11 특집 : 용접부강도, 변형그리고건전성평가 후판용접부횡균열발생에미치는확산성수소의영향 Effect of Diffusible Hydrogen Depends on Transverse Cracks in Thick Steel Weldments Hae-Woo Lee, Sung-Won Kang and Myung-Hyun Kim 1. 서론 저온균열의대표적횡균열은경화조직, 확산성수소량및잔류응력에의해영향을받는다. 우선본보고서는확산성수소량이횡균열발생에미치는영향에대하여고찰하고자한다. 저온균열의기본적발생요인으로는용접부에나타나는경화조직과용접시유입되는확산성수소량및용접부가냉각되는동안발생되는구속응력에영향을받는다. 즉, 저온균열은용접부에발생되는구속응력이경화조직및확산성수소량의상관관계에의해결정되는재료의저항력즉균열발생한계응력보다클때발생된다고볼수있다 1). Hart 2) 는확산성수소량과저온균열과의관계를연구하였는데용착금속 100g당확산성수소량이 10ml정도존재하면용착금속에발생되는저온균열은용착금속의경도값에영향을받는반면 5ml미만의비교적낮은경우에는경도값보다용착금속의미세조직에더큰영향을받는다고발표하였다. 수소취화 (Hydrogen embrittlement) 를일으키는원인으로는 Zapfee 3) 와 Tetleman 4) 이제안한내부분압모델등여러가지가있으나최근에는전위운동과슬립작용과의상관관계로설명한 Beachem 5) 의 Slip softening model 이수소취화와관계가깊다는이론이설득력을얻고있다. 이와같이수소는플럭스및용접부에존재하는수분이나각종이물질뿐만아니라대기중의수분등이용접동안용접아크열에의해해리되어확산성수소가되며저온균열발생에중요한인자로작용되고있다. Vasudevan 1) 등은저온균열이발생되기위해서는임계크기이상의수소농도에응력과경화조직이서로복합적으로작용할때발생한다고발표하였으며수소유기균열의가장중요한특징은낮은응력상태에서는균열이발생되지않는다는것이다. 이와같이저온균열에 중요한역할을하는잔류응력은용접부의기하학적노치등에국부적인응력집중이일어나균열이생성및전파된다고볼수있다. 이와같은원인으로발생되는저온균열은발생위치에따라용착금속균열과열영향부균열으로대별되는데상대적으로경도값이높은열영향부에서발생가능성이높다고알려져있지만, 최근 TMCP(Thermo Mechanical Controlled Process) 같은저합금고장력강의개발로인해열영향부보다는오히려용착금속에서저온균열이더쉽게발생된다고보고되고있다 6). 2. 확산성수소 저온균열감수성을평가하는데있어서중요한인자의하나가바로확산성수소량이며확산성수소량은용접재료가함유하고있는수분이나대기중내에유입되는수분이용접아크열에의해분해되어원자상태의수소로용입되어응고후에도잔류하게되는수소량중확산이가능한수소를의미한다. 2.1 수소용해도와수소원용접방법에따라정도의차이는있지만용접부에는항상수소가존재하며용융상태에서의수소고용도는 Sieverts 7) 법칙에따른다. Fig. 1은철중에서수소고용도를나타낸그래프로써온도가높을수록수소고용도가증가함을알수있다. (1/2)H 2 (g) = H (dissolved in iron) G =7490-10.81T cal/mole H log k=-1637/t + 2.36 여기서, k=[h]/(ρ 1/2 H2) 용접부내의수소원은다음과같다 8). 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 3 號, 2008 年 6 月 225
12 Solubility of hydrogen CC/100g 30 25 20 15 10 5 0 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Temperature, ( ) Fig. 1 Solubility of hydrogen in iron 고 Westlake 는균열선단에수소필름이형성되어균열이발생된다고설명하였다. 그러나최근수소취화현상은전위또는소성유동의슬립작용으로설명한 Beachem 의모델이설득력을얻고있다. 실험결과로얻어진 Beachem 모델은수소가들어있는시험편이수소가없는시험편보다낮은유동응력을나타낸다는것이다. Pussegoda 와 Tyson 15) 은수소가들어있는시험편에서항복강도가증가한다고발표하여 Beachem 과다른견해를나타내었으나수소가매우빠른속도로연성을감소사킨다는부분에는동일한의견을보였다. (1) 플럭스내의수분이나유기물질 (2) 용접부에존재하는습기또는그리이스, 페인트같은이물질 (3) 용접봉이나강재자체가함유하는수분 (4) 대기중의수분 (5) 보호가스속의수분이와같이용접부내의수소는수소취화를발생할뿐만아니라부식저항을감소시키며구조물의사용중지연파괴의원인이되기도한다. 