KR101177254B1 - 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 한 쌍의 피용접 금속재와 ; 상기 한 쌍의 피용접 금속재 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성되고, 조사측 표면에서의 폭이 W인 용접 비드와 ; 상기 맞댐 용접 조인트의 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 상기 표면에 형성되고, 상기 용접 비드와 평행한 띠 형상을 갖고, 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 변질대를 구비하는 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트를 제공한다.

Description

용접 구조체의 맞댐 용접 조인트 및 그 제조 방법{BUTT WELDED JOINT OF WELDED STRUCTURE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 고에너지 밀도 빔을 사용한 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은, 기가 사이클 영역의 진동 환경에 있어서의 피로 특성이 우수한 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2009년 12월 4일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-277021호 및, 2009년 12월 4일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-277050호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근, 지구 온난화 원인 중 하나로 되고 있는 CO2 가스의 삭감 과제나, 석유 등의 화석 연료의 장래적인 고갈 문제에 대처하기 위해, 재생 가능한 자연 에너지를 이용하는 것이 적극적으로 시도되어지고 있다. 풍력 발전도 그 중 하나로, 대규모의 풍력 발전이 세계적으로 보급되고 있다.
풍력 발전에 가장 적합한 지역은, 끊임없이 강풍을 기대할 수 있는 지역이며, 그로 인해 해상 풍력 발전도 세계적 규모로 계획 및 실현되어 있다(특허 문헌 1 내지 4를 참조). 해상에 풍력 발전탑을 건설하기 위해서는, 해저의 지반에 탑의 기초 부분을 타입할 필요가 있으며, 해수면으로부터 풍력 발전의 터빈 날개의 높이를 충분히 확보하기 위해서는, 기초 부분도 충분한 길이, 강성, 강도가 필요하다.
그로 인해, 풍력 발전탑의 기초 부분에서는 판 두께가 50㎜를 초과하는, 예를 들어 100㎜ 정도, 직경이 4m 정도인 큰 단면을 갖는 관 구조가 채용되어, 탑의 전체 높이는 80m 이상이나 된다. 그러한 거대 구조물을 건설 현장 부근의 해안에 있어서, 간이하게, 게다가 고능률로 용접 조립하는 것이 요구되고 있다.
따라서, 상기와 같이 판 두께가 100㎜나 되는 매우 두꺼운 강판을 고능률로, 게다가 현장에서 용접한다고 하는, 종래에 없는 요구가 발생해 왔다.
일반적으로, 전자 빔, 레이저 빔 등의 고에너지 밀도 빔을 사용한 용접은, 효율적인 용접 방법이다. 그러나 전자 빔 용접에서는, 진공 챔버 내에 있어서의 예를 들어 0.1Pa 이하의 고진공 상태에서 시행할 필요가 있으므로, 종래는 용접할 수 있는 강판의 두께가 한정되어 있었다.
이에 반해, 최근 판 두께가 100㎜ 정도인 매우 두꺼운 강판을 효율적으로 현지 용접할 수 있는 용접 방법으로서, 예를 들어 10Pa 이하의 저진공 상태에서 시공이 가능한 용접 방법(RPEBW : Reduced　Pressured　Electron　Beaｍ　Welding : 감압 전자 빔 용접)이 영국의 용접 연구소에서 개발되어, 제안되어 있다(특허 문헌 5).
해상의 풍력 발전탑은, 상기와 같이 끊임없이 강풍에 의한 진동에 노출되기 때문에, 기초부의 구조체 및 강관 기둥은 끊임없이 반복하여 하중을 받는다. 용접부는 통상의 피로 사이클과는 오더가 다른 기가 사이클 영역의 진동에 대한 내피로 특성이 요구되고 있다. 특히, 용접 비드의 지단부에서는 응력 집중이 커져, 반복 하중에 대한 피로 강도를 저하시키는 원인이 되고 있다.
이와 같은 용접 비드의 지단부에 있어서의 응력 집중을 완화하기 위한 대책으로서, 종래에는 도 5에 도시된 바와 같이, 용접 비드(32)의 곡률 반경 및 강판(31)과 용접 비드(32)의 접촉각 θ를 크게 함으로써 응력 집중을 완화하는 것이 제안되어 왔다.
예를 들어, 특허 문헌 6에서는 플럭스 성분 및 실드 가스 성분을 조정함으로써, 상기의 곡률 반경 및 접촉각 θ를 크게 하는 것이 제안되어 있다. 그러나 특허 문헌 6의 방법은, 가스 실드 아크 용접에 의한 것으로, 고에너지 밀도 빔 용접에 의해 실드 가스를 사용하지 않고 용접할 경우에는 적용할 수 없다.
또한, 특허 문헌 7에서는 강재의 두께에 대한 용접 비드 높이의 비율을 0.2 이하로 함으로써 용접 비드의 지단부에 대한 응력 집중을 작게 하는 것이 제안되어 있다. 그러나 용접 비드의 형상이 특정되어 있는 것에 지나지 않고, 구체적으로 어떻게 하여 이러한 용접 비드 폭을 형성할 것인지 그로 인한 용접 조건 등이 전혀 개시되어 있지 않다. 따라서, 재현성이 부족해, 공업적으로 이용하는 것이 매우 곤란하다.
[특허 문헌 1] : 일본 특허 출원 공개 제2008-111406호 공보 [특허 문헌 2] : 일본 특허 출원 공개 제2007-092406호 공보 [특허 문헌 3] : 일본 특허 출원 공개 제2007-322400호 공보 [특허 문헌 4] : 일본 특허 출원 공개 제2006-037397호 공보 [특허 문헌 5] : 국제 공개 제99/16101호 팸플릿 [특허 문헌 6] : 일본 특허 출원 공개 평4-361876호 공보 [특허 문헌 7] : 일본 특허 출원 공개 제2004-181530호 공보
본 발명의 목적은, 피용접 금속재에 대하여 전자 빔 등의 제1 고에너지 밀도 빔을 사용한 용접을 행하는 동시에, 제2 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 용접 지단부의 인장 잔류 응력을 완화하고, 또는 용접 비드에 대한 응력 집중을 완화하고, 기가 사이클 영역의 진동에 대해서도 견딜 수 있는 피로 특성과, 충분한 파괴 인성을 갖는 용접 조인트를 매우 간이하게 재현성을 가지고 제공하는 데 있다.
본 발명의 개요는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 제1 형태는 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트이며 : 한 쌍의 피용접 금속재와 ; 상기 한 쌍의 피용접 금속재 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성되고, 조사측의 표면에서의 폭이 W인 용접 비드와 ; 상기 맞댐 용접 조인트의 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 상기 표면에 형성되고, 상기 용접 비드와 평행한 띠(帶) 형상을 갖고, 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의, 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 변질대(變質帶)를 구비한다. 한 쌍의 상기 변질대의 각각은 폭 0.1W 이상 10W 이하, 두께 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하이며, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리는, 각각 0 이상 4W 이하이며, 한 쌍의 상기 변질대의 각 외측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리는, 각각 0.6W 이상 14W 이하다.
