KR101427706B1

KR101427706B1 - 용접 구조체

Info

Publication number: KR101427706B1
Application number: KR1020147007615A
Authority: KR
Inventors: 츠네히사 한다; 사토시 이기; 시게루 엔도
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-08-07
Also published as: BR112014005461A2; KR20140044406A; CN103796786A; JPWO2013038686A1; WO2013038686A1; JP5365761B2; BR112014005461B1; CN103796786B

Abstract

접합 부재의 단면(端面)을 판두께 50㎜ 이상의 피(被)접합 부재의 표면에 맞대고, 접합 부재와 피접합 부재를 필렛 용접에 의해 접합하여 이루어지는, 용접 다리 길이 또는 용착폭이 16㎜ 이하인 적어도 한쪽이 필렛 용접 조인트를 구비한 용접 구조체로 하고, 접합 부재의 단면과 피접합 부재의 표면을 맞댄 면에, 조인트 단면에서 접합 부재의 판두께 t_w의 95％ 이상의 미용착부를 갖고, 또한 필렛 용접 조건을 조정하여, 필렛 용접 금속이, 필렛 용접 금속의 파면 전이 온도 vTrs(℃)와 피접합 부재의 판두께 t_f가, vTrs≤－1.5t_f＋90의 관계, 및/또는 －20℃에서의 흡수 에너지 vE_-20(J)와 피접합 부재의 판두께 t_f가, vE_-20(J)≥5.75 (단, 50≤t_f(㎜)≤53), vE_-20(J)≥2.75t_f(㎜)－140(단, t_f(㎜)＞53)의 관계를 만족시키고, 또한, 접합 부재를, 취성 균열 전파(傳播) 정지 인성 Kca가, 공용 온도(service temperature)에서 2500N/㎜^3/2 이상인 강판으로 구성함으로써, 맞대기 용접 조인트부를 갖는 판두께 50㎜ 이상의 피접합 부재로부터 발생한 취성 균열의 전파를 접합 부재로 저지한다.

Description

용접 구조체{WELDED STRUCTURE}

본 발명은, 예를 들면, 대형 컨테이너선이나 벌크 캐리어 등의, 후강판을 이용하여 용접 시공된 용접강 구조물에 관한 것으로, 특히 후강판 모재 혹은 용접 조인트부로부터 발생한 취성 균열의 전파(傳播)를, 구조물의 대규모 파괴에 이르기 전에 정지시킬 수 있는, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체에 관한 것이다.

컨테이너선이나 벌크 캐리어는, 적재 능력의 향상이나 하역 효율의 향상 등을 위해, 예를 들면, 탱커 등과는 상이하게 선창 내에 구분벽이 적고, 선상부의 개구부를 크게 취한 구조를 갖고 있다. 그 때문에, 컨테이너선이나 벌크 캐리어에서는, 특히 선체 외판을, 고(高)강도화 또는 후육화(厚肉化)할 필요가 있다.

또한, 컨테이너선은, 최근, 대형화되어, 6,000∼20,000TEU와 같은 대형선이 건조(建造)되고 있다. 또한, TEU(Twenty feet Equivalent Unit)는, 길이 20피트의 컨테이너로 환산한 개수를 나타내며, 컨테이너선의 적재 능력의 지표를 나타내고 있다. 이러한 배의 대형화에 수반하여, 선체 외판은, 판두께: 50㎜ 이상이고, 항복 강도: 390N/㎟급 이상의 후강판이 사용되는 경향이 되고 있다.

선체 외판이 되는 강판은, 최근, 시공 기간의 단축이라는 관점에서, 예를 들면 일렉트로 가스 아크 용접 등의 대입열(大入熱) 용접에 의해 맞대기 용접되는 경우가 많다. 이러한 대입열 용접은, 용접열 영향부에서의 대폭적인 인성(靭性) 저하로 연결되기 쉬워, 용접 조인트부로부터의 취성 균열 발생의 하나의 원인이 되고 있었다.

선체 구조에 있어서는, 종래부터 안전성이라는 관점에서, 만일, 취성 파괴가 발생한 경우라도, 취성 균열의 전파를 대규모 파괴에 이르기 전에 정지시켜, 선체 분리를 방지하는 것이 필요하다고 생각되고 있다.

이러한 생각을 수용하여, 비특허문헌 1에, 판두께 50㎜ 미만의 조선용 강판에 있어서의 용접부의 취성 균열 전파 거동에 대한 실험적인 검토 결과가 보고되어 있다.

비특허문헌 1에서는, 용접부에서 강제적으로 발생시킨 취성 균열의 전파 경로, 전파 거동이 실험적으로 조사되어 있다. 여기에는, 용접부의 파괴 인성이 어느 정도 확보되어 있으면, 용접 잔류 응력의 영향에 의해 취성 균열은 용접부로부터 모재측으로 빗나가 버리는 경우가 많다는 결과가 기재되어 있지만, 용접부를 따라 취성 균열이 전파된 예도 복수예 확인되고 있다. 이 점은, 취성 파괴가 용접부를 따라 직진 전파될 가능성이 없다고는 단언할 수 없는 것을 시사하고 있는 것이 된다.

