KR102179607B1 - 클래드 용접관 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용접부의 폭을 보다 좁게 함으로써 관 자체의 기계적 특성이 향상되고, 또한 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않는 클래드 용접관을 제공한다. 본 발명은, 모재로 이루어지는 제 1 층과, 상기 제 1 층의 일방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층을 갖는 클래드 용접관으로서, 용접부에 있어서의 용접 금속의 관 내면에서의 관 둘레 방향 길이 L1 및 관 외면에서의 관 둘레 방향 길이 L2 가, 모두 0.0010 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하이고, 상기 용접부에 있어서 상기 모재가 상기 클래드 용접관의 제 1 합재측 표면에 노출되어 있지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

클래드 용접관 및 그 제조 방법{CLAD WELDED PIPE OR TUBE AND METHOD OF PRODUCING SAME}

본 발명은 클래드 용접관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

강판을 소재로 하여 용접관을 제조하는 방법으로는, 전기 저항 용접에 의한 방법, 아크 용접에 의한 방법 등의 여러 가지 방법을 들 수 있다. 그러나, 어느 방법에서도, 일반적으로 용접부의 기계적 특성 (인성이나 강도) 은 용접 전의 강판에 비해 열화되는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 용접관에 있어서는, 용접부 중, 특히 용접 금속의 폭 (관 둘레 방향 길이) 을 최대한 좁게 하는 것이 요구된다. 여기서, UOE 강관 등의 아크 용접 강관은, 용접 재료를 사용한 용접 방법으로 제조되는 것이기 때문에, 용접부의 폭을 좁게 하는 것에는 적합하지 않다. 한편, 전봉 용접은, 용접 재료가 불필요한 자기 용접 방법이므로, 이 방법으로 제조한 용접관에 있어서, 용접부의 폭을 좁게 하기 쉽다는 이점이 있다.

그런데, 전봉 강관의 특성을 향상시키기 위한 수단으로서, 전봉 용접 클래드 강관이 제안되어 있다. 전봉 용접 클래드 강관이란, 모재로서의 강판에, 모재와는 상이한 재료로 이루어지는 금속판 (합재) 을 클래드한 클래드 강판을 사용하여 제조되는 전봉 강관이다. 이와 같이 상이한 재료를 조합함으로써, 모재와 합재, 각각이 갖는 특성을 살려, 우수한 특성을 갖는 강관을 얻을 수 있다. 예를 들어, 모재로서 탄소강을, 합재로서 스테인리스 강판을 사용한 경우, 스테인리스 강판의 내식성과, 탄소강의 강도를 겸비한 전봉 클래드 강관을 얻을 수 있다고 생각된다.

이와 같은 전봉 용접 클래드 강관에 관한 기술로는, 예를 들어, 다음의 특허문헌 1 및 2 를 들 수 있다.

특허문헌 1 에는, 관상으로 곡성 (曲成) 된 클래드 강판 또는 강대의 대향 양 가장자리부를 맞댐 용접한 용접 비드 중의 적어도 합재측 비드를, 모재에 도달하는 깊이까지 절삭 제거하고, 절삭 제거부에 합재와 동일한 성질을 갖는 육성 (肉盛) 용접을 실시하는 클래드관의 제조 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 2 에는, 클래드 강대를 소관 (素管) 으로 성형하고, 이음매 에지부를 전봉 용접한 후, 용접 심에 침입한 이종 금속을 희석시키는, 클래드 강관의 제조 방법이 개시되어 있다. 상기 희석은, 다음의 (1), (2) 중 어느 방법으로 실시된다. (1) 이종 금속이 침입한 용접 심을 따른, 클래드 계면의 깊이까지의 영역을 용융·응고시키고, 그 이종 금속을 희석시킨다. (2) 합재와 동종의 금속을 사용하여, 이종 금속이 침입한 심부에 육성 용접을 실시하고, 이어서, 그 육성 용접부를 압연하여 상기 이종 금속을 희석시킨다.

특허문헌 3 에는, 내면측을 합재로 한 클래드 강판을 전봉 용접하여 클래드 강관을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 제조 방법에서는, 상기 클래드 강판을 성형하여, 내면이 합재인 관상체로 하고, 상기 관상체의 합재 맞댐의 적어도 일부분을 전봉 용접하고, 그 후 맞댐 미용접부에 육성 용접이 실시된다.

일본 공개특허공보 소60-221173호 일본 공개특허공보 소62-156087호 일본 공개특허공보 평5-154545호

그러나, 상기 특허문헌 1 ∼ 3 에 기재된 기술은, 모두 전봉 용접 후에 용접부에 대해 육성 용접이나 용융·응고 처리 등의 후처리를 실시하는 것을 필수로 하고 있다. 그 이유는 이하와 같다.

전봉 용접에 있어서는, 용접부, 즉 관상으로 성형된 강판의 둘레 방향 양단을 맞댄 부위에, 페네트레이터라고 불리는 산화물 주체의 용접 결함이 생성된다. 이 페네트레이터는, 용접부의 인성이나 강도를 저하시키는 원인이 된다. 그 때문에, 통상은, 페네트레이터가 용접부에 잔류하지 않게, 스퀴즈 롤에 의한 업셋량을 크게 하여, 용접시에 생기는 산화 용융물을 관 외면으로 배출하는 대책이 취해지고 있다.

그러나, 클래드 강판을 소재로 하여 전봉 용접 클래드 강관을 제조하는 경우에, 상기와 같이 업셋량을 크게 하면, 다음과 같은 문제가 생긴다. 도 15(A) 는, 모재 (11) 및 합재 (12) 로 이루어지는 클래드 강판을, 합재 (12) 가 내층이 되도록 전봉 용접했을 때의 용접부 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 업셋량이 크면, 용융된 모재 (11) 가 합재 (12) 의 용접 심부 (14) 에 침입하고, 특히, 업셋량이 과잉이면, 도 15(A) 에 나타내는 바와 같이, 모재 (11) 가 강관의 합재 (12) 측 표면에 노출된다. 그 결과, 모재 (11) 가 노출된 부위에 있어서 성능의 저하가 생겨, 클래드 강관으로서의 장점이 저해된다.

예를 들어, 내식성 향상을 목적으로 하여, 모재 (11) 로서의 저탄소강에 합재 (12) 로서의 스테인리스강을 클래드한 클래드 강판을 사용하는 경우, 도 15(A) 에 나타낸 바와 같이 합재측에 모재 (11) 가 노출됨로써, 내식성이 떨어지는 저탄소강이 노출되는 결과, 강관 내면의 용접 심부 (14) 근방의 내식성이 현저하게 저하된다.

그래서, 특허문헌 1, 2 에서는, 상기의 문제를 해결하기 위해, 전봉 용접 후, 합재와 동등한 재료를 용접부에 육성 용접하고 있다. 그러나, 이 방법에서는 모재 노출부를 없앨 수는 있지만, 육성 용접을 실시한 결과, 특성이 떨어지는 용접부가 오히려 증가해 버린다. 특허문헌 2 에 있어서는, 육성 용접 대신에 용융·응고 처리를 실시하는 방법도 제안되어 있지만, 이 방법에 있어서도, 용융·응고 처리가 실시된 부분은, 용접 금속과 동일한 응고 조직을 갖기 때문에 특성이 떨어진다.

또, 특허문헌 3 에 기재된 방법에서는, 합재측만을 용접한 후에 모재측을 육성 용접하고 있기 때문에, 모재가 합재측에 노출되는 것은 방지할 수 있다. 그러나, 모재를 육성 용접에 의해 접합하기 때문에, 통상적인 전봉 용접에 의해 접합하는 경우에 비해 용접 금속의 폭이 오히려 커진다.

이와 같이, 특허문헌 1 ∼ 3 에 기재되어 있는 종래의 방법에서는, (1) 용접 금속에 의한 특성 열화를 억제하기 위해 용접 금속의 폭을 좁게 하는 것과, (2) 모재가 합재측에 노출되는 것에서 기인하는 클래드 용접관으로서의 성능 저하를 방지하는 것이라는 2 개의 목적을 양립시킬 수 없다는 과제가 있었다. 이 과제는, 모재의 표리면에 합재가 형성된 3 층의 클래드 강판을 소재로 하여 사용하는 경우도 동일하다. 도 15(B) 에 나타내는 바와 같이, 업셋량이 크면, 용융된 모재 (11) 가 합재 (12A, 12B) 의 용접 심부 (14) 에 침입하여, 모재 (11) 가 강관의 합재 (12) 측 표면 (즉 강관의 내면 및 외면) 에 노출된다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 용접 금속의 폭을 보다 좁게 함으로써 관 자체의 기계적 특성이 향상되고, 또한 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않은 클래드 용접관 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(A) 클래드 강대의 폭 방향 양단부는, 관상으로 성형된 오픈관에 있어서 맞댐부 (즉 피용접부) 가 된다. 그래서, 전봉 용접 전에 미리, 클래드 강대의 폭 방향 양단부를 합재측에서 압입 가공하여, 소정의 개선 (開先) 형상의 개선을 형성한 결과, 전봉 용접 후에, 용융된 모재가 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제할 수 있다.

(B) 용접시, 특정한 구조의 실드 가스 분사 노즐을 사용하여, 적정한 조건으로 실드 가스를 분사함으로써, 피용접부의 산소 농도를 현격히 저감시킬 수 있고, 그 결과, 페네트레이터의 생성을 억제할 수 있다.

(C) 상기 (B) 의 결과, 용접시의 업셋량을 작게 해도 용접부에 페네트레이터가 잔류하지 않고, 용접부의 기계적 특성이 향상된다. 또한 업셋량을 작게 함으로써, 용융된 모재가 합재측의 표면에 노출되는 것을 억제할 수 있다.

(D) 상기 개선 가공 조건, 실드 가스, 및 업셋량의 각 조건의 조합을 엄밀하게 제어함으로써, 모재가 합재측의 표면에 노출되는 것을 완전히 방지할 수 있다. 그 때문에, 종래 기술과 같이, 육성 용접이나 용융·응고 처리 등의 후처리를 실시하는 일 없이, 내식성 등의 성능이 우수한 클래드 용접관을 얻을 수 있다. 또, 용접 금속의 폭을 현저하게 저감시킬 수 있기 때문에, 클래드 용접관의 강도, 특히, 용접부의 파단 특성을 향상시킬 수 있다.

상기 지견에 기초하여 완성된 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.

[1] 모재로 이루어지는 제 1 층과,

상기 제 1 층의 일방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층을 갖는 클래드 용접관으로서,

용접부에 있어서의 용접 금속의 관 내면에서의 관 둘레 방향 길이 및 관 외면에서의 관 둘레 방향 길이가, 모두 0.0010 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하이고,

상기 용접부에 있어서 상기 모재가 상기 클래드 용접관의 제 1 합재측 표면에 노출되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 클래드 용접관.

[2] 상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 2 층 구조를 갖는, 상기 [1] 에 기재된 클래드 용접관.

[3] 관의 두께 중심에 있어서의 상기 용접 금속의 관 둘레 방향 길이가 0.0010 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하인, 상기 [2] 에 기재된 클래드 용접관.

[4] 상기 용접 금속에 있어서의 상기 제 1 합재의 두께가, 상기 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 상기 제 1 합재의 두께의 20 ％ 이상 300 ％ 이하인, 상기 [2] 또는 [3] 에 기재된 클래드 용접관.

[5] 상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층인 중앙층과, 상기 제 2 층인 내층과, 상기 제 1 층의 타방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 2 합재로 이루어지는 제 3 층인 외층으로 이루어지는 3 층 구조를 갖고,

상기 용접부에 있어서 상기 모재가 상기 클래드 용접관의 내면 및 외면에 노출되어 있지 않는, 상기 [1] 에 기재된 클래드 용접관.

[6] 관의 두께 중심에 있어서의 상기 용접 금속의 관 둘레 방향 길이가 0.0010 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하인, 상기 [5] 에 기재된 클래드 용접관.

[7] 상기 용접 금속에 있어서의 상기 제 1 합재의 두께 및 상기 제 2 합재의 두께가, 각각 상기 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 상기 제 1 합재의 두께 및 상기 제 2 합재의 두께의 20 ％ 이상 300 ％ 이하이고 또한 관의 두께의 35 ％ 이하인, 상기 [5] 또는 [6] 에 기재된 클래드 용접관.

[8] 상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 2 층 구조를 갖고,

상기 모재는 탄소강 또는 저합금강으로 이루어지고, 상기 제 1 합재는 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금으로 이루어지고,

용접부에 있어서의 용접 금속의 폭이, 전체 두께에 걸쳐 1.0 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하인, 상기 [1] 에 기재된 클래드 용접관.

[9] 상기 합재가, 질량％ 로,

C : 0.15 ％ 이하,

Si : 5.0 ％ 이하,

Mn : 2.0 ％ 이하,

P : 0.1 ％ 이하,

S : 0.1 ％ 이하,

Ni : 1.0 ％ 이하,

Cr : 11.0 ％ 이상, 및

N : 0.5 ％ 이하를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 스테인리스강인, 상기 [8] 에 기재된 클래드 용접관.

[10] 상기 합재가, 질량％ 로,

C : 0.15 ％ 이하,

Si : 5.0 ％ 이하,

Mn : 2.0 ％ 이하,

P : 0.1 ％ 이하,

S : 0.1 ％ 이하,

Ni : 6.0 ％ 이상,

Cr : 15.0 ％ 이상, 및

N : 0.5 ％ 이하를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금인, 상기 [8] 에 기재된 클래드 용접관.

[11] 상기 합재의 성분 조성이, 질량％ 로,

Mo : 20.0 ％ 이하,

Cu : 5.0 ％ 이하,

Al : 2.0 ％ 이하,

Co : 3.0 ％ 이하,

W : 5.0 ％ 이하,

Ta : 5.0 ％ 이하,

Ti : 2.0 ％ 이하,

Nb : 5.0 ％ 이하,

V : 2.0 ％ 이하,

Zr : 2.0 ％ 이하,

B : 0.0050 ％ 이하,

Ca : 0.0050 ％ 이하,

Mg : 0.0030 ％ 이하, 및

REM : 0.10 ％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 추가로 함유하는, 상기 [9] 또는 [10] 에 기재된 클래드 용접관.

[12] 상기 모재가, 질량％ 로,

C : 0.02 ∼ 0.20 ％,

Si : 0.01 ∼ 1.0 ％,

Mn : 0.1 ∼ 2.0 ％,

P : 0.05 ％ 이하,

S : 0.01 ％ 이하, 및

Al : 0.1 ％ 이하를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 탄소강 또는 저합금강인, 상기 [8] ∼ [11] 중 어느 한 항에 기재된 클래드 용접관.

[13] 상기 모재의 성분 조성이, 질량％ 로,

Ti : 0.1 ％ 이하,

Nb : 0.2 ％ 이하,

Cu : 0.5 ％ 이하,

Ni : 0.5 ％ 이하,

Cr : 0.5 ％ 이하,

Mo : 0.5 ％ 이하,

V : 0.1 ％ 이하, 및

Ca : 0.0005 ∼ 0.0050 ％ 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 추가로 함유하는, 상기 [12] 에 기재된 클래드 용접관.

[14] JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험에 있어서의 편평값 h/D 가 0.3 미만을 만족시키는, 상기 [1] ∼ [13] 중 어느 한 항에 기재된 클래드 용접관.

