KR20160006208A - 저-망간 용접 합금을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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케빈 엠. 크리거
조셉 씨. 번디
마리오 안토니 아마타
데릴 엘. 덩컨
수잔 레나타 피오레
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Abstract

본 개시는 전반적으로 용접 합금, 보다 구체적으로는 가스 금속 아크 용접(GMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 피복 금속 아크 용접(SMAW), 및 플럭스 코어 아크 용접(FCAW) 등의 용접을 위한 용접 소모재(예컨대, 용접 와이어 및 봉)에 관한 것이다. 실시예에서, 용접 합금은, 대략 1 중량% 미만의 망간, 뿐만 아니라 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제를 포함한다. 게다가, 용접 합금은 이토 및 베쏘 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만인 탄소 당량(CE) 값을 갖는다. 용접 합금은 또한 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제를 포함하고, 용접 합금은 대략 0.6 중량% 미만의 입자 조절제를 포함한다.

Description

저-망간 용접 합금을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR LOW-MANGANESE WELDING ALLOYS}
본 출원은 2013년 5월 8일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "저-망간 용접 전극을 위한 시스템 및 방법"이며, 본 명세서에 모든 목적을 위해 완전히 합체되는 미국 가출원 제61/821,064호를 우선권 주장한다.
본 개시는 전반적으로 용접 합금, 보다 구체적으로는 가스 금속 아크 용접(GMAW; Gas Metal Arc Welding), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW; Gas Tungsten Arc Welding), 피복 금속 아크 용접(SMAW; Shielded Metal Arc Welding), 및 플럭스 코어 아크 용접(FCAW; Flux Core Arc Welding) 등의 용접을 위한 용접 소모재(예컨대, 용접 와이어 및 봉)에 관한 것이다.
용접은 광범위한 용례를 위한 다양한 산업에서 아주 흔히 볼 수 있게 된 프로세스이다. 예컨대, 용접은 조선, 연안 플랫폼, 건설, 파이프 밀(pipe mill) 등과 같은 용례에서 흔히 사용된다. 특정한 용접 기법[예컨대, 가스 금속 아크 용접(GMAW), 가스-피복 플럭스 코어 아크 용접(FCAW-G; Gas-Shielded Flux Core Arc Welding), 셀프-피복 플럭스 코어 아크 용접(FCAW-S; Self-Shielded Flux Core Arc Welding), 및 서브머지드 아크 용접(SAW; Submerged Arc Welding)]은 통상적으로 용접 와이어 형태의 용접 소모재를 채용한다. 다른 용접 기법[예컨대, 피복 금속 아크 용접(SMAW) 및 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)]은 스틱 또는 봉 형태의 용접 소모재를 사용할 수 있다. 이들 타입의 용접 소모재는 일반적으로 공작물 상에 용착물을 형성하도록 필러 재료의 공급을 제공할 수 있다.
실시예에서, 용접 합금은, 대략 1 중량% 미만의 망간, 뿐만 아니라 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제를 포함한다. 게다가, 용접 합금은 이토 및 베쏘 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만인 탄소 당량(CE) 값을 갖는다. 용접 합금은 또한 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제를 포함하고, 용접 합금은 대략 0.6 중량% 미만의 입자 조절제를 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은 용접 합금으로부터 용접 소모재를 형성하는 것을 포함하고, 용접 합금은, 대략 1 중량% 미만의 망간, 뿐만 아니라 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제를 포함한다. 게다가, 용접 합금은 이토 및 베쏘 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만인 탄소 당량(CE) 값을 갖는다. 용접 합금은 또한 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제를 포함하고, 용접 합금은 대략 0.6 중량% 미만의 입자 조절제를 포함한다.
다른 실시예에서, 강 공작물 상에 형성되는 용착물은, 대략 1 중량% 미만의 망간, 뿐만 아니라 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제를 포함한다. 게다가, 용착물은 이토 및 베쏘 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만인 탄소 당량(CE) 값을 갖는다. 용착물은 또한 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제를 포함하고, 용착물은 대략 0.6 중량% 미만의 입자 조절제를 포함한다.
본 발명의 이들 및 기타 특징, 양태 그리고 이점은 동일한 부호가 도면 전반에 걸쳐 동일한 부품을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른, 가스 금속 아크 용접(GMAW)의 블럭도이다.
본 개시의 하나 이상의 특정한 실시예가 아래에 설명된다. 이들 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 실시의 모든 특징부들이 명세서에서 설명되지 않을 수 있다. 그러한 임의의 실제 실시의 개발에 있어서, 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 다수의 실시-특정 결정은, 실시마다 변경될 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 제약의 준수와 같은 개발자의 특정 목적을 달성하도록 이루어져야 한다는 것을 알아야 한다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소비적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이점을 갖는 숙련자의 설계, 제작 및 제조의 일상적인 착수라는 점을 알아야 한다.
본 개시의 다양한 실시예의 요소를 도입할 때에, 단수 형태는 요소들의 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다. "구비하는", "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적이고 열거된 요소들 외에 추가의 요소가 있을 수 있다는 것을 의미하도록 의도된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "관형 용접 전극" 또는 "관형 용접 와이어"라는 용어는 금속 외장부와, 금속-코어드 또는 플럭스-코어드 용접 전극 등의 그래뉼형(granular) 또는 분말형 코어를 갖는 임의의 용접 와이어 또는 전극을 지칭할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "관형"이라는 용어는 원형, 타원형, 정사각형, 다각형, 또는 임의의 다른 적절한 형상을 비롯하여 다양한 형상의 용접 와이어를 포함할 수 있다. 특별한 성분과 관련하여 "~가 실질적으로 없는"이라는 어구는 특별한 성분이 미량의 농도(예컨대, 대략 0.01% 미만, 대략 0.001% 미만, 또는 대략 0.0001% 미만)로만 존재하거나 완전히 없다(예컨대, 0 중량% 또는 검출 한계 미만)는 것을 가리킬 수 있다.
본 실시예는 (예컨대, 용접 소모재로서) 용접 용례에 사용하기 위한 합금에 관한 것이다. 예컨대, 본 발명에 개시된 용접 합금은 특정한 실시예에서 (예컨대, GMAW 또는 SAW 용례에 사용하기 위한) 고체 용접 와이어로 형성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 본 개시의 용접 합금은 와이어로 형성되고, 소정 길이로 절단된 다음, (예컨대, SMAW 용례를 위한) 스틱 전극을 형성하도록 플럭스가 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 개시의 합금은 관형 용접 와이어의 외장부로 형성되고 (예컨대, FCAW-G 또는 FCAW-S 용례를 위한) 플럭스 코어드 또는 금속 코어드 용접 와이어를 생산하도록 그래뉼형 코어 재료가 충전될 수 있다. 특정한 실시예에서, 개시된 용접 합금은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 용례에 사용하도록 와이어로 형성되고 소정 길이의 봉으로 절단될 수 있다. 따라서, 본 개시의 합금은 임의의 갯수의 용접 소모재의 제조에 유용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
특히, 본 개시의 용접 합금은 낮은 망간 함량을 갖는다. 보다 구체적으로, 본 개시의 용접 합금 실시예는 대략 2 중량% 미만의 망간, 예컨대 대략 1.5 중량% 미만의 망간, 대략 1 중량% 미만의 망간, 대략 0.9 중량% 미만의 망간을 포함하거나, 심지어는 미량의 망간 함량만을 포함한다. 따라서, 아래에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 개시된 용접 합금은 다른 용접 소모재보다 대략 5% 내지 대략 95% 낮은 망간을 갖는 용접 소모재(예컨대, 용접 와이어 및 봉)를 제조할 수 있게 하고, 이들 용접 소모재는 저-망간 용착물 및 저-망간 용접 흄(welding fume)을 생성할 수 있다. 또한, 본 개시의 용접 합금은 용접 구조강(예컨대, 연강, 저-합금강, 탄소강, 또는 다른 적절한 구조강) 및 비-구조강(예컨대, 크롬-몰리강)에 유용하다. 본 개시의 용접 합금은 실질적으로 높은 망간 함량을 갖는 용접 소모재를 이용하여 형성된 용착물의 특성과 일치하거나 초과하는 용착물 특성(예컨대, 인장 강도, 항복 강도 등)을 제공한다. 예컨대, 본 실시예는, 용착물의 저-망간 함량에도 불구하고, 적절한 인장 강도(예컨대, 적어도 70 ksi(kilopound per square inch)) 뿐만 아니라 적절한 인성(예컨대, -20 ℉에서 적어도 20 ft-lbs의 샤르피 브이 노치(CVN; Charpy V-notch) 인성)을 제공하는 대략 2 중량% 미만의 망간 함량을 갖는 용착물을 형성할 수 있다.
