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문제 정의
- 두 시험편의 대입열 용접 후, 인장실험을 바탕으로 파단 발생 위치를 확인하고자 하였다. 이를 위해 10-3/s의 stain rate로 인장실험을 실시하여 각 시편 별 도출된 항복강도 및 인장강도를 비교하였다.
- 하지만, 통상 입열 대비 대입열의 용접은 고온 유지 시간이 길며 WM/HAZ의 기계적 물성치가 크게 감소된다. 따라서, 본 연구는 대입열 용접 시, 높은 입열량에 의해 야기되는 결정립 조대화를 억제하기 위해, 대입열 용접용 강재 내석출된 TiN 및 WM 내 첨가된 B이 CGHAZ 내 입계 pinning 효과에 미치는 영향을 분석하였다. 주요 실험결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 따라서, 본 연구에서는 미세 TiN이 석출된 대입열 용접용 후판 강재를 대상으로, 대입열 아크용접 시, TiN이 HAZ 결정립 미세화에 미치는 효과를 규명함과 동시에, 용접재료 내 첨가된 소량의 B이 HAZ로 확산되어 존재하는 형태를 근거로, 대입열 용접을 위한 금속학적 전략에 대해 학술적 관점에서의 논의를 진행하고자 한다.
제안 방법
- 1에 와이어의 단면 형상을 나타내었다. BM과 WM의 물성 및 전기화학적 전위 차이를 최소화시키기 위해 용접재료의 주요 합금 조성은 B 및 Ti을 제외하고 모재의 성분과 유사하도록 설계하였다. 모재 및 용접재료의 화학적 성분조성은 Table 1에 자세히 나타내었다.
- SIMS 분석의 경우, O2+를 primary ion source로 활용하였으며 인가 전류 및 이온빔 충격에너지는 각각 500 pA, 7.5 keV로 조대결정립 열영향부(CGHAZ)의 180 × 180 μm 영역 내 B, Ti, N 및 TiN, 이온을 검출대상으로 하여 분석하였다.
- 198 정도로, KS D 5994의 규격 상한치를 만족한다. 개발재의 경우, 대입열 용접이 적합하도록 강재 내 미세 TiN 석출물 형성을 목표로 소량의 Ti 및 N을 첨가하였고, cementite의 형성 억제를 목적으로 Si을 소량 첨가하였다.
- 3(c)]을 나타낸다. 그리고 CGHAZ의 결정립 크기 및 형상을 OM을 사용하여 관찰하였고 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Steel A와 B의 CGHAZ 길이는 각각 1.
- 대입열 tandem 용접 후, 일반재(steel A)와 대입열용 개발재(steel B) HAZ의 미세조직 형상을 관찰하기 위해, 광학현미경(optical microscope, OM)을 활용하였다.
- 두 시험편 WM/HAZ 내 형성된 미세조직을 바탕으로 기계적 물성을 평가하기 위해 인장시험 및 충격인성평가를 실시하였다. Fig.
- 이를 위해 10-3/s의 stain rate로 인장실험을 실시하여 각 시편 별 도출된 항복강도 및 인장강도를 비교하였다. 또한, 각 시편에 대해, WM 및 HAZ의 충격인성을 평가하기 위해 WM, fusion line (FL), FL + 1~7 mm의 영역에서 시편을 획득하여 노치 형성 후 0 ℃ 온도에서 샤르피 충격 실험을 실시하였다.
- 2는 본 연구에 사용된 대입열 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW)의 개선각 및 루트갭 등의 용접 조건을 나타낸 간단한 모식도이다. 우선 모재를 80 ℃에서 예열한 후, tandem 용접으로, 선행 및 후행 토치를 30 mm의 간격으로 유지하여 하나의 용융 pool 내에 포함되도록 용접을 진행하였다. 선행토치의 경우, 깊은 용입 형성을 위해 직류전류로 대략 108 kJ/cm의 입열로 제어하였고, 후행토치의 경우 WM을 적절히 채워주기 위해 교류전류로 대략 95.
- 대입열 용접 특성상, 결정립 크기가 조대하게 성장하며 전체 CGHAZ 면적이 높을 것으로 예상되나, 대입열용 개발재의 경우 CGHAZ 내 결정립 성장이 효과적으로 제어된 것으로 판단할 수 있다. 이는 강재 내 형성된 미세석출물의 입계 pinning 효과에 따른 결과로 짐작되며, 이를 명확히 확인하기 위해 TEM replica 분석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 미세하게 분산된 석출물이 관찰되며 TEM의 회절패턴[Fig.
- 두 시험편의 대입열 용접 후, 인장실험을 바탕으로 파단 발생 위치를 확인하고자 하였다. 이를 위해 10-3/s의 stain rate로 인장실험을 실시하여 각 시편 별 도출된 항복강도 및 인장강도를 비교하였다. 또한, 각 시편에 대해, WM 및 HAZ의 충격인성을 평가하기 위해 WM, fusion line (FL), FL + 1~7 mm의 영역에서 시편을 획득하여 노치 형성 후 0 ℃ 온도에서 샤르피 충격 실험을 실시하였다.
