KR102090914B1 - 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체 - Google Patents

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Abstract

판 두께 50㎜이상의 피접합 부재의 표면에, 판 두께 td와 판 폭 Wd의 비 td/Wd가 2미만의 보강 부재를 중첩해서 필릿 용접에 의해 접합하고, 또한 필릿 용접한 보강 부재 표면에 접합 부재를 용접에 의해 접합하여, 용접 구조체로 한다. 보강 부재의 표면과 피접합 부재의 표면을 중첩한 면에, 이음매 단면에서 보강 부재의 판 폭 Wd의 95%이상의 미용착부를 형성한다. 그리고, 필릿 용접 조건을 조정하여, 필릿 용접 금속의 파면 천이 온도 vTrs(℃)가 필릿 다리 길이 L에 따라, 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서, L≥20㎜의 경우, vTrs≤-5L+65-1.5(tf-75)…(1b), L<20㎜의 경우, vTrs≤-35-1.5(tf-75)…(1c)를 만족시키도록, 필릿 용접 금속의 인성을 조정한다. 이것에 의해, 피접합 부재 혹은 접합 부재로부터 발생한 취성 균열의 전파를 필릿 용접 금속부에서 저지할 수 있게 되고, 선체 구조용으로서 바람직한 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체를 제공할 수 있다.

Description

취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체{WELDED STRUCTURE HAVING EXCELLENT BRITTLE CRACK ARRESTABILITY}
본 발명은 예를 들면, 대형 컨테이너선이나 벌크 캐리어 등의 후강판을 이용하여 용접 시공된 용접강 구조물에 관한 것으로서, 특히 후강판 모재 혹은 용접 이음매부로부터 발생한 취성 균열의 전파를, 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 달리, 선창내에 칸막이벽이 적고, 선상부의 개구부를 크게 취한 구조를 갖고 있다. 그 때문에, 컨테이너선이나 벌크 캐리어에서는 특히 선체 바깥판을 고강도화 또는 후육화할 필요가 있다.
또, 컨테이너선은 근래, 대형화되고, 6,000∼22,000TEU와 같은 대형선이 건조되도록 되어 오고 있다. 여기에, TEU(Twenty feet Equivalent Unit)는 길이 20피트의 컨테이너로 환산한 개수를 나타내며, 컨테이너선의 적재 능력의 지표를 나타내고 있다. 이러한 배의 대형화에 수반하여 선체 바깥판은 판 두께:50㎜이상이고, 항복 강도:390N/㎜2급 이상의 후강판이 사용되는 경향에 있다.
선체 바깥판으로 되는 강판은 근래, 시공 기간의 단축이라고 하는 관점에서, 예를 들면 일렉트로 가스 아크 용접 등의 대입열 용접에 의해 맞대기 용접되는 경우가 많아지고 있다. 이러한 대입열 용접에서는 용접 열 영향부에 있어서 대폭적인 인성 저하가 발생하기 쉽고, 용접 이음매부로부터의 취성 균열 발생의 하나의 원인으로 되고 있었다.
선체 구조에 있어서는 종래부터 안전성이라고 하는 관점에서, 만일, 취성 파괴가 발생한 경우에도, 취성 균열의 전파를 대규모 파괴에 이르기 전에 정지시키고, 선체 분리를 방지하는 것이 필요하다고 되고 있다.
이러한 생각을 받아, 비특허문헌 1에, 판 두께 50㎜미만의 조선용 강판에 있어서의 용접부의 취성 균열 전파 거동에 대한 실험적인 검토 결과가 보고되고 있다.
이 비특허문헌 1에서는 용접부에서 강제적으로 발생시킨 취성 균열의 전파 경로, 전파 거동을 실험적으로 조사하고, 용접부의 파괴 인성이 어느 정도 확보되어 있으면, 용접 잔류 응력의 영향에 의해 취성 균열은 용접부에서 모재측으로 일탈해 버리는 경우가 많다는 결과가 기재되어 있지만, 용접부를 따라 취성 균열이 전파한 예도 복수예 확인되고 있다. 이것은 취성 파괴가 용접부를 따라 직진 전파할 가능성이 없다고는 단언할 수 없는 것을 시사하고 있다.
그러나, 비특허문헌 1에서 적용한 용접과 동등한 용접을 판 두께 50㎜미만의 강판에 적용하여 건조된 선박이 조금도 문제없이 취항하고 있다고 하는 많은 실적이 있는 것에 부가하여, 인성이 양호한 강판 모재(조선 E급강 등)는 취성 균열을 정지시키는 능력을 충분히 유지하고 있다는 인식으로부터, 특히, 조선용 강재의 용접부의 취성 균열 전파 정지 특성은 선급 규칙 등에는 요구되어 오지 않았다.
그러나, 근래의 6,000TEU를 넘는 대형 컨테이너선에서는 사용하는 강판의 판 두께는 50㎜를 넘고, 판 두께 증대에 의한 파괴 인성의 저하에 부가하여, 용접 입열이 더욱 큰 대입열 용접이 채용되어 왔기 때문에, 용접부의 파괴 인성이 한층 저하하는 경향에 있다. 이러한 후육 대입열 용접 이음매에서는 용접부로부터 발생한 취성 균열이 모재측으로 휘지 않고 직진하고, 또 골재 등의 강판 모재부에서도 정지하지 않을 가능성이 있는 것이 나타나 있다(예를 들면 비특허문헌 2). 이 때문에, 판 두께 50㎜이상의 후육 고강도 강판을 적용한 선체 구조에서는 그 안전성 확보가 큰 문제로 되어 있다.
