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1 33 연구논문 조선용강재의레이저 - 아크하이브리드용접금속부충격인성에미치는용접변수의영향 홍승갑 * 이종봉 * * 포스코기술연구소접합연구그룹 Effects of Hybrid Welding Parameters on the Toughness of Weld Metal in Ship Structural Steel Seung-Gab Hong* and Jong-Bong Lee* *Joining research group, Technical research laboratories, POSCO, Pohang , Korea Abstract Since the 1990's, European shipbuilding industries introduced hybrid welding process in order to decrease thermal distortion of welded joints in passenger shipbuilding. In this study, we investigated effects of hybrid welding parameters on the toughness of weld metal using DH36 steel in order to obtain more sound welds in passenger shipbuilding. Type of leading process, joint gap distance and chemical composition of consumables were considerably correlated with the toughness of weld metal. Especially, the toughness was considerably increased with high-ti containing consumables. In addition, hybrid welding speed increased by using plasma cut edges, the oxides layer of which increased absorption efficiency of laser beam. *Corresponding author : sgab@posco.co.kr (Received October 17, 2006) Key Words : Hybrid welding, Toughness, Weld metal 1. 서론 1990 년대중반이후유럽조선소들은크루즈선과같이주로얇은후판강재를사용하는선종에대하여레이저및레이저-아크하이브리드용접을적용해왔다 1-3). 이와같은고밀도열원용접은용접변형이기존아크용접기법에비해매우적은장점을지니고있어, 최근국내조선소의수주선종의고부가가치화및용접생산성향상전략에맞춰향후수년내로국내조선소현장에적용될것으로전망된다. 기존하이브리드용접관련연구는주로 gap tolerance 혹은용입특성과관련된분야에치중되어, 하이브리드용접이음부물성과관련된연구는매우저조하였다. 하이브리드용접이산업적으로가장많이사용되는조선분야, 특히, 크루즈선과같이많은인원을수송하는선박의경우, 재난시대형인명사고와직결되어타선 종에비해선박의안정성이매우중요하다. 따라서, 본연구에서는선체구조용으로많이사용되는 DH36 강재를대상으로레이저-아크하이브리드용접금속부충격인성에미치는용접공정변수의영향을검토하고자한다. 2. 실험방법 레이저-아크하이브리드용접금속부충격인성에미치는용접변수의영향을고찰하기위하여, 14mm 두께의 DH36 강재를사용하였다. 본연구에서사용한 DH36 강의화학조성은 Table 1과같으며, 탄소당량은 0.34 이다. 레이저-아크하이브리드용접을위하여, 12kW CO 2 레이저 (Trumpf TLF turbo) 및 GMA 용접기 (ESAB Aristo 2000) 를이용하여 Fig. 1과같은하이브리드용접시스템을구성하였다. 본연구에서는하이브리드용접금속부충격특성에미 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 469

2 34 홍승갑 이종봉 Table 1 Chemical composition of DH36 steel used. (wt%) C Mn Si P S Others < Absorbed energy(j) Index Fig. 2 Result of Charpy impact tests for hybrid weld metals at -20 용접금속부의충격인성을평가하는방법은몇가지있 Fig. 1 CO 2 laser-mig hybrid welding system 치는용접변수로서, 용접재료, GMAW 와이어송급속도, 선행프로세스의종류, 이음부간격, 레이저-아크간격등을선택하였다. DH-grade 의경우용접금속부는일반적으로 0 기준평균 34J 이상의충격인성값을요구하나, 본연구에서는대상선종이여객선과같이안전이중요시되는선종이라는점을감안하여, -20 에서평균 34J 이상으로목표설정을하였다. 3. 