KR20140010107A

KR20140010107A - 니켈 함량이 높은 강철의 용접용 플럭스-코어드 와이어

Info

Publication number: KR20140010107A
Application number: KR1020137025514A
Authority: KR
Inventors: 코린 쇼베; 올리비에 뒤베; 갈랑 엘로디 모엥
Original assignee: 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드; 에어 리키드 웰딩 프랑스
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2014-01-23
Also published as: KR101910216B1; EP2694243B1; CN103476538B; FR2973727A1; CN103476538A; BR112013025900B1; BR112013025900A2; WO2012136900A1; EP2694243A1

Abstract

C-Mn 강철로 된 외피와, 95 중량% 이상의 금속 분말 및/또는 응집체를 함유하는 충전 플럭스를 포함하는 플럭스-코어드 와이어로서, 상기 플럭스는 와이어의 8% 내지 25 중량%를 구성한다. 플럭스-코어드 와이어는 그의 총 중량을 기준으로 하여 8% 내지 17 중량%의 Ni, 0.05% 내지 0.35 중량%의 Si, 0.3% 내지 0.85 중량%의 Mn, 0.001% 내지 0.055 중량%의 C, 450 ppm 미만의 산소, 0.5% 미만의 불소 및 철을 포함하고, CaF₂를 전혀 함유하지 않는다. 본 발명은 또한 TIG 아크, FCAW 아크, 플라즈마 또는 하이브리드 레이저/FCAW 아크 용접 방법으로부터 선택되는 것으로서, 본 발명의 플럭스-코어드 와이어를 용융시키는 것인 용접 방법에 관한 것이다.

Description

니켈 함량이 높은 강철의 용접용 플럭스-코어드 와이어 {FLUX-CORED WIRE FOR WELDING STEEL HAVING A HIGH NICKEL CONTENT}

본 발명은 니켈을 함유하는 강철, 특히 9% (중량%)의 니켈을 함유하는 강철을 용접하기 위한 플럭스-코어드 와이어, 상기 플럭스-코어드 와이어를 사용하는 아크 용접 방법 및 상기 플럭스-코어드 와이어를 용융시켜 얻어지는 용접부에 관한 것이다.

통상 "9% Ni 강철”이라 불리우는 9%의 니켈을 함유하는 강철은 우수한 저온 인성 특성을 갖는 재료이다. 사실, 이러한 종류의 강철은 연성/취성 전이점을 갖지 않으므로, 액체 질소의 온도, 즉, -196 ℃에서 사용될 수 있다.

따라서, 그의 사용 분야는 액화 천연 가스 (-163°C)의 저장 및 관을 통한 그의 수송이다.

보다 구체적으로, 이들 9% Ni 수송관의 용도는 다음과 같다:

- LNG 또는 액화 천연가스 터미날의 온쇼어 (onshore) 로딩 및 언로딩 라인,

- LNG 터미널의 로딩 또는 언로딩을 위한 오프쇼어 또는 온쇼어 파이프-인-파이프 라인 (pipe-in-pipe line)의 내부 수송관,

- 파이프-인-파이프 라인의 외측관, 및

- 오프쇼어 LNG 탱크용 구조관.

세계적으로 에너지 수요 증가에 직면하여, 액화 천연가스의 사용이 증가함에 따라 9% Ni 강철로 된 탱크 및 수송관의 제작과 관련된 요청 및 이와 관련된 용접의 필요성이 증가하고 있다.

9% Ni 강철은 현재 니켈을 기재로 하는 비균질 소모형, 예를 들어, 합금 625 또는 C276으로 용접되고 있다.

그러나, 이러한 해결책은 소모형의 경우 높은 니켈 함량으로 인해 비용이 많이 들고, 니켈 가격의 변동으로 그 가격 또한 매우 불안정할 수 있다.

또한, 기술적 관점에서 보면, 이러한 유형의 합금은 높은 고온 균열 감도로 인해 이를 사용하는 것이 매우 복잡하다.

마지막으로, 이들 합금의 인장 강도는 모재의 인장 강도를 반드시 능가하는 것은 아니다. 따라서, 제작되는 탱크의 설계는 조립체 중 가장 부서지기 쉬운 부분인 용접부를 기준으로 하는 것이지, 모재를 기본으로 하는 것이 아니다. 이는 과도한 두께, 결과적으로는 추가의 비용을 발생시킨다. 마찬가지로, 수송관에 있어서, 그를 둥글게 만드는 팽창 단계는 용접부가 찢어질 수도 있기 때문에 불가능하다.

