KR20160023989A - 충격인성이 우수한 용접이음부 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판재를 맞대기 양면 용접하여 양면에 용접비드가 형성된 용접이음부에 있어서, 양면의 상기 용접비드가 서로 맞닿는 중첩부에서 각각의 상기 용접비드의 중앙부를 기준으로 0.1~4mm의 비대칭을 이루는 충격인성이 우수한 용접이음부를 제공한다.

Description

충격인성이 우수한 용접이음부 및 그 제조 방법 {WELDED JOINT HAVING EXCELLENT IMPACT TOUGHNESS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 용접이음부에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 충격인성을 향상시킨 용접이음부 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

용접이음부 중에서 용접열영향부 (HAZ)의 충격인성을 높이기 위해서는 강재의 합금성분 조정 및 고온에서의 석출물 거동 제어가 필요하며, 용접금속과 모재 사이의 용융선 (Fusion line)의 충격인성을 향상시키기 위해서는 오스테나이트 결정립 크기 (AGS; Austenite grain size), HAZ 미세조직, M/A (Martensite-Austenite)사이즈 및 형상 등을 조절할 필요가 있다.

상기와 같은 종래기술로는, 용접 시 발생하는 열에 의한 AGS의 성장을 억제시키기 위해 TiN, Ti 및/또는 Mg 산화물 (특허문헌 1, 2 및 3) 등을 이용하거나, 강재의 합금성분조정 및 용접 입열량 저감에 의한 HAZ 미세조직을 인성이 우수한 저베이나이트 (Low Bainite) 조직을 형성하는 방법 (특허문헌 4) 또는 M/A형성을 억제하기 위해 강재의 성분조정 및 열처리하는 방법 (특허문헌 5, 6, 7 및 8)이 제시되고 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 방법들은 많은 노하우와 기술을 필요로 하는 부분으로 장기적인 측면에서의 연구를 필요로 한다.

또한, 용접금속과 모재 사이의 용융선 (Fusion line) 충격시험의 경우, 도 1을 참조하면 알 수 있듯이, 샤르피 충격시험을 실시할 시에 점선으로 표시된 충격시편에서 빨간색 실선으로 표시된 노치지점 (notch point)은 용접금속과 용접열영향부 (HAZ)가 50:50으로 포함되어야 하고, 도 1의 노란색 점선 동그라미로 표시된 부분에서의 변태된 결정립 성장 열영향부 (ICCGHAZ; Inter Critically Coarse Grained Heat Affected Zone)에서는 용접입열 이력으로 조대해진 오스테나이트 조직 및 용접 후 생성된 인성에 취약한 M/A (Martensite-Austenite) 이차상 조직과 같은 열화된 조직이 나타나게 되므로, 후물재에 존재하는 중심편석의 복합작용으로 인하여, 용융선 (Fusion line)의 충격인성이 급격히 저하된다.

그러므로, 강재의 합금성분이나, 충격인성이 우수한 용접재료의 사용 또는 용접조건의 제어만으로는 우수한 충격인성을 갖는 용접이음부를 얻는데 어려움이 있다.

특허문헌 1: 대한민국 특허 공개 제2008-0126904호 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2006-328523호 특허문헌 3: 대한민국 특허 공개 제2007-254858호 특허문헌 4: 일본 특허 공개 제1996-325635호 특허문헌 5: 대한민국 특허 공개 제2009-0055637호 특허문헌 6: 대한민국 특허 공개 제2009-0018153호 특허문헌 7: 일본 특허 공개 제2004-068055호 특허문헌 8: 일본 특허 공개 제2004-099930호

본 발명은 용접이음부의 용융선 (Fusion line)의 충격인성을 개선함으로써, 우수한 충격인성을 갖는 용접이음부 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일태양은 판재를 맞대기 양면 용접하여 양면에 용접비드가 형성된 용접이음부에 있어서, 양면의 상기 용접비드가 서로 맞닿는 중첩부에서 각각의 상기 용접비드의 중앙부의 간격 (d)이 0.1~4mm로 비대칭을 이루는 충격인성이 우수한 용접이음부를 제공한다.

본 발명의 또 다른 일태양은 단수 또는 다수의 전극으로 판재를 맞대기 양면 용접하여 용접이음부를 제조하는 방법에 있어서, 상기 용접 시, 상기 단수 또는 다수의 전극 중에서 상기 판재에 처음 용접을 실시하는 첫 번째 전극은, 상기 판재의 수직방향을 기준으로, 용접 진행방향의 좌측 또는 우측 방향으로 기울어져 비틀림각 (twist angle, θ)을 가지는 충격인성이 우수한 용접이음부의 제조 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 비틀림각 (twist angle, θ)은 0.1 ~ 1°의 각도를 갖는다.

