KR20210031474A

KR20210031474A - 솔리드 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20210031474A
Application number: KR1020217003130A
Authority: KR
Inventors: 스오 사루와타리
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2021-03-19
Also published as: EP3812085A4; CN112512742B; EP3812085B1; WO2020208735A1; EP3812085A1; US20210340652A1; KR102480788B1; JPWO2020208735A1; JP6690786B1; CN112512742A

Abstract

본 발명의 일 양태에 관계되는 솔리드 와이어는, 화학 조성이, C: 0.003％ 이상 0.080％ 이하; Si: 0.0010％ 이상 0.50％ 이하; Mn: 0.050％ 이상 1.80％ 이하; Al: 0.030％ 이상 0.500％ 이하; Ni: 8.0％ 이상 16.0％ 이하; P: 0.0200％ 이하; S: 0.0100％ 이하; O: 0.050％ 이하; Ta: 0％ 이상 0.1000％ 이하; Cu: 0％ 이상 0.5％ 이하; Cr: 0％ 이상 0.5％ 이하; Mo: 0％ 이상 0.5％ 이하; V: 0％ 이상 0.20％ 이하; Ti: 0％ 이상 0.10％ 이하; Nb: 0％ 이상 0.10％ 이하; B: 0％ 이상 0.010％ 이하; Mg: 0％ 이상 0.80％ 이하; REM: 0％ 이상 0.050％ 이하; 및 잔부: Fe 및 불순물을 포함하고, α가 1.35％ 이상 5.50％ 이하이고, Ceq가 0.250％ 이상 0.520％ 이하이다.

Description

솔리드 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법

본 발명은 솔리드 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.

근년, 지구 온난화의 문제에 의한 이산화탄소 배출량 규제 강화에 의해, 석유·석탄 등에 비하여 이산화탄소의 배출량이 적은 천연 가스의 수요가 높아지고 있고, 그에 따른 LNG 탱크 건조의 수요도 세계적으로 높아지고 있다. LNG 탱크에 사용되는 강재에는, -196℃의 극저온도에서의 인성 확보의 요구로부터 6 내지 9％ Ni를 포함하는 Ni계 저온용 강이 사용되고 있다.

이 Ni계 저온용 강의 용접에 있어서는, 용접 금속의 조직을 오스테나이트(면심 입방, 이하 FCC)로 할 수 있는, 60 내지 80질량％의 Ni를 포함하는 Ni기 합금 용접 재료(이하, Ni기 합금 용접 재료라고 한다)를 사용하는 것이 통상이다. 그러나 Ni기 합금 용접 재료는 다량의 Ni를 함유하고 있으므로, 극히 고가이다.

또한 Ni기 합금 용접 재료는 고온 균열을 발생시키기 쉽고, 또한 용융 금속의 탕류(湯流)가 나쁘기 때문에, 융합 불량 등의 용접 결함을 발생시키기 쉽다. 종래 기술에 의하면, Ni기 합금 용접 재료는 용접 결함을 방지하기 위해서, 저입열로 용접할 수 있는 용접 방법(예를 들어 피복 아크 용접, 서브머지드 아크 용접 및 TIG 용접 등)과 조합할 수 있다. 이 때문에, Ni기 합금 용접 재료를 사용한 용접은 시공 효율이 낮다. Ni기 합금 용접 재료는 재료 비용, 및 용접 시공 비용의 양쪽에 있어서 과제를 갖고 있다고 할 수 있다.

용접 재료 중의 Ni량을 Ni계 저온용 강과 동일 정도로 저감시키면, 재료 비용을 저감할 수 있다. 그러나, Ni계 저온용 강과 같은 정도인 6 내지 9질량％ 정도까지 용접 금속 중의 Ni량을 저감시키면, 용접 금속의 결정 구조가 체심 입방 구조(이하, BCC)가 된다. BCC 용접 금속에 있어서는, 그의 저온 인성을 확보하기 위해서 산소량을 매우 낮은 수준까지 낮출 필요가 있다. 그 때문에 종래 기술에 의하면, Ni량이 Ni계 저온용 강과 동일 정도인 용접 재료는 용접 금속의 저산소화가 가능한 용접 방법, 예를 들어 TIG 용접과 조합하는 것이 필수적이었다. 비소모 전극식의 TIG 용접에 의하면, 가령 용접 재료의 Ni량이 낮더라도 건전한 용접 금속이 얻어진다. 단, TIG 용접의 용접 시공 효율은 낮다. 따라서, 용접 재료 중의 Ni를 저감시켰다고 해도, 용접 시공 비용의 과제를 해결할 수 없었다.

산업계에서는, 용접 시공 효율이 우수한 용접법에 적용 가능하며, 또한 저온 인성이 우수한 용접 금속을 제조 가능한 용접 재료가 대망되고 있다. 용접 시공 효율이 우수한 용접법으로서, 예를 들어 MIG 용접 및 MAG 용접 등의 가스 실드 아크 용접법을 들 수 있다. MIG 용접은 아르곤, 헬륨 등의 이너트 가스로 실드하는 가스 실드 메탈 아크 용접이라고 정의되고, MAG 용접은 탄산 가스, 아르곤과 탄산 가스의 혼합 가스 등의 활성의 실드 가스를 사용하는 가스 실드 메탈 아크 용접이라고 정의된다(JIS Z 3001:2008). 산소가 실드 가스에 포함되는 가스 실드 메탈 아크 용접도, MAG 용접이라고 칭해지는 경우가 있다. 예를 들어 MAG 용접의 실드 가스로서, 일반적으로 Ar-10 내지 30％ CO₂(즉, 체적 분율로 10 내지 30％의 CO₂이고, 잔부가 Ar인 혼합 가스), 100％ CO₂, 또는 Ar-2％ O₂ 등이 사용되고 있고, 가스 중에 활성 가스인 CO₂ 또는 O₂가 2％ 이상 포함되어 있다.

실드 가스에 활성 가스를 함유시키는 것은 용접 시공 비용의 관점, 및 아크를 가늘게 하여 에너지를 집중시켜서 용접 결함을 감소시키는 관점에서 유리하다. 단, MAG 용접은 용접 금속에 산소가 도입되기 쉽다고 하는 결점이 있다. 종래 기술에 의하면, 용접 금속의 산소량을 감소시킬 것이 요구되는 용접 재료와, MAG 용접을 조합하여 Ni계 저온용 강을 용접하는 것은 용이하지 않았다.

극저온용 강의 용접 와이어로서 예를 들어 다음과 같은 와이어가 제안되어 있다.

특허문헌 1에서는 플럭스 중에 와이어 전체 질량에 대하여 TiO₂, SiO₂ 및 ZrO₂를 총량으로 4.0질량％ 이상 포함하고, 또한 Mn 산화물을 MnO₂ 환산으로 0.6 내지 1.2질량％ 포함하고, 또한 TiO₂, SiO₂, ZrO₂ 및 MnO₂(환산량)의 함유량을 질량％로, 각각 [TiO₂], [SiO₂], [ZrO₂] 및 [MnO₂]로 했을 때, [TiO₂]/[ZrO₂]이 2.3 내지 3.3, [SiO₂]/[ZrO₂]이 0.9 내지 1.5, 및 ([TiO₂]+[SiO₂]+[ZrO₂])/[MnO₂]이 5 내지 13인, Ni기 합금을 외피로 하는 플럭스 충전 와이어가 개시되어 있다. 그러나 이 와이어에 있어서는 Ni량이 60 내지 70％이며, 용접 재료의 저비용화는 달성되어 있지 않다.

