대구경 직선 이음매 강관의 LASW 레이저-아크 하이브리드 용접 기술 및 성능 연구
대구경, 후벽 직선 이음매 강관에 사용되는 기존의 서브머지드 아크 용접(SAW) 공정은 일반적으로 높은 총 열 입력, 큰 용접 변형, 거친 용접 결정립, 낮은 성형 효율과 같은 단점을 가지고 있습니다. 이러한 단점으로 인해 저응력, 고인성, 높은 치수 정밀도를 요구하는 고급 석유 및 가스 운송 장비와 해양 엔지니어링 장비의 파이프라인 부품에 대한 사용 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 국내 JCOE 직선 이음매 서브머지드 아크 용접 강관 제조업체 중 선두 기업인 허베이 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 강관(Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd.)은 완전 자동화된 PID 성형 생산 라인을 기반으로 레이저-아크 하이브리드 용접(LASW) 기술 적용에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 본 연구는 기존 서브머지드 아크 용접 시스템을 기반으로 한 복합 열원 용접 방식을 탐구합니다. 레이저 출력, 아크 전류, 용접 속도, 레이저와 아크 열원 사이의 거리와 같은 주요 공정 변수를 조정하여 기존 서브머지드 아크 용접과 레이저-아크 하이브리드 용접의 용접 형성 특성, 미세 구조, 기계적 특성 및 잔류 응력 분포 패턴을 체계적으로 비교합니다. 실험 결과에 따르면 LASW 이중 열원 결합 효과는 용접 열영향부의 범위를 효과적으로 줄이고, 용접부와 용융부의 금속 결정립을 미세화하며, 기공, 용융불량, 슬래그 혼입과 같은 용접 결함 발생 확률을 현저히 감소시킬 수 있습니다. 복합 용접 접합부의 인장 강도, 저온 충격 인성 및 굽힘 성능은 기존의 서브머지드 아크 용접 접합부보다 모두 우수합니다. 또한, 단일 패스 용접 침투 깊이가 더 깊어 용접 패스 횟수를 효과적으로 줄이고 공정 단계를 단축할 수 있습니다. 이 용접 공정은 대구경, 후벽 직선 이음매 강관의 용접 품질을 크게 향상시키고, 용접 잔류 응력 및 구조적 변형을 제어할 수 있으며, 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)의 기존 JCOE 생산 라인의 대규모 정밀 생산에 적합하여 엔지니어링 적용 및 공정 촉진 가치가 매우 높습니다.
핵심어 : 직선 이음매 강관; JCOE 성형; LASW; 레이저 아크 하이브리드 용접; 미세구조; 기계적 특성; 허베이 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)
I. 서론
대구경 직선 이음매 강관은 장거리 압력 수송 파이프라인, 해양 플랫폼 철골 구조물, 대규모 수자원 인프라 프로젝트에서 핵심적인 압력 지지 부품입니다. 용접부의 미세 구조, 치수 정확도 및 구조적 안정성은 전체 프로젝트의 사용 안전성과 수명을 직접적으로 결정합니다. 허베이성 옌산 파이프라인 장비 산업 기지에 위치한 허베이 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 강관 유한회사는 JCOE 인증을 받은 다수의 직선 이음매 서브머지드 아크 용접(SAW) 파이프 생산 라인을 보유하고 있습니다. 외경 406.4mm에서 1422.4mm, 두께 최대 50mm에 이르는 파이프라인 강관을 안정적으로 생산할 수 있습니다. 당사의 제품은 석유 및 가스 수송, 신에너지 파이프라인, 대형 철골 구조물 등 다양한 분야에 사용되며, API 5L 및 GB/T 9711과 같은 국내외 표준을 준수합니다. 허베이 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 강관은 중국에서 고급 직선 이음매 강관을 공급하는 선도적인 기업 중 하나입니다. 기존 생산 시스템은 주로 다층 및 다중 패스 공정을 사용하는 양면 잠수 아크 용접을 주 방식으로 활용하고 있으며, 이는 성숙하고 신뢰할 수 있는 방식이지만, 두꺼운 고품질 강관 생산에는 여전히 본질적인 단점이 남아 있습니다.
