KR20170074276A - 스테인리스 용접 강관 제조 방법 - Google Patents

스테인리스 용접 강관 제조 방법 Download PDF

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Abstract

스테인리스 용접 강관 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 스테인리스 용접 강관 제조 방법은 스케일이 존재하는 블랙 코일을 이용한 스테인리스 용접 강관 제조 방법에 있어서, 상기 블랙 코일의 양 단부가 대향하도록 원통형으로 성형 후 상기 블랙 코일의 용접 대상부에 존재하는 스케일을 환원하여 제거한 뒤 상기 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접한다.

Description

스테인리스 용접 강관 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR STAINLESS WELDED STEEL PIPE}
본 발명은 스테인리스 용접 강관 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스케일이 존재하는 블랙 코일의 스케일을 제거하여 용접 강관을 제조하는 스테인리스 용접 강관 제조 방법에 관한 것이다.
스테인리스 용접 강관은 철 산화물 또는 크롬 산화물과 같은 산화물로 인한 스케일이 존재하는 블랙 코일(Black coil)을 사용할 경우 용접 시 표면에 생성되어 있는 스케일이 용접부에 유입되어 용접부 기공 및 언더컷 등의 결함을 유발하기 때문에 열처리 및 산세를 거친 화이트 코일(white coil)을 사용하여 제조된다.
화이트 코일을 사용하여 제조된 스테인리스 용접 강관은 조관 후 소재의 미세조직제어를 통해 원하는 물성을 얻기 위하여 열처리가 실시되며, 용접 및 열처리 공정 중 표면에 발생하는 스케일을 제거하기 위해 다시 산세공정을 거치게 된다.
즉, 파이프 상태에서 다시 열처리 및 산세공정을 거치므로, 최종제품 측면에서는 소재 제조공정 중에 실시하는 소재 열처리 및 산세공정이 중복된 공정일 수 있다.
따라서, 소재 표면에 스케일이 있는 상태인 블랙 코일로 조관할 수 있는 기술이 개발될 경우 소재 제조공정 중에서 열처리 및 산세공정을 생략할 수 있기 때문에 스테인리스 열연 파이프 제조단가를 낮출 수 있다.
한국 등록특허공보 10-0742204호
본 발명의 실시 예들은 스케일이 존재하는 블랙 코일을 이용한 스테인리스 용접 강관 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스케일이 존재하는 블랙 코일을 이용한 스테인리스 용접 강관 제조 방법에 있어서, 상기 블랙 코일의 양 단부가 대향하도록 원통형으로 성형 후 상기 블랙 코일의 용접 대상부에 존재하는 스케일을 환원하여 제거한 뒤 상기 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접하는 스테인리스 용접 강관 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 스케일을 환원하는 과정은 상기 블랙 코일의 용접 대상부에 수소 가스를 공급하여 이루어질 수 있다.
상기 스케일을 환원하는 과정은 상기 블랙 코일의 용접 대상부 표면에 수소 가스와 아르곤 가스가 혼합된 혼합가스를 사용하는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 수행하여 이루어질 수 있다.
상기 혼합가스에 포함된 상기 수소 가스의 혼합비율은 8% 내지 20%일 수 있다.
상기 TIG 용접은 상기 원통형으로 성형된 블랙 코일의 내면 및 외면에 실시될 수 있다.
상기 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접하는 과정은 플라즈마 아크 용접(PAW, PLASMA ARC WELDING) 및 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접이 함께 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 스테인리스 용접 강관 제조 방법은 열처리 및 산세를 거치지 않고 블랙 코일의 스케일을 제거한 뒤 용접을 수행하기 때문에 열처리 및 산세의 중복 수행을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 스테인리스 블랙 코일 표면의 단면 사진이다.
도 2는 일반적인 스테인리스 용접 강관의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 스테인리스 용접 강관의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 스케일이 제거된 블랙 코일 표면의 단면 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 대한 비교 예의 용접부 외관 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 스테인리스 용접 강관의 용접부 외관 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예들 만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스테인리스 블랙 코일은 제조 시 모재와 스케일의 계면에서 우선적으로 Cr-oxide가 먼저 형성되고, 그 위에 Fe-Oxide 등이 형성된다.
스테인리스 블랙 코일에 형성된 Cr-oxide 등은 밀착성이 뛰어나 쉽게 제거하기가 힘들다.
또한, 스테인리스 블랙 코일 표면에 형성된 스케일을 제거하지 않고 그대로 용접할 경우, 아래의 식 1과 같이 강중의 탄소와 스케일이 반응하여 CO 가스에 의한 용접부 기공 등의 결함이 발생될 수 있으며, 용접비드 토우부 등에서는 언더컷 등이 발생될 수 있다.
[식 1]
Fe-Oxide(+Cr-Oxide) + C → CO + Fe (+Cr)
보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 스테인리스 용접 강관(1) 제조 공정은 Plasma 용접(2)을 통해 심용입을 얻고, 이후에 TIG 용접(3)을 통해 표면 비드형상을 개선하는 공정으로 구성된다.
