 용접 에너지;

- 스타매틱 1003(Starmatic 1003) AC/DC 에어 리퀴드(Air Liquide) 용접 전류 공급원에 의해 공급되는, 31 V, 510 A의 AC 전류.

용착 금속, 즉 각각의 와이어 (와이어 1 내지 와이어 4)에 대해 생성된 용접 접합부에 종방향으로 원통형 인장 시편을 기계가공하였다. 시편의 총 길이는 11 cm 였고, 게이지 부분의 직경은 8 mm 였고, 게이지 부분의 길이는 18 mm 였다.

시편을 650 ℃에서 30 분 동안 유지한 후, 650 ℃에서 각각의 인장 시험을 수행하였다. 인장 속도(pull rate)는 0.01 mm/초 였다. 이후 각 시편의 네킹을 측정하였다.

시험한 시편의 조성(각 원소의 중량%) 및 얻어진 네킹 결과를 이하 표 6에 제공한다.

알 수 있는 바와 같이, 시험 E1 내지 E3 만이 네킹 강도 면에서 만족스러운 결과를 제공하였다.

또한, 플럭스 F2의 S, Sb, P 및 Pb 비율 미만의 S, Sb, P 및 Pb 비율을 갖는 플럭스 F1이, 특히 와이어 3과 연계되는 경우, 더 우수한 결과를 제공함을 알 수 있다.

또한, 용착 금속에서 지수(RC지수)가 25 초과인 경우 (시험 4, 5 및 6), 네킹 계수가 30 % 미만으로 감소하고, 이에 따라 불충분한 재열 균열 내성을 갖는 용접 접합부를 야기하므로, 지수(RC지수)와 네킹 강도 간 상관성은 특히 현저하다.

본 발명의 제한을 초과하는 Sn, Bi 또는 As 불순물 함량을 갖는, 본 발명에 속하지 않는 몇몇 와이어를 이용하여 추가 시험을 수행하였다. 플럭스 F1과 연계시, 이들 와이어들은 25 초과의 RC지수 및 결과적으로 30 % 초과의 네킹 계수를 갖는 용접 금속을 야기하였다. 이 시험들은 RC지수를 구성하는 모든 화학 원소의 용접 금속 중 존재가 제한되어야 함을 확인시켜준다.

즉, 충분히 우수한 재열 균열 내성을 보장하기 위해서는, 따라서 본 발명에 따른 권장 비율로 전술한 원소를 함유하는 와이어/플럭스 쌍을 사용하도록 보장하는 것 뿐만 아니라, 생성된 접합부의 RC지수가 25 미만, 바람직하게는 20 미만이도록 보장하는 것이 필요하다.

이는, 시험 E5 및 E6에 의해 예시된 바와 같이, 플럭스 및 와이어가 서로 독립적으로는 상기 권장량을 따를 수 있더라도, 열악하게 조합된 와이어/플럭스 쌍은 너무 높은 접합부 RC지수를 초래하고, 따라서 재열 균열 면에서 열악한 용접 접합부를 초래함을 이해할 것이기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 와이어 및 플럭스를 선택한 다음, 용착 금속, 즉 용접 접합부 중 유해한 잔류 원소, 특히 원소 Sb, Pb, P, S의 존재, 또한 보다 적게는 Sn, As 및 Bi의 존재를 철저히 제한하는 방식으로 와이어 및 플럭스를 연계할 필요가 있다.

즉, 따라서, 이 유해한 원소들은 플럭스 및 와이어에 의해 공급되기 때문에, 이 유해한 원소들의 존재는 시작시부터, 즉 용접 접합부를 생성하기 위한 플럭스 및 와이어의 선택시부터 바로 제어되어야 한다.

