KR20230078330A - 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어 - Google Patents

우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어로서으로서, 상기 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어는, 중량%로, C: 0.1% 이하(0％를 포함하지 않음), Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.025% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 1.5~3.5%, Ti: 0.05~0.09%, B: 0.003~0.009%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재일 수 있다.

Description

우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어{Welding wire having excellent low temperature impact toughness and fracture toughness}
본 발명은 용접 와이어에 관한 것으로서, 더 상세하게는 해양 용접구조물에 사용되는 플럭스코어드아크용접(FCAW) 기법으로 얻을 수 있는 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어에 관한 것이다.
용접 구조물 전체의 안전성이 엄격히 요구되는 해양 구조물, 압력용기, 발전설비 부품, 저온구조물 등은 저온 환경에 노출되기 쉽다. 이러한 환경에서 구조물의 갑작스러운 취성파괴를 방지하기 위하여 용접부 충격인성 및 파괴인성을 충분히 확보해야 한다.
그 중에서도, 해양구조물은 해저에 매장된 석유나 천연가스와 같은 에너지 자원을 탐사하고 시추하는데 사용된다. 해양구조물은 북해, 멕시코만 등 다양한 곳에 설치되어 운영 중이며, 주어진 환경에 대한 특성이 엄격히 요구된다. 해양구조물은 해수 분위기에서의 부식, 폭풍과 파도에 의한 충격하중과 피로하중을 많이 받기 때문에 육상구조물에 비해 엄격한 설계 기준이 적용된다.
특히, 해양구조물의 상당 부분이 용접으로 제작되기 때문에, 해양구조물에서는 용접기술의 중요성이 더욱 강조된다. 용접부의 기계적 성능에 따라 제품의 품질이 크게 좌우되며, 용접부의 우수한 품질 특성 확보가 중요하다. 한국등록특허 제10-1289964호에 의하면, 종래에는 용접부의 기계적 특성을 향상시키기 위해서, 용접재의 합금 조성 및 공정 조건 등을 제어하는 연구가 진행되었으나, 취성균열 발생에 저항하는 성질을 측정하는 CTOD(Crack tip opening displacement) 특성이 낮은 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-1289964호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, -40℃에서 저온 파괴인성과 -60℃에서 샤르피 충격 에너지 값이 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어를 제공한다. 상기 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어는 중량%로, C: 0.1% 이하(0％를 포함하지 않음), Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.025% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 1.5~3.5%, Ti: 0.05~0.09%, B: 0.003~0.009%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어를 제공한다. 상기 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어는 중량%로, C: 0.04~0.1%, Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.02% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 2.0~3.0%, Ti: 0.06~0.08%, B: 0.004~0.008%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재일 수 있다.
상기 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어에 있어서, 상기 강재의 미세조직은 침상 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함할 수 있다.
상기 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어에 있어서, 상기 침상 페라이트(Acicular ferrite)는 모재 내에 85% 이상 함유될 수 있다.
상기 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어에 있어서, 상기 강재의 CTOD 값은 -40℃에서 0.25mm 이상의 값을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양용접구조물의 플럭스코어드아크 용접부의 우수한 저온충격인성, 저온파괴인성을 동시에 확보하기 위해, 합금 성분을 제어하여 가장 우수한 특성을 가질 수 있는 용접 와이어의 화학 조성을 최적화하였다. 상기 화학 조성을 최적화함으로써 저온 환경에서의 해양 용접구조물의 갑작스러운 취성파괴를 방지하고 폭풍과 파도에 의한 충격하중과 피로 하중 환경에서의 해양 용접구조물의 안정성 및 저항성을 향상하여 제품의 수명 증가에 기여할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 용접 와이어 샘플의 미세조직을 광학현미경으로 분석한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
일반적으로 해양구조물은 해수 분위기에서의 부식, 폭풍과 파도에 의한 충격하중과 피로하중을 많이 받기 때문에, 구조물의 갑작스러운 취성파괴를 방지하기 위하여 용접부 충격인성 및 파괴인성을 충분히 확보해야 한다.
