KR101033745B1 - 용접용 강판 - Google Patents

Abstract

강판으로서, 폭 방향의 적어도 한 쪽의 단부에 인장 잔류응력이 부여되고, 인장 잔류응력이 부여된 단부의 폭 방향 내부측에 압축 잔류응력이 부여된 부분이 존재한다.

Description

용접용 강판{STEEL PLATE FOR WELDING}

본 발명은 용접용 강판에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 교량이나 선박 등의 구조재로서는 통상 후강판이라고 불리는 강판이 사용되고 있다.

이러한 후강판을 제조할 때에는 열간 압연기로 소정 치수로 압연한 후, 계속해서 가속 냉각 장치에서의 수냉에 의한 냉각처리를 실시한다. 그러나 열간 압연시의 온도나 수냉 개시 온도의 불균일, 더욱이 가속 냉각 장치의 수냉이 고르지 못함에서 기인하는 냉각 불균일이 발생하며, 그들을 원인으로 해서 냉각 후의 후강판에 잔류응력이 발생하여, 구부러짐이나 굴곡(undulation) 등의 형상 불량이 되는 경우가 있었다.

잔류응력이 존재하는 후강판이면, 후가공에 의해 다수의 바(bar)로 절단하여 사용에 제공하는 경우, 후강판 내에 불균일하게 분포한 잔류응력이 절단에 의해서 개방되어, 바 절단된 강재가 구부러져 버리는 「바 구부러짐(캠버;camber)」이라는 문제가 발생하였다.

이러한「후강판에 발생한 잔류응력」을 없애는 기술로서는, 레벨러(leveler)에 의해, 후강판에 굽힘변형을 가하는 방법이 채용되고 있었다. 열간 레벨러는 형상을 교정하는 능력이 높고, 냉간 레벨러는 불균일한 잔류응력을 제거하는 능력이 높기 때문에, 교정할 필요가 있는 후강판의 상황에 따라, 열간 레벨러 또는 냉간 레벨러를 선택하여 강판 교정을 행하고 있었다.

한편, 레벨러 교정을 행한 후강판이더라도, 그것들을 교량이나 선박 등의 용접용 구조재(용접용 강판)로서 사용한 경우에는, 용접에 수반되는 재료 수축이 상기 용접용 강판에 발생하여, 그 형상이 크게 변형되는 것이 당업자의 사이에서는 널리 알려져 있었다.

도 16에는 그 변형 상황이 도시되어 있다. 예컨대, 특허문헌 1 등의 기술을 채용하여 제조되어 강판 길이 방향의 잔류응력이 판의 폭 방향으로 0이 되는 용접용 강판을, 교량이나 선박 등의 구조재로서 사용하는 것을 상정하여, 그 폭 방향 내부에 대하여 길이 방향(도면의 상하 방향)으로 리브(rib) 부착의 용접을 행하는 것을 고려한다.

그 결과, 도 16(b)에 나타낸 바와 같이, 용접 전에는 직사각형이었던 용접용 강판이 3개의 바 용접 후에는 폭 방향 단부보다 중앙부가 길이 방향으로 크게 수축하여, 용접용 강판의 상, 하 가장자리가 오목형상으로 변형된다. 그 이유는 용접된 부분에 대해서는 용접시에 일단 재료가 용융되고 그 후 재차 응고되지만, 그 때에 응고부에는 재료수축이 발생하여 줄어들려고 하기 때문이다.

즉, 바 절단 후의 변형을 억제하기 위해서 잔류응력을 대략 0으로 한 후강판 이더라도, 그것을 용접용 강판으로서 채용한 경우, 재료 수축에 기인하는 변형이 생기는 경우가 있어, 상당히 큰 문제가 되었다.

종래, 이러한 변형을 회피하기 위해서, 상기 변형을 예측한 치수 설정이 실시되고 있지만, 용착하는 리브나 플랜지의 형상에 따라 용접용 강판의 변형량이 다양하여 예측이 매우 어려웠다. 게다가, 변형량을 예측할 수 있다고 해도, 직사각형으로부터 크게 변형된 용접용 강판을 서로 수평 또는 직각으로 맞붙여 용접하는 경우, 양 강판 사이에는 큰 간극(예컨대, 3mm 이상)이 생겨 용접 작업이 곤란하게 되어, 강판을 재절단할 필요성이 생겼다. 특히, 판 두께가 25mm 이하인 용접용 강판에 대해서는 용접에 수반되는 재료 수축이 커서, 재절단 가공이 대부분의 경우 필요로 되었다.

