KR930009964B1 - 개선된 높은 항복 강도의 용접금속비이드 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명의 신규한 용접금속비이드를 얻기 위해 사용되는 염기성(basic) 금속 코어를 구비한 전극의 개략적인 단면도.
제 2 도는 제 1 도에 도시된 전극의 변형된 예의 단면도.
제 3 도는 전극의 기본적인 조성과 용접금속 산소함량 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제 4 도는 전극 총중량에 대한 불소함유 중합체의 양과 용접금속내의 확산성 수고 농도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
제 5 도는 본 발명의 합금성분과 용접금속의 항복 강도의 관계 그리고 용접열 입력과 항복 강도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전극 12 : 외장재
14 : 시임 20 : 용접금속입자
22 : 불화칼슘입자
본 발명은 고강도 가공물(workpieces)용의 개선된 용접금속비이드와 아크용접에 의해 이 용접금속비이드를 용착시키는 방법에 관한 것이며, 이 용접금속비이드는 전극과 같은 소모성 용접요소(consumable welding element)로 부터 형성되며, 이러한 용접요소는 군사 및 산업분야에서 필요한 형태의 고강도 금속을 MIG 용접하는데 사용된다.
본 발명의 소모성 용접요소와 관계되는 본 출원인의 선행관련 특허로는 미합중국 특허 제 5,055,655호와 제 5,003,155호가 있다. 이들은 이하에서 종래기술로 기재되고 본 명세서중에 참고로 언급되지만, 구체적으로 재차 설명될 필요는 없을 것이다. 또한, 본 명세서중에서 사용되는 용접금속이라는 용어는 용접금속합금을 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명은 이러한 사용예에 관련하여 설명되어지며, 본 발명의 용접금속비이드를 형성하는데 사용되는 용접요소, 즉 전극은, 130 KJ인치 이하의 용접열 입력(welding heat input)으로 강제 가공물위에 용접금속비이드를 용착할 수 있는 고체 또는 코어가 구비된 금속 전극이다. 이 용접금속내의 확산성 수소는 2.00㎖/100g이하이며, 용접금속중의 산소는 용접금속에 대해 0.040중량% 이하이고, 항복 강도는 약 85,000psi 이상이며 바람직하게는 100,000psi보다 크다. 본 발명은 특히 120,000~140,000psi 근처의 항복 강도를 얻기 위해서 그리고 예열을 하지 않고도 금속을 높은 강도의 가공물에 용접하는 특수한 형태의 용접에 사용될 수 있다.
가공물 금속의 항복 강도가 군사적인 용도에 쓰이는 HY-80, HY-100 심지어는 HY-130과 같은 높은 강도 수준으로 증가함에 따라, 낮은 크랙(crack)발생성, 높은 충격치 및 노치 강도 그리고 높은 용착율로 용접 성능을 유지하는데 있어서 심각한 문제점이 발견되었다. HY-80(85,000psi)를 초과하는 강과 같은 높은 항복 강도의 강을 용접할때, 지금까지의 소모성 용접전극 또는 용접요소는 일반적으로 약 0.045인치 직경의 고체(solid)와이어를 사용하였으며, 수작업에 의한 용접시는 약 0.062인치 직경의 와이어를 사용하였다. HY-100 이상의 고강도 강을 용접하는 것은 고체 MIG 와이어를 사용하더라도 매우 어렵다는 문제점이 있었다. 따라서 높은 강도의 강제가공물상에 용접금속을 용착시킬 수 있는 용접요소의 필요성이 증대되었으며, 이러한 금속은 낮은 크랙발생성 밍 높은 노치 강도(notch toughness)를 가지고 85,000~100,0000psi를 초과하는 강도를 가진다.
참고로 인용된 2종류의 종래기술에 있어서 출원인들은 적당한 특징을 갖추고 그리고 모재금속자체가 대기온도하의 용접에 사용될 수 있다면 대기온도에서도 사용될 수 있는 용접금속을 용착시키기 위한 전극에 대해 설명하였다. 공지된 것처럼 많은 경우에 있어서, 모재금속은 반드시 예열되어야만 하는데 이것은 용착되는 용접금속의 특성때문이 아니라 가공물 금속자체의 특성에 기인되는 것이다. 종래기술에서 개시되었던 용접요소 또는 전극은 2.0㎖/100g이하의 확산성 수소와 0.040중량% 이하의 산소, 그리고 약 85,000psi 이상의 항복 강도 바람직하게는 약 100,000psi 이상의 항복강도를 가지는 용접금속 비이드를 가공물상에 형성한다. 이러한 형태의 전극 또는 용접요소에 의하면 높은 강도의 군사 목적용 강에 사용하기 위한 높은 강도의 용접금속을 제조하는 것이 매우 훌륭히 달성된다.
