KR900004975B1 - 성분이 개량된 용접 비이드, 그 용접방법 및 용접 비이드를 형성하는데 사용하는 용접봉 - Google Patents

Abstract

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Description

성분이 개량된 용접 비이드, 그 용접방법 및 용접비이드를 형성하는데 사용하는 용접봉

본 발명은 용접기술, 특히 필요한 성분으로 구성되는 용접 비이드와 그 용접 비이드를 형성하는데 사용하는 용접봉 및 용접방법에 관한 것이다.

본 발명은 높은 충격강도가 요구되는 강의 용접에 광범위하게 응용할수 있는 것이기는 하나 본원 명세서에서는 비교적 두께가 두꺼운 저탄소강판(및 저합금강판)의 전기아크 맞대기용접을 기준으로하여 기술한다.

또한 용접 비이드를 구성하게 되는 필수원소를 용융푸울(pool)에 공급하는 방식은, 예를들면, 솔리드 용접봉상에 피복된 용제(flux)나 용접 비이드 위에 뿌려지는 입상용제내에 상기 필수원소를 포함시켜 공급하거나 용접봉을 구성하는 강에 상기 필수원소를 합금하여 공급하는 방식으로도 할 수 있으나, 본원 발명에서는 관형상의 강제용접봉내에 상기 필수원소(금속, 합금, 또는 적절한 환원제와 결합된 화합물 형태)를 함유하는 용제를 충전시켜 소망의 용접 비이드 성분을 공급하는 방식으로 한다.

일반적으로 용접기술에서 달성하고자 하는 일차적인 목표는 용접 비이드의 인장강도, 전성 및 인성을 향상시키는 것이며, 상기 특성을 측정하는 방법으로서는 잘 알려져 있는 샤르피 충격시험이나 최근의 씨. 티. 오. 디 시험(CTOD : Crack Tip Opening Displacement)등이 있다. 샤르피 충격시험은 규정된 치수의 냉각시험편을 시험기에 장치한 다음 충격을 가하여 시험편이 파괴되는데 필요한 에너지를 측정하는 것이며, 씨.티.오.디 시험은 시험편에 피로균열을 형성한 다음 응력을 가하여 시험편을 파괴함에 있어 그 파괴에 요하는 응력치를 측정하는 것이므로, 이들 양자 측정법에서 얻어진 값이 크면 클수록 용접상태가 양호한 것이된다. 본원에서는 전자인 샤르피 충격시험법에 의해 용접 비이드의 특성을 측정한다. 시험편은 용접 비이드의 상부(cap), 중앙부, 하부(root)를 절단하여 채취하며 그 절단된 단면에서 충격강도를 측정한다.

두께가 3.8 내지 5㎝ 이상인 후강판의 경우 통상적인 용접 방법은 강판의 일단에 베벨(bevel)을 형성하고 이 베벨부위를 서로 맞대어 V형 노치를 형성한 다음 일련의 아크용접패스(pass)를 중첩실시함으로써 상기 V형 노치의 내부를 용접금속으로 채우는 방식으로 하게 되는데, 용접패스를 중첩하여 실시하게 되면 이미 용착되어 있는 용접 비이드의 일부가 재용융되며 또한 이와같이 재용융된 금속에 인접해 있는 금속은 그 변태온도 이상의 온도까지 가열되게 된다.

한 개의 전극을 사용하는 종래의 멀티패스용접(multiple pass welding) 방법에 의해서는 용접부의 전체 깊이에 걸쳐 소정의 샤르피 충격치를 얻을수 없었으므로 각 패스마다 전극을 바꾸어 줌으로써 이 문제를 해결하고 있으나, 그렇게 하는데는 용접작업이 복잡해지고 시간이 많이 걸릴뿐아니라 경제적으로 불리하다.

그러나 본 발명에서는 한 개의 전극을 사용하면서도 높은 샤르피 충격치를 얻고 있다.

