KR20190019020A - 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접 금속을 형성하는 전극들 - Google Patents

오스테나이트 및 듀플렉스강 용접 금속을 형성하는 전극들 Download PDF

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KR20190019020A
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알렉산더 조셉 자다흐
바드리 케이. 나라야난
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

개시된 기술은 일반적으로 소모품 전극 와이어들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 코어가 크롬을 함유하는 코어-셸 구조를 갖는 소모품 전극 와이어들에 관한 것이다. 일 양태에서, 용접 와이어는 스틸 조성을 갖는 시스 및 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 코어는 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의 농도의 니켈(Ni), 그리고 0 중량% 초과의 농도의 탄소(C)를 함유하며, Ni, C 및 Mn의 농도들은 [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]이 대략 12 중량% 미만인 정도이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타낸다. 개시된 기술은 또한 크롬 함유 전극 와이어들을 사용하도록 구성되는 용접 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.

Description

오스테나이트 및 듀플렉스강 용접 금속을 형성하는 전극들{ELECTRODES FOR FORMING AUSTENITIC AND DUPLEX STEEL WELD METAL}
개시된 기술은 일반적으로 소모품 용접 전극 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 크롬 함유 소모품 용접 전극 와이어, 그리고 크롬 함유 전극 와이어를 사용하도록 구성되는 용접 방법 및 시스템에 관한 것이다.
다양한 용접 기술은 금속원으로서의 역할을 하는 용접 와이어를 활용한다. 예를 들어 금속 아크 용접에서, 워크피스 쪽으로 진행하는 하나의 전극으로서의 역할을 하는 소모품 용접 전극 와이어와 다른 전극으로서의 역할을 하는 워크피스 사이에 전압이 인가될 때, 전기 아크가 생성된다. 아크는 금속 와이어의 팁을 용융시켜, 용접물 또는 용접 비드를 형성하도록 워크피스에 용착되는 용융된 금속 와이어의 방울을 생성한다.
용접 기술 상의 기술적, 경제적 요구가 복잡하게 계속해서 증가하고 있다. 예를 들어, 높은 항복 강도, 연성 및 파괴 인성을 포함하는 외양 및 기계 특성 둘 다에서의 더 높은 비드 품질에 대한 요구가 계속해서 증가하고 있다. 동시에, 경제적 타당성을 유지하면서도 더 높은 비드 품질이 흔히 요구된다. 일부 용접 기술은 소모성 품목을 개선함으로써, 예를 들어 전극 와이어의 물리적 설계 및/또는 조성을 개선함으로써 이러한 경합하는 요구를 다루는 것을 목적으로 한다.
그러한 경합하는 요구를 다루는 것에 대한 하나의 접근법은 소모품 전극으로 첨가제를 포함시키는 것이다. 예시적 첨가제는 크롬(Cr)이며, 크롬(Cr)은 결과로서 생기는 용접물의 산화/부식 내성을 개선하기 위해 추가될 수 있다. 그러나, 그러한 첨가제의 추가는 예를 들어, 부식 내성에 더하여 고온 균열에 대한 내성 및 높은 파괴 인성을 포함할 수 있는 경합하는 용접물 특성의 세트를 동시에 만족시키기에 불충분할 수 있다. 게다가, 경합하는 용접물 특성의 세트는 주첨가제가 Cr과 같은 비교적 고가의 원소를 함유할 때, 어려울 수 있는 경제적 타당성을 유지하면서, 만족될 필요가 있을 수 있다. 이하에서, 이러한 및 다른 경합하는 용접물 특성뿐만 아니라, 생산성 및 경제적 고려 사항을 만족시킬 수 있는 소모품 용접 전극 와이어, 용접 과정 및 시스템의 다양한 실시예를 설명한다.
개시된 기술은 일반적으로 소모품 용접 전극 와이어들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 코어가 크롬을 함유하는 코어-셸 구조를 갖는 크롬 함유 용접 소모품 전극 와이어들에 관한 것이다. 개시된 기술은 또한 크롬 함유 전극 와이어들을 사용하도록 구성되는 용접 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
일 양태에서, 용접 와이어는 용접 동안 전극 및 용접 금속원으로서의 역할을 하도록 구성된다. 용접 와이어는 스틸 조성을 갖는 시스 및 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 코어는 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의 농도의 니켈(Ni), 그리고 0 중량% 초과의 농도의 탄소(C)를 함유하며, Ni, C 및 Mn의 농도들은 [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]이 대략 12 중량% 미만인 정도이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타낸다.
다른 양태에서, 용접 동안 전극 및 용접 금속원으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 와이어는 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 용접 와이어는 철(Fe), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의 농도의 니켈(Ni), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 초과 대략 0.06 중량% 미만의 농도의 탄소(C), 그리고 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0.03 중량% 미만의 질소(N)를 함유한다.
다른 양태에서, 아크 용접의 방법은 용접 동안 용접 금속원으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 와이어를 제공하는 단계를 포함한다. 용접 와이어는 스틸 조성을 갖는 시스 및 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 코어는 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr)을 함유하고, Ni, C 및 Mn을 더 함유하며, [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]은 대략 12 중량% 미만이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타낸다. 방법은 또한 용융된 용접 와이어의 방울들의 안정된 흐름을 생성하기에 충분한 에너지를 인가하는 단계를 포함한다. 방법은 워크피스에 용융된 방울들을 용착시키는 단계를 더 포함한다.
도 1은 금속 아크 용접 과정에서의 전극들의 구성을 개략적으로 예시한다.
도 2는 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하도록 구성되는 솔리드 전극 와이어를 개략적으로 예시한다.
도 3a는 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하도록 구성되는 코어드 전극 와이어를 개략적으로 예시한다.
도 3b는 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하도록 구성되는 코어드 전극 와이어를 개략적으로 예시한다.
도 3c는 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하도록 구성되는 코어드 전극 와이어를 개략적으로 예시한다.
도 3d는 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하도록 구성되는 코어드 전극 와이어를 개략적으로 예시한다.
도 4는 실시예들에 따른 다양한 페라이트 함량을 갖는 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물들을 형성하도록 구성되는 용접 와이어들의 니켈 당량 함량 대 크롬 당량 함량을 도시하는 그래프이다.
도 5는 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하도록 구성되는 금속 아크 용접 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 6은 실시예들에 따른 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접물을 형성하는 방법의 흐름도이다.
흔히 경합하는 요구들인 용접 기술 상의 다양한 기술적, 경제적 요구가 복잡하게 계속해서 증가하고 있다. 예를 들어, 부정적인 경제적 또는 생산성 결과들, 예를 들어 원료 및/또는 용접의 더 높은 비용을 초래하지 않고 외양 및 기계 특성들 둘 다의 면에서 더 높은 비드 품질이 흔히 요망된다. 특히 스틸 기반 용접에서, 경제적 타당성을 유지하면서도, 항복 강도, 연성, 부식 내성, 고온 균열에 대한 내성 및 파괴 인성과 같은 기계 특성들의 경합하는 특징들을 개선하거나 만족시키는 것이 필요할 수 있다.
일부 용접 기술은 소모성 품목을 개선함으로써, 예를 들어 소모품 전극 와이어들의 물리적 설계들 및/또는 조성들을 개선함으로써 이러한 경합하는 요구들을 다루는 것을 목적으로 한다. 일 예로서, 일부 통상적인 소모품 전극은 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 같은 첨가제들을 포함한다. 철을 함유한 합금에 크롬 및 니켈을 추가하면, 보호 산화물층을 형성하는 능력을 통해, 예를 들어 산화 내성을 제공할 수 있다. 그러나, 다량의 Cr 및 Ni은 비용 관점에서 바람직하지 않을 수 있다. 게다가, 일부 첨가제는 하나의 이점을 제공하면서 다른 특성들 예를 들어, 경합하는 특성들을 만족시키는데 불충분할 수 있거나, 바람직하지 않은 결과들을 가져올 수 있다. 예를 들어, 비교적 다량의 Cr 및 Ni은 산화 및 부식 내성을 제공하면서 결과로서 생기는 용접물에서 바람직하지 않은 양의 체심 입방(BCC) 페라이트를 촉진시킬 수 있으며, 이는 더 낮은 파괴 인성을 비롯하여 바람직하지 않은 기계 특성들을 야기할 수 있다.
본원에 설명하는 다양한 실시예들에서, 소모품 전극 와이어들은 코어에 있을 수 있는 Cr 및 Ni이 특정량들로, 예를 들어, 스테인리스강 용접을 위한 Cr 및 Ni의 통상적 양들보다 비교적 더 적은 양으로 존재하는 코어셸 구조를 갖는다. 개시된 전극들은 고온 균열에 대한 높은 내성 및 높은 파괴 인성을 가지면서, 용인할 수 있는 부식 내성과 같은 경합하는 용접물 특성들을 만족시킨다. 게다가, 특정 용접 과정들, 예를 들어 플럭스 코어드 아크 용접에 사용될 때, 개시된 전극들은 스틸 기반 용접 와이어들에서의 통상적 첨가제들과 비교하여 더 낮은 비용 해결법을 제공할 수 있다.
오스테나이트 또는 듀플렉스강 용접물들을 형성하는 용접 과정들
도 1은 금속 아크 용접 과정들에서의 전극들의 구성을 개략적으로 예시한다. 금속 아크 용접, 예를 들어 가스 금속 아크 용접(GMAW)에서, 하나의 전극(4)(예를 들어, 애노드(+))에 전기적 연결되는 소모품 금속 와이어(6)와 다른 전극(예를 들어, 캐소드(-))으로서의 역할을 하는 워크피스(2) 사이에서 전기 아크가 생성된다. 그 후에, 중성이고 이온화된 가스 분자들뿐만 아니라 중성이고 대전된 클러스터들 또는 아크에 의해 기화되었던 금속 와이어(6)의 재료의 방울들을 포함하는 플라스마(8)가 지속된다. 용접 동안, 소모품 금속 와이어(6)는 워크피스(2) 쪽으로 진행되고, 금속 와이어(6)의 결과로서 생기는 용융된 방울들은 워크피스에 용착되어, 용접 비드를 형성한다.