더욱이, 본 개시의 용접 합금은 여러가지 상이한 타입의 용접 소모재(예컨대, 필러 봉, 스틱 전극, 플럭스-코어드 와이어, 금속-코어드 와이어, 또는 고체 전극)의 제조에 사용될 수 있지만, 특정한 본 실시예는 고체 용접 와이어를 형성하는 데에 특히 적합하다. 일반적으로, 고체 용접 와이어는 플럭스-코어드 용접 와이어보다 적은 용접 흄을 생성하고, 일반적으로 슬래그가 없거나 거의 없는 청정한 용착물을 제공한다는 것이 이해될 수 있다. 이와 달리, 플럭스-코어드 용접 와이어는 용접 작업이 완료된 후에 통상적으로 제거되는 슬래그층을 포함하는 용착물을 일반적으로 형성한다. 그러나, 플럭스-코어드 용접 와이어에 의해 형성된 슬래그층의 제거는 작업자의 용접 후 시간을 더 많이 소비할 수 있고, 특정한 실시예에서, 이 슬래그층은 유리하게는 용접 중에 용접 풀(weld pool)로부터 바람직하지 않은 요소의 농도를 제거하거나 감소시키는 역할을 할 수 있고, 이는 결과적인 용착물의 화학 물질에 관하여 더 큰 제어를 제공할 수 있다.
아래에 나타내는 바와 같이, 이들 용착물 특성은 용접 합금 내에 하나 이상의 강화제(예컨대, 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘, 및/또는 붕소)와 하나 이상의 입자 조절제(예컨대, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및/또는 붕소)의 포함을 통해 낮은 망간 함량에도 불구하고 달성된다. 바꿔 말해서, 하나 이상의 강화제 및/또는 하나 이상의 조절제의 추가는 저-망간 레벨에도 불구하고, 강철 공작물(예컨대, 구조강 공작물)을 용접할 때에 만족스러운 용착물 특성이 달성되게 할 수 있다고 여겨진다. 게다가, 특정한 실시예에서, 하나 이상의 입자 조절제(예컨대, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및/또는 붕소)를 용접 합금 내에 포함시키면 또한 비교적 낮은 망간 레벨에도 불구하고, 강철 공작물(예컨대, 구조강 공작물)을 용접할 때에 용착물의 만족스러운 기계적 특성(예컨대, 인성, 인장 강도 등)이 달성될 수 있도록 보다 낮은 망간 레벨을 보상한다고 여겨진다. 또한, 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 성분들(예컨대, 하나 이상의 강화제)은, 용접 합금이 대체로 대략 0.23보다 작은(예컨대, 대략 0.07 내지 대략 0.12의) 탄소 당량(CE; carbon equivalence value)을 갖도록 적절한 상대 농도로 용접 합금 내에 존재한다.
용접 시스템
도면을 참조하면, 도 1은 본 개시에 따른 용접 합금으로 제조되는 용접 전극(예컨대, 용접 와이어 또는 용접 스틱 또는 봉)을 이용하는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템(10)의 실시예를 예시한다. 본 개시가 도 1에 예시된 GMAW 시스템(10)에 특히 집중할 수 있지만, 본 개시의 용접 합금은 용접 와이어 또는 봉 등의 용접 소모재를 이용하는 다수의 상이한 용접 프로세스(예컨데, FCAW-S, SCAW-G, GTAW, SAW, 또는 유사한 용접 프로세스)에서 이익을 얻을 수 있다. 용접 시스템(10)은 용접 전원(12), 용접 와이어 급송기(14), 가스 공급 시스템(16), 및 용접 토치(18)를 포함한다. 용접 전원(12)은 일반적으로 전력을 용접 시스템(10)에 공급하고 케이블 번들(20)을 통해 용접 와이어 급송기(14)에 연결될 수 있다. 용접 전원(12)은 또한 클램프(26)를 갖는 리드 케이블(24)을 이용하여 공작물(22)에 연결될 수 있다. 도시된 실시예에서, 용접 와이어 급송기(14)는 용접 시스템(10)의 작동 중에 소모성 용접 와이어(예컨대, 용접 전극)과 전력을 용접 토치(18)에 공급하도록 케이블 번들(28)을 통해 용접 토치(18)에 연결된다. 다른 실시예에서, 용접 전원(12)은 용접 토치(18)에 연결되어 전력을 직접 공급할 수 있다.
용접 전원(12)은 일반적으로 교류 전원(30; 예컨대, AC 전력 그리드, 엔진/제너레이터 세트, 또는 이들의 조합)으로부터 입력 전력을 수신하고, 입력 전력을 컨디셔닝하며, 케이블(20)을 통해 DC 또는 AC 출력 전력을 제공하는 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 전원(30)은 정전압(CV; constant voltage) 전원(30)일 수 있다. 용접 전원(12)은, 용접 시스템(10)의 요구에 따라, 용접 와이어 급송기(14)를 통전시키고, 용접 와이어 급송기는 다시 용접 토치(18)에 전력을 공급할 수 있다. 클램프(26)에서 종결되는 리드 케이블(24)은 용접 전원(12)을 공작물(22)에 연결시켜 용접 전원(12), 공작물(22), 및 용접 토치(18) 사이의 회로를 폐쇄시킨다. 용접 전원(12)은, 용접 시스템(10)의 요구에 의해 명령된 바와 같이, AC 입력 전력을 직류 전극 포지티브(DCEP; direct current electrode positive) 출력, 직류 전극 네가티브(DCEN; direct current electrode negative) 출력, DC 가변 극성, 펄스형 DC, 또는 가변 밸런스(예컨대, 밸런스드 또는 언밸런스드) AC 출력으로 변환시킬 수 있는 회로 요소들(예컨대, 변압기, 정류기, 스위치 등)을 포함할 수 있다. 본 개시의 용접 합금은 다수의 상이한 전력 구성을 위해 용접 프로세스에 개선(예컨대, 개선된 아크 안정성 및/또는 개선된 용접 품질)을 가능하게 할 수 있다는 것을 알아야 한다.
예시된 용접 시스템(10)은 하나의 차폐 가스 공급원(17)으로부터 용접 토치(18)로 차폐 가스 또는 차폐 가스 혼합물을 공급하는 가스 공급 시스템(16)을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 차폐 가스는 특별한 국부적 분위기를 제공하기 위하여(예컨대, 아크를 차폐하기 위해, 아크 안정성을 개선하기 위해, 금속 산화물의 형성을 제한하기 위해, 금속 표면의 습윤성을 개선하기 위해, 용착물의 화학 물질을 변경하기 위해 등) 아크 및/또는 용접 풀에 제공될 수 있는 임의의 가스 또는 가스들의 혼합물(예컨대, 불활성 또는 활성 가스)를 지칭할 수 있다. 도시된 실시예에서, 가스 공급 시스템(16)은 가스 도관(32)을 통해 용접 토치(18)에 직접 연결된다. 다른 실시예에서, 가스 공급 시스템(16)은 대신에 와이어 급송기(14)에 연결될 수 있고, 와이어 급송기(14)는 가스 공급 시스템(16)으로부터 용접 토치(18)로의 가스 유동을 조절할 수 있다. 외부에서 공급되는 차폐 가스에 의존하지 않을 수 있는 특정한 FCAW-S, SMAW 및 SAW 시스템 등의 다른 실시예에서, 용접 시스템(10)은 가스 공급 시스템(16)을 포함하지 않을 수 있다. 그러한 실시예에서, 용접 전극은 국부화된 차폐 분위기를 제공하도록 용접 작동 중에 공작물(22)의 표면 근처에서 적어도 부분적으로 분해되는 플럭스(예컨대, 플럭스 코어 또는 플럭스 코팅)을 포함할 수 있다.
