KR102119175B1

KR102119175B1 - 용접 구조체

Info

Publication number: KR102119175B1
Application number: KR1020207004557A
Authority: KR
Inventors: 데페이 오카와; 유스케 시마다; 나오키 오다
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-06-04
Also published as: WO2019220681A1; CN111032266B; KR20200021548A; CN111032266A

Abstract

접합 부재(11)의 단면(11c)이 피접합 부재(12)의 피접합면(12a)에 맞닿은 상태로 접합 부재(11)가 피접합 부재(12)에 양측 부분 용입 용접된 T 이음부를 갖고, 접합 부재(11)의 단면(11c)에 수직인 방향에 있어서의 길이를 H(mm)로 하고, 미리 설정되는 접합 부재(11)의 허용 응력을 σ(N/mm²)로 했을 경우에, 피접합 부재(12)의, 피접합면(12a)의 1mm 깊이 위치로부터 채취되는 타입 P3 시험편을 이용한 NRL 낙중 시험에 의한 무연성 천이 온도 NDTT(℃)가,［NDTT≤360.4-46.8×ln｛σ(πH)^0.5｝］를 만족하는, 용접 구조체(10).

Description

용접 구조체

본 발명은, 컨테이너선 등에 있어서 이용되는 용접 구조체에 관한 것이다.

대량의 화물을 탑재하는 대형의 컨테이너선에 있어서는, 어퍼 덱(상갑판)에, 화물의 하역을 행하기 위한 큰 개구부(해치)가 형성되어 있다. 또, 어퍼 덱 상에는, 해수의 유입 방지 등을 위해서, 해치를 둘러싸도록 해치 사이드 코밍이 설치되어 있다. 어퍼 덱 및 해치 사이드 코밍은 각각, 복수의 강판을 용접하여 구성되어 있다. 또, 해치 사이드 코밍은, 어퍼 덱 상에 용접되어 있다.

상기와 같은 대형의 컨테이너선이 해상을 항행할 때는, 파랑에 의해서, 선체 전체를 구부리는 듯한 하중(세로 굽힘 하중)이 선체에 부가된다. 이러한 하중에 대하여 선체의 강도(세로 굽힘 강도)를 충분히 확보하기 위해서, 어퍼 덱 및 해치 사이드 코밍에는, 고강도의 후육 강판이 이용되고 있다.

또, 상술한 바와 같이, 해치 사이드 코밍 및 어퍼 덱은 각각, 복수의 강판을 용접한 구성을 가지고 있다. 바꾸어 말하면, 해치 사이드 코밍 및 어퍼 덱에는, 강판끼리를 용접하기 위한 복수의 용접부가 형성되어 있다. 용접부에서 발생한 균열은, 용접부를 따라 전파되기 쉽다. 이 때문에, 예를 들면, 해치 사이드 코밍의 용접부에 있어서 균열이 발생한 경우, 그 균열이 용접부를 따라 어퍼 덱 측을 향해 전파되고, 전파된 균열이 어퍼 덱의 용접부에 진전되는 경우가 있다. 따라서, 선체의 강도를 충분히 향상시키기 위해서는, 해치 사이드 코밍 및 어퍼 덱이, 상기와 같은 균열의 진전을 정지시킬 수 있는 특성(취성 균열 전파 정지 특성)을 가질 필요가 있다.

예를 들면, 특허문헌 1 및 2에는, 취성 균열 전파 정지 특성에 관한 용접 구조체가 개시되어 있다.

일본 특허공개 2007-326147호 공보 일본 특허 제5365761호

그런데, 해치 사이드 코밍에서 발생하여, 어퍼 덱 측을 향해 전파된 균열의 진전을 정지시키기 위해서는, 이들의 부재로서, 예를 들면, 취성 균열 전파 정지 특성의 지표인 -10℃에 있어서의 Kca값이 6000N/mm^1.5이상인 후육 강판을 이용할 필요가 있다는 것이 알려져 있다.