특허문헌 2에서는, 0.13중량％ 이하의 C를 함유하고, 인장 강도가 760 내지 980N/㎟인 고장력강의 TIG 용접에 사용되는 솔리드 와이어에 있어서, JIS Z 3111에 규정된 방법에 의해 얻어진 전용착 금속의 마르텐사이트 변태 개시 온도가 400℃ 이하임과 함께, 와이어 전체 중량에 대하여 Ni: 7.5 내지 12.0중량％를 함유하고, C: 0.10중량％ 이하 및 H: 2중량ppm 이하로 규제되어 있는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 솔리드 와이어가 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2에 개시된 솔리드 와이어에 있어서 용접 방법은 TIG 용접에 한정되어 있고, 따라서 이것을 사용한 용접의 시공 효율은 현저하게 낮다.

특허문헌 3에서는 니켈강을 용접하기 위한 유심(有芯) 와이어이며, 강 시스와 충전 원소를 구비하고, 상기 와이어의 중량에 대하여 2 내지 15％의 불소와, 8 내지 13％의 니켈과, 철을 함유한 것을 특징으로 하는 유심 와이어가 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 3에 있어서 개시된 와이어에 의해 얻어지는 용접 금속의 저온 인성(-196℃에서의 충격 시험에서의 샤르피 흡수 에너지)은 낮다. 근년에는, 용접부에 대하여 -196℃에서의 충격 시험에서의 샤르피 흡수 에너지가 50J 이상이 되는 저온 인성이 요구되는데, 특허문헌 3에 있어서 개시된 와이어는 이것을 달성할 수 없다. 또한, 특허문헌 3의 유심 와이어와 MAG 용접을 조합한 경우, 스퍼터량이 증대하여 용접 결함이 다수 발생한다고 추정된다.

비특허문헌 1에는, Ni를 약 10％로 저감한 철 합금의 솔리드 와이어를 사용하고, 100％ Ar 실드 가스에 의한 MIG 용접으로 함으로써, TIG 용접과 동일 정도의 용접 금속이 얻어지는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 상기 와이어 중의 P와 S량을 현저하게 저감시키고 있기 때문에 인성은 확보되어 있지만, 본 발명자들의 실험에서는 비특허문헌 1의 방법으로 용접하면, 아크가 불규칙하게 발생함으로써 용접 비드가 사행되어, 용접 결함이 다발한다는 문제가 발생하였다. 이 문제는 MAG 용접과 조합한 경우 특히 현저하게 발생한다.

이와 같이, 용접 시공 비용이 낮은 용접 방법(예를 들어 가스 실드 아크 용접, 특히 MAG 용접)과, Ni량을 6 내지 9％ Ni강과 동일 정도로 저감시킨 저렴한 용접 재료의 조합에 의해 충분한 저온 인성을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있는 기술은 아직 실현되어 있지 않다.

일본 특허 공개 제2008-246507호 공보 일본 특허 공개 평09-253860호 공보 일본 특허 공개 제2008-161932호 공보

아구사 가즈오, 고쇼 마사아키 등, 가와사키 세테츠 기보, vol.14, No.3(1982), 9％ Ni강의 순아르곤 실드 유사 성분 금속 MIG 용접

본 발명은 상기 배경기술의 문제점을 감안하여, 용접 재료 비용을 대폭으로 저감 가능하고, 용접 시공 효율이 우수한 용접 방법에 적용해도 용접 작업성이 우수하며, 그리고 인장 강도 및 -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 솔리드 와이어, 그리고 그 솔리드 와이어를 사용한 용접 조인트의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 본 발명의 일 양태에 관계되는 솔리드 와이어는, 화학 조성이, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로: C: 0.003％ 이상 0.080％ 이하; Si: 0.0010％ 이상 0.50％ 이하; Mn: 0.050％ 이상 1.80％ 이하; Al: 0.030％ 이상 0.500％ 이하; Ni: 8.0％ 이상 16.0％ 이하; P: 0.0200％ 이하; S: 0.0100％ 이하; O: 0.050％ 이하; Ta: 0％ 이상 0.1000％ 이하; Cu: 0％ 이상 0.5％ 이하; Cr: 0％ 이상 0.5％ 이하; Mo: 0％ 이상 0.5％ 이하; V: 0％ 이상 0.20％ 이하; Ti: 0％ 이상 0.10％ 이하; Nb: 0％ 이상 0.10％ 이하; B: 0％ 이상 0.010％ 이하; Mg: 0％ 이상 0.80％ 이하; REM: 0％ 이상 0.050％ 이하; 및 잔부: Fe 및 불순물을 포함하고, 하기의 식 a로 정의되는 α가 1.35％ 이상 5.50％ 이하이고, 하기의 식 b로 정의되는 Ceq가 0.250％ 이상 0.520％ 이하이다.

α=2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta] …(식 a)

Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 …(식 b)

단, 식 a 및 식 b의 []로 표시된 원소는, 각각의 원소의 상기 솔리드 와이어의 상기 전체 질량에 대한 질량％에 의한 함유량을 나타낸다.

(2) 상기 (1)에 기재된 솔리드 와이어에서는, 상기 화학 조성이, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, Ta: 0.0005％ 이상 0.1000％ 이하; Cu: 0.1％ 이상 0.5％ 이하; Cr: 0.01％ 이상 0.5％ 이하; Mo: 0.01％ 이상 0.5％ 이하; V: 0.01％ 이상 0.20％ 이하; Ti: 0.005％ 이상 0.10％ 이하; Nb: 0.002％ 이상 0.10％ 이하; B: 0.0003％ 이상 0.010％ 이하; Mg: 0.10％ 이상 0.80％ 이하; 및 REM: 0.001％ 이상 0.050％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 솔리드 와이어에서는, 상기 솔리드 와이어 중의 상기 REM의 함유량이, 상기 솔리드 와이어의 상기 전체 질량에 대한 질량％로 0.010％ 이하여도 된다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어에서는, 표면에 퍼플루오로폴리에테르유를 가져도 된다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어에서는, 인장 강도가 500MPa 이상 1000MPa 이하여도 된다.

(6) 본 발명의 다른 양태에 관계되는 용접 조인트의 제조 방법은, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어를 사용하여 강재를 용접한다.

(7) 상기 (6)에 기재된 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 강재가, 판 두께가 6㎜ 이상 100㎜ 이하이고, Ni의 함유량이 5.5질량％ 이상 9.5질량％ 이하이고, 인장 강도가 660MPa 이상 900MPa 이하여도 된다.

(8) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 용접이 가스 실드 아크 용접이어도 된다.

(9) 상기 (8)에 기재된 용접 조인트의 제조 방법에서는, 실드 가스가, 순Ar 가스, 순He 가스, Ar과 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 가스, 그리고 He와 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 가스 중 어느 것이어도 된다.

본 발명의 솔리드 와이어는 Ni계 저온용 강과 같은 정도로 Ni량을 저감시킴으로써 용접 재료 비용을 대폭으로 저감하는 것이 가능하고, 또한 용접 시공 효율이 우수한 가스 실드 아크 용접(예를 들어 MIG 용접 및 MAG 용접 등)에 적용되어도 용접 금속의 인성을 확보 가능하다. 예를 들어, LNG 탱크나 화학 플랜트 등에 사용되는, Ni를 5.5 내지 9.5％ 정도 함유하는 Ni계 저온용 강의 용접에 본 발명의 솔리드 와이어 및 이것을 사용한 용접 조인트의 제조 방법이 적용된 경우, -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속이 저렴하며 또한 고효율로 얻어진다.

