KR102164085B1

KR102164085B1 - 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 그 피용접재

Info

Publication number: KR102164085B1
Application number: KR1020190055731A
Authority: KR
Inventors: 이원배
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-10-12

Abstract

본 발명은 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판을 준비하는 단계; 상기 스테인리스 강판의 용접영역에 대하여 열처리 온도 900~1200℃, 열처리 시간 150~390초의 조건으로 열처리하는 단계; 상기 열처리된 스테인리스 강판을 공냉한 후 서로 접촉시키는 단계; 및 접촉된 상기 스테인리스 강판을 가스 텅스텐 아크 용접하는 단계;를 포함하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이 용접방법에서 사용되는 피용접재를 제공한다.

Description

용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 그 피용접재{A GAS TUNGSTEN ARC WELDING METHOD WITH IMPROVED WELDING SPEED AND A WORKPIECE THEREOF}

본 발명은 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 그 피용접재에 관한 것이다.

가스 텅스텐 아크 용접(Gas Tungsten Arc Welding, 이하 'GTA 용접'이라고도 함)은 설비 가격이 낮고 품질이 우수한 용접부를 얻을 수 있어 다양한 산업분야에 적용되고 있는 용접기술이다. 하지만, 고주파 용접이나 레이저 용접에 비해 용접속도가 느려 파이프를 제작하는 조관 용접 시 생산성이 낮은 것이 가장 큰 단점이다. 따라서 GTA 용접에서 용접속도를 높이는 것은 우선적으로 해결해야 할 과제 중 하나이다.

GTA 용접속도를 증가시키는 방법으로 크게 2가지의 방법이 있다. 하나는, 용접부에 높은 열량을 투입하여 용접속도를 향상시키는 방법이다. 하지만 이 방법에 의해 용접속도를 올리기 위해서는 용접입열을 매우 높여야 하기 때문에 그 효과가 크지 않고, 높은 입열에 의한 용접부 형상 불량 및 결정립 조대화 등으로 인해 용접품질이 저하되는 문제가 있다.

다른 방법은 용접부 용융풀(pool) 유동(Flow)을 제어하는 방법으로서, 용융풀의 유동방향(Flow Direction)을 용접이 쉽게 이루어지는 방향(Inward Direction)으로 만들어 주는 활성원소(산소(O), 황(S) 성분 등)를 소재 내 혹은 용접 시 보호가스에 혼합하는 방법이 있다.

이와 관련된 종래 기술로서 강재에 지르코늄(Zr)을 첨가하여 용입성을 향상시킬 수 있는 기술이 보고 되었는데, 지르코늄은 고가의 합금이기 때문에 현실적으로 적용하기에 많은 어려움이 있었다. 또한 소재 내에 산소, 황 등이 과도하게 함유되는 경우, 소재 제조 시 취화 및 개재물이 과도하게 생성되는 문제점도 발생할 수 있다.

한편 용접 보호가스 내 활성원소를 첨가하는 종래 기술로서 보호가스 중에 산소 및/또는 수소를 혼합시켜 GTA 용접을 하는 기술이 소개된 바 있다. 산소 혼합의 경우 용접속도를 약 2 배 정도 향상시킬 수 있었으나, 용접전극의 산화에 의한 마모가 심하여 전극 드레싱(dressing) 작업을 자주 실시해야 하는 등의 문제점이 발생하고, 용접부 가공성 및 내식성에 문제를 일으킬 염려가 있었다. 또한 수소를 혼합한 경우 용접속도 증가의 효과가 미미한 문제점이 있었다.

혼합보호가스를 이용하는 종래기술로는 특허문헌 1 이 있으며, 상기 특허문헌 1 에서는 Ar 가스 중에 미량의 SO₂를 첨가한 보호가스를 사용하고 있다. 그러나 이러한 방법은 전극의 마모가 심하고 이를 방지하기 위해 특수한 Hf 전극을 사용해야 하며, SO₂의 첨가량이 증가함에 따라 용접금속의 S 량 증가에 의한 가공성 저하 등의 문제를 가지고 있다.

