KR101472722B1

KR101472722B1 - 후강판의 고능률 용접 방법

Info

Publication number: KR101472722B1
Application number: KR1020147012385A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 고지마; 데츠로 노세; 히로시게 이노우에
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-12-12
Also published as: WO2013073565A1; EP2767361A4; EP2767361B1; EP2767361A1; JPWO2013073565A1; KR20140065481A; ES2619031T3; DK2767361T3; CN103945973A; CN103945973B; JP5403186B2

Abstract

이 서브머지드 아크 용접 방법은, 판 두께가 50㎜ 초과, 100㎜ 이하인 한 쌍의 강재에, X 개선을 가공하는 가공 공정과; 상기 한 쌍의 강재에 대하여 2전극 이상, 6전극 이하의 다전극 서브머지드 아크 용접에서, 플럭스를 사용하여 표리면으로부터 각각 1패스의 용접을 실시하는 용접 공정;을 구비하고, 상기 용접 공정에 있어서, 제1 전극의 용접 전류를, 파형 비율이 60％ 이상, 90％ 이하인 교류 전류로 하고, 그 외의 전극의 용접 전류를, 파형 비율이 70％ 이상인 교류 전류 또는, 마이너스인 직류 전류로 하여 용접하고, 상기 플럭스가, 상기 플럭스의 전체 질량에 대한 질량비로, Al₂O₃:10％ 이상, 50％ 이하, SiO₂:16％ 이상, 30％ 이하를 함유하고, MgO, TiO₂, CaF₂, MnO 중 1종 이상을 합계 10％ 이상, 60％ 이하를 더 함유하고, 상기 MgO를 40％ 이하로 제한하고, 상기 TiO₂를 20％ 이하로 제한하고, 상기 CaF₂를 30％ 이하로 제한하고, 상기 MnO를 20％ 이하로 제한한다.

Description

후강판의 고능률 용접 방법{METHOD FOR HIGH-EFFICIENCY WELDING OF THICK STEEL PLATE}

본 발명은 한냉지에 설치되는 풍력 발전 설비의 기초 부분을 효율적으로 용접 시공할 수 있는 용접 기술에 관한 것이다.

본원은, 2011년 11월 15일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2011-249928호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 에너지 공급의 다양화를 목표로 하여, 재생 가능 에너지의 분야에서는 다양한 연구 개발이 행해지고 있다. 그 유력 후보 중 하나인 풍력 발전에 대해서, 보다 발전량이 높은 대형 설비가 주목받고 있다. 설비의 대형화에 수반하여, 풍차가 설치되는 기초 부분에서는, 설비의 중량에 견딜 필요가 있어, 판 두께가 50㎜ 내지 75㎜ 정도인 후강판의 사용이 검토되고 있다. 장래적으로, 가일층의 극후강판의 사용, 구체적으로는 100㎜ 정도의 극후강판의 사용도 생각되는 상황이다. 풍력 발전용 후강판의 강도(인장 강도)의 레벨은, 일반적으로는 400㎫ 이상 700㎫ 이하이다. 450㎫ 이상 650㎫ 이하의 인장 강도의 강재가 많이 사용되고, 특히 480㎫ 이상 620㎫ 이하의 인장 강도의 후강판이 사용되는 경우가 많다.

풍력 발전이 이후 널리 보급될지 여부는, 경제 합리성이 중요하다. 이 관점에서, 풍력 발전의 기초부에서의 시공 비용 삭감도 중요한 과제이며, 용접의 분야에서도 그러한 후강판을 고능률로 용접 시공하는 것이 요구되고 있다.

후강판을 고능률로 용접 시공하는 방법 중 하나로 대입열 용접이 있다. 그러나, 대입열 용접에서는, 용접 금속의 인성 확보가 곤란한 경우도 많다. 게다가, 풍력 발전 설비가 설치되는 장소는, 유럽 해양 구역과 같은 한냉지인 경우도 생각되며, 용접 금속에 저온 인성도 요구된다.

이로 인해, 상술한 사회적 요구를 충족하기 위해서, 50㎜ 초과의 후강판을 대입열 용접하더라도, 한냉지에서의 가동에도 견딜 수 있는 인성이 우수한 용접 금속이 얻어지는 용접 기술이 필요하게 된다.

종래의 후강판을 대입열 용접하는 기술로서는, 다음과 같은 것이 알려져 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에 있어서, 70㎜ 두께의 후강판을 편면 1층으로 용접할 수 있는 서브머지드 아크 용접 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이 방법은 편면 용접이기 때문에, 개선 단면적이 매우 넓고, 780kJ/㎝로 용접 입열도 매우 높다. 특허문헌 1에서, 용접 금속의 인성은 개시되어 있지 않지만, 건축 용도인 것을 고려하면 0℃에서의 인성에 대응하는 것으로 생각되며, 한냉지에서의 사용에 적합하지 않을 것으로 추측된다.

특허문헌 2에 있어서도, 건축은 박스 기둥을 대상으로 하여 대입열 서브머지드 아크 용접이 행해지고 있다. 그러나, 용접 금속의 샤르피 시험은 -5℃에서 평가되고 있는 데 지나지 않으며, 게다가 특허문헌 1과 마찬가지로 편면 용접이기 때문에 입열이 과대해질 것으로 추측된다.

용접 금속의 인성 확보에는, 개선 단면적을 최대한 좁게 함으로써, 불필요하게 큰 입열을 사용하지 않는 것이 유효하다. 개선 단면적을 억제하기 위해서는, X 개선과 같이 강재의 표리 양측으로부터 개선을 가공한 쪽이, 편면으로부터 개선을 가공하는 것 보다 개선 단면적을 억제할 수 있다.

이러한 X 개선을 사용한 양면 1층 용접 방법에 관한 기술로서는, 다음과 같은 것이 알려져 있다.