소재두께가 얇은 경우는 Plasma 용접(2) 혹은 TIG 용접(3) 단독으로 조관이 되기도 한다.
그러나, 이러한 공정 중에 용접부 부근의 스케일은 용융풀로 혼입이 되며, 이로 인해 기공결함 등이 발생하게 된다.
따라서, 조관 용접공정 중에 이러한 스케일이 용접부 용융풀 내에 혼입되는 것을 막기 위해서는 용접 전에 스케일을 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 스케일이 존재하는 블랙 코일을 이용한 스테인리스 용접 강관 제조 방법은 블랙 코일의 양 단부가 대향하도록 원통형으로 성형 후 블랙 코일의 용접 대상부에 존재하는 스케일을 환원하여 제거한 뒤 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접한다.
용접 대상부는 용접부 부근의 모재로 이루어질 수 있다.
용접 대상부는 용접열의 영향을 받는 모재로 이루어질 수 있다.
용접 대상부는 원통형으로 성형된 블랙 코일의 내면 및 외면에 형성될 수 있다.
용접 대상부가 원통형으로 성형된 블랙 코일의 내면 및 외면에 형성되는 경우 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접하는 공정은 원통형으로 성형된 블랙 코일의 외면에만 수행될 수 있다.
스케일을 환원하는 과정은 블랙 코일의 용접 대상부에 수소 가스를 공급하여 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스케일을 환원하는 과정은 블랙 코일의 용접 대상부 표면에 수소 가스와 아르곤 가스가 혼합된 혼합가스를 사용하는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 수행하여 이루어질 수 있다.
TIG 용접은 TIG용접기(110,120)에 의해 이루어질 수 있다.
TIG 용접은 원통형으로 성형된 블랙 코일(130)의 내면 및 외면에 실시될 수 있다.
스케일을 환원하기 위한 TIG 용접기(110,120)는 다음과 같은 작용으로 블랙 코일 표면에 밀착되어 있는 스케일을 제거하는 효과를 가진다.
TIG 용접기(110,120)에서 사용하는 아르곤-수소 혼합가스 중에서 수소는 고온의 아크 내에서 식 2와 같은 환원작용으로 표면 스케일을 제거하게 된다.
[식 2]
Fe-Oxide/Cr-Oxide + H2 → H2O + Fe-metal/Cr-metal
스케일을 환원하기 위한 TIG 용접 조건에서는 단순히 아크열에 의해 전두께에 걸친 과도한 용융은 되지 않는 상태에서 표면만 국부적으로 용융시키면서 표면의 스케일을 환원시킬 수 있는 적절한 수소 혼합비율과 용접조건이 필요하다.
즉, 수소 혼합비율이 너무 작을 경우 환원되는 스케일 면적이 좁으며, 수소 혼합비율이 너무 클 경우 환원반응열이 과도하게 발생되어 지나치게 많은 융용현상이 발생된다.
환원반응열이 과도하게 발생되어 지나치게 많은 융용현상이 발생되는 경우 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접할 때 용접부 결함을 유발하게 된다.
본 발명에서는 이러한 수소 혼합비율과 스케일 환원효과 간의 상관관계를 연구한 결과, 8% 이상의 수소(나머지 아르곤 가스) 혼합비율을 가져야 충분한 스케일 환원효과가 있음을 확인하였다.
또한, 수소 혼합비율이 20%를 초과하는 경우 모재의 과도한 용융으로 인해 이후 용접공정(Plasma 혹은 TIG)에서 용접결함이 발생함을 확인하였다.
따라서, 적정한 수소 혼합비율은 8%~20% (나머지 아르곤 가스)임을 확인하였으며, 이와 같은 결과는 도 4에 도시된 스케일이 제거된 블랙 코일 표면의 단면 사진을 통해 확인할 수 있다.
수소 혼합비율은 혼합가스에서 수소가 차지하는 수소의 부피비를 의미할 수 있다.
수소 혼합비율이 8%~20%인 것은 혼합가스 전체 부피(100%)에서 수소가 차지하는 부피가 8%~20%인 것을 의미할 수 있다.
스케일을 환원하기 위한 TIG 용접, 즉 선행 TIG 용접공정에서는 양쪽의 모재가 접합이 되면 안되기 때문에, 모재가 용융되어 접합이 되지 않는 0.5~4mm 범위 내에서 적절한 간격유지가 필요하다.
스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접하는 과정은 플라즈마 아크 용접(PAW, PLASMA ARC WELDING) 및 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접이 함께 수행될 수 있다.
플라즈마 아크 용접 및 TIG 용접이 함께 수행되는 경우 플라즈마 아크 용접 후 TIG 용접이 수행될 수 있다.
플라즈마 아크 용접 및 TIG 용접은 플라즈마 아크 용접기(140) 및 TIG 용접기(150)에 의해 이루어질 수 있다.
이하에서는 시험결과를 바탕으로 본 실시 예에 대하여 설명한다.
표 1은 304 블랙 코일(두께 4mmt) 조관 용접 시험결과를 나타낸다.
구분 수소가스 혼합비 이음부 간격 용접부 품질
비교 예 1 0% 0.5~1mm 스케일 혼입 (기공결함 발생)
비교 예 2 4% 0.5~1mm 스케일 혼입 (기공결함 발생)
실시 예 1 8% 0.5~1mm 양호
실시 예 2 10% 1~1.5mm 양호
실시 예 3 12% 1~1.5mm 양호
실시 예 4 16% 1.5~2mm 양호
실시 예 5 20% 1.5~2mm 양호
비교 예 3 24% 2~2.5mm 용락발생
비교 예 4 28% 2~2.5mm 용락발생
비교 예 1 및 2의 경우, 수소 혼합비율이 부족하여 표면 스케일 환원이 부족했기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 용접부 pit 같은 기공결함이 발생하였다.
또한, 비교 예 3 및 4의 경우, 수소 혼합비율이 과도하여 용접부에서 용락이 발생하였다.
그러나, 실시 예 1 내지 5의 경우에서는 도 6에 나타나 바와 같이, 건전한 용접부를 얻을 수 있었다.
110 : TIG 용접기 120 : TIG 용접기
130 : 원통형으로 성형된 블랙 코일 140 : 플라즈마 아크 용접기
150 : TIG 용접기