바람직하게는, 상기 판재의 맞대기 용접 시 이음부가 X형 그루브 형상이다.

바람직하게는, 상기 양면 용접은 용접 입열량을 70~120kJ/cm로 하여, 서브머지드 아크 용접으로 실시한다.

본 발명에 따라, 조대해진 오스테나이트 조직, 용접 후 생성된 인성에 취약한 M/A (Martensite-Austenite) 이차상 조직 및 중심편석의 복합작용으로 인하여, 충격인성이 급격히 열화된 용융선 (Fusion line) 부분의 집중을 분산함으로써, 용접이음부의 충격인성을 개선할 수 있다.

도 1은 종래의 방법으로 제조된 용접이음부의 샤르피 충격시험을 실시하는 시편의 경계와 노치지점을 나타내고, 용융선의 부분 변태된 결정립 성장 열영향부에 조대한 오스테나이트 조직과 M/A (Martensite-Austenite) 이차상 조직이 형성된 것을 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 방법으로 판재에 용접을 실시하는 것을 나타내는 것으로, 도 2의 a는 다수의 전극이 용접을 진행하는 것을 나타내는 사시도이고, 도 2의 b는 전극들이 판재와 수직을 유지하면서 용접방향으로 이동하는 것을 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 도 3의 a는 용접을 진행하는 다수의 전극 중에서 첫 번째 전극이 비틀림각 (θ)을 갖는 것을 나타내는 사시도이고, 도 3의 b는 첫 번째 전극이, 판재의 수직방향을 기준으로, 용접 진행방향의 좌측 방향으로 비틀림각 (θ)을 가지는 것을 나타내는 측면도이다.
도 4의 a는 종래의 방법으로 제조된 용접이음부의 대칭적인 용접비드와 노치지점을 나타내고, 도 4의 b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 용접이음부의 비대칭적인 용접비드와 노치지점을 나타내는 단면도이다.
도 5의 a는 종래의 방법으로 제조된 대칭적인 용접비드를 가지는 용접이음부(비교예)를 촬영한 사진이고, 도 5의 b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비대칭적인 용접비드를 가지는 용접이음부(발명예)를 촬영한 사진이다.
도 6은 상기 도 5의 a의 비교예와 도 5의 b의 발명예를 온도에 따라 샤르피 충격시험을 실시한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비대칭적인 용접비드를 가지는 용접이음부의 윗부분, 중간부분 및 아래부분에서 충격시편을 채취하는 부분을 나타내는 사진이다.
도 8은 상기 도 6에서 윗부분, 중간부분 및 아래부분에서 채취한 충격시편을 각각 온도에 따라 샤르피 충격시험을 실시한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 충격인성을 향상시킨 용접이음부 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 충격인성이 우수한 용접이음부의 제조 방법의 일 실시예는, 판재를 맞대기 양면 용접할 시에, 용접을 실시하는 단수 또는 다수의 전극 중에서 상기 판재에 처음 용접을 실시하는 첫 번째 전극은, 판재의 수직방향을 기준으로, 용접 진행방향의 좌측 또는 우측 방향으로 비틀림각 (twist angle, θ)을 가진다.

도 2에서는 종래의 방법으로 판재에 용접을 실시하는 것을 나타내고 있다. 도 2의 a에서는 다수의 전극이 용접을 진행하는 사시도를 도시하고 있는데, 필요에 따라서 각각의 전극이 용접방향의 전방과 후방으로 각도를 달리하고 있으나, 도 2의 b의 측면도를 보면 용접방향의 좌측 또는 우측으로는 전혀 기울어지는 각도를 가지지 않고 판재와 직각을 이루고 용접을 진행하는 것일 확인할 수 있다. 이는 종래에는 용접 후 비드의 대칭성을 최대화 하는 것이 바람직하다고 여겨왔기 때문이다.

도 3은 본 발명의 용접이음부를 제조하는 방법을 일 실시예를 나타낸 개념도로서, 도 2에서의 종래의 방법과는 다르게, 다수의 전극 중에서 첫 번째 전극이 비틀림각 (θ) 을 가지면서 용접을 진행한다. 도 3의 a의 사시도와 같이 각각의 전극이 용접방향의 전방과 후방으로 각도를 달리하는 것과는 별도로, 상기 첫 번째 전극은 판재의 수직방향을 기준으로, 용접 진행방향의 좌측 또는 우측 방향으로 비틀림각 (twist angle, θ)을 가진다. 도 3의 b의 측면도에서는 첫 번째 전극이, 판재의 수직방향을 기준으로, 용접 진행방향의 좌측 방향으로 비틀림각 (θ)을 가지는 것을 나타내고 있다.

