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합금강(ASTM A387 Gr. 91) - 탄소강(ASTM A516 Gr.70) 이종금속의 FCA 다층 용접부 특성 평가 : Part. 1

Abstract

Characteristics of dissimilar metal welds between alloy steel ASTM A387 Gr. 91 and carbon steel ASTM A516 Gr.70 made with Flux cored arc welding(FCAW) have been evaluated in terms of microstructure, mechanical strength, chemical analysis by EDS as well as corrosion test. Three heat inputs of 15.0, 22.5, 30.0kJ/cm were employed to make joints of dissimilar metals with E91T1-jwj-34-3-61-B9C wire. Post-weld heat treatment was carried out at 750°C for 2.5 h. Based on microstructural examination, tempered martensite and lower bainite were formed in first layer of weld metal. The amount of tempered martensite was decreased and the amount of lower bainite was increased with increasing heat input and layer. Heat affected zone of alloy steel showed the highest hardness due to the formation of tempered Martensite and lower Bainite. Tensile strengths of dissimilar welds decreased with increasing heat inputs. Dissimilar welds seemed to have a good hot cracking resistance due to the low HCS index below 4. The salt spray test of dissimilar metals showed that the corrosion rate increased with increasing heat inputs due to the increase of the amount of lower Bainite.

1. 서 론

석유, 천연가스 및 전기와 같은 에너지 수요가 지속적으로 증가함에 따라 석유화학플랜트 및 발전소의 건설이 증가되고, 에너지 효율을 높이기 위한 고성능 압력용기의 개발이 활발히 진행되고 있다1). 석유화학플랜트 및 발전소 분야에서 사용되는 압력용기는 모두 고온, 고압등 사용 환경이 매우 가혹하다. 뿐만 아니라 압력용기가 적용되고 있는 기기의 대형화 및 고성능화는 사고 발생 시 막대한 피해로 이어질 수 있으므로 고기능성, 내구성, 안전성에 대한 요구는 커지고 있어 제작 시 용접방법과 시공법에 대한 신뢰성 확보는 중요한 문제로 대두되고 있다2-4).
현재 원자력발전소에서 주기기는 주로 합금강으로 제작이 되고 있다. 하지만 기술적, 경제적인 이유로 부분적으로 이종 금속 용접을 적용해야 하는 경우가 발생하기에 본 연구에서는 현재 산업현장에서 압력용기의 재료로 사용되고 있는 A387 Gr.91과 A516 Gr.70 두 강을 선택하였다.
SA516 Gr.70은 C함유량이 0.21%~0.26%인 강으로 중, 저온에서의 압력 용기 등에 사용되고 있으며 저온에서의 신뢰성이 높고 비교적 높은 강도와 노치 인성을 갖는다. 또한 이 강은 내수소균열 압력용기(HIC resistant pressure vessel)용으로 사용되고 있다. 하지만 용접부의 탄소당량이 높아 용접 시 균열이 발생될 수 있어 용접성을 보증하기 어렵다는 단점이 있다5).
SA387 Gr.91은 9%Cr-1%Mo 강으로써 고온 강도를 향상시키기 위해 미량의 Nb, V, N등을 함유시킨 개량 합금강이다6). 이 강재는 고온에서 우수한 강도를 지니고 있어 증기온도가 600°C까지 도달하는 스팀 제너레이터에 많이 사용되고 있다7-10). 이 강과 같은 중고온용 강재는 최근 후물화로 인해 -30°C에서의 저온인성과 장시간의 후속 열처리(Post-Weld Heat Treatment, PWHT)를 요구하고 있다1).
플럭스 코어드 아크 용접법(FCAW)은 저온 충격인성이 뛰어나고 고능률성, 생산성 및 신뢰성 확보가 우수하기에 본 실험에서는 FCAW로 이종 금속을 용접하였다1,11). 이종금속용접의 현장적용사례는 몇몇 구조물에 국한되는데, 부적절한 용가재의 사용으로 용접부에서 기공, 균열과 같은 결함이 발생되는 문제를 야기하였다12).
본 연구에서는 합금강 용접 와이어 종류에 따라 합금강과 탄소강을 용접 한 후 용접부에서의 미세조직, 기계적 성질 및 내식성을 평가하는 첫 번째 연구로 수행되었다.

