KR20140084655A

KR20140084655A - 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어 및 이를 이용한 저온 충격인성이 우수한 초고강도 플럭스 코어드 아크 용접금속부

Info

Publication number: KR20140084655A
Application number: KR1020120154334A
Authority: KR
Inventors: 정홍철; 이진우; 이동렬
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

본 발명은 해양구조물, 건축, 교량 등에 사용되는 초고강도강을 용접하기 위한 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)용 용접재료 및 이를 이용하여 FCAW 용접시 형성되는 용접금속부에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 플럭스 코어드 아크 용접에 사용되는 와이어의 성분조성을 제어하고, 이러한 와이어를 이용하여 용접금속부의 성분조성 및 미세조직을 제어함으로써 초고강도를 가지면서, 동시에 충격인성이 우수한 플럭스 코어드 아크 용접금속부를 제공할 수 있다.

Description

플럭스 코어드 아크 용접용 와이어 및 이를 이용한 저온 충격인성이 우수한 초고강도 플럭스 코어드 아크 용접금속부 {FLUX CORED ARC WELDING WIRE AND ULTRA HIGH STRENGTH WELD METAL JOINT HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE USING THE SAME}

본 발명은 해양구조물, 건축, 교량 등에 사용되는 초고강도강을 용접하기 위한 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)용 용접재료 및 이를 이용하여 FCAW 용접시 형성되는 용접금속부에 관한 것이다.

최근, 선박, 건축 및 해양구조물 등은 부가가치의 확보를 위해 대형화가 이루어지고 있다. 이러한 구조물 등은 한 번의 사고로 치명적인 환경, 인명, 재산상의 손실을 초래하게 되므로, 이에 적용되는 강재는 초고강도, 극후물화 및 충격인성이 우수한 소재가 사용되고 있다.

이러한 강재의 개발과 더불어, 건전하고 효율적인 용접을 필요로 하는데, 현재 이들 강재를 용접하는 방법으로 가장 널리 사용되는 용접기술은 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Weld, FCAW) 기술이다.

일반적으로, 용접시 형성되는 용접이음부는 용접재료가 용융되면서 일부 강재가 희석되어 용융풀을 형성하다가 이후 응고하면서 조대한 주상정 조직으로 발달하게 되는데, 이러한 조직은 용접재료 및 용접시공시 입열량에 따라 변화하게 되며, 이러한 용접이음부는 조대한 오스테나이트 결정입계를 따라 조대한 입계 페라이트, 위드만스테텐 페라이트(Widmanstatten ferrite), 마르텐사이트 및 도상 마르텐사이트(M-A, Martensite Austenite constituent) 등이 형성되어 충격인성이 열화되는 문제점이 있다.

따라서, 해양구조물 등의 용접재료 대부분은 저온에서의 충격인성을 확보하기 위해 탈산, 탈질, 탈수소 원소의 첨가와 함께 Ni, Ti 및 B 등의 합금원소 복합첨가를 통한 용접금속 조직의 미세화를 추구하고 있다.

그러나, 상기 Ti-B-Ni 복합첨가에 의한 조직 미세화의 메커니즘은 Ni에 의한 기지(matrix) 강인화, 고용 B의 구오스테나이트 입계 편석(Segregation)에 의한 초석 페라이트(Pro-eutectoid Ferrite) 생성 억제작용과 Ti, B, 산화물 및 질화물을 통한 오스테나이트 입내에서의 미세 페라이트 생성이 가능하다.

상기한 바와 같이, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 용접금속부의 미세조직을 제어하여 용접이음부의 충격인성을 확보할 필요가 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로는, 용접이음부의 성분과 미세조직을 규정한 기술로 예를들어 특허문헌 1이 있다. 상기 특허문헌 1은 탄소를 0.7~0.8중량%로 포함하고, 용접금속부의 미세조직이 베이나이트와 마르텐사이트가 10~20%로 낮고, 침상 페라이트(acicular ferrite)가 60% 이상으로 포함하는 저온인성이 우수한 950MPa급 이상의 초고강도 SAW 용접이음부에 대해서 개시하고 있다.

또한, 용접이음부의 충격인성을 확보하기 위해서 사용되는 용접재료에 관해서는 특허문헌 2 및 3이 있다.

상기 특허문헌 2는 연강, 490Mpa급 고장력강으로 이루어지는 피용접물용의 연강 또는 합금강제 외피에 플럭스를 충전하여 이루어지는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관하여 개시하고 있으며, 특허문헌 3은 가스 실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로서 인장강도 490MPa급 이하의 FCAW 용접재료에 관해서 개시하고 있다.

