Study on effect of dilution ratio on solidification cracking when Alloy 625 welding wire is applied to 9% Ni Steel

LNG 연료탱크 용접과 유사하게 모재와 용접와이어의 화학성분이 크게 다른 경우 희석율에 따라 용접부의 화학성분이 변화하여 응고균열에 대한 민감도가 변화하게 됩니다. 본 연구에서는 LNG 연료탱크용 9% Ni 강재에 Alloy 625 용접와이어를 적용하였을 때 감육율에 따른 용접부의 화학적 조성 변화가 응고균열에 미치는 영향을 연구하였다.

서론

연구배경

연구목적

이론적배경

Alloy 625

• Alloy 625 특징
• Alloy 625 응고과정

Nb가 석출되면 균열에 대한 취약성이 높은 것으로 알려져 있으며, 응고 과정에서는 저융점 라베스상이 석출된다. 응고 경로는 C/Nb 비율에 따라 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

Fig 2-4 The solidification path of Alloy 625 [26]

응고균열(Solidification Cracking)

• 고온균열
• 고온균열의 분류 및 특징
• 응고균열
• 응고균열 영향 인자
• Alloy 625 의 응고균열

편석 균열에는 용접 금속의 응고 균열이 포함됩니다. 응고균열은 재료의 응고로 인한 낮은 연성(취성)과 용접 시 발생하는 변형 거동이 결합되어 발생합니다. 화성균열이 발생하는 과정은 그림 2-6과 같다.

응고가 시작된 후에도 응고된 조직의 수축이 일어납니다. 구속력이 작용하기 시작하는 임계온도와 최종 응고온도 사이에서 응고균열이 발생한다. 오스테나이트로 결정되며, 초상의 종류에 따라 응고균열에 대한 민감도가 달라집니다.

일반적으로 용접속도를 높이면 응고균열 감수성이 높아지는 것으로 알려져 있다. 용접금속의 D/W비가 증가할수록 응고균열의 위험이 증가합니다.

Fig 2-5 Classification systems for hot cracking [34]

희석률

실험 방법

• 실험 재료
• 용접 조건
• 응고균열 정량화
• 희석률 측정
• 미세조직 관찰
• 희석률에 따른 용접부 조성 분석
• 용접부 조성변화에 따른 용질원자의 거동 분석
• 저융점 액상필름 정량화
• 응고형상 분석

본 연구에 사용된 재료는 그림 3-1과 동일한 밀폐조건에서 FCAW 기법을 적용하였으며, 자세한 용접조건은 표 3-3에 정리하였다. 용접실험 후 소재를 절단한 후 모재와 용접부를 육안으로 구별하기 위해 용접부 단면에 나이탈 에칭(Nital Etching)을 실시하였다. SEM-EDS 장비를 이용하여 용접부 중심 표면의 성분 분석을 통해 희석율에 따른 사용이 이루어집니다.

Ni계 합금의 응고균열을 일으키는 원소인 C를 분석하기 위해 시료 뒷면에 비드를 가공하여 스파크 방출 분석을 실시하였다. Nb는 SEM-EDS 장비를 사용하여 Ni 합금의 응고균열에 영향을 미치는 원소로 알려져 있습니다. Fe의 경우 수상돌기 코어와 수상돌기 간 영역에서 점 분석을 수행했습니다.

SEM 이미지를 통해 이미지 분석기 프로그램을 사용하여 파생되었습니다. 응고균열에 영향을 미치는 요인 중 응고형상의 영향을 확인하기 위해 광학영상을 이용하여 용접조건에 따른 비드 상부의 깊이/폭비(D/W ratio)와 응고형상을 분석하였다. 현미경.

Table 3-3 Welding conditions

실험 결과

입열량에 따른 응고균열 감수성

응고 형상

희석률에 따른 응고균열 감수성

희석률에 따른 용접부 조성 변화

용접부 조성에 따른 용질원자의 거동

저융점 공정상 상분율

• 총 공정상 분율 (NbC + Laves)
• NbC 와 Laves 각각의 공정상 분율

4-15에서와 같이 NbC 상과 Laves 상이 구별되었다. 이는 저온에서 형성된 공융상으로 알려져 있습니다. 응고가 끝나면. 여러 개의 고배율 SEM 이미지를 통해 Laves 상과 NbC 상 각각의 분율을 평균값으로 정량화했습니다.

대조적으로, NbC 상의 분율은 감소하는 경향을 보였다. 이를 토대로, 희석율이 증가할수록 응고균열에 취약한 y/Laves 공융조성물의 저융점 액막량이 증가하여 균열에 대한 취약성이 증가함을 알 수 있었다. 그림에서와 같이. 도 4-17에 나타난 바와 같이, 균열이 발생한 부위에는 조대 라베스상이 관찰되었다.

Fig 4-11 Eutectic phase in Inter dendrite region

고찰

희석률에 따라 응고균열에 원인이 되는 핵심 인자

희석률에 의한 Fe 농도 변화와 용질원자 거동의 상관관계

• Nb 의 거동 변화
• C 의 거동 변화

즉, 모재와 용접와이어의 C 농도 차이가 크지 않아 희석율에 따른 용접부 C 농도의 차이가 없어 배출량이 감소하였다.

Fig 5-2 Fe-C Phase diagram [68]

용질원자 거동과 저융점 액상필름 양 상관관계

결론

용접부의 Fe 농도가 증가함에 따라 Ni 합금 응고균열의 근본적인 원인인 Nb의 용질 분배계수(kNb)는 감소하고 C의 용질 분배계수(kc)는 증가한다. 따라서 희석율이 증가할수록 용접부에서는 Nb가 감소하는 경향을 보였으나, 수지상정간 영역의 조성분석으로 인해 Nb 농도가 증가하는 경향을 보였다. 유사하게, 희석율이 증가함에 따라 수상돌기 사이 영역의 C 농도는 감소할 것으로 예측할 수 있습니다.

희석율이 증가함에 따라 액상에서 Nb 편석이 증가하고 응고 중에 C 편석이 감소합니다. 따라서 NbC와 Laves 공정 분율을 측정한 결과, 희석율이 증가할수록 상대적으로 융점이 낮은 Laves상의 분율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. y/Laves 조성에 따른 희석율이 증가함에 따라 저융점 액상막의 양이 증가하는 것이 균열 감수성 증가의 원인임을 확인하였다.

참고문헌

11] Guide to Welding and Weldability of Cryogenic Steels, Document IIS/IIW-844-87, Subcommittee IXG of Committee IX of the International Institute of Welding, The Welding Institute, UK, (1987). 14] Weidong Mua, Yuzhang Lia, Yan Caia, Min Wanga, Cryogenic fracture toughness of 9% Ni-steel cored arc welds, Journal of Materials Processing Tech. The effect of heat treatment on the microstructure and cryogenic fracture properties of 5 Ni and 9 Ni steel.

Kiser, Weld Metallurgy and Weldability of Nickel-Base Alloys, 212p, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION. 고온균열 ( Hot welding cracking in C-Mn steel)," Journal of Welding and Joining, vol. Ni계 초내열합금의 응고균열 ( Solidification cracking of Ni-base containing Nb.

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