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1 37 연구논문 ISSN Online ISSN 스테인리스강 STS 316L 과탄소강 A 의이종금속 GTA 용접부특성에대한연구 김세철 * 신태우 * 문인준 ** 장복수 *** 고진현 *, * 한국기술교육대학교신소재공학과 ** 동국제강 *** 정우산기 ( 주 ) A Study of Characteristics on the Dissimilar Metals (STS 316L - Carbon Steel: ASTM A516-70) Welds made with GTAW Se Cheol Kim*, Tae Woo Shin*, In Joon Moon**, Bok Su Jang*** and Jin Hyun Koh*, *School of Energy Materials Chemical, Korea University of Technology and Education **Dong-Kuk Steel R&D Center, Cheonan , Korea ***Jeong-Woo Industrial Machine, Cheonan , Korea Corresponding author : (Received July 21, 2015 ; Accepted August 13, 2015) Abstract Characteristics of dissimilar metal welds between STS 316L and carbon steel ASTM A516 Gr.70 made with GTAW have been evaluated in terms of microstructure, ferrite content, chemical analysis, hardness and corrosion resistance. Three heat inputs of 9.00, 11.25, 13.00kJ/cm were employed to make joints of dissimilar metals with ER309 wire. Based on microstructural examination, the amount of vermicular type of δ-ferrite was increased with increasing heat input due to the increase of Creq /Nieq in the second layer of welds. Based on the EDX analysis of weld metals, Cr and Ni content in the 2nd layer increased while those content in the first layer of welds decreased with heat inputs. Cellular solidification mode in the 1st layer and dendritic solidification mode in the 2nd layer due to different cooling rates were prevailed, respectively. Heat affected zone which formed hard microstructure showed higher hardness than the weld metal. The salt spray test of dissimilar metals weld joints showed that the carbon steel surfaces only corroded. The weight loss rate due to corrosion increased up to 100hours but it decreased above 100 hours. There was little difference in the weight loss caused by corrosion regardless of heat inputs. Key Words : Dissimilar metals welding, GTAW, δ-ferrite, Vermicular ferrite, Corrosion, Heat input 1. 서론 해양플랜트산업은점차시추가이루어지는수심이깊어지고, 과거석유에한정되어있던채취가여러분야로확대됨에따라새로운재료와용접성에대한연구가활발히이루어지고있다. 1-3) 이종금속용접은주로용융용접으로시공되고있으나많은문제점이야기된다. 이는용접금속의화학성분 차이에따라달라지는데, 용접으로조직의조대화, 용융온도와응고온도가다르기때문이다. 특히격자구조와물성치가달라서용접후응고시균열과기공이발생하기쉬운결점이있다. 또다른문제점은용융융접에서융점차가큰경우균열이발생하는문제점이다. 4) 즉, 응고시융점차로인한응력발생때문이다. 그리고계면에취약한상이형성되거나, 두금속의희석때문에균열이발생하여양호한성능을얻을수없는문제가있다. 가격면에서도용접부개선과용가재 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of Welding and Joining, Vol.33 No.4(2015) pp