Claims

- 0.1 내지 0.6 %의 탄소 (C);
- 0.3 내지 3 %의 망간 (Mn);
- 0.006 % 미만의 황 (S);
- 0.015 % 미만의 납 (Pb);
- 0.025 % 미만의 인 (P);
- 0.1 내지 0.8 %의 티타늄 (Ti);
- 0.02 % 미만의 안티몬 (Sb)을 포함 (플럭스의 중량%로 표현됨)하고;
- (% S) + (% Sb) + (% P) + (% Pb) < 0.040 % - 여기서, (% S), (% Sb), (% P) 및 (% Pb)는 플럭스 중 원소 S, Sb, P 및 Pb 각각의 중량에 의한 양(플럭스의 중량 %로 표현됨) 임 - 인, 응집된 용접 플럭스.
제1항에 있어서,
- 0.2 내지 0.5 %의 탄소 (C);
- 0.5 내지 2 %의 망간 (Mn);
- 0.004 % 미만의 황 (S);
- 0.0005 내지 0.01 %의 납 (Pb);
- 0.005 내지 0.015 %의 인 (P);
- 0.3 내지 0.6 %의 티타늄 (Ti); 및/또는
- 0.001 내지 0.01 %의 안티몬 (Sb)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 응집된 용접 플럭스.
제1항 또는 제2항에 있어서, 2 내지 10 %의 규소 (Si), 10 내지 30 %의 마그네슘 또는 5 내지 15 %의 알루미늄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 응집된 용접 플럭스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 실리케이트 형태의 1 내지 2 %의 알칼리 금속 및/또는 20 내지 40 %의 알칼리-토금속 플루오라이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 응집된 용접 플럭스.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 원소 S, Sb, P 및 Pb의 중량에 의한 총량이,
(% S) + (% Sb) + (% P) + (% Pb) < 0.025 % 인 것을 특징으로 하는, 응집된 용접 플럭스.
- 0.05 내지 0.15 %의 탄소 (C);
- 0.4 내지 1.3 %의 망간 (Mn);
- 0.07 내지 0.20 %의 규소 (Si);
- 2 내지 2.8 %의 크롬 (Cr);
- 0.5 내지 1.2 %의 몰리브덴 (Mo);
- 0.01 내지 0.2 %의 니켈 (Ni);
- 0.001 내지 0.01 %의 황 (S);
- 0.001 내지 0.012 %의 인 (P);
- 1 내지 20 ppm의 안티몬 (Sb);
- 0.01 내지 3 ppm의 납 (Pb);
- 0.01 내지 3 ppm의 비스무스 (Bi);
- 0.10 내지 0.35 %의 바나듐 (V);
- 그리고, 그외에 철 (Fe)을 포함(와이어의 총 중량에 대해 표현됨)하는, 용접 와이어.
제6항에 있어서, 0.004 내지 0.035 %의 니오븀 (Nb), 1 내지 100 ppm의 주석 (Sn), 및/또는 1 내지 100 ppm의 비소 (As)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 용접 와이어.
하나 이상의 CrMoV강 작업편의 서브머지드(submerged)-아크 용접 방법으로서, 상기 하나 이상의 CrMoV강 작업편에 용접 접합부를 생성하기 위해 소모성 와이어 및 플럭스를 사용하며, 와이어는 제6항 또는 제7항에 따른 용접 와이어이고/이거나 플럭스는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 용접 플럭스인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
제8항에 있어서, 작업편이 2 내지 2.5 %의 Cr, 0.9 내지 1.1 %의 Mo, 0.25 내지 0.35 %의 V 및 철을 포함하는 CrMoV강인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
- 0.07 내지 0.13 %의 탄소 (C);
- 0.55 내지 1 %의 망간 (Mn);
- 0.09 내지 0.18 %의 규소 (Si);
- 2.2 내지 2.6 %의 크롬 (Cr);
- 0.7 내지 1.1 %의 몰리브덴 (Mo);
- 10 내지 100 ppm의 황 (S);
- 30 내지 100 ppm의 인 (P)
- 1 내지 20 ppm의 안티몬 (Sb);
- 0.01 내지 3 ppm의 납 (Pb);
- 0.01 내지 3 ppm의 비스무스 (Bi);
- 0.15 내지 0.3 %의 바나듐 (V);
- 1 내지 100 ppm의 주석 (Sn);
- 1 내지 100 ppm의 비소 (As);
- 그리고, 그외에 철 (Fe)을 포함(접합부의 중량에 의해 표현됨)하고,
접합부의 중량에 대해 ppm으로 표현된, 원소 P, S, As, Sn, Sb, Pb 및 Bi 각각의 중량에 의한 양은: RC지수 < 25 (여기서 RC지수 = 0.05 × (P) + 0.01 × (S) + 0.01 × (As) + 0.18 × (Sn) + 0.01 × (Sb) + 5 × (Pb) + 2 × (Bi) 임) 인 것을 특징으로 하는, 제8항 또는 제9항에 따른 용접 방법에 의해 생성될 수 있는 용접 접합부.
제10항에 있어서, 접합부의 중량에 대해 ppm으로 표현된, 원소 P, S, As, Sn, Sb, Pb 및 Bi 각각의 중량에 의한 양은: RC지수 < 20인 것을 특징으로 하는 용접 접합부.
제10항 또는 제11항에 있어서,
- 0.002 내지 0.01 %의 티타늄 (Ti);
- 0.015 내지 0.04 %의 산소 (O);
- 0.003 내지 0.015 %의 질소 (N);
- 0.005 내지 0.03 %의 니오븀 (Nb); 및
- 0.01 내지 0.2 %의 니켈 (Ni) 중 하나 이상의 원소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 접합부.
2 내지 2.5 %의 Cr, 0.9 내지 1.1 %의 Mo, 0.25 내지 0.35 %의 V 및 철을 포함하는 CrMoV강으로 제조되는 작업편으로서,
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 용접 접합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업편.
제13항에 있어서, 파이프, 평판(plate) 또는 단조품인 것을 특징으로 하는 작업편.
반응기 또는 탱크의 일부 또는 전체를 제조하기 위한, 제13항 또는 제14항에 따른 작업편의 용도.