한국 공개특허 제2009-0016854호 한국 공개특허 제2009-0026070호 한국 공개특허 제2002-0042905호

본 발명의 일 측면은, 인장강도 800MPa 이상의 초고강도 강재의 용접에 사용되며, 용접된 용접금속부가 우수한 강도 및 충격인성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 강재 외피 내에 플럭스가 충진된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 와이어에 대한 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.08%, 실리콘(Si): 0.1~0.5%, 망간(Mn): 1.5~3.0%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 나트륨(Na): 0.005~0.5%, 칼륨(K): 0.001~1.0%, MgO: 0.01~0.5%, SiO₂: 0.1~0.5%, Na₂O+TiO₂: 2.5~6.5% (Na₂O는 O%를 포함함) 를 포함하고,

CaF₂, BaF₂ 및 MgF₂로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합이 2.0~5.0%, CaCO₃ 및 BaCO₃로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합이 0.5~1.5%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 플럭스 코어드 아크 용접하여 제조된 용접금속부에 있어서, 중량%로, 탄소(C): 0.01~0.06%, 실리콘(Si): 0.1~0.5%, 망간(Mn): 1.5~3.0%, 니켈(Ni): 2.5~3.5%, 몰리브덴(Mo): 0.5~1.0%, 구리(Cu): 0.4~1.0%, 티타늄(Ti): 0.01~0.10%, 보론(B): 0.003~0.007%, 질소(N): 0.001~0.006%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 산소(O): 0.03~0.07%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부를 제공한다.

본 발명에 의하면, 플럭스 코어드 아크 용접시 사용되는 용접 와이어의 성분을 제어하고, 이러한 와이어를 이용하여 FCAW 시 초고강도 물성을 가지면서, 동시에 우수한 충격인성을 갖는 플럭스 코어드 아크 용접금속부를 제공할 수 있다.

본 발명에서는 플럭스 코어드 아크 용접을 실시함에 있어서, 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부를 얻기 위해서, 상기 플럭스 코어드 아크 용접시 사용되는 와이어의 성분을 제어하는 경우, 목적하는 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부를 얻을 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

[ 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어 ]

본 발명의 일 측면인 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어에 있어서, 상기 와이어의 성분조성을 제어함이 필요한데, 그 이유에 대하여 상세히 설명한다 (이하, 중량%).

C: 0.02~0.08%

탄소(C)는 용접금속의 강도를 확보하고 용접경화성을 확보하기 위하여 필수적인 원소로서, 상기의 효과를 얻기 위해서는 C를 0.02% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.08%를 초과하게 되면 용접성이 크게 저하되고, 용접금속부에서 저온균열이 발생하기 쉽고 이에 따라 충격인성이 저하될 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

Si: 0.1~0.5%

실리콘(Si)은 탈산작용에 유효한 원소로서, 이러한 Si의 함량이 0.1% 미만이면 용접금속 내의 탈산효과가 불충분하고, 용접금속의 유동성을 저하하는 문제가 있으며, 반면 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 용접금속 내에서 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진시켜 저온 충격인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 용접균열감수성에도 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

Mn: 1.5~3.0%

망간(Mn)은 탈산작용 및 강도 향상에 유효한 원소로서, 이러한 Mn은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 기지(matrix)를 고용 강화시켜 강도 및 인성을 확보하는 역할을 한다. 이를 위해서는 Mn을 1.5% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 3.0%를 초과하게 되면 저온 변태조직을 형성시키므로 바람직하지 못하다.

Ni: 2.0~3.5%

니켈(Ni)은 고용강화에 의해 기지(matrix)의 강도와 인성을 향상시키는데 유효한 원소로서, 이를 위해서는 Ni을 2.0% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 3.5%를 초과하게 되면 용접금속부의 고온균열이 발생할 가능성이 높아지는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Na 및 K: 각각 0.005~0.5%, 0.001~1.0%

나트륨(Na)과 칼륨(K)은 알카리 원소로서, 용접중 아크의 이온화 포텐셜이 낮아 아크의 발생을 용이하게 해주며, 또한 용접중 안정된 아크를 유지시키는 역할을 한다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 Na은 0.005% 이상, K은 0.001% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 Na의 경우 0.5%를 초과하거나, K의 경우 1.0%를 초과하게 되면 고증기압의 특성으로 용접흄(Fume)이 과다하게 발생하고, 용융풀의 슬래그 점도를 과도하게 감소시켜 불안정한 비드를 형성하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서는 상기 성분들 이외에도, 하기에 나타내는 개재물, 금속불화물 및 탄산염을 더 포함함이 바람직하며, 이에 대해 하기에 상세히 설명한다 (이하, 중량%).

