[논문]석유시추용 인코넬 625강의 FCAW용접 특성에 관한 연구

박경동; 진영범; 박형동

문제 정의

Inconel 625강의 FCAW 용접 보호가스 종류에 따른 용접 특성을 검토하였다. 보호가스 종류는 80%Ar+20%CO₂, 50%Ar+50%CO₂, 100%CO₂ 보호가스의 3종류를 사용하였다.
그러나 최근에 와서 Vertical-up 용접자세까지 가능한 용접재료가 개발되어 점차 사용빈도가 높아지고는 있지만 아직도 활발한 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 최근에 많이 개발되고 있는 Inconel FCAW(Flux Core Wire)용접재료를 사용하여 용접의 작업성을 높이고 용접부의 품질을 향상시킬 수 있는 용접기법을 개발하여 생산현장의 용접생산성을 향상시키고자 용접 중에 사용하는 보호가스의 혼합비에 다른 Inconel 625강의 기계적 성질 및 고온인장 특성에 관해 연구하고자 한다.
2는 용접 후 마크로 사진을 촬영한 것으로 세 종류의 보호가스 모두 양호한 결과를 나타내었다. 이는 본 용접에서 사용한 용접조건은 기본적으로 산업현장에서 내균열성(hot crack) 시험을 통해서 균열이 발생하지 않는 범위에서의 용접조건이기 때문에 균열이 발생하지 않는 것이며 본 연구에서는 보호가스 특성에 따른 이물질(slag) 혼입 혹은 용융 부족 및 융합불량 등을 비교의 대상으로 관찰한 결과이다.

제안 방법

FCAW 용접보호가스 종류에 따른 용접작업성의 차이점을 관찰하였는데, 시험 전에 예상했던 일반적인 용접재료 특성과 유사한 결과(아크안전성, 비드퍼짐성 등)를 나타내었다. 기본적인 용접성 보호가스 세 종류 모두 용접하는데 무리가 없는 비교적 양호한 결과를 보여주었다.
Inconel 625강에서 가장 중요한 성질인 고온인장시험을 행하였는데, 온도는 25℃, 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1000℃에서 실험하였다. 각 보호가스 종류별 상온에서 1000℃까지 실험결과를 Fig.
Inconel 625강을 극저온에서 사용하기 위한 최적의 용접조건을 알아내기 위해 -196℃로 냉각된 시험편을 충격시험 하였다. Fig.
vicker's hardnesstester(HV5)로 경도 시험을 수행하였다. 경도위치는 모재, 열영향부, 용접부 순으로 찍었고, 각 압흔 사이의 간격은 0.
vicker's hardnesstester(HV5)로 경도 시험을 수행하였다. 경도위치는 모재, 열영향부, 용접부 순으로 찍었고, 각 압흔 사이의 간격은 0.5mm로 하였다.
이에 대한 용접작업성 시험결과를 Table 5에 나타내었다. 그리고 용접 후에 비파괴검사(radiographic inspection)를 하였는데 세 종류의 보호가스 모두 결함이 존재하지 않는 양호한 결과를 나타내었다. Fig.
3의 각부 치수는 한국공업규격 금속 재료 인장 시험편(KS B 0801 제4호)의 기준에 따라 가공하였으며 고온 인장 시험을 하기 위해 Heating Chamber가 장착된 50톤 만능재료시험기(SHIMADZU, UH-F50A)를 사용하였다. 실험온도는 25℃, 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1000℃에서 측정 하였다.
기계적 성질을 나타내었다. 용접방법은 GTAW와 FCAW로 사용하였는데, 용접하기 전에 시편을 압연방향과 직각으로 60° V-Groove로 기계가공한 후 1층과 2층에는 GTAW로 파이프를 45°로 고정하고 라운드 용접을 하고 나머지 층은 FCAW로 파이프를 회전시키면서 아래보기 자세로 용접을 하였다. Table 3에 FCAW 용가재의 화학조성을 나타내었고, Table 4에 용접조건을 나타내었다.
저온충격 시험을 위해 시험편을 냉각제(액화질소 -196℃)에 침지시켰다가 재빨리 꺼내어 샤르피 시험기에 실험하였고, 샤르피 시험에서는 냉각제에서 시험편을 꺼내 평균 5초 이내에 시험을 완료할 수 있으므로 시험동한 온도상승은 크게 문제가 되지 않았다.

