합금강 (ASTM A387 Gr. 91) - 탄소강 (ASTM A516 Gr.70) 이종금속의 FCA 다층용접부특성평가 : Part. 1 신태우 장복수 고진현 대한용접 접합학회지제 34 권 3 호별책 2016. 6
61 ISSN 2466-2232 Online ISSN 2466-2100 합금강 (ASTM A387 Gr. 91) - 탄소강 (ASTM A516 Gr.70) 이종금속의 FCA 다층용접부특성평가 : Part. 1 신태우 * 장복수 ** 고진현 *, * 한국기술교육대학교신소재공학과 ** 정우산기 ( 주 ) A Study of Characteristics on the Dissimilar Metals (Alloy Steel : A387 Gr. 91 - Carbon Steel : A516 Gr. 70) Welds Made with FCA Multiple Layer Welding : Part 1 Tae Woo Shin*, Bok Su Jang** and Jin Hyun Koh*, *Korea University of Technology and Education, Cheonan 31253, Korea **Jeong-Woo Industrial Machine, Cheonan 31251, Korea Corresponding author : jhkoh@kut.ac.kr (Received March 4, 2016 ; Revised April 12, 2016 ; Accepted May 16, 2016) Abstract Characteristics of dissimilar metal welds between alloy steel ASTM A387 Gr. 91 and carbon steel ASTM A516 Gr.70 made with Flux cored arc welding(fcaw) have been evaluated in terms of microstructure, mechanical strength, chemical analysis by EDS as well as corrosion test. Three heat inputs of 15.0, 22.5, 30.0kJ/cm were employed to make joints of dissimilar metals with E91T1-B9C wire. Post-weld heat treatment was carried out at 750 for 2.5 h. Based on microstructural examination, tempered martensite and lower bainite were formed in first layer of weld metal. The amount of tempered martensite was decreased and the amount of lower bainite was increased with increasing heat input and layer. Heat affected zone of alloy steel showed the highest hardness due to the formation of tempered Martensite and lower Bainite. Tensile strengths of dissimilar welds decreased with increasing heat inputs. Dissimilar welds seemed to have a good hot cracking resistance due to the low HCS index below 4. The salt spray test of dissimilar metals showed that the corrosion rate increased with increasing heat inputs due to the increase of the amount of lower Bainite. Key Words : Dissimilar weld, FCA multipass, Lower bainite, Tempered martensite 1. 서론 석유, 천연가스및전기와같은에너지수요가지속적으로증가함에따라석유화학플랜트및발전소의건설이증가되고, 에너지효율을높이기위한고성능압력용기의개발이활발히진행되고있다 1). 석유화학플랜트및발전소분야에서사용되는압력용기는모두고온, 고압등사용환경이매우가혹하다. 뿐만아니라압력용기가적용되고있는기기의대형화및고성능화는사고발생시막대한피해로이어질수있으므로고기능 성, 내구성, 안전성에대한요구는커지고있어제작시용접방법과시공법에대한신뢰성확보는중요한문제로대두되고있다 2-4). 현재원자력발전소에서주기기는주로합금강으로제작이되고있다. 하지만기술적, 경제적인이유로부분적으로이종금속용접을적용해야하는경우가발생하기에본연구에서는현재산업현장에서압력용기의재료로사용되고있는 A387 Gr.91과 A516 Gr.70 두강을선택하였다. SA516 Gr.70은 C함유량이 0.21%~0.26% 인강으로중, 저온에서의압력용기등에사용되고있으며 Journal of Welding and Joining, Vol.34 No.3(2016) pp61-68 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2016.34.3.61
