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1 지창욱 최철영 남대근 김형찬 장재호 김기혁 박영도 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷 1 號別冊

2 15 특집논문 ISSN Online ISSN 지창욱 * 최철영 * 남대근 ** 김형찬 ** 장재호 ** 김기혁 *** 박영도 ****, * 부산대학교재료공학과 ** 한국생산기술연구원동남권지역본부 *** 동국제강중앙기술연구소후판연구팀 **** 동의대학교신소재공학과 Evaluation on Mechanical Properties with Welding Processes for Off Shore Wind Tower Application Changwook Ji*, Chul Young Choi*, Dae-Geun Nam**, Hyoung Chan Kim**, Jae Ho Jang**, Ki Hyuk Kim*** and Yeong-Do Park****, *School of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Busan , Korea **Dongnam Regional Division, Korea Institute of Industrial Technology, Busan , Korea ***Plate Research Team and R&D Center, Dongkuk Steel, Pohang , Korea ****Department of Advanced Materials Engineering, Dong-Eui University, Busan , Korea Corresponding author : ypark@deu.ac.kr (Received February 3, 2014 ; Revised February 13, 2014 ; Accepted February 24, 2014) Abstract FCAW(Flux Cored Arc Welding), (Submerged Arc Welding), EGW(Electro Gas Welding), and three-pole are applicable in manufacturing the offshore wind tower. In this paper, mechanical properties of these welded-joints for TMCP steels were evaluated in all above welding processes. The tensile strength of welded-joints for all the welding methods satisfied the standard guideline (KS D 3515). No cracking on weldment was found after the bending test. Changes of weldedments hardness with welding processes were observed. In a weld HAZ (heat-affected zone), a softened HAZ-zone was formed with high heat input welding processes ( and EGW). However, the welded-joint fractures were found in the base metal for all cases and small decrease in welded-joint strength was caused by a softened zone. The multi-pole welds exhibited similar mechanical properties comparing to the one with one-pole process. Key Words : FCAW,, EGW, Wind tower, TMCP 1. 서언 최근급격한유가상승, 에너지자원의부족및온실가스의무감축등으로인하여신재생에너지는급속한성장을보이고있으며, 글로벌금융위기이후세계주요국가들은경제활성화대책으로차세대산업성장동력원인해상용풍력발전에대한투자를가속화하고있 는추세이다 1). 해상풍력발전은해상의바람이가진운동에너지를기계적회전에너지로변환하여발전기구동에의해전력을생산하는시스템이며, 에너지원이자연에서의바람이므로온실가스의배출및대기오염등의환경문제가거의발생되지않는다 2). 또한육상풍력발전에서야기되는환경및민원등의문제를해결할수있는방안일뿐만아니라, 해상에서의양호한풍황 (wind condition) 으로육상풍력발전에비해월등히우수한경 Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.1(2014) pp