균질 충전 금속으로 된 용접부를 제공하기 위하여 많은 연구가 실시되어 왔으며, 주된 어려움은 인성이 우수한 용착 금속, 즉, 용접부를 얻는 것이다.

이와 같이, 열처리 없이 균질 충전 금속으로 양호한 용착 금속 인성을 가지기 위해서, US-A-4,336,441은 낮은 산소 함량의 용착 금속을 얻을 수 있게 하는 솔리드 와이어와 고온의 와이어 내로 교류를 통과시키는 TIG 공정을 조합하였다. 인성을 보다 더 개선하기 위하여, TIG 아크를 통한 재용융 처리가 수행될 수 있다.

또한, 가스 용접을 위한 솔리드 와이어는 US A-3,902,039 및 US-A-4,336,441에서 제안된 바 있다.

그러나, 이들 솔리드 와이어는 GMAW 용접 (솔리드 와이어 및 보호 가스를 사용한 아크 용접을 위한 가스 금속 아크 용접) 동안의 아크 안정성 및 용도 유연성의 문제점을 갖는다.

사실상, 플럭스-코어드 와이어의 충전에 가해지는 것과 비교하여, 솔리드 와이어에는 이온화 원소를 가할 수 없으므로, 허용되는 파라미터의 범위가 보다 좁고, 용융 과정이 플럭스-코어드 와이어의 경우보다 덜 온화하다.

또한, 솔리드 와이어의 낮은 규소 함량은 이들 문헌에서 0.15 중량%로 제한되어 있으므로, 조밀도 결함을 불러일으킬 수 있는 비드 (bead) 습윤 문제를 일으킬 수 있다.

마지막으로, 솔리드 와이어에 의해 제공되는 소량의 탈산제는, 특히 규소 함량이 0.15%로 제한되어 있기 때문에 용접 풀을 충분히 탈산할 수 없어 용착 금속 중 높은 산소 함량을 가져오고, 이는 인성 값에 도움을 주지 않는다.

또한, EP-A-1900472는 일부에서, 9% 니켈을 함유하는 염기성 플럭스-코어드 와이어 및 적절한 패스 분포에 의해, 즉, 높은 비율의 어닐링된 영역을 가짐으로써 인성 값이 개선될 수 있다는 것을 보여준다. 그러나, 비록 충분하다 할지라도 서브머즈드 (submerged)-아크 용접 후 열처리 없이 얻어지는 인성 값은, 9% Ni을 비균질 충전 금속으로 용접하는 현재의 용도 분야에서 요구되는 34 J에 비하여 40 J 정도로 비교적 낮게 유지됨으로써 사용자에게 거의 잇점을 나타내지 않는다. 부착된 금속, 즉, 접합부의 산소 함량은 전형적으로 250 중량 ppm 정도로 비교적 높으므로 어닐링된 영역의 비율을 최대화하기 위해서는 매우 정교한 패스 분포를 요한다.

이는 용접 과정을 어렵게 만들어, 즉, 매우 엄격한 정렬, 용접부 모니터링 및 파라미터 제어를 요구하는 매우 엄격한 패스 분포를 요하므로 과정 자체를 비교적 받아들이기 어렵게 만든다.

용접후 열처리는 인성을 상당히 개선시킬 수 있는 한 가지 대안이기는 하나 비용이 많이 든다.

또한, EP-A-1900472에 사용되는 와이어는 염기성 플럭스-코어드 와이어, 플루오르스파, 즉, CaF₂를 함유하는 와이어이다. 그러한 와이어는 특허 문헌에 설명된 바와 같이 서브머즈드-아크 (SA) 용접에 매우 적절하다. 와이어 중에 CaF₂가 존재함으로써 용접 비드 상에 슬래그 (slag), 즉 CaF₂ 중에 함유된 Ca의 산화에 의한 산화물 층이 생성된다.

이와 같은 슬래그는 TIG 용접, FCAW 용접 (플럭스-코어드 아크 용접), 하이브리드 레이저/FCAW 아크 용접 및 플라즈마 용접에서 문제가 된다.

사실상, TIG 공정의 장점 중의 하나는 TIG 충전재 생성물이 바로 슬래그를 생성하지 않는다는 것이다. 슬래그가 생성되지 않음으로써 생산성에 치명적인 영향을 미치고, TIG의 주된 장점 중의 하나를 없애는 것이기 때문에 사용자들에 의해 받아들여지지 않는 각 패스 사이의 슬래그 제거가 필요없게 된다.

