KR101647214B1 - 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 균열이 저감된 용접강관의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용접과정에 응고 수축 또는 열수축에 의해 용접부에 과다한 인장응력이 작용하여 고온 크랙이 발생하는 것을 방지하는 용접 방법을 적용하여 용접된 강관을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 용접방법은 용접될 강관을 준비하는 단계; 적어도 상기 강관의 용접부 및 용접 열영향부를 50~300℃의 온도 범위로 하기 수학식 1로 규정되는 유지시간(tp) 동안 예열하는 단계; 및 상기 강관을 용접하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
0.7(D×t)/(Ts+200) ≤ tp ≤ (D×t)/(Ts+200)

Description

고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR WELDED STEEL PIPE HAVING REDUCED HOT CRACK}

본 발명은 고온 균열이 저감된 용접강관의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용접과정에 응고 수축 또는 열수축에 의해 용접부에 과다한 인장응력이 작용하여 고온 크랙이 발생하는 것을 방지하는 용접 방법을 적용하여 용접된 강관을 제조하는 방법에 관한 것이다.

근래, 강재의 고강도 및 고인성화, 비자성화 등에 대한 요구가 높아짐에 따라 오스테나이트 강재에 대한 용처가 넓어지고 있다. 이러한 오스테나이트 강재는 판재나 후물재 등의 형태로 그대로 사용되기도 하지만, 용도에 맞추어 강관 형태로 조관되어 사용하는 경우도 많다.

강관 형태로 조관되는 경우 심리스 강관을 제외하고는 판재를 둥글게 말아서 원형의 단면을 갖추게 한 후, 판재와 판재 사이를 맞대기 용접하여 강관을 얻는 방법을 사용하는 것이 일반적이다. 그런데, 평면의 판재를 원형으로 조관하는 조관작업의 특성상 강관의 내면 부위에는 압축응력이 작용하고 강관의 외면에는 인장응력이 작용하게 된다.

이러한 상태에서, 강판의 단부와 단부가 맞닿아 용접되는 심(seam)부는 모재 또는 용접재료가 용해된 후 응고되는 과정을 통하여 형성되는 것인데, 특히 오스테나이트 강재와 같이 응고 수축률이 높은 강재는 응고 및 냉각과정에서 용접부가 과다하게 수축되며 그 결과 용접부에 강한 인장응력이 생성되게 된다. 이러한 강한 인장응력은 강관의 외면에서 기존에 존재하던 잔류응력과 결합하여 용접부에 고온 크랙을 유발하게 된다.

본 발명의 한가지 측면에 따르면, 용접하여 강관을 제조할 때 용접부에 고온 크랙이 형성되는 것을 방지할 수 있는 신규한 용접 강관의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 발명 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 용접방법은 용접될 강관을 준비하는 단계; 적어도 상기 강관의 용접부 및 용접 열영향부를 50~300℃의 온도 범위로 하기 수학식 1로 규정되는 유지시간(tp) 동안 예열하는 단계; 및 상기 강관을 용접하는 단계를 포함할 수 있다.

[수학식 1]

0.7(D×t)/(Ts+200) ≤ tp ≤ (D×t)/(Ts+200)

이때, 상기 강관의 용접부는 응고 수축률이 4% 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 한가지 측면에 따르면 상기 강관은 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 SUS 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있다.

또한, 본 발명의 또한가지 측면에 따르면 상기 강관을 용접하는 단계는 용접 재료를 사용하여 이루어지며, 상기 용접 재료의 응고 수축률이 4% 이상일 수 있다.

또한, 상기 응고 수축률이 4% 이상인 용접 재료는 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 SUS 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있다.

그리고, 상기 강관의 용접부 및 용접 열영향부를 예열하는 온도는 50~200℃것이 보다 유리하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 용접방법은 응고 수축률이 높은 강재를 이용하여 강관을 심 용접할 때, 용접부를 적절한 방법으로서 예열함으로써 응고과정에 용접부에 잔류 응력이 작용하는 것을 최소화 할 수 있어, 고온 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1은 강관의 내면과 외면에 다층 용접을 실시하였을 때, 심부에 각 용접층이 형성된 것을 나타낸 모식도이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1에 강관 용접시 형성되는 용접부(심부)의 예시적인 형상을 나타내었다. 반드시 이러한 순서로 한정되는 것은 아니나, 우선 내면 초층 용접을 실시하여 내면 초층 비드(11)을 형성한 후, 내면 2층(12) 용접을 실시한다. 필요에 따라 내면 3층 이상의 용접을 실시할 수도 있다. 이후, 외면 초층(21) 용접, 외면 2층(22) 용접, 외면 3층(23) 용접의 순서로 외면용접을 실시한다. 경우에 따라서는, 외면 용접 전에 외면 가우징 처리를 실시할 수도 있으며, 층수는 도시된 것보다 많거나 적을 수 있다. 또한, 외면 용접보다 반드시 내면 용접이 먼저 실시되어야 하는 것은 아니며, 아주 특별한 경우에는 외면과 내면 용접을 교대로 실시할 수도 있다.

