KR101674748B1

KR101674748B1 - 스테인리스강 레이저 용접 재료 및 이를 이용하여 제조된 용접이음부

Info

Publication number: KR101674748B1
Application number: KR1020140167199A
Authority: KR
Inventors: 김상훈; 정보영; 한일욱; 김극; 조민철; 태기선
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-11-10
Also published as: KR20160064281A

Abstract

본 발명은 스테인리스강의 레이저 용접에 사용되는 용접 재료와 이를 이용하여 제조된 용접이음부에 관한 것이다.

Description

스테인리스강 레이저 용접 재료 및 이를 이용하여 제조된 용접이음부{LASER WELLDING MATERIAL FOR STAINLESS STEEL AND WELDED METAL PRODUCED THEREBY}

일반적으로 두께가 얇은 강판 소재의 경우에는 용접이음부의 건전성을 확보하기 위해서, 레이저 용접을 사용하는 경우가 많다. 특히 스테인리스강의 경우 최종제품의 형상을 미려하게 해야 하는 경우가 대부분이어서 두께가 얇은 강판 소재를 효과적이고 미려하게 접합하기 위해 레이저 용접을 많이 적용한다. 또한, 접합된 스테인리스강을 가공하여 형상을 변형시켜 최종 제품을 제조하는 경우가 많으며, 용접이음부가 가공되는 경우도 많이 발생한다. 따라서, 용접이음부의 건전성이 매우 중요하며, 적정한 강도 및 인성을 확보하여 용접이음부가 가공될 때 파단이 발생하는 것을 방지하는 것이 매우 중요하다.

스테인리스강의 용접 공정에서 스테인리스 간 용접을 위해 오스테나이트계 상용 용접 재료를 주로 적용하고 있다. 그러나, 페라이트계 스테인리스 동종 강종간 또는 오스테나이트계와 페라이트계 스테인리스 이종 강종간의 레이저 용접시 이에 적용될 마땅한 상용 용접 재료가 없는 실정이어서, 현재 상기 오스테나이트계 상용 용접 재료가 적용되고 있다.

페라이트계 스테인리스 동종간 또는 오스테나이트계와 페라이트계 이종간의 레이저 용접시, 통상의 오스테나이트계 상용 용접 재료를 이용하여 용접을 하는 경우에, 모재가 용융되어 용접이음부로 희석에 따라 용접이음부에 마르텐사이트 및 페라이트 복합상이 생성되어 용접부의 취성이 증가하게 되고, 이는 용접 후 가공시 파단을 발생시키는 문제가 있다. 특히, 아크 용접과 달리, 레이저 용접은 빠른 용접 속도와 용융지 내 액상의 유동에 작용하는 힘의 차이로 인해 용접 재료의 용접이음부 희석량이 현저히 적으며, 이로 인해 마르텐사이트와 같이 취성이 큰 미세조직이 더욱 쉽게 형성되는 문제가 있다.

한편, 상기 문제를 해결하기 위하여, 페라이트계 동종 및 오스테나이트계와 페라이트계 이종 스테인리스강 용접시 인코넬 용접 재료를 사용하는 경우가 있다, 그러나, 인코넬 용접 재료를 이용하여 용접한 용접이음부는 가공시 높은 가공경화에 의해 오히려 강도 증가가 크게 발생하여 모재 및 용접 열영향부와의 강도 밸런스를 유지하기 어려워 용접이음부 건전성 확보를 방해하는 문제가 있다. 또한, 상기 인코넬 용접 재료는 Ni, Cr 및 Mo와 같은 고가의 합금 성분이 다량 포함되어 있어 최종 제품의 가격 경쟁력을 현저히 하락시키는 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 스테인리스강의 레이저 용접에 의해 형성된 용접이음부가 충분한 인성을 확보하여 우수한 가공성을 가질 수 있는 스테인리스강 레이저 용접 재료와 상기 용접 재료를 이용하여 제조된 용접이음부를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일태양은 중량%로, Ni: 30.0~35.0%, Cr: 15.0~19.0%, C: 0.03~0.2%, Mn: 0.2~1.5%, Si: 0.2~1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 레이저 용접 재료를 제공한다.

본 발명의 또다른 일태양은 중량%로, Ni: 30.0~35.0%, Cr: 15.0~19.0%, C: 0.03~0.2%, Mn: 0.2~1.5%, Si: 0.2~1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강 레이저 용접 재료를 레이저 용접하여 형성되고,

미세조직은 80 면적% 이상의 오스테나이트와 20% 이하의 페라이트 및 마르텐사이트를 포함하는 용접이음부를 제공한다.

