The fracture toughness of flux cored arc weld metal with the yield strength 420MPa grade high strength steels for offshore structures depending on the welding position was investigated. Charpy V-notch impact test and the CTOD test of the weld metal in the horizontal and the vertical-up welding positions were carried out, and the microstructure and M-A constituents of the weld metals were observed. The recovery rate of alloying elements in horizontal position weld metal were higher than vertical-up position weld metal and the fraction of low temperature transformation phases having high dislocation density in the horizontal position weld metal was high. As a result, the yield strength, tensile strength and impact toughness of horizontal weld metal were higher than those of vertical-up position weld metal. On the other hand, the CTOD value of vertical-up position weld metal was much higher than horizontal position weld metal. This is because the M-A constituents transformation is promoted by the post-welding on the low temperature transformation region having a high local C concentration in the horizontal position welding, and therefore, the breakdown starts easily by the high M-A constituents.
전 세계적으로 유전 및 가스전 개발이 극한지 또는 심해에서 이루어짐에 따라 해양구조물도 채굴뿐만 아니라 생산과 저장 기능까지 동시에 갖춘 시설의 수요가 증가하고 있으며
한편, CTOD 특성은 파괴인성 시험법 중 파괴개시 특성에 대한 평가법으로써
기존에는 이러한 파괴인성 평가를 최대 입열이 적용되는 수직상향 용접부에 대해서만 요구해온 반면에 최근에는 최저 입열 조건인 수평자세에 대한 평가 결과도 요구하고 있는 실정이다. 하지만 현재까지 파괴인성에 대한 연구는 주로 용접 열영향부(Heat Affected Zone : HAZ)에 집중되어 있을 뿐만 아니라
이에 따라, 본 연구는 해양구조물에 적용되고 있는 항복강도 420MPa급 선급용 강재에 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding : FCAW)을 적용하여 용접 자세에 따른 용접 금속의 파괴인성을 평가하고 이에 영향을 미치는 인자를 파악하여 더욱 건전한 용접부를 얻을 수 있는 용접 시공 기술 개발의 참고자료로 활용하고자 한다.
본 실험에서는 TMCP(Thermo-Mechanical Controlled Process)를 통해 제조되고, 해양구조물에 적용되는 두께 100mm의 선급용 F420 강재를 사용하였으며, 사용된 강재의 화학조성을
Chemical composition of base metal (wt%)
\ | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cu |
---|---|---|---|---|---|---|---|
F420 | 0.06 | 1.59 | 0.26 | 0.012 | 0.003 | 0.47 | 0.25 |
FCAW 자세에 따른 용접금속의 파괴인성을 비교 평가하기 위해 최저 및 최대 입열 조건인 수평자세(2G)와 수직상향자세(3G)로 각각 용접을 진행하였으며, 세부적인 용접조건은
Welding parameters
Welding position | Layer | Ampere (A) | Voltage (V) | Travel speed (mm/min.) | Heat input (kJ/mm) |
---|---|---|---|---|---|
Horizontal (2G) | 1st | 235 | 28.0 | 203 | 1.94 |
Rem. | 210 ~240 | 26.0 ~28.4 | 236 ~627 | 0.57 ~1.44 | |
Vertical-up (3G) | 1st | 190 | 26.7 | 139 | 2.19 |
Rem. | 190 ~240 | 25.0 ~28.5 | 69 ~152 | 2.28 ~4.61 |
Joint details and macro sections of 2G and 3G position welds
용접금속의 화학조성은 분광분석기(Optical Emission Spectrometer : OES)와 탄소/황 분석기(Carbon/Sulfur Analyzer)를 이용하여 각각의 용접 자세별로 후면 용접부(2nd side)의 용접금속에서 3회씩 분석하여 평균하였다.
용접자세에 따른 용접금속의 미세조직을 비교 관찰하기 위해 후면 용접금속부 단면을 5% Nital 용액으로 부식한 후 광학현미경(Optical Microscope : OM)과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope : SEM)으로 관찰하였다.
용접 자세에 따른 파괴인성 차이의 원인 분석을 위해 각 용접금속부를 Lepera 용액으로 부식한 후 OM을 통해 재가열 영역(Reheated zone)에서의 M-A상(Mar- tensite-Austenite constituents)을 비교 관찰하였고, 또한 이러한 M-A상의 분포와 크기 등의 차이가 발생하는 원인을 분석하기 위해서 재가열 이전의 주상정 영역(Columnar zone)에서의 탄소 농도를 전계방사형 전자탐침미세분석기(Field Emission Electron Probe Micro Analyzer : FE-EPMA)를 통해 면분석을 실시하였다.
