KR101179033B1

KR101179033B1 - 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체

Info

Publication number: KR101179033B1
Application number: KR1020127011723A
Authority: KR
Inventors: 다다시 이시까와; 다께히로 이노우에; 유우지 하시바; 쥰 오오따니
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-08-31
Also published as: JPWO2012008056A1; CN102712063A; CN102712063B; WO2012008056A1; JP4818466B1; KR20120057661A

Abstract

강판을 서로 맞댐 용접함으로써 강판 용접 조인트가 형성되어 이루어지는 용접 구조체에 있어서, 강판 용접 조인트 중 적어도 1개소에 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열의 전파를 정지시키는 내균열 제어부를 설치하고, 내균열 제어부를 구성하는 어레스터 부재의 외측 테두리부를, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향 전후에 있어서, 상기 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도로 상기 강판 용접 조인트와 교차하도록 형성하여, 용접 조인트에 취성 균열이 발생한 경우이어도, 취성 균열이 용접 조인트나 모재를 전파하는 것을 억제할 수 있도록 한다.

Description

내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체 {WELD STRUCTURE HAVING RESISTANCE TO BRITTLE CRACK PROPAGATION}

본 발명은, 용접 조인트에 취성 균열이 발생한 경우에, 취성 균열의 전파를 제어, 억제하는 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체에 관한 것이다.

특히, 후강판을 사용하여 용접을 적용한 용접 구조물의 용접 조인트에 있어서 취성 균열이 발생한 경우에서도, 그 전파를 제어, 억제하여 안전성을 향상시킬 수 있는 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체에 관한 것이다.

최근, 대형 컨테이너선이나 벌크 캐리어 등의 선박용 용접 구조체, 건축 구조물, 토목 강 구조물로 대표되는 용접 구조체에 있어서는, 취성 균열 등의 파괴에 대한 높은 안전성이 요구되고 있다. 특히, 컨테이너선은 대형화가 현저하여, 예를 들어 6000TEU 이상의 대형 컨테이너선이 제조되고 있고, 선각 외판의 강판이 후육화 및 고강도화하고, 판 두께 70㎜ 이상이고 항복 강도 390N／㎟급 이상의 강판이 사용되고 있다.

여기서, TEU(Twenty feet Equivalent Unit)라 함은, 길이 20피트의 컨테이너로 환산한 개수를 나타내고, 컨테이너선의 적재 능력의 지표를 나타내고 있다.

이와 같은 대형 컨테이너선은 적재 능력이나 하역 효율의 향상을 위해, 구획벽을 없애 상부 개구부를 크게 확보한 구조로 되어 있고, 특히 선각 외판이나 내판의 강도를 확보할 필요가 있기 때문에, 상기한 바와 같은 고강도 강판이 사용되고 있다.

상술한 바와 같은 용접 구조물을 건조할 때, 건조 비용의 저감이나 건조 효율 향상을 목적으로 하여, 대입열 용접(예를 들어, 일렉트로 가스 아크 용접)이 널리 적용되어 있다. 작은 입열량의 적용에 의한 다층 용접에서는, 특히 강판의 판 두께가 늘어날수록 용접 공정 수가 현저하게 증가하므로, 극한까지 대입열로 용접을 행하는 것이 요구된다.

그러나 강판의 용접에 대입열 용접을 적용한 경우, 용접 열 영향부(HAZ : Heat Affected Zone)의 인성이 저하되고, HAZ의 폭도 증대되기 때문에, 취성 파괴에 대한 파괴 인성값이 저하되는 경향이 있다.

이로 인해, 용접 조인트에 있어서 취성 균열이 발생하는 것을 억제하는 동시에, 취성 균열의 전파 정지(어레스트)를 달성하는 것을 목적으로 하여, 내취성 파괴 특성이 우수한 TMCP 강판(Thermo Mechanical Control Process : 열 가공 제어)이 제안되고 있다. 상기 TMCP 강판을 사용함으로써, 취성 파괴 발생에 대한 저항값인 파괴 인성값이 향상되므로, 통상의 사용 환경에서는 구조물이 취성 파괴될 가능성은 극히 낮아진다.

그러나 지진이나 구조물끼리의 충돌 사고나 재해 시 등에, 만일 취성 파괴가 발생하면, 취성 균열이 HAZ를 전파하여 큰 파괴가 발생할 우려가 있다.

예를 들어, 컨테이너선 등으로 대표되는 용접 구조체에서는, 판 두께 50㎜ 정도의 TMCP 강판 등이 사용되고, 만일 용접 조인트에서 취성 균열이 발생해도, 용접 잔류 응력에 의해 취성 균열이 용접부로부터 모재측으로 벗어나므로, 모재의 어레스트 성능을 확보하면, 취성 균열을 모재에서 정지시킬 수 있다고 생각되어 있었다. 또한, 6000TEU를 초과하는 대형 컨테이너선 등, 또한 대형의 용접 구조체에 있어서는, 보다 큰 판 두께의 강판이 필요로 되고, 또한 구조를 간소화하는 데 있어 강판의 후육화가 유효한 점에서, 설계 응력이 높은 고장력강의 후강판을 사용하는 것이 요구되고 있었다.

그러나 이와 같은 후강판을 사용한 경우, HAZ의 파괴 인성의 정도에 따라서는, 취성 균열이 모재로 벗어나는 일 없이 HAZ를 따라 계속해서 전파되어, 용접 구조물에 큰 파괴를 초래할 우려가 있다.

상기 문제를 해결하기 위해, 맞댐 용접 조인트의 일부에 보수 용접(조인트의 일부분에 대해서는 결함을 제거하고, 그 개소에 재매립 용접함)을 실시하여, HAZ를 따라 전파하는 취성 균열을 모재측으로 벗어나게 하는 구성으로 된 용접 구조체가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1).

그러나 특허 문헌 1의 용접 구조체에서는, 모재의 파괴 인성이 매우 우수한 경우에는 유효하지만, 모재의 파괴 인성이 불충분한 경우에는, 모재측으로 벗어난 취성 균열이 길게 전파되어, 구조물로서의 강도가 현저하게 저하될 우려가 있다. 또한, 재매립 용접부의 볼륨이 약간 크게 되어, 공정 시간이 길어지는 동시에, 제조 비용도 증대된다고 하는 문제가 있다.

또한, 용접 조인트에 발생하는 취성 균열의 전파를 정지시키고자 하는 영역에, 판 형상의 어레스터 부재가 용접선과 교차하도록 관통되어 용접되고, 어레스터재로서, 표면이나 이면의 판 두께 비 2％ 이상의 두께의 표층 영역에 있어서의 집합 조직이 적정화된 것을 사용하는 용접 구조체가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2).

그러나 특허 문헌 2에 기재된 용접 구조체를 대형 건조물에 적용한 경우, 예를 들어 용접 조인트를 전파한 취성 균열이, 어레스터 부재를 강판에 용접하는 용접 조인트를 전파하여 어레스터 부재에 돌입하고, 그대로 어레스터 부재의 내부를 전파한 후, 다시 용접 조인트를 전파할 우려가 있다. 한편, 용접 조인트를 전파한 취성 균열이, 어레스터 부재 및 상기 어레스터 부재를 강판에 용접하는 용접 조인트의 위치에서 모재측으로 벗어난 경우에는, 상기한 바와 같이 모재의 파괴 인성이 불충분하면 취성 균열이 길게 전파되어, 용접 구조물로서의 강도가 현저하게 저하된다고 하는 문제도 염려된다.

일본 특허 출원 공개 제2005-131708호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-098441호 공보

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 가령 용접 조인트에 취성 균열이 발생한 경우이어도, 취성 균열이 용접 조인트나 모재를 전파하는 것을 억제할 수 있어, 용접 구조체의 파단을 방지하는 것이 가능한 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 용접 구조체의 용접 조인트에 발생한 취성 균열이, 용접 조인트나 모재를 전파하는 것을 방지하기 위해, 용접 조인트의 도중에, 특허 문헌 2와 같은 취성 균열의 전파를 제어하는 어레스터 부재를 설치하는 경우에 대해 예의 연구하였다.

