KR20240046704A - 솔리드 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어이며, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, 상기 솔리드 와이어의 화학 성분이 C: 0 내지 0.650％, Si: 0.03 내지 0.50％, Mn: 4.1 내지 30.0％, P: 0 내지 0.050％, S: 0 내지 0.050％, Cu: 0 내지 5.0％, Ni: 1.0 내지 30.0％, Cr: 0 내지 10.0％, Mo: 0 내지 10.0％, Nb: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 1.00％, Co: 0 내지 1.00％, Pb: 0 내지 1.00％, Sn: 0 내지 1.00％, Al: 0 내지 0.10％, Ti: 0 내지 0.10％, B: 0 내지 0.1000％, N: 0 내지 0.5000％, O: 0 내지 0.0050％, 그리고 잔부: Fe 및 불순물이며, (Mn+Ni)가 5.0％ 이상이며, (Mn+Ni+Cr)이 15.0％ 이상이며, fcc 비율이 70％ 이상인 솔리드 와이어.
Description
본 개시는, 솔리드 와이어 및 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 지구 온난화의 문제에 의한 이산화탄소 배출량 규제 강화에 의해, 석유 및 석탄 등에 비하여 이산화탄소의 배출이 없는 수소 연료, 그리고 이산화탄소의 배출이 적은 천연 가스 등의 수요가 높아지고 있다. 그것에 수반하여, 선박이나 지상 등에서 사용하는 액체 수소 탱크, 액체 탄산 가스 탱크 및 LNG 탱크 등의 건조의 수요도 세계적으로 높아지고 있다. 액체 수소 탱크, 액체 탄산 가스 탱크 및 LNG 탱크 등에 사용되는 강재에는, -196℃의 극저 온도에서의 인성 확보 요구로 인해, 6 내지 9％ Ni를 포함하는 Ni계 저온용 강이 사용되고 있다.
그리고, 이들 Ni계 저온용 강의 용접에는, 우수한 저온 인성의 용접 금속이 얻어지는 오스테나이트계의 와이어가 사용되고 있다. 이 와이어는, 주로, Ni 함유량이 70％로 설계되어 있다.
예를 들어, Ni 함유량 70％의 와이어로서, 특허문헌 1에는, 「Ni 함유량이 35 내지 70％이며, 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％ 포함하며, 또한 TiO2, SiO2, ZrO2 및 MnO2(환산량)의 함유량을 질량％로, 각각, [TiO2], [SiO2], [ZrO2] 및 [MnO2]로 했을 때, [TiO2]/[ZrO2]가 2.3 내지 3.3, [SiO2]/[ZrO2]가 0.9 내지 1.5 및 ([TiO2]+[SiO2]+[ZrO2])/[MnO2]가 5 내지 13인, Ni기 합금을 외피로 하는 와이어」가 개시되어 있다.
그러나, 용접 금속의 저온 인성을 확보하기 위한, Ni 함유량이 70％로 설계된 와이어는 매우 고가여서 저렴한 것이 요구되고 있다.
고가의 Ni는, 오스테나이트 안정화 원소로서 알려져 있지만, 저렴한 Mn도 마찬가지의 효과가 있다. 그 때문에, Ni 함유량을 저감하고 Mn 함유량을 높이면, 저렴하고 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어진다. 단, Mn을 높이는 것만으로는 인성이 열화되어 기계 특성을 확보할 수 없다.
이에, 본 발명의 과제는, 저렴하고 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어 및 당해 솔리드 와이어를 사용한 용접 조인트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
과제의 해결 수단은, 다음의 양태를 포함한다.
<1> 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어이며, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, 상기 솔리드 와이어의 화학 성분이,
C: 0 내지 0.650％,
Si: 0.03 내지 0.50％,
Mn: 4.1 내지 30.0％,
P: 0 내지 0.050％,
S: 0 내지 0.050％,
Cu: 0 내지 5.0％,
Ni: 1.0 내지 30.0％,
Cr: 0 내지 10.0％,
Mo: 0 내지 10.0％,
Nb: 0 내지 1.00％,
V: 0 내지 1.00％,
Co: 0 내지 1.00％,
Pb: 0 내지 1.00％,
Sn: 0 내지 1.00％,
Al: 0 내지 0.10％,
Ti: 0 내지 0.10％,
B: 0 내지 0.1000％,
N: 0 내지 0.500％,
O: 0 내지 0.0050％, 그리고
잔부: Fe 및 불순물이며,
또한 상기 Mn 함유량 및 상기 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)가 5.0％ 이상이며,
상기 Mn 함유량, 상기 Ni 함유량 및 상기 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)가 15.0％ 이상이며,
자기 유도법에 의해 구해지는 fcc 비율이 70％ 이상인 솔리드 와이어.
<2> 상기 Mn 함유량과 상기 Ni 함유량의 질량비(Ni/Mn)가 0.10 이상인, <1>에 기재된 솔리드 와이어.
<3> 상기 질량비(Ni/Mn)가 1.00 이상인, <2>에 기재된 솔리드 와이어.
