[논문]건설용 강재개발 및 용접기술동향

김성진; 정홍철

doi:10.5781/jwj.2016.34.1.7

[국내논문] 건설용 강재개발 및 용접기술동향
Development of Structural Steel and Trend of Welding Technology 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.1, 2016년, pp.7 - 20

김성진 (포스코 철강솔루션마케팅실 Product Application Center (PAC) 접합연구그룹) , 정홍철 (포스코 철강솔루션마케팅실 Product Application Center (PAC) 접합연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

A brief overview is given of the development of various structural steels and their welding application technology. Firstly, the general characteristics and welding performance of structural steels used in architecture and bridge are introduced. For safety against earthquakes or strong wind, and for highly efficient welding in high-rise building constructions, ultra high strength steel with tensile strength over 800 MPa or high HAZ toughness steel plates under high heat input welding have been developed. In particular, efficient welding technology ensuring high resistance to cold and hot cracking of ultra high strength steel is reviewed in the present paper. Secondly, various coated steels used mainly for outer part in construction are briefly discussed. Moreover, a major drawback of coated steel during welding operation, and several solutions to overcome such technical problem are proposed. It is hoped that this review paper can lead to significant academic contributions and provide readers interested in the structural steels with useful welding technology.

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AI 본문요약
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문제 정의

앞서 언급한 건축구조용 강재는 일반적으로 노멀라이징 (Normalizing), 퀜칭/템퍼링 (Quenching/Tempering), TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Process) 등으로 제조되고 있고, 현재 TMCP 제조기술이 가장 보편적으로 활용되고 있다. 따라서 본 기고에서는 현재 고성능 강재 제조공정에 활용되고 있는 TMCP 제조기술, 건설 및 교량용 강재, 용접이용 기술 등을 중심으로 국내와 일본을 비교하여 논의를 진행하고자 한다.
본 절에서는 건설용 강재의 대표적인 제조공정인 TMCP에 대해 간략히 소개하고자 한다. TMCP는 결정립 미세화와 미세조직 제어를 위해 제어압연과 가속냉각을 적용한 공정으로, 재결정영역에서 압연하는 종래의 후판강 압연공정과 달리, 미재결정영역에서 압연함으로써 오스테나이트 결정립 내부에 변형띠를 생성시켜 추가적인 핵생성 자리를 형성시켜 미세조직 및 물성을 제어하는 것이 특징이다⁵⁾.
. 용접금속으로부터 조대결정립 열영향부로 확산된 보론이 정확히 BN의 형태로 존재하는 지와, 결정립 미세화의 효과에 대해서는 명확히 검증되지 않은 것으로, 본 기고에서는 구체적인 언급을 제외하고자 한다.
본 기고에서는 건축 및 교량 분야에 적용되고 있는 다양한 강재들의 특성 및 용접기술에 대한 논의를 진행하였다. 초고층화, 장스팬화, 안전화, 장수명화로 설명될 수 있는 건축/교량 분야에서, 현재 요구되고 있는, 그리고 향후 요구될 성능 및 물성확보를 위해, 고강도를 비롯한 고성능 강재 뿐 아니라 효과적인 용접시공기술이 적극적으로 개발되어야 할 것이다.

제안 방법

TS 800 MPa 이상의 초고강도 강재의 특성상 용접부 Overmatching을 위한 용접재료 설계 시, 필연적으로 고합금계 성분으로 재료를 설계한다. 이 경우, 마르텐사이트 변태시작온도 (MS 온도)가 낮아져, 용접 후 냉각 시 상대적으로 오스테나이트 조직으로 머무는 영역이 커지는 효과를 가져온다⁹⁾.
특히 SAW의 경우, 1 Pole 용접으로 입열량을 35 kJ/cm 이하로 제한하였으며, 예열의 경우, 균일하게 예열되는 효과를 위해 예열패드를 부착하여 60mm 판재 기준으로 150 ℃의 온도로 예열관리를 함으로써 저온균열의 발생을 방지하고자 하였다.
국내의 경우, 최근 POSCO社에서는 중질소와 저 실리콘 설계에 기반한 대입열용 HSA500 강재를 개발한 바 있다. 입내 미세 TiN을 분산시켜 HAZ 결정립 성장을 억제하고, Si을 저감시켜 M/A 조직 분율을 감소시켰으며, 입계에 조대하게 형성되어 충격특성을 저하시키는 NbC 등의 형성 억제를 위해 Nb의 첨가를 생략하였다. Fig.

성능/효과

한편, 일본 Tomoya를 비롯한 연구자들은 1000 MPa급 강재의 건축분야 적용 가능성을 GMAW 및 SAW 프로세스로 평가하여 학계에 보고한 바 있다¹²⁾. 본 연구에 따르면, 용접 시 보호가스 내 CO₂ 함량이 증가하면 아크 내에서 해리되는 산소량이 증가하고, 망간, 실리콘 등의 성분과 산소가 반응하여 산화물을 형성하는 방식으로 강 내 망간, 실리콘 등의 성분 수율 및 경화능이 감소하여, 결과적으로 강도저하와 산화성 개재물 증가로 충격치가 감소할 수 있다. Table 3은 본 연구에서 제안한 GMAW 및 SAW의 용접조건을 나타내었다
일본의 경우, 교량 제작 시, 일반적으로 SM570급 혹은 그 이상의 강도급의 강재를 적용할 경우, 저온균열 저감을 위해 예열이 요구된다. 용접생산성을 고려하여 P_cm을 0.2 이하로 조정 (탄소: 0.09%)하여 예열을 생략하거나 줄이는 방향으로 BHS 강재 (BHS500) 설계하여, 2012년 개통한 Tokyo Gate Bridge Truss 교에 BHS500 강재를 최초로 적용하여 대략 12% 수준의 비용 절감 효과를 거두었다. JFE/NSSMC 등에서 개발된 교량용 강재의 경우, 일반적으로 500 MPa급 강재의 경우 용접균열지수 값이 대략 0.
Table 5에 HSB600L의 40mm와 80mm각각에 대한 FCAW (입열량: 15 kJ/cm) 및 SAW (입열량: 50 kJ/cm) 프로세스 적용 시 평가된 기계적물성을 요약하였다. 일반 교량용 HSB 600의 경우에는SAW 기준 120 kJ/cm의 대입열 적용 시에도 규격 기준치인 0 ℃, 47J의 충격인성 값에 비해 훨씬 높은 수준으로 평가되었고, HSB800급 강재의 경우에도, Table 6에서 확인할 수 있듯이, FCAW (입열량: 23 kJ/cm)및 SAW (입열량: 50 kJ/cm) 적용 시, 인장강도 및충격에너지 값이 규격 요구치를 모두 만족하고 있다.