(2) 상기 (1)에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트에서는, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리가, 각각 0 이상 0.4W 이하이며, 한 쌍의 상기 변질대의 각각이, 두께 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하라도 좋다.
(3) 상기 (2)에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트에서는, 한 쌍의 상기 변질대가 상기 열 영향부만으로 이루어져도 좋다.
(4) 상기 (1)에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트에서는, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리가, 각각 1W 이상 4W 이하이며, 한 쌍의 상기 변질대의 각각이, 폭 0.1W 이상 2W 이하, 두께 5㎜ 이상 10㎜ 이하라도 좋다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트에서는, 상기 피용접 금속재의 항복 강도를 YSb라 할 때, 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측에서의 상기 용접 비드의 지단부로부터 1㎜ 외측 위치의 상기 피용접 금속재 표면에서의 용접 비드에 수직인 방향의 인장 잔류 응력 σR이, YSb/2 이하라도 좋다.
(6) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트에서는, 상기 한 쌍의 피용접 금속재가 판 두께 30㎜ 초과의 고강도 강판이라도 좋다.
(7) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트에서는, 상기 용접 구조체가 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥이라도 좋다.
(8) 본 발명의 제2 형태는 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법이며, 한 쌍의 피용접 금속재 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써, 조사측 표면에서의 폭이 W인 용접 비드를 형성하는 제1 조사 공정과 ; 상기 맞댐 용접 조인트의 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측으로부터, 제2 고에너지 밀도 빔을 조사해 피조사부를 Ac1 이상으로 가열함으로써, 상기 용접 비드와 평행한 띠 형상을 갖고, 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의, 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 변질대를 형성하는 제2 조사 공정을 갖는다. 상기 제2 조사 공정에 의한 입열량은 상기 제1 조사 공정에 의한 입열량의 2% 이상 30% 이하로 하고, 한 쌍의 상기 변질대의 각각은 폭 0.1W 이상 10W 이하, 두께 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하로 하고, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리는, 각각 0 이상 4W 이하로 하고, 한 쌍의 상기 변질대의 각 외측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리는, 각각 0.6W 이상 14W 이하로 한다.
(9) 상기 (8)에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 제2 조사 공정에서, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리를 각각 0 이상 0.4W 이하로 하고, 한 쌍의 상기 변질대의 각각을, 두께 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하로 해도 좋다.
(10) 상기 (9)에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 제2 조사 공정에서, 조사부의 가열 온도를 Ac1 이상 용융점 온도 미만으로 하여, 한 쌍의 상기 변질대가 열 영향부만으로 이루어지도록 해도 좋다.
(11) 상기 (8)에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 제2 조사 공정에서, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리를, 각각 1W 이상 4W 이하로 하고, 한 쌍의 상기 변질대의 각각을 폭 0.1W 이상 2W 이하, 두께 5㎜ 이상 10㎜ 이하로 해도 좋다.
(12) 상기 (8) 내지 (11) 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 피용접 금속재가 판 두께 30㎜ 초과의 고강도 강판이라도 좋다.
(13) 상기 (8) 내지 (11) 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 용접 구조체가 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥이라도 좋다.
본 발명의 용접 조인트에 따르면, 용접 지단부의 인장 잔류 응력이 완화되거나, 또는 용접 비드의 지단부에 대한 응력 집중이 완화되어 있으므로, 기가 사이클 영역의 진동에 대해서도 견딜 수 있는 피로 특성과, 충분한 파괴 인성을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 용접 조인트(1A)의 사시도다.
도 2는 상기 용접 조인트(1A)의 변형예인 용접 조인트(1A')의 사시도다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 용접 조인트(1B)의 사시도다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 용접 조인트(1C)의 사시도다.
도 5는 종래의 용접 조인트의 단면 개략도다.
도 6은 피로 시험편의 채취 위치를 단면 개략도로 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 이하에 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트(1A)를 도시한다.
이 용접 조인트(1A)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11A, 11A)와, 표면 위의 폭이 W인 용접 비드(12A)와, 용접 비드(12A)의 길이 방향에 평행한 방향으로 연장되는 띠 형상을 갖고, 용접 비드(12A)의 폭 방향 중앙(중심선 C)으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 변질대(13A, 13A)를 구비한다.
변질대(13A)는 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성되는 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 영역이다.
또, 본 명세서에 있어서, 용융 응고 금속이란 피용접 금속재와, 제1 고에너지 밀도 빔에 의해 형성된 용접 금속과, 열 영향부 중 적어도 하나에 있어서, 제2 고에너지 밀도 빔에 의해 용융 온도 이상으로 가열되어 용융된 후에 응고한 부위를 의미한다. 용융 응고 금속을 용융 응고부라 표현해도 좋다. 또한, 제1 고에너지 밀도 빔에 의해 형성되는 용접 비드의 폭 W는, 조사측 표면에 있어서의 용접 금속부의 폭을 의미한다. 제2 고에너지 밀도 빔에 의해 변질대가 표면에 형성되었을 경우에는, 제1 고에너지 밀도 빔에 의해 형성된 용접 금속의 측정 가능한 조사측 표면 최근접 위치에 있어서(측정 가능한 위치가 가장 깊은 경우라도 상기 변질대와 접하는 부분에 있어서), 측정되는 제1 고에너지 밀도 빔에 의해 형성된 용접 금속의 폭을, 폭 W라 한다. 본 명세서에 있어서, 변질대의 열 영향부라 함은 제2 고에너지 밀도 빔에 의해 Ac1 온도 이상 용융 온도 미만으로 가열된 부위를 의미한다.
또한, 본 명세서에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 용접 비드의 폭 방향을 X 방향이라 부르고, 용접 비드의 두께 방향 즉 깊이 방법을 Y 방향이라 부르고, 용접 비드의 길이 방향을 Z 방향이라 부른다.
용접 비드(12A)는 한 쌍의 피용접 금속재(11A, 11A) 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성된다. 또한, 한 쌍의 변질대(13A, 13A)는 용접 조인트(1A)의 제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 상기 표면에 형성된다. 제1 고에너지 밀도 빔 및 제2 고에너지 밀도 빔으로서는, 전자 빔, 레이저 빔 등을 사용할 수 있다.
제1 고에너지 밀도 빔에 의해 한 쌍의 피용접 금속재(11A, 11A)를 맞댐 용접할 때는, 그 사이에 Ni계 금속박, 또는 Fe-Ni-Cr계 금속박을 삽입해도 좋다. 이러한 금속박의 사용에 의해, 용접 비드(12A)의 파괴 인성 등을 향상시킬 수 있다.
