KR20170021891A - 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

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Abstract

강제 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어를, 와이어 전체 질량당, 질량%로, C를 0.01∼0.12%, Si를 0.05% 이상 0.30% 미만, Mn을 1.0∼3.5%, Ni를 0.1% 이상 1.0% 미만, Mo를 0.10∼0.30%, Cr을 0.1∼0.9%, TiO2를 4.5∼8.5%, SiO2를 0.10∼0.40%, Al2O3을 0.03∼0.23%, Fe를 80% 이상 함유하는 조성으로 한다.

Description

가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어{FLUX-CORED WIRE FOR GAS-SHIELDED ARC WELDING}
본 발명은 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 인장 강도가 490∼670MPa급인 강재의 용접에 사용되는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
종래, 인장 강도가 490∼670MPa급인 강재를 가스 실드 아크 용접할 때에 사용되는 플럭스 코어드 와이어에 대해, 용접 작업성의 향상이나 용접 금속의 기계 특성 향상 등을 목적으로 하여 여러 가지 검토가 이루어져 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).
특허문헌 1에는, 전자세에서의 용접 작업성을 양호하게 하고, 용접 그대로의 상태(AW) 및 열처리(PWHT) 후의 강도 및 저온 인성이 우수한 용접 금속을 얻기 위해, 와이어 조성을 특정한 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어가 제안되어 있다. 이 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 와이어는, C, Si, Mn, Ni, B, Mg, V, Ti 산화물 및 금속 Ti, Al 산화물 및 금속 Al, Si 산화물, 및 금속 불화물을 특정량 함유함과 더불어, P 및 Nb가 특정량 이하로 규제되고, 잔부가 강제 외피의 Fe, 철 분말, 철 합금 분말의 Fe분, 아크 안정제 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.
또한, 특허문헌 2에는, 내력이 690MPa 이상인 고장력강의 용접에 있어서, 고능률적인 전자세 용접을 가능하게 하고, 내균열성이 우수하며, 저온 인성이 양호한 용접 금속을 얻기 위해, 와이어 및 플럭스의 성분을 특정한 고장력강용 플럭스 코어드 와이어가 제안되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 2에 기재된 플럭스 코어드 와이어는, 필수 원소로서 C, Si, Mn, Ni 및 Al을 특정량 함유함과 더불어, 선택 원소로서 Cr, Mo, Nb 및 V 중 적어도 1종을 특정량 함유하고, 또한 플럭스에 TiO2, SiO2, ZrO2, Al2O3 및 불소 화합물을 특정량 함유하며, 잔부가 Fe, 아크 안정제 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다. 또, 이 플럭스 코어드 와이어에서는, 와이어의 전체 수소량을 15ppm 이하로 하고 있다.
일본 특허공개 2012-121051호 공보 일본 특허공개 2010-274304호 공보
석유·가스의 개발이나 오일·가스의 수송에서는, 황화물 응력 부식 균열(Sulfide Stress Corrosion Cracking: SSCC)이나 수소 취성이라고 하는 사워 부식이 문제가 된다. 이 문제에 대응하기 위해, 미국 방식(防蝕)기술협회(National Association of Corrosion Engineers: NACE)의 규격(NACE MR0175)에서는, 용접 금속 중의 Ni량이 1질량% 이하로 규제되어 있다.
그러나, 전술한 특허문헌 1의 플럭스 코어드 와이어는, 우수한 저온 인성을 확보하기 위해서 Ni를 0.1∼3.0질량% 첨가하고 있기 때문에, 용접 금속의 Ni 함유량이 1질량%를 초과해 버리는 경우가 있어, NACE의 요구에 충분히 대응할 수 없다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 와이어는, 열처리 조건에 대한 검토가 이루어져 있지 않아, 보다 엄격한 조건에서 열처리한 경우에서도 내력, 강도 및 저온 인성 등이 우수한 용접 금속이 얻어지는지는 불분명하다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 플럭스 코어드 와이어도, Ni를 1.0∼3.0질량% 함유하고 있기 때문에, NACE의 요구에 대응할 수 없다. 또한, 이 플럭스 코어드 와이어에서는, 열처리 후의 용접 금속의 성능에 대한 검토가 이루어져 있지 않아, 전술한 특허문헌 1에 기재된 플럭스 코어드 와이어와 마찬가지로, 보다 엄격한 조건에서 열처리한 경우에서도 강도 및 저온 인성 등이 우수한 용접 금속이 얻어지는지가 불분명하다.
