KR101218892B1

KR101218892B1 - 맞댐 용접 조인트 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101218892B1
Application number: KR1020127014119A
Authority: KR
Inventors: 류우이찌 혼마; 다다시 이시까와
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2013-01-09
Also published as: EP2508290B1; KR20120088799A; US8653403B2; WO2011068201A1; EP2508290A4; ES2617438T3; CN102639278A; JP4995348B2; US20120237287A1; MY182963A; CN102639278B; JPWO2011068201A1; EP2508290A1; DK2508290T3

Abstract

이 용접 조인트는, 한 쌍의 강판과, 한 쌍의 상기 강판의 맞댐부에, 한 쌍의 상기 강판의 제1면측으로부터의 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해, 상기 제1면으로부터, 상기 제1면의 반대측인 제2면측에 걸쳐 형성된 제1 용접 금속과, 상기 제1 용접 금속의 상기 제1면측의 단부면을 덮는, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제2 용접 금속을 구비하고, 상기 제1면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₁과, 상기 제1면에 있어서의 상기 제2 용접 금속의 폭 W₂가 하기 수학식 1을 만족시키고, 상기 제2 용접 금속의 상기 제1면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0㎜이다.
[수학식 1]

Description

맞댐 용접 조인트 및 그 제조 방법{BUTT WELD JOINT AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 맞댐 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2009년 12월 4일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-277007호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 지구 환경의 온난화의 한 요인으로 되고 있는 CO₂ 가스의 삭감이나, 석유 등의 화석 연료의 장래적인 고갈에 대처하기 위해, 재생 가능한 자연 에너지의 이용이 적극적으로 행해지고 있다. 풍력 발전도 그 중 하나로, 대규모의 풍력 발전이 세계적으로 보급되고 있다.

여기서, 풍력 발전에 가장 적합한 지역은, 끊임없이 강풍을 기대할 수 있는 지역이다. 특히, 이러한 조건을 만족시키는 해상에서의 풍력 발전(해상 풍력 발전)도 세계적 규모로 계획 및 실현되고 있다(특허문헌 1 내지 4 참조).

해상에 풍력 발전용 탑을 건설하기 위해서는, 해저의 지반에 탑의 기초 부분을 타입할 필요가 있다. 해수면으로부터 풍력 발전의 터빈 날개의 높이를 충분히 확보하기 위해서는, 이 기초 부분이 충분한 길이를 갖는 것이 필요하다. 그로 인해, 풍력 발전용 탑의 기초 부분에서 사용하는 강판의 판 두께는, 기초 부분의 길이에 따라서 두껍게 하여, 강도나 강성을 확보해야 한다. 예를 들어, 재킷형 기초에서는 판 두께 30㎜ 이상의 강판을 사용한다. 모노파일형 기초에 있어서는 판 두께가 50㎜ 이상(예를 들어, 100㎜ 정도)인 것을 사용한다. 또한, 기초 부분은 직경이 4m 정도인 큰 단면을 갖는 관 구조로 되어, 탑의 전체 높이는 80m 이상이나 된다.

그러나 이러한 거대 구조물을 건설 현장 부근의 해안에서, 간이하게, 또한 고능률적으로 용접 조립하는 것은 매우 곤란했다. 또한, 상기한 바와 같은 최대 판 두께가 100㎜에 달하는 극후강판을 고능률적으로, 또한 현지에서 용접한다고 하는, 종래에 없는 요구가 발생해 왔다.

일반적으로, 전자 빔 용접이나 레이저 빔 용접 등의 고에너지 밀도 빔 용접은, 효율적으로 용접할 수 있는 용접 방법이다. 그러나 고에너지 밀도 빔 용접을 행하기 위한 조건을 갖추는 것은 간이하지 않고, 특히, 전자 빔 용접에 있어서는, 진공 챔버 내에서 고진공 상태를 유지하여 용접할 필요가 있으므로, 종래는 용접할 수 있는 강판의 크기가 한정되어 있었다.

이에 대해, 최근, 판 두께 100㎜ 정도의 극후강판을 효율적이고, 또한 현지에서 용접할 수 있는 용접 방법으로서, 저진공하에서 시공이 가능한 감압 전자 빔 용접(RPEBW : Reduced Pressured Electron Beam Welding)이 영국의 용접 연구소에서 개발되어, 제안되어 있다(특허문헌 5).

해상의 풍력 발전탑은, 상기한 바와 같이 끊임없이 강풍이나 파도에 노출된다. 이로 인해, 탑의 기초 부분의 구조체는, 강풍이나 파도, 나아가서는 터빈 날개의 회전에 의한 진동에 의해 끊임없이 반복 하중을 받게 된다.

이러한 환경하에 있어서, 탑의 기초 부분에 있어서의 용접부에는, 통상의 피로 사이클과는 오더가 다른 기가 사이클 영역의 진동에 대한 내(耐) 피로 특성이 요구되고 있었다. 특히, 용접 비드(용접 금속)의 지단부에서는 응력 집중이 커져, 용접 조인트의 반복 하중에 대한 피로 강도가 저하된다고 하는 문제가 발생하고 있었다.

이러한 지단부에의 응력 집중을 완화하기 위한 대책으로서, 종래, 도 3a 및 도 3b에 도시되는 바와 같은, 강판(21)과 용접 비드(22)의 지단부에 있어서의 곡률 반경 ρ와 접촉각 θ를 크게 함으로써 응력 집중을 완화하는 기술이 제안되어 왔다.

또한, 도 3a는 종래의 맞댐 용접 조인트의 용접 비드의 일례를 도시하는 단면 모식도이다. 또한, 도 3b는 도 3a 중에 나타내는 용접 비드의 지단부 T 근방의 확대 단면 모식도이다.

