21 ISSN 2466-2232 Online ISSN 2466-2100 고강도강다층용접금속재가열부의미세조직및기계적특성 강용준 * 박기태 ** 정성훈 ** 이창희 **, * 한국기계연구원부설재료연구소접합기술연구실 ** 한양대학교신소재공학부 Microstructure and Mechanical Properties of Reheated Zones in the Multi-pass Weld Metal of High-Strength Steel Yongjoon Kang*, Gitae Park**, Seonghoon Jeong**, and Changhee Lee**, *Joining Technology Department, Korea Institute of Materials Science, Changwon, 51508, Korea **Division of Materials Science and Engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Korea Corresponding author : chlee@hanyang.ac.kr (Received November 21, 2017 ; Revised December 6, 2017 ; Accepted December 11) Abstract A large fraction of reheated weld metal is formed during multi-pass welding, which significantly affects the reliability and stability of the welded structures. In this study, the effect of reheating on the mechanical properties and microstructure of high-strength steel welds during multi-pass welding was investigated. Two kinds of high-strength steel welds with different hardenabilities, i.e., welds L (low hardenability) and H (high hardenability), were produced by single-pass, bead-in-groove welding, and both welds were thermally cycled to various peak temperatures to simulate the reheated welds using a Gleeble simulator. In as-welded weld L, acicular ferrite developed extensively in the grain interior, while grain boundary ferrite and Widmanstätten ferrite formed along the prior austenite grain boundaries. The microstructure of as-welded weld H consisted mainly of bainite, with some acicular ferrite and coalesced bainite. The microstructural changes due to thermal cycling were observed by scanning electron microscopy and correlated with the mechanical properties. Key Words : Multi-pass welding, Reheated zone, Impact toughness 1. 서론 최근파이프라인, 선박, 해양구조물등구조물의대형화와함께사용환경이가혹화됨에따라높은강도와인성을갖는구조용강재에대한수요가점차증가하고있다. 그러나이러한강재의우수한기계적특성에도불구하고, 모재에비해낮은기계적특성 ( 특히, 인성 ) 을갖는용접금속및용접열영향부 (heat-affected zone, HAZ) 로인해구조물의안정성을높이는데한계가있으며, 이에용접금속과용접 HAZ 의기계적성질을향상시키기위한많은연구가수행되어왔다 1,2). 일반적으로고강도강용접금속의인성은비금속개재 물 (non-metallic inclusion) 에서핵생성되어성장한침상형페라이트 (acicular ferrite) 의분율이높을수록향상된다. 따라서다수의연구가침상형페라이트형성에미치는용접공정변수및합금성분의영향에초점을두고수행되었으며 3-7), 최근에는 Ti 첨가를통해개재물의핵생성능력을높일수있다고보고되고있다 7). 한편구조물의건설에적용되는용접공정은대부분다층 (multi-pass) 용접이며, 후속패스에의해재가열된용접금속의미세조직은재가열되지않은영역과매우상이하게나타난다 3-5). 그러나다층용접에의한용접금속재가열부 (reheated zone, RZ) 의기계적성질에대해서는많은연구가이루어지지않았을뿐만아니라선행연구들이상반된결과를보여주고있다. Evans 3) Journal of Welding and Joining, Vol.35 No.6(2017) pp21-26 https://doi.org/10.5781/jwj.2017.35.6.4
