KR19980702216A

KR19980702216A - 전기저항 결정 및 제어 방법

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Publication number: KR19980702216A
Application number: KR1019970705611A
Authority: KR
Inventors: 로버트 더블유 카네스; 마이클 더블유 하빌; 폴 더블유 핫세
Original assignee: 레이 파라비; 보드 오브 리전츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1998-07-15
Also published as: US5770832A; EP0812247A1; AU4983696A; JPH11500067A; CA2211691A1; EA199700175A1; NO973757D0; CN1175918A; BR9607115A; WO1996025267A1; NO973757L

Abstract

본 발명의 시스템은 동일극성 발전기와, 용접될 금속합금을 유지하기 위한 유압식 단일축 프레스와, 용접되는 금속합금에 바람직한 냉각속도를 제공하기 위해 용접 경계면으로부터 선택된 거리에 세팅되어 있는 전기 접점을 구비한다. 동일극성 용접 시스템에서의 전기저항 용접 방법에서의 금속합금 파이프에 대한 냉각속도를 결정하고, 이어서 제1 및 제2파이프 각각에 부착된 전극을 통해 동일극성 발전기로부터 에너지를 방출하여 용접 경계면을 전기가열하여 용접된 파이프 세그먼트를 형성하기 위한 방법이 개시되어 있다. 용접된 파이프 세그먼트의 온도는 주기적으로 측정되어 용접된 파이프 세그먼트의 냉각속도를 결정한다. 냉각속도에 대한 소정의 범위는 반복되는 샘플에 대한 전극갭을 조절하고 각 샘플에 대한 금속학적 상태를 분석하므로써 결정될 수 있다. 추가적인 특징에 있어서, 소정의 냉각속도를 얻도록 전극갭을 변화시키므로써 금속합금의 냉각속도를 제어하고 이어서 용접 경계면을 저항 가열하며 용접된 파이프 세그먼트를 소정의 냉각속도로 냉각시키기 위한 방법이 개시되어 있다.

Description

전기저항 결정 및 제어 방법

동일극성의 펄스 용접(HPW:Homopolar Pulse Welding)은 두 요소 사이의 경계면을 단조 온도까지 신속히 저항 가열하기 위해 동일극성 발전기에 의해 발생되는 고전류, 저전압의 펄스를 이용한다. 이후 업셋력(upset force)이 가해져 경계면에 단조 용접을 행한다. 펄스의 초기로부터 용접의 완료까지는 단지 몇초가 소요된다. HPW는 파이프라인 구조에서 긴 파이프를 신속히 접합시키는 수단으로서 연구된다. 이는 특히 J-lay 시스템을 포함하는 깊은물의 앞바다 파이프라인 구조 시스템에 적용될 대 매력적이다. API 5L X-52 탄소강 파이프라인에서의 초기 HPW 용접은 완전한 인장강도를 나타내지는 못하지만 수용할 수 없을 정도로 낮은 충격 강도를 나타낸다.

동일극성 용접은 파이프배치에서의 용접 가공에 있어서 상당한 전위를 갖지만 용접 부위에서는 적합한 기계적 상태량이 신뢰성있게 반복적으로 달성되어야 한다. 이전까지의 연구에 의하면 이에 있어서 특히 수용할만한 충격 강도를 달성하는데 있어서 API 파이프라인 스틸의 동일극성 용접이 부족함을 나타낸다. 이와 관련하여 본 발명의 목적은 이들 문제를 해결하는 것이다.

동일극성 발전기는 자기장에 수직하게 이동하는 전도체가 전도체 단부 사이에 전기적 전위차를 발생시킨다는 원리에 기초하고 있다. 이러한 발전기의 한가지 형태에 있어서, 전도체는 디스크를 둘러싸는 계자 코일(field coil)에 의해 발생되는 자기장의 방향에 수직하게 회전하는 디스크이다. 회전자 외경과 회전자 샤프트 사이에는 전위차가 발생된다. 샤프트와 회전자상에서의 미끄럼 접촉은 전류 집속장치로서 작용한다. 이 디스크형 발전기는 본 발명과 함께 사용된다.

용접 가공에서의 중요한 고려사항은 용접 가공에 이어지는 용접된 재료의 구조적 강도이다. 이는 용접부위 및 그 부근에서의 테스트 용접의 금속공학적 상태를 분석하고 최적의 파라미터를 갖는 용접을 달성하는데 필요한 용접전과 용접후의 파라미터가 무엇인가를 결정하므로써 결정된다. 이들 파라미터는 필수적으로 용접된 재료에 대한 특별한 용도에 종속된다.

본 발명은 용접 및 용접방법에 관한 것으로, 특히 전기저항 용접 방법에서 금속 합금의 냉각속도를 결정 및 제어하는 방법에 관한 것이다.

이하의 도면은 본 명세서의 일부를 형성하며 본 발명의 특징을 추가로 기술하는데 포함된다. 본 발명은 이들 첨부도면을 참조하여 하기의 실시예에 대한 설명을 통해 보다 상세히 기술될 것이다.

도 1은 전기 저항 용접에서의 전극 간격을 도시하는 개략도이다.

도 2A는 저탄소 고망간 스틸인 스틸 A로 지칭되는 파이프라인으로 사용될 저합금 탄소강에 대한 연속냉각 변형도(CCT:Constinuous Cooling Transformation)이다. 그 조성은 1100℃(2012℉)에서 오스테나이트화된 0.06% C-1.95% Mn-0.29% Si-0.003% S-0.010% P-0.010% Mo-0.25% V-0.037% Al-0.008% N이다. 도 2B는 스틸 B로 지칭되는 파이프라인 재료로서 사용되는 저합금 탄소강에 대한 연속 냉각 변형도(CCT)이다. 이 조성은 0.15% C-0.9% Mn-0.40% Si-0.05% V-0.014% N, 입자 크기, ASTM 11이다.

도 3은 탄소 스틸 파이프에 대해 테스트된 다양한 냉각 갭에 대한 용접 경계면 부근에서의 냉각 곡선을 도시한다. 용접 423, 1인치 전극갭; 용접 424, 2인치 전극갭; 용접 425, 3인치 전극갭; 용접 426, 4인치 전극갭.

도 4는 전극갭이 3.0인치일때의 냉각시의 용접된 파이프 섹션에서의 온도 분포를 나타낸다. 개방 스퀘어; 용접 라인으로부터 1/8인치; 폐쇄 스퀘어, 용접 라인으로부터 1/4인치; 개방 다이아몬드, 용접 라인으로부터 1/2인치; 폐쇄 다이아몬드; 용접 라인으로부터 1인치.

도 5는 직선의 중실 파이프 섹션에 대한 냉각 곡선을 나타낸다. 개방 스퀘어, 300amp 전계를 갖는 1인치 갭; 폐쇄 스퀘어, 200amp 전계를 갖는 1인치 갭; 개방 다이아몬드, 300amp 전계를 갖는 5인치 갭.

도 6은 용접 라인으로부터 1/4인치 측정된 대표 용접 및 포스트 용접 냉각 곡선을 나타낸다. 개방 스퀘어, 용접 곡선; 폐쇄 스퀘어, 포스트용접 표준화 펄스.

도 7은 용접 라인으로부터 다양한 거리에서의 표준화 펄스 냉각 곡선을 나타낸다. 개방 스퀘어; 용접 라인으로부터 1/8인치; 폐쇄 스퀘어, 용접 라인으로부터 1/4인치, 개방 다이아몬드, 용접 라인으로부터 1/2인치; 폐쇄 다이아몬드; 용접 라인으로부터 1인치.

도 8은 용접 라인에서 그리고 용접 라인으로부터 용접 라인이 양 측부상의 3인치 거리에까지 매 1/4인치마다 취해진 록웰 B경도 측정을 나타낸다.

본 발명은 부분적으로 용접의 금속공학적 상태가 용접되는 재료의 냉각속도에 종속된다는 관측에 기인한다. 본 발명은 또한 부분적으로 용접 부위에서의 야금상태를 조절하여 용접의 기계적 상태와 미세구조적 상태를 조절하는 것이 상당히 유리하다는 인식에 기초하고 있다. 본 발명은 이를 시간소모적인 열처리에 의존하지 않고 냉각속도를 변화시키므로써 달성하고 있다. 특히, 전기저항 용접 가공을 이용하여 함께 용접된 금속 및 금속합금의 조절되는 냉각속도를 제공한다. 본원에서 사용되는 저항용접이란 전극을 통해 전류를 방출하여 금속합금 가공대상물을 저항가열하여 이들을 함께 용접시키는 가공을 의미한다. 본 발명에서의 특히 관심의 대상이 되는 저항 용접 기법은 동일극성의 단조 용접 기술이다.

