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문제 정의
- 본 연구에서는 해상풍력타워 제작 시 적용 가능한 용접공정인 FCAW, SAW 및 EGW에 따라 입열량을 변화시켜 기계적 물성평가를 실시하였으며, 특히 해상풍력타워의 심해조건 설치를 고려하여 저온 충격인성에 대해 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 5 μm이상에서는 단위 면적당 비금속 개재물의 개수가 적어지기 때문에 침상 페라이트 핵 생성처(Nucleation Site)가 감소된다고 보고하였다7). 입열량의 변화에 따른 비금속 개재물의 형성 및 성장이 충격인성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여, 비금속 개재물과 개재물의 성분에 대하여 분석해보았다. 입열량 차이에 따른 용접부 내의 비금속 개재물을 관찰한 결과를 Fig.
제안 방법
- 26 EG 70T-2)를 사용하였으며, 각각의 용접방법에 따른 입열량은 Table 2에 나타내었다. FCAW 용접의 경우 입열량을 13, 30 kJ/cm, SAW용접의 경우 입열량은 62 kJ/cm, EGW 용접의 경우 177 kJ/cm 로 실험을 진행하였다.
- 시험편 준비방법은 먼저Macro부식을 실시한 후 Notch 위치를 융융부(fusion zone), 용융선(fusion line), 용융선에서 2mm 및 5mm 위치에 선정하여 표준 샤르피(Charpy)충격 시험편을 가공하였다. 그리고 입열량 변화에 따른 충격 시험을 실시 (ASTM E23 기준) 하고, Notch 위치 별 충격인성 차이를 비교하였다.
- 결국 용접부의 낮은 Ni함량으로 인하여 비금속 개재물의 성장속도가 감소한 것으로 판단된다. 낮은 충격인성의 결과 값을 가진 충격시험편의 파단 경로 및 파단 형태를 분석하기 위해 SEM을 통하여 미세조직을 관찰해보았다. Fig.
- 2(d) 177 kJ/cm의 -50℃조건에서만 용융부(Weld Metal)에서의 충격인성이 35 J로 선급기준에 거의 근접하였다. 다른 조건에 비하여 상대적으로 낮은 충격인성의 원인을 분석하기 위하여 용융부 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- 따라서 본 기술논문에서는 해상풍력타워 제작 시 적용 가능한 용접공정인 FCAW(Flux Core Arc Welding), SAW (Submerged arc welding) 및 EGW (ElectroGas Welding) 공법으로 TMCP강재의 용접을 실시하여, 각각의 용접방법에 따라 입열량을 변화시켜, 용착금속부 및 열영향부의 미세조직 및 충격인성을 평가하였다. 특히 해상풍력발전기 타워가 설치되는 입지의 심해조건을 고려하여 미세조직에 따른 저온 충격인성의 특성에 대해 비교평가를 수행하였다.
- 본 연구에서 사용된 강재는 EH36 grade TMCP강이며, 일반적인 후판 강재 용접에 적용 가능한 FCAW, SAW 및 EGW의 용접방법으로 비교 및 평가하였다. 강재의 화학조성 및 기계적 물성은 Table 1에 나타내었고, 시험편의 재원은 길이(L) = 1,000mm, 폭(B) = 200mm 및 두께(t) = 35mm 이다.
- 7 에 나타내었다. 비금속 개재물 크기는 replica 실험을 통하여 각각의 용접부에서 300개씩 측정하였다. 그 결과 입열량이 증가할수록 비금속 개재물의 크기는 증가되었으며, 이는 입열량의 증가와 함께 비금속 개재물도 성장하는 것으로 관찰되었다.
- 충격시험은 선급 고장력강의 EH규격을 목표로 제조된 강으로서 선급의 기준과 유사한 0℃, -30℃ 및 -50℃로 온도 조건에서 선급에서 요구하는 최소 충격인성인 34J을 기준으로 하여 비교 및 평가를 하였다. 시험편 준비방법은 먼저Macro부식을 실시한 후 Notch 위치를 융융부(fusion zone), 용융선(fusion line), 용융선에서 2mm 및 5mm 위치에 선정하여 표준 샤르피(Charpy)충격 시험편을 가공하였다. 그리고 입열량 변화에 따른 충격 시험을 실시 (ASTM E23 기준) 하고, Notch 위치 별 충격인성 차이를 비교하였다.
- 용접부 합금성분은 건식분석 방법인 OES(Optical Emission Spectroscopy)를 이용하여 전면(front side), 후면(back side) 및 루트부(Root face)에서 각각 3회 분석 후, 평균값을 기록하였으며, 용접부 미세조직은 나이탈(Nital) 4% 용액을 이용하여 광학현미경(Optical Microscopy) 및 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)으로 각각의 시험편들을 비교 · 분석하였다.
- 4(a)에 도시 된 13 kJ/cm의 -50 ℃ 용접부에서는 선급 기준의 충격인성을 만족하였지만 충격인성(39J)이 다른 입열 조건에 비하여 낮았다. 이러한 낮은 충격인성의 원인을 판단하기 위하여 미세조직을 관찰하여 각각의 상에 따른 상분율을 비교해보았다. Fig.
- 4%의 Mn에서 가장 좋은 인성을 확보할 수 있다고 보고하였다2). 이러한 연구결과를 바탕으로 본 연구에서는 각각의 입열량을 기준 용접부 화학성분 분석을 진행하였다. 그 결과, 대부분의 조건에서 화학조성 편차가 크지 않기 때문에 파괴인성에 미치는 영향이 적을 것으로 판단된다.
- 접합부 형상은 개선각 30°, 45° 및 70°로 각각 한면(V) 및 양면 (X)개선을 실시하였으며, 루트갭은 현장여건을 감안하여 6mm로 선정하였다(Fig. 1).