본 발명의 한가지 측면에서는 고온 크랙이 발생되기 쉬운 층의 용접 전에 용접부를 예열하는 과정을 통하여 과도한 인장응력이 용접부에 작용하는 것을 방지하는 방안을 채용한다. 즉, 국부적으로 용접되는 부위만 가열될 경우에는 용접부의 열용량이 작아 가열 후 응고 및 냉각되는 속도가 빠르게 되고, 수축으로 인한 잔류응력이 작용하는 부위도 좁은 영역에 국한되게 되는데, 이로 인하여 용접부에 부하가 집중되어 고온 크랙이 발생하기 쉽게 된다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 용접부 주위를 넓게 가열할 경우에는 응고시 응력이 작용하는 부위가 넓어질 뿐만 아니라, 응고 및 냉각이 느리게 진행되어 잔류 인장응력의 해소가 용이하므로 고온 크랙 발생 방지가 용이하다는 것에 착안하여 본 발명에 이르게 되었다.

종래에는 용접부를 가열하면 용접 후 용접부가 냉각되는 속도가 너무 느려서 용접부 내에 편석이 발생하는 등의 문제가 심화되기 때문에 바람직하지 않다고 생각되는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 이러한 종래의 편견을 극복하고 고온 크랙의 발생을 방지하기 위해서는 오히려 용접부 및 그 주위를 예열하는 것이 유리하다는 본 발명 특유의 기술적 사상에 도달하게 된 것이다.

용접부의 응고 및 냉각은 응고 수축률이 낮은 강재에서는 특별히 문제가 되지 않으나, 오스테나이트 강재와 같이 응고 수축률이 4% 이상인 강재에서는 문제가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 한가지 측면은 용접부 또는 용접 재료의 응고 수축률이 4% 이상인 강재에 대하여 유리하게 적용될 수 있다. 또한, 응고 수축률이 4% 이상이면 어떠한 재료라도 적용할 수 있으며, 그 종류를 특별히 제한하지는 않는다. 다만, 본 발명의 한가지 구현례에서는 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강, SUS 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강 등이 사용될 수 있다. 이들은 용접 재료의 형태로 용접시 용해되어 용접부를 형성할 수 있으며, 모재(강관)가 용해되어 용접부를 형성할 수도 있다. 응고 수축률이 높을수록 본 발명의 적용 필요성이 높아지는 것이므로, 응고 수축률의 상한을 특별히 제한하지 않는다. 다만, 현재 시판되는 강재는 통상 응고 수축률이 10% 이하의 범위에서 결정되고 있으나, 반드시 이로 제한하는 것은 아니다.

또한, 입열량이 작은 소입열 용접의 경우에는 용해되어 형성되는 용접부도 크지 않으며, 따라서 작용하는 인장응력도 크지 않을 것이므로, 본 발명은 1kJ/mm 이상의 입열량에서 보다 효과적일 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용되는 입열량이라면 입열량의 상한은 특별히 정하지 않는다. 다만, 통상적인 용접 작업에서 입열량이 5kJ/mm을 초과하면 고온 균열이 발생되는 경우가 가끔 있으므로, 굳이 정한다면 입열량의 상한을 5kJ/mm로 정할 수도 있다.

본 발명에서는 상기 용접부(아직, 용접되지 않은 부위로서 향후 용접부를 형성할 부위까지 포함하는 의미이다)와 향후 용접시 용접 열영향부(HAZ)로 될 영역(용접 열영향부는 용접 후에 형성되는 부위나, 이와 같이 용접시 향후 용접 열영향부로 될 영역도 이하에서는 단순히 용접 열영향부로 부르기로 한다)을 포함하는 영역을 일정한 온도 범위로 일정 범위의 시간동안 가열한다. 용접부와 용접 열영향부를 포함하는 부위를 가열하기만 한다면 다른 부위에 대해서는 특별히 가열 여부를 제한하지는 않으나, 본 발명의 한가지 측면에서는 조업의 효율성을 위하여 강관 전체(아직 용접되지 않은 상태의 강관을 포함하는 개념)를 가열하는 방법을 이용할 수도 있다.

