KR101259300B1 - 강관 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기저항 용접으로 생산된 강관에서 용접부의 강도를 상승시킴으로써, 전체적인 강관의 성능을 향상된 강관 및 이러한 강관을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여 강판을 파이프 형상으로 포밍하는 롤 포밍 단계; 양 에지를 전기저항 용접을 통하여 용접하는 용접단계; 및 용접부의 고용화를 위하여 용접부를 열처리하는 열처리단계를 포함하는 강관 제조 방법으로, 용접단계 이후에 용접부를 침탄시키는 탄소공급단계를 더 포함하는 강관 제조 방법 및 전기저항 용접에 의해서 제조된 강관으로, 전기저항 용접으로 용접된 용접부는 외주 측이 내주 측보다 탄소함량이 높은 강관을 제공한다.

Description

강관 제조 방법{STEEL PIPE PRODUCING METHOD}

본 발명은 강판을 성형한 후 전기저항용접(ERW)으로 용접하여 강관을 생산하는 강관 제조 방법 및 그에 의해 생산된 강관에 대한 것으로, 구체적으로는 용접부를 침탄시킴으로써 전체적인 강관의 성능이 향상되게 하는 강관 제조 방법 및 그에 의해 생산된 강관에 대한 것이다.

스테인리스 스틸 강관은 배관용, 차량 부품용으로 사용되고 있으며, 점차 그 사용범위와 사용량이 증가하고 있는 추세이다.

이러한 스테인리스 스틸은 우수한 가공성과 성형성 그리고 내식성 등이 요구된다. 자동차 부품용으로 사용되는 강관은 하이드로 포밍(Hydro forming)을 하기 위한 것이다. 하이드로포밍 공법은 90년대 들어서 해외 자동차 부품 산업에 이용되면서 급속히 발전하기 시작하였다.

하이드로 포밍에서는 하이드로 포밍용 강관을 사용하며, 따라서, 하이드로포밍용 강관에서 요구되는 중요한 특성 중 하나는 강관 재료가 파이프의 변형에 견딜 수 있는 일정 수준의 연신율과 내구성 및 충돌안전성능을 만족할 수 있는 고강도 소재여야 한다는 점이다.

이러한 하이드로 포밍용 강관을 형성하는 방법으로 전기저항용접을 사용하는 강관형성 방법이 제안된바 있다. 예를 들면, 특허 제742016호에서는 전기저항용접(Electric Resistance Welding, ERW)을 이용하여 강관을 생산하는 방법이 개시되어 있다.

도 1 에서는 전기저항 용접의 개략적인 공정이 개시되어 있다. 개략적으로 설명하며, 언코일 단계(10)에서는 코일상태의 열연 코일(100)을 풀어낸다. 이때 강관의 원주에 해당하는 폭으로 슬리팅할 수 있다. 슬리팅은 슬리터에 의해서 이루어지며 절단된 코일을 스켈프(21)라고 한다.

다음으로, 레벨링 및 에지밀링 단계(20)를 수행한다. 레벨링 장치(22)는 평면 롤들로 구비되며 스켈프(21)를 풀어주면서 스켈프(21)를 평평하게 하고, 밀링장치(23)는 스켈프(21)의 진행 방향과 수직인 면에 구비되어 후속 공정에서 용접으로 맞닿게 될 스켈프(21)의 양 에지 면을 밀링으로 절삭한다.

여기서, 레벨링 및 에지밀링 단계(20)에서부터 하기 설명하는 용접 단계까지는 온라인으로 이루어질 수 있다.

그 다음으로, 레벨링 및 에지밀링 단계(20)를 거친 평평한 스켈프(21)가 다단의 성형 롤(31)을 통과하면서 파이프 형상이 되어가는 롤 포밍 단계(30)를 수행한다.

그 다음으로, 파이프 형상으로 된 스켈프(26)의 양 에지부를 전기저항 용접 장치(41)를 이용하여 용접하는 방법으로 강관을 완성하는 전기저항 용접 단계(40)를 수행한다. 이 후 용접에 의해 용접부위에 비드가 발생하므로 비드 제거 장치(51)를 이용하여 용접부를 다듬어 주는 비드 제거 단계(50)를 수행한다.

