KR20200067694A

KR20200067694A - 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법

Info

Publication number: KR20200067694A
Application number: KR1020180154816A
Authority: KR
Inventors: 홍승갑; 이동렬
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-12

Abstract

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 용접부의 상분율을 제어하여 모재의 90% 이상의 우수한 내식성을 확보할 수 있는 레이저 조관 용접 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법은, 중량%로 Cr: 24 내지 25%, Ni: 6 내지 8%, Mo: 3 내지 5%, N: 0.2% 이상을 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 시 용접부를 N₂ 보호가스로 쉴딩하며, 용접부의 평균 냉각속도를 100℃/s 이하로 제어한다.

Description

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법 {METHOD FOR LASER PIPE WELDING OF SUPER DUPLEX STAINLESS STEEL}

본 발명은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 시 우수한 내식성을 가지는 용접부를 확보할 수 있는 용접기술에 관한 것이다.

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 우수한 강도 및 내식성을 바탕으로 담수화 플랜트, 그리고 해수 펌프 등 해수를 사용하는 산업과, SO_x와 같은 환경오염물질을 배출하는 화학 플랜트, 케미컬 탱크 등 열악한 부식환경에 주로 사용되고 있다. 스테인리스강의 내식성은 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)이라고 하는 내공식성 지수로 대표되며, 이와 같은 PREN 값은 아래 식 (1)과 같이 표시된다.

(1) PREN = Cr + 3.3*(Mo + 0.5*W) + 16*N

통상 304와 같은 일반 스테인리스강은 25 전후의 PREN 값을 가지는데 반해, 슈퍼 듀플렉스 강재는 40 이상의 PREN값을 가져서, 우수한 내식성을 나타내게 된다. 앞선 식 (1)에서 보듯이, 내식성에는 Cr, Mo, N과 같은 원소가 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 용접부의 경우는 용접 중에 생성되는 시그마상의 생성 또는 용접부 상분율의 변화, 소재의 질소 함량 저감 등에 의해 내식성이 저감되는 문제를 종종 발생시킨다.

이러한 근본적인 문제를 제거하기 위해, 산업계에서는 용접 파이프(welded pipe)가 아닌, 심리스 파이프(seamless pipe)를 적용하는 경우도 있다. 그러나 심리스 파이프는 낮은 생산성 및 높은 제조비용으로 인해, 산업계에서 널리 확대 적용되지 못하고 있다. 따라서, 용접부 성능은 기존 대비 우수하며, 전체적인 생산성 및 비용이 저렴한 용접용 파이프를 제조할 수 있는 조관 용접 기술 개발이 필요하다.

본 발명은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 시 내식성 저하 원인을 해소하여 용접부의 내식성이 우수한 조관 용접 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법은, 중량%로 Cr: 24 내지 25%, Ni: 6 내지 8%, Mo: 3 내지 5%, N: 0.2% 이상을 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 시, 용접부를 N₂ 보호가스로 쉴딩한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 N₂ 보호가스 쉴딩은 상기 용접부의 외면 및 내면에 이루어지며, 유량은 5ℓ/min 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접부의 1,100 내지 500℃ 온도구간에서 평균 냉각속도를 100℃/s 이하로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 평균 냉각속도는 10 내지 100℃/s일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레이저 조관 용접 전, 후 또는 전과 후에 상기 용접부를 열처리하여 상기 평균 냉각속도를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접부의 오스테나이트상 분율은 40% 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법은 용접부의 상분율을 제어하여 모재의 90% 이상의 우수한 내식성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조관 용접을 나타내는 모식도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

일반적으로 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 기지조직의 페라이트와 오스테나이트 상분율이 50:50으로 동등한 비율을 가지며, 이로 인해 높은 강도, 우수한 응력부식저항성 등을 가진다. 그러나, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 용접을 통해 용융 후 응고가 되면 용접과정 중의 Cr 산화에 따른 Cr함량 저감, 고용 N의 손실, 상분율의 변화 등으로 인해 용접부 내식성이 저하된다. 이를 방지하기 위해, 용접재료를 사용하는 통상의 아크 용접에서는 Ni 함량이 모재 대비 3~4% 높은 용접재료를 사용하여 용접부 상분율 밸런스(balance)를 맞추기 위한 기술이 적용된다. 그러나, 이와 같은 용접재료를 사용하기 힘든 제살용접의 경우는 용접부 합금성분 및 상분율 제어가 쉽지 않게 된다.

