KR100651783B1 - 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법 - Google Patents

탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접에 관한 것으로서, 보호가스로 강재의 용접부를 대기와 차폐시킨 상태로 페이스측 전극과 루트측 전극을 이용해 용접하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 있어서, 상기 극후물 강재의 용접부를 이루는 용접금속이 Ti, Si, Al, 및 Mn을 기본 성분계로 하고, Zr, Mg, Ca, 또는 REM 원소들 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 복합 산질화물을 함유하도록 성분을 제어하여 용접금속의 충격인성을 향상시킬 수 있도록 한다.
탠덤 일렉트로 가스 아크 용접, 용접금속, 충격인성, 질소

Description

탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법{TANDEM ELECTRO GAS ARC WELDING METHOD}
도 1은 본 발명의 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 상태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
본 발명은 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극후물 강재를 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접시 용접금속에 함유되는 질소 및 대입열에 의한 용접금속의 충격인성의 저하를 방지할 수 있도록 용접금속의 성분을 제어하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법은 두께가 60mm 이상인 극후물 강재의 용접 생산성을 높이기 위하여 개발되어 현재 적용되고 있는 용접 방법들 중의 하나이다.
일례로, 두께가 80mm인 극후물 강재를 통상의 용접 방법 즉, 플럭스 코어드 아크 용접 방법으로 용접하는 경우 80패스 내지 90 패스의 다층 용접이 되어야 하며, 싱글 일렉트로 가스 아크 용접 방법으로 용접하는 경우 적어도 2 패스 용접이 되어야 한다. 따라서, 높은 용접 생산성이 요구되는 조선소 등에서는 극후물 강재 를 1패스로 용접할 수 있는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법이 주로 사용되고 있다.
그러나, 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법으로 두께 60mm 이상의 극후물 강재를 1패스 용접하기 위하여는 500kJ/cm 이상의 대입열 용접이 이루어져야 한다. 이처럼, 대입열 용접이 이루어지게 되면 용접금속의 조직이 조대해저 필연적으로 용접금속의 충격인성은 저하된다.
또한, 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접의 경우 보호가스에 의한 용접부의 차폐효과는 아크의 안정성에 따라 차이가 날 수 있다. 아크가 불안정한 경우 용접부의 루트측 용융금속에는 보호가스에 의한 차폐효과가 불충분하게 되어 대기중의 질소가 침입하여 용접금속의 질소 함량이 증가하게 된다. 따라서 용접금속 내에 자유 질소가 증가하여 충격인성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 현재 조선 분야에서 그 적용이 급증되고 있는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접을 고질소 극후물 강재의 용접에 적용하기 위해서는 대기로부터 유입되는 질소에 의한 충격인성의 저하 및 대입열에 의해 조직의 조대화에 따른 충격인성 저하를 방지할 수 있는 가스 아크 용접 방법의 개발이 절실이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 극후물 강재를 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법으로 용접시 용접금속에 함유되는 질소 및 용접시 적용되는 대입열에 의한 용접금속의 충격인성의 저하를 방지할 수 있도 록 용접금속의 성분을 제어하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법은 보호가스로 강재의 용접부를 대기와 차폐시킨 상태로 페이스측 전극과 루트측 전극을 이용해 대입열 용접하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 있어서, 강재의 용접부를 이루는 용접금속이 Ti, Si, Al, 및 Mn을 기본 성분계로 하고, Zr, Mg, Ca, 또는 REM 원소들 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 복합 산질화물을 함유하도록 성분 제어한다.
극후물 강재는 50mm 이상의 두께를 갖는다. 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접의 입열량은 500kJ/cm 이상인 것을 포함한다. 극후물 강재의 용접금속은 질소가 0.005wt% 내지 0.015wt% 함유할 수 있다.