금속 와이어(6)는 철(Fe), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의 농도의 니켈(Ni), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 초과 대략 0.06 중량% 미만의 농도의 탄소(C), 그리고 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0.03 중량% 미만의 질소(N)를 함유하는 용접 와이어일 수 있다. 일부 실시예들에서, 와이어(6)는 반경 방향으로 실질적으로 균일한 농도의 원소들을 갖는 솔리드 전극이다. 일부 다른 실시예들에서, 와이어(6)는 코어드 전극이다. 코어드 전극으로서 구성될 때, 용접 와이어(6)는 스틸 조성을 갖는 시스 및 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 코어는 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn), 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의 농도의 니켈(Ni), 그리고 0 중량% 초과의 농도의 탄소(C)를 함유하며, Ni, C 및 Mn의 농도들은 [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]이 대략 12 중량% 미만인 정도이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타낸다. 솔리드 전극 와이어(GMAW) 또는 금속 코어드 와이어(GMAW-C)를 채용할 수 있는 금속 와이어(6)는 가스 금속 아크 용접 과정들을 포함하여 다양한 아크 용접 과정에 사용될 수 있다. 금속 와이어(6)는 가스 보호 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-G) 또는 자체 피복 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-S)일 수 있는 플럭스 코어드 아크 용접 과정(FCAW)에 사용될 수도 있다. 금속 와이어(6)는 무엇보다도 피복 금속 아크 용접(SMAW) 과정들 및 서브머지드 아크 용접(SAW) 과정들에 추가로 사용될 수 있다. 이하에서, 금속 와이어(6)를 채용할 수 있는 상이한 용접 과정들을 보다 상세히 설명한다.
솔리드 전극(GMAW) 또는 금속 코어드 전극(GMAW-C)을 사용하는 가스 금속 아크 용접에서, 보호 가스는 용접 동안 대기 오염에 대하여 용융지 및 용접 비드를 보호하기 위해 사용된다. 솔리드 전극들이 사용될 때, 솔리드 전극들은 보호 가스와의 조합으로, 결과로서 생기는 용접 비드의 원하는 물리적이고 기계적인 특성들을 갖는 낮은 다공성 또는 다공성이 없는 용접점들을 제공하도록 설계될 수 있는 유효 성분들로 적절하게 합금화된다. 금속 코어드 전극들이 사용될 때, 유효 성분들 중 일부가 금속 외부 시스의 코어에서 추가되고, 솔리드 전극들의 경우에서와 유사한 기능을 제공하도록 설계될 수 있다.
솔리드 및 금속 코어드 전극들은 적절한 가스 보호 하에서, 최종 응용들에서 만족스럽게 기능하는 항복 강도, 인장 강도, 연성 및 충격 강도를 갖는 속이 찬 실질적으로 다공성이 없는 용접물 또는 비드들을 제공하도록 설계된다. 이러한 전극들은 용접 동안 생성되는 슬래그의 양을 최소화하도록 설계될 수도 있다. 일부 응용의 경우, 금속 코어드 전극들이 생산성을 증가시키기 위해 솔리드 와이어들에 대한 대안으로서 사용될 수 있다. 본원에 설명하는 바와 같이, 금속 코어드 전극들은 적어도 부분적으로 충전되고 금속 외부 시스에 의해 둘러싸인 코어를 갖는 복합 전극들을 지칭한다. 코어는 아크 안정성, 용접점 습윤 및 외양, 그리고 원하는 물리적이고 기계적인 특성들에 도움이 되는 유효 성분들 및 금속 파우더를 포함할 수 있다. 금속 코어드 전극들은 코어 재료의 성분들을 혼합하여 이를 형성된 스트립 내부에 증착시키고, 그 다음 스트립을 폐쇄하고 최종 직경까지 인출함으로써 제조된다. 일부 응용의 경우, 코어드 전극들은 솔리드 전극들과 비교하여 증가된 용착 속도들 및 더 넓은 비교적 일관된 용입 윤곽을 제공할 수 있다. 더욱이 일부 응용의 경우, 코어드 전극들은 개선된 아크 작동을 제공하고, 더 적은 퓸 및 스패터를 생성하고, 용착물들에 솔리드 전극들과 비교하여 더 양호한 습윤을 제공할 수 있다.
본원에 설명하는 바와 같이, 금속 코어드 전극(GMAW-C)은 성분들이 주로 금속인 코어를 갖는 전극들을 지칭한다. 존재하는 경우, 코어에서의 비금속 성분들은 각각의 전극의 총중량에 기반하여, 5%, 3% 또는 1% 미만의 결합된 농도를 갖는다. 비교적 낮은 비금속 성분들은 보다 상세히 후술하는 플럭스 코어드 아크 용접 전극들과 GMAW-C 전극들을 구별할 수 있다. GMAW-C 전극들은 스프레이 아크 및 높은 품질의 비드 능력을 특징으로 할 수 있다.
금속 코어드 전극(GMAW-C)을 사용하는 가스 금속 아크 용접과 마찬가지로, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW, FCAW-S, FCAW-G)에 사용되는 전극들은 또한 셸에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 즉, 플럭스 코어드 아크 용접에 사용되는 코어드 전극들은 상술한 금속 코어드 전극들과 유사한 적어도 부분적으로 충전되고 금속 외부 시스에 의해 둘러싸인 코어를 갖는다. 그러나 금속 코어드 전극(GMAW-C)과 달리, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)에 사용되는 코어드 전극들은 또한 적어도 부분적으로 보호 가스 대신에, 용접 동안 대기 오염에 대하여 용융지 및 용접 비드를 보호하도록 설계되는 플럭싱제들을 함유한다. 플럭스 코어드 아크에 사용되는 코어드 전극들은 또한 아크 안정성, 용접점 습윤 및 외양, 그리고 원하는 물리적이고 기계적인 특성에 도움이 되는 다른 유효 성분들을 함유할 수 있다. 일 양태에서, 플럭스 코어드 아크 전극들은 결합된 농도가 각각의 전극의 총중량에 기반하여, 5%, 3% 또는 1% 미만일 수 있는 코어에 존재하는 비금속 성분의 양에 의해 금속 코어드 전극들과 구별될 수 있다.
플럭스 코어드 전극들에 대한 다수의 플럭싱제 조성은 아크 안정성을 제어하고, 용접 금속 조성을 변경하고, 대기 오염으로부터의 보호를 제공하도록 발전되었다. 플럭스 코어드 전극들에서, 아크 안정성은 플럭스의 조성을 변경함으로써 제어될 수 있다. 결과적으로, 플럭스 혼합물에서의 플라스마 전하 운반체들로서 양호하게 역할을 하는 물질들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 일부 응용에서, 플럭스들은 금속에서의 불순물들을 더 용이하게 가용성이 되게 하고 이러한 불순물들과 결합할 수 있는 물질들을 제공함으로써 용접 금속 조성을 변경할 수도 있다. 슬래그 용융점을 낮추고, 슬래그 유동성을 개선하고, 플럭스 입자들에 대한 바인더들로서의 역할을 하기 위해 때때로 다른 재료들이 추가된다. FCAW에 사용되는 다양한 와이어는 일부 유사한 특성 예를 들어, 용접점 위에 보호 슬래그를 형성하는 것, 드래그 앵글 기법을 사용하는 것, 더 높은 용착 속도로 바른 위치에서 벗어나거나 편평하고 수평으로 용접하는 능력을 갖는 것, 플레이트 상에서 비교적 더 많은 양의 오염 물질을 처리하는 능력을 갖는 것 등을 공유할 수 있다. 다른 한편으로는, 상이한 타입들의 플럭스 코어드 아크 용접 과정들, 즉, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 보다 상세히 후술하는 자체 피복 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-S) 및 가스 보호 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW-G)이 존재한다.
FCAW-S 과정들은 대기로부터 용융된 금속을 보호하기 위해 아크 그 자체에서의 화학 반응들로부터 생성되는 보호 슬래그 및 가스들을 활용한다. FCAW-S 와이어의 코어에서의 플럭스 성분들은 여러 기능들 중에서도 특히, 용융된 금속을 탈산하고 탈질소화하는 것, 또한 비드를 형상화하고 바른 위치에서 벗어나 용융된 금속을 유지할 수 있는 보호 슬래그를 형성하는 것, 그리고 원하는 특성들을 만들어 내기 위해 합금 원소들을 용접 비드에 추가하고 다양한 용접 특성(예를 들어, 심용입 특성들 및 높은 용착 속도들)에 제어 가능하게 영향을 주는 것을 비롯한 다수의 기능을 수행한다.
일부 상황 하에서, 실시예들에 따른 FCAW-S 과정들/시스템들은 다른 과정들 예를 들어, 스틱(즉, 수작업) 용접과 비교하여 스틱 전극들이 사용되는 응용들과 유사하거나 동일한 응용들에 대해 반자동 과정으로의 비교적 더 높은 용착 속도 능력들에 부분적으로 기인하는 증가된 생산성을 제공한다. 예를 들어, 일부 FCAW-S는, 특히 보호 가스가 바람에 의해 용이하게 불어 날려지고 가스 보호 과정들로 결과로서 생기는 용접 비드에서의 다공성을 야기할 수 있는 외부 보호 가스를 사용하지 않는 야외 용접에 맞게 이루어진다. 그러나, 실시예들은 그처럼 제한되지 않고, 다른 FCAW-S 과정들은 실내 용접에 맞게 이루어질 수 있다.
실시예들에 따른 일부 FCAW-S 과정은 직류 -극성 하에서 수행된다. 실시예들에 따른 일부 FCAW-S 과정은 금속의 미세 방울들에서 큰 방울들까지의 범위인 구형 아크 전이를 갖는다.
FCAW-S 과정들과 대조적으로, FCAW-G 과정들은 대기로부터 아크를 보호하기 위해 슬래그 시스템 및 외부 보호 가스 둘 다를 사용한다. 사용될 수 있는 예시적 보호 가스들은 이산화탄소(CO2), 예를 들어, 본질적으로 순수한 CO2 또는 CO2와 불활성 가스 예를 들어, CO2의 잔부와 결합되는 75 내지 85% 아르곤(Ar)의 혼합물을 포함한다. FCAW-S 와이어들과 마찬가지로, FCAW-G 와이어들의 코어 성분들은 슬래그를 생성하여, 합금 원소들을 용접 비드로 포함시키고 용접 특성들에 영향을 주도록 구성될 수 있다. 그러나 FCAW-S 와이어들과 달리, FCAW-G 와이어들은 주로 또는 본질적으로 플라스마 영역 주변에 전달되는 외부 보호 가스를 통해 대기로부터의 용융된 금속의 보호를 유도할 수 있다.
