KR20090112705A - Method for improving the performance of seam-welded joints using post-weld heat treatment - Google Patents

Method for improving the performance of seam-welded joints using post-weld heat treatment Download PDF

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KR20090112705A
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에드워드 제이. 맥크링크
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케이브이에이, 인코포레이티드
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Abstract

The present invention provides a method for heat-treating seam-welded constructions of hardenable steel and ferrous alloys with reduced weld-zone hardness and improved weld-zone ductility and toughness. This method consists of heating the seam weld rapidly with a secondary heat source to a temperature greater than the martensitic start temperature but not greater than the lower critical temperature, followed by immediately allowing the seam weld to air-cool. The rapid tempering of this invention is particularly suited to the production of high strength hardenable alloy seam-welded pipe and tubing and other structures.

Description

후 용접 열처리를 사용한 시임 용접 조인트의 성능 개선 방법 {METHOD FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF SEAM-WELDED JOINTS USING POST-WELD HEAT TREATMENT}METHOD FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF SEAM-WELDED JOINTS USING POST-WELD HEAT TREATMENT}

본 발명은 후 용접 열처리 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 경화 합금철(hardenable ferrous alloy) 상의 감소된 용접 부위 경도 및 개선된 용접 부위 연성 및 인성을 갖는 시임 용접(seam weld)의 기계적 특성을 개선하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a post weld heat treatment and method. In particular, the present invention relates to a method for improving the mechanical properties of seam welds with reduced weld site hardness and improved weld site ductility and toughness on hardenable ferrous alloys.

모든 현대 산업에 어디에나 두루두루 사용되는 용접 합금철은 구조재(structural component) 설계에서 사실상의 표준(de facto standard)이 되었다. 많은 분야에서 현재의 추세는 저강도의 보통 연강(common mild steel)으로부터 고강도 및 초고강도 강 쪽으로 관심의 촛점이 이동되고 있다. 이들 합금은 저탄소강보다 큰 인장 강도를 갖도록 제조되는데, 그 이유는 열가공(thermomechanical) 공정 중에 생성되는 특정 미세 구조 때문이다. 자동차 산업에 현재 사용되는 고강도 강의 몇몇 예에는 2상, 말텐사이트, 붕소 처리되고 변태 유도된 소성 강이 포함된다. 다른 고강도 강에는 공기, 오일 및 물 경화 탄소강 및 말텐사이트 스테인레스 스틸이 포함된다. 이들 모두는 말텐사이트의 일부 체적%가 재료의 미세 조직을 형 성하도록 설계된다. 경화된 상태로 형성되는 결과적으로 왜곡된 체심 입방정계(BCC) 또는 체심 육방정계(BCT) 말텐사이트 결정구조가 금속에 고강도를 부여한다. 이들 재료는 구조재와 조립체에 이상적으로 위치되어 고강도와 인성에 대한 요건을 만족시킨다.Welded ferroalloys used everywhere in all modern industries have become the de facto standard for structural component design. The current trend in many areas is shifting the focus of attention from low strength common mild steel to high strength and ultra high strength steel. These alloys are made to have greater tensile strength than low carbon steels because of the specific microstructures that are produced during the thermomechanical process. Some examples of high strength steels currently in use in the automotive industry include biphasic, maltensite, boronated and metamorphically induced plastic steels. Other high strength steels include air, oil and water hardened carbon steels and maltensite stainless steel. All of these are designed so that some volume percent of martensite form the microstructure of the material. The resulting distorted body core cubic system (BCC) or body core hexagonal system (BCT) maltensite crystal structure, which is formed in a hardened state, gives high strength to the metal. These materials are ideally positioned in structural materials and assemblies to meet the requirements for high strength and toughness.

불행하게도, 이들 및 다른 초고강도 합금에서 말텐사이트를 형성하고 상대적으로 높은 경도를 형성하는 경향은 용접에 있어서 단점들을 제공한다. 용접 중의 좁은 열 영향부 내에서 발생하는 가열 및 급냉의 열 사이클은 급속 퀀칭(quenching) 사이클과 동일하다. 고강도강 등급의 화학물은 고온에서 페라이트로부터 오스테나이트(γ)로 완전 변태되고 나서 급냉시 경질의 말텐사이트 상으로 계속해서 변경되게 된다. 시임 용접 분야에서, 자연스런 용접 냉각 비율은 가장 높은 강도의 고탄소강에서 말텐사이트 조직을 생성하기에 충분히 빠른 1000 ℃/초 만큼 높을 수 있다(도 1 및 도 2 참조). 결과적인 생성된 말텐사이트 조직은 템퍼링되지 않은 상태에서 극히 높은 취성을 가진다. 용접 부위의 크랙은 다음과 같은 몇몇 이유로 발생될 수 있다.Unfortunately, the tendency to form maltensite and relatively high hardness in these and other ultra high strength alloys presents disadvantages in welding. The heat cycle of heating and quenching occurring within the narrow heat affected zone during welding is the same as the rapid quenching cycle. High strength steel grade chemicals are completely transformed from ferrite to austenite (γ) at high temperatures and then continue to change to the hard martensite phase upon quenching. In seam welding applications, the natural weld cooling rate can be as high as 1000 ° C./sec. Fast enough to produce maltensite structures in the highest strength high carbon steels (see FIGS. 1 and 2). The resulting maltensite tissue is extremely brittle in the untempered state. Cracks in the weld zone can occur for several reasons, including:

■ 왜곡된 BCC 말텐사이트 결정구조 내에 포획된 수소로 인한 수소 유도 저온 크랙. 용접부에 가해진 인장 응력은 크랙 발생의 위험을 증가시킨다.■ Hydrogen-induced low temperature cracks due to hydrogen trapped within the distorted BCC maltensite crystal structure. Tensile stress applied to the weld increases the risk of cracking.

■ 용접 중의 열 입력(input)으로 인한 열 유도 응력, 조인트 구속(joint restrain)의 정도, 및 말텐사이트 변태 시의 체적 변화.■ Heat induced stress due to heat input during welding, degree of joint restrain, and volume change during maltensite transformation.

크랙의 대부분의 형태는 용접 금속이 주위 온도로 냉각될 때 발생하는 수축 변형에 기인한다. 수축이 제한되면, 변형은 크랙의 원인인 잔류 인장 응력을 유도 할 것이다. 거기에는 두 개의 대향하는 힘이 있는데, 하나는 금속의 수축에 의한 응력과 다른 하나는 베이스 금속의 주변 경화이다. 커다란 용접 크기, 높은 열 입력 및 깊은 침투 용접 과정은 수축 변형을 증가시킨다. 이들 변형에 의해 유도되는 응력은 보다 높은 강도의 필러(filler) 금속과 베이스 금속이 포함될 때 증가할 것이다. 보다 높은 항복 강도의 경우에, 보다 높은 잔류 응력이 존재하게 될 것이다.Most forms of cracking are due to shrinkage deformation that occurs when the weld metal cools to ambient temperature. If shrinkage is limited, the strain will induce residual tensile stresses that are the cause of the cracks. There are two opposing forces, one is the stress caused by the shrinkage of the metal and the other is the peripheral hardening of the base metal. Large weld size, high heat input and deep penetration welding process increase shrinkage deformation. The stress induced by these deformations will increase when higher strength filler metals and base metals are included. In case of higher yield strength, higher residual stress will be present.

이들 문제점들은 어닐링, 경화, 또는 경화와 템퍼링 여부와 관련한 선행 조건에 무관하게 임의의 강을 용접할 때 발생한다. 이들 문제점은 GTAW, GMAW SAW, PAW, 레이저-비임, 마찰, 저항 및 전자-비임을 포함한 모든 형태의 용접에서 발생할 수 있다. 모든 경우에, 용융 부위와 고온 HAZ은 용접 후에 "애스-퀀칭(as-quenched)" 상태로 될 것이다. 2차 제조 공정이나 유지 보수 공정에서 용접 후의 어떠한 기계적 변형은 말텐사이트 HAZ가 크랙 발생의 원인이 될 것이다.These problems arise when welding any steel, regardless of the preceding conditions with regard to annealing, hardening, or hardening and tempering. These problems can occur with all types of welding, including GTAW, GMAW SAW, PAW, laser beams, friction, resistance and electron beams. In all cases, the molten site and the hot HAZ will be "as-quenched" after welding. Any mechanical deformation after welding in the secondary manufacturing or maintenance process will cause the maltensite HAZ to crack.

