KR100295018B1

KR100295018B1 - 용접방법 및 그에 의해 형성된 구조

Info

Publication number: KR100295018B1
Application number: KR1019940002754A
Authority: KR
Inventors: 마티하이네카리; 이스모이로라; 키외스티카우코넨; 야리니에미넨
Original assignee: 에로 메킨넨, 타비 소이닌바라; 크바에르너 마사-야아드스 오이
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1994-02-16
Publication date: 2001-09-17
Also published as: FI930668A; KR940019400A; EP0611626A1; DE69420596T2; DK0611626T3; NO940516L; JPH06238436A; FI930668A0; US5441196A; FI106617B; DE69420596D1; NO940516D0; ES2136701T3; EP0611626B1; NO308345B1

Abstract

용접 방법 및 용접된 구조

두 개의 판체들 사이에서 실질적으로 수직인 용접선을 따라 두 개의 판체들(1)을 용접하는 방법은 냉각 장치(12)에 의하여 현저히 실온 이하로 유지되는 액체 냉매를 이동시키는 내부적으로 형성된 관들(13,14,15)을 가지는 용접 푸울 지지 장치(8)의 사용과 관련된다.

Description

용접 방법 및 그에 의해 형성된 구조

제1도는 본 발명에 의한 방법의 실시 과정 중, 용접 홈의 세로 단면을 대략적으로 나타낸 것이며,

제2도는 제1도의 II-II선에 따른 단면도이며,

제3도는 본 발명의 방법에 따라 만든 구형 LNG 탱크의 대략적인 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 판체 2 : 용접 철사

3 : 피더(feeder) 유니트 4 : 용접 아크

5 : 용접홈 6 : 지지재료

7 : 섬유 테이프(분리층) 8 : 구리 댐부재

9 : 피더 유니트 10 : 공급관

11 : 관 12 : 독립 냉각 장치

13 : 냉각관 14 : 관

15 : 출구 부분 16 : 액체 용접재료(푸울 물질)

18 : 접속관 19 : 펌프

20 : 밀폐가스 21 : 액체 냉매

30 : 구형 탱크 31 : 용접체

32 : 탱크의 일부

본 발명은 특허 청구 범위 제1항의 전문에 의거한 용접에 의하여 두개의 금속 판체를 결합시키는 방법 및 특허 청구 범위 제14항의 전문에 의거한 용접 구조에 관한 것이다.

액화 천연 가스(LNG)의 저장 및 수송에는 보통 대형의 구형 탱크가 사용된다. LNG 의 온도는 대략 -163℃이며, 이는 LNG 탱크에 대한 재료의 선택 및 그러한 탱크를 생산하는데 사용되는 기술에 있어서의 특별한 요구를 필요로 한다. 전형적인 구형 LNG 탱크의 직경은 30m 내지 40m 이다. 그러한 탱크는 바람직하게는 용접된 알루미늄 판체들로 제조되는데, 이는 탱크 내용물의 극히 낮은 온도가 알루미늄의 강도 특성에 해로운 영향을 미치지 않기 때문이다. 이러한 종류의 LNG 탱크를 제조하는데 사용되는 알루미늄 판체의 두께는 보통 약 25mm 내지 60mm 이다. 본 발명은 특히 그러한 알루미늄 판체들을 용접에 의하여 접속시키는 것에 관련되는 것이지만, 본 발명은 또한 티타늄(titanium)의 용접등과 같이 비숫한 종류의 다른 용접 공정 등에도 적용될 수 있다.

LNG 탱크의 생산에 적절한 용접 가능한 판체들의 재료로서는, 예를 들면, U.S. ASTM 표준 A-5083 에 해당하는 DIN-표준 AlMg4,5Mn 에 따른다. 본 발명의 적용은, 그러나, 이러한 판체의 성질에 한정되는 것은 아니며, 그 이유는 본 발명이 알루미늄 판체 또는 티타늄 판체등과 같은 실질적으로 유사한 용접성을 가지는 다른 금속 판체들에도 일반적으로 적용될 수 있기 때문이다.

본 발명은 실질적으로 수직 용접조인트의 제조에 관한 것이다. 이는 용융 금속(또는 용접 푸울)이 용접 홈으로부터 중력에 의해 흘러나오려는 경향을 가지는 정도로 용접선이 수직으로 배치되어 있는 것을 의미한다. 이러한 경향은 당연히 용접 홈이 수직으로 연장되어 있는 경우에 가장 강하게 나타나는 것이지만, 용접 홈의 각도가 수평에 대하여 30°정도만 되어도 용접 작업을 복잡하게 할 정도로 나타날 수 있다.