상기 과제의 해결수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특성과 그에 따른 장점과 효과를 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 용접 재료는 합금조성의 적절한 제어를 통해 용접부 희석에 따라 발생할 수 있는 취성이 큰 마르텐사이트 상의 분율을 최소화하면서 페라이트 상의 분율을 적정수준 이하로 억제하여 적절한 강도와 인성을 가지는 오스테나이트 상을 충분히 포함하는 건전한 용접이음부를 얻을 수 있다.

본 발명의 용접 재료는 취성 증가를 방지하여 우수한 인성을 갖는 레이저 용접이음부를 얻을 수 있으며, 나아가 생산원가 절감 및 품질 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 비교예 1의 용접이음부 단면과 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 2는 발명예 2의 용접이음부 단면과 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 3은 비교예 1의 용접이음부에 대해, 에릭슨 시험 후 파단 형상을 관찰한 사진이다.
도 4는 발명예 2의 용접이음부에 대해, 에릭슨 시험 후 파단 형상을 관찰한 사진이다.
도 5는 비교예 2의 모재와 용접이음부의 비커스 경도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 발명예 2의 모재와 용접이음부의 비커스 경도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 발명자들은 스테인리스상의 용접, 특히 페라이트계 스테인리스강의 동종 또는 페라이트계와 오스테나이트계의 이종간 레이저 용접 시, 기존에 사용되던 오스테나이트계 용접 재료를 이용하여 용접하는 경우에 발생하는 문제점을 해결하기 위한 연구를 진행하였다. 그러던 중 Ni과 Cr을 증가시키는 등 용접 재료의 합금조성을 적절히 제어함으로써, 우수한 인성을 갖는 용접이음부를 제공할 수 있다는 것을 인지하게 되었다.

또한, 오스테나이트상의 안정성에 크게 영향을 미치는 C의 조성을 적절히 제어함으로써, Ni와 같은 고가의 합금원소를 과도하게 첨가하지 않으면서, 우수한 인성을 갖는 용접이음부를 경제적으로 제공할 수 있다는 식견하에 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명의 용접 재료에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 용접 재료는 중량%로, Ni: 30.0~35.0%, Cr: 15.0~19.0%, C: 0.03~0.2%, Mn: 0.2~1.5%, Si: 0.2~1.5%, Mo: 0.1% 이하(0은 제외) 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 각 합금조성에 대해 상세히 설명한다. 설명되는 합금조성의 단위는 중량%를 의미한다.

니켈(Ni): 30.0~35.0%

Ni는 강력한 오스테나이트 안정화 원소로서 페라이트계 스테인리스강의 용접시 용접이음부를 본 발명이 목표로 하는 오스테나이트 조직으로 얻기 위해서는 30.0% 이상의 Ni을 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 Ni가 35.0%를 초과하여 첨가되는 경우에는 오스테나이트 조직을 얻기 위한 효과는 포화될 뿐만 아니라, 고가의 Ni 함량 증가에 의해 원가상승을 유발하게 된다. 따라서, 상기 Ni는 30.0~35.0%로 포함하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 15.0~19.0%

Cr은 강한 페라이트 안정화 원소이며, 첨가에 따라 경화능, 강도 및 내마모성을 향상시키는 역할을 하는 원소이다. 또한, 내식성 확보를 위해 첨가되는 원소로 이러한 효과를 위해서는 15.0% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 Cr이 19.0%를 초과하여 첨가되는 경우에는 Fe 또는 Mo 등의 합금원소와 반응하여 취성을 유발하는 금속간화합물을 용접이음부 내에 형성할 수 있으며, 원가상승의 문제를 유발하게 된다. 따라서, 상기 Cr은 15.0~19.0%로 포함하는 것이 바람직하다.

탄소(C): 0.03~0.2%

C는 용접이음부의 강도를 증가시키며, 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소로서, 상기 C의 함량이 0.03% 미만일 경우에는 상기 역할을 기대하기 곤란하다. 다만, 상기 C가 0.2%를 초과하여 첨가되는 경우에는 용접이음부에서의 고온 및 저온균열 발생가능성이 높아지게 되며, Cr 등의 원소와 반응하여 조대한 탄화물을 생성시키게 되어 용접부의 취성증가 및 부식특성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 C는 0.03~0.2% 포함하는 것이 바람직하다.