여기서, h : 편평 균열 높이 (㎜)

D : 관 외경 (㎜)

[15] 모재로 이루어지는 제 1 층과, 상기 제 1 층의 일방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층을 갖는 클래드 강대를 준비하고,

상기 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하여 개선을 형성하고,

상기 클래드 강대를 관상으로 성형하여 소관으로 하고,

상기 소관의 대향하는 1 쌍의 맞댐부를 전봉 용접하여 클래드 용접관으로 하는, 클래드 용접관의 제조 방법으로서,

상기 개선 가공에서는, 상기 클래드 강대의 폭 방향 양단부를 상기 제 2 층측에서 압입 가공하고,

상기 개선은,

상기 제 2 층과 상기 제 1 층의 클래드 계면이 상기 제 2 층측으로부터 상기 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고,

상기 제 2 층측에 있어서의 베벨 각도 θ1 이 10°이상 50°이하이고,

개선 깊이 d1 이 상기 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이고,

하기 (1) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R1 이 25 ％ 이상 50 ％ 이하이고,

상기 전봉 용접은, 상기 1 쌍의 맞댐부에 가스 실드를 실시하면서, 상기 1 쌍의 맞댐부를, 업셋량이 상기 클래드 강대의 두께 t 이하인 조건으로 맞댐 가압하여 실시되고,

상기 가스 실드는,

상기 소관의 맞댐부 상단으로부터 5 ∼ 300 ㎜ 상방의 위치에서, 상기 소관의 맞댐 방향에 인접하여 병치된 3 개 이상의 슬릿상의 가스 방출구를 갖는 실드 가스 분사 노즐을 사용하여, 상기 가스 방출구 중 양단에 위치하는 1 쌍의 제 1 가스 방출구로부터의 가스 방출 유속을 A (m/s) 로 하고, 나머지 제 2 가스 방출구로부터의 가스 방출 유속을 B (m/s) 로 했을 때, B 가 0.5 ∼ 50 m/s 이고, 또한 0.010 ≤ B/A ≤ 10 을 만족시키는 조건하에서 실드 가스를 분사하여 실시되는 것

을 특징으로 하는 클래드 용접관의 제조 방법.

R1 = (t_c1 ^* + d1)/t × 100 (％) ··· (1)

여기서, R1 : 투영 클래드 비율

t_c1 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 2 층의 두께 (㎜)

d1 : 제 2 층측의 개선 깊이 (㎜)

t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)

[16] 상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 2 층 구조를 갖고,

상기 개선이 Y 형 개선인, 상기 [15] 에 기재된 클래드 용접관의 제조 방법.

[17] 상기 업셋량이 상기 클래드 강대의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상인, 상기 [16] 에 기재된 클래드 용접관의 제조 방법.

[18] 상기 투영 클래드 비율 R1 이 30 ％ 이상 50 ％ 이하인, 상기 [16] 또는 [17] 에 기재된 클래드 용접관의 제조 방법.

[19] 상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층인 중앙층과, 상기 제 2 층인 내층과, 상기 제 1 층의 타방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 2 합재로 이루어지는 제 3 층인 외층으로 이루어지는 3 층 구조를 갖고,

상기 개선 가공에서는, 추가로 상기 클래드 강대의 폭 방향 양단부를 상기 제 3 층측에서 압입 가공하고,

상기 개선이, X 형 개선이고,

상기 개선은, 추가로

상기 제 3 층과 상기 제 1 층의 클래드 계면이 상기 제 3 층측으로부터 상기 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고,

상기 제 3 층측에 있어서의 베벨 각도 θ2 가 10°이상 50°이하이고,

개선 깊이 d2 가 상기 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이고,

하기 (2) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R2 가 25 ％ 이상 50 ％ 이하인, 상기 [15] 에 기재된 클래드 용접관의 제조 방법.

R2 = (t_c2 ^* + d2)/t × 100 (％) ··· (2)

여기서, R2 : 투영 클래드 비율

t_c2 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 3 층의 두께 (㎜)

d2 : 제 3 층측의 개선 깊이 (㎜)

t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)

[20] 상기 투영 클래드 비율 R1 및 R2 가, 각각 30 ％ 이상 50 ％ 이하인, 상기 [19] 에 기재된 클래드 용접관의 제조 방법.

본 발명의 클래드 용접관의 제조 방법에 의하면, 용접부의 폭을 보다 좁게 함으로써 관 자체의 기계적 특성이 향상되고, 또한 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않은 클래드 용접관을 제조할 수 있다.

본 발명의 클래드 용접관은, 용접부의 폭을 보다 좁게 함으로써 관 자체의 기계적 특성이 향상되고, 또한 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않았다.

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 클래드 용접관 (20) 의 용접부 근방의 관 길이 방향에 수직인 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 ∼ 3 실시형태에 따라 클래드 용접관을 제조하기 위한 설비의 개략도이다.
도 3(A) 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 클래드 강대의 폭 방향 양단부 (맞댐부) 의 개선 형상을 나타내는 단면도이고, (B) 는, 상기 클래드 강대를 전봉 용접한 후의 용접부와 그 근방을 나타내는 단면도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시형태에서 사용할 수 있는 개선 가공기를 나타내는 모식도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 가스 실드를 설명하는 개략도이고, (A) 는, 통관 중의 소관 (16) 및 클래드 용접관 (20) 의 사시도, (B) 는 (A) 의 Z1 부의 실드 가스 분사 노즐 (81) 을 나타내는 확대 사시도, (C) 는 (A) 의 Z2 부의 단면도이다.
도 6(A) ∼ (D) 는, 본 발명의 제 1 ∼ 3 실시형태에 있어서 사용 가능한 노즐의 예를 나타내는 모식도이다.
도 7(A) ∼ (C) 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 실드 가스의 가스 방출 유속 B 및 가스 유속비 B/A 의 적정 범위를 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 실드 가스의 가스 유속비 B/A 와 피용접부의 산소 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9 는, 피용접부의 산소 농도와 전봉 용접 스테인리스 클래드 강관의 90°편평 시험에 있어서의 편평값 h/D 의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10 은, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 클래드 용접관 (20) 의 용접부 근방의 관 길이 방향에 수직인 단면도이다.
도 11(A) 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 클래드 강대의 폭 방향 양단부 (맞댐부) 의 개선 형상을 나타내는 단면도이고, (B) 는, 상기 클래드 강대를 전봉 용접한 후의 용접부와 그 근방을 나타내는 단면도이다.
도 12 는, 본 발명의 제 2 실시형태에서 사용할 수 있는 개선 가공기를 나타내는 모식도이다.
도 13 은, 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 가스 실드를 설명하는 개략도이고, (A) 는, 통관 중의 소관 (16) 및 클래드 용접관 (20) 의 사시도, (B) 는 (A) 의 Z1 부의 실드 가스 분사 노즐 (81) 을 나타내는 확대 사시도, (C) 는 (A) 의 Z2 부의 단면도이다.
도 14(A) ∼ (C) 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 실드 가스의 가스 방출 유속 B 및 가스 유속비 B/A 의 적정 범위를 나타내는 설명도이다.
도 15 는, 전봉 용접부와 그 근방의 모식적인 단면도이고, (A) 는 2 층의 클래드 강판을 소재로 하여 업셋량을 크게 했을 경우, (B) 는 3 층의 클래드 강판을 소재로 하여 업셋량을 크게 했을 경우, (C) 는 2 층의 클래드 강판을 소재로 하여 업셋량을 작게 했을 경우이다.

본 발명의 클래드 용접관은, 적어도, 모재로 이루어지는 제 1 층과, 상기 제 1 층의 일방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층을 갖는다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 클래드 용접관은, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 2 층 구조를 갖는 클래드 용접관이어도 된다. 또, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 클래드 용접관은, 추가로 상기 제 1 층의 타방의 면에 적층된 제 3 층을 가질 수 있다. 바꿔 말하면, 상기 클래드 용접관은, 상기 제 1 층 (중앙층) 과, 상기 제 1 층의 일방의 면에 적층된 제 2 층 (내층) 과, 상기 제 1 층의 타방의 면에 적층된 제 3 층 (외층) 으로 이루어지는 3 층 구조를 갖는 클래드 용접관이어도 된다.

여기서, 본 명세서에 있어서 「모재」 란, 서로 두께가 상이한 2 층 이상으로 이루어지는 클래드 강대 중, 두께가 가장 큰 층의 재료를 의미하고, 「합재」 란, 그 이외의 층의 재료를 의미한다. 예를 들어, 클래드 용접관의 제조에 사용하는 클래드 강대에서는, 모재로는 관의 강도를 확보하기 위한 재료를 선정하고, 합재로는, 모재에서 확보할 수 없는 특성 (예를 들어 내식성 등) 을 확보하기 위한 재료를 선정할 수 있다.

이하, 클래드 용접관이 2 층 구조를 갖는 경우 (제 1 및 제 3 실시형태) 와, 클래드 용접관이 3 층 구조를 갖는 경우 (제 2 실시형태) 를 예로 하여, 본 발명을 실시하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

(제 1 실시형태)

먼저, 클래드 용접관이 2 층 구조를 갖는 경우에 대해 설명한다.

[클래드 용접관]

도 1 을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 클래드 용접관 (20) 을 설명한다. 본 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 모재로 이루어지는 제 1 층 (11) 과, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층 (12) 으로 이루어지는 2 층의 클래드 용접관이다.

(모재)

모재는 특별히 한정되지 않지만, 탄소강, 저합금강 등의 철강 재료를 포함하는 금속 등을 들 수 있다.

모재로서 사용하는 탄소강은, 특별히 한정되지 않지만, 클래드 용접관의 기계적 특성은, 그 관 체적의 대부분을 차지하는 모재의 특성에 지배되기 때문에, 클래드 용접관의 적용처에 따른 규격, 기계적 특성을 갖는 탄소강을 선정하는 것이 바람직하다.

모재로서 사용하는 저합금강은, 합금 원소의 합계 함유량이 5 질량％ 이하인 강이면 특별히 한정되지 않고, 탄소강과 동일하게, 클래드 용접관의 적용처를 고려하여 선정하면 된다.

(제 1 합재)

제 1 합재는 특별히 한정되지 않지만, 스테인리스강, 니켈 함유 합금 등의 철강 재료를 포함하는 금속 등의 내식성 합금을 들 수 있다. 특히 높은 내식성을 갖는 점에서, 스테인리스강에서는 SUS316L, 니켈 함유 합금에서는 Alloy625, Alloy825 가 바람직하다.

모재로 이루어지는 제 1 층 (11) 과 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층 (12) 중 어느 쪽을 관의 내층으로 하고, 어느 쪽을 관의 외층으로 할지는, 특별히 한정되지 않고, 클래드 용접관의 용도에 따라 결정하면 된다. 예를 들어, 고부식성 환경에서 사용되는 라인 파이프에는, 생산 유동체가 흐르는 관 내면에 높은 내식성이 요구된다. 따라서, 클래드 용접관을 라인 파이프에 사용하는 경우에는, 제 1 합재를 내층, 모재를 외층으로 하면 된다. 반대로, 관 외면에 높은 내식성이 요구되는 용도의 경우, 모재를 내층, 제 1 합재를 외층으로 하면 된다.

(용접 금속의 폭 및 모재의 노출)

도 1 을 참조하여, 본 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 용접부에 있어서의 용접 금속 (15A, 15B) 의 관 내면에서의 폭 (관 둘레 방향 길이) L1 및 관 외면에서의 폭 (관 둘레 방향 길이) L2 가, 모두 0.0010 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하이고, 또한, 용접부에 있어서 모재가 클래드 용접관의 제 1 합재측 표면에 노출되어 있지 않는 것을 특징으로 한다. 용접 금속이 관의 내면으로부터 외면에 걸쳐 존재하면서, 그 폭 (L1 및 L2) 이 1.0 ㎜ 이하라는 좁은 것임으로써, 클래드 용접관 (20) 은 기계적 특성이 우수하다. 또, 용접부에 있어서 모재가 클래드 용접관의 합재측 표면에 노출되어 있지 않기 때문에, 클래드관으로서의 기능이 저해되지 않았다.

L1 이 0.0010 ㎜ 미만인 경우, 관 내면측에서의 용접 금속의 양이 지나치게 적어, 용접부의 강도가 저하되고, L2 가 0.0010 ㎜ 미만인 경우도 동일하게, 관 외면측에서의 용접 금속의 양이 지나치게 적어, 용접부의 강도가 저하된다. 또, L1 및 L2 의 일방 또는 양방이 1.0 ㎜ 초과인 경우, 용접 금속의 범위가 많아짐으로써, 관의 기계적 특성이 열화된다. 이 관점에서 L1 및 L2 는 0.0100 ∼ 0.5 ㎜ 인 것이 바람직하다.

또한 관의 두께 중심에 있어서의 용접 금속의 폭 (관 둘레 방향 길이) L3 은, 0.0010 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. L3 이 0.0010 ㎜ 이상이면, 용접 금속의 양이 지나치게 적어 용접부의 강도가 저하되는 일이 없다. L3 이 0.3 ㎜ 이하이면, 용접 금속의 범위가 많아짐으로써 관의 기계적 특성이 열화되는 일이 없다. 이 관점에서 L3 은 0.0100 ∼ 0.3 ㎜ 인 것이 보다 바람직하다.

또, 용접 금속에 있어서의 제 1 합재의 두께 (용접 심부에 있어서의 제 2 층의 두께) t_w1 은, 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상 300 ％ 이하인 것이 바람직하다. t_w1 이 t_c1 의 20 ％ 이상이면, 모재의 용접 금속 (15A) 이 제 1 합재의 용접 금속 (15B) 에 침입하는 것을 충분히 억제할 수 있기 때문에, 관의 제 1 합재측 표면에서 제 1 합재의 특성 (예를 들어 내식성) 을 충분히 얻을 수 있다. 또, t_w1 이 t_c1 의 300 ％ 이하이면, 용접부에 있어서 제 1 합재의 용접 금속 (15B) 이 지배적이 되는 일이 없고, 모재의 특성 (예를 들어 강도) 을 충분히 얻을 수 있다. 이 관점에서 t_w1 은 t_c1 의 50 ∼ 200 ％ 인 것이 보다 바람직하다.

여기서, 「용접 금속」 이란, 용접관에 있어서, 용접시에 용융되고 그 후 응고된 금속을 의미한다. 용접관은, 용접 금속 및 그 주위의 열 영향부로 구성되는 용접부와, 용접에 의해 열 영향을 받지 않는 비용접부로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 용접 금속은 이하의 방법으로 특정한다. 즉, 용접 금속은, 용접관의 관 길이 방향에 수직인 단면 중 용접부를 확실하게 포함하는 영역을 적절한 방법으로 부식시키고, 비용접부와는 상이한 조직 형태를 나타내는 영역으로서 특정된다. 부식액은 금속의 종류에 따라 적절한 것을 선택하면 된다. 예를 들어, 탄소강 및 저합금강의 용접 금속은, 상기 단면을 나이탈로 부식시키고, 광학 현미경으로 하얗게 관찰되는 영역으로서 특정할 수 있다. 또, 스테인리스강 및 Ni 함유 합금의 용접 금속은, 상기 단면을 왕수로 부식시키고, 광학 현미경으로 까맣게 관찰되는 덴드라이트상, 셀상 등의 응고 조직을 함유하는 영역으로서 특정할 수 있다. 이와 같이 하여, 도 1 에 있어서의 모재의 용접 금속 (15A) 과, 합재의 용접 금속 (15B) 을 특정할 수 있다. 이렇게 하여 특정된 상기 단면에 있어서의 용접 금속의 영역으로서, 외표면, 내표면 각각에 나타내고 있는 용접 금속의 둘레 방향 양 가장자리끼리를 직선으로 연결하고, 그 직선 간격을 각각 용접 금속의 외면폭, 및 내면폭으로 한다. 용접 금속의 두께 중심폭에 있어서도 동일하게, 클래드 용접관의 두께 중심부에 있어서의, 상기 용접 금속 영역의 양 가장자리끼리를 직선으로 연결하고, 그 직선의 길이를 용접 금속의 두께 중심폭으로 한다.