또, 비특허문헌 2에는 특히 발생한 취성 균열의 전파 정지를 위해, 특별한 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 후강판을 필요로 한다는 지적도 있다.
이러한 문제에 대해, 예를 들면 특허문헌 1에는 바람직하게는 판 두께 50㎜이상의 선각 바깥판인 용접 구조체에 있어서, 맞대기 용접부에 교차하도록 골재를 배치하고, 필릿 용접으로 접합한 용접 구조체가 기재되어 있다.
이 특허문헌 1에 기재된 기술에서는 골재(보강재)로서, 표층부 및 이층부에서 3㎜이상의 두께에 걸쳐 0.5∼5㎛의 평균 원 상당 입경을 갖고 또한 판 두께면에 평행한 면에서 (100)결정면의 X선면 강도비가 1.5이상인 미크로 조직을 갖는 강판을 이용한다고 하고 있다. 이러한 미크로 조직을 갖는 강판을 보강재로 해서 필릿 용접한 구조로 하는 것에 의해, 맞대기 용접 이음매부에 취성 균열이 발생해도, 보강재인 골재에서 취성 파괴를 정지시킬 수 있어, 용접 구조체가 파괴하는 바와 같은 치명적인 손상을 방지할 수 있다고 하고 있다.
또, 특허문헌 2에는 접합 부재(웹)를 피접합 부재(플랜지)에 필릿 용접하여 이루어지는 필릿 용접 이음매를 구비하고, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체가 기재되어 있다.
이 특허문헌 2에 기재된 용접 구조체에서는 필릿 용접 이음매 단면에 있어서의 웹의, 플랜지와의 맞댐면에 미용착부를 잔존시키고, 그 미용착부의 폭과, 필릿 용접부의 좌우의 다리길이와 웹 판 두께의 합의 비, X가, 피접합 부재(플랜지)의 취성 균열 전파 정지 성능 Kca와 특별한 관계식을 만족시키도록, 미용착부의 폭을 조정한다. 이것에 의해, 피접합 부재(플랜지)로서 판 두께:50㎜이상의 후물재를 이용했다고 해도, 접합 부재(웹)에서 발생한 취성 균열의 전파를, 필릿 용접부의 웹과 플랜지의 맞댐면에서 정지시키고, 피접합 부재(플랜지)에의 취성 균열의 전파를 저지할 수 있다고 하고 있다.
또, 특허문헌 3∼5에도, 접합 부재(웹)를 피접합 부재(플랜지)에 필릿 용접하여 이루어지는 필릿 용접 이음매를 구비하고, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체가 기재되어 있다.
특허문헌 3에는 접합 부재의 단면을 판 두께 50㎜이상의 피접합 부재의 표면에 맞대고, 상기 접합 부재와 상기 피접합 부재를 필릿 용접에 의해 접합해서 이루어지는 용접 다리 길이 혹은 용착 폭의 적어도 한쪽이 16㎜이하의 필릿 용접 이음매를 구비한 용접 구조체로서, 필릿 용접 이음매에 있어서의 접합 부재의 단면과 피접합 부재의 표면을 맞댄 면에, 필릿 용접 이음매의 단면에서 해당 접합 부재의 판 두께 tw의 95%이상의 미용착부를 갖고, 또한 필릿 용접 이음매에 있어서의 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도 vTrs가 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서, vTrs≤-1.5tf+70을 및/또는 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험의 시험 온도: -20℃에 있어서의 흡수 에너지 vE-20(J)가 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서, vE-20≥2.75tf-105를 만족시키는 필릿 용접 금속을 갖는 용접 구조체가 기재되어 있다.
그리고, 이러한 용접 구조체이면, 피접합 부재에서 발생한 취성 균열을, 대규모의 파괴에 이르기 전에 필릿 용접 금속에서 전파 저지할 수 있다고 하고 있다.
또, 특허문헌 4에는 접합 부재의 단면을 판 두께 50㎜이상의 피접합 부재의 표면에 맞대고, 상기 접합 부재와 상기 피접합 부재를 필릿 용접에 의해 접합하여 이루어지는 용접 다리 길이 혹은 용착 폭의 적어도 한쪽이 16㎜이하의 필릿 용접 이음매를 구비한 용접 구조체로서, 필릿 용접 이음매에 있어서의 접합 부재의 단면과 피접합 부재의 표면을 맞댄 면에, 필릿 용접 이음매의 단면에서 해당 접합 부재의 판 두께 tw의 95%이상의 미용착부를 갖고, 또한 필릿 용접 이음매에 있어서의 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도 vTrs가 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서 vTrs(℃)≤-1.5tf+90을 및/또는 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험의 시험 온도: -20℃에 있어서의 흡수 에너지 vE-20(J)가 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서, 50≤tf(㎜)≤53의 경우에는 vE-20≥5.75, tf(㎜)>53의 경우에는 vE-20(J)≥2.75tf-140을 만족시키는 필릿 용접 금속을 갖고, 이에 부가하여 접합 부재를, 취성 균열 전파 정지 인성 Kca가 공용 온도에서 2500N/㎜2 / 3이상인 강판으로 구성하는 용접 구조체가 기재되어 있다.
그리고, 이러한 용접 구조체로 하는 것에 의해, 취성 균열은 필릿 용접부 또는 접합 부재의 모재에서 전파 정지할 수 있다고 하고 있다.
