KR20180109130A

KR20180109130A - 플럭스 코어드 아크 용접 이음부

Info

Publication number: KR20180109130A
Application number: KR1020170038254A
Authority: KR
Inventors: 유원효; 서준석; 주형건; 최우혁
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-08

Abstract

중량%로, 탄소(C):0.01~0.06%, 실리콘(Si):0.2~1.0%, 망간(Mn):0.5~2.5%, 인(P):0 초과 0.03% 이하, 황(S):0 초과 0.03% 이하, 니켈(Ni):0.3~1.5%, 크롬(Cr):0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo):0.1~0.5%, 니오븀(Nb):0.02~0.04%, 잔여 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 중 선택된 3종의 합이 0.5~2.5%로 제어되는 플럭스 코어드 아크 용접 이음부가 개시된다.

Description

플럭스 코어드 아크 용접 이음부{FLUX CORED ARC WELLDING JOINT}

본 발명은 고층 건축물의 화재 발생시에 강재의 온도가 상승하더라도 강도저하가 적은 내화용 강재의 플럭스 코어드 아크 용접 이음부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 고온 내화성을 갖는 고강도 구조용 강재의 플럭스 코어드 아크 용접 이음부에 관한 것이다.

일반적으로, 통상 선박과 같은 용접을 필요로 하는 대형 구조물은 작은 판재를 이어 붙여서 제작된 많은 블록들을 상호 연결하는 조립 작업을 필요로 하게 되는데, 이러한 경우 필수적으로 상기 각각의 블록들을 모재로 하여 상방을 향하는 수직 용접작업을 필요로 하게 된다. 이러한 대형 구조물의 수직 용접작업에는 일반적으로 플럭스코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding:FCAW)법과, 일렉트로가스 용접(Electro Gas Welding:EGW)법이 사용되고 있다.

일반 강구조물은 화재 시 발생되는 화열에 의하여 강재의 온도가 고온에 빨리 도달되고 또한 강재는 열에 의하여 강도저하 및 열응력의 발생 등 내화 성능상의 단점을 지니고 있다. 현재 강구조의 내화성능을 향상시키기 위해 사용하는 방법은 강재에 내화피복을 사용하는 방법(내화피복)과 강재의 고온성능이 우수한 건축구조용 내화강을 이용하는 방법이 있다.

관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2010-0097172호(2012.09.03 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 내화강 및 그 제조방법이 기재되어 있다.

본 발명은 용접금속의 고온항복강도를 확보할 수 있음은 물론, 양호한 용접 작업성을 갖는 플럭스 코어드 아크 용접 이음부를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용접 이음부에 대한 중량%로, 탄소(C):0.01~0.06%, 실리콘(Si):0.2~1.0%, 망간(Mn):0.5~2.5%, 인(P):0 초과 0.03% 이하, 황(S):0 초과 0.03% 이하, 니켈(Ni):0.3~1.5%, 크롬(Cr):0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo):0.1~0.5%, 니오븀(Nb):0.02~0.04%, 잔여 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 중 선택된 3종의 합이 0.5~2.5%로 제어됨을 특징으로 하는 플럭스 코어드 아크 용접 이음부를 제공한다.

본 발명에 있어서, Ni[%]+Mo[%]+Nb[%]가 0.5~2.5로 제어될 수 있다.

본 발명에 있어서, Ni[%]+Cr[%]+Mo[%]가 0.5~2.5로 제어될 수 있다.

본 발명은 용접 이음부의 합금성분을 최적화하고, 전 용착금속에 대한 중량%로 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 중 선택된 3종의 합이 0.5~2.5%로 제어함으로써 용접부의 저온인성 및 고온 항복강도, 및 양호한 용접 작업성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 이음부를 제공할 수 있다.

도 1은 용접 시험편의 개선형상과 적층방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 상온 및 고온 강도를 측정하기 위한 시험편을 나타내는 모식도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 본 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 측면은, 용접 이음부에 대한 중량%로, 탄소(C):0.01~0.06%, 실리콘(Si):0.2~1.0%, 망간(Mn):0.5~2.5%, 인(P):0 초과 0.03% 이하, 황(S):0 초과 0.03% 이하, 니켈(Ni):0.3~1.5%, 크롬(Cr):0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo):0.1~0.5%, 니오븀(Nb):0.02~0.04%, 잔여 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 중 선택된 3종의 합이 0.5~2.5%로 제어됨을 특징으로 하는 내화강용 플럭스 코어드 아크 용접 이음부에 관한 것이다. 여기서, Ni[%]+Mo[%]+Nb[%]가 0.5~2.5로 제어되거나, Ni[%]+Cr[%]+Mo[%]가 0.5~2.5로 제어될 수 있다.

