[논문]EH36-TM강의 대입열 EGW 용접부 저온 인성에 미치는 미세 조직의 영향

최우혁; 조성규; 최원규; 고상기; 한종만

doi:10.5781/kwjs.2012.30.1.64

EH36-TM강의 대입열 EGW 용접부 저온 인성에 미치는 미세 조직의 영향
Effects of Microstructures on the Toughness of High Heat Input EG Welded Joint of EH36-TM Steel 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.1, 2012년, pp.64 - 71

최우혁 (현대제철 기술연구소 후판개발팀) , 조성규 (현대제철 기술연구소 후판개발팀) , 최원규 (현대제철 기술연구소 후판개발팀) , 고상기 (현대제철 기술연구소 후판개발팀) , 한종만 (현대제철 기술연구소 후판개발팀)

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The characteristics of high heat input (342kJ/cm) EG (Electro Gas Arc) welded joint of EH36-TM steel has been investigated. The weld metal microstructure consisted of fine acicular ferrite (AF), a little volume of polygonal ferrite (PF) and grain boundary ferrite (GBF). Charpy impact test results of the weld metal and heat affected zone (HAZ) met the requirement of classification rule (Min. 34J at $-20^{\circ}C$). In order to evaluate the relationship between the impact toughness property and the grain size of HAZ, the austenite grain size of HAZ was measured. The prior austenite grain size in Fusion line (F.L+0.1 mm) was about $350{\mu}m$. The grain size in F.L+1.5 mm was measured to be less than $30{\mu}m$ and this region was identified as being included in FGHAZ(Fine Grain HAZ). It is seen that as the austenite grain size decreases, the size of GBF, FSP (Ferrite Side Plate) become smaller and the impact toughness of HAZ increases. Therefore, the CGHAZ was considered to be area up to 1.3mm away from the fusion line. Results of TEM replica analysis for a welded joint implied that very small size ($0.8\sim1.2{\mu}m$) oxygen inclusions played a role of forming fine acicular ferrite in the weld metal. A large amount of (Ti, Mn, Al)xOy oxygen inclusions dispersed, and oxides density was measured to be 4,600-5,300 (ea/mm2). During the welding thermal cycle, the area near a fusion line was reheated to temperature exceeding $1400^{\circ}C$. However, the nitrides and carbides were not completely dissolved near the fusion line because of rapid heating and cooling rate. Instead, they might grow during the cooling process. TiC precipitates of about 50 ~ 100nm size dispersed near the fusion line.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선박 건조시 입향 상진 용접에 적용되고 있는 대입열 EGW 용접 기법을 실시한 후, 용접 금속/열영향부의 미세 조직과 저온 인성 특성 및 용접 금속 위치에 따른 침상형 페라이트와 비금속 개재물의 상관관계에 대하여 검토하고자 본 연구를 진행하였다.

제안 방법

또한, Table 3에서와 같이 용접 금속의 기계적 성질에 영향을 미치는 화학조성을 Spark Emission Spectrometer로 3회 분석하여 평균값을 기록하였으며, 특히 용접 금속의 변태 거동에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 질소/산소에 대한 정량 분석을 실시하였다. 그리고 용접 금속, 용접 열영향부의 미세조직을 관찰하기 위해서 연마 및 Polishing 후 3% Nital에서 10초간 부식 후 광학현미경을 이용하여 결정립 크기 및 조직 분율을 측정하였으며, 용접부의 비금속 개재물 및 석출물에 대한 분석은 SEM/TEM Replica를 이용하여 관찰하였다.
또한, Table 3에서와 같이 용접 금속의 기계적 성질에 영향을 미치는 화학조성을 Spark Emission Spectrometer로 3회 분석하여 평균값을 기록하였으며, 특히 용접 금속의 변태 거동에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 질소/산소에 대한 정량 분석을 실시하였다. 그리고 용접 금속, 용접 열영향부의 미세조직을 관찰하기 위해서 연마 및 Polishing 후 3% Nital에서 10초간 부식 후 광학현미경을 이용하여 결정립 크기 및 조직 분율을 측정하였으며, 용접부의 비금속 개재물 및 석출물에 대한 분석은 SEM/TEM Replica를 이용하여 관찰하였다.
선급용 강재 490MPa급 EH36-TMCP재에 대한 대입열 EGW 용접 후, 용접부 미세 조직과 저온 인성의 상관 관계에 대한 검토를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
용접 금속 조직 정량화를 위해 IIW에서 규정하는 방법에 따라 입내에서 길쭉하게 석출하나 열을 짓지 않고 독립적으로 석출하는 페라이트(AF), 다각형 형태로 석출하는 페라이트(PF), 입내에서 길쭉하게 석출하나 여러 개가 열을 지어 석출하는 페라이트(FS)로 구분하여 실시하였다⁶⁾. 용접 금속 중앙부 대비 용접 금속 1/4 중앙부에서 PF+FS 분율(17.
용접된 시험편의 기계적 성질을 평가하기 위해 용접부의 횡방향 인장시험 및 충격시험을 실시하였다. 횡방향 인장시험은 50mm 전두께의 판상 인장 시험편을 제작하여 용접부 계수 인장 시험을 실시하였다.
횡방향 인장시험은 50mm 전두께의 판상 인장 시험편을 제작하여 용접부 계수 인장 시험을 실시하였다. 충격시험은 용접 금속 및 열영향부의 Face, Center, Root부에서 각 위치별 충격 시험편을 채취하여, 선급 규정에서 요구하는 -20℃에서 시험하였다.
용접된 시험편의 기계적 성질을 평가하기 위해 용접부의 횡방향 인장시험 및 충격시험을 실시하였다. 횡방향 인장시험은 50mm 전두께의 판상 인장 시험편을 제작하여 용접부 계수 인장 시험을 실시하였다. 충격시험은 용접 금속 및 열영향부의 Face, Center, Root부에서 각 위치별 충격 시험편을 채취하여, 선급 규정에서 요구하는 -20℃에서 시험하였다.

