KR100265097B1 - 아크 용접용 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

Abstract

웰드 사양 및 PWHT 사양에 대해 약 -60℃ 내지 -80℃의 범위에서 샤르피 흡수에너지 및 CTOD치와 같은 인성이 우수하고 전자세에서의 작업성이 우수한 아크용접용 플럭스 충전 와이어가 제공된다. 이 아크 용접용 플럭스 충전 와이어는 와이어의 총중량에 대해 티탄산화물(TiO₂기준) 3.0 내지 9.0중량%, Mg 0.1 내지 0.8 중량%, B 0.001 내지 0.03중량%, Mn 1.0 내지 3.0중량% 및 Si 0.1 내지 1.2중량%를 함유하고, 와이어에 함유되는 Nb 및 V가 와이어의 총중량에 대해 Nb 0.0120중량% 이하, V 0.0200중량% 이하로 조절되고, 또한 플럭스에 함유되는 금속철이 플럭스의 총중량에 대해 5 내지 50중량%이며 총철에 대한 금속철의 비가 식 [금속철(중량%)/총철(중량%)]≥0.85를 만족시킨다.

Description

아크 용접용 플럭스 충전 와이어

[발명의 분야]

본 발명은 티타니아계 플럭스로 충전된 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이며, 보다 구체적으로 본 발명은 전자세 용접에 대한 용접성 및 저온 인성이 우수하여 용접된 대로의 재료 사양(이하 “웰드 사양”이라 함) 및 용접후 열처리를 요하는 재료 사양(“PWHT 사양”이라 함)에 적용가능한 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

[배경기술의 설명]

최근 에너지자원의 개발이 먼 극지방과 깊은 심해로까지 확대되어 감에 따라서 우수한 저온 인성을 갖는 강재료 및 용접 재료의 개발이 강하게 요구되어 왔다. 그러나, 가스 시일드 아크 용접용의 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 전자세 용접에 대해 우수한 용접성 및 능률성을 가지나 슬래그 형성제로서 TiO₂와 같은 산화물을 다량 함유하고 있어 산성 슬래그를 발생시킨다. 이 때문에 용접 금속중의 산소 함유량은 일반적으로 700 내지 900중량ppm으로 높으며 또한 인성의 면에서 웰드 사양은 약 -30℃의 최저온 영역에만 적용가능하다. 대안으로서 염기성 와이어는 얻어지는 용융 금속중의 산소 레벨이 비교적 낮기 때문에 웰드 사양과 PWHT 사양중 어느 것에서든 양호한 저온 인성을 가지나 전자세 용접에 대한 작업성이 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 비하여 훨씬 불량하다.

최근 몇 년 동안 일본 특허 제 1,407,581 호에서 보이는 바와 같이 Ti, B, Mg 및 Ni와 같은 합금 성분의 상승 효과 때문에 -60℃ 내지 -80℃까지의 저온 사양에의 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 적용을 실현하는 기술이 개발되어 왔으나, 엄밀히 말하자면 이 기술은 주로 웰드 사양에 적합하다. 따라서 이 기술은 응력제거 소둔(이하 “SR”이라 함)과 같은 PWHT 사양 중 개선된 인성을 요구하는 용도에의 적용에는 만족스럽지 못하다.

더욱이 일본 특공평 5-45360호에서는 COD 특성을 포함한 저온 인성을 개선하기 위해 플럭스 충전 와이어에 가해지는 플루오르화물의 양을 증가시키고 있으나, 그렇게 하면 발생되는 용접 퓨움 및 스패터의 부피가 증가된다. 게다가 CaF₂및 BaF₂를 사용하면 슬래그의 염기도가 상승되어 수직 자세에서의 용접성이 심하게 열화된다. 따라서 이 종래기술은 전자세 용접에 거의 적용될 수 없다.

본 발명자들은 용접 금속에 잔존하는 미량 금속(예를 들면 Nb, V 및 P)을 한정하는 것으로 이루어지는, 용접만의 사양과 PWHT 사양 둘 다에서 저온 인성이 양호하고 전자세에서의 작업성이 우수한 기술을 이미 제안하였다(일본 특개평 8-10982호).

그러나 본 발명자들의 계속된 연구 작업으로 이 종래기술의 수준에서는 아직 -60℃ 내지 -80℃에서의 저온 인성이 만족스러울 정도로 안정하지 않고 몇몇 경우에는 목적으로 하는 저온 인성이 얻어질 수 없어 실제의 적용에서는 오점을 야기할 가능성이 남는다는 것이 증명되었다.

본 발명은 상기한 문제들을 고려하여 이루어졌다. 본 발명의 목적은 웰드 사양과 PWHT 사양의 두 사양 모두에 대해 -60℃ 내지 -80℃에서의 저온 인성이 충분히 안정하고 전자세에서의 작업성이 우수한 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공하는 것이다.