또, 특허문헌 5에는 접합 부재의 단면을 판 두께 50㎜이상의 피접합 부재의 표면에 맞대고, 상기 접합 부재와 상기 피접합 부재를 필릿 용접에 의해 접합해서 이루어지는 용접 다리 길이 혹은 용착 폭의 적어도 한쪽이 16㎜이하의 필릿 용접 이음매를 구비한 용접 구조체로서, 접합 부재 및 피접합 부재를 모두 맞대기 용접 이음매부를 갖는 부재로 하고, 맞대기 용접 이음매부의 용접 금속이 vTrs에서 -65℃이하, 및/또는 vE-20에서 140J이상의 인성을 갖고, 필릿 용접 이음매에 있어서의 접합 부재의 맞대기 용접 이음매부의 용접부 단면을, 피접합 부재의 맞대기 용접 이음매부의 용접부 표면에 맞대고, 맞댄 면에, 필릿 용접 이음매의 맞대기 용접 이음매 단면에서 해당 접합 부재의 판 두께 tw의 95%이상의 미용착부를 갖고, 또한 필릿 용접 이음매에 있어서의 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도 vTrs가, 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서, vTrs(℃)≤-1.5tf+90을 및/또는 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험의 시험 온도: -20℃에 있어서의 흡수 에너지 vE-20(J)가, 피접합 부재의 판 두께 tf와의 관계에서, 50≤tf(㎜)≤53의 경우에는 vE-20≥5.75, tf(㎜)>53의 경우에는 vE-20(J)≥2.75tf-140을 만족시키는 필릿 용접 금속을 갖는 용접 구조체가 기재되어 있다.
　그리고, 이러한 용접 구조체로 하는 것에 의해, 취성 균열은 필릿 용접부 또는 접합 부재의 모재에서 정지할 수 있다고 하고 있다.
또, 이러한 용접 구조체로 하는 것에 의해, 피접합 부재 용접부로부터 발생한 취성 균열, 또는 접합 부재 용접부로부터 발생한 취성 균열을, 필릿 용접부 혹은 접합 부재의 용접부 또는 피접합 부재의 용접부에서 전파 저지할 수 있다고 하고 있다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2004-232052호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제2007-326147호 특허문헌 3: 일본국 특허공보 제5395985호 특허문헌 4: 일본국 특허공보 제5365761호 특허문헌 5: 일본국 특허공보 제5408396호
비특허문헌 1:일본 조선 연구 협회 제147 연구부회:「선체용 고장력 강판 대입열 이음매의 취성 파괴 강도 평가에 관한 연구」 제87호(1978년 2월), p.35∼53, 일본 조선 연구 협회 비특허문헌 2: 야마구치 긴야 등:「초대형 컨테이너선의 개발-새로운 고강도 극후강판의 실용-」, 일본 선박 해양공학 회지, 제3호(2005), p.70∼76,평성 17년 11월 비특허문헌 3: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)
그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서 사용하는 보강재인 골재는 원하는 조직을 형성시킨 강판으로 하기 위해, 복잡한 공정을 필요로 하고, 생산성이 저하하며, 안정하게 원하는 조직을 갖는 강판을 확보하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다.
또, 특허문헌 2에 기재된 기술은 접합 부재(이하, 웹이라고도 함)에서 발생한 취성 균열을, 구조의 불연속성과, 피접합 부재(이하, 플랜지라고도 함)의 취성 균열 전파 정지 성능의 조합으로 저지하고자 하는 기술이다. 그러나, 비특허문헌 3에 나타나는 바와 같이, 일반적으로, 필릿 용접 이음매의 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열을 접합 부재(웹)에서 전파 정지시키는 것은 접합 부재(웹)에서 발생한 취성 균열을 피접합 부재(플랜지)에서 전파 정지시키는 것에 비해, 곤란한 것이 실험적으로 확인되고 있다.
그 이유는 명확하게는 해명되고 있지 않지만, 하나의 요인으로서 T이음매부에 균열이 돌입할 때의 파괴 구동력(응력 확대 계수)이 피접합 부재(플랜지)에 돌입하는 경우보다 접합 부재(웹)에 돌입하는 경우 쪽이 커지는 것이 생각된다.
이러한 것으로부터, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는 접합 부재(웹)의 취성 균열 전파 정지 특성 등이 불충분하기 때문에, 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열을 접합 부재(웹)에서 전파 정지시킬 수 있는 충분한 기술이라고는 할 수 없다. 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(hatch side coaming)(웹에 상당)으로 전파하는 바와 같은 케이스에 대해, 충분한 균열 전파 정지 특성을 갖고 있다고는 할 수 없다.
또한, 특허문헌 3∼5에 기재된 기술에서는 필릿 용접 다리 길이(혹은 용착 폭)를 16㎜이하로 제한할 필요가 있기 때문에, 필릿 용접부 강도 확보의 관점에서 접합 부재(웹) 및 피접합 부재(플랜지)의 적용 최대 판 두께는 80㎜가 한계이었다. 그러나, 최근의 대형 컨테이너선에서는 부재의 극후화가 더욱 진행하고, 판 두께 100㎜의 강재가 적용되고 있다. 이러한 80㎜를 넘는 후육 부재의 경우에는 특허문헌 3∼5에 기재된 기술을 적용하는 것이 거의 불가능하다는 문제가 있었다.