종래의 멀티패스용접의 또 하나의 문제점은 일회의 패스당 용착되는 용착금속의 치수를 제한시켜야만 소정의 충격강도를 얻을 수 있다는 것인데, 용착금속의 치수한정은 전극의 치수, 전극의 공급속도 및 전극의 주행속도에 의해 결정되어지며, 위와같이 용착금속의 치수가 제함됨으로써 용접을 완성하려면 여러번의 패스가 필요하였고 따라서 시간이 많이 걸리게 된다. 또한 이와 관련하여 용접파라메터를 설정하여 작업자는 이파라메터에 따라 용접작업을 해야하며, 만일 상기 용접파라메터를 초과하여 용접작업을 실시하게 되면 용접 비이드샤르피 충격치는 불량해지게 된다.

그러나 본 발명에서는 용접패스의 회수가 상당히 감소되며, 용착금 속의 치수(즉, 일회의 패스에 의해 용착되는 금속의 치수)에도 제한을 두지 않는다.

종래 기술의 또 하나의 문제점은 각 용착금속층의 두께를 제한함으로써 수직 맞대기용접과 같은 용접작업시 상부로부터 하부쪽으로 용접을 해야한다는 것이다. 그러나 본 발명에서는 수직상향자세로 용접함으로써 적은 비용으로 소망의 충격강도를 가지는 용접 비이드를 형성할 수 있다.

종래 기술의 또 하나의 문제점을 용접 비이드의 충격강도가 그 루우트(root)부로 부터 캡(cap)부에 이르기까지 일정치 않다는 것이다. 이것은 통상 전극에는 어떠한 형태의 티타늄이 포함되어 있어서 이것이 용접비이드내에서 잔유물로 남게된다는 사실에 의해 설명할 수 있는데, 티타늄은 충격강도를 개선시키는 원소이지만 지나치게 많으면 오히려 충격강도에 악영향을 끼치는 원소이기도 하기 때문이다.

용접의 초기, 즉 루우트 비이드(root bead)의 형성시 전극의 금속은 모재금속에 의해 상당히 희석되므로 전극금속에는 충분한 양의 티타늄을 함유시켜야 형성된 비이드에 소망의 충격치를 부여할 수 있으며, 후속층의 비이드(중간층의 비이드)의 형성시 전극의 금속은 모재금속에 의해 점점 덜 희석되므로 형성된 비이드내의 티타늄함량은 비이드의 충격치를 감소시킬 정도로 증가하며, 용접의 마지막 단계에서 형성된 캡비이드(cap bead)는 루우트 비이드나 중간비이드와 달리 재가열될 기회가 없으므로 재가열에 의한 입자조질효과(grain refining effect)를 받지 못하게 된다. 따라서 최종단계에서 형성된 캡비이드의 성분조절이 매우 중요한 일이다. 그러나 본 발명을 이용하여 형성한 비이드내의 티타늄의 최대함량은 임계값 이하, 즉 비이드의 충격치를 감소시키지 않을 정도이며, 최종단계의 캡비이드내의 티타늄 함량도 재가열에 의한 입자조질이 필요없을 정도로 충분히 낮게 된다.

종래의 강의 아아크 용접에서는 형성된 용접 비이드에 소정의 합금원소를 첨가하기 위해, 또 용융 푸울내로 질소가 용입되는 것을 방지하기 위한 방법으로서, 관형상의 전극의 내부에 용제를 충전하는 방법, 솔리드 용접봉의 외부에 용제를 피복시키는 방법, 또는 용접 비이드 위에 입자상의 용제를 뿌려주는 등의 방법을 취하고 있다. 대기중의 질소분자는 아아크 열에 의해 원자상태로 분해되어 용융푸울내로 용입하게 되며, 용융푸울이 냉각됨에 따라 분자 상태로 되돌아가서 용접 비이드내에 잔류함으로써 용접 비이드에 기공이나 결함을 발생시키는 원인이 된다. 따라서, 이 질소를 배제시키기 위한 방법으로서 용제성분내에 질소배재 화합물(아아크열에 의해 증발하여 질소를 배제함)을 함유시키거나, 용접봉과 아아크와 동심으로 분사되는 차폐개스를 사용하거나, 또는 용접 비이드를 입자상의 용제로 덮고 그 속에서 용접봉을 운봉시키는 등의 방법을 사용하게 된다.

