KR19980703593A - 피로강도가 우수한 용접계수 - Google Patents

Abstract

용접계수의 용접열영향부(HAZ)의 페라이트 조직의 면적율을 20~100%으로 제한하고, 잔부는 베이나이트, 마르텐사이트, 퍼얼라이트조직 및 잔류오스테나이트 조직으로 하거나 또는 강판의 탄소당량을 용접계수에 대하여 0.275 이하인 것으로 이용하여 제조하는 용접계수.

Description

피로강도가 우수한 용접계수(溶接繼手)

제1도(A)는 용접열영향부(HAZ) 베이나이트강에서의 균열개구변위와 하중의 변화를 나타낸 것이다.

제1도(B)는 HAZ베이나이트 강에서의 균열개구변위와 하중의 변화를 나타낸 그림이다.

제2도는 용접계수의 HAZ의 페라이트 조직면적율과 T자 필렛용접계수의 200만회 피로강도의 관계를 나타낸 그림이다.

발명의 배경

(1) 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 주로 선박, 해양구조물, 교량, 건설기계 등의 용접구조물에 이용되는 피로강도가 우수한 용접계수에 관한 것이다. 본 발명은 특히 그 중에서도, 용접계수의 용접 열 영향부(이하 Heat Affected Zone : HAZ라 약칭한다)에 있어서, 피로균열의 전파속도를 늦출 수 있는 페라이트조직의 면적율을 높이므로써 피로 강도를 향상시킨 용접계수(Welded Joint)에 관한 것이다.

(2) 종래의 기술

구조물의 대형화에 따라, 구조부재의 중량절감이 근년 중요한 과제로 떠오르고, 이를 실현하기 위해 구조물에 사용되는 강의 고장력화가 진행되고 있다. 그러나, 선박, 해양구조물, 교량, 건설기계 등에는 사용기간중에 반복하여 하중을 받기 위해서, 이와 같은 구조물에서는 피로파괴를 방지하기 위한 배려가 필요하다. 따라서, 피로파괴가 가장 발생하기 쉬운 부위는 용접계수부라는 점에서 용접계수의 피로 강도를 향상시킬 것이 필요하다.

지금까지는 용접계수의 피로강도지배요인과 피로강도개선에 관해 많은 연구가 이루어져 왔다. 그리고 용접계수의 피로강도개선은, 그라인더 연삭과 용접 비트 최종층을 가열, 재용융하므로써 지단부형성을 정형하는 등의 용접지단부(end portion of weld bead)의 형상개선에 따라, 쇼트피닝(shot peening)처리 등의 용접지단부압축 응력 생성에 의하는 등, 용접후의 부가적인 시중에 따른 개선이 대부분이었다. (특개소 59-110490호, 특개평 1-301823 호 공보 등). 또한, 용접후 열처리에 의한 잔류응력 줄임효과도 이전부터 잘 알려져 있다.

한편, 상술한 바와 같은 특수시공과 용접후 열처리를 이용하지 않고, 용접한 그대로도 강재의 성분에 따라 용접부의 피로강도를 개선하는 방법도 제안되어 왔다. 특개평 3-264645 호 공보를 보면, 실리콘(Si)에 의한 청정한 폴리고날페라이트(polhonal ferrite)형성을 유리하게 하고, 보론(B)에 의해 강을 강화하고, 퀀칭성능을 향상시키므로써, 양호한 연신 플랜지성(elongation flange property), 피로특성, 저항용접성을 얻는 것을 목적으로 하여, C : 0.01~0.2%, Mn : 0.6~2.5%, Si : 0.02~1.5% 및 B : 0.0005~0.1% 등으로 하므로써 우수한 고강도 강판이 얻어지는 것이 개시되어 있다.

특 공평 3-56301 호 공보에서는, B등의 첨가에 따라, 또한 강중의 성분과 강판 중의 미 재결정조직의 비율에 따라, 스폿용접부의 계수피로강도에 유리한 개선을 가져오도록 하기 위하여, C : 0.006% 이하, Mn : 0.5% 이하, Al : 0.05% 이하, 질화물과, 유화물은 산입하지 않고도 Ti 및/또는 Nb의 1종 또는 2종의 합계 : 0.001~0.100%으로 한, 스폿 용접성이 양호한 극저탄소강판이 개시되어 있다.

특개평 6-207245 호 공개 공보에는, 강재표층으로의 Ni을 첨가하므로써, 용접지단부에 압축에 의한 잔류응력을 발생시키고, 피로균열발생까지의 수명을 증대시킬 것을 목적으로 하여, 강판의 표리면으로부터 각각 0.2mm 이상이고 도한, 판두께의 25% 이하인 영역에서 Ni의 첨가량이 3%이상인 피로 특성이 우수한 복층강판(multi-layered steel plate)이 개시되어 있다.