그러나, 이러한 높은 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 후육 강판을 안정적으로 제조하는 것은, 기술적인 면에서도 비용적인 면에서도 곤란하다는 문제가 있다. 그 때문에, 보다 합리적인 수법에 의해 저비용으로 뛰어난 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 용접 구조체를 얻을 필요가 있다.

본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 취성 균열 전파 정지 특성이 뛰어난 용접 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 하기의 용접 구조체를 요지로 한다.

(1) 판 형상의 접합 부재의 단면이 판 형상의 피접합 부재의 피접합면에 맞닿은 상태로, 상기 접합 부재가 상기 피접합 부재에 양측 부분 용입 용접된 T 이음부를 갖는 용접 구조체로서,

상기 접합 부재의 상기 단면에 수직인 방향에 있어서의 길이를 H(mm)로 하고, 미리 설정되는 상기 접합 부재의 허용 응력을 σ(N/mm²)로 했을 경우에,

상기 피접합 부재의, 상기 피접합면의 1mm 깊이 위치로부터 채취되고, 두께 방향이 상기 피접합 부재의 판 두께 방향과 일치하는 ASTM E208에 규정되는 타입 P3 시험편을 이용한 NRL 낙중 시험에 의한 무연성 천이 온도 NDTT(℃)가, 하기 (i)식을 만족하는, 용접 구조체.

NDTT≤360.4-46.8×ln｛σ(πH)^0.5｝ …(i)

(2) 상기 피접합 부재의 판 두께 t(mm)가, 하기 (ii)식을 만족하는, 상기 (1)에 기재된 용접 구조체.

t≥50.0 …(ii)

(3) 상기 피접합 부재의 판 두께 t(mm)가 하기 (iii)식을 만족하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 용접 구조체.

t＞80.0 …(iii)

(4) 상기 피접합 부재의 항복 응력이 400~580MPa이고, 인장 강도가 510~750MPa인, 상기 (1)~(3) 중 어느 하나에 기재된 용접 구조체.

(5) 상기 피접합 부재의 -10℃에 있어서의 전체 두께의 Kca값이 6000N/mm^1.5 미만인, 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 용접 구조체.

본 발명에 의하면, 취성 균열 전파 정지 특성이 뛰어난 용접 구조체를 얻을 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접 구조체를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 용접 구조체를 나타낸 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 용접 구조체를 나타낸 사시도이다.
도 4는, 구조 모델 어레스트 시험체의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명자들이 상기의 과제를 해결하기 위해서 검토를 행한 결과, 이하의 지견을 얻기에 이르렀다.

상술한 바와 같이, 용접 구조체에 이용되는 부재의 전체 두께에 걸쳐서 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키기 위해서는, 예를 들면, Kca값이 6000N/mm^1.5이상인 후육 강판을 이용할 필요가 있다.

그러나, 예를 들면, 해치 사이드 코밍으로부터 어퍼 덱 측을 향해 균열이 전파되는 경우에 있어서, 균열이 돌입하는 어퍼 덱의 표층 영역의 취성 균열 전파 정지 특성을, 해치 사이드 코밍의 높이 및 허용 응력에 따라 향상시킬 수 있다면, 균열의 진전을 정지시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 용접 구조체 전체에서의 취성 균열 전파 정지 특성을 저비용으로 향상시키는 것이 가능해진다.

본 발명은 상기의 지견에 의거하여 이루어진 것이다. 이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접 구조체에 대해 설명한다.

1. 용접 구조체의 구성

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접 구조체를 나타낸 사시도이다. 본 실시형태에 따른 용접 구조체(10)는, 접합 부재(11) 및 피접합 부재(12)를 구비하고 있다. 접합 부재(11)는 판 형상이며, 판 두께 방향에 수직인 제1 표면(11a) 및 제2 표면(11b)을 갖는다. 또, 피접합 부재(12)는 판 형상이며, 접합 부재(11)의 단면(11c)이 맞닿아지는 피접합면(12a)을 갖는다.

