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문제 정의
- 그러나 레이저 용접의 경우 일반용접에 비해서 용접부의 부식억제효과의 유무에 대한 연구결과는 거의 없는 것으로 생각된다. 본 연구에서는 크롬계 스테인리스강인 22 APU와 크롬니켈계 스테인리스강인 STS 304를 피복아크용접이나, 불활성 가스 용접 대신에 에너지 밀도가 높은 레이저 용접을 실시하여고 크롬함량 및 니켈함량유무에 따른 각 용접부의 부식특성에 미치는 레이저용접의 영향을 전기화학적으로 비교 고찰하여 보았다. 따라서 본 연구결과는 각종 스테인리스강 구조물의 용접부에 대한 부식 억제를 위해서 레이저 용접법의 적합성과 그 효율성 등을 검토하는데 있어 유익한 참고 자료가 되리라 기대된다.
제안 방법
- 각각의 용접부위에 대한 경도측정을 하기 위하여 시험편을 용접 방향과 직각 방향으로 기계 절단, 가공하고 샌드페이퍼로 2000번으로 연마한 후 각각의 시험편을 에칭(Etching)하였으며, 에칭된 시험편은 Fig. 1과 같다.
- 경도의 측정방법은 용접금속부의 경우 용접금속부의 중심부에서 모재부 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서 경도를 각각 측정하여 평균값을 구하였다. 그리고 용접열영향부는 흰바탕의 용접금속부와 모재부의 경계영역선을 따라 좌우의 상하 3점의 위치에서 측정하여 평균값을 구하였다.
- 5cm2 만을 노출시키고 다른 부분은 에폭시로 절연시켰다. 그리고 각각 전기화학적 실험은 해수를 3cm/s(PIV: Particle image velocimetery로 측정)의 유동 상태에서 CMS-100시스템이 내장된 측정 장치(Won. A. Tech Garmy사, 주사속도:1mV/s, 대극: 백금, 기준전극: SCE)로 실시하였고 부식 전위 변화, 양극 및 음극 분극곡선, 사이클릭 볼타모그램(주사속도: 30 mV/s, 측정영역: -0.5V~1.5V) 등을 측정하였으며, 볼타모그램 측정 후 부식된 표면사진을 주사 전자현미경으로 관찰하였다.
- 경도의 측정방법은 용접금속부의 경우 용접금속부의 중심부에서 모재부 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서 경도를 각각 측정하여 평균값을 구하였다. 그리고 용접열영향부는 흰바탕의 용접금속부와 모재부의 경계영역선을 따라 좌우의 상하 3점의 위치에서 측정하여 평균값을 구하였다. 또한 모재부는 용접금속부 중심에서 좌우 13mm(22 APU의 경우 좌우 11 mm)의 위치에서 각각 2점의 위치에서 경도를 측정하고 평균값을 구하였다.
- 그리고 용접열영향부는 흰바탕의 용접금속부와 모재부의 경계영역선을 따라 좌우의 상하 3점의 위치에서 측정하여 평균값을 구하였다. 또한 모재부는 용접금속부 중심에서 좌우 13mm(22 APU의 경우 좌우 11 mm)의 위치에서 각각 2점의 위치에서 경도를 측정하고 평균값을 구하였다.
- 부식전위와 분극곡선 등을 측정하기 위하여 각 부위의 표면적을 1cm2 혹은 0.5cm2 만을 노출시키고 다른 부분은 에폭시로 절연시켰다. 그리고 각각 전기화학적 실험은 해수를 3cm/s(PIV: Particle image velocimetery로 측정)의 유동 상태에서 CMS-100시스템이 내장된 측정 장치(Won.
- 지금까지 22 APU 및 STS 304 스테인리스강에 대해 레이저 용접을 실시한 후 용접부위에 대한 내식성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 크롬계 스테인리스강 22 APU와 오스테나이트계 스테인리스강 STS 304의 시험편 치수는 가로 100mm 세로 150 mm이고, 각각 두께는 2.5mm, 1.5mm이었다. 22 APU와 STS 304는 용접봉 없이 레이저 용접을 실시하였다.
성능/효과
- (1) 22 APU와 STS 304의 시험편에 대해 레이저 용접을 실시한 결과 두 금속 모두 용접금속부의 경도가 제일 높게 나타났으며, 모재부의 경도가 가장 낮게 나타났다.
- (2) 22 APU 스테인리스강의 경우 용접열영향부의 내식성이 가장 좋지 않았으며, 모재부가 내식성이 가장 우수하였고, STS 304의 경우에는 모재부의 내식성이 가장 나쁘고 용접금속부의 내식성이 가장 좋은 것으로 나타났다.
- (3) 22 APU시험편의 경우 모든 용접부에서 입계부식이 발견되지 않았으나, STS 304의 경우 용접열영향부에 미세한 입계부식과 용접금속부에는 미세한 핏팅이 다소 관찰되었다.
- (4) 결과적으로 22 APU와 STS 304 스테인리스강의 경우 레이저 용접에 의해서 입계부식의 발생을 억제할 수 있음을 알 수 있었다.