22 강용준 박기태 정성훈 이창희 와 Surian 등 4) 은 RZ의분율이높을수록결정립미세화효과로인해용접금속의인성이향상된다고하였으나, Chen 등 8) 과 Zhou 등 9) 은 RZ 재현시험을통해최고온도 (peak temperature, T p ) 가 1350 일때, 즉 coarse-grained RZ (CGRZ) 에서인성이크게저하된다고하였으며이것은 prior 오스테나이트결정립계를따라생성된 M-A (martensite-austenite) 상에의해비롯된다고하였다. 한편 Ohkita 등 10) 과 Tezuka 등 11) 은재가열로인한용접금속의인성변화는재가열전, 즉용접그대로 (as-welded) 상태의미세조직에좌우된다고보고하였다. 본연구에서는고강도강용접금속의재현 RZ의기계적특성을평가하고미세조직과의상관관계를고찰하였다. Gleeble simulator 를이용하여열사이클의 T p 가오스테나이트영역, 즉 Ac 3 이상인 CGRZ 와 fine-grained RZ (FGRZ), 오스테나이트와페라이트이상영역, 즉 Ac 1 과 Ac 3 사이인 intercritical RZ (ICRZ), 페라이트영역, 즉 Ac 1 이하인 subcritical RZ(SCRZ) 를재현하였으며, 이를통해재가열로인한용접금속의미세조직및기계적성질변화를분석하였다. 2. 실험방법 Fig. 1에나타낸바와같이재가열전, 즉용접그대로상태의용접금속시편을제작하기위해 AH36 강판에 5mm 깊이 V-그루브를가공하여약 20 kj/cm 의입열량으로단일패스용접을수행하였다. 가스메탈아크용접 (gas metal arc welding) 공정을이용하였고, 보호가스는 80% Ar + 20% CO 2 혼합가스를사용하였으며, 용접속도는 300 mm/min 으로하였다. 용접금속의경화능증가에따른재가열효과의변화를확인하기위해 Ni, Cr, Mo 등합금원소의양이다른 2 종의용접금속시편, weld L (low hardenability) 과 weld H (high hardenability) 를제작하였다. 용접금속의화학조성은광학발광분석기 (OES-5500, Shimadzu) 및 N/O 분석기 (TC-436, LECO) 를이용하여분석하였고, 분석결과를 Table 1에나타내었다. 용접금속시편은 Fig. 1에나타낸위치에서 6mm 11mm 65mm 치수로채취하였다. 용접열사이클재현은 Gleeble(Gleeble-1500, DSI) 을이용하여수행 Fig. 1 Schematic illustration showing the preparation of as-deposited weld metals Temperature ( ) 1400 1200 1000 800 600 400 200 T p =1350 T p =1050 T p =830 T p =790 T p =600 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time (sec) Fig. 2 Thermal cycles used for simulation of the reheated weld metals 하였다. 열사이클은 20kJ/cm 의용접입열량에대해 Rosenthal 방정식을이용하여계산하였으며 12), 계산결과를 Fig. 2에나타내었다. CGRZ, FGRZ, SCRZ 를재현하기위한열사이클의 T p 는각각 1350, 1050, 600 로선정하였으며, ICRZ를재현하기위한열사이클의 T p 는 weld L의경우 830, weld H의경우 790 로선정하였다. ICRZ 는열사이클의 T p 에서오스테나이트와페라이트가동일한분율을갖는조건으로결정하였다. 재가열로인한용접금속의기계적성질변화를확인하기위해경도와충격인성을평가하였다. 경도는비커스경도계 (HMV-2, Shimadzu) 를이용하여 1.96N 의하중으로 10회, 충격인성은샤르피충격시험기 (CI-500D, TTM) 를이용하여 -40 에서 3회측정후평균값을구 Table 1 Chemical compositions of the weld metals (wt.%) C Si Mn Ni Cr Mo P S Al Ti O Weld L 0.072 0.66 1.6 1.1 0.03 0.20 0.014 0.007 0.010 0.017 0.0327 Weld H 0.080 0.57 2.1 2.6 0.54 1.11 0.012 0.007 0.018 0.009 0.0216 562 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 6, 2017
