KR20240024733A - 오버레이 용접 방법 - Google Patents
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Abstract
코발트기 합금으로 이루어지는 용접층의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있는 오버레이 용접 방법을 제공한다.
강재와, 강재 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부를 구비하는 부재에 오버레이 용접하는 방법으로서, 용접용 토치와 오버레이 용접부 사이에 아크를 발생시키고, 아크에 의해 오버레이 용접부의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성하고, 강재의 공금계 용접 재료와, 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료를 동시에 용융 풀에 삽입시킨다.
강재와, 강재 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부를 구비하는 부재에 오버레이 용접하는 방법으로서, 용접용 토치와 오버레이 용접부 사이에 아크를 발생시키고, 아크에 의해 오버레이 용접부의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성하고, 강재의 공금계 용접 재료와, 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료를 동시에 용융 풀에 삽입시킨다.
Description
본 개시는 오버레이 용접 방법에 관한 것이다.
강재의 표면 경화 처리를 실시하는 방법으로서, 경질 재료를 이용한 오버레이 용접을 실시하는 방법이 있다.
특허문헌 1에는, 밸브봉과의 슬라이딩면을 가지는 베어링을 구비하는 밸브 장치로서, 상기 베어링은 상기 밸브봉과의 슬라이딩면에 내열 코발트기 합금으로 이루어지는 플라즈마 분체 오버레이 용접층이 형성되고, 상기 용접층은 상기 베어링의 표면에 형성된, 희석률이 5~25%의 제1 용접층과, 상기 제1 용접층 상에 형성된 희석률이 상기 제1 용접층의 희석률의 50% 이하인 제2 용접층을 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 소정 길이의 금속제 중공 파이프 내에 경질 입자를 충전하여 상기 중공 파이프의 양단을 폐쇄하고, 상기 중공 파이프를 금속제 모재 상에 가로 방향으로 올려놓고, 상기 중공 파이프의 상방에 용접용 토치를 근접시켜 그 전극과 상기 중공 파이프 사이에 아크를 발생시켜, 상기 아크에 의해 상기 중공 파이프와 상기 모재의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성하고, 상기 중공 파이프의 용융으로 인해 미용융의 상기 경질 입자를 상기 중공 파이프 내부로부터 상기 용융 풀 내로 유출시키고 상기 용접용 토치를 상기 중공 파이프를 따라 이동시킴으로써 상기 모재의 표면에 있어서 상기 용접용 토치의 이동 궤적을 따르는 경화 오버레이층을 형성하는 것을 특징으로 하는 경화 오버레이층의 형성 방법이 개시되어 있다.
증기 터빈 등 주요 밸브 내장품의 슬라이딩면, 접촉면에 대해서는 더욱 단단한 재질인 코발트기 합금(스텔라이트 등)을 오버레이 용접을 함으로써 내마모성 향상을 도모하고 있다. 오버레이 용접부는 시효 경화에 의한 크랙 억제를 위해 희석률(모재 성분이 어느 정도 용접 금속에 용해되었는지를 나타내는 파라미터)을 관리할 필요가 있다. 희석률 관리는 오버레이 용접부의 보수 용접에도 적용되지만, 오버레이 용접부는 코발트기 합금이며, 코발트기 합금이 용융되고 모재는 용융되지 않는다. 이 때문에 오버레이 용접부의 보수에서는 모재와의 희석이 없고 희석률을 규정 범위로 하는 것이 어렵다. 특허문헌 1 및 2의 오버레이 용접 방법은 용접되는 소재(모재)에 용접하는 방법이 개시되어 있으며 모재가 직접 용융한다. 그러나 코발트기 합금으로 이루어지는 용접층을 보수 용접하는 경우, 모재(강재)를 직접 용융하지 않으므로 보수 용접부의 희석률이 저하하고 보수 용접부의 크랙을 억제할 수 없을 가능성이 있었다.
본 개시는 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 코발트기 합금으로 이루어지는 용접층의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부에서 부족한 성분(예를 들어 Fe)을 용접 재료에 첨가하여 희석률의 저하를 억제할 수 있는 오버레이 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시에 관한 강재와, 상기 강재 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부를 구비하는 부재에 오버레이 용접하는 방법으로서, 용접용 토치와 상기 오버레이 용접부 사이에 아크를 발생시키고, 상기 아크에 의해 상기 오버레이 용접부의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성하고, 상기 강재의 공금계 용접 재료와 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료를 동시에 상기 용융 풀에 삽입시킨다.
본 개시에 관한 오버레이 용접 방법에 의하면, 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 제거 영역 근방을 확대한 사시도이다.
