KR101120124B1

KR101120124B1 - 전봉 강관의 제조 방법 및 고Ｓｉ 또는 고Ｃｒ 함유 전봉 강관

Info

Publication number: KR101120124B1
Application number: KR1020097016868A
Authority: KR
Inventors: 히데키 하마타니; 신지 고다마; 노부오 미즈하시; 스나오 다케우치; 도모히로 나카지; 다카시 미야카와; 히토시 아사히; 미치토시 다니모토; 미치마사 무카이
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2012-03-23
Also published as: JP4890609B2; WO2008108450A1; TW200900173A; RU2009136411A; CN101622084B; EP2133160A1; RU2429093C2; TWI330554B; US9050681B2; EP2133160A4; US20100104888A1; KR20090105969A; JPWO2008108450A1; CN101622084A

Abstract

본 발명은 산화물 기인의 용접 결함을, 플라즈마 조사에 의하여 안정적으로 저감할 수 있고, 또한 플라즈마 제트음도 저감할 수 있는 전봉 강관의 제조 방법을 제공하는 것으로, 강판(1)을 관 모양으로 성형 가공하고, 그 이음 단면(4)을 전봉 용접할 때에, 용접점(9)보다 용접 상류측에서 온도가 650℃ 이상이 되는 영역(6) 중에서 적어도 이음 단면(4a)에 대하여, H₂ 가스: 2 내지 50 체적% 함유하고, 잔부가 Ar 가스 단독, 또는 Ar 가스에 N₂가스, He 가스 또는 그 양쪽 모두가 첨가된 혼합 가스로 이루어지는 환원성 가스에 전압을 인가함으로써 발생한 환원성 고온 (의사) 층류 플라즈마를 취부한다. 이 때, 인가 전압을 120 V 초과로 하고, 아래 (1) 식을 만족하는 플라즈마 분사 조건으로 하는 것이 좋다.

전봉 강관, 고온 층류 플라즈마, 용접 결함, 플라즈마 제트음

Description

전봉 강관의 제조 방법 및 고Ｓｉ 또는 고Ｃｒ 함유 전봉 강관{METHOD FOR PRODUCING STEEL CONDUIT TUBE AND HIGH SI COMPONENT OR HIGH CR COMPONENT STEEL CONDUIT TUBE}

본 발명은 주로 석유 또는 천연 가스용 라인 파이프, 유정관 및 원자력용, 지열용, 화학 플랜트용, 기계 구조용 및 일반 배관용 강관 등에 사용되는 전봉 강관의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 Cr 및 Si 등의 산화물을 생성하기 쉬운 원소를 많이 함유하는 강판을 강관의 소재로서 사용하는 경우에 매우 적합한 전봉 강관의 제조 방법 및 고Si 또는 고Cr 함유 전봉 강관에 관한 것이다.

도 4는 종래의 전봉 강관의 제조 방법을 나타내는 모식도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 종래의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 일반적으로 띠 모양의 강판(101)을 방향 110을 향하여 연속적으로 반송하면서, 다수의 롤군(도시하지 않음)에 의하여 관 모양으로 성형하고, 그 이음 단면(104)을 고주파 코일(102)에 의한 유도 가열 또는 콘택트 칩에 의한 직접 통전 가열에 의하여 용융하는 동시에, 스퀴즈 롤(103)에 의하여 업셋을 가함으로써, 이음 단면(104)에 용접 심(seam)(105)을 형성하여 전봉 강관으로 하고 있다.

이와 같은 종래의 전봉 강관의 제조 공정에 있어서는, 전봉 용접시에 이음 단면(104)이 대기에 노출되기 때문에, 그 표면에 산화물이 생성되고, 이것이 스퀴즈 아웃되지 않고 잔류하여, 용접부에 페네트레이터(penetrator)라고 불리는 산화물에 기인하는 용접 결함이 발생하는 경우가 있다. 특히, Cr 함유량이 2 내지 11 질량%인 Cr 함유 강, Cr 함유량이 12 질량% 이상인 스테인리스강, 페라이트-마르텐사이트 복합 조직 강(DP 강; 제2 상의 마르텐사이트의 체적 분율 5% 이상) 및 페라이트-오스테나이트형 복합 조직 강[TRIP형 복합 조직 강; 체적 분율 5% 이상인 잔류 오스테나이트의 변태 유기 소성(Transformation Induced Plasticity)을 이용한 저합금 고강도 강] 등과 같이, Cr이나 Si 등의 산화물을 생성하기 쉬운 원소를 많이 함유하는 강판을 사용하는 경우에는 용접부에 페네트레이터가 발생하기 쉽다. 이와 같은 용접 결함은 강관의 저온 인성, 내식성 및 냉간 가공성을 저하하는 원인이 되기 때문에, 종래에는 전봉 강관의 제조 공정에 있어서는 전봉 용접시에 불활성 가스 실드(gas shield)에 의하여 용접부의 분위기 중의 산소량을 줄임으로써, 페네트레이터의 발생을 줄이고자 하였다. 그러나, 불활성 가스 실드에서는 공기가 혼입되는 경우 등이 있기 때문에, 전봉 용접부의 분위기를 안정적으로 저산소 상태로 하는 것이 곤란하다. 한편, 전봉 용접부의 저산소 상태를 안정적으로 유지하려면 대규모 실드 장치가 필요하게 되어 생산성이 크게 저하된다.

또한, 본 발명자들은 강관의 전봉 용접시에 이음 단면에 1400℃ 이상의 환원성 고온 연소염(燃燒炎) 또는 비산화성 고온 플라즈마를 소정의 유속으로 취부함으로써, 이음 단면에서의 산화물 생성을 억제하고, 또한 산화물의 배출을 촉진시키는 전봉 강관의 제조 방법을 제안하고 있다(일본 공개 특허 공보 2004-298961호 참조 ). 이 일본 공개 특허 공보 2004-298961호에 기재된 기술은 종래의 방법에 비하여, 생산성을 저하시키지 않고, 전봉 용접부의 페네트레이터를 저감할 수 있다. 그러나, 이 방법은 용접부의 페네트레이터를 더욱 줄이기 위하여, 고온 연소염 또는 플라즈마의 유속을 증가시켜 열류체의 전탄력을 높이면, 용접부 주위 공기의 혼입이 현저하게 되어, 오히려 페네트레이터가 증가하는 문제가 있다. 따라서, 일본 공개 특허 공보 2004-298961호에 기재된 기술로는 페네트레이터의 발생을 충분히 줄일 수 없다.

이에, 본 발명자들은 더욱 검토를 거듭하여, 적어도 용접점으로부터 용접 상류측에 650℃ 이상의 온도가 되는 전 범위에 걸친 이음 면에 대하여 소정의 각도로 불활성 가스를 취부하고, 또한 적어도 용접점으로부터 용접 상류측으로 급전(給電) 거리(급전 거리: 고주파 코일 또는 급전 칩으로부터 용접점까지의 거리)의 1/5만큼 떨어진 위치까지 전 범위에 걸친 이음 단면에 대하여, 비산화성 분위기에서, 온도가 1400℃ 이상인 비산화성 고온 플라즈마를 유속 30 내지 270 m/초로 취부하는 전봉 강관의 제조 방법을 제안하였다(일본 공개 특허 공보 2006-026691호 참조). 이 일본 공개 특허 공보 2006-026691호에 기재된 전봉 강관의 제조 방법으로는 생산성을 저하하지 않고, 또한 용접 조건의 변동시에 설정 조건을 변경하지 않고, 용접부에 있어서의 산화물의 생성에 기인하는 용접 결함 및 국부적인 입열 부족에 의한 냉접(冷接) 결함을 줄일 수 있다.