예를 들어 특허문헌 3에서는, 양면 1층 용접에 의한 용접 강관의 제조 방법으로서, 판 두께 38㎜까지의 검토 결과가 개시되어 있다. 그러나, 풍력 발전에서 사용되는 극후강판의 용접 식견은 기재되어 있지 않다.

또한, 특허문헌 4에서는 50㎜의 판 두께가 양면 1층 용접으로 검토되고 있다. 그러나, 풍력 발전에서는 50㎜ 초과의 판 두께도 검토되고 있고, 특허문헌 4도 불충분한 식견이다.

특허문헌 5에서는, 30㎜ 이상의 판 두께를 양면 1층 용접할 수 있는 기술을 개시한다고 되어 있다. 그러나, 실제로 실시예에서 검토되고 있는 것은 31.8㎜까지의 식견이며, 풍력 발전의 분야에 적용할 수 있는 식견은 아니다.

이와 같이, X 개선에서 양면 1층 용접을 행하는 경우에도, 풍력 발전을 대상으로 한 사회적 요구에 적용할 수 있는 식견은 개시되어 있지 않다.

또한, 여기에서는 대형 구조물을 상정하고 있기 때문에, 전자 빔 용접은 진공 챔버 용적의 관점에서 대상 밖으로 하고 있다.

이상에서 나타낸 바와 같이, 50㎜ 초과의 판 두께의 강판을 고능률로 편면 1층, 또는 양면 1층으로 용접하고, 또한 한냉지에서의 사용에 견딜 수 있는 고인성의 용접 금속을 얻는 데 유효한 방법은, 종래는 개시되어 있지 않다.

그러나, 최근 들어, 서브머지드 아크 용접의 분야에서도, 특허문헌 6에 나타낸 바와 같은, 용접 전류의 파형 제어를 구사함으로써 동일 용접 전류로도 용착량(와이어 송급 속도)을 증가시키는 것이 가능한 대용량 디지털 제어 교류/직류 용접 전원이 개발되고, 그러한 전원을 사용하여 서브머지드 아크 용접하는 기술이 개발되었다.

그러한 전원에 의해 출력되는 구형파 교류 용접 전류의 파형 일례를 도 2에 도시한다. 용접 전류는, 플러스 부분과 마이너스 부분을 갖는다. 그리고, 플러스의 극성(역극성)은 용접의 용입 깊이를 제어하고, 마이너스의 극성(정극성)은 용착량을 제어하는 작용을 갖는다.

이 용접 전원에서는, 전류 파형의 크기 a, b와 폭(주기) c, d의 4개의 파라미터를 자유롭게 변경할 수 있게 되어 있고, 플러스 부분과 마이너스 부분의 크기를 변경함으로써, 용입 깊이 또는 용착량을 조정할 수 있다.

이와 같이 파형 제어한 용접 전류를 사용함으로써 동일 용접 전류로 와이어 송급 속도를 빠르게 할 수 있으면, 개선 단면적을 매립하는데 필요한 용접 금속량을 보다 적은 전류로 공급할 수 있으므로, 결과적으로 용접 입열을 삭감할 수 있으며, 용접 금속의 인성 확보에는 유리해질 것이 예상된다.

상술한 바와 같이 전원을 사용하여, 용접 전류 파형을 제어한 식견으로서는, 예를 들어 특허문헌 7을 들 수 있다. 특허문헌 7에 있어서, 멀티 패스 용접을 전제로 한 1층 1패스 용접을 개시하고 있다. 그러나, 대입열 용접에 의해 극후강판을 고능률 시공하는 용접 방법이 아니므로, 특허문헌 7로부터 풍력 발전과 같은 극후강판의 용접 능률을 발본적으로 개선할 수 있는 식견은 얻을 수 없다.

또한, 판 두께가 50㎜를 초과하는 후강재의 X 개선을, 출력 파형을 제어할 수 있는 용접 전원을 사용하여, 다전극 서브머지드 아크 용접에 의해 각각의 개선을 1층만으로 1패스 즉 편면을 1패스로 용접하는 경우, 와이어 송급 속도를 향상시켜서 입열량을 억제하는 관점에서, 어떤 용재나 용접 조건을 사용하는 것이 바람직할지에 대해서는 알려져 있지 않다.

일본 특허 공개 평9-206946호 공보 일본 특허 공개 평9-277083호 공보 일본 특허 공개 2009-241128호 공보 일본 특허 공개 2009-195957호 공보 일본 특허 공개 2004-143556호 공보 일본 특허 공개 2005-193299호 공보 일본 특허 공개 2011-200920호 공보

따라서 본 발명은 출력 파형을 제어할 수 있는 용접 전원을 사용하여 후강판의 X 개선을 고능률로 용접할 수 있고, 또한 저온에서도 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있는 서브머지드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 출력 파형을 제어할 수 있는 용접 전원을 사용하여, 다전극 서브머지드 아크 용접에 의해 개선을 1패스로 용접하는 경우, 동일 용접 전류로 와이어 송급 속도를 보다 빠르게 할 수 있는 용접 조건에 대하여 검토하였다.

그 과정에서, 특히 플럭스의 조성 및 제1 전극 및 제2 전극 이후에 인가하는 용접 전류의 파형에 착안하여 검토를 진행시킨 결과, 그들 최적의 조합에 의해 상기 과제를 달성할 수 있는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명의 요지를 바람직한 실시 형태와 함께 나타내면, 이하와 같다.

