KR20090020277A

KR20090020277A - 용접 이음부의 인성 향상을 위한 국부냉각 용접 토치, 장치및 용접 방법

Info

Publication number: KR20090020277A
Application number: KR1020070084914A
Authority: KR
Inventors: 홍현욱
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-02-26
Also published as: KR100940677B1

Abstract

본 발명은 용접 와이어 및 상기 용접 와이어의 외주부에 설치되어 보호가스를 분출하는 보호가스 노즐을 포함하고, 상기 보호가스 노즐은 상온 보호가스 노즐 및 극저온 보호가스 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 토치, 이러한 용접 토치를 포함하는 용접 장치 및 이러한 용접 장치에 의하여 강판을 용접하는 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하여 용접 및 냉각이 수행될 경우, 용접부가 효율적이고 신속하게 급냉되어 우수한 인성을 갖는 용접부 조직을 얻을 수 있게 된다.

극저온 보호가스, 용접 와이어, 켄칭, 용접 토치

Description

용접 이음부의 인성 향상을 위한 국부냉각 용접 토치, 장치 및 용접 방법{Local Heatsink Welding Torch, Device and Method for Excellent Low Temperature Toughness}

본 발명은 두 강재의 용융 용접시 우수한 특성의 용접이음부를 형성하도록 하는 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 용융 용접 공정에서 보호가스를 분사하는 토치 노즐을 전후로 분할하고, 용접 진행 방향의 전단부에서는 기존의 상온 보호가스를 공급하여 아크와 용융지를 보호하는 기능을 유지하면서, 아울러 후단부에서는 극저온의 보호가스를 분사함으로써 용접 직후 고온에 노출된 강재를 켄칭시켜 용접부 조직을 미세화시키고 그 특성을 향상시키는 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 두 강재를 용융 용접하여 용접이음부를 형성하는 경우, 강재가 용접열원에 의하여 일정시간 동안 고온에 노출된다. 금속조직학적 측면에서 볼 때, 이러한 고온 노출 부위는 결정립이 조대화 되기 쉽고, 이후 냉각시 인성이 취약한 조직으로 상변태가 발생할 수 있어 결국 모재대비 품질 특성이 열화될 수 있다. 따라서, 용접 열영향부의 결정립 조대화 현상을 극복하고 용접부 특성을 향상시키는 것은 강재의 제조 및 용접 가공업계의 주요 과제 중 하나였다.

종래 이러한 문제를 해결하는 수단으로 알려진 것은, 저입열 다층용접시공을 통해 고온에서의 노출시간을 줄여 결정립성장을 억제하는 방법이 있었다. 그러나, 이러한 방법은 여러 번 용접을 해야 한다는 단점이 존재하여 생산성이 좋지 못하다는 단점이 존재한다. 또한, 최근에는 레이저, 전자빔 등 고밀도 열원의 적용을 이용한 국부적인 용접이음부 형성, 냉각속도의 상승 등의 방법에 의하여 용접 열영향부의 결정립 조대화 현상을 최대한 억제하는 노력이 나타나고 있으나, 이러한 방법들을 적용하는데에는 고가의 장비가 요구되어 폭넓은 상용화에 많은 한계가 있는 실정이다.

한편, 이와 관련하여 용접 직후 피용접 대상 강재에 냉각수를 분사하여 용접부를 신속하게 냉각함으로써 용접부의 저온인성을 향상시킬 수 있는 기술이 알려져 있으나, 상기 기술에 의하면 냉각수 분사를 위해 대형 설비가 필요하고 분사된 냉각수에 의해 고온의 용접부에 수소 혼입이 발생할 수 있어 문제가 있다.

또한, 선행하는 아크토치 뒤에 일정간격을 두어 극저온의 액체의 CO₂를 분사 하여 두께가 얇은 박판 강재의 용접변형을 방지하는 기술도 알려져 있으나, 토치와 냉각노즐과의 간격 차로 인해 용접 이후 곧바로 강냉 처리를 할 수가 없어 부득이하게 고온에서 일정시간 노출이 된다는 단점이 있으며, 또한 이러한 기술도 역시 액체 상태의 CO₂ 분사 처리를 위해 고압 챔버, 쉴딩(shileding) 등 고가의 장비가 없다면 액체상의 비산 및 폭발의 우려가 존재하는바, 작업자의 안전성 측면에서 문제가 있다.

