KR100521560B1 - 용접이음 강도를 향상시키는 용접재료 - Google Patents

Abstract

(과제)간단히, 능률적인 용접에 의해, 용접이음의 강도를 향상시킨다.

(해결수단)Si를 0.6∼2.0중량%의 범위에서 함유하는 철계합금으로서, 변태팽창에 의해 용접부 근방에 압축잔류응력을 도입하여 용접이음 강도를 향상시키는 용접재료를 제공한다.

Description

용접이음 강도를 향상시키는 용접재료{WELDING MATERIAL FOR ENHANCING WELDED JOINT STRENGTH}

이 출원의 발명은 용접이음 강도를 향상시키는 용접재료에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 이 출원의 발명은 구조물의 용접이나 보수용접, 특히 용접 열영향부의 연화에 의한 이음강도의 저하의 방지, 용접피로 강도의 개선, 용접균열의 방지 등에 적합한 용접재료에 관한 것이다.

종래, 구조물의 용접, 보수시의 용접 등에 있어서 용접열에 의해 모재의 용접 열영향부가 연화되는 것을 방지하기 위해 모재합금성분의 조정이나 용접입열의 저감이라는 방책이 필요로 하게 되었다. 또한, 용접후의 냉각에 따르는 용접재료의 수축에 의해, 용접부에 인장의 잔류응력이 유기되어, 용접부의 피로강도가 현저하게 저하되거나, 용접균열이 유기된다는 문제를 피할 수 없었다.

그래서, 이 출원의 발명자들은 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해서 열영향부에 압축잔류응력을 도입함과 아울러, 고강도의 용접금속에 의한 구속 효과를 이용함으로써, 종래 필요로 된 모재합금성분의 조정이나 용접입열의 저감책을 이용하지 않고, 용접 열영향부의 연화부로부터의 인장파단을 방지하여 이음강도를 모재와 동등하게 향상시키는 것을 가능하게 하고 있다. 또한, 용접부의 피로강도의 향상이나 용접균열의 방지에 효과적이고, 개선된 새로운 용접을 위한 방법으로서, 용접이 완료되는 실온 혹은 그 부근에서 마텐자이트(martensite) 변태팽창이 종료되는 용접재료를 이용하고, 탄산가스 실드 아크 용접을 행하는 방법을 이미 제안하고 있다(특허 제30102ll호). 이 방법에 의해, 용접금속을 모재측에 깊게 용해하도록 하고, 용접지단 근방의 잔류응력을 용이하게 압축하는 것을 가능하게 하고, 용접부의 피로강도를 향상시키고, 또 용접균열을 막을 수 있게 하고 있다.

그러나, 이러한 용접강도의 향상을 초래하는 새로운 용접재료에 대해서는, 이음의 용접 등에 있어서, CO₂가스뿐인 실드에서의 용접을 고전류, 고전압, 빠른 용접 속도 등의 조건하에 양호한 능률로 행할 수 있고, 보다 범용한 용접재료로 하기 위해서는 더욱 검토의 여지가 남겨져 있었다.

이 출원의 발명은 이상과 같은 사정으로부터, 발명자들이 이미 제안하고 있는 상기의 저변태온도 용접재료를 개량하고, 범용의 새로운 용접재료를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

이 출원의 발명은 상기의 과제를 해결하는 것으로서, 제 1에는, Si를 O.6∼2.0중량%의 범위에서 함유하는 철계합금으로서, 변태팽창에 의해 용접부 근방에 압축잔류응력을 도입하여 용접이음 강도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 용접재료를 제공하는 것이다. 또한, 이 출원의 발명은 제 2에는, 제 1의 발명의 용접재료에 대해서, 조성(중량%)에 있어서, Ni:2∼20, Cr:2∼20, C:0.5 이하, Si:0.6∼2.0, Mn:2.0 이하, Mo:0.5 이하인 것을 특징으로 하는 용접재료를 제공한다. 더욱이, 이 출원의 발명은 제 3에는, 제 1 또는 제 2의 발명에 있어서, 더욱이, 조성(중량%)에 있어서, P 및 S를 0.002 미만으로 한 것을 특징으로 하는 용접재료를 제공하는 것이다.