2.2 수소취화메카니즘 Hirth 9) 는강에있어수소취화를일으키는 5가지중요한모델을비교설명하였는데 (1) 내부분압모델 (Internal pressure model) - Zapfee and Sims 10), Tetleman 11) (2) 표면에너지모델 (Surface energy model) - Petch 12) (3) 분리모델 (Decohesion model) - Troiano 13) (4) 슬립억제모델 (Slip softening model) - Beacham 5) (5) 수소필름형성모델 (Hydride formation model) - Westlake 14) Zapfee 와 Sims에의해제안된내부분압모델은미세공공 (Micro void) 에수소가집적되어수소분압으로취화가발생된다는모델이다. 표면에너지모델은 Petch 에의해제안되었으며수소가결합되는부위에는표면에너지가감소됨으로서균열이발생된다고설명하였으며, Troiano 는 3축응력상태에의해수소의집적이용이하여이로인해격자내부에너지가감소한다는분리모델을제안하였다. Beachem 은전위운동의증가로인해슬립 (slip) 움직임이억제됨으로인한균열발생가능성을설명하였 2.3 확산성수소측정법용접부에존재하는확산성수소량을측정하는방법중중요한것을소개하면다음과같다. 2.3.1 수은법 (H, Mercury 영국용접학회 (BWI) 16) 에서제안한확산성수소측정방법으로진공으로유지된실온의수은용액에시편을넣고 72시간동안측정한다. 국제용접학회 () 가채택한확산성수소측정법이기도한수은법은영국표준서 BS 1719 에명기되어있으며 7일간측정하는것을제외하고는두방법거의유사하다. 2.3.2 글리세린치환법 (H JIS, Glycerine replacement 글리세린치환법 17) 은일본산업표준서 (JIS) Z3118 에명기되어있으며 45 로유지된글리세린욕조에서 48 시간동안측정한다. 2.3.3 실리콘오일치환법 (Silicon oil replacement 실리콘오일치환법 18) 은 100 로유지된실리콘오일욕조에시편을넣고 90분동안측정하는방법이다. 2.3.4 개스크레마토그래피법 (H GC, Gas chromatography 이방법은 E.O Paton 전기용접주식회사에의해개발된방법 19) 으로아르곤캐리어가스가충만된실린더에시편을넣고 150 유지된챔버내에서확산성수소량을측정하는방법이다. 이방법은미국용접학회AWS A4.3 과일본산업표준서 JIS Z3118 에명기되어있으며, JIS 에서는측정온도및시간을 45 에서 72시간 226 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 3, June, 2008
후판용접부횡균열발생에미치는확산성수소의영향 13 측정하도록되어있다. 위와같이확산성수소량을측정하는방법은여러가지가있지만각각의측정방법에는다음과같이상호관계식이성립한다 17). H = 1.27 H JIS + 2.19 H GC = 2 H JIS + 0.3 여기서, H, H JIS 및 H GC 는용착금속 100g 당확산성수소량을나타낸다. 2.4 확산성수와균열관계용접부에있어확산성수소량이증가되면균열발생임계응력이감소되므로균열발생가능성이높아지게된다. Table 1은각종용접방법및용접재료에대한확산성수소량을나타낸표이다. 용접방법에있어서는피복아크용접 (shielded metal arc welding) 이서브머지드아크용접이나보호가스용접 (gas metal arc welding) 보다전반적으로확산성수소량이높게나타남을알수있다. 피복아크용접에있어용접재료에대한확산성수소량은 celluosic type 의용접봉이용착금속 100g 당 54ml 로가장높았으며 rutile, acid, basic type 순으로나타났다. 이와같은결과로저온균열발생가능성이높은용접부에는 celluosic type 이나 rutile type 보다는 basic type 이균열감수성을낮추는효과가있음을알수있다. 서브머지드용접의경우소결형태의플럭스가용착금속 100g 당 7ml의확산성수소량이검출되었으나용융형플럭스는 4~5ml 로소결형플럭스보다낮게나타났다. 또한 80% Ar + 20% CO 2 로보호가스용접한 경우에는용착금속 100g 당 1.8ml 의수소량만이확산된점으로보아서브머지드아크용접보다는보호가스용접이확산성수소량이적게유입됨을알수있다. Fig. 2는生駒勉 20) 의용착금속경도와확산성수소량과의관계를도식화한그림으로용착금속의경도값과확산성수소량이높을수록균열발생영역이확대됨을알수있다. 예열을하지않거나소입열용접시에는균열발생영역이넓어지지만예열을하거나대입열용접시에는균열이발생하지않는영역이확대됨을알수있다. 