[논문]입열량에 따른 FCAW용접부 파괴인성에 미치는 미세조직의 영향

신용택; 강성원; 김명현

doi:10.5781/kwjs.2008.26.3.051

[국내논문] 입열량에 따른 FCAW용접부 파괴인성에 미치는 미세조직의 영향
Evaluation of Fracture Toughness and Microstructure on FCA Weldment According to Heat Input 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.26 no.3, 2008년, pp.51 - 60

신용택 (삼성중공업 산업기술연구소) , 강성원 (부산대학교 조선해양공학과) , 김명현 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to evaluate fracture characteristics of API 2W Gr.50 TMCP steel weldment typically applied for offshore structures, with the focus on the influence of heat input arising from flux cored arc welding. Based on the results and insights developed from this study, it is found that the toughness for both CTOD and impact exhibits a tendency to decrease as the weld heat input increases. The reheated zone of weldmetal exhibit lower hardness than solidified zone and microstructure that are liable to affect the toughness are acicular ferrite and martensite-austenite constituents (M-A). In particular, M-A is a more effective micro-phase for CTOD toughness than impact toughness.

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문제 정의

본 연구에서는 해양구조용 강재로 널리 사용되고 있는 API 2W Gr.50강재에 대하여 현업에서 활용 가능 한모든 범위의 용접조건으로 플럭스코어드 아크용접 (Flux Cored Arc Welding: 이하 FCAW)을 수행하고, 용접 입 열량의 변화에 따른 파괴인성의 변화와 인성에 미치는 주요 요인의 영향을 파악해 보고자 하였다.
그러나, CTOD에 미치는 미세조직의 Pvalue가 충격인성에 비하여 높은 수치를 보인데, 이는 이들 조직이 CTOD에는 상대적으로 영향력이 떨어짐을 의미한다. 따라서, 본 연구에서는 M-A조직이 용접부 파괴 인성에 어떠한 영향을 미치는지 좀 더 고찰하였다. 지금까지 M-A에 대한 대부분의 연구는 열영향부를 중심으로 이루어졌으며 용착금속부에 대한 연구는 충분하지 않은 상태이다'&

제안 방법

시험편은 60°, X-개선을 하여 AWS A5.29 E80 T1-K2에 해당하는 와이어를 사용하여 Auto carriage 로 FCAW 용접하였으며, 입열량은 현장에서 사용 가능한 최대, 최소 및 평균입열량(이하 표준입열)으로 조절하였다. 시험편은 2/5t 깊이만큼 전면 용접후, 후면용접 전에 뒷면가우징 (Back Gouging)을 하고 후면용접을 수행하였다.
29 E80 T1-K2에 해당하는 와이어를 사용하여 Auto carriage 로 FCAW 용접하였으며, 입열량은 현장에서 사용 가능한 최대, 최소 및 평균입열량(이하 표준입열)으로 조절하였다. 시험편은 2/5t 깊이만큼 전면 용접후, 후면용접 전에 뒷면가우징 (Back Gouging)을 하고 후면용접을 수행하였다. 예열온도는 최소 60℃로 하였고, 층간 온도는 60~ 150℃로 유지하였다.
시험하였다. 화학시험은 건식분석방법인 스펙트로 분석기를 이용하여 전면, 후면 및 루트부에서 3회 분석하여 평균값을 사용하였으며, 미세조직검사는 3% Nital 및 Rcral 용액을 사용하여 광학현미경 및 SEM (Scanning Electron Microscope) 을 이용하여 관찰하였다. 경도시험은 충격시험편 및 CTOD 시험편의 노치위치를 따라 두께 방향으로 ASTM E92에 의거하여 수행하였다.
경도시험은 충격시험편 및 CTOD 시험편의 노치위치를 따라 두께 방향으로 ASTM E92에 의거하여 수행하였다. CTOD시험은 BS 7448 Part I&Ⅱ에 의거 수행하였으며, 노치위치는 용접부 중심부에 위치하도록 하였다. 피로균열 길이는 시험결과에 중요한 영향을 미치므로 a/W=0.
이는, 균열길이 변화에 따른 균열첨단부의 구속력 차이에 의하여 동일 용접부라도 다른 결과를 도출하는 왜곡된 해석이 나올 수 있다. 본 실험에서는 균열 길이를 a/W=0.50기준으로 피로균열을 형성하여 결과를 비교하였다.
다음으로는 미세조직이 CTOD에는 어떠한 영향을 미치는지를 평가하였다. Fig.
17에서는 대입열 용접부의 재열부영역과 응고조직의 광학현미경 사진을 보여주고 있다. 부식액은 10g Potassium pyrosulfite + 100ml 증류수를 사용하여 M-A 조직을 선택적으로 부식을 시키는 방법을 사용하였다. 희게 보이는 부분이 M-A 조직으로 페라이트 계면에 존재해 있음을 확인할 수 있다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시험재는 해양구조물용 강재인 두께 44mm인 API 2W Gr. 50B를 사용하였으며, 화학성분 및 기계적 성질은 Table 1에, 시험재 형상은 Fig.
본 실험에 사용된 시험재는 해양구조물용 강재인 두께 44mm인 API 2W Gr. 50B를 사용하였으며, 화학성분 및 기계적 성질은 Table 1에, 시험재 형상은 Fig. 1에 나타내었다.
인장시험은 전면(First Side) 및 후면(Second Side) 용착금속부에서 각각 1개의 시험편을 채취하여 ASTME8에 의거하여 수행하였으며, 충격시험편은 전면, 후면 및 루트부(개선 중심부)에서 샤르피 충격시험편(표준시험편)을 채취하여 ASTM E23에 의거하여 시험하였다. 화학시험은 건식분석방법인 스펙트로 분석기를 이용하여 전면, 후면 및 루트부에서 3회 분석하여 평균값을 사용하였으며, 미세조직검사는 3% Nital 및 Rcral 용액을 사용하여 광학현미경 및 SEM (Scanning Electron Microscope) 을 이용하여 관찰하였다.