한 쌍의 피용접 금속재(11A, 11A)에 대해서는, 원리적으로 본 발명에 있어서 한정되는 것은 아니지만, 판 두께가 30㎜ 이상, 항복 강도가 355MPa 이상인 강재를 사용해도 좋다. 예를 들어, 질량％로, C : 0.02 내지 0.20%, Si : 0.01 내지 1.0%, Mn : 0.3 내지 2.4%, Al : 0.001 내지 0.20%, N : 0.02% 이하, P : 0.01% 이하, S : 0.01% 이하를 기본 성분으로 하고, 모재 강도나 조인트 인성의 향상 등, 요구되는 성질에 따라서, 합계 8% 이하 또는 3% 이하 또는 1% 이하의 Ni, Cr, Mo, Cu, W, Co, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Hf, REM, Y, Ca, Mg, Te, Se, B를 함유하는 강재를 사용할 수 있다. 강재의 항복 강도를 600MPa 이하로 하거나, 또는 강재의 인장 강도를 450MPa 이상 또는 780MPa 이하로 제한해도 좋다. 판 두께도 50㎜ 이상 또는 150㎜ 이하로 제한해도 좋다.
한 쌍의 변질대(13A, 13A)의 각각의 폭은 0.1W 이상이면 된다. 필요에 따라서, 0.3W 이상, 0.5W 이상 또는 1.0W 이상으로 해도 좋다. 즉, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사로 각각 0.1W 이상의 폭의 변질대(13A, 13A)를 형성함으로써, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드(12A)의 지단부 부근의 인장 잔류 응력을 완화시키거나 또는 압축 잔류 응력으로 개질시킬 수 있다. 변질대(13A) 폭의 상한을 특별히 규정할 필요는 없지만, 고에너지 밀도 빔을 10W 초과의 폭넓은 범위에 조사하는 것이 쉽지는 않으므로, 폭의 상한을 10W로 한다. 필요에 따라서, 폭의 상한을 7W, 4W 또는 2W로 해도 좋다.
한 쌍의 변질대(13A, 13A)의 각각의 두께는 0.1㎜ 이상이면 된다. 즉, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사로 0.1㎜ 이상 두께의 변질대(13A, 13A)를 형성함으로써, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드(12A)의 지단부 부근의 인장 잔류 응력을 완화시키거나 또는 압축 잔류 응력으로 개질시킬 수 있다. 필요에 따라서, 0.2㎜ 또는 0.3㎜ 이상으로 해도 좋다. 한편, 변질대(13A, 13A)의 두께가 10㎜ 초과가 되면 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의한 인장 잔류 응력의 완화 효과보다, 오히려 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의한 인장 잔류 응력이 과대해지기 때문에, 상한은 10㎜로 규정한다. 필요에 따라서, 9㎜ 이하 또는 8㎜ 이하로 해도 좋다.
단, 지단부에 있어서는, 변질대(13A, 13A)의 두께를 1.0㎜ 이하, 바람직하게는 0.8㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.5㎜ 이하로 해도 좋다.
용접 지단부의 잔류 응력을 저감하기 위해서는, 한 쌍의 변질대(13A, 13A)의 각 외측단부와 용접 비드(12A)의 중심선 C의 거리는, 각각 0.6W 이상이면 된다. 상한은 변질대 폭의 상한 10W 및 변질대의 내측단부의 상한 4W에 대응하여, 각각 14W 이하로 한다.
상술한 용접 조인트(1A)에 따르면, 용접 비드(12A)의 양 지단부에 인장 잔류 응력 저감 대역이 형성되므로, 우수한 피로 특성을 발휘할 수 있다. 이로 인해, 이 용접 조인트(1A)를 채용한 용접 구조체는, 기가 사이클 환경 하에서 사용되는 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥으로서 사용할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 용접 비드(12A)의 양측을 Ac1 온도 이상으로 가열하여, 변질대를 형성함으로써 지단부의 인장 잔류 응력을 완화하고, 내피로 균열 발생 특성을 향상시킨다. 이 열 영향의 결과, 변질대의 조직은 모상 조직과 다른 것이 되어, 나이탈 부식액 등을 사용한 에칭에 의해, 모상 조직으로부터 명료하게 구별할 수 있다.
또, 도 1에 도시한 용접 조인트(1A)에서는, 한 쌍의 변질대(13A, 13A)는 서로 인접하여 형성되어 있지만, 도 2에 도시한 변형예의 용접 조인트(1A')와 같이, 한 쌍의 변질대(13A', 13A')의 각 내측단부가 용접 비드(12A)'의 중심선 C로부터 이격되어 있어도 된다.
즉, 한 쌍의 변질대(13A, 13A)의 간격(이하, 이격 거리라고 함)은 0 이상이면 된다. 단, 그 간격이 4W를 초과하도록 제2 고에너지 밀도 빔을 조사해도, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드(12A)의 지단부 부근의 인장 잔류 응력에 영향을 줄 수 없게 되므로, 상한은 4W로 규정할 필요가 있다. 또, 이격 거리가 0인 경우, 도 1과 같이 한 쌍의 변질대(13A, 13A)를, 용접 비드(12A)의 표면을 덮는 하나의 변질대라 간주할 수 있다.
이하, 본 실시 형태에 관한 용접 조인트(1A)의 제조 방법에 대해서 상세하게 서술한다.
본 실시 형태에 관한 용접 조인트(1A)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11A, 11A) 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사하는 제1 조사 공정과, 용접 조인트(1A)에, 제1 고에너지 밀도 빔 조사측으로부터, 제2 고에너지 밀도 빔을 조사하는 제2 조사 공정에 의해 제조된다. 상세하게 서술하면, 제1 조사 공정에 의해, 표면 위의 폭이 W인 용접 비드(12A)를 형성하고, 제2 조사 공정에 의해 피조사부를 Ac1 이상으로 가열하고, 용접 비드(12A)와 평행한 띠 형상을 갖고, 용접 비드(12A)의 폭 방향 중앙(중심선 C)으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 변질대(13A, 13A)를 형성한다. 또, 이격 거리가 0인 경우, 제2 조사 공정에 있어서, 도 1과 같이 용접 비드(12A)의 표면을 덮는 하나의 변질대를 형성하도록 조사해도 지장이 없다.
제2 조사 공정에 의한 입열량은, 제1 조사 공정에 의한 입열량의 2% 이상 30% 이하로 해도 좋다. 이하, 제2 조사 공정에 의한 입열량의 제1 조사 공정에 의한 입열량에 대한 비율을 입열비라고 부른다. 입열비가 2% 이상으로 제어될 경우, 용접 비드(12A)의 지단부 근방에 있어서의 인장 잔류 응력을 확실하게 완화할 수 있다. 또한, 입열비가 30% 이하로 제어될 경우, 피용접 금속재(11A) 중의 결정립의 평균 입경의 성장을 억제할 수 있으므로, 용접 비드(12A) 부근의 인성 저하를 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
제2 조사 공정에서는, 한 쌍의 변질대(13A, 13A)의 폭, 두께, 이격 거리 각각이 상술한 적정 범위에 들어가도록 제2 고에너지 밀도 빔의 조사 조건을 적절하게 설정한다. 또한, 필요에 따라서 제2 고에너지 밀도 빔을 위빙시키면서 조사해도 좋다. 즉, 용접 비드(12A)의 폭 방향(X 방향)으로 주사시키면서 용접 비드(12A)의 길이 방향(Z 방향)을 향해 조사해도 좋다. 이에 의해, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의한 입열량을 저감시키면서, 소정 폭의 변질대(13A)를 형성해서 잔류 응력의 저감을 도모할 수 있다.
