Effects of Heat Input and Preheat/interpass Temperature on Strength and Impact Toughness of Multipass Welded Low Alloy Steel Weld Metal

다층용접한 저합금 용접금속의 강도와 인성에 미치는 입열량 및 예열/패스간 온도의 영향

Abstract

The effects of the heat input and preheat/interpass temperatures on the tensile strength and impact toughness of multipass welded weld metal were investigated and interpreted in terms of the recovery of the alloying elements and microstructure. Increases in both the heat input and preheat/interpass temperatures decreased the tensile strength of the weld metal. A lower recovery of alloying elements, especially Mn and Si, and smaller area fraction of acicular ferrite in the weld metal were observed in higher heat input welding, resulting in a lower tensile strength. In contrast, only a microstructure difference was observed at a higher preheat/interpass temperature. The impact toughness of the weld metal gradually increased with an increase in the heat input because of the lower tensile strength. However, it decreased again when the heat input was larger than 45 kJ/cm because of the much smaller area fraction of acicular ferrite. No effect of the preheat/interpass temperature on the impact toughness was observed. The formation of a weld metal heat-affect zone showed little effect on the impact toughness of the weld metal in this experiment.

1. 서 론

선박, 해양 등의 구조물을 다층용접하는 경우 입열량과 예열/패스간 온도를 증가시키면 용접 생산성을 향상시킬 수 있으나 기계적 성질이 저하한다고 알려져 있다. 특히 1995년 일본 지진 시 철골조 용접부의 취성파단 이후 사용강재 및 와이어에 따라 허용할 수 있는 입열량과 예열/패스간 온도에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Tsukamoto et al., 2003; Yokoyama, 2003; Mukai et al., 2000). 입열량의 증가에 따른 용접금속 강도 저하는 고온 변태조직 형성과 사용 와이어의 합금원소 회수율 저하에 기인하는 것으로 알려져 있다(Schumann, 1995; Dixon and Hakansson, 1995; Gianetto, 1992). Vercesi and Surian(1996)과 Vercesi and Surian(1998)는 입열량을 16~22kJ/cm로 변경하여 피복 아크용접한 용접금속의 기계적 성질에 미치는 입열량의 영향에 대해 연구한 결과, 입열량이 증가할수록 조직의 연화와 함께 용접봉 합금원소의 높은 산화손실로 용접금속 강도가 저하한다고 하였다. 한편 Evans(1982)는 C-Mn 용접금속의 미세조직과 화학조성에 대한 입열량의 영향을 조사하였다. 용접속도를 변경하여 입열량을 6~43kJ/cm으로 달리한 결과, 입열량이 증가하면 용접금속의 C, Mn, Si 등이 감소하며 또한 입계페라이트 양도 증가하여 용접금속 인장강도가 감소한다고 하였다. 이러한 결과들은 입열량의 증가에 따른 와이어 합금원소 회수율의 저하를 보고하고 있으나, 입열량을 결정하는 용접변수인 전류, 전압, 속도 중 어느 것의 영향이 더욱 뚜렷한지에 대해서는 설명하지 않고 있다. 한편 용접금속의 기계적 성질에 미치는 예열/패스간 온도의 영향에 대한 연구는 입열량의 연구에 비하여 상대적으로 드물다. Byun et al.(2006)은 고장력강을 다층 용접한 경우 예열/패스간 온도의 증가는 입열량 증가와 동일한 조직변화를 나타내어 인장강도를 감소시킨다고 하였다. 본 연구에서는 다층용접 시 입열량과 예열/패스간 온도가 와이어 합금원소 회수율, 용접금속 조직, 그리고 강도에 미치는 영향을 비교하였다.

입열량과 예열/패스간 온도에 따른 용접금속 강도와 조직의 변화는 충격인성에도 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 하지만 다층용접을 하는 경우 용접금속에는 후속패스에 의하여 재가열되어 세립의 결정립을 나타내는 소위 용접금속 열영향부(Weld metal heat affected zone, WM-HAZ)도 형성된다. 이 경우 용접금속 인성은 단순히 용접금속 조직 이외에 WM-HAZ의 형성 정도에도 영향을 받을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 다층용접 시 입열량과 예열/패스간 온도 이외에 WM-HAZ 형성이 용접금속 충격인성에 미치는 영향도 함께 조사하였다.

