연구논문 슈퍼듀플렉스스테인리스강다층용접부의미세조직및공식 에미치는용접열사이클의영향 남성길 박세진 나혜성 강정윤 삼성중공업산업기술연구소용접연구 부산대학교재료공학부 Effect of Welding Thermal Cycle on Microstructure and Pitting Corrosion Property of Multi-pass Weldment of Super-duplex Stainless Steel Seong-Kil Nam*, Se-Jin Park*, Hye-Sung Na** and Chung-Yun Kang**, *Welding Research of SAMSUNG Heavy Industries Co.,Ltd, Goeje 656-71, Korea **Dept. of Material Science and Engineering, Pusan National University, Busan 69-735, Korea Corresponding author : kangcy@pusan.ac.kr (Received November 2, 29 ; Revised December 3, 29 ; Accepted July 23 21) Abstract Super-duplex stainless steels (SDSS) have a good balance of mechanical property and corrosion resistance when they consist of approximately equal amount of austenite and ferrite. The SDSS needs to avoid the detrimental phases such as sigma(σ), chi(χ), secondary austenite(γ2), chromium carbide & nitride and to maintain the ratio of ferrite & austenite phase as well known. However, the effects of the subsequent thermal cycle were seldom experimentally studied on the micro-structural variation of ment & pitting corrosion property. Therefore, the present study investigated the effect of the subsequent thermal cycle on the change of microstructure and pitting corrosion property at 4. The thermal history of root side was measured experimentally and the change of microstructure of root & the weight loss by pitting corrosion test were observed as a function of the thermal cycle of each layer. The ferrite contents of root were reduced with the subsequent thermal cycles. The pitting corrosion was occurred in the root region in case of the all pitted specimen & in the middle layer in some cases. And the weight loss by pitting corrosion was increased in proportional to the time exposed at high temperature of the root and also by the decrease of ferrite content. The subsequent thermal cycles destroy the phase balance of ferrite & austenite at the root. Conclusively, It is thought that as the more subsequent s were added, the more the phase balance of ferrite & austenite was deviated from equality, therefore the pitting corrosion property was deteriorated by galvanic effect of the two phases and the increase of 2nd phases & grain boundary energy. Key Words : Super-duplex stainless steel, Pitting corrosion, Welding thermal cycle 1. 