인장시험은 전면 용접부(1st side)와 후면 용접부(2nd side)의 용접금속에서 ASTM E8 규격에 의거하여 직경이 12.5mm, 평행부의 길이가 60mm이고 표점거리가 50mm인 표준 시험편을 각각 1개씩 제작한 후, Cross head speed를 분당 10mm로 시험하였다. 시험을 통해 얻어진 항복강도와 인장강도는 전면과 후면 용접부의 두 용접금속에서 얻은 값을 평균하였고, 이를 통하여 얻어진 값을 CTOD 시험을 위한 피로균열 생성과 3점 굽힘시험에 필요한 하중 계산에 사용하였다.
용접금속의 충격시험은 후면 용접금속부의 상부 2mm 아래의 중앙에서 채취한 샤르피 충격시험편을 ASTM E23 규격에 의거하여 실시하였다. 한편, 충격시험 온도는 구조물의 설계 온도를 고려한 발주처 요구 사항으로 주로 적용되는 -50°와 선급용 F420강재에 적용을 위한 용접재료 형식승인 시험 시 요구되는 -60°로 설정하였으며, 각 온도에서 3개씩 평가 후 평균값을 이용하였다.
본 연구에서 파괴인성 평가는 균열 선단의 균열진전 직전의 개구량을 의미하는 CTOD를 사용하였다. CTOD 시험편의 노치는 용접금속의 중심부에 위치하도록 하였고, 노치 방향은 용접 진행방향이 되도록 하여 시험편을 제작하였다. 피로균열은 용접부에서 a/W=0.5를 기준으로 6mm까지 생성하였으며, 시험에 사용된 시험편의 크기와 형상을
Size and shape of CTOD test specimen
2G와 3G 자세로 용접한 용접금속의 화학조성 분석 결과를
Chemical composition of weld metals (wt%)
\ | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cu |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2G welds | 0.05 | 1.52 | 0.29 | 0.010 | 0.012 | 1.58 | 0.03 |
3G welds | 0.04 | 1.38 | 0.28 | 0.008 | 0.009 | 1.55 | 0.02 |
Optical micrographs of weld metal a) 2G, b) 3G
SEM micrographs of weld metal a) 2G, b) 3G
이러한 용접 자세에 따른 용접금속의 미세조직 차이는 화학조성과 냉각속도의 차이로 설명될 수 있다. 우선,
Effect of welding position on the tensile properties of weld metal
Effect of welding position on the impact tough- ness of weld metal
Effect of welding position on the fracture toughness of weld metal
Distribution of M-A constituents at weld metal
Distribution of C contents in accordance with welding position. a) and c) : SE images of 2G and 3G weld metals, b) and d) : Mapping analysis of C contents, at 2G and 3G weld metals
용접 자세에 따른 해양구조물용 항복강도 420MPa급 고강도강 FCA 용접금속의 파괴인성에 대해 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 용접 전류가 상대적으로 높고 용접속도가 빠른 2G 용접금속에서 C, Mn 등의 합금원소 회수율이 3G 용접금속 대비 높게 나타났다.
2) 2G 용접금속의 미세조직은 저온 변태상인 AF와 BF가 높은 분율로 존재하는 반면, 3G 용접금속은 PAGB에서 PF(G)와 FS가 발달하고, 입내에서 AF와 소량의 PF(I)가 혼재하는 것을 알 수 있었다. 이는 2G 용접 시 빠른 냉각속도와 오스테나이트 안정화 원소인 C, Mn의 높은 함량에 의해 저온 변태상으로의 변태가 용이하기 때문인 것으로 판단된다.
3) 2G 용접금속의 강도 및 충격인성이 3G에 비하여 높게 나타났으며, 이는 2G 용접금속에서 전위 밀도가 높은 AF 및 BF 분율이 높은 반면 균열 생성 및 진전이 용이한 PF(G) 및 FS의 분율은 상대적으로 낮기 때문이다.
4) 2G 용접금속의 파괴인성이 3G 용접금속 대비 현저히 낮게 나타났다. 이는 2G 용접금속부에서 상대적으로 국부적 탄소 농도가 높은 탄소 편석부의 분율이 높고, 이러한 탄소 편석부는 후행 용접에 의해 파괴 개시가 용이한 M-A상 변태가 촉진되기 때문이다.
즉, 용접금속의 충격인성은 미세조직의 구성 및 분율에 대한 의존도가 높은 반면, CTOD 특성은 M-A상과 같은 2차상의 분율에 보다 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
5) 따라서, 항복강도 420MPa급 고강도 강재가 적용된 해양구조물 용접금속의 파괴인성을 보다 안정적으로 확보하기 위해 상대적으로 낮은 입열량이 적용되는 2G 자세의 용접조건에 따른 파괴인성 평가와 관련한 추가 연구가 필요하다 판단된다.
“이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음”