가열에 의하여 잔류 인장 응력을 완화시키는 효과를 충분히 얻기 위해서는 상기 용접부와 용접 열영향부의 가열 온도는 50℃ 이상으로 하는 것이 유리하다. 그 이하의 온도에서는 효과가 불충분할 수도 있다. 다만, 용접부의 가열온도를 300℃ 초과로 높이더라도 더 이상의 개선 효과는 확인되지 않으며, 오히려 용접부의 냉각속도가 너무 느리게 되어 편석에 의한 문제가 새로이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 용접전 예열 온도(Ts)는 소재의 표면부를 기준으로 50~300℃의 범위로 제한한다. 한가지 구현례에 따르면 상기 용접전 예열 온도(Ts)는 50~200℃의 범위를 가질 수 있다. 본 발명에서 예열 온도는 용접선(강판의 두 단면의 맞댐 부위)의 표면부(강관의 외표면측)의 온도를 기준으로 한다.

또한, 상기 예열은 충분한 시간동안 이루어져야 전체 두께에 걸쳐서 모재(강관)이 충분히 예열될 수 있는데, 본 발명자의 연구결과에 따르면 상기 충분히 예열하는데 필요한 시간(tp)은 강관의 직경과 강관의 두께에 따라 달라지게 되며, 구체적으로는 0.7(D×t)/(Ts+200) 이상으로 할 필요가 있다. 여기서, D는 강관의 직경(외경, mm)을 t는 강관의 두께(mm), Ts는 예열 온도(℃)를 의미한다. 상술한 최소 유지시간 이상 예열하기만 한다면 본 발명의 효과가 달성되는 것이므로, 상한을 특별하게 제한할 필요는 없으나, 유지 시간(tp)이 (D×t)/(Ts+200)에 도달하면 더이상 효과 상승을 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 예열에 필요한 에너지 원단위 등이 상승하여 경제적으로 유리하지 못하다. 따라서, 유지시간(tp)는 다음의 관계를 가진다.

[수학식 1]

0.7(D×t)/(Ts+200) ≤ tp ≤ (D×t)/(Ts+200)

또한, 본 발명에서 예열하는 단계는 내면 및 외면 용접 중 어떠한 단계 이전에 이루어져도 무방하나, 외면에 강관의 잔류 인장응력이 크게 작용한다는 점에서 외면 용접 직전에 실시되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 외면 용접이 다층 용접으로 실시될 경우에는 상기 다층 용접 중 초층 용접 직전에 실시되는 것이 보다 유리하다. 그보다 외층의 용접시에는 직전 용접에 의한 잔열로 인하여 예열에 의한 효과를 어느 정도까지는 얻을 수 있기 때문이나, 그렇다고 하여 다른 층의 용접을 배제하는 것은 아니다.

또한, 예열 후 예열된 부위의 온도 감소가 있을 수 있으므로 가급적 빨리 용접을 실시하는 것이 바람직한데, 본 발명의 한가지 측면에 따르면 용접은 예열시 가장 온도가 높은 부위의 온도가 20% 이상 또는 15% 이상, 바람직하게는 10% 이상 냉각되기 전에 실시할 수 있다. 예열 부위의 냉각 정도가 과다하면 예열에 의한 잔류 인장응력의 감소 효과를 충분히 거두기 어렵다. 이와 같은 조건을 충족하기 위하여 본 발명의 한가지 측면에서는 예열 직후 용접을 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일측면은 용접될 강관을 준비하는 단계; 적어도 상기 강관의 용접부 및 용접 열영향부를 50~300℃의 온도 범위로 상기 수학식 1로 규정되는 유지시간(tp) 동안 예열하는 단계; 및 상기 강관을 용접하는 단계를 포함하는 용접 강관의 제조방법을 제공한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 일측면을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

하기 표 1에 기재된 조성을 가지는 강판과 용접재료를 준비하였다. 강판을 강관 형상으로 가공하였으며, 강관의 심부에 대하여 내면에 2층으로 용접을 실시하였다. 표 1에 기재된 각 원소의 함량은 중량%를 기준으로 나타낸 것이다. 강판과 용접재료는 모두 100% 오스테나이트 단상조직을 나타내고 있었으며, 응고 수축률이 모두 약 5% 수준이었다. 이후, 강판의 용접될 부위와 용접 열영향부를 형성할 부위를 포함한 전체 강판을 하기 표 2에 기재된 예열 조건으로 예열 한 후, 지체없이 표 3에 기재된 용접 조건으로 외면 초층 용접을 실시하였다. 표 3에 용접의 결과 전체 용접 길이 대비 고온 균열이 발생한 부위의 길이의 비율을 백분율로 나타낸 고온균열발생율을 함께 나타내었다. 하기 표 2에서 비교예9는 예열 없이 상온에서 유지한 것을 의미한다.