기존의 서브머지드 아크 용접(SAW)은 긴 열 입력 시간과 넓은 열 범위를 필요로 합니다. 후판의 다층 용접 시 열 축적이 발생하기 쉬워 파이프 전체 변형, 과도한 타원형 변형, 잔류 응력 집중 등의 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 다층 용접 적층 공정은 층간 개재물이나 국부적인 불완전 용융과 같은 숨겨진 결함이 발생하기 쉽습니다. 더 나아가, 반복적인 용접 가열은 용접 미세 구조의 비정상적인 결정립 성장을 유발하여 접합부의 저온 인성을 저하시키고 고압, 저온, 강부식과 같은 복잡하고 가혹한 작동 조건에 부적합하게 만듭니다. 뿐만 아니라, 복잡한 다층, 다중 패스 용접 공정과 긴 공정 주기는 고급 강관의 지능형 제조에서 생산 효율 향상을 저해합니다. 중국에서 석유 및 가스, 수소 에너지 수송과 같은 신흥 파이프라인 프로젝트에서 요구되는 파이프 품질 기준이 지속적으로 높아짐에 따라, 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)는 새로운 용접 공정을 끊임없이 연구하고 레이저-아크 하이브리드 용접 기술 도입을 통해 기존 용접 시스템을 혁신하고자 노력하고 있습니다.
레이저-아크 하이브리드 용접(LASW)은 고에너지 밀도의 레이저 열원과 펄스형 전기 아크 열원을 공간적으로 결합하여 두 열원의 상호 보완적인 성능을 구현하는 혁신적인 하이브리드 용접 기술입니다. 레이저 열원은 집중된 에너지와 강력한 침투력을 제공하여 넓은 용접 깊이와 빠른 성형을 가능하게 합니다. 전기 아크 열원은 큰 용융 풀 부피와 높은 조립 틈새 허용 오차를 제공하여 엄격한 조립 정밀도와 낮은 공정 오차 허용 오차를 요구하는 단일 레이저 용접의 한계를 극복합니다. 두 열원의 시너지 효과는 용접 열 입력 영역을 효과적으로 최적화하고 용융 풀 유동 상태를 개선하며 용접 결함 발생을 억제합니다.
현재 LASW 기술은 중대형 강판 구조물, 압력 용기 및 건설 기계 용접에 주로 적용되고 있습니다. 그러나 JCOE 성형 대구경 후벽 직선 이음매 강관의 전체 공정 적응성, 미세구조 변화 및 기계적 특성에 대한 체계적인 연구는 대량 생산 라인의 조업 조건에 기반한 실험 데이터 부족으로 여전히 미흡합니다. 본 연구에서는 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)의 JCOE 성형 생산 라인의 생산 조건을 기반으로 LASW 용접 실험을 수행하여 공정 변수가 용접 형성, 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향 메커니즘을 규명하고자 합니다. 대구경 직선 이음매 강관에 적합한 고품질 용접 공정 시스템을 구축함으로써 기업들이 고급 파이프라인 용접 공정을 개선하고 품질을 최적화하는 데 필요한 이론적 근거와 기술적 참고 자료를 제공할 수 있을 것입니다.
II. 시험 재료 및 장비
2.1 시험용 기본 재료
시험 재료는 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) JCOE 생산 라인의 주력 대구경 직선 이음매 강관 규격에 맞는 두께 12~28mm의 범용 Q345B 저합금 고강도 구조용 강판이었다. 이 강재는 우수한 가소성, 인성 및 용접성을 지니고 있으며, 압력 배관 및 대형 철골 구조물 하중 지지 부품에 널리 사용된다. 재료의 화학 조성 및 기본 기계적 특성은 국가 표준 GB/T 1591-2018의 요구 사항을 충족한다. 모든 시험편은 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)의 산업 표준 JCOE 벤딩 및 성형 공정을 사용하여 가공되었다. 밀링, 예비 벤딩 및 이음매 접합 공정은 생산 라인과 동일하게 표준화된 모따기 형상 및 조립 간격을 적용하여 실제 생산 조건을 완벽하게 재현함으로써 시험 데이터의 신뢰성과 공학적 적용 가능성을 확보하였다.
