KR20130138338A

KR20130138338A - 레이저 용접 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130138338A
Application number: KR1020137030035A
Authority: KR
Inventors: 코지 야노; 켄지 오이
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2013-12-18
Also published as: US20140175069A1; EP2703112A4; RU2563067C2; CN103501955B; KR20160013260A; EP2703112B1; EP2703112A1; WO2012147213A1; KR101756762B1; RU2013152770A; CN103501955A

Abstract

언더필을 방지하고, 또한 양호한 품질의 레이저 용접 강관을 고수율로 효율 좋게 제조하는 방법을 제공한다. 구체적으로는, 오픈 파이프의 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름이 0.3㎜ 이상인 복수개의 레이저 빔을 이용하여, 복수개의 레이저 빔의 강판 표면에서의 용접선에 대하여 수직 방향의 스폿 길이의 합계가 0.5㎜ 이상, 용접선 방향의 스폿 중심 간 거리를 5㎜ 이내로 배열하여 용접을 행한다.

Description

레이저 용접 강관의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING LASER WELDED STEEL PIPE}

본 발명은, 레이저 빔(laser beam)을 이용하여 오픈 파이프(open pipe)의 길이 방향의 에지부(longitudinal edges)를 용접하는 강관(이하, 레이저 용접 강관(laser welded steel pipe)이라고 함)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 유정관(oil country tubular goods) 혹은 라인 파이프(line pipe) 등의 석유, 천연 가스의 채굴이나 수송에 적합한 레이저 용접 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

유정관 혹은 라인 파이프로서 이용되는 강관은, 용접 강관(welded steel pipe)(예를 들면 전봉 강관(electric resistance welded steel pipe), UOE 강관 등)과 시임리스(seamless) 강관으로 크게 나뉜다. 이들 강관 중, 전봉 강관은, 열간 압연한 띠 형상의 강판(steel strip)(소위 핫 코일(hot rolled steel coil))을 소재로서 사용하여, 염가로 제조할 수 있기 때문에 경제적으로 유리하다.

그러나 일반적으로 전봉 강관은, 성형 롤을 이용하여 강판을 원통 형상으로 성형하여 오픈 파이프(여기에서 오픈 파이프란, 다단(multiple)의 성형 롤에 의해 성형된 단부(端部)가 접합되어 있지 않은 파이프 형상의 강대(steel strip)를 가리킴. 이하, 오픈 파이프라고 기재함)로 하고, 그 오픈 파이프의 에지부(즉 원통 형상으로 성형한 강대의 양측 단부)를 스퀴즈 롤(squeeze roll)로 가압하면서 전기 저항 용접(electric resistance welding, 고주파 저항 용접이라고도 부름)하여 제조하기 때문에, 용접에 의한 이음매(소위 시임(seam))가 필연적으로 존재하며, 그 시임의 저온 인성(low-temperature toughness)이 열화된다는 문제가 있다. 그 때문에 전봉 강관의 유정관이나 라인 파이프는, 한랭지(cold district)에서의 사용에는 과제가 있다. 시임의 저온 인성이 열화되는 이유는, 에지부를 용접할 때에 고온의 용융 메탈(molten metal)이 대기 중의 산소와 반응하여 산화물(oxide)을 생성하고, 그 산화물이 시임에 잔류하기 쉽기 때문이다.

또한 전봉 강관은, 에지부를 용접할 때에 용융 메탈 중에서 합금 원소(alloy element)가 편석(偏析)하기 쉽기 때문에, 시임의 내식성이 열화되기 쉽다는 문제가 있다. 그 때문에 전봉 강관의 유정관이나 라인 파이프는, 엄격한 부식 환경(corrosion environment)(예를 들면 사워 환경(sour environment))에서의 사용에는 과제가 있다.

한편으로 시임의 저온 인성이나 내식성을 열화시키지 않는 용접법으로서, 레이저 빔에 의한 용접(이하, 레이저 용접(laser welding)이라고 함)이 주목되고 있다. 레이저 용접은, 열원(heat source)의 치수를 작게 하고, 또한 열에너지(heat energy)를 고밀도로 집중할 수 있기 때문에, 용융 메탈에 있어서의 산화물의 생성이나 합금 원소의 편석을 방지할 수 있다. 그 때문에, 용접 강관의 제조에 레이저 용접을 적용하면, 시임의 저온 인성이나 내식성의 열화를 방지하는 것이 가능하다.