3 16 지창욱 최철영 남대근 김형찬 장재호 김기혁 박영도 제성을지닌다 3). 초기풍력발전기규모는매우작아서발전용량이수십 kw에불과하였으나, 에너지측면에서효율을극대화하고자풍력발전기가대형화됨에따라타워구조물의제작규모또한증가되었다. 이러한타워의대형화는터빈과블레이드를받쳐주는구조물의역할뿐만아니라대형용접장비, 숙련된전문가및높은수준의용접품질을요구한다. 또한해상구조물과유사하게저온및가혹한환경에설치되기때문에약 20년이상의장시간품질보증을위한타워의건전성확보가중요하다 4). 따라서해상용풍력타워의용접부설계는정확한설계의도와시공성및경제성까지반영되어야하므로다양한용접방법및용접공정적용을통한양질의용접이재고되어야한다. 특히대형화된타워의용접부품질및생산성향상을위해서는자동화용접이필수적이며, 용접효율을극대화하기위해서는용접속도를향상시키거나용접입열을증가시키는대입열용접의적용등의노력이요구된다. 대입열용접에는편면서브머지드아크용접 (Submerged Arc Welding: 이하 ), 일렉트로가스용접 (Electro Gas Welding: 이하 EGW), 일렉트로슬래그용접 (Electro Slag Welding: 이하 ESW) 기법등이있는데, 이들은용접입열량이 100kJ/cm 이상이며공통된특징을보면이들은모두한패스 (one-pass) 용접이가능하기때문에생산성측면에서매우유리하다. 본논문에서는해상용풍력타워용접부설계과정에서적용가능한용접방법으로조선구조용강재용접에널리사용되고있는플럭스코어드아크용접 (Flux Cored Arc Welding: 이하 FCAW) 과후판강재의용접방법으로적용되고있는 및대입열, 고능률의장점을가지고있는 EGW 를이용하였다. 특히대형화된타워제작을감안하여생산성향상을위해서다전극 (multitorch) 를실시하였으며, 선행된용접조건을기반으로해상용풍력타워용접부의경도, 인장및벤딩시험수행후기계적물성을비교평가하였다. 2. 실험방법 2.1 모재및용접조건 본연구에서사용된강재들은 35mm 및 40mm 두 Welding procedure FCAW EGW Onepole Multi -pole (d) 40mm (a) 35mm (b) 35mm (c) 35mm Schematic diagram 11mm 18mm 11mm 45 Ceramic backing Gap : 6mm 30 Gap : 6mm (e) Ceramic backing Ceramic backing 6mm 40mm mm 15mm 12.5mm Fig. 1 Schematic diagrams of welding procedure: (a) FCAW, (b) EGW, and (c) (d, e) Multi-pole 께의 EH36 grade TMCP 강재이며, 모재의화학성분및기계적성질을 Table 1에나타내었다. 이음부형상은개선각 30, 45, 60 및 70 이며, V 및 X-개선을실시하였다. 용접공정별접합부가공형상을 Fig. 1에나타내었다. 루트갭은현장여건을고려하여 6mm 로선정하였다. FCAW 는 flux cored 와이어를일정한속도로공급하면서와이어와모재사이에아크가발생시키고, 발생된아크열로모재와와이어를용융시켜용접비드를형성하는방법으로, AWS A5.29 E81 T1- K2 용접와이어를사용하였다. 는용접하고자하는부위에분말형태의플럭스를일정두께로살포하고, 그속에전극와이어를연속적으로송급하여와이어선단과모재사이에아크를발생하여용접하는방법으로, AWS 5.17 F7 A8-EH14, S-787TB X H-14 ( 서브머지드플럭스와이어 ) 를사용하였다. 또한 EGW 는 AWS A5.26 EG 70T-2 (DW-S43G) 사용하였다. Table 2에서와같이각각의용접방법에따른최적 Table 1 Mechanical properties and chemical composition of base metals on TMCP steel. Chemical composition (W t%) Mechanical property Material C Si Mn P S Cr Ni Cu Y.P(N/mm 2 ) T.S(N/mm 2 ) El(%) TMCP Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 1, 2014

4 17 Table 2 The welding parameters used for each welding processes. Sample. No W/D Process Pole Position Ampere (A) Volt (V) Speed (cm/min) Heat Input (kj/cm) Number of pass Top Bottom A 1G FCAW 1 B 2G C EGW 1 3G D One-pole 1 1G E Multi-pole 1G F 여다전극 용접을실시하였다. 2.3 기계적물성평가인장시험및굽힘시험은각각의용접부에서샘플을채취한후 ASTM E8에의거하여평가를수행하였으며, 경도시험은 ASTM E92 에따라비커스경도기 (10kg) 를사용하여각각의시험편경도를측정하였다. 3. 실험결과및고찰 Fig. 2 Multi-pole welding system 용접조건을설정하여시험편을제작하였다. 