특개평 6-228707호 공보에는, 탄소당량 Ceg을 낮추면서 Cu의 미세석출을 이용하여, 용접지단부근방의 경도분포를 균일히 하므로써 소성변형의 집중을 방지하고, 또한 저 Ceg화에 따라 HAZ경화를 없애므로써, 평균응력으로 작용하는 용접지단부의 잔류응력을 줄임을 목적으로 하여 C : 0.001~0.01%, Si : 0.005~0.05%, Cu : 0.5~2% 이고, Ceg이 0.2 이하로 한, 용접계수피로 특성이 우수한 구조용강 및 그 용접방법이 개시되어 있다.

이들 종래의 기술중, 특개소 59-110490 호 공보, 및 특개평 1-301823 호 공보에 개시된 기술은, 용접 후 특수한 시공을 필요로 하고, 또한 용접 그대로 또는 피로 강도를 개선할 수 없다. 용접 후 열처리에 의한 방법도 공정이 증가하고 용접시공이 번잡하기 때문에 바람직스럽지 못한다. 또한 그 효과도 한정되어 있다.

특개평 3-264645 호 공보에 개시되어 있는 박강판은, 용도가 주로 자동차 휠과 디스크의 모재에 관한 것으로, 본 발명의 사용 대상인 조선, 해양구조물에 사용되는 강판과는 용도, 판두께, 사용방법이 전혀 다르기 때문에, 여기에서 본 바를 그대로 후강판에 적용할 수는 없다. 또한, 용접계수에 관한 기재가 없기 때문에, 용접계수에 피로강도에 미치는 영향에 대해서는 어떠한 검토도 되고 있지 않다. 또한 모재에 함유하게 되는 폴리고날 페라이트조직이 HAZ에 생성할 것인지 어떨 것인지는 불명확하다.

특공평 3-56301호 공보에 나타나 있는 강판은, 극저단소강판의 스폿트 용접부에 관한 것으로, 스폿트 용접부의 경도분포를 제어하도록 한 것이나, 스폿트 용접은 저항용접법의 1종이고, 강판의 용접부를 전극으로 가압하여 잡아넣고, 큰 전류를 단시간에 흐르게 하여 행하는 것인데, 본 발명의 대상이 되는 용접계수의 용접방법은 판 두께가 두꺼운 강판의 용접으로 사용되는 용접방법이 주체로서, 용접잔류응력만이 아니고, 전극형상, 용접재료의 유무와 같은 용접조건 등에 따라 용접방법도 다르고, 박판의 스폿용접과 두꺼운 강판의 용접에는 피로강도의 지배요인이 다르기 때문에, 스폿용접에서의 상식을 그대로 적용할 수는 없다.

특개평 6-207245 호 공보에 나와 있는 강판은, 구조용강이기 때문에 용도는 같으나, Ni을 함유하는 복층강에 한정하는 것으로, 통상의 단층강으로는, 피로강도를 향상시킬 수는 없다. 또한, 용접계수의 피로강도가 향상될 것인지 어떨지는 불명확하다.

특개평 6-228707 호 공보에 개시되어 있는 발명에서는, 용접계수의 HAZ 조직에 관한 기재는 없고, 마이크로조직과 피로강도와의 관계는 불명확하고, 본 발명과도 다르다. 또한 강판의 C 첨가량이 0.01%이하, Si 첨가량이 0.05%이하로 매우 적고, 또한 Cu첨가가 필수라는 점에서도, 본 발명과도 다르다.

발명의 요약

본 발명은 용접 후에 응력집중을 줄이기 위한 부가적인 용접시공을 실시함에 의한 피로강도개선은 아니고, 용접계수의 HAZ에 있어서, 피로균열의 전파속도를 늦추는 것이 가능한 페라이트조직의 면적율을 높이므로써, 용접한 그대로 피로강도가 우수한 용접계수를 제시하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 주요원리는 다음과 같이 총괄할 수 있다.

(1) 용접계수의 HAZ에 있어서, 피로균열의 전파속도를 늦추는 것이 가능한 페라이트조직의 면적율을 높여서, 용접계수의 피로강도를 향상시킨다.

(2) 강판의 화학성분 및 탄소당량을 한정하므로써, 용접계수의 HAZ에 있어서의 페라이트조직의 면적율을 높여서, 용접계수의 피로강도를 향상시킨다.

(3) Ti과 N을 적당량 첨가하고, HAZ조직을 세립화하므로써, 용접계수의 HAZ에 있어서의 페라이트조직의 면적율을 높여서 용접계수의 피로강도를 향상시킨다.

본 발명은 상기 (1)효과에 의해, 용접계수의 피로강도를 향상시키는 것으로, 또한 (2) 또는 (3)을 조합할 경우에, 높은 피로강도를 달성시킬 수가 있다.

