KR20010112925A - 용접 방법 및 용접 조인트 - Google Patents

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KR20010112925A
KR20010112925A KR1020017012022A KR20017012022A KR20010112925A KR 20010112925 A KR20010112925 A KR 20010112925A KR 1020017012022 A KR1020017012022 A KR 1020017012022A KR 20017012022 A KR20017012022 A KR 20017012022A KR 20010112925 A KR20010112925 A KR 20010112925A
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추후제출
엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

본 발명은 강철 제품(12)의 인접 부분 사이에 용접 조인트(11)를 형성하는 방법에 대한 것이다. 용접 조인트(11)는 먼저 내력 용접부(16; strength weld)를 형성한 다음, 내력 용접부(16)의 선단부(22; toe) 상에 부가적인 용착 금속(weld metal)을 용착시켜 인성 용접부(23, 24; toughness weld)를 형성한다. 인성 용접부의 용융 계면(fusion interface)은 용접 조인트(11)에 걸쳐 최대 인장 부하 방향과 최소의 각도를 이룬다. 인성 선단부(26; toughness toe)는 내력 용접부(16)의 열영향부(27)로부터 이격되어 인성 용접부의 선단부(22)에서 시작된 균열이 내력 용접부(16)의 열영향부(27)로 전파되는 것을 효과적으로 방지한다. 이렇게 형성된 용접 조인트(11)는 취성 파괴에 대한 상당한 저항을 갖는다.

Description

용접 방법 및 용접 조인트{Welding process and welded joints}
당업계에서는 저온에서 액체 또는 압축 가스를 처리, 보관, 운송하기 위한 압력 용기, 배관 및 다른 장비가 빈번히 필요하다. 이러한 가스는 수소, 헬륨, 질소, 산소, 공기 또는 메탄을 포함하며, 이에 제한되지 않는다. 특히, 저장 또는 운송을 위해서는 기체를 액체 형태로 변환하는 것이 때로는 바람직하다. 천연 가스는 일반적으로 대기압하에서 약 -162℃(-260℉)의 매우 낮은 온도에서 액체로 변환된다. 또한, 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도와 약 1725kPa(250psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 넓은 범위에 걸친 압력에서 액화천연가스(pressurized liquefied natural gas; PLNG)를 저장하기 위한 용기가 요구된다. 이러한 용도의 장치에 선택되는 특정한 구성 재료 및 제조 방법은 이 장치가 노출되는 작동 조건에 의존한다.
압력 용기, 배관 및 다른 타입의 처리 및 저장 장치는 종종 강철 합금으로제조된다. 절대압력 690kPa(100psia) 이상과 같이 작동 압력이 높아짐에 따라, 0℃(32℉) 이하와 같이 사용 온도가 낮아짐에 따라, 필요한 강도 및 취성 인성 특성(fracture toughness property)을 강철로 이루는 것이 점점 더 어려워진다. 통상, 강철 합금의 강도가 증가할수록 연성이 감소하며, 취성파괴(brittle fracture)되기 쉬워지므로, 저온에서 사용하기에 적합하지 않다. 반대로, 저온에서 양호한 취성 인성 특성을 갖는 강철 합금은 일반적으로 낮은 인장 강도를 가지므로 고압 용도로 사용하기에 적합하지 않다. 그러므로, 작동 온도가 감소함에 따라 및/또는 작동 압력이 증가함에 따라, 강도 및 연성 두가지에 대한 요구되는 최소 설계 기준을 만족하는 강철 합금의 수는 감소한다.
강철 합금에서 고강도 및 저온 취성 인성을 바람직하게 조합시키는 한가지 방법은 합금의 구성 요소를 적절히 선택하고 강철 제조시 특수한 열적 및 기계적인 처리 단계를 수행하는 것이다. 특정한 구성요소 조합과 열적-기계적인 처리 단계는 원하는 기계적 성능 특성을 가지는 특정한 미세 조직을 갖는 강철 합금을 제조한다.
압력 용기, 배관 또는 다른 장치를 제조하는 것은 연속적인 금속 외벽(continuous metal enclosure)을 형성하기 위해 통상 강철 판들, 파이프 부품들, 및/또는 다른 구성 요소 사이에 용접 이음을 사용하는 것을 필요로 한다. 종래의 용접 공정은 용착 금속과 모재의 용융 계면 부근에 열영향부(HAZ; heat-affected zone)를 형성한다. 모재가 특정 미세 조직을 만들기 위해 열적-기계적 처리 또는 다른 다듬질 단계(finishing step)를 거친 강철일 때, 용접 열은 빈번히미세 조직을 변화시키고 부수적으로 기계적 특성을 열화(degradation)시킨다. 특히 HAZ 부분은 취성 파괴되기 쉬워질 수 있다. HAZ 내의 낮은 인성을 갖는 작은 영역을 칭하기 위해 사용되는 야금학적 용어는 "국지적 취성 영역(local brittle zone)"(LBZ)이다. HAZ 부근의 모재 표면에 모든 균열은, HAZ가 일반적으로 용접 조인트에 걸쳐 최대 인장 부하 방향에 대해 직각인 평면과 작은 각도(즉 45°미만)를 형성하므로, HAZ의 이들 약화된 영역을 통해 전파되는 경향을 갖는다.
종래의 용접 조인트에서, 용접 선단부(weld toe)는 용착 금속과 모재 사이의 천이점(transition point)에서 용접 조인트의 표면 상의 영역 또는 다르게는 용접 조인트에서 용융 계면의 노출된 표면으로 정의된다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위의 목적은,
이후에 다른 용접에 의해 덮히는 임의의 용접 선단부를 포함하는 용접부 상부(weld cap) 또는 용접부 루트(the root of the weld)에서 임의의 노출된 용융 계면을 포함하는 용접 선단부를 제공하는 것이다. 용접 선단부는 용접 공정의 열적 사이클로부터의 잔류 응력과 기하학적인 불연속 모두로 인해 높은 응력 집중이 이루어지는 곳으로 알려져 있다. 이는 용접 선단부를 용접된 조인트에서 균열이 가장 발생하기 쉬운 위치중 하나가 되게 한다. 용접 선단부에서의 균열 발생 및 HAZ를 통해 분포된 여러 LBZ를 통해 이러한 균열이 전파될 가능성이, 열에 민감한 미세조직을 갖는 강철 합금의 용접 또는 고압 및/또는 저온에서 종래의 용접 조인트를 사용하는 것을 제한한다.
미국 특허 제 4,049,186호는 핵반응로 설비의 오스테나이트(austenite)제 배관의 맏대기 용접된 조인트에 응력 부식 균열(stress corrosion crack)이 발생할 확률을 감소시키는 방법을 공개한다. 다양한 타입의 오버레이 용접(overlay weld)을 배관의 맞대기 용접된 조인트의 외부에 사용하는 것이 공개되어 있다. 이러한 오버레이의 목적은 파이프 내측 직경 상의 용접 조인트에서 예민화된(sensitized) 강철의 응력을 감소하는 것이며, 이 예민화된 부분은 처리 유체(process fluid)에 노출된다. 상기 공개된 방법은 배관 연결의 인장 강도를 향상시킨다. 상기 참고문헌 중 어느 것도 저온에서 사용하는 것과 관련한 파괴 역학(failure mechanism)을 다루지 않는다.
