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JWJ > Volume 34(6); 2016 > Article
항복강도 690MPa급 전자세용 FCA 용접와이어 개발에 있어 용접 입열의 영향 평가

Abstract

YP 690MPa grade steels are used as the main structural steel for offshore structure such as Jack-up Rig and WTIV(Wind Turbine Installation Vessel). Most of welding consumables applied to YP 690MPa grade steels are basic type flux cored wires that shows the poor weldability and not suitable for all position welding. For this reason, welding consumables with rutile type flux system is required. Rutile type flux cored wires show excellent weldability and apply to all position welding. This paper presents the mechanical properties of weld metal with rutile type flux cored wire developed and finally assessed the possibility for application.

1. 서 론

해양 구조물은 사용 환경이 열악함에 따라 선박과 비교하여 상대적으로 우수한 인성을 보유한 고강도의 소재를 적용하고 있으며, 특히 Jack-up Rig 및 풍력설치선(Wind Turbine Installation Vessel)의 leg부위 및 주요 구조 부위에 항복강도 690MPa 이상의 초고강도 강재를 적용하고 있다. 이러한 구조물의 경우, 사용 수명이 제한되어 있고, 현재 설치되어 있는 구조물의 수명은 한계에 다다르고 있으며, 이에 따라 신규 교체가 불가피한 상황이다1-2). 현재, 항복강도 690MPa급 강재에 적용되어 사용되는 용접재료의 경우 -60°C의 조건에서 69J 이상의 양호한 저온 충격 인성을 나타내는 염기성계 및 메탈계 플럭스 코어드 와이어를 적용하고 있다. 이들 용접재료는 전자세 용접이 어렵고 용접 작업성이 좋지 않아 전반적인 작업효율이 떨어지는 경향을 보이고 있어, 시공사에서는 용접 작업의 어려움을 호소하고 있는 실정이다. 이로 인해 요구조건을 충족하고, 양호한 용접 작업성을 나타내는 고효율의 용접재료 개발의 필요성이 대두되고 있으며, 이러한 추세에 발맞추어 전자세 용접이 가능하고 용접 작업성이 우수한 루타일계 플럭스 코어드 와이어 제품을 개발할 필요가 있다.
따라서, 본 연구에서는 항복강도 690MPa급 이상, -40°C에서 46J 이상의 충격 인성을 보유한 전자세용 루타일계 플럭스 코어드 와이어의 개발에 있어 용접 입열 조건에 따른 물성 특성을 평가해 보고자 한다.

2. YP690급 용접재료 현황

해외 용접재료 중 항복강도 690MPa 이상, -40°C에서 충격인성 46J 이상의 성능을 나타내는 제품은 LR선급 기준으로 4종의 제품( I사, L사, B사, K사)이 승인되어 있다. 이들 제품들은 차폐가스로 82% Ar + 18% CO2 를 사용하는 베이직계가 대부분을 이루고 있으며, 일부 제품만이 루타일계로 설계되었다. 통상, 용접재료를 베이직계로 설계하면 용착 금속에서 산소 함량을 낮출 수 있어서 저온 충격인성을 확보하기가 용이하지만 용접 작업성이 나빠지는 단점이 있다. 용접재료를 루타일계로 설계하면 용접 작업성이 우수하고 전자세 용접이 가능한 반면 용착 금속에서 산소 함량이 높아져서 충격 성능을 확보하기가 다소 어렵다. 이 경우 용착 금속의 산소 증가에 따른 충격인성 열화를 보상할 만큼의 정교한 합금 설계가 요구된다.
또한, 해외 용접재료 중 항복강도 690MPa 이상이고, -60°C에서 충격인성 69J 이상을 확보한 제품들은 전 세계적으로 4개사 5종의 제품이 선급(LR)에 등록되어 있다. 이들 중, 국내에서 적용 사례가 있는 제품은 K사(일본) 제품과 H사 제품으로 알려져 있다. K사 제품은 메탈계이며, 차폐가스로 80% Ar + 20% CO2를 사용하고, H사 제품은 베이직계에 차폐가스로 99.9% CO2를 사용한다. 두 제품 모두 용접 작업성이 열세하며 용접 자세 또한 하향 용접으로 설계되어 있다.