상기와 같이 첫 번째 전극이 비틀림각을 가지게 함으로써, 도 4의 b와 같이 양면의 용접비드가 비대칭을 갖는 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 양면의 용접비드가 비대칭 구조를 가짐으로써, 조대해진 오스테나이트 조직, M/A (Martensite-Austenite) 이차상 조직 및 중심편석의 복합작용으로 인하여, 충격인성이 급격히 열화된 용융선 (Fusion line) 부분의 집중을 분산시킬 수 있다.

일반적으로 ICCGHAZ(intercritical coarse grain heat afftected zone)는 열영향부에서 가장 열위한 물성을 나타낸다. 이는 내면용접 시 조대해진 미세조직에 외면용접 시 다시 한번 열영향을 받아 M/A조직들이 형성되고, 여기에 C, Mn등의 경화성원소의 함량이 높은 고강도 후물강재에서 발생하는 중심편석대가 상기 ICCGHAZ에 포함되면 충격인성은 급격히 저하하게 된다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는 상기 세가지 특성이 복합적으로 작용하지 않게 하는 것이 중요하다. 그리하여 본 발명에서는 전극에 비틀림각(θ)을 주어 용접함으로써 용접비드에 비대칭성을 부여하여, 종래의 대칭 비드형상에서 두께중심부, 즉 중심편석대에 존재하던 ICCGHAZ를 상하부로 분산시킬 수 있어, 복합작용으로 인한 열화현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 용접을 실시하는 첫 번째 전극의 비틀림각 (twist angle)은 0.1 ~ 1°의 각도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 비틀림각이 0.1° 미만이면, 비틀림각의 제어가 어려울 수 있으며, 비드 비대칭효과가 크게 나타나지 않을 수 있고, 1°를 초과하면 용접부의 강도 확보하는데 어려움이 있을 수 있고, 라인 파이프 (Line Pipe) 규격(DNV OS F101, API 5L etc.)에서 제시하는 비드형상 범위에 부적합할 수 있으므로, 상기 비틀림각은 0.1 ~ 1°의 각도를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서 판재를 맞대기 양면 용접할 시에, 마주보는 두 판재의 홈은 X형 그루브 형상을 갖는 것이 바람직하다. X형 그루브 형상을 가지게 되면 양면의 상하 용접비드가 균형적인 크기의 비드를 형성할 수 있어, 어느 한쪽만의 용접 일열량 과다로 인하여 물성이 저하될 가능성이 없이 충격인성이 우수한 용접이음부를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에서 판재를 맞대기 양면 용접할 시에, 상기 양면 용접은 용접 입열량을 70~120kJ/cm로 하는 것이 바람직하다. 상기 용접 입열량이 70kJ/cm 미만이면, IP(Incomplete Penetration)로 인한 용접결함이 나타날 수 있고, 120kJ/cm를 초과하면 입열량 과다로 인해 용접금속 조직 열화가 일어날 수 있으며, 열영향부 증가로 용접부 물성확보가 어려울 수 있으므로, 상기 용접 입열량은 70~120kJ/cm인 것이 바람직하다.

본 발명의 충격인성이 우수한 용접이음부의 일 실시예는 판재를 맞대기 양면 용접하여 양면의 용접비드가 서로 맞닿는 중첩부에서 각각의 상기 용접비드의 중앙부의 간격 (d)이 0.1~4mm로 비대칭을 이룬다.

도 4의 a에서는 종래의 방법으로 제조되어 대칭적인 용접비드를 가지는 용접이음부의 개념도를 도시하고 있다. 점선으로 표시한 용접비드의 중앙부가 도 4의 a에서는 일치하고 있어 대칭적인 구조를 이루고 있다.