결과및고찰 3.1 하이브리드용접금속부충격인성평가 으나, 이중에서표준충격시험편의양옆에사이드노치를가공해서평가하는방법이주로추천된다. 그러나, 이러한시험방법상에도문제점은있다. 즉, 개량된시험편으로부터의충격인성값을표준시험값으로환산할수없어, 정성적인비교평가밖에할수없다는점이다. 따라서, 본연구에서는사이드노치시험편의충격값과표준시험편의충격값사이의상관관계를구하고자하였다. 이를위해, 열사이클시험용 DH36 강재를가지고 1350 까지가열한후 구간에서의냉각속도를다르게한시험편에대하여표준충격시험및사이드노치충격시험을실시하였다. 식 (1) 은이와같은실험에의해얻어진표준시험편과사이드노치시험편과의충격값사이의상관관계를보여준다. (Fig. 3) 일반적으로레이저와같은고밀도열원을사용하는용접의경우용접부샤르피충격시험에서나타나는 FPD (Fracture Path Deviation) 현상때문에충격인성을정확하게측정하기가힘들다. 이와같은문제를해결하기위해몇몇연구자들은사이드노치시험편과같은개량된시험편을활용한충격인성측정을시도하기도했다 4). 본연구에서시험용접한시험편에대해서도, FPD 현상이관찰되는지확인하기위해, 총 75개의시험편에대하여표준충격시험을실시하였다. Fig. 2에서보듯이, 상당수의시험편에서 FPD 현상이관찰되었으며, 낮은충격인성값을보이는시험편들의상당수도모재쪽으로파괴가진행되었음을확인하였다. 따라서, 본연구에서목표로하는하이브리드용접금속부의충격인성향상에미치는용접변수의영향을정확히평가하기위해서는우선적으로용접부충격인성평가방법부터정립할필요가있었다. 앞서언급했듯이고밀도열원용접부에서나타나는 FPD 현상을피해서 (1) SE: Absorbed energy from standard Charpy specimen NE: Absorbed energy from side-notched Charpy specimen Absorbed energy(-20, J) Standard sample Side-notched sample Cooling rate from 800 to 300 ( /sec) Fig. 3 Correlation of absorbed energies between standard Charpy specimens and sidenotched Charpy specimens 470 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 2006

3 조선용강재의레이저 - 아크하이브리드용접금속부충격인성에미치는용접변수의영향 35 따라서, 본연구에서는 Fig. 4와같은사이드노치시험편으로용접금속부충격인성을측정한후, 식 (1) 을이용하여표준충격시험값으로환산함으로써하이브리드용접금속부충격인성을보다정확히평가하고자하였다. 3.2 용접금속부위치에따른충격인성특성 레이저-아크하이브리드용접금속부는일반적인레이저용접이나, 아크용접과달리두가지용접프로세스의영향을동시에받는다. 따라서하이브리드용접금속부에서레이저와아크의영향도를정성적으로평가하기위해 Ni이약 22% 함유된 304 스테인리스와이어를사용하여하이브리드용접후 Ni 원소분포를관찰해보았다. Fig. 5에서보듯이, 아크에의해공급되는용접재료는하이브리드용접비드상부에만주로영향을미치며, 비드하부에미치는영향은적음을알수있다. 따라서, 이러한결과로부터하이브리드용접금속부에있어서, 아크의영향을주로받는상부와레이저빔의영향을주로받는하부의합금성분이다름을예측할수있다. 이와같이위치에따라합금성분의차이를보이는하이브리드용접금속부에있어서아크의영향을많이받는상부비드와레이저의영향을많이받는하부비드중 Side-notch Charpy V-notch 에서어느부분이충격인성에더취약한지조사하기위해 sub-size 충격시험편을가지고충격특성을비교해보았다. Fig. 6에서보듯이하이브리드용접금속부하단부충격인성이상단부에비해더우수한것으로측정되었다. 따라서, 본연구에서는충격인성이낮은용접금속부상단부에영향을미치는용접변수를대상으로충격특성에미치는영향을고찰하였다. 3.3 용접금속부충격인성에미치는용접조건의영향 하이브리드용접금속부상단부의충격특성에미치는용접변수의영향을고찰하기위해레이저출력은 12kW, 용접속도는 1m/min 으로고정시키고, 이음부간격, 레이저-아크사이간격, 와이어송급속도, 선행용접프로세스종류, 용접재료종류등을변화시켰다. 평가결과, 이들용접변수들중에서용접재료종류, 이음부간격및선행프로세스종류가용접금속부충격인성에영향을주는것으로나타났다 (Fig. 7). 즉, 아크선행하 Absorbed energy(-20, J) mm 1mm 1mm 55mm Top Botton Fig. 6 Absorbed energies depending on test positions of weld metal for side-notched Charpy specimens (sub-size) 10mm Fig. 4 Side-notched specimen for Charpy impact test of hybrid weld metals 0mm gap 1mm gap Arc leading Laser leading Wire with 0% Ti Wire with 0.11% Ti Fig. 5 Distribution of Ni element on hybrid weld metal using EPMA Absorbed energy(j, -20 ) Fig. 7 Effects of hybrid welding conditions on impact toughness of weld metals using side-notched Charpy specimens 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 471

