KR101634167B1 - 다층 용접방법 - Google Patents

Abstract

다층 용접방법을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 다층 용접방법은 적어도 1회의 선행용접패스와 선행용접패스를 덮는 최종용접패스를 포함하되, 선행용접패스는 상대적으로 입열이 높은 대입열 용접을 하고, 최종용접패스는 선행용접패스보다 입열이 낮은 저입열 용접을 수행한다.

Description

다층 용접방법{Multi-layer welding method}

본 발명은 선행 용접패스의 경우 대입열 용접을 하여 생산성을 높이고, 최종용접패스의 경우 저입열 용접을 하여 열영향부의 인성을 향상시키는 다층 용접방법에 관한 것이다.

조선, 중공업, 건설현장 등에서는 두께 수mm 이상의 후판이 구조용 재료로 사용되고, 후판을 용접으로 연결해 구조물을 만든다. 후판을 연결할 때는 한 패스(pass)의 용접만으로 연결이 어렵기 때문에 통상 몇 패스 또는 몇십 패스 용접을 반복하는 다층용접(Multi-layer welding)을 수행한다.

통상의 다층용접에서 선행 용접패스는 후속되는 용접패스에 의해 재차 가열되어 열영향부(HAZ: Heat Affected Zone)의 결정이 세립화되기 때문에 높은 인성이 확보될 수 있다. 그러나 강재 표면에 가까운 최종패스(Cap pass)의 열영향부는 후속되는 용접 패스가 없어 재가열에 의한 세립화가 이루어지지 않기 때문에 결정이 조대화된 채로 유지되어 충분한 인성을 확보하기 어렵다.

업계에서는 용접 생산성을 높이기 위해 용접 입열을 높여 용접패스를 줄이는 방안을 선호하지만, 용접 입열을 과도하게 높일 경우 마지막 단계인 최종 패스의 열영향부 결정이 조대화 되어 용접이음부의 인성을 확보하기 어렵다. 따라서 생산성만을 고려해 용접 입열을 높이는 것은 한계가 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2005-0065665호(2005. 06. 29. 공개)는 다층용접 이음부의 열영향부 인성을 향상시키는 방법을 제안한 바 있다. 이는 다층용접부의 최종 패스 열영향부 표면에 초음파 진동단자 등을 이용한 타격처리를 수행하여 최종 패스 열영향부의 인성을 높이는 기술이다. 그러나 이러한 방법은 최종 패스 열영향부를 타격하기 위해 별도의 공정을 수행해야 하는 번거로움이 있었다.

대한민국 공개특허공보 10-2005-0065665호(2005. 06. 29. 공개)

본 발명의 실시 예는 용접생산성을 높이면서도 최종용접패스의 열영향부의 인성을 향상시킬 수 있도록 하는 다층 용접방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 1회의 선행용접패스와 선행용접패스를 덮는 최종용접패스를 포함하되, 상기 선행용접패스는 상대적으로 입열이 높은 대입열 용접을 하고, 상기 최종용접패스는 상기 선행용접패스보다 입열이 낮은 저입열 용접을 하는 다층 용접방법이 제공될 수 있다.

상기 선행용접패스는 3.5 ~ 7.5 kJ/mm 범위의 입열로 용접을 하고, 상기 최종용접패스는 0.5 ~ 2 kJ/mm 범위의 입열로 용접을 할 수 있다.

상기 선행용접패스는 서브머지드 아크용접(SAW: Submerged Arc Welding)을 수행하고, 상기 최종용접패스는 플럭스 코어드 아크용접(FCAW: Flux Cored Arc Welding)을 수행할 수 있다.

상기 최종용접패스는 열영향부의 결정립 평균 크기가 17㎛ 이하가 되도록 할 수 있다.

상기 최종용접패스는 열영향부의 미세조직 베이나이트(Bainite) 분율이 15% 이하가 되도록 할 수 있다.

