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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 YS 460MPa급 강재가 적용되는 선박 및 해양 구조물 용접에 가장 많이 사용되고 있는 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding: FCAW) 프로세스를 적용하여 용접금속의 저온 충격인성과 파괴인성에 미치는 C의 영향을 규명하여 고강도, 고인성 용접재료 개발을 위한 기초자료로 활용하기 위해 수행하였다.
제안 방법
- CTOD 시험을 위한 피로균열생성은 용접부에서 a/W=0.5를 기준으로 5 mm까지 피로균열의 진전방향이 노치선단에서 10 ° 경계선을 벗어나지 않도록 하였다.
- 인장시험은 첫 번째 용접부(1st side)와 두 번째 용접부(2nd side)의 용접금속에서 ASTM E-8의 규정을 따라 평행부 길이가 25mm인 인장 시험편을 제작한 다음 cross head speed를 2 mm/min로 하여 시험하였다. 강도는 두 용접금속에서 얻은 값을 평균하여 구하였고, 이 때 얻은 항복 및 인장강도 값을 사용하여 CTOD 시험을 위한 피로균열 생성과 3점 굽힘시험에 필요한 하중을 계산하는데 사용하였다.
- 용접금속의 충격인성 평가를 위한 충격시험은 선급규칙에 따라 Fig. 1의 사진에서 나타낸 바와 같이 두 번째 용접부(2nd side)와 겹침 용접부인 Root부(Root area)에서 각 각 시편을 제작한 다음, 컨테이너선박에 대한 용접승인시험 시 요구되는 -20 ℃부터 초 고장력강에 대해 요구하는 -60 ℃ 사이의 여러 온도에서(-20, -40, -50 및 -60 ℃) 시험하였다. 또한 충격인성은 3개씩 시험하여 평균값을 구하였다.
- 5를 기준으로 5 mm까지 피로균열의 진전방향이 노치선단에서 10 ° 경계선을 벗어나지 않도록 하였다. 용접금속의 파괴인성 평가는 BS7448에 의거 노치위치는 용접금속의 중심부에, 노치 방향은 용접 진행방향이 되도록 제작한 다음 -10 ℃에서 3점 굽힘 시험을 실시하였다. CTOD시험에 사용된 시험편의 형상 및 크기를 Fig.
- 인장시험은 첫 번째 용접부(1st side)와 두 번째 용접부(2nd side)의 용접금속에서 ASTM E-8의 규정을 따라 평행부 길이가 25mm인 인장 시험편을 제작한 다음 cross head speed를 2 mm/min로 하여 시험하였다. 강도는 두 용접금속에서 얻은 값을 평균하여 구하였고, 이 때 얻은 항복 및 인장강도 값을 사용하여 CTOD 시험을 위한 피로균열 생성과 3점 굽힘시험에 필요한 하중을 계산하는데 사용하였다.
대상 데이터
- 용접시험에 사용된 강재는 제어압연냉각(TMCP)하여 제작된 두께 80 mm의 선급용 EH47 강판이며, 화학조성은 Table 2에 나타내었다.
- 용접재료는 YS 460 MPa급 강재의 용접에 적합하도록 미국용접협회(AWS) E81T1-K2C 규격에 해당하는 1.2mm 선경의 Si 함량이 다른 두 재료에서 각 탄소의 함량을 달리한 4종류의 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire : FCW)를 제작하였다. 이는 Si의 국부적 초석 페라이트변태 촉진을 통한 C 함량이 높은 잔류오스테나이트 유발로 인해 MA상 변태를 촉진시키는 역할을 고려한 것이며7-8) 4가지 용접재료로 용접한 용접금속의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 1의 사진에서 나타낸 바와 같이 두 번째 용접부(2nd side)와 겹침 용접부인 Root부(Root area)에서 각 각 시편을 제작한 다음, 컨테이너선박에 대한 용접승인시험 시 요구되는 -20 ℃부터 초 고장력강에 대해 요구하는 -60 ℃ 사이의 여러 온도에서(-20, -40, -50 및 -60 ℃) 시험하였다. 또한 충격인성은 3개씩 시험하여 평균값을 구하였다.
성능/효과
- 5 %의 Si 함량을 가지는 용접금속의 Root부에서 충격인성에 미치는 C함량의 영향을 조사하여 나타낸 것이다. 0.25 %의 Si 함량을 가지는 용접 금속과 동일하게 전 온도범위에서 높은 C 함량을 가지는 용접금속에서 충격인성이 높은 것을 알 수 있다.
- 1) C함량의 증가에 의한 경화상의 생성은 관찰되지 않았으며, 오히려 용접금속의 상변태에 필요한 과냉도의 증가에 의해 AF의 분율은 증가하고, 상대적으로 PF(G) 및 FS의 분율은 감소하였다.
- 2)C함량이 증가하면 용접금속의 강도와 충격인성은 증가하고 연신율은 감소하였으며, 이는 AF의 분율이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 3)본 연구에 사용된 용접재료에서 파괴인성 값은 C 함량이 높을수록 높게 나타났으며, 이는 파괴의 개시점이 될 수 있는 PF(G)와 FS의 크기와 분율이 작아졌기 때문으로 판단된다.
- 4)따라서, 항복강도 460 MPa급 강재의 용접금속에서 우수한 충격인성과 파괴인성을 동시에 얻기 위해서는 적정량까지의 C함량의 증가가 효과적인 것으로 판단된다.
- 5) 용접금속의 강도와 연신율, 파괴인성 등의 특성에 미치는 C의 영향은 Si 함량에도 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.
- 또한 이상의 결과로부터 C함량에 따른 강도와 연신율의 차이는 Si함량이 낮은 재료에서 보다 Si함량이 높은 재료에서 약간 크게 나타나고 있다. 이와 같은 이유는 Si가 국부적 초석 페라이트 변태 촉진을 통해 C량이 많은 잔류 오스테나이트를 유발하여 강도가 높은 MA상변태를 촉진하기 때문이라 판단된다.
- 25 %의 Si 함량을 가지는 용접금속의 Root부에서 충격인성에 미치는 C함량의 영향을 조사하여 나타낸 것이다. 모든 시험온도 범위에서 0.025 %의 C함량을 가지는 용접금속 보다 0.045 %의 C 함량을 갖는 용접금속에서 충격인성이 높게 나타나는 것을알 수 있다.
- 이상의 결과로부터, C함량의 증가가 MA상 형성 및 분율 증가에 유리하게 작용하여 파괴인성을 저하시킬 것이라는 예상과는 달리 오히려 적정량까지의 증가는 파괴인성 향상에 유효한 원소라는 것을 알 수 있다.
- 이상의 결과로부터, Si 함량에 관계없이 용접금속의미세조직은 C 함량이 높을수록 PAGB로부터 생성되는 PF(G)와 FS 조직의 생성과 성장이 억제되고, AF 분율이 높아지고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 C 함량의 증가에 따라 페라이트 변태에 필요한 과냉도가 높아지기 때문에 AF 변태가 촉진되고 PF(G)와 FS의 변태가 억제되기 때문이라 판단된다9).
- 이상의 결과에서, Si 함량에 관계없이 C 함량이 높은 용접금속의 충격인성이 높게 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 Fig.
후속연구
- 한편, Si 함량에 따라서도 CTOD 값이 크게 변화하는 결과가 나타나고 있는데, Si가 용접금속 특성에 미치는 영향에 대한 조사가 추가로 필요한 것으로 판단된다.
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