[논문]오스테나이트 스테인리스강에 대한 가스텅스텐 아크용접 시동종 및 이종 용접부의 용접성 평가

한민수; 박재철; 김성종

doi:10.5916/jkosme.2011.35.1.068

오스테나이트 스테인리스강에 대한 가스텅스텐 아크용접 시동종 및 이종 용접부의 용접성 평가
Evaluation of Weldability on Identical and Dissimilar Welding Parts of Austenite Stainless Steel by GTAW 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.1, 2011년, pp.68 - 74

한민수 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 박재철 (목포해양대학교 기관시스템공학부 대학원) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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본 논문은 LNG 선박의 이중연료엔진의 이중벽 가스파이프의 재료인 STS 304와 STS 316L에 대하여 GTAW에 의해 용접된 동종 및 이종 용접부의 기계적 특성과 용접성을 평가하였다. STS 304 동종 용접부의 경우, STS 316L 동종 용접부에 비해 모재 대비 현저하게 기계적 특성이 감소하는 경향을 나타냈다. 미세조직 관찰 결과, STS 304 동종 용접부가 STS 316L 동종 용접부에 비해 침상 페라이트가 많이 형성되어 상대적으로 높은 경도를 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

This papers investigated the mechanical characteristics and the weldability of identical as well as dissimilar welding by GTAW for STS 304 and STS 316L. It is applied to double wall gas pipe of duel fuel engine for LNG carrier. Consequently, the weldability of dissimilar and identical welded zone of STS 304 decreased compared to base metal significantly. The result of microstructure observation for welded zone, a degree of acicular ferrite in welding zone for STS 304 presented more than STS 316L. The hardness of welding zone for STS 304 presented higher value than that for STS 316L by this effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이중벽 가스파이프는 고도의 안전성과 신뢰성을 요구하기 때문에 우수한 강도 및 인성, 용접성 및 가공성 등이 중요하며 특히 용접공정 중 부적절한 입열로 기계적 특성 저하를 유발할 수 있다[4-7]. 따라서 본 연구에서는 이중벽 가스파이프를 국산화하기 위해 STS 304 및 STS 316L에 대하여 GTAW 적용 시 용접부에 대한 기계적 특성을 평가하여 DF 엔진의 이중벽 가스파이프에 적용하고자 한다.

제안 방법

본 연구에 사용된 재료는 오스테나이트계 STS 304와 STS 316L이며 ER316L 용접재료를 사용하여 GTAW(gas tungsten arc welding) 용접방법으로 동종 및 이종 용접된 시험편에 대하여 인장실험, 경도 측정 그리고 조직관찰 등을 실시하였다. 본 연구에 사용된 STS 304 및 STS 316L의 기계적 특성과 모재 및 용가재의 화학조성을 Table 1에 상세히 나타냈다.
용접 모재는 V 타입의 그루브 형상에 대하여 루트갭은 2~4㎝, 개선각은 60°±5°이며, 2~3회의 멀티패스 용접을 실시하였으며 사용된 비활성화 기체인 Ar 가스의 유량은 10~20ℓ/min, 극성은 DCSP로 실시하였다.
05 mm/min의 속도로 실시하였으며, 그 형상은 Figure 1에 나타냈다. 용접 시험편의 횡단면에 대하여 비커스 경도기를 사용하여 9.8N의 하중으로 10초간 유지하여 경도를 측정하였으며, 표면에 경면연마 후 나이탈에 칭하여 광학현미경으로 용접부 조직을 관찰하였다.