MgO: 0.01~0.5%

MgO는 슬래그의 응고점을 상승시키며, 탈산제인 동시에 아크 안정제로서의 역할을 한다. 이러한 MgO의 함량이 0.01% 미만이면 상술한 효과를 얻는데에 어려움이 있으며, 반면 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 아크가 불안정하고 비드 형상이 불량하게 되는 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다.

SiO₂: 0.1~0.5%,

SiO₂는 슬래그 형성제로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 슬래그 도포가 열악하고, 비드 형성이 열악해지는 문제가 있으며, 반면 그 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 용융 슬래그의 응고가 지연되어 용접성이 열악해지며, Si이 용착금속으로 이행이 증가하여 충격인성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Na₂O + TiO₂: 2.5~6.5%

Na₂O 및 TiO₂는 아크안정제로서 스퍼터 발생을 감소시키고 아크안정성을 확보하는데에 유효하다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 상기 개재물들의 성분 합을 0.5% 이상으로 제어할 필요가 있으나, 다만 그 성분 합이 5.0%를 초과하게 되면 아크 안정성을 저해하고 아울러 다량의 용접흄을 발생시켜 용접성을 저해할 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

다만, 본 발명에서는 Na₂O를 0%로 함유하여도 무방하며, 이러할 경우 TiO₂를 2.5~6.5%로 함유한다.

CaF₂, BaF₂ 및 MgF₂로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 2.0~5.0%

CaF₂, BaF₂ 및 MgF₂와 같은 금속불화물은 용접금속의 확산성 수소가스량을 제어하고, 건전한 용접금속부를 얻기 위한 목적에서 첨가할 수 있다. 본 발명에서는 이들 금속불화물 중 1종 이상의 성분 합이 2.0~5.0%로 제한함이 바람직한데, 그 첨가량이 2.0% 미만이면 확산성 수소가스의 발생량이 많아져 균열발생의 우려가 커지고, 반면 5.0%를 초과하게 되면 슬래그 점성이 부족하여 원활한 용접외관을 얻을 없을 뿐만 아니라, 용접작업성이 나빠지는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

CaCO₃ 및 BaCO₃로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.5~1.5%

CaCO₃ 및 BaCO₃와 같은 탄산화합물은 CO₂에 의한 용접금속의 결함발생을 방지하고, 슬래그 박리성 향상 및 스퍼터 발생량을 감소하기 위한 목적에서 첨가할 수 있다. 본 발명에서는 이들 탄산화합물 중 1종 이상의 성분 합이 0.5~1.5%를 만족함이 바람직한데, 그 첨가량이 0.5% 미만이면 슬래그의 점성이 떨어져 슬래그가 용접금속을 포피하지 못하여 외관이 불량해지고 슬래그의 유동이 심하게 발생하여 용접이 곤란하며, 반면 그 첨가량이 1.5%를 초과하게 되면 슬래그의 점성이 강해져 용접금속 표면과 접착이 과도하게 되어 박리가 불량해지고 스퍼터 발생이 많아지는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

[ 용접금속부 ]

이하, 본 발명의 일 측면인 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 플럭스 코어드 아크 용접시 형성되는 용접금속부에 대하여 상세히 설명한다. 먼저, 저온 충격인성을 확보하기 위한 본 발명 용접금속부의 성분조성에 대하여 상세히 설명한다 (이하, 중량%).

C: 0.01~0.06%

탄소(C)는 용접금속의 강도 확보를 위해 필수적으로 첨가되는 원소이지만, 너무 과도할 경우에는 오히려 인성의 저하를 초래할 우려가 있다. 이러한 C의 함량이 0.01% 미만이면 대입열 용접시 용접금속의 소입성이 저하되어 충분한 강도의 확보가 곤란하며, 반면 그 함량이 0.06%를 초과하게 되면 소입성이 크게 증가하여 경화도가 증가함에 따라 인성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로 바람직하지 못하다.