제1 고에너지 밀도 빔은, 예를 들어 전자 빔의 경우, 판 두께 80㎜를 피용접 금속재(11A)로서 사용할 때, 전압 150V, 전류 180mA, 용접 속도 25㎜/분 정도의 조건으로 조사해도 좋다.
제2 고에너지 밀도 빔은, 예를 들어 전자 빔의 경우, 판 두께 80㎜를 피용접 금속재(11A)로서 사용할 때, 전압 150V, 전류 100mA의 조건으로 조사해도 좋다. X 방향 및 Z 방향의 조사 속도를 조정함으로써, 목표로 하는 변질대의 두께와 폭을 달성할 수 있다.
제1 조사 공정으로서 RPEBW 용접을 채용할 경우에는, 진공 챔버에 의한 고진공 상태에 의한 전자 빔 용접을 채용한 경우에 비해, 용접 비드(12A)의 폭이 증대되는 경향이 있다. 이로 인해, RPEBW 용접을 채용하는 경우라도, 용접 조인트(1A)의 파괴 인성 값을 안정되게 확보하기 위해, 용접 비드(12A)의 폭을, 피용접 금속재(11A)의 판 두께의 20% 이하 또는 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 혹은, 비드 폭을 15㎜ 이하, 11㎜ 이하, 7㎜ 이하, 6㎜ 이하 또는 5㎜ 이하로 제한해도 좋다.
(제2 실시 형태)
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트(1B)를 도시한다.
이 용접 조인트(1B)는 한 쌍의 피용접 금속재(11B,11B)와, 표면 위의 폭이 W인 용접 비드(12B)와, 용접 비드(12B)의 길이 방향에 평행한 방향으로 연장되는 띠 형상을 갖고, 용접 비드(12B)의 폭 방향 중앙(중심선 C)으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 변질대(13B, 13B)를 구비한다.
변질대(13B)는 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성되는 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 영역이지만, 용융 응고 금속을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 변질대(13B)는 열 영향부만으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 이유는, 변질대(13B)가 용융 응고 금속을 포함할 경우에는, 용융 금속의 응고에 의해 발생하는 인장 잔류 응력이 커, 피로 강도의 향상 효과가 감소되기 때문이다.
용접 비드(12B)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11B,11B) 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성된다. 또한, 한 쌍의 변질대(13B, 13B)는 용접 조인트(1B)의 제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 상기 표면에 형성된다. 제1 고에너지 밀도 빔 및 제2 고에너지 밀도 빔으로서는, 전자 빔, 레이저 빔 등을 사용할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 이들 한 쌍의 변질대(13B, 13B)는 서로 인접해서 형성되지만, 양자의 간격은 0.8W 이하이면 허용된다. 바꿔 말하면, 한 쌍의 변질대(13B, 13B)의 각 내측단부와 용접 비드(12B)의 중심선 C의 거리는, 각각 0 이상 0.4W 이하라도 좋다. 또, 이격 거리가 0인 경우, 한 쌍의 변질대(13B, 13B)를, 용접 비드(12B)의 표면을 덮는 하나의 변질대라 간주할 수 있다.
제1 고에너지 밀도 빔에 의해 한 쌍의 피용접 금속재(11B,11B)를 맞댐 용접할 때에는, 그 사이에 Ni계 금속박, 또는 Fe-Ni-Cr계 금속박을 삽입해도 좋다. 이러한 금속박의 사용에 의해 용접 비드(12B)의 파괴 인성 등을 향상시킬 수 있다.
한 쌍의 피용접 금속재(11B,11B)에 대해서는, 원리적으로 본 발명에 있어서 한정되는 것은 아니며, 제1 실시 형태에서 설명한 피용접 금속재(11A)와 같은 강재를 사용할 수 있다.
한 쌍의 변질대(13B, 13B)의 각각의 폭은, 제1 실시 형태에서 설명한 한 쌍의 변질대(13A, 13A)의 각각의 폭과 마찬가지로 규정된다.
한 쌍의 변질대(13B, 13B)의 각각의 두께는 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하이면 된다. 이 경우, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사로 0.1㎜ 이상 두께의 변질대(13B, 13B)를 형성함으로써, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드(12B)의 지단부 부근의 인장 잔류 응력을 완화시키거나 또는 압축 잔류 응력으로 개질시킬 수 있다. 또한, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사로 형성되는 변질대(13B, 13B)의 두께를 0.5㎜ 이하로 제어함으로써, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생하는 인장 잔류 응력을 크게 저감할 수 있다.
용접 지단부의 잔류 응력을 저감하기 위해서는, 한 쌍의 변질대(13B, 13B)의 각 외측단부와 용접 비드(12B)의 중심선 C의 거리는, 각각 0.6W 이상이면 된다. 상한은 변질대 폭의 상한 10W 및 변질대 내측단부의 상한 4W에 대응하여, 각각 14W 이하로 한다.
상술한 용접 조인트(1B)에 따르면, 용접 비드(12B)의 양 지단부에 인장 잔류 응력 저감 대역이 형성되므로, 우수한 피로 특성을 발휘할 수 있다. 이로 인해, 이 용접 조인트(1B)를 채용한 용접 구조체는, 기가 사이클 환경 하에서 사용되는 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥으로서 사용할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 용접 비드(12B)의 폭 방향 양단부를 포함하는 영역을 Ac1 온도 이상 용융점 온도 미만으로 가열하여, 지단부 근방에 변질대를 형성한다. 이에 의해, 지단부 근방의 조직을 항복시켜, 인장 잔류 응력을 완화하고, 내피로 균열 발생 특성을 향상시킨다.
이하, 본 실시 형태에 관한 용접 조인트(1B)의 제조 방법에 대해서 상세하게 서술한다.
본 실시 형태에 관한 용접 조인트(1B)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11B,11B) 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사하는 제1 조사 공정과, 용접 조인트(1B)에 제1 고에너지 밀도 빔 조사측으로부터 제2 고에너지 밀도 빔을 조사하는 제2 조사 공정에 의해 제조된다. 상세하게 서술하면, 제1 조사 공정에 의해, 표면 위의 폭이 W인 용접 비드(12B)를 형성하고, 제2 조사 공정에 의해 피조사부를 Ac1 이상 융점 온도 미만으로 가열하고, 용접 비드(12B)와 평행한 띠 형상을 갖고, 용접 비드(12B)의 폭 방향 중앙(중심선 C)으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 변질대(13B, 13B)를 형성한다. 또, 이격 거리가 0인 경우, 제2 조사 공정에 있어서, 용접 비드(12B)의 표면을 덮는 하나의 변질대를 형성하도록 조사해도 지장이 없다.
제2 조사 공정에 의한 입열량은, 제1 실시 형태에 관한 용접 조인트(1A)의 제조 방법과 마찬가지로, 제1 조사 공정에 의한 입열량의 2% 이상 30% 이하로 해도 좋다. 변질대의 두께를 확실하게 0.5㎜ 이하로 하기 위해, 제2 조사 공정에 의한 입열량을, 제1 조사 공정에 의한 입열량의 15% 이하, 10% 이하, 7% 이하 또는 5% 이하로 제한해도 좋다.
