KR20150053718A

KR20150053718A - 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어 및 극저온용 강의 용접 방법 및 용접 조인트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150053718A
Application number: KR1020140153848A
Authority: KR
Inventors: 스오 사루와타리; 가즈히로 고지마; 슈우이치 나카무라; 다츠야 구마가이
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2015-05-18
Also published as: US9770789B2; EP2871021B1; KR101674743B1; US20160129532A1; EP2871021A1; CN104625486A; CN104625486B

Abstract

본 발명의 과제는, 우수한 저온 인성을 갖는 용접 금속이 얻어지고, 또한 용접 시공 효율이 높고, 또한 저온 균열 억제를 위해 실시되는 예열을 생략, 또는 간략화할 수 있는 플럭스 내장 와이어를 제공하는 것이다.
이 플럭스 내장 와이어는, CaF₂, BaF₂, SrF₂, MgF₂ 및 LiF 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계를 α로 하였을 때, 상기 α가 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 2.0∼7.0％이고, Ti 산화물, Si 산화물, Mg 산화물, Al 산화물, Zr 산화물 및 Ca 산화물 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계를 β로 하였을 때, 상기 β가 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.2∼0.9％이고, 상기 α에 대한 상기 CaF₂의 함유량의 비가 0.90 이상이고, 상기 β에 대한 상기 α의 비가 3.0 이상 15.0 이하이다.

Description

가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어 및 극저온용 강의 용접 방법 및 용접 조인트의 제조 방법{FLUX-CORED WIRE FOR GAS-SHIELDED ARC WELDING, METHOD FOR WELDING STEEL FOR VERY LOW TEMPERATURE USE, AND METHOD FOR MANUFACTURING WELD JOINT}

본 발명은, LNG 탱크나 화학 플랜트 등에 사용되는, 극저온용 5.5∼9.5％ Ni강의 가스 실드 아크 용접에 사용되는 플럭스 내장 와이어에 관한 것으로, 특히 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지고, 또한 용접 시공 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 내 저온 균열성이 우수한 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어 및 그 와이어를 사용한 극저온용 강의 용접 방법 및 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2013년 11월 8일에 세계지적소유권기관에 출원된 PCT/JP2013/080284호, 및 2014년 10월 29일에 일본에 출원된 특원2014-220853호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 지구 온난화의 문제에 의한 이산화탄소 배출량 규제 강화에 의해 석유·석탄 등에 비해 이산화탄소의 배출량이 적은 천연 가스의 수요가 높아지고 있고, 그것에 수반하여 LNG 탱크 건조(建造)의 수요도 세계적으로 높아지고 있다. LNG 탱크에 사용되는 강재에는, -196℃의 극저 온도에서의 인성 확보의 요구로부터, 5.5∼9.5％ Ni를 포함하는 Ni계 저온용 강이 사용되고 있다.

이 Ni계 저온용 강의 용접에 관해서는, 엄격한 안전성을 만족시킬 필요성으로부터 60∼80％의 Ni를 포함하는 Ni기 합금 용접 재료가 사용되고 있지만, 다량의Ni를 함유하고 있으므로, 이 용접 재료는 극히 고가이다. 또한, Ni기 합금 용접 재료는, 용융 금속의 탕흐름이 나쁘기 때문에, 융합 불량 등의 용접 결함을 발생하기 쉽고, 용접 결함을 방지하기 위해 저입열에서의 용접이 실시되고 있어, 용접 시공 효율에도 과제가 있다.

또한, 용접 재료의 비용 저감을 목적으로, Ni를 Ni계 저온용 강과 같은 정도인 5.5∼9.5％ 정도까지 저감시키면, 용접 금속은 매우 단단한 마르텐사이트 조직으로 되므로, 저온 균열의 문제가 발생한다. 저온 균열은, 용접 금속의 조직이 오스테나이트인 Ni기 합금 용접 재료에서는 발생하지 않는 것이며, 저온 균열 억제를 위해 실시되는 예열 작업은, 용접 시공 비용의 저감에 있어서의 새로운 과제로 된다.

이러한 현상에 대해, 극저온용 강의 용접 와이어로서 예를 들어 다음과 같은 와이어가 제안되어 있다.

특허문헌 1에서는, Ni기 합금재를 외피로서 사용한 플럭스 내장 와이어가 개시되어 있지만, Ni량이 60∼70％ 포함되어 있어, 용접 재료의 저비용화는 달성되지 않는다.

특허문헌 2에서는, Ni량이 7.5∼12.0％인 용접 재료가 개시되어 있지만, 용접 방법은 용접 시공 효율이 낮은 TIG 용접이므로, 용접 시공 효율은 향상되지 않는다.

특허문헌 3에서는, Ni량이 8∼13％인 용접 재료이며, 용재 비용 저감을 달성하고, 또한 서브머지드 아크 용접을 적용함으로써, 용접 시공 효율도 우수한 와이어를 개시하고 있다. 그러나, 서브머지드 아크 용접이므로, 얻어져 있는 용접 금속의 산소량은 250ppm으로 높고, 그것에 수반하여 -196℃의 흡수 에너지는 낮은 값으로 되어 있어, 충분한 저온 인성은 확보되어 있지 않다. 또한, 이 Ni량에서 문제로 되는 저온 균열에 관해서는 전혀 검토되어 있지 않다.

비특허문헌 1에는, Ni를 약 10％로 저감시킨 철 합금의 솔리드 와이어를 사용하고, 100％ Ar 실드 가스에 의한 MIG 용접으로 함으로써, TIG 용접과 동일 정도의 저산소의 용접 금속이 얻어지는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 상기 와이어 중의 P와 S량을 현저하게 저감시키고 있으므로, 인성은 확보되어 있지만, 본 발명자들의 실험에서는, 비특허문헌 1의 방법에서 얻어진 용접 금속 중에는 확산성 수소량이 많아, 내 저온 균열성이 나쁜 결점이 있다. 또한, 비특허문헌 1에 기재된 와이어는, Rem 첨가를 필수로 하는 솔리드 와이어이므로, 용접 시공시에, 스패터가 격렬하여, 용접 작업성이 나쁘다고 하는 결점이 있다.

따라서, 극저온용 강의 용접 와이어로서, 용접 재료의 저비용화에 더하여, 용접 시공 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 내 저온 균열성도 우수한 용접 와이어의 개발이 강하게 요망되고 있다.

일본 특허 공개 제2008-246507호 공보 일본 특허 공개 평09-253860호 공보 일본 특허 공개 제2008-161932호 공보

아쿠사 카즈오(阿草一男), 고세이 마사아키(古生正昭) 외, 가와사키 세이테츠 기보, vol.14, No.3(1982), 9％ Ni강의 순 아르곤 실드 동종 금속 MIG 용접

용접 시공 효율이 우수한 소모 전극식 가스 실드 아크 용접용의 용접 와이어이며, Ni의 함유량을 저감시켜도 저온 인성이 우수한 용접 금속을 얻고자 하는 경우, 실드 가스 중에 포함되는 활성 가스로부터 용접 금속 중에 침입하는 산소가 문제로 된다.

가스 실드 아크 용접에서는, 실드 가스로서, 일반적으로 Ar-10∼30％ CO₂(즉, 체적 분율로 10∼30％인 CO₂이고, 잔량부가 Ar인 혼합 가스), 100％ CO₂ 또는 Ar-2％ O₂ 등이 사용되고 있고, 가스 중에 활성 가스인 CO₂ 또는 O₂가 2％ 이상 포함되어 있다. 그 이유로서는, 불활성 가스만으로는, 아크가 불안정해져, 용접 결함 등이 없는 건전한 용접 금속이 얻어지지 않게 되기 때문이다.

한편, 이들 활성 가스는, 용접 아크에 의해 전리되고, 전리된 산소 이온이, 용접 금속 내에 들어가므로, 활성 가스를 혼합하면 용접 금속 중의 산소량이 증가한다. 용접 금속의 산소량이 증가하면, 연성 파괴의 흡수 에너지가 저하된다.

극저온용 강의 용접 재료로서, Ni량을 모재로 하는 5.5∼9.5％ Ni강과 동일 정도로 저감시킨 용접 재료에서는, 이 연성 파괴의 흡수 에너지의 확보가 어려우므로, 산소량이 적은 용접 금속이 얻어지는 용접 방법이 필요해진다. 그러나, 활성 가스의 혼합량을 저감시킨 실드 가스를 사용한, 혹은 불활성 가스만을 사용한 가스 실드 아크 용접에 의해, 건전한 용접 금속을 얻을 수 있는 용접 와이어는 아직 실현되어 있지 않다.

비소모 전극식 TIG 용접에서는, 건전한 용접 금속이 얻어지고, 용접 금속의 산소량도 낮지만, TIG 용접은, 소모 전극식 가스 실드 아크 용접에 비해 용접 시공 효율이 극히 낮아, 용접 시공 비용이 증대되는 문제가 있다.

또한, Ni량을 5.5∼9.5％ Ni강과 같은 정도로 저감시킨 용접 재료에서는, 용접 금속은 매우 단단한 마르텐사이트 조직으로 되므로, 저온 균열의 문제가 있다.

저온 균열을 억제하기 위해서는, 예열 작업이 필요하다. 예열 작업도 용접 시공 효율이 저하되는 요인으로 되지만, 종래 기술에서는, 내 저온 균열성에 대해서는, 전혀 검토되어 있지 않다.