특정한 실시예에서, 차폐 가스 유동은 차폐 가스 또는 차폐 가스 혼합물[예컨대, 아르콘(Ar), 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 유사하게 적절한 차폐 가스, 또는 이들의 임의의 혼합물]일 수 있다. 예컨대, 차폐 가스 유동[예컨대, 가스 도관(32)을 통해 운반되는]은 Ar, CO2, Ar/CO2 혼합물(예컨대, 75% Ar과 25% CO2, 90% Ar과 10% CO2, 95% Ar과 5% CO2 등), Ar/CO2/O2 혼합물, Ar/He 혼합물 등을 포함할 수 있다. 또한, 아래에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 특정한 차폐 가스(예컨대, 90% Ar/10% CO2 등의 특정한 Ar/CO2 혼합물)는 용접 작업 중에 발생될 수 있는 용접 흄의 총량을 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 차폐 가스 유동은 대략 0% 내지 100%의 CO2를 포함할 수 있고, 차폐 가스 유동의 나머지는 아르콘, 헬륨, 또는 다른 적절한 가스이다. 특정한 실시예에서, 3개 이상의 가스(예컨대, 트라이믹스)를 포함하는 차폐 가스 유동이 또한 현재 고려된다. 게다가, 특정한 실시예에서, 차폐 가스 혼합물은 대략 35 cfh(cubic feet per hour) 내지 대략 55 cfh(예컨대, 대략 40 cfh)의 속도로 아크에 제공될 수 있다.
따라서, 예시된 용접 토치(18)는 일반적으로, 용접 와이어 급송기(14)로부터 용접 와이어를, 용접 전원(12)으로부터 전력을, 그리고 가스 공급 시스템(16)으로부터 차폐 가스 유동을 받아들여 공작물(22)의 GMAW를 수행한다. 특정한 실시예에서, 용접 와이어 급송기(14)는 정속 용접 와이어 급송기(14)일 수 있다. 작동 중에, 용접 토치(18)는 아크(34)가 소모성 용접 전극[즉, 용접 토치(18)의 접촉 팁을 빠져나가는 용접 와이어]과 공작물(22) 사이에 형성될 수 있도록 공작물(22) 근처로 갈 수 있다. 게다가, 아래에서 설명되는 바와 같이, 용접 와이어의 조성을 조절함으로써, 결과적인 용접부의 화학적 및 기계적 특성이 변경될 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 와이어는, 용접 풀에 대한 종(니켈, 몰리브덴, 실리콘, 탄소, 또는 다른 적절한 합금 성분)에 기여하여 용접부의 기계적 특성(예컨대, 강도 및 인성)에 영향을 미치는 합금 성분을 포함할 수 있다. 더욱이, 용접 와이어의 특정한 성분은 또한, 예컨대 아크 근처에 추가적인 차폐 분위기를 제공하고, 아크의 이행 특성에 영향을 미치며, 공작물의 표면을 세척할 수 있다.
용접 합금 조성
아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 개시의 용접 합금은 다수의 성분을 포함할 수 있다. 이들 성분은 다양한 카테고리(예컨대, 합금제, 강화제, 입자 조절제, 탈산제 등)로 분류될 수 있지만, 특정한 성분이 용접 프로세스 중에 다중 역할을 할 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 특별한 역할을 제공하는 특별한 성분의 본 명세서의 개시는, 용접 프로세스 중에 해당 성분이 다른 역할을 제공하는 것 또는 다른 기능을 수행하는 것을 배제하지 않는다. 예컨대, 아래에 기술되는 바와 같이, 특정한 실시예에서, 개시된 용접 합금은 적절한 기계적 특성(예컨대, 구조강 용례에 적절한 인장 강도와 인성)을 갖는 용착물을 생성하기 위한 강화제(즉, 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘, 붕소, 또는 이들의 조합) 및/또는 입자 조절제(즉, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 붕소, 또는 이들의 조합)을 포함할 수 있다.
A1(중량%) A2(중량%) A3(중량%)
탄소 0.001 - 0.12 0.05 - 0.07 0.04 - 0.06
망간 0.05 - 2 0.3 - 0.4 0.3 - 0.4
실리콘 0.1 - 0.2 0.65 - 0.85 0.65 - 0.85
니켈 0 - 5.0 0.65 - 0.85 0.65 - 0.85
코발트 0 - 2 0.001 - 0.7 0.001 - 0.7
크롬 0 - 0.8 0.001 - 0.2 0.001 - 0.2
몰리브덴 0 - 1.5 0.001 - 0.1 0.001 - 0.1
바나듐 0 - 0.1 0.0001 - 0.03 0.0001 - 0.03
구리 0.001 - 2 0.001 - 0.2 0.1 - 0.2
티타늄 0.01 - 0.2 0.04 - 0.16 0.04 - 0.16
지르코늄 0.01 - 0.2 0.02 - 0.1 0.02 - 0.1
알루미늄 0.001 - 1 0.05 - 0.1 0.001 - 0.01
니오븀 0 - 0.1 0.001 - 0.1 0.001 - 0.01
탄탈륨 0 - 0.2 0.001 - 0.2 0.001 - 0.2
붕소 0 - 0.01 0.0001 - 0.001 0.0001 - 0.001
안티몬화물 0 - 0.25 0 - 0.25 0 - 0.25
황 0 - 0.01 0.001 - 0.01 0.001 - 0.01
인 0 - 0.01 0.001 - 0.01 0.001 - 0.01
철 나머지(~84 - 99) 나머지(~96 - 98) 나머지(~96 - 98)
표 1은 본 방안의 실시예에 따른, 용접 합금의 개시된 3 분류의 화학적 조성을 예시한다. 값들은 합금의 총중량에 대해 중량%(wt%)의 관점에서 열거되어 있다.
전술한 관점에서, 표 1은 본 방안의 실시예에 따른 용접 합금, 즉 A1, A2 및 A3의 3 분류의 화학적 조성(즉, 중량%의 범위)을 나타낸다. 용접 합금 A1은 다양한 구성요소들의 가장 넓은 범위를 획정하고, 이에 따라 본 개시의 용접 합금 실시예의 가장 넓은 분류를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 또한, 용접 합금 A2 및 A3은 대체로 A1 분류 내에 속하는 2개의 하위 분류 또는 속을 나타내고, 이에 따라 본 개시의 용접 합금 실시예의 각 성분들의 더 좁은 범위를 획정한다. 표 1에서 용접 합금 분류 A1, A2 및 A3의 성분들에 대해 범위가 열거되어 있지만, 개시된 범위는 특별한 분류, 하위 분류, 또는 실시예에 대해 제한되지 않는다는 것을 알아야 한다. 사실상, 특정한 실시예에서, 임의의 개시된 성분은 본 방안의 용접 합금 실시예에, 표 1의 분류 A1, A2, 및 A3에 대해 지시된 바로 그 조합이 아니라, 임의의 개시된 범위로, 또는 임의의 그 하위 범위로, 임의의 조합으로 포함될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 본 방안의 용접 합금 실시예는 대략 0 중량%(또는 단지 미량)의 니켈(표 1에서 A1에 대해 기술된 바와 같은)을 포함하고, 대략 0.05 중량% 내지 대략 0.1 중량%의 알루미늄(표 1에서 A2에 대해 기술된 바와 같은)을 포함하고, 대략 0.04 중량% 내지 대략 0.06 중량%의 탄소(표 1에서 A3에 대해 기술된 바와 같은)를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금에 존재하는 표 1의 원소들 각각은 실질적으로 금속 또는 원소 형태로만 존재할 수 있고, 이는 용접 합금에 염 또는 화합물(예컨대, 산화물, 수산화물, 염화물 등)이 실질적으로 없을 수 있거나 용접 합금의 외표면 둘레에 소량의 산화물만을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다. 게다가, 표 2는 본 개시의 용접 합금의 실시예로부터 제조되는 2개의 예시적인 고체 용접 와이어, E1과 E2의 성분을 열거하고 있다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 고체 용접 와이어 실시예 E1과 E2의 특정한 성분은 표 1에 기술된 분류 A1, A2 및 A3 중 하나 이상에 의해 획정되는 범위 내에 대체로 속하는 중량%의 값으로 열거되어 있다.