4 36 홍승갑 이종봉 이브리드용접프로세스를이용하여이음부 gap 을최대한작게유지하면서, Ti을일정량이상함유한용접재료를사용했을때, 가장우수한용접금속부충격특성을얻을수있음을확인하였다. 이중에서도특히, 용접재료 Ti 성분에따라용접금속부충격특성은많은영향을받았다. Fig. 8에서보듯이, Ti이 0.024t.% 이하포함된용접재료에서는매우낮은충격인성값을보이나, Ti이 0.05wt.% 이상증가함에따라충격인성값은계속증가하는경향을보인다. 그러나, 이러한경향도 0.1wt.% 이상에서는포화되어더이상의충격인성향상은기대할수없었다. 용접재료의 Ti 함유량에따른충격인성값차이의원인을규명하기위해하이브리드용접금속상단부의미세조직을관찰하였다. Fig. 9에서보듯이, Ti를거의함유하고있지않은용접금속의경우미세조직이상부베이나이트와마르텐사이트로구성된반면, 많은양의 Ti를함유하고있는경우에는입계페라이트, 구상페라이트, 침상페라이트등으로구성된미세조직을보이고있다. 이와같은미세조직차이를나타낸원인을분석하기위해하이브리드용접금속의상단부에대한 TEM 분석을실시하였다. Fig. 10에서보듯이, Ti이거의첨가되지않은용접재료를사용한경우에는 (Fig. 10(a)) 주로 Al 산화물만관찰되었으나, Ti이다량첨가된용접재료를사용한 경우에서는 (Fig. 10(b)) Al 산화물외에 Al-Ti 복합산화물이추가로관찰되었다. 또한, 산화물분포에있어서도 Ti이다량첨가된경우가좀더많았다. Al 산화물에비해 Ti 산화물은침상페라이트의핵생성사이트로서매우효과적으로작용한다고보고되고있다 5). 본연구에서는 Ti 산화물이단독으로형성되지는않고, 대부분 Al 산화물위에복합으로석출되었다. Ti 산화물이 Al 산화물위에형성되었기때문에침상페라이트핵생성에는 Ti 단독산화물과동일한효과를나타낼것으로사료된다. 즉, Ti 첨가로인해형성된 Al-Ti 복합산화물이침상페라이트핵생성을촉진하여결국, 용접금속부충격인성을향상시킨것으로판단된다. 또한, 하이브리드용접금속부충격인성에미치는선행프로세스의영향을살펴보면레이저선행보다는아크선행일때더높은충격인성값을보임을알수있었다. 이것은본연구에서사용한 DH36-TM 강의 SH- CCT 곡선을측정한 Fig. 11의결과에서예상할수있다. 즉, 레이저선행의경우후행아크용접프로세스의 (a) (b) 60 Absorbed energy(j, -20 ) Fig. 10 TEM replicas of weld metals containing (a) <0.003wt.% Ti and (b) 0.12wt.% Ti Ti (wt, %) Fig. 8 Effects of Ti addition on impact toughness of weld metals using side-notched charpy specimens Temperature( ) (a) (b) Fig. 9 Microstructure of weld metals containing (a) <0.003wt.% Ti and (b) 0.12wt.% Ti Time(sec) Fig. 11 SH-CCT diagram of DH36-TM steel 1: cooling curve of weld metal (bottom) in arc leading hybrid welding process 2: cooling curve of weld metal (bottom) in laser leading hybrid welding process 472 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 2006

5 조선용강재의레이저 - 아크하이브리드용접금속부충격인성에미치는용접변수의영향 37 열로인해용접금속부, 특히루트부분의냉각속도가늦어져, 주로상부베이나이트로구성된미세조직을나타낸다. 이에비해아크선행하이브리드용접의경우후행프로세스가레이저이므로용접금속루트부의냉각속도가상대적으로빨라서주로마르텐사이트로구성된미세조직을가짐을확인할수있었다. 따라서, 아크선행하이브리드용접에서는충격인성을저하시키는미세조직인상부베이나이트가상대적으로적어서높은충격인성값을가지는것으로사료된다. 용접금속부충격인성값에미치는이음부간격의영향에서는이음부간격이커짐에따라용접금속부의충격인성값이저하되었다. 이것은본연구에서사용한모재의탄소당량이 0.34 인데비해, 용접재료의탄소당량은 0.25~0.31 로서이음부간격이증가할수록모재보다는용접재료의희석이많아짐에따라용접금속부의탄소당량이모재에비해낮아짐을예측할수있다. 