서론 페라이트상과오스테나이트상이약 의비율로결합된구조를가지고있는듀플렉스스테인리스강은우수한가공성과기계적성질그리고내식성으로인 해화학장치 심해저구조물및유전설비의파이프라인등에광범위하게사용되고있다 원유고갈에따라유전설비의설치가더욱가혹한환경에서이루어지고있고 이에따라기존의듀플렉스스테인리스강보다더우수한특성을갖는재질이요구되었다 이러한요구에부응해 년대에개발된재질이약 크롬과약
슈퍼듀플렉스스테인리스강다층용접부의미세조직및공식 에미치는용접열사이클의영향 질소를함유한슈퍼듀플렉스스테인리스강이다 슈퍼듀플렉스스테인리스강은내공식지수 가 이상 으로내식성과 기계적성질이기존의듀플렉스스테인리스강에비해 상당히우수하다 따라서슈퍼듀플렉스스테인리스 강은가혹한부식환경뿐아니라저온및고온특성이 요구되는여러산업분야에서그사용범위가넓어지고 있다 또한원자재가격상승에따라오스테나이트계 스테인리스강에비해상대적으로니켈함유량이작고 내식성및기계적성질이우수한슈퍼듀플렉스강에대 한많은연구가진행되었다 그러나슈퍼듀플렉스스테인리스강은가공시의열 이력 특히용접에의해페라이트상과오스테나이트 상의상비율이변화될수있고 또한다량의합금원소 등 가함유되어있어시그마상 σ 카이상 χ 차오스테나이트 γ 크롬탄화물및질화물과 같은제 차상 금속간화합물 이석출되어고유의기계 적성질과내식성에악영향을미치는것으로알려져있 다 따라서이러한 차상인금속간화합물이슈퍼듀플 렉스스테인리스강의기계적성질및내식성에미치는 영향을파악하고 이러한문제점을해결하고자하는많 은연구가진행되어왔다 본연구에서는슈퍼듀플렉스스테인리스강의다층 용접시 후속용접의열사이클에의한용접금속의미세 조직변화와용접열사이클이공식 에미치는영향을실험적으로조사하였다 2.1 사용재료 2. 사용재료및실험방법 본연구에서사용한강재는 두께이다 용접재료는 용으로 는 의 φ 용으로는 의 φ 그리고 용으로는 φ 가사용되었다 사용된강재의화학조성및기 계적성질을 에 용접재료순용착금속의화학 조성을 에나타내었다 2.2 용접방법 시험번호및용접조건 초층부터 층까지의용접은 를적용하였으며 이후층부터는 를각각적용 하였다 층용접시의입열량은초층용접입열량의 를적용하였고 층째부터는평균입 열량이 가되도록적용하였다 또한 층간온도는 이하로유지하였다 이면보호가스 로는 이적용되었으며 초층 용접시의보호가스로는 가적용되었고 초 층이외의 용접시에는 이보호가스로적용되었다 용접시에는 가보호가스로적용되었다 상세시험번호및용접조건을 에나타내었다
남성길 박세진 나혜성 강정윤 시편형상및시험편위치폭 길이 의시편이사용되었으며 각시편은다섯부분으로나뉘어져 적용되는용접층수를달리적용하여용접을실시하였다 즉 첫부분은초층용접만을실시하였고 다음부분은 번째층까지용접하는방법으로시험을진행하였고마지막 번째부분은 전체두께에대한용접을완료하였다 루트갭은 를유지하였으며용접개선각도는 로하였다 구분되어진각부분의시작부 지점에서각각마크로시험편을제작하였고 용접완료된 번째부분에서는공식시험용시험편도제작하였다 공식시험용시험편은 용접선길이방향 용접폭방향 크기로제작하였다 시편형상및시험편채취위치를 에나타내었다 2.3 실험방법 이면온도측정초층용접완료후 용접비드이면의용접중앙부와 부에열전대를부착하여 층용접부터용접부이면온도이력을조사하였다 열전대부착위치를 에 12mm 6 나타내었다 미세조직시험 후속용접열사이클이용접금속의페라이트상과오스 테나이트상의분율변화에미치는영향을관찰하기위 하여 에서나뉘어진각각의부분에서채취된시 험편의초층용접금속에대한미세조직을광학현미경을 사용해관찰하였다 페라이트상분율은 의 에의거수행하였다 공식 시험 최종층까지용접완료된시험편으로 와 에의거 온도에 서 시간동안공식시험을수행하였다 공식시험후 발생유무와공식발생위치를육안및압침법 으로확인하였고 공식시험에의한무게감소량이측 정하였다 공식시험용기에서추출한시험편의무게 측정은최소 회이상세척과정을거쳐값이변하지않 을때까지수행하였다 또한공식발생원인을조사하기위해공식발생위 치에인접한부분에대해 실험을하였다 3. 