2.2 다전극 (multi-pole) 다전극 는블록또는판재용접에사용되는용접방법으로동일한작업시간에용착속도를극대화하는용접기술이며, 두개이상의용접토치와와이어를사용하여하나의용융풀을형성하게된다 (Fig. 2). 이용접공법은기존 에서가압부또는초층용접부제거를위해적용되는백가우징 (back gouging) 및사상 (grinding) 작업을배제할수있는장점이있지만, 현장에서의적용을원활하게하기위해서는충분한용입조건확보, 개선형상및결함등을고려하여품질이보증된용접공정의설계가요구된다. 따라서본연구에서는다전극 의충분한용입조건확보를위해개선각을 50 및 60 로선정하였으며, 루트갭 (Root gap) 을 15mm, 18mm 및 20mm로각각조절하였다. 또한토치배열은모재를기준으로 40mm 및토치간격은 40mm, 50mm 및 70mm 로선정하였으며, 토치각도는 -7, 0 및 +15 로설정하고, 용접전류는선행전극을기준으로 1500, 1100 및 900A 로각각설정하 3.1 인장및굽힘특성비교본연구에서는 FCAW, EGW, 및다전극 공정을적용하여해상용풍력타워용접부에대한각각의기계적물성을평가하고자하였으며, 용접방법에따른용접부매크로단면관찰결과를 Fig. 3에나타내었다. 실험결과에서접합부는 Fig. 1의방법과같이V 및 X-개선을따라용착금속이적층되었고, 각각의용접방법에따라용접부비드형상과적층갯수의차이가있다. FCAW 공법의경우, Fig. 3(a) 는 1G 자세, (b) 는 2G자세에서용접한결과, 각각적층갯수는 37 및 15였으며적층형상도변화하였다. 대입열 EGW 공정의개선형상은 I-그루브방법으로 One-pole EGW 로용접을수행하였다. EGW 공정매크로단면의 (Fig. 3(c)) 경우용접부에서좁은폭의용융부확보가가능하였다. Fig. 3(d) 은단일전극 공정을적용한결과이며좁은폭의용융부의확보가가능하였다. 그러나 Fig. 3(e) 의다전극 공법을적용한경우는용접부중앙부분에서루트융합불량 (Lack of Root Fusion) 이발생하였다. 이는빠른용접속도로인하여충분한입열이확보되지못하였기때문이라고판단된다. 이와같은문제로인하여용접속도를 CPM (cm/min) 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 1 號, 2014 年 2 月 17

5 18 지창욱 최철영 남대근 김형찬 장재호 김기혁 박영도 FCAW EGW Welding procedure Onepole Multi -pole Macrodections of welded-joint 다. 일반적으로용접입열량이증가하게되면고온에서가열되는시간이증가하게되어오스테나이트결정립이조대화되고, 고상변태후최종미세조직도조대화되기때문에인장강도가감소한것으로판단된다. 그러나인장강도및항복강도모두규격이상을만족하고있으며, 벤딩테스트결과에서도결함이없는모재파단이확보되었다. 반면, 용접입열이감소함에따라냉각속도는증가하고이에따라침상페라이트분율이높을뿐만아니라응고조직에비해상대적으로낮은경도값을보이는재열부영역 (Reheated Zone) 이상대적으로감소하기때문에항복강도및인장강도는증가하게된다. 한편 Table 3의굽힘시험결과에서도용접공법에상관없이소성변형에의한용접부터짐또는크랙 (crack) 은발견되지않았다. 3.2 경도시험 Fig. 3 Macro-sections of welded-joint with respect to welding processes: (a, b) FCAW, (c) EGW, and (d), (e, f) Multi-pole 에서 CPM(cm/min) 으로감소시켜재용접을실시한결과 Fig. 3(f) 에서보는바와같이융합불량이없는양호한이음부확보가가능하였다. Table 3에각각의본연구에서적용한용접공정에따른인장시험및굽힘시험결과를나타내었다. 모든용접입열량조건에서 KS D 3515 규격이규정하는인장강도및항복강도를만족할뿐만아니라인장시험결과모두모재부에서파단이발생되었다. Table 3에 FCAW 공법의 A, B조건과 공법의 D, E, F 조건의강도특성을비교하면, 항복강도및인장강도는용접입열량이증가될수록점차감소되는경향을보였 Fig. 4 는용접방법에따른전면 (front side) 과후면 (back side) 의경도분포를비교한결과이다. 용융선 (fusion line) 근처의열영향부또는용융부에서최대경도값을보이는전형적인후판용접부경도분포가관찰되었다. 전체적인모재부경도는약 Hv 이며, 용융부는약 Hv, 열영향부는약 -Hv 로측정부위에따라서경도차이가발생하였다. 또한전면 (front side) 과후면 (back side) 에서도경도차이가발생하였다. FCAW 용접부의경도를 Fig. 4(a), (d) 에서관찰한결과, FCAW 용접부최대경도는용융부및열영향부경계인용융선근처였고, 조대열영향부와미세열영향부에서가장큰경도차를보였다. Fig. 4(b) 와 (e) 에서와같이 EGW 용접부는용융부에서경도가최대였고, FCAW 용접부의경도와유사하게열영향부에서가장큰경도차를보였다. 