이 결과, 어레스터 부재의 형상이나 재질 특성을 적정화함으로써, 용접 조인트 및 모재에 있어서의 취성 균열의 전파를 억제하여, 용접 구조체에 대규모의 파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명의 요지는 청구의 범위에 기재한 이하의 내용에 관한 것이다.

[1] 강판을, 서로 맞댐 용접함으로써 강판 용접 조인트가 형성되어 이루어지는 용접 구조체에 있어서, 상기 강판 용접 조인트 중 적어도 1개소에, 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열의 전파를 정지시키는 내균열 제어부가 설치되어 있고, 상기 내균열 제어부는, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상의 강재로 이루어지고, 상기 강판 용접 조인트로부터 상기 강판에 걸쳐 형성된 관통 구멍에 삽입된 어레스터 부재 및 상기 어레스터 부재의 외측 테두리부와, 그에 대향하는 강판 모재가 맞댐 용접되어 형성된 어레스터 용접 조인트를 갖고 있고, 상기 어레스터 부재는, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향을 따른 높이 H(㎜), 강판 용접 조인트의 길이 방향과 교차하는 방향에 있어서의 횡폭 W(㎜) 및 판 두께 t(㎜)의 각각의 치수가, 하기 수학식 1 내지 수학식 3으로 나타내는 관계를 만족하고, 또한 어레스터 부재의 외측 테두리부는, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향 전후에 있어서, 상기 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도로 상기 강판 용접 조인트와 교차하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

단, 상기 수학식 1 내지 수학식 3 중에 있어서, T는 상기 강판의 판 두께(㎜)를 나타내고, d는 상기 강판 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 폭(㎜)을 나타낸다.

[2] 상기 어레스터 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS3(℃)과, 상기 강판의 모재 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)의 관계가, 다음 수학식, vTrS3≤vTrS1＋20으로 나타내는 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 상기 [1]에 기재된 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.

[3] 상기 강판의 판 두께가 25㎜ 이상 150㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.

[4] 상기 강판은, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향으로 배열되는 적어도 2 이상의 소강판으로 이루어지는 동시에, 상기 소강판을 서로 맞댐 용접함으로써 소강판 용접 조인트가 형성되어 있고, 상기 내균열 제어부는, 상기 용접 금속부로부터 연신된 어레스터 부재의 후단부측에 형성되는 상기 어레스터 용접 조인트가 상기 소강판 용접 조인트에 접하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.

[5] 상기 강판은, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향으로 배열되는 적어도 2 이상의 소강판으로 이루어지는 동시에, 상기 소강판을 서로 맞댐 용접함으로써 소강판 용접 조인트가 형성되어 있고, 상기 내균열 제어부는, 상기 용접 금속부로부터 연신된 어레스터 부재의 후단부측에 형성되는 상기 어레스터 용접 조인트가 상기 소강판 용접 조인트를 포함하도록 형성되고, 또한 상기 소강판 용접 조인트를 이루는 용접 금속부의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS4(℃)와, 상기 강판의 모재 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)의 관계가, 다음 수학식, vTrS4≤vTrS1＋20으로 나타내는 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.

또한, 본 발명에서는, 용접 금속부와 용접 열 영향부를 포함하는 부분을 용접 조인트라고 정의한다. 또한, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca는, 당해 용접 구조체가 사용되는 온도, 혹은 설계 온도에 있어서의 수치이다.

본 발명의 용접 구조체에 의하면, 용접 조인트 중 적어도 1개소에, 어레스터 부재와 그것과 모재 강판 사이에 형성되는 어레스터 용접 조인트를 갖는 내균열 제어부가 설치되어 있으므로, 가령 용접 조인트에 취성 균열이 발생한 경우이어도, 용접 조인트를 전파하는 취성 균열을, 내균열 제어부에 의해 강판 모재의 어레스트 성능이 높은 부위로 벗어나게 하거나, 혹은 내균열 제어부에서 저지할 수 있어, 취성 균열이 용접 조인트나 모재를 전파하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 대규모의 파괴가 발생하는 것을 미연 방지하는 것이 가능한 용접 구조체를, 높은 생산 효율 및 저비용으로 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명에 관한 용접 구조체가, 대형 선박을 비롯하여, 건축 구조물이나 토목 강 구조물 등의 각종 용접 구조물에 사용됨으로써, 용접 구조물의 대형화, 파괴에 대한 높은 안전성, 건조에 있어서의 용접의 고능률화, 강재의 경제성 등이 동시에 만족되는 점에서, 그 산업상의 효과는 헤아릴 수 없다.

도 1은 본 발명을 설명하는 모식도로, a는 강판끼리 용접되어 형성된 강판 용접 조인트의 일부에 어레스터 부재 및 어레스터 용접 조인트로 이루어지는 내균열 제어부가 설치된 상태를 도시하고, b 내지 d는 취성 균열의 진전 상황을 도시한다.
도 2는 본 발명에 관한 용접 구조체의 일례를 설명하는 모식도로, 강판 용접 조인트의 일부에 어레스터 부재 및 어레스터 용접 조인트로 이루어지는 내균열 제어부가 설치된 상태를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 용접 구조체를 선박용 용접 구조체에 적용한 경우에 대해 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 관한 용접 구조체의 다른 예를 설명하는 도 2와 동일한 도면이다.
도 5는 본 발명에 관한 용접 구조체의 또 다른 예를 설명하는 도 2와 동일한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 사용하는 용접 조인트 시험체의 제작 방법에 대해 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 내취성 균열 전파성을 평가하기 위한 인장 시험 방법에 대해 설명하는 도면이다.

이하, 본 발명의 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태는 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위해 상세하게 설명하는 것이므로, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정시키는 것은 아니다.

종래, 강판 용접 조인트에 있어서 발생한 취성 균열은 주로 강판 용접 조인트의 길이 방향을 전파한다. 이로 인해, 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열이 기점으로 되어, 용접 구조체 전체에 큰 파괴가 발생할 우려가 있다고 하는 문제가 있었다.

본 발명자들은, 상술한 바와 같은 취성 균열의 전파 방향을 효과적으로 제어하고, 용접 구조체에 있어서 균열이 전파되는 것을 억제하기 위해서는, 상기 종래 기술에 있어서, 어레스터 부재의 형상이나 재질을 더욱 적정화하는 것이 중요한 것을 발견하였다.

본 발명의 기본 원리에 대해 도 1을 사용하여 설명한다.

본 발명에서는, 강판(1, 1)을 맞댐 용접하여 형성된 강판 용접 조인트(2)의 도중에, 내균열 제어부(4)를 설치하여 강판 용접 조인트(2)를 분단한다. 내균열 제어부(4)는 높은 취성 균열 전파 정지 특성 Kca를 갖는 강재로 이루어지고, 상기 강판 용접 조인트로부터 상기 강판에 걸쳐 형성된 관통 구멍(3)에 삽입된 어레스터 부재(5)와, 상기 어레스터 부재(5)가 강판(1)에 대해 맞댐 용접됨으로써 형성되는 어레스터 용접 조인트(6)로 이루어진다. 이 내균열 제어부(4)를 설치함으로써, 강판 용접 조인트(2)에 발생한 취성 균열의 전파를 다음과 같이 정지시킨다.

강판 용접 조인트(2)의 길이 방향의 일측에서 발생한 취성 균열 CR은, 강판(1)과 강판 용접 조인트(2)의 경계(혹은 강판 모재의 열 영향부)를 따라 전파한다. 어레스터 용접 조인트(6)에 도달한 균열 CR은, 어레스터 용접 조인트(6)에 돌입하고, 계속해서 어레스터 부재(5)에 돌입하지만, 어레스터 부재는 Kca가 높은 강재로 형성되어 있으므로, 어레스터 부재(5) 내부에서 균열 CR의 진전을 정지시킬 수 있다.

반대로, 어레스터 부재(5)의 Kca가 낮은 경우나 어레스터 부재의 높이나 판 두께 등이 충분하지 않은 경우 등에서는, 도 1의 (c)와 같이 균열이 어레스터 용접 조인트에 점프하여, 강판 용접 조인트로 다시 복귀되거나, 도 1의 (d)와 같이 균열이 어레스터 부재(5)를 관통할 수도 있다.