제1도는 플럭스중의 금속철(중량%)/총철(중량%)의 비와 용접 금속중의 산소함유량 또는 용접 금속의 흡수에너지의 관계를 나타내는 그래프.

제2도는 와이어중의 Nb 함유량과 용접 금속의 흡수에너지의 관계를 나타내는 그래프(가로좌표축; 로그 눈금).

제3도는 와이어중의 V 함유량과 용접 금속의 흡수에너지의 관계를 나타내는 그래프.

제4도는 와이어중의 P 함유량과 용접 금속의 흡수에너지의 관계를 나타내는 그래프.

제5(a)도∼제5(d)도는 플럭스 충전 와이어의 단면 형상 예시도이다.

[발명의 개요]

본 발명에 따른 아크 용접용 플럭스 충전 와이어는 강 외피에 플럭스를 충전하여 제조되고, 와이어의 총중량에 대해 티탄산화물(TiO₂기준) 3.0 내지 9.0중량%, Mg 0.1 내지 0.8중량%, B 0.001 내지 0.03중량%, Mn 1.0 내지 3.0중량% 및 Si 0.1 내지 1.2중량%를 함유하고, 와이어에 함유되는 Nb 및 V가 와이어의 총중량에 대해 Nb 0.0120중량% 이하, V 0.0200중량% 이하로 조절되고, 또한 플럭스에 함유되는 금속철이 플럭스의 총중량에 대해 5 내지 50중량%이며 총철에 대한 금속철의 비가 식 [금속철(중량%)/총철(중량%)]≥0.85를 만족시킨다.

바람직하게는 와이어의 총중량에 대해 총 수분함유량이 20 내지 1000중량ppm(KF법, O₂분위기중 750℃)의 범위로 조절되고 불순물 중의 P가 0.030중량% 이하이다. 또한 바람직하게는 본 와이어는 와이어의 총중량에 대해 금속플루오르화물을 플루오르 기준으로 0.01 내지 0.30중량%로, TiO₂를 포함한 산화물을 9.0중량% 이하로 함유한다.

더욱이 본 와이어는 바람직하게는 와이어의 총중량에 대해 Ni 0.3 내지 5.0 중량%를 함유하는 한편 그 안에 충전되는 플럭스는 겉보기 밀도가 1.0 내지 4.0이고 입도가 최대 입경 500㎛ 이하이다.

[발명의 상세한 설명]

본 발명자들은 상기 문제를 극복하기 위해 여러 가지 실험과 연구 작업을 반복하여 행해 왔다. 본 발명자들은 용접 금속중의 산소함유량을 더욱 많이 감소시키는 것이 웰드 사양과 PWHT 사양의 두 사양 모두에서 저온 인성을 안정화시키는데 유효함을 발견하였다. 따라서 본 발명자들은 일본 특개평 8-10982호에 개시된 기술에 의한 감소보다 용접 금속중의 산소함유량을 더욱 감소시키기 위한 수단으로서 플럭스중의 총철에 대한 금속철의 비[금속철(중량%)/총철(중량%)]를 0.85 이상으로 한정하는 것이 유효함을 발견하였다.

플럭스중의 총철과 금속철의 차는 철산화물을 주체로 하는, 그 안의 철 화합물에 해당한다. 그리고 이 철산화물은 용접 금속중의 산소함유량에 큰 영향을 미치는 인자로서 작용하며, 그 함유량을 조절함으로써 용접 금속중의 산소함유량이 더 낮은 레벨로 더 억제되어 저온 인성이 안정화 및 개선될 수 있게 된다.

여기에서 언급되는 용어 “금속철”은 플럭스에 함유되는 철분말 및 여러 가지 철합금(Fe-Mn, Fe-Ti, Fe-B 등)에 함유되는 모든 금속철 성분을 의미한다. 또한 이들 플럭스 재료에 함유되는 불순물은 주로 철산화물과 같은 산화물이다. 따라서 본 발명에 따르면 [금속철(중량%)/총철(중량%)]의 비가 0.85 이상이어야 한다. 이러한 한정에 의해 용접 금속중의 산소함유량이 감소된다. 일본 특개평 8-10982호에 개시된 바와 같은 불순물 원소의 범위가 확대되더라도 웰드 사양과 PWHT 사양의 두 사양 모두 만족스런 저온 인성을 얻을 수 있다. 즉 용접 금속중에 Nb가 전혀 존재하지 않더라도 양 사양에서의 저온 인성은 절대로 열화되지 않는다는 것을 새로 발견할 수 있다.

본 발명은 빙해의 해양 구조물과 LPG 및 LNG 선박을 건축하는데 요구되는 약 -60℃ 내지 -80℃의 온도범위의 웰드 및 PWHT 사양에서 샤르피 충격치 및 COD치와 같은 인성치가 큼과 동시에 전자세 용접 동안의 작업성이 우수한 플럭스 충전 와이어를 제공하는 것이다.