그래서 용접 강관의 제조 과정에서, 오픈 파이프의 에지부에 레이저 빔을 조사하여 용접함으로써 강관(즉 레이저 용접 강관)을 제조하는 기술이 실용화되고 있다.

그런데 레이저 용접에서는, 고밀도 에너지 광선(high-energy density light beam)인 레이저 빔을 광학 부품(optical component)에 의해 집광하여 용접부에 조사함으로써 용접을 행하기 때문에, 용접시에 급격한 금속의 용융을 수반한다. 그 때문에, 형성된 용융지(溶融池;molten weld pool)로부터 용융 메탈이 스패터(spatter)로서 비산한다. 비산한 스패터는, 용접 장치(welding equipment)에 부착되어 시임의 품질을 저하시킴과 함께, 광학 부품에도 부착되어 용접의 시공이 불안정해진다. 또한, 레이저 용접에서는 열에너지(heat energy)를 고밀도로 집중하여 용접을 행하기 때문에, 스패터가 다량으로 발생하여, 언더컷(undercut)이나 언더필(underfill)(즉 패임(depression)) 등의 용접 결함(welding defect)이 발생한다. 언더필이 발생하면, 용접부의 강도가 저하된다.

그래서, 레이저 용접에서 스패터의 부착을 방지하는 기술이나 스패터의 발생을 방지하는 기술이 여러 가지 검토되고 있다. 예를 들면, 레이저 출력(laser power)을 저감함으로써 스패터의 발생을 방지하는 기술, 혹은 초점 위치(focus position)를 크게 어긋나게 (소위 디포커스(defocus))함으로써 스패터의 발생을 방지하는 기술이 실용화되고 있다. 그러나, 레이저 출력의 저감이나 디포커스는, 용접 속도(welding speed)의 감소(즉 용접 효율(weld efficiency)의 저하)를 초래할 뿐만 아니라, 용입 불량(lack of penetration)이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다.

특허문헌 1에는, 레이저 빔을 분광하여 복수개의 레이저 빔 스폿(laser beam spots)을 생성시켜 스패터의 발생을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 복수개의 빔 스폿에 분산시켜 레이저 용접을 행하는 기술은, 레이저 출력을 저감하여 레이저 용접을 행하는 기술과 동등하며, 용접 효율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 용입 불량이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다. 게다가, 레이저 빔을 분광하는 프리즘(prism)이 고가이기 때문에, 용접의 시공 비용이 상승하는 것은 피할 수 없다.

특허문헌 2에서는, 레이저 용접을 행할 때에 필러 와이어(filler wire)를 이용하여 용착 금속(deposit metal)의 부족(언더필)을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술에서는 필러 와이어의 성분에 의해 용접 금속(weld metal)의 조성이 변화한다. 그 때문에, 오픈 파이프의 성분에 따라서 필러 와이어를 선택하지 않으면 안 되고, 필러 와이어의 재고 관리(stock management)나 레이저 용접의 작업 관리(production control)의 부하가 증대된다.

특허문헌 3에서는, 레이저 용접과 아크 용접(arc welding)을 복합하여 이용함으로써, 용접 결함을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술에서는 용접 장치의 구조가 복잡해져 메인터넌스(maintenance)의 부하가 증대될 뿐만 아니라, 용접의 작업 관리의 부하가 증대된다.

일본공개특허공보 평7-214361호 일본공개특허공보 2004-330299호 일본공개특허공보 2004-223543호

본 발명은, 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서, 복수개의 레이저 빔의 조사에 의해 가열 용융하는 복수의 부위(즉 스폿)를 적정하게 배열함과 함께, 오픈 파이프의 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름이나 스폿 길이를 적정하게 유지하여, 오픈 파이프의 외표면에 있어서의 에너지 밀도를 제어함으로써, 언더컷이나 언더필을 방지하고, 또한 양호한 품질의 레이저 용접 강관을 높은 수율(yield ratio)로 효율 좋게 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 오픈 파이프의 에지부에 레이저 용접을 행하여 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서, 레이저 용접의 용접 현상(welding phenomenon)의 안정화 기술(stabilization technology)에 대해서 조사 검토했다.

