KR101554800B1

KR101554800B1 - 레이저 용접 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR101554800B1
Application number: KR1020137027039A
Authority: KR
Inventors: 고지 야노; 히로유키 스미; 겐지 오이
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2015-09-21
Also published as: JP2012213798A; WO2012132023A1; JP5024475B1; EP2692476A4; CN103476536A; CN103476536B; US20140124481A1; RU2552826C2; EP2692476B1; EP2692476A1; RU2013148143A; KR20130130864A; US9364921B2

Abstract

언더커트나 언더필이 발생하기 쉽다는 레이저 용접의 문제점을 극복하고, 용접부의 품질이 양호한 레이저 용접 강관을 양호한 수율로 안정적으로 제조하는 방법을 제공한다. 구체적으로는, 강판을 성형 롤로 원통상의 오픈 파이프로 성형하고, 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서 레이저 빔을 조사하여 에지부를 레이저 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서, 각각 상이한 화이버를 사용하여 전송한 저스트 포커스에서의 스폿 직경이 직경 0.3 ㎜ 를 초과하는 2 개의 레이저 빔을 에지부를 따라 오픈 파이프의 상면측으로부터 조사하고, 오픈 파이프의 상면측에서 용접 진행 방향으로 선행하는 선행 레이저 빔 및 후행하는 후행 레이저 빔을 오픈 파이프의 상면에 수직인 방향으로부터 입사각을 형성하여 용접 진행 방향으로 경사지게 하여 조사함과 함께, 선행 레이저 빔의 입사각을 후행 레이저 빔의 입사각보다 크게 하고, 또한 오픈 파이프의 이면에 있어서의 선행 레이저 빔의 중심점과 후행 레이저 빔의 중심점의 간격을 1 ㎜ 이상으로 하여 레이저 용접을 실시한다.

Description

레이저 용접 강관의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING LASER WELDED STEEL PIPE}

본 발명은 레이저 빔 (laser beam) 을 사용하여 오픈 파이프 (open pipe) 의 길이 방향의 에지부 (longitudinal edges) 를 용접하는 강관 (이하, 레이저 용접 강관 (laser welded steel pipe) 이라고 한다) 의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 유정관 (oil country tubular goods) 혹은 라인 파이프 (line pipe) 등의 석유, 천연 가스의 채굴이나 수송에 바람직한 레이저 용접 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

유정관 혹은 라인 파이프로서 사용되는 강관은, 용접 강관 (welded steel pipe) (예를 들어 전봉 강관 (electric resistance welded steel pipe), UOE 강관등) 과 심리스 강관으로 크게 구별된다. 이들 강관 중, 전봉 강관은 열간 압연한 띠상의 강판 (steel strip) (이른바 핫코일 (hot rolled steel coil)) 을 소재로서 사용하여, 염가로 제조할 수 있으므로 경제적으로 유리하다.

그러나 일반적으로 전봉 강관은 성형 롤을 사용하여 강판을 원통상으로 성형하여 오픈 파이프 (여기서 오픈 파이프란, 다단의 성형 롤에 의해 성형된 단부 (端部) 가 접합되어 있지 않은 파이프상의 강대를 말한다. 이하, 오픈 파이프라고 칭한다) 라고 하고, 그 오픈 파이프의 에지부 (즉 원통상으로 성형한 강대의 양측 단부) 를 스퀴즈 롤 (squeeze roll) 로 가압하면서 전기 저항 용접 (electric resistance welding, 고주파 저항 용접이라고도 부른다) 하여 제조하므로, 용접에 의한 조인트 (이른바 심 (seam)) 가 필연적으로 존재하여, 그 심의 저온 인성 (low-temperature toughness) 이 열화된다는 문제가 있다. 그 때문에 전봉 강관의 유정관이나 라인 파이프는 한랭지 (cold district) 에서의 사용에는 과제가 있다. 심의 저온 인성이 열화되는 이유는, 에지부를 용접할 때 고온의 용융 메탈 (molten metal) 이 대기 중의 산소와 반응하여 산화물 (oxide) 을 생성하고, 그 산화물이 심에 잔류하기 쉽기 때문이다.

또 전봉 강관은, 에지부를 용접할 때 용융 메탈 중에서 합금 원소 (alloy element) 가 편석되기 쉽기 때문에, 심의 내식성이 열화되기 쉽다는 문제가 있다. 그 때문에 전봉 강관의 유정관이나 라인 파이프는 엄격한 부식 환경 (corrosion environment) (예를 들어 사워 환경 (sour environment)) 에서의 사용에는 과제가 있다.

한편, 심의 저온 인성이나 내식성을 열화시키지 않는 용접법으로서, 레이저 빔에 의한 용접 (이하, 레이저 용접 (laser welding) 이라고 한다) 이 주목받고 있다. 레이저 용접은 열원 (heat source) 의 치수를 작게 하고, 또한 열에너지 (heat energy) 를 고밀도로 집중할 수 있으므로, 용융 메탈에 있어서의 산화물의 생성이나 합금 원소의 편석을 방지할 수 있다. 그 때문에, 용접 강관의 제조에 레이저 용접을 적용하면, 심의 저온 인성이나 내식성의 열화를 방지하는 것이 가능하다.