그러나, 비특허문헌 1에서 적용한 용접과 동등한 용접을 판두께 50㎜ 미만의 강판에 적용하여 건조된 선박이 이상 없이 취항하고 있다는 많은 실적이 있는 것에 더하여, 인성이 양호한 강판 모재(조선 E급 강 등)는 취성 균열을 정지시키는 능력을 충분히 유지하고 있다는 인식으로부터, 조선용 강재 용접부의 취성 균열 전파 정지 특성은 선급(船級) 규칙 등에 있어서는 요구되고 있지 않았다.

그러나, 최근의 6,000TEU를 초과하는 대형 컨테이너선에서는, 사용하는 강판의 판두께는 50㎜를 초과하고, 판두께 증대에 의해 파괴 인성이 저하된다. 게다가, 용접 입열이 보다 큰 대입열 용접이 채용되어, 용접부의 파괴 인성이 한층 저하되는 경향이 있다. 이러한 후육의 대입열 용접 조인트에서는, 용접부로부터 발생한 취성 균열이, 모재측으로 빗나가지 않고 직진하고, 또한 골재 등의 강판 모재부에서도 정지하지 않을 가능성이 있는 것이 나타나 있다(예를 들면, 비특허문헌 2). 그 때문에, 판두께 50㎜ 이상의 후육 고강도 강판을 적용한 선체 구조의 안전성 확보가 큰 문제가 되고 있다.

또한, 비특허문헌 2에는, 특히 발생한 취성 균열의 전파 정지를 위해, 특별한 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 후강판을 필요로 한다는 지적도 있다.

이러한 문제에 대하여, 예를 들면 특허문헌 1에는, 바람직하게는 판두께 50㎜ 이상의 선각(ship hull) 외판인 용접 구조체에 있어서, 맞대기 용접부에 교차하도록 골재를 배치하고, 이 골재를 필렛 용접(fillet welding)으로 접합한 용접 구조체가 기재되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 이 골재에, 표층부 및 이층부(裏層部)에서 3㎜ 이상의 두께에 걸쳐 0.5∼5㎛의 평균 원 상당 입경(粒徑)을 갖고, 또한 판두께면에 평행인 면에서 (100)결정면의 X선 면강도비가 1.5 이상인, 마이크로 조직을 갖는 강판을 이용한다고 되어 있다. 이러한 마이크로 조직을 갖는 강판을 보강재로서 필렛 용접한 구조로 함으로써, 맞대기 용접부에 취성 균열이 발생해도, 보강재인 골재로 취성 균열의 전파를 정지할 수 있어, 용접 구조체가 파괴되는 바와 같은 치명적인 손상을 방지할 수 있다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 접합 부재(이하, 웨브(web)라고도 함)를 피(被)접합 부재(이하, 플랜지라고도 함)에 필렛 용접하여 이루어지는 필렛 용접 조인트를 구비하는, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체가 기재되어 있다.

특허문헌 2에 기재된 용접 구조체에서는, 필렛 용접 조인트 단면(斷面)에 있어서의 웨브의, 플랜지와의 맞대기면에 미(未)용착부를 잔존시킨다. 그리고, 그 미용착부의 폭과, 필렛 용접부의 좌우의 다리 길이(leg length)와 웨브 판두께와의 합과의 비, X가, 피접합 부재(플랜지)의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca와 특별한 관계식을 만족하도록, 미용착부의 폭을 조정한다. 이에 따라, 피접합 부재(플랜지)를 판두께: 50㎜ 이상의 후물재(厚物材)로 해도, 접합 부재(웨브)에서 발생한 취성 균열의 전파를, 필렛 용접부의 웨브과 플랜지의 맞대기면에서 정지시켜, 피접합 부재(플랜지)로의 취성 균열의 전파를 저지할 수 있다고 되어 있다.

일본공개특허공보 제2004-232052호 일본공개특허공보 제2007-326147호

일본 조선 연구 협회 제147 연구부회:「선체용 고장력 강판 대입열 조인트의 취성 파괴 강도 평가에 관한 연구」, 제87호(1978년 2월), p.35∼53, 일본 조선 연구 협회. 야마구치 킨야 외:「초대형 컨테이너선의 개발-새로운 고강도 극후 강판의 실용-」, 일본 선박 해양 공학회지, 제3호(2005), p.70∼76, 평성 17년 11월.

그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서 사용하는, 보강재인 골재는, 소망하는 조직을 갖는 강판으로 하기 위해, 복잡한 공정을 필요로 한다. 이 때문에, 생산성이 저하되어, 안정적으로 소망하는 조직을 갖는 강판을 확보하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 접합 부재(웨브)에서 발생한 취성 균열의 전파를, 구조의 불연속성과, 피접합 부재(플랜지)의 취성 균열 전파 정지 특성과의 조합으로, 저지하고자 하는 기술이다.

