KR20170082304A

KR20170082304A - 내 균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR20170082304A
Application number: KR1020160001539A
Authority: KR
Inventors: 조진환; 유철; 유상근; 최현석
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2017-07-14

Abstract

내 균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.
본 발명의 티타니아계 플럭스 충전 와이어는, 와이어 전체 중량에 대한 중량%로, TiO₂:4~8%, C:0.02~0.08%, Si:0.2~0.6%, Mn:1.0~2.5%, Ni:0.1~1.0%, Mg:0.1~1.0%, F:0.02~0.1%, B:0.002~0.007%, 철분:4.0~8.0%, Nb:0.03%이하, V:0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 외피금속 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합(X)이 10.0≤X≤17.0의 범위를 만족한다.

Description

내 균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어{Titania Based Flux Cored Wire of Gas Shielded Arc Welding for excellent hot crack resistance according to high heat input}

본 발명은 티타니아계 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 입열상승 용접에 따른 내 균열 감수성을 평가하여 균열성을 안정하게 확보할 수 있는 내 고온 균열성이 우수한 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

최근 국내 조선소뿐만 아니라 해외 조선소에서는 공기 단축 및 생산성 향상을 위해 연강 및 고장력강 용접부에 입열상승을 통하여 생산성 단축을 도모하고 있다.

그런데 이러한 입열상승 용접 시 용접부의 취성으로 인하여 충격 인성뿐만 아니라 내 고온 균열성도 취약해질 수 있다. 특히, 초층 용접부에는 세라믹 백킹제부와 모재부를 같이 희석시키기 때문에, 산화물로 인하여 충격인성 저하와 초층 균열이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

따라서 상기 문제점을 개선하기 위한 종래기술로서, 일본 공개특허 10-2012-0060750호에 개시된 발명을 들 수 있다. 상기 특허공개 공보에서는 가스실드 아크용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 있어서, C, Si, Mn, Ti, TiO₂, Al, Al₂O₃, B, N, Ni(0질량％를 포함), Cu(0질량％를 포함)를 소정량 함유하고, 10≥(Ni＋14×C＋0.29×Mn＋0.30×Cu)/(1.5×Si)≥2.5를 만족하는 플럭스 충전 와이어를 제시하고 있다. 그러나 상기 공개 특허발명에서는 균열에 가장 취약한 원소인 B, Ti이 고려되어 있지 않은데, 특히, B, Ti은 침입형 원소로 전위밀도가 높아 Grain-boundary에 존재 시 균열에 가장 취약한 원소라는 측면에서 고려가 필요한 원소들이다.

또한 대한민국 공개특허 10-2001-0084427호에서는 대입열 용접 시 Ti-B 에 따른 충격 인성 향상을 보고하고 있으나, 내 고온 균열성에 대해서는 언급되어 있지 않다.

따라서 전자세 용접작업성이 우수하고 용접금속의 기계적 성능 및 내 균열성이 우수한 플럭스 충전 와이어에 대한 개발 요구가 대두 되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로서, 플럭스 충전 아크 용접에서 입열상승[≤40kJ/cm] 용접 시 용접성뿐만 아니라, 내 균열성 및 저온 충격 인성이 우수한 가스 실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 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,

와이어 전체 중량에 대한 중량%로, TiO₂:4~8%, C:0.02~0.08%, Si:0.2~0.6%, Mn:1.0~2.5%, Ni:0.1~1.0%, Mg:0.1~1.0%, F:0.02~0.1%, B:0.002~0.007%, 철분:4.0~8.0%, Nb:0.03%이하, V:0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 외피금속 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합(X)이 10.0≤X≤17.0의 범위를 만족하는 가스 실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 균열을 야기하는 Ti, B, Si함량의 첨가량을 적정치로 제한함과 아울러, (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합을 10.0≤X≤17.0의 범위를 제어함으로써 우수한 내 균열성 및 저온 충격인성을 갖는 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용하다.