한편 특허문헌 2 및 특허문헌 3 에서는 GTA 용접용 용가재를 사용하는 것을 제시하고 있는데, 이와 같이 GTA 용접용 용가재를 사용하는 경우에도 용가재를 공급하기 위한 장치와 용가재가 필요하므로 비용 증가를 유발하게 되는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 평2-075471호 일본 공개특허공보 평11-141446호 일본 공개특허공보 평7-310913호

본 발명은 종래 GTA 용접방법에 비해 용접속도를 현저히 향상시킬 수 있는 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 그 피용접재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은 가스 텅스텐 아크(Gas Tungsten Arc) 용접방법으로서, Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판을 준비하는 단계; 상기 스테인리스 강판의 용접영역에 대하여 열처리 온도 900~1200℃, 열처리 시간 150~390초의 조건으로 열처리하는 단계; 상기 열처리된 스테인리스 강판을 공냉한 후 서로 접촉시키는 단계; 및 접촉된 상기 스테인리스 강판을 가스 텅스텐 아크 용접하는 단계;를 포함하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법이다.

상기 열처리 후 용접 전, 상기 스테인리스 강판의 표면에 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진 표면 산화층이 형성될 수 있다.

상기 표면 산화층은, 상기 스테인리스 강판의 매트릭스(Matrix) 상에 형성되고 Ti, Nb, Si 계 산화물로 이루어지는 하층; 상기 하층 상에 형성되고 Cr 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성되는 Mn 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 최외각층;으로 이루어질 수 있다.

상기 표면 산화층의 단면 중 10점에서의 두께를 측정하였을 때, 상기 10점에서의 두께가 16~350nm 이내일 수 있다.

상기 스테인리스 강판은, 중량%로, Mn: 0.2~0.5%, Cr: 9.0~30.0%, Si: 0.2~1.3%, Ti: 0.1~0.4%, Nb: 0.15~0.45%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

상기 열처리는 상기 스테인리스 강판의 전체에 대해 실시될 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면은 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 스테인리스 강판; 및 상기 스테인리스 강판 상에 구비되고 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진 표면 산화층; 을 포함하고, 상기 표면 산화층은 그 단면 중 10점에서의 두께를 측정하였을 때, 상기 10점에서의 두께가 16~350nm 이내인 피용접재이다.

상기 스테인리스 강판은 중량%로, Mn: 0.2~0.5%, Cr: 9.0~30.0%, Si: 0.2~1.3%, Ti: 0.1~0.4%, Nb: 0.15~0.45%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 용접 전 열처리에 의해 표면 산화층이 형성되고, 이 표면 산화층 내의 산소가 용접열에 의해 해리되어 용융풀 내에 직접 공급됨으로써, 용융풀의 유동 특성이 개선되어 기존 GTA 용접방법 대비 용접 속도를 1.5 배 이상 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 은 표면장력 기울기에 따른 용융풀 유동 패턴의 변화에 대한 모식도이다. (a) 는 온도에 대한 표면장력의 기울기가 음수(-)일 때 마랑고니 유동(Marangoni Flow)이 외향방향(Outward direction)으로 변화한 것을 나타낸 것이고, (b) 는 온도에 대한 표면장력 기울기가 양수(+)일 때 마랑고니 유동이 내향방향(Inward direction)으로 변화한 것을 나타낸 것이다.
도 2 (a) 는 본 발명의 발명예 1 내지 3 의 용접 전 열처리 조건을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 2 (b) 는 발명예 1 내지 3 각각의 소둔 후 강판 표면 변색 상태를 나타낸 사진이다.
도 3 에서 (a) 는 발명예 1 내지 3 의 용접 전 열처리 시간에 따른 최대 용접속도 변화를 나타낸 것이고, (b) 는 발명예 1 내지 3 의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4 는 발명예 1 내지 3 의 열처리 후 피용접재 표면에 형성된 표면 산화층의 단면을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 5 는 발명예 2 의 열처리 후 피용접재 단면을 TEM-EDS 로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6 은 종래 기술과 본 발명의 용융풀 내 유동 특성을 비교하여 나타낸 것이다. (a) 는 종래 기술에 따라 GTA 용접하는 경우이고, (b) 는 본 발명에 따라 용접 전 열처리한 후 GTA 용접하는 경우이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