미국 특허 제 3,745,322호는 고강도 강철, 저온에서 사용되는 강철(low temperature service steel), 또는 저합금 강철(low alloy steel) 간의 용접된 조인트에서 용접 결합부의 취성을 감소하는 방법을 공개한다. 이 방법은 결합될 표면에 높은 노치 강인성의 금속층(high notch toughness metal layer)을 적층한 다음에, 이 적층된 높은 노치 강인성의 금속층에 연결용 용접을 가하는 것에 대한 것이다. 또한, 연결용 용접을 할 때의 열은 각각의 높은 노치 강인성의 금속층과 모재 사이의 용접 결합부를 열처리하도록 작용한다. 이러한 공정은 각각의 조인트에 대해 개별적으로 3번의 용접이 필요하므로 용접 비용이 증가한다. 또한, 이로 인해 발생된 HAZ는 용접된 조인트에 걸쳐 최대 인장 하중의 방향에 대해 수직인 평면과 작은 각도를 여전히 형성하며, 균열이 가장 시작되기 쉬운 표면의 불연속부와 정렬된다.
따라서, 취성 파괴에 의한 용접 조인트의 파괴 가능성을 감소시키는, 특히용접 조인트에서 균열이 발생하여 HAZ를 통해 전파하는 가능성을 감소시키는 용접 방법이 요구된다. 이러한 방법에 의해 제조된 용접 조인트는 저온에 사용하는 것 및 열에 민감한 미세조직을 갖는 강철 합금 사이의 용접 연결에 특히 유용하다. 본 발명의 양호한 방법은 3차원 공간에서의 용접 방향 및 결합될 부품의 배향의 중요도를 최소화하여 현장에 적용하기 적합하다.
본 발명은 일반적으로 용융 용접(fusion welding)에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 종래의 용접 공정에 의해 만들어진 조인트에 비해 개선된 저온 특성을 갖는 용접 조인트를 만드는 방법에 대한 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1a는 종래의 편면 맞대기 용접 조인트(single-bevel welded joint) 또는 편면 V홈 용접부(single-V groove weld)의 단면도.
도 1b는 용접 전의 강철 판의 위치결정에 대한 예시도.
도 2a 및 도 3a는 실축척이 아닌, 본 발명에 따른 편면 맞대기 용접 조인트의 실시예의 단면도.
도 2b 및 도 3b는 실축척이 아닌, 용접 전의 강철 판의 위치결정에 대한 예시도.
도 4a 및 도 5a는 실축척이 아닌, 양면 V홈 용접부(double-V groove weld)라고도 불리는, 본 발명에 따른 양면 맞대기 용접 조인트(double-bevel welded joint)의 실시예의 단면도.
도 4b 및 도 5b는 실축척이 아닌, 용접 전의 강철 판의 위치결정에 대한 예시도.
도 6a는 실축척이 아닌, 본 발명에 따른 고에너지 밀도 용접 조인트의 단면도.
도 6b는 실축척이 아닌, 용접 전의 강철 판의 위치결정에 대한 예시도.
양호한 실시예에서, 본 발명은 인접한 강철 부품을 함께 용접시키는 방법에 대한 것이다. 강철 부품은 구부러진 개개의 강철 판의 나란한 에지들을 포함하는 판, 파이프 단면, 또는 다른 형상의 부품일 수 있다. 용접 조인트 부근의 각각의 강철 부품은 제 1 면, 제 2 면, 결합면을 갖는다. 용접 과정 전에 서로에 대해 위치조정되어 강철 부품의 제 1 면이 다른 부품과 실질적으로 같은 넓이를 같거나 또는 서로 정렬되며, 강철 부품의 제 2 면은 다른 부품과 실질적으로 같은 넓이를 같거나 또는 서로 정렬되며, 결합면은 두 강철 부품을 결합하기 위해 용융 용접 과정을 적용하기 적합한 갭 또는 홈을 형성한다. 용접 후에, 이들 같은 넓이를 갖는 표면은 각각의 새로 형성된 단일 강철 부품의 제 1 및 제 2 면을 형성한다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 내력 용접부(strength weld)가 먼저 강철 부품 사이에 형성된다. 내력 용접부는 제 1 용접 금속과 제 1 용융 용접 공정을 사용하여 형성된다. 내력 용접부는 본 발명의 최종 용접 조인트의 주 하중-지지 부분을 형성한다. 이에 관련하여 사용된 바와 같이 "주 하중-지지 부분"은 최종 용접 조인트의 하중지지 능력의 최소한 80퍼센트를 지지하는 부분을 의미한다. 용접 방향에대해 수직인 내력 용접부의 단면은 제 1 내력 용접 금속면, 제 1 내력 용접 금속면 반대쪽의 제 2 내력 용접 금속면, 각각의 강철 부품의 접합부분에서의 제 1 용융 계면에 의해 그 네 측면으로 경계지어진다. 각각의 내력 용접 금속면과 각각의 제 1 용융 계면의 접합부는 각각의 네 개의 내력 용접 선단부를 한정한다.
내력 용접이 완료된 후, 하나 이상의 인성 용접부(toughness weld)가, 내력 용접 선단부를 덮는 새로 형성된 개개의 강철 부품의 적어도 하나의 표면 상에 제 2 용접 금속부를 용착하는 제 2 용융 용접 공정을 사용하여 형성된다. 제 2 용접 금속부는 각각의 내력 용접 선단부 부근의 각각의 초기 강철 부품의 표면 일부분과 적어도 하나의 내력 용접 금속면 중의 일부 또는 전부를 덮는다. 내력 용접 선단부와 새로 형성된 인성 용접 선단부의 의해 경계지어지는 제 2 용융 계면은 제 2 용접 금속부와 각각의 강철 부품의 표면의 덮힌 부분 사이에 형성된다. 양호하게는, 결합 에지 준비 기술(joining edge preparation technique)과 용접 방법은 제 2 용융 계면, 특히 인성 용접 선단부에 인접한 제 2 용융 계면 부분을 포함하는 평면과 용접 조인트에 걸친 최대 인장 하중 방향 사이에 형성되는 각도를 최소화하는 것과 연계하여 선택된다. 또한, 양호하게는 인성 용접 선단부는 내력 용접 선단부와 충분한 거리로 이격되어 내력 용접부의 HAZ의 어떠한 부분과도 접하지 않는다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제 1 용접 금속부와 제 2 용접 금속부가 동일하다. 다른 실시예에서는, 제 1 용접 금속부와 제 2 용접 금속부는 상이하다. 또 다른 실시예에서, 제 1 용융 용접 공정과 제 2 용융 용접 공정은 동일하다. 다른 실시예에서, 제 1 용융 용접 공정과 제 2 용융 용접 공정은 상이하다.
본 발명의 여러 실시예의 장점을 첨부된 도면과 하기의 상세한 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해할 수 있다.
본 발명은 양호한 실시예와 연계하여 설명되지만, 본 발명은 이 실시예에 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 진의 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 변형, 수정, 등가물, 및 이의 조합을 포함한다. 특히 이들 도면의 설명은 본 발명을 판의 연결에 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 용접 연결은 강철판, 파이프 부품, 가공된 금속 또는 이들의 조합 간에 실시될 수 있다.