도 1은 고온균열 측정시험을 위한 두께 25mm X 길이 500mm의 EH-36용접 모재를 보여주는 개략도이다.
도 2는 (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합(X)이 본 발명의 범위를 만족하는 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서의 충격 인성치를 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명의 가스 실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어는, 와이어에 대한 중량%로, TiO₂:4~8%, C:0.02~0.08%, Si:0.2~0.6%, Mn:1.0~2.5%, Ni:0.1~1.0%, Mg:0.1~1.0%, F:0.02~0.1%, B:0.002~0.007%, 철분:4.0~8.0%, Nb:0.03%이하, V:0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 외피금속 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합(X)이 10.0≤X≤17.0의 범위를 만족할 수 있다. 이하, 상기 본 발명의 와이어의 조성범위 및 그 한정이유에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 탄소(C)는 와이어에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.02∼0.08%로 제한한다. C의 함량이 0.02%미만이면 소입성 부족으로 용착금속의 인성 및 인장특성이 열화되며, 0.08%를 초과하면 용접성 저하와 흄 및 스패터가 다량 발생하게 된다.

본 발명의 와이어에서는 TiO₂의 함유량을 4~8중량%로 제한함이 바람직하다.

입열상승 용접재료에 있어서 TiO₂의 첨가 목적은 미세한 Ti계 산화물을 형성하여 용접부 조직을 미세화시키고, 이에 의해 충격 인성을 향상시키는데 목적이 있다. 만일 TiO₂ 함유량이 4% 미만이면 그 첨가 효과가 미미하여 충격 인성이 저하될 수 있으며, 8%를 초과하여 첨가 시에는 용접부의 Ti함량이 높아져 균열을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 TiO₂ 함량을 4~8% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

Mn은 비교적 약한 탈산제로서 S와 반응하여 FeS보다 MnS를 먼저 형성하기 때문에, S의 편석에 의한 저융점 화합물의 형성을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 Mn의 함량을 1.0 ~ 2.5%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함량이 1.0%미만에서는 용접금속의 강도가 저하하고 소입성 부족에 따라 용접금속의 조대화가 촉진되며 저온인성 열화를 가져올 수 있기 때문이다. 반면에 2.5%를 초과하면 용융성이 저하되며, 슬라그 응고가 느려지고 비드 외관이 나빠질 수 있으며 용접부에 강도 증가 및 충격 인성 저하를 야기할 수 있다.

Na은 용접시 아크의 안정화를 이루어 양호한 작업성을 나타내는데 필수불가결한 요소로써, 본 발명에서는 그 함량을 0.2~1.0%로 제한함이 바람직하다. 만일 그 함유량이 0.2% 미만에서는 아크 불안, 스패터의 증가 등의 현상이 있을 수 있으며, 1.0%를 초과하면 아크 집중이 높아지고 아크 크기가 작아지며 흄을 증가시킬 수 있기 때문이다.

Ni은 용착 금속 오스테나이트 안정화 원소로 충격 인성의 천이온도를 낮춤과 동시에 저온 충격 인성의 안정화를 도모할 수 있는 원소로서, 본 발명에서는 그 함량범위를 0.1~1.0%로 하는 것이 바람직하다. 만일 상기 Ni함량이 0.1%미만이면 그 첨가에 따른 소정의 효과를 나타낼 수 없으며, 1.0%를 초과하면 Ni의 포화용해도가 저하되어 결함발생 가능성을 증가시키며, 용융성 저하로 용접성도 저하시킬 수 있기 때문이다.

Mg은 강탈산제로서 용융 금속 내의 산소와 반응하여 비금속 개재물의 생성을 억제하여 용접금속의 청정도를 향상시킨다. 그러나 그 함유량이 0.1%미만에서는 상기 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 1.0%를 초과하면 용접 흄 및 스패터 발생량이 증가하고 슬래그의 포피성을 열화시키므로 본 발명에서는 그 함유량을 0.1~1.0%로 제한함이 바람직하다.