2. 실 험 방 법

2.1 시편 준비 및 용접 조건

모재는 300(L)×300(W)×16(T)의 A516 Gr. 70과 A387 Gr. 91강재이다. 용접부 형상은 Fig. 1과 같이 두 강 사이 홈 각도 60°, 루트면 2mm, 루트간격 2.5mm로 가공 후 위빙을 하여 4패스의 FCA 용접이 실시되었다. 보호가스는 100% CO2를 사용하였으며 와이어는 합금강 용접에 사용되는 E91T1-jwj-34-3-61-B9C를 사용하였다. 본 실험에서 사용한 이종 금속과 와이어의 화학성분 및 기계적 성질은 Table 1에 나타내었다.
Fig. 1
A weld joint design with a four-pass weld
jwj-34-3-61-fig-1.tif
Table 1
Chemical composition and mechanical properties of base metals and wire (wt%, MPa)
C Mn P S Si Mo Cr Ni Nb V N Yield Tensile
A387 Gr. 91 0.06~ 0.15 0.25 ~0.66 0.025 0.012 0.18~0.56 0.80~1.1 7.90~9.6 0.43 0.05~ 0.11 0.16- 0.27 0.025~ 0.08 >415 585~ 760
A516 Gr. 70 0.27 0.79~ 1.30 0.035 0.035 0.13~0.45 >260 485~ 620
E91T1-jwj-34-3-61-B9C(wire) 0.08~ 0.13 1.20 0.02 0.015 0.5 0.85~1.2 8.0~10.5 0.80 0.02- 0.07 0.15~ 0.25 0.02~ 0.07 >540 620~ 830
본 연구는 입열량에 따른 용접부에서의 기계적 특성(충격, 인장 강도, 경도), 화학적 특성(부식성, 화학성분 분석)을 조사하기 위해 전류값(A)을 변화시켜 15.0, 22.5, 30.0 kJ/cm의 입열량으로 이종 금속 용접을 하였다. PWHT는 750°C에서 2.5h 유지 후 로냉하였다. 용접 조건은 Table 2에 나타내었다.
Table 2
Welding conditions
No Current (A) Voltage (V) Speed (cm/min) Heat Input (kJ/cm) PWHT
FCAW 1 200 25 20 15.0 750°C 2.5h
2 300 25 20 22.5
3 400 25 20 30.0

2.2 미세조직 및 기계적 시험

본 실험에서 조직관찰은 시편을 정밀연마 후 저합금강과 용접부는 왕수(질산+염산), 탄소강은 나이탈 5% (에탄올+질산) 용액을 이용하여 에칭 후 두 강의 표면 직하 2mm부근의 열영향부와 용착금속의 각 패스구간을 관찰하였으며 용접 시편의 매크로 사진인 Fig. 2는 조직관찰 위치를 나타내었다.
Fig. 2
A macrograph of weld section showing locations for microstructural observations
jwj-34-3-61-fig-2.tif
기계적 특성은 충격, 인장, 경도시험으로 분석되었고, 화학적 특성은 부식시험 및 화학성분 분석으로 평가되었다. 충격시험은 KS B 0809 4호 시험편을 제작하여 4개의 온도에서 하중 30kg-m의 샤르피 충격시험기로 수행하였으며, 인장시험은 KS B 0801의 비례 14 A호 시험편으로 제작하여 만능인장시험기로 실험을 수행하였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도기로 10kgf의 하중을 두어 표면 직하 2mm 부근과 용접부에서 수행하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 미세조직 관찰

