Figure 1. Characterization of sample 8: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).

오스테나이트 스테인리스강 클래딩의 부식 저항성에 미치는 플럭스 코어드 아크 용접 공정 변수의 영향

Effect of Flux Cored arc Welding Process Parameters on Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel Claddings

본 보고서는 저탄소강 표면에 내부식성 오스테나이트 스테인리스강을 적층하는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 공정에서 주요 용접 변수가 최종 클래딩 층의 공식 및 입계 부식 저항성에 미치는 기술적 영향을 분석합니다. 연구는 공정 최적화를 위한 수학적 모델링과 미세조직적 변화 사이의 상관관계를 규명하여 산업적 적용 타당성을 검토합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 해양 석유 및 가스 (Offshore Oil and Gas)
  • Material: AWS E316LT1-1/4 (용가재), AISI 1020 (모재)
  • Process: 플럭스 코어드 아크 용접 (FCAW)

Keywords

  • Cladding
  • 316L stainless steel
  • Corrosion
  • Flux cored arc welding
  • Response surface methodology
  • Sensitization
  • Pitting potential

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 반응 표면 분석법(RSM)의 중심 합성 계획(CCD)을 활용하여 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 공정 변수가 부식 저항성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였습니다. 독립 변수로는 와이어 송급 속도(W), 용접 전압(V), 용접 속도(S), 노즐-모재 간 거리(N)의 4가지 핵심 인자를 설정하였으며, 총 31회의 실험을 통해 데이터를 수집하였습니다. 실험 설계는 각 변수의 선형, 이차항 및 상호작용 효과를 모두 고려할 수 있도록 구성되었습니다.

부식 특성 평가를 위해 이중 루프 전기화학적 동전위 재활성화(DLEPR) 시험과 동전위 분극 시험을 수행하여 예민화도(DOS)와 공식 전위(Epit)를 측정하였습니다. 수집된 응답 데이터를 바탕으로 최소자승법(OLS)을 적용하여 각 부식 지표를 예측하기 위한 2차 다항식 수학적 모델을 구축하였으며, 분산 분석(ANOVA)을 통해 모델의 통계적 유의성을 검증하였습니다.

Key Findings

분석 결과, 노즐-모재 간 거리(N)가 증가할수록 열 입력이 감소하여 공식 전위가 상승하고 예민화도가 낮아지는 등 부식 저항성이 향상되는 경향을 보였습니다. 반면, 용접 전압(V)과 용접 속도(S)의 증가는 열 입력 및 희석률을 변화시켜 부식 성능을 저하시키는 주요 요인으로 확인되었습니다. 특히 샘플 8은 41.1%의 높은 희석률로 인해 마르텐사이트 조직이 형성되었으며, 가장 높은 예민화도(0.891)와 가장 낮은 공식 전위(126 mV)를 기록하였습니다.

반면 샘플 21은 가장 낮은 예민화도(0.002)와 가장 높은 공식 전위(275 mV)를 나타내어 최적의 부식 저항성을 입증하였습니다. 개발된 모든 RSM 모델은 수정 결정계수(Adj. R2) 80% 이상의 높은 적합도를 보였으며, 이는 공정 변수 제어를 통해 클래딩 층의 부식 특성을 정밀하게 예측할 수 있음을 의미합니다. 또한 변수 간의 상호작용 효과가 부식 저항성 결정에 유의미한 영향을 미친다는 점이 통계적으로 증명되었습니다.

Figure 1. Characterization of sample 8: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).
Figure 1. Characterization of sample 8: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).

Industrial Applications

본 연구의 결과는 해양 구조물 및 석유 가스 플랜트에서 사용되는 저가형 탄소강 부품의 수명을 연장하기 위한 고품질 스테인리스강 클래딩 공정 설계에 직접적으로 활용될 수 있습니다. 공정 변수의 최적 조합을 통해 부식으로 인한 유지보수 비용을 절감하고 구조적 신뢰성을 확보할 수 있는 기술적 근거를 제공합니다. 특히 자동화된 FCAW 시스템에서 실시간 공정 제어를 위한 기초 알고리즘으로 적용 가능합니다.

또한, 특정 환경 요구 조건에 맞는 공식 전위와 예민화도를 달성하기 위해 필요한 용접 파라미터를 사전에 예측함으로써 시행착오를 줄이고 생산성을 높일 수 있습니다. 이는 고가의 합금 재료 사용을 최소화하면서도 필요한 표면 성능을 확보해야 하는 산업 현장의 경제적 요구를 충족시키는 데 기여합니다.

Theoretical Background

플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 클래딩

클래딩 공정은 저가 재료의 표면에 내부식성이 우수한 합금을 적층하여 경제성과 기능성을 동시에 확보하는 기술입니다. FCAW는 높은 생산성과 자동화 용이성 덕분에 대형 구조물의 클래딩 작업에 널리 사용됩니다. 그러나 용접 과정에서 발생하는 열 입력과 모재와의 희석 현상은 클래딩 층의 화학 조성과 미세조직을 변화시켜 최종 부식 저항성에 결정적인 영향을 미칩니다. 따라서 고품질의 클래딩 층을 얻기 위해서는 용접 전압, 속도, 와이어 송급량 등 주요 변수의 정밀한 제어가 필수적입니다.