그래서, 본 발명은, 용접 작업성이 양호하고, 또한 Ni 함유량이 1질량% 이하이더라도 용접 그대로의 상태 및 열처리 후 모두에서 저온 인성이 양호한 용접 금속이 얻어지는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 강제 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어로서, 와이어 전체 질량당, C를 0.01∼0.12질량%, Si를 0.05질량% 이상 0.30질량% 미만, Mn을 1.0∼3.5질량%, Ni를 0.1질량% 이상 1.0질량% 미만, Mo를 0.10∼0.30질량%, Cr을 0.1∼0.9질량%, TiO2를 4.5∼8.5질량%, SiO2를 0.10∼0.40질량%, Al2O3을 0.03∼0.23질량%, Fe를 80질량% 이상 함유한다.
이 플럭스 코어드 와이어는 V를, 와이어 전체 질량당 0.020질량% 이하로 규제해도 된다.
또한, 와이어 전체 질량당의 C 함유량(질량%)을 [C], Mn 함유량(질량%)을 [Mn], Si 함유량(질량%)을 [Si], Mo 함유량(질량%)을 [Mo], Cr 함유량(질량%)을 [Cr]로 했을 때, 하기 수학식(A)를 만족시키는 조성으로 할 수도 있다.
Figure pct00001
본 발명의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 Mg를, 와이어 전체 질량당 0.2∼0.7질량% 함유하고 있어도 된다.
또, Ti를, 와이어 전체 질량당 0.05∼0.30질량% 함유하고 있어도 된다.
또, 금속 불화물을, 와이어 전체 질량당, F 환산값으로 0.05∼0.30질량% 함유하고 있어도 된다.
또, Na 화합물 또는 K 화합물, 또는 그 양방을, 와이어 전체 질량당, Na 환산값 및 K 환산값의 합계로 0.01∼0.30질량% 함유하고 있어도 된다.
또, B, B 합금 및 B 산화물 중 적어도 1종을, 와이어 전체 질량당, B 환산값의 합계로 0.001∼0.020질량% 함유하고 있어도 된다.
한편, 이 플럭스 코어드 와이어는 ZrO2를, 와이어 전체 질량당, 0.02질량% 미만으로 규제할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 용접 작업성이 양호하고, 또한 Ni 함유량이 1질량% 이하이더라도 용접 그대로의 상태 및 열처리 후 모두에서 저온 인성이 양호한 용접 금속이 얻어진다.
도 1은 C량 및 Mn량과 Si량, Mo량 및 Cr량의 관계가 용접 금속의 기계 특성에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어는 강제 외피에 플럭스를 충전한 것으로, 가스 실드 아크 용접에 이용된다. 그리고, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어는, 와이어 전체 질량당, C를 0.01∼0.12질량%, Si를 0.05질량% 이상 0.30질량% 미만, Mn을 1.0∼3.5질량%, Ni를 0.1질량% 이상 1.0질량% 미만, Mo를 0.10∼0.30질량%, Cr을 0.1∼0.9질량%, TiO2를 4.5∼8.5질량%, SiO2를 0.10∼0.40질량%, Al2O3을 0.03∼0.23질량%, Fe를 80질량% 이상 함유한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 상기 이외의 성분, 즉 잔부는, 불가피적 불순물이다.
또한, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어는, 전술한 각 성분 이외에, Mg, Ti, 금속 불화물, Na 화합물, K 화합물, B, B 합금 및 B 산화물 등을 함유하고 있어도 된다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 V나 ZrO2가 함유되는 경우는, 이들의 함유량을 규제하는 것이 바람직하다.
더욱이, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어는, C량 및 Mn량과 Si량, Mo량 및 Cr량의 관계가 하기 수학식(A)를 만족시키는 것이 바람직하다. 한편, 하기 수학식(A)에 있어서의 [C]는 와이어 전체 질량당의 C 함유량(질량%), [Mn]은 와이어 전체 질량당의 Mn 함유량(질량%), [Si]는 와이어 전체 질량당의 Si 함유량(질량%), [Mo]는 와이어 전체 질량당의 Mo 함유량(질량%), [Cr]은 Cr 함유량(질량%)이다.
Figure pct00002
한편, 전술한 각 성분의 함유량은 용량법이나 중량법 등의 습식 화학 분석법에 의해 측정할 수 있다. 예를 들면, C는 연소-적외선 흡수법으로, Ti, Si, Zr, Mn, Al, Mg, Ni, Mo, Cr 및 B는 ICP 발광 분광 분석 방법으로, Na 및 K는 원자 흡광 분석 방법으로, F는 중화 적정법으로 각각 측정할 수 있다.