몇가지 경우에 있어서는 가공물 금속자체의 크랙 또는 다른 문제점들을 방지하기 위해 일정량의 예열이 요구된다.
높은 강도의 강철을 아크용접하기 위한 용접요소가 개발됨에 따라, 최소량의 예열, 만약 가공물 금속의 한계로 인해 예열이 요구되어지지 않는다면 실제로는 예열없이 100,000psi 를 초과하는 높은 항복 강도를 제공하는 이미 개발된 용접요소로 형성되는 용접금속 비이드의 특정 합금 특성을 형성하는 방식으로, 이러한 기술을 최대한 활용하는 방향으로 관심이 기울여진다.
요약하면, 본 발명은 0℉에서 40이상의 샤르피(charpy)노치 강도를 가지는 높은 강도의 강제 가공물상에 용착될 수 있는 용접 금속비이드에 관한 것이다. 일반적으로 비이드내에 있는 용접 금속의 항복 강도가 합금성분을 변화시킴에 의해 증가하며, 이때 노치 강도는 대체로 감소한다. 신규의 합금 시스템을 활용함에 의해 130,000psi를 대체로 초과하는 항복 강도에서도 허용가능한 높은 노치 강도가 얻어졌다. 120,000psi보다 낮은 항복 강도에 있어서 0℉에서 샤르피 노치 강도는 대체로 50을 초과하고 그리고 65 또는 70을 초과할 수 있다. 따라서 용접금속비이드용의 소정의 합금을 발생하기 위하여 본 발명을 사용함에 의해 노치 강도는 항복 강도에 무관하게 높은 수준으로 유지된다.
신규한 용접금속비이드의 필요불가결한 제 2 조건은 크랙 저항성이며 이것은 용접금속비이드의 합금 금속의 연신에 의해 간접적으로 반영되며, 본 발명에서 규정되며 그리고 본 발명을 형성하는 범위에 따른 합금성분을 제공하면, 연신율은 일반적으로 약 18% 이상이 된다. 본 발명의 비이드용 용접금속에 사용되는 높은 항복강도의 합금의 연신율은 18% 근처이나, 합금재료의 선택에 의해 그리고 본 발명의 합금을 형성하는 특정 비율의 선택에 의해 용접금속합금의 항복 강도가 감소함에 따라 연신율은 18%를 초과한다. 따라서 본 발명은, 뛰어난 높은 항복 강도를 가지며 높은 노치 강도 및 크랙 저항성을 가지는 높은 강도의 강제 가공물상에 용착되는 용접금속의 합금에 관한 것이다.
이와같은 본 발명의 합금은 신규의 합금을 형성함과 동시에 2.0㎖/100g이하의 확산성 수소, 0.035중량% 이하의 산소 및 85,000psi를 초과하는 항복 강도를 지닌 용착물을 제공하는 전극을 사용함에 의해 양호한 용접특성을 유지한다. 본 발명의 다른 특징으로서, 이 신규한 합금은 130KJ/in 이하의 용접 열 입력을 사용하여 용접처리됨에 따라 용접금속비이드로 형성될 수 있다. 높은 강도의 강철 용접 비이드를 만들기 위하여 종래에는 가공물 자체를 예열시키고 그리고 낮은 용접 열 입력으로 용접하는 것이 필요하였다.
본 발명에 따라서 용착된 용접금속 비이드용의 개선된 용접금속의 중량 퍼센트로 기술되는 0.03~0.09% 탄소, 2.5~4.0% 망간, 0.01~0.05% 티타늄, 1.0%이하의 실리콘, 2.0%이하의 니켈, 0.035%이하의 산소를 포함하는 강합금이다. 이미 설명한 2.0㎖/100g이하의 확산성 수소를 가지는 특성을 가지는 이러한 합금이 용접금속용 합금으로 제공됨에 의해, 예열하지 않고 그리고 노치 강도 또는 크랙 저항성을 감소시키지 않고 매우 높은 강도가 얻어진다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 용접금속을 형성하는 상기 합금내의 실리콘(Si)은 용접금속에 대해 0.2~0.6중량% 범위에 있으며, 니켈(Ni)은 0.8~1.8중량% 범위에 있다. 그리고 산소는 용접금속에 대해 0.015~0.035중량% 범위에 있다. 본 발명의 중요한 특징은 상기 합금이 0.010%를 초과하는 산소양을 포함하는 것이고, 바람직하게는 0.020%를 초과하는 산소양을 포함하는 것이다. 포함된 산소의 상한 양은 약 0.035%이고, 약 0.040%이하 일수 있다.