Fig. 3은 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입열량에 따른 각 패스 구간의 조직이다. 입열량 15.0kJ/cm 일 때 초층(1st layer) 조직인 Fig. 3(a1)에서 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite, TM)가 관찰되는데 입열량이 증가할수록 TM의 분율이 줄고 하부 베이나이트(Lower Bainite, LB)의 분율이 증가하였다.
Fig. 3
  Microstructures of weld metal with layers and different heat inputs
jwj-34-3-61-fig-3.tif
Fig. 3(b)는 입열량에 따른 용착금속에서 두 번째 층의 조직이다. 입열량 15.0 kJ/cm 일 때의 조직 Fig. 3(b1)를 보면 1pass 구간보다 조대화 된 TM과 적은 양의 LB가 혼합된 조직이 보여지고, 입열량이 증가함에 따라 TM은 사라지고, 조대화된 LB을 Fig. 3(b2), (b3)에서 관찰할 수 있다.
Fig. 3(c)는 입열량에 따른 용착금속에서 세 번째층의 조직이다. 입열량 15.0 kJ/cm 일 때의 조직 Fig. 3(c1)에서 LB가 두 번재 패스 보다 조대화 되었다. 또한 입열량이 증가할수록 조대화 된 LB의 증가를 Fig. 3(c2), (c3)에서 관찰할 수 있다.
Fig. 3(d)는 입열량에 따른 용착금속에서 네 번째층의 조직이다. 전반적으로 특정 방위로 묶음 성장이 된 LB를 관찰할 수 있고, 입열량이 증가함에 따라 LB의 묶음 성장이 증가하였다.
Fig. 4는 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입열량에 따른 A516-70강재 쪽 HAZ에서의 조직으로 입계 페라이트(Grain Boundary Ferrite, GBF), 비드만스테텐 페라이트(Widmannstatten Ferrite, WF)가 혼합된 조직이 관찰된다. 이 구간에서는 입열량이 증가할수록 GBF 분율은 증가하고 WF 분율은 감소하였다.
Fig. 4
Microstructures of heat-affected zone(HAZ) adjacent to A516-70 steel with different heat inputs ((a) 15.0 kJ/cm, (b) 22.5 kJ/cm, (c) 30.0 kJ/cm)
jwj-34-3-61-fig-4.tif
Fig. 5는 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입열량에 따른 A516-70강재 쪽 HAZ에서 입자 조대화 영역 (Coarse grained heat-affected zone, CGHAZ)의 조직으로 입열량이 증가할수록 GBF가 조대화된 것을 관찰할 수 있다. 이는 입열량이 증가할수록 고온에서 유지되는 시간이 증가하였기 때문이다.
Fig. 5
Microstructures of coarse grained heat-affected zone(CGHAZ) adjacent to A516-70 steel with different heat inputs ((a) 15.0 kJ/cm, (b) 22.5 kJ/cm, (c) 30.0 kJ/cm)
jwj-34-3-61-fig-5.tif
Fig. 6은 A387과 A516의 이종금속 용접부에서 입열량에 따른 A387-91강재 쪽 HAZ에서의 조직이다. Fig. 6(a)는 입열량 15.0 kJ/cm 일 때 조직으로 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite, TM)가 관찰되며, 입열량이 증가할수록 TM 분율은 감소하고 LB 분율이 증가한다.
Fig. 6
Microstructures of heat-affected zone(HAZ) adjacent to A387-91 steel with different heat inputs ((a) 15.0 kJ/cm, (b) 22.5 kJ/cm, (c) 30.0 kJ/cm)
jwj-34-3-61-fig-6.tif

3.2 인장 시험

Fig. 7은 이종금속용접부에서 입열량에 따른 인장시험 결과이다. 입열량이 증가할수록 인장강도는 801.6, 783.7, 750.7 MPa로 감소하였다.
Fig. 7
Tensile strengths with different heat inputs
jwj-34-3-61-fig-7.tif
이 결과는 앞에서 고찰된 바와 같이 입열량이 증가할수록 용접부에서 경한 조직인 TM가 사라지고 상대적으로 연한 조직인 LB가 형성되었기 때문이다.