예를 들어, 특허문헌 6에서는, 플럭스 성분 및 실드 가스 성분을 조정함으로써, 상기한 곡률 반경 ρ 및 접촉각 θ를 크게 하는 것이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 7에서는, 강판의 두께에 대한 용접 비드 폭의 비율을 0.2 이하로 함으로써, 용접 비드의 지단부에 있어서의 응력 집중을 작게 하는 것이 제안되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2008-111406호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-092406호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-322400호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-037397호 공보 국제 특허 출원 공개 제99/16101호 팜플릿 일본 특허 출원 공개 평4-361876호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-181530호 공보

상기한 바와 같이, 용접 비드의 지단부에서는 응력 집중의 정도가 증대되어 버린다. 그 결과, 풍력이나 파력, 터빈 날개의 회전 등에 의한 기가 사이클 영역의 진동에 의한 반복 하중에 대한 맞댐 용접 조인트의 피로 강도가 저하된다고 하는 문제가 있다.

그러나 이러한 지단부의 응력 집중에의 대응책으로 되는 상기 종래 기술에서는, 다음과 같은 과제가 있다.

특허문헌 6의 방법은, 가스 실드 아크 용접에 의한 것으로, 고에너지 밀도 빔 용접에 의해 실드 가스를 사용하지 않고 용접하는 본 과제에 적용할 수는 없다.

또한, 특허문헌 7에서는, 용접 비드의 형상이 특정되어 있는 것에 불과하며, 구체적으로 어떻게 하여 상술한 바와 같은 용접 비드 폭을 형성할 것인지, 또한 그것을 위한 용접 조건 등이 전혀 개시되어 있지 않다. 따라서, 재현성이 부족하여, 공업적으로 이용하는 것이 극히 곤란하다고 하는 문제가 있다.

또한, 용접 조인트에 있어서의 200만회 피로 강도의 향상에 대해 언급되어 있는 것에 불과하며, 기가 사이클 영역의 진동에 대한 내 피로 특성을 향상시키는 본 과제에 적용할 수는 없다.

본 발명은, 이러한 문제를 발생시키는 일 없이, 한 쌍의 강판에 대해 전자 빔 용접 등에 의한 고에너지 밀도 빔 용접을 행할 때에, 용접 비드의 지단부에 있어서의 응력 집중을 완화하여, 기가 사이클 영역의 진동에 대해서도 견딜 수 있는 피로 특성을 갖고, 또한 충분한 파괴 인성을 갖는 맞댐 용접 조인트를 간이하게, 또한 재현성을 갖고 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제의 대책으로서, 전자 빔 용접 등의 고에너지 밀도 빔 용접에 있어서의 용접부에 있어서, 용접 비드를 재용융시켜 재용융 비드를 형성함으로써, 용접 비드의 지단부에 있어서의 응력 집중을 완화하여 피로 특성을 향상시키는 것이다.

본 발명의 개요는 이하와 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 맞댐 용접 조인트는, 한 쌍의 강판과, 한 쌍의 상기 강판의 맞댐부에, 한 쌍의 상기 강판의 제1면측으로부터의 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해, 상기 제1면측으로부터, 상기 제1면의 반대측인 제2면측에 걸쳐 형성된 제1 용접 금속과, 상기 제1 용접 금속의 상기 제1면측의 단부면을 덮는, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제2 용접 금속을 구비하고, 상기 제1면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₁과, 상기 제1면에 있어서의 상기 제2 용접 금속의 폭 W₂가 하기 수학식 1을 만족시키고, 상기 제2 용접 금속의 상기 제1면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0㎜이다.

[수학식 1]

(2) 상기 (1)에 기재된 맞댐 용접 조인트에서는, 상기 제1 용접 금속의 상기 제2면측의 단부면을 덮는, 제3 고에너지 밀도 빔에 의해 형성된 제3 용접 금속을 구비하고, 상기 제2면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₄와, 상기 강판의 상기 제2면에 있어서의 상기 제3 용접 금속의 폭 W₅가 하기 수학식 2를 만족시키고, 상기 제3 용접 금속의 상기 제2면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0㎜여도 된다.

[수학식 2]

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 맞댐 용접 조인트에서는, 상기 강판의 판 두께의 중심에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₃이, 상기 강판의 판 두께의 15％ 이하여도 된다.

(4) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 맞댐 용접 조인트에서는, 상기 강판이, 판 두께가 30㎜ 이상이고, 항복 강도가 355㎫ 이상인 강판이어도 된다.

(5) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 맞댐 용접 조인트는, 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥에 사용되어 있어도 된다.

(6) 본 발명의 일 형태에 관한 맞댐 용접 조인트의 제조 방법은, 한 쌍의 강판의 맞댐부에, 제1 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 한 쌍의 상기 강판의 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 조사측인 제1면에 있어서의 폭이 W₁인 제1 용접 금속을 형성하는 공정과, 상기 제1 용접 금속에, 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 에너지 밀도보다도 낮은 에너지 밀도인 제2 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 상기 강판의 상기 제1면에 있어서의 폭이 W₂인 제2 용접 금속을 형성하는 공정을 갖고, 상기 폭 W₁과 상기 폭 W₂가 하기 수학식 3을 만족시키고, 상기 제2 용접 금속의 상기 제1면으로부터의 깊이를 2.0 내지 10.0㎜로 한다.

[수학식 3]

(7) 상기 (6)에 기재된 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 강판의 판 두께의 중심에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₃을, 상기 강판의 판 두께의 15％ 이하로 해도 된다.

