KR20220167629A - 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법 - Google Patents
고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고망간강을 하이브리드 방식의 용접기로 용접하는 방법에 있어서: 두께 16~30t의 고망간강 모재로 구조물을 제작하는 경우, 레이저 용접부(10)의 용접헤드(15)를 선행시키고 아크 용접부(20)의 아크토치(25)를 후행시키며, 75~100CPM 범위의 용접속도를 실현하는 경우, 모재 상에서 용접헤드(15)와 아크토치(25)의 기준간격(Fa)을 6㎜로 유지하면서 용접헤드(15)의 초점거리(Fd)를 -8㎜로 유지하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 고망간강 소재로 주판을 비롯한 다양한 구조물 제작에 적용 가능하면서 두께 16t 이상의 극후물재에도 적용성을 유지하므로 선박 건조 현장에서 유용성을 높이고 생산성 향상에 기여하는 효과가 있다.
이에 따라, 고망간강 소재로 주판을 비롯한 다양한 구조물 제작에 적용 가능하면서 두께 16t 이상의 극후물재에도 적용성을 유지하므로 선박 건조 현장에서 유용성을 높이고 생산성 향상에 기여하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 고망간강의 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박 건조 현장에서 망간 함량 22.5~25.5% 범위의 소재를 결합하기 위한 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.
고망간강은 극저온의 LNG를 저장하여 운반할 수 있는 소재로서 친환경 선박(LFS)의 발주가 증가함에 따라 생산성을 높이는 용접기술 개발이 절실하다. 특히 LFS 또는 LNGC의 전체 구조물 중에서 많은 부분을 차지하는 주판, 외판, 탱크 등에 대한 고망간강 용접이 생산성 향상에 큰 영향을 미치게 된다. 고망간강의 경우 마랑고니 효과(Marangoni effect)와 재질 특성상 용융금속의 유동이 용접부 중심에서 외측으로 발생하므로 통상적인 SAW 용접시 용입이 얕아 고효율 용접 기법인 양면 단층 SAW 용접을 적용하기 곤란하다.
이에 대한 대책과 관련하여 한국 등록특허공보 제2019-0074844호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제2021-0020661호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 고망간강에 원통형의 홀을 형성시키는 단계; 및 홀이 형성된 고망간강을 구조재에 접촉시킨 뒤, 홀에 오스테나이트계 용접재료를 충진시키면서 고망간강과 구조재를 용접하는 단계를 포함하고, 용접재료의 충진은 홀의 중심부로부터 외곽부 방향으로 선회시키면서 이루어진다. 이에, 고망간강 라이너를 구조물에 손쉽게 결합시키는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 고망간강인 두 모재를 준비하는 준비단계, 두 모재를 무개선 또는 개선각이 18˚보다 작거나 같도록 절단하는 절단단계; 모재를 서로 맞대어 배치하는 배치단계; 제1 방향으로 용접하여 제1 패스를 형성하고 제2 방향으로 용접하여 제2 패스를 형성하는 단계;를 포함한다. 이에, SAW 대비 용접 시간과 불량률 증가를 크게 단축하는 효과를 기대한다.
다만, 상기한 선행문헌에 의하면 다양한 구조물에 적용하기 미흡할뿐더러 두께 16~30t 범위의 소재에는 적용성이 더욱 저하되는 한계성을 보인다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 선박 건조 현장에서 망간 함량이 높은 소재로 주판을 비롯한 다양한 구조물 제작에 적용 가능하면서 두께 16t 이상의 극후물재에도 적용성을 유지하기 위한 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고망간강을 하이브리드 방식의 용접기로 용접하는 방법에 있어서: 두께 16~30t의 고망간강 모재로 구조물을 제작하는 경우, 레이저 용접부의 용접헤드를 선행시키고 아크 용접부의 아크토치를 후행시키며, 75~100CPM 범위의 용접속도를 실현하는 경우, 모재 상에서 용접헤드와 아크토치의 기준간격(Fa)을 6㎜로 유지하면서 용접헤드의 초점거리(Fd)를 -8㎜로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 모재는 인장강도 660Mpa 이상이고 저온 충격에너지 -196℃ 이상에서 27J인 선박 구조물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 용접헤드는 수직선을 기준으로 전방으로 5~10˚ 기울이는 동시에 상기 아크토치는 수직선을 기준으로 후방으로 35~45˚ 기울이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 용접헤드는 75~100CPM 범위의 용접속도에서 10~14㎾ 범위의 출력을 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 모재는 양면 I개선 맞대기 용접에서 일면 1패스/턴오버/이면 1패스로 진행하고, 턴오버 과정에서 가우징 공정을 배제하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 고망간강 소재로 주판을 비롯한 다양한 구조물 제작에 적용 가능하면서 두께 16t 이상의 극후물재에도 적용성을 유지하므로 선박 건조 현장에서 유용성을 높이고 생산성 향상에 기여하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용접방법을 개념적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 용접방법의 검증을 위한 예비시험 자료
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 용접방법을 검증하는 과정을 나타내는 본시험 자료
도 2는 본 발명에 따른 용접방법의 검증을 위한 예비시험 자료
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 용접방법을 검증하는 과정을 나타내는 본시험 자료
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
고망간강을 LNGC 및 LFS에 적용했을 경우, Type B 탱크(tank)의 경우 적용되는 주 사용 두께는 8~15t이고, Type C 탱크의 경우 탱크 용량에 따라 두께가 달라지나, 주 사용 두께는 10t~30t 이다.