또, 부재의 판 두께가 80㎜미만의 경우에도, 현장에서의 실시공에 있어서는 필릿 용접부의 다리 길이의 편차가 크기 때문에, 필릿 용접부의 강도 확보(필릿 다리 길이 확보)와 취성 균열 저지 성능의 확보(필릿 다리 길이 16㎜이하로 제한)를 양립시키는 것은 현장에서의 시공 관리상 다대한 노력을 요하는 동시에, 손질 등 추가 코스트가 늘어난다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하고, 피접합 부재(플랜지)에 발생한 취성 균열의 접합 부재(웹)에의 전파, 및 접합 부재(웹)에 발생한 취성 균열의 피접합 부재(플랜지)에의 전파가 모두 대규모 파괴에 이르기 전에, 정지(저지)시킬 수 있는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기한 목적을 달성하기 위해, 취성 균열을 정지시키는 필릿 용접부의 시공에 있어서, 필릿 용접부의 다리 길이의 편차를 적게 하는 방책에 대해, 예의 검토하였다.
그 결과, 기본 용접 구조를 종래의 필릿 용접 구조로부터, 접합 부재와 피접합 부재의 사이에, 보강 부재를 배치한 보강 부재를 갖는 필릿 용접 구조로 하고, 취성 균열의 전파는 보강 부재와 피접합 부재의 필릿 용접 금속부에서 저지하는 것에 상도하였다. 이 필릿 용접 구조이면, 취성 균열을 정지시키는 필릿 용접부의 시공을 공장내에서 용접할 수 있다. 또, 이것에 의해, 필릿 용접부의 다리 길이의 편차를 소정의 범위내로 하는 것이 용이하게 되고, 현장에서의 실시공 코스트의 대폭적인 저감으로 이어지는 것을 지견하였다.
그리고, 이것에 의해, 시공 관리가 엄격한 현장에서 실행하는 접합 부재와 보강 부재의 접합은 접합 부재의 단면을 보강 부재의 표면에 맞대어, 시공 관리가 용이한 용접 조건(부분 용입, 완전 용입 등)으로 시공할 수 있게 되는 것을 지견하였다.
또, 본 발명자들은 또한 보강 부재를 갖는 필릿 용접 구조에 있어서의 취성 균열 전파 정지 특성에 미치는 각종 요인에 대해 예의 검토하였다.
그 결과, 피접합 부재(플랜지)로부터 발생한 취성 균열의 전파를 저지(정지)하기 위해서는 피접합 부재(플랜지)와 보강 부재의 중첩면에 불연속부를 확보하는 동시에, 피접합 부재(플랜지)의 판 두께 tf(㎜)가 커지면 취성 균열 선단의 에너지 해방율(균열 진전 구동력)이 증가하고, 취성 균열이 정지하기 어려워지는 것을 감안하여, 피접합 부재(플랜지)의 판 두께 tf(㎜)에 관련된 필릿 용접부의 인성 향상이 필수로 되는 것에 상도하였다.
그리고, 또한 필릿 용접부의 다리 길이 혹은 용착 폭이 길어지면, 취성 균열의 전파가 용이하게 되기 때문에, 필릿 용접 다리 길이(혹은 용착 폭)에 따라 필릿 용접 금속의 인성을 확보할 필요가 있는 것도 지견하였다.
한편, 접합 부재(웹)로부터 발생한 취성 균열의 전파의 저지(정지)에 대해서는 피접합 부재(플랜지)로부터 발생한 취성 균열의 전파의 저지(정지)보다 용이한 경우가 많지만, 보강 부재의 판 두께 td가 보강 부재의 판 폭 Wd에 대해 2배 이상으로 커지면, 접합 부재(웹)로부터 발생한 취성 균열의 전파의 저지(정지)쪽이, 피접합 부재(플랜지)로부터 발생한 취성 균열의 전파의 저지(정지)보다 엄격하게 되는 것도 지견하였다.
본 발명은 상기의 지견에 의거하여, 또한 검토를 가하여 완성된 것이다.
즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 접합 부재의 단면이, 보강 부재의 표면에 맞대기 용접 접합되고, 또한 상기 보강 부재가 판 두께 50㎜이상의 피접합 부재의 표면에 필릿 용접 접합된 필릿 용접 이음매를 구비하는 보강 부재를 갖는 필릿 용접 구조체로서, 상기 필릿 용접 이음매에 있어서의 상기 보강 부재의 표면과 상기 피접합 부재의 표면을 중첩한 면에, 상기 필릿 용접 이음매의 단면에서 보강 부재의 판 폭 Wd의 95%이상의 미용착부를 갖고, 또한 상기 보강 부재가, 판 두께 td와 판 폭 Wd의 비 td/Wd가 하기 (1a)식을 만족시키고, 또한 상기 필릿 용접 이음매의 필릿 용접 금속을, 해당 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도 vTrs(℃)가, 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭 L에 대응하여, 상기 피접합 부재의 판 두께 tf와 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭 L의 관계에서 하기 (1b)식 또는 하기 (1c)식을 만족시키는 필릿 용접 금속으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체:
td/Wd<2　　　　　　　　　　　　　…(1a)
L≥20㎜의 경우 vTrs≤-5L+65-1.5(tf-75)…(1b)
L<20㎜의 경우 vTrs≤-35-1.5(tf-75)…(1c)
여기서,
vTrs:필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도(℃),
tf:피접합 부재의 판 두께(㎜),
td:보강 부재의 판 두께(㎜),
Wd:보강 부재의 판 폭(㎜)
L:필릿 다리 길이 혹은 용착 폭(㎜).