2.2 시험 장비
본 실험에서는 통합 레이저-아크 하이브리드 용접 시스템을 사용했습니다. 이 장비는 고정밀 빔 조정 모듈과 펄스 아크 제어 시스템을 갖추고 있어 레이저와 아크 열원 간의 정밀한 공간적 결합이 가능합니다. 레이저 출력, 용접 속도, 아크 전류, 초점 이탈량, 아크 간격 등의 핵심 매개변수는 프로그래밍된 파라미터를 통해 정밀하게 제어할 수 있습니다. 자동 이동 메커니즘은 용접 공정의 안정성과 일관성을 보장합니다. 전체 용접 시스템은 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 의 기존 JCOE 성형 및 접합 스테이션과 호환되므로 향후 생산 라인 통합 및 평가가 용이합니다.
용접 후 성능 시험에는 금속 현미경, 컴퓨터 제어식 만능 시험기, 저온 충격 시험기, 잔류 응력 시험기 등의 정밀 시험 장비가 사용됩니다. 이를 통해 용접부의 거시적 형상 관찰, 미세 구조 분석, 기계적 특성 시험, 잔류 응력 정량 분석 등을 수행하여 용접 접합부의 전반적인 성능을 종합적으로 평가할 수 있습니다. 비파괴 검사는 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 생산 라인에 사용되는 위상 배열 초음파 검사 장비를 활용하여 기존 품질 검사 시스템과의 일관성을 유지합니다.
2.3 테스트 계획
기존 용접 방식과 비교하여 LASW 공정의 성능적 이점을 명확히 하기 위해, 기존 서브머지드 아크 용접을 대조군으로, 레이저-아크 하이브리드 용접을 실험군으로 설정하였다. 두 그룹의 시편은 재료, 두께, 홈 구조, 용접 환경 온도 및 보호 가스 매개변수를 완전히 동일하게 유지하였다. 대조군은 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 의 현재 양산형 서브머지드 아크 용접 공정 매개변수를 적용하였다.
직교 실험 설계법을 이용하여 LASW의 핵심 공정 변수를 최적화하였으며, 용접 형성 품질, 불량률, 기계적 특성을 평가 지표로 삼아 최적의 공정 변수 조합을 선정하였다. 용접 후 모든 시편에 대해 외관 품질 검사와 위상 배열 비파괴 검사를 실시하였다. 이어서 금속 조직 및 기계적 특성 분석용 시편을 제작하여 미세 구조 관찰, 인장 시험, 저온 충격 시험, 굽힘 시험, 잔류 응력 측정을 수행하였다. 두 가지 용접 공정의 장단점과 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 생산 라인 적용 가능성을 비교 분석하였다.
III. LASW 복합재 용접 공정의 메커니즘
LASW 용접의 핵심 기술적 특징은 두 개의 열원을 시너지 효과를 내도록 결합하는 것입니다. 두 열원은 동일한 용접 영역에서 동기적으로 작동하며 서로를 강화하여 단일 용접 공정의 성능 한계를 완전히 극복합니다. 용접 과정에서 전방 레이저 빔은 고속으로 모재의 접합 부위에 조사됩니다. 고에너지 밀도의 빔은 금속 기판을 빠르게 용융 및 관통하여 안정적인 레이저 심층 침투 키홀을 형성함으로써 대심 용접을 신속하게 구현합니다. 동시에 레이저 빔에 의해 생성된 금속 플라즈마는 아크 연소 상태를 안정화시켜 아크 드리프트, 아크 단절, 불안정 연소와 같은 문제를 억제하고 아크 열원의 공정 안정성을 크게 향상시킵니다.