본 발명은 용접 이음부의 합금성분을 최적화하고, 전 용착금속에 대한 중량%로 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 중 선택된 3종의 합이 0.5~2.5%로 제어함으로써 용접부의 저온인성 및 고온 항복강도, 및 양호한 용접 작업성을 확보할 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 이음부를 제공한다.

본 발명의 일 측면인 플럭스 코어드 아크 용접 이음부에 있어서, 상기 용접 이음부의 성분조성을 제어함이 필요한데, 그 이유에 대하여 상세히 설명한다

탄소(C) : 0.01-0.06%

(이하, 용접 이음부에 대한 중량%이며, 이하 단지 '%'로 기재함)

탄소(C)는 본 발명 와이어를 구성하는 강외피와 내부 플럭스의 조성물에 함유되는 성분으로 통상 인위적으로 첨가하지는 않지만 용접금속의 상온/고온 기계적 성질에 영향을 주는 인자이므로 그 함량을 제한할 것이 요구되며, 이에 따라 본 발명에서는 탄소(C)를 용접 이음부에 대한 %로 0.01-0.06% 범위로 함유함이 바람직하다. 탄소(C)가 0.01% 미만이면 용접금속의 저온인성 및 인장성능이 열화되고, 0.06%를 초과하면 용접금속 인성 및 용접 시 흄과 스패터의 발생량이 증가하기 때문이다.

실리콘( Si ) : 0.2-1.0%

실리콘(Si)은 슬래그 형성제로서 비드 퍼짐성을 향상시키며, 탈산 효과에 의한 용접금속의 건전성에도 기여한다. 실리콘(Si)의 첨가량이 0.2% 미만이면 그 효과를 기대할 수 없으며, 1.0%를 초과하면 용접금속의 인성이 열화된다.

망간(Mn) : 0.5-2.5%

망간(Mn)은 합금의 상태로 첨가되며, 탈산과 인장강도 조절용으로 첨가된다. 망간(Mn)의 함유량이 0.5% 미만에서는 첨가에 따른 상기 효과를 기대할 수 없으며, 2.5%를 초과하면 용접금속의 강도가 과도해진다.

인(P), 황(S) : 각 0.03% 이하

인(P)과 황(S)은 불순물 원소로서 내균열성을 저하시키기 때문에 각각 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

니켈( Ni ) : 0.3-1.5%

니켈(Ni)은 고용강화에 의해 기지조직의 강도 및 인성을 향상시키는데 필수적인 원소로서, 상술한 효과를 얻기 위해서는 니켈(Ni)을 0.3% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 1.5%를 초과하게 되면 소입성을 크게 증가시키고 고온균열 발생의 가능성이 있으므로 바람직하지 못하다.

크롬( Cr ) : 0.1-0.5%

크롬(Cr)은 몰리브덴(Mo)과의 복합첨가로 인해 고온강도를 향상시킬 목적으로 첨가하여 고온에서 미세 탄화물을 석출시켜 결정립 성장을 억제하므로 용접금속의 고온강도를 안정적으로 유지하여 용접된 구조물의 안정성을 확보하는 효과가 있다. 크롬(Cr)의 함량이 0.1% 미만이면 용접금속의 고온강도 향상 효과를 기대하기 어렵고, 0.5% 를 초과하면 고온강도뿐만 아니라 상온 인장강도가 과도하게 되어 내균열성을 저하시킨다.

몰리브덴( Mo ) : 0.1%-0.5%

몰리브덴(Mo)은 기지(matrix)조직의 페라이트 입내 Mo2C 탄화물 석출을 통한 고온강도를 향상(고온에서 전위 이동 Slip 억제)시키는 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 몰리브덴(Mo)을 0.1% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 고온강도의 향상 효과는 물론, 용접부 경화능이 크게 증가하여 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 용접 저온균열을 발생시키거나 인성을 저하시키는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

니오븀( Nb ) : 0.02%-0.04%

니오븀(Nb)은 고온에서 석출경화를 통한 소입성 향상을 목적으로 첨가하는 원소로, Ar3 온도를 낮추고 냉각속도가 낮은 범위에서도 베이나이트 생성을 용이하게 하는 효과가 있다. 상기 효과를 얻기 위해서는 니오븀(Nb) 함량이 0.02% 이상으로 첨가할 필요가 있으며, 다만 그 함량이 0.04%를 초과하게 되면 용접 이음부에 도상 마르텐사이트(MA) 형성을 촉진하여 인성에 나쁜 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 플럭스 코어드 아크 용접 이음부에 추가로 아크 안정제 또는 탈수소제를 첨가하는 것이 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.

실시예

중량%로, 탄소(C):0.05%, 실리콘(Si):0.04%, 망간(Mn):0.78%, 인(P):0.005%, 황(S):0.005%, 몰리브덴(Mo): 0.85%, 크롬(Cr): 0.18%, 니오븀(Nb):0.02%, 티타늄(Ti):0.01%을 포함하는 인장강도 490MPa급 내화강재인 FR490 강에 대하여, 직경이 1.2mm인 와이어를 이용하여 100% CO2 보호가스를 적용하여 15~18kJ/cm 용접 입열량으로 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 실시하였다.

