KR101428201B1 - 서브머지드 아크 용접이음부 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양구조용 강재, 특히 초고강도 강재를 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)함으로써 얻을 수 있는 서브머지드 아크 용접이음부에 관한 것이다.
이를 위해, 용접이음부의 성분조성 및 미세조직을 제어함으로써 동시에 강도 및 인성을 우수하게 확보한 용접이음부를 제공한다.

Description

서브머지드 아크 용접이음부 {SUBMERGED ARC WELDED JOINT}

본 발명은 해양구조용 강재, 특히 초고강도 강재를 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)함으로써 얻을 수 있는 서브머지드 아크 용접이음부에 관한 것이다.

최근, 석유나 천연가스 등의 자원개발이 점차 극한지 및 한랭지역 등으로 이동하면서, 이러한 지역 등에 건설되는 구조물은 저온에서도 안정적으로 운영될 수 있도록 우수한 저온인성 특성 확보의 중요성이 점차적으로 높아지고 있다.

더욱이, 저장 및 수송 효율의 향상과, 구조물의 두께 및 크기 감소에 의한 시공비용 절감을 위해 강재의 고강도화가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

그러나, 일반적으로 강재는 강도가 증가할수록 인성은 감소하는 경향을 나타내므로, 강도와 저온인성의 발란스(balance)를 도출하기 위한 많은 노력들이 행해지고 있다.

한편, 저온 지역에서 사용할 구조물을 제조함에 있어서, 필수적인 용접공정에 의해 형성되는 용접이음부는 용접열원에 의하여 급열 및 급냉을 겪게 되고, 이때의 용접이음부는 결정립이 조대화되거나 취약한 조직으로 상변태가 일어나 결국 모재 대비 품질 특성이 매우 열화되며, 특히 낮은 온도에서 취성 파괴 가능성이 매우 높아지는 문제가 있다.

따라서, 저온 지역에 설치되는 구조물은 낮은 온도에서 우수한 CTOD(Crack Tip Opening Displacement) 특성이 요구되며, 특히 강구조물의 파단은 주로 저입열 또는 중입열 용접하에서 시행된 용접부 또는 용접이음부에서 발생하기 때문에 모재의 특성 보다 저입열 및 중입열 용접하에서의 용접이음부에서 우수한 CTOD 특성이 요구된다.

지금까지 관련 연구결과에 따르면, 용접이음부에서 발생된 크랙(crack)은 조대한 입계 페라이트(Grain Boundary Ferrite, GBF)를 따라 진행되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 입내에 형성된 침상 페라이트(Accicular Ferrite)의 경우에는 입계 페라이트와는 달리 크랙의 진행을 억제하는 것으로 알려짐에 따라, 수많은 관련 연구들이 입계 페라이트의 형성을 억제하고, 입내 침상 페라이트의 형성을 촉진하는 개념을 통해 용접이음부의 저온인성을 향상시켜 왔다.

상기와 같이, 저온지역에 설치되는 구조물들의 안정성을 확보하기 위해서는 용접이음부의 미세조직을 제어하여 용접이음부의 저온인성을 확보할 필요가 있다.

종래, 이러한 문제의 해결 수단의 일 예로서, 특허문헌 1 및 2는 용접재료의 성분을 규정하고 있는데, 이들 발명에서는 용접금속의 미세조직 및 입경 등을 제어하지 못하므로, 용접재료의 충분하고 안정적인 용접이음부 인성을 확보하기 어렵다. 또한, 용접입열량이 변화함에 따라 용접이음부의 미세조직 및 성분의 변화가 필연적으로 발생하게 됨으로써 용접이음부의 인성 확보가 더욱 어려운 문제가 있다.

