KR20170124630A

KR20170124630A - 이재 조인트

Info

Publication number: KR20170124630A
Application number: KR1020177031492A
Authority: KR
Inventors: 마사히코 오츠카; 다이고 사토우
Original assignee: 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2017-11-10
Also published as: EP2992992B1; KR20150088309A; JP2016175127A; EP2992992A1; CN104994986A; US20150314390A1; JP6346888B2; EP2992992A4; EP2992992B8; CN203292697U; JPWO2014178315A1; WO2014178315A1; JP6449192B2

Abstract

한쪽의 최외측 단부에 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부에 스테인리스강 또는 강이 배치된 용접용 조인트에 있어서, 극저온 환경 하에서도 누출이 없고 높은 접합 특성을 갖는 이재 조인트를 제공하기 위해, 본 발명에 관한 이재 조인트는, 한쪽의 최외측 단부가 알루미늄 합금(1), 다른쪽의 최외측 단부가 스테인리스강 또는 강(5)이고, 해당 알루미늄 합금과 해당 스테인리스강 또는 강 사이의 중간재(2)(3)(4)로서 순알루미늄, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 구리 합금 및 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는, 4층 이상의 다층 클래드재를 포함하는 이재 조인트이며, 해당 각 층간의 각 접합 계면 모두가 파고 1㎜ 이하의 파상의 접합 계면인 것을 특징으로 하는 이재 조인트로 했다.

Description

이재 조인트{DIFFERENT-MATERIAL JOINT}

본 발명은 이종 금속 재료끼리를 용접으로 접합하기 위하여 사용되는 이종 금속 조인트재(이하, 간단히 「이재 조인트」라고도 함)에 관한 것이다.

산업용 설비·장치에서는, 여러 종류의 금속 재료가 사용되고 있기 때문에, 많은 이종 금속끼리의 접합부가 존재하고 있다. 이들 이종 금속 재료끼리를 접합하는 경우, 용접할 수 없는 금속 재료에서는, 주로 플랜지를 사용하여 볼트 체결에 의한 기계적인 접합을 실시하고 있지만, 플랜지 체결의 경우에는 기기 조립 시에 막대한 수량의 볼트를 사용할 필요가 있어, 많은 시간을 필요로 하는 것 이외에, 재조임 등의 정기 보수에도 시간을 필요로 한다. 또한, 누출이 발생하기 쉬운 등의 성능면에서 신뢰성이 낮다고 한 문제가 있다.

한편, 용접이 가능한 이종 금속의 경우, 용접하는 것뿐이므로, 매우 간편하여 제작 비용을 저렴하게 할 수 있기는 하지만, 특성이 상이한 금속을 용접하기 때문에, 용접사의 능력이나 용접 조건의 설정 및 관리가 어렵고, 용접 불량이 발생하기 쉬워진다는 문제나 용접부에 형성되는 양쪽 금속의 합금에 의해 성능이 저하된다는 문제가 있다.

그로 인해, 가혹한 환경 하에서 사용되는 경우나 매우 높은 접합 특성을 필요로 하는 경우는, 동종의 금속끼리 용접할 수 있도록, 미리 이재끼리를 야금적으로 접합시킨 이종 금속 조인트재를 사용하는 방법이 많아지고 있다.

이 이종 금속 재료를 포함하는 이종 금속 조인트재를 제작하는 방법으로서는, 폭발 압착, HIP, 브레이징 등이 있다. 조인트재의 양단은 동종 용접으로 되는 재료로 되어 있지만, 그 사이에 양단의 금속 재료를 접합하기 쉽게 하기 위하여, 또는 성능을 향상시키기 위하여 다른 재료를 삽입하고 있는 구성의 것도 있다.

최근에는 액화 천연 가스(LNG)나 셰일 가스의 액화·기화 플랜트 설비나 공기 분리 장치 등이 세계 각지에서 증설되고 있으며, 그들의 설비, 장치에 있어서는 극저온 환경이 되는 많은 이종 금속끼리의 접합부가 존재하고 있다. 이들 가스 관련 설비에서는 극저온 환경 하에서도, 신뢰성이 높은 조인트재가 요구되고 있다. 이들 가스 관련 설비에서는, 극저온 환경 하에서도 높은 접합 성능이 요구되고 있으며, 조인트재의 접합 계면의 접합 상태가 나쁜 경우에는 누출이 발생되어 접합 계면의 기계 특성을 저하시켜, 큰 사고로 이어질 가능성이 있다.

또한, 이들 가스를 수송하는 운반선에 있어서는, 가스를 극저온으로 냉각하여 액화하여, 부피를 작게 하여 운반하기 때문에, 액화된 가스를 저장하는 극저온용 용기와, 선체를 접합하는 조인트가 필요해진다. 특히, 모스형 운반선은 알루미늄제의 구형 탱크와 강제의 선체를 접합하는 조인트가 필요해지고, 이 조인트재의 접합 계면의 접합 상태가 나쁜 경우에는 박리가 발생하여 접합 계면의 기계 특성을 저하시키고, 1,000톤 가까운 구형 탱크가 탈락되는 등, 큰 사고로 이어질 가능성이 있다.

이하의 특허문헌 1에는, 폭발 압착에 의해 제작된 2층 또는 3층으로 이루어지는 알루미늄과 강의 이재 조인트가 개시되어 있으며, 알루미늄과 강의 접합 계면의 파형(물결의 높이, 길이)을 크게 함으로써, 해당 이재 조인트를 용접 시공할 때의, 용접열에 대한 계면에서의 접합 강도를 향상시키는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 1에는, 용접열에 대한 계면에서의 접합 강도에 관한 기재는 있기는 하지만, 극저온 기기 등의 이재 조인트로서 장치에 사용된 경우의 누출이나 접합 계면의 건전성에 대해서는 언급되고 있지 않다.