E1(중량%) E2(중량%)
탄소 0.052 0.05
망간 0.39 0.38
실리콘 0.75 0.79
니켈 0.76 0.77
크롬 0.04 0.01
몰리브덴 0.01 0.01
바나듐 0.006 ＜0.001
구리 ＜0.01 0.15
티타늄 0.11 0.09
지르코늄 0.05 0.06
알루미늄 0.08 0.05
니오븀 ＜0.001 ＜0.001
붕소 ＜0.001 0.0005
황 0.005 0.01
인 0.001 0.002
철 나머지(~98) 나머지(~98)
표 2는 본 방안에 따른 용접 합금을 이용하여 제조되는 고체 용접 와이어, E1과 E2의 2가지 예시적인 실시예의 화학적 조성을 예시한다. 값들은 와이어의 총중량에 대해 중량%(wt%)의 관점에서 열거되어 있다. "미만"으로서 열거된 값들은 해당 성분에 대한 하부 검출 한계에 또는 그 근처에 있는 레벨에서 나타낸다.
표 1에 기술된 바와 같이, 본 개시의 용접 합금은 대략 0.05 중량% 내지 대략 2 중량%의 망간을 포함할 수 있다. 망간의 존재는 대체로 용접 합금을 강화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "강화제"라는 용어는 망간을 포함하도록 의도되지 않고, 오히려 본 개시의 용접 합금의 실시예를 이용하여 형성되는 용착물에 통합되는 다른 성분(예컨대, 니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 카롬, 바나듐, 실리콘, 및/또는 붕소)을 포함하고, 낮은 망간 함량에도 불구하고 용착물의 기계적 특성을 향상시킨다. 그러나, 망간 함량은 아래에 설명되는 바와 같이 특별한 용접 합금 실시예의 탄소 당량(CE)을 계산할 때에 고려된다는 것을 언급할 수 있다.
특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 2 중량% 미만의 망간(예컨대, 대략 1.8 중량% 미만, 대략 1.6 중량% 미만, 대략 1.4 중량% 미만, 또는 대략 1.2 중량% 미만의 망간)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 1 중량% 미만의 망간(예컨대, 대략 0.9 중량% 미만, 대략 0.8 중량% 미만, 대략 0.7 중량% 미만, 대략 0.6 중량% 미만, 대략 0.5 중량% 미만, 또는 대략 0.4 중량% 미만의 망간)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 표 1에 나타낸 바와 같이, 특정한 실시예에서, 대략 0.30 중량% 내지 대략 0.40 중량%의 망간(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 0.38 중량%의 망간 또는 대략 0.39 중량%의 망간) 또는 대략 0.2 중량% 내지 대략 0.5 중량%의 망간을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 용접 합금의 망간 함량은, 예컨대 대략 0.30 중량% 미만, 대략 0.25 중량% 미만, 대략 0.20 중량% 미만, 대략 0.15 중량% 미만, 대략 0.10 중량% 미만, 대략 0.05 중량% 미만까지, 또는 오직 미량의 레벨까지 더 감소될 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 망간 함량은 대략 0.1 중량%보다 크거나, 대략 0.2 중량%보다 크거나, 대략 0.3 중량%보다 클 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금은 특별한 목표 망간 함량(예컨대, 0.35 중량%)에 따라 제조될 수 있고, 결과적인 용접 합금은 공차 내(예컨대, ±25%, ±10%, 또는 ±5%)에서, 특별한 목표에 대략 동일한 망간 함량을 가질 수 있다.
특정한 실시예에서, 용접 합금 내의 망간 함량은 용접 합금을 이용하여 형성되는 용착물의 원하는 인장 강도를 기초로 하여 정해질 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 0.9 중량% 이하의 망간을 포함할 수 있고 대략 70 ksi(kilopounds per square inch) 내지 90 ksi의 인장 강도를 갖는 용착물을 형성하는 것이 가능할 수 있다. 추가의 예에 의해, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 1.4 중량% 이하의 망간을 포함할 수 있고 대략 90 ksi 내지 120 ksi의 인장 강도를 갖는 용착물을 형성하는 것이 가능할 수 있다.
강화제
전술한 바와 같이, 개시된 용접 합금은 용접 합금의 낮은 망간 함량에도 불구하고 적절한 기계적 특성(예컨대, 인장 강도, 인성)을 갖는 용착물을 제공하도록 하나 이상의 강화제를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 하나 이상의 강화제는, 통상적으로 용착물의 형성 중에 오스테나이트로부터 페라이트로의 고체상 천이 온도를 하강시키고 및/또는 델타 페라이트로부터 오스테나이트로 천이 온도를 상승시키는(예컨대, 페라이트상을 지연시키는) 오스테나이트 안정화제(예컨대, 니켈, 탄소, 구리, 코발트 등)를 포함할 수 있다. 게다가, 특정한 실시예에서, 강화제는, 추가적으로 또는 대안적으로, 오스테나이트 안정화제인 것으로 대체로 고려되지 않는 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘, 및 붕소 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 본 기법에 따라, 결과적인 용착물의 기계적 특성(예컨대, 인장 강도, 인성)을 여전히 향상시킬 수 있다. 용접 합금 실시예에 존재하는 강화제들의 결합된 총량은 또한 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 특별한 탄소 당량(CE) 값 또는 범위를 제공하도록 조절될 수 있다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제로서 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 5 중량%의 니켈을 대체로 포함한다. 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.01 중량% 내지 대략 5 중량%, 대략 0.2 중량% 내지 대략 4 중량%, 대략 0.3 중량% 내지 대략 3 중량%, 대략 0.4 중량% 내지 대략 2 중량%, 또는 대략 0.5 중량% 내지 대략 1 중량%의 니켈을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.65 중량% 내지 0.85 중량%의 니켈(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 0.76 중량%의 니켈 또는 대략 0.77 중량%의 니켈)을 포함할 수 있다. 또한, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.35 중량% 내지 대략 0.45 중량% 또는 대략 1.75 중량% 내지 대략 2.75 중량%의 니켈을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 니켈 함량은 대략 0.01 중량%보다 크거나, 대략 0.1 중량%보다 크거나, 0.15 중량%보다 크거나, 대략 0.2 중량%보다 크거나, 대략 5 중량%보다 적거나, 대략 0.01 중량%보다 적거나, 대략 0.001 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제로서 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 2 중량%의 코발트를 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.01 중량% 내지 대략 2 중량%, 대략 0.02 중량% 내지 대략 1.5 중량%, 대략 0.03 중량% 내지 대략 1.0 중량%, 대략 0.04 중량% 내지 대략 0.8 중량%, 또는 대략 0.05 중량% 내지 대략 0.7 중량%의 코발트를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 코발트 함량은 대략 0.01 중량%보다 크거나, 대략 0.05 중량%보다 크거나, 대략 2 중량%보다 적거나, 대략 0.7 중량%보다 적거나, 대략 0.01 중량%보다 적거나, 또는 대략 0.001 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제로서 대략 0.001 중량% 내지 대략 2 중량%의 구리를 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.001 중량% 내지 대략 0.7 중량%, 대략 0.005 중량% 내지 대략 0.4 중량%, 또는 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.2 중량%의 구리(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 0.15 중량%의 구리 또는 대략 0.01 중량% 미만의 구리)를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 구리 함량은 대략 0.05 중량%보다 크거나, 대략 2 중량%보다 적거나, 대략 0.7 중량%보다 적거나, 대략 0.2 중량%보다 적거나, 대략 0.01 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제로서 대략 0.001 중량% 내지 대략 0.12 중량%의 탄소를 포함한다. 보다 구체적으로, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.04 중량% 내지 대략 0.07 중량%, 또는 대략 0.05 중량% 내지 대략 0.06 중량%의 탄소(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 0.5 중량%의 탄소 또는 대략 0.052 중량%의 탄소)를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 탄소 함량은 대략 0.001 중량%보다 크거나, 대략 0.01 중량%보다 적거나, 대략 0.04 중량%보다 적거나, 대략 0.12 중량%보다 적거나, 대략 0.07 중량%보다 적거나, 또는 대략 0.06 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제(비-오스테나이트 강화제)로서 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 1.5 중량%의 몰리브덴을 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.001 중량% 내지 대략 1 중량%, 또는 대략 0.005 중량% 내지 대략 0.5 중량%의 몰리브덴(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 0.01 중량%의 몰리브덴)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 몰리브덴 함량은 대략 0.001 중량%보다 크거나, 대략 0.01 중량%보다 크거나, 대략 0.1 중량%보다 적거나, 또는 대략 1.5 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제(비-오스테나이트 강화제)로서 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 0.8 중량%의 크롬을 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.8 중량%, 또는 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.2 중량%의 크롬(예컨대, 0.01 중량% 또는 0.04 중량%의 크롬)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 크롬 함량은 대략 0.001 중량%보다 크거나, 대략 0.01 중량%보다 크거나, 대략 0.8 중량%보다 적거나, 대략 0.2 중량%보다 적거나, 또는 대략 0.1 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 강화제(비-오스테나이트 강화제)로서 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 0.1 중량%의 바나듐을 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.0005 중량% 내지 대략 0.09 중량%, 또는 대략 0.001 중량% 내지 대략 0.025 중량%의 바나듐(예컨대, 대략 0.006 중량%의 바나듐)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 바나듐 함량은 대략 0.001 중량%보다 크거나, 대략 0.1 중량%보다 적거나, 대략 0.03 중량%보다 적거나, 또는 대략 0.001 중량%보다 적을 수 있다.
