2. 이론적 배경
3.1 실험방법
3.1.1 실험재료와 용접조건
본 연구에서Ni이 용접금속의 기계적 성질에 미치는 영향을 알아보기 위해 두께 25mm의 AH36강재를 Fig. 3-1과 같이 Groove angle 35°, Root gap 4mm, Root face 2mm로 개선가공 하여 총 5 pass를 용접하였다. Table1은 본 연구에 사용된 모재의 화학조성과 탄소당량 (Ceq)을 나타내고 있다. 용접기법은 FCAW 용접을 아래보기 자세(1G)로 실시 하였으며, 보호가스는 CO2를 사용하였다. 용접 전, 세라믹 백킹재를 사용하여 균일한 이면 비드를 (Back bead) 형성 하였다. 용접조건은 Fig. 19 와 Table3에 나타난 것과 같이 총 5pass를 실시 하였으며 Root(초층 용접)조건은 280A, 27V,
18CPM으로 용접한 뒤 2~5 pass는 300A 32V 19CPM으로 용접하여 약 30kJ/cm의 입열량을 일정하게 제어하였다.
용접재의Ni함량을 변수로 설정하여 다른 합금원소는 최대한 동일한 수준으로
제어하고 Ni함량을 변수로 설정하였다. Table 3 은 용접재의 화학조성을 나타내고 있다.
Fig.3-2는Fe-Ni Phase diagram을 나타낸다. Phase diagram을 통해 고온균열에 Ni이 미치는 영향을 생각할 때 융점이 낮은 원소 S와 P의 고용도가 높아 고온균열을 예방하는 δ-ferrite상으로 응고하는 최대 임계 Ni함량인 약 3.5 wt.%임을 알 수 있다.
동시에 용접금속의 기계적 성질 측면에서 생각할 때 Evans[40]가 보고한 Acicular ferrite 분율을 높이는 임계 Ni함량인 3.5 wt.%내에서 0, 1.5, 2.5, 3.5 wt.% 4가지 조건의
Ni함량을 설정하여 용접금속의 기계적 성질을 알아보았다.
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Fig. 3-1 Welding sequence for Evaluation of mechanical property
Fig.3-2 Fe-Ni phase diagram for Fe-rich side [39]
- 29 - Table 3-1 Chemical composition of base metal
Grade C Si Mn P S Cr Ni
0.16 0.43 1.18 0.017 0.0024 0.028 0.011
AH36 Cu Mo Nb Ti V Al Ceq
0.01 0.002 0.01 0.016 0.003 0.036 0.36
Table 3-2 Welding condition for mechanical property test of weld metal
Welding Process
Groove angle(°)
Root Gap(mm)
Welding Position
Pass No.
Ampere (A)
Volt (V)
Speed (CPM)
Heat Input (kJ/cm)
FCAW 35 4 1G
1 280 27 18 30.1
2~5 300 32 19.2 30.0
Table 3-3 Chemical composition of Filler metal
Ni
content(wt.%) C Si Mn P S Ni
0 0.038 0.23 1.23 0.007 0.005 0.02
1.5 0.040 0.25 1.25 0.008 0.005 1.50
2.5 0.044 0.24 1.25 0.006 0.006 2.34
3.5 0.043 0.26 1.32 0.006 0.007 3.50
- 30 - 3.1.2 미세조직 분석
용접금속의 미세조직을 관찰하기 위해 시편의 표면을 0.3μm까지 연마(Polishing)한 후
5% Nital(질산 5%+에탄올95%)용액을 사용하여 에칭 하였다. 에칭한 시편의 미세조직은
광학현미경(Optical Microscope, OM)을 사용하여 관찰하였으며, 각 조건의 대표 조직사진을 200배로 촬영하고, 상분석을 위해 500배의 배율로 촬영하여 Ni함량 별 weld metal에 대한 상을 분석하였다. 관찰한 OM사진의 상 분율을 구하기 위해 Point count method를 사용하였으며, Ni을 첨가한 조건별로 3 지점에서 10x10 총 100 Point를 분석하였다.
3.1.3 기계적 물성 평가
기계적 물성 평가를 위해 비커스 경도기, 인장 시험기, 샤르피 충격시험기를 사용하여 물성평가실험을 실시하였다.
3.1.3.1 경도 및 인장시험
용접금속에 대해 비커스(Vickers) 경도기를 이용하여 HV10 압입자로 경도를 측정하였으며 용접금속의 Face, Root 두 부위를 나누어서 시험하였다. 인장시험은 용접금속의 항복강도, 인장강도를 평가하기 위해 Fig. 3-4를 참고하여 용접길이방향으로 가공하였으며 시험편의 Gage length는 50mm, 직경은 10mm로 가공하여 시험하였다.
3.1.3.2 샤르피 충격시험
샤르피 충격시험은 Fig. 3-5와 같이 용접금속의Face, Root 부위를 ASTM A370[42]에 따라 10x10x55mm로 가공하였으며, 80ksi급 용접금속의 충격인성 보증 온도인 -20℃
뿐만 아니라 0℃, -40℃, -60℃ 총 4개 온도 조건에서 진행하였다. 충격시편의 연성 파괴, 취성 파괴 여부와 파면율 관찰을 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하였다.
3.1.4 화학조성 분석
용접부의 Face와 Root부의 화학원소조성을 분석하기 위해 분광분석기를 사용하여 분석하였으며 C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, Cu, V, Al, Ti, Nb 총 13개 원소를 분석하였다.
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Fig. 3-4 Sampling of Round tensile test specimen in weld [41]
Fig. 3-5 Location of V- notch for butt weld [41]
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