본 발명은 종래의 용접 과정에 대해 저온 특성이 개선된 용접 조인트를 만드는 방법이다. 맞닿은 강철 부품 사이에 용접 조인트를 형성하는 방법이 제공되며, 이 용접 조인트는 충분한 내취성 파괴성을 갖는다. 이 방법에 의해 제조된 용접 조인트는 작동중에 저온 및 높은 응력을 받는 압력 용기, 배관, 및 다른 압력 수용 장치(pressure-containing equipment)를 구성하는데 특히 적합하다. 또한, 본 발명은 통상의 용접 온도에 강철이 노출되어 미세 조직이 변화된 다음에 기계적인 특성이 열화(degradation)되기 쉬운 강철 부품 사이에 용접 조인트를 만드는데 유용하다.
본 발명에 적용하기 바람직한 강철 합금은 고강도 및 높은 인성을 갖는 미세 조직을 갖도록 열적-기계적으로 처리된 강철 합금을 포함한다. 바람직한 강철은 약 2.5cm(1 inch) 이상의 강철 판 두께에 대해; (i) 용접 HAZ와 모재에서 약 -73℃(-100℉)이하의 연성-취성 천이온도(ductile-brittle transition temperature; DBTT), (ii) 약 830MPa(120ksi)이상, 바람직하게는 860MPa(125ksi)이상, 보다 바람직하게는 900MPa(130ksi)이상의 인장강도, (iii) 우수한 용접성, (iv) 두께에 걸쳐 실질적으로 균일한 미세 조직 및 특성, (v) 표준의, 상업적으로 입수가능한 고장력합금(High Strength Low Alloy; HSLA) 강보다 개선된 인성(toughness) 특성을 갖는다. 이러한 강철은 약 930MPa(135ksi)이상, 또는 965MPa(140ksi) 이상, 또는 1000MPa(145ksi)이상의 인장 강도를 가질 수 있다.
두 개의 강철 합금판(2) 사이의 종래의 편면 맞대기 용접부(1; single-bevel weld) 또는 편면 V홈 용접부가 도 1a에 도시되어 있다. 결합 에지(3; 도 1b 참조)는 이 비스듬한 결합 에지(3)에 의해 형성되는 홈으로, 선택된 용융 용접 공정에 의해 선택된 용접 금속(7)을 용착하는 것과 관련된 것이며, 공지된 방법에 의해 경사 가공된다(beveled). 용접 후에, 결합 에지(3)는 용접 금속(7)과 강철 판(2) 사이의 용융 계면(6)을 실질적으로 한정한다. 용접시의 열은 용융 계면(6) 부근에 HAZ(5)를 형성한다. HAZ(5)는 용융되지는 않았지만 그 미세 조직, 즉 기계적 특성이 용접시의 열에 의해 변환된 모재(2)의 부분이다.
1회통과(single pass) 용접에 대해, HAZ는 일반적으로 4개의 하부 영역(sub-zone)을 포함한다. 용융 계면에 가장 근접한 HAZ의 하부영역은 거친 입자 열영향부(CGHAZ; coarse grain HAZ)라고 불린다. 여러 층 용접(multi pass weld)에서, 각각의 1회 통과 CGHAZ는 반복된 가열 및 냉각을 거쳐 국지적 취성 영역(LBZ)을 형성하며, 이 LBZ는 (상술한 용어 정의에서와 같이) HAZ 내의 낮은 인성(toughness)의 작은 영역이다. 그러므로, 실제 용도로는, 각각의 복합 CGHAZ(8)는 취성 영역, 또는 용접 중에 LBZ가 형성되기 쉬운 금속에 대해 가장 낮은 인성을 갖는 영역으로 간주될 수 있다. LBZ의 형성 및 특성은 1987년 2월, 야금학회(The Metallurgical Society, Inc.) 발간, 구조용 강의 용접 야금학에 대한 국제 심포지엄 회보, 페이지 303 내지 318, 디.피.페어차일드(D.P.Fairchild)의 "구조용 강의 용접 야금학(Welding Metallurgy of Structural Steels)"에 상세히 설명되어 있다.
용접 금속(7) 및 복합 CGHAZ(8) 모두에 부여되는 가혹한 열 이력(thermal history)으로 인해, 복합 CGHAZ(8)의 LBZ는 매우 높은 열 응력 및 잔류 응력을 받으므로, 용접 조인트의 다른 부분보다 균열하기 쉽다. 용접 선단부(9)에서 균열이 시작될 때, 이 균열은 낮은 인성의 CGHAZ에 자동적으로 위치되며, 보다 높은 인성의 용접 금속이나 모재보다는 상기 영역에 전파될 가능성이 보다 높다. LBZ는 강철 판(2) 주변의 모재나 용접 금속(7)보다 균열에 대한 저항력이 낮으므로, 균열은 한 LBZ로부터 복합 CGHAZ(8)를 통해 다른 LBZ로 전파될 것이다. LBZ는 용융 계면(6)에 인접하므로, 용접 선단부(9)에 인접한 용융 계면(6)을 포함하는 평면이 인장 응력 평면(10)과 약 45°보다 큰 각도를 이루지 않는 한 균열은 용융 계면(6)을 따라 발생하는 경향이 있다. 인장 응력 평면(10)은 본 원에서 용접 조인트(1)를 걸쳐 최대 인장 하중 방향(4)에 대해 수직인 평면으로서 정의된다.
균열이 용접 선단부(9)에서 시작되고 처음에 CGHAZ(8)에 위치하는 경우, 보다 낮은 강도의 강철에 비교하여 강철이 고강도의 열적-기계적으로 처리된(TMCP; thermo-mechanically processed) 강철이면 상기 영역에서 계속 전파될 가능성이 크다. 고강도의 TMCP 강철은 열영향을 받지 않은 모재 또는 용접 금속보다 연성인 HAZ를 종종 이룰 수 있다. 균열은 그 물질이 그보다 더 강성의 물질에 의해 둘러싸여 있으면, 종종 보다 연성의 물질로 전파되거나 또는 편향(deviate)된다.
LBZ가 균열에 대한 저항성이 거의 없기 때문에, 균열이 용융 계면(6)을 따라 전파되어 용접 조인트가 파괴되는데 필요한 작용력이 매우 작다. 이러한 균열에 대한 설명은 대부분의 종래의 용접에 적용할 수 있는데, 왜냐하면, 용융 계면(6)을 포함하는 평면은 인장 응력 평면(10)과 15°미만의 각도를 이루기 때문이다. 이는 용접 선단부(9)에서 용융 계면(6)을 포함하는 평면이 종종 인장 응력 평면(10)과 15°미만의 각도를 이루는 좁은 홈 용접(narrow-groove weld)에 대해 특히 적합하다. 그러므로, 용접 선단부(9)에 생성되는 두께 방향의 균열은 LBZ를 통해 용융 계면(6)을 따르는 경향을 갖는다. 용접 조인트는 일단 균열이 생기면 거의 저항없이 이러한 방식으로 취성 파괴에 의해 파괴될 수 있다.
