KR20220066407A - 플럭스 함유 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 강제 외피와, 상기 강제 외피의 내부에 충전된 플럭스를 갖고, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 300ppm 이하이고, 상기 플럭스가 불화물을 함유하고, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 상기 불화물의 양이 F 환산값의 합계로 0.11질량％ 이상 2.50질량％ 이하이다. 본 개시의 플럭스 함유 와이어를 사용하여 용접을 행한 경우, 안정된 용접 형상을 얻을 수 있고, 게다가, 용접 금속의 확산성 수소량의 저감을 도모할 수 있다. 그 때문에, 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 예를 들어, 페라이트강과 같은 고강도강의 용접에 적합하게 사용할 수 있다.
Description
본원은, 플럭스 함유 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 가스 실드 아크 용접에 있어서 비드 형상을 안정화할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 인장 강도가 780㎫ 이상인 고강도강의 용접에 적합하게 사용할 수 있는 플럭스 함유 와이어, 및 이것을 사용한 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.
가스 실드 아크 용접은 가장 보급된 용접법이며, 특히 고능률인 용접 조인트의 제조를 가능하게 하는 점에서, 철강 재료의 용접에 널리 이용되고 있다. 또한, 가스 실드 아크 용접에 사용되는 용접 재료(용가재)로서는, 솔리드 와이어와 플럭스 함유 와이어로 크게 구별되지만, 용접 작업성이 우수하여, 보다 높은 능률성이 나타나는 점에서, 플럭스 함유 와이어가 주로 사용되고 있다.
여기서, 가스 실드 아크 용접에서 사용되는 실드 가스의 역할은, 용접 중에 용융 금속과 반응을 일으키지 않는 가스를 아크의 주변에 흘려보내고, 용융 금속과 공기의 접촉을 끊는 것이다. 즉, 공기 중의 습기에 의한 수소의 침입으로부터 용융 금속을 보호할 필요가 있고, 또한, 공기와의 반응에 의해 용융강에 질소나 산소가 용해되면, 기공 등의 용접 결함의 원인이 되어 버리는 점에서, 실드 가스로서, 일반적으로는 아르곤(Ar)이나 헬륨(He) 등의 불활성 가스가 사용되고, 용접성이나 비용성을 고려하여, 또한 이산화탄소(CO2, 탄산 가스)나 산소(O2)를 혼합한 것이 사용된다.
그런데, 가스 실드 아크 용접에 있어서는, 비드 폭이 넓어지지 않고 비드 형상이 볼록한 상태가 되어 버리는 경우가 있다. 이러한 비드 형상의 볼록화가 일어나면, 와이어 목적 위치의 어긋남(용접선의 목적 위치에 대한 어긋남)의 허용 범위가 작아져, 용접 불량이 일어나기 쉬워져 버린다. 이것을 방지하기 위해, 용접 전압을 낮게 하여 비드 형상을 확장하는 것을 생각할 수 있지만, 그 경우에는 용입량이 작아져, 험핑 비드와 같은 부정 비드를 발생해 버릴 우려가 있다.
그래서, 예를 들어, 와이어의 황(S) 농도를 높임으로써, 용융 금속에 포함되는 S 농도를 많게 하여 용융 금속의 표면 장력을 낮춤과 함께, 펄스 용접에 있어서의 펄스 피크 전류와 펄스 피크 기간을 각각 소정의 범위로 규정하여, 안정된 용적 이행을 지속시킴으로써, 광폭 또한 평탄한 비드 형상을 얻도록 하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
그러나, 이러한 방법에 의해 용접 조인트를 제조하려고 해도, 펄스 전원은 고가인 것에 더해서, 실제로는 펄스 파형의 제어는 어렵다. 또한, S량을 증가시키면, 강재나 와이어의 다른 성분의 영향에 따라서는 용접 금속의 취화를 초래할 우려가 있다.
한편, 전극을 구비한 아크 용접 토치를 사용하여 용접을 행하는 방법에 있어서, 전극에 접촉시키는 중심 가스류와 그것을 둘러싸는 환상 가스류를 배송하도록 하여, 그 중심 가스류로서 2 내지 8체적％의 수소(H2)를 포함한 아르곤과 수소의 혼합 가스를 사용하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조). 이 방법에 있어서는, 수소가 2원자 분자이므로, 재결합 중에 방출되는 에너지에 의해 열이 공급되고, 게다가, 수소는 열전도율이 높기 때문에, 아크의 에너지가 높아져, 자동 TIG 용접에 있어서의 높은 이동 속도(용접 속도)를 달성할 수 있다고 한다. 즉, 상기와 같은 가스의 조합에 의해, 용융 금속의 체적 증가와 용접 풀의 온도 상승에 수반하는 계면 활성 효과로부터 용접 속도가 높아져, 험핑에 관련되는 결함을 없앨 수 있다.
그러나, 일반적으로, 수소는 페라이트강로 저온 균열(저온 균열)을 일으키기 때문에, 이 방법은, 비경화성강이나 오스테나이트계 스테인리스강의 용접에 한정된다고 되어 있고, 또한, 혼합 가스 중의 수소의 함유량은 엄격하게 제어할 필요가 있다고 되어 있다(특허문헌 2의 단락 0047 참조).