또한, 탄소강 및 저합금강의 용접 금속은, 상기 단면을 피크르산으로 부식시킴으로써 메탈 플로우를 현출 (現出) 하고, 그 편석선이 관찰되지 않는 영역으로서도 특정할 수 있다. 스테인리스강 및 Ni 함유 합금의 용접 금속도, 동일하게, 메탈 플로우를 현출시켰을 경우에 편석선이 관찰되지 않는 영역으로서 특정할 수 있다.

본 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 용접부가 높은 파단 특성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험에 있어서의 편평값 h/D 가 0.3 미만을 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, h : 편평 균열 높이 (㎜), D : 관 외경 (㎜) 이다.

[클래드 용접관의 제조 방법]

상기와 같은 본 발명의 제 1 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 이하에 설명하는 특정 조건하에서의 전봉 용접에 의해 제조할 수 있다.

도 2 를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 클래드 용접관의 제조 공정을 설명한다. 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 클래드 용접관의 제조에서는, 이하의 스텝을 포함한다. 먼저, 열연 코일로 된 클래드 강대 (10) 를 언코일러 (30) 로 연속적으로 풀어낸다. 계속해서, 풀어내진 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부에 개선 가공기 (40) 로 개선 가공을 실시한다. 계속해서, 롤 성형기 (50) 로 클래드 강대 (10) 를 관상으로 성형한다. 계속해서, 맞댐부 (피용접부) 가 되는 상기 폭 방향 양단부를, 고주파 가열 장치 (60) 로 융점 이상으로 가열하면서, 스퀴즈 롤 (70) 로 맞댐 가압함으로써, 전봉 용접하여, 클래드 용접관 (20) 을 얻는다. 이 때, 실드 가스 분사 장치 (80) 에 의해, 맞댐부에 가스 실드를 실시한다. 계속해서, 비드 절삭기 (90) 로 용접부의 외면 및 내면의 용접 비드를 절삭한다. 그 후, 관 (20) 을 절단기 (96) 로 소정의 길이로 절단한다.

고주파 가열 장치 (60) 는, 직접 통전 가열식 또는 유도 가열식의 장치 중 어느 것이어도 된다. 또한, 고주파 전류의 통전 부분을 포함하는 통대 방향 범위 내의 관의 내면측에, 도시되지 않은 임피더를 장입 (裝入) 하여 전봉 용접을 실시하는 경우도 있다.

본 실시형태는, 도 3(A) 에 나타내는 바와 같이, 모재로 이루어지는 제 1 층 (11) 과, 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층 (12) 이 압착되어 이루어지는 클래드 강대 (10) 를 사용하여, 제 2 층 (12) 을 내층, 제 1 층 (11) 을 외층으로 하여, 전봉 용접을 실시하는 예를 나타낸다.

(개선 가공)

본 실시형태에서는, 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하여 개선을 형성한다. 이 개선 가공에 대해, 도 3(A) 을 참조하여, 이하 설명한다.

상기 개선 가공에서는, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부를 제 2 층 (12) 측에서 압입 가공한다. 형성되는 개선은, 도 3(A) 에 나타내는 바와 같은 Y 형 개선이고, 이하의 (i) ∼ (iv) 의 조건을 만족시킨다.

(i) 제 2 층 (12) 과 제 1 층 (11) 의 계면인 클래드 계면 (13) 이 제 2 층측으로부터 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고 있다.

(ii) 제 2 층측에 있어서의 베벨 각도 θ1 이 10°이상 50°이하이다.

(iii) 개선 깊이 d1 이 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이다.

(iv) 하기 (1) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R1 이 25 ％ 이상 50 ％ 이하이다.

R1 = (t_c1 ^* + d1)/t × 100 (％) ··· (1)

여기서, R1 : 투영 클래드 비율

t_c1 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 2 층의 두께 (㎜)

d1 : 제 2 층측의 개선 깊이 (㎜)

t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)

여기서는, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부의 제 2 층측 각부를 잘라내어 Y 형 개선으로 하는 것이 아니라, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부를 제 2 층 (12) 측에서 압입 가공하는 것이 중요하다. 그 결과, 클래드 계면 (13) 도 제 2 층측으로부터 클래드 강대의 두께 중심측으로 압입된다. 그것에 더하여, 베벨 각도 θ1, 개선 깊이 d1, 및 투영 클래드 비율 R1 을 상기의 범위로 한다. 이로써, 전봉 용접 후에, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 용접부에서 모재가 강관의 제 1 합재측 표면 (본 실시형태에서는 내면) 에 노출되지 않고, 용접부의 내면 비드를 절삭한 후에, 용접부를 포함하여 전체면에 걸쳐 제 1 합재에 피복된 내면을 갖는 전봉 용접 클래드 강관을 얻을 수 있다.

또, 상기 개선 형상에는 전류가 집중하는 각부가 존재하지 않기 때문에, 피용접부 전체의 온도 분포가 균일화된다. 그 결과, 용접부로부터 페네트레이터의 배출이 촉진되고, 결과적으로 용접부의 인성 및 강도의 저하를 방지할 수 있다.

베벨 각도 θ1 이 10°미만인 경우, 피용접부 전체의 온도 분포의 균일성을 유지할 수 없게 되고, 결과적으로 페네트레이터의 배출이 불충분해지기 쉬워지기 때문에, 용접부의 인성, 강도 등의 특성이 불충분해진다. 또한, 용융 금속의 폭 L1 또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

한편, 베벨 각도 θ1 이 50°초과인 경우, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제하는 효과가 불충분해져, 용접부에서 모재가 강관의 제 1 합재측 표면에 노출되어, 클래드관으로서의 기능이 저해된다. 또, 용융 금속의 폭 L1 또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

개선 깊이 d1 이 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 미만인 경우, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제하는 효과가 불충분해져, 용접부에서 모재가 강관의 제 1 합재측 표면에 노출되는 경향이 높아진다. 또한, 용융 금속의 폭 L1 또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

한편, 개선 깊이 d1 이 클래드 강대의 두께 t 의 45.0 ％ 초과인 경우, 용접부의 조성이 합재의 조성에 가까운 고합금 조성이 되기 때문에, 용접부의 인성, 강도 등의 특성이 불충분해진다. 또한, 용융 금속의 폭 L1 또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

모재가 제 1 합재측 표면에 노출되지 않는 것과, 용접부의 특성을 저하시키지 않는 것을 보다 높은 레벨로 양립하는 관점에서, 이하와 같이 하는 것이 바람직하다. 베벨 각도 θ1 은 15°이상으로 하는 것이 바람직하다. 베벨 각도 θ1 은 35°이하로 하는 것이 바람직하다. 개선 깊이 d1 은 클래드 강대의 두께 t 의 15 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 개선 깊이 d1 은 클래드 강대의 두께 t 의 35 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에서는, 상기 (1) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R1 을 25 ％ 이상 50 ％ 이하로 하는 것도 매우 중요하다. 투영 클래드 비율 R1 이 25 ％ 미만인 경우, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제하는 효과가 불충분해져, 용접부에서 모재가 강관의 제 1 합재측 표면에 노출된다. 또한 투영 클래드 비율이 25 ％ 미만인 작은 값이 되면 개선 형상은 사각형에 가까운 형상이 된다. 그 경우, 고주파 전류의 특성에 의해 각부에만 전류가 집중하여 가열되기 쉬워진다. 또, 제 1 합재인 스테인리스강이나 Ni 합금 등의 고합금 조성의 금속의 융점은 저탄소 저합금강 등의 모재에 비해 낮다. 따라서, 투영 클래드 비율이 25 ％ 미만인 작은 값이 되면, 각부인 저융점의 제 1 합재는 녹기 쉬워져, 제 1 합재의 용접 금속의 폭이 불균일해지고, L1 또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버린다.

또, 투영 클래드 비율 R1 이 50 ％ 초과인 경우, 즉 Y 형 개선의 루트면에 있어서의 클래드 계면의 위치가 클래드 강대 (10) 의 두께 중앙보다 모재측이 되면, 전봉 용접 후의 용접 심 (14) 의 대부분이 제 1 합재인 고합금 조성의 금속을 전봉 용접한 용접 심이 되기 때문에, 용접부의 인성, 강도 등의 특성이 저하된다. 또한, 제 1 합재인 스테인리스강이나 Ni 합금 등의 고합금 조성의 금속의 융점은 저탄소 저합금강 등의 모재에 비해 낮다. 따라서, 투영 클래드 비율이 50 ％ 초과인 큰 값이 되면, 저융점의 제 1 합재가 지나치게 녹기 때문에, 용접 금속의 폭 L1 또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버린다.

또, 부식성을 갖는 물질을 수송하는 라인 파이프로서 전봉 용접 클래드 강관을 사용함에 있어서, 클래드 강관의 내면의 내식성을 장기에 걸쳐 유지하기 위해서는, 이미 서술한 바와 같이, 용접 금속에 있어서의 제 1 합재의 두께 t_w1 을, 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것을 실현하는 관점에서, 전봉 용접시의 맞댐부의 Y 형 개선의 투영 클래드 비율 R1 은 30 ％ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서의 개선 가공은, 예를 들어 도 4 에 나타내는 바와 같은 구성의 개선 가공기 (40) 를 사용하여 실시할 수 있다. 개선 가공기 (40) 는, 주행하는 클래드 강대 (10) 에 연속적으로 가공이 가능한 압연식 개선 가공기이고, 상측 사이드 롤 (42) 및 하측 사이드 롤 (44) 이 각각 좌우 1 쌍으로 배치되어 있다. 도 4 와 같이, 상측 사이드 롤 (42) 이, 상측을 향하여 테이퍼상으로 대경이 된 압연부 (42A) 를 가짐으로써, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부를 Y 형 개선으로 할 수 있다.

압연부 (42A) 의 테이퍼 형상을 변경함으로써, 클래드 강대의 폭 방향 단부의 개선 형상을 원하는 형상으로 할 수 있다. 또, 도 3(A) 에 나타낸 바와 같이, 투영 클래드 비율 R1 은, 클래드 강대 (10) 에 있어서의 제 1 층 (모재) 의 두께 t_m 과 제 2 층 (제 1 합재) 의 두께 t_c1 의 비와, 압입 가공에 의한 개선 형상에 의존하는 것이다. 따라서, 상기 비를 적절히 선택하고, 또한 압연부 (42A) 의 테이퍼 형상을 변경하여 적절한 개선 형상으로 함으로써, 투영 클래드 비율 R1 을 원하는 값으로 할 수 있다.

(가스 실드)

계속해서, 도 5(A), (C) 에 나타내는 바와 같이, 클래드 강대 (10) 를 관상으로 성형하여 소관 (오픈관) (16) 으로 한다. 그리고, 소관의 대향하는 1 쌍의 맞댐부 (피용접부) (17) 에 가스 실드를 실시하면서, 1 쌍의 맞댐부 (17) 를 맞댐 가압하고, 전봉 용접하여, 클래드 용접관 (20) 을 얻는다.

도 5(A) 에 있어서, 부호 18 은 소관의 맞댐부 가열 기점, 부호 19 는 피용접부 (17) 가 접합하는 통관 방향 위치를 가리키는 용접점이다. 본 실시형태에서는, 전봉 용접시, 가열 기점 (18) 으로부터 용접점 (19) 까지의 통관 방향 범위의 전역, 혹은 당해 범위 내의 피용접부에 산화물이 생성되기 쉬운 구역 (이 구역은 예비 조사에 의해 특정할 수 있다) 을 실드 범위로 하고, 그 실드 범위에 있어서, 피용접부 (17) 의 바로 위의 위치에 실드 가스 분사 노즐 (81) (이하, 간단히 「노즐」 이라고도 한다) 을 배치한다.

노즐 (81) 은, 도 5(B) 및 도 6(A), (D) 에 나타내는 바와 같이, 소관의 맞댐 방향 (Y) 에 대해 3 층으로 분할한 것으로 한다. 또, 도 6(B), (C) 에 나타내는 바와 같이, 소관의 맞댐 방향 (Y) 에 대해 4 층 이상으로 분할한 것이어도 된다. 즉, 노즐 (81) 은, 소관의 맞댐 방향 (Y) 에 인접하여 병치된 3 개 이상의 분할 노즐을 갖고, 이들은, 양단에 위치하는 1 쌍의 제 1 분할 노즐 (84A) 과, 나머지 제 2 분할 노즐 (84B) 로 이루어진다. 각 분할 노즐은, 내부가 중공으로 구획되어 있고, 서로 독립된 가스 유로를 이룬다. 각 분할 노즐 (84A, 84B) 에는, 각각 대응하는 가스 배관 (82) 으로부터 실드 가스가 공급되고, 그 공급량은 가스류 조정기 (83) 로 제어된다. 1 쌍의 제 1 분할 노즐 (84A) 의 선단은, 슬릿상의 제 1 가스 방출구 (85A) 를 구획하고, 제 2 분할 노즐 (84B) 의 선단은, 슬릿상의 제 2 가스 방출구 (85B) 를 구획한다. 노즐 (81) 은, 그 가스 방출구 (85A, 85B) 를 피용접부 (17) 상단과 정대 (正對) 되도록 배위하여, 배치된다.

본 발명자들은 실드 가스의 흐름에 대해 상세하게 관찰하였다. 또한 가스 방출구 (85A, 85B) 의 위치나 치수, 가스 방출구 (85A, 85B) 에서의 실드 가스의 유속 등의 여러 가지 실드 가스의 분사 조건이, 전봉 용접시의 피용접부 (17) 의 산소 농도와, 그 피용접부를 전봉 용접하여 이루어지는 용접부에 있어서의 산화물의 면적률에 미치는 영향을 상세하게 조사하였다.

그 결과, 실드 가스의 분사 조건을 최적으로 함으로써, 피용접부의 산소 농도가 0.01 질량％ 이하가 되고, 그 결과, 용접부의 산화물 면적률이 0.1 ％ 미만이 되어, 파단 특성이 우수한 용접부가 얻어지는 것을 발견하였다. 여기서, 용접부의 산화물 면적률이란, 다음과 같이 정의된다. 즉, 전봉 용접부의 샤르피 충격 시험을 실시함으로써 얻어지는 파면을 전자 현미경에 의해 배율 500 배 이상에서 적어도 10 시야 관찰하고, 그 파면 내에 관찰되는 산화물을 포함한 딤플 파면 부분을 선별하여, 그 총면적을 측정하고, 이것의 시야 총면적에 대한 비율을 산화물 면적률로 하였다.