도 1은, 레이저 용접 강관을 제조할 때에, 레이저 빔을 1개 이용하여 오픈 파이프(1)의 에지부(2)의 접합점을 용접하는 종래의 예를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 1 중의 화살표 A는, 오픈 파이프의 진행 방향(traveling direction)을 나타낸다. 또한, 레이저 빔(3)의 조사에 의해 발생하는 깊은 공동(cavity)(이하, 키홀(keyhole)이라고 함)(4)과, 그 주변에 형성되는 용융 메탈(5)은 투시도로서 나타낸다. 그리고 레이저 빔(3)을 조사하면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 고밀도로 집중되는 열에너지에 의해 에지부(2)가 용융함과 함께, 그 용융 메탈(5)이 증발하여 발생하는 증발압(evporating pressure)과 증발 반력(reaction force)에 의해, 용융 메탈(5)에 키홀(4)이 발생한다. 키홀(4)의 내부에는, 레이저 빔(3)이 침입하여, 금속 증기(metal vapour)가 레이저 빔(3)의 에너지에 의해 전리(電離)되어 발생한 고온의 플라즈마(plasma)가 충만하고 있다고 생각된다.

이 키홀(4)은, 레이저 빔(3)의 열에너지가 가장 수렴하는 위치를 나타내는 것이다. 에지부의 접합점을 키홀(4) 내에 배치함으로써 레이저 용접 강관을 안정되게 제조할 수 있다. 단, 에지부(2)의 접합점과 키홀(4)을 일치시키기 위해서는, 고(高)정밀도의 위치 제어 기술이 필요하다. 에지부(2)의 가공 상태 및 맞댐 상태가 불안정하면, 용융 메탈(5)이 불안정해진다. 그 결과, 스패터가 많이 발생하여, 언더컷이나 언더필 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다. 그래서 에지부(2)의 접합점에 조사하는 레이저 빔의 에너지 밀도를 조정한다. 그러기 위해서는, 레이저 빔의 스폿 지름, 스폿 형상, 스폿 개수를 적정하게 유지하거나, 혹은 레이저 빔의 초점 위치를 변화시킨다. 또한, 레이저 빔을 접합점으로부터 어긋난 위치에 조사한다.

이러한 스폿의 형태의 조정은, 적정한 집광 렌즈(collection lens or focusing lens)나 집광 미러(collection mirror or focusing mirror)를 제작함으로써 가능한 기술이다.

본 발명은, 이들 인식에 기초하여 이루어진 것이다.

즉 본 발명은, 강판을 성형 롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서 오픈 파이프의 외면측으로부터 레이저 빔을 조사하여 에지부를 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서, 오픈 파이프의 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름이 0.3㎜ 초과인 복수개의 레이저 빔을 이용하여, 복수개의 레이저 빔의 강판 표면에서의 용접선에 대하여 수직 방향의 스폿 지름(이후, 스폿 길이라고 칭함)의 합계가 0.5㎜ 이상, 용접선 방향의 스폿 중심 간 거리를 5㎜ 이내로 배열하여 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

본 발명의 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서는, 오픈 파이프의 외표면에 있어서의 각 레이저 빔의 에너지 밀도가 70㎾/㎟ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 오픈 파이프의 두께를 t로 하고, 오픈 파이프의 외표면으로부터 3T∼－3T에 초점 위치를 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 복수개의 레이저 빔의 레이저 출력을 합계 15㎾ 이상, 용접 속도를 7m/분 이상으로 하는 것이 바람직하다. 레이저 빔에 전진각 5∼50° (파이프 표면에 수직 방향으로부터 용접 진행 방향의 역방향으로의 각도를 전진각이라고 칭함)를 부여하는 것이 바람직하다. 오픈 파이프의 두께 t는 3㎜를 초과하는 것이 바람직하다. 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압함에 있어서, 0.3∼1.0㎜의 업셋(upset)이 바람직하다.

또한, 용접선 방향으로 후행 빔을 배치하는 경우는, 후행 빔의 전진각은, 선행 빔보다도 전진각을 작게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서 복수개의 레이저 빔의 조사에 의해 가열 용융하는 복수의 부위(즉 스폿)를 적정하게 배열함과 함께, 오픈 파이프의 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름이나 스폿 길이를 적정하게 유지하고, 오픈 파이프의 외표면에 있어서의 에너지 밀도를 제어함으로써, 언더컷이나 언더필을 방지하고, 또한 레이저 용접 강관을 수율 좋게 안정적으로 제조할 수 있다. 얻어진 레이저 용접 강관은, 시임의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 적합하다.