또한, 이들 합금으로부터 일단 용접되고 제작된 다수의 조립체들은 최종 균질화를 위한 열 처리 사이클에 놓일 것이다. 예로는 2상 강과 같은 예비 경화 또는 특정 열 기계가공 처리된 베이스 금속으로부터 제조됨으로써, 열 사이클에 의해 합금의 특이한 미세조직이 파괴된 조립체들이 포함된다. 또한, 용접된 전체 조립체를 후 용접 응력을 제거하는 노의 내측에 위치시킴으로써 육중한 차량 본체 구조물에 용접되는 자동차 구조 빔의 경우와 같은 물리적 가능성을 줄이게 된다. 몇몇 조립체들은 열 가소성 내부 부품을 갖는 용접된 연료 탱크 조립체의 경우에서와 같이 전체 구조물을 후 용접 열 처리가 불가능할 수 있다. 어떤 경우에, 용접 부위 의 취성이 감소되는 경우에 커다란 이득이 실현될 수 있다. 마무리된 용접부의 연성과 인성은 어떠한 노 내부에서의 열 처리 없이 사용 중인 용접 구조물의 경우에 현저히 개선될 것이다.In addition, many assemblies once welded and fabricated from these alloys will be placed in a heat treatment cycle for final homogenization. Examples include assemblies made from pre-hardened or certain heat-machined base metals, such as two-phase steel, whereby the specific microstructure of the alloy is destroyed by thermal cycling. In addition, positioning the entire welded assembly inside the furnace to remove post weld stresses reduces the physical potential as in the case of automotive structural beams welded to heavy vehicle body structures. Some assemblies may not be capable of post-welding heat treatment of the entire structure as in the case of a welded fuel tank assembly with thermoplastic internal parts. In some cases, a great benefit can be realized when the brittleness of the weld is reduced. Ductility and toughness of the finished weld will be significantly improved in the case of welded structures in use without any heat treatment inside the furnace.

용접과 HAZ 경도를 제어하는 통상적인 방법은 용접부의 어닐링 공정과 템퍼링 공정과 같이 전체 부분을 가열함으로써 오프-라인 2차 후 용접부 가열 처리(PWHT)하는 방법이 포함된다. 예열 방법은 냉각률을 늦춤으로써 말텐사이트의 존재 비율을 감소시키는 방법이 사용될 수 있다. 피가공재 내의 잠재적인 열은 용접된 시임의 냉각률을 감소킴으로써 크랙을 방지한다. 과거에, 전- 및 후- 용접부 열처리는 일군의 부품들을 적합한 열처리 온도에서 유지 및 처리하기 위해 대형 배치식 열처리 노에서 수행되었다. 배치식 열처리 공정을 사용하는데 있어서의 단점은 부분적으로 대형 배치식 노의 크기와 열처리될 부품들의 크기로 인해 오랜 열처리 시간이 소요된다는 점이다. 또한, 개별 부품을 용접하면서 배치식 노를 조립하는 동안에 오랜 대기 기간이 소요된다는 점이다. 응력 제거 또는 템퍼링과 같은 표준 후-용접부 열처리는 늦은 노 냉각 속도와 함께, 예정 온도에서 여러 시간에 속하는 상당히 긴 유지 시간을 필요로 한다. 더욱 복잡한 방식으로 전체 전-또는 후-용접부 열처리에 의해 베이스 금속의 소정의 미세조직을 파괴할 수 있다. 예를 들어, 2상 또는 말텐사이트 강으로 제조된 부품들은 전체 부품이 최적 가열 시간 및 퀀칭 비율과 상이하게 열처리되는 경우에 기계적 특성이 전체적으로 손실된다.Conventional methods of controlling welding and HAZ hardness include off-line secondary post-weld heat treatment (PWHT) by heating the entire portion, such as the annealing and tempering processes of the weld. As the preheating method, a method of reducing the presence ratio of maltensite may be used by slowing down the cooling rate. Potential heat in the workpiece prevents cracking by reducing the cooling rate of the welded seam. In the past, pre- and post-weld heat treatments have been performed in large batch heat treatment furnaces to maintain and process a group of components at suitable heat treatment temperatures. The disadvantage of using a batch heat treatment process is that it takes a long heat treatment time, in part due to the size of the large batch furnace and the size of the parts to be heat treated. In addition, a long waiting period is required while assembling the batch furnace while welding the individual parts. Standard post-weld heat treatments, such as stress relief or tempering, require slow furnace cooling rates and a fairly long holding time of several hours at predetermined temperatures. In a more complex manner it is possible to destroy certain microstructures of the base metal by full pre- or post-weld heat treatment. For example, parts made of biphasic or maltensitic steel lose overall mechanical properties when the entire part is heat treated differently from the optimal heating time and quenching ratio.

옥시아세틸렌 토오치에 의해 시임 용접부를 재-오스테나이트화하며 크롬계 합금과 같은 경화 강을 가공할 때 조인트를 공기 중에서 천천히 냉각하는 것은 제 작자에게 잘 알려져 있다. 용접 조인트와 주변 금속에 의해 유지된 열은 재 가열 후의 용접부의 냉각률을 효과적으로 늦춰서, 취성을 감소시키며 조인트를 유연하고 정상상태로 남겨 둔다. 그러나, 상기 공정은 가변적이고 늦으며 개별적인 결과로써 제작자의 숙련도에 많이 의존하게 된다. 발명의 명칭이 열처리 방법 및 제품인 미국 특허 제 3,046,167호에 기재된 바와 같은 다른 방법이 토오치에 의해 용접 시임을 재 오스테나이트화하고 나서 서냉하기 위해 제공된다. 유사한 방법이 탄소강 및 저합금강의 후용접 열처리란 명칭의 미국 특허 제 6,676,777호에 설명되어 있으며, 상기 특허는 용접부를 오스테나이트 영역으로 재가열하고 몇 시간 동안 유지하고나서 공기 중에서 보다 더 서냉하는 방법을 설명하고 있다. 모든 이러한 방법들은 용접 시임을 상부 임계온도 이상으로 재가열하고 서냉함으로써 소정의 미세조직을 생성하는 것이다.It is well known to the producers to cool the joints slowly in air when re-austizing the seam welds by oxyacetylene torch and processing hardened steels such as chromium-based alloys. The heat retained by the weld joint and the surrounding metal effectively slows down the cooling rate of the weld after reheating, reducing brittleness and leaving the joint flexible and steady. However, the process is variable and slow and depends on the skill of the manufacturer as a separate result. Another method, as described in US Pat. No. 3,046,167, entitled Heat Treatment Methods and Products, is provided for slow cooling after re-austenitic welding seams by a torch. A similar method is described in US Pat. No. 6,676,777, entitled Post Weld Heat Treatment of Carbon and Low Alloy Steels, which describes a method of reheating a weld to an austenite zone, maintaining it for several hours, and then further cooling in air. Doing. All these methods are to produce the desired microstructure by reheating and slow cooling the welding seam above the upper critical temperature.

종래의 제어식 "국소" 후-용접부 응력 제거 방법이 열악한 서비스 산업 및 오일분야의 배관계 용접 조인트에 종종 적용되었다. 조인트의 원주변에 감기는 유도식 또는 저항식 가열 코일로 구성되는 가열 "블랭킷(blanket)"들을 통해 열이 가해진다. 그 열은 매우 천천히 가해져서 피크 온도에서 수분 내지 수시간 동안 머물게 하고 격리식 가열 블랭킷에서 매우 천천히 냉각될 수 있게 한다.Conventional controlled “local” post-weld stress relief methods have often been applied to poorly welded plumbing weld joints in the service industry and oil sectors. Heat is applied through heating "blankets" consisting of inductive or resistive heating coils wound around the circumference of the joint. The heat is applied very slowly, allowing it to stay at the peak temperature for a few minutes to several hours and allow it to cool very slowly in the isolation heating blanket.

시임 용접된 튜브 제품에서, 고강도 강의 고유한 용접 어려움을 해결하기 위한 통상적인 접근 방법은 재료의 화학 조성을 변경하는 것이다. 통상적으로, 공기중에서의 경화 합금의 저탄소 합금이 발전되어 옴으로써 시임 용접이 충분히 말텐사이트 조직으로 되지 않으며 튜브 제조 중에도 크랙을 발생하지 않는다. 이의 예 가 배관 시스템에서의 사용을 위한 스테인레스 강의 제조 방법이란 명칭의 미국 특허 제 7,157,672호에 설명되어 있으며, 상기 특허에는 종래의 튜브 제조 공정에서 저탄소 2상의 최대 0.08% C 스테인레스 재료의 사용에 대해 상세히 설명하고 있다. 유사하게, 스테인레스 강 월드 1999 컨퍼런스 프로시딩, 1999에서 아유까와 등에 의해 발표된 HF-ERW 공정에 의해 용접성 말텐사이트 스테인레스 강 라인 파이프의 발전이란 논문에서 파이프를 제조하는데 변경된 조성물이 사용되었다. 화학 조성을 변경함에 있어서 용접 용이성과 재료의 경화성과 최대 기계적 특성 사이에 타협점이 있다.In seam welded tube products, a common approach to solve the inherent welding difficulties of high strength steels is to change the chemical composition of the material. Typically, the development of low-carbon alloys of hardened alloys in air has resulted in seam welding that is not sufficiently martensitic and no cracking occurs during tube manufacture. An example thereof is described in US Pat. No. 7,157,672, entitled Method for Manufacturing Stainless Steel for Use in Piping Systems, which details the use of up to 0.08% C stainless steel in low carbon two phases in conventional tube manufacturing processes. Explaining. Similarly, a modified composition was used to fabricate a pipe in the article, The Development of Weldable Maltensite Stainless Steel Line Pipes by the HF-ERW Process, published by Stainless Steel World 1999 Conference Procedure, Ayukawa et al. In 1999. In changing the chemical composition there is a compromise between ease of welding and the hardenability and maximum mechanical properties of the material.