상기 발견한 최적 조건은, 피용접부 (17) 상단으로부터 가스 방출구 (85A, 85B) 까지의 높이인 노즐 높이 H 가 5 ㎜ 이상 300 ㎜ 이하 (도 5(C) 참조) 이고, 또한 양단에 위치하는 1 쌍의 제 1 가스 방출구 (85A) 로부터의 가스 방출 유속을 A (m/s) 로 하고, 나머지 제 2 가스 방출구 (85B) 로부터의 가스 방출 유속을 B (m/s) 로 했을 때, B 가 0.5 ∼ 50 m/s 이고, 또한 0.010 ≤ B/A ≤ 10 을 만족시키는 조건하에서 실드 가스를 분사하는 것이다. 또한, 상기 개선 가공 조건에 더하여, 이들 가스 실드 조건을 채용함으로써, 용접부의 폭을 충분히 좁은 것으로 할 수 있는 것을 본 발명자들은 알아내었다.

상기 노즐 높이 H 가 300 ㎜ 를 초과하면, 실드 가스가 충분히 피용접부 (17) 에 닿지 않기 때문에, 피용접부 (17) 의 산소 농도가 0.01 질량％ 이하가 되지 않아, 파단 특성이 우수한 용접부가 얻어지지 않는다. 또한, 용접부에 페네트레이터가 생기기 쉬워져, 편평값 h/D 가 0.3 이상이 되기 쉽다. 또한 용융 금속의 폭 L1 및 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다. 한편, 상기 노즐 높이 H 가 5 ㎜ 를 밑돌면, 가열되어 있는 피용접부 (17) 로부터의 복사열로 가스 방출구 (85A, 85B) 가 손상되기 쉽고, 또한 피용접부 (17) 에서 발생한 스퍼터가 충돌하여 노즐 (81) 의 내구성이 열화된다. 또한, 용접 금속이 실드 가스로 날아가버리기 쉬워지고, 용접 금속의 폭 L1, L2, L3 이 0.0010 ㎜ 미만이 되어, 용접부의 강도가 열화된다.

유속 B 가 지나치게 작으면, 실드 가스는 주위에 확산되고, 피용접부 (17) 의 가스 실드가 불충분해지기 때문에, 피용접부 (17) 의 산소 농도가 0.01 질량％ 이하가 되지 않아, 파단 특성이 우수한 용접부가 얻어지지 않는다. 한편, 유속 B 가 지나치게 크면, 실드 가스의 기세가 지나치게 강해져, 피용접부 (17) 의 단면 사이로의 대기 혼입을 발생시켜 버린다. 또, 유속 B 가 지나치게 작아도 지나치게 커도, 용접 금속의 폭 L1, L2, L3 이 0.0010 ㎜ 미만이 되어, 용접부의 강도가 열화된다. 따라서, 상기 유속 B 는 0.5 ∼ 50 m/s 가 적정 범위이다. 또한, 중앙의 제 2 가스 방출구 (85B) 가 복수 있는 경우 (예를 들어 도 3(B), (C) 등), 각각의 제 2 가스 방출구에서의 유속 B 는 반드시 동일한 값일 필요는 없고, 상기 적정 범위 내인 한, 서로 상이한 값이어도 상관없다.

그러나, 유속 B 를 상기 적정 범위로 유지했다고 해도, 유속 B 와 유속 A 의 비인 가스 유속비 B/A 가 부적정하면, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 대기 혼입 (87) 이 발생해 버린다.

즉, 도 7(A) 에 나타내는 바와 같이, B/A < 0.010 인 경우에는, 양단의 제 1 가스 방출구 (85A) 로부터의 가스류가 지나치게 강하고, 또한 중앙의 제 2 가스 방출구 (85B) 로부터의 가스류가 지나치게 약하기 때문에, 양단의 제 1 가스 방출구 (85A) 로부터의 가스류가 소관 (16) 의 외면에서 반사되어 상방에 편향되고, 그 반사 영역에 있어서의 가스 유속이 영에 가까워져, 소관 (16) 의 외면을 따라 대기 혼입 (87) 이 발생한다. 그 결과, 피용접부 (17) 의 산소 농도가 충분히 저감되지 않아, 파단 특성이 우수한 용접부가 얻어지지 않는다. 또한 가스의 혼입에 의해, 외면측의 용접 금속이 날라가기 쉬워져, L2 가 0.0010 ㎜ 미만이 되어, 용접부의 강도가 열화된다.

한편, 도 7(C) 에 나타내는 바와 같이, B/A > 10 인 경우에는, 중앙의 제 2 가스 방출구 (85B) 로부터의 가스류가 지나치게 강하고, 또한 양단의 제 1 가스 방출구 (85A) 로부터의 가스류가 지나치게 약하기 때문에, 중앙의 제 2 가스 방출구 (85B) 로부터의 가스류에 의해 대기가 피용접부 (17) 의 단면 사이에 끌려들어가, 대기 혼입 (87) 을 초래하기 쉽다. 그 결과, 피용접부 (17) 의 산소 농도가 충분히 저감되지 않아, 파단 특성이 우수한 용접부가 얻어지지 않는다. 또한, 용접 금속이 실드 가스로 날아가버리기 쉬워져, 용접 금속의 폭 L1, L2, L3 이 0.0010 ㎜ 미만이 되어, 용접부의 강도가 열화된다.

이들에 대해, 도 7(B) 에 나타내는 바와 같이, 0.010 ≤ B/A ≤ 10 으로 함으로써, 피용접부 (17) 의 단면 사이에 실드 가스 (86) 가 과부족없이 충만하고, 대기 혼입도 없다. 그 결과, 피용접부 (17) 의 산소 농도가 0.01 질량％ 이하가 되어, 파단 특성이 우수한 용접부가 얻어진다. 또, 용접 금속의 폭 L1, L2 를 0.0010 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하로 할 수 있다. 중앙의 제 2 가스 방출구 (85B) 가 다수 있고, 각각의 제 2 가스 방출구에서의 유속을 서로 상이한 값으로 했을 경우, 그 중 최대의 유속을 「유속 B」 로 하여 계산한 B/A 가 상기 조건을 만족시키면 된다.

도 8 은, 일례로서, 노즐 높이 H = 50 ㎜ 로 하고, 0.5 ≤ B ≤ 50 의 적정 범위하에서 가스 유속비 B/A 를 여러 가지 바꾸고, 피용접부 (17) 에 실드 가스 (86) 를 분사하여, 피용접부 (17) 의 단면 사이의 중간 위치에서 산소 농도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 또한, 관 외면측의 모재는, 두께 16 ㎜ 의 저탄소 저합금강이고, 관 내면측의 합재는, 두께 4 ㎜ 의 오스테나이트계 스테인리스강 (SUS316L) 인 스테인리스 클래드 강대를 사용하였다.

도 8 로부터, 0.5 ≤ B ≤ 50 의 적정 범위하에서, 가스 유속비 B/A 를 0.010 ≤ B/A ≤ 10 으로 함으로써, 피용접부의 산소 농도 0.01 질량％ 이하가 큰 여유를 갖고 (즉 확실하게) 클리어할 수 있다. 또, 도 8 로부터, 0.030 ≤ B/A ≤ 5 로 하면, 더욱 낮은 산소 농도 레벨인 0.001 ∼ 0.0001 질량％ 를 달성할 수 있어 바람직하다.

이 결과에 대해서는, 노즐 높이 H 등 다른 조건이 바뀌어도 동일한 것을 확인하였다.

도 9 는, 피용접부의 산소 농도와 클래드 용접관의 90°편평 시험에 있어서의 편평값 h/D 의 관계를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프에 나타낸 데이터는, 이하의 순서로 얻었다. 먼저, 여러 가지 피용접부의 산소 농도로 스테인리스 클래드 강대를 전봉 용접하여, 전봉 용접 스테인리스 클래드 강관을 제조하였다. 상기 스테인리스 클래드 강대로는, 모재로서의 저탄소 저합금강으로 이루어지는 두께 5 ㎜ 의 제 1 층과, 합재로서의 오스테나이트계 스테인리스강 (SUS316L) 으로 이루어지는 두께 2 ㎜ 의 제 2 층으로 이루어지는 클래드 강대를 사용하였다. 상기 전봉 용접 스테인리스 클래드 강관은, 상기 제 1 층이 관 외면측, 상기 제 2 층이 관 내면측이 되도록 제조하였다. 상기 전봉 용접에 있어서는, 도 15(C) 에 나타내는 바와 같이, 모재가 관 내면에 노출되지 않게, 업셋량을 스테인리스 클래드 강대의 판두께 이하인 1.0 ㎜ 로 하였다. 이어서, 얻어진 전봉 용접 스테인리스 클래드 강관으로부터, 길이 50 ㎜ 의 시험편을 채취하고, JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험을 실시하고, 편평값 h/D 를 구하였다.

그 결과, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 피용접부의 산소 농도가 0.01 질량％ 이하가 되는 분위기하에서 제조된 전봉 용접 스테인리스 클래드 강관은, 90°편평 시험에 있어서의 편평값 h/D (h : 편평 균열 높이, D : 관 외경) 가 0.3 미만이 되어, 파단 특성이 우수한 용접부를 갖는 것이 분명해졌다.

그런데, 가스 방출구 (85A, 85B) 의 전체층 합병한 형상에 대해서는, 치수의 통관 방향 (X) 성분인 길이가 30 ㎜ 이상, 치수의 소관 맞댐 방향 (Y) 성분인 폭 (도 5(C) 에 있어서의 합계폭 R) 이 5 ㎜ 이상인 사각형상으로 하면, 피용접부 (17) 에 대한 가스 분사를 보다 균일하게 할 수 있어 바람직하다.

또, 도 5(C) 에 나타내는 바와 같이, 모든 가스 방출구 (85A, 85B) 의 합계폭 R 은, 상기 가스 방출구의 바로 아래에 있어서의 상기 소관의 맞댐부의 최대 간격 W 에 대하여, R/W > 1.0 의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 피용접부 (17) 의 산소 농도를 보다 신속하게 저감시킬 수 있기 때문이다.

본 실시형태에 있어서, 실드 가스는, 불활성 가스 및 환원성 가스 중 적어도 1 종으로 이루어진다.

여기서 말하는 불활성 가스란, 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 네온 가스, 크세논 가스 등, 혹은 이들의 2 종 이상을 혼합하여 이루어지는 혼합 가스 등을 의미한다.

실드 가스로서, 환원성 가스를 0.1 질량％ 이상 함유하는 가스를 사용하면, 페네트레이터의 원인이 되는 산화물의 생성을 억제하는 효과가 보다 강해져, 용접부의 인성 또는 강도를 보다 크게 향상시킬 수 있어 바람직하다. 여기서 말하는 환원성 가스란, 수소 가스, 일산화탄소 가스, 메탄 가스, 프로판 가스 등, 혹은 이들의 2 종 이상을 혼합하여 이루어지는 혼합 가스를 의미한다. 또한, 환원성 가스를 0.1 질량％ 이상 함유하는 가스로는, 환원성 가스만으로 이루어지는 조성, 또는 환원성 가스 : 0.1 질량％ 이상을 함유하고, 잔부가 불활성 가스로 이루어지는 조성의 것이 바람직하다.

또, 입수 용이성 및 염가성의 점에서는, 실드 가스로서 다음의 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

(가) 불활성 가스 단독 사용의 경우 : (G1) 질소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 중 어느 1 종, 또는 이들 2 종 이상의 혼합 가스

(나) 환원성 가스 단독 사용의 경우 : (G2) 수소 가스, 일산화탄소 가스 중 어느 1 종, 또는 이들 2 종의 혼합 가스

(다) 불활성 가스와 환원성 가스의 혼합 가스 사용의 경우 : 상기 (G1) 과 (G2) 의 혼합 가스

또한, 특히, 수소 가스 및/또는 일산화탄소 가스를 포함하는 가스를 사용하는 경우, 유루 (遺漏) 없는 안전 대책을 세워야 하는 것은 말할 필요도 없다.

(업셋량)

본 실시형태에 있어서, 업셋량은 클래드 강대의 두께 t 이하로 한다. 이로써, 용접부에서 모재가 강관의 제 1 합재측 표면에 노출되는 일이 없다. 또한, 업셋량은, 전봉 용접 중에 용접부로부터 페네트레이터의 배출의 효과를 확보하는 관점에서, 클래드 강대의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 업셋량을 상기 클래드 강대의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상으로 함으로써, 관의 두께 중심에 있어서의 용접 금속의 관 둘레 방향 길이 L3 을 0.0010 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하로 유지할 수 있다. 또한, 스퀴즈 롤에 의한 업셋량은, 스퀴즈 롤보다 앞의 관의 외주 길이를 측정한 후, 스퀴즈 롤에 의해 용접하여 외면의 용접 비드부를 절삭한 후의 관의 외주 길이를 측정하고, 양자의 차를 계산함으로써 구한다.

상기와 같이 개선 가공, 실드 가스, 및 업셋량의 각 조건의 조합을 제어함으로써, 모재가 제 1 합재측의 표면에 노출되는 것을 완전히 방지할 수 있다. 그 때문에, 종래 기술과 같이, 육성 용접이나 용융·응고 처리 등의 후처리를 실시하는 일 없이, 내식성 등의 성능이 우수한 전봉 용접 클래드 강관을 얻을 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는, 제 1 합재인 제 2 층 (12) 을 내층, 모재인 제 1 층 (11) 을 외층으로 하여, 클래드 용접관을 제조하는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 제 1 합재인 제 2 층을 외층, 모재인 제 1 층을 내층으로 해도 된다. 이 경우에도, 합재인 제 2 층측에서 압입 가공하여 Y 형 개선으로 함으로써, 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.

(제 2 실시형태)

다음으로, 클래드 용접관이 3 층 구조를 갖는 경우에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 특별히 언급되지 않는 사항에 대해서는, 본 제 2 실시형태에 있어서도 상기 제 1 실시형태와 동일하게 할 수 있다.

[클래드 용접관]

도 10 을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 클래드 용접관 (20) 을 설명한다. 본 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 모재로 이루어지는 중앙층 (11) 과, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 내층 (12A) 과, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 2 합재로 이루어지는 외층 (12B) 으로 이루어지는 3 층의 클래드 용접관이다.

본 실시형태에 있어서도, 상기 모재 및 상기 제 1 합재로서, 상기 제 1 실시형태와 동일한 재료를 사용할 수 있다. 제 2 합재로는, 상기 제 1 실시형태의 제 1 합재와 동일한 재료를 사용할 수 있다. 또한, 내층을 구성하는 제 1 합재와 외층을 구성하는 제 2 합재는, 동일한 재료이어도 되고 상이한 재료이어도 된다.

이와 같이, 3 층 구조의 클래드 용접관으로 함으로써, 모재와 합재, 각각이 갖는 특성을 살려, 우수한 특성을 갖는 용접관을 얻을 수 있다. 예를 들어, 중앙층 (두께 중심부) 을 저비용으로 기계적 강도가 우수한 재료인 탄소강 또는 저합금강 등의 모재로 하고, 내층과 외층 (관의 내외면) 을 내식성이 우수한 재료인 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금 등의 합재로 함으로써, 강관 전체를 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금으로 했을 경우와 동등한 내식성을 갖는 데다, 저렴하고 강도도 우수한 강관을 제공할 수 있다.