<4> 상기 Ti의 함유량이 Ti: 0.003 내지 0.10％인, <1> 내지 <3> 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어.
<5> <1> 내지 <4> 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어를 사용하여, 강재를 서브머지드 아크 용접하는 공정을 구비하는 용접 조인트의 제조 방법.
본 개시에 의하면, 저렴하고 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어 및 당해 솔리드 와이어를 사용한 용접 조인트의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 개시의 일례인 실시 형태에 대하여 설명한다.
또한, 본 명세서 내에 있어서, 「내지」를 사용하여 표시되는 수치 범위는, 「내지」의 전후에 기재되는 수치에 「초과」 및 「미만」이 붙어 있지 않은 경우에는, 이들 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다. 또한, 「내지」의 전후에 기재되는 수치에 「초과」또는 「미만」이 붙어 있는 경우의 수치 범위는, 이들 수치를 하한값 또는 상한값으로서 포함하지 않는 범위를 의미한다.
본 명세서 내에 단계적으로 기재되어 있는 수치 범위에 있어서, 어떤 단계적인 수치 범위의 상한값은, 다른 단계적인 기재된 수치 범위의 상한값으로 치환해도 되고, 또한 실시예에 개시되어 있는 값으로 치환해도 된다. 또한, 어떤 단계적인 수치 범위의 하한값은, 다른 단계적인 기재된 수치 범위의 하한값으로 치환해도 되고, 또한 실시예에 개시되어 있는 값으로 치환해도 된다.
또한, 함유량에 대하여「％」는 「질량％」를 의미한다.
함유량(％)으로서 「0 내지」는, 그 성분은 임의 성분이며, 함유하지 않아도 되는 것을 의미한다.
<솔리드 와이어>
본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 와이어의 화학 성분이 소정의 조성이다.
본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 상기 구성에 의해, 저렴하고 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 서브머지드 아크 용접용 와이어가 된다.
그리고, 본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 다음의 지견에 의해 알아내었다.
발명자들은, Ni 함유량을 저감하고, Mn 함유량을 높여도, 용접 금속의 저온 인성을 향상할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 와이어를 얻는 기술에 대하여 검토하였다. 그 결과, 다음의 지견을 얻었다.
저온 인성을 확보하려면, 용접 금속의 조직을 오스테나이트 단상으로 하는 것이 바람직하다. Ni와 Mn은 모두 오스테나이트 안정화 원소이다. 단, 과도하게 Ni를 저감시키거나, Mn을 증가시키거나 하면, 적층 결함 에너지가 낮아져, 인성이 열화되었다. 이에, Ni 및 Mn의 함유량을 제어함으로써, 적층 결함 에너지의 저하를 방지하였다. 이에 의해, 와이어 전체에서의 Ni 함유량을 저감하고, Mn 함유량을 높여도, 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어졌다.
이상의 지견으로부터, 본 개시에 따른 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어는, 저렴하고 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 와이어가 된다는 것을 알아내었다.
이하, 본 개시에 따른 솔리드 와이어를 구성하는 요건(임의 요건도 포함하는 요건)의 한정 이유에 대하여 구체적으로 설명한다.
또한, 본 개시에 따른 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어는, 서브머지드 아크 용접에 의해 용접에 제공되는 강재의 일부나 플럭스와 함께 용융되고, 응고 후, 용접 금속이 된다.
(솔리드 와이어의 화학 성분)
이하, 본 개시에 따른 솔리드 와이어의 화학 성분에 대하여 설명한다.
또한, 솔리드 와이어의 화학 성분의 설명에 있어서,「％」는, 특별히 설명이 없는 한, 「솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％」를 의미한다.
또한, 본 개시에 따른 솔리드 와이어가 외표면에 도금층을 갖는 경우는, 솔리드 와이어의 화학 성분은 도금층의 화학 성분도 포함된다.
본 개시에 따른 솔리드 와이어의 화학 성분은,
C: 0 내지 0.650％,
Si: 0.03 내지 0.50％,
Mn: 4.1 내지 30.0％,
P: 0 내지 0.050％,
S: 0 내지 0.050％,
Cu: 0 내지 5.0％,
Ni: 1.0 내지 30.0％,
Cr: 0 내지 10.0％,
Mo: 0 내지 10.0％,
Nb: 0 내지 1.0％,
V: 0 내지 1.0％,
Co: 0 내지 1.0％,
Pb: 0 내지 1.0％,
Sn: 0 내지 1.0％,
Al: 0 내지 0.10％,
Ti: 0 내지 0.10％,
B: 0 내지 0.1000％,
N: 0 내지 0.500％,
O: 0 내지 0.0050％, 그리고
잔부: Fe 및 불순물이며,
또한 상기 Mn 함유량 및 상기 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)가 5.0％ 이상이며,
상기 Mn 함유량, 상기 Ni 함유량 및 상기 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)가 15.0％ 이상이며,
자기 유도법에 의해 구해지는 fcc 비율이 70％ 이상이다.