특허문헌 1에는 상술한 용접시의 변형에 착안한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 열간 레벨러에 의해 열간 교정된 후강판의 표면 온도분포를, 온도계에 의해 측정하고, 컴퓨터에 의해 후강판의 온도분포로부터 잔류응력 분포 등을 연산하여, 이 잔류 응력분포로부터 용접시의 변형량의 편차를 나타내는 소정의 파라미터를 연산하는 것으로 되어 있다. 또한, 사용자의 용접조건 등에 따라 미리 설정되어 있는 허용치와 파라미터를 비교하여, 파라미터가 허용범위 내에 없을 때에는 레벨러나 열처리 로를 이용하여 잔류응력을 저감시키는 것이다.

특허문헌 1: 일본 공개 특허 공보 2001-316757 호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나 특허문헌 1은 용접했을 때의 변형량의 편차가 일정범위 내가 되도록하는 기술로서, 용접에 수반되는 변형량을 제로 혹은 최소로 하기 위한 것은 아니다. 가령 변형량의 편차를 일정범위 내로 할 수 있다고 해도, 상술한 바와 같이, 용접 후의 변형이 생긴 강판을 서로 맞붙여 용접하는 경우, 양자 사이에 간극이 생겨 버리면, 재절단 등의 필요성이 생기는 것은 부정할 수 없다.

그래서 상기 문제점을 감안하여, 본 발명은 용접 후에도 직사각형(rectangular) 형상 변화가 거의 생기지 않는 기술을 명확하게 하고, 그 기술을 적용한 용접용 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 이하의 기술적 수단을 강구하였다.

즉, 본 발명에 따른 용접용 강판은 폭 방향의 적어도 한 쪽의 단부에 인장 잔류응력이 부여되고, 상기 인장 잔류응력이 부여된 단부의 폭 방향 내부 측에 압축 잔류응력이 부여된 부분이 존재하는 것을 특징으로 한다.

또한, 폭 방향의 양 단부에 인장 잔류응력이 부여되고, 상기 인장 잔류응력이 부여된 양 단부의 폭 방향 내부 측에 압축 잔류응력이 부여된 부분이 존재하는 것을 특징으로 한다.

본원 발명자들은 용접 후에도 직사각형 형상 변화가 거의 없는 용접용 강판 (이하, 강판이라고 부르는 경우도 있슴)을 개발하기 위해, 실험ㆍ연구를 행하여, 용접에 기인하는 변형은 용접이 실시되는 강판의 안쪽에 존재하는 잔류응력이 관계하고 있다고 생각하기에 이르렀다.

그래서 우선, 강판 내의 잔류응력을 열적인 방법으로 저감하거나, 열간 레벨러나 냉간 레벨러를 이용하여 거의 O까지 균일화한 강판을 준비하여, 도 1(b)와 같은 심(seam)으로 용접실험을 했다.

그 실험에 의해,

(i) 대부분의 강판이 그의 단부에 비하여, 중앙부 쪽이 길이방향의 수축량이 커지고,

(ii) 강판 사이에서의 수축량의 편차는 잔류응력을 저감한 강판 쪽이 한결같이 작다는 결과를 얻었다.

이 결과로부터, 본원 발명자들은「용접에 수반되는 수축량에 대하여, 잔류응력이 어떠한 관계로 영향을 주고 있다」것을 밝혀내기에 이르렀다.

계속해서, 본원 발명자들은 용접 후의 강판의 비변형(invariable) 정도(용접전에 직사각형상이었던 것이 용접 후에도 그 형상을 유지하는지 여부)라는 관점에서 용접실험을 해봤다. 그 결과, 잔류응력을 제어하고 있지 않은 강판의 몇 개는 잔류응력을 거의 0으로 제어한 강판보다 비변형 정도가 우수했다. 그 바람직한 성질을 갖는 강판의 잔류응력 분포를 조사한 결과, 도 1(a)과 같이「강판의 폭 방향 양 단부에 인장응력이, 폭 방향 내부에 압축응력이 잔존하고 있다」였다.

이 결과에 근거하여, 본 발명에 따른 용접용 강판을, 용접이 실시되는 폭 방 향 내부에 압축 잔류응력이 부여되고, 폭 방향 양 단부에 인장 잔류응력이 부여되어 있는 것으로 하고 있다. 이 강판은 용접후에도 형상 변화가 거의 생기지 않고 직사각형 형상을 유지한다.

이러한 잔류응력 분포는 강판에 대하여 거시적인 것이기 때문에, 본원 발명자들은 미시적인 관점에서 검토를 거듭했다. 그 결과, 리브나 플랜지 부착의 용접을 행한 때에는 가스 불꽃이나 아크 방전에 의해 용융된 재료 부분이 식어서 다시 응고할 때에 수축하고, 그 수축에 기인하는 인장응력이 발생하여, 강판의 길이 방향의 변형이 생긴다고 하는 메커니즘을 밝혀 냈다.