데이터처리

Table 6에서는 플럭스코어드 아크용접부에 대하여 전체적인 미세조직과 충격인성과의 상관관계를 정리하였다. 본 결과는 통계처리 소프트웨어인 미니 탭(MINITAB)을 활용하여 도출하였다. 통계적 관점에서 P-value는 1종 오류를 범할 확률을 의미한다.

이론/모형

화학시험은 건식분석방법인 스펙트로 분석기를 이용하여 전면, 후면 및 루트부에서 3회 분석하여 평균값을 사용하였으며, 미세조직검사는 3% Nital 및 Rcral 용액을 사용하여 광학현미경 및 SEM (Scanning Electron Microscope) 을 이용하여 관찰하였다. 경도시험은 충격시험편 및 CTOD 시험편의 노치위치를 따라 두께 방향으로 ASTM E92에 의거하여 수행하였다. CTOD시험은 BS 7448 Part I&Ⅱ에 의거 수행하였으며, 노치위치는 용접부 중심부에 위치하도록 하였다.

성능/효과

본 연구에서 사용된 시험편에서의 화학성분을 살펴보면, 대입열, 저입열 및 표준입열 시험편 모두 동등수준으로 보인다. 단 저입열과 표준입열시험편의 Mn이 0.
특히, 국부적으로 초석페라이트로의 변태를 촉진시키고, 탄소량이 높은 잔류오스테나이트를 유발하여 M-A 변태를 촉진시킨다. 0.2% 이하에서 열처리시Martensite-Austenite 조직이 탄화물로 쉽게 분해되어 인성향상을 기대할 수 있으나, 본 연구에서는 차이가 크지 않으므로 인성에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단된다.
이는 본 연구에서 사용한 입 열량에 따른 냉각속도가 M-A조직이 충분히 생성될 수 있는 속도 범위에 존재하기 때문이다. 또한, 재열부영역의분율이 전체 분율과 더 밀접한 관계를 보임을 확인할 수 있다. Fig.
분율과 인성과의 상관관계를 조사하였다. 전체 분율은 충격인성 및 CTOD에 상당한 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 특히 응고영역에 비해 재열부 영역의 M-A분율이 상대적으로 인성과 큰 상관성을 보였다. 또한, 충격인성보다는 CTOD와 더 긴밀한 관계가 있음을 보여주고 있는데, 이는 열영향부에서 M-A가 충격 인성보다는 CTOD에 더 큰 영향을 미친다는 Komizo등$의 보고와 잘 일치하였다.
전체 분율은 충격인성 및 CTOD에 상당한 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 특히 응고영역에 비해 재열부 영역의 M-A분율이 상대적으로 인성과 큰 상관성을 보였다. 또한, 충격인성보다는 CTOD와 더 긴밀한 관계가 있음을 보여주고 있는데, 이는 열영향부에서 M-A가 충격 인성보다는 CTOD에 더 큰 영향을 미친다는 Komizo등$의 보고와 잘 일치하였다.
1) 경도시험 결과, 재열부영역이 응고조직에 비하여 20HV정도 낮은 경도값을 보였다. 또한 충격시험결과, 저입열조건인 경우에 제일 낮은 T41J를 보였으며, 표준 입 열 및 대입열순으로 나타났다.
낮은 경도값을 보였다. 또한 충격시험결과, 저입열조건인 경우에 제일 낮은 T41J를 보였으며, 표준 입 열 및 대입열순으로 나타났다.
2) CTOD 천이온도는 저입열, 표준입열 및 대입열 조건 순으로 입열량이 증가할수록 높아지는 경향을 보였으며, 특히, 루트부 충격인성이 우수한 용접부에서 CTOD도 우수함을 확인하였다.
3) 침상페라이트는 입열량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 85~90%수준에서 최대 충격인성을 보였다. 또한 결정입계페라이트량이 증가할수록 인성이 감소함을 확인하였다.
또한 결정입계페라이트량이 증가할수록 인성이 감소함을 확인하였다.
4) 충격인성에는 침상페라이트, 결정입계페라이트 및 페라이트 사이드 플레이트가 큰 영향을 미쳤으며, M-A 는 침상페라이트와 달리 충격인성에 비하여 CTOD에더 큰 영향이 있음을 확인하였다.

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