본 발명은 두개의 금속재 가공대상물에 부착된 전극 사이의 거리를 변화시키고 전극과 용접 경계면 사이의 거리를 변화시키므로써 동일극성 펄스 용접가공에서의 가공대상물의 냉각속도를 조절한다. 전술한 거리는 전극갭으로 지칭되며 후자의 거리는 전극 간격으로 지칭된다.

용접후의 냉각속도는 열전도에 의해 이루어지며, 파이프와 전극의 물리적 치수에 의해 결정되며 구리 전극은 냉각중에 열싱크(heat sink)로 작용한다. 전극 간격에서의 재료의 체적은 전류가 이를 통과함에 따라 저항 가열되어 용접 경계면의 신속한 냉각에 대한 열 장벽(thermal barrier)을 형성한다. 따라서, 전극갭을 증가시키므로써, 용접부위(또는 열영향을 받는 부위)의 냉각속도는 느려질 수 있고, 전극갭을 감소시키므로써, 용접 경계면의 냉각속도는 증가될 수 있다.

전극 사이 거리의 증가는 용접 조인트의 어느 한쪽에서의 파이프의 커다란 체적을 가열시키고, 전도경로를 용접부위로부터 증가시켜 냉각속도를 저하시킨다. 전기저항용접 가공에서의 용접 경계면의 냉각속도는 따라서 전극갭의 조작을 통해 조절될 수 있고, 바람직한 냉각속도는 전극갭을 변화시키므로써 생성되는 열영향받는 부위(HAZ:Heat Affected Zones)의 금속학적 상태를 분석하므로써 결정될 수 있다. 용접 부위는 가열이전에 용접 경계면이었던 곳에 있는 폭이 좁은 부위(대략 1mm)이다. 상기 HAZ는 미세구조가 변화하고 있는 용접부위의 어느 한쪽에 있는 부위(대략 5mm)이다.

용접의 금속학적 상태는 주로 저항 가열되어 용접된 후의 금속재료의 냉각속도에 종속된다. 따라서, 이들 상태는 본 발명에 개시되어 있는 방법을 통해 증진될 수 있다. 특히, 본 발명은 용접 부위에서의 야금상태를 조절하여 용접부의 기계적 상태를 조절할 수 있다. 또한, 용접후 열처리도 필요없어져 전체 가공 속도를 향상시킨다.

본 발명은 일반적인 특징에 있어서, 금속 합금 재료의 펄스-용접 냉각속도를 조절하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 이 냉각속도는, 제1전극으로부터 용접 경계면까지의 거리 더하기 제2전극으로부터 용접 경계면까지의 거리에 의해 측정되는 전극갭에 종속된다. 본 발명의 실시예에서는, 두 개의 전극이 이들 전극 각각으로부터 용접 경계면이 등거리 이격되어 있도록 배치될 수 있다. 그러나, 이 배치의 변화는 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않는한에서 이루어질 수 있다. 본 발명의 금속재 가공대상물은 정방향의 튜브나 편평한 판과 같은 다른 도관 구조가 용접될 수도 있지만 파이프일 수 있다. 전극갭을 조절하므로써, 전극 사이 용접된 도관 세그먼트의 냉각속도가 조절될 수 있다. 본 발명을 기술하는데 있어서, 파이프라는 용어는 튜브를 포함한 다른 적절한 형태의 도관을 포함하는 것으로 간주될 수 있다.

특정한 금속 또는 금속 합금(예를 들면, 니켈 합금, 티타늄 합금, 스틸 합금, 금속 매트릭스 재료 등)에 대한 냉각속도 또는 소정의 냉각속도의 바람직한 범위는 그 본질적인 구매자와 그 궁극적 목적에 종속된다. 특정 재료에 대한 바람직한 냉각속도는 재료를 테스트하고 다양한 전극갭에 대한 용접 경계면의 금속학적 특성을 연구하므로써 결정될 수 있다.

하나의 양호한 일반적 특징에 있어서, 본 시스템은 동일극성 발전기와, 용접될 구조물을 유지하기 위한 유압식 단축(uniaxial) 프레스와, 상기 발전기에 대한 전기 접점을 포함하며, 이들 전기접점은 소정의 냉각속도를 제공하도록 용접 경계면으로부터 선택된 거리 이격되어 세팅된 전극에 연결된다. 본 발명의 보다 상세한 특징은 동일극성 용접 시스템에서의 전기저항 용접 가공에 있어서 금속 합금 파이프의 냉각속도를 결정하기 위한 방법에 있다.

본 발명은 통상 우선, 제1파이프와 제2파이프의 단부를 동일극성 용접 시스템에서의 전기저항 용접을 위해 준비하고, 제1파이프의 단부와 제2파이프의 단부를 접촉시켜 용접 경계면을 형성하는 단계를 포함한다. 다음으로, 제1전극과 제2전극 사이의 거리가 전극갭을 형성하도록 제1전극이 제1파이프에 장착되고 제2전극이 제2파이프에 장착된다. 용접 경계면은 동일극성 발전기로부터 제1전극과 제2전극을 통해 에너지를 방출하여 제1 및 제2파이프를 용접 경계면에서 용접하여 용접된 파이프 세그먼트를 형성하므로써 저항 가열된다. 용접된 파이프 세그먼트의 온도는 주기적으로 측정되어 용접된 파이프 세그먼트의 냉각속도를 결정한다.

반복된 샘플에 대해 전극을 조절하고 각 샘플에 대해 얻어지는 금속학적 상태를 분석하므로써 바람직한 범위의 냉각속도가 결정될 수 있다. 바람직한 냉각속도 또는 속도의 범위는 이렇게 해서 결정된다.

본 발명의 다른 특징은, 동일극성 용접 시스템에서 전기저항 용접 가공에 있어서 금속 합금 파이프의 냉각속도를 조절하는 방법에 있다. 이 방법은 통상 제1파이프와 제2파이프의 단부를 동일극성 용접 시스템에서의 전기저항 용접에 대해 준비하고 제1파이프와 제2파이프의 단부를 접촉시켜 용접 경계면을 형성하는 것을 포함한다. 제1 및 제2전극은 그 사이의 거리가 소정의 냉각속도를 제공하도록 선택된 전극갭을 형성하도록 제1 및 제2파이프에 장착된다. 용접 경계면은 동일극성 발전기로부터 제1전극과 제2전극을 통해 에너지를 방출하여 용접된 파이프 세그먼트를 형성하므로써 저항 가열된다. 마지막으로, 용접된 파이프 세그먼트는 소정의 냉각속도로 냉각된다.

도 1은 전기 저항 용접에서의 가변 전극 거리를 나타낸다. 여기서 사용되었듯이, 전기 저항 용접 경계면(103)과 각 전극(101) 사이의 거리는 전극 거리(104)로 지칭된다. 전극갭(105)은 제1전극으로부터 용접 경계면까지의 거리와 제2전극으로부터 용접 경계면까지의 거리의 합으로 정의된다. 본 발명의 범주에서는 정사각형 튜브와 같은 다른 구조가 고려될 수도 있지만 금속 합금 가공대상물(102)은 파이프일 수 있다. 전극(101)을 가공대상물(102)의 중심선(106)을 따라 이동시키고 에어갭을 조절하므로써 용접된 가공대상물(102)의 냉각속도를 조절할 수 있다.

가열 및 냉각시 발생하는 변형

[오스테나이트 입자 성장]

스틸 파이프의 아크 용접에 있어서, 용접 침착속도를 증가시킴에 따른 주요 문제점은 가열영향 부위에서의 오스테나이트의 급속한 성장 및, 이에 이어지는 대략 섭씨 920도 정도의 변형 범위를 통한 느린 냉각이다. 경화성(hardenability)은 화학 및 오스테나이트 입자 크기(Kirkwood, 1987)에 의해 조절된다. 균등한 오스테나이트 입자 정련을 얻어내고 혼합 입자 크기를 방지하는 능력은 제어 롤링된 고강도 저합금(HSLA, High Strength, Low Alloy) 스틸(DiMicco and Davenport, 1982)에서의 고도의 인성을 얻어내기 위한 키 포인트이다.

본원에서 사용되듯이, 금속 합금에 대한 조립화 온도(a grain coarsening temperature)는 그 이상의 온도에서 비용해된 침전물이 더 이상 입자 성장을 억제할 수 없는 온도이다. 예를 들어, 알루미늄 및 니오븀 스틸 합금에 대한 입자 조악 온도는 대략 섭씨 1050 내지 1100도이고, 바나듐 스틸 합금은 대략 섭씨 950도에서 조립화된다.