(실시형태)

이 출원의 발명은 이상과 같은 특징을 갖는 것이지만, 원리적으로는, 이 발명의 용접재료는 용접재료의 상온시에서의 변태팽창을 이용하여, 용접부에 압축의 용접잔류응력을 도입하고, 그 응력비 효과로 용접부의 연화부 인장파단의 방지, 그리고 피로강도의 열화나 용접균열의 유기를 방지한 용접을 가능하게 한 것이다.

용접재료는, 상기와 같이 이 출원의 발명자들이 이미 제안하고 있는 용접재료에 대해서 이것을 개량한 것으로서, 용접이 완료되는 실온 혹은 그 부근에서 마텐자이트 변태팽창이 종료된다. 이러한 재료로서는 철계합금으로서, Si를 0.6∼2.0중량%의 범위에서 함유하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

더욱이, Ni 및 Cr을 함유하는 합금재료가 보다 적당한 것으로서 예시된다.

일반적으로는, 화학조성(중량%)으로서, Ni:2∼20, Cr:2∼20, 그리고 C(탄소):0.5 이하, Si:0.6∼2.0, Mn:2.0 이하, Mo:0.5 이하의 철계합금인 것이 바람직하다. 물론, 필요에 따라서, 0.5 이하의 Nb, Ti, Al, W, Ta, V, Hf, Zr 등을 첨가해도 좋다. 단, Ni 및 Cr을 제외하는, 금속원소의 총 비율은 5.0 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 P는 0.002 미만인 것이 바람직하다. Si함유량을 상기와 같이 0.6∼2.0중량%의 범위로 함으로써, 실드 가스가 저렴한 CO₂(탄산가스)만의 사용이 가능하게 되고, 게다가 고강도의 이음용접 등이 고능률로의 작업에 의해 가능하게 된다. 이러한 것은 발명자들이 이미 제안하고 있는 방법에서는 반드시 용이하지는 않았다. 고전류, 고전압의 조건, 더욱이 용접속도의 빠른 조건하에서의 용접에는 적합하지 않기 때문이다.

물론, 용접시의 실드 가스는 탄산가스(CO₂)만으로 좋지만, 소망에 의해 Ar(아르곤) 등의 불활성가스와의 혼합가스로 해도 좋다.

이 출원의 발명에서는, 이상과 같은 마텐자이트 변태가 실온부근에서 종료되는 용접부재를 사용함으로써, CO₂ 가스뿐인 실드 가스를 이용하여, 능률적이고, 고성능인 맞댐이음 등의 용접을 가능하게 하고, 종래 일반적인 용접재료의 경우에는 피할 수 없었던 용접 열영향부에서의 파단이라는 결함을 발생시키지 않고, 파단 위치가 모재측에 이동시키고, 모재강도를 용접이음의 경우에도 확보할 수 있다. 예를 들면, 용접부의 이음강도를 800∼1000MPa의 고강도로까지 향상시킬 수 있다.

이상과 같은 이 출원의 발명은 각종의 강재를 대상으로 삼을 수 있지만, 특히 최근 주목받고 있는, 예를 들면 결정입경 3㎛ 이하의 초미립강철의 용접에 있어서 현저한 작용효과를 가져온다.

그래서 이하에 이 발명의 용접부재를 사용해서 맞댐이음 용접의 실시예를 나타내고, 더욱 자세하게 이 발명에 대해서 설명한다. 물론 이하의 예에 의해 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

이하의 실시예에서의 피용접 강재(모재)에는, 그 조성(중량%)로서, C:0.092/Si:0.31/Mn:1.46/P:0.010/S:0.001/Al:0.030/N:0.0015/Nb:0.019/Ti:0.007/잔부Fe의 초미립강철을 이용했다.

<l>그 조성(중량%)에 있어서,

C:0.03

Si:0.78

Mn:1.94

Ni:9.38

Cr:9.31

Mo:0.13

을 함유하는 철계합금으로 이루어지는 이 출원의 발명의 용접재료를 이용하여, 100% CO₂를 실드 가스로서, 그 유량 25ℓ/min으로, 285A, 32V, 용접속도 25cm/분의 조건하에, 맞댐이음의 아크 용접을 행했다.