일부 FCAW-G 과정은 원활한 스프레이 아크로의 작은 방울 아크 전이를 특징으로 한다. 실시예들에 따른 일부 FCAW-G 과정은 직류 +극성 하에서 수행된다. 일부 FCAW-G 시스템/과정은, 예를 들어 FCAW-S 과정들과 비교하여, 더 원활한 아크 특성들을 가짐에 따라 더욱 실내 용접에 맞게 이루어진다. 그러나, 실시예들은 그처럼 제한되지 않고, 일부 FCAW-G 과정은 야외 용접에 맞게 이루어질 수 있다.
오스테나이트 또는 듀플렉스강 용접 금속을 형성하도록 구성되는 용접 전극들
본원에 개시되는 다양한 실시예는 상술한 다양한 용접 과정에 기인하는 용접 비드들의 점점 더 복잡해지는 경합하는 특성들을 다루는 것을 목적으로 한다. 경합하는 특성들은 여러 특성들 중에서도 특히, 높은 인성 예를 들어, 낮은 온도들에서의 높은 인성, 인성의 작은 통계적 산포도, 고온 균열에 대한 낮은 경향 및 낮은 다공성을 포함한다. 더욱이, 이러한 특성들은 경제적 고려 사항들 예를 들어, 소모품 전극들의 비용에 의해 제약될 수 있다. 이러한 요구 및 다른 요구들을 다루기 위해, 크롬 함유 전극들은 다양한 실시예들에 따라 코어 전극들이다.
상술한 바와 같이, 코어드 전극들은 상세하게는 선택된 철 및 다른 금속 파우더들, 그리고 합금들을 갖는 입자들의 코어를 갖는 예를 들어, 스틸 조성으로 형성되는 시스를 갖는 복합 전극들이다. 안정화제들 및 아크 개선제들과 같은 첨가제들이 제조 동안 용이하게 추가되어, 용접공에 대한 더 넓은 조작 윈도우(operating window)를 제공할 수 있다.
코어드 전극은 입자들 또는 파우더들을 포함할 수 있는 코어를 갖는 연속적으로 공급되는 관형 금속 시스이다. 코어는 플럭싱 원소들, 탈산제 및 탈질소화제, 그리고 합금 재료들뿐만 아니라 인성 및 강도를 증가시키고, 부식 내성을 개선하고, 아크를 안정화시키는 원소들을 함유할 수 있다. 상술한 바와 같이, 코어드 전극은 금속 코어드 전극(GMAW-C), 자체 피복 플럭스 코어드 전극(FCAW-S) 및 가스 보호 플럭스 코어드 전극(FCAW-G) 중 하나로서 분류될 수 있다.
제조의 융통성 때문에, 일이 특수 전극들을 필요로 할 때, 코어드 전극들은 솔리드 전극들보다 더 경제적일 수 있다. 제조 과정이 스틸의 특수 용융물을 생성하는 것 대신에 금속 파우더들을 혼합하는 것을 수반하므로, 적은 양이 생산하기에 더 용이하고, 최소 주문량들이 훨씬 더 적다. 결과적으로, 코어드 전극들은 특별 주문된 솔리드 전극들보다 더 짧은 소요 시간과 더 낮은 비용으로 생산될 수 있다. 따라서 하기에서는, 시스에 의해 둘러싸인 크롬 함유 코어를 포함하는 전극 와이어들의 다양한 실시예를 설명한다.
본원에 개시되는 다양한 실시예의 일 양태에서, 이러한 경합하는 특성들 사이의 균형이 결과로서 생기는 용접 비드가 제어된 상대량들의 오스테나이트 및 페라이트를 함유하도록 용접 와이어를 구성함으로써 부분적으로 달성될 수 있다. 본원에 설명하는 실시예들에 따르면, 제어된 양들의 오스테나이트 및 페라이트를 갖는 용접 비드는 체적 기준으로 대략 1%와 80% 사이의 페라이트, 체적 기준으로 대략 1%와 60% 사이의 페라이트, 체적 기준으로 대략 1%와 40% 사이의 페라이트, 체적 기준으로 대략 5%와 35% 사이의 페라이트, 또는 체적 기준으로 대략 10%와 30% 사이의 페라이트를 갖는 용접 비드를 지칭한다. 본원에 설명하는 바에 따라, 용접 연구 협의회(WRC), 미국 용접 협회(AWS) 및 다른 기관들에 의해 채용되는 값들이 1 내지 125의 범위인 페라이트 번호(FN)로서 알려져 있는 표준화된 표현은 용접 금속에서의 페라이트의 상대량을 설명하는데 대안적으로 사용될 수 있다. 본원에 설명하는 실시예들에 따르면, 제어된 상대량들의 오스테나이트 및 페라이트를 갖는 용접 비드는 1과 80 사이, 1과 60 사이, 1과 40 사이, 5와 35 사이, 또는 대략 10과 30 사이의 FN을 갖는 용접 비드를 지칭한다. 본 출원의 발명자들은 후술하는 바와 같이 높은 부식 내성을 갖는 용접 스테인리스강에 대한 통상적 용접 와이어 조성과 비교하여 비교적 낮은 농도들의 Cr 및 Ni로 적어도 부분적으로 달성될 때, 유리하게는, 본원에 설명하는 제어된 상대량들의 오스테나이트 및 페라이트를 가지면, 다양한 경합하는 기술적 요구뿐만 아니라 비용 제약들 사이의 균형이 만족될 수 있다는 것을 알게 되었다. 따라서 유리하게는, 본원에 개시되는 실시예들은 (용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의) 비교적 낮은 크롬(Cr) 함량 그리고 (용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의) 비교적 낮은 니켈(Ni) 함량을 포함하는 전극들에 관한 것이다. 비교적 낮은 Cr 및 Ni 함량을 갖는 전극들에 기인하는 용접 비드들은 여러 특성들 중에서도 특히, 낮은 다공성, 높은 저온 파괴 인성 및 고온 균열에 대한 높은 내성을 달성한다. 본원에 설명하는 바와 같이, 높은 파괴 인성은 관련 산업에서 알려져 있는 Charpy 충격 테스트를 이용하여 측정되는 바에 따른 대략 20, 50, 100, 150 또는 200 피트 파운드 초과의 파괴 인성값을 지칭한다. 본원에 설명하는 바와 같이, 저온 파괴 인성은 대략 0℉, -20℉ 또는 -40℉ 미만의 온도들에서 측정되는 파괴 인성을 지칭한다.
도 2, 및 도 3a 내지 도 3d는 오스테나이트 및 듀플렉스강 용접 금속을 형성하는 비교적 낮은 Cr 및 Ni 함량들을 포함하는 실시예들에 따른 금속 아크 용접 동안 전극으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 전극 와이어들(20, 및 30A 내지 30D)을 개략적으로 도시한다. 용접 와이어(20)(도 2)는 베이스 금속 조성을 포함하는 균일한 조성을 갖는 솔리드 와이어로서 구성된다. 그에 반해서, 용접 와이어들(30A 내지 30D)(각각 도 3a 내지 도 3d)은 코어셸 구조를 갖도록 구성되며, 코어들(38a 내지 38d)은 시스(34)에 의해 둘러싸인다. 용접 전극 와이어들(30A 내지 30D)은 제1 베이스 금속 조성을 갖는 시스(34) 및 시스(34)에 의해 둘러싸인 코어들(38a 내지 38d)을 포함하며, 코어들(38a 내지 38d)은 조합이 제어된 양들의 오스테나이트 및 페라이트를 갖는 용접 비드를 형성하도록 구성되는 후술하는 제2 베이스 금속 조성 및 다양한 다른 원소를 함유한다. 다양한 실시예들에서, 시스(34)의 제1 베이스 금속 및 코어들(38a 내지 38d)의 제2 베이스 금속의 조성들은 동일한 반면에, 다른 실시예들에서, 제1 베이스 금속 및 제2 베이스 금속의 조성들은 상이하다.
다양한 실시예들에서, 전극 와이어(20)(도 2)의 베이스 금속 조성, 그리고 전극 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 제1 및 제2 베이스 금속 조성 중 하나 또는 둘 다는 스틸 조성을 포함한다. 일부 실시예들에서, 베이스 금속 조성(들)은 탄소강 조성일 수 있다. 비제한적인 예시적 탄소강 조성들은 Fe, 그리고 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 C, 대략 0.1 wt%와 대략 1.5 wt% 사이의 농도의 Si, 대략 0.5 wt%와 대략 5 wt% 사이의 농도의 Mn, 대략 0.001 wt%와 대략 0.05 wt% 사이의 농도의 S, 대략 0.001 wt%와 대략 0.05 wt% 사이의 농도의 P, 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Ti, 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Zr, 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Al, 그리고 대략 0.1 wt%와 대략 1 wt% 사이의 농도의 Cu 중 하나 이상을 함유한다.
다양한 실시예들에서, 전극 와이어(20)(도 2)의 베이스 금속 조성, 그리고 전극 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 제1 및 제2 베이스 금속 조성 중 하나 또는 둘 다는 저탄소강 조성일 수 있다. 일부 비제한적인 예는 대략 0.10 wt% 미만의 농도의 C 및 대략 0.4 wt%까지의 농도의 Mn을 갖는 조성들, 그리고 대략 0.30 wt% 미만의 농도의 C 및 대략 1.5 wt%까지의 농도의 Mn을 갖는 조성들을 포함한다.
다양한 실시예들에서, 전극 와이어(20)(도 2)의 베이스 금속 조성, 그리고 전극 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 제1 및 제2 베이스 금속 조성 중 하나 또는 둘 다는 저합금강 조성일 수 있다. 일부 비제한적인 예시적 조성을 제공하기 위해, 저합금강 조성은 Fe, 그리고 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 C, 대략 0.1 wt%와 대략 1.0 wt% 사이의 농도의 Si, 대략 0.5 wt%와 대략 5 wt% 사이의 농도의 Mn, 대략 0.001 wt%와 대략 0.05 wt% 사이의 농도의 S, 대략 0.001 wt%와 대략 0.05 wt% 사이의 농도의 P, 대략 0.01 wt%와 대략 5 wt% 사이의 농도의 Ni, 대략 0.1 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Cr, 대략 0.1 wt%와 대략 1 wt% 사이의 농도의 Mo, 대략 0.001 wt%와 대략 0.1 wt% 사이의 농도의 V, 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Ti, 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Zr, 대략 0.01 wt%와 대략 0.5 wt% 사이의 농도의 Al, 그리고 대략 0.1 wt%와 대략 1 wt% 사이의 농도의 Cu 중 하나 이상을 함유한다.
