KR20180074084A - 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법 - Google Patents

고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법은 용접될 강관을 준비하는 단계 및 상기 강관의 표면에 진동을 인가하며, 상기 강관의 용접될 부위를 용접 재료를 이용하여 용접하는 단계를 포함한다.

Description

고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING WELDED STEEL PIPE HAVING REDUCED HOT CRACK}
본 발명은 용접 강관의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법에 관한 것이다.
근래, 강재의 고강도 및 고인성화, 비자성화 등에 대한 요구가 높아짐에 따라 오스테나이트 강재에 대한 용처가 넓어지고 있다. 이러한 오스테나이트 강재는 판재나 후물재 등의 형태로 그대로 사용되기도 하지만, 용도에 맞추어 강관 형태로 조관되어 사용하는 경우도 많다.
강관 형태로 조관되는 경우 심리스 강관을 제외하고는 판재를 둥글게 말아서 원형의 단면을 갖추게 한 후, 판재와 판재 사이를 맞대기 용접하여 강관을 얻는 방법을 사용하는 것이 일반적이다. 그런데, 평면의 판재를 원형으로 조관하는 조관작업의 특성상 강관의 내면 부위에는 압축응력이 작용하고 강관의 외면에는 인장응력이 작용하게 된다.
이러한 상태에서, 강판의 단부와 단부가 맞닿아 용접되는 심(seam)부는 모재 또는 용접재료가 용해된 후 응고되는 과정을 통하여 형성되는 것인데, 특히 오스테나이트 강재와 같이 응고 수축률이 높은 강재는 응고 및 냉각과정에서 용접부가 과다하게 수축되며 그 결과 용접부에 강한 인장응력이 생성되게 된다. 이러한 강한 인장응력은 강관의 외면에서 기존에 존재하던 잔류응력과 결합하여 용접부에 고온 크랙을 유발하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0077241호
본 발명의 실시예들은 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법은, 용접될 강관을 준비하는 단계 및 상기 강관의 표면에 진동을 인가하며, 상기 강관의 용접될 부위를 용접 재료를 이용하여 용접하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강관의 용접은 내면 용접 및 외면 용접 단계를 포함하며, 상기 강관의 외면 초층 용접시 또는 외면 2층 용접시 진동을 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강관의 표면에 인가되는 진동은 기계적 진동일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기계적 진동은 20 내지 70Hz의 진동수 및 D/70,000 내지 D/7,000mm의 진폭으로 인가될 수 있다. 여기서, D는 강관의 직경을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 진폭은 0.1 내지 0.8mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강관의 표면에 인가되는 진동은 초음파 진동일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초음파 진동은 10 내지 200kHz의 진동수 및 D/7,000 내지 D/700mm의 진폭으로 인가될 수 있다. 여기서, D는 강관의 직경을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 진폭은 0.01 내지 0.1mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강관은 Mn 함량이 10중량% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접 재료는 Mn 함량이 10중량% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 용접 강관의 제조방법에 따르면, 오스테나이트 단상 조직을 가져 응고 수축률이 높은 강재를 이용하여 강관을 심 용접할 때, 용접부에 압축응력을 인가함으로써 응고과정에 용접부에 잔류 응력이 작용하는 것을 최소화 할 수 있어, 고온 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 강관의 내면과 외면에 다층 용접을 실시하였을 때, 심부에 각 용접층이 형성된 것을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예들 만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 강관의 내면과 외면에 다층 용접을 실시하였을 때, 심부에 각 용접층이 형성된 것을 나타낸 모식도이다.
본 발명에서 강관 용접이라 함은 강판을 성형하여 강관 형상으로 한 후, 심부를 용접하여 최종 강관으로 제조할 때의 용접을 말한다.
도 1을 참조하면, 강관 용접시 형성되는 용접부(심부)의 예시적인 형상을 나타내었다.
반드시 이러한 순서로 한정되는 것은 아니나, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접은 우선 내면 초층 용접을 실시하여 내면 초층 비드(11)을 형성한 후, 내면 2층(12) 용접을 실시한다. 필요에 따라 내면 3층 이상의 용접을 실시할 수도 있다. 이후, 외면 초층(21) 용접, 외면 2층(22) 용접, 외면 3층(23, 24) 용접의 순서로 외면용접을 실시한다.