그래서 용접 강관의 제조 과정에서, 오픈 파이프의 에지부에 레이저 빔을 조사하여 용접함으로써 강관 (즉 레이저 용접 강관) 을 제조하는 기술이 실용화되고 있다.

그런데 레이저 용접에서는 고밀도 에너지 광선 (high-energy density light beam) 인 레이저 빔을 광학 부품 (optical component) 에 의해 집광하여 용접부에 조사함으로써 용접을 실시하므로, 용접시에 급격한 금속의 용융을 수반한다. 그 때문에, 형성된 용융지로부터 용융 메탈이 스퍼터 (spatter) 로서 비산한다. 비산된 스퍼터는 용접 장치 (welding equipment) 에 부착되어 심의 품질을 저하시킴과 함께, 광학 부품에도 부착되어 용접의 시공이 불안정해진다. 또, 레이저 용접에서는 열에너지 (heat energy) 를 고밀도로 집중하여 용접을 실시하므로, 스퍼터가 다량으로 발생하여, 언더커트 (undercut) 나 언더필 (underfill) (즉 함몰 (depression)) 등의 용접 결함 (welding defect) 이 발생한다. 언더필이 발생하면 용접부의 강도가 저하된다.

그래서, 레이저 용접으로 스퍼터의 부착을 방지하는 기술이나 스퍼터의 발생을 방지하는 기술이 여러 가지 검토되고 있다. 예를 들어, 레이저 출력 (laser power) 을 저감시킴으로써 스퍼터의 발생을 방지하는 기술, 혹은 초점 위치 (focus position) 를 크게 어긋나게 함으로써 (이른바 디포커스 (defocus)) 스퍼터의 발생을 방지하는 기술이 실용화되고 있다. 그러나, 레이저 출력의 저감이나 디포커스는 용접 속도 (welding speed) 의 감소 (즉 용접 효율 (weld efficiency) 의 저하) 를 초래할 뿐만 아니라, 용입 불량 (lack of penetration) 이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다.

특허문헌 1 에는, 레이저 빔을 분광시키고 복수 개의 레이저 빔 스폿 (laser beam spots) 을 생성시켜 스퍼터의 발생을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 복수 개의 빔 스폿에 분산시켜 레이저 용접을 실시하는 기술은 레이저 출력을 저감시켜 레이저 용접을 실시하는 기술과 동등하여, 용접 효율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 용입 불량이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다. 또한, 레이저 빔을 분광시키는 프리즘 (prism) 이 고가이기 때문에, 용접의 시공 비용이 상승하는 것은 피할 수 없다.

특허문헌 2 에서는, 레이저 용접을 실시할 때 필러 와이어 (filler wire) 를 사용하여 용착 금속 (deposit metal) 의 부족 (언더필) 을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술에서는 필러 와이어의 성분에 의해 용접 금속 (weld metal) 의 조성이 변화된다. 그 때문에, 오픈 파이프의 성분에 따라 필러 와이어를 선택해야만 하므로, 필러 와이어의 재고 관리 (stock management) 나 레이저 용접의 작업 관리 (production control) 의 부하가 증대된다.

특허문헌 3 에서는, 레이저 용접과 아크 용접 (arc welding) 을 복합하여 사용함으로써, 용접 결함을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술에서는 용접 장치의 구조가 복잡해져 메인터넌스 (maintenance) 의 부하가 증대할 뿐만 아니라, 용접의 작업 관리의 부하가 증대된다.

특허문헌 4 에서는, 2 개의 원형 빔 스폿을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술에서는 용접부에 응력이 작용하는 조건 (전봉 강관의 용접부에 가해지는 업셋에 의해 용융지에 응력이 작용하는 것과 같은 상황 등) 에서의 레이저 용접에 있어서 용접 결함은 억제되지 않고, 특히 강판 이면의 스퍼터 발생량이 증대된다.

일본 특허 제2902550호 일본 공개특허공보 2004-330299호 일본 특허 제4120408호 일본 공개특허공보 2009-178768호

본 발명은 레이저 용접 강관을 제조할 때, 2 개의 레이저 빔의 피용접재에 대한 입사각이나 저스트 포커스에서의 스폿 직경을 적정하게 유지하고, 또한 2 개의 레이저 빔을 적정하게 배열함과 함께, 레이저 용접의 조건을 제어함으로써, 스퍼터의 발생을 방지하여, 용접부의 언더커트나 언더필을 억제하고, 또한 용접 효율을 저하시키지 않고 양호한 품질의 용접부를 얻음과 함께, 레이저 용접 강관을 양호한 수율 (yield ratio) 로 안정적으로 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은 오픈 파이프의 에지부에 레이저 용접을 실시하여 레이저 용접 강관을 제조할 때, 용접 결함이 없는 용접부를 형성하기 위한 레이저 용접 기술에 대해 조사 검토하였다.

도 2 는 레이저 용접 강관을 제조할 때, 1 개의 레이저 빔을 수직으로 조사하여 오픈 파이프 (1) 의 에지부 (2) 의 접합점을 레이저 용접하는 종래의 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 2 중의 화살표 A 는 용접 진행 방향을 나타낸다. 또한, 레이저 빔 (3) 의 조사에 의해 발생하는 깊은 공동 (cavity) (이하, 키홀 (keyhole) 이라고 한다) (4) 과, 그 주변에 형성되는 용융 메탈 (5) 은 투시도로서 나타낸다.