(2) 상기 피접합 부재는 상기 접합 부재에 교차하는 방향에 맞대기 용접 이음매부를 갖는 상기 (1)에 기재된 용접 구조체.
(3) 상기 접합 부재가 맞대기 용접 이음매부를 갖고, 해당 접합 부재의 맞대기 용접 이음매부가 상기 피접합 부재의 맞대기 용접 이음매부와 교차하도록 해당 접합 부재를 배치해서 이루어지는 상기 (2)에 기재된 용접 구조체.
본 발명에 따르면, 종래 곤란하게 된 판 두께가 50㎜이상, 더 나아가서는 판 두께가 80㎜를 넘는 후강판으로 이루어지는 피접합 부재(플랜지)에 발생한 취성 균열의 접합 부재(웹)에의 전파, 및 접합 부재(웹)에 발생한 취성 균열의 피접합 부재(플랜지)에의 전파의 양쪽을, 대규모 파괴에 이르기 전에, 정지 내지 저지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 강 구조물 특히, 대형 컨테이너선이나 벌크 캐리어 등에 있어서의 선체 분리 등의 대규모의 취성 파괴의 위험성을 회피할 수 있고, 선체 구조의 안전성을 확보함에 있어서 큰 효과를 초래하며, 산업상 각별한 효과를 갖는다.
또, 본 발명에 따르면, 시공시에, 보강 부재의 치수 및 필릿 용접 금속의 인성을 조정하는 것에 의해, 특수한 강판을 사용하는 일 없이, 또 안전성을 해치는 일 없이, 용이하게, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체를 제조할 수 있다는 효과도 있다.
도 1은 필릿 용접 이음매의 단면 구성을 모식적으로 설명하는 설명도이다. (a)는 접합 부재(웹)(1)와 보강 부재(10) 및 피접합 부재(플랜지)(2)가 직교하고 있는 경우, (b)는 접합 부재(웹)(1)와 보강 부재(10) 및 피접합 부재(플랜지)(2)가 비스듬히 교차하고 있는 경우를 나타낸다.
도 2는 필릿 용접 이음매의 구성의 다른 일예를 모식적으로 나타내는 설명도이다. (a)는 외관도, (b)는 단면도이다.
도 3은 필릿 용접 이음매의 구성의 다른 일예를 모식적으로 나타내는 설명도이다. (a)는 외관도,(b)는 단면도이다.
도 4는 실시예에서 사용한, 피접합 부재(플랜지)로부터 발생·전파하는 취성 균열을 대상으로 한 초대형 구조 모델 시험체의 형상을 모식적으로 나타내는 설명도이다. (a)는 피접합 부재(플랜지)(2)가 강판 모재만으로 이루어지는 경우, (b)는 피접합 부재(플랜지)(2)가 맞대기 용접 이음매부를 갖는 경우, (c)는 접합 부재(웹)(1) 및 피접합 부재(플랜지)(2)가 맞대기 용접 이음매부를 갖는 경우이다.
도 5는 실시예에서 사용한, 접합 부재(웹)로부터 발생·전파하는 취성 균열을 대상으로 한 초대형 구조 모델 시험체의 형상을 모식적으로 나타내는 설명도이다. (a)는 접합 부재(웹)(1)가 강판 모재만으로 이루어지는 경우, (b)는 접합 부재(웹)(1)가 맞대기 용접 이음매부를 갖는 경우, (c)는 접합 부재(웹)(1) 및 피접합 부재(플랜지)(2)가 맞대기 용접 이음매부를 갖는 경우이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 용접 구조체는 접합 부재(1)의 단면을 보강 부재(10)의 표면에 맞대고, 접합 부재(1)와 보강 부재(10)를 접합해서 이루어지고, 또한 보강 부재(10)를 판 두께 50㎜이상의 피접합 부재(2)의 표면에 중첩하고, 필릿 용접에 의해 접합되어 이루어지는 필릿 용접 이음매를 구비한 용접 구조체이다. 이 용접 구조체는 용접 다리 길이(3) 혹은 용착 폭(13)이 L㎜의 필릿 용접 금속(5)을 갖는 필릿 용접 이음매를 구비하고, 해당 필릿 용접 이음매의 보강 부재(10)와 피접합 부재(플랜지)(2)의 중첩면에는 구조 불연속부로 되는 미용착부(4)를 존재시킨다. 또한, 본 발명 용접 구조체에서는 접합 부재(1)의 단면을 보강 부재(10)의 표면에 맞댄 맞댐면에는 구조 불연속부를 포함시켜도 좋다.
이 상태를, 이음매 단면에서 도 1에 나타낸다. 또한, 도 1의 (a)는 접합 부재(웹)(1)를 피접합 부재(플랜지)(2)에 대해 직립해서 부착한 경우를 나타내지만, 본 발명에서는 이것에 한정되는 일은 없다. 예를 들면, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 접합 부재(웹)(1)를 피접합 부재(플랜지)(2)에 대해 각도 θ만큼 기울여서 부착해도 좋다.
