KR20130082117A - 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스, 와이어, 용접 금속 및 용접 방법 - Google Patents

서브머지 아크 용접용 본드 플럭스, 와이어, 용접 금속 및 용접 방법 Download PDF

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Abstract

[과제] -60℃에서도 우수한 저온 인성을 갖는 용접 금속이 얻어지는 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스, 와이어, 용접 금속 및 용접 방법을 제공한다.
[해결수단] 질량%로, MgO: 25∼35%, Al2O3: 10∼20%, CaF2: 12∼22%, SiO2: 10∼20%, CaO: 10∼15%, 금속 탄산염: 3.0∼9.0%, 금속 Si: 0.6∼1.2%, 금속 Ti: 0.10∼0.80%, 금속 Ca: 0.15∼0.40%, 알칼리 금속의 산화물: 2.0∼5.0%, Al: 0.01% 이하, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]: 0.06∼0.17의 본드 플럭스와, C: 0.09∼0.15%, Mn: 1.0∼3.0%, Ni: 1.8∼3.5%, Mo: 0.4∼1.2%, N: 0.008% 이하, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, [Ni]/([Mn]+[Mo]): 0.4∼1.7인 와이어를 사용한다.

Description

서브머지 아크 용접용 본드 플럭스, 와이어, 용접 금속 및 용접 방법{BOND FLUX, WIRE, WELDING METAL AND WELDING METHOD FOR SUBMERGED ARC WELDING}
본 발명은, 서브머지 아크 용접에 사용되는 본드 플럭스, 와이어 및 이들에 의해서 형성되는 용접 금속 및 용접 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 해양 구조물이나 LPG(액화 석유 가스) 탱크 등의 저온 특성이 요구되는 용도에도 적합한 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스, 와이어, 용접 금속 및 용접 방법에 관한 것이다.
서브머지 아크 용접은, 대전류에서의 용접이 가능하고, 다른 용접 방법에 비하여, 용착 속도가 빠르고, 고능률이기 때문에, 주로, 선박, 교량, 보일러 및 압력 용기 등의 대형 강 구조물에 적용되고 있다. 이 서브머지 아크 용접에 사용되는 플럭스는, 용융 플럭스와 본드 플럭스의 2종류로 대별된다. 그리고, 이들 2종류 중 본드 플럭스는, 비교적 저온에서 제조되기 때문에, 탄산염이나 합금 성분 등 광범위한 재료를 첨가하는 것이 가능하고, 저산소로 고인성의 용접 금속을 형성할 수 있다(예컨대, 특허문헌 1, 2 참조).
예컨대, 특허문헌 1에 기재된 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스에서는, 2.5∼3.5% Ni강이나 소입열 용접이 강제되는 고장력강 등의 용접에 있어서, 양호한 작업성과 고인성인 용접 금속을 얻는 것을 목적으로 하여, 특정 조성의 본드 플럭스에, 50∼70질량%의 범위로 용융형 플럭스를 배합하고 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, 솔리드 와이어와 본드 플럭스를 조합시킨 서브머지 아크 용접으로 다층성(多層盛) 용접하는 것에 의해 형성되는 용접 금속에 있어서, 강도가 양호하고, 안정한 인성이 얻어지는 용접 금속 조성이 개시되어 있다.
또한, 종래, 석유 굴착용 해양 구조물, 운반용 선박, 라인 파이프 등의 구조물이나 LPG 운반용이나 저장용 탱크 등에 사용되는 저온용 강의 서브머지 아크 용접용 재료로서, 저온 인성이 우수한 용접 금속부가 얻어지는 본드 플럭스 및 와이어가 제안되어 있다(특허문헌 3 참조). 또한, -40∼-60℃ 정도의 저온에서도 양호한 인성을 갖는 용접 금속을 얻기 위해서, 미량으로 Al을 첨가한 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스도 제안되어 있다(특허문헌 4 참조).
일본 특허공개 1995-155986호 공보 일본 특허공개 2007-260696호 공보 일본 특허공개 1998-113791호 공보 일본 특허공개 2000-107885호 공보
그러나 전술한 종래의 기술에는, 이하에 나타내는 문제점이 있다. 예컨대, 특허문헌 2에 기재된 용접 금속은, -20℃ 정도의 온도 조건 하이면 우수한 인성이 얻어지지만, 최근, 보다 낮은 온도 조건 하에서 높은 인성을 가질 것이 요구되고 있다. 한편, 특허문헌 1에 기재된 본드 플럭스는, -100℃의 온도 조건 하에서 용접 금속의 인성을 평가하고 있고, 양호한 결과를 얻고 있지만, 이것은 Ni를 3.5질량% 정도 함유하는 와이어를 사용한 경우의 결과이며, 그와 같은 와이어를 사용하면, 제조 비용이 증가한다고 하는 문제점이 있다.
또, 특허문헌 3에 기재된 용접 재료는, 용접 후 열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment)를 전제로 한 것이고, 얻어지는 용접 금속의 기계적 강도, 특히 인장 강도가 780MPa보다도 낮다고 하는 문제점이 있다. 마찬가지로, 특허문헌 4에 기재된 본드 플럭스도, 대상으로 삼는 강판이 연강∼550MPa급 강 정도이기 때문에, 인장 강도가 780MPa 이상인 용접 금속은 얻어지지 않는다.