용접금속은 Fe와, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Ti, 및 B이루어진 제1 첨가 원소, 및 Zr, Mg, Ca, REM 원소들로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 제2 첨가 원소를 포함하며,
제1 첨가 원소는 C 함량이 0.03wt% 내지 0.14wt%, Si 함량이 0.10wt% 내지 0.50wt%, Mn 함량이 1.00wt% 내지 2.30wt%, Ni 함량이 0.5wt% 내지 4.00wt%, Cr 함량이 0.02wt% 내지 0.20wt%, Mo 함량이 0.05wt% 내지 0.50wt%, V 함량이 0wt% 내지 0.1wt%, Nb 함량이 0wt% 내지 0.10wt%, Ti 함량이 0.01wt% 내지 0.08wt%, B 함량이 0.0010wt% 내지 0.0080wt%를 포함하고,
제2 첨가 원소는 Zr, Mg, Ca 및 REM로 이루어진 원소들 중 적어도 하나의 함량이 0.0010wt% 내지 0.01wt%를 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 상태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 탠덤 일렉트로 가스 용접 방법에 의한 두께 60mm 이상의 극후물 강재를 용접하는 과정은 강재(10)들이 맞대어진 용접부(11)를 따라 루트측 이면에 고정식 배킹재(20)를 배치하고, 용접부(11)의 페이스측 전면에서 전극들과 같이 이동 가능하게 이동식 수냉동판(30)을 배치시킨다.
그리고, 이동식 수냉동판(30) 위에 설치된 분사 노즐(60)을 통해 페이스측 전극(40)쪽으로 보호가스를 분사하여 용접부(11)를 대기와 차폐시킨 상태로 페이스측 전극(40)과 루트측 전극(50)를 두께 방향으로 진동시켜가며 용접을 수행한다.
이때, 페이스측 전극(40)과 루트측 전극(50)에 의해 가해지는 용접 입열량 500kJ 이상의 대입열에 의해 용융된 용융금속(15)은 고정식 배킹재(20)와 이동식 수냉동판(20)에 의해 차폐된 상태로 냉각된 용접금속(18)이 용접부(11)에 쌓이면서 마주하는 두 강재(10)들은 서로 용접된다.
이 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법은 극후물 강재(10)의 두께가 두꺼워질수록 분사 노즐(60)을 통해 페이스 측에서 공급되는 보호가스의 차폐효과는 루트 측에서는 저하될 수밖에 없다. 따라서, 용접이 이루어지고 있는 용접금속(18)에는 대기로부터 질소가 유입되거나 또는 모재로부터 질소가 희석되어 질소 함유량은 증가하게 된다.
이 용접금속(18)은 질소 함량이 0.005wt% 내지 0.015wt% 범위로 증가하게 되면 용접금속(18) 내의 자유 질소가 증가하면 용접금속(18)의 충격 인성을 저하시키게 된다. 또한, 극후물 강재(10)의 용접시 500kJ 이상의 대입열이 적용됨에 따라 용접금속(18)의 조직이 크게 성장하여 용접금속(18)의 충격 인성이 저하된다.
따라서, 본 발명은 용접금속(18) 내에서 자유 질소를 고정하는 복합 산질화물을 포함하도록 성분 제어를 한다. 이 복합 산질화물은 티타늄(Ti), 규소(Si), 알루미늄(Al), 및 망간(Mn)을 기본 성분계로하고, 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 및 회토류(REM) 원소 중 적어도 하나를 포함한다.
한편 500kJ 이상의 대입열에 의한 조직의 조대화를 억제하기 위하여 용접금속(18) 성분에 의하여 결정되는 소입성 확보는 물론 용접금속(18) 중의 초석 페라이트의 생성 및 성장을 억제하기 위하여 붕소(B)을 적정량 첨가한다. 따라서, 용접중 용융 금속의 냉각시 고온에서 우선 석출하는 초석 페라이트의 생성을 억제하고, 이 복합 산질화물을 입내 페라이트의 핵 생성 사이트로 활용함으로써 용접금속(18)의 미세화를 실현하게 된다.