후속연구

즉 건축구조물이 대형화되면서 사용되는 구조부재의 단면이 증가하여, 80mm 혹은 100mm 두께의 후물 강재가 요구되며, 이에 따라 판 두께 방향에 대한 물성보증 및 높은 저온균열 저항성이 확보되어야 한다. 강재의 극후물화는 곧 부재 제작의 효율성 향상이라는 측면에서 대입열 용접용 강재 및 용접이용 기술이 개발되어야 할 것이다. 일본의 경우, 1970년도부터 대입열용 강재개발을 주도하여, 현재는 후물 구조용 강재의 경우에도 SAW (Submerged Arc Welding)기준으로 600 kJ/cm, ESW (Electro-Slag Welding) 기준으로 1000 kJ/cm의 대입열 용접이 범용적으로 적용되어 주로 1 Pass로 용접을 마무리하고 있다.
본 기고에서는 건축 및 교량 분야에 적용되고 있는 다양한 강재들의 특성 및 용접기술에 대한 논의를 진행하였다. 초고층화, 장스팬화, 안전화, 장수명화로 설명될 수 있는 건축/교량 분야에서, 현재 요구되고 있는, 그리고 향후 요구될 성능 및 물성확보를 위해, 고강도를 비롯한 고성능 강재 뿐 아니라 효과적인 용접시공기술이 적극적으로 개발되어야 할 것이다. 즉, 고강도/고성능 강재, 대입열을 비롯한 고효율 용접시공기술과 함께 흡습을 최소화할 수 있는 Seamless 타입의 우수한 용접재료 등의 개발이 복합적으로 이루어져야 할 것이다.
초고층화, 장스팬화, 안전화, 장수명화로 설명될 수 있는 건축/교량 분야에서, 현재 요구되고 있는, 그리고 향후 요구될 성능 및 물성확보를 위해, 고강도를 비롯한 고성능 강재 뿐 아니라 효과적인 용접시공기술이 적극적으로 개발되어야 할 것이다. 즉, 고강도/고성능 강재, 대입열을 비롯한 고효율 용접시공기술과 함께 흡습을 최소화할 수 있는 Seamless 타입의 우수한 용접재료 등의 개발이 복합적으로 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축구조물이 대형화되면서 어떤 특성이 요구되는가?	우선, 초고층 빌딩 건설이 증가하면서, 극후물 강재의 수요가 증가하고 있다. 즉 건축구조물이 대형화되면서 사용되는 구조부재의 단면이 증가하여, 80mm 혹은 100mm 두께의 후물 강재가 요구되며, 이에 따라 판 두께 방향에 대한 물성보증 및 높은 저온균열 저항성이 확보되어야 한다. 강재의 극후물화는 곧 부재 제작의 효율성 향상이라는 측면에서 대입열 용접용 강재 및 용접이용 기술이 개발되어야 할 것이다.
	건축구조물이 대형화에 따른 어떤 기술이 요구되는가?	즉 건축구조물이 대형화되면서 사용되는 구조부재의 단면이 증가하여, 80mm 혹은 100mm 두께의 후물 강재가 요구되며, 이에 따라 판 두께 방향에 대한 물성보증 및 높은 저온균열 저항성이 확보되어야 한다. 강재의 극후물화는 곧 부재 제작의 효율성 향상이라는 측면에서 대입열 용접용 강재 및 용접이용 기술이 개발되어야 할 것이다. 일본의 경우, 1970년도부터 대입열용 강재개발을 주도하여, 현재는 후물 구조용 강재의 경우에도 SAW (Submerged Arc Welding)기준으로 600 kJ/cm, ESW (Electro-Slag Welding) 기준으로 1000 kJ/cm의 대입열 용접이 범용적으로 적용되어 주로 1 Pass로 용접을 마무리하고 있다.
	현재 국내 용접재료 개발 상황은 어떠한가?	구조물의 안전성 측면에서는 내진설계 시 소성변형을 허용하는 SN 강재를 비롯하여 저 항복비 (YR: Yield Ratio)를 만족하는 강재의 개발 및 적용이 이루어지고 있으며, 화재와 같은 고온에서도 일정시간 이상 고온강도를 유지하여 내화피복의 사용을 생략할 수 있는 내화강이 개발되었다. 하지만 국내의 경우, 개발된 내화강재에 적용할 수 있는 국산 용접재료가 전무하여, 용접부 성능평가를 위해 외산 용접재료를 수입하고 있는 실정이다. 강구조물의 장수명화 측면에서는 고내식 교량용 내후성강 및 건축외장용 도금강판의 개발 및 적용이 이루어지고 있다.

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표제어: PCR

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