본 발명은 상기 배경 기술의 문제점에 비추어, Ni량을 5.5∼9.5％ Ni강과 같은 정도로 저감시킴으로써 용접 재료 비용을 대폭 저감시키고, 또한 용접 시공 효율이 우수한 가스 실드 아크 용접을 적용해도 -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속을 얻는 것이 가능한 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어를 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 저온 균열을 억제하기 위한 예열 작업이 불필요하거나, 또는 예열 작업을 현저하게 저감시킬 수 있는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어 및 그 와이어를 사용한 극저온용 강의 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, Ni량을 5.5∼9.5％ Ni강과 같은 정도로 저감시킨 플럭스 내장 와이어에 있어서, 불화물을 주체로 한 슬래그 성분 조성으로 함으로써, (i) 실드 가스로서, 순Ar 가스 또는 순Ar 가스 중의 산소의 비율이 2％ 미만인 혼합 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접이라도, 아크가 안정되고, 건전하고 또한 저산소량의 용접 금속이 얻어지는 것. (ii) 6∼16％의 Ni를 함유하는 강제 외피를 사용하여, 플럭스에 충전하는 합금 성분을 대폭 저감시켜, 용접 금속의 산소량을 더욱 저감시킨 후, C, Si, Mn, 그 밖의 합금 원소를, 이 용접법에 의해 얻어지는 용접 금속에 최적인 조성으로 함으로써, 우수한 -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지가 얻어지는 것을 발견하였다.

또한, 본 발명의 플럭스 내장 와이어는, 용접 금속의 확산성 수소를 대폭 저감시킬 수 있는 것도 발견하였다.

이에 의해, 5.5∼9.5％ Ni강의 용접에 있어서, 우수한 저온 인성을 갖는 용접 금속이 얻어지고, 또한 용접 시공 효율이 높고, 또한 저온 균열 억제를 위해 실시되는 예열을 생략, 혹은 간략화할 수 있는 플럭스 내장 와이어를 발견하고, 그 지식을 기초로 더욱 검토를 부가하여 본 발명에 도달하였다.

(1) 본 발명의 제1 형태에 관한 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 강제 외피의 내부에 플럭스가 충전된 플럭스 내장 와이어이며, 상기 플럭스 내장 와이어 중에, 금속 불화물인 CaF₂, BaF₂, SrF₂, MgF₂ 및 LiF 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계를 α로 하였을 때, 상기 α가 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 2.0∼7.0％이고, 금속 산화물인 Ti 산화물, Si 산화물, Mg 산화물, Al 산화물, Zr 산화물 및 Ca 산화물 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계를 β로 하였을 때, 상기 β가 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.2∼0.9％이고, 금속 탄산염인 CaCO₃, BaCO₃, SrCO₃, MgCO₃ 및 Li₂CO₃ 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계가, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.6％ 미만이고, 상기 α에 대한 상기 CaF₂의 함유량의 비가 0.90 이상이고, 상기 β에 대한 상기 α의 비가 3.0 이상 15.0 이하이고, 상기 Ti 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0∼0.4％이고, 상기 Si 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.2∼0.5％이고, 상기 Ca 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.20％ 미만이고, 상기 플럭스 중의 아크 안정제의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0∼0.50％이고, 상기 플럭스 중의 철분의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 5％ 미만이고, 상기 금속 불화물, 상기 금속 산화물 및 상기 금속 탄산염을 제외하는 화학 성분이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 : C:0.003∼0.040％; Si:0.05∼0.40％; Mn:0.2∼0.8％; Al:0.003∼0.050％; Ni:6.0∼16.0％; P:0.02％ 이하; S:0.01％ 이하; Cu:0∼0.5％; Cr:0∼0.5％; Mo:0∼0.5％; V:0∼0.2％; Ti:0∼0.1％; Nb:0∼0.1％; B:0∼0.01％; Mg:0∼0.6％; REM:0∼0.0500％; 잔량부:Fe 및 불 순물; 로 이루어지고, 하기의 식 a로 정의되는 SM이 0.3∼1.0％이고, 하기의 식 b로 정의되는 Ceq가 0.250∼0.525％이다.

단, 식 a 및 식 b의 [ ]가 부여된 원소는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(2) 상기 (1)에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, Ni를 함유하는 상기 강제 외피의 내부에 상기 플럭스가 충전된 상기 플럭스 내장 와이어이며, 상기 강제 외피의 상기 Ni의 함유량이, 상기 강제 외피의 전체 질량에 대한 질량％로 6∼18％여도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 상기 플럭스 내장 와이어 중의 상기 REM의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.0100％ 이하여도 된다.

(4) 상기 (1)∼(3) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 상기 플럭스 내장 와이어 중의 상기 Ca 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.10％ 미만이어도 된다.

(5) 상기 (1)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 상기 플럭스 내장 와이어를 사용한 가스 실드 아크 용접에 있어서의, 일본 공업 규격 JIS Z3111-2005에 규정된 용접 금속의 인장 시험에 있어서, 상기 용접 금속의 인장 강도가 660∼900㎫여도 된다.

(6) 상기 (1)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 상기 강제 외피에 슬릿 형상의 간극이 있어도 된다.

(7) 상기 (1)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 상기 강제 외피에 슬릿 형상의 간극이 없어도 된다.

(8) 상기 (1)∼(7) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어는, 상기 강제 외피의 표면에 퍼플루오로폴리에테르유가 도포되어 있어도 된다.

(9) 본 발명의 제2 형태에 관한 용접 방법은, 상기 (1)∼(8) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어를 사용하여, 실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar과 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스, 순He 가스, He와 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스 중 어느 1종을 사용하여 용접한다.

(10) 본 발명의 제3 형태에 관한 용접 조인트의 제조 방법은, 판 두께가 6∼100㎜이고, Ni의 함유량이 5.5∼9.5질량％이고, 인장 강도가 660∼900㎫인 강판에 대해, 상기 (1)∼(8) 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어를 사용하여, 실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar과 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스, 순He 가스, He와 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스 중 어느 1종을 사용하여 용접한다.

본 발명의 상기 각 형태에 따르면, Ni를 5.5∼9.5％ 정도 함유하는 Ni계 저온용 강의 용접에 사용되는 플럭스 내장 와이어에 있어서, Ni계 저온용 강과 같은 정도로 Ni량을 저감시킴으로써 용접 재료 비용을 대폭 저감시키고, 또한 용접 시공 효율이 우수한 가스 실드 아크 용접을 적용할 수 있고, 또한 와이어 내에 충전하는 플럭스의 합금 성분을 저감시키고, 용접 금속의 산소량을 저감시킴으로써, -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어진다. 또한, 저온 균열을 억제하기 위한 예열 작업이 불필요하거나, 또는 예열 작업을 현저하게 저감시킬 수 있는 플럭스 내장 와이어 및 그 와이어를 사용한 극저온용 강의 용접 방법 및 용접 조인트의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 SM과 -196℃의 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면(강제 외피는 모두 연강).
도 2는 SM과 -196℃의 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면(강제 외피는 모두 Ni 함유 강).
도 3은 CaO 함유량과 확산성 수소량의 관계를 나타내는 도면(강제 외피는 모두 연강).
도 4는 CaO 함유량과 확산성 수소량의 관계를 나타내는 도면(강제 외피는 모두 Ni 함유 강).
도 5는 와이어의 절단 단면을 도시하는 도면.
도 6은 용접 금속 중의 산소량과 -196℃의 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면(강제 외피는 모두 연강).
도 7은 용접 금속 중의 산소량과 -196℃의 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면(강제 외피는 모두 Ni 함유 강).
도 8은 실시예에 있어서의 시험편의 채취 위치를 도시하는 도면(JIS Z3111-2005).

Ni계 저온용 강의 용접 금속에는 -196℃의 저온 인성이 요구되고, -196℃의 흡수 에너지를 확보하기 위해서는 용접 금속의 산소량을 저감시킬 필요가 있다.

용접 금속의 산소량을 저감시키는 방법으로서, 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접이 생각되지만, 아크가 불안정해져, 용접 결함이 없는 건전한 용접 금속을 얻을 수 없으므로 사용할 수 없었다.

그로 인해, Ni기 합금 용접 재료를 사용하거나, 또는 TIG 용접과 같은 극히 용접 시공 효율이 낮은 방법을 사용하는 것밖에 수단이 없었다. 전자는 용접 재료 비용이 극히 높고, 후자는 용접 시공 효율이 극히 낮다고 하는 문제가 있고, 용접 재료 비용과 용접 시공 효율을 양립하는 용접 재료는 실현되어 있지 않다.

본 발명자들은, Ni 함유량이 Ni계 저온용 강과 동일 정도까지 저감된 플럭스 내장 와이어에 있어서, CaF₂와 금속 산화물의 함유량을 다양한 비율로 변화시키고, 또한 C, Si, Mn 및 그 밖의 합금 원소의 함유량을 다양한 비율로 변화시키고, 이와 같이 하여 시험 제작한 와이어를 사용하여, 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에 의해 Ni계 저온용 강의 용접을 실시하였다.

그 결과, (i) CaF₂ 및 금속 산화물의 특정 함유 범위에서, 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접이라도 아크가 안정되어, 건전한 용접 금속이 얻어진다. (ii) 불활성 가스를 사용할 수 있는 것에 더하여, Ni를 포함하는 강제 외피를 사용함으로써, 용접 금속의 산소량을 대폭 저감시킬 수 있다. (iii) C, Si, Mn 및 그 밖의 합금 원소의 특정 함유 범위에 있어서, -196℃에서의 우수한 저온 인성이 얻어진다. (iv) CaF₂의 특정 함유 범위에 있어서, 용접 금속의 확산성 수소량을 대폭 저감시킬 수 있다. (v) Ni를 Ni계 저온용 강 정도까지 저감시킨 경우에 문제로 되는 저온 균열을 억제하는 데 필요한 예열 작업을 불필요하게 하거나, 또는 예열 작업을 현저하게 저감시킬 수 있다. 상기한 (i)∼(v)를 발견하였다.

본 발명은 이상과 같은 검토 결과 이루어진 것이며, 이하, 본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어에 대해, 특징으로 하는 기술 요건의 한정 이유나 바람직한 형태에 대해 순차 설명한다.

우선, 본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어를 구성하는 강제 외피 및 플럭스 중에 함유되는 합금 성분, 금속 탈산 성분 및 각 성분의 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

이하의 설명에 있어서, 「％」는 특별히 설명이 없는 한, 「질량％」를 의미하고, 각 성분의 함유량은, 와이어 전체 질량에 대한 강제 외피 및 플럭스 중의 각 성분의 질량％의 합계로 되는 성분 함유량을 의미하는 것으로 한다.