그래서, 본 발명은, -60℃에서도 우수한 저온 인성을 갖는 용접 금속이 얻어지는 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스, 와이어, 용접 금속 및 용접 방법을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명자는, 전술한 과제를 해결하기 위해, 용접 금속 γ 입경이 저온 인성에 미치는 영향에 대하여 검토를 했다. 그 결과, 용접에 이용하는 본드 플럭스 및/또는 와이어에 합금 성분을 특정량 첨가하는 것에 의해, 저온 특성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 것을 알아내어, 본 발명에 이르렀다. 한편, 전술한 특허문헌 1∼4에 기재된 기술에 있어서는, 용접 금속의 저온 인성과 γ 입경의 관계에 관해서는, 아무런 검토도 이루어져 있지 않다.
즉, 본 발명에 따른 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스는, MgO: 25∼35질량%, Al2O3: 10∼20질량%, CaF2: 12∼22질량%, SiO2: 10∼20질량%, CaO: 10∼15질량%, 금속 탄산염(CO2 환산치): 3.0∼9.0질량%, 금속 Si: 0.6∼1.2질량%, 금속 Ti: 0.10∼0.80질량%, 금속 Ca: 0.15∼0.40질량%, 및 Na, K 및 Li으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리 금속의 산화물(Na, K 및 Li을 각각 Na2O, K2O 및 Li2O로 환산한 값의 합계): 2.0∼5.0질량%를 함유함과 더불어, Al: 0.01질량% 이하로 규제된 조성을 갖고, 금속 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], 금속 Ca의 함유량(질량%)을 [Ca], 금속 Si의 함유량(질량%)을 [Si], SiO2의 함유량(질량%)을 [SiO2]로 했을 때, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]가 0.06∼0.17인 것이다.
또한, 본 발명에 따른 서브머지 아크 용접용 와이어는, 서브머지 아크 용접에 있어서 본드 플럭스와 조합하여 사용되는 용접용 와이어로서, C: 0.09∼0.15질량%, Mn: 1.0∼3.0질량%, Ni: 1.8∼3.5질량% 및 Mo: 0.4∼1.2질량%를 함유함과 더불어, N: 0.008질량% 이하로 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, Ni의 함유량(질량%)을 [Ni], Mn의 함유량(질량%)을 [Mn], Mo의 함유량(질량%)을 [Mo]로 했을 때, [Ni]/([Mn]+[Mo])가 0.4∼1.7인 것이다.
또한, 본 발명에 따른 용접 금속은, 전술한 본드 플럭스와, 와이어를 사용한 서브머지 아크 용접에 의해 형성되고, Ti 함유량이 0.005∼0.020질량%, Si 함유량이 0.10∼0.30질량%이며, 또한 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], O의 함유량(질량%)을 [O]로 했을 때, [Ti]/[O]가 0.25∼0.55인 것이다.
한편, 본 발명에 따른 서브머지 아크 용접용 방법은, MgO: 25∼35질량%, Al2O3: 10∼20질량%, CaF2: 12∼22질량%, SiO2: 10∼20질량%, CaO: 10∼15질량%, 금속 탄산염(CO2 환산치): 3.0∼9.0질량%, 금속 Si: 0.6∼1.2질량%, 금속 Ti: 0.10∼0.80질량%, 금속 Ca: 0.15∼0.40질량%, 및 Na, K 및 Li으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리 금속의 산화물(Na, K 및 Li을 각각 Na2O, K2O 및 Li2O로 환산한 값의 합계): 2.0∼5.0질량%를 함유함과 더불어, Al: 0.01질량% 이하로 규제되고, 또한 금속 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], 금속 Ca의 함유량(질량%)을 [Ca], 금속 Si의 함유량(질량%)을 [Si], SiO2의 함유량(질량%)을 [SiO2]로 했을 때, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]가 0.06∼0.17인 본드 플럭스와, C: 0.09∼0.15질량%, Mn: 1.0∼3.0질량%, Ni: 1.8∼3.5질량% 및 Mo: 0.4∼1.2질량%를 함유함과 더불어, N: 0.008질량% 이하로 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, Ni의 함유량(질량%)을 [Ni], Mn의 함유량(질량%)을 [Mn], Mo의 함유량(질량%)을 [Mo]로 했을 때, [Ni]/([Mn]+[Mo])가 0.4∼1.7인 와이어를 이용하여 서브머지 아크 용접하여, Ti 함유량이 0.005∼0.020질량%, Si 함유량이 0.10∼0.30질량%이며, 또한 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], O의 함유량(질량%)을 [O]로 했을 때, [Ti]/[O]가 0.25∼0.55인 용접 금속을 얻는다.
본 발명에 의하면, 서브머지 아크 용접에 사용되는 본드 플럭스 및/ 또는 와이어의 성분 조성을 특정한 범위로 하고 있기 때문에, 저온 인성이 향상되어, -60℃에서도 우수한 인성을 갖는 용접 금속이 얻어진다.