레이저 빔 (3) 을 조사하면, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 고밀도로 집중되는 열에너지에 의해 에지부 (2) 가 용융됨과 함께, 그 용융 메탈 (5) 이 증발되어 발생하는 증발압과 증발 반력에 의해, 용융 메탈 (5) 에 키홀 (4) 이 발생한다. 키홀 (4) 의 내부에는 레이저 빔 (3) 이 침입하고, 금속 증기 (metal vapour) 가 레이저 빔 (3) 의 에너지에 의해 전리되어 발생한 고온의 플라즈마 (plasma) 가 충만되어 있다고 생각되고 있다.

이 키홀 (4) 은 레이저 빔 (3) 의 열에너지가 가장 수렴되는 위치를 나타내는 것이다. 에지부의 접합점을 키홀 (4) 내에 배치함으로써 레이저 용접 강관을 안정적으로 제조할 수 있다. 단 레이저 빔이 1 개인 경우에는, 에지부 (2) 의 접합점과 키홀 (4) 을 일치시키기 위해서는 고정밀도의 개선 (開先) 가공 기술이 필요하다. 에지부 (2) 의 가공 상태 및 맞댐 상태가 불안정하면, 용융 메탈 (5) 이 불안정해진다. 그 결과, 스퍼터가 다발하여, 언더커트나 언더필 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다.

또한, 용접부에 가해지는 업셋에 의해 용융지에 응력이 작용하는 상황에서는, 키홀을 유지하기 위해서, 조사하는 레이저 빔의 에너지를 더욱 증대시킬 필요가 있다 (여기서, 업셋은 스퀴즈 롤로 레이저 용접부의 용융지에, 가압하는 압입량을 의미한다.). 그 결과, 스퍼터가 증가함과 함께, 개선이 충분히 용융되지 않아, 언더커트나 언더필 등의 용접 결함이 발생한다.

그래서 발명자들은, 에지부 (2) 의 접합점에 2 개의 레이저 빔을 조사하는 기술에 착안하였다. 그 결과, 레이저 빔의 조사 위치를 적정하게 배열함과 함께, 각각의 레이저 빔의 입사각이나 스폿 직경 등을 제어하여 2 개의 레이저 빔을 오픈 파이프의 강판 내부에서 교차하지 않도록 조사함으로써, 스퍼터의 발생을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그리고, 용접부의 언더커트나 언더필을 억제하고, 또한 용접 효율을 저하시키지 않고 양호한 품질의 용접부를 얻음과 함께, 레이저 용접 강관을 양호한 수율로 안정적으로 제조할 수 있는 것이 판명되었다.

스퍼터의 발생이 억제되는 메커니즘 (mechanism) 의 상세는 불명확하지만, 피용접재에 대한 입사각을 가지고 조사되는 2 개의 레이저 빔에 에너지를 분산시키고, 또한 용접 방향으로 선행하는 레이저 빔이 스퍼터를 억제하면서 강판을 예열한 후, 후행하는 레이저 빔이 강판을 용융함으로써, 스퍼터의 비산이 억제된다고 추정된다. 또한, 레이저 빔의 입사각은 피용접재의 상면에 수직인 방향과 레이저 빔을 조사하는 방향이 이루는 각을 가리킨다.

본 발명은 이들 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

즉 본 발명은 강판을 성형 롤로 원통상의 오픈 파이프로 성형하고, 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서 레이저 빔을 조사하여 에지부를 레이저 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서, 각각 상이한 광 화이버를 사용하여 전송한 저스트 포커스에서의 스폿 직경이 직경 0.3 ㎜ 를 초과하는 2 개의 레이저 빔을 에지부를 따라 오픈 파이프의 상면측으로부터 조사하고, 오픈 파이프의 상면측에서 용접 진행 방향으로 선행하는 선행 레이저 빔 및 후행하는 후행 레이저 빔을 오픈 파이프의 상면에 수직인 방향으로부터 입사각을 형성하여 용접 진행 방향으로 경사지게 하여 조사함과 함께, 선행 레이저 빔의 입사각을 후행 레이저 빔의 입사각보다 크게 하고, 또한 오픈 파이프의 이면에 있어서의 선행 레이저 빔의 중심점과 후행 레이저 빔의 중심점의 간격을 1 ㎜ 이상으로 하여 레이저 용접을 실시하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

본 발명의 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서는, 선행 레이저 빔과 후행 레이저 빔의 입사각이 5 ∼ 50°인 것이 바람직하다. 또, 선행 레이저 빔 및 후행 레이저 빔 중 1 종 또는 2 종을 광학 부품을 사용하여 2 분할하고, 에지부의 양측으로 조사해도 된다. 또, 레이저 용접을 실시할 때, 용접부에 0.2 ∼ 1.0 ㎜ 의 업셋을 가하는 것이 바람직하다. 또, 선행 레이저 빔과 후행 레이저 빔의 레이저 출력이 합계 16 kW 를 초과하고, 또한 7 m/분을 초과하는 용접 속도로 레이저 용접을 실시하는 것이 바람직하다. 또, 레이저 용접에 앞서 강판의 예열을 실시하고, 또한 레이저 용접 후에 절삭 또는 연삭을 실시하여 용접 비드를 가공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 레이저 용접 강관을 제조할 때, 스퍼터의 발생을 방지하여 용접부의 언더커트나 언더필을 억제하고, 또한 용접 효율을 저하시키지 않고 양호한 품질의 용접부를 얻을 수 있다. 그 결과, 레이저 용접 강관을 양호한 수율로 안정적으로 제조할 수 있다. 얻어진 레이저 용접 강관은 심의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 적합하다.