GTA 용접에서 용접 시 용융풀의 유동방향을 제어하는 것은 매우 중요한 요소이다. 용융풀의 유동현상에 영향을 미치는 인자로서, 밀도차에 기인한 부력, 전류 흐름에 따른 전자기력(Lorentz force), 용탕의 표면장력에 기인한 마랑고니 유동(Marangoni Flow) 및 아크 플라즈마(Arc Plasma) 에 기인한 플라즈마 제트력(Plasma Jet force)이 있다.

이 중 가장 큰 영향을 미치는 인자는, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 용탕의 표면장력에 기인한 마랑고니 유동으로서, 이 유동은 온도에 대한 표면장력 값의 기울기에 따라 도 1 (a) 와 같은 용접에 불리한 외향 방향(Outward direction) 혹은 도 1 (b) 와 같은 용접에 유리한 내향 방향(Inward direction) 으로 바뀐다.

즉, 일반적인 금속소재의 경우 온도가 올라가면 표면장력이 낮아져 용탕의 흐름이 외향 방향(Outward direction)을 나타내지만, 일부 원소의 양이 임계치 이상 높아지면 온도상승에 따른 표면장력 값이 높아져 반대 방향인 내향 방향(Inward direction)을 나타낸다. 이러한 효과를 나타내는 원소를 표면활성원소(Surface Active Element)라고 하고, 대표적으로 산소와 황을 들 수 있다.

표면활성원소를 용융풀 내에 효과적으로 공급한다면 용접속도를 향상시킬 수 있다. 종래 기술에서 용접 보호가스 내 표면활성원소를 포함하는 혼합가스(Ar+O₂, Ar+SO₂)를 사용하거나, 산화 분말이 포함된 물질을 용접선에 도포하여 용접(Active TIG)함으로써 용접속도를 향상시키는 것이 제안되었으나, 각각 전극 마모 및 비용 증가의 이유로 실제 산업현장에서는 실질적인 적용이 곤란한 것으로 알려졌다. 또한 수소가 포함된 혼합가스를 적용하여 용접속도를 향상시키는 기술도 보고되고 있지만, 이 또한 용접부 기공 및 취화가 발생되는 문제점이 있어 사용이 제한적인 실정이다.

따라서 본 발명에서는 상기한 방법들과 구별되는 신규한 가스 텅스텐 아크 용접방법을 제공함으로써, 용접속도를 현저히 향상시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.

이하 본 발명의 일 측면에 따른 용접속도가 향상된 GTA 용접방법에 대하여 자세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 GTA 용접방법은 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판을 준비하는 단계; 상기 스테인리스 강판을 열처리 온도 900~1200℃, 열처리 시간 150~390초의 조건으로 열처리하는 단계; 상기 열처리된 스테인리스 강판을 공냉한 후 서로 접촉시키는 단계; 및 접촉된 상기 스테인리스 강판을 가스 텅스텐 아크 용접하는 단계;를 포함한다.

Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판을 준비하는 단계

먼저 피용접재로서 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판을 준비한다. 본 발명의 GTA 용접방법에 적용될 수 있는 강판은 그 종류에 대하여 특별히 한정하지는 않을 수 있다.