여러종류의 용접금속의 성분조성 및 성분의 조합이, 요구되는 높은 항복 강도를 얻기 위해 그리고 비교적 우수한 기계적 성질을 얻기 위해 결정되었다. 또한 본 발명에 의하면 어떤 특별한 합금공정이 아닌 아크용접 공정에 의해 용접금속의 특징의 신규한 합금조성을 만드는 방법이 제공된다. 이 합금은 초기에 250℉ 근처의 온도로 예열되거나 대기온도에서 가공물에 용착되며, 이 예열은 모재금속자체의 성질을 유지하는데 도움이 될 수 있으며 본 발명에 따라 용착된 용접금속의 성질을 얻는데에는 필요하지 않다. 본 발명은 용접금속용의 합금 공정에 관한 것이고, 정상 대기 냉각속도로 용접전에 대기온도에서 가공물과 함께 용접금속 용착물을 자동적으로 뜨임(tempering)하는 작업이 행해진다. 이 용접공정은 일정한 금속학적이고 기계적인 특성을 가지는 합금을 제조하기 위하여, 온도, 냉각속도 및 다른 금속학적 결정인자들이 조절되는 형태의, 시간, 온도 및 조성을 조절하는 것을 포함하는 합금공정으로서의 고강도 합금강의 제조와는 관계가 없으며 구분되어야 한다. 강의 제조에 사용되는 바와같이 이러한 조절된 합금공정은, 최종합금이 상대적으로 제어되지 않는 조건에 의해 얻어지고, 용접공정을 수행하는 아크에 의해 그리고 가공물을 따라 아크가 이동되는 속도에 의해 얻어지는 필요한 온도에 의해 단지 열이 제어되는 용접공정에는 적용되지 않는다.
본 발명에 따라 신규의 용착된 금속비이드는 자동적인 뜨임(tempering)공정에 의해 얻어지며, 높은 강도의 강철을 제조하기 위한 기술은 모재금속에 잘 적용될 수 있으나, 이와같은 합금기술 및 금속학적 기술은, 본 발명의 신규의 금속비이드를 용착시키는데 사용되는 것과 같은 아크용접공정에서 이용되는 상대적으로 제어되지 않고 불규칙한 시간, 온도 및 용착속도의 경우에는 적절하지 못하고 적용될 수 없다.
본 발명의 주된 목적은 용접금속비이드 및 이것의 용착방법을 제공하는 것이며, 이 용접금속은 약 2.0㎖/100g이하의 확산성 수소를 가져서 높은 수준의 망간이 포함될 수 있고, 노치 강도의 손실 또는 크랙에 대한 저항성을 감소시키지 않고 높은 항복 강도를 가지는 소정의 마르텐사이트형 합금을 얻게 된다. 본 발명의 목적에 따라서, 100,000psi를 초과하는 항복 강도를 달성하기 위해 망간은 3.0%를 초과하여 증가될 수 있다. 실제로 본 발명에 따라 망간이 증가함에 따라 항복 강도는 증가된다. 본 발명의 합금의 용접 비이드에서 망간은 거의 4.0%까지 증가될 수 있어서 130,000psi를 초과하는 항복 강도가 얻어진다. 따라서, 본 발명의 기본 목적중의 하나는 지극히 높은 수준의 망간을 가지는 용착된 용접금속비이드를 제공하는 것이며, 용접금속내의 니켈의 수준 또한, 대체로 약 2.0% 이하로 감소된다. 결국, 항복 강도를 증가시키기 위한 망간과 니켈 사이의 관계는 일반적으로 높은 강도의 강의 합금화에 사용되는 공정과 반대이다. 본 발명에 따라 항복 강도를 증가시키기 위해 망간을 사용하는 것은 니켈을 사용하는 것 보다 용접금속에 보다 유리하다는 것이 판명되었다. 또한 니켈이 발생하는 유해한 효과가 본 발명의 이러한 특징에 의해 감소되며, 이것은 항복 강도를 증가시키기 위해서 감소된 양의 니켈과 증가된 양의 망간을 사용되는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 약 130KJ/in 이하, 양호하게는 55-110KJ/in범위의 용접 열 입력을 가지는 아크용접공정에 의해 제조될 수 있으며, 용접금속비이드로 사용되는 신규의 높은 항복 강도를 가지는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 참고로 인용된 종래 기술에서 규정한 본 발명의 특징을 갖춘 개선된 소모성 용접요소를 제공하는 것이며, 이 용접요소는 특징적인 용접금속비이드의 강합금을 제조하도록 개선된다. 이런 신규의 합금에 의하면, 130,000psi에 도달하는 항복 강도 수준에서도 높은 강도, 높은노치 강도 및 낮은 크랙저항 특성이 얻어진다. 이러한 형태의 신규한 용접 비이드 합금은 지금까지는 사용되지 않았다.
