KR101105620B1

KR101105620B1 - 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체

Info

Publication number: KR101105620B1
Application number: KR1020087027716A
Authority: KR
Inventors: 츠네히사 한다; 다카히로 구보; 후미마루 가와바타; 류지 무라오카; 히로시 시오미; 요시유키 나카지마; 마사노부 도요다; 야스마사 나카니시; 노보루 기지
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이 마린 유나이티드; 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2012-01-18
Also published as: WO2007132794A1; CN101443150A; EP2018929A1; JP5144053B2; KR20090010196A; DK2018929T3; JP2007326147A; EP2018929B1; CN101443150B; EP2018929A4

Abstract

선체 구조에 적절한, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용망 구조체를 제공한다. 구체적으로는 웹 (1) 의 플랜지 (2) 와의 맞댐면에 미용착부 (4) 가 잔존하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 구비하고, 바람직하게는 상기 필렛 용접 이음매 (9) 의 이음매 단면에서의 미용착부 (4) 의 폭 (n) 과, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 에 대한 비율 X (%) 와, 상기 플랜지의 공용 온도에서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm^3/2) 가 X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm^3/2)/85 를 만족한다. 더욱 바람직하게는 상기 필렛 용접 이음매 (9) 에서의 미용착부 (4) 를, 필렛 용접 이음매 단면에 있어서, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 의 15∼90% 의 폭으로 한다. 웹 (1) 에 맞댐용접 이음매부 (11) 를 갖는 경우에는, 맞댐용접 이음매부 (11) 의 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 에 대한 비율 X (%) 와, 플랜지 (2) 의 공용 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm^3/2) 가 상기 식을 만족한다.

취성, 균열, 용접 구조체

Description

취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체{WELDED STRUCTURE EXCELLENT IN BRITTLE-CRACKING PROPAGATION STOPPING CHARACTERISTICS}

본 발명은, 예를 들어, 대형 컨테이너선 (Mega-container carrier) 이나 벌크캐리어 (bulk carrier) 등의 후강판 (steel plate) 을 사용하여 용접 시공된 구조물 (welded structure) 의 모재 (base metal) 및 용접 이음매 (weld joint) 에 발생할 가능성이 있는 취성 균열 (brittle crack) 의 전파를, 대규모 파괴에 이르기 전에 정지시키는 취성 균열 전파 정지 특성 (brittle crack arrestability) 이 우수한 용접 구조체에 관한 것으로, 구체적으로는 필렛 용접 이음매 (fillet weld joint) 의 접합 부재 (웹(web)) 에 취성 균열이 발생해도, 피접합 부재 (플랜지 (flange)) 에 대한 취성 균열의 전파를 정지시키는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체에 관한 것이다.

용접 구조체인 컨테이너선이나 벌크 캐리어는, 적재 능력 (carrying capacity) 의 향상이나 하역 효율 (cargo handling efficiency) 의 향상 등을 위해, 상부 개구부 (upper aperture) 를 크게 한 구조로 되어 있다. 이 때문에, 선체의 강성 (rigidity) 및 세로 강도 (longitudinal strength) 를 확보하기 위해, 이들 배에서는 특히 선체 외판 (outer plate of vessel's body) 을 후육화시킬 필 요가 있다.

최근, 컨테이너선은 대형화되어, 6,000∼20,000TEU (twenty-foot e quivalent unit) 의 대형선이 건조되게 되고, 그것에 수반하여, 사용되는 선체 외판은 50mm 이상으로 후육화되는 경향이 있다.

선체 구조 (hull structure) 에 있어서는, 만일 용접부 (weld) 에서 취성 파괴 (brittle fracture) 가 발생했을 경우에도, 취성 균열의 전파를 정지시켜 선체 분리를 방지할 필요가 있는데, 예를 들어 일본 공개특허공보 2004-232052호에는 선박의 선각(船殼) 외판의 보강재 (혹은, 골재라고도 한다. (stiffeners)) 에, 특정한 미크로 조직을 갖고, 내취성 파괴가 우수한 강판을 사용하는 것이 기재되어 있다.

판두께 50mm 미만의 조선용 강판 용접부의 취성 균열 전파 거동에 대해서는, 일본 조선 연구 협회 (The Shipbuilding Reserch Association of Japan) 제 147 위원회에서, 실험적으로 검토가 이루어져 있다.

제 147 위원회에서는, 용접부에서 강제적으로 발생시킨 취성 균열의 전파 경로, 전파 거동을 실험적으로 조사한 결과, 용접부의 파괴 인성 (靭性) (fracture toughness) 이 어느 정도 확보되어 있으면, 용접 잔류 응력 (welding residual stress) 의 영향에 의해 취성 균열은 용접부에서 모재측으로 벗어나는 경우가 많지만, 용접부를 따라 취성 균열이 전파된 예도 복수 확인되었다. 이것은, 취성 파괴가 용접부를 따라 직진 전파될 가능성이 없는 것으로는 단언할 수 없다는 것을 시사하고 있다.