수직 용접에 대한 종래 기술에 따르면, 냉각된 용접 푸울 지지 장치가 사용되며, 그것의 댐(dam) 부재는 용접이 윗 방향으로 진행됨에 따라 용접홈의 방향으로 같이 상승하며 움직인다. 강철을 용접할 때는, 보통 구리 조각이 용접 푸울 지지 장치에서 댐부재로 사용되나, 알루미늄을 용접할 때에는 곤란성이 야기되는데, 이는 구리 댐부재가 용융된 알루미늄에 즉시 부착되기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위하여 미합중국 특허 제 3,585,343 호 또는 용접 저널(Welding Journal), 1973년 7월호, 440 내지 448 페이지에 나타난 바와 같이 댐 부재로서 흑연 조각이 사용되어 왔다. 그러나, 흑연 댐부재는 그 문제에 대한 만족스러운 해결책이 되기에는 너무 빨리 마모되어 버린다.

본 발명의 목적은 냉각된 용접 푸울 지지 장치를 수반한 종래의 수직 용접 기술에서 전형적으로 겪어왔던 어려움들을 제거하고자 하는 것이다. 본 발명의 특징들은 후술하는 특허청구의 범위 제1항에 나타나 있다. 본 발명은 용접 푸울 지지 장치의 냉각을 상당히 강화시킴으로써, 댐부재로서 구리 조각을 사용하여도 댐부재와 용접 필렛(fillet) 사이의 부착에 대한 실질적인 위험부담없이 강철의 용접뿐만 아니라 알루미늄 판체들의 용접도 가능하게 한다는 사실의 관찰에 기초한다.

본 발명에 따르면, 용접 푸울 지지 장치에 공급되는 액체 냉매의 온도 범위는 +8℃ 에서 -20℃ 이며, 바람직하게는 0℃ 에서 -10℃ 사이이다.

냉매가 물의 빙점 이하로 냉각되지 않는다면 맑은 물이 냉매로 사용될 수 있고, 그렇지 않다면, 사용 도중의 빙결을 방지할 수 있을 정도로 충분히 물의 빙점을 하강시키기 위하여 첨가되는 글리콜과 같은, 적어도 하나 이상의 첨가제를 첨가한 수용액과 같은 다른 액체가 사용되어야 한다. 댐부재에 있어 냉각관의 배치, 즉 액체 냉매가 그것을 통과하는 속도와 그리고 그 액체 냉매가 댐부재에 공급되는 온도는 정상상태 하에서 용접의 용융 금속이 댐부재에 접한면에 고형화된 막을 형성할 수 있도록 냉각 강화를 발생할 수 있도록 선택되어야 한다. 댐부재 하단 끝으로부터 위로 1 또는 몇 센티미터 되는 지점에서, 그 고형화된 막은 그것이 용접 푸울 지지 장치를 통과한 후 마침내 완전히 고형화되어 필렛을 형성하는 홈에 있는 잔여 용융 금속과 결합할 수 있을 정도로 굳어져야 한다.

본 발명의 방법을 실시함에 있어서, 댐부재의 길이가, 용접 홈의 방향으로 측정하여, 효과적인 냉각을 제공할 수 있도록 충분할 것이 중요하다. 댐부재의 냉각 비율의 바람직한 길이는 용접 홈의 방향으로 약 7 cm 에서 약 12 cm이며, 바람직하게는 8 cm 에서 10 cm 이다. 물론 더 긴 댐부재도 사용될 수 있으나, 이는 다만 용접 푸울 지지 장치를 더욱 고가로 할뿐이고 또한 용접 과정에 있어 어떠한 뚜렷한 개선됨도 없이 오히려 사용하기 어렵게 만들 가능성도 있다. 댐부재의 폭은 판체들의 정면에서는 용접 홈의 폭보다 넓어야하며 (보통 20 에서 40 mm 사이), 폭이 30 mm 인 홈에 대하여 댐부재는 약 60 mm 너비 정도가 적당한 것으로 입증되고 있다.