FCAW 공정에 있어서, 충전재에 CaF₂를 가하여 "염기성”플럭스-코어드 와이어가 된다. 이는 용접 비드 상에 슬래그를 생성시키는 특징이 있으며, 슬래그는 얇고 작은 부분들로 파쇄되므로 일반적으로는 제거하기가 어렵다. 또한, CaF₂를 가하는 것은 입상 이행 (globular transfer)의 변화를 일으키며, 즉, CaF₂가 없는 플럭스-코어드 와이어에 비하여 스패터 (spatter)의 양이 증가하고 용도 범위가 줄어든다.

또한, 플럭스-코어드 와이어에서의 한 가지 주된 어려운 점은 플럭스-코어드 와이어의 용융에 의해 얻어지는 용접부의 취성화 등이 일어나지 않도록 용착 금속, 즉, 용접부 중 산소 수준이 충분히 낮도록 보장하는 것이다.

따라서, 해결하여야 할 문제점은 상기한 단점들을 나타내지 않고, 니켈 강철, 특히 9% Ni 강철을 효과적으로 용접하는 개선된 용접 와이어로서, 동시에 용착 금속 영역에서 양호한 인성 특성을 나타내며, SA 용접 공정 뿐만 아니라 상기한 바와 같은 TIG, 플럭스-코어드 아크 (FCAW), 심지어는 하이브리드 플럭스-코어드 아크/레이저 또는 플라즈마 아크 용접 공정에 사용될 수 있는 와이어, 즉, 각 패스 사이에 제거되어야 하는 슬래그를 생성하지 않는 와이어를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결책은 C-Mn 강철로 된 외피, 및 95 중량% 이상의 금속 분말 및/또는 응집체를 함유하는 충전 플럭스를 포함하는 플럭스-코어드 와이어로서, 상기 플럭스는 와이어 총 중량의 8% 내지 25%를 구성하고, 플럭스-코어드 와이어는 와이어의 총 중량을 기준으로 하여 8% 내지 17%의 Ni, 0.05% 내지 0.35%의 Si, 0.3% 내지 0.85%의 Mn, 0.001% 내지 0.055%의 C, 450 ppm 미만의 산소, 0.5% 미만의 불소 및 철을 포함하며, CaF₂를 전혀 함유하지 않는 플럭스-코어드 와이어에 관한 것이다.

금속 분말을 함유하며 CaF₂를 함유하지 않는 플럭스-코어드 와이어를 사용하는 것은 TIG, FCAW, 하이브리드 레이저/FCAW 아크 또는 플라즈마 용접에 사용하기에 부정할 수 없는 장점을 갖는다.

플럭스-코어드 와이어의 충전에 따른 조정으로 효과적인 탈산, 결국 용착 금속, 즉 용접부에서의 낮은 산소 함량을 얻기 위하여 규소 함량, 및 C 및 Mn과 같은 다른 탈산 원소의 함량을 정교하게 최적화할 수 있다.

또한, 와이어가 그의 총 중량을 기준으로 하여 불소를 0.5% 미만, 바람직하게는 0.1% 미만으로 함유하도록 하여야 하며, 이 경우에 불소는 슬래그의 형성에 사용되는 것이 아니라 단순히 이온화 원소를, 예컨대, LiF 또는 NaF의 형태로 제공하기 위한 캐리어로서 사용된다. 다른 한편으로는, 상기 언급된 바와 같이, 슬래그, 즉, 용접 비드 상의 산화물 층의 형성을 방지하기 위하여 와이어가 CaF₂를 함유하지 않는 것이 필수적이다.

따라서, 본 발명에 따른 플럭스-코어드 와이어는 금속-코어드 와이어라고도 불리우는, 금속 분말을 함유하는 플럭스-코어드 와이어, 다시 말해서, 본질적으로 분말 또는 과립 또는 응집체 형태의 금속 원소로 형성되는 충전재를 갖는, 즉, 95 중량% 이상의 플럭스를 함유하는 와이어이다.