즉, 본 발명의 요지는 ① 용접계수의 용접 열 영향부에서의 페라이트조직의 면적율이 20~100%이고, 잔부가 베이나이트조직, 마르텐사이트조직, 퍼얼라이트조직 및 잔류 오스테나이트조직의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 용접계수 ② 중량%로

C : 0.015~0.15%

Si : 0.06~2.0%

Mn : 0.2~1.5%

P : 0.05% 이하

S : 0.05% 이하

Al : 0.001~0.08%

N : 0.002~0.015%을 함유하고 나머지는, Fe 및 기타 불가피불순물로 이루어지고, 또한, 탄소당량(Ceg)이 Ceg : 0.275 이하인 강판을 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 상기 ①에 기재된 피로강도가 우수한 용접계수 여기에서 탄소당량(Ceg)은 Ceg= C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5+Nb/3으로 한다.

③ 중량 %으로,

Ti : 0.003~0.05%의 1종 또는 2종이상을 함유하는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 상기 ②항 기재의 피로 강도가 우수한 용접계수

④ 중량%으로, Ti/N이 2.0~3.4의 값을 갖는 강판으로 제조되는 것을 특징으로 하는 상기 ③항 기재의 피로강도가 우수한 용접계수

⑤ 중량%으로,

Cu : 0.1~2.0%

Ni : 0.1~2.0%

Cr : 0.05~1.0%

Mo : 0.02~1.0%

V : 0.005~0.10%

Nb : 0.005~0.08%의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 상기 ②~④항 기재의 피로강도가 우수한 용접계수

⑥ 중량%으로,

Ca : 0.0005~0.010%

희토류금속(REM) : 0.0050~0.050%를 함유하는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 상기 ②~⑤항 기재의 피로강도가 우수한 용접계수에 있다.

발명의 실시형태

이하의 (1)~(2)에 본 발명의 기술적 사상과 한정이유에 대해 상세히 설명한다.

(1) 첫째 용접계수의 HAZ엥 있어서 마이크로조직을 한정한 이유를 설명한다. 본 발명자 등은 용접계수의 피로강도향상에 대한 HAZ의 중요성을 검토하였다. 일반적으로, 용접 구조물의 피로파괴는 구조적인 응력집중을 가지는 용접계수부에서 발생하는 경우가 많다. 용접결함과 강판의 흠 등이 없는 정상적인 용접계수부에는, 국부적인 응력집중을 가지는 모재와 용접금속의 경계부에 닿는 HAZ로부터 피로균열이 발생하고, HAZ내를 전파한 후, 모재로 전파시켜 최종적으로는 구조물의 기능을 손상 파괴하기에 이르게 하는 경우가 많다.

따라서, HAZ에 있어서 피로균열의 발생전파수명이 전파단수명(全破斷壽命)에서 점하는 비율을 조사하였다. 시험에는 구조물로 많이 사용되는 용접계수이다. T형 구석살 용접계수(T-type fillet-welded joint), 십자구석살 용접계수, 각 상자형 구석살 용접계수(boxing welded joint)의 세가지 계수를 이용하였다. 모재와 용접금속의 경계부로부터 모재측에 5~10mm(계수의 종류에 따라 달라짐) 떨어진 위치에 스트레인 게이지(strain guage)를 붙이고, 반복 부하중의 스트레인 값을 측정한 경우, 시험개시시보다도 스트레인 값이 5% 저하한 때의 반복횟수(number of repetitions)는, 피로균열의 선단이 HAZ를 통과하여, 모재에 달하는 반복횟수와 대략 일치하기 때문에, 이 되풀이 반복횟수를 1에서의 피로균열발생전파수명으로 하였다. 용접계수 시험피로결과,최종적으로 파단에 이르기까지의 전 수명에 대한 HAZ에 있어서의 피로균열의 발생전파수명의 비율은 T형 구석살 용접계수에서는약 70%, 십자구석살 용접계수에서는 약 80%, 각 상자형구석살 용접계수에서는 약 40%였다.

따라서, 전피로수명에 대한 피로균열의 발생수명은 상당한 비율을 점하는 것이 상기 시험으로 분명하게 된 한편, 일단 균열이 전파를 개시하면 그 억제는 매우 곤란하게 되므로 용접계수의 피로강도를 향상시키기 위해서는 HAZ에 있어 피로균열발생을 곤란하게 하든가, 또는 피로균열이 발생하더라도 HAZ에서의 피로균열의 전파를 극력 늦추게 하는 것이 유효한 수단으로 생각된다.

다음, 본 발명자 등은 HAZ의 마이크로 조직과 피로강도에 관한 검토를 행하고, 다음에 소개하는 중요한 연구결과를 얻었다.

