KR100999948B1 - 아르곤 가스를 이용한 Ｆｅ-36%Ｎｉ 합금 랩이음부의플라즈마 아크 용융용접방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화천연가스운반선 화물격납용기에 사용하는 Fe-36%Ni 합금 랩 이음부의 플라즈마 아크 용융용접방법과 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온의 플라즈마 아크 발생을 위한 플라즈마 가스는 불활성 가스이며 전극봉 보호를 하고 아크 착화성이 우수한 아르곤(Ar)가스를 사용하고, 보호가스로는 플라즈마 아크의 온도 및 비드 퍼짐성 향상과 표면 비드 산화를 저하시키는 Ar+7～15%H2를 사용함으로써, 용접시 용접속도 증가 (분당 80∼150cm)에 따른 생산성을 향상시키고 전극봉과 수냉 노즐의 소모 저하 및 안정적인 아크 점화를 가능하게 함은 물론,용접 표면 비드의 산화와 오염도 또한 저하시킬수 있도록 하는 액화천연가스운반선의 화물격납용기에 사용하는 아르곤 가스를 이용한 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접방법과 그 장치에 관한 것이다.
본 발명은 용접토치 내에 제공된 텅스텐 전극에 전류(미펄스 및 펄스 전류 동일 사용 가능)를 인가하여 아크를 발생시키는 플라즈마 아크 용융용접에 있어서, 플라즈마 가스는 유량은 0.2-0.7L/min의 아르곤(Ar) 가스이며 보호가스는 유량 5-15L/min의 아르곤+수소7-15%의 혼합가스인 것을 특징으로 하고 있다.
또한 본 발명은 플라즈마가스 및 고주파전원에 의하여 초기아크 및 용접아크를 발생시키는 텅스텐전극(10)과: 상기 텅스텐전극(10)과는 플라즈마가스공급로(20)를 사이에 두고 설치되며 단부에 가스분사공(30a)이 구비된 수냉노즐(30)과: 상기 수냉노즐(30)과는 보호가스공급로(40)를 사이에 두고 설치되는 실딩캡(50):을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
플라즈마 아크용접, LNG저장탱크

Description

아르곤 가스를 이용한 Ｆｅ-36%Ｎｉ 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접방법 및 그 장치{The Method and System of Plasma Arc Melt-in Welding of Lap Joints with Fe-36%Ni alloys using Ar gas}
본 발명은 액화천연가스운반선 화물격납용기에 사용하는 Fe-36%Ni 합금 랩 이음부의 플라즈마 아크 용융용접방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온의 플라즈마 아크 발생을 위한 플라즈마 가스는 불활성 가스이며 전극봉 보호를 하고 아크 착화성이 우수한 아르곤(Ar)가스를 사용하고, 보호가스로는 플라즈마 아크의 온도 및 비드 퍼짐성 향상과 표면비드 산화를 저하시키는 Ar+7～15%H2를 사용함으로써, 용접시 용접속도 증가 (분당 80∼150cm)에 따른 생산성을 향상시키고 전극봉과 수냉 노즐의 소모 저하 및 안정적인 아크 점화를 가능하게 함은 물론,용접 표면 비드의 산화와 오염도 또한 저하시킬수 있도록 하는 액화천연가스운반선의 화물격납용기에 사용하는 아르곤 가스를 이용한 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접방법 및 그 장치에 관한 것이다.
액화천연가스운반선의 경우, 천연가스 액화점인 -162℃이하로 화물격납용기 내 온도가 유지되어야 하기 때문에, 저열팽창율을 가진 재질을 이용하여 제작하고 있다. 화물격납용기의 경우 그 재질에 따라 알루미늄 합금인 Al5083합금을 사용한 모스(Moss)형, 스테인레스 304L 합금을 이용한 Mark III 멤브레인(Membrane)형, Fe-36%Ni 합금을 이용한 GT No.96 멤브레인(Membrane)형으로 나눌 수 있다. 이 중 GT No.96 멤브레인형은 도 1에 나타낸 바와 같이, 이 화물격납용기는 코너부에 45°로 경사가 진 경판이 설치되므로 전후방향으로 팔각주 형상을 가지며, 선저, 선측 및 횡치격벽이 2중 선각구조로 구성되고 내측 선각의 내측부터 2차 단열상, 2차 멤브레인 (Mebrane). 1차 단열상, 1차 Membrane을 차례로 설치하는 반복구조로 되어 있다. 1∼2차 멤브레인 재료로는 두께가 0.7mm인 Fe-36%Ni 합금을 사용하고 부분에 따라 1.0∼8mm 두께를 사용한다.