본 발명의 용접 구조체는 상기한 바와 같이, 보강 부재(10)와 피접합 부재(플랜지)(2)의 중첩면에서, 구조가 불연속으로 되는 미용착부(4)를 갖는다. 본 발명의 용접 구조체에 있어서, 보강 부재(10)와 피접합 부재(플랜지)(2)의 중첩면은 취성 균열의 전파면으로 되므로, 본 발명에서는 중첩면에 미용착부(4)를 존재시킨다. 미용착부(4)가 존재하는 것에 의해, 접합 부재(웹)(1) 혹은 피접합 부재(플랜지)(2)를 전파해 온 취성 균열 선단의 에너지 해방율(균열 진전 구동력)이 저하하고, 중첩면에 있어서, 취성 균열은 정지하기 쉬워진다.
그래서, 본 발명에서는 소정 이상의 인성을 유지하는 필릿 용접 금속(5)을 형성하고, 취성 균열을, 필릿 용접 금속(5)에서 정지시킨다.
또한, 취성 균열은 결함이 적은 강판 모재부에서 발생하는 것은 극히 드물다. 과거의 취성 파괴 사고의 대부분은 용접부에서 발생하고 있다. 그 때문에, 예를 들면, 피접합 부재(플랜지)(2)를 맞대기 용접 이음매(22)에서 접합된 강판으로 하고, 접합 부재(웹)를 그 맞대기 용접 이음매의 용접부(맞대기 용접 이음매부)(22)와 교차하도록 필릿 용접한, 도 2에 나타내는 바와 같은 필릿 용접 이음매, 혹은 접합 부재(웹)(1) 및 피접합 부재(플랜지)(2)가 모두 맞대기 용접 이음매부(12, 22)를 갖는 강판으로 하고, 피접합 부재(플랜지)(2)의 맞대기 용접 이음매부(22)와 접합 부재(웹)(1)의 맞대기 용접 이음매부(12)가 교차하도록 한, 도 3에 나타내는 바와 같은 필릿 용접 이음매에서는 모두 맞대기 용접 이음매부(12 혹은 22)로부터 발생하는 취성 균열의 전파를 저지하기 위해서는 우선, 구조의 불연속부를 존재시키는 것이 중요하다.
그 때문에, 본 발명에서는 필릿 용접부에 있어서의 피접합 부재와 보강 부재의 중첩면에 미용착부(구조의 불연속부)(4)를 존재시키는 것이다.
또한, 도 2의 (a)는 필릿 용접 이음매의 외관을 나타내고, 도 2의 (b)는 맞대기 용접 이음매부(22)에 있어서의 단면 형상을 나타낸다. 또, 도 3은 접합 부재(웹)(1) 및 피접합 부재(플랜지)(2)가 모두, 맞대기 용접 이음매부(12, 22)를 갖는 강판인 경우에, 피접합 부재(플랜지)(2)의 맞대기 용접 이음매부(22)와 접합 부재(웹)(1)의 맞대기 용접 이음매부(12)가 교차하는 필릿 용접 이음매를 나타낸다. 도 3의 (a)는 필릿 용접 이음매의 외관을, 도 3의 (b)는 맞대기 용접 이음매부(12, 22)에 있어서의 이음매 단면 형상을 나타낸다.
또한, 도 2, 도 3에서는 맞대기 용접 이음매부(22)와 웹(1)이 직교하는 경우를 나타냈지만, 본 발명에서는 이것에 한정되지 않는다. 비스듬히 교차시켜도 좋은 서은 물론이다.
또, 용접 구조체의 제조 방법은 특히 한정할 필요는 없으며, 상용의 제조 방법을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 플랜지용 강판끼리, 웹용 강판끼리를 맞대기 용접하고, 얻어진 맞대기 용접 이음매를 보강 부재를 통해 필릿 용접하여 용접 구조체를 제조해도 좋다. 또, 맞대기 용접 전의 1조의 웹용 강판을 플랜지 표면의 보강 부재에 가용접하고 다음에 웹용 강판끼리를 맞대기 용접하고, 얻어진 맞대기 용접 이음매를 플랜지에 용접하여 용접 구조체를 제조해도 좋다.
본 발명에서는 필릿 용접 이음매 단면에 있어서의 미용착부(4)의 치수는 취성 균열의 전파 억제를 위해, 보강 부재 폭 Wd의 95%이상으로 한다. 미용착부(4)의 치수(폭 B)(16)가 보강 부재 폭 Wd의 95%미만에서는 필릿 용접 금속에 있어서의 소성 변형이 억제되고, 필릿 용접 금속에 돌입한 취성 균열의 균열 선단 근방이 고응력으로 되고, 취성 균열을 정지 내지 저지하는 것이 곤란하게 된다. 이 때문에, 미용착부(4)의 치수(폭 B)(16)는 취성 균열의 전파 억제를 인해, 보강 부재 폭 Wd의 95%이상으로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 96%이상 100%이하이다.
또, 본 발명에서는 보강 부재의 판 두께 td와 보강 부재의 판 폭 Wd의 비, td/Wd가 다음 (1a)식
td/Wd<2 …(1a)
를 만족시키도록, 보강 부재의 치수를 조정한다. 보강 부재의 판 두께 td와 보강 부재의 판 폭 Wd가 (1a)식을 만족시키지 않는 경우에는 접합 부재(웹)로부터 발생한 취성 균열의 전파의 정지 내지 저지가 피접합 부재(플랜지)로부터 발생한 취성 균열의 전파의 정지 내지 저지보다 엄격하게 되고, 접합 부재(웹) 및 피접합 부재(플랜지)로부터 발생한 취성 균열의 전파를 모두 정지 내지 저지할 수 없게 된다.