용접 경도를 감소시키기 위한 다른 방법은 필러 재료를 첨가함으로써, 말텐사이트와 같은 경질 및 취성 성분의 비율을 감소시키는 방식으로 최종 금속조직을 변경시키는 것이다. 그러나, (레이저 또는 저항 용접과 같은)몇몇 시임 용접 공정에서는 필러 금속을 사용하는 것이 어렵다. 또한, 고가의 필러 금속은 냉각 시에 경화되지 않게 하기 위해 선택됨으로써, 보다 낮은 강도의 용접물을 제공한다. 이는 필요한 조인트 강도를 만족시키기 위해 훨씬 큰 용접부의 사용을 필요로 한다.Another way to reduce the weld hardness is to modify the final metallization in such a way as to reduce the proportion of hard and brittle components such as maltensite by adding filler material. However, it is difficult to use filler metal in some seam welding processes (such as laser or resistance welding). In addition, expensive filler metals are selected to not cure upon cooling, thereby providing a weld of lower strength. This requires the use of much larger welds to meet the required joint strength.

시임 용접 특성을 개선하기 위한 다른 방법은 잔류 압축 응력을 유도함으로써 용접 시임의 크랙 발생 경향을 감소시키도록 용접부를 기계적으로 변형 및 가공하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 효율적이지 못할 뿐만 아니라, 모든 경우가 아닌 가장 단순한 시임 용접 형상에서만 가능하다. 용접 시임의 강화라는 명칭의 미국 특허 제 4,072,035호에 이러한 방법이 상세히 설명되어 있다.Another method for improving seam welding properties includes mechanically deforming and machining the weld to reduce the cracking tendency of the weld seam by inducing residual compressive stress. This method is not only efficient, but only in the simplest seam weld geometry, not in all cases. This method is described in detail in US Pat. No. 4,072,035, titled Reinforcing Weld Seams.

시임 용접의 기계적 특성을 개선하기 위해 "시임 어닐러(seam annealer)"를 사용하는 것은 시임 용접된 튜브 제품 분야에서 잘 알려져 있다. 저탄소강 및 오스테나이트 스테인레스 강과 같은 미경화 합금에 대해 작동하도록 설계된 이들 장치는 주위 온도로 충분히 냉각된 후에 2차적인 열원을 용접 소오스의 하류에 있는 시임 용접부 상에 가한다. 두 가지 주요 특징이 적용되는데, 첫째로 "시임 어닐러"가 용접부를 AC3 온도 이상으로 재가열하며, 그 재료를 재오스테나이트화하며 "노멀라이징" 열처리와 동등하게 서냉되도록 몇 시간 동안 유지하며, 둘째로 "시임 어닐러"가 미경화 합금에 사용된다. "시임 어닐링" 공정의 예는 유도 가열 장치를 위한 유도기란 명칭의 미국 특허 제 3,242,299호, 및 배관 시스템에 사용하기 위한 비드 용접 파이프를 열처리하기 위한 방법이란 명칭의 미국 특허 제 4,975,128호에 설명되어 있다.The use of "seam annealer" to improve the mechanical properties of seam welding is well known in the field of seam welded tube products. Designed to operate on unhardened alloys such as low carbon steel and austenitic stainless steel, these devices apply a secondary heat source on the seam weld downstream of the welding source after being sufficiently cooled to ambient temperature. Two main features apply: first, the "seam annealer" reheats the weld above the A C3 temperature, retains the material for several hours to re-austenitize the material and slowly cools equally to the "normalizing" heat treatment; "Sim anneal" is used for uncured alloys. Examples of “seaming annealing” processes are described in US Pat. No. 3,242,299, entitled Induction Machines for Induction Heating Devices, and US Pat. No. 4,975,128, titled Methods for Heat Treatment of Bead Welded Pipes for Use in Piping Systems. .

용접 장치란 명칭의 미국 특허 제 2,293,481호 및 전기 용접이란 명칭의 미국 특허 제 2,262,705호에는 감소된 취성을 갖는 용접부를 제조하기 위한 방법이 설명되어 있다. 양 방법들은 경화 합금에 상당히 짧은 템퍼링 사이클을 사용하며 기계적 특성을 개선하기 위해 용접부를 재가열한다. 그러나, 이들 방법은 띠형 톱날에 사용되며 스폿 용접은 본 발명과 상이하다. 이들 공정들은 용접부를 생성하는데 사용되는 것과 동일한 장비를 사용하여 본래 장소에서 수행된다. 실제로, 점 용접 장비는 미국 특허 제 2,262,705호의 방법을 위한 적절한 퀀칭을 위해 제 위치에 머무른 후에 즉시 용접부를 템퍼링하기 위해 재가열된다. 가장 중요한 것은 이들 공정들이 별도의 용접 조인트, 즉 스폿, 플래쉬, 또는 프로젝션 형태의 용접에 사용된다는 점이다.US Pat. No. 2,293,481, entitled Welding Apparatus, and US Pat. No. 2,262,705, named Electrical Welding, describe a method for manufacturing welds with reduced brittleness. Both methods use a fairly short tempering cycle for the hardened alloy and reheat the weld to improve mechanical properties. However, these methods are used for band saw blades and spot welding is different from the present invention. These processes are performed in situ using the same equipment used to create the weld. In fact, the spot welding equipment is reheated to temper the weld immediately after staying in place for proper quenching for the method of US Pat. No. 2,262,705. Most importantly, these processes are used for separate welding joints, namely spot, flash, or projection type welding.

배치식 예열 및 PWHT와 같은 종래의 공정들은 자체적으로 비용 효율성, 고품질, 고 체적 제조성 측면에서 바람직하지 않다. 불행히도, 이들 방법은 현재 제조 방법과 관련된 높은 제조 레벨에 대해 비용, 시간뿐만 아니라 에너지 효율 측면에서도 바람직하지 않다. 이상적인 해결 방법은 급열 및 저렴한 공냉 사이클과 결합된, 고강도 조인트로 경화될 수 있는 용접될 베이스 금속과 유사한 화학 조성을 갖는 조화된 강도의 필러 금속을 사용하는 것이 가능하거나 자생적(autogenous) 용접이 가능하게 하는 것이다.Conventional processes such as batch preheating and PWHT on their own are undesirable in terms of cost efficiency, high quality and high volume manufacturability. Unfortunately, these methods are undesirable in terms of cost, time as well as energy efficiency for the high manufacturing levels associated with current manufacturing methods. An ideal solution is to enable or enable autogenous welding of harmonized strength filler metal with a chemical composition similar to that of the base metal to be welded, which can be hardened into a high strength joint, combined with quench and inexpensive air cooling cycles. will be.

본 발명자들은 2007년 6월 19일자로 허여된 미국 특허 제 7,232,053호, 2007년 1월 10일자로 출원된 미국 가출원 번호 60/879,861호, 2006년 10월 4일자로 출원된 미국 출원 번호 11/542,970호, 2006년 9월 22일자로 출원된 미국 출원 번호 11/526,258호, 2006년 9월 11일자로 출원된 미국 출원 번호 11/519,331호, 2004년 12월 30일자로 출원된 미국 출원 번호 10/519,910호, 2002년 7월 1일자로 출원된 국제 출원 번호 PCT/US02/20888호, 2001년 6월 29일자로 출원된 미국 가출원 번호 60/301,970호에서 용접 및 HAZ 연성을 증가시키기 위한 다양한 방법을 설명하고 있다. 이들 각각의 참고문헌은 본 발명에 전체적으로 참조되었다. 불행히도, 이들 방법조차도 단점들을 가진다.The inventors disclose US Provisional Application No. 7,232,053, issued June 19, 2007, US Provisional Application No. 60 / 879,861, filed January 10, 2007, US Application No. 11 / 542,970, filed October 4, 2006. US Application No. 11 / 526,258, filed September 22, 2006, US Application No. 11 / 519,331, filed September 11, 2006, US Application No. 10 / filed December 30, 2004. 519,910, International Application No. PCT / US02 / 20888, filed Jul. 1, 2002, US Provisional Application No. 60 / 301,970, filed June 29, 2001, show various methods for increasing welding and HAZ ductility. Explaining. Each of these references is incorporated herein by reference in its entirety. Unfortunately, even these methods have disadvantages.