(8) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 제1 고에너지 밀도 빔 및 상기 제2 고에너지 밀도 빔이 모두 전자 빔이어도 된다.

(9) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에서는, 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 조사 및 상기 제2 고에너지 밀도 빔의 조사는 모두, 한 쌍의 상기 강판의 용접부 형성 영역 및 그 주변만을 진공하로 하여 행해져도 된다.

(10) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 용접 조인트의 형성 방법에서는, 상기 강판으로서, 상기 강판의 판 두께가 30㎜ 이상이고, 항복 강도가 355㎫ 이상인 강판을 사용해도 된다.

본 발명에 따르면, 한 쌍의 고강도 강판을 고에너지 밀도 빔 용접하여 용접 구조체로 할 때, 제1 용접 금속을 재용융시켜, 제1 용접 금속의 지단부보다도 완만한 지단부를 갖는 제2 용접 금속을 형성함으로써, 지단부에 있어서의 응력 집중이 완화된다. 그 결과, 기가 사이클 영역의 진동 환경에 있어서의 내 피로 특성을 갖고, 또한 파괴 인성이 우수한 맞댐 용접 조인트를 제조할 수 있다.

도 1a는 본 실시 형태에 있어서의 맞댐 용접 조인트를 도시하는 단면 모식도이다.
도 1b는 본 실시 형태에 있어서의 맞댐 용접 조인트를 도시하는 단면 모식도이다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 맞댐 용접 조인트의 제1 용접 금속(2)의 폭 W₁의 추정 방법을 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 3a는 종래의 맞댐 용접 조인트의 용접 비드의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 3b는 도 3a 중에 도시하는 용접 비드의 지단부 T 근방의 확대 단면 모식도이다.

본 발명은, 한 쌍의 고강도 강판에, 전자 빔이나 레이저 빔 등의 고에너지 밀도 빔을 조사하는 용접(고에너지 밀도 빔 용접)에 의해 형성되는 용접 비드에 있어서, 이 용접 비드(제1 용접 금속)를 재용융시켜 재용융 비드(제2 용접 금속)를 형성함으로써, 제1 용접 금속의 지단부에 있어서의 응력 집중을 완화하여, 기가 사이클 영역의 진동 환경에 있어서의 내 피로 특성을 향상시킨다.

이하에, 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시 형태에 관한 맞댐 용접 조인트에 대해 설명한다.

도 1a는 본 실시 형태에 의한 맞댐 용접 조인트의 제1 용접 금속의 길이 방향에 수직한 방향의 단면 모식도를 도시한다. 도 1a에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 맞댐 용접 조인트는, 한 쌍의 강판(1)의 맞댐부에, 한 쌍의 강판(1)의 제1면(1A)측으로부터의 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제1 용접 금속(2)과, 제1 용접 금속(2)의 제1면(1A)측의 모든 단부면을 덮는, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제2 용접 금속(3A)을 구비하고 있다. 또한, 제1 용접 금속(2)은, 제1면(1A)측으로부터, 제1면(1A)의 반대측인 제2면(1B)측에 걸쳐 형성되어 있다.

또한, 제1 용접 금속(2)의 제1면(1A)에 있어서의 폭 W₁과, 제1면(1A)에 있어서의 제2 용접 금속(3A)의 폭 W₂가 하기 수학식 1을 만족시키고, 제2 용접 금속(3A)의 제1면(1A)으로부터의 깊이 D₁이 2.0 내지 10.0㎜이다.

[수학식 1]

여기서, W₁은, 상술한 바와 같이, 제1 고에너지 밀도 빔 조사측인 제1면(1A)에 있어서의 제1 용접 금속(2)의 추정 폭(W₁의 추정 방법은 후술함)이다. 또한, W₂는, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제2 용접 금속(3A)의, 제1면(1A)에 있어서의 폭이다.

도 1a에 도시하는 바와 같이, 제1 용접 금속(2) 중, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사측의 단부면은, 제2 용접 금속(3A)으로 덮여 있다. 또한, 이 제2 용접 금속(3A)의 지단부의 형상은, 도 3a에 도시하는 종래의 용접 비드와 비교하여 완만하게 되어 있다. 이에 의해, 지단부에 있어서의 응력 집중이 완화된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 제2 용접 금속(3A)의 폭 W₂가, 제1 용접 금속의 폭 W₁에 대해 1.2≤W₂/W₁≤3.5를 만족시키는 것이 필요하다.

제2 용접 금속(3A)의 폭 W₂와 제1 용접 금속의 폭 W₁의 비 W₂/W₁이 지나치게 작으면, 응력 집중을 완화시키는 효과가 감소하므로, W₂/W₁을 1.2 이상으로 한다. 또한, 필요에 따라서, W₂/W₁을 1.2 이상 또는 1.8 이상으로 해도 된다.

한편, 제2 용접 금속(3A)의 폭 W₂가 넓어지면, 제1면(1A) 상에 있어서, 제2 용접 금속(3A)의 지단부에 발생하는 용접선에 수직한 방향의 인장 잔류 응력의 악영향을 무시할 수 없게 된다. 또한, W₂/W₁이 지나치게 커지면 조립(粗粒) 영역이 증가하여, 조인트 인성이 저하될 우려가 있다. 이들의 이유에 의해, W₂/W₁을 3.5 이하로 한다. 또한, 필요에 따라서, W₂/W₁을 3.2 이하 또는 2.8 이하로 해도 된다.