또한 Fig. 4(c), (f) 에서 Table 3 Tensile strength and bending properties of weldment for each welding processes. Sample. No Welding Processes Heat Input (kj/cm) Tensile Strength (MPa) Yield Strength (MPa) Failure location Fracture in bending test A FCAW B Ductile / B.M No fracture C EGW Ductile / B.M No fracture D One-pole Ductile / B.M No fracture E Multi-pole F Ductile / B.M No fracture * BM stands for base metal 18 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 1, 2014

6 19 (a) Front side (b) Front side (c) Front side Location Location Location (d) Back side (e) Back side (f) Back side Location Location Location Fig. 4 Hardness profiles with respect to welding processes: (a, d) FCAW, (b, e) EGW, and (c, f) Multi-pole 와같이다전극 용접부는용융부에서경도가최대였고, 최소경도는모재와근접한미세열영향부에서경도가최소였다. 따라서 Fig. 4의결과에서와같이용접공법과입열량의차이에따라경도의분포차이가존재하였다. 일반적으로후판용접부경도분포는용착금속의종류, 재가열영역의분포및냉각속도등의영향을받고, 특히냉각속도에따른미세조직의영향이가장큰것으로알려져있다 [3]. Fig. 4(a), (d) 의낮은입열조건인 FCAW 열영향부의경도가높은이유는비교적낮은용접열원에따른빠른냉각속도의영향으로열영향부경화현상 (HAZ hardening) 이발생하였기때문이고, Fig. 4(b), (e) 의 EGW에서는높은입열조건에서열영향부의경도가낮은이유는느린냉각속도에의해열영향부연화현상 (HAZ softening) 이발생하였기때문이다. TMCP 강재의연화현상이발생하는이유는용접입열에따른미세조직의불안정화가주요원인이다. 특히입열량이큰경우가속냉각공정에서의미세화된결정립이용접열원에의해소멸되어경도가낮아지는것으로보고되었다 5,6). 또한연화된열영향부의강도증가를위해후속열처리 (Post-Weld Heat Treatment, PWHT) 를실시할경우에는가속냉각으로얻어진 TMCP 모재부상이안정화되면서모재강도는감소되고그로인해충격인성또한감소되는결과를초래하게된다. 경도시험결과를통해용융부및열영향부에서일부경화현상과연화현상을관찰할수있었으며, 최대경도및최소경도는약 60Hv 의차이를보여파단에미치는영 향이클것으로사료되었다. 그러나 Table 3에서확인된바와같이모재부에서최종파단이발생되어경도차에따른파단발생의영향은적은것으로판단된다. 3.3 제작된풍력타워부기계적물성평가 본연구에서는해상용풍력타워제작을위해적용가능한용접방법및최적화된조건을비교및분석하였다. 앞선 3.1 및 3.2절의연구결과를통해모든용접조건에서기계적물성이만족하였으나대형타워제작의경우, 생산성효율을극대화하는합리적인용접부설계가요구되기때문에용착속도를극대화할수있고, 백가우징및사상작업이필요없는다전극 공법의적용이이상적이다. 이에선행연구된결과를바탕으로강판을롤밴딩성형후다전극 를이용하여용접을실시하였으며, (Fig. 5a), 제작된타워용접부에서시험편을채취하여 (Fig. 5b), 기계적물성을분석하였다. Fig. 6은제작된풍력타워에서채취된시험의용접부매크로를관찰한결과이며, Fig. 3 (e) 및 (f) 의결과 Fig. 5 Off shore wind tower application with welding 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 1 號, 2014 年 2 月 19

7 20 지창욱 최철영 남대근 김형찬 장재호 김기혁 박영도 약 170 Hv에서 190 Hv의수치를나타내었으며, 열영향부에서경도가급격하게감소하는연화현상은거의발생하지않고대체로균일한경도분포를보였다. 4. 결론 Fig. 6 Cross-sectional macro image of multi-pole weld metals Table 4 Tensile strength and bending properties of weldment for multi-pole AS Process T.S (N/mm 2 ) Multi-wire Mechanical properties 567 / Failure l ocation Ductile / B.M Bending Test No defect * BM stands for base metal Location Fig. 7 Hardness profiles according to multi-pole weld metals 와유사하게양호한용착금속의적층형상과용입이충분하게이루어져결함상의문제점은없었다. Table 4 에다전극 공정을적용한용접부기계적물성을정리하였다. KS D 3515 규격이규정하는용접부의인장강도는강재의두께 100mm이하에서 400~510 N/mm 2 사이의값이다. 