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문제 정의
- 이 경우 용접금속 인성은 단순히 용접금속 조직 이외에 WM-HAZ의 형성 정도에도 영향을 받을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 다층용접 시 입열량과 예열/패스간 온도 이외에 WM-HAZ 형성이 용접금속 충격인성에 미치는 영향도 함께 조사하였다.
- (2006)은 고장력강을 다층 용접한 경우 예열/패스간 온도의 증가는 입열량 증가와 동일한 조직변화를 나타내어 인장강도를 감소시킨다고 하였다. 본 연구에서는 다층용접 시 입열량과 예열/패스간 온도가 와이어 합금원소 회수율, 용접금속 조직, 그리고 강도에 미치는 영향을 비교하였다.
제안 방법
- (2008)은 입열량을 결정하는 용접변수인 전류, 전압, 속도를 개별적으로 변화시켜 실험한 결과, 전류와 속도의 증가는 와이어 중 Si, Mn 등의 산화손실을 억제하여 용접금속으로의 회수율을 증가시키는 반면, 전압의 증가는 이들의 산화손실을 촉진시켜 회수율을 감소시킨다고 보고하였다. 본 실험에서는 입열량을 증가시키기 위하여 전류, 전압, 속도를 동시에 변경 시켰다. 즉 Table 2의 용접조건에서 나타낸 것처럼 전류와 전압은 증가시키고 속도는 감소시켰다.
- (2006)은 다층용접 금속의 충격시험 결과 충격시편 노치위치에서 이러한 세립의 WM-HAZ 부분이 많아질수록 충격인성이 증가하는 것을 관찰하였다. 본 실험에서도 이러한 경향을 확인하기 위하여 충격시험편 노치위치에서 연속사진을 촬영한 후 WM-HAZ 길이를 측정하여 충격 인성과의 상관성을 조사하였다. Fig.
- 와이어의 성분 분석은 와이어 그대로 상태에서 KS D1673(강의 유도결합 플라즈마 방출 분광분석방법)에 의거하여 행하였다. 용접 입열량은 전류, 전압, 속도를동시에 변화시켜 20~46kJ/cm로 변경하였으며 예열/패스간 온도는 100℃와 200 ℃로 변경하였다. Table 2에 상세한 용접조건과 용접이음부 형상을 나타내었다.
- 용접 후 용접금속의 화학조성은 용접금속 중앙에서 시편을 채취하여 발광분광분석법으로 확인하였다. 용접금속의 기계적 성질은 인장 및 충격 시험을 행하여 측정하였다. 인장시험은 JIS Z3111 A2호 시험편을 용접금속 중앙부에서 채취하여 상온에서 행하였으며, 충격시험은 판 두께의 1/2 위치 (판 표면에서 9.
- 용접변수인 전류, 전압, 속도를 동시에 변화시켜 입열량을 20~45kJ/cm로 변화시키고 예열/패스간 온도를 100℃와 200℃로 변경하여 다층용접한 용접금속의 강도 및 충격인성에 미치는 입열량과 예열/패스간 온도의 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 입열량과 예열/패스간 온도의 증가는 용접금속의 냉각속도를 저하시켜 조직변태에도 영향을 미치므로 각 용접금속의 조직관찰을 행하였다. Fig.
대상 데이터
- 이때 조직들은 International Institute of Welding(IIW) Doc. IX-1533-88에 따라 프라이머리 페라이트(Primary ferrite, PF), 침상페라이트(Acicular ferrite, AF), 그리고 제2상을 수반하는 페라이트(Ferrite with second phase, FS)로 대별하였다. IIW에 따르면 입계페라이트와 입내의 다각형 페라이트를 PF, 입내에서 종횡비가 4:1 이하이며 일렬로 배열하지 않는 작은 페라이트를 AF, 그리고 입내에서 종횡비가 4:1 이상이며 둘 이상이 일렬로 배열하는 페라이트를 FS로 구분한다.
- 두께 20mm인 JIS SM 570 압연강 (인장강도 620 MPa, 항복 강도 460MPa, 연신율 26%)을 양면을 0.5mm 씩 연삭하여 두께19mm로 만든 다음 길이 500mm, 폭 200mm로 절단하였다. 길이 방향에 Single bevel groove를 가공하여 AWS E80T1-Ni1에 해당하는 직경 1.
- 이러한 차이는 두 실험에서의 용접금속 강도와 WM-HAZ 길이의 차이 등에 기인하는 것으로 판단된다. 앞서의 보고에서 사용한 용접금속들의 강도는 750~700MPa, WM-HAZ 길이는 1.5~6.5mm인 반면, 본 실험에서는 각각 550~664MPa, 2.5~4.5mm이다. 즉 본 실험에서 사용한 용접금속들은 앞서의 실험에 비하여 강도 차이는 크나 WM-HAZ 길이 차이는 작았다.
- 각 조건에서 모든 패스의 용접조건은 동일하게 유지하였다. 용접 중 예열/패스간 온도는 용접선 길이의 1/2 위치(250mm)에서 Groove로부터 약 10mm 떨어진 곳의 판 표면에서 접촉식 온도계를 사용하여 측정하였다. 용접 후 용접금속의 화학조성은 용접금속 중앙에서 시편을 채취하여 발광분광분석법으로 확인하였다.
- 용접금속의 기계적 성질은 인장 및 충격 시험을 행하여 측정하였다. 인장시험은 JIS Z3111 A2호 시험편을 용접금속 중앙부에서 채취하여 상온에서 행하였으며, 충격시험은 판 두께의 1/2 위치 (판 표면에서 9.5mm)에서 표준 Charpy 충격시험편을 가공하여 0℃에서 행하였다. 이때 노치는 용접금속 중앙에서 용접선 길이에 수직이 되도록 가공하였다.