구분	C	Si	Mn	P	S	S.Al	N
강판	1.17	0.08	17.5	0.023	0.0019	0.0019	0.0088
용접재료 (전용착금속)	0.43	0.56	18.1	0.019	0.0081	-	-

구분	파이프 직경 (mm)	파이프 두께 (mm)	예열온도 (℃)	예열시간 (분)	0.7(D×t)/(Ts+200)	(D×t)/(Ts+200)
발명예1	762	20	60	50	41.0	58.6
발명예2	762	20	120	35	33.3	47.6
발명예3	762	20	185	35	27.7	39.6
발명예4	609	20	200	25	21.3	30.5
발명예5	609	20	150	25	24.4	34.8
발명예6	609	20	70	44	31.6	45.1
발명예7	508	15	65	25	20.1	28.8
발명예8	508	15	100	20	17.8	25.4
발명예9	508	15	195	15	13.5	19.3
발명예10	508	10	52	20	14.1	20.2
발명예11	508	10	110	15	11.5	16.4
비교예1	762	20	40	50	44.5	63.5
비교예2	762	20	35	100	45.4	64.9
비교예3	762	20	33	60	45.8	65.4
비교예4	609	20	150	15	24.4	34.8
비교예5	609	20	145	20	24.7	35.3
비교예6	609	20	137	100	25.3	36.1
비교예7	508	15	40	20	22.2	31.8
비교예8	508	15	150	12	15.2	21.8
비교예9	508	15	23	0	23.9	34.2

구분	용접전류 (A)	용접전압 (V)	용접속도 (mm/min)	입열량 (kJ/mm)	고온균열발생율 (%)
발명예1	520	30	450	2.08	1
발명예2	520	30	750	1.248	0
발명예3	520	30	800	1.17	0
발명예4	520	30	500	1.872	0
발명예5	520	30	500	1.872	1
발명예6	520	30	600	1.56	0
발명예7	520	30	600	1.56	2
발명예8	520	30	600	1.56	0
발명예9	520	30	500	1.872	0
발명예10	520	30	500	1.872	0
발명예11	520	30	500	1.872	0
비교예1	520	30	450	2.08	25
비교예2	520	30	750	1.248	23
비교예3	520	30	800	1.17	28
비교예4	520	30	500	1.872	27
비교예5	520	30	500	1.872	35
비교예6	520	30	600	1.56	2
비교예7	520	30	600	1.56	6
비교예8	520	30	600	1.56	8
비교예9	520	30	500	1.872	9

상술한 바와 같이 발명예1 내지 발명예11은 이 사건 발명에서 규정하는 조건을 모두 충족하는 것으로서, 고온균열이 발생한 부위가 전체 용접된 길이 대비 2% 이하에 불과하여 아주 양호한 결과를 나타내었다.

그러나, 비교예1 내지 비교예3은 예열온도가 50℃ 미만으로서 충분한 예열이 이루어지지 못하였으며, 그 결과 고온균열 감소효과도 충분하지 못하였다. 비교예4와 비교예5는 예열시간이 비교적 짧았던 경우로서, 고온균열이 다량 발생한 것을 확인할 수 있었다. 비교예6은 예열시간이 본 발명에서 규정하는 경우보다 긴 경우이나, 고온균열 발생율은 2% 수준으로서 예열시간이 길어진다고 하여 본 발명에 비하여 특별히 우수한 효과가 발생하는 것이 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 비교예7은 예열온도와 예열시간이 본 발명에서 규정하는 정도에 미치지 못한 경우로서, 약 6%정도 고온균열이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예8과 비교예9는 예열 시간이 매우 짧거나, 상온에서 예열하지 않고 방치한 경우인데, 각각 8%와 9%의 고온균열 발생율을 나타내고 있었다.

따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

11: 내면 초층 비드
12: 내면 2층 비드
13: 내면 3층 비드
21: 외면 초층 비드
22: 외면 2층 비드
33: 외면 3층 비드

Claims (6)

1. 용접될 강관을 준비하는 단계;
   적어도 상기 강관의 용접부 및 용접 열영향부를 50~300℃의 온도 범위로 하기 수학식 1로 규정되는 유지시간(tp) 동안 예열하는 단계; 및
   상기 강관을 1kJ/mm 이상의 입열량으로 용접하는 단계를 포함하는 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
   [수학식 1]
   0.7(D×t)/(Ts+200) ≤ tp ≤ (D×t)/(Ts+200)
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강관의 용접부는 응고 수축률이 4% 이상인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 강관은 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 SUS 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 강관을 용접하는 단계는 용접 재료를 사용하여 이루어지며, 상기 용접 재료의 응고 수축률이 4% 이상인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 용접 재료는 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 SUS 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강관의 용접부 및 용접 열영향부를 예열하는 온도는 50~200℃인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
   

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