본 발명은 이와 같은 기본 원리 하에서, 취성 균열의 진전을 저지하는 모재 강판의 조건, 취성 균열의 진전을 제어하는 어레스터 부재나 어레스터 용접 조인트의 조건 등에 대해 더 검토하여 이루어진 것으로, 이하 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.

[제1 실시 형태]

〈전체의 구성〉

제1 실시 형태는, 도 2에 도시한 바와 같이 강판(1, 1)을 맞댐 용접함으로써 강판 용접 조인트(2)가 형성되어 있는 경우의 예이고, 이하 이 조인트에 적용한 형태를 용접 구조체(A)라고 호칭하여 설명한다.

용접 구조체(A)에 있어서는, 충돌이나 지진 등에 의한 큰 파괴 에너지에 노출되었을 때에, 균열의 발생ㆍ전파가 예상되는 강판 용접 조인트 중 적어도 1개소에 내균열 제어부(4)가 설치된다.

내균열 제어부(4)는 강판(1)을 관통하도록 설치되고, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상의 강재로 이루어지는 어레스터 부재(5)와, 상기 어레스터 부재(5)가 강판(1)에 대해 맞댐 용접됨으로써 형성되는 어레스터 용접 조인트(6)로 이루어져 있다.

어레스터 부재(5)는 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L)과 교차하는 교점(5a)으로부터 각각 강판 내부를 향하여 연장되는 외측 테두리부[50(51, 52)]가, 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도로 경사, 또는 직교하도록 형성된다.

도 2에 도시하는 용접 구조체(A)에서는, 어레스터 부재(5)가 외측 테두리부(51, 52)의 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대한 각도가 90°로 됨으로써, 외측 테두리부(51, 52)가 강판 용접 조인트(2)에 대해 모두 직교하고, 평면에서 보아 대략 사각형인 직사각형으로 형성되어 있다.

〈강판〉

용접 구조체에 사용되는 강판(1)으로서는, 선박용 용접 구조체, 건축 구조물 및 토목 강 구조물 등의 분야에 있어서, 종래 공지의 강판 특성을 구비하는 것을 사용할 수 있다.

예를 들어, 질량％로, C : 0.01 내지 0.18％, Si : 0.01 내지 0.5％, Mn : 0.3 내지 2.5％, P : 0.01％ 이하, S : 0.001 내지 0.02％를 함유하는 조성을 기본으로 하고, 이 조성에 요구되는 성능에 따라, N : 0.001 내지 0.008％, B : 0.0001 내지 0.005％, Mo : 0.01 내지 1.0％, Al : 0.002 내지 0.1％, Ti : 0.003 내지 0.05％, Ca : 0.0001 내지 0.003％, Mg : 0.001 내지 0.005％, V : 0.001 내지 0.18％, Ni : 0.01 내지 5.5％, Nb : 0.005 내지 0.05％, Cu : 0.01 내지 3.0％, Cr : 0.01 내지 1.0％, REM : 0.0005 내지 0.005％ 중 1종, 또는 2종 이상을 더 함유시키고, 잔량부는 Fe 및 불가피 불순물에 의해 구성되는 강을 들 수 있다.

특히, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상의 강판으로서는, 일본 특허 출원 공개 제2007-302993호 공보나, 일본 특허 출원 공개 제2008-248382호 공보 등에 개시되는 바와 같은 조성의 후강판이 적절하게 사용될 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 용접 구조체(A)에서는 강판(1, 1)이 맞댐 용접됨으로써, 강판 용접 조인트(2)가 형성된다. 또한, 이 강판 용접 조인트(2)에 의해 접합되는 강판(1)의 각각에는, 상세를 후술하는 어레스터 부재(5)를 관통시켜 형성하기 위한 관통 구멍(3)이, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L)을 중심으로 하여, 강판(1)의 각각에 있어서 대칭으로 되도록 형성되어 있다.

강판(1)의 판 두께는, 25㎜ 이상 150㎜ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 강판(1)의 판 두께가 이 범위이면, 용접 구조체로서의 강판 강도를 확보할 수 있는 동시에, 우수한 내취성 균열 전파성을 얻는 것이 가능해진다. 특히, 40㎜ 이상의 강판을 사용한 용접 구조체에서는, 취성 균열의 전파를 멈추기 위한 유효한 수단이 없어, 판 두께 40㎜ 이상, 보다 바람직하게는 50㎜ 이상이고, 100㎜ 이하의 강판을 사용한 용접 구조체에 있어서, 본 발명은 보다 효과적으로 실시된다.

〈어레스터 부재〉

어레스터 부재(5)는 도 2에 도시한 바와 같이, 강판 용접 조인트(2)에 의해 접합되는 강판(1)의 각각에 형성된 관통 구멍(3)에, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L)을 중심으로 하여 강판(1)의 각각에 있어서 대칭으로 되도록 배치된다. 또한, 어레스터 부재(5)는 강판(1)에 형성된 관통 구멍(3) 내에 노출되는 용접 단부에 대해 맞댐 용접됨으로써 형성되는 어레스터 용접 조인트(6)와 함께, 내균열 제어부(4)를 구성한다.

어레스터 부재(5)는, 상술한 바와 같은 내균열 제어부(4)를 구성함으로써, 강판 용접 조인트(2)에 균열이 발생한 경우라도, 강판 용접 조인트의 도중에 설치된 내균열 제어부의 어레스터 부재(5) 내부에서, 균열의 전파를 정지시켜, 강판 용접 조인트(2)를 관통하도록 균열이 전파되어 서로 용접된 강판(1)끼리 분단되는 것을 방지하는 것이다.

어레스터 부재(5)는 취성 균열 전파 정지 특성 Kca＝6000N／㎜^1.5 이상의 강재로 구성된다. 또한, 도 2에 도시하는 예의 어레스터 부재(5)는, 용접선(L)과의 교점(5a)으로부터 각각의 강판 내부를 향하여 연장되는 외측 테두리부(51, 52)가, 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도 θ로 경사, 또는 직교하도록 형성되어 있다.

또한, 도시예의 어레스터 부재(5)는 외측 테두리부(51, 52)의 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대한 각도가 90°로 됨으로써, 외측 테두리부(51, 52)가 강판 용접 조인트(2)에 대해 모두 직교하고, 직선 형상으로 이어져 형성되어 있다. 그리고 외측 테두리부(51, 52)의 후단부(51a, 52a)에 가로 테두리부(53, 54)가 각각 이어지도록 형성되는 동시에, 이들 가로 테두리부(53, 54)의 타단부측에는 하부 테두리부(55)가 형성되어, 평면에서 보아 대략 사각형인 직사각형으로 구성되어 있다.

이 형상이면, 도 1의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 용접 조인트의 상하 어느 방향으로부터 취성 균열이 전파되어 와도, 동일한 효과를 발휘할 수 있다.

어레스터 부재(5)는 상술한 바와 같이, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L) 상의 교점(5a)을 통과하는 외측 테두리부(51, 52)가 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도 θ로 경사, 또는 직교하는 것이 바람직하다.

외측 테두리부(51, 52)의 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대한 각도 θ를 상기 범위로 하고, 외측 테두리부(51, 52)가 강판 용접 조인트(2)에 대해 경사, 또는 직교하도록 형성함으로써, 가령 강판 용접 조인트(2)를 전파하는 취성 균열이 발생한 경우라도, 이 균열을 확실하게 어레스터 부재(5)로 도입하고, 어레스터 부재 내부에서 취성 균열의 진전을 효과적으로 정지시켜, 용접 구조체(A)에 대규모의 파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

강판 용접 조인트의 길이 방향에 대한 어레스터 부재의 외측 테두리부의 각도가 60°미만인 경우에는, 강판 용접 조인트를 전파한 취성 균열이 강판의 모재측으로 벗어나 버려, 어레스터 부재로 취성 균열을 도입하도록 제어하는 것이 곤란해질 가능성이 있다. 이로 인해, 강판 용접 조인트를 전파한 취성 균열이 어레스터 용접 조인트를 따라 진행하여, 균열의 전파가 정지되기 어려워질 우려가 있다.