그러나, 제 147 위원회에서 적용한 용접과 동등한 용접을 판두께 50mm 미만의 강판에 적용하여 건조된 선박 (ships) 이 이상없이 취항 (actual service) 하고 있다는 많은 실적이 있다는 점에 덧붙여 인성이 양호한 강판 모재 (조선 E 급 강 등) 는 취성 균열을 정지시키는 능력이 충분히 있다는 인식에서, 조선용 강재 용접부의 취성 균열 전파 정지 특성은 선급 규칙 (Rules and Guidance for the survey and construction of steel ships) 등에는 요구되지 않았다.

그러나, 최근의 6,000TEU 를 초과하는 대형 컨테이너선에서는 강판의 판두께는 50mm 를 초과하고, 판두께 효과에 따라 파괴 인성이 저하된다는 점에 덧붙여 용접입열 (welding heat input) 도 보다 커지기 때문에 용접부의 파괴 인성 (fracture toughness) 이 더욱 저하되는 경향이 있다.

최근, 이와 같은 후육 대입열 용접 이음매 (large heat input weld joint of heavy gauge steel plate) 에서는, 용접부에서 발생한 취성 균열은 모재측으로 휘지 않고 직진하고, 골재 (혹은, 보강재라고도 한다. stiffeners) 등의 강판 모재부에서도 정지하지 않을 가능성이 있다는 것이 실험적으로 나타나고 (야마구치들 : 「초대형 컨테이너선 (Mega-container carrier) 의 개발-새로운 고강도 극후강판 (new high stregth heavy gauge steel plate) 의 실용-」, 일본 선박 해양 공학 회지, 3, (2005), P70), 50mm 이상의 판두께의 강판을 적용한 선체 구조의 안전 확보 면에서 큰 문제로 되어 있다. 또한, 균열 정지를 위해 특별한 특성을 갖는 강판이 필요하다는 지적도 있다.

그래서, 본 발명은 후강판 및 그 용접부에 있어서, 만일, 취성 파괴가 발생 한 경우에도, 대규모 파괴 (catastrophic fracture) 에 이르기 전에 취성 균열을 정지시키는 용접 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

본 발명자들은, 상기 과제의 해결을 목표로 예의 검토하고, 필렛 용접부의 이음매 단면에 있어서의 접합 부재 (웹 (1)) 의, 피접합 부재 (플랜지 (2)) 와의 맞댐면에, 피접합 부재 (플랜지 (2)) 의 취성 균열 전파 정지 성능에 따른 치수 n 의 미용착부 (4) (un-welded face) 를 확보함으로써, 판두께 50mm 이상의 후물재에 있어서의 취성 균열의 전파를 필렛 용접부의 웹 (1) 과 플랜지 (2) 의 맞댐면에서 정지시킬 수 있다는 것을 알아냈다.

또한, 접합 부재 (웹 (1)) 가 맞댐 용접 이음매 (butt joint) (11) 로 접합된 강판의 경우에는, 피접합 부재 (플랜지 (2)) 의 취성 균열 전파 정지 성능에 따른 치수의 미용착부 (4) 를, 상기 맞댐 용접 이음매 (11) 의 용접부와 피접합 부재 (플랜지 (2)) 의 맞댐면에 확보함으로써 동일한 취성 균열 전파 정지 특성이 얻어진다는 것을 알아냈다.

즉, 본 발명은,

1. 웹 (1) 과 플랜지 (2) 의 맞댐면에 미용착부 (4) 가 잔존하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 구비한 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

2. 웹 (1) 과 플랜지 (2) 의 맞댐면에 미용착부 (4) 가 잔존하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 구비한 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체로서, 상기 필렛 용접 이음매 (9) 의 이음매 단면에서의 미용착부 (4) 의 폭 (n) 과, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (leg length) (3) (3a, 3b) 의 합 L 에 대한 비율 X (%) 와, 상기 피접합 부재 (플랜지 (2)) 의 공용 온도 (service temperature) 에서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm^3/2)의 관계가, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체. 또한, 비율 X 는 미용착 비율 X 라고도 한다.

