KR20010063589A

KR20010063589A - 9％Ｎｉ강의 플럭스 코어드 아크용접방법

Info

Publication number: KR20010063589A
Application number: KR1019990060738A
Authority: KR
Inventors: 장웅성; 이종섭
Original assignee: 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2001-07-09
Also published as: KR100376492B1

Abstract

본 발명은 LNG 저장탱크용 등의 소재로 사용되는 9%Ni강 모재를 플럭스 코어드 아크 용접하는 방법에 관한 것으로서, 용접균열을 방지하고, 모재에 비해 용접금속의 강도저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용접재료와 관련한 경제성과 작업성을 동시에 개선할 수 있는 9%Ni강의 플럭스 코어드 아크용접방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 모재인 9%Ni강을 플럭스코아드 아크 용접하는 방법에 있어서,

루트 패스(root pass)를 포함하여 전용접층수의 5~50%에 해당하는 초기 용접에 하스텔로이계의 용접재료를 사용하고, 그리고 그 외의 용접부의 용접에 인코넬계의 용접재료를 사용하여 용접하는 9%Ni강의 플럭스 코어드 아크용접방법을 그 요지로 한다.

Description

9％Ｎｉ강의 플럭스 코어드 아크용접방법{Method For Flux Cored Arc Welding 9%Ni Steel}

본 발명은 LNG 저장탱크용 등의 소재로 사용되는 9%Ni강 모재를 플럭스 코어드 아크 용접하는 방법(Flux Cored Arc Welding, FCAW)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인코넬계 및 하스텔로이계 용접재료를 사용하여 9%Ni강 모재를 플럭스 코어드아크 용접하는 방법에 관한 것이다.

상기 9%Ni강은 대표적인 LNG 저장탱크용 등의 소재로서 극저온에서의 우수한 저온인성과 강도를 지니는 페라이트계 재료로서 열팽창계수가 작으며 용접성이 우수할 뿐만 아니라 다량으로 안정적 공급이 가능하여 사용 실적이 증대되고 있다.

이러한 9%Ni강은 소입(Quenching)과 소려(Tempering)처리한 QT재와 2회 노멀라이징(Normalizing)한 후 소려처리한 NNT재로 구분하며 필요에 따라서 안정된 잔류오스테나이트를 활용하여 인성을 개선시키는 소입-라멜라이징-소려(Quenching-Lamellarizing- Tempering)(QLT)처리를 하는 경우도 있다. 9%Ni강을 사용하는 LNG 저장탱크의 용접에는 SMAW (Shielded Metal Arc Welding), GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) 및 SAW (Submerged Arc Welding) 방법이 주로 적용되고 있다.

상기 SAW를 사용하는 일부의 수평용접부위를 제외하고는 대부분이 아직 SMAW만을 적용하고 있는 실정이며 최근에는 용접능률 향상을 위해 FCAW 방법의 적용이 검토되고 있는 단계이다.

한편, 이와 같은 용접에 적용되는 용접재료는 용접금속의 강도 및 열팽창계수가 모재와 비슷하고 극저온에서 높은 인성이 요구되며 동시에 용접작업성도 우수하여야 한다.

상기 9%Ni강이 우수한 저온인성을 지닐 수 있는 것은 첨가된 Ni 조성만에 의한 것이 아니라 제조공정상에서 적절한 열처리를 실시하므로서 얻어지는 것이다.

이에 비해 LNG 탱크와 같은 대형 구조물은 용접 후 열처리가 불가능하기 때문에 용접된 상태에서 우수한 저온인성을 확보하기 위해서는 용접상태에서 우수한 강도와인성을 얻을 수 있는 Ni 합금을 주로 사용하게 된다.

이러한 특성을 만족하는 재료로서 종래부터 Ni합금인 인코넬계 합금이 가장 널리 사용되고 있으나, 다량의 Mo를 첨가하여 고온균열 특성을 개선한 하스텔로이계계 합금도 사용되고 있다.