도 2는 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 용융 풀 근방을 확대한 단면도이다.
도 3은 제2 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 용융 풀 근방을 확대한 단면도이다.
도 4는 비교예 1의 제거 영역 근방을 확대한 단면도이다.
도 5는 비교예 2의 제거 영역 근방을 확대한 단면도이다.
도 6은 비교예 3의 제거 영역 근방을 확대한 단면도이다.
도 2는 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 용융 풀 근방을 확대한 단면도이다.
도 3은 제2 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 용융 풀 근방을 확대한 단면도이다.
도 4는 비교예 1의 제거 영역 근방을 확대한 단면도이다.
도 5는 비교예 2의 제거 영역 근방을 확대한 단면도이다.
도 6은 비교예 3의 제거 영역 근방을 확대한 단면도이다.
<제1 실시형태>
이하, 본 개시의 오버레이 용접 방법에 대하여 설명한다. 도 1은 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 제거 영역 근방을 확대한 사시도이다.
본 개시의 오버레이 용접 방법은 강재(11)와, 강재(11) 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부(12)를 구비하는 부재(10)에 오버레이 용접하는 방법으로서, 용접용 토치(50)와 오버레이 용접부(12) 사이에 아크를 발생시켜, 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성하고, 강재(11)의 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료(22)를 동시에 상기 용융 풀에 삽입시킨다. 여기서 희석률이란 용접 금속에 어느 정도 강재 성분이 용해되었는지를 나타내는 파라미터이며 일반적으로는 용접한 금속(용접 금속) 전량을 A, 용접 금속에 용해되어 있는 강재의 량을 B로 하면, B/A×100(%)로 구해지는 값을 말한다. 그러나 상기 식을 적용하는 경우 용접 금속을 절단해야만 한다. 실제품의 절단은 불가하므로 본 개시에 있어서의 희석률은 강재 중 적어도 1개의 성분(X)(예를 들어 Fe값)에 대한 용접 금속 중 적어도 1개의 성분(Y)(예를 들어 Fe값)의 비율을 백분율로 구한 값이며, Y/X×100(%)로 구해진다. 또한 본 개시에 있어서의 용접 금속이란 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)가 용융하여 용접된 보수 용접부의 금속을 말한다. 이하, 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 대하여 설명한다.
(부재 (10))
부재(10)는 강재(11)와, 강재(11) 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부(12)를 구비한다.
(강재)
강재(11)는 9Cr계 스테인리스강, 12Cr계 스테인리스강 등을 사용할 수 있다. 9Cr계 스테인리스강의 화학 조성으로는 예를 들어 C:0.06~0.12질량%, Si:0.2~0.5질량%, Mn:0.3~0.6질량%, P:0.02질량% 이하, S:0.01질량% 이하, Ni:0.4질량% 이하, Cr:8.0~9.5질량%, Mo:0.85~1.05질량%, 잔부: Fe 및 불순물이다. 12Cr계 스테인리스강의 화학 조성으로는 예를 들어 C:0.06~0.13질량%, Si:0.5질량% 이하, Mn:0.6질량% 이하, P:0.03질량% 이하, S:0.04질량% 이하, Ni:0.5질량% 이하, Cr:12.0~13.5질량%, Mo:0.6질량% 이하, 잔부: Fe 및 불순물이다.
(오버레이 용접부)
오버레이 용접부(12)는 코발트기 합금으로 이루어진다. 오버레이 용접부(12)는 용접 중에 용융한 금속이 응고한 부분이며, 오버레이 용접부(12)에는 열 영향부(강재(11)와 오버레이 용접부(12) 사이에 열 유입이 있는 부분)가 포함되지 않는다. 여기서 코발트기 합금이란 코발트를 50질량% 이상 함유하는 합금이다. 오버레이 용접부(12)는 예를 들어 강재(11)에 대하여 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료(22)를 사용하여 오버레이 용접을 실시하여 형성한 용접부이다. 오버레이 용접부(12)는 강재(11)보다도 경질인 것이 바람직하다.
(용융 풀 형성 영역)
용융 풀을 형성하는 예정 영역(용융 풀 형성 영역)은 오버레이 용접부(12) 상에 있다. 용융 풀 형성 영역은 예를 들어 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하지 않도록 제거한 영역인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 용융 풀 형성 영역은 오버레이 용접부(12)의 결함이 있는 부분을 커터 등으로 제거한 후의 제거 영역(15)이다.
(공금계 용접 재료)
공금계 용접 재료(21)는 강재(11)의 화학 성분과 동일 또는 거의 동등한 화학 성분을 가진다. 강재(11)가 9Cr계 스테인리스강이면 강재(11)의 9Cr계 스테인리스강의 화학 성분과 동일 또는 거의 동등한 화학 성분을 가지는 용접 재료를 사용한다.