고강도강다층용접금속재가열부의미세조직및기계적특성 23 하였다. 충격시험편은용접금속및재현 RZ 시편을절삭가공하여 ASTM E23 의 sub-size 규격인 5mm 10mm 55mm 치수로제작하였고, 노치 (notch) 는 Fig. 1에나타낸바와같이용접금속의중앙에위치하도록하였다. 또한주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM; SIGMA, Carl Zeiss) 을이용하여미세조직변화를관찰하였으며, 재가열전용접금속시편에대해서는전자후방산란회절 (electron back-scattered diffraction, EBSD) 을이용하여잔류오스테나이트분포를확인하였다. 미세조직관찰을위한시편은기계적연마후 2% nital 용액으로에칭 (etching) 하였으며, EBSD 분석을위한시편은 5% perchloric acid + 95% methanol 전해액을사용하여전해연마하였다. 3. 실험결과및고찰 재가열전용접금속과재현 RZ 시편의기계적특성평가결과를 Fig. 3에나타내었다. CGRZ 와 FGRZ 의충격인성은용접금속의경화능에관계없이재가열전용접그대로상태 (as-welded zone, AWZ) 대비감소하였다. 경도는 CGRZ 와 FGRZ 가 AWZ 에비해 weld L에서는감소한반면, weld H에서는증가하였다. SCRZ 는 weld H의경우 AWZ 대비큰변화가관찰되지않은반면, weld L의경우 AWZ 와비교해서충격인성은증가하고경도는감소하는것으로확인되었다. ICRZ 의충격인성은용접금속의종류에관계없이 AWZ 와평균값은유사하였지만측정편차가증가하였다. ICRZ 의경도는 weld L의경우 AWZ 와유사한수준인반면, weld H의경우 AWZ 보다증가하였다. Fig. 4는재가열전용접금속미세조직에대한 SEM 관찰결과이다. Weld L의경우결정립계를따라입계페라이트 (grain boundary ferrite) 와위드만슈테텐페라이트 (Widmanstätten ferrite) 가형성되었으며, 결정립내부에는침상형페라이트가발달하였다. Weld H는대부분베이나이트 (bainite) 로구성되었으며, coalesced 베이나이트도일부관찰되었다. Coalesced 베이나이트는낮은변태온도로인해상변태구동력이매우클때방위차가작은인접한래스 (lath) 들이성장단계에서유착 (coalescence) 됨으로써형성된다고보고된바있다 13,14). 또한침상형페라이트가베이나이트기지 (matrix) 내에고립된형태로형성된것을관찰할수있었다. 용접금속의경화능증가에따른침상형페라이트의분포와형상변화에대해서는최근연구에서고찰한바있다 15). Impact energy (J) Impact energy (J) 60 55 50 45 40 35 30 25 As Af AWZ SCRZ ICRZ FGRZ CGRZ 20 225 As-welded 500 600 700 800 900 1000 1100120013001400 45 40 35 30 25 20 Impact energy Hardness Simulation peak temperature ( ) As Af AWZ SCRZ ICRZ FGRZ CGRZ Simulation peak temperature ( ) Fig. 5는 CGRZ 와 FGRZ 에대한 SEM 관찰결과이다. Weld L의경우입계페라이트의분율이 AWZ에비해증가하였으며, 특히 FGRZ 에서가장높은것으로관찰되었다. 일반적으로 prior 오스테나이트결정립은 AWZ 에서조대한주상 (columnar) 구조이지만, Ac 3 이상의 T p 로재가열되면상대적으로작은등축 (equiaxed) 구조를가지게되며, T p 가상승함에따라 prior 오스테나이트결정립크기는증가한다 5,16). 입계페라이트가핵 345 330 315 300 285 270 255 240 390 375 360 345 330 315 15 Impact energy Hardness 300 10 285 5 As-welded 500 600 700 800 900 1000 1100 120013001400 270 Hardness(Hv) Hardness(Hv) Fig. 3 Mechanical properties of weld metals: weld L and weld H (As: austenite start temperature during heating, Af: austenite finish temperature during heating) Fig. 4 SEM micrographs of as-deposited specimens: weld L and weld H (GBF: grain boundary ferrite, WF: Widmanstätten ferrite, AF: acicular ferrite, CB: coalesced bainite) 대한용접 접합학회지제 35 권제 6 호, 2017 년 12 월 563
24 강용준 박기태 정성훈 이창희 (c) (d) (c) (d) Fig. 5 SEM micrographs of reheated specimens: (a, b) CGRZ and FGRZ of weld L and (c, d) CGRZ and FGRZ of weld H (GBF: grain boundary ferrite, AF: acicular ferrite, CB: coalesced bainite) 생성되는 prior 오스테나이트결정립계의면적은 AWZ, CGRZ, FGRZ 순으로증가하게되므로이에따라입계페라이트의분율이증가한것으로보인다. 입계페라이트는침상형페라이트에비해경도가낮으며 16), 벽개 (cleavage) 균열에대한저항성이낮아서인성에취약한미세조직이다 10,11). 따라서 weld L의경우입계페라이트의양이증가함에따라 AWZ, CGRZ, FGRZ 순으로충격인성과경도가감소한것으로판단된다. Weld H의경우 coalesced 베이나이트의분율이 AWZ 에비해크게증가하였으며, 이것은베이나이트기지 (matrix) 내에분산되어있는침상형페라이트의양이감소하였기때문인것으로사료된다. 