- 2에 정리하여 나타내었다. 22 APU와 STS 304 모두 용접금속(WM: Weld metal)부의 경도가 가장 높았으며, 용접열영향부(HAZ: Heat affected zone)와 모재(BM: Base metal)부의 순으로 점차 경도가 저하하는 경향을 알 수 있었다. 일반적으로 용접 열영향부(HAZ: Heat affected zone)가 급냉에 의한 담금질(Quenching)효과에 의해서 경도가 상승하고 용접금속부의 경도가 낮아지는 경우가 있으나 경우에 따라서는 용접금속부의 성분이 모재부로 혹은 모재부의 성분이 용접금속부로 확산 이동하여 용접금속부의 경도가 높고 열영향부의 경도가 오히려 낮아지는 경우도 있다(김진경 등, 2006; 신민교, 1987; 전대희, 1985)는 보고도 있으며 한편으로 용접금속부가 덴드라이트 조직으로 변하면서 결정입자의 조대화 (안석환 등, 2005; 신민교, 1987)와 함께 경도가 상승하는 경우도 있다는 연구결과도 있다.
- 10은 15번째의 사이클릭 볼타모그램 측정 후의 부식된 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과이다. 22 APU의 경우 각 용접부부위의 부식된 표면 양상이 뚜렷한 차이를 보이지 않고 또한 입계부식이 발견되지 않았으며 STS 304의 용접열영향부에는 뚜렷한 입계부식이 관찰되지 않았으나 22 APU에 비해서 미세한 입계부식과 용접열영향부에 미세한 핏팅이 발생되고 있음을 관찰 할 수 있었다. 크롬계 스테인리스강의 입계부식 발생 온도는 약 925℃ 이상이며, 650~815℃에서 짧은 시간 가열하면 예민화가 없어진다.
- 결과적으로 부식전류밀도가 클수록 사이클릭 볼타모그램의 선도는 오른쪽으로 기우는 다시 말해서 공급전류밀도에 대한 분극저항이 감소하는 경향과 일치한다는 사실을 재확인 할 수 있었다.
- 본 실험의 결과 각 용접부위 별 부식전위 변화와 Table 3의 경도값의 상관관계를 비교할 때, 22 APU와 STS 304 모두 용접금속부의 경도가 가장 높았으나 부식전위는 22 APU의 경우 가장 비한 값을 STS 304에서는 가장 귀한 값을 나타내는 실험결과를 얻을 수 있었다. 따라서 경도와 부식전위의 상관관계는 반드시 일치하지 않았으며, 그 이유는 모재금속의 성분의 종류와 함량비 및 용접 과정에서 열의 영향에 의한 이들 금속의 확산이동 등 다른 원인에 기인하는 것으로 생각된다.
- 01% 이하를 함유한 경우에도 입계부식이 발생하기도 한다는 결과가 있다(이학렬, 1991). 따라서 탄소함량이 각각 0.08%와 0.03%인 STS 304와 22 APU는 입계부식의 발생가능성이 충분하나, 본 실험의 결과 전술한 바와 같이 입계부식은 뚜렷하게 발생하지 않았다. 이와 같은 결과는 레이저 용접을 할 경우 용접입열 양의 에너지 밀도, 모재의 두께와 열전도도 등을 포함한 다소 복합적인 요인에 기인한 것으로 사료된다.
- 본 실험의 결과 각 용접부위 별 부식전위 변화와 Table 3의 경도값의 상관관계를 비교할 때, 22 APU와 STS 304 모두 용접금속부의 경도가 가장 높았으나 부식전위는 22 APU의 경우 가장 비한 값을 STS 304에서는 가장 귀한 값을 나타내는 실험결과를 얻을 수 있었다. 따라서 경도와 부식전위의 상관관계는 반드시 일치하지 않았으며, 그 이유는 모재금속의 성분의 종류와 함량비 및 용접 과정에서 열의 영향에 의한 이들 금속의 확산이동 등 다른 원인에 기인하는 것으로 생각된다.
- 5 및 7의 부식전류밀도 값의 변화와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 즉 Fig. 7의 결과에서 22 APU의 열영향부의 부식전류밀도가 클수록 Fig. 8에서의 사이클릭 볼타모그램은 가장 오른쪽에 위치하는, 다시 말해서 공급전류밀도에 대한 분극저항이 감소하는 경향과 일치한다는 사실을 잘 알 수 있다.
- 침지 직후부터 열영향부의 부식전위가 귀 방향으로 이행하면서 높게 나타났으며 침지 약 500초 후부터 안정되는 경향을 보였다. 그리고 용접금속부의 경우에는 점진적으로 귀 방향으로 이행하면서 약 3,000초부터는 열영향부와 거의 같은 값으로 안정되는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 크롬계 스테인리스강인 22 APU와 크롬니켈계 스테인리스강인 STS 304를 피복아크용접이나, 불활성 가스 용접 대신에 에너지 밀도가 높은 레이저 용접을 실시하여고 크롬함량 및 니켈함량유무에 따른 각 용접부의 부식특성에 미치는 레이저용접의 영향을 전기화학적으로 비교 고찰하여 보았다. 따라서 본 연구결과는 각종 스테인리스강 구조물의 용접부에 대한 부식 억제를 위해서 레이저 용접법의 적합성과 그 효율성 등을 검토하는데 있어 유익한 참고 자료가 되리라 기대된다.
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