[펄라이트]

연강(mild steel)에서 밝혀진 범위의 탄소 범위에서, 펄라이트 함량의 변화는 항복강도에 거의 영향을 끼치지 못하지만 충돌 변형 온도를 상승시킨다. 완전한 펄라이트 스틸을 연구해본 바, 펄라이트의 박막사이 간격(interlamellar spacing)을 정련하므로써 강도를 증대시킬 수 있지만 충돌 강도는 저하되는 것으로 밝혀졌다(레인지보그 등, 1985). 변형 온도는 펄라이트 박막사이 간격을 제어하며, 이전의 오스테나이트 입자 크기와 무관하다.

그러나, 파괴 인성은 오스테나이트 입자 크기에 상당히 종속되는 것으로 밝혀졌으며, 펄라이트 군체(colony) 크기는 거의 영향이 없는 것으로 밝혀졌다. 펄라이트에서의 저온 열개(裂開:cleavage)를 따라 페라이트에서 처럼 페라이트{101}평면이 이어진다. 펄라이트 생성에 대한 보다 완벽한 분석을 위해서는 리들리(Ridley, 1983)를 참조하기 바란다.

[베이나이트]

사무엘(Samuels, 1980)은 대략 섭씨 450도 내지 500도에서 일반적으로 형성되는 탄화물의 미세한 분포와 페라이트로 구성되는 아공융(eutedtoid) 변형물로서 베이나이트를 정의한다. 대략 섭씨 350도 이상의 온도에서 형성되는 상부 베이나이트와 낮은 온도에서 형성되는 하부 베이나이트 사이에는 공통적인 구분이 있다.

플래쉬 용접에서는 스틸의 탄소 함량이 감소함에 따라, 거친입자 영역에서의 베이나이트 비율 또한 감소한다. 베이나이트 상(phase) 스틸은 인장 테스트에서 연속적인 응력-변형율 관계를 생성하는 경향이 있고, 상부 베이나이트는 매우 낮은 충돌 인성을 가질 수 있는데(페어차일드, 1987), 이는 비교 강도 레벨에서의 낮은 베이나이트보다 낮다(Irvine and Pickering, 1963). 베이나이트에서의 페라이트판의 최대 치수는 종래의 오스테나이트 입자 크기에 근접할 수 있으며, 베이나이트의 충돌 특성을 개량시키기 위한 효과적인 방법은 종래의 오스테나이트 입자 크기를 감소시키는 것이다.

연속 냉각 적용에서는, 용접에서 발견된 것과 마찬가지로, 미소합금된 C-Mn 스틸에서는 냉각속도가 느리고 많은양의 아공융 페라이트가 존재할수록 베이나이트의 래쓰(lath)구조가 거칠어지는 것으로 밝혀졌다(Faulkner, 1989). Thaulow 등(Thaulow et al., 1987)이 미소합금된 스틸에 대해 행한 연구에서는, 그들이 연구한 모든 스틸의 구조가 t8/5=24초의 냉각속도에서 상부 베이나이트였던 것으로 밝혀졌다(t8/5는 섭씨 800도에서 500도로 냉각시키는데 소요되는 시간이다).

과립형 베이나이트는 분포 마르텐사이트-오스테나이트 아일랜드를 함유하는 대량 베이나이트 페라이트의 매트릭스로 구성되는 스틸 미세구조를 지칭한다(Shouhua 등, 1985). 과립형 베이나이트는 동일한 조성의 스틸보다 높은 강도와 낮은 충돌인성을 갖지만 동등하게 깎인(equiaxed) 페라이트-펄라이트 구조를 갖는다. 과립형 베이나이트에서의 오스테나이트상과 페라이트상 사이에는 Kurdjmov-Sachs 관계가 나타난다(Hongsheng et al., 1985). 바늘모양 페라이트에서는, 1마이크론 이하의 평균 입자 크기가 달성될 수 있다. 베이나이트에서 발견된 높은 편위(dislocation) 밀도는 이 입자 정련 단독에서보다 높은 강도를 부여한다(Hulka 등, 1985).

[마르텐사이트]

스틸에서의 마르텐사이트는 비교적 낮은 온도에서 오스테나이트의 비확산 변형에 의해 형성되는 정방정계 결정 구조에 보디가 중심잡혀있는 준안정(metastable)변형 상이다. 마르텐사이트는 {101} 및 {102} 열개 평면에서 파쇠되는 것으로 밝혀졌으며, 마르텐사이트-오스테나이트 아일랜드는 공통적으로 용접 및 HAZ 미세구조에서 발견되었다. 이들 아일랜드는 연성 균열에서의 변형 입자로 작용하지만, 페라이트 매트릭스에서는 비변형 입자로도 작용한다.

{침전물}

바나듐 미세구조의 0.15% C 합금의 연구에서 베파리(Bepari, 1989)는 침전물의 체적 파편 및 그 크기 또는 분포가 페라이트 입자 크기 정련에 관련있다는 것을 결정하였다. 재결정 및 입자 성장은 미세 탄화물 또는 질소탄화물 침전물에 의해 오스테나이트 입자와 준입자 경계를 핀고정하므로써 방지된다. 다수의 미세합금 요소들에 의해 스틸에 형성된 침전물은 복잡하며, 동일한 스틸에는 다양한 조성 및 조직이 존재한다.

HPW 용접에서의 인성을 향상시키는 방법

최적의 충돌 상태를 유도하는 충진 금속을 이용하지 않고 HPW에서 잠재적으로 달성될 수 있는 두가지의 미세구조가 있는데, 이는 바늘모양 페라이트와 미세입자 페라이트-펄라이트이다. 이들 미세구조중 어느 하나가 가장 용이하게 선택되는 것은 용접되는 파이프의 화학적 성질에 상당히 종속된다. 도 2는 파이프라인 재료로 사용될 두가지의 낮은 합금 탄소 스틸(스틸 A와 스틸 B)에 대한 연속냉각 변형(CCT)을 나타낸다. 변형 운동학은 이들 스틸에서의 탄소 및 합금 변화에 의해 상당한 영향을 받는다.

도 2A에서 스틸 A로 도시되어 있는, 탄소함량이 매우 낮고 망간 레벨이 비교적 높은 스틸은 오스테나이트를 중간 냉각속도로냉각할 때 바늘모양의 페라이트 미세구조를 형성할 것이다. 이 스틸은 페라이트-펄라이트 미세구조를 얻기 위해 매우 느린 속도로 냉각되어야 할 것이다. 이 스틸이 동일극성으로 용접되면, 용접의 인성은 용접부위가 신속히 냉각되어 바늘모양 페라이트 구조가 얻어지도록 용접 파라미터를 선정하므로써 개선될 수 있을 것으로 기대된다.

도 2B에서의 스틸 B와 같은 보다 온건한 탄소함량을 갖는 스틸은 오스테나이트로부터 냉각될 때 강인한 바늘모양 페라이트 구조를 형성하지 않을 것이다. 이들 스틸에서는 미세 입자의 페라이트-펄라이트 구조를 형성하도록 저속 냉각하므로써 강인한 미세구조를 얻게 될 것 같다. 그러나, 종래의 오스테나이트 입자 크기는 냉각 변형에 강한 영향을 끼친다는 것을 기억해야 할 것이다. 미세한 입자의 페라이트-펄라이트 구조를 얻으려면 종래의 오스테나이트 입자 크기가 클 것을 요한다.

HPW에서는 용접에서의 경계면 부위가 매우 뜨거워서 과도한 오스테나이트 입자 성장을 초래한다. 이 오스테나이트 입자 크기는 페라이트-펄라이트 구조가 기대된다면 냉각할 때 변형되기 이전에 정련되어야 한다. HPW에서 이를 잠재적으로 달성하는데 유용한 방법은 업셋(upset) 또는 변형의 적용이다. 용접 냉각 사이클 도중에 충분한 업셋이 적용되면, 큰 입자의 오스테나이트는 미세입자 오스테나이트로 재결정화하기에 충분히 변형되거나, 표면대 체적비(Sv)가 큰 많이 변형된 오스테나이트로서 잔류하여 늘어난 개수의 페라이트 핵형성 장소를 제공한다. 이러한 오스테나이트 입자 정련에 의하면 완전한 페라이트-펄라이트 구조로의 변형에 일분 이상의 섭씨 800 내지 500도의 냉각 시간이 필요할 것으로 기대된다.

용접후 표준화 처리가 적용되면 동일극성 용접에서는 페라이트-펄라이트 구조가 얻어질 것이다. 용접 부위는 섭씨 500도로 냉각된 후 다른 동일극성의 펄스를 적용하므로써 표준화될 수 있다. 이 표준화 펄스는 입자 조악화 온도를 넘어서지 않고 용접 부위를 오스테나이팅 범위로 재가열하기 위해서 충분한 전류 밀도를 가져야 하며, 이어지는 냉각속도는 페라이트-펄라이트 미세구조를 생성하기에 충분히 느려야 한다.