이와 같은 구조로 인해 GT 멤브레인 화물격납용기의 이음부는 심(Seam)용접부와 랩(Lap)이음부로 이루어지고, 심용접부는 저항 심용접을 적용하고, 랩이음부에는 아르곤 보호가스를 이용한 자동 티그(TIG : Tungsten Inert Gas) 용접을 적용하고 있다. 그리고 자동 용접법이 적용하기 곤란한 일부 용접부에 한하여 수동 티그 용접을 적용하게 된다. 또한 멤브레인 내의 거의 모든 용접부는 용접시 용재를 사용하지 않는 제살용접(Autogeneous Welding)부로 되어 있으며, 선체의 Inner hull과 멤브레인을 연결하는 천이 이음부인 스테인레스강 또는 탄소강 재질의 앵커링바(Anchoring bar)와 Fe-36%Ni 합금 스트레이크(Strake)간의 이종재료 용접 이음부에도 대부분 자동 티그 제살용접을 적용하고 있다.
화물격납용기에 적용되는 저항 심용접의 경우 분당 1.5m의 고속으로 용접이 이루어지고 있는 반면, 자동 티그 용접의 경우 도 2에 나타낸 바와 같이 높은 온도의 아크 중심부의 폭은 좁고, 낮은 온도의 아크 주변부 폭이 넓기 때문에 용입 깊이가 얕고, 아크폭이 넓어 용입깊이 대비 용입폭이 넓어, 도 3에 나타낸 바와 같이 설계상 요구하는 용입 형상(P : 용입깊이, R: 목두께, La : 용입 폭) 및 고품질의 용접 표면 비드 기준을 만족시키기 위해서 분당 10∼30cm의 낮은 속도로 용접되어 생산성이 낮은 실정이다.
본 발명의 목적은 자동 티그 용접부와 동일한 품질을 가지면서, 현재의 자동 티그 용접의 5배 이상의 용접속도를 가지는 플라즈마 아크 용융용접(Plasma Arc Melt-in Welding, PAW) 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접장치를 제공하는 것에 있다.
구체적으로 설명하면, 액화가스운반선 화물격납창고에 사용하는 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접방법과 장치에 관한 것으로, 플라즈마 아크를 발생하는 플라즈마 가스는 아르곤(Ar)가스, 플라즈마 아크를 보호하는 보호가스는 아르곤(Ar)과 수소(H2)가 혼합된 아르곤 수소혼합가스를 적용하는 용접방법으로서, 랩이음부 하부판의 용락을 방지하기 위해 플라즈마 아크 용접방법 중 용융용접이 이루어지도록 노즐 구경, 가스 유량 및 용접 전류를 조절하여 용접하는 것을 특징으로, 속도 분당 80∼150cm 로 용접하여, 랩이음부에 대한 용접 생산성 향상을 도모하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용접토치 내에 제공된 텅스텐 전극에 전류(펄스 및 미펄스 동시 사용 가능)를 인가하여 아크를 발생시키는 플라즈마 아크 용융용접에 있어서, 플라즈마 가스는 아르곤(Ar)으로 유량은 0.2-0.7L/min로 사용하고 보호가스는 아르곤+수소7-15%의 혼합가스로 5-15L/min을 사용하는 것을 특 징으로 하고 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마가스 및 고주파전원에 의하여 초기아크 및 용접아크를 발생시키는 텅스텐전극(10)과: 상기 텅스텐전극(10)과는 플라즈마가스공급로(20)를 사이에 두고 설치되며 단부에 가스분사공(30a)이 구비된 수냉노즐(30)과: 상기 수냉노즐(30)과는 보호가스공급로(40)를 사이에 두고 설치되는 실딩캡(50):을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
도 6에는 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 티그 용접부와 플라즈마 아크 용융용접부 표면 비드 및 용접부 단면을 비교하였다. 상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 플라즈마 아크 용융용접을 적용한 결과 티그 용접부에 비해 용접 비드 표면이 깨끗하고, 용접속도가 6배 증가 되었음에도 불구하고 티그 용접부의 단면과 크기가 유사함을 알 수 있다.