특히, 해양구조물의 상당 부분이 용접으로 제작되기 때문에, 해양구조물에서는 용접재의 품질에 크게 영향을 받는다. 상기 용접재에 대한 합금 조성 및 공정 조건 등을 제어하였으나, 저온충격인성을 판단하는 CTOD 특성을 만족하는 것은 없었다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 Mn, Ti 및 Ni 함량을 적절하게 제어함으로써, CTOD 특성이 우수해지는 효과를 얻을 수 있는 용접 와이어를 개발하였다. 이하에서, 각 원소의 최적 범위에 따른 본 발명의 주요한 기술적 특징에 대해 후술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해양 용접구조물의 플럭스코어드아크용접의 용접 와이어의 합금 성분(Mn, Ti, Ni 함량)을 제어하여 우수한 저온충격인성, 파괴인성을 갖는 용접부 금속을 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어는 중량%로, C: 0.1% 이하(0％를 포함하지 않음), Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.025% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 1.5~3.5%, Ti: 0.05~0.09%, B: 0.003~0.009%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재일 수 있다.
더 바람직하게는, 용접 와이어는 중량%로, C: 0.04~0.1%, Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.02% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 2.0~3.0%, Ti: 0.06~0.08%, B: 0.004~0.008%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재일 수 있다.
상기 C 함량은 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음)의 범위가 바람직하다. 더 바람직하게는 C의 함량은 0.04~0.1% 범위가 바람직하다. C는 경화능이 높은 원소로 용접 와이어의 강도를 확보하기 위한 원소이다. C의 함량이 0.04% 미만인 경우 용접 금속부의 강도가 저하되고, C의 함량이 0.1%를 초과할 경우 경화능 증가로 강도 및 경도가 급격히 증가하게 되기 때문에, C의 함량을 0.04~0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Si 함량은 0.2~0.3% 범위가 바람직하다. Si은 용접 금속의 유동에 영향을 주고 탈산 효과를 확보하기 위한 원소이다. Si의 함량이 0.2% 미만일 경우에는 탈산력 부족으로 결함, 특히 기공이 발생하기 쉽다. 반면, Si의 함량이 0.7% 초과 일 경우 충격인성을 저하시키고 경도가 지나치게 상승하게 되어 취성이 생기기 쉽다.
상기 Mn 함량은 0.8~1.3% 범위가 바람직하다. Mn은 용접 금속부의 강도와 충격인성을 확보하고 탈산 작용을 하는 매우 중요한 원소이다. 일반적인 고강도강 용접 와이어의 Mn 함량은 1.2~1.7% 수준을 확보하고 있지만 그렇게 될 경우, 경도 상승으로 인해 본 발명의 범위를 벗어나게 된다. 따라서, 용접 와이어의 강도 및 충격인성을 적당히 유지하고, 낮은 경도를 확보하기 위해서는 Mn 함량을 0.8~1.3%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 P 함량은 0.025% 이하(0％를 포함하지 않음)가 바람직하다. P는 서브머지드 아크용접 공정시 고온균열을 발생시키는 불순물로서 최대한 낮게 관리하는 것이 중요하다. 따라서, P의 함량은 0.025% 이하로 제한한다. 더 바람직하게는 P 함량을 0.02% 이하로 제한한다.
상기 S 함량은 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음)가 바람직하다. S는 FeS 저융점 화합물을 형성하기 때문에, 고온균열 발생 가능성을 높이고 MnS를 형성하여 내(耐) 사워(Sour) 특성을 저하시킬 우려가 있기 때문에 S 함량을 0.015% 이하로 제한한다.
상기 Ni 함량은 1.5~3.5% 범위가 바람직하다. Ni은 용접 금속부의 기지조직을 강화시켜 강도와 충격 인성을 확보하는 매우 중요한 원소이다. 하지만 그 함량이 높을 경우 경화능 증가로 강도와 경도 상승의 우려가 있기 때문에 그 함량을 1.5~3.5%로 제한하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 Ni의 함량은 2.0~3.0%로 제한한다.
