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KR102043516B1 - 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법 - Google Patents

도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 도금 강판에 오스테나이트계 스테인리스 강관의 개구부를 접촉시킨 후, 이 접촉된 부위에 보호가스를 분사하면서 용접하는 용접방법으로서, 상기 보호가스는 체적%로, 2~5%의 O2 및 잔부 Ar이고, 상기 용접시 용접재료는 페라이트계 스테인리스인 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법을 제공한다.

Description

도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법{METHOD OF WELDING COATED STEEL SHEET AND AUSTENITE BASED STIANLESS PIPE}
본 발명은 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법에 관한 것이다.
저수조 탱크 등의 구조 부재를 포함하는 강건재 산업 분야에서는 다양한 부식 환경에 따른 용접부의 내식성 향상 니즈가 증가하고 있으며, 이에 따라, 구조 부재의 고내식화가 필수적인 요구로 대두되고 있다. 가령, 옥외 폭로 환경에서 다양한 부식 환경에 노출되는 것을 고려하여, 기존의 사용되던 탄소강을 고내식 합금도금강판으로 대체하는 추세이다.
한편, 저수조 탱크 등의 구조 부재 중 일부는 스테인리스 파이프와 합금도금판재를 용접함으로써 얻어지며, 상기 합금도금판재로는 통상적으로 Zn-Mg-Al 용융 합금도금강판이 이용된다. 상기 용접에 의해 형성되는 용접 이음부는 파이프 및 판재 간의 전둘레 아크용접시 도 1과 같이 용접비드 시작 및 종단부의 겹침부에서 구속응력이 극대화되는데, 순Zn 대비 저융점인 Zn-Mg-Al 삼원계 용융 합금도금의 입계 침투로 인해 용접열향부에서의 액체금속취화(Liquid Metal Embrittlement) 균열 발생이 보다 민감한 문제가 있다. 또한, 이러한 액체금속취화 현상은 강재의 강도 및 도금부착량이 증가할수록 민감도가 증가하게 된다. 한편, 도 1은 파이프 및 판재 간의 전둘레 아크용접을 적용한 용접비드 시작부 및 종단부의 겹침부의 사진이다.
전술한 문제 해결을 위해 고내식합금도금 강판 동종간 전둘레 아크용접시의 균열 민감도 평가 및 균열 저감 방안에 대한 방법이 제시된 바 있다(특허문헌 1). 특허문헌 1은 590MPa급 이상의 고장력강판에 대해 Zn-Mg-Al 도금강판 아크용접 구조부재 액체금속취화 균열 발생 억제를 위해 MAG (Metal Active Gas) 용접의 보호가스 혼합비를 적정비로 제어하는 방법을 제안하고 있다. 이때 CO2 가스의 분율을 일정 범위로 제한하여, 도금증발영역을 확보하는 것이 핵심 내용이라 할 수 있다. 그러나, 파이프의 소재가 스테인레이스강인 경우에는 MIG (Metal Inert Gas) 용접을 적용하여야 하는데, 이에 따라 도금강판과 스테인리스 파이프의 용접시 특허문헌 1의 방법을 적용하는데 한계가 있다. 또한 통상 300계, 즉 오스테나이트계의 스테인레스강은 소재 열팽창계수가 높아 용접 열영향에 따른 팽창 및 수축 변형량이 상대적으로 증가하게 되어, 전술한 고내식합금도금 강판과 전둘레 아크용접시 액체금속취화 균열 민감도가 보다 높은 특성을 보이게 된다.
일본 특허공개공보 제2013-35060호
본 발명의 일측면은 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 이종간 전둘레 아크용접시 민감하게 발생하는 액체금속취화 균열을 억제할 수 있는 용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 도금 강판에 오스테나이트계 스테인리스 강관의 개구부를 접촉시킨 후, 이 접촉된 부위에 보호가스를 분사하면서 용접하는 용접방법으로서, 상기 보호가스는 체적%로, 2~5%의 O2 및 잔부 Ar이고, 상기 용접시 용접재료는 페라이트계 스테인리스인 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 이종간 전둘레 아크용접시 민감하게 발생하는 액체금속취화 균열을 억제할 수 있는 용접 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 파이프 및 판재 간의 전둘레 아크용접을 적용한 용접비드 시작부 및 종단부의 겹침부의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 1 및 발명예 1의 용접비드 외관을 관찰한 사진이며, (a)는 발명예 1, (b)는 비교예 1의 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 도금 강판에 오스테나이트계 스테인리스 강관의 개구부를 접촉시킨 후, 이 접촉된 부위에 보호가스를 분사하면서 용접하는 용접방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 상기 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 개구부를 전둘레 아크 용접하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로 도금 강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접시 상기 도금 강판의 강도 및 도금부착량이 증가할수록 액체금속취화 균열 민감도가 증가하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 용접시 보호가스의 종류 및 분율, 그리고, 용접재료를 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 적용 가능한 도금 강판으로는 도금부착량이 편면당 20~250g/m2이며, 인장강도가 540MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 도금강판은 예를 들면, Zn-Mg-Al계 도금강판일 수 있다.