본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어의 외경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로는 1.0∼2.0mm이고, 실용상은 1.2∼1.6mm가 바람직하다. 또한, 플럭스 충전율은, 와이어 중의 각 성분이 전술한 범위 내이면 임의의 값으로 설정할 수 있지만, 와이어의 신선성 및 용접 시의 작업성(송급성 등)의 관점에서, 와이어 전체 질량의 10∼30질량%로 하는 것이 바람직하다. 또, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어는 단면 형상, 심의 유무 및 내부 형상도 특별히 한정되지 않는다.
다음으로, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 함유되는 각 성분의 수치 한정 이유에 대해 설명한다. 한편, 이하에 나타내는 각 성분의 함유량은, 특별히 예고가 없는 한, 와이어 전체 질량당의 값이다. 또한, 수치 한정 이유에 기재한 효과 등은, 특별히 예고가 없는 한, 용접 그대로의 상태의 용접 금속 및 응력 제거 소둔(Stress Relieving: SR) 후의 용접 금속 양방에 공통의 효과 등이다.
[C: 0.01∼0.12질량%]
C는 용접 그대로의 상태 및 SR 후에서의 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 단, C 함유량이 0.01질량% 미만인 경우, 용접 금속의 강도가 부족함과 더불어, 인성의 안정화 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, C 함유량이 0.12질량%를 초과하면, 용접 금속의 내고온균열성이 열화됨과 더불어, 용접 금속의 강도가 과도하게 상승하여 저온 인성도 열화된다. 따라서, C 함유량은 0.01∼0.12질량%로 한다.
C 함유량은 용접 금속의 강도 향상 및 인성 향상의 관점에서 0.03질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한 용접 금속의 내고온균열성 향상 및 저온 인성 향상의 관점에서 0.10질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, C는 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 C원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 그래파이트, 및 Fe-Mn이나 Fe-Si에 부수되는 C, 강제 외피에 첨가되는 C 등을 들 수 있다.
[Si: 0.05질량% 이상 0.30질량% 미만]
Si도 용접 그대로의 상태 및 SR 후에서의 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 단, Si 함유량이 0.05질량% 미만인 경우, 탈산 부족에 의해 용접 금속의 저온 인성이 열화된다. Si 함유량이 0.30질량% 이상인 경우, Si량이 과다해져, Si가 페라이트에 고용되고, 매트릭스 페라이트의 강도가 높아져, 용접 금속, 특히 SR 후의 용접 금속의 저온 인성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.05질량% 이상 0.30질량% 미만으로 한다.
Si 함유량은 탈산 효과를 높여 용접 금속의 저온 인성을 향상시키는 관점에서 0.08질량% 이상인 것이 바람직하고, 또한 SR 후의 용접 금속의 저온 인성을 향상시키는 관점에서 0.20질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Si는 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Si원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 Fe-Si 및 Si-Mn이나, 강제 외피에 첨가되는 Si 등을 들 수 있다.
[Mn: 1.0∼3.5질량%]
Mn은 용접 시에 미세 조직 생성의 기점이 되는 산화물을 형성하여, 용접 금속의 강도 향상 및 인성 향상에 유효한 원소이다. 단, Mn 함유량이 1.0질량% 미만인 경우, 용접 금속의 강도가 부족하거나 인성이 열화되거나 한다. 한편, Mn 함유량이 3.5질량%를 초과하면, 강도 과다 및 담금질성 과다에 의해 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 1.0∼3.5질량%로 한다.
Mn 함유량은 용접 금속의 강도 향상 및 인성 향상의 관점에서 1.2질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한 용접 금속의 강도 및 담금질성을 조정하여 인성을 향상시키는 관점에서 3.0질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mn은 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Mn원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 금속 Mn, Fe-Mn 및 Si-Mn이나, 강제 외피에 첨가되는 Mn 등을 들 수 있다.
[Ni: 0.1질량% 이상 1.0질량% 미만]
종래의 플럭스 코어드 와이어에서는, 저온 인성을 완전히 확보할 수 있는 양의 Ni를 용접 금속에 첨가하기 위해, 와이어 전체 질량당의 Ni량을 1질량% 이상으로 하고 있었다. 그러나, 용접 금속에 Ni가 다량으로 포함되어 있으면, H2S 환경 중에서 황화물 응력 부식 균열(SSCC)의 감수성이 높아진다. 그래서, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에서는, NACE 규격에 합치시키기 위해, Ni 함유량을 종래보다도 낮은 범위로 했다.