일반적으로, 선박, 해양구조물, 교량, 건설기계분야 등에서 사용되고 있는 강판의 HAZ조직은, 인장강도가 400~580Mpa급의 경우에는 베이나이트조직, 인장강도가 580Mpa를 넘는 경우에는 베이나이트조직 또는 마르텐시이트 조직이 주체가 된다. 강판의 성분과 열처리에 따라서는 이들 마이크로 조직외에, 베이나이트조직과 잔류오스테나이트가 포함되는 경우도 있다. HAZ조직은 모재조직의 영향은 그리 받지않고, 오히려 강판의 성분과 용접시의 냉각속도로 결정하기 때문에, 일반적으로 사용되고 있는 480Mpa급의 용접구조용 연강(예컨대 0.14% C-0.2% Si-0.9%Mn)일지라도 50KJ/cm 이하의 통상의 용접조건에서는 퀀칭성(燒入性 : hardenability)의 지표인 탄소당량이 높기 때문에 1가 페라이트조직의 주체로 되는 일은 거의 없다.

본 발명자등은 용접계수의 피로강도를 검토함에 있어, 각각의 마이크로조직의 HAZ에서의 피로균열전파속도를 조사할 필요가 있다고 생각하였다. 용접계수와 잔류응력등의 역학적인 요인의 영향을 받지 않고, 동일한 역학조건으로 마이크로조직의 영향을 조사하기 위해, 소형재현 HAZ시험편에 의해, 균열전파시험을 실시하였다. 용접재현 열 사이클조건은 최고가열온도를 1400℃, 800℃~500℃의 냉각조건을 1초 ~161초로 하고, 화학성분과 냉각속도와의 차이에 따라 페라이트조직, 베이나이트조직, 마르텐사이트조직을 재현하였다. 시험은 6mm 길이의 뾰족한 절결(sharp notch)을 붙인 20 x 10 x 100mm의 3점 구부림 균열전파시험편(3-point bending crack propagation test piece)을 이용하여 측정하였고, 균열길이는 콤플라이언스법으로 산출하였다.

균열전파시험결과, HAZ가 페라이트조직의 경우의 피로균열의 전파수명은 HAZ가 베이나이트 조직과 마르텐사이트조직의 경우보다도 2배 이상 향상되었다. 응력확대계수범위와 균열전파속도를 관찰하면, 균열 길이가 이미 길게 응력확대계수범위가 높은 경우에는 마이크로조직이 다름에 따른 차이는 보이지 않았으나, 아직 균열길이가 짧고 응력확대계수범위가 좁은 경우에는 마이크로조직에 따른 차이가 나타나고, HAZ에서의 페라이트조직의 면적율이 높은 경우에는 현저히 균열전파속도가 떨어졌다.

또한, 제1(A)도 및 제1(B)도에는 HAZ의 페라이트조직면적율이 2%인 HAZ 베이나이트 강과 88%의 HAZ 페라이트강에 있어서, 균열개구변위와 하중의 변화를 상세히 관찰한 결과가 나타나 있다. 페라이트조직의 비율이 높아지면 현저한 균열폐구(crack closure)가 관찰되었다. 이 균열폐구라 하는 것은, 최대하중시에 피로균열의 선단이 항복점을 넘어 소성변형하고, 최소하중이 되기전에 피로균열의 선단이 닫혀버리는 현상이다. 페라이트조직은 다른 조직에 비하여, 전위강화의 비율이 작고 매우 연질으로 되어 있어 소성변형이 용이하기 때문에, 균열폐구가 일어나기 쉽다고 생각된다. 이 균열폐구가 일어나면 피로균열의 선단이 닫혀져 있을 때는 피로 균열의 전파는 일어나지 않고, 피로균열의 전파에 유효한 응력범위는 감소하기 때문에, HAZ가 페라이트조직의 경우에 HAZ에서 전파수명이 향상되는 것으로 생각된다.

이상의 기술적 사상에 기하여, 본 발명은 용접계수의 HAZ에 있어서, 피로균열의 전파속도를 늦추는 것이 가능한 페라이트조직의 면적율을 높이므로써 용접계수의 피로강도를 향상시킨 것이다.

다만, 베이나이트 조직의 입계에 20% 미만의 면적율로 생성하는 입계페라이트는, 페라이트조직속에 포함되어 있다고 해도 피로균열이 입계페라이트로부터 용이하게 발생하기 때문에, 전파를 늦추더라도 피로강도는 향상되지 않는다. 또한 HAZ의 페라이트조직의 면적율이 20% 미만에서는 피로균열의 폐구가 일어나도 매우 작기 때문에 피로강도의 향상은 기대할 수 없다.

따라서, 용접계수의 피로강도를 향상시키기 위해서는, HAZ에 있어서의 페라이트조직의 면적율을 적어도 20%이상으로 할 필요가 있다. 또한, HAZ에 있어서 페라이트조직의 면적율이 20%이상이면, 베이나이트, 마르텐사이트, 퍼얼라이트, 및 잔류 오스테나이트조직을 함유하여도 문제는 없다. 더우기, 안정적으로 피로강도를 향상시키기 위해서는 HAZ의 페라이트조직의 면적율을 60% 이상으로 하는 것이 바람직스럽고, 그 상한치는 100%로 된다.