상기한 바와같이 종래의 기술에서는 질소를 배제시키는 노력을 하고 있으나 본 발명에서는 그와 반대로 소량의 질소를 티타늄과 화합물 형태로하여 유리하게 이용하고 있다는 점에서 종래의 기술에 대해 어느 정도 상반되는 기술이라고 할 수 있다.

본 발명에서는 멀티패스 전기 아아크 용접방법에 의해 전술한 문제점 및 기타의 문제점을 극복하고 높은 샤르피충격치를 달성한 성분이 개량된 용접 비이드를 형성하고 있다. 이하 본 발명에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

본 발명의 저탄소 용접 비이드내에는 티타늄 질화물 미립자가 소정량만큼 분산되어 있어서, 비이드의 응고시 상기 수많은 티타늄 질화물 미립자가 핵생성의 출발점 역할을 하게 되므로 응고 완료된 비이드의 조직은 매우 미세한 입자 조직을 가지게 된다. 따라서 용접 비이드는 높은 충격치를 가지게 된다.

또한 본 발명의 용접 비이드 성분내에서는 종래의 용접 비이드 성분인 티타늄과 알루미늄 이외에도 용접비이드의 변태온도를 강하시키는 역할을 하는 동시에 티타늄 질화물의 생성을 촉진하는 촉매 역할을 하는 크롬을 사용하고 있고, 동시에 알루미늄의 함량은 최대치 이하로 제한하고 있다.

본 발명의 저탄소강은 용접 비이드의 성분을 구체적으로 설명하면 0.03-0.12 중량%의 티타늄, 0.01-0.04 중량%의 질소, 0.05-0.30 중량%의 크롬 및 0.95 중량% 이하의 알루미늄으로 구성된다. 이를 좀더 상세하게 기술하면 다음과 같다.

상기 비이드의 합금성분중 질소는 티타늄 질화물로서 존재하게 되는데, 티타늄 질화물은 2930℃의 고융점(강의 융점은 1535℃)을 가지며 또한 용접 비이드내에서 미립자 상태로 존재함으로써 강의 응고시 이들 티타늄 질화물의 미립자는 입자성장이 시작되는 수많은 핵생성점 역할을 하게 된다. 따라서 생성된 용접 비이드의 조직은 매우 미세한 입자로서 구성되게 된다. 또한 티타늄 질화물은 오스테나이트 입자의 성장을 방해하는 역할도 한다.

용접 비이드에 합금성분으로서 티타늄이나 크롬을 부여하는 방법은 관형상의 용접봉내부에 충전시킨 용제나 솔리드 용접봉의 외부에 피복된 용제내에 상기 합금성분(금속형태, 합금형태, 또는 마그네슘이나 알루미늄과 같은 환원제와의 화합물 형태)을 포함시켜서 부여하거나 용접봉을 구성하는 강과의 합금으로서 상기 합금성분을 부여한다.

또한, 용접 비이드내에 합금성분으로서 티타늄 질화물을 첨가하는 방법은, 솔리드 용접봉의 외부에 피복된 용제나, 관형상의 용접봉내부에 충전시킨 용제내에, 또는 입자상의 용제내에 상기 티타늄 질화물을 포함시켜서 첨가할 수 있다. 그러나 티타늄 질화물의 가격이 매우 고가이므로, 보다 경제적인 첨가방법이 요망되는데, 가능성 있는 한가지 방법은 상기 티타늄 질화물을 용접봉을 구성하는 강의 합금성분으로하여 첨가하는 것이다.

용접 비이드내에 티타늄 질화물을 첨가하는 방법으로서 본 발명에 따른 바람직한 방법은 관형상의 용접봉에 적당량의 티타늄과 크롬(금속형태, 합금형태 또는 적당한 환원제와 결합한 산호화합물형태)을 코어(core)로서 제공하고, 아아크와 상기 티타늄원소가 대기중의 질소에 접촉되도록 용접을 실시함으로써 대기중의 질소와 티타늄의 합성에 의한 티타늄 질화물을 생성시키는 것으로서, 생성된 티타늄 질화물은 석출상, 즉 미립자상태로 용융푸울내에 부여된다.