이하의 특허문헌 2에는, 접합시키는 재료의 각각의 접합면에, 요철 가공하여, 그 요철을 맞물리게 한 상태에서 접합시킴으로써, 용접열에 대한 접합 계면에서의 접합 강도를 향상시키는 방법이 기재되어 있지만, 이재 조인트로서 사용되는 경우의, 각 접합 계면의 특성에 대해서는 언급되고 있지 않다.

이하의 특허문헌 3에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 스테인리스강 사이에 티타늄, 니켈층을 형성함으로써, 극저온에서의 성능을 향상시키고 있지만, 각 층의 파고, 제조 방법에 대해서는 언급되고 있지 않다.

이하의 특허문헌 4에는, 알루미늄+티타늄+니켈+강의 다층 클래드재의 제조 방법으로서, 티타늄을 포함하는 층을 폭발 압착할 때에 아르곤 가스를 사용함으로써 접합 계면의 합금을 저감시키는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 4에는, 아르곤 가스의 사용에 따라, 충격값이나 경도가 양호한 것이 기재되어 있지만, 티타늄 이외의 금속 재료 조합의 클래드재 제조 방법, 파고, 특성에 대해서는 기재되어 있지 않다.

이하의 특허문헌 5에는 알루미늄 합금과 강 사이에 Ag 또는 Ag 합금층을 개재시키는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 5에는 당해 클래드재로부터 이재 조인트를 제작하여, 알루미늄 합금과 강을 용접 접합한 경우에 클래드 압착 계면에 이상이 보이지 않은 것이 기재되어 있지만, 파고, 침투 탐상 등의 폭발 압착 계면에 대하여 조사한 구체적인 기재는 없다.

이하의 특허문헌 6에는, 알루미늄 합금+Ag+스테인리스강에 있어서 알루미늄 합금과 Ag 사이에 순알루미늄층을 개재시키는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 6에는, 순알루미늄을 삽입하는 것이면서, 또한, 은의 두께를 규정함으로써 충격 흡수 에너지가 종래 기술보다 향상할 수 있는 것이 기재되어 있지만, 이재 조인트로서의 누출의 어려움이나 접합 계면의 파고에 대해서는 언급되어 있지 않다.

이하의 특허문헌 7에는, 탄소강 또는 스테인리스강과 알루미늄의 관, 막대 및 판의 용접 결합을 용이하게 할 목적으로, 용접 시의 고온 환경에 감당할 수 있는 재료로서, 티타늄을 선정하여, 계면의 기밀성이 우수한 조인트가 제공되고 있다. 특허문헌 7에는 재료 구성으로서, 탄소강-스테인리스강-티타늄-순알루미늄-내식 알루미늄과 같은 다층 클래드에 대해서도 기재되어 있지만, 기재된 조인트는 용접 시의 고온 환경에 감당할 수 있는 것을 목적으로 하고 있으며, 이재 조인트로서 사용되는 경우의, 극저온 하에서의 누출량이나, 그것을 좌우하는 접합 계면의 파고에 대해서는 기재되어 있지 않다.

이하의 특허문헌 8에는 알루미늄 합금을 포함하는 이재 조인트에 있어서, 용접성을 고려하여, 알루미늄 합금의 성분이 규정되어 있다. 특허문헌 8에는 MIG 용접을 행한 개소의 침투 탐상 시험을 행하여, 용접성이 양호한 것이 기재되어 있지만, 폭발 압착에 의해 클래드화된 각 접합 계면의 건전성에 관한 기재는 보이지 않는다.

이하의 특허문헌 9에는, 폭발 압착에 의해, 접합된 강과 구리-니켈 합금, 티타늄, 알루미늄, 알루미늄 합금으로 구성된 조인트가 기재되어 있다. 응용예로서는, 선박용 조인트가 상정되어 있다. 그러나, 특허문헌 9에는 재료의 구성이 주로 기재되어 있으며, 접합 계면에 착안한 성능 평가 결과에 대해서는 기재되어 있지 않다.

이하의 특허문헌 10에는 알루미늄 합금, 티타늄, 강의 접합체를 폭발 압착에 의해 제조하는 방법이나, 알루미늄 합금과 강이 사용되고 있는 것이나, 계면이 파상을 나타내는 것이 기재되어 있지만, 접합 계면의 파고나, 그 성능에 기인하는 제조 방법의 기재는 발견되지 않는다.

이하의 특허문헌 11에는, 폭발 압착에 의해, 알루미늄+티타늄+니켈+스테인리스강을 접합하여, LNG 운반선용의 이종 금속 조인트재로서 사용하는 것이 기재되어 있으며, 해당 조인트의 형상이나 판 두께가 기재되어 있다. 또한, 해당 조인트의 기계적 성질에 관한 요구 성능과 성능 측정 결과가 실시예에 기재되어 있다. 그러나, 접합 계면의 건전성에 대해서는 언급되어 있지 않고, 파고의 계측이나 침투 탐상 시험의 기재는 보이지 않는다.

이상과 같이, 상술한 문헌 모두 가혹한 환경 하에서의 사용에 감당할 수 있는 이종 금속 조인트재의 특징이나 제조 방법에 대해서는 전혀 언급되어 있지 않고, 교시도 시사도 되어 있지 않다.