(1) 본 발명의 제1 형태에 따른 서브머지드 아크 용접 방법은, 판 두께가 50㎜ 초과, 100㎜ 이하인 한 쌍의 강재에, X 개선을 가공하는 가공 공정과; 상기 한 쌍의 강재에 대하여 2전극 이상, 6전극 이하의 다전극 서브머지드 아크 용접에서, 플럭스를 사용하여 표리면으로부터 각각 1패스의 용접을 실시하는 용접 공정;을 구비하고, 상기 용접 공정에 있어서, 제1 전극의 용접 전류를, 파형 비율이 60％ 이상, 90％ 이하인 교류 전류로 하고, 그 외의 전극의 용접 전류를, 파형 비율이 70％ 이상인 교류 전류 또는 마이너스인 직류 전류로 하여 용접하고, 상기 플럭스가, 상기 플럭스의 전체 질량에 대한 질량비로, Al₂O₃:10％ 이상, 50％ 이하, SiO₂:16％ 이상, 30％ 이하를 함유하고, MgO, TiO₂, CaF₂, MnO 중 1종 이상을 합계 10％ 이상, 60％ 이하를 더 함유하고, 상기 MgO를 40％ 이하로 제한하고, 상기 TiO₂를 20％ 이하로 제한하고, 상기 CaF₂를 30％ 이하로 제한하고, 상기 MnO를 20％ 이하로 제한한다.

(2) 상기 (1)에 기재된 서브머지드 아크 용접 방법은, 상기 제1 전극의 상기 용접 전류가 2500A 이상이어도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 서브머지드 아크 용접 방법은, 상기 한 쌍의 강재간에 복수 형성되는 개선 형상으로서, 루트페이스의 높이는 5㎜ 이상, 상기 판 두께의 25％ 이하여도 된다.

(4) 상기 (3)에 기재된 서브머지드 아크 용접 방법은, 상기 X 개선의 개선 각도가, 30° 이상, 50° 이하여도 된다.

(5) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 서브머지드 아크 용접 방법은, 상기 X 개선의 개선 각도가, 30° 이상, 50° 이하여도 된다.

상기 (1) 내지 (5)에 기재된 형태에 따르면, 후강판의 X 개선을 고능률로 용접할 수 있고, 또한 저온에서도 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있으므로, 한냉지에 설치되는 풍력 발전 설비의 기초 부분의 제조를 효율적으로 실시할 수 있으며, 재생 가능 에너지의 보급에 크게 기여할 수 있다.

도 1은 와이어 송급 속도에 미치는 플럭스 조성의 영향을 도시하는 도면.
도 2는 용접 전류의 파형과 파형 비율의 설명도.
도 3은 와이어 송급 속도 및 샤르피 흡수 에너지에 미치는 플럭스 성분의 Al₂O₃ 함유량의 영향을 도시하는 도면.
도 4는 와이어 송급 속도 및 샤르피 흡수 에너지에 미치는 플럭스 성분의 SiO₂ 함유량의 영향을 도시하는 도면.
도 5는 와이어 송급 속도에 미치는 플럭스 조성의 영향(Al₂O₃를 38％ 함유)을 도시하는 도면.
도 6a는 용접 금속의 용입 형상을 도시하는 도면이며, 제1 전극이 직류 플러스로 융합 불량이 발생한 예를 나타내는 도면.
도 6b는 용접 금속의 용입 형상을 도시하는 도면이며, 제1 전극의 파형 비율을 60％로 해서 융합 불량을 회피한 예를 나타내는 도면.
도 7은 6전극에서의 제1 전극의 파형 비율과 융합 불량 발생률의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 4전극에서의 제1 전극의 파형 비율과 융합 불량 발생률의 관계를 도시하는 도면.
도 9는 2전극에서의 제1 전극의 파형 비율과 융합 불량 발생률의 관계를 도시하는 도면.
도 10은 판 두께 100㎜의 개선 형상을 도시하는 도면.
도 11은 6전극에서의 제2 전극으로부터 제6 전극의 파형 비율과 언더필 발생률의 관계를 도시하는 도면.
도 12는 4전극에서의 제2 전극으로부터 제4 전극의 파형 비율과 언더필 발생률의 관계를 도시하는 도면.
도 13은 2전극에서의 제2 전극의 파형 비율과 언더필 발생률의 관계를 도시하는 도면.
도 14는 판 두께 70㎜의 개선 형상을 도시하는 도면.
도 15는 판 두께 60㎜의 개선 형상을 도시하는 도면.
도 16은 판 두께 55㎜의 개선 형상을 도시하는 도면.
도 17은 판 두께 50㎜의 개선 형상을 도시하는 도면.
도 18은 판 두께 110㎜의 개선 형상을 도시하는 도면.
도 19는 시험편 채취 위치를 설명하는 도면.
도 20은 각 전극의 배치를 설명하는 도면.

본 발명자들은, 출력 파형을 제어할 수 있는 용접 전원을 사용하여, 후강판의 X 개선을 다전극 서브머지드 아크 용접(이하, 서브머지드 아크 용접을 SAW라 약기함)에 의해, 각각의 표리면의 개선을 1패스씩 용접하는 경우, 동일 용접 전류로 와이어 송급 속도를 보다 빠르게 할 수 있는 용접 조건에 대해서, 특히 플럭스의 성분 및 제1 전극(1)에 인가하는 용접 전류의 파형에 착안하여, 각각에 대하여 필요한 조건을 구하였다.

최초로, 플럭스 성분의 조건에 대하여 설명한다.

본 발명자들은 플럭스의 성분에 대해서, 다음과 같은 실험적인 검토를 행하였다.

SAW용 플럭스는, 산화물이나 불화물 등의 각종 물질을 배합하여 형성된다. 그러한 플럭스 성분 중, 와이어 송급 속도를 상승시키기 위해서는 어느 물질이 가장 효과적인지를 조사하기 위해서, 각 물질 단독으로 구성된 플럭스를 실험에 제공하고, 그 와이어 송급 속도에 대한 영향을 조사하였다.