F는 본 발명에서 선택적으로 첨가되는 원소로서, 첨가되는 경우 금속플루오르 화합물로 첨가된다. 이러한 F는 용접금속의 아크 안정을 도와주는 역할과 함께 결함발생을 억제하는 역할도 하게 된다.

본 발명에서는 F의 함량을 0.02~0.1%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함유량이 0.02% 미만이면 아크가 불안정해지며, 0.1%를 초과하면 흄(fume)발생량이 증가하고 용접성도 저하되기 때문이다.

철분은 그 함량을 4.0~8.0%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면 그 함량이 4.0%미만에서는 슬라그 유동 저하를 초래할 수 있으며, 8.0%를 초과하면 흄, 스패터의 과다발생 및 슬라그 박리성을 저하시 킬 수 있기 때문이다.

Nb 및 V은 불순물로 첨가된 원소로서 결정입계에 석출하여 고용강화에 의하여 용접부 강도를 증가시킬 뿐 아니라 경도를 증가시켜 용접금속의 인성을 저하시킨다. 본 발명에서는 Nb은 0.03%이하, V은 0.04%이하로 각각 제한함이 바람직하다.

B은 오스테나이트 입계에 편석되어 입계 페라이트의 생성을 억제하고 조직을 미세화시킴으로써 용접부의 강도 및 인성을 증가시킨다. 본 발명에서는 B의 함유량을 0.002~0.007%로 제한함이 바람직한데, 이는 0.002%미만에서는 충격 인성 효과를 나타내지 못하고, 0.007%를 초과하는 경우에는 붕화물이 연속적인 망상으로 형성되어 경화에 의한 충격치 감소가 일어나며, 인성도 열화 될 뿐만 아니라 용융성 저하 및 균열이 발생할 수 있기 때문이다.

Si은 용접금속의 강도를 유지함과 아울러 슬라그 유동성과 비드 형상을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 Si는 그 함유량을 0.2 ~ 0.6%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 함량이 0.2%미만에서는 용접금속의 인장 강도가 저하되며 슬라그 유동 및 비드의 외관이 저하되기 때문이다. 반면에 0.6%를 초과하면 용접 금속 내의 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 변태를 촉진시켜 저온 충격 인성을 저하시키고 균열 발생 우려가 있다.

따라서, 본 발명에서는 양호한 저온 충격치 및 우수한 내 균열성의 확보를 위하여 Si 함량을 0.2 ~ 0.6% 범위로 제한함이 바람직하다. Si은 Mg 및 Al보다 약한 탈산제로서 탈산효과가 미비하지만 Fe-S-Si-O 화합물을 형성하여 균열을 조장할 수 있으며 이러한 화합물로 인하여 저온 충격 인성을 저하시키기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합이 10.0≤X≤17.0으로 제한함이 저온 충격 인성 및 내 고온 균열 향상 측면에서 바람직하다. 만일 이러한 비가 10.0 미만이거나 17.0을 초과하면, 내 고온 균열 저하뿐만 아니라 -40℃에서 충격 인성의 안정적인 값을 기대하기 어렵다. 이는 본 발명의 특징 중 하나로, 상기 계산 값이 X 범위를 벗어날 경우 저온 충격 인성 저하 및 균열 문제가 발생됨을 착안하여 마련된 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

강재 외피에 플럭스가 10%∼20%의 충전율로 충전되어 있는 하기 표 1과 같은 직경 1.2mm 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였으며, 이때, 강재 외피는 C :0.03%, Si:0.002%, Mn:0.20%, P:0.010% 및 S:0.008%을 포함하는 연강재를 이용하였다.