경우에 따라서는, 외면 용접 전에 외면 가우징(gouging) 처리를 실시할 수도 있으며, 층수는 도시된 것보다 많거나 적을 수 있다. 또한, 외면 용접보다 반드시 내면 용접이 먼저 실시되어야 하는 것은 아니며, 아주 특별한 경우에는 외면과 내면 용접을 교대로 실시할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관의 제조 방법은, 용접될 강관(200)을 준비하는 단계 및 상기 강관(200)의 표면에 진동을 인가(400)하며, 상기 강관의 용접될 부위(300)를 용접 재료를 이용하여 용접(100)하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관은, 오스테나이트 단상 조직을 가져 응고 수축률이 높은 강재, 예를 들어, 고망간강 내지 오스테나이트계 스테인리스강을 이용하여 강관을 제조하는 것이다.
용접시 용접부(300)는 용해되었다가 응고되는 과정을 겪게 되는데, 응고과정에서 용접부(300)에 수축이 일어나고, 이러한 수축으로 인하여 용접부(300)에는 강한 인장응력이 작용하게 된다. 그 결과, 용접부(300)가 충분한 강도를 가지지 못한 고온 상태에서 용접부(300)에 균열이 발생할 우려가 강해진다.
용접부(300)의 응고 및 냉각은 응고 수축률이 낮은 강재에서는 특별히 문제가 되지 않으나, 오스테나이트 강재와 같이 응고 수축률이 4% 이상인 강재에서는 문제가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관의 제조 방법은 용접부 또는 용접 재료의 응고 수축률이 4% 이상인 강재에 대하여 유리하게 적용될 수 있다. 또한, 응고 수축률이 4% 이상이면 어떠한 재료라도 적용할 수 있으며, 그 종류를 특별히 제한하지는 않는다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 있어서, Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인리스강 등이 사용될 수 있다. 이들은 용접 재료의 형태로 용접시 용해되어 용접부(300)를 형성할 수 있으며, 모재(강관)가 용해되어 용접부(300)를 형성할 수도 있다. 응고 수축률이 높을수록 본 발명의 적용 필요성이 높아지는 것이므로, 응고 수축률의 상한을 특별히 제한하지 않는다. 다만, 현재 시판되는 강재는 통상 응고 수축률이 10% 이하의 범위에서 결정되고 있으나, 반드시 이로 제한하는 것은 아니다.
즉, 예를 들어, 상기 강관(200)은 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있으며, 상기 용접 재료는 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 강관의 제조 방법에 따르면, 강관의 용접시 상기 강관의 표면에 진동을 인가하며, 상기 강관의 용접될 부위(300)를 용접 재료를 이용하여 용접한다. 이때, 강관의 표면에 일정 진동이 인가됨에 따라 용융 풀이 고상으로 응고시에 용융 풀을 진동시켜 고온 균열에 영향을 미치는 편석을 방지할 수 있으며 이에 따라 용접부에서의 고온 균열을 저감할 수 있다.
또한, 상기 강관(200)에 인가되는 진동은 강관의 둘레방향으로 볼 때, 용접될 부위와 중심부를 지나는 축선에 대칭되는 위치에서 인가하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강관(200)에 인가되는 진동은 인가되는 위치와 상기 강관(200)의 중심부을 연결한 선이 상기 용접될 부위와 중심부를 지나는 축선과 실질적으로 직교하는 방향에서 인가될 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 강관(200)에 진동이 인가되는 위치는 1개소 이상에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 강관의 용접은 내면 용접 및 외면 용접 단계를 포함한다. 보다 구체적으로, 우선 내면 초층 용접을 실시하여 내면 초층 비드을 형성한 후, 내면 2층 용접을 실시하며, 이후, 내면 3층 이상의 용접을 실시한다. 이후, 외면 초층 용접, 외면 2층 용접, 외면 3층 용접의 순서로 외면 용접을 실시한다.