레이저 용접은 고밀도의 열원을 사용하여, 특정한 좁은 영역에 에너지를 집속시켜 국부적인 용융을 통해 용접을 할 수 있는 고생산성 용접 방법 중의 하나이다. 레이저 용접은 다양한 조관 용접 방법 중의 하나로서 산업계에 널리 적용되고 있으며, 일반적으로 용접재료를 사용하지 않고 모재의 용융만으로 용접부를 형성시키는 제살용접 중의 하나로 알려져 있다. 이러한 레이저 용접은 매우 정밀하고 빠른 조관 용접속도로 인해 많은 장점을 가지고 있으나, 용접부 열사이클을 보면 낮은 입열량을 가지는 특성으로 인해 용접부는 급열/급냉의 열사이클을 거치게 된다. 특히, 듀플렉스 스테인리스강과 같이 용접부의 용융 후 응고과정에서 100% d-페라이트가 형성된 후 냉각되면서 오스테나이트상이 석출되는 강재의 경우에는, 냉각속도가 너무 빠르면 충분한 오스테나이트상이 석출되지 못하여 용접금속부의 상분율 균형(50:50)이 맞지 않는 경우가 발생한다. 이러한 경우 용접부 내식성이 저하되는 문제점이 있어, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 내식성 저하 문제를 해결할 수 있는 조관 용접 방법을 개발하고자 하였다.

본 발명에서 레이저 조관 용접의 대상이 되는 모재는 중량%로, Cr: 24 내지 25%, Ni: 6 내지 8%, Mo: 3 내지 5%, N: 0.2% 이상을 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 조관 용접 방법을 나타내는 모식도이다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명을 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법은, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 시, 용접부를 N₂ 보호가스로 쉴딩(shielding)한다. N2 보호가스 쉴딩은 상기 용접부의 외면 및 내면에 이루어질 수 있다.

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 용접부 내식성 저하 원인으로, 첫째는 용접 후 응고과정 중의 d-페라이트와 오스테나이트 상분율 밸런스가 깨어져 모재 대비 높은 d-페라이트 분율을 보이는 것이며, 둘째는 용접과정 중의 N의 소실이다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 기존 보호가스로 Ar 혹은 He을 사용하는 것을 N₂로 변경하고자 하였다. N는 기본적으로 오스테나이트 안정화 원소로서, 보호가스로 N₂를 사용할 경우 용접과정 중 용접금속에서 소실된 N를 보완해줄 수 있으며, 또한 용융 금속에 확산되어 냉각 중 오스테나이트 변태를 촉진시킴으로써 오스테나이트 상분율 확보에 유효하다.

이러한 N₂ 보호가스 쉴딩(1)은 조관 파이프 외면(1a)뿐만 아니라 내부의 용접부 내면(1b)에도 함께 적용시 그 효과는 증대된다. 예를 들어, 파이프 외면에는 쉴딩 슈(shielding shoe)를 이용해 N₂ 보호가스를 분사하여 쉴딩할 수 있으며, 내면에는 가스관을 이용해 백 비드에 N₂ 보호가스를 분사할 수 있다. 특히, N₂ 쉴딩(1)의 경우, 외면 및 내면 모두 최소 5ℓ/min 이상의 유량으로 용접부를 보호해야만 상술한 효과가 있다. 단, 용접부 냉각속도와 용접부 형상을 고려하여 40ℓ/min 이하의 유량이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접부의 1,100 내지 500℃ 온도구간에서 평균 냉각속도를 100℃/s 이하로 제어하여 오스테나이트 상분율을 확보할 수 있다. 평균 냉각속도를 낮추기 위해 레이저 조관 용접 전(2a), 후(2b) 또는 전과 후에 상기 용접부를 열처리(2)하여 상기 평균 냉각속도를 제어할 수 있다.

레이저 용접은 저입열 용접으로, 냉각과정 중 충분한 오스테나이트 상분율을 확보하기 위해서는 추가적인 용접 전/후 열처리(2)가 필요하다. 특히, 용접금속에서 오스테나이트가 석출되는 1,100 내지 500℃ 온도구간의 평균 냉각속도가 100℃/s 이하로 확보되었을때, 오스테나이트 상분율을 40 내지 50% 확보할 수 있다. 이와 같은 냉각속도를 얻기 위해서는, 레이저 용접 전 및/또는 용접 직후 용접부를 가열하여 100℃/s 이하의 평균 냉각속도로 제어할 수 있다. 예를 들어, 열처리를 위해 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 용접 방법을 이용하거나, 가열원으로 인덕션 가열장치 등을 이용할 수 있다.

한편, 용접부의 평균 냉각속도는 10℃/s 이상인 것이 바람직하다. 10℃/s 미만의 매우 느린 냉각속도에서는 충분한 오스테나이트 상분율은 확보할 수 있으나, 시그마상 등의 2차상이 생성되어 오히려 내식성이 저하될 수 있다.