본 발명의 한 특징에 따라서 100,000psi를 초과하는 높은 항복 강도의 강철의 MIG 용접에 사용될 있는 염기성 금속 코어가 구비된 전극(용접요소)이나 동일한 목적을 위해 코어가 구비된 필러 와이어(filler wire)가 제공된다. 이 요소에는 본 발명의 용접금속을 제조하는 성분이 제공된다.
본 발명은 종래의 기술에서 사용된 것과같은 금속합금화용 분말을 함유하는 콤팩트형 코어를 감싸는 강제의 장재를 포함하는 소모성 아크용접 전극 또는 용접요소를 사용할 수 있다. 이 코어는 또한 전극 즉 상기 용접요소의 총중량의 약 1.6%이하 양의 기본적으로 100%인 염기성 화합물을 포함한다. 이 금속 합금 분말은 본 발명의 최종 용접금속비이드의 합금조성을 얻기 위해 표준적인 방법을 사용한다. 상기 염기성 화합물은 단일 성분용제(flux)로 되어 용접금속내의 산소를 용접금속의 약 0.04%이하 수준까지 감소시킨다. 본 발명에 있어서 상기 100% 염기성 화합물의 적합한 예는 불와 칼슘 분말이다.
본 발명에 사용될 수 있는 또 다른 특징에 따라서, 불화칼슘 분말은 전극총 중량의 약 0.1% 내지 약 0.9사이의 양으로 코어내에 포함한다. 이러한 소량의 용제 성분 즉 불화칼슘은 분말을 가짐에 의해 용제 코어를 구비한 전극에 발생되는 용접의 문제점이 극복되고, 이와 함께 불화칼슘은 최종 용접금속내의 산소양을 제어한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라서, 염기성 금속 코어가 구비된 전극은 용접금속내에 확산성 수소의 양을 감소시키기 위해 소량의 중합체(polymer)를 포함한다. 이 중합체는 약 1000℉ 이하의 용융점을 가짐에 따라서 미립형태로 코어내의 함유될 수 있고, 전극의 성형 및 인발중에 그 조성을 유지할 수 있다. 이 용제는 아크용접공정용 용접금속내의 확산성 수소를 포획하기 위해 불소인 단일용제를 방출하며, 중합체는 전극중량의 0.4%까지 증가될 수 있다. 이것에 의해 확산성 수소는 전에는 얻을 수 없었던 1㎖/100g 이하 그리고 0.6㎖/100g까지 감소될 수 있다. 한편 본 발명은 고체 금속와이어 전극에 사용될 수 있으나 수소 감소용 중합체는 사용될 수 없다.
본 발명의 용접요소를 사용될 수 있는 주요 특징에 따라 염기성 금속 코어가 구비된 전극은, 단일 성분의 용제로 불화칼슘 분말을 포함할 수 있으며 불소함유 중합체와 수소감소용 분말을 또한 포함한다. 금속합금 분은 또한 코어내에서 단일 염기성분 및 수소감소용 중합체와 상호합체되며, 이 코어는 약 0.100인치 이하의 직경의 전극으로 인발될 수 있는 저 탄소 외장재에 의해 감싸진다. 물론, 전극의 외장재는 합금화용 전기노에서 형성될 수 있으므로 소모성 전극의 코어내에서 금속 분말을 합금시킬 필요가 없게 된다.
상기 합금금속이 정확하게 제어된 외장재 금속중에 있거나 코어내의 금속합금 분말에 의해 제어되던지 본 발명의 중요한 특징을 감소시키지는 않는다. 이러한 합금 개념기술 및 결과는 본 발명의 신규의 합금을 얻기위해 일반적인 기술에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 본 발명의 신규의 용접금속합금을 얻기 위하여 코어에 합금금속을 결합함으로써 뚜렷한 이점이 발생된다. 따라서 본 발명의 특징에 따라 종래기술에 나타난 것처럼 염기성 금속 코어가 구비된 전극이 포함되나, 합금시스템의 장점은 용접금속내에 제어된 양의 산소 및 확산성수소가 포함된다는 것이다. 본 발명의 신규의 합금을 얻기 위해 이와같은 전극을 사용하는 것은 이제까지 행하여 진적이 없으나, 본 발명에 의해서 매우 높은 강도의 강의 MIG 용접이 이루어졌다.
