KR20130070751A

KR20130070751A - 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20130070751A
Application number: KR1020110137916A
Authority: KR
Inventors: 우인수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-28
Also published as: KR101359249B1

Abstract

모재 및 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강이고, 상기 용접부의 비드폭이 1.25~1.65mm 이며, 상기 용접부의 상부비드 돌출량이 0~0.035mm인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관 및 그의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 가공성, 내구성 및 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 플라즈마 용접 강관을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 용접결함이 없이 고속으로 조관용접이 가능하기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관 및 그의 제조방법{PLASMA ARC WELDED STEEL PIPE HAVING EXCELLENT FORMABILITY AND ANTI-FATIGUE PROPERTY IN WELDED ZONE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

최근 가전 및 자동차 산업분야에 있어서 중·고 Cr계 페라이트 스테인리스강관의 채용이 크게 증가하고 있다. 일례로서 가전용 드럼 건조기의 경우 내식성 및 내구성 향상을 목적으로 15%Cr이상의 페라이트계 스테인리스강이 채용되고 있으며, 자동차 배기계용 부품재 또한 11~19%Cr이 함유된 강재를 적용하고 있다.

가전 드럼 건조기의 경우 주로 0.5~0.7mm 두께의 소재를 절단하고, 롤 벤딩 후 맞대기 이음부에 대하여 TIG 또는 플라즈마 용접을 실시한다. 용접강관은 후공정으로서 성형과 부품조립 등에 이용되는데 용접부가 소재와 같이 가공이 되기 때문에 용접부의 성형성 확보가 중요하다고 말할 수 있다. 또한 드럼 건조기는 장기간 사용에 따른 용접부 내구성 특히 내피로 특성이 요구된다.

용접강관은 크게 연속적으로 생산하는 롤 포밍방식과 비연속으로 생산되는 롤 벤딩방식으로 나뉠 수 있다. 롤 포밍방식은 주로 소구경, 롤 벤딩방식은 중구경 이상의 용접강관을 생산할 때 각각 적용된다. 이때 적용되는 용접은 고주파용접, 레이저용접, TIG 및 플라즈마용접이 있지만, 생산성 및 초기 투자비등을 고려하여 연속조관의 롤 포밍방식에는 고주파용접과 레이저용접이, 비연속조관의 롤 벤딩방식에는 TIG 및 플라즈마용접이 각각 적용되고 있다.

TIG용접은 플라즈마 용접대비 아크효율이 저하되어 고도의 용접부 품질이 요구되는 중·고 Cr 페라이트계 스테인리스강의 적용이 제한적이다. 플라즈마용접은 텅스텐전극과 소재간에 발생된 아크를 미세한 노즐을 통하여 집속하여 아크의 효율성을 극대화한 용접법인데, 박물재 적용에 있어서는 용락 등의 용접결함이 자주 발생하여 적용에 극히 제한적이라는 문제가 있다.

또한, 15%Cr이상의 페라이트계 스테인리스강의 경우는 용접부가 경화되어 동절기에 가공균열이 발생한다. 본 발명자는 선행연구를 통해 확인한 결과, 아크용접부를 기준하여 보면 11%Cr계의 409L 용접부 경도는 약 150Hv, 15%Cr계의 429EM는170Hv, 16%Cr계의 430M2는 180Hv, 19%Cr계의 430J1L은 190Hv로서 Cr과 함께 강재내에 함유된 합금량이 증가함에 따라 용접부의 경도가 증가하는 것을 알 수 있다. Cr은 대기중의 질소 및 산소와 친화력이 높아 동일 용접조건하에서도 Cr함량이 증가된 소재의 용접부에서는 질소 및 산소 혼입량이 많아 취화현상을 더욱 현저하게 조장하는 문제점이 있다.

즉, 15%Cr이상의 중·고 Cr의 페라이트계 스테인리스강의 용접시에는 대기중의 산소 또는 질소의 혼입을 극한으로 제어할 필요가 있으며, 특히 입열량이 상대적으로 많은 플라즈마, 아크용접의 경우 통상의 시공방법으로는 취화에 따른 용접부의 가공균열을 제어할 수 없다는 사실을 알 수 있다.