또한, 플라즈마 제트에 의한 용접, 절단, 용사, 가열 등의 고온 가공의 가공 능률 및 정밀도를 높이기 위하여, 사이드 가스 분출 방향을 규정한 플라즈마 토치 에 관한 발명이 일본 공개 특허 공보 2004-243374호에 개시되어 있다.

그러나, 전술한 일본 공개 특허 공보 2006-026691호에 기재된 전봉 강관의 제조 방법은 플라즈마 제트(플라즈마 건으로부터 분사된 플라즈마)가 난류이기 때문에, 그 주위에 대기와 차단하기 위한 실드 가스를 배치하더라도 대기가 혼입되는 문제가 있다. 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 2004-243374호에서 제안하고 있는 실드 가스의 조사 각도나 유량 조건을 사용하더라도, 플라즈마 제트 내의 산소 농도가 충분히 낮아지지 않는 경우가 있다. 이 때문에, 일본 공개 특허 공보 2006-026691호에 기재된 전봉 강관의 제조 방법으로는 용접부의 산화물 양을 안정적으로 줄이지 못하고, 결함 수가 목표로 하는 값을 넘어버리는 경우가 있다. 또한, 일본 공개 특허 공보 2006-026691호에 기재된 전봉 강관의 제조 방법은 플라즈마 제트가 난류이고 고속이기 때문에, 이음부를 용접할 때에 큰 플라즈마 제트음이 발생한다고 하는 문제도 있다.

이에, 본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 산화물에 기인하는 용접 결함의 발생을 안정적으로 줄일 수 있고, 또한 용접시에 발생하는 플라즈마 제트음도 줄일 수 있는 전봉 강관의 제조 방법 및 고Si 또는 고Cr 함유 전봉 강관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 강판을 관 모양으로 성형 가공하고, 그 이음 단면을 전봉 용접하는 전봉 강관의 제조 방법에 있어서, 음극 가스 중에서 음극과 양극 사이에 전압을 인가함으로써 생성되는 플라즈마 가스에 양극 가스를 취부하여 플라즈마 작동 가스로서 플라즈마 분사하는 캐스케이드형 플라즈마 건으로부터, 상기 플라즈마 작동 가스의 성분을, H₂가스: 2 체적% 이상 50 체적% 미만을 함유하고, 잔부가 Ar 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지도록, 또는 잔부가 Ar 가스에 N₂ 가스, He 가스 또는 그 양쪽 모두가 첨가된 혼합 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지도록 조정함으로써 환원성을 부여한 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사(擬似) 층류 플라즈마를, 상기 전봉 용접의 용접점보다 용접 상류측에서 온도가 650℃ 이상이 되는 영역 중 적어도 이음 단면에 대하여, 취부하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.

(2) 상기 플라즈마 건의 음극의 선단으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)를 8 mm 이상, 그리고 양극 내경(D)의 10배 이하로 하고, 상기 플라즈마 건의 음극과 양극 사이에 인가하는 전압을 120 V를 초과하는 전압으로 하는 동시에, 상기 플라즈마 작동 가스의 표준 상태에서의 유량을 G_i (l/분), 상기 플라즈마 작동 가스의 상대 분자량을 M_i, 양극 내경을 D (m), 7000 K에서의 점성 계수를 μ_{ave, T=7000} (㎏/m/초)로 나타낼 때, 아래 수학식 <1>을 만족하는 플라즈마 분사 조건을 채용하고, 상기 플라즈마를 층류 또는 의사 층류로 하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(3) 상기 플라즈마 건의 양극 내경(D)이 16 mm 이상 30 mm 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(4) 상기 플라즈마 건의 양극 전면 또는 전방 외주에 중심축으로부터의 거리가 상기 양극의 내반경의 1.5 내지 3.5배의 위치에서, 방향이 플라즈마 중심 축 방향으로부터 외측으로 10 내지 30˚의 범위의 축대칭 방향을 향한 분사구를 설치하고, 이 분사구로부터, Ar 가스, N₂ 가스 및 He 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 불활성 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지는 사이드 실드 가스를, 상기 플라즈마의 가스 유량의 1 내지 3배 이내의 가스 유량으로 분사하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(5) 상기 플라즈마 작동 가스를 구성하는 H₂ 가스의 일부 또는 전부를 CH₄ 가스 및 C₂H₂ 가스 중에서 1종 또는 2종으로 치환하여 사용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(6) 평균 입자 지름이 1㎛ 이상 10㎛ 이하인 붕화물의 미세 분말을 상기 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마에 공급하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(7) 상기 음극의 선단부를 반구 형상으로 하고, 또한 이 반구 형상 선단부의 곡률 반경을, 양극 내경의 1/2 이하로 하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(8) 상기 전봉 강관의 제조 방법에 있어서 임피더(impeder)를 사용하고, 이 임피더에 사용되는 임피더 케이스 소재에 JIS C2141에 준거한 300℃에 있어서의 상기 저항이 10¹¹ 내지 10¹³Ωcm이고, 수중 투하법에 의하여 구하는 열 충격 특성이 500 ℃ 이상인 세라믹을 사용하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(9) 상기 플라즈마 건의 선단과 강관 표면과의 거리를 150mm 이상 300mm이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법.

(10) 상기 강판이 질량%로, Si: 0.5 내지 2.0%를 함유하는 Si 함유 강판, 또는 Cr: 0.5 내지 26%를 함유하는 Cr 함유 강판으로 이루어지고, 전봉 용접부의 결함율이 0.01% 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법에 의하여 제조된 전봉 강관.

도 1a는 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법을 모식적으로 나타내는 측면도이다.

도 1b는 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법을 모식적으로 나타내는 평면도이다.

도 2는 도 1a 및 도 1b에 나타내는 플라즈마 건의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명이 채용하는 플라즈마 건의 양극 내경의 확경화 및 플라즈마 층류화의 효과를 개념적으로 설명하는 도면이다.

도 4는 종래의 전봉 강관의 제조 방법을 모식적으로 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 실시 형태에 대하여, 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, (1)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서, 고주파 코일을 사용하여 강판을 가열하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 1a는 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법을 나타내는 측면도이고, 도 1b는 그 평면도이다. 도 1a 및 도 1b에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 예를 들면 두께가 1 내지 22 mm 정도인 강판(1)을 방향 10을 향하여 연속적으로 반송하면서, 다수의 롤군(도시하지 않음)에 의하여 관 모양으로 성형하고, 그 이음 단면(4)을 고주파 코일(2)에 의하여 유전 가열하여 용융하는 동시에, 스퀴즈 롤(3)에 의하여 업셋을 가하여, 이음 단면(4)에 용접 심(7)을 형성한다.

이 때, 음극 가스 중에서 음극과 양극 사이에 전압을 인가함으로써 생성하는 플라즈마 가스에 양극 가스를 취부하여 플라즈마 작동 가스로서 플라즈마 분사하는 캐스케이드형 플라즈마 건(20)으로부터, 상기 플라즈마 작동 가스의 성분을, H₂ 가스: 2 체적% 이상 50 체적% 미만을 함유하고, 잔부가 Ar 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지도록, 또는 잔부가 Ar 가스에 N₂ 가스, He 가스 또는 그 양쪽 모두가 첨가된 혼합 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지도록 조정함으로써 환원성을 부여한 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)를, 상기 전봉 용접의 용접점(9)보다 용접 상류측이고 온도가 650℃ 이상이 되는 영역(6) 중 적어도 이음 단면(4a)에 대하여 취부한다.