이제 본 발명에 따른 가스 시일드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 일정 성분을 가하는 이유와 플럭스 충전 와이어의 조성을 한정하는 이유를 이하에 설명한다.

본 발명자들은 서로 다른 조성을 갖는 여러 가지 플럭스 충전 와이어를 용접 시험에 의해 집중적으로 실험하여 그 성능을 비교하였다. 시험 와이어는 와이어 직경이 1.2mm이었고 제5(a)도에 도시된 바와 같은 형상을 가졌다. 플럭스비는 15중량%이었다. 용접 시험은 표 1에 나타낸 조성의 와이어를 사용하여 수행되었다. 용접 조건은 다음과 같다.

1. 샤르피 충격시험(JIS Z3111에 따름)

극성: DCEP

용접 전류: 280A

용접 전압: 29V

시험 강판: BS4360, Gr50D

시일드 가스: 80% Ar-20% CO₂, 유량 25리터/분

기타: JIS Z3313에 따라 용접

2. COD 시험(BS7448-1991에 따름)

극성: DCEP

용접 전류: 180-250A

용접 전압: 적정량

시험 강판: BS4360, Gr50D, 판두께 40mm, X-베벨각 50°K

시일드 가스: 80% Ar-20% CO₂, 유량 25리터/분

제1도, 제2도 및 제3도는 용접 금속의 샤르피 충격시험 및 COD 시험의 결과를 도시하고 있다. 제1도는 가로좌표축상의 금속철(중량%)/총철(중량%)과 세로좌표축상의 샤르피 충격치 또는 용접 금속중의 산소함유량의 관계를 도시하고 있다. 제1도에 도시된 바와 같이 금속철(중량%)/총철(중량%)의 비가 ≥ 0.85이면 용접 금속중의 산소 함유량이 크게 감소되어 인성이 놀랄 정도로 개선된다.

또한 제2도 및 제3도는 Nb 및 V 함유량과 인성의 관계를 나타내는 그래프를 도시하고 있는데, 여기서 세로좌표축은 샤르피 충격치를 나타내고 가로좌표축은 와이어중의 Nb 함유량 또는 와이어중의 V 함유량을 나타낸다. 샤르피 충격치는 Nb 0.0120 중량% 이하 및 V 0.0200중량% 이하에서 특히 높다. 일본 특개평 8-10982호에 기재된 인성과 달리 인성의 절대치 자체가 개선된다. 특히 용접 금속에 Nb가 전혀 존재하지 않더라도 양 사양에서 양호한 저온 인성이 얻어질 수 있다. 상기한 바와 같이 Nb 및 V 성분의 조절은 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 저온 인성을 개선하기 위한 인자로서 중요하다.

따라서 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 저온 인성을 개선하기 위해서는 Nb 및 V의 조절이 필수적이나 사용될 플럭스에 함유되는 금속철 및 총철의 추가 조절로는 용접 금속중의 산소 레벨이 눈에 띄게 감소될 수 있어 Nb의 조절범위가 변화될 수 있다. 따라서 상기 인자의 조절을 통해 SR과 같은 PWHT 사양과 웰드 사양중 어느 것에서든 저온 인성이 눈에 띄게 개선될 수 있어 안정한 저온 인성을 갖는 티타니아계 플럭스 충전 와이어가 제공될 수 있게 된다.

다음에 본 발명에 따른 실험 결과를 기초로 하여 이와 같이 제조되는 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 함유되는 원소의 함유량을 한정하는 이유를, 원료의 특성을 조절하는 이유와 함께 설명한다.

[티탄산화물(TiO₂기준): 3.0 내지 9.0중량%]

티탄산화물은 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 주성분이며 슬래그 형성제 및 아크 안정제로서 필수 성분이다. 티탄 화합물은 TiO₂기준으로 와이어의 총중량에 대해 3.0 내지 9.0중량%로 와이어에 함유되어야 한다. 티탄산화물은 다른 슬래그 형성제에서는 관찰되지 않는 양호한 슬래그 피복성 및 박리성을 갖는 슬래그 형성제로서의 성질과 아크 안정제로서의 성질을 가진다. 이 티탄산화물이 3.0중량% 미만이면 비드의 양호한 외관이나 비드의 양호한 형상이 얻어질 수 없어 스패터 증가를 수반한다. 특히 수직 및 위보기 자세에서는 비드 행잉이 두드러져 양호한 용접부가 얻어지지 않는다. 이 대신 티탄산화물이 9.0중량%를 초과하면 슬래그 생성량 및 슬래그 점도가 너무 과도하여 슬래그 혼입이 일어나서 용접작업성의 감소를 수반한다.

티탄산화물원으로는 예로서 천연 티탄산화물 및 공업용 티탄산화물(합성 루틸을 포함), 루틸, 환원 일메나이트, 류콕신, 일메나이트 및 티탄산칼륨을 들 수 있다. 그러나 하기하는 바와 같이 와이어에 불가피하게 함유되는 Nb 및 V의 함유량은 바람직하게는 적은 불순물을 함유하는 그러한 티탄산화물원에 의해 조절되어야 한다.