(C: 0 내지 0.650％)
C는, 스패터를 발생시키는 원소이다. 스패터 저감에는, 와이어의 C 함유량은 낮으면 낮을수록 유리하다. 또한, C는, 침입형 고용 강화 원소이기도 하다. 와이어의 C 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 스패터도 증대한다.
따라서, 와이어의 C 함유량은 0 내지 0.650％로 한다.
단, 와이어의 C 함유량을 0％로 하기 위해서는 탈C 비용이 올라간다. 또한, 와이어의 C 함유량이 부족하고, 용접 금속의 강도가 부족할 우려가 있다. 따라서, 와이어의 C 함유량의 하한은 0.003％, 0.005％, 또는 0.008％로 해도 된다.
와이어의 C 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.600％, 0.500％, 0.400％, 0.300％, 0.200％, 0.200％ 미만, 0.190％, 0.180％, 0.150％, 또는 0.120％이다.
(Si: 0.03 내지 0.50％)
Si는, 탈산 원소이다. 와이어의 Si 함유량이 너무 낮으면, 와이어의 P 함유량이 증가한다.
한편, Si는, 오스테나이트상에 대한 고용도가 낮고, Si를 다량으로 함유할수록 고온에서 금속간 화합물, δ페라이트 등의 취화상이 생성되어 고온연성이 열화된다.
따라서, 와이어의 Si 함유량은 0.03 내지 0.50％로 한다.
와이어의 Si 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.04％, 0.05％, 또는 0.08％이다.
와이어의 Si 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.50％ 미만, 0.48％, 0.45％, 0.40％, 0.35％, 0.30％, 또는 0.20％이다.
(Mn: 4.1 내지 30.0％)
Mn을 과잉으로 첨가하면 적층 결함 에너지가 저하되어 인성이 열화된다.
한편, Mn은, 오스테나이트 안정화 원소이다. 와이어의 Mn 함유량이 너무 낮으면, 용접 금속의 오스테나이트화가 진행되기 어려워져, 저온 인성이 열화된다.
따라서, 와이어의 Mn 함유량은 4.1 내지 30.0％로 한다.
와이어의 Mn 함유량의 하한은, 바람직하게는 4.2％, 5.0％, 5.0％ 초과, 5.2％, 6.0％ 초과, 6.2％, 7.0％, 7.0％ 초과, 7.2％, 10.0％ 초과, 또는 10.2％이다.
와이어의 Mn 함유량의 상한은, 바람직하게는 28.0％, 26.0％, 25.0％, 23.0％, 21.0％, 20.0％, 19.0％, 18.0％, 16.8％, 15.0％, 14.8％, 또는 12.0％이다.
(P: 0 내지 0.050％)
P는, 불순물 원소이며, 용접 금속의 인성을 저하시키므로, 와이어의 P 함유량은 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 따라서, 와이어의 P 함유량의 하한은 0％로 한다. 단, 탈 P 비용의 저감의 관점에서, 와이어의 P 함유량은 0.003％ 이상이 좋다.
한편, 와이어의 P 함유량이 0.050％ 이하이면 P의 인성에 대한 악영향을 허용할 수 있는 범위 내가 된다.
따라서, 와이어의 P 함유량은 0 내지 0.050％로 한다
용접 금속의 인성의 저하를 효과적으로 억제하기 위해서, 와이어의 P 함유량은 0.040％ 이하, 0.030％ 이하, 0.020％ 이하, 0.015％ 이하, 또는 0.010％ 이하가 바람직하다.
(S: 0 내지 0.050％)
S는, 불순물 원소이며, 용접 금속의 인성을 저하시키므로, 와이어의 S 함유량은 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 따라서, 와이어의 S 함유량의 하한은 0％로 한다. 단, 탈S 비용의 저감의 관점에서, 와이어의 S 함유량은 0.003％ 이상이 좋다.
한편, 와이어의 S 함유량이 0.050％ 이하이면 S의 인성에 대한 악영향을 허용할 수 있는 범위 내가 된다.
따라서, 와이어의 S 함유량은 0 내지 0.050％로 한다.
용접 금속의 인성의 저하를 효과적으로 억제하기 위해서, 와이어의 S 함유량은 0.040％ 이하, 0.030％ 이하, 0.020％ 이하, 0.015％ 이하, 또는 0.010％ 이하가 바람직하다.
(Cu: 0 내지 5.0％)
Cu는, 석출 강화 원소이며, 용접 금속의 강도 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다. 또한, Cu는, 오스테나이트 안정화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다. 한편, 와이어의 Cu 함유량이 과잉이면, 상기 효과가 포화한다. 또한, 와이어의 Cu 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다.
따라서, 와이어의 Cu 함유량은 0 내지 5.0％로 한다.
와이어의 Cu 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.3％, 0.5％, 또는 0.7％이다.
와이어의 Cu 함유량의 상한은, 바람직하게는 4.5％, 4.0％, 또는 3.5％이다.