또한, td/Wd가 너무 작아지면, 보강 부재의 종방향 강성이 저하하는 문제가 생기므로, td/Wd의 하한값은 0.2로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭 L에 대응하여, 피접합 부재의 판 두께 tf와 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭 L의 관계에서 다음 (1b)식 또는 다음 (1c)식
L≥20㎜의 경우, vTrs≤-5L+65-1.5(tf-75) …(1b)
L<20㎜의 경우, vTrs≤-35-1.5(tf-75)　　…(1c)
(여기서, vTrs:필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도(℃), tf:피접합 부재의 판 두께(㎜), L:필릿 다리 길이 혹은 용착 폭(㎜))
을 만족시키도록 필릿 용접 금속의 인성을 조정한다. 또한, L은 필릿 다리 길이,용착 폭 중의 작은 쪽을 이용한다.
필릿 용접 금속의 인성이 피접합 부재(플랜지)의 판 두께 tf, 필릿 다리 길이 L과 관련하여, 상기한 (1b)식 또는 (1c)식을 만족시키는 것에 의해, 피접합 부재(플랜지) 및 접합 부재(웹)의 판 두께가 50㎜이상의 용접 구조체에 대해, 원하는 취성 균열 전파 저지 성능을 확보한 용접 구조체로 할 수 있다. 필릿 용접 금속의 인성이 상기한 (1b)식 또는 (1c)식을 만족시키지 않는 경우에는 필릿 용접 금속의 인성이 부족하여, 피접합 부재(플랜지) 혹은 접합 부재(웹)에서 발생하고 전파해 온 취성 균열을 필릿 용접 금속부에서 저지할 수 없다.
이와 같이, 보강 부재가 상기한 (1a)식을, 필릿 용접 금속이, 피접합 부재(플랜지)의 판 두께 tf, 필릿 다리 길이(용착 폭) L과의 관계에서, 상기한 (1b)식 또는 (1c)식을 만족시키는 용접 구조체이면, 피접합 부재(플랜지)에서 발생한 취성 균열 및 접합 부재(웹)에서 발생한 취성 균열의 전파를 모두 필릿 용접 금속에서 저지할 수 있다.
또한, 본 발명의 용접 구조체는 상기한 필릿 용접 이음매를 구비하는 것이며, 예를 들면, 선박의 선체 바깥판을 플랜지로 하고, 격벽을 웹으로 하는 선체 구조, 혹은 데크를 플랜지로 하고, 해치를 웹으로 하는 선체 구조 등에 적용 가능하다.
실시예
이하, 실시예에 의거하여, 본 발명을 상세하게 설명한다.
표 1-1 및 표 1-2에 나타내는 판 두께의 후강판을 접합 부재(웹), 보강 부재 및 피접합 부재(플랜지)로서 이용하여, 도 4의 (a),(b),(c) 및 도 5의 (a),(b),(c)에 나타내는 형상의 실구조 사이즈의 대형 용접 구조 이음매를 제작하였다. 도 4의 (a),(b),(c)는 피접합 부재(플랜지)로부터 취성 균열이 발생·전파하는 케이스, 도 5의 (a),(b),(c)는 접합 부재(웹)로부터 취성 균열이 발생·전파하는 케이스를 상정한 것이다. 또한, 제작한 필릿 용접 이음매에서는 보강 부재(10)와 피접합 부재(2)의 맞댐면에, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같은 미용착부(4)를, 미용착부의 비율 Y(=(미용착부의 폭 B/보강 부재의 판 폭 Wd))를 변화시켜, 존재시켰다. 또한, 접합 부재(웹)와 보강 부재의 맞댐면에는 미용착부는 잔류시키지 않았다.
또한, 도 4의 케이스의 피접합 부재(플랜지)는 후강판(모재만)(도 4의 (a)) 또는 맞대기 용접 이음매를 갖는 후강판(도 4의 (b))으로 하고, 접합 부재(웹)는 후강판(모재만)(도 4의 (a),(b)), 또는 맞대기 용접 이음매를 갖는 후강판(도 4의 (c))으로 하였다. 도 5의 케이스의 접합 부재(웹)도 마찬가지로, 후강판(모재만)(도 5의 (a)) 또는 맞대기 용접 이음매를 갖는 후강판(도 5의 (b))으로 하고, 피접합 부재(플랜지)는 후강판(모재만)(도 5의 (a),(b)), 또는 맞대기 용접 이음매를 갖는 후강판(도 5의 (c))으로 하였다. 또한, 맞대기 용접 이음매는 1패스 대입열 일렉트로 가스 아크 용접(1전극 EGW, 2전극 EGW, SEGARC, 2전극 SEGARC) 또는 다층 CO2 용접에 의해 제작하였다.
또한, 필릿 용접 이음매는 용접 재료 및 용접 입열, 실드 가스 등의 용접 조건을 변화시켜, 각종 인성, 각종 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭의 필릿 용접 금속을 갖는 필릿 용접 이음매로 하였다. 필릿 다리 길이,용착 폭은 모두 양측의 평균값이다. 또한, 필릿 용접 금속의 인성은 필릿 용접 금속 혹은 필릿 용접과 동일한 조건에서 제작한 맞대기 용접 이음매로부터 샤르피 충격 시험편(10㎜ 두께)을 채취하고, JIS Z 2242의 규정에 준거하여 파면 천이 온도 vTrs(℃)를 구하였다.