3.3 충격 시험

Fig. 8은 이종금속용접부에서 입열량에 따른 충격시험 결과로 입열량이 증가함에 따라 충격흡수에너지는 증가하였다. 이는 Fig. 3에서 고찰되었듯이 입열량이 증가함에 따라 템퍼드 마르텐사이트보다 인성이 높은 하부 베이나이트가 생성되었기 때문이다. Fig. 9는 SEM 파단면 사진으로 -25°C에서는 연성파괴인 딤플(Dimple), -35°C에서는 취성파괴인 벽개파괴(Cleavage fracture)을 보여주고 있고, Fig. 8의 시험온도에 따른 충격 흡수에너지 변화를 기준으로 천이온도는 약 -30°C이다.
Fig. 8
Impact energy as a function of testing temperature
jwj-34-3-61-fig-8.tif
Fig. 9
SEM fractography of welded specimen with different heat inputs
jwj-34-3-61-fig-9.tif

3.4 경도 시험

Fig. 10은 용접된 시편 표면 직하 2mm에서 수평방향으로 측정된 경도값이다. 용접부에서의 경도는 A387 Gr. 91과 A516 Gr. 70 강재의 모재 보다 높은 경도값을 지니지만 A387 Gr. 91의 열영향부보다 낮은 결과를 보였다. 전반적으로는 입열량이 낮을수록 경도가 높게 나타났다. 이는 입열량이 증가할수록 냉각속도가 느려지기 때문이다. 용착금속과 탄소강 HAZ의 좁은 영역에서는 탄소강 모재보다 경도가 더 낮은 영역이 관찰된다. 이 영역은 입열량이 증가함에 따라 더 낮아지는데 이는 Table 3에서 고찰되었듯이 입열량이 증가함에 따라 CGHAZ에서의 GBF 증가와 WF 감소가 원인으로 사료된다. 합금강 HAZ영역에서의 경도는 모재와 비교하였을 때 급격히 상승하고 입열량이 증가할수록 낮아진다. 이는 Fig. 6에서 고찰하였듯이 HAZ 영역에서는 경한 조직인 템퍼드 마르텐사이트와 하부 베이나이트가 생성되고, 입열량이 증가함에 따라 템퍼드 마르텐사이트보다 연한 조직인 하부 베이나이트 생성이 증가하였기 때문이다.
Fig. 10
Hardness variation across weld metal tested in horizontal direction at 2mm under weld surface
jwj-34-3-61-fig-10.tif
Table 3
Chemical composition (wt%) of weld metal with different heat inputs
15.0 kJ/cm 22.5 kJ/cm 30.0 kJ/cm
C 0.14 0.16 0.2
Si 0.25 0.22 0.21
P 0.04 0.05 0.04
S 0.002 0.001 0.003
Cr 7.59 8.24 8.45
Mn 0.46 0.52 0.59
Ni 0.64 0.66 0.69
Mo 0.57 0.68 0.75
N 0.005 0.004 0.005
Nb 0.07 0.08 0.1
V 0.16 0.18 0.2
Fig. 11은 입열량에 따른 용접부에서의 수직 방향 경도값을 나타낸 것이다. 입열량이 증가할수록 초층에서의 경도는 248.8, 239.1, 233.6 Hv로 감소하였으며, 패스가 증가함에 따라 전반적인 평균 경도값은 입열량이 증가할수록 감소하였다. 이는 Fig. 3에서 고찰되었듯이 층이 누적됨에 따라 템퍼드 마르텐사이트의 양이 감소하고 조대화 된 하부 베이나이트가 생성되었기 때문이다. 또한, 각 층 사이에 경도가 감소하는 구간이 확인되는데 이는 다층 용접시 각 패스의 용접열에 의한 재가열로 인하여 조직적으로 변화된 재열부(Reheated zone)에 의한 것으로 사료된다13).
Fig. 11
Hardness variation of weld metal in the vertical direction
jwj-34-3-61-fig-11.tif

3.5 EDS 성분 분석

Table. 3는 EDS로 분석한 입열량에 따른 이종금속용접부에서의 화학 조성으로 Si을 제외한 다른 원소의 함유량은 입열량이 증가함에 따라 증가하였다. 특히, 용접부에서 입열량 증가에 C, Cr 함유량의 증가는 입열량이 증가함에 따른 용접부에서의 경도를 증가시키는 요인으로 사료된다. 또한 입열량에 따른 인장강도에도 영향을 주었을 것이라 사료된다.
Fig. 12는 식(1)을 이용하여 이종금속용접부의 입열량에 따른 고온균열감수성(Hot Cracking Susceptibility, HCS)을 나타낸 것이다. 일반적으로 HCS 값이 높을수록 고온에서의 균열 위험성이 높아지지만 4 이하일 경우에는 균열 위험성이 거의 없는 것으로 보고되고 있다14). Fig. 12에 나타난 것과 같이 입열량이 증가함에 따라 HCS값이 0.84, 0.99, 1.04로 증가하였지만 모두 4 이하의 값을 나타내므로 산업현장에서 입열량에 따른 고온 균열 위험성은 적은 것으로 사료된다.
Fig. 12
Hot cracking susceptibility with different heat inputs
jwj-34-3-61-fig-12.tif
(1)
HCS=C×(P+S+Si25+Ni100)(3Mn+Cr+Mo+V)×103