따라서, 자유 질소의 고정 및 조직의 미세화를 위한 용접금속(18)의 적정 성분계는 대부분의 철(Fe)과, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 니오브(Nb), 티타늄(Ti), 붕소(B)이루어진 제1 첨가 원소, 및 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 회토류(REM) 원소들로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 제2 첨가 원소를 포함한다.
이 제1 첨가 원소는 탄소(C) 함량이 0.03wt% 내지 0.14wt%, 규소(Si) 함량이 0.10wt% 내지 0.50wt%, 망간(Mn) 함량이 1.00wt% 내지 2.30wt%, 니켈(Ni) 함량이 0.5wt% 내지 4.00wt%, 크롬(Cr) 함량이 0.02wt% 내지 0.20wt%, 몰리브덴(Mo) 함량이 0.05wt% 내지 0.50wt%, 바나듐(V) 함량이 0wt% 내지 0.1wt%, 니오브(Nb) 함량이 0wt% 내지 0.10wt%, 티탄늄(Ti) 함량이 0.01wt% 내지 0.08wt%, 붕소(B) 함량이 0.0010wt% 내지 0.0080wt%로 이루어진다.
그리고, 제2 첨가 원소는 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 회토류(REM) 원소 중 적어도 하나의 함량이 0.0010wt% 내지 0.01wt%로 이루어진다.
이와 같이 용접금속(18)의 성분 범위를 제어하는 이유는 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소(C)는 용접금속(18)의 강도 확보를 위하여 필요하지만, 지나치면 인성의 저하는 물론 용접금속(18)의 균열을 발생시키기도 한다. 탄소(C)의 함량이 0.04wt% 이하이면 대입열 용접금속(18)의 소입성이 저하하여 충분한 강도 확보가 곤란하고, 탄소(C)함량이 0.14wt%를 넘어가면 경화도 증가에 따른 취화는 물론 용접금속(18)의 고온균열 발생 가능성이 있다. 따라서 탄소(C)함량 범위는 0.04wt% 내지 0.14wt%가 바람직하다.
규소(Si)은 용접금속(18) 중에 강력한 탈산작용과 강도를 향상시킨다. 규소(Si) 함량이 0.10wt% 이하에서는 용접금속(18)의 탈산효과 저하에 따라 산소함량이 높아질 가능성이 있고, 특히 슬래그 유동성이 저하하여 용접 작업성이 나빠지며, 반면에 0.50wt% 이상이면 대입열 용접금속(18)의 고온균열을 발생시킬 위험성이 있다. 따라서 적정 규소(Si)함량 범위는 0.10wt% 내지0.50wt% 가 바람직하다.
망간(Mn)은 용접금속(18)의 소입성을 증가시켜 강도를 증가하고, 용접금속(18) 중에 탈산작용을 한다. 함량이 1.00wt% 이하이면 대입열 용접금속(18)에서 소입성이 부족하여 강도 부족 및 미세조직의 조대화가 발생하고, 함량이 2.30wt% 이상이면 소입성이 지나치게 증가하여 경화 조직의 생성에 따라 인성 저하가 발생하므로, 1.00wt% 내지 2.30wt% 범위가 바람직하다.
니켈(Ni)은 대입열 용접금속(18)의 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 니켈(Ni) 함량이 0.50wt% 이하이면 대입열 용접금속(18)의 강도 및 인성에 미치는 영향이 미미하고, 4.0wt% 이상이면 용접금속(18)의 고온균열 발생 가능성이 있으며, 그 이상의 범위에서는 인성 및 강도 향상 효과가 미미하다. 따라서 0.50wt% 내지 4.00wt% 범위가 바람직하다.
크롬(Cr)은 용접금속(18)의 강도 및 저온인성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 0.02wt%이하의 첨가는 그 효과가 미미하여 강도 및 인성의 개선이 이루어지지 않으며, 0.20wt% 이상의 첨가는 소입성이 지나치게 증가하여 경화조직의 형성으로 인성이 저하함에 따라 0.05wt% 내지 0.20wt% 범위의 첨가가 바람직하다.