다양한 실시예들에서, 전극 와이어(20)(도 2)의 베이스 금속 조성, 그리고 전극 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 제1 및 제2 베이스 금속 조성 중 하나 또는 둘 다는 스테인리스강 조성일 수 있다. 일부 비제한적인 예시적 조성을 제공하기 위해, 스테인리스강 조성은 Fe, 그리고 대략 0.01 wt%와 대략 1 wt% 사이의 농도의 C, 대략 0.1 wt%와 대략 5.0 wt% 사이의 농도의 Si, 대략 10 wt%와 대략 30 wt% 사이의 농도의 Cr, 대략 0.1 wt%와 대략 40 wt% 사이의 농도의 Ni, 대략 0.1 wt%와 대략 10 wt% 사이의 농도의 Mn, 대략 0.001 wt%와 대략 0.05 wt% 사이의 농도의 S, 그리고 대략 0.001 wt%와 대략 0.05 wt% 사이의 농도의 P 중 하나 이상을 전형적으로 함유한다.
어느 이론에도 매이지 않고, 상술한 바와 같은 전극 와이어(20)(도 2)의 베이스 금속 조성, 그리고 전극 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 제1 및 제2 베이스 금속 조성 중 하나 또는 둘 다에 포함되는 다양한 원소는 몇 가지 예를 제공하도록, 본원에 논의되는 바와 같이, 스틸 용접에서의 특정 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들어 이하에 추가로 논의되는 바와 같이, 탄소, 망간, 니켈 및 구리는 각각 강도 및 연성의 지표일수 있는 용접물의 파괴 인성을 결국 개선할 수 있는 오스테나이트 상을 안정화하는 역할을 할 수 있다. 망간 및 니켈은 추가로 용접점에서 산소 및/또는 질소를 제거하고 용접 금속 다공성을 감소시키는 탈산소제로서의 역할을 할 수 있다. 구리는 개선된 전도성, 그리고 이에 따라 더 양호한 아크 개시를 위해 (구리 코팅된다면) 와이어 전극들의 코팅의 결과로서 존재할 수 있다.
어느 이론에도 매이지 않고, 이하에 추가로 논의되는 바와 같이, 알루미늄, 실리콘, 크롬 및 몰리브덴은 용접물의 고온 균열 효율을 결국 개선할 수 있는 페라이트 안정화 원소로서의 역할을 할 수 있다. 실리콘은 용접물에서 산소를 제거하는 탈산소제로서의 역할을 하고, 용접 금속 다공성을 감소시킬 수도 있다. 일반적으로, 금속에서의 실리콘의 레벨이 더 높을 수록, 용접 퍼들이 더 유동성이다. 실리콘의 추가는 인장 및 항복 강도를 증가시킬 수도 있다. 크롬은 부식 내성을 개선할 수도 있다. 몰리브덴은 용접점이 스트레스 완화 용접 후 열처리를 겪을 때에도 강도를 추가하고 충격 특성들을 개선할 수도 있다.
어느 이론에도 매이지 않고, 인은 용접점 균열에 기여할 수 있으므로, 용착물에 일반적으로 바람직하지 않다. 황이 또한 용접성을 위해 일반적으로 바람직하지 않고 용접점 균열에 기여할 수 있다. 그러나, 황 또는 인은 제한된 양으로 용접 퍼들의 유동성 및 습윤을 개선할 수 있다.
어느 이론에도 매이지 않고, 티타늄은 페라이트 안정화 원소 및 탈산소제로서의 역할을 할 수 있다. 지르코늄은 탈산소제로서의 역할을 할 수 있다.
본원에 설명하는 용접 과정 및/또는 용접 비드의 다양한 유리한 특성을 달성하기 위해, 용접 와이어들(20(도 2) 및 30A 내지 30D(도 3a 내지 도 3d))은 실시예들에 따라 특정량들의 크롬(Cr) 및 망간(Mn)을 함유한다.
솔리드 와이어(20)(도 2)의 일부로서 포함될 때, 와이어의 대부분은 실시예들에 따라 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 2 중량%와 대략 30 중량% 사이, 대략 5 중량%와 대략 25 중량% 사이, 대략 10 중량%와 대략 20 중량% 사이, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이, 또는 대략 10 중량%와 대략 15 중량% 사이, 예를 들어 대략 16 중량%의 농도의 Cr을 함유한다. 솔리드 와이어(20)(도 2)의 일부로서 포함될 때, 와이어의 대부분은 실시예들에 따라 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 2 중량%와 대략 30 중량% 사이, 대략 5 중량%와 대략 25 중량% 사이, 대략 10 중량%와 대략 20 중량% 사이, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이, 또는 대략 10 중량%와 대략 15 중량% 사이, 예를 들어 대략 16 중량%의 농도의 Mn을 함유한다.
코어 와이어(각각 도 3a 내지 도 3d에서의 30A 내지 30D)의 일부로서 포함될 때, 코어들(38a 내지 38d) 각각은 실시예들에 따라 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 2 중량%와 대략 30 중량% 사이, 대략 5 중량%와 대략 25 중량% 사이, 대략 10 중량%와 대략 20 중량% 사이, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이, 또는 대략 10 중량%와 대략 15 중량% 사이, 예를 들어 대략 16 중량%의 농도의 Cr을 함유한다. 코어 와이어(각각 도 3a 내지 도 3d에서의 30A 내지 30D)의 일부로서 포함될 때, 코어들(38a 내지 38d) 각각은 실시예들에 따라 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 2 중량%와 대략 30 중량% 사이, 대략 5 중량%와 대략 25 중량% 사이, 대략 10 중량%와 대략 20 중량% 사이, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이, 또는 대략 10 중량%와 대략 15 중량% 사이, 예를 들어 대략 16 중량%의 농도의 Mn을 더 함유한다.
다양한 실시예들에서, Cr 및 Mn 각각은 원소 형태 또는 상이한 금속 원소와의 합금 형태일 수 있다. 예를 들어 합금 형태일 때, Cr 및/또는 Mn은 금속 합금 화합물, 예를 들어 여러 금속 합금 화합물들 중에서도 특히, AlMg, AlSi 또는 AlZr과 같은 MMg, MSi 또는 Mzr의 일부로서 존재할 수 있다.
어느 이론에도 매이지 않고, 본원에 개시되는 양으로의 코어(38a)에서의 Cr의 존재는 단독으로 또는 다른 원소들과의 조합으로, 결과로서 생기는 용접 비드에서의 다양한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어 개시된 범위 내에서 존재할 때, Cr은 유리하게는 결과로서 생기는 용접 금속의 우세한 산화 내성을 제공할 수 있다.
게다가, 본원에 설명하는 특정량으로의 Cr은 단독으로 또는 다른 원소들과의 조합으로, 유리하게는 결과로서 생기는 용접물에서의 비교적 낮은 다공성을 제공할 수 있어, 더 넓은 과정 윈도우를 제공하며, 예를 들어 더 넓은 범위의 용착 속도를 제공한다.
게다가, 본원에 설명하는 특정량으로의 Cr은 단독으로 또는 다른 원소들과의 조합으로, 결과로서 생기는 용접 비드가 실시예들에 따라 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 중량% 초과 대략 4 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 2 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 1 중량% 미만의, 예를 들어 대략 2 중량%의 농도의 질소(N)를 갖도록 탈산제 및/또는 탈질소화제로서의 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 결과로서 생기는 용접 비드는 실시예들에 따라 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 중량% 초과 대략 4 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 2 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 1 중량% 미만의, 예를 들어 대략 2 중량%의 농도의 산소(O)를 함유한다.
본원에 설명하는 바에 따라, 오스테나이트는 용해하여 대략 2%까지의 탄소를 함유할 수 있는 철 원자 구조체의 면심 입방(FCC) 상을 지칭한다. 본원에 설명하는 바에 따라, 페라이트는 매우 적은 탄소, 실온에서 전형적으로 0.0001%의 탄소를 수용할 수 있는 철의 체심 입방(BCC) 상을 지칭한다. 페라이트는 알파 또는 델타 페라이트로서 존재할 수 있다. 본 발명자들은 본원에 설명하는 다양한 바람직한 비드 특성과 연관될 수 있는 제어되고 균형화된 양들의 FCC 상 및 BCC 상을 갖는 것의 이점들이, 본원에 설명하는 바와 같이 단독으로 또는 다양한 다른 원소와의 조합으로 특정 농도의 Cr 및 Mn을 가짐으로써 실현될 수 있다는 점을 인지하였다. 용접 비드들에서 제어된 양들의 FCC 및 BCC 상들을 갖는 것은 예를 들어 어느 이론에도 매이지 않고, 비교적 높은 페라이트 함량이 비교적 우세한 열간 또는 응고 균열 효율과 연관되면서, 비교적 열악한 저온 파괴 인성과 연관될 수 있으므로, 바람직할 수 있다. 그에 반해서, 비교적 낮은 페라이트 함량은 비교적 열악한 열간 또는 응고 균열 효율과 연관되면서, 비교적 우세한 저온 파괴 인성과 연관될 수 있다.
본 발명자들은 Cr이 개시된 양으로 존재할 때, 철의 BCC 상, 또는 페라이트에 대한 안정화제일 수 있다는 점을 인지하였다. 즉, Cr의 농도는 철의 BCC 상의 안정성 또는 양에 비례할 수 있다. 따라서 본원에 개시되는 다양한 실시예들에서, Cr의 BCC 안정화 효과는 철에서의 하나 이상의 FCC 상 또는 오스테나이트 안정화 원소들, 예를 들어, 후술하는 바와 같이, Ni, Mn, Cu, Co, C 및/또는 N를 사용하여 적어도 부분적으로 상쇄될 수 있다.
특히 어느 이론에도 매이지 않고, 본원에 설명하는 특정량으로의 Mn은 단독으로 또는 상술한 양들을 갖는 Cr을 포함하여 다른 원소들과의 조합으로, 적어도 부분적으로는 비교적 다량의 오스테나이트의 존재로 인해 대략 0℉, -20℉ 또는 -40℉ 미만의 온도들에서 측정될 때, Charpy 충격 테스트를 이용하여 측정되는 바와 같이, 예를 들어, 대략 20, 50, 100, 150 또는 200 피트 파운드 초과의 비교적 높은 파괴 인성을 갖는 용접 비드를 만들어 내도록 FCC 및 BCC 상들의 양들을 균형화할 수 있다.