도 1은 오픈 파이프의 에지부의 접합점을 용접하는 종래의 예를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명을 적용하여 복수개의 레이저 빔을 조사하는 위치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명을 적용하여 오픈 파이프의 에지부의 접합점을 용접하는 예를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 개개의 레이저 빔의 강판 표면에서의 용접선에 대하여 수직 방향의 스폿 길이의 합계와 용접선 방향의 스폿 중심 간 거리를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 레이저 빔의 전진각의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 선행 빔과 후행 빔의 전진각의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명에서는, 복수개의 레이저 빔을 이용하여 레이저 용접 강관을 제조한다. 레이저 빔을 2개 이용하는 예를 도 3에 나타낸다. 도 3에서는 오픈 파이프(1)의 에지부(2)를 스퀴즈 롤(도시하지 않음)로 가압하면서, 외면측으로부터 레이저 빔(3)을 2개 조사한다. 도 3 중의 화살표 A는 오픈 파이프(1)의 진행 방향을 나타낸다. 또한, 레이저 빔(3)의 조사에 의해 발생하는 키홀(4)과 그 주위에 형성되는 용융 메탈(5)은 투시도로서 나타낸다.

(1) 오픈 파이프 상면(강판 표면)에 있어서의 레이저 빔의 조사 위치와 에지부의 위치

2개 이상의 레이저 빔(3)을 조사하는 위치의 예를 도 2에 평면도로서 나타낸다. 도 2 중의 화살표 A는 오픈 파이프(1)의 진행 방향을 나타낸다.

도 2(a)는, 2개의 레이저 빔을 조사하는 위치를 나타내고 있으며, 동일한 스폿 지름의 레이저 빔(3-1, 3-2)을 에지부(2)의 양측에 배치하는 예이다. 이 예를 사시도로 나타낸 것이 도 3이다.

도 2(b)는, 3개의 레이저 빔을 조사하는 위치를 나타내고 있으며, 스폿 지름이 작은 레이저 빔(3-1)으로 예열하고, 동일한 스폿 지름의 레이저 빔(3-2, 3-3)을 에지부(2)의 양측에 배치하는 예이다.

도 2(c)는, 4개의 레이저 빔을 조사하는 위치를 나타내고 있으며, 동일한 스폿 지름의 레이저 빔(3-1, 3-2, 3-3, 3-4)을 에지부(2)의 양측에 각각 2개씩 배치하는 예이다.

도 2(d)는, 2개의 레이저 빔을 조사하는 위치를 나타내고 있으며, 스폿 지름이 상이한 레이저 빔(3-1, 3-2)을 에지부(2)의 양측에 배치하는 예이다. 이 예에서는 레이저 빔(3-1)의 스폿 지름이 작기 때문에, 레이저 빔(3-1)을 레이저 빔(3-2)보다 에지부(2)에 근접하여 배치하고 있다.

도 2(e)는, 2개의 레이저 빔을 조사하는 위치를 나타내고 있으며, 레이저 빔(3-1, 3-2)을 에지부(2)를 따라 배치하는 예이다. 이 예에서는 레이저 빔(3-2)의 스폿 지름이 작다.

복수개의 레이저 빔을 이용하는 경우의 레이저 빔의 배치는, 도 2에 나타내는 예로 한정하는 것이 아니며, 목적에 따라서 적절하게 배치할 수 있다. 단, 레이저 빔을 5개 이상 사용하면, 용접 장치의 구조가 복잡해져, 메인터넌스의 부하가 커진다. 그 때문에, 레이저 빔을 2∼4개 사용하는 것이 바람직하다.

(2) 오픈 파이프 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름

복수개의 레이저 빔을 이용하여, 개개의 레이저 빔의 오픈 파이프의 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름이 0.3㎜ 초과가, 바람직하다. 스폿 지름이 0.3㎜ 이하이면 안정된 키홀의 유지가 어려워지기 때문이다. 또한, 오픈 파이프 상면(강판 표면)에서의 스폿 지름의 상한은, 1.0㎜이다.