그래서, 도 2에 도시한 바와 같이, 용접이 실시되는 부위의 근방에 상기 인장응력에 저항하는 압축 잔류응력이 미리 부여되어 있으면 좋다는 생각에 이르렀으며, 이러한 잔류 응력분포를 갖는 용접용 강판이면, 용접 후에 수축변형은 생기지만, 직사각형으로부터의 변형도는 적다는(직사각형 형상을 유지하고 있는) 것을 밝혀냈다.

이 생각에 근거하여, 본 발명에 따른 용접용 강판을 폭 방향의 양 단부에 인장 잔류응력이 부여되고, 상기 인장 잔류응력이 부여된 양 단부의 폭 방향 내부 전역에 압축 잔류응력이 부여되어 있는 것으로 하고 있다. 이 강판은 용접 후에도 형상 변화가 거의 생기지 않는다.

또한, 본원 발명자들은 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 실험 등을 통해서, 상기 압축 잔류응력의 값이 0 MPa 내지 50 MPa 으로 하면 좋다는 것을 밝혀냈다.

바람직하게는, 상기 압축 잔류응력의 편차가 ±10 MPa 이하이면 좋다. 여기서 말하는 압축 잔류응력의 편차란 압축 잔류응력의 정상부(예컨대, 도 1(a)의 경우, 판 폭 방향 중앙부)에 있어서의 편차를 말한다.

또한, 상기 강판의 전체로서 잔류응력의 값은 O 이다.

발명의 효과

본 발명의 용접용 강판을 이용함으로써 용접 후의 재료수축을 상기 강판의 판 폭 방향을 따라 대략 균일하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 용접용 강판의 잔류 응력분포 및 용접 후의 수축상태를 나타내는 개념도 (거시적),

도 2는 본 발명에 따른 용접용 강판의 잔류 응력분포를 나타내는 개념도 (미시적),

도 3은 시뮬레이션 실험에 있어서의 대상 모델을 나타내는 도면,

도 4는 시뮬레이션 실험에서 얻어진 결과를 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 용접용 강판의 잔류 응력분포를 나타내는 개념도 (다른 실시 형태),

도 6은 용접을 실시한 강판의 직사각형 변형량을 나타낸 도면 (판 두께 12 mm),

도 7은 용접을 실시한 강판의 직사각형 변형량을 나타낸 도면 (판 두께16 mm),

도 8은 용접을 실시한 강판의 직사각형 변형량을 나타낸 도면 (판 두께 22 mm),

도 9는 용접을 실시한 강판의 직사각형 변형량을 나타낸 도면 (판 두께 28 mm),

도 10은 용접용 강판의 직사각형 변형량을 나타낸 도면 (판 두께 34 mm),

도 11은 평균 잔류 응력값과 직사각형 변형도의 관계를 나타낸 도면,

도 12는 판 두께와 직사각형 변형도의 관계를 나타낸 도면,

도 13은 리브 바 개수와 직사각형 변형도의 관계를 나타낸 도면,

도 14는 본 발명의 용접용 강판에 있어서의 리브 바 개수와 직사각형 변형도의 관계를 나타낸 도면,

도 15는 압연 장치의 개략도,

도 16은 종래예에 따른 강판의 잔류 응력분포 및 용접 후의 수축상태를 나타내는 개념도이다.

부호의 설명

1: 용접용 강판 2: 리브

3: 압연장치 8: 조 압연기

11: 마무리 압연기 12: 가속 냉각 장치

16: 다기능 레벨러 17: 레벨링 롤(다기능 레벨러)

18: 백 업 롤(다기능 레벨러) W: 용접부

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명에 따른 용접용 강판을 도면을 기초하여 설명한다.

도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 용접용 강판(1)이 도시되어 있다.

도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 용접용 강판(1)(이하, 단지 강판이라고 부르는 경우도 있슴)은 폭 방향 단면의 잔류응력을 계측했을 경우, 폭 방향 내부에 압축 잔류응력이 부여되고, 폭 방향 양 측부에 인장 잔류응력이 부여되어 있는 것이다. 그 응력 분포곡선은 아래로 볼록한 사다리꼴 형상으로 되어 있다.

이 강판(1)에서 규정되는 잔류응력은 판 두께 방향의 평균치이고, 판 두께 방향의 잔류 응력분포는 어떠하더라도 상관없다.

인장 잔류응력의 적산치와 압축 잔류응력의 적산치는 같고, 강판(1) 전체에서의 잔류 응력치는 제로로 되어 있다.

도 2(a)에는 이러한 잔류 응력분포를 갖는 강판(1)의 폭 방향 내부에 대하여, 그 길이 방향(강판 압연 방향)으로 리브(2)를 용접한 상황을 나타내고 있다.