공금계 용접 재료(21)의 형상은 특별히 한정되지 않으며 예를 들어 봉 형상, 와이어 형상이다. 공금계 용접 재료(21)로서는 봉 형상인 것이 바람직하다. 공금계 용접 재료(21)가 봉 형상 또는 와이어 형상인 경우 공금계 용접 재료(21)의 직경(d1)은 특별히 한정되지 않는다. 공금계 용접 재료(21)의 직경(d1)은 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
(코발트기 합금 용접 재료(22))
코발트기 합금 용접 재료(22)는 코발트기 합금으로 이루어진다. 코발트기 합금은 전 질량에 대하여 코발트의 함유량이 50질량% 이상인 합금을 말한다. 코발트기 합금 용접 재료(22)로서는 스텔라이트(Stellite®), 트라이발로이(Tribaloy®) 등을 사용할 수 있다. 스텔라이트로서는 스텔라이트 1(Cr: 31질량%, W: 13질량%, C:2.3질량%, Si:1.3질량%, 잔부: Co), 스텔라이트 6(Cr: 28.5질량%, W:4.5질량%, C:1.1질량%, Si:1.2질량%, 잔부: Co), 스텔라이트 12(Cr: 28.5질량%, W:7.7질량%, C:1.4질량%, Si:1.2질량%, 잔부: Co), 스텔라이트 20(Cr: 35질량%, W:18질량%, C:3.2질량%, Si:0.6질량%, 잔부: Co), 스텔라이트 21(Cr: 26질량%, C:0.22질량%, Ni: 3질량%, Mo:5.8질량%, Si:1.2질량%, 잔부: Co), 스텔라이트 32(Cr: 26질량%, W:13질량%, C:1.95질량%, Si:1.2질량%, 잔부: Co) 등을 들 수 있다. 코발트기 합금 용접 재료(22)는 오버레이 용접부(12)의 형성에 사용된 재료(용접 재료)와 동일한 것이 바람직하다.
코발트기 합금 용접 재료(22)의 형상은 특별히 한정되지 않으며 예를 들어 봉 형상, 와이어 형상이다. 코발트기 합금 용접 재료(22)로서는 봉 형상인 것이 바람직하다. 코발트기 합금 용접 재료(22)가 봉 형상 또는 와이어 형상인 경우 코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경(d2)은 특별히 한정되지 않는다. 코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경(d2)은 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다.
코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경(d2)과 공금계 용접 재료(21)의 직경(d1)의 비율(d2:d1)은 70:30~60:40인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경(d2)과 공금계 용접 재료(21)의 직경(d1)의 비율이 65:35~60:40이다. 코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경(d2)과 공금계 용접 재료(21)의 직경(d1)의 비율을 상기 범위로 함으로써 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다.
(용접용 토치(50))
용접용 토치(50)는 선단이 개구한 노즐(52)과 노즐(52)의 중심 축에 배치된 전극(51)을 구비한다. 용접용 토치(50)는 TIG(TUNGSTEN INERT GAS)용 용접 토치인 것이 바람직하다. TIG 용접인 경우, 전극(51)은 텅스텐 전극이다. TIG 용접인 경우, 노즐(52) 내에 불활성 가스(Ar 등)가 공급된다. 불활성 가스를 공급하면서 용접용 토치(50)와 오버레이 용접부(12) 사이에 아크를 발생시키고 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성한다.
이어서 용접 조건에 대하여 설명한다. 도 2는 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서의 용융 풀 근방을 확대한 단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이 용접용 토치(50)와 오버레이 용접부(12) 사이에 아크를 발생시키고, 발생한 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하고, 강재(11)의 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료(22)를 동시에 용융 풀(13)에 삽입시킨다. 용융 풀(13)이 응고함으로써 오버레이 용접부(12)의 제거 영역(15)에 보수 용접부를 형성할 수 있다.
(예열)
제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서 오버레이 용접을 실시하기 전에 부재(10)의 용접 예정 영역(예를 들어 제거 영역(15)) 부근을 예열해 두는 것이 바람직하다. 예열 온도는 예를 들어 200℃~300℃이다. 예열을 실시함으로써 보수 용접부 및 주위 모재부의 크랙을 억제할 수 있다.
(아크 용접)
제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서, 용접 방법은 아크를 발생시키는 아크 용접이면 특별히 한정되지 않는다. 아크 용접으로는 TIG 용접, 플라즈마 용접 등을 들 수 있다. 아크 용접으로는 특히 TIG 용접이 바람직하다.