그러나, 일본 조선 연구 협회 제169 위원회 보고(「선체 구조의 파괴 관리 제어 설계에 관한 연구-보고서-」, (1979), p.118∼136, 일본 조선 연구 협회 제169 위원회)에 나타나는 바와 같이, 일반적으로, 필렛 용접 조인트의 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열을 접합 부재(웨브)에서 전파 정지시키는 것은, 접합 부재(웨브)에서 발생한 취성 균열을 피접합 부재(플랜지)에서 전파 정지시키는 것에 비하여, 어려운 것이 실험적으로 확인되고 있다.

이 이유는 명확하게는 기재되어 있지 않지만, 한 원인으로서, T조인트부에 균열이 돌입할 때의 파괴 구동력(응력 확대 계수)이, 피접합 부재(플랜지)에 돌입하는 경우보다도 접합 부재(웨브)에 돌입하는 경우의 쪽이 커지는 것을 생각할 수 있다.

이러한 점에서, 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열을 접합 부재(웨브)에서 전파 정지시키려면, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 접합 부재(웨브)의 취성 균열 전파 정지 특성 등이 불충분하기 때문에, 충분한 기술이라고는 말할 수 없다.

또한, 특허문헌 2에는, 접합 부재(웨브)의 취성 균열 전파 정지 특성에 대해서는 어떠한 배려도 이루어지지 않았다.

즉, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 예를 들면, NK선급의 「취성 균열 어레스트 설계 지침」(2009년 9월 제정)에서 상정되어 있는, 대형 컨테이너선의 강력 갑판(플랜지에 상당)에서 발생한 취성 균열이 해치 사이드 코밍(hactch side coaming)(웨브에 상당)에 전파 되는 바와 같은 케이스에 대하여, 충분한 균열 전파 정지 특성을 갖고 있다고는 말할 수 없다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하여, 피접합 부재(플랜지)에 발생한 취성 균열의 접합 부재(웨브)로의 전파를, 대규모 파괴에 이르기 전에, 정지(저지)할 수 있는, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명이 대상으로 하는 용접 구조체는, 피접합 부재(플랜지)의 표면에 접합 부재(웨브)의 단면(端面)을 맞대고, 필렛 용접에 의해 접합하여 이루어지는 필렛 용접 조인트를 구비하는 용접 구조체이다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 필렛 용접 조인트에 있어서의 취성 균열 전파 정지 특성에 미치는 각종 요인에 대해서 예의 연구했다.

그 결과, 피접합 부재(플랜지)로부터 발생한 취성 균열의 전파를 저지(정지)하려면, 피접합 부재(플랜지)와 접합 부재(웨브)와의 맞대기면에 불연속부를 확보하고, 취성 균열의 전파부를 소정값 이상의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca를 갖는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 부재로 구성한 것만으로는 충분하지 않은 것에 생각이 이르렀다.

특히, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f(㎜)가 커지면 취성 균열 선단의 에너지 해방률(균열 진전 구동력)이 증가하여, 취성 균열이 정지하기 어려워지는 것을 감안하여, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f(㎜)에 관련된, 필렛 용접부의 인성 향상이 필수가 되는 것에 생각이 이르렀다.

또한, 필렛 용접부의 다리 길이나 용착폭이 길어지면, 취성 균열의 전파가 용이해지기 때문에, 필렛 용접부의 다리 길이 또는 용착폭의 적어도 한쪽을 16㎜ 이하로 할 필요가 있는 것도 인식했다.

그리고, 필렛 용접 조인트에 있어서, 피접합 부재의 표면과 접합 부재와 단면을 맞대기면에 미용착부, 즉 불연속부를 확보하여, 접합 부재를 2500N/㎜³ ^/2 이상의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca를 갖는 접합 부재로 함과 함께, 필렛 용접부의 다리 길이 또는 용착폭을 16㎜ 이하로 하고, 또한, 필렛 용접부 인성을 피접합 부재의 판두께와의 관계에서 소정의 관계를 만족하는 고인성 용접부로 함으로써 비로소, 종래의 기술에서는 곤란했던, 판두께 50㎜ 이상의 후육 피접합 부재에서 발생한 취성 균열의 접합 부재로의 전파를 저지(정지)할 수 있는 것을 발견했다. 이것은, 또한, 피접합 부재가 맞대기 용접 조인트부를 갖는 후강판인 경우에 있어서도, 동일한 것을 발견했다.

우선, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해서 설명한다.

여러 가지의 판두께 및 －10℃에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 6000N/㎜^3/2 정도(5500∼6700N/㎜^3/2)인 강판을 접합 부재(웨브)로서 이용하여, 여러 가지의 미용착부 비율 Y(％)(＝(필렛 용접 조인트 단면에 있어서의 미용착부의 폭 B)/(접합 부재의 판두께 t_w)×100)의 미용착부와, 여러 가지의 저온 인성, 다리 길이를 갖는 필렛 용접부로 이루어지는, 대형 필렛 용접 조인트를 제작했다.

또한, 피접합 부재(플랜지)에는 맞대기 용접 조인트부를 갖는 판두께: 50㎜ 이상의 강판을 이용했다. 또한, 맞대기 용접 조인트는, 1패스의 대입열 일렉트로 가스 아크 용접 또는 탄산 가스 용접(다중층)으로 제작했다.