그리고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 용접 구조체(10)는, 단면(11c)이 피접합면(12a)에 맞닿은 상태로, 접합 부재(11)가 피접합 부재(12)에 양측 부분 용입 용접된 T 이음부를 갖는다. 본 실시형태에 있어서는, 용접 구조체(10)는, 제1 표면(11a) 측에 형성된 제1 용접부(13a) 및 제2 표면(11b) 측에 형성된 제2 용접부(13b)를 갖는다. 또한, 상기의 T 이음부를 갖는 용접 구조체에는, 도 1에 나타낸 바와 같이 T자 형상의 구조체에 더하여, 예를 들면, 도 2 및 3에 나타낸 형상의 구조체도 포함된다.

또, 접합 부재(11)와 피접합 부재(12)는, 필렛 용접에 의해서 접합되어 있어도 되나, 접합 강도의 관점에서는, 접합 부재(11)에 개선(開先)을 형성하고, 개선 용접에 의해서 접합되어 있는 것이 바람직하다.

예를 들면, 용접 구조체(10)를 컨테이너선 등에 이용하는 경우에는, 후육의 피접합 부재가 대상이 된다. 구체적으로는, 피접합 부재(12)의 판 두께를 t(mm)로 했을 경우에, 하기 (ii)식을 만족하는 것이 바람직하고, 하기 (iii)식을 만족하는 것이 보다 바람직하다.

t≥50.0 …(ii)

t＞80.0 …(iii)

또한, 접합 부재(11)의 판 두께에 대해서도 특별히 제한은 없으나, 피접합 부재(12)와 마찬가지로, 50.0mm 이상인 것이 바람직하고, 80.0mm 초과인 것이 보다 바람직하다.

2. 피접합 부재의 무연성 천이 온도

상술한 바와 같이, 피접합 부재의 전체 두께에 걸쳐서 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키기 위해서는, 예를 들면, Kca값이 6000N/mm^1.5 이상인 강판을 피접합 부재로서 이용할 필요가 있고, 그러한 특성을 갖는 강판의 확보가 곤란하다는 문제가 있다. 그러나, 적어도 피접합 부재의 접합 부재 측의 표층부에 있어서의 취성 균열 전파 정지 특성을, 접합 부재의 높이 및 상정되는 허용 응력에 따라 향상시킴으로써, 균열의 진전을 정지하는 것이 가능해진다.

즉, 피접합 부재의 표층부에 있어서의 무연성 천이 온도를, 접합 부재의 높이 및 미리 설정되는 접합 부재의 허용 응력에 따라 제어함으로써, 균열의 진전을 정지하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 접합 부재의 높이가 높을수록, 또, 접합 부재의 허용 응력이 높을수록, 균열이 진전되기 쉬워지기 때문에, 표층부에 있어서의 무연성 천이 온도를 낮게 할 필요가 있다.

그 때문에, 접합 부재(11)의 단면(11c)에 수직인 방향에 있어서의 길이를 H(mm)로 하고, 접합 부재(11)의 허용 응력을 σ(N/mm²)로 했을 경우에, 피접합면(12a)의 1mm 깊이 위치로부터 채취되는 ASTM E208에 규정되는 타입 P3 시험편을 이용한 NRL 낙중 시험에 의한 무연성 천이 온도 NDTT(℃)를, 하기 (i)식을 만족시킬 필요가 있다.

NDTT≤360.4-46.8×ln｛σ(πH)^0.5｝ …(i)

NDTT의 측정 방법에 대해서, 자세하게 설명한다. 우선, 피접합면(12a) 측으로부터, ASTM E208에 규정되는 타입 P3 시험편을 채취한다. 타입 P3 시험편이란, 길이 130mm, 폭 50mm, 두께 16mm의 시험편이다. 이 때, 피접합면(12a)을 1mm 깎아낸 후, 시험편의 두께 방향이, 피접합 부재(12)의 판 두께 방향과 일치하도록 채취한다. 즉, 피접합면(12a)의 1mm 깊이 위치로부터 17mm 깊이 위치까지의 영역으로부터 시험편이 채취되게 된다.