또한, 강판 용접 조인트와 교차하는 어레스터 부재의 외측 테두리부를 직선적으로 형성한 경우, 한쪽의 강판측의 강판 용접 조인트의 길이 방향에 대한 각도가 120°를 초과하게 되면, 다른 쪽의 강판측의 각도가 60°미만으로 되어, 상기한 바와 같이 취성 균열이 어레스터 부재에 돌입하는 일 없이 어레스터 용접 조인트를 따라 진행하여, 균열의 전파가 정지되기 어려워질 우려가 있다.

취성 균열을 어레스터 부재에 의해 확실하게 유도하기 위해서는, 외측 테두리부의 각도 θ의 바람직한 범위는 75°이상 105°이하이고, 보다 바람직한 범위는 85°이상 95°이하이다.

어레스터 부재(5)의 재질로서는, 상술한 바와 같은 취성 균열 전파 정지 특성 Kca＝6000N／㎜^1.5 이상의 특성을 갖는 강판이면, 그 화학 성분 조성이나 제조 방법, 조직 등은 특별히 한정되지 않고, 적절하게 채용하는 것이 가능하다. 이와 같은 강판을 사용함으로써, 가령 강판 용접 조인트(2)에 균열이 발생한 경우이어도, 이 균열의 전파를 어레스터 부재 내부에서 효과적으로 정지시키는 것이 가능해진다.

또한, 어레스터 부재로서, 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS2(℃)값이 보다 낮은, 인성이 높은 강재를 사용하면, 균열의 전파를 정지시키는 효과를 보다 높일 수 있다.

용접 구조체(A)에 사용되는 어레스터 부재(5)는, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향을 따른 높이 H(㎜), 강판 용접 조인트의 길이 방향과 교차하는 방향에 있어서의 횡폭 W(㎜) 및 판 두께 t(㎜)의 각각의 치수가, 하기 수학식 1 내지 수학식 3으로 나타내는 관계를 만족하는 것이 필요하다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

단, 상기 수학식 1 내지 수학식 3 중에 있어서, T(㎜)는 상기 강판의 판 두께를 나타내고, d(㎜)는 상기 강판 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 폭을 나타낸다.

또한, 어레스터 부재의 높이 H와 횡폭 W는, 어레스터 용접 조인트의 용접 금속부의 중점을 기준으로 한다. 또한, 외측 테두리부의 각도 θ가 90°가 아닌 경우, 어레스터 부재의 높이 H는 어레스터 용접 조인트와 강판 용접 조인트의 교차하는 개소 사이의 거리이고, 횡폭 W는 강판 용접 조인트에 직각인 방향의 최대폭이다.

본 발명자들은 어레스터 부재의 형상, 치수를 다양하게 변경하여 용접 구조체의 파괴 시험을 반복 실시하였다. 그 결과, 취성 균열이 강판 용접 조인트나 강판 모재를 장거리에 걸쳐 전파하는 것을 방지하는 데도 효과가 있는 상기 관계를 얻었다.

수학식 1은 균열의 진전을 정지시키는 효과에 대해, 어레스터 부재(5)의 높이 H와 강판(1)의 판 두께 T에 상관 관계가 있는 것을 나타내고 있다.

진전되어 온 균열의 에너지는, 강판 판 두께 T에 비례하고 있고, 그 에너지에 따른 어레스터 부재(5)의 높이 치수 H가 필요한 점에서, 상기 수학식 1을 규정하였다. H의 상한값은 설정하고 있지 않지만, 실시 시에는 용접 조인트(2)의 치수에 들어가는 범위로 저절로 규정된다.

수학식 2는 균열을 정지시키는 효과에 대해, 어레스터 부재(5)의 폭 W와 강판 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 폭 d에 상관 관계가 있는 것을 나타내고 있다.

본 발명에서는, 강판 용접 조인트(2)를 따라 전파되어 오는 취성 균열 CR을, 어레스터 부재(5)에 돌입시켜 정지시키도록 한다. 이때 어레스터 부재의 횡폭 W가 충분하지 않은 경우에는, 취성 균열이 어레스터재의 후단부(51a, 52a)에서 재발생하여, 취성 균열을 전파시키는 주응력 방향에 수직, 혹은 수직에 가까운 각도를 갖는 가로 테두리부(53, 54)를 따라 전파하는 경우가 있는 것을 대형 파괴 시험에서 확인 완료하였다. 다양한 실험의 결과, 취성 균열은 용접 조인트의 폭 d 정도의 거리를 점프하는 것을 발견하고 있어, 적어도 용접 조인트 d의 3배의 영역은 취성 균열이 점프할 가능성이 있다. 또한, 전파 중의 취성 균열 선단의 응력장을 해석한 결과, 부하 응력이 300N／㎟ 정도인 경우, 응력이 높은 영역이 ±25㎜ 정도인 것도 발견하고 있다. 따라서 횡폭 W의 필요 하한값을 3d＋50㎜로 설정하고, 대형 파괴 시험을 실시한 결과, 취성 균열이 어레스터재의 후단부(51a, 52a)에서 재발생하는 일은 없고, 소정의 효과가 얻어지는 것을 확인하였다. 이상의 점에서, 상기 수학식 2를 규정하였다. 또한, W의 상한값은 설정하고 있지 않지만, 실시 시에는 용접 조인트(2)의 치수에 들어가는 범위로 저절로 규정된다.

수학식 3은 균열을 정지시키는 효과에 대해, 어레스터 부재(5)의 판 두께 t와 강판(1)의 판 두께 T에 상관 관계가 있는 것을 나타내고 있다.

어레스터 부재(5)의 판 두께 t가 강판(1)의 판 두께의 0.90배에 비해 보다 작은 경우, 어레스터 부재(5)에 돌입한 균열을 어레스터 부재(5)의 내부에서 정지시킬 수 없을 가능성이 높아진다. 이것은 진전되어 온 균열의 에너지는 판 두께 T에 비례하고 있지만, 어레스터 부재(5)의 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 정확히 6000N／㎜^1.5인 경우, 어레스터 부재(5)의 판 두께 t가 강판(1)의 판 두께의 0.90배에 비해 보다 작은 경우에는, 시험한 강판 판 두께의 범위 내에서는 어레스터 부재의 내부에서, 균열을 정지시킬 수 없었다.

어레스터 부재(5)의 각 치수값을 상기 관계로 함으로써, 강판 용접 조인트(2)에 균열이 발생한 경우이어도, 균열의 전파를 어레스터 부재(5)로 도입하여, 이 어레스터 부재(5) 내부에서 균열의 진전을 정지시키는 것이 보다 확실해진다.

어레스터 부재의 각 치수값의 관계가, 상기 수학식 1 내지 수학식 3으로 나타내는 관계를 만족시키지 않는 경우, 강판 용접 조인트에 발생한 균열의 상태에 따라서는, 균열이 어레스터 부재로부터 벗어나 버리거나, 어레스터 부재(5) 내부에서 균열의 진전을 정지시킬 수 없는 위험성이 있다.

취성 균열의 전파를 어레스터 부재 내부에서 보다 확실히 멈추기 위해서는, 상기 수학식 1에 있어서, H／T는 2.5 이상이 바람직하고, 3.0 이상이 보다 바람직하다. 또한, 어레스터 부재의 높이 H는 250㎜ 이상, 또는 300㎜ 이상, 400㎜ 이상이 보다 더욱 바람직하고, 횡폭 W는 200㎜ 이상, 또는 250㎜ 이상, 300㎜ 이상이 보다 더욱 바람직하다.

또한, 용접 구조체(A)에 있어서는, 어레스터 용접 조인트(6)를 이루는 용접 금속부의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS3(℃)과, 강판(1)의 모재 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)의 관계가, 다음 수학식 4,

[수학식 4]

로 나타나는 관계를 만족시키는 것이 보다 바람직하다.