도 1은, 맞댐용접이음 시험편을 인장파단시킨 파단상황사진이다. 변형하여 미세해져서 파단한 장소는, 용접 덧살로부터 벗어난 위치에 있는 것을 나타내고 있다.

이것은 도 2에 나타내는 경도분포로, 용접열영향부가 연화하고 있음에도 불구하고 연화부로부터의 파단이 방지된 것을 나타내고 있다. 다시 말해, 도 3에 나타내는 잔류응력분포로부터 알 수 있듯이 용접부 연화부에 압축잔류응력이 유기되어 있고, 이 잔류응력이 연화부에 부하되는 시험시의 작용인장응력을 낮추는 방향으로 작용하므로, 연화부로부터의 파단이 방지되어, 강도가 높은 모재부에서 파단이 생긴 것을 알았다.

실제, 이 출원의 발명의 용접재료를 이용한 이음의 인장강도는 모재와 동등한 838MPa이었다.

한편, 도 4는 시판의 용접재료(조성(중량%)로서, C:0.09/Si:0.32/Mn:1.05/P:0.008/S:0.010/Ni:2.71/Cr:0.24/Mo:0.49/잔부Fe)를 이용해서 320A, 31V, 용접속도 25cm/분의 조건하에 용접한 용접이음 시험편을 인장파단시킨 파단상황을 나타내고 있다. 이 경우, 파단부는 용접 열영향부이다. 도 5에 나타내는 경도분포는 열영향부가 연화되어 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 이 재료의 경우, 용접금속은 모재와 유사하다. 도 6의 잔류응력분포는 이 출원의 발명에 의한 용접재료와는 역부호의 인장으로 되어 있다. 따라서, 강도가 약한 용접 열영향부에 인장잔류응력이 존재하고, 작용응력을 끌어 올리는 작용도 하므로, 용접 열영향부에서 파단이 생긴 것이다. 이 경우, 인장강도는 739MPa로 저하하고 있다.

<2>용접의 조건을 표 1과 같이 변경하고, 2.4mm강판에 대해서, 상기와 같이 하여 용접을 행했다.

Si함유량이 0.5(중량%) 이하의 특허 3010211호에서 이용하고 있는 용접재료의 경우에는 1OO% CO₂실드 가스를 사용하는 고전류, 고전압, 빠른 용접속도로의 용접에는 적합하지 않고 표 1의 조건에서는 용접은 불가능했다. 또한, 상기의 시판의 용접재료로는 고전류, 고전압의 조건, 그리고 높은 용접속도로의 용접을 할 수 없었다.

이로부터, 이 출원의 발명에 의해 100% CO₂가스 실드에서, 고능률로의 용접이 가능하게 되는 것이 확인되었다.

(표 1)

이상 자세히 설명한 바와 같이, 이 출원의 발명에 의해, 맞댐이음 등의 용접 연화부 파단을 방지하고, 용접에 의한 용접강도를 큰 것으로 할 수 있고, 또한, 저렴한 CO₂가스뿐인 실드에서의 아크용접으로, 고전류, 고전압, 빠른 용접속도로의 능률적인 용접이 가능하게 된다.

도 1은 이 발명의 용접재료를 이용한 경우의 맞댐용접이음의 인장파단부를 예시한 외관사진도.

도 2는 도 1의 경우의 용접부 근방의 경도분포를 나타낸 도면.

도 3은 도 1의 경우의 용접부 근방의 잔류응력분포를 나타낸 도면.

도 4는 시판용접재료를 사용한 경우의 맞댐용접이음의 인장파단부를 예시한 외관사진도.

도 5는 도 4의 경우의 용접부 근방의 경도분포를 나타낸 도면.

도 6은 도 4의 경우의 용접부 근방의 잔류응력분포를 나타낸 도면.

Claims (3)

1. Si:0.6∼2.0 중량%, Ni:2∼20중량%, Cr:2∼20중량%, C:0.5 중량% 이하, Mn:2.0 중량% 이하, Mo:0.5 중량% 이하, P 및 S : 0.002 중량% 미만의 범위에서 함유하는 철계합금으로서, 변태팽창에 의해 용접부 근방에 압축잔류응력을 도입하여 용접이음 강도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 용접재료.
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