KR20170027064A - 내결함성이 우수한 9%Ni강용 피복 아크 용접봉 - Google Patents

내결함성이 우수한 9%Ni강용 피복 아크 용접봉 Download PDF

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KR20170027064A
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Abstract

내결함성이 우수한 9%Ni강용 피복 아크 용접봉이 제공된다.
본 발명은, 니켈-크롬-철로 이루어진 니켈기 합금 심선에 피복제가 도포하여 이루어진 니켈기 합금 피복 아크 용접봉에 있어서, 상기 피복제는, 자체 중량%로, CaCO3 및 BaCO3중 선택된 1종 이상의 금속 탄산염 25~35%; Al2O3, SiO2,TiO2 및 CaO로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 슬래그 형성제 10~15%; CaF2, BaF2 및 MgF2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속불화물 20~30%; C, Ni, Cr, Fe, Mo 및 Nb을 포함하는 합금제 20~25%; Al 및 Mg 중 선택된 1종 이상의 탈산제 5~10%; 그리고 고착제 1~3% 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고, 관계식 1에 의해 정의되는 조성성분 비가 4 이상 5 이하의 범위에 있는 니켈기 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.

Description

내결함성이 우수한 9%Ni강용 피복 아크 용접봉 {COVERED ELECTRODE HAVING GOOD RESISTANCE TO WELD DEFECT}
본 발명은 LNG 저장탱크용 9%Ni강의 용접에 사용되는 용접봉에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 니켈기 합금 심선에 피복제가 코팅되어 있는 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.
LNG의 경우 도시가스, 산업 설비 및 화력발전 등의 원료로 사용되고 수요가 증가하고 있다. 그에 따라, LNG 터미널 및 저장탱크 설비 건설이 국내외적으로 널리 진행되고 있으며, 국내의 경우 통영, 인천, 삼척, 보령 등지에 LNG 터미널이 운영되거나 건설 중에 있다.
LNG 저장 탱크에는 주로 알루미늄 합금, 스테인리스 강 및 9%Ni강이 사용되는데, 특히 9%Ni강은 196℃ 극저온 충격 인성 및 강도가 우수하여 국내외 많은 LNG 터미널의 저장탱크 건설에 적용되고 있다.
이런 9%Ni강의 용접재로서는 극저온 충격인성 및 강도를 유지해야 하기 때문에 니켈기 합금 용접재가 적용되고 있으며, 국내외에서 다양한 용접 프로세스 및 용접재 개발이 진행되고 있다.
주로 사용되는 용접 프로세스로는 GTAW, SAW 및 SMAW 가 있으며, 용접재로서는 Ni-Cr-Mo계, Ni-Mo계 및 Ni-Cr-Fe계 니켈기 합금 용접재 등이 개발되어 있다.
최근 9%Ni강 LNG 저장탱크 용량이 10만 Kl급에서 20만 Kl급으로 점점 대형화 되어가는 추세이며, 20만 Kl급 저장탱크 건설에 사용되는 용접재는 약 40Ton 이며, 그 중 서브머지드 아크 용접재가 약 15Ton, 피복 아크 용접봉은 약 25Ton 정도가 사용된다.
LNG 탱크 제조에 적용되는 피복 아크 용접봉의 경우, 용접 자세는 FILLET JOINT, VERTICAL-UP 및 OVERHEAD 용접 자세가 대부분이다. 특히, 기공 등의 용접 결함에 취약한 VERTICAL-UP 및 OVERHEAD 용접 자세가 약 70%를 차지하며, 용접 작업성 저하 혹은 내결함성이 부족할 경우 용접 결함 발생 확률이 증가하게 된다.
그러나 종래의 니켈기 합금 피복 아크 용접봉의 경우, 아크성 및 슬래그성 등의 용접 특성이 저하되었으며, 특히, VERTICAL-UP 및 OVERHEAD 용접 자세에서 내결함성이 매우 저하되는 문제가 있었다. 이때, 발생되는 용접 결함의 종류로서는 기공이 대부분이며, 일부 슬래그 혼입이 관찰되어 진다.
따라서 이런 용접 작업 특성 저하 및 용접결함으로 인해 용접부의 품질이 떨어지고, 결함 부위의 제거 및 재용접으로 인한 작업 공수 증가 등의 문제점이 발생하고 있다.