도 1 은 본 발명을 적용하여 2 개의 레이저 빔으로 오픈 파이프 에지부의 접합점을 용접하는 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 키홀과 그 주위에 형성되는 용융 메탈을 나타낸 투시도로서 나타낸다.
도 2 는 1 개의 레이저 빔으로 오픈 파이프 에지부의 접합점을 용접하는 종래의 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 키홀과 그 주위에 형성되는 용융 메탈을 나타낸 투시도로서 나타낸다.
도 3 은 도 1 의 선행 레이저 빔, 후행 레이저 빔 및 오픈 파이프의 상면에 수직인 선의 배치의 예를 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 4 는 오픈 파이프의 상면에 있어서의 선행 레이저 빔의 조사 영역, 후행 레이저 빔의 조사 영역 및 에지부의 배치의 예를 모식적으로 나타내는 평면도이다.

도 1 은 본 발명을 적용하여 2 개의 레이저 빔으로 오픈 파이프의 에지부를 용접하는 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 1 중의 화살표 A 는 용접 진행 방향을 나타낸다. 또한, 레이저 빔 (3a, 3b) 의 조사에 의해 발생하는 키홀 (4) 과, 그 주위에 형성되는 용융 메탈 (5) 은 투시도로서 나타낸다.

본 발명에서는, 2 개의 레이저 빔 (3a, 3b) 을 오픈 파이프 (1) 의 에지부 (2) 를 따라 오픈 파이프 (1) 의 상면측으로부터 조사한다. 그 때, 단일한 광 화이버로 전송한 레이저 빔을 광학 부품 (예를 들어 프리즘 등) 으로 2 분할하면서 조사하면, 후술하는 입사각이나 스폿 직경을 개별적으로 설정할 수 없다. 그 때문에, 2 개의 레이저 빔 (3a, 3b) 을 각각 상이한 광 화이버를 사용하여 전송할 필요가 있다.

사용하는 레이저 발진기는 1 대여도 되고, 혹은 2 대여도 된다. 레이저 발진기가 1 대이고, 2 개의 레이저 빔을 전송하는 경우에는, 발진된 레이저광을 발진기 내에서 분할한 후, 각각 상이한 광 화이버에 의해 전송하면 된다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 레이저 빔 (3a, 3b) 은 에지부 (2) 를 따라 앞뒤에 배치한다. 오픈 파이프 (1) 의 상면측에서 용접 진행 방향으로 선행하는 레이저 빔을 선행 레이저 빔 (3a) 으로 하고, 후행하는 레이저 빔을 후행 레이저 빔 (3b) 으로 한다.

(1) 선행 레이저 빔 및 후행 레이저 빔의 저스트 포커스에서의 스폿 직경 :

선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 의 저스트 포커스에서의 스폿 직경이 0.3 ㎜ 이하에서는, 용접시의 용접 비드의 폭이 좁아져, 개선의 용해 잔류가 발생한다. 그 때문에, 저스트 포커스에서의 스폿 직경은 0.3 ㎜ 초과로 한다. 한편, 스폿 직경이 1 ㎜ 를 초과하면, 에너지 밀도가 작기 때문에, 키홀이 안정되기 어려워진다. 그 때문에, 선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 의 저스트 포커스에서의 스폿 직경은 1 ㎜ 이하가 바람직하다.

선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 의 스폿 형상은 원형이 바람직하지만, 타원형 (oval figure) 이어도 된다. 스폿 형상이 타원형인 경우에는, 저스트 포커스에서의 단경 (短徑) 이 0.3 ㎜ 를 초과할 필요가 있다. 또 상기한 원형의 경우와 동일한 이유로 단경은 1 ㎜ 이하가 바람직하다.

(2) 오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리 :

오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리를 t (㎜) 로 하고, 오픈 파이프의 강판 두께를 T (㎜) 로 하여, 오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리 (t) 가 3×T (즉 상면으로부터 상방으로 3T) 를 초과하면, 포커스의 위치가 지나치게 높으므로, 키홀을 안정적으로 유지하는 것이 어렵다. 한편, -3×T (즉 상면으로부터 하방으로 3T) 를 초과하면, 포커스의 위치가 지나치게 깊으므로, 강판의 이면 (즉 오픈 파이프의 내면) 측으로부터 스퍼터가 발생하기 쉬워진다. 따라서, 오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리 (t) 는 -3×T ∼ 3×T 의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

(3) 선행 레이저 빔의 입사각과 후행 레이저 빔의 입사각 :

도 3 은 도 1 의 선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 및 오픈 파이프 (1) 상면에 수직인 선의 배치의 예를 모식적으로 나타내는 측면도이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 은 모두 화살표 A 로 나타내는 용접 진행 방향으로 경사지게 하여 오픈 파이프 (1) 상면에 조사한다. 그 선행 레이저 빔 (3a) 과 오픈 파이프 (1) 상면에 수직인 선이 이루는 각 θa 를 선행 레이저 빔 (3a) 의 입사각으로 하고, 후행 레이저 빔 (3b) 과 오픈 파이프 (1) 표면에 수직인 선이 이루는 각 θb 를 후행 레이저 빔 (3b) 의 입사각으로 하여, 각각의 입사각이 θa＞θb 를 만족하도록 설정한다.