[Mg(마그네슘): 0.1 내지 0.8중량%]

Mg는 용접 금속중의 산소함유량을 감소시키는 효과가 있으며 용접 금속중의 산소함유량이 약 600중량ppm 이하까지 억제될 때는 용접 금속의 저온 인성이 놀랄 만큼 개선될 수 있다. 따라서 Mg 함유량이 증가함에 따라 용접 금속의 샤르피 충격치는 커져 용접 금속의 파면전이온도가 저하하고 또한 저온에서의 충격치가 상승될 수 있게 된다. 반대로 Mg 함유량이 증가하면 슬래그에서 고융점의 MgO가 증가하여 유동성의 감소를 수반하며 이것은 또한 스패터 및 퓨움의 증가와 함께 슬래그 피복성의 감소를 수반한다. 따라서 Mg 함유량은 와이어의 총 중량에 대해 0.1 내지 0.8 중량%이어야 한다. 게다가 Mg는 금속 Mg 이외에 Al-Mg, Si-Mg, Si-Ca-Mg, Ca-Mg 및 Ni-Mg와 같은 Mg 합금의 형태로 가해질 수도 있다. 이러한 Mg 합금은 만일 사용된다면 금속 Mg에 비하여 비교적 느린 반응을 일으켜 스패터 발생을 감소시킬 수 있다.

[B(붕소): 0.001 내지 0.03중량%]

B는 노치 인성을 개선하는 효과가 있다. B 함유량이 0.001중량% 미만이면 그 효과가 감소된다. 이 대신 B 함유량이 0.03중량%를 초과하면 인성 개선 효과가 급속히 감소됨과 동시에 확장력이 경화로 인해 지나치게 높아서 용접 금속의 파괴가 급속히 일어난다. 따라서 B 함유량은 와이어의 총중량에 대해 0.001 내지 0.03중량%이다. 게다가 B는 Fe-B와 같은 B 합금의 형태로 가해지나 B는 붕소산화물의 형태로 가해질 수도 있다. 이것은 붕소산화물이 용접 공정 동안 붕소로 환원되기 때문이다.

[Mn(망간): 1.0 내지 3.0중량%]

Mn은 비드의 외관 및 형상을 개선하는 효과와 용접작업성을 개선하는 효과가 있다. 게다가 Mn은 용접 금속의 탈산을 촉진하며 Mn의 일부는 용접 금속에 갇혀 경화성을 향상시키고 결정조직의 원질부를 미세화하여 인성 및 강도를 향상시킨다. Mn 함유량이 1.0중량% 미만이면 이들 효과가 열화된다. 이 대신 Mn 함유량이 3.0중량%를 초과하면 용접 금속중의 Mn 수율이 증가하여 필요 이상으로 강도가 향상되고 그 때문에 용접 금속의 파괴 발생이 쉽게 야기된다. 따라서 Mn 함유량은 와이어의 총 중량에 대해 1.0 내지 3.0중량%이다. 게다가 Mn은 전해 Mn 이외에 Fe-Mn 및 Si-Mn과 같은 Mn 합금의 형태로 가해질 수 있다.

[Si(규소): 0.1 내지 1.2중량%]

Si는 Mn과 같이 비드의 외관 및 형상을 개선하고 양호한 용접작업성을 유지하는 효과가 있다. 게다가 Si는 용접 금속의 탈산을 촉진하고 Si의 일부는 용접 금속에 효과적으로 갇혀 용접 금속의 강도를 향상시킨다. Si 함유량이 0.1중량% 미만이면 이들 효과가 감소된다. 이 대신 Si 함유량이 1.2중량%를 초과하면 용접 금속에 갇히는 Si의 수율이 증가되어 용접 금속의 결정 입자를 조 입자로 만들기 때문에 노치 인성이 열화된다. 따라서 Si 함유량은 와이어의 총중량에 대해 0.1 내지 1.2중량%이다. 게다가 Si는 Fe-Si 및 Si-Mn과 같은 Si 합금의 형태로 가해질 수 있다.

[Nb(니오브): 0.0120중량% 이하]

[V(바나듐): 0.0200중량% 이하]

와이어에 함유되는 Nb 및 V는 주로 TiO₂의 원료인 티탄산화물[천연 및 공업용 산화티탄(합성 루틸을 포함), 루틸, 환원 일메나이트, 류콕신, 일메나이트, 티탄칼륨 등]의 형태로 존재하고, 미량의 Nb 또는 V는 용접 금속의 결정 조성 및 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 보다 구체적으로는 와이어에 함유되는 Nb 및 V 가 각각 0.0120중량% 및 0.0200중량%를 초과하면 탄화물 및 질화물이 용접 금속의 재가열부에 현저히 형성되어 경화성 및 인성을 열화시킨다. 용접 금속에 SR 처리와 같은 PWHT를 실시할 때는 웰드 재가열부에서와 같이 Nb 및 V의 탄화물이 용접 금속의 재가열부에서 결정 조직 전체에 걸쳐 다양하게 석출되어 인성을 더욱 열화시킨다.

