KR100910495B1 - 용접이음부의 저온 인성이 우수한 강판의 용접방법 - Google Patents

용접이음부의 저온 인성이 우수한 강판의 용접방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 600MPa급 이상의 고강도 강판으로 UOE 파이프 등을 제조하는 서브머지드 아크 용접 방법시, 서브머지드 아크 용접의 그루브 개선각도는 60~80°, 루트 페이스(Root face) 각도는 5~10°임을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접 방법을 제공한다. 이 경우, 상기 서브머지드 아크 용접 방법은 입열량 30~50kJ/cm으로 수행이 가능하다.
본 발명의 용접 방법에 의할 경우, 한랭지에서도 저온인성이 우수한 구조물을 제작할 수 있는 획기적인 용접이음부를 특별한 비용이나 설비의 추가없이도 용이하게 얻을 수 있어 경제적이고 안전성 확보에 우수하다.
서브머지드 아크 용접, 입열량, 그루브 개선각도, 루트 페이스 각도

Description

용접이음부의 저온 인성이 우수한 강판의 용접방법{Welding Method of Steel Plate for Excellent Low Temperature Toughness in Welded Joint}
본 발명은 고강도 UOE 파이프의 저온인성이 우수한 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인장강도 600MPa급 이상의 고강도 강재를 이용하여 극저온 환경에서 필요로 하는 파이프을 제작하는 경우에 그루브 형상 및 용접 입열량을 최적화시킨 서브머지드 아크 용접에 의하여 용접부에 우수한 저온인성을 부여할 수 있는 용접방법에 관한 것이다.
근래, 석유나 천연가스와 같은 천연 자원의 가격 상승이나 고갈로 인하여 그러한 자원들의 개발 구역이 점차 한랭지로 이동하기 시작하였다. 따라서 이러한 한랭지에서 사용이 가능한 해양구조물, 선박, 파이프 라인 등은 -30℃ 이하에서도 안정적으로 운영될 수 있는 우수한 저온인성이 요구된다. 게다가 저장 및 수송 효율의 향상이나 구조물의 두께, Size 감소 등에 의한 시공비용 저감을 위해 강재의 고강도화도 함께 수반되어야 하는 것이 현실이다.
하지만, 일반적으로 강재는 강도가 증가할 수록 반대로 인성은 감소하는 경향을 나타내므로, 강도와 저온인성의 최적화된 균형을 충족시키기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 구조물의 건조시 필수적으로 사용되는 용접공정에 의한 용접열영향부(HAZ)는 용접열원에 의하여 급열 및 급냉 상황을 겪게 되고, 이러한 용접열영향부는 금속조직학적으로 결정립이 조대화되거나 취약한 조직으로 상변태가 일어나는 경우가 많다. 따라서 용접열영향부는 일반적으로 모재에 비하여 기계적 성질의 열화가 발생하고, 구조물의 강도와 저온인성을 확보함에 있어 언제나 용접열영향부의 문제가 제기된다.
이와 같이 용접열영향부의 물성이 목표로 하는 수준에 미달하는 경우에는 적합한 부재나 강판이 있어도 구조물을 시공하는 것은 어려워지며, 나아가 구조물을 시공할 수 있다 하더라도 그 안전성을 보장할 수 없게 된다. 특히, 한랭지와 같은 극한 환경에서는 이러한 용접열영향부의 저온인성은 더욱 중요하며 이를 위한 용접 기술 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고 아울러 저온인성이 우수한 용접이음부를 용이하게 형성할 수 있는 저온인성이 우수한 용접이음부의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 600MPa급 이상의 고강도 강판으로 UOE 파이프 등을 제조하는 서브머지드 아크 용접 방법시, 서브머지드 아크 용접의 그루브 개선각도는 60~80°, 루트 페이스(Root face) 각도는 5~10°임을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접 방법을 제공한다. 이 경우, 상기 서브머지드 아크 용접 방법은 30~50kJ/cm의 낮은 입열량으로도 용접이 가능하며 낮은 용접 입열량으로 용접열 영향부의 조대화를 억제할 수 있다.
본 발명의 용접 방법에 의할 경우, 한랭지에서도 저온인성이 우수한 구조물을 제작할 수 있는 획기적인 용접이음부를 특별한 비용이나 설비의 추가없이도 용이하게 얻을 수 있어 경제적이고 안전성 확보에 우수하다.
상술한 바와 같이 저온인성이 우수한 용접이음부를 형성하는 용접방법으로 본 발명에서는 용접시 그루브 개선각도, 루트 페이스 각도를 최적화시킨 그루브 형상을 이용한다. 이 경우, 상기 그루브 개선각도의 적합한 범위는 60~80°로 한정할 수 있으며, 상기 루트 페이스(Root face) 각도는 5~10°로 제한할 수 있다.
그루브의 각도는 용접시 용접와이어가 녹아 들어가는 면적(용착면적)을 결정하는 변수로써 일반적으로 용착면적이 넓을수록 높은 용접 입열량이 요구된다. 그루브 각도가 80°를 초과할 경우 용착면적이 과도하게 증가하여 보다 높은 용접입열량이 요구되는 문제점이 발생할 수 있으며 용접완료 후 용접부의 기계적 물성저하를 야기할 수 있다. 반면, 그루브 각도가 60° 미만일 경우, 용착면적이 좁아서 용접입열량을 저감시킬 수는 있으나 용접시 용접와이어가 그루브 내로 깊게 들어가지 못하여 용접시 내/외면의 용접금속이 겹치지 않아 용접불량이 일어날 가능성이 높아진다.