(C:0.003∼0.040％)

C는, 강도를 향상시키는 원소이며, 강도를 확보하기 위해서는 0.003％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 강도의 향상을 위해, C 함유량의 하한을 0.005％, 0.008％, 0.010％, 또는 0.013％로 해도 된다. 한편, 6∼16％의 Ni를 함유하는 용접 금속은, 단단한 마르텐사이트 조직으로 된다. 마르텐사이트의 경도에 미치는 C의 영향은 매우 커, C 함유량이 0.040％를 초과하면, 용접 금속이 극히 경화되어, 인성이 크게 저하되므로, C 함유량의 상한을 0.040％로 한다. 안정적으로 인성을 확보하기 위해서는, C 함유량의 상한을 0.035％, 또는 0.030％로 해도 된다.

(Si:0.05∼0.40％)

Si는, 용접 금속의 청정도를 향상시키고, 블로우 홀 등의 용접 결함의 발생을 억제하는 데 필요한 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.05％ 이상의 함유가 필요하다. 용접 결함의 발생을 보다 방지하기 위해, Si 함유량의 하한을 0.09％ 또는 0.14％로 해도 된다. 한편, 6∼16％의 Ni를 함유하는 용접 금속에서는, Si는 마이크로 편석되기 쉽고, Si 함유량이 0.40％를 초과하면, 편석부에서 현저한 취화가 발생하므로, 이것을 상한으로 한다. 또한, 용접 금속의 인성을 안정적으로 확보하기 위해서는, Si 함유량의 상한을 0.35％, 또는 0.30％로 해도 된다.

(Mn:0.2∼0.8％)

Mn은, 용접 금속의 청정도를 향상시키고, 또한 MnS를 형성함으로써, S를 무해화하고, 인성을 향상시키는 데 필요한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.2％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 인성의 가일층의 향상을 위해, Mn 함유량의 하한을 0.3％, 0.35％ 또는 0.4％로 해도 된다. 한편, 6∼16％의 Ni를 함유하는 용접 금속에서는, Mn은 마이크로 편석되기 쉽고, Mn 함유량이 0.8％를 초과하면, 편석부에서 현저한 취화가 발생하므로, 이것을 상한으로 한다. 또한, 용접 금속의 인성을 안정적으로 확보하기 위해서는, Mn 함유량의 상한을 0.7％, 0.6％, 또는 0.5％로 해도 된다.

(P:0.02％ 이하)

P는 불순물 원소로, 인성을 떨어뜨리므로 최대한 저감할 필요가 있지만, 이 악영향을 허용할 수 있는 범위로서, P 함유량은 0.02％ 이하로 제한한다. 인성의 가일층의 향상을 위해, P 함유량의 상한을 0.015％, 0.01％, 0.008％ 또는 0.006％로 해도 된다. P 함유량의 하한을 제한할 필요는 없고, P 함유량의 하한은 0％이다.

(S:0.01％ 이하)

S는, 불순물 원소이지만, 인성을 현저하게 떨어뜨리므로, 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 인성에의 악영향을 허용할 수 있는 범위로서, S 함유량은 0.01％ 이하로 제한한다. 인성의 가일층의 향상을 위해, S 함유량의 상한을 0.008％, 0.006％, 0.004％ 또는 0.003％로 해도 된다. S 함유량의 하한을 제한할 필요는 없고, S 함유량의 하한은 0％이다.

(Al:0.003∼0.050％)

Al은 탈산 원소로, Si, Mn과 마찬가지로, 청정도 향상에 효과가 있고, 그 효과를 발휘하기 위해 0.003％ 이상 함유시킨다. 한편, 0.050％를 초과하여 함유시키면, 질화물이나 산화물을 형성하여, 용접 금속의 인성을 저해하므로, 이것을 상한으로 한다. 또한, 용접 금속의 인성을 향상시키는 효과를 충분히 얻기 위해서는, Al 함유량의 하한을 0.005％, 0.007％, 0.009％ 또는 0.011％로 해도 되고, 또한 산화물의 생성 억제를 위해, Al 함유량의 상한을, 0.040％, 0.035％, 0.030％ 또는 0.025％로 해도 된다.

(Ni:6.0∼16.0％)

Ni는, 고용 인화(고용에 의해 인성을 높이는 작용)에 의해 조직, 성분에 상관없이 인성을 향상시킬 수 있는 유일한 원소로, 특히 -196℃의 저온 인성을 확보하는 데에는 필수 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Ni 함유량은 6.0％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, Ni 함유량이 16.0％를 초과하면, 그 효과가 포화되는 것에 더하여, 용접 재료 비용이 과대해지므로 바람직하지 않다. Ni 함유량의 상한을 14％ 또는 12％로 제한해도 된다. 안정적으로 저온 인성을 확보하기 위해서는, Ni 함유량의 하한을 6.5％, 7.0％, 또는 7.5％, 나아가서는 8.0％로 해도 된다.

또한, Ni는 주로 강제 외피로부터 용접 금속에 첨가해도 된다. 플럭스로서 첨가하는 금속분에는, 얇은 산화층이 존재하고 있고, 이것이 용접 금속의 산소원으로 된다. 연강의 강제 외피를 사용한 경우, Ni를 첨가하기 위해서는, 대량의 금속분을 플럭스로서 첨가시킬 필요가 있어, 금속분에 의해 용접 금속의 산소가 증가한다. 이 산소 증가를 억제하여, 인성을 향상시키기 위해, Ni는 주로 강제 외피에 함유시켜도 된다. 이로 인해, 강제 외피에는, Ni 함유량이 강제 외피의 질량에 대한 질량％로 6.0％ 이상 함유시켜도 된다. 강제 외피의 Ni 함유량의 상한을 특별히 정할 필요는 없다. 그러나, 와이어 전체 질량에 대해 16％ 이하로 되도록 하기 위해, 강제 외피의 Ni 함유량의 상한을 18％로 해도 된다. 필요에 따라서, 강제 외피의 Ni 함유량의 상한을 17％ 또는 16％로 해도 된다.

연강의 융점보다 Ni 합금의 융점이 낮기 때문에, Ni 합금을 외피로 하면, 외피와 플럭스의 융점차가 커진다. 이에 의해 플럭스가 코어로서 안정되므로, 용적(溶滴) 이행이 보다 안정된다. 상대 비교로서 Ni 합금의 강제 외피의 쪽이, 용접 금속의 산소량이 저감되어, 저온 인성이 높아진다.

본 발명에서는, 이하의 목적으로, Cu, Cr, Mo, V, Ti, Nb, B, Mg, REM의 각 원소를, 선택 원소로서 1종 또는 2종 이상 함유시킬 수 있다.

(Cu:0∼0.5％)

Cu는, 와이어의 외피 표면의 도금 및 플럭스에 단체 또는 합금으로서 함유된 경우에는, 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. Cu 함유량의 하한은 0％로 하지만, Cu를 함유해도 된다. 이 경우, Cu 함유량이 0.5％를 초과하면 인성이 저하되므로, Cu 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, Cu 함유량의 상한을 0.3％, 0.2％ 또는 0.1％로 해도 된다. 또한, Cu의 함유량에 대해서는, 외피 자체나 플럭스 중에 함유되어 있는 분에 더하여, 와이어 표면에 구리 도금되는 경우에는 그 분도 포함한다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, Cu 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다.

(Cr:0∼0.5％)

Cr은, 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. Cr의 함유량의 하한은 0％로 하지만, Cr을 첨가하는 경우, Cr 함유량이 0.5％를 초과하면 인성이 저하되므로, Cr 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, Cr 함유량의 상한을 0.3％, 0.2％ 또는 0.1％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, Cr 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다.

(Mo:0∼0.5％)

Mo는, 석출 강화에 의해 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. Mo의 함유량의 하한은 0％로 하지만, Mo를 첨가하는 경우, Mo 함유량이 0.5％를 초과하면 인성이 저하되므로, Mo 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, Mo 함유량의 상한을 0.3％, 0.2％ 또는 0.1％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, Mo 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다.

(V:0∼0.2％)

V는, 석출 강화에 의해 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. V의 함유량의 하한은 0％로 하지만, V를 첨가하는 경우, V 함유량이 0.2％를 초과하면 인성이 저하되므로, V를 함유시키는 경우의 V 함유량은 0.2％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, V 함유량의 상한을 0.15％, 0.1％ 또는 0.05％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, V 함유량의 하한을 0.01％로 해도 된다.

(Ti:0∼0.1％)

Ti는, 고용 N을 고정하여 인성에의 악영향을 완화하는 데 유효하다. 또한, 탈산 원소로서도 유효하여, 용접 금속 중의 O량을 저감시키는 효과가 있다. Ti의 함유량의 하한은 0％로 하지만, Ti를 첨가하는 경우, Ti 함유량이 0.1％를 초과하여 과잉으로 되면, 탄화물이 생성되어, 인성을 떨어뜨리므로, Ti를 함유시키는 경우의 Ti 함유량은, 0.1％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, Ti 함유량의 상한을 0.06％, 0.04％ 또는 0.02％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, Ti 함유량의 하한을 0.005％로 해도 된다.

(Nb:0∼0.1％)

Nb는 석출 강화에 의해 용접 금속의 강도를 높이는 데 유효하다. Nb의 함유량의 하한은 0％로 하지만, Nb를 첨가하는 경우, Nb 함유량을 0.1％를 초과하여 함유시키면, 용접 금속 중에 조대한 석출물을 형성하여 인성을 떨어뜨리므로, Nb를 함유시키는 경우의 Nb 함유량은 0.1％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, Ti 함유량의 상한을 0.06％, 0.04％ 또는 0.02％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, Nb 함유량의 하한을 0.002％로 해도 된다.