62 신태우 장복수 고진현 A387 Gr. 91 C Mn P S Si Mo Cr Ni Nb V N Yield Tensile 0.06~ 0.15 A516 Gr. 70 0.27 E91T1-B9C (wire) Table 1 Chemical composition and mechanical properties of base metals and wire (wt%, MPa) 0.08~ 0.13 0.25 ~0.66 0.79~ 1.30 0.025 0.012 0.18~0.56 0.80~1.1 7.90~9.6 0.43 0.05~ 0.11 0.16-0.27 0.025~ 0.08 > 415 0.035 0.035 0.13~0.45 > 260 1.20 0.02 0.015 0.5 0.85~1.2 8.0~10.5 0.80 0.02-0.07 0.15~ 0.25 0.02~ 0.07 > 540 585~ 760 485~ 620 620~ 830 저온에서의신뢰성이높고비교적높은강도와노치인성을갖는다. 또한이강은내수소균열압력용기 (HIC resistant pressure vessel) 용으로사용되고있다. 하지만용접부의탄소당량이높아용접시균열이발생될수있어용접성을보증하기어렵다는단점이있다 5). SA387 Gr.91 은 9%Cr-1%Mo 강으로써고온강도를향상시키기위해미량의 Nb, V, N등을함유시킨개량합금강이다 6). 이강재는고온에서우수한강도를지니고있어증기온도가 600 까지도달하는스팀제너레이터에많이사용되고있다 7-10). 이강과같은중고온용강재는최근후물화로인해 -30 에서의저온인성과장시간의후속열처리 (Post-Weld Heat Treatment, PWHT) 를요구하고있다 1). 플럭스코어드아크용접법 (FCAW) 은저온충격인성이뛰어나고고능률성, 생산성및신뢰성확보가우수하기에본실험에서는 FCAW 로이종금속을용접하였다 1,11). 이종금속용접의현장적용사례는몇몇구조물에국한되는데, 부적절한용가재의사용으로용접부에서기공, 균열과같은결함이발생되는문제를야기하였다 12). 본연구에서는합금강용접와이어종류에따라합금강과탄소강을용접한후용접부에서의미세조직, 기계적성질및내식성을평가하는첫번째연구로수행되었다. 2. 실험방법 2.1 시편준비및용접조건 모재는 300(L) 300(W) 16(T) 의 A516 Gr. 70과 A387 Gr. 91강재이다. 용접부형상은 Fig. 1과같이두강사이홈각도 60, 루트면 2mm, 루트간격 2.5mm 로가공후위빙을하여 4패스의 FCA 용접이실시되었다. 보호가스는 100% CO 2 를사용하였으며와이어는합금강용접에사용되는 E91T1-B9C 를사용하였다. 본실험에서사용한이종금속과와이어의화학성분및기계적성질은 Table 1에나타내었다. FCAW 60 2.5 mm 본연구는입열량에따른용접부에서의기계적특성 ( 충격, 인장강도, 경도 ), 화학적특성 ( 부식성, 화학성분분석 ) 을조사하기위해전류값 (A) 을변화시켜 15.0, 22.5, 30.0 kj/cm 의입열량으로이종금속용접을하였다. PWHT 는 750 에서 2.5h 유지후로냉하였다. 용접조건은 Table 2에나타내었다. 2.2 미세조직및기계적시험 2 mm 16mm Fig. 1 A weld joint design with a four-pass weld No Table 2 Welding conditions Current (A) Voltage (V) Speed (cm/min) Heat Input (kj/cm) 1 200 25 20 15.0 2 300 25 20 22.5 3 400 25 20 30.0 PWHT 750 2.5h 본실험에서조직관찰은시편을정밀연마후저합금강과용접부는왕수 ( 질산 + 염산 ), 탄소강은나이탈 5% ( 에탄올 + 질산 ) 용액을이용하여에칭후두강의표면직하 2mm부근의열영향부와용착금속의각패스구간을관찰하였으며용접시편의매크로사진인 Fig. 2는조직관찰위치를나타내었다. 기계적특성은충격, 인장, 경도시험으로분석되었고, 화학적특성은부식시험및화학성분분석으로평가되었다. 충격시험은 KS B 0809 4호시험편을제작하여 4개의온도에서하중 30kg-m 의샤르피충격시험기로수행하였으며, 인장시험은 KS B 0801 의비례 14 A호 258 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 3, 2016