Si: 0.1~0.5%

실리콘(Si)은 용접 중 강력한 탈산작용과 용접금속부의 강도를 향상시키는데 유효한 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만일 경우에는 용접 중 탈산효과가 저하하여 인성의 저하가 발생하기 쉽고, 반면 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 용접금속의 유동성이 저하되어 용접 작업성이 나빠지며, 용접 결함이 발생할 수 있으므로 바람직하지 못하다.

Mn: 1.5~3.0%

망간(Mn)은 용접금속의 탈산 작용에 유리하며, 대입열 용접시 용접금속의 강도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 이러한 Mn의 함량이 1.5% 미만이면 용접금속의 소입성이 부족하여 강도를 충분히 확보하기 어려우며, 미세조직의 조대화로 인해 인성이 저하하는 문제가 있다. 반면 Mn의 함량이 3.0%를 초과하게 되면 저온변태조직을 생성시켜 인성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Ni: 2.5~3.5%

니켈(Ni)은 고용강화에 의해 기지(matrix)의 강도 및 인성을 향상시키는데 필수적인 원소로서, 상술한 효과를 얻기 위해서는 Ni을 2.5% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 3.5%를 초과하게 되면 소입성을 크게 증가시키고 고온균열 발생의 가능성이 있으므로 바람직하지 못하다.

Mo: 0.5~1.0%

몰리브덴(Mo)은 기지(matrix)의 강도를 향상시키는 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 Mo을 0.5% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 Mo의 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 용접 저온균열을 발생시키거나 인성을 저하시키는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Cu: 0.4~1.0%

구리(Cu)는 기지(matrix)에 고용되어 고용강화 효과로 인해 강도 및 인성을 확보하는데에 유리한 원소이므로, 이러한 효과를 얻기 위해서는 Cu를 0.4% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 용접금속부에서 경화성을 증가시켜 인성을 저하시키는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Cr: 0.4~1.0%

크롬(Cr)은 기지에 고용되어 소입성을 향상시키고, 강도를 향상시키는데 필수적인 원소로서, 강도 및 인성을 확보하는데에 유리한 원소이다. 상술한 효과를 얻기 위해서는 Cr을 0.4% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 용접금속부에서 경화성을 증가시켜 인성을 저하시키는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

Ti: 0.01~0.10%

티타늄(Ti)은 O와 결합하여 미세한 Ti 산화물을 형성시킬 뿐만 아니라, 미세한 TiN 석출물을 형성시켜 용접금속부 인성 향상에 유리한 침상 페라이트의 형성을 촉진함으로써 강도 및 인성을 향상시키는데 유리한 원소이다. 이와 같이, Ti 복합 산화물 및 복합 석출물에 의한 효과를 얻기 위해서는 Ti을 0.01% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 오히려 조대한 산화물 또는 조대한 석출물이 형성되어 인성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

B: 0.003~0.007%

보론(B)은 소입성을 향상시키는 원소로서, 입계에 편석되어 입계 페라이트의 변태를 억제하는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 고용 B은 용접금속부의 강도를 향상시키는 경화능 확보 역할뿐만 아니라, 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮게하여 입계 페라이트의 변태를 억제하고, 침상 페라이트의 변태를 촉진시키는 역할을 한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 B을 0.003% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 다만 그 함량이 0.007%를 초과하게 되면 상술한 효과가 포화되고, 용접경화성이 크게 증가하여 저온 변태상을 촉진시킴으로써 용접 저온균열 발생 및 인성을 저하시키는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

N: 0.001~0.006%

질소(N)는 TiN 석출물 등을 형성시키는데 필수불가결한 원소로서, Ni의 량이 증가할수록 미세 TiN 석출물의 양을 증가시킨다. 특히, TiN 석출물 크기 및 석출물 간격, 석출물 분포, 산화물과의 복합석출 빈도수, 석출물 자체의 고온 안정성 등에 현저한 영향을 미치기 때문에, 그 함량은 0.001% 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 다만, 너무 과도하여 0.006%를 초과하게 되면 그 효과가 포화되고, 용접금속 내에 존재하는 고용질소량의 증가로 인해 인정저하를 초래할 수 있으므로 바람직하지 못하다.

P: 0.02% 이하

인(P)은 고온균열을 조장하는 불순물로서, 가능한 낮게 관하는 것이 바람직하며, 그 상한은 0.02% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

S: 0.01% 이하

황(S)은 Mn과 결합하여 MnS 복합산화물을 석출시키는 원소로서 작용하나, 그 함량이 0.01%를 초과할 경우에는 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 고온균열을 유발시킬 수 있으므로, S의 함량을 0.01% 이하로 제한함이 바람직하다.