이렇게 종래의 전기저항 용접(ERW)으로 용접하여 생산된 강관의 용접부 단면이 도 2 에 도시되어 있다.

도 2 에서 보이듯이, 전기저항 용접으로 생산된 강관에서 용접부(2)에서 본드 라인(5)는 모재(1)보다 밝은 색인 것을 확인할 수 있으며, 전기저항 용접과정에서, 본드 라인(5)이 탈탄된 것을 의미한다.

한편, 전기저항 용접으로 생산된 강관의 성능을 실험하는 방법으로 편평시험을 하게 된다. 편평시험이라, 강관을 상하방향에서 가압하여 강관이 어느 수준까지 강관에 크랙이 가지 않는 지를 측정하는 시험이다.

이렇게 강관에 대하여 평편시험을 하는 경우, 강관이 가압을 견디지 못하고 크랙이 간 모습이 도 3 에 도시되어 있다.

도 3 에서 보이듯이, 강관 성능 실험, 즉 강관 편평시험에서 강관의 외주 면의 용접부(2)의 본드 라인(5)으로부터 균열(C)이 발생한 것을 확인할 수 있다. 특히, 강관의 외주면 측에서 균열(C)이 발생하며, 이는 인장력을 받는 외주 면이 압축력을 받는 내주 면에 비하여 균열이 발생하기 쉽기 때문으로 생각된다.

이는 강도가 상대적으로 떨어지는 용접부(5)의 본드 라인(5)가 변형을 견디지 못하고 파단된 것으로, 일부의 구간에서 강도가 떨어지는 경우에 그 부분으로부터 크랙이 발생하여, 다른 부분의 강도와 무관하게 강관 전체를 사용하지 못한다는 문제점이 있다.

도 4 에는 용접부(2) 부근에서의 모재(1), 열영향부(HAZ), 본드 라인(Bond Line, 5)의 강도가 도시되어 있다.

도 4 에서 확인할 수 있듯이, 본드 라인(5)는 열영향부(HAZ)나 모재(1)보다 강도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 모재(1)의 경우에 열처리 전에는 열영향부에 비하여 강도가 떨어지나, 열처리 후에는 열영향부와 동등 수준의 강도를 가진다. 하지만, 용접부(2)의 본드 라인(5)의 경우에는 열처리를 거치더라도 강도의 증가가 크지 않다.

이와 같이 본드 라인(5)의 경우에 열처리를 하더라도 모재(1)나 열영향부(HAZ)의 강도와 같은 수준으로 상승하지 않으며, 그에 따라서, 본드 라인(5)의 강도에 강관의 성능이 제한된다는 문제가 있다. 특히, 본드 라인(5)의 외주 면의 강도에 강관의 성능이 제한된다는 문제가 있다.

본 발명은 전기저항 용접으로 생산된 강관에서 용접부의 강도를 상승시킴으로써, 전체적인 강관의 성능을 향상된 강관 및 이러한 강관을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전기저항 용접으로 생산된 강관에서 이미 수행되고 있던 열처리 공정을 침탄공정으로 활용함으로써, 종래의 공정에서 큰 변화없이 강관의 성능 향상이 가능한 강관 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 강관 및 강관 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 강판을 파이프 형상으로 포밍하는 롤 포밍 단계; 양 에지를 전기저항 용접을 통하여 용접하는 용접단계; 및 용접부의 고용화를 위하여 용접부를 열처리하는 열처리단계를 포함하는 강관 제조 방법으로, 용접단계 이후에 용접부를 침탄시키는 탄소공급단계를 더 포함하는 강관 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 열처리 단계에서 상기 탄소공급단계가 함께 수행되도록 상기 열처리단계 전에 용접부에 탄소 혹은 탄소 함유 물질을 제공하는 탄소제공단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 탄소 혹은 탄소 함유 물질은 용접부의 외주 측에 페이스트 형상으로 도포 될 수 있다.