FCAW 용접재료로서 70% 정도의 Ni을 함유한 인코넬계 용접재료로 9%Ni강을 시공하는 경우 초층에서의 용접균열이나 용접금속 강도의 저하 등이 문제로 대두된다. 이 문제는 이종재료간의 용접에 있어서 모재와 용접금속간의 성분 희석의 영향에 기인한 것으로 알려져 있다. 이와 유사한 문제는 SAW 용접시에도 발생하는데 이 문제에 대한 SAW 시공상의 대책으로서는 피복아크용접봉을 사용하여 수동용접에 의해 루트(root)부를 1~복수회 용접시공하고 난 후 나머지 부분을 인코넬계 용접재료를 이용하여 SAW용접에 의해 시공하는 방법이 널리 채용되고 있다. 이 시공방법에 의하면 인코넬계 용접재료를 이용한 SAW용접부의 내균열성 및 용접금속의 강도저하 등의 문제에는 효과적이지만 SAW용접에 의한 자동용접시공에 비해 수동용접을 병용하는 것에 따라 경제성 및 생산성이 저하하게 된다.

이러한 자동 및 수동용접의 혼합에 따른 생산성 저하 문제를 해소하고 인코넬계 용접재료를 이용한 SAW 용접부의 내균열성 및 강도저하 문제에 대해 Mo 첨가가 효과가 있으므로 9%Ni강의 SAW용접에 있어서 Mo가 다량 첨가된 하스텔로이계 용접재료를 이용하여 전층, 전 패스 용접시공을 행하는 방법이 널리 채용되고 있다. 이 방법에 의해 종래 문제가 된 9%Ni강 SAW용접시 루트 패스 등의 용접균열 및 용접금속의 강도저하 등의 문제가 해소됨과 동시에 전 용접을 자동용접시공으로 실시할수 있으므로 수동용접을 병행하는 경우에 비해 능률성을 높일수 있다. 그러나 하스텔로이계 용접재료는 인코넬계 용접재료에 비해 매우 고가이므로 경제성 면에서 불리하다.

이와 같이, Ni 합금 용접재료를 이용하여 9%Ni강을 용접하는 것은 일종의 이종재료 용접이기 때문에 용접시공시 여러 가지 주의점이 필요하게 되며 일반적으로 나타나는 문제점은 용접균열, 특히 크래이터(crater)부에서의 고온균열 발생과 모재에 비해 낮은 항복강도 그리고 높은 가격으로 인한 시공비의 증가 등이다.

본 발명자들은 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 용접균열을 방지하고, 모재에 비해 용접금속의 강도저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 용접재료와 관련한 경제성과 작업성을 동시에 개선할 수 있는 9%Ni강의 플럭스 코어드 아크용접방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 횡향 플럭스 코어드 아크용접의 홈형상 단면도

도 2는 본발명법에 의한 용접부의 하스텔로이계 용접금속(흑색부)과 인코넬 계 용접금속(무색부) 분포를 나타내는 단면도

도 3은 용접재료의 혼합에 의한 용접부 마크로 사진

도 4는 균열이 발생한 인코넬계 용접재료 제1층의 마크로사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1, 2 . . . 모재 3 . . . 초기 용접부

4 . . . 하스텔로이계 용접재료 5 . . . 초기 용접부이외의 용접부

6 . . . 인코넬계 용접재료

루트 패스(root pass)를 포함하여 전용접층수의 5~50%에 해당하는 초기 용접에 하스텔로이계의 용접재료를 사용하고, 그리고 그 외의 용접부의 용접에 인코넬계의 용접재료를 사용하여 용접하는 9%Ni강의 플럭스 코어드 아크용접방법에 관한 것이다.

본 발명은 이러한 9%Ni강 용접시의 문제점들을 종합적으로 해결하기 위하여 FCAW방법을 채택하고 인코넬계 및 하스텔로이계 용접재료를 사용하여 각 재료의 장점을 최대한 활용하는 용접방법이다.

즉, 본 발명은 모재인 9%Ni강의 FCAW 용접에 있어서 하스텔로이계와 인코넬계 용접재료를 조합하여 용접함으로써 예를 들어 구속응력이 크게 작용하는 루트 패스를 포함한 초기용접에 하스텔로이계 용접재료를 사용하고 그 이후 층은 인코넬계 용접재료를 사용하여 전층을 FCAW 방법에 의해 시공하는 것에 의해 용접균열을 방지할 수 있으며 모재에 비해 용접금속의 강도 저하를 방지하는 것이다.

또한, 본 발명은 9%Ni강의 FCAW 용접에 있어서 하스텔로이계와 인코넬계 용접재료를 조합하여 사용함으로써 용접부 전체를 반자동용접만으로 시공하는 것이 가능해지므로 용접재료와 관련한 경제성과 작업성을 동시에 획기적으로 개선하는 것이다.

