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문제 정의
- 본 고에서는 국내에서 개발된 800MPa(항복강도 700MPa) 급의 무예열 PFS-700강에 적합한 GMAW, SAW 및 FCAW 용 무예열 용접재료를 적용하여 용접한 판재에 대해 수중에서 폭파변형시험한 결과를 소개 하였다.
제안 방법
- 78% 정도 증가하였다. 2폭 시의 이격거리 200mm 는 적절히 선정된 것으로 사료되며, 3폭시 14.0%에 도달하기 위해서는 각각 2.84%, 2.0%, 2.45% 이상 변형되면 되므로 3폭시의 이격거리는 200mm로 설정 하였다.
- 본 시험에 사용된 PFS-700 강재는 포스코(주)에서 100톤 전로를 사용하여 제작되었으며 화학조성은 Table 1과 같다. 900℃에서 오스테나이트처리, 650℃에서 시효처리한 압연판재를 사용하여 폭파변형시험편을 제작하였다. 이 판재의 인장강도 및 항복강도는 각각 838MPa 및 810MPa 이고, 연신율과 -84℃ 충격인성은 23.
- GMAW, SAW 및 FCAW에 대해 폭파시험용 시험편을 각 1조 제작하였으며, 모두 예열없이 용접한 후 층간온도는 150℃이하로 제어하였다. Table 5는 각 용접공정에 대한 용접조건을 보여준다.
- 국내에서 개발된 용접전 예열이 필요없는 인장강도 800MPa 급(항복강도 700MPa 급)의 고강도 강재인 PFS-700강에 적합한 무예열 용접재료 개발의 일환으로 수중 폭파변형시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 폭파회수가 증가함에 따라 시험편의 두께가 얇아지며, 동일한 이격거리에서 시험할 경우 다음의 폭파시 큰 두께변형을 초래하기 때문에 시험편에 미치는 압력을 감소시켜 이전의 두께 변형율과 비슷한 값을 갖도록 하기 위해서는 폭약량이나 이격거리를 조정하여야 한다. 본 시험에서는 매 폭파시험시 동일한 중량의 폭약을 사용하였으며, Fig. 4, 5, 6에서 언급한 바와 같이 이격거리를 조정하여 폭압이 시험편에 미치는 압력을 변화시켜 두께변형율을 조정하였다.
- 4, 5, 6에서 시험한 폭파 조건을 정리한 결과이다. 본 시험에서는 폭약종류와 폭약중량은 일정하게 하고 시험편과 폭약 간의 거리를 조정함으로써 폭약이 폭파시 시험편에 미치는 압력의 정도를 조정하여 원하는 두께변형율을 획득하였다.
- 폭파변형시험(Explosion Bulge Test)은 철계 및 비철계 소재, 용접재료, 용접공정 등의 적용 적합성을 평가하는 시험이다. 이 시험은 폭약을 사용한 고속, 고압의 하중을 이용하여 재료의 변형 특성을 조사한다1).
대상 데이터
- Table 5는 각 용접공정에 대한 용접조건을 보여준다. GMAW의 경우 보호가스는 Ar+20%CO2, FCAW는 100%CO2를 사용하였다.
- 본 시험에 사용된 PFS-700 강재는 포스코(주)에서 100톤 전로를 사용하여 제작되었으며 화학조성은 Table 1과 같다. 900℃에서 오스테나이트처리, 650℃에서 시효처리한 압연판재를 사용하여 폭파변형시험편을 제작하였다.
- 본 실험에 사용된 GMAW, SAW 및 FCAW 용 용접재료의 성분은 각각 Table 2, Table 3 및 Table 4와 같다. 이들 용접재료를 사용하여 25mm 판재에 Double V 그루브를 가공 및 용접하여 지름 800㎜ 크기의 수중 폭파변형시험편을 Fig.
- 900℃에서 오스테나이트처리, 650℃에서 시효처리한 압연판재를 사용하여 폭파변형시험편을 제작하였다. 이 판재의 인장강도 및 항복강도는 각각 838MPa 및 810MPa 이고, 연신율과 -84℃ 충격인성은 23.8% 와 250J 로서 고강도이면서 고연성, 고인성을 가진 재료이다.