선박 구조물에 있어서 고망간강 하이브리드 용접부의 기계적 물성 요구조건은 인장강도 660Mpa 이상, 저온 충격에너지 -196℃ 이상에서 27J이다. 비파괴시험은 ISO 5817 Class Level B 또는 이에 동등한 국제 기준을 적용한다. 굽힘시험은 전 구역 결함발생 시 불합격으로 처리한다. 매크로(Macro) 시험에 의하여 크랙과 L/F(Lack of Fusion) 발생 시 불합격으로 처리한다. 경도시험은 모재의 경도값과 비교하여 HAZ(Heat Affect Zone) 및 WZ(Weld Zone)에 경도값 차이에 대한 분석(For reference)에 따른다.
도 1을 참조하면, 레이저 용접부(10)와 아크 용접부(20)를 갖춘 하이브리드 용접 시스템을 모식적으로 나타낸다. 이러한 시스템은 6축 산업용 로봇, 아크 전원 공급기, 푸시풀(Push-Pull) 송급기 등을 포함한다. 예비시험에 의하면 레이저 선행, 아크(MIG) 후행으로 진행함이 최선으로 판단된다. 모재와 직교하는 수직선에 대하여 용접헤드(15)와 아크토치(25)를 기울임은 레이저 용접 시 발생되는 반사 빔이 광학계로 유입되는 것을 차단하기 적합하다.
고망간강 BOP(Bead On Plate) 예비시험에 의하면 레이저 용접부(10)의 용접헤드(15)에 의한 레이저빔의 최소경은 약 300㎛이고, 레이저 출력이 증가함에 따라 선형적으로 용입깊이가 증가됨이 관찰되었다.
도 2를 참조하면, 용접헤드(15)를 단독 사용함에 의한 초점거리(Fd)와 BOP 용입깊이를 나타낸다.
도 2(a)에서, 용접속도 100CPM, Fd= 0 ~ -5mm로 하는 경우 레이저 초점거리(Fd)에 따라 포진되는 레이저 빔의 밀도량이 상이하기 때문에 레이저 초점거리(깊이)에 따라 용입깊이의 차이는 선형적으로 증가하지는 않았다. 레이저 초점거리 0 ~ -5mm에서는 Fd= -4mm, 9.5mm에서 가장 큰 용입깊이를 얻을 수 있었다.
도 2(b)에서, 용접속도 100CPM, Fd= -4mm, Fa= 4, 6mm, 아크(Arc) 출력별 용입 깊이를 파악하였다. 레이저 초점거리(Fd)에 따라 포진되는 레이저 빔의 밀도량이 상이하기 때문에 레이저 초점거리에 따라 용입깊이의 차이는 선형적으로 증가하지는 않았다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 예비시험과 동등 이상의 하이브리드 용접 시스템을 사용한 본 실험을 고망간강 BOP 방식으로 진행한 결과를 나타낸다.
예비시험에 의한 하이브리드 용접 경향으로 볼 때 최소 12kW 이상의 레이저 출력을 사용했을 경우 15t의 관통이 예상되지만, 8kW Fd= -4mm로 수행 시 많은 양의 스패터가 발생되어 레이저의 초점거리(Fd)를 보다 하향(-)해야 할 것으로 판단되었다. 빔 집속의 계산 값에 따라 임의의 파장에서 초점 크기를 줄이기 위해서는 대상체(모재) 표면보다 (-)로 약간의 조정이 필요하다.
한편, 본 시험에서 보호가스는 99% 아르곤(Ar)을 사용하였고 상부에는 15L/min, 하부에는 25L/min을 공급하였다. 용가재는 MIG 용 Φ1.2mm 솔리드 와이어(Solid Wire)를 사용하였다.
도 3(a)에서, 레이저 선행, 아크 후행의 공정으로 수행 시 용접의 용입(Penetration)의 역할을 레이저에서 주도하기 때문에 Arc 입열을 최소화하기 위해 150A로 축소하였다. Test-01에서는 약간의 험핑이 발생하였으나, 이는 레이저 용접 출력에 의한 시편의 벌어짐으로 인해 발생한 것으로 판단된다.(이 후 조건에서는 끝단이 벌여지지 않도록 Tack Welding을 통해 고정하였다.) 그 외 조건에서는 특별한 험핑이나 결함이 발생하지 않았다.