또, 얻어진 대형 필릿 용접 이음매를 이용하여, 도 4 및 도 5에 나타내는 초대형 구조 모델 시험체를 제작하고, 취성 균열 전파 정지 시험을 실시하였다. 또한, 도 4의 초대형 구조 모델 시험체는 보강재를 갖는 대형 필릿 용접 이음매(9)의 피접합 부재(플랜지)(2)의 아래쪽에 가용접(8)으로, 피접합 부재(플랜지)(2)와 동일한 판 두께의 강판을 용접하였다. 또, 도 5의 초대형 구조 모델 시험체는 보강재를 갖는 대형 필릿 용접 이음매(9)의 접합 부재(웹)(1)의 아래쪽에 가용접(8)으로, 접합 부재(웹)(1)와 동일한 판 두께의 강판을 용접하였다.
　그리고, 기계 노치(7)의 선단을, 접합 부재(웹)(1) 또는 피접합 부재(플랜지)(2)의 모재, 맞대기 용접 이음매부(12, 22)의 BOND부 또는 용접 금속 WM으로 되도록 가공하였다.
또, 취성 균열 전파 정지 시험은 기계 노치에 타격을 주어 취성 균열을 발생시키고, 전파한 취성 균열이 필릿 용접부에서 정지하는지의 여부를 조사하였다.
어느 시험도, 시험 응력 100∼283N/㎜2, 온도:-10℃의 조건에서 실시하였다. 시험 응력 100N/㎟는 선체에 정상적으로 작용하는 응력의 평균적인 값이며, 시험 응력 257N/㎟는 선체에 적용되어 있는 항복 강도 390N/㎟급 강판의 최대 허용 응력 상당의 값, 시험 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 2-1 및 표 2-2에 나타낸다.
[표 1-1]
Figure 112019000201063-pct00001
[표 1-2]
Figure 112019000201063-pct00002
[표 2-1]
Figure 112019000201063-pct00003
[표 2-2]
Figure 112019000201063-pct00004
표 2-1 및 표 2-2에 나타낸 바와 같이, 본 발명예에서는 취성 균열을 피접합 부재(플랜지)로부터 전파시킨 경우에 있어서도, 혹은 취성 균열을 접합 부재(웹)로부터 전파시킨 경우에 있어서도, 모두 균열은 필릿 용접부의 필릿 용접 금속에 돌입하여 정지하였다.
한편, 본 발명의 범위를 어긋나는 비교예에서는 취성 균열을 피접합 부재(플랜지)로부터 전파시킨 경우에 있어서, 또는 취성 균열을 접합 부재(웹)로부터 전파시킨 경우에 있어서, 혹은 양쪽의 경우에 있어서, 취성 균열은 필릿 용접부에서 정지하는 일 없이 전파하고, 필릿 용접 금속에서 취성 균열의 전파를 저지할 수 없었다.
1; 접합 부재(웹) 2; 피접합 부재(플랜지)
3; 다리 길이 4; 미용착부
5; 필릿 용접 금속 7; 기계 노치
8; 가용접
9; 보강 부재를 갖는 대형 필릿 용접 이음매
10; 보강 부재 12; 웹 맞대기 용접 이음매부
13; 용착 폭 16; 미용착 폭(B)
22; 플랜지 맞대기 용접 이음매부
θ; 교차각

Claims (3)

  1. 접합 부재의 단면이, 보강 부재의 표면에 맞대기 용접 접합되고, 또한 상기 보강 부재가 판 두께 50㎜이상의 피접합 부재의 표면에 필릿 용접 접합된 필릿 용접 이음매를 구비하는 보강 부재를 갖는 필릿 용접 구조체로서, 상기 필릿 용접 이음매에 있어서의 상기 보강 부재의 표면과 상기 피접합 부재의 표면을 중첩한 면에, 상기 필릿 용접 이음매의 단면에서 보강 부재의 판 폭 Wd의 95%이상의 미용착부를 갖고, 또한 상기 보강 부재가, 판 두께 td와 판 폭 Wd의 비 td/Wd가 하기 (1a)식을 만족시키고, 또한 상기 필릿 용접 이음매의 필릿 용접 금속을, 해당 필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도 vTrs(℃)가 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭 L에 대응하여, 상기 피접합 부재의 판 두께 tf와 필릿 다리 길이 혹은 용착 폭 L의 관계에서 하기 (1b)식 또는 하기 (1c)식을 만족시키는 필릿 용접 금속으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 용접 구조체:
    td/Wd<2　　　　　　　　　　　　　…(1a)
    L≥20㎜의 경우, vTrs≤-5L+65-1.5(tf-75) …(1b)
    L<20㎜의 경우, vTrs≤-35-1.5(tf-75) …(1c)
    여기서,
    vTrs:필릿 용접 금속의 샤르피 충격시험 파면 천이 온도(℃),
    tf:피접합 부재의 판 두께(㎜),
    td:보강 부재의 판 두께(㎜),
    Wd:보강 부재의 판 폭(㎜)
    L:필릿 다리 길이 혹은 용착 폭(㎜).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피접합 부재는 상기 접합 부재에 교차하는 방향에 맞대기 용접 이음매부를 갖는 용접 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 접합 부재가 맞대기 용접 이음매부를 갖고, 해당 접합 부재의 맞대기 용접 이음매부가 상기 피접합 부재의 맞대기 용접 이음매부와 교차하도록 해당 접합 부재를 배치해서 이루어지는 용접 구조체.
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