합금강(ASTM A387 Gr. 91) - 탄소강(ASTM A516 Gr.70) 이종금속의 FCA 다층 용접부 특성 평가 : Part. 1 63 시험편으로 제작하여 만능인장시험기로 실험을 수행하 하중을 두어 표면 직하 2mm 부근과 용접부에서 수행 였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도기로 10kgf의 하였다. 3. 실험 결과 및 고찰 3.1 미세조직 관찰 A516 Gr. 70 A387 Gr. 91 Fig. 2 A macrograph of weld section showing locations for microstructural observations HeatInput 15.0 kj/cm Layer Fig. 3은 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입열 량에 따른 각 패스 구간의 조직이다. 입열량 15.0kJ/cm 일 때 초층(1st layer) 조직인 Fig. 3(a1)에서 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite, TM)가 관찰되 는데 입열량이 증가할수록 TM의 분율이 줄고 하부 베 이나이트(Lower Bainite, LB)의 분율이 증가하였다. Fig. 3(b)는 입열량에 따른 용착금속에서 두 번째 층 22.5 kj/cm 30.0 kj/cm (a1) (a2) (a3) (b1) (b2) (b3) (c1) (c2) (c3) (d1) (d2) (d3) 1st Layer 2nd layer 3rd layer 4th layer Fig. 3 Microstructures of weld metal with layers and different heat inputs 대한용접 접합학회지 제34권 제3호, 2016년 6월 259
신 태 우 장 복 수 고 진 현 64 LB가 혼합된 조직이 보여지고, 입열량이 증가함에 따 LB를 관찰할 수 있고, 입열량이 증가함에 따라 LB의 묶 음 성장이 증가하였다. Fig. 4는 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입 라 TM은 사라지고, 조대화된 LB을 Fig. 3(b2), (b3) 열량에 따른 A516-70강재 쪽 HAZ에서의 조직으로 에서 관찰할 수 있다. 입계 페라이트(Grain Boundary Ferrite, GBF), 비드 의 조직이다. 입열량 15.0 kj/cm 일 때의 조직 Fig. 3(b1) 를 보면 1pass 구간보다 조대화 된 TM과 적은 양의 Fig. 3(c)는 입열량에 따른 용착금속에서 세 번째층 만스테텐 페라이트(Widmannstatten Ferrite, WF)가 의 조직이다. 입열량 15.0 kj/cm 일 때의 조직 Fig. 혼합된 조직이 관찰된다. 이 구간에서는 입열량이 증가 3(c1)에서 LB가 두 번재 패스 보다 조대화 되었다. 또 할수록 GBF 분율은 증가하고 WF 분율은 감소하였다. 한 입열량이 증가할수록 조대화 된 LB의 증가를 Fig. Fig. 5는 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입 3(c2), (c3)에서 관찰할 수 있다. 열량에 따른 A516-70강재 쪽 HAZ에서 입자 조대화 Fig. 3(d)는 입열량에 따른 용착금속에서 네 번째층 의 조직이다. 전반적으로 특정 방위로 묶음 성장이 된 영역 (Coarse grained heat-affected zone, CGHAZ) (a) (b) 의 조직으로 입열량이 증가할수록 GBF가 조대화된 것 (c) Fig. 4 Microstructures of heat-affected zone(haz) adjacent to A516-70 steel with different heat inputs ((a) 15.0 kj/cm, (b) 22.5 kj/cm, (c) 30.0 kj/cm) (a) (b) (c) Fig. 5 Microstructures of coarse grained heat-affected zone(cghaz) adjacent to A516-70 steel with different heat inputs ((a) 15.0 kj/cm, (b) 22.5 kj/cm, (c) 30.0 kj/cm) (a) (b) (c) Fig. 6 Microstructures of heat-affected zone(haz) adjacent to A387-91 steel with different heat inputs ((a) 15.0 kj/cm, (b) 22.5 kj/cm, (c) 30.0 kj/cm) 260 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 3, 2016