제2 조사 공정에서는, 한 쌍의 변질대(13B, 13B)의 폭, 두께, 이격 거리 각각이 상술한 적정 범위에 들어가도록 제2 고에너지 밀도 빔의 조사 조건을 적절하게 설정한다. 또한, 필요에 따라서 제2 고에너지 밀도 빔을 위빙시키면서 조사해도 좋다. 즉, 용접 비드(12B)의 폭 방향(X 방향)으로 주사시키면서 용접 비드(12B)의 길이 방향(Z 방향)을 향해 조사해도 좋다. 이에 의해, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의한 입열량을 저감시키면서, 소정 폭의 변질대(13B)를 형성해서 잔류 응력의 저감을 도모할 수 있다.
제1 고에너지 밀도 빔은, 예를 들어 전자 빔의 경우, 판 두께 80㎜를 피용접 금속재(11B)로서 사용할 때, 전압 150V, 전류 180mA, 용접 속도 25㎜/분 정도의 조건으로 조사해도 좋다.
제2 고에너지 밀도 빔은, 예를 들어 전자 빔의 경우, 판 두께 80㎜를 피용접 금속재(11B)로서 사용할 때, 전압 150V, 전류 100mA의 조건으로 조사해도 좋다. X 방향 및 Z 방향의 조사 속도를 조정함으로써, 목표로 하는 변질대의 두께와 폭을 달성할 수 있다.
제1 조사 공정으로서 RPEBW 용접을 채용할 경우에는, 진공 챔버에 의한 고진공 상태에 의한 전자 빔 용접을 채용한 경우에 비해, 용접 비드(12B)의 폭이 증대되는 경향이 있다. 이로 인해, RPEBW 용접을 채용할 경우라도, 용접 조인트(1B)의 파괴 인성 값을 안정되게 확보하기 위해, 용접 비드(12B)의 폭을, 피용접 금속재(11B)의 판 두께의 20% 이하 또는 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 혹은, 비드 폭을 15㎜ 이하, 11㎜ 이하, 7㎜ 이하, 6㎜ 이하 또는 5㎜ 이하로 제한해도 좋다.
(제3 실시 형태)
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트(1C)를 도시한다.
이 용접 조인트(1C)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11C, 11C)와, 표면 위의 폭이 W인 용접 비드(12C)와, 용접 비드(12C)의 길이 방향에 평행한 방향으로 연장되는 띠 형상을 갖고, 용접 비드(12C)의 폭 방향 중앙(중심선 C)으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 변질대(13C, 13C)를 구비한다.
변질대(13C)는 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성되는 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 영역이다.
용접 비드(12C)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11C, 11C) 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성된다. 또한, 한 쌍의 변질대(13C, 13C)는 용접 조인트(1C)의 제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 상기 표면에 형성된다. 제1 고에너지 밀도 빔 및 제2 고에너지 밀도 빔으로서는, 전자 빔, 레이저 빔 등을 사용할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 한 쌍의 변질대(13C, 13C)는 서로 이격해서 형성된다. 상세하게 서술하면, 이들 한 쌍의 변질대(13C, 13C)의 각 내측단부와 용접 비드(12C)의 중심선 C의 거리는, 각각 1W 이상 4W 이하로 설정된다.
제1 고에너지 밀도 빔에 의해 한 쌍의 피용접 금속재(11C, 11C)를 맞댐 용접할 때에는, 그 사이에 Ni계 금속박, 또는 Fe-Ni-Cr계 금속박을 삽입해도 좋다. 이러한 금속박의 사용에 의해, 용접 비드(12C)의 파괴 인성 등을 향상시킬 수 있다.
한 쌍의 피용접 금속재(11C, 11C)에 대해서는, 원리적으로 본 발명에 있어서 한정되는 것은 아니며, 제1 실시 형태에서 설명한 피용접 금속재(11A)와 같은 강재를 사용할 수 있다.
한 쌍의 변질대(13C, 13C)의 각각의 폭은 0.1W 이상이면 된다. 필요에 따라서, 0.2W 이상, 0.3W 이상으로 해도 좋다. 즉, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사로 각각 0.1W 이상의 폭의 변질대(13C, 13C)를 형성함으로써, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드(12C)의 지단부 부근의 인장 잔류 응력을 완화시키거나 또는 압축 잔류 응력으로 개질시킬 수 있다. 단, 한 쌍의 변질대(13C, 13C)의 각각의 폭이 2.0W를 초과해도 그 효과는 한정적일 뿐만 아니라, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생하는 잔류 응력의 악영향을 무시할 수 없게 된다. 필요에 따라서, 폭의 상한을 1.8W, 1.5W, 또는 1.2W로 해도 좋다. 폭의 상한을 0.3W 또는 0.5W로 해도 좋다.
한 쌍의 변질대(13C, 13C)의 각각의 두께는 5㎜ 이상이면 된다. 즉, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사로 5㎜ 이상 두께의 변질대(13C, 13C)를 형성함으로써, 인장 잔류 응력을 확실하게 발생시켜, 이 반력에 의해 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드(12C)의 지단부 부근의 인장 잔류 응력을 완화시키거나 또는 압축 잔류 응력으로 개질시킬 수 있다. 단, 두께가 10㎜ 이상이 되면 제2 고에너지 밀도 빔에 의해 형성되는 잔류 응력이 판 두께 방향으로도 커져, 피로 파괴의 기점이 될 가능성이 생기게 되므로, 상한은 10㎜로 규정된다. 필요에 따라서, 9㎜ 이하, 또는 8㎜ 이하로 해도 좋다.
용접 지단부의 잔류 응력을 저감하기 위해서는, 한 쌍의 변질대(13C, 13C)의 각 외측단부와 용접 비드(12C)의 중심선 C의 거리는, 각각 0.6W 이상이면 된다. 상한은 변질대 폭의 상한 2W 및 변질대의 내측단부의 상한 4W에 대응하여, 각각 6W 이하로 한다.
상술한 용접 조인트(1C)에 따르면, 용접 비드(12C)의 양 지단부에 인장 잔류 응력 저감 대역이 형성되므로, 우수한 피로 특성을 발휘할 수 있다. 이로 인해, 이 용접 조인트(1C)를 채용한 용접 구조체는, 기가 사이클 환경 하에서 사용되는 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥으로서 사용할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 용접 비드(12C)의 양측의, 지단부로부터 이격된 부분을 Ac1 온도 이상으로 가열한다. 가열 온도가 용융점 온도 이상이 되어도 좋다. 가열 결과, 그 가열 영역(용융부를 포함해도 좋음)은 연화되어, 용접 비드(12C)의 지단부 근방의 인장 잔류 응력에 기인해서 소성 변형된다. 그 결과, 용접 비드(12C)의 지단부 근방의 인장 잔류 응력이 완화되어, 내피로 균열 발생 특성이 향상된다.
이하, 본 실시 형태에 관한 용접 조인트(1C)의 제조 방법에 대해서 상세하게 서술한다.