- TEM 분석의 경우, 시편을 replica 기법을 통해 제작하였다. 이를 위해, 연마된 시편을 AA 용액(890 ml methanol + 100 ml acetylacetone + 10 g tetramethylammonium chloride)에서 에칭하고 표면에 탄소 코팅을 실시한 후, AA 용액 내, 탄소 코팅 분리 시 코팅층에 접착된 석출물을 구리 grid 위에 옮겨 TEM으로 관찰하는 절차를 거쳤다.
- 7에 나타내었다. 이차이온 질량을 측정하는 SIMS 분석에서 TiN map의 경우 Ti과 N 이온 질량이 각각 48과 14로, 전체 62의 질량으로 검출된 성분을 TiN이라 판단하는 방식으로 측정하였다. EDS 분석과 마찬가지로 TiN 및 B은 유사한 위치에서 검출되었으며 1,400 ℃ 정도의 고온에서 열적 안정성이 다소 낮을 것으로 예상되는 TiN 대비 B의 검출량이 높게 측정 되었다.
대상 데이터
- 본 대입열 용접연구에 사용된 재료(BM)는 두 가지 건축구조용 강재[일반재(SM490), 대입열용 개발재]로서 대략 500 MPa급의 인장강도를 갖는 고강도 강재이다. 강재의 비커스 경도는 260~290 hv 정도이며, 탄소당량 및 용접균열지수는 각각 0.
이론/모형
- 또한, 미세조직 내 석출된 석출물의 형상 및 조성을 분석하기 위해, 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 및 에너지 분산형 분광분석법(energy dispersive spectrometer, EDS)이 사용되었다. TEM 분석의 경우, 시편을 replica 기법을 통해 제작하였다. 이를 위해, 연마된 시편을 AA 용액(890 ml methanol + 100 ml acetylacetone + 10 g tetramethylammonium chloride)에서 에칭하고 표면에 탄소 코팅을 실시한 후, AA 용액 내, 탄소 코팅 분리 시 코팅층에 접착된 석출물을 구리 grid 위에 옮겨 TEM으로 관찰하는 절차를 거쳤다.
- 또한, 미세조직 내 석출된 석출물의 형상 및 조성을 분석하기 위해, 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 및 에너지 분산형 분광분석법(energy dispersive spectrometer, EDS)이 사용되었다. TEM 분석의 경우, 시편을 replica 기법을 통해 제작하였다.
- 용접재료 내 소량 첨가된 B 성분의 HAZ 확산에 대한 가능여부 및 존재 형태를 확인하기 위해 이차이온질량분석(secondary-ion mass spectroscopy, SIMS)을 활용하였다. SIMS 분석의 경우, O2+를 primary ion source로 활용하였으며 인가 전류 및 이온빔 충격에너지는 각각 500 pA, 7.
성능/효과
- 1) 미세조직 관찰 결과, 일반 강재(steel A) 대비 대입열 용접용 강재(steel B)의 CGHAZ가 좁고 결정립이 미세함을 확인하였다. TEM 분석 결과, 미세조직 내 70 nm 이하의 TiN 석출물이 분포되어 있음을 확인되었다.
- 2) EDS 및 SIMS 분석결과, B이 용접재료로부터 HAZ 쪽으로 확산하여 Ti 및 N이 석출된 계면부에 존재함을 확인하였다. 따라서, B은 분해된 TiN 쪽으로 몰려 BN 을 형성함과 동시에 잔존 TiN의 열적 안정성을 향상시킨다 추측되었다.
- 3) Steel A 및 steel B의 WM, FL, FL 인근 영역의 미세조직 관찰결과, steel A는 B 대비 상대적으로 PAGS가 크며, Steel B 내 형성된 intergranular ferrite와 달리 미세조직 내 upper bainite를 형성하였다. 인장시험결과, Steel B의 항복 및 인장강도가 높게 측정되었고 충격인성평가 결과, Steel B는 WM, FL 및 FL 인근 전 영역의 인성 값이 요구치를 만족한 반면 Steel A는 FL 인근 CGHAZ에서 요구되는 인성 값을 만족하지 못했다.
- 이차이온 질량을 측정하는 SIMS 분석에서 TiN map의 경우 Ti과 N 이온 질량이 각각 48과 14로, 전체 62의 질량으로 검출된 성분을 TiN이라 판단하는 방식으로 측정하였다. EDS 분석과 마찬가지로 TiN 및 B은 유사한 위치에서 검출되었으며 1,400 ℃ 정도의 고온에서 열적 안정성이 다소 낮을 것으로 예상되는 TiN 대비 B의 검출량이 높게 측정 되었다. 특히, B의 검출량이 높게 측정된 영역의 경우, 1,400 ℃ 인근 고온에서도 일부 잔존하여 검출이 되었다고 판단되는 TiN의 검출량이 높은 영역과 동일한 위치였음을 확인할 수 있었다.
- 1) 미세조직 관찰 결과, 일반 강재(steel A) 대비 대입열 용접용 강재(steel B)의 CGHAZ가 좁고 결정립이 미세함을 확인하였다. TEM 분석 결과, 미세조직 내 70 nm 이하의 TiN 석출물이 분포되어 있음을 확인되었다.