용접 전 열처리에 의해 피용접재의 표면에 Mn-Cr-Si-Ti-Nb rich 산화층이 형성될 수 있어야 하기 때문에, 피용접재인 상기 스테인리스 강판은 Mn, Cr, Si, Ti, Nb 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

바람직한 일 구현례로서 상기 스테인리스 강판은, Mn, Cr, Si, Ti, Nb 중 하나 이상을 포함하되 표준규격(KS, ASTM, JIS, DIN 등)을 따르는 스테인리스 강판일 수 있고, 혹은 중량%로, Mn: 0.2~0.5%, Cr: 9.0~30.0%, Si: 0.2~1.3%, Ti: 0.1~0.4%, Nb: 0.15~0.45%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스 강판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

열처리하는 단계

준비한 상기 스테인리스 강판에 대하여 용접 전에 열처리 온도 900~1200℃, 열처리 시간 150~390초의 조건으로 열처리하여, 강판 표면에 표면 산화층을 형성시킨다. 이때 상기 표면 산화층은 스테인리스 강판의 표면 전부에 형성될 수도 있고, 경우에 따라서는 이후 용접이 이루어지는 용접영역에 한정하여 형성될 수도 있다. 여기서 용접영역은 열처리 이후 행해지는 GTA 용접을 통해 용접이 이루어지는 부위로 정의될 수 있다.

열처리 단계에서 열처리 온도는 900~1200℃ 일 수 있다. 열처리 온도가 900℃ 미만인 경우 표면 산화층의 형성이 미미하여 장시간 유지하여야 하기 때문에 실제 현장에서의 적용이 실질적으로 곤란하다. 반면에 열처리 온도가 1200℃를 초과하는 경우 스테인리스 강판의 표면에 과도한 변색이 발생하여 소재 내식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 열처리 온도까지의 승온속도는 별도로 한정하지 않을 수 있으나, 비제한적인 일 구현례로서 5.0~13.0℃/s 일 수 있다.

열처리 시간은 150~390초일 수 있다. 열처리 시간이 150초 미만인 경우 표면 산화층의 두께가 너무 얇아 용접속도 향상의 효과를 얻기 어렵다. 반면에 열처리 시간이 390초를 초과하는 경우 스테인리스 강판의 표면에 과도한 변색이 발생하여 소재 내식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 여기서 열처리 시간은 목표 열처리 온도에 도달한 이후 해당 열처리 온도에서의 유지시간으로 정의할 수 있다.

스테인리스 강판에 대해 열처리를 실시하면, 강판 표면에 일정 부분 변색이 발생하게 된다. 변색이 발생하는 양상은 처음에는 남색으로 변색되었다가 노란색 계열로 변색되며, 이후에는 검게 변하는 흑변 현상이 발생하게 된다. 내식성의 관점에서 노란색이나 남색으로 변색된 경우는 내식성에 큰 영향은 없으나, 검게 변하는 흑변 현상이 발생하는 경우 강판의 내식성이 저하되게 된다. 따라서 본 발명에서 상술한 과도한 변색이란 이러한 흑변 현상이 과도하게 발생한 경우를 말하며, 열처리 온도를 1200℃ 이하, 열처리 시간을 390초 이하로 제어함으로써 강판 표면에 과도한 흑변이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.

상기 열처리 조건을 만족하는 열처리를 통해 피용접재인 스테인리스 강판의 표면 전부 또는 일부 용접영역에는 표면 산화층이 형성될 수 있다. 상기 표면 산화층의 두께는 16~350nm 일 수 있으며, 열처리 온도 및 시간에 따라 달라질 수 있다. 표면 산화층의 두께가 16nm 미만이면 용융풀에 표면활성원소의 공급이 거의 이루어지지 않아 용접속도 향상에 기여할 수 없으며, 반면에 그 두께가 350nm 를 초과하는 경우에는 용접 후 용접부 내식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 비제한적인 일 구현례에 따르면, 상기 피용접재의 표면에 형성되는 표면 산화층은 2 이상의 스테인리스 강판의 매트릭스(Matrix) 상에 형성되고 Ti, Nb, Si 계 산화물로 이루어지는 하층; 상기 하층 상에 형성되고 Cr 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성되는 Mn 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 최외각층;으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 표면 산화층의 두께를 측정하는 방법은 특별히 한정하지 않을 수 있으나, 비제한적인 일 구현예로써 열처리 후 피용접재를 절단하고 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 등으로 그 절단면을 관찰하여 무작위 또는 균일한 간격의 10점의 두께를 측정하고, 그 10점에서의 두께가 모두 16~350nm 범위 내에 있으면 본 발명의 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.