상기 최종용접패스는 열영향부의 비이커스 경도 값이 180 hv 이하가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 다층 용접방법은 선행용접패스의 경우 고입열 용접을 수행함으로써 용접 패스 수 감소 및 용접시간의 단축으로 생산성을 높일 수 있고, 최종용접패스의 경우 저입열 용접을 수행함으로써 최종용접패스의 열영향부의 인성을 향상시킬 수 있다. 결과적으로 용접생산성을 높이면서도 용접패스 열영향부의 저온 충격인성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다층 용접방법에 의한 용접이음부를 나타낸다.
도 2는 4.9 kJ/mm의 입열로 서브머지드 아크용접을 수행한 선행용접패스를 재가열하지 않은 상태에서 열영향부(HAZ) 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 3은 7.9 kJ/mm의 입열로 서브머지드 아크용접을 수행한 선행용접패스를 재가열하지 않은 상태에서 열영향부(HAZ) 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 7.5 kJ/mm의 입열로 서브머지드 아크용접(SAW)을 수행한 최종용접패스의 열영향부 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 5는 1 kJ/mm의 입열로 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 수행한 최종용접패스의 열영향부 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이며, 여기서 제시한 것으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략할 수 있고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다층 용접방법에 의한 용접이음부를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 두꺼운 제1강재(1)와 제2강재(2)를 연결하는 용접이음부(10)는 복수회의 선행용접패스(11a~11f)와, 강재의 표면 쪽에서 선행용접패스(11d~11f)를 덮는 최종용접패스(12a~12c)를 포함하는 다층 용접방법에 의해 형성된다.

여기서는 복수회의 선행용접패스(11a~11f)와 복수회의 최종용접패스(12a~12c)를 포함하는 다층 용접을 예로써 제시하고 있지만, 본 발명이 적용되는 다층 용접의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 선행용접패스가 1회의 용접패스일 수도 있고, 최종용접패스도 1회의 용접패스일 수 있다. 즉 선행용접패스와 최종용접패스는 각각 적어도 1회의 용접패스일 수 있다.

선행용접패스들(11a~11f)은 상대적으로 입열이 높은 대입열 용접을 수행한다. 선행용접패스들(11a~11f)은 서브머지드 아크 용접(SAW: Submerged Arc Welding) 방식에 의해 3.5 ~ 7.5 kJ/mm 범위의 높은 입열로 용접을 수행할 수 있다. 여기서는 대입열 용접의 일 예로 서브머지드 아크 용접을 제시하였으나, 대입열 용접의 예가 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 대입열 용접을 수행하면, 용접패스 수를 감소시킬 수 있고 용접시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.

선행용접패스들(11a~11f)은 높은 입열에 의해 열영향부(HAZ)의 금속조직이 조대화될 수 있으나, 선행하는 용접패스가 후속되는 용접패스에 의해 재차 가열되면서 결정립이 세립화되기 때문에 높은 인성을 유지할 수 있다.

표면 쪽의 최종용접패스(12a~12c)는 후열의 영향을 받을 수 없다. 따라서 선행용접패스들(11a~11f)보다 입열이 낮은 저입열 용접을 수행한다. 본 실시 예에서 최종용접패스(12a~12c)는 플럭스 코어드 아크용접(FCAW: Flux Cored Arc Welding)방식에 의해 0.5 ~ 2 kJ/mm 범위의 상대적으로 낮은 입열로 용접을 수행할 수 있다. 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)의 경우, 와이어(Wire) 직경이 작아 서브머지드 아크 용접(SAW)에 비해 낮은 입열 범위로 용접을 수행할 수 있다.

최종용접패스(12a~12c)에서 이처럼 저입열 용접을 수행하면, 최종용접패스 열영향부(13) 내 결정립 성장 및 저온조직의 분율이 감소한다. 따라서 후열의 영향을 받을 수 없는 최종용접패스임에도 조직의 결정립이 미세화 되어 저온인성이 현저히 향상될 수 있다.

아래에서는 본 실시 예의 선행용접패스(11a~11f) 입열을 3.5 ~ 7.5 kJ/mm 범위로 하고, 최종용접패스(12a~12c)의 입열을 0.5 ~ 2 kJ/mm 범위로 하는 이유에 대하여 설명한다.

[선행용접패스의 입열범위]

일반 산업현장에서는 서브머지드 아크용접(SAW)을 수행하면서 입열을 3.5 kJ/mm이하로 하는 경우도 많지만, 이럴 경우 용접생산성을 높이는데 한계가 있다. 따라서 선행용접패스(11a~11f)에서 용접생산성을 높이기 위해서는 입열을 3.5 kJ/mm이상으로 하는 것이 좋다.