여기에서, 마이크로조직의 면적율은 용접금속, HAZ, 모재가 포함되도록 용접계수를 절단, 연마한 면을 광학현미경으로 관찰하여, 용접금속으로부터 HAZ측에 약 50㎛의 위치로부터 HAZ와 모재의 경계선까지의 영역에서 점하는 각 마이크로조직의 비율을 포인트·카운팅법으로 측정한 값을 이용하는 것으로 한다.

(2) 다음, 용접계수에 사용하는 강판의 화학성분 및 탄소당량을 한정한 이유를 설명한다. 먼저, 강판의 기본적인 화학성분으로서 한정한 각 원소에 대해 설명한다. C는, 모재강도를 상승시키는 원소이고, 모재강도상승을 위해서는 다량으로 첨가하는 것이 바람직스럽다. 그렇지만, 0.15%초과로 C를 첨가하면, 퀀칭성이 지나치게 높아지고, HAZ에서의 페라이트조직이 얻어지지 않게됨과 동시에, 용접성과 용접부의 인성을 저하시킨다. 따라서, C의 상한치를 0.15%으로 하였다. 또한, C이 0.015% 미만에서는, 구조용강으로서의 모재강도의 확보가 곤란하기 때문에, C의 하한치를 0.015%으로 하였다.

Si은 용제시의 탈산에 필요한 원소이고, 적당량 첨가하면, 마트릭스를 고용강화 한다. Si이 0.06% 미만에서는, 용제시의 탈산효과가 감소하기 때문에, 하한치를 0.06%으로 하였다. 또한, Si은 페라이트 생성원소이고, 탄소당량의 식에 포함되어 있지 않기 때문에, 0.6%이상 첨가하면, 같은 탄소당량 그대로 HAZ에서의 페라이트조직의 면적율을 증가시키는 효과를 가진다. 한편, Si을 2.0% 넘게 첨가하면, 퀀칭성이 높아질 뿐만 아니라, 인성도 저하한다. 따라서, 상한치를 2.0%으로 하였다.

Mn은 인성을 그리 저하시키지 않고도 모재강도를 상승시키는 원소이다. Mn이 0.2% 미만에서는 충분한 모재 강도가 얻어지지 않고, S취화가 일어나기 쉽게 되므로, 하한치를 0.2%으로 하였다. 또한, 1.5%을 넘도록 Mn을 함유하면, 퀀칭성이 지나치게 높아져서, HAZ에 있어서의 페라이트조직이 얻어지게 않게 됨과 아울러, 용접부의 인성이 저하하고, 용접성, 연성도 열화하므로 상한치를 1.5%으로 하였다.

P는 적을수록 좋고 , 0.05%을 넘게 첨가하면 모재의 입계에 편석하여 입계취화되기 때문에 HAZ의 인성이 저하한다. 따라서, 그 상한치를 0.05%으로 하였다.

S는 낮을수록 좋고, 0.05을 넘게 함유하면 A계 개재물이 현저하게 되어 무재와 용접부의 인성을 저해하고, 판두께 방향의 연성도 저하된다. 따라서 그 상한치를 0.05%로 하였다.

Al은 탈산원소로 사용하는데, 다른 원소들이 탈산원소로 사용되면, 그 하한치는 0.001%으로 한다. 그 이유는 Al은 일반적으로 적어도 0.001% 이상의 량이 함유되기 때문이다. 이 원소가 0.08%을 초과하면, 다량의 Al 산화물과 Al 질화물이 생성되어 용접부의 인성을 열화시킨다. 따라서, 그 상한치는 0.08%으로 설정한다.

질소(N)는 모재의 인성을 열화시키는 원소이기 때문에 인성이 요구되는 저탄소강등의 제조시에는 특히 하한치를 0.002%정도까지 낮춘다.

반대로 함유량이 0.015%을 넘으면, 질소(N)는 페라이트조직에서 고용체를 형서하게 되어 인성을 저하시킨다. 따라서, 그 상한치는 0.015%으로 하였다. 게다가 N은 Ti과 내부반응하는 원인을 만드는데 이를 다음에 설명한다.

티타늄(Ti)은 Ti 질화물이 HAZ조직의 조대화를 억제하고, 결정립이 미세화하므로써 퀀칭성이 저하하고, HAZ조직상에 페라이트의 생성을 촉진한다. Ti와 N의 첨가비율Ti/N은 2.0 미만에서는 N이 과잉이 되어 페라이트중에 고용되어 인성이 저하하고, 3.4를 넘으면 Ti 질화물의 생성이 포화되며, 생성된 Ti 탄화물에 의한 인성이 저하가 현저하기 때문에, 그 첨가비율은 2.0~3.4의 범위가 바람직하다. 또한, Al을 소량 첨가하는 경우에는 Ti과 N은 탈산원소로 작용하고, 그 결과 생성된 Ti 산화물과 HAZ에서 페라이트립내변태의 핵을 형성하는 역할을 하며, 페라이트 미세조직의 면적율을 향상시킨다. 페라이트조직을 생성하는 효과가 현저하게 되는 첨가량으로서, 하한치를 0.003% 이상으로 하였다. 또한, Ti을 0.05% 넘게 첨가하면 석출물을 다량으로 생성하여 인성을 저하시키기 때문에 상한치를 0.05%으로 하였다.