플라즈마 조관용접과 중·고 Cr계 페라이트 스테인리스강의 용접특성을 확보하기 위한 대표적인 공지기술로는 일본 공개특허공보 특개평2000-117449호가 있는데, 상기 특허에는 소구경 용접강관의 고속 플라즈마 용접조관방법으로서, 플라즈마 실드가스를 불활성가스를 주체로 하고, 산소 1~5%, 질소 2~15%를 혼합하여 조관속도를 3m/min이상 확보하는 방법이 개시되어 있다. 다른 기술로는, 일본 공개특허공보 특개평2000-237875호가 있는데, 상기 기술에는 소구경 용접강관의 고속 플라즈마 용접조관방법으로서, 플라즈마 실드가스를 불활성가스를 주체로 하고, 공기를 5~40% 혼합하여 조관속도를 3m/min이상 확보하고, 언더컷, 험핑비드 등 용접결함을 방지하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술들은 고속 플라즈마 조관용접을 실현하기 위하여 산소, 질소, 또는 공기를 실드가스에 혼합하여 적용하는 기술이지만, 페라이트 스테인리스강의 경우 용접부에 산소 또는 질소가 혼입되면 취화현상이 발생되어 용접부 가공시에 균열이 발생되며 특히 중·고 Cr계 페라이트 스테인리스강의 경우 그 현상이 더욱 현저하기 때문에 적용하기 곤란한 실정이다. 또한 실드가스에 산소 또는 질소를 사용하는 경우 용접부가 쉽게 산화되어 외관품질이 엄격이 요구되는 가전용 용접강관에는 적절하지 않다는 문제가 있다.

또한, 일본 공개특허공보 특개평2000-117448호에는 소구경 용접강관의 플라즈마 용접조관방법으로서, 플라즈마 토치를 음극, 피용접관을 양극으로 하고, 어스를 플라즈마 토치의 하류측에서 피용접강관에 직접 접속하는 것으로 하여 플라즈마 아크방향의 편차를 저감하는 방법이 개시되어 있는데, 이는 용접와이어 등 소구경 용접강관을 용접결함 없이 연속적으로 고속생산하기 위하여 아크의 극성 및 어스의 위치를 제어하여 아크의 편향을 개선하는 기술이지만, 비연속적인 롤벤딩방식의 조관용접에는 조관특성상 어스를 조관재에 설치하기 곤란하다는 단점이 있다.

또한, 일본 공개특허공보 특개평05-023846호에는 박물 용접강관 조관방법으로서, 용접토치 후방에 가압롤러를 부착하여 용접후에 가압을 통하여 열변형을 방지함으로서 용접부의 피로특성을 개선하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 박물재 조관용접시 토치 후방에 롤러를 적용하여 용접과 동시에 용접부에 가압하여 열변형을 방지하고 용접부의 내구성을 향상하는 기술이지만, 박물재의 경우 용접심부를 고정하는 클램프가 극단적으로 용접심부에 근접하여 있기 때문에 토치 후방에 롤러를 이용하는 것은 현실적으로 곤란하다는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면은 중·고Cr 페라이트계 스테인리스 용접강관으로서 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 측면은 용접입열량, 파이롯 가스 또는 실드가스의 종류 및 유량을 적절히 제어하여 용접함으로써, 중·고Cr 페라이트계 스테인리스 용접강관으로서 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 모재 및 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강이고, 상기 용접부의 비드폭이 1.25~1.65mm 이며, 상기 용접부의 상부비드 돌출량이 0~0.035mm인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관을 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, 용접토치 내에 제공된 전극에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 파이롯 가스 및 실드 가스를 공급하면서 모재를 강관으로 용접하는, 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관을 제조하는 방법으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강을 사용하고, 상기 용접시의 용접입열량은 0.032~0.048 V·A·s/mm²인 것을 특징으로 하는, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 가공성, 내구성 및 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 플라즈마 용접 강관을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 용접결함이 없이 고속으로 조관용접이 가능하기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 중·고 Cr의 페라이트계 스테인리스 용접강관의 가공성 및 내구성을 개선하기 위하여 용접 입열량과 파이롯 가스 및 실드 가스의 유량을 최적화함으로써 용접결함을 방지하고, 용접부의 가공성 및 내구성을 동시에 확보하고자 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 측면은 모재 및 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강이고, 상기 용접부의 비드폭이 1.25~1.65mm이며, 상기 용접부의 상부비드 돌출량이 0~0.035mm인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관을 제공한다.