도 1은 횡축에 본드 플럭스의 SiO2의 함유량([SiO2])을 취하고, 종축에 Ti, Ca 및 Si의 총 함유량([Ti]+[Ca]+[Si])을 취하여, 이들의 비(([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2])가 용접 금속 성능에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
도 2는 횡축에 와이어의 Mn 및 Mo의 총 함유량([Mn]+[Mo])을 취하고, 종축에 Ni 함유량([Ni])을 취하여, 이들의 비([Ni]/([Mn]+[Mo]))가 용접 금속 성능에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
도 3은 횡축에 용접 금속의 Ti 함유량([Ti])을 취하고, 종축에 -60℃에서의 흡수 에너지와 고온에서의 입경을 취하여, [Ti]/[O]가 용접 금속의 저온 인성과 γ 입경에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 구체적으로 설명한다. 한편, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것이 아니다.
(제 1 실시형태)
우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 본드 플럭스에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 본드 플럭스는, 서브머지 아크 용접에 사용되는 것으로, 그 조성은, MgO, Al2O3, CaF2, SiO2, CaO, 금속 탄산염, 금속 Si, 금속 Ti, 금속 Ca, 및 Na, K 및 Li로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리 금속의 산화물을 특정량 함유함과 더불어, Al 함유량이 규제된 성분 조성으로 되어있다.
또, 본 실시형태의 본드 플럭스에서는, 금속 Ti, 금속 Ca 및 금속 Si의 총 함유량([Ti]+[Ca]+[Si])과, SiO2 함유량([SiO2])의 비가 특정한 범위가 되도록 각 성분량이 조정되어 있다.
[MgO: 25∼35질량%]
Mg0는, 플럭스의 염기도를 높임과 더불어, 탈산소제로서 용접 금속 중의 산소를 억제하는 작용이 있다. 이것 때문에, 플럭스에 Mg0를 첨가하는 것에 의해 용접 금속의 산소량을 저감할 수 있고, 또한, 슬래그의 내화성도 향상된다. 단, Mg0의 함유량이 플럭스 전체 질량의 25질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, 35질량%를 초과하면, 슬래그 박리나 비드 외관의 열화가 생긴다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, MgO 함유량은 25∼35질량%로 한다.
[Al2O3: 10∼20질량%]
Al2O3는, 슬래그 형성제로서 작용하여, 비드의 슬래그 박리성을 확보하는 효과가 있다. 또한, Al2O3에는 아크의 집중성 및 안정성을 향상시키는 효과도 있다. 단, Al2O3의 함유량이 플럭스 전체 질량의 10질량% 미만인 경우, 슬래그 박리성이 저하됨과 더불어, 아크가 불안정해져 용접이 곤란하게 된다. 한편, Al2O3의 함유량이 20질량%를 초과하면, 용접 금속 중의 산소량이 증가하여, 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, Al2O3 함유량은 10∼20질량%로 한다.
[CaF2: 12∼22질량%]
CaF2에는, 일반적으로 알려져 있는 생성 슬래그의 융점을 조정한다고 하는 효과와 함께, 용융 금속 중의 산소를 저감시키는 효과가 있다. 단, CaF2의 함유량이 플럭스 전체 질량의 12질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않는다. 또한, CaF2의 함유량이 22질량%를 초과하면, 아크가 불안정해져, 비드 외관이 열화되어, 비드 상에 포크 마크(pock mark)가 발생하는 경우도 있다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, CaF2 함유량은 12∼22질량%로 한다.
[SiO2: 10∼20질량%]
SiO2는 슬래그 형성제로서, 비드 외관 및 비드 형상을 정돈하는 효과가 있다. 단, SiO2의 함유량이 플럭스 전체 질량의 10질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않는다. 또한, SiO2의 함유량이 20질량%를 초과하면, 용접 금속 중의 산소량이 증가하여, 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, SiO2 함유량은 10∼20질량%로 한다.
[CaO: 10∼15질량%]
CaO는, 플럭스의 염기도를 높여, 용접 금속 중의 산소량을 저감하는 효과가 있다. 단, CaO의 함유량이 플럭스 전체 질량의 10질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, 15질량%를 초과하면, 아크 안정성이 저하됨과 더불어 비드 외관이 열화된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, CaO 함유량은 10∼15질량%로 한다.
[금속 탄산염(CO2 환산치): 3.0∼9.0질량%]
금속 탄산염은, 용접열에 의해 가스화하여, 아크 분위기 중의 수증기 분압을 낮추어, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저하시키는 아크의 실드 효과를 갖는다. 단, 금속 탄산염의 함유량이 플럭스 전체 질량의 3.0질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, 9.0질량%를 초과하면, 슬래그 박리성이 저하되어, 비드 상에 포크 마크가 발생하는 경우가 있어, 작업성이 불량하게 된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, 금속 탄산염 함유량은 3.0∼9.0질량%로 한다.
한편, 여기서 규정하는 「금속 탄산염 함유량」은, 플럭스에 함유되는 금속 탄산염의 총량을 CO2로 환산한 값이다. 또한, 본 실시형태의 본드 플럭스에 첨가되는 금속 탄산염으로서는, 예컨대 CaCO3나 BaCO3 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것이 아니라, 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 단, 알칼리 금속 탄산염은 제외한다. 또한, 금속 탄산염은, 1종만 첨가할 수도 있지만, 복수종을 조합시켜 첨가할 수도 있다.