또한 표면 산화층이 하층, 중간층 및 최외각층의 3층 구조를 이루는 경우 상기 두께는 상기 3층 구조를 모두 포함하는 총 두께를 의미한다.

열처리된 2 이상의 스테인리스 강판을 접촉시키고 GTA 용접하는 단계

이후 표면에 표면 산화층이 형성된 스테인리스 강판을 서로 접촉시킨 후 GTA 용접한다.

본 발명에서 GTA 용접방법은 특별히 제한하지 않으며, 용접토치에 포함된 텅스텐 전극과 피용접재 사이에 발생하는 아크를 이용하여 용접하는 당해 기술분야에서 널리 알려진 일반적인 GTA 용접방법이면 본 발명의 용접방법에 바람직하게 적용될 수 있다. 또한 상기 용접토치에서 분사되는 보호가스와 더불어 용접부 이면에 적용되는 이면 보호가스가 사용되는 GTA 용접방법도 본 발명에 적용될 수 있다.

도 6 에 종래 기술에 따라 GTA 용접을 실시하였을 경우와 본 발명에 따라 열처리 후 GTA 용접을 실시하였을 때의 용융풀의 유동 특성을 비교하여 나타내었다. 도 6 (a) 의 경우 자연적 산화 등에 의해 피용접재의 표면에 일부 산화층(예를 들어 Cr-Fe-O층)이 형성될 수 있으나, 그 두께가 매우 얇아(Å 단위 수준) 용접 시 용융풀에 혼입되는 표면활성원소의 양이 적다. 이로 인해 용융풀의 유동 특성이 용접에 불리한 외향 방향(Outward direction)으로 나타난다.

반면에 본 발명에 따라 용접 전 피용접재에 충분한 열처리를 실시하는 경우, 열처리에 의해 피용접재에 포함된 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상의 성분이 산화되어 비교적 두꺼운 표면 산화층이 형성된다. 이후 용접 시 용접열에 의해 두꺼운 표면 산화층에서 산소가 해리되어 용융풀에 공급되며, 표면 산화층의 두꺼운 두께에 의해 충분한 양의 표면활성원소가 공급될 수 있기 때문에 용융풀의 유동 특성이 내향 방향(Inward direction)으로 변화되어 용접 속도가 향상될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에서 제공하는 용접방법을 이용할 경우, 스테인리스 강판 표면의 흑변이 억제되어 우수한 내식성을 확보할 수 있으면서도, 기존 GTA 용접방법 대비 용접 속도를 1.5 배 이상 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이하 본 발명의 다른 일 측면에 따른 피용접재에 대하여 자세히 설명한다.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 피용접재는 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 스테인리스 강판; 및 상기 스테인리스 강판 상에 구비되고 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진 표면 산화층; 을 포함하고, 상기 표면 산화층은 그 단면 중 10점에서의 두께를 측정하였을 때, 상기 10점에서의 두께가 16~350nm 이내일 수 있다.

상기 스테인리스 강판은 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판이면 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있다. 또한 바람직한 일 구현례로서 상기 스테인리스 강판은, Mn, Cr, Si, Ti, Nb 중 하나 이상을 포함하되 표준규격(KS, ASTM, JIS, DIN 등)을 따르는 스테인리스 강판일 수 있고, 혹은 중량%로, Mn: 0.2~0.5%, Cr: 9.0~30.0%, Si: 0.2~1.3%, Ti: 0.1~0.4%, Nb: 0.15~0.45%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스 강판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 스테인리스 강판 상에는 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진 표면 산화층이 형성되어 있다. 상기 표면 산화층은 전술한 소정의 열처리에 의해 강판 표면 상에 형성되는 것으로서, 그 두께는 16~350nm 이내 일 수 있다.

또한 본 발명의 비제한적인 일 구현례에 따르면, 상기 피용접재의 표면에 형성되는 표면 산화층은 2 이상의 스테인리스 강판의 매트릭스(Matrix) 상에 형성되고 Ti, Nb, Si 계 산화물로 이루어지는 하층; 상기 하층 상에 형성되고 Cr 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성되는 Mn 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 최외각층;으로 이루어질 수 있다.