도 1은 실시예에 있어서의 시험편의 채취 위치를 도시하는 도면이다(JIS Z3111:2005).
도 2는 실시예에 있어서의 용접 비드의 정합성의 평가식을 도시하는 도면이다.

Ni계 저온용 강의 용접 금속에는 -196℃의 저온 인성이 요구되고, -196℃의 흡수 에너지를 확보하기 위해서는 용접 금속의 산소량을 저감시킬 필요가 있다. Ni량을 6 내지 9％ Ni강과 같은 정도로 저감시킨 솔리드 와이어를 사용하여 얻어진 용접 금속의 결정 구조는 BCC 구조인데, 이 용접 금속 중의 산소량을 저감시킴으로써 취성 파괴가 억제되어, 용접 금속의 저온 인성이 충분히 향상된다.

본 발명자들은 Ni 함유량을 Ni계 저온용 강과 동일한 정도까지 저감시킨 솔리드 와이어에 있어서, 탈산 원소인 Mn, Al, Ti, 및 Mg, 그리고 Ta의 함유량을 최적화하기 위한 파라미터(α)를 도입하고, 또한 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유량을 여러가지 비율로 변화시키고, 이와 같이 하여 시작(試作)한 솔리드 와이어를 사용하여, Ar과 활성 가스의 혼합 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에 의해 Ni계 저온용 강의 용접을 실시하였다.

그 결과, 이하의 사항이 발견되었다.

(i) 값 α를 사용하여 Mn, Al, Ti, 및 Mg, 그리고 Ta의 함유량을 최적화하면, Ar과 활성 가스의 혼합 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에 의해서도 용접 금속의 산소량을 대폭으로 저감시킬 수 있다.

(ii) 상기 (i)에 더하여, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유량을 특정한 범위로 함으로써, -196℃에서의 우수한 저온 인성이 얻어진다.

(iii) 상기 (i) 및 (ii)의 요건이 충족된 솔리드 와이어에 의하면, 가스 실드 아크 용접을 사용 가능하므로 용접 시공 효율이 TIG 용접에 비하여 향상된다.

또한, 값 α는 이하의 식에 의해 산출되는 것이다. 이 식은 여러가지 화학 조성을 갖는 솔리드 와이어의 평가 결과를 다중 회귀 분석함으로써 얻어졌다.

α=2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta] …(식 a)

본 발명은 이상과 같은 검토의 결과로 이루어진 것이며, 이하 본 실시 형태의 솔리드 와이어에 대해서 특징으로 하는 기술 요건의 한정 이유나 바람직한 양태에 대하여 순차 설명한다.

우선, 본 실시 형태의 솔리드 와이어에 함유되는 합금 성분, 금속 탈산 성분 및 각 성분의 함유량의 한정 이유에 대하여 설명한다.

이하의 솔리드 와이어 화학 조성의 설명에 있어서, 「％」는 특별히 설명이 없는 한 「질량％」를 의미한다. 또한, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어는 그의 표면에 도금층을 구비해도 된다. 이 경우, 솔리드 와이어의 합금 성분의 분포는 균일하지 않은데, 솔리드 와이어의 합금 성분은 솔리드 와이어 전체에서의 평균값으로서 파악된다. 즉, 이하에 설명되는 각 합금 성분의 함유량은, 솔리드 와이어 전체 질량에 대한 각 성분의 질량％의 합계가 되는 성분 함유량을 의미하는 것으로 한다.

(C: 0.003％ 이상 0.080％ 이하)

C는 용접 금속의 강도를 향상시키는 원소이다. 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서는, 솔리드 와이어에 C를 0.003％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 용접 금속의 강도의 향상을 위해 솔리드 와이어의 C 함유량의 하한을 0.005％, 0.008％, 0.010％, 또는 0.013％로 해도 된다. 한편, 8 내지 16％의 Ni를 함유하는 용접 금속은 딱딱한 마르텐사이트 조직이 된다. 마르텐사이트의 경도에 미치는 C의 영향은 매우 커서, 솔리드 와이어의 C 함유량이 0.080％를 초과하면 용접 금속이 몹시 경화되어 인성이 크게 저하된다. 그 때문에, 솔리드 와이어의 C 함유량의 상한을 0.080％로 한다. 안정적으로 용접 금속의 인성을 확보하기 위해서는, 솔리드 와이어의 C 함유량의 상한을 0.075％, 0.070％, 0.065％, 0.060％, 0.055％, 또는 0.050％로 해도 된다.

(Si: 0.0010％ 이상 0.50％ 이하)

Si는 용접 금속의 청정도를 향상시키고, 블로우 홀 등의 용접 결함의 발생을 억제하는 데 필요한 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 솔리드 와이어가 0.0010％ 이상의 Si를 함유할 필요가 있다. 용접 결함의 발생을 한층 더 방지하기 위해서, 솔리드 와이어의 Si 함유량의 하한을 0.0050％ 또는 0.0100％로 해도 된다. 한편, 8 내지 16％의 Ni를 함유하는 용접 금속에서 Si는 마이크로 편석되기 쉽고, 솔리드 와이어의 Si 함유량이 0.50％를 초과하면 편석부에서 현저한 취화가 발생한다. 그 때문에, 0.50％를 솔리드 와이어의 Si 함유량의 상한으로 한다. 또한, 용접 금속의 인성을 안정적으로 확보하기 위해서는, 솔리드 와이어의 Si 함유량의 상한을 0.40％, 또는 0.30％로 해도 된다.

(Mn: 0.050％ 이상 1.80％ 이하)

Mn은 탈산 원소이며, 또한 용접 금속의 청정도를 향상시킨다. 또한 Mn은 용접 금속 중에 있어서 MnS를 형성함으로써, S에 의한 고온 균열의 발생을 억제하고, 용접 금속의 인성을 향상시키는 데 필요한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.050％ 이상의 Mn을 솔리드 와이어에 함유시킬 필요가 있다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 Mn 함유량의 하한을 0.100％, 0.120％, 0.200％ 또는 0.300％로 해도 된다. 한편, 8 내지 16％의 Ni를 함유하는 용접 금속에서 Mn은 마이크로 편석되기 쉽고, 솔리드 와이어의 Mn 함유량이 1.80％를 초과하면 편석부에서 현저한 취화가 발생한다. 이 때문에, 1.80％를 솔리드 와이어의 Mn 함유량의 상한으로 한다. 또한, 용접 금속의 인성을 안정적으로 확보하기 위해서는, 솔리드 와이어의 Mn 함유량의 상한을 1.60％, 1.40％, 또는 1.20％로 해도 된다.

(Al: 0.030％ 이상 0.500％ 이하)

Al은 탈산 원소이며, Si 및 Mn과 마찬가지로 블로우 홀 등의 용접 결함의 발생 억제, 및 청정도 향상 등에 효과가 있다. 그 효과를 발휘하기 위하여 0.030％ 이상의 Al을 솔리드 와이어에 함유시킨다. 한편, 0.500％를 초과하여 솔리드 와이어에 Al을 함유시키면, Al이 질화물이나 산화물을 형성하여 용접 금속의 인성을 저해한다. 그 때문에, 0.500％를 솔리드 와이어의 Al 함유량의 상한으로 한다. 또한, 용접 금속의 인성을 향상시키는 효과를 충분히 얻기 위해서는, 솔리드 와이어의 Al 함유량의 하한을 0.031％, 0.033％, 0.035％, 0.040％, 0.045％, 0.050％, 0.051％, 0.053％, 또는 0.055％로 해도 된다. 또한, 산화물의 생성 억제를 위해서, 솔리드 와이어의 Al 함유량의 상한을 0.480％, 0.450％, 0.400％, 0.350％, 0.300％, 또는 0.200％로 해도 된다.