상기 Ti 함량은 0.05~0.09% 범위가 바람직하다. Ti은 용접 금속부의 충격인성에 좋은 영향을 미치는 침상 페라이트 조직 형성에 큰 기여를 하는 합금 원소로서, 주로 TiO 산화물이나 TiN 형태의 석출물을 만들어 용접 와이어의 연성-취성 천이온도(DBTT)를 낮추는 역할을 한다. Ti 함량이 0.05% 미만일 경우에는 이와 같은 효과를 기대할 수 없고, 0.09% 초과일 경우에는 조대 산화물 석출물로 인해 인성 저하가 발생하여, 충격인성 상승효과는 줄어든다. 오히려, 강도 상승 및 인성 저하를 초래할 수 있다. 더 바람직하게, Ti의 함량은 0.06~0.08%로 제한한다.
상기 B의 함량은 0.003~0.009% 범위가 바람직하다. B은 적당량을 첨가하면 오스테나이트 결정입계에 편석하여 입계 에너지를 낮추어 충격인성이 열악한 결정입계 페라이트 형성을 억제하고 침상 페라이트 변태를 촉진시키는 역할을 한다. 하지만, B 함량이 0.003% 미만일 경우 그 효과를 얻을 수 없으며 0.009% 초과일 경우에는 소입성 증가로 용접 금속부 강도와 경도가 증가한다. 특히, 저온 균열을 감수성 증가로 인해 B의 함량은 0.003~0.009% 범위가 바람직하며, 더 바람직하게는 B의 함량을 0.004~0.008%로 제한한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 와이어 강재는 상기 원소들을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 강재의 미세조직은 침상 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 침상 페라이트(Acicular ferrite)는 모재 내에 85% 이상 함유될 수 있다. 또, 상기 강재의 CTOD 값은 -40℃에서 0.25mm 이상의 값을 가질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 용접 와이어의 미세조직에 따른 CTOD 특성을 확인하기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
하기 표 1에 나타낸 화학 조성을 가지는 용접 와이어 샘플을 평가하기 위하여 충격시험편, CTOD 시험편을 각각 용접 이음부 중앙에서 채취하였고, 충격시험편은 KS B 0809 3호 시편으로 제작, 저온(-60℃)에서 샤르피 충격 시험을 통하여 충격흡수에너지를 측정하여 평균값을 표 2에 나타내었다.
구분 용접 금속부 성분 조성(wt.%)
C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Nb Ti V B
(ppm)		 N
(ppm)		 O
(ppm)
실험예 1 0.06 0.22 1.17 0.01 0.01 - 2.22 - - - - - - -
실험예 2 0.049 0.22 1.23 0.005 0.005 0.01 2.24 0.03 0.004 0.004 0.065 0.008 55 21 579
실험예 3 0.050 0.22 1.26 0.005 0.005 0.01 2.56 0.02 0.003 0.004 0.082 0.008 35 20 561
실험예 4 0.042 0.26 1.22 0.004 0.004 0.01 2.36 0.03 0.001 0.007 0.038 0.015 42 19 563
실험예5 0.041 0.29 1.24 0.004 0.004 0.01 2.35 0.03 0 0.007 0.056 0.014 5 26 531
구분 CVN test(Avg. J @ -60℃) Weld metal Hardness(Hv10) CTOD
(0.25mm이상 @ -40℃)
S-2mm 1/4t 1/2t
S-2mm
1/4t
1/2t
WM FL WM FL WM FL
실험예 1 Ave.36J Ave.177J Ave.66J Ave.153J Ave.89J S-2mm
Ave.129J		 Ave.296 Ave.258 Ave.223 0.15
0.08
0.12
실험예 2 Ave.87J - Ave.86J - Ave.117J Ave.69J Ave.251 Ave.245 Ave.246 0.38
0.28
0.29
실험예 3 Ave.80J - Ave.86J - Ave.50J - Ave.298 Ave.263 Ave.274 0.05
0.10
0.09
실험예 4 Ave.157J
(118/166/186)		 Ave.72J Ave.48J
(25/105/16)		 Ave.72J Ave.58J
(32/117/24)		 Ave.83J Ave.243 Ave.260 Ave.252 0.13
0.10
0.07
실험예 5 Ave.40J
(54/34/32)		 Ave.39J Ave.56J
(55/44/69)		 Ave.22J Ave.88J
(126/67/70)		 Ave.57J Ave.218 Ave.237 Ave.257 0.04
0.06
0.09
표 2를 참조하면, 실험예 2 샘플의 화학 성분 조성에서 저온에서의 충격인성값이 0.28mm 이상으로 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 나머지 실험예 샘플들은 0.25mm 이하의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
합금 원소의 영향으로 Mn 및 Ni을 첨가함으로써, 강도와 충격인성은 확보가 가능하지만 상기 원소가 일정 함량 이상일 경우 경도가 상승하게 된다. Ti 및 B의 경우, 용접부의 충격인성에 좋은 영향을 미치는 침상 페라이트 조직 형성에 큰 기여를 하지만, 일정 함량 이상으로 첨가될 경우에는 인성의 저하가 발생한다.