용접점(9)보다 용접 상류측의 이음 단면(4) 중에서, 가열 온도가 650℃ 이상이 되는 영역(6)은, 고주파 코일(2), 스퀴즈 롤(3) 및 임피더(8) 등의 냉각수가 비산하거나 수증기 분위기에 노출되기 때문에, 가열 온도 조건과 맞물려 산화 반응에 의하여 생성된 산화물에 기인하는 용접 결함, 즉, 페네트레이터의 발생이 현저하게 된다. 이에 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 이 영역(6)에 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)를 취부함으로써, 전봉 용접시의 이음 단면(4a)을 환원성 분위기로 하는 동시에, 이음 단면으로부터 산화물을 고온의 용융 상태로 배출시키는 작용을 촉진하고, 산화물에 기인하는 페네트레이터 등의 용접 결함의 발생을 억제한다.

본 발명의 캐스케이드형 플라즈마 건의 일례를 도 2에 나타낸다. 플라즈마 건(20)으로서 양극(22)의 내측[음극(21)측] 부분에는 음극(21)의 선단부를 에워싸도록 절연부(26)가 설치되고, 또한 양극(22)의 내부에는 음극 가스 유로(23), 양극 가스 유로(24) 및 사이드 실드 가스 유로(25)가 설치된 캐스케이드형 플라즈마 토치를 사용한다. 또한, 이 플라즈마 건(20)에 있어서의 양극(22)의 내면에는, 절연부(26)를 사이에 두고, 플라즈마 상류측에 음극 가스 유로(23)에 연결된 음극 가스 공급 구멍(23a)이 형성되고, 하류측에 양극 가스 유로(24)에 연결된 양극 가스 분 출구(24a)가 형성되어 있다. 또한, 양극(22)의 선단부에는 사이드 실드 가스 유로(25)에 연결된 사이드 실드 가스 공급 구멍(25a)이 형성되어 있다.

또한, 필요에 따라서, 양극(22)의 선단부에는 분말 공급 가스 유로(27)에 연결된 분말 공급 가스 공급 구멍(27a)이 형성된다.

즉, 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 음극 가스 공급 구멍(23a)으로부터 음극(21)을 향하여 공급된 음극 가스 중에서, 음극(21)과 양극(22) 사이에 전압을 인가하여 플라즈마 가스를 발생시키고, 음극 선단(21a)보다 플라즈마 하류측에서 플라즈마(5)를 향하여 양극 가스를 분사하고, 음극 가스와 양극 가스로 이루어지는 플라즈마 작동 가스로서 고온 (의사) 층류 플라즈마(5)를 분사한다. 양극 가스를, 음극 선단(21a)보다 플라즈마 하류 측에서, 플라즈마(5)를 향하여 분사함으로써, 양극점(陽極點)을 양극 내벽의 플라즈마 하류측으로 이동시킬 수 있다.

그 결과, 음극 선단(21a)과 양극점과의 거리가 길어지기 때문에, 전압이 높아지고, (의사) 층류 플라즈마 제트를 형성하기 쉬워진다. 음극 가스와 양극 가스로 이루어지는 플라즈마 작동 가스에는 수소를 함유시킴으로써 고온 (의사) 층류 플라즈마(5)에 환원성을 부여한다. 필요에 따라서, 양극(22)의 선단부로부터 플라즈마(5)를 에워싸도록 사이드 실드 가스(11)를 분사하면, 이 고온 (의사) 층류 플라즈마(5)로의 산소의 혼입을 유리하게 저지할 수 있어서 좋다. 또한, 필요에 따라서, 양극(22)의 선단으로부터 고온 (의사) 층류 플라즈마(5)에 붕화물의 미세 분말을 공급함으로써, 수소보다 높은 환원성을 얻을 수 있어서 좋다.

본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 플라즈마 제트를 층류 또는 의사 층류로 하고 있기 때문에, 전술한 일본 공개 특허 공보 2006-026691호에 기재된 기술에 비하여, 대기의 혼입을 큰 폭으로 저감할 수 있다. 그 결과, 용접부의 산화물 양을 저감하고, 산화물에 기인하는 용접 결함의 비율(용접 결함율)을 0.01% 이하로 할 수 있는 동시에, 용접시에 발생하는 플라즈마 제트음도 저감할 수 있다.

또한, 여기서 말하는 "용접 결함율"은 용접 면적에 대한 페네트레이터(산화물에 기인하는 용접 결함)의 면적율이다. 또한, "의사 층류"란, 플라즈마 제트의 플라즈마 코어부는 층류이고, 플라즈마 외측 수mm가 난류인 상태를 말하는데, 강관 내면보다 먼 쪽[강관의 이음 단면(4)보다 관(管) 내측]의 플라즈마 제트가 난류인지, (의사) 층류인지는 상관하지 않는다.

본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에서 사용하는 플라즈마 작동 가스 중에 포함되는 H₂ 가스는 열전달 계수를 올리는 동시에 환원성 분위기로 하고, 이음 단면(4a)에 있어서의 산화 반응을 억제하는 효과가 있다. 그러나, 플라즈마 작동 가스 중의 H₂ 가스 함유량이 2 체적% 미만인 경우, 전술한 효과를 얻을 수 없다. 한편, 플라즈마 작동 가스 중의 H₂ 가스 함유량이 5O 체적% 이상이 되면, 플라즈마가 불안정하게 된다. 따라서, 플라즈마 작동 가스 중의 H₂ 가스 함유량은 2 체적% 이상 50 체적% 미만으로 한다.

또한, 이 플라즈마 작동 가스에 있어서의 H₂ 가스 이외의 성분은 Ar 가스 단독 및 불가피한 불순물 가스, 또는 Ar 가스에 N₂가스, He 가스 또는 그 양쪽 모두를 첨가한 혼합 가스 및 불가피한 불순물 가스이다. 플라즈마의 안정성을 확보하려면 Ar 가스를 주성분으로 하는 것이 좋지만, N₂가스 및/또는 He 가스를 적당량 첨가함으로써, 플라즈마의 열 전달 계수를 향상시켜서, 강판(1)의 이음 단면(4a)에 있어서의 가열 능력을 높일 수 있다. 다만, 플라즈마 작동 가스 중의 Ar 가스 비율이 50 체적% 이하인 경우에는 플라즈마가 불안정하게 되는 경우가 있기 때문에, 플라즈마 작동 가스에 N₂가스 및 He 가스를 첨가하는 경우에는 플라즈마 작동 가스 중의 Ar 가스 비율이 50 체적%를 넘도록, 즉, 플라즈마 작동 가스 중의 N₂가스, He 가스 및 H₂ 가스 비율이 합계로 50 체적% 미만이 되도록 하는 것이 좋다.

전술한 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)는, 예를 들면 공업적으로 널리 이용되고 있는 용사용 직류 플라즈마 발생 장치를 사용하여 생성할 수 있다. 이것에 의하여 생성된 플라즈마는 통상의 가스 버너에서 생성되는 연소염보다 가스 온도가 높고, 고온역의 플라즈마 길이가 60 mm 이상이며, 또한 플라즈마 지름이 5 mm 이상이라고 하는 특징을 가지고 있기 때문에, 전봉 용접시의 심 추종성(seam following ability)이 양호하고, 심 위치 변화에 비교적 용이하게 추종할 수 있는 열원이다.