일부 상황 하에서, 본 발명자들은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량% 및 대략 18 중량% 내에 있는 Cr의 농도를 갖는 것이 중대할 수 있다는 것을 알게 되었다. 게다가, Mn의 농도가 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량% 및 대략 18 중량% 내에 있는 것이 중대할 수 있다. (예를 들어, 이하의 표 1 참조) Cr 및 Mn의 농도들의 조합이 설명하는 바와 같이 제어될 때, 높은 파괴 인성, 낮은 다공성 및 고온 균열에 대한 내성을 포함하는 바람직한 특성들의 조합이 달성될 수 있다.
게다가 일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 중량% 초과 대략 20 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 15 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 10 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 5 중량% 미만의, 예를 들어 대략 2 중량%의 농도의 니켈(Ni)을 더 포함한다.
게다가 일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 중량% 초과 대략 5 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 2 중량% 미만이거나, 대략 0.1 중량% 초과 대략 1 중량% 미만이거나, 대략 0.2 중량% 초과 대략 0.8 중량% 미만이거나, 대략 0.4 중량% 초과 대략 0.6 중량% 미만의, 예를 들어 대략 0.7 중량%의 농도의 실리콘(Si)을 더 포함한다.
게다가 일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 5 중량% 미만이거나, 대략 2 중량% 미만이거나, 대략 1 중량% 미만이거나, 대략 0.75 중량% 미만이거나, 대략 0.5 중량% 미만이거나, 이러한 백분율들 중 임의의 것에 의해 한정되는 범위 내의 값, 예를 들어 대략 0.5 중량%의 농도의 몰리브덴(Mo)을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 중량% 초과 대략 10 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 5 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 2 중량% 미만의, 예를 들어 대략 5 중량%의 농도의 구리(Cu) 및 코발트(Co) 중 하나 이상을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 중량% 초과 대략 1 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 0.5 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 0.1 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 0.06 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 0.03 중량% 미만이거나, 이러한 백분율들에 의해 한정되는 임의의 범위, 예를 들어 대략 0.06 중량%의 농도의 탄소(C)를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 0.5 중량% 미만이거나, 대략 0.1 중량% 미만이거나, 대략 0.05 중량% 미만이거나, 대략 0.03 중량% 미만이거나, 대략 0.01 중량% 미만의, 예를 들어 대략 0.03 중량%의 농도의 질소(N)를 더 포함한다.
다양한 실시예들에서, 본원에 개시되는 농도들 중 임의의 것에서의 모든 원소를 갖는 것에 더하여, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 잔부는 철(Fe)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 다양한 원소의 특정 조합들을 갖는 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 상술한 다양한 바람직한 속성을 야기한다. 특히, 본 발명자들은 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적이 여러 효과들 중에서도 특히 용접물에서의 FCC(오스테나이트) 상을 안정화시키는 역할을 집합적으로 할 수 있는 Mn, Ni 및 C의 조합을 함유한다는 것을 알게 되었다. 특히, 본 발명자들은 FCC 안정화 원소의 양의 기준이 이하의 식에 의해 기술되는 당량 니켈 농도(Nieq)로 표현될 수 있다는 것을 알게 되었다:
Nieq = [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn] [1]
다양한 실시예들에서, Nieq는 대략 20 중량% 미만이거나, 대략 16 중량% 미만이거나, 대략 12 중량% 미만이거나, 대략 8 중량% 미만이거나, 대략 4 중량% 미만이거나, 이러한 백분율들 중 임의의 것에 의해 한정되는 범위 내의 값이며, [Mn], [Ni] 및 [C]는 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량%를 나타낸다. 식 [1]에서, 원소들의 비율들은 실시예들에 따라 +/- 20%, 10% 또는 5% 내에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 망간 대 니켈의 비율은 2.0 +/- 0.4, 2.0 +/- 0.2 또는 2.0 +/- 0.1일 수 있다.
일부 실시예들에서, 다양한 원소의 특정 조합들을 갖는 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 상술한 다양한 바람직한 속성을 야기한다. 특히, 본 발명자들은 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적이 여러 효과들 중에서도 특히 용접물에서의 BCC(페라이트) 상을 안정화시키는 역할을 집합적으로 할 수 있는 Cr, Mo, Si 및 Nb의 조합을 함유한다는 것을 알게 되었다. 특히, 본 발명자들은 BCC 안정화 원소의 양의 기준이 이하의 식에 의해 기술되는 당량 크롬 농도(Creq)로 표현될 수 있다는 것을 알게 되었다:
Creq = [Cr] + [Mo] + 1.5[Si] + 0.5[Nb] [2]
다양한 실시예들에서, Creq는 대략 8 중량%와 대략 28 중량% 사이, 대략 12 중량%와 대략 24 중량% 사이, 대략 16 중량%와 대략 20 중량 퍼센트 사이에 있으며, [Cr], [Mo], [Si] 및 [Nb]는 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량%를 나타낸다. 식 [2]에서, 원소들의 비율들은 실시예들에 따라 +/- 20%, 10% 또는 5% 내에서 달라질 수 있다. 예를 들어, Mo 대 Si의 비율은 2.0 +/- 0.4, 2.0 +/- 0.2 또는 2.0 +/- 0.1일 수 있다.
상술한 바와 같이, Mn, Ni, C, N, Cu 및 Co를 포함하는 다양한 오스테나이트 안정화 원소는, 여러 특성들 중에서도 특히, 결과로서 생기는 용접 비드에서의 오스테나이트의 상대적 분율을 제어하도록 코어에 함유될 수 있다. 일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 각각 어느 이론에도 매이지 않고, 페라이트 상을 안정화시키는데 활성일 수 있는 원소들을 더 포함할 수 있다. 따라서 일부 실시예들에서, 솔리드 와이어(20)(도 2) 또는 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d)의 코어들(38a 내지 38d)의 가용적은 또한 용접 비드가 실시예들에 따라 0 중량% 초과 대략 20 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 10 중량% 미만이거나, 0 중량% 초과 대략 5 중량% 미만인 페라이트 안정화 원소들의 총농도를 갖도록 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V) 및 텅스텐(W)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상을 포함한다.
실시예들에 따르면, 용접 와이어의 총중량에 기반한 상술한 농도들은 0.045”(1.1 ㎜)와 0.068”(1.7 ㎜) 사이, 0.045”(1.1 ㎜)와 1/8”(2.4 ㎜) 사이, 또는 0.052”(1.4 ㎜)와 0.068”(1.7 ㎜) 사이의 외부 직경(OD)을 갖도록 금속 코어드 전극들(30A/30B/30C/30D)을 구성함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 코어드 와이어들(30A 내지 30D)(도 3a 내지 도 3d) 중 하나로서 구성될 때, 상술한 농도들은 코어의 함량들을 금속 코어드 전극 와이어들(30A/30B/30C/38D)의 총중량에 기반하여, 대략 1 wt%와 대략 80 wt% 사이, 대략 10 wt%와 대략 50 wt% 사이, 또는 대략 15 wt%와 대략 30 wt% 사이로 구성하도록 코어(38a/38b/38c/38d) 및 시스(34)의 함량들을 구성함으로써 적어도 부분적으로 달성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 본원에 개시되는 다양한 실시예는 금속 코어드(GMAW-C) 전극들, 자체 피복 플럭스 코어드(FCAW-S) 전극들 및 가스 보호 플럭스 코어드(FCAW-G) 전극들 중 임의의 하나에 대해 최적화될 수 있다.
상기에서, 코어드 전극들(30A 내지 30D)의 실시예들을 코어들(38a 내지 38d)의 구조에 대한 특정 참조 없이 설명하였다. 코어드 전극(30A)은 예를 들어, 솔리드 또는 파우더로 충전되는 체적으로서 구성되는 코어(38a)를 가질 수 있다. 이하에서 도 3b 내지 도 3d를 참조하여, 상이하게 배열된 파우더들을 포함하도록 구성되는 각각의 코어(38b, 38c, 38d)를 갖는 용접 전극 와이어들(30B, 30C, 30D)의 실시예들을 설명한다. 특히, 코어들(38b, 38c, 38d) 각각은 조합이 제어된 분율의 오스테나이트 상을 갖는 용접 비드를 형성하도록 구성되는 상술한 다양한 원소 및 상술한 바와 같은 제2 베이스 금속 조성을 함유하는 입자들로 적어도 부분적으로 충전된다. Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들을 함유하는 코어드 전극들에서의 입자들은 산화물들 또는 불화물 입자들과 같은 금속 및 합금 입자들 이외의 화합물 입자들보다는 오히려 금속 및 합금 입자들을 일반적으로 포함하고, 결과로서 생기는 용접 비드들의 면 상에 슬래그의 비교적 작은 아일랜드(island)들을 생성하도록 구성된다. 그러나, 실시예들은 그처럼 제한되지 않고, Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들은 산화물들, 질화물들 및 불화물들과 같은 화합물들의 형태일 수 있다.
도 3b의 예시된 실시예에서, 입자들(32)은 실질적으로 조성이 균일하다. 즉, 입자들(32) 각각은 상술한 스틸 조성들 중 임의의 하나 및 크롬을 포함하는 제2 베이스 금속을 함유한다. 입자들 각각은 상술한 바와 같이, 하나 이상의 오스테나이트 안정화 원소 및/또는 하나 이상의 페라이트 안정화 원소를 함유할 수도 있다. 예시된 구성은 예를 들어, 입자들(32)이 동일한 합금 잉곳으로 만들어 내어질 때, 결과로서 생길 수 있다.
또한 도 3b를 참조하면, 입자들(32)은 제2 베이스 금속 조성 및 크롬의 합금으로 형성된다. 함유될 때, 입자들(32)은 제2 베이스 금속 조성, 그리고 하나 이상의 오스테나이트 안정화 원소 및/또는 하나 이상의 페라이트 안정화 원소의 합금으로 형성된다. 예를 들어, Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들(Mn, Ni, C, N, Cu 및 Co) 중 하나 이상, 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들(Mo, Si, Ti, Nb, V 및 W) 중 하나 이상의 원자들은 예를 들어, 치환적으로 그리고/또는 격자 사이로 제2 베이스 금속 조성의 격자(예를 들어, 스틸 조성의 체심 입방 격자 또는 면심 입방 격자)에 용해되거나, 직접 포함될 수 있다. Cr 및 오스테나이트 안정화 원소들 중 하나 이상의 원자들은 제2 베이스 금속 조성의 매트릭스 내에서 클러스터화될 수도 있다(예를 들어 침전물들을 형성할 수도 있다). 그러나, 실시예들은 그처럼 제한되지 않고, Cr 및 오스테나이트 안정화 원소들 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상의 원자들이 화합물, 예를 들어, 합금 이외의 무기 화합물, 예를 들어, 규산염, 티탄산염, 탄산염, 할로겐화물, 인산염, 황화물, 수산화물, 불화물 및 산화물의 형태로 제2 베이스 금속 조성에 포함되는 대안적인 실시예들이 가능하다.
