SUS439L 아크 용접의 주상정 성장 기구에 관한 연구
Study on Columnar Grain Growth Mechanism of SUS439L Arc Welding
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Abstract
It is well known fact that the columnar grains in fusion zone make problems such as lower strength or crack initiation especially interface plane of columnar grains along longitudinal direction. Generally it is hard to make columnar grains in arc welding comparing to high power density welding method like laser or electron beam welding. However, it is found that lack of shield gas supply affects on the columnar grain growth and limited equiaxed grain generation in STS 439L arc welding. It is proved through comparing cross sections of weldment for lower shield gas feed rate, 5 LPM, and higher case, 20 LPM. Therefore, it is recommended to control the shield gas supply more strictly to prevent columnar grains and its induced defects in STS 439L arc welding as result.
1. 서 론
용접부의 용융부(FZ, fusion zone) 미세조직은 주조 미세조직과 유사하다. FZ와 열영향부(HAZ, heat affected zone)의 경계는 주조조직의 냉경 구역과, 주상정 조직과 등축정 조직은 FZ와 유사하다1). 이 중 주상정 조직이 용접부에 발생하는 경우, 냉각 중 수축에 의한 열간 균열(hot crack)을 유발하거나 용접부 강도를 저하시킬 우려가 있기 때문에 세심하게 관리되어야 한다2). 높은 출력 밀도(power density) 때문에 고속 용접이 이루어져 주상정 조직이 쉽게 관찰되는 레이저 용접이나 전자빔 용접과 달리, 와이어를 전극으로 사용하는 GMA(gas metal arc) 용접의 경우, 용접부에서 주상정이 형성되는 경우는 매우 드물다. 이는 고밀도 열원의 고속 용접에서 주상정의 주요 형성 메커니즘으로 알려진 조성적 과랭(constitutional super cooling)이 보다 쉽게 이루어지기 때문이다1).
GMA 용접부에서 주상정이 형성되는 경우, 열간 균열이나 용접부 강도 저하 문제는 레이저나 전자빔 용접의 경우보다 문제가 심각하다3). 아크 용접에 의한 상면 비드의 입열이 더 많기 때문에 냉각 수축에 의한 잔류 응력이 더 크기 때문이다4). 따라서, 매우 드물게 형성되는 GMA 용접부의 주상정 미세조직은 더 엄격하게 관리되어야 한다.
본 연구에서는 439L 스테인레스 스틸의 GMA 용접에서 보호 가스가 주상정 형성에 미치는 영향을 밝히고, 그 메커니즘을 이론적으로 제시함과 동시에 주상정 형성을 방지하기 위한 방안을 제시하고자 한다.
2. 실험 및 결과
본 연구에 사용된 재료는 현대 BNG 스틸(주)의 3 mm 두께의 SUS439L 소재로, 국제 규격으로는 AISI439에 해당한다. 이 소재의 화학 조성은 Table 1과 같다. SUS439L은 페라이트 계 스테인리스 스틸로 응력부식균열 특성이 오스테나이트계보다 우수해 자동차의 EGR 냉각기나 머플러, 배기가스 파이프 용도로 주로 사용 된다5). 특히, 낮은 C 함유량으로 탄화물 형성이 적어 입계부식에 강한 특성을 가진 것으로 알려져 있다6). 합금 원소 중 C보다 높은 함유량의 Ti은 Cr보다 쉽게 탄화물을 형성하여, 입계에서 Cr 탄화물 형성을 억제하는 역할을 한다7).
Chemical composition of SUS439L (wt. %)
실험은 현대 로보틱스社 산업용 6축 로봇과 OTC Daihen의 Welbee W350 용접기를 사용하였다. 용가재는 현대종합금속(주)의 SC-439Ti Metal Cored 와이어를 사용하였으며, 직경은 1.2 mm로 화학 조성은 Table 2와 같다. 아울러, 전체 로봇 용접 시스템은 Fig. 1과 같다.