한편 동일한 용접봉에 아르곤 차폐가스를 사용하여 대기중의 질소와의 접촉을 차단하여 용접을 실시했을 경우, 그 충격강도가 불량해진다는 점에서 위와같이 대기중의 질소에 노출시킨 상태의 용접법의 중요성을 알 수 있다.

또한 대기중의 산소는 용융푸울내로 용입되지 않도록 해야하므로 상기 관형상의 용접봉내의 코어에 알루미늄이나 마그네슘(금속형태나 합금상태)를 함유시켜 용접을 실시하면 상기 알루미늄이나 마그네슘이 대기중의 산소와 반응하여 산화물을 생성한다. 생성된 산화물은 슬래그의 일부가 되므로 용접이 완료된 후에 제거할 수 있다.

이와같이 탈산제로 알루미늄을 사용할 경우, 그 사용량은 산소와 반응하게 될 양을 초과하는 양만큼으로하여 산소와 반응하지 않은 나머지 알루미늄이 용접 비이드내에서 잔류물로 존재하게 된다. 그러나 용접 비이드내에 알루미늄이 지나치게 많이 존재하면 충격강도에 악영향을 미치게 되므로 본원 발명에서는 용접 비이드내의 알루미늄함량이 0.95% 이하가 되도록 한다.

용접금속의 완전탈산에 필요한 알루미늄의 양을 감소시키기 위하여 알루미늄 대신 마그네슘(금속 또는 합금)으로 대치할수 있다. 마그네슘의 비점은 강의 융점보다 낮기 때문에 마그네슘과 강은 합금이 되지 않는다.

크롬은 충격강도(노치인성)에 악영향을 미치는 원소로 간주되므로 용접 비이드 성분에서는 보통 제외되어 왔으나, 크롬은 충격강도를 증가시킬수 있는 원소임이 본 발명에 의해 최초로 밝혀졌다. 본 발명에서는 크롬이 티타늄질화물의 형성을 촉진시키는 촉매재로서 용접봉에 첨가되어 용접금속내의 티타늄 질화물의 필요량을 확실하게 제공해주고 또한 멀티패스 용접에 의한 티타늄의 축적을 방지하는 작용을 하게 된다. 따라서, 티타늄의 사용량을 감소시킴에 의해 충격강도에 미치는 크롬의 통상적인 악영향은 상쇄된다. 실험결과, 크롬은 비이드의 미세입자조직에 아무런 영향도 미치지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 전술한 바와같이 본원 발명에서는 공지구성의 용제에 크롬을 첨가하고 있으며, 크롬은 아아크열내에서 티타늄과 질소를 합성시켜 주는 작용을 한다. 생성된 수많은 티타늄 질화물의 미립자는 용융푸울내로 들어가 미세하게 분산되고, 용융 푸울의 응고시 각 티타늄 질화물의 미립자는 입자성장이 시작되는 핵생성점 역할을 하게 되므로 응고가 완료된 비이드의 조직은 미세입자조직이 된다.

또한 크롬원소는 용접 비이드의 변태온도를 강하시키는 작용을 하므로 용접패스가 중첩되어 실시됨에 따라 이미 용착되어 있는 비이드층은 용이하게 입자조절효과를 받게된다. 따라서, 일회의 패스당용착시킬 금속의 양을 증가시킬 수 있으므로 총 용접패스의 실시회수를 감소시킬 수 있고, 이와같이 용접패스의 회수가 감소됨으로써 용접작업을 완료하는데 소요되는 시간을 상당히 절약할 수 있다.

또한 루우트부의 용접패스, 중간층의 용접패스 및 캡부의 용접패스의 전체에 걸쳐 동일한 용접봉을 사용해도 상. 중. 하층의 전체 용접 비이드에 걸쳐 높은 충격강도를 얻을수 있으므로 용접봉 교체에 상당한 시간이 필요하던 종래기술에 비해 시간 절약의 효도 있다.