아크 후 열원에 의해 형성된 거대한 용융 풀은 판재 조립체의 미세한 틈새를 효과적으로 메워 레이저 용접의 부족한 틈새 적응성을 보완합니다. 동시에, 흐르는 용융 풀은 레이저 심층 침투 영역을 완전히 채우고 교반하여 용접 금속의 조성을 균일화하고 용접 형상을 최적화합니다. 기존의 서브머지드 아크 용접처럼 넓은 면적에 장시간 열을 가하는 방식과 비교하여, LASW 용접은 집중적인 열 입력, 짧은 열처리 시간, 뛰어난 열 제어 능력, 그리고 용접 영역의 적절한 온도 구배를 특징으로 합니다. 이는 조대 결정 구조 형성을 효과적으로 억제하고 용접 열 축적으로 인한 변형 및 잔류 응력 문제를 감소시킵니다. 공정 메커니즘 관점에서 볼 때, LASW 용접은 낮은 열 입력, 깊은 침투, 그리고 고품질의 접합 용접 결과를 달성합니다. 이러한 특징은 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC))의 후벽 강관 생산 시 열 축적으로 인해 발생하는 과도한 파이프 타원형 변형 문제를 정확하게 해결합니다.
IV. 실험 결과 및 분석
4.1 용접부의 거시적 형성 및 결함 분석
거시적 형태 및 위상 배열 비파괴 검사 결과에 따르면, 기존의 서브머지드 아크 용접(SAW)은 과도한 용접 폭, 불분명한 열영향부 경계, 다층 용접 접합부의 낮은 균일성, 불균일한 용접 보강, 그리고 광범위한 용접 후 연마 및 마무리 작업을 초래합니다. 다층 용접 시 발생하는 열 축적과 용융 풀의 낮은 유동성으로 인해 용접부 내부에 미세 슬래그 개재물, 층간 불완전 용융, 점 기공과 같은 결함이 발생하기 쉬우며, 이는 높은 무작위 결함 발생률과 접합부 품질 안정성 저하로 이어집니다.
LASW 복합 용접은 스패터를 최소화하고 용접 보강을 정밀하게 제어할 수 있어 매끄럽고 균일하며 대칭적인 용접면을 생성하므로 광범위한 후처리 작업이 필요하지 않습니다. 이중 열원 결합은 용융 풀 교반을 크게 향상시켜 용접 중 가스 배출을 충분히 확보하고 더욱 치밀한 금속 융합을 유도합니다. 비파괴 검사 결과 복합 용접 접합부에서 내부 균열, 넓은 면적의 기공 또는 슬래그 혼입이 발견되지 않아 기존의 서브머지드 아크 용접보다 결함률이 현저히 낮습니다. 이는 접합 품질과 일관성을 크게 향상시켜 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 완제품 강관의 재작업률을 감소시킵니다.
4.2 용접부의 미세구조 변화 특성
금속조직 관찰 결과, 기존 서브머지드 아크 용접 접합부의 열영향부는 비교적 넓고, 용접 고온이 장시간 지속되며, 모재의 결정립이 현저하게 조대화되는 것으로 나타났습니다. 용접 구조는 주로 조대한 페라이트와 층상 펄라이트로 구성되어 있으며, 결정립 크기 범위가 넓고 균일성이 떨어집니다. 이러한 조대 결정 구조는 용접 접합부의 저온 인성과 피로 저항성을 크게 저하시켜 파이프라인 부품의 장기 성능에 취약한 요소가 됩니다.
LASW 복합 용접 공정은 정밀하고 제어 가능한 열 입력과 적절한 용접 냉각 속도를 제공하여 비정상적인 결정립 성장을 효과적으로 억제합니다. 용접 및 용융 영역은 미세하고 균일한 페라이트 결정립과 규칙적으로 분포된 펄라이트를 포함하는 균일하고 치밀한 미세 구조를 나타내며, 조대하고 취성적인 구조는 형성되지 않습니다. 이러한 미세한 결정립 구조는 균열 발생 및 전파를 효과적으로 억제하고, 결정립계의 기계적 특성을 최적화하며, 용접 접합부의 전체적인 강도, 인성 및 구조적 안정성을 미시적 수준에서 향상시켜, 고고도 및 해양 환경에서 사용되는 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 파이프라인 제품의 요구 사항에 더욱 적합하게 만듭니다.