한편, 상기 용접시 용접방법으로는 MIG를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 MIG 용접은 Ar 등의 불활성 가스를 이용하여 안정된 아크 및 용적 이행이 가능한 특징을 갖는 것으로서, 도금 강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접에 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 보호가스는 체적%로, 2~5%의 O2 및 잔부 Ar인 것이 바람직하다. 상기 보호가스 중 O2는 용용지의 유동성을 좋게 하면서 아크를 안정시키는 동시에 Zn-Mg-Al의 산화를 통한 고융점의 산화물 형성을 통해 용융 도금량을 감소시키는 역할을 수행한다. 상기 보호가스 중 O2의 함량이 2체적% 미만인 경우에는 Zn-Mg-Al계 산화물의 형성이 제한되어 용융 도금량 감소에 효과적이지 못한 단점이 있으며, 5체적%를 초과하는 경우에는 용융금속의 표면장력이 증가하여 도금증발영역 감소 및 용융 액상도금에 의한 액체금속취화 균열 민감도가 증가하는 문제가 있다.
또한, 상기 용접시 용접재료는 페라이트계 스테인리스인 것이 바람직하다. 상기 페라이트계 스테인리스 용접재료는 오스테나이트계 스테인리스 용접재료 대비 상대적으로 열팽창계수가 낮은 특성으로 인해 용접금속의 열팽창 및 응고수축변형량을 낮출 수 있다. 본 발명은 이와 같이 용접재로서 페라이트계 스테인리스를 이용함으로써 도금강판 용접열영향부의 액체금속취화 균열 민감도를 저감시킬 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 용접재료가 페라이트계 스테인리스라면 그 종류에 있어 특별히 한정하지 않으나, 전술한 용접금속의 열팽창 및 응고수축변형량 저감 효과를 충분히 확보하기 위해서는 상기 용접재료의 페라이트 분율이 80면적%인 것이 바람직하다.
한편, 상기 페라이트계 스테인리스 용접재료는 중량%로, Cr: 18~30% 및 Ni: 0.2~9%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 Cr의 함량이 18% 미만일 경우에는 조직 내의 페라이트 분율이 충분하지 못한 단점이 있으며, 30%를 초과하는 경우에는 페라이트 분율이 과도하여 오스테나이트계 스테인리스 강관과의 용접성 확보가 곤란한 단점이 있다. 상기 Ni의 함량이 0.2% 미만일 경우에는 조직내 오스테나이트 분율이 충분하지 못해 전술한 바와 같이 용접성이 저하되는 단점이 있으며, 9%를 초과하는 경우에는 조직내 페라이트 분율이 충분하지 못하여 열팽창계수 증가로 인한 용접부의 인장잔류응력을 증가시키는 단점이 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.
(실시예)
편면당 도금부착량이 150g/m2이며, 인장강도가 540MPa인 도금강판에 오스테나이트계인 304 스테인리스 강관의 개구부를 접촉시킨 후, 이 접촉된 부위에 하기 표 1의 조건으로 MIG 용접하여 용접이음부를 제작하였다. 이와 같이 얻어진 용접이음부에 대하여 액체금속취화 균열이 발생했는지 여부에 대하여 확인한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 보호가스(체적%) 용접재료 액체금속취화
균열 발생 여부
종류 Cr(중량%) Ni(중량%)
비교예1 Ar 페라이트계 30 8.8 ○
비교예2 1O2+Ar 페라이트계 30 8.8 ○
발명예1 2O2+Ar 페라이트계 30 8.8 ×
발명예2 5O2+Ar 페라이트계 30 8.8 ×
발명예3 3O2+Ar 페라이트계 29 9.0 ×
발명예4 2O2+Ar 페라이트계 18.4 0.27 ×
비교예3 6O2+Ar 페라이트계 30 8.8 ○
비교예4 2O2+Ar 오스테나이트계 19.8 10.1 ○
비교예5 5O2+Ar 오스테나이트계 24.4 12.8 ○
비교예6 3O2+Ar 오스테나이트계 19.4 12.6 ○
비교예7 2O2+Ar 오스테나이트계 18.8 12.4 ○
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 보호가스 중 O2 분율을 만족하고, 용접재료로서 페라이트계 스테인리스를 이용한 발명예 1 내지 4의 경우에는 액체금속취화 균열이 발생하지 않았음을 알 수 있다.
그러나, 비교예 1 및 2의 경우에는 각각 O2를 사용하지 않거나 O2의 분율이 본 발명의 범위보다 낮음에 따라 액체금속취화 균열이 발생하였음을 알 수 있다.
비교예 3의 경우에는 보호가스 중 O2의 분율이 본 발명의 범위보다 높음에 따라 액체금속취화 균열이 발생하였음을 알 수 있다.
비교예 4 내지 7의 경우에는 본 발명이 제안하는 보호가스 분율은 만족하였으나, 오스테나이트계 용접재료를 이용함에 따라 액체금속취화 균열이 발생하였음을 알 수 있다.
도 2 (a)는 발명예 1의 용접비드 외관, (b)는 비교예 1의 용접비드 외관을 관찰한 사진이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 발명예 1의 경우에는 용접비드가 균열없이 양호한 것을 알 수 있으나, 비교예 1의 경우에는 용접비드에 균열이 상당히 발생하였음을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. Zn-Mg-Al계 용융 합금도금강판에 오스테나이트계 스테인리스 강관의 개구부를 접촉시킨 후, 이 접촉된 부위에 보호가스를 분사하면서 용접하는 용접방법으로서,
    상기 Zn-Mg-Al계 용융 합금도금강판은 인장강도가 540MPa 이상이며,
    상기 보호가스는 체적%로, 3~5%의 O2 및 잔부 Ar이고,
    상기 용접시 용접재료는 페라이트계 스테인리스이며, 중량%로, Cr: 18~30% 및 Ni: 0.2~9%를 포함하는 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접은 MIG 용접인 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zn-Mg-Al계 용융 합금도금강판은 도금부착량이 편면당 20~250g/m2인 도금강판과 오스테나이트계 스테인리스 강관의 용접방법.
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