상기와 같이 본 발명에서 제공하는 피용접재를 이용할 경우, 용접 시 스테인리스 강판 상에 두껍게 형성된 표면 산화층으로부터 산소(표면활성원소)가 해리되어 용융풀에 쉽게 그리고 충분하게 공급될 수 있기 때문에, 기존 GTA 용접방법 대비 용접 속도를 1.5 배 이상 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 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)

먼저 피용접재로서 자동차 배기계용 소재로 적용되고 있는 441 STS강판(18Cr-0.3Si-Ti-Nb-LCN)을 준비하고, 하기 표 1 에 나타낸 조건에 따라 열처리를 실시하였다. 열처리된 강판을 절단한 후 그 단면을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 표면 산화층의 두께를 측정하였다. 두께 측정 시 무작위 10점에서의 두께를 측정하였으며, 표 1 에는 측정된 10개 두께 중 최소값 및 최대값을 이용하여 범위로 기재하였다. 한편 비교예 1 의 경우 표면에 일부 산화층이 형성되어 있으나 그 두께가 Å 단위 수준으로 매우 얇아 하기 표 1 에 별도로 기재하지는 않았다.

또한 열처리 후 강판 표면을 육안으로 관찰하여 흑변이 발생하였는지 여부를 판단하였으며, 완전히 검게 변색된 부분이 발견되었을 때 흑변이 발생하였다고 판단하였다. 그리고 표 1 의 '표면 흑변 발생 여부' 란에 흑변이 관찰된 경우 "O"로 표시하고, 흑변이 발생하지 않은 경우 "X"로 표시하였다.

이후 열처리된 강판을 접촉시킨 후 150A 의 일정한 용접전류 하에서 용접이 가능한 최대 용접속도를 측정하고 하기 표 1 에 함께 나타내었다. 여기서 최대 용접속도란, 용접 시 피용접재 표면에서부터 뒷면까지 모두 용융되어 용접이 이루어지는 한도 내에서 가장 빠른 용접속도를 말한다.

구분	열처리 온도 (℃)	열처리 시간 (초)	표면 산화층 두께 (nm)	최대 용접속도 (mpm)	표면 흑변 발생 여부
비교예1 (종래 기술)	-	-	-	0.4	X
발명예1	1050	150	16~97	0.7	X
발명예2	1050	270	230~350	0.8	X
발명예3	1050	390	214~300	0.9	X
비교예2	1050	100	10~25	0.5	X
비교예3	1050	450	250~315	0.9	O
비교예4	850	390	11~37	0.5	X
비교예5	1250	150	57~280	0.7	O

본 발명의 조건을 만족하는 열처리 온도 및 열처리 시간으로 열처리된 발명예 1 내지 3 은 표면 산화층이 적절한 두께로 형성되어 최대 용접속도가 크게 향상되는 것을 확인하였다. 보다 구체적으로 열처리를 실시하지 않는 종래 기술(비교예 1)의 최대 용접속도에 비하여 발명예 1 내지 3 의 최대 용접속도가 최소 1.5 배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있다.

도 3 (b) 에는 발명예 1 내지 3 의 최대 용접속도에서의 용접부 미세조직을 도시하였다. 도 3 (b)를 참조해보면, 용접부 전체적으로 용융조직이 관찰되며, 이를 통해 용접속도를 증가하여도 원활한 용접이 이루어짐을 확인할 수 있었다.

도 4 는 발명예 1 내지 3 의 표면 산화층을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다. 도 4 에 나타낸 바와 같이 열처리 시간이 150초인 발명예 1 의 경우 표면 산화층의 두께는 약 16~97nm 의 범위 내에 있었으며, 발명예 2 인 270초 유지 시 230~350nm, 발명예 3 인 390 초 유지 시 214~300nm 정도의 두께로 성장하였다.