(B:0∼0.01％)

B는, 용접 금속 중에 적정량 함유시키면, 고용 N과 결부되어 BN을 형성하여, 고용 N의 인성에 대한 악영향을 줄이는 효과가 있다. B의 함유량의 하한은 0％로 하지만, B를 첨가하는 경우, B 함유량이 0.01％를 초과하면, 용접 금속 중의 B가 과잉으로 되고, 조대한 BN이나 Fe₂₃(C,B)₆ 등의 B 화합물을 형성하여 인성을 반대로 떨어뜨리므로, B를 함유시키는 경우의 B 함유량은 0.01％ 이하로 한다. 인성의 향상을 위해, B 함유량의 상한을 0.006％, 0.004％ 또는 0.002％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, B 함유량의 하한을 0.0003％로 해도 된다.

(Mg:0∼0.6％)

Mg는, 강탈산 원소로, 용접 금속의 산소를 저감시켜, 인성의 개선에 효과가 있다. Mg의 함유량의 하한은 0％로 하지만, Mg를 첨가하는 경우, Mg 함유량을 0.6％를 초과하여 함유시키면 스패터가 증가하여, 용접 작업성을 떨어뜨리므로, Mg를 함유시키는 경우의 Mg 함유량은 0.6％ 이하로 한다. 용접 작업성의 향상을 위해, Mg 함유량의 상한을 0.4％, 0.2％ 또는 0.1％로 해도 된다. 함유의 효과를 얻기 위해서는, Mg 함유량의 하한을 0.05％로 해도 된다.

(REM:0∼0.0500％)

REM은, 과잉으로 함유하면 스패터가 격렬해져, 용접 작업성이 열악해진다. 이로 인해, REM 함유량의 하한은 0％로 한다. 첨가하는 경우라도, 스패터가 저감되고, 아크가 안정되는 효과적인 REM 함유량은, 0.0500％ 이하이다. 또한 보다 스패터의 저감 및 아크의 안정에 기여하기 위해, REM 함유량의 상한을 0.0300％, 0.0200％, 0.0100％, 0.0050％, 또는 0.0010％로 해도 된다.

본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어에서는, 합금 성분 또는 금속 탈산 성분으로서 이상과 같이 각 원소를 함유하지만, -196℃의 저온 인성을 확보하기 위해, 하기 식 1로 나타내어지는 Si와 Mn의 함유량의 합계 SM이, 0.3∼1.0％일 필요가 있다.

단, [ ]가 부여된 원소는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어는, 순Ar이나 순He를 실드 가스로 한, 또는 Ar이나 He 중의 O₂ 또는 CO₂의 비율이 2체적％ 미만인 혼합 가스를 실드 가스로 한 가스 실드 아크 용접에서도 안정된 용접을 가능하게 하지만, 플럭스 내장 와이어에 충전하는 금속분의 주위에는 얇은 산화층이 존재하고 있어, 소량이기는 하지만 용접 금속 중에 산소가 들어간다.

그때, 용접 금속의 청정도를 향상시키는 Si, Mn의 양이 충분하지 않으면, 와이어로부터의 산소에 의해 용접 금속 중에 블로우 홀과 같은 용접 결함이 발생한다. 이 용접 결함을 억제하기 위해, 상기 SM이 0.3％ 이상으로 되도록 Si와 Mn을 함유시킬 필요가 있다. 한편, 6∼16％의 Ni를 함유하는 용접 금속에서는, Si, Mn은 마이크로 편석되기 쉽고, 그 편석부에서는, 현저한 취화를 발생한다. SM이 1.0％ 이하이면 편석부의 취화가 허용되므로, 이것을 상한으로 한다. 보다 확실하게 용접 결함을 억제하기 위해, SM의 하한을 0.35％ 또는 0.4％로 해도 된다.

이러한 지식이 얻어진 실험에 대해 도 1, 도 2에 도시한다. 도 1에 사용한 플럭스 내장 와이어의 강제 외피는 모두 연강이고, 도 2에 사용한 플럭스 내장 와이어의 강제 외피는 모두 Ni 함유 강이다. 도 1, 도 2는, SM의 값이 다른 것 이외에는 본 발명의 요건을 충족시키는 플럭스 내장 와이어를 시험 제작하고, 그 와이어를 사용하여 후술하는 실시예와 마찬가지로 하여 용접을 행하고, 얻어진 용접 금속으로부터 시험편을 제작하고, 그 시험편을 사용하여 얻어진 -196℃의 샤르피 흡수 에너지와 와이어의 SM과의 관계를 나타내고 있다.

도 1로부터, SM이 0.3∼1.0으로 되도록 Si와 Mn을 첨가한 와이어는, -196℃의 샤르피 흡수 에너지가 50J 이상 얻어져 있는 것을 알 수 있었다. 도 2로부터, SM이 0.3∼1.0으로 되도록 Si와 Mn을 첨가한 와이어는, -196℃의 샤르피 흡수 에너지가 69J 이상 얻어져 있는 것을 알 수 있었다. 강제 외피가 모두 연강인 경우, 안정적으로 50J 이상을 확보하기 위해, SM의 상한을 0.9％, 0.8％, 0.75％ 또는 0.70％로 해도 된다. 강제 외피가 모두 Ni 함유 강인 경우, 안정적으로 69J 이상을 확보하기 위해, SM의 상한을 0.9％, 0.8％, 0.75％ 또는 0.70％로 해도 된다.

(탄소당량 Ceq:0.250∼0.525％)

또한 본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어에서는, 하기 식 2로 나타내어지는 일본 용접 협회(WES)에서 정하는 탄소당량 Ceq가 0.250∼0.525％로 되도록 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유량을 다시 조정한다.

단, [ ]가 부여된 원소는, 각각의 원소의 질량％에 의한 함유량을 나타낸다.

Ceq는, 그 값이 높을수록, 용접 금속의 인장 강도가 향상되지만, 한편 인성이 저하되고, 또한 용접 균열 감수성이 높아지므로, 저온 균열 억제를 위한 대책이 필요해진다. 이 Ceq의 값이 0.250％ 미만에서는, 용접 금속에 있어서 목적으로 하는 강도(인장 강도) 660㎫ 이상을 만족시킬 수 없다. 한편 Ceq의 값이 0.525％를 초과하면, 용접 금속의 인장 강도가 과잉으로 되어, 용접 금속의 인성이 저하된다. 그로 인해, Ceq의 범위는, 0.250∼0.525％로 한다. 안정적으로 강도를 확보하기 위해, Ceq의 하한을 0.290％, 0.330％ 또는 0.370％로 해도 된다. 인성 향상을 위해, Ceq의 상한을 0.490％, 0.460％ 또는 0.430％로 해도 된다.

또한, 이상의 합금 성분 혹은 금속 탈산 성분으로서 함유되는 원소의 함유량에는, 그들 원소가 금속 불화물, 금속 산화물 및 금속 탄산염으로서 함유되는 경우의 함유량은 포함하지 않는다.

또한, 그들 원소는 반드시 순물질(불순물의 함유는 가능)일 필요는 없고, Fe-Mn, Cu-Ni 등의 합금의 형태로 함유되어 있어도 전혀 문제는 없다. 또한, 그들 원소는 강제 외피 중에 함유되어 있어도, 플럭스로서 함유되어 있어도, 그 효과는 동일하므로, 강제 외피와 플럭스 중 어느 것이나 함유하는 것이 가능하다.

계속해서, 와이어의 강제 외피의 내부에 삽입되는 플럭스 성분에 대해 설명한다.

(CaF₂를 주성분으로 하는 금속 불화물의 함유량의 합계 α:2.0∼7.0％)

종래, 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에서는, 용접시에 발생하는 열적 핀치력, 전자 핀치력이 작으므로, 와이어 선단에 형성된 용적이 와이어로부터 이탈하지 않고, 용융부가 액주(液柱)와 같이 신장된 상태로 되고, 그것이 플라즈마 기류나 자기 블로우의 영향에 의해 채찍과 같이 요동함으로써, 매우 불안정한 아크 상태로 되므로, 용접이 불가능했다.

본 실시 형태에서는, 플럭스 내장 와이어로 하고, CaF₂를 주체로 하는 금속 불화물을 플럭스 성분으로 함으로써, 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접이라도 안정된 용접을 가능하게 하였다. 금속 불화물은 전기 전도성이 낮으므로, 아크하에 있어서, 강제 외피는 용융되지만, 와이어 내부의 플럭스는 완전히 용융되지 않고 코어와 같이 남아, 그 플럭스의 코어가, 채찍과 같이 요동하는 일 없이 똑바로 용융지에 들어간다. 그때, 용융된 강제 외피는, 이 플럭스의 코어를 따르도록 용융지로 이행하므로, 안정된 용접이 가능해진다.

이와 같이 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에서도 안정된 용접을 가능하게 하기 위해서는, CaF₂를 포함하는 금속 불화물을, 그 함유량의 합계를 α로 하였을 때, 상기 α가 2.0％ 이상이고, 또한 상기 α에 대한 CaF₂의 함유량 [CaF₂]의 비([CaF₂]/α)가 0.90 이상으로 되도록 함유시킬 필요가 있다. CaF₂의 함유량이 많은 편이 바람직하고, 이 비의 하한을 0.93, 0.96, 0.98 또는 0.99로 해도 된다. 이 비를 1.0으로 하여, CaF₂만으로 해도 문제는 없다.

금속 불화물의 합계량 α가 2.0％ 미만에서는, 용접시에 플럭스의 코어가 충분히 남지 않게 되므로, 용접이 불안정해진다. 한편, 금속 불화물의 합계량 α가 7.0％를 초과하면, 용접 흄이 과잉으로 생성됨으로써, 용접이 불안정해지므로 바람직하지 않다.

불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에서도, 한층 더 안정된 용접성을 확보하기 위해 금속 불화물의 합계량 α의 하한을 2.2％, 2.4％, 2.6％, 2.8％, 3.0％, 3.2％ 또는 3.4％로 해도 되고, 또한 금속 불화물의 합계량 α의 상한을 6.5％, 6.0％, 5.5％ 또는 5.0％로 해도 된다.