일본 특허공개공보 평8-10982호 일본 특허공개공보 평11-170085호

본 발명의 일 측면은 서브머지드 아크 용접시 형성되는 용접이음부의 조성 및 미세조직의 제어로 강도뿐만 아니라 저온 인성도 우수한 서브머지드 아크 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로 C: 0.03~0.06%, Si: 0.2~0.4%, Mn: 1.2~1.8%, Cr: 0.02~0.04%, Ni: 2.0~3.5%, Cu: 0.2~0.4%, Mo: 0.3~0.5%, Al: 0.01~0.02%, Ti: 0.02~0.03%, B: 0.004~0.007%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

미세조직은 면적분율로 5~70%의 카바이드-프리 베이나이트(Carbide-free bainite, CFB) 및 나머지는 도상 마르텐사이트(M-A constituent)를 포함하는 서브머지드 아크 용접이음부를 제공한다.

본 발명에 의하면, 서브머지드 아크 용접(SAW)을 적용함에도 고항복강도와 고인장강도를 가지면서도 동시에 저온 충격인성 및 CTOD 특성을 우수하게 갖는 용접이음부를 제공할 수 있다.

도 1은 현미경으로 관찰한 카바이드-프리 베이나이트(carbide-free bainite) 조직을 나타낸 것이다.
도 2는 비교예 1 내지 3과 발명예 1 및 2의 미세조직을 광학 현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 3과 발명예 1 및 2의 미세조직을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. (여기서, 화살표는 도상 마르텐사이트 조직을 나타낸 것이다.)
도 4는 Ni 및 Mo 함량에 따른 항복강도 및 CTOD 값을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 따른 서브머지드 아크 용접이음부에 대한 실시예들을 상세하게 설명하겠지만, 본 발명은 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 저온인성이 우수한 서브머지드 아크 용접이음부를 제공할 수 있는 방안을 연구하기 위하여, 강판의 설계 및 용접 조건 등에 초점을 맞추어 면밀히 검토한 결과, 강도 및 저온인성의 밸런스를 확보할 수 있는 최적의 조직 분율을 도출하였으며, 이러한 조직 분율을 확보하기 위해서는 용접금속의 조성 성분을 적절히 제어하면서, 용접조건을 제어하면 용접이음부의 저온인성뿐만 아니라 600MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 있다는 것을 새롭게 규명하고, 그 결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명의 서브머지드 아크 용접이음부에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 항복강도 및 저온인성이 우수한 초고강도 서브머지드 아크 용접 이음부는 중량%로 C: 0.03~0.06%, Si: 0.2~0.4%, Mn: 1.2~1.8%, Cr: 0.02~0.04%, Ni: 2.0~3.5%, Cu: 0.2~0.4%, Mo: 0.3~0.5%, Al: 0.01~0.02%, Ti: 0.02~0.03%, B: 0.004~0.007%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 상기와 같이 성분을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 각 성분함량은 중량%를 의미한다.

C: 0.03~0.06%

탄소(C)는 용접금속의 강도를 확보함과 동시에 경화성을 확보하는데에 유리한 원소로서, 상술한 효과를 얻기 위해서는 C를 0.03% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, C의 함량이 0.06%를 초과하게 되면, 조대한 탄화물 등이 석출되어 인성을 저하시키는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.06%로 제한함이 바람직하다.

Si: 0.2~0.4%

실리콘(Si)은 탈산효과를 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.2% 미만일 경우에는 용융금속의 유동성을 저하시키는 문제가 있으며, 반면 0.4%를 초과하는 경우에는 용접금속 내에 도상 마르텐사이트(M-A constituent) 조직의 변태를 촉진시킬 수 있으며, 이와 함께 조대한 산화물이 형성됨에 따라 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 본 발명에서 Si은 0.2~0.4%로 제한함이 바람직하다.

Mn: 1.2~1.8%

망간(Mn)은 탈산작용 및 강도를 향상시키는 필수적인 원소로서, 이러한 효과를 위해서는 Mn을 1.2% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, Mn의 함량이 1.8%를 초과하게 되면 조대한 산화물이 형성되어 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 상한을 1.8%로 제한함이 바람직하다.