(용접 금속의 폭 및 모재의 노출)

도 10 을 참조하여, 본 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 용접부에 있어서의 용접 금속 (15B, 15C) 의 관 내면에서의 폭 (관 둘레 방향 길이) L1 및 관 외면에서의 폭 (관 둘레 방향 길이) L2 가, 모두 0.0010 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하이고, 또한 용접부에 있어서 모재가 클래드 용접관의 내면 및 외면에 노출되어 있지 않는 것을 특징으로 한다. 용접 금속이 관의 내면으로부터 외면에 걸쳐 존재하면서, 그 폭 (L1 및 L2) 이 1.0 ㎜ 이하라는 좁은 것임으로써, 클래드 용접관 (20) 은 기계적 특성이 우수하다. 또, 용접부에 있어서 모재가 클래드 용접관의 내면 및 외면에 노출되어 있지 않기 때문에, 클래드관으로서의 기능이 저해되지 않았다.

L1 이 0.0010 ㎜ 미만인 경우, 합재의 용접 금속의 양이 지나치게 적어 용접부의 강도가 저하되고, L2 가 0.0010 ㎜ 미만인 경우에도 동일하게 용접 금속의 양이 지나치게 적어 용접부의 강도가 저하된다. 또, L1 및 L2 의 일방 또는 양방이 1.0 ㎜ 초과인 경우, 용접 금속의 범위가 많아짐으로써, 관의 기계적 특성이 열화된다. 이 관점에서 L1 및 L2 는 0.0100 ∼ 0.5 ㎜ 인 것이 바람직하다.

또한 관의 두께 중심에 있어서의 용접 금속의 폭 (관 둘레 방향 길이) L3 은, 0.0010 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. L3 이 0.0010 ㎜ 이상이면, 용접 금속의 양이 지나치게 적어 용접부의 강도가 저하되는 일이 없다. L3 이 0.3 ㎜ 이하이면, 용접 금속의 범위가 많아짐으로써 관의 기계적 특성이 열화되는 일이 없다. 이 관점에서 L3 은 0.0100 ∼ 0.3 ㎜ 인 것이 보다 바람직하다.

또, 용접 금속에 있어서의 제 1 합재의 두께 (용접 심부에 있어서의 제 2 층의 두께) t_w1 은, 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상 300 ％ 이하인 것이 바람직하다. t_w1 이 t_c1 의 20 ％ 이상이면, 모재의 용접 금속 (15A) 이 제 1 합재의 용접 금속 (15B) 에 침입하는 것을 충분히 억제할 수 있기 때문에, 관의 내면에서 제 1 합재의 특성 (예를 들어 내식성) 을 충분히 얻을 수 있다. 또, t_w1 이 t_c1 의 300 ％ 이하이면, 용접부에 있어서 제 1 합재의 용접 금속 (15B) 이 지배적이 되는 일이 없고, 모재의 특성 (예를 들어 강도) 을 충분히 얻을 수 있다. 이 관점에서 t_w1 은 t_c1 의 50 ∼ 200 ％ 인 것이 보다 바람직하다.

또, 용접 금속에 있어서의 제 2 합재의 두께 (용접 심부에 있어서의 제 3 층의 두께) t_w2 는, 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 제 2 합재의 두께 t_c2 의 20 ％ 이상 300 ％ 이하인 것이 바람직하다. t_w2 가 t_c2 의 20 ％ 이상이면, 모재의 용접 금속 (15A) 이 제 2 합재의 용접 금속 (15C) 에 침입하는 것을 충분히 억제할 수 있기 때문에, 관의 외면에서 제 2 합재의 특성 (예를 들어 내식성) 을 충분히 얻을 수 있다. 또, t_w2 가 t_c2 의 300 ％ 이하이면, 용접부에 있어서 제 2 합재의 용접 금속 (15C) 이 지배적이 되는 일이 없고, 모재의 특성 (예를 들어 강도) 을 충분히 얻을 수 있다. 이 관점에서 t_w2 는 t_c2 의 50 ∼ 200 ％ 인 것이 보다 바람직하다.

용접 금속에 있어서의 제 1 합재의 두께와 제 2 합재의 두께는, 각각 관의 두께의 35 ％ 이하인 것이 바람직하다. 35 ％ 이하이면, 용접부에 있어서 제 1 및 제 2 합재의 용접 금속 (15B, 15C) 이 지배적이 되는 일이 없고, 모재의 특성 (예를 들어 강도) 을 충분히 얻을 수 있다.

본 실시형태에 있어서도, 용접 금속의 특정과, 용접 금속폭의 측정은, 상기 제 1 실시형태와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.

본 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 용접부가 높은 파단 특성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험에 있어서의 편평값 h/D 가 0.3 미만을 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, h : 편평 균열 높이 (㎜), D : 관 외경 (㎜) 이다.

[클래드 용접관의 제조 방법]

상기와 같은 본 발명의 제 2 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 이하에 설명하는 특정 조건하에서의 전봉 용접에 의해 제조할 수 있다.

본 제 2 실시형태에 있어서도, 상기 제 1 실시형태와 동일하게, 도 2 에 나타낸 바와 같은 설비를 사용하여, 클래드 용접관을 제조할 수 있다. 그 경우의 제조 공정에 대해서도, 상기 제 1 실시형태에 있어서 서술한 것과 동일하게 할 수 있다.

본 실시형태는, 도 11(A) 에 나타내는 바와 같이, 모재로 이루어지는 제 1 층 (11) 과, 제 1 층에 압착된 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층 (12A) 과, 제 1 층에 압착된 제 2 합재로 이루어지는 제 3 층 (12B) 으로 이루어지는 클래드 강대 (10) 를 사용하여, 제 2 층 (12A) 을 내층, 제 3 층 (12B) 을 외층으로 하여, 전봉 용접을 실시하는 예를 나타낸다.

(개선 가공)

본 실시형태에서는, 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하여 개선을 형성한다. 이 개선 가공에 대해, 도 11(A) 를 참조하여, 이하 설명한다.

상기 개선 가공에서는, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부를 제 2 층 (12A) 측 및 제 3 층 (12B) 측에서 압입 가공한다. 형성되는 개선은, 도 11(A) 에 나타내는 바와 같은 X 형 개선이고, 상기 제 1 실시형태와 동일한 이하 (i) ∼ (iv) 의 조건에 더하여, 추가로 이하 (v) ∼ (viii) 의 조건을 만족시킨다.

(i) 제 2 층 (12A) 과 제 1 층 (11) 의 클래드 계면 (13A) 이 제 2 층측으로부터 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고 있다.

(ii) 제 2 층측에 있어서의 베벨 각도 θ1 이 10°이상 50°이하이다.

(iii) 개선 깊이 d1 이 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이다.

(iv) 하기 (1) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R1 이 25 ％ 이상 50 ％ 이하이다.

R1 = (t_c1 ^* + d1)/t × 100 (％) ··· (1)

여기서, R1 : 투영 클래드 비율 (제 2 층측)

t_c1 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 2 층의 두께 (㎜)

d1 : 제 2 층측의 개선 깊이 (㎜)

t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)

(v) 제 3 층 (12B) 과 제 1 층 (11) 의 클래드 계면 (13B) 이 제 3 층측으로부터 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고 있다.

(vi) 제 3 층측에 있어서의 베벨 각도 θ2 가 10°이상 50°이하이다.

(vii) 개선 깊이 d2 가 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이다.

(viii) 하기 (2) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R2 가 25 ％ 이상 50 ％ 이하이다.

R2 = (t_c2 ^* + d2)/t × 100 (％) ··· (2)

여기서, R2 : 투영 클래드 비율 (제 3 층측)

t_c2 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 3 층의 두께 (㎜)

d2 : 제 3 층측의 개선 깊이 (㎜)

t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)

여기서는, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부의 제 2 층측 각부 및 제 3 층측 각부를 잘라내어 X 형 개선으로 하는 것이 아니라, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부를 제 2 층 (12A) 측 및 제 3 층 (12B) 측에서 압입 가공하는 것이 중요하다. 그 결과, 클래드 계면 (13A) 은 제 2 층측으로부터 클래드 강대의 두께 중심측으로 압입되고, 클래드 계면 (13B) 은 제 3 층측으로부터 클래드 강대의 두께 중심측으로 압입된다. 그것에 더하여, 베벨 각도 θ1, θ2, 개선 깊이 d1, d2, 및 투영 클래드 비율 R1, R2 을 상기의 범위로 한다. 이로써, 전봉 용접 후에, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재 및 제 2 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 용접부에서 모재가 강관의 내면 및 외면에 노출되지 않고, 용접부의 내면 비드를 절삭한 후에, 용접부를 포함하여 전체면에 걸쳐 합재에 피복된 내면 및 외면을 갖는 전봉 용접 클래드 강관을 얻을 수 있다.

또, 상기 개선 형상에는 전류가 집중하는 각부가 존재하지 않기 때문에, 피용접부 전체의 온도 분포가 균일화된다. 그 결과, 용접부로부터 페네트레이터의 배출이 촉진되고, 결과적으로 용접부의 인성 및 강도의 저하를 방지할 수 있다.

베벨 각도 θ1 및/또는 θ2 가 10°미만인 경우, 피용접부 전체의 온도 분포의 균일성을 유지할 수 없게 되고, 결과적으로 페네트레이터의 배출이 불충분해지기 쉬워지기 때문에, 용접부의 인성, 강도 등의 특성이 불충분해진다. 또한, 용융 금속의 폭 L1 및/또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

한편, 베벨 각도 θ1 및/또는 θ2 가 50°초과인 경우, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재 및/또는 제 2 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제하는 효과가 불충분해져, 용접부에서 모재가 강관의 내면 및/또는 외면에 노출되어, 클래드관으로서의 기능이 저해된다. 또, 용융 금속의 폭 L1 및/또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

개선 깊이 d1 및/또는 d2 가 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 미만인 경우, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재 및/또는 제 2 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제하는 효과가 불충분해져, 용접부에서 모재가 강관의 내면 및/또는 외면에 노출되는 경향이 높아진다. 또한, 용융 금속의 폭 L1 및/또는 L2 가 이 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

한편, 개선 깊이 d1 및/또는 d2 가 클래드 강대의 두께 t 의 45.0 ％ 초과인 경우, 용접부의 조성이 합재의 조성에 가까운 고합금 조성이 되기 때문에, 용접부의 인성, 강도 등의 특성이 불충분해진다. 또한, 용융 금속의 폭 L1 및/또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버려, 관의 기계적 특성이 열화된다.

모재가 내면 및 외면에 노출되지 않는 것과, 용접부의 특성을 저하시키지 않는 것을 보다 높은 레벨로 양립하는 관점에서, 이하와 같이 하는 것이 바람직하다. 베벨 각도 θ1 은 15°이상으로 하는 것이 바람직하다. 베벨 각도 θ1 은 35°이하로 하는 것이 바람직하다. 베벨 각도 θ2 는 15°이상으로 하는 것이 바람직하다. 베벨 각도 θ2 는 35°이하로 하는 것이 바람직하다. 개선 깊이 d1 은 클래드 강대의 두께 t 의 15 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 개선 깊이 d1 은 클래드 강대의 두께 t 의 35 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 개선 깊이 d2 는 클래드 강대의 두께 t 의 15 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 개선 깊이 d2 는 클래드 강대의 두께 t 의 35 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에서는, 상기 (1) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R1 및 상기 (2) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R2 를 25 ％ 이상 50 ％ 이하로 하는 것도 매우 중요하다. 투영 클래드 비율 R1 및/또는 R2 가 25 ％ 미만인 경우, 모재의 용융강 및 열 영향부가 제 1 합재 및/또는 제 2 합재의 용접 심부에 침입하는 것을 억제하는 효과가 불충분해져, 용접부에서 모재가 강관의 내면 및/또는 외면에 노출된다. 또한 투영 클래드 비율이 25 ％ 미만인 작은 값이 되면 개선 형상은 사각형에 가까운 형상이 된다. 그 경우, 고주파 전류의 특성에 의해 각부에만 전류가 집중하여 가열되기 쉬워진다. 또, 합재인 스테인리스강이나 Ni 합금 등의 고합금 조성의 금속의 융점은 저탄소 저합금강 등의 모재에 비해 낮다. 따라서, 투영 클래드 비율이 25 ％ 미만인 작은 값이 되면, 각부인 저융점의 합재는 녹기 쉬워져, 내면과 외면의 용접 금속의 폭이 넓어지고, L1 및/또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버린다.

또, 투영 클래드 비율 R1 및/또는 R2 가 50 ％ 초과인 경우, 전봉 용접 후의 용접 심 (14) 의 대부분 또는 전부가 합재인 고합금 조성의 금속을 전봉 용접한 용접 심이 되기 때문에, 용접부의 인성, 강도 등의 특성이 저하된다. 또한 합재인 스테인리스강이나 Ni 합금 등의 고합금 조성의 금속의 융점은 저탄소 저합금강 등의 모재에 비해 낮다. 따라서, 투영 클래드 비율이 50 ％ 초과인 큰 값이 되면, 저융점의 합재가 지나치게 녹기 때문에, 용접 금속의 폭 L1 및/또는 L2 가 1.0 ㎜ 를 초과해버린다.

또, 부식성을 갖는 물질을 수송하는 라인 파이프로서 전봉 용접 클래드 강관을 사용함에 있어서, 클래드 강관의 내면의 내식성을 장기에 걸쳐 유지하기 위해서는, 이미 서술한 바와 같이, 용접 금속에 있어서의 제 1 합재의 두께 t_w1 을, 용접 금속 이외의 부분에 있어서의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것을 실현하는 관점에서, 전봉 용접시의 맞댐부의 X 형 개선의 투영 클래드 비율 R1 은 30 ％ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 제 3 층측의 투영 클래드 비율 R2 도 동일하게, 30 ％ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서의 개선 가공은, 예를 들어 도 12 에 나타내는 바와 같은 구성의 개선 가공기 (40) 를 사용하여 실시할 수 있다. 개선 가공기 (40) 는, 주행하는 클래드 강대 (10) 에 연속적으로 가공이 가능한 압연식 개선 가공기이고, 상측 사이드 롤 (42) 및 하측 사이드 롤 (44) 이 각각 좌우 1 쌍으로 배치되어 있다. 도 12 와 같이, 상측 사이드 롤 (42) 이, 상측을 향하여 테이퍼상으로 대경이 된 압연부 (42A) 를 갖고, 하측 사이드 롤 (44) 이, 하측을 향하여 테이퍼상으로 대경이 된 압연부 (44A) 를 가짐으로써, 클래드 강대 (10) 의 폭 방향 양단부를 X 형 개선으로 할 수 있다.

압연부 (42A, 44A) 의 테이퍼 형상을 변경함으로써, 클래드 강대의 폭 방향 단부의 개선 형상을 원하는 형상으로 할 수 있다. 또, 도 11(A) 에 나타낸 바와 같이, 투영 클래드 비율 R1 은, 클래드 강대 (10) 에 있어서의 제 1 층 (모재) 의 두께 t_m 과 제 2 층 (제 1 합재) 의 두께 t_c1 의 비와, 압입 가공에 의한 개선 형상에 의존하는 것이다. 또, 투영 클래드 비율 R2 는, 클래드 강대 (10) 에 있어서의 제 1 층 (모재) 의 두께 t_m 과 제 3 층 (제 2 합재) 의 두께 t_c2 의 비와, 압입 가공에 의한 개선 형상에 의존하는 것이다. 따라서, 상기 비를 적절히 선택하고, 또한 압연부 (42A, 44A) 의 테이퍼 형상을 변경하여 적절한 개선 형상으로 함으로써, 투영 클래드 비율 R1 및 R2 를 원하는 값으로 할 수 있다.