(Ni: 1.0 내지 30.0％)
Ni는, 오스테나이트 안정화 원소이다. 와이어의 Ni 함유량이 너무 낮으면, 용접 금속의 오스테나이트화가 진행되기 어려워져, 저온 인성이 열화된다.
한편, 와이어의 Ni 함유량을 함유량을 늘리면, 와이어의 비용이 올라간다.
따라서, 와이어의 Ni 함유량은 1.0 내지 30.0％로 한다.
와이어의 Ni 함유량의 하한은, 바람직하게는 2.0％, 3.0％, 3.2％, 3.6％, 3.7％, 4.2％, 4.7％, 5.0％, 5.2％, 6.0％ 초과, 6.2％, 7.0％, 8.0％ 초과, 또는 8.2％이다.
와이어의 Ni 함유량의 상한은, 바람직하게는 28.0％, 26.0％, 24.0％, 22.0％, 20.0％, 19.0％, 18.0％, 15.0％, 또는 12.0％이다.
(Cr: 0 내지 10.0％)
Cr은, 오스테나이트 안정화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 Cr 함유량이 과잉이면, 와이어에 마르텐사이트 조직이 형성되어 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 Cr 함유량이 과잉이면, 용융 금속에서의 저융점 화합물의 양이 증대되고, 또한 용융 금속의 고액 공존 온도 범위가 넓어지므로, 고온 균열을 일으키기 쉬워진다.
따라서, 와이어의 Cr 함유량은 0 내지 10.0％로 한다.
와이어의 Cr 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.02％, 1.0％, 2.0％, 또는 3.0％이다.
와이어의 Cr 함유량의 상한은, 바람직하게는 9.0％, 8.0％, 8.0％ 미만, 7.8％, 7.0％, 6.0％ 미만, 5.8％, 또는 4.8％이다.
(Mo: 0 내지 10.0％)
Mo는, 석출 강화 원소이며, 용접 금속의 강도 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다. 한편, 와이어의 Mo 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 Mo 함유량이 과잉이면, 용접 금속의 강도가 과잉으로 되어 저온 인성이 저하된다.
따라서, 와이어의 Mo 함유량은 0 내지 10.0％로 한다.
와이어의 Mo 함유량의 하한은, 바람직하게는 1.0％, 2.0％, 또는 3.0％이다.
와이어의 Mo 함유량의 상한은, 바람직하게는 9.0％, 8.0％, 또는 7.0％이다.
(Nb: 0 내지 1.00％)
Nb는, 용접 금속 중에서 탄화물을 형성하고, 용접 금속의 강도를 상승시키는 원소이기 때문에, 와이어에 함유시켜도 된다.
한편으로, 와이어의 Nb 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 Nb 함유량이 과잉이면, 용접 금속의 고온 균열이 발생할 우려가 있다.
따라서, 와이어의 Nb 함유량은 0 내지 1.00％로 한다.
와이어의 Nb 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.05％, 0.1％, 0.15％, 또는 0.2％이다.
와이어의 Nb 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.95％, 0.90％, 0.85％, 또는 0.80％이다.
(V: 0 내지 1.00％)
V는, 용접 금속 중에서 탄질화물을 형성하고, 용접 금속의 강도를 상승시키는 원소이기 때문에, 와이어에 함유시켜도 된다.
한편으로, 와이어의 V 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 V 함유량이 과잉이면, 용접 금속의 고온 균열이 발생할 가능성이 있다.
따라서, 와이어의 V 함유량은 0 내지 1.00％로 한다.
와이어의 V 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.05％, 0.1％, 0.15％, 또는 0.20％이다.
와이어의 V 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.95％, 0.90％, 0.85％, 또는 0.80％이다.
(Co: 0 내지 1.00％)
Co는, 고용 강화에 의해, 용접 금속의 강도를 상승시키는 원소이기 때문에, 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 Co 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 Co 함유량이 과잉이면, 용접 금속의 연성이 저하되어 인성을 확보할 수 없다.
따라서, 와이어의 Co 함유량은 0 내지 1.00％로 한다.
와이어의 Co 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.05％, 0.1％, 0.15％, 또는 0.20％이다.
와이어의 Co 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.95％, 0.90％, 0.85％, 또는 0.80％이다.
(Pb: 0 내지 1.00％)
Pb는, 모재인 강재와 용접 금속 사이의 지단 성형성을 향상시켜 용접 금속의 절삭성을 향상시키는 효과가 있기 때문에, 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 Pb 함유량이 과잉이면, 아크 상태가 열화되어 스패터를 증대시킨다.
따라서, 와이어의 Pb 함유량은 0 내지 1.00％로 한다.
와이어의 Pb 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.05％, 0.1％, 0.15％, 또는 0.20％이다.
와이어의 Pb 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.95％, 0.90％, 0.85％, 또는 0.80％이다.
(Sn: 0 내지 1.00％)
Sn은, 용접 금속의 내식성을 향상시키는 원소이기 때문에, 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 Sn 함유량이 과잉이면, 용접 금속에서의 균열 발생의 우려가 있다.