여기서, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제1 용접 금속(2)의 제1면(1A)측의 단부면의 형상은, 제2 용접 금속(3A)의 형성 후에는 직접 확인할 수는 없다. 그러나 제1면(1A)측에 있어서의, 제1 용접 금속(2)의 폭 W₁은 이하에 나타내는 방법에 의해 추정할 수 있다.

도 2에, 본 실시 형태에 있어서의 제1 용접 금속(2) 및 제2 용접 금속(3A)의 위치 관계를 설명하기 위한 단면 모식도를 도시한다. 도 2는 제1 용접 금속(2)의 길이 방향에 수직한 방향의 단면도이다.

이 단면에 있어서의 제1 용접 금속(2)과 제2 용접 금속(3A)의 경계선 중, 제1 용접 금속(2)의 폭 방향의 양단부점을 C1, C2라 한다.

다음에, 동 단면에 있어서의 한쪽 모재[강판(1)]와 제1 용접 금속(2)의 경계선인 L1 상에 있어서, 제2 용접 금속(3A)의 최고 깊이부와 개략 동일한 깊이의 위치를 S1이라 한다. 또한, 다른 쪽 모재와 제1 용접 금속(2)의 경계선 L2 상에 있어서도 마찬가지로 S2를 정의한다.

다음에, S1, S2를 각각 C1, C2와 연결한 직선을 각각 L1', L2'라 한다. 그리고 L1' 및 L2'와 제1면(1A)의 교점을 t1, t2라 한다. t1과 t2의 거리 t는, 제2 용접 금속(3A) 형성 전의 제1 용접 금속의 폭 W₁을 충분한 정밀도로 근사한다. 이로 인해, 거리 t를 W₁로 간주할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서, 제2 용접 금속(3A)에 있어서의 강판(1)의 제1면(1A)으로부터의 깊이 D₁은 2.0 내지 10.0㎜로 할 필요가 있다. 제2 용접 금속(3A)의 깊이 D₁이 지나치게 얕으면, 제1 용접 금속(2)의 지단부의 형상 변화가 적어, 응력 집중을 완화시키는 효과가 감소할 우려가 있으므로, 깊이 D₁을 2.0㎜ 이상으로 한다. 필요에 따라서, 깊이 D₁을 3.0㎜ 이상 또는 4.0㎜ 이상으로 해도 된다.

한편, 제2 용접 금속(3A)의 깊이 D₁이 지나치게 깊으면, 강판(1) 내부의 제2 용접 금속(3A) 근방에 부여되는 인장 잔류 응력이 커져, 내 피로 특성을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 용접부 및 그 근방의 취성 열화를 야기시킬 가능성도 있으므로, 깊이 D₁을 10.0㎜ 이하로 한다. 필요에 따라서, 깊이 D₁을 9.0㎜ 이하, 8.0㎜ 이하 또는 7.0㎜ 이하로 해도 된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 깊이 D₁이라 함은, 제2 고에너지 밀도 빔 조사측의 제1면(1A)으로부터 제2 용접 금속(3A)의 최고 깊이부까지의 거리이다.

또한, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 맞댐 용접 조인트에 있어서, 제1 용접 금속(2)의 단부면 중, 제1면(1A)의 반대측인 제2면(1B)측의 단부면을 덮도록, 제3 용접 금속(3B)이 형성되어 있어도 된다. 이때, 제2면(1B)에 있어서의 제1 용접 금속(2)의 폭 W₄와, 제2면(1B)에 있어서의 제3 용접 금속의 폭 W₅가 하기 수학식 2를 만족시키고, 제3 용접 금속(3B)의 제2면(1B)으로부터의 깊이 D₂가 2.0 내지 10.0㎜인 것이 바람직하다.

[수학식 2]

또한, 제3 용접 금속(3B)은, 제3 고에너지 밀도 빔에 의해 형성할 수 있다.

또한, 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제1 용접 금속(2)의 제2면(1B)측의 단부면의 형상은, 제3 용접 금속(3B)의 형성 후에는 직접 확인할 수는 없지만, 제1 용접 금속(2)의 폭 W₁의 추정 방법과 마찬가지의 방법에 의해, 제2면(1B)측에 있어서의 제1 용접 금속(2)의 폭 W₄를 추정할 수 있다.

이와 같이, 제2 용접 금속(3A)과 제3 용접 금속(3B)을 설치함으로써, 강판(1)의 표리면 모두 내 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 제1 고에너지 밀도 빔 및 제2 고에너지 밀도 빔 및 제3 고에너지 밀도 빔으로서는, 전자 빔, 레이저 빔 등을 사용할 수 있다.

또한, 상술한 제1 고에너지 밀도 빔 용접은, 예를 들어 전자 빔을 사용한 경우, 판 두께 50㎜의 강판을 사용할 때, 가속 전압 150V, 빔 전류 180㎃, 용접 속도 100 내지 300㎜/분 정도의 조건에서 조사되어도 된다.

또한, 상술한 제1 고에너지 밀도 빔 용접을 행할 때, 한 쌍의 강판(1)의 맞댐면에 두께 0.1㎜ 정도의 금속박을 삽입하여 용접하여, 맞댐 용접 조인트를 제조해도 된다. 이 금속박으로서는, 예를 들어 Ni박 등을 예시할 수 있다. 이와 같이, 제1 고에너지 밀도 빔 용접시에 금속박을 삽입함으로써, 용접부의 인성 열화를 방지할 수 있다.

또한, 상술한 제2 고에너지 밀도 빔의 조사는, 제1 고에너지 밀도 빔 용접에 있어서의 입열량의 1/10 정도의 입열량, 예를 들어 가속 전압 90V, 빔 전류 60㎃, 용접 속도 500㎜/분 초과의 조건에서 조사되어도 된다. 이것은, 제1 용접 금속을 재용융할 때의 입열량이 지나치게 적으면, 지단부의 응력 집중의 완화 효과가 낮고, 한편 입열량이 지나치게 많으면, 용접부의 인성 열화의 원인으로 될 수 있기 때문이다.