(가스 실드)

계속해서, 도 13(A), (C) 에 나타내는 바와 같이, 클래드 강대 (10) 를 관상으로 성형하여 소관 (오픈관) (16) 으로 한다. 그리고, 소관의 대향하는 1 쌍의 맞댐부 (피용접부) (17) 에 가스 실드를 실시하면서, 1 쌍의 맞댐부 (17) 를 맞댐 가압하고, 전봉 용접하여, 클래드 용접관 (20) 을 얻는다.

상기 가스 실드는, 상기 제 1 실시형태에 있어서의 방법과 동일한 방법으로 실시할 수 있다 (도 13, 도 14 참조). 또, 실드 가스의 조건에 대해서도, 상기 제 1 실시형태에 있어서의 조건과 동일하게 할 수 있다. 또한, 제 1 실시형태에서 나타낸 도 8 및 도 9 의 결과에 대해서는, 3 층 클래드 강관으로 실시한 실험에 있어서도 동일한 결과가 얻어졌다.

(업셋량)

본 실시형태에 있어서, 업셋량은 클래드 강대의 두께 t 이하로 한다. 이로써, 용접부에서 모재가 강관의 내면 및 외면에 노출되는 일이 없다. 또한, 업셋량은, 전봉 용접 중에 용접부로부터 페네트레이터의 배출의 효과를 확보하는 관점에서, 클래드 강대의 두께의 20 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 업셋량을 상기 클래드 강대의 합재의 두께 t_c1 및 t_c2 의 20 ％ 이상으로 함으로써 관의 두께 중심에 있어서의 용접 금속의 관 둘레 방향 길이를 0.0010 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하로 유지할 수 있다.

(제 3 실시형태)

다음으로, 제 1 실시형태의 하위의 실시형태로서, 클래드 용접관이 2 층 구조를 갖는 경우에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 특별히 언급되지 않는 사항에 대해서는, 본 제 3 실시형태에 있어서도 상기 제 1 실시형태와 동일하게 할 수 있다.

[클래드 용접관]

도 1 을 참조하여, 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 클래드 용접관 (20) 을 설명한다. 본 실시형태의 클래드 용접 강관 (20) 은, 모재로 이루어지는 제 1 층 (11) 과, 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층 (12) 으로 이루어지는 2 층의 클래드 용접관이다.

본 실시형태에서는, 상기 모재로는, 기계적 강도가 우수한 재료인 탄소강 또는 저합금강을 사용하고, 상기 합재로는, 내식성이 우수한 재료인 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금을 사용한다. 이와 같이 2 종의 재료를 조합함으로써, 강도와 내식성을 겸비한 강관을 얻을 수 있다. 또, 강관 전체를 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금으로 하는 경우에 비해, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

(모재)

본 실시형태에 있어서는, 상기 모재로서 탄소강 또는 저합금강을 사용한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「저탄소강」 이란, C 함유량이 0.25 질량％ 이하인 탄소강을 가리키는 것으로 한다.

이하, 모재로서 바람직하게 사용할 수 있는 저탄소강 및 저합금강의 성분 조성에 대해, 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 특별히 언급하지 않는 한 「％」 는 「질량％」 를 의미하는 것으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서는,

C : 0.02 ∼ 0.20 ％,

Si : 0.01 ∼ 1.0 ％,

Mn : 0.1 ∼ 2.0 ％,

P : 0.05 ％ 이하,

S : 0.01 ％ 이하, 및

Al : 0.1 ％ 이하를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 탄소강 또는 저합금강을 모재로서 사용할 수 있다.

여기서 각 원소의 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

C : 0.02 ∼ 0.20 ％

C 는 강의 강도를 향상시키기 위해서 필요한 원소이다. 0.02 ％ 미만에서는, 모재로서 필요한 강도를 실현하는 것이 곤란해진다. 그 때문에, C 함유량을 0.02 ％ 이상으로 한다. C 함유량은 0.03 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, C 함유량이 0.20 ％ 초과에서는, 용접 등의 열처리시에 마텐자이트가 생성되기 쉬워지고, 재료가 물러진다. 그 때문에, C 함유량을 0.20 ％ 이하로 한다. C 함유량은 0.15 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si : 0.01 ∼ 1.0 ％

Si 는 강의 탈산이나, 강도 조정에 사용되는 원소이다. 0.01 ％ 미만에서는, 그 효과가 불충분하다. 그 때문에, Si 함유량을 0.01 ％ 이상으로 한다. 한편, Si 함유량이 1.0 ％ 초과에서는, 재료가 경화되고, 인성도 저하된다. 그 때문에, Si 함유량을 1.0 ％ 이하로 한다. Si 함유량은 0.8 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.1 ∼ 2.0 ％

Mn 은 강의 강도를 조정하기 위해서 유용한 원소이다. 0.1 ％ 미만에서는, 그 효과가 불충분하다. 그 때문에, Mn 함유량을 0.1 ％ 이상으로 한다. 한편, Mn 함유량이 2.0 ％ 초과에서는, 용접성의 저하나 개재물의 증가 등의 폐해가 생긴다. 그 때문에, Mn 함유량을 2.0 ％ 이하로 한다. Mn 함유량은 1.8 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

P : 0.05 ％ 이하

P 는 강 중에 불순물로서 존재하고, 결정립계 등에 편석됨으로써, 인성 등의 특성을 저하시키는 원소이고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.05 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 그 때문에, P 함유량을 0.05 ％ 이하로 한다. P 함유량은, 0.03 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, P 함유량은 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

S : 0.01 ％ 이하

S 는 강 중에 불순물로서 존재하고, 결정립계 등에 편석됨으로써, 인성 등의 특성을 저하시키는 원소이고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.01 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 그 때문에, S 함유량을 0.01 ％ 이하로 한다. S 함유량은 0.005 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, S 함유량은 0.0001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Al : 0.1 ％ 이하

Al 은 강의 탈산에 사용되는 원소이다. 단, 0.1 ％ 를 초과하여 함유하면, Al 의 산화물이 다량으로 생성되고, 강의 청정도를 저하시킨다. 그 때문에, Al 함유량을 0.1 ％ 이하로 한정한다. 한편, Al 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, Al 함유량이 0.001 ％ 미만에서는, 탈산의 효과를 얻기 어렵기 때문에, Al 함유량을 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 상기 모재의 성분 조성이,

Ti : 0.1 ％ 이하,

Nb : 0.2 ％ 이하,

Cu : 0.5 ％ 이하,

Ni : 0.5 ％ 이하,

Cr : 0.5 ％ 이하,

Mo : 0.5 ％ 이하,

V : 0.1 ％ 이하, 및

Ca : 0.0005 ∼ 0.0050 ％ 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 추가로 함유할 수도 있다.

Ti : 0.1 ％ 이하, Nb : 0.2 ％ 이하, Cr : 0.5 ％ 이하, Mo : 0.5 ％ 이하, V : 0.1 ％ 이하

Ti, Nb, Cr, Mo, V 는, 모두 탄화물을 형성 또는 강 중에 대한 고용에 의해, 강의 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 단, 각각, 0.1 ％, 0.2 ％, 0.5 ％, 0.5 ％, 0.1 ％ 를 초과하여 함유하면 인성의 저하를 초래한다. 따라서, 각 함유량을 0.1 ％ 이하, 0.2 ％ 이하, 0.5 ％ 이하, 0.5 ％ 이하, 0.1 ％ 이하로 한정한다. 또한, 각 함유량이 0.01 ％ 미만에서는, 그 효과를 얻기 어렵기 때문에, 함유시키는 경우에는, 각 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Cu : 0.5 ％ 이하, Ni : 0.5 ％ 이하

Cu, Ni 는 퀀칭성 향상을 통하여, 강의 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 단, 각각, 각 함유량이 0.5 ％ 초과에서는, 그 효과가 포화되고, 불필요한 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 각 함유량을 0.5 ％ 이하로 한정한다. 한편, 각 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 각 함유량이 0.01 ％ 미만에서는, 그 효과를 얻기 어렵기 때문에, 함유시키는 경우에는, 각 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ca : 0.0005 ∼ 0.0050 ％

Ca 는 전신한 조대 (粗大) 한 황화물을 구상의 황화물로 하는 개재물 형태 제어에 기여하는 원소이다. Ca 함유량이 0.0005 ％ 미만에서는 그 효과가 불충분하다. 그 때문에, Ca 함유량을 0.0005 ％ 이상으로 한다. Ca 함유량은 0.0010 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ca 함유량이 0.0050 ％ 초과에서는, 강의 청정도를 저하시킨다. 그 때문에, Ca 함유량을 0.0050 ％ 이하로 한다.

(합재)

본 실시형태에 있어서는, 상기 합재로서 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금을 사용한다.

상기 스테인리스강으로는, 특별히 한정되지 않고 임의의 것을 사용할 수 있지만, 내식성의 관점에서는, 오스테나이트계 스테인리스강을 사용하는 것이 바람직하고, SUS316L 을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

또, 상기 니켈 함유 합금으로는, Ni 를 함유하는 것이면 임의의 것을 사용할 수 있다. 바람직하게 사용할 수 있는 니켈 함유 합금의 예로는, Alloy625 및 Alloy825 를 들 수 있다.

이하, 합재로서 바람직하게 사용할 수 있는 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금의 성분 조성에 대하여, 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서는,

C : 0.15 ％ 이하,

Si : 5.0 ％ 이하,

Mn : 2.0 ％ 이하,

P : 0.1 ％ 이하,

S : 0.1 ％ 이하,

Ni : 1.0 ％ 이하,

Cr : 11.0 ％ 이상, 및

N : 0.5 ％ 이하를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 스테인리스강을 합재로서 사용할 수 있다.

C : 0.15 ％ 이하

C 는 스테인리스강의 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 단, C 함유량이 0.15 ％ 초과에서는, 용접 등의 열처리시에 마텐자이트가 생성되기 쉬워지고, 재료가 물러진다. 그 때문에, C 함유량을 0.15 ％ 이하로 한다. C 함유량은 0.1 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, C 함유량은 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Si : 5.0 ％ 이하

Si 는 스테인리스강의 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 단, Si 함유량이 5.0 ％ 초과에서는, 재료가 경화되고, 인성도 저하된다. 그 때문에, Si 함유량을 5.0 ％ 이하로 한다. Si 함유량은 3.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Si 는 원료로부터의 혼입을 피할 수 없는 원소이고, 또한 제거하는 것이 어려운 원소이므로, Si 함유량은 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 2.0 ％ 이하

Mn 은 강의 강도를 조정하기 위해서 유용한 원소이다. 단, Mn 함유량이 2.0 ％ 초과에서는, 용접성의 저하나 개재물의 증가 등의 폐해가 생긴다. 그 때문에, Mn 함유량을 2.0 ％ 이하로 한다. Mn 함유량은 1.8 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mn 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Mn 은, 불가피적으로 혼입된 S 와 결합하여, S 의 입계 편석을 억제하는 효과를 갖기 때문에, Mn 함유량은 0.1 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

P : 0.1 ％ 이하

P 는 스테인리스강 중에 불순물로서 존재하고, 결정립계 등에 편석됨으로써, 인성 등의 특성을 저하시키는 원소이고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.1 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 그 때문에, P 함유량을 0.1 ％ 이하로 한다. P 함유량은 0.05 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, P 함유량은 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

S : 0.1 ％ 이하

S 는 스테인리스강 중에 불순물로서 존재하고, 결정립계 등에 편석됨으로써, 인성 등의 특성을 저하시키는 원소이고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.1 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 그 때문에, S 함유량을 0.1 ％ 이하로 한다. S 함유량은 0.05 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, S 함유량은 0.0001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ni : 1.0 ％ 이하

Ni 는 스테인리스강의 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 단, 오스테나이트 생성 원소이기 때문에, 페라이트계 스테인리스강에 있어서는, 페라이트 단상으로 제어하기 위해 1.0 ％ 이하로 한정한다. 한편, Ni 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 내식성 향상의 목적을 위해서는, Ni 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Cr : 11.0 ％ 이상

Cr 은, 스테인리스강의 표면에 부동태 피막을 형성함으로써, 내식성을 유지하기 위해서 중요한 원소이다. Cr 함유량이 11.0 ％ 미만에서는, 그 효과가 불충분하다. 그 때문에, Cr 함유량을 11.0 ％ 이상으로 한다. Cr 함유량은 13.0 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Cr 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 35.0 ％ 를 초과하여 함유하면 열간 가공성이 저하되기 쉽기 때문에, Cr 함유량을 35.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

N : 0.5 ％ 이하

N 은 스테인리스강의 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 단, 0.5 ％ 초과하여 함유시켜도 그 효과가 포화되므로, N 함유량을 0.5 ％ 이하로 한다. 한편, N 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 정련 비용이 과대해지는 것을 방지하기 위해, N 함유량을 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또, 다른 실시형태에 있어서는,

C : 0.15 ％ 이하,

Si : 5.0 ％ 이하,

Mn : 2.0 ％ 이하,

P : 0.1 ％ 이하,

S : 0.1 ％ 이하,

Ni : 6.0 ％ 이상,

Cr : 15.0 ％ 이상, 및

N : 0.5 ％ 이하를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는, 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금을 합재로서 사용할 수 있다.

C : 0.15 ％ 이하

C 는 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. 단, C 함유량이 0.15 ％ 초과에서는, 용접 등의 열처리시에 마텐자이트가 생성되기 쉬워지고, 재료가 물러진다. 그 때문에, C 함유량을 0.15 ％ 이하로 한다. C 함유량은 0.1 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, C 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 정련 비용이 과대해지는 것을 방지하기 위해, C 함유량을 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Si : 5.0 ％ 이하

Si 는 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 단, Si 함유량이 5.0 ％ 초과에서는, 재료가 경화되고, 인성도 저하된다. 그 때문에, Si 함유량을 5.0 ％ 이하로 한다. Si 함유량은 3.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Si 는 원료로부터의 혼입을 피할 수 없는 원소이고, 또한 제거하는 것이 어려운 원소이므로, Si 함유량은 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 2.0 ％ 이하

Mn 은 오스테나이트 생성 원소이고, 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 상 안정성을 제어하기 위해, 필요에 따라 함유시킬 수 있다. 단, Mn 함유량이 2.0 ％ 초과에서는, 용접성의 저하나 개재물의 증가 등의 폐해가 생긴다. 그 때문에, Mn 함유량을 2.0 ％ 이하로 한다. 한편, Mn 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Mn 은, 불가피적으로 혼입된 S 와 결합하여, S 의 입계 편석을 억제하는 효과를 갖기 때문에, Mn 함유량은 0.1 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

P : 0.1 ％ 이하

P 는 스테인리스강이나 니켈 함유 합금 중에 불순물로서 존재하고, 결정립계 등에 편석됨으로써, 인성 등의 특성을 저하시키는 원소이고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.1 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 그 때문에, P 함유량을 0.1 ％ 이하로 한다. P 함유량은 0.05 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, P 함유량은 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

S : 0.1 ％ 이하

S 는 스테인리스강이나 니켈 함유 합금 중에 불순물로서 존재하고, 결정립계 등에 편석됨으로써, 인성 등의 특성을 저하시키는 원소이고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.1 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 그 때문에, S 함유량을 0.1 ％ 이하로 한다. S 함유량은 0.05 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도한 저감은, 그 효과가 작아지는 것에 대해 정련 비용이 과대해지므로, S 함유량은 0.0001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ni : 6.0 ％ 이상

Ni 는 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 또, 오스테나이트 생성 원소이기 때문에, Cr 등의 페라이트 생성 원소와의 밸런스를 고려하여, 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 상 안정성의 제어에 사용된다. 그러한 목적을 위해, Cr 함유량이 15.0 ％ 이상인 경우에는, Ni 함유량을 6.0 ％ 이상으로 한다. 한편, Ni 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 비용의 증대를 방지하기 위해, Ni 함유량은 80 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr : 15.0 ％ 이상

Cr 은, 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 표면에 부동태 피막을 형성함으로써, 내식성을 유지하기 위해서 중요한 원소이다. 또, Cr 은 페라이트 생성 원소이기 때문에, Ni 등의 오스테나이트 생성 원소와의 밸런스를 고려하여, 스테인리스강이나 니켈 함유 합금의 상 안정성의 제어에 사용된다. 그러한 목적을 위해, Ni 함유량이 6.0 ％ 이상인 경우에는, Cr 함유량을 15.0 ％ 이상으로 한다. 한편, Cr 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 비용의 증대를 방지하기 위해, Cr 함유량은 80 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

N : 0.5 ％ 이하

N 은 스테인리스강의 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 단, 0.5 ％ 를 초과하여 함유시켜도 그 효과가 포화되므로, N 함유량을 0.5 ％ 이하로 한정한다. 한편, N 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 정련 비용이 과대해지는 것을 방지하기 위해, N 함유량을 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 상기 합재의 성분 조성이,

Mo : 20.0 ％ 이하,

Cu : 5.0 ％ 이하,

Al : 2.0 ％ 이하,

Co : 3.0 ％ 이하,

W : 5.0 ％ 이하, 및

Ta : 5.0 ％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 추가로 함유할 수도 있다.