또한 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 대략 0.1 중량% 내지 대략 1.2 중량%의 실리콘을 포함한다. 실리콘은 본 개시의 용접 합금의 실시예를 형성할 때에 2 이상의 역할을 할 수 있다. 예컨대, 실리콘은 슬래그를 발생시키도록 용접 풀에서 또는 그 근처에서 산소 함유 종과 반응하는 탈산제의 역할을 할 수 있다. 그러나, 용착물에서 지속되는 실리콘의 부분은 또한 용착물의 기계적 특성을 향상시키는 강화제의 역할을 할 수 있다. 따라서, 표 1에 개시된 실리콘의 범위는 용접 중에 탈산에 의해 소비되는 실리콘의 부분, 뿐만 아니라 강화제로서 용착물에 통합되는 실리콘의 부분을 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.65 중량% 내지 대략 0.85 중량%의 실리콘(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 0.75 중량%의 실리콘 또는 대략 0.79 중량%의 실리콘)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 실리콘 함량은 대략 0.1 중량%보다 크거나, 대략 0.65 중량%보다 크거나, 대략 0.85 중량%보다 적거나, 또는 대략 1.2 중량%보다 적을 수 있다. 실리콘 함량은 또한 개시된 용접 합금 실시에의 탈산 성분과 관련하여 아래에서 설명된다.
또한 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대체로 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 0.01 중량%의 붕소를 포함한다. 즉, 특정한 실시예에서, 붕소는 용접 합금의 특성 및/또는 결과적인 용착물의 특성에 악영향을 미치는 일 없이 본 방안의 용접 합금 실시예에 포함되지 않을 수 있다. 그러나, 특정한 실시예에서, 붕소는 결과적인 용착물의 기계적 특성을 향상시키도록 소량이 포함될 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.0001 중량% 내지 대략 0.001 중량%의 붕소(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 0.0005 중량%의 붕소 또는 0.001 중량% 미만의 붕소)를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 붕소 함량은 대략 0.0001 중량%보다 크거나, 대략 0.001 중량%보다 적거나, 대략 0.01 중량%보다 적을 수 있다. 붕소는 본 명세서에 설명된 바와 같이 강화제 및 입자 조절제 모두로 고려될 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 용접 합금 실시예에 존재하는 붕소의 양은 일반적으로, 아래에 설명되는 바와 같이, 탄소 당량값 및 입자 조절제의 총량에 모두 기여한다.
탄소 당량 (CE)
전술한 바와 같이, 본 방안의 용접 합금 실시예는 대체로 특정한 성분들, 즉, 망간과 하나 이상의 강화제들을 특별한 탄소 당량 함량 값 또는 범위를 제공하기에 적절한 레벨로 포함한다. 예컨대, 개시된 용접 합금 실시예는 아래의 화학식을 기초로 하여 이토(Ito) 및 베쏘(Bessyo) 방법(또한 임계 금속 파라미터(critical metal parameter, Pcm으로서 공지됨)에 따라 결정된 특별한 탄소 당량(CE) 값 또는 범위를 갖는다.
[화학식 1]
CE = %C + %Si/30 + (%Mn+%Cu+%Cr)/20 + %Ni/60 + %Mo/15 + %V/10 + 5*%B
여기서, 각 원소 비율은 용접 합금의 총 중량에 대한 중량%로 제공된다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 2 중량% 이하의 망간 함량(예컨대, 대략 1 중량% 미만 또는 0.3 중량% 내지 0.4 중량의 망간)과, 대략 0.05 내지 대략 0.25인 CE(화학식 1에 따라 결정되는)를 가질 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.24 미만, 대략 0.23 미만, 대략 0.22 미만, 대략 0.21 미만, 대략 0.2 미만, 대략 0.2 내지 대략 0.23, 또는 대략 0.08 내지 대략 0.23인 CE(화학식 1에 따라 결정되는)를 가질 수 있다. 특정한 실시예에서, 관형 용접 와이어(50)는 원하는 인장 강도를 기초로 하여 선택되는 CE(화학식 1에 따라 결정됨)를 가질 수 있다. 예컨대, 용접 합금은, 대략 90 ksi 내지 대략 140 ksi(예컨대, 대략 100 ksi)의 추산된 인장 강도를 제공하도록, 대략 2 중량% 미만의 망간 함량(예컨대, 대략 1 중량% 미만 또는 대략 0.3 중량% 내지 0.4 중량%의 망간)을 가질 수 있고 대략 0.2 내지 대략 0.23의 CE를 가질 수 있다. 더 낮게 추산된 인장 강도(예컨대, 대략 70 ksi 내지 대략 80 ksi)를 제공하도록 설계된 다른 실시예는, 대략 2 중량% 미만의 망간 함량(예컨대, 대략 1 중량% 미만 또는 대략 0.3 중량% 내지 0.4 중량%의 망간)을 가질 수 있고 0.2 미만, 예컨대 대략 0.07 내지 대략 0.12의 CE를 가질 수 있다.
입자 조절제
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 결과적인 용착물의 기계적 특성(예컨대, 인장 강도, 인성)을 향상시킬 수 있는 하나 이상의 입자 조절제를 대체로 포함한다. 특정한 실시예에서, 이들 입자 조절제는 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 붕소, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.02 중량% 내지 대략 2.3 중량%, 대략 0.02 중량% 내지 대략 0.6 중량%, 대략 0.05 중량% 내지 대략 0.7 중량%, 또는 대략 0.06 중량% 내지 대략 0.6 중량%의 결합된 입자 조절제를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 결합된 입자 조절제 함량은 대략 0.02 중량%보다 크거나, 대략 0.06 중량%보다 크거나, 대략 0.6 중량%보다 적거나, 대략 0.56 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 입자 조절제로서 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 0.1 중량%의 니오븀을 대체로 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.001 중량% 내지 대략 0.1 중량%, 대략 0.005 중량% 내지 대략 0.09 중량%, 또는 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.08 중량%의 니오븀을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 니오븀 함량은 대략 0.001 중량%보다 크거나, 대략 0.15 중량%보다 적거나, 대략 0.12 중량%보다 적거나, 대략 0.1 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 용착물의 기계적 특성을 향상시키기 위한 입자 조절제로서 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 0.2 중량%의 탄탈륨을 대체로 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.001 중량% 내지 대략 0.2 중량%, 대략 0.005 중량% 내지 대략 0.15 중량%, 또는 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.1 중량%의 탄탈륨을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 탄탈륨 함량은 대략 0.001 중량%보다 크거나, 대략 0.2 중량%보다 적거나, 대략 0.1 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.2 중량%의 티타늄을 대체로 포함한다. 전술한 실리콘과 같이, 티타늄은 용접 작동에서 2 이상의 역할을 할 수 있다는 것이 유념될 수 있다. 예컨대, 티타늄은 아래에서 설명되는 바와 같이 슬래그를 발생시키도록 용접 풀 근처의 산소 함유 종과 반응하는 탈산제의 역할을 할 수 있다. 그러나, 용착물에서 지속되는 티타늄은 또한 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 입자 조절제의 역할을 할 수 있다. 따라서, 표 1의 티타늄의 개시된 범위는 탈산에 의해 소모되는 티타늄(예컨대, 대략 60%), 뿐만 아니라 용접 중에 용착물에 통합되는 티타늄을 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.18 중량%, 대략 0.04 중량% 내지 대략 0.16 중량%, 또는 대략 0.08 중량% 내지 대략 0.12 중량%의 티타늄을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 티타늄 함량은 대략 0.01 중량%보다 크거나, 대략 0.08 중량%보다 크거나, 대략 0.2 중량%보다 적거나, 또는 대략 0.16 중량%보다 적을 수 있다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.2 중량%의 지르코늄을 대체로 포함한다. 티타늄과 같이, 지르코늄은 용접 작동에서 2 이상의 역할을 할 수 있다는 것이 유념될 수 있다. 예컨대, 지르코늄은 아래에서 설명되는 바와 같이 슬래그를 발생시키도록 용접 풀 근처의 산소 함유 종과 반응하는 탈산제의 역할을 할 수 있다. 그러나, 용접 후에 용착물에서 지속되는 티타늄은 또한 용착물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 입자 조절제의 역할을 할 수 있다. 따라서, 표 1의 지르코늄의 개시된 범위는 탈산에 의해 소모되는 지르코늄(예컨대, 대략 60%), 뿐만 아니라 용접 중에 용착물에 통합되는 지르코늄을 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.01 중량% 내지 대략 0.15 중량%, 또는 대략 0.02 중량% 내지 대략 0.1 중량%의 지르코늄을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 지르코늄 함량은 대략 0.01 중량%보다 크거나, 대략 0.02 중량%보다 크거나, 대략 0.04 중량%보다 크거나, 대략 0.1 중량%보다 적거나, 대략 0.08 중량%보다 적거나, 또는 대략 0.02 중량%보다 적을 수 있다.