바람직하게는 Nb 및 V의 범위는 각각 0.00050중량% 이하 및 0.0150중량% 이하이다. 보다 바람직하게는 그 범위는 각각 0.00010중량% 이하 및 0.0100중량% 이하이다. 이 범위에서는 높은 노치 인성이 얻어질 수 있고 또한 높은 파괴 인성(예를 들면 웰드 사양 또는 PWHT 사양에 대해서는 CTOD치가 -10℃에서 0.25mm 이상)이 얻어질 수 있다.

상기한 바와 같이 인성은 Nb 및 V 함유량의 조절에 의해 극적으로 개선될 수 있다. 이것은 아마 용접 금속중의 산소함유량이 식 [금속철(중량%)/총철(중량%)]≥0.85에 따른 조절로 현저히 감소되기 때문일 것이다.

[금속철: 5 내지 50중량%(플럭스의 총중량에 대해)]

금속철은 특히 철분말 및 여러 가지 철합금(Fe-Mn 및 Fe-Ti 등)에 함유되는 금속철 성분을 나타낸다. 금속철은 용접 금속 부피를 증가시키고 비드 형태를 조정하고 아크 안정성을 상승시키기 위해 적당량으로 가해진다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 금속철을 플럭스의 총중량에 대해 5중량% 이상으로 가하는 것이 필요하다. 이 대신 금속철의 비가 50중량%를 초과하면 불량한 결합과 같은 결함이 쉽게 생기며 발생되는 스패터가 현저히 증가한다. 따라서 본 플럭스 충전 와이어를 차지하는 금속철의 비는 플럭스의 총중량에 대해 5 내지 50중량%로서 한정되어야 한다.

일반적으로 철분말 및 여러 가지 철합금에는 철산화물을 주체로 하는 철 화합물이 함유되어 있고 철산화물은 용접 금속중의 산소함유량을 크게 증가시키는 작용을 가진다. 그러므로 본 발명에 따라 한정될 때 본 플럭스 충전 와이어의 플럭스 중의 금속철(중량%)/총철(중량%)의 비는 다음 섹션에서 설명하는 바와 같이 한정되어야 한다.

[금속철/총철의 비: 0.85 이상]

본 발명에 따르면 전 플럭스에 함유되는 철성분에 대해, 철산화물을 주체로 하는 철화합물 상태로 함유되는 것에 대한 순수금속(금속철, 철합금 등) 상태로 함유되는 것의 비는 총철에 대한 금속철의 비의 한정에 의해 한정된다. 제1도에 도시된 바와 같이 그 비가 0.85 미만이면 용접 금속중의 산소함유량이 크게 증가하여 저온 인성이 열화된다. 이 때문에 금속철(중량%)/총철(중량%)은 0.85 이상일 것이 요구된다. 게다가 그 범위는 0.95 이상인 것이 보다 바람직하다.

여기에서 용어 “총철”은 알칼리용매(가성소다 및 과산화소다) 중에서 가용화되는 철성분으로서의 아스코르브산 환원 요오드산칼륨 적정법으로 측정된 총철의 양을 의미한다.

[와이어 중의 수분함유량: 20 내지 1000중량ppm]

와이어중의 Nb 및 V 함유량을 억제하기 위해서는 Nb 및/또는 V 함유량이 적은 공업용 티탄산화물을 티탄산화물의 원료로서 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 시중에서 입수가능한 공업용 티탄산화물은 안료, 촉매, 전자 재료 등의 원료로서 사용되어 왔으며, 따라서 그것의 입도가 극히 미세한 한편 벌크 비중이 작다. 그것의 수분함유량에 대해서는 전혀 고려되지 않았으며 그것의 수분함유량에 대해 고려되었다고 하더라도 수분함유량이 너무 높아서 플럭스 충전 와이어용 원료로서는 사용할 수 없다. 예비 처리에 의해 와이어중의 수분함유량은 일정한 레벨로 반드시 제어되어야 한다.

본 발명자들의 연구 작업에 따르면 표면 윤활제를 함유하는 최종 제품으로서의 와이어중의 수분함유량의 상한은 KF법(Karl-Fisher 전량적정법; JIS KO113-1979)에 의해 750℃의 온도의 분위기(산소분위기) 중에서 측정될 때 1000중량ppm이다. 수분함유량이 이 한계를 초과하면 용접 금속중의 분산성 수소의 함유량이 높고 가스 결함이 존재함으로 인해 파괴가 쉽게 일어난다. 이 대신 수분함유량이 20중량ppm보다 아래이면 용접 동안의 아크 안정성이 열화되어 용접작업성을 심하게 열화시킨다. 따라서 플럭스 충전 와이어중의 수분함유량은 20 내지 1000중량ppm(KF법, 750℃, O₂분위기중)으로서 한정되어야 한다. 게다가 수분함유량의 바람직한 범위는 50 내지 500중량ppm이다.

