KR20200118883A - 강판의 가스 실드 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

강판을 맞대어 다층 용접에 의해 접합할 때, 접합 부위의 예열 처리를 실시하지 않고 가스 실드 아크 용접을 시공하며, 냉각된 후에 발생하는 용접부의 저온 균열을 효과적으로 방지하는 것이 가능한 가스 실드 아크 용접 방법을 제공한다. 인장 강도가 590 ㎫ 이상 또한 판두께가 22 ㎜ 이상인 2 장의 강판을 맞대고, 개선 각도를 10°이하 또한 개선 갭을 7 ∼ 15 ㎜ 로 하고, REM 을 0.015 ∼ 0.100 질량％ 함유하는 용접 와이어를 사용하여, 용접 와이어를 마이너스로 한 가스 실드 아크 용접을 실시하여, 맞댐 다층 용접에 의해 강판을 접합한다.

Description

강판의 가스 실드 아크 용접 방법

본 발명은, 강판을 맞대어 다층 용접에 의해 접합하는 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

가스 실드 아크 용접은, 용접에 의해 강판을 접합하는 부위와 그 주변 (이하, 접합 부위라고 한다) 을 실드 가스 (예를 들어, CO₂ 단독 가스, 혹은 Ar 과 CO₂ 의 혼합 가스 등) 로 덮으면서, 용접 와이어 (이른바 소모 전극) 를 사용하여 강판을 접합하는 기술로서, 자동차, 건축, 교량, 및 전기 기기 등의 공사 현장이나 제조 현장에서 보급되고 있다. 그 중에서도 건축이나 교량의 분야에서는, 최근, 강 구조물의 대형화가 현저하게 진전되고, 그 강 구조물의 강도를 확보하기 위해 고강도 후강판이 사용되게 되어, 그에 적합한 용접 기술이 개발되고 있다.

건축이나 교량을 구축하기 위한 구조물의 제조 현장, 혹은, 그것을 시공하는 공사 현장에서, 강판을 맞대어 가스 실드 아크 용접으로 접합하는 데에 있어서, 용접 와이어를 복수 개 사용하거나, 혹은, 용접 와이어를 동일한 접합 부위에 복수 회 통과시킴으로써, 다수의 층상의 용접 금속을 중첩시켜 쌓는 용접 기술 (이하, 다층 용접이라고 한다) 이 일반적으로 널리 채용된다. 그런데 가스 실드 아크 용접에 의한 강판의 다층 용접에서는, 용접에 의해 강판에 발생하는 용접 금속과 열 영향부로 이루어지는 부위 (이하, 용접부라고 한다) 가 냉각된 후에 저온 균열이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

용접부의 저온 균열은, 용접이 종료된 후, 요컨대 용접부가 실온 정도까지 냉각된 후에 발생하는 균열 (이른바 지연 균열) 로서, 용접부에 관련된 3 요소 (즉 용접부의 잔류 응력이나 경도, 용접부에 내재하는 수소) 의 중첩적인 상호 작용이 원인인 것이 판명되어 있다. 그리고, 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 강판에서는, 이와 같은 저온 균열의 발생 빈도가 증가하는 경향이 있다.

그래서, 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 강판에 대해서는, 이와 같은 저온 균열을 방지하기 위한 기술이 다양하게 검토되고 있다.

예를 들어, 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 강판의 다층 용접을 실시하기 전에 미리 접합 부위를 가열하여, 강판 및 그 부착물 (예를 들어 수적 등) 의 수소를 대기 중으로 방산시키는 예열 처리가, 저온 균열의 방지에 유효한 것이 알려져 있다. 그러나 접합 부위의 예열 처리는 다대한 시간과 노력을 필요로 하고, 그 결과, 가스 실드 아크 용접의 시공 비용의 증대를 초래한다.

또 특허문헌 1 에는, 인장 강도가 780 ㎫ 이상인 강판의 다층 용접에 있어서, 예열 처리를 필요로 하지 않고, 저온 균열을 억제하는 것이 가능한 레이저·아크 하이브리드 용접의 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 하이브리드 용접을 실시하기 위해 대형의 지그나 레이저 발신 장치 등을 사용하므로, 좁은 장소에서는 시공할 수 없다는 제약이 있다. 특히 건축이나 교량의 분야에서는, 강판으로 이루어지는 강 구조물을 조립할 때, 현장 용접으로 불리는 현지에서의 용접 시공이 반드시 필요해진다.

현장 용접은, 강 구조물인 기둥과 대들보 (혹은 기둥과 기둥) 를 공사 현장에서 접합하는 작업으로서, 작업원이 안전하게 작업할 수 있는 충분한 넓이의 공간을 확보하는 것은 어렵다. 요컨대, 현장 용접에서 대형의 지그나 장치를 사용하는 것이 곤란하다는 문제점이, 레이저·아크 하이브리드 용접의 현장 용접에 있어서의 보급을 방해하고 있다.