여기에서 Ti 산화물과 Ti 질화물로서는 Ti₂O₃, TiN, TiO, (Ti, Al)_xo_y, Tix(O, N)_Y등을 들 수 있는데, HAZ의 페라이트조직의 생성을 촉진시키는 데에는, HAZ를 제외한 모재에 입자경이 0.1~3.0㎛ 입자수가 5 x 10⁴~1 x 10⁸개 입자/㎟의 Ti₂O₃를 미세 분산시키든가, Ti/N비가 2.0~3.4의 비율로 Ti₂O₃를 첨가하므로써 생성된 TiN을 미세 분산시키는 것이 바람직스럽다.

Cu는 모재 강도를 향상시키는 효과가 있고, 또한 탄화물은 생성되지 않으나, 고용강화에 의한 피로강도를 향상시킨다. 0.15 이상 첨가하지 않으면 그 효과는 없고, 2.0%를 초과하여 첨가하면, 슬라브의 응고 크랙의 원인이 되기 때문에 하한치를 0.1%, 상한치를 2.0%로 하였다.

Ni은 모재강도를 높일 뿐아니라, 인성을 대폭 향상시킨다. 그 효과가 얻어지는 첨가량으로서, 하한치를 0.1%로 하고, 또한, 2.0% 초과첨가하여도 그 효과는 포함되기 때문에 상한치를 2.0%로 하였다.

Cr은 모재강도 및 인성을 향상시키는 효과가 있고, 탄화물과 질화물을 생성하여 HAZ조직을 강화하는 효과가 있으며, 피로강도도 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해서는 0.05%의 첨가가 필요하다. 또한, 1.0%을 초과하여도 그 효과는 포화되고, 역으로 용접성이 손상된다. 이 때문에 하한치를 0.05%, 상한치를 1.0%으로 하였다.

Mo은 모재강도를 향상시킬 뿐 아니라 인성도 향상시키는 효과가 있고, 탄화물과 질화물을 생성한다는 점에서 Cr과 같은 작용을 한다. 그 효과가 나타나는 첨가량으로서 하한치를 0.02%으로 하고, 그 효과가 포화되는 첨가량으로서 상한치를 1.0%으로 하였다.

바나듐(V)은 탄화물을 형성하여 모재의 강도 향상과 세립화에 효과가 있다. V량이 0.005% 미만에서는 그 효과가 현저하지 않으므로 하한치를 0.005%으로 하였다. 거꾸로, 0.10%을 초과하여 첨가하면, HAZ의 퀀칭성이 지나치게 높아지고, 페라이트조직의 면적율이 감소하므로 상한치를 0.10%으로 하였다.

나오븀(Nb)은 모재강도 상승에 큰 효과를 가지는 원소이다. 또한, 강판제조시에 TMCP 프로세스가 적용되는 경우에는 압연중의 재결정을 억제하기 위해 0.005% 이상 첨가 할 필요가 있다. 그러나, Nb을 다량 함유하면 용접부의 인성을 저하시킨다. 따라서, Nb의 상한치를 0.08%으로 하였다.

Ca은 피로균열의 발생원이 되는 유화물을 고정하고, 연성을 향상시키는 효과가 있다. 첨가량이 0.0005% 이하에서는 그 효과가 기대되지 않고, 또한, 0.010% 초과시에는 인성을 저하시킨다. 따라서, 하한치를 0.0005%, 상한치를 0.010%으로 하였다.

희토류금속(REM)은 피로균열의 발생원이 되는 유화물을 고정하고, 연성을 향상시킨 다는 점에서, Ca과 같은 효과가 있다. 또한 HAZ에는 REM(O, S)가 입내변태의 생성핵이 되고, 페라이트조직의 생성을 촉진시키는 효과도 있다. 입자경이 0.1~3㎛, 입자수가 10~100개/㎟의 희토류금속(O, S)을 미세분산시키는 일이 바람직스럽다. REM은 희토류 원소이며 어떤 원소라도 같은 효과를 가진다 생각되나, 이들 중에서도 특히 란탄(La)과 세륨(Ce)이 대표적이다. REM첨가에 따른 효과가 발휘되기 위해서는 합계 0.0050% 이상 첨가할 필요가 있고, 0.050% 이상 첨가하여도 그 효과는 포화되므로 경제적이 못되어 하한치는 0.0050%, 상한치는 0.050%로 하였다.