몰리브덴(Mo)은 소입성 강화원소로서 대입열 용접금속(18)의 조직 미세화에 효과적이어서, 대입열 용접금속(18)의 강도 및 저온인성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 0.05wt%이하의 첨가는 그 효과가 미미하여 강도 및 인성의 개선이 이루어지지 않으며, 0.50wt% 이상의 첨가는 소입성이 지나치게 증가하여 경화조직의 형성은 물론 도상 마르텐사이트 조직을 촉진하여 인성이 저하함에 따라 0.05wt% 내지 0.50wt% 범위의 첨가가 바람직하다.
바나듐(V)은 대입열 용접금속(18)의 조직 미세화에 기여함에 따라 강도 및 인성에 유익하지만, 0.1wt% 이상 첨가는 용접금속(18) 고온균열 발생을 촉진하게 됨에 따라 0.1wt% 이하의 첨가가 바람직하다.
니오브(Nb)는 대입열 용접금속(18)의 조직 미세화에 기여함에 따라 강도 및 인성에 유익하지만, 0.1wt% 이상 첨가는 용접금속(18) 고온균열 발생을 촉진하게 됨에 따라 0.1wt% 이하의 첨가가 바람직하다.
티탄늄(Ti)는 용접금속(18) 중의 복합 산질화물 생성의 주체가 되고, 형성된 산질화물을 기점으로 하여 미세한 페라이트가 생성됨에 따라, 용접금속(18)에 포함된 다량의 질소를 고정함은 물론 조직 미세화를 통하여 대입열 용접금속(18)의 저온인성을 향상시킨다. 0.01wt%이하의 첨가는 다량의 질소 고정 효과가 적어서 용접금속(18) 내에 자유질소가 증가하고, 아울러 핵 성성 기점인 산질화물이 부족하여 조직 미세화가 충분치 않아 대입열 용접금속(18) 인성 확보가 부족하고, 0.08wt% 이상 첨가하면 용접금속(18)의 경화를 초래하여 저온인성이 저하한다. 따라서 0.01wt% 내지 0.08wt% 범위의 첨가가 바람직하다.
붕소(B)은 대입열 용접금속(18)의 소입성 증가를 통한 강도 향상과 입계 페라이트 생성을 억제하여 조직 미세화에 매우 효과적이다. 0.0010wt% 이하의 첨가는 대입열 용접금속(18)의 소입성 부족 및 입계 페라이트 억제 효과 저감에 의하여 용접금속(18) 강도 저하는 물론 입계 페라이트 생성 및 성장에 의하여 저온인성 저하를 초래하고, 0.0080wt% 이상의 첨가는 소입성이 지나치게 증가하여 경화조직의 증가에 따른 저온인성 저하는 물론 용접금속(18) 고온균열을 초래한다. 따라서, 0.0010wt% 내지 0.0080wt% 범위의 첨가가 바람직하다.
그리고, 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 회토류(REM) 원소는 강력한 탈산 작용은 물론 질소와의 친화력이 강하여 티탄늄(Ti) 등과 함께 질소를 다량 함유한 용접금속(18) 내의 질소를 고정 효과가 있다. 0.0010wt% 이하의 첨가는 산질화물의 형성이 부족하여 충분한 질소 고정이 이루어지지 않아 용접금속(18) 내 자유질소가 증가하여 저온인성이 저하하고, 0.01wt% 이상의 첨가는 대입열 용접금속(18)이 경화하여 저온인성이 저하한다. 따라서 0.0010wt% 내지 0.01wt% 범위의 첨가가 바람직하다.
이하, 표 1은 서로 다른 성분비를 갖는 두께 80mm의 극후물 강재를 550kJ 이상의 대입열을 적용하여 탠덤 일렉트로 아크 가스 용법 방법으로 용접하여 얻은 용접금속의 충격인성값을 나타낸 것이다.
Figure 112005076456029-pat00001
여기서, *ZR은 지르코늄(Zr),마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 희토류(REB) 원소들 중 적어도 하나 이상이 함유된 것을 나타낸다.