또, 후술하는 바와 같이, 시험편의 길이 방향과 수직인 면에 있어서 균열이 발생하도록 시험을 행한다. 용접 구조체에 있어서, 균열은 제1 용접부(13a) 및 제2 용접부(13b)의 연신 방향과 수직인 면에 있어서 발생한다. 그 때문에, 시험편은, 그 길이 방향이 용접 구조체의 용접부의 연신 방향과 일치하도록 채취한다.

그 후, 상기 시험편을 이용하여, ASTM E208에 준거한 NRL 낙중 시험을 실시한다. 구체적으로는, 우선 상기 시험편의 두께 방향과 수직인 피접합 부재의 표면 측의 면 상에, 시험편의 길이 방향과 평행하는 방향으로 연장되는 용접 비드를 형성한다. 그 때, 용접 재료는 ASTM E208에 규정되는 인성이 낮은 용접 재료를 사용한다. 용접 비드의 길이는 60~70mm, 폭은 12~16mm의 범위가 되도록 조정한다. 그리고, 용접 비드 상에 시험편의 폭방향과 평행하는 절결을 형성한다. 이 때, 절결의 폭은 1.5mm 이하로 하고, 절결의 홈 바닥과 시험편의 거리가 1.8~2.0mm의 범위가 되도록 조정한다.

그리고, 상기 시험편의 용접 비드를 형성한 면을 하측으로 향하고, 길이 방향의 양단부를 지지한 후, 용접 비드를 형성한 것과 반대측의 면에 대해서, 낙중에 의한 충격 굽힘 하중을 더한다. 그 후, 절결로부터 발생한 취성 균열이 시험편에 전파되는 상태를 조사함으로써, Break(균열 전파 있음) 또는 No Break(균열 전파 없음)를 판정한다. 절결로부터 발생한 취성 균열이 시험편의 표면에서 시험편 폭방향으로 전파되어 그 단부까지 진행된 경우, 시험 결과는 Break(균열 전파 있음)로 판정된다. 폭방향의 단부에 균열이 도달하지 않은 경우, 시험 결과는 No Break(균열 전파 없음)로 판정된다.

상기의 낙중 시험은, 2개씩의 시험편을 이용하여, 예를 들면, -100℃의 조건에서부터 개시하고, 5℃ 간격으로 시험 온도를 변화시키면서(No Break의 경우는 5℃ 저하, Break의 경우는 5℃ 상승), 2개의 시험편 모두 No Break가 얻어진 가장 낮은 시험 온도로부터 5℃ 낮은 온도를 무연성 천이 온도로 한다.

또한, 상기의 미리 설정되는 접합 부재의 허용 응력으로서, 예를 들면, 용접 구조체가 선박용인 경우에는, 접합 부재가 해치 사이드 코밍이 된다. 해치 사이드 코밍의 허용 응력은, 선급 협회가 정하는 규칙에 의해 정해져 있기 때문에, 그 값을 채용하면 된다.

3. 피접합 부재의 기계적 특성

본 발명의 용접 구조체에 이용되는 피접합 부재의 기계적 특성에 대해서, 특별히 제한은 설정하지 않는다. 그러나, 용접 구조체를 컨테이너선 등에 있어서 이용하는 경우에 있어서는, 어퍼 덱이 되는 피접합 부재의 항복 응력은 400~580MPa인 것이 바람직하고, 인장 강도는 510~750MPa인 것이 바람직하다. 또한, 피접합 부재의 항복 응력은 410~570MPa인 것이 보다 바람직하고, 인장 강도는 520~740MPa인 것이 보다 바람직하다.