(용접 전류)
제1 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법의 용접 전류는 오버레이 용접을 실시할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 용접 전류는 예를 들어 50~100A이다.
(불활성 가스)
제1 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법에 있어서, 불활성 가스(실드 가스)를 공급하는 것이 바람직하다. 불활성 가스로는 예를 들어 Ar이다. 실드 가스의 유량은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 실드 가스의 유량은 8~12L/min이다.
(공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)를 용융 풀에 삽입하는 방법)
제1 실시형태에 있어서 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 용융 풀(13)에 삽입시키는 것이 바람직하다. 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 용융 풀(13)에 삽입시킴으로써 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 접촉시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 지그(jig)를 사용하여 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 고정함으로써 공금계 용접 재료(21)를 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉시켜도 된다.
제1 실시형태에 있어서, 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 거의 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 용융 풀(13)에 삽입시킴으로써 보수 용접부의 희석률의 편차를 한층 더 억제할 수 있다.
공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 거의 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 동일해도 된다. 예를 들어 이하의 방법에서 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 용융 풀(13)에 대략 동시에 삽입시킬 수 있다. 먼저 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 지그 등으로 고정함으로써 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태로 한다. 이어서 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 대략 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시킨다. 공금계 용접 재료(21)의 중심은 공금계 용접 재료(21)의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 중심이다. 공금계 용접 재료(21)가 봉 형상 또는 와이어 형상인 경우는 공금계 용접 재료(21)의 중심은 원의 중심이다. 마찬가지로 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심은 코발트기 합금 용접 재료(22)의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 중심이다. 코발트기 합금 용접 재료(22)가 봉 형상 또는 와이어 형상인 경우는, 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심은 원의 중심이다.
용접 종료 직후(보수 용접부 형성 후)에 가스 버너 등으로 가열(후가열)을 실시해도 된다. 가열 온도는 예를 들어 300℃~400℃이다. 후가열 후 부재(10)를 글라스 클로스(glass cloth) 등으로 덮음으로써 저속 냉각시키는 것이 바람직하다.
용접 종료 후 또는 후가열 후의 저속 냉각 후, 희석률을 확인하는 것이 바람직하다. 희석률은 PMI(Positive Material Identification) 검사용 형광 X선 측정 장치로, 보수 용접부의 특정 원소(예: Fe)의 값을 측정함으로써 희석률을 구할 수 있다. 희석률은 용도에 따라 적절히 설정된다. 예를 들어 희석률은 10% 이상~ 30% 이하이다.
(작용 효과)
이상 설명한 제1 실시형태에 있어서는, 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접 시에, 보수 용접에서 형성된 보수 용접부에서 부족한 성분을 용접 재료에 첨가하고 희석률의 저하를 억제할 수 있다. 또한 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에서는, 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 용융 풀(13)에 삽입시키고 있다. 그 때문에 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 또한 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법에서는, 공금계 용접 재료(21)와 상기 코발트기 합금 용접 재료(22)를 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 거의 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시킨다. 그 때문에 보수 용접부의 희석률의 편차를 억제할 수 있다.
<제2 실시형태>
이하, 본 개시의 오버레이 용접 방법에 대하여 설명한다. 이하, 제1 실시형태와 상이한 내용에 대하여 설명하고 제1 실시형태의 오버레이 용접 방법과 공통된 상세한 설명은 생략한다.
(공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)를 용융 풀에 삽입하는 방법)
제2 실시형태의 오버레이 용접 방법에 있어서, 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 용융 풀(13)에 삽입시킨다. 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 용융 풀(13)에 삽입시킴으로써 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 공금계 용접 재료(21)를 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 지그를 사용하여 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 고정함으로써 공금계 용접 재료(21)를 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉시켜도 된다.
공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽을 먼저, 용융 풀(13)에 삽입시킨다. 공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽을 먼저, 용융 풀(13)에 삽입시켜도 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있다.
공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽을 먼저 용융 풀(13)에 삽입시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 이하의 방법에서 공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽을 먼저 용융 풀(13)에 삽입시킬 수 있다. 먼저 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 지그 등으로 고정함으로써 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태로 한다. 이어서 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 상이해지도록 하여 용융 풀(13)에 삽입시킨다.