따라서 이상의 실험 결과를 바탕으로, 현 티그 용접에 비해 용접속도가 분당 80~150cm로 증가되어 용접 생산성이 5배 이상으로 향상되었고, 또한 플라즈마 가스로 아르곤을 사용하여 전극봉 및 수냉 노즐의 소모가 저하되고 안정적 아크 점화가 가능하였으며, 그리고 보호가스로 Ar+ 7~15%H2를 사용하기 때문에 수소 가스로 인한 환원성 분위기를 통해 용접 표면 비드 산화 및 오염도가 저하되는 효과가 제공되었다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불분명하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 Fe-36%Ni 합금 랩이음부 플라즈마 아크 용융용접 개념도를 도시하였고, 도 5는 Fe-36%Ni 합금 랩이음부 플라즈마 아크토치 수냉노즐의 예시도이다.
먼저 종래 티그 용접의 낮은 용접속도의 원인은 아크 중심부의 온도 구간이 좁고, 아크의 폭이 넓기 때문에 충분한 용입 깊이를 나타내지 못하기 때문이었다. 이에 반해 플라즈마 아크 용융용접의 경우, 고주파를 이용하여 텅스텐 전극(10)과 수냉노즐(30) 간에 발생시킨 초기 아크에 대해 플라즈마 가스공급로(20)로 공급되는 플라즈마 가스와 수냉노즐(30)의 가스분사공(30a)으로 아크를 수축시켜 아크 중심부의 온도를 급격히 증가시키고, 아크의 폭을 좁히는 플라즈마 제트 현상을 이용하여 텅스텐 전극(10)에서 발생된 아크를 고 열원의 플라즈마 아크(60) 열원으로 바꿔 이 열원을 이용하여 랩이음부(11)를 용접하게 되고, 이에 따라 플라즈마 아크에 의해 랩이음부(11)가 용접되면서 랩용접부(70)가 생성되게 된다.
텅스텐 전극(10)은 플라즈마가스 및 고주파 전원(전원공급장치는 미도시)과 작용하여 초기아크 및 용접아크를 발생시키는 역할을 하며, 그 지름은 접속전류에 따라 결정된다.
플라즈마 가스공급로(20)로 공급되는 플라즈마 가스는 안정된 아크 발생 및 텅스텐 전극(10)과 수냉 노즐(30)의 과도한 소모를 줄이기 위해 아르곤 가스를 사 용하고, Fe-36%Ni 합금 랩이음부(11)의 용입형상 기준에 맞춰 0.2∼0.7L/min 내 적정 유량을 선택해서 사용한다. 유량이 0.2L/min 보다 낮을 경우, 아크 미착화 현상이 발생하고, 0.7L/min 이상이 될 경우 피용접재의 랩이음부 용접부(70)에 기공이 남게 되거나 랩이음부(11) 하부판(90)에 용락 현상이 발생되며, 1L/min 이상이 될 경우에는 하부판에 구멍이 뚫려 용접되는 플라즈마 아크 키홀용접(Keyhole Welding)이 발생된다. 플라즈마 아크 키홀용접이 되면 하부판(90) 밑에 설치된 단열박스가 훼손되기 때문에 액화천연가스운반선 화물격납용기에 보관된 액화천연가스가 이 부분을 통해서 누출될 수 있다.
수냉노즐(30)은 동합금으로 제작된 것으로 플라즈마 가스 공급로(20) 및 텅스텐전극(10)과 초기 아크 발생하는 역할을 하고, 고온의 플라즈마 아크에 의한 용융을 방지하기 위해 수냉시킨다.
보호가스 공급로(40)로 공급되는 보호가스는 Ar+7∼15%H2혼합가스를 이용하여 플라즈마 아크의 고온화를 도와주고, 외부 공기에서 산소와 질소의 혼입을 차단하며, 수소 가스를 통해 환원성 분위기를 조장하여 표면비드 산화 및 슬래그 생성을 저감하는 역할을 한다. 혼합가스 내의 수소 함량이 5% 이하일 경우에는 용접 속도 증가에 따라 용입이 충분치 않아 용입 불량이 발생하는 등 용접속도 증가 효과가 떨어지는 단점이 있다.
한편, 수소 함량이 15% 이상이 될 경우 메인 아크 미착화 현상이 빈번하게 발생되어 현장 적용시 문제가 된다. 또한 플라즈마 아크 온도가 급격히 상승하여 노즐이 과도하게 손상되어 노즐 사용량이 급격히 증가하게 된다.