또한, 전술한 효과를 충분히 얻으려면 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원 성 고온 의사 층류 플라즈마(5)의 온도를 1400℃ 이상으로 하는 것이 좋다. 특히, 전봉 강관의 제조 과정에서 생성하기 쉬운 Mn-Si-O의 복합 산화물의 융점은 1250 내지 1410℃, Cr 산화물의 융점은 2300℃이므로, 이들의 산화물을 용융시키려면 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)의 온도를 2400℃ 이상으로 하는 것이 더 좋다.

한편, 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)의 온도가 고온이 될수록, 이미 생성하고 있던 산화물을 고온 상태로 이음 단면으로부터 용융?배출시키는 작용은 촉진되고, 용접 결함이 저감되기 때문에, 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)의 온도의 상한은 특히 한정할 필요는 없다.

다음으로, (2)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 상기 플라즈마 건(20)의 음극의 선단(21a)으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)를, 8 mm 이상, 그리고 양극 내경(D)의 10배 이하로 하고, 상기 플라즈마 건의 음극(21)과 양극(22) 간에 인가하는 전압을 120 V를 초과하는 전압으로 하는 동시에, 상기 플라즈마 작동 가스의 표준 상태에서의 유량을 G_i(l/분), 상기 플라즈마 작동 가스의 상대 분자량을 M_i, 양극 내경을 D(m), 7000 K에서의 점성계수를 μ_{ave, T=7000} (㎏/m/초)로 나타낼 때, 아래 수학식 <1>을 만족하는 플라즈마 취부 조건을 채용하여, 상기 플라즈마를 층류 또는 의사 층류로 하는 것이 좋다.

또한, 수학식 <1>에 있어서, G_i, M_i, D, μ의 단위 환산상, {4×(Σ G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave, T=7000}}에 (1/22.4)×(1/60)을 곱하도록 한다.

본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)를, 용접점(9)보다 용접 상류측에서 온도가 650℃ 이상이 되는 영역(6) 중 적어도 이음 단면(4a)에 대하여 취부하지만, 그 때의 조건이 상기 수학식 <1>로부터 벗어나 있으면, 즉, {4×(ΣG_iM_i)}/{π×D×μ_{ave, T=7000}}가 400 이상인 경우에, 플라즈마 제트가 난류가 되기 때문에, 대기의 혼입이 발생하기 쉽고, 용접부에 있어서의 산화물 양이 증가하기 쉽다. 그 결과, 산화물에 기인하는 용접 결함을 안정적으로 줄일 수 없는 동시에, 용접시에 발생하는 플라즈마 제트음이 커진다.

또한, {4×(ΣG_iM_i)}/{π×D×μ_{ave, T=7000}}가 150 이하에서는 가스 유량이 부족하고, 용접점 근방의 물을 배제할 수 없기 때문에, 산화물에 기인하는 용접 결함을 안정적으로 줄일 수 없게 되기 쉽다. 따라서, 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)를 취부할 때에는 상기 수학식 <1>을 만족하도록 하는 것이 좋다.

다만, 상기 수학식 <1>을 만족하더라도, 플라즈마 작동 가스에 인가하는 전압이 120 V 이하인 경우에는, 음극점과 양극점의 사이에 있어서의 플라즈마 반경 방향의 가스 속도가 빨라지기 때문에, 플라즈마 토치 선단에서 플라즈마 제트가 발 산되기 쉬우므로, 난류가 되기 쉽다. 이 때문에, 플라즈마 작동 가스에 인가하는 인가 전압은 120 V 보다 높게 하는 것이 좋다.

또한, 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에서 사용하는 플라즈마 건(20)은 음극 선단(21a)으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)가 8 mm 이상 그리고 양극(22)의 내경 D의 10배 이하인 것이 좋다. 이 음극 선단(21a)으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)에 의하여, 플라즈마 건(20)에 부가되는 전압이 변화한다.

플라즈마 건(20)에 부가되는 전압은 플라즈마 작동 가스의 유량 및 조성에 의하여도 변화하지만, 플라즈마 작동 가스로서 H₂ 가스를 2 체적% 이상 50 체적% 미만 함유하는 환원성 가스를 사용하는 경우, 음극 선단(21a)으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)가 8 mm 미만에서는 120 V 초과의 전압을 플라즈마 건(20)에 부가할 수 없게 된다. 한편, 캐스케이드형 플라즈마 건 등을 사용하는 경우에, 음극 선단(21a)으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)가 양극(22)의 내경(D)의 10배를 넘으면, 플라즈마(5)를 유지하는 것이 곤란하다. 따라서, 거리(L)는 8mm≤L≤10×D로 하는 것이 좋다.

다음으로, (3)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 전봉 용접시의 급전 거리[급전 거리: 고주파 코일(2) 또는 급전 칩으로부터 용접점(9)까지의 거리]가 100 mm를 넘을 때에는 실드 범위(12)[플라즈마로 실드되는 이음 단면의 범위로서, 사이드 실드 가스를 적용하는 경우에는 사이드 실드 가스로 실드되는 범위를 포함(도 1a 참조)]를 확보하기 위하여, 플라즈마 건(20)의 양극 내경이 16 mm 이상인 것이 좋다. 다만, 양극 내경이 30 mm를 넘으면 플라즈마가 불안정하게 되므로, 양극 내경은 30 mm 이하로 할 필요가 있다.

이 때, 본 발명이 채용하는 플라즈마 건(20)의 양극 내경의 확경화와 플라즈마의 (의사) 층류화의 효과에 대하여, 도 3에 의하여 설명한다.

플라즈마를 조사하지 않는 일반적인 전봉 강관의 용접에서는 입열이 최적값보다 낮으면 용융 부족에 의한 결함이, 또한, 높을 때에는 산화물(페네트레이터)이 발생한다. 이 때, 최적 입열이더라도, 용접기 주변의 냉각수나 대기에 의한 산화가 있기 때문에, 산화물을 생성하기 쉬운 강의 용접시에는 결함율은 반드시 충분히 낮다고는 할 수 없다(도 중, 곡선 A 참조). 이것에 대하여, 환원성의 난류 플라즈마를 조사하면, 플라즈마 제트에 의한 물 배제, 환원 작용, 또는 표면 산화물의 용융 등에 의하여 산화물 결함율이 저감한다(도 중, 곡선 B 참조). 다만, 플라즈마 지름이 작은 경우, 실드 범위(12)가 좁기 때문에, 플라즈마 조사 위치가 10 mm 어긋나면 플라즈마 조사의 효과는 소실되어 버린다(도 중, 곡선 C 참조). 이 때, 플라즈마를 확경화하면, 실드 범위(12)가 확대되기 때문에, 플라즈마 조사 위치가 ±10 mm 어긋나도 플라즈마의 결함 저감 효과는 저해되지 않는다(도 중, 곡선 D 참조). 또한, 플라즈마를 (의사) 층류화하면, 플라즈마의 환원 능력이 높고, 또한, 플라즈마의 고온 플레임으로 실드할 수 있기 때문에(층류화함으로써 플라즈마 제트가 길어짐), 전봉 용접의 입열이 최적값 조건에서의 결함율이 저감할 뿐만 아니라, 이 입열이 최적 범위로부터 어느 정도 벗어나더라도 실드 효과와 보조 열원 효과가 복 합되어, 고품위의 용접부를 안정적으로 얻을 수 있다(도 중, 곡선 E 참조).

또한, 이 때, 전봉 용접의 입열이 최적값으로부터 크게 벗어나면 용접점 근방의 슬릿[용접점(9)의 하류에 생성되는 용융 상태의 슬릿 모양의 틈] 길이가 길어져, 용융부가 플라즈마 실드 범위 이외가 되기 때문에 결함이 발생하기 시작한다.