예비처리는 티탄산화물만이 단순히 원료로서 존재하는 단계, 와이어를 성형 및 신장시키는 단계 및 어떤 후속 단계에서 수행되든 만족스러울 수 있고 그 방법은 전혀 한정되지 않는다.

[P(인): 0.030중량% 이하]

P는 저온 인성에 큰 영향을 미치는 원소이다. 그 함유량이 증가하면 인성이 열화될 것이다. 제4도는 가로좌표축상의 와이어중의 P 함유량과 세로좌표축상의 샤르피 충격치의 관계를 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 제4도에 도시된 바와 같이 취성의 P 성분은 SR 처리 등 이후의 PWHT시에 결정경계에 석출되어 인성을 열화시킨다. 와이어의 총중량에 대한 P 함유량이 약 0.010중량%의 범위일 때는 함유량과 관계 없이 거의 동일한 충격치가 얻어진다. 그러나 0.015중량%에서는 충격치가 약간 감소하는 경향이 있는 한편 0.030중량%에서는 충격치가 심하게 저하된다.

게다가 P 함유량은 또한 CTOD치에도 샤르피 흡수에너지에 미치는 영향과 동일한 영향을 미친다. 따라서 P 함유량은 0.030중량%, 바람직하게는 0.020중량% 아래로 억제되어야 한다. 이 도면은 또한 일본 특개평 8-10982호에 도시된 것과는 다르나, 이것도 또한 Nb 및 V의 경우와 같이 [금속철(중량%)/총철(중량%)]≥0.85의 한정 효과 중의 하나이다.

강 외피로부터의 용접 금속에 잔존하는 P는 플럭스로부터의 용접 금속에 잔존하는 P와는 다르다. 보다 구체적으로는 플럭스보다 강 외피로부터의 용접 금속에 더 많은 P가 잔존하며, 따라서 P 함유량은 상기한 이유에 근거하여 0.015중량% 아래로 억제되는 것이 바람직하다.

[F(플루오르): 0.01 내지 0.30중량%]

F는 아크 안정성을 개선하며 또한 그것의 탈수소화 작용 때문에 용접 금속의 저온 인성을 개선하는 효과가 있다. F 함유량이 0.01중량% 미만이면 그 효과가 감소된다. 이 대신 F 함유량이 0.30중량%를 초과하면 스패터 및 퓨움의 양이 증가되어 용접작업성이 열화된다. 동시에 슬래그 유동성이 지나치게 증가하여 비드 형태의 열화가 초래된다. 따라서 F 함유량은 와이어의 총중량에 대해 0.01 내지 0.30중량%이어야 한다. 게다가 F는 플럭스에 함유되는 NaF, KF, LiF, MgF₂및 CaF₂와 같은 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 금속플루오르화물로부터 가해지며, 따라서 F 함유량은 그 안의 F 함유량을 기준으로 한다.

[산화물의 총중량: 9.0중량% 이하]

슬래그 형성제로서는 TiO₂이외에 SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂및 Bi₂O₃와 같은 산화물을 조합하여 사용할 수 있으나 TiO₂를 포함한 산화물의 총중량이 9.0중량%를 초과하면 발생되는 슬래그의 양이 너무 많아서 슬래그 혼입이 쉽게 일어나 용접작업성의 열화가 수반된다. 이 점에서 철산화물은 플럭스의 전 조성의 점에서 식 [금속철(중량%)/총철(중량%)]≥0.85를 만족시키는 범위로 가해져야 한다.

[Ni(니켈): 0.3 내지 5.0중량%]

Ni는 용접 금속의 경화성을 개선하는 효과가 있다. Ni 함유량이 0.3중량% 미만이면 그 효과가 감소된다. 이 대신 Ni 함유량이 5.0중량%를 초과하면 용접 금속에 잔존하는 Ni의 수율이 증가하여 용접 금속이 필요 이상으로 높은 강도를 가져 높은 빈도의 파괴 발생이 수반된다. 따라서 Ni 함유량은 와이어의 총중량에 대해 0.3 내지 5.0중량%이다. 여기서 Ni는 금속 Ni 이외에 Ni 합금으로부터 가해질 수 있다.

