한국산학기술학회논문지 Vol. 6, No. 2, pp. 122-128, 2005 교량용강재박스의현장제조시셀프실드플럭스코어드 아크용접의적용타당성에대한연구 황용화1* 고진현2 오세용3 A Feasibility Study on the Application of Self-Shielded Flux Cored Arc Welding Process for the On-Site Steel Bridge Box Fabrication Yong-Hwa Hwang1*, Jin-Hyun Koh2 and Se-Yong Oh3 요약본연구에서는구조용강 SM520을사용하여교량용박스제작시플럭스코어드아크용접법에서가스실드방식과셀프실드방식의두공정으로제작된용접부를건전성, 기계적성질및미세조직에서비교하였다. 그결과두용접프로세스에의해제작된용접부들은매크로조직및비파괴검사결과건전성이입증되었고, 항복및인장강도가각각 462~549 MPa와 548~640 MPa 였고, CVN 충격치는 -20oC에서요구값인 40J을충족하였다. 결과적으로, 고속철도나고속도로건설시사용되는교량용 SM520강박스제조시고소및강풍조건하에서용접할때셀프실드아크용접법은기존의가스실드아크용접법과비교하여대등한용접특성들을보였기때문에현장시공시적용타당성이있다고사료된다. Abstract A feasibility study on the application of self-shielded flux cored arc welding to the on-site SM520 steel bridge box fabrication for express trains and high way construction instead of gas-shield flux cored arc welding was conducted in terms of weld soundness, mechanical properties, toughness and microstructures. All welded specimens made with the self-shielded FCAW process were tested by magnetic particle and ultrasonic techniques and they were found to be sound. All multipass weld specimens made with both self-shielded and gas-shielded FCAW processes showed yield and tensile strengths of 462~549 MPa and 548~640 MPa, respectively. The impact values of Charpy VNotch weld specimens also met with the required value of 40J at -20oC. The hardness values of the top area of weldments were higher than those of the bottom area because of higher residual stresses in the near surface. It was found that welding characteristics of SM520 steel by the on-site welding conditions with self-shielded FCAW showed almost equivalent to those by gas-shielded FCAW in terms of sound welds, mechanical properties and microstructure. Key Words : SM520 steel, Self-shielded FCAW, Gas-shielded FCAW, Mechanical properties, Weld metal microstructure, HAZ, Ultrasonic testing and Magnetic particle testing 1. 서론 과도로여건상운송의곤란함을야기하고있다. 따라서대형구 최근고도의산업발전에따라교량, 구조물, 선박, 산업설비등이대형화되는추세이며이에따라용접구조물도대형화되고있다. 이러한대형구조물의제작은공장부지의대단위화필요성 1한국원자력연구소핵주기시험부 2한국기술교육대학교신소재공학과 3충남대학교기계공학과 * 교신저자 : 황용화(hyh@kaeri.re.kr) 조물을분할제작한블록(block) 을현장으로운송한후용접할필요성이증가하고있다. 심지어 50 m 이상의고소에서도용접작업을할경우가있고, 안전과용접품질을위해방풍시설이필요하고그리고실드가스공급용관의장대화에따른가스순도저하등의문제가대두되고있다. 이러한문제를해결하기위해용접시실드가스