후술되는 예들은 본 발명의 양호한 실시예들을 포함한다. 당업자라면 이하의 예에 나타난 기술들이 본 발명의 실시에 있어서 양호하게 작용하도록 본 발명에 따라 발견된 기술을 나타내고 따라서 그 실시를 위한 양호한 모드를 구성하는 것으로 고려될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나 당업자라면, 본 발명의 내용에 의하면, 본원에 기재된 실시예에 대한 다양한 변형이 있을 수 있고, 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않으면서 유사한 결과를 얻을 수 있음을 이해할 것이다.

예 Ⅰ

원주방향으로 균일한 동일극성의 펄스 용접은 API 5L X-52 탄소강 라인파이프에서 용이하게 이루어진다. 인장 강도는 발전기 방전 파라미터에 상당히 종속되며, 생성될 완전 강도 용접에 대한 표준 업셋 편위를 요하는 것으로 밝혀졌다. 용접 라인 미세구조와 충돌 인성은 용접 가공 파라미터 변화에 의해 변경되었다. 용접 냉각속도는 전극 위치에 상당히 종속되는 것으로 밝혀졌다. 동일극성의 펄스 표준화는 동일극성의 펄스 용접의 충돌 인성을 증가시키기 위한 필수수단인 것으로 밝혀졌다.

용접 방법

[통상적인 용접 시퀀스]

통상의 용접 시퀀스는 이하의 단계로 구성된다:

파이프 단부 준비

파이프 섹션들은 4.5인치(11.43cm) 길이로(보다 짧은 전극 형상이 사용된다면 그 이하의 길이로) 절단된다. 파이프 단부는 선삭가공되어 평행한 면과 53마이크로인치의 자승평균평방근(root mean square)을 제공한다. 이들 면은 보호를 위해 태핑가동되며, 파이프 외표면은 전극과 양호하게 접촉하도록 샌드밸래스팅되어 소제된다.

전극에 장착된 파이프 섹션

파이프 섹션들은 전극에 배치되고 접촉 핑거는 인장된다. 도 1은 본 발명에 사용되는 파이프 섹션상의 전극 거리와 전극 배치를 도시한다. 각각의 전극은 베이스로서 작용하는 구리-베릴륨 판에 체결되는 구리-베릴륨 슬리브로서 형상을 갖는다. 슬롯은 슬리브가 핑거의 동심 링으로 되도록 슬리브내에서 절단된다. 이들 핑거의 단부는 일련의 잭스크루에 의해 칼라를 거쳐 파이프에, 각각의 전극 핑거에 대해 하나씩 체결된다. 핑거로부터 이격된 슬리브 내경은, 파이프 외경보다 크고 접촉이 핑거에서만 이루어지도록 가공된다. 절연 디스크는 이들 지점에서의 전기적 접촉을 방지하도록 전극 베이스와 파이프 사이에 배치된다. 절연 삽입체는 업셋 사이클 도중의 허용가능한 테이블 이동을 제한하도록 대개 전극의 내부에 배치된다.

프레스에 장착된 전극-파이프 조립체

상부 전극-파이프 조립체는 수직 단일축 프레스의 상부 테이블의 바닥면에 볼트연결된다. 하부 전극-파이프 조립체는 하부 프레스 테이블에 배치되고 파이프 섹션은 축방향으로 정렬된다. 이들 테이블은 이후 파이프 면의 평행한 정렬을 바로 잡도록 조절된다. 이 테이블은 또한 발전기로부터 전극으로의 전류 통로의 부분으로서 작용한다. 이 배치에서, 전류는 발전기로부터 버스워크(buswork)를 통해 테이블로 흐르고 테이블로부터 전극 베이스로 흐르며 이후 전극 핑거로부터 가공대상물로 흐른다.

초기 접촉압력 및 업셋 압력 세트

수압식 작동 프레스용의 로드 제어기는, 용접 펄스 도중에 파이프 면 사이의 접촉압력을 유지하는 로드인 초기 접촉 로드에 대해 세팅된다. 이 때, 업셋 지연과 업셋 로드 또한 제어기에 대해 세팅된다. 업셋 지연은 전류 펄스와 업셋 로드의 적용 사이에 얼마간의 시간이 경과하는지를 결정한다(0 내지 10초). 업셋 로드 세팅은 업셋력 또는 업셋 압력을 결정짓는다.

발전기의 가속 및 방전

발전기는 유압 모터를 통해 방전 속도 이상의 회전속도로 가속된다. 모터가 단속되고 발전기가 점차 속도 저하됨에 따라, 발전기는 소정의 회전속도로 방전된다. 전극과 파이프를 통해 전류 펄스가 이동하여 접촉 파이프 표면에서 벌크 가열 및 경계면 가열을 제공한다. 소정의 지연후에, 업셋된 로드가 프레스에 의해 적용되어 용접을 마무리 짓는다.

용접의 평가

인장 강도

형성된 용접의 대부분에 대해 두가지의 테스트가 행해졌다. 이들 인장 견본은 ASTM A370 대체 스트립 견본 사양에 따른 치수를 갖는다. 2인치 게이지 길이의 견본 길이는 표준적으로 0.500인치이며, 게이지 길이에는 용접 라인이 중심조정된다. 통상, 각각의 용접에 대해 하나의 견본이 내경(ID) 및 외경(OD) 표면에 대해 가공되지 않고 이로인해 용접 립과 파이프 곡률은 그대로 남게 된다. 이러한 윤곽의 견본에 대한 응력값을 결정하는데 사용되는 계산된 단면적은 측정된 폭과 표준 파이프 벽 두께의 곱이다. 이 연구에서는 3 1/2인치의 표준 OD 파이프가 일반적으로 사용된다.

편평한 견본은 통상 ID와 OD 표면을기계가공하여 용접 립(lip)과 곡률을 제거하도록 각 용접에 대해 준비된다. 이들 샘플은 테스트 도중의 견인 방향이 용접라인을 상기 견인 방향에 대해 직각으로 남기도록 축방향으로 절단된다. 이들 견본에 대한 최종 두께는 표준으로 0.390인치이다. 편평한 견본에 대한 응력값을 결정하는데 사용되는 계산된 단면적은 측정된 게이지 폭과 두께에 기초한 것이다.

인장 테스트는 Instron 모델 1125 프레임에 대해 2mm/분의 일정한 크로스헤드 속도로 이루어진다. 테스트 도중에 로드 연신 곡선이 차트지에서 100kN 실척 로드로 작동된다. 피크 로드와 하부 항복점 현상 로드는 테스트 종료후 차트로부터 판독된다. 파괴후의 연신퍼센트는 테스트후 견본을 맞닿게 하고 2인치 게이지 길이의 변화를 측정하므로써 결정된다.

충돌 인성

ASTM A 370(10mm×10mm×55mm)에 따른 치수의 실척 견본에 대해 샤르피 V-노치 충돌 테스트가 이루어졌다. 노치는 이 목적으로 특별히 제작된 V 노치 절단기로 견본에 대해 절단 형성된다. 모든 견본에 있는 모든 노치는 동일한 브로치를 사용하여 동일한 기계에 대해 절단된다. 용접 견본은 용접 라인이 견본에서 중심조정되도록 기계가공된다. V 노치는 가공 이전에 파이프의 내경 표면 또는 외경 표면에 대응하는 견본 측부에서 절단된다. 충돌 테스트는 Tinius-Olsen 충돌 테스트 기계에 대해 실온에서 이루어졌다. 실척 크기의 샤르피 견본을 완전히 가로질러 연장되기에 충분히 넓지 않은 경우를 제외하고 각각의 용접에 대해 두 개의 샤르피 견본이 준비되어 테스트된다.

거대구조(Macrostructure)

각각의 용접부로부터 야금학적 견본이 절단되어 베이클라이트(bakelite)에 장착된다. 종래의 연삭 및 폴리싱 이후에 견본은 5% 니탈(Nital) 용액에 침지되어 에칭된다. 6.6배로 확대하여 육안 도시하였다. 이 확대도는 용접 윤곽 및 형상, 가열영향부위의 정도 및, 백선(white line) 현상과 관련한 용접부 사이의 대조에 사용된다.

ID 및 OD에서의 용접부 에지의 상태는 100벨 확대하여 도시한 육안도로 기록된다. 이들 확대도에 있어서 용접 견본은 계속하여 240, 320, 400, 600사암 실리콘 카바이드 종이에 대해 연삭되며, 6미크론의 다이아몬드로 거칠게 폴리싱되고, 최종적으로 0.05미크론 알루미나로 폴리싱된다. 에칭은 2% 니탈 용액에 침지되어 이루어진다. 용접 라인에서의 두 파이프 섹션사이의 에지 크랙 또는 조인트의 베이스는 ID 및 OD 측부에서 광학현미경을 통해 촬영된다.

