KR100629166B1

KR100629166B1 - 피로 특성 향상을 위한 고주파 전기저항 용접 방법

Info

Publication number: KR100629166B1
Application number: KR1020050024636A
Authority: KR
Inventors: 홍현욱; 김충명
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-09-28

Abstract

본 발명은 용접 강관의 피로 특성을 향상시키기 위한 고주파 전기저항 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명의 고주파 전기저항 용접 방법은, 특히, 석유나 가스 수송 등을 위한 파이프 라인용 용접 강관의 용접에 적용하기 위한 것으로, 진행하는 열연 강대의 폭 방향 양 단부가 이루는 수렴각을 4∼6°로 유지한 상태에서, 고주파 출력, 용접 속도, 업셋량, 강재 두께 사이의 특정 상관 관계식이 갖는 값이 2.5∼3.5가 되도록 상기 변수들을 제어함에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 고주파 전기저항 용접 방법은, 용접 이음부의 결함이 효율적으로 방지되어 용접 강관의 피로 특성이 현저히 향상될 수 있을 것으로 기대된다.

고주파 전기저항 용접, 용접 강관, 피로, 출력, 용접속도, 업셋량

Description

피로 특성 향상을 위한 고주파 전기저항 용접 방법{High frequency electric resistance welding method for fatigue property}

도 1은 고주파 전기저항 용접 상태를 보인 모식도.

도 2는 결함이 존재하는 용접 이음부의 피로 하중-변형량 그래프.

도 3은 결함이 없는 용접 이음부의 피로 하중-변형량 그래프.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11. 열연 강대 12. 콘택트 팁

13. 가압롤 P. 용접점

본 발명은 강관의 고주파 전기저항 용접(High frequency electric resistance welding; HF ERW) 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 열연 강대을 강관의 형상으로 성형 한 후 서로 대향하게 되는 폭 방향 양 단부를 고주파 전기저항 용접으로 접합하는 방식으로 강관을 제조하는 고주파 전기저항 용접 강관(이하에서는 간단히 "용접 강관"이라고 함.)의 이음부 건전성에 직접적인 영향을 미치는 용접 변수인, 고주파 출력, 용접 속도, 업셋량, 강재 두께 및 용접점에 대한 수렴각도 등의 용접 변수들간 상관 관계를 수식화하고, 이 상관 관계식의 값이 특정 범위를 만족하도록 상기 용접 변수들을 제어함으로써, 용접 강관의 이음부가 갖는 피로 특성을 향상시킬 수 있도록 한, 고주파 전기저항 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로 강관은, 봉강을 원료로 하여 이음부가 없도록 만네스만 천공기에서 제조되는 심레스 강관(무계목 강관)과, 용접에 의해 이음부가 형성된 용접 강관(계목 강관)으로 대별되는 바, 심레스 강관은 이음부가 없기 때문에 그 특성이 우수하나 제조 생산성이 매우 떨어지기 때문에, 보일러나 유압 장치 등과 같이 고압의 유체가 사용되는 곳에 한정적으로 적용되며, 그 외에는 대부분 용접 강관이 사용되고 있다.

상기와 같이 대부분의 강관을 차지하고 있는 용접 강관에 적용되고 있는 용접 방법은, 레이져가 이용되기도 하나, 대부분 고주파를 이용한 전기저항 용접이며, 용접 강관의 품질은 용접된 이음부의 성능에 의해 결정되기 때문에 용접 강관의 용접 조건은 매우 중요한 바, 우선, 용접 강관의 고주파 전기저항 용접 방법을 살펴 보기로 한다.

용접 강관은, 열연 강대의 폭 방향 양 단부를 중심으로 만곡 가공하여 상관의 형상으로 성형하되 가공된 열연 강대의 양단부가 접촉되지 않도록 가공하는 포밍(forming), 포밍된 열연 강대의 양 단부를 밀착시켜 완전한 강관의 형태를 갖도 록 가압하여 상기 양 단부의 접촉부에서 용접이 이루어지도록 하는 가압 및 용접, 용접이 완료된 강관의 진원도와 직경을 조절하는 사이징(sizimg), 필요로 되는 길이로 만드는 절단, 절단면을 매끄럽게 하는 면취, 수압 시험 등의 다단계 공정이 연속적으로 이루어지는 과정을 통하여 제조되며, 상기 가압 및 용접 단계에서 이루어지는 고주파 전기저항 용접 방법은 비접촉식과 접촉식으로 구분된다.

