KR20100086221A

KR20100086221A - 극후판 스테인레스 강재의 전자빔용접 방법

Info

Publication number: KR20100086221A
Application number: KR1020090005465A
Authority: KR
Inventors: 최만호; 최임섭; 차준호; 김민수
Original assignee: 주식회사 쏠리스; 최만호
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-07-30

Abstract

본 발명은 용접기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 극후판 스테인레스 강재를 이용하여 대형 구조물을 제작하는 전자빔용접 방법에 관한 것이다.

본 발명은 두께 60 내지 80mm인 극후판 316LN 스테인레스 강재의 용접에 적용되는 방법으로서, 전자빔용접 방법은 세척단계, 1차 가접단계, 2차가접단계, 그리고 본접단계로 이루어진다. 세척단계와 1차 가접단계는 진공챔버 외부에서 이루어지고, 2차가접단계와 본접단계는 진공챔버내에서 이루어진다. 2차가접단계와 본접단계는 진공챔버 내의 진공도를 10^-5torr 이하로 유지한 상태에서 이루어지고, 입열량은 90 내지 100kJ/cm로 하고, 용접 속도는 80 내지 100mm/min으로 한다.

본 발명의 전자빔용접 방법을 적용할 경우, 두께 60 내지 80mm인 극후판 316LN 스테인레스 강재의 용접에 있어서, 강도저하, 기공, 블로우홀, 균열 등과 같은 용접결함이 발생하지 않고 양호한 용접이 이루어진다.

극후판, 스테인레스 강재, 전자빔용접, 진공, 가접, 본접

Description

극후판 스테인레스 강재의 전자빔용접 방법{Method of Electron Beam Welding for Thick Stainless Steel Plate}

핵융합로, 핵분열로 등 원자력 분야에 사용되는 대형 구조물은 고온에서도 강도를 유지할 수 있어야 하는데, 통상적으로 두께 70mm 가량의 316LN 오스테나이트계 스테인레스 강판을 용접하여 제작한다. 이러한 고도의 안전성이 요구되는 대형 용접구조물을 제작함에 있어서, 고가의 용접재료를 사용하지 않고 아주 두꺼운 소재를 1패스용접(전체 용접 두께에 대하여 용접열원을 1회 통과시켜 한번에 하는 용접을 의미함. 이하 동일함.)을 할 수 있는 용접방법이 강구되어야 한다.

일반적으로 많은 열을 가하여 아주 두꺼운 판재인 극후판을 용접하는 대입열 용융(Fusion)용접 방법으로는 서브머지드용접, 일렉트로슬래그용접, 일렉트로가스용접, 네로우갭용접(통상적으로 "협개선용접"이라 불림) 등의 방법이 있으나, 이러한 용접방법들은 많은 열이 가해지므로 용접구조물의 열변형이 심하다. 따라서 일 정 이상 두께의 경우 1패스용접이 불가능한 문제점이 있다.

따라서 현재 후판에 대한 저입열 1패스용접이 가능한 방법으로 알려진 것으로는 레이저용접법 및 전자빔용접법이 있다. 최근 파이버, 디스크레이저 등 소형으로 고출력의 레이저용접이 가능한 장비가 많이 개발되어 시판되고 있다. 그러나, 현재 레이저용접에서의 최대 용입깊이는 10kW급 출력에서 스테인레스강의 경우 약 15~20mm 정도이기 때문에 50mm 이상의 극후판은 레이저용접 방법으로는 용접을 할 수 없다. 따라서 현재 저입열에 의한 용접변형 최소화 및 극후판 1패스용접에 적용 가능한 용접방법은 전자빔용접이다.

전자빔용접 장치는 도 1에 도시한 바와 같은데, 모재가 장착되어 용접이 이루어지는 진공챔버(12), 전자빔(11)을 발생시키는 전자총(9), 전자총에서 발생한 전자빔을 집속시키는 집속코일(10)을 포함하여 구성되는데, 전자총(9)의 음극에서 가열되어 방출되는 고속 고밀도의 전자가 물체에 충돌할 때 발생하는 열에 의해서 용접이 이루어진다. 전자의 충돌시 전자의 운동에너지가 열에너지로 변환되어 모재를 용융 및 증기화시키고, 전자빔이 피용접체에 형성된 키홀을 지나가면 키홀 주위의 용융금속이 응고되어 용접이 이루어진다.

1960년대 초반에 산업핵공학과 우주공학 분야에서 처음으로 적용되면서 산업계에서 본격적으로 활용된 전자빔용접은 일반 아크용접에 비해 아래와 같은 장점이 있다.

