69 연구논문 FAW 에서용접변수에따른용접금속강도및와이어합금원소의회수율변화 정동희 * 방국수 * 박찬 * 장웅성 ** 박철규 *** * 부경대학교 ** 포항산업과학기술연구소 *** KISWEL 연구소 Effects of Welding Parameters on Weld Metal Strength and Recovery of Alloying Elements in FAW DongHee Jung*,KookSoo ang*, han Park*, WoongSung hang** and hulgyu Park*** *Division of Advanced Materials Science and Engineering, PKNU, usan 60839, Korea **Welding Research enter, Research Institute of Industrial Science and Technology, Pohang 900, Korea ***R&D enter, KISWEL, hangwon, 6410, Korea Abstract 590MPa grade weldable steels were gas metal arc welded with flux cored wires. Welding parameters such as current, voltage, and speed were varied independently. Effects of each parameter on the strength and chemical composition of weld metal were investigated. Increase of voltage caused decrease of weld metal tensile strength due to the low recovery of alloying elements such as carbon and manganese. On the contrary, increase of current and speed resulted in increase of weld metal strength because of higher recovery of the alloying elements. *orresponding author : ksbang@pknu.ac.kr (Received January 11, 008) Key Words : FAW, Welding parameter, Tensile strength, Recovery of elements 1. 서론 용접금속의강도는주로용접금속의미세조직과첨가되는합금성분에의해결정된다. 이러한용접금속의강도는일반적으로입열량이증가할수록고온변태조직의형성과합금원소회수율의감소등으로인해저하하는것으로알려져있다 13). Jose Vercesi 45) 등은 E11018M 등세종류의용접봉을사용하여피복아크용접한용접금속의기계적성질에미치는입열량의영향에대해연구한결과, 입열량이증가할수록조직의연화와함께높은산화손실로인한용접금속내의망간과실리콘양의감소로용접금속강도가저하한다고하였다. 한편 Evans 6) 는 용접금속의미세조직과화학조성에대한입열량의영향을조사하여입열량의증가에따라용접금속의탄소, 망간그리고실리콘양이감소하며입계페라이트의양도증가하여용접금속인장강도가감소한다고하였다. 지금까지의용접금속기계적성질, 특히강도에미치는입열량에대한연구는대부분입열량을결정하는세변수인용접전류, 전압, 속도를동시에변화시켜행해졌다. 본연구에서는각변수의개별적인영향을알아보기위해용접전류, 전압, 속도를독립적으로변화시켜각변수의영향을체계적으로조사하였다. 이를바탕으로 FAW 에서용접변수에따른와이어합금원소의회수율변화를정량화하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 6 卷第 號, 008 年 4 月 11
0 정동희 방국수 박찬 장웅성 박철규. 실험방법 AWS E80T1Ni1 에해당하는직경 1.4mm 플럭스코어드와이어를사용하여 100% O 용접을행하였다. 와이어의성분분석은와이어그대로의상태에서 KS D163 ( 강의유도결합플라즈마방출분광분석방법 ) 에의거하여이루어졌으며 Table 1에화학성분을나타내었다. 용접은입열에영향을미치는용접변수인용접전류, 전압, 용접속도를각각독립적으로변화시켜서 14~kJ/cm 로행하였다. Table 에용접조건을나타내었다. 1~3번조건에서는전압을약 V, 용접속도를 cm/min 으로일정하게유지하면서전류만 51~30A 로변경하였고, 4~6 번조건에서는전류와전압을일정하게유지하고용접속도를 0~cm/min 으로변경하였다. 그리고 ~9번조건에서는전류와용접속도를일정하게하고전압을 38~V 로변경하였다. 예열은 100, 패스간온도는 310 로유지하였다. 사용한모재는 Table 1에나타낸화학성분을가지는두께 0mm의인장강도 590MPa 급압연강으로 single bevel groove 로가공하여사용하였다. 자세한이음부형상은 Table 에함께나타내었다. 용접후용접금속의화학조성은용접금속의중앙에서시편을채취하여발광분광분석법으로분석하였다. 인장시험은직경 6mm, 표점거리 4mm의환봉시험편을판두께중앙부의용접금속중앙에서채취하여상온에서행하였다. 