본 실시 형태에 관한 용접 조인트(1C)는, 한 쌍의 피용접 금속재(11C, 11C) 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사하는 제1 조사 공정과, 용접 조인트(1C)에, 제1 고에너지 밀도 빔 조사측으로부터 제2 고에너지 밀도 빔을 조사하는 제2 조사 공정에 의해 제조된다. 상세하게 서술하면, 제1 조사 공정에 의해, 표면 위의 폭이 W인 용접 비드(12C)를 형성하고, 제2 조사 공정에 의해 피조사부를 Ac1 이상으로 가열하고, 용접 비드(12C)와 평행한 띠 형상을 갖고, 용접 비드(12C)의 폭 방향 중앙(중심선 C)으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 변질대(13C, 13C)를 형성한다.
제2 조사 공정에 의한 입열량은, 제1 실시 형태에 관한 용접 조인트(1A)의 제조 방법과 마찬가지로, 제1 조사 공정에 의한 입열량의 2% 이상 30% 이하로 해도 좋다. 변질대의 두께를 확실하게 5㎜ 이상으로 하기 위해, 제2 조사 공정에 의한 입열량을, 제1 조사 공정에 의한 입열량의 5% 이상, 8% 이상, 10% 이상 또는 15% 이상으로 제한해도 좋다.
제2 조사 공정에서는, 한 쌍의 변질대(13C, 13C)의 폭, 두께, 이격 거리 각각이 상술한 적정 범위에 들어가도록 제2 고에너지 밀도 빔의 조사 조건을 적절하게 설정한다. 또한, 필요에 따라서 제2 고에너지 밀도 빔을 위빙시키면서 조사해도 좋다. 즉, 용접 비드(12C)의 폭 방향(X 방향)으로 주사시키면서 용접 비드(12C)의 길이 방향(Z 방향)을 향해 조사해도 좋다. 이에 의해, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의한 입열량을 저감시키면서, 소정의 폭의 변질대(13C)를 형성해서 잔류 응력의 저감을 도모할 수 있다.
제1 고에너지 밀도 빔은, 예를 들어 전자 빔의 경우, 판 두께 80㎜를 피용접 금속재(11C)로서 사용할 때, 전압 150V, 전류 180mA, 용접 속도 25㎜/분 정도의 조건으로 조사해도 좋다.
제2 고에너지 밀도 빔은, 예를 들어 전자 빔의 경우, 판 두께 80㎜를 피용접 금속재(11C)로서 사용할 때, 전압 150V, 전류 100mA의 조건으로 조사해도 좋다. X 방향 및 Z 방향의 조사 속도를 조정함으로써, 목표로 하는 변질대의 두께와 폭을 달성할 수 있다.
제1 조사 공정으로서 RPEBW 용접을 채용할 경우에는, 진공 챔버에 의한 고진공 상태에 의한 전자 빔 용접을 채용한 경우에 비해, 용접 비드(12C)의 폭이 증대되는 경향이 있다. 이로 인해, RPEBW 용접을 채용하는 경우라도, 용접 조인트(1C)의 파괴 인성 값을 안정되게 확보하기 위해, 용접 비드(12C)의 폭을, 피용접 금속재(11C)의 판 두께의 20% 이하 또는 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 혹은, 비드 폭을 15㎜ 이하, 11㎜ 이하, 7㎜ 이하, 6㎜ 이하 또는 5㎜ 이하로 제한해도 좋다.
이상, 제1 실시 형태, 제2 실시 형태, 제3 실시 형태에 관한 용접 조인트(1A, 1B, 1C)에 대해서 설명했지만, 각 용접 조인트에 있어서의 변질대의 치수는, 용접 조인트의 단면을 에머리지(emery paper) 등으로 연마한 후, 5% 내지 10%의 나이탈 부식액 등을 사용하여 에칭함으로써, 제2 고에너지 밀도 빔에 의한 변질대를 현출시켜 용이하게 측정할 수 있다.
한 쌍의 변질대의 상기 이격 거리가 짧아 서로 접하고 있을 경우에는, 제1 고에너지 밀도 빔 조사에 의해 형성된 용접 금속의 폭 방향 중앙(중심선 C)을 기점으로, 좌우 각각의 변질대의 치수를 측정하는 것으로 한다.
제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 피로 손상이 발생하기 쉬우므로, 본 발명에서는 제1 고에너지 밀도 빔의 조사측의 표면에 변질대가 형성되어 있다. 필요에 따라서, 제1 고에너지 밀도 빔이 조사되지 않은 측의 표면, 즉 이면측에 변질대가 형성되어도 좋다.
또한, 상술한 각 실시 형태에 관한 용접 조인트는, 피용접 금속재의 항복 강도를 YSb라 할 때, 용접 비드의 지단부로부터 1㎜ 외측 위치의 피용접 금속재의 표면에서의 용접 비드의 폭 방향 즉 X 방향으로의 인장 잔류 응력 σR이, YSb/2 이하인 것을 특징으로 한다. 여기서, 인장 잔류 응력 σR이 소멸되어, 압축 잔류 응력이 발생한 경우, 인장 잔류 응력 σR은 YSb/2 이하라 간주한다.
즉, 상술한 각 실시 형태에 관한 용접 조인트의 소정 부위의 잔류 응력은, 측정 방법으로서 신뢰성이 높은 왜곡 게이지법에 의해 확실하게 측정 가능한 위치 범위이며, 또한 피로 균열이 발생할 가능성이 가장 높은 위치인, 용접 비드의 지단부로부터 1㎜ 외측의 위치를 측정 위치로 한다. 이 위치에 있어서의 피로 균열을 가장 발생시키기 쉬운 방향으로의 인장 잔류 응력 σR이, 피용접 강재의 항복 강도YSb(즉, 이론상 최대한의 인장 잔류 응력)의 1/2의 값 이하로 되어 있으므로, 피로 강도의 저하를 억제할 수 있다.
단, 잔류 응력의 측정 방법으로서는, X선 응력 측정, 벌크 하우젠법을 이용할 수도 있다. 좌우의 용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 위치에서 측정하고, 높은 쪽의 값을 채용하는 것이 바람직하다.
용접 지단부의 잔류 응력의 측정 방향은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 왜곡 게이지법이 가장 정밀도가 높아 신뢰할 수 있으므로, 왜곡 게이지법이 바람직하다. 왜곡 게이지법에서는, 용접 지단부의 가장 가까이에 왜곡 게이지를 첨부한 후, 왜곡 게이지 주변을 잘라내어 주변의 잔류 응력을 해방시킴으로써 측정하는 방법이다. 본 발명에서는 특히 게이지 길이가 작은 잔류 응력 측정용의 왜곡 게이지를 이용하는 것이 바람직하다. 그러나 이 방법은, 측정을 위해 용접 조인트를 잘게 자를 필요가 있다. 따라서, 실제 적용 시에 왜곡 게이지법에 의해 측정되는 값을 재현할 수 있는 각종 잔류 응력 측정 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, X선 응력 측정법이나, 벌크 하우젠법을 이용하면 좋다. 이들의 방법은, 측정하는 강판이나 용접 조인트의 표면 성상 등에 의해 편차가 커지는 경우도 있어서, 왜곡 게이지법으로 얻어지는 값과 동등한 값이 재현성 좋게 얻어지는 표면 성상이나, 캘리브레이션용의 설정 등을 미리 검토해 두는 것이 바람직하다.