이 상황을 미시적으로 본 것(용접부(W) 근방만을 본 것)이 도 2(b)이다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 용접부(W)는 가스 불꽃이나 아크에 의해 일단 용융되어, 당초부터 있었던 압축 잔류응력이 없어진다. 그 후, 용접부(W)가 응고함에 따라 재료 수축이 발생하는데, 이러한 용접부(W)는 그 주위의 강판에 의해 구속되어 있기 때문에, 인장 잔류응력이 잔존하는 부위가 되고, 이 재료 수축이나 잔류하는 인장응력에 기인하여, 강판의 길이 방향의 변형이 생긴다.

그런데, 용접부(W, 수축부)의 폭 방향 외측에는 미리 압축 잔류응력이 부여되어 있어, 상기 재료 수축을 일으키지 않는 상황이 되어 있다. 따라서, 강판(1) 전체로서도 길이 방향의 수축은 일어나지 않는다.

[시뮬레이션 실험 및 결과]

다음으로, 본 실시 형태의 강판(1)에 미리 부여되는 압축 잔류응력의 구체적인 값에 대하여 설명한다.

본원 발명자들은 용접시에 변형이 적은 강판을 얻기 위해서, 열탄소성 3차원 FEM 모델을 이용하여, 리브 용접했을 때의 강판(1)의 변형 거동을 구체적으로 조사해 보았다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 모델 실험에서 이용한 강판(1)의 사이즈는 두께 16 mm, 폭 2000 mm, 길이 500 mm 이다. 부착된 리브(2)의 형상은 두께 15 mm, 폭(높이) 150 mm, 길이 500 mm 이며, 부착 리브 수를 1 내지 5개의 범위에서 가변하였다.

용접이 실시되는 강판(1)으로서, (ⅰ)보통 강(잔류응력 제어 없슴), (ⅱ)잔류응력 저감 강(폭 방향 내부의 잔류 응력치가 5 MPa), 및 (ⅲ)무잔류 응력 강(잔류응력이 전혀 존재하지 않는 이상적인 강판)의 3개를 이용했다.

리브 용접의 조건으로서, 용접에 의한 입열량을 1.7 kJ/mm(320A × 32V × 24 cm/min.), 용접 각장(脚長, 위빙(weaving) 폭)을 8 mm의 일반적인 것으로 했다. 이 용접조건은 강판의 두께나 리브(2)의 두께가 변화되더라도 거의 동일하다.

이 조건 하에서, 리브(2)를 용접했을 때에 발생하는 잔류응력의 값이나, 리브 용접 후에 용접부(W)의 주위로의 영향 등을 확인했다.

그 결과,

(ⅰ) 리브 용접에 의해서, 용접부(W)에는 약 300 MPa의 인장 잔류응력이 발생하고,

(ⅱ) 리브 용접에 의해서, 초기 잔류응력이 변화되는 영역(열 영향 영역)은 리브 용접 위치의 양측 ±50 mm이고,

(ⅲ) 용접부(W)의 재료 수축이 주위에 주는 영향은 압축응력의 증가이며, 리브 개수에 의해 그 영향도는 변화된다(6 MPa/개).

이상의 것을 감안하여, 본원 발명자들은 용접 후에 형상 변화가 적은 강판을 얻기 위한 조건을, 실험조건을 바꿔서 시뮬레이션을 실시했다.

그 결과, 리브 용접의 위치가 강판(1)의 단부로부터 100 mm 이상의 안쪽(폭 방향 내부 측)인 경우, 리브 용접의 위치를 기준으로 해서, -100 내지 -50 mm 및 50 내지 100 mm의 영역(용접부(W)의 양측 50 내지 100 mm의 영역)에서, 미리 압축 잔류응력이 부여되고, 그 값이 0 MPa 내지 50 MPa의 범위에 있으면 된다는 것을 밝혀내기에 이르렀다.

따라서, 도 4(a)에 도시하는 바와 같은 초기 잔류 응력분포를 갖는 강판이면, 리브 용접 후에 상기 조건을 만족시키게 되어, 용접 후에 형상 변화가 적은 강판이 된다. 또한, 용접부(W)는 일단 용융상태로 되어 잔류응력이 없어지기 때문에, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 리브 용접 위치의 초기 잔류응력이 -50 MPa 이하(예컨대, -70 MPa)이더라도 상관없다. 그러나 리브(2)가 부착되는 위치는 엄밀하게 정해져 있을 필요는 없으므로, 도 4(a)의 잔류 응력분포로 하는 것이 바람직하다.

리브 용접의 위치가 강판(1)의 단부로부터 50 mm 이내인 경우, 리브 용접의 위치보다 내부 측(폭 방향 내부 측) 50 내지 100 mm의 영역에, 미리 압축 잔류응력이 부여되어 있고, 그 값이 0 MPa 내지 50 MPa의 범위에 있으면 된다는 것을 밝혀냈다. 따라서, 도 4(c)에 나타내는 실선이나 파선과 같은 초기 잔류 응력분포를 갖는 강판이면, 리브 용접 후에 상기 조건을 만족시키게 되어, 용접 후에 형상변화가 적은 강판이 된다.