2 38 김세철 신태우 문인준 장복수 고진현 Table 1 Welding parameters STS316L HAZ WM HAZ A516 No Current (A) Voltage (V) Speed (cpm) Heat Input (kj/cm) Fig Fig. 6 Fig. 5 GTAW Fig. 4 Fig. 2 Table 2 Chemical composition of base metal and wires (wt.%) ER309 Φ 2.4 (wire) C Si Mn P Ni Cr Mo STS316L ~3 A ~ ~0.8 ~ C Cr Ni Mo Mn Si P S Cu 사용으로경제적인부담이된다. STS 316L은몰리브덴 (2~3%) 과크롬, 니켈을함유하고내식성과내공식성이있는상온에서준안정오스테나이트조직을갖는재료이다. 5) 이강은해양구조물설치에널리이용되고있다. A516강은탄소를 0.21%~0.26% 함유하는탄소강으로중, 저온용압력용기등에사용되며, 저온에서신뢰성이높고비교적높은강도와노치인성을가져깊은수심에서의해양구조물및구조물상의탱크설치에이점이기대된다. 위의두강의이종금속용접시사용되는용가재 (wire) ER309 는산업현장에서오스테나이트계스테인리스강을용접하는데주로사용되는재료이다. 6) 본연구의목적은산업수요에따라해양구조물설치에맞은재료탐색의일환으로써, GTA 용접법을이용한 STS 316L강과 A516강의이종금속접합을실시하 Fig. 1 A schematic diagram of weld section showing locations for microstructural observations 고용접부에서의미세조직, 기계적성질내식성을조사하는데있다. 2. 실험방법 본연구에서사용된모재는 200(L) 100(W) 6(T)mm 의오스테나이트계 STS316L과 A 탄소강을사용하였고, 루트간격 2-3mm, 개선각 60 로하여. 이종금속용접을실시하였다. 용가재는 Φ2.4 ER309(AWS) 를사용하여, 아르곤가스분위기에서 GTAW 직류역극성 (DCRP) 으로이종금속용접을하였다. Table 1은용접조건이며, 3가지입열량으로각각 2pass 용접을하여시편을제작하였다. Table 2는모재와용접재료의화학적조성이다. 미세조직은경면연마후왕수 ( 질산 + 염산 ) 와나이탈 3% 용액 ( 질산 + 알코올 ) 으로에칭하여관찰하였고. X- 선회절기 (XRD) 를이용하여상분석을하였다. 또한용접부의페라이트량과화학성분은각각 Ferrite scope 와 EDS 를사용하여분석하였다. 용접부의기계적특성은마이크로비커스경도기로하중 1kgf 으로실시하였다. 용접부와모재의부식특성을평가하기위해 KDS 9502 표준염수 (NaCl) 분무시험을실시하였다. 용액의농도는 50g/L 이며시간은 2, 6, 12, 24, 48, 96, 192h 였다. 용액의압력은 0.1MPa, 온도는 35 를유지하였다. Fig. 2 Microstructures of weld metals in the 1 st layers with different heat inputs 9.00kJ/cm, 11.25kJ/cm, 13.50kJ/cm 346 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 4, 2015

3 스테인리스강 STS 316L과 탄소강 A516-70의 이종금속 GTA 용접부 특성에 대한 연구 3. 실험 결과 3.1 미세조직 관찰 Fig. 1은 용접부의 도식도로서 본 실험에서 조직 관 찰이 수행된 위치를 나타내었다 Fig. 2는 STS 316L과 A516-70강재를 용가재 ER309를 사용하여 2패스 용착된 이종금속 용접부 초 층(1st layer)의 입열량별 조직사진이다. 용접부에서 위치에 따라 셀(cell) 형상에서 다소 차이는 있지만 셀 (cell) 형상의 응고 모드가 지배적으로 생성되었고, Fig. 2,,에서와 같이 입열량이 증가함에 따 라 즉 냉각속도(G/R : 온도구배/성장속도)가 감소함 에 따라 셀의 형상이 조대화되고 있음을 보여주고 있 다.7) Fig. 3은 상층(2nd layer) 용접부로 응고조직은 39 Fe-Cr-Ni의 함유량에 의해 결정되는 FA모드로 이것 은 초정 페라이트상으로 응고되어 상온에서 페라이트와 오스테나이트 2상 조직으로 나타나는 Vermicular 페 라이트형태이다.8) 수지상정(dendrite) 조직이 지배 적으로 생성되었고, Fig. 3,,에서와 같이 입열량이 증가함에 따라 주상정 수지상정(columnar dendrite)으로 성장하고, side arm이 뚜렷한 형상으 로 조대화되고 팔간격(arc spacing)도 커지고 있다. 