이 저온 균열에 대해서는, 강재의 화학 성분, 강재의 판 두께 및 용착 금속의 확산성 수소량을 기초로, 고장력강의 용접 균열 감수성을 나타낸 지수(Pc)와 예열 온도의 관계가 알려져 있고(예를 들어 비특허문헌 1 참조), 이 Pc의 값이 증가함에 따라, 저온 균열을 방지하기 위한 예열 온도를 높일 필요가 있다. 그런데, 예열 작업은 용접 시공 비용의 증대나 작업 부하의 증가를 초래하기 때문에, 가능한 한 낮은 온도에서 예열 작업을 실시하거나, 예열 작업을 저감 또는 불필요하게 할 수 있는 것이 이상적이다. 그 때문에, 예열 작업에 의해 저온 균열을 방지할 수 있다고는 해도, 강의 용접에 있어서의 실드 가스로의 수소 첨가는 용접 결함을 초래할 우려가 있고, 특히 합금 성분이 높은 고강도강이나 판 두께가 큰 강재에 있어서는 지금까지 금기로 되어 왔다.
사단 법인 용접 학회(편) (2005)신판 용접ㆍ접합 기술 특론 산보 출판 가부시키가이샤(제146 페이지의 도 2 .29)
상기의 배경 기술에 감안하여, 본원은, 안정된 용접 형상을 얻을 수 있고, 용접 금속의 확산성 수소량의 저감을 도모할 수 있고, 예를 들어, 페라이트강과 같은 수소 취화하기 쉬운 고강도강에 대해서도 적용 가능한 용접 조인트의 제조 방법을 개시한다.
또한, 본원은, 안정된 용접 형상을 얻을 수 있고, 용접 금속의 확산성 수소량의 저감을 도모할 수 있고, 예를 들어, 페라이트강과 같은 고강도강의 용접에 적합하게 사용할 수 있는 플럭스 함유 와이어를 개시한다.
본원은, 상기 과제의 해결 수단으로서, 이하의 플럭스 함유 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법을 개시한다.
(1) 강제 외피와, 상기 강제 외피의 내부에 충전된 플럭스를 갖는 플럭스 함유 와이어이며, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 300ppm 이하이고, 상기 플럭스가 불화물을 함유하고, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 상기 불화물의 양이 F 환산값의 합계로 0.11질량％ 이상 2.50질량％ 이하인 것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어.
(2) 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 온도 30℃-습도 80％ 분위기에서의 흡습 시험에 있어서의 72시간 경과 후의 와이어 질량의 증가 비율이 100ppm 이하이어도 된다.
(3) 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 100ppm 이하이어도 된다.
(4) 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, JIS Z 3118:2007에 준거하여, 실드 가스로서 H2를 체적 분율로 1％ 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 시험을 행했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 5.0ml/100g 이하이어도 된다.
(5) 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, JIS Z 3118:2007에 준거하여, 실드 가스로서 H2를 체적 분율로 3％ 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 시험을 행했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 12.0ml/100g 이하이어도 된다.
(6) 본 개시의 플럭스 함유 와이어에 있어서, 상기 강제 외피가 심리스 형상을 갖고 있어도 된다.
(7) 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, H2 함유 가스를 실드 가스로서 사용한 가스 실드 아크 용접에 사용되어도 된다.
(8) 본 개시의 플럭스 함유 와이어를 사용하여, 인장 강도가 780㎫ 이상인 강재의 가스 실드 아크 용접을 행하는 것을 포함하는 용접 조인트의 제조 방법.
(9) 본 개시의 제조 방법은, 체적 분율로 0.05％ 이상 5％ 이하의 H2를 함유하여 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 상기 가스 실드 아크 용접을 행하는 것을 포함하고 있어도 된다.
본 개시의 용접 조인트 제조 방법에 의하면, 용접 형상이 향상되어 비드의 볼록화의 문제를 해소할 수 있고, 게다가, 용접 금속의 확산성 수소량의 저감을 도모할 수 있기 때문에, 수소 취화하기 쉬운 고강도강을 용접하는 경우에서도, 예열 작업에 특단의 부하를 가하지 않고 저온 균열을 방지할 수 있다.
또한, 본 개시의 플럭스 함유 와이어에 의하면, 안정된 용접 형상이 얻어지고, 게다가, 용접 금속의 확산성 수소량의 저감을 도모할 수 있기 때문에, 예를 들어, 페라이트강과 같은 고강도강의 용접에 적합하게 사용할 수 있다.
도 1은 실시예에서 사용한 플럭스 함유 와이어의 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량과 와이어 전체 질량에 대한 F 환산값의 합계의 관계를 나타내는 그래프이다.
1. 플럭스 함유 와이어
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 강제 외피와, 당해 강제 외피의 내부에 충전된 플럭스를 갖고, 적어도 다음의 (i) 및 (ii)의 성상을 갖는 것을 특징으로 한다.
(i) 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 300ppm 이하인 것.
(ii) 플럭스가 불화물을 함유하고, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 당해 불화물의 양이 F 환산값의 합계로 0.11질량％ 이상 2.50질량％ 이하인 것.
또한, 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 상기의 (i) 및 (ii)의 성상에 더하여, 다음의 (iii)의 성상을 갖고 있어도 된다.
(iii) 온도 30℃-습도 80％ 분위기에서의 흡습 시험에 있어서의 72시간 경과 후의 와이어 질량의 증가 비율이 100ppm 이하인 것.