이에 대하여, 레이저·아크 하이브리드 용접보다 간편한 수단으로 시공할 수 있는 가스 실드 아크 용접에 의한 다층 용접을 채용하는 경우에는, 이미 설명한 바와 같이, 저온 균열을 방지할 필요가 있으므로, 접합 부위의 예열 처리를 공사 현장에서 실시할 수 밖에 없다. 그 결과, 건축이나 교량을 구축하는 데에 필요로 하는 공사 비용의 증대, 공사 기간의 연장을 초래한다.

일본 재공표공보 2013-179614호

본 발명은, 종래의 기술의 문제점을 해소하고, 강판을 맞대어 다층 용접에 의해 접합할 때, 접합 부위의 예열 처리를 실시하지 않고 가스 실드 아크 용접을 시공하며, 냉각된 후에 발생하는 용접부의 저온 균열을 효과적으로 방지하는 것이 가능한 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 가스 실드 아크 용접 방법이 적용되는 강판은, 인장 강도가 590 ㎫ 이상 또한 판두께가 22 ㎜ 이상인 강판을 의미한다.

본 발명자는, 상기한 과제를 해결하기 위해, 인장 강도가 590 ㎫ 이상 또한 판두께가 22 ㎜ 이상인 2 장의 강판을 맞대고, 그 개선 (開先) 형상 및 용접 와이어의 성분을 다양하게 변화시켜 가스 실드 아크 용접을 실시하고, 용접부의 저온 균열의 발생 상황을 조사하였다. 그 결과,

(a) 개선 각도와 개선 갭을 적정한 범위로 조정하고,

(b) 용접 와이어에 함유되는 희토류 원소 (이하, REM 이라고 한다) 의 함유량을 적정한 범위로 조정함으로써, 접합 부위의 예열 처리를 실시하지 않고 용접부의 저온 균열을 효과적으로 방지할 수 있는 것을 알아냈다.

또한, 용접 전류나 용접 전압, 용접 속도 등의 용접 조건을 변화시켜 가스 실드 아크 용접을 실시한 결과, 용접 조건에 상관없이 상기 (a), (b) 를 적정한 범위로 조정함으로써, 저온 균열을 방지할 수 있는 것이 판명되었다.

본 발명은, 이와 같은 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

즉 본 발명은, 인장 강도가 590 ㎫ 이상 또한 판두께가 22 ㎜ 이상인 2 장의 강판을 맞대고, 개선 각도를 10°이하 또한 개선 갭을 7 ∼ 15 ㎜ 로 하고, REM 을 0.015 ∼ 0.100 질량％ 함유하는 용접 와이어를 사용하여, 용접 와이어를 마이너스로 한 하향 가스 실드 아크 용접을 실시하여, 맞댐 다층 용접에 의해 강판을 접합하는 가스 실드 아크 용접 방법이다.

본 발명에 의하면, 강판 (인장 강도 : 590 ㎫ 이상, 판두께 : 22 ㎜ 이상) 을 맞대어 다층 용접에 의해 접합할 때, 접합 부위의 예열 처리를 실시하지 않고 가스 실드 아크 용접을 시공하며, 냉각된 후에 발생하는 용접부의 저온 균열을 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다. 그리고, 용접 시공의 시간과 노력을 대폭 저감시킬 수 있으므로, 산업상 각별한 효과를 발휘한다.

도 1 은, 본 발명에 있어서의 개선 형상의 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 는, 도 1 의 V 형 개선을 다층 용접한 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

본 발명을 적용하는 강판에 대해, 도 1 을 참조하여 설명한다. 본 발명은, 판두께 22 ㎜ 이상이고, 또한 인장 강도 590 ㎫ 이상의 2 장의 강판을 맞대어 가스 실드 아크 용접을 실시할 때에 적용하는 가스 실드 아크 용접 방법이다.

판두께 : 22 ㎜ 이상

강판의 판두께 (t) 가 22 ㎜ 미만이면, V 형 개선에 있어서 개선 각도를 크게 하고, 또한 개선 갭을 작게 해야 한다. 그 결과, 개선 (2) 의 형상에 따라서는 그 단면적이 축소되므로, 용착 금속이 적은 고능률의 용접이 요구되고, 시공 비용의 상승을 초래한다.