X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm³ ^/2}/85

3. 상기 필렛 용접 이음매 (9) 에 있어서의 미용착부 (4) 가, 용접 이음매 단면에 있어서, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 의 15∼90% (X) 가 되는 폭 (n) 인 것을 특징으로 하는 2 에 기재된 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

4. 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매 (11) 에 의해 접합된 강판이고, 당해 맞댐 용접 이음매 (11) 의 용접부가 플랜지 (2) 와 교차하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 구비한 용접 구조체로서, 적어도 상기 맞댐 용접 이음매 (11) 의 용접부와 플랜지 (2) 의 맞댐면에 미용착부 (4) 가 잔존하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

5. 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매 (11) 에 의해 접합된 강판이고, 당해 맞댐 용접 이음매 (11) 의 용접부가 플랜지 (2) 와 교차하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 구비한 용접 구조체로서, 상기 맞댐 용접 이음매 (11) 의 용접부와 플랜지 (2) 가 교차하는 필렛 용접 이음매 (9) 의 교차부의 이음매 단면에 있어서의 미용착부 (4) 의 폭 (n) 과, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 에 대한 비율 X (%) 와, 상기 플랜지의 공용 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm³ ^/2) 의 관계가, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm³ ^/2)}/85

6. 상기 미용착부 (4) 의 폭 (n) 이, 필렛 용접 이음매 단면에 있어서, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 의 15∼90% (X) 가 되는 것을 특징으로 하는 5 에 기재된 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

또한, 상기 2, 3, 5 및 6 에서 말하는 「필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b)」란, 도 1a, 도 1b 및 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 각각 용접 전의 모재의 구석부 (Fa 또는, Fb) 에서 용접 금속의 토우 (Ta 혹은, Tb) 에 이르는 길이 (3a 혹은 ; 3b) 를 말한다. 또한, 상기 2, 3, 5 와 6 에서 말하는 「웹 (1) 의 판두께 t」는, 바람직하게는 웹 (1) 이 플랜지 (2) 에 접하는 길이 (t) 또는, 맞댐 용접부의 용접 금속 높이 (t') 인데, 웹 (1) 과 플랜지 (2) 의 교차각 (θ) 이 직각이 아닌 경우나, 용접 덧살 때문에, 웹 (1) 의 판두께 (t) 를 초과하여, 실제의 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 일치하지 않는 경우가 있다. 그러나, 하기에 서술한 바와 같이, 「웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L」은, 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 왼쪽의 용접 금속의 토우 (toe) (Ta) 에서 오른쪽의 용접 금속의 토우 (Tb) 까지의 길이 (L) 와 동등하고, L 을 구하려면, Ta 에서 Tb 의 길이를 측정하는 것이 용이하다. 이 때문에, 특히, 교차각 (θ) 이나 용접 금속 높이 (t') 를 측정할 필요는 없기 때문에, 상기 2, 3, 5 와 6 이나 청구항에서는, 편의상 웹 (1) 의 판두께 (t) 라고 표현한다.

본 발명은, 플랜지 (2) 가 되는 강판의 취성 균열 전파 정지 성능에 따라, 필렛 용접 금속 (5) 의 웹 (1) 의, 플랜지 (2) 와의 맞댐면에 적절한 치수 n 의 미용착부 (4) 를 남기고, 종래 곤란했던 판두께 50mm 이상의 후물재에 있어서의 취성 균열의 전파를 정지시킬 수 있다.

그 결과, 선체 등에 만일 취성 균열이 발생하여 전파되었을 경우에도, 선체 분리 등의 대규모의 취성 파괴의 위험성을 회피할 수 있고, 강구조물 특히 선체 구조의 안전성을 확보하는 데 크게 기여하여, 산업상 매우 유용하다.

또한, 시공시에 미용착부의 치수를 조정함으로써 취성 균열 전파 정지 성능이 상이한 강판 (제조 코스트가 상이한 강판) 을 적절히 분리하고, 특별한 강판을 사용하지 않고, 안전성을 손상시키지 않고 용접 구조체 제조의 토탈코스트 저감이 가능하다.

도 1a : 필렛 용접 이음매 (9) 의 각 부를 설명하는 도면으로서, 웹 (1) 과 플랜지 (2) 가 직교하고 있는 경우를 나타낸다.

도 1b : 필렛 용접 이음매 (9) 의 각 부를 설명하는 도면으로서, 웹 (1) 과 플랜지 (2) 가 경사지게 교차하고 있는 경우를 나타낸다.

도 2a : 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매 (11) 에 의해 접합된 강판이고, 맞댐 용접 이음매부 (11) 가 플랜지 (2) 와 교차하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 나타내는 외관도.

도 2b : 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매 (11) 에 의해 접합된 강판이고, 맞댐 용접 이음매부 (11) 에 있어서의 이음매 단면 형상을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도 3a : 십자형 ESSO 시험편의 형상을 설명하는 도면으로서, 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매 (11) 가 없는 모재로 이루어지는 경우를 나타내는 도면이다.

도 3b : 십자형 ESSO 시험편의 형상을 설명하는 도면으로서, 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매부 (11) 를 갖는 경우를 나타내는 도면이다.