알루미늄 판체들을 용접할 때, 용접 푸울 지지 장치에 의해 유도된 냉각이 용접 홈의 면들에서 판체들의 모서리 부분에 어떠한 해로운 영향도 미치지 않을 것을 보장하는 것이 바람직하다. 알루미늄 판체들의 용접성은 그것이 약간 가열되었을 때 향상된다. 이것은 약 150℃ 까지는 사실이다. 이러한 이유에서, 본 발명의 적용시에, 목표는 용접된 알루미늄 판체들의 모서리 부분의 온도는 용접 홈의 각 면들을 따라서 100℃를 확실히 초과하여야 한다. 이것은 용접 속도에 유리한 효과를 가진다.

본 발명을 실시 할 때, 용접 푸울 지지 장치의 댐부재는 바람직하게는 구리로서 만들어질 수 있으나, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 세라믹 물질 등과 같은 다른 물질들도 사용될 수 있다. 이 모든 물질들의 마모에 대한 저항성은 신뢰할 만한 장치를 만들기에 충분한 것으로 입증되고 있다. 하나의 댐부재로서 적어도 50 m 의 용접 결합 길이가 용접될 수 있다면, 그 용접 푸울 지지장치의 마모에 대한 저항성은 만족스러운 것으로 판단된다.

본 발명으로 인하여, 용접 결합수단에 의하여 상대적으로 두꺼운 알루미늄 판체들의 결합이 단지 한쪽면으로부터 수행될 수 있다. 양면 대신 한쪽면만의 용접법의 사용으로 인해 용접 비용을 현저히 감소할 수 있다. 본 발명의 방법의 사용시에는, 그 자체로서 알려진 바와 같이, 용접 홈의 바닥 면에 지지재료를 사용할 것이 권장된다. 이동적이거나 또는 고정적인 지지재료는 세라믹 재료 또는 열에 강한 다른 재료들로 될 수 있다. 지지재료가 용접부에 점착되는 것을 방지하기 위하여 유리 섬유 테이프와 같은 형태로 지지재료의 표면에 또는 용접 홈의 바닥 면에 고정될 수 있는 섬유성 반향 물질의 막 등에 의하여 그것을 용접 결합부로부터 고립시킬 수 있다.

본 발명에 의하여, 용접 속도는 종래 방법에 의하여 달성될 수 있는 속도에 비하여 현저하게 증가될 수 있다. 바람직한 조건하에서는 용접속도는 거의 두배로 될 수도 있다. 본 발명의 적용시에, 용접 속도는 용접될 알루미늡 판체들의 두께가 25 에서 60 mm 일 때 바람직하게는 2 내지 5 cm/min 이다. 용접속도는 매우 중요한 인자인데, 그것은 하나의 구형 LNG 탱크에 있어서 본 발명에 의해 용접되는 결합부위는 전형적으로 300 에서 400 m 사이이기 때문이다. 나아가, 본 발명의 적용시에 용접 홈의 형태 및 폭에 있어서의 상대적으로 큰 변수들도 허용될 수 있다. 이러한 종류의 변수들은 용접될 판체들의 형태가 서로 정확하게 대응되지 않는 경우에 나타난다. 종래의 용접 방법에 의하면 용접홈의 대각선 방향으로 단지 ± 1 mm 까지의 변수들만이 보통 허용되어온 반면, 본 발명의 적용시에는, 용접 홈의 대각선 방향으로 ± 5 mm 까지의 변수들도 허용될 수 있다. 나아가, 본 발명의 방법에 의해 용접된 구조가 종래 선행 기술의 용접 방법에 의해 생산되는 그에 상응하는 구조에 비하여 일반적으로 구조적 강도가 향상됨이 발견되고 있다.

본 발명은 또한 용접된 구조, 특히 알루미늄 판체들로 만들어진 구형 탱크에까지 미치는데, 이것은 본 발명의 실시에 의하여 생산된다.