이러한 파괴를 회피하는 통상의 방법은 LBZ가 생기는 개수와 사이즈를 최소화하도록 모재의 화학적 성질을 설계하고 용접 공정을 선택하는 것이다. 이러한 대책은 건조 계획(construction project)에 상당한 부가 비용 및 소요 시간을 부가할 수 있다. 종래의 용접 공정은 일반적으로 발생되는 LBZ의 밀도를, 저온 및 고응력 사용 조건에 대해 요구되는 높은 강도 및 양호한 인성을 내도록 설계된 특정한 미세 조직을 갖는 강철 합금에 적용될 때 허용가능한 레벨로 최소화하는데 도움이 되지 않는다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 전체 내력 용접부는 조인트의 한 측면으로부터 용착된다. 도 2a는 본 발명에 따른 편면 맞대기 용접 조인트 또는 편면 V홈 용접부의 단면도이다. 바람직한 경사부(bevel)의 형상은 특정 용도에 따라 다르며 당업계에 공지되어 있다. 예시적인 용접부의 형상은 미국 용접 학회의 1995발간 용접핸드북 2권 용접 공정 8판을 참조하기 바란다. 용접 조인트(11)는 두 개의 강철 합금 판(12) 사이에 있으며, 이들 판은 각각 상면(13), 하면(14), 경사진 결합면(15; 도 2b 참조)을 갖는다. 강철 판(12)은 용접 공정 전에 도 2b에 도시된 바와 같이 다른 판에 대해 위치조정되어, 강철 판(12)의 상면(13)이 다른 판과 실질적으로 동일한 넓이를 기지며, 강철 판의 하면(14)이 다른 판과 실질적으로 동일한 넓이를 기지며, 경사진 결합면(15)이 제 1 용융 용접 공정에 의해 제 1 용접 금속을 용착하기 적합한 홈을 형성한다.
용접 상부 높이(18)를 포함하는 내력 용접부(16)가, 도 2b에 도시된 바와 같이 강철 합금 판(12)을 위치조정한 후, 경사진 결합면(15)에 의해 형성되는 홈으로 제 1 용접 금속을 제 1 용융 용접 과정에 의해 용착하여 형성된다. 도 2a를 참조하면, 내력 용접부(16)는 본 실시예의 최종 용접 조인트(11)의 주 하중-지지 부분을 형성한다. 당업자는 내력 용접부(16)를 형성하는데 사용되는 내력 용접 금속의 인장 강도, 강철 판(12)의 모재의 인장 강도, 강철 판(12)의 두께에 근거하여 요구되는 내력 용접부 상부 높이(18)를 정할 수 있을 것이다. 요구되는 내력 용접부 상부 높이(18)에 대한 예시적인 계산 방법이 미국 특허 제 5,258,600호에 예시되어 있다. 내력 용접부(16)의 단면은 상부 내력 용접 금속면(19), 상부 내력 용접 금속면(19) 반대쪽의 하부 내력 용접 금속면(20), 각각의 강철 합금 판(12)의 접합부분에서의 제 1 용융 계면(21)에 의해 그 네 측면으로 경계지어진다. 각각의 내력 용접 금속면(19, 20)과, 각각의 제 1 용융 계면(21)의 접합점은 4개의 내력 용접 선단부(22) 각각을 한정한다.
내력 용접부(16)가 완성된 후에는, 내력 용접 선단부(22)를 덮는 제 2 용접 금속을 용착하기 위한 제 2 용융 용접 공정을 사용하여 인성 용접부(23, 24)가 형성된다. 제 2 용접 금속은 내력 용접 금속면(19)의 일부와, 각각의 내력 용접 선단부(22) 부근의 강철 판의 강철 판 표면(13, 14)의 일부를 덮는다. 내력 용접 선단부(22)와 새로 형성된 인성 용접부 선단부(26)에 의해 경계지어지는 제 2 용융 계면(25)은, 인성 용접부(23, 24)를 형성하는 제 2 용접 금속과, 강철 판(12) 표면의 덮힌 부분 사이에 형성된다. 각각의 인성 용접부 선단부(26)는 내력 용접 선단부(22)로부터 충분한 거리로 이격되어, 인성 용접부(26)가 내력 용접부 HAZ(27)의 어떠한 부분과도 접하지 않는다.
각각의 제 2 용융 계면(25)은 강철 판(12)의 개개의 표면 상에서 부가적인 폭(28)을 따라 상면(13) 또는 하면(14) 상에 노출된 내력 용접부 HAZ(27)의 부분을 덮는다. 이러한 부가적인 폭(28)은, 내력 용접부(16)를 용착시키는 동안 열에 노출되는 것에 의해 그 미세 조직이 변화되지 않은 강철 판의 일부분 상에 인성 용접부 선단부(26)를 형성하기에 충분한 것이다. 바람직하게는, 상기 부가적인 폭(28)은 3mm 이상이고, 보다 바람직하게는 5mm 이상이다. 내력 용접부 HAZ(27)의 폭은 일반적으로 당업자에 의해 용이하게 확정될 수 있다. 다르게는, 제 2 용융 계면(25)의 폭, 또는 내력 용접 선단부(22)와 인성 용접부 선단부(26) 사이의 거리는 바람직하게는 8mm 이상, 보다 바람직하게는 10mm이상이다. 25mm 이상의 제 2 용융 계면(25)의 폭은 기능은 하지만 재료비 증가와 노동력의 낭비로 인해 그리 바람직하지 않다.
도 3a에 도시된 바와 같은 다른 양호한 실시예에서, 내력 용접부(16)는 최종 용접 조인트(11)의 인장 강도의 대부분을 제공하지만, 전부를 제공하는 것은 아니다. 인성 용접부(23)는 내력 용접부 상부(cap) 전체를 덮으며, 도 2a에 도시된 실시예에서 설명된 바와 같이 요구되는 제 2 용융 계면(25)을 제공하는 것에 부가하여 최종 용접 조인트(11)의 요구되는 인장 강도의 나머지 부분을 제공한다. 필요 인성 용접부 상부 높이(30)는 강철 판(12)의 두께, 강철 판(12)의 모재의 인장 강도, 인성 용접부(23)를 형성하는 제 2 용접 금속의 인장 강도, 내력 용접부(16) 금속의 인장 강도, 알려진 내력 용접부 상부 높이(18)에 근거하여 결정될 수 있다. 이러한 정보가 주어지면, 당업자는 필요 인성 용접부 상부 높이(30)를 계산하는 미국 특허 제 5,258,600호에 예시된 계산 방법을 적용할 수 있다. 도 3a, 도 3b의 도면 부호는 상술한 도 2a, 도 2b의 설명에서 논의한 바와 같이 용접 조인트(11)의 동일한 특징부에 대해 동일한 도면 부호를 사용한다.
