64 연구논문 570MPa 급용접구조용강다층용접금속의강도및충격인성에미치는입열및패스간온도의영향 변지철 * 방국수 * 장웅성 ** 박철규 *** 정우현 *** * 부경대학교신소재공학부 ** 포항산업과학연구원용접센타 *** KISWEL 기술연구소 Effects of Heat Input and Interpass Temperature on the Strength and Impact Toughness of Multipass Weld Metal in 570MPa Grade Steel Ji-chul Byun*, Kook-soo Bang*, Woong-sung Chang**, Chul-gyu Park*** and Woo-hyun Chung*** *Division of Materials Science & Engineering, PKNU, Pusan 608-739, Korea **Welding Center, RIST, Pohang 790-600, Korea ***R&D Center, KISWEL, Changwon 642-120, Korea Abstract 570MPa grade weldable steels were gas metal arc welded with various heat inputs and interpass temperatures using flux cored wires. Effects of heat input and interpass temperature on the strength and impact toughness of weld metal were investigated in terms of microstructural change, recovery of alloying elements, and the amount of reheated weld metal. Increase of heat input and interpass temperature resulted in decrease of weld metal strength. This is because of the small amount of acicular ferrite, large columnar size and low recovery of alloying elements such as manganese and silicon. In addition to the microstructural change, weld metal toughness was also influenced by the deposition sequence. It increased with an increase of the amount of reheated weld metal. * Corresponding author : ksbang@pknu.ac.kr (Received September 7, 2005) Key Words : Multipass weld metal, Strength, Toughness, Heat input, Interpass temperature 1. 서론 건축철골용접에서용접길이가짧은경우에는솔리드와이어에의한 MAG용접이, 박스기둥 (box column) 등용접길이가긴경우에는 SA용접이주로적용되고있다. 이중 MAG 용접에사용되는솔리드와이어가전체용접재료사용량의절반이상을차지하고있으나근년용접작업의고능률화와자동화에맟추어플럭스코어드와이어로의사용도꾸준히증가하고있다 1). 특히건축철골용접에있어서중요한부분을차지하는기 둥과보 (beam) 의다층용접부에는종래솔리드와이어가대부분사용되었으나최근플럭스코어드와이어사용이증대되고있다. 이러한철골다층용접시입열및패스간온도를증가시켜생산성향상을꾀하고있으나일반적으로입열및패스간온도가증가하면용접금속강도와충격인성이저하한다고알려져있어 2-4) 용접작업시엄격한입열및패스간온도관리가필요하다. 특히 1995년일본에서지진시철골조용접부가취성적으로파단된것이발견된이후철골용접부강도와충격인성에대한연구가활발히진행되어왔다 5-8). 그결과일본에서는사용강재및적용와이어에따른입열 64 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
570MPa 급용접구조용강다층용접금속의강도및충격인성에미치는입열및패스간온도의영향 65 및패스간온도의관리기준이정해지고, 또기존와이어보다높은입열및패스간온도에서도사용가능한와이어가규격화되게되었다 9). 예를들어중 고층건축에서수요가많은인장강도 490MPa 급강재에대해입열 40kJ/cm, 패스간온도 350 까지높혀용접하는것이가능한새로운규격의와이어를제정하였다. 본연구에서는높은입열과패스간온도에서도기계적성질이우수한용접재료개발을위한기초연구로, 플럭스코어드와이어를사용한인장강도 570MPa 급강재의다층용접시입열및패스간온도에따른용접금속강도와충격인성의변화를정량화하고, 다층용접시용접금속강도와충격인성지배요인을해석하였다. Heat input (kj/cm)/ Interpass temp.