따라서, 와이어의 Sn 함유량은 0 내지 1.00％로 한다.
와이어의 Sn 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.05％, 0.1％, 0.15％, 또는 0.20％이다.
와이어의 Sn 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.95％, 0.90％, 0.85％, 또는 0.80％이다.
(Al: 0 내지 0.10％)
Al은, 탈산 원소이며, 용접 결함 억제 및 용접 금속의 청정도 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 Al 함유량이 과잉이면, 와이어 중에 조대 개재물이 생성되어 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 Al 함유량이 과잉이면, Al이 용접 금속 중에서 질화물 또는 산화물을 형성하여 용접 금속의 저온 인성이 저하될 가능성이 있다.
따라서, 와이어의 Al 함유량은 0 내지 0.10％로 한다.
와이어의 Al 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.01％, 0.02％, 또는 0.03％이다.
와이어의 Al 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.09％, 0.08％, 또는 0.07％이다.
(Ti: 0 내지 0.10％)
Ti는, 탈산 원소이며, 용접 결함 억제 및 용접 금속의 청정도 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 Ti 함유량이 과잉이면, 와이어 중에 조대 개재물이 생성되어 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 Ti 함유량이 과잉이면, 용접 금속에 탄화물이 생성되어 용접 금속의 인성을 열화시킬 가능성이 있다.
따라서, 와이어의 Ti 함유량은 0 내지 0.10％로 한다.
와이어의 Ti 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.003％, 0.01％, 0.02％, 또는 0.03％이다.
와이어의 Ti 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.09％, 0.08％, 0.07％, 또는 0.05％이다.
(B : 0 내지 0.1000％)
B는, 오스테나이트 안정화 원소이며, 침입형 고용 강화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성 및 강도의 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 B 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 B 함유량이 과잉이면, M23(C, B)6이 석출되어 인성 열화의 원인이 된다.
따라서, 와이어의 B 함유량은 0 내지 0.1000％로 한다.
와이어의 B 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.0005％, 0.0010％, 또는 0.0020％이다.
와이어의 B 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.0800％, 0.0500％, 또는 0.0100％이다.
(N: 0 내지 0.500％)
N은, 오스테나이트 안정화 원소이자 침입형 고용 강화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성 및 강도의 향상을 위해 와이어에 함유시켜도 된다.
한편, 와이어의 N 함유량이 과잉이면, 와이어가 단단해져 심선 가공이 곤란해진다. 또한, 와이어의 N 함유량이 과잉이면, 블로우의 발생이 증대되어 용접 결함의 원인이 된다.
따라서, 와이어의 N 함유량은 0 내지 0.500％로 한다.
와이어의 N 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.0001％, 0.0002％, 또는 0.0004％이다.
와이어의 N 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.400％, 0.200％, 0.100％, 0.050％, 또는 0.020％이다.
(O: 0 내지 0.0050％)
O는, 불순물로서 와이어 중에 함유되는 경우가 있다. 그러나, O의 함유량이 과잉이 되면, 용접 금속에서의 인성 및 연성의 열화를 초래하기 때문에, 와이어의 O 함유량의 상한은 0.0050％ 이하로 한다.
와이어의 O 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.0040％, 또는 0.0030％이다.
한편, O의 함유량의 저감에 의한 제조 비용의 상승을 억제한다는 관점에서, 와이어의 O 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.0003％, 또는 0.0005％이다.
(잔부: Fe 및 불순물)
와이어의 화학 성분에 있어서의 기타 잔부 성분은, Fe 및 불순물이다.
불순물이란, 와이어를 공업적으로 제조할 때에, 광석 혹은 스크랩 등과 같은 원료, 또는 제조 공정의 다양한 요인에 의해 혼입되는 성분이며, 와이어의 특성에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
(Mn 함유량 및 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni))
Mn 및 Ni는, 각각, 오스테나이트 안정화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성을 향상시킨다. 한편, Ni는 고가의 금속이기 때문에, 와이어의 비용을 억제하면서, 용접 금속의 저온 인성을 향상시키기 위해서는, 와이어에 있어서의 Mn 함유량 및 Ni 함유량이 각각 상기 범위를 충족하면서, Mn 함유량 및 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)를 5.0％ 이상으로 한다.
와이어에 있어서의 Mn 함유량 및 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)는, 바람직하게는 5.4％ 이상, 5.6％ 이상, 5.7％ 이상, 6.0％ 이상, 6.2％ 이상, 6.7％ 이상, 6.9％ 이상, 7.0％ 이상, 7.2％ 이상, 10.0％ 이상, 또는 15.0％ 이상이다.
또한, Mn은 과잉으로 첨가함으로써 적층 결함 에너지를 저하시켜 인성의 저하 원인이 되는 원소이다. 그 때문에, 와이어의 비용을 억제하여 용접 금속의 저온 인성을 향상시킨다는 관점에서, 와이어에 있어서의 Mn 함유량 및 Ni 함유량이 각각 상기 범위를 충족하면서, Mn 함유량 및 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)는 37.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
와이어에 있어서의 Mn 함유량 및 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)는, 보다 바람직하게는, 35.0％ 이하, 32.0％ 이하, 또는 30.0％ 이하이다.
(Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr))
Mn, Ni 및 Cr은, 각각, 오스테나이트 안정화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성을 향상시킨다. 한편, Ni는 고가의 금속이기 때문에, 와이어의 비용을 억제하면서, 용접 금속의 저온 인성을 향상시키기 위해서는, 와이어에 있어서의 Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량이 각각 상기 범위를 충족하면서, Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)를 15.0％ 이상으로 한다.
와이어에 있어서의 Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)는, 바람직하게는 17.0％ 이상, 19.0％ 이상, 20.0％ 이상, 22.0％ 이상, 24.0％ 이상, 26.0％ 이상, 28.0％ 이상, 또는 30.0％ 이상이다.
Mn은 과잉으로 첨가함으로써 적층 결함 에너지를 저하시켜 인성의 저하 원인이 되는 원소이다. Cr은 마르텐사이트 조직을 형성시키는 원소이며, 와이어의 심선 가공성에 영향을 미친다. 또한, Cr은 용융 금속에서의 저융점 화합물의 양을 증대시키는 원인이 된다. 그 때문에, 와이어의 비용을 억제하여 용접 금속의 저온 인성을 향상시키면서, 심선 가공성을 높이고, 또한 용융 금속에서의 저융점 화합물의 발생량을 저감시킨다는 관점에서, 와이어에 있어서의 Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량이 각각 상기 범위를 충족하면서, Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)는 47.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
와이어에 있어서의 Mn 함유량, Ni 함유량 및 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)는, 보다 바람직하게는, 45.0％ 이하, 42.0％ 이하, 또는 40.0％ 이하이다.
(Mn 함유량과 Ni 함유량의 질량비(Ni/Mn))
Mn 및 Ni는, 각각, 오스테나이트 안정화 원소이며, 용접 금속의 저온 인성을 향상시킨다. 한편, Ni는 고가의 금속이며, Mn은 과잉으로 첨가함으로써 적층 결함 에너지를 저하시켜 인성의 저하 원인이 되는 원소이다. 또한, Ni는 적층 결함 에너지를 높임으로써, 인성을 향상시킨다.
그 때문에, 와이어의 비용을 억제하면서, 용접 금속의 저온 인성을 향상시킨다는 관점에서, 와이어에 있어서의 Mn 함유량과 Ni 함유량의 질량비(Ni/Mn)를 0.10 이상으로 하는 것이 바람직하다.
와이어에 있어서의 Mn 함유량과 Ni 함유량의 질량비(Ni/Mn)의 하한은, 보다 바람직하게는, 0.20, 0.30, 0.50, 0.60, 0.68, 1.00, 1.10, 또는 1.20이다.
와이어에 있어서의 Mn 함유량과 Ni 함유량의 질량비(Ni/Mn)의 상한은, 바람직하게는 25.00, 20.00, 15.00, 10.00, 8.00, 또는 5.00이다.
(자기 유도법에 의해 구해지는 fcc 비율)
용접 금속에서의 저온 인성을 높이기 위해서는, 와이어의 조직에 있어서의 오스테나이트의 비율을 높이는 것이 바람직하다. 그 때문에, 와이어에 있어서의 fcc 비율을, 70％ 이상으로 한다. fcc 비율은, 바람직하게는 80％ 이상, 또는 90％ 이상이며, 100％여도 된다. 또한, 조직의 잔부는 bcc이다.
와이어의 조직에 있어서의 fcc 비율은, 다음의 방법으로 구할 수 있다.
와이어로부터 샘플을 채취하고, 샘플 표면에 있어서, FERITSCOPE(등록상표) FMP30((주)피셔·인스트루먼츠 제조)을 사용하고, 당해 측정기의 프로브에 (주)피셔·인스트루먼츠 제조 프로브(FGAB 1.3-Fe)를 사용하여, 자기 유도법에 의해 bcc 비율(％)을 측정하고, 측정된 bcc 비율의 산술 평균값을 구한다. 얻어진 bcc 비율의 평균값을 이용하여, 이하의 식에 의해, 와이어의 조직에 있어서의 fcc 비율(％)을 구한다.
fcc 비율=100-bcc 비율
본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 와이어 표면에 도포된 윤활제를 더 구비해도 된다. 와이어 표면에 도포된 윤활제는, 용접 시의 와이어의 송급성을 향상시키는 효과를 갖는다. 용접 와이어용 윤활제로서는, 다양한 종류의 것(예를 들어 팜유 등의 식물유)을 사용할 수 있지만, 용접 결함을 억제하기 위해서는, H를 함유하지 않는 폴리테트라플루오로에틸렌유(PTFE유) 및 퍼플루오로폴리에테르유(PFPE유)의 한쪽 또는 양쪽을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 와이어 표면에 형성된 도금층을 더 구비해도 된다. 이 경우, 윤활제는 도금층의 표면에 도포된다.