앞서언급하였듯이 coalesced 베이나이트는결정학적방위가유사한래스 (lath) 들이성장단계에서유착됨으로써형성되기때문에래스들이다른결정립과충돌 (impin- gement) 없이성장해야한다. 결정립내부에서핵생성되어사방으로성장한침상형페라이트는래스 (lath) 들의성장및유착을방해할것으로생각되며, 따라서침상형페라이트의양의감소로인해 coalesced 베이나이트가발달한것으로보인다. 한편침상형페라이트양이감소하는것은침상형페라이트의핵생성장소인비금속개재물주변에형성되어있던 Mn- 결핍층 (Mn-depleted zone) 이재가열로인해균질화되면서핵생성을위한열역학적구동력이감소하기때문이라고최근연구에서보고한바있다 17). Coalesced 베이나이트는높은경도를가지며, 벽개파괴시균열전파에대한저항성이매우낮은미세조직이다 13,14). 따라서 weld H의경우 coalesced 베이나이트의발달이충격인성의감소및경도의증가를유발한주된원인으로판단된다. Fig. 6 SEM micrographs of reheated specimens: (a, b) ICRZ and SCRZ of weld L and (c, d) ICRZ and SCRZ of weld H Fig. 6는 ICRZ와 SCRZ에대한 SEM 관찰결과이다. Fig. 6b에나타낸바와같이 weld L의 SCRZ에서는템퍼링 (tempering) 효과에의해미세한탄화물이결정립계에석출되어있음을확인하였다. 충격인성증가및경도저하는이러한템퍼링연화에의한결과로판단된다. 반면 Fig. 6d 에서확인할수있듯이 weld H의 SCRZ 는재가열전용접금속의미세조직과큰차이가없었으며, 이는합금원소, 특히 Mo의첨가가 kinetics 측면에서템퍼링연화를지연시켰기때문인것으로생각된다 18). Fig. 6a와 6c에서보듯이 ICRZ에서는이상영역에서형성된오스테나이트가냉각중변태를통해생성된제2상 (second phase) 이관찰되었다. 제2상은냉각속도및탄소함량에따라베이나이트, 마르텐사이트 (martensite), M-A 상등으로존재할수있으며, 일반적으로경도가높고취성이크다. 또한제 2상의종류, 모양, 분포에따라기계적특성이크게달라진다 19-21). 일반적으로모재의 intercritical coarse grained HAZ (ICCGHAZ) 에서는 prior 오스테나이트결정립계를따라목걸이형태로 M-A 상이형성되며, 이로인해인성이매우취약하다. 본연구에서관찰된제2상은불연속적으로분산되어있는형태를보이기때문에 ICCGHAZ 에서와같이연결된형태를갖는경우와비교해서인성저하에미치는영향은미미한것으로보이며, 높은경도와취성으로인해측정편차를크게한것으로생각된다. 제2상이불연속적으로분산된형태를보이는것은재가열시이상영역에서형성되는오스테나이트가용접금속에분산되어분포하는잔류오스테나이트로부터성장되었기때문이라고생각된다. EBSD 분석을통한재가열전용접금속의잔류오스테나이트분포를 Fig. 7에나타내었으며, 잔류오스테나이트분율은 Weld L에서 1.6%, weld H에서 2.1% 564 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 6, 2017
고강도강다층용접금속재가열부의미세조직및기계적특성 25 후 기 로측정되었다. 제2상의종류, 모양, 분포를결정하는인자들에대해서는향후추가적인연구가필요할것으로판단된다. 한편높은경도를갖는제2상의형성으로인해용접금속의경도는증가할것으로여겨지며, 실제로 weld H의 ICRZ에서는경도가상승하는것을확인하였다. 그러나 weld L은 Fig. 6a에서알수있듯이제 2상주변기지조직이템퍼링으로인해연화되어상쇄효과가발생한것으로보인다. Weld H에서는앞서언급하였듯이템퍼링 kinetics 가느리기때문에템퍼링으로인한기지조직의변화는관찰되지않았다. 4. 결론 Ferrite Austenite 20 μm Fig. 7 Phase maps of the as-welded specimens: weld L and weld H 본연구에서는다층용접시후속패스에의해재가열된용접금속, 즉 RZ의기계적특성을평가하고미세조직과의상관관계를분석하였다. 경화능이다른 2종의용접금속시편 weld L (low hardenability) 과 weld H (high hardenability) 를제작한후 Gleeble simulator 를이용하여 CGRZ, FGRZ, ICRZ, SCRZ 를재현하였으며, 미세조직및기계적특성변화를관찰하였다. 1) CGRZ 와 FGRZ 의경우, weld L에서는입계페라이트, weld H에서는 coalesced 베이나이트의분율이증가하였고, 이로인해충격인성은모두감소하였다. 경도는 weld L에서는감소, weld H에서는증가하였다. 2) SCRZ 의경우, weld L은템퍼링에의해충격인성증가및경도저하를보였으나, weld H는느린템퍼링 kinetics 로인해기계적특성의변화가미미하였다. 3) ICRZ 에서는높은경도를갖는제2상이관찰되었으나불연속적인분포로인해인성저하에미치는영향은작은것으로생각된다. 한편제2상으로인해 weld H는경도증가를보였으나, weld L에서는제2상주변기지조직의연화로인한상쇄효과가발생하여재가열전과유사한경도를보였다. 