합금강(ASTM A387 Gr. 91) - 탄소강(ASTM A516 Gr.70) 이종금속의 FCA 다층 용접부 특성 평가 : Part. 1 을 관찰할 수 있다. 이는 입열량이 증가할수록 고온에 서 유지되는 시간이 증가하였기 때문이다. Fig. 6은 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입 65 이 결과는 앞에서 고찰된 바와 같이 입열량이 증가할 수록 용접부에서 경한 조직인 TM가 사라지고 상대적으 로 연한 조직인 LB가 형성되었기 때문이다. 열량에 따른 A387-91강재 쪽 HAZ에서의 조직이다. Fig. 6(a)는 입열량 15.0 kj/cm 일 때 조직으로 템퍼 드 마르텐사이트(Tempered Martensite, TM)가 관 찰되며, 입열량이 증가할수록 TM 분율은 감소하고 LB 분율이 증가한다. 3.2 인장 시험 Fig. 7은 이종금속용접부에서 입열량에 따른 인장시 험 결과이다. 입열량이 증가할수록 인장강도는 801.6, 783.7, 750.7 MPa로 감소하였다. 3.3 충격 시험 Fig. 8은 이종금속용접부에서 입열량에 따른 충격시 험 결과로 입열량이 증가함에 따라 충격흡수에너지는 증가하였다. 이는 Fig. 3에서 고찰되었듯이 입열량이 증가함에 따라 템퍼드 마르텐사이트보다 인성이 높은 하부 베이나이트가 생성되었기 때문이다. Fig. 9는 SEM 파단면 사진으로 -25 에서는 연성파괴인 딤플(Dimple), -35 에서는 취성파괴인 벽개파괴(Cleavage fracture) 을 보여주고 있고, Fig. 8의 시험온도에 따른 충격 흡 수에너지 변화를 기준으로 천이온도는 약 -30 이다. 120 810 115 Impact energy(j) Tensile strength (MPa) 800 790 780 770 110 105 100 95 760 90 750 85 15.0kJ/cm 22.5kJ/cm 15.0 22.5-45 30.0 Heat input (kj/cm) Fig. 7 Tensile strengths with different heat inputs 15.0 kj/cm 30.0kJ/cm -40-35 -30-25 -20-15 Temperature( ) Fig. 8 Impact energy as a function of testing temperature 22.5 kj/cm 30.0 kj/cm -25-35 Fig. 9 SEM fractography of welded specimen with different heat inputs 대한용접 접합학회지 제34권 제3호, 2016년 6월 261
66 신태우 장복수 고진현 Vickers hardness(hv) 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 A387 HAZ Weld Metal HAZ A516 0 15.0kJ/cm 22.5kJ/cm 30.0kJ/cm 3.4 경도시험 10 20 30 40 50 Location Fig. 10 Hardness variation across weld metal tested in horizontal direction at 2mm under weld surface Fig. 10은용접된시편표면직하 2mm에서수평방향으로측정된경도값이다. 용접부에서의경도는 A387 Gr. 91과 A516 Gr. 70 강재의모재보다높은경도값을지니지만 A387 Gr. 91의열영향부보다낮은결과를보였다. 전반적으로는입열량이낮을수록경도가높게나타났다. 이는입열량이증가할수록냉각속도가느려지기때문이다. 용착금속과탄소강 HAZ 의좁은영역에서는탄소강모재보다경도가더낮은영역이관찰된다. 이영역은입열량이증가함에따라더낮아지는데이는 Table 3에서고찰되었듯이입열량이증가함에따라 CGHAZ 에서의 GBF 증가와 WF 감소가원인으로사료된다. 합금강 HAZ 영역에서의경도는모재와비교하였을때급격히상승하고입열량이증가할수록낮아진다. 이는 Fig. 6에서고찰하였듯이 HAZ 영역에서는경한조직인템퍼드마르텐사이트와하부베이나이트가생성되고, 입열량이증가함에따라템퍼드마르텐 Vickers hardness(hv) 250 245 240 235 230 225 220 1pass 2pass 3pass 4pass 15.0 22.5 30.0kJ/cm 0 2 4 6 8 10 Distance from bottom(mm) Reheated zone Fig. 11 Hardness variation of weld metal in the vertical direction 사이트보다연한조직인하부베이나이트생성이증가하였기때문이다. Fig. 11은입열량에따른용접부에서의수직방향경도값을나타낸것이다. 입열량이증가할수록초층에서의경도는 248.8, 239.1, 233.6 Hv로감소하였으며, 패스가증가함에따라전반적인평균경도값은입열량이증가할수록감소하였다. 이는 Fig. 3에서고찰되었듯이층이누적됨에따라템퍼드마르텐사이트의양이감소하고조대화된하부베이나이트가생성되었기때문이다. 또한, 각층사이에경도가감소하는구간이확인되는데이는다층용접시각패스의용접열에의한재가열로인하여조직적으로변화된재열부 (Reheated zone) 에의한것으로사료된다 13). 3.5 EDS 성분분석 Table. 3는 EDS 로분석한입열량에따른이종금속용접부에서의화학조성으로 Si을제외한다른원소의함유량은입열량이증가함에따라증가하였다. 특히, 용접부에서입열량증가에 C, Cr 함유량의증가는입열량이증가함에따른용접부에서의경도를증가시키는요인으로사료된다. 또한입열량에따른인장강도에도영향을주었을것이라사료된다. Fig. 12는식 (1) 을이용하여이종금속용접부의입열량에따른고온균열감수성 (Hot Cracking Susceptibility, HCS) 을나타낸것이다. 