용접금속의조직은배율 배로광학현미경사진을촬영한 후 IIW Doc. IX1588 에따라조직분율을측정하여관찰하였다. IIW에따르면입계페라이트와입내의다각형페라이트를프라이머리페라이트 (PF), 입내에서종횡비가 4:1 이하이며일렬로배열하지않는작은페라이트를침상페라이트 (AF), 그리고입내에서종횡비가 4:1 이상이며둘이상이일렬로배열하는페라이트를 상을가지는페라이트 (FS) 로구분한다. increasing current 3. 결과및고찰 3.1 용접변수에따른용접금속강도변화 Fig. 1에각용접조건에서의용접금속인장강도를입열량에따라나타내었다. 그림에는입열량을변경시키. reducing speed 10 15 0 5 30 40 50 Heat input (kj/cm) increasing voltage Fig. 1 Variation of tensile strength as a function of heat input Table 1 hemical compositions of wire and base plate hemical composition (wt%) r Ni Mo Al Nb Ti Wire 0.05 0.51.39 0.80 0.30.0 0.0099 ase plate 0.03 0.14 1.50 0.19 0.1 9 0.04 0.039 0.0 Table Welding conditions Variable urrent (A) Welding conditions Voltage (V) Speed (cm/min) Heat input (kj/cm) Joint configuration 1 51 3 14 3 urrent 303 30 1 1 4 5 Speed 30 364 3 8 1 8 19 6 45 38 0 5 3 39 8 Voltage 4 4 5 4 9 419 5 1 Journal of KWJS, Vol. 6,, April, 008
FAW 에서용접변수에따른용접금속강도및와이어합금원소의회수율변화 1 기위하여사용한용접변수의변화를함께나타내었다. 용접금속의인장강도는일반적으로알려진것과는달리, 입열량의증가에따라지속적으로감소하지않고입열량 14~1kJ/cm 에서는증가하여 31MPa 로최대치를나타낸후 8kJ/cm 부터는감소하기시작하여 kj/cm 에서 53MPa을나타내었다. 즉, 용접금속인장강도는용접전류의증가와함께증가하고속도의감소와전압의증가에따라감소함을나타낸다. 이러한점은입열의증가와함께용접금속의강도가저하한다는일반적인경향과는차이가있다. 특히본실험범위내에서전류의증가는입열을증가시킴에도불구하고인장강도를증가시키는특이한경향을나타내었다. x 일반적으로입열의증가에따른인장강도의저하는냉각속도저하에따른고온변태조직의형성및조직의조대화등의조직적인영향과용접금속중합금원소의회수율변화에기인한다고알려져있다. Table 3에각용접금속의화학성분과현미경조직분율을나타내었다. 용접조건의변경에따라용접금속의합금원소, 특히탄소, 실리콘, 망간, 알루미늄, 티타늄등탈산원소량의변화가뚜렷하게나타난다. 예를들어탄소는전류가 51A ( 조건1) 에서 30A ( 조건3) 로증가함에따라 0.036% 에서 0.04% 까지증가하였고, 실리콘은속도가 0cm/min ( 조건6) 에서 cm/min ( 조건4) 으로증가함에따라 0.53% 에서 0.59% 까지증가하였으며, 망간은전압이 38V ( 조건 ) 에서 V ( 조건 9) 로증가함에따라 1.8% 에서 1.49% 로감소하였다. 즉전 류의증가와속도의증가는탈산원소들을증가시키는반면, 전압의증가는탈산원소들을지속적으로감소시킨다. 이러한사실로부터전류와속도의증가는와이어중탈산원소인탄소, 실리콘, 망간, 알루미늄, 티타늄의산화손실을억제하는반면, 전압의증가는이들의산화손실을촉진시킴을알수있다. Fig. 에는각용접금속의인장강도를화학성분의변화를나타내는 Pcm 과고강도 / 고인성조직인 AF 체적분율에따라나타내었다. 인장강도는 Pcm 의증가에따라직선적으로증가하며, 결정계수는 0.95 로높은값을나타내는반면, AF 체적분율과는결정계수 0.63 을나타내어본실험범위에서용접금속인장강도는용접금속의화학성분에더욱의존함을알수있다. 이상의실험결과, 용접금속의화학성분, 혹은 Pcm 은용접전류와속도의증가에따라증가하였다. 이러한효과가일반적인가를확인하기위해조성이다른와이어를사용하여, 전압을약 V 로고정하고전류와용접속도를증가시키면서 kj/cm 의고입열로용접을행하여용접금속의화학성분과강도변화를조사하였다. Table 4에용접조건, 용접금속의화학조성그리고인장강도를나타내었다. 표에서보는바와같이입열량은 44~kJ/cm 로거의동일하지만용접금속의탄소, 실리콘, 망간등의합금성분과인장강도는용접전류와속도의증가와함께증가하고있다. 이는앞서의실험에서확인된용접변수의영향이조성이다른와이어와입열조건에서도나타남을보여준다. Table 3 hemical composition and volume fraction of microstructural constituents of weld metals hemical composition of weld metal (wt%) Volume fraction of microstructure (%) Ni Al Ti r Mo Nb *Pcm **PF **FS **AF 1 0.036 0.530 1.93 1.05 0.09 0.049 0.004 0.05 0.196 1.8 1.3 6.9 0.038 0.530 1.95 0.930 0.03 0.053 0.004 0.195.3 0.3 66.4 3 0.04 0.591.03 1.00 0.040 4 0.0053 0.1 16.5 1.3 8. 