얻어진 대형 필렛 용접 조인트를 이용하여, 도 3(b)에 나타내는 초대형 구조 모델 시험체를 제작하여, 취성 균열 전파 정지 시험을 실시했다. 또한, 초대형 구조 모델 시험체는, 대형 필렛 용접 조인트(9)의 피접합 부재(플랜지)(2)의 하방에 가부착 용접(8)으로, 피접합 부재(플랜지)(2)와 동일한 판두께의 강판을 용접했다.

또한, 도 3(b)에 나타내는 초대형 구조 모델 시험체는, 피접합 부재(플랜지)의 맞대기 용접 조인트부(11)가 접합 부재(웨브)와 직교하도록 제작하고, 또한 기계 노치(7)의 선단이 맞대기 용접 조인트부(11)의 BOND부가 되도록 가공했다.

또한, 취성 균열 전파 정지 시험은, 기계 노치(7)에 타격을 주어 취성 균열을 발생시키고, 그 취성 균열의 전파가, 필렛 용접부에서 정지하는지 아닌지를 조사했다. 어느 시험도, 응력 257N/㎟, 온도: －10℃의 조건으로 실시했다.

응력 257N/㎟는, 선체에 적용되어 있는 항복 강도 390N/㎟급 강판의 최대 허용 응력 상당의 값이다. 온도 －10℃는 선박의 설계 온도이다.

얻어진 결과를, 도 4(a), 도 4(b)에 나타낸다.

도 4(a), 도 4(b)로부터, 미용착부 비율 Y가 95％ 이상이고, 접합 부재(웨브)의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 6000N/㎜^3/2 정도 이상(5500∼6700N/㎜^3/2), 또한 필렛 용접부의 인성과 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f와의 관계가, 특정의 관계를 만족하는 경우에는, 공용 응력(service stress)이 257N/㎟ 이상의 경우라도, 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열의 접합 부재(웨브)로의 전파를 저지(정지)할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 미용착부 비율 Y는, 필렛 용접 조인트 단면에 있어서의 미용착부의 폭 B와 접합 부재(웨브) 판두께 t_w의 비, (B/t_w)×100(％)로 정의되는 값이다.

도 4(a), 도 4(b)는, 공용 응력이 257N/㎟인 경우이지만, 선체에 정상적으로 작용하는 응력의 평균적인 값은 100N/㎟ 정도이다. 이 경우, 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열의 접합 부재(웨브)로의 전파를 저지(정지)하는데에 필요한 Kca는, 6000N/㎜^3/2×100/257(≒2334N/㎜^3/2)로 계산되기 때문에, Kca가 2500N/㎜^3/2 이상이면, 선체에 정상적으로 작용하는 응력(100N/㎟ 정도)에 대해서는 균열 전파를 확실하게 저지(정지)할 수 있다.

이들 결과로부터, 필렛 용접부의 인성과, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f와의 특정의 관계로서는, 도 4(a)로부터,

vTrs(℃)≤－1.5t_f(㎜)＋90 ‥‥(1)

이, 도 4(b)로부터,

vE_-20(J)≥2.75t_f(㎜)－140 ‥‥(2)

가 얻어진다.

단, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f가 50≤t_f(㎜)≤53의 범위에 있는 경우, (2)식은 vE_-20(J)≥5.75로 한다.

또한, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f(㎜)가 커지면 취성 균열 선단의 에너지 해방률(균열 진전 구동력)이 증가하여, 취성 균열이 정지하기 어려워진다. 그러나, 이 점에 대해서는, 미용착부 비율 Y가 95％ 이상의 구조 불연속부를 갖는 용접 구조체(필렛 용접 조인트)로 하면, 전파되어 온 취성 균열 선단의 에너지 해방률이 저하되어, 취성 균열의 전파가 정지하기 쉬워지는 것을 알 수 있었다.

그리고, 또한 상기 (1), (2)식을 만족하기까지, 필렛 용접부의 저온 인성을 높이면, 판두께 50㎜ 이상의 후육의 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열을 필렛 용접부 내에서 정지시키기 쉬워지는 것을 발견했다.

또한, 상기 (1), (2)식을 만족하는 저온 인성이 우수한 필렛 용접부에서 취성 균열의 전파를 저지할 수 없어도, 접합 부재(웨브)를 소정 이상의 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 강판으로 구성하면, 접합 부재(웨브) 내에서 저지할 수 있는 것을 인식했다.