또한, 리브(2)의 부착 위치가 강판(1)의 단부로부터 50 mm 내지 100 mm의 범위에 있는 경우, 리브(2)의 부착 위치보다 내부 측(폭 방향 내부 측) 50 내지 100 mm의 영역에 미리 0 MPa 내지 50 MPa의 범위의 압축 잔류응력이 부여되어 있고, 동시에, 리브(2)의 부착 위치보다 강판 외측(폭 방향 단부 측) 50 mm 이상의 영역에 0 MPa 내지 50 MPa의 압축 잔류응력이 미리 부여되어 있으면 좋은 것을 밝혀내기에 이르렀다. 따라서, 도 4(d)에 나타내는 실선이나 파선과 같은 초기 잔류 응력분포를 갖는 강판이면, 용접 후에 상기 조건을 만족시키게 되어, 용접 후에 형상 변화가 적은 강판이 된다.

또한, 용접부(W)는 일단 용융상태가 되어, 초기의 잔류응력이 없어지기 때문에, 도 4(d)의 실선과 같이, 리브 용접 위치의 초기 잔류응력이 -50 MPa 이하(예컨대, -70 MPa)이더라도 상관없다.

본원 발명자들은 압축 잔류응력의 편차가 ±10 MPa 이하이면 상당히 양호한 결과(용접 후의 변형이 적음)를 얻을 수 있음을 밝혀냈다.

이상 서술한 도 4는 변형이 적은 강판에 초기에 부여된 잔류 응력분포를 미시적으로 본 것이지만, 도 5에는 초기 잔류 응력분포를 거시적으로 본 것(강판의 폭 방향 전체에서의 분포)를 나타내고 있다. 도 1(a)도 마찬가지로 초기 잔류 응력분포를 거시적으로 본 것이다.

본원 발명에 따른 강판은 용접이 실시되는 부위의 근방에 미리 압축 잔류응력이 부여되고, 도 5(a) 내지 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 리브(2) 부착 위치에 대응하여 상술한 조건을 만족시키는 압축응력(용접부(W)의 양측 50 내지 100 mm의 영역에서 0 MPa 내지 50 MPa의 초기 잔류 압축응력)이 부여되어 있다. 게다가, 강판(1) 전체로서 잔류응력의 값이 0이기 때문에, 압축 잔류응력을 없애는 인장 잔류응력도 부여되어 있다. 따라서, 잔류 응력분포는 폭 방향으로 요철 형상으로 되어 있다.

그러나 강판(1)의 어느 위치에 리브 용접이 실시될지는, 본 발명에 따른 강판(1)을 제조하는 시점에서는 엄밀하게는 알지 못하는 경우가 많다. 이것은 사용자가 강판(1)의 트리밍 절단을 실시하는 경우가 대다수이며, 공장 출시된 상태 그대로 부재로서 사용하는 경우는 적다는 등의 사정 때문이다. 따라서, 리브(2) 부착 위치에 대응하여 상술한 조건을 만족시키는 압축응력이 부여되어 있는 동시에, 도 1(a)와 같이, 길이 방향을 향하는 용접이 실시되는 폭 방향 내부에 대해서는 압축 잔류응력으로, 폭 방향 양 단부에 대해서는 인장 잔류응력으로 되어 있는 응력분포를 갖는 강판(1)인 것이 매우 바람직하다. 한편, 강판(1)의 폭 방향 내부란 리브 용접이 행해지는 부위로, 상술한 바와 같이 강판(1)의 단부로부터 100 mm 이상의 안쪽이어도 되지만, 강판(1)의 단부로부터 200 mm 이상의 내측으로 해도 아무런 문제는 없다.

[잔류응력 측정의 방법]

또한, 강판(1)의 잔류응력을 계측함에 있어서, 그 측정방법으로는 여러 가지를 채용할 수가 있다. 예컨대, (i)대상으로 하는 강판에 구멍을 뚫어, 그 부위에 직접 스트레인 게이지(strain gague)를 부착하고, 이 스트레인 게이지에 의해 잔류 응력치를 측정하는 방법(천공법, puncturing), (ⅱ)열간 교정이 완료된 시점에서의 강판의 표면 온도분포와 냉간 레벨러에 의한 압입량 등을 기초로, 잔류응력의 판 두께 방향의 평균치를 구하는 방법 등이 있다.