서브머지드 아크 용접은, 도 2에 도시한 바와 같은 구형파 교류 용접 전류를 사용하여 행하였다. 그 결과를 도 1에 도시한다. 또한, 도 1에서 사용하고 있는 파형 비율이란, 수학식 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 교류 전류의 플러스와 마이너스의 면적 비율이며, 플러스의 면적을 P, 마이너스의 면적을 N이라 했을 때, N/(N+P)로 표현되는 수치를 ％로 환산한 것이다. 파형 비율 0％는 직류 플러스를, 파형 비율 100％는 직류 마이너스를 의미하고 있다.

[수학식 1]

파형 비율=면적 N/(면적 N+면적 P)

도 1의 결과에서, 실험에서 사용한 각종 플럭스 성분 중에서, Al₂O₃와 SiO₂는 다른 성분과 비교해서 와이어 송급 속도를 증가시키는 효과가 특히 높다. 또한 MgO, TiO₂, CaF₂, MnO도 마찬가지의 효과를 발현한다는 결론에 도달하였다. 반대로, ZrO₂는 와이어 송급 속도를 저감시키는 결과로 되었다.

와이어 송급 속도가 커지면, 개선을 매립하는 용착 금속을 얻기 위한 전류를 억제할 수 있으므로, 용접 입열의 삭감에 이용하는 것이 가능하다. 상기 결과에서, 와이어 송급 속도를 크게 하여, 용착량을 증가시키기 위한 플럭스 설계 지침으로서는, Al₂O₃, SiO₂를 필수 성분으로서 함유하고, MgO, TiO₂, CaF₂, MnO를 선택적으로 함유하는 것을 발견하였다.

그리고, 또한 각 성분의 함유량에 대하여 검토하여, 다음과 같이 정하였다.

필수 물질인 Al₂O₃, SiO₂의 함유량은, 플럭스 전체 질량에 대한 질량％(이하, 플럭스의 성분은 모두 플럭스 전체 질량에 대한 질량％로 표기함)로, Al₂O₃를 10％ 이상, 50％ 이하, SiO₂를 16％ 이상, 30％ 이하로 하였다.

Al₂O₃와 SiO₂의 각각의 하한값 10％ 및 16％는, 그보다 적은 함유량으로는, 와이어 송급 속도 증가의 효과가 명료하게 발현되지 않는 것을 이유로 규정하였다. 와이어 송급 속도의 향상을 위해 Al₂O₃의 하한을 15％, 20％, 25％ 또는 30％로, SiO₂의 하한을 18％ 또는 20％로 해도 된다. 상한값에 대해서는, Al₂O₃에서는, 50％를 초과하여 함유되면 용접 금속(8) 중 Al양이 과잉으로 되어 저온 인성을 확보할 수 없으므로, 상한을 50％로 하였다. 저온 인성의 향상을 위해 그 상한을 47％, 45％ 또는 40％로 제한해도 된다. SiO₂에서는, 30％를 초과하여 함유되면 용접 금속(8)의 산소량이 과잉으로 되어 저온 인성의 확보가 곤란해지므로, 상한을 30％로 하였다. 저온 인성의 향상을 위해 그 상한을 28％ 또는 26％로 제한해도 된다.

또한, 도 3, 도 4로부터, Al₂O₃와 SiO₂의 상기 함유 범위에서, Al₂O₃는 36％ 이상 함유되어 있으면, 와이어 송급 속도를 증가하는 작용이 더 높아져 바람직하다. SiO₂는, 22％ 이상 함유되어 있는 경우에, Al₂O₃와 SiO₂의 복합 작용에 의해, 파형 비율을 높인 경우의 와이어 송급 속도 향상 효과가 한층 명료해져서 더욱 바람직하다. 도 5에, Al₂O₃를 38％ 함유하는 경우, 이러한 와이어 송급 속도 향상 효과에 대한 Al₂O₃와 SiO₂의 복합 작용에 관한 실험 결과를 나타낸다. 와이어 송급 속도를 높이기 위해서, Al₂O₃와 SiO₂의 합계량을, 30％ 이상 80％ 이하로 제한해도 된다. 와이어 송급 속도를 보다 높이기 위해서, Al₂O₃와 SiO₂의 합계량의 하한을 35％, 40％ 또는 45％로 해도 되고, 그 합계량의 상한을 75％, 70％ 또는 68％로 해도 된다.

본 발명에서 사용하는 플럭스는, Al₂O₃와 SiO₂에 더하여, 선택 물질로서, MgO, TiO₂, CaF₂, MnO의 1종 이상의 물질을, MgO:40％ 이하, TiO₂:20％ 이하, CaF₂:30％ 이하, MnO:20％ 이하인 범위에서, 이들 선택 물질의 합계가 10％ 이상, 60％ 이하인 범위에서 더 함유시킬 필요가 있다.

이들 물질은 Al₂O₃나 SiO₂와 비교하면, 와이어 송급 속도 향상의 효과는 적지만, ZrO₂와 같이 파형 비율을 높인 경우에 와이어 송급 속도를 감소시키는 악영향은 없고, 슬래그의 유동성이나 점성을 적정화하는 관점에서 적당량 함유시키는 것이 필요하다. 이 슬래그의 유동성이나 점성을 적정화하는 관점에서, 이들 선택 물질의 합계량의 하한을 13％, 15％ 또는 20％로 해도 되고, 그 합계량의 상한을 55％, 50％ 또는 45％로 해도 된다.

MgO는 40％를 초과하여 함유시키면 슬래그의 점성이 낮아져서, 언더컷을 발생시키기 쉽게 하기 위해 상한을 40％ 이하로 하였다. 언더컷을 보다 발생시키지 않도록 하기 위해서, 그 상한을 30％, 25％ 또는 20％로 제한해도 된다. TiO₂, MnO는 과잉으로 함유시키면 용접 금속(8)의 인성이 열화되기 때문에 상한을 모두 20％ 이하로 규정하였다. 용접 금속(8)의 인성 향상을 위해, TiO₂, MnO의 상한을 각각 15％ 또는 10％로 제한해도 된다. CaF₂는 과잉으로 함유시키면 아크가 불안정해져서 융합 불량이 발생할 가능성이 높아지기 때문에 상한을 30％ 이하로 규정하였다. 융합 불량 방지를 위해서, CaF₂의 상한을 25％, 20％ 또는 15％로 제한해도 된다.