도 4 : 도 3a 의 십자형 ESSO 시험편에 의한 시험 결과를 나타내는 도면이다.

도 5 : 도 3b 의 십자형 ESSO 시험편에 의한 시험 결과를 나타내는 도면이다.

(부호의 설명)

1 : 웹 (t : 웹의 판두께), 2 : 플랜지,

3 : 다리 길이 (3a : 왼쪽 필렛 용접 금속 (5) 다리 길이, 3b : 오른쪽 필렛 용접 금속 (5) 의 다리),

4 : 미용착부 (n : 미용착부의 폭),

5 : 필렛 용접 금속, 7 : 기계 노치,

8 : 임시 용접부,

9 : T 자형 필렛 용접 이음매 (Fa, Fb : 용접 전의 모재의 모퉁이부, Ta, Tb : 좌우의 용접 금속의 토),

10 : 슬릿, 11 : 맞댐 용접 이음매부 (t' : 맞댐 용접 이음매의 용접 금속 높이), θ : 웹와 플랜지의 교차각,

L : 웹의 판두께 (t,t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3a, 3b) 의 합 (L = t ＋ 3e ＋ 3b 또는, L = t' ＋ 3a ＋ 3b) (Ta 에서 Tb 에 도달하는 길이와 동등)

X : 미용착 비율 (X = 100ㆍn/L)

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

도 1a 와 도 1b 는 필렛 용접 이음매의 이음매 단면 형상을 나타내고, 도 1a 는 접합 부재 (웹) (이하 웹 (1)) 가 피접합 부재 (플랜지) (이하, 플랜지 (2)) 에 대해 직립되어 장착되어 있는 경우, 도 1b 는 웹 (1) 이 플랜지에 대해, 사선으로 장착되어 있는 경우를 나타낸다.

이하의 본 발명의 한정 이유의 설명에 있어서의 각 부는 도 1a 와 도 1b 에 나타내는 것으로 한다. 단, 도 1b 에 나타내는 필렛 용접 이음매 (9) 의 경우에는, 후기하는 비율 X (%) 를 구하는 경우의 웹 (1) 의 판두께 (t) 로 하고, 웹 (1) 과 플랜지 (2) 와 교차부의 길이, 즉, 웹 (1) 의 강판의 판두께 t/COS (90˚- θ) (단, θ 은 웹 (1) 과 플랜지 (2) 의 교차각으로 θ < 90˚) 를 사용한다. 또한, 전술한 바와 같이, 「웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L」 은, 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 왼쪽의 용접 금속의 토우 Ta 에서 오른쪽의 용접 금속의 토우 (Tb) 까지의 길이 (L) 와 동등하고, Ta 에서 Tb 까지의 길이를 측정하는 것이 보다 간편하기 때문에 일부러 교차각 (θ) 을 구하여 웹 (1) 의 판두께 (t) 를 구할 필요는 없다.

본 발명에서는, 필렛 용접 이음매의 웹 (1) 의 플랜지 (2) 와의 맞댐면에 미용착부 (4) 를 잔존시킨다. 필렛 용접 이음매에 있어서, 웹 (1) 의 플랜지 (2) 와의 맞댐면은 균열 전파면이 되므로, 당해 맞댐면에 미용착부 (4) 를 잔존시킨다.

미용착부 (4) 가 잔존됨으로써, 웹 (1) 을 전파하여 온 취성 균열 선단의 에너지 해방률 (energy release rate) (균열 진전 구동력) 이 저하되고, 당해 맞댐면에서, 취성 균열은 정지하기 쉬워진다.

미용착부 (4) 의 존재에 따라, 취성 균열 선단의 에너지 해방률 (균열 진전구동력) 이 저하되므로, 예를 들어, 플랜지 (2) 측에 전파되어도, 균열은 필렛 용접부의 모든 부위 (필렛 용접 금속 (5), 열 영향부 (도 1a 와 도 1b 에서는 생략)) 및 플랜지 (2) 의 모재로 정지한다.

필렛 용접 이음매의 이음매 단면에서의, 웹 (1) 의 플랜지 (2) 와의 맞댐면에 있어서의 미용착부 (4) 의 치수 n 은 플랜지 (2) 의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm³ ^/2) 와의 관계에 있어서 규정하는 것이 바람직하다.

필렛 용접 이음매의 이음매 단면에 있어서의 미용착부 (4) 의 폭 길이 (n) 과, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) (3) 의 합 L 에 대한 비율 X (%) (X = 100Xㆍn/L) 와, 상기 플랜지 (2) 에 사용하는 강판의 공용 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm^3/2) 의 관계를, (1) 식을 만족하도록 하여 설정한다.