본 발명의 용접 강관은 모재와 용접부를 포함한다.

본 발명의 용접 강관의 모재는 페라이트계 스테인리스강으로서, 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어진다.

상기 성분들을 한정한 이유는 다음과 같다.

C, N

C, N은 모재 및 용접부의 가공성을 저하시키는 원소이므로, 가능한 극소량으로 하는 것이 바람직하나, 제강기술상의 제조 가격의 상승을 고려해서 C: 0.015%이하, N: 0.015%이하로 한다.

Si , Mn , Al , P, S

이러한 원소는 불가변적으로 강 중에 존재하지만, 다량으로 존재하면 가공성을 저하시키고, 스테인리스강의 특징인 내식성을 저하시키기 때문에 Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Al: 0.15%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하로 하는 것이 타당하다.

Cr

Cr은 15%미만에서는 내식성 및 내피로성이 부족하기 때문에 Cr량은 15%이상으로 한다. 또한 Cr량이 높으면 용접부의 인성이 악화되는 경우가 있기 때문에 Cr은 20%이하로 한다.

O

O는 모재 및 용접부의 가공성을 저하시키는 원소이므로, 가능한 극소량으로 하는 것이 바람직하나, 제강기술상의 제조 가격의 상승을 고려해서 O: 0.01%이하로 한다.

Ti , Nb

가공성을 향상시키는 원소로서 필요에 의해서 첨가한다. Nb: 0.01%이상 첨가시키는 것에 의해 효과가 나타난다. 그러나 Nb:0.5% 초과하여 첨가하는 경우에는 고용 Nb 량의 증가에 의해서 가공성이 악화되는 문제점이 있다. Nb와 같은 안정화원소인 Ti의 경우에도 0.01~0.5%범위에서 첨가하면 용접부의 가공성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기의 성분 이외에도 선택적으로 Ni: 2.0%이하, Mo: 2.0%이하, Cu: 2.0%이하, 및 Ca: 0.002%이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 함유할 수 있다.

Ni , Mo , Cu

내식성을 향상시키는 원소이며, 내식성이 중요한 용도에서는 Mo, Ni, Cu 가운데 1종 또는 2종이상을 조합해서 효과가 나타난다. 그러나 다량으로 첨가하면 가공성이 악화되어 제조가격을 상승시키기 때문에 2.0%이하로 하여야 한다.

Ca

Ca은 용접성을 향상시키는 목적으로 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나 0.002%이상 첨가되는 경우에는 산화개재물의 크기가 증가하여 내식성에 악영향을 미치기 때문에 상한은 0.002%로 한다.

본 발명이 대상으로 하는 페라이트계 스테인리스강은 중·고Cr을 함유하는 것으로서, 용접강관을 성형하는 경우 취화된 용접부에 의해 가공균열이 발생하며, 소재에 비해 피로특성이 저하되는 특성이 있으며, 레이저 용접과 같은 고효율 용접법에 비하여 상대적으로 많은 입열량이 요구되는 TIG, 플라즈마등의 아크용접을 적용함에 있어서는 용접부의 품질저하가 더욱 현저하게 나타나는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 본 발명을 적용하여 해결하고자 한다.

본 발명에서 제안하는 플라즈마 아크용접 강관은 용접부 폭을 1.25~1.65mm로 확보하여야 한다. 용접부의 폭이 소정의 범위 이하로 되는 경우에는 소재의 절단면에 존재하는 불균일한 면이 잔존하게 되어 소정의 가공성을 확보할 수 없으며, 설정 범위 이상으로 되는 경우에는 용접부가 연화되어 용접부 강도 및 피로강도 저하에 영향을 미친다.