도 1은 FCAW시 용접 시험편의 개선형상과 적층방법을 나타내는 모식도이고, FCAW시 용접부 개선 형상 및 세부 용접조건을 표 1에 나타내었다.

전류 극성	전류(A)	전압(V)	용접속도 (cm/min)	용접 입열량 (KJ/cm)	보호가스 및 유량	용접자세	Stick-out
DC+	280	32	30~35	15~18	CO2, 20ℓ/min.	1G(하향)	15~20mm

또한, 상기 플럭스 코어드 아크 용접 후 형성된 용접 이음부의 화학조성 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Ni+Cr+Mo
비교예	0.035	0.58	1.28	0.010	0.005	0.02	0.021	0.002	0.043
발명예1	0.044	0.51	1.23	0.010	0.004	1.06	0.025	0.141	1.226
발명예2	0.036	0.44	1.06	0.009	0.004	1.03	0.025	0.140	1.195
발명예3	0.039	0.48	1.11	0.006	0.004	0.95	0.028	0.195	1.173
발명예4	0.048	0.42	1.11	0.008	0.004	1.08	0.033	0.223	1.336

상기 용접시의 용접조건, 용접 후 용접 이음부의 상온/고온 인장시험 및 저온 충격시험 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	인장시험(상온)			인장시험(고온)	충격시험
구분	YS(MPa)	TS(MPa)	EL(%)	YS(MPa)	-20℃(J)
비교예	540	600	28.0	199	42
발명예1	613	675	23.0	226	109
발명예2	570	612	28.6	214	138
발명예3	604	638	25.4	240	120
발명예4	590	651	25.2	250	117

상기 기계적 성질 중 용접 이음부 인장시험은 상온인장은 KS규격(KS B0802), 고온인장은 KS규격(KS D 0026)을 따라 평가를 실시하였으며, 충격인성은 KS규격(KS B 0809) 충격 시험편을 이용하여 샤르피 충격시험을 통해 용접 이음부의 충격흡수 에너지(vE)를 평가하였다.

표2 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 성분조성, 성분 관계 및 미세조직을 모두 만족하는 용접 이음부들은 상온/고온 강도뿐만 아니라 충격인성이 우수함을 보였다. 이는, 발명예 1~4의 경우 비교예와 달리 성분조성 및 성분관계를 만족함에 따라 미세조직이 제어됨으로써 용접금속 또한 600℃에서의 고온 내력이 일반 강재의 상온 항복강도 2/3를 유지하는 것을 알 수 있다.

특히, 내화강의 경우 600℃ 정도의 고온에서의 인장강도가 중요하여 통상 217 이상의 YS를 만족하여야 하는데, 비교예의 경우 199로서 이를 만족하지 못하였다. 또한, 발명예 2와 3을 비교할 때, 발명예 3에서 고온 인장강도가 크게 증가하였는데, 이는 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 함량 차이가 크게 기여한다고 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 고온특성이 높은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등의 첨가원소를 보강하고 강재의 용접성을 높이기 위하여 탄소(C), 망간(Mn)의 함량을 저감함으로써 용접 이음부의 고온특성을 향상시킬 수 있었다.

도 3은 본 발명에 의한 플럭스 코어드 아크 용접 이음부의 미세 조직을 나타낸 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 용접 이음부는 미세조직이 침상 페라이트와 베이나이트로 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예의 경우 용접 이음부의 성분조성 및 성분관계가 본 발명에서 제안하는 바를 만족하지 않는 경우로서, 형성된 미세조직 중 침상 페라이트 분율이 낮아 상온/고온 강도 및 저온 인성이 저하되는 결과를 보임을 확인할 수 있다.

상기의 결과를 통해, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)시 본 발명을 만족하는 용접 이음부는 비교예 대비 고온강도 및 충격인성 측면에서 우수한 특성을 보임을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims

중량%로, 탄소(C):0.01~0.06%, 실리콘(Si):0.2~1.0%, 망간(Mn):0.5~2.5%, 인(P):0 초과 0.03% 이하, 황(S):0 초과 0.03% 이하, 니켈(Ni):0.3~1.5%, 크롬(Cr):0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo):0.1~0.5%, 니오븀(Nb):0.02~0.04%, 잔여 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 중 선택된 3종의 합이 0.5~2.5%로 제어되는,
플럭스 코어드 아크 용접 이음부.
제1항에 있어서,
Ni[%]+Mo[%]+Nb[%]가 0.5~2.5로 제어되는,
플럭스 코어드 아크 용접 이음부.
제1항에 있어서,
Ni[%]+Cr[%]+Mo[%]가 0.5~2.5로 제어되는,
플럭스 코어드 아크 용접 이음부.