[금속 Si: 0.6∼1.2질량%]
금속 Si는, 용접 금속 중의 산소량을 억제하는 탈산 효과를 갖고, 예컨대 Fe-Si나 Fe-Si-Mn 합금 등의 형태로 첨가된다. 단, 금속 Si의 함유량이 플럭스 전체 질량의 0.6질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 금속 Si를 1.2질량%를 넘게 첨가하더라도, 탈산소 효과는 향상되지 않고, 용접 금속의 비드 형상이 열화됨과 더불어, 용접 금속의 강도가 과대해져, 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, 금속 Si 함유량은 0.6∼1.2질량%로 한다.
[금속 Ti: 0.10∼0.80질량%]
금속 Ti는, 주로 산화물로서 용접 금속 중에 존재하여, 용접 금속의 γ 입경을 제어하여 조직을 미세화시켜, 인성을 향상시키는 효과가 있다. 단, 금속 Ti의 함유량이 플럭스 전체 질량의 0.10질량% 미만인 경우, 용접 금속 중의 개재물이 Si-Mn계로 되어, 조직의 미세화에 의하는 인성 향상의 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 0.80질량%를 넘게 금속 Ti를 첨가하면, 용접 금속에 있어서 Ti2O3 등의 대형의 산화물이 석출하여, 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, 금속 Ti 함유량은 0.10∼0.80질량%로 한다. 한편, 금속 Ti는, 예컨대 Fe-Ti 합금 등의 형태로 첨가할 수 있다.
[금속 Ca: 0.15∼0.40질량%]
금속 Ca는, 용접 금속 중의 산소량을 저감하는 효과가 있고, 용접 금속의 인성 향상에 유효한 성분이다. 단, 금속 Ca의 함유량이 플럭스 전체 질량의 0.15질량% 미만인 경우, 전술한 산소 저감 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 금속 Ca 함유량이 0.40질량%를 초과하면, 플럭스를 제조할 때에 발열 반응이 생겨, 제조가 곤란하게 되거나, 비드의 소부(燒付)가 발생하여, 비드 외관이 열화되거나 한다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, 금속 Ca 함유량은 0.15∼0.40질량%로 한다.
여기서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 첨가되는 금속 Ca는, 예컨대 Ca-Si 등의 형태로 첨가할 수 있다. 또한, 첨가하는 금속 Ca는, 1종만이라도 좋지만, 복수종을 조합하여 첨가할 수도 있다. 그 경우, 금속 Ca의 총량을 전술한 범위 내로 한다. 한편, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, 금속 Ca의 일부 또는 전부를 희토류 원소로 치환하더라도 좋다.
[알칼리 금속의 산화물: 합계로 2.0∼5.0질량%]
알칼리 금속인 Na, K 및 Li의 산화물은 아크를 안정시키는 효과가 있다. 단, 이들의 총 함유량이 2.0질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, 50질량%를 넘게 첨가하더라도, 탈산소 효과는 향상되지 않고, 용접 금속의 용접 금속의 강도가 과대해져 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, 알칼리 금속의 산화물의 함유량은 2.0∼5.0질량%로 한다. 한편, 여기서 규정하는 「알칼리 금속 산화물의 함유량」은, Na, K 및 Li의 함유량을, 각각 Na2O, K2O 및 Li2O로 환산한 값의 합계를 말한다.
[Al: 0.01질량% 이하]
Al은, 금속 Ti에 의해 조직 미세화 효과를 억제하여, 용접 금속의 인성을 저하시킨다. 따라서, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서는, Al 함유량을 0.01질량% 이하로 규제한다. 한편, 여기서 규정하는 「Al」은, 금속 Al 또는 Al 합금에서 유래하는 것이고, Al 산화물 등에서 유래하는 것은 포함하지 않는다.
[(금속 Ti+금속 Ca+금속 Si)/SiO2: 0.06∼0.17]
용접 금속의 파괴 인성 향상과, 양호한 용접 작업성의 확보는, 전술한 각 성분 조성에 의해 어느 정도 달성할 수 있지만, 추가로, 금속 Ti, 금속 Ca 및 금속 Si의 총 함유량(질량%)과 SiO2 함유량(질량%)의 비, 즉, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]를 0.06∼0.17의 범위로 하는 것에 의해, 용접 금속의 저온 인성도 향상시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본드 플럭스의 Ti, 금속 Ca 및 Si의 총 함유량([Ti]+[Ca]+[Si])과 SiO2의 함유량([SiO2])의 비가 용접 금속 성능에 미치는 영향을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]가 0.06 미만인 경우, 용접 금속의 산소량이 증가하여 조대한 조직이 형성되기 때문에, 저온 인성이 저하된다.
또, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]가 0.17을 초과하면, 슬래그 박리성이나 비드 형상 등의 용접 작업성이 열화됨과 더불어, 용접 금속의 강도가 과대해져, 저온 인성이 저하된다. 한편, 본 실시형태의 본드 플럭스에 있어서의 ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]의 바람직한 범위는 0.09∼0.14이며, 이 범위로 하는 것에 의해, 용접 금속의 저온 인성과 용접 작업성을 더욱 향상시킬 수 있다.
[잔부]
한편, 본 실시형태의 본드 플럭스에는, 전술한 각 성분 이외에, 예컨대 Fe, P, S 및 Fe2O3 등이 함유되어 있더라도 좋다.
이와 같이, 본 실시형태의 본드 플럭스에서는, 각 성분의 함유량, 특히, 용접 금속의 조직 미세화 효과가 있는 Ti 함유량을 특정한 범위로 하고, 또한, 금속 Ti, 금속 Ca 및 금속 Si의 총 함유량과 SiO2 함유량의 비를, 저온 인성 향상 효과가 있는 범위로 하고 있기 때문에, 용접 작업성이 양호하고, -60℃에서도 우수한 저온 인성을 갖는 용접 금속이 얻어진다.
(제 2 실시형태)
다음으로 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 용접용 와이어에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 용접용 와이어는, 서브머지 아크 용접에 있어서, 전술한 제 1 실시형태의 본드 플럭스와 조합하여 사용되는 것으로, 그 조성은, C, Mn, Ni 및 Mo를 특정량 함유함과 더불어, N 함유량이 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이다. 또한, 본 실시형태의 와이어에서는, Ni 함유량([Ni])과, Mn 및 Mo의 총 함유량([Mn]+[Mo])의 비가, 특정한 범위가 되도록 각 성분량이 조정되어 있다.
[C: 0.09∼0.15질량%]
C는, 탈산 원소로서 작용함과 더불어, 용접 금속의 강도 확보에 유효한 원소이지만, 용접 금속의 저온 인성을 양호하게 하기 위해서는, 그 함유량을 낮게 억제할 필요가 있다. 구체적으로는, C 함유량이 와이어 전체 질량당 0.15질량%를 초과하면, 저온 인성이 양호한 용접 금속이 얻어지지 않는다. 또한, C 함유량이 0.09질량% 미만인 경우, 탈산소 부족이 되어, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 용접용 와이어에서는, C 함유량은 0.09∼0.15질량%로 한다.
[Mn: 1.0∼3.0질량%]
Mn은, 용접 금속의 담금질성을 확보하여, 입내 페라이트의 변태핵을 생성하기 위해서 필요한 원소이다. 단, Mn의 함유량이 와이어 전체 질량의 1.0질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, Mn 함유량이 3.0질량%를 초과하면, 용접 금속의 담금질성이 과대해져, 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 용접용 와이어에 있어서는, Mn 함유량은 1.0∼3.0질량%로 한다.
[Ni: 1.8∼3.5질량%]
Ni은, 용접 금속의 매트릭스에 고용하여, 페라이트 그 자체를 고인화(高靭化)하는 효과가 있다. 단, Ni의 함유량이 와이어 전체 질량의 1.8질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, Ni 함유량이 3.5질량%를 초과하면, 용접 금속 중의 P나 S가 입계에 석출하여, 고온 균열이 생기기 쉽게 된다. 따라서, 본 실시형태의 용접용 와이어에서는, Ni 함유량은 1.8∼3.5질량%로 한다.
[Mo: 0.4∼1.2질량%]
Mo는, 용접 금속의 담금질성을 확보하는 효과가 있다. 단, Mo의 함유량이 와이어 전체 질량의 0.4질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또한, Mo 함유량이 1.2질량%를 초과하면, 용접 금속의 담금질성이 과대해져, 인성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 용접용 와이어에 있어서는, Mo 함유량은 0.4∼1.2질량%로 한다.
[N: 0.008질량% 이하]
N은, 용접 금속의 인성을 저하시키는 원소이기 때문에, 그 함유량은 될 수 있는 한 낮은 것이 바람직하다. 그래서, 본 실시형태의 용접용 와이어에서는, N 함유량을 와이어 전체 질량당 0.008질량% 이하로 규제한다. 이것에 의해, 저온 인성이 양호한 용접 금속을 형성할 수 있다.
[Ni/(Mn+Mo): 0.4∼1.7]
용접용 와이어를 전술한 각 성분 조성으로 하는 것에 의해, 용접 금속의 저온 인성과 내고온균열성을 어느 정도 향상시킬 수 있지만, 또한, Ni 함유량(질량%)과, Mn 및 Mo의 총 함유량(질량%)의 비, 즉, [Ni]/([Mn]+[Mo])를 0.4∼1.7의 범위로 하는 것에 의해, 저온 인성 및 내고온균열성의 양방이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있다.