본연구는산업통상자원부 (MOTIE) 와한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다. (No. 20161510200340) ORCID: Yongjoon Kang : http://orcid.org/0000-0001-7088-9384 ORCID: Gitae Park : http://orcid.org/0000-0002-6212-5584 ORCID: Seonghoon Jeong : http://orcid.org/0000-0001-5527-4584 ORCID: Changhee Lee : http://orcid.org/0000-0002-1775-3020 References 1. D.S. Sarma et al., On the Role of Non-metallic Inclusions in the Nucleation of Acicular Ferrite in Steels, ISIJ Int., 49(7) (2009), 1063-1074 https://doi.org/10.2355/isijinternational.49.1063 2. Joonoh Moon and Changhee Lee, Microstructure Evolution and Its Effect on Strength during Thermo-mechanical Cycling in the Weld Coarse-grained Heat-affected Zone of Ti-Nb Added HSLA Steel, Journal of KWJS, 31(6) (2013), 44-49 https://doi.org/10.5781/kwjs.2013.31.6.44 3. G.M. Evans, The Effect of Heat Input on the Microstructure and Properties of C-Mn All-Weld-Metal Deposits, Weld. J., 61 (1982), 125s-132s 4. E. Surian et al., Influence of Chromium on the Mechanical Properties and Microstructure of Weld Metal from a High- Strength SMA Electrode, Weld. J., 73 (1994), 45s-53s 5. M.H. Avazkonandeh-Gharavol et al., Effect of chromium content on the microstructure and mechanical properties of multipass MMA, low alloy steel weld metal, J. Mater. Sci., 44 (2009), 186-197 https://doi.org/10.1007/s10853-008-3103-2 6. Y. Kang et al., Influence of Ni on the Microstructure and Mechanical Properties of HSLA Steel Welds, Journal of KWJS, 30(4) (2012), 339-344 https://doi.org/10.5781/kwjs.2012.30.4.339 7. Y. Kang et al., Influence of Ti on Non-Metallic Inclusion Formation and Acicular Ferrite Nucleation in High- Strength Low-Alloy Steel Weld Metals, Met. Mater. Int., 20(1) (2014), 119-127 https://doi.org/10.1007/s12540-014-1013-1 8. J.H. Chen et al., Study on Impact Toughness of C-Mn Multilayer Weld Metal at -60, Weld. J., 72 (1993), 19s-27s 9. Z.L. Zhou and S.H. Liu, Influence of Local Brittle Zone on the Fracture Toughness of High-Strength Low-Alloyed Multipass Weld Metals, Acta. Metall. Sinica, 11(2) (1998), 87-92 10. S. Ohkita and Y. Horii, Recent Development in Controlling the Microstructure and Properties of Low Alloy Steel Weld Metals, ISIJ Int., 35(10) (1995), 1170-1182 https://doi.org/10.2355/isijinternational.35.1170 11. N. Tezuka et al., Toughness Degradation Mechanism for Reheated Mo-Ti-B Bearing Weld Metal, ISIJ Int., 35(10) 대한용접 접합학회지제 35 권제 6 호, 2017 년 12 월 565
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