Cr: 0.02~0.04%

크롬(Cr)은 소입성을 증가시키고, 저온변태상을 촉진시켜 강도를 증가시키는 원소로서, 이러한 효과를 위해서는 0.02% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.04%를 초과하여 과다할 경우에는 탄, 질화물을 형성하여 용접이음부의 인성을 저하시킬 우려가 있으므로, 그 상한을 0.04%로 제한함이 바람직하다.

Ni: 2.0~3.5%

니켈(Ni)은 오스테나이트 형성원소로서, 저온변태상의 형성을 촉진시켜 강도 향상을 도모하고, 인성 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 2.0% 이상의 Ni이 필요하지만, 고가의 원소이므로 너무 과량으로 첨가하면 경제적인 측면에서 불리하며, 특히 3.5%를 초과하는 경우에는 소입성이 크게 증가하여 고온균열이 발생할 가능성이 높으므로 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 Ni의 함량을 2.0~3.5%로 제한함이 바람직하다.

다만, 항복강도 700MPa 및 인장강도 750MPa 이상급의 용접이음부를 얻기 위해서는 Ni을 3.0~3.5%로 제한하여 첨가할 경우 상술한 효과를 만족할 수 있다.

Cu: 0.2~0.4%,

구리(Cu)는 기지에 고용되어 고용강화 효과를 통한 강도 및 인성 향상에 유용한 원소로서, 이를 위해서는 0.2% 이상으로 함유되어야 하지만, 0.4%를 초과하는 경우에는 용접이음부에서 경화성을 증가시켜 인성을 저하시키며, 용접금속에서 고온균열을 조장시키므로 바람직하지 못하다. 따라서, 본 발명에서는 Cu의 함량을 0.2~0.4%로 제한함이 바람직하다.

Mo: 0.3~0.5%

몰리브덴(Mo)은 소입성을 증가시키고, 저온변태상을 촉진시켜 강도를 증가시키고, 결정립계(Grain boundary) 페라이트를 억제하는 원소로서, 상기 효과를 얻기 위해서는 Mo을 0.3% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 과량으로 첨가할 경우에는 저온변태상이 과하게 형성되어 오히려 인성을 저해할 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mo의 함량을 0.3~0.5%로 제한함이 바람직하다.

Al: 0.01~0.02%

알루미늄(Al)은 탈산제로서 고용 질소와 결합하여 미세한 AlN 석출물을 형성시켜 용접금속 내에서 침상 페라이트(Acicular ferrite)의 형성을 촉진함으로써 강도 및 인성 향상을 도모하는 원소이다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 Al을 0.01% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 0.02%를 초과하게 되면 조대한 산화물(예컨대, Al₂O₃)이 형성되어 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.02%로 제한함이 바람직하다.

Ti: 0.02~0.03%

티타늄(Ti)은 산소(O)와 결합하여 미세한 Ti 산화물을 형성시킬 뿐만 아니라, 미세한 TiN 석출물을 형성시켜 침상 페라이트의 형성을 촉진함으로써 강도 및 인성을 향상시키는 원소이다. 이와 같이, Ti에 의한 TiO 산화물 및 TiN 석출물의 효과를 얻기 위해서는 0.02% 이상으로 Ti을 첨가할 필요가 있으나, 너무 과도하면 조대한 산화물이 형성되어 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.03%로 제한함이 바람직하다.

B: 0.004~0.007%

보론(B)은 소입성을 향상시키고, 저온변태상을 촉진시켜 강도 향상을 도모하는 원소이다. 또한, 용접이음부에 균일하게 분산되어 있는 복합 개재물과는 달리 용접금속의 기지내로 고용되며, 결정입계로 확산되어 결정입계의 에너지를 낮추어 결정립계에서 조대한 입계 페라이트 변태를 억제하는 역할을 한다. 상술한 효과를 얻기 위해서는 B을 0.004% 이상으로 첨가할 필요가 있으나, 너무 과량으로 첨가할 경우에는 그 효과가 포화되고, 저온변태상이 과도하게 형성되어 오히려 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.007%로 제한함이 바람직하다.