어레스터 용접 조인트(6)를 이루는 용접 금속부의 인성(여기서는 취성-연성 파면 천이 온도)과 강판(1)의 모재 인성의 관계가 상기 관계식을 만족시킴으로써, 강판 용접 조인트(2)에 균열이 발생한 경우이어도, 균열의 전파 방향을 어레스터 부재(5) 내부로 효과적으로 도입하는 것이 가능해진다. 이 경우, 어레스터 용접 조인트(6)를 형성하는 용접 금속의 인성을 낮게 함으로써, 내균열 제어부(4)에 의해, 강판 용접 조인트(2)에서 발생한 취성 균열의 전파 방향을 확실하게 어레스터 부재(5)로 도입하는 작용이 효과적으로 얻어진다.

어레스터 용접 조인트를 형성하는 용접 금속부의 인성과 강판의 모재 인성의 관계가 상기 관계식을 만족시키지 않는 경우, 강판 용접 조인트에 발생한 균열의 상태에 따라서는, 이 균열이 모재측으로 벗어나, 어레스터 부재에 의한 균열 정지 효과가 얻어지지 않게 될 가능성이 있고, 강판의 모재 특성에 따라서는 취성 균열을 정지시킬 수 없을 가능성이 있다.

또한, 본 발명에 관한 용접 구조체에서는, 어레스터 부재(5)의 형상은 도 2에 도시하는 바와 같은, 외측 테두리부(51, 52)가 직선으로서 형성되어 있는 예로는 한정되지 않고, 어레스터 부재(5)의 용접선(L)과의 교점(5a)으로부터 각각의 강판 내부를 향하여 연장되는 외측 테두리부(51, 52)가 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위 내의 각도이면, 소정의 효과를 발휘하는 것이 가능하고, 적절하게 채용하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시 형태에서는, 어레스터 부재(5)를 1매만 사용하여 강판(1)에 용접한 구성을 설명하고 있지만, 이것으로는 한정되지 않고, 예를 들어 2매 이상의 어레스터 부재를 적층하여 사용할 수도 있고, 적절하게 채용하는 것이 가능하다.

〈취성 균열의 전파 정지의 제어〉

상기 구성으로 된 용접 구조체(A)에 있어서, 강판 용접 조인트(2)에 취성 균열이 발생한 경우의 균열의 전파를 정지시키는 작용에 대해, 이하에 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향의 일측(도 2에 있어서의 세로 방향의 상방측)에서 발생한 취성 균열 CR은, 강판 용접 조인트(2)에 있어서의 길이 방향의 타측(도 2에 있어서의 세로 방향의 하방측)을 향하여 전파를 개시한다(도 2 중의 2점 쇄선 화살표를 참조).

이때, 용접 구조체(A)에서는, 강판 용접 조인트(2)를 길이 방향으로 전파한 취성 균열이 내균열 제어부(4)를 이루는 어레스터 용접 조인트(6)에 돌입하고, 또한 어레스터 부재(5)에 돌입한다. 여기서, 어레스터 부재(5)는 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상으로 되어 있으므로, 돌입한 균열을 효과적으로 정지시키는 것이 가능해진다.

상기 작용에 의해 용접 구조체(A)는, 예를 들어 강판 용접 조인트(2)에 있어서 취성 균열이 발생한 경우이어도, 취성 균열이 강판 용접 조인트(2)나 강판 모재부(1)를 광범위에 걸쳐 전파하는 것을 억제할 수 있으므로, 대규모의 파괴가 발생하는 것을 미연 방지하는 것이 가능해진다.

이와 같은 본 실시 형태의 용접 구조체(A)를, 예를 들어 대형 선박이나 건축 구조물, 토목 강 구조물 등의 각종 용접 구조물에 적용함으로써, 용접 구조물의 대형화, 파괴에 대한 높은 안전성, 건조에 있어서의 용접의 고능률화, 강재의 경제성 등을 동시에 만족시키는 것이 가능해진다.

내균열 제어부가 상기한 기능을 발휘하기 위해서는, 용접 구조체가 파괴 에너지에 노출되었을 때에 균열 발생의 가능성이 있는 강판 용접 조인트를 예측하고, 그 용접 조인트에 1개소 혹은 복수 개소 설치하는 것이 좋다. 양 방향으로부터의 진전이 예측되는 강판 용접 조인트에 있어서는, 외측 테두리부(51, 52)에 대항하는 다른 한쪽의 외측 테두리부(55)도, 강판 용접 조인트(2)의 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위 내의 각도로 한다.

〈내균열 제어부의 제작 방법〉

이하에, 상술한 바와 같은 용접 구조체(A)에 있어서, 내균열 제어부(4)를 제작하는 방법의 일례에 대해 설명한다.

내균열 제어부(4)는 충돌이나 지진 등에 의한 큰 파괴 에너지에 노출되었을 때에, 균열의 발생ㆍ전파가 예측되는 강판 용접 조인트의 도중에, 적어도 1개소 설치된다.

내균열 제어부(4)를 설치하기 위해서는, 어레스터 부재(5)를 배치하기 위한 관통 구멍(3)을 형성한다. 관통 구멍의 형성에는, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 강판의 단계에서 관통 구멍으로 되는 부분을 미리 절결하는 방법, 강판을 용접하기 위해 가조립한 상태에서 절결하는 방법, 혹은 강판을 용접한 후에 관통 구멍을 형성하는 방법 등이 있지만, 어느 방법이어도 된다. 기존의 용접 구조체에 관통 구멍(3)을 형성하여 본 발명을 적용하는 것도 물론 가능하다.

강판의 용접 전에 관통 구멍(3)을 형성하는 경우에는, 우선 강판(1)의 개선면(11, 12)에 개방되도록, 강판을 절결하여 관통 구멍[3(3a, 3b)]을 형성한다. 계속해서, 관통 구멍(3a, 3b)으로 되는 부분을 남기고, 각각의 강판(1)의 개선면(11, 12)에 대해 맞댐 용접함으로써, 강판 용접 조인트(2)를 형성한다.

계속해서, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상의 강재로 이루어지는 어레스터 부재(5)를, 형성된 관통 구멍(3)에 삽입한다. 계속해서, 어레스터 부재(5)의 외측 테두리부(51, 52) 및 하부 테두리부(53)를, 그것과 대향하는 강판의 노출된 개선면에 대해 각각 맞댐 용접함으로써 어레스터 용접 조인트(6)를 형성한다. 이와 같은 수순에 의해, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L)을 중심으로 하여 강판(1)의 각각에 있어서 대칭으로 되도록, 어레스터 부재(5)와 어레스터 용접 조인트(6)로 이루어지는 내균열 제어부(4)를 형성한다.

강판 용접 조인트 및 어레스터 용접 조인트의 맞댐 용접 시에 있어서, 용접 방법 및 용접 재료에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 그러나 어레스터 용접 조인트(6) 자체의 내파괴 인성을 높이기 위해, 예를 들어 용접 방법으로서, 피복 아크 용접(SMAW)이나 탄산 가스 아크 용접(CO₂ 용접)을 채용하고, 또한 용접 재료로 되는 와이어의 성분을 고Ni로 하는 것이 바람직하다.

또한, 취성 균열 전파를 가능한 한 억제하고, 또한 강판 용접 조인트(2) 및 어레스터 용접 조인트(6)에 있어서 새로운 피로 균열이나 취성 균열의 기점이 발생하는 것을 방지하기 위해, 각 용접 조인트를 용접 결함이 없도록 용접 금속으로 완전하게 충전하는 것이 바람직하다.

상기 수순에 의해, 도 2에 도시한 바와 같은 본 실시 형태의 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체(A)를 제조할 수 있다.

〈용접 구조체를 적용한 선박 구조체의 일례〉

상술한 용접 구조체(A)를 적용한 선박 구조체의 일례를 도 3의 개략도에 도시한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 선박 구조체(70)는 골재(보강재)(71), 데크플레이트(수평 부재)(72), 선각 내판(수직 부재)(73), 선각 외판(74)을 구비하여 개략구성된다. 또한, 도시예의 선박 구조체(70)는, 선각 내판(73)을 이루는 복수의 강판(1)끼리 맞댐 용접함으로써 형성되는 강판 용접 조인트(도 3 중에서는 도시 생략)의 길이 방향의 일부에 내균열 제어부(4)가 설치됨으로써, 본 실시 형태의 용접 구조체(A)를 구비하는 구조로 되어 있다.