[실시예]

본 발명은 이제 예시의 목적으로, 첨부한 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

도면에서, 부호 1 은 용접에 의하여 결합될 판체들을 나타내며, 부호 2는 용접 철사이며 부호 3 은 용접 철사(2)를 용접 부위로 전진시키는 피더(feeder) 유니트이다. 용접 철사(2)와 피용접물 사이에 종래의 용접 아크(4)가 형성되어 있는데, 이것이 용접 홈(5)에서 용접 과정을 위해 요구되는 금속의 용융을 일으킨다. 따라서, 용접 공정의 연이은 시작과 함께, 아크(4)의 아래에서 푸울(Pool)을 형성하는 일정량의 용융된 금속(16)이 있게 된다. 용접 홈(5)은 제2도에서 나타날 것처럼, V 자형을 이루며 제2도에서 그것의 용접면은 오른쪽이며 그것의 바닥면은 왼쪽이다. 용접 홈(5)의 바닥면에 지지재료(6)가 있는데, 이것은 지지재료(6)가 판체들(1)에 점착되는 위험을 최소화하기 위하여 예를 들어 유리 섬유 테이프(7)와 같은 것에 의하여 판체(1)들로부터 분리될 수 있다. 많은 분리층(테이프(7)와 같은 것들)은 용접 과정 중 적어도 부분적으로 녹거나 연소되는데, 이 때 용접 과정에 유해 가스들과 연소 생성물들을 발생시키게 된다. 따라서 지지재료는 분리층없이 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 고정 세라믹 지지물이 보통 분리층(7)없이 사용될 수 있다. 판체들(1)의 용접면에 있어서, 용접 푸울 지지 장치의 구리 댐부재(8)는 그것의 상단부에 피더 유니트(9)를 장착하여 접속관(18)을 통하여 밀폐가스(20)가 공급되도록 위치하고 있다.

댐부재(8)는 펌프(19) 수단에 의해 전체적으로 밀어넣어지는 액체 냉매(21)에 의하여 효율적으로 냉각된다. 댐부재(8)로 들어가는 냉매의 온도는 실온 보다 현저히 낮다. 액체 냉매는 공급관(10)을 통하여 지지 장치내로 흘러들어가고 관(11) 을 통하여 지지 장치를 떠난다. 액체 냉매(21)의 온도는 용접 홈(5)의 내부에 또는 이웃해 있는 구성 요소들로부터 계속하여 열이 추출될 수 있도록 조절된다 (예를 들어 제2도에서와 같은 독립 냉각 장치(12) 등에 의하여).

상부로 연장된 냉각관(13)이 댐부재(8)의 한쪽면에 있는 공급관(10)으로부터 댐부재의 상단부를 향하여 솟아 있고, 거기서 그것이 댐 부재(8)의 또 다른 한쪽면에서 하향부로 연장된 출구 부분(15)에서 종결되는 수평으로 연장된 관(14)에 연결되며, 그 출구 부분(15)은 관(11)과 연결된다면, 용접 푸울 지지장치의 냉각은 충분히 효과적임이 증명되고 있다. 이러한 냉각관들의 n 자형 배열은 댐부재(8)가 그것의 출구면에서 보다 그것의 입구면에서 약간 더 냉각된다는 단점을 가지나 이것은 보통 아무런 장해를 일으키지는 않는다. 그러나, 보다 균일한 냉각이 요구된다면, "m 또는 T 자형 "의 배열이 사용될 수 있는데 여기서 공급관(10)은 댐부재(8)의 중앙에 위치하여 그 관이 댐부재(8)의 바닥 부분으로부터 상향부로 연장되고, 부재의 상단부에서 각각이 댐부재의 각 면에 있는, 냉매를 위한 두 개의 출구관 (11)으로 연결되는 두 개의 측방향으로 연장된 냉각관들로 갈라진다. 댐부재(8)의 모서리 부분에 대한 냉각 효과의 수준은 용접 홈(5)에 이웃한 판체들(1)의 모서리 부분에서의 냉각 발생이 너무 과도하지 않도록 바람직하게 선택되어야 한다. 이러한 모서리 부분에서의 온도는 바람직하게는 분명히 100℃를 초과해야 하며, 더욱 바람직하게는 100℃ 에서 150℃ 사이이다.

용접 푸울 지지 장치의 냉각되는 부분의 길이(L)는 용접 홈(5)의 방향으로 가장 적절하게는 최소한 7 cm 이며 바람직하게는 약 10 cm 이다.

제1도에서 보는 바와 같이 위쪽 방향으로 용접 공정이 진행됨에 따라, 용접 철사(2)와 그것의 피더 유니트(3)는 가스 피더 유니트(9)및 용접 푸울 지지 장치와 동시에 위쪽으로 이동된다. 특별한 경우에 있어서 용접 속도는 알루미늄 판체의 두께가 30 mm 일 때는 4.8 cm/min, 42 mm 두께의 판체에서는 3.8cm/min 그리고 45 mm 두께의 판체에 있어서는 3.4 cm/min으로 달성되었다.