따라서, 시임 용접된 조인트의 기계적 특성들을 개선하기 위해 우선적으로 제조 중에 열처리를 제공하는 것이 제조 관점에서 바람직할 것이다. 바람직하게, 간단한 PWHT 방법이 용접 및 HAZ 연성을 효과적으로 증가시키기는데 사용될 수 있 다.Therefore, it would be desirable from a manufacturing point of view to preferentially provide heat treatment during manufacture to improve the mechanical properties of the seam welded joint. Preferably, a simple PWHT method can be used to effectively increase welding and HAZ ductility.

요약하면, 본 발명에 따라 용접된 튜브 구조물에 한정됨이 없이 모두 포함하는 강 구조물을 형성하는 개선된 방법이 제공된다. 가장 넓은 용어로, 본 발명은 경화 합금 철을 위한 개선된 후 용접 열처리(PWHT)에 관한 것이다.In summary, according to the present invention there is provided an improved method for forming an all-inclusive steel structure, without being limited to welded tube structures. In its broadest term, the present invention relates to an improved post-weld heat treatment (PWHT) for hardened alloy iron.

본 발명의 강 구조물을 형성하는 방법은 경화 합금 철의 두 표면이 함께 용접될 때 형성되는 통상적인 용접부를 처리하는 단계를 포함한다. 최초 용접부는 합금 철을 용융시켜 용접부를 형성하기에 충분히 높은 온도로 인접 표면들을 연결하기 위해 바람직하게, 통상적인 용접 장치 형태의 열원을 가함으로써 형성된다. 용접부는 그 후 경화 합금 철의 말텐사이트 시작점(MS) 이하로 냉각된다. 용접부는 주위 온도로 냉각될 수 있다. 이와는 달리, 용접부는 합금철의 말텐사이트 시작점(MS)과 주위 온도 사이의 중간 온도로 냉각될 수 있다.The method of forming the steel structure of the present invention includes processing a conventional weld formed when two surfaces of hardened alloy iron are welded together. The initial weld is formed by applying a heat source, preferably in the form of a conventional welding device, to join adjacent surfaces at a temperature high enough to melt the alloy iron to form a weld. The weld is then cooled to below the martensite starting point M S of hardened alloy iron. The weld can be cooled to ambient temperature. Alternatively, the weld can be cooled to an intermediate temperature between the martensite starting point M S of the ferroalloy and the ambient temperature.

말텐사이트 시작점(MS) 이하의 온도로 시임 용접부를 냉각한 이후에, 시임 용접부는 후 용접 열처리 공정에서 템퍼링된다. 시임 용접부는 초 당 10 ℃ 또는 그 이상의 비율로 용접부의 경화 합금 철의 말텐사이트 시작점(MS) 온도 이상으로 급열된다. 그러나, 용접부는 용접부의 경화 합금 철의 하부 임계 온도(AC1) 이상으로 가열되지 않는다. 중요한 것은 용접부가 초 당 적어도 10 ℃의 비율로 급열된다는 점이며, 급열 비율은 초 당 200 ℃가 바람직하다. 용접 시임에 대한 가열은 국부적인 열원이 바람직하지만 다양한 열원을 사용하여 수행될 수 있다. 국부적 열원에는 프로판 또는 옥시아세틸렌 토오치, 저항, 전기 아크, 레이저, 전도, 복사, 대류 또는 고 주파수 유도 방법이 포함되나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에 설명된 국부적 열원은 용접부와 그 인접 영역에 열을 제공하지만, 전체 부품을 가열하지는 않는다.After cooling the seam weld to a temperature below the martensite starting point M S , the seam weld is tempered in a post weld heat treatment process. The seam weld is quenched above the martensite starting point (M S ) temperature of the hardened alloy iron of the weld at a rate of 10 ° C. or more per second. However, the weld is not heated above the lower critical temperature A C1 of the hardened alloy iron of the weld. What is important is that the welds are quenched at a rate of at least 10 ° C. per second, preferably 200 ° C. per second. Heating to the weld seam is preferably a local heat source but can be performed using a variety of heat sources. Local heat sources include, but are not limited to, propane or oxyacetylene torches, resistors, electric arcs, lasers, conduction, radiation, convection, or high frequency induction methods. The local heat source described in the present invention provides heat to the weld and its adjacent areas but does not heat the entire part.

일단 시임 용접부가 경화 합금철을 위한 말텐사이트 시작점 온도(MS) 이상, 그러나 하부 임계 온도(AC1) 이상으로 시임 용접부를 가열함으로써 템퍼링되면, 시임 용접부는 유지 온도에서 소크 타임(soak time) 없이 즉시 공냉된다. 공기 퀀칭이 수냉에 의해 제공되는 것과 같이 분당 15 ℃ 이상 내지 바람직하게 초당 200 ℃ 미만으로 수행된다.Once the seam weld is tempered by heating the seam weld above the martensite starting point temperature M S for hardened ferroalloy but above the lower critical temperature A C1 , the seam weld is free of soak time at the holding temperature. Air cooled immediately. Air quenching is performed at least 15 ° C. per minute to preferably less than 200 ° C. per second as provided by water cooling.

합금철과 공기 중에서 경화가능한 합금을 포함하는 폭넓은 경화 합금 철이 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있다. 본 발명의 후 용접 열처리를 위한 방법 및 강재 구조물을 형성하는 방법은 특히, 410, 420 및 440 형태의 경화 말텐사이트 스테인레스 강에 특히 적용될 수 있다. 상이한 합금이 상이한 하부 임계 온도, 말텐사이트 시작점(MS) 온도, 및 말텐사이트 끝점(MF) 온도를 가지며, 용접 특성이 용접 설계에 따라 변경될 수 있으므로, 템퍼링 비율, 템퍼링 최종 온도 및 냉각 비율도 변화할 것이다.A wide range of hardened alloyed irons including iron alloys and alloys curable in air can be used in embodiments of the present invention. The method for post weld heat treatment and the method of forming the steel structure of the present invention can be particularly applied to hardened maltensite stainless steel in the form of 410, 420 and 440. Different alloys have different lower critical temperatures, maltensite start point (M S ) temperature, and maltensite end point (M F ) temperature, and the welding properties can be changed according to the welding design, so the tempering rate, tempering final temperature and cooling rate Will also change.

본 발명의 강재 구조물을 형성하는 방법도 시임 용접된 파이프 및 배관 구조물을 형성하는데 뿐만 아니라 가스 또는 액체 탱크 주위에서와 같은 원주 용접을 형성하는데 특히 적용될 수 있다.The method of forming the steel structure of the present invention is also particularly applicable to forming seam welded pipe and piping structures as well as to forming circumferential welds, such as around gas or liquid tanks.

따라서, 본 발명의 목적은 경화 합금철의 용접된 강재 구조물을 형성하기 위한 개선된 방법을 제공하고자 하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for forming a welded steel structure of hardened ferroalloy.

본 발명의 다른 목적은 시입 용접된 조인트에 대한 기계적 특성을 개선하기 위해 초기 제조 중에 열처리가 수행되는 강재 구조물을 형성하는 개선된 방법을 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an improved method of forming a steel structure in which heat treatment is performed during initial fabrication to improve the mechanical properties for a seam welded joint.

본 발명의 또 다른 목적은 가공 처리 시간의 증가없이 용접 및 HAZ 연성을 증가시킬 후 용접 열처리를 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a weld heat treatment after increasing the welding and HAZ ductility without increasing the processing time.

본 발명의 또 다른 목적은 저렴하고 상당히 간단한 방식으로 강재 구조물을 형성하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method of forming a steel structure in an inexpensive and fairly simple manner.

본 발명의 이들 및 추가의 목적 및 장점들은 도면과 관련된 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 당업자들에게 명확해질 것이다.These and further objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description taken in conjunction with the drawings.

도 1은 용접 후에 공기 경화가능한 강의 열 영향 영역(HAZ)에서 관찰되는 4 개의 별도 미세조직 영역을 설명하는 차트이며,1 is a chart illustrating four separate microstructure zones observed in the heat affected zone (HAZ) of an air hardenable steel after welding,

도 2는 전 또는 후 열처리되지 않은 공기 경화가능한 말텐사이트 스테인레스 강의 통상적인 용접부위를 가로지르는 미세 경도에 대한 그래프이며,FIG. 2 is a graph of fine hardness across conventional welds of air hardenable maltensite stainless steel that has not been heat treated before or after;

도 3은 본 발명의 온도 프로파일과 비교된 종래의 템퍼링에 대한 후 용접 열처리 온도 프로파일의 그래프이며,3 is a graph of the post weld heat treatment temperature profile for conventional tempering compared to the temperature profile of the present invention,

도 4는 본 발명의 후 용접 열처리 공정을 설명하는 흐름도이며,4 is a flowchart illustrating a post-weld heat treatment process of the present invention,

도 5는 플랜지 시임 용접 이전에 예비 경화 셸(shell)로 구성되는 통상적인 5 is a typical configuration of pre-hardened shells prior to flange seam welding.