또한, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 이 오픈 파이프 (1) 의 강판 내부에서 교차하지 않도록 배치한다. 강판 (1) 의 상면으로부터 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 교차 위치까지의 거리를 X (㎜), 강판 (1) 의 판 두께를 T (㎜) 로 하면, X 는 0 (즉 강판 (1) 의 상면)≤X≤2×T (즉 강판 (1) 의 상면으로부터 상방에 2T) 의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다. 그 이유는, X＜0 인 경우에는 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 이 강판 (1) 의 내부에서 교차하기 때문에, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 각 키홀 (4) 이 합체하여, 거대한 키홀이 생겨 스퍼터가 다량으로 발생하기 쉬워지기 때문이다. 한편, X＞2×T 인 경우에는, 용융 메탈 (5) 이 분리되므로 맞댐부의 용융이 불안정해져, 스퍼터가 다량으로 발생하기 쉬워지기 때문이다.

또한, 선행 레이저 빔 (3a) 의 입사각 θa 와 후행 레이저 빔 (3b) 의 입사각 θb 를, θa＜θb 로 설정하면, 후행 레이저 빔 (3b) 이 통과하는 오픈 파이프 (1) 의 상면으로부터 이면까지의 거리가 길어지므로, 후행 레이저 빔 (3b) 의 에너지가 감쇠하여 가열 효율 (heating efficiency) 이 저하된다. 그 때문에, 선행 레이저 빔 (3a) 에 의한 에지부 (2) 의 예열 효과 (preheating effect) 는 얻어지지만, 후행 레이저 빔 (3b) 에 의한 에지부 (2) 의 용융이 불안정해진다.

또,θa=θb 로 설정하면, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 각 키홀 (4) 이 합체되기 쉬워져, 거대한 키홀이 생겨 스퍼터가 다량으로 발생할 우려가 있다.

따라서, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 입사각을 θa＞θb 로 설정할 필요가 있다. 요컨대, 선행 레이저 빔 (3a) 은 에지부 (2) 를 예열할 때 스퍼터를 억제하기 위해서 경사각 θa 를 크게 한다. 후행 레이저 빔 (3b) 은 에지부 (2) 를 용융할 때 가열 효율을 높이기 위해서 경사각 θb 를 작게 한다.

이와 같이 하여 선행 레이저 빔 (3a) 이 에지부 (2) 를 예열한다. 또한, 선행 레이저 빔 (3a) 은 용접 진행 방향으로 경사져 조사되므로, 스퍼터의 발생을 억제할 수 있다. 이어서, 후행 레이저 빔 (3b) 이 에지부 (2) 를 용융한다. 이 때 에지부 (2) 는 예열되어 있으므로 스퍼터는 발생하지 않는다. 그 결과, 스퍼터를 경감시키고, 나아가서는 언더커트나 언더필을 방지할 수 있다.

선행 레이저 빔 (3a) 의 입사각 θa 가 5°미만에서는 입사각 θa 가 지나치게 작으므로, 선행 레이저 빔 (3a) 을 수직으로 조사하는 경우와 동일한 거동을 나타내며, 스퍼터의 발생을 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 일방, 입사각 θa 가 50°를 초과하면 선행 레이저 빔 (3a) 이 통과하는 오픈 파이프 (1) 의 상면으로부터 이면까지의 거리가 길어지므로, 선행 레이저 빔 (3a) 의 에너지가 감쇠하여 충분한 예열 효과가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 선행 레이저 빔 (3a) 의 입사각 θa 는 5 ∼ 50°의 범위 내가 바람직하다.

동일하게 후행 레이저 빔 (3b) 의 입사각 θb 가 5°미만에서는 입사각 θb 가 지나치게 작으므로, 후행 레이저 빔 (3b) 을 수직으로 조사하는 경우와 동일한 거동을 나타내며, 스퍼터의 발생을 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 입사각 θb 가 50°를 초과하면, 후행 레이저 빔 (3b) 이 통과하는 오픈 파이프 (1) 의 상면으로부터 이면까지의 거리가 길어지므로, 후행 레이저 빔 (3b) 의 에너지가 감쇠하여 충분한 용해 깊이가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 후행 레이저 빔 (3b) 의 입사각 θb 는 5 ∼ 50°의 범위 내가 바람직하다.

(4) 오픈 파이프의 이면측에 있어서의 선행 레이저 빔과 후행 레이저 빔의 중심점의 간격 :

그리고 오픈 파이프 (1) 의 이면측에 있어서의 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 중심점의 간격 (L) 을 1 ㎜ 이상으로 한다. 간격 (L) 이 1 ㎜ 이상이면, 이면측에서 용융지가 용접 진행 방향으로 신장되고, 이면측에서의 스퍼터의 발생량이 감소하여, 언더커트나 언더필이 없는 용접 비드가 얻어진다. 단 간격 (L) 이 10 ㎜ 를 초과하면 이면측의 용융지가 분리되므로, 스퍼터가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 중심점의 간격 (L) 은 1 ∼ 10 ㎜ 의 범위 내가 바람직하다.