경우에 따라서, 본 발명의 플럭스-코어드 와이어는 하기 임의의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

- 충전 플럭스는 와이어의 총 중량을 기준으로 하여 10% 내지 18 중량%를 구성한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 알칼리 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 이온화 원소를 포함한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 Li, Na, K 및 Cs으로부터 선택되는 1종 이상의 이온화 원소를, 바람직하게는 1종 이상의 플루오라이드 및/또는 카르보네이트의 형태로 포함한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 외피 (스트립) 및/또는 플럭스 중에, 와이어 총 중량을 기준으로 하여 9% 내지 16%의 Ni, 0.1% 내지 0.25%의 Si, 0.4% 내지 0.65%의 Mn, 0.005% 내지 0.035%의 C 및/또는 400 ppm 미만의 산소를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 외피 (스트립) 및/또는 플럭스 중에, 와이어 총 중량을 기준으로 하여 0.1 중량% 미만의 원소 P, S, Ti, Al, Nb, V, B, W, Co, Cr, Zr, Ba를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 금속 분말 또는 페로합금 형태로 제공되는 1종 이상의 합금 원소를 포함한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 나머지로서 철, 즉, 전형적으로는 약 83% 내지 90 중량%의 철을 함유한다;

- 원소 Ni는 플럭스 중에 함유된다;

- 원소 Si는 플럭스 및/또는 외피 또는 스트립 중에 함유된다;

- 외피는 0.001% 내지 0.070%의 C 및/또는 0.01% 내지 0.8%의 Mn을 함유한다;

- 외피 및/또는 플럭스는 Mn을, 바람직하게는 외피는 최대 0.25%의 Mn을 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 80 ppm 미만의 질소를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 100 내지 390 ppm의 산소를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 380 ppm 미만의 산소를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 0.4 중량% 미만의 불소, 바람직하게는 0.3 중량% 미만의 불소를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 0.2 중량% 미만의 불소, 바람직하게는 0.1 중량% 미만의 불소를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 1종 이상의 나트륨 또는 리튬 플루오라이드를 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 불소를 CaF₂ 형태로 함유하지 않는다;

- 플럭스는 98 중량% 이상, 바람직하게는 99 중량% 이상의 금속 분말을 함유한다;

- 플럭스-코어드 와이어는 스트립 또는 튜브형이다;

- 플럭스-코어드 와이어는 금속 분말을 함유하는 스트립 형태이며, 99 중량% 이상의 금속 분말로 이루어진 건조 플럭스로 충전된 스트립으로 형성되고, 상기 분말-충전된 스트립은 전 길이를 통하여 용접된 다음, 직경을 줄이기 위하여 연신 및/또는 압연 과정을 거친다;

- 플럭스-코어드 와이어는 금속 분말을 함유하는 튜브 형태이며, 95 % 이상의 금속 분말로 이루어진 응집된 플럭스로 충전된 튜브로부터 형성된다. 튜브는 충전 전에 전 길이를 통하여 용접되고, 그 다음에 충전된다;

- 플럭스는 그의 총 중량을 기준으로 하여 40% 내지 100%의 Ni, 바람직하게는 45% 내지 90%의 Ni; 0 내지 4.5%의 Si, 바람직하게는 0 내지 3%의 Si; 0 내지 10%의 Mn, 바람직하게는 0 내지 8%의 Mn; 0 내지 0.7%의 C, 바람직하게는 0 내지 0.4%의 C; 0.2% 미만의 산소, 바람직하게는 0.12% 미만의 산소; 0.07% 미만의 질소, 임의로는 철을 함유하며, 불소를 전적으로 또는 실질적으로 함유하지 않으며, CaF₂를 함유하지 않으며, 또한 임의로는 나트륨, 리튬 또는 칼륨 등의 알칼리 금속과 같은 이온화를 촉진하는 원소를 함유한다.

본 발명은 또한 TIG, FCAW, 플라즈마 또는 하이브리드 레이저/FCAW 아크 용접 공정으로부터 선택되는 것으로서, 니켈을 5% 내지 20 중량%의 비율로 함유하는 하나 이상의 강철부 상에 용접부를 형성하기 위하여 본 발명에 따른 플럭스-코어드 와이어가 용융되는 용접 방법에 관한 것이다.

경우에 따라서, 본 발명의 용접 방법은 다음 특징 중 하나 이상을 포함한다.