상기 비접촉식 용접은, 용접 직전의 강관 직경보다 내경이 큰 유도 코일을, 용접 직전의 강관 외주면에 접촉하지 않도록 설치한 후 유도 코일에 고주파 전기를 인가하여 강관의 표면에 유도 전류를 발생시키고, 강관의 형태로 성형된 후 가압롤에 의해 강대의 폭 방향 양 단부가 밀착되기 시작하는 용접점을 통하여 상기 유도 전류가 흐를 때 발생하게 되는 저항열에 의해 용접이 이루어지도록 하는 방식으로서, 주로 일반적인 소경 강관의 제조에 사용되는 방식이다.

그리고, 접촉식 용접은, 라인 파이프 등과 같이 소경 강관에 비하여 그 직경이 매우 크기 때문에 상기와 같은 유도 코일을 설치하기 어려운 경우에 사용되는 방식으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 대략 강관의 형상으로 성형된 후 서로 대향하며 용접점(P)에 대한 수렴각(θ)을 갖도록 열연 강대의 폭 방향 대향 단면이, 길이 방향을 따라 "V"자형으로 접근한 후 상기 용접점(P)에서 접촉되면서 동시에 용접이 이루어지게 된다.

이때, 원형으로 성형된 열연 강대(11)의 길이 방향 동일한 곳에 위치하는 폭 방향 양 단부 외주면에, 비접촉식의 유도 코일 대신, 컨택트 팁(12)을 각각 접촉 설치하고, 가압롤(13)에 의해 열연 강대 양 단부가 밀착되기 시작하는 용접점(P)을 통하여 열연 강대(11) 표면의 두 컨택트 팁(12)에 인가된 고주파 전기가 흐를 때 발생하게 되는 저항열에 의해 용접이 이루어지도록 하는 방식이다.

상기와 같이, 고주파 전기에 의한 저항열을 이용하는 용접시, 대상 강재의 두께에 대하여 용접 속도가 빠르거나 고주파 출력이 부족하여 결과적으로 정상적인 용접보다 용접 입열량이 적게 되는 경우에는 용접 접합면에 냉접 결함(cold weld)이 발생하게 되고, 용접 속도가 느리거나 고주파 출력이 과다하여 결과적으로 정상 용접보다 용접 입열량이 많을 경우에는 침투 결함(penetrator)이 발생하게 됨으로써, 용접 강관의 치명적인 불량을 초래하게 된다.

따라서, 상기와 같은 용접 결함을 신속히 발견하여 불량 발생을 최소화하여야 하는 바, 용접 결함을 검출하기 위한 종래의 방법으로는, 육안검사, X-ray 검사, 초음파 검사 등이 있으나, 비파괴 검사의 한계에 의해, 검출되지 않은 미세 결함이 제거되지 못하고 정상품화할 수 있으며, 이러한 용접 이음부의 미세 결함은 용접 강관의 사용 중 예고 없는 파괴라는 결과를 초래하게 된다.

즉, 물, 기름, 가스 등의 각종 유체 운송을 위한 파이프 라인에 사용되는 용접 강관의 경우, 그 내부를 흐르는 유체의 압력이 항상 일정하지 않고 압력 상승과 압력 하강이 반복되는 것이 필연적인 바, 이러한 압력 변화에 의한 피로(fatigue) 현상은 용접 이음부 내부의 미세 결함을 성장시키게 되고, 성장한 미세 결함은 규정 압력보다 더 낮은 압력에서 용접 강관이 파괴되도록 유도하게 된다.

따라서, 파이프 라인에 사용되는 용접 강관의 피로 특성 향상을 위하여 강관의 용접 중 용접 결함이 방지되는 동시에 용접 결함이 발생하지 않았음을 판단할 수 있는 최적의 고주파 전기저항 용접 방법을 개발하는 것이, 강관 제조 업계의 가장 주요한 과제들 중의 하나가 되어 왔다.

상기와 같은 고주파 전기저항 용접의 용접 결함 발생을 방지하는 방법으로, 국내 특허출원 2002-0081119호에 "강관의 용접부 결함 발생이 방지되는 고주파 전기저항 용접 방법"이 개시되어 있다.