상술한 성분들 이외의 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 용접이음부의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 SAW 용접 후 형성되는 용접이음부의 미세조직은 면적분율로 5~70%의 카바이드-프리 베이나이트(Carbide-free bainite, CFB) 및 잔부 도상 마르텐사이트(M-A constituent)를 포함함이 바람직하다.

카바이드-프리 베이나이트(CFB)는 탄소(C)의 함량이 적고, 니켈(Ni)이 적정량으로 첨가된 용접재료에서, 입열량이 관리되는 경우에 생성되는데, 도 1에 나타낸 바와 같이 일반 베이나이트와는 달리, 래쓰(lath) 사이에 탄화물이 존재하지 않거나 인성 향상에 영향을 미치는 오스테나이트가 잔류함으로써 베이나이트의 인성이 저하되지 않도록 하는 역할을 한다. 일반적인 베이나이트는 입열량이 높은 경우 생성되는 조직으로서, 래쓰(lath) 조직 사이에 Fe₃C가 석출되어 있는 조직이다. 여기서 래쓰 조직은 강도를 높이는 역할을 하는 반면, Fe₃C는 인성을 저하시키는 원인으로 작용한다. 따라서, 인성을 저하시키는 요인이 되는 Fe₃C 석출을 억제할 필요가 있으며, 이를 위해서 본 발명에서는 C의 함량을 낮게 제어함으로써, 결과적으로 카바이드-프리 베이나이트(CFB) 조직을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 용접이음부의 강도 및 인성 향상에 영향을 미치는 카바이드-프리 베이나이트를 일정 분율로 함유함으로써, 용접이음부의 강도 및 인성 향상을 도모할 수 있다. 보다 구체적으로, 면적분율로 5~70%의 카바이드-프리 베이나이트를 포함함이 바람직하며, 특히 항복강도 700MPa 및 인장강도 750MPa 이상급의 용접이음부를 얻기 위해서는 상기 카바이드-프리 베이나이트를 50~70%로 포함함이 바람직하다.

본 발명의 용접이음부는 상기 카바이드-프리 베이나이트 이외에 잔부로 도상 마르텐사이트를 포함할 수 있다.

일반적으로 도상 마르텐사이트는 인성을 저하시키는 요인으로 알려져 있는데, 본 발명에서는 이러한 도상 마르텐사이트를 미세하게 제어함으로써 강도는 향상시키면서 인성은 저하하지 않도록 하였다.

따라서, 본 발명에서 도상 마르텐사이트 평균 입경은 강도 및 인성 향상의 목적으로 0.6μm 이하인 것이 바람직하다. 상기 도상 마르텐사이드의 평균 입경이 0.6μm를 초과하여 조대하게 형성되면, 고르게 분포하지 못하여 인성이 저하되는 문제가 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

( 실시예 )

3.5~5.0kJ/mm의 입열량으로 서브머지드 아크 용접(SAW)을 행한 후, 상기 용접을 통해 얻어진 용접이음부의 조성을 하기 표 1에 나타내었으며, 또한 상기 각 용접이음부의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