( ) Pass number 18/150 14 29/150 9 39/150 6 25mm Deposition sequence 35 7mm 2. 실험방법 49/150 5 두께 25mm 의인장강도 570MPa 급용접구조용압연강을기둥과보의용접에적용되는싱글베벨그루브 (single bevel groove) 로가공하여탄산가스아크용접하였다. Table 1에압연강의화학조성및기계적성질을나타내었다. 사용한와이어는직경 1.4mm 의슬래그계및메탈계플럭스코어드와이어로각각 KS YFW-C602R 및 YFW-C602M 에상당한다. 입열은 18~49kJ/cm, 패스간온도는 150~320 로변경하였으며, 입열변경시패스간온도는 150, 패스간온도변경시입열은 39kJ/cm 로일정하게유지하였다. Fig. 1에이음부형상및각조건별적층모양을나타내었다. 용접중패스간온도는용접선길이 (250mm) 중앙에서그루브로부터 10mm 떨어진곳의판표면에서접촉식온도계를사용하여측정하였다. 용접후용접금속인장및충격시험을행하여기계적성질을측정하였다. 인장시험은직경 6mm, 표점거리 24mm 의환봉시험편을판두께중앙부의용접금속중앙에서채취하여상온에서행하였으며, 충격시험은표준 Charpy 충격시편을판두께중앙부에서채취하여 -20 에서행하였다. 이때노치는용접선길이에수직으로용접금속중앙에설치하였다. 광학현미경을사용하여용접금속조직관찰을행하였으며각조직별분율을 IIW법으로 10) 측정하였다. 용접금속의화학조성은용접금속의중앙에서시편을채취하여발광분광분석법으로분석하였다. 39/250 6 39/320 6 Fig. 1 Schematic diagram showing joint detail and deposition sequence 3.1 용접금속강도 3. 실험결과및고찰 Fig. 2에입열에따른용접금속의인장강도변화를나타내었다. 입열이 18에서 29kJ/cm 로증가함에따라인장강도는저하하나, 그이상에서는저하의정도가작다. 항복강도는인장강도보다약 40~50MPa 정도낮은값을나타내었으나저하의경향은인장강도와동일하였다. 전입열범위에서메탈계와이어가슬래그계보다약 50MPa 정도높은인장강도를나타내나두와이어모두모재의규격하한치인 570MPa 을상회하고있다. 예를들어메탈계의경우입열증가에따라인장강도는각각 763, 711, 709, 708MPa 을나타내었다. 용접금속의이런고강도는모재의희석이하나의원인 Table 1 Chemical composition and mechanical properties of base metal Chemical composition (wt%) C Si Mn P S Ni Cr Mo Al Nb Ti Tensile strength (MPa) Yield strength (MPa) Elongation (%) 0.07 0.29 1.84 0.007 0.001 0.29 0.31 698 530 28 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 65
66 변지철 방국수 장웅성 박철규 정우현 으로생각되어탄소가 0.07% 인기존의모재대신탄소가 0.007% 인가공열처리로제조된저탄소형 570 MPa급강을사용하여입열 30kJ/cm로용접하여인장강도를비교하였다. 인장강도는 583MPa 를나타내어기존의모재를사용하여 29kJ/cm 로용접한경우의 711MPa 보다낮은값을나타내었다. 따라서동일한규격의모재라도화학성분이나제조방법에따라최종용접금속강도에큰영향을미침을알수있다. 입열증가는용접금속의냉각속도를저하시켜조직에영향을미치므로최종패스에서의용접금속조직관찰을행하였다. Fig. 3에나타낸것처럼두와이어모두 18kJ/cm까지는침상페라이트가대부분이나, 29kJ/cm 이상에서는침상페라이트와입계페라이트의혼합조직을나타내었다. 이런조직관찰결과는앞서의인장강도변화와잘대응하고있다. 입열증가에따른냉각속도저하는주상정크기도증가시켜입열이 29에서 49kJ/cm 로증가함에따라슬래그계는 118, 145, 172μm 를, 메탈계는 141, 153, 165μm 를각각나타내었다. 한편입열증대에따른용접금속성분변화에대하여서도알아보았다. Table 2에각용접금속의화학성분 Slag type (a) (c) Metal type (e) (b) (d) 50 μm (f) (g) (h) 50 μm Fig. 2 Variation of tensile strength of weld metal as a function of heat input Fig. 3 Optical microstructure of weld metals welded with various heat inputs:(a), (e) 18; (b), (f) 29 ; (c), (g) 39 ; (d), (h) 49kJ/cm Table 2 Chemical composition of weld metals (wt%) Heat Wire input (kj/cm) Chemical composition (wt%) C Si Mn P S Cr Ni Mo Al Nb Ti B (ppm) 18 0.63 2.12 8 1.00 0.06 45 Metal 29 0.54 1.92 7 0.007 0.92 0.06 38 type 39 0.52 1.86 8 0.93 39 49 0.51 1.80 7 0.90 34 18 0.50 1.49 5 0.007 0.95 0.25 26 Flux 29 0.47 1.45 4 0.91 0.25 27 type 39 0.46 1.41 6 0.008 0.95 0.26 25 49 0.45 1.35 6 0.008 0.95 0.25 25 66 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