나아가 본 발명에서는 루트 페이스 각도를 부여함으로써 보다 작은 그루브 각도에서도 보다 높은 용입량을 얻을 수 있어 낮은 용접입열량으로도 높은 용접 효율을 얻을 수 있다. 이러한 낮은 용접입열량은 용접부의 조직입자가 조대화되는 것을 감소시킬 수 있다. 본 발명에서 부여하는 루트 페이스 각도는 5~10°, 상기 루프 페이스 각도가 5°미만인 경우에는 각도가 너무 작아 루트 페이스 각도를 부여한 효과가 미미하고, 반면 상기 루트 페이스 각도가 10°를 초과하는 경우에는 루 트 페이스 각도가 과도하게 넓어 용접시 용융된 용접와이어가 그루브내부를 채우기 이전에 판재가 녹아내리는 용락현상을 일으킬 수 있다. 따라서, 루트 페이스 각도는 5~10° 범위로 유지한다.
또한, 본 발명에서는 서브머지드 아크 용접시 용접 입열량은 30~50kJ/cm의 낮은 입열량으로 용접 수행이 가능하다. 서브머지드 아크 용접시 용접부에 유입되는 용접 입열량은 용접열영향부에 큰 영향을 미치는 것이 일반적이다. 즉, 입열량이 클수록 용접부의 상변태는 심해지고 용접시 열영향부(HAZ)의 결정립 조대화가 더욱 가속되는 바, 본 발명에서는 이러한 용접 입열량을 최대한 낮출 수 있다. 용접 입열량은 낮은 것이 유리하나 30kJ/cm 미만에서는 저입열에 의해 용접부의 기계적 물성은 양호하나 용접시 낮은 입열에 의해 용접불량이 발생할 가능성이 높아지며, 반면에 50kJ/cm를 초과하는 입열량에서는 과도한 입열에 의한 열영향부가 연화되어 입자가 조대해져 본 발명의 목적을 달성할 수 없으며, 원 모재 수준의 인장강도를 얻을 수 없으므로 본 발명에서는 용접 입열량은 30~50kJ/cm의 수준으로 유지한다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
하기 표 1과 같은 조성과 기계적 성질을 가지는 고강도 강판을 이용하여 서브머지드 아크 용접을 수행하였다. 본 실시예에서의 용접조건은 전류가 700~1050A, 전압이 30~46V, 그리고 용접속도를 110~120cm/min인 3전극 서브머지드 아크 용접으로 하였다. 또한, 그루브 길이를 6~7mm 및 루트 페이스 길이를 4~5mm로 하였다.
화학성분 (wt. %) 기계적 특성
C Si Mn P S Cr+Mo+V Ni+Cu Ceq TS (MPa) vE-20℃ (J)
0.06 0.15 1.9 0.006 0.001 0.64 0.5 0.52 654 240
하기 표 2는 본 발명의 조건에 의한 용접 입열량, 그루브 개선각도 및 루트 페이스 각도에 의하여 용접을 수행한 결과를 나타낸다. 하기 표 2에 의하면, 발명예 1~3의 용접이음부는, 비교예 4~9의 용접이음부에 비하여 낮은 입열량에서 용접이 가능하며 따라서 높은 저온인성 수치를 나타내었다. 또한, 40kJ/cm 이상의 높은 입열량에서도 루트 페이스 각도를 고려하지 않은 경우에도 어느정도 양호한 용접부를 얻을 수 있었으나, 높은 입열량에 의해 용접부의 저온인성은 저하됨을 알 수 있다.
구분 실시 번호 용접 입열량 (kJ/cm) 그루브 치수 (그루브 각도 및 루트 페이스 각도) 용접부 저온인성 vE-20℃(J)
A(°) B(°) C(mm) D(mm) 용접 금속 퓨전 라인(Fusion Line)
발명예 1 30 60 5 7 4 160 110
2 35 60 5 7 4 161 102
3 38 70 7 7 4 152 97
4 45 80 10 6 5 120 97
비교예 5 45 60 0 7 4 110 47
6 45 80 0 6 5 100 50
7 47 60 0 7 4 97 40
8 50 80 0 6 5 89 37
9 50 80 15 6 5 용접불가능 용접불가능
(단, A는 그루브 각도(101), B는 루트 페이스 각도(102), C는 그루브 길이(103) 및 D는 루트 페이스 길이)
상기 표 2에 의할 때, 본 발명의 조건에 의한 용접 입열량, 그루브 개선각도 및 루트 페이스 각도에 의하여 용접을 수행한 발명예 1 내지 4의 용접이음부는, 비교예 5 내지 9의 용접이음부에 비하여 높은 저온인성 수치를 나타내었다. 이러한 본 발명의 실시예에 의할 때, 용접 입열량, 그루브 개선각도 및 루트 페이스 각도의 최적화에 의하여 용이하게 용접부 저온인성을 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 1은 서브머지드 아크 용접시 그루브 개선 각도 및 루트 페이스 각도를 모식적으로 나타내는 도면
● 도면 주요 부호의 설명
101 : 그루브 개선 각도
102 : 루트 페이스 각도
103 : 그루브 길이
104 : 루트 페이스 길이

Claims (2)

  1. 600MPa급 이상의 고강도 강판의 서브머지드 아크 용접 방법에 있어서,
    상기 서브머지드 아크 용접의 그루브 개선각도는 60~80°, 루트 페이스(Root face) 각도는 5~10°임을 특징으로 하는 용접이음부의 저온 인성이 우수한 강판의 용접방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서브머지드 아크 용접 방법의 입열량은 30~50kJ/cm임을 특징으로 하는 용접이음부의 저온 인성이 우수한 강판의 용접방법.
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