전술한 바와 같이, 용접 합금 실시예에 존재하는 붕소의 양은 용접 합금에 존재하는 입자 조절제의 총량 및 탄소 당량(CE) 값 모두에 대체로 기여한다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금 실시예는 대략 0 중량%(즉, 없거나 미량) 내지 대략 0.01 중량의 붕소를 대체로 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 대략 0.0011 중량% 내지 대략 0.001 중량%의 붕소(예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 0.0005 중량% 또는 0.001 중량% 미만의 붕소)를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용접 합금의 붕소 함량은 대략 0.0001 중량%보다 크거나, 대략 0.001 중량%보다 적거나, 대략 0.01 중량%보다 적을 수 있다.
다른 성분들
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 특정한 실시예에서, 고체 용접 합금은 지시 범위 내의 탈산 성분(예컨대, 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 및 실리콘)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 특정한 탈산 성분이 또한 다른 역할(예컨대, 강화제, 입자 조절제)을 할 수 있고, 이들 성분은 이들 효과를 제공하도록 이들 성분의 적절한 부분이 용착물에 통합되게 할 수 있는 레벨로 존재할 수 있다. 특정한 실시예에서, 안티몬화물은 본 방안에 악영향을 미치는 일 없이 포함되지 않을 수 있고, 다른 실시예에서, 안티몬화물(예컨대, 최대 0.25 중량%)은 결과적인 용착물의 특성을 조정하기에 유용할 수 있다. 특정한 실시예에서, 개시된 용접 합금 실시예는 대략 80 중량%보다 큰 철(예컨대, 대략 83 중량%보다 큰, 대략 84 중량%보다 큰, 대략 90 중량%보다 큰, 대략 95 중량%보다 큰, 대략 96 중량%보다 큰, 대략 97 중량%보다 큰, 대략 98 중량%보다 큰, 대략 99 중량%보다 큰, 또는 나머지 부분의 철)을 포함할 수 있다.
AWS 표준 및 분류
용접 구조강을 위한 특정한 용접 전극(예컨대, 미국 용접 협회(AWS; American Welding Society) A5.18 ER70S-2 표준에 따라 제조된 용접 전극)은 0.9 중량% 내지 1.4 중량%의 망간을 포함한다. 그에 비해, ER70S-2 와이어는, 대략 0.3 중량% 내지 대략 0.4 중량%의 망간을 갖는 용접 합금 실시예와 같이 본 방안의 특정한 용접 합금 실시예보다 대략 2배 내지 대략 5배 더 많은 망간 함량을 함유한다. 또한, AWS 사양을 기초로 하여, ER70S-2 와이어는 0.15 중량% 이하의 니켈을 포함한다. 그에 비해, 본 방안의 특정한 실시예(예컨대, 표 1의 하위 분류 A2 및 A3의 실시예)는 ER70S-2 와이어보다 대략 4배 내지 대략 6배 많은 니켈 함량을 함유할 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 개시된 용접 합금은 대략 1 중량% 미만의 망간(예커대, 대략 0.9 중량% 이하의 망간, 대략 0.4 중량% 미만의 망간)과 대략 0.15 중량%보다 큰 니켈(예컨대, 대략 0.16 중량%보다 큰, 대략 0.18 중량%보다 큰, 대략 0.2 중량%보다 큰, 대략 0.25 중량%보다 큰, 또는 대략 0.75 중량%보다 큰 니켈)을 포함할 수 있다.
표 1 및 2의 배합은 단순히 예시적인 배합으로서 제공된다는 것을 알 수 있다. 특정한 실시예에서, 본 개시의 저-망간 용접 합금은 아래의 AWS A5.29, A5.20, 및/또는 A5.36 표준을 준수하는 용접 소모재(예컨대, 고체 용접 와이어, 스틱 전극, 또는 관형 용접 와이어)를 제조하는 데에 사용될 수 있다: E71T1-GC H8(예컨대, 오하이오주 트로이에 소재하는 Hobart Brothers Company로부터 입수 가능한, Element™ 71Ni1C와 유사한 용착물 화학 물질 및 기계적 특성을 제공하는 것); E71T1-GM H8(예컨대, 오하이오주 트로이에 소재하는 Hobart Brothers Company로부터 입수 가능한, Element™ 71Ni1M과 유사한 용착물 화학 물질 및 기계적 특성을 제공하는 것); E71T1-1C H8(예컨대, 오하이오주 트로이에 소재하는 Hobart Brothers Company로부터 입수 가능한, Element™ 71T1C와 유사한 용착물 화학 물질 및 기계적 특성을 제공하는 것); E71T-1M H8(예컨대, 오하이오주 트로이에 소재하는 Hobart Brothers Company로부터 입수 가능한, Element™ 71T1M과 유사한 용착물 화학 물질 및 기계적 특성을 제공하는 것); E81T1-GC H8(예컨대, 오하이오주 트로이에 소재하는 Hobart Brothers Company로부터 입수 가능한, Element™ 81K2C와 유사한 용착물 화학 물질 및 기계적 특성을 제공하는 것); 및 E81T1-GM H8(예컨대, 오하이오주 트로이에 소재하는 Hobart Brothers Company로부터 입수 가능한, Element™ 81K2M과 유사한 용착물 화학 물질 및 기계적 특성을 제공하는 것).
용접 합금 및 용접 소모재의 제조
고체 용접 전극을 포함하는 개시된 용접 소모재는 일반적인 강 제조 프로세스 및 기법을 이용하여 합금으로 형성될 수 있는 시작 재료들 또는 성분들의 혼합물로부터 형성될 수 있다. 예컨대, 이들 시작 재료는 철, 철 티타늄 분말, 철 지르코늄 분말, 알루미늄 분말 또는 알루미나, 뿐만 아니라 다른 적절한 시작 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 시작 재료는 미국 특허 제6,608,284호 및 제8,119,951호에 기술된 하나 이상의 재료(예컨대, 안티몬화물, 갈륨)를 포함할 수 있고, 이들 특허 모두는 모든 목적을 위해 본 명세서에 그 전체가 통합된다. 일반적으로, 다양한 시작 재료가 용융 상태에 도달하도록 노 내에서 가열될 수 있다. 게다가, 하나 이상의 불순물(예컨대, 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 및/또는 실리콘의 산화물)이 혼합물로부터 슬래그로서 제거될 수 있다. 따라서, 특정한 시작 재료의 일부분이 산화되고 용접 합금의 형성 중에 슬래그로서 제거된 후에, 결과적인 용접 합금의 조성은 표 1에 나타낸 분류 A1, A2 및 A3 중 하나 이상의 성분 범위를 준수한다.