3. 실험 방법

본 연구에서는 Table 1과 같이 선급용F690강(Q/T)을 사용하였고, 용접 이음부 형상은 Fig. 1과 같이 두께 20mm, 개선각 34°, root gap 6mm로 하여, Single V- groove 용접을 진행하였다. 용접재료는 최근 개발한 미국 용접 협회(AWS) E111T1-GC 규격에 해당하는 1.2mm 직경의 루타일계 플럭스 코어드 와이어를 사용하였다. Table 2와 같이, 용접 입열량의 변화에 따른 기계적 특성을 평가하기 위해 5종의 조건으로 용접을 진행하였다. 입열량 이외의 변수 영향을 최소화하기 위하여 오토 캐리지를 이용하여 일정한 CTWD를 두어 Weaving 없이 Straight로 아래보기 용접을 수행하였다. 각 layer간 층간 온도는 110~150°C로 동일한 온도 범위로 유지하였다. 인장시험은 ASTM E83) 규격에 따라 Transverse 인장 시험편을 이용하였고, 충격시험은ASTM E234)에 따라 용접Center부에서 시험편을 채취하여 -60°C에서 시험하였다. 경도 시험은 ASTM E3845)에 따라 하중 1kg으로 용착 금속부 및 열영향부(HAZ)에서 Vickers 경도를 측정하였고, OM(Optical Microscopy), SEM(Scanning Electron Microscope)를 이용하여 용접부 미세조직을 관찰하였다.
Table 1
Mechanical properties and chemical compositions of base metal(wt%)
Spec. Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) C Si Mn Ni Cr Mo
DNV VL F690 690 770-940 0.17 0.29 0.34 2.90 1.55 0.54
Fig. 1
Schematics of weld joint
jwj-34-6-11f1.tif
Table 2
Welding conditions
Identification Current (A) Voltage (V) Welding speed (cpm) Heat input (KJ/mm) Deposition sequence CTWD (mm) Shield gas
A 180 24 28 0.93 9Layer 14Pass 20 100% CO2
B 200 24 30 0.96 8Layer 12Pass
C 220 25 32 1.03 7Layer 12Pass
D 260 28 34 1.29 7Layer 9Pass
E 280 30 36 1.40 6Layer 8Pass

4. 실험결과 및 고찰

4.1 인장시험 결과

Table 3에 인장 시험 결과를 나타내었는데, 인장강도는 요구조건인 770~940MPa를 충분히 만족하는 826~ 847MPa범위내에서 형성됨을 확인하였다. 또한, Fig. 2의 파단 시험편에서 보는 바와 같이 모든 조건에서 모재부 파단이 발생되었다. 이는 용접부의 강도가 우수함을 의미하며, 따라서, 강도적인 측면에서 개발 제품은 적용상 문제가 없을 것으로 보여진다.
Table 3
Results of transverse tensile test of weldment
Identification T.S (MPa) Fracture location
A 826 Base metal
B 832 Base metal
C 847 Base metal
D 840 Base metal
E 845 Base metal
Fig. 2
Results of transverse tensile test
jwj-34-6-11f2.tif

4.2 충격시험 결과

충격시험 결과를 Fig. 3에 나타내었는데, 모든 입열 조건에서 규정을 만족하고 있음을 확인하였다. 그러나, 입열량이 증가할수록 충격인성은 점점 감소하는 경향을 보이고 있으며, 가장 높은 입열 조건(E시험편)의 경우, 평균 충격인성이56J로 규정에 근접함을 확인하였다. 하지만, 입열량의 증가하더라도 요구수준인 46J이상을 모두 만족하여, 현업 적용에 대한 가능성을 확인할 수 있었다.
Fig. 3
Results of impact test value at -60°C according to variation of heat inputs
jwj-34-6-11f3.tif

4.3 경도시험 결과

경도시험은 표면에서 2mm 이내 깊이에서 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 경도시험 결과 용접부의 평균 경도값은 입열량에 따라 300~350HV를 보여주고 있으며, 입열량 증가함에 따라 다소 높게 형성되는 경향을 보여주고 있다. 열영향부의 경도 또한 입열량이 증가함에 따라 소폭 증가하는 경향을 보였으며, 최대 420~430HV를 보임을 확인하였다. 이는 입열량이 증가함에 따라 용접부 및 열영향부의 경도는 감소한다는 일반적인 이론과6) 상반되는 결과로 이러한 경향성이 나타난 원인을 규명하기 위해 미세조직 관찰을 실시하였다.
Fig. 4
Hardness profiles measured at 2mm below surface
jwj-34-6-11f4.tif