여기서, 상기 탄소 혹은 탄소 함유 물질은 탄소 나노 페이스트인 것이 바람직하다.

다르게는, 본 발명은 전기저항 용접에 의해서 제조된 강관으로, 전기저항 용접으로 용접된 용접부는 이웃하는 열영향부보다 탄소 함량이 작은 본드 라인을 포함하며, 상기 본드 라인의 외주 측은 상기 본드 라인의 내주 측보다 탄소함량이 높은 강관을 제공한다.

이때, 상기 용접부는 외주 측의 탄소함량이 가장 높은 것이 바람직하다.

본 발명은 위와 같은 구성을 통하여 전기저항 용접으로 생산된 강관에서 용접부의 강도를 상승시킴으로써, 전체적인 강관의 성능을 향상된 강관 및 이러한 강관을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 전기저항 용접으로 생산된 강관에서 이미 수행되고 있던 열처리 공정을 침탄공정으로 활용함으로써, 종래의 공정에서 큰 변화없이 강관의 성능 향상이 가능한 강관 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 종래의 전기저항 용접을 이용한 강관 생산 공정의 흐름도이다.
도 2 는 전기저항 용접에 의해서 생산된 강관의 용접부의 단면 사진이다.
도 3a, b 는 전기저항 용접에 의해서 생산된 강관의 편평시험에서 크랙이 발생한 부분의 단면 사진이다.
도 4 는 전기저항 용접에 의해서 생산된 강관의 용접부의 경도의 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 전기저항 용접을 이용한 강관 생산 공정의 흐름도이다.
도 6 은 본 발명의 전기저항 용접에서 탄소 제공 단계에서의 용접부의 단면도이다.
도 7 은 본 발명에서 침탄이 발생한 용접부의 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 전기저항 용접을 이용한 강관 생산 공정의 다른 실시예의 흐름도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

상기 종래 기술의 도 2 에서 확인한 바와 같이, ERW의 용접부의 본드 라인(Bondline, 5)은 모재(1)에 비하여 밝으며, 이는 용접부(2)의 본드 라인(5)에서 탈탄이 발생하였기 때문이다. 즉, 용접부에서는 탄소의 함량이 모재에 비하여 작으며, 그에 따라서, 열처리를 하더라도 강도가 모재나 열영향부에 비하여 낮게 되는 것이다.

본 발명의 발명자는 탈탄에 의해서 용접부의 강도 저하를 보상하는 방법으로, 탄소를 강에 부착한 후 고온으로 가열하는 경우에, 탄소가 강으로 흡수되는 침탄시키는 용접부 성능이 보강된 강관 및 강관 제조 방법을 발명하였다.

도 5 에는 위와 같은 본 발명에 따른 강관 생산 공정이 개략적으로 도시되어 있다.

종래의 전기저항 용접을 이용한 강관 생산 공정과 마찬가지로, 본 발명의 강관 생산 공정은 열연강판 코일을 풀어내는 언코일 단계(10), 레벨링 및 에지밀링 단계(20)를 포함한다.

레벨링 및 에지밀링 단계(20)를 거친 강판은 관 형상으로 성형하는 롤 포밍 단계(30)를 거치며, 맞닿은 에지 면을 전기저항 용접 공정을 이용하여 용접하는 전기저항 용접 단계(40) 및 용접단계에서 생성된 용접 비드를 제거하기 위한 용접 비드 제거 단계(50), 용접부의 외주 측에 탄소 나노 페이스트를 부착하는 탄소 제공 단계(70), 용접부를 고용화 열처리하는 열처리 단계(60)를 포함한다.

코일상태의 열연 코일(100)을 풀어내는 언코일 단계(10)부터 전기저항 용접 단계(40) 및 비드 제거 단계(50)까지는 종래의 전기저항 용접 강관 제조 방법과 동일하므로, 그 구체적 구성에 대하여는 자세한 설명을 생략하도록 한다.