또한, 이들 선택 물질의 함유량의 합계가 10％ 미만인 경우에는, 슬래그의 유동성이나 점성 적정화의 효과 발현이 명료하지 않아서 언더컷이 발생하기 쉽게 되기 때문에, 그 하한을 10％로 하였다. 언더컷 방지를 위해서, 이 선택 물질의 함유량의 합계를 13％ 이상, 16％ 이상 또는 20％ 이상으로 해도 된다. 60％를 초과하여 함유시키면 아크가 불안정해져서 융합 불량이 발생하기 쉽게 되기 때문에, 그 합계 함유량을 60％ 이하로 하였다. 융합 불량 방지를 위해서, 이들 선택 물질의 함유량의 합계를 55％ 이하, 50％ 이하 또는 45％ 이하로 제한해도 된다.

본 발명에서는, 그 외의 플럭스 성분에 대해서, 특별히 제한하는 것은 아니고, SAW용 플럭스 성분으로서 일반적으로 사용되고 있는 성분을 적절히 함유할 수 있다.

예를 들어, 용접 금속(8)의 성분 조정을 목적으로 하여, 플럭스 중에 Si, Mn, Al, Ti, Mo, Cu, Ni, Cr, V 등의 금속분이 함유되는 경우가 있다. 이들 함유량은, 상술한 특허문헌 등을 참고에 적절히 조정할 수 있다. 또한, 용착량의 증대와 아크 안정을 목적으로 하여, 플럭스 중에 철분을 함유하는 것도 가능하다. 그 경우의 철분 함유량은 10％ 이상, 40％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 대량으로 첨가하면 아크가 불안정해지기 쉬워 아크가 용접 중에 도중에 끊어지기 쉽게 되기 때문에, 그 함유량의 상한을, 필요에 따라 30％, 20％ 또는 15％ 이하로 해도 된다.

계속해서, 전원 조건에 대하여 설명한다.

특허문헌 6에 기재되어 있는, 대용량 디지털 제어 교류/직류 용접 전원을 사용하여, 다전극으로 서브머지드 아크 용접(SAW)을 행하는 경우에, 각 전극(7)의 용접 전류 파형은 독립하여 제어할 수 있다. 그러나, 다전극에 의한 1패스 용접에서는, 제1 전극(1)에 의한 용입이 중요하므로, 제1 전극(1)의 전류 조건에 대하여 검토하였다.

특허문헌 6에 있어서, 필요한 용입 깊이를 얻기 위해서, 제1 전극(1)에 직류를 사용하는 예가 기재되어 있다. 따라서 X 개선의 양면 1패스 SAW를, 제1 전극(1)을 직류 플러스로서 행한 결과, 얻어진 용접 금속(8)의 용입 형상을 도 6a에 나타내었다. 개선 각도는 입열 억제의 관점에서 30°로 했지만, 강재의 잔류 자기 영향에 의해 아크가 흐트러지는 경우가 있으며, 용접 금속(8)의 용입 형상의 센터가 표리면에서 일치하지 않는 경우가 인지되었다. 또한, 용접 금속(8)의 용입 형상의 관점에서, 용접 금속(8)의 저부가 너무 가늘어지기 때문에, 약간 중심이 빗나가는 것만으로 융합 불량을 일으킬 위험성이 높은 것이 인지되었다. 따라서, 이 방법은 깊은 용입을 필요로 하는 편면 용접의 경우에 유효한 방법이라고 생각되고, X 개선에 의한 양면 용접에서는, 적용이 곤란하여 현실적이지 못하였다.

한편, 제1 전극(1)에, 플러스 부분과 마이너스 부분의 파형 비율 60％의 교류 용접 전류를 적용한 경우에 있어서의 용접 금속(8)의 용입 형상을 도 6b에 나타내었다. 이 경우의 용입 깊이는, 제1 전극(1)을 직류 플러스로 한 경우보다 감소한다. 그러나, 비드폭이 굵어져서, 표리면 양측의 용접 금속(8)에서 중심이 어긋난 경우에도 융합 불량은 일어나기 어려워, 이 파형 제어가 바람직한 것이 판명되었다. 또한, 제1 전극(1)에 직류 마이너스를 적용하면, 고잔류 자기의 영향에 의해 아크가 불안정해지는 경우가 있어, 본 발명에서는 대상 밖으로 하였다.

상술한 이유에 의해, 제1 전극(1)의 용접 전류 파형은, 와이어 송급 속도의 향상 효과가 있고, 또한 좁은 개선에서도 융합 불량을 피하기 쉬운 용접 전류 파형이 바람직하다. 그를 위한 조건으로서, 파형 비율 60％ 이상, 90％ 이하인 교류 전류로 하였다. 융합 불량 방지를 위해서, 파형 비율의 하한을 65％, 68％ 또는 71％로 해도 되고, 파형 비율의 상한을 85％, 82％ 또는 78％로 해도 된다.

이것을 더욱 상세하게 검증한 데이터를 도 7 내지 도 9에 나타내었다. 도 10의 개선에 제1 전극(1)의 조건을 2500A, 35V로 하고, 제2 전극(2) 이후를 1500A, 40V, 파형 비율을 90％로 고정하여, 50㎝/분의 용접 조건에서 아크를 발생시켰다. 제1 전극(1)의 파형 비율을 바꾸어서 5m의 용접 길이를 제작하고, 10㎝ 간격으로 매크로 단면을 50개 잘라내어, 루트페이스(루트면)부의 융합 불량의 유무를 확인하였다. 평가는 50개의 매크로에서 1개 융합 불량이 있으면 1/50이며, 2％의 융합 불량 발생률로서 평가하였다.