바람직하게는, 상기 강관에 진동을 인가하는 시점은 외면 초층 용접을 수행하는 때 이후 일 수 있다. 즉, 예를 들어, 상기 강관의 용접부에 외면 초층 용접시 또는 외면 2층 용접시 진동을 인가할 수 있다. 일단 내면 용접이 완료된 후에는 용접부의 구속력이 발생하여 용접부의 형상에 진동이 크게 영향을 주지 못하며 외층 용접시 용융 풀이 고상으로 응고시에 영향을 줄 수 있게 되어, 상술한 바와 같이 고온 균열을 저감할 수 있다.
예를 들어, 상기 강관의 표면에 인가되는 진동은 기계적 진동일 수 있다.
상기 강관에 기계적 진동을 인가하는 장치는 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 강관에 접촉 내지 비접촉하고 있는 진동기(vibrator, 400) 일 수 있다.
상기 기계적 진동은 20 내지 70Hz의 진동수 및 D/70,000 내지 D/7,000mm의 진폭으로 인가될 수 있다. 여기서, D는 강관의 직경을 의미한다.
상기 기계적 진동의 진동수 및 진폭이 상기 범위를 벗어나는 경우, 고온 균열이 발생하게 되거나 고온 균열은 양호하더라도 강관의 형상에 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 상기 진폭은 0.1 내지 0.8mm일 수 있다.
예를 들어, 상기 강관의 표면에 인가되는 진동은 초음파 진동일 수 있다.
상기 강관에 초음파 진동을 인가하는 장치는 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 강관에 접촉 내지 비접촉하고 있는 초음파 진동기(ultrasonic vibrator) 일 수 있다.
상기 초음파 진동은 10 내지 200kHz의 진동수 및 D/7,000 내지 D/700mm의 진폭으로 인가될 수 있다. 여기서, D는 강관의 직경을 의미한다.
상기 초음파 진동의 진동수 및 진폭이 상기 범위를 벗어나는 경우, 고온 균열이 발생하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 상기 진폭은 0.01 내지 0.1mm일 수 있다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
발명예 1(기계적 진동)
하기 표 1에 기재된 조성을 가지는 강판과 용접재료를 준비하였다. 강판을 강관 형상으로 가공하였으며, 강관의 심부에 대하여 내면에 2층으로 용접을 실시하였다. 하기 표 1에 기재된 각 원소의 함량은 중량%를 기준으로 나타낸 것이다. 강판과 용접재료는 모두 100% 오스테나이트 단상조직을 나타내고 있었으며, 응고 수축률이 모두 약 5% 수준이었다. 하기 표 2에 용접에 사용한 강관의 형상 및 용접 조건을 나타내었으며, 외면 초층 용접시 도 2에 나타낸 방식으로 강관에 기계적 진동을 인가하기 시작한 후 용접을 수행하였으며, 표 3에 인가된 진동수 및 진폭, 그리고 용접 후 강관 형상의 틀어짐 유무에 따른 형상 양호 내지 불량을 육안으로 관찰하여 평가하였으며, 고온 균열 발생율을 평가하여 나타내었다.