본 실시 형태에서는 천공법을 이용하여 초기의 잔류응력을 계측하도록 하고 있다. 구체적으로는, 대상 강판의 폭 방향 양 단부로부터 100 mm 피치로 분할 시험편(바 조각)을 생각하고, 상기 분할 시험편의 중심선 상 또한 길이 방향의 단부로부터, 「강판을 교정한 냉간 레벨러의 롤 중심 간 거리 +100 mm」의 위치에 스트레인 게이지를 부착하도록 하고 있다.

[실험예]

도 6 내지 도 10에는 상술한 조건을 만족시키는 잔류 응력분포가 부여된 강판(1, 본 발명 강(1)이라고 부르는 경우도 있슴)에 대하여, 그의 길이 방향으로 5개의 바로 이루어진 리브(2)를 용접하여 부착하고, 그 때의 판 길이 방향의 직사각형 변형도 δ를 구한 실험 결과가 도시되어 있다. 또한, 도 6 내지 도 10 중의 ◆는 천공법을 이용하여 실측한 잔류응력치이며, 실선은 강판(1)의 온도분포나 교정조건을 고려하여 산출한 계산 잔류 응력값을 나타낸다.

본 발명 강(1)은 각 도면(d)와 같은 것으로, 폭 방향 양 단부로부터 100 mm 이상 내측의 잔류응력치가 0 MPa 내지 -50 MPa로 되어 있다. 비교예로서, 종래 강[보통 강으로, 잔류응력의 제어 없음, 각 도면(a)], 잔류응력 저감 강[각 도면(b)], 및 보통 교정 강[종래 강을 레벨러 등으로 교정한 강, 각 도면(c)]에 리브 용접을 실시하고 있다.

리브(2)를 용접한 강판(1)은 5종류가 있고, 그 판 두께는 12, 16, 22, 28 및 34 mm이고, 폭은 2000 mm, 길이 9000 mm 이다. 부착한 리브(2)의 형상은 시뮬레이션 실험과 마찬가지로, 두께 15 mm, 폭(높이) 150 mm, 길이 9000 mm 였다.

강판(1)의 직사각형 변형도δ는 예컨대, 도 1(b)의 강판(1)에 있어서, 상하(압연 방향) 어느 한쪽의 가장자리부의 수축량을 좌우(폭 방향) 어느 한쪽의 단면을 기준으로 하여 측정하고, 길이 10 m 당의 값으로 환산한 것으로 한다. 본 실험 예에서는 직사각형 변형도δ의 상한치를 1.2 mm로 한다. 왜냐하면, 용접이 가능한 강판 갭은 약 3 mm(강판 한 장 당은 약 1.5 mm)라는 것이 현장의 실적으로부터 명확하게 되어 있기 때문이다.

도 6 내지 도 10의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 판 두께에 있어서, 본 발명 강(1)은 직사각형 변형도δ가 1.2 mm 이하로 되어 있는 것을 알 수 있다.

폭 방향 중심부와 양 단부에 압축응력이 잔존하여, 상기 중심부와 양 단부 사이의 영역에 인장응력이 잔존하는 종래 강에서는, 모든 판 두께에 있어서 1.5 mm 이상의 직사각형 변형도δ가 생겨, 용접용으로는 부적절한 것이 분명해졌다.

판 폭 방향에 있어서 50 MPa 이하의 잔류 인장응력이 존재하는 잔류 응력 저감강이나 보통 교정강에서는 직사각형 변형도δ가 1 mm 내지 3 mm로 되고, 길이 방향의 수축량이 커서, 용접용으로는 부적절하다.

또한 종래강 등에 있어서는, 폭 방향 내부의 수축량이 양 단부에 비하여 매우 큰 것으로 되어 있다. 한편, 본 발명 강(1)에서는 폭 방향에서의 직사각형 변형도δ는 대략 동일 값이라서 직사각형 형상을 유지하기 때문에, 해당 본 발명 강(1)을 맞붙여 용접을 행하는 경우에, 맞붙인 강판(1, 1) 사이의 간극이 폭 방향의 위치에 따라 다르다는 문제가 생기기 어려워 용접을 행하기가 상당히 용이하다.

본원 발명자들은 이상의 실험에 부가하여, 다양한 판 두께의 본 발명 강(1)이나, 잔류응력의 분포형상은 대략 동일하지만 응력치가 다른 본 발명 강(1)에 대하여, 길이 방향으로 5개의 바로 이루어진 리브(2)를 용접하여 부착하고 직사각형 변형도δ를 구했다. 그 결과를 도 11 및 도 12에 나타내고 있다.

도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 실용상 문제없는 직사각형 변형도 δ(<1.2 mm)가 되기 위해서는 강판(1)의 폭 방향 내부에 부여된 압축 잔류응력이 0 MPa 내지 70 MPa, 바람직하게는 0 MPa 내지 50 MPa이면 좋다. 이러한 점은 컴퓨터 시뮬레이션의 결과와 일치하는 것이다.