요컨대, 판두께 (t) : 20 ㎜ 의 강판 (1) 을, 개선 각도 (θ) : 0°, 개선 갭 (G) : 7 ㎜ 의 I 형 개선으로 용접하는 경우, 개선 (2) 의 단면적은 140 ㎟ 이다. 이에 대하여 판두께 (t) : 20 ㎜ 의 강판 (1) 을, 개선 각도 (θ) : 25°, 개선 갭 (G) : 2 ㎜ 의 レ 형 개선 (bevel groove) 으로 용접하는 경우, 개선 (2) 의 단면적은 133 ㎟ 로 축소되므로, 용착 금속의 체적이 적어도 충분한 접합 강도를 얻기 위한 대응 (예를 들어, 고가의 성분을 다량으로 함유하는 용접 와이어를 사용하는 등) 이 요구된다.

따라서 본 발명을 적용하는 강판 (1) 의 판두께 (t) 는, 22 ㎜ 이상으로 한다.

또한 판두께 (t) 의 상한은, 강판 (1) 의 제조 공장에서 압연 가능한 상한값이다. 구체적으로는, 판두께 (t) 는 22 ∼ 120 ㎜ 가 바람직하다.

인장 강도 : 590 ㎫ 이상

가스 실드 아크 용접에 의한 강판 (1) 의 다층 용접을 종래의 기술로 실시한 경우에는, 용접부의 저온 균열이 발생하기 쉽다는 문제가 있고, 특히 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 강판 (1) 에 있어서, 저온 균열의 발생 빈도가 현저하게 증가한다.

이에 대하여 본 발명은, 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 강판 (1) 이어도, 접합 부위의 예열 처리를 실시하지 않고 가스 실드 아크 용접을 시공할 수 있으며, 게다가 용접부의 저온 균열을 방지하는 것이 가능해진다. 요컨대, 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 강판 (1) 의 가스 실드 아크 용접에 의한 다층 용접에 본 발명을 적용함으로써, 저온 균열을 방지한다는 현저한 효과가 발휘된다.

또, 개선 갭 (G) 이 작을수록, 용접 중에 발생한 스퍼터가 개선의 표면에 부착되기 쉽고, 스퍼터가 컨택트 칩이나 실드 노즐과 간섭하여 아크 스톱이 발생하기 쉽다.

따라서 본 발명을 적용하는 강판 (1) 의 인장 강도는, 590 ㎫ 이상으로 한다. 따라서, 본 발명은, 판두께 22 ㎜ 이상이고, 또한 인장 강도 590 ㎫ 이상의 2 장의 강판을 맞대어 가스 실드 아크 용접을 실시할 때에 적용하는 것이 보다 바람직하다. 저온 균열은, 더욱 고강도인 780 ㎫ 이상의 강판에 있어서 발생 빈도가 보다 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 본 발명은, 780 ㎫ 이상의 강판의 맞댐 가스 실드 아크 용접에 적용하면, 보다 효과가 현저해지기 때문에, 강판의 인장 강도는 780 ㎫ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명을 적용하는 강판 (1) 을 맞대어 형성되는 개선 (2) 의 형상에 대해, 도 1, 2 를 참조하여 설명한다.

개선 각도 : 10°이하

개선 각도 (θ) 가 10°를 초과하면, 개선 (2) 의 단면적이 증가하고, 나아가서는 용착 금속의 체적이 증가하므로, 저온 균열이 발생하기 쉬워진다.

요컨대, 이미 설명한 용접부를 구성하는 용접 금속 (3) 은, 용접에 의해 개선에 부착된 용착 금속이 냉각된 것이므로, 용착 금속에 수소가 혼입되면, 용접 금속 (3) 에도 수소가 잔류하고, 그 수소가 주요한 원인이 되어 저온 균열을 일으킨다. 용착 금속의 체적이 많아지면, 혼입되는 수소도 증가하기 쉬워지고, 그 결과, 저온 균열이 발생하기 쉬워진다.

따라서 개선 각도 (θ) 는, 10°이하로 한다.

또한, 개선 각도 (θ) 의 하한은 0°(즉 I 형 개선) 여도 되지만, I 형 개선에서는 용접 중의 각 변경에 의해 개선 각도가 부 (負) 가 되어, 건전한 용접을 할 수 없다는 문제가 발생하는 경우가 있다. 그래서, 개선 각도 (θ) 를 2 ∼ 10°로 하여, 하향 가스 실드 아크 용접을 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 개선 각도 (θ) 는 5 ∼ 8°이다.

개선 갭 : 7 ∼ 15 ㎜

개선 갭 (G) 이 작을수록, 용접 금속 (3) 의 체적이 작아져, 저온 균열의 발생이 억제되지만, 접합 불량 등의 결함이 발생하기 쉽다. 한편으로 개선 갭 (G) 이 클수록, 용접 금속 (3) 의 체적이 커져, 저온 균열이 발생하기 쉽다.

따라서 개선 갭 (G) 은, 7 ∼ 15 ㎜ 로 한다. 바람직하게는, 8 ∼ 12 ㎜ 이다.