일본 특허 제3821966호 공보 일본 특허 공개 제2000-135574호 공보 일본 특허 제0980251호 공보 일본 특허 제3323311호 공보 일본 특허 제0881656호 공보 일본 특허 제3431358호 공보 일본 특허 제0752320호 공보 일본 특허 공개 제2012-200744호 공보 미국 특허 제5,213,904호 명세서 영국 일본 특허 제2210307호 명세서 중국 실용 신안 명세서(CN202878791(U))

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 한쪽의 최외측 단부에 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부에 스테인리스강 또는 강이 배치된 이종 금속 조인트재에 있어서, 극저온 환경 하에서도 누출이 없고 높은 접합 특성을 갖는 조인트재 및 해당 조인트재의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토하여 실험을 거듭한 결과, 조인트재에 있어서의 어느 접합 계면에 있어서도, 파고가 1㎜ 이하이고, 바람직하게는 침투 탐상 시험에서의 결함 지시 모양의 길이의 합계값이 1㎜개 이하이면 누출이 없고 높은 접합 특성을 갖는 조인트재로 되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.

즉, 본 발명은 이하와 같은 것이다.

[1] 한쪽의 최외측 단부가 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부가 스테인리스강 또는 강이고, 해당 알루미늄 합금과 해당 스테인리스강 또는 강 사이의 중간재로서 순알루미늄, 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 구리 합금 및 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는, 4층 이상의 다층 클래드재를 포함하는 이재 조인트이며, 해당 각 층간의 각 접합 계면 모두가 파고 1㎜ 이하의 파상의 접합 계면인 것을 특징으로 하는 이재 조인트.

[2] 한쪽의 최외측 단부가 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부가 스테인리스강 또는 강이고, 해당 알루미늄 합금은 순알루미늄과 클래드화되며, 해당 순알루미늄과 해당 스테인리스강 또는 강 사이의 중간재로서 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 구리 합금 및 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 4층 이상의 다층 클래드재를 포함하는 이재 조인트이며, 해당 각 층간의 각 접합 계면 모두가 파고 1㎜ 이하의 파상의 접합 계면인, 상기 [1]에 기재된 이재 조인트.

[3] 상기 각 접합 계면에 있어서, JIS Z 2343-1-II Cd-2 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양의 길이가 모두 1㎜ 이하인, 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 이재 조인트.

[4] 상기 이재 조인트가 소정의 둘레 길이를 갖는 배관 형상이고, 상기 각 접합 계면에 있어서, 상기 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양의 길이의 합계값이 해당 둘레 길이의 3％ 이하인, 상기 [2] 또는 [3]에 기재된 이재 조인트.

[5] 350℃ 30분간의 열 처리 후에 비등수(100℃)와 액체 질소(-196℃)를 사용한 열 사이클을 1000회 실시한 후의 JIS Z 2242에 따르는 샤르피 충격 시험에서, 각 접합 계면에 있어서, 충격 흡수 에너지가 15J 이상인, 상기 [2] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트.

[6] 상기 각 층이 폭발 압착에 의해 접합된 것인, 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트.

[7] 액화 천연 가스의 액화·기화 플랜트 설비용의, 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트.

[8] 공기 분리 장치용의, 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트.

[9] 알루미늄 배관과 스테인리스 배관의 접합용으로서 알루미늄 합금, 순알루미늄, 티타늄, 니켈 및 스테인리스강의 5층으로 구성되어 있는, 상기 [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트.

[10] 한쪽의 최외측 단부가 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부가 스테인리스강 또는 강이고, 해당 알루미늄 합금과 해당 스테인리스강 또는 강 사이의 중간재로서 니켈, 니켈 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종을 포함하는, 4층의 다층 클래드재를 포함하는 이재 조인트이며, 해당 각 층간의 각 접합 계면 모두가 파고 1㎜ 이하의 파상의 접합 계면인, 상기 [1]에 기재된 이재 조인트.

[11] 상기 각 접합 계면에 있어서, JIS Z 2343-1-II Cd-2 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양이 이재 조인트의 길이 10㎜의 범위에서 5개 이하인, 상기 [10]에 기재된 이재 조인트.

[12] 상기 각 층이 폭발 압착에 의해 접합된 것인, 상기 [10] 또는 [11]에 기재된 이재 조인트.

[13] 모스형의 액화 천연 가스 운반선에 사용되는 알루미늄제 구형 탱크와 강제의 선체의 접합용으로서 알루미늄 합금, 티타늄, 니켈 및 스테인리스강의 4층으로 구성되어 있는, 상기 [10] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트.

[14] 토양 위에 모재를 두고, 해당 모재 위에 소정 간격을 갖게 하여 합재를 겹치게 하고, 해당 합재 위의 전체면에 분말의 폭약을 세트하여, 해당 폭약을 폭발시킴으로써 해당 모재에 해당 합재를 접합시키는 폭발 압착법에 의해 상기 각 층을 접합할 때, 관입식 토양 경도계의 콘 압입에 의해 토양의 반력을 측정하고, 그것을 축 길이로 나타낸 해당 토양의 지표 경도가 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 [6] 내지 [9], [12] 및 [13] 중 어느 하나에 기재된 이재 조인트의 제조 방법.

[15] 상기 각 층을 접합할 때, JIS Z8801에 따르는 6Mesh의 시험용 체를 통과하는 사립(砂粒)을, 상기 토양의 표층으로서 사용하는, 상기 [14]에 기재된 방법.

본 발명에 관한 이재 조인트는, 극저온 환경 하에서도 누출이 없고, 높은 접합 특성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 제1 형태의 이재 조인트의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 이종 금속 조인트의 모식도이다.
도 3은 접합 계면에 있어서의 파고의 정의를 설명하는 사진이다.
도 4는 침투 탐상 시험에 있어서의 지시 모양의 사진이다.
도 5는 LNG 운반선용 이종 금속 조인트의 층 구조를 설명하는 모식도이다.
도 6은 모스형의 LNG 운반선의 극저온으로 되는 알루미늄제의 구형 탱크와 강제의 선체를 접합하기 위한 조인트 구체예를 설명하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.