(3) 오픈 파이프 상면(강판 표면)에서의 스폿 길이 및 스폿 중심 간 거리

도 4에 나타내는 바와 같이, 복수개의 레이저 빔을 이용하여, 개개의 레이저 빔의 강판 표면에서의 용접선에 대하여 수직 방향의 스폿 길이의 합계를 0.5㎜ 이상으로 하고, 용접선 방향의 스폿 중심 간 거리를 5㎜ 이내로 한다. 스폿 길이의 합계를 0.5㎜ 이상으로 함으로써, 접합점을 용융 메탈(5) 내에 비교적 용이하게 배치하는 것이 가능해진다. 또한, 스폿 중심 간 거리를 5㎜ 이내로 함으로써, 용융 메탈(5)의 분리를 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 용접선에 대하여 수직 방향의 스폿 길이 및 스폿 중심 간 거리의 정의를, 구체적으로 도 4에 나타낸다.

(4) 레이저 빔의 에너지 밀도

오픈 파이프(1)의 외표면에 있어서의 개개의 레이저 빔(3)의 에너지 밀도는 70㎾/㎟ 이하가 바람직하다. 단순히 레이저 빔(3)을 디포커스하면 용입 특성이 열화되기 때문에, 에너지 밀도의 하한값을 1㎾/㎟ 이상으로 규정함으로써 용입 특성의 열화를 방지한다. 단, 에너지 밀도가 70㎾/㎟를 초과하면, 오픈 파이프(1)의 외표면으로부터의 스패터 발생량이 증가한다. 또한, 레이저 빔(3)의 에너지 밀도는, 레이저 출력 및 스폿 지름을 제어함으로써 조정한다.

(5) 오픈 파이프의 상면(강판 표면)으로부터 초점 위치까지의 거리

오픈 파이프의 상면으로부터 초점 위치까지의 거리를 t(㎜)로 하고, 오픈 파이프의 강판 두께를 T(㎜)로 하여, 오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리 t가 3×T(즉 상면으로부터 상방으로 3T)를 초과하면, 포커스의 위치가 지나치게 높기 때문에, 키홀을 안정되게 유지하는 것이 어렵다. 한편, －3×T(즉 상면으로부터 하방으로 3T)를 초과하면, 포커스의 위치가 지나치게 깊기 때문에, 강판의 이면(裏面)(즉 오픈 파이프의 내면)측으로부터 스패터가 발생하기 쉬워진다. 따라서, 오픈 파이프의 상면으로부터 포커스까지의 거리 t는 －3×T∼3×T의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 선행 레이저 빔(3a) 및 후행 레이저 빔(3b)의 강판의 상면으로부터 포커스까지의 거리는, 키홀의 안정성의 관점에서, 일치시키는 것이 바람직하다.

(6) 오픈 파이프의 두께

오픈 파이프(1)의 두께 T는 3㎜ 초과가 바람직하다. 두께 T가 3㎜ 이하에서는, 산화가 발생하기 쉬워진다.

(7) 레이저 출력이나 용접 속도

일반적으로, 레이저 용접에서 발생하는 스패터는, 레이저 출력이 낮을수록, 혹은 용접 속도가 늦을수록 감소한다. 그러나, 스패터의 발생을 억제하기 위해, 레이저 출력이나 용접 속도를 조정하는 것은, 레이저 용접 강관의 생산성의 저하를 초래함과 함께, 블로우홀(blowhole)이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다. 따라서, 복수개의 레이저 빔(3)의 레이저 출력을 합계 15㎾ 이상으로 하고, 또한 용접 속도를 7m/분 이상으로 하는 것이, 생산성 향상 및 블로우홀 억제의 관점에서 바람직하다. 레이저 출력이 합계 15㎾ 미만에서는 용접 속도가 7m/분 미만으로 저하되기 때문에, 생산성이 저하되어, 블로우홀이 발생한다.

(8) 레이저 빔의 초점 거리

각각의 레이저 빔(3)의 초점 거리는 200㎜ 이상이 바람직하다. 초점 거리가 200㎜ 미만에서는, 오픈 파이프(1)의 에지부(2)의 Z축 방향(즉 레이저 빔의 광축 방향)으로 초점 위치가 변동함으로써, 레이저 용접이 불안정해진다.

(9) 레이저 빔의 전진각

레이저 빔(3)을 조사하는 각도(이하, 전진각이라고 함)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 5∼50°의 범위 내가 바람직하다. 전진각을 형성하여 레이저 빔(3)을 조사함으로써, 스패터의 발생량이 감소한다. 단, 전진각이 5° 미만에서는 그 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 50°를 초과해도 그 효과는 얻어지지 않는다. 보다 바람직하게는, 15°∼45°이다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 용접선 방향으로 후행 빔을 배치하는 경우, 후행 빔의 전진각은, 선행 빔보다도 전진각을 작게 하는 것이 바람직하다. 여기에서, 선행 빔은, 강판의 하면에 있어서 용접선 방향으로 선행하는 빔을 의미한다. 또한, 도 5 중 및 도 6 중의 화살표 A는 오픈 파이프(1)의 진행 방향을 나타낸다.