클램셸(clamshell) 탱크 조립체의 확대 사시도이며,An enlarged perspective view of a clamshell tank assembly,

도 6은 플랜지 시임 용접 이후의 예비 경화된 셸로 구성되는 통상적인 클램셸 탱크 조립체의 사시도이며,6 is a perspective view of a conventional clamshell tank assembly consisting of a pre-cured shell after flange seam welding,

도 7은 형성된 저항 가열 코일에 의한 국부적인 용접 시임 열처리를 나타내는 플랜지 시임 용접 후의 통상적인 클램셸 탱크 조립체의 사시도이며,7 is a perspective view of a conventional clamshell tank assembly after flange seam welding showing local weld seam heat treatment with a formed resistance heating coil;

도 8은 사용중인 형성된 저항 가열 코일에 의한 국부적인 용접 시임 열처리를 나타내는 플랜지 시임 용접 후의 통상적인 클램셸 탱크 조립체의 사시도이며,8 is a perspective view of a conventional clamshell tank assembly after flange seam welding showing local weld seam heat treatment by the formed resistance heating coil in use,

도 9는 클램핑 고정기구 내에 위치된 가열 코일(저항식 또는 유도식)에 의한 국부적인 용접 시일 열처리를 나타내는 플랜지 시임 용접 후의 통상적인 클램셸 탱크 조립체의 횡단면도이며,9 is a cross-sectional view of a typical clamshell tank assembly after flange seam welding showing local weld seal heat treatment by a heating coil (resistive or inductive) located within the clamping fixture;

도 10은 국부적인 용접 시임 열처리를 위해 셸을 통해 전류를 통과시킴으로써 국부적인 용접 시임 열처리를 나타내는 플랜지 시임 용접 후의 통상적인 클램셸 탱크 조립체의 횡단면도이며,10 is a cross-sectional view of a conventional clamshell tank assembly after flange seam welding showing local weld seam heat treatment by passing an electric current through a shell for local weld seam heat treatment;

도 11은 62번의 시도에 대한 평균 결과치를 갖는 본 발명에 따라 처리된 410 타입 시임 용접된 샘플의 DIN EN 895 길이방향 인장 시편에 대한 괴괴시의 최대 변형을 비교하는 막대 그래프이다.FIG. 11 is a bar graph comparing the maximum strain at break for DIN EN 895 longitudinal tensile specimens of a 410 type seam welded sample treated according to the invention with an average result of 62 trials.

이후, 도면에 도시한 바와 같은 다양한 형태로 본 발명의 실시예들을 설명하지만, 본 발명의 양호한 실시예들은 본 발명의 예로서 고려된 것이지 설명된 특정 실시예에 본 발명이 한정되는 것이 아니라고 이해해야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in various forms as shown in the drawings, but it should be understood that the preferred embodiments of the present invention are considered as examples of the present invention, and the present invention is not limited to the specific embodiments described. .

본 발명은 고강도 강 및 다른 경화가능한 합금으로 제조된 시임 용접 구조물 및 시임 용접부를 처리하는 방법을 포함한다. 본 발명은 시임 용접시 말텐사이트 용접부 및 HAZ 미세조직으로 변태하는 합금에 특히 적용가능하며, 그에 따라 이후의 설명은 그러한 강을 위주로 설명할 것이다. 본 발명의 공정은 용접 영역의 연성 및 인성의 개선과 취성의 감소 및 용접부의 수소 유도 저온 크랙에 대한 민감성을 감소시킨다. 본 발명은 기계적 변형 및 용접 영역, 용융 영역 및 HAZ의 변형을 개선하며, 어닐링 공정, 변태점 이하 어닐링(sub-critical annealing) 또는 응력 감소 공정과 같은 전체 구조물에 대한 추가의 후 용접 열처리에 대한 필요성을 제거한다. 본 발명의 국부적인 열처리는 베이스 금속의 재료 특성 및 미세조직의 변경 위험성을 제거함으로써, 본 발명이 예비 용접 열가공 처리된 합금뿐만 아니라 전체 부분에 대한 열처리가 수행되지 않은 합금에 적합해질 수 있게 한다.The present invention includes methods for treating seam weld structures and seam welds made from high strength steel and other hardenable alloys. The present invention is particularly applicable to alloys that transform into martensitic welds and HAZ microstructures in seam welding, and the following description will therefore focus on such steels. The process of the present invention improves the ductility and toughness of the weld zone and reduces brittleness and reduces the susceptibility to hydrogen induced low temperature cracks in the weld zone. The present invention improves mechanical deformation and deformation of weld zones, melt zones, and HAZ, and eliminates the need for additional post-weld heat treatment for the entire structure, such as annealing processes, sub-critical annealing or stress reduction processes. Remove The local heat treatment of the present invention eliminates the risk of altering the material properties and microstructure of the base metal, thereby allowing the invention to be suitable for alloys not subjected to pre-weld heat treatment as well as to heat treatment of the entire part. .

SAEJ412 명세서에 요약되어 있는 바와 같이, 강의 일반적인 특성과 열처리, 열처리에 대한 경화성 또는 반응성은 강을 선택하는데 있어서 가장 중요한 한가지 기준이다. 경화성은 변태 범위 위에서 퀀칭에 의해 유도되는 경도의 깊이와 분포를 결정하는 강의 특성이다. 경화란 용어는 합금 함량에 따른 임의의 최소 비율로의 냉각이 이어지는 적합한 오스테나이트화 온도로의 가열을 일반적으로 포함하는 적합한 열처에 의해 재료의 경도가 증가하는 것을 의미한다. 퀀칭이 완료되면, 최종 조직은 말텐사이트가 되며 이의 경도는 강의 탄소 함량에 의존한다.As summarized in the SAEJ412 specification, the general properties of steel and the heat treatment, curability or reactivity to heat treatment are one of the most important criteria in selecting steel. Curability is a property of steel that determines the depth and distribution of hardness induced by quenching over the transformation range. The term cure means that the hardness of the material is increased by a suitable heat source that generally includes heating to a suitable austenitization temperature followed by cooling to any minimum rate depending on the alloy content. When quenching is complete, the final structure becomes maltensite and its hardness depends on the carbon content of the steel.

이후에서 정의하는 바와 같이, "경화가능한 합금"은 열처리에 반응하는 강과 합금철의 경화 정도를 지칭한다. 또한, "경화가능한 합금"은 용융 중에 말텐사이트 미세조직을 형성하고 종래의 시임 용접 후에 HAZ을 형성하도록, 다른 합금 원소와 관련하여 충분한 탄소 함량을 가진다. 이후에 정의되는 바와 같이 "경화가능한 합금"은 AC3-상부 임계 온도, AC1-하부 임계 온도, MS-말텐사이트 시작 온도, 및 MF-말텐사이트 종료 온도를 포함하는, 합금의 특정 화학 조성에 따른 양호하게 정의된 변태 온도를 가진다. "경화가능한 합금"은 시임 용접과 관련한 합당한 퀀칭 냉각 비율이 공기 중의 퀀칭보다 크기 때문에 공기 중에서 경화가능한 것으로 판단되는 강과 합금을 포함한다. 본 발명에서 정의된 바와 같이, 용어 "경화가능한 합금"은 케이스 경화 공정을 통해 재료 표면으로 원소들을 용융시키는 것에 의한 열처리에만 반응하는 "저탄소 탄화 등급(caburizing grade)"으로 판단되는 강과 합금철은 포함되지 않는다.As defined hereinafter, "hardenable alloy" refers to the degree of hardening of steel and ferroalloy in response to heat treatment. The "hardenable alloy" also has a sufficient carbon content with respect to other alloying elements, to form maltensite microstructures during melting and to form HAZs after conventional seam welding. As defined hereinafter, a "curable alloy" refers to a specific chemistry of the alloy, including A C3 -upper threshold temperature, A C1 -lower threshold temperature, M S -maltensite start temperature, and M F -maltensite end temperature. It has a well defined transformation temperature depending on the composition. A "hardenable alloy" includes steels and alloys that are considered hardenable in air because the reasonable quenching cooling rate associated with seam welding is greater than that in air. As defined herein, the term "hardenable alloy" includes steel and ferroalloy, which are determined to be a "low carbon carbonizing grade" that only reacts to heat treatment by melting elements to the material surface through a case hardening process. It doesn't work.