따라서 용접부 초층(Fig. 2)에서는 셀형상의 응고 모 드, 상층(Fig. 3)에서는 수지상정의 응고 모드를 보이 는 것은 이미 고찰한 바와 같이 냉각속도 차이 때문이 다. Fig. 4는 두 번째 패스의 용착에 따라 생성된 초층에 서의 재열부를 포함한 경계 주위를 보여주고 있다. 상 층에서는 오오스테나이트 기지에서 δ-페라이트(ferrite) 가 일정한 방향으로 수지상 형상으로 길게 성장한 것으 Fig. 3 Microstructures of weld metals in the 2 nd layers with different heat inputs 9.00kJ/cm, 11.25kJ/cm, 13.50kJ/cm Fig. 4 Microstructures reheated zone of 1st layer and weld metal of 2nd layer with different heat inputs 9.00kJ/cm, 11.25kJ/cm, 13.50kJ/cm Fig. 5 Microstructures of heat-affected zone (HAZ) adjacent to A steel with different heat inputs 9.00kJ/cm, 11.25kJ/cm, 13.50kJ/cm 대한용접 접합학회지 제33권 제4호, 2015년 8월 347

4 40 김세철 신태우 문인준 장복수 고진현 Fig. 6 HAZ microstructures adjacent to STS 316L with different heat inputs 9.00kJ/cm, 11.25kJ/cm, 13.50kJ/cm 로스테인리스강의 Vermicular ferrite 조직을보이고있다. 그리고초층의재열부에서는입열량이증가함에따라 δ-페라이트가조대해지면서분율이증가하였다. 이는용가재의용착량이증가함에따라페라이트생성원소인 Cr 양이증가하였기때문으로보인다. Fig. 5는입열량에따른 A 강재에인접한비혼합 (unmixed) 열영향부조직사진이다. Fig.5 는입열량 9.00kJ/cm 에서 HAZ 로침상형페라이트 (Acicular ferrite, AF), 페라이트사이드플레이트 (ferrite sideplate, FSP), 다각형페라이트 (Polygonal ferrite, PF), 입계페라이트 (Grain boundary ferrite, GBF) 와상부베이나이트 (Upper Bainite, UB) 가혼합된조직을보여주고있다. Fig. 5 는입열량 11.25kJ/cm 에서의 HAZ 조직으로 Fig. 5 보다더많은양의 AF, FSP와 PF가형성되었다. 하지만입열량이 13.50kJ/cm 에서의조직 Fig. 5 는 AF와 FSP 는거의관찰되지않고대부분미세화된 GBF 와 PF 를포함한세립페라이트 (fine grain ferrite) 가형성되었다. Fig. 6은 STS 316L에인접한열열향부와용융선부근의혼합 (mixed) 조직으로입열량이증가할수록용융선근처페라이트입자와혼합역이조대화되고있다. 3.2 페라이트분율측정 Fig. 7은페라이트스코프를이용하여각각의입열량과패스구간에서의페라이트함유량을측정한결과를나타낸그래프이다. Fig. 3의미세조직사진으로부터입열량이증가할수록페라이트양의증가를관찰하였는데이를페라이트스코프를이용한페라이트량측정을통해확인할수있었다. 페라이트분율측정결과입열량이증가할수록페라이트의함유량이높아지는경향이있는데입열량 11.25kJ/cm 와 13.00kJ/cm 에서는페라이트의함유량이거의유사하다. 이는 GTAW 와같은저입열용접법에서나타는전형적인특징인데, 입열량증가에따라용가재의용착량이증가하여페라이트생성원소인 Creq/Nieq 의비율의증가가그원인으로보인다. 그리고초층에서보다상층에서더많은양의페라이트를함유하는것은다층용접시나타나는전형적인특징이다. 9) 3.3 XRD 상분석 Fig. 8은모재 STS 316L, A516 와입열량별로용접된용접부의 XRD 상분석결과를나타내었다. 격자 Fig. 7 Ferrite percentage in the weld metal with heat inputs and weld layers Fig. 8 X-ray diffraction profiles of BM and weld metal with different heat inputs 348 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 4, 2015