또, 상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 피접합 부재의 전체 두께에 걸쳐서 취성 균열 전파 정지 특성이 우수하지 않아도, 균열의 진전을 정지하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 기술적 및 비용적인 관점에서, -10℃에 있어서의 전체 두께의 Kca값이 6000N/mm^1.5 미만인 피접합 부재를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기의 Kca값은, WES2815 규격에 준거한 온도 구배형 ESSO 시험에 의해 구하는 것이 가능하다.

구체적으로는, 치수가 500mm×500mm×판 두께 정도인 전체 두께 대형 시험편을 제작하고, 이 시험편의 단부에 V 절결을 형성한다. 시험편에는 온도 구배를 부여하고, V 절결에, 쐐기를 통해 충격 하중을 부하하여, 취성 균열을 인위적으로 발생시킨다. 시험체에 부가된 응력과, 취성 균열의 전파가 정지한 위치에서의 온도와, 균열의 길이에 의거하여 Kca값을 산출한다. 온도 구배 조건 및 부하 하중 조건을 바꾸어 시험을 행하고, 균열 정지 온도와 Kca값의 관계를 구함으로써, -10℃에 있어서의 Kca값을 구할 수 있다.

4. 용접 구조체의 제조 방법

용접 구조체의 제조 방법에 대해서, 특별히 제한은 설정하지 않는데, 예를 들면, 표층부의 무연성 천이 온도가 상술한 조건을 만족하는 피접합 부재를 선별하는 공정과, 접합 부재를 상기의 피접합 부재에 용접하는 공정을 행함으로써, 제조하는 것이 가능하다.

용접 공정에 있어서는, 상술한 피접합 부재의 피접합면에 접합 부재의 단면을 맞댄 상태로, 단면을 따라서 용접함으로써 제조할 수 있다. 이 때, 접합 부재의 피접합 부재 측을 개선 가공해 두는 것이 바람직하다. 개선 가공은, 접합 부재의 단면 전체에 걸쳐서 실시해도 되나, 피접합 부재와의 접합 개소에만 실시해도 된다.

또, 용접 방법에 대해서도 특별히 제한은 없고, CO₂ 용접 또는 피복 아크 용접(SMAW) 등의 공지의 방법을 채용하면 된다. 입열량은, 예를 들면, 0.5~3.0kJ/mm로 하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예에 의해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

표 1에 나타낸 판 두께를 갖는 각종 강판을 준비한 후, 각각의 강판에 대해서, 한쪽 측의 면(피접합면)의 표층부에 있어서의 무연성 천이 온도를 조사했다. 구체적으로는, 피접합면을 1mm 깎아낸 후, 시험편의 두께 방향이, 상기 강판의 판 두께 방향과 일치하도록, ASTM E208에 규정되는 타입 P3 시험편을 채취했다. 그리고, 당해 시험편을 이용하여, ASTM E208에 준거한 NRL 낙중 시험을 실시하여, 무연성 천이 온도 NDTT(℃)를 구했다.

계속해서, 각 강판의 판 두께의 1/4 위치로부터 압연 방향에 직각인 방향으로 JIS Z 2241에 기재된 4호 인장 시험편을 채취하고, JIS Z 2241에 준거하여 인장 시험을 행하여, 항복 응력(YS), 인장 강도(TS) 및 전체 연신율(EL)을 측정했다.

또한, 각 강판의 -10℃에 있어서의 전체 두께의 Kca값을, WES2815 규격에 준거한 온도 구배형 ESSO 시험에 의해 구했다. 그 결과들을 표 1에 아울러 나타낸다.

[표 1]

그 후, 상기의 각종 강판을 시험판(피접합 부재(12))으로 하고, 도 4에 나타낸 구조 모델 어레스트 시험체를 제작하여 시험을 실시했다. 표 2에 나타낸 높이 H(mm)를 갖고, 판 두께 100mm의 강판을 CO₂ 용접에 의해 접합한 용접 이음을 조주(助走) 용접 이음(접합 부재(11))으로 하고, 표 2에 나타낸 조건으로 CO₂ 용접 또는 피복 아크 용접(SMAW)에 의해 용접 구조체(10)를 제작했다. 그 때, 접합 부재(11)에 판 두께의 1/3의 깊이의 양측 개선을 형성하고, 접합 부재(11)와 피접합 부재(12)를 개선 용접에 의해 접합했다.

