KR102269556B1 - 용접결함을 최소화할 수 있는 고Mn강 Annular의 맞대기 FCAW 용접방법 - Google Patents

Abstract

용접결함을 최소화할 수 있는 FCAW 맞대기 용접방법이 제공된다.
본 발명의 FCAW 맞대기 용접방법은, LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강 Annular plate 양 용접모재를 아래보기 자세로 맞대기 용접하는 방법에 있어서, 상기 맞대기에 용접되는 양 용접모재의 용접개선부를 U 그루브로 형성하고, 상기 형성된 U 그루브에 FCAW를 이용하여 복수의 용접비드층들을 순차적으로 적층하는 다층 패스용접을 실시할 때, 상기 적층된 개개의 용접비드층들이 상기 양 용접모재에 동시에 연결되지 않으며, 또한 상기 적층되는 개개의 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 용접하는 것을 특징으로 한다.

Description

용접결함을 최소화할 수 있는 고Mn강 Annular의 맞대기 FCAW 용접방법{Butt welding method for minimizing welding defect of high Mn-Annular plate}

본 발명은 LNG 저장탱크의 Inner shell을 지탱하고 있는 고망간강 Annular plate를 용접하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고망간강 Annular plate의 용접 시에 발생되는 고온균열 및 기공성 용접결함을 최소화할 수 있는 맞대기 FCAW 용접방법에 관한 것이다.

액화천연가스(LNG:Liquefied Natural Gas)는 가스전에서 채취된 천연가스를 수송 및 저장의 효율성을 높이기 위해 -162℃로 냉각하여 1/600 가량의 부피로 액화시킨 것이다. 이러한 액화천연가스를 저장하는 탱크를 'LNG 저장탱크' 라고 부르며, 사용온도가 상온에서 -162℃까지의 온도변화가 일어나는 조건이므로 LNG와 직접적으로 접촉하는 부위는 극한 온도변화에서 견딜 수 있는 재질로 선정해야 한다. 이러한 조건을 만족하는 재료에는 오스테나이트계 스테인리스강, 9% 니켈강, Al합금 등이 있으며, 최근에는 고강도이면서 극저온에서도 인성이 쉽게 저하되지 않는 오스테나이트계 고망간강이 개발되어 LNG 저장탱크에 적용되었다.

LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강에는 일반적으로 FCAW(Flux Cored Arc Welding)와 SAW(Submerged Arc Welding) 용접방법을 적용하게 되며, Inner shell의 수평 용접을 제외한 대부분의 부위는 FCAW 용접방법으로 적용이 된다. Annular plate인 경우 직경이 80,000mm 가량의 원주방향으로 Inner shell의 하부에 설치가 되며, 용접길이가 2,100mm인 24EA의 용접 조인트를 FCAW를 통해서 용접을 하게 된다.

Annular plate의 맞대기 용접부는 KGS CODE AC115에서 완전 용입(Full Penetration)으로 용접을 요구하고 있으며, 전면 용접 후 Turn over가 불가능한 관계로 Annular plate를 지지할 수 있는 높이 1,200mm의 임시 Support를 하부에 설치하여 아래보기(1G)와 위보기 자세(4G)로 용접을 하게 된다. 이럴 경우 아래보기 용접자세에서는 좁고 깊은 용접 개선각에 의해 고온균열이 발생하기 쉽고, 위보기 용접 시에는 스패터의 과다 발생과 함께 일반 재질에 비해 상대적으로 묽은 오스테나이트계 고망간강의 용융금속이 Flux Cored Wire를 타고 5~10초 간격으로 빈번하게 흘러내려 내림으로써 용접 토치를 막아 실딩가스인 C0₂ 의 공급을 원활하게 하지 못해 용접부에 기공성 결함이 다량 발생하게 된다.

따라서 본 발명은 고망간강의 Annular plate의 용접 시에 발생되는 고온균열 및 기공성 용접결함을 최소화할 수 있는 맞대기 FCAW 용접방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 일측면은,

LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강 Annular plate 양 용접모재를 아래보기 자세로 맞대기 용접하는 방법에 있어서,

상기 맞대기에 용접되는 양 용접모재의 용접개선부를 U 그루브로 형성하고, 상기 형성된 U 그루브에 FCAW를 이용하여 복수의 용접비드층들을 순차적으로 적층하는 다층 패스용접을 실시할 때, 상기 적층된 개개의 용접비드층들이 상기 양 용접모재에 동시에 연결되지 않으며, 또한 상기 적층되는 개개의 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 용접하는 것을 특징으로 하는 용접결함을 최소화할 수 있는 맞대기 용접방법에 관한 것이다.