(Ni: 8.0％ 이상 16.0％ 이하)

Ni는 고용 인화(고용에 의해 인성을 높이는 작용)에 의해, 용접 금속의 조직 및 성분에 구애되지 않고 용접 금속의 인성을 향상시킬 수 있는 유일한 원소이다. 특히, -196℃의 저온 인성을 확보하기 위해서 Ni는 필수적인 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 솔리드 와이어의 Ni 함유량은 8.0％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, 솔리드 와이어의 Ni 함유량이 16.0％를 초과하면, 그 효과가 포화되는 데다가 용접 재료 비용이 과대해지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 솔리드 와이어의 Ni 함유량이 16.0％를 초과하는 경우, 고온 균열이 발생하기 쉽고 용융 금속의 탕류가 나빠서 융합 불량 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워지므로, 솔리드 와이어를 가스 실드 아크 용접 등의 고효율 용접에 적용하는 것이 곤란해진다. 따라서, 솔리드 와이어의 Ni 함유량의 상한값을 16.0％로 한다. 솔리드 와이어의 Ni 함유량의 상한을 15.5％, 15.0％, 또는 14.5％로 제한해도 된다. 안정적으로 용접 금속의 저온 인성을 확보하기 위해서는, 솔리드 와이어의 Ni 함유량의 하한을 8.5％, 9.0％, 또는 9.5％, 나아가 10.0％로 해도 된다.

(P: 0.0200％ 이하)

P는 불순물 원소이며, 과잉 첨가는 고온 균열을 발생시키는 경향이 있고, 용접 금속의 인성을 열화시키므로 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 용접 금속의 인성에 대한 악영향을 허용할 수 있는 범위로서, 솔리드 와이어의 P 함유량은 0.0200％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 P 함유량의 상한을 0.0150％, 0.0100％, 0.0080％ 또는 0.0060％로 해도 된다. 용접 금속의 인성 확보의 관점에서 솔리드 와이어의 P 함유량의 하한을 제한할 필요는 없고, P 함유량의 하한은 0％이다. 한편, 정련 비용의 저감의 관점에서 솔리드 와이어의 P 함유량의 하한을 0.0010％, 0.0020％, 또는 0.0030％로 해도 된다.

(S: 0.0100％ 이하)

S는 불순물 원소이며, 과잉 첨가는 고온 균열을 발생시키는 경향이 있고, 용접 금속의 인성을 현저하게 열화시키므로 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 용접 금속의 인성에 대한 악영향을 허용할 수 있는 범위로서, 솔리드 와이어의 S 함유량은 0.0100％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 S 함유량의 상한을 0.0080％, 0.0060％, 0.0040％ 또는 0.0030％로 해도 된다. 용접 금속의 인성 확보의 관점에서 솔리드 와이어의 S 함유량의 하한을 제한할 필요는 없고, S 함유량의 하한은 0％이다. 한편, 정련 비용의 저감의 관점에서, 솔리드 와이어의 S 함유량의 하한을 0.0005％, 0.0010％, 또는 0.0020％로 해도 된다.

(O: 0.050％ 이하)

O는 불순물이며, 용접 금속의 인성을 현저하게 열화시키므로 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 용접 금속의 인성에 대한 악영향을 허용할 수 있는 범위로서, 솔리드 와이어의 O 함유량은 0.050％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 O 함유량의 상한을 0.020％, 0.015％, 0.010％ 또는 0.005％로 해도 된다. 용접 금속의 인성 확보의 관점에서 솔리드 와이어의 O 함유량의 하한을 제한할 필요는 없고, O 함유량의 하한은 0％이다. 한편, 정련 비용의 저감의 관점에서, 솔리드 와이어의 O 함유량의 하한을 0.0005％, 0.001％, 또는 0.002％로 해도 된다.

본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어에는 이하에 설명하는 목적에서, Ta, Cu, Cr, Mo, V, Ti, Nb, B, Mg, REM의 각 원소를 선택 원소로서 1종 또는 2종 이상 함유시킬 수 있다. 단, 이들 선택 원소를 함유하지 않고 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어는 그 과제를 해결할 수 있으므로, 이들 선택 원소의 하한값은 0％이다.

(Ta: 0％ 이상 0.1000％ 이하)

Ta는 석출 강화 원소이며, 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 또한 Ta는 고온 아크 중에 존재하는 산소와 결합하여, 용접 금속 중의 산소 함유량을 저감시킬 수 있는 원소이다. 한편, 솔리드 와이어의 Ta 함유량이 0.1000％를 초과하는 경우, 용접 금속 중의 산소량이 일정해져서 더 이상 저감시키기 어려워지는 한편, 용접 금속의 강도가 과잉이 되어 용접 금속의 저온 인성을 저해한다. 그 때문에, 솔리드 와이어의 Ta 함유량의 상한을 0.1000％로 한다. 용접 금속의 고강도화 및 산소량 저감의 효과를 충분히 얻기 위해서는, 솔리드 와이어의 Ta 함유량의 하한을 0.0005％, 0.0010％, 0.0015％, 0.0020％, 0.0025％, 또는 0.0030％로 해도 된다. 또한, 용접 금속의 저온 인성을 한층 더 향상시키기 위해서는, 솔리드 와이어의 Ta 함유량의 상한값을 0.090％, 0.080％, 0.070％, 0.060％, 또는 0.050％로 해도 된다.

(Cu: 0％ 이상 0.5％ 이하)

Cu는 솔리드 와이어의 표면의 도금으로서, 단체 또는 합금으로서 솔리드 와이어에 함유된 경우에는, 고용 강화에 의해 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, Cu가 솔리드 와이어 중에 단체 또는 합금으로서 함유된 경우에도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 솔리드 와이어의 Cu 함유량의 하한은 0％로 하지만, 솔리드 와이어가 Cu를 함유해도 된다. 예를 들어, Cu 함유의 효과를 얻기 위해서는, 솔리드 와이어의 Cu 함유량의 하한을 0.1％로 해도 된다. 한편, 솔리드 와이어의 Cu 함유량이 0.5％를 초과하면 용접 금속의 인성이 저하된다. 그 때문에, 솔리드 와이어의 Cu 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성 향상을 위해 솔리드 와이어의 Cu 함유량의 상한을 0.3％, 또는 0.2％로 해도 된다.

(Cr: 0％ 이상 0.5％ 이하)

Cr은 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. 솔리드 와이어의 Cr의 함유량의 하한은 0％로 하지만, 함유의 효과를 얻기 위해서, 솔리드 와이어의 Cr 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다. 한편, Cr을 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 솔리드 와이어의 Cr 함유량이 0.5％를 초과하면 용접 금속의 인성이 저하된다. 그 때문에, 솔리드 와이어의 Cr 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 Cr 함유량의 상한을 0.3％, 0.2％ 또는 0.1％로 해도 된다.

(Mo: 0％ 이상 0.5％ 이하)

Mo는 석출 강화에 의해 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. 솔리드 와이어의 Mo 함유량의 하한은 0％로 하지만, Mo 함유의 효과를 얻기 위해서, 솔리드 와이어의 Mo 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다. Mo를 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 솔리드 와이어의 Mo 함유량이 0.5％를 초과하면 용접 금속의 인성이 저하된다. 그 때문에, 솔리드 와이어의 Mo 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 Mo 함유량의 상한을 0.3％, 0.2％ 또는 0.1％로 해도 된다.

