KR102104022B1 - 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법 - Google Patents

용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법 Download PDF

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Abstract

용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법이 개시된다. 개시된 실시예에 따른 니켈강의 용접 방법은 중량%로, C: 0.04 내지 0.3%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Ni: 9.5% 이하(0은 제외), P: 0.01% 이하(0은 제외), S: 0.01% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 니켈강을 가스토치를 이용하여 750~850℃의 온도범위로 가열하는 단계; 가열된 니켈강을 용접토치를 이용하여 용접하는 단계;를 포함하고, 가스토치와 용접토치 사이의 간격은 50~100cm인 것을 특징으로 한다.

Description

용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법{WELDING METHOD OF NICKEL STEEL WITH REDUCED WELD DEFECT}
본 발명은 결함 발생을 억제할 수 있는 니켈강의 용접 방법에 관한 것이다.
3.5~9.5중량%의 니켈(Ni)을 포함하는 니켈강은 -95 ~ -196℃에서 충격인성이 27J이상을 나타내는 극저온용 강재로, 실제 액화 LNG 및 액화 CO2 등의 운반선 및 육상 탱크를 제작하는 소재로 활용되고 있다.
극저온 영역에서 27J 이상의 충격인성을 나타내는 니켈강을 이용하여 용접구조물을 제조할 경우, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 동일 수준의 극저온 충격 인성을 나타내는 용접이음부 확보가 필수적이다.
한편, 니켈강은 일반적으로 강재 주변에 가해지는 자기장에 의해 자화가 잘 일어나는 강종으로 알려져 있다. 자화 현상은 니켈강 구조물 제작에 필요한 용접 공정에 있어서 용접 아크에 자가장을 가하게 되고, 이러한 자기장은 아크 블로잉(Arc Blowing)을 유발하여, 용접 안정성을 저하시키고 니켈강 용접이음부에서 결함을 발생시키는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 실시예들은　니켈강의 용접 직전, 용접이음부의 가열 온도를 최적화하여　니켈강 용접이음부의 결함 발생을 억제하는 니켈강의 용접 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법은 중량%로, C: 0.04 내지 0.3%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Ni: 9.5% 이하(0은 제외), P: 0.01% 이하(0은 제외), S: 0.01% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 니켈강을 가스토치를 이용하여 750~850℃의 온도범위로 가열하는 단계; 상기 가열된 니켈강을 용접토치를 이용하여 용접하는 단계;를 포함하고, 상기 가스토치와 상기 용접토치 사이의 간격은 50~100cm인 것을 특징으로 한다.
또한, 용접이음부 결함발생율이 2% 이하일 수 있다.
(여기서 용접이음부 결함발생율은, 용접 실시 길이에 대한 비드 내부에 결함이 존재하는 길이의 퍼센트 비율을 의미한다.)
또한, 상기 니켈강의 두께는 10~20 mm일 수 있다.
또한, 상기 용접토치를 이용하여 용접하는 방법은, SAW (Submerged Arc Welding), GMAW(Gas Metal Are Welding) 및 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 중 어느 하나를 적용할 수 있다.
또한, 입열량은 1.0 내지 2.5kJ/mm일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 니켈강의 용접 방법에 따르면, 니켈강의 용접 구조물 제조 과정에 있어서, 니켈강의 용접 직전, 용접이음부의 가열 온도를 최적화함으로써 용접이음부의 결함 발생을 억제하면서도, 용접이음부의 열영향부 저온인성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일측면에 따른 니켈강의 용접 방법에서 사용되는 용접토치 및 가스토치를 도시한 개략도이다.
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 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 니켈강은 중량%로, C: 0.04 내지 0.3%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Ni: 9.5% 이하(0은 제외), P: 0.01% 이하(0은 제외), S: 0.01% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.04 내지 0.3%이다.
탄소(C)는 용접이음부의 강도 및 저온 인성을 확보할 수 있는 가장 강력한 오스테나이트 형성원소이다. 상기 탄소의 함량이 0.04중량% 미만이면 강도 확보가 불가능하고, 반면 0.3중량%를 초과하게 되면 용접 중 공정 화합물을 과다하게 형성해 고온균열과 용접 퓸(Fume) 및 스패터 발생을 조장한다. 따라서, 본 발명에서는 상기 탄소의 함량을 0.04 ~ 0.3중량%로 제한한다.
Si의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.