성능/효과

(1) STS 304가 가장 높은 기계적 특성을 나타냈으며 이종용접의 경우 STS 304 대비 최대인장 강도 23% 이상, 연신율 53% 이상 감소하는 가장 낮은 기계적 특성을 보였다.
(2) 모든 용접부에서 거시적으로는 수지상정 조직과 미시적으로는 침상 페라이트, 위드먼스테턴 페라이트, 입계 및 초석 페라이트 등의 다양한 형태의 조직을 나타냈다. 이러한 미세 조직의 형성은 STS 304에 포함된 탄소의 조성에도 지대한 영향을 받으므로 거시적으로는 펄라이트 조직의 형성이 경도에 다소 영향을 끼친 것으로 사료된다.
(3) 용접부의 경도는 이종 용접부가 평균 192Hv에서 199Hv로 가장 높았으며 그 다음으로 STS 304 동종 용접부 그리고 STS 316L 동종 용접부는 가장 낮은 경도를 나타냈다. 이는 용접부 내 탄소 함량에 따른 조직의 차이에 기인한 것으로 판단되며 경화정도가 가장 큰 본드부에서 최고 경도를 나타냈다.
또한 STS 316L은 탄소의 함량이 304 스테인리스강의 50% 이내로 낮기 때문에 용접 시열사이클 과정 중 응고과정에서의 Cr₂₃C₆ 형성에 따른 입계부식의 저항성이 향상되므로 기계적 특성 감소가 상대적으로 적은 편이다. STS 304와 STS 316L 모재에 대한 이종 용접부는 강도 및 연신율이 모재에 비해 현저하게 저하하여 최대인 장강도가 577MPa, 연신율은 31.4%를 나타냈다. 이와 같이 이종 용접부가 동종 용접부에 비해 각 재료간의 화학조성 및 물성치의 차이로 기계적 특성이 크게 저하하는 것이 보통이다.
Figure 2는 STS 304와 STS 316L의 모재와 용접된 시험편에 대하여 인장시험 후 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다. STS 304의 경우, 최대인장강도가 757MPa, 연신율이 67.2%로 가장 우수한 강도와 연신율을 나타냈으며 STS 316L의 경우는 최대인장강도 626MPa, 연신율 49.7%로 STS 304의 모재에 비해 낮은 기계적 특성을 보였다. 이는 STS 316L의 상대적으로 적은 탄소함량에 의해 침입형 고용체 형성에 따른 강화기구의 감소에 기인한 것으로 판단된다.
반면, 열영향부의 경우, 입열에 따른 결정립의 성장으로 모재 대비 조대한 성장을 나타냈으며 본드부는 경화조직의 형성으로, 용접 후 빠른 냉각속도에 따른 마르텐사이트 조직을 나타낸 것으로 사료된다. 결과적으로 열영향부는 결정립 조대화에 의한 강도 및 경도가 저하한 것으로 판단되며, 용착부의 경우는 우수한 인성을 나타내는 침상 페라이트, 뿐만 아니라 그 외에 인성을 저하시키는 입계 페라이트도 넓은 영역에서 관찰되었다.
용접부 인장시험 결과, STS 304 동종 용접부는 최대 인장강도가 583MPa으로 모재에 비해 23%, 연신율은 45% 정도 감소하였으며, STS 316L 동종 용접부는 모재 대비 강도가 10% 이상, 연신율은 31% 정도 저하하였다. 동종 용접 시 모재 대비 최대인장강도 및 연신율의 저하현상은 STS 316L 용접부 보다 STS 304의 용접부가 대단히 크게 나타났다. 이는 용가재의 화학조성, 용접부의 예민화 정도에 따른 것으로 사료된다.
2차 용착부는 전체적으로 위트만스테튼 조직을 나타냈으며 부분적으로 수지상의 입계 페라이트 조직을 나타냈다. 뿐만 아니라 STS 316L 동종 용접의 경우, STS 304 동종 용접과 같이 본드부와 용접부 및 각 용접부간의 계면에서 결함이 없는 양호한 용접상태를 나타낸 반면, STS 316L 열영향부도 모재보다 조대화 된 결정립을 관찰할 수 있었다. 용접부와 열영향부의 계면인 본드부는 대기 중에서 급속 냉각되어 마르텐사이트 조직을 형성하기 때문에 높은 경도를 나타내지만 기지에 함유된 과포화 탄소에 의해 저온균열 감수성이 증가하고 용접부의 인성을 감소시킬 수 있다[8].
이는 STS 316L의 상대적으로 적은 탄소함량에 의해 침입형 고용체 형성에 따른 강화기구의 감소에 기인한 것으로 판단된다. 용접부 인장시험 결과, STS 304 동종 용접부는 최대 인장강도가 583MPa으로 모재에 비해 23%, 연신율은 45% 정도 감소하였으며, STS 316L 동종 용접부는 모재 대비 강도가 10% 이상, 연신율은 31% 정도 저하하였다. 동종 용접 시 모재 대비 최대인장강도 및 연신율의 저하현상은 STS 316L 용접부 보다 STS 304의 용접부가 대단히 크게 나타났다.
Figure 8은 STS 304와 STS 316L 이종 용접부의 경도측정 결과로써 왼쪽은 STS 316L이고 오른쪽은 STS 304이다. 전체적인 경향은 용접부가 모재보다 다소 높은 경도를 나타냈으며 본드부 영역에서 가장 높은 경도를 나타냈다. 또한 두 모재의 경우 STS 316L이 평균 190Hv, STS 304는 평균 189Hv로 거의 동일한 수준의 경도를 나타냈다.
Figure 5는 STS 304와 STS 316L에 대하여 GTAW 적용 시 이종 용접부의 횡단면 조직을 관찰한 것이다. 총 3번의 용접패스를 실시하였으며 모재와 용접부 간의 결정립의 차이가 확연하게 나타났다. 이와 같이 반복적인 용접이 수행되면서 우선 용접된 부분이 또다시 고온의 용접 열이력에 조대화 되는 과정을 겪게 된다[9].