Chemical composition of SC-439Ti metal cored wire (wt. %)
Robot welding system for experiments
용접 공정 설정은 Fig. 2와 같다. 판재는 겹치기 필렛 용접부 형태로 중력 방향(G)에 대해 45° 기울어져 있으며, 판재의 면 기준으로 작업각은 60°이다. 아크의 타겟 위치는 필렛 이음부 루트에서 하판 쪽으로 1 mm 떨어진 위치로 설정하였다. 이런 용접 공정 설정이 이루어진 것에 대해서는 추가적인 설명이 필요하다. 앞서 언급한 바와 같이 GMA 용접에서 주상정 미세조직이 형성되는 경우는 매우 드물다. 본 연구에서는 실제 자동차 배기관 파이프 용접에서 매우 간헐적으로 발생하는 주상정 미세조직에 의한 결함을 재연하기 위해 매우 다양한 조건에서 주상정 조직을 만들어내기 위한 실험을 수행하였고, 이에 따라 Fig. 2와 같은 형상 조건에서 주상정 조직을 만들어낼 수 있었다. 이는 간헐적으로 발생하는 주상정 조직에 의한 결함을 공정 변수 조절로 제어하고 원인을 찾아내기 위한 취지로 수행한 여러 실험에 의한 결과라고 할 수 있다. 마찬가지로, 매우 다양한 전류, 전압, 용접 속도, 보호 가스 공급량에 대해 주상정 발생 여부를 조사하였고, 결과적으로 찾아낸 주상정 발생 용접 공정 변수는 다음과 같다. 펄스 전류는 피크 전류 240A, 전압은 24V이며, 용접 속도는 41 CPM(cm/min.)이며, 고순도(99.99%) 알곤 보호가스를 사용하였다. Fig. 3은 오실로스코프로 측정한 실제 아크 전류 파형으로, 주파수는 약 130Hz이며, 산술평균 전류는 약 273A로 용접기의 설정 전류값과는 다소 차이가 있다.
Welding setup
Arc current pulse shape. Horizontal axis is time in seconds and vertical axis is arc current in ampere
흥미로운 것은 동일한 전류, 전압, 용접 속도에 대해 보호 가스 공급량에 따라 용접부 중심으로 향하는 주상정의 성장 여부가 뚜렷하게 구분되었다는 것이다. Fig. 4는 보호 가스 공급량이 5 LPM(L/min.)인 경우에 형성된 용접부 미세조직이다. 결정립계를 명확히 확인하기 위해 황산 수용액을 이용해 용접부 단면을 전해 에칭하였다. 그림의 화살표가 가리키듯이, 모재 쪽에서 충분히 성장한 주상정이 용접부 중심에서 만나 주상정 간의 뚜렷한 결정립계를 형성하였다.
Columnar grains interface along the welding center line with insufficient shield gas supply 5 LPM
Fig. 5는 동일한 용접 전류, 전압, 용접 속도에서 알곤 보호가스 공급량을 20 LPM으로 증가시켰을 경우의 용접부 미세조직을 보여주고 있다. 겹치기 하판의 모재 쪽에서 상대적으로 두께가 얇은 주상정이 일부 성장했지만, 나머지 대부분의 영역에서는 등축정이 형성된 것을 볼 수 있다. 공통적으로 HAZ에서는 큰 등축정이 형성되었지만, 보호가스 공급량이 20 LPM인 Fig. 5에서 화살표가 가리키는 용접부 중심 영역에 형성된 등축정은 상대적으로 크기가 작아 냉각 시간이 보다 짧았다는 것을 알 수 있다.