본 발명의 또 하나의 특징은 종래와 달리 비이드단면의 현미경 사진에서 비이드층간의 경계선이 뚜렷하게 나타나지 않는다는 것이다. 본 발명에서는 촉매원소인 크롬에 의해 티타늄과 질소의 합성물인 티타늄질화물이 생성되며, 생성된 티타늄 질화물은 용융푸울내로 도입되어 강의 융점보다 높은 융점을 가지는 미세한 고상으로서 분산되며, 상기 수많은 티타늄질화물의 미세입자 각각은 입자성장이 시작되는 핵생성점 역할을 하게 되므로 완성된 용접 비이드의 조직은 미세입자 조직이 되고, 따라서 높은 충격강도를 가지게 된다.

본 발명의 주요 목적은 저탄소강이나 저합금강의 용접에서 소망의 충격강도 및 씨.티.오.디 강도를 얻을수 있는 성분이 개량된 용접 비이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 후판이나 벽이 두꺼운 대직경의 관형구조물을 용이하게 용접할 수 있는 용접봉 및 그 용접봉에 의해 제조되는 성분이 개량된 용접 비이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 수직상향 자세의 용접, 수직하향 자세의 용접, 위보기자세의 용접 및 아래보기자세의 용접 등 전자세의 용접이 가능한 개량된 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 일회의 패스당 용착되는 비드층이 종래에 비해 두껍고 양호한 기계적 특성을 가지는 용접 비이드와 그 용접 비이드를 제조하는데 사용되는 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 탁월한 노치인성을 가지는 성분이 개량된 용접 비이드와 그 용접 비이드를 제조하는 데 사용되는 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 차폐개스를 사용하지 않고 고충격강도를 가지는 용접 비이드를 제조할 수 있으며, 또한 일회의 패스당 용착되는 비이트층의 두께를 두껍게할 수 있는 개량된 관형상의 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 용접비드전체 깊이에 걸쳐 비교적 높은 충격강도를 달성할 수 있는 후강판의 멀티패스용접에 사용되는 개량된 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 후강판의 맞대기 용접시 용접시킬 두 강판에 의해 형성된 노치가 적은 횟수의 용접패스에 의해 용접금속으로 채워질수 있는 한편 용접 비이드 전체에 걸쳐 높은 충격강도를 달성할수 있는 개량된 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 일회의 패스당 용착되는 금속의 양이 많고 적음이 최종 완성된 용접 비이드의 충격치에 영향을 미치지 않는 멀티패스 용접에 사용되는 개량된 용접봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 후속 용접패스에 의한 재가열이 필요없는 고충격강도를 가지는 성분이 개량된 용접 비이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 소정량의 질소, 티타늄, 크롬 및 알루미늄을 함유하는 성분이 개량된 용접 비이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 용접 비이드의 필수 성분으로서 질소가 포함되는 성분이 개량된 용접 비이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 미세입자조직을 생성하기 위한 티타늄 질화물 및 크롬을 함유하는 성분이 개량된 용접 비이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 용접 비이드에 질소가 들어가도 용접 비이드의 충격강도에 악영향을 미치지 않는 성분이 개량된 용접 비이드 및 그 비이드를 제조하는데 사용되는 용접봉을 제공하는 것이다.

[실시예]

두께가 3.81㎝인 두 개의 A537 강판 각각에 45° 경사의 베벨을 형성하고 루우트 간격이 0.47㎝가 되게 배치한다.

상기 강판을 93℃의 온도로 예열시키고, 각 용접패스사이에서 이미 용착되어 있는 비이드의 온도가 약 93℃까지 내려가게 한다. 사용하는 용접봉은 저탄소강의 관형상의 용접봉으로서 용접봉의 내부에는 다음과 같은 성분의 용제가 충전된다.

상기 용접봉의 전형적인 용접 조건은 다음과 같다.

1) 용접봉의 직경 : 0.2㎝

2) (-)극성의 직류

3) 스틱아우트(stickout) : 2㎝

(실험 Ⅰ) 전술한 용접봉 A와 용접봉 B를 사용하여 15회의 용접패스를 실시한 후 측정한 충격치는 다음과 같다.

상기 실험 Ⅰ에서 용접봉 A에 의해 생성된 비이드의 성분은 다음과 같다.