상기 발명은, 용접 현상을 고속 카메라로 관찰하여 용융 금속 브리지의 이동속도와 이동 거리 비율을, 각각 300m/min 이상 및 0.8 이상으로 얻을 수 있도록 용접 입열 조건을 제어함으로써, 냉접 및 침투 결함을 방지하도록 하고 있다.

그러나, 상기의 발명은 반드시 고속 카메라로 용접 현상을 관찰하여야 하는 제약이 있으며, 용접 입열 조건만을 고려하고 있기 때문에 용접 속도, 대상 강재의 두께 등이 변화될 경우에는 신속히 확대 적용하기 어렵다는 문제가 있다.

즉, 상기의 발명은, 고주파 전기저항 용접에 영향을 미치는 다양한 변수들을 그 자체로서 직접적으로 제어하지 않고 금속 브리지의 이동속도와 이동 거리 비율 등을 관찰한 후 그 결과에 따라 용접 변수를 제어하기 때문에 관찰 오차가 개입될 여지가 있으며, 다양한 용접 변수들을 통합하여 하나의 조건으로 제시하지 못하고 있기 때문에 용접 변수들에 대한 표준화가 어려운 측면이 있다.

본 발명은 용접 강관의 이음부 결함 발생 방지를 위하여 고주파 전기저항 용접을 제어하는 종래의 방법들이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하여 특히, 파이 프 라인의 피로 파괴에 의한 막대한 손실을 미연에 방지할 수 있도록 용접 강관의 용접 이음부가 갖는 피로 특성을 향상시키기 위하여 창안된 것으로, 용접 강관의 고주파 전기저항 용접시 그 용접 변수들인 고주파 출력, 용접 속도, 업셋량 등을 대상 강재의 두께와 함께 연계하여 용접부를 관찰하지 않고도 직접적으로 적절히 제어할 수 있도록 함으로써, 별도의 설비가 없이도 용접 결함이 없는 건전한 이음부를 얻을 수 있고, 용접 변수들에 대한 표준화가 간단한 고주파 전기저항 용접 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 고주파 출력, 용접 속도, 업셋량 및 강재 두께가 함께 포함되는 수학적 상관 관계식에 의해 달성된다.

본 발명의 피로 특성 향상을 위한 고주파 전기저항 용접 방법은, 고주파 출력, 용접 속도, 업셋량 및 강재 두께의 4가지 변수를 각각의 특성에 맞도록 하나의 관계식으로 묶고, 이 관계식의 값이 특정 범위를 벗어나지 않도록 용접 변수들을 제어하게 되는 바, 서로 직접적인 상관 관계가 큰, 용접 속도와 고주파 출력 및 업셋량과 강재 두께를 각각 1차 관계식으로 연결하였으며, 두 1차 관계식을 2차 관계식으로 묶은 후 2차 관계식의 값을 특정 범위로 한정함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

본 발명의 방법은, 용접 속도에 대한 고주파 출력의 비(이하에서는 "속도-출력비"라 한다.)와, 업셋량에 대한 강재 두께의 비(이하에서는 "업셋-두께비"라 한 다.)를 각각 1차 관계식으로 하며, 상기 속도-출력비에 적정 상수를 곱한 후 이를 업셋-두께비와 합한 2차 관계식의 값이 특정 범위를 만족하도록 용접 변수들을 제어하게 된다.

즉, 강관의 소재인 열연 강대의 두께가 선택되면, 용접시 상기 2차 관계식의 값이 특정 범위를 만족하도록 용접기의 고주파 출력과 용접 속도 및 업셋량을 상호 제어함으로써 결함이 없는 용접 강관을 제조할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명의 방법을 특징 짓는 상기의 1·2차 관계식을 제세히 살펴 보면 다음과 같다.

용접 강관의 고주파 전기저항 용접은, 도 1에 도시된 바와 같이, 일단의 성형롤에 의해 열연 강대(11)이 판의 형상에서 강관의 형상으로 점차 변화되고, 가압 롤(13)에 의해, 용접전 열연 강대 폭방향 양 단부의 이격 형태가 길이 방향으로 "V"형을 이루면서 그 간격이 점진적으로 감소하여 용접점(P)에서 밀착 및 용접이 이루어지는 바, 상기 용접점에 대하여 열연 강대의 폭방향 양 단부가 이루는 사이각인 수렴각(θ)을 4∼6°로 유지한 상태에서 열연 강대의 폭 방향 양 단부가 접촉되어 용접이 이루어지는 동시에, 상기 가압롤(13)에 의해 용접되는 양 단부가 서로에게 밀착되면서 용융 금속이 외부로 밀려나와 비드를 형성하게 되는 방식으로 업셋팅 된다.