[표 2]

그 후, 용접 구조체(10)의 퓨전 라인부(16a)에 노치(16b)를 도입했다. 그리고, 용접 구조체(10)를 선박 설계 온도인 -10℃로 냉각하고, 표 2에 나타낸 접합 부재(11)의 허용 응력 σ에 상당하는 시험 응력을 부하하고, 노치부 근방만을 -50℃ 정도로 급냉하고, 노치부에 쐐기를 통해 타격을 가해 취성 균열을 발생, 전파시켰다.

측정된 용접부의 형상 및 상기의 구조 모델 어레스트 시험체를 이용한 시험의 결과를 표 2에 아울러 나타낸다. 취성 균열이 시험판에서 정지한 경우는 정지, 시험판을 파단한 경우는 파단으로 판정했다.

표 2로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 규정을 만족하는 피접합 부재를 이용한 경우에는, 뛰어난 취성 균열 전파 정지 특성을 얻을 수 있던 것에 반해, 본 발명의 규정을 만족하지 않는 비교예의 피접합 부재를 이용한 경우에는, 취성 균열이 피접합 부재까지 전파되는 결과가 되었다.

[산업상 이용가능성]

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 취성 균열 전파 정지 특성이 뛰어난 용접 구조체를 얻을 수 있다.

10: 용접 구조체
11: 접합 부재
11a: 제1 표면
11b: 제2 표면
11c: 단면
12: 피접합 부재
12a: 피접합면
13a: 제1 용접부
13b: 제2 용접부
16a: 퓨전 라인부
16b: 노치

Claims

판 형상의 접합 부재의 단면이 판 형상의 피접합 부재의 피접합면에 맞닿은 상태로, 상기 접합 부재가 상기 피접합 부재에 양측 부분 용입 용접된 T 이음부를 갖는 용접 구조체로서,
상기 접합 부재의 상기 단면에 수직인 방향에 있어서의 길이를 H(mm)로 하고, 미리 설정되는 상기 접합 부재의 허용 응력을 σ(N/mm²)로 했을 경우에,
상기 피접합 부재의, 상기 피접합면의 1mm 깊이 위치로부터 채취되고, 두께 방향이 상기 피접합 부재의 판 두께 방향과 일치하는 ASTM E208에 규정되는 타입 P3 시험편을 이용한 NRL 낙중 시험에 의한 무연성 천이 온도 NDTT(℃)가, 하기 (i)식을 만족하는, 용접 구조체.
NDTT≤360.4-46.8×ln｛σ(πH)^0.5｝ …(i)
청구항 1에 있어서,
상기 피접합 부재의 판 두께 t(mm)가 하기 (ii)식을 만족하는, 용접 구조체.
t≥50.0 …(ii)
청구항 1에 있어서,
상기 피접합 부재의 판 두께 t(mm)가 하기 (iii)식을 만족하는, 용접 구조체.
t＞80.0 …(iii)
청구항 2에 있어서,
상기 피접합 부재의 판 두께 t(mm)가 하기 (iii)식을 만족하는, 용접 구조체.
t＞80.0 …(iii)
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피접합 부재의 항복 응력이 400~580MPa이고, 인장 강도가 510~750MPa인, 용접 구조체.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피접합 부재의 -10℃에 있어서의 전체 두께의 Kca값이 6000N/mm^1.5 미만인, 용접 구조체.
청구항 5에 있어서,
상기 피접합 부재의 -10℃에 있어서의 전체 두께의 Kca값이 6000N/mm^1.5 미만인, 용접 구조체.