미세구조(microstructure)

각 용접부의 용접 부위 중심의 광학 육안도는 통상 100배 및 200배로 확대하여 얻어진다. 용접 견본은 파이프 조인트로부터 톱질 절단되고 베이클라이트에 장착되기 이전에 엔드밀에서 편평하게 기계가공된다. 장착된 견본은 계속해서 240, 320, 400, 600사암 실리콘 카바이드지로 연삭되고 6미크론의 다이아몬드로 거칠게 폴리싱된 후 최종적으로 0.05미크론 알루미나로 폴리싱된다. 에칭은 2% 니탈 용액에 침지되어 이루어진다.

용접 냉각 온도

선택된 용접부에 대해, 표면 온도는 용접 도중에 용접 경계면 부근과 용접 라인에서 수집된다. 이는 용접 경계면으로부터 선택된 거리에서, 통상 1/8 및/또는 1/4인치의 거리에서 스폿용접형 K 열전쌍에 의해 이루어진다. 데이터는 요코가와 호쿠신 전기 모델 3087-64 휴대용 하이브리드 레코더로 수집되며, 이 멀티채널 스트립 차트 레코더는 매 5초마다 채널당 하나의 데이터점을 플롯팅한다. 이 레코더는 용접 전류 펄스의 방전 이전에 시작되어 측정 온도가 섭씨 500도 아래로 될 때까지 수집된다. 용접 전류 펄스의 타이밍은 레코더의 5초 데이터 수집 속도와 완전히 무관하다. 용접 전류 방전은 연속적인 데이터 지점 사이의 어느 지점에서 시작될 수 있다. 이러한 이유로 전류 펄스에 대한 관련 측정된 온도에서 5초의 오차 여유가 있으며 이는 다른 용접부에서 수집된 데이터를 비교할 때 고려되어야 한다.

예 Ⅱ

냉각속도에 대한 전극갭의 효과

용접 부위 냉각 특성에 대한 전극 위치의 효과를 결정하기 위해, 전극의 에지로부터 용접 경계면까지의 거리는 0.5 내지 2.0인치까지 변화하는 일련의 용접이 행해진다. 타입 K의 열전쌍은 용접 경계면으로부터 0.125인치와 0.25인치의 표준 거리에서 파이프 표면에 대해 스폿 용접된다. 전극갭이 증가함에 따라, 경계면으로부터 0.25인치 이상의 거리에 추가 열전쌍이 제공된다. 전극에 의해 경계면으로부터 0.5인치에 용접이 생성되었고, 용접 423은 3.0초 업셋 지연에서 업셋되었으며, 이 일련의 다른 모든 용접은 업셋되지 않으며, 초기 접촉 압력은 용접 및 냉각 다운 사이클을 통해 유지된다. 전극 사이의 갭이 증가함에 따라, 발전기 방전 rpm은 전극사이의 증대된 벌크 저항을 보상하도록 증가된다. 표 1은 관련 용접 파라미터와 열전쌍 위치에 따라 연속하여 실시된 용접을 나타낸다. 본원에 사용되는 전극갭은 전극의 선단 사이 거리이다. 모든 케이스에서 용접 경계면은 전극 사이에 중심조정된다.

[표 1]

냉각속도에 대한 전극갭의 효과를 결정하기 위해 이루어진 용접

냉각도중의 용접 라인 부근의 온도

도 3은 용접에 대한 최종 주위 판독 이후의 시간의 함수로서 용접 라인으로부터 0.25인치에서의 온도를 도시한 도면이다. 도 3 및 표 1에 도시되어 있듯이, 1 내지 4인치의 전극갭을 갖는 용접으로부터의 데이터가 포함되며, 이 데이터는 전극갭이 증가함에 따라 증대되는 벌크 저항 때문에 용접 가열에 상당한 변화가 있음을 도시한다. 용접 방전 rpm은 전극갭이 이 저항을 보상하도록 증가함에 따라 증가하였으나, 도 3으로부터는 4인치의 전극갭을 갖는 용접은 다른 용접과 마찬가지로 뜨거워지지 않음을 알 수 있다. 중요한 것은 전극갭의 함수로서의 온도 변화율이다. 알 수 있듯이, 일반적으로 변화속도는 전극갭이 감소할수록 증대한다.

용접 부위 냉각속도의 공통적으로 사용되는 측정은 온도가 섭씨 800도에서 500도로 저하되는데 소요되는 시간이다(t8/5). 표 2는 용접 라인으로부터 0.125인치와 0.25인치 지점에서의 용접 시리즈에 대한 t8/5을 전극갭 함수로서 나타내고 있다. 이들 연구한 바에 의하면, 전극 위치는 용접 냉각속도에 현저한 영향을 미친다.

[표 2]

전극갭이 가변적인 용접에 대한 냉각 기간(800℃-500℃)

전극 사이의 온도 분포

본 예에서 사용된 전극 형상에 의하면, 전극은 용접 냉각 중에 파이프와 접촉을 유지한다. 베릴륨 구리 전극은 높은 열전도율을 가지며 열싱크(heat sink)로서 작용하여 용접 부위 냉각속도를 증대시킨다. 도 4는 3.0인치의 전극갭을 갖는 용접 425의 냉각 중의 표면 온도를 플롯도시한 것이다. 표면 온도가 용접 경계면으로부터 0.125, 0.25, 0.5, 1인치 거리에서 플롯 도시되었다. 이들 연구는 용접 라인으로부터의 거리가 늘어날수록 피크 온도는 감소하고 전극 부근에서의 냉각속도는 증가한다는 것을 보여준다. 용접 경계면으로부터의 1인치는 이 플롯에서의 전극 선단으로부터의 0.5인치에 해당한다.

업셋 지연의 효과-4인치 전극갭

보다 느린 냉각속도를 갖는 용접에 대한 업셋 지연의 효과를 평가하기 위해, 일련의 용접이 용접 라인의 각 측부로부터 2.0인치에 전극이 장착된채로 이루어졌다. 목적은 냉각속도가 저하된 용접에 대한 업셋 이후의 용접 부위 미세구조에 대한 업셋 기간 및 편위의 영향을 결정하는 것이다.

일련의 용접에 대한 방전 rpm은 3300rpm으로 세팅되었다. 초기 접촉 압력은 3.2ksi였으며, 업셋 압력은 12ksi로 세팅되었다. 이 업셋 압력은 이전에 사용되었던 20ksi 대신에 세팅되었으며 그로인해 전체 업셋은 업셋 정지가 전혀 사용되지 않음에 따라 과도하지 않을 것이다. 이러한 일련의 용접에 대한 용접 파라미터 및 기계적 테스트가 표 3에 나타나 있다. 이는 용접 경계면의 1사분면에서의 과열 및 국부적 용융을 유발하는 용접 고정물이 갖는 문제점에 기인한 불균일한 용접이기는 하지만 용접 431로부터의 데이터가 표 3에 나타나 있다. 기계적 테스트를 위한 견본은 상기 1사분면 외부의 용접 섹션으로부터 취해진 것이다.

[표 3]

4.0인치 전극갭과 가변 업셋 지연으로 실시된 용접

용접후 표준화

용접후 표준화는 동일극성 용접에 대한 충돌 인성을 회복하기 위한 수단으로 인식되어 왔으며, 이들 연구에서는 용접 부위를 표준화하기 위해 동일극성 발전기를 이용하는 것이 기재되어 있다. 초기 동일극성 용접의 예비 노(furance) 표준화는 용접후 표준화가 이들 용접의 충돌 인성을 향상시킬 수 있음을 나타내도록 시행되었다. 파이프의 직선 섹션은 동일극성 펄스 표준화의 용접 고정물에서 동일극성으로 펄스화된다. 이 공정에 이어서, 완전 강도 용접 조인트를 형성하기 위해 이전에 기술된 파라미터를 사용하여 두 파이프 섹션 사이에서 동일극성의 용접이 이루어진다. 이들 실제 크기의 동일극성 용접된 파이프 섹션들은 이후 동일극성 발전기로부터의 단일 전류 펄스에 의해 용접후 표준화되고, 표준화된 용접 조인트의 미세구조 및 기계적 상태가 평가되었다.