다른 양호한 실시예에서, 내력 용접부의 일부는 용접 조인트의 각각의 측면으로부터 적용된다. 도 4a, 도 4b는 본 발명에 따르는 양면 맞대기 용접 조인트(double-bevel welded joint) 또는 양면 V홈 용접부를 도시한다. 본 실시예의 바람직한 경사부의 형상 또한 용도에 따라 다르며, 당업계에 공지되어 있다. 편면 맞대기 용접 조인트에서와 같이, 예시적인 용접부 형상은 미국 용접 학회의 1995년 발간 용접 핸드북 2권 용접 공정 8판을 참조하기 바란다. 상면과 하면 모두 도 2의 설명에서 상면에 대해 예시된 바와 같이 제조되며, 도 4a의 내력 용접부 상부 높이(18)의 합계인 주요 차이점은, 내력 용접부(16)의 두 용접 상부가 도 2a에도시된 바와 같은 높이(18)를 갖는 내력 용접부(16)의 단일 내력 용접부 상부에 의해 지지되는 하중과 실질적으로 동일한 만큼의 최대 인장 하중(17)을 지지하도록 계산된다는 점이다. 도 4a 및 도 4b의 도면 부호는 상술한 도 2a 및 도 2b의 설명에서 논의한 바와 같은 용접 조인트의 특징부에 대한 도면 부호와 동일하다.
도 5a에 도시된 실시예에서도, 결합면(15; 도 5b에 도시됨)은 양면 맞대기 용접 타입이다. 본 실시예에서, 상면과 하면 모두 도 3a의 설명의 상면에 대해 예시된 바와 같이 이루어진다. 도 4a의 실시예와의 주요 차이점은 도 5a에 도시된 실시예에서는, 내력 용접부 상부 높이(18)와 인성 용접부 상부 높이(30)의 합이, 내력 용접부(16)의 용접부 상부와 두 개의 인성 용접부(23, 24)의 조합이 도 4a의 높이(18)를 갖는 내력 용접부(16)의 두 상부에 의해 지지되는 하중과 실질적으로 동일한 만큼의 최대 인장 하중(17)을 지지하도록 계산된다는 점이다. 도 5a 및 도 5b의 도면 부호는 상술한 도 2a 및 도 2b의 설명에서 논의한 바와 같은 용접 조인트의 특징부에 대한 도면 부호와 동일하다.
상술한 모든 실시예에서, 상면(13), 하면(14), 결합면(15)은 다르게 준비될 수 있다. 그러나, 최종 용접 조인트에서, 제 2 용융 계면(25)과 인장 응력 평면(29; 용접 조인트에 걸쳐 최대 인장 하중(17)의 방향에 수직인 평면)을 포함하는 각각의 평면에 의해 형성되는 각도 중의 보다 작은 것이 약 45°이상, 바람직하게는 약 80°이상, 보다 바람직하게는 85°이상이다. 인성 용접부 선단부(26)는 용접 조인트(11)에서 균열이 발생하기 가장 쉬운 위치이다. 내력 용접부 HAZ(27)는 용접 조인트(11)에서 LBZ가 정렬됨으로 인해 균열이 전파되기 가장 쉬운 부분이다.인장 응력 평면(29)과 제 2 용융 계면(25)을 포함하는 평면에 의해 형성되는 각도와, 인성 용접부 선단부(26)와 내력 용접부 선단부(22) 사이의 거리는 균열이 전파되기 가장 쉬운 영역으로부터 균열이 개시되기 가장 쉬운 영역을 분리시킨다. 취성 파괴로 인한 용접 조인트(11)의 파괴는 균열 개시점으로부터 인장 응력 평면(29)에 평행한 평면에서 판(12)을 통해 균열이 빠르게 전파되어 일어나기가 가장 쉽다. 내력 용접부 HAZ(27)로부터 노출된 용접 선단부 또는 인성 용접부 선단부(26)를 분리하면 내력 용접부 선단부(26)에서 형성된 균열이 내력 용접부 HAZ(27)의 LBZ 대신에 보다 강한 모재를 통해 전파되게 한다. 그러므로, 본 발명의 방법에 의해 이루어진 용접 조인트(11)는 보다 취성 파괴되기 어렵다.
상술한 모든 실시예에서, 내력 용접부(16)를 형성하는 제 1 용접 금속과 인성 용접부(23, 24)를 형성하는 제 2 용접 금속은 페라이트 또는 오스테나이트의 미세 조직을 갖는 임의의 용접 소모재로부터 선택된다. 몇몇 실시예에서, 제 1 및 제 2 용접 금속은 동일한 반면, 다른 실시예에서는, 제 1 및 제 2 용접 금속이 다르다. 용접 금속들이 동일할지 아닌면 상이할지는 용접 전에 용접 금속 야금학에 주로 근거하여 결정된다. 달리 말하면, 상이한 사이즈의 용접 금속 소모재 또는 상이한 방법에 의해 적용되는 용접 금속 소모재는, 선택된 용접 방법을 적용하기 전에 이들이 동일한 야금학적 특성을 가지는 한 본 발명에 대해서는 동일한 용접 금속으로 간주한다. 제 1 및 제 2 용접 금속이 동일하면 일반적으로 설비 비용이 감소되는 반면, 취성 파괴에 대한 최대의 저항력은 내력 용접부(16)와 인성 용접부(23, 24)에 대해 상이한 용접 금속을 사용하여 이루어질 수 있다.
상술한 모든 실시예에서, 내력 용접부(16)를 형성하는 제 1 용융 용접 공정과 인성 용접부(23, 24)를 형성하는 제 2 용융 용접 공정은, 가스 텅스텐 아크 용접, 가스 금속 아크 용접, 실드 금속 아크 용접(shield metal arc welding), 서브머지드 아크 용접, 용융제 함유 아크 용접(fluxed core arc welding), 플라즈마 아크 용접, 또는 이들로부터 파생된 다른 방법 중에서 선택된다. 특히 열에 민감한 미세 조직을 갖는 인접한 강철 판(12)을 결합하는데 바람직한 방법은, 가스 금속 아크 용접(펄스 가스 금속 아크 용접(pulsed gas metal arc welding)을 포함함), 실드 금속 아크 용접을 포함한다. 몇몇 실시예에서 제 1 및 제 2 용융 용접 공정은 동일한 반면, 다른 실시예에서는 제 1 및 제 2 용융 용접 공정은 다르다. 제 1 및 제 2 용융 용접 공정은 이들이 각각 상이한 타입의 용접 공정(예를 들어, 가스 텅스텐 아크 용접과 실드 금속 아크 용접)이라는 점에서 다를 수 있다. 다르게는, 제 1 및 제 2 용융 용접 공정은 이들이 각각 동일한 타입의 용접 방법(예를 들어, 둘다 가스 텅스텐 아크 용접)이지만 용접 방법의 인자가 상이하다(예를 들어, 아크 전류, 아크 전압, 이동 속도 등)는 점에서 다른 방법일 수 있다. 일 실시예에서, 인성 용접부 금속과 제 2 용융 용접 공정은 상기 제 1 용융 계면에서의 취성 파괴 가능성보다 상기 제 2 용융 계면에서의 취성 파괴 가능성이 더 낮도록 선택된다. 설비 비용은 제 1 및 제 2 용접 공정이 동일하면 일반적으로 감소되지만, 취성 파괴에 대한 최대의 저항력은 내력 용접부와 인성 용접부에 대해 상이한 용접 방법을 사용하여 이루어질 수 있다.