3.6 부식 시험

Fig. 13은 KDS 9502 표준 염수(NaCl) 분무 시험기를 이용한 이종금속 용접부의 부식 후 무게 증가량을 도표로 나타낸 것이다. 탄소강 A516은 부식시험 40시간 경과 표면적으로 부식이 완료되었지만 40시간 이내에서의 부식에 의한 무게 증가량은 입열량에 따른 차이는 거의 없었다. 하지만 시간이 증가하면서 입열량이 증가함에 따라 부식에 의한 무게 증가 속도는 높아졌다. 일반적으로 마르텐사이트는 베이나이트보다 부식속도가 느리고 내식성이 더 나은 조직으로 보고되어 있는데15), 이미 Fig. 3에서 고찰했듯이 용접부에서의 미세 조직은 입열량이 증가함에 따라 템퍼드 마르텐사이트에서 하부 베이나이트 비율이 증가하기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것으로 사료된다.
Fig. 13
Weight gain of dissimilar metals welded joints by salt spray corrosion test as a function of hour
jwj-34-3-61-fig-13.tif

4. 결 론

본 연구에서는 압력용기용 강으로 많이 사용되는 합금강 ASTM A387 Gr. 91과 탄소강 ASTM A516 Gr. 70을 합금강용 와이어를 이용하여 3가지 입열량(15.0, 22.5, 30.0 kJ/cm)으로 FCA 다층 용접 후 PWHT를 실시하였다. 용접 후 이종금속 용접부에서의 미세조직 관찰, 충격 시험, 인장시험, 경도시험을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 1) 용접부에서의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트와 하부 베이나이트가 생성되었다. 특히, 입열량과 패스가 증가함에 따라 템퍼드 마르텐사이트의 분율은 감소하고 하부 베이나이트 분율이 증가하였다.

  • 2) A516강의 HAZ에서는 입계 페라이트, 비드만스테텐 페라이트가 관찰되었으며 입열량이 증가함에 따라 냉각속도 차이에 의해 입계 페라이트는 증가하고 비드만스테텐 페라이트는 감소하였으며, CGHAZ에서의 입계 페라이트는 입열량이 증가함에 따라 조대화 되었다. A387강의 HAZ에서는 템퍼드 마르텐사이트와 하부 베이나이트가 관찰되었고, 입열량이 증가하면서 템퍼드 마르텐사이트의 분율은 감소하고, 하부 베이나이트의 분율이 증가하였다.

  • 3) 경도는 A387의 HAZ구간에서 가장 높았고, 용접부에서의 경도는 입열량이 증가할수록 경도 값이 감소하였다. 또한 입열량이 증가할수록 인장강도가 낮아졌고 입열량 15.0 kJ/cm, 30.0 kJ/cm의 차이는 50MPa 이다.

  • 4) A387강재와 A516강재의 이종금속 용접부에서는 입열량이 증가할수록 충격흡수에너지는 증가하였으며 파단면 변화를 토대로 분석한 결과 약-30°C에서 천이온도가 나타났다.

  • 5) EDS성분 분석을 통한 용접부에서의 고온균열감수성(Heat cracking susceptibility, HCS)은 입열량이 증가함에 따라 높아졌지만 표준 안전치(HCS < 4)를 충분히 만족시켰다.

  • 6) 이종금속 용접부의 부식은 입열량이 높을수록 증가하였는데, 그 이유는 템퍼드 마르텐사이트보다 상대적으로 내식성이 낮은 하부 베이나이트의 생성이 증가하였기 때문이다.

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