(와이어 직경)
본 개시에 따른 솔리드 와이어의 직경은 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 φ1.6 내지 φ2.4㎜이다. 또한, 일반적인 솔리드 와이어의 직경은 φ1.6 내지 φ6.4㎜이다.
<솔리드 와이어의 제조 방법>
다음으로, 본 개시에 따른 솔리드 와이어의 제조 방법에 대하여 설명한다.
또한, 이하에 설명하는 제조 방법은 일례이며, 본 개시에 따른 솔리드 와이어를 제조하는 방법은, 이하의 방법으로 한정되는 것은 아니다.
본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 통상의 솔리드 와이어의 제조 방법과 마찬가지의 제조 공정에 의해 제조할 수 있다.
즉, 우선 상술된 화학 성분을 갖는 강을 용해하고, 그 후, 필요하면 단조 가공을 한다. 그 후, 압연 가공을 거쳐, 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 와이어의 표면에 도금층을 형성해도 된다. 이 경우, 도금층의 화학 성분을 포함한 솔리드 와이어 전체가 평균적인 화학 성분이 상술한 범위 내가 되도록 될 필요가 있다. 또한, 이 솔리드 와이어의 표면에 윤활제를 도포해도 된다.
<용접 조인트의 제조 방법>
다음으로, 본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법(용접 방법)에 대하여 설명한다.
본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법은, 상술된 본 개시에 따른 솔리드 와이어를 사용하여, 강재를 서브머지드 아크 용접하는 공정을 구비한다.
본 개시에 따른 솔리드 와이어는, 서브머지드 아크 용접에 의해 용접에 제공되는 강재의 일부나 플럭스와 함께 용융하고, 응고 후, 용접 금속이 된다.
본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법으로 제조된 용접 조인트는, 고강도 및 고인성을 갖는다. 또한, 본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법으로 제조된 용접 조인트를 갖는 용접 구조물도, 용접 조인트에 있어서 고강도 및 고인성을 갖는다.
서브머지드 아크 용접에서는, 용접선상에 미리 과립상의 플럭스를 살포해 두고, 그 중에 본 개시에 따른 솔리드 와이어를 보내고, 플럭스 중에 있어서 와이어와 강재 사이의 아크로부터 발생하는 아크열로 용접하는, 일반적인 서브머지드 아크 용접 기기를 적용할 수 있다. 서브머지드 아크 용접 조건은 일반적인 방법이면 된다.
본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법에 있어서, 용접 조인트의 모재가 되는 강재(피용접재)의 종류는 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 판 두께 20㎜ 이상의 6％ 내지 9％의 Ni를 포함하는 Ni계 저온용 강을 적합하게 사용할 수 있다.
본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법에서는, 1 패스로부터 최종 패스의 어느 하나 이상에 있어서, 본 개시에 따른 솔리드 와이어를 사용하여 강재를 용접하는 공정을 구비하는 것이 좋다. 용접이 1 패스만인 경우, 그 1 패스에 있어서 본 개시에 따른 솔리드 와이어가 사용된다.
솔리드 와이어의 극성은, 용접 금속의 확산성 수소량 및 스패터 발생량에 미치는 영향을 무시할 수 있을 정도로 작으므로, 플러스 및 마이너스 중 어느 것이어도 되지만, 플러스인 것이 바람직하다.
본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법에 의해 얻어지는 용접 조인트는, 모재가 되는 강재와, 용접 금속 및 용접 열 영향부로 구성되는 용접부를 구비한다. 본 개시에 따른 용접 조인트는, 본 개시에 따른 솔리드 와이어를 사용하여 제조되므로, 양호한 비드 형상을 갖는 용접 금속을 구비한다. 그 때문에, 본 개시에 따른 용접 조인트의 제조 방법으로 제조된 용접 조인트를 갖는 용접 구조물도, 양호한 비드 형상을 갖는 용접 금속을 구비한다. 얻어지는 용접 금속의 인장 강도는, 예를 들어 590 내지 900MPa의 고강도로 하는 것이 바람직하다.
실시예
다음으로, 본 개시예 및 비교예에 의해, 본 개시의 실시 가능성 및 효과에 대하여 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 개시를 한정하는 것이 아니라, 전·후술하는 취지에 입각하여 설계 변경하는 것은 모두 본 개시의 기술적 범위에 포함되는 것이다.
(솔리드 와이어의 제조)
본 개시예 및 비교예의 솔리드 와이어는, 이하에 설명하는 방법에 의해 제조하였다.
우선, 표 1-A 내지 표 1-D에 나타낸 화학 성분을 갖는 강을 용해하고, 그 후 단조 가공을 실시하였다. 그 후, 압연 가공을 거쳐서 이 강을 막대 형상으로 가공하고, 이 막대 형상의 강을 신선함으로써, 솔리드 와이어를 얻었다. 이와 같이 하여, 최종의 와이어 직경이 Φ2.4㎜인 솔리드 와이어를 시작(試作)하였다.