(5) 업셋량 :

또, 레이저 용접을 실시할 때에는, 용접부에 0.2 ∼ 1.0 ㎜ 의 업셋을 가하는 것이 바람직하다. 업셋량이 0.2 ㎜ 미만에서는 레이저 용접에 의해 발생한 블로우홀을 소멸시킬 수 없다. 한편, 1.0 ㎜ 를 초과하면 레이저 용접이 불안정해져 스퍼터의 발생량이 증가한다.

(6) 오픈 파이프의 에지부의 접합점 :

오픈 파이프 (1) 의 에지부 (2) 의 접합점은 에지부 (2) 의 판 두께 방향의 평균 간격 (G) 이 스퀴즈 롤에 의해 좁아져, 0.5 ㎜ 이하가 된 지점이면 어디여도 된다.

또, 레이저 발진기로부터 각각 상이한 광 화이버로 전송한 선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 중, 선행 레이저 빔 (3a) 또는 후행 레이저 빔 (3b) 을 광학 부품 (예를 들어 프리즘 등) 으로 2 분할하면서 에지부 (2) 의 양측으로 조사해도 된다. 도 4(b) 는 후행 레이저 빔 (3b) 을 2 분할 (조사 영역 3-2, 3-3) 하면서 에지부 (2) 의 양측으로 조사한 예, 도 4(c) 는 선행 레이저 빔 (3a) 을 2 분할 (조사 영역 3-1, 3-2) 하면서 에지부 (2) 의 양측으로 조사한 예이다. 혹은 도 4(d) 에 나타내는 바와 같이, 선행 레이저 빔 (3a) 을 2 분할 (조사 영역 3-1, 3-2) 하고 또한 후행 레이저 빔 (3b) 을 2 분할 (조사 영역 3-3, 3-4) 하면서, 에지부 (2) 의 양측으로 조사해도 된다. 이와 같이 하여 선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 을 조사하면, 조사 영역 내를 에지부 (2) 가 통과하는 상태를 용이하게 유지할 수 있다.

(7) 레이저 빔의 레이저 출력 및 용접 속도 :

일반적으로 레이저 용접시에 발생하는 스퍼터는 레이저 출력이 낮을수록, 용접 속도가 느릴수록 적어진다. 그러나 스퍼터의 발생을 억제하기 위해서, 레이저 출력과 용접 속도를 저하시키는 것은, 레이저 용접 강관의 생산성을 저하시키는 것을 의미한다. 그래서 본 발명에서는, 선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 의 레이저 빔의 레이저 출력이 합계 16 kW 를 초과하고, 또한 7 m/분을 초과하는 용접 속도로 레이저 용접을 실시하는 것이 바람직하다. 레이저 출력이 합계 16 kW 이하에서는 용접 속도가 7 m/분 이하가 되므로, 레이저 용접 강관의 생산성 저하를 초래한다.

(8) 오픈 파이프 상면에 있어서의 레이저 빔의 조사 영역과 용접선의 간격

선행 레이저 빔 (3a) 과 후행 레이저 빔 (3b) 은, 도 4 (a) 에 나타내는 바와 같이 오픈 파이프 (1) 상면에 있어서의 조사 영역 3-1, 3-2 의 중심이 에지부 (2) 와 일치하도록 배치하는 것이 바람직하다. 단, 그러한 배치를 유지하여 용접을 실시하는 것은 어렵고, 용접 시공 중에는 오픈 파이프 (1) 상면에 있어서의 조사 영역 3-1, 3-2 의 중심은 반드시 에지부 (2) 에 일치하지는 않는다. 조사 영역 3-1, 3-2 의 중심과 에지부 (2) 의 간격이 증대되면, 선행 레이저 빔 (3a), 후행 레이저 빔 (3b) 이 맞댐 개선으로부터 일탈하게 되어, 개선의 용해 잔류 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다.

조사 영역 3-1, 3-2 의 중심이 에지부 (2) 에 일치하지 않아도, 조사 영역 3-1, 3-2 내를 에지부 (2) 가 통과하는 상태로 용접을 실시하면, 용접 결함은 발생하지 않는다. 따라서, 조사 영역 3-1, 3-2 의 중심과 에지부 (2) 의 간격은, 모두 조사 영역 3-1, 3-2 의 반경 이내로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 후육재 (예를 들어 두께 4 ㎜ 이상) 의 오픈 파이프라도, 에지부의 고주파 가열 (high-frequency induction heating) 등으로 예열하지 않고, 레이저 용접을 실시하는 것이 가능하다. 단, 에지부를 고주파 가열 등으로 예열하면, 레이저 용접 강관의 생산성이 향상되는 등의 효과가 얻어진다. 고주파 가열에 의한 예열을 실시하면 용접부에 여성 (余盛) 이 형성되지만, 레이저 용접 후에 그 여성을 절삭 혹은 연삭에 의해 제거하면, 용접부의 표면 성상이 더욱 양호하게 마무리된다.