다음으로, 가스 실드 아크 용접에서 사용하는 용접 와이어의 REM (Rare Earth Metal) 함유량에 대해 설명한다.

REM : 0.015 ∼ 0.100 질량％

REM 은, 제강 공정 및 주조 공정의 개재물의 미세화나, 용접 금속의 인성 개선에 유효한 원소이다. 또, 가스 실드 아크 용접에 있어서, 용접 와이어를 마이너스 (이른바 정극성) 로 한 경우나, 용접 전류를 크게 한 경우, 용적 (溶滴) 의 미세화 및 용적 이행의 안정화를 달성하고, 또한 개선면 방향으로의 아크의 발생을 억제하는 효과도 갖는다. 가스 실드 아크 용접에 있어서의 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화는, 스퍼터의 발생을 억제하여, 안정적인 원활한 용접 시공에 기여한다.

REM 함유량이 0.015 질량％ 미만에서는, 그 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화의 효과가 얻어지지 않게 되고, 다량의 스퍼터가 발생하여 아크 스톱이 발생하기 쉽다. 한편, 0.100 질량％ 를 초과하면, 용접 와이어의 제조 공정에서 균열이 발생하기 쉬워질 뿐만 아니라, 용접 시공에 의한 용접 금속의 인성 저하를 초래함과 동시에, 스퍼터의 발생에 의한 용접 불안정을 초래한다.

따라서 용접 와이어의 REM 함유량은, 0.015 ∼ 0.100 질량％ 로 한다. 바람직하게는 0.025 ∼ 0.050 질량％ 이다.

또 용접 시공에 있어서의 용접 와이어의 극성은, REM 의 첨가에 의한 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화라는 효과를 충분히 발휘한다는 관점에서, 용접 와이어를 마이너스 (정극성) 로 하는 것이 바람직하다.

실시예

표 1 에 나타내는 조건에서, 가스 실드 아크 용접에 의한 강판의 맞댐 다층 용접을 실시하였다. 접합 부위의 예열은 실시하고 있지 않다.

사용한 강판의 성분은, 모두 S : 0.005 질량％ 이하, O : 0.003 질량％ 이하, N : 0.004 질량％ 이하이다. 개선의 가공에는 가스 절단을 채용하고, 개선면에는 연삭 등의 손질을 실시하고 있지 않다.

사용한 용접 와이어는, 모두 용접 대상의 강재 강도용 또는 그것보다 1 랭크 상 (上) 용의 강도 그레이드의 솔리드 와이어 (와이어 직경 1.2 ㎜) 이고, 그 성분은 S : 0.005 질량％ 이하, O : 0.003 질량％ 이하, N : 0.005 질량％ 이하, Si : 0.6 ∼ 0.8 질량％, Al : 0.005 ∼ 0.030 질량％ 이다.

실드 가스에는 100 ％ CO₂ 가스를 사용하고, 100 ％ CO₂ 가스를 유량 20 ℓ/min 으로 실드 노즐에 공급하였다.

표 1 중의 No.1 ∼ 13 은 협 (狹) 개선의 예, No.14 ∼ 16 은 종래부터 표준적으로 사용되는 개선 형상의 예이다. 또한, 본 발명에 있어서,「협개선」이란, 25°이하를 나타낸다.

그리고, 용접을 실시하면서 1 패스마다 용접성에 대해 조사하고, 1 패스 중에 1 회 이상의 아크 스톱이 발생한 것을 불량 (×), 아크 스톱이 발생하지 않았던 것을 양호 (○) 로서 평가하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.

또한, 용접이 종료된 후, 비드의 표면을 침투 탐상 시험과 자분 (磁粉) 탐상 시험으로 검사하고, 1 개 지점 이상의 저온 균열이 확인된 것을 균열 있음 (×), 저온 균열이 발생하지 않았던 것을 균열 없음 (○) 으로서 평가하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.

표 1 로부터 분명한 바와 같이, 발명예는, 용접성 및 저온 균열의 평가가 전부 ○ 였다. 비교예는, 용접성 및/또는 저온 균열의 평가가 × 였다.

1 : 강판
2 : 개선
3 : 용접 금속
4 : 뒷댐재

Claims (2)

1. 인장 강도가 590 ㎫ 이상 또한 판두께가 22 ㎜ 이상인 2 장의 강판을 맞대고, 개선 각도를 10°이하 또한 개선 갭을 7 ∼ 15 ㎜ 로 하고, REM 을 0.015 ∼ 0.100 질량％ 함유하는 용접 와이어를 사용하여, 용접 와이어를 마이너스로 한 하향의 가스 실드 아크 용접을 실시하여, 맞댐 다층 용접에 의해 강판을 접합하는 강판의 가스 실드 아크 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   강판의 인장 강도는 780 ㎫ 이상인 강판의 가스 실드 아크 용접 방법.

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