또한, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사를 행할 때, 고속도의 오실레이션 기능을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은, 제1 용접 금속의 양 지단부를 동시에 용융 가능해지므로, 예를 들어 TIG 아크를 사용한 제1 용접 금속 지단부의 재용융 처리(TIG 드레싱)에 비해 대폭 고속도로 지단부의 재용융이 가능해지기 때문이다. 또한, 본 발명의 실시시에, 측정된 폭 W₁을 기초로, 가속 전압, 빔 전류, 용접 속도 또는 오실레이션 조건 등을 조정함으로써, 목표로 하는 폭 W₂와 깊이 D₁을 용이하게 달성할 수 있다.

또한, 제3 용접 금속(3B)을 형성하기 위한 제3 고에너지 밀도 빔의 조사 조건으로서는, 상술한 제2 고에너지 밀도 빔의 조사 조건과 개략 동일하게 해도 상관없지만, 본 실시 형태의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 적절하게 변경해도 된다.

제1 고에너지 밀도 빔에 의한 용접시에 빔의 조사 영역이 커지면, 강판에 부여하는 입열량이 과대해진다. 이 결과, FL(Fusion Line)부의 조직이 조대화되거나, 취화 상(相)인 섬 형상 마르텐사이트(MA : Martensite-Austenite constituent)가 생성된다. 이로 인해, 빔의 조사 영역의 증대는, 용접 금속이나 FL부의 인성을 저하시킬 우려가 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 제1 고에너지 밀도 빔 용접으로서 RPEBW 용접을 사용하여 용접 조인트를 제작하는 경우는, 진공 챔버 내의 고진공 상태에서 전자 빔 용접(EBW 용접)에 의해 제작한 용접 조인트에 비해, 제1 용접 금속의 폭이 증대되는 경향에 있다.

이로 인해, RPEBW 용접을 사용한 경우라도, 맞댐 용접 조인트의 샤르피값 vE를 안정적으로 확보하기 위해, 제1 용접 금속의 폭 W₁을, 강판의 판 두께의 30％ 이하 또는 20％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 강판의 판 두께의 중심에 있어서의 제1 용접 금속의 폭 W₃을, 15％ 이하 또는 10％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 단순히, 폭 W₁을 15㎜ 이하, 11㎜ 이하 또는 7㎜ 이하로 제한해도 된다. 폭 W₃을 7㎜ 이하, 6㎜ 이하 또는 5㎜ 이하로 제한해도 된다.

또한, 제1 용접 금속의 폭 W₁ 및 W₃이 지나치게 좁으면 제1 고에너지 밀도 빔의 입사 방향이나 안정성에 따라서는 개선면(開先面)을 완전히 용융시키는 것이 곤란해지므로, 제1 용접 금속의 폭 W₁은, 강판의 판 두께의 2％ 이상으로 하는 동시에, 제1 용접 금속의 폭 W₃은, 강판의 판 두께의 중심에 있어서, 강판의 판 두께의 2％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 관한 용접 조인트는, 고강도 강판을 고에너지 밀도 용접하여 용접 구조체로 하기 위해 사용된다. 사용되는 강판은, 이것에 한정되지 않지만, 바람직하게는 항복 강도가 355㎫ 이상인 것이다. 이러한 고강도 강판으로서는, 공지의 성분 조성의 용접용 구조용 강으로 제조한 것이면 된다. 또한, 강판의 항복 강도를 600㎫ 이하로 해도 된다. 또는 강판의 인장 강도를 400㎫ 이상 또는 490㎫ 이상, 혹은 780㎫ 이하 또는 690㎫ 이하로 제한해도 된다.

예를 들어, 질량％로, C:0.02 내지 0.20％, Si:0.01 내지 1.0％, Mn:0.3 내지 2.1％, Al:0.001 내지 0.20％, N:0.02％ 이하, P:0.01％ 이하, S:0.01％ 이하, Ni:0.50 내지 4.0％를 기본 성분으로 하고, 모재 강도나 조인트 인성의 향상 등, 요구되는 성질에 따라서 Cr, Mo, Cu, W, Co, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Hf, REM, Y, Ca, Mg, Te, Se, B 중 1종 또는 2종 이상을 합계 8％ 이하 또는 3％ 이하로 함유하는 강을 사용할 수 있다.

강판의 판 두께는 특별히 한정되지 않지만, 상기한 바와 같은 과제가 현재화(顯在化)되는 것은, 판 두께가 30㎜ 이상인 고강도 강판이다. 그러나 판 두께 30㎜ 이상으로 한정할 필요는 없다. 판 두께 6㎜ 이상이면, 본 발명의 효과를 발휘할 수 있으므로, 판 두께 6㎜ 이상으로 해도 된다. 필요에 따라서, 판 두께 12㎜ 이상 또는 판 두께 20㎜ 이상으로 해도 된다. 판 두께 50㎜ 이상에서는 보다 높은 효과가 얻어지므로, 판 두께 50㎜ 이상으로 해도 된다. 한편, 판 두께가 매우 두꺼워지면, 고에너지 밀도 빔 용접이 곤란해지므로, 판 두께 200㎜ 이하, 판 두께 150㎜ 이하 또는 판 두께 100㎜ 이하로 제한해도 된다.