그 한편으로, 미용착부의 설정이나, 필렛 용접부의 저온 인성 향상과 같은 대책을 행하지 않는 경우에는, 접합 부재(웨브)에, 아무리 우수한(Kca가 6000N/㎜^3/2를 초과하는 바와 같은) 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 후강판을 적용해도, 최대 허용 응력 조건하에서는, 취성 균열의 전파를 저지하는 것은 곤란하다는 것도 인식했다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하고, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

1. 접합 부재의 단면을 판두께 50㎜ 이상의 피접합 부재의 표면에 맞대고, 상기 접합 부재와 상기 피접합 부재를 필렛 용접에 의해 접합하여 이루어지는 용접 다리 길이 또는 용착폭의 적어도 한쪽이 16㎜ 이하인 필렛 용접 조인트를 구비한 용접 구조체로서,

상기 필렛 용접 조인트에 있어서의 상기 접합 부재의 단면과 상기 피접합 부재의 표면을 맞댄 면에, 상기 필렛 용접 조인트의 단면에서 당해 접합 부재의 판두께 t_w의 95％ 이상의 미용착부를 갖고,

또한, 상기 필렛 용접 조인트의 필렛 용접 금속에 대해서,

당해 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험 파면 전이 온도 vTrs(℃)와 상기 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f가 하기 (1)식의 관계, 및/또는,

당해 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험의 시험 온도: －20℃에 있어서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지 vE_-20(J)와 상기 피접합 부재의 판두께 t_f가 하기 (2)식의 관계를 만족시키고,

게다가, 상기 접합 부재를, 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 상기 용접 구조체의 공용 온도에서 2500N/㎜^3/2 이상인 강판으로 구성하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.

기

vTrs≤－1.5t_f＋90 ‥‥(1)

vE_-20(J)≥5.75 (단, 50≤t_f(㎜)≤53),

vE_-20(J)≥2.75t_f(㎜)－140 (단, t_f(㎜)＞53)‥(2)

여기에서, vTrs: 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험 파면 전이 온도(℃),

vE_-20: 시험 온도: －20℃에서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지(J),

t_f: 피접합 부재의 판두께(㎜)

2. 상기 판두께 50㎜ 이상의 피접합 부재가, 상기 접합 부재에 교차하도록, 맞대기 용접 조인트부를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 1에 기재된 용접 구조체.

3. 상기 접합 부재를, 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 상기 용접 구조체의 공용 온도에서 6000N/㎜^3/2 이상인 강판으로 구성하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2에 기재된 용접 구조체.

본 발명에 의하면, 종래 곤란했던 판두께 50㎜ 이상의 후강판으로 이루어지는 피접합 부재(플랜지)에 발생한 취성 균열의 접합 부재(웨브)로의 전파를, 대규모 파괴에 이르기 전에, 정지(저지)할 수 있다. 이에 따라, 강 구조물, 특히, 대형 컨테이너선이나 벌크 캐리어 등의 선체 분리와 같은 대규모 취성 파괴의 위험성을 회피할 수 있어, 선체 구조의 안전성을 확보하는데에 있어서 큰 효과를 가져와, 산업상 각별한 효과를 나타낸다.

또한, 시공시에, 미용착부의 치수 및 필렛 용접 금속의 인성을 조정하고, 또한 적정한 취성 균열 전파 정지 성능을 갖는 강판을 접합 부재에 적용함으로써, 특수한 강판을 사용하는 일 없이, 또한 안전성을 해치는 일 없이, 용이하게, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체를 제조할 수 있다는 효과도 있다.

도 1은 필렛 용접 조인트의 단면 구성을 개략적으로 설명하는 설명도이다. 도 1(a)는 접합 부재(웨브)(1)와 피접합 부재(플랜지)(2)가 직교하고 있는 경우, 도 1(b)는 접합 부재(웨브)(1)와 피접합 부재(플랜지)(2)가 비스듬하게 교차하고 있는 경우를 나타낸다.
도 2는 필렛 용접 조인트의 구성의 다른 일 예를 개략적으로 나타내는 설명도이다. 도 2(a)는 외관도, 도 2(b)는 단면도이다.
도 3은 실시예에서 사용한, 초대형 구조 모델 시험체의 형상을 개략적으로 나타내는 설명도이다. 도 3(a)는 피접합 부재(플랜지)(2)가 강판 모재만으로 이루어지는 경우, 도 3(b)는 피접합 부재(플랜지)(2)가 맞대기 용접 조인트부를 갖는 경우이다.
도 4는 취성 균열의 전파 정지에 미치는 필렛 용접 금속의 인성과 플랜지 판두께와의 관계의 영향을 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명이 되는 용접 구조체는, 접합 부재(웨브)(1)의 단면을 판두께 50㎜ 이상의 피접합 부재(플랜지)(2)의 표면에 맞대고, 접합 부재(웨브)(1)와 피접합 부재(플랜지)(2)를 필렛 용접에 의해 접합하여 이루어지는 용접 구조체이다. 이 용접 구조체는, 용접 다리 길이(3) 또는 용착폭(12)이 16㎜ 이하인 필렛 용접 금속(5)을 갖는 필렛 용접 조인트를 구비한다. 또한, 당해 필렛 용접 조인트의 접합 부재(웨브)(1)와 피접합 부재(플랜지)(2)와의 맞대기면에는, 구조 불연속부가 되는, 미용착부(4)를 존재시킨다.