대상 데이터

대입열 용접은 Single EGW 용접을 적용하였으며, 日産(KOBELCO社) EGW 용접재료를 사용하였다. 용접부는 V-개선으로 기계 가공하였으며, 개선 각 18°, Root gap 14mm, CO₂ 보호가스 유량은 48ℓ/min.
본 연구에 사용된 조선용 강재는 490MPa급 EH36강재로서 판두께는 50mmt였으며, TMCP (Thermo-Mechanical Control Process) 공정으로 압연 생산되었으며, 강재의 조성 및 기계적 성질은 Table 1과 같다.

이론/모형

광학현미경으로 용접 금속 위치 별 미세 조직을 관찰하였으며, 미세 조직 정량화를 위해 ASTM E45 시험 규격에 따라 조직 분율을 측정하였다. Fig.

성능/효과

1) EH36-TM 강재의 EGW 대입열 용접부 미세 조직 관찰 결과, 용접 금속에서는 Polygonal Ferrite + Acicular Ferrite 조직으로 구성되어 있으며, 용접 금속 중앙부에서는 조대한 Grain Boundary Ferrite가 일부 관찰되었다.
2) Fusion line(F.L) 근방에서는 약 350㎛의 조대한 결정립 크기를 나타냈으며, F.L+1.5mm에서는 결정립 크기가 약 30㎛ 이하로 FGHAZ 영역에 포함되는 것으로 확인되었다. 따라서, 구 오스테나이트 결정립 크기를 고려했을 때 EGW 대입열(350kJ/cm) 용접시 충격 인성이 저하되는 CGHAZ 영역은 F.
3) 용접 금속 위치 별 조직 분율과 충격값의 상관 관계에 대한 검토 결과, 충격 인성을 확보하기 위해서는 구 오스테나이트 결정립계에서 PF, FS 생성을 억제시키고, AF 분율을 높이는 것이 충격 인성에 유리한 것으로 판단되었다.
4) 용접 금속 내 EDS 분석 결과, 미세한 Acicular Ferrite를 생성시키는 0.8~1.2㎛ 크기의 (Ti,Mn,Al) xOy 복합 산화물이 다량 관찰되었으며, 비금속 산화물에 대한 밀도 측정 결과, 4,600~5,300(ea/mm²)로 나타났다.
34J을 만족하였으나, -40℃에서는 Avg. 40~60J로 저하하였고, F.L+2mm영역부터는 결정립 크기가 30㎛이하로 FGHAZ에 포함되면서 -20℃에서 200J 이상의 우수한 충격 인성 값을 나타내었다.
5) 용접 열영향부(F.L 근방)에 대한 TEM Replica 관찰 결과, 1350℃ 이상의 고온에서 완전히 용융되지 않고 용접 후 냉각 시 재석출된 것으로 사료되는 Cubic 형태의 50~100nm 크기의 TiC 탄화물이 일부 관찰되었다.
3은 ASTM E112-88 시험규격을 이용하여 용접 열영향부 위치별 결정립 크기를 측정한 결과이다. F.L 근방의(F.L+0.1mm)의 구오스테나이트 결정립 크기 측정 결과 대입열 용접에 따른 냉각속도 저하에 따라 약 350㎛ 크기의 조대한 결정립 크기를 나타냈으며, F.L+1.5mm에서는 결정립 크기가 약 30㎛ 이하로 FGHAZ 영역에 포함되는 것으로 확인되었다. F.
광학현미경으로 용접 금속 위치 별 미세 조직을 관찰하였으며, 미세 조직 정량화를 위해 ASTM E45 시험 규격에 따라 조직 분율을 측정하였다. Fig. 5에서와 같이 용접 금속 중앙부에서 조대한 Polygonal Ferrite(이하 PF), Ferrite Side Plate(이하 FS) 조직이 관찰되었으며, 용접 열영향부 위치로 갈수록 AF 조직 분율은 증가하고 PF, FS 조직 분율은 감소하는 것을 알 수 있다.