금속 불화물로서는, CaF₂ 외에, BaF₂, SrF₂, MgF₂, LiF 중 1종 또는 2종 이상을 필요에 따라서 함유할 수 있지만, 아크 안정성의 확보, 스패터 억제의 관점에서CaF₂의 함유량, CaF₂, BaF₂, SrF₂, MgF₂ 및 LiF의 합계량에 대한 비는 0.90 이상이어야 한다. 0.90 미만에서는, 아크 안정성이 저하된다. CaF₂의 비율이 높은 편이 바람직하고, 0.93％ 이상, 0.96％ 이상, 0.98％ 이상 또는 0.99％로 해도 된다. 100％ CaF₂로 해도 전혀 문제는 없다.

금속 불화물은, 이상의 작용에 더하여, 용접 금속의 확산성 수소량을 저감시키는 작용을 갖는다.

6∼16％의 Ni를 함유하는 용접 금속은, 단단한 마르텐사이트 조직으로 된다. 그로 인해 저온 균열을 억제하기 위해 예열 작업이 필요해지지만, 금속 불화물은, 용접 금속의 확산성 수소량을 저감시킬 수 있으므로, 저온 균열을 억제하는 데 필요한 예열을 생략 또는 간략화하여 용접하는 것을 가능하게 한다.

금속 불화물이 확산성 수소량을 저감시키는 작용을 하는 것은, 피복 아크 용접봉 등으로 알려져 있지만, 플럭스 내장 와이어에서 확산성 수소의 저감을 상세하게 검토한 예는 없다. 본 실시 형태에서는, 다른 플럭스 성분, 용접 금속의 기계 특성, 용접 작업성 등을 감안하여, 확산성 수소를 저감시키는 데 최적의 형태를 발견하였다.

금속 불화물이 확산성 수소를 저감시키는 이유에 대해서는, 금속 불화물이 용접 아크에 의해 분해되고, 생성된 불소가 수소와 결합하여 HF 가스로서 대기 중으로 흩어져 없어졌거나, 혹은 그대로 용접 금속 중에 수소가 HF로서 고정되었기 때문이라 생각된다.

(Ti 산화물:0∼0.4％)

Ti 산화물로서의 TiO₂는, 용접 금속 중의 산소량을 저감시킴으로써, 저온 인성을 개선하기 위해서는, TiO₂는 가능한 한 저감시키는 편이 바람직하다. 이로 인해, TiO₂의 하한은 0％로 한다. 한편, 비드 성형성, 슬래그 박리성 및 아크 안정성을 양호하게 하기 위해서는, TiO₂를 첨가하는 편이 바람직하다. 이로 인해, TiO₂ 함유량의 하한을 0.05％, 0.1％, 0.13％, 0.16 또는 0.19％로 해도 된다. TiO₂ 함유량이 0.4％를 초과하면, TiO₂에 포함되는 산소가 용융지에 들어감으로써 용접 금속의 산소량이 증가하여, 연성 파괴의 흡수 에너지가 저하되므로, 0.4％를 상한으로 한다. 필요에 따라서, TiO₂ 함유량의 상한을 0.35％, 0.31, 0.27％ 또는 0.24％로 해도 된다. 저온 인성을 중시하는 경우에는, TiO₂ 함유량의 상한을 0.2％, 0.15％, 0.12％ 또는 0.09％로 해도 지장없다.

(Si 산화물:0.2∼0.5％)

Si 산화물로서의 SiO₂는, 슬래그 형상을 정돈하여, 용접 후의 슬래그 박리를 용이하게 하기 위해 필요하다. 이 효과를 발휘하기 위해서는, SiO₂ 함유량은, 0.2％ 이상으로 할 필요가 있다. SiO₂ 함유량의 하한을 0.23％, 0.26 또는 0.29％로 해도 된다. 그러나, SiO₂가 0.5％를 초과하여 함유되면, SiO₂에 포함되는 산소가 용융지에 들어감으로써 용접 금속의 산소량이 증가하여, 연성 파괴의 흡수 에너지가 저하되므로, 이것을 상한으로 한다. SiO₂ 함유량의 상한을 0.45％, 0.39, 0.37％ 또는 0.34％로 해도 된다.

(금속 산화물의 함유량의 합계:0.2∼0.9％)

본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어에서는, 슬래그 형성제로서, Ti 산화물, Si 산화물, Mg 산화물, Al 산화물, Zr 산화물 및 Ca 산화물, 예를 들어 TiO₂, SiO₂, MgO, Al₂O₃, ZrO₂, CaO 등의 금속 산화물 중 1종 또는 2종 이상이 포함된다. 이들 금속 산화물은, 용접 비드 형상을 양호하게 유지하기 위해 포함된다. 금속 산화물의 적정한 효과를 얻기 위해서는, 금속 산화물의 함유량의 합계를 β로 하였을 때, 상기 β의 하한을 0.2％로 할 필요가 있다. 그러나, 금속 산화물의 함유량의 합계 β가 0.9％를 초과하면, 용접 금속의 산소량이 증가하여, 인성을 떨어뜨리므로 바람직하지 않다.

이들 금속 산화물의 합계 함유량은, TiO₂, SiO₂, MgO, Al₂O₃, ZrO₂, CaO의 합계 함유량에 더하여, 플럭스의 조립에 사용되는 바인더 등에 포함되는 금속 산화물의 함유량도 포함한 함유량으로 한다. 이들 금속 산화물의 효과를 확실하게 얻기 위해, 금속 산화물의 합계 함유량의 하한을 0.25％, 0.3％, 0.35％, 0.4％, 0.45％ 또는 0.5％로 해도 된다. 또한, 금속 산화물의 함유에 의한 용접 금속의 인성 열화를 최대한 억제하기 위해, 금속 산화물의 함유량의 합계 β의 상한을 0.8％, 0.7％ 또는 0.6％로 해도 된다.

(아크 안정제:0∼0.50％)

이상 외에, 아크 안정제를 플럭스 중에 더 함유시켜도 된다. 아크 안정제로서는, Na, 또는 K의 산화물 또는 불화물(예를 들어, Na₂O, NaF, K₂O, KF, K₂SiF₆, K₂ZrF₆) 등이 있고, 그 함유량의 합계는 0∼0.50％이다. 반드시 아크 안정제를 함유하지는 않아도 되므로, Na, 또는 K의 산화물 또는 불화물의 합계 함유량의 하한은 0％이다. 또한, 아크가 강해져 스패터 등이 증가하므로 상한은 0.50％이다. 또한, 여기서 예시한 아크 안정제로서의 산화물 및 불화물은, 상술된 슬래그 형성제로서의 금속 산화물 및 확산성 수소를 저감시키기 위한 금속 불화물에는 포함하지 않는다. Na 및 K의 산화물 및 불화물이 많으면, 아크가 강해져 스패터 등이 증가하므로, 필요에 따라서, 이들 함유량의 합계를 0.40％ 이하, 0.30％ 이하, 0.20％ 미만, 0.10％ 이하로 제한해도 된다.

상기한 금속 불화물과 금속 산화물의 각각의 함유량에 더하여, 질량％로 나타내어지는 금속 산화물의 함유량의 합계 β에 대한 금속 불화물의 함유량의 합계 α의 비(α/β)의 값이, 3.0 이상 15.0 이하를 만족시키도록 할 필요가 있다.

α/β의 값이 3.0 미만에서는, 용접 금속의 산소량이 증가함으로써, 흡수 에너지가 저하되고, α/β의 값이 15.0을 초과하면, 불활성 가스를 사용한 가스 실드 아크 용접에 있어서는, 아크가 불안정해지기 쉬워진다. 필요에 따라서, α/β의 하한을 3.5 또는 4.0으로 해도 되고, 그 상한을 14.0, 13.0 또는 12.0으로 해도 된다. 또한, 이 비 α/β의 값을 규제하는 것은, 확산성 수소를 저감시키는 효과를 얻기 위해서도 중요하고, 본 실시 형태의 범위이면 확산성 수소를 저감시키는 효과가 얻어진다.

(Ca 산화물:0.20％ 미만)

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 플럭스에 함유되는 Ca 산화물로서의 CaO의 함유량을 제한한다. 플럭스의 원료에 CaO가 함유되어 있는 경우가 있다. 그 경우라도, 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, CaO 함유량을 0.20％ 미만으로 제한한다. CaO 함유량을, 0.20％ 미만으로 제한하면, 본 발명의 효과는 얻어진다. 즉, CaO 함유량의 상한이 0.20％ 미만으로 되도록, 플럭스의 원료를 선정하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라서, CaO 함유량의 상한을 0.18％ 미만, 0.15％ 미만, 0.12％ 미만, 0.10％ 미만, 0.08％ 미만, 0.06％ 미만 또는 0.04％ 미만으로 제한해도 된다. CaO 함유량의 하한은 0％이다. 플럭스의 원료 선정의 사정상, CaO의 하한을 0.01％ 또는 0.005％로 해도 지장없다.

CaO는, 대기에 접촉함으로써, 수소를 포함하는 화합물인 CaOH로 변화되므로, 용접 금속의 확산성 수소를 증가시킨다. 이러한 지식이 얻어진 실험에 대해 도 3, 도 4에 나타낸다.

도 3은 CaO의 값이 다른 것 이외에는 본 발명의 요건을 충족시키는 강제 외피가 모두 연강인 플럭스 내장 와이어를 시험 제작하고, 그 와이어를 사용하여 용접을 실시하고, 얻어진 용접 금속의 확산성 수소량을 후술하는 실시예와 마찬가지로 측정하여, 플럭스 내장 와이어 중의 CaO 함유량과 확산성 수소량의 관계를 나타낸 것이다.

도 4는, CaO의 값이 다른 것 이외에는 본 발명의 요건을 충족시키는 강제 외피가 모두 Ni 함유 강인 플럭스 내장 와이어를 시험 제작하고, 그 와이어를 사용하여 용접을 실시하고, 얻어진 용접 금속의 확산성 수소량을 후술하는 실시예와 마찬가지로 측정하여, 플럭스 내장 와이어 중의 CaO 함유량과 확산성 수소량의 관계를 나타낸 것이다.