특히, 기존의 아크 용접용 용접재료에는 C 첨가에 따라 내식성이 저하되는 문제가 있어서, 가능한 C의 함량을 줄이는 것을 기술적 목표로 하였다. 그러나, 본 발명의 레이저 용접에서는 C의 함량이 증가하더라도 내식성 저하의 문제는 없으며, 오히려, C의 첨가를 통해 용접이음부에 오스테나이트상의 안성성이 높아질 수 있고, 그 결과 용접이음부의 가공성을 개선하기 위해서는 일정량의 C가 포함되어야 하므로, 본 발명에서는 C의 함량을 0.03~0.2% 포함한다. 보다 바람직하게는 0.05~0.15%로 한다.

망간(Mn): 0.2~1.5%

Mn은 적정량이 첨가되어 탈산제 역할을 하며 또한 적은 비용으로 강도를 증가시키고자 할 때 가장 효과적인 원소이다. 또한 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소로서, 상기 역할과 효과를 기대하기 위해서는 0.2% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 Mn이 1.5%를 초과하는 경우에는 용접이음부의 강도를 필요 이상으로 증가시키며, 용접이음부의 조대 산화물을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 Mn은 0.2~1.5% 포함하는 것이 바람직하다.

규소(Si): 0.2~1.5%

Si는 적정량이 첨가되어 탈산제 역할을 하며, 강 중 소량 첨가시 강도와 인성을 증가시키는 역할을 하는 원소이다. 또한, 페라이트상 안정화 및 내식성 향상을 위해 첨가되는 원소로, 이를 위해서는 0.2% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 Si가 1.5%를 초과하여 첨가되는 경우에는 산화물이 조대해지거나 취성을 유발할 수 있다. 따라서, 상기 Si는 0.2~1.5%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 0.1% 이하

Mo는 소량 첨가하면 강도와 경화능을 향상시키는 역할을 하는 추가적인 원소이다. 다만 상기 Mo가 0.1%를 초과하여 첨가되는 경우에는 인성, 경화능 및 강도 증가의 효과가 오히려 줄어드는 문제가 발생할 수 있으므로, 그 함량이 0.1%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 용접 재료는 상기 합금조성 외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 용접 재료의 상기 조성은 Ni + 30C + 0.5Mn으로 정의되는 Ni_eq가 31~41.75를 만족하고, Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb으로 정의되는 Cr_eq가 15.3~21.35 를 만족하는 것이 바람직하다.

상기 Ni_eq 과 Cr_eq 는 용접이음부의 성분범위와 상을 결정하는 판단기준으로서, 본 발명의 용접이음부에서 요구되는 미세조직을 확보하여 우수한 가공성을 얻기 위해서는 상기 Ni_eq 및 Cr_eq의 값을 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 용접 재료의 형태는 특별히 한정하지 않으며, 필러 와이어, 플럭스 코어드 와이어, 메탈 와이어, 솔리드 와이어 등의 형태로 모두 적용될 수 있다.

상기 용접 재료의 직경은 0.75~1.2㎜의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 용접재료의 직경이 0.75㎜ 미만일 경우에는 용접재료 생산이 어려운 문제가 발생할 수 있고, 1.2㎜를 초과할 경우에는 레이저 빔을 조사하더라도 충분한 용융이 발생하지 않아 용접이 이루어지지 않을 수 있다는 단점이 있다. 상기 용접 재료의 하한은 보다 바람직하게는 0.8㎜ 이며, 상기 용접 재료 직경의 상한은 보다 바람직하게는 1.1㎜, 보다 더 바람직하게는 1.0㎜이다.

이하, 본 발명의 용접 재료를 이용하여 제조된 용접이음부에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 용접이음부는 80 면적% 이상의 오스테나이트와 20 면적% 이하의 페라이트 및 마르텐사이트를 포함한다. 본 발명의 용접이음부는 상기와 같은 분율의 미세조직 확보를 통해, 용접이음부의 취성을 억제하고 인성을 증가시켜 가공성을 향상시킬 수 있다. 다만, 상기 오스테나이트가 80 면적% 미만일 경우에는 페라이트와 마르텐사이트의 분율이 증가되어 인성 향상 효과를 충분히 얻을 수 없어 가공성 향상의 효과를 얻을 수 없다. 또한 상기 페라이트 및 마르텐사이트가 20 면적%를 초과하는 경우에는 용접이음부의 취성이 증가하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 특히, 상기 마르텐사이트는 3 면적% 미만일 경우, 취성 억제 효과가 보다 우수하므로, 상기 마르텐사이트는 3 면적% 미만인 것이 바람직하다.