이제 도 3c의 용접 와이어 전극(30C)을 참조하면, 코어(38c)에서의 입자들(36a, 36b)은 상이한 조성들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 입자들(36a, 36b)은 상이한 원소들을 함유한다. 일부 다른 실시예들에서, 입자들(36a, 36b)은 구성 성분 불순물들 중 하나 이상의 상이한 농도들에서의 동일한 원소들을 함유한다. 이하에서, 상이한 조성들을 갖는 2개의 입자(36a, 36b)가 예시되지만, 각각의 입자가 상이한 조성을 갖는 하나 이상의 부가 입자가 포함될 수 있다.
용접 와이어 전극(30C)에서, 입자들(36a, 36b), Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상은 상이한 원자 결합된 형태들로 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, Cr, 그리고 비휘발성 오스테나이트 안정화 원소들(Mn, Ni, C, Cu 및 Co) 중 하나 이상 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들(Mo, Si, Ti, Nb, V 및 W) 중 하나 이상은 순수 원소 형태로 입자들(36a, 36b)에 존재할 수 있다. 이러한 실시예들에서, Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상은 베이스 금속 조성을 갖는 기계적 혼합물로 존재할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상의 원자들은 입자들(36a, 36b)에서 베이스 금속 조성의 원자들과 합금화된다. 일부 다른 실시예들에서, Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 중 하나 이상 및/또는 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상은 베이스 금속 조성의 매트릭스 내에서 예를 들어, 침전물들의 형태로 입자들(36a, 36b)에서 클러스터화된다. 이러한 실시예들에서, 침전물들의 코어들은 순수 원소들을 함유하는 반면에, 침전물들의 외부면들은 매트릭스의 원자들과 결합된다. Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 및/또는 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상이 베이스 금속 조성을 갖는 혼합물, 예를 들어 기계적 혼합물을 형성하는 비금속 화합물들, 예를 들어, 규산염, 티탄산염, 탄산염, 할로겐화물, 인산염, 황화물, 수산화물, 불화물 및 산화물을 형성하는 또 다른 실시예들이 가능하다.
또한 도 3c를 참조하면, 상이한 입자들(36a, 36b)은 상이한 조성 구성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 입자(36a, 36b)는 단지 상이한 농도들에서 제2 베이스 금속 조성(예를 들어, 상술한 스틸 조성들 중 임의의 것), 그리고 Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들(Mn, Ni, C, N, Cu 및 Co) 중 하나 이상 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들(Mo, Si, Ti, Nb, V 및 W) 중 하나 이상을 함유한다. 일부 다른 실시예들에서, 일부 입자, 예를 들어 입자들(36a)은 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유하지 않으면서, 제2 베이스 금속 조성을 함유하는 반면에, 다른 입자들, 예를 들어 입자들(36b)은 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유한다. 일부 다른 실시예들에서, 일부 입자, 예를 들어 입자들(36a)은 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유하면서, 제2 베이스 금속 조성을 함유하지 않는 반면에, 다른 입자들(36b)은 제2 베이스 금속 조성, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다의 둘 다를 함유한다. 일부 다른 실시예들에서, 일부 입자(36a)는 제2 베이스 금속 조성을 함유하고 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유하는 반면에, 다른 입자들(36b)은 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유하면서, 제2 베이스 금속 조성을 함유하지 않는다. 일부 다른 실시예들에서, 일부 입자(36a)는 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유하면서, 제2 베이스 금속 조성을 함유하지 않는 반면에, 다른 입자들(36b)은 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유하지 않으면서, 제2 베이스 금속 조성을 함유한다. 일부 다른 구현에서, 어떤 입자들도 제2 베이스 금속 조성을 함유하지 않는 반면에, 모든 입자(36a, 36b)는 상이한 농도들에서의 오스테나이트 안정화 원소들 및 페라이트 안정화 원소들 중 하나 또는 둘 다를 함유한다.
도 3a 내지 도 3c에 대하여 상기에서, 용접 와이어 전극들(30A 내지 30C)을 예를 들어, GMAW-C 또는 FCAW 중에서의 상이한 용접 과정들에 대한 특정 적합성에 대한 특정 참조 없이 설명하였다. 상술한 바와 같이 금속 코어드 전극들(GMAW-C)과 달리, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)에 사용되는 코어드 전극들은 또한 적어도 부분적으로 보호 가스 대신에, 용접 동안 대기 오염에 대하여 용융지 및 용접 비드에 대한 보호를 제공하도록 설계되는 플럭싱제들을 함유한다. 플럭싱제는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)에 대한 슬래그를 형성한다. FCAW에서, 플럭스의 재료는 최종 용접 비드로 포함되도록 의도되지 않는다. 대신에, 플럭스는 슬래그를 형성하며, 슬래그는 용접의 완료 후에 제거된다. 따라서, 금속 코어드 전극들이 플럭싱제들을 함유하지 않을 수 있지만, FCAW에 대해 구성되는 용접 와이어들은 플럭싱제들을 함유한다.
금속 코어드 전극들 및 플럭스 코어드 전극들이 결과로서 생기는 비드 특성들에 기반하여 추가로 구별 가능하다는 점이 이해될 것이다. 다양한 실시예들에 따르면, 본원에 설명하는 금속 코어드 전극들은 결과로서 생기는 용접 비드의 면 상에 슬래그 아일랜드들을 생성한다. 그에 반해서, 플럭스 코어드 전극들은 결과로서 생기는 용접 비드의 면의 광범위한 슬래그 커버리지를 생성한다. 예를 들어, 금속 코어드 전극들에 의해 생성되는 슬래그 아일랜드들은 용접 비드의 표면적의 대략 50% 미만, 대략 30% 미만, 또는 대략 10% 미만을 커버할 수 있다. 그에 반해서, 플럭스 코어드 전극들에 의해 생성되는 슬래그들은 용접 비드의 표면적의 대략 50% 초과, 대략 70% 초과, 또는 대략 90% 초과를 커버할 수 있다. 이하에서, Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들 중 하나 이상의 양 및 구성이 플럭스 코어드 전극들의 코어들에 존재할 때, 더 유리할 수 있는 FCAW-S 및 FCAW-G를 포함하는 실시예들을 설명한다.
도 3d는 FCAW 동안 전극으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 와이어 전극 와이어(30D)를 개략적으로 예시한다. 도 3c에 대하여 상술한 전극 와이어(38c)와 마찬가지로, 용접 와이어(30D)는 상술한 스틸 조성들 중 임의의 하나를 포함할 수 있는 제1 베이스 금속으로 형성되는 시스(34)를 포함한다. 용접 와이어(30D)는 또한 도 3b에서의 입자들(32) 또는 도 3c에서의 입자들(36a, 36b)에 대하여 상술한 구성들의 임의의 하나 또는 조합에 따른 하나 이상의 상이한 입자(36a 또는 36b)를 갖는 코어(38d)를 포함한다. 게다가 도 3d의 예시된 실시예에서, 용접 와이어 전극(30D)의 코어(38d)는 또한 실시예들에 따라 플럭싱제 또는 슬래그 형성제를 함유하는 하나 이상의 비금속 입자(36c)를 포함한다.
어느 이론에도 매이지 않고, 불소 함유 화합물들 및/또는 산소 함유 화합물들을 함유할 수 있는 하나 이상의 비금속 입자(36c)는 비드의 형상을 개선하기 위해, 예를 들어 형성된 용접 비드 상에서 가스가 트랙킹하는 경향을 감소시키기 위해 슬래그의 특성들을 변경할 수 있다. 예를 들어, 벌레들을 닮은 크레이터들이 용접 비드의 표면 상에서 관찰되는 현상인 가스 트랙킹은 플럭싱제들이 존재할 때, 감소될 수 있다. 어느 이론에도 매이지 않고, 가스 트랙킹은 예를 들어, 슬래그가 용융지보다 훨씬 더 빠르게 응고되는 빠르게 결빙하는 슬래그 시스템들(금홍석 기반)에서 관찰될 수 있다. 슬래그의 빠른 응고로 인해, 용융된 용접점으로부터 방출되는 가스는 부분적으로 트래핑되고 따라서, 용접 비드 표면 상에 크레이터들을 형성한다.
어느 이론에도 매이지 않고, 불소 함유 화합물들 및/또는 산소 함유 화합물들을 함유하는 일부 플럭싱제는 슬래그의 용융점을 낮출 수도 있다. 슬래그의 더 낮은 용융점은 더 오랜 시간 동안 슬래그가 여전히 용융되어 있는 것을 가능하게 하여, 가스들이 용융된 용접점으로부터 방출되고 슬래그에 용해되는 더 많은 시간을 가능하게 한다. 슬래그에 불소를 함유시키는 것은 HF의 형성을 촉진할 수도 있어, 용접점으로부터의 수소를 감소시키며, 이는 용접 시스템에서의 수소의 부분 압력을 감소시켜 가스 트랙킹의 발생률을 감소시킨다.
용접 와이어들이 특히 FCAW-S 과정들에 맞게 구성되는 특정 실시예들에서에서, 알루미늄 탈산제 및 탈질소화제에 기반한 슬래그 시스템이 특히 유익할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 알루미늄이 용융지로 들어가고 비교적 높은 용융 온도를 갖는 알루미늄 산화물을 함유하는 플럭싱제를 형성한다. 높은 용융 온도 알루미늄 산화물은 플럭스에서 낮은 용융 온도 원소들과 결합되어, 효과적인 슬래그 시스템을 형성할 수 있다. 알루미늄 산화물을 함유하는 슬래그 요소들은 용접 동안 동안 용융되고 용융된 용융지의 상단으로 부유할 수 있어, 대기 오염으로부터 상기 과정을 보호한다.
