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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 액화가스 산적 운반선의 화물탱크에 많이 적용되고 있는 선급 FH강재의 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW) 금속에 대해 PWHT에 따른 인장성질과 충격인성 등을 조사하였다.
제안 방법
- PWHT 온도와 시간에 따른 용접금속의 충격인성 변화 등을 관찰하기위한 열처리는 AWS및 일부 선급에서 제시하고 있는 범위 내에서 온도와 시간을 서로 상이하게 설정하여 실시하였다. 즉, 580, 620 및 650℃의 온도에서 50분, 그리고 580℃에서 50분 및 100분 유지 후 약 315℃ 까지는 50∼260℃/min.
- PWHT된 용착금속의 인장성질평가를 위한 인장시험편을 얻기 위해 선급규정에 따라 용착금속 시험재 용접을 실시하였고, 충격인성에 미치는 용접 후 열처리의 영향을 규명하기 위한 충격시편을 얻기 위해 맞대기 용접을 실시하였다. 이때 각 용접부 형상 및 용접조건을 Fig.
- 즉, 580, 620 및 650℃의 온도에서 50분, 그리고 580℃에서 50분 및 100분 유지 후 약 315℃ 까지는 50∼260℃/min. 속도로 냉각하고 그 이후는 공랭하는 열처리를 하였다.
- 액화가스 산적운반선의 건조에 적용 가능한 저온용 FCW를 이용한 FH강재 용접금속의 인장성질 및 충격인성에 미치는 PWHT 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 용접 그대로(As-weld) 시료 및 PWHT에 따른 미세 조직 변화를 광학현미경과 주사전자현미경(Hitachi, S-2400)으로 관찰하였고, 충격시험시 발생된 파괴 개시점 관찰도 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- . 즉, Fig. 1 b)에서 나타낸 것처럼 표면부로부터 1mm 이하에서 노치가 용접금속의 중앙에 오도록 샤르피 충격시험편으로 제작한 다음 C-Mn강에 적용될 수 있는 최고 온도인 -20℃부터 최저 온도가 될 수 있는 -75℃ 사이의 여러 온도에서 시험 하였다. 또한, 충격값은 각 3개씩 시험하여 평균하여 구하였다.
데이터처리
- 1 b)에서 나타낸 것처럼 표면부로부터 1mm 이하에서 노치가 용접금속의 중앙에 오도록 샤르피 충격시험편으로 제작한 다음 C-Mn강에 적용될 수 있는 최고 온도인 -20℃부터 최저 온도가 될 수 있는 -75℃ 사이의 여러 온도에서 시험 하였다. 또한, 충격값은 각 3개씩 시험하여 평균하여 구하였다.
이론/모형
- 충격시험은 IMO의 액화가스 산적 운반선에 대한 규정에 따라 실시하였다5). 즉, Fig.
성능/효과
- 1) PWHT에 의해 용착금속의 강도는 감소하고, 연신율은 증가하였으며 이는 PWHT에 의한 결정립 성장과 페라이트의 일부가 다각형으로 되는데 기인한 것으로 판단된다. 그러나 PWHT 온도와 시간의 영향은 크게 나타나지 않았다.
- 2) 선급 및 AWS 코드에서 규정하는 범위 내에서는 PWHT 온도 및 시간에 따른 충격인성의 변화는 관찰되지 않았다. 이는 용접금속에서 후 열처리에 의한 2차 상의 석출이 일어나지 않았기 때문이다.
- 3) 충격인성에 미치는 PWHT 영향은 -60℃까지는 크게 나타나지 않았지만 -75℃에서는 용접후 열처리에 의해 충격인성이 저하하는 경향이 나타났다. 이는 용접 후 열처리에 의해 성장된 결정립계에서 벽개파괴의 개시가 보다 용이하기 때문이다.
- 4) 본 시험에 사용된 As-weld 및 PWHT한 모든 시료는 IMO가 요구하는 충격인성을 안정적으로 만족하였다.