도 2는 와이어의 Ni 함유량([Ni])과, Mn 및 Mo의 총 함유량([Mn]+[Mo])의 비가, 용접 금속 성능에 미치는 영향을 나타내는 도면이다. 도 2를 나타낸 바와 같이, [Ni]/([Mn]+[Mo])이 0.4 미만인 경우, 용접 금속의 담금질성이 과대해져, 저온 인성이 저하된다. 또한, [Ni]/([Mn]+[Mo]) 1.7을 초과하면, 용접 금속에 고온 균열이 발생하기 쉽게 된다. 한편, 본 실시형태의 용접용 와이어에 있어서의 [Ni]/([Mn]+[Mo])의 바람직한 범위는 0.7∼1.3이며, 이 범위로 하는 것에 의해, 용접 금속의 저온 인성 및 내고온균열성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 용접용 와이어에서는, 각 성분의 함유량을 특정한 범위로 하고, 또한, Ni 함유량과 Mn 및 Mo의 총 함유량의 비를, 저온 인성 향상 효과가 있는 범위로 하고 있기 때문에, 고강도이고, 또한 -60℃에서도 우수한 저온 인성을 갖는 용접 금속이 얻어진다.
(제 3 실시형태)
다음으로 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 서브머지 아크 용접 방법(이하, 간단히 용접 방법이라고도 한다.)에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 용접 방법에서는, 전술한 제 1 실시형태의 본드 플럭스와, 제 2 실시형태의 와이어를 사용하여, 저온용 강 등을 서브머지 아크 용접한다. 그 때의 용접 조건은 특별히 한정되지 않고, 모재의 종류 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.
그리고, 본 실시형태의 용접 방법에 의해 얻어지는 용접 금속은, Ti 함유량이 0.005∼0.020질량%, Si 함유량이 0.10∼0.30질량%이며, 또한 Ti 함유량([Ti])과 O 함유량([O])의 비([Ti]/[O])가 0.25∼0.55로 되어있다.
[Ti: 0.005∼0.020질량%]
용접 금속의 Ti 함유량이 0.005질량% 미만인 경우, 입내 애시큘러(acicular) 페라이트 변태핵의 생성 효과 및 초석(初析) 페라이트의 억제 효과가 얻어지지 않고, 인성이 저하된다. 또한, 0.020질량%를 넘게 Ti를 함유하는 용접 금속은, 담금질성이 과대해져, 대형 산화물이 생성되어, 인성이 저하된다. 한편, 용접 금속의 Ti 함유량을 0.005∼0.020질량%로 하는 것에 의해, 인성을 양호하게 할 수 있다.
[Si: 0.10∼0.30질량%]
용접 금속의 Si 함유량이 0.10질량% 미만인 경우, 입내 애시큘러 페라이트의 변태핵의 생성이 억제되어, 인성이 저하된다. 또한, 0.30질량%를 넘게 Si를 함유하는 용접 금속에서는, 조대한 라스상 베이나이트가 생성되어, 인성이 저하된다. 한편, 용접 금속의 Si 함유량을 0.10∼0.30질량%로 하는 것에 의해, 양호한 인성이 얻어진다.
[Ti/O: 0.25∼0.55]
도 3은 Ti 함유량과 O 함유량의 비가 용접 금속의 저온 인성과 γ 입경에 미치는 영향을 나타내는 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, Ti 함유량(질량%)과 O 함유량(질량%)의 비, 즉, [Ti]/[O]가 0.25 미만인 용접 금속에서는, 탈산 부족이 되어, 조대한 초석 페라이트가 생성되어, 인성이 저하된다. 또한, [Ti]/[O]가 0.55를 넘는 용접 금속에서는, 조대한 라스상 베이나이트가 생성되어, 인성이 저하된다. 한편, [Ti]/[O]가 0.25∼0.55의 범위인 용접 금속에서는 양호한 인성이 얻어진다.
이와 같이, 본 실시형태의 용접 방법에서는, 전술한 제 1 실시형태의 본드 플럭스와, 제 2 실시형태의 용접용 와이어를 조합하여 사용하고 있기 때문에, 강도 및 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어진다. 구체적으로는, 0.2% 내력이 690MPa 이상, 인장 강도가 780MPa 이상, -60℃에서 샤르피 충격 시험을 행했을 때의 흡수 에너지가 평균으로 69J 이상인 용접 금속을 실현할 수 있다. 이 용접 방법은, 해양 구조물이나 LPG(액화 석유 가스) 탱크 등과 같이, 저온 특성, 특히 저온 인성이 요구되는 용도에 적합하다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어 본 발명의 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 조성을 바꿔 복수의 본드 플럭스 및 와이어를 제작하고, 그들을 사용하여 서브머지 아크 용접했을 때의 용접 작업성 및 형성되는 용접 금속의 기계적 특성 등을 평가했다.
본 실시예에 있어서는, 우선, 하기 표 1에 나타내는 조성의 6종류(W1∼W6)의 와이어를 제작했다. 여기서, 하기 표 1에 나타내는 W1∼W3의 와이어는 청구항 2의 범위 내에서 제작한 것이고, W4∼W6은 청구항 2의 범위로부터 벗어나는 것이다. 또한, 각 와이어의 직경은 어느 것이나 4.0mm로 했다.
Figure pat00001
다음으로 하기 표 2에 나타내는 조성의 15종류(F1∼F15)의 본드 플럭스를 제작했다. 이들 본드 플럭스는, 물유리를 고착재로 하여 원료 가루를 조립(造粒)한 후, 각각 500℃에서 소성하여, 10∼48메쉬의 입도로 정립(整粒)했다. 한편, 하기 표 2에 나타내는 F1∼F5의 본드 플럭스는 청구항 1의 범위 내에서 제작한 것이고, F6∼F15는 청구항 1의 범위로부터 벗어나는 것이다.