TEM Repica 관찰 결과, 용접 금속의 높은 B함량(40~50ppm)으로 대입열 용접 시 확산 반응에 의해 F.L 근방(약 400~500㎛)에서 관찰될 것으로 추정된 BN 단독 질화물은 관찰되지 않았으며, 대부분 Cubic 형태를 하고 있는 50~100nm 크기의 (Ti, Nb, B) (C, N) 석출물이 일부 관찰되었다.
결과적으로, 용접 금속 중앙부의 미세조직은 Fig. 5의 용접 금속의 응고모드(solidification mode)를 고려했을 때, 냉각속도가 가장 느리므로 AF 분율이 상대적으로 낮고, PF+FS 분율이 높게 나타났으며, 용접 금속 1/4 중앙부에서는 AF 조직이 주조직을 형성하면서 미세 페라이트 변태에 따른 저온 인성이 양호한 것으로 판단된다.
결론적으로, 미세 조직 측면에서 충격인성에 영향을 미치는 인자를 고려한다면, 용접 금속 충격인성에 영향 인자로서, AF 분율이 충격 인성에 가장 영향이 큰 것으로 판단되며, 용접 열영향부(CGHAZ) 충격인성에 영향 인자로서, F.L 근방의 충격 시험편 파단면에 대한 균열 전파 경로를 관찰해보면 Fig. 13에서와 같이 구 오스테나이트 결정립계를 따라 생성된 조대한 GBF를 따라 입계에서 입내로 대다수 균열이 전파된 것을 확인할 수 있었다.
결론적으로, 아래 그래프에서 알수 있듯이 용접 열영향부 충격 인성과 결정립 크기 사이에는 반비례 상관관계가 성립됨을 알 수 있었다.
. 따라서, 강재에 B 첨가 시에는 강재의 질소 함량을 높여 고용되는 질소의 양을 증가시키고 자유질소의 양을 줄이는 것이 오히려 인성 향상에 바람직하다고 판단된다. 松田 등에 의하면 Ti와 B의 복합첨가에 의하여 형성된 복합석출물 (TiN-MnS-Fe₂₃(C,B)₆)도 냉각과정에 있어서 입내 페라이트(IFP)이 변태를 촉진시켜 용접부 인성을 향상시킨다고 알려져 있다^11-12).
5mm에서는 결정립 크기가 약 30㎛ 이하로 FGHAZ 영역에 포함되는 것으로 확인되었다. 따라서, 구 오스테나이트 결정립 크기를 고려했을 때 EGW 대입열(350kJ/cm) 용접시 충격 인성이 저하되는 CGHAZ 영역은 F.L에서 약 1.3mm 정도로 확인되었다.
따라서, 구 오스테나이트 결정립 크기를 고려했을 때 대입열(342kJ/cm) 용접 시 충격 인성이 저하되는 CGHAZ 영역은 F.L에서 약 1.3mm 정도로 확인되었다.
용접 금속 내 비금속 개재물에 대한 SEM /TEM 관찰을 실시한 결과, Fig. 8, 9에서와 같이 입내 AF 핵생성 사이트로 작용하는 0.9~1.2㎛ 크기의 (Ti,Mn,Al)xOy 복합 산화물이 다량 관찰되었으며, Fig. 10에서와 같이 용접 금속 위치 별비금속 산화물에 대한 밀도(density) 측정 결과, 용접 금속 중앙부의 밀도(4,600ea/mm²) 대비 용접 금속 1/4 중앙부의 밀도 (5,300ea/mm²)가 소량 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 비금속 산화물 주변으로 20~40 nm size의 아주 미세한 (Ti,Nb) 탄화물이 Fig.
. 용접 금속 중앙부 대비 용접 금속 1/4 중앙부에서 PF+FS 분율(17.2%)은 감소하고 AF 분율(82.2%)은 증가하였다.
용접부 횡방향 인장 시험 결과, 모재부에서 파단이 발생되었으며 선급에서 요구하는 범위의 인장강도 490~630MPa (결과값 T.S=522/538MPa)를 만족하였다. 통상적으로 대입열 용접 시, F.