1.1 전체 수분량
(i)에 관하여, 플럭스 함유 와이어의 수분량은, 용접 중에 플럭스 함유 와이어로부터 용접부로 이행하는 용착 금속의 확산성 수소량에 영향을 미친다. 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 300ppm 이하임으로써, 저온 균열이 억제되기 쉽다. 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량은, 200ppm 이하, 150ppm 이하, 100ppm 이하, 95ppm 이하, 90ppm 이하, 85ppm 이하, 80ppm 이하, 75ppm 이하 또는 70ppm 이하이어도 된다. 또한, 와이어 전체 질량에 대한 전체 수분량은 적을수록 좋지만, 수분량을 낮추기 위해서는 비용이 든다. 비용을 억제하는 관점에서, 전체 수분량은, 예를 들어, 10ppm 이상이어도 된다.
본 발명자의 새로운 지견에 의하면, 플럭스 함유 와이어의 전체 수분량을 저감하기 위해서는, 플럭스 함유 와이어의 어닐링 조건, 플럭스 함유 와이어의 보관 조건, 혹은, 와이어 제조 직전의 전처리 조건 등을 연구하는 것이 유효하다. 특히, 플럭스 함유 와이어에 대하여 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상에 걸쳐서 열처리를 실시함으로써, 플럭스 함유 와이어의 전체 수분량을 100ppm 이하로까지 저감할 수 있다. 열처리 온도의 상한은 예를 들어 730℃ 이하여도 된다. 또한, 본 개시의 플럭스 함유 와이어가 심리스 와이어인 경우에 있어서도, 당해 심리스 와이어를 소정 온도에서 열처리하면, 강제 외피의 내부 수분은 강제 외피의 내벽면과 반응하거나 하여 수소가 되고, 당해 수소는 강제 외피를 투과하여 와이어의 밖으로 방출될 수 있다. 즉, 플럭스 함유 와이어가 심리스 와이어인 경우도, 어닐링 처리 등을 연구함으로써, 와이어를 적절히 연화시키면서, 초기 수분량을 현저하게 저하시킬 수 있다.
또한, 종래에 있어서는, 생산성의 관점에서, 상기한 바와 같은 어닐링 처리 등의 연구가 행해지지 않고, 플럭스 함유 와이어에 포함되는 전체 수분량이 다량이 되는 경향이 있었다.
1.2 불화물
(ii)에 대해서는, 플럭스에 포함되는 불화물은 고온에서의 증기압이 높고, 용접 중에 가스화하므로, 용접 분위기에서의 수소 분압을 낮출 수 있다. 한편, 불화물의 함유량이 너무 많으면, 용접 시에 아크의 불안정을 초래하거나, 불화물에 부착된 수분에 의해 용접 재료의 수분량이 증대될 우려가 있다. 플럭스 함유 와이어에 있어서, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 당해 불화물의 양이 F 환산값의 합계로 0.11질량％ 이상 2.5질량％ 이하임으로써, 상기한 문제를 회피할 수 있다. 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 당해 불화물의 양은, F 환산값의 합계로, 0.21질량％ 이상이어도 되고, 2.3질량％ 이하이어도 된다.
이 불화물에 대해서는 특별히 제한되지 않지만, 구성 원소로서, Ca, Mg, Ba, Li, Na 및 K에서 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 불화물을 사용해도 된다. 예를 들어, CaF2, MgF2, LiF, NaF, K2ZrF6, BaF2, K2SiF6 및 Na3AlF6으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 불화물이어도 된다. 이것들 불화물은 각각 단독으로 사용되어도 되고, 후술하는 바와 같이 복수 종류의 불화물의 혼합물을 용융 및 응고시켜서 얻어지는 용융 플럭스의 형태로 사용되어도 된다. 이것들 불화물이 전리되어 발생한 Ca, Mg, Li, Na, K, Zr, Ba, Si 및 Al은, 산소와 결합하여 용접 금속 중의 산소량을 저감시키는 탈산 원소로서 작용하므로, 용접 금속의 인성을 향상시키는 점에서 유리하다. 또한, 이것들 각종 불화물의 함유량의 하한값은, F 환산값의 합계가 0.11질량％ 이상이 되는 한, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 플럭스 함유 와이어의 전체 질량에 대한 F 환산값은, 불화물에 포함되는 불소(F)의 양을, 플럭스 함유 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 나타내는 것이기 때문에, 예를 들어, 상기와 같은 불화물의 경우, 이 F 환산값은 다음 식 (1)로부터 구할 수 있다.
0.487×CaF2+0.610×MgF2+0.732×LiF+0.452×NaF+0.402×K2ZrF6+0.217×BaF2+0.517×K2SiF6+0.543×Na3AlF6 … 식 (1)
여기서, 식 (1)중의 불화물의 화학식은, 각 화학식에 대응하는 불화물의, 플럭스 함유 와이어의 전체 질량에 대한 질량％를 나타낸다. 각 불화물의 화학식의 계수는, 각 불화물의 화학 식량으로부터 산출한 것이다.