한편, 상기 효과를 위해서, 본 발명의 용접이음부 미세조직은 오스테나이트 단상조직을 갖는 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 예시이며, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

1.2~2.5㎜ 두께의 페라이트계 스테인리스강(STS 439 강)을 하기 표 1과 같은 합금조성을 갖는 용접재료를 이용하여 레이저 용접을 통해 용접이음부를 얻었다.

이때, 상기 용접시 보호가스로는 He을 이용하였으며, 레이저 용접조건은 모재의 두께에 따라 각각 레이저 출력은 4~7kW, 용접속도는 1.5~6m/min, 용접재료의 공급속도는 3m/min, 용접재료의 직경은 0.9mm인 것을 사용하였고, 용접이음부 갭(gap)은 0.1~0.4㎜ 였다.

상기와 같이 얻어진 용접이음부에 대하여 미세조직 관찰시험을 수행한 뒤 상분율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 상기 용접이음부에 대하여 가공성을 평가하기 위하여, 에릭슨테스트(erischen test)를 실시하여, 에릭슨 값을 얻었다. 상기 에릭슨테스트는 일면이 반구 형태인 스틸(steel) 펀치를 사용하여 용접부를 소성 변형시켜 강재를 컵(cup) 형태로 가공하였을 때, 균열이 발생할 때까지 용접부가 소성 변형된 높이를 측정하는 방법이다.

표 2의 에릭슨 값은 12개의 시편에 대하여 행한 뒤, 평균값을 도출한 후 모재 및 인코넬 적용 용접이음부와 비교하여 그 결과를 기재하였다. 그리고, 기존에 사용하던 오스테나이트계(308L) 및 인코넬 용접 재료와 본 발명이 제안하는 용접 재료의 단가를 비교하여 본 발명의 경제성을 평가하였다.

구분(중량%)	Ni	Cr	C	Mn	Si	Mo
비교예 1(STS 308L)	10.0	19.5	0.04	1.5	1.0	0.75
비교예 2(인코넬)	58.0	21.5	0.1	0.5	0.5	9.0
비교예 3	32.0	15.0	0.004	0.9	0.6	0.01
발명예 1	32.0	17.0	0.1	0.9	0.6	0.01
발명예 2	32.0	17.0	0.05	0.9	0.5	0.01

구분	미세조직(면적%)		에릭슨값(%)		인코넬 단가 대비(%)
구분	오스테나이트	페라이트+마르텐사이트	모재대비	인코넬대비	인코넬 단가 대비(%)
비교예 1	3	97	36	40	17
비교예 2	97	3	88	100	100
비교예 3	73	27	71	89	22
발명예 1	82	18	96	109	22
발명예 2	84	16	98	111	22

상기 표 1 및 2에서 알 수 있듯이, 본원발명이 제안하는 합금조성을 만족하지 않는 비교예 1(STS 308L 용접재료)의 경우에는 용접이음부에서 페라이트+마르텐사이트가 과다하게 형성되어 오스테나이트 분율이 현저히 낮아짐으로써, 용접부의 취성증가로 인해 에릭슨 값이 모재대비 36% 및 인코넬 용접재료 적용 용접이음부 대비 40% 수준으로 상당히 낮은 가공성을 가지고 있음을 알 수 있다.

한편, 비교예 2(인코넬 용접재료)의 경우에는 높은 Ni 함량이 증가함에 따라 거의 대부분의 용접이음부가 오스테나이트 조직을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 3% 정도만이 페라이트와 마르텐사이트로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 비교예 1에 비해 우수한 에릭슨 값을 가졌으며, 모재대비 88% 수준의 비교적 양호한 가공성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 비교예 2의 경우에는 높은 Ni, Mo 및 Cr 첨가량에 따라 비교예 1 대비 6배 이상의 매우 높은 단가를 가지고 있으므로, 상용재로 사용하기에는 무리가 있다. 비교예 3은 발명예 1 및 2에 비해 낮은 탄소 함량으로 인해 가공성 향상을 위해 요구되는 용접이음부의 오스테나이트 분율을 충분히 가지지 못하며, 이로 인해 에릭슨 값이 모재 대비 71%이고, 인코넬 용접재료 대히 89% 밖에 확보하지 못해 목표하는 가공성을 확보하지 못한다.