- 산소, CO₂ 및 그들의 혼합물로부터 선택된 산화 가스로부터 형성된 가스 보호가 사용된다,

- 산화능이 최대 3% CO₂, 바람직하게는 2% 미만의 CO₂인 산화 가스로부터 형성된 가스 보호가 사용된다,

- 용접이 수 회의 연속적인 패스로 이루어지며, 즉, 멀티패스 용접, 바람직하게는 3 내지 200회의 연속 패스로 실시된다,

- 용접부가 하나 이상의 강철 부분 위에 플럭스-코어드 와이어를 용융시켜 형성되며, 상기 접합부는 그의 중량을 기준으로 하여 철, 8% 내지 17%의 Ni, 0.05% 내지 0.3%의 Si, 0.3% 내지 0.8%의 Mn, 0.001% 내지 0.05%의 C 및 150 ppm 미만의 산소, 80 ppm 미만의 질소, 0.002% 내지 0.010%의 P, 0.002% 내지 0.010%의 S, 0.002% 내지 0.012%의 Ti 및 0.005% 내지 0.018%의 Al을 함유한다. 바람직하게는, 용접부의 총 중량을 기준으로 하여 9% 내지 16%의 Ni, 0.1% 내지 0.2%의 Si, 0.4% 내지 0.7%의 Mn, 0.01% 내지 0.03%의 C, 100 ppm 미만의 산소 및 주로 철을 함유하는 용접부가 형성된다. 용접부는 또한 바륨, 지르코늄, 크롬 및/또는 리튬 또는 다른 알칼리 금속, 니오븀, 바나듐, 붕소, 텅스텐 또는 코발트를 0.1 중량% 미만의 비율로 함유할 수 있으며, 이들 원소는 금속 형태, 산화물 형태 및/또는 이들 원소 중 하나 이상을 포함하는 화합물의 형태일 수 있다.

- 용접부는 니켈을 5% 내지 20 중량%, 전형적으로 9% 정도의 니켈을 함유하는 두 개의 강철부, 예를 들어, 시트 또는 튜브를 접합시키기 위해 생성된다.

달리 말해서, 본 발명은 산소 및 다른 특정 화합물, 예를 들어, Ni, F 및 CaF₂의 비율이 용착 금속 영역에서 우수한 인성 특성을 얻도록 정교하게 조절되어 있는 플럭스-코어드 와이어, 및 이러한 플럭스-코어드 와이어를 니켈 강철, 전형적으로 9 중량%의 니켈을 함유하는 강철을 용접하는데 사용하는 것에 관한 것이다.

플럭스-코어드 와이어는 매우 산화적이지는 않은 대기를 생성시키는 아크-용접 공정, 바람직하게는 TIG, 플라즈마 또는 MAG 아크 용접, 또는 하이브리드 레이저/FCAW 아크 용접 공정에, 약하게 산화성인 가스, 즉, CO₂형 또는 최대 1.5 부피%의 O₂를 함유하는 O₂형 가스, 또는 O₂/CO₂ 혼합물의 산화능이 3% CO₂의 산화능을 초과하지 않도록 O₂ 및 CO₂ 함량이 조절되는 O₂/CO₂ 혼합물을 최대 3 부피%, 바람직하게는 2 부피% 미만으로 함유하고, 나머지는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스로 이루어지는 보호 가스를 사용하고, 임의로는 아크를 안정시키기 위해 펄스를 작동시키며 사용될 수 있다.

또한, 용접 패스의 적절한 분포에 의해 인성 값을 최적화할 수 있다. 보다 구체적으로, 어닐링된 영역 (하나의 패스가 다음 패스에 의해 재가열된 영역)에서 얻어지는 미세구조가 인성에 보다 유리하므로 그를 최적화시키는 것이 바람직하다.

일반적으로, 아크-용접 공정에 본 발명에 따른 플럭스-코어드 와이어를 사용하면, 용융을 촉진시키는 이온화 원소가 가해지고, 보다 적은 양의 스패터가 존재하며, 부착 속도가 커지므로, 보다 큰 유연성, 즉, 다양한 용도 분야에 사용될 수 있다.

실시예 1

실시예 1은 희석없이 통상의 "금속-코어드”형의 플럭스-코어드 와이어, EP-A-1900472에 기재된 바와 같은 염기성 플럭스-코어드 와이어, 및 이와 비교하여 본 발명에 따른 플럭스-코어드 와이어 1로 된 용착 금속에서 얻어진 결과를 나타내며, 시험된 와이어들은 1.2 mm의 동일한 직경을 가지고, 충전 비율은 약 17%였다.

실시예 1 내지 3에 사용된 외이어의 화학적 조성은 표 1에 나타나 있다.

(*): 와이어의 중량%

이들 조성은 분말 분석을 위하여 ICP: 플라즈마 토치 분광분석 및 원소 C 및 S에 대하여는 LECO를 실시하고, 스트립 분석을 위하여는 스파크 분광분석 및 원소 C 및 S에 대하여는 LECO를 실시하여 계산된 것이며, 산소 및 질소는 와이어 상에서 그 자체를 측정하여 계산하였다.