 

2. 실험방법

두께 20mm인 JIS SM 570 압연강 (인장강도 620 MPa, 항복 강도 460MPa, 연신율 26%)을 양면을 0.5mm 씩 연삭하여 두께19mm로 만든 다음 길이 500mm, 폭 200mm로 절단하였다. 길이 방향에 Single bevel groove를 가공하여 AWS E80T1-Ni1에 해당하는 직경 1.4mm 플럭스 코어드 와이어를 사용하여 100% CO2 맞대기 용접하였다. Table 1에 사용한 와이어와 모재의 화학성분을 나타내었다. 와이어의 성분 분석은 와이어 그대로 상태에서 KS D1673(강의 유도결합 플라즈마 방출 분광분석방법)에 의거하여 행하였다. 용접 입열량은 전류, 전압, 속도를동시에 변화시켜 20~46kJ/cm로 변경하였으며 예열/패스간 온도는 100℃와 200 ℃로 변경하였다. Table 2에 상세한 용접조건과 용접이음부 형상을 나타내었다. 각 조건에서 모든 패스의 용접조건은 동일하게 유지하였다. 용접 중 예열/패스간 온도는 용접선 길이의 1/2 위치(250mm)에서 Groove로부터 약 10mm 떨어진 곳의 판 표면에서 접촉식 온도계를 사용하여 측정하였다. 용접 후 용접금속의 화학조성은 용접금속 중앙에서 시편을 채취하여 발광분광분석법으로 확인하였다. 용접금속의 기계적 성질은 인장 및 충격 시험을 행하여 측정하였다. 인장시험은 JIS Z3111 A2호 시험편을 용접금속 중앙부에서 채취하여 상온에서 행하였으며, 충격시험은 판 두께의 1/2 위치 (판 표면에서 9.5mm)에서 표준 Charpy 충격시험편을 가공하여 0℃에서 행하였다. 이때 노치는 용접금속 중앙에서 용접선 길이에 수직이 되도록 가공하였다. 각 용접금속에서 조직은 최종 패스에서 광학현미경으로 관찰하였다. 이때 조직들은 International Institute of Welding(IIW) Doc. IX-1533-88에 따라 프라이머리 페라이트(Primary ferrite, PF), 침상페라이트(Acicular ferrite, AF), 그리고 제2상을 수반하는 페라이트(Ferrite with second phase, FS)로 대별하였다. IIW에 따르면 입계페라이트와 입내의 다각형 페라이트를 PF, 입내에서 종횡비가 4:1 이하이며 일렬로 배열하지 않는 작은 페라이트를 AF, 그리고 입내에서 종횡비가 4:1 이상이며 둘 이상이 일렬로 배열하는 페라이트를 FS로 구분한다. 이들 각 조직들의 비율은 배율 500배에서 영상분석장치를 사용하여 최소 500점 이상의 점산법으로 측정하였다.

Table 1Chemical compositions of wire and base plate

Table 2Welding conditions and joint configuration

 