실리콘(Si)은 용접시 망간과 함께 복합 탈산효과를 극대화하기 위해 첨가하는 것으로, 최소 0.1% 이상 포함시키는 것이 바람직하다. 반면, 상기 실리콘의 함량이 2.0중량%를 초과하면 공정화합물이 과다하게 석출되어 내균열성이 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 상기 실리콘의 함량을 0.1 ~ 2.0중량%로 제한한다.
Mn의 함량은 0.5 내지 3.0%이다.
망간(Mn)은 용접 중 산소, 황과 반응하여 탈산, 탈황을 수행하는 역할을 하므로 0.5% 이상 함유시켜 주어야 한다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 가격적인 문제 및 용접재료의 제조에 어려움이 있어, 그 상한을 3.0%로 한정할 수 있다.
Ni의 함량은 9.5% 이하(0은 제외)이다.
니켈(Ni)은 강력한 오스테나이트 안정화 원소로, 니켈을 첨가하게 되면 저온 충격인성은 매우 빠른 속도로 증가하게 되는데 이는 용접이음부내의 Stacking Fault Energy를 높이는 역할을 하기 때문이며, 이에 따라 저온 충격인성을 증가시킨다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 강도를 저하시킬 뿐만 아니라 제조비용이 증가하는 문제가 있어, 그 상한을 9.5% 이하로 한정할 수 있다.
극저온 소재로 사용되는　3.5%, 5%, 9% Ni강은 각각 사용되는 온도에 따라　Ni함량이 다르다. 주로 액화 에탄을 저장하는 용도로 사용되는　3.5% Ni강은　-95℃에서, 액화 에틸렌을 저장하는 용도로 사용되는　5%Ni강은　-110℃에서,　액화 천연가스(메탄)를 저장하는 용도로 사용되는　9%Ni강은　-196℃에서의 특정 충격인성 보증이 요구된다.
전술한 니켈강의 Ni함량에 따르면, 기본적으로 미세조직은 페라이트상으로 형성되어 있다. 따라서,　주변의 자기장에 의해 자화 현상이 잘 일어나는 강자성체의 특징을 나타내게 된다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 불가피한 불순물로는 예를 들면, P(인), S(황) 등을 들 수 있다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
P의 함량은 0.01%이하(0%는 제외)이다.
인(P)은 용접이음부에 불가피하게 함유되는 불순물로서, 미량 첨가에 의해서도 저융점 화합물을 쉽게 생성하여 재료의 융점을 저하시켜 고온 균열 감수성이 증가하므로, 가급적 포함되지 않는 것이 바람직하다. 불가피하게 포함되는 경우에는 0.01중량%를 넘지 않는 것이 바람직하다.
S의 함량은 0.01%이하(0%는 제외)이다.
황(S)은 용접이음부에 불가피하게 함유되는 불순물로서, 미량 첨가에 의해서도 저융점 화합물을 쉽게 생성하여 재료의 융점을 저하시켜 고온 균열 감수성이 증가하므로, 가급적 포함되지 않는 것이 바람직하다. 불가피하게 포함되는 경우에는 0.01중량%를 넘지 않는 것이 바람직하다.
니켈강을 이용하여 용접 구조물을 제작하는 과정에서, 니켈강의 운반 및 취급시 자화현상이 쉽게 일어난다. 특히, 가우징 공정에 사용되는 직류 또는 교류 전원에 의해 형성된 아크는, 자기장을 형성하여 니켈강의 가우징부를 자화시킨다.
자화된 니켈강을 직류 전원으로 용접(DC welding)하는 경우 플레밍의 왼손 법칙에 따라 용접 전류와 자화된 강재에서 유기되는 자기장과의 상호 관계에 의해 아크에 물리적인 힘이 작용하여 아크가 쏠리는 현상이 발생한다. 이와 같이 아크가 불안정하게 되는 현상을 Arc Blow라고 하며, 이는 용접이음부의 결함을 일으킨다.
본 발명자들은 니켈강 용접 구조물을 제작하기 위한 용접공정에 있어서, 용접이음부의 저온 인성을 확보하고 결함 발생을 억제하고자 연구를 거듭한 결과, 니켈강의 용접 직전, 용접이음부에 가열하는 온도범위를 최적화함으로써 용접이음부 결함발생율을 2% 이하로 억제함과 동시에 저온 충격인성을 확보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 니켈강의 용접 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법은, 중량%로, C: 0.04 내지 0.3%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Ni: 9.5% 이하(0은 제외), P: 0.01% 이하(0은 제외), S: 0.01% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 니켈강을 가스토치를 이용하여 750~850℃의 온도범위로 가열하는 단계; 상기 가열된 니켈강을 용접토치를 이용하여 용접하는 단계;를 포함하고, 상기 가스토치와 상기 용접토치 사이의 간격은 50~100cm인 것을 특징으로 한다.