[충전 플럭스의 특성]

공업용 산화티탄과 같은 원료로서의 티탄산화물은 극히 미세한 입도와 작은 겉보기 밀도를 가지기 때문에 이들 산화물을 플럭스 충전 와이어용의 플럭스 재료로서 사용하고자 한다면 이들 산화물을 와이어 성형에 앞서 조립화, 경화, 분쇄 및 사분 등에 의해 충전 플럭스의 형태로 예비처리할 것이 종종 요구된다. 보다 안정한 플럭스비로 플럭스 충전 와이어를 제조하기 위해서는 충전 플럭스가 1.0 내지 4.0의 겉보기 밀도 및 최대 입경 500㎛의 플럭스 입도와 같은 특성을 가져야 한다. 와이어 제조면에서는 입도가 최대 입경 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이 최대 입경을 초과하면 와이어 성형 및 신장 동안 와이어 파괴가 일어나거나 플럭스가 분리될 수 있어 용접을 안정한 방식으로 행할 수 없다. 와이어 제조면에서 보다 바람직하게는 입도의 범위가 50 내지 400㎛이다.

또한 예비처리는 티탄산화물만이 단순히 원료로서 존재하는 단계 및 여러 가지 플럭스 재료를 함께 혼합하는 단계 중 어느 것에서든 만족할 만하게 수행될 수 있으며 그 방법은 전혀 한정되지 않는다.

본 발명에 따르면 여러 가지 다른 합금원소 등이 상기한 바와 같은 조건의 한정된 범위내에서 플럭스 또는 강 외피에 만족할 만하게 가해질 수 있다. 예를 들어 금속 또는 합금철 형태의 Al, Ti 또는 Zr이 0.5중량% 이하로 가해지면 탈산 또는 탈질소 효과가 향상되어 수직 자세에서 용융 금속이 매달리는 것이 방지된다. 더욱이 Cr 또는 Cu가 그 안에 미량 함유되면 내후성이 개선될 수 있다. 이 효과는 본 발명에 따라 한정되는 Ni 또는 P로부터 제공될 수 있다. 아크 안정화제로서 추가로 K, Na 및 Li와 같은 알칼리금속의 산화물 또는 탄산염이나 Ce 및 La와 같은 희토류 원소의 화합물이 만족할 만하게 가해질 수도 있다.

본 발명에 따른 플럭스 충전 와이어는 통상적 방법에 따라 연강 외피에 티타니아계 플럭스를 충전하여 제조될 수 있는데, 연강 외피로서는 충전가공성의 면에서 우수한 디프 드로잉성을 갖는 냉간 강재 및 열간 강재를 사용한다. 플럭스 충전비는 특별히 한정되지 않으나 와이어의 총중량에 대해 10 내지 30중량%인 것이 바람직하다.

와이어는 예를 들면 제5(a)도, (b)도, (c)도, (d)도 등에 예시된 여러 가지 형상을 포함하여 특별한 한정 없이 어떤 단면 형상이든 가진다. 제5(d)도의 형상의 와이어 표면은 0.05 내지 0.35중량%의 도금 레벨로 Al, Cu 등으로 도금될 수 있다. 와이어 직경은 용도에 따라 적절히 결정될 수 있다.

더욱이 용접에는 산화성, 중성 또는 환원성 시일드 가스가 사용된다. 일반적으로 시일드 가스는 CO₂가스이거나 또는 Ar, CO₂, O₂및 He중에서 선택된 2가지 이상의 혼합 가스이다.

[바람직한 구체예의 설명]

이제 본 발명의 실시예에 관해 비교예와 비교하면서 설명한다. 먼저 제5(b)도에 도시된 바와 같은 단면 형상을 각각 갖는, 표 1 내지 6에 나타낸 조성의 시험 와이어를 제조하였다. 계속해서 이 개개의 시험 와이어를 사용하여 샤르피 충격 시험 및 COD 시험난에 제공된 조건하에 용접을 수행하여 웰드 사양 및 PWHT 사양 형태로서의 SR(620℃×10시간) 후 인성 및 용접작업성 등을 시험하였다. 그 시험 결과를 이하의 표 7 내지 10에 나타낸다.

표 1 내지 6에 나타낸 바와 같은 본 발명 실시예와 비교예의 플럭스 충전 와이어의 샤르피 충격시험 및 COD 시험을 그것의 용접작업성 시험과 함께 실행하였다. 그 결과를 이하의 표 7 내지 10에 나타낸다. 샤르피 충격 시험은 전술한 용접 조건과 동일한 조건하에 수행하였다. COD 시험에 대한 용접 조건은 이하에 기술한다.

[용접조건(COD 시험용)]

시험 와이어

와이어 직경: 1.2mm

단면 형상: 제5(a)도

플럭스비: 15중량%

극성: DCEP (직류 역극성)

용접 전류: 180 내지 250A

용접 전압: 적정량

시험 강판: BS4360, Gr50D, 판두께 40mm, x-베벨각 50°K

용접 자세: 수직, 위보기

시일드 가스: 80% Ar-20% CO₂혼합가스, 유량 25리터/분

COD 시험은 BS7448-1991에 따라 수행되었다.