보호가스 유량은 5∼15L/min를 사용하고, 용접속도 및 랩이음부(11) 상부판(80) 두께에 따라 그 사용량을 결정한다.
5L/min 이하를 사용할 경우 용접 속도 증가에 따라 용입이 충분치 않아 용입 불량이 발생하고, 15L/min 이상이 될 경우에는 과도한 유량에 의한 용입형상 불량이 발생한다.
수냉노즐(30)의 가스분사공(30a)은 플라즈마 아크를 수축시켜 고온의 플라즈마로 생성시키는 역할을 한다. 상기 수냉노즐(30)의 가스분사공(30a)의 구경은 랩이음부(11)의 용입형상 기준에 따라 2.4∼3.2mm 구경을 선택해서 사용하고, 구경이 2.4mm 이하의 경우 과도한 아크 수축으로 인해 노즐의 소모량이 많아 지는 단점이 있다. 또한 구경이 3.2mm 이상의 경우 아크 수축이 미약하기 때문에 용입이 불충하게 되어, 용입형상 기준 중에 용입 깊이를 만족하지 못한다.
이상의 플라즈마 아크 용융용접 방법이 적용될 대상으로 피용접재의 경우 상부판(80)은 두께 1.0∼1.5mm의 Fe-36%Ni 합금을 사용하고, 하부판(90)의 경우 두께 0.7∼8mm의 Fe-36%Ni 합금, 스테인레스강, 탄소강으로 구성된 랩이음부(11)이다.
이상과 같은 본 발명은 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 플라즈마 아크 용융용접을 적용한 결과 티그 용접부에 비해 용접 비드 표면이 깨끗하고, 용접속도가 6배 증가 되었음에도 불구하고 티그 용접부의 단면과 크기가 유사함을 알 수 있다.
따라서 이상의 실험 결과를 바탕으로, 현 티그 용접에 비해 용접속도가 분당 80~150cm로 증가되어 용접 생산성이 5배 이상으로 향상되었고, 또한 플라즈마 가스로 아르곤을 사용하여 전극봉 및 수냉 노즐의 소모가 저하되고 안정적 아크 점화가 가능하였으며, 그리고 보호가스로 Ar+ 7~15%H2를 사용하기 때문에 수소 가스로 인한 환원성 분위기를 통해 용접 표면 비드 산화 및 오염도가 저하되는 효과가 제공되었다.
도 1은 일반적인 액화천연가스운반선의 화물격납용기 사진 및 내부 구조의 개략도
도 2는 일반적인 Fe-36%Ni 합금 랩이음부 자동 티그 용접 상태를 예시한 도면
도 3은 플라즈마 아크 용융용접에서 설계상 요구하는 용입형상의 예시도
도 4는 본 발명에 따른 Fe-36%Ni 합금 랩이음부 플라즈마 아크 용융용접 개략도
도 5는 본 발명에 따른 Fe-36%Ni 합금 랩이음부 플라즈마 아크토치 수냉노즐 개략도
도 6은 본 발명에 따른 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 자동 티그 용접부와 플라즈마 아크 용융용접부 표면 비드 및 용접부의 단면을 비교한 도면
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10 : 텅스텐전극 20 : 플라즈마가스공급로
30 : 수냉노즐 30a : 가스분사공
40 : 보호가스공급로 50 : 실딩캡
60 : 플라즈마 아크 70 : 랩용접부
80 : 상부판 90 : 하부판

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 플라즈마가스 및 고주파전원에 의하여 초기아크 및 용접아크를 발생시키는 텅스텐전극(10)과, 상기 텅스텐전극(10)과는 플라즈마가스공급로(20)를 사이에 두고 설치되며 단부에 2.4∼3.2mm 구경의 가스분사공(30a)이 구비된 수냉노즐(30) 및, 상기 수냉노즐(30)과는 보호가스공급로(40)를 사이에 두고 설치되는 실딩캡(50)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 아르곤 가스를 이용한 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 Fe-36%Ni 합금의 피용접재는 상부판(80)은 두께 1.0∼1.5mm이고, 하부판(90)은 두께 0.7∼8mm인 것을 특징으로 하는 아르곤 가스를 이용한 Fe-36%Ni 합금 랩이음부의 플라즈마 아크 용융용접장치.
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