KR20160082359A - 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 장식관, 양식기, 철도차량 등의 고강도 및 고내식성이 요구되는 환경에 사용되는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법에 관한 것이다.

Description

린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법 {METHOD FOR PIPE WELDING OF LEAN DUPLEX STAINLESS STEEL}
본 발명은 장식관, 양식기, 철도차량 등의 고강도 및 고내식성이 요구되는 환경에 사용되는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법에 관한 것이다.
린 듀플렉스 스테인리스강은 기존 듀플렉스 스테인리스강의 성분조성 중 고가 성분인 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)의 함량을 최소화하는 한편, 질소(N)의 함량을 높인 강으로서, 제조비용의 절감 효과가 있다.
최근에는, 기존 널리 사용되고 있는 304강을 대체적용하고 있는 추세이며, 이를 효과적으로 얻기 위해서는 린 듀플렉스 스테인리스강의 용접부 가공성 및 내식성의 확보는 물론이고, 용접생산성(용접속도)도 기존 304강 대비 동등 이상의 수준을 확보할 필요가 있다.
한편, 듀플렉스 스테인리스강의 용접부 품질 확보를 위해, 기존에는 아르곤(Ar) 보호가스에 질소를 2% 이상 첨가하고, 용접 이면부 보호가스로 질소를 사용하였다. 이와 같이 보호가스 내 질소를 첨가하는 것은, 용접부 내 오스테나이트상의 형성을 촉진하기 위한 것이다.
그러나, 상기의 조건으로 용접을 행하는 경우, 기존 304강 대비 용입성이 열위하여 용접속도가 저하되는 문제가 있으며, 질소 첨가에 따른 용접부 표면부 및 이면부의 산화가 촉진되어 내식성을 저감시키는 요인으로 작용하는 문제가 있다.
또한, 린 듀플렉스 스테인리스강은 기존 304강 대비 항복강도가 높아, 조관 용접시 용접이음부 간격(gap)이 벌어지며, 이는 용접부 비드형상불량 및 용접속도를 저하시키는 원인으로 작용한다. 이를 해결하기 위해서는 포밍 롤(Forming Roll)을 추가하여야 하지만, 이러할 경우 비용이 증가하는 단점이 있다.
본 발명의 일 측면은, 린 듀플렉스 스테인리스 강의 조관 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접부의 가공성 및 내식성을 향상시킬 수 있는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 린 듀플렉스 스테인리스강을 조관 용접함에 있어서,
상기 보호가스로는 8~15질량%의 수소(H2) 및 2~5질량%의 질소(N2)를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 상기 이면보호가스로는 8~15질량%의 수소(H2)를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법을 제공한다.
본 발명에 의할 경우, 린 듀플렉스 스테인리스강의 용접시 용접부 내식성 및 가공성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접속도를 향상시킴으로써 용접 생산성이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 용접방법에 의해 용접된 강관은 고강도 및 고내식성이 요구되는 환경에 적합하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TIG 용접시 보호가스에 따른 동일 용접속도에서 용접전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 TIG 용접 후 용접 이면에 형성된 Fe-Cr-O 산화층의 두께를 나타낸 것이다.
본 발명자들은, 린 듀플렉스 스테인리스강의 용접시 용접부 가공성 및 내식성을 향상시킴과 동시에, 용접속도를 향상시킬 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구한 결과, 용접시 표면의 산화방지 및 용접성 개선의 목적으로 용접토치에서 공급되는 보호가스 및 이면가스의 조성과 용접전극의 각도를 최적화시키는 경우, 본 발명에서 목표로 하는 바를 달성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
특히, 본 발명에서는 기존의 듀플렉스 스테인리스강의 용접방법과는 구별되는, 신규한 조관 용접방법을 제공함으로써, 용접부 가공성 및 내식성은 물론이고, 용접속도를 효과적으로 향상시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
이하에서는 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른, 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법은,
상기 강재에 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 상기 강재를 용접하는 것을 포함하며, 상기 보호가스로는 8~15질량%의 수소(H2) 및 2~5질량%의 질소(N2)를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 상기 이면보호가스로는 8~15질량%의 수소(H2)를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접을 위해, TIG 용접을 행함이 바람직한데, 이러한 TIG 용접은 용접토치에 포함된 텅스텐 전극과 강재 사이에 발생하는 아크를 이용하여 강재를 용접한다. 이때, 용접토치에서 아르곤(Ar) 및 헬륨(He)을 불활성 가스로 포함하는 보호가스를 분사함으로써 용접부와 전극을 보호하여 아크 안정성을 확보한다.