이에 따라, 용접 품질 향상 및 작업 효율 증가를 위해 용접 작업성 및 내결함성이 우수한 9% Ni강용 니켈기 합금 피복 아크 용접봉의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전자세 용접 작업성을 저하하지 않으면서도, 용접 결함이 없는 니켈기 합금 피복 아크 용접봉을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
니켈-크롬-철로 이루어진 니켈기 합금 심선에 피복제가 도포하여 이루어진 니켈기 합금 피복 아크 용접봉에 있어서, 상기 피복제는, 자체 중량%로,
CaCO3 및 BaCO3중 선택된 1종 이상의 금속 탄산염 25~35%; Al2O3, SiO2,TiO2 및 CaO로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 슬래그 형성제 10~15%; CaF2, BaF2 및 MgF2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속불화물 20~30%; C, Ni, Cr, Fe, Mo 및 Nb을 포함하는 합금제 20~25%; Al 및 Mg 중 선택된 1종 이상의 탈산제 5~10%; 그리고 고착제 1~3% 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 관계식 1에 의해 정의되는 조성성분 비가 4 이상 5 이하의 범위에 있는 니켈기 피복 아크 용접봉에 관한 것이다.
[관계식 1]
(금속탄산염+합금제+고착제+금속불화물)/(탈산제+슬래그 형성제)
본 발명에서 상기 니켈기 합금 심선은 중량%로, 70~75% Ni, 15~20% Cr, 및 5~10% Fe를 포함하여 조성될 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 합금제는, 중량%로, C:0.1~0.3%, Ni: 1~2%, Cr: 2~4%, Fe: 5~7%, Mo:8~10% 및 Nb:1~2%를 포함하여 조성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 9% Ni 강 용접시 본 발명 니켈기 합금 피복 아크 용접봉을 사용하면, 아크 안정성, 슬래그 유동성, 슬래그 박리성, 용착성 및 용융성 등의 용접 작업성이 양호하고, 특히 전자세 용접부에서 우수한 내결함성을 가진다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 9% Ni강 용 피복아크 용접봉은 니켈-크롬-철로 이루어진 니켈기 합금 심선에 피복제가 도포하여 이루어져 있다.
본 발명에서 상기 니켈 기 합금 심선은 중량%로 70~75% Ni, 15~20% Cr, 및 5~10% Fe을 포함하여 조성될 수 있다.
본 발명의 피복 아크 용접봉은 상기 심선의 주위에 피복제가 형성되어 있으며, 이러한 피복제는 금속 탄산염, 슬래그 형성제 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 피복아크 용접봉을 이루는 피복제의 조성성분 및 그 제한사유를 상세히 설명한다. 이하에서 기술된 피복제 조성의 함량은 모두 피복제 자체 중량에 대한 중량%를 의미한다.
금속 탄산염: 25~35%
본 발명에서는 CaO3 와 BaCO3 중 선택된 1종 이상의 금속 탄산염이 피복제를 이루는 성분으로 함유된다. 상기 금속 탄산염은 용접 중 CO2 가스를 발생시켜 용융금속을 대기중으로부터 차폐함으로써 기공과 같은 용접 결함 발생을 방지할 뿐만 아니라 공기중으로부터 O2, N2 가스의 유입을 막아 건전한 용착금속을 얻을 수 있게 하는 역할을 한다.
그런데 CaO3 와 BaCO3 중 선택된 1종 이상의 금속 탄산염이 25% 미만으로 부족할 경우, 대기로부터의 차폐 효과가 미비하여 결함 발생이 증가하게 되고, 35%를 초과할 경우 슬래그 유동성이 저하 되어 VERTICAL-UP 및 OVERHEAD 용접 작업시에 용융 금속이 흘러내릴 우려가 있다.
이를 고려하여, 본 발명에서는 피복제 중 상기 금속 탄산염의 함량을 25~35% 범위로 제한함이 바람직하다.
슬래그 형성제 : 10~15%
본 발명에서는 Al2O3, SiO2 및 CaO로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 슬래그 형성제를 이용할 수 있으며, 이러한 슬래그형성제는 용접 후 주로 비드 상층부에 슬래그를 형성함으로써 미려한 미드 외관을 얻고 양호한 포피성을 가지기 위해 첨가한다. 그러나 그 함량이 너무 낮은 경우, 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 그 함량이 높은 경우에는 용착금속 내에 O2 함량이 증가하여 저온 충격 인성 및 강도를 저하시켜 물리적 성질에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
따라서 본 발명에서는 Al2O3, SiO2 및 CaO로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 슬래그 형성제를 10~15% 범위로 함유함이 바람직하다.