보다 구체적으로, 스파크 분광분석은 문헌 [W. Grimm, Spectrochemica Acta 23B, p.443 (1968)]에 기재되어 있다.

또한, 산소 및 질소의 원소 분석은 샘플을 용융시킨 후에 CO 및 CO₂의 분석에 의해 수행되며, 이는 표준 ASTM E1019-08 [Standard Test Methods for Determination of Carbon, Sulfur, Nitrogen, and Oxygen in Steel, Iron, Nickel, and Cobalt Alloys by Various Combustion and Fusion Techniques]에 기재된 바와 같다. ASTM E1019-08은 또한 C 및 S를 분석하는 방법을 기재하고 있다.

마지막으로, ICP 분석은 문헌 [R.H. Wendt and V.A. Fassel, Induction coupled plasma source spectrometric excitation, Anal. Chem. (USA) 37, p. 920 (1965)]에 기재되어 있다.

용착 금속의 부착은 희석없이 9% Ni 형의 모재 상에 이루어지며, 이의 조성은 표 2에 주어져 있다. 상기한 방법에 의해 측정된 원소 O 및 N을 제외한 모든 원소에 대하여 스파크 분광분석으로 조성비를 측정하였다.

통상의 플럭스-코어드 와이어 및 본 발명에 따른 플럭스-코어드 와이어 1에 있어서, 용접은 다음과 같은 방식으로 수행하였다. 용접부를 희석없이, V-형 그루브 중에, 대략 총 60°각도로, 갭 4 mm, 두께 12.7 mm가 되도록 60회 용접 패스로 생성하였다. 용접은 플라즈마 아크-용접 공정으로 용접 에너지 12 kJ/cm로 수행하였다. 사용된 용접 가스는 1 l/분 유속의 아르곤 (플라즈마 가스), 및 25 l/분 유속의 아르곤과 70 부피%의 헬륨의 혼합물 (환상 (annular) 가스)이었다. 패스간 온도는 150 ℃였다. 사용된 전류 발생기는 제조사 에어 리퀴드 웰딩 (AIR LIQUIDE WELDING)으로부터의 네르타마틱 (NERTAMATIC) 450 AC/DC이고, 토치는 같은 제조사의 토치 SP7 타입이었다.

냉각 시스템은 프리오젯 (FRIOGET) 30, 공급 시스템은 배리사프 (VARISAF) 20, 용접 발전기는 스타마틱 (Starmatic) 1003 AC/DC, 용접 장치는 서바크 (SUBARC) 5 타입으로서, 이들 모두는 제조사 에어 리퀴드 웰딩의 제품이다.

또한, EP 1 900 472에 따른 플럭스-코어드 와이어에 있어서, 용접은 다음과 같이 수행하였다. 부착된 금속은 희석이 없도록 수행하였다. 용접은 서브머즈드 아크-용접 공정에 의해 용접 에너지 17 kJ/cm로 수행하였다. 보호 플럭스는 EN 760에 따른 SA FB 타입의 염기성 플럭스, 즉, 에어 리퀴드 웰딩의 OP76 와이어이었다.

용접 발전기는 스타마틱 1003 AC/DC이고, 용접 장치는 서바크 5 타입으로, 둘 다 에어 리퀴드 웰딩에 의해 시판되는 것이었다.

수득된 결과는 표 3에 기록되어 있다.

(*): 부착 금속의 중량%

표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 용착 금속 (희석없이)의 산소 함량은 본 발명의 플럭스-코어드 와이어 (플럭스-코어드 와이어 1의 실시예)의 경우, 통상의 표준 플럭스-코어드 와이어와 비교하여 4분의 1, EP 1 900 472에 따른 플럭스-코어드 와이어에 비하여 6분의 1에 해당한다.

실시예 2

실시예 2는 본 발명의 플럭스-코어드 와이어가 매우 산화적이지 않은 분위기를 발생시키는 각종 용접 공정에 사용될 때, 우수한 인성 특성 및 용접성을 수득할 수 있다는 것을 보여주기 위한 것이다.