3. 실험결과 및 고찰

일반적으로 입열량이 증가하면 용접금속에서 합금원소가 저하하고 고온 변태조직이 형성되어 인장강도가 감소 한다고 알려져 있다. 본 실험에서는 이러한 입열량의 영향과 함께 예열/패스간 온도의 영향도 같이 조사하였다. 입열량과 예열/패스간 온도에 따른 용접금속의 기계적 성질을 측정한 결과를 Table 3에 정리하였다. Fig. 1에는 이러한 기계적 성질 중 대표적으로 인장강도를 입열량과 예열/패스간 온도의 변화로 나타내었다. 입열량이 증가함에 따라 인장강도가 저하함을 확인할 수 있다. 모든 입열량 조건에서 예열/패스간 온도는 100℃ 보다 200℃ 일 때 인장강도가 조금 더 낮았다. 용접금속의 기계적 성질을 나타낸 Table 3에는 각 용접금속의 화학성분을 함께 나타내었다. 성분 원소 중에서 특히 탈산원소인 Si, Mn, Ti 등에서 뚜렷한 차이를 보이고 있다. Fig. 2에는 이들 중 특히 강도에 큰 영향을 미치는 Mn과 Si 양을 입열량과 예열/패스간 온도의 변화로 나타내었다. 입열량이 증가하면 두 성분이 모두 지속적으로 저하하고 있다. 예로서 예열/패스간 온도가 100℃로 동일한 경우 입열량 20kJ/cm에서 Mn과 Si는 각각 1.69%, 0.49%이나, 46kJ/cm에서는 각각 1.38%, 0.39%이다. 하지만 예열/패스간 온도에 따라서는 그 차이가 크지 않으며 또한 일률적인 영향을 나타내지 않았다. Mn을 예로 들면 입열량이 약 20 kJ/cm의 경우 100℃와 200℃에서 각각 1.69%와 1.62%로 100℃에서 조금 더 높았으나, 29kJ/cm인 경우에는 각각 1.42%와 1.50%로 200℃에서 조금 더 높았다. 이런 결과로부터 입열량의 증가는 용접금속 중 Mn, Si등 강화원소 함량을 지속적으로 감소시켜 인장강도를 저하시키는 것을 확인할 수 있었으나, 예열/패스간 온도의 증가는 강화 원소에 큰 영향을 미치지 않았으므로 인장강도 저하는 다른 요인에 의한 것을 알 수 있다.

Table 3Mechanical properties and chemical compositions of weld metals

Fig. 1Variation of tensile strength of weld metal as a function of heat input

FIg. 2Variation of (a) manganese and (b) silicon contents as a function of heat input

일반적으로 용접금속 성분은 사용하는 와이어 및 모재의 성분에 의하여 결정된다. 각 용접금속에서 용접금속 단면으로부터 모재의 희석율을 측정한 후 와이어 중 Mn과 Si의 회수율을 아래 식을 사용하여 계산하였다.

계산한 회수율의 변화를 입열량과 예열/패스간 온도에 따라 Fig. 3에 나타내었다. 입열량의 증가에 따라 Mn과 Si 모두 회수율이 저하하였다. 입열량 20kJ/cm, 예열온도 100℃에서 Mn과 Si의 회수율은 각각 약 60%, 92%를 나타내었으나 입열량 45kJ/cm, 예열온도 100℃에서는 각각 약 45%, 70%로 감소하였다. 특히 Si보다 Mn의 산화손실이 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 한편 예열/패스간 온도에 따라서는 회수율의 차이는 크지 않았으며 그 영향도 일률적이지 않았다.

Fig. 3Variation of recoveries of (a) manganese and (b) silicon as a function of heat input

Bang et al.(2008)은 입열량을 결정하는 용접변수인 전류, 전압, 속도를 개별적으로 변화시켜 실험한 결과, 전류와 속도의 증가는 와이어 중 Si, Mn 등의 산화손실을 억제하여 용접금속으로의 회수율을 증가시키는 반면, 전압의 증가는 이들의 산화손실을 촉진시켜 회수율을 감소시킨다고 보고하였다. 본 실험에서는 입열량을 증가시키기 위하여 전류, 전압, 속도를 동시에 변경 시켰다. 즉 Table 2의 용접조건에서 나타낸 것처럼 전류와 전압은 증가시키고 속도는 감소시켰다. 이러한 경우에도 각 변수가 동일한 영향을 나타내는지 확인하기 위하여 본 실험에서의 회수율을 앞서의 실험에서 회수율과 함께 회귀분석을 행하였다. 그 결과 각 원소의 회수율과 전류(I), 전압(V), 속도(S)와의 관계는 다음과 같은 관계식을 나타내었다.