본 발명의 일 실시예의 용접이음부의 개념도를 나타내는 도 4의 b에서는 양면의 용접비드가 서로 맞닿는 중첩부에서, 점선으로 표시한 용접비드의 중앙부가 일치하지 않고 d의 간격 만큼의 비대칭을 이루는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 용접이음부는 중첩부에서 각각의 용접비드의 점선으로 표시한 중앙부를 기준으로 용접비드가 만나는 중첩부에서 0.1~4mm의 간격 (d)를 갖도록 비대칭을 이루는 것이 바람직하다. 상기 양면의 용접비드의 비대칭의 간격이 0.1mm 미만이면, 비드 비대칭에 의한 충격인성 향상 효과가 나타나지 않는 문제가 있고, 4mm를 초과하면 용접부 강도 확보의 불가능하고 라인 파이프 (Line Pipe) 규격(DNV OS F101, API 5L etc.)에서 제시하는 비드형상 범위에 부적합하게 되는 문제가 있으므로, 본 발명의 용접이음부의 양면의 용접비드의 비대칭의 간격은 0.1~4mm 인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[ 실시예 ]

동일한 API X70 판재를 동일한 용접조건으로 용접하면서 도 5의 a와 같이 대칭적인 용접비드를 가지는 비교예를 제조하였고, 도 5의 b와 같이 첫 번째 전극에 0.2°의 각도의 비틀림각을 가지게 하여 용접함으로써, 양면 용접비드가 2.5mm 간격의 비대칭을 갖도록 용접비드를 형성한 발명예를 제조하였다. 도 5의 a 및 b에서 빨간색 점선으로 표시한 부분을 각각 떼어내어, 비교예와 발명예의 충격시편을 얻은 후, 가운데 빨간선으로 표시된 노치지점에 V형 노치를 내고 파단할 때까지의 충격흡수에너지를 측정하는 시험을 온도별로 실시하여 얻은 결과를 도 6에 그래프로 나타내었다.

도 6을 살펴보면 용접비드가 대칭적으로 형성된 비교예보다 용접비드가 비대칭적으로 형성된 발명예가 -40℃에서도 비교예보다 10J이상의 더 많은 충격흡수에너지 값을 나타내는 것을 확인 할 수 있으므로, 본 발명과 같이 용접비드를 비대칭으로 형성함으로써, 충격인성이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.

또한, API X70 판재를 첫 번째 전극에 0.2°의 각도의 비틀림각을 가지게 하여 용접한 발명예를 도 7에서와 같이 양면에 형성된 용접비드의 윗부분, 중간부분 및 아래부분에서 빨간색 점선으로 표시한 부분을 떼어내어 충격시편 (1), (2) 및 (3)을 각각 얻은 후, 가운데 빨간선으로 표시된 노치지점에 V형 노치를 내고 파단할 때까지의 충격흡수에너지를 측정하는 시험을 온도별로 실시하여 얻은 결과를 도 8에 그래프로 나타내었다.

도 8에서 알 수 있듯이 중간부분 충격시편인 (2)번 시편이 윗부분과 아랫부분의 충격시편 (1) 및 (3)번과 비교하여, 가장 낮은 인성값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 용접부 전체의 용융선 (Fusion line)의 충격인성은 용접이음부 두께의 중심부에서 열화된 특성으로 인해 저하되는 것이므로, 중간부분 충격시편 (2)번의 인성을 향상함으로써, 용접이음부의 용융선 (Fusion line)의 충격인성의 건전성이 향상되었다고 판단할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims (6)

1. 판재를 맞대기 양면 용접하여 양면에 용접비드가 형성된 용접이음부에 있어서, 양면의 상기 용접비드가 서로 맞닿는 중첩부에서 각각의 상기 용접비드의 중앙부의 간격 (d)이 0.1~4mm로 비대칭을 이루는 충격인성이 우수한 용접이음부
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 판재가 맞댄 부분은 X형 그루브 형상인 충격인성이 우수한 용접이음부.
   
3. 단수 또는 다수의 전극으로 판재를 맞대기 양면 용접하여 용접이음부를 제조하는 방법에 있어서, 상기 용접 시, 상기 단수 또는 다수의 전극 중에서 상기 판재에 처음 용접을 실시하는 첫 번째 전극은, 상기 판재의 수직방향을 기준으로, 용접 진행방향의 좌측 또는 우측 방향으로 기울어져 비틀림각 (twist angle, θ)을 가지는 충격인성이 우수한 용접이음부의 제조 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 비틀림각 (twist angle, θ)은 0.1 ~ 1°의 각도를 갖는 충격인성이 우수한 용접이음부의 제조 방법.
   
5. 제 3 항에 있어서, 상기 판재의 맞대기 용접 시 이음부가 X형 그루브 형상인 충격인성이 우수한 용접이음부의 제조 방법.
   
6. 제 3 항에 있어서, 상기 양면 용접은 용접 입열량을 70~120kJ/cm로 하여, 서브머지드 아크 용접으로 실시하는 충격인성이 우수한 용접이음부의 제조 방법.

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