본 발명에 따라 모재인 9%Ni강을 FCAW 방법을 사용하여 용접하는 경우 루트 패스(root pass; 모재 이음부에서 가장 짧은 부분의 시작 층)를 포함하여 전용접층수의 5~50%에 해당하는 초기 용접에는 하스텔로이계 용접재료를 사용하고 그 외 용접층에는 인코넬계 용접재료를 사용하는 것이다.

상기 하스텔로이계 용접재료 사용비율이 5% 미만인 경우에는 균열발생 방지효과가 없고, 30%를 초과하는 경우에는 본 발명의 경제적 효과가 상실되므로 그 범위는 5~50%로 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

하기 표 1의 화학조성을 갖는 인코넬계 용접재료 및 하스텔로이계 용접재료를 사용하고, 초기 용접에는 하기 표 2의 양만큼의 하스텔로이계 용접재료를 사용하고 그 외 용접층에는 인코넬계 용접재료를 사용하여 용접을 실시하였다.

즉, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 하기 표 3의 발명예는 모재인 9%Ni강(1)(2)를 본 발명에 따라 용접한 경우로서 루트 패스를 포함한 초기 용접부(3)의 용접에 하스텔로이계 용접재료(4)를 사용하고 그 외의 용접부(5)의 용접에 인토넬계 용접재료(6)를 사용한 경우이고, 종래예는 인코넬계 용접재료만을 사용하여 용접한 경우를 나타낸 것이다.

상기와 같이 용접을 실시한 후, 용접금속의 균열발생여부를 조사하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내고, 그리고 용접금속의 기계적 특성을 조사하고, 그 결과를 하기 표3에 나타내었다.

또한, 발명예에 대한 용접부 마크로 사진 및 종래예에 대한 용접재료 제1층의 마크로 사진을 관찰하고, 그 결과를 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다.

	단 위(wt%)
	C	Mn	Si	P	S	Ni	Cr	Mo	W	Fe	Ti	Cu	Nb
인코넬계	0.03	3.10	0.33	0.003	0.006	70.12	21.47	-	-	1.90	0.28	0.04	2.49
하스텔로이계	0.01	0.28	0.26	0.007	0.003	61.9	12.7	15.2	3.05	5.78	-	-	0.02

하스텔로이계 용접재료/전융착금속(%)	융착금속 균열발생여부
4	발생
10	미발생
30	미발생

용접재료	전융착금속 인장시험	이음부 인장시험	충격치(-196℃)
용접재료	항복강도(Mpa)	인장강도(Mpa)	연신율(%)	인장강도(Mpa)	판단위치	융착금속부(J)	열영향부(J)
인코넬계용접재료(종래예)	400	660	43.3	680	용접금속	71	108
인코넬계용접재료(종래예)	395	670	40.2	685	용접금속	71	108
하스텔로이계 + 인코넬계 용접재료(발명예)	450	723	42.3	740	용접금속	90	107
하스텔로이계 + 인코넬계 용접재료(발명예)	482	738	40.6	744	용접금속	90	107

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 하스텔로이계 용접재료의 적용비율이 5%미만인 경우에는 용착금속에 균열이 발생하는 반면에, 본 발명에 부합되는 하스텔로이계 용접재료의 적용비율을 갖는 경우에는 용착금속에 균열이 발생되지 않음을 알 수 있다.

또한, 상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 경우에는 용접금속의 강도저하도 없는 안정한 용접부를 만들 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 용접한 경우(발명예)에는 균열이 관찰되지 않았지만, 종래예의 경우에는 균열이 관찰됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 인코넬계 및 하스텔로이계 용접재료를 혼합하여 사용하므로써 용접부의 내균열성 및 강도저하를 방지할 뿐만 아니라 용접부 전체를 반자동용접으로 시공하는 것이 가능하여 용접재료와 관련한 생산성 및 경제성 향상을 이룰 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

모재인 9%Ni강을 플럭스코아드 아크 용접하는 방법에 있어서,

루트 패스(root pass)를 포함하여 전용접층수의 5~50%에 해당하는 초기 용접에 하스텔로이계의 용접재료를 사용하고, 그리고 그 외의 용접부의 용접에 인코넬계의 용접재료를 사용하여 용접하는 것을 특징으로 하는 9%Ni강의 플럭스 코어드 아크용접방법