구체적으로는, Ni 함유량은 0.10질량% 이상 1.0질량% 미만으로 한다. Ni 함유량이 0.10질량% 미만인 경우, 용접 금속의 인성을 향상시키는 효과가 불충분해진다. 한편, Ni 함유량이 1.0질량% 이상인 경우, NACE 규격을 만족시키는 용접 금속이 얻어지지 않고, 또한 용접 금속의 내고온균열 성능도 열화된다. Ni 함유량은 용접 금속의 인성 향상의 관점에서 0.30질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.50질량% 이상이다. 또한, NACE 규격을 만족시키면서 내고온균열 성능을 더 향상시키기 위해서는, Ni 함유량을 0.95질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, Ni는 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Ni원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 금속 Ni 및 Ni-Mg나, 강제 외피에 첨가되는 Ni 등을 들 수 있다.
[Mo: 0.10∼0.30질량%]
Mo는 입계 탄화물의 조대화 및 소둔 연화를 억제하고, 조직을 미세화하는 효과가 있어, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서 중요한 원소이다. 단, Mo 함유량이 0.10질량% 미만인 경우, 용접 금속의 강도가 부족하다. 한편, Mo 함유량이 0.30질량%를 초과하면, 취성 파괴의 천이 온도가 고온측으로 이행하여, 용접 금속의 인성이 열화된다. 따라서, Mo 함유량은 0.10∼0.30질량%로 한다.
Mo 함유량은 용접 금속의 강도 향상의 관점에서 0.15질량% 이상인 것이 바람직하고, 또한 용접 금속의 인성 향상의 관점에서 0.25질량% 이하인 것이 바람직하다. 한편, Mo는 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Mo원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 금속 Mo 및 Fe-Mo나, 강제 외피에 첨가되는 Mo 등을 들 수 있다.
[Cr: 0.1∼0.9질량%]
Cr은 SR 시에 생성되는 입계 탄화물을 미세화하는 작용을 갖는다. 단, Cr 함유량이 0.1질량% 미만인 경우, 용접 금속의 강도가 부족함과 더불어, 구 γ 입계에 존재하는 조대한 입계 탄화물을 미세화하는 작용이 작고, 결과로서 SR 후의 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, Cr 함유량이 0.9질량%를 초과하면, 용접 금속의 강도 및 담금질성이 과다해지기 때문에, 저온 인성이 저하된다. 따라서, Cr 함유량은 0.1∼0.9질량%로 한다. Cr 함유량은 용접 금속의 강도 향상 및 SR 후의 인성 향상의 관점에서 0.2질량% 이상인 것이 바람직하다.
한편, Cr은 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Cr원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 금속 Cr 및 Fe-Cr이나, 강제 외피에 첨가되는 Cr 등을 들 수 있다.
[TiO2: 4.5∼8.5질량%]
TiO2는 아크 안정제임과 더불어 슬래그제의 주성분이다. 단, TiO2 함유량이 4.5질량% 미만인 경우, 용접 작업성이 열화되고, 전자세 용접이 곤란해진다. 한편, TiO2 함유량이 8.5질량%를 초과하면, 용접 금속 중의 산소량이 증가하여 인성이 저하된다. 따라서, TiO2 함유량은 4.5∼8.5질량%로 한다. 용접 금속의 인성 향상의 관점에서, TiO2 함유량은 5.5∼8.0질량%인 것이 바람직하다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 TiO2원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 루틸 및 산화타이타늄 등을 들 수 있다.
[SiO2: 0.10∼0.40질량%]
SiO2는 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 단, SiO2 함유량이 0.10질량% 미만인 경우, 그 효과가 충분히 얻어지지 않고, 비드 형상이 열화된다. 한편, SiO2 함유량이 0.40질량%를 초과하면, 스패터 발생량이 증대한다. 따라서, SiO2 함유량은 0.10∼0.40질량%로 한다. SiO2 함유량은 비드 형상 향상의 관점에서 0.15질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한 스패터 억제의 관점에서 0.35질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 SiO2원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 실리카, 칼리 유리 및 소다 유리 등을 들 수 있다.
[Al2O3: 0.03∼0.23질량%]
Al2O3도 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 단, Al2O3 함유량이 0.03질량% 미만인 경우, 그 효과가 충분히 얻어지지 않고, 비드 형상이 열화된다. 한편, Al2O3 함유량이 0.23질량%를 초과하면, 스패터 발생량이 증대한다. 따라서, Al2O3 함유량은 0.03∼0.23질량%로 한다. Al2O3 함유량은 비드 형상 향상의 관점에서 0.07질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한 스패터 억제의 관점에서 0.19질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Al2O3원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 알루미나 등을 들 수 있다.