상기 다층 패스 용접 이후, 용접개선부 이면을 백가우징 또는 백그라인딩을 통하여 완전 용입(Full Penetration)이 가능하도록 용접 홈(Weld Groove)을 만들고, 이어, 그 형성된 홈에 GTAW 용접방법을 통하여 위보기 자세에서 다층 패스로 용접하는 것이 바람직하다.

상술한 구성의 본 발명에 따르면, 아래보기 자세 용접 시 R8의 U-그루브를 적용하여 Root 부의 간격을 V-그루브 형상 대비 넓게 벌려 줌으로써 단일 비드가 양 용접모재에 한번에 접합되지 않도록 최소화하였고, 용접 후 형성되는 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비율이 0.6 이하가 되도록 하여 고온 균열의 발생 민감도를 저하시켰으며, GTAW 용접 방법을 Annular plate 위보기 용접에 적용하여 상대적으로 용착량이 많은 FCAW 용접방법에서 발생하는 용융금속의 흘러내림 및 스패터 발생에서 야기되는 용접 결함의 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 하였다.

도 1(a)는 종래 Annular plate의 맞대기 용접에서 용접모재에 V-그루브의 용접개선부의 형상을 나타내는 개략도이며, 도 1(b)는 도 1(a)의 그루브에 용접비드층이 적층되어 용접된 것을 보이는 개략도이다.
도 2는 종래의 도 1의 아래보기 용접에 있어서, V-그루브 중심부에 균열이 형성되고, 위보기 용접에 있어서 기공성 결함이 형성됨을 보이는 개략도이다.
도 3은 도 2의 위보기 자세 용접에서 용융금속이 Flux Cored Wire를 타고 흘러내려 용접 토치의 노즐 부를 막은 것을 보이는 사진이다.
도 4(a)은 본 발명의 Annular plate의 맞대기 용접에서 용접모재에 U-그루브의 용접개선부 형상을 나타내는 개략도이며, 도 4(b)는 도 4(a)의 그루브에 용접비드층이 적층되어 용접된 것을 보이는 개략도이다.
도 5는 용접 비드부의 두께(D)와 폭(W)을 나타내는 그림이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1(a)는 종래 Annular plate의 맞대기 용접에서 용접모재에 V-그루브의 용접개선부의 형상을 나타내는 개략도이며, 도 1(b)는 도 1(a)의 그루브에 용접비드층이 적층되어 용접된 것을 보이는 개략도이다.

도 2는 종래의 도 1의 아래보기 용접에 있어서, V-그루브 중심부에 균열이 형성되고, 위보기 용접에 있어서 기공성 결함이 형성됨을 보이는 개략도이다.

도 1(b)는 종래 Annular plate 용접부 Groove 및 적층비드 형상을 나타낸 것으로서, 용접패스 1~n 까지는 아래보기 자세 FCAW(1G)에서 용접되었고, 용접패스 1'~ n'까지는 위보기 FCAW(4G) 자세에서 용접이 적용되었다.

그런데 이러한 용접법의 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 고온균열이 아래보기 자세 용접패스 1~2의 비드 적층에서 집중적으로 발생하였으며, 이는 개선형상이 V-그루브임에 따라 적은 용접량에도 깊고 좁은 용접 비드 층이 만들어 지면서 용접 비드 부의 두께(D)와 폭(W)의 비율이 커져 고온 균열의 발생 민감도를 증가시켰으며, Annular plate의 맞대기 용접 시 양 모재 간을 단일 비드로 접합을 마무리 함으로써 상대적으로 응고수축이 큰 인자가 발생하게 되었고, 변형 방지를 위한 Strong Back 사용 및 Annular plate간의 외부 구속 등으로 인해 용접변형이 억제되는 대신 용접부에 상대적으로 큰 인장력이 발생하면서 발생되어진 균열로 추정된다.