도 3, 도 4로부터, CaO가 증가함에 따라 용접 금속 중의 확산성 수소량이 증가하여, 0.20％까지는, 1.5ml/100g 이하가 얻어져 있다. 1.5ml/100g 이하에서는, 예열 작업을 저감시키는 효과가 얻어지므로, CaO는 0.20％ 미만으로 한다. 즉, 이 범위를 만족시키도록, 플럭스의 원료를 선정한다.

(금속 탄산염:0.60％ 미만)

본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어는, 아크 안정화 작용과 아크 집중성을 높일 목적으로, CaCO₃, BaCO₃, SrCO₃, MgCO₃, Li₂CO₃ 중 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 금속 탄산염을 함유해도 된다. 금속 탄산염의 함유량의 합계가 0.60％ 이상으로 되면, 아크의 집중성이 지나치게 강해 스패터 발생량이 많아진다. 이로 인해, 금속 탄산염의 함유량의 합계는 0.60％ 미만으로 한다. 필요에 따라서, 이 합계를 0.40％ 이하, 0.20％ 이하, 0.10％ 이하 또는 0.07％ 이하로 해도 된다. 이들 금속 탄산염을 함유할 필요는 없고, 그 하한은 0％이다.

(철분:5％ 미만)

철분은, 플럭스 내장 와이어에 있어서의 플럭스의 충전율의 조정을 위해, 또는 용착 효율의 향상을 위해 필요에 따라서 함유시키는 경우가 있다. 그러나, 철분의 표층은 산화되어 있으므로, 플럭스가 철분을 과잉으로 함유하면, 용접 금속의 산소량을 증가시켜 인성을 저하시키는 경우가 있다. 따라서, 철분은 함유시키지 않아도 된다. 즉, 그 하한은 0％이다. 충전율의 조정을 위해 철분을 함유시키는 경우에는, 용접 금속의 인성을 확보하기 위해, 철분의 함유량의 상한을 5％ 미만으로 한다.

이상이 본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어의 화학 조성에 관한 한정 이유이다. 그 밖의 잔량부의 합금의 화학 성분은, 철과 불순물이다. 철 성분으로서는, 강제 외피의 철, 플럭스 중에 포함되는 철분 및 합금 성분 중의 철이 포함된다. 또한, 철을 주성분으로 하는 잔량부가 본 발명의 특성을 저해하지 않는 범위에서, 제조 과정 등에서 혼입되는 불순물을 함유해도 된다.

(충전율:5.0∼30.0％)

강제 외피의 내측에 있는 중공의 공간에 플럭스를 매립하기 위해, 충전율에는 상한이 있다. 충전율의 상한은, 강제 외피의 판 두께에 따라 그 값은 증감하지만, 안정적으로 플럭스를 첨가하는 데 바람직한 값은 30.0％이다. 충전율의 상한을 25.0％, 20.0％ 또는 15.0％로 해도 된다. 또한 충전율의 하한에 대해서는, 너무나도 그 충전율이 지나치게 낮은 경우, 강제 외피의 내측에 넣은 플럭스가 강제 외피와의 마찰력이 없어 이동되어 버려, 플럭스의 소밀(疎密)이 발생해 버릴 우려가 있다. 따라서, 충전율의 하한은 5％가 바람직하다.

계속해서, 플럭스 내장 와이어의 형태에 대해 설명한다.

플럭스 내장 와이어에는, 강제 외피에 슬릿 형상의 간극이 없는 시임리스 와이어와, 강제 외피에 슬릿 형상의 간극을 갖는 시임을 갖는 와이어로 크게 구별할 수 있다.

본 발명에서는 어느 단면 구조도 채용할 수 있지만, 용접 금속의 저온 균열을 억제하기 위해서는, 슬릿 형상의 간극이 없는(시임리스) 와이어로 하는 것이 바람직하다.

또한, 용접시의 와이어의 송급성을 향상시키기 위해, 와이어 표면에 윤활제를 도포할 수 있다. 용접 와이어용 윤활제로서는, 다양한 종류의 것을 사용할 수 있지만, 용접 금속의 저온 균열을 억제하기 위해서는, 퍼플루오로폴리에테르 유(PFPE유)를 사용하는 것이 바람직하다.

용접시에 용접부에 침입하는 수소는, 용접 금속 내 및 강재측으로 확산되고, 응력 집중부에 집적되어 저온 균열의 발생 원인으로 된다. 이 수소원으로서는 용접 재료가 보유하는 수분, 대기로부터 혼입되는 수분, 강 표면에 부착된 녹이나 스케일 등을 들 수 있지만, 충분히 용접부의 청정성, 가스 실드의 조건이 관리된 용접하에서는, 와이어 중에 주로 수분으로 함유되는 수소가, 용접 조인트 중에 존재하는 확산성 수소의 주 요인으로 된다.

이로 인해, 강제 외피를 슬릿 형상의 간극이 없는(시임리스의) 관으로 하여, 와이어 제조 후로부터 사용할 때까지의 사이에, 강제 외피로부터 플럭스에의 대기 중의 수소 침입을 억제하는 것이 바람직하다.

강제 외피에 슬릿 형상의 간극이 있는(시임을 갖는) 관으로 한 경우, 대기 중의 수분은 외피의 슬릿 형상의 간극(시임부)으로부터 플럭스 중에 침입하기 쉬워, 그 상태에서는 수분 등의 수소원의 침입을 방지할 수는 없다. 따라서, 제조 후 사용할 때까지의 기간이 긴 경우, 와이어 전체를 진공 포장하거나, 건조한 상태로 유지할 수 있는 용기 내에서 보존하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 용접 금속의 인장 강도는, 660∼900㎫의 인장 강도를 갖는 고장력강과 동등 레벨의 인장 강도로 하고 있다. 용접 금속의 인장 강도는, 당해의 플럭스 내장 와이어를 사용하여 제작된 용접 조인트의 용접 금속에, 일본 공업 규격 JIS Z3111-2005에 규정된 용접 금속의 인장 시험을 행함으로써 측정할 수 있다. 또한, 경도와 인장 강도 사이에는 좋은 상관 관계가 있는 것이 알려져 있다. 이 상관 관계를 이용하여, 용접 조인트의 용접 금속의 경도를 측정하고, 경도로부터 환산하여 용접 금속의 인장 강도를 구해도 된다. 또한, 필요가 있으면, 용접 금속의 인장 강도의 하한을 685㎫로, 상한을 830㎫로 제한해도 된다.

본 실시 형태에서 사용하는 플럭스 내장 와이어는, 통상의 플럭스 내장 와이어의 제조 방법과 마찬가지의 제조 공정에 의해 제조할 수 있다.

즉, 우선, 외피로 되는 강대 및 금속 불화물, 합금 성분, 금속 산화물, 금속 탄산염 및 아크 안정제가 소정의 함유량으로 되도록 배합한 플럭스를 준비한다. 강대를 길이 방향으로 이송하면서 성형 롤에 의해 오픈관(U자형)으로 성형하여 강제 외피로 하고, 이 성형 도중에 오픈관의 개구부로부터 플럭스를 공급하고, 개구부의 서로 대향하는 에지면을 전봉 용접 혹은 레이저 용접 혹은 TIG 용접에 의해 맞대기 시임 용접한다. 용접에 의해 얻어진 간극 없는 관을 신선하고, 신선 도중 혹은 신선 공정 완료 후에 어닐링 처리하여, 원하는 선 직경을 갖고, 강제 외피의 내부에 플럭스가 충전된 슬릿 형상의 간극이 없는(시임 리스) 와이어를 얻는다. 또한, 슬릿 형상의 간극이 있는(시임을 갖는) 와이어는, 오픈관의 개구부로부터 플럭스를 공급한 후, 시임 용접을 하지 않는 간극이 있는 관으로 하고, 그것을 신선함으로써 얻어진다.

여기서, 시임리스 와이어의 형태, 특히 단면 구조에 대해 도 5의 (a)∼도 5의 (c)를 사용하여 설명한다. 도 5의 (a)∼도 5의 (c)는, 와이어의 절단 단면을 도시하는 도면이다.

맞대기 시임 용접하여 만든 슬릿 형상의 간극이 없는 와이어를 절단한 단면은, 도 5의 (a)와 같이 보인다. 이 단면은, 연마하여, 에칭하면, 용접 자국이 관찰되지만, 에칭하지 않으면 용접 자국은 관찰되지 않는다. 그로 인해, 시임리스라 칭하는 경우가 있다. 접합·용접 기술 Q&A1000 편집 위원회편「접합·용접 기술 Q&A1000」(1999) 주식회사 산업기술 서비스 센터, p.564에는, 시임리스 타입이라 기재되어 있다. 또한, 도 5의 (b)나 도 5의 (c)와 같이 간극이 있는 경우라도, 맞대고 나서 브레이징하거나, 코킹하고 나서 브레이징해도, 슬릿 형상의 간극이 없는 와이어가 얻어진다. 또한 도 5의 (b), 도 5의 (c)에 있어서, 브레이징을 실시하지 않은 상태의 와이어는, 도시하고 있는 바와 같이, 슬릿 형상의 간극이 있는 와이어로 된다.

본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어는, 5.5∼9.5％의 Ni를 포함하는 Ni계 저온용 강의 가스 실드 아크 용접에 사용할 수 있다. LNG 탱크에는 Ni 함유량이 5.5∼9.5％이고, 판 두께는 6㎜ 이상 100㎜이고, 인장 강도가 660∼900㎫이고, -196℃에서 샤르피 흡수 에너지가 41J 또는 50J 이상인 강재가 사용되고 있다. 이 강재의 용접에, 본 실시 형태의 플럭스 내장 와이어를 사용할 수 있어 용접 조인트를 제조할 수 있다. 그때, LNG 탱크의 용접 시공에 대해 충분한 경험을 가진 사람이면, 실드 가스의 선택만 주의함으로써, 양호한 특성을 갖는 용접 조인트를 제조할 수 있다.