용접 금속과 용접 방법의 최적의 조합의 선택은 다수의 인자에 의존한다. 그용접 방법에 의해 결합될 모재의 야금학적 특성, 용접 조인트의 기하학적 형상, 작동 응력 및 온도, 설계 사용 수명, 반복 하중(cyclic loading), 및 총 비용이 특정 용도에 대해 용접 금속과 용융 용접 방법의 최적의 조합을 선택하는데 고려되는 인자들이다. 제조 비용은 내력 용접부와 인성 용접부에 대해 동일한 용접 금속과 동일한 용접 방법을 사용하면 최소화된다. 상이한 용접 방법을 사용하는 것은 상이한 용접 금속을 사용하는 것보다 일반적으로 제조 비용을 더 많이 증가시킨다.
도 6a는 전자 빔 용접 또는 레이저 빔 용접과 같은 고에너지 밀도 용접 방법에 의해 내력 용접부(16)가 형성되는 본 발명의 실시예를 도시하지만, 본 발명은 상기 빔 용접에 제한되지 않는다. 이러한 고에너지 밀도 용접 방법은 강철 판(12)이 특히 열에 민감한 미세 조직을 가지는 금속으로부터 제조되는 특정 용도에서 선호된다. 동일한 조인트를 용접하는 아크 용접에 비교하면, 이러한 빔 용접 기술은 잔류 용접 응력을 감소시키며, HAZ 폭을 감소시키며, 조인트의 기계적인 변형을 감소시키며, HAZ 인성을 개선시킨다. 강철 판(12)의 두께가 2.54cm(1 인치) 이상일 때 전자 빔 용접이 특히 바람직하다. 본 실시예에서, 제 1 용접 금속은, 용융되어 재응고된(resolidified) 결합된 강철 판의 일부, 또는 내력 용접 금속의 특성을 변화시키기 위해 용접 전에 결합면(15) 사이에 위치된 임의의 심(shim) 재료와 판(12)의 강철의 재응결된 혼합물이다. 내력 용접부(16)를 형성하는 본 방법에 중요하지 않기 때문에, 용접부 상부 높이는 도시되어 있지 않다. 본 실시예에서, 인성 용접부(23, 24)는 가스 텅스텐 아크 용접, 가스 금속 아크 용접, 실드 금속 아크 용접, 서브머지드 아크 용접으로부터 선택된 제 2 용융 용접 방법에 의해 형성된다. 도 6a 및 도 6b의 도면부호는 도 2a 및 도 2b에 대한 상술한 설명에서 논의한 바와 같은 용접 조인트의 특징부와 동일한 도면부호이다.
다른 양호한 실시예에서, 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a의 이미 설명한 실시예에서 하부의 인성 용접부(24)에 대한 설명은 생략되어 있다. 이들 실시예는 하면(14)에 대한 액세스가 없거나 제한된 경우에 사용된다. 이는 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a에서, 각각의 판(12)이 관의 벽(pipe wall)이고 상면(13)이 관의 외면이고 하면(14)이 관의 내면인 경우일 수 있다.
도 2a, 도 2b 내지 도 6a, 도 6b에 도시 및 설명된 방법은 용접될 조인트의 물리적 배향에 특히 민감하지는 않다. 고에너지 밀도 용접을 제외하고는, 이들 용접 방법은 일반적으로 현장(field condition)에서 실시된다. 이러한 용접 방법에 대한 주요 요구사항은 조인트가 용접자와 필요한 용접 장비가 접근(access)할 수 있어야 한다는 것이다.
본 발명의 방법에 따른 최종 용접 조인트(11)는 강철 부품에 대한 각각의 접속부에서 제 1 용융 계면(21)과 제 2 용융 계면(25)을 포함하는 복합 용융 계면을 갖는다. 본 발명의 용접 방법을 적용한 후에 새로 형성된 단일 강철 부품의 표면 상에 인성 용접부 선단부(26)만이 노출된다. 인장 응력 평면(29)과 제 2 용융 계면(25)을 포함하는 평면 사이에서 각도가 증가함에 따라, 노출된 인성 용접부 선단부(26)에서 발생한 균열이 제 2 용융 계면(25)에서 생성된 제 2 HAZ인 인성 용접부 HAZ(31)로 전파될 가능성이 감소한다. 상기 각도가 90°일 때, 이러한 균열 전파 가능성이 최소화된다. 또한, 제 2 HAZ에서 LBZ의 형성을 최소화하는 제 2 용융용접 방법과 제 2 용접 금속의 조합을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 보다 낮은 용융 온도를 갖는 제 2 용융 금속과, 결합될 강철의 용접 열에 대한 보다 적은 노출 시간 및/또는 보다 낮은 온도를 요구하는 제 2 용융 용접 방법을 선택하는 것을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명을 제한하지 않는 변형 실시예에는 단일 내력 용접부에 2개 이상의 용융 용접 방법을 사용하는 것, 단일 인성 용접부에 2개 이상의 용융 용접 방법을 사용하는 것, 단일 내력 용접부를 형성하기 위해 2 종류 이상의 용접 금속을 사용하는 것, 단일 인성 용접부를 형성하기 위해 2 종류 이상의 용접 금속을 사용하는 것이 포함된다.
실질적으로 동일한 면적의 표면을 형성하기 위해 두 개의 결합될 강철 부품의 위치조정에 관련한 상술한 설명은 만곡된 용접 조인트, 만곡된 강철 부품 간의 용접 조인트, 상이하거나 또는 두께가 변하는 강철 부품 간의 용접 조인트를 제조하는 것을 포함함이 당업자에게 이해될 것이다. 이러한 동일한 면적의 표면이 형성되는 용접 조인트의 예는 용기(vessel)를 보강하기 위해 보다 두꺼운 재료가 요구되는 상이한 두께를 갖는 판들 사이의 용접과, 반구 또는 타원형 헤드(head)의 연결 또는 조립에 요구되는 용접과, 길이방향 용접, 원주방향 용접과 같은 원통형 또는 구형 압력 용기의 조립에 요구되는 용접 조인트를 포함하지만, 본 발명은 이러한 예에 제한되지 않는다.
본 발명의 방법과 이러한 방법에 의해 제조된 용접 조인트는 압력 용기 벽으로의 파이프 또는 노즐 연결부 등과 같은 상이한 형상을 갖는 인접한 강철 부품에적용될 수 있다. 인장 응력 평면과 약 45° 각도 미만의 각도를 형성하는 내력 용접부 계면을 갖는 용접 조인트가 본 발명의 복합 용접부 계면을 갖는 용접 조인트와 교체될 때마다 본 발명의 이점이 도출될 수 있다. 이러한 복합 용접부 계면은 인장 응력 평면에 대해 각각 약 45° 각도 미만의 각도를 형성하는 내력 용접부 계면과, 약 45° 각도 이상의 각도를 형성하는 인성 용접부 계면을 포함한다.