Mo : 20.0 ％ 이하, Cu : 5.0 ％ 이하, Al : 2.0 ％ 이하, Co : 3.0 ％ 이하, W : 5.0 ％ 이하, Ta : 5.0 ％ 이하

Mo, Cu, Al, Co, W, Ta 는, 스테인리스강이나 니켈 합금의 내식성이나 강도를 향상시키기 위해서 함유시킬 수 있다. 단, 각각, 20.0 ％, 5.0 ％, 2.0 ％, 3.0 ％, 5.0 ％, 5.0 ％ 를 초과하여 함유시켜도, 그 효과가 포화되므로, 각 함유량을 20.0 ％ 이하, 5.0 ％ 이하, 2.0 ％ 이하, 3.0 ％ 이하, 5.0 ％ 이하, 5.0 ％ 이하로 한정한다. 한편, 이들 원소의 함유량은, 그 효과를 발현시키기 위해, 각각 0.005 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 상기 합재의 성분 조성이,

Ti : 2.0 ％ 이하,

Nb : 5.0 ％ 이하,

V : 2.0 ％ 이하, 및

Zr : 2.0 ％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 추가로 함유할 수도 있다.

Ti : 2.0 ％ 이하, Nb : 5.0 ％ 이하, V : 2.0 ％ 이하, Zr : 2.0 ％ 이하

Ti, Nb, V, Zr 은 모두 C 를 고정시킴으로써, 예민화를 억제하는 효과를 갖기 때문에 필요에 따라 함유시킬 수 있다. 단, C : 0.15 ％ 이하의 범위에 있어서는, 각각, 2.0 ％, 5.0 ％, 2.0 ％, 2.0 ％ 를 초과하여 함유시켜도 그 효과가 포화되므로, 각 함유량을 2.0 ％ 이하, 5.0 ％ 이하, 2.0 ％ 이하, 2.0 ％ 이하로 한정한다. 한편, 이들 원소의 함유량의 하한은, 그 효과를 발현시키기 위해, 각각 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 상기 합재의 성분 조성이,

B : 0.0050 ％ 이하,

Ca : 0.0050 ％ 이하,

Mg : 0.0030 ％ 이하, 및

REM : 0.10 ％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 추가로 함유할 수도 있다.

B 는 입계의 강화, Ca, Mg, REM (희토류 금속) 은 개재물 형태의 제어를 통하여, 인성 등의 특성 향상에 기여하는 원소이다. 단, 각각, 0.0050 ％, 0.0050 ％, 0.0030 ％, 0.10 ％ 를 초과하여 함유시켜도, 효과가 포화되거나, 청정도의 저하를 초래하거나 하므로, 각 함유량을 0.0050 ％ 이하, 0.0050 ％ 이하, 0.0030 ％ 이하, 0.10 ％ 이하로 한정한다. 한편, 이들 원소의 함유량의 하한은, 그 효과를 발현시키기 위해, 각각 0.0001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(모재의 노출)

본 실시형태의 클래드 용접관은, 용접부에 있어서 모재가 제 1 합재측 표면에 노출되어 있지 않는 것을 특징으로 한다. 도 15(A) 에 나타낸 바와 같이 모재가 합재측에 노출되면, 그 노출부에 있어서의 내식성 등의 특성이 저하되기 때문에, 클래드 강관임에도 불구하고, 본래 기대되어야 할 성능을 발휘할 수 없다. 이에 대해, 본 실시형태에서는, 모재가 제 1 합재측 표면에 노출되어 있지 않기 때문에, 클래드 용접관으로서의 기능이 저해되는 일이 없다.

(용접 금속의 폭)

또한 본 실시형태의 클래드 용접관에 있어서는, 용접부에 있어서의 용접 금속의 폭을, 그 클래드 강관의 전체 두께에 걸쳐 1.0 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하로 한다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 클래드 용접관 (20) 의 용접부에는, 용접에 의해 형성된 용접 금속 (15A, 15B) 이 존재한다. 용접 금속은, 용접시에 용융, 응고됨으로써 용접 전의 강판에 비해 특성이 열화되어 있다. 그 때문에, 용접 금속의 폭 W 를 전체 두께에 걸쳐 1.0 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하라는 범위로 억제함으로써, 용접에 의한 특성의 열화를 낮은 수준으로 억제하여, 우수한 강도를 갖는 클래드 용접관을 얻을 수 있다.

여기서, 「용접 금속의 폭」 이란, 클래드 용접관 (20) 의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의, 관의 반경 방향과 수직인 방향에 있어서의 용접 금속의 폭 W 를 가리키는 것으로 한다. 또한, 도 1 은, 본 실시형태를 설명하기 위한 모식도이고, 실제의 치수 비율에 기초하지 않는다.

본 실시형태에 있어서도, 용접 금속의 특정은, 상기 제 1 실시형태와 동일한 방법으로 실시할 수 있다. 특정된 상기 단면에 있어서의 용접 금속의 관 둘레 방향의 중심선에 수직인 선분의 길이를 용접 금속의 폭으로 한다.

[클래드 용접관의 제조 방법]

상기와 같은 본 발명의 제 3 실시형태의 클래드 용접관 (20) 은, 이하에 설명하는 특정 조건하에서의 전봉 용접에 의해 바람직하게 제조할 수 있다.

본 제 3 실시형태에 있어서도, 상기 제 1 실시형태와 동일하게, 도 2 에 나타낸 바와 같은 설비를 사용하여, 클래드 용접관을 제조할 수 있다. 그 경우의 제조 공정에 대해서도, 상기 제 1 실시형태에 있어서 서술한 것과 동일하게 할 수 있다.

(개선 가공, 가스 실드, 및 업셋량)

개선 가공 조건, 가스 실드 조건, 및 업셋량에 관해서는, 상기 제 1 실시형태의 기재를 원용한다.

(용접 후 열처리)

본 실시형태에 있어서는, 상기 전봉 용접 후, 추가로, 클래드 용접관을 열처리하고 이어서 냉각시키는 용접 후 열처리를 실시할 수 있다. 이 용접 후 열처리는 특별히 한정되지 않고, 임의의 방법으로 실시하지만, 이하에 서술하는 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.

·클래드 용접관의 합재측 표면에 있어서의 가열 온도 : 750 ∼ 1250 ℃

·클래드 용접관의 합재측 표면에 있어서의 상기 가열 온도에서의 유지 시간 : 10 초 이상

·클래드 용접관의 모재측 표면에 있어서의 가열 온도 : 750 ∼ 1200 ℃

·클래드 용접관의 모재측 표면에 있어서의 상기 가열 온도에서의 유지 시간 : 10 초 이상

·클래드 용접관의 합재측 표면에 있어서의 750 ℃ 내지 400 ℃ 사이의 평균 냉각 속도 : 4 ∼ 100 ℃/sec

·클래드 용접관의 모재측 표면에 있어서의 750 ℃ 내지 400 ℃ 사이의 평균 냉각 속도 : 8 ∼ 70 ℃/sec

·합재측의 조건

합재의 가열 온도가 750 ℃ 미만에서는 예민화에 의해 내식성이 저하된다. 한편, 1250 ℃ 초과에서는 결정립이 조대화되고, 그 후의 냉각 과정에 있어서 예민화되기 쉬워진다. 또, 유지 시간 10 초 미만에서는, 가열 과정에서의 예민화가 해소되지 않는다. 750 ℃ 내지 400 ℃ 사이의 평균 냉각 속도가 4 ℃/sec 미만에서는 냉각 과정에서 예민화되고, 내식성이 저하된다. 한편, 상기 평균 냉각 속도 100 ℃/sec 초과에서는 급속 냉각에 의해 발생하는 변형에 의해 응력 부식 균열 감수성이 높아진다.

·모재측의 조건

모재의 가열 온도가 750 ℃ 미만, 유지 시간이 10 초 미만에서는 용접부 조직이 건전화되지 않고, 가공성, 인성이 부족하다. 한편, 모재의 가열 온도가 1200 ℃ 초과에서는 결정립이 조대화되고, 인성이 저하된다. 750 ℃ 내지 400 ℃ 사이의 평균 냉각 속도가 8 ℃/sec 미만에서는, 페라이트-펄라이트의 생성에 의해 강도가 부족하다. 한편, 상기 평균 냉각 속도가 70 ℃/sec 초과에서는 마텐자이트의 생성에 의해 인성이 부족하다.

이상의 조건으로 열처리와 냉각을 실시함으로써, 용접부 근방의 모재 조직을 페라이트 및 베이나이트 주체 (합계 면적률로 90 ％ 이상) 의 조직으로 함과 함께, 페라이트와 베이나이트의 평균 입경을 15 ㎛ 이하로 할 수 있고, 그 결과, 용접부의 인성을 더욱 향상시킬 수 있다.

실시예

(실시예 1)

이하의 순서로 전봉 용접 2 층 클래드 강관을 제조하였다. 표 1 에 나타내는 두께로, 질량％ 로 C : 0.05 ％, Si : 0.2 ％, 및 Mn : 1.0 ％ 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성의 저탄소 저합금강의 모재와, 표 1 에 나타내는 두께로 SUS316L 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금 (Alloy625) 으로 이루어지는 합재로 이루어지는 2 층의 여러 가지 클래드 열연 강대를 준비하였다.

도 2 에 나타낸 전봉 용접 강관 제조 설비에 의해, 준비한 클래드 강대를 소재로 하여, 모재를 외층, 합재를 내층으로 하여, 여러 가지 조건으로 외경 600 ㎜ 의 클래드 용접관을 제조하였다. 그 때, 압연식 개선 가공기 (40) 에 의해, 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하고, 당해 폭 방향 양단부를 표 1 에 나타내는 형상의 Y 형 개선으로 하였다.

전봉 용접시의 업셋량은 표 1 에 나타냈다. 또, 전봉 용접시에 피용접부에 대한 가스 실드는, 도 5(A) ∼ (C) 에 나타내는 노즐을 사용하여, 표 1 에 나타내는 노즐 높이 H, 가스 방출 유속 B, 유속비 B/A 의 조건하에서 실시하였다. 실드 가스는, 아르곤 가스로 하였다.

각 수준에 있어서, 피용접부의 산소 농도를 측정하였다. 또, 제조한 각 클래드 용접관으로부터 시험편을 채취하고, JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험을 실시하고, 편평값 h/D 를 구하였다. 또, 이미 서술한 방법으로, 용접 금속의 치수를 측정하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.

또한 시험편 길이 방향이 강관의 원주 방향, 노치 위치가 용접부, 노치 방향이 강관의 길이 방향이 되도록, V 노치 시험편을 채취하고, ASTM A370 의 규정에 준거하여, 샤르피 충격 시험을 실시하여, 파면 천이 온도 vTrs (℃) 를 구하였다. 얻어진 vTrs 의 값을 사용하여, 이하의 기준에 기초하여 용접부의 인성을 평가하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

○ : vTrs : -30 ℃ 이하

× : vTrs : -30 ℃ 초과

또한 용접부에 있어서의 모재의 노출의 유무를 확인하였다. 구체적으로는, 얻어진 클래드 용접관의 관 길이 방향에 수직인 단면을 나이탈액으로 부식시키고, 전혀 부식되지 않은 영역 (즉, 합재) 에서 합재측의 표면이 연속적으로 덮여 있는 경우에는 모재의 노출 없음으로 판단하였다. 한편, 그렇지 않은 경우, 즉 합재측 표면에 부식된 영역이 관찰된 경우에는, 모재의 노출 있음으로 판단하였다. 그 결과, 본 발명의 조건을 만족시키는 제조 방법으로 얻어진 클래드 용접관에 있어서는, 용접부에 있어서 합재측 표면에 모재가 노출되어 있지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이에 대해, 투영 클래드 비율이 작은 수준 12 와, 업셋량이 큰 수준 15 와, 베벨 각도가 큰 수준 9, 29 에 대해서는, 모재의 노출이 관찰되었다.

이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족시키는 클래드 용접관은, 인성이나 편평값 등의 기계적 특성이 우수함과 함께, 모재의 노출이 없고, 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않았다.

(실시예 2)

이하의 순서로 전봉 용접 3 층 클래드 강관을 제조하였다. 표 2 에 나타내는 두께로, 질량％ 로 C : 0.05 ％, Si : 0.2 ％, 및 Mn : 1.0 ％ 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성의 저탄소 저합금강의 모재와, 표 2 에 나타내는 두께로 SUS316L 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금 (Alloy625) 으로 이루어지는 제 1 합재와, 표 2 에 나타내는 두께로 SUS316L 스테인리스강 또는 니켈 함유 합금 (Alloy625) 으로 이루어지는 제 2 합재로 이루어지는 3 층의 여러 가지 클래드 열연 강대를 준비하였다.

도 2 에 나타낸 전봉 용접 강관 제조 설비에 의해, 준비한 클래드 강대를 소재로 하여, 모재를 중앙층, 제 1 합재를 내층, 제 2 합재를 외층으로 하여, 여러 가지 조건으로 외경 600 ㎜ 의 클래드 용접관을 제조하였다. 그 때, 압연식 개선 가공기 (40) 에 의해, 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하고, 당해 폭 방향 양단부를 표 2 에 나타내는 형상의 X 형 개선으로 하였다.

전봉 용접시의 업셋량은 표 1 에 나타냈다. 또, 전봉 용접시에 피용접부에 대한 가스 실드는, 도 5(A) ∼ (C) 에 나타내는 노즐을 사용하여, 표 2 에 나타내는 노즐 높이 H, 가스 방출 유속 B, 유속비 B/A 의 조건하에서 실시하였다. 실드 가스는, 아르곤 가스로 하였다.