본 명세서 중, 용어 「극저온」이란, 공기를 냉각·액화·증류함으로써, 화학, 철강 등의 각 플랜트에서 사용되는 산소, 질소 등의 가스를 액체로서 추출하기 위한 공기 분리 장치나, 가스 유전으로부터 채굴된 천연 가스를 다양한 프로세스를 거쳐 액화되기 위한 천연 가스 액화 장치 등이 노출되는 매우 낮은 온도를 의미하는 것 이외에, 절대 영도(섭씨 영하 273.15℃)에 가까운 헬륨의 비점인 4K(섭씨영하 약 269℃)까지를 포함한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 형태는, 스테인리스강을 제1 부재(1)로 하고, 알루미늄, 알루미늄계 합금, 티타늄 및 티타늄계 합금으로부터 선택되는 금속 재료의 제2 부재(2) 사이에 적어도 1층의 중간재(3)를 갖고 있으며, 해당 중간재(3)의 토탈 판 두께가 4 내지 20㎜인 이재 조인트이다.

중간재(3)는, 스테인리스강이나 알루미늄, 알루미늄계 합금, 티타늄, 티타늄계 합금으로부터 선택되는 금속 재료와 접합성이 좋은 알루미늄, 티타늄, 니켈, 은 또는 은 합금 등으로부터 1종 또는 복수종 선택된다.

이재 조인트는, 제1 부재(1), 제2 부재(2)를 시점으로 하고, 배관의 외경보다도 굵은 두께를 갖는 「플랜지부(5)」를 갖는 것이 바람직하다. 플랜지부(5)의 시점은 원호 반경이 1㎜ 이상인 필릿부를 가짐으로써, 조인트 내를 흐르는 유체에 의해 온도나 압력이 부하된 경우에 응력 집중이 일어나지 않아, 전체적으로 응력이 보다 경감될 수 있는 경향이 있다.

또한, 해당 이재 조인트 전체 길이를 해당 플랜지부(5)의 길이로 나눈 값이 1.5 이상인 것이 바람직하다. 해당 이재 조인트 전체 길이를 해당 플랜지부(5)의 길이로 나눈 값이 1.5 이상으로 되도록, 해당 플랜지부(5) 이외를 절삭 가공함으로써, 이종 금속의 접합부 근방이, 온도나 압력의 부하에 대하여 더욱 감당할 수 있음과 함께, 조인트 전체의 경량화가 얻어져, 장치 전체로의 부하가 경감되면서, 또한 작업성이 좋은 구조로 된다.

다층을 포함하는 이재 조인트의 이종 금속간의 접합면에는 파상 계면이 있고, 직선상의 상태를 나타내는 접합 계면에 비하여 접합 면적이 증가되고 있기 때문에, 접합 강도가 높아진다. 한편, 파상 계면의 파장이나 파고가 커지면 접합 계면으로의 금속간 화합물이 생성되기 쉬워지기 때문에, 접합 계면은 단단하여 취성으로 될 우려가 있다. 따라서, 해당 이재 조인트의 이종 금속간에 있어서의 파상의 접합 계면의 파장과 파고가 각각 1㎜ 이하인 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 형태는, 스테인리스강을 제1 부재로 하고, 알루미늄, 알루미늄계 합금, 티타늄 및 티타늄계 합금으로부터 선택되는 금속 재료의 제2 부재와의 사이에 적어도 1층의 중간재를 갖고 있는 이종 금속으로 구성된 이재 조인트이다. 해당 중간재를 설치함으로써 접합성을 높일 수 있고, 또한 제1 부재와 제2 부재를 시점으로 한 플랜지부를 가짐으로써 이재 조인트로서의 성능을 유지하면서, 경량화와 작업성의 향상도 달성할 수 있고, 또한, 플랜지부의 시점을 R 형상으로 함으로써 플랜지부 시점의 응력 집중을 피할 수 있다. 또한, 이종 금속간의 접합 계면에는 파상 계면을 갖고, 해당 파상 계면의 파장, 파고를 제어함으로써 높은 접합 강도와 높은 내누출성 모두를 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 형태는, 한쪽의 최외측 단부가 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부가 스테인리스강 또는 강이고, 해당 알루미늄 합금은 순알루미늄과 클래드화되며, 해당 순알루미늄과 해당 스테인리스강 또는 강 사이의 중간재로서 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 구리 합금 및 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 4층 이상의 다층 클래드재를 포함하는 이재 조인트이며, 해당 각 층간의 각 접합 계면 모두가 파고 1㎜ 이하의 파상의 접합 계면이면서, 또한 해당 각 접합 계면에 있어서, JIS Z 2343-1-II Cd-2 또는 동등 규격에 따르는 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양의 길이가 모두 1㎜ 이하인 이재 조인트이다.

제2 형태에 있어서는, 한쪽의 최외측 단부에 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부에 스테인리스강 또는 강이 배치되고, 접합 계면의 파고가 1㎜ 이하이면서, 또한, 침투 탐상 시험에서의 결함 지시 모양의 길이의 합계값이, 바람직하게는 둘레 길이의 3％ 이하인 점에서, 극저온 환경에 있어서도 누출을 극소화하여, 높은 접합 특성을 갖는 용접용 조인트재가 제공된다.

본 발명에서 사용되는 알루미늄이란, ASME Section II, Part B 또는 JIS 규격에 있어서의 합금 번호 1100, 1080, 1070, 1050 또는 동등품의 순알루미늄이다. 알루미늄 합금이란, 전술한 순알루미늄 이외의, 알루미늄을 주성분으로 하고, Fe 성분이나 Mn, Mg 등의 성분을 포함한 합금이다.