- 10은 충격인성에 미치는 PWHT 시간의 영향을 알아보기 위하여 용접 후 580℃의 온도에서 50분 및 100분 열처리한 다음 여러 온도에서 충격시험한 시료의 충격흡수 에너지 값을 조사하여 나타낸 것이다. PWHT 시간에 따른 충격흡수 에너지 값의 차이는 뚜렷하게 나타나지 않았으며, -60℃까지는 후 열처리 재와 As-weld 재에서 유사한 충격 흡수에너지 값을 나타내다가 -75℃의 온도에서는 모든 후 열처리 재는 Asweld 재에 비해 충격인성이 낮아지는 것을 알 수 있다.
- 9는 충격인성에 미치는 용접 후 열처리 온도의 영향을 알아보기 위하여 용접 후 여러 온도에서 50분 동안 열처리한 다음 저온의 여러 온도에서 충격시험한 시료의 충격흡수 에너지 값을 조사하여 나타낸 것이다. PWHT 온도에 따른 뚜렷한 충격흡수 에너지 값의 차이는 나타나지 않았으며, 모든 PWHT재에서 -60℃까지는 As-weld 조건의 용접금속과 유사한 성능을 나타내었지만, -75℃의 온도에서는 As-weld 재에 비해 충격인성이 낮아지고 있는 것을 알 수 있다.
- 한편, 본 시험에 이용된 As-weld 재는 -20~-75℃에서 27J 이상을 만족하였으며, 또한 모든 PWHT 조건의 용접금속에서는 -20~-60℃에서 27J 이상을 만족하는 결과를 나타내었다. 따라서, 액화가스 산적운반선에 대해 IMO에서 요구할 수 있는 모든 범위의 충격인성을 안정적으로 잘 만족하고 있는 것을 알 수 있다.
- As-weld 시료의 용접금속에서 존재하고 있던 페라이트가 PWHT에 의해 성장되어 있는 것을 알 수 있고, 침상의 페라이트 일부가 다각화되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 후 열처리 온도가 높아질수록 페라이트의 크기가 커지고, 다각화되는 양이 많아지고 있는 것을 알 수 있다.
- 이상의 결과로부터 PWHT 하거나, 또는 PWHT 온도와 시간이 증가하여도 충격인성의 변화는 크게 나타나지 않고, 2차상의 석출도 없는 것을 알 수 있다. 따라서 이 결과로부터 PWHT 하거나, 또는 PWHT 온도와 시간이 증가하여도 용접금속의 충격인성 변화가 크게 나타나지 않는 이유는 용접부의 충격인성에 대한 후열처리의 영향을 연구한 Still 등에 의하면 Ti, B 및 Mo이 첨가된 용접금속을 후열처리하면 충격인성이 저하하고 그 이유는 Mo에 의한 Nb(CN)의 석출경화에 기인된다고 하였고3), Park 등은 Cu가 함유된 HSLA 강을 용접 후 열처리하면 용접 열영향부에서 ε-Cu상의 석출에 의해 충격인성이 크게 저하한다고 보고하고1) 있다.
- 이상의 결과로부터 PWHT하면 강도가 낮아지고, 연신율은 증가하며, 열처리 온도가 증가할수록 그리고 시간이 길어질수록 강도와 연신율이 낮아지고 있는 경향을 나타내고 있지만 그 차이는 크지 않은 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 PWHT에 의해 페라이트의 크기가 성장하고, 전위밀도가 높은 침상페라이트의 분율이 적어지며 상대적으로 다각형 페라이트의 양이 많아지는데 기인된다고 판단된다9-10).
- 한편, 본 시험에 이용된 As-weld 재는 -20~-75℃에서 27J 이상을 만족하였으며, 또한 모든 PWHT 조건의 용접금속에서는 -20~-60℃에서 27J 이상을 만족하는 결과를 나타내었다. 따라서, 액화가스 산적운반선에 대해 IMO에서 요구할 수 있는 모든 범위의 충격인성을 안정적으로 잘 만족하고 있는 것을 알 수 있다.
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