실제적인 적용에 있어서 본 발명은 염기성 금속 코어가 구비된 전극에 대한 것이며, 따라서 용접금속 비이드용의 함금금속은 분말형태이고, 코어내에서 압축된다. 물론, 금속학적인 정확성이 외장재 강의 합금화에서 얻어질 수 있다면, 합금재료가 전극을 둘러싸는 외장재에 합체될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라 그리고 본 발명의 가장 실제적인 실시예에 있어서, 저 탄소강 또는 저 합금강은 코어를 감싸기 위해 사용되며, 요구되는 용접금속비이드를 만들기 위한 합금금속은 코어내에 분말로써 합체된다. 상기 전극은 요구되는 크기로 인발되는데 바람직하게는 0.100인치 이하 직경의 원통형으로 제조된다. 이 용접 전극은 높은 항복 강도의 강 즉 102,000psi(HY-100)심지어는 130,000psi(HY-130)의 항복 강도의 강을 용접하기 위해 사용된다. 종래기술에 따라서 염기성 금속 코어가 구비된 전극은 아웃 오브 포지션(out-of-position)용접에 사용될 수 있는데, 이것은 불화칼슘이 제한된 최대 수준인 1.60% 이하로 제어되기 때문이며, 이 불화칼슘이 전극내 또는 전극상에서 유일한 용제성분을 구성하기 때문이다.
상기 종래기술에서 제시된 용접요소는 용접금속 비이드에 요구되는 용접금속합금을 제공하기 위한 합금성분을 포함한다. 특정 용접금속합금 및 이것의 용착방법이 본 발명을 구성한다.
양호한 노치 강도 및 크랙저항성을 유지하는 동시에 예열이 거의 없이 높은 항복 강도를 얻기 위해 이전에 여러 시도가 있었으나 만족스럽지 못하였다. 본 발명의 기본 목적은 이러한 특징을 달성하는 신규한 합금 및 이것을 용착시키는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적 및 장점은 도면을 참고로한 아하의 설명에 의해 명확하게 될 것이다.
도면은 본 발명의 일 실시예를 단지 예시하기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되지 않는 것은 명백하다.
실시예에 있어서, 1인치 두께의 2개의 판은 250℉의 온도로 예열하고 98%의 아르곤과 2% 산소를 포함하는 보호용 가스를 사용하벼 55-110KJ/in 의 용접 열입력으로 용접된다. 이 판들은 높은 항복 강도의 군사 목적용 강(HY-100)으로 부터 형성되며, 염기성 금속 코어가 구비된 전극(10)에는 제 1 도에 개략도시되는 것처럼 시임(14)에서 결합된 저 탄소의 외장재(12)가 제공된다. 이 도면은 일반적으로 이하에서 설명되는 본 발명의 특징을 도시한다.
외장재(12)의 시임(14)는 겹쳐지거나 또는 용접 전극(10)을 형성하기 위해 표준 방식에 따라 형성되며. 외장재(12)안에는 용접금속입자(20)(사각형으로 도시됨)로 충전되어 형성된 코어가 있으며 이 금속입자는 본 발명의 요구되는 신규의 용접금속 합금을 얻기 위해 사용되며, 코어는 불화칼슘입자(22)(큰 원으로 도시됨) 및 작은 양의 불소함유 중합체 입자(작은 원으로 도시됨) (24)를 구비한다. 이 코어는 0.100인치 이하의 직경으로 전극(10)을 인발함으로써 충진되며, 실시예에 있어서, 불소함유 중합체는 실시예(X)의 경우에는 총 전극중량의 0.16% 또는 실시예(Y)의 경우에는 0.40중량를 차지한다(제 4 도 참조).
불화칼슘 입자는 총전극 중량의 0.5%이며, 금속입자(20)는 전극의 총중량의 약 19%를 가진다. 그외의 잔여 중량은 튜브 즉 외장재(12)이다. 실시예(X 및 Y)는 HY-100과 같은 높은 항복 강도의 군사목적용 강을 만족스럽게 용접시킨다.
제 2 도는 본 발명의 변형된 양호한 실시예를 도시하며, 여기에서, 외장재(12)내에 있는 코어는 단지 불화칼슘 입자(22)와 수소 감소제인 불소함유 중합체 입자(24)를 포함한다. 이 경우에 있어서, 금속으로 된 외장재(12)는 본 발명의 신규한 합금을 만들기 위한 합금성분을 포함한다.
제 3 도에 있어서, 코어내의 불화칼슘 입자는 총 전극중량의 약 1.6%이하이며, 불화칼슘의 양이 1% 또는 이에 인접하는 경우, 용접의 질은 나빠지기 시작하며, 약 1.6% 이상의 양에서는 여러 용접위치내에서 높은 항복 강도의 강을 용접하는데 만족스럽지 못하게 된다. 불화칼슘이 감소함에 따라 용접 용착물내의 산소양은 증가하며, 높은 항복 강도의 강의 항복강도가 증가함에 따라 군사적 용도에 부응할 수 있도록 더욱 적은양의 산소가 용접금속내에 함유될 수 있다. HY-130과 같은 높은 범위의 높은 항복 강도의 강에 있어서, 용접금속에 포함된 산소의 양은 HY-80과 같은 높은 강도의 강의 경우보다 작아져야하며, 따라서 HY-130의 경우의 불화칼슘의 최소수준은 그래프의 X위치에서 나타나며, HY-80과 같은 다소 낮은 강도의 강에 있어서 용접금속에 포함된 산소양은 약간 높을 수도 있다. 이러한 개념은 그래프의 Y위치에서 나타난다. 따라서 본 발명에서 사용될 수 있는 불화칼슘의 최소한도는 높은 항복 강도에 따라 변화하며, 모든예에 있어서 용접금속합금은 낮은 산소 성분을 가지며, 이것은 높은 항복 강도의 강을 용접하는데 필요하다. 보다 많은 산소를 포함하는 능력은 본 발명을 기술하고 그리고 본 발명의 실행에 있어서 불화칼슘의 최소한도 양을 도시할 목적으로 제 3 도에서만 도시된다.