(V: 0％ 이상 0.20％ 이하)

V는 석출 강화에 의해 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. 솔리드 와이어의 V 함유량의 하한은 0％로 하지만, V 함유의 효과를 얻기 위해서, 솔리드 와이어의 V 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다. V를 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 솔리드 와이어의 V 함유량이 0.20％를 초과하면 용접 금속의 인성이 저하된다. 그 때문에, V를 함유시키는 경우의 솔리드 와이어의 V 함유량은 0.20％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 V 함유량의 상한을 0.15％, 0.10％ 또는 0.05％로 해도 된다.

(Ti: 0％ 이상 0.10％ 이하)

Ti는 고용 N을 고정하여, 용접 금속의 인성에 대한 악영향을 완화하는 데 유효하다. 또한, Ti는 탈산 원소로서도 유효하여 용접 금속 중의 산소량을 저감시키는 효과가 있다. 솔리드 와이어의 Ti 함유량의 하한은 0％로 하지만, Ti 함유의 효과를 얻기 위해서, 솔리드 와이어의 Ti 함유량의 하한을 0.005％로 해도 된다. Ti를 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 솔리드 와이어의 Ti 함유량이 0.10％를 초과하여 과잉이 되면, 탄화물이 생성되어 용접 금속의 인성을 열화시킨다. 그 때문에, Ti를 함유시키는 경우의 솔리드 와이어의 Ti 함유량은 0.10％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 Ti 함유량의 상한을 0.06％, 0.04％ 또는 0.02％로 해도 된다.

(Nb: 0％ 이상 0.10％ 이하)

Nb는 석출 강화에 의해 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효하다. 솔리드 와이어의 Nb의 함유량의 하한은 0％로 하지만, Nb 함유의 효과를 얻기 위해서, Nb 함유량의 하한을 0.002％로 해도 된다. Nb를 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 솔리드 와이어의 Nb 함유량이 0.10％를 초과하여 과잉이 되면, 용접 금속 중에 조대한 석출물을 형성하여 용접 금속의 인성을 열화시킨다. 추가로, 솔리드 와이어의 Nb 함유량이 0.10％를 초과하여 과잉이 되면 고온 균열이 발생하는 경향이 있다. 그 때문에, Nb를 함유시키는 경우의 솔리드 와이어의 Nb 함유량은 0.10％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 Nb 함유량의 상한을 0.06％, 0.04％ 또는 0.02％로 해도 된다.

(B: 0％ 이상 0.010％ 이하)

B는 용접 금속 중에 적정량 함유시키면, 고용 N과 결부되어서 BN을 형성하여 고용 N의 인성에 대한 악영향을 감소시키는 효과가 있다. 솔리드 와이어의 B의 함유량의 하한은 0％로 하지만, B 함유의 효과를 얻기 위해서, 솔리드 와이어의 B 함유량의 하한을 0.0003％로 해도 된다. B를 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 솔리드 와이어의 B 함유량이 0.010％를 초과하면 용접 금속 중의 B가 과잉이 되어, 조대한 BN이나 Fe₂₃(C, B)₆ 등의 B 화합물을 형성하여 용접 금속의 인성을 역으로 열화시킨다. 추가로, 솔리드 와이어의 B 함유량이 0.010％를 초과하면 고온 균열이 발생하는 경향이 있다. 그 때문에, B를 함유시키는 경우의 솔리드 와이어의 B 함유량은 0.010％ 이하로 한다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 B 함유량의 상한을 0.006％, 0.004％ 또는 0.002％로 해도 된다.

(Mg: 0％ 이상 0.80％ 이하)

Mg은 탈산 원소이며, 용접 금속의 산소를 저감하여 용접 금속의 인성 개선에 효과가 있다. 솔리드 와이어의 Mg 함유량의 하한은 0％로 하지만, 용접 금속 중의 산소량을 저감시키는 효과를 충분히 얻기 위해서는, 솔리드 와이어의 Mg 함유량의 하한을 0.10％, 0.15％, 0.20％, 0.25％, 또는 0.30％로 해도 된다. 한편, 솔리드 와이어의 Mg 함유량이 0.80％를 초과하는 경우, 스퍼터가 증가하여 용접 작업성을 열화시킨다. 그 때문에, 0.80％를 솔리드 와이어의 Mg 함유량의 상한으로 한다. 용접 작업성의 한층 더한 향상을 위해 솔리드 와이어의 Mg 함유량의 상한을 0.78％, 0.75％, 0.73％, 0.70％, 0.65％ 또는 0.60％로 해도 된다.

(REM: 0％ 이상 0.050％ 이하)

REM은 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어의 과제 해결을 위하여 필수는 아니기 때문에, REM 함유량의 하한은 0％로 한다. 그러나 REM은 아크를 안정화시키는 원소이므로, 솔리드 와이어에 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻기 위해서, 솔리드 와이어의 REM 함유량의 하한을 0.001％, 0.010％, 또는 0.020％로 해도 된다. REM을 솔리드 와이어에 함유시키는 경우, 스퍼터가 저감되고, 아크가 안정적이 되는 효과적인 REM 함유량은 0.050％ 이하이다. 한편, 솔리드 와이어가 과잉으로 REM을 함유하면, 스퍼터가 심하게 되어 용접 작업성이 열악하게 된다. 이 때문에, 스퍼터의 저감 및 아크의 안정에 기여하기 위해서, 솔리드 와이어의 REM 함유량의 상한을 0.030％, 0.020％, 0.010％, 0.005％, 또는 0.001％로 해도 된다. 또한 「REM」이라는 용어는 Sc, Y 및 란타노이드를 포함하는 합계 17 원소를 가리키고, 상기 「REM 함유량」이란, 이들 17 원소의 합계 함유량을 의미한다. 란타노이드를 REM으로서 사용하는 경우, 공업적으로 REM은 미슈메탈의 형태로 첨가된다.

본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어의 화학 조성은 상술된 원소를 함유하고, 그 잔부는 Fe 및 불순물이다. 불순물이란, 솔리드 와이어를 공업적으로 제조할 때에 광석 혹은 스크랩 등과 같은 원료, 또는 제조 공정의 다양한 요인에 의해 혼입되는 성분이며, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어의 특성에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

(α: 1.35％ 이상 5.50％ 이하)

본 실시 형태의 솔리드 와이어는 상술한 각 원소를 함유하는데, 용접 금속의 -196℃의 저온 인성을 확보하기 위해서는 추가로 하기 식 a로 표현되는 α가 1.35％ 이상 5.50％ 이하로 되도록, 그의 각 원소 함유량을 제어할 필요가 있다.