데이터처리
- 즉 Table 2의 용접조건에서 나타낸 것처럼 전류와 전압은 증가시키고 속도는 감소시켰다. 이러한 경우에도 각 변수가 동일한 영향을 나타내는지 확인하기 위하여 본 실험에서의 회수율을 앞서의 실험에서 회수율과 함께 회귀분석을 행하였다. 그 결과 각 원소의 회수율과 전류(I), 전압(V), 속도(S)와의 관계는 다음과 같은 관계식을 나타내었다.
이론/모형
- Table 1에 사용한 와이어와 모재의 화학성분을 나타내었다. 와이어의 성분 분석은 와이어 그대로 상태에서 KS D1673(강의 유도결합 플라즈마 방출 분광분석방법)에 의거하여 행하였다. 용접 입열량은 전류, 전압, 속도를동시에 변화시켜 20~46kJ/cm로 변경하였으며 예열/패스간 온도는 100℃와 200 ℃로 변경하였다.
- 용접 중 예열/패스간 온도는 용접선 길이의 1/2 위치(250mm)에서 Groove로부터 약 10mm 떨어진 곳의 판 표면에서 접촉식 온도계를 사용하여 측정하였다. 용접 후 용접금속의 화학조성은 용접금속 중앙에서 시편을 채취하여 발광분광분석법으로 확인하였다. 용접금속의 기계적 성질은 인장 및 충격 시험을 행하여 측정하였다.
- IIW에 따르면 입계페라이트와 입내의 다각형 페라이트를 PF, 입내에서 종횡비가 4:1 이하이며 일렬로 배열하지 않는 작은 페라이트를 AF, 그리고 입내에서 종횡비가 4:1 이상이며 둘 이상이 일렬로 배열하는 페라이트를 FS로 구분한다. 이들 각 조직들의 비율은 배율 500배에서 영상분석장치를 사용하여 최소 500점 이상의 점산법으로 측정하였다.
성능/효과
- (1) 입열량의 증가는 와이어 합금원소의 탈산손실을 증가시키고 용접금속 중 AF 비율을 저하시켰으나, 예열/패스간 온도의 증가는 AF 비율만을 다소 감소시켰다. 그 결과 입열량의 증가에 따른 강도 저하가 예열/패스간 온도에 따른 강도 저하보다 훨씬 컸다.
- (2) 입열량의 증가에 따라 와이어 합금원소 중 Mn의 탈산손실이 가장 커 용접금속 회수율이 가장 낮았다. 따라서 전류의 증가나 속도의 감소보다 전압의 증가가 훨씬 큰 영향을 나타내었다.
- (3) 입열량의 증가에 따라 충격인성은 증가하였으나 45kJ/cm에서 과도한 AF 비율의 감소로 다시 저하하였다. 예열/패스간 온도와 다층용접에서 후속패스에 의해서 형성되는 WM-HAZ 길이는 본 실험범위에서 충격인성에 큰 영향을 미치지 않았다.
- 즉 20kJ/cm의 경우 100℃와 200℃에서 각각 85%와 75%, 46kJ/cm 에서는 각각 60%와 53%를 나타내었다. 결과적으로 입열량 및 예열/패스간 온도의 증가는 모두 AF 비율을 감소시키나 그 영향은 입열량이 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 앞서 관찰한 예열/패스간 온도의 증가가 와이어 합금원소의 회수율에 큰 영향을 미치지 않음에도 인장강도를 다소 저하시키는 이유는 이러한 AF 비율의 감소 때문임을 알 수 있다.
- (1) 입열량의 증가는 와이어 합금원소의 탈산손실을 증가시키고 용접금속 중 AF 비율을 저하시켰으나, 예열/패스간 온도의 증가는 AF 비율만을 다소 감소시켰다. 그 결과 입열량의 증가에 따른 강도 저하가 예열/패스간 온도에 따른 강도 저하보다 훨씬 컸다.
- 하지만 전체적인 효과는 회수율의 저하로 나타났다. 따라서 본 실험과 같이 세 변수를 동시에 변화시켜 입열량을 증가시키는 경우 회수율에 미치는 영향은 전류의 증가보다 전압의 증가나 속도의 감소가 훨씬 큰 것을 알 수 있다. Grong(1994)와 Bang et al.
- 또한 초당 수십 개이상 이행하는 구형의 용적을 생각하면 산소와 접촉하여 탈산반응이 일어나는 표면적도 아주 넓을 것이다. 따라서 본 실험과 같이 세 변수를 동시에 변화시켜 입열량을 증가시키는 경우 회수율의 저하는 세 변수 중 전압이 가장 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- (2) 입열량의 증가에 따라 와이어 합금원소 중 Mn의 탈산손실이 가장 커 용접금속 회수율이 가장 낮았다. 따라서 전류의 증가나 속도의 감소보다 전압의 증가가 훨씬 큰 영향을 나타내었다. 이는 전압의 증가가 아크 길이를 길게 하여 용적이 아크 중을 이행하는 동안 탈산손실 되는 시간이 길어지기 때문이다.
- (3) 입열량의 증가에 따라 충격인성은 증가하였으나 45kJ/cm에서 과도한 AF 비율의 감소로 다시 저하하였다. 예열/패스간 온도와 다층용접에서 후속패스에 의해서 형성되는 WM-HAZ 길이는 본 실험범위에서 충격인성에 큰 영향을 미치지 않았다.
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