금속 불화물 : 20~30%
본 발명에서는 CaF2,BaF2 및 MgF2 로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 금속 불화물이 사용될 수 있으며, 이러한 불화물은 용착금속의 건전성 및 아크 안정성에 큰 영향을 미친다. 그러나 그 함량이 너무 낮으면 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 그 함량이 너무 높으면 용착금속 건전성은 증가하나 슬래그의 유동성이 나쁘게 되어 비드 외관이 거칠어 지고 흄 발생량이 증가하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 CaF2,BaF2 및 MgF2 로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 금속 불화물의 함량을 20~30%로 제어함이 바람직하다.
합금제 : 20~25%
본 발명에서는 합금제로서 C, Ni, Cr, Fe, Mo 및 Nb을 포함하는 합금제를 이용할 수 있다. 이러한 합금제는 목표로 하는 용착금속의 화학성분을 얻기 위해서 피복재내에 첨가하거나, 또는 용접 작업시 산화물 슬래그로 손실되는 합금 성분을 보상하기 위해 첨가한다. 그로나 그 합금 조성이 기준 미만으로 미달되게 되면 목표하는 저온 충격인성 및 인장 강도를 얻기 어려울 수 있으며, 그 합금 조성이 기준을 초과하면 비경제적일 수가 있다.
따라서 본 발명에서는 C, Ni, Cr, Fe, Mo 및 Nb을 포함하는 합금제를 20~25% 범위로 함유함이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 합금제는 중량%로, C:0.1~0.3%, Ni: 1~2%, Cr: 2~4%, Fe: 5~7%, Mo:8~10% 및 Nb:1~2%를 포함하여 조성되는 것이다.
탈산제 : 5~10%
본 발명에서는 Al 및 Mg 중 선택된 1종 이상의 탈산제가 사용될 수 있으며, 이러한 탈산제는 용착금속의 건전성에 중요한 역할을 한다. 특히, 니켈기 합금 피복 아크 용접재의 경우에는 탄소강 대비 그 함량을 높일 필요가 있다. 상기 탈산제 함량이 5% 미만일 경우에는 기공과 같은 결함 발생 확률이 증가하여 용착금속의 건전성 확보가 어렵고, 10%를 초과하는 경우에는 아크 안정성을 저하시켜서 용접 작업성 해칠 우려가 크다.
따라서 본 발명에서는 Al 및 Mg 중 선택된 1종 이상의 탈산제를 5~10% 범위로 함유함이 바람직하다.
고착제: 1~3%
본 발명에서 고착제의 경우 규산소다, 규산 카리 등을 혼합하여 사용하며, 피복제가 심선에 잘 붙어 있게 하는 효과를 가진다. 고착제 내에 함유되어 있는 K, Na 함량에 따라서 아크 안정성 및 집중성에도 영향을 미치며, 피복제의 균일한 혼합 및 도포 그리고 강도를 유지하기 위해서는 그 함량을 1~3% 범위로 관리함이 바람직하다.
본 발명의 피복제 조성은 또한, 4 ≤ (금속탄산염+합금제+고착제+금속불화물)/(탈산제+슬래그 형성제)≤ 5의 관계식을 만족함이 바람직하다.
슬래그 유동성을 확보하기 위한 상기 관계식을 만족하지 못할 경우, 전자세 용접성 확보가 어려울 뿐만 아니라 용착금속 내 기공이 빠져나가지 못하거나 슬래그의 포피성이 떨어져 양호한 내결함성을 얻지 못할 수가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다
(실시예)
하기 표 1의 화학성분 조성을 가지는 니켈기 합금 심선에, 하기 표 2 및 표 3의 조성을 가지는 피복제를 피복하여 아크 용접봉을 마련하였다.
마련된 아크 용접봉을 이용하여 하기 표 4의 조건으로 용접을 실시하였으며, 이때, 용접 작업성 및 내결함성을 평가하여 그 평가 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 여기에서, 내결함성은 용접부에 방사선 투과 시험을 실시하여 한국산업규격 KS B 0845를 기준으로 1류 등급이면 양호, 나머지 2~4류는 불량한 것으로 판단하였다. 용접 작업성은 관능평가를 통해 매우 양호(◎), 양호(○), 보통(△), 불량(X)으로 평가하였다.