이러한 불활성 가스에 미량으로 수소를 첨가하게 되면, 아크 열밀도가 높아져, 동일 입열 조건에서 용융량이 증가하는 효과가 있다. 또한, 수소는 강력한 환원성 가스로서 용접시 용접부 표면의 산화를 억제하는 효과가 있다.
본 발명에서는 상술한 효과를 얻음으로써 용접속도를 향상시키기 위하여, 상기 보호가스 내 상기 수소(H2)를 8~15질량%로 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 용접부 내식성 및 가공성을 향상시키기 위하여, 상기 수소와 더불어 2~5질량%의 질소(N2)를 포함하는 불활성 가스를 보호가스로 공급하여 조관 용접을 행하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 보호가스는 15~20L/min의 유량으로 공급할 수 있다.
만일, 상기 불활성 가스 내 수소의 함량이 8질량% 미만이면 아크 열밀도 향상이 충분하지 못하여 용입성 개선 효과를 얻을 수 없으며, 반면 그 함량이 15질량%를 초과하게 되면 수소가 용접금속의 결정립 내로 과도하게 침투하여 용접금속을 취화시켜 용접부의 가공성을 보증하기 어려워지는 문제가 있다.
또한, 상기 질소의 함량이 2% 미만이면 용접부 표면의 내식성 및 가공성을 개선시키기 어려우며, 반면 5%를 초과하게 되면 용접부 기공 발생을 조장할 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.
상기 불활성 가스로는 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스 및 이들의 혼합가스 중 어느 하나가 바람직하게 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이 보호가스를 제어하는 한편, 본 발명에서는 이면보호가스를 동시에 제어하는 것이 바람직하며, 이때 8~15질량%의 수소를 포함하는 불활성 가스를 보호가스로 공급하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 불활성 가스는 이미 언급한 바와 동일하다.
상기의 조성으로 제어되는 본 발명의 이면보호가스는 외부로 유출되는 것을 방지하는 것이 바람직하며, 이는 예를들어 실드박스와 같은 수단을 이용함으로써 달성할 수 있다. 또한, 상기 이면보호가스는 10~15L/min의 유량으로 공급할 수 있다.
본 발명에서 상술한 바와 같이 보호가스 및 이면보호가스의 제어로부터 용접 생산성의 향상을 효과적으로 얻기 위해서는 안정적인 비드 형상을 확보하는 것이 요구되며, 이에 본 발명에서는 상기 보호가스의 조성을 제어함과 동시에, 용접전극의 각도를 제어하는 것이 바람직하다.
린 듀플렉스 스테인리스강은 기존 스테인레스강(예컨대, 304강) 대비 항복강도가 높아, 조관 용접시 과도한 스프링-백(Spring-Back) 현상이 발생한다. 이로 인해 용접이음부의 간격(gap)이 넓게 형성되며, 이는 용접이음부 형상 불량을 유발하는 문제가 있다. 이를 방지하고자, 용접속도를 낮추는 방안을 모색할 수 있겠으나, 이는 용접 생산성을 저하시키는 원인이 되므로 바람직하지 못하다.
이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 개선하기 위하여, 린 듀플렉스 스테인리스강의 TIG 용접시 용접전극의 각도를 제어하는 방안을 제시한다.