도 7 내지 도 9에서, 2전극 용접, 4전극 용접, 6전극 용접의 모든 경우에 있어서도, 제1 전극(1)의 파형 비율이 60％ 이상, 90％ 이하로, 융합 불량 발생률이 억제되고 있는 것이 확인되었다.

또한, 제2 전극(2) 이후는 용접 금속(8)의 용입 형상에 큰 영향을 미치지 않고, 와이어 송급 속도의 향상을 고려하면 되므로, 제2 전극(2) 이후의 전체 전극(7)에서, 파형 비율이 70％ 이상(파형 비율 100％인 직류 마이너스를 포함함)으로 한다. 와이어 송급 속도의 향상을 위해 그 파형 비율을 75％ 이상, 80％ 이상 또는 85％ 이상으로 해도 된다. 또한, 용접에 사용하는 전극수는, 생산성(용접 속도)을 어느 정도 확보할 수 있고, 또한 설비 구성이 과도하게 복잡해지는 것을 피하는 관점에서 2전극 이상, 6전극 이하로 한다. 본원의 특징을 보다 살리기 위해서, 전극수를 3전극 또는 4전극 이상, 또는 강재의 판 두께를 55㎜ 이상, 60㎜ 이상 또는 65㎜ 이상으로 해도 된다.

제2 전극(2) 이후의 파형 비율에 대하여 상세하게 검토한 결과를 도 11 내지 도 13에 나타내었다. 6전극 용접에는 도 10의 개선을, 4전극 용접에는 도 14의 개선을, 2전극 용접에는 도 15의 개선을 사용하였다. 용접 조건은, 제1 전극(1)의 조건을 2500A, 35V, 파형 비율 70％로 하였다. 제2 전극(2) 이후는, 1800A, 40V에서 파형 비율을 변화시켰다. 용접 속도는 50㎝/분으로 실시하였다. 상술한 바와 마찬가지로 파형 비율을 바꾸어서 5m의 용접 길이를 제작하고, 10㎝ 간격으로 매크로 단면을 50개 잘라내어, 언더필의 유무를 확인하였다. 평가는 언더필이 발생한 매크로 시험편의 비율로 평가하였다. 예를 들어, 50개의 매크로에서 1개 언더필이 있으면 2％의 언더필 발생률로서 평가하였다. 도 11 내지 도 13에서, 파형 비율의 상승에 따라서 언더필은 감소하고, 필요한 용착량이 입열을 변화시키지 않고 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명에 있어서, 제1 전극(1) 내지 제2 전극(2) 이후의 각 전극(7)의 간격, 배치, 각도 등에 대해서, 특히 제약을 둘 필요는 없다. 상기한 용접 시험에 있어서는, 각 전극(7)의 배치는 도 20에 도시한 바와 같이, 각 전극(7)의 간격을 70㎜로 하여, 개선폭의 중앙부에 배치하였다. 제1 전극의 각도는 후퇴각 10°로 하고, 제2 전극의 각도는 후퇴각 7°로 하고, 제3 전극의 각도는 후퇴각 4°로 하고, 제4 전극의 각도는 전진각 4°로 하고, 제5 전극의 각도는 전진각 7°로 하고, 제6 전극(최종극)의 각도는 전진각 10°로 하였다.

이상과 같은 본 발명의 강재 판 두께의 적용 범위는, 풍력 발전기의 풍차의 기초 부분에 사용되는 강재 판 두께를 고려하여, 50㎜ 초과, 100㎜ 이하로 하였다.

판 두께 50㎜ 초과의 강재의 용접에서, 특히 본 발명의 효과가 발휘되게 되기 때문에, 하한을 50㎜ 초과라고 정하였다. 그러나, 판 두께가 100㎜를 초과하게 되면, 본 발명을 적용입도 입열이 과대해져서 필요한 인성을 얻지 못하기 때문에, 100㎜를 상한으로 하였다.

한 쌍의 강재간에 복수 형성되는 개선 형상으로서, 루트페이스(구체적으로는, 루트페이스의 높이)는 5㎜ 이상, 판 두께의 25％ 이하가 바람직하다. 그 이유로서, 높이가 5㎜ 이하에서는, 공작 정밀도의 관점에서 착시에 대하여 대응하지 못할 가능성이 있고, 높이가 판 두께의 25％를 초과하면 루트페이스가 너무 과대해져서, 융합 불량을 발생시킬 가능성이 높아진다. 여기서, 루트페이스의 높이란, 강재의 판 두께 방향에 있어서의 루트페이스의 높이를 말한다. 예를 들어, 도 10에서는, 루트페이스의 높이는 14㎜이다.

또한, 개선 각도는, 입열 억제의 관점에서 30° 이상, 50° 이하가 바람직하다. 그 이유로서, 각도가 30° 미만의 좁은 개선에서는, 용접 비드폭의 센터가 빗나가기 쉽고, 또한 충분한 용입 깊이를 얻는 것도 곤란해지기 때문이며, 한편, 각도가 50°를 초과하면, 개선 단면적이 넓어져서 용접 입열이 커져서 바람직하지 않기 때문이다.

이상, 판 두께가 50㎜ 초과, 100㎜ 이하인 한 쌍의 강재에 X 개선을 가공하고, 이것을 다전극 서브머지드 아크 용접에서 표리면으로부터 각각 1패스의 용접을 실시할 때에 있어서의, 본 발명에서 규정하는 형태 및 바람직한 형태에 대하여 설명했지만, 이하, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 실시예에 있어서 더 설명한다.