[Fe: 80질량% 이상]
예를 들면 전자세 용접용 플럭스 코어드 와이어의 경우, Fe 함유량이 80질량% 미만인 경우, 슬래그 발생량이 과다해져, 비드 형상이 열화된다. 비드 형상 향상의 관점에서, Fe 함유량은 82∼93질량%로 하는 것이 바람직하다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Fe원은, 강제 외피 외에, 플럭스에 첨가되는 철 분말 및 Fe계 합금 등을 들 수 있다.
[(10×C+Mn)/(Si+Mo+Cr): 1.6∼5.6]
본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서는, 전술한 각 성분의 함유량에 더하여, C량, Mn량, Si량, Mo량 및 Cr량의 관계도 중요해진다. 와이어 조성을 전술한 범위로 함으로써, 용접 금속의 인장 강도 및 저온 인성과 용접 작업성을 어느 정도의 레벨로 할 수는 있지만, 본 발명자는, 추가로, C량, Mn량, Si량, Mo량 및 Cr량의 관계가 전술한 수학식(A)를 만족시키도록 함으로써, 용접 금속의 인장 강도 및 저온 인성과 용접 작업성을 더 향상시킬 수 있다는 것을 발견했다.
(10×[C]+[Mn])/([Si]+[Mo]+[Cr])을 1.6∼5.6의 범위로 하는 것에 의해, 담금질성을 향상시켜, 용접 금속의 인장 강도를 높일 수 있다. 또한, P 및 S 등의 불가피적 불순물에 기인하는 템퍼링 취화, Mo2C 등의 미세 탄화물의 석출 경화 및 AC1 변태 온도의 저하를 억제할 수 있기 때문에, SR 후의 용접 금속의 저온 인성이 향상된다. 더욱이, 구 γ 입계에 조대한 탄화물이 생성되는 것을 억제함과 더불어, 구 γ 입계에 조대한 탄화물이 생성된 경우라도 그것을 미세화할 수 있기 때문에, SR 후의 용접 금속의 인장 강도와 저온 인성을 함께 향상시킬 수 있다. 게다가, 용융 풀의 점도 저하를 방지할 수 있기 때문에, 입향 용접 작업성도 향상된다.
한편, (10×[C]+[Mn])/([Si]+[Mo]+[Cr])이 1.6 미만인 경우, 담금질성이 부족하여, 용접 금속의 인장 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, P 및 S 등의 불가피적 불순물에 기인하는 템퍼링 취화나, Mo2C 등의 미세 탄화물의 석출 경화가 촉진되어, SR 후의 용접 금속의 저온 인성이 열화되는 경우도 있다. 한편, (10×[C]+[Mn])/([Si]+[Mo]+[Cr])이 5.6을 초과하면, AC1 변태 온도의 저하나, 구 γ 입계에 조대한 탄화물의 생성이 촉진되는 것에 의해, SR 후의 용접 금속의 저온 인성이 열화되는 경우가 있다. 또한, 담금질성 부족, 용융지(池)의 점도 저하, 및 구 γ 입계에 있는 조대한 탄화물을 미세화하는 효과가 저하되어, 입향 용접 작업성, SR 후의 인장 강도 및 저온 인성이 열화되는 경우가 있다.
[V: 0.020질량% 이하]
V는 SR 후의 용접 금속의 저온 인성에 영향을 주기 때문에, 그 함유량을 0.020질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 이에 의해, SR 후의 용접 금속의 저온 인성을 향상시킬 수 있다.
[ZrO2: 0.02질량% 미만]
와이어가 ZrO2를 과잉으로 함유하면, 입향 용접 작업성이 열화되는 경우가 있다. 이 때문에, ZrO2 함유량은 0.02질량% 미만으로 규제하는 것이 바람직하고, 이에 의해 용접 작업성을 향상시킬 수 있다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 ZrO2원으로서는, 지르콘 샌드나 지르코니아 등을 들 수 있다.
[Mg: 0.2∼0.7질량%]
Mg는 탈산 원소로, 용접 금속의 인성 향상에 효과가 있기 때문에, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 단, Mg 함유량이 0.2질량% 미만이면, 충분한 탈산 효과가 얻어지지 않아, 용접 금속의 인성 향상은 기대할 수 없다. 또한, 0.7질량%를 초과하여 Mg를 함유하면, 스패터량이 증가하여, 용접 작업성이 저하된다. 따라서, Mg를 첨가하는 경우는, 그 함유량이 0.2∼0.7질량%가 되도록 한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Mg원으로서는, 금속 Mg, Al-Mg 및 Ni-Mg 등을 들 수 있다.