용접될 결합부는 X-형 그루브이고, 제1 패스는 하이브리드 레이저-아크 용접에 의해 충전 금속을 사용하여 용접 에너지 8.5 kJ/cm로 실시하였다. 충전 금속은 그루브를 충전하기 위해 후에 사용되는 것과 같은 플럭스-코어드 와이어였다. 플럭스-코어드 와이어의 충전 및 융합은 표 4에 나타낸 바와 같이 MAG 또는 플라즈마 용접 공정에 의하였다. 아르곤으로의 후방 보호가 실시되었으며, 그루브의 가장자리는 연마되었다. 패스간 온도는 150 ℃ 미만이었다. 플라즈마 용접에 사용된 장치는 실시예 1의 것과 동일하였다. MAG 용접은 에어 리퀴드 웰딩으로부터의 디지앳웨이브 (Digi@wave) 500 발전기 및 프로미그 (PROMIG) NG 441w 토치를 사용하여 수행되었다. 통상의 플럭스-코어드 와이어 (산소에 대하여 적정화되지 않음)를 또한 비교의 목적으로 시험하였다. 사용된 플럭스-코어드 와이어 및 모재는 표 1 및 2에 제시된 것과 동일하였다.

표 4는 본 발명의 플럭스-코어드 와이어만이 인성에 있어서 만족할 만한 값을 갖는다는 것을 보여주며, 그러한 값은 -196 ℃에서 41 J 이상으로, 통상의 와이어에서 수득되는 값 (19 J)의 두 배를 넘는다.

또한, MAG 공정에 의해 얻어지는 융합은 양호하며, 즉, 플럭스-코어드 와이어의 구성 플럭스 내로 도입될 수 있는 이온화 원소 (Na, Li, K 등)로 인해 스패터가 거의 없이 균질하고 매끄러웠다.

플라즈마 용접에서 또한 작동 성능이 양호하다. 플럭스-코어드 와이어의 충전으로 화학 조성을 적정화함으로써 MAG 용접과 같은 플라즈마 용접에서 양호한 부착, 특히 습윤각 특성을 나타낼 수 있다.

이러한 용접성능은 펄스 작동을 사용하여 더욱 개선될 수 있음을 이해하여야 한다. 이러한 조작법은 융합의 안정화가 펄스에 의해서 일어나므로 보다 더 낮은 산화성 가스 (예를 들어, 0.5%의 CO₂)를 사용할 수 있게 한다.

이 실시예 2에서, 패스 분포는 적정화되지 않았다. 실시예 3에 나타나 있는 바와 같이, 플럭스-코어드 와이어 중 낮은 비율의 산소 및 어닐링된 영역의 최대화를 조합하여 보다 높은 인성을 얻을 수 있다.

실시예 3

실시예 3은 본 발명의 플럭스-코어드 와이어 및 유리한 패스 분포를 사용함으로써 용착 금속 영역에서 우수한 인성을 얻을 수 있다는 것을 나타내며, 즉, 그 값은 -196 ℃에서 100 J 이상이다.

결합부는 X-형 그루브 타입으로, 펄스 모드에서 충전재 금속없이 플라즈마 용접으로 제1 패스를 실시하였다. 표 5는 이러한 제1 패스의 파라미터를 제공한다.

사용된 용접 가스는 아르곤 (플라즈마 가스) 및 아르곤과 70 부피%의 헬륨의 혼합물 (환상 가스)이었다.

아르곤을 후방 보호에 사용하였다.

그루브의 모서리는 연마하였다. 패스간 온도는 150 ℃ 미만이었다. 충전은 더블-플럭스 TIG 공정으로 수행하였다. 사용된 용접 가스는 아르곤 (플라즈마 가스) 및 아르곤과 70 부피%의 헬륨의 혼합물 (환상 가스)이었다. 파라미터는 표 6에 제시되어 있다.

이전 실시예에서와 같이, 사용된 발전기는 네르타마틱 450 타입이고, 토치는 SP7 타입이었다.

본 발명에 따른 플럭스-코어드 와이어 및 모재는 이전의 실시예에서 사용된 것과 같은 것이었다. 결과는 표 7에 주어져 있다.

좌측의 처음 두 개의 칼럼은 본 발명의 플럭스-코어드 와이어와 유리한 패스 분포를 사용하여 얻을 수 있는 성과를 나타내고 있다.

선행 기술에서 인용된 바와 같이, 어닐링된 영역, 즉, 다음 회의 패스 n+x (여기서, x는 1과 패스의 총 회수에서 n을 뺀 값 사이의 값임) 중 하나에 의해 열적으로 재영향을 받은 패스 n의 영역은, 영향을 받지 않은 영역, 즉 패스 n+x에 의해 열적으로 재영향을 받지 않은 패스의 영역보다 본래 인성이 크다. 사실상, 얻어진 미세구조는 상이하며, 영향을 받지 않은 영역에서 얻어진 것보다 더 나은 인성 특성을 나타내는 형태적 특징을 갖는다.