니켈기 합금 심선의 화학성분 범위(중량%)
C Si Mn Ni Cr Fe Nb
≤0.08 ≤0.35 ≤1.0 70~75 15~20 5~10 1.5~3.0
구분
피복제 조성성분(중량%) 관계식
금속탄산염 합금제 고착제 금속불화물 탈산제 슬래그형성제
발명예1 26 24 2 25 7 12 4.1
발명예2 34 23 1 22.5 6 11 4.7
발명예3 29 20.5 1.5 25 6.5 12 4.1
발명예4 31 24. 2. 28 5 12.5 4.9
발명예5 27.5 23 1 29.5 6.5 13 4.2
발명예6 30 21 2.5 26 9 10.5 4.1
발명예7 30 22 3 21 8.5 10 4.1
발명예8 31 25 2 29 8 12 4.4
발명예9 34 24.5 1 27.5 6 15 4.1
발명예10 35 25 3 28 10 11.5 4.2
발명예11 26 21.5 1 30 8 10 4.4
발명예12 29 23 2 27 6 14 4.1
비교예1 34 24 2 28 9 14 3.8
비교예2 34 24.5 1 29 6.5 10.5 5.2
비교예3 27 21 1.5 22 8.5 10 3.9
비교예4 26 24 1 24 9 12 3.6
비교예5 32.5 25 1 21 5. 10.5 5.1
비교예6 37 24 2 28 6.5 11 5.2
비교예7 40 24 2.5 27 5 12 5.5
비교예8 22 22 1 24.5 6 13.5 3.6
비교예9 19 21 1 28 8 14 3.1
비교예10 34 22 3 35 6 10.5 5.7
비교예11 26 23 2 38 9 14 3.9
비교예12 31 24 2.5 18 8 12 3.8
비교예13 31 24 2.5 27 8 19 3.1
비교예14 34 22 1.5 21 7 6 6.0
비교예15 29 22 2 24 12 13 3.1
비교예16 31 22.5 1.5 22.5 15 12 2.9
비교예17 28 22 1.5 22 3 10 5.7
비교예18 32 22 2 24 1 11 6.7
* 상기 표 2에서 합금제는 C:0.1~0.3%, Ni: 1~2%, Cr: 2~4%, Fe: 5~7%, Mo:8~10%, Nb:1~2% 포함하여 조성됨
* 또한 상기 표 2에서 피복제 조성성분은 상기 성분 이외에 불가피한 불순물을 포함함
* 그리고 상기 관계식은 (금속탄산염+합금제+고착제+금속불화물)/(탈산제+슬래그 형성제)
구분
금속탄산염 금속불화물 탈산제 슬래그 형성제
BaCO3 CaCO3 CaF2 BaF2 MgF2 Al Mg Al2O3 SiO2 TiO2 CaO
발명예1 26 20 5 7 12
발명예2 34 18 4.5 6 11
발명예3 3 26 21 4 4 2.5 10 2
발명예4 5 26 25 3 4 1 12 0.5
발명예5 10 17.5 29.5 4 2.5 10 3
발명예6 30 26 6 3 10.5
발명예7 30 17 4 8.5 8 2
발명예8 31 26 3 8 12
발명예9 3 31 27.5 4 2 15
발명예10 4 31 26 2 8 2 10 1.5
발명예11 6 20 25 3 2 7 1 8 2
발명예12 8 21 17 4 6 4 2 11 2 1
비교예1 34 28 9 14
비교예2 3 31 29 5 1.5 10.5
비교예3 6 21 17 5 6 2.5 8 2
비교예4 3 23 19 2 3 7 2 10 2
비교예5 6 26.5 18 3 5 9 1.5
비교예6 37 28 4.5 2 11
비교예7 5 35 22 5 4 1 11 1
비교예8 22 24.5 5 1 13.5
비교예9 5 14 23 2 3 7 1 12 1 1
비교예10 3 31 35 6 10.5
비교예11 8 18 36 2 7 2 12 2
비교예12 8 23 13 3 2 7 1 9 2 1
비교예13 10 21 24 3 6.5 1.5 10 7 2
비교예14 10 24 14 5 2 5.5 1.5 5 1
비교예15 3 26 23 8 4 13
비교예16 3 28 19.5 3 9 6 8 3 1
비교예17 28 22 2 1 9 1
비교예18 32 21 3 1 10 1
구분 조건
시험모재 9%Ni강
시험모재 치수 두께 17.5mm, 깊이 150mm
모재 Groov 형상 V개선
용접자세 OVERHEAD
용접기법 Manual
사용전류 AC
용접전류 및 전압 110~140A/24~26V
층수 및 패스(pass)수 6층 10패스