이 상태를 조인트 단면으로 도 1에 나타낸다. 또한, 도 1(a)는, 접합 부재(웨브)(1)를 피접합 부재(플랜지)(2)에 대하여 직립하여 부착한 경우를 나타내지만, 본 발명에서는 이것에 한정되는 일은 없다. 예를 들면, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 접합 부재(웨브)(1)를 피접합 부재(플랜지)(2)에 대하여 각도(θ)만큼 기울여 부착해도 좋다. 이 경우, 미용착부의 비율 Y(％)를 구할 때에 사용하는 접합 부재(웨브) 판두께 t_w는, 접합 부재(웨브)와 피접합 부재(플랜지)와의 교차부의 길이, (t_w)/cos(90°－θ)를 사용하는 것으로 한다. 또한, 도면 중 3은 용접 다리 길이, 4는 미용착부, 5는 필렛 용접 금속이며, 12가 용착폭이다.

본 발명이 되는 용접 구조체는, 상기한 바와 같이, 필렛 용접 조인트에 있어서의 접합 부재(웨브)(1)와 피접합 부재(플랜지)(2)와의 맞대기면에서, 구조가 불연속이 되는, 미용착부(4)를 갖는다. 필렛 용접 조인트에 있어서, 접합 부재(웨브)(1)와 피접합 부재(플랜지)(2)와의 맞대기면은, 취성 균열의 전파면이 되기 때문에, 본 발명에서는, 맞대기면에 미용착부(4)를 존재시킨다. 미용착부(4)가 존재함으로써, 피접합 부재(플랜지)(2)를 전파해 온 취성 균열 선단의 에너지 해방률(균열 진전 구동력)이 저하되어, 맞대기면에 있어서, 취성 균열은 정지하기 쉬워진다.

또한, 비록, 접합 부재(웨브)(1)측에 취성 균열이 전파되었다고 해도, 본 발명에서는, 소정 이상의 인성을 유지하는 필렛 용접부(필렛 용접 금속(5), 열영향부(도 1에서는 생략))를 형성하고, 또한 접합 부재를 소정 이상의 취성 균열 전파 정지 성능을 갖는 강판제로 하기 때문에, 취성 균열은, 필렛 용접부(필렛 용접 금속(5), 열영향부(도 1에서는 생략)) 또는 접합 부재(웨브)(1)의 모재에서 정지하게 된다.

또한, 취성 균열은, 결함이 적은 강판 모재부에서 발생하는 것은 매우 드물다. 과거의 취성 파괴 사고의 대부분은, 용접부에서 발생하고 있다. 그 때문에, 예를 들면, 도 2에, 피접합 부재(플랜지)(2)를 맞대기 용접 조인트(11)로 접합된 강판으로 하고, 접합 부재(웨브)를 그 맞대기 용접 조인트의 용접부(맞대기 용접 조인트부)(11)와 교차하도록 필렛 용접한 필렛 용접 조인트를 나타낸다. 이러한 필렛 용접 조인트에서도, 맞대기 용접 조인트부(11)로부터 발생하는 취성 균열의 접합 부재(웨브)(1)로의 전파를 저지하기 위해서는, 구조의 불연속을 존재시키는 것이 중요해진다. 그 때문에, 이 경우에서도 필렛 용접부에 있어서의 피접합 부재와 접합 부재와의 맞대기면에 미용착부(4)를 존재시킨다.

또한, 도 2(a)는, 필렛 용접 조인트의 외관을 나타내고, 도 2(b)는 맞대기 용접 조인트부(11)에 있어서의 단면 형상을 나타낸다.

본 발명에서는, 필렛 용접 조인트 단면에 있어서의 미용착부(4)의 치수는, 취성 균열의 전파 억제를 위해, 웨브 판두께 t_w의 95％ 이상으로 한다. 이에 따라, 필렛 용접 금속은 소성 변형하기 쉬워지기 때문에, 필렛 용접 금속에 돌입한 취성 균열의 균열 선단 근방의 응력은 완화되어, 접합 부재(웨브)(1)측으로의 취성 균열의 전파를 억제할 수 있다. 이 때문에, 미용착부(4)의 치수(폭 B)는, 취성 균열의 전파를 억제할 수 있는, 접합 부재(웨브) 판두께 t_w의 95％ 이상으로 한정했다. 또한, 바람직하게는 96％ 이상 100％ 이하이다.

또한, 필렛 용접 조인트의 용접 다리 길이 또는 용착폭은 16㎜ 이하로 한다. 이에 따라, 필렛 용접 금속은 소성 변형하기 쉬워지기 때문에, 필렛 용접 금속에 전파된 취성 균열의 균열 선단 근방의 응력이 완화되어, 취성 균열의 전파가 정지된다. 이 때문에, 필렛 용접 조인트의 용접 다리 길이 또는 용착폭은, 고인성의 필렛 용접 금속이 변형하기 쉬운, 16㎜ 이하로 한정했다. 바람직하게는 15㎜ 이하이다.