용접시에 사용하는 실드 가스는, 순Ar 가스 또는 순He 가스를 사용할 수 있다. 또한, 순Ar 가스 또는 순He 가스 각각에, 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂를 혼합시켜도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

이러한 지식이 얻어진 실험 결과를 도 6 및 도 7에 나타낸다. 도 6 및 도 7은, 본 실시 형태의 화학 조성의 플럭스 내장 와이어를 사용하고, 실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar＋다양한 농도의 O₂ 혼합 가스, Ar＋다양한 농도의 CO₂ 혼합 가스, 순He 가스, He＋다양한 농도의 O₂ 혼합 가스, He＋다양한 농도의 CO₂ 혼합 가스를 사용하여 9％ Ni강을 용접한 후, 용접 금속 중의 산소량과 -196℃의 샤르피 흡수 에너지를 측정한 결과이다. 또한, 도 6에 사용한 플럭스 내장 와이어의 강제 외피는 모두 연강이고, 도 7에 사용한 플럭스 내장 와이어의 강제 외피는 모두 Ni 함유 강이다. Ni 함유 강의 Ni 함유량은 6∼18％이다.

도 6에 있어서, 순Ar 또는 순He에 1.5체적％까지의 범위 내에서 O₂ 또는 CO₂를 함유한 혼합 가스의 경우는, 모두 용접 금속 중의 산소량이 160ppm 이하로 되었다. 또한, 용접 금속 중의 산소량이 160ppm 이하인 것은, -196℃의 샤르피 흡수 에너지가 50J 이상으로 되었다.

도 7에 있어서, 순Ar 또는 순He에 1.5체적％까지의 범위 내에서 O₂ 또는 CO₂를 함유한 혼합 가스의 경우는, 모두 용접 금속 중의 산소량이 80ppm 이하로 되었다. 또한, 용접 금속 중의 산소량이, 80ppm 이하인 것은, -196℃의 샤르피 흡수 에너지가 69J 이상으로 되었다.

또한, 위에서 설명한 바와 같이, 용접시에 사용하는 실드 가스는, 순Ar 가스 또는 순He 가스, 혹은 순Ar 가스 또는 순He 가스 각각에, 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂를 혼합시킨 것을 사용하는 것이 바람직하지만, 순Ar 가스 또는 순He 가스 각각에, 1.5체적％ 초과의 O₂ 또는 CO₂를 혼합시킨 것, 예를 들어 2.5 체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂를 혼합시킨 것을 사용해도 상관없다. 그 경우는, 탈산 성분인 Al, Ti, Mg 중 2종 이상을 첨가하는 것과 함께, 그 첨가량을 높임으로써, 용접 금속 중의 산소량을 저감하는 것이 중요하다.

구체적으로는, 실드 가스로서, 순Ar 가스 또는 순He 가스 각각에, 1.5체적％ 초과의 O₂ 또는 CO₂를 혼합시킨 것을 사용하는 경우, Al, Ti, Mg 중 어느 것의 첨가량을, 본 발명에서 규정한 Al, Ti, Mg의 상한값의 70％ 이상의 와이어로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 금속 불화물, 금속 산화물 및 금속 탄산염을 제외한 화학 성분이, 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로, Al의 함유량이 0.035％ 이상, Ti의 함유량이 0.07％ 이상 또는 Mg의 함유량이 0.42％ 이상의 와이어를 사용하는 것이 바람직하다.

[실시예]

다음으로, 실시예에 의해 본 발명의 실시 가능성 및 효과에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

강대를 길이 방향으로 이송하면서 성형 롤에 의해 오픈 관으로 성형하고, 이 성형 도중에 오픈 관의 개구부로부터 플럭스를 공급하고, 개구부의 서로 대향하는 에지면을 맞대기 시임 용접함으로써 슬릿 형상의 간극이 없는 관으로 하고, 조관(造管)한 와이어의 신선 작업의 도중에 어닐링을 가하여, 최종의 와이어 직경이 φ1.2mm인 플럭스 내장 와이어를 시험 제작하였다. 시험 제작 후, 와이어 표면에는 윤활제를 도포하였다.

강제 외피(후프)에는, C:0.003％, Si:0.03％, Mn:0.11％, P:0.006％, S:0.003％, Al:0.003％, 잔량부는 철 및 불순물로 이루어지는 성분의 연강의 강제 외피 또는, 표 1에 나타내는 Ni 함유 강의 강제 외피를 사용하였다. 여기서, ％는 모두, 외피 전체 질량에 대한 질량％를 의미한다.

표 2-1, 표 2-3, 표 2-5, 표 2-7, 표 2-9, 표 2-11, 표 2-13, 표 2-15에 있어서, PFPE유 도포라고 기재되어 있지 않은 것은, 모두 식물유를 도포하였다. 또한, 일부는, 시임 용접을 하지 않는, 슬릿 형상의 간극이 있는 관으로 하고, 그것을 신선함으로써, 와이어 직경이 φ1.2㎜인 플럭스 내장 와이어를 시험 제작하였다. 슬릿 형상의 간극이 있는 와이어의 경우, 용접 시공할 때까지, 와이어 전체를 진공 포장하여 건조한 상태로 유지할 수 있는 용기 내에 보존하였다.

플럭스 내장 와이어의 분석은 이하와 같이 행하였다. 와이어로부터 충전한 플럭스를 취출하여, 강제 외피와 플럭스로 나누었다. 강제 외피는 화학 분석에 의해 금속 성분을 측정하였다. 플럭스는 X선 회절, 형광 X선 분석에 의해 구성물과 성분의 정량 평가를 한 후, 부유 선광(選鑛), 자력 선광 등의 선광법을 사용하여 슬래그분과 합금분을 분리하고, 각각을 화학 분석, 가스 분석 등을 행함으로써 분석하였다.

시험 제작한 플럭스 내장 와이어의 화학 조성을 표 2-1∼표 2-16, 표 3-1∼표 3-16에 나타낸다. 또한, 표 3-9, 표 3-11, 표 3-13, 표 3-15에는, 와이어의 강제 외피에 사용한 표 1의 후프재 번호를 아울러 나타낸다. 표 2-1∼표 2-16, 표 3-1∼표 3-16에 나타낸 플럭스 내장 와이어의 화학 조성은, 상기한 분석 방법에 의해 분석한 결과이다. 표 2-1∼표 2-16, 표 3-1∼표 3-16에 기재하는 질량％는, 와이어(외피와 플럭스를 모두 포함한)의 전체 질량에 대한 질량％를 의미한다. 예를 들어, 표 3-1, 표 3-3, 표 3-5, 표 3-7의 Ni는, 외피가 아닌, 오로지 Ni분으로서 함유되어 있다.

표 2-1∼표 2-16, 표 3-1∼표 3-16에 나타내는 플럭스 내장 와이어를 사용하여, JIS Z3111(2005년)에 준거하여 용접 금속의 기계 특성을 평가하였다. 즉, 도 8(시험판의 기호 1.3)에 나타내는 바와 같은 요령으로 하였다. 표 6에 나타내는 판 두께가 20㎜인 강판(1)(모재 번호 : P2)을 루트 갭 16㎜, 개선 각도 20°로 맞대고, 백킹 스트립(2)을 사용하였다. 용접 비드는 도면 중의 부호 3이다. 강판(1) 및 백킹 스트립(2)에는 SM490A를 사용하였지만, 강판(1)의 개선면 및 백킹 스트립(2)의 표면에는, 시험을 행하는 플럭스 내장 와이어를 사용하여 2층 이상, 또한 여성(extra-banking) 높이 3㎜ 이상의 버터링을 실시하였다. 그 후, 1 및 2층째는 1 또는 2패스, 3층째로부터 최종층까지는 2 또는 3패스로 용접을 행하여, 시험체를 제작하였다. 용접 조건을 표 4-1∼표 4-7(실드 가스의 조성은, 체적％로 표기하였음)에 나타낸다. 표 2-1∼표 2-8, 표 3-1∼표 3-8의 연강의 강제 외피를 사용한 플럭스 내장 와이어의 용접 조건은, 표 4-1∼표 4-4이다. 표 4-1∼표 4-4로부터, 용접 조건은, 전류값 280A, 전압값 25V, 용접 속도 30㎝/분, 패스간 온도 150℃ 이하, 실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar과 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스, 순He 가스, He와 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스 중 어느 1종을 사용하여, 가스 유량 25l/분으로 행하였다. 표 2-9∼표 2-16, 표 3-9∼표 3-16의 Ni 함유 강의 강제 외피를 사용한 플럭스 내장 와이어의 용접 조건은, 표 4-5∼표 4-7이다. 표 4-5∼표 4-7로부터, 용접 조건은, 전류값 280A, 전압값 25V, 용접 속도 30㎝/분, 패스간 온도 150℃ 이하, 실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar과 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스, He와 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스 중 어느 1종을 사용하여, 가스 유량 25l/분으로 행하였다.

제작한 시험체로부터, 도 8에 도시하는 바와 같이, 기계 시험편으로서 JIS Z3111(2005년)에 준거한 A0호 인장 시험편(환봉)(5)(직경=10㎜)과 샤르피 충격 시험편(2㎜ V 노치)(4)을 채취하고, 각각의 기계 특성 시험을 행하여, 용접 금속의 인장 강도 및 샤르피 흡수 에너지를 측정하였다. 연강의 강제 외피를 사용한 플럭스 내장 와이어 사용시의 얻어진 기계 특성의 측정 결과와 평가 결과를, 표 5-1∼표 5-4에 나타내고, Ni 함유 강의 강제 외피를 사용한 플럭스 내장 와이어 사용시의 얻어진 기계 특성의 측정 결과와 평가 결과를, 표 5-5∼표 5-8에 나타낸다.

도 6으로부터, 강제 외피가 연강의 플럭스 내장 와이어를 사용한 경우의 기계 특성의 평가는, 인장 강도가 660∼900㎫이고, 또한 인성이, -196℃에서의 샤르피 충격 시험에서, 흡수 에너지가 50J 이상인 것을 합격으로 하였다.