상기 구성의 선박 구조체(70)에 의하면, 본 실시 형태의 용접 구조체(A)의 구성을 적용함으로써, 예를 들어 강판 용접 조인트를 전파하는 취성 균열이 발생한 경우이어도, 내균열 제어부(4)에 의해 균열의 전파 방향을 효과적으로 제어할 수 있다. 이에 의해, 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열을 안정적으로 정지시킬 수 있어, 선각 내판(73), 나아가서는 선박 구조체(70)에 대규모의 파괴가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능해진다.

[제2 실시 형태]

이하, 본 발명의 제2 실시 형태인 용접 구조체(B)에 대해, 주로 도 4를 참조하면서 상세하게 서술한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상술한 제1 실시 형태의 용접 구조체(A)와 공통되는 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하는 동시에, 그 상세한 설명을 생략한다.

용접 구조체(B)는 맞댐 용접되는 강판이 복수의 소강판이 맞댐 용접되어 형성되어 있는 경우의 예이다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 강판(10)이 강판 용접 조인트(20)의 길이 방향으로 배열되는 적어도 2 이상의 소강판(도 4 중의 부호 21 내지 24를 참조)을 맞댐 용접하여 형성되고, 이 강판(10, 10)을 맞댐 용접하여 형성된 강판 용접 조인트(20)에 내균열 제어부(4)가 설치된다.

소강판(21, 22)의 사이에는, 맞댐 용접에 의해 소강판 용접 조인트(25, 26)가 형성되어 있고, 어레스터 부재(5)의 하부 테두리부(55)측에 형성되는 어레스터 용접 조인트(6)는, 이 소강판 용접 조인트(25, 26)에 접하여 형성되어 있다. 이로 인해, 용접 구조체(B)에서는, 어레스터 부재(5)의 하부 테두리부(55)는 소강판 용접 조인트(25, 26)의 형상을 따른 동일한 형상으로 된다.

이와 같이, 강판 용접 조인트의 도중에 강판 용접 조인트에 교차하는 용접 조인트(25, 26)가 있는 점에서, 용접 구조체(B)는 상술한 제1 실시 형태의 용접 구조체(A)와는 다르다.

용접 구조체(B)에 따르면, 상술한 용접 구조체(A)와 마찬가지로, 강판 용접 조인트(20)에 취성 균열이 발생한 경우에서도, 이 취성 균열 CR을 어레스터 용접 조인트(6)를 통해 어레스터 부재(5)에 확실하게 돌입시킬 수 있다(도 4 중의 2점 쇄선 화살표를 참조). 그리고 어레스터 부재(5)에 돌입한 취성 균열 CR은, 어레스터 부재(5) 내에서 확실하게 정지되므로, 강판 용접 조인트(20)가 파단되지 않고, 또한 용접 구조체(B)에 대규모의 파괴가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능해진다.

[제3 실시 형태]

이하, 본 발명의 제3 실시 형태인 용접 구조체(C)에 대해, 주로 도 5를 참조하면서, 앞선 실시 형태와 공통되는 부분은 생략하여 설명한다.

용접 구조체(C)도 용접 구조체(B)와 마찬가지로, 맞댐 용접되는 강판이 복수의 소강판이 맞댐 용접되어 형성되어 있는 경우의 예이고, 도 5에 도시한 바와 같이, 강판(10A)이 강판 용접 조인트(20A)의 길이 방향으로 배열되는 적어도 2 이상의 소강판(도 5 중의 부호 31 내지 34를 참조)을 맞댐 용접하여 형성되고, 이 강판(10A, 10A)을 맞댐 용접하여 형성된 강판 용접 조인트(20A)에 내균열 제어부(4)가 설치된다.

용접 구조체(C)에서는 도시한 바와 같이, 소강판을 맞댐 용접하여 형성된 소강판 용접 조인트(35, 36)가, 내균열 제어부(4)를 구성하는 어레스터 부재(5)의 하부 테두리부(55)측에 형성되는 어레스터 용접 조인트를 포함하는 구성으로 되어 있다.

또한, 도시한 용접 구조체(C)에서는, 소강판 용접 조인트(35, 36)가 이어져 직선 형상으로 형성되어 있다.

용접 구조체(C)에 따르면, 상술한 용접 구조체(A, B)와 마찬가지로, 강판 용접 조인트(20A)에 취성 균열이 발생한 경우에서도, 어레스터 부재(5)의 상부 테두리부(51, 52)를 따라 형성되는 어레스터 용접 조인트(60)를 통해, 취성 균열 CR을 확실하게 어레스터 부재(5)에 돌입시킬 수 있다(도 5 중의 2점 쇄선 화살표를 참조).

그리고 어레스터 부재(5)에 돌입한 취성 균열 CR은, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca이 높은 강재로 이루어지는 어레스터 부재(5)에 있어서 즉시 정지되므로, 용접 구조체(C)에 대규모의 파괴가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능해진다.

또한, 용접 구조체(C)에서는, 소강판 용접 조인트(35, 36)를 이루는 용접 금속부의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS4(℃)와, 강판(10A)의 모재 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)의 관계가, 다음 수학식 5

[수학식 5]

로 나타나는 관계를 만족시키는 구성으로 되어 있다.

이에 의해, 예를 들어 도 5 중에 있어서의 하측의 방향으로부터 취성 균열이 용접 조인트(20A)를 전파되어 온 경우라도, 이 취성 균열이 용접 조인트(35) 또는 용접 조인트(36)를 전파하여 어레스터 부재(5)에 돌입하기 쉬워지므로, 이 어레스터 부재(5)에 의해 취성 균열을 정지시키는 것이 가능해진다.

이하, 본 발명에 관한 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체의 실시예를 들어, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예로 한정되는 것은 아니고, 전, 후기하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그들 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

실시예

[용접 구조체의 제조]

우선, 제강 공정에 있어서 용강의 탈산ㆍ탈황과 화학 성분을 제어하고, 연속 주조에 의해 하기 표 1에 나타내는 화학 성분의 주괴를 제작하였다. 그리고 일본해사협회(NK) 규격 선체용 압연 강재 KA32, KA36, KA40의 규격에 준한 제조 조건으로, 상기 주괴를 재가열하여 열간 압연함으로써, 다양한 판 두께의 강판을 제조하였다. 또한, 이 강판에 대해 각종 열처리를 실시하는 동시에, 이때의 조건을 제어함으로써, 모재의 취성 균열 전파 정지 특성 Kca(N／㎜^1.5)이 다양한 값으로 되도록 적절하게 조정하였다.

제조한 강판으로부터, 시험편의 사이즈가 500㎜×500㎜×판 두께의 ESSO 시험(취성 균열 전파 정지 시험)편을 적절하게 채취하고, -10℃에 있어서의 Kca 특성을 평가ㆍ확인하는 동시에, 강판의 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)을 측정하였다. 표 1에 Kca 특성 및 vTrS1을 함께 나타냈다.

다음에, 도 6의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 강판(1)의 개선면(11, 12)에 개방되도록 관통 구멍(3a, 3b)을 형성하였다. 그리고 관통 구멍(3a, 3b)의 각각이 용접선(L)을 중심으로 하여 대칭의 관통 구멍(3)을 형성하도록, 각각의 강판(1)의 개선면(11, 12)을 맞댐 용접하고, 강판 용접 조인트(2)를 형성함으로써, 강판(1)끼리 접합하였다.

다음에, 하기 표 1에 나타내는 화학 성분 및 표 2에 나타내는 강 특성 및 형상으로 된 강판으로 이루어지는 어레스터 부재(5)를, 강판(1)을 관통하도록 관통 구멍(3)의 내부에 삽입하였다. 그리고 어레스터 부재(5)의 외측 테두리부(51, 52), 가로 테두리부(53, 54) 및 하부 테두리부(55)를, 강판(1)에 있어서 관통 구멍(3)에 의해 노출된 용접 단부에 대해 맞댐 용접하여 어레스터 용접 조인트(6)를 형성함으로써, 어레스터 부재(5)와 강판(1)을 접합하였다.

