[논문]슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 TIG 용접에서 질소 침투 모델에 관한 연구

이재형; 정병호; 조상명; 전재호

doi:10.5781/jwj.2015.33.3.68

슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 TIG 용접에서 질소 침투 모델에 관한 연구
A study of model for nitrogen permeation in TIG welding of super duplex stainless steel 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.3, 2015년, pp.68 - 74

이재형 (두산중공업 원자력 생산기술2팀) , 정병호 (부경대학교 금속공학과) , 조상명 (부경대학교 신소재시스템공학과) , 전재호 (부경대학교 신소재시스템공학과 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Superduplex stainless steels are important materials to the oil and gas industry, especially for off-shore production. TIG welding of super duplex stainless steels to obtain the optimal phase balance between austenite and ferrite is mainly achieved by controlling the cooling rate and the weld chemistry. The latter depends on the filler wire chosen and the shielding gas used. If TIG welding of superduplex stainless steels is performed with argon shielding gas only, then nitrogen gets lost from the weld pool, which can result in a ferrite-rich weld metal, with an inferior corrosion resistance than parent metal. In the present study, nitrogen permeation model from the shield gas which gets into the weld metal in DCEN-TIG welding has suggested. This plasma stream model shows characteristics of permeation of nitrogen ions into the molten metal due to the strong physical effect of plasma stream which formed by the arc pressure rather than the permeation of nitrogen ions caused by electric effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 TIG 용접 시 형성되는 전장(Electric field)과 또 질소가 플라즈마 내에 존재할 수 있는지에 대해서는 명확하지 않다. 따라서 본 연구는 질소가 용접금속으로 침투하는 것에 대해 아크 압력의 영향을 고려한 좀 더 개선된 모델을 제시하고자 하였으며, 또 제시된 모델의 타당성을 입증하기 위해 실드가스의 조성과 아크길이(Arc length)를 변경하여 용접금속 내의 질소 함유량을 먼저 조사하였다.

제안 방법

Fig. 2는 아크길이 변화에 따른 용접금속 내의 질소 함유량 변화를 알기 위한 모식도로, 용가재(Filler metal) 없이 Melt run 용접을 통해 아크길이 변화에 따른 용접금속 내의 질소 침투 현상을 조사하였다. Table 4는 사용한 모재의 화학성분을 나타낸 것이며, Table 5에는 STS 304에 대한 Melt run 용접조건을 나타내었다.
2mm)을 사용, 아래보기 자세로 아크전류 200A, 실드가스로는 98%Ar+2%N₂ 혼합가스를 사용하였다. 또 아크길이 변화에 따른 용접금속 내의 질소 함유량을 비교하기 위하여 아크길이를 3, 6, 9mm로 각각 변경하며 동일한 조건으로 용접을 실시하였다.

대상 데이터

Table 4는 사용한 모재의 화학성분을 나타낸 것이며, Table 5에는 STS 304에 대한 Melt run 용접조건을 나타내었다. DCEN-TIG 용접은 2%Th-W(직경 3.2mm)을 사용, 아래보기 자세로 아크전류 200A, 실드가스로는 98%Ar+2%N₂ 혼합가스를 사용하였다. 또 아크길이 변화에 따른 용접금속 내의 질소 함유량을 비교하기 위하여 아크길이를 3, 6, 9mm로 각각 변경하며 동일한 조건으로 용접을 실시하였다.
TIG 용접은 DCEN(직류정극성)으로 2% Th-W(Φ 3.2mm)을 사용, 아래보기 자세로 아크전류 190A, 아크길이 3mm로 실시하였다.
Table 3은 사용한 용접봉의 화학성분을 나타낸다. 그리고 Weld Rod는 Table 2의 ER 2594를 사용하였으며, TIG 용접은 DCEN (직류정극성)으로 2% Th-W(직경 3.2mm)을 사용, 아래보기 자세로 아크전류 190A, 아크길이 3mm로 실시하였다. 용접 후 시험편의 질소 함유량을 비교하기 위하여 실드가스는 100%Ar과 98%Ar+2%N₂ 혼합가스의 두 종류를 사용하였다.
2mm)을 사용, 아래보기 자세로 아크전류 190A, 아크길이 3mm로 실시하였다. 그리고 실드가스는 98%Ar+2%N₂ 혼합가스를 사용, STS 304 모재 위에 4층(4mm)으로 오버레이 용접을 실시하였으며, Weld Rod는 Table 2의 ER 308L을 사용하였다. 또 N₂O₂ 분석 시험편은 모재와의 희석(Dilution)을 고려하여 오브레이 용접부의 최상층에서 채취하였다.
그리고 실드가스는 98%Ar+2%N₂ 혼합가스를 사용, STS 304 모재 위에 4층(4mm)으로 오버레이 용접을 실시하였으며, Weld Rod는 Table 2의 ER 308L을 사용하였다. 또 N₂O₂ 분석 시험편은 모재와의 희석(Dilution)을 고려하여 오브레이 용접부의 최상층에서 채취하였다.
슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 용접에 사용되는 ER 2594 용접금속의 N₂O₂ 분석을 위해 제작한 시험편의 모식도는 Fig. 1과 동일하다. Table 3은 사용한 용접봉의 화학성분을 나타낸다.
2mm)을 사용, 아래보기 자세로 아크전류 190A, 아크길이 3mm로 실시하였다. 용접 후 시험편의 질소 함유량을 비교하기 위하여 실드가스는 100%Ar과 98%Ar+2%N₂ 혼합가스의 두 종류를 사용하였다. 용접은 STS 304 모재에 ER 2594로 4층(4mm) 오버레이 용접을 실시하였으며, 모재와의 희석을 고려하여 N₂O₂ 분석 시험편은 용접부의 최상층에서 채취하였다.
용접 후 시험편의 질소 함유량을 비교하기 위하여 실드가스는 100%Ar과 98%Ar+2%N₂ 혼합가스의 두 종류를 사용하였다. 용접은 STS 304 모재에 ER 2594로 4층(4mm) 오버레이 용접을 실시하였으며, 모재와의 희석을 고려하여 N₂O₂ 분석 시험편은 용접부의 최상층에서 채취하였다.