X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm³ ^/2)}/85…(1)

비율 X (%) 가 작아지면 취성 균열 선단의 에너지 해방률 (균열 진전 구동력) 의 저하가 적어져 취성 균열이 정지하기 어려워지지만, 플랜지 (2) 에 사용하는 강판의 Kca 치가 크면 취성 균열을 정지시키는 것이 가능하다.

또한, 필렛 용접 이음매에 있어서의 미용착부 (4) 는 그 폭 (n) 을, 필렛 용접의 이음매 단면에 있어서, 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) (3) 의 합 L 의 15∼90% (X) 의 길이로 하는 것이 바람직하다.

미용착부 (4) 의 폭 길이 (n) 이 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 웹 (1) 의 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 의 15% 미만이 되면, 취성 균열 선단 (brittle crack tip) 의 에너지 해방률 (energy release rate) (균열 진전 구동력 (crack growth driving force)) 의 저하가 적어져 취성 균열이 정지하기 어려워진다.

또한, 미용착부 (4) 의 폭 길이 (n) 이 웹 (1) 의 판두께 (t) 와 웹 (1) 의 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3, 3b) 의 합 L 의 90% (X) 를 초과하면, 이음매 강도 (strength of joint) 의 확보가 어려워진다. 그러므로, 본 발명에서는, X 는 15% 이상, 90% 이하의 범위에 한정되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기 서술한 바와 같이 미용착부 (4) 를 웹 (1) 의 모재와 플랜지 (2) 의 맞댐면의 필렛 용접 이음매 (9) 의 전체 길이에 걸쳐서 잔존시키면, 웹 (1) 의 모재부 중 어디에서 취성 균열이 발생한 경우라도 취성 균열은 정지할 수 있고, 취성 파괴의 위험성을 회피할 수 있기 때문에, 미용착부 (4) 를 웹 (1) 의 필렛 용접 이음매 (9) 의 전체 길이에 걸쳐서 잔존시키는 것이 바람직하다.

또한, 미용착 비율 X 는 임의의 미용착부를 가진 필렛 용접 이음매 단면에서 구해진 평균치이다.

또한, 취성 파괴는, 결함이 적은 강판 모재부에서 발생하는 경우에는 극히 드물고, 과거의 취성 파괴 사고의 상당수는 용접부에서 발생하고 있다. 도 2a 와 도 2b 는 웹 (1) 이 맞댐 용접 이음매 (11) 에 의해 접합된 강판이고, 맞댐 용접 이음매부 (11) 의 용접부 (이하, 맞댐 용접 이음매부 (11)) 가 플랜지 (2) 와 교차하는 필렛 용접 이음매 (9) 를 나타내고, 도 2a 는 외관도, 도 2b 는 맞댐 용접 이음매부 (11) 에 있어서의 이음매 단면 형상 (shape of cross section of weld) 을 모식적으로 나타낸다.

도 2a 와 도 2b 에 나타내는 필렛 용접 이음매 (9) 의 경우에는, 맞댐 용접 이음매부 (11) 에서 발생하는 취성 균열의 전파를 방지하기 때문에, 적어도 맞댐 용접 이음매 (11) 와 플랜지 (2) 의 맞댐면에 미용착부 (4) 를 잔존시키는 것이 필요하다.

또한, 취성 균열이 모재측으로 벗어날 가능성이 있고, 상기 서술한 미용착부 (4) 는 보다 바람직하게는 맞댐 용접 이음매 (11) 의 전후의 필렛 용접 이음매 (9) 의 맞댐 용접 이음매 (11) 를 포함하고 그 전후 500mm 로 잔존시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 서술한 바와 같이 미용착부 (4) 를 웹 (1) 의 모재와 플랜지 (2) 의 맞댐면에 잔존시키면, 웹 (1) 의 모재부에서 취성 균열이 발생한 경우라도 취성 균열은 정지되기 쉽기 때문에, 미용착부 (4) 를 웹 (1) 의 필렛 용접 이음매 (9) 의 전체 길이에 걸쳐서 잔존시켜도 된다.

필렛 용접 이음매 (9) 에 있어서, 맞댐 용접 이음매부 (11) 와 플랜지 (2) 가 교차하는 교차부의 이음매 단면에 있어서의 미용착부 (4) 의 폭 (n) 과, 맞댐 용접 이음매부 (11) 의 웹 (1) 의 판두께 방향의 두께 (t), 즉, 맞댐 용접 이음매부 (11) 의 용접 금속 높이 (height of weld metel) (t') 의 평균치와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) (도 1a 와 도 1b 와 동일한 정의로 한다) 의 합 L 에 대한 비율 X (%) 와, 플랜지 (2) 에 사용하는 강판의 공용(供用) 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm³ ^/2) 는, 상기 (1) 식을 만족하도록 규정하면 바람직하다. 비율 X (%) 는 맞댐 용접 이음매부 (11) 의 가장 취화부 BOND 부에 있어서의 이음매 단면 형상에 있어서 구한 값으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 전술한 바와 같이, 「웹 (1) 의 판두께 (t) 와 좌우의 필 렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L」은, 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 왼쪽의 용접 금속의 토우 (toe) (Ta) 에서 오른쪽의 용접 금속의 토우 (Tb) 까지의 길이 (L) 와 동등하고, 일부러 용접 금속 높이 (t') 의 평균치를 구하지 않아도, Ta 에서 Tb 까지의 길이를 측정하는 것이 보다 간편하다.