이상의 수순에 의해, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L)을 중심으로 하여 강판(1)의 각각에 있어서 대칭으로 되도록, 어레스터 부재(5)와 어레스터 용접 조인트로 이루어지는 내균열 제어부를 형성하였다.

또한, 도 7의 (b), (c)에 도시한 바와 같이, 하부 테두리부의 위치가 강판(1)의 하단부로부터 중심 위치에서 1500㎜로 되는 장소에 어레스터 부재(5)를 배치하였다. 또한, 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 어레스터 부재(5)의 상부 테두리부(51, 52), 가로 테두리부(53, 54) 및 하부 테두리부(55) 및 강판(1)의 관통 구멍(3) 내에 노출되는 용접 단부에는, 판 두께 방향 중심을 정점으로 하여 130°(수평 라인에 대해 25°)로 되도록 개선 가공을 실시하였다. 또한, 어레스터 부재(5)의 각 테두리부와, 강판(1)의 관통 구멍(3) 내에 노출되는 용접 단부 사이는, 상기 정점에 있어서 약 3㎜의 루트 간격을 갖게 한 상태로 하여 용접 처리를 행하였다.

또한, 상기 수순에 있어서의 강판(1)끼리의 맞댐 용접 및 강판(1)과 어레스터 부재(5)의 맞댐 용접은, 탄산 가스 아크 용접(CO₂ 용접)에 의해 행하는 동시에, 이때의 용접 재료로서, 고Ni 성분으로 된 용접 와이어를 사용하였다. 또한, 각 용접 조인트의 형성 개소에 있어서는, 새로운 균열의 기점이 발생하는 것을 방지하기 위해, 각 용접 조인트를 용접 금속으로 완전하게 충전하도록 용접 처리를 행하였다.

그 후, 각 용접 조인트를 냉각함으로써, 도 2에 도시한 바와 같은 용접 구조체(본 발명예, 비교예)를 제조하였다. 또한, 상기한 바와 같이 각 강판 및 어레스터 부재를 접합함으로써, 도 4, 5에 도시한 바와 같은 용접 구조체(본 발명예, 비교예)를 제조하였다.

[평가 시험]

상기 수순에 의해 제조한 용접 구조체에 대해, 이하와 같은 평가 시험을 행하였다.

우선, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같은 시험 장치(90)를 준비하는 동시에, 상기 수순으로 제작한 용접 구조체의 샘플의 각각을 적절하게 조정하고, 시험 장치(90)에 설치하였다. 여기서, 도 7의 (b), (c) 중에 도시하는 강판 용접 조인트(2)에 설치한 균열 발생부인 창틀(81)은, 쐐기를 대어 소정의 응력을 인가함으로써 강제적으로 취성 균열을 발생시키기 위한 것이고, 절결 형상의 선단부는 0.2㎜ 폭의 슬릿 가공을 실시한 것이다.

계속해서, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L)과 수직 방향에 262N／㎟ 및 300N／㎟의 인장 응력을 부여함으로써, 강판 용접 조인트(2)에 취성 균열을 발생시켰다. 그리고 이 취성 균열을, 강판 용접 조인트(2)의 용접선(L) 상에서 전파시킴으로써, 용접 구조체의 내취성 균열 전파성을 평가하였다. 이때의 분위기 온도는 -10℃로 하였다.

그리고 어레스터 용접 조인트(6)에 도달한 후에 있어서의 취성 균열의 전파 방향 및 정지 위치를 조사하여, 균열의 전파, 정지의 형태가, 도 1의 (b) 내지 (d)에 대응하는 이하에 나타내는 3단계 [b] 내지 [d] 중 어느 것에 해당하는지 확인하였다.

[b] … 취성 균열이 어레스터 용접 조인트에 도달한 후, 어레스터 부재에 돌입하고, 즉시 정지하였다(도 1의 (b)의 형태).

[c] … 취성 균열이 어레스터 용접 조인트에 도달한 후, 이 어레스터 용접 조인트를 따라 전파하고, 계속해서 다시 강판 용접 조인트로 복귀되고, 강판 용접 조인트를 전파하였다(도 1의 (c)의 형태).

[d] … 취성 균열이 어레스터 용접 조인트에 도달한 후, 이 어레스터 용접 조인트에 진입하고, 또한 어레스터 부재를 관통한 후, 그대로 강판 용접 조인트를 전파하였다(도 1의 (d)의 형태).

본 실시예에서 사용한 강판(1)의 화학 성분 조성, 강판 제조 조건 및 모재의 취성 균열 전파 정지 특성 Kca(N／㎜^1.5)의 일람을 표 1에 나타낸다. 또한, 강판(1)을 맞댐 용접하여 강판 용접 조인트(2)를 형성할 때의 용접 조건 및 어레스터 부재(5)의 강판 특성과 형상의 일람을, 표 2, 4에 나타내는 동시에, 어레스터 용접 조인트(6)를 형성할 때의 용접 조건 및 취성 균열의 전파의 평가 결과의 일람을 표 3, 5에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

[표 3](표2의 계속)

[표 4]

[표 5](표4의 계속)

[평가 결과]

표 2 내지 표 5에 나타내는 본 발명예 1 내지 15 및 21 내지 31은, 도 2에 도시하는 제1 실시 형태의 용접 구조체(A)에 관한 예이고, 본 발명예 16 내지 18은, 도 4에 도시하는 제2 실시 형태의 용접 구조체(B), 본 발명예 19, 20은, 도 5에 도시하는 제3 실시 형태의 용접 구조체(C)에 관한 예이다.

또한, 표 4, 표 5에 나타내는 비교예 1 내지 8은, 도 2에 도시하는 용접 구조체(A)와 동일한 구조를 갖는 예이고, 비교예 9 내지 12는, 도 4에 도시하는 용접 구조체(B)와 동일한 구조를 갖는 예이다.

상기 각 예에 있어서, 본 발명예 1 내지 8, 12 내지 16, 18 내지 31 및 비교예 1 내지 9, 12는, 도 2나 도 4에 도시한 바와 같이, 평면에서 보아 대략 사각형의 어레스터 부재를 외측 테두리부의 강판 용접 조인트의 길이 방향에 대한 각도가 90°로 되도록 용접 구조체를 제조한 예이다.

또한, 본 발명예 9 내지 11, 17 및 비교예 10, 11은, 평면에서 보아 대략 사각형의 어레스터 부재를, 외측 테두리부의 강판 용접 조인트의 길이 방향에 대한 각도가 표 2에 나타내는 소정의 각도로 되도록, 직선 형상으로 된 상부 테두리부가 가로 테두리부에 대해 경사지도록 형성한 것이다. 이들 예 중, 본 발명예 9 내지 11, 17 및 비교예 10, 11은, 어레스터 부재의 가로 테두리부(53, 54)도 경사지게 하여, 어레스터 부재를 전체적으로 사다리꼴 형상으로 형성한 예이다.

또한, 발명예 14는 균열이 하방으로부터 진전된 경우의 예이지만, 다른 예는 균열이 상방으로부터 진전된 경우의 예이다.

표 4, 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 용접 구조체(본 발명예 1 내지 31)는, 취성 균열을 모두 어레스터 부재에서 정지시킬 수 있었다(상기 [b]의 형태). 이에 의해, 본 발명의 용접 구조체가, 용접 조인트에 취성 균열이 발생한 경우이어도, 균열이 용접 조인트나 모재를 전파하는 것을 억제할 수 있고, 용접 구조체의 파단을 방지하는 것이 가능하여, 내취성 균열 전파성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

여기서, 본 발명예 12, 13은, 모두 어레스터 부재의 판 두께가 강판의 모재 및 용접 조인트의 두께보다도 큰 예이지만, 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열이 어레스터 부재 용접 조인트에 도달한 후에 어레스터 부재에 돌입하고, 어레스터 부재에서 즉시 정지하여, 소정의 내취성 균열 전파성을 발휘할 수 있었다.

또한, 본 발명예 10, 11, 22, 23은, 모두 어레스터 부재의 판 두께가 강판의 모재 및 용접 조인트의 두께보다도 작은 예이지만, 상기한 바와 같이 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열이 어레스터 부재에서 즉시 정지하여, 소정의 내취성 균열 전파성을 발휘할 수 있었다.