또한 표 8 및 10에서 용접작업성은 5단계, 즉 1(불량) 내지 5(우수)로서 분류되어 있다.

표 1 및 10에서 알 수 있는 바와 같이 와이어 중의 화학성분 등이 모두 본 발명에 따른 범위내에 있는 실시예에서는 비드의 외관을 포함한 용접성과 샤르피 충격시험 및 COD 시험에 의한 평가 결과가 양호하였다.

이 대신 비교예 No.14에서의 티탄산화물 함유량은 본 발명 범위의 하한 미만이었기 때문에 비드 외관 및 형태가 불량하였다. 티탄산화물의 함유량이 본 발명 범위의 상한을 초과하였던 비교예 No.15에서는 슬래그 혼입이 일어났다. 비교예 No. 16에서는 Mg 함유량이 본 발명 범위의 하한 미만이었기 때문에 용접 금속중의 산소함유량이 상승되어 샤르피 흡수 에너지 및 CTOD치가 명백히 감소되었다. 비교예 No. 17에서는 Mg 함유량이 본 발명의 상한을 초과하였기 때문에 스패터 및 퓨움의 부피가 증가되어 작업성의 열화가 야기되었다. 더욱이 비교예 No. 18에서는 B 함유량이 본 발명 범위의 하한 미만이었기 때문에 샤르피 흡수에너지 및 CTOD치가 현저히 감소됨과 동시에 F 함유량이 본 발명의 상한을 초과하였기 때문에 스패터 및 퓨움의 부피가 증가되었다. 비교예 No. 19에서는 B 함유량이 본 발명 범위의 상한을 초과하였기 때문에 용접 금속에 균열이 생겼다.

더욱이 비교예 No. 20에서는 Mn 함유량이 본 발명 범위의 하한 미만이었기 때문에 샤르피 흡수에너지 및 CTOD치가 명백히 감소됨과 동시에 비드 외관 및 형태가 불량하였다. 비교예 No. 21에서는 Mn 함유량이 본 발명의 상한을 초과하였기 때문에 강도가 필요한 레벨 이상으로 향상되어 용접 금속에 균열이 야기되었다. 비교예 No. 22에서는 Si 함유량이 본 발명 범위의 하한 미만이었기 때문에 비드 외관 및 형태가 열화되었다. 비교예 No. 23에서는 Si 함유량이 본 발명 범위의 상한을 초과하였기 때문에 결정입자가 조 입자로 확대되어 용접 금속에서 균열 발생이 야기되었다.

더욱이 비교예 No. 24 및 25에서는 Nb 또는 V 함유량이 본 발명 범위의 상한을 초과하였기 때문에 용접성 등은 양호하였으나 샤르피 흡수에너지 및 CTOD치가 현저히 감소되었다. 비교예 No. 26 내지 28에서는 금속철(중량%)/총철(중량%)의 비가 본 발명 범위의 하한 미만이었기 때문에 샤르피 흡수에너지 및 CTOD치가 감소되었다.

표 1 내지 10에 충분히 기재된 바와 같이 본 발명은 웰드 사양 및 PWHT사양의 두 사양 후의 인성, 특히 LPG 및 LNG 선박과 해양 구조물을 건축하는데 요구되는 -60℃ 내지 -80℃에서의 저온 인성이 양호하며 전자세에서의 작업성이 양호한 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

Claims (5)

1. 강 외피에 플럭스를 충전하여 제조되는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어의 총중량에 대해 티탄산화물(TiO₂기준) 3.0 내지 9.0중량%, Mg 0.1 내지 0.8중량%, B 0.001 내지 0.03중량%, Mn 1.0 내지 3.0중량% 및 Si 0.1 내지 1.2중량%를 함유하고, 와이어에 함유되는 Nb 및 V가 와이어의 총중량에 대해 Nb 0.0120중량% 이하, V 0.0200중량% 이하로 조절되고, 플럭스에 함유되는 금속철이 플럭스의 총중량에 대해 5 내지 50중량%이며 총철에 대한 금속철의 비가 식 [금속철(중량%)/총철(중량%)]≥0.85를 만족시키고, 와이어의 총중량에 대해 총 수분함유량이 20 내지 1000중량ppm(KF법, O₂분위기중 750℃)의 범위로 조절되고 불순물 중의 P가 0.030중량% 이하인 것을 특징으로 하는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.
2. 제1항에 있어서, 와이어가 와이어의 총중량에 대해 금속플루오르화물을 플루오르 기준으로 0.01 내지 0.30중량%로, TiO₂를 포함한 산화물을 9.0중량% 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 와이어가 와이어의 총중량에 대해 Ni 0.3 내지 5.0중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 충전되는 플럭스는 겉보기 밀도가 1.0 내지 4.0이고 입도가 최대 입경 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.
5. 제3항에 있어서, 충전되는 플럭스는 겉보기 밀도가 1.0 내지 4.0이고 입도가 최대 입경 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.

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