용접 생산성만을 고려한다면 선행용접패스(11a~11f)의 입열을 높이는 것이 가능하지만, 그럴 경우 열영향부의 결정립이 매우 조대해져 저온충격인성이 낮아질 수 있기 때문에 선행용접패스(11a~11f)의 입열을 과도하게 높이는 것은 바람직하지 않다.

	Process	전류 (A)	전압 (V)	속도 (cm/min)	입열량 (kJ/mm)	HAZ 미세조직	Bainite 분율 (%)	결정립 평균 크기 (㎛)	비ㅇ커스경도 (hv)	충격인성 @ -60 oC (J)
비교예1	SAW	780	34	20	7.95	Bainite/Ferrite	90	44	198	87
실시예1	SAW	760	33	20	7.50	Bainite/Ferrite	79	37	189	198
실시예2	SAW	620	34	26	4.87	Bainite	67	22	175	128

표 1은 서브머지드 아크용접(SAW) 방식의 선행용접패스 입열변화에 따른 용접이음부(10)의 물성을 비교한 시험결과를 나타낸다. 또 위 결과는 후행용접패스에 의해 재가열이 되지 않은 선행용접패스를 대상으로 한 실험결과다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 용접 입열이 7.50 kJ/mm인 실시 예1의 경우는 열영향부(HAZ) 내 결정립 평균크기가 37㎛이고, 미세조직의 베이나이트(Bainite) 분율이 79%이며, 저온충격인성 값이 190J 이상이다. 또 이 보다 낮은 4.87 kJ/mm의 입열로 용접한 실시 예2의 경우는 열영향부(HAZ) 내 결정립 평균크기가 22㎛로 조직이 미세하고, 미세조직의 베이나이트(Bainite) 분율도 상대적으로 더 낮은 67%다.

반면에, 실시 예1 및 2보다 입열이 큰 비교 예1의 경우는 7.95 kJ/mm의 입열에서 열영향부(HAZ) 결정립 평균크기가 40㎛ 이상으로 조직이 현저히 조대해지고, 다소 느린 냉각속도에도 불구하고 베이나이트(Bainite) 분율도 90%에 이르러 오히려 증가하였다. 이는 결정립 크기 증가에 따라 페라이트(Ferrite) 핵생성 사인트인 결정립계 면적감소에 기인한 것으로 보이며, 결과적으로 저온충격인성 값도 90 J 이하로 감소하였다.

도 2와 도 3은 서브머지드 아크용접을 수행한 선행용접패스를 재가열하지 않은 상태에서 열영향부(HAZ) 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진으로, 도 2는 입열이 4.9 kJ/mm 인 경우, 도 3은 입열이 7.9 kJ/mm인 경우를 나타낸다. 이처럼 선행용접패스의 열영향부(HAZ)는 상대적으로 용접 입열이 낮은 도 2의 경우 결정립 평균크기가 대략 22㎛인 반면에, 용접입열이 높은 도 3의 경우 결정립 평균크기가 40㎛ 이상으로 미세조직이 현저히 조대해짐을 확인할 수 있다.

결국, 실험결과들을 감안할 때 선행용접패스(11a~11f)의 입열은 3.5 ~7.5 kJ/mm의 범위에서 설정하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.

[최종용접패스의 입열범위]

본 실시 예와 같은 다층 용접에서 최종용접패스(12a~12c)의 물성은 열영향부(HAZ) 내 결정립의 평균 크기가 17㎛ 이하이고, 열영향부(HAZ) 미세조직이 페라이트(Ferrite)/ 퍼얼라이트(Pearlite)/ 베이나이트(Bainite)로 한정되되 베이나이트의 분율이 전체의 15% 이하로 형성됨이 바람직하다. 또 열영향부(HAZ)의 비커스 경도(Vicker’s hardness) 값이 180hv 이하이고, 저온충격인성(-160℃)이 150J 이상이어야 한다.