(10) 업셋량

레이저 용접에 의한 스패터의 발생을 전혀 없애는 것은 곤란하기 때문에, 언더컷이나 언더필의 발생을 방지하기 위해, 에지부(2)에 0.3∼1.0㎜의 업셋을 부여하는 것이 바람직하다. 업셋량이 0.3㎜ 미만에서는, 언더컷이나 언더필을 방지할 수 없다. 한편, 1.0㎜를 초과하면, 시임(6)의 손질에 많은 시간을 필요로 한다.

(11) 에지부의 접합점

오픈 파이프(1)의 진행 방향 A에 있어서의 에지부(2)의 접합점은, 에지부(2)의 평균 간격이 스퀴즈 롤(도시하지 않음)에 의해 좁아져, 0.5㎜ 이하가 된 개소라면 어디라도 좋다.

(12) 레이저 빔의 발진기

본 발명에서 사용하는 레이저 빔의 발진기(oscillator)는, 여러 가지 형태의 발진기를 사용할 수 있고, 기체(예를 들면 CO₂(carbon dioxide gas), 헬륨 네온(helium-neon), 아르곤(argon), 질소(nitrogen), 요오드(iodine) 등)를 매질로서 이용하는 기체 레이저(gas laser), 고체(예를 들면 희토류(希土類) 원소를 도프(dope)한 YAG 등)를 매질로서 이용하는 고체 레이저(solid laser), 레이저 매질(laser medium)로서 벌크(bulk) 대신에 파이버(fiber)를 이용하는 파이버 레이저(fiber laser), 디스크 레이저(disk laser) 등이 적합하다. 혹은, 반도체 레이저(semiconductor laser)를 사용해도 좋다.

(13) 보조 열원

오픈 파이프(1)의 외면측으로부터 보조 열원(auxiliary heat source)에 의해 가열해도 좋다. 그 보조 열원은, 오픈 파이프(1)의 외표면을 가열하여 용융할 수 있는 것이라면, 그의 구성은 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 버너 용해법(burner melting method), 플라즈마 용해법(plasma melting method), TIG 용해법(Tungsten Inert Gas melting method), 전자 빔 용해법(electron beam melting method), 레이저 용해법(leser beam melting method) 등을 이용한 수단이 적합하다.

단 보조 열원으로서는 아크의 사용이 가장 바람직하다. 아크의 발생원은, 용융 메탈(5)의 용락(burn through)을 억제하는 방향으로 전자력(즉 용접 전류의 자계(磁界)로부터 발생하는 전자력)을 부가할 수 있는 것을 사용한다. 예를 들면 TIG 용접법, 플라즈마 아크 용접법 등의 종래부터 알려져 있는 기술을 사용할 수 있다. 아크의 발생원은 레이저 빔과 일체적으로 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 아크를 발생시키는 용접 전류의 주변에 발생하는 자계의 영향을, 용융 메탈(5)에 효과적으로 부여하기 때문이다. 또한, 아크의 발생원을 레이저 빔(3)보다 선행시켜 배치하는 것이 한층 바람직하다. 그 이유는, 에지부(2)의 수분이나 유분을 제거할 수 있기 때문이다.

아크 이외의 보조 열원을 사용하는 경우도, 보조 열원은 레이저 빔(3)의 발진기와 일체적으로 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 보조 열원과 레이저를 일체적으로 배치하지 않으면, 보조 열원의 효과를 얻기 위해서는 큰 열량이 필요해지고, 또한 용접 결함(예를 들면 언더컷 등)의 억제가 매우 곤란해지기 때문이다. 또한, 보조 열원을 레이저 빔(3)의 발진기보다 선행시켜 배치하는 것이 한층 바람직하다. 그 이유는, 에지부(2)의 수분이나 유분을 제거할 수 있기 때문이다.