Claims (6)

  1. 스케일이 존재하는 블랙 코일을 이용한 스테인리스 용접 강관 제조 방법에 있어서,
    상기 블랙 코일의 양 단부가 대향하도록 원통형으로 성형 후 상기 블랙 코일의 용접 대상부에 존재하는 스케일을 환원하여 제거한 뒤 상기 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접하는 스테인리스 용접 강관 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스케일을 환원하는 과정은 상기 블랙 코일의 용접 대상부에 수소 가스를 공급하여 이루어지는 스테인리스 용접 강관 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스케일을 환원하는 과정은 상기 블랙 코일의 용접 대상부 표면에 수소 가스와 아르곤 가스가 혼합된 혼합가스를 사용하는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 수행하여 이루어지는 스테인리스 용접 강관 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 혼합가스에 포함된 상기 수소 가스의 혼합비율은 8% 내지 20%인 스테인리스 용접 강관 제조 방법.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 TIG 용접은 상기 원통형으로 성형된 블랙 코일의 내면 및 외면에 실시되는 스테인리스 용접 강관 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스케일이 제거된 블랙 코일의 용접 대상부를 용접하는 과정은 플라즈마 아크 용접(PAW, PLASMA ARC WELDING) 및 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접이 함께 수행되는 스테인리스 용접 강관 제조 방법.
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