570MPa 급용접구조용강다층용접금속의강도및충격인성에미치는입열및패스간온도의영향 67 을나타내었다. 입열의증대에따라실리콘, 망간, 티타늄등이변화하고있다. 한예로 Fig. 4에입열에따른망간의변화를나타내었는데입열의증대에따라망간은지속적으로저하하고있다. 이런점으로부터입열을증가하여용접을하게되면실리콘, 망간, 티타늄등탈산원소들의산화손실이증가하여강도저하의또다른원인이됨을알수있다. 이러한탈산원소산화손실과입열에영향을미치는용접조건, 즉용접전류, 아크전압, 용접속도와의상관관계를알아보았다. Fig. 5에한예로용접금속망간함량에미치는용접변수의영향을나타내었다. 망간함량은용접전류와아크전압과높은상관관계를나타내어, 각각의값이증가할수록직선적으로감소하였다. 하지만용접속도와는뚜렷한상관관계를나타내지않았다. 이러한경향은실리콘과티타늄에서도동일하였다. 한편입열의증대는패스수를감소시켜후속패스에의하여나타나는재가열부를감소시킨다. 이러한재가열부는원래의용접금속보다낮은경도를나타내기때문에 (Fig. 10 참조 ) 입열증대에따른재가열부감소는인장강도를증가시키는효과를나타낸다. 하지만본실험의결과입열의증대는인장강도를저하시키고있 으므로, 입열증대에따른침상페라이트의감소와침상페라이트자체의경도 ( 강도 ) 저하의효과가재가열부감소의효과보다크게나타남을알수있다. Fig. 6에패스간온도에따른용접금속의인장강도변화를나타내었다. 패스간온도의증가에따라인장강도는지속적으로저하하고있으며메탈계와이어가슬래그계보다 20~50MPa 정도높은값을나타내었다. 용접금속조직관찰결과모든패스간온도에서침상페라이트와입계페라이트혼합조직을나타내나, 패스간온도의증가에따라침상페라이트는저하하고입계페라이트는증가하며주상정폭은증가하였다. 한예로슬래그계용접금속의경우패스간온도가 150, 250, 320 로증가함에따라침상페라이트분율은 82, 80, 76% 로저하하며, 주상정폭은 145, 168, 180μm로증가하였다. 따라서입열의증가와동일하게패스간온도의증가도냉각속도를저하시켜용접금속의침상페라이트를감소시키며주상정폭은증가시킴을알수있다. 한편패스간온도변화에따른탈산원소의손실은입열에비하여그정도는크지않으나패스간온도의증가에따라다소증가하는경향을나타내었다. 이러한결과는 Evans 의실험결과에서도확인되고있다 3). 그 Fig. 4 Variation of weld metal Mn content as a function of heat input Fig. 6 Variation of tensile strength of weld metal as a function of interpass temperature Fig. 5 Effects of welding current, arc voltage and welding speed on the weld metal Mn content 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 67
68 변지철 방국수 장웅성 박철규 정우현 는 C-Mn 강을패스간온도 20~300 로변경하며용접한결과, 용접금속의망간과실리콘함량이패스간온도의증가에따라저하한다고하였다. 따라서입열및패스간온도증가에따른용접금속의강도저하에는냉각속도저하에따른침상페라이트감소및주상정성장등의조직적인요인이외에도탈산원소산화손실에기인한합금원소저하도영향을미침을알수있다. 3.2 용접금속충격인성 Figs. 7과 8에충격흡수에너지에미치는입열및패스간온도의영향을각각나타내었다. 입열에따른흡수에너지변화는두와이어모두뚜렷한경향을보이지않으며각조건에서의흡수에너지값에도편차가매우크다. 하지만패스간온도는 150 에서 250 로증가함에따라흡수에너지는뚜렷이저하하며흡수에너지값의편차도비교적작다. 일반적으로용접금속충격인성은침상페라이트조직이증가함에따라증가한다고 알려져있어흡수에너지변화와침상페라이트분율의상관관계를조사하였다. Fig. 9에한예로슬래그계용접금속의결과를나타내었다. 그림에서보는바와같이침상페라이트분율과흡수에너지는뚜렷한상관관계를보이지않는다. 이런경향은메탈계와이어에서도동일하였다. 따라서본실험에서용접금속충격인성은조직이외에다른요인에의해서도영향을받음을알수있다. 다층용접을하게되면최종용접금속은용접조건에따라다양한적층구조를가지게된다. 즉 Fig. 1에나타낸바와같이입열이증가함에따라패스수는 14, 9, 6, 5로줄어들며, 그에따라적층모습도달라진다. 