도 7로부터, 강제 외피가 Ni 함유 강인 플럭스 내장 와이어를 사용한 경우의 기계 특성의 평가는, 인장 강도가 660∼900㎫이고, 또한 인성이, -196℃에서의 샤르피 충격 시험에서, 흡수 에너지가 69J 이상인 것을 합격으로 하였다.

또한, 얻어진 용접 금속으로부터 시험편을 채취하여, 용접 금속 중의 산소량을 측정하였다. 용접 금속 중의 산소량 측정은, 임펄스 가열로-불활성 가스 용해 적외선 흡수법에 의해 측정하였다. 측정한 용접 금속 중의 산소량을 표 5-1∼표 5-8에 나타낸다.

본 발명의 와이어에 있어서는, 용접 금속 중의 산소량을 저감시킴으로써 인성을 향상시키고 있지만, 강제 외피가 모두 연강인 플럭스 내장 와이어의 경우, 산소량이 160ppm 이하인 것은, -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지를 확보할 수 있었다. 또한, 강제 외피가 모두 Ni 함유 강인 플럭스 내장 와이어의 경우, 산소량이 80ppm 이하인 것은, -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지를 확보할 수 있었다.

다음으로, 표 5-1∼표 5-8의 평가 결과에서 인장 강도, -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지의 양쪽이 합격이었던 플럭스 내장 와이어에 대해, 내 저온 균열성을 평가하였다. 내 저온 균열성의 평가는, 확산성 수소량의 측정과 y형 용접 균열 시험으로 평가하였다. 단, 표 5-4의 와이어 번호 B39에 대해서는, Ca 산화물의 함유량이 높았기 때문에, 확산성 수소량의 측정을 행하였다.

확산성 수소량의 측정은, 기계 특성 시험과 동일한 용접 조건에서 JIS Z3118(강 용접부의 수소량 측정 방법)에 준거한 가스 크로마토그래피법으로 실시하였다. 확산성 수소량의 측정 결과를 표 5-1∼표 5-8에 나타낸다.

y형 용접 균열 시험은, 온도 0℃, 습도 60％의 일정 분위기 관리하에 있어서, 표 6에 나타내는 판 두께 25㎜의 강판(모재 번호 : P1)을 사용하여, 표 4-1∼표 4-7의 용접 조건에서 JIS Z3158(y형 용접 균열 시험)에 준거한 방법으로 실시하였다.

얻어진 y형 용접 균열 시험 결과를 표 5-1∼표 5-8에 나타낸다. 확산성 수소량이 1.5ml/100g 이하인 것은 시험 온도가 0℃로 매우 저온, 또한 예열 없음의 조건에서도 y형 용접 균열 시험의 모든 단면에 있어서, 단면 균열 없음(단면 균열이 발생되어 있지 않은 것)으로, 극히 높은 내 저온 균열성이 증명되었다.

표 5-1, 표 5-2, 표 5-5, 표 5-6의 시험 결과에 나타내어지는 바와 같이, 본 발명예인 와이어 번호 A1∼A108은, 인장 강도, 인성, 내 저온 균열성 모두가 우수하여, 합격이었다. 와이어 번호 A108은, 실드 가스로서, 순Ar 가스에, 2.0체적％의 O₂를 혼합시킨 예이지만, 탈산 성분인 Al, Ti, Mg 각각을 충분히 첨가하였기 때문에, 용접 금속 중의 산소량을 저감할 수 있고, 우수한 인성을 얻을 수 있었다.

한편, 표 5-3, 표 5-4, 표 5-7, 표 5-8의 시험 결과에 나타내어지는 바와 같이, 비교예인 와이어 번호 B1∼B101은, 본 발명에서 규정하는 요건을 충족시키고 있지 않으므로, 인장 강도, 인성, 내 저온 균열성을 1항목 이상 만족시킬 수 없어, 종합 판정에서 불합격으로 되었다. 이 중에서, 와이어 번호 B34, B35, B46, B47, B48, B87, B88, B98, B99 및 B100의 와이어 자체는, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시켰지만, 실드 가스의 선택이 부적절했기 때문에, 용접 금속 중의 산소량이 많아져, 인성이 낮아졌다.

[표 1]

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 2-3]

[표 2-4]

[표 2-5]

[표 2-6]

[표 2-7]

[표 2-8]

[표 2-9]

[표 2-10]

[표 2-11]

[표 2-12]

[표 2-13]

[표 2-14]

[표 2-15]

[표 2-16]

[표 3-1]

[표 3-2]

[표 3-3]

[표 3-4]

[표 3-5]

[표 3-6]

[표 3-7]

[표 3-8]

[표 3-9]

[표 3-10]

[표 3-11]

[표 3-12]

[표 3-13]

[표 3-14]

[표 3-15]

[표 3-16]

[표 4-1]

[표 4-2]

[표 4-3]

[표 4-4]

[표 4-5]

[표 4-6]

[표 4-7]

[표 5-1]

[표 5-2]

[표 5-3]

[표 5-4]

[표 5-5]

[표 5-6]

[표 5-7]

[표 5-8]

[표 6]

Ni를 5.5∼9.5％ 정도 함유하는 Ni계 저온용 강의 용접에 사용되는 플럭스 내장 와이어에 있어서, Ni계 저온용 강과 같은 정도로 Ni량을 저감시킴으로써 용접 재료 비용을 대폭 저감시키고, 또한 용접 시공 효율이 우수한 가스 실드 아크 용접을 적용할 수 있고, 또한 와이어 내에 충전하는 플럭스의 합금 성분을 저감시키고, 용접 금속의 산소량을 저감시킴으로써, -196℃의 저온 인성이 우수한 용접 금속이 얻어진다. 또한, 저온 균열을 억제하기 위한 예열 작업이 불필요하거나, 또는 예열 작업을 현저하게 저감시킬 수 있는 플럭스 내장 와이어를 제공할 수 있어, 산업계에 있어서의 가치는 극히 높다.

1 : 강판
2 : 백킹 스트립
3 : 용접 비드
4 : 샤르피 충격 시험편(2㎜ V 노치)
5 : A0호 인장 시험편(환봉)

Claims

강제 외피의 내부에 플럭스가 충전된 플럭스 내장 와이어이며, 상기 플럭스 내장 와이어 중에,
금속 불화물인 CaF₂, BaF₂, SrF₂, MgF₂ 및 LiF 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계를 α로 하였을 때, 상기 α가 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 2.0∼7.0％이고,
금속 산화물인 Ti 산화물, Si 산화물, Mg 산화물, Al 산화물, Zr 산화물 및 Ca 산화물 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계를 β로 하였을 때, 상기 β가 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.2∼0.9％이고,
금속 탄산염인 CaCO₃, BaCO₃, SrCO₃, MgCO₃ 및 Li₂CO₃ 중 1종 또는 2종 이상이 함유되고, 그 함유량의 합계가, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.6％ 미만이고,
상기 α에 대한 상기 CaF₂의 함유량의 비가 0.90 이상이고,
상기 β에 대한 상기 α의 비가 3.0 이상 15.0 이하이고,
상기 Ti 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0∼0.4％이고,
상기 Si 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.2∼0.5％이고,
상기 Ca 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.20％ 미만이고,
상기 플럭스 중의 아크 안정제의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0∼0.50％이고,
상기 플럭스 중의 철분의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 5％ 미만이고,
상기 금속 불화물, 상기 금속 산화물 및 상기 금속 탄산염을 제외한 화학 성분이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로:
C:0.003∼0.040％;
Si:0.05∼0.40％;
Mn:0.2∼0.8％;
Al:0.003∼0.050％;
Ni:6.0∼16.0％;
P:0.02％ 이하;
S:0.01％ 이하;
Cu:0∼0.5％;
Cr:0∼0.5％;
Mo:0∼0.5％;
V:0∼0.2％;
Ti:0∼0.1％;
Nb:0∼0.1％;
B:0∼0.01％;
Mg:0∼0.6％;
REM:0∼0.0500％;
잔량부:Fe 및 불순물;
로 이루어지고,
하기의 식 a로 정의되는 SM이 0.3∼1.0％이고,
하기의 식 b로 정의되는 Ceq가 0.250∼0.525％인
것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.

단, 식 a 및 식 b의 [ ]가 부여된 원소는, 각각의 원소의 함유량(질량％)을 나타냄.
제1항에 있어서,
Ni를 함유하는 상기 강제 외피의 내부에 상기 플럭스가 충전된 상기 플럭스 내장 와이어이며, 상기 강제 외피의 상기 Ni의 함유량이, 상기 강제 외피의 전체 질량에 대한 질량％로 6∼18％인 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플럭스 내장 와이어 중의 상기 REM의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.0100％ 이하인 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플럭스 내장 와이어 중의 상기 Ca 산화물의 함유량이, 상기 플럭스 내장 와이어의 전체 질량에 대한 질량％로 0.10％ 미만인 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플럭스 내장 와이어를 사용한 가스 실드 아크 용접에 있어서의, 일본 공업 규격 JIS Z3111-2005에 규정된 용접 금속의 인장 시험에 있어서, 상기 용접 금속의 인장 강도가 660∼900㎫인 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플럭스 내장 와이어는, 상기 강제 외피에 슬릿 형상의 간극이 없는 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플럭스 내장 와이어는, 상기 강제 외피에 슬릿 형상의 간극이 있는 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플럭스 내장 와이어는, 상기 강제 외피의 표면에 퍼플루오로폴리에테르유가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어를 사용하여, 실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar과 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스, 순He 가스, He와 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스 중 어느 1종을 사용하여 용접하는 것을 특징으로 하는, 극저온용 강의 용접 방법.
판 두께가 6∼100㎜이고,
Ni의 함유량이 5.5∼9.5질량％이고,
인장 강도가 660∼900㎫인 강판에 대해,
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 내장 와이어를 사용하고,
실드 가스로서, 순Ar 가스, Ar과 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스, 순He 가스, He와 1.5체적％ 이하의 O₂ 또는 CO₂와의 혼합 가스 중 어느 1종을 사용하여 용접하는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트의 제조 방법.