5 스테인리스강 STS 316L 과탄소강 A 의이종금속 GTA 용접부특성에대한연구 EDX 성분분석 Fig. 9 Elements profile in the weld metals by EDX analysis 분석을통해 A516 은 BCC 구조이고, STS 316L 은 FCC 구조임을확인하였다. 용접부에서는 A516과 STS 316L 모재에서검출되었던피크와 2Θ, hkl 격자가혼합되어나타나고있음을알수있다. 이를통해용접부에는모재로사용된이두강의성분이혼재하고있음을알수있다. 각입열량별 XRD 피크를비교분석하면, 입열량에상관없이 43.5(111) 와 50.7(200) 부근의 2Θ값에서피크의강도 (Intensity) 가높은것을알수있다. 이는각각 γ-오스테나이트 (FCC) 와 δ-페라이트 (BCC) 에해당하므로, 용접부에서는이두조직의성장이가장활발한것으로나타났다. Fig. 9는 EDX 를이용한층별성분과함유량이다. 본실험에서사용한세가지입열량모두에서 Fig.9 에서와같이상층은초층과비교하여 Cr과 Ni의함유량이더높다. Table 2에서와같이모재 STS 316L 과용가재의 Cr함유량은각각 18.07% 와 23.7% 이나탄소강은 Cr을함유하지않고있다. EDX 성분분석결과용접부의 Cr함유량은초층에서는 12-17%, 상층에서는 18-22% 로서초층에서는모재 STS 316L 함유량보다낮고상층에서는더높았다. Ni함유량은모재 STS 316L 이 12.77%, 모재 A516 은 0%, 용가재는 11.8% 이었으나초층에서 Ni이 8-12%, 상층에서 11-13% 로서모재의 Ni 함유량과비슷하거나높은함유량을보여주고있다. 그리고 Cr과 Ni 경우상층부로갈수록함유량이증가하였으나 C 함량은감소하였다. 따라서이종금속용접부에서부식저항성에중요한 Cr과 Ni 함유량이모재 STS 316L 보다높아우수한부식저항성이예측된다. Table. 3은 Fig. 9의용접부성분분석결과로부터식 (1) 과식 (2) 를이용하여 Creq/Nieq 의비율을구한것이다. 이를보면입열량이증가함에따라초층, 상층에서 Creq 은증가하고 Nieq 는감소하였으며, 입열량에관계없이초층보다상층의 Creq/Nieq 값이더높다. 이것은 Creq/Nieq 값이증가할수록페라이트함유량이증가하는것은 Fig.7 와같은관계가있음을알수있다. Cr eq = %Cr + %Mo + 1.5x%Si + 0.5x%Nb (1) Ni eq = %Ni + 30x%C + 30x%N + 0.5x%Mo (2) 3.5 경도시험 Fig. 10은표면직하 2mm 에서용접부를수평방향 Table. 3 Creq/Nieq in weld metal with heat inputs and layers Heat Input layer Creq Nieq Creq/Nieq st kj/cm 2nd st kj/cm 2nd st kj/cm 2nd Fig. 10 Hardness variation across the 2 nd layer of weld metal tested horizontally 대한용접 접합학회지제 33 권제 4 호, 2015 년 8 월 349

6 42 김세철 신태우 문인준 장복수 고진현 으로측정한경도값분포로서입열량이낮을수록열영향부와용착금속의경도가높다. 이는 Fig. 5의미세조직에서고찰한바와같이낮은입열량 (Fig. 5) 에서는침상형과페라이트사이드플레이트와상부베이나이트등경한조직이생성되었으나높은입열량 (Fig.5) 에서는미세한입계페라이트와다각형페라이트의생성과같은조직적차이때문이다. 3.6 부식시험 Fig. 11은 KDS 9502 표준염수 (NaCl) 분무시험을이용한부식시험결과를나타낸사진이고, Fig. 12는부식후무게감소량을도표로나타낸것이다. 대부분의부식은탄소강에서일어난것을관찰할수있다. 부식시험시간 48h 경과후부식에의한무게감소량은입열량별로각각 0.15%, 0.16%, 0.14% 의거의차이가없었다. 부식시험시간이 100 시간까지무게감소량은일정하게증가하다가그이후에는부식속도가감소한것을알수있다. 또한모재 STS 316L 부분은염수에대한부식저항이강하여부식이거의일어나지않았다. 따라서 STS 316L 강과 A 강을 A516 24h 96h 48h 192h Fig. 11 Corrosion test surface (Test solution : NaCl) STS316L Time (Hour) 9.00 kj/cm kj/cm kj/cm Fig. 12 Weight loss of welded joints caused by corrosion by salt spray test as a function of hour 산업현장에서가혹한부식환경하에서사용하기위해서는이종금속용접시공시부식에민감한탄소강을적절하게용접하거나방식방안을고려할필요가있다고생각된다. 10) 4. 결론 본연구는스테인리스강 STS 316L 과탄소강 A 을 3가지입열량 (9.0, 11.25, 13.5kJ/cm) 으로 GTAW 로이종금속을 2층으로용접후용접부의특성을조사하기위해미세조직관찰, 페라이트량및성분분석, 경도시험과부식시험을실시하였으며그결과는다음과같다. 1) 용접부의미세조직은 Vermicular 페라이트형태의 δ-ferrite 가형성되었다. 입열량이증가함에따라페라이트분율이증가하였다. 이는 Creq/Nieq 비율의증가에의한결과로사료된다. 2) 초층의용접부응고모드는셀형이고상층의용접부응고는수지상정모드가지배적이었는데이는냉각속도차이때문으로사료된다. 