즉, 상기와 같이 이루어지는 강관의 용접에서, 용접에 영향을 미칠 수 있는 변수로는, 콘택트 팁(12)에 인가되는 고주파 출력(P.I), 용접 속도(W.S)가 되는 열연 강대(11)의 진행 속도, 가압롤(13)의 가압력에 의해 결정되는 업셋량(U.F) 및 열연 강대(11) 두께(t) 등의 4가지 변수를 들 수 있는 바, 서로 직접적인 의존성이 더욱 큰 변수끼리 조합, 조정함으로써 다음의 수학식 1을 얻을 수 있다.

여기서, P.I는 고주파 출력(kW), W.S 는 용접 속도(10∼20m/min),

t는 열연 강대의 두께(8∼15mm), U.F는 업셋량(3∼6mm)

이때, 상기 수학식 1의 값이, 2.5에 미치지 못하는 경우에는 결과적으로 용접 입열량이 부족한 상태가 됨으로써, 고추파 출력을 높이거나 용접 속도를 늦추지 않으면 냉접 결함이 발생하게 되며,

상기 수학식 1의 값이, 3.5를 초과하는 경우에는 그 반대로 용접 입열량이 과다한 상태가 됨으로써, 고주파 출력을 낮추거나 용접 속도를 증가시키지 않으면 침투 결함이 발생하게 되는 바, 이와 같이 고주파 전기저항 용접 조건을 한정하게 되는 상기의 수학식 1에 대하여 살펴 보면 다음과 같다.

두께대비 용접 입열량이 높거나 용접 속도가 느린 경우 용접점에서 용융 금속이 강재의 표면 밖으로 배출이 되지 못하고 표면 장력과 전자기적 힘 사이의 균형이 깨어짐으로써 용접 접합면으로 재혼입될 확률이 높아지게 되며, 이와 같은 용융 금속의 재혼입이 침입 결함의 생성 원리이기도 하다.

상기와 같은 경우, 업셋량을 증가시키게 되면 용융 금속의 배출이 보다 활발해지기 때문에 침입 결함을 효과적으로 억제할 수 있게 되는데, 이를 살펴보면, 두께대비 용접 입열량이 높거나 용접 속도가 느린 경우에는 속도-출력비이 값이 커지게 되고, 이러한 상태에서 수학식 1의 값이 적정 범위내에 오도록 하기 위해서는 업셋-두께비의 값을 낮추어야 하는 바, 그 수단이 바로 업셋량을 증가시키는 것이다.

반대로, 두께대비 용접 입열량이 낮거나 용접 속도가 빠른 경우에는 강대의 두께 방형 중앙면이 충분히 용융되기 전에 면과 면이 압착됨으로써, 산화 개재물성 면 결함인 냉접 결함 발생 가능성이 높아질 뿐 아니라, 배출시킬 용융 금속의 양이 충분치 못하기 때문에 업셋량이 클 경우 접합면 주변에 과도한 소성 변형이 야기되어 피로 특성을 저하시키게 된다.

따라서, 업셋량을 작게 하여 두께 중앙면에도 충분한 용융이 일어나도록 유도하는 동시에 접합면에 야기되는 과도한 소성 변형을 방지하여야 하는 바, 이를 수학식 1의 측면에서 살펴보면, 두께대비 용접 입열량이 적거나 용접 속도가 빠르면 속도-출력비 값이 작아지게 되고, 이러한 조건에서 수학식 1의 값이 적정 범위내에 오도록 하기 위해서는 업셋-두께비 값을 크게 해야 하는 바, 그 수단이 바로 업셋량을 감소시키는 것이다.

상기와 같이 용접 조건이 변화되는 경우에도 적절한 용접이 이루어지도록 용접 조건을 제어하기 위한 상기의 수학식 1을 검증하기 위하여 여러 조건으로 용접 강관을 제조하였으며, 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.