또한, 상부비드 돌출량은 소재표면으로부터 상부비드가 외부로 돌출된 양을 의미하여 본 발명에서는 0~0.035mm으로 확보하는 것이 필요하다. 0mm미만으로 될 경우에는 용접비드가 소재보다 아래로 함몰된 형태가 되어 소정의 용접부 강도를 확보할 수 없으며, 0.035mm를 초과하는 경우에는 용접부 가공시에 금형과 마찰로 조업에 악영향을 미치며 또한 돌출부와 소재 사이에 응력이 집중됨에 따라 용접부의 내피로특성을 저하시키는 요인이 된다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 모재와 용접부의 에릭슨 스트로크 비율(용접부/모재)은 0.9 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

에릭슨 스트로크(Erichsen Stroke)란 성형성을 나타내는 지표중의 하나로서 시험재를 하부에서부터 펀치를 통해 상부로 밀어 올리면서 균열이 발생될 때까지의 이동거리를 의미한다. 즉, 그 값이 높을수록 성형이 우수하다고 말할 수 있다.

튜브 가공시 성형 예측 시험으로서 높은 값이 나올수록 좋지만, 용접부/모재의 비율이 통상 0.9 이상의 값이 적당하다. 상기의 값이 1에 근접할수록 용접부가 아닌 소재부에서 끊어진다는 것을 의미하므로 용접부가 강하다는 것을 의미한다. 에릭슨 스트로크 비의 값은 높을수록 용접부의 성능이 우수하기 때문에 상한 설정은 무의미하다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 모재와 용접부의 피로강도 비율(용접부/모재)은 0.8 이상 1.0 이하인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

용접부의 피로강도 비율이란 모재 및 용접부 시험재에 대하여 10,000,000 사이클(cycle) 시험 후 얻어진 피로강도값을 용접부/모재로 계산한 값을 나타내며, 그 값이 증가할수록 용접부의 피로특성이 향상되는 것을 의미한다.

장기간의 외부 압력에 얼마나 견딜 수 있는지에 관한 예측 시험으로서 높은 값이 나올수록 좋지만, 용접부/모재의 비율이 통상 0.8 이상 1.0 이하의 값이 적당하다. 상기의 값이 1에 근접할수록 용접부가 아닌 소재부에서 끊어진다는 것을 의미하므로 용접부가 강하다는 것을 의미한다. 다만, 파단위치가 용접금속인 경우에는 상부비드 돌출량이 내구성 및 피로특성 판단시 함께 고려대상이 될 수 있으나, 파단위치가 용접열영향부(HAZ)인 경우에는 상부비드 돌출량은 내구성 및 피로특성 판단시 고려할 필요가 없다.

본 발명의 다른 측면은, 용접토치 내에 제공된 전극에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 파이롯 가스 및 실드 가스를 공급하면서 모재를 강관으로 용접하는, 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관을 제조하는 방법으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강을 사용하고, 상기 용접시의 용접입열량은 0.032~0.048 V·A·s/mm²인 것을 특징으로 하는, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 모재는 상기의 성분 이외에도 선택적으로 Ni: 2.0%이하, Mo: 2.0%이하, Cu: 2.0%이하, 및 Ca: 0.002%이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 함유할 수 있다.

박물재의 플라즈마 용접은 고밀도의 아크가 집속된 상태에서 용접이 이루어지기 때문에 용락 등의 용접결함이 발생하기 쉽다. 본 발명에서는 용접입열량과 관련된 공정변수인 용접전류, 용접속도와 함께 파이롯 가스의 유량을 최적화함으로써 건전한 용접이음부를 형성할 수 있다는 것을 확인하였다.