한예로 Fig. 10에메탈계를사용하여입열량 49kJ/cm, 패스간온도 150 로용접한경우적층모습과용접금 Fig. 9 Variation of impact absorbed energy of weld metal at-20 as a function of area fraction of acicular ferrite Fig. 7 Variation of impact absorbed energy of weld metal at-20 as a function of heat input Fig. 8 Variation of impact absorbed energy of weld metal at-20 as a function of interpass temperature Fig. 10 Deposition sequence and microhardness in weld metal welded with metal cored wire (heat input 49KJ/cm, interpass temperature 150 ) 68 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
570MPa 급용접구조용강다층용접금속의강도및충격인성에미치는입열및패스간온도의영향 69 속중앙에서판두께방향, 즉노치위치에서의연속경도를측정한결과를나타내었다. 용접금속에는후속패스에의하여다시가열된부분, 즉재가열된영역이존재하며 ( 흰부분 ), 이부분은재가열되지않은영역 ( 검은부분 ) 에비하여경도가낮음을알수있다. 재가열영역에서의현미경조직관찰결과를 Fig. 11에나타내었다. 재가열영역에서도후속패스에가까운영역에서는결정립이다소조대하나 (Region 1) 멀리떨어질수록매우미세하다 (Region 2). 다층용접에의한이러한조직및기계적성질변화가충격인성에미치는영향을알아보기위하여흡수에너지변화를충격시험편노치가위치하는곳에서재가열영역의총길이로나타내었다. Fig. 12에메탈계의경우를예로나타내었다. 각조건에서의흡수에너지에여전히편차가있으나흡수에너지는재가열된영역의증가에따라증가하는경향을보인다. 이러한사실로부터다층용접금속의충격인성의해석은매우복잡하며조직자체의요인이외에도후속패스에의한재가열영역의존재가인성을향상시키는또다른요인으로작용함을알수있다. 한편입열이일정하고패스간온도만을변경하여시험한경 Region 1 Region 2 Fig. 11 Optical microstructures of reheated weld metal (region 1,2) 50 μm 우는적층이동일하여 (Fig. 1 참조 ) 재가열영역의존재도동일하다. 따라서재가열영역의존재가큰영향을미치지않아충격인성은패스간온도의증가에따라지속적으로저하한다. 하지만입열을변경하여시험한경우는적층이달라져재가열영역의존재가큰영향을미치게되는것이다. 따라서입열을변경하여다층용접하는경우용접금속충격인성향상을위하여서는적층관리도중요함을알수있다. 4. 결론 KS YFW-C602R 및 YFW-C602M 에상당하는슬래그계및메탈계플럭스코어드와이어로인장강도 570MPa 급고장력강을다층용접하여용접금속강도와충격인성에미치는입열및패스간온도의영향에대하여조사한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 입열이 18에서 29kJ/cm로증가함에따라두와이어모두용접금속인장강도는저하하나, 그이상에서는저하의정도가작았다. 메탈계와이어가슬래그계보다약 50MPa 높은인장강도를나타내나두와이어모두모재의규격하한치인 570MPa 을상회하였다. 이러한입열증가에따른강도저하는침상페라이트감소및주상정성장등조직적인요인이외에탈산원소산화손실에기인한합금원소저하에도영향을받았다. 2) 패스간온도가 150에서 320 로증가함에따라인장강도는지속적으로저하하였다. 패스간온도증가는입열증가와동일한조직변화를나타내었으나, 합금원소저하효과는입열만큼크지않았다. 3) 용접금속충격인성은패스간온도증가에따라저하하였으나입열증가에따라서는뚜렷한경향을보이지않았다. 이는후속패스에따른재가열영역의존재때문으로재가열영역이증가함에따라충격인성이증가하는경향을나타내었다. 4) 와이어중망간, 실리콘, 티타늄등탈산원소의산화손실은용접전류와아크전압과높은상관관계를나타내나, 용접속도와는뚜렷한상관관계를나타내지않았다. 후 기 본연구는산업자원부중기거점기술개발사업인 차세대초대형구조물용강재개발연구 의일환으로수행되었으며이에감사드립니다. Fig. 12 Variation of impact absorbed energy of weld metal at -20 as a function of total length of reheated zone at notch location 참고문헌 1. 菅哲男 : 高能率化 高効率化に向けた溶接材料の展開, 溶接 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 69
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