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문제 정의
- 본 연구에서는 산업 플랜트 등 고온 배관재 강관으로 널리 사용되는 저합금 탄소강의 용접 열영향부에 대한 미세조직의 조사 및 열이력 해석을 수행하였다. 용접시 열영향부 조직의 특성을 조사하기 위해 용접 절차서 (Welding Procedure Specification, WPS)에 준하여 가스 텅스텐 아크 용접법(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)을 적용하여 16패스의 다층용접을 수행한 후, 열영향부의 미세조직 및 경도분포를 측정함으르써 영영향부 영역내에서의 취약부를 도출하였다.
제안 방법
- 중요하다.(1) 본 연구에서는 용접시 발생되는 상변화 및 잠열효과를 고려할 수 있는 유한요소해석 프로그램인 SYSWELD를 사용하여 온도해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 산업 플랜트 등 고온 배관재 강관으로 널리 사용되는 저합금 탄소강의 용접 열영향부의 미세 조직과 경도 변화를 조사하였으며, 상변태를 고려한 수치해석을 통하여 열영향부의 열이력을 계산하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 2는 열 전대 부착위치 에 가台 근접 한 5번 용접 패스에 대한 용융경계부로부터 2, 3, 5 및 6mm 떨어진 위치에서의 시간에 따른 온도 변화를 보여주고 있다. 용융경계부로브터 거리에 따라 즉정된 열이력 의 최 고온도(Peak Temperature, Tp)는 각각 847, 657, 512, 455 ℃이며, 측정결과는 용접 열이력 수치해석 결과를 위한 비교 자료로 사용되어 진다.
- 1에 나타낸 바와 같이 45° 싱글 베 벨 그루브(Single Bevel Groove)를 가공흐'-였다. 용접 시 열영향부의 열이력을 측정하7' 위하여 높이 7.5mm에 대하여 용융경계부로부터 2, 3, 5 및 6mm 위치에 오도록 총 4개의 열전대를 설치하였으며 용접이 진행되는 동안 열전대로부터 온도변화를 측정하여 각 위치에서의 열이력을 구하였다. 용접 완료 후 각 열전대 설치 위치의 단면을 절단하여 조직 검사 및 경도시험을 수행하였다.
- 5mm에 대하여 용융경계부로부터 2, 3, 5 및 6mm 위치에 오도록 총 4개의 열전대를 설치하였으며 용접이 진행되는 동안 열전대로부터 온도변화를 측정하여 각 위치에서의 열이력을 구하였다. 용접 완료 후 각 열전대 설치 위치의 단면을 절단하여 조직 검사 및 경도시험을 수행하였다.
- 수행하였다. 용접시 열영향부 조직의 특성을 조사하기 위해 용접 절차서 (Welding Procedure Specification, WPS)에 준하여 가스 텅스텐 아크 용접법(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)을 적용하여 16패스의 다층용접을 수행한 후, 열영향부의 미세조직 및 경도분포를 측정함으르써 영영향부 영역내에서의 취약부를 도출하였다. 또한 용접 전용 상용프로그램인 SYSWELD를 이용하여 용접시 상변태를 수반하는 열영향브의 열 이력을 계산하였으며, 해석결과의 신뢰성 검증을 위해 실험결과와 비교하였다.
- 나타내었다. 용접시편의 치수는 가로, 세로, 높이가 각각 90, 25, 200mm이며, 개선(Groove) 형상은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 45° 싱글 베 벨 그루브(Single Bevel Groove)를 가공흐'-였다. 용접 시 열영향부의 열이력을 측정하7' 위하여 높이 7.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 모재는 산업용 고온 배관 재로 널리 사용되어 되는 저합금 탄소강으로, 외경 670mm 두께 28.5mm 강관을 절단하여 사용하였으며, 용접재료는 모재와 동일한 동종계의 용접봉을 사용하였다. 모재와 용접재료의 화학조성은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 용접시 열영향부 조직의 특성을 조사하기 위해 용접 절차서 (Welding Procedure Specification, WPS)에 준하여 가스 텅스텐 아크 용접법(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)을 적용하여 16패스의 다층용접을 수행한 후, 열영향부의 미세조직 및 경도분포를 측정함으르써 영영향부 영역내에서의 취약부를 도출하였다. 또한 용접 전용 상용프로그램인 SYSWELD를 이용하여 용접시 상변태를 수반하는 열영향브의 열 이력을 계산하였으며, 해석결과의 신뢰성 검증을 위해 실험결과와 비교하였다.
- 8과 같이 나타낼 수 있다. 수치해석 결과의 신뢰성 검토를 위해 열영향부의 크기와 열전대의 부착위치에 가장 인접한 5번 용접 패스에 대해 용융경계부에서 2mm 떨어진 위치에서 계산된 열이력을 실험결과와 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 용접실험은 용접절차서 (WPS) 에 준하여 가스 텅스텐 아크 용접법(GTAW)을 적용하여 16패스의 다층용접을 수행하였으며, 용접 조건은 Table 2 에 나타내었다. 용접시편의 치수는 가로, 세로, 높이가 각각 90, 25, 200mm이며, 개선(Groove) 형상은 Fig.