후속연구

그러나 DF 엔진에서 사용되는 LNG 운반은 그 위험성 때문에 이중벽 가스배관(double wall gas pipe)을 사용하며 이에 사용되는 기자재는 모두 외국에서 고가로 수입하고 있다. 이러한 기술을 국산화 하여 수입대체 효과를 증대시킨다면 경제적인 효과는 매우 클 것으로 전망될 뿐만 아니라 근본적인 화석에너지 고갈 문제 및 환경문제의 해결에도 일익을 담당할 것으로 사료된다[3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DF 엔진에서 사용하는 LNG 운반은 위험성 때문에 무엇을 사용하는가?	대표적인 예가 이중연료 엔진 (duel fuel engine, DF)이 기존의 디젤 엔진과 달리 벙커와 LNG선박의 화물 운송 중 발생하는 천연가스(BOG, boil off gas)를 사용하여 경제성, 효율성 및 환경 친화성을 향상시키기 때문이며 LNG선박에 탑재가 증가하는 추세이다[1-2]. 그러나 DF 엔진에서 사용되는 LNG 운반은 그 위험성 때문에 이중벽 가스배관(double wall gas pipe)을 사용하며 이에 사용되는 기자재는 모두 외국에서 고가로 수입하고 있다. 이러한 기술을 국산화 하여 수입대체 효과를 증대시킨다면 경제적인 효과는 매우 클 것으로 전망될 뿐만 아니라 근본적인 화석에너지 고갈 문제 및 환경문제의 해결에도 일익을 담당할 것으로 사료된다[3].
	무엇을 최소화 하기 위해 조선산업 및 육상 플랜트에서 LNG를 연료로 사용하는 방안이 대두되고 있는가?	최근 조선산업 및 육상 플랜트에서 CO, NOx, SOx와 같은 환경유해 물질을 최소화하기 위해 환경 친화적인 LNG를 연료로 사용하는 방안이 큰 이슈가 되고 있다. 대표적인 예가 이중연료 엔진 (duel fuel engine, DF)이 기존의 디젤 엔진과 달리 벙커와 LNG선박의 화물 운송 중 발생하는 천연가스(BOG, boil off gas)를 사용하여 경제성, 효율성 및 환경 친화성을 향상시키기 때문이며 LNG선박에 탑재가 증가하는 추세이다[1-2].

참고문헌 (12)

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G. H. Abd Alla, H. A. Soliman and O. A. Badr, M. F. Abd Rabbo, "Effect of pilot fuel quantity on the performance of a dual fuel engine," Energy Conversion and Management, vol. 41, no. 6, pp. 559-572, 2000.

상세보기
김성종, 김진경, 김종호, 이명훈, 김영식, 문경만, "해양구조물용 RE36강의 용접부 부식거동 및 SSRT법에 의한 기계적 특성에 관한 연구," 한국마린엔지니어링학회지, 제24권, 제4호, pp. 460-469, 2000.
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김경수, 부승환, 박창열, 조영근, 이정수, "SUS 304L 겹침 용접부에 대한 극저온에서의 인장 및 피로강도에 관한 실험적 연구," 한국해양공학회지, 제22권. 제3호, pp. 96-102, 2008.

원문보기 상세보기
박재철, 한민수, 장석기, 김성종, "GTAW 용접에 의한 STS 304 및 STS 316L의 이종용접 시 기계적 특성 평가," 한국마린엔지니어링학회 후기학술대회 논문집, p. 523, 2010.
Ahmet Durgutlu, "Experimental investigation of the effect of hydrogen on argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel," Materials and Design, vol. 25, no. 1, pp. 19-23, 2004.

상세보기
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이원근, 장경복, 강성수, "루트간격이 용접부의 기계적 성질과 미세조직에 미치는 영향에 관한 연구," 한국정밀공학회지, 제16권, 제10호, pp. 187-193, 1999.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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