4.3 용접 이음부의 기계적 특성 분석
4.3.1 인장 특성
상온 인장 시험 결과, 두 가지 용접 공정으로 제작된 용접부의 인장 강도가 파이프 설계 기준을 충족하는 것으로 나타났습니다. 기존의 서브머지드 아크 용접(SAW) 접합부의 인장 강도는 크게 변동하며, 일부 시편은 용접 부위에서 파손되었습니다. 반면, 레이저 어댑터 용접(LASW) 복합재 용접 접합부는 전반적으로 더 높은 인장 강도를 보였으며, 데이터 분산도 더 적었습니다. 모든 시편이 모재 영역에서 파손된 것은 복합재 용접부가 모재보다 용접 강도가 높고, 접합 강도 일치도가 우수하며, 약한 부분이 없고, 내압 성능이 더욱 안정적임을 나타냅니다.
4.3.2 저온 충격 인성
저온(-20℃) 충격 시험 데이터에 따르면 LASW 복합 용접 접합부의 충격 에너지는 기존 서브머지드 아크 용접 접합부보다 현저히 높은 것으로 나타났습니다. 기존 용접 공정에서 발생하는 거친 결정립과 취성은 용접부의 저온 충격 저항성을 크게 저하시킵니다. LASW 공정은 결정립을 미세화하고 미세 구조를 최적화하여 용접부의 저온 취성 특성을 효과적으로 개선합니다. 이를 통해 접합부는 저온 조건에서도 우수한 인성을 유지할 수 있으며, 이는 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)가 한랭 지역 파이프라인 공급 시장으로 진출하는 데 도움이 될 것입니다.
4.3.3 굽힘 성능
정방향 및 역방향 굽힘 시험 동안, LASW 복합재 용접 접합부는 특정 각도로 굽힘 후에도 용접부, 용융부 및 열영향부에서 균열, 박리 또는 갈라짐과 같은 결함이 나타나지 않았습니다. 접합부는 우수한 소성 변형 능력을 보여주었으며, 이는 용접부가 내부 결함 없이 치밀하게 용융되었고, 구조적 소성 및 변형 적합성이 엔지니어링 요구 사항을 충족함을 입증합니다. 반면, 일부 기존 용접 시편은 굽힘 시 미세 균열이 발생하여 LASW 복합재 용접 접합부에 비해 소성 안정성이 약함을 나타냈습니다.
4.4 용접 변형 및 잔류 응력 분석
대구경 후벽 직선 이음매 강관 용접 공정에서 불균일한 열 분포로 인한 변형 및 잔류 응력은 파이프의 치수 정확도와 수명에 영향을 미치는 주요 문제입니다. 시험 데이터에 따르면 기존의 서브머지드 아크 용접은 열 축적이 커서 용접 후 파이프 본체의 타원형 변형과 반경 방향 변형이 크게 발생합니다. 용접 부위에는 높은 잔류 인장 응력이 존재하며, 이는 후속 응력 부식, 균열 전파 및 기타 잠재적 위험으로 이어질 수 있습니다. 이러한 요소들은 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 후벽 파이프 생산에서 반드시 제어해야 할 핵심 지표입니다.
LASW 복합 용접은 총 열 입력량이 낮고 열영향부가 좁아 용접열이 접합 부위에 집중되는 특징이 있습니다. 이는 파이프 전체의 가열 균일성을 크게 향상시켜 용접 후 파이프 변형을 현저히 줄이고 치수 정확도를 높입니다. 동시에 복합 용접 접합부는 잔류 응력이 낮고 응력 분포가 더욱 균일하여 응력 집중으로 인한 구조적 파손 위험을 효과적으로 완화하고 파이프라인 구성 요소의 장기 사용 안정성을 향상시킵니다.