구분
용접 작업성 내결함성
아크안정성 스패터발생 슬래그유동성 슬래그 포피성 용융성 용착성
발명예1 1류
발명예2 1류
발명예3 1류
발명예4 1류
발명예5 1류
발명예6 1류
발명예7 1류
발명예8 1류
발명예9 1류
발명예10 1류
발명예11 1류
발명예12 1류
비교예1 2류
비교예2 1류
비교예3 2류
비교예4 3류
비교예5 2류
비교예6 X X 1류
비교예7 X X 2류
비교예8 X X X 4류
비교예9 X X X 4류
비교예10 X 2류
비교예11 X X 2류
비교예12 X X 3류
비교예13 X X 2류
비교예14 X X 3류
비교예15 X X X 2류
비교예16 X X 1류
비교예17 4류
비교예18 4류
상기 표 2-3 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 피복 아크 용접봉의 피복제의 조성성분이 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1-12의 경우, 모두 양호한 용접 작업성을 나타내었으며, 내결함성 또한 용접부 방사선 투과 시험 평가에서 한국산업규격 KS B 0845 기준으로 1류 등급의 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.
이에 반하여, 피복제의 조성성분이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1-18은 모두 용접 작업성이 불량하거나 내결함성이 양호하지 못하였다.
구체적으로, 비교예 1-5의 경우, 본 발명의 피복제 조성 범위를 만족하지만 4 ≤ (금속탄산염+합금제+고착제+금속불화물)/(탈산제+슬래그 형성제)≤ 5 의 관계식 값을 벗어났으며, 이에 따라, 본 발명에서 목표로 하는 용접 작업성 및 내결함성을 얻기 어려운 점을 확인할 수 있다.
또한 비교예 6-7의 경우, 금속탄산염 함량이 본 발명의 범위를 초과하여 슬래그 유동성 및 용착성이 저하되고 목표로 하는 용접 작업성을 확보하지 못하였다.
그리고 비교예 8-9의 경우, 금속탄산염 함량이 본 발명 범위에 미달함으로써 용착 금속을 공기중으로부터 차폐하지 못하여 내결함성이 현저하게 저하되는 문제가 발생하였다.
아울러, 비교예 10-16의 경우, 금속 불화물, 탈산제 및 슬래그 형성제가 본 발명 범위를 벗어남에 따라 아크안정성, 슬래그 유동성 등 전반적인 용접작업성 및 내결함성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 17-18의 경우, 탈산제가 본 발명 범위를 미달하여 용착금속 탈산력 부족으로 내결함성을 확보하지 못함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다

Claims (2)

  1. 니켈-크롬-철로 이루어진 니켈기 합금 심선에 피복제가 도포하여 이루어진 니켈기 합금 피복 아크 용접봉에 있어서, 상기 피복제는, 자체 중량%로,
    CaCO3 및 BaCO3중 선택된 1종 이상의 금속 탄산염 25~35%; Al2O3, SiO2,TiO2 및 CaO로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 슬래그 형성제 10~15%; CaF2, BaF2 및 MgF2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 금속불화물 20~30%; C, Ni, Cr, Fe, Mo 및 Nb을 포함하는 합금제 20~25%; Al 및 Mg 중 선택된 1종 이상의 탈산제 5~10%; 그리고 고착제 1~3% 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 조성성분 비가 4 이상 5 이하의 범위에 있는 니켈기 피복 아크 용접봉.
    [관계식 1]
    (금속탄산염+합금제+고착제+금속불화물)/(탈산제+슬래그 형성제)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 니켈기 합금 심선은 중량%로, 70~75% Ni, 15~20% Cr, 및 5~10% Fe를 포함하여 조성됨을 특징으로 하는 니켈기 피복 아크 용접봉.
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