α=2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta] …(식 a)

단, []로 표시된 원소는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 실시 형태의 솔리드 와이어에는, 순Ar이나 순He를 실드 가스로서 사용하는 가스 실드 아크 용접(소위 MIG 용접)에 적용할 수 있을 것, 및 Ar 및/또는 He를 주성분으로 하고, O₂ 및/또는 CO₂가 합계로 20체적％ 이하 포함되는 혼합 가스를 실드 가스로서 사용하는 가스 실드 아크 용접(소위 MAG 용접)에 적용한 경우에도 안정된 용접이 가능하게 할 것이 요구된다. 그 때, 용접 금속의 청정도를 향상시키는 Mn, Al, Ti, Mg 및 Ta의 양이 충분하지 않은 경우, 솔리드 와이어에 포함되어 있었던 산소에 의해 용접 금속 중에 산소가 생겨 산화물을 생성하고, 이것이 용접 금속의 저온 인성을 열화시키는 것으로 생각된다. 이 저온 인성의 열화를 억제하기 위해서, 상기 α값이 1.35％ 이상이 되도록 솔리드 와이어의 화학 조성을 조정시킬 필요가 있다. 따라서, 1.35％를 솔리드 와이어의 α의 하한값으로 한다. 한편, α가 5.50％를 초과할수록 Mn, Al, Ti, Mg 및 Ta가 솔리드 와이어에 함유된 경우, 이들 원소가 과잉으로 용접 금속에 생겨 질화물이나 탄화물을 생성하고, 이들 때문에 용접 금속이 과잉으로 고강도화되어 용접 금속의 저온 인성이 열화된다. 또한, 이들 원소가 과잉일 경우, 이들 원소가 아크 중에서 산화되지 않고, 아크 중에서 Mn, Al, Ti, Mg, Ta의 금속 증기가 발생하여 아크를 불안정하게 한다. 이 때문에, 솔리드 와이어의 α가 5.50％를 초과하는 경우, 용접 결함이 발생한다. 따라서, 5.50％를 솔리드 와이어의 α의 상한값으로 한다. 보다 확실하게 용접 금속의 저온 인성을 향상시키기 위해서는, 솔리드 와이어의 α의 하한값을 1.36％, 1.40％, 1.45％, 또는 1.50％로 해도 된다. 또한, 솔리드 와이어의 α의 상한값을 5.40％, 5.30％, 5.20％, 5.10％, 5.00％, 4.90％, 4.80％, 4.70％, 또는 4.50％로 해도 된다.

(탄소 당량 Ceq: 0.250％ 이상 0.520％ 이하)

또한 본 실시 형태의 솔리드 와이어에서는, 하기 식 b로 표현되는, 일본 용접 협회(WES)에서 정하는 탄소 당량 Ceq가 0.250％ 이상 0.520％ 이하로 되도록 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유량을 추가로 조정한다.

Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 …(식 b)

단, []로 표시된 원소는, 각각의 원소의 질량％에 의한 함유량을 나타낸다.

솔리드 와이어의 Ceq가 높을수록 용접 금속의 인장 강도가 향상되지만, 한편으로 용접 금속의 인성이 저하되고, 또한 용접 균열 감수성이 높아진다. 그 때문에 솔리드 와이어의 Ceq가 높은 경우, 저온 균열 억제를 위한 대책이 필요해진다. 이 솔리드 와이어의 Ceq의 값이 0.250％ 미만이면, 용접 금속에 있어서 목적으로 하는 강도(인장 강도) 660MPa 이상을 만족할 수 없다. 한편 솔리드 와이어의 Ceq의 값이 0.520％를 초과하면, 용접 금속의 인장 강도가 과잉이 되어 용접 금속의 인성이 저하된다. 그 때문에, 솔리드 와이어의 Ceq의 범위는 0.250％ 이상 0.520％ 이하로 한다. 한층 더 안정적으로 용접 금속의 강도를 확보하기 위해서, 솔리드 와이어의 Ceq의 하한을 0.260％, 0.270％, 0.280％, 0.320％, 또는 0.360％로 해도 된다. 용접 금속의 인성의 한층 더한 향상을 위해, 솔리드 와이어의 Ceq의 상한을 0.510％, 0.500％ 또는 0.490％로 해도 된다.

또한, 용접 시의 솔리드 와이어의 송급성을 향상시키기 위해서, 솔리드 와이어는 그 표면에 윤활제를 더 구비해도 된다. 솔리드 와이어용의 윤활제로서는 여러 종류의 것(예를 들어 식물유, 광물유 등)을 사용할 수 있지만, 용접 금속의 저온 균열을 억제하기 위해서는 퍼플루오로폴리에테르유(PFPE유)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 윤활제의 성분은 상술한 솔리드 와이어의 화학 조성에 포함되지 않는 것으로 한다. 윤활제 유래의 화학 조성은 솔리드 와이어의 전체 질량에 대하여 매우 약간이기 때문이다. 본 개시에 있어서는, 솔리드 와이어의 화학 조성의 측정은 솔리드 와이어의 표면에 도포된 윤활제를 제거하고 나서 실시하였다.

솔리드 와이어의 직경은 특별히 한정되지 않는다. 현재, 시장에 유통되는 솔리드 와이어 및 용접 설비를 고려하여, 예를 들어 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어의 직경을 0.5 내지 2.4㎜로 해도 된다. 솔리드 와이어의 직경을 0.8㎜ 이상, 또는 1.0㎜ 이상으로 해도 된다. 솔리드 와이어의 직경을 1.6㎜ 이하, 또는 1.4㎜ 이하로 해도 된다.

솔리드 와이어의 기계적 성질도 특별히 한정되지 않는다. 용접 중의 솔리드 와이어의 송급성을 향상시키는 관점에서는 솔리드 와이어의 인장 강도가 낮은 것이 바람직하고, 예를 들어 솔리드 와이어의 인장 강도를 950MPa 이하, 900MPa 이하, 850MPa, 800MPa, 750MPa, 또는 700MPa 이하로 해도 된다.

본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어를 사용한 가스 실드 아크 용접에 의해 얻어지는 용착 금속의 인장 강도는 660MPa 이상 900MPa 이하가 되는 것이 바람직하다. 이 용착 금속의 인장 강도란, 일본 공업 규격 JIS Z 3111:2005에 「용착 금속의 인장 및 충격 시험 방법」에 기초하여 측정되는 인장 강도이다. 이 용착 금속의 인장 강도는 660MPa 이상 900MPa 이하의 인장 강도를 갖는 고장력강과 동등한 레벨이다. 또한 필요하다면, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어로부터 얻어지는 용착 금속의 인장 강도의 하한을 685MPa로, 상한을 850MPa로 제한할 수 있도록 솔리드 와이어의 화학 조성을 제어해도 된다. 또한, JIS Z 3001:2013에 있어서 「용착 금속」(Deposited metal)은 「용가재로부터 용접부로 이행한 금속」이라고 정의되고, 「용접 금속」(Weld metal)은 「용접부의 일부에서, 용접 중에 용융 응고된 금속」이라고 정의된다.

본 실시 형태에서 사용하는 솔리드 와이어는 통상의 솔리드 와이어의 제조 방법과 마찬가지의 제조 공정에 의해 제조할 수 있다. 즉, 먼저 상술된 화학 조성을 갖는 강을 용해하고, 그 후 필요하다면 단조 가공을 한다. 그 후, 압연 가공을 거쳐서, 이 강을 막대 형상으로 가공한다. 이 막대 형상의 강을 신선함으로써 솔리드 와이어가 얻어진다. 또한, 송급성이 손상되지 않도록 솔리드 와이어에 적절히 열처리를 행해도 된다. 또한, 이 솔리드 와이어에 도금해도 된다. 이 경우, 도금 성분을 포함한 솔리드 와이어 전체의 평균적인 화학 조성이 상술한 범위 내가 되도록 할 필요가 있다. 또한, 이 솔리드 와이어의 표면에 윤활제를 도포해도 된다. 상술한 바와 같이, 윤활제 유래의 화학 조성은 솔리드 와이어의 전체 질량에 대하여 매우 약간이므로, 윤활제의 종류 및 도포량이 솔리드 와이어의 화학 조성에 미치는 영향을 고려할 필요는 없다.