FCAW-S는 질소에 대한 비교적 높은 내성을 갖고, 슬래그 시스템들은 이를 가능하게 한다. 알루미늄 분자들은 산소 및 질소 원자들을 끌어당기며, 산소 및 질소 원자들은 알루미늄 산화물들을 형성하도록 연결된다. 따라서, 높은 용융점(즉, 빠른 결빙)을 갖고 경량의 형성된 알루미늄 산화물 기반 슬래그 시스템은 용접점 표면으로 빠르게 부유한다. 실제로, 슬래그 시스템은 산소 및 질소(잠재적 오염 물질)를 용접점을 보호하는 화학적 화합물들로 변환시킨다.
많은 FCAW-S 와이어는 염기성 시스템 또는 산성 시스템을 이용할 수 있다. 염기성 시스템들에서, 불소 함유 입자는 알루미늄 화합물들과 함께 작용한다. 다른 한편으로는 산성 시스템들에서, 철 산화물이 이용될 수 있다. 염기성 시스템들은 양호한 세정 작용을 갖고 구조적으로 중대한 작용에 적합한 경향이 있어, 저온 인성 및 다른 엄격한 기계적 특성 필요 조건들을 충족시킨다. 산성 시스템들은 원활한 빠른 용접을 촉진시킨다. 이는 어느 이론에도 매이지 않고 용접 동안, 분자들이 이온화되고, 특정 슬래그 시스템들이 이온화를 달성하는데 상이한 레벨들의 열과 연관되기 때문이다. 불화물 시스템들에서, 비교적 다량의 열이 분자들을 분해하기 시작하여 불화물 결합들을 형성한다. 다른 한편으로는, 비교적 더 적은 양의 열이 산성의 산화물 기반 분자들을 분해하는데 사용된다. 빠른 반응은 빠른 슬래그 결빙을, 그리고 궁극적으로는 높은 용착 속도를 야기한다.
일부 실시예들에서, 비금속 입자들(36c)은 Cr 또는 Mn 이외의 금속의 금속 산화물 또는 금속 불화물을 포함하는 무기 화합물들을 함유한다.
본원에 개시되는 일부 실시예들에서, 비금속 입자들(36c)의 일부로서 포함될 때, 전극 와이어에서의 불소(F)의 농도는 전극 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 0.02 wt.%와 대략 2 wt.% 사이, 대략 0.1 wt.%와 대략 1.5 wt.% 사이, 또는 대략 0.5 wt.%와 대략 1.0 wt.% 사이, 예를 들어 대략 0.7 wt.%일 수 있다.
비금속 입자들(36c)의 일부로서 포함될 때, 불소 함유 입자들이 알루미늄 불화물, 바륨 불화물, 비스무트 불화물, 칼슘 불화물, 망간 불화물, 칼륨 불화물, 나트륨 불화물, 스트론튬 불화물, (Teflon®과 같은) 폴리테트라플루오로에틸렌, Na2SiF6, K2SiF6, Na3AlF6 및/또는 K3AlF6와 같은 비중합성 또는 무기 불소 함유 화합물들을 함유하는 다른 실시예들이 가능하지만; 다른 불소 함유 화합물 또는 추가의 불소 함유 화합물이 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
불소 비함유 비금속 입자들(36c)의 예들은 실시예들에 따라, 전이 금속 산화물, 예를 들어 티타늄 산화물(예를 들어, 금홍석 등) 및/또는 전이 금속 함유 화합물(예를 들어, 칼륨 실리코-티탄산염, 나트륨 실리코-티탄산염 등)을 포함한다. 일반적으로, 둘 다가 포함될 때, 불소 비함유 입자들의 중량 퍼센트는 예를 들어, 대략 0.5 내지 10 : 1, 전형적으로 대략 0.5 내지 5 : 1, 그리고 보다 전형적으로 대략 0.7 내지 4 : 1 사이의 비율로의 불소 함유 화합물의 중량 퍼센트 초과이다.
오스테나이트 또는 듀플렉스강 용접 금속을 형성하도록 구성되는 용접 와이어들을 사용하여 형성되는 예시적 용접 금속들
상술한 다양한 용접 와이어를 사용하여, 용접 와이어의 조성과 비교하여 실질적으로 동일하거나 실질적으로 상이할 수 있는 특정 조성들을 갖는 용접 비드들이 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 용접 와이어(예를 들어, 용접 와이어들(도 2에서의 20 또는 도 3a 내지 도 3d에서의 30A 내지 30D))를 사용하여 형성되는 용접 비드는 상술한 바와 같은 용접 와이어들의 농도들과 유사한 농도들에서의 철(Fe) 및 크롬(Cr)을 갖는다. 게다가, 용접 비드는 도 2, 및 도 3a 내지 도 3d에 대하여 상술한 바와 같은 용접 와이어의 상응하는 농도(들)와 실질적으로 동일한 농도들의 Cr, 그리고 오스테나이트 안정화 원소들(Mn, Ni, C, N, Cu 및 Co) 중 하나 이상 및/또는 부가 페라이트 안정화 원소들(Mo, Si, Ti, Nb, V 및 W) 중 하나 이상을 함유한다.
도 4는 식 [1]에 대하여 상술한 바와 같은 당량 니켈 농도(Nieq) 대 식 [2]에 대하여 상술한 당량 크롬 농도(Creq)를 도시하는 그래프(40)이다. 본 발명자들은 용접 비드들이 조성 범위(42) 내의 조성들을 갖는 와이어들을 사용하여 형성될 때, 용접 비드들이 조성 범위(42) 외의 조성들을 갖는 와이어들을 사용하여 형성되는 용접 비드들과 비교하여 우세한 기계적 특성들을 갖는다는 것을 알게 되었다. 본 발명자들은 이하의 조성들을 갖는 용접 금속들을 실험적으로 만들어 내었다:
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 와이어들(A 내지 D)로부터 실험적으로 형성되는 각각의 용접 금속은 5와 35 사이의 페라이트 번호들을 가졌다. 그러나, 값이 각각의 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12%에 있거나 대략 12% 미만이었을 때, 관찰된 충격 인성이 [Mn]의 강한 상관적 요소이었다는 점이 이해될 것이다.
오스테나이트 또는 듀플렉스강 용접 금속을 형성하도록 구성되는 와이어들을 사용하여 오스테나이트 또는 듀플렉스강 용접 금속을 형성하도록 구성되는 용접 시스템들
도 5는 실시예들에 따른 개방 아크 용접에 대해 약 30 파운드/시간 이상의 속도들로 용접 금속을 용착시키기 위해 앞서 논의된 용접 전극들과 사용되도록 구성되는 아크 용접 시스템(50)을 도시한다. 특히, 아크 용접 시스템(50)은 실시예들에 따라 크롬 함유 코어를 포함하는 용접 전극을 사용할 수 있는 GMAW, FCAW, FCAW-G, GTAW, SAW, SMAW 등의 아크 용접 과정들에 대해 구성된다. 아크 용접 시스템(50)은 용접 전원(52), 용접 와이어 드라이브(54), 보호 가스 공급기(58) 및 용접 건(59)을 포함한다. 용접 전원(52)은 용접 시스템(50)에 전력을 공급하도록 구성되고 도 1에 상세히 도시된 바와 같이, 용접 전극 와이어가 제1 전극으로서의 역할을 하도록 용접 와이어 드라이브(54)에 전기적 결합되고, 제2 전극으로서의 역할을 하는 워크피스(57)에 추가로 전기적 결합된다. 용접 와이어 드라이브는 용접 건(59)에 결합되고 용접 시스템(50)의 작동 동안 전극 공급기(56)로부터 용접 건(59)으로 용접 전극 와이어를 공급하도록 구성된다. 일부 구현에서, 용접 전원(52)은 용접 건(59)에 결합되고 전력을 직접 공급할 수도 있다.
예시적인 목적으로, 도 5가 조작자가 용접 토치를 작동시키는 반자동 용접 구성을 도시한다는 점이 이해될 것이다. 그러나, 본원에 설명하는 금속 코어드 전극들은 유리하게는 로봇식 기계가 용접 토치를 작동시키는 로봇식 용접 셀에 사용될 수 있다.
용접 전원(52)은 교류 전원(예를 들어, 교류 전력 그리드, 엔진/발전기 세트, 또는 이들의 조합)으로부터 입력 전력을 받고, 입력 전력을 컨디셔닝하고, 용접 시스템(50)으로 직류 또는 교류 출력 전력을 제공하는 전력 변환 회로망을 포함한다. 용접 전원(52)은 결국 용접 건(59)에 전력을 공급하는 용접 와이어 드라이브(54)에 전력을 공급할 수 있다. 용접 전원(52)은 교류 입력 전력을 직류 양의 또는 직류 음의 출력, 직류 가변 극성, 펄스화된 직류 또는 가변 균형(예를 들어, 균형화되거나 불균형화된) 교류 출력으로 변환하도록 구성되는 회로 소자들(예를 들어, 변압기, 정류기, 스위치 등)을 포함할 수 있다. 용접 전원(52)이 대략 100 암페어와 대략 1000 암페어 사이, 또는 대략 400 암페어와 대략 800 암페어 사이의 출력 전류를 제공하도록 구성되어, 대략 30 파운드/시간을 초과하는 속도에서의 용접 금속 용착이 달성될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
보호 가스 공급기(58)는 실시예들에 따라, 하나 이상의 보호 가스원으로부터 용접 건(59)으로 보호 가스 또는 보호 가스 혼합물들을 공급하도록 구성된다. 본원에 사용되는 바에 따른 보호 가스는 (예를 들어, 아크를 보호하며, 아크 안정성을 개선하며, 금속 산화물들의 형성을 제한하며, 금속면들의 습윤을 개선하며, 용착물의 화학적 성질을 바꾸는 등을 위해) 특정 국부적 대기를 제공하도록 아크 및/또는 용융지에 제공될 수 있는 임의의 가스 또는 가스들의 혼합물을 지칭할 수 있다. 특정 실시예들에서, 보호 가스 흐름은 보호 가스 또는 보호 가스 혼합물(예를 들어, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 질소(N2), 유사한 적절한 보호 가스들 또는 이들의 임의의 혼합물들)일 수 있다. 예를 들어, 보호 가스 흐름은 두서너 가지 예를 들면, Ar, Ar/CO2 혼합물들, Ar/CO2/O2 혼합물들, Ar/He 혼합물들을 포함할 수 있다.