(8) 레이저 빔의 발진기

본 발명에서 사용하는 레이저 빔의 발진기 (oscillator) 는 여러가지 형태의 발진기를 사용할 수 있고, 기체 (예를 들어 CO₂ (carbon dioxide gas), 헬륨-네온 (helium-neon), 아르곤 (argon), 질소 (nitrogen), 요오드 (iodine) 등) 를 매질로서 사용하는 기체 레이저 (gas laser), 고체 (예를 들어 희토류 원소를 도프한 YAG 등) 를 매질로서 사용하는 고체 레이저 (solid laser), 레이저 매질 (laser medium) 로서 벌크 (bulk) 대신에 화이버 (fiber) 를 이용하는 화이버 레이저 (fiber laser), 디스크 레이저 (disk laser) 등이 바람직하다. 혹은, 반도체 레이저 (semiconductor laser) 를 사용해도 된다.

(9) 보조 열원 :

오픈 파이프 (1) 의 외면측으로부터 보조 열원 (auxiliary heat source) 에 의해 가열해도 된다. 그 보조 열원은 오픈 파이프 (1) 의 외표면을 가열하여 용융할 수 있는 것이면, 그 구성은 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 버너 용해법 (burner melting method), 플라즈마 용해법 (plasma melting method), TIG 용해법 (Tungsten Inert Gas melting method), 전자빔 용해법 (electron beam melting method), 레이저 용해법 (leser beam melting method) 등을 이용한 수단이 바람직하다.

또한, 보조 열원은 레이저 빔의 발진기와 일체적으로 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는 보조 열원과 레이저를 일체적으로 배치하지 않으면 보조 열원의 효과를 얻기 위해서는 큰 열량이 필요해지고, 또 용접 결함 (예를 들어 언더커트나 언더필 등) 의 억제가 매우 곤란해지기 때문이다. 또한, 보조 열원을 레이저 빔의 발진기보다 선행시켜 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는 에지부의 수분, 유분을 제거할 수 있기 때문이다.

더욱 바람직한 보조 열원으로서 아크의 사용이 바람직하다. 아크의 발생원은 용융 메탈의 용락 (burn-through) 을 억제하는 방향으로 전자력 (즉 용접 전류의 자계로부터 발생하는 전자력) 을 부가할 수 있는 것을 사용한다. 예를 들어, TIG 용접법 (tungsten inert gas welding), 플라즈마 아크 용접법 (plasma arc welding) 등의 종래부터 알려져 있는 기술을 사용할 수 있다. 또한, 아크의 발생원은 레이저 빔과 일체적으로 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 서술한 바와 같이, 아크를 발생시키는 용접 전류 (welding current) 의 주변에 발생하는 자계 (magnetic field) 의 영향을 레이저 빔에 의해 발생한 용융 메탈에 효과적으로 부여하기 위해서이다. 또한, 아크의 발생원을 레이저 빔보다 선행시켜 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는 에지부의 수분, 유분을 제거할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명과 가스 실드 용접이나 용가재 첨가 등의 종래부터 알려져 있는 기술을 조합해도 효과는 얻어진다. 이와 같은 복합 용접의 기술은 용접 강관의 제조뿐만 아니라 두꺼운 강판의 용접에도 적용할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 레이저 용접 강관을 제조할 때 스폿 직경을 적정하게 유지하고, 또한 2 개의 레이저 빔을 적정하게 배열함과 함께, 레이저 빔의 입사각 등의 레이저 용접의 조건을 제어함으로써, 스퍼터의 발생을 방지하여 용접부의 언더커트나 언더필을 억제하고, 또한 용접 효율을 저하시키지 않고 양호한 품질의 용접부를 얻을 수 있어, 레이저 용접 강관을 양호한 수율로 안정적으로 제조할 수 있다. 얻어진 레이저 용접 강관은 레이저 용접의 이점을 살려 심의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 바람직하다.

실시예

띠상의 강판을 성형 롤로 원통상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서, 도 1 에 나타내는 바와 같이 2 개의 레이저 빔을 상면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조하였다. 강판의 성분은 표 1 에 나타내는 바와 같다.

레이저 용접에서는, 최대 출력 10 kW 의 화이버 레이저 발진기를 2 대 사용하고, 용접 조건은 표 2 에 나타내는 바와 같다. 오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리 (t) (㎜) 는, 판 두께 (T) 에 대하여 모두 1/2T 로 하였다. 표 1 중의 레이저 빔의 입사각 θa, θb 는 도 3 에 나타내는 각도이다. 입사각이 마이너스가 되는 것은, 레이저 빔을 용접 진행 방향 A 의 역방향으로 경사지게 하여 조사한 것을 나타낸다.

표 2 중의 용접 강관 No.1 ∼ 4, 7 ∼ 10 은 도 4(a) 와 같이 레이저 빔을 배치한 예, 용접 강관 No.5, 11 은 도 4(b) 와 같이 레이저 빔을 배치한 예, 용접 강관 No.6 은 도 4(c) 와 같이 레이저 빔을 배치한 예이다.

표 2 에 나타내는 발명예 (용접 강관 No.1 ∼ 6) 는, 레이저 빔의 저스트 포커스에서의 스폿 직경 및 오픈 파이프의 이면측에 있어서의 선행 레이저 빔과 후행 레이저 빔의 중심점의 간격이 본 발명의 범위를 만족함과 함께, 선행 레이저 빔, 후행 레이저 빔을 용접 진행 방향으로 경사지게 하여 조사하고 또한 선행 레이저 빔의 입사각 θa 를 후행 레이저 빔의 입사각 θb 를 보다 크게 설정한 예이다.