(작용 효과)
이상 설명한 제2 실시형태에 있어서는, 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부(12)의 보수 용접 시에, 보수 용접에서 형성된 보수 용접부에서 부족한 성분을 용접 재료에 첨가하고 희석률의 저하를 억제할 수 있다. 또한 제2 실시형태의 오버레이 용접 방법에서는, 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 용융 풀(13)에 삽입시키고 있다. 그 때문에 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 또한 제2 실시형태의 오버레이 용접 방법에서는 공금계 용접 재료(21) 및 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽을 먼저 용융 풀(13)에 삽입시킨다. 이와 같이 삽입하면 공금계 용접 재료(21) 또는 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽의 용접 재료의 용해량이 많아지기 때문에 용접 부분의 형상이나 희석률에 따라 삽입 방법을 적절히 변경할 수 있다. 어느 한쪽을 먼저 용융 풀(13)에 삽입해도 제2 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법에 의하면 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있다.
이상, 본 개시의 오버레이 용접 방법에 대하여 설명하였다. 본 개시의 오버레이 용접 방법에 의하면 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부의 보수 용접 시에, 보수 용접에서 형성된 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있다.
또한 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니며 본 발명의 취지를 이탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다. 그 외 본 발명의 취지를 이탈하지 않는 범위에서 상기 실시형태에 있어서의 구성 요소를 주지의 구성 요소로 전환하는 것은 적절히 가능하다.
실시예
이어서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하는데 실시예에서의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 하나의 조건예이며, 본 발명은 이 하나의 조건예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 이탈하지 않고 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있다.
(실시예 1)
부재(10)는 강재(11)의 9Cr계 스테인리스강(9.0% Cr-1.0% Mo강(ASTMA182MF91)) 또는 12Cr계 스테인리스강 상에 오버레이 용접부(12)를 형성한 것을 준비하였다. 강재(11)의 조성을 표 1에 나타낸다. 실시예 1의 오버레이 용접부(12)는 Co : 55 질량%, Cr: 25질량%, Ni: 3질량%의 분체를 사용하고 플라즈마 분체 오버레이 용접으로 형성하였다. 이후의 실시예는 9Cr계 스테인리스강에 대한 결과를 나타낸다.
공금계 용접 재료(21)는 강재(11)와 화학 조성이 동일한 것을 준비하였다. 코발트기 합금 용접 재료(22)는 오버레이 용접부(12)의 형성에 사용한 Co: 55질량%, Cr: 25질량%, Ni: 3질량%인 용접봉을 준비하였다. 코발트기 합금 용접 재료(22)와 공금계 용접 재료(21)는 모두 봉 형상이며 코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경과 공금계 용접 재료(21)의 직경 비(코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경:공금계 용접 재료(21)의 직경)=60:40으로 하였다. 또한 공금계 용접 재료(21)는 코발트기 합금 용접 재료(22)와 지그로 고정하였다. 먼저 부재(10) 표면의 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하지하지 않도록 제거하여 제거 영역(15)을 형성하였다. 이어서 가스 버너로 200~300℃로 제거 영역(15)을 가열하였다. 제거 영역(15)은 PMI 검사용 형광 X선 측정 장치로 강재(11)가 노출하지 않고 있는 것을 확인하였다.
가열 후에 용접용 토치(전극: 텅스텐)(50)를 제거 영역(15)에 근접시키고 용접용 토치(50)와 제거 영역(15) 사이에 아크를 발생시켜 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하였다.
용융 풀(13)을 형성한 후, 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 동시에 용융 풀(13)에 삽입시켰다. 구체적으로는 도 2와 같이 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 대략 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시켰다. 용접 전류는 50~100A로 하고, 실드 가스에는 Ar을 사용하며 8~12L/min로 하였다. 이 용접에 의해 보수 용접부를 형성하였다.
(실시예 2)
부재(10), 공금계 용접 재료(21), 코발트기 합금 용접 재료(22)는 실시예 1과 동일한 것을 준비하였다. 부재(10) 표면의 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하지 않도록 제거하여 제거 영역(15)을 형성하였다. 이어서 가스 버너로 200~300℃로 제거 영역(15)을 가열하였다. 제거 영역(15)은 PMI 검사용 형광 X선 측정 장치로 강재(11)가 노출하지 않고 있는 것을 확인하였다.
가열 후에 용접용 토치(전극: 텅스텐)(50)를 제거 영역(15)에 근접시키고 용접용 토치(50)와 제거 영역(15) 사이에 아크를 발생시켜 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하였다.
용융 풀(13) 형성 후, 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 동시에 용융 풀(13)에 삽입시켰다. 구체적으로는 도 3과 같이 공금계 용접 재료(21)를 코발트기 합금 용접 재료(22)의 아래로 함으로써 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)보다도 먼저 용융 풀(13)에 들어가도록 하였다. 용접 전류는 50~100A로 하고, 실드 가스에는 Ar을 사용하며 8~12L/min로 하였다. 이 용접에 의해 보수 용접부를 형성하였다.