와이어 드라이브(54)는 와이어 공급의 시작, 정지 및 속도에 대한 양호한 제어를 제공하는 영구 자석 모터를 포함할 수 있다. 대략 30 파운드/시간을 초과하는 높은 용접 금속 용착 속도들을 가능하게 하기 위해, 와이어 드라이브(54)는 대략 50 분 당 인치(ipm)와 대략 2000 ipm 사이, 대략 400 ipm과 대략 1200 ipm 사이, 또는 대략 600 ipm과 대략 1200 ipm 사이의 와이어 공급 속도를 제공하도록 구성된다.
본 발명자들은 본원에 설명하는 농도들에서의 다양한 원소를 갖는 것이 여러 이점들 중에서도 특히, 본원에 설명하는 용접 비드들을 형성하도록 구성되는 전류들 및 용착 속도들에서의 아크에 대한 안정성을 제공할 수 있다는 것을 알게 되었다. 예를 들어, 아크는 대략 100 암페어와 대략 1000 암페어 사이, 대략 150 암페어와 대략 700 암페어 사이, 또는 대략 200 암페어와 대략 500 암페어 사이의 전류 레벨들, 그리고 대략 5 파운드/시간과 대략 60 파운드/시간 사이, 대략 7 파운드/시간과 대략 40 파운드/시간 사이, 또는 대략 10 파운드/시간과 대략 25 파운드/시간 사이의 용착 속도들에서 안정되게 유지될 수 있다.
작동에서, 용접 건(59)은 워크피스(57) 상에서 아크 용접을 수행하기 위해 와이어 드라이브(54)로부터 용접 전극, 용접 와이어 드라이브(54)로부터 전력, 그리고 보호 가스 공급기(58)로부터 보호 가스 흐름을 받는다. 용접 건(59)은 도 1에 대하여 상술한 바와 같이, 아크가 소모품 용접 전극과 워크피스(57) 사이에서 형성되도록, 워크피스(57)에 충분히 근접하게 가져오게 된다. 앞서 논의된 바와 같이, 용접 전극의 조성을 제어함으로써, 아크 및/또는 결과로서 생기는 용접점의 화학적 성질(예를 들어, 조성 및 물리적 특성들)이 바뀌어질 수 있다.
오스테나이트 또는 듀플렉스강 용접 금속을 형성하는 용접 방법
도 6을 참조하면, 금속 아크 용접 방법(60)이 설명된다. 방법(60)은 상술한 임의의 구성에 따른 용접 와이어를 제공하는 단계(62)를 포함하며, 용접 와이어는 용접 동안 용접 금속원으로서의 역할을 하도록 구성된다. 예를 들어, 용접 와이어는 스틸 조성을 갖는 시스 및 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함하는 코어드 와이어일 수 있다. 코어는 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr)을 함유하고, Ni, C 및 Mn을 더 함유하는 코어를 포함하며, [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]은 대략 12 중량% 미만이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타낸다. 방법(60)은 또한 용융된 용접 와이어의 방울들의 안정된 흐름을 생성하기에 충분한 에너지를 인가하는 단계(64)를 포함한다. 방법(60)은 워크피스에 용융된 방울들을 용착시키는 단계(66)를 더 포함한다.
방법(60)에서, 소모품 용접 와이어를 제공하는 단계(62)는 예를 들어, 도 3a 내지 도 3d에 대하여 상술한 임의의 용접 와이어를 제공하는 단계를 포함한다.
방법(60)에서, 전류를 인가하는 단계(64)는 플라스마 불안정 이벤트의 평균 횟수가 일부 실시예들에 따라 대략 초 당 10회의 이벤트 미만으로 유지되도록 대략 300 암페어와 대략 600 암페어 사이, 대략 400 암페어와 대략 700 암페어 사이, 또는 대략 500 암페어와 대략 800 암페어 사이의 평균 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 일부 다른 실시예들에 따르면, 전류를 인가하는 단계(64)는 대략 400 암페어와 대략 700 암페어 사이, 대략 500 암페어와 대략 800 암페어 사이, 또는 대략 600 암페어와 대략 900 암페어 사이의 피크 전류를 인가하는 단계를 포함한다.
방법(60)에서, 용착시키는 단계(66)는 일부 실시예들에 따라, 대략 10 파운드/시간, 20 파운드/시간, 30 파운드/시간 또는 50 파운드/시간을 초과하는 용착 속도로 용착시키는 단계를 포함한다. 일부 다른 실시예들에서, 용착시키는 단계(66)는 실시예들에 따라, 대략 5 파운드/시간과 대략 20 파운드/시간 사이, 대략 10 파운드/시간과 대략 30 파운드/시간 사이, 대략 20 파운드/시간과 대략 40 파운드/시간 사이, 또는 대략 30 파운드/시간과 대략 60 파운드/시간 사이의 용착 속도로 용착시키는 단계를 포함한다. 그러한 용착 속도는 실시예들에 따라, 대략 200 ipm과 대략 400 ipm 사이, 대략 300 ipm과 대략 500 ipm 사이, 또는 대략 400 ipm과 대략 600 ipm 사이의 와이어 공급 속도와 함께 상술한 전류 레벨들을 인가함으로써 달성될 수 있다.
특정 실시예들을 본원에 설명하였지만, 이러한 실시예들은 예로서만 제공되었고, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 실제로, 본원에 설명하는 신규의 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며; 더욱이, 본원에 설명하는 방법들 및 시스템들의 형태의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 행해질 수 있다. 상술한 다양한 실시예의 요소들 및 작동들의 임의의 적절한 조합이 추가 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다. 수반하는 청구항들 및 그것들의 동등물들은 본 발명의 범위 및 사상에 포함될 그러한 형태들 또는 변경들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 용접 동안 전극으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 와이어로서:
    스틸 조성을 갖는 시스; 및
    상기 시스에 의해 둘러싸인 코어로서:
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr),
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn),
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 5 중량% 미만의 농도의 니켈(Ni), 및
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 초과 대략 1 중량% 미만의 농도의 탄소(C)를 함유하는 코어를 포함하며,
    Ni, C 및 Mn의 농도들은 [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]이 대략 12 중량% 미만인 정도이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 상기 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타내는, 용접 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    Ni, C 및 Mn의 농도들은 [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]이 대략 6 중량%와 대략 11 중량% 사이인 정도인, 용접 와이어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 초과 대략 0.06 중량% 미만의 탄소(C)의 농도를 갖는, 용접 와이어.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 0.2 중량%와 대략 0.8 중량% 사이의 농도의 실리콘(Si)을 더 함유하는, 용접 와이어.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코어는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 이상이고 대략 0.75 중량% 미만의 농도의 Mo을 더 함유하는, 용접 와이어.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코어는 Nb을 더 함유하고 Cr, Mo, Si 및 Nb의 농도들은 [Cr] + [Mo] + 1.5[Si] + 0.5[Nb]이 대략 16 중량%와 대략 20 중량% 사이인 정도이며, [Cr], [Mo], [Si] 및 [Nb]은 상기 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타내는, 용접 와이어.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어는 본질적으로 질소를 함유하지 않는, 용접 와이어.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어는 상기 용접 와이어를 사용하여 형성되는 용접 비드가 5와 대략 35 사이의 페라이트 번호를 갖도록 구성되는, 용접 와이어.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용접 와이어를 사용하여 형성되는 상기 용접 비드는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 0.03 중량% 미만의 질소(N)를 함유하는, 용접 와이어.
  10. 용접 동안 전극으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 와이어로서:
    철(Fe);
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr);
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 망간(Mn);
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0과 대략 5 중량% 사이의 농도의 니켈(Ni);
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 초과 대략 0.06 중량% 미만의 농도의 탄소(C); 및
    상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 0.03 중량% 미만의 질소(N)를 함유하는, 용접 와이어.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 용접 와이어는 반경 방향으로 균일한 농도를 갖는 솔리드 용접 와이어인, 용접 와이어.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 용접 와이어는 각각의 전극의 총중량에 기반하여, 대략 5% 미만의 비금속 원소들을 함유하는 금속 코어 용접 와이어인, 용접 와이어.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 용접 와이어는 자체 피복 플럭스 코어드 아크 용접(S-FCAW) 과정에서 전극으로서의 역할을 하도록 구성되며, 상기 코어는 산화물 또는 불화물을 함유하는 플럭싱제를 함유하는, 용접 와이어.
  14. 제10항에 있어서,
    Ni, C 및 Mn의 농도들은 [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]이 대략 12 중량% 미만인 정도이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 상기 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타내는, 용접 와이어.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 코어는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 0.2 중량%와 대략 0.8 중량% 사이의 농도의 실리콘을 더 함유하는, 용접 와이어.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 코어는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 0 이상이고 대략 0.75 중량% 미만의 농도의 Mo을 더 함유하는, 용접 와이어.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 코어는 Nb을 더 함유하고 Cr, Mo, Si 및 Nb의 농도들은 [Cr] + [Mo] + 1.5[Si] + 0.5[Nb]이 대략 16 중량%와 대략 20 중량% 사이인 정도이며, [Cr], [Mo], [Si] 및 [Nb]은 상기 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타내는, 용접 와이어.
  18. 아크 용접 방법으로서:
    용접 동안 용접 금속원으로서의 역할을 하도록 구성되는 용접 와이어를 제공하는 단계로서, 상기 용접 와이어는:
    스틸 조성을 갖는 시스, 및
    상기 시스에 의해 둘러싸인 코어를 포함하며, 상기 코어는 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 12 중량%와 대략 18 중량% 사이의 농도의 크롬(Cr)을 함유하고, Ni, C 및 Mn을 더 함유하며, [Ni] + 30[C] + 0.5[Mn]은 대략 12 중량% 미만이며, [Ni], [C] 및 [Mn]은 상기 용접 와이어의 총중량에 기반한 각각의 원소의 중량 백분율을 나타내는 단계;
    용융된 용접 와이어의 방울들의 안정된 흐름을 생성하기에 충분한 에너지를 인가하는 단계; 및
    워크피스에 상기 용융된 방울들을 용착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 용접 와이어를 제공하는 단계는 실질적으로 질소가 없는 상기 용접 와이어를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 방법은 가스 금속 아크 용접(GMAW)이며, 상기 코어는 부가 플럭싱제를 함유하지 않고, 존재하는 경우, 상기 용접 와이어의 총중량에 기반하여, 대략 5%를 초과하지 않는 농도의 비금속 원자 원소들을 함유하는, 방법.
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