1.3 내흡습성
(iii)에 대해서는, 용접 현장에서의 사용 환경이나 그 보관 시에 와이어 내부의 플럭스가 흡습되면, 실제의 용접 시에 상기 (i)의 전체 수분량이 충족되기 어려워져, 용착 금속의 확산성 수소량이 저감되기 어려워진다. 이 점, 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 온도 30℃-습도 80％ 분위기에서의 흡습 시험에 있어서의 72시간 경과 후의 와이어 질량의 증가 비율이 100ppm 이하이어도 되고, 90ppm 이하, 80ppm 이하, 70ppm 이하, 60ppm 이하, 50ppm 이하, 40ppm 이하, 30ppm 이하 또는 20ppm 이하이어도 된다. 또한, 이 흡습 시험은, 온도 30℃, 상대 습도 80％로 유지된 항온항습 용기 내에 플럭스 함유 와이어를 넣고, 72시간 보관 후의 질량 증분으로부터 산출할 수 있다. 또한, 이 와이어 질량의 증가 비율에 대해서, 이론적으로는, 하한값은 0(제로)이다.
플럭스 함유 와이어가 이러한 내흡습성을 구비하기 위한 수단에 대해서는 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 플럭스 함유 와이어의 강제 외피가 심리스 형상을 갖는 경우에 높은 내흡습성이 확보되기 쉽다. 또한, 본 기술분야에 있어서의 「심리스 형상」이란, 강제 외피에 간극이 없는 것을 가리키고, 대표적으로는, 강제 외피가 심리스 강관을 신관(伸管)하여 얻어진 것, 및, 강제 외피가 간극 없이 심 용접된 것 등을 포함하는 개념이다. 심리스 와이어에 있어서는, 강제 외피가 심리스 형상을 갖는다. 예를 들어, 연속적으로 공급되는 외피 띠강(강제 외피)을 U형에 성형하고, 플럭스를 충전한 후, U형에 성형된 외피 띠강의 양쪽 에지면을 맞대고, 겹친 부분을 간극 없이 용접하는 조관(造管) 용접(심 용접)을 행한다. 이에 의해, 강제 외피의 내부의 플럭스를 밀폐할 수 있고, 또한, 플럭스가 밀폐됨으로써, 플럭스가 내부에 가져온 수분을 제거하기 위한 고온도 탈수소 처리가 가능해지는 것 외에, 구리 도금 등의 습식 표면 처리를 행할 수도 있게 된다. 또한 마찬가지로, 심리스 강관의 내부에 플럭스를 충전하고, 신관함으로써 심리스 형상을 갖는 플럭스 함유 와이어를 얻을 수 있다.
강제 외피의 내부에 충전되는 플럭스가 용융 플럭스인 경우, 플럭스 함유 와이어의 내흡습성이 더욱 향상되기 쉽다. 용융 플럭스는, 예를 들어, 소정의 불화물이나 산화물을 아크나 고주파 유도 가열로 용융시킨 후에 응고시키고, 그 후, 응고물을 분쇄하여 비정질의 분체로 하거나, 가스 아토마이즈법에 의해 비정질의 분체로 하는 것 등에 의해, 얻을 수 있다.
1.4 확산성 수소량
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 상술한 바와 같은 성상을 갖고, 용접 금속의 확산성 수소량의 저감을 도모할 수 있다. 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 예를 들어, JIS Z 3118:2007(강 용접부의 수소량 측정 방법)에 준거하여, 실드 가스로서 H2를 체적 분율로 1％ 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 시험을 행했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 5.0ml/100g 이하이어도 된다. 마찬가지로, JIS Z 3118:2007(강 용접부의 수소량 측정 방법)에 준거하여, 실드 가스로서 H2를 체적 분율로 3％ 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 시험을 행했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 12.0ml/100g 이하이어도 된다.
또한, 본원에 있어서, 실드 가스에 포함되는 H2의 체적 분율은, ±0.2％의 오차를 허용하는 것이다. 예를 들어, 「H2를 체적 분율로 1％ 함유하는 실드 가스」에 있어서, H2의 체적 분율은 1％±0.2％이어도 된다. 실드 가스에 포함될 수 있는 그 밖의 가스(예를 들어 CO2)의 체적 분율에 대해서도 마찬가지로 ±0.2％의 오차를 허용한다.
이와 같이, 본 개시의 플럭스 함유 와이어를 사용하여 가스 실드 아크 용접을 행하는 경우, 실드 가스가 H2를 포함하는 경우에서도 용착 금속의 확산성 수소량의 증가를 억제할 수 있기 때문에, 예를 들어, 인장 강도가 780㎫ 이상인 고강도 강재의 용접에 있어서, 종래에 비해 낮은 온도에서 예열 작업을 실시하거나, 예열 작업의 저감이 가능해지고, 경우에 따라서는, 예열 작업을 요하지 않게 할 수도 있다. 게다가, 용접부에서의 용입 형상의 개선 등을 목적으로서, 예를 들어, 체적 분율로 0.05％ 이상 5％ 이하의 H2를 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여, 고강도 강재의 가스 실드 아크 용접을 행할 수 있다. 이에 의해 용접 형상이 향상되어, 비드의 볼록화의 문제 등을 해소할 수 있게 된다.