플라즈마 지름(≒ 양극 지름)은 플라즈마 조사 각도가 수평 방향인 경우에는 판 두께 이상 필요하지만, 실제로는 수평 방향으로부터 15˚ 이상 30˚ 이하로 조사되므로, 플라즈마 지름은 판 두께의 8할 이상으로 하는 것이 필수가 된다. 또한, 실드 범위(12)를 확보하려면 극도로 조사 각도를 얕게 하는 것이 좋지만, 실제로는 15˚보다 작은 조사 각도에서는 강관 표면과 접촉한다. 이 때, 실드 범위(12)를 급전 거리의 1/3 이상 확보하려면 플라즈마 지름을 16 mm 이상으로 하는 것이 더 좋다. 또한, 조사 각도 15˚는 플라즈마 건과 강관이 물리적으로 부딪히는 각도로 전봉 용접의 용접기 주위의 구성에 따라서 변화한다. 조사 각도가 30˚ 이상이 되면 실드 범위(12)가 부족하기 때문에 좋지 않다.

이들에 의하여, 플라즈마 조사 범위를 확대하는 동시에, 코일 이음부의 요철과 플라즈마 건과의 접촉 사고를 방지할 수 있다.

다음으로, (4)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 상기 플라즈마 건의 양극 전면 또는 전방 외주에, 중심축으로부터의 거리가 상기 양극 내반경의 1.5 내지 3.5배의 위치에서, 방향이 플라즈마 중심축 방향으로부터 외측으로 10 내지 30˚인 범위의 축대칭 방향을 향한 분사구를 설치하고, 이 분사구로 부터, Ar 가스, N₂가스 및 He 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 불활성 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지는 사이드 실드 가스(11)를, 상기 플라즈마의 가스 유량의 1 내지 3배 이내의 가스 유량으로, 강판(1)에 있어서의 가열 온도가 650℃ 이상이 되는 영역(6)을 향하여 분사하는 것이 좋다. 이와 같이, 플라즈마 제트의 외주부에 불활성 가스를 분사함으로써, 플라즈마에 대기가 혼입되는 것을 억제하고, 플라즈마 중의 산소 농도를 저하시켜, 수소 분압/수분압을 높일 수 있다. 또한, 플라즈마 내의 수소 분압/수분압은, 예를 들면, 레이저 흡수법 및 레이저 유기 형광법 등에 의하여 구한 수소 분자 및 물 분자의 온도와 열평형 및 대기압으로 가정한 가스 압력으로부터 수소 농도 및 물 농도를 구하고, 이들 값의 비로부터 산출할 수 있다. 전술한 사이드 실드 가스(11)의 분사는, 특히 급전 거리가 긴 경우에 유효하다.

이 때, 사이드 실드 가스(11)의 분사 위치가 플라즈마 건의 양극 내경의 1.5배 미만인 경우에, 플라즈마 상류에 차가운 가스가 혼입하여 플라즈마 온도가 저하된다. 한편, 사이드 실드 가스(11)의 분사 위치가 플라즈마 건의 양극 내경의 3.5배를 넘으면, 불활성 가스에 의하여 대기를 차단하는 효과를 얻을 수 없게 된다. 또한, 사이드 실드 가스(11)의 유량이 플라즈마 가스 유량의 1배 미만이면 대기를 차단하는 효과를 얻을 수 없게 된다. 한편, 사이드 실드 가스(11)의 유량이 플라즈마 가스 유량의 3배를 넘으면, 플라즈마 온도가 큰 폭으로 저하된다.

또한, 사이드 실드 가스(11)의 분사 방향은 플라즈마 중심축 방향으로부터 외측으로 10 내지 30˚의 범위의 축 대칭 방향으로 하는 것이 좋다. 30˚초과에서는 사이드 실드의 효과가 작아서 대기 산소의 플라즈마로의 확산을 억제할 수 없다. 한편, 10˚ 미만에서는 차가운 사이드 실드 가스(11)가 플라즈마를 급격하게 냉각시켜 버린다.

다음으로, (5)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 상기 플라즈마 작동 가스를 구성하는 H₂ 가스의 일부 또는 전부를 H₂ 가스, CH₄ 가스 및 C₂H₂ 가스 중에서 1종 또는 2종으로 치환하여 사용할 수 있다. 즉, 플라즈마 작동 가스로서 H₂ 가스, CH₄ 가스 및 C₂H₂ 가스 중에서 1종 또는 2종 이상의 가스와 Ar 가스를 함유하고, Ar 함유량이 50 체적% 초과인 혼합 가스를 사용할 수도 있다. 이와 같은 혼합 가스를 사용하면, H₂ 가스, CH₄ 가스 및 C₂H₂ 가스에 의하여 이음 단면(4a)에 있어서의 환원성을 높일 수 있기 때문에, 전술한 양극점을 양극 내벽의 플라즈마 하류측으로 이동시키고, 층류 플라즈마 제트를 형성하기 쉽게 하는 작용 효과에 추가하여, 산화물의 생성을 억제하는 효과도 얻을 수 있다. 또한, 용접 금속부에 탈질소, 탈탄소가 있는 경우에는 플라즈마 작동 가스로부터 이들의 원소를 첨가하는 것도 가능하다. 다만, 과잉의 수소가 흡수되면 수소 취화 균열이 발생하는 경우가 있으므로, 이것을 억제하려면 용접후 심 노말라이징 처리를 실시하는 것이 좋다.

다음으로, (6)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 환원성이 높은 층류 플라즈마를 형성하기 위하여, 더 환원성이 높은 붕화물의 평균 입 자 지름이 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 미세 분말을 상기 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마(5)에 공급한다. 이 붕화물의 미립자는 Ar 가스 또는 질소 가스를 분말 공급 가스로서 사용하여 공급하는 것이 좋다. 붕화물의 미세 분말을 함유하는 Ar 가스를 분말 공급 가스로서 사용하는 경우에는, 예를 들면, 분말 공급기를 사용하여, Ar 가스를 캐리어 가스로 하여 평균 입자 지름이 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 붕화물의 미세 분말을 분말 공급 가스의 공급 위치로부터 플라즈마(5)를 향하여 분사한다. 또한, 붕화물의 미세 분말의 평균 입자 지름이 1㎛ 미만인 경우에는 응집에 의하여 분말을 안정적으로 공급할 수 없기 때문에, 또한, 10㎛ 초과에서는 용융 또는 분해를 완료하지 못하고 용접 결함이 될 가능성이 있기 때문에, 붕화물의 미세 분말의 평균 입자 지름은 1㎛ 이상 10㎛ 이하로 하는 것이 좋다.