4 0.04 0.591.03 1.00 0.040 4 0.0053 0.1 16.5 1.3 8. 5 0.04 0.5 1.96 0.938 0.040 0.058 0.0049 0.10 5.4 0.9 3. 6 0.0 0.530 1.91 0.94 0.031 0.043 0.0046 0.03. 1.5 0.8 0.041 0.544 1.8 0.98 0.030 0.048 0.0044 0.196 3.8 60. 8 0.041 0.43 1. 1.0 0.05 0.038 0.0044 0.188 43.1 1. 55. 9 0.039 0.3 1.49 0.98 0.04 0.0 0.008 0.0 0.159 50.4.1 4.5 * Pcm= +/30+/0+u/0+Ni/60+r/0+Mo/15+V/10+5 **PF, FS and AF means primary ferrite, ferrite sideplate and acicular ferrite, respectively 大韓熔接 接合學會誌第 6 卷第 號, 008 年 4 月 13
정동희 방국수 박찬 장웅성 박철규 R = 0.95 0.15 0.16 0.1 0.18 0.19 0.0 0.1 0. 0.3 (a) (b) R = 0.63 Pcm 30 40 50 60 0 80 90 100 Acicular ferrite (%) Fig. Variation of tensile strength of weld metal as a function of (a) Pcm (b) volume fraction of acicular ferrite (%) Table 5 Dilution and recovery of elements Dilution Recovery (%) (%) 1 11.3 64.9.9 68. 4.1 14.8 66.4. 6.0 36.1 3 18.8 81.6 85.4 6. 43.5 4 18.8 81.6 85.4 6. 43.5 5 18. 81. 83.9 65.0 40. 6 0.9 5.9 5.8 61.8 36.8 1.5 6.3. 59.9 34.9 8 0.0 68.4 66.9 54.9.6 9.9 6. 51. 44.4 1.8 10.5 46.4 49.3.8 1. 11.1 53.0 58.6 38.8 1. 1 18.1 56.5 63..3. 분의회수율은용접전류와속도의증가에따라증가하나전압의증가에따라서는감소하고있다. 용접변수가각성분의회수율에미치는영향을정량적으로파악하기위해각성분의회수율에미치는전류 (I), 전압 (V), 속도 (S) 의영향을회귀분석한결과다음과같은관계식을얻었다. 각식들의수정결정계수는차례대로 0.81, 0.9, 0.8 그리고 0.83 이다. Fig. 3에대표적으로탄소와망간에대하여회귀분석식을사용한계산값과측정치를비교하였다. 3. 와이어합금성분의회수율변화본실험에서사용한용접변수변화에따른와이어합금원소, 특히 Pcm에큰영향을미치는탄소, 실리콘, 망간, 및보론의회수율을회귀분석하였다. 회수율은아래식으로구하였다. 회수율 (%) = {( 용접금속성분 희석율 모재성분 )/ 와이어성분 } 100 Table 5에상기식을사용하여계산한각원소들의회수율을나타내었다. 표에는각용접조건에서모재의희석율을함께나타내었다. 예상되는바와같이각성 Recovery of (%) = 93.3.5V+0.16I+0.3S Recovery of (%) = 91.3.5V+0.14I+0.84S Recovery of (%) = 96.8.1V+I+0.6S Recovery of (%) = 6.61.69V+I+0.4S 식에서알수있는것처럼각원소들은공통적으로용접전류와속도의증가에따라회수율이증가하고, 용접전압의증가에따라회수율이감소하는경향을나타내어실험결과와잘일치하고있다. 이러한회귀식을사용하여고입열에서도용접금속강도를유지하기위하여와이어에첨가할성분, 특히 Pcm 에큰영향을미치는탄소, 실리콘, 망간및보론 urrent (A) Table 4 Welding conditions, chemical composition and tensile strength of weld metals Welding conditions Voltage Speed (V) (cm/min) 10 389 4 11 4 6 1 443 46 hemical composition (wt%) Tensile strength Heat input (kj/cm) Ni Al Ti (MPa ) 44 0.0 0.9 1. 0. 0.0 0.00 0.001 518 0.048 0. 1.6 0.6 0.0 0.06 0.001 53 0.049 0. 1. 0.3 0.0 0.03 0.00 551 hemical composition of wire ; 0.0490.66.580.95Ni0.44Al.1Ti0.0099 14 Journal of KWJS, Vol. 6,, April, 008