No.	강 재	t (mm)	P.I (kw)	W.S (m/min)	U.F (mm)		피 로 특 성 (사 이 클 수)
1	API X70	10.0	230	16	4.5	3.1	20 / No load drop
2	API X70	10.0	240	16	5.0	2.9	20 / No load drop
3	API X70	10.0	250	16	5.0	2.9	20 / No load drop
4	API X70	10.0	260	16	6.5	2.5	20 / No load drop
5	API X70	10.0	270	16	6.0	2.7	20 / No load drop
6	API X65	11.6	385	18	6.0	3.2	20 / No load drop
7	API X65	11.6	404	19	6.3	3.1	20 / No load drop
8	API X65	11.6	366	17	6.6	3.0	20 / No load drop
9	API X65	11.6	295	19	5.0	3.3	20 / No load drop
10	API X65	8.0	400	17	5.0	3.0	20 / No load drop
11	API X65	8.0	370	16	4.5	3.2	20 / No load drop
12	API X65	8.0	430	17	4.0	3.5	20 / No load drop
13	API X70	10.0	200	20	6.0	2.3	11 / load drop
14	API X65	11.6	450	17	5.0	3.9	4 / load drop
15	API X65	11.6	318	20	4.0	3.8	5 / load drop

* 피로 특성 사이클 수: 피로시험 중 하중의 급격한 하락이 발생된 때의

사이클 수, 20 사이클 까지 시험 후 종료.

상기의 표 1의 실시예 13은 수학식 1의 값이 2.3 이었는 바, 용접 입열량이 부족하여 이음부에서 냉접 결함이 발생되었으며, 수학식 1의 값이 3.5 보다 큰 실시예 14와 15의 경우에는 용접 입열량이 과다한 상태가 되어 침투 결함이 발생되었는 바, 피로시험 중 상기 냉접 및 침투 결함에 응력이 집중됨으로써 취성 균열이 쉽게 생성, 전파되는 것이 관찰되었다.

그리고, 이음부에 결함이 발생된 경우 피로 강도의 급격한 저하에 의해 적은 사이클 수에서 피로시험이 종료되었는 바, 침투 결함이 발생되어 피로 특성인 사이클 수가 4회인 실시예 14와 용접 이음부에 결함이 없는 실시예 8에 대한 하중-변형량 그래프를 도시한 도 2와 3으로부터 이를 확인할 수 있다.

즉, 용접 강관을 제조하기 위한 고주파 전기저항 용접시, 적정 용접 속도보다 빠르게 용접되는 경우 대상 강재에 대한 용접 입열량이 적어져 용접 이음부에 냉접 결함이 발생하게 되고, 속도가 느릴 경우에는 용접 입열량이 많아져 침투 결함이 발생하게 되기 때문에, 상기의 수학식 1을 만족하도록 대상 강재의 두께에 대한 고주파 출력, 용접 속도, 업셋량 등의 용접 변수들이 적정한 범위에서 비율적 조화를 이루어야만 결함이 없는 건전한 용접 이음부를 얻을 수 있으며, 이를 통해 용접 강관의 피로 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고주파 전기저항 용접 방법은 대상 강재의 두께에 대한 용접 입열량, 용접 속도, 업셋량 등과 같은 변수들이 적정한 범위에서 제어되도록 함으로써, 용접 이음부의 결함이 효율적으로 방지되어 용접 강관의 피로 특성이 현저히 향상되는 이점이 있으며, 이에 따라, 피로에 의한 파이프 라인의 파손에 따른 경제적 손실을 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

용접 강관의 고주파 전기저항 용접 방법에 있어서, 원형으로 성형되는 열연 강대(11)의 폭 방향 양 단부가 가압롤(13)에 의해 일정한 범위의 수렴각(θ)을 갖도록 "V"자형을 이루면서 점진적으로 밀착되어 용접이 이루어지며, 대상 강재의 두께(t), 고주파 출력(P.I), 용접 속도(W.S) 및 업셋량(U.F)의 4가지 변수를 포함하는 다음의 수학식으로 표현되는 상관 관계식에 의해 용접이 제어됨을 특징으로 하는 피로 특성 향상을 위한 고주파 전기저항 용접 방법.

수학식

여기서, P.I는 고주파 출력(kW), W.S 는 용접 속도(10∼20m/min),

t는 강재의 두께(8∼15mm), U.F는 업셋량(3~6mm)
제 1항에 있어서, 상기 수렴각(θ)은 4∼6°인 것을 특징으로 하는 피로 특성 향상을 위한 고주파 전기저항 용접 방법.
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