본 발명이 적용될 수 있는 대표적인 경화가능한 합금에는,Representative curable alloys to which the present invention can be applied include,

SAE 1030,1034,1035,1037,1038,1039,1040,1042,1043,1044,1045,SAE 1030,1034,1035,1037,1038,1039,1040,1042,1043,1044,1045,

1046,1049,1050,1053,1536(1036),1541(1041),1547(1047),1547(1047),1046,1049,1050,1053,1536 (1036), 1541 (1041), 1547 (1047), 1547 (1047),

1548(1048),1551(1051),1552(1052)1548 (1048), 1551 (1051), 1552 (1052)

SEA 1055,1059,1060,1064,1065,1069,1070,1074,1075,1078,1080,SEA 1055,1059,1060,1064,1065,1069,1070,1074,1075,1078,1080,

1084,1085,1086,1090,1095,1561(1061),1566(1066),1572(1072)1084,1085,1086,1090,1095,1561 (1061), 1566 (1066), 1572 (1072)

SEA 1330,1335,1340SEA 1330,1335,1340

SEA 4037,4047,4130,4135,4137,4140,4142,4145,4150,4161,4340SEA 4037,4047,4130,4135,4137,4140,4142,4145,4150,4161,4340

SEA 5046,50B40,50B44,50B46,50B50,5060,50B60,SEA 5046,50B40,50B44,50B46,50B50,5060,50B60,

SAE 5130,5132,5135,5140,5145,5147,5150,5155,51B60SAE 5130,5132,5135,5140,5145,5147,5150,5155,51B60

SAE 6150SAE 6150

SAE 8630,8637,8640,8642,8645,8650,8655,8660,8740SAE 8630,8637,8640,8642,8645,8650,8655,8660,8740

SAE 81B45,86B45,94B30SAE 81B45,86B45,94B30

SAE 9254,9255,9260SAE 9254,9255,9260

SAE 50100,51100,52100SAE 50 100, 51 100, 52 100

SAE 51410,51414,51420,51431,51440A,51440B,51440C,51501SAE 51410,51414,51420,51431,51440A, 51440B, 51440C, 51501

22MnB522MnB5

30MnB530MnB5

DP600DP600

DP800DP800

DP1000DP1000

본 발명의 양호한 발명은 경화가능한 말텐사이트 강의 두 표면을 접합하기 위한 시임 용접을 수행하는 단계를 포함한다. 시임 용접은 용접부의 말텐사이트 시작 온도(MS) 이하로 냉각될 수 있다. 용접부의 온도는 말텐사이트 종료 온도 이 하 또는 심지어 주위 온도로 냉각될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 그 후에 완료된 시임 용접부는 용접 금속의 AC1(하부 임계 온도)(공석(eutectoid )온도), 또는 말텐사이트 시작(MS)온도보다 높은 하부 중간 온도로 급속 가열되며, 그 용접부가 공냉된다. 도 3에서 방법"A"로 설명되며 온도 대 시간 차트 상에 쇄선으로 도시되어 있는 제 1 실시예에서, 시임 용접부는 AC1 온도로 가열되나 AC1 온도(하부 임계 온도)를 초과하지 않는다. 이러한 실시예는 모든 말텐사이트가 최대 고온 템퍼링을 겪기 때문에 시임 용접부가 최대로 연화된다. 도 3에 방법 "B"로 설명되며 온도 대 시간 차트 상에 점선으로 도시되어 있는 제 2 실시예에서, 중간 온도로의 가열로 과도한 연화없이 그리고 용접부의 인장 강도를 과도하게 감소시킴이 없이 취성을 감소시킴으로써 시임 용접부의 인성을 개선하는 역할을 한다.A preferred invention of the present invention includes performing seam welding for joining two surfaces of hardenable maltensite steel. The seam weld may be cooled to below the martensite starting temperature M S of the weld. The temperature of the weld may or may not be cooled to below the martensite end temperature or even to ambient temperature. As shown in Figs. 3 and 4, the seam welds completed thereafter are brought to a lower intermediate temperature higher than the A C1 (bottom critical temperature) (eutectoid temperature), or maltensite starting (M S ) temperature of the weld metal. It is rapidly heated, and the weld is air cooled. In the first embodiment described by the method “A” in FIG. 3 and shown by the dashed line on the temperature versus time chart, the seam weld is A C1. Heated to temperature A C1 Does not exceed the temperature (lower threshold temperature). This embodiment provides the maximum softening of the seam welds because all maltensite undergoes maximum hot tempering. In the second embodiment, which is described as method “B” in FIG. 3 and shown in dashed lines on a temperature vs. time chart, brittleness is achieved by heating to an intermediate temperature without excessive softening and without excessively reducing the tensile strength of the weld. By reducing it serves to improve the toughness of the seam weld.

시임 용접부의 급속 가열은 10 ℃/초 보다 큰 비율로 수행된다. 바람직하게, 시임 용접부의 급속 가열은 약 200 ℃/초에서 훨씬더 급속하게 수행된다. 급속 가열 직후(유지 온도에서의 소크 타임없이)에는 공기 퀀칭이 수행된다. 급속 가열 이후의 공기 냉각의 즉각적인 전이는 제조 공정에 부수적으로 발생될 수 있기 때문에 수초 또는 심지어 수분의 전이 주기를 상당히 폭넓게 포함하는 것으로 추론될 수 있다는 의미이다. 그러나, 급속 가열을 공기 냉각으로 즉각적인 전이 주기는 탄화물 편석 및 재결정화와 같은 합금철의 결정 미세조직에 대한 상당한 변화를 허용하는 등온 소크 타임을 포함한다는 의미는 아니다. 바람직하게, 공기 냉각과 일치하는 퀀칭 비율은 15 ℃/분 보다 크지만 200 ℃/초 미만이다.Rapid heating of the seam weld is carried out at a rate greater than 10 ° C / sec. Preferably, the rapid heating of the seam weld is carried out much more rapidly at about 200 ° C./sec. Immediately after rapid heating (without soak time at holding temperature) air quenching is performed. The immediate transition of air cooling after rapid heating means that it can be inferred to cover quite broadly the transition cycle of seconds or even moisture because it can occur incidentally to the manufacturing process. However, the instantaneous transition cycle from rapid heating to air cooling does not mean that the isothermal soak time allows for a significant change in the crystal microstructure of ferroalloys such as carbide segregation and recrystallization. Preferably, the quench ratio consistent with air cooling is greater than 15 ° C./minute but less than 200 ° C./second.

시임 용접부는 가열원에 의해 전체적으로 가열되거나, 본 발명에서 (밀 상의 연속 시임 용접부에 대한 경우와 같이)개별적으로 가열될 수 있다. 프로판 또는 옥시아세틸렌 토오치, 저항, 전기 아크, 레이저, 전도, 복사, 대류 또는 고 주파수 유도 방법이 포함되나, 이에 한정되지 않는 어떤 다양한 국부적인 열원을 사용하여 시임 용접부에 열이 가해진다. "국부적인"이란 용어는 노나 오븐에 의해 제공되는 것과 같이 전체 부품을 가열하는 것이 아니고 부품의 국부적인 영역에 열을 제공하는 열원을 설명하는데 사용된 것이다. 시임 용접 파이프 및 배관의 제조에서와 같은 연속 공정의 경우에, 국부적인 시임 용접 영역을 선택적으로 가열하는 것은 보다 더 커다란 파이프에 대한 가장 효과적인 실시예가 될 것이다. 이와는 달리, 나선형 유도 코일 또는 다른 수단에서와 같이, 파이프의 전체 원주위를 환상으로 가열하는 것도 본 발명의 사상 내에 포함될 수 있다. 이러한 환상 가열은 작은 직경의 파이프 및 배관에서 훨씬 더 적합한 것으로 판단된다. 양호한 실시예인 도 5 및 도 6을 참조하면, 전체 시임 용접부는 경화가능한 합금의 연료 또는 액체 탱크에서와 같이 원주변 용접을 포함하는 다양한 구성으로 실시될 수 있는 동시에 가열된다.The seam welds may be heated entirely by a heating source, or may be heated separately (as is the case for continuous seam welds on a mill) in the present invention. Heat is applied to the seam weld using any of a variety of local heat sources, including but not limited to propane or oxyacetylene torches, resistance, electric arc, laser, conduction, radiation, convection, or high frequency induction methods. The term "local" is used to describe a heat source that provides heat to a localized area of the part rather than heating the entire part as provided by a furnace or oven. In the case of continuous processes such as in the production of seam welded pipes and tubing, selectively heating the local seam welded area would be the most effective embodiment for larger pipes. Alternatively, as in helical induction coils or other means, the annular heating of the entire circumference of the pipe may also be included within the spirit of the invention. Such annular heating is believed to be much more suitable for small diameter pipes and piping. 5 and 6, which are preferred embodiments, the entire seam weld can be simultaneously heated in various configurations, including peripheral welding, such as in fuel or liquid tanks of curable alloys.

용접 영역의 경도를 변경(즉, 용접 영역 미세조직에 존재하는 말텐사이트의 양을 감소 및/또는 템퍼링)하는 것 이외에도, 공정의 효과를 완화시키는 여러 개의 다른 HAZ 크랙킹 요인이 다음과 같이 포함될 수 있다.In addition to altering the hardness of the weld zone (ie, reducing and / or tempering the amount of maltensite present in the weld zone microstructure), several other HAZ cracking factors may be included that mitigate the effects of the process as follows. .

● 상기 공정에서 가열되는 동안의 수소 확산과 방출을 위한 추가 시간의 허용. 인장 응력이 가해지거나 잔류할 때 이렇게 유지된 수소는 말텐사이트 미세조직 내에서 수소 유발 저온 크랙의 원인이 된다.Allowing additional time for hydrogen diffusion and release during heating in the process. The hydrogen retained in this way when tensile stress is applied or remains causes hydrogen-induced low temperature cracking in the maltensite microstructure.