1.5 플럭스 함유 와이어를 구성하는 그 밖의 성분
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 예를 들어, 용접하는 강재의 강도 레벨이나 구하는 인성의 정도에 따르거나, 슬래그의 형성을 고려하는 등의 필요로부터, 소정량의 불화물에 추가하여, 금속 산화물이나 금속 탄산염 등을 함유하게 해도 된다. 즉, 본 개시의 플럭스 함유 와이어에 있어서는, 공지된 플럭스 함유 와이어와 마찬가지로, 용접 금속의 화학 성분이나 탄소 당량(Ceq) 등을 제어하기 위한 합금 성분을 함유시킬 수 있다. 이러한 금속 산화물로서는, Ti, Si, Zr, Fe, Mn, Al, Na, Mg, Ca의 산화물 등을 들 수 있고, 이들의 복합 산화물이어도 된다. 또한, 금속 탄산염으로서는, CaCO3, MgCO3, Na2CO3, K2CO3, FeCO3, LiCO3 등을 들 수 있고, 이들의 복합 탄산염이어도 된다. 이러한 와이어 성분에 대해서는, 용접하는 강재의 종류나 용접 작업성 등을 고려하여 구체적으로 규정된다. 금속 산화물이나 금속 탄산염 등은, 상기의 불화물과 함께 강제 외피의 내부에 충전될 수 있다. 강제 외피의 내부에 충전되는 성분 중, 불화물과 불화물 이외의 성분(금속 산화물이나 금속 탄산염 등)의 비율은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 강제 외피의 내부에 충전되는 성분의 전체(즉, 강제 외피를 제외한 성분의 전체)를 100질량％ 로서, 불화물의 함유량이, F 환산값으로 0.4질량％ 이상 32질량％ 이하이어도 된다.
상기 플럭스 함유 와이어의, 상기 불화물, 상기 산화물, 상기 금속 산화물 및 상기 금속 탄산염을 제외하는 화학 성분이, 상기 플럭스 함유 와이어의 상기 전체 질량에 대한 질량％로, C: 0.001 내지 0.2％, Si: 0.001 내지 2.00％, Mn: 0.4 내지 3.5％, P: 0.030％ 이하, S: 0.020％ 이하, Cr: 0 내지 25％, Ni: 0 내지 16％, Mo: 0.1 내지 3.5％, Al: 0.700％ 이하, Cu: 1.00％ 이하, Nb: 0.50％ 이하, V: 0.50％ 이하, Ti: 0.500％ 이하, B: 0 내지 0.020％, Mg: 0 내지 0.90％, Bi: 0 내지 0.030％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 주된 슬래그 형성제를 티타니아(TiO2)로 한 경우는, 플럭스 함유 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, 불화물을 F 환산값의 합계로 0.11％ 이상 2.00％ 미만, Ti 산화물을 TiO2 환산의 질량％로 2.50％ 이상 8.50％ 미만, 그 밖의 산화물을 합계로 0.30％ 이상 13.00％ 미만, 탄산염을 합계로 2.00％ 이하, 철분을 0％ 이상 7.5％ 미만의 범위에서 포함하는 것이 바람직하다.
주된 슬래그 형성제를 라임계로 한 경우는, 플럭스 함유 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, 불화물을 F 환산값의 합계로 0.11％ 이상, Ti 산화물을 TiO2 환산으로 0％ 이상 2.50％ 미만, 그 밖의 산화물을 합계로 0.30％ 이상 3.50％ 미만, 탄산염을 합계로 0 내지 3.50％, 철분을 0％ 이상 10.0％ 미만의 범위에서 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 슬래그를 거의 형성하지 않는 메탈계로 한 경우는, 플럭스 함유 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, 불소 화합물을 F 환산값의 합계로 0 내지 0.050％, 산화물을 합계로 0.01 내지 0.5％, 철분을 1.0 내지 12.0％의 범위에서 포함하고, Ti 산화물은 첨가하지 않는 것이 바람직하다.
이상이 본 개시의 플럭스 함유 와이어의 성분 조성에 관한 한정 이유이지만, 그 밖의 잔부 성분은 Fe 및 불순물이어도 된다. Fe 성분으로서는, 강제 외피의 Fe, 플럭스 중에 포함되는 철분 및 합금 성분 중의 Fe가 포함된다. 또한, 플럭스 함유 와이어는, 제조 과정 등에서 혼입되는 불순물을 함유해도 된다.
또한, 용접 시에 플럭스 함유 와이어의 송급성을 향상시키기 위해, 플럭스 함유 와이어의 표면에 윤활제를 도포하도록 해도 된다. 플럭스 함유 와이어용의 윤활제로서는, 여러 종류의 것을 사용할 수 있고, 예를 들어, 퍼플루오로폴리에테르유(PFPE유)나 식물유 등을 사용할 수 있다.
1.6 플럭스의 충전율
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 예를 들어, 이하의 플럭스 충전율을 갖고 있어도 된다. 즉, 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 당해 플럭스 함유 와이어의 전체의 질량을 100％로 한 경우에, 플럭스가 8.0질량％ 이상을 차지하고 있어도 되고, 25.0질량％ 이하를 차지하고 있어도 된다. 또한, 본 개시의 플럭스 함유 와이어의 선 직경(직경)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 0.5㎜ 이상이어도 되고, 5.0㎜ 이하이어도 된다. 또한, 본 개시의 플럭스 함유 와이어에 있어서의 강제 외피의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 0.1㎜ 이상이어도 되고, 2.0㎜ 이하이어도 된다.