O: 0.03~0.07%

산소(O)는 용접금속부 응고 중에 Ti와 반응하여 Ti산화물을 형성시키는 원소로서, Ti 산화물은 용접이음부 내에서 침상 페라이트의 변태를 촉진시킨다. 이때 O의 함량이 0.03% 미만이면 Ti 산화물을 용접이음부에 적절히 분포시키지 못하며, 반면 0.07%를 초과하게 되면 조대한 Ti 산화물 및 기타 FeO 등의 산화물이 생성되어 용접금속부의 충격인성에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 용접금속부로서, 강도 및 인성이 우수한 용접금속부가 되기 위한 바람직한 조건으로 미세조직에 대하여 한정할 필요가 있다.

본 발명에서는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 후 형성되는 용접금속부로서, 그 미세조직은 면적분율로 40% 이상의 침상 페라이트(acicular ferrite) 및 40~50%의 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직을 포함함이 바람직하다.

본 발명을 통하여 형성된 용접금속부의 미세조직 중 강도가 높은 마르텐사이트나 베이나이트의 조직 분율이 높아지면 강도는 쉽게 달성할 수는 있으나, 충격인성 측면에서는 쉽게 파단되는 등의 만족스럽지 못한 결과를 가져올 수 있다. 반면, 인성 확보에 효과적인 침상 페라이트의 조직 분율이 높아지게 되면 용접금속부의 인성은 우수하게 확보할 수 있으나, 강도 측면에서 목적하는 초고강도 급에 이르지 못할 수 있다.

따라서, 강도 및 인성을 동시에 우수하게 확보하기 위한 용접금속부는 강도에 유리한 조직과 인성이 유리한 조직이 적절히 포함되었을 경우 강도 및 인성을 동시에 우수하게 확보할 수 있으며, 바람직하게는 40% 이상의 침상 페라이트 및 40~50%의 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 플럭스 코어드 아크 와이어는 용접시 아크를 안정화시키고 슬래그 박리성도 우수할 뿐만 아니라, 용접금속 내 확산성 수소가스량을 -6ml/100g 이하로 효과적으로 저감시킬 수 있다.

더불어, 상기의 플럭스 코어드 아크 와이어를 이용하여 플럭스 코어드 아크 용접을 행할시 형성되는 용접금속부는 상술한 바와 같은 성분조성 및 미세조직을 만족하며, 이로 인해 -5℃에서의 충격 흡수 에너지(vE)가 47J 이상으로, 우수한 충격인성을 가질 수 있다.

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

( 실시예 )

중량%로, C: 0.05%, Si: 0.13%, Mn: 2.5%, P: 0.008%, S: 0.002%, 기타 Ni, Cr, Cu, Nb, Ti, B를 포함하는 건설용 강재인 HSA800강에 대하여, 직경이 1.6mm인 와이어를 이용하여 100% CO₂ 보호가스를 적용하여 20kJ/mm 입열량으로 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 실시하였다. 이때, 본 발명에서 제공하는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 사용하거나, 미사용(대신 일반적인 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어 사용)하였으며, 상기 FCAW시 전류: 270A, 전압: 28V, 용접속도: 23cm/min, 층간온도: 150℃ 이하의 조건으로 실시하였다.

상기 플럭스 코어드 아크 용접 후 형성된 용접금속부의 조성 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 상기 용접 후 용접금속부의 미세조직 구성 및 기계적 성질을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 상기 기계적 성질 중 충격인성은 KS규격(KS B 0809) 충격 시험편을 이용하여 샤르피 충격시험을 통해 용접금속부의 충격 흡수 에너지(vE)를 평가하였다.