(비교예 1)
부재(10), 코발트기 합금 용접 재료(22)는 실시예 1과 동일한 것을 준비하였다. 도 4와 같이 비교예 1에서는 코발트기 합금 용접 재료(22)만을 준비하였다. 부재(10) 표면의 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하지 않도록 제거하여 제거 영역(15)을 형성하였다. 이어서 가스 버너로 200~300℃로 제거 영역(15)을 가열하였다. 제거 영역(15)은 PMI 검사용 형광 X선 측정 장치로 강재(11)가 노출하지 않고 있는 것을 확인하였다.
가열 후에 용접용 토치(전극: 텅스텐)(50)를 제거 영역(15)에 근접시키고 용접용 토치(50)와 제거 영역(15) 사이에 아크를 발생시켜 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하였다.
용융 풀(13) 형성 후, 코발트기 합금 용접 재료(22)만을 용융 풀(13)에 삽입시켜 보수 용접부를 형성하였다. 용접 전류는 50~100A로 하고 실드 가스에는 Ar을 사용하며 8~12L/min로 하였다.
(비교예 2)
부재(10), 코발트기 합금 용접 재료(22)는 실시예 1과 동일한 것을 준비하였다. 도 5와 같이 비교예 2에서는 부재(10) 표면의 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하도록 제거하여 제거 영역(15)을 형성하였다. 이어서 가스 버너로 200~300℃로 제거 영역(15)을 가열하였다. 제거 영역(15)은 PMI 검사용 형광 X선 측정 장치로 강재(11)가 노출하고 있는 것을 확인하였다.
가열 후에 용접용 토치(전극: 텅스텐)(50)를 제거 영역(15)에 근접시키고 용접용 토치(50)와 제거 영역(15) 사이에 아크를 발생시켜 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하였다.
용융 풀(13) 형성 후, 코발트기 합금 용접 재료(22)만을 용융 풀(13)에 삽입시키고 보수 용접부를 형성하였다. 용접 전류는 50~100A로 하고, 실드 가스에는 Ar을 사용하며 8~12L/min로 하였다.
(비교예 3)
부재(10)는 실시예 1과 동일한 것을 준비하였다. 도 6과 같이 비교예 3에서는 코발트기 합금 용접 재료(22)를 코발트기 합금 용접 재료(22a)로 바꾸었다. 구체적으로는, 코발트기 합금 용접 재료(22a)는 희석률을 만족하도록 Fe를 함유한 코발트기 합금 용접 재료이다.
실시예 1과 마찬가지로 부재(10) 표면의 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하지 않도록 제거하여 제거 영역(15)을 형성하였다. 이어서 가스 버너로 200~300℃로 제거 영역(15)을 가열하였다. 제거 영역(15)은 PMI 검사용 형광 X선 측정 장치로 강재(11)가 노출하지 않고 있는 것을 확인하였다.
가열 후에 용접용 토치(50)(전극: 텅스텐)를 제거 영역(15)에 근접시키고 용접용 토치(50)와 제거 영역(15) 사이에 아크를 발생시켜 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하였다.
용융 풀(13) 형성 후, 코발트기 합금 용접 재료(22)만을 용융 풀(13)에 삽입시켜 보수 용접부를 형성하였다. 용접 전류는 50~100A로 하고, 실드 가스에는 Ar을 사용하며 8~12L/min로 하였다.
(표면 희석률)
실시예 1~2 및 비교예 1~3의 보수 용접부의 표면 희석률을 측정하였다. 측정은 PMI 검사용 형광 X선 장치에 의한 성분 분석으로 실시하였다. 구체적으로는 Olympus제 VANTA를 이용하여 보수 용접부 표면에서 Fe 함유량을 측정하고, 얻어진 철(Fe)의 함유량의 수치에 의거하여 표면 희석률을 평가하였다. 얻어진 결과를 표 2에 나타낸다. 표면 희석률이 10~30%의 범위 내라면 Good, 범위 외라면 Bad로 하였다.
(단면 희석률)
실시예 1~2 및 비교예 1~3의 보수 용접부의 단면 희석률을 측정하였다. 측정은 PMI검사용의 형광 X선 장치에 의한 성분 분석으로 실시하였다. Olympus제 VANTA를 이용하여 보수 용접부를 절단하고, 얻어진 단면에 있어서 철(Fe)의 수치를 측정하여 단면 희석률을 평가하였다. 얻어진 결과를 표 2에 나타낸다. 단면 희석률이 10~30%의 범위 내라면 Good, 범위 외라면 Bad로 하였다.