물성 측정을 위해, 각 용접이음부의 저온 충격인성 및 저온 CTOD 평가를 실시하였으며, 이때 저온 충격인성은 ASTM 규격 370호 시험편을 이용하여 샤르피 충격시험(CVN)을 통해 평가하였다. 그리고, 각 용접이음부의 미세조직을 현미경으로 관찰하여 도 2 및 3에 나타내었다. 이때, 비교예 4는 비교예 3의 조성과 유사하므로 별도로 측정하지 아니하였다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Mo	Al	Nb	Ti	V	B
비교예1	0.064	0.235	1.48	0.029	0.055	0.076	-	0.017	0.005	0.014	-	0.0050
비교예2	0.058	0.229	1.50	0.031	0.084	0.145	0.528	0.016	0.005	0.013	0.011	0.0049
비교예3	0.073	0.419	1.67	0.033	1.02	0.013	0.285	0.019	0.007	0.032	0.021	0.0100
비교예4	0.072	0.440	1.70	0.032	1.08	0.151	0.285	0.021	0.007	0.034	0.020	0.0100
발명예1	0.057	0.310	1.59	0.024	2.19	0.378	0.351	0.018	0.005	0.027	0.015	0.0060
발명예2	0.058	0.312	1.69	0.033	3.14	0.221	0.424	0.019	0.004	0.026	0.015	0.0060

(상기 표 1에서 Nb 및 V는 불순물로서 포함된 원소이다.)

구분	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	CTOD (mm)	MA 평균 입경 (μm)	CFB 분율 (%)
비교예1	402	510	0.8	-	-
비교예2	552	667	0.15	1.15	-
비교예3	661	824	0.02	2.94	-
비교예4	682	832	0.02	2.8	-
발명예1	620	690	1.76	0.5	8
발명예2	710	760	1.45	0.6	62

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 성분조성을 만족하는 용접이음부는 강도뿐만 아니라, 저온 충격인성이 우수함을 확인할 수 있다. 이는, 발명예들의 경우 비교예들과는 달리 미세조직으로 카바이드-프리 베이나이트(CFB)를 포함하고, 도상 마르텐사이트의 평균 입경이 0.6μm 이하로 미세하면서 고르게 분포됨에 따라 용접이음부의 강도 및 인성이 크게 향상된 것으로 해석할 수 있다. 특히, 도 3에 나타낸 바와 같이 발명예들의 경우 CFB상이 형성된 것을 관찰할 수 있으며, 도상 마르텐사이트의 입경도 미세하게 형성된 것을 확인할 수 있다.

이에 반면, 비교예들은 용접이음부의 성분조성이 본 발명에서 제안하는 바를 만족하지 않는 경우로서, 이들 중 비교예 1 및 2의 경우에는 강도뿐만 아니라 저온 충격인성도 열화되었으며, 비교예 3 및 4의 경우에는 일정량의 강도를 확보할 수 있었으나, 저온 충격인성이 매우 낮게 나타났다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, Ni 및 Mo 함량에 따른 항복강도 및 CTOD 값을 측정해본 결과, 일정량의 Ni 및 Mo을 함께 첨가할 경우 동시에 강도 및 인성을 우수하게 확보할 수 있음을 확인하였다.

상기의 결과를 통해, SAW 용접시 본 발명예의 용접이음부는 비교예 대비 강도 및 저온 충격인성 측면에서 우수한 특성을 보인다.

Claims (5)

1. 중량%로 C: 0.03~0.06%, Si: 0.2~0.4%, Mn: 1.2~1.8%, Cr: 0.02~0.04%, Ni: 2.0~3.5%, Cu: 0.2~0.4%, Mo: 0.3~0.5%, Al: 0.01~0.02%, Ti: 0.02~0.03%, B: 0.004~0.007%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   미세조직은 면적분율로 5~70%의 카바이드-프리 베이나이트(Carbide-free bainite, CFB) 및 나머지는 도상 마르텐사이트(M-A constituent)를 포함하는 서브머지드 아크 용접이음부.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 용접이음부는 중량%로 3.0~3.5%의 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접이음부.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 용접이음부의 미세조직은 면적분율로 50~70%의 카바이드-프리 베이나이트(CFB)를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접이음부.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 도상 마르텐사이트(M-A constituent)의 평균 입경은 0.6μm 이하인 서브머지드 아크 용접이음부.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 용접이음부는 -10℃에서의 CTOD 특성이 1mm 이상인 서브머지드 아크 용접이음부.

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