예비 퍼니스 표준화

용접후 표준화가 동일극성 용접된 파이프의 충돌 인성을 향상시키기 위한 퍼텐셜을 가짐을 나타내기 위해, 본 연구에 사용된 X-52 파이프 스틸의 초기 동일극성 용접부로부터의 샤르피 V-노치 충돌 견본은 퍼니스 표준화되어 테스트된다. 퍼니스 표준화는 기계가공된 견본을 상자 퍼니스에서 섭씨 950도에서 9분동안 배치하고 이어서 공기 냉각시키므로써 이루어진다. 견본 온도는 이 표준화 처리도중에 모니터되지 않으며, 따라서 온도 프로파일에서의 시간은 유용하지 못하다. 표준화된 견본의 실온 샤르피 V-노치 충돌 에너지는 54ft-ℓbs이고, 7ft-ℓbs의 용접된 인성 이상, 81ft-ℓbs의 모재 금속 평균 충돌 인성 이하의 한정적 개선이 있다.

직선 파이프 표준화

용접 경계면이 없는 파이프의 직선 단면은 동일극성 표준화를 위한 적절한 방전 rpm을 결정하기 위해 용접 고정구에 펄스된다. 이러한 표준화 테스트는 두 개의 전극갭, 1.0 및 5.0인치에서 행해졌다. 열전쌍은 전극 사이의 파이프 중간의 표면에 장착되며 온도 판독은 냉각 도중에 그리고 이어서 방전 펄스의 시작 직후에 처음 몇초간에 5초마다 기록된다. 방전 속도는 초기에 주어진 전극갭 및 전계 전류 세팅에 대해 세팅되며, 이후 800℃를 넘는 피크 온도가 기록될때까지 연속 펄스에 대해 상승된다. 파이프와 전극 조립체는 연속 펄스 사이에서 50℃ 이하로 냉각될 수 있다. 파이프의 다른 섹션은 1.0인치 갭 테스트에서 보다 5.0인치 갭 테스트에 대해 사용되었지만, 주어진 전극갭에 대해 파이프는 연속적인 펄스사이의 고정구로부터 제거되지 않는다. 표 4는 이들 표준화 펄스 테스트에 대해 방전 속도와, 전극갭과, 전계전류와, 피크 표면 온도를 나타낸다.

표 4

중실 파이프 표준화 테스트

직선 파이프 펄스후 냉각

표 4로부터 명확한 두가지 관계가 존재한다. 전계 전류(와 회전자에 의해 절단된 자속)를 증대시키려면 동일한 피크 표면 온도를 얻기 위해 방전 rpm을 증대시킬 필요가 있다. 전극갭의 증가는 또한 비견될 수 있는 피크 표면 온도를 달성하기 위해 방전 rpm의 증대를 요한다.

펄스화된 파이프 섹션들이 냉각되는 속도는 전극갭에 강하게 종속된다. 도 5는 중실 파이프 테스트 SP 7.3, SP 8.2, SP11.5에 대한 시간 함수로서의 펄스후 온도를 플롯도시한 것이다. 온도가 섭씨 800도에서 500도로 떨어지는데 요하는 시간은 전극갭이 1.0인치일 때 20초이며, 이 시간은 전극갭이 5.0인치로 증대되면 200초까지 증가한다. 전극갭이 5.0인치인 경우에 온도 플롯은 냉각시 725℃와 625℃ 사이의 경사로 변화한다. 이는 이 온도 범위에서 발생하는 냉각 변형에 기인할 수도 있다.

펄스 표준화된 직선 파이프 미세구조

전극 사이 중간의 5.0인치 전극갭 펄스 표준화된 직선 파이프의 미세구조는 입자 정련된 페라이트-펄라이트 구조였다. 전극의 선단 부근에서의 부분적 재결정화는 명확하며, 전극 선단의 외부에서의 미세구조는 모재 금속 페라이트-펄라이트였다.

기계적 상태

5.0인치의 전극갭으로 펄스화된 중실 파이프로부터의 충돌 및 인장 견본을 준비하여 테스트하였다. 견본들은 1.0인치 전극갭으로 펄스화된 중실 파이프로부터 준비되지 않았다. 펄스 표준화된 파이프의 충돌 및 인장 수치는 모재 금속 수치에 비해 현저히 개선되었으며, 예외라면 파손이후의 연신율이다. 표 5는 펄스 표준화된 파이프의 충돌 및 인장 수치를 앞서 기술된 모재 금속 수치와 비교하고 있다.

[표 5]

단일극성 발전기 펄싱 전후의 X52 파이프의 기계적 상태

최후의 인장 강도와 충돌 인성 양자의 개선은 입자 정련에 공헌할 수 있을 것이다. 주의해야 할 것은 흥미로운 특징이 인장 테스트에서 발견되었다는 것이며, 모재 금속 견본은 낮은 항복점 현상을 나타낸 반면 펄스화된 견본은 그렇지 않았다는 것이다. 이는 설명하기 어려운데 아마도 용접 고정구에 의해 부과되는 일정한 로드가 충분한 핀고정되지 않은(unpinned) 편위를 초래하여 낮은 항복점 현상을 무효화해서 그렇게 된 것으로 보인다. 이는 또한 이 낮은 항복점 현상이 후술될 펄스 표준화된 동일극성 용접부에서 관측되었음을 관측하므로써 복잡해진다.

펄스화된 용접후 표준화

용접은 충돌 인성을 개선시키려는 시도로 용접후 펄스화되는데, 두개는 1.0인치의 전극갭을 갖고 하나는 3.0인치의 전극갭을 갖는다. 이들 결과는 표 6에 나타나 있다. 충돌 인성에서의 개선사항은 3.0인치의 전극갭이 사용되었을 때 주목되는데, 이는 보다 짧은 전극갭이 사용되는 경우의 용접후 펄스 가열이 효과적으로 나타내지 못함을 주목해야 한다 하더라도 그러하다.

용접 420은 1.0인치의 전극갭으로 용접후 펄스화되며, 용접 423은 3.0인치의 전극갭으로 용접후 펄스화된다. 표 6은 용접 415, 420, 423에 대한 용접, 용접후 펄스 파라미터와, 측정된 수치를 나타낸다. 이들 용접은 모두 3.0초와 0.0625인치의 업셋 정지에서 적용되는 3.2ksi의 초기 접촉 압력과, 20ksi 업셋 압력에서 생성되었다.

용접 420에서의 633℃의 피크 온도는 발전기 방전 속도와 전계 전류가 동일하다 하더라도 직선 파이프 펄싱 테스트 SP 7.3(표 4 참조)에서 기록된 피크온도 816℃ 보다 상당히 낮다. 이는 용접 라인에서의 편위 급등으로 인한 단면적의 증가에 기인한다.

[표 6]

용접 415, 420, 423의 용접 및 용접후 펄스 파라미터

기계적 상태-용접 423

3.0인치 전극갭으로 용접후 펄스화되는, 용접 423으로부터의 인장 견본은 편평한 견본 인장 강도가 모재 금속 수치보다 약간 낮더라도 양호한 최종 인장 강도를 나타낸다. 용접 423으로부터의 콘투어드 견본은 통상의 415와 420에서처럼 용접 부위 밖에서 유연한 방식으로 손상되었다. 용접 423으로부터의 편평한 인장 견본은 용접 라인에서 손상되며 파괴 표면의 일측부는 편평하고 취성파괴 형상을 하며 다른 측부는 통상의 유연한 파손의 컵 및 콘(cup and cone)형상을 갖는다.

중요한 것은 용접 423 인장 견본의 로드-연신된 플롯에서 하부 항복점 현상이 존재한다는 것이다. 모재 금속의 인장 테스트 결과 하부 항복점 거동이 나타났지만 이 현상은 다른 동일극성 용접 인장 테스트에서는 없는 것이었다. 용접 423은 컨투어드 견본에 대해 70.5ksi의 하부 항복점을 가지며 편평 견본에 대해 65.0ksi의 하부 항복점을 갖는다. 모재 금속 하부 항복점은 컨투어드 견본에 대해 62.4ksi이며, 편평한 견본에 대해서는 60.5ksi이다.

용접후 펄싱 용접 423의 결과로서 샤르피 V-노치 충돌 인성이 개선되었다. 45 및 49ft-ℓbs의 충돌수치는 퍼니스 표준화된 견본을 제외하고 본 연구에서 테스트된 임의의 동일극성 용접의 가장 양호한 평균 충돌 인성을 나타낸다.

용접후 펄싱 이후의 용접 420은 기계적 상태에 있어서 용접후 펄싱되지 않은 용접 425에 비해 개선된 것이 전혀 없다. 불행히도 용접후 펄스에서 달성된 피크온도인 633℃는 원하는 것보다 훨씬 낮으며 명백한 효과를 갖지 못하였다.

거대구조

용접 라인에는 유사한 용접 파라미터에서의 다른 용접과 일치되는 부풀음 현상이 있다. 용접 에지는 비교적 매끄럽고, 용접 라인 에지는 표면 근처에서 종결되는 ID측부에서 크랙이 발생된다.