즉, 린 듀플렉스 스테인리스강의 특성상 용접시 용접이음부 간격(gap)이 넓어지는데, 이때 아크 직경을 확대함으로써 상기 용접이음부의 형상 불량을 억제할 수 있으며, 이를 위해서는 용접전극의 각도를 통상 적용되는 각도 대비 줄이는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, 상기 용접전극의 각도를 40~50°로 제어하는 경우, 전극선단면에 직각방향으로 형성되는 아크의 직경이 커져 안정적인 용접 비드 형상을 확보할 수 있게 된다.
상기 용접전극의 각도가 40° 미만이면 아크 직경이 과도하게 커져 용접부가 형성되지 않으며, 반면 50°를 초과하게 되면 충분한 직경의 아크를 확보할 수 없게 되어, 안정한 용접 비드 형상을 얻기 어려워지는 문제가 있다.
통상, TIG 용접을 행하게 되면 용접 표면과 용접 이면에 산화층이 형성되는데, 린 듀플렉스 스테인리스강을 용접하는 본 발명의 경우 Fe-Cr-O 산화층이 형성된다.
상기 린 듀플렉스 스테인리스강을 종래의 용접방법으로 용접할 경우 상기 Fe-Cr-O 산화층은 약 25㎛의 두께로 두껍게 형성되는 반면, 본 발명의 용접방법에 의할 경우 상대적으로 얇게 형성되며, 대략 10~15㎛의 두께범위로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 용접 이면에 형성되는 Fe-Cr-O 산화층을 얇게 형성할 수 있으므로, 용접 이면의 내식성을 향상시키는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 용접방법에 의할 경우, 동일 용접속도에서 용접전류를 감소시키는 효과(도 1 참조)가 있으며, 이는 동일 전류에서 용접속도를 상승시킬 수 있음을 의미하므로, 본 발명에서 목표로 하는 용접속도 향상을 달성할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 린 튜플렉스 스테인리스강은 앞서 언급한 바와 같이, 기존 듀플렉스 스테인리스강의 성분조성 중 고가 성분인 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)의 함량을 최소화하는 한편, 질소(N)의 함량을 높인 강으로서, 예를들면 중량%로, 9~21%Cr-0.5~4.8%Ni-1.8~3.5%Mn-0.5~0.8%Si-1.5%이하(0% 포함)Mo-0.1~0.3%N의 성분계를 갖는 강인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
중량%로, 20%Cr-1.0%Ni-3.5%Mn-0.7%Si-0.3%N의 성분계를 갖는 판두께 1.5mm의 린 듀플렉스 스테인리스강을 하기 표 1의 조건으로 TIG 용접을 실시하였으며, 이때 용접조건에 따라 동일 용접속도에서 용접전류의 변화를 측정하여 도 1에 나타내었다.
구분 보호가스
(질량%)		 이면보호가스
(질량%)		 전극각도
비교예 Ar+2%N2 N2 60°
발명예 Ar+2%N2+8%H2 Ar+8%H2 40°
도 1에 나타낸 바와 같이, 보호가스로 Ar+2%N2를 사용한 경우에 비해 본 발명에서 제안하는 보호가스(Ar+2%N2+8%H2)를 사용하는 경우에 동일 용접속도에서 60~90A 정도 용접전류가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 동일 전류에서 용접속도를 향상시킬 수 있음을 의미한다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 및 발명예의 용접 후 용접 이면에 형성된 Fe-Cr-O 산화층의 두께를 관찰하여 본 결과, 비교예의 경우 25㎛로 두껍게 형성된 반면, 발명예의 경우 15㎛의 두께로 약 10㎛ 정도 얇게 형성된 것을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 린 듀플렉스 스테인리스강을 조관 용접함에 있어서,
    상기 보호가스로는 8~15질량%의 수소(H2) 및 2~5질량%의 질소(N2)를 포함하는 불활성 가스를 사용하고,
    상기 이면보호가스로는 8~15질량%의 수소(H2)를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스 및 이들의 혼합가스 중 어느 하나인 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용접시 용접전극의 각도를 40~50°범위로 제어하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 용접 후 용접 이면에는 10~15㎛의 Fe-Cr-O 산화층이 형성되는 것인 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 용접은 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접법을 이용하는 것인 린 듀플렉스 스테인리스강의 조관 용접방법.
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