이와같이확산성수소는균열에큰영향을미치는데많은연구자들이확산성수소량과균열감수성과의관계를규명하였다. Evans와 Christensen 21) 은 0.17C-1.36Mn강의 implant 시험을통해용착금속내확산성수소량이증가할수록균열발생에대한임계응력이감소되므로이를방지하기위해서는예열온도를증가시켜야된다고제안하였다. 즉, 용착금속내확산성수소량이증가되면균열감수성은커진다는것을의미하며 GMAW(gas metal arc welding) 과같은극저수소계용접봉의사용으로예열온도를감소시킬수있다고하였다. Akashi Hardness of weld metal Non-cracked zone Cracked zone non-preheating and low heat input (decreasing of non cracked zone Preheating and high heat input (increasing of non cracked zone Diffusible hydrogen in weld metal Fig. 2 Relation between hardness and diffusible hydrogen in cold crack Table 1 Typical weld metal hydrogen content by various welding process Weld metal hydrogen content, ml/100g Process Welding material Diffusible Residual Method Shield metal arc(smaw) 1) Basic, lime coated (dried at 70 ) 2) Rutile (from stock) 3) Acid (from stock) 4) Low hydrogen, (dried at 300 ) 5) Celluosic, E8010-G (as received) 9.7 24.8 18.9 6.6 54.0 0.9 6.4 7.4 Submerged arc (SAW) 1) Fused (4 days after dried) 2) Agglomerated (4 days after dried) 4.5 7.0 GC GC Gas shielded arc (GMA) 1) Ar-20%CO 2 (1 6 mm dia., 28V) 1.8 GC 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 3 號, 2008 年 6 月 227
14 와 Natsume 22) 는연강에대해확산성수소량이서로다른용접봉을사용하여미세균열 (micro cracking) 발생을연구하였다. 글리세린치환법으로용착금속 100g 당 6ml 미만의저수소계용접봉, 18ml 의라임-티타니아계용접봉, 25ml 의일미나이트계용접봉으로용접을실시한결과용접시험편의두께가증가할수록예열온도가낮을수록균열은쉽게발생되었다. 또한수소함유량이가장높은일미나이트계용접봉의경우용접시험편의두께가 12mm 이상에서균열이발생됨을확인하였으며, 고장력강용접봉사용시균열양상도미세균열에서길이가긴균열로변화된다고발표하였다. 이와같은결과들을종합해보면용접부의확산성수소량및용접부두께가증가할수록균열발생가능성이증가된다는것을알수있다. Fig. 3은서브머지드아크용접후시간변화에따른확산성수소량을도시화한그래프이다. 용접조건즉용접전류전압이증가할수록확산성수소량이증가하는경향을나타내고있다. 용접전류가 1200A, 전압이 36V인용접조건에서의용접후 48시간뒤에확산성수소량이용착금속 100g 당 7ml 로용접전류 600A, 전압이 34V 인경우보다 2배이상증가되었음을알수있다. 이와같이용접전류전압이높아질수록확산성수소량도증가하는이유는플럭스연소시발생되는실딩가스가용접봉과모재사이에형성되는아크가불안정하게되며이로인해실딩효과가감소되기때문이다 20). H JLS (ml/100g deposit metal) 8.00 6.00 4.00 2.00 3. 맺음말 용접부확산성수소량이증가할수록저온균열감수성도증가하게된다. 확산성수소량을감소시키기위해서는저수소계용접재료사용은필수적이며용접재료가습기에노출되지않도록각별한주의가요구된다. 특히 1200A 36V, 70CPM 900A 34V, 70CPM 900A 34V, 70CPM 0.00 0 2 4 18 48 72 Exposure time(hour) Fig. 3 Hydrogen content profiles depending on welding conditions with SAW process 장마철등상대습도가높을때에는용접전습기를충분히제거하고용접을실시해야한다. 서브머지드아크용접시에도플럭스건조는필수적이며용접후플럭스가흡습되지않도록관리가요구된다. 