그리고, 본 발명에서, 필렛 용접 조인트에 있어서의 필렛 용접 금속은, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f와 관련하여, 다음 (1)식 및/또는 다음 (2)식을 만족하는 인성을 확보할 수 있도록 조정한다.

vTrs≤－1.5t_f＋90 ‥‥(1)

vE_-20≥5.75 (단, 50≤t_f(㎜)≤53),

vE_-20≥2.75t_f(㎜)－140 (단, t_f(㎜)＞53)‥(2)

(여기에서, vTrs: 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험 파면 전이 온도(℃), vE_-20: 시험 온도: －20℃에서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지(J), t_f: 피접합 부재(플랜지)의 판두께(㎜))

필렛 용접 금속의 인성이, 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f와 관련하여, 상기한 (1)식 및/또는 (2)식을 만족함으로써, 도 4에 나타내는 바와 같이, 피접합 부재(플랜지)의 판두께가 50㎜ 이상인 용접 구조체를, 어느 정도의 취성 균열 전파 저지 특성을 확보한 용접 구조체로 할 수 있다. 필렛 용접 금속의 인성이, 상기한 (1)식 및 (2)식 모두 만족하지 않는 경우에는, 필렛 용접 금속의 인성이 부족하여, 피접합 부재(플랜지)에서 발생 전파되어 온 취성 균열을, 필렛 용접부에서 전파 저지시킬 수 없다.

또한, 상기한 조건을 만족하는 용접 구조체라도, 접합 부재(웨브)를 구성하는 강판의 취성 균열 전파 정지 특성에 따라서는, 작용하는 응력 조건에 따라, 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 장대(長大) 취성 균열의 전파를 접합 부재(웨브)로 저지할 수 없는 경우가 발생한다. 그래서, 본 발명에서는, 구조물에 작용하는 응력에 따라서, 접합 부재(웨브)에 적용하는 강판이 구비해야 할 취성 균열 전파 정지 인성을 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명자의 검토에 의하면, 상기한 조건을 만족하는 용접 구조체의 접합 부재(웨브)에, 예를 들면, 통상의 조선 E급강 상당의 어레스트 성능(Kca≒2500N/㎜^3/2)을 갖는 강판을 적용한 경우에는, 선박 등의 통상 운항시에 발생하는 공용 응력 조건하(100N/㎟ 정도의 응력 조건하)에 있어서의 장대 취성 균열의 전파를 저지할 수 있다.

그러나, 이러한 접합 부재(웨브)로는, 폭풍 등에 의해, 드물게 발생하는 최대 허용 응력 상당의 응력 조건하(257∼283N/㎟ 정도의 응력 조건하)에 있어서의 장대 취성 균열의 전파를 저지하는 것이 곤란해진다. 최대 허용 응력 상당의 응력 조건하(257∼283N/㎟ 정도의 응력 조건하)에 있어서도, 장대 취성 균열의 전파를 저지하는 것을 가능하게 하기 위해서는, 접합 부재(웨브)에, 공용 온도에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 6000N/㎜^3/2 이상인 강판을 적용할 필요가 있는 것을, 본 발명자들은 확인하고 있다. 그러면, 최대 허용 응력 상당의 응력 조건하(257∼283N/㎟ 정도의 응력 조건하)에 있어서도, 장대 취성 균열의 전파를 저지하는 것이 가능해진다.

공용 온도, 예를 들면, 선체의 설계 온도인 －10℃에 있어서의 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 6000N/㎜^3/2 이상인 강판으로서는, 그 조성, 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다.

예를 들면, 일본특허공보 제4449388호, 일본공개특허공보 제2010-202931호, 일본공개특허공보 제2009-132995호, 일본공개특허공보 제2008-214654호, 일본공개특허공보 제2005-97694호 등에 기재된, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 후강판을 모두 적용할 수 있다.

또한, 본 발명 용접 구조체는, 상기한 필렛 용접 조인트를 구비하는 것으로, 예를 들면, 선박의 선체 외판을 플랜지로 하고, 격벽을 웨브로 하는 선체 구조, 혹은 데크를 플랜지로 하고, 해치를 웨브로 하는 선체 구조 등에 적용 가능하다.

이하, 실시예에 기초하여, 본 발명을 상세하게 설명한다.

실시예

표 1에 나타내는 판두께, 취성 균열 전파 정지 특성(－10℃에 있어서의 Kca)을 갖는 후강판을 접합 부재(웨브)로서 이용하고, 표 1에 나타내는 판두께의 후강판을 피접합 부재(플랜지)로서 이용하고, 필렛 용접하여, 도 3(a), 도 3(b)에 나타내는 형상의 실구조 사이즈의 대형 필렛 용접 조인트를 제작했다.

또한, 제작한 필렛 용접 조인트에서는, 접합 부재(1)와 피접합 부재(2)와의 맞대기면에, 도 1(a)에 나타내는 바와 같은 미용착부(4)를, 미용착부의 비율 Y(＝(미용착부의 폭 B/접합 부재(웨브) 판두께 t_w)를 여러 가지 변화시켰다.

또한, 피접합 부재(플랜지)는, 후강판(모재만)(도 3(a)) 및, 맞대기 용접 조인트를 갖는 후강판(도 3(b))으로 했다. 맞대기 용접 조인트는 1패스 대입열 일렉트로 가스 아크 용접(SEGARC 및 2전극 SEGARC) 또는 다층 CO₂ 용접에 의해 제작했다.