예
함께 계류중인(co-pending) 미국 특허 출원 제 09/099268호와 국제 공보 번호 WO 98/59085호는, 명칭이 "액화 천연 가스를 처리, 저장, 이송하기 위한 개선된 시스템"("PLNG 특허 출원")이며, 약 -123℃(-190℉) 내지 약 -62℃(-80℉)의 넓은 범위의 온도와 약 1035kPa(150psia) 내지 약 7590kPa(1100psia)의 넓은 범위의 압력에서 가압 액화 천연가스(PLNG)의 저장 및 해양 운송을 위한 컨테이너 및 운송 용기(transportation vessel)를 설명한다. 상기 PLNG 특허 출원에 설명된 컨테이너는
9중량%미만의 니켈을 함유하며 830MPa(120ksi)이상의 인장 강도와, 약-73℃(-100℉)이하의 DBTT(용어 설명 참조)를 갖는 초 고강도, 저합금 강철로 구성된다. 컨테이너를 구성하기에 적합한 강철은, 발명의 명칭이 "우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 강철"인 함께 계류중인 미국 특허 출원 제 09/099649호 및 국제 공보 번호 WO 99/32672호와; 발명의 명칭이 "우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 오시지드(ausaged) 강철"인 함께 계류중인 미국 특허 출원 제 09/099153호 및 국제 공보 번호 WO 99/32670호와; 발명의 명칭이 "우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 강철"인 함께 계류중인 미국 특허 출원 제 09/215774호 및 PCT 출원 번호 PCT/US99/29802 호와; 발명의 명칭이 "우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 오시지드 강철"인 함께 계류중인 미국 특허 출원 제 09/215773호 및 PCT 출원 번호 PCT/US99/30055 호와; 발명의 명칭이 "우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 3상(triple phase) 강철"인 함께 계류중인 미국 특허 출원 제 09/215772호 및 PCT 출원 번호 PCT/US99/29804 호(일괄하여 "강철 특허 출원"이라 함)에 보다 완전하게 설명된다. 강철 특허 출원에 설명된 강철은, 이 강철이 두께가 약 2.5cm(1 inch) 이상인 강철 판에 대해 하기의 특성을 가지는 경우 극저온에서 사용하기에 특히 적합하다: (i)용접 열영향부(HAZ)와 모재에서 약 -73℃(-100℉)이하의 DBTT, (ii) 약 830MPa(120ksi) 이상, 바람직하게는 약 860MPa(125ksi) 이상, 보다 바람직하게는 약 900MPa(130ksi) 이상인 인장 강도, (iii) 우수한 용접성, (iv) 두께에 걸쳐 실질적으로 균일한 미세 조직 및 특성, (v) 표준의, 상업적으로 입수가능한 HSLA 강에 대해 개선된 인성. 이러한 강철은 약 930MPa(135ksi) 이상, 바람직하게는 약 965MPa(140ksi) 이상, 보다 바람직하게는 약 1000MPa(145ksi) 이상인 인장 강도를 가질 수 있다. 본 발명의 방법 및 이 방법에 의해 제조된 용접 조인트는 가압 액화 천연 가스를 저장 및 운송하기 위한 컨테이너를 구성하는데 사용될 수 있다. 본 발명을 제한하지 않는 특정한 예에서, 본 발명의 방법 및 이 방법에 의해 제조된 용접 조인트는, 발명의 명칭이 "우수한 극저온 인성을 갖는 초고강도 오시지드 강철"인 함께 계류중인 미국 특허 출원 번호 제 09/099153호 및 국제 공보 번호 WO 99/32670호에 설명된 타입의 모재를 사용하는 이러한 컨테이너를 구성하는데 사용될 수 있다. 이러한 예에서는, 모재는, 최소한 약 0.008중량% 내지 약 0.03중량%의 티타늄, 약 0.001중량% 내지 약 0.005중량%의 질소, 약 0.05중량%이하의 알루미늄을 포함하는 미국 특허 출원 제 09/215773호 및 PCT 출원 번호 PCT/US99/30055 호에 설명된 범위 내의 약 0.05중량%의 탄소, 약 1.70중량%의 망간, 약 0.075중량%의 규소, 약 0.40중량%의 크롬, 약 0.2중량%의 몰리브덴, 약 2.0중량%의 니켈, 약 0.05중량%의 Nb, 약 0.3중량%의 구리 및 다른 합금 성분을 포함한다. 부가적으로, 바람직하게는 모재에서 나머지 성분(residual)은 실질적으로 최소화된다. 인(P)의 함량은 바람직하게는 약 0.01중량% 미만이고, 황(S)의 함량은 바람직하게는 약 0.004중량%미만이고, 산소(O)의 함량은 바람직하게는 약 0.002중량%미만이다. 이러한 화학적 조성을 갖는 강철 후판(steel slab)은 치밀한 조직의 래스 마텐사이트(fine-grained lath martensite), 치밀한 조직의 하부 베이나이트(fine-grained lower bainite) 및 이들의 혼합물과 약 10체적%이하로 유지된 오스테나이트 막 층(film layers)을 포함하는 미세 조직을 갖는 초고강도 강철 판을 만들기 위해 준비된다. 보다 상세하게는, 상기 예의 모재는 상기 예에 설명된 바와 같은 원하는 조성의 후판(slab)을 형성하고; 약 955℃ 내지 약 1100℃(1750℉ 내지 2012℉)의 온도로 가열하고; 오스테나이트가 재결정하는 온도, 즉 Tnr온도 이상의 제 1 온도 범위에서 약 30퍼센트 내지 약 70퍼센트 감소를 제공하는 1회 이상의 통과로 강철 판을 형성하도록 후판을 열간압연(hot rolling)하고; 이 강철 판을 일회 이상 통과시켜 약 Tnr온도 이하 약 Ar3변태온도 이하의 제 2 온도 범위에서 약 40퍼센트내지 80퍼센트 감소를 제공하는 열간 압연을 다시 행하여 준비된다. 그 다음, 열간 압연된 강철 판은 바람직하게는 약 550℃이하인 적절한 담금질 정지 온도(QST)로 최소한 초당 약 10℃의 냉각율(18℉/sec)로 담금질되며, 상기 QST에 도달할 때, 담금질이 종료된다(Tnr온도, Ar3변태온도의 정의는 용어 정의를 참조하기 바람).
상술한 본 발명은 다수의 양호한 실시예를 사용하여 설명되었다. 그러나, 상술한 실시예의 부분들 또는 양태의 조합 또는 다른 수정이 하기의 청구범위에 제시된 본 발명의 범위를 벗어남없이 이루어지거나 도출될 수 있다. 이러한 변형은 도 2a, 도 2b 내지 도 6a, 도 6b에 예시된 것 이외의 경사 가공(beveling) 및 결합에지의 준비(preparation) 기술을 사용하는 것을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이러한 준비 기술은 경사진 결합면의 제 1 부분이 그 위에 내력 용접부 계면이 형성되는 표면이고 경사진 결합면의 제 2 부분이 그 위에 인성 용접부 계면이 형성되는 표면인, 층진 경사부 가공을 포함할 수 있다.