구분 C Si Mn Cr Cu P S S.Al N
강판 1.17 0.08 17.5 3.08 0.49 0.023 0.0019 0.0019 0.0088
용접재료
(전용착금속)		 0.43 0.56 18.1 1.19 - 0.019 0.0081 - -
구분 강관 직경 (mm) 강관 두께 (mm) 용접패스 층간 온도 (℃) 용접 전류 (A) 용접 전압 (V) 용접 속도 (mm/min) 입열량 (kJ/mm)
실시예 1 762 20 외면초층 26 520 30 450 2.08
실시예 2 762 20 외면초층 30 520 30 750 1.248
실시예 3 762 20 외면초층 28 520 30 800 1.17
실시예 4 609 20 외면초층 35 520 30 500 1.872
실시예 5 609 20 외면초층 26 520 30 500 1.872
실시예 6 609 20 외면초층 24 520 30 600 1.56
실시예 7 508 15 외면초층 23 520 30 600 1.56
실시예 8 508 15 외면2층 26 520 30 600 1.56
실시예 9 508 15 외면2층 23 520 30 500 1.872
실시예 10 508 10 외면초층 25 520 30 500 1.872
실시예 11 508 10 외면초층 27 520 30 500 1.872
비교예 1 762 20 외면초층 26 520 30 450 2.08
비교예 2 762 20 외면초층 30 520 30 750 1.248
비교예 3 762 20 외면초층 28 520 30 800 1.17
비교예 4 609 20 외면초층 35 520 30 500 1.872
비교예 5 609 20 외면초층 26 520 30 500 1.872
비교예 6 609 20 외면초층 24 520 30 600 1.56
비교예 7 508 15 외면초층 23 520 30 600 1.56
비교예 8 508 15 외면2층 26 520 30 600 1.56
비교예 9 508 15 외면2층 23 520 30 500 1.872
구분 진동수 (Hz) 진폭 (mm) 강관 형상 양호 여부 고온균열 발생율 (%)
실시예 1 12 0.8 양호 0
실시예 2 108 0.8 양호 0
실시예 3 195 0.8 양호 1
실시예 4 15 0.5 양호 0
실시예 5 120 0.5 양호 0
실시예 6 189 0.5 양호 0
실시예 7 35 0.2 양호 2
실시예 8 98 0.2 양호 0
실시예 9 190 0.2 양호 0
실시예 10 50 0.5 양호 1
실시예 11 150 0.1 양호 0
비교예 1 0 0 양호 35
비교예 2 5 0.05 양호 27
비교예 3 230 0.09 양호 18
비교예 4 0 0 양호 12
비교예 5 5 0.04 양호 15
비교예 6 180 2 불량 0
비교예 7 0 0 양호 23
비교예 8 150 1 불량 1
비교예 9 210 0.7 불량 0
상술한 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 11은 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 충족하는 것으로서, 고온 균열이 발생한 부위가 전체 용접된 길이 대비 2% 이하에 불과하여 아주 양호한 결과를 나타내었다.
비교예 1, 4 및 7은 강관에 진동을 전혀 인가하지 않은 경우로 고온균열 발생률이 12% 이상으로 상당히 크게 나타나며, 나머지 비교예들도 진동수 또는 진폭이 본 발명에서 정의하는 조건을 벗어나는 것으로 고온균열 발생률이 실시예 대비 상당히 높으며, 고온균열은 만족하더라도 진동수가 너무 커서 강관 형상의 불량이 발생함을 알 수 있다.
발명예 2(초음파 진동)
상기 표 1에 기재된 조성을 가지는 강판과 용접재료를 준비하였다. 강판을 강관 형상으로 가공하였으며, 강관의 심부에 대하여 내면에 2층으로 용접을 실시하였다. 하기 표 4에 용접에 사용한 강관의 형상 및 용접 조건을 나타내었으며, 외면 초층 용접시 도 2에 나타낸 방식으로 강관에 초음파 진동을 인가하기 시작한 후 용접을 수행하였으며, 표 5에 인가된 진동수 및 진폭, 그리고 용접 후 강관 형상의 틀어짐 유무에 따른 형상 양호 내지 불량을 육안으로 관찰하여 평가하였으며, 고온 균열 발생율을 평가하여 나타내었다.