반면, 본원발명의 합금조성을 만족하는 발명예 1 및 2로 제조된 용접이음부의 경우에는 80% 이상의 높은 오스테나이트 분율을 가지면서, 페라이트 및 마르텐사이트의 분율을 적정 수준 이내로 억제하여 에릭슨 값이 모재대비 96~98% 및 인코넬 용접재료 적용 용접이음부 대비 109~111%로서 매우 우수한 가공성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 이는 비교예에 비하여 가공성이 3배 가량 향상된 결과임을 알 수 있다.

한편, 도 1 및 2는 각각 비교예 1 및 발명예 2의 미세조직 사진이다. 도 1(a)는 비교예 1의 용접이음부 단면을 관찰한 사진이고, 도 1(b)는 도 1(a)의 미세조직을 관찰한 사진이다. 비교예 1의 경우에는 용접이음부의 미세조직이 거의 대부분의 페라이트와 약간의 마르텐사이트로 이루어져 있음을 알 수 있다. 한편, 도 2(a)는 발명예 2의 용접이음부 단면을 관찰한 사진이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 미세조직을 관찰한 사진이다. 발명예 2의 경우에는 용접이음부의 미세조직이 대부분 오스테나이트로 구성되어 있고 페라이트 및 마르텐사이트의 생성 분율이 20% 미만으로 억제되어 우수한 인성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 3 및 4는 각각 비교예 1 및 발명예 2의 에릭슨 시험 후 파단의 형상을 관찰한 사진이다. 도 3 및 4에서 알 수 있듯이, 비교예 1의 경우에는 에릭슨 시험 후 파단이 용접이음부에서 용접선을 따라 발생하였음을 확인할 수 있는데, 이와 대조적으로 발명예 2의 경우에는 파단이 용접이음부에서 용접선에 수직하게 발생하였음을 확인할 수 있다. 이는, 발명예 2의 경우에는 용접이음부에서의 파단이 모재로 전파되는 것을 의미하며, 이를 통해 용접이음부의 건전성이 확보됨을 보여준다.

도 5 및 6은 각각 비교예 2 및 발명예 2의 용접이음부 비커스 경도 측정결과를 나타낸 그래프이다. 도 5 및 6에서 알 수 있듯이, 비교예 2의 경우에는 용접이음부의 비커스 경도가 가장 강도가 낮은 용접 열영향부에 비해 상당히 높아 가공시 용접 열영향부에 응력이 집중되어 용접 열영향부에서의 파단 발생가능성을 높이는 문제가 발생할 수 있다. 이와 대조적으로 발명예 2의 경우에는 용접이음부의 비커스 경도가 용접 열영향부와 모재의 중간정도의 값을 가짐으로써 용접 열영향부에서의 파단 발생가능성을 상대적으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 원인으로 비교예 2의 경우 용접이음부 내에 발명예 1 및 2에 비해 높은 오스테나이트 분율을 가짐에도 불구하고 가공성이 다소 하락함을 알 수 있다.

Claims

중량%로, Ni: 30.0~35.0%, Cr: 15.0~19.0%, C: 0.03~0.2%, Mn: 0.2~1.5%, Si: 0.2~1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ni + 30C + 0.5Mn의 값이 31~41.75 을 만족하는 스테인리스강 레이저 용접 재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접 재료는 Mo: 0.1% 이하를 더 포함하는 스테인리스강 레이저 용접 재료.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 용접 재료는 중량%로, Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb(해당 성분이 없는 경우에는 0으로 함)의 값이 15.3~21.35 를 만족하는 스테인리스강 레이저 용접 재료.
청구항 1에 있어서,
상기 용접 재료는 직경이 0.75~1.2㎜인 스테인리스강 레이저 용접 재료.
중량%로, Ni: 30.0~35.0%, Cr: 15.0~19.0%, C: 0.03~0.2%, Mn: 0.2~1.5%, Si: 0.2~1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ni + 30C + 0.5Mn의 값이 31~41.75 을 만족하는 스테인리스강 레이저 용접 재료를 레이저 용접하여 형성되고,
미세조직은 80 면적% 이상의 오스테나이트와 20 면적% 이하의 페라이트 및 마르텐사이트를 포함하는 용접이음부.
청구항 5에 있어서,
상기 마르텐사이트는 3 면적% 이하인 용접이음부.
청구항 5에 있어서,
상기 미세조직은 오스테나이트 단상 조직인 용접이음부.