구분	성분조성(중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Mo	Cu	Cr	Ti	B	O
발명예1	0.04	0.45	2.40	0.015	0.003	3.1	0.65	0.55	0.60	0.030	0.0030	0.048
발명예2	0.03	0.35	2.60	0.012	0.004	2.9	0.60	0.50	0.50	0.040	0.0031	0.042
발명예3	0.06	0.25	2.20	0.011	0.003	3.0	0.55	0.48	0.55	0.035	0.0037	0.045
발명예4	0.06	0.32	2.00	0.008	0.005	2.6	0.72	0.42	0.60	0.040	0.0040	0.052
발명예5	0.05	0.42	2.20	0.009	0.004	2.8	0.60	0.45	0.70	0.040	0.0035	0.051
발명예6	0.04	0.50	2.40	0.010	0.002	3.0	0.62	0.48	0.50	0.040	0.0046	0.050
비교예1	0.09	0.50	3.50	0.012	0.005	2.5	0.60	0.50	0.80	0.040	0.0030	0.078
비교예2	0.14	0.60	2.50	0.011	0.007	3.4	0.80	0.70	0.80	0.030	0.0035	0.065
비교예3	0.09	0.80	2.70	0.014	0.008	1.0	0.70	0.40	0.90	0.050	0.0055	0.045
비교예4	0.07	0.40	2.30	0.011	0.006	2.9	1.20	0.10	0.70	0.040	0.0032	0.043
비교예5	0.11	0.27	1.20	0.015	0.010	2.4	0.90	0.20	0.30	0.050	0.0045	0.054

구분	용접금속부 미세조직 분율 (%)		용접금속부 기계적성질
구분	침상 페라이트	베이나이트+ 마르텐사이트	인장강도 (MPa)	vE_-5℃ (J)
발명예1	52	47	941	107
발명예2	54	45	956	106
발명예3	56	43	943	96
발명예4	55	45	934	103
발명예5	51	48	942	92
발명예6	53	45	934	89
비교예1	33	45	832	28
비교예2	33	36	751	32
비교예3	34	26	813	24
비교예4	27	54	796	19
비교예5	22	24	820	14

(상기 표 2에서 용접금속부 미세조직의 나머지는 도상 마르텐사이트(M-A) 또는 기타 개재물로 이루어진다.)

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 성분조성을 만족하는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 플럭스 코어드 아크 용접을 실시할 경우, 본 발명에서 제안하는 성분조성 미세조직을 모두 만족하는 용접금속부를 얻을 수 있으며, 이들 용접금속부는 강도뿐만 아니라 충격인성이 우수한 결과를 보였다.

이에 반면, 본 발명에서 제공하는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 사용하기 않고, 일반적으로 사용되는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용하여 플럭스 코어드 아크 용접을 실시함으로써 얻어진 용접금속부는 성분조성 및 미세조직이 본 발명에서 제안하는 범위를 만족하지 아니함에 따라, 강도 및 인성을 모두 우수하게 확보하기 어려웠다. 특히, 충격인성에 있어서 충격 흡수 에너지(vE)가 32J 이하로 매우 낮은 결과를 보였다.

상기의 결과를 통해, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)시 본 발명에서 제공하는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어를 이용할 경우 강도 및 인성이 모두 우수한 용접금속부를 얻을 수 있을 것이다.

Claims

강재 외피 내에 플럭스가 충진된 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어에 있어서,
상기 플럭스는 와이어에 대한 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.08%, 실리콘(Si): 0.1~0.5%, 망간(Mn): 1.5~3.0%, 니켈(Ni): 2.0~3.5%, 나트륨(Na): 0.005~0.5%, 칼륨(K): 0.001~1.0%, MgO: 0.01~0.5%, SiO₂: 0.1~0.5%, Na₂O+TiO₂: 2.5~6.5% (Na₂O는 O%를 포함함) 를 포함하고,
CaF₂, BaF₂ 및 MgF₂로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합이 2.0~5.0%,
CaCO₃ 및 BaCO₃로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합이 0.5~1.5%,
나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 플럭스 코어드 아크 용접용 와이어.
제 1항의 와이어를 이용하여 플럭스 코어드 아크 용접하여 제조된 용접금속부에 있어서,
중량%로, 탄소(C): 0.01~0.06%, 실리콘(Si): 0.1~0.5%, 망간(Mn): 1.5~3.0%, 니켈(Ni): 2.5~3.5%, 몰리브덴(Mo): 0.5~1.0%, 구리(Cu): 0.4~1.0%, 티타늄(Ti): 0.01~0.10%, 보론(B): 0.003~0.007%, 질소(N): 0.001~0.006%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 산소(O): 0.03~0.07%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부.
제 2항에 있어서,
상기 용접금속부의 미세조직은 면적분율로 40% 이상의 침상 페라이트(Acicular ferrite) 및 40~50%의 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합조직을 포함하는 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부.
제 2항에 있어서,
상기 용접금속부는 -5℃에서의 충격 흡수 에너지(vE)가 47J 이상인 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부.
제 2항에 있어서,
상기 용접금속부는 확산성 수소량이 6ml/100g 이하인 저온 충격인성이 우수한 초고강도 용접금속부.