각 수준에 있어서, 피용접부의 산소 농도를 측정하였다. 또, 제조한 각 클래드 용접관으로부터 시험편을 채취하고, JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험을 실시하여, 편평값 h/D 를 구하였다. 또, 이미 서술한 방법으로, 용접 금속의 치수를 측정하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

또한 시험편 길이 방향이 강관의 원주 방향, 노치 위치가 용접부, 노치 방향이 강관의 길이 방향이 되도록, V 노치 시험편을 채취하고, ASTM A370 의 규정에 준거하여, 샤르피 충격 시험을 실시하여, 파면 천이 온도 vTrs (℃) 를 구하였다. 얻어진 vTrs 의 값을 사용하여, 이하의 기준에 기초하여 용접부의 인성을 평가하였다. 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.

○ : vTrs : -30 ℃ 이하

× : vTrs : -30 ℃ 초과

또한 용접부에 있어서의 모재의 노출의 유무를 확인하였다. 구체적으로는, 얻어진 클래드 용접관의 관 길이 방향에 수직인 단면을 나이탈액으로 부식시키고, 그 클래드 용접관의 내표면과 외표면의 양자가 전혀 부식되지 않는 영역 (즉, 합재) 에서 연속적으로 덮여 있는 경우에는 모재의 노출 없음으로 판단하였다. 한편, 그렇지 않은 경우, 즉 내표면과 외표면 중 어느 일방 또는 양방에 부식된 영역이 관찰된 경우에는, 모재의 노출 있음으로 판단하였다. 그 결과, 본 발명의 조건을 만족시키는 제조 방법으로 얻어진 클래드 용접관에 있어서는, 용접부에 있어서 합재측 표면에 모재가 노출되어 있지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이에 대해, 투영 클래드 비율이 작은 수준 12 와, 업셋량이 큰 수준 15 와, 베벨 각도가 큰 수준 9, 29 에 대해서는, 모재의 노출이 관찰되었다.

이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족시키는 클래드 용접관은, 인성이나 편평값 등의 기계적 특성이 우수함과 함께, 모재의 노출이 없고, 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않았다.

(실시예 3)

이하의 순서로 전봉 용접 2 층 클래드 강관을 제조하였다. 먼저, 표 4 에 나타내는 성분 조성을 갖는 합재로 이루어지는 제 1 층과, 표 5 에 나타내는 성분 조성을 갖는 모재로 이루어지는 제 2 층으로 이루어지는 2 층의 클래드 열연 강대를 제조하였다. 상기 제 1 층과 제 2 층의 두께는, 각각 표 6 에 나타내는 바와 같이 하였다.

다음으로, 도 2 에 나타낸 전봉 용접 강관 제조 설비에 의해, 준비한 클래드 강대를 소재로 하여, 모재를 관 외면측, 합재를 관 내면측으로 하여, 여러 가지 조건으로 외경 400 ㎜ 의 클래드 강관을 제조하였다. 그 때, 압연식 개선 가공기 (40) 에 의해, 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하고, 당해 폭 방향 양단부를 표 6 에 나타내는 형상의 Y 형 개선으로 하였다.

전봉 용접시의 업셋량은 표 6 에 나타냈다. 또, 전봉 용접시에 피용접부에 대한 가스 실드는, 도 5(A) ∼ (C) 에 나타내는 노즐을 사용하여, 표 6 에 나타내는 노즐 높이 H, 가스 방출 유속 B, 유속비 B/A 의 조건하에서 실시하였다. 실드 가스는 질소로 하였다.

그 후, 표 7 에 나타낸 조건으로 용접 후 열처리를 실시하였다.

얻어진 전봉 용접 클래드 강관의 각각에 대해, 이하의 방법으로 용접 금속의 폭, 모재의 노출의 유무, 편평 시험에 있어서의 파단 특성, 용접부의 인성, 및 합재의 내식성을 평가하였다. 평가 결과를 표 8 에 나타낸다.

(용접 금속의 폭)

다음의 순서로 용접 금속의 폭을 측정하였다. 먼저, 클래드 강관의 길이 방향에 수직인 단면을 부식시키고, 조직을 현출시켜, 용접 금속을 특정하였다. 구체적으로는, 탄소강 및 저합금강의 용접 금속은, 상기 단면을 나이탈로 부식시키고, 광학 현미경으로 하얗게 관찰되는 영역으로서 특정할 수 있다. 또, 스테인리스강 및 Ni 함유 합금의 용접 금속은, 상기 단면을 왕수로 부식시키고, 광학 현미경으로 까맣게 관찰되는 덴드라이트상, 셀상 등의 응고 조직을 함유하는 영역으로서 특정할 수 있다.

이어서, 광학 현미경에 의해 상기 단면의 사진을 촬영하고, 이것을 해석하여 용접 금속의 폭을 구하였다. 또한, 용접 금속의 폭은 두께 방향에 따라 상이하기 때문에, 표 8 에는 용접 금속의 폭의 두께 방향에 있어서의 최대값을 나타냈다. 표 8 에 나타낸 용접 금속의 폭의 최대값이 1.0 ㎛ 미만 또는 1000 ㎛ 초과이면, 비교예인 것으로 판단할 수 있다. 또, 표 8 에 나타낸 모든 발명예는, 용접 금속의 폭의 두께 방향에 있어서의 최소값이 1.0 ㎛ 이상인 것을 확인하였다.

(모재의 노출)

얻어진 전봉 용접 클래드 강관의, 관 길이 방향에 수직인 단면을 나이탈액으로 부식시키고, 합재측 표면이 전혀 부식되지 않는 영역 (즉, 합재) 에서 연속적으로 덮여 있는 경우에는 모재의 노출 없음으로 판단하였다. 한편, 그렇지 않은 경우, 즉 합재측 표면에 부식된 영역이 관찰된 경우에는, 모재의 노출 있음으로 판단하였다.

(파단 특성)

또한, 얻어진 전봉 용접 클래드 강관의 용접부에 있어서의 파단 특성을 평가하기 위해, 제조한 각 클래드 강관으로부터 시험편을 채취하고, JIS G 3445 의 규정에 준거한 90°편평 시험을 실시하여, 편평 균열 높이 h (㎜) 및 관 외경 D (㎜) 에 의해 정의되는 편평값 h/D 를 구하였다.

(인성)

시험편 길이 방향이 강관의 원주 방향, 노치 위치가 용접부, 노치 방향이 강관의 길이 방향이 되도록, V 노치 시험편을 채취하고, ASTM A370 의 규정에 준거하여, 샤르피 충격 시험을 실시하여, 파면 천이 온도 vTrs (℃) 를 구하였다. 얻어진 vTrs 의 값을 사용하여, 이하의 기준에 기초하여 용접부의 인성을 평가하였다.

◎ : vTrs : -45 ℃ 이하

○ : vTrs : -45 ℃ 초과, -30 ℃ 이하

× : vTrs : -30 ℃ 초과

(합재의 내식성)

또, 합재의 내식성을 API specification 5LD, 4th Edition 에 따라 ASTM A262-13, Practice E 에 준거한 황산·황산구리 부식 시험에 의해 평가하였다. 합재의 내식성을 평가하기 위해, 합재측을 남기고 모재측을 연삭에 의해 제거하고, 합재만을 시험편으로 하였다. 내식성의 평가는, 시험 후의 시험편을 육안, 또는 필요에 따라 실체 현미경 등에 의해 10 배의 배율로 관찰하고, 균열이 관찰되지 않았던 시험편을 합격 (○), 균열이 관찰된 시험편을 불합격 (×) 으로 하였다. 또한 합격한 시험편의 내식성을 ASTM G48-A 에 기재된 염화 제 2 철 부식 시험에 의해서도 평가하였다. 72 시간의 부식 시험에 있어서의 부식 감량이 0.5 g/㎡ 미만인 시험편을 우수 (◎) 로 하였다.

표 8 에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 용접 금속의 폭이 1.0 ㎛ 미만인 비교예에서는, 합재의 내식성이 떨어진다. 또, 용접 금속의 폭이 1000 ㎛ 를 초과하고 있는 비교예에서는, 용접부의 인성이 떨어진다. 이에 대해, 본 발명의 조건을 만족시키는 클래드 용접 강관은, 용접부의 인성이 우수함과 함께, 클래드 강관에 요구되는 내식성 면에 있어서도 우수한 성능을 가지고 있었다.

산업상 이용가능성

본 발명의 클래드 용접관의 제조 방법에 의하면, 용접부의 폭을 보다 좁게 함으로써 관 자체의 기계적 특성이 향상되고, 또한 클래드관으로서의 기능도 저해되지 않은 클래드 용접관을 제조할 수 있다.

10 클래드 강대
11 제 1 층 (모재)
12 제 2 층 (제 1 합재)
12A 제 2 층 (제 1 합재, 내층)
12B 제 3 층 (제 2 합재, 외층)
13 클래드 계면
13A 제 1 층과 제 2 층의 클래드 계면
13B 제 1 층과 제 3 층의 클래드 계면
14 용접 심부
15A 용접 금속 (모재)
15B 용접 금속 (제 1 합재)
15C 용접 금속 (제 2 합재)
16 소관 (오픈관)
17 피용접부 (소관의 맞댐부)
18 소관의 맞댐부 가열 기점
19 용접점
20 클래드 용접관
30 언코일러
40 개선 가공기
42 상측 사이드 롤
42A 압연부
44 하측 사이드 롤
44A 압연부
50 롤 성형기
60 고주파 가열 장치
70 스퀴즈 롤
80 실드 가스 분사 장치
81 실드 가스 분사 노즐
82 가스 배관
83 가스류 조정기
84A 제 1 분할 노즐 (양단)
84B 제 2 분할 노즐 (중앙)
85A 제 1 가스 방출구 (양단)
85B 제 2 가스 방출구 (중앙)
86 실드 가스
87 대기 혼입
90 비드 절삭기
96 절단기
X 통관 방향
Y 소관의 맞댐 방향
θ1 제 2 층측의 베벨 각도
θ2 제 3 층측의 베벨 각도
d1 제 2 층측의 개선 깊이
d2 제 3 층측의 개선 깊이
t 클래드 강대 (강관) 의 두께
t_m 제 1 층의 두께
t_c1 제 2 층의 두께
t_c1 ^* 루트면에 있어서의 제 2 층의 두께
t_w1 용접 심부에 있어서의 제 2 층의 두께
t_c2 제 3 층의 두께
t_c2 ^* 루트면에 있어서의 제 3 층의 두께
t_w2 용접 심부에 있어서의 제 3 층의 두께
L1 용접 금속의 관 내면에서의 관 둘레 방향 길이
L2 용접 금속의 관 외면에서의 관 둘레 방향 길이
L3 관의 두께 중심에 있어서의 용접 금속의 관 둘레 방향 길이
W 용접 금속의 폭

Claims (20)

1. 모재로 이루어지는 제 1 층과, 상기 제 1 층의 일방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 1 합재로 이루어지는 제 2 층을 갖는 클래드 강대를 준비하고,
   상기 클래드 강대의 폭 방향 양단부에 개선 가공을 실시하여 개선을 형성하고,
   상기 클래드 강대를 관상으로 성형하여 소관으로 하고,
   상기 소관의 대향하는 1 쌍의 맞댐부를 전봉 용접하여 클래드 용접관으로 하는, 클래드 용접관의 제조 방법으로서,
   상기 개선 가공에서는, 상기 클래드 강대의 폭 방향 양단부를 상기 제 2 층측에서 압입 가공하고,
   상기 개선은,
   상기 제 2 층과 상기 제 1 층의 클래드 계면이 상기 제 2 층측으로부터 상기 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고,
   상기 제 2 층측에 있어서의 베벨 각도 θ1 이 10°이상 50°이하이고,
   개선 깊이 d1 이 상기 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이고,
   하기 (1) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R1 이 25 ％ 이상 50 ％ 이하이고,
   상기 전봉 용접은, 상기 1 쌍의 맞댐부에 가스 실드를 실시하면서, 상기 1 쌍의 맞댐부를, 업셋량이 상기 클래드 강대의 두께 t 이하의 조건으로 맞댐 가압하여 실시되고,
   상기 가스 실드는,
   상기 소관의 맞댐부 상단으로부터 5 ∼ 300 ㎜ 상방의 위치에서, 상기 소관의 맞댐 방향에 인접하여 병치된 3 개 이상의 슬릿상의 가스 방출구를 갖는 실드 가스 분사 노즐을 사용하여, 상기 가스 방출구 중 양단에 위치하는 1 쌍의 제 1 가스 방출구로부터의 가스 방출 유속을 A (m/s) 로 하고, 나머지 제 2 가스 방출구로부터의 가스 방출 유속을 B (m/s) 로 했을 때, B 가 0.5 ∼ 50 m/s 이고, 또한 0.010 ≤ B/A ≤ 10 을 만족시키는 조건하에서 실드 가스를 분사하여 실시되는 것을 특징으로 하는 클래드 용접관의 제조 방법.
   R1 = (t_c1 ^* + d1)/t × 100 (％) ··· (1)
   여기서, R1 : 투영 클래드 비율
   t_c1 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 2 층의 두께 (㎜)
   d1 : 제 2 층측의 개선 깊이 (㎜)
   t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 2 층 구조를 갖고,
   상기 개선이 Y 형 개선인, 클래드 용접관의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 업셋량이 상기 클래드 강대의 제 1 합재의 두께 t_c1 의 20 ％ 이상인, 클래드 용접관의 제조 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 투영 클래드 비율 R1 이 30 ％ 이상 50 ％ 이하인, 클래드 용접관의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 클래드 용접관이, 상기 제 1 층인 중앙층과, 상기 제 2 층인 내층과, 상기 제 1 층의 타방의 면에 적층되고, 상기 모재와는 상이한 재료의 제 2 합재로 이루어지는 제 3 층인 외층으로 이루어지는 3 층 구조를 갖고,
   상기 개선 가공에서는, 추가로 상기 클래드 강대의 폭 방향 양단부를 상기 제 3 층측에서 압입 가공하고,
   상기 개선이, X 형 개선이고,
   상기 개선은, 추가로,
   상기 제 3 층과 상기 제 1 층의 클래드 계면이 상기 제 3 층측으로부터 상기 클래드 강대의 두께 중심측을 향하고,
   상기 제 3 층측에 있어서의 베벨 각도 θ2 가 10°이상 50°이하이고,
   개선 깊이 d2 가 상기 클래드 강대의 두께 t 의 10.0 ％ 이상 45.0 ％ 이하이고,
   하기 (2) 식으로 정의되는 투영 클래드 비율 R2 가 25 ％ 이상 50 ％ 이하인, 클래드 용접관의 제조 방법.
   R2 = (t_c2 ^* + d2)/t × 100 (％) ··· (2)
   여기서, R2 : 투영 클래드 비율
   t_c2 ^* : 루트면에 있어서의 상기 제 3 층의 두께 (㎜)
   d2 : 제 3 층측의 개선 깊이 (㎜)
   t : 상기 클래드 강대의 두께 (㎜)
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 투영 클래드 비율 R1 및 R2 가, 각각 30 ％ 이상 50 ％ 이하인, 클래드 용접관의 제조 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

Images