3) 용접부에서입열량이증가함에따라페라이트양이증가하였고또한입열량증가에따라 Creq 이증가하고 Nieq 은감소하였다. 이에따라입열량이증가함에따라초층과상층에서의 Creq/Nieq 값은증가하였다. 4) 용접부의경도는입열량이낮을수록높았다. 그리고용융선에인접한 HAZ 에서는경한미세조직생성으로경도가모재와용접부보다높았다. 탄소강 A516 에인접한 HAZ 에서는상부베이나이트와페라이트사이드플레이트를포함한경한조직생성때문으로보인다. 5) 이종금속용접부의부식은 A516 에서발생하였고 STS316L 은거의부식되지않았다. 부식시간이약 100 시간까지는부식에의한무게감소량이일정하게증가하였으나그이상에서는무게감소량이약간감소하는경향을보였다. 그러나입열량에따른용접부의부식에의한무게감소량에는큰차이가없었다. References 1. Jang-Jin Kim, Jin-Woo Lee and Sang-Don Lee, History and vision of off-shore plant, Journal of SNAK, 38 (4), (2002), (in Korean) 2. Ki-Young Yoon, Direction of off-shore plant`s development, The society of naval architects of Korea conference sourcebook (2011), (in Korean) 3. Ho-Shin Jeong, Yun Young Lee and Dong Soo Bae, The Effect of Alloying Elements on Weldability and Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steels(I), Journal of KWJS 30 (3), (2012), (in Korean) 350 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 4, 2015

7 스테인리스강 STS 316L 과탄소강 A 의이종금속 GTA 용접부특성에대한연구 Ho-Shin Jeong, Yun Young Lee and Dong Soo Bae, The Effect of Alloying Elements on Weldability and Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steels(I), Journal of KWJS 30 (3), (2012), (in Korean) 5. D.U.Son, J.W.Kim, J.M.Lee, C.Y.Kang, Effect of Microstructure on the Strength and Damping Capacity in Austenite Stainless Steel, The Korean Society for Power System Engineering (2004.5), (in Korean) 6. Min-Su Han, Jae-Cheul Park, Seong-jong Kim, Evaluation of Weldability on Identical and Dissimilar Welding Parts of Austenite Stainless Steel by GTAW, Journal of the Korean Society of Marine Engineering 35 (2011), (in Korean) 7. Sindo Kon, welding Metallurgy, willy inter-science (2) (2003), The Korean welding and joining society, Ⅰferrous & non-ferrous metals, Maual of welding and joining (2008), 133 (in Korean) 9. In-Joon Moon, Bok-Su Jang, Se-Cheol Kim, Jin-Hyun Koh, A study on characterisics dissimilar welds between super duplex stainless steel UNS S32750 and Carbon steel A with FCAW, Journal of KWJS 32 (3), (2014), (in Korean) 10. Hae-Ji Park and Hae-Woo Lee, Effects of the Substitution of the Mo Element W of Super Duplex Stainless Steel Weld on the Secondary Phase Formation and Corrosion Resistance, Korean J. Metals and Materials 52 (3), (2014.3), (in Korean) 대한용접 접합학회지제 33 권제 4 호, 2015 년 8 월 351