다음으로, (7)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 메탈 터치 또는 파일럿 플라즈마를 사용하지 않고, 고주파 스타트하는 경우에는 음극 선단부를 반구 형상으로 하고, 음극 선단(21a)의 곡률 반경을 양극 내경의 1/2 이하로 하는 것이 좋다. 음극 선단(21a)의 곡률 반경이 작을수록, 음극 선단(21a)에 있어서의 전자장 강도가 증가하고, 플라즈마가 착화하기 쉬워지지만, 음극 선단(21a)의 곡률 반경이 양극 내경의 1/2을 넘으면, 음극 선단 공간의 전자장이 약해져서, 고주파 스타트하기 어려워진다. 다만, 고주파 스타트 이외의 착화 방식인 메탈 터치 또는 파일럿 플라즈마를 사용하는 경우에는 음극 선단 공간의 전자장 강도가 착화와 무관하게 되므로, 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, (8)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 상기 전봉 강관의 제조 방법에 있어서 임피더를 사용하고, 이 임피더에 사용되는 임피더 케이스 소재로서, JIS C2141에 준거한 300℃에 있어서의 전기 저항이 10¹¹ 내지 10¹³Ωcm이고 수중 투하법에 의하여 구하는 열 충격 특성이 500℃ 이상인 세라믹을 사용한다. 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 전류가 표피 효과와 근접 효과에 의하여 용접 충합면(衝合面)에 집중되어 흐르지만, 이 전류의 집중을 고효율로 하기 위하여, 임피더가 용접점 근방에 설치되어 있는 경우가 많다. 용접시에는 이 임피더에 흐르는 와전류에 의한 가열을 억제하기 위하여, 임피더를 임피더 케이스(종래에는 에폭시 수지제)로 덮고, 케이스 내에 배치한 임피더를 수랭하는 경우가 있다. 플라즈마 조사하면서 전봉 용접을 실시하는 경우에, 이 에폭시 수지제(내열 온도 200℃ 이하)의 임피더 케이스에 고온(1500℃ 이상)의 플라즈마 제트가 직접 접촉하므로, 에폭시 수지제의 소재가 용손되어, 임피더 케이스에는 사용할 수 없다. 여기에 사용할 수 있는 소재로서는, 용손을 회피하기 위하여 융점이 1500℃ 이상일 필요가 있다. 또한, JIS C 2141에 준거한 300℃에서의 전기 저항이 10¹¹ 내지 10¹³Ωcm 이상이 아니면, 임피더 케이스에 와전류가 흘러 가열?손상되어 버린다. 또한, 수중 투하법에 의하여 구하는 열 충격 특성이 500℃ 이상이 아니면 외면으로부터의 플라즈마 가열과 내면으로부터의 수 냉각 등에 의한 열 충격에 견딜 수 없다. 예를 들면, Si₃N₄나 BN는 이 조건을 만족하는 세라믹이다.

다음으로, (9)에 기재된 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 코일 이음부의 요철과 플라즈마 건과의 접촉 사고를 방지하기 위하여, 이음부가 플라즈마 건 설치 부근을 통과할 때에 건을 퇴피(退避)시킬 수도 있다. 그러나, 퇴피에 의한 강관의 수율 저감을 회피하려면 플라즈마 건 선단과 강관 표면과의 거리는 150 mm 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, 이 거리를 300 mm 초과로 하면 실드 효과가 저하하므로 300 mm 이내로 할 필요가 있다.

다음으로, (10)에 기재된 본 발명의 전봉 강관은 질량%로, Si: 0.5 내지 2.0%를 함유하는 Si 함유 강판, 또는 Cr: 0.5 내지 26%를 함유하는 Cr 함유 강판을 강관 소재로 하여, (1) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법에 의하여 제조된다. (1) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 전봉 강관의 제조 방법에서는 특히 플라즈마 조사에 의하여, 전봉 용접부의 결함율 향상의 효과가 있다.

강관 모재부(강판)의 Si량이 0.5% 미만인 경우, 플라즈마 조사하지 않아도 결함율이 0.01% 이하이므로, 제조 비용이 증가하는 본 제조 방법은 필요 없다. 한편, 강관 모재부(강판)의 Si량이 2.0%를 넘으면, 플라즈마 조사의 효과만으로는 결함율을 0.01% 이하로 할 수 없다.

또한, 강관 모재부(강판)의 Cr량에 대하여는 Cr량이 0.5% 미만에서는 플라즈마 조사하지 않아도 결함율이 0.01% 이하이므로, 제조 비용이 증가하는 본 제조 방법은 필요 없다. 한편, 강관 모재부(강판)의 Cr량이 26%를 넘으면, 플라즈마 조사의 효과만으로는 결함율을 0.01% 이하로 할 수 없다. 따라서, 제조 비용 및 결함율을 0.01% 이하로 하기 위하여, 강관 모재부(강판)의 성분은 질량%로, Si: 0.5 내지 2.0%, 또는 Cr 2 내지 26%로 하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에서는 강관 모재부(강판)의 그 밖의 성분에 대하여는 특히 한정하지 않는다. 페네트레이터의 생성에 관여하는 기타 성분으로서는, Mn, Al, Ti 등이 있으나, 이들 성분은 Mn에 대하여서는 Mn/Si비를 7 내지 9로 하는 것이 좋지만 이 범위 외에서도 2% 이하이고, 또한, Al에 대하여는 0.05% 이하이고 Ti에 대하여는 0.03% 이하이면 특히 문제가 되지 않기 때문이다.

전술한 바와 같이, 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는, 강판(1)을 관 모양으로 성형 가공하여 그 이음부를 전봉 용접할 때에, 플라즈마 건(20)의 구성 및 플라즈마(5)의 생성 조건을 최적화하고, 플라즈마 제트를 층류 또는 의사 층류로 하고 있기 때문에, 산화물에 기인하는 용접 결함을 안정적으로 저감할 수 있다. 또한, 환원성 고온 플라즈마(5)의 취부에 의하여, 용접 시에 스패터링의 발생 등으로 용접부에 혼입되는 스패터, 스케일 및 더스트 등의 용접 결함 인자를, 고온 플라즈마 유체의 전단력이나 플라즈마 가열에 의하여 고온 용융 상태에서 배출 또는 용융할 수도 있다. 또한, 이 환원성 고온 플라즈마(5)의 취부에 의하여, 이음 단면(4)의 버(burr)도 어느 정도 용융하는 것이 가능하고, 비정상적인 용접시에 발생하는 결함 저감에도 효과가 있다.

또한, 본 실시 형태의 전봉 강관의 제조 방법에 있어서는 플라즈마 제트를 층류 또는 의사 층류로 하고 있기 때문에, 용접시에 발생하는 플라즈마 제트음도 저감할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는 고주파 코일(2)에 의하여 강판(1)을 유전 가열하는 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니 며, 컨택트 칩에 의하여 직접 통전 가열하는 것도 가능하다.

<실시예 1>

이하, 본 발명의 실시예 및 본 발명의 범위로부터 벗어난 비교예를 들어, 본 발명의 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 표 1에 나타내는 강 성분을 가진 판 두께 5.3 mm, 11 mm, 또는 19 mm의 강판을 사용하고, 환원성 플라즈마 작동 가스로서 H₂ 가스와 Ar 가스와 질소 가스의 혼합 가스를 사용하며, 전술한 도 1에 나타내는 방법으로 전봉 강관을 제조하여, 그 용접부의 용접 결함의 발생율 및 용접 시의 플라즈마 제트음의 크기를 조사하였다.

그 때의 전봉 용접 조건은, 판 두께 5.3 mm의 경우에, 용접 속도 33 m/분, 용접 입력 570 kW, 급전 거리[고주파 코일(2)로부터 용접점(9)까지의 거리] 160 mm, 업셋량 3 mm, 평균 꼭지각(apex angle)[도 1b 중의 도면부호 13] 4˚로 하였다. 또한, 판 두께 11 mm의 경우에는, 용접 속도 18 m/분, 용접 입력 900 kW, 급전 거리 200 mm, 업셋량 6 mm, 평균 꼭지각 6˚로 하였다. 또한, 판 두께 19 mm의 경우에는, 용접 속도 18 m/분, 용접 입력 1200 kW, 급전 거리 200 mm, 업셋량 10 mm, 평균 꼭지각 7˚로 하였다. 또한, 판 두께, 양극 내경, Ar 가스 및 H₂ 가스의 유량 {4×(ΣG_iM_i)}/{π×D×μ_{ave, T=7000}}의 값, 전류 및 전압을 표 2와 표 3에 나타낸다. 또한, 본 실시예에 있어서, 가스 유량은 모두 표준 상태에서의 유량인데, 이하, 실시예 2와 실시예 3에서도 마찬가지이다. 또한, 표 2와 표 3에 있어서의 밑줄친 부분은 본 발명의 범위 외 또는 본 발명의 바람직한 범위 외인 것을 나타낸다.