본 발명에서는, 후육재(厚肉材)(예를 들면 두께 4㎜ 이상)의 오픈 파이프(1)라도, 에지부(2)를 고주파 가열(high-frequency induction heating) 등으로 예열하는 일 없이, 레이저 용접을 행하는 것이 가능하다. 단 에지부(2)를 예열하면, 레이저 용접 강관의 생산성이 향상되는 등의 효과가 얻어진다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 큰 에너지를 갖는 레이저 용접에 의해 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서, 언더컷이나 언더필을 억제함과 함께, 용접 효율을 저하시키는 일 없이 양호한 품질의 레이저 용접 강관을 수율 좋게 얻을 수 있다. 얻어진 레이저 용접 강관은, 시임(6)의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 적합하다.

[실시예]

띠 형상의 강판을 성형 롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서, 레이저 빔을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조했다. 강판의 성분은 표 1에 나타내는 바와 같다.

레이저 용접에서는, 10㎾의 파이버 레이저 발진기를 2대 사용했다. 그 출력과 용접 속도는 표 2에 나타내는 바와 같다.

표 2에 나타내는 발명예는, 본원 발명의 필수의 요건을 만족하는 예이다. 또한, 발명예 중 강관 No.10은 용접 속도가 본 발명의 적합 범위를 벗어나는 예, 강관 No.11은 레이저 출력이 본 발명의 적합 범위를 벗어나는 예, 강관 No.12는 업셋량이 본 발명의 적합 범위를 벗어나는 예, 강관 No.13은 에너지 밀도가 본 발명의 적합 범위를 벗어나는 예이다. 이들은, 모두 본원 발명의 필수의 요건을 만족하기 때문에 발명예로 한다.

비교예 중, 강관 No.7, 14, 15는 스폿 지름이 본 발명의 범위를 벗어나는 예, 강관 No.8은 스폿 길이가 본 발명의 범위를 벗어나는 예, 강관 No.9는 스폿 중심 간 거리가 본 발명의 범위를 벗어나는 예이다.

얻어진 레이저 용접 강관을, 초음파 탐상 시험(ultrasonic inspection test)에 제공하고, JIS 규격 G0582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 2에 나타낸다. 또한 표 2에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치(notch)의 인공 결함(artificial defect)에 대하여, 피크 지시 높이가, 10％ 이하인 것을 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 가능(△), 50％ 초과인 것을 불가(×)로 하여 평가했다.

표 2로부터 분명한 바와 같이, 발명예에서는, 초음파 탐상은 우수(◎), 양호(○) 또는 가능(△)이었다. 또한, 스패터의 발생에 의한 언더컷이나 언더필 등의 용접 결함은 확인되지 않았다. 한편, 비교예에서는, 초음파 탐상은 불가(×)였다. 또한, 언더컷이나 언더필 등의 용접 결함이 확인되었다. 발명예 중 강관 No.13에도, 언더컷이나 언더필이 근소하게나마 확인되었다.

레이저 용접 강관을 수율 좋게 안정적으로 제조할 수 있고, 얻어진 레이저 용접 강관은, 시임의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 적합하기 때문에, 산업상 각별한 효과를 나타낸다.

1 : 오픈 파이프
2 : 에지부
3 : 레이저 빔
4 : 키홀
5 : 용융 메탈
6 : 시임
(표 1)

(표 2)

Claims

강판을 성형 롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 상기 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압하면서 상기 오픈 파이프의 외면측으로부터 레이저 빔을 조사하여 상기 에지부를 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서, 강판 표면에서의 스폿 지름이 0.3㎜ 이상인 복수개의 레이저 빔을 이용하여, 상기 복수개의 레이저 빔의 강판 표면에서의 용접선에 대하여 수직 방향의 스폿 길이의 합계가 0.5㎜ 이상, 용접선 방향의 스폿 중심 간 거리를 5㎜ 이내로 배열하여 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 오픈 파이프의 외표면에 있어서의 상기 각 레이저 빔의 에너지 밀도를 70㎾/㎟ 이하로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오픈 파이프의 두께를 t로 하고, 상기 오픈 파이프의 외표면으로부터 3T∼－3T에 상기 각 레이저 빔의 초점 위치를 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 레이저 빔의 레이저 출력을 합계 15㎾ 이상, 용접 속도를 7m/분 이상으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔에 전진각 5∼50° 를 부여하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오픈 파이프의 두께 T가 3㎜를 초과하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈 롤로 가압함에 있어서, 0.3∼1.0㎜의 업셋을 부여하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
용접선 방향으로 후행 빔을 배치하고, 후행 빔의 전진각은, 선행 빔보다도 전진각을 작게 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.