		와이어 조성(중량%)												X
		C	Si	Mn	B	Ni	Mg	TiO₂	F	Na	Nb	V	철분	X
발 명 예	1	0.042	0.32	1.8	0.0032	0.21	0.42	5.15	0.029	0.35	0.013	0.024	4.08	12.07
	2	0.062	0.41	2.1	0.0024	0.48	0.44	4.95	0.041	0.57	0.014	0.024	4.15	11.82
	3	0.041	0.21	2.4	0.0034	0.51	0.46	7.45	0.071	0.48	0.012	0.021	5.12	12.59
	4	0.079	0.43	2	0.0038	0.42	0.41	7.88	0.045	0.42	0.013	0.026	6.13	16.11
	5	0.062	0.33	1.2	0.0042	0.44	0.43	6.25	0.042	0.59	0.009	0.026	4.78	14.43
	6	0.071	0.48	1.1	0.0041	0.57	0.48	6.12	0.074	0.35	0.01	0.02	5.23	15.99
	7	0.058	0.28	1.7	0.0041	0.52	0.36	4.18	0.056	0.75	0.014	0.022	4.36	12.30
	8	0.062	0.23	2.2	0.0039	0.71	0.51	7.25	0.035	0.65	0.013	0.023	5.41	13.44
비 교 예	1	0.015	0.38	2.3	0.0062	0.34	0.44	6.58	0.048	0.92	0.014	0.021	5.88	18.25
	2	0.085	0.15	2.1	0.0018	0.55	0.39	3.95	0.089	0.84	0.016	0.027	4.95	7.13
	3	0.054	0.26	1.9	0.0052	0.73	0.41	11.4	0.017	0.48	0.011	0.21	4.39	18.52
	4	0.041	0.63	2.4	0.0063	0.79	0.55	3.85	0.075	0.56	0.014	0.022	5.33	19.58
	5	0.052	0.42	1.6	0.0081	0.42	0.59	7.25	0.065	0.37	0.015	0.028	5.89	22.02
	6	0.063	0.38	1.1	0.011	0.38	0.39	10.45	0.045	0.68	0.01	0.019	4.32	28.03
	7	0.049	0.54	1.8	0.0095	0.34	0.69	4.28	0.028	0.75	0.009	0.025	3.88	23.58
	8	0.032	0.8	2.4	0.0007	0.46	0.51	10.4	0.059	0.45	0.012	0.023	4.25	17.58
	9	0.032	0.75	2.3	0.0091	0.52	0.58	5.24	0.064	0.68	0.013	0.021	3.95	26.14
	10	0.043	0.15	1.6	0.0095	0.64	0.57	10.42	0.045	0.38	0.013	0.021	4.23	23.00
	11	0.041	0.62	1.9	0.0042	0.88	0.41	8.14	0.048	0.64	0.009	0.024	5.23	19.17
	12	0.063	0.32	2.5	0.0009	0.15	0.39	3.95	0.037	0.75	0.011	0.019	4.38	7.82

*표 1에서 X는 (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)

보호 가스 및 유량	극성	용접 자세	용접전류/전압	용접 속도	기타
100%CO2 (20-25L)/min.	직류 역극성 (DC+)	하향 (1G)	270A/32V	18CPM	개선각: 34° Root Gap: 5mm Stick Out:20-25mm 용접방법: 후퇴법

이렇게 마련된 각각의 와이어를 ASTM E-36(25TX500mm) 강재를 이용하여 상기 표 2에 나타내는 용접조건으로 편면 용접(하향 맞댐 용접)을 실시하였다.

본 실험에서는 고온 균열 길이 판정방법으로 먼저 상기 표 2와 같은 용접조건에 따라 세라믹 백킹제를 이용하여 용접 모재에 편면 초증 용접을 실시하고, 그 이후 용접 비드 표면에 발생한 균열의 길이를 전체 용접길이 (500mm)에 대한 백분율로 계산하였으며, 그 평가결과를 하기 표 3에 나타내었다.