따라서, 본 발명의 목적은 인성 노치 (notch)의 축에서 어닐링된 영역의 비율을 최대화하기 위하여 패스의 분포를 최적화하는 것이다. 이러한 분포는 통상의 시험에 의해 쉽게 결정될 수 있다. 패스의 분포와 총 회수는 재료의 두께와 공정의 부착 속도의 함수가 될 것이다.

패스의 횟수는 9% Ni에 대하여 50 mm의 두께까지 전형적으로는 3 내지 200이다. 세번째 칼럼에 있어서, 비록 불리한 패스 분포 (인성 노치의 축에서 영향을 받지 않은 고화 영역)에 의한 것이지만, 수득된 인성 값은 만족할 만한 것이었다. 이는 실시예 1 및 2에서 관찰된 것과 같은 것이었다. 이는, 예를 들어, 용도상의 유연성, 반드시 간편한 것만은 아닌 상당한 길이에 걸친 패스 분포의 조절을 가능하게 한다.

마찬가지로, 또한 패스의 횟수가 홀수인지 짝수인지 불문하고 (칼럼 1 및 2) 우수한 인성을 유지한다는 것은 해결책의 유연성을 보여준다.

Claims

C-Mn 강철로 된 외피와, 95 중량% 이상의 금속 분말 및/또는 응집체를 함유하는 충전 플럭스를 포함하는 플럭스-코어드 와이어로서, 상기 플럭스는 와이어 총 중량의 8% 내지 25 중량%를 구성하고, 와이어의 총 중량을 기준으로 하여 8% 내지 17%의 Ni, 0.05% 내지 0.35%의 Si, 0.3% 내지 0.85%의 Mn, 0.001% 내지 0.055%의 C, 450 ppm 미만의 산소, 0.5% 미만의 불소 및 철을 포함하고, CaF₂를 전혀 함유하지 않는 플럭스-코어드 와이어.
제1항에 있어서, Li, Na, K 및 Cs으로부터 선택되는 1종 이상의 이온화 원소를, 바람직하게는 1종 이상의 플루오라이드 및/또는 카르보네이트의 형태로 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 와이어의 총 중량을 기준으로 하여 9% 내지 16%의 Ni, 0.1% 내지 0.25%의 Si, 0.4% 내지 0.65%의 Mn, 0.005% 내지 0.035%의 C 및 400 ppm 미만의 산소를 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 80 ppm 미만의 질소를 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 외피가 0.001% 내지 0.07%의 C 및/또는 0.01% 내지 0.8%의 Mn을 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 400 ppm 미만의 산소, 바람직하게는 380 ppm 미만의 산소를 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 0.4 중량% 미만의 불소, 바람직하게는 0.3 중량% 미만의 불소를 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 0.2 중량% 미만의 불소를 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 0.1 중량% 미만의 불소를 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 1종 이상의 불화나트륨 또는 불화리튬을 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 불소를 CaF₂ 형태로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 플럭스가 98 중량% 이상, 바람직하게는 99 중량% 이상의 금속 분말을 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스-코어드 와이어.
TIG, FCAW, 플라즈마 또는 하이브리드 레이저/FCAW 아크 용접 방법으로부터 선택되는 용접 방법으로서, 5% 내지 20 중량%, 바람직하게는 약 9 중량%의 니켈을 함유하는 하나 이상의 강철 부위 상에 용접부를 생성하기 위해 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 플럭스-코어드 와이어를 용융시키는 것인 용접 방법.
제13항에 있어서, 산소, CO₂ 및 그의 혼합물로부터 선택되며, 바람직하게는 산화능이 최대 3% CO₂, 바람직하게는 2% 미만의 CO₂인 산화 가스로부터 형성되는 보호 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 플럭스-코어드 와이어를 용융시켜 하나 이상의 강철 부위 상에 용접부를 생성시키며, 상기 용접부가 용접부의 중량을 기준으로 하여 철, 8% 내지 17%의 Ni, 0.05% 내지 0.3%의 Si, 0.3% 내지 0.8%의 Mn, 0.001% 내지 0.05%의 C, 150 ppm 미만의 산소, 80 ppm 미만의 질소, 0.002% 내지 0.010%의 P, 0.002% 내지 0.010%의 S, 0.002% 내지 0.012%의 Ti 및 0.005% 내지 0.018%의 Al을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.