FAW 에서용접변수에따른용접금속강도및와이어합금원소의회수율변화 3 alculated carbon recovery (%) alculated manganese recovery (%) 90 80 0 60 50 40 40 50 60 0 80 90 90 80 0 60 50 40 30 R adj.=0.8 (a) R adj.=0.91 (b) Measured carbon recovery (%) 0 0 30 40 50 60 0 80 90 Measured manganese recovery (%) Fig. 3 omparison between measured and calculated recovery of (a) carbon and (b) manganese 590MPa 0.16 0.13 0.14 0.15 0.16 0.1 0.18 0.19 0.0 0.1 0. 0.3 Pcm Fig. 4 Variation of tensile strength of weld metal as a function of Pcm 예를들어용접조건을 40AV5cm/min ( 입열량 51kJ/cm) 로가정하면탄소, 실리콘, 망간및보론의회수율은각각 64%, 65%, 46%, 5% 이다. 따라서탄소, 실리콘, 망간이각각 0.03, 0.14, 1.5% 인모재를사용하여 40AV5cm/min 로용접하는경우용접금속 Pcm 이 0.16 을만족하기위하여와이어에첨가하여야할원소중탄소, 실리콘, 망간및보론의양은각각 9, 0.9, 3.04%, % 가된다. 4. 결론 용접입열을결정하는용접변수인용접전류 (I), 전압 (V), 속도 (S) 를독립적으로변화시켜각변수가와이어합금원소회수율및인장강도에미치는영향을조사하여다음과같은결론을얻었다. 1) 용접전류와속도의증가는탄소, 실리콘, 망간등의산화손실을억제하여용접금속의 Pcm 을증가시켜강도를증가시키는반면, 전압의증가는산화손실을촉진시켜강도를저하시킨다. ) 용접금속중탄소, 실리콘, 망간, 보론의회수율을다중회귀분석결과각성분의회수율은다음식으로나타내어진다. Recovery of (%) = 93.3.5V+0.16I+0.3S Recovery of (%) = 91.3.5V+0.14I+0.84S Recovery of (%) = 96.8.1V+I+0.6S Recovery of (%) = 6.61.69V+I+0.4S 3) 탄소, 실리콘, 망간이각각 0.03, 0.14, 1.5% 인모재를사용하여 40AV5cm/min 로용접하는경우, 용접금속 Pcm 이 0.16 을만족하기위하여와이어에첨가하여야할원소중 Pcm 에큰영향을미치는탄소, 실리콘, 망간및보론의양은각각 9, 0.9, 3.04%, % 이다. 참고문헌 의양을계산하였다. Fig. 4에는각용접금속의인장강도변화를 Pcm 으로나타내었는데용접금속인장강도 590MPa 를만족시키기위한최소 Pcm 은 0.16 임을알수있다. 이러한 Pcm 을만족시키기위한용접금속중탄소, 실리콘, 망간및보론의목표치를각각 0.044, 0.6, 1.4, 0.004% 라고가정하면, 각성분의와이어첨가량은목표치를회수율로나눔으로써구할수있다. 1. G. O. Schumann : The Influence of Welding Variables on Weld Metal Mechanical and Microstructural Properties from onventional and Microalloyed Rutile Fluxored Wires, Trends in Welding Research, June, 1995, 55534. J. A. Gianetto. etc. : Effect of omposition and Energy Input on Structure and Properties of Highstrength Weld Metals, Welding Journal, November, 199, 40s419s 大韓熔接 接合學會誌第 6 卷第 號, 008 年 4 月 15
4 정동희 방국수 박찬 장웅성 박철규 3.. Dixon and K. Hakansson : Effects of Welding parameters on Weld Zone Toughness and Hardness in 690 MPa Steel, Welding Journal, April, 1995, 1s13s 4. J. Vercesi and E. Surian : The Effect of Welding Parameters on High Strength SMAW AllWeldMetal Part 1, Welding Journal, June, 1996, 191s196s 5. J. Vercesi and E. Surian : The Effect of Welding Parameters on High Strength SMAW AllWeldMetal Part, Welding Journal, April, 1998, 164s11s 6. G. M. Evans : The Effect of Heat Input on the Microstructure and Properties of AllWeld Metal Deposits, Welding Journal, April, 198, 15s13s. O. Grong : A Model for the liconmanganese Deoxidation of Steel Weld Metals, Metallurgical Transactions A, vol. 1A, October, 1986, 19180 16 Journal of KWJS, Vol. 6,, April, 008