한편 고온균열 측정시험을 하기 위하여, 두께 25mm X 길이 500mm의 EH-36용접 모재를 도 1과 같이 준비하였다. 그리고 저온균열은 고온균열 테스트 후 동일시료에 다층 용접을 실시하여 용접완료 후, 48hr이후에 UT를 실시하여 균열 유,무를 확인하였다.

그리고 AWS A5.20의 규칙(Rule)에 따라 충격 시편 및 인장시편을 만들어 충격 인성 및 인장시험을 했으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었으며, 이때, 항복강도: 390MPa이상, 인장 강도: 490MPa-670MPa, 충격 인성은 -40℃에서 47J(Joule) 이상이 나왔을 경우 합격이라고 평가하였다.

		고온균열 발생여부	고온균열 발생율(%)	저온균열 발생여부	평가
발명예	1	무	0	무	합격
	2	무	0	무	합격
	3	무	0	무	합격
	4	무	0	무	합격
	5	무	0	무	합격
	6	무	0	무	합격
	7	무	0	무	합격
	8	무	0	무	합격
비교예	1	유	18	무	불합격
	2	무	0	무	합격
	3	유	21	무	불합격
	4	유	24	무	불합격
	5	유	31	무	불합격
	6	유	81	유	불합격
	7	유	58	유	불합격
	8	무	0	무	합격
	9	유	62	유	불합격
	10	유	54	유	불합격
	11	유	12	무	합격
	12	무	0	무	합격

		인장시험	충격인성(Joule)		평가
		TS(MPa)	-30℃	-40℃	평가
발명예	1	570	112	91	합격
	2	580	103	84	합격
	3	585	118	90	합격
	4	598	121	89	합격
	5	610	135	101	합격
	6	625	148	115	합격
	7	608	142	103	합격
	8	615	136	111	합격
비교예	1	575	125	105	합격
	2	552	58	22	불합격
	3	610	144	119	합격
	4	650	85	26	불합격
	5	655	94	40	불합격
	6	675	42	19	불합격
	7	630	98	39	합격
	8	598	28	12	불합격
	9	578	51	17	불합격
	10	595	121	68	합격
	11	625	92	33	불합격
	12	570	35	14	불합격

상기 표 3 및 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명예(1-8)를 이용하여 제조된 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전와이어는 각각 우수한 기계적 특성 및 내 균열성을 나타냄을 알 수 있다. 특히, 본 발명예(1-8)는 모두 (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합이 10.0≤X≤17.0 범위를 만족하는 것을 확인할 수 있다.

이에 반하여, 비교예 (1~8)은 (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합이 10.0≤X≤17.0 범위를 벗어난 경우로서, 고온균열 및 저온균열이 발생하며 후판의 초층 용접에 적절히 이용될 수 없음을 알 수 있다.

Si 함량이 과다하면 인장 강도를 증가시켜 고온균열 및 저온균열에 영향을 미친다. 그러므로 Si 함량은 최대중량 0.6% 이하로 제한하는 것이 좋다. TiO₂와 B함량도 고온균열에 비례적으로 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있다. TiO₂는 충격인성 영향에 미비하지만, B 함량은 충격 인성에 크게 영향을 미친다. 도 2는 (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합이 10.0≤X≤17.0 범위를 만족하는 본 발명의 경우에는 저온 충격 인성이 우수하지만, 본 발명 범위를 벗어난 경우는 그렇지 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

와이어 전체 중량에 대한 중량%로, TiO₂:4~8%, C:0.02~0.08%, Si:0.2~0.6%, Mn:1.0~2.5%, Ni:0.1~1.0%, Mg:0.1~1.0%, F:0.02~0.1%, B:0.002~0.007%, 철분:4.0~8.0%, Nb:0.03%이하, V:0.04%이하, Na: 0.2~1.0%, 잔여 외피금속 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, (Si×12+B×1.5×10³+TiO₂/1.5)의 성분 합(X)이 10.0≤X≤17.0의 범위를 만족하는 가스 실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.