실시예

시험에 제공한 강재와 용접 와이어의 화학 조성을 표 1에 나타내고, 플럭스의 조성을 표 2에 나타내었다. 표 2 중 값이 제로인 경우는, 의도적으로 함유시키지 않은 것을 나타낸다. 한 쌍의 강재 개선 형상을 도 10, 도 14 내지 도 18에 나타내었다. 한 쌍의 강재 용접은, 용접 전류의 파형 제어가 가능한 용접 전원을 사용하여, 2전극 내지 6전극의 서브머지드 아크 용접에서, 각 면 1패스의 용접을 행하였다. 파형 비율 이외의 용접 조건을 표 3 내지 표 8에, 각 전극(7)의 용접 전류의 파형 비율을 표 9 내지 표 13에 나타내었다. 표 3은 판 두께 100㎜, 6전극의 용접 조건이며, 표 4는 판 두께 70㎜, 5 전극의 용접 조건이며, 표 5는 판 두께 60㎜, 4전극의 용접 조건이며, 표 6은 판 두께 55㎜, 3전극의 용접 조건이며, 표 7은 판 두께 51㎜, 2전극의 용접 조건이며, 표 8은 판 두께 110㎜, 6전극의 용접 조건이다.

각 전극(7)의 각도에 대해서, 제1 전극(1)은 용입을 확보할 목적으로 후퇴각 10°로 하고, 최종극을 비드 외관 확보의 관점에서 전진각 10°를 채용하였다. 각극간의 간격은 용융 금속의 고임량을 적정화하도록 고려하여, 각극 70㎜의 전극 간격을 채용하였다. 각각의 전극(7)은 개선폭의 중앙부에 배치하였다.

제작된 용접 금속(8)은 도 19의 위치로부터 단편을 잘라내고, 그것을 성분 분석 시료, JIS Z3111의 A1호 환봉 인장 시험편(직경:12.5㎜, 표점간 거리(GL): 50㎜) 및 JIS Z2242의 V 노치 시험편(10㎜ 풀사이즈 시험편)에 가공하여 시험에 제공하였다. 이들을 표 14의 합격 여부 기준으로 판정한 결과를 표 15 내지 표 19에 나타내었다. 샤르피 충격 시험 온도는, -40℃로 하였다.

시험 번호 100-1번 내지 100-37번, 시험 번호 70-1번 내지 70-37번, 시험 번호 60-1번 내지 60-37번, 시험 번호 55-1번 내지 55-37번, 시험 번호 51-1번 내지 51-37번에 있어서는, 본 발명의 실시예이기 때문에, 비드의 덧살 높이는 적정하며, 융합 불량도 없고, 언더컷의 발생도 없고, 용접 금속(8)의 강도, 인성도 양호한 결과가 얻어졌다. 특히 Al₂O₃가 38％, SiO₂가 22％ 이상인 시험 번호 100-3번 내지 100-6번, 시험 번호 100-15번 내지 100-18번, 시험 번호 100-27번 내지 100-30번, 시험 번호 70-3번 내지 70-6번, 시험 번호 70-15번 내지 70-18번, 시험 번호 70-27번 내지 70-30번, 시험 번호 60-3번 내지 60-6번, 시험 번호 60-15번 내지 60-18번, 시험 번호 60-27번 내지 60-30번, 시험 번호 55-3번 내지 55-6번, 시험 번호 55-15번 내지 55-18번, 시험 번호 55-27번 내지 55-30번, 시험 번호 51-3번 내지 51-6번, 시험 번호 51-15번 내지 51-18번, 시험 번호 51-27번 내지 51-30번에서는 3㎜ 이상의 덧살 높이가 확보되어 있고, 플럭스 조성에 의한 와이어 송급 속도 증가의 효과가 발현되고 있다.

또한, 시험 번호 100-11번, 100-23번, 100-35번, 시험 번호 70-11번, 70-23번, 70-35번, 시험 번호 60-11번, 60-23번, 60-35번, 시험 번호 55-11번, 55-23번, 55-35번, 시험 번호 51-11번, 51-23번, 51-35번에 있어서는, 철분이 함유되어 있지 않음에도 불구하고, Al₂O₃, SiO₂의 효과에 의해, 덧살 높이가 2㎜ 이상으로 우수한 용착량 증가의 효과를 발현하고 있다.

또한 시험 번호 100-12번, 100-24번, 100-36번, 시험 번호 70-12번, 70-24번, 70-36번, 시험 번호 60-12번, 60-24번, 60-36번, 시험 번호 55-12번, 55-24번, 55-36번, 시험 번호 51-12번, 51-24번, 51-36번에 있어서는 상기 Al₂O₃, SiO₂의 효과에 더하여, 철분의 함유량을 20％로 증가한 시험 번호에서는, 덧살 높이가 4㎜ 이상이며, 더 높은 용착량 증가의 효과가 인지되고 있다.