따라서, 실험예 2와 같이, 상기 Mn, Ni, Ti 및 B의 최적 범위 제어를 통해 저온충격인성 및 저온파괴인성 특성을 모두 만족할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 5에 따른 우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어 샘플의 미세조직을 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 실험예 3 내지 실험예 5 샘플은 응고하면서 조대한 주상정 조직이 형성되고, 이로 인해 조대한 오스테나이트 결정입계를 따라 인성에 취약한 조대한 입계페라이트 및 비드만스테텐(Widmanstattten) 페라이트가 형성됨으로써 저온에서의 CTOD특성이 저하된다.
반면, 실험예 2 샘플의 미세조직은 침상 페라이트 조직이 85%이상을 포함하며, 이로 인해 CTOD특성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 즉, Ti 산화물과 용해성(soluble)의 B을 이용하여 침상 페라이트 조직을 촉진하고, Ni에 의해 기지조직의 인성을 향상시킨다.
Ni의 증가는 연성취성전이온도(DBTT)를 감소시켜 인성을 개선하지만 과다한 Ni의 첨가는 경도가 증가하게 되어 인성을 저하시킨다. Ni은 초석페라이트 형성을 억제하고 베이나이트, 마르텐사이트를 변태촉진시킨다. 이와 같은 변태는 결정립을 미세화시키는 효과가 있다. 또, 저온에서 전위의 교차슬립을 용이하게 하여 벽개파괴보다 소성변형이 쉽게 일어나게 함으로서 저온인성을 증가시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 해양용접구조물의 플럭스코어드아크 용접부의 우수한 저온충격인성 및 저온파괴인성을 동시에 확보하기 위해서 최적의 합금 성분을 조합하였다. 상기 화학 조성을 최적화함으로써, 저온 환경에서의 해양 용접구조물의 갑작스러운 취성파괴를 방지하고, 폭풍과 파도에 의한 충격하중과 피로하중 환경에서 해양 용접구조물의 안정성 및 저항성을 향상하여 제품의 수명 증가에 기여할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 중량%로, C: 0.1% 이하(0％를 포함하지 않음), Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.025% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 1.5~3.5%, Ti: 0.05~0.09%, B: 0.003~0.009%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재인,
    우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어.
  2. 중량%로, C: 0.04~0.1%, Si: 0.2~0.3%, Mn: 0.8~1.3%, P: 0.02% 이하(0％를 포함하지 않음), S: 0.015% 이하(0％를 포함하지 않음), Ni: 2.0~3.0%, Ti: 0.06~0.08%, B: 0.004~0.008%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재인,
    우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강재의 미세조직은 침상 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는,
    우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 침상 페라이트(Acicular ferrite)는 모재 내에 85% 이상 함유된,
    우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강재의 CTOD 값은 -40℃에서 0.25mm 이상의 값을 갖는,
    우수한 저온충격인성 및 파괴인성을 갖는 용접 와이어.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101289964B1 (ko) 2010-09-06 2013-07-26 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 플럭스 코어드 용접 와이어 및 이를 이용한 육성 용접의 아크 용접 방법

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