실험결과및고찰 3.1 고온에서의용접비드이면노출시간에미치는용접열사이클의영향 1st pass 2nd layer 3 4mm 3rd layer 4th layer Final layer 25mm 용접비드이면의온도는용접열사이클의영향으로급격히상승하여최고온도에도달된후 가열시보다는느린속도로하강하였다 또한입열량이많을수록최고도달온도가높았고고온에서노출되는시간이길었다 시편의두번째및세번째층용접시 그리고 시편의두번째층용접시의용접열사이클및용접비드이면이고온에서노출되는시간을 에나타내었다 또한각시험편의용접비드이면이고온에서노출되는시간에대한시험결과를 에나타내었다 고온에서의용접비드이면노출온도및시간은 층용접부터의평균입열량에크게영향을받았으며 용접비드이면이 및 이상에서노출되는시간은 층용접부터의평균입열량과직선적인비례관계를보였다 이를 및 에각각나타내었다 ET over AVHI ET over AVHI
슈퍼듀플렉스스테인리스강다층용접부의미세조직및공식 에미치는용접열사이클의영향 12 12 12 (a) 163 (b) (c) 1142.6 Temp.( ) 8 4 792.9 Temp.( ) 8 4 742. 53.6 Temp.( ) 8 4 867.8 Weld center Weld toe 7 14 Time (sec.) Weld center Weld toe 45 9 Time (sec.) Weld center Weld toe 155 31 Time (sec.) ET over AVHI 해당온도이상으로노출되는시간 초 층째부터의평균입열량 3.2 용접금속페라이트함량변화에미치는용접열사이클의영향 는 모재및 용접금속의미세조직을나
남성길 박세진 나혜성 강정윤 타내고있고 밝은부분은오스테나이트이고어두운 부분은페라이트이다 모재의경우두조직이일정방 향으로길게늘어져있고 용접금속의경우페라이트 기지에페라이트입계를따라오스테나이트가존재하고있음을알수있다 초층용접시의실제용접입열량은 범위였고 시험된입열량범위내에서후속용접열사 이클의영향을전혀받지않은 상태의초 층용접금속 초층용접금속중두번째층용접에의해 재열처리되지않은부분으로백비드표면은아님 의 최대페라이트함유량은용접입열량 에 서관찰되었으며 이때의페라이트분율은약 였 다 또한용접입열량 일때페라이트함 유량이최소치를보였으며 이때의페라이트분율은약 였다 또한용접금속의페라이트함유량은후속용접열사이 클의영향을받아감소되는경향을보였으며후속용접 패스수가많아질수록점진적으로감소되는경향을보 였다 또한 번째층의용접입열량이초층입열량의 인경우가 인경우보다 페라이트함유량감소율이더큰결과를보였다 번째 층의용접입열량이초층용접입열량의 인경우 용접완료후초층용접금속의페라이트함유 량은 시험편을제외하고는후속용접열사이클의 영향을전혀받지않은 상태의초층용접 금속페라이트함유량의 수준이었고 Ferrite Vol. fraction of 1st (%) 1 8 6 4 2 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 F1 F2 1st 2nd 3rd 4th Final 번째 층의용접입열량이초층용접입열량의 인경우에는 수준이었다 는 후속용접열사이클의영향을전혀받지않은 상태의초층페라이트함유량기준으로용접층수증 가에따른초층용접금속의페라이트함유량변화를나 타낸것이다 Number of layer 용접완료후전체시편에대한초층용접금속의페 라이트함유량과용접입열량 용접비드이면의노출 온도및시간과의직접적인상관관계는명확하지않 았다 단 상대적으로고입열이적용되었던 층째부터 의평균입열량이 인경우에는 용접완료후초층용접금속의페라이트함유량은 층 째부터의평균입열량과반비례관계를나타내었다 이 를 에각각나타내었다 FC AVHI 층째부터의평균입열량 3.3 공식 (Pitting Corrosion) 에미치는용접열사이클의영향 은 와 에따라 에서수행된공식시험결과 각 시험편별공식발생위치를나타내고있다 개의시 험편중 개의시험편에서공식이발생되었고 공식발 생위치는 개시험편모두용접루트부를포함하고있 었으다 은용접금속의 루트부및 시험편
슈퍼듀플렉스스테인리스강다층용접부의미세조직및공식 에미치는용접열사이클의영향 측면에서공식이발생된시험번호 의공식시험 후시험편표면을나타내고있으며 번째층부터평균 입열량 Weight lose[g/mm 2 ] 1 8 6 4 2 을적용한시험편의경우 시험편의측면에서도공식이발생되었다 공식시험에의한시험편의무게감소량은용접부이 면이고온에서노출되는시간과비례하여증가하는경 향을보였다 또한공식 발생된 시험편의무게감량은 에서요구하 는 을초과하였고 무게감소량이 미만 일경우에는공식이발생되지않았다 은용접부 이면이 이상의온도에노출되는시간과공식시 험에의한무게감소량과의관계를나타낸것이다 공식시험의무게감소량은용접부이면이고온에서 노출되는시간과비례하는관계를나타내지만 용입깊 