제 4 도에 있어서, 테트라플루오르 에틸렌과 같은 불소함류 중합체의 비율은 용접금속내에서 발생되는 확산성 수소와 비교되며, 수소에 대한 수치는 ㎖/100g의 변수로 나타나며, 이 변수는 일반적으로 ppm과 같다. 실제에 있어서, 높은 항복 강도의 강은 2.0㎖/100g이하의 확산성 수소를 가져야만 1.0㎖/100g이하의 수소는 일반적으로 사용될 수 없는 극도의 제한된 조건을 제의하고는 얻기 힘들며, 도시되는 것처럼, 금속합금 분말과 함께 불화 칼슘 분말을 합체시킴에 의해, 2.0㎖/100g이하의 수치가 도달되며, 이것은 어떠한 수소감소제가 없더라도 가능하다.
제 5 도에 있어서, 그래프의 왼쪽은 최종 용접금속합금의 항복 강도 상에서의 본 발명의 합금을 형성하는 성분의 관계를 나타내며, 탄소 및 티타늄은 비교적 임계적이며 적은 변화도 항복 강도를 급격하게 변화시킨다. 곡선의 기울기는 성분의 상대적인 퍼센트의 관계를 규정하며, 하측 곡선에 있어서 용접 열 입력의 효과가 도시되며, 열이 증가함에 따라 항복 강도는 대체로 감소하며, 제 5 도의 아래에는 본 발명을 설명하도록 규정된 식이 도시된다. 상수 50.02는 2개의 그래프에 도시된 기울기에 의해 구해지며, 용접 열 입력과 함께 탄소, 망간, 실리콘, 니켈, 몰리브덴 및 티타늄의 비율을 적용시킴에 의해 항복 강도(YS)는 상기 식을 사용해서 구해진다. 이 식은 본 발명의 개념을 이해하는데 도움이 되며, 본 발명은 용착된 용접금속의 합금성분에 관계된다.
테이블 I는 다른 비율의 탄소, 망간, 실리콘, 니켈, 몰리브덴, 티타늄을 가진 용착된 합금과 함께 본 발명의 실시예를 나타내며, 각각의 실시예에 의해 얻어지는 최종 항복 강도 및 0℉에서의 샤르피(charpy)노치 강도가 제공된다. 종렬 E는 본 발명에 따라 형성된 용접금속합금 각각의 연신율(%)를 나타낸다.
[테이블 I]
본 발명의 양호한 실시예는 테이블 I의 실시예 C 및 D에서 나타나며, 이 실시예에 있어서, 특별히 코어가 구비된 전극이 실시예 C에서는 110KJ.in 또는 실시예 D에서는 55KJ/in의 용접 열 입력으로 아크용접방법으로 가공물상에 용접금속을 용착하는데 사용된다. 상기 최종합금 조성이 이러한 두가지의 아크용접방법의 경우에 대해 테이블 I에 표시된다. 실시예 C에서 망간은 2.88%이며 탄소는 0.053%이고 티타늄은 0.017%이다. 이 경우 103,100psi의 항복 강도와 23%의 연신율 및 0℉에서 74샤르피 노치 강도가 얻어진다. 용접 열 입력을 55KJ/in로 감소시킴에 따라 망간은 증가되며, 탄소는 대체로 동일하며 티타늄은 대체로 증가한다. 제 5 도에 도시된 그래프 및 연관된 식에 있어서, 성분의 변화는 비교적 급작스럽게 항복 강도를 증가시켜 121,000psi로 되며, 실시예 C와 D사이의 망간의 차이의 효과는 제 5 도 및 테이블 I에 도시된 것처럼 급작스럽게 나타나지 않는다.
