YS 550MPa급 고강도강 FCA 용착금속의 미세조직과 충격인성, CTOD에 대한 입열량의 영향

Abstract

해양 구조물이 대형화됨에 따라 기존 YS 355-420MPa급 TMCP강재는 100mm 이상의 두께 증가 시키지 못하는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 YS 550MPa급 고강도 강재로 대체하면 과도한 두께 증가 없이 대형 구조물에 적용이 가능하게 된다. 그러나 아직까지 저온인성, CTOD에 대한 기준을 만족시키는 적정 입열량을 명확하게 규정하지 못하였다. 본 연구에서는 YS 550MPa급 FCA 용착금속의 입열량에 따른 영향을 알아보고, 적정 입열량을 규정하기 위해 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가를 수행하였다. 실험을 위해 70mm 고강도강이 사용됐으며, 입열량은 10, 20, 30kJ/cm로 각각 용접을 실시하였다. 그리고 기계시험으로는 인장시험, 충격시험, CTOD 시험을 수행하였다. 인장시험 시편은 용착금속 Face 위치(전면, 이면)에서 가공하고, 충격시험 시편은 용착금속 Root 위치에 가공하였다. CTOD 시편은 70mm 두께를 가공하였다. 10kJ/cm~20kJ/cm 범위에서는 입열량이 증가함에 따라 침상페라이트 분율은 감소하고, 결정립계 페라이트 분율이 선형적으로 증가한다. 또한, 20kJ/cm~30kJ/cm 범위에서는 결정립계 페라이트 분율 증가 폭이 감소하게 된다. 이에 반해 M-A상과 결정립도는 입열량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 나타난다. 인장시험 결과 입열량 10, 20kJ/cm 시편에서는 기준 항복강도 550MPa를 만족하였지만, 30 kJ/cm 시편에서는 기준 항복강도에 미달하였다. 이는 10, 20 kJ/cm시편에서 충분히 침상페라이트 함량이 높았기 때문이라 판단된다. 충격시험 결과 10kJ/cm~20kJ/cm 범위에서 충격인성값이 급격히 감소하지만 20kJ/cm~30kJ/cm 범위에서는 충격인성 값의 감소폭이 작은 것으로 나타난다. 앞서 미세조직 인자들을 비교 해봤을 때 충격 인성에 지배적인 영향을 미치는 인자는 결정립계 페라이트 분율이라고 판단된다. 또한 CTOD 에서는 입열량이 증가함에 따라 30kJ/cm에서 M-A 분율이 약 1.9% 정도로 측정되는데, 취성파괴를 초래할 수준은 아닌 것으로 판단된다.

In this study, the effects of heat input on the toughness in FCA welds of YS 550MPa high strength steel were investigated. Considering high Ceq for securing the strength in weld required, It is difficult to achieve the desirable toughness in charge of impact value and CTOD in high strength steel weld. In the high heat input, grain coarsening and increase in grain boundary ferrite (GBF) deteriorate the toughness, but if the heat input is too low, the toughness dramatically decrease due to the formation of brittle phases. To establish the appropriate range of heat input, welding tests were performed with heat input of 10 kJ/cm, 20 kJ/cm, and 30 kJ/cm. Metallographic analysis was conducted to examine the relationship of microstructural factors with impact toughness and CTOD. As a result, the required impact value and CTOD could not be obtained in the 30 kJ/cm due to grain coarsening and increasing GBF. However, in the condition of below 20KJ/cm, the impact value and CTOD of weld could be satisfied the minimum requirements. Although brittle phases with hardness of 270~280HV were locally found in 10KJ/cm, the sufficient impact value and CTOD of weld were obtained through the grain refinement and GBF suppression.