[Ti: 0.05∼0.30질량%]
Ti도 용접 금속의 인성 향상의 효과가 있어, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 단, Ti 함유량이 0.05질량% 미만인 경우, 충분한 핵생성이 되지 않아, 용접 금속의 인성 향상의 효과가 불충분해진다. 한편, 0.30질량%를 초과하여 Ti를 함유시키면, 고용 Ti가 과다해져, 용접 금속의 강도가 과다해지고, 인성도 열화된다. 따라서, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 Ti를 첨가하는 경우는, 그 함유량이 0.05∼0.30질량%가 되도록 한다. 이에 의해, 인성이 더 우수한 용접 금속이 얻어진다.
한편, Ti는 플럭스 및 강제 외피 중 어느 것에 함유되어 있어도 된다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 Ti원으로서는, 플럭스 성분으로서 첨가되는 금속 Ti 및 Fe-Ti나, 강제 외피에 첨가되는 Ti 등을 들 수 있다.
[금속 불화물(F 환산값): 0.05∼0.30질량%]
금속 불화물은 용접 시에 아크의 안정화에 기여하는 효과가 있기 때문에, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 단, 금속 불화물의 함유량이 F 환산값으로 0.05질량% 미만인 경우, 아크의 안정화 효과가 작아, 스패터 발생량이 많아지는 경우가 있다. 한편, 금속 불소 화합물의 함유량이 F 환산값으로 0.30질량%를 초과하면, 비드 형상이 열화된다. 따라서, 금속 불화물을 첨가하는 경우는, 그 함유량이 F 환산값으로 0.05∼0.30질량%가 되도록 한다.
[Na 화합물(Na 환산값), K 화합물(K 환산값): 합계로 0.01∼0.30질량%]
Na 화합물 및 K 화합물은, 아크 안정제로서, 필요에 따라 1종 또는 2종 이상을 플럭스에 첨가할 수 있다. 단, Na 화합물 및 K 화합물의 총 함유량이, 각각 Na 환산값 및 K 환산값으로, 0.01질량% 미만인 경우, 아크의 안정화 효과가 작아, 스패터 발생량이 많아지는 경우가 있다. 한편, Na 화합물 및 K 화합물의 총 함유량이, 각각 Na 환산값 및 K 환산값으로, 0.30질량%를 초과하면, 비드 형상이 열화된다. 따라서, Na 화합물 및 K 화합물을 첨가하는 경우는, 그의 총 함유량이, 각각 Na 환산값 및 K 환산값으로 0.01∼0.30질량%가 되도록 한다.
한편, 플럭스 재료로서 불화나트륨이나 불화칼륨 등이 사용되고 있지만, 불화칼륨이면, 불소분은 「금속 불화물량」으로, 칼륨분은 「Na 화합물량 및 K 화합물량」으로 하여 계산된다.
[B, B 합금(B 환산값), B 산화물(B 환산값): 적어도 1종을 합계로 0.001∼0.020질량%]
B, B 합금 및 B 산화물은 용접 금속의 인성 향상에 효과가 있기 때문에, 필요에 따라 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다. 단, 이들의 총 함유량이 B 환산값으로, 0.001질량% 미만인 경우, 용접 금속의 인성 향상 효과가 작고, 또한 0.020질량%를 초과하면, 용접 금속의 내고온균열성이 저하된다. 따라서, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 B, B 합금 및 B 산화물을 첨가하는 경우는, 총 함유량이 B 환산값으로 0.001∼0.020질량%가 되도록 한다. 이에 의해, 인성이 더 우수한 용접 금속이 얻어진다.
B, B 합금 및 B 산화물의 총 함유량은, 용접 금속의 인성 향상의 관점에서, B 환산값으로 0.003질량% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 또한 용접 금속의 내고온균열성의 관점에서, B 환산값으로 0.015질량% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 B원으로서는, Fe-B 합금, Fe-Si-B 합금 및 B2O3 등을 들 수 있다.
[잔부]
본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어의 성분 조성에 있어서의 잔부는 불가피적 불순물이다. 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 불가피적 불순물로서는, V, S, P, Cu, Sn, Na, Co, Ca, Nb, Li, Sb 및 As 등을 들 수 있다. 또한, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어에는, 전술한 각 성분 외에, 본 발명의 효과가 저해되지 않는 범위에서, 전술한 원소 이외의 합금 원소, 슬래그 형성제 및 아크 안정제 등이 첨가되어 있어도 된다. 한편, 전술한 각 원소가 산화물이나 질화물로서 첨가된 경우는, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어의 잔부에는 O나 N도 포함된다.