(단면 관찰)
실시예 1~2 및 비교예 1~3의 보수 용접부의 단면을 관찰하였다. 관찰은 주사 전자 현미경을 이용해 진행하였다. 얻어진 결과를 표 2에 나타낸다. 단면 관찰에 있어서 용접 불량(균열 등의 결함)이 없으면 Good, 용접 불량이 있으면 Bad로 하였다.
표 2에 나타낸 바와 같이 본 개시의 오버레이 용접 방법의 조건을 만족하는 실시예 1 및 2는 표면 희석률, 단면 희석률, 단면 관찰 전부 합격하였다. 또한 실시예 1의 경우 6곳의 용접을 실시했을 경우의 희석률의 편차는 ±0.5% 이내였는데 실시예 2의 경우 6곳의 용접을 실시했을 경우의 희석률의 편차는 ±2.0% 이내였다. 그 때문에 모재의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 대략 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시킴으로써 희석률의 편차를 저감할 수 있는 것이 확인되었다. 또한 강재(11)가 12Cr계 스테인리스강의 경우에도 동일한 결과로 되는 것을 확인하였다.
비교예 1은 오버레이 용접부(12)에 코발트기 합금 용접 재료(22)로 용접을 실시하기 때문에 표면 희석률이 표면 희석률의 하한을 하회하였다. 비교예 2는 강재(11)가 노출할 때까지 제거하고 나서 용접을 실시하였으므로 표면 희석률은 합격하였으나 단면 희석률에 있어서 첫 층의 표면 희석률이 상한값을 초과하였다. 비교예 3은 단면 관찰에 있어서 불량부가 있었다.
이상의 결과로부터, 본 개시의 오버레이 용접 방법을 사용함으로써 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있다는 것이 확인되었다.
<덧붙임(附記)>
상기 실시형태에 기재한 오버레이 용접 방법은 이하와 같이 파악될 수 있다.
（1） 본 개시의 제1 형태에 관한 오버레이 용접 방법은, 강재(11)와, 강재(11) 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부(12)를 구비하는 부재(10)에 오버레이 용접하는 방법으로서, 용접용 토치(50)와 오버레이 용접부(12) 사이에 아크를 발생시켜 아크에 의해 오버레이 용접부(12)의 표면을 용융하여 용융 풀(13)을 형성하고, 강재(11)의 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료(22)를 동시에 용융 풀(13)에 삽입시킨다.
이와 같이 함으로써 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 억제할 수 있다.
(2) 본 개시의 제2 형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (1)의 오버레이 용접 방법으로서, 공금계 용접 재료(21)의 형상이 봉 형상 또는 와이어 형상이며 코발트기 합금 용접 재료(22)의 형상이 봉 형상 또는 와이어 형상이다.
이와 같이 함으로써 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 또한 공금계 용접 재료(21) 또는 코발트기 합금 용접 재료(22)의 어느 한쪽의 용접 재료의 용해량이 많아지기 때문에 용접 부분의 형상이나 희석률에 따라 삽입 방법을 적절히 변경할 수 있다.
(3) 본 개시의 제2 형태에 관한 오버레이 용접은, (2)의 오버레이 용접 방법으로서, 코발트기 합금 용접 재료(22)의 직경과 상기 공금계 용접 재료(21)의 직경의 비율이 70:30~60:40이다.
이와 같이 함으로써 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다.
(4) 본 개시의 제4 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (1)~(3)의 어느 1개의 오버레이 용접 방법으로서, 공금계 용접 재료(21)가 코발트기 합금 용접 재료(22)와 접촉한 상태에서, 상기 용융 풀(13)에 삽입시킨다.
이와 같이 함으로써 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 저하를 더욱 억제할 수 있다.
(5) 본 개시의 제5 형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (4)의 오버레이 용접 방법으로서, 공금계 용접 재료(21)와 코발트기 합금 용접 재료(22)를 강재(11)의 두께 방향을 따라 용융 풀(13)의 표면부터 공금계 용접 재료(21)의 중심까지의 거리와, 용융 풀(13)의 표면부터 코발트기 합금 용접 재료(22)의 중심까지의 거리가 거의 동일해지도록 용융 풀(13)에 삽입시킨다.
이와 같이 함으로써 코발트기 합금의 보수 용접에서 형성되는 보수 용접부의 희석률의 편차를 억제할 수 있다.
(6) 본 개시의 제6 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (1)~(5)의 어느 하나의 오버레이 용접 방법으로서, 용융 풀(13) 형성 예정 영역을 200℃~300℃에서 가열한다.
이와 같이 함으로써 보수 용접부 및 주위 모재부의 크랙을 억제할 수 있다.