① 용융범위와 용접열영향부가 매우 좁고 심용입 용접이 쉽게 얻어진다.

② 용접변형이 극히 적어 박판에서 후판까지 광범위하게 용접이 가능하다.

③ 스테인레스강과 구리 합금, 스테인레스강과 인코넬, 스테인레스강과 인바 등과 같은 이종금속들의 용접이 가능하다.

④ W, Ta, Mo와 같은 고융점 재료의 용접이 가능하다.

특히 전자빔용접은 진공 중에서 용접이 이루어지기 때문에 용접부의 오염이 없고 내식성과 비드외관이 매우 우수하여 정밀 부품을 대량생산하기 위한 용접에 적합한 특징을 갖추고 있다.

오스테나이트계 스테인레스강은 16~25% Cr과 7~20% Ni을 함유하고 있어 내식성이 우수하고 연성, 내열성 및 용접성이 우수하다. 특히 316LN 스테인레스강은 탄화물 석출을 억제키 위해 탄소의 함량을 0.03%이하로 낮추고 상대적인 항복응력 감소를 보완하기 위하여 0.10~0.18%까지 질소를 첨가시킨 저탄소 오스테나이트계 스테인레스강으로서, 우수한 내식성이 요구되는 반도체용 화학탱크, 원자력설비, 핵융합설비 등에 주로 사용되고 있다.

316LN 스테인레스강은 가공 등에 의해 마르텐사이트 변태하여 자성체화 되는 것을 방지하기 위해 강한 오스테나이트 조직형성제인 질소와 고온균열 감수성을 저감시키기 위해 망간을 다량 첨가한 재질로서, 진공에서 수행되는 전자빔 용접에서는 질소와 망간이 모재에서 빠져나가 강도저하, 기공, 블로우홀, 균열 등과 같은 용접결함이 발생하는 원인이 될 수 있다.

상기와 같이, 전자빔용접 방법은 극 후판의 용접에 유용한 방법이나, 용접 중에 질소와 망간이 모재에서 빠져나가 강도저하, 기공, 블로우홀, 균열 등과 같은 용접결함이 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 전자빔용접 방법의 문제점을 해결하기 위해서는 적정 입열량을 유지하고, 최적의 용접속도를 찾아야 한다.

본 발명인 두께 60 내지 80mm인 극후판 316LN 스테인레스 강재의 용접에 적용되는 방법으로서, 전자빔용접 방법은 세척단계, 1차 가접단계, 2차가접단계, 그리고 본접단계로 이루어진다. 세척단계와 1차 가접단계는 진공챔버 외부에서 이루어지고, 2차가접단계와 본접단계는 진공챔버내에서 이루어진다.

본접단계는 진공챔버 내의 진공도를 10^-5torr 이하로 유지한 상태에서 이루어지고, 열입량은 90 내지 100kJ/cm로 하고, 용접 속도는 80 내지 100mm/min으로 한다.

본 발명은 탄소(C) 0.03% 이하, 구소(Si ) 1.00% 이하, 망간(Mn ) 2.00% 이하, 인(P) 0.045%이하, 황(S) 0.03% 이하, 크롬(Cr ) : 16.0~18.5 %, 니켈(Ni ) 10.5~14.0%, 몰리브덴(Mo ) 2.00~3.00%, 그리고 질소(N) 0.10~0.16인 두께 60 내지 80 mm의 오스테나이트계 316LN 스테인레스강판 모재를 용접하는 용접방법이다.

본 발명인 전자빔용접 방법은 (1) 세척단계, (2) 1차 가접단계, (3) 2차가접단계, 그리고 (4) 본접단계로 이루어진다. 세척단계와 1차 가접단계는 진공챔버 외부에서 이루어지고, 2차가접단계와 본접단계는 진공챔버내에서 이루어진다.

본접단계는 진공챔버 내의 진공도를 10^-5torr 이하로 유지한 상태에서 이루어지고, 입열량은 90 내지 100kJ/cm로 하고, 용접속도는 80 내지 100mm/min으로 한다.

세척단계는 모재에 부착된 이물질을 세척하는 단계로서, 통상의 전자빔용접에서 이루어지는 세척방법과 동일하다.

1차 가접단계는 용접하고자 하는 모재들을 임시로 고정하는 단계로서, 진공챔버에 장입하기 전에 실시한다. 1차가접은 통상적으로 TIG용접으로 스포트용접으로 한다. 가접 개소는 용접하고자 하는 모재의 상대적 위치가 변동되지 않을 정도 로 최소한으로 한다.