또한, 맞댐 용접 이음매부 (11) 와 플랜지 (2) 의 교차부에 있어서도, 미용착부 (4) 의 폭 (n) 을, 필렛 용접 이음매 단면에 있어서, 맞댐 용접 이음매부 (11) 의 용접 금속 높이 (t') 의 평균치와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 의 15∼90% (X) 로 하는 것이 바람직하다.

도 2a 와 도 2b 는 웹 (1) 의 맞댐 용접 이음매부 (11) 와 플랜지 (2) 가 직교하는 경우를 나타냈는데, 교차각 (θ) 으로 경사지게 교차시켜도 된다. 도 2a 와 도 2b 의 필렛 용접 이음매는, 먼저 웹 (1) 끼리를 맞댐 용접하고, 다음으로, 얻어진 맞댐 용접 이음매를 플랜지 (2) 에 필렛 용접하여 제조한다.

본 발명에 관련된 용접 구조체는 상기 서술한 필렛 용접 이음매 (9) 를 갖는 것으로, 예를 들어, 선박의 선체 외판을 플랜지 (2) 로 하고, 격벽 (bulk head) 을 웹 (1) 으로 하는 선체 구조, 또는 데크 (deck) 를 플랜지 (2) 로 하고, 해치 (hatch) 를 웹 (1) 으로 하는 선체 구조 등에 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 관련된 용접 구조체는, 특히, 물결에 의한 굽힘 응력이 크게 가해지는 선체 중앙 부근에서는, 선체 선미단보다 웹 (1) 의 모재부나 맞댐 용접부에서 취성 균열이 발생할 위험성이 비교적 높기 때문에, 이 미용착부 (4) 는 선체 중앙 부근의 선체 외판 등의 필렛 용접 이음매 (9) 에 형성하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 이 선체 중앙부 부근에서는, 웹 모재나 맞댐 용접부 중 어디에 취성 균열이 발생해도 취성 균열이 정지되기 쉬워지도록, 미용착부 (4) 는 필렛 용접 이음매 (9) 의 전체 길이에 잔존시킴으로써, 취성 파괴의 위험성이 한층 더 저감시킬 수 있으므로, 더욱 바람직하다.

또한, 선체의 선단이나 미단 부근에서는, 웹 (1) 의 모재부나 맞댐 용접부 (11) 로 취성 균열이 발생할 가능성이 선체 중앙 부근보다 비교적 낮기 때문에, 이 미용착부 (4) 는 적어도 웹 (1) 의 맞댐 용접부 (11) 에 잔존시키고, 그 밖의 필렛 용접 이음매 (9) 에는, 부분적으로 잔존시켜도 된다. 그러나, 선체의 선단이나 미단 부근에서도, 이 미용착부 (4) 를, 필렛 용접 이음매 (9) 의 전체 길이에 잔존시키면, 웹 (1) 의 모재나 맞댐 용접부 (11) 중 어디에 취성 균열이 발생해도, 취성 균열을 정지할 수 있으므로, 보다 바람직하다. 즉, 상기 서술한 미용착부 (4) 는 선체의 전체 길이의 선체 외판 등의 필렛 용접 이음매 (9) 의 전체 길이에 잔존시키는 것이 더욱 바람직하다.

상기에서 서술한 바와 같은 본원 발명의 용접 구조체는, 취성 파괴의 위험성을 회피할 수 있고, 강구조물 특히 선체 구조의 안전성을 확보하는 데 크다.

본 발명에 관련된 용접 구조체는 판두께 50mm 를 초과하는 후판을 사용하는 경우에 특히 우수한 효과를 발휘하는데, 강판 두께가 50mm 미만이어도 된다. 또한, 종래의 선체 구조에 있어서는, 시행상, 필렛 용접을 실시한 후에 웹의 맞댐 용접을 실시하므로, 필렛 용접 이음매 (9) 의 웹 (1) 의 맞댐 용접 이음매부 (11) 와 플랜지의 맞댐면은 용접되어 버리고, 플랜지 (2) 의 맞댐면에는 미용착부 (4) 는 존재하지 않는다.