● 용접부의 길이를 따른 감소된 열 구배로 인해 용접부 내에 수축 변형 및 응력의 제거.• elimination of shrinkage deformation and stress in the weld due to a reduced thermal gradient along the length of the weld.

● 용융 영역과 HAZ 연성 및 인성의 증가.● Increased melt area and HAZ ductility and toughness.

● 형성된 용접부와 HAZ 내의 임의의 말텐사이트의 템퍼링.Tempering of the formed welds and any maltensite in the HAZ.

도 7 및 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 형성된 저항 가열 코일은 전체 탱크 주변부의 시임 용접을 국부적으로 열 처리하는데 사용될 수 있다. 가열 코일은 상부 측, 바닥 측, 또는 양측으로부터 가해지며 피크 온도에 도달할 때까지 시임 용접 표면으로부터 이격되게 위치되거나 직접 접촉에 의해 제 위치에 유지된다. 그 후 코일은 제거되며 시임 용접부는 실온으로 공기 냉각된다. 그러나 보호 분위기는 필요 없으며, 필요하다면 상기 공정은 비산화 분위기에서 수행될 수 있다.As shown in Figures 7 and 8, the formed resistance heating coil can be used to locally heat treat seam welds around the entire tank. The heating coil is applied from the top side, bottom side, or both sides and is positioned away from the seam welding surface or held in place by direct contact until the peak temperature is reached. The coil is then removed and the seam weld is air cooled to room temperature. However, no protective atmosphere is required, and if necessary the process can be carried out in a non-oxidizing atmosphere.

이와는 달리, 도 9 및 도 10을 참조하면 형성된 유도 코일 또는 화염 또는 다른 방법을 사용하여 열이 시임 용접부에 가해질 수 있다. 가열 코일은 처리 공정 중에 시임 용접부가 구부러지는 것을 방지하는 프레스 다이-구조물(도 9) 내에 캡슐화될 수 있다. 도 10에 도시된 가열 공정의 다른 실시예에서, 전류는 하나의 부품을 통해 다른 부품으로 통과하여 시임 용접부를 적절한 온도로 저항 가열한다.Alternatively, heat may be applied to the seam weld using an induction coil or flame or other method formed with reference to FIGS. 9 and 10. The heating coil may be encapsulated in a press die-structure (FIG. 9) that prevents seam welds from bending during the processing process. In another embodiment of the heating process shown in FIG. 10, a current passes through one part to another to resistively heat the seam weld to an appropriate temperature.

예비 경화된 경화가능한 합금의 시임 용접을 필요로 하는 통상적인 자동차용 구조재로서는 섀시 부품, A, B 및 C 파일러(pillar), 루프 레일, 루프 보우(bow), 임팩트 비임 및 범퍼가 포함된다. 최종 차체 조립체의 크기와 범주는 어떤 충분한 구조재의 후 용접 응력 감소처리를 방해한다. 본 발명의 후 용접 열처리 공정은 이들 및 이와 유사한 형태의 적용 분야에서 용접 조인트의 성능을 개선하는데 이상적으로 적합하다.Typical automotive structural materials that require seam welding of prehardened curable alloys include chassis components, A, B and C pillars, roof rails, roof bows, impact beams and bumpers. The size and range of the final body assembly hinders post weld stress reduction of any sufficient structural material. The post weld heat treatment process of the present invention is ideally suited for improving the performance of weld joints in these and similar types of applications.

실제로, 공기 경화가능한 말텐사이트 스테인레스 강에 대한 초기 실험 결과는 애스-용접된 시편과 비교했을 때 전술한 제 1 및 제 2 실시예에 따라 처리된 시임 용접부의 연성과 인성에서 상당한 개선이 이루어졌음을 알 수 있다. 예를 들어, 0.5 mm, 1.0 mm, 및 2.0 mm 두께의 410 스테인레스 강(UNS41000, SAE51410) 타입을 사용하여 시임 용접부 스트립에 대해 본 발명에 따른 실험이 수행되었다. 선형 시임 용접 테스트 고정기구가 맞대기 GTAW 용접에서의 길이 60 인치의 테스트 스트립으로 설계되었으며, 그로부터의 실험 쿠폰이 중앙의 일정한 상태의 용접 부위에서 취해졌다. 한 측면의 선형 유도 코일이 본 발명에 따라 GTAW 토오크 본체의 하류에 설치되었다. 비접촉식 3.9 ㎛ 파장의 적외선 고온계(pyrometer)를 사용하여 직접적인온도 측정이 수행되었다.Indeed, initial experimental results on air hardenable maltensitic stainless steel have shown significant improvements in ductility and toughness of seam welds treated according to the first and second embodiments described above when compared to as-welded specimens. Able to know. For example, experiments according to the invention were performed on seam weld strips using 410 stainless steel (UNS41000, SAE51410) types of 0.5 mm, 1.0 mm, and 2.0 mm thickness. Linear seam welding test fixtures were designed with test strips of 60 inches in length in butt GTAW welding, and experimental coupons therefrom were taken at the center constant welding site. A linear induction coil on one side was installed downstream of the GTAW torque body in accordance with the present invention. Direct temperature measurements were performed using an infrared pyrometer with a non-contact 3.9 μm wavelength.

시임 용접부는 410 스테인레스 강 타입에 대해 각각, 대략 330 ℃, 및 230 ℃인 말텐사이트 시작 온도(MS) 이하 뿐만 아니라 말텐사이트 종료 온도(Mf) 이하인 대략 180 ℃로 냉각될 수 있게 허용되었다. 그후 완료된 시임 용접부는 대략 675 ℃인 하부 임계 온도(AC1) 바로 아래인 대략 650 ℃로 급열되었으며, 곧바로 공기 냉각되었다. 시임 용접(길이방향 인장) 방향으로의 최대 연신율로 그려진 도 11에 도시한 바와 같이, 동일한 용접 시편은 본 발명의 공정에 따른 템퍼링에 의해 용접 및 HAZ 연성에서 상당한 개선을 나타냈다. 가장 큰 이득은 보다 더 두꺼운 테스트 스트립에서 알 수 있는데, 그 이유는 본 발명의 열처리 공정을 경감시키는, 보다 더 두꺼운 게이지가 더 큰 정도의 시임 용접 조인트 억제를 부과하며, 그에 따라 보다 큰 잔류 응력을 부과하기 때문이다. 상이한 합금이 처리되는 경우에, 용접부에 대한 (AC1)(하부 임계 온도(공석 온도)) 또는 하부 중간 온도로의 열의 적용에 의해 용접 영역에 대한 상이한 기계적 특성을 제공하며 그에 따라 사용될 재료와 소정의 기계적 특성에 따라 재료를 선택할 수 있다.The seam welds were allowed to cool to 180 stainless steel types at or below Maltensite Start Temperature (M S ), which is approximately 330 ° C. and 230 ° C., as well as to approximately 180 ° C., which is below Maltensite End Temperature (M f ). The completed seam weld was then quenched to approximately 650 ° C., just below the lower critical temperature A C1 , which was approximately 675 ° C., and was immediately air cooled. As shown in FIG. 11, drawn at the maximum elongation in the seam welding (longitudinal tensile) direction, the same welded specimen showed significant improvement in welding and HAZ ductility by tempering according to the process of the present invention. The greatest benefit can be seen in thicker test strips, because thicker gauges, which alleviate the heat treatment process of the present invention, impose a greater degree of seam weld joint suppression, thereby creating a greater residual stress. Because it imposes. When different alloys are treated, the application of (A C1 ) (lower critical temperature (vacancy temperature)) or heat to the lower intermediate temperature to the weld provides different mechanical properties for the welded area and thus the material to be used and the desired Depending on the mechanical properties of the material can be selected.

본 발명은 레이저 용접, 저항 시임 용접, 및 아아크 용접과 같은 모든 용접 공정에 이상적으로 적합하다. 본 발명은 또한 용융 영역 및 HAZ의 취성 감소를 위해 자생적인 시임 용접 이외에도 경화가능한 용접 필러 합금을 사용하여 시임 용접부를 처리하는데도 이상적이다. 상부 임계 온도, 이하의 온도에서 페라이트 및 탄화물이 안정한 AC1-하부 임계 온도(공석 온도), 및 MS-말텐사이트 시작 온도의 선택은 용접 및 베이스 합금의 화학 조성에 의존한다. 자연 냉각 비율은 재료 두께, 조인트 형상, 합금 형태 및 주위 조건에 의존한다.The present invention is ideally suited for all welding processes such as laser welding, resistance seam welding, and arc welding. The present invention is also ideal for treating seam welds using hardenable weld filler alloys in addition to native seam welds to reduce the brittleness of the melt zone and HAZ. The choice of A C1 -bottom critical temperature (vacancy temperature) and M S -maltensite starting temperature at which the ferrite and carbide are stable at the upper threshold temperature, below, depends on the chemical composition of the welding and base alloy. The natural cooling rate depends on the material thickness, joint shape, alloy form and ambient conditions.