또한, 풍력 발전탑 등에서는, 강판을 굽힘 가공한 후에 강관에 용접하거나, 또는 강관끼리를 용접하는 것도 행해지고 있다. 이 경우도 기본적으로는, 굽힘 가공된 강판의 맞댐 용접이다. 따라서, 이러한 굽힘 가공된 강판으로 강관을 제조하기 위한 용접이나, 강관끼리의 용접에도 본 발명은 적용할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서의 맞댐 용접 조인트에 있어서, 제1 용접 금속, 제2 용접 금속 및 제3 용접 금속의 경도는, 강판의 모재의 경도의 110％ 이상 150％ 이하인 것이 바람직하다. 이들 용접 금속의 경도는, 켄칭성을 확보하여 조대한 페라이트가 생성되지 않도록 하기 위해서는, 바람직하게는 강판의 모재의 경도의 110％ 이상이다. 그러나 지나치게 단단하면 국소적인 응력의 증대에 의한 파괴 인성의 열화를 초대하므로, 150％ 이하인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 경도차는, 용접 후의 냉각 속도를 조정함으로써, 용접 금속의 경도가 지나치게 높아지지 않도록 함으로써 달성할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서의 맞댐 용접 조인트에 따르면, 제1 용접 금속이 재용융되어, 제1 용접 금속의 지단부보다도 완만한 지단부를 갖는 제2 용접 금속 및 제3 용접 금속이 형성되어 있다. 그 결과, 제2 용접 금속 및 제3 용접 금속의 지단부에 있어서의 응력 집중이 완화되어, 기가 사이클 영역의 진동 환경에 있어서의 내 피로 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 충분한 파괴 인성도 얻을 수 있다.

그로 인해, 기가 사이클 영역의 진동에 대한 내 피로 특성이 요구되고 있는 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체나 강관 기둥 등으로서 사용하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 맞댐 용접 조인트의 제조 방법에 있어서, 제1 고에너지 밀도 빔, 제2 고에너지 밀도 빔 및 제3 고에너지 밀도 빔의 조사는 모두 강판의 용접부 형성 영역 및 그 주변만을 진공하로 하여 행하는 것이 바람직하다.

이러한 조건에서 빔의 조사를 행함으로써, 예를 들어 해상 풍력 발전용 탑 등의 거대 구조물을 건설 현장 근방에서, 간이하고 또한 고능률적으로 용접할 수 있다. 그 결과, 본 실시 형태에 관한 맞댐 용접 조인트를 간이하고 또한 고능률적으로 제조할 수 있다.

실시예

다음에, 본 발명을 실시예에 기초하여 설명하지만, 실시예에 있어서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이들 조건예에만 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건 또는 조건의 조합을 채용할 수 있는 것이다.

표 1에 나타내는 화학 조성, 각 판 두께에 있어서의 항복 강도 및 인장 강도를 갖는 강판을 사용하여, 표 3에 나타내는 용접 조건에서 전자 빔 용접(제1 고에너지 밀도 빔에 의한 용접)을 행하여, 전자 빔 조사측의 강판 표면에 있어서의 폭이 W₁인 제1 용접 금속을 갖는 맞댐 용접 조인트를 제작하였다. 또한, 강판의 판 두께 t의 중심(t/2)에 있어서의 제1 용접 금속의 폭 W₃을 표 5에 나타내는 바와 같이 되도록 조정하였다.

또한, 필요에 따라서, 표 2에 나타내는 성분을 갖는 두께 0.1㎜의 금속박을 개선면에 삽입하여 맞댐 용접 조인트를 제작하였다.

다음에, 표 4에 나타내는 재용융 조건에서, 전자 빔 용접(제2 고에너지 밀도 빔에 의한 용접)을 행하여, 제1 용접 금속의 조사측의 단부면을 덮도록 제2 용접 금속을 형성하였다. 이때, 제2 용접 금속의 깊이 D₁, 입열량 및 폭 W₂를 조정하면서, 표 5에 나타내는 바와 같은 형상을 갖는 제2 용접 금속을 형성하였다. 또한, 제2 용접 금속의 폭 W₂의 조정에는 전자 빔 용접기에 부속된 오실레이트 기능을 사용하였다.

또한, 시험 번호 19에 대해서는, 표 4에 나타내는 재용융 조건 E3으로, 제2 고에너지 밀도 빔에 의한 용접을 행하여, 제1 용접 금속의 조사측의 단부면을 덮도록 제2 용접 금속을 형성하는 동시에, 재용융 조건 E1로, 제3 고에너지 밀도 빔에 의한 용접을 행하여, 제1 용접 금속의 제1 고에너지 밀도 빔 조사측과는 반대측의 단부면을 덮도록 제3 용접 금속을 형성하였다. 이때, 제3 용접 금속의 깊이 D₂, 입열량 및 폭 W₅를 조정하면서, 표 5에 나타내는 형상을 갖는 제3 용접 금속을 형성하였다.

또한, 제1 고에너지 밀도 빔, 제2 고에너지 밀도 빔 및 제3 고에너지 밀도 빔에 의한 용접은 모두, 표 5에 나타내는 진공도에 있어서 각각 행하였다. 또한, 표 5의 시험 번호 19에 있어서의 하단의 수치(괄호 내의 수치)는, 제3 고에너지 밀도 빔의 조사시의 재용융 조건, 강판 이면에 있어서의 제1 용접 금속의 폭(W₄), 제3 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제3 용접 금속의 폭(W₅), 재용융 비율(W₅/W₄), 제3 용접 금속의 깊이(D₂)를 각각 나타낸다.

이상과 같이 하여 얻어진 맞댐 용접 조인트의 성능에 관하여, 표 5에 나타내는 조인트 특성을 평가하였다.