용접 직전, 니켈강의 용접이음부를 750~850℃의 온도로 가열한다. 가열온도가 750℃ 미만인 경우, 자화된 니켈강을 충분히 탈자할 수 없어, 용접이음부의 결함 발생을 억제할 수 없다. 반대로, 가열온도가 850℃를 초과하는 경우, 용접부 저온 인성을 확보할 수 없는 문제가 있다.
또한, 상기 니켈강을 가열하는 열원은, 전원을 포함하지 않는 가열장치를 사용할 수 있다. 가열장치가 전원을 포함하는 경우, 전원에 의해 형성된 아크가 자기장을 형성하여 니켈강의 자화를 유발한다. 예를 들어, 니켈강을 가열하는 열원으로 가스 토치를 사용하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일측면에 따른 니켈강의 용접 방법에서 사용되는 용접토치 및 가스토치를 도시한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 용접토치 전방에 가스토치가 장착되어 있어, 니켈강의 용접 직전에 용접이음부를 미리 가열할 수 있는 것이다.
이 때, 상기 가스토치와 상기 용접토치 사이의 간격은 50~100cm인 것이 바람직하다. 가스토치가 용접토치와 너무 가까울 경우 용접부의 예열효과가 너무 과대하여 용접이음부의 충격인성을 저하시키므로, 상기 가스토치와 상기 용접토치 사이의 간격은 50cm 이상으로 한정할 수 있다. 반면, 용접토치와 가스토치가 너무 멀 경우에는, 용접장비를 설치 및 조작하는데 불편함이 있어 상기 가스토치와 상기 용접토치 사이의 간격약 100cm 이하로 한정할 수 있다.
다음으로, 용접토치를 이용하여 용접을 실시할 수 있다.
전술한 용접은 SAW (Submerged Arc Welding), GMAW(Gas Metal Are Welding) 및 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 중 어느 하나를 적용할 수 있다.
용접이음부의 결함 발생을 억제하고 저온인성을 확보하기 위해서는 적정　입열량이 선택되어야 한다.
본 발명에서는, 니켈강의 용접 입열량을 1.0 내지 2.5kJ/mm로 제어하고자 하였다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
하기 표 1에 기재된 조성을 갖는 니켈강과 용접재료를 준비하였다. 하기 표 1에 기재된 각 원소의 함량은 중량%를 기준으로 나타낸 것이다.
강종 C Si Mn Ni P S
9%Ni강 0.046 0.25 0.66 9.2 0.0046 0.0009
5%Ni강 0.062 0.24 0.55 5.1 0.0025 0.0007
3.5%Ni강 0.10 0.30 0.65 3.6 0.0053 0.0005
용접재료(전용착금속) 0.02 0.21 2.5 62 0.0060 0.0010
아크 블로잉(Arc Blowing)을 일으키는 50Gauss 이상 자화 환경을 모사하기 위해, 니켈강 주위에 자기장을 인가하여 용접 전 니켈강의 자화 정도를 표 2에 나타내었다.
용접 직전, 하기 표 2의 온도 조건에 따라, 가스 토치를 사용하여 용접이음부를 가열하였다. 이어서, 가열된 각각의 니켈강에 대하여 용접재료를 이용하여 하기 표 2의 입열량에 따라, 용접을 실시하였다.
이 때, 용접은 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW)을 실시하였다. 용접은 Ar: CO2의 중량비가 8:2인 보호가스를 적용하여 1.5kJ/mm의 입열량으로 용접을 진행하였다. 또한, FCAW 용접시 전류: 270A, 전압: 28V, 용접속도: 23cm/min의 조건으로 실시하였다.
그리고, 용접에 따라 얻어진 용접이음부의 용접열영향부 샤르피 충격에너지값을 하기 표 2에 나타내다. 열영향부 저온인성은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하여 9%Ni강은 -196℃, 5%Ni강은 -110℃, 3.5%Ni강은 -95℃에서 샤르피 충격시험(CVN)을 통해 평가하였고, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
하기 표 2의 용접이음부의 결함발생율은, 용접 실시 길이에 대한 비드 내부에 결함이 존재하는 길이의 퍼센트 비율로 도출하였다.