본 발명의 특정 형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있음은 분명하다. 그러므로, 본 발명은 다음의 청구의 범위에 의한 것 이외에 더 한정하려는 의도가 아니라고 이해해 야 한다. 본 기술 분야의 당업자가 본 발명을 이해할 수 있도록 본 발명을 설명하였으므로, 본 발명은 본 발명과 실시예들과 동일시 될 수 있도록 개조 및 실시될 수 있다고 이해해야 한다.While certain forms of the invention have been shown and described, it will be apparent that various changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, it is to be understood that the invention is not intended to be further limited except as by the following claims. Since the present invention has been described to enable those skilled in the art to understand the present invention, it is to be understood that the present invention can be modified and practiced to identify the present invention and embodiments.

Claims (13)

강 구조물의 형성 방법으로서,As a method of forming a steel structure, 경화 합금 철의 제 1 표면을 제공하는 단계와,Providing a first surface of hardened alloy iron, 경화 합금 철의 제 2 표면을 제공하는 단계와,Providing a second surface of hardened alloy iron, 상기 제 1 표면을 상기 제 2 표면에 인접하게 위치시키는 단계와,Positioning the first surface adjacent to the second surface; 시임 용접부를 형성하도록 상기 제 1 표면 및 제 2 표면의 융점 이상인 상기 제 1 표면 및 제 2 표면에 대한 충분한 고온에서 상기 제 1 표면 및 제 2 표면에 제 1 열원을 가함으로써 상기 제 1 표면 및 제 2 표면을 시임 용접하는 단계와,The first and second surfaces by applying a first heat source to the first and second surfaces at a high temperature sufficient for the first and second surfaces to be above the melting point of the first and second surfaces to form a seam weld; 2 seam welding the surface, 상기 경화 합금 철에 대한 말텐사이트 시작 온도 이하로 상기 시임 용접부를 냉각하는 단계와,Cooling the seam weld to below the maltensite starting temperature for the hardened alloy iron, 상기 경화 합금 철에 대한 말텐사이트 시작 온도 이하로 상기 시임 용접부를 냉각하는 단계에 계속해서 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계로서, 초당 10 ℃ 또는 그 초과의 비율로 상기 말텐사이트 시작 온도 이상으로 그러나 상기 경화 합금 철에 대한 하부 임계 온도 미만으로 상기 시임 용접부를 가열하는 단계를 포함하는, 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계, 및Tempering the seam weld, subsequent to cooling the seam weld to below the martensite start temperature for the hardened alloy iron, above the martensite start temperature but at a rate of 10 ° C. or more per second Tempering the seam weld, comprising heating the seam weld below a lower critical temperature for alloy iron, and 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계 이후에 분당 15 ℃ 또는 그보다 큰 비율로 상기 시임 용접부를 공냉하는 단계를 포함하는,Air cooling the seam weld at a rate of 15 ° C. per minute or greater after tempering the seam weld; 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계는 초당 10 ℃ 내지 초당 200 ℃ 범위의 비율로 수행되며 상기 시임 용접부를 공냉하는 단계는 분당 15 ℃ 내지 초당 200 ℃ 범위의 비율로 수행되는,Tempering the seam weld is performed at a rate ranging from 10 ° C. per second to 200 ° C. per second and air cooling the seam weld is performed at a rate ranging from 15 ° C. per minute to 200 ° C. per second, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계는 상기 시임 용접부를 가열하기 위해 국부적인 열원을 사용하는 단계를 포함하는,Tempering the seam weld includes using a local heat source to heat the seam weld; 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계는 초당 10 ℃ 내지 초당 200 ℃ 범위의 비율로 수행되며 상기 시임 용접부를 공냉하는 단계는 분당 15 ℃ 내지 초당 200 ℃ 범위의 비율로 수행되는,Tempering the seam weld is performed at a rate ranging from 10 ° C. per second to 200 ° C. per second and air cooling the seam weld is performed at a rate ranging from 15 ° C. per minute to 200 ° C. per second, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 경화 합금 철은 0.08 중량% 또는 그 보다 많은 탄소 함량을 갖는 공기 중에서 경화가능한 말텐사이트 스테인레스 강인,The hardened alloy iron is a maltensitic stainless steel curable in air with a carbon content of 0.08% by weight or more, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 경화 합금 철 각각은 410, 420 또는 440 타입의 말텐사이트 스테인레스 강인,Each of the hardened alloy iron is a maltensite stainless steel of the type 410, 420 or 440, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 강 구조물을 소정의 형상으로 롤러 성형하는 단계를 더 포함하며, Roller shaping the steel structure into a predetermined shape; 상기 롤러 성형 단계는 상기 제 1 및 제 2 표면을 함께 용접하고 상기 용접부를 템퍼링하는 단계 이후에 발생하는,The roller forming step occurs after welding the first and second surfaces together and tempering the weld, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 강 구조물은 튜브이며 상기 제 1 표면은 합금 철의 롤 성형 스트립의 제 1 에지를 형성하며 상기 제 2 표면은 합금 철의 롤 성형 스트립의 제 2 에지를 형성하는,Said steel structure is a tube and said first surface forms a first edge of a roll forming strip of alloy iron and said second surface forms a second edge of a roll forming strip of alloy iron; 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 강 구조물의 형성 방법으로서,As a method of forming a steel structure, 경화 합금 철의 제 1 표면을 제공하는 단계와,Providing a first surface of hardened alloy iron, 경화 합금 철의 제 2 표면을 제공하는 단계와,Providing a second surface of hardened alloy iron, 상기 제 1 표면을 상기 제 2 표면에 인접하게 위치시키는 단계와,Positioning the first surface adjacent to the second surface; 시임 용접부를 형성하도록 상기 제 1 표면 및 제 2 표면의 융점 이상인 상기 제 1 표면 및 제 2 표면에 대한 충분한 고온에서 상기 제 1 표면 및 제 2 표면에 제 1 열원을 가함으로써 상기 제 1 표면 및 제 2 표면을 시임 용접하는 단계와,The first and second surfaces by applying a first heat source to the first and second surfaces at a high temperature sufficient for the first and second surfaces to be above the melting point of the first and second surfaces to form a seam weld; 2 seam welding the surface, 상기 경화 합금 철에 대한 말텐사이트 시작 온도 이하로 상기 시임 용접부를 냉각하는 단계와,Cooling the seam weld to below the maltensite starting temperature for the hardened alloy iron, 상기 경화 합금 철에 대한 말텐사이트 시작 온도 이하로 상기 시임 용접부를 냉각하는 단계에 계속해서 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계로서, 초당 10 ℃ 내지 초당 200 ℃ 범위의 비율로 국부적인 열원에 의해 상기 말텐사이트 시작 온도 이상으로 그러나 상기 경화 합금 철에 대한 하부 임계 온도 미만으로 상기 시임 용 접부를 가열하는 단계를 포함하는, 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계, 및Tempering the seam weld portion subsequent to cooling the seam weld portion to below the martensite starting temperature for the hardened alloy iron, the maltensite by local heat source at a rate ranging from 10 ° C. per second to 200 ° C. per second. Tempering the seam weld, comprising heating the seam weld above a start temperature but below a lower critical temperature for the hardened alloy iron, and 상기 시임 용접부를 템퍼링하는 단계 이후에 분당 15 ℃ 내지 초당 200 ℃의 비율로 상기 시임 용접부를 즉시 공냉하는 단계를 포함하는,Immediately air cooling the seam weld at a rate of 15 ° C. per minute to 200 ° C. per second after tempering the seam weld; 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 경화 합금 철은 0.08 중량% 또는 그 보다 많은 탄소 함량을 갖는 공기 중에서 경화가능한 말텐사이트 스테인레스 강인,The hardened alloy iron is a maltensitic stainless steel curable in air with a carbon content of 0.08% by weight or more, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 경화 합금 철 각각은 410, 420 또는 440 타입의 말텐사이트 스테인레스 강인,Each of the hardened alloy iron is a maltensite stainless steel of the type 410, 420 or 440, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 강 구조물을 소정의 형상으로 롤러 성형하는 단계를 더 포함하며, Roller shaping the steel structure into a predetermined shape; 상기 롤러 성형 단계는 상기 제 1 및 제 2 표면을 함께 용접하고 상기 용접부를 템퍼링하는 단계 이후에 발생하는,The roller forming step occurs after welding the first and second surfaces together and tempering the weld, 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 강 구조물은 튜브이며 상기 제 1 표면은 합금 철의 롤 성형 스트립의 제 1 에지를 형성하며 상기 제 2 표면은 합금 철의 롤 성형 스트립의 제 2 에지를 형성하는,Said steel structure is a tube and said first surface forms a first edge of a roll forming strip of alloy iron and said second surface forms a second edge of a roll forming strip of alloy iron; 강 구조물의 형성 방법.Method of forming steel structures.
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