강, 스테인리스강이란, Fe를 주성분으로 하는 ASME Section II, Part A 또는 JIS 규격에 기재되는 것, 또는 해당 규격과 동등한 성분을 포함한 것이다.

본 명세서 중, 접합 계면에 있어서의 「파고」란, 도 3에 도시한 바와 같이, 물결의 정상부터 골까지의 높이의 차를 나타낸다. 본 발명에 있어서, 파고는, 확대경·노기스를 사용하여 조인트재 외주면 상의 접합 계면의 임의의 10점을 계측하여, 그 평균값을 구한 것을 의미한다. 단, 이하의 실시예 1과 2에 있어서는, 전자 현미경으로 측정했다.

침투 탐상 시험은, JIS Z 2343-1-II Cd-2 또는 동등 규격에 준하여, 검출된 적색 지시 모양의 크기, 수를 노기스 등의 계측기를 사용하여 측정한다.

구체적으로는, 지시 모양이란, 도 4에 도시한 바와 같이 재료 표면에 존재하는 흠집이, 침투 탐상 시험에서 사용한 침투액에 의해 육안으로 관찰되는 적색의 모양을 의미하며, 검출된 모양의 크기, 수를 노기스 등의 계측기를 사용하여 측정한다. 본 발명에 있어서는, 배관 조인트의 경우, 지시 모양의 길이가 모두 1㎜ 이하이거나, 또는 지시 모양의 길이의 합계값이 둘레 길이의 3％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이하에 제3 형태로서 도 5와 6에 예시하는 판상의 이재 조인트의 경우에는 각 지시 모양이 1㎜ 이하이면서, 또한, 해당 이재 조인트의 길이 10㎜의 범위에서 5개 이하인 것이 바람직하다.

충격 흡수 에너지는, JIS Z 2242의 금속 재료 샤르피 충격 시험 방법에 따라, V 노치 시험편을 사용하여 시험을 실시한 결과로부터 얻어진 값이다. 본 발명에 있어서는, 배관 조인트의 경우, 충격 흡수 에너지는, 350℃ 30분간의 열 처리 후에 비등수(100℃)와 액체 질소(-196℃)를 사용한 열 사이클을 1000회 실시한 후, 각 접합 계면에 있어서, 15J 이상인 것이 바람직하다.

누출량의 평가 시험은, JIS Z 2331 또는 동등 규격의 헬륨 누출 시험 방법의 진공 분사 방식으로 행한다.

토양의 지표 경도는, 관입식 토양 경도계를 사용하여 지표면 또는 표층의 토양 경도 측정을 행할 때에, 경도계의 콘 압입에 의해 토양의 반력을 측정하고, 그것을 축장(㎜)으로서 나타낸 것이며, 지반 공학회에 기재되어 있는 토양 경도 시험 방법에 기초하여 측정한 값이다. 측정 대상면을 1㎝ 파내려 가 평탄면을 성형하고, 5점의 계측을 반복하여 행한다. 지표 경도는, 최댓값과 최솟값을 잘라버리고, 나머지 3점의 평균값을 산출하여 그 측정면에서의 지표 경도로서 결정한다.

폭발 압착을 실시하는 토양 표층의 사립은, JIS Z 8801에 정해지는 시험용 체를 전량 통과하는 입자로 한다. 토양 표층은 약 10㎝이다.

또한, 본 발명의 제1 형태 또는 제2 형태의 이종 금속 조인트는, 전술한 공기 분리 장치나 천연 가스 액화 장치의 각종 배관뿐만 아니라, 건축 구조물이나 수송 기기 등의 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 기타 각종 금속을 용접 접합하는 경우에 사용하는 것도 가능하다.

본 발명의 제3 형태는, 도 5와 도 6에 예시하는, 모스형의 LNG 운반선의 구형 탱크와 강제의 선체를 접합하는 이재 조인트이지만, 그 밖의 선박이나 수송 기기, 구조체 등의 알루미늄 합금과 기타 각종 금속을 용접 접합하는 경우에 사용하는 것도 가능하다. 상기한 바와 같이, 판상의 이재 조인트인 제3 형태에 있어서는, 각 지시 모양이 1㎜ 이하이면서, 또한, 해당 이재 조인트의 길이 10㎜의 범위에서 5개 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 제4 형태는, 토양 위에 모재를 두고, 해당 모재 위에 소정 간격을 갖게 하여 합재를 겹치게 하고, 해당 합재 위의 전체면에 분말의 폭약을 세트하여, 해당 폭약을 폭발시킴으로써 해당 모재에 해당 합재를 접합시키는 폭발 압착법에 의해 상기 각 층을 접합할 때, 관입식 토양 경도계의 콘 압입에 의해 토양의 반력을 측정하고, 그것을 축 길이로 나타낸 해당 토양의 지표 경도가 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 이재 조인트의 제조 방법이다. 각 층을 접합할 때 JIS Z8801에 따르는 6Mesh의 시험용 체를 통과하는 사립을, 상기 토양의 표층으로서 사용하는 것이 바람직하다.