Figure pat00002
<전(全) 용착 금속 용접 시험>
상기 표 1에 나타내는 와이어와, 상기 표 2에 나타내는 본드 플럭스를 조합하여, 하기 표 3에 나타내는 강판(JIS G3128 SHY685N/판 두께 25mm)을 서브머지 아크 용접했다. 그 때, 개선(開先) 형상은 30°의 V 개선, 루트 갭은 13mm로 하고, 이당금(裏當金)을 사용했다. 또한, 용접 자세는 하향, 용접 조건은 전류: 550A, 전압: 30V, 속도 40cm/분, 용접 입열: 2.5kJ/mm로 했다. 또한, 적층수는 7층 15패스, 예열·패스간 온도는 140∼160℃로 했다.
Figure pat00003
[평가 방법]
(a) 용접 금속의 조성
JIS G1253 및 JIS Z2613에 근거하여, 용접 금속 중앙이고 판 두께 중앙인 부분을 화학 성분 분석했다.
(b) 기계적 특성
JIS Z3111에 준거하는 방법으로, 용접 금속 중앙이고 판 두께 중앙인 부분으로부터 채취한 A1호 시험편을 사용하여, 실온(20∼23℃)에서 인장 시험을 행하고, 「0.2% 내력」 및 「인장 강도」를 구했다. 그 결과, 0.2% 내력(항복 강도)은 690MPa 이상, 인장 강도는 780MPa 이상인 것을, 각각 합격으로 했다.
또, JIS Z3111에 준거하는 방법으로, 용접 금속 중앙이고 판 두께 중앙인 부분으로부터 채취한 V-notch 시험편을 사용하여, -60℃의 온도 조건에서 충격 시험을 행했다. 그 결과, -60℃에서의 흡수 에너지(평균치)가 69J 이상인 것을 합격으로 했다.
(c) γ 입경
고온 레이저 현미경에 의해 용접 금속을 관찰했다. 시험 온도는, 1200∼1300℃로 했다.
(d) 용접 작업성
용접 작업성은, 전 용착 금속 시험시에, 슬래그 박리성, 비드 외관, 포크 마크, 비드의 소부 및 확산 수소량의 각 항목에 대하여 평가했다. 그리고, 「슬래그 박리성」의 평가는, 7층 15패스의 용접에 있어서, 각 패스에서 슬래그가 자연스럽게 박리한 것을 ○로 하고, 슬래그를 강철끌 또는 에어 해머로 제거하지 않으면 박리하지 않은 것을 ×로 했다. 또한, 「비드 외관」의 평가는, 비드의 폭이 거의 일정하고, 모재와의 짝 이룸이 양호했던 것을 ○, 비드의 폭이 변동하고, 모재와의 짝 이룸이 불량이었던 것을 ×로 했다.
「포크 마크」의 평가는, 비드 표면에 포크 마크가 없던 것을 ○, 하나라도 있는 경우는 ×로 했다. 또한, 「비드의 소부」의 평가는, 비드 표면에 슬래그의 잔류가 없는 것을 ○로 하고, 슬래그의 잔류가 보이는 것을 ×로 했다. 이 평가에서는, 전술한 슬래그 박리성이 ○인 경우에도, 얼마 안되더라도 비드 표면에 슬래그가 잔류하고 있었던 것은 ×로 했다. 한편, 확산 수소량은, AWS A4.3에 준거하여, 가스 크로마토그래피법에 의해 측정했다.
<내고온균열 성능>
상기 표 1에 나타내는 와이어와, 상기 표 2에 나타내는 본드 플럭스를 조합하여, 상기 표 3에 나타내는 강판(JIS G3128 SHY685N/판 두께 25mm)을 서브머지 아크 용접했다. 그 때, 개선 형상을 30°의 V 개선으로 하고, 루트 페이스를 10mm, 루트 갭을 3.0mm로 했다. 또한, 용접 자세는 하향, 용접 조건은, 전류: 600A, 전압: 32V, 속도: 40cm/분으로 했다. 또한, 적층수는 1층 1패스, 예열 온도는 실온(20∼30℃)으로 하고, 반복 회수는 2회로 했다.
[평가 방법]
내고온균열 성능은, 형성된 용접 금속에 대하여, 구속 버트(butt) 용접 균열성 시험을 행하여, 내균열율에 의해 평가했다. 「내균열율」은, 파단한 비드의 비드 길이에 대한 균열의 길이의 비율로 하여, 10% 이하를 합격(크레이터 균열을 포함한다)으로 했다.
이들의 평가 결과를, 하기 표 4 및 표 5에 정리하여 나타낸다. 한편, 하기 표 4에 나타내는 용접 금속 조성에 있어서, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.