냉매의 공급은, 용접면에서는 적어도, 액체 용접 물질(16)의 푸울이 댐부재 (8)의 길이(L)의 아래 부분까지만 미치도록 하여, 평형 온도 조건들을 보장하도록 조절되어야 한다. 개방된 용접 홈(5)에 가까이 있는 판체들(1)의 모서리 부분들은 용접 과정에 의하여 계속적으로 가열된다. 댐부재(8)의 냉각의 영향이 이러한 가열 과정을 지나치게 간섭할 정도로 허용되어서는 안된다. 용접될 판체들의 온도는 바람직하게는 100℃ 이하로 떨어져서는 안된다.

제1도 및 제2도는 댐부재(8)와 판체들(1) 사이에 작은 공간을 보여주며 이것은 바람직하나, 그것은 용접 과정중 푸울 물질(16)이 아래 방향으로 쏟아질 정도로 커서는 안된다.

제3도에서, 부호 30 는 냉매 냉각식 구리 댐 부재(8)로서 설명되는 방법을 사용하여 수직 방향으로 연장된 용접선과 함께 각각 형성된 용접체들(31)에 의하여 결합된 많은 굽은 판체들(1)로부터 형성된 구형 LNG 탱크를 가리킨다. 직경 40 m 의 탱크를 형성하기 위하여는 수백 미터의 용접선이 필요하게 된다. 구형 탱크(30)의 오직 일부(32)만이 본 발명이 실시된 부분의 예로서 전체선들이 보여지고 있다.

구형 LNG 탱크의 용접을 위하여 본 발명을 사용하는 경우 용접 공정을 위한 비용은 약 삼분의 일 가량이 절약된다.

댐부재(8)를 위한 구리 판체 대신에 알루미늄 판체, 스테인레스 스틸 또는 세라믹 재료들이 사용될 수 있다.

본 발명은, 후술하는 청구항들의 범위내에서 그것의 여러가지 수정들이 가능하기 때문에 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

Claims

두 개의 판체들(1,1) 사이에 형성된 수직인 용접 홈(5)을 채우는 한쪽면 용접 수단(31)에 의하여, 용접 홈(5)의 방향으로 이동하는 용접 푸울 지지 장치의 댐부재(8)를 사용하여 생산되는, 두개의 알루미늄 판체(1, 1)인 두개의 금속판체를 접합하는 방법에 있어서, 액체 냉매(21)가 댐부재(8) 내의 냉각관(13 내지 15)을 통하여 지나가고, 냉각관(13 내지 15)에 공급되는 냉매의 온도가 냉각 장치(12)의 수단에 의하여 실온보다 현저히 낮게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 접합된 두 개의 금속판체가 알루미늄인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 용접 푸울 지지 장치의 냉각관(13 내지 15)에 공급되는 액체 냉매(21)의 온도가 +8℃ 내지 -20℃의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 범위인 0℃ 내지 -10℃인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 용접 푸울 지지 장치의 댐부재(8)는 용접홈(5)의 방향으로 7 내지 12cm의 길이(L)인 냉각된 부분을 가지도록 된 크기인 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 길이(L)가 8 내지 10cm인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 알루미늄 판체들을 용접할 때, 용접 홈(5)의 면들에서의 판체들(1)의 모서리 부분들의 냉각이 제한됨으로써 연속적인 용접시에 상기 모서리 부분들의 온도가 100℃를 초과하도록 댐부재(8)의 냉각이 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 댐부재(8)가 액체 용접재료(16)에 부착하려는 경향이 적은 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 댐부재(8)의 재료가 교환이 요구되기 전에 적어도 50 미터의 용접 결합 길이를 허용하는 사용에 있어서 내마모성을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 댐부재(8)의 재료가 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 이동적인 또는 고정적인 지지 재료(6, 7)가 용접 홈(5)의 바닥면에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서, 고정적인 세라믹 재료가 용접 홈(5)의 바닥면에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 용접 속도가 2 내지 5 cm/min의 범위에 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
몇 개의 용접면들이 제1항에 의한 방법을 사용하여 생성된 것을 특징으로 하는 용접 판체들로 형성된 구조.
제14항에 있어서, 상기 용접 판체들이 알루미늄 판체들로 형성된 것을 특징으로 하는 구조.
제14항에 있어서, 상기 구조는 구형 탱크인 것을 특징으로 하는 구조.