또한, 필렛 용접 조인트는, 용접 재료 및 용접 입열, 실드 가스 등의 용접 조건을 변화시켜, 여러 가지의 인성, 여러 가지의 용접 다리 길이 및 용착폭의 필렛 용접 금속을 갖는 필렛 용접 조인트로 했다. 또한, 필렛 용접 금속의 인성은, 필렛 용접 금속으로부터 샤르피 충격 시험편(10㎜ 두께)을 채취하고, JIS Z 2242의 규정에 준거하여 시험 온도: －20℃에서의 흡수 에너지 vE_-20(J), 파면 전이 온도 vTrs(℃)를 구했다.

또한, 얻어진 대형 필렛 용접 조인트를 이용하여, 도 3에 나타내는 초대형 구조 모델 시험체를 제작하여, 취성 균열 전파 정지 시험을 실시했다. 또한, 초대형 구조 모델 시험체는, 대형 필렛 용접 조인트(9)의 피접합 부재(플랜지)(2)의 하방에 가부착 용접(8)으로, 피접합 부재(플랜지)(2)와 동일한 판두께의 강판을 용접했다.

또한, 도 3(b)에 나타내는 초대형 구조 모델 시험체에서는, 피접합 부재(플랜지)의 맞대기 용접 조인트부(11)를 접합 부재(웨브)와 직교하도록 제작하고, 기계 노치(7)의 선단을 맞대기 용접 조인트부(11)의 BOND부, 또는 용접 금속 WM이 되도록 가공했다.

또한, 취성 균열 전파 정지 시험은, 기계 노치에 타격을 주어 취성 균열을 발생시켜, 이하의 시험 조건에서 전파된 취성 균열이, 필렛 용접부에서 정지하는지 아닌지를 조사했다. 어느 시험도, 응력 100∼283N/㎟, 온도: －10℃의 조건에서 실시했다. 응력 100N/㎟는, 선체에 정상적으로 작용하는 응력의 평균적인 값이다. 또한, 응력 257N/㎟는, 선체에 적용되어 있는 항복 강도 390N/㎟급 강판의 최대 허용 응력 상당의 값이다. 또한, 응력 283N/㎟는, 선체에 적용되어 있는 항복 강도 460N/㎟급 강판의 최대 허용 응력 상당의 값이다. 온도 －10℃는 선박의 설계 온도이다.

얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 취성 균열이 필렛 용접부의 피접합 부재(플랜지)로부터 필렛 용접 금속을 전파하고, 접합 부재(웨브)에 돌입하여 정지했다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 취성 균열은 필렛 용접부 및 접합 부재(웨브)로 정지하는 일 없이 전파되어, 취성 균열의 전파를 저지할 수 없었다.

1 : 웨브
2 : 플랜지
3 : 다리 길이
4 : 미용착부
5 : 필렛 용접 금속
7 : 기계 노치
8 : 가부착 용접
9 : 대형 필렛 용접 조인트
11 : 플랜지의 맞대기 용접 조인트부
12 : 용착폭
θ : 교차각

Claims

접합 부재의 단면(端面)을 판두께 50㎜ 이상의 피접합 부재의 표면에 맞대고, 상기 접합 부재와 상기 피(被)접합 부재를 필렛 용접에 의해 접합하여 이루어지는 용접 다리 길이 또는 용착폭의 적어도 한쪽이 16㎜ 이하인 필렛 용접 조인트를 구비한 용접 구조체로서,
상기 필렛 용접 조인트에 있어서의 상기 접합 부재의 단면과 상기 피접합 부재의 표면을 맞댄 면에, 상기 필렛 용접 조인트의 단면에서 당해 접합 부재의 판두께 t_w의 95％ 이상의 미용착부를 갖고,
또한, 상기 필렛 용접 조인트의 필렛 용접 금속에 대해서,
당해 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험 파면 전이 온도 vTrs(℃)와 상기 피접합 부재(플랜지)의 판두께 t_f가 하기 (1)식의 관계, 및
당해 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험의 시험 온도: －20℃에 있어서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지 vE_-20(J)와 상기 피접합 부재의 판두께 t_f가 하기 (2) 식의 관계 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 만족시키고,
게다가, 상기 접합 부재를, 취성 균열 전파(傳播) 정지 인성 Kca가 상기 용접 구조체의 공용 온도(service temperature)에서 2500N/㎜^3/2 이상인 강판으로 구성하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
vTrs≤－1.5t_f＋90 ‥‥(1)
vE_-20(J)≥5.75 (단, 50≤t_f(㎜)≤53),
vE_-20(J)≥2.75t_f(㎜)－140 (단, t_f(㎜)＞53)‥‥(2)
여기에서, vTrs: 필렛 용접 금속의 샤르피 충격 시험 파면 전이 온도(℃),
vE_-20: 시험 온도: －20℃에서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지(J),
t_f: 피접합 부재의 판두께(㎜)
제1항에 있어서,
상기 판두께 50㎜ 이상의 피접합 부재가, 상기 접합 부재에 교차하도록, 맞대기 용접 조인트부를 갖고 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 접합 부재를, 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 상기 용접 구조체의 공용 온도에서 6000N/㎜^3/2 이상인 강판으로 구성하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.