1.7 플럭스 함유 와이어의 제조 방법
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 예를 들어, 이하의 공정을 거침으로써 제조할 수 있다. 우선, 상술한 심리스 형상의 와이어를 제조하는 경우에는, 강제 외피가 되는 강대와, 소정의 함유량이 되도록 배합한 플럭스를 준비한다. 이어서, 강대를 길이 방향으로 보내면서 성형 롤에 의해 성형하여 오픈관(U자형)으로 하고, 이것을 강제 외피로 한다. 강대의 성형 도중에 오픈관의 개구부로부터 플럭스를 공급한다. 강대의 성형 후에, 개구부의 상대되는 에지면을 맞대 심 용접하고, 플럭스를 넣은 강관을 얻는다. 이 강관을 신관하고, 신관 공정의 도중 또는 신관 공정의 완료 후에 강관을 어닐링 처리한다. 이때, 상기한 바와 같이 어닐링 조건 등을 연구함으로써 와이어에 있어서의 전체 수분량을 저감할 수 있다. 이상의 공정에 의해, 원하는 선 직경을 갖고, 강제 외피의 내부에 플럭스가 충전된 심리스 와이어를 얻을 수 있다. 또한 그 밖에, 심리스 강관의 내부에 플럭스를 충전하고, 신관 후에 어닐링함으로써도, 본 개시에 관한 심리스 형상을 갖는 와이어를 제조할 수 있다. 한편, 심리스 형상을 갖지 않는 플럭스 함유 와이어에 대해서는, 오픈관의 개구부로부터 플럭스를 공급한 후, 개구부의 상대되는 에지면을 맞대어 관으로 하고, 그 관의 심 용접을 하지 않은 상태로, 신관함으로써 얻을 수 있다.
2. 플럭스 함유 와이어의 용도
본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 예를 들어, H2 함유 가스를 실드 가스로서 사용한 가스 실드 아크 용접에 사용되어도 된다. 특히, H2 함유 가스를 실드 가스로서 사용하여, 인장 강도가 780㎫ 이상인 고강도 강재와 같은 수소 취화하기 쉬운 강재를 가스 실드 아크 용접하는 경우에 보다 적합하게 사용된다. 단, 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 이 이외의 강재 용접에 사용해도 되고, H2가 첨가되지 않는 실드 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접이나 실드 가스를 사용하지 않는 셀프 실드 아크 용접, 서브머지 아크 용접 등에 사용해도 된다. 특히, 본 개시의 플럭스 함유 와이어는, 저온 균열 감수성이 높은 강재를 용접하는 경우에서도, 예열을 행하지 않고, 또는 예열을 현저하게 경감하면서 저온 균열의 발생을 억제할 수 있다.
3. 용접 조인트의 제조 방법
본 개시의 플럭스 함유 와이어를 사용하여 강재의 가스 실드 아크 용접을 행함으로써, 용접 조인트를 제조할 수 있다. 본 개시의 용접 조인트 제조 방법은, 예를 들어, 상기의 플럭스 함유 와이어를 사용하여, 인장 강도가 780㎫ 이상인 강재의 가스 실드 아크 용접을 행하는 것을 포함하고 있어도 된다. 보다 구체적으로는, 체적 분율로 0.05％ 이상 5％ 이하의 H2를 함유하여 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 가스 실드 아크 용접을 행하는 것을 포함하고 있어도 된다. 용접 대상인 강재의 종류나 실드 가스의 종류에 대해서는 특별히 한정되지는 않는다.
실시예
다음에, 실시예 및 비교예에 기초하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들의 내용에 제한되는 것은 아니다.
우선, 플럭스의 제작 방법으로서는, 용융형과 비용융형의 2종류를 채용하였다. 이 중, 용융형의 플럭스 제작 방법에서는, 소정의 산화물 및 불화물을 아크 용해하고, 도가니에 빼내어 분쇄함으로써, 분체로서 마무리하였다. 그것들을 금속 성분과 혼합하고, 용융형의 플럭스 소재로 하였다. 한쪽의 비용융형의 플럭스 제작 방법에서는, 소정의 산화물, 불화물 및 금속의 분체를 혼합하고, 규산 나트륨이나 규산 칼륨의 수용액으로부터 되는 점결제를 첨가하여 혼합하고, 건조시켜서 분체 형상으로 시킴으로써, 비용융형의 플럭스 소재로 하였다. 그리고, 각각의 플럭스 소재를 350℃에서 1 내지 10시간으로 열처리한 후, 다음과 같은 2종류의 와이어 제작 방법에 의해 플럭스를 충전하여, 플럭스 와이어로 하였다.