여러 가지의 판두께 및 취성 균열 전파 정지 인성 (-10℃ 에서의 Kca) 을 갖는 강판을 사용하여 여러 가지 미용착부의 비율 X (웹 (1) 의 판두께 (t) 와 웹 (1) 의 좌우의 필렛 용접부의 다리 길이 (3) (3a, 3b) 의 합 L 에 대한 미용착부의 폭 길이 (n) 의 비율) 를 갖는 T 자형의 필렛 용접 이음매 (9) 를 제작하였다. T 자형의 필렛 용접 이음매 (9) 는 웹 (1) 이 강판이 모재뿐인 경우와 웹 (1) 을 맞댐 용접 이음매 (11) 로 하는 경우에 대해 제조하였다. 또한, 맞댐 용접 이음매 (11) 는 1 패스 대입열 용접 (표 2 에서, EGW (electro gas arc) 또는, 2 전극 EGW 로 표시) 혹은 다층 CO₂ 용접 (multilayer carbon-dioxide welding) 으로 제작하였다.

얻어진 T 자형 필렛 용접 이음매 (9) 를 사용하여 도 3a, 도 3b 에 나타내는 십자형 ESSO 시험편을 제작하여 취성 균열 전파 정지 시험 (brittle crack arrestability test) (ESSO 시험) 에 제공하였다. 십자형 ESSO 시험편은 T 자형 필렛 용접 이음매 (9) 의 플랜지 (2) 의 하방으로 임시 용접 (8) 으로, 웹 (1) 과 동일한 판두께의 강판을 용접하였다.

도 3a 에 나타내는 십자형 ESSO 시험편은 웹 (1) 이 모재뿐이고, 도 3b 에 나타내는 십자형 ESSO 시험편은 웹의 맞댐 용접 이음매부 (11) 를 플랜지 (2) 와 직교하도록 제조하여 기계 노치 (mechanical notch) (7) 의 선단을 맞댐 용접 이음 매부 (11) 의 BOND 부로 하고, 필렛 용접을 시험편의 전체 길이 500mm 로 실시하였다.

ESSO 시험은, 기계 노치에 타격을 주어 취성 균열을 발생시켜 전파된 취성 균열이 필렛 용접 금속 (5) 으로 정지되는지의 여부를 조사하였다. 어느 시험도, 응력 24kgf/㎟, 온도 -10℃ 의 조건에서 실시하였다. 응력 24kgf/㎟ 는, 선체에 다용되고 있는 항복 강도 (yield strength) 36kgf/㎟ 급 강판의 최대 허용 응력 (maximum allowable stress) 이고, 온도 -10℃ 는 선박의 설계 온도 (design temperatuer) 이다. 또한, 도 3a 와 도 3b 의 하측의 슬릿 (10) 은, 기계 노치 (7) 와 깊이가 동일하고, 웹 (1) 에 있어서, 기계 노치 (7) 와 대칭 위치에 있다. 이 슬릿 (10) 은, ESSO 시험 중 (인장 하중) 에 노치 (7) 와 밸런스를 취하고, 시험편이 변형하지 않도록 하기 위해 형성되어 있다.

표 1, 2 에 강판의 판두께, KcA 와 아울러 시험 결과를 나타낸다. 또한, 표 1 의 시험 결과를 도 4 에, 표 2 의 시험 결과를 도 5 에 나타낸다. 표 1 은 도 3a 의 십자형 ESSO 시험편에 의한 시험 결과를 나타내고, (1) 식을 만족하는 발명예에서는 취성 균열이 웹 (1) 에서 플랜지 (2) 로 전파하지 않고 정지하였다. 또한, 표 1, 2 에서는, 결과의 란에 「정지」라고 표시하였다. 플랜지 (2) 에 취성 균열이 전파된 경우에는, 「관통」이라고 표시하였다.

표 2 는 도 3b 의 십자형 ESSO 시험편에 의한 시험 결과를 나타내고, (l) 식을 만족하는 발명예에서는 취성 균열이 맞댐 용접부 (11) 에서 플랜지 (2) 로 전파하지 않고 정지하였다. 표 2 중, No.2-0.3-0.4-0 은 웹의 맞댐 용접 이음매부 (11) 와 플랜지의 교차부에 미용착부가 없기 때문에 균열이 플랜지 (2) 로 전파된 경우의 시험 결과를 나타낸다. 또한, 표 2 의 균열 전파부의 란에서, 「WM」는, 용접 금속부 (weldmetal) 를 균열이 전파하고, 「Bond」는 용접 이음매의 본드부 (bond) 를 균열이 전파한다는 것을 나타낸다.