한편, 용접계수에 사용되는 강판이 탄소당량을 한정한 이유를 설명한다.

용접시의 냉각속도가 같은 경우, HAZ조직과 강판의 성분과의 관계는 IIW로 제안되어 있는 탄소당량의 식을 이용함에 따라 나타낼 수가 있다. IIW의 탄소당량(Ceg)의식은 Ceg= C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5+Nb/3으로 주어진다.

종래의 강재와 같이, 탄소당량이 0.275를 초과할 경우에는, HAZ조직은 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트 조직으로 되기 때문에, 페라이트조직을 얻는데는 곤란하다. 따라서 HAZ으 페라이트조직의 면적율을 높이기 위해서는 우선 탄소당량을 0.275이하로 할 필요가 있다.

또한, HAZ의 페라이트조직의 면적율을 높이고, 보다 높은 피로강도를 얻기 위해서는, 탄소당량을 0.25 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 탄소당량이 0.10 미만에서는 충분한 모재강도가 얻어지기 않기 때문에, 0.10 이상이 바람직스럽다.

이상의 기술적 사상에 기초를 두고, 본 발명은 용접계수의 HAZ에서의 페라이트조직의 면적율을 높이므로써, 용접계수의 피로강도를 향상되게 한다. 여기에서 용접계수로 사용되는 강판으로서는, 접합가능한 것이라면 어떠한 강판에도 상기 규정된 강판을 이용하는 일이 바람직스러우나, 용접계수의 향상과 응력부하조건등으로부터 피로손상이 문제가 되는 부위가 미리 할 수 있을 정도로 분명한 경우에는 피로 손상을 받는 측만으로, 상기 규정된 강판을 적용하여도 좋다.

더우기, 본 발명은 T자 구석살 용접계수와 같은 압축용접잔류응력에 따라 균열개폐구 거동이 일어나기 쉬운 용접계수로 특히 유효하나, 십자구석살 용접계수, 상자형 구석살 용접계수, 돌합용접계수(butt welded joint) 등의 용접계수로도, 균열폐구가 일어나는 경우에는 피로 강도를 향상시킬 수가 있다.

그 반면, 본 발명은 불활성가스를 이용한 아-크 용접(MIG)과, 혼합가스를 이용한 아-크용접(MAG), 텅스텐 아-크 용접(TIG)과 같은 가스쉴드 아-크 용접을 한 경우에 특히 유효하며 피복아-크 용접(SMAW)과, 서브머즈드 아크용접(Submerged Arc Weldng : SAW)와 같은 용접방법, 더욱기 용접입열에 있어서도, 통상실시되는 1~5KJ/mm의 소.중입열로부터 ~20KJ/mm정도의 대입열용접을 이용한 용접계수에도, 균열폐구가 일어나는 경우에는 피로강도를 향상시킬 수가 있다.

실시예 1

이하에 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

용접계수의 HAZ에 있어서의 페라이트조직의 면적율과 피로강도와의 관계를 조사할 목적으로 피로시험을 실시하였다. 500kg 진공용해로를 이용하여, 합계 19 강종을 용제하였다. 탄소당량이 낮고, 모재의 강도부족이 현안으로 되어 있었기 때문에, 제어압연과 제어냉각으로, 용제한 슬라브압연을 실시하였다. 즉, 1100℃에서 60분간 가열한 후 마무리 판두께의 3배에 해당되는 판두께까지 조압연을 실시하고, 재결정온도이하까지의 온도로 될때까지 기다린 후 판두께 6~30mm로 마무리 압연을 행하고, 압연이 끝난 다음 곧 500℃까지 제어냉각하면서 실온까지 공냉하였다. 다음 인장시험편을 채취하고, 모재의 항복응력, 인장강도, 전연신(total elongtion)을 측정하였다.

표1에 제조된 강의 화학성분, 탄소당량 및 기계적성질을 표시하였다.

[표 1]

*1: Ceq= C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5+Nb/3

*2: YP: 항복응력(MPa), TS:인장강도(MPa), EL: 균일연신(%)

이들 제조된 강을 이용하여 T자 구석살, t자 구석살, 상자형 구석살등의 3종류의 용접계수를 만들었다. 용접에 이용된 리브판은 모재와 같은 강판을 이용하고, 용접은 각 1패스로 행하였다. 용접방법은, Co₂가스를 이용한 MAG 용접으로 하고, 용접재료는 피복아-크용접 봉, 솔리드와이어, 플럭스들이(入)와이어의 어느 것이나 사용할 수 있고, 여기에서는 50kg 강용플럭스들이 와이어를 사용하였다. 용접후, 용접부의 마이크로 조직관찰 시험편을 잘라내고, 포인트카운팅법으로 HAZ의 페라이트조직과 면적율을 구하였다. 피로시험은 대기중, 실온으로 하고, T자 구석살 용접계수의 경우에는 3점 구부림으로 응력비가 0.1, 십자구석살 및 상자형 용접계수의 경우에는 축력으로 응력비 0으로 시험을 실시하였다.