본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어는 와이어 성분을 특정하고 있기 때문에, Ni 함유량이 1질량% 이하이더라도 용접 그대로의 상태 및 열처리 후 모두에서 저온 인성이 양호한 용접 금속이 얻어진다. 이에 의해, 저온 환경하에서 사용되는 구조물의 안전성을 더 한층 높일 수 있고, 특히, 각 플랫폼이나 플랜트용의 파이프 용접에 있어서, 용접 작업성이 양호하고, 내사워 특성 및 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 플럭스 코어드 와이어를 실현할 수 있다.
더욱이, C량, Mn량, Si량, Mo량 및 Cr량의 관계가 수학식(A)를 만족시키도록 함으로써, 용접 금속의 취성 파괴의 천이 온도를 저온측으로 이행시킬 수 있음과 더불어, 스패터의 발생을 억제하는 것이 가능해진다. 그 결과, 용접 금속의 저온 인성 및 용접 작업성 양방을 더 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어 본 발명의 효과에 대해 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 연강으로 이루어지는 강제 외피에 플럭스를 13∼20질량% 충전하여, 하기 표 1 및 표 2에 나타내는 조성의 실시예 및 비교예의 각 플럭스 코어드 와이어를 제작했다. 그때, 와이어 지름은 1.2mm로 했다. 한편, 하기 표 1에 나타내는 와이어 No. 1∼13은 본 발명의 범위 내의 실시예이고, 하기 표 2에 나타내는 와이어 No. 14∼28은 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예이다.
Figure pct00003
Figure pct00004
다음으로, 실시예 및 비교예의 각 플럭스 코어드 와이어를 사용하여, 이하에 나타내는 성능 확인 시험을 실시했다.
<전(全)용착 금속 용접>
모재로 하기 표 3에 나타내는 강판을 이용하여, 하기 표 4에 나타내는 조건에서 가스 실드 아크 용접을 행하고, 얻어진 용접 금속에 대해, 하기 표 5에 나타내는 방법으로 기계적 성질을 측정했다. 한편, 하기 표 3에 나타내는 모재 조성의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 기계적 성질의 평가는, 620℃, 8시간의 SR 후의 0.2% 내력이 500MPa 이상, 인장 강도가 600MPa 이상이고, 또한 -40℃의 흡수 에너지가 70J 이상인 것을 합격으로 했다.
Figure pct00005
개선 형상 20° V 개선, 루트 갭=16mm, 받침쇠 사용
실드 가스 80% Ar - 20% CO2, 유량=25리터/분
용접 자세 하향
용접 조건 전류: 260∼300A, 전압: 28∼32V, 속도: 25∼35cm/분
용접 입열=1.3∼2.5kJ/mm
적층 수 6층 12패스
예열·패스간 온도 140∼160℃
열처리 620℃×8시간
인장 시험 JIS Z 3111 A2호 시험편, 채취 위치=용접 금속 중앙, 판 두께 중앙
시험 온도: 실온(20∼23℃)
충격 시험 JIS Z 3111 V 노치 시험편, 채취 위치=용접 금속 중앙, 판 두께 중앙
시험 온도: -40℃
<내고온균열성>
모재로 상기 표 3에 나타내는 강판을 사용하고, 하기 표 6에 나타내는 조건에서 가스 실드 아크 용접으로 C형 지그 구속 맞대기 용접 균열 시험(JIS Z 3155)을 행하여, 얻어진 용접 금속의 균열률을 구했다. 균열률은 파단된 비드의 비드 길이에 대한 균열(크레이터 균열을 포함함) 길이의 비율(질량%)로 하고, 내고온균열성의 평가는 균열률이 10질량% 이하인 것을 합격으로 했다.
개선 형상 90° Y 개선, 루트 페이스=10mm, 루트 갭=2.4mm
실드 가스 80% Ar - 20% CO2, 유량=25리터/분
용접 자세 하향
용접 조건 280A - 31V - 35cm/분
적층 수 1층 1패스
예열 온도 실온(20∼23℃)
반복 수 2회
<용접 작업성>
모재로 상기 표 3에 나타내는 강판을 사용하고, 하기 표 7에 나타내는 조건에서 가스 실드 아크 용접을 행하여, 용접 작업성을 평가했다. 그 결과, 용접 작업성이 매우 양호했던 것을 ◎, 용접 작업성이 양호했던 것을 ○, 불량이었던 것을 ×로 했다.