폭발 압착이란, 폭약의 높은 압력을 이용한 금속 접합 방법의 하나이며, 특히 이종 금속끼리를 견고하게 접합할 수 있는 기술이다. 이 기술의 큰 특징은, 금속 소재에 열을 거의 부하시키지 않고, 접합시킬 수 있으므로, 통상의 방법에서는 접합할 수 없는 금속끼리의 조합으로도 견고하게 접합할 수 있는 것이다. 또한, 견고하게 접합되는 메커니즘으로서, 폭발 압착에 의해 접합된 금속의 접합 계면은, 특유한 파상을 나타내는 것이 알려져 있고, 직선의 접합 계면보다 접합 면적이 큰 것에 기인한다고도 말해지고 있다. 단, 이 파상 계면의 크기가 커짐에 따라, 접합 시의 소성 변형이나 열적 영향이 커지기 때문에, 접합 계면의 합금층화로 이어진다. 접합 계면에 합금층이 생성되면, 접합부가 단단하여 취성으로 되는 경향이 있기 때문에, 접합 계면에 마이크로크랙이 발생하기 쉽다. 이재 조인트가, 극저온 환경 하에 노출되는 상기한 설비·장치 등에 사용되는 경우, 마이크로크랙의 확대나 진전이 있어, 중대한 사고로 이어질 위험성이 있다. 따라서, 접합 계면의 파고를 제어하는 것과, 마이크로크랙의 존재를 확인하는 침투 탐상 시험을 행하는 것이 중요해진다.

폭발 압착에 사용하는 폭약이란, 폭굉파를 발생시키는 화약류이다. 금속판을 견고하게 접합시키기 위해서는, 폭속이 1000m 매초 이상인 폭약을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 최적의 접합력으로 하기 위하여, 음속의 1/3 내지 1/2로 되는 1500m 내지 3000m/초의 폭약을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 폭약으로서는, 구체적으로는 질산암모늄이나 질산에스테르류의 PETN(펜타에리트리톨테트라나이트레이트)이나 니트로글리세린, 니트로 화합물의 TNT(트리니트로톨루엔), 니트라민의 시클로트리메틸렌트리니트라민이나 시클로테트라메틸렌테트라니트라민 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 기타 폭약 성분 또는 기타 폭약 이외의 성분을 혼합한 것을 사용할 수도 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아님은 말할 필요도 없다.

[실시예 1]

제1 부재로서 알루미늄 합금(JIS A5052P-O, 판 두께: 40㎜)을 사용하고, 중간재가 공업용 순알루미늄(JIS A1100P-H112, 판 두께: 12㎜)과 공업용 순티타늄(JIS TP270C 판 두께: 2㎜)과 공업용 순니켈(JIS NW2200, 판 두께: 1.6㎜)을 포함하고, 제2 부재가 스테인리스강(JIS SUS304L, 판 두께: 30㎜)인 5층 클래드를 제작했다. 이재 조인트 전체 길이를 플랜지부 길이로 나눈 값은 1.9이며, 접합 계면의 파장과 파고는, 알루미늄 합금과 순알루미늄의 접합 계면에서 각각 549, 221㎛, 순알루미늄과 티타늄의 접합 계면에서 각각 839, 125㎛, 티타늄과 니켈의 접합 계면에서 각각 451, 144㎛, 니켈과 스테인리스강의 접합 계면에서 각각 717, 173㎛이었다. 얻어진 조인트에 대하여, JIS Z 2331의 「헬륨 누출 시험 방법」에 따라 헬륨 누출 시험을 행한 바, 3.2×10^-11 Pa·㎥/sec(상온)이며, 우수한 내누출 성능을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한, JIS Z 2242에 준하여, 샤르피 충격 시험편을 제작하여 -196℃(액체 질소)에서 냉각한 것을 충격 시험한 바, 알루미늄 합금과 순알루미늄의 접합 계면에서 52J, 순알루미늄과 티타늄의 접합 계면에서 62J, 티타늄과 니켈의 접합 계면에서 104J, 니켈과 스테인리스강의 접합 계면에서 90J인 흡수 에너지값이 얻어졌다.

[실시예 2]

제1 부재로서 알루미늄 합금(JIS A5052P-O, 판 두께: 50㎜)을 사용하고, 중간재가 공업용 순알루미늄(JIS A1100P-H112, 판 두께: 12㎜)과 은판(JIS H2141 Grade1, 판 두께: 1㎜)을 포함하고, 제2 부재가 스테인리스강(JIS SUS304L, 판 두께: 50㎜)을 포함하는 4층 클래드를 제작했다. 이재 조인트 전체 길이를 플랜지부 길이로 나눈 값은 1.9이며, 접합 계면의 파장과 파고는, 알루미늄 합금과 순알루미늄의 접합 계면에서 각각 858, 322㎛, 순알루미늄과 은의 접합 계면에서 각각 500, 79㎛, 은과 스테인리스강의 접합 계면에서 각각 250, 50㎛이었다. 얻어진 조인트에 대하여, JIS Z 2331의 「헬륨 누출 시험 방법」에 따라 헬륨 누출 시험을 행한 바, 1.3×10^-11 Pa·㎥/sec(상온)이며, 우수한 내누출 성능을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한, JIS Z 2242에 준하여, 샤르피 충격 시험편을 제작하여 -196℃(액체 질소)에서 냉각한 것을 충격 시험한 바, 알루미늄 합금과 순알루미늄의 접합 계면에서 39J, 순알루미늄과 은의 접합 계면에서 61J, 은과 스테인리스강의 접합 계면에서 65J의 흡수 에너지값이 얻어졌다.

[실시예 3]

토양 표층의 사립이 6Mesh를 통과하여, 토양의 평균 지표 경도가 4.9㎜인 토양 환경에서, 알루미늄 합금(ASME SB-2095083-O)과 순알루미늄(ASME SB-2091100-H112)과 티타늄(ASME SB-265 Grade 1)과 니켈(ASME SB-162 UNS NO02200)과 스테인리스강(ASME SA-240 Type304L)을 포함하는 5층 클래드를 폭발 압착법에 의해 제작했다. 이 클래드에 대하여 JIS G 0601에 따르는 초음파 탐상 시험을 행하여, 접합이 확인된 위치로부터 도 2에 도시하는 형상의 이재 조인트를 제작하여 성능 평가를 행했다(a=73㎜, b=4.4㎜, c=25㎜, d=80㎜, e=102㎜, R=5㎜).