또한 도 2에 나타난 바와 같이, 위보기 자세에서 용접패스 1'~n'의 전 구간에서 발생된 기공성 결함은 용융금속이 Flux Cored Wire를 타고 흘러내려 용접 토치의 노즐 부를 막음으로써 실딩가스의 공급이 원활하지 않음에 따른 것으로 판단된다. 한편 도 3은 도 2의 위보기 자세 용접에서 용융금속이 Flux Cored Wire를 타고 흘러내려 용접 토치의 노즐 부를 막은 것을 보이는 사진이다.

본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고자 연구를 거듭하였으며, 그 결과, 용접개선부 형성과 다층 패스 용접방법을 제어함으로써 고온균열이 최소화될 수 있는 FCAW 맞대기 용접방법을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

즉, 본 발명은, LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강 Annular plate 양 용접모재를 아래보기 자세로 맞대기 용접하는 방법에 있어서, 상기 맞대기에 용접되는 양 용접모재의 용접개선부를 U 그루브로 형성하고, 상기 형성된 U 그루브에 FCAW를 이용하여 복수의 용접비드층들을 순차적으로 적층하는 다층 패스용접을 실시할 때, 상기 적층된 개개의 용접비드층들이 상기 양 용접모재에 동시에 연결되지 않으며, 또한 상기 적층되는 개개의 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 용접하는 것을 특징으로 한다.

도 4(a)은 본 발명의 Annular plate의 맞대기 용접에서 용접모재에 U-그루브의 용접개선부의 형상을 나타내는 개략도이며, 도 4(b)는 도 4(a)의 그루브에 용접비드층이 적층되어 용접된 것을 보이는 개략도이다.

먼저, 본 발명은 LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강 Annular plate 양 용접모재를 아래보기 자세에서 FCAW로 맞대기 용접한다.

본 발명에서 LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강인 Annular plate는 중량%로, C : 0.2~0.6%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 22.0~26.0%, P : 0.03% 이하, S : 0.01% 이하, B : 0.01% 이하, N : 0.15% 이하, Nb+Ti+V : 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하고, 최소인장강도 : 800MPa, 최소항복강도 : 400MPa, 연신율 : min. 22% 의 기계적 성질을 가지는 고망간강 재료일 수가 있다.

또한 본 발명에서 상기 FCAW의 일 예로, 중량%로, C : 0.2~0.6%, Si : 1.0% 이하, Mn : 10~25%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Ni : 15% 이하, Cr : 10% 이하, Mo : 10% 이하, Nb+Ti+V : 0.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지는 KS D 7143 YFHM2의 Flux Cored Wire를 사용할 수 있다. 본 발명에서 고Mn강에 대한 아래보기 자세 용접조건은 특별히 제한되지 않으며, 일 예로 하기 표 1의 용접조건을 이용할 수도 있다.

용접층	용접재료		극성	전류(A)	전압(V)	용접속도 (cm/min)
	규격	직경(mm)
초층	YFHM2-C	1.2	DCEP	120~150	22~28	20~35
초층 이후	YFHM2-C	1.2	DCEP	140~200	25~32	25~45

이때, 본 발명에서는 도 4(a)와 같이, 맞대기 용접되는 양 용접모재의 용접개선부를 U-그루브로 형성한다. 이러한 U-그루브 용접개선부 형상은 도 4(b)와 같이, 다층 패스 용접시 초기에 형성되는 용접비드층들이 맞대기 용접되는 양 용접모재를 동시에 연결되지 않도록 함에 유효한 그루브 형상으로서, 도 1(b)의 V-그루브에 대비된다. 즉, 용접개선부 형상을 기존 V-그루브 형상 대신에 U-그루브로 함으로써 아래보기 자세 용접에서 Root 부의 간격을 벌려 단일 비드가 양 모재 사이를 직접적으로 닿지 않도록 할 수 있고, 용접 후 형성된 개개의 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비율을 작게 하여 고온 균열의 발생 민감도를 저하시킬 수 있으며, 이에 따라 각 층(Layer)당 다층 Pass의 용접이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있는 것이다.