개선 형상 T형 필릿 용접
실드 가스 80% Ar - 20% CO2, 유량=25리터/분
용접 자세 (1) 수평 필릿
(2) 입향 상진 필릿
용접 조건 (1) 수평 필릿: 280A - 29V - 30∼50cm/분
(2) 입향 상진 필릿: 210A - 23V - 15cm/분
적층 수 1층 1패스(양측을 용접)
예열 온도 실온∼100℃
실시예 및 비교예의 각 플럭스 코어드 와이어에 의해 얻은 각 용접 금속(SR 후)의 기계적 성질, 용접 작업성 및 균열률의 평가 결과를, 하기 표 8에 정리하여 나타낸다. 한편, 기계적 성질은 용접 그대로의 상태의 용접 금속에 대해서도 평가를 행했는데, 실시예의 플럭스 코어드 와이어를 이용한 것은 모두 목표값을 만족하는 것이었다.
Figure pct00006
도 1은 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 C량 및 Mn량과 Si량, Mo량 및 Cr량의 관계가 용접 금속의 기계 특성에 미치는 영향을 나타내는 도면으로, 실시예 1∼13의 결과를 플롯한 것이다. 청구항 1의 규정으로부터 [Si]+[Mo]+[Cr]의 값은 0.25∼1.5이고, 10×[C]+[Mn]의 값은 1.1∼4.7의 범위가 되며, 각각의 플롯은 이 범위(동 도면의 점선으로 둘러싸인 영역)를 만족하고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, C, Mn, Si, Mo 및 Cr의 각 원소의 함유량의 관계, 즉 (10×[C]+[Mn])/([Si]+[Mo]+[Cr])이 1.6∼5.6의 범위인 것은, 범위 밖인 것보다도, 용접 작업성이 양호하고, 용접 금속의 인성 및 강도도 우수했다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 용접 작업성이 양호하고, 또한 Ni 함유량이 1질량% 이하이더라도 용접 그대로의 상태 및 열처리 후 모두에서 저온 인성이 양호한 용접 금속이 얻어지는 플럭스 코어드 와이어를 실현할 수 있다는 것이 확인되었다.
본 발명을 상세히 또한 특정 실시태양을 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈함이 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 분명하다.
본 출원은 2014년 9월 3일 출원된 일본 특허출원(특원 2014-178915)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
본 발명의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 인장 강도가 490∼670MPa급인 강재의 용접에 적절하고, 예를 들면 석유나 가스의 수송의 기기나 설비에 적합하다.

Claims (5)

  1. 강제 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어로서,
    와이어 전체 질량당,
    C를 0.01∼0.12질량%,
    Si를 0.05질량% 이상 0.30질량% 미만,
    Mn을 1.0∼3.5질량%,
    Ni를 0.1질량% 이상 1.0질량% 미만,
    Mo를 0.10∼0.30질량%,
    Cr을 0.1∼0.9질량%,
    TiO2를 4.5∼8.5질량%,
    SiO2를 0.10∼0.40질량%,
    Al2O3을 0.03∼0.23질량%,
    Fe를 80질량% 이상
    함유하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    V가, 와이어 전체 질량당, 0.020질량% 이하로 규제된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    와이어 전체 질량당의 C 함유량(질량%)을 [C], Mn 함유량(질량%)을 [Mn], Si 함유량(질량%)을 [Si], Mo 함유량(질량%)을 [Mo], Cr 함유량(질량%)을 [Cr]로 했을 때, 하기 수학식(A)를 만족시키는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
    Figure pct00007
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 (a)∼(e) 중 적어도 하나를 추가로 함유하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
    (a) Mg를, 와이어 전체 질량당 0.2∼0.7질량%
    (b) Ti를, 와이어 전체 질량당 0.05∼0.30질량%
    (c) 금속 불화물을, 와이어 전체 질량당, F 환산값으로 0.05∼0.30질량%
    (d) Na 화합물 또는 K 화합물, 또는 그 양방을, 와이어 전체 질량당, Na 환산값 및 K 환산값의 합계로 0.01∼0.30질량%
    (e) B, B 합금 및 B 산화물 중 적어도 1종을, 와이어 전체 질량당, B 환산값의 합계로 0.001∼0.020질량%
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    ZrO2가, 와이어 전체 질량당, 0.02질량% 미만으로 규제된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
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