(실험 Ⅱ) 전술한 용접봉 A와 용접봉 B를 사용하여 8회의 용접패스를 실시한 후 측정한 충격치는 다음과 같다.

상기 실험 Ⅱ에서 용접봉 B에 의해 생성된 비이드의 성분은 다음과 같다.

본 발명은 고온의 아아크에 의해 티타늄 질화물을 생성하며, 생성된 티타늄 질화물의 미립자는 용융푸울내에서 미세하게 분산되고, 용융푸울의 응고시 각 티타늄 질화물의 미립자는 입자성장이 시작되는 수많은 핵생성점 역할을 하게 되므로 응고가 완료된 비이드의 조직은 미세입자조직이 되도록 한다. 따라서 높은 충격강도를 가지는 용접 비이드를 얻을 수 있다.

본 발명은 특허청구의 범위내에서 다양한 변경 및 개조가 가능하다.

Claims (8)

1. 하기의 성분으로 구성되는 전기 아아크 용접 비드.

   
2. 제1항에 있어서, 상기 강합금 원소가 하기의 성분으로 구성되는 용접 비이드.

   
3. 하기의 용접 단계로 구성되는 전기 아아크 용접방법. (a) (1) Ti, Zr, Ni, C, Mn 및 Si으로 구성된 그룹에서 선택한 원소, 금속, 합금 및 화합물 형태의 강합금 원소, (2) Li, Ba, Si, Sr, Ca, K의 불화물 및 Fe, Li, Ca, Ba의 산화물로 구성된 그룹에서 선택된 용제 성분, (3) Mg, Al 및 Si으로 구성된 그룹에서 선택한 환원제, (4) 아아크와 화학반응에 의해, 용접 비이드내에, 0.03-0.12 중량%의 Ti, 0.95 중량% 이하의 Al, 0.05-0.30 중량%의 Cr을 함유시킬 수 있을 정도의 Ti, Cr 및 Al을 함유하는 강제 용접봉을 준비하는 단계, (b) 상기 용접봉과 강모재 사이에서 차폐개스 없이 전기 아아크를 발생시킴에 의해 상기 Ti가 대기로 부터 0.01-0.04 중량%의 N을 포집하여 용접 비이드내에 함유시키는 단계.
4. 하기의 성분을 함유하는 저탄소강으로 구성된 아아크 용접봉. (a) Ti, Cr, Al, C, Zr, Mg, Si, Ni로 구성되어 있는 그룹에서 선택한 원소, 금속, 합금 및 화합물 형태의 합금성분, (b) Mg, Al 및 Si로 구성되어 있는 그룹에서 선택한 금속이나 합금형태의 환원제, (c) Ba, Li, Ca, K, Si, Sr의 불화물 및 Li, Si, Fe, Ba, Sr, Ca의 산화물로 구성되어 있는 그룹에서 선택한 용제, (d) 차폐개스를 사용하지 않은 상태에서 아아크와의 화학반응에 의해, 용접 비이드가 0.03-0.12 중량%의 Ti, 0.01-0.04 중량%의 N, 0.95 중량% 이하의 Al, 0.05-0.30 중량%의 Cr, 공지의 양의 합금원소 및 금속, 잔부의 저탄소강의 조성을 가질수 있을 정도의 양인 Ti, Cr 및 Al.
5. 차폐개스를 사용하지 않은 상태에서 용접을 실시했을 때, 생성된 용접 비이드가 0.03-0.12 중량%의 Ti, 0.01-0.04 중량%의 N(여기서 N은 TiN의 미세입자 상태), 0.05-0.30 중량%의 Cr, 0.95 중량% 이하의 Al, 공지의 양의 합금성분, 잔부의 강으로 구성될 수 있을 정도의 양으로 Ti, Cr 및 Al을 함유한 저탄소강으로 구성된 전기 아아크 용접봉.
6. 하기 조성의 코어로 충전되어 있는 강관형상의 전기 아아크 용접봉.

   
7. 하기 조성의 코어로 충전되어 있는 강관형상의 전기 아아크 용접봉.

   
8. 하기 조성의 코어로 충전되어 있는 강관형상의 전기 아아크 용접봉.