1000N/㎟급 고장력강의 용접기술 :: 산업뉴스

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1000N/㎟급 고장력강의 용접기술

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김환태(htkimm@reseat.re.kr)
* 출처 : 有持和茂, “溶接構造用1000N鋼について-ペンストックおよび建築分野におけゐ技術
開發/實用狀況と課題-”, 溶接學會誌, 78(6), 2009, pp.529-536

1. 서언
고장력강은 일반 연강에 비해 중량의 감소, 구조물 제작비의 절감, 취급과 수송이 용이한 장점을 지니고 있다. 일본 Sumitomo Metal Industries, Ltd.는 인장강도 980MPa급의 고장력강(HT1000)의 특성과 향후의 기술개발에 관하여 정리했다.

2. 기술의 내용

▶ 수력발전소의 수압관(Penstock)용 HT1000급 고장력강
수력발전소에서 산꼭대기의 물탱크로부터 발전소 내의 수차로 물을 끌어들이는 수압관은 판 두께 200mm를 넘는 인장강도 780MPa(HT800)급의 고장력강으로 제작되고 있는데 최근에는 HT1000급의 강재를 사용하는 대규모의 수압관이 건설되고 있다. 수압관에 사용하는 HT800급 이상의 고장력강은 높은 작용응력에 견뎌야 하며 0℃의 온도조건에서 용접부에 취성파괴가 발생하지 않아야 한다. 이와 같이 고장력강 구조물의 안전성을 확보하기 위해서
는 고도의 강재설계와 제조기술 및 용접시공기술이 필요하다.

발전소 현장에서 수압관을 조립하는 경우 좁은 터널 내에서 힘들게 용접을 해야 하므로 작업이 편하고 취급이 간단하며 시공성이 우수한 용접공정을 채택하는 것이 중요하다. HT1000급 고장력강을 설계할 때 C 함유량을 줄이고 합금원소의 첨가량을 조절하여 PCM(균열감수성 지수)을 낮추면 용접작업 시 예열온도를 높이지 않고도 용접열영향부의 저온균열을 방지할 수 있으며 신뢰성이 높은 용접부를 얻을 수 있게 된다.HT1000급 고장력강을 제조하는 기술의 기본은 QT(Quenching & Tempering) 열처리 공정이다.

철강재료의 기계적 성질은 결정립의 크기와 밀접한 관계에 있다. 그런데 열처리를 받는 고장력강의 미세조직은 P, S 등의 불순물에 민감하므로 고장력강의 제강 공정에서 불순물 원소들을 철저히 제거할 필요가 있다. TMCP(Thermo-Mechanical Controlled Processing)기술을 사용하여 고장력강을 제조하면 결정립이 미세화하여 강도와 인성을 확보하는 데 유리하며 가격이 높은 Ni 합금의 첨가량을 줄이고도 취성균열의 전파를 방지하는
효과를 얻게 된다.

▶ 건축철골용 HT1000급 고장력강
건축철골용 강재에 요구되는 성능은 항복점, 인장강도, 항복비, 충격 특성, 그리고 용접성 등이 있으며 특히 대규모 지진에서도 건물의 안전과 인명을 확보할 수 있도록 강재 제조 시 최대한의 성능을 확보하기 위한 기술의 개발이 필요하다. 그리고 건축철골의 경제합리성도 고려해야 한다.건축철골용 강재는 그 용도가 범용적이어서 CO₂반자동 용접과 같이 비교적 소입열이 되는 용접공법을 적용할 수 있는 제품이 되어야 한다. 건축철골의 용접부가 모재를 능가하는 구조를 갖도록 용접금속의 인장강도는 모재와 동등하거나 또는 그 이상이 되어야한다. 항복강도의 경우는 HT1000급 고장력강재의 설계기준강도 목표치인 810N/㎟을 상회하는 값으로 정해져야 한다.건축철골의 용접시공의 특징은 다른 구조물과 달리 용접 길이가 비교적 짧기 때문에 연속 다층용접 시 층간온도의 상승이 두드러진다. 따라서 용접부의 기계적 성질을 확보하는 데 필요한 용접부의 냉각 속도를 유지할 수 있도록 용접시공 조건을 조절해야 한다.

3. 향후 과제
HT1000급 고장력강은 용접작업 시 중저형 강도강에 비해 용접시공 조건을 엄격히 준수하는 것이 요구된다. 향후 고장력강을 개발할 때는 그와 같은 제약이 대폭적으로 완화될 수 있도록 개발의 초점을 맞추어야 할 것이다.개발하고자 하는 고장력강 모재에 부합되는 용접재료의 개발이 필요하다. 용접재료 역시 모재의 경우와 마찬가지로 용접시공조건을 엄격히 준수해야 하며 용접금속에 필요한 기계적 성질을 부여할 수 있도록 개발되어야 한다. NEDO 프로그램인 “철강재료의 혁신적 고강도·고기능화 기반 연구개발 프로젝트”를 통해 저온균열이 발생하지 않고 용접부의 품질이 우수한 용접재료의 개발이 기대된다.

4. 전문가 제언
수력발전소에서 사용하는 수압관은 그 발전소의 낙차에 상당하는 정수압과 수압관 내의 유속변화에 의해서 생기는 수격압이 걸리므로 매우 견고한 철관으로 제작된다. 종래에는 주철관을 사용했으나 근래에는 HT1000급 고장력 용접강관이 사용되고 있다. 산의 경사면에 설치되는 수압관은 온도변화에 의한 신축이 가능하게 해야 하므로 HT1000급 고장력강 용접부는 용접금속과 용접열영향부의 기계적 특성이 모재와 거의 같은 수준을 유지하고 무잔류응력, 무용접변형과 같은 역학 특성을 갖도록 우수한 용접성을 지니는 것이 필요하다.고장력강 용접 시 용융선 근방에 있는 용접열영향부의 조립지역은 용접 시 가열과 역 변태에 의해 오스테나이트가 조대화하여 인성이 제일 낮은 곳이며, 다층용접시 연속되는 층의 재가열을 받아 국부취화영역을 형성하므로 용접 시 주의가 필요하다.

건축골재용 강재로 많이 보급되고 있는 TMCP강을 용접하는 경우 용접입열량의 크기에 따라 용접열영향부의 성질이 모재의 성질과 다르게 될 수도 있다. 따라서 건축철골에서 용접접합부의 성능확보와 경제합리성을 바탕으로 하여 철골구조를 잘 사용할 수 있도록 TMCP강의 용접 재료와 용접시공기술을 개발하는 것이 중요하다.서브머지드 아크용접과 일렉트로슬래그 용접은 고장력강 용접구조물의 용접생산성을 높여 주는 대입열 용접기술로서 일본공업규격(JIS)의 경우 철골조 건축물의 용접시공에 관한 법령에서 13종류의 ‘지정건축재료’ 중에 포함되어 있다.

용접으로 제작된 강구조물의 안전성과 신뢰성을 향상시키는 데 가장 중요한 과제 중의 하나는 피로파괴를 방지하는 것이다. 그러므로 대입열 용접에서도 용접열영향부의 충격인성을 향상시킬 수 있도록 구오스테나이트(Prior Austenite) 결정립의 미세화, 오스테나이트 결정립 내에서 미세한 입내 페라이트(Intragranular Ferrite, IGF)의 핵생성을 조성하는 방법 등을 활용하여 대입열 용접 시 고장력강 용접열영향부에서 결정립의 조대화가 일어나는 CGHAZ(Coarsegrained Heat Affected Zone)의 금속조직을 미세화시키는 기술의 개발이 필요하다.