따라서, 액체 대신 가스 분사에 의하여 용접 열영향부를 냉각시키는 방법이 나타나기에 이르렀다. 하지만, 이러한 가스 분사 방법을 공정에서 사용하기 위해서는 별도의 냉각노즐이 필요하며, 아크 토치 (용접열원)와 냉각노즐 간에 일정한 간격이 존재할 수 밖에 없었다. 이로 인하여 용접이 이루어짐과 동시에 곧바로 강냉 처리를 할 수가 없게 되어 부득이하게 용접 열영향부가 일정시간 동안 고온에서 노출이 될 수 밖에 없다는 문제가 여전히 남는다.

따라서, 고가의 설비 없이도 안정적이고 신속하게 용접 열영향부를 냉각하여 조직을 미세화시킬 수 있는 방법이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 용융용접 공정에 있어 보호가스를 분사시키는 토치 노즐을 전후로 분할하고, 용접 진행 방향의 전단부에서는 기존의 상온 보호가스를 공급하여 아크와 용융지를 보호하는 기능을 유지하면서, 아울러 후단부에서는 극저온의 보호가스를 분사함으로써 용접 직후 고온에 노출된 강재를 켄칭시켜 용접부 조직을 미세화시키고 그 특성을 향상시키는 용접방법을 제안하고자 한다.

본 발명은 용접 와이어 및 상기 용접 와이어의 외주부에 설치되어 보호가스를 분출하는 보호가스 노즐을 포함하고, 상기 보호가스 노즐은 상온 보호가스 노즐 및 극저온 보호가스 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 토치 및 이러한 용접 토치를 포함하는 용접 장치에 관한 것이다.

나아가 본 발명은, 용접 와이어 및 상기 용접 와이어의 외주부에 설치되어 보호가스를 분출하는 보호가스 노즐을 포함하며, 상기 보호가스 노즐은 상온 보호가스 노즐 및 극저온 보호가스 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 토치를 이용하여 두 강재를 용융 용접하는 용접 방법에 있어서, 상기 상온 보호가스 노즐에서 상온의 보호가스를 분사하는 상온 보호가스 분사 단계, 상기 용접 와이어로 용접을 수행하는 용접 단계 및 상기 극저온 보호가스 노즐에서 저온의 보호가스를 분사하는 용접부 급냉 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명(물 발명)에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자는 모재에 비해 필연적으로 열화되는 현상이 나타나는 용접이음부 특성을 획기적으로 향상시키는 용접방법 개발에 관해서 문헌조사와 체계적인 다수의 실험을 통해 면밀한 검토를 실시하였고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

용접시 용접이음부는 용접 열원에 의해 급가열되어 최고 1450℃ 이상까지 온도가 상승한 후 냉각이 되는데, 이때 고온영역인 1450~800℃ 이상에서 오스테나이트(austenite) 조직의 결정립이 왕성하게 성장을 하게 되어 200㎛ 이상의 크기로 조대화 된다. 특히, 고상에서 변태하는 C-Mn 탄소강의 경우에는, 조대화된 오스테나이트가 냉각 중 미세한 페라이트로 변태하기 보다는 조대한 입계페라이트 (grain boundary ferrite)와 상부 베이나이트 (upper bainite) 및 마르텐사이트 (martensite)로 변태하여 파괴인성 등의 특성 저하를 초래한다.

따라서, 이러한 용접 열영향부의 특성을 향상시키기 위해서는 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하는 것이 필수적이며, 이를 위하여 본 발명자들은 결정립 이 조대화되는 용접 직후 고온영역인 1450~800℃ 이상에서 노출시간을 최소화시켜 결정립 성장을 억제하는 방법으로 용접시 일반적으로 용접 열영향부의 화학반응을 억제해주는 보호가스를 이용하는 방법에 착안하였다.