각 식들의 수정 결정계수는 각각 0.82, 0.83이다. 식에서 보는 바와 같이 전류, 전압, 속도를 동시에 변경시키는 경우에도 회수율에 미치는 변수의 영향은 동일하다. 즉 전압은 감소시키고 전류와 속도는 증가시킨다. 본 실험에서는 입열량을 증가시키기 위하여 전류와 전압은 증가시키고 속도는 감소시켰다. 따라서 전류의 증가는 회수율을 증가시킬 것이고, 전압의 증가와 속도의 감소는 회수율을 저하시킬 것이다. 하지만 전체적인 효과는 회수율의 저하로 나타났다. 따라서 본 실험과 같이 세 변수를 동시에 변화시켜 입열량을 증가시키는 경우 회수율에 미치는 영향은 전류의 증가보다 전압의 증가나 속도의 감소가 훨씬 큰 것을 알 수 있다. Grong(1994)와 Bang et al.(2008)에 따르면 전압의 증가에 따른 회수율의 저하는 아크 길이가 길어짐에 따라 용적이 아크 중을 이행하여 용융풀에 도달하는 시간이 증가해 탈산반응이 일어나는 시간이 늘어났기 때문이며, 속도의 감소는 용융풀의 유지시간을 길게 하여 산소가 용융풀로 흡수되는 시간이 증가해 산화손실이 크게 된다고 하였다. 이때 아크 온도가 용융풀 온도보다 훨씬 높은 것을 감안하면 용적이 아크 중을 이행할 때의 탈산반응 속도가 용융풀에서의 탈산반응 속도보다 훨씬 클 것이다. 또한 초당 수십 개이상 이행하는 구형의 용적을 생각하면 산소와 접촉하여 탈산반응이 일어나는 표면적도 아주 넓을 것이다. 따라서 본 실험과 같이 세 변수를 동시에 변화시켜 입열량을 증가시키는 경우 회수율의 저하는 세 변수 중 전압이 가장 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.

입열량과 예열/패스간 온도의 증가는 용접금속의 냉각속도를 저하시켜 조직변태에도 영향을 미치므로 각 용접금속의 조직관찰을 행하였다. Fig. 4(a)에는 용접금속의 대표적인 조직 사진을 나타내었다. 주상정 입계에서는 입계페라이트, 입내에서는 침상페라이트(AF)를 나타낸다. 입내에서 형성된 AF의 확대사진을 Fig. 4(b)에 나타내었다. AF는 치밀한 조직으로 그 비율이 증가할수록 용접금속 강도와 인성이 동시에 높아진다고 알려져 있다. 실험방법에서 설명하였듯이 용접금속에서 AF 비율을 측정한 후 입열량과 예열/패스간 온도에 따라 Fig. 5에 나타내었다. 입열량이 증가함에 따라 AF 비율이 낮아져 20kJ/cm에서(1번용접금속) 평균 85%, 46kJ/cm에서(7번 용접금속) 평균 60%를 나타내었다. 예열/패스간 온도는 전 입열량 범위에서 100℃보다 200℃일 때 비율이 낮으나 입열량의 영향만큼 크지는 않았다. 즉 20kJ/cm의 경우 100℃와 200℃에서 각각 85%와 75%, 46kJ/cm 에서는 각각 60%와 53%를 나타내었다. 결과적으로 입열량 및 예열/패스간 온도의 증가는 모두 AF 비율을 감소시키나 그 영향은 입열량이 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 앞서 관찰한 예열/패스간 온도의 증가가 와이어 합금원소의 회수율에 큰 영향을 미치지 않음에도 인장강도를 다소 저하시키는 이유는 이러한 AF 비율의 감소 때문임을 알 수 있다.

Fig. 4Typical microstructures of (a) weld metal and (b) acicular ferrite

Fig. 5Variation of acicular ferrite as a function of heat input

용접금속 기계적 성질을 나타낸 Table 3에는 충격인성 시험결과도 함께 나타내었다. 각 용접금속의 충격인성을 입열량과 예열/패스간 온도에 따라 Fig. 6에 나타내었다. 입열량이 증가할수록 충격인성이 증가하여 예열온도가 100℃로 일정할 때 20kJ/cm에서 평균 109J을(1번 용접금속) 나타내었으나 40kJ/cm에서는 146J로 (5번 용접금속) 증가하였다. 하지만 45kJ/cm로 더 높아지면 충격인성이 다시 저하하여 123J을 (7번 용접금속) 나타내었다.