따라서, 위의 Fig. 11에서설명했듯이, 용접재료의희석률이 커져서용접금속의탄소당량이감소됨에따라미세조직 측면에서는냉각속도가느려지는효과를가져와상부 베이나이트분율을증가시킴을예상할수있다. 따라서, 이러한이유때문에이음부간격이증가함에따라충격 인성값이저하되는것으로판단된다. 본연구에서는조선소에서강재를플라즈마절단할 경우형성되는절단산화층이용접금속부충격인성에 미치는영향을비교하기위해, 기계가공된이음부와플 라즈마절단가공된이음부의충격인성을비교하였다. 하이브리드용접금속부충격인성값은큰차이가없었으 나, 플라즈마절단가공된이음부를사용할경우, 동일 한레이저및아크출력에서도용접속도를 80% 이상 향상시킬수있음을확인하였다. 이와같은현상의원 인은 Fig. 12 의하이브리드용접금속부단면형상을비 교함으로서유추할수있다. 즉, 기계가공이음부의용접비드단면에비해플라즈마절단가공이음부의용접비드단면은비드중앙부에비해하단부가더넓은형 상을지니고있다. 이와같은현상은맞대기이음하단부의절단산화층에의해레이저빔흡수율이증가하기때문이며, 레이저빔흡수율증가는결국, 용접속도를증가시키는효과를나타내었다. 이상에서설명한바와같이하이브리드용접금속부충격인성에미치는다양한용접변수의영향을고찰한결과, Table 2와같은최적의용접조건을설정하였다. Table 2의용접조건을사용하여총 15조의하이브리드용접을실시하였다. 이와같이만들어진하이브리드용접금속부에대하여사이드노치시험편을사용하여 -20 o C 충격인성을평가한결과, Fig. 13에서보듯이, 평균 25.2J, 표준편차 3.9J의충격인성값을나타내었다. 이러한값을식 (1) 을사용하여표준충격인성값으로환산했을때약 47J 의우수한값을나타내어, 선급에서요구하는 0 34J 을상회하는것으로확인되었다. 1) DH36-TM 강재의하이브리드용접금속부에대하 여, 사이드노치충격시험값과표준충격시험값과의상 관관계를다음과같이도출하였다. Table 2 New hybrid welding conditions Parameters 설정값 Steel DH36 (14mmt) Laser power 12kW Wire feed rate 8m/min Welding speed 1.8m/min Joint gap 0mm Leading process Arc Filler wire Wire containing 0.11% Ti Cutting method Plasma cutting Spec. 4. 결론 (a) (b) 평균 : 25.2J 표준편차 : 3.9J Frequency Fig. 12 Cross sections of hybrid welds using (a) milling surface and (b) plasma cutting surface Absorbed energy(j, -20 ) Fig. 13 Absorbed energy for side-notched specimens using new hybrid welding conditions 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 473

6 38 홍승갑 이종봉 2) DH36-TM 강재의하이브리드용접에서아크선행프로세스, 0mm 이음부간격및고 Ti계용접재료를사용했을때가장우수한용접금속부충격특성을얻을수있었다. 3) 고 Ti계용접재료를사용했을때용접금속부에 Al-Ti 복합산화물이형성되었으며, 이러한복합산화물은용접금속부의침상페라이트형성을촉진시켜저온충격인성을향상시킨것으로사료된다. 4) 플라즈마절단이음부를사용할경우, 기계가공이음부에비해충격인성값은차이가없었으나, 하이브리드용접속도를 80% 이상향상시킬수있었으며, 이는플라즈마절단층에형성된산화층에의한레이저빔흡수율증가때문으로사료된다. 참고문헌 1. P. Denney: Laser: The new wave in ship construction, Welding Journal, 80-3 (2001), J. K. Kristensen: Laser welding in ship building-a challenge to research and development for more than a decade, Proceeding of 7th international Aachen welding conference, 2001, F. Roland & H. Lembeck: Laser beam welding in shipbuilding-experience and perspectives at Meyer Shipyard, Proceeding of 7th international Aachen welding conference, 2001, Iabel Hadley: Testing the waters- shipbuilding laser welds, TWI bulletin, 41(5) (2000) Lars-Erik Svensson: Control of microstructures and properties in steel arc welds, CRC Press, 1994, Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 2006