후속연구

향후, 대입열 용접 시 -40℃에서의 용접 열영향부 충격 인성을 안정적으로 확보하기 위해서는 1200℃ 이상의 온도에서 안정한 산화물 및 질화물 형성으로 F.L 근방의 오스테나이트 결정립 크기를 100㎛ 이하로 제어함으로써 결정립 조대화 및 저온 취약상 형성을 억제시켜야 할 것으로 판단된다^3-5).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컨테이너가 고강도/후물화되는 이유는?	최근 컨테이너 물량의 급격한 증가와 더불어 대형 컨테이너선의 건조가 활발히 이루어지고 있다. 컨테이너의 특성 상 Hatch Coaming부와 Upper Deck부에 적용되는 강재 또한 다량의 컨테이너를 지지하기 위해서 고강도/후물화되어 가는 추세이다. 후물재의 적용은 용접 공수가 증가하고 생산성이 저하되므로, 최근 조선 현장에서는 생산성 향상 및 원가절감 차원에서 대입열 용접을 활용하고 있다.
	대입열 용접 시 강재의 용융선 근처의 용접 열영향부는 어떤 현상이 발생하는가?	이를 위하여 대입열 용접 공정의 적용은 물론 선급용 강재 및 용접재료의 대입열 용접부 성능 확보가 요구된다. 대입열 용접 시 강재의 용융선 근처의 용접 열영향부는 결정립 성장 및 취약한 미세조직을 형성함으로써 저온 인성을 크게 저하시키고, 모재에 가까운 용접 열영향부에서는 연화 현상을 발생시켜 용접부 강도가 저하되는 문제점이 주로 발생하였다. 하지만, 최근에는 이런 문제점을 해결하기 위해 대입열 용접에 사용되는 강재의 미세조직을 제어하여 고온에서 안정한 AlN, TiN, TiO2 등의 석출물을 이용한 용접 열영향부의 저온 인성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다1).
	EH36-TMCP재에 대한 대입열 EGW 용접 후, 용접부 미세 조직과 저온 인성에 미치는 영향연구의 결과는?	1) EH36-TM 강재의 EGW 대입열 용접부 미세 조직 관찰 결과, 용접 금속에서는 Polygonal Ferrite + Acicular Ferrite 조직으로 구성되어 있으며, 용접 금속 중앙부에서는 조대한 Grain Boundary Ferrite가 일부 관찰되었다. 2) Fusion line(F.L) 근방에서는 약 350㎛의 조대한 결정립 크기를 나타냈으며, F.L+1.5mm에서는 결정립 크기가 약 30㎛ 이하로 FGHAZ 영역에 포함되는 것으로 확인되었다. 따라서, 구 오스테나이트 결정립 크기를 고려했을 때 EGW 대입열(350kJ/cm) 용접시 충격 인성이 저하되는 CGHAZ 영역은 F.L에서 약 1.3mm 정도로 확인되었다. 3) 용접 금속 위치 별 조직 분율과 충격값의 상관 관계에 대한 검토 결과, 충격 인성을 확보하기 위해서는 구 오스테나이트 결정립계에서 PF, FS 생성을 억제시키고, AF 분율을 높이는 것이 충격 인성에 유리한 것으로 판단되었다. 4) 용접 금속 내 EDS 분석 결과, 미세한 Acicular Ferrite를 생성시키는 0.8~1.2㎛ 크기의 (Ti,Mn,Al) xOy 복합 산화물이 다량 관찰되었으며, 비금속 산화물에 대한 밀도 측정 결과, 4,600~5,300(ea/mm2)로 나타났다. 5) 용접 열영향부(F.L 근방)에 대한 TEM Replica 관찰 결과, 1350℃ 이상의 고온에서 완전히 용융되지 않고 용접 후 냉각 시 재석출된 것으로 사료되는 Cubic 형태의 50~100nm 크기의 TiC 탄화물이 일부 관찰되었다.

참고문헌 (12)

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Jeong-Soo Lee, Jin-Oh Yun et al. : The Study about Characteristics of Welding Consumable and Weld Metal for EGW, Journal of KWJS, 28-2 (2010), 79-83 (in Korean)

원문보기 상세보기
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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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