한편 도 5 는 TEM-EDS 를 사용하여 발명예 2 의 표면 산화층 성분을 분석한 결과를 나타낸다. 그 결과 최외각층에는 Mn rich 산화물이 생성되고, 그 아래층에는 Cr 산화층(중간층), 그리고 Matrix 근방에는 Ti, Nb, Si 계 산화물(하층)이 생성됨을 확인할 수 있었다.

반면에 열처리 시간이 150초 미만인 비교예 2 나 열처리 온도가 900℃ 미만인 비교예 4 의 경우, 표면 산화층 두께를 측정하였을 때 16nm 이하의 두께를 가지는 부분이 관찰되어 형성된 표면 산화층의 두께가 충분하지 않았다. 이 때문에 열처리를 실시하지 않은 비교예 1 보다는 최대 용접속도가 다소 향상되긴 했지만, 본 발명에서 목적하는 수준의 용접속도 향상의 효과를 얻지는 못하였다.

또한 열처리 시간이 390초를 초과하는 비교예 3 이나 열처리 온도가 1200℃를 초과하는 비교예 5 의 경우와 같이 열처리 조건이 과도한 경우, 표면 산화층이 충분히 형성되어 최대 용접속도는 향상되었으나, 과도한 열처리로 인해 강판 표면 상에 흑변이 발생하였고, 이로 인해 스테인리스 강판의 내식성이 저하되었다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의기술자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

가스 텅스텐 아크(Gas Tungsten Arc) 용접방법으로서,
Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 2 이상의 스테인리스 강판을 준비하는 단계;
상기 스테인리스 강판의 용접영역에 대하여 열처리 온도 900~1200℃, 열처리 시간 150~390초의 조건으로 열처리함으로써 강판에 표면 산화층을 형성하는 단계;
상기 열처리된 스테인리스 강판을 공냉한 후 서로 접촉시키는 단계; 및
접촉된 상기 스테인리스 강판을 가스 텅스텐 아크 용접하는 단계;
를 포함하고,
상기 표면 산화층의 단면 중 10점에서의 두께를 측정하였을 때,
상기 10점에서의 두께가 16~350nm 이내인 것을 특징으로 하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열처리 후 용접 전, 상기 스테인리스 강판의 표면에 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진 표면 산화층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법.
제 2 항에 있어서,
상기 표면 산화층은
상기 스테인리스 강판의 매트릭스(Matrix) 상에 형성되고 Ti, Nb, Si 계 산화물로 이루어지는 하층;
상기 하층 상에 형성되고 Cr 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 중간층; 및
상기 중간층 상에 형성되는 Mn 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 최외각층;
으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 스테인리스 강판은, 중량%로, Mn: 0.2~0.5%, Cr: 9.0~30.0%, Si: 0.2~1.3%, Ti: 0.1~0.4%, Nb: 0.15~0.45%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열처리는 상기 스테인리스 강판의 전체에 대해 실시되는 것을 특징으로 하는 용접속도가 향상된 가스 텅스텐 아크 용접방법.
Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 스테인리스 강판; 및
상기 스테인리스 강판 상에 구비되고 Mn, Cr, Si, Ti 및 Nb 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진 표면 산화층;
을 포함하고,
상기 표면 산화층은 그 단면 중 10점에서의 두께를 측정하였을 때, 상기 10점에서의 두께가 16~350nm 이내인 피용접재.
제 7 항에 있어서,
상기 표면 산화층은,
상기 스테인리스 강판의 매트릭스(Matrix) 상에 형성되고 Ti, Nb, Si 계 산화물로 이루어지는 하층;
상기 하층 상에 형성되고 Cr 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 중간층; 및
상기 중간층 상에 형성되는 Mn 및 Fe 의 산화물로 이루어지는 최외각층;
으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피용접재.
제 7 항에 있어서,
상기 스테인리스 강판은, 중량%로, Mn: 0.2~0.5%, Cr: 9.0~30.0%, Si: 0.2~1.3%, Ti: 0.1~0.4%, Nb: 0.15~0.45%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 피용접재.