성능/효과
- 3 소재에도 유사한 경향을 나타내고 있다.(1) 이는 모재에 인접한 열영향부에서는 용접 후열처리 온도보다는 높으나, 용융경계부로부터 3.6mm 부근의 영역에서는 변태점 이하의 온도로 열영향을 받음으로써 변태는 일어나지 않은 것으로 판단된다. 즉 앞에서 나타낸 Fig.
- (1) 조직시험 결과 열영향부의 크기는 3~4mm 로 나타났으며, 열영향부 영역은 용접금속과 모재에 비해 미세조직 및 경도분포의 변화가 심한 양상을 보였다.
- (2) 경도시험 결과 용융경계부와 모재의 경도가 각각 Hv 210, Hv 160의 값이 측정되었으며, 용융 경계부로부터 모재측으로 갈수록 경도치가 감소하는 경향을 보였으며, 용융경계부에서 3.6mm 떨어진 지점 부근에서 비교적 경도가 낮은 영역이 나타났다.
- 즉 앞에서 나타낸 Fig. 4(c)의 미세조직과 연관하여 관찰하면 열영향부중에서도 용융경계부에서 3.6mm 떨어진 영역에서 변태점 이하의 온도로 탄화 물이 응집되어 있는 것으로 보아 용접 후열처리 온도보다 높게 과열됨에 따라 경도가 모재보다도 상대적으로 낮은 경도연화지역으로 나타난 것으로 사료된다.
- 9는 수치해석에서 얻어진 용접부의 베이나이트 조직분포를 나타내었다. 열영향부의 크기는 금속조직이 냉각되면서 베이나이트 조직이 5% 이상인 영역으로 정의되며。) 3~4mm 크기를 나타내었으며 실험 결과 현미경으로 측정한 열%향부 크기 3~ 4mm와 유사한 결과를 얻었다.
- Table 3은 5번 용접적층시 용융 경계부에서 2, 3, 5, 6mm 떨어진 위치에서의 최고온도에 대한 실험결과와 수치해석 결과를 나타내었다. 수치해석결과는 실험결과보다 다소 높은 값을 보여주고 있으며 용융경계부에서 2mm 떨어진 지점에서 최대 4.4% 차이가 나타났으며, 용융 경계부로 부터 거리가 멀어질수록 두 결과는 잘 일치하였다.
- 10은 5번 용접적층시 용융경계부로부터 2mm 떨어진 위치에서의 열이력에 대한 실험과 수치해석 결과를 나타내었다. 싣험치와 수치해의 최고온도는 각각 847℃, 886℃로 수치해가 약 4.4% 큰 값을 나타내었으며 두 결과는 비교적 잘 일치하였다. Table 3은 5번 용접적층시 용융 경계부에서 2, 3, 5, 6mm 떨어진 위치에서의 최고온도에 대한 실험결과와 수치해석 결과를 나타내었다.
- 5는 610℃에서 2시간 용접 후 열처리한 열전대 부착위치에서 측정한 미소 경도시험 결과를 나타내고 있다. 용융경계부와 모재의 경도가 각각 Hv 230, Hv 160의 값이 측정되었으며, 열영향부 영역에서는 조직시험에서 관찰된 결과와 유사하게 심한 경도의 변화를 나타내고 있으며, 용융경계부로부터 모재측으로 접근할수록 경도치가 감소하며 특히, 용융경계부에서 약 3.6mm 떨어진 지점에서 비교적 경도가 낮은 영역이 존재하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 다층용접한 압력용기강인 SA 508 C1.
- 6mm 떨어진 위치에서의 4번, 5번, 6번 각각의 용접패스의 열이력을 나타내었다. 최고온도에 도달하는데 소요되는 시간은 용접패스와 용융 경계부로부터의 거리에 따라 9~12초로 급격하게 최고온도에 도달하나 층간온도(180℃)로 냉각되는 데는 비교적 긴 시간이 소요되었으며 실험결과와 잘 일치하였다. 또한 용융경계부로부터 거리가 가까울수록 온도 상승율과 온도 냉각율이 급격하게 변화하는 것을 볼 수 있으며, 이 변화율은 열영향부의 특성을 결정하는 중요한 변수가 된다.
후속연구
- (3) 상변태를 고려한 수치해석 결과는 실험 결과와 잘 일치하였으며, 해석 결과로부터 얻어진 취약부위를 포함한 열영향부의 특정부위의 열 이력은 향후 열 영향부위들을 재현하는 시편을 제작하는데 기초자료로 활용될 수 있다.
- 또한 용융경계부로부터 거리가 가까울수록 온도 상승율과 온도 냉각율이 급격하게 변화하는 것을 볼 수 있으며, 이 변화율은 열영향부의 특성을 결정하는 중요한 변수가 된다. 용접열영향부의 열이력 수치 해석결과로부터 얻어진 온도상승율과 온도냉각율은 향후 열영향부의 기계적물성치를 평가하기 위한 재현열처리 시편을 제작하는 기초자료로 활용할 수 있다.
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