표 2 중의 비교예 중, 용접 강관 No.7 은 후행 레이저 빔의 입사각 θb 를 0°로 한 예 (즉 수직으로 조사한 예), 용접 강관 No.8 은 이면측에 있어서의 선행 레이저 빔과 후행 레이저 빔의 중심점의 간격이 본 발명의 범위를 벗어나는 예, 용접 강관 No.9 는 후행 레이저 빔의 저스트 포커스에서의 스폿 직경이 본 발명의 범위를 벗어나는 예, 용접 강관 No.10 은 선행 레이저 빔을 용접 진행 방향 A 의 역방향으로 경사지게 하여 조사한 예, 용접 강관 No.11 은 선행 레이저 빔의 입사각 θa 를 후행 레이저 빔 (3b) 의 입사각 θb 보다 작게 한 예이다.

이와 같이 하여 레이저 용접을 실시한 후, 용접 강관의 상면을 육안으로 관찰하여, 스퍼터의 부착 상황을 조사하였다. 또, 용접 강관의 상면 및 이면의 용접 비드를 육안으로 관찰하여, 언더커트나 언더필의 발생 상황을 조사하였다. 그 결과를 표 3 에 나타낸다.

표 3 으로부터 명백한 바와 같이, 발명예에서는 스퍼터의 부착 및 언더커트나 언더필의 발생은 확인되지 않았다.

비교예 7 ∼ 9 에서는 스퍼터의 부착은 확인되지 않았지만, 언더커트, 언더필 혹은 개선의 용해 잔류가 발생하였다. 비교예 10, 11 에서는 스퍼터가 다량으로 부착되고, 또한 언더필이 발생하였다.

산업상의 이용가능성

레이저 용접 강관을 제조할 때, 레이저 용접 강관을 양호한 수율로, 안정적으로 제조할 수 있으므로 산업상 각별한 효과를 발휘한다.

[표 1]

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 3]

1 : 오픈 파이프
2 : 에지부
3 : 레이저 빔
3a : 선행 레이저 빔
3b : 후행 레이저 빔
4 : 키홀 (공동)
5 : 용융 메탈
6 : 심

Claims

강판을 성형 롤로 원통상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서 레이저 빔을 조사하여 상기 에지부를 레이저 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서, 각각 상이한 광 화이버를 사용하여 전송한 저스트 포커스에서의 스폿 직경이 직경 0.3 ㎜ 를 초과하고 1 ㎜ 이하인 2 개의 레이저 빔을 상기 에지부를 따라 상기 오픈 파이프의 상면측으로부터 조사하고, 상기 오픈 파이프의 상면측에서 용접 진행 방향으로 선행하는 선행 레이저 빔 및 후행하는 후행 레이저 빔을 상기 오픈 파이프의 상면에 수직인 방향으로부터 입사각을 형성하여 상기 용접 진행 방향으로 경사지게 하여 조사함과 함께, 상기 선행 레이저 빔의 입사각을 상기 후행 레이저 빔의 입사각보다 크게 하고, 또한 상기 오픈 파이프의 이면에 있어서의 상기 선행 레이저 빔의 중심점과 상기 후행 레이저 빔의 중심점의 간격을 1 ㎜ 이상, 10 ㎜ 이하로 하여 레이저 용접을 실시하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 선행 레이저 빔과 상기 후행 레이저 빔의 입사각이 5 ∼ 50°인 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 선행 레이저 빔 및 상기 후행 레이저 빔 중 1 종 또는 2 종을 광학 부품을 사용하여 2 분할하고, 상기 에지부의 양측으로 조사하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 선행 레이저 빔 및 상기 후행 레이저 빔 중 1 종 또는 2 종을 광학 부품을 사용하여 2 분할하고, 상기 에지부의 양측으로 조사하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 용접을 실시할 때, 용접부에 0.2 ∼ 1.0 ㎜ 의 업셋을 가하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선행 레이저 빔과 상기 후행 레이저 빔의 레이저 출력이 합계 16 kW 를 초과하고, 또한 7 m/분을 초과하는 용접 속도로 상기 레이저 용접을 실시하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 선행 레이저 빔과 상기 후행 레이저 빔의 레이저 출력이 합계 16 kW 를 초과하고, 또한 7 m/분을 초과하는 용접 속도로 상기 레이저 용접을 실시하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 용접에 앞서 상기 강판의 예열을 실시하고, 또한 상기 레이저 용접 후에 절삭 또는 연삭을 실시하여 용접 비드를 가공하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 레이저 용접에 앞서 상기 강판의 예열을 실시하고, 또한 상기 레이저 용접 후에 절삭 또는 연삭을 실시하여 용접 비드를 가공하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 레이저 용접에 앞서 상기 강판의 예열을 실시하고, 또한 상기 레이저 용접 후에 절삭 또는 연삭을 실시하여 용접 비드를 가공하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 레이저 용접에 앞서 상기 강판의 예열을 실시하고, 또한 상기 레이저 용접 후에 절삭 또는 연삭을 실시하여 용접 비드를 가공하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.