또한 본 발명에서는 상기 FCAW 다층 패스 용접을 이용하여 U-그루브 개선부 형상을 갖는 양 용접부재를 맞대기 용접 시, 즉, 다층 패스 용접으로 상기 형성된 U-그루브에 복수의 용접비드층들을 FCAW를 이용하여 순차적으로 적층할때, 상기 적층된 개개의 용접비드층들이 양 용접모재에 동시에 연결되지 않도록 용접하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, Annular plate의 양 용접모재를 맞대기 용접 시, 고온균열이 아래보기 자세 용접패스 1~2의 비드 적층에서 집중적으로 발생하며, 이는 맞대기 용접 시 양 모재 간을 단일 비드로 접합함으로써 상대적으로 큰 용접부의 응고수축과 외부 구속응력 등에 기인하여 발생하는 균열이다.

따라서 본 발명에서는 전술한 고온 균열을 방지하기 위하여, 맞대기 용접시 용접 패스 1-2의 비드 적층시 형성된 용접비드층이 용접된 양 용접모재에 동시에 연결되지 않도록 다층 패스로 용접하는 것이다.

나아가, 본 발명에서는 상기 FCAW를 이용한 다층 패스 용접 시, 상술한 바와 같이, 적층된 개개의 용접비드층들이 상기 양 용접모재에 동시에 연결되지 않을 뿐만 아니라, 나아가, 도 5와 같이, 상기 적층되는 개개의 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비(D/W)이 0.6 이하가 되도록 용접하는 것을 특징으로 한다. 만일 상기 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비가 0.6을 초과하면 D/W의 비가 과도하게 커서 상대적으로 큰 용접부의 응고수축과 외부 구속응력 등에 기인하여 고온균열이 발생할 수 있다.

이어, 본 발명에서는 상기 다층 패스 용접 이후, 용접개선부 이면을 백가우징(Back Gouging) 또는 백그라인딩 등을 하여 완전 용입이 가능하도록 용접개선 형상을 만들고, 이어, 그 형성된 용접개선부를 위보기 자세로 GTAW 다층 패스 용접을 할 수 있다.

즉, 상술한 아래보기 자세 다층 패스 용접 이후, 개선부 이면에서 백가우징(Back Gouging) 또는 백그라이딩을 통해 완전 용입이 될 수 있도록 개선 형상을 만들고, 이에 FCAW 용접 대신 용융금속의 흘러내림을 근본적으로 해결할 수 있는 GTAW 용접방법을 적용하여 종래 야기되던 기공성 결함을 효과적으로 억제할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

1. LNG 저장탱크 제작에 사용되는 고망간강 Annular plate 양 용접모재를 아래보기 자세로 맞대기 용접하는 방법에 있어서,
   상기 맞대기에 용접되는 양 용접모재의 용접개선부를 U 그루브로 형성하고, 상기 형성된 U 그루브에 FCAW를 이용하여 복수의 용접비드층들을 순차적으로 적층하는 다층 패스용접을 실시할 때, 상기 적층된 개개의 용접비드층들이 상기 양 용접모재에 동시에 연결되지 않으며, 또한 상기 적층되는 개개의 용접 비드층의 두께(D)와 폭(W)의 비율(D/W)이 0.6 이하가 되도록 용접되며, 그리고 상기 고망간강 Annular plate는 중량%로, C : 0.2~0.6%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 22.0~26.0%, P : 0.03% 이하, S : 0.01% 이하, B : 0.01% 이하, N : 0.15% 이하, Nb+Ti+V : 0.3% 이하, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접결함을 최소화할 수 있는 맞대기 용접방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 다층 패스 용접 이후, 용접개선부 이면을 백가우징 또는 백그라인딩을 통하여 완전 용입(Full Penetration)이 가능하도록 용접 홈(Weld Groove)을 만들고, 이어, 그 형성된 홈에 GTAW 용접방법을 통하여 위보기 자세에서 다층 패스로 용접하는 것을 특징으로 하는 용접결함을 최소화할 수 있는 맞대기 용접방법.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 FCAW는, 중량%로, C : 0.2~0.6%, Si : 1.0% 이하, Mn : 10~25%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Ni : 15% 이하, Cr : 10% 이하, Mo : 10% 이하, Nb+Ti+V : 0.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접결함을 최소화할 수 있는 맞대기 용접방법.
   

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