이에따른용접금속재열부및모재열영향부의넓이 및미세조직변화에따른영향도고려하여야한다 용 입깊이는용접입열량의영향을받기때문에 각용접 패스의평균입열량과고온에노출되는시간을고려하 여 및 과같은회귀식을도출 했다 WL HIT over HIT over HIT over 공식시험시의무게감소량 T=4 T=5 T=6 1 2 3 4 5 Exposed time [sec] 용접부이면의온도가일정온도를초과하게 하는각용접패스의평균입열량 용접부이면이일정온도를초과하여유지 되는시간 초 3.4 공식 (Pitting Corrosion) 에미치는페라이트분율의영향 상대적고입열 층째부터의평균입열량 이적용된경우 초층용접금속의페라 이트함유량은적용된입열량과반비례관계를보였으 나상대적저입열 층째부터의평균입열량 이적용된경우에는상관관계를찾기가 어려웠다 또한상대적고입열이적용된경우 최종용 접완료후의초층의오스테나이트상및페라이트상 비율과공식시험후의무게감소량은직선적인관계를 나타내었다 은 상대적저입열 상대적고 입열이적용된경우의초층용접부의오스테나이트상 및페라이트상비율과공식시험후의무게감소량를 나타낸것이다 은상대적으로고입열이적용된경우의공식 시험후의무게감소량을초층용접금속의오스테나이 트상과페라이트상함유량비율에따라나타낸것 이다 WL H RAF Weight loss(g/m2) 18 9 1 2 4 6 8 1 2 4 6 8 Ratio of austenite to ferrite(%) Weight loss(g/m2) 9 7 5 3 Ratio of austenite to ferrite(%) 고입열영역에서의공식시험무게감소량 초층용접금속의오스테나이트상과페 라이트상의비율 상대적으로저입열이적용된경우 오스테나이트 페 라이트상비율 과공식시험후의무게감소량과의 관계는통계프로그램인미니탭으로분석시에는상관 관계가큰것으로나타났으나 공식이발생된경우에는 무게감소량이 을초과하였고공식이발생되지 않는경우에는무게감소량이아주작은시험결과를 보였기때문에이를그대로수용하기는무리가있는것 으로판단된다
남성길 박세진 나혜성 강정윤 3.5 공식 (Pitting Corrosion) 발생위치 이번시험결과공식은페라이트상과오스테나이트 상의계면에서발생되었으며 용접비드이면비드가 이상의고온에서노출되는시간이 초이상인 경우공식이발생되었다 또한공식발생결과로부터 용접비드이면이 이상의온도에노출되는시간 이 초이상일경우초층용접금속내에제 상이석 출되었거나 비율이이상적인초층용접금속의 오스테나이트 페라이트상분율이크게변화된것으로 판단할수있다 초의짧은시간에도제 상이석출 된것은용접시의열응력과잔류응력및용접금속의 결함 전위 공공등 때문에제 상의석출이촉진되었기때문으로판단되며 상비율의파괴는후속용접열 사이클의영향때문이다 공식은용접열사이클에의한 용접금속의오스테나이트 페라이트상분율의변화와각상의공식저항지수차이에기인된갈바닉효과 및제 상의석출 에의한제 상주변의 함량고갈에 따른것으로판단된다 의 에공식시험후용접금속의광학현미 경조직사진을 공식발생부와인접부의 조직사 진과 분석결과를 의 에각각나 타내었다 공식발생위치인접부에서 함유량이증 가하는부분이확인되었으며 이로부터초층용접금속 내에제 상이존재하는것으로판단할수있다 용접 열사이클의영향으로초층용접금속의페라이트함유량 은감소되지만 는증가되는것 이확인되었으며 과 함량으로부터 의경우시그마상이석출된것으로판단할수도있다 4. 결론 본연구는슈퍼듀플렉스스테인리스강다층용접시 용접열사이클이용접금속미세조직및공식 에미치는영향을검토해보았다 시험결 과로부터얻어진결론은아래와같다 용접열사이클의영향으로인한용접비드이면의 고온에서의노출시간을평균용접입열량으로산출할 수있었다 용접열사이클의영향으로용접금속의페라이트함 유량이계속적으로감소됨을확인하였고 관련 에 서요구하는최소페라이트함유량 을확보하기 위해서는평균용접입열량뿐아니라 번째층용접 입열량관리가중요하다 공식 시험후공식이발생된 시험편의공식발생위치는 모두용접루트부를포함 하고있었으며 번째층부터의평균용접입열량이 인경우에는시험편측면에서도 공식이발생되었다 시험편측면에서의공식을방지하 기위해서는평균용접입열량이 이내로 관리되어야할것으로판단된다 공식 시험에의한무게감소 량은용접비드이면이고온에노출되는시간에비례하 여증가하였다 용접비드이면이 이상에서 초이상 이상에서 초이상노출되면무게감 소량이 에서요구하는 을 초과할뿐아니라공식역시발생될것으로판단된다 또한용접비드이면의고온에서의노출시간과 이때의평균용접입열량으로 공식 시험에의한무게감소량을산출할수있 었다 참고문헌 σ
슈퍼듀플렉스스테인리스강다층용접부의미세조직및공식 에미치는용접열사이클의영향 σ