<실시예>
다음에, 본 발명을 실시예에 의거하여 설명하지만, 실시예에 있어서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 하나의 조건예이며, 본 발명은 이들의 조건예에만 한정되지 않는다.
본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건 또는 조건의 조합을 채용할 수 있는 것이다.
(제1 실시예)
한 쌍의 강판의 맞댐 부분에 제1 전자 빔(제1 고에너지 밀도 빔)을 조사함으로써 맞댐 용접을 행하고, 조인트 A1 내지 A31을 제조했다. 표 1은, 각각의 조인트 A1 내지 A31에서 사용한 한 쌍의 강판의 강종 a1, a2, a3을 나타내고, 표 2는 제1 전자 빔의 조사 조건을 나타낸다.
Figure 112012043064419-pct00001
Figure 112012043064419-pct00002
조인트 A1 내지 A20, A26 내지 A31에는, 제1 전자 빔을 조사한 면과 동일한 면에 대하여, 제2 전자 빔을 조사함으로써 한 쌍의 변질대를 그 표면에 형성했다. 표 3은 제2 전자 빔의 조사 조건을 나타낸다.
Figure 112012043064419-pct00003
이와 같이 하여 제조된 조인트 A1 내지 A31의 상세를 표 4에 나타낸다. 표 4에 나타내는 좌우 변질대의 치수는, 각 조인트의 단면을 에머리지로 연마한 후, 5%의 나이탈 부식액을 사용해서 에칭함으로써 좌우의 변질대를 현출시켜서 측정한 치수다. 또한, 이와 같이 하여 현출한 변질대의 단면으로부터, 용융 응고부의 유무를 확인했다.
내단부 거리는, 좌우 각각의 변질대의 내측단부와 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리다.
외단부 거리는, 좌우 각각의 변질대의 외측단부와 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리다.
Figure 112012043064419-pct00004
표 5에, 조인트 A1 내지 A31 각각에 관하여, 「용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 잔류 응력 측정값 σR」, 「모재의 항복 강도 Ysb」 및 조인트 성능인 「2×106회의 조인트 피로 강도」, 「초음파 피로 시험에서의 저하율」, 「기가 사이클 하에서의 조인트 피로 강도」를 나타낸다.
Figure 112012043064419-pct00005
「용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 잔류 응력 측정값 σR」은, 용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 잔류 응력을 왜곡 게이지법에 의해 측정한 값이다.
「2×106회의 조인트 피로 강도」는, 도 6에 도시한 위치로부터 조인트 피로 시험편(23)을 채취하고, 시험편의 표면측으로부터 피로 균열이 발생하도록 조인트 피로 시험편(23)의 이면을 기계 연삭하고, 축력/응력을 0.1, 반복 속도 5Hz의 조건으로 피로 시험을 행함으로써 구했다.
「초음파 피로 시험에서의 저하율」은, 도 6에 도시한 위치로부터 채취한 초음파 시험편(24)에 초음파 시험을 행하고, 2×106회의 피로 강도와 2×109회의 피로 강도를 구해, 그 저하율을 산출한 값이다.
「기가 사이클 하에서의 조인트 피로 강도」는 추정 값이며, 「2×106회의 조인트 피로 강도」에 대하여「초음파 피로 시험에서의 저하율」을 적산해서 구했다.
표 4, 표 5를 참조하면, 조인트 A1 내지 A20에서는 제2 전자 빔의 조사에 의해 적절한 치수의 변질대가 용접 비드의 폭 방향 중앙의 좌우에 형성되었으므로, 양호한 조인트 성능이 얻어진 것을 알 수 있다.
한편, 조인트 A21 내지 A25에서는 제2 전자 빔의 조사를 행하지 않았으므로, 제1 전자 빔의 조사에 의해 발생한 용접 비드의 지단부 근방의 인장 잔류 응력이 완화되지 않아, 양호한 조인트 성능을 얻을 수 없었다.
조인트 A26 내지 A31에서는 제2 전자 빔의 조사를 행하였지만, 그에 의해 형성된 좌우의 변질대가 적절한 치수를 갖고 있지 않았으므로, 양호한 조인트 성능을 얻을 수 없었다.
조인트 A26에서는, 좌우 변질대의 폭이 비드 폭 W에 대하여 작았기 때문에, 용접 비드의 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
조인트 A27에서는, 좌우 변질대의 두께가 작았기 때문에, 용접 비드의 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
조인트 A28에서는, 좌우 변질대의 두께가 컸기 때문에, 제2 전자 빔 조사에 의해 발생한 인장 잔류 응력에 의해 조인트 성능을 악화시켜 버렸다.
조인트 A29에서는, 내단부 거리가 컸기 때문에, 즉 좌우의 변질대가 비드 지단부로부터 크게 이격되어 있었으므로, 용접 비드 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
조인트 A30에서는, 우측 변질대의 폭이 비드 폭에 대하여 작았기 때문에, 용접 비드 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
조인트 A31에서는, 좌우 변질대의 폭, 두께, 외단부 거리 모두가 작았기 때문에, 용접 비드 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
(제2 실시예)
한 쌍의 강판의 맞댐 부분에 제1 전자 빔(제1 고에너지 밀도 빔)을 조사함으로써 맞댐 용접을 행하여, 조인트 B1 내지 B30을 제조했다. 표 6은 각각의 조인트 B1 내지 B30에서 사용한 한 쌍의 강판의 강종 b1, b2, b3을 나타내고, 표 7은 제1 전자 빔의 조사 조건을 나타낸다.
Figure 112012043064419-pct00006
Figure 112012043064419-pct00007
또한, 조인트 B1 내지 B30에, 제1 전자 빔을 조사한 면과 동일한 면에 대하여, 제2 전자 빔을 조사함으로써 한 쌍의 변질대를 그 표면에 형성했다. 표 8은 제2 전자 빔의 조사 조건을 나타낸다.
Figure 112012043064419-pct00008
이와 같이 하여 제조된 조인트 B1 내지 B30의 상세를 표 9에 나타낸다.
표 4에 나타낸 좌우 변질대의 치수는, 각 조인트의 단면을 에머리지로 연마한 후, 5%의 나이탈 부식액을 사용해서 에칭함으로써 좌우 변질대를 현출시켜서 측정한 치수다. 또한, 이와 같이 하여 현출한 변질대의 단면으로부터, 용융 응고부의 유무를 확인했다.
내단부 거리는, 좌우 각각의 변질대의 내측단부와 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리다.
외단부 거리는, 좌우 각각의 변질대의 외측단부와 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리다.
Figure 112012043064419-pct00009
표 10에, 조인트 B1 내지 B30 각각에 관하여, 「용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 잔류 응력 측정값 σR」, 「모재의 항복 강도 Ysb」 및 조인트 성능인 「2×106회의 조인트 피로 강도」, 「초음파 피로 시험에서의 저하율」, 「기가 사이클 하에서의 조인트 피로 강도」를 나타낸다.