(7) 본 개시의 제7 형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (6)의 오버레이 용접 방법으로서, 상기 영역이 오버레이 용접부(12)의 일부를 강재(11)가 노출하지 않도록 제거한 영역이다.
이와 같이 함으로써 오버레이 용접부(12)의 결함부를 제거한 상태에서 보수할 수 있다.
(8) 본 개시의 제8 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (1)~(7)의 어느 하나의 오버레이 용접 방법으로서, 코발트기 합금 용접 재료(22)가 오버레이 용접부(12)의 형성에 사용된 재료와 동일하다.
이와 같이 함으로써 오버레이 용접부(12)와의 보수 용접부의 성분차를 작게 할 수 있다.
(9) 본 개시의 제9 실시형태에 관한 오버레이 용접 방법은, (1)~(8)의 어느 하나의 오버레이 용접 방법으로서, 강재(11)가 9Cr계 스테인리스강 또는 12Cr계 스테인리스강이다.
이와 같이 함으로써 부재(10)가 우수한 상온 특성 및 고온 특성을 얻을 수 있다.
10 부재
11 강재
12 오버레이 용접부
13 용융 풀
15 제거 영역
21 공금계 용접 재료
22 코발트기 합금 용접 재료
50 용접용 토치
51 전극
52 노즐
11 강재
12 오버레이 용접부
13 용융 풀
15 제거 영역
21 공금계 용접 재료
22 코발트기 합금 용접 재료
50 용접용 토치
51 전극
52 노즐
Claims (9)
- 강재와, 상기 강재 상에 형성된 코발트기 합금으로 이루어지는 오버레이 용접부를 구비하는 부재에 오버레이 용접하는 방법으로서,
용접용 토치와 상기 오버레이 용접부 사이에 아크를 발생시키고,
상기 아크에 의해 상기 오버레이 용접부의 표면을 용융하여 용융 풀을 형성하고,
상기 강재의 공금계 용접 재료와, 코발트기 합금으로 이루어지는 코발트기 합금 용접 재료를 동시에 상기 용융 풀에 삽입시키는 오버레이 용접 방법. - 제1항에 있어서,
상기 공금계 용접 재료의 형상이 봉 형상 또는 와이어 형상이며 상기 코발트기 합금 용접 재료의 형상이 봉 형상 또는 와이어 형상인 오버레이 용접 방법. - 제2항에 있어서,
상기 코발트기 합금 용접 재료의 직경과, 상기 공금계 용접 재료의 직경의 비율이 70:30~60:40인 오버레이 용접 방법. - 제1항에 있어서,
상기 공금계 용접 재료가 코발트기 합금 용접 재료와 접촉한 상태에서, 상기 용융 풀에 삽입시키는 오버레이 용접 방법. - 제4항에 있어서,
상기 공금계 용접 재료와 상기 코발트기 합금 용접 재료를 상기 강재의 두께 방향을 따라 상기 용융 풀의 표면부터 공금계 용접 재료의 중심까지의 거리와, 상기 용융 풀의 표면부터 상기 코발트기 합금 용접 재료의 중심까지의 거리가 거의 동일해지도록 상기 용융 풀에 삽입시키는 오버레이 용접 방법. - 제1항에 있어서,
상기 용융 풀의 형성 예정 영역을 200℃~300℃로 가열하는 오버레이 용접 방법. - 제6항에 있어서,
상기 영역이 상기 오버레이 용접부의 일부를 상기 강재가 노출하지 않도록 제거한 영역인 오버레이 용접 방법. - 제1항에 있어서,
상기 코발트기 합금 용접 재료가 상기 오버레이 용접부의 형성에 사용된 재료와 동일한 오버레이 용접 방법. - 제1항에 있어서,
상기 강재가 9Cr계 스테인리스강 또는 12Cr계 스테인리스강인 오버레이 용접 방법.
Applications Claiming Priority (2)
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2018001172A (ja) | 2016-06-27 | 2018-01-11 | 株式会社丸和技研 | 硬化肉盛の形成方法、硬化肉盛部材、硬化肉盛板 |
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2023
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- 2023-06-29 CN CN202310788743.9A patent/CN117583697A/zh active Pending
- 2023-07-10 US US18/219,940 patent/US20240058902A1/en active Pending
- 2023-07-18 DE DE102023118955.7A patent/DE102023118955A1/de active Pending
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2008111150A1 (ja) | 2007-03-12 | 2008-09-18 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | 弁装置 |
| JP2018001172A (ja) | 2016-06-27 | 2018-01-11 | 株式会社丸和技研 | 硬化肉盛の形成方法、硬化肉盛部材、硬化肉盛板 |
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