4.5 공정 생산 효율 분석
기존의 두꺼운 강판 직선 이음매 파이프는 다층, 다패스 용접 공정을 필요로 하므로 용접 단계가 많고 가공 시간이 길며 수작업 및 후처리 작업량이 많아 생산 효율이 제한적입니다. LASW(레이저 보조 용접) 공정은 단일 패스, 대침투 깊이 기술을 통해 두꺼운 강판의 용접 패스 횟수를 크게 줄이고 가공 단계를 간소화하며 용접 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 동시에 용접 불량률이 낮고 재작업이 최소화되며 후처리가 간단하다는 장점도 있습니다. 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 의 기존 JCOE 생산 라인에 LASW 공정을 적용하면 전체 생산 라인 용량을 효과적으로 향상시키고 소모품, 인건비, 장비 에너지 소비 등 종합적인 생산 비용을 절감할 수 있어 산업화 잠재력이 뛰어납니다.
V. 결론
허베이 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 의 JCOE 성형 생산 라인 조건을 기반으로 대구경 직선 이음매 강관에 대한 LASW 레이저-아크 하이브리드 용접 공정의 실험 연구 및 성능 특성 분석을 수행하였다. 거시적 성형 특성, 미세 구조, 기계적 특성 및 구조적 응력에 대한 다차원적 비교 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 레이저-아크 이중 열원 결합 효과는 공정 상호보완성을 달성하여 대구경 후벽 강관 용접 시 용접 풀의 유동 상태를 효과적으로 최적화하고, 기공, 슬래그 혼입, 용융 불량 등의 일반적인 용접 결함을 줄이며, 용접부의 평탄하고 균일한 형상을 구현합니다. 용접부의 전반적인 성형 품질과 균일성은 기존의 서브머지드 아크 용접 공정보다 훨씬 우수하여, 하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 의 완제품 결함 검출로 인한 재작업률을 줄이는 데 도움이 됩니다.
2. LASW는 정밀하고 제어 가능한 저열 입력 특성을 통해 용접 결정립 조대화 현상을 효과적으로 억제하고, 용접부 및 열영향부의 미세구조를 미세화하며, 미세구조의 균일성을 최적화하여 용접 접합부의 기계적 특성을 근본적으로 향상시킬 수 있습니다. 접합 강도, 저온 인성 및 소성 모두 효과적으로 개선되어 기업의 고급 파이프라인 제품의 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
3. 복합 용접 기술은 강관 용접 시 발생하는 열 변형 및 잔류 응력 집중 문제를 크게 줄이고, 파이프의 치수 가공 정밀도를 향상시키며, 장기간 사용 시 응력 부식 및 균열 전파와 같은 안전 위험을 방지할 수 있습니다. 이 기술은 고압, 저온 및 해양 엔지니어링 파이프라인 제품 제조에 적용될 수 있습니다.
4. LASW 용접 공정은 간단하고 성형 효율이 높으며 재작업률이 낮습니다.하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC)의 기존 JCOE 자동화 생산 라인에 적용 및 통합될 가능성이 크며, 용접 품질을 보장하면서 산업 생산 효율을 향상시키고 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 대구경 직선 이음매 강관의 고급 지능형 생산을 위한 대체 공정으로 활용될 수 있으며, 광범위한 엔지니어링 응용 전망을 가지고 있습니다.
향후 연구에서는 X80과 같은 초후벽 강관 및 고급 강관에 대한 LASW 공정 매개변수의 적응 및 최적화에 초점을 맞추고, 장비 인터페이스 및 생산 라인 연동의 디버깅을 완료하며,하이첸웨이 (Haiqianwei, HSPC) 의 기존 품질 검사 시스템과 호환되는 표준화된 용접 공정 매개변수 데이터베이스를 구축하고, 파이프라인 제조 분야에서 레이저 복합 용접 기술의 대규모 표준화된 적용을 더욱 촉진할 수 있습니다.
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