일단 형성되면, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 (예컨대, GMAW, GTAW, 및 SAW 용례에 사용하기 위한) 고체 와이어를 형성하도록 (예컨대, 하나 이상의 드로잉 다이를 이용하여) 드로잉 가공될 수 있다. 게다가, 특정한 실시예에서, 고체 와이어는 세그먼트로 절단되고 코팅이 피복되어 스틱 전극을 제조할 수 있다. 또한, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 납작하게 되고, 외장부로 형성되며, 그래뉼형 코어 재료(예컨대, 플럭스)가 충전되어 금속-코어드 또는 플럭스-코어드 관형 용접 와이어를 제조할 수 있다. 또한, 특정한 실시예에서, 용접 합금은 공작물 상에 배치되고 도금 프로세스를 통해 부착될 수 있다. 플럭스 및/또는 코팅 성분을 포함하는 용접 소모재의 실시예(예컨대, 스틱 전극 및/또는 플럭스-코어드 관형 용접 와이어)의 경우, 용착물의 화학 물질, 용착물의 기계적 특성, 아크의 특성 등은 또한 플럭스 및/또는 코팅 성분의 조성 및 물성을 기초로 하여 조절 또는 조정될 수 있다. 특히, 특정한 실시예에서, (예컨대, SMAW 스틱 전극을 위해, 플럭스-코어드 전극 내에, 그리고 SAW 플럭스를 위해) 개시된 용접 합금과 협동하여 사용되는 플럭스 및/또는 코팅에는 망간이 실질적으로 없거나 완전히 없을 수 있다.
특정한 실시예에서, 개시된 합금은 SMAW 스틱 전극을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 일례에서, 고체 와이어는 개시된 용접 합금으로부터 제조되고, 세그먼트로 절단되며, 플럭스가 코팅되어 SMAW에 적절한 스틱 전극을 제조할 수 있다. 이 예에서, 본 개시의 용접 합금은 전술한 탈산제(예컨대, 지르코늄, 티타늄, 알루미늄, 및/또는 실리콘)을 아크 및/또는 용착물로 운반할 수 있다. 특정한 실시예에서, SMAW 스틱 전극은 AWS A5.1 또는 AWS A5.5(예컨대, Exx18 또는 Exx18-Y 전극으로 분류됨)를 준수할 수 있고 망간이 완전히 없거나 실질적으로 없는 플럭스 코팅을 가질 수 있다. 특정한 실시예에서, 고체 와이어 세그먼트는 플럭스 코팅의 부착 전에 다른 금속(예컨대, 용착된 금속층 또는 금속 포일)이 먼저 코팅되어 플럭스 코팅의 부착력을 향상시키고 및/또는 특정한 플럭스 성분과 고체 와이어 코어 간에 상호 작용을 제한할 수 있다. 특정한 실시예에서, 플럭스 코팅은 염기성일 수 있고(예컨대, 용착물에 최소의 산소를 제공함) 사용 전에 안정화되는(예컨대, 크롬 첨가되는) 실리콘 금속 분말을 포함할 수 있다.
용착물
표 3은 표 2의 고체 용접 전극 실시예 E1을 이용하여 형성되는 용착물의 예상되는 화학적 조성 및 기계적 특성을 예시한다. 표 3에 기술된 바와 같이, 특정한 실시예에서, 결과적인 용착물은 1 중량% 이하의 망간(예컨대, 대략 0.3 중량% 내지 대략 0.4 중량%의 망간)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 용착물은, 용착물을 형성하도록 사용되는 용접 합금의 망간 함량을 기초로 하여, 대략 1.25 중량% 미만, 대략 1 중량% 미만, 대략 0.9 중량% 미만, 대략 0.8 중량% 미만, 대략 0.7 중량% 미만, 대략 0.6 중량% 미만, 대략 0.5 중량% 미만, 대략 0.4 중량% 미만, 대략 0.3 중량% 미만, 대략 0.2 중량% 미만, 대략 0.1 중량% 미만, 또는 미량만의 망간을 포함할 수 있다.
W1 W2 W3
탄소 0.068 0.065 0.068
망간 0.304 0.375 0.361
실리콘 0.485 0.528 0.543
인 0.004 0.006 0.005
황 0.009 0.011 0.01
니켈 0.735 0.632 0.646
크롬 0.03 0.029 0.027
몰리브덴 0.008 0.009 0.009
바나듐 0.001 0.002 0.001
구리 0.073 0.11 0.086
티타늄 0.046 0.043 0.053
지르코늄 0.01 0.01 0.015
알루미늄 0.031 0.032 0.038
붕소 0.0001 0.00011 0.0001
니오븀 0.001 0.001 0.001
산소 0.074 0.07 0.053
질소 0.004 0.0037 0.0039
탄소 당량(CE) 0.12 0.12 0.12
차폐 가스 CO2 CO2 90/10
항복 강도(ksi) 67.6 64.1 77.4
인장 강도(ksi) 77.6 74.6 87.8
연신율(%in2") 26 27.6 20.5
면적 감소% 62.1 67.8 47.7
-20℉에서 CVN(ft-lbs) 70.8 54.8 22
표 3은 표 2의 고체 용접 전극 실시예 E1을 이용하여 형성되는 예시적인 용착물 W1, W2 및 W3의 화학적 조성(중량%)과 기계적 특성을 예시한다. 기계적 특성은 AWS A5.18에 따라 결정된다. "90/10" 차폐 가스 혼합물은 대략 90%의 아르곤과 대략 10%의 CO2이다. 모든 용착물은 1g 위치에서 형성되고 AWS A5.18에 따른 X선 검사를 통과하였다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금을 이용하여 형성되는 예시적인 용착물은, 낮은 망간 함량에도 불구하고, 용착물이 적절한 기계적 특성을 갖게 할 수 있는 특별한 농도로 하나 이상의 강화제(예컨대, 니켈, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘, 및/또는 붕소)와 하나 이상의 입자 조절제(예컨대, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 및/또는 지르코늄)을 포함한다. 본 개시의 용접 합금의 필러 봉과 차폐 가스로서 100% 아르곤을 이용하는 TIG 용접 작업과 같은 특정한 용접 작업의 경우, 용착물의 화학 물질은 위에서 상세하게 설명된 바와 같이 용접 합금의 화학 물질과 실질적으로 동일할 수 있다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 특정한 용접 작업의 경우, 용착물은 표 1의 분류 A1, A2, 또는 A3에 의해 정해지는 범위 내에 속할 수 있고, 용접 합금에 대해 위에서 기술된 강화제, 입자 조절제, 탄소 당량(CE) 등에 관한 범위들 중 임의의 범위를 포함할 수 있다. 표 3의 용착물 W1, W2 및 W3을 형성하도록 사용되는 GTAW 작업 등의 다른 용접 작업에서, 하나 이상의 성분의 양이 (예컨대, 베이스 금속의 화학 물질에 의해 또는 산화에 의해) 변경될 수 있고, 이에 따라 개시된 용접 합금으로 제조된 용접 소모재에서의 이들 성분의 레벨과 상이할 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 본 개시의 용접 합금의 실시예인 용접 소모재를 이용하여 형성된 용착물은, 대략 0.12 중량% 미만인 탄소 함량(예컨대, 대략 0.7 중량% 미만의 탄소); 대략 2 중량% 미만인 망간 함량(예컨대, 대략 1 중량% 미만, 대략 0.9 중량 미만, 또는 대략 0.3 중량% 내지 대략 0.4 중량%의 망간); 대략 1.2 중량% 미만인 실리콘 함량(예컨대, 대략 0.6 중량% 미만의 실리콘); 대략 5 중량% 미만인 니켈 함량(예컨대, 대략 1 중량% 미만, 대략 0.85 중량% 미만의 니켈); 대략 0.8 중량% 미만인 크롬 함량(예컨대, 대략 0.4 중량% 미만의 크롬); 대략 1.5 중량% 미만인 몰리브덴 함량(예컨대, 대략 0.01 중량% 미만의 몰리브덴); 대략 0.1 중량% 미만인 바나듐 함량(예컨대, 대략 0.03 중량% 미만의 바나듐); 대략 2 중량% 미만인 구리 함량(예컨대, 대략 0.2 중량% 미만의 구리); 대략 0.2 중량 미만인 티타늄 함량(예컨대, 대략 0.06 중량% 미만의 티타늄); 대략 0.2 중량% 미만인 지르코늄 함량(예컨대, 대략 0.02 중량% 미만의 지르코늄); 대략 1 중량% 미만인 알루미늄 함량(예컨대, 대략 0.04 중량% 미만의 알루미늄); 대략 0.01 중량% 미만인 붕소 함량(예컨대, 대략 0.0002 중량% 미만의 붕소); 대략 0.1 중량% 미만인 니오븀 함량(예컨대, 대략 0.002 중량% 미만의 니오븀); 및/또는 대략 0.1 중량% 미만인 탄탈륨 함량(예컨대, 대략 0.001 중량% 미만의 탄탈륨)을 포함할 수 있다.