펄스후 냉각

3.0인치 전극갭을 갖는 용접 423에 적용되는 용접후 표준화 펄스에 의하면 1.0인치 전극갭에 의해 적용된 용접후 펄스보다 편평한 펄스후 냉각 곡선이 도출되었다. 용접 423에 대한 용접후 펄스 냉각 곡선은, 1.0인치 전극갭으로 수행된 용접이 보다 높은 피크 온도를 달성하였으나, 용접 냉각 곡선보다 훨씬 편평하였다. 도 6은 본래의 용접 경계면으로부터 1/4인치 벗어나 파이프에 장착된 열전쌍을 거쳐 얻어진 용접 423으로부터 용접 및 용접후 펄스 냉각 곡선을 플롯하고 있다. 본래 용접에 대한 t8/5는 13초였으며 용접후 펄스에 대한 t8/5는 112초였다.

용접 라인에서의 부풀음은 표준화 펄스도중의 불균일한 가열에 기인한 것이었다. 용접 부위에서의 단면적 증대는 결국 어느 한쪽에서의 인접하는 금속보다 용접 부위에서의 저항 가열이 적게 된다. 펄스된 영역에서의 냉각속도는 그러나 전극이 접근함에 따라 증가하였다. 이들 효과는 결국 용접 부위가 보다 낮은 피크 온도로 가열되지만 인접하는 부위보다 느린속도로 냉각되게 한다. 도 7은 용접 423 표준화 펄스에 대하여, 본래의 용접 라인으로부터 다양한 거리에서의 표면 열전쌍을 거쳐 얻어지는 펄스후 냉각 온도를 플로팅한 것이다.

용접 423의 로크웰 경도

로크웰 B 스케일을 이용한 경도 트래버스는 용접 423으로부터 절단된 견본으로부터 얻어진 것이다. 견본은 종방향 스트립으로서 절단되었으며 양 측부상의 전극 위치를 지나 연장되는 재료를 포함하였다. 이 견본은 편평한 표면을 제공하도록 양 절단측부에서 기계가공되었다. 일측부는 이후 연속적으로 보다 미세한 실리콘 카바이드 연삭지로 600그릿으로 연삭되었다. 두 개의 로크웰 B 경도 측정은 용접 라인에서 상기 표면에 대해 이루어지며 용접 라인의 양측부에서 용접 라인에서 3인치 간격으로 매 1/4인치마다 이루어진다. 이 경도 트래버스의 결과는 도 8에 플로팅되었다. 피크 경도 수치는 전극 위치내에서 용접 라인의 어느 한쪽에서 1.5인치에서 시작되는 것으로 밝혀졌다. 이들 부위는 또한 표준화 펄스에 이어 가장 빠른 냉각속도를 겪게될 부위이다.

전극 위치

전극 사이의 갭의 크기는 펄스후 특성에 대해 상당한 영향을 가지며, 전극 사이 중간지점의 파이프 표면에서의 냉각속도는 전극갭이 증가함에 따라 감소한다. 용접에 있어서, 전극갭을 1.0에서 4.0인치로 증대시키면 t8/5는 13에서 102로 증가한다. 유사한 결과가 중실 파이프 섹션의 펄스후 냉각에서 발견되었으며, 전극갭을 1.0에서 5.0초로 증대시키면 t8/5는 20에서 200초로 증대된다.

전극갭의 증대는 전극 사이의 저항을 증가시키며, 동일한 펄스 피크 전류를 달성하기 위해서는 발전기 방전 rpm의 증대를 요한다. 전극 사이에서의 파이프의 질량이 증대되면 벌크 가열에 요구되는 펄스 에너지의 비율이 높아지게 된다. 가열되는 질량의 증대는 냉각속도의 감소의 한 요인이다. 다른 요인은 전극 자체이고, 이들은 높은 열전도성을 가지며, 열싱크로서 작용한다. 전극갭의 증가는 저전도성 스틸 파이프를 통해 전도 경로를 늘린다.

냉각속도는 전류 펄스후 전극을 제거하므로써 보다 느려질 수 있다. 이는 산업상 용접 고정구에서 선택사항일 수 있으며 전극은 공압식 또는 유압식으로 작동된다. 냉각속도는 파이프 벽 두께와 같은 치수 요인과 함께 용접 고정구와 전극 조립체의 설계 및 구조적 특징에 다소 종속될 것으로 기대되며, 이들은 설계 과정에서 평가되어야 한다.

본 발명에 대해 연구해보면 전극 사이의 간격을 변화시키므로써 간단히 냉각속도의 크기가 변화될 수 있음을 알게 된다. 이는 용접 및/또는 용접후 펄스 표준화에 이어 냉각속도를 제어하는데 있어서 매우 효과적인 도구일 수 있다. 최적의 냉각속도는 용접되는 파이프의 특정 합금 화학성분에 종속될 것이다.

동일극성 펄스 표준화

용접후 펄스 표준화는 3.0인치의 전극갭을 이용하여 수행되었다. 펄스 표준화 도중의 용접라인에서의 측정된 표면 온도는 예상되는 최적 온도 범위인 900 내지 950℃ 보다 낮은 790℃에서 피크가 되었다. 용접 부위 가열이 낮은 반면 상기 용접으로부터 절단된 두 샤르피 V-노치 견본의 충돌 인성 수치는 45 및 49ft-ℓbs로, 이는 이전의 용접된 견본보다 개선된 것이다.

전극갭 간격은 용접 부위에서의 원하는 냉각속도를 제공하기 위해 용접후 펄싱 이전에 조절될 수 있다. 본 연구의 부분으로서 수행된 중실 파이프 펄싱 테스트에서 비견될 수 있는 피크 온도에 대한 펄싱의 결과로 1.0인치 전극갭에 대한 t8/5는 20초이고 5.0인치 전극갭에 대한 t8/5는 200초였다. 3.0인치의 전극갭을 갖는 용접후 펄스화된 용접은 112초의 t8/5를 갖는다.

냉각속도는 전극의 높은 열전도성에 기인하여 전극에 보다 가깝게 증대된다. 이러한 냉각은 전류 펄스의 완료후에 파이프 표면으로부터 전극을 제거하므로써 감소될 수 있다. 적합한 화학재질의 스틸에 바늘모양 페라이트 구조를 만들때처럼 신속한 냉각속도가 요망될 때 전극갭은 짧아질 수 있고 전극은 냉각을 가속화하기 위해 파이프 표면과 접촉 상태로 남아 있다.

용접 경계면으로부터의 전극 간격은 용접 냉각속도를 제어하는 작용을 한다. 본 발명에서는 전극과 용접 경계면 사이 거리를 대략 0.5인치에서 2.0인치로 변화시키게 되면 t8/5가 대략 13초에서 102초로 증가되는 것으로 결정되었다. 이에는 두가지 이유가 있다. 첫째로, 전극갭을 증가시키면 용접 라인의 각 측부에서의 파이프의 대부분은 벌크 저항 가열을 겪게 된다(증가된 열 입력). 둘째로, 열전도성이 높은 구리합금 전극을 경계면으로부터 멀리 이동시키게 되면 이 또한 보다 낮은 전도성의 스틸을 통해 전도 경로 길이를 길게 하여 결국 용접부에서의 열구배를 감소시킨다.

용접 라인에서의 미세구조의 실질적인 변경은 공정 파라미터를 변화시키므로써 얻어질 수 있음이 밝혀졌다. 지연 업셋은 용접 라인에서의 얇은 페라이트 밴드인 백선을 제거시킨다. 업셋 편위를 증대시키면 대략 1.0인치 전극갭을 갖는 용접부에서의 베이나이트 미세구조를 정련하는 명확한 효과를 갖는다. 전극갭을 대략 4.0인치로 증가시키면 미세구조에서 베이나이트 비율은 감소되고 아공융 페라이트의 비율은 증가된다.

동일극성 펄스 표준화는 연구된 스틸의 충돌 인성을 향상시키는데 필수적인 수단이다. 펄스 표준화 직선 파이프 섹션은 모재 미세구조를 정련하고 실질적으로 충돌 인성을 증대시키는 것으로 나타났다. 최적의 조건하에 용접부를 표준화시키는 펄스는 결과적으로 용접부가 모재금속보다 현저히 증대된 충돌 인성을 갖게 한다.

본원에 기술된 장치 및 방법은 본 발명의 개시내용에 비추어 부당한 실험없이 제조 및 수행되었다. 본 발명의 장치 및 방법이 양호한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 당업자라면 상기 방법 및 장치와, 본원에 기술된 방법의 단계 또는 이들 단계의 시퀀스에 대한 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않는 다양한 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 당업자에게 명백한 모든 대체예 및 수정예들은 첨부되는 청구범위에 포함되는 것으로 간주되어야 할 것이다.