도 3(b)에서, 전반적으로 레이저 출력이 상이하더라도 Arc 출력이 일정함에 따라 비드형상이 동일하게 형성되었다. Test-01때와 같은 끝단의 벌어짐 현상을 제어하여 험핑에 대한 결함은 발견되지 않았으며 레이저 선행 후 아크 후행의 공정으로 수행하여 전반적으로 수려한 비드표면을 얻을 수 있었다. 허나, 용접부 내부 결함을 판단하기 위해서 방사선 투과검사를 통해 이를 검증할 필요가 있다
도 4(a)에서, Test-01의 경우, 용접부 끝단부 벌어짐에 따른 험핑 발생으로 불합격 처리하였다. 그 외 Test-2~5번 시편에 대해서는 발생한 결함에 대한 RT 이미지 결과는 후술하는 바와 같았다.
도 4(b)에서, RT 필름 이미지(Film Image)의 커버리지(Coverage)로 인해 시편당 3개의 RT이미지로써 검사를 수행하였다. RT 검사결과 합부기준 중, AWS D1.1/D1.1/4.9.2.1에 따라 용접부 시종단부에 탭 피스(Tap Piece)가 있을 시 양 끝단부 50mm에 발생하는 결함은 무시해도 된다는 내용이 명시되어 있다. 허나, 본 하이브리드 시험편의 용접조건은 탭 피스 적용여부가 확정되지 않았기 때문에 탭 피스 적용을 고려하여 비파괴시험 결과를 검토하였다.
Test-02 시편에서는 Linear(Aligned) 기공(Porosity)이 발생하여 불합격 처리되었다.(100mm 이내 기공결함률 2% 초과) Test-03 시편 외에는 모두 시종단부에서의 결함 기공(Porosity)과 융합부족(Lack of Fusion)이 발생되었으나 이는 공정으로써 극복이 가능할 것으로 판단된다.
도 5(a)에서, 앞선 최적조건의 실험 결과의 시편으로 물성시험을 실시하여 결과를 나타낸다. 매크로(Macro) 결과, 무결함으로 확인되었다. 용접부 인장시험 결과, 합격 기준인 660Mpa이상의 값이 도출되어 합격기준에 만족하였다. 저온 충격 결과, -196℃에서 27J이상 값이 도출되어 합격기준에 만족하였다.
도 5(b)에서, 고망간강의 30t를 기준으로 하는 양면 2Pass 하이브리드 용접을 위한 최적 조건이 수립되었다. 이는 본 발명의 용접 공정 중 레이저 선행, 아크(MIG) 후행으로 수행하는 기술 사상의 유효성을 입증한다.
그리고, 기존의 ARC 용접법과 다르게 모재의 턴오버(Turn Over) 용접 수행시 행해지는 가우징 공정을 없애고 일면 용접 후 이면 용접의 2Pass로 용접을 수행하는 것이 가능함이 확인되었다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 레이저 용접부
15: 용접헤드
20: 아크 용접부 25: 아크토치
Fa: 기준간격 Fd: 초점거리
20: 아크 용접부 25: 아크토치
Fa: 기준간격 Fd: 초점거리
Claims (5)
- 고망간강을 하이브리드 방식의 용접기로 용접하는 방법에 있어서:
두께 16~30t의 고망간강 모재로 구조물을 제작하는 경우,
레이저 용접부(10)의 용접헤드(15)를 선행시키고 아크 용접부(20)의 아크토치(25)를 후행시키며,
75~100CPM 범위의 용접속도를 실현하는 경우,
모재 상에서 용접헤드(15)와 아크토치(25)의 기준간격(Fa)을 6㎜로 유지하면서 용접헤드(15)의 초점거리(Fd)를 -8㎜로 유지하는 것을 특징으로 하는 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 모재는 인장강도 660Mpa 이상이고 저온 충격에너지 -196℃ 이상에서 27J인 선박 구조물인 것을 특징으로 하는 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 용접헤드(15)는 수직선을 기준으로 전방으로 5~10˚ 기울이는 동시에 상기 아크토치(25)는 수직선을 기준으로 후방으로 35~45˚ 기울이는 것을 특징으로 하는 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 용접헤드(15)는 75~100CPM 범위의 용접속도에서 10~14㎾ 범위의 출력을 유지하는 것을 특징으로 하는 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 모재는 양면 I개선 맞대기 용접에서 일면 1패스/턴오버/이면 1패스로 진행하고, 턴오버 과정에서 가우징 공정을 배제하는 것을 특징으로 하는 고망간강 극후물재의 하이브리드 용접 방법.
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