구분 강관 직경 (mm) 강관 두께 (mm) 용접패스 층간 온도 (℃) 용접 전류 (A) 용접 전압 (V) 용접 속도 (mm/min) 입열량 (kJ/mm)
실시예 12 762 20 외면초층 26 520 30 450 2.08
실시예 13 762 20 외면초층 30 520 30 750 1.248
실시예 14 762 20 외면초층 28 520 30 800 1.17
실시예 15 609 20 외면초층 35 520 30 500 1.872
실시예 16 609 20 외면초층 26 520 30 500 1.872
실시예 17 609 20 외면초층 24 520 30 600 1.56
실시예 18 508 15 외면초층 23 520 30 600 1.56
실시예 19 508 15 외면2층 26 520 30 600 1.56
실시예 20 508 15 외면2층 23 520 30 500 1.872
실시예 21 508 10 외면초층 25 520 30 500 1.872
실시예 22 508 10 외면초층 27 520 30 500 1.872
비교예 10 762 20 외면초층 26 520 30 450 2.08
비교예 11 762 20 외면초층 30 520 30 750 1.248
비교예 12 762 20 외면초층 28 520 30 800 1.17
비교예 13 609 20 외면초층 35 520 30 500 1.872
비교예 14 609 20 외면초층 26 520 30 500 1.872
비교예 15 609 20 외면초층 24 520 30 600 1.56
비교예 16 508 15 외면초층 23 520 30 600 1.56
비교예 17 508 15 외면2층 26 520 30 600 1.56
비교예 18 508 15 외면2층 23 520 30 500 1.872
구분 진동수 (kHz) 진폭 (mm) 강관 형상 양호 여부 고온균열 발생율 (%)
실시예 12 22 0.05 양호 0
실시예 13 40 0.1 양호 0
실시예 14 69 0.05 양호 0
실시예 15 21 0.02 양호 0
실시예 16 44 0.01 양호 1
실시예 17 65 0.02 양호 0
실시예 18 20 0.07 양호 0
실시예 19 50 0.05 양호 0
실시예 20 70 0.05 양호 0
실시예 21 25 0.01 양호 0
실시예 22 65 0.07 양호 1
비교예 10 0 0 양호 35
비교예 11 80 0.05 양호 7
비교예 12 150 0.05 양호 15
비교예 13 0 0 양호 12
비교예 14 25 0.001 양호 7
비교예 15 100 0.08 양호 8
비교예 16 0 0 양호 23
비교예 17 100 0.1 양호 6
비교예 18 25 0.1 양호 5
상술한 바와 같이 실시예 12 내지 실시예 22는 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 충족하는 것으로서, 고온 균열이 발생한 부위가 전체 용접된 길이 대비 1% 이하에 불과하여 아주 양호한 결과를 나타내었다.
상기 실시예 1 내지 실시예 11과 비교하여 볼 때, 단순 기계적 진동을 인가한 경우보다 초음파 진동을 인가한 경우가 고온균열 발생율이 50% 이상 감소함을 알 수 있었다.
비교예 10, 13, 16은 강관에 진동을 전혀 인가하지 않은 경우로 고온균열 발생률이 12% 이상으로 상당히 크게 나타나며, 나머지 비교예들도 진동수 또는 진폭이 본 발명에서 정의하는 조건을 벗어나는 것으로 고온균열 발생률이 실시예 대비 상당히 높게 발생됨을 알 수 있다.
11: 내면 초층 비드 12: 내면 2층 비드
13: 내면 3층 비드 21: 외면 초층 비드
22: 외면 2층 비드 23, 24: 외면 3층 비드
100: 용접기 200: 용접부 또는 용접될 부위
300: 강관 400: 진동기

Claims (10)

  1. 용접될 강관을 준비하는 단계; 및
    상기 강관의 표면에 진동을 인가하며, 상기 강관의 용접될 부위를 용접 재료를 이용하여 용접하는 단계를 포함하는 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강관의 용접은 내면 용접 및 외면 용접 단계를 포함하며,
    상기 강관의 외면 초층 용접시 또는 외면 2층 용접시 진동을 인가하는 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강관의 표면에 인가되는 진동은 기계적 진동인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기계적 진동은 20 내지 70Hz의 진동수 및 D/70,000 내지 D/7,000mm의 진폭으로 인가되는 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
    여기서, D는 강관의 직경을 의미한다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진폭은 0.1 내지 0.8mm인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강관의 표면에 인가되는 진동은 초음파 진동인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 초음파 진동은 10 내지 200kHz의 진동수 및 D/7,000 내지 D/700mm의 진폭으로 인가되는 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
    여기서, D는 강관의 직경을 의미한다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진폭은 0.01 내지 0.1mm인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 강관은 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인리스강인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용접 재료는 Mn 함량이 10중량% 이상인 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인리스강인 고온 균열이 저감된 용접 강관의 제조방법.
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