대상 데이터

본 시험편은 고온인장강도를 측정하기 위해 14" 대구경 파이프의 용접부에서 인장 및 bending 시험에 용이하게 하기 위해 T-S방향으로 채취를 하였다.
본 연구에서 사용된 시험편은 대구경 파이프 및 박판의 용접구조용 재료로 널리 사용되고 있는 Inconel 625강이며, 두께 19mm, 직경은 14"파이프를 사용하였다.
Fig. 3의 각부 치수는 한국공업규격 금속 재료 인장 시험편(KS B 0801 제4호)의 기준에 따라 가공하였으며 고온 인장 시험을 하기 위해 Heating Chamber가 장착된 50톤 만능재료시험기(SHIMADZU, UH-F50A)를 사용하였다. 실험온도는 25℃, 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1000℃에서 측정 하였다.
용접 특성을 검토하였다. 보호가스 종류는 80%Ar+20%CO₂, 50%Ar+50%CO₂, 100%CO₂ 보호가스의 3종류를 사용하였다. 실험에 따른 결과를 살펴보면 다음과 같다.

성능/효과

1) 용접작업성에서 세 종류의 보호가스 모두 비교적 양호한 결과를 보여주었으며, 스패터 발생량 측면에서는 80%Ar4-20%CO₂ 보호가스가 가장 양호하였고, 100%CO₂ 보호가스 가장 열등하였다. 50% Ar+50%CO₂ 보호가스는 중간적인 성질을 나타내었다.
2) 경도시험은 용접부의 경우, 100%CO₂ 보호 가스가 가장 높은 경향을 보여주고 있고, 80%Ar+20% CO₂ 보호가스가 가장 낮은 경향을 나타내었는데 이는 Ar가스가 CO₂ 가스보다 아크 에너지가 낮고, 용접 입열량이 적으며 냉각속도가 빠르기 때문이다. 그러나 NACE MR0175 code가 적용되면, 100% CO₂ 보호가스는 경도값이 345(HV)를 초과하는 값이 있기 때문에 사용하기가 어려울 것으로 판단된다.
3) 25℃에서는 50%Ar+50%C02 보호가스가 80% Ar+20%CO₂, 100%CO₂ 보호가스 보다 조금 높게 나타났으나 200℃에서는 100%CO₂ 보호가스와 같은 인장강도를 유지하였으며, 200℃에서 600℃ 사이에서는 100℃ 보호가스 인장강도가 높은 것으로 나타났다. 600℃ 이상의 고온에서는 보호가스의 종류와 상관없이 모두 고온인장강도가 급격히 감소함을 알 수 있었다.
4) 저온충격 시험을 통해서 알 수 있듯이 80%Ar+20%CO₂ 보호가스가 가장 높은 충격강도를 나타냈다. 따라서 Inconel 625강을 극저온에서 사용하려면 취성을 고려하여 80%Ar20%CO₂ 보호가스를 사용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
600℃ 이상의 고온에서는 보호가스의 종류와 상관없이 모두 고온인장강도가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 그리고 용접성, 경도 시험에서는 80%Ar+20%CO₂ 보호가스가 가장 양호한 결과를 보여 주었으므로 가장 우수한 것으로 판단된다.
먼저, 스패터 발생량과 용접성 측면에서는 80%Ar+20%CO)₂ 보호가스가 가장 양호하였고, 100%CO₂ 보호가스가 가장 열등하였으며 50%Ar+50%CO₂ 보호가스는 중간적인 성질을 나타내었다. 그러나 송급성 측면에서는 100%CO₂ 보호가스가 가장 양호하였고, 80%Ar+20%CO₂ 보호가스가 가장 열등하였다. 이에 대한 용접작업성 시험결과를 Table 5에 나타내었다.
600℃ 이상의 고온에서는 보호가스의 종류와 상관없이 모두 고온인장강도가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 그리고 용접성, 경도 시험에서는 80%Ar+20%CO₂ 보호가스가 가장 양호한 결과를 보여 주었으므로 가장 우수한 것으로 판단된다.
등)를 나타내었다. 기본적인 용접성 보호가스 세 종류 모두 용접하는데 무리가 없는 비교적 양호한 결과를 보여주었다. 먼저, 스패터 발생량과 용접성 측면에서는 80%Ar+20%CO)₂ 보호가스가 가장 양호하였고, 100%CO₂ 보호가스가 가장 열등하였으며 50%Ar+50%CO₂ 보호가스는 중간적인 성질을 나타내었다.
따라서 Inconel 625강을 극저온에서 사용하려면 취성을 고려하여 80%Ar20%CO₂ 보호가스를 사용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
기본적인 용접성 보호가스 세 종류 모두 용접하는데 무리가 없는 비교적 양호한 결과를 보여주었다. 먼저, 스패터 발생량과 용접성 측면에서는 80%Ar+20%CO)₂ 보호가스가 가장 양호하였고, 100%CO₂ 보호가스가 가장 열등하였으며 50%Ar+50%CO₂ 보호가스는 중간적인 성질을 나타내었다. 그러나 송급성 측면에서는 100%CO₂ 보호가스가 가장 양호하였고, 80%Ar+20%CO₂ 보호가스가 가장 열등하였다.

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