구분 강종 강종
두께
(mm)		 가스토치
가열 온도
(℃)		 입열량
(kJ/mm)		 용접 전
자화
(Gauss)		 용접이음부 결함방생율(%) 열영향부 저온인성
(J)
실시예 1 9%Ni강 20 792 2.08 150 0 76
실시예 2 9%Ni강 20 755 1.248 120 1 92
실시예 3 9%Ni강 20 839 1.17 80 0.5 84
실시예 4 9%Ni강 20 763 1.872 170 0 102
실시예 5 5%Ni강 20 754 1.872 90 0 77
실시예 6 3.5%Ni강 20 809 1.56 140 1.7 81
실시예 7 9%Ni강 15 797 1.56 130 0.2 103
실시예 8 5%Ni강 15 758 1.56 170 0 91
실시예 9 3.5%Ni강 15 830 1.872 50 0 87
실시예 10 9%Ni강 10 847 1.872 65 0 83
실시예 11 5%Ni강 10 818 1.872 58 0 73
비교예 1 9%Ni강 20 431 2.08 170 24 81
비교예 2 9%Ni강 20 734 1.248 116 27 92
비교예 3 5%Ni강 20 622 1.872 180 31 79
비교예 4 3.5%Ni강 20 301 1.56 95 32 93
비교예 5 5%Ni강 15 503 1.56 110 18 83
비교예 6 3.5%Ni강 15 511 1.872 160 22 90
비교예 7 9%Ni강 20 911 1.17 160 0.5 18
비교예 8 9%Ni강 20 871 1.872 130 0.3 21
비교예 9 9%Ni강 15 885 1.56 88 0 15
본 발명에서는 니켈강의 용접시 건전한 용접이음부를 얻기 위해, 용접이음부의 결함발생율 2% 이하로 제어하고자 하였다.
표 2를 참조하면, 본 발명이 제시하는 가열 조건을 만족하는 실시예 1 내지 11은 아크 블로잉(Arc Blowing)을 일으키는 50 Gauss 이상으로 자화되었음에도 용접이음부의 결함발생율을 2% 이하로 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 용접이음부의 열영향부 또한 강종 별 목표하는 온도(9%Ni강은 -196℃, 5%Ni강은 -110℃, 3.5%Ni강은 -95℃)에서 70J 이상의 극저온 충격인성을 나타냄을 확인할 수 있다.
반면, 용접 직전 가열온도가 750℃에 미달하는 비교예 1 내지 6에 따라 제공되는 용접이음부의 경우, 저온 충격인성은 확보하였으나 용접이음부의 결함발생율이 18% 이상으로 나타나, 용접 결함을 일으키는 것을 확인할 수 있다.
용접 직전 가열온도가 850℃를 초과하는 비교예 7 내지 9에 따라 제공되는 용접이음부의 경우, 저온 충격인성이 21 J 이하로 나타나, 용접구조물의 안정성을 확보할 수 없다.
전술한 바와 같이, 개시된 실시예는 니켈강의 용접 직전, 가열 조건을 적절하게 제어함으로써 니켈강의 용접 결함 발생을 억제할 수 있다. 보다 상세하게, 개시된 실시예는 용접 직전, 니켈강의 가열 온도를 750~850℃로 최적화함으로써, 니켈강의 저온 인성을 유지하면서도 용접이음부의 결함발생율을 2% 이하로 제어할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 중량%로, C: 0.04 내지 0.3%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Ni: 9.5% 이하(0은 제외), P: 0.01% 이하(0은 제외), S: 0.01% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 니켈강을 가스토치를 이용하여 750~850℃의 온도범위로 가열하는 단계;
    상기 가열된 니켈강을 용접토치를 이용하여 용접하는 단계;를 포함하고,
    상기 가스토치와 상기 용접토치 사이의 간격은 50~100cm인 것을 특징으로 하는 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    용접이음부 결함발생율이 2% 이하인, 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법.
    (여기서 용접이음부 결함발생율은, 용접 실시 길이에 대한 비드 내부에 결함이 존재하는 길이의 퍼센트 비율을 의미한다.)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 니켈강의 두께는 10~20 mm인 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용접토치를 이용하여 용접하는 방법은,
    SAW (Submerged Arc Welding), GMAW(Gas Metal Are Welding) 및 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 중 어느 하나를 적용하는 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    입열량은 1.0 내지 2.5kJ/mm인 용접이음부 결함발생이 저감된 니켈강의 용접 방법.
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