를사용하지않고자체적으로가스가발생되어 용접부를실딩(shielding) 하는셀프실드플럭스 코어드아크용접 (SelfshieldedFlux Cored Arc Wedling, FCAW) 의사용필요성이증대하고있 다[1]. 고속철도나고속도로의교량건설및대형 강구조물제작시피할수없는고소와해안지역 등작업시강한바람의영향아래서용접을하여 야한다. 이때가스실드플럭스코어드아크용접 (Gas-shielded Flux Cored Arc Welding, FCAW) 에서는실드가스실린더의공급및운반, 설치, 순도저하등의어려움이대두된다. 따라서 본연구에서는현재강교량용강재박스제작 시현장에서많이사용되고있는가스실드 FCAW 공정과비교하여현장용접에유리할것 으로판단되는셀프실 2.2. 시편용접 용접은염기성계열인직경 2 mm의가스실드 플럭스코어드아크용접와이어를사용하여가 로 230 세로 760 두께 35 mm의모재강판에 가공된홈을채우는것이였다. 각용접시편은표 2 와같은조건으로용접되었다. 시편번호 1은 강판에 에서입열량 50o로가공된양면홈을수직용접자세 3.6~3.8 kj/mm으로상하각각 4 와 5패스로 9 패스가용접되었고, 시편번호 2는 같이강판에 용접자세에서입열량 35o로가공된일면홈을아래보기 0.9~1.7 kj/mm으로사용 하여 25패스가용접되었고그리고시편번호 3은 강판에 35o로가공된일면홈을입열량 1.9~2.7 kj/mm으로수직용접자세에서 16패스 가용접되었다. 용접전예열온도는 110oC이상으 드플럭스코어드아크용접[1-3] 에의한용접특 성을비교하여현장적용타당성을조사하는것 이목적이다. 이를위하여구조용강 SM520을 가스실드용접과셀프실드용접의두공정에의 해제작된용접부를건전성, 기계적성질및미 세조직등의용접특성으로비교조사하였다 2.1 용접재료 2. 실험방법 본실험에사용된모재는압연구조용강 SM520 으로그화학조성과탄소당량은표 1(a) 와같으 며, 실험에사용된용접와이어는 AWS A 5.29 규격에따라 E71T8-K6 를사용하였고, 화학조 성은표 1(b) 와같다 로, 패스간온도는평균 150oC 이상 220oC 이 하를유지하였다용접후용접부의건전성여부는 초음파탐상검사로수행되었고지연균열의발생 여부는용접완료하고 48시간경과한후실시하 였다[9]. 또한용접부표면비드의건전성은자 분탐상검사로실시하였다 2.3. 검사 용접부건전성과기계적시험및미세조직 용접완료후초음파탐상및자분탐상검사로용 접부의건전성시험을수행하였다. 그리고건전 성이있다고판명된용접부는그림 1과같이인 장시험, 충격시험과굽힘시험시편을가공하여 준비하였다. 용착금속의기계적성질과용접품질 을비교하기위하여종방향인장시편은길이 140 mm, 게이지길이 50 mm와직경 12mm의 환봉으로, 횡방향인장시편은두께 25 mm, 게
이지길이 20 mm의판상으로가공하여준비하 였다. 인장시험은 100톤급만능시험기를사용하 여크로스헤드속도 5 mm/min로수행되었다용 착금속과열영향부의인성을조사하기위하여 용접부표면으로부터 2 mm 깊이의 V형노치를 표준형태의충격시편(10 10 55 mm) 을각각 3 개씩가공하여-20oC로유지된액조내에서 10 분이상유지한다음꺼내어 5초이내충격시험 을수행하였다경도시험은매크로조직검사에사 용되었던시편을비커스경도시험기로상하부로 부터각각표면직하 0.5 mm 간격으로, 모재는 1mm 2 mm거리에서열영향부는 용된범위에서파괴가발생하지않았다. 이와같 이셀프실드 FCAW에의해제작된 3종류의 간격으로측정하였으며, 사용하중은 5 kgf였고 압입유지시간은 15초였다셀프실드 FCAW 용 접부와가스실드 FCAW 용접부 를용접방향에직각으로절단한후밀링머신으 로절단면을연삭하고연마한후 2% 나이탈용 액으로부식하고광학현미경으로미세조직을조 사하였다 3. 3.1 용접부건전성검사 본실험에서준비된 결과및고찰 3 종류의용접시편을셀프 실드FCAW로용접완료후초음파검사로용접 부내부의결함을탐상한결과시편모두결함 이없었고또자분탐상검사로용접비드표면 을검사한결과결함이없었다. 그리고그림 2, 3과 4 는이들시편을절단, 연마및부식하여용 접부의매크로조직사진이다. 그결과 3 종류의 용접시편에서결함이없었다. 그리고용접시편으 로제작된굽힘시편을굽힘지그위에놓고인장 시험기로압축한결과그림 편과같이 5의굽힘시험된시 3개의시편모두지그에서굽힘이허 용접부를초음파탐상검사에의한용접부내부검사와자분탐상에의한용접비드및용접부매크로조직검사뿐아니라용접부의굽힘시험결과모두기계적성질에영향을미칠만한결함이없이양호하여용접부의건전성이입증된것으로사료된다