- 본 연구에 활용된 TEM, EDS 및 SIMS 분석만을 바탕으로 CGHAZ 내 B의 정확한 존재 형태에 대한 명확한 검증은 힘드나, Ti, N 및 TiN의 인근 영역에서 B이 검출된 내용을 바탕으로, 용접재료 내 포함되어있던 B이 높은 입열량에 따른 고온 유지 시간 증가에 의해 CGHAZ로 일부 확산할 수 있는 구동력이 존재하였을 것으로 판단할 수 있다. 또한, 모재 내 존재하던 TiN은 일부 분해되어 확산해 온 B과 함께 BN 형태의 석출물을 형성하고 용융분해되지 않은 잔존 TiN 계면으로 몰려, TiN의 열적 안정성을 높이는 방식으로 입계 pinning 효과를 향상시켰을 것으로 추측된다. 하지만 대입열 용접시 CGHAZ 내 B의 정확한 존재 형태 규명 및 생성 메커니즘 연구에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 본 연구에 활용된 TEM, EDS 및 SIMS 분석만을 바탕으로 CGHAZ 내 B의 정확한 존재 형태에 대한 명확한 검증은 힘드나, Ti, N 및 TiN의 인근 영역에서 B이 검출된 내용을 바탕으로, 용접재료 내 포함되어있던 B이 높은 입열량에 따른 고온 유지 시간 증가에 의해 CGHAZ로 일부 확산할 수 있는 구동력이 존재하였을 것으로 판단할 수 있다. 또한, 모재 내 존재하던 TiN은 일부 분해되어 확산해 온 B과 함께 BN 형태의 석출물을 형성하고 용융분해되지 않은 잔존 TiN 계면으로 몰려, TiN의 열적 안정성을 높이는 방식으로 입계 pinning 효과를 향상시켰을 것으로 추측된다.
- 그럼에도 불구하고 CGHAZ 내결정립 성장이 효과적으로 제어된 것과 관련하여, 결정립 미세화에 영향을 미치는 부가적인 요인이 존재했을 것으로 추측된다. 본 연구에서는 용접재료 내 소량 첨가된 B이 CGHAZ로 확산하여 TiN과 함께 입계 pinning 에 복합적 영향을 미쳤을 것으로 예상하였고, 추가적으로 실시한 EDS mapping 분석결과(Fig. 6), Ti 및 N이검출된 석출물의 계면에 성분이 존재함을 확인하였다. 이는 모재에 포함되었던 성분이 아닌, 용접재료에 첨가된 성분으로, 대입열 용접 시, B이 모재의 CGHAZ로 충분히 확산 가능했음을 시사한다.
- 3) Steel A 및 steel B의 WM, FL, FL 인근 영역의 미세조직 관찰결과, steel A는 B 대비 상대적으로 PAGS가 크며, Steel B 내 형성된 intergranular ferrite와 달리 미세조직 내 upper bainite를 형성하였다. 인장시험결과, Steel B의 항복 및 인장강도가 높게 측정되었고 충격인성평가 결과, Steel B는 WM, FL 및 FL 인근 전 영역의 인성 값이 요구치를 만족한 반면 Steel A는 FL 인근 CGHAZ에서 요구되는 인성 값을 만족하지 못했다.
- 7 mm 정도이며, PAGS는 각각 330~450 μm와 150~250 μm로 측정되었다. 즉, 일반재 대비 대입열용 개발재의 결정립 크기가 상대적으로 미세하며, 전체 CGHAZ 면적이 좁은 것을 알 수 있다. 대입열 용접 특성상, 결정립 크기가 조대하게 성장하며 전체 CGHAZ 면적이 높을 것으로 예상되나, 대입열용 개발재의 경우 CGHAZ 내 결정립 성장이 효과적으로 제어된 것으로 판단할 수 있다.
- EDS 분석과 마찬가지로 TiN 및 B은 유사한 위치에서 검출되었으며 1,400 ℃ 정도의 고온에서 열적 안정성이 다소 낮을 것으로 예상되는 TiN 대비 B의 검출량이 높게 측정 되었다. 특히, B의 검출량이 높게 측정된 영역의 경우, 1,400 ℃ 인근 고온에서도 일부 잔존하여 검출이 되었다고 판단되는 TiN의 검출량이 높은 영역과 동일한 위치였음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 또한, 모재 내 존재하던 TiN은 일부 분해되어 확산해 온 B과 함께 BN 형태의 석출물을 형성하고 용융분해되지 않은 잔존 TiN 계면으로 몰려, TiN의 열적 안정성을 높이는 방식으로 입계 pinning 효과를 향상시켰을 것으로 추측된다. 하지만 대입열 용접시 CGHAZ 내 B의 정확한 존재 형태 규명 및 생성 메커니즘 연구에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 따라서, B은 분해된 TiN 쪽으로 몰려 BN 을 형성함과 동시에 잔존 TiN의 열적 안정성을 향상시킨다 추측되었다. 하지만, B의 정확한 분포 형태 및 생성 메커니즘의 추가 연구가 필요할 것이라 사료된다.
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