또한, 용접 결함은 용접 후의 전봉 강관의 용접부로부터 샤피 충격 시험편을 잘라내어, 그 용접 이음부에 선단 반경 0.25 mm, 깊이 0.5 mm의 노치를 형성하고, 샤피 충격 시험을 실시한 후, 연성 파단한 부분의 파면 관찰을 실시하고, 용접 면적에 대한 페네트레이터(산화물에 기인하는 용접 결함)의 면적율을 측정하고, 그 값을 용접 결함율로서 평가하였다. 또한, 용접 결함율이 0. 01% 이하인 것을 양호, 0.01%를 초과하는 것을 불량으로 하였다. 플라즈마 제트의 흐름은 레이저 도플러법에 의하여 측정하였다. 또한, 용접시의 플라즈마 제트 소리의 크기는 디지털 소음계에 의하여 측정하고, 85 dB 이하를 합격으로 하였다. 이상의 결과를, 종합 평가로서 표 2와 표 3에 함께 나타내었다. 또한, 합격을 ○표, 불합격을 ×표로 나타내었다.

표 2와 표 3에 나타내는 바와 같이, 상기 수학식 <1>의 조건을 만족하지 않고, 또한 인가 전압이 120 V 이하인 비교예 1 및 비교예 2는 플라즈마 제트의 흐름이 난류가 되고, 용접 결함율이 0.01%를 넘으며, 용접시의 플라즈마 제트음도 기준으로 하는 85 dB보다 높은 100 dB 이상으로 컸다.

비교예 3은 플라즈마 건의 음극의 선단으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리가 6 mm이고, 또한, 비교예 4는 이 거리가 양극 내경(D)의 11배이며, 또한 플라즈마 건의 음극의 선단으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)를, 8 mm 이상, 그리고 양극 내경(D)의 10배 이하의 범위 이외이므로, 소음이나 플라즈마의 불안정화가 발생하였다.

비교예 5는 상기 수학식 <1>의 조건은 만족하고 있으나, 인가 전압이 120 V 이하이고, 플라즈마 제트의 흐름이 의사 층류이어서, 소음도 낮았지만, 판 두께에 비하여 양극 내경이 작고, 실드가 불충분하였기 때문에, 용접 결함율이 0.01%를 넘었다.

비교예 6은 플라즈마 건의 양극 전방 외주에, 중심축으로부터의 거리가 상기 양극 내반경의 1.3배인 위치에, 또한, 비교예 7은 상기 양극 내반경의 4.1배의 위치에 사이드 실드 가스 분사 슬릿을 설치하고 있는데, 이것은 상기 1.5 내지 3.5배의 범위 외이고, 사이드 실드 가스(11)의 효과를 얻지 못하며, 결함율이 0.01%를 넘었다.

비교예 8에서는 사이드 실드 가스(11)의 분사 방향이 플라즈마 중심축 방향으로부터 외측으로 40˚, 또한, 비교예 9에서는 플라즈마 중심축 방향으로부터 -20˚(내측으로 20˚)에 Ar 가스와 N₂가스의 혼합 가스를 공급하고 있는데, 이들은 본 발명 범위 10 내지 30˚의 범위 외이며, 사이드 실드 가스(11)의 효과를 얻지 못하고, 결함율이 0.01%를 넘었다.

비교예 10은 사이드 실드 가스 유량/플라즈마 작동 가스 유량이 0.6배, 비교예 11은 3.5배이며, 본 발명의 유량 비율 1 내지 3배의 범위 외이며, 사이드 실드 가스(11)의 효과를 얻지 못하고, 결함율이 0.01%를 넘었다.

비교예 12는 음극의 구형 선단부의 곡률 반경이 10 mm로, 양극 내경의 1/2 이상이고, 본 발명 범위 외이며, 플라즈마가 불안정하였다.

비교예 13은 플라즈마 작동 가스에 수소를 함유하고 있지 않으며, 본 발명의 범위 외이기 때문에 환원력이 없고 용접 결함율이 0.01%를 넘었다. 또한, 비교예 14는 플라즈마 작동 가스 중에 수소 체적 비율이 57%이고, 본 발명의 H₂ 가스 50 체적% 미만의 범위 외이며, 플라즈마가 불안정하였다.

비교예 15는 플라즈마 작동 가스의 아르곤-수소-질소의 혼합 가스를 사용한 경우인데, 상기 수학식 <1>의 조건을 만족하지 않고, 플라즈마 제트의 흐름이 난류가 되어, 용접 결함율이 0.01%이지만, 용접시의 플라즈마 제트음이 90 dB로 컸다.

한편, 본 발명의 예를 발명예 1 내지 발명예 11에 나타낸다. 모두 상기 수학식 <1>을 만족한다. 발명예 1에서는 양극 지름은 9 mm이지만, 판 두께가 양극 지름보다 작기 때문에, 본 발명의 범위가 된다. 발명예 2 내지 6은 플라즈마 작동 가스에 아르곤-수소 혼합 가스를 사용하였을 경우의 예이며, 가스 유량과 함께 전류 전압을 최적화하였다. 또한, 발명예 7에서는 플라즈마 작동 가스에 아르곤-수소-질소 혼합 가스를 사용한 예이다. 또한, 발명예 8에서는 플라즈마 제트에 붕화물(평균 입자 지름 3 ㎛의 B₂O₃)을 분말 공급 아르곤 가스(유량 10 l/min)로 공급함으로써 환원력을 더 높이고 있다. 발명예 9는 판 두께가 19 mm인 라인 파이프용 강관의 제조예이며, 양극 지름이 25 mm로 다른 발명예보다 큰 양극을 사용하고 있다. 발명예 10과 11은 사이드 실드 가스 11에 아르곤-질소 혼합 가스, 또는 질소 가스를 이용한 예이다.

<실시예 2>

다음으로, 본 발명에 의한 전봉 강관의 실시예 및 본 발명의 범위로부터 벗어난 비교예를 들고, 본 발명의 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는 표 4에 나타내는 강 성분을 가진 판 두께 6.0 mm, 폭 32 mm의 실험실 용융, 실험실 압연한 후프재를 사용하고, 환원성 플라즈마 작동 가스로서 H₂ 가스와 Ar 가스의 혼합 가스를 사용하여, 전봉 용접 시험체를 실험실 용접기로 제작하고, 그 용접부의 용접 결함의 발생율을 조사하였다(물 분사량은 1 l/min).

그 때의 전봉 용접 조건은 용접 속도 33 m/분, 용접 입력 320 kW, 급전 거리 150 mm, 업셋량 6 mm, 평균 꼭지각 4˚로 하였다. 양극 내경, Ar 가스 및 H₂ 가스의 유량, {4×(ΣG_iM_i)}/{π×D×μ_{ave, T=7000}}의 값, 전류 및 전압은 표 2와 표 3의 발명예 1의 조건을 사용하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

비교예 21의 강판은 0.15%의 Si와 0%의 Cr을 함유하고 있고, 플라즈마를 조사함으로써 결함율은 개선하지만, 통상의 용접(플라즈마 조사하지 않음)으로도 용접 결함은 0.01% 이하이었다. 다만, 표면 스케일이 용접부에 들어갔을 때에 생성되는 "혼입 스케일"은, 여기서 말하는 용접 결함에 포함되어 있지 않지만, 표면 스케일이 있는 경우에는, 플라즈마 조사의 효과는 나타났다.