상술한 레이저 조관 용접 방법에 따라 용접된 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 용접부는, 오스테나이트 상분율을 40% 이상으로 확보하여 페라이트-오스테나이트 상분율을 50:50에 근접시킬 수 있어 용접부 내식성을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

UNS32750(25Cr-7Ni-3.5Mo-0.28N)의 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 레이저 조관 용접함에 있어서, 쉴딩 보호가스의 종류 및 유량과 용접부 평균 냉각속도를 제어하여 오스테나이트 상분율을 조사하였으며, 이에 따른 용접부 내식성을 평가하였다.

보호가스는 Ar, He, N₂를 사용하였고, N2의 유량을 달리하여 조관 파이트의 용접부 외면 및 내면을 쉴딩하였다. 용접부의 1,100~500℃ 온도구간 냉각속도는 레이저 용접 전과 후 위치에 인덕션 가열장치를 배치하여, 이를 조합하여 구동함으로써 평균 냉각속도를 7℃/s부터 200℃/s 이상까지 다양하게 조절하였다.

최종 내식성 평가는 ASTM G48A에 따라 용접부를 24시간 침지하여 CPT(Critical Pitting Temperature, ℃)를 측정하였다.

구분	보호가스 쉴딩		용접부 평균 냉각속도 (℃/s)	용접부 오스테나이트 상분율	CPT (℃)
구분	종류	유량 (ℓ/min)	용접부 평균 냉각속도 (℃/s)	용접부 오스테나이트 상분율	CPT (℃)
비교예 1	Ar	10	> 200	17%	40
비교예 2	He	10	> 200	19%	40
비교예 3	Ar	10	~ 80	22%	40
비교예 4	He	10	~ 80	24%	40
비교예 5	N₂	3	> 200	23%	40
비교예 6	N₂	3	~ 80	28%	40
비교예 7	N₂	3	~ 50	33%	45
비교예 8	N₂	10	> 200	31%	45
비교예 9	N₂	10	~ 7	46%	40
실시예 1	N₂	5	~ 80	43%	55
실시예 2	N₂	15	~ 80	45%	55
실시예 3	N₂	10	~ 100	45%	55
실시예 4	N₂	20	~ 70	46%	55
실시예 5	N₂	20	~ 30	47%	55

조관 파이프의 용접부 외면 및 내면에 모두 Ar 또는 He을 보호가스로 사용한 비교예 1 내지 4의 경우에는 냉각속도에 따라 어느 정도 오스테나이트 상분율이 증가하나(비교예 3, 4), 내식성을 확보하기 위한 충분한 양의 오스테나이트 상분율은 얻기 힘들었다. 내식성 또한 ASTM G48A의 기준으로 40℃에서 공식(pitting)이 발생하였다.

이와 비교하여, 용접부 내/외면을 모두 N₂를 사용하여 쉴딩한 비교예 4 내지 8에서는 대체적으로 오스테나이트 상분율이 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, N₂의 유량이 5ℓ/min 미만의 경우에서는 그 효과가 크지 않았다.

비교예 9의 충분한 N₂ 유량과 매우 느린 냉각속도에서는 충분한 오스테나이트 상분율 확보에는 성공하였으나, 너무 느린 냉각속도로 인해 용접부에서 발생한 시그마상 등에 의해 오히려 내식성이 저하됨을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5는 상기 비교예들과 비교하여, N₂ 유량을 5ℓ/min 이상으로 유지하면서 용접부 평균 냉각속도를 10 내지 100℃/s 범위로 제어하였다. 실시예 1 내지 5는 40% 이상의 오스테나이트 상분율을 확보하면서도, CPT 온도가 비교예 대비 약 15℃ 증가되어 내식성이 향상된 결과를 나타내었다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, Cr: 24 내지 25%, Ni: 6 내지 8%, Mo: 3 내지 5%, N: 0.2% 이상을 포함하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 시,
용접부를 N₂ 보호가스로 쉴딩하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 N₂ 보호가스 쉴딩은 상기 용접부의 외면 및 내면에 이루어지며,
유량은 5ℓ/min 이상인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 용접부의 1,100 내지 500℃ 온도구간에서 평균 냉각속도를 100℃/s 이하로 제어하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법.
제3항에 있어서,
상기 평균 냉각속도는 10 내지 100℃/s인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 레이저 조관 용접 전, 후 또는 전과 후에 상기 용접부를 열처리하여 상기 평균 냉각속도를 제어하는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법.
제3항에 있어서,
상기 용접부의 오스테나이트상 분율은 40% 이상인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 레이저 조관 용접 방법.