본 발명에 있어서 용접입열열량의 단위는 V·A·s/mm²이며 V는 아크전압, A 용접전류, 단위시간 min, 단위길이 mm, 강재두께 mm로 정의한다. 적정 용접입열량은 0.032~0.048 V·A·s/mm²으로 적용하는 것이 바람직하다. 적정 범위 이하의 경우 입열량 부족으로 관통용접 확보가 곤란하며, 용접부 일부가 함몰되는 언더컷이 발생하기 쉬워 소정의 강도를 확보할 수 없다. 적정 범위 이상의 경우 과다 입열량 공급으로 인해 용접부가 하부로 처지면서 언더필이 발생하기 쉽고, 심한 경우에는 용접부에 홀이 발생되는 용락현상이 일어난다. 적정한 입열량을 공급하면 상부비드의 돌출량 및 용접비드의 폭을 적정하게 확보할 수 있어 양호한 품질특성을 얻을 수 있다.

파이롯 가스는 플라즈마를 안정적으로 확보할 수 있게 하며 키홀용접을 가능하게 하여 용입특성을 개선할 수 있다. 그러나 박물재의 경우 과도한 키홀용접은 용락 등의 용접불량을 초래한다. 본 발명에서는 파이롯 가스로서 아르곤의 유량을 검토한 결과, 0.4~0.5 L/min이 적정 범위인 것을 확인하였다. 유량을 적정범위 이하로 공급한 경우에는 플라즈마가 불안정하여 안정적인 플라즈마 용접이 곤란하여 용입특성도 저하되는 것을 알았다. 또한 적정 범위 이상으로 공급한 경우에는 아크에 고밀도 열원이 과도하게 공급되어 용접비드가 끊어지며 정상적인 용접시공이 곤란하였다.

실드가스는 통상적으로 외부공기로부터 아크를 보호하고 소재 용접부의 산화를 억제하게 하는 역할을 한다. 본 발명에서는 실드가스로서 아르곤의 유량을 검토한 결과, 10~13 L/min 이 적정 범위인 것을 확인하였다. 적정 범위 이하의 유량이 공급되면 아크가 불안정하고 텅스텐 전극봉이 외부공기와 반응하여 산화되는 현상이 발생하여 전극수명이 단축되며, 적정범위 이상으로 공급하게 되면 용접부의 실딩은 양호하나 상부의 용접비드가 강재 두께 방향으로 처지는 현상이 발생되는 문제가 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

[ 실시예 ]

하기 표 1의 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강을 열간압연, 냉간압연 및 소둔산세공정을 통해 두께 0.5, 0.6, 0.7mm의 강판을 제조하였다. 각 성분의 함량 단위는 중량%이다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Nb	N	O
430M2	0.007	0.432	0.245	0.021	<0.003	16.48	0.095	0.036	0.010	0.29	0.011	0.0055

조관용접은 상기 강판을 모재로 사용하여 롤벤딩 방식의 플라즈마 아크용접 조관법에 의하여 제조하였다. 플라즈마용접은 용접전류, 파이롯 가스유량, 실드가스 유량 등 각각의 용접시공 파라메터를 변화시키면서 실시하였다. 또한 용접비드의 실딩을 강화하기 위하여 이면 비드는 불활성 가스인 아르곤을 이용하여 유량 5 L/min로 공급하면서 분위기 처리하였다.

용접부의 비드형상은 용접부 단면에 대하여 연마와 에칭을 통하여 조직을 현출하고 광학현미경을 이용하여 각각의 폭을 측정하였다. 용접부의 인장시험은 JIS13B의 기준에 의거하여 시험편을 제작하고 인장속도 10mm/sec로 실시하였다. 에릭슨(Erichsen) 시험은 모재 및 용접부에 대하여 각각 실시하였으며 균열이 발생될 때까지의 스트로크(Stroke)의 이동거리를 측정하고, 에릭슨 스트로크(Erichsen stroke) 비율(용접부/모재)의 값을 계산하였다. 피로시험은 박물재의 경우 버클링을 제거하기 위해 응력비 R의 값을 0.1로 하고 주기는 25Hz로 적용하였다.

하기 표 2는 페라이트계 스테인리스강 430M2 강재를 이용하여 플라즈마 조관용접을 실시하고 특성을 평가한 결과를 정리한 것이다.

No.1~No.14에 용접입열량은 설정치의 용접전류, 용접속도와 용접과정 중에 얻어진 전압 측정값 17V을 입열량으로 환산한 결과이다.