일반적으로 HCS 값이높을수록고온에서의균열위험성이높아지지만 4 이하일경우에는균열위험성이거의없는것으로보고되고있다 14). Fig. 12에나타난것과같이입열량이증가함에따라 HCS 값이 0.84, 0.99, 1.04 로증가하였지만모두 4 이하의값을나타내므로산업현장에서입열량에따른 Table 3 Chemical composition (wt%) of weld metal with different heat inputs 15.0 kj/cm 22.5 kj/cm 30.0 kj/cm C 0.14 0.16 0.2 Si 0.25 0.22 0.21 P 0.04 0.05 0.04 S 0.002 0.001 0.003 Cr 7.59 8.24 8.45 Mn 0.46 0.52 0.59 Ni 0.64 0.66 0.69 Mo 0.57 0.68 0.75 N 0.005 0.004 0.005 Nb 0.07 0.08 0.1 V 0.16 0.18 0.2 262 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 3, 2016
합금강 (ASTM A387 Gr. 91) - 탄소강 (ASTM A516 Gr.70) 이종금속의 FCA 다층용접부특성평가 : Part. 1 67 HCS 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 고온균열위험성은적은것으로사료된다. (1) 3.6 부식시험 15.0 22.5 30.0 Heat input (kj/cm) Fig. 12 Hot cracking susceptibility with different heat inputs Weight gain(%) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 15.0kJ/cm 22.5kJ/cm 30.0kJ/cm 0 100 200 300 400 500 600 700 Time (Hour) Fig. 13 Weight gain of dissimilar metals welded joints by salt spray corrosion test as a function of hour Fig. 13은 KDS 9502 표준염수 (NaCl) 분무시험기를이용한이종금속용접부의부식후무게증가량을도표로나타낸것이다. 탄소강 A516 은부식시험 40시간경과표면적으로부식이완료되었지만 40시간이내에서의부식에의한무게증가량은입열량에따른차이는거의없었다. 하지만시간이증가하면서입열량이증가함에따라부식에의한무게증가속도는높아졌다. 일반적으로마르텐사이트는베이나이트보다부식속도가느리고내식성이더나은조직으로보고되어있는데 15), 이미 Fig. 3에서고찰했듯이용접부에서의미세조직은입열량이증가함에따라템퍼드마르텐사이트에서하부베이나이트비율이증가하기때문에이와같은 결과가나타난것으로사료된다. 4. 결론 본연구에서는압력용기용강으로많이사용되는합금강 ASTM A387 Gr. 91과탄소강 ASTM A516 Gr. 70을합금강용와이어를이용하여 3가지입열량 (15.0, 22.5, 30.0 kj/cm) 으로 FCA 다층용접후 PWHT 를실시하였다. 용접후이종금속용접부에서의미세조직관찰, 충격시험, 인장시험, 경도시험을실시하였으며다음과같은결론을얻었다. 1) 용접부에서의미세조직은템퍼드마르텐사이트와하부베이나이트가생성되었다. 특히, 입열량과패스가증가함에따라템퍼드마르텐사이트의분율은감소하고하부베이나이트분율이증가하였다. 2) A516강의 HAZ에서는입계페라이트, 비드만스테텐페라이트가관찰되었으며입열량이증가함에따라냉각속도차이에의해입계페라이트는증가하고비드만스테텐페라이트는감소하였으며, CGHAZ 에서의입계페라이트는입열량이증가함에따라조대화되었다. A387 강의 HAZ 에서는템퍼드마르텐사이트와하부베이나이트가관찰되었고, 입열량이증가하면서템퍼드마르텐사이트의분율은감소하고, 하부베이나이트의분율이증가하였다. 3) 경도는 A387 의 HAZ 구간에서가장높았고, 용접부에서의경도는입열량이증가할수록경도값이감소하였다. 또한입열량이증가할수록인장강도가낮아졌고입열량 15.0 kj/cm, 30.0 kj/cm 의차이는 50MPa 이다. 4) A387 강재와 A516 강재의이종금속용접부에서는입열량이증가할수록충격흡수에너지는증가하였으며파단면변화를토대로분석한결과약-30 에서천이온도가나타났다. 5) EDS 성분분석을통한용접부에서의고온균열감수성 (Heat cracking susceptibility, HCS) 은입열량이증가함에따라높아졌지만표준안전치 (HCS < 4) 를충분히만족시켰다. 6) 이종금속용접부의부식은입열량이높을수록증가하였는데, 그이유는템퍼드마르텐사이트보다상대적으로내식성이낮은하부베이나이트의생성이증가하였기때문이다. References 1. Il-Wook Han, Soon-Taik Hong, Development trend of steel and welding consumables for pressure vessel, 대한용접 접합학회지제 34 권제 3 호, 2016 년 6 월 263
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