본 발명의 다른 양태에 관계되는 용접 조인트의 제조 방법은, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어를 사용하여 강재를 용접한다. 강재의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 판 두께가 6㎜ 이상 100㎜ 이하이고, Ni의 함유량이 5.5질량％ 이상 9.5질량％ 이하이고, 인장 강도가 660MPa 이상 900MPa 이하인 강재(즉, Ni계 저온용 강)로 하는 것이 바람직하다. 이 용접은 가스 실드 아크 용접인 것이 바람직하다. 예를 들어 LNG 탱크에는, Ni 함유량이 5.5질량％ 이상 9.5질량％ 이하이고, 판 두께는 6㎜ 이상 100㎜ 이하이며, 인장 강도가 660MPa 이상 900MPa 이하인 강재가 사용되고 있다. 이 강재의 용접에 본 실시 형태의 솔리드 와이어를 사용할 수 있다. 용접 시에 사용하는 실드 가스는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 순Ar 가스, 순He 가스, Ar과 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 가스, 그리고 He와 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 가스 중 어느 것으로 해도 된다. 즉, 본 실시 형태에 관계되는 용접 조인트의 제조 방법에서는 순Ar 가스 또는 순He 가스를 실드 가스로서 사용해도 된다. 한편, 20체적％ 이하의 범위 내이면, 순Ar 가스 또는 순He 가스 각각에 O₂ 또는 CO₂를 혼합시킨 것을 실드 가스로서 사용해도, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법의 효과를 얻을 수 있다.

본 개시에 있어서 실드 가스로서 순Ar 가스 또는 순He 가스를 사용하는 경우, 이것은 MIG 용접에 대응한다. 용접 금속에 대한 산소 혼입을 피하는 관점에서는, 이 형태가 바람직하다.

본 개시에 있어서, 실드 가스로서, Ar 가스 또는 He 가스에 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 첨가한 가스를 사용하는 경우, 이것은 MAG 용접에 대응한다. 용접 시의 아크 안정성을 중시하는 경우, 이 형태가 바람직하다.

또한, 본 개시에 있어서는 용접 재료의 형태로서 솔리드 와이어를 채용하고, 플럭스 충전 와이어를 채용하고 있지 않다. 플럭스 충전 와이어는 용접 금속의 재료로서 금속 분말체나 산화물이 첨가되는 경우가 많다. 그 결과, 금속 분말체 표면에 발생한 산화물, 혹은 첨가물인 산화물에서 유래하여 용접 금속에 산소가 혼입되기 쉽다. 본 개시에서는, 특히 실드 가스로서 Ar 가스 또는 He 가스에 O₂ 또는 CO₂를 혼합시킨 것을 채용하는 것을 상정하고, 용접 금속에 대한 산소의 혼입을 저감시키기 위해 솔리드 와이어의 형태를 채용하였다.

실시예

이어서, 실시예에 의해 본 발명의 실시 가능성 및 효과에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

여러가지 화학 조성을 갖는 솔리드 와이어를 제조하였다. 솔리드 와이어의 신선 작업의 도중에 어닐링을 가하고, 또한 최종의 솔리드 와이어 직경이 φ 1.2㎜가 되도록 하였다. 어닐링 조건은 650℃에서 4시간 유지하였다. 시작 후, 솔리드 와이어의 표면에는 윤활제를 도포하였다. 표 1-1 내지 표 1-2에 있어서, PFPE유 도포라고 기재하고 있지 않은 것에는 모두 식물유를 도포하였다. 솔리드 와이어의 성분 분석은 화학 분석, 가스 분석 등을 행함으로써 실시하였다. 분석은 솔리드 와이어 표면에 윤활제가 없는 상태에서 실시하였다.

시작한 솔리드 와이어의 화학 조성, PFPE유 도포의 유무, 및 솔리드 와이어의 인장 강도(「와이어의 강도」)를 표 1-1 내지 표 1-2에 나타내었다. 표 1-1 내지 표 1-2에 나타낸 솔리드 와이어의 화학 조성은 상기 분석 방법에 의해 분석한 결과이다. 또한, 본 발명의 범위 밖인 값에는 밑줄을 그었다. 또한, 검출 한계 이하인 원소의 함유량은 기입하지 않고, 공백으로 나타냈다. 솔리드 와이어의 인장 강도의 단위는 MPa이다.

표 1-1 내지 표 1-2에 나타내는 솔리드 와이어를 사용하여, JIS Z 3111:2005에 준거하여 용착 금속의 기계 특성을 평가하였다. 즉, 도 1에 도시한 바와 같은 요령으로 하였다. 판 두께가 20㎜인 강판(1)을, 루트 갭 16㎜, 개선 각도 20°로 맞대고, 뒷댐판(2)을 사용하였다. 강판(1) 및 뒷댐판(2)에는 SM490A를 사용했지만, 강판(1)의 개선면 및 뒷댐판(2)의 표면에는, 시험 대상인 솔리드 와이어를 사용하여 2층 이상, 또한 덧붙이 높이 3㎜ 이상의 버터링을 실시하였다. 그 후, 1 및 2층째는 1 또는 2 패스, 3층째부터 최종층까지는 2 또는 3 패스로 용접을 행하고, 시험체를 제작하였다. 용접 조건을 표 2 및 표 4(실드 가스의 조성은 체적％로 표기했다)에 나타내었다. 표 2는 MAG 용접이며, 표 4는 MIG 용접의 용접 조건으로서 나타낸다. 표 2로부터, 용접 조건은 전류값 280A, 전압값 24 내지 28V, 용접 속도 30㎝/분, 패스 간 온도 150℃ 이하, 실드 가스로서 Ar 및 15체적％ CO₂의 혼합 가스를 사용하여, 가스 유량 25l/분으로 행하였다. 표 4로부터, 용접 조건은 전류값 260A, 전압값 22 내지 26V, 용접 속도 30㎝/분, 패스 간 온도 150℃ 이하, 실드 가스로서 Ar 가스를 사용하여, 가스 유량 25l/분으로 행하였다.

제작한 시험체로부터, 도 1에 도시한 바와 같이, 기계 시험편으로서 JIS Z3111:2005에 준거한 A0호 인장 시험편(환봉)(5)(직경=10㎜)과 샤르피 충격 시험편(2㎜V 노치)(4)을 채취하고, 각각의 기계 특성 시험을 행하여 용착 금속의 인장 강도 및 샤르피 흡수 에너지를 측정하였다. 단, 용접 결함이 격심하여 기계 특성 시험을 실시할 수 없는 경우에는, 평가를 행할 수 없었던 취지를 기록하였다. 각 솔리드 와이어를 사용하여 상술한 수단으로 얻어진 용착 금속의 기계 특성의 측정 결과와 평가 결과를, 표 2의 MAG 용접의 결과를 표 3-1, 표 3-2에 나타내고, 표 4의 MIG 용접의 결과를 표 5-1, 표 5-2에 나타내었다. 이들 표에 있어서, 합격 여부 기준에 미치지 못하는 값에는 밑줄을 그었다. 표 2의 조건(MAG 용접)에 의한 시험, 및 표 4의 조건(MIG 용접)에 의한 시험의 양쪽에 있어서 합격이 된 솔리드 와이어를, 용접 작업성이 우수하고, 그리고 인장 강도 및 -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 솔리드 와이어라고 판정하였다. 평가 방법 및 합격 여부 판정 기준은 표 2의 조건(MAG 용접)에 의한 시험, 및 표 4의 조건(MIG 용접)에 의한 시험의 양쪽에 있어서 동일하게 하였다.