하나는 심리스형의 와이어 제작 방법이다. 이 심리스형에서는, 강대를 길이 방향으로 보내면서 성형 롤에 의해 오픈관에 성형하고, 이 성형 도중에 오픈관의 개구부로부터 플럭스를 공급하여, 개구부의 상대되는 에지면을 맞대고, 슬릿 형상의 간극을 용접함으로써, 슬릿 형상의 간극이 없는 관으로 하였다. 그리고, 조관한 와이어의 신선 작업의 도중에 600 내지 800℃의 온도 범위에서 1 내지 10시간으로 유지하고, 그 후 노냉하는 어닐링을 추가하고, 최종의 와이어 직경이 φ1.2㎜인 플럭스 함유 와이어를 얻었다. 어닐링 조건을 연구함으로써, 와이어에 포함되는 전체 수분량을 조정하였다. 구체적으로는, 플럭스 함유 와이어에 대하여, 600℃ 이상에서 30분 이상에 걸쳐서 열처리를 실시함으로써, 전체 수분량을 100ppm 이하로까지 저감할 수 있었다. 또한, 열처리 온도가 500℃인 경우는, 열처리 시간을 10시간으로 해도 전체 수분량은 100ppm 초과이었다. 또 하나는 권취 체결형의 와이어 제작 방법이다. 권취 체결형에서는, 강대를 길이 방향으로 보내면서 성형 롤에 의해 오픈관에 성형하고, 이 성형 도중에 오픈관의 개구부로부터 플럭스를 공급하고, 롤 압연기에 의한 신선 가공에 의한 권취 체결을 행하고, 간극이 있는 최종의 와이어 직경이 φ1.2㎜인 플럭스 함유 와이어를 얻었다. 이것들 플럭스 함유 와이어(와이어 번호 1 내지 40)의 구성을 표 1-1, 표 1-2, 표 1-3 및 표 1-4에 나타낸다.
표 1-1, 표 1-2에 나타내어진 각 불화물의 함유량, 각 산화물의 함유량 및 탄산염의 함유량은 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대한 질량％이다. 여기서, 산화물의 함유량은 소정의 산화물의 환산값으로 나타내고 있고, 구체적으로는 다음과 같다. 즉, Ti 산화물은 TiO2, Si 산화물은 SiO2, Zr 산화물은 ZrO2, Fe 산화물은 FeO, Mn 산화물은 MnO2, Al 산화물은 Al2O3, Na 산화물은 NaO, Mg 산화물은 MgO 및 Ca 산화물은 CaO를 나타낸다. 또한, F 환산값은 상술한 식 (1)로부터 구한 값이다. 또한, 플럭스 충전율은, 플럭스 함유 와이어에 있어서의 플럭스의 질량 비율을 나타낸다. 게다가 또한, 탄산염의 함유량은 각 탄산염을 합계한 합계량을 나타낸다. 한편, 표 1-3, 표 1-4에서는, 합금 성분으로서 포함되는 각 원소의 함유량을 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대한 질량％로 나타내고 있다. 또한, 표에 개시된 플럭스 함유 와이어의 잔부(즉, 표 1-1, 1-2, 표 1-3 및 표 1-4에 개시된 각 성분 이외의 성분)는, 철 및 불순물이었다. 또한, 표에 개시된 각 와이어 번호의 플럭스 함유 와이어는, 각각 윤활유로서 식물유를 도포하였다.
[표 1-1]
[표 1-2]
[표 1-3]
[표 1-4]
상기에서 얻어진 플럭스 함유 와이어에 대해서, 각각의 성상을 다음과 같이 하여 평가하였다. 우선, 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량은, JIS K0068:2001에 준거한 칼 피셔법(KF법)에 의해 측정하였다. 측정 시료로 하여 플럭스 함유 와이어를 1 내지 2㎜의 길이로 절단하여, 절단편을 계 1 내지 5g 채취하였다. 이 측정 시료를 900℃에서 가열한 노 내에 장입하고, 기화시킨 수분을 전량 적정법에 의해 측정하였다. 또한, 플럭스 함유 와이어의 질량 증가 비율은, 제작한 플럭스 함유 와이어를 1kg 준비하고, 온도 30℃, 상대 습도 80％로 유지된 항온항습 용기 내에 72시간 보관했을 때의 보관 후의 질량 증분으로부터 산출하였다.
한편, 이들의 플럭스 함유 와이어를 사용하여 용접했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량의 측정은, JIS Z 3118:2007(강 용접부의 수소량 측정 방법)에 준거한 가스 크로마토그래피법에 의해 실시하였다. 용접 시, 실드 가스로서는, 탄산 가스(CO2) 100vol.％의 경우, 1vol.％의 수소 가스(H2)를 포함하도록 조정한 H2와 CO2의 혼합 가스의 경우 및 3vol.％의 H2를 포함하도록 조정한 H2와 CO2의 혼합 가스의 경우 3종류로 평가하였다. 또한, 용접 조건으로서는, 표 2에 기재된 범위에서 실시하였다. 또한, 확산성 수소량의 측정용의 모재로서는, 질량％로, C: 0.14％, Si: 0.20％, Mn: 0.76％, P: 0.020％, S: 0.008％ 및 잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는 강판을 사용하였다. 이들 평가에 기초하는 플럭스 함유 와이어의 성상에 대해서, 결과를 표 3-1, 표 3-2에 통합하여 나타낸다. 여기서, 표 3-1, 표 3-2에서는, 각 플럭스 함유 와이어에서의 플럭스의 제작 방법, 와이어의 제작 방법을 함께 나타내고 있다. 또한, 상기 확산성 수소량의 측정 결과에 대해서, 탄산 가스(CO2) 100vol.％의 실드 가스를 사용했을 때에 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 4.0ml/100g을 초과하는 경우, 1vol.％의 수소 가스(H2)와 CO2의 혼합 가스로 이루어지는 실드 가스를 사용했을 때에 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 5.0ml/100g을 초과하는 경우, 3vol.％의 수소 가스(H2)와 CO2의 혼합 가스로 이루어지는 실드 가스를 사용했을 때에 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 12.0ml/100g을 초과하는 경우에는, 표 3-2에 있어서 수치에 밑줄을 그었다.