또한, 표 1, 2 에 있어서의 필렛 용접 이음매의 미용착 비율 X (%) 는, 기계 노치 (7) 에서 좌우로 50mm 떨어진 2 지점의 필렛 용접 이음매 단면을 측정하고, 그 평균치로부터 구한 것이다. 또한, 표 1, 2 의 란에 있는 평균 다리 길이는, 2 지점의 필렛 용접 이음매 단면의 필렛 용접 금속의 다리 길이의 평균치이다. 또한, 전술한 바와 같이, 「웹 (1) 의 판두께 (t, t') 와 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 다리 길이 (3a, 3b) 의 합 L」은, 좌우의 필렛 용접 금속 (5) 의 왼쪽의 용접 금속의 토우 (Ta) 에서 오른쪽의 용접 금속의 토우 (Tb) 까지의 길이 (L) 와 동등하고, Ta 에서 Tb 의 길이를 측정하는 것이 보다 간편하다.

발명의 효과

본 발명은, 플랜지 (2) 가 되는 금판의 취성 균열 전파 정지 성능에 따라, 필렛 용접 금속 (5) 의 웹 (1) 의, 플랜지 (2) 와의 맞댐면에 적절한 치수의 미용착부 (4) 를 남기고, 종래 곤란했던 판두께 50mm 이상의 후물재에서의 취성 균열의 전파를 정지시킬 수 있다.

그 결과, 선체 등에 만일 취성 균열이 발생하여 전파된 경우라도, 선체 분리등의 대규모 취성 파괴의 위험성을 회피할 수 있고, 강구조물 특히 선체 구조의 안전성을 확보하는 데 크게 기여하여, 산업상 매우 유용하다.

또한, 시공시에 미용착부 (4) 의 치수 n 을 조정함으로써 취성 균열 전파 정지 성능이 상이한 강판 (제조 비용의 상이한 강판) 을 적절히 구분하여 사용하고, 특별한 강판을 사용하지 않고, 안전성을 손상시키기 않으며 용접 구조체 제조의 토탈코스트를 저감할 수 있다.

Claims

웹과 플랜지의 맞댐면에 미용착부가 잔존하는 필렛 용접 이음매를 구비하고,

상기 필렛 용접 이음매의 이음매 단면에 있어서의 미용착부의 폭과 웹의 판두께와 좌우의 필렛 용접부의 다리 길이의 합에 대한 비율 X (%) 와, 상기 플랜지의 공용 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 (靭性) Kca (N/mm^3/2) 의 관계가, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm^3/2)}/85
제 1 항에 있어서,

상기 웹이 맞댐 용접 이음매로 접합된 강판이고, 당해 웹의 맞댐 용접 이음매의 용접부가 플랜지와 교차하는 필렛 용접 이음매를 구비한 용접 구조체로서, 상기 웹과 플랜지의 맞댐면의 미용착부가, 적어도 상기 웹의 맞댐 용접 이음매의 용접부와 플랜지의 맞댐면인 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 필렛 용접 이음매에 있어서의 미용착부의 미용착 비율 X 가, 필렛 용접 이음매 단면에 있어서, 웹의 판두께와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이의 합에 대해 15∼90% 인 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.
웹과 플랜지의 맞댐면에 미용착부가 잔존하는 필렛 용접 이음매를 구비한 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체로서, 상기 필렛 용접 이음매의 이음매 단면에 있어서의 미용착부의 폭과, 웹의 판두께와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이의 합에 대한 비율 X (%) 와, 상기 플랜지의 공용 온도에서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm^3/2) 의 관계가, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm^3/2}/85
제 5 항에 있어서,

상기 필렛 용접 이음매에 있어서의 미용착부가, 필렛 용접 이음매 단면에 있어서, 웹의 판두께와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이의 합의 15∼90% 가 되는 폭인 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.
웹이 맞댐 용접 이음매로 접합된 강판이고, 당해 맞댐 용접 이음매의 용접부가 플랜지와 교차하는 필렛 용접 이음매를 구비한 용접 구조체로서, 적어도 상기 맞댐 용접 이음매의 용접부와 플랜지의 맞댐면에 미용착부가 잔존하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.
맞댐 용접 이음매의 용접부와 플랜지가 교차하는 필렛 용접 이음매의 교차부의 이음매 단면에 있어서의 미용착부의 폭과, 웹의 판두께와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이의 합에 대한 비율 X (%) 와, 상기 플랜지의 공용 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca (N/mm^3/2) 의 관계가, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.

X (%) ≥ {5900 - Kca (N/mm^3/2)}/85
제 8 항에 있어서,

상기 미용착부의 폭이, 필렛 용접 이음매 단면에 있어서, 웹의 판두께와 좌우의 필렛 용접 금속의 다리 길이의 합의 15∼90% 가 되는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체.