접합 계면의 파고는 조인트재 외주면 상(도 2의 e부)에서 확대경·노기스를 사용하여 측정했다. 침투 탐상 시험은 JIS Z 2343-1-II Cd-2에 따라 외주면 전체면에 행하여 검출한 지시 모양의 길이 또는 직경을 측정했다. 헬륨 누출 시험은 JIS Z 2331 진공 분사법에 따라 실시했다. 그 결과를 이하의 표 1에 나타낸다. 파고·지시 모양은, 본 발명 [1] 내지 [3]의 범위 내이며, 누출도 발생하지 않는 것이 확인되었다.

다음에 해당 조인트재에 대하여, 용접열을 고려한 350℃-30분간의 열처리 후, 비등수(100℃)와 액체 질소(-196℃)를 사용한 열 사이클을 1000회 실시하고, 다시 마찬가지의 시험을 실시했다. 또한 조인트재로부터, JIS Z 2242에 따른 충격 시험편을 채취하여 시험을 실시했다. 결과를 이하의 표 2에 나타낸다. 용접열·열 사이클이 더해져도 성능의 열화가 없어, 조인트로서 충분한 성능을 갖는 것이 확인되었다. 충격 시험에서는 모두 ASME SB-2091100-H112 소재에서 파괴가 발생하고 있으며, V 노치가 형성된 접합 계면에서는 파괴가 발생하지 않았다.

[실시예 4]

토양의 평균 지표 경도가 4.9㎜, 토양 표층의 사립이 6Mesh를 통과하는 토양 환경에서, 알루미늄 합금(ASME SB-2095083-O)과 순알루미늄(ASME SB-2091100-H112)과 은(ASTM B-413)과 스테인리스강(ASME SA-240 Type304L)을 포함하는 4층 클래드를 폭발 압착법에 의해 제작했다. 이 클래드에 대하여 JIS G 0601에 따른 초음파 탐상 시험을 행하여, 접합이 확인된 위치로부터 도 2에 도시하는 형상의 이재 조인트를 제작하여 성능 평가를 행했다(a=60㎜, b=7㎜, c=25㎜, d=106㎜, e=76㎜, R=5㎜).

접합 계면의 파고 측정 결과, 침투 탐상 시험 및 헬륨 누출 시험의 결과를 이하의 표 3에 나타낸다. 파고·지시 모양은 본 발명 [1] 내지 [4]의 범위 내이며, 누출도 발생하지 않는 것이 확인되었다.

[비교예 1]

토양 표층의 사립이 6Mesh를 통과하는 토양 환경에서 평균 지표 경도를 20㎜로 하여 폭발 압착을 행한 것 이외는, 실시예 3과 마찬가지로 제작한 클래드판으로부터, 조인트재를 제작하고, 성능 평가를 행했다. 결과를 이하의 표 4에 나타낸다. 파고 및 지시 모양이 본 발명 [1] 내지 [3]의 범위로부터 벗어나는 조인트재가 제작되었다. 단, 헬륨 누출 시험에서는 누출은 확인되지 않았다.

다음에 해당 조인트재에 대하여, 용접열을 고려한 350℃-30분간의 열처리 후, 비등수(100℃)와 액체 질소(-196℃)를 사용한 열 사이클을 1000회 실시하고, 다시 마찬가지의 시험을 실시했다. 그 결과를 이하의 표 5에 나타낸다. 열 사이클 시험 전과 비교하여, 지시 모양 길이가 확대되어 있으며, 헬륨 누출 시험에서 누출이 검출되었다. 접합 계면의 파고, 지시 모양이 커지는 것이, 조인트로서의 성능을 저하시켜, 극저온에서의 강도가 떨어지는 것이 확인되었다.

[실시예 5]

토양의 평균 지표 경도가 4.9㎜, 토양 표층의 사립이 6Mesh를 통과하는 토양 환경에서, 알루미늄 합금(JIS A3003P-O)과 티타늄(JIS TP270C)과 니켈(JIS NW2201)과 스테인리스강(JIS SUS304L)을 포함하는 4층 클래드를 폭발 압착법에 의해 제작했다. 이 클래드에 대하여 JIS G 0601에 따른 초음파 탐상 시험을 행하여, 접합이 확인된 위치로부터 원판 두께 그대로 9㎜×250㎜의 조인트재를 밴드 쏘(BAND SAW)로 잘라냈다. 조인트재 외주의 절단면을 연마하여 표면 처리를 행했다.

접합 계면의 파고는 조인트재 외주면 상에서 확대경·노기스를 사용하여 측정했다. 침투 탐상 시험은 JIS Z 2343-1-II Cd-2에 따라 외주면 전체면에 행하여 검출한 지시 모양의 길이 또는 직경을 측정했다. 그 결과를 이하의 표 6에 나타낸다. 파고는 본 발명 [10] 내지 [11]의 범위 내이며, 지시 모양은 일절 검출되지 않았다.

다음에 해당 조인트재에 대하여, JIS G0601에 따라 R=6T-90°의 측면 굽힘과 용접열을 고려한 350℃-30분간의 열처리 및 비등수(100℃)와 액체 질소(-196℃)를 사용한 열 사이클을 1000회 행한 후, 다시, 침투 탐상 시험을 실시했다. 그 결과, 지시 모양은 일절 검출되지 않았다. 본 발명의 범위 내이면 굽힘 가공, 용접열 및 열 사이클이 더해져도 접합 계면의 물성에 영향은 없어, 조인트로서 충분한 성능을 갖는 것이 확인되었다.

