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문제 정의
- 본 연구의 목적은 산업 수요에 따라 해양구조물 설치에 맞은 재료 탐색의 일환으로써, GTA용접법을 이용한 STS 316L강과 A516강의 이종금속접합을 실시하고 용접부에서의 미세조직, 기계적 성질 내식성을 조사하는데 있다.
제안 방법
- 미세조직은 경면 연마 후 왕수(질산+염산)와 나이탈 3% 용액(질산+알코올)으로 에칭하여 관찰하였고. X-선 회절기(XRD)를 이용하여 상분석을 하였다. 또한 용접부의 페라이트량과 화학성분은 각각 Ferrite scope와 EDS를 사용하여 분석하였다.
- X-선 회절기(XRD)를 이용하여 상분석을 하였다. 또한 용접부의 페라이트량과 화학성분은 각각 Ferrite scope와 EDS를 사용하여 분석하였다. 용접부의 기계적 특성은 마이크로 비커스 경도기로 하중 1kgf 으로 실시하였다.
- 미세조직은 경면 연마 후 왕수(질산+염산)와 나이탈 3% 용액(질산+알코올)으로 에칭하여 관찰하였고. X-선 회절기(XRD)를 이용하여 상분석을 하였다.
- 본 연구는 스테인리스강 STS 316L과 탄소강 A516-70을 3가지 입열량(9.0, 11.25, 13.5kJ/cm)으로 GTAW로 이종금속을 2층으로 용접 후 용접부의 특성을 조사하기 위해 미세조직 관찰, 페라이트량 및 성분분석, 경도시험과 부식시험을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 용접부의 기계적 특성은 마이크로 비커스 경도기로 하중 1kgf 으로 실시하였다. 용접부와 모재의 부식특성을 평가하기 위해 KDS 9502 표준 염수(NaCl) 분무 시험을 실시하였다. 용액의 농도는 50g/L이며 시간은 2, 6, 12, 24, 48, 96, 192h였다.
- 또한 용접부의 페라이트량과 화학성분은 각각 Ferrite scope와 EDS를 사용하여 분석하였다. 용접부의 기계적 특성은 마이크로 비커스 경도기로 하중 1kgf 으로 실시하였다. 용접부와 모재의 부식특성을 평가하기 위해 KDS 9502 표준 염수(NaCl) 분무 시험을 실시하였다.
- 본 연구에서 사용된 모재는 200(L)×100(W)×6(T)mm의 오스테나이트계 STS316L과 A516-70 탄소강을 사용하였고, 루트간격 2-3mm, 개선각 60°로 하여. 이종금속 용접을 실시하였다. 용가재는 Φ2.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 모재는 200(L)×100(W)×6(T)mm의 오스테나이트계 STS316L과 A516-70 탄소강을 사용하였고, 루트간격 2-3mm, 개선각 60°로 하여.
- 용가재는 Φ2.4 ER309(AWS)를 사용하여, 아르곤 가스 분위기에서 GTAW 직류역극성 (DCRP)으로 이종금속용접을 하였다.
성능/효과
- 1) 용접부의 미세조직은 Vermicular 페라이트 형태의 δ-ferrite가 형성되었다. 입열량이 증가함에 따라 페라이트 분율이 증가하였다.
- 2) 초층의 용접부 응고모드는 셀형이고 상층의 용접부 응고는 수지상정 모드가 지배적이었는데 이는 냉각 속도 차이 때문으로 사료된다.
- 3) 용접부에서 입열량이 증가함에 따라 페라이트 양이 증가하였고 또한 입열량 증가에 따라 Creq이 증가하고 Nieq은 감소하였다. 이에 따라 입열량이 증가함에 따라 초층과 상층에서의 Creq/Nieq 값은 증가하였다.
- 4) 용접부의 경도는 입열량이 낮을수록 높았다. 그리고 용융선에 인접한 HAZ에서는 경한 미세조직 생성으로 경도가 모재와 용접부보다 높았다.
- 5) 이종금속 용접부의 부식은 A516에서 발생하였고 STS316L은 거의 부식되지 않았다. 부식시간이 약 100시간까지는 부식에 의한 무게 감소량이 일정하게 증가하였으나 그 이상에서는 무게 감소량이 약간 감소하는 경향을 보였다.
- 7%이나 탄소강은 Cr을 함유하지 않고 있다. EDX 성분분석 결과 용접부의 Cr함유량은 초층에서는 12-17%, 상층에서는 18-22%로서 초층에서는 모재 STS 316L 함유량 보다 낮고 상층에서는 더 높았다. Ni함유량은 모재 STS 316L이 12.
- EDX 성분분석 결과 용접부의 Cr함유량은 초층에서는 12-17%, 상층에서는 18-22%로서 초층에서는 모재 STS 316L 함유량 보다 낮고 상층에서는 더 높았다. Ni함유량은 모재 STS 316L이 12.77%, 모재 A516은 0%, 용가재는 11.8%이었으나 초층에서 Ni이 8-12%, 상층에서 11-13%로서 모재의 Ni 함유량과 비슷하거나 높은 함유량을 보여주고 있다. 그리고 Cr과 Ni 경우 상층부로 갈수록 함유량이 증가하였으나 C 함량은 감소하였다.
- 8은 모재 STS 316L, A516와 입열량별로 용접된 용접부의 XRD 상 분석 결과를 나타내었다. 격자분석을 통해 A516은 BCC구조이고, STS 316L은 FCC 구조임을 확인하였다. 용접부에서는 A516과 STS 316L 모재에서 검출되었던 피크와 2Θ, hkl격자가 혼합되어 나타나고 있음을 알 수 있다.
- 4) 용접부의 경도는 입열량이 낮을수록 높았다. 그리고 용융선에 인접한 HAZ에서는 경한 미세조직 생성으로 경도가 모재와 용접부보다 높았다. 탄소강 A516에 인접한 HAZ에서는 상부 베이나이트와 페라이트 사이드플레이트를 포함한 경한 조직 생성 때문으로 보인다.
- 5) 이종금속 용접부의 부식은 A516에서 발생하였고 STS316L은 거의 부식되지 않았다. 부식시간이 약 100시간까지는 부식에 의한 무게 감소량이 일정하게 증가하였으나 그 이상에서는 무게 감소량이 약간 감소하는 경향을 보였다. 그러나 입열량에 따른 용접부의 부식에 의한 무게 감소량에는 큰 차이가 없었다.
- 9의 용접부 성분분석 결과로부터 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 Creq/Nieq의 비율을 구한 것이다. 이를 보면 입열량이 증가함에 따라 초층, 상층에서 Creq은 증가하고 Nieq는 감소하였으며, 입열량에 관계없이 초층보다 상층의 Creq/Nieq 값이 더 높다. 이것은 Creq/Nieq 값이 증가할수록 페라이트 함유량이 증가하는 것은 Fig.
- 페라이트 분율 측정 결과 입열량이 증가할수록 페라이트의 함유량이 높아지는 경향이 있는데 입열량 11.25kJ/cm와 13.00kJ/cm에서는 페라이트의 함유량이 거의 유사하다. 이는 GTAW와 같은 저입열 용접법에서 나타나는 전형적인 특징인데, 입열량 증가에 따라 용가재의 용착량이 증가하여 페라이트 생성원소인 Creq/Nieq의 비율의 증가가 그 원인으로 보인다.
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