Equi-axed grains along the welding center line with sufficient shield gas supply 20 LPM
3. 고 찰
결정의 셀형(cellular) 성장의 주요 메커니즘 중 하나로 조성적 과랭이 널리 알려져 있다2). 조성적 과랭도가 큰 경우 좀 더 미세한 주상정이 형성되고, 조성적 과랭도가 작은 경우 조대한 주상정이 형성되며, 조성적 과랭도가 매우 큰 경우에는 주상 수지상정과 등축 수지상정이 형성된다. 고출력 레이저나 전자빔 용접과 같이 용접 속도가 높은 경우에 Fig. 4와 같이 주상정이 성장해 용접부 중심에서 면 상의 결정립계는 형성하는 경우는 흔히 관찰된다. 그러나, 아크 용접에서 Fig. 4와 같은 용접부 중심의 주상정 결정립계가 형성되는 경우는 매우 드물다. 일반적으로 셀형 성장이 이루어질 만큼 냉각 속도가 빠르지 않기 때문이다.
이 연구 결과의 고찰에서는 주상정 성장에 더해 결정핵 생성 메커니즘이 추가되어야 한다. 보호가스 유량에 의한 용융지 표면에서의 핵생성이 용접부 중심의 주상정 결정립계 형성에 큰 영향을 미치기 때문이다. Fig. 4와 같이 보호가스 유량이 충분하지 않은 경우, 용융지 중심에서 과랭에 의한 핵생성과 성장이 충분히 이루어지지 않아 등축정 생성이 지연되었고, 고액 경계에서부터 성장한 조대한 주상정이 충분히 성장하여 용접부 중심에 주상정 결정립계를 만들었다. 대조적으로, Fig. 5와 같이 보호가스 유량이 충분한 경우에는 용융지 표면에서 충분한 냉각으로 핵생성과 성장이 활발히 이루어져 용접부 중심에 미세 등축정이 형성되었다. 덧붙여, 일부 형성된 미세 주상정이 보호가스에 의해 충분한 냉각이 이루어진 것을 간접적으로 보여주고 있다. 보호가스가 0LPM의 경우 Fig. 4와 같은 주상정은 형성되지 않았고, 이는 용융금속 표면에서 산화가 촉진되어 등축정 형성이 활발히 일어난 것으로 추정할 수 있다. 아울러, 5LPM과 20LPM 사이값인 10LPM과 15LPM의 경우도 뚜렷한 주상정이 만들어지지 않았다. 결론적으로, 5LPM의 보호가스 공급량이 절묘하게 산화에 의한 등축정과 과랭에 의한 등축정 생성과 성장을 지연시킨 결과로 볼 수 있다.
4. 결 론
이 연구는 드물게 관찰되는 아크 용접부 중심의 주상정 결정립계 형성에 보호가스 공급량이 큰 영향을 미치는 결과를 보여주고 있다. 3 mm 두께의 SUS439L 판재의 겹치기 이음 아크 용접에 대해, 전류 240A, 전압 24V, 용접 속도 41 CPM의 조건에서 알곤 보호가스의 공급량을 5 LPM과 20 LPM로 달리하여 형성된 용접부 미세조직을 비교하였다. 결과적으로 5LPM 조건의 미세조직은 조대 주상정 결정립계가 용접부 중심에서 형성되었고, 20 LPM 조건은 동일 위치에서 미세 등축정이 형성되었다. 이런 차이가 나는 주된 요인으로는 불충분한 보호가스 공급량이 용융지 표면에서 핵생성과 성장을 위한 충분한 냉각을 만들어내지 못한 것으로 추론할 수 있다.
용접부 중심에서 주상정 결정립계가 형성되는 이유는 매우 다양하겠으나, 본 연구에서는 아크 용접에서 부족한 보호가스 공급량이 한 원인이 될 수 있음을 밝힘과 동시에, 만일 아크 용접부 중심에서 형성된 주상정 결정립계가 문제가 되는 경우에 우선적으로 보호가스 공급량을 확인할 것을 제안한다.
감사의 글
이 연구는 산업기술평가관리원(KEIT)의 연구비지원(00433178, 20022438)과 충북과학기술혁신원의 연구비지원(알루미늄 기반 부품 품질 개선을 위한 레이저 아크 하이브리드 헤드 개발)에 의해 수행되었습니다.