또한, 얻어진 솔리드 와이어의 화학 성분을 분석한바, 표 1-A 내지 표 1-D에 나타낸 화학 성분을 갖고 있었다.
표 1-A 내지 표 1-D에 나타낸, 와이어의 화학 성분의 함유량의 단위는, 솔리드 와이어 전체 질량에 대한 질량％이다.
[표 1-A]
[표 1-B]
[표 1-C]
[표 1-D]
표 1-A 내지 표 1-D에 나타낸 와이어의 잔부(즉, 표에 나타낸 각 성분 이외의 성분)는, 철 및 불순물이다.
표 1-A 내지 표 1-D에 나타낸 솔리드 와이어 중, 「비고」란에서 특별히 정함이 없는 한, 윤활제는 도포하지 않았다. 또한, 「도포」라고 기재된 와이어는 윤활제가 도포된 와이어이다.
또한, 표 1-A 내지 표 1-D에 있어서는, 본 개시에서 규정되는 범위로부터 벗어난 수치에 밑줄을 그었다.
또한, 표 1-A 내지 표 1-D에 있어서, 화학 성분의 함유량에 관한 표 중의 공란은, 그 화학 성분의 함유량이 유효 자릿수 미만임을 의미한다. 이들 화학 성분이 유효 자릿수 미만의 함유량으로 불가피하게 혼입되거나 생성되기도 한다.
[평가]
본 개시예 및 비교예의 솔리드 와이어를 사용하여, 서브머지드 아크 용접함으로써 평가를 행하였다.
구체적으로는, 본 개시예 및 비교예의 솔리드 와이어를, 서브머지드 아크 용접용 플럭스인 닛테츠요우세츠고교사 제조 NITTETSU FLUX 10H와 조합해서 사용하여 서브머지드 아크 용접하였다.
용접하는 강판으로서 판 두께가 40㎜인 9％ Ni 강(JIS G 3127:2013 SL9N590에 준한 강판)을 사용하였다. 또한, 평가 시에, 용접 전류는 모두 직류로 하고 와이어의 극성은 모두 플러스로 하였다.
또한, 평가할 때의 용접 조건은 표 2에 기재된 조건으로 하고, 하향으로 용접하였다. 도 1에 개선 형상과 시험편 채취 위치를 나타낸다.
[표 2]
(저온 인성의 평가)
본 개시예 및 비교예의 솔리드 와이어를 사용하여, 강판을 서브머지드 아크 용접하고, 용접 금속의 표하 1㎜로부터 충격 시험편(노치 깊이 2㎜의 V 노치 시험편)을 3개 채취하였다.
3개의 충격 시험편에 대하여 -196℃에서 JIS Z2242:2005에 준거한 샤르피 충격 시험을 실시하였다.
그리고, 3개의 충격 시험편의, -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지 평균값이 34J 이상인 경우를 「우수」로 하고, 27J 이상 34J 미만인 경우를 「합격」으로 하고, 27J 미만인 경우를 「불합격」으로 하였다.
[표 3]
본 개시예의 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어는, 용접 금속 저온 인성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
한편, 비교예는, 본 개시에서 규정하는 요건 중 어느 것을 충족하지 않았기 때문에, 하나 이상의 평가 항목에서 불합격으로 되었다.
Claims (5)
- 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어이며, 상기 솔리드 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, 상기 솔리드 와이어의 화학 성분이,
C: 0 내지 0.650％,
Si: 0.03 내지 0.50％,
Mn: 4.1 내지 30.0％,
P: 0 내지 0.050％,
S: 0 내지 0.050％,
Cu: 0 내지 5.0％,
Ni: 1.0 내지 30.0％,
Cr: 0 내지 10.0％,
Mo: 0 내지 10.0％,
Nb: 0 내지 1.00％,
V: 0 내지 1.00％,
Co: 0 내지 1.00％,
Pb: 0 내지 1.00％,
Sn: 0 내지 1.00％,
Al: 0 내지 0.10％,
Ti: 0 내지 0.10％,
B: 0 내지 0.1000％,
N: 0 내지 0.500％,
O: 0 내지 0.0050％, 그리고
잔부: Fe 및 불순물이며,
또한 상기 Mn 함유량 및 상기 Ni 함유량의 합계(Mn+Ni)가 5.0％ 이상이며,
상기 Mn 함유량, 상기 Ni 함유량 및 상기 Cr 함유량의 합계(Mn+Ni+Cr)가 15.0％ 이상이며,
자기 유도법에 의해 구해지는 fcc 비율이 70％ 이상인, 솔리드 와이어. - 제1항에 있어서,
상기 Mn 함유량과 상기 Ni 함유량의 질량비(Ni/Mn)가 0.10 이상인, 솔리드 와이어. - 제2항에 있어서,
상기 질량비(Ni/Mn)가 1.00 이상인, 솔리드 와이어. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti의 함유량이 Ti: 0.003 내지 0.10％인, 솔리드 와이어. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 솔리드 와이어를 사용하여, 강재를 서브머지드 아크 용접하는 공정을 구비하는, 용접 조인트의 제조 방법.
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