일반적으로 강재의 용접시 아크토치 중심부에는 용가재 (용접 Wire)가 송급되어 강재표면에서 용접열원인 아크를 발생시키고, 동시에 이러한 아크를 보호하고 열에 의해 높은 반응성을 갖는 용접 열영향부의 산화 등의 화학반응을 억제하기 위하여 비활성 기체로 이루어진 보호가스가 아크 토치 외면부에 방사형으로 분사된다.

따라서 이러한 보호가스를 -50℃ 이하의 극저온으로 냉각시킨 보호가스를 사용한다면, shileding 등 별도의 추가장비 구성 필요 없이 용접 직후 급냉을 통해 용접 열영향부 특성을 향상시킬 수가 있다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

또한, 극저온의 보호가스를 단순히 용접부 전체에 분사하는 경우에는 용접진행 방향에서 아크발생 지점의 후행부 (용접 직후 급냉이 되는 영역)에 대해서만 급냉 효과를 얻을 수 있게 되며, 아크발생 지점을 지나간 선행부는 오히려 용접 직전에 급냉이 된 후에, 용접이 진행되므로, 용접금속 혹은 용접 열영향부에 저온균열 발생이 그대로 나타나게 되는 문제점이 있으므로, 본 발명자들은 이를 해결하기 위 하여 도1과 같이 보호가스를 분사시키는 냉각 노즐을 2 부분으로 분할하는 방법을 사용하였다.

도1과 같이 노즐을 분할하여, 전단부 노즐에서는 일반적인 보호가스 기능만을 수행하는 상온의 보호가스를, 후단부 노즐에서는 냉각 기능을 갖는 극저온 보호가스를 분출하는 방식을 취하여, 용접 진행방향의 전단부에서는 아크와 용융지를 보호하는 기능만 수행할 수 있게 하였고, 용접이 끝나는 후단부에서는 용접 직후 고온에 노출된 강재를 켄칭하는 역할을 수행하였다. 즉, 아크를 보호하는 보호가스의 기능을 유지하면서도 동시에 용접 열영향부의 조직을 미세화하여 그 부분의 물성을 월등히 향상시킬 수 있게 된 것이다.

본 발명의 용접 방법에서 사용되는 토치는 도1을 참고할 때, 중심의 용접 와이어(11) 및 상기 용접 와이어(11)의 외주부에 설치되어 보호가스를 분출하는 보호가스 노즐로 구성된다. 여기에서, 상기 보호가스 노즐은 상온의 보호가스를 분출하는 상온 보호가스 노즐(12) 및 극저온의 보호가스를 분출하는 극저온 보호가스 노즐(13)으로 구분된다.

이 경우, 상기 상온 보호가스 노즐(12)은 용접 진행방향, 즉 냉각 노즐의 전단부에 위치하며, 상기 저온 보호가스 노즐(13)은 냉각 노즐의 후단부에 위치하게 된다. 또한, 노즐 전체의 단면적을 고려할 때, 도1과 같이 상기 저온 보호가스 노 즐(13)의 단면적은 상기 상온 보호가스 노즐(12)에 비해 작거나 같은 단면적을 가진다. 만일 상기 저온 보호가스 노즐(13)의 단면적이 더 크다면, 저온 보호가스가 용접 진행방향 전단부에까지 분사되므로, 용접이 이루어지기 전에 먼저 냉각이 이루어질 수 있어 용접부 물성에 좋지 않을 수 있기 때문이다.

도2를 참고할 때, 용접이 진행됨에 따라, 아크를 발생시키는 용접 와이어(21) 및 상기 용접 와이어를 둘러싸고 있는 냉각 노즐(21)로 구성된 토치가 강판 표면의 용접이 필요한 부분을 따라 이동하게 된다. 이 경우, 용접 진행 방향, 즉 냉각 노즐 전단부에서는 상온의 용접 보호가스를 분출하여 아크와 용융지를 보호하고 효과적으로 용접이 일어날 수 있도록 한다.