- 충격시험은 선급 고장력강의 EH규격을 목표로 제조된 강으로서 선급의 기준과 유사한 0℃, -30℃ 및 -50℃로 온도 조건에서 선급에서 요구하는 최소 충격인성인 34J을 기준으로 하여 비교 및 평가를 하였다. 시험편 준비방법은 먼저Macro부식을 실시한 후 Notch 위치를 융융부(fusion zone), 용융선(fusion line), 용융선에서 2mm 및 5mm 위치에 선정하여 표준 샤르피(Charpy)충격 시험편을 가공하였다.
- 따라서 본 기술논문에서는 해상풍력타워 제작 시 적용 가능한 용접공정인 FCAW(Flux Core Arc Welding), SAW (Submerged arc welding) 및 EGW (ElectroGas Welding) 공법으로 TMCP강재의 용접을 실시하여, 각각의 용접방법에 따라 입열량을 변화시켜, 용착금속부 및 열영향부의 미세조직 및 충격인성을 평가하였다. 특히 해상풍력발전기 타워가 설치되는 입지의 심해조건을 고려하여 미세조직에 따른 저온 충격인성의 특성에 대해 비교평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 강재는 EH36 grade TMCP강이며, 일반적인 후판 강재 용접에 적용 가능한 FCAW, SAW 및 EGW의 용접방법으로 비교 및 평가하였다. 강재의 화학조성 및 기계적 물성은 Table 1에 나타내었고, 시험편의 재원은 길이(L) = 1,000mm, 폭(B) = 200mm 및 두께(t) = 35mm 이다. 접합부 형상은 개선각 30°, 45° 및 70°로 각각 한면(V) 및 양면 (X)개선을 실시하였으며, 루트갭은 현장여건을 감안하여 6mm로 선정하였다(Fig.
- 1). 용접와이어는 AWS 기준으로 FCAW(A5.29 E81 T1-K2), SAW(5.17 F7 A8-EH14) 및 EGW(A5.26 EG 70T-2)를 사용하였으며, 각각의 용접방법에 따른 입열량은 Table 2에 나타내었다. FCAW 용접의 경우 입열량을 13, 30 kJ/cm, SAW용접의 경우 입열량은 62 kJ/cm, EGW 용접의 경우 177 kJ/cm 로 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 1) 화학성분 분석결과, 각각의 입열에 따른 용접부는 상대적인 화학조성 편차가 크지 않아 파괴인성에 미치는 영향이 미비한 것으로 판단된다.
- 2) 177 kJ/cm의 입열 조건, -50℃에서 충격인성이 감소한 이유는 전면 용융부의 경우 높은 입열에 의한 고온 변태상의 형성과 조대한 미세조직 형성으로 판단된다.
- 3) 13 kJ/cm의 입열 조건, -50℃에서 후면 용접부 충격인성이 감소하였다. 이는 결정립계 페라이트가 많이 형성되었고, 상대적으로 충격인성을 증가시키는 침상페라이트가 낮은 비율로 형성되고, 탄화물의 집적으로 균열을 제공하는 역할을 하였기 때문이다.
- 4) 낮은 충격인성을 보인 용접부 파단면을 관찰한 결과, 비금속개재물의 크기와 거의 유사한 균열폭이 관찰되었으며, 초기 균열발생 시 비금속 개재물에서 불균일 응력분포가 발생되어 균열이 진행된 것으로 판단된다.
- 비금속 개재물 크기는 replica 실험을 통하여 각각의 용접부에서 300개씩 측정하였다. 그 결과 입열량이 증가할수록 비금속 개재물의 크기는 증가되었으며, 이는 입열량의 증가와 함께 비금속 개재물도 성장하는 것으로 관찰되었다. Fig.
- 비금속 개재물의 화학성분을 EDS를 이용하여 분석한 결과를 Table 5에 나타내었다. 낮은 입열 조건에서는 O, Ti 및 Mn 등이 높은 입열 조건에 비해 상대적으로 높게 검출되었으며, 이 같은 결과를 바탕으로 대부분의 비금속 개재물이 티타늄 산화물 또는 망간 산화물인 것으로 판단된다. 티타늄 산화물은 lattice matching이론에 의해 침상 페라이트를 촉진시키는 것으로 알려져 있으며6), Mn 산화물은 오스테나이트 안정화 원소로써 비금속 개재물과 더불어 침상 페라이트 성장을 촉진하는 것으로 알려져 있다9).
- 8은 13 kJ/cm 입열량 조건(후면부) 과 입열량 177 kJ/cm 입열량 조건(전면부)에서의 충격시험편의 파단면을 관찰한 결과이다. 두 시험편의 파단면을 관찰한 결과, 두 시편 모두 결정립계 페라이트를 경계로 파단이 발생되었고, 파단형태는 취성파괴의 형태를 보이고 있으나 부분적으로 연성파괴도 발생되었다. Farrar 와 Okada 등이 보고한 바와 같이 결정입계 페라이트가 균열 진전의 이동경로를 제공하여 충격인성에 유해한 영향 미쳤을 것으로 사료된다11,12).
- 4는 입열량 변화에 따른 후면부(back side) 의 충격인성 결과이다. 모든 입열 조건에서 선급기준을 만족하는 34 J 이상의 충격인성이 확인되었다. 그러나, Fig.
- 2는 각각의 입열량에 따른 전면부(front side) 충격인성 결과이며, 충격지표는 선급에서 요구하는 최소 충격인성인 34J을 기준으로 하였다. 실험 결과 13 kJ/cm, 30 kJ/cm. 62 kJ/cm 및 177 kJ/cm의 모든 입열 조건에서 충격인성이 34 J 보다 훨씬 높았지만, Fig.
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