한편, 시험 번호 100-38번, 70-38번, 60-38번, 55-38번, 51-38번은 제1 전극(1)의 용접 전류의 파형 비율이 50％로 본 발명의 범위를 일탈하고 있기 때문에, 용접 금속(8)의 용입 형상의 폭이 좁아져서 도 6a에 도시한 바와 같이 융합 불량이 발생하여 불합격으로 되었다. 시험 번호 100-39번, 70-39번, 60-39번, 55-39번, 51-39번에서는, 제1 전극(1)의 용접 전류로서 파형 비율 100％의 직류 마이너스를 사용했기 때문에, 아크가 불안정하여 적정한 용접 금속(8)의 용입 깊이를 얻지 못하여, 융합 불량을 발생시켰기 때문에 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-40번 내지 100-44번, 시험 번호 70-40번 내지 70-43번, 시험 번호 60-40번 내지 60-42번, 시험 번호 55-40 내지 55-41번, 시험 번호 51-40번에 있어서는, 제2 전극(2) 이후에, 용접 전류의 파형 비율이 60％라고 하는 본 발명을 일탈한 전극(7)이 있었기 때문에, 필요한 용착량을 얻지 못하여, 덧살 높이가 마이너스로 되어 강판(9)의 표면까지 용착 금속을 넣을 수 없어 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-45번과 시험 번호 100-46번, 시험 번호 70-44번과 시험 번호 70-45번, 시험 번호 60-43번과 시험 번호 60-44번, 시험 번호 55-42번과 시험 번호 55-43번, 시험 번호 51-41번과 시험 번호 51-42번에서는, Al₂O₃ 또는 SiO₂가 본 발명의 하한값을 하회했기 때문에, 필요한 용착량을 얻지 못하여, 덧살 높이가 마이너스로 되어 강판(9)의 표면까지 용착 금속을 넣을 수 없어 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-47번과 시험 번호 100-48번, 시험 번호 70-46번과 시험 번호 70-47번, 시험 번호 60-45번과 시험 번호 60-46번, 시험 번호 55-44번과 시험 번호 55-45번, 시험 번호 51-43번과 시험 번호 51-44번에서는, Al₂O₃ 또는 SiO₂가 본 발명의 상한값을 상회하여 과잉으로 함유되었기 때문에, 용접 금속(8)의 인성이 열화되어 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-49번 내지 100-52번, 시험 번호 70-48번 내지 70-51번, 시험 번호 60-47 내지 60-50번, 시험 번호 55-46번 내지 55-49번, 시험 번호 51-45번 내지 51-48번에 있어서는, MgO, TiO₂, CaF₂, MnO의 합계 함유량이 본 발명의 하한값인 10％에 못미치기 때문에, 언더컷이 발생하여 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-53번, 70-52번, 60-51번, 55-50번, 시험 번호 51-49번은, MgO의 함유량이 본 발명을 일탈하여 과잉이었기 때문에, 언더컷이 발생하여 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-54번, 70-53번, 60-52번, 시험 번호 55-51번, 51-50번은, TiO₂의 함유량이 본 발명을 일탈하여 과잉이었기 때문에, 용접 금속(8)의 인성이 열화되어 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-55번, 70-54번, 60-53번, 55-52번, 51-51번은, CaF₂의 함유량이 본 발명을 일탈하여 과잉이었기 때문에, 아크가 불안정하여 적정한 용접 금속(8)의 용입 깊이를 얻지 못하여, 융합 불량을 발생시켰기 때문에 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-56번, 70-55번, 60-54번, 55-53번, 51-52번은, MnO의 함유량이 본 발명을 일탈하여 과잉이었기 때문에, 용접 금속(8)의 인성이 열화되어 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-57번, 70-56번, 60-55번, 55-54번, 51-53번은, MgO, TiO₂, CaF₂, MnO의 합계 함유량이 본 발명의 상한값인 60％를 초과하여 과잉이었기 때문에, 아크가 불안정하여 적정한 용접 금속(8)의 용입 깊이를 얻지 못하여, 융합 불량을 발생시켰기 때문에 불합격으로 되었다.

시험 번호 100-58번은, 본 발명의 범위를 일탈하여, 판 두께가 과잉이었기 때문에 입열이 많아져서, 용접 금속(8)의 인성이 열화되어 불합격으로 되었다.

본 발명에 따르면, 후강판의 X 개선을 고능률로 용접할 수 있고, 또한 저온에서도 인성이 우수한 용접 금속(8)을 얻을 수 있으므로, 한냉지에 설치되는 풍력 발전 설비의 기초 부분의 제조를 효율적으로 실시할 수 있으며, 재생 가능 에너지의 보급에 크게 기여할 수 있다.

1 : 제1 전극
2 : 제2 전극
3 : 제3 전극
4 : 제4 전극
5 : 제5 전극
6 : 제6 전극
7 : 전극
8 : 용접 금속
9 : 강판
a, b : 전류 파형의 크기
c, d : 전류 파형의 폭(주기)

Claims

판 두께가 50㎜ 초과, 100㎜ 이하인 한 쌍의 강재에, X 개선을 가공하는 가공 공정과;
상기 한 쌍의 강재에 대하여 2전극 이상, 6전극 이하의 다전극 서브머지드 아크 용접에서, 플럭스를 사용하여 표리면으로부터 각각 1패스의 용접을 실시하는 용접 공정;
을 구비하고,
상기 용접 공정에 있어서, 제1 전극의 용접 전류를, 파형 비율이 60％ 이상, 90％ 이하인 교류 전류로 하고, 그 외의 전극의 용접 전류를, 파형 비율이 70％ 이상인 교류 전류 또는, 마이너스인 직류 전류로 하여 용접하고,
상기 플럭스가, 상기 플럭스의 전체 질량에 대한 질량비로,
Al₂O₃:10％ 이상, 50％ 이하,
SiO₂:16％ 이상, 30％ 이하
를 함유하고,
MgO, TiO₂, CaF₂, MnO 중 1종 이상을 합계 10％ 이상, 60％ 이하를 더 함유하고,
상기 MgO를 40％ 이하로 제한하고, 상기 TiO₂를 20％ 이하로 제한하고, 상기 CaF₂를 30％ 이하로 제한하고, 상기 MnO를 20％ 이하로 제한하는
것을 특징으로 하는, 서브머지드 아크 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극의 상기 용접 전류가 2500A 이상인 것을 특징으로 하는, 서브머지드 아크 용접 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 강재간에 복수 형성되는 개선 형상으로서, 루트페이스의 높이는 5㎜ 이상, 상기 판 두께의 25％ 이하인 것을 특징으로 하는, 서브머지드 아크 용접 방법.
제3항에 있어서,
상기 X 개선의 개선 각도가, 30° 이상, 50° 이하인 것을 특징으로 하는, 서브머지드 아크 용접 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 X 개선의 개선 각도가, 30° 이상, 50° 이하인 것을 특징으로 하는, 서브머지드 아크 용접 방법.