우선, 샤르피값 vE(J)는, 용접 조인트의 표면 바로 아래로부터 노치 위치가 제2 용접 금속의 중앙으로 되는 2㎜ V 노치 샤르피 시험편을 채취하여, 충격 시험에 있어서, -40℃의 시험 온도에서 구한 값이다. 그 결과를 표 5에 나타낸다. 또한, 샤르피 충격 시험은, JIS Z 2242에 준거하여 행하였다.

피로 시험은, 얻어진 맞댐 용접 조인트로부터 JIS Z 3103-1987에 준거한 피로 시험편을 채취하여, 유압 서보 피로 시험기(㎐)를 사용하여 행하였다. 시험 조건으로서는, 분위기는 실온 대기중, 응력비 0.1, 반복 속도 5 내지 40㎐, 응력 범위는 80 내지 200㎫에서 행하였다. 피로 강도는 표 5에 나타내는 바와 같이, 파단 수명이 반복수 200만회(2×10⁶회)에 있어서의 조인트 피로 강도 F1과 기가 사이클(10⁹회)에 대응하는 조인트 피로 강도 F2를 측정하였다.

또한, 상기한 피로 시험편과는 별도로, 얻어진 맞댐 용접 조인트로부터 초음파용 피로 시험편을 채취하여, 반복수 2×10⁶회의 피로 강도 F1' 및 2×10⁹회까지의 기가 사이클에서의 피로 강도 F2'를 구하였다. 그리고 이 2 조건의 결과를 비교하여, 그 사이의 저하 비율(F2'/F1')을 구하였다.

이어서, 상기 조인트 피로 시험에서 구한 2×10⁶회의 조인트 피로 강도 F1에 이 저하 비율(F2'/F1')을 곱하여, 기가 사이클하에서의 조인트 피로 강도(추정값) F2를 평가하였다.

이상의 결과를 표 5에 나타낸다.

표 5에 있어서, 시험 번호 1 내지 19까지는 본 발명예로, 본 발명의 요건을 모두 만족시키고 있어, 반복수 200만회(2×10⁶회)와 기가 사이클(10⁹회)의 조인트 피로 강도나 샤르피값을 비롯한 모든 기계적 특성은 양호하였다.

또한, 시험 번호 19에 대해서는, 강재의 표리면 모두 재용융 비드(제2 용접 금속 및 제3 용접 금속)를 형성한 본 발명이다. 이와 같이, 강재의 표리면 모두에 있어서, 제1 용접 금속을 재용융시켜, 제2 용접 금속 및 제3 용접 금속을 형성하였으므로, 반복수 200만회와 기가 사이클의 조인트 피로 강도나, 샤르피값을 비롯한 모든 기계적 특성을 보다 향상시킬 수 있었다.

시험 번호 20, 21, 24, 및 26은 제2 용접 금속의 폭 W₂가 좁아, 제1 용접 금속 지단부의 재용융이 불충분하였으므로, 지단부의 접촉각(도 3b 참조)이 커, 기가 사이클시의 조인트 피로 강도 F2가 크게 저하되었다.

한편, 시험 번호 22, 25는 제2 용접 금속의 폭 W₂가 충분히 넓어, 제1 용접 금속 지단부의 용융이 충분히 이루어졌지만, 제2 용접 금속에 의한 강판 표면 근방의 조직의 취화가 심했으므로, 샤르피값이 크게 저하되었다.

시험 번호 22는 제2 용접 금속을 형성하지 않은 경우이지만, 용접 상태에서는 제1 용접 금속 지단부의 접촉각이 커, 현저하게 기가 사이클시의 조인트 피로 강도가 저하되었다.

시험 번호 27은, 제2 용접 금속의 깊이 D₁이 지나치게 얕았으므로, 제1 용접 금속의 지단부의 용융이 불충분하였다. 그 결과, 제1 용접 금속 지단부의 접촉각을 완만하게 할 수 없어, 응력 집중을 완화시키는 효과가 감소되어 버렸다. 그로 인해, 현저하게 기가 사이클시의 조인트 피로 강도가 저하되어 버렸다.

한편, 시험 번호 28은, 제2 용접 금속의 깊이 D₁이 지나치게 깊었으므로, 제2 용접 금속에 의해 형성된 덧댐 높이가 높고, 지단부의 접촉각이 컸기 때문에, 현저하게 기가 사이클시의 조인트 피로 강도가 저하되었다. 또한, 제2 용접 금속에 의한 강판 표면 근방의 조직의 취화가 심했으므로, 샤르피값이 크게 저하되었다.

시험 번호 29는, 제1 용접 금속의 폭 W₁과 W₃이, 강판 판 두께에 대해 지나치게 넓었으므로, 강판 표면 및 내부의 조직의 취화가 격심하여, 샤르피값이 대폭 저하되어 버렸다.

시험 번호 30은, 제2 용접 금속을 TIG 용접에 의해 형성한 경우이지만, 제2 용접 금속의 폭 W₂가 지나치게 넓어져, 제1 용접 금속 지단부의 용융이 충분히 이루어졌지만, 제2 용접 금속의 깊이 D₁이 얕아졌으므로, 제1 용접 금속 지단부의 접촉각을 완만하게 할 수 없어, 응력 집중을 완화시키는 효과가 감소되어 버렸다. 또한, 제2 용접 금속에 의한 강판 표면 근방의 조직의 취화가 격심했다. 이들의 결과, 기가 사이클시의 조인트 피로 강도가 대폭 저하되어 버렸다.