참고문헌 1. R. Vasudevan, R.D. Stout and A.W. Pense, Welding Journal, Vol. 60(9), 155~168, 1981 2.P.H.M. Hart, Resistance to Hydrogen Cracking in Steel Weld Metals, Welding Research Supplement, 1 4~22, 1986 3. C. A. Zapffe and C.E. Sims, Trans., AIME, 225~ 237, 1941 4. A. S. Tetleman, Fracture of solids, 1963, New York, Interscience, 671~708 5. C. D. Beachem, A new Model for Hydrogen-Assisted Cracking, Metal-lugical Transactions, Vol. 3, 437~ 451, Feb. 1972 6. N. bailey and M.D. Wright, Weldablity of High Strength Steels, Welding and Metal Fabrication, 389~ 396, 1993 7. Sindo Kou, Welding Metallurgy, 69~75, 1987 8. D. Mckeown, Met. Constr., 655~661, 1985 9. J. P. Hirth, Metal. Trans., Vol. 11, 801~890, 1980 10. C. A. Zapffe and C.E. Sims, Trans., AIME, 225~ 237, 1941 11. A. S. Tetleman, Fracture of solids, 1963, New York, Interscience, 671~708 12. N. J. Petch, J. Iron Steel Inst., Vol. 173, 25, 1953 13. A. K. Troiano, Trans. ASM.(52), 54~80, 1959 14. D. G. Westlake, Trans. ASM.(62), 1000~1006, 1969 15. L. N. Pussegoda and W. R. Tyson, Welding Journal (12), 252~268, 1981 16. F. R. Coe, British Welding Research, Association Bull., 1967(8) 17. JIS. Z3113-1983, Method of Measurement for Hydorgen evolved from Steel Welds, Japan Standards Association, 1983 18. P. J. Ball, W. J. Gestal and E. F. Nippes, Welding Journal, 50~60, 1981 19. K. Kpokhodnya and A. P. Paltsevich, E. O. Patton Electic Welding Institute, USSR, 1979 20. 熔接金屬の橫割れに關する硏究, 生駒勉, JSSC, 10-101, 40~54, 1975 21. Evans, G. M., The Effect of Manganese on the Microstructure and Properties of Weld Metal Deposits, Welding Journal, 59-8, 67s, 1980 22. S. Akashi and M. Natsume, Japan Welding Engineers Society, Welding Metallurgy Committee, 1~18, May, 1966 23. H. W. Lee and S. W. Kang, Japan welding society, 15-4, 563~573, 1997 228 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 3, June, 2008
후판용접부횡균열발생에미치는확산성수소의영향 15 이해우 ( 李海雨 ) 1963년생 동아대학교신소재공학과 용접균열, 용접불량원인규명 e-mail : hwlee@dau.ac.kr 김명현 ( 金明顯 ) 1968년생 부산대학교조선해양공학과 구조해석, 피로파괴 e-mail : kimm@pusan.ac.kr 강성원 ( 康聖原 ) 1946년생 부산대학교조선해양공학과 용접강도, 용접부피로손상해석 e-mail : swkang@pusan.ac.kr 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 3 號, 2008 年 6 月 229