Figure 112012043064419-pct00010
「용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 잔류 응력 측정값 σR」은, 용접 지단부로부터 1㎜ 외측의 잔류 응력을 왜곡 게이지법에 의해 측정한 값이다.
「2×106회의 조인트 피로 강도」는, 도 6에 도시한 위치로부터 조인트 피로 시험편(23)을 채취하고, 시험편의 표면측으로부터 피로 균열이 발생하도록 조인트 피로 시험편(23)의 이면을 기계 연삭하고, 축력/응력을 0.1, 반복 속도 5Hz의 조건으로 피로 시험을 행함으로써 구했다.
「초음파 피로 시험에서의 저하율」은, 도 6에 도시한 위치로부터 채취한 초음파 시험편(24)에 초음파 시험을 행하고, 2×106회의 피로 강도와 2×109회의 피로 강도를 구하여, 그 저하율을 산출한 값이다. 구체적으로는, 2×109회의 피로 강도를 2×106회의 피로 강도로 제산함으로써 산출했다.
「기가 사이클 하에서의 조인트 피로 강도」는 추정 값이며, 「2×106회의 조인트 피로 강도」에 대하여 「초음파 피로 시험에서의 저하율」을 적산해서 구했다.
표 9, 표 10을 참조하면, 조인트 B1 내지 B25에서는 제2 전자 빔의 조사에 의해 적절한 치수의 변질대가 용접 비드의 폭 방향 중앙의 좌우에 형성되었으므로, 양호한 조인트 성능이 얻어진 것을 알 수 있다.
한편, 조인트 B26 내지 B30에서는 좌우의 변질대가 적절한 치수를 갖지 않았기 때문에, 양호한 조인트 성능을 얻을 수 없었다.
조인트 B26에서는 제2 전자 빔의 조사의 입열량이 크고, 또한 우측 변질대의 폭이 과대가 되었기 때문에, 그 조사 부위에 있어서 발생한 인장 잔류 응력의 영향에 의해, 충분한 조인트 특성을 얻을 수 없었다.
조인트 B27에서는 좌우 변질대의 두께가 작았기 때문에, 용접 비드의 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
조인트 B28에서는 좌우 변질대의 폭이 비드 폭에 대하여 작았기 때문에, 용접 비드 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
조인트 B29에서는 좌우 변질대의 두께가 컸기 때문에, 제2 전자 빔 조사에 의해 발생한 인장 잔류 응력에 의해 조인트 성능을 악화시켜 버렸다.
조인트 B30에서는 내단부 거리가 컸기 때문에, 즉 좌우의 변질대가 비드 지단부로부터 크게 이격되어 있었으므로, 용접 비드 지단부 근방의 인장 잔류 응력을 충분히 완화할 수 없었다.
본 발명에 따르면, 기가 사이클 영역의 진동 환경에 있어서의 내피로 특성을 갖고, 또한 파괴 인성 값 δc가 충분히 높은 용접 조인트를 형성할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 용접 조인트는 해상 풍력 발전탑의 기초 부재에 있어서의 용접 조인트로서 산업상 이용 가능성이 높다.
1A, 1A', 1B, 1C : 용접 조인트
11A, 11A', 11B, 11C : 피용접 금속재(용접 모재)
12A, 12A', 12B, 12C : 용접 비드
13A, 13A', 13B, 13C : 변질대
23 : 조인트 피로 시험편
24 : 초음파 피로 시험편
W : 용접 비드 폭

Claims (13)

  1. 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트이며 :
    한 쌍의 피용접 금속재와 ;
    상기 한 쌍의 피용접 금속재 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 형성되고, 조사측의 표면에서의 폭이 W인 용접 비드와 ;
    상기 맞댐 용접 조인트의 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측의 표면에 제2 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써 상기 표면에 형성되고, 상기 용접 비드와 평행한 띠 형상을 갖고, 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 변질대를 구비하고,
    한 쌍의 상기 변질대의 각각이 폭 0.1W 이상 10W 이하, 두께 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하이며,
    한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리가, 각각 0 이상 4W 이하이며,
    한 쌍의 상기 변질대의 각 외측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리가, 각각 0.6W 이상 14W 이하인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  2. 제1항에 있어서, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리가, 각각 0 이상 0.4W 이하이며,
    한 쌍의 상기 변질대의 각각이 두께 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  3. 제2항에 있어서, 한 쌍의 상기 변질대가 상기 열 영향부만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  4. 제1항에 있어서, 한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리가, 각각 1W 이상 4W 이하이며,
    한 쌍의 상기 변질대의 각각이 폭 0.1W 이상 2W 이하, 두께 5㎜ 이상 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피용접 금속재의 항복 강도를 YSb라 할 때, 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측에서의 상기 용접 비드의 지단부로부터 1㎜ 외측 위치의 상기 피용접 금속재 표면에서의 용접 비드에 수직인 방향의 인장 잔류 응력σR이, YSb/2 이하인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한 쌍의 피용접 금속재가 판 두께 30㎜ 초과의 고강도 강판인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 구조체가 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트.
  8. 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법이며,
    한 쌍의 피용접 금속재 사이의 맞댐 부분에 제1 고에너지 밀도 빔을 조사함으로써, 조사측의 표면에서의 폭이 W인 용접 비드를 형성하는 제1 조사 공정과 ;
    상기 맞댐 용접 조인트의 상기 제1 고에너지 밀도 빔 조사측으로부터, 제2 고에너지 밀도 빔을 조사해 피조사부를 Ac1 이상으로 가열함으로써, 상기 용접 비드와 평행한 띠 형상을 갖고, 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙으로부터 좌측과 우측에 각각 위치하는 한 쌍의 열 영향부와 용융 응고 금속만으로 이루어지는 변질대를 형성하는 제2 조사 공정을 갖고,
    상기 제2 조사 공정에 의한 입열량을 상기 제1 조사 공정에 의한 입열량의 2% 이상 30% 이하로 하고,
    한 쌍의 상기 변질대의 각각을 폭 0.1W 이상 10W 이하, 두께 0.1㎜ 이상 10㎜ 이하로 하고,
    한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리를, 각각 0 이상 4W 이하로 하고,
    한 쌍의 상기 변질대의 각 외측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리를, 각각 0.6W 이상 14W 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 조사 공정에서,
    한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리를 각각 0 이상 0.4W 이하로 하고,
    한 쌍의 상기 변질대의 각각을 두께 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 조사 공정에서,
    조사부의 가열 온도를 Ac1 이상 용융점 온도 미만으로 하여, 한 쌍의 상기 변질대가 열 영향부만으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제2 조사 공정에서,
    한 쌍의 상기 변질대의 각 내측단부와 상기 용접 비드의 폭 방향 중앙의 거리를 각각 1W 이상 4W 이하로 하고,
    한 쌍의 상기 변질대의 각각을 폭 0.1W 이상 2W 이하, 두께 5㎜ 이상 10㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피용접 금속재가 판 두께 30㎜ 초과의 고강도 강판인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
  13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 구조체가 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥인 것을 특징으로 하는, 용접 구조체의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
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