Cu, B 첨가 HSLA강 용접 열영향부에서의 용접 균열감수성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 라인파이프, 건축구조물, 대형선박과 같은 구조물에 적용하기 위해 개발된 최신 베이나이트 기반 고강도 강재가 사용되었으며, Cu와 B의 첨가에 따른 영향을 확인하기 위하여 Cu와 B의 첨가량이 다른 6종류의 시편을 제작, 이용하였다. Gleeble 1500 시스템을 이용하여 다양한 HAZ를 재현하였으며, 그 후 조직 분석과 경도실험(Vickers hardness test) 및 충격실험(Charpy impact test)을 통하여 각 HAZ부의 기계적 특성을 평가하였다. 특히 용접부에서 취약한 특성인 충격인성을 파악하기 위하여 DBTT를 측정한 뒤 모재와 비교 분석하였다. 조직분석은 광학현미경, SEM 및 TEM을 이용하여 분석을 진행하였다. 모재의 조직관찰결과 B가 첨가 되지 않은 강의 경우, Granular bainite와 소량의 Martensite 조직을 가지는 것으로 확인되었고, B을 첨가한 강의 경우, 미세한 Bainite 및 Martensite 조직을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 용접 열사이클 재현 후, CGHAZ는 높은 최고온도와 급격한 열사이클로 인해 martensite와 같은 저온상이 발달되며 B의 첨가에 따라 경화능이 향상 되었다. 충격실험 결과 CGHAZ와 ICCGHAZ의 경우 모재에 비하여 보다 높은 DBTT를 가지는 것이 확인되었고 B이 첨가된 강의 경우 DBTT가 B가 첨가되지 않은 강에 비하여 보다 높은 DBTT를 가졌다. 그러나 저온인성 특성을 향상시키는 것으로 알려진 Cu의 첨가량 변화에 따른 DBTT의 향상은 확인할 수 없었다. 이는 모재와 열영향부 내에 Cu가 석출물로 존재 하지 않기 때문으로 사료된다. 고강도용 강재의 고온균열 민감성을 평가를 위해 Gleeble 1500 시스템을 이용하여 Hot ductility 실험을 수행하였으며, 이때 승온 및 냉각속도는 30kJ/cm로 실 용접 하였을 때의 조건으로 수행하였다. 다양한 최고온도 조건에 대한 Hot ductility 실험 후, 광학현미경 및 SEM을 통하여 조직을 분석하였으며, 합금원소의 편석을 확인하기 위하여 EPMA를 이용하였다. Hot ductility 실험 수행 결과, 본 연구에 사용된 베이나이트 기반 저 합금강의 경우 고온균열에 대한 감수성이 크지는 않지만 1400℃ 이상의 온도로 가열된 조건의 시편에서 secondary crack 및 응고조직의 존재를 확인할 수 있었으며, 이러한 균열 근처의 응고조직에서 Mn의 편석 및 Cu의 감소현상을 발견할 수 있었다. 균열의 원인을 찾기 위하여 액화가 일어나는 온도에서 수냉시킨 시편의 합금원소 편석여부를 확인하였고, 균열이 일어나는 지역에서 Mn과 Cu의 편석을 발견 할 수 있었다. 이러한 편석은 용접공정 중 녹는점 이하의 온도에서 액화를 일으킬 수 있으며, 그 결과 고온균열을 일으키는 원인이 될 수 있음을 확인하였다. 고강도용 강재의 열영향부 저온균열 민감성 평가는 modified Implant cracking test 법을 이용하여 진행하였으며, 실험은 20-25kJ/cm의 입열양 조건으로 용접된 시편을 이용하여 진행하였다. 시편은 압연조건이 다른 두 시편을 이용하였고, 용접 후 시편의 온도가 150℃가 되었을 때 시편에 추를 달아 힘을 가하였다. 그 후 시편의 파단시간을 측정하고, 미세조직에 따른 수소취화 균열의 민감성을 평가하였다. 그 결과 초기 저온조직을 적게 가지고 있던 재료가 CGHAZ부의 오스테나이트 결정립 크기가 작았고, 이러한 영향에 의하여 저온균열 특성이 좋아지는 것을 확인할 수 있었다.