본 발명의 용접 조인트는, 기가 사이클 영역의 진동 환경에 있어서의 내 피로 특성과 충분한 파괴 인성을 가지므로, 해상 풍력 발전탑의 기초 부재 등에 적용할 수 있다. 이로 인해, 산업상 이용 가능성을 충분히 갖는다.

1 : 강판
1A : 제1면
1B : 제2면
2 : 제1 용접 금속
3A : 제2 용접 금속
3B : 제3 용접 금속
D₁ : 제2 용접 금속의 깊이
D₂ : 제3 용접 금속의 깊이
W₁ : [제1면(1A)에 있어서의] 제1 용접 금속의 폭
W₂ : [제1면(1A)에 있어서의] 제2 용접 금속의 폭
W₃ : 강판의 판 두께 중심에 있어서의 제1 용접 금속의 폭
W₄ : [제2면(1B)에 있어서의] 제1 용접 금속의 폭
W₅ : [제2면(1B)에 있어서의] 제3 용접 금속의 폭
21 : 강판
22 : 용접 비드
ρ : 용접 비드 지단부 곡률 반경
θ : 용접 비드 지단부 접촉각

Claims

한 쌍의 강판과,
한 쌍의 상기 강판의 맞댐부에, 한 쌍의 상기 강판의 제1면측으로부터의 제1 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해, 상기 제1면측으로부터, 상기 제1면의 반대측인 제2면측에 걸쳐 형성된 제1 용접 금속과,
상기 제1 용접 금속의 상기 제1면측의 단부면을 덮는, 제2 고에너지 밀도 빔의 조사에 의해 형성된 제2 용접 금속을 구비하고,
상기 제1면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₁과, 상기 제1면에 있어서의 상기 제2 용접 금속의 폭 W₂가 하기 수학식 1을 만족시키고,
상기 제2 용접 금속의 상기 제1면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0㎜이고,
상기 강판의 판 두께의 중심에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₃이, 상기 강판의 판 두께의 15％ 이하이고,
상기 강판의 판 두께가 30㎜ 이상 200mm 이하인 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트.
[수학식 1]
제1항에 있어서, 상기 제1 용접 금속의 상기 제2면측의 단부면을 덮는, 제3 고에너지 밀도 빔에 의해 형성된 제3 용접 금속을 구비하고,
상기 제2면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₄와, 상기 강판의 상기 제2면에 있어서의 상기 제3 용접 금속의 폭 W₅가 하기 수학식 2를 만족시키고,
상기 제3 용접 금속의 상기 제2면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0㎜인 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트.
[수학식 2]
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강판이, 항복 강도가 355㎫ 이상인 강판인 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥에 사용되어 있는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트.
제3항에 있어서, 풍력 발전탑의 기초 부분을 구성하는 구조체 또는 강관 기둥에 사용되어 있는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트.
한 쌍의 강판의 맞댐부에, 제1 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 상기 한 쌍의 강판의 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 조사측인 제1면에 있어서의 폭이 W₁인 제1 용접 금속을 형성하는 공정과,
상기 제1 용접 금속에, 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 에너지 밀도보다도 낮은 에너지 밀도인 제2 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 상기 강판의 상기 제1면에 있어서의 폭이 W₂인 제2 용접 금속을 형성하는 공정을 갖고,
상기 폭 W₁과 상기 폭 W₂가 하기 수학식 3을 만족시키고,
상기 제2 용접 금속의 상기 제1면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0㎜이고,
상기 강판의 판 두께의 중심에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₃을 상기 강판의 판 두께의 15％ 이하로 하고,
상기 강판으로서, 판 두께가 30㎜ 이상 200mm 이하인 강판을 사용하는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
[수학식 3]
제6항에 있어서, 상기 제1 고에너지 밀도 빔 및 상기 제2 고에너지 밀도 빔이 모두 전자 빔인 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 조사 및 상기 제2 고에너지 밀도 빔의 조사는 모두, 한 쌍의 상기 강판의 용접부 형성 영역 및 그 주변만을 진공하로 하여 행해지는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1면의 반대측인 제2면에 있어서의 상기 제1 용접 금속에, 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 에너지 밀도보다도 낮은 에너지 밀도인 제3 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 상기 제2면에 있어서의 폭이 W₅인 제3 용접 금속을 형성하는 공정을 더 갖고,
상기 제2면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₄와, 상기 강판의 상기 제2면에 있어서의 상기 제3 용접 금속의 폭 W₅가 하기 수학식 4를 만족시키고,
상기 제3 용접 금속의 상기 제2면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0mm인 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
[수학식 4]
제8항에 있어서, 상기 제1면의 반대측인 제2면에 있어서의 상기 제1 용접 금속에, 상기 제1 고에너지 밀도 빔의 에너지 밀도보다도 낮은 에너지 밀도인 제3 고에너지 밀도 빔을 조사하여, 상기 제2면에 있어서의 폭이 W₅인 제3 용접 금속을 형성하는 공정을 더 갖고,
상기 제2면에 있어서의 상기 제1 용접 금속의 폭 W₄와, 상기 강판의 상기 제2면에 있어서의 상기 제3 용접 금속의 폭 W₅가 하기 수학식 5를 만족시키고,
상기 제3 용접 금속의 상기 제2면으로부터의 깊이가 2.0 내지 10.0mm인 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
[수학식 5]
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 강판으로서, 항복 강도가 355㎫ 이상인 강판을 사용하는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 강판으로서, 항복 강도가 355㎫ 이상인 강판을 사용하는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 강판으로서, 항복 강도가 355㎫ 이상인 강판을 사용하는 것을 특징으로 하는, 맞댐 용접 조인트의 제조 방법.