도 12는 용접 실험의 복수의 결과를, 평균 잔류응력이 (i) -40 내지 -20 MPa, (ⅱ) -20 내지 0 MPa, (ⅲ) 0 내지 20 MPa, 및 (ⅳ) 20 내지 40 MPa인 4종류로 구분하고, 그 판 두께와 직사각형 변형도δ의 관계를 나타낸 도면이다. 이 도면으로부터 명확한 바와 같이, 본 발명 강(1)에 속하는 강판(폭 방향 내부의 잔류응력치가 -50 MPa 내지 0 MPa, 즉 (i) 및 (ⅱ))으로서, 판 두께 10 mm 이상이면, 확실하게 직사각형 변형도δ가 1.2 mm 이하로 되어, 용접에 적합한 강판이 된다.

게다가, 폭 방향 내부의 잔류 응력치가 0 내지 20 MPa이더라도 판 두께가 25 mm 이상이거나, 폭 방향 내부의 잔류응력치가 20 내지 40 MPa이더라도 판 두께가 35 mm 이상이면, 확실하게 직사각형 변형도δ가 1.2 mm 이하로 되어, 용접에 적합한 강판이 되는 것을 알았다.

도 13 및 도 14는 본 실시예의 강(1), 종래강, 잔류 응력 저감강과, 보통 교정강의 각각에 2, 3, 5, 7바(개)의 리브(2)를 용접하여 부착하고, 그때의 판 길이 방향의 직사각형 변형도δ를 구한 결과가 도시되어 있다.

용접으로 부착하는 리브(2)의 바 개수가 늘어날수록, 모든 강판에서 직사각형 변형도δ가 증가하고 있지만, 본 발명 강(1)은 그 증가 정도가 작아, 리브(2)가 7바 이내이면 직사각형 변형도δ가 1.2 mm을 초과하는 일은 없다.

[강판의 제조 설비]

도 15에는 본 발명에 따른 용접용 강판(1, 후강판)의 압연장치(3)가 개략적으로 도시되어 있다. 이 압연장치(3)의 상류측에는 슬래브(4)를 가열하는 가열로(5)가 구비되고, 가열로(5)의 하류측에는 한 쌍의 워크 롤(6, 6, working roll)과 한 쌍의 백 업 롤(7, 7, back up roll)을 구비하는 조 압연기(8, roughing mill)가 구비되어 있다. 또한, 조 압연기(8)의 하류측에는 한 쌍의 워크 롤(9, 9)과 한 쌍의 백 업 롤(10, 10)을 갖는 마무리 압연기(11)가 구비되어 있다.

마무리 압연기(11)의 하류측에는 마무리 압연기(11)에서 압연이 종료된 강판(1)을 냉각하는 가속 냉각 장치(12, 냉각장치)가 마련되어 있다. 가속 냉각 장치(12)는 강판(1)에 냉각수를 분사함으로써 강판(1)을 강제적으로 냉각시켜, 소정의 판 온도를 실현한다.

가속 냉각 장치(12)의 출구측 근방에는 방사 온도계나 서모 뷰어(thermo viewer) 등의 출구측 판 온도계(13)가 설치되어 있고, 강판 표면의 온도분포를 계측할 수 있게 되어 있다. 이로 인해, 냉각 직후의 강판(1)의 표면 온도분포를 알 수 있다. 표면 온도분포와 강판(1) 내의 잔류 응력 분포는 소정의 관계를 갖고 있는 것이 과거의 실적으로부터 명확하기 때문에, 이 계측 결과로부터 강판(1) 내의 잔류 응력 분포를 추정할 수 있다.

가속 냉각 장치(12)의 하류측에는 열간 레벨러(14)가 마련되어 있다. 이 열간 레벨러(14)는 상하에 지그재그로 배치된 복수의 레벨링 롤(15, 15 ㆍㆍㆍ)을 구비하고 있다.

부가적으로, 본 압연라인이란 오프라인의 위치에 다기능 레벨러(16)가 마련되어 있다. 이 다기능 레벨러(16)는 상하에 지그재그로 배치된 복수의 레벨링 롤(17, 17 ㆍㆍㆍ)을 구비하는 구성으로서, 각 레벨링 롤(17)에는 상기 레벨링 롤(17)을 보강하는 백 업 롤(18)이 배치되어 있다. 이 백 업 롤(18)은 분할 백 업 롤(미도시)이 축심 방향으로 여러개(예컨대, 3 내지 5개) 연속되는 것으로 구성되어 있고, 압하 조정장치(미도시)에 의해, 각 분할 백 업 롤을 독립적으로 압하 가능하게 되어 있다. 따라서, 레벨링 롤(17)의 일부분만을 강판(1) 측으로 눌러, 강판(1)의 일부 형상을 수정하거나, 강판(1)에 폭 방향의 잔류응력을 부여하거나 할 수 있다.