Fig. 6Variation of impact absorbed energy as a function of heat input

용접금속 충격인성은 강도가 낮고 AF 비율이 높을수록 증가하므로 45kJ/cm에서의 충격인성 저하는 AF 비율의 과도한 감소가 한 원인으로 판단된다. 앞서 인장 및 조직시험 결과 입열량의 증가는 용접금속 강도와 AF 비율을 지속적으로 감소시켰다. 즉 가장 낮은 입열량과 예열/패스간 온도로 용접한 1번 용접금속의 경우 인장강도와 AF 비율은 각각 664MPa, 85%인 반면, 가장 높은 입열량과 예열/패스간 온도로 용접한 8번 용접금속의 경우에는 각각 560MPa, 53%를 나타내었다. 따라서 가장 높은 입열량인 45kJ/cm에서 충격인성이 다시 저하하는 것은 낮은 인장강도에도 불구하고 AF 비율이 너무 낮기 때문이다. 한편 예열/패스간 온도에 따른 충격인성 변화를 보면 인장강도와 달리 큰 차이를 나타내지 않았다. Figs. 1과 5에서 나타낸 결과에서도 예열/패스간 온도의 증가는 강도와 AF 비율을 모두 감소시켰으나 그 차이는 크지 않았다. 따라서 100℃에서 200℃로 예열/패스간 온도의 증가는 충격인성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

본 실험과 같이 다층용접을 하는 경우 용접금속에는 주상정을 나타내는 용접 그대로(As-welded) 부분뿐만 아니라 후속패스에 의하여 재가열되어 미세한 결정립을 나타내는 WM-HAZ도 함께 존재한다. Fig. 7에 충격시편 노치위치에서 두 부분의 예를 나타내었다. Byun et al.(2006)은 다층용접 금속의 충격시험 결과 충격시편 노치위치에서 이러한 세립의 WM-HAZ 부분이 많아질수록 충격인성이 증가하는 것을 관찰하였다. 본 실험에서도 이러한 경향을 확인하기 위하여 충격시험편 노치위치에서 연속사진을 촬영한 후 WM-HAZ 길이를 측정하여 충격 인성과의 상관성을 조사하였다. Fig. 8에 결과를 나타내었다. 앞서의 보고와는 달리 WM-HAZ 길이는 충격인성에 큰 영향을 미치지 않는다. 이러한 차이는 두 실험에서의 용접금속 강도와 WM-HAZ 길이의 차이 등에 기인하는 것으로 판단된다. 앞서의 보고에서 사용한 용접금속들의 강도는 750~700MPa, WM-HAZ 길이는 1.5~6.5mm인 반면, 본 실험에서는 각각 550~664MPa, 2.5~4.5mm이다. 즉 본 실험에서 사용한 용접금속들은 앞서의 실험에 비하여 강도 차이는 크나 WM-HAZ 길이 차이는 작았다. 따라서 본 실험에서 용접금속들 사이의 WM-HAZ 길이 차이는 강도 차이에 비하여 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다.

Fig, 7Typical microstructures at notch location in impact test specimen

Fig. 8Variation of impact absorbed energy as a function of WM-HAZ length

 

4. 결 론

용접변수인 전류, 전압, 속도를 동시에 변화시켜 입열량을 20~45kJ/cm로 변화시키고 예열/패스간 온도를 100℃와 200℃로 변경하여 다층용접한 용접금속의 강도 및 충격인성에 미치는 입열량과 예열/패스간 온도의 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 입열량의 증가는 와이어 합금원소의 탈산손실을 증가시키고 용접금속 중 AF 비율을 저하시켰으나, 예열/패스간 온도의 증가는 AF 비율만을 다소 감소시켰다. 그 결과 입열량의 증가에 따른 강도 저하가 예열/패스간 온도에 따른 강도 저하보다 훨씬 컸다.

(2) 입열량의 증가에 따라 와이어 합금원소 중 Mn의 탈산손실이 가장 커 용접금속 회수율이 가장 낮았다. 따라서 전류의 증가나 속도의 감소보다 전압의 증가가 훨씬 큰 영향을 나타내었다. 이는 전압의 증가가 아크 길이를 길게 하여 용적이 아크 중을 이행하는 동안 탈산손실 되는 시간이 길어지기 때문이다.

(3) 입열량의 증가에 따라 충격인성은 증가하였으나 45kJ/cm에서 과도한 AF 비율의 감소로 다시 저하하였다. 예열/패스간 온도와 다층용접에서 후속패스에 의해서 형성되는 WM-HAZ 길이는 본 실험범위에서 충격인성에 큰 영향을 미치지 않았다.