[표 2]
[표 3-1]
[표 3-2]
또한, 각 플럭스 함유 와이어를 사용하여, 평탄한 강재의 상면에 비드 용접을 행하였다. 여기서, 용접 조건은 표 4와 같다. 또한, 강재는 JIS G 3106:2015에 규정되는 SM400A를 사용하였다. 강재의 치수는 두께 12㎜, 폭 40㎜, 길이 300㎜로 하고, 용접 비드는 200㎜ 제작하였다. 외관의 목시 조사에 의해 정상적인 비드를 형성할 수 없는 것을 D로 하고, 정상적인 비드를 형성할 수 있지만, 용입 깊이를 비드 폭으로 나눈 값이 0.3 미만으로 되는 것을 C로 하고, 정상적인 비드가 형성할 수 있고, 또한 용입 깊이를 비드 폭으로 나눈 값이 0.3 이상 0.6 미만으로 되는 것을 B로 하고, 정상적인 비드가 형성할 수 있고, 또한 용입 깊이를 비드 폭으로 나눈 값이 0.6 이상 0.9 미만으로 되는 것을 A로서 평가하였다. 결과는 표 3-2에 나타낸 바와 같다.
[표 4]
와이어 번호 1 내지 20의 플럭스 함유 와이어에서는, 어느 실드 가스를 사용한 경우에서도 비드 형상은 양호하였다. 특히, 3vol.％의 H2와 CO2의 혼합 가스의 경우에는, 용입 깊이를 비드 폭으로 나눈 값이 보다 커지고, 열이 집중되어 용접부에서의 용입 형상을 보다 이상적으로 하면서, 확산성 수소량을 억제할 수 있다. 한편, 와이어 번호 21 내지 32의 플럭스 함유 와이어에서는 비드의 형상이 안정되지 않고, CO2 가스 100vol.％의 실드 가스의 경우에는, 정상적인 비드를 형성할 수 없었다. 또한, 와이어 번호 33 내지 40의 플럭스 함유 와이어에서는, 정상적인 비드를 형성할 수는 있어도 용접 금속에서의 확산성 수소량을 억제할 수는 없었다. 또한, 도 1에는, 이들의 플럭스 함유 와이어의 와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량과 와이어 전체 질량에 대한 F 환산값의 합계의 관계가 그래프로 나타내어져 있다.
또한, 상기의 플럭스 함유 와이어 중, 몇 개의 와이어를 사용하여, 인장 강도가 780㎫ 이상인 강재(WES 3001에 규정되는 HW685)에 대하여 마찬가지로 비드 용접을 행한 결과, 상기의 SM400A를 사용한 경우와 거의 마찬가지의 결과가 얻어졌다. 즉, 당업자로부터 보면, 용접 비드의 평가에 관해서, 강재로서 SM400A를 사용한 경우에서도 HW685를 사용한 경우에서도, 마찬가지의 결과가 얻어지는 것이 명확하다.
또한, 얻어진 플럭스 함유 와이어에 관해서, JIS Z 3184:2003에 규정되는 화학 분석용 용착 금속의 제작 방법 및 시료의 채취 방법에 따라, 용접 금속의 성분을 분석하였다. 결과는 표 5-1, 표 5-2에 나타낸 바와 같다.
[표 5-1]
[표 5-2]
Claims (9)
- 강제 외피와, 상기 강제 외피의 내부에 충전된 플럭스를 갖는 플럭스 함유 와이어이며,
와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 300ppm 이하이고,
상기 플럭스가 불화물을 함유하고,
와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 상기 불화물의 양이 F 환산값의 합계로 0.11질량％ 이상 2.50질량％ 이하인
것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어. - 제1항에 있어서,
온도 30℃-습도 80％ 분위기에서의 흡습 시험에 있어서의 72시간 경과 후의 와이어 질량의 증가 비율이 100ppm 이하인 플럭스 함유 와이어. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
와이어 전체 질량에 대한 비율에서의 전체 수분량이 100ppm 이하인 플럭스 함유 와이어. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
JIS Z 3118:2007에 준거하여, 실드 가스로서 H2를 체적 분율로 1％ 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 시험을 행했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 5.0ml/100g 이하인 플럭스 함유 와이어. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
JIS Z 3118:2007에 준거하여, 실드 가스로서 H2를 체적 분율로 3％ 함유하고, 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 시험을 행했을 때의 용착 금속의 질량당의 확산성 수소량이 12.0ml/100g 이하인 플럭스 함유 와이어. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강제 외피가 심리스 형상을 갖는 플럭스 함유 와이어. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
H2 함유 가스를 실드 가스로서 사용한 가스 실드 아크 용접에 사용되는 플럭스 함유 와이어. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 플럭스 함유 와이어를 사용하여, 인장 강도가 780㎫ 이상인 강재의 가스 실드 아크 용접을 행하는 것을
포함하는 용접 조인트의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
체적 분율로 0.05％ 이상 5％ 이하의 H2를 함유하여 잔부가 CO2 및 불순물로 이루어지는 실드 가스를 사용하여 상기 가스 실드 아크 용접을 행하는 것을 포함하는 용접 조인트의 제조 방법.
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