성능/효과

23 wt.%인데 비해 100%Ar으로 용접한 경우는 용접금속의 질소 함유량이 0.1188%로 측정되어 질소량은 0.1112% 감소되었고, 또 98%Ar+2%N₂ 혼합가스를 사용한 경우에는 용접금속의 질소 함유량이 0.2630%로 질소량은 0.033% 증가하였다. 이러한 이유는 100% Ar의 실드가스를 사용하면 용접금속 내의 질소와 실드가스 중의 질소의 분압차이로 인해 탈 질소가 발생하기 때문이며, 또 2%N₂가 혼합된 실드가스를 사용 시 용접금속 내의 질소가 용접봉의 질소 함량보다 증가한 이유는 실드가스 중의 질소가 용접금속 내로 침투하였기 때문이다
1) 0.23%의 질소를 함유한 슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 DCEN-TIG 용접에서 실드가스로 100% Ar을 사용하면 용접금속의 질소는 감소하였지만, 98%Ar-2%N₂의 혼합가스를 사용하면 용융금속으로 질소가 침투하여 용접금속에 질소가 증가하였다.
2) 아크길이의 증가로 아크압력이 증가되어 용접금속 내의 질소 침투량은 증가하였다.
3) 용접금속 내로의 질소 침투에 관한 플라즈마 스트림 모델은 질소 양이온들이 전기적 작용보다는 아크압력으로 형성되는 플라즈마 스트림의 강한 물리적 작용으로 인해 용융금속에 충돌·침투하는 특징을 가진다.
이와 같이 용접금속 내의 질소 손실을 방지하기 위해서는 100%Ar 실드가스를 사용하는 것 보다 98%Ar+2%N₂혼합가스를 사용하는 것이 좋으며, 또 아크길이를 증가시키면 질소의 침투 량도 증가한다고 판단된다. 따라서 98%Ar+2%N₂ 혼합가스의 사용은 용접금속의 질소 손실을 방지할 수 있어 PREN의 감소와 상균형(Phase balance)도 제어할 수 있는 유용한 방법으로 생각된다.
즉, 아크길이가 증가하면 아크 압력이 증가하기 때문에 많은 양의 질소가 침투된다고볼 수 있다. 이와 같이 용접금속 내의 질소 손실을 방지하기 위해서는 100%Ar 실드가스를 사용하는 것 보다 98%Ar+2%N₂혼합가스를 사용하는 것이 좋으며, 또 아크길이를 증가시키면 질소의 침투 량도 증가한다고 판단된다. 따라서 98%Ar+2%N₂ 혼합가스의 사용은 용접금속의 질소 손실을 방지할 수 있어 PREN의 감소와 상균형(Phase balance)도 제어할 수 있는 유용한 방법으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 상의 균형을 맞추기 위하여 무엇이 필요한가?	일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 γ상과 α상이 1:1로 존재 할 때 가장 높은 성능을 발휘한다. 이러한 상의 균형을 맞추기 위하여 용접이음부의 냉각속도 제어, 용접금속(Weld metal)의 화학조성 제어가 필요하다. 이음부의 냉각속도 조절은 입열과 층간온도로 이루어지고 용접금속의 화학 조성은 용접재료와 실드가스(Shield gas)에 영향을 받는다1).
	슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 장점은 무엇인가?	슈퍼듀플렉스 스테인리스강(Super Duplex Stainless Steel)은 높은 강도와 내식성으로 최근 원자력 설비 분야에 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 γ상과 α상이 1:1로 존재 할 때 가장 높은 성능을 발휘한다.
	듀플렉스 스테인리스강은 언제 가장 높은 성능을 발휘하는가?	슈퍼듀플렉스 스테인리스강(Super Duplex Stainless Steel)은 높은 강도와 내식성으로 최근 원자력 설비 분야에 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 γ상과 α상이 1:1로 존재 할 때 가장 높은 성능을 발휘한다. 이러한 상의 균형을 맞추기 위하여 용접이음부의 냉각속도 제어, 용접금속(Weld metal)의 화학조성 제어가 필요하다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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