반면, 용접 진행 반대 방향, 즉 냉각 노즐 후단부에서는 극저온의 용접 보호가스를 분출하여, 용접 보호가스로서의 기능을 수행함과 동시에 용접 열영향부를 급격하게 냉각시킴으로써 용접부의 조직을 미세화시키는 역할을 수행하게 된다.

이 경우, 상기 극저온의 용접 보호가스는 일반적으로 용접에 사용되는 보호가스를 사용할 수 있으며, 특별히 그 종류를 제한하지는 않는다. 다만, 상기 극저온의 용접 보호가스는 -50℃ 이하의 온도로 분출시키는 것이 적절하다. 만일 -50℃ 를 초과하면 고온의 용접열영향부에 효과적인 급냉효과를 줄 수 없기 때문이다.

또한, 일반적으로 토치의 이동속도를 30~50cm/min의 속도로 이동하면서 용접 및 냉각을 수행하는 것이 좋다. 30cm/min 미만의 속도에서는 용접 속도가 너무 낮아서 생산성이 저하되고, 50cm/min을 초과하면 냉각이 제대로 이루어지지 않기 때문이다.

본 용접방법에 의한 급냉은 800℃까지 이루어지는 것이 바람직하다. 800℃ 미만의 온도부터는 상변태가 발생할 수 있는 영역인바, 급냉이 이후의 온도에서도 계속하여 이루어지면 인성이 취약한 마르텐사이트 또는 상부 베이나이트 조직이 생성되어 물성이 오히려 저하될 수 있기 때문이다.

이러한 과정에 의하여 용접 및 냉각이 수행될 경우, 용접부의 조직이 효율적이고 신속하게 급냉되어 용접부의 인성이 우수한 조직을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 의하여 용접 및 냉각이 수행될 경우, 용접부가 효율적이고 신속하게 급냉되어 우수한 인성의 용접부 조직을 얻을 수 있게 된다.

이하, 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면을 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

대상 강재는 선급 EH36-TM의 후판재이며, 두께는 20mm인 것을 사용하였다. 실험은 본 발명의 도 1, 2의 용접방법의 개념을 도입하되, 직접 시스템을 사용하여 용접하지 않고, 그러한 시스템을 사용하여 강재를 용접시 강재가 열영향을 받는 상황을 재현하는 열사이클 재현시험을 실시하여 검증하였다.

소형시험편 (가로 10mm×세로 10mm×길이 55mm)을 사용하여 진공 중에서 시간에 따라 열사이클을 재현하였다. 용접조건은 서브머지드 아크 용접 방법이었으며, 입열량은 30kJ/cm, 대상부위는 가장 취약한 용융선 근처인 결정립 조대화 영역(CGHAZ, Coarse Grain Heat Affected Zone)이다. 저온인성은 샤르피 충격인성 시험을 통해 특성 값을 살펴보았으며, 결정립 조대화 영역에 V 노치를 새겨 그 뒤 면에 해머 충격을 가해 얻어지는 흡수에너지 값을 선택하였다. 시험온도는 0~-60℃ 중 4 가지 온도(0, -20, -40 및 -60℃)에서 시험을 실시하였다.본 실험에 의한 실험 결과를 하기 표1에 나타내었다.

구분	실시 번호	냉각속도(℃/s)		CGHAZ 미세조직	샤르피 충격인성 시험결과
구분	실시 번호	1450~800℃영역	800~20℃영역	CGHAZ 미세조직	시험온도(℃)	흡수에너지(J)
발 명 예	1	120	10	미세 Acicular ferrite + 베이나이트	0278	278
	2					212
	3					225
	4				-20	242
	5					195
	6					185
	7				-40	121
	8					59
	9					82
	10				-60	33
	11					9
	12					15
비 교 예	13	30	7.6	조대 입계페라이트 + 상부 베이나이트	0	67
	14					146
	15					189
	16				-20	91
	17					51
	18					83
	19				-40	20
	20					10
	21					17
	22				-60	18
	23					15
	24					7