	Process	전류 (A)	전압 (V)	속도 (cm/min)	입열량 (kJ/mm)	HAZ미세조직	Bainite 분율 (%)	Ferrite 결정립 평균크기 (㎛)	비커스경도 (hv)	충격인성 @ -60 oC (J)
비교예1	SAW	760	33	20	7.52	Bainite/Ferrite	90	-	195	44
비교예2	SAW	620	34	26	4.87	Bainite/Ferrite	93	-	204	38
비교예3	SAW	650	33	37	3.48	Bainite	99	-	210	29
비교예4	FCAW	360	35	34	2.22	Ferrite/Bainite	36	21	183	68
실시예1	FCAW	300	35	35	1.80	Ferrite/Bainite	<10	16	172	181
실시예1	FCAW	240	28	40	1.00	Ferrite/Pearlite	<5	13	160	208

표 2는 최종용접패스 입열변화에 따른 용접이음부(10)의 물성을 비교한 시험결과를 나타낸다. 비교예1 내지 3은 최종용접패스에서 상대적으로 높은 입열로 서브머지드 아크용접(SAW)을 수행한 경우 물성을 나타내고, 비교예4와 실시예1 및 2는 최종용접패스에서 상대적으로 낮은 입열로 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 수행한 경우 물성을 나타낸다.

표 2에서 최종용접패스(12a~12c)의 입열을 2.2 kJ/mm 이상으로 한 비교 예1 내지 4는 열영향부(HAZ) 미세조직 내 베이나이트 분율이 35% 이상이고, 결정립의 평균크기가 20 ㎛ 이상이며, 비커스 경도 값이 180 hv 이상으로 증가해 결과적으로 저온충격인성 값이 70J 이하인 것으로 나타나, 모두 최종용접패스에서 요구되는 물성을 만족하지 못하였다.

그러나 최종용접패스에서 2.0 kJ/mm 이하의 입열로 플럭스 코어드 아크용접을 수행한 실시예1과 실시예2는 열영향부(HAZ) 미세조직 내 베이나이트 분율이 15% 이하이고, 결정립의 평균크기가 17 ㎛ 이하이고, 비커스 경도 값이 180 hv 이하이고, 저온충격인성 값이 150J 이상인 것으로 나타나, 모두 최종용접패스에서 요구되는 물성을 만족하였다.

한편, 표 2에 나타내지는 않았지만, 최종용접패스의 입열을 0.5 kJ/mm 이하로 할 경우에는 낮은 입열에 기인한 냉각속도의 증가로 인해 저온균열의 발생 위험이 증가하였다.

도 4는 7.5 kJ/mm의 입열로 서브머지드 아크용접(SAW)을 수행한 최종용접패스(12a~12c)의 열영향부(13) 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진으로, 결정립이 조대하고 저온변태 조직인 상부 베이나이트(Upper bainite)가 형성된 상태를 확인할 수 있다.

도 5는 1 kJ/mm의 입열로 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 수행한 최종용접패스(12a~12c)의 열영향부(13) 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진으로, 결정립의 평균크기가 13 ㎛ 이하로 미세한 페라이트(Ferrite)/ 퍼얼라이트(Pearlite) 조직이 형성된 상태를 확인할 수 있다

실험결과들을 감안할 때 최종용접패스(12a~12c)는 상대적으로 입열이 낮은 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 수행하되, 입열범위를 0.5 ~ 2 kJ/mm 로 설정하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.

10: 용접이음부, 11a~11f: 선행용접패스,
12a~12c: 최종용접패스.

Claims (6)

1. 적어도 1회의 선행용접패스와 상기 선행용접패스와 직접 접촉되어 상기 선행용접패스를 덮되 후열의 영향을 받을 수 없는 최종용접패스를 포함하며,
   상기 선행용접패스는 대입열 용접을 하고,
   상기 최종용접패스는 상기 선행용접패스보다 입열이 낮은 저입열 용접을 하는 다층 용접방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 선행용접패스는 3.5 ~ 7.5 kJ/mm 범위의 입열로 용접을 하고,
   상기 최종용접패스는 0.5 ~ 2 kJ/mm 범위의 입열로 용접을 하는 다층 용접방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 선행용접패스는 서브머지드 아크용접(SAW: Submerged Arc Welding)을 수행하고,
   상기 최종용접패스는 플럭스 코어드 아크용접(FCAW: Flux Cored Arc Welding)을 수행하는 다층 용접방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 최종용접패스는 열영향부의 결정립 평균 크기가 17㎛ 이하가 되도록 하는 다층 용접방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 최종용접패스는 열영향부의 미세조직 베이나이트(Bainite) 분율이 15% 이하가 되도록 하는 다층 용접방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 최종용접패스는 열영향부의 비이커스 경도 값이 180 hv 이하가 되도록 하는 다층 용접방법.
   

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