표 2에는 사용된 강판기호, 판두께, HAZ에서의 페라이트조직의 면적율, 베이나이트·마르텐사이트·퍼얼라이트·잔류오스테나이트조직의 합계의 면적율·용접계수의 형상, 피로 강도가 나타나 있다.

제2도는 용접계수의 HAZ의 페라이트조직의 면적율과 T자 계수의 200만회의 피로강도와의 관계를 나타낸 그림이다.

계수 1은, HAZ의 페라이트조직면적율이 20% 이상인 발명 예이다. 계수 2~4는, HAZ의 페라이트조직면적율이 20% 이상이고, 탄소당량은 0.275이하인 발명예이다. 탄소당량이 낮아지면, 페라이트조직의 면적율이 증가하고, 용접계수의 피로강도도 향상한다. 그러나, 계수(繼手) 17, 18은 HAZ의 페라이트조직면적율이 낮고, 탄소당량도 청구범위 보다도 많은 비교예로서, 발명예 1~4 보다도 용접계수의 피로강도는 낮다.

계수 5~16은 기본성분 외에 Cu, Ni, Cr, Mo, Nb, Ti, Ca, REM을 1종 또는 2종 첨가한 본 발명예로, 어느 것이나 높은 피로강도를 유지하고, 계수 5~11은 모재강도가 향상되고, 계수 12~14는 TiN 또는 TiO의 미세화에 의해 HAZ의 페라이트 조직 면적율이 증가한 예이다. 한편, 계수 19, 20 이들 원소를 첨가한 것, HAZ의 페라이트조직면적율이 낮고, 탄소당량이 청구범위보다도 많은 비교예로서, 역시 용접계수의 피로강도는 향상되지 않는다. 그 반면, 십자 구석살 용접을 행한 계수 21~23, 상자형 구석살 용접을 행한 게수 24~26으로도, HAZ의 페라이트 면적율이 높은 경우에는 용접계수의 피로강도가 향상된다.

따라서, 본 발명의 조건을 만족하는 용접계수(표 중에 본 발명예라 표시)는 HAZ의 페라이트 조직면적율이 20% 이상이고, 어떤 용접계수에서도 용접한 그대로 우수한 피로강도를 달성하고 있음을 알 수 있었다.

[표 2]

*3: 베이나이트, 마르텐사이트, 퍼얼라이트, 잔류오스테나이트 조직을 합한 면적율

*4: 피로강도는 파단반복횟수가 200만회인 때의 피로강도

발명의 효과

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 선박, 해양, 구조물, 교량, 건설기계등에 이용되는 용접계수의 HAZ에 관하여, 피로균열의 전파속도를 늦출 수가 있는 페라이트조직의 면적율을 높이고, 또는, 이를 실현하기 위해서, 강판의 화학성분 및 탄소당량을 한정하므로써, 용접계수의 피로강도를 향상시킬 수가 있고, 본 발명의 용접계수를 이용하면, 용접구조물의 피로파괴에 대한 신뢰성을 현저히 향상시킬 수가 있었다. 이와 같은 효과를 가지는 본 발명의 용접계수의 의의는 매우 현저하다.

Claims (6)

1. 용접계수의 용접열영향부에서의 페라이트21 조직의 면적율이 20~100%이고, 잔부가 베이나이트조직, 마르텐사이트 조직, 퍼얼라이트조직 및 잔류 오스테나이트조직의 1종 또는 2종 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 용접계수.
2. 제1항에 있어서, 상기 용접계수는 중량%로

   C : 0.015~0.15%

   Si : 0.06~2.0%

   Mn : 0.2~1.5%

   P : 0.05% 이하

   S : 0.05% 이하

   Al : 0.001~0.08%

   N : 0.002~0.015%를 함유하고 잔부가 철 및 기타 불가피적 불순물원소로 이루어지며, 또한, 탄소당량(Ceg)이 Ceg : 0.275 이하가 되는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 용접계수

   여기에서 Ceg= C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5+Nb/3으로 한다.
3. 제2항에 있어서, 상기 용접계수는 추가적으로, Ti : 0.003~0.05% (중량%)을 함유하는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 용접계수.
4. 제3항에 있어서, 상기 용접계수는 Ti/N이 2.0~3.4로 되는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 용접계수.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 용접계수는

   Cu : 0.1~2.0%

   Ni : 0.1~2.0%

   Cr : 0.05~1.0%

   Mo : 0.02~1.0%

   V : 0.005~0.10%

   Nb : 0.005~0.08%

   을 함유하는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 용접계수.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 용접계수는 추가적으로, 중량%로,

   Ca : 0.0005~0.010%

   REM : 0.0050~0.050%

   를 함유하는 강판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 용접계수.