No.1~No.3은 강재두께 0.5mm재에 대하여 실드가스 유량에 대하여 평가한 결과이다. No.1은 아르곤가스 유량을 15 L/min로 적용한 것으로서, 상부비드의 돌출량이 -0.03mm로 비드가 아래로 처지는 현상이 발생되었으며, 이에 따라 용접부의 강도가 저하되어 인장, 에릭슨 및 피로시험 모두 용접부가 먼저 파단되는 현상이 발생되었다. No.2~3은 본 발명의 예로서 실드가스 유량이 13, 10 L/min로 각각 적용한 경우로서 용접부의 비드가 적정하게 형성되어 가공 및 내피로 특성이 양호하게 확보되는 것을 알 수 있다.

No.4~No.8는 강재두께 0.6mm재에 대하여 용접전류, 용접속도를 이용하여 용접입열량을 변화시키고, 파이롯 가스의 유량을 검토한 결과이다. 용접전류가 증가하고 용접속도가 감소하는 것에 의해 소정의 상부비드 돌출량과 용접비드 폭을 얻을 수 있어 품질특성이 개선되는 것을 알 수 있다. 하지만 No.8의 경우와 같이 적정 입열량의 경우에도 파이롯 가스의 유량을 과도하게 적용하면 용접비드에 홀이 발생되는 용접불량이 발생하였다.

No.9~14는 강재두께 0.7mm재를 이용하여 용접전류, 용접속도를 이용하여 용접입열량을 변화시키고, 파이롯 가스의 유량을 검토한 결과이다. 전술의 0.6mm재와 같이 용접전류가 상승하고 용접속도가 감소하는 즉 용접입열량이 증가함에 따라 소정의 가공 및 내피로특성을 확보할 수 있는 것으로 볼 수 있다.

이상과 같이 박물재 페라이트계 스테인리스강의 플라즈마 용접에서는 적정범위의 용접입열량과 실드가스 및 파이롯 가스의 최적화를 통하여 소정의 용접비드를 확보함으로써 용접부의 가공성 및 내피로 특성을 크게 개선할 수 있다는 사실을 알 수 있다.

Claims

모재 및 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관으로서,
상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강이고,
상기 용접부의 비드폭이 1.25~1.65mm 이며, 상기 용접부의 상부비드 돌출량이 0~0.035mm인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관.
제 1항에 있어서,
상기 모재는 Ni: 2.0%이하, Mo: 2.0%이하, Cu: 2.0%이하, 및 Ca: 0.002%이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 함유하는 것인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관.
제 1항에 있어서,
상기 모재와 용접부의 에릭슨 스트로크 비율(용접부/모재)은 0.9 이상인 것인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관.
제 1항에 있어서,
상기 모재와 용접부의 피로강도 비율(용접부/모재)은 0.8 이상 1.0 이하인 것인, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관.
용접토치 내에 제공된 전극에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고, 파이롯 가스 및 실드 가스를 공급하면서 모재를 강관으로 용접하는, 용접부를 포함하는 플라즈마 아크용접 강관을 제조하는 방법으로서,
상기 모재는 중량%로, C: 0.015%이하, N: 0.015%이하, Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Cr: 15.0~20.0%, Al: 0.15%이하, O: 0.01%이하, P: 0.040%이하, S: 0.010%이하, 추가적으로 Nb: 0.01~0.5% 및 Ti: 0.01~0.5% 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 페라이트계 스테인리스강을 사용하고,
상기 용접시의 용접입열량은 0.032~0.048 V·A·s/mm²인 것을 특징으로 하는, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 모재는 Ni: 2.0%이하, Mo: 2.0%이하, Cu: 2.0%이하, 및 Ca: 0.002%이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 파이롯 가스의 공급 유량은 0.4~0.5 L/min 인 것을 특징으로 하는, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 실드 가스의 공급 유량은 10~13 L/min인 것을 특징으로 하는, 용접부의 가공성 및 내피로 특성이 우수한 플라즈마 아크용접 강관의 제조방법.