참조문헌

본원에 기술된 것에 부속되는 양호한 절차적인 또는 기타 세부적인 사항을 제공하는 이하의 참조문헌들이 본원에 참조로 포함되고 있다.

Claims

동일극성 펄스 용접 시스템에서의 금속합금 파이프의 냉각속도를 결정하는 방법으로서,

제1파이프쌍의 제1파이프와 제2파이프의 단부를 접촉시켜 용접 경계면을 형성하는 단계와,

상기 제1파이프상에 제1전극을 장착하고 제2파이프상에 제2전극을 장착하는 단계와,

상기 경계면에 근접한 각 파이프상에 하나 이상의 열전기적 변환기를 장착하는 단계와,

용접된 파이프 세그먼트를 형성하기 위해 상기 전극과 전극갭을 통해 동일극성 발전기로부터 충분한 에너지를 방전하여 상기 용접 경계면을 저항가열하는 단계와,

상기 변환기에 의해 나타나는 상기 용접된 파이프 세그먼트의 온도를 주기적으로 측정하고 이어서 상기 방전을 측정하여 용접된 파이프 세그먼트에 대한 냉각속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각속도 결정 방법.
제1항에 있어서, 상기 제2파이프쌍의 제1 및 제2전극은 제1파이프쌍의 용접의 냉각속도에 대한 제2파이프쌍의 용접의 냉각속도를 변화시키기 위해 상기 제1전극쌍 및 그 각각의 용접 경계면의 위치에 대해 이동하는 것을 특징으로 하는 냉각속도 결정방법.
제1항에 있어서, 상기 열전기 변환기는 열전쌍인 것을 특징으로 하는 냉각속도 결정방법.
동일극성 용접 시스템에서의 전기저항 용접 가공에서 금속합금 파이프의 냉각속도를 제어하는 방법으로서,

제1파이프의 단부와 제2파이프의 단부를 용접 경계면을 형성하도록 배치하는 단계와,

제1전극과 제2전극 사이의 간격이 전극갭을 형성하도록 제1가동 전극을 제1파이프상에 장착하고 제2가동 전극을 제2파이프상에 장착하는 단계와,

선택된 냉각속도를 제공하기 위해 상기 전극들을 서로에 대해 이동시켜 전극갭을 조절하는 단계와,

상기 용접 경계면에서 상기 제1 및 제2파이프를 용접시켜 용접된 파이프 세그먼트를 형성하기 위해 동일극성 발전기로부터 전극과 전극갭을 통해 에너지를 방전하여 용접 경계면을 저항 가열하는 단계와,

상기 용접된 파이프 세그먼트를 냉각시킬 수 있는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 냉각속도 제어방법.
제4항에 있어서, 상기 제1파이프와 제2파이프의 단부는 동일극성 용접 시스템에서의 전기저항 용접을 위해 준비되는 것을 특징으로 하는 냉각속도 제어방법.
파이프 단부대 단부의 두 섹션을 용접하는 방법으로서,

파이프 섹션의 두 대향 단부의 다수의 세트를 고온 용접 온도에서 저항가열하는 단계와,

상기 대향 단부 세트를 상이한 속도로 냉각하는 단계와,

냉각속도와 각각의 상태를 관련시키는 냉각 파라미터를 제공하기 위해 하나 이상의 금속학적 상태에 대해 용접을 분석하는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
제6항에 있어서, 상기 파이프 섹션에 용접 전류를 공급하는 전극은 냉각속도를 변화시키도록 상이한 전극갭으로 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
주어진 파이프 단부대 단부의 섹션을 동일극성 펄스 용접하기 위한 방법으로서,

(a) 단부사이에 걸쳐 있는 전극갭을 형성하는 동일극성 펄스 발전기의 전극을 용접될 섹션의 단부에 근접한 주어진 단부의 두 섹션에 배치하는 단계와,

(b) 상기 전극을 충분한 에너지로 동일극성 펄스처리하여 섹션의 단부들을 용접하는 단계와,

(c) 이러한 용접의 냉각속도를 측정하는 단계와,

(d) 상이한 파이프의 섹션쌍과 상이한 전극갭에 대해 상기 (a)-(c)을 반복하는 단계와,

(e) 상기 냉각속도를 각각의 상태와 연관시키는 냉각 파라미터를 제공하도록 하나 이상의 금속학적 상태에 대해 용접부를 분석하는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 동일극성 펄스 용접 방법.
제8항에 있어서, 오스테나이트 결정의 성장을 촉진하지만 거친 입자에 대해서는 그렇지 않은 충분한 온도로 용접부를 재가열하기 위해 500℃ 이하의 용접 온도에서 용접부에 충분한 동일극성 펄스를 적용하고, 이어서 상기 재가열된 용접부를 페라이트-펄라이트 구조가 형성되기에 충분히 느린 속도로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동일극성 펄스 용접 방법.
제8항에 있어서, 동일극성 펄스에 사용된 전극의 전극갭은 필요에 따라 용접부의 냉각속도가 느려지도록 증가되거나 냉각속도가 빨라지도록 감소되는 것을 특징으로 하는 동일극성 펄스 용접 방법.
스틸 파이프 용접부의 페라이트-펄라이트 구조를 증대시키는 방법으로서,

오스테나이트 입자를 함유하는 용접된 파이프를 형성하기 위해 두 개의 긴 파이프의 대향 단부를 동일극성 펄스 용접하는 단계와,

조인트의 냉각중에 용접된 조인트에 충분한 업셋을 적용하여 오스테나이트 입자를 재형성하거나 그 입자 크기를 감소시키는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는, 스틸 파이프 용접부의 페라이트-펄라이트 구조를 증대시키는 방법.
제11항에 있어서, 상기 용접된 조인트는 용접중에 800℃ 이상의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는, 스틸 파이프 용접부의 페라이트-펄라이트 구조를 증대시키는 방법.
제11항에 있어서, 상기 용접은 일분 이상의 기간동안 800℃에서 500℃로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 스틸 파이프 용접부의 페라이트-펄라이트 구조를 증대시키는 방법.
파이프에 연결된 전극을 이용하여 동일극성 펄스 용접에 의해 생성되는 모재 금속 용접의 냉각속도를 제어하는 방법으로서,

냉각속도를 감소시키기 위해 용접 경계면으로부터의 전극 거리를 증대시키는 단계와,

냉각속도를 증가시키기 위해 용접 경계면으로부터의 전극 거리를 감소시키는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 냉각속도 제어 방법.
파이프 단부대 단부의 두 섹션을 용접하기 위한 장치로서,

파이프 섹션 단부대 단부를 용접 경계면에서 지지하고 이들 단부를 상이한 압력으로 가압하도록 작동가능한 유압작동식 장착 부재와,

제1파이프 섹션과 축방향으로 조절가능한 관계로 제1파이프 섹션에 부착될 수 있는 제1전극과,

제2파이프 섹션과 축방향으로 조절가능한 관계로 제2파이프 섹션에 부착될 수 있는 제2전극과,

상기 전극에 연결되며 상기 경계면에서 파이프 섹션을 용접하여 용접된 파이프 세그먼트를 형성하기 위해 전극에 충분한 에너지를 공급하는 동일극성의 펄스 발생기를

포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
제15항에 있어서, 전극과 경계면 사이에서 상기 파이프 섹션상의 선택된 위치에서의 온도를 측정하도록 작동가능한 온도 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
제16항에 있어서, 주어진 파이프에 대한 용접의 금속학적 파라미터를 용접 경계면에 대한 전극의 위치, 동일극성 펄스 발생기에 의해 공급되는 에너지와, 용접이 그 형성이후 냉각됨에 따라 온도 센서에 의해 표시되는 온도와 상호연관시키는 참조 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
파이프 섹션에 부착된 전극을 통해 에너지가 파이프 섹션으로 전달되는 동일극성 펄스 용접에 의해 두 파이프 섹션 단부대 단부를 접합하는 용접부의 금속학적 파라미터를 제어하는 방법으로서,

주어진 파이프의 파이프 섹션의 충분한 다수의 쌍을 상이한 용접 에너지, 전극갭, 용접 냉각속도에서 용접하는 동일극성 펄스 용접하는 단계와,

주어진 금속학적 파라미터의 수치에 대해 용접을 분석하는 단계와,

상기 수치를 에너지와, 전극갭과 냉각속도와 상호 연관시키는 단계와,

상기 상호연관에 따라 주어진 파이프의 특정 쌍의 용접의 파라미터의 수치를 제어하는 단계를

포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.