용어 설명
인접한(abutting): 가깝거나 또는 근접하지만, 꼭 닿을 필요는 없음;
Ar3변태 온도(transformation temperature): 오스테나이트가 냉각 중에 페라이트 상으로 변이하기 시작하는 온도;
CGHAZ: 용융 계면에 가장 가까운 열영향부(HAZ)의 하부 영역(sub-zone);
극저온: 약 -40℃(-40℉) 이하의 임의의 온도;
DBTT(연성-취성 천이온도): 구조용 강철에서 두 파괴 영역을 설명한다: DBTT이하에서는 파괴가 벽개 파괴(cleavage fracture)에 의해 일어나는 경향이 있고, DBTT이상에서는 고에너지 연성 파괴에 의해 파괴가 일어나는 경향이 있다;
HAZ: 열영향부;
kPa: 파스칼의 1000단위;
ksi: 평방 인치당 파운드의 1000단위;
LBZ: "국지적 취성 영역(local brittle zone)" - HAZ 내의 낮은 인성 영역;
MPa: 파스칼의 백만 단위;
주 하중-지지 부분: 용접 조인트에 관하여, 그 용접 조인트의 하중-지지 능력의 최소한 80퍼센트를 지지하는 부분을 의미함;
담금질(quenching): 본 발명을 설명하는데 사용된 바와 같이, 임의의 수단을 사용하여 냉각을 가속화시키는 것이며, 강철의 냉각율을 증가시키는 경향이 있는 것으로 선택된 유체가 사용되며, 공냉(air cooling)과 대조됨;
담금질 정지 온도(QST): 판의 두께 중간부로부터 전달된 열로 인해, 담금질이 정지된 후, 판의 표면에서 도달되는 가장 높은 또는 거의 가장 높은 온도;
인장 응력 평면: 용접 조인트에 걸쳐 최대 인장 응력 하중의 방향에 대해 수직인 평면;
TMCP: 열적-기계적으로 조절되는 압연 공정(thermo-mechanical controlled rolling processing);
Tnr온도: 그 이하에서 오스테나이트가 재결정하지 않는 온도;
용접 금속: 용접 작업중에 용융된 용접물의 부분; 이 물질의 량(volume)은 모재와 용접 소모재의 혼합물임;
용접물(weldment): (i) 용접 금속, (ii) 열영향부(HAZ), (iii) HAZ 부근의 모재를 포함하는 용접 조인트. HAZ의 부근 내로 간주되는 모재의 부분, 즉 용접물의 일부분은 당업계에 공지된 인자, 예를 들어, 용접물의 폭, 용접되는 물품의 사이즈, 물품을 제조하는데 요구되는 용접물의 개수, 용접물 사이의 거리 등에 따라 변함;
용접 선단부(weld toe): 이후에 다른 용접부에 의해 덮이는 임의의 용접 선단부를 포함하는, 용접부 상부(weld cap) 또는 용접부의 루트(root)에서의 임의의 노출된 용융 계면.

Claims (20)

  1. 취성 파괴에 대해 상당한 저항력을 갖도록 인접한 강철 부품 사이에 용접 조인트를 형성하는 방법에 있어서,
    a) 제 1 용융 용접 공정과 제 1 용접 금속을 사용하여 강철 부품들을 결합하여 상기 인접한 강철 부품 사이에 내력 용접부를 형성하여 상기 제 1 용접 금속과 각각의 상기 강철 부품들 사이에 제 1 용융 계면을 형성하는 단계와,
    b) 제 2 용융 용접 공정을 사용하여 제 2 용접 금속을 상기 내력 용접부 상에 용착시켜 인성 용접부를 형성하며, 상기 인성 용접부는 상기 강철 부품들 중 하나와 상기 제 1 용접 금속과의 접합부에서 상기 내력 용접부의 선단부를 덮으며, 상기 인성 용접부는 상기 강철 부품들 중 하나와 상기 제 2 용접 금속 사이에 제 2 용접 계면을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 제 2 용융 계면은 i) 상기 인성 용접부의 선단부와 상기 덮힌 내력 용접부 선단부 사이에서, 적어도 내력 용접부의 형성에 의해 생성된 상기 강철 부품 중의 하나의 표면 상의 열영향부의 폭을 덮기 충분한 폭을 가지며, ii) 상기 용접 조인트에 걸쳐 최대 인장 하중의 방향에 대해 수직인 평면과 약 45°이상의 각도를 형성하는 용접 조인트 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강철 부품은 판(plate)인 용접 조인트 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강철 부품은 관(piping)인 용접 조인트 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 용융 용접 공정은 가스 텅스텐 아크 용접, 가스 금속 아크 용접, 실드 금속 아크 용접, 서브머지드 아크 용접, 용융제 함유 아크 용접, 플라즈마 아크 용접으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 용접 조인트 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 용융 용접 공정과 상기 제 2 용융 용접 공정은 동일한 용접 조인트 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용융 용접 공정은 가스 금속 아크 용접인 용접 조인트 형성 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 용융 용접 공정과 상기 제 2 용융 용접 공정은 상이한 용접 조인트 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 용접 금속과 상기 제 2 용접 금속은 페라이트와 오스테나이트 용접 소모재로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 용접 조인트 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 용접 금속과 상기 제 2 용접 금속은 동일한 용접 조인트 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 강철은 830 MPa(120ksi) 이상의 인장 강도를 내는 특정한 미세 조직을 만들기 위해 열적-기계적으로 처리되는 용접 조인트 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 조인트에 걸친 최대 인장 부하의 방향에 대해 수직인 상기 평면과 상기 제 2 용융 계면 사이의 각도는 대략 90°인 용접 조인트 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 인성 용접부 선단부와 상기 내력 용접부 선단부 사이의 상기 제 2 용융 계면의 폭은 8mm 이상인 용접 조인트 형성 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 용융 계면의 폭은 적어도 상기 내력 용접부의 열영향부의 폭에 부가적으로 3mm를 더한 것인 용접 조인트 형성 방법.
  14. 인장 응력을 받을 때 취성 파괴에 상당한 저항력을 갖는 용접 조인트에 있어서,
    상기 용접 조인트는 인접한 금속 부품들 사이에 용접 금속을 용착시켜 형성되어 각각의 상기 금속 부품과 상기 용접 금속 사이에 복합 용접부 계면(composite weld interface)을 생성하며, 각각의 상기 복합 용접부 계면은 내력 용접부 계면과 인성 용접부 계면을 포함하며, 상기 내력 용접부 계면은 상기 용접 조인트에 걸친 최대 인장 부하의 방향에 대해 수직인 평면과 45° 미만의 각도를 형성하며, 상기 인성 용접부 계면은 상기 용접 조인트에 걸친 최대 인장 부하의 방향에 대해 수직인 평면과 45° 이상의 각도를 형성하는 용접 조인트.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각각의 상기 금속 부품은 열적-기계적으로 처리되어 모두 830Mpa(120ksi) 이상의 인장 강도를 내는 특정한 미세 조직을 이루는 강철 판인 용접 조인트.
  16. 제 14 항에 있어서,
    용접 금속은 가스 텅스텐 아크 용접, 가스 금속 아크 용접, 실드 금속 아크 용접, 서브머지드 아크 용접, 용융제 함유 아크 용접, 플라즈마 아크 용접으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 용융 용접 방법에 의해 용착되는 용접 조인트.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 용접 금속은 동일한 용접 공정에 의해 상기 내력 용접부 계면과 상기 인성 용접부 계면 부근에 용착되는 용접 조인트.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 용접 금속은 상이한 용접 공정에 의해 상기 내력 용접부 계면과 상기 인성 용접부 계면 부근에 용착되는 용접 조인트.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 내력 용접부 계면과 상기 인성 용접부 계면 부근에 용착되는 상기 용접 금속은 동일한 용접 금속인 용접 조인트.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 내력 용접부 계면과 상기 인성 용접부 계면 부근에 용착되는 상기 용접 금속은 상이한 용접 금속인 용접 조인트.
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