다전극 적용용접부의인장강도는 567 N/mm 2 로기준치이상의값을만족하였고, 굽힘시험결과소성변형에의한용접부크랙은관찰되지않았다. Fig. 7 은다전극 공정을적용한용접부의경도이다. 용접부의경도는용융부및열영향부에서 본연구에서는해상용풍력타워의최적화된용접공법및용접조건을확보하고자 FCAW, 및 EGW 를적용하여각각의용접방법에따른기계적물성을평가하였으며, 특히대형화된타워제작에서의용접생산성을향상시키고자선행연구를통해선정된용접방법및용접조건을적용하여다전극 로실제크기의해상용풍력타워단관용접을실시후기계적물성을평가하였다. 1) 생산성향상을위한용접속도 CPM 이적용된다전극 공법에서는빠른용접속도로인하여루트융합불량 (Lack of Root Fusion) 이관찰되었으며, 이를개선하고자용접속도를 CPM 으로감소하여융합불량이없는건전한이음부를확보할수있었다. 2) 모든용접조건에서인장강도및항복강도에서도관련규격또는최소한의요구조건을만족하는기계적물성이관찰되었으며, 굽힘시험결과에서도소성변형에의한용접부크랙은관찰되지않았다. 3) 용접방법에따른경도분포는각각의입열량에따라상대적인경도값차이를보이며, 대입열용접들의용융선부근의경화현상과모재와인접한열영향부에서는연화현상이관찰되었으나, 인장시험시모두모재부에서파단이발생하였다. 4) 대형화된타워제작에서의다전극 공법적용의경우, 공정속도측면의장점이있으며, 용접부의기계적물성이기준치이상으로만족하였다. 감사의글 이논문은 2013 학년도동의대학교연구년지원에의하여연구되었음 References 1. S. O. Kim, H. W. Kim, C. B. Ko and N. H. Kyong : 2MW Offshore Wind Turbine Construction, Journal of KWEA. 2-2 (2011), Y. D. Choi, S. W. Son, H. C. Jang and N. J. Choi : Design and Structure Analysis of a Tower Service Lift for Offshore Wind Power System, Journal of KSME (2012), M. S. Jang and H. J. Bang : The Current Status 20 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 1, 2014

8 21 and the Prospects of Wind Energy, Journal of the Environmental Sciences (9), I. W. Han, Y. H. Park, G. B. An and Y. H. An : Development Trends of Steel Plates for Ship Building and Off-Shore Construction and It s Weldability, Journal of KWJS (9), (in Korean) 5. H. J. Kim and J. G. Youn : A Study on the Fatigue Characteristics of Accelerated Cooled TMCP Steel s Welded Joint with High Heat Input, Journal of KWS. 6-1 (1988), (in Korean) 6. H. J. Kim : TMCP 강의개발및적용, Journal of KWS. 4-2 (1986), 1-11 (in Korean) 지창욱 1981년생 부산대학교재료공학과 저항용접, 용접야금, 전기화학 jcw30749@nate.com 장재호 1976년생 한국생산기술연구원연구원 브레이징, 표면처리 jngjho@kitech.re.kr 최철영 1977년생 부산대학교재료공학과 용접야금, 저항용접, 후판용접 bassxx@hanmail.net 김기혁 1975년생 동국제강중앙기술연구소후판연구팀 철강재료 / 용접야금 / 레이저용접 kihyuk.kim@dongkuk.com 남대근 1970년생 한국생산기술연구원수석연구원 표면개질, 브레이징, 연료전지부품 dgnam@kitech.re.kr 박영도 1970년생 동의대학교신소재공학과 용접야금, 저항용접, 수소취성 ypark@deu.ac.kr 김형찬 1970년생 한국생산기술연구원 전기화학, 표면처리, 부방식 chancpu@kitech.re.kr 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 1 號, 2014 年 2 月 21