본 발명에서는 비드 제거 공정(50)이 끝난 후, 탄소 제공 단계(70)가 수행된다. 탄소 제공 단계(70)에서는 탄소 나노 페이스트(6, 도 6 참조)를 용접부(2) 외주 측에 제공하는 탄소 페이스트 제공 장치(71)가 탄소 나노 페이스트 저장부(72)의 탄소 나노 페이스트를 용접부(2)의 본드 라인(5) 위에 도포한다.

탄소 제공 단계(70)가 끝난 후에 그 다음으로, 용접에 의하여 변형된 용접부(weld seam)를 풀림 처리하는 용접부 열처리 단계(Seam annealing, 60)를 수행한다. 이렇게 탄소 제공 단계(70) 이후에 열처리 단계(60)가 수행됨으로써, 열처리 단계(60)는 강도 상승과 함께, 탄소 나노 페이스트가 공급된 부분, 즉, 용접부의 외주 측에 탄소를 침탄시키는 탄소 공급 단계(80, 도 8 참고)의 역할도 동시에 수행할 수 있다.

발명에 따른 용접부 열처리 단계는 1050 ~ 1200℃ 온도 범위를 유지하며, 열처리를 하게 되면 Cr 층이 고루 분포하게 되어 내식성이 향상되고, 열변형이 발생한 용접부의 조직을 균일한 오스테나이트 조직으로 만들어주며, 그레인 사이즈를 균일하게 해주는 효과를 가져온다.

본 발명에서는 이때 상기 탄소 나노 페이스트(6)가 강관의 용접부, 특히 본드 라인(5)의 외주 측에 도포 되어 있으므로, 탄소 나노 페이스트(6)가 용융되면서 강관 용접부 외주면 측으로 침탄이 발생한다.

이러한 상태도가 도 6 에 도시되어 있다. 탄소 나노 페이스트(6)는 열처리 단계(60)의 가열에 의해서 용접부(2), 특히, 본드 라인(5)에서 용융되며, 용융된 탄소 나노 페이스트(6)의 일부는 용접부(2), 특히, 본드 라인(5)으로 침탄한다. 따라서, 강관 용접부의 외주 측은 침탄으로 인하여, 탄소함량이 내주 측보다 높게 되며, 본드 라인(5)는 외주 측에서는 가장 많은 탄소 함량을 가지게 된다.

도 7 에는 도 5 의 열처리 단계(60)를 통과한 강관의 용접부의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도 7 에서 확인할 수 있듯이, 본드 라인(5)의 외주부(5')는 탄소의 침탄으로 인하여 본드 라인(5)은 탄소 함량이 증대되며, 이는 바람직하게는 열처리 단계(60)를 거치면서 강도가 주변부랑 동등한 수준으로 향상될 수 있다.

이렇게 외주부(5')의 강도가 향상된다는 것은, 편평 실험에서 인장력을 받아서 균열(C; 도 3)의 발생지점으로 강관에서 강도가 가장 취약했던 부분의 강도가 향상되는 것이다. 균열(C)은 강도 취약 지점에서 발생하므로, 강도 취약 지점의 강도가 향상된다는 것은 강관 전체의 성능이 개선되는 것을 의미한다.

특히, 본 발명에서는 탄소의 침탄을 발생시키기 위하여 다수의 공정이 추가되는 것이 아니라, 용접 비드 제거 단계(50)와 열처리 단계(60) 사이에 탄소 제공 단계(70)를 배치하고, 열처리 단계(60)에서 탄소 공급 단계(80, 도 8 참고)가 함께 수행되는 것이 가능하며, 그에 따라서, 공정에 큰 변화 없이 강관의 성능을 개선하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 실시예가 도 6 에 도시되어 있다. 도 6 과 같이 탄소 제공 단계(70)와 탄소 공급 단계(80)는 열처리 단계(60)와 별도의 공정에서 수행될 수 있다. 즉, 열처리 단계(60) 전에, 탄소 나노 페이스트(6)를 공급하는 탄소 제공 단계(70)와 탄소 나노 페이스트(6)가 제공된 용접부 외주측을 가열하여 침탄을 유도하는 탄소 공급 단계(80)를 열처리 단계(60)와는 다른 공정에서 수행될 수 있다.