[비교예 2]

실시예 5와 마찬가지의 재료를 사용하여, 토양의 평균 지표 경도가 20㎜, 토양 표층의 사립이 6Mesh를 통과하는 토양 환경에서 제작한 4층 클래드로부터, 실시예 5와 동일한 조인트재를 잘라내어, 성능 평가를 행했다. 결과를 이하의 표 7에 나타낸다. 파고 및 지시 모양이 본 발명 [10] 내지 [11]의 범위로부터 벗어나는 조인트재가 제작되었다.

이어서, 실시예와 마찬가지의 측면 굽힘 시험, 열처리, 열 사이클을 실시한 해당 조인트재에, 침투 탐상 시험을 실시했다. 결과를 이하의 표 8에 나타낸다. 지시 모양 길이는 각각 확대되어 있으며, 또한, 제품 길이 10㎜의 범위에 1㎜ 미만의 길이의 지시 모양이 6개 확인되어 있던 개소는, 그 모든 지시 모양이 연결되어 하나의 큰 지시 모양으로 되어 검출되었다. 특히 알루미늄과 티타늄 계면에 있어서는 육안으로 확인할 수 있는 박리가 있고, 지시 모양도 넓은 범위에서 발생하고 있었다는 점에서, 본 발명 [10] 내지 [11]의 범위로부터 벗어난 제품은, 조인트로서의 성능을 갖고 있지 않은 것이 확인되었다.

<산업상 이용가능성>

극저온 환경 하나 고진공 성능이 요구되는 설비, 장치는, 매체가 고압력이나 위험 물질인 경우가 많아, 그들의 부재가 손상되면, 경제적 손실뿐만 아니라, 인적피해를 일으킬 가능성이 있다. 이로 인해, 이재 조인트에 있어서 접합 상태가 나빠, 접합 성능이 낮은 경우는, 경시 변화나 뜻하지 않은 응력 집중, 열 사이클 등에 의해 크랙이 발생, 진전되어, 상술한 바와 같은 문제로 이어지기 쉽다. 본 발명에 관한 용접용 조인트재는, 극저온 환경 하에서도, 높은 신뢰 성능 및 높은 접합 성능을 발휘할 수 있기 때문에, 극저온 환경 하나 고진공 성능이 요구되는 설비, 장치에 있어서 적절하게 이용 가능하다.

(도 1의 부호)
1 제1 부재
2 제2 부재
3 제3 부재(중간재)
4 필릿부
5 플랜지부
(도 2의 부호)
1 알루미늄 합금
2 알루미늄
3 티타늄
4 니켈
5 스테인리스강
(도 5의 부호)
1 알루미늄 합금
2 티타늄
3 니켈
4 스테인리스강

Claims

한쪽의 최외측 단부가 알루미늄 합금, 다른쪽의 최외측 단부가 스테인리스강 또는 강이고, 해당 알루미늄 합금은 순알루미늄과 클래드화되며, 해당 순알루미늄과 해당 스테인리스강 또는 강 사이의 중간재로서 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 구리 합금 및 은으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 4층 이상의 다층 클래드재를 포함하는 이재 조인트이며, 해당 각 층간의 각 접합 계면 모두가 파고 1㎜ 이하의 파상의 접합 계면인, 이재 조인트.
제1항에 있어서, 상기 각 접합 계면에 있어서, JIS Z 2343-1-II Cd-2 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양이 모두 1㎜ 이하인, 이재 조인트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이재 조인트가 소정의 둘레 길이를 갖는 배관 형상이고, 상기 각 접합 계면에 있어서, 상기 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양의 길이의 합계값이 해당 둘레 길이의 3％ 이하인, 이재 조인트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 350℃ 30분간의 열 처리 후에 비등수(100℃)와 액체 질소(-196℃)를 사용한 열 사이클을 1000회 실시한 후의 JIS Z 2242에 따르는 샤르피 충격 시험에서, 각 접합 계면에 있어서, 충격 흡수 에너지가 15J 이상인, 이재 조인트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 층이 폭발 압착에 의해 접합된 것인, 이재 조인트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액화 천연 가스의 액화·기화 플랜트 설비용의, 이재 조인트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 분리 장치용의, 이재 조인트.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 배관과 스테인리스 배관의 접합용으로서 알루미늄 합금, 순알루미늄, 티타늄, 니켈 및 스테인리스강의 5층으로 구성되어 있는, 이재 조인트.
제1항에 있어서, 상기 중간재로서 니켈, 니켈 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 이재 조인트.
제9항에 있어서, 상기 각 접합 계면에 있어서, JIS Z 2343-1-II Cd-2 침투 탐상 시험에 의해 검출되는 지시 모양이 이재 조인트의 길이 10㎜의 범위에서 5개 이하인, 이재 조인트.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 각 층이 폭발 압착에 의해 접합된 것인, 이재 조인트.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 모스형의 액화 천연 가스 운반선에 사용되는 알루미늄제 구형 탱크와 강제의 선체의 접합용의, 이재 조인트.
토양 위에 모재를 두고, 해당 모재 위에 소정 간격을 갖게 하여 합재를 겹치게 하고, 해당 합재 위의 전체면에 분말의 폭약을 세트하여, 해당 폭약을 폭발시킴으로써 해당 모재에 해당 합재를 접합시키는 폭발 압착법에 의해 상기 각 층을 접합할 때, 관입식 토양 경도계의 콘 압입에 의해 토양의 반력을 측정하고, 그것을 축 길이로 나타낸 해당 토양의 지표 경도가 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 제5항 내지 제8항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 기재된 이재 조인트의 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 각 층을 접합할 때 JIS Z8801에 따르는 6Mesh의 시험용 체를 통과하는 사립(砂粒)을 상기 토양의 표층으로서 사용하는, 방법.