기계 특성의 평가에 있어서는, 인장 강도가 660 내지 900MPa이며, 또한 -196℃에서의 샤르피 충격 시험에서 흡수 에너지가 50J 이상인 것을 합격으로 하였다.

또한, 얻어진 용착 금속으로부터 시험편을 채취하여 용착 금속 중의 산소량을 측정하였다. 용착 금속 중의 산소량 측정은 임펄스 가열 로-불활성 가스 용해 적외선 흡수법에 의해 측정하였다. 측정한 용착 금속 중의 산소량을 표 3-1 내지 표 3-2에 나타내었다.

본 발명의 솔리드 와이어에 있어서는, 용착 금속 중의 산소량을 저감시킴으로써 인성을 향상시키고 있다. 산소량을 160ppm 이하로 하지 않으면, -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지를 확보할 수 없는 것이 발명예 및 비교예를 통하여 확인되었다.

이어서, 각 솔리드 와이어에 대해서 내용접 결함성을 평가하였다. 이것은 표 6에 나타내는 판 두께 25㎜의 저온용 강에 대하여, 표 2의 용접 조건에서 하향 1 패스의 용접 비드를 제작했을 때의 기공 결함의 발생률(용접 길이에 대한 용접 결함 길이의 비율)이나 용접 비드의 정합성을 평가한 것이다. 용접 결함 평가에 있어서는, 용접 결함 길이가 5％ 이하이며, 또한 스퍼터 과잉에 의한 비드 형상 불량이나 고온 균열이 없는 시료를 합격으로 하고, 표에는 「없음」이라고 기재하였다. 또한 용접 비드의 정합성 평가에 있어서는, 상기 용접에 의해 형성된 비드에 있어서 가장 큰 사행이 발생한 개소를 눈으로 봐서 특정하고, 도 2에 도시한 바와 같이 용접 비드가 사행되었을 때의 용접 비드의 지단부와 정상적인 용접 비드의 지단부의 거리(길이 b)가 비드 폭(길이 a)의 25％ 이하로 된 것을 합격으로 하였다. 또한, b/a×100에서 얻어지는 값을 용접 비드 정합률이라고 칭한다. 아크 안정성에 대해서는, 아크의 소호 시간의 합계가 전체 아크 발생 시간의 10％ 이하(즉, 표 3-1 및 표 3-2의 「아크 계속 시간」이 90％ 초과)인 경우를 합격으로 하였다.

표 3-1 및 표 5-1의 시험 결과에 나타낸 바와 같이, 본 발명예인 솔리드 와이어 번호 A1 내지 A23은 인장 강도, 인성, 내용접 결함성, 아크 안정성, 및 용접 비드 정합성 모두가 우수하여 합격이었다.

한편, 표 3-2 및 표 5-2의 시험 결과에 나타낸 바와 같이, 비교예인 솔리드 와이어 번호 B1 내지 B22는 본 발명에서 규정하는 요건을 충족시키고 있지 않기 때문에, 인장 강도, 인성, 내용접 결함성, 아크 안정성, 및 용접 비드 정합성 중 1항목 이상 충족할 수 없어, 종합 판정으로 불합격이 되었다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2]

[표 3-1]

[표 3-2]

[표 4]

[표 5-1]

[표 5-2]

[표 6]

본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어는 Ni량을 저감시킴으로써 용접 재료 비용을 대폭으로 저감할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어는, 용접 시공 효율이 우수한 가스 실드 아크 용접(예를 들어 MIG 용접 및 MAG 용접 등)에 적용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어는 탈산 원소 및 미량 원소를 함유시킴으로써 용접 금속 중의 산소량을 저감함으로써, -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어진다. 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어는, 예를 들어 Ni를 5.5 내지 9.5％ 정도 함유하는 Ni계 저온용 강의 용접에 사용된 경우에, 종래 기술에 대하여 현저한 효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관계되는 솔리드 와이어의 산업계에 있어서의 가치는 지극히 높다.

1: 강판
2: 뒷댐판
3: 용접 비드
4: 샤르피 충격 시험편(2㎜V 노치)
5: A0호 인장 시험편(환봉)

Claims

솔리드 와이어로서,
화학 조성이, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로:
C: 0.003％ 이상 0.080％ 이하;
Si: 0.0010％ 이상 0.50％ 이하;
Mn: 0.050％ 이상 1.80％ 이하;
Al: 0.030％ 이상 0.500％ 이하;
Ni: 8.0％ 이상 16.0％ 이하;
P: 0.0200％ 이하;
S: 0.0100％ 이하;
O: 0.050％ 이하;
Ta: 0％ 이상 0.1000％ 이하;
Cu: 0％ 이상 0.5％ 이하;
Cr: 0％ 이상 0.5％ 이하;
Mo: 0％ 이상 0.5％ 이하;
V: 0％ 이상 0.20％ 이하;
Ti: 0％ 이상 0.10％ 이하;
Nb: 0％ 이상 0.10％ 이하;
B: 0％ 이상 0.010％ 이하;
Mg: 0％ 이상 0.80％ 이하;
REM: 0％ 이상 0.050％ 이하; 및
잔부: Fe 및 불순물
을 포함하고,
하기의 식 a로 정의되는 α가 1.35％ 이상 5.50％ 이하이고,
하기의 식 b로 정의되는 Ceq가 0.250％ 이상 0.520％ 이하인 것
을 특징으로 하는 솔리드 와이어.
α=2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta] …(식 a)
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 …(식 b)
단, 식 a 및 식 b의 []로 표시된 원소는, 각각의 원소의 상기 솔리드 와이어의 상기 전체 질량에 대한 질량％에 의한 함유량을 나타낸다.
제1항에 있어서, 상기 화학 조성이, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로,
Ta: 0.0005％ 이상 0.1000％ 이하;
Cu: 0.1％ 이상 0.5％ 이하;
Cr: 0.01％ 이상 0.5％ 이하;
Mo: 0.01％ 이상 0.5％ 이하;
V: 0.01％ 이상 0.20％ 이하;
Ti: 0.005％ 이상 0.10％ 이하;
Nb: 0.002％ 이상 0.10％ 이하;
B: 0.0003％ 이상 0.010％ 이하;
Mg: 0.10％ 이상 0.80％ 이하; 및
REM: 0.001％ 이상 0.050％ 이하
로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 솔리드 와이어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 솔리드 와이어 중의 상기 REM의 함유량이, 상기 솔리드 와이어의 상기 전체 질량에 대한 질량％로 0.010％ 이하인 것을 특징으로 하는 솔리드 와이어.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 표면에 퍼플루오로폴리에테르유를 갖는 것을 특징으로 하는 솔리드 와이어.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 인장 강도가 500MPa 이상 1000MPa 이하인 것을 특징으로 하는 솔리드 와이어.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어를 사용하여 강재를 용접하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 강재가,
판 두께가 6㎜ 이상 100㎜ 이하이고,
Ni의 함유량이 5.5질량％ 이상 9.5질량％ 이하이고,
인장 강도가 660MPa 이상 900MPa 이하인 것
을 특징으로 하는 용접 조인트의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 용접이 가스 실드 아크 용접인 것을 특징으로 하는 용접 조인트의 제조 방법.
제8항에 있어서, 실드 가스가, 순Ar 가스, 순He 가스, Ar과 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 가스, 그리고 He와 합계 20체적％ 이하의 O₂ 및 CO₂의 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 가스 중 어느 것임을 특징으로 하는 용접 조인트의 제조 방법.