비교예 22의 강재는 2.9%의 Si를 함유하고 있고, 본 발명의 적응 범위 Si: 0.5 내지 2.0%를 벗어나 있으며, 플라즈마 조사의 효과가 불충분하고, 용접 결함율이 0.01%를 넘었다.

비교예 23의 강재는 30%의 Cr을 함유하고 있고, 본 발명의 적응 범위 Cr: 0.5 내지 26을 벗어나 있으며, 플라즈마 조사의 효과가 불충분하고, 용접 결함율이 0.01%를 넘었다.

한편, 발명예 21과 22는 Si량이 높은 강재인 경우이고, 또한, 발명예 23 내지 27은 Cr량이 높은 강재의 경우인데, 모두 그 성분이 본 발명 범위이므로 플라즈마 조사에 의하여 용접 결함율이 저감되고, 또한 결함율이 0.01 이하이었다.

<실시예 3>

다음으로, 본 발명에서 강관을 제조하는 경우의 임피더 케이스 소재를 변경한 경우의 실시예 및 본 발명의 범위로부터 벗어난 비교예를 들어, 본 발명의 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는 판 두께 5.3 mm, 폭 273 mm의 강판(표 1의 D)을 사용하고, 환원성 플라즈마 작동 가스로서 H₂ 가스와 Ar 가스와의 혼합 가스를 사용하여, 전봉 강관을 제조할 때의 임피더 케이스의 손상을 조사하였다. 양극 내경, Ar 가스 및 H₂ 가스의 유량, {4×(ΣG_iM_i)}/{π×D×μ_{ave, T=7000}}의 값, 전류 및 전압은 표 2와 표 3의 발명예 1의 조건을 사용하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다. 또한, 종합 평가로서 합격을 ○표, 불합격을 ×표로 나타내었다.

임피더 케이스에 에폭시 수지를 사용한 경우, 2000 K를 초과하는 플라즈마 제트에 노출되기 때문에, 수랭하고 있어도 에폭시 수지는 용손된다. 또한, SiC를 사용한 경우, SiC의 전기 저항은 10⁴ Ωcm로서 본 발명의 범위 외이며, 와전류가 임피더 케이스에 흐르기 때문에 이 줄열에 의하여 SiC의 온도 상승이 발생하였다. 또한, 임피더 케이스에 AlN, Al₂O₃, ZrO₂ 등을 사용한 경우에는 전기 저항은 본 발명 범위이더라도, 내열 충격성이 모두 500℃ 미만인 재료이기 때문에, 임피더 케이스가 파손되었다.

한편, BN나 Si₃N₄의 경우는 전기 저항 및 열 충격 특성이 본 발명 범위이기 때문에, 임피더 케이스는 손상되지 않았다.

본 발명에 의하면, 강판을 관 모양으로 성형 가공하고, 그 이음부를 전봉 용접할 때의 플라즈마 분사 조건을 적정화하여, 플라즈마 제트를 층류 또는 의사 층류(플라즈마 코어부는 층류이고, 플라즈마 외측 수mm가 난류)로 하고 있기 때문에, 산화물에 기인하는 용접 결함을 안정적으로 저감할 수 있는 동시에, 용접시에 발생하는 플라즈마 제트음도 저감할 수 있으므로, 그 산업상의 효과는 매우 크다.

Claims

강판을 관 모양으로 성형 가공하고, 그 이음 단면을 전봉 용접하는 전봉 강관의 제조 방법에 있어서, 음극 가스 중에서 음극과 양극 사이에 전압을 인가함으로써 생성되는 플라즈마 가스에 양극 가스를 취부하여 플라즈마 작동 가스로서 플라즈마 분사하는 캐스케이드형 플라즈마 건으로부터, 상기 플라즈마 작동 가스의 성분을, H₂가스: 2 체적% 이상 50 체적% 미만을 함유하고, 잔부가 Ar 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지도록, 또는 잔부가 Ar 가스에 N₂ 가스, He 가스 또는 그 양쪽 모두가 첨가된 혼합 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지도록 조정함으로써 환원성을 부여한 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마를, 상기 전봉 용접의 용접점보다 용접 상류측에서 온도가 650℃ 이상이 되는 영역 중 적어도 이음 단면에 대하여 취부하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 건의 음극의 선단으로부터 양극 발생 가능한 위치까지의 거리(L)를 8 mm 이상, 그리고 양극 내경(D)의 10배 이하로 하고, 상기 플라즈마 건의 음극과 양극 사이에 인가하는 전압을 120 V를 초과하는 전압으로 하는 동시에, 상기 플라즈마 작동 가스의 표준 상태에서의 유량을 G_i (l/분), 상기 플라즈마 작동 가스의 상대 분자량을 M_i, 양극 내경을 D (m), 7000 K에서의 점성 계수를 μ_{ave, T=7000} (㎏/m/초)로 나타낼 때, 아래 수학식 <1>을 만족하는 플라즈마 분사 조건을 채용하여, 상기 플라즈마를 층류 또는 의사 층류로 하는 것을 특징으로 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 건의 양극 내경(D)이 16 mm 이상 30 mm 이하인 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 건의 양극 전면 또는 전방 외주에 중심축으로부터의 거리가 상기 양극의 내반경의 1.5 내지 3.5배의 위치에서, 방향이 플라즈마 중심축 방향으로부터 외측으로 10 내지 30˚의 범위의 축대칭 방향으로 향한 분사구를 설치하고, 이 분사구로부터, Ar 가스, N₂ 가스 및 He 가스로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 불활성 가스 및 불가피한 불순물 가스로 이루어지는 사이드 실드 가스를 상기 플라즈마의 가스 유량의 1 내지 3배 이내의 가스 유량으로 분사하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 작동 가스를 구성하는 H₂ 가스의 일부 또는 전부를 CH₄ 가스 및 C₂H₂ 가스 중에서 1종 또는 2종으로 치환하여 사용하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 평균 입자 지름이 1㎛ 이상 10㎛ 이하인 붕화물의 미세 분말을 상기 환원성 고온 층류 플라즈마 또는 환원성 고온 의사 층류 플라즈마에 공급하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 음극의 선단부를 반구 형상으로 하고, 이 반구 형상 선단부의 곡률 반경을 양극 내경의 1/2 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전봉 강관의 제조 방법에 있어서 임피더를 사용하고, 이 임피더에 사용되는 임피더 케이스 소재에, JIS C2141에 준거한 300℃에서의 전기 저항이 10¹¹ 내지 10¹³Ωcm이고 수중 투하법에 의하여 구하는 열 충격 특성이 500 ℃ 이상인 세라믹을 사용하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 건의 선단과 강관 표면의 거리를 150 mm 이상 300 mm이하로 하는 것을 특징으로 하는 전봉 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 전봉 강관의 제조 방법에 의하여 제조된 전봉 강관으로서, 강판이 질량%로, Si: 0.5 내지 2.0%를 함유하는 Si 함유 강판, 또는 Cr: 0.5 내지 26%를 함유하는 Cr 함유 강판으로 이루어지고, 전봉 용접부의 결함율이 0.01% 이하인 것을 특징으로 하는 전봉 강관.