게다가, 표 3은 낮은 망간 함량에도 불구하고 본 개시의 용접 합금 실시예에 의해 가능한 기계적 특성의 예를 도시한다. 예컨대, 표 3에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금의 실시예를 이용하여 형성되는 용착물은 대체로 낮은 망간 함량(예컨대, 1 중량% 미만의 망간)을 가짐에도 불구하고 70 ksi 이상인 인장 강도를 갖는다. 특정한 실시예에서, 용착물은 대략 70 ksi 내지 80 ksi, 대략 80 ksi 내지 90 ksi, 대략 90 ksi 내지 100 ksi, 대략 100 ksi 내지 140 ksi와 같이 더 높은 인장 강도를 가질 수 있다. 게다가, 표 3에 나타낸 바와 같이, 개시된 용접 합금의 실시예를 이용하여 형성되는 용착물은 대체로 58 ksi 이상인 항복 강도를 갖는다. 특정한 실시예에서, 용착물은 대략 58 ksi 내지 대략 75 ksi와 같이 더 높은 항복 강도를 가질 수 있다. 또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 개시의 용접 합금의 실시예를 이용하여 형성되는 용착물은 대체로 -20 ℉에서 20 ft-lbs(foot pounds)의 샤르피 브이 노치(CVN; Charpy V-notch) 값을 갖는다. 특정한 실시예에서, 용착물은 30 ft-lbs 초과, 40 ft-lbs 초과, 50 ft-lbs 초과, 60 ft-lbs 초과, 또는 70 ft-lbs 초과와 같이 더 높은 CVN 값을 가질 수 있다.
본 발명의 특정한 특징만을 본 명세서에 예시하고 설명하였지만, 당업자에게 많은 수정 및 변화가 일어날 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위가 본 발명의 진정한 사상 내에 속하는 그러한 모든 수정 및 변화를 포함하도록 의도된다는 것이 이해된다.

Claims (36)

  1. 용접 합금으로서,
    대략 1 중량% 미만의 망간;
    니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제; 및
    니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제
    를 포함하고, 상기 용접 합금의 탄소 당량(CE; carbon equivalence)은 이토(Ito) 및 베쏘(Bessyo) 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만이며, 상기 입자 조절제는 용접 합금의 대략 0.6 중량% 미만을 구성하는 것인 용접 합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.9 중량% 미만의 망간을 포함하는 것인 용접 합금.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.2 중량% 내지 대략 0.5 중량%의 망간을 포함하는 것인 용접 합금.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.3 중량% 내지 대략 0.4 중량%의 망간을 포함하는 것인 용접 합금.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 강화제는 니켈을 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 5 중량% 미만의 니켈을 포함하는 것인 용접 합금.
  6. 제5항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.5 중량% 내지 대략 1 중량%의 니켈을 포함하는 것인 용접 합금.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 강화제는 구리를 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 0.001 중량% 내지 대략 2 중량%의 구리를 포함하는 것인 용접 합금.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.7 중량% 미만의 구리를 포함하는 것인 용접 합금.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 강화제는 탄소를 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 0.12 중량% 미만의 탄소를 포함하는 것인 용접 합금.
  10. 제9항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.07 중량% 미만의 탄소를 포함하는 것인 용접 합금.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 강화제는 크롬을 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 0.8 중량% 미만의 크롬을 포함하는 것인 용접 합금.
  12. 제11항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.2 중량% 미만의 크롬을 포함하는 것인 용접 합금.
  13. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 입자 조절제는 티타늄을 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 0.2 중량% 미만의 티타늄을 포함하는 것인 용접 합금.
  14. 제13항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.04 중량% 내지 대략 0.16 중량%의 티타늄을 포함하는 것인 용접 합금.
  15. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 입자 조절제는 지르코늄을 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 0.2 중량% 미만의 지르코늄을 포함하는 것인 용접 합금.
  16. 제15항에 있어서, 상기 용접 합금은 대략 0.02 중량% 내지 대략 0.1 중량%의 지르코늄을 포함하는 것인 용접 합금.
  17. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 강화제와 상기 하나 이상의 입자 조절제는 붕소를 포함하고, 상기 용접 합금은 대략 0.001 중량% 내지 대략 0.01 중량%의 붕소를 포함하는 것인 용접 합금.
  18. 제1항에 있어서, 상기 용접 합금의 CE는 대략 0.2 미만인 것인 용접 합금.
  19. 제18항에 있어서, 상기 용접 합금의 CE는 대략 0.07 내지 대략 0.12인 것인 용접 합금.
  20. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 입자 조절제는 용접 합금의 대략 0.002 중량%를 초과해서 구성하는 것인 용접 합금.
  21. 용접 합금으로부터 용접 소모재를 형성하는 것을 포함하고, 상기 용접 합금은,
    대략 1 중량% 미만의 망간;
    니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제; 및
    니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제
    를 포함하고, 상기 용접 합금의 탄소 당량(CE)은 이토 및 베쏘 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만이며, 상기 입자 조절제는 용접 합금의 대략 0.6 중량% 미만을 구성하는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  22. 제21항에 있어서, 목표 망간 함량에 따라 상기 용접 합금을 형성하는 것을 포함하고, 상기 목표 망간 함량은 대략 0.35 중량%의 망간인 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 용접 소모재를 형성하는 것은, 용접 합금을 외장부로 형성하고 상기 외장부를 그래뉼형 플럭스로 충전시킴으로써 관형 용접 와이어를 형성하는 것을 포함하는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 그래뉼형 플럭스에는 망간이 실질적으로 없는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 용접 소모재를 형성하는 것은, 상기 용접 합금을 고체 용접 와이어로 형성하는 것을 포함하는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 고체 용접 와이어를 적절한 길이로 절단함으로써 필러 봉을 형성하는 것을 포함하는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 고체 용접 와이어를 적절한 길이로 절단하고 상기 길이를 코팅으로 피복함으로써 스틱 전극을 형성하는 것을 포함하는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 코팅에는 실질적으로 망간이 없는 것인 용접 소모재의 형성 방법.
  29. 강 공작물 상에 형성되는 용착물로서, 상기 용착물은,
    대략 1 중량% 미만의 망간;
    니켈, 코발트, 구리, 탄소, 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 실리콘 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 강화제; 및
    니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄, 및 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 입자 조절제
    를 포함하고, 상기 용착물의 탄소 당량(CE; carbon equivalence)은 이토 및 베쏘 탄소 당량 등식에 따라 대략 0.23 미만이며, 상기 입자 조절제는 용착물의 대략 0.6 중량% 미만을 구성하는 것인 용착물.
  30. 제29항에 있어서, 상기 용착물은 대략 70 ksi 이상의 인장 강도를 갖는 것인 용착물.
  31. 제29항에 있어서, 상기 용착물은 대략 58 ksi 이상의 항복 강도를 갖는 것인 용착물.
  32. 제29항에 있어서, 상기 용착물은 연신율에 의해 측정될 때에 적어도 대략 22%인 연성을 갖는 것인 용착물.
  33. 제29항에 있어서, 상기 용착물은 -20 ℉에서 대략 20 ft-lbs 이상의 샤르피 브이 노치(Charpy V-notch) 인성을 갖는 것인 용착물.
  34. 제29항에 있어서, 상기 강 공작물은 연강, 탄소강, 저-합금강, 또는 이들의 조합을 포함하는 구조강 공작물을 포함하는 것인 용착물.
  35. 제29항에 있어서, 상기 용착물의 CE는 0.2 미만인 것인 용착물.
  36. 제29항에 있어서, 상기 하나 이상의 입자 조절제는 용착물의 대략 0.002 중량%를 초과해서 구성하는 것인 용착물.
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