용접하고자 하는 모재가 평판인 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 두 모재(1)의 하면에는 배면판(3, Backing Plate)를 두고, 양 측면에는 측면블록(2, Side Block)을 두어 두 모재(1)를 가접한다.

2차 가접단계는 상기와 같이 1차 가접단계를 거친 피 용접물을 진공챔버에 장입을 하고, 본접을 할 때보다 상당히 낮은 출력의 전자빔을 발생시켜 전자빔용접을 하는 단계이다. 이 2차가접단계는 본접시에 대용량 입열에 의하여 열변형이 크게 일어나는 것을 방지하기 위한 용접이다. 2차가접을 하면 용접부위의 상당부위가 용접이 일어나 본접 중에 발생하는 열변형을 억제한다.

2차 가접단계에서부터 진동챔버 내부의 진공도는 10^-5torr 이하를 유지한다.

본접단계는 상기와 같이 2차 가접이 된 피 용접물을 도 3에 도시한 바와 같이, 전자총을 통상의 출력으로 하여 입열량을 90 내지 100kJ/cm로 하고, 전자총 이송속도를 용접속도(v)인 80 내지 100mm/min으로 하여 용접부의 시작점에서부터 끝점까지 1패스용접을 한다.

이때 용접자세는 수직용접자세를 취하여, 전자빔 조사방향이 용접부위인 키홀과 수직을 이루도록 하여, 전자빔이 키홀의 내부까지 잘 침투될 수 있게 한다.

상기 방법의 전자빔 용접방법은 도 4에 도시한 바와 같은 블록 구조물의 용접에도 응용될 수 있다.

용접부를 횡방향으로 절단하여 용접금속만 채취한 후 화학성분을 분석한 결 과 용접부의 질소량이 0.091%로 모재 질소량 0.12%에 비해 약 24% 감소하였으나, 인장시험 결과 용접부 인장강도는 약 567.9MPa으로서 용접효율(용접부위의 강도/ 모재의 강도)이 95% 이상이고, 모재에 규정된 최소인장강도(515MPa) 이상이기 때문에 본 방법에 의한 전자빔 용접시 질소 합금성분 변화에 따른 용접부 강도 저하는 크지 않는 것으로 확인되었다.

본 발명은 핵융합로, 핵분열로 등 원자력 분야에 사용되는 대형 구조물과 같이 고온에서도 강도를 유지할 수 있어야 하는 구조물의 제작에 이용될 수 있다.

도 1은 전자빔용접장치의 구성도이다.

도 2는 평판용접의 1차가접 준비 상태도이다.

도 3은 본접 상태도이다.

도 4는 본 발명을 불록의 용접에 응용하는 예시도이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 모재, 2 : 측면블록, 3 : 배면판,

9 : 전자총, 10 : 집속코일, 11 : 전자빔, 12 : 진공챔버

Claims

탄소(C) 0.03% 이하, 규소(Si) 1.00% 이하, 망간(Mn) 2.00% 이하, 인(P) 0.045%이하, 황(S) 0.03% 이하, 크롬(Cr) : 16.0~18.5 %, 니켈(Ni) 10.5~14.0%, 몰리브덴(Mo ) 2.00~3.00%, 그리고 질소(N) 0.10~0.16인 두께 60 내지 80 mm의 오스테나이트계 316LN 스테인레스강판을 용접하는 방법으로서, 다음의 단계를 순차적으로 수행하여 이루어지는, 전자빔용접 방법.

1. 모재에 부착된 이물질을 세척하는 단계로서, 통상의 전자빔용접에서 이루어지는 세척방법과 동일한 세척단계;

2. 용접하고자 하는 모재들을 임시로 고정하는 단계로서, 진공챔버에 장입하기 전에 모재를 임시로 고정하는, 1차가접단계;

3. 상기와 같이 1차 가접단계를 거친 피 용접물을 진공챔버에 장입을 하고, 진동챔버 내부의 진공도는 10^-5torr 이하를 유지하고, 낮은 출력의 전자빔을 발생시켜 전자빔용접을 하는, 2차가접단계;

4. 전자빔의 전자총의 출력을 입열량을 90 내지 100kJ/cm가 되로록 하고, 전자총의 이송속도를 용접속도(v)인 80 내지 100mm/min으로 하여, 용접부의 시작점에서부터 끝점까지 1패스용접을 하는, 본접단계;
제1항에 있어서, 상기 본접단계는,

전자빔 조사방향이 용접부위인 키홀과 수직을 이루도록 하는 수직용접자세인 것을 특징으로 하는, 전자빔용접 방법.