3.2. 미세조직 그림 6(a)와 그림 6(b)는 각각 가스실드 FCAW 와 셀프실드 FCAW에 의한 용접부 미세조직을 보여주고 있다
가스실드 FCAW 용접부의미세조직은구오스테 나이트입계를따라생성된입계페라이트 (grain boundary ferrite, GBF) 와이입계페라이트에 서입내쪽으로생성된사이드플레이트페라이 트(side plate ferrite, SPF) 가많이존재하고 있다[7, 8]. 그리고입계에는폴리고날페라이트 (polygonal ferrite, PF) 도생성되었다. 한편가 스실드 FCAW에의한용접부미세조직은약간 조대한폴리고날페라이트와입계페라이트들이 생성되었고구오스테나이트입내에는페라이트 들이서로얽혀있는형상을하고있는아시큘 러페라이트(acicular ferrite, AF) 도존재하고 있다[9, 10] 그림 7(a) 와그림 7(b) 는각각가스 실드 FCAW와셀프실드 FCAW에의한열영향 부의미세조직으로모두용접시온도가오스테 나이트영역으로도달하였다가다소빠른냉각 속도에의한페라이트에제2상이생성된 (ferrite with second phase), 침상형태의페라 이트, 베이나이트조직과베이나이트적페라이트 (banitic ferrite) 가생성되었다[10, 11]. 그림 8(a) 와그림 8(b) 는다층용접에서후속패스 가선행패스를재가열한결과생성된미세조직 으로입자가 등축정에가까운재결정된미세한결정립을보 여주고있다. 이러한미세조직의형성으로용접 열영향부의인성이용접부의인성향상에기여한 다고알려져있다 [8] 3.3 인장시험과굽힘시험 표 3은셀프실드와가스실드 FCA 용접부의종 방향인장시험의결과로얻어진인장강도와항 복강도이다그림 10은이들시험결과파손된시 편들을보여주고있다. 종방향인장시험에서셀 프보호용접부의항복강도는 511~521 MPa이 고, 인장강도는 611~640 MPa, 단면수축률은 59~66%, 연신률은 25~27% 로양호하였고,CO2 가스실드용접부의항복강도는 505~525 MPa, 인장강도는 605~627 MPa, 60~63%, 연신률은 26~28% 로 단면수축률은
된셀프실드와가스실드 FCAW에의한용접부 와열영향부의충격인성은비슷한결과를얻었 다 두조건에의한용접부모두비록다소의용접 패스수에는차이가있었지만항복강도, 인장강 도, 단면수축율및연신율의값의범위가거의 비슷하였고양호하였다. 따라서 CO2 가스실드 용접부와셀프실드용접부의인장강도와항복강 도에서거의대등한값을가졌음을확인할수있 었다 3.4. 충격시험 표 4는용접부와열영향부에노치를가공하여 수행한샤르피충격시험결과이다. 충격시험특 성상편차는있지만 -20oC에서셀프실드및가 스실드 FCA 용접부의평균충격치이다. 셀프실 드용접시편 1, 2와 3의용접부의충격치는각 각, 89, 53과 74J 이고, 가스실드용접시편 1, 2 와 3의용접부의충격치는각각 93, 60와 75J 이다. 용접부의충격치에서이와같은차이는용 접패스용착시사용한입열량이표 2와같이시 편번호 1,3과 2 순으로낮아용접후용접금속 의냉각속도가컸기때문에경한용접미세조직 이더증가한것으로사료된다그리고셀프실드 용접시편 1, 2와 3의열영향부충격치는각각 221, 203과 107J 이고, 가스실드용접시편 1, 2와 3의열영향부충격치는 240, 180과 110J이 다. 열영향부는평균충격치가용접부의충격치 보다열영향부가훨씬높다. 이것은용접부가열 영향부보다더취약한것으로이미용접미세조 직에서고찰한바와같이다층패스용접에서선 행용접부가후행용접부용착시적용된용접열 에의해재가열되어미세조직이미세화 (refined) 되기때문이다. 그러나용접부와열영향부모두 -20oC에서충격인성 40J 이상을요구하는규격 요구치를모두만족하였다. 같은용접조건으로 3.5. 경도시험 그림 9 는모재, 열영향부와용접금속의경도시 험결과를보여주고있다. 경도치는모재 180~210 Hv, 열영향부 220~320 Hv, 용접금 속 210~240 Hv 범위를보여주고있으며열영 향부가용접금속보다경도가높다. 이것은이미 용접부미세조직사진에서고찰한바와같이조 대한페라이트입자의용접금속의미세조직과 비교하여용접부에인접한열영향부의미세조직 이경한베이나이트, 제2 상페라이트(ferrite with second phase) 와사이트플레이트( 비드만 스태턴) 페라이트가생성되었기때문으로생각 된다그리고다층용접부에서용접패스수가더많 았던상 부용접표면쪽이용접패스수가적었던하부용 접표면쪽보다경도가낮다. 이것은상부표면이 하부표면보다더높은잔류응력이생성되었기 때문으로사료된다 4. 결론 본연구에서는고속전철과고속도로건설시교량 용박스제작시 셀프실드 SM520 구조용강재를사용하여 FCAW로고소와강풍등의현장에서