이상 서술한 압연장치(3)를 이용하여, 본 발명에 따른 용접용 강판(1)을 제조하는 순서를 설명한다.

우선, 가열로(5)에 의해, 소정의 온도(1200 ℃ 정도)로 가열된 슬래브(4)는 조 압연기(8)를 거쳐서 마무리 압연기(11)로 도입되고, 미리 설정된 패스 스케쥴(pass schedule)에 따라 가역 압연(reverse rolling)된다. 마무리 압연 후의 강판(1)은 가속 냉각 장치(12)에 도입되어, 예컨대 냉각 속도가 일정한 조건하에서, 목표 판 온도까지 냉각된다.

냉각된 강판(1)은 출구측 판 온도계(13)에 의해 표면온도가 계측되고, 그 결과로부터, 강판(1)에 잔존하는 잔류 응력 분포가 산출된다.

보통, 강판(1)에 잔류응력이 존재한 경우, 제품의 후가공(바 절단)를 행하면, 변형이 발생하기 때문에, 열간 레벨러(14)나 다기능 레벨러(16)를 냉간 레벨러로서 기능시켜, 압연후의 강판(1)을 길이 방향으로 순차로 굽힘 및 젖힘의 변형을 반복하여 가함으로써, 강판 내의 응력상태를 수정하여, 잔류응력이 거의 0이 되도록 한다. 아울러, 강판(1)의 형상을 수정하여, 압연후 발생한 중파(中波)나 엣지 웨이브(이파(耳波))를 없애도록 한다.

그 후, 강판(1)을 본 발명에 따른 용접용 강판으로 하기 위해서, 강판(1)을 재차 다기능 레벨러(16)에 도입하도록 한다.

상세하게는, 다기능 레벨러(16)의 각 분할 백 업 롤의 압하량을 개별적으로 설정하여, 판 폭 방향의 잔류 응력분포를 도 1(a)와 같이 조정한다. 예컨대, 폭 방향으로 5개의 분할 백 업 롤로 이루어지는 경우, 중앙의 1개 내지 3개의 분할 백 업 롤의 압하량을 증가시켜, 레벨링 롤(17)에 의한 강판(1) 중앙의 굽힘량이 증가하도록 한다. 이러한 설정하의 다기능 레벨러(16)에 강판(1)을 통과시킴으로써 폭 방향 내부에 압축 잔류응력을 부가할 수 있다.

한편, 도 5(a) 내지 (c)에 도시되어 있는 바와 같은 응력분포를 부여하는 경우는, 백 업 롤을 10개 정도의 분할 백 업 롤로 구성하여, 압축응력을 부여할 위치에 대응하는 분할 백 업 롤만을 압하시켜, 강판(1)에 압축 잔류응력을 부여하면 좋다.

또한, 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되는 것이 아니다.

즉, 길이 방향을 향하는 용접이 실시되는 부위의 근방에 미리 압축 잔류응력을 부여하여, 용접용 강판의 길이 방향의 수축(판 수축)을 억제 또는 균일화한다는 기술적 사상을 갖는 것은 본원 발명에 속한다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 길이 방향을 향하는 용접이 실시되는 용접용 강판으로서, 상기 강판의 양 단부의 폭 방향 내부 측에 강판 두께 방향으로 압축 잔류응력이 부여되고, 상기 강판의 폭 방향의 양 단부에 상기 압축 잔류응력을 없애도록 강판 두께 방향으로 인장 잔류응력이 부여되고, 용접의 위치가 강판의 단부로부터 폭 방향 내부 측으로 100 mm 이상인 경우, 용접의 위치를 기준으로 해서 양측으로 50 내지 100 mm의 영역에 강판 두께 방향으로 압축 잔류응력이 부여되고, 상기 압축 잔류응력의 값이 0 MPa 초과 50 MPa 이하인, 용접용 강판.
4. 길이 방향을 향하는 용접이 실시되는 용접용 강판으로서, 상기 강판의 양 단부의 폭 방향 내부 측에 강판 두께 방향으로 압축 잔류응력이 부여되고, 상기 강판의 폭 방향의 양 단부에 상기 압축 잔류응력을 없애도록 강판 두께 방향으로 인장 잔류응력이 부여되고, 용접의 위치가 강판의 단부로부터 폭 방향 내부 측으로 50 mm 이내인 경우, 용접의 위치를 기준으로 해서 폭 방향 내부 측으로 50 내지 100 mm의 영역에 강판 두께 방향으로 압축 잔류응력이 부여되고, 상기 압축 잔류응력의 값이 0 MPa 초과 50 MPa 이하인, 용접용 강판.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 압축 잔류응력의 편차가 ±10 MPa 이하인, 용접용 강판.

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