이론/모형
- 9ml/100g 으로서 낮은 값을 보여준다. 확산성수소량은 ISO 3690(수은법)에 따라 측정하였다. 고강도 강용 용접재료를 사용하여 용접한 대부분의 용접부가 수소에 의한 취화로 파괴가 일어나는 점을 감안할때 고강도강용 용접재료일수록 확산성 수소량을 낮게 제어할 필요가 있다.
성능/효과
- 1) GMAW, SAW 및 FCAW 용접금속에서의 인장강도는 각각 887MPa, 875NPa 및 813MPa 로서 모두 모재의 강도와 비슷한 값을 나타내었다.
- 2) GMAW, SAW 및 FCAW공정 시편에서 3폭의 폭파로 최대 두께변형율이 각각 14.0%, 14.02% 및 15.9%로 나타났으며 규격을 만족하였다.
- 따라서 일정한 이격거리를 설정하기 위해서는 폭파하기 전 시험편을 치구에 설치한 상태에서 bulge된 깊이를 고려하여 폭약을 설치할 높이를 결정한다. 2폭 시의 변형량은 GMAW, SAW 및 FCAW 각각 11.16%, 12.0%, 11.55%로 나타났으며 1폭 시 보다 각각 4.8%, 2.4%및 4.78% 정도 증가하였다. 2폭 시의 이격거리 200mm 는 적절히 선정된 것으로 사료되며, 3폭시 14.
- 3) 최대 두께변형율 14%이상 되도록 폭파시험을 수행 하여 매 폭파시험마다 이격거리가 적절히 선정되었다.
- 상부는 전체 시험편, 하부는 측면의 형상이다. 3폭 시 GMAW와 SAW 공정에 대해서 이격거리 200mm로 하여 시험한 결과 최대 두께변형율이 각각 14.0%, 14.02%로 나타났으며, PFS-700강의 경우 두께변형율이 14% 이상이면 규격을 만족하나, 14.0%에 근접하여 FCAW에 대해서는 이격거리를 150mm로 한 결과 15.9%를 나타내어 규격 이상을 나타내었다. Fig.
- 4) 무예열 강재인 PFS-700강에 GMAW, SAW, FCAW 공정용 무예열 용접재료를 사용하여 수중 폭파 변형시험시 균열이 발생하지 않아 무예열 용접재료로서 사용이 적합한 것으로 사료된다.
- 9%를 나타내어 규격 이상을 나타내었다. Fig. 6에서 보듯이 전 용접공정에서 비드에서 약간의 균열 발생이 관찰되나 관통되거나, 치구영역까지 전파되는 균열 없이 두께 변형율 14%이상을 나타내어 규격(KDS 9515-3001-1) 을 만족하였다.
- SAW 공정에 대해 1폭 시험시 폭약은 1kg, 폭약과 시험편 간의 이격거리를 100mm로 시험한 결과, 최대 두께변형률이 8.76%로서 예상한 3∼6%보다 과다하여 GMAW와 FCAW 에 대해서는 이격거리를 150mm로 조정하였으며, 두께변형률이 각각 7.2%와 6.77%로 나타났다.
- Table 2, 3, 4 에 나타낸 각 용접재료를 전용착시험 평가한 결과를 Table 6에 나타내었다. 모재인 PFS700강의 인장강도, 838MPa,에 비해 FCAW에서 약간 낮은 값을 보이나, 본 연구에서 목표한 인장강도 800MPa 이상을 나타낸다. 용접재료의 확산성 수소량도 GMAW, SAW 및 FCAW 에서 각각 1.
후속연구
- 이제는 잠수함 및 수상함 등을 비롯하여 모든 해양 무기체계에 있어 외부 압력에 대한 파괴저항성을 증대시키기 위해서는 안정성이 확보된 고강도의 국산 판재와 용접재료가 사용되어야 할 것이며, 폭파변형시험을 비롯한 각종 인증시험이 국내에서 이루어져 외국의 기술 및 인증에서 탈피하여야 할 것이다.
- 77%로 나타났다. 추후 PFS700강재와 본 시험에서 적용한 용접재료의 조합시에는 폭약량을 줄이거나 이격거리를 늘려야 할 것으로 사료 된다.
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