4.4 미세조직 관찰

용접부의 미세조직을 Fig. 5~6에, SEM 조직 관찰 사진을 Fig. 7~8에 나타내었다. 기본적으로 용착 금속부의 미세조직은 침상 페라이트, 베이나이트의 혼합조직을 이루고 있고, CGHAZ의 미세조직은 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합조직으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. 먼저, 용착 금속부의 미세조직은 입열량이 증가함에 따라 Fig. 5와 같이 결정립이 조대해지고 형성된 석출물의 양이 많아진 것을 확인할 수 있다. 이는, 용접 입열량에 기인하는 변수 중 전류 및 전압의 증가에 따른 냉각속도의 감소 때문이라 판단되며,7) 이로 인하여 다량의 석출물이 형성되어8) Fig. 4와 같이 일부 경도값이 상승되고, 인성이 저하된 것으로 판단된다. CGHAZ부의 미세조직은 용착 금속부와 다르게 입열량이 증가함에도 불구하고, Fig. 7과 같이 마르텐사이트의 분율이 높아짐을 확인 할 수 있다. 이는 용접 전류, 전압의 증가에 따른 선행 pass의 냉각속도 감소의 효과 보다는 용접속도의 증가에 따른 선행 pass의 냉각속도의 증가효과가 크기 때문이라 사료되지만, 추가 연구가 필요하다.
Fig. 5
Microstructure at weld face : (A) heat input 0.93 kJ/mm, (B) heat input 1.40 kJ/mm
jwj-34-6-11f5.tif
Fig. 6
Microstructure at CGHAZ : (A) heat input 0.93 kJ/mm, (B) heat input 1.40 kJ/mm
jwj-34-6-11f6.tif
Fig. 7
SEM image at weld face : (A) heat input 0.93 kJ/mm, (B) heat input 1.40 kJ/mm
jwj-34-6-11f7.tif
Fig. 8
SEM image at CGHAZ : (A) heat input 0.93 kJ/mm, (B) heat input 1.40 kJ/mm
jwj-34-6-11f8.tif

5. 결 론

본 고에서는 전 자세용 항복강도 690MPa급 루타일계 플럭스 코어드 와이어의 개발 가능성을 평가해 보았으며, 기본적인 입열 조건내에서 인장, 충격 및 경도 특성 모두 요구수준에 만족하는 결과를 나타내어 산업계 적용에 대한 긍정적인 가능성을 확인할 수 있었다. 나아가 -60°C에서 충격인성을 확보할 수 있는 제품 개발에 대하여 기대해 본다.

후 기

본 연구는 중소기업청에서 지원하는 2015년도 산학연협력 기술개발사업(No. C0297105)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

References

1. Kitagawa Y, Kawasaki H. Recent Development of High-strength and Tough Welding Consumables for Offshore Structures. Kobe Steel Engineering Reports. 63 (1) (2013), 16–21

2. Park Min-Ji, Lee Hae-Woo. Effect of Preheating on Weld-ability and Corrosion Resistance in 690MPa Grade Quenched and Tempered Steel weld metals. Korean J. Met. Mater. 52 (12) 983–993

3. ASTM E 8/E 8M-08, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM international.

4. ASTM E 23-07a, Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM inter-national.

5. ASTM E 384-08a, Standard Test Method for Microin-dentation Hardness of Materials. ASTM international.

6. Lee Jin-woo, Song Woo-hyun, Seo Dong-han, Lee Jong-sub. Effect of Heat Input on Girth Welds Properties of High Strain Steel Pipe. Journal of KWJS. 27 (6) (2009), (603), –608 (in Korean)
crossref
7. Seo Yun-seok, et al. Effect of Heat Input on the Mechanical Properties of SA508 class 3 Steel Weldments with Submerged Arc Welding. Journal of KWS. 22 (5) (2004), 432–439 (in Korean)

8. Kim O. S, Chung I. S, Park K. C. Microstructural Changes on Weld Heat Input in 60Kg/mm2 Quenched and Tempered High Strength Steel. Journal of KWS. 11 (4) (1993), 186–197 (in Korean)

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