또한, 본 발명예 4, 15는, 어레스터 부재의 높이 H가 수학식 1로 규정되는 하한값이지만, 어레스터 부재의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS2값이 -측으로 높으므로, 균열의 전파를 어레스터 부재에서 정지시킬 수 있었다.

이에 대해, 비교예 1 내지 12의 용접 구조체에서는, 어레스터 부재의 강판 특성 또는 형상 중 어느 하나가 본 발명의 규정을 만족시키고 있지 않으므로, 내취성 균열의 전파의 형태가 상기 [c] 혹은 [d]로 되고, 표 5에 나타낸 바와 같이 취성 균열의 전파를 정지시킬 수 없었다.

비교예 1, 5의 용접 구조체는, 어레스터 부재의 높이 H가 불충분하므로, 비교예 2는 어레스터 부재의 판 두께 t가 불충분하므로, 비교예 4는 높이 H와 판 두께 t가 불충분하므로, 각각 취성 균열이 어레스터 용접 조인트 및 어레스터 부재에 돌입한 후, 다시 강판 용접 조인트를 전파하고, 취성 균열을 정지시킬 수 없어, [d]로 된 예이다.

또한, 비교예 3은, 어레스터 부재의 판 두께 t와 높이 H가 불충분한 동시에, 어레스터 부재의 Kca 특성이 불충분하여, 상기한 바와 같이 어레스터 부재에서 취성 균열을 정지시킬 수 없어, [d]로 된 예이다.

또한, 비교예 6, 9는, 어레스터 부재의 횡폭 W가 부적당하므로, 어레스터 용접 조인트를 따라 취성 균열이 우회하고, 그대로 강판 용접 조인트를 전파하여, [c]로 된 예이다.

또한, 비교예 7, 12는, 어레스터 부재의 Kca 특성이 불충분하였으므로, 상기한 바와 같이 어레스터 부재에서 취성 균열을 정지시킬 수 없어, [d]로 된 예이다.

또한, 비교예 8은, 어레스터 부재의 Kca 특성이 불충분하였으므로, 상기한 바와 같이 어레스터 부재에서 취성 균열을 정지시킬 수 없어, [d]로 된 예이다.

또한, 비교예 10, 11은, 모두 어레스터 부재의 외측 테두리부의 강판 용접 조인트의 길이 방향에 대한 각도가 본 발명의 규정 범위 외이고, 어레스터 부재로 취성 균열을 도입할 수 없어, 어레스터 용접 조인트를 우회한 후, 그대로 강판 용접 조인트를 전파하였으므로, 취성 균열을 정지시킬 수 없어, [c]로 된 예이다.

이상의 결과에 의해, 본 발명의 용접 구조체가, 용접 조인트에 취성 균열이 발생한 경우이어도, 균열이 용접 조인트나 모재를 전파하는 것을 억제할 수 있어, 용접 구조체의 파단을 방지하는 것이 가능하여, 내취성 균열 전파성이 우수한 것이 명백하다.

A, B, C : 용접 구조체
1, 10, 10A : 강판
2, 20, 20A : 강판 용접 조인트
3, 3a, 3b : 관통 구멍
4 : 내균열 제어부
5 : 어레스터 부재
51, 52 : 상부 테두리부
55 : 하부 테두리부
6, 60 : 어레스터 용접 조인트
25, 26, 35, 36 : 소강판 용접 조인트
21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 34 : 소강판
70 : 선박 구조체
L : 용접선

Claims

강판을, 서로 맞댐 용접함으로써 강판 용접 조인트가 형성되어 이루어지는 용접 구조체에 있어서,
상기 강판 용접 조인트 중 적어도 1개소에, 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열의 전파를 정지시키는 내균열 제어부가 설치되어 있고,
상기 내균열 제어부는, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상의 강재로 이루어지고, 상기 강판 용접 조인트로부터 상기 강판에 걸쳐 형성된 관통 구멍에 삽입된 어레스터 부재 및 상기 어레스터 부재의 외측 테두리부와, 그에 대향하는 강판 모재가 맞댐 용접되어 형성된 어레스터 용접 조인트를 갖고 있고,
상기 어레스터 부재의 외측 테두리부는, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향 전후에 있어서, 상기 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도로 상기 강판 용접 조인트와 교차하도록 형성되어 있고, 상기 어레스터 부재의 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향을 따른 높이 H(㎜), 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향과 직각인 방향의 최대폭으로 나타내지는 횡폭 W(㎜) 및 판 두께 t(㎜)의 각각의 치수가, 하기 수학식 1 내지 수학식 3으로 나타내는 관계를 만족하고,
상기 강판은, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향으로 배열되는 적어도 2 이상의 강판으로 이루어지는 동시에, 상기 길이 방향으로 배열된 강판을 서로 맞댐 용접함으로써 길이 방향으로 배열된 강판 용접 조인트가 형성되어 있고, 상기 내균열 제어부는, 상기 강판 용접 조인트와 교차하는 한쪽의 외측 테두리부에 형성되는 상기 어레스터 용접 조인트가 상기 길이 방향으로 배열된 강판 용접 조인트에 접하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.
[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

단, 상기 수학식 1 내지 수학식 3 중에 있어서, T는 상기 강판의 판 두께(㎜)를 나타내고, d는 상기 강판 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 폭(㎜)을 나타낸다.
강판을, 서로 맞댐 용접함으로써 강판 용접 조인트가 형성되어 이루어지는 용접 구조체에 있어서,
상기 강판 용접 조인트 중 적어도 1개소에, 강판 용접 조인트에 발생한 취성 균열의 전파를 정지시키는 내균열 제어부가 설치되어 있고,
상기 내균열 제어부는, 취성 균열 전파 정지 특성 Kca가 6000N／㎜^1.5 이상의 강재로 이루어지고, 상기 강판 용접 조인트로부터 상기 강판에 걸쳐 형성된 관통 구멍에 삽입된 어레스터 부재 및 상기 어레스터 부재의 외측 테두리부와, 그에 대향하는 강판 모재가 맞댐 용접되어 형성된 어레스터 용접 조인트를 갖고 있고,
상기 어레스터 부재의 외측 테두리부는, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향 전후에 있어서, 상기 길이 방향에 대해 60°이상 120°이하의 범위의 각도로 상기 강판 용접 조인트와 교차하도록 형성되어 있고, 상기 어레스터 부재의 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향을 따른 높이 H(㎜), 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향과 직각인 방향의 최대폭으로 나타내지는 횡폭 W(㎜) 및 판 두께 t(㎜)의 각각의 치수가, 하기 수학식 1 내지 수학식 3으로 나타내는 관계를 만족하고,
상기 강판은, 상기 강판 용접 조인트의 길이 방향으로 배열되는 적어도 2 이상의 강판으로 이루어지는 동시에, 상기 길이 방향으로 배열된 강판을 서로 맞댐 용접함으로써 길이 방향으로 배열된 강판 용접 조인트가 형성되어 있고, 상기 내균열 제어부는, 어레스터 부재의 상기 강판 용접 조인트와 교차하는 한쪽의 외측 테두리부에 형성되는 상기 어레스터 용접 조인트가 상기 길이 방향으로 배열된 강판 용접 조인트를 포함하도록 설치되고, 또한, 상기 길이 방향으로 배열된 강판 용접 조인트를 이루는 용접 금속부의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS4(℃)와, 상기 강판의 모재 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)의 관계가, 다음 수학식,

로 나타내는 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.
[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

단, 상기 수학식 1 내지 수학식 3 중에 있어서, T는 상기 강판의 판 두께(㎜)를 나타내고, d는 상기 강판 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 폭(㎜)을 나타낸다.
제1항에 있어서, 상기 어레스터 용접 조인트에 있어서의 용접 금속부의 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS3(℃)과, 상기 강판의 모재 인성을 나타내는 취성-연성 파면 천이 온도 vTrS1(℃)의 관계가, 다음 수학식,

로 나타내는 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강판의 판 두께가 25㎜ 이상 150㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 내취성 균열 전파성을 갖는 용접 구조체.
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