적용가능성을조사하기위해수행되었다. 이를 위해셀프실드 FCAW를실드가스 FCAW 프로세 스와용접특성을비교한결과다음과같은결론 을얻었다 1. 두용접프로세스에의한용접부는비파괴검 사와굽힘시험및인장시험결과건전성은우수 하였고용접금속의인장강도, 항복강도및연신 률등기계적성질이거의대등하였으며, 인성도 -20oC 에서요구되는최 소충격치 40J 보다훨씬높았다 2. 셀프실드및가스실드 FCAW 프로세스에의 한용접부의미세조직은모두입계페라이트와 사이드플레이트페라이트로구성되었으나셀프 실드 FCAW에의한용접금속에서미세조직이 가스실드 FCAW에의한용접금속의미세조직 보다조금더조대하였다 3. 두용접프로세스에의한용접부의경도는용 접금속보다열영향부가더높았다. 이것은용접 용융선근처열영향부의미세조직이경한베나 이트적페라이트와사이드플레이트페라이트가 생성되었기때문이였다. 용접부상부의경도가 용접부하부보다더높았는데이것은패스수가 많은상부층에서잔류응력이더높았기때 문으로사료된다 4. 셀프실드 FCAW를사용하여현장용접조건 에서용접한용접부의특성은가스실드 FCAW 에의해용접된용접부의특성과거의대등하였 기때문에고소및강풍영향을받는용접조건 에서현장적용가능성이있다고사료된다 참고문헌 [1] K. J. Rodgers and J. C. Lochhead, Self-shielded Flux Cored Arc Welding-The Route to Good FractureToughness, Welding Journal, Vol. 66, No. 7, pp.49-59, July 1987 [2] Anon, Self-shielded FCAW Speeds High-Rise Construction, Welding Journal, Vol. 63, No. 4, pp.47-49, April 1984 [3] Anon, Office Building Columns Field Spliced with Self-shielded Welding Wire, Welding Journal, Vol65, No. 10, pp. 53-54, Oct. 1986 [4] D. J. kotecki and R. A. Moll, A Toughness Study of Steel Weld Metal from Self-shielded Flux Cored Electrodes-Part 1, Welding Journal, Vol. 49, No. 4, pp.157s-163s, April 1990 [5] 고진현외, 국산플럭스코어드와이어용 접에서입열량이용접부의미세조직과영향에 미치는영향, 대한용접학회지, 제11권제4 호, pp.57-63, 1993. 12 [6] 고진현외, SA508 class 3 서브머지드아 크용접부의기계적성질에미치는입열량의영 향, 대한용접학회지, 제22권제5 호, pp.38-45, 2004. 10 [7] Classification of Microstructure in Low Carbon AlloyWeld Metal, IIW Doc. IX-1282-83, 1983 [8] K. Easterling, Introduction to the Physical Metallurgyof Welding, Butterworths, pp. 75-77, 1987 [9] B. Dixon and K. Hakansson, Effect of Welding Parameters on Weld Zone Toughness and Hardness in 690 MPa steel, Welding Journal, Vol 64, No.1 P122s, Jan. 1995 [10] R. A. Farrar and Z. Zhang, Aspect Rations and Morphology of AF in C-Mn-Ni Weld Metals, Materials Science Technology, No. 11, p.759, 1995 [11] N. J. Smith, J. T. McGrath, J. A. Gianetto and R. FOrr, Microstructure/mechanical Properties Relationships of Submerged Arc Welds in HSLA 80 Steels, Welding Journal, Vol. 58 No. 3, p.112s, March 1989