상기 표1에서 보듯이, 본 발명에 의하여 보호가스를 분할시킨 급냉 방법을 적용한 경우(실시예 1~12), CGHAZ는 미세한 Acicular ferrite와 베이나이트 조직이 나타났으며, -40℃의 저온 영역에서도 샤르피 충격인성 값은 평균 87J 정도로 상당히 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

반면, 보호가스 분할 강냉 방법을 적용하지 않은 기존의 용접공정의 경우 (비교예 13~24), CGHAZ는 조대한 입계 페라이트와 입내에는 래쓰(Lath) 계면에 마르텐사이트가 다량 석출되어 있는 취약한 상부 베이나이트 조직으로 구성됨을 알 수 있었다. 이러한 금속 조직학적 요인으로 샤르피 충격인성 값은 -40℃에서 평균 16J 정도에 지나지 않았으며, 시험온도 전반에 걸쳐 본 발명의 충격인성 값에 비해 모두 저하된 값을 나타냈다.

또한, 기존 공정에 의할 경우 최고 온도인 1450~800℃의 고온영역 노출시간이 22초 (냉각속도 30℃/sec)정도로 길었으나, 본 발명에 의할 경우 노출시간이 5초 (냉각속도 120℃/초) 이내로 상당히 짧아질 수 있음을 알 수 있었다.

도3에서는 본 발명의 적용 여부에 따른 대표적인 용접 열영향부의 미세조직을 비교한 결과를 나타내었다. 본 발명에 의하여 용접한 결과인 도3(a)에서는, 용접 직후 최고 온도에서 강냉을 하였으며 현저히 미세화된 결정립들, 즉 미세한 Acicular ferrite와 베이나이트 조직이 구현됨을 확인할 수 있다. 반면, 기존 공정에 의한 도3(b)를 보면, 용접 열영향부의 미세조직은 조대한 입계 페라이트와 취약한 상부 베이나이트 조직이 혼재되어 있음을 알 수 있다.

이상의 결과는 본 발명의 구성과 한정한 이유에 대해 잘 설명해주며, 본 발명의 용접 방법으로 우수한 특성의 용접이음부가 형성될 수 있음을 나타내 준다.

도 1 은 본 발명에 의한 보호가스 분할을 위하여 설계된 용접 토치의 단면도.

도 2 는 본 발명에 의한 용접 공정을 나타내는 개요도.

도 3 은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 용접 열영향부의 미세조직을 비교하는 시편 사진

● 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 용접 와이어

12 : 상온 보호가스 노즐

13 : 극저온 보호가스 노즐

14 : 보호가스 노즐 분할 경계

21 : 상온 보호가스

22 : 저온 보호가스

23 : 용접 플레이트

Claims

용접 와이어 및 상기 용접 와이어의 외주부에 설치되어 보호가스를 분출하는 보호가스 노즐을 포함하며, 상기 보호가스 노즐은 상온 보호가스 노즐 및 극저온 보호가스 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
제1항에 있어서, 상기 극저온 보호가스 노즐은 용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치 후단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
제1항에 있어서, 상기 극저온 보호가스 노즐은 전체 노즐의 단면적을 기준으로 상기 상온 보호가스 노즐의 단면적보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 용접 토치.
용접 와이어 및 상기 용접 와이어의 외주부에 설치되어 보호가스를 분출하는 보호가스 노즐을 포함하며, 상기 보호가스 노즐은 상온 보호가스 노즐 및 극저온 보호가스 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 토치를 이용하며,

상기 상온 보호가스 노즐에서 상온의 보호가스를 분사하는 상온 보호가스 분 사 단계;

상기 용접 와이어로 용접을 수행하는 용접 단계; 및

상기 극저온 보호가스 노즐에서 저온의 보호가스를 분사하는 용접부 급냉 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
제4항에 있어서, 상기 극저온 보호가스 노즐에서 분사되는 상기 저온의 보호가스의 온도는 -50℃ 이하임을 특징으로 하는 용접 방법.
제4항에 있어서, 상기 상온 보호가스 분사 단계와 상기 용접부 급냉 단계 사이의 시간 간격은 5초 이내임을 특징으로 하는 용접 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 용접 토치를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.