본 발명의 다른 양호한 실시예는 테이블 II에 도시된 실시예 G 및 H로 만들어진 전극이며, 이러한 두개의 실시예는 다른 용접 열 입력으로 동일한 전극을 사용한 최종 합금의 예이며, 주된 합금의 성분차이는 티타늄에 있으며, 증가된 열은 티타늄의 감소를 초래하며, 따라서 항복 강도가 감소된다. 테이블 I에서 2쌍의 연속된 실시예는 동일한 전극이 사용되나 다른 용접 열 입력을 사용한 아크용접공정으로 용착된다. 양호한 실시예는 실시예 C, D의 합금 및 실시예 G, H의 합금이다. 용접기술에서 잘 알려진 것처럼 어떤 합금성분은 전극으로 부터 용접금속으로 전달되며, 이때 아크용접 또는 합금공정을 통해 더 작은 손실양이 생긴다. 아러한 현상은 아크용접분야에서 잘알려져 있다. 따라서 당업자는 테이블 I에 기술된 요구되는 퍼센트를 얻기 위해 종래기술에 따른 전극의 특성을 가지는 전극에서 합금 퍼센트를 용이하게 발전시킬 수 있었다. 양호한 실시예에서, 테이블 II는 이에 표시된 용착금속을 얻기 위한 전극자체의 중량퍼센트를 나타낸다.
[테이블 II]
본 발명에 따라서, 종래의 기술에 따라 몇개의 전극이 만들어지고 그리고 테이블 II에 표시된 합금조성이 얻어진 후, 낮은 수소 발생성분으로 부터 만들어지고 그리고 높은 강도의 가공물상에 사용되는 요구되는 특성을 갖춘 합금은 다음과 같은 조성을 필요로 한다는 것이 밝혀졌다.
신규한 용접금속합금의 주성분은 탄소(C), 망간(Mn) 그리고 티타늄(Ti)이며, 이 탄소는 외장재 및 코어내의 합금금속 입자로 부터 취해지며, 탄소가 0.03%보다 낮은 수준으로 탄소를 유지시키는 경우에는 부수적으로 고려되어야 한다. 적어도 이와같은 퍼센트의 탄소를 유지시키기 위한 주이유는 항복 강도를 증가시키는 것이며, 탄소가 0.09% 이상이라면 크랙 감도는 급격하게 증가되며, 여기에서는 허용될 수 없는 노치 강도의 손실이 발생된다. 따라서 신규한 합금 조성에는 0.03~0.09% 범위의 탄소가 포함된다. 합금의 3개의 주성분중 많은양의 망간은 중요한 특징이 된다. 과거에는 일반적으로 용접금속에 있어 2.0%이하의 망간을 가졌으며, 망간은 일반적으로 1.0%이하이었다. 수소를 2.0㎖/100g이하로 감소시킴에 의해 망간은 2.0%이상으로 증가되고 그리고 니켈은 감소될 수 있다. 따라서 이러한 2개의 강도증가성분, 망간과 니켈은 보다작은 양의 탄화물 석출을 제공하는 방법으로 조정될 수 있다. 망간은 니켈보다 이런 석출을 발생시키는 경향이 작다. 종래기술들에서 설명된 하나의 공정을 통해 확산된 수소양을 감소시킴에 의해 망간은 증가될 수 있으며, 니켈은 감소될 수 있다. 망간은 2.5~4.0% 범위내에서 사용되며, 제 5 도에 도시되는 것처럼, 망간의 양이 증가함에 따라 항복 강도는 증가된다. 따라서 신규한 합금에 의해 높은 항복 강도가 얻어질수록 보다 많은양의 망간이 증가된다. 망간이 4.0%를 초과하면 크랙 저항성이 증가하게 되고, 티타늄(Ti) 또한 3종류의 탄소, 망간 및 티타늄에 있어서 임계요소가 된다. 티타늄의 양이 너무 낮으면, 낮은 노치 강도 및 낮은 항복 강도가 얻어지며, 티타늄양이 너무 높으면 즉, 약 0.05%를 초과하면, 노치 강도는 감소되고 크랙 저항성은 증가된다. 따라서 티타늄은 반드시 0.01~0.05% 범위로 유지되어야 한다.
주성분인 탄소, 망간 및 티타늄과 부수적인 합금성분인 실리콘, 니켈 및 산소가 본 발명에서 사용되며, 실리콘(Si)은 최종 용접금속의 공극을 제거하기 위한 탈산제이다. 그러나, 실리콘이 약 1% 이상인 경우에는 크랙 감도를 증가시키며, 이러한 이유로 실리콘은 일반적인 범위인 0.2~0.6%로 유지되며, 이러한 실리콘의 범위에서는 허용될 수 있는 공극이 발생되며, 용접금속의 크랙감도가 증가되지 않는다.