이때, 탄소 공급 단계(80)에서 탄소가 본드 라인(5)의 외주 측으로 침탄된 후에 열처리 단계(60)를 거침으로써, 본드 라인(5)의 강도가 주변 수준으로 향상될 수 있으므로, 탄소 공급 단계(80)는 열처리 단계(60) 전에 배치되는 것이 바람직하다.

즉, 탄소 나노 페이스트(6)가 도포 된 부분을 탄소 나노 페이스트가 용융될 수 있도록 가열하는 탄소 공급 단계(80)로 처리한 후, 열처리 단계를 거치면서 탄소가 침탄된 본드 라인(5)은 열영향부(HAZ)나 모재(1) 수준으로 강도가 상승할 수 있다.

탄소 공급 단계(80)는 용접부(2)를 국부적으로 가열하는 방식, 혹은 강관 전체를 가열하는 방식 어느 방식을 사용하여도 무방하다. 예를 들어, 유도 가열을 통하여 용접부(2)에 도포 된 탄소 나노 페이스트(6)를 용융시켜 침탄을 발생시킬 수도 있으며, 레이저 등을 탄소 나노 페이스트에 직접 조사하여 탄소 나노 페이스트(6)를 용융시켜 본드 라인(5)으로의 침탄을 발생시킬 수도 있다.

위에서는 탄소 제공 단계(70)에서 탄소 나노 페이스트를 언급하였으나, 탄소 함유 페이스트 혹은 탄소 분말 등 다양한 방식의 탄소 공급원이 적용 가능하다. 탄소 나노 페이스트는 나노 사이즈 파티클인 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 코일, 카본 그라파이드 등이 페이스트에 혼합되어 이루어진 것이다.

또한, 강관의 변형에서 내주 측은 압축력을 받으며, 외주 측은 인장력을 받게 되는데, 균열(C; 도 3 참조)의 경우에 압축력보다는 인장력에서 쉽게 발생한다. 따라서, 탄소 페이스트는 내주 측보다는 외주 측에 도포 되어, 외주 측의 강도를 상승시키는 것이 강관의 성능을 향상시키는데 효과적이므로, 침탄은 외주 측에서 일어나게 하는 것이 바람직하다.

1: 모재 2: 용접부
5: 본드 라인 6: 탄소 나노 페이스트
10: 언코일 단계 20: 레벨링 및 에지밀링 단계
30: 롤 포밍 단계 40: 용접 단계
50: 비드 제거 단계 60: 열처리 단계
70: 탄소 제공 단계 80: 탄소 공급 단계

Claims (8)

1. 파이프 형상으로 제조된 강판의 양 에지를 전기저항 용접으로 용접하는 용접단계;
   상기 용접단계 이후에 용접부를 침탄시키는 탄소 공급 단계;
   상기 탄소 공급 단계와 함께 상기 용접부의 고용화를 위하여 용접부를 열처리하는 열처리 단계; 및
   상기 열처리단계 전에 용접부에 탄소 혹은 탄소 함유 물질을 제공하는 탄소제공 단계;를 포함하며,
   상기 탄소 혹은 탄소 함유 물질은 용접부의 외주 측에 페이스트 형상으로 도포 되는 강관 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 파이프 형상으로 제조된 강판의 양 에지를 전기저항 용접으로 용접하는 용접단계;
   상기 용접단계 이후에 용접부를 침탄시키는 탄소 공급 단계;
   상기 탄소 공급 단계와 함께 상기 용접부의 고용화를 위하여 용접부를 열처리하는 열처리 단계; 및
   상기 열처리단계 전에 용접부에 탄소 혹은 탄소 함유 물질을 제공하는 탄소제공 단계;를 포함하며,
   상기 탄소 혹은 탄소 함유 물질은 탄소 나노 페이스트인 것을 특징으로 하는 강관 제조 방법.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 용접 단계가 종료된 후, 용접 비드를 제거하는 비드 제거 단계를 포함하고, 상기 비드 제거 단계를 수행한 후, 상기 탄소 제공 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 강관 제조 방법.
7. 삭제
8. 삭제

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