표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 용접금속(18)의 성분이 본 발명의 범위에 속하는 용접금속(18)(1 내지 6)은 저온 충격인성이 80J 이상의 양호한 값을 나타내었다.
그 외에 본 발명에서 제시한 각 성분의 범위를 벗어난 용접금속(18)(C1 내지 ZR2)은 약 50J 이항의 낮은 충격인성을 나타내었으며, 특히 용접균열이 발생한 C2, N2, V1, B2 계 용접금속(18)은 각각 탄소(C), 니켈(Ni), 바나듐(V), 붕소(B)등이 과다하게 첨가되었기 때문이다. 이와 같이 균열이 발생한 경우에는 충격시험편의 채취가 불가능하였다.
또한 T1 및 ZR1 과 같은 용접금속(18)에서는 티타늄(Ti) 이나 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 희토류(REB) 원소의 부족에 기인하여 함유된 다량의 질소를 고정할 수 있는 복합 산질화물의 부족에 의하여 용접금속(18) 내에 자유질소 함량이 증가함에 따라 저온인성이 저하하였다.
따라서 본 발명에 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 의해 성분 제어되는 용접금속(18)의 성분계는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접방법에 의한 다량의 질소를 함유한 대입열 용접금속(18)에서도 충분한 저온인성을 확보할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에 따른 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접은 두께 60mm 이상의 극후물 강재를 대입열 용접시 용접금속의 성분 제어를 통해 대기나 강재로부터 유입되는 질소 및 500kJ 이상의 대입열의 적용에 따른 용접금속의 충격인성 저하를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (6)

  1. 보호가스로 강재의 용접부를 대기와 차폐시킨 상태로 페이스측 전극과 루트측 전극을 이용해 대입열 용접하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 있어서,
    상기 강재의 용접부를 이루는 용접금속이 Ti, Si, Al, 및 Mn을 기본 성분계로 하고, Zr, Mg, Ca, 또는 REM들 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 복합 산질화물을 함유하도록 성분 제어하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강재는 60mm 이상의 두께를 갖는 극후물 강재를 포함하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접의 용접 입열량은 500kJ/cm 이상인 것을 포함하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용접 금속은 B 함량이 0.0010wt% 내지 0.0080wt%를 포함하도록 성분 제어하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용접금속은 질소가 0.005wt% 내지 0.015wt% 함유되는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용접금속은 Fe와, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Nb, TI, B이루어진 제1 첨가 원소, 및 Zr, Mg, Ca, REM들로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 제2 첨가 원소를 포함하고,
    상기 제1 첨가 원소는 C 함량이 0.03wt% 내지 0.14wt%, Si 함량이 0.10wt% 내지 0.50wt%, Mn 함량이 1.00wt% 내지 2.30wt%, Ni 함량이 0.5wt% 내지 4.00wt%, Cr 함량이 0.02wt% 내지 0.20wt%, Mo 함량이 0.05wt% 내지 0.50wt%, V 함량이 0wt% 내지 0.1wt%, Nb 함량이 0wt% 내지 0.10wt%, Ti 함량이 0.01wt% 내지 0.08wt%, B 함량이 0.0010wt% 내지 0.0080wt%를 포함하며,
    상기 제2 첨가 원소는 Zr, Mg, Ca 및 REM들 중 적어도 하나의 함량이 0.0010wt% 내지 0.01wt%를 포함하는 탠덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
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JP2019010652A (ja) * 2017-06-29 2019-01-24 新日鐵住金株式会社 鋼材の溶接方法及び溶接継手の製造方法
KR20210061206A (ko) 2019-11-19 2021-05-27 대우조선해양 주식회사 일렉트로 가스 용접 장치 및 그의 입열량 제어방법
JP7091612B2 (ja) 2017-06-29 2022-06-28 日本製鉄株式会社 鋼材の溶接方法及び溶接継手の製造方法

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