Figure pat00004
Figure pat00005
표 4 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 청구항 1의 범위 내에서 제작한 본드 플럭스 F1∼F5를 사용하여 용접한 경우, 양호한 용접 작업성이 얻어졌다. 또한, 이들에 의해 형성된 T1∼T7의 용접 금속은, 어느 것이나 0.2% 내력(항복 강도)이 690MPa 이상, 인장 강도가 780MPa 이상, -60℃에서의 흡수 에너지(평균치)가 69J 이상으로, 기계적 특성이 우수했다. 특히, F1∼F5의 본드 플럭스와, 청구항 2의 범위 내에서 제작한 W1∼W3의 와이어를 조합하여 사용한 T1∼T5의 용접 금속은, 저온 인성이 우수했다.
이에 대하여, 청구항 1의 범위로부터 벗어나는 본드 플럭스 F6∼F15를 사용하여 용접하여 형성된 T8∼T18의 용접 금속은, 기계적 특성이 뒤떨어지고, 용접 작업성도 불량했다. 특히, 티타늄 함유량과 산소 함유량의 비([Ti]/[O])가 0.25∼0.55의 범위로부터 벗어나는 T10∼T12, T14, T15 및 T17의 용접 금속은 저온 인성이 뒤떨어지고 있었다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 저온 인성이 향상되어, -60℃에서도 우수한 인성을 갖는 용접 금속이 얻어진다는 것이 확인되었다.

Claims (4)

  1. MgO: 25∼35질량%,
    Al2O3: 10∼20질량%,
    CaF2: 12∼22질량%,
    SiO2: 10∼20질량%,
    CaO: 10∼15질량%,
    금속 탄산염(CO2 환산치): 3.0∼9.0질량%,
    금속 Si: 0.6∼1.2질량%,
    금속 Ti: 0.10∼0.80질량%,
    금속 Ca: 0.15∼0.40질량%,
    Na, K 및 Li로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리 금속의 산화물(Na, K 및 Li를 각각 Na2O, K2O 및 Li2O에 환산한 값의 합계): 2.0∼5.0질량%를 함유함과 더불어,
    Al: 0.01질량% 이하로 규제되고,
    또한, 금속 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], 금속 Ca의 함유량(질량%)을 [Ca], 금속 Si의 함유량(질량%)을 [Si], SiO2의 함유량(질량%)을 [SiO2]로 했을 때, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]가 0.06∼0.17인 서브머지 아크 용접용 본드 플럭스.
  2. 서브머지 아크 용접에 있어서, 제 1 항에 기재된 본드 플럭스와 조합하여 사용되는 용접용 와이어로서,
    C: 0.09∼0.15질량%, Mn: 1.0∼3.0질량%, Ni: 1.8∼3.5질량%, Mo: 0.4∼1.2질량%를 함유함과 더불어,
    N: 0.008질량% 이하로 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, Ni의 함유량(질량%)을 [Ni], Mn의 함유량(질량%)을 [Mn], Mo의 함유량(질량%)을 [Mo]로 했을 때, [Ni]/([Mn]+[Mo])가 0.4∼1.7인 서브머지 아크 용접용 와이어.
  3. 제 1 항에 기재된 본드 플럭스와, 제 2 항에 기재된 와이어를 사용한 서브머지 아크 용접에 의해 형성되고,
    Ti 함유량이 0.005∼0.020질량%, Si 함유량이 0.10∼0.30질량%이며, 또한 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], O의 함유량(질량%)을 [O]로 했을 때, [Ti]/[O]가 0.25∼0.55인 용접 금속.
  4. MgO: 25∼35질량%, Al2O3: 10∼20질량%, CaF2: 12∼22질량%, SiO2: 10∼20질량%, CaO: 10∼15질량%, 금속 탄산염(CO2 환산치): 3.0∼9.0질량%, 금속 Si: 0.6∼1.2질량%, 금속 Ti: 0.10∼0.80질량%, 금속 Ca: 0.15∼0.40질량%, Na, K 및 Li로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리 금속의 산화물(Na, K 및 Li를 각각 Na2O, K2O 및 Li2O로 환산한 값의 합계): 2.0∼5.0질량%를 함유함과 더불어, Al: 0.01질량% 이하로 규제되고, 또한, 금속 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], 금속 Ca의 함유량(질량%)을 [Ca], 금속 Si의 함유량(질량%)을 [Si], SiO2의 함유량(질량%)을 [SiO2]로 했을 때, ([Ti]+[Ca]+[Si])/[SiO2]가 0.06∼0.17인 본드 플럭스와,
    C: 0.09∼0.15질량%, Mn: 1.0∼3.0질량%, Ni: 1.8∼3.5질량%, Mo: 0.4∼1.2질량%를 함유함과 더불어, N: 0.008질량% 이하로 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, Ni의 함유량(질량%)을 [Ni], Mn의 함유량(질량%)을 [Mn], Mo의 함유량(질량%)을 [Mo]로 했을 때, [Ni]/([Mn]+[Mo])가 0.4∼1.7인 와이어를 이용하여 서브머지 아크 용접하여,
    Ti 함유량이 0.005∼0.020질량%, Si 함유량이 0.10∼0.30질량%이며, 또한 Ti의 함유량(질량%)을 [Ti], O의 함유량(질량%)을 [O]로 했을 때, [Ti]/[O]가 0.25∼0.55인 용접 금속을 얻는 서브머지 아크 용접 방법.
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