신규한 합금내의 니켈에 있어서 이미 설명한 것처럼, 니켈은 항복 강도를 제어할 수 있도록 일반적으로 망간과 함께 사용되는 것보다 낮은 양으로 유지되며, 니켈은 높은 강도 수준으로 노치 강도를 유지시키기 위해서 포함된다. 이 니켈은 냉각속도에 덜민감한 미세조직을 발생시킨다. 그러나, 약 2.0% 이상이 포함되지 않아야된다. 이러한 양이 초과된다면 강의 제조에 사용된 것처럼 탄화물 석출은 증가되어진다. 따라서 니켈은 반드시 2.0% 이하라야 하며, 망간은 2.5% 이상이어야 한다. 이러한 것은 아크용접공정에 의해 형성된 합금내의 2개의 강도를 증가시키는 성분의 새로운 관계를 나타낸다. 도면 제 5 도에 도시되는 것처럼, 망간은 니켈보다도 항복 강도에 많은 기여를 하며, 따라서 망간은 항복 강도를 증가시키기 위해 사용되며, 니켈은 노치 강도를 유지시키고 그리고 입자의 미세조직을 제어하도록 낮은 수준으로 사용되어 최종 합금은 용접공정후 대기 조건하에서 냉각됨에 따라 적절하게 뜨임(tempering)이 된다. 본 발명에서는 작은양의 산소가 사용되며 산소는 0.015~0.040% 범위내에 있다. 그러나 약 0.035% 이하가 바람직하다. 적어도 약 0.02% 산소를 포함시키는 것에 의해 산소는 미세조직을 안정화시키고, 최종합금의 노치 강도를 증가시키기 위해 최종 합금내의 입자형태를 제어한다. 0.04% 이상의 산소는 합금의 불순물을 증가시키고 그리고 노치 강도를 감소시킨다. 약 0.015% 이하에서는 노치 강도가 손상된다. 산소는 신규한 합금의 미세조직을 제어하는데 도움이 된다. 본 발명에서 규정된 양보다 많은 양의 산소는 노치 강도를 감소시킨다.
몰리브덴(Mo)은 합금에 있어서 선택적인 성분이며, 이 합금은 몰리브덴없이 85,000~90,000psi 사이의 항복 강도를 얻을 수 있다. 그러나, 100,000psi를 초과하는 항복강도를 얻기 위해서는 몰리브덴이 반드시 포함되어야 한다. 몰리브덴은 유해한 탄화물 석출을 발생시키므로 반드시 0.5~1.5% 범위내에 유지되어야 한다.
본 발명에서 제시된 퍼센트 범위를 가지는 용접공정에 의해 용착된 용접금속용 합금을 제조하는 것에 의해, 높은 인장강도가 얻어질 뿐 아니라 필요한 물리적 특성이 얻어진다.
Claims (21)
- 2.0㎖/100g이하의 확산성 수소와 0.040중량% 이하의 산소를 가지며 약 85,000psi 보다 큰 항복 강도를 가지며, 소모성 용접요소로 부터 가공물상에 약 130KJ/in 이하의 용접 열 입력으로 용착하여 형성되는 개선된 높은 항복강도의 용접금속비이드에 있어서, 상기 용접금속은, 이 용접금속에 대해 중량%로 0.03~0.09%의 탄소, 2.5~4.0%의 망간, 0.01~0.05%의 티타늄, 1.0%이하의 실리콘, 2.0%이하의 니켈 그리고 0.035% 이하의 산소를 포함하는 강합금인 것을 특징으로 하는 개선된 높은 항복강도의 용접금속 비이드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘은 0.2~0.6% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 2 항에 있어서, 상기 니켈은 0.8~1.8% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 3 항에 있어서, 상기 산소는 0.015~0.035% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 4 항에 있어서, 상기 용접금속은 1.5% 이하의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 5 항에 있어서, 상기 몰리브덴은 0.5~1.3% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 2 항에 있어서, 상기 용접금속은 1.5% 이하의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 7 항에 있어서, 상기 몰리브덴은 0.5~1.3% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 니켈은 0.8~1.8% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 9 항에 있어서, 상기 산소는 0.015~0.035% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 10 항에 있어서, 상기 용접금속은 1.5% 이하의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 11 항에 있어서, 상기 몰리브덴은 0.5~1.3% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산소는 0.015~0.035% 범위내인 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 13 항에 있어서, 상기 용접금속은 1.5% 이하의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 14 항에 있어서, 상기 몰리브덴은 0.5~1.3% 범위내인 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 용접금속은 1.5% 이하의 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 16 항에 있어서, 상기 몰리브덴은 0.5~1.3% 범위내인 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 16 항에 있어서, 상기 니켈은 0.8~1.8% 범위내인 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 16 항에 있어서, 상기 용접금속내에는 1.0㎖/100g이하의 확산성 수소가 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 17 항에 있어서, 상기 실리콘은 0.2~0.6% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
- 제 17 항에 있어서, 상기 산소는 0.015~0.035% 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 용접금속 비이드.
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