입계 부식 및 예민화 메커니즘

오스테나이트 스테인리스강이 용접 중 특정 온도 범위(500~850°C)에 노출되면 결정립계를 따라 크롬 탄화물(Cr23C6)이 석출됩니다. 이 과정에서 탄화물 주변의 크롬 농도가 부식 저항 유지에 필요한 임계치(약 12%) 이하로 떨어지는 크롬 결핍 지역이 형성되는데, 이를 예민화(Sensitization)라고 합니다. 예민화된 강재는 부식성 환경에서 결정립계를 따라 우선적으로 부식되는 입계 부식에 취약해집니다. 본 연구에서는 DLEPR 시험을 통해 재활성화 전류와 활성화 전류의 비율(Ir/Ia)로 예민화도(DOS)를 정량화하여 분석하였습니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 ESAB AristoPower 460 용접기와 AristoFeed 30-4 송급 장치가 사용되었습니다. 모재로는 120 x 60 x 6.35 mm 크기의 AISI 1020 탄소강판을 사용하였으며, 용가재는 직경 1.2 mm의 AWS E316LT1-1/4 플럭스 코어드 와이어를 채택하였습니다. 보호 가스는 75% Ar + 25% CO2 혼합 가스를 16 L/min의 유량으로 공급하였으며, 토치 각도는 15도 전진법(pushing)으로 고정하여 실험을 진행하였습니다.

중심 합성 계획(CCD)에 따라 와이어 송급 속도(5.5~11.5 m/min), 용접 전압(24.5~34.5 V), 용접 속도(20~60 cm/min), 노즐-모재 간 거리(10~30 mm)를 5개 수준으로 변화시키며 총 31회의 실험을 수행하였습니다. 각 실험 후 클래딩 층의 단면을 절단하여 희석률을 측정하였으며, 전기화학적 시험을 위해 시편을 에폭시 수지에 마운팅하고 600 grit까지 연마하여 준비하였습니다.

부식 시험은 30 ± 2 °C로 유지되는 3.5 wt.% NaCl 수용액에서 동전위 분극 시험을 실시하여 공식 전위를 측정하였고, 0.5 M H2SO4 + 0.01 M KSCN 전해질에서 DLEPR 시험을 통해 예민화도를 평가하였습니다. 모든 시험은 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 3회 반복 측정하여 평균값을 사용하였습니다.

Visual Data Summary

SEM 분석 결과, 예민화도가 높게 나타난 샘플 8(DOS=0.891)의 미세조직에서는 결정립계를 따라 다수의 부식 도랑(ditches)과 피트가 관찰되었습니다. 이는 높은 열 입력으로 인해 크롬 탄화물이 다량 석출되었음을 시사합니다. 반면 예민화도가 낮은 샘플 21(DOS=0.002)은 매끄러운 표면과 함께 소량의 델타 페라이트 조직만이 관찰되었습니다. 셰플러 선도 분석을 통해 샘플 8은 마르텐사이트 조직을 포함하고 있으며, 샘플 21은 오스테나이트와 0~5%의 페라이트 혼합 조직으로 구성됨을 확인하였습니다.

Figure 2. Characterization of sample 21: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).
Figure 2. Characterization of sample 21: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).

Variable Correlation Analysis

공정 변수 분석 결과, 노즐-모재 간 거리(N)는 부식 저항성에 가장 긍정적인 영향을 미치는 인자로 나타났습니다. N이 증가하면 아크 열 입력이 감소하고 용가재의 적층량이 늘어나 희석률이 낮아지며, 결과적으로 공식 전위가 상승하고 예민화도가 감소합니다. 반대로 용접 전압(V)과 용접 속도(S)의 증가는 열 입력 및 희석률을 높여 부식 성능을 저하시키는 상관관계를 보였습니다.

와이어 송급 속도(W)는 단독으로는 부식 응답에 미치는 영향이 미미했으나, 용접 속도 및 노즐 거리와의 상호작용을 통해 부식 저항성에 기여하는 것으로 분석되었습니다. 예를 들어, 낮은 와이어 송급 속도와 높은 용접 속도가 결합될 경우 희석률이 급격히 증가하여 클래딩 층의 합금 원소 농도가 낮아지고 부식에 취약해집니다.

통계적 분석을 통해 도출된 상호작용 효과는 공정 변수 하나만을 제어하는 것보다 변수 간의 조합을 최적화하는 것이 부식 저항성 극대화에 더 중요함을 보여줍니다. 특히 낮은 용접 전압(약 27V)과 높은 노즐 거리 조건에서 공식 부식 저항성이 가장 높게 나타나는 등 특정 변수 조합에서의 시너지 효과가 확인되었습니다.

Paper Details

Effect of Flux Cored arc Welding Process Parameters on Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel Claddings

1. Overview

  • Title: Effect of Flux Cored arc Welding Process Parameters on Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel Claddings
  • Author: Marlon Muniz Nunes, José Henrique de Freitas Gomes, Tarcisio Gonçalves Brito, Reny Angela Renzetti
  • Year: 2020
  • Journal: Materials Research

2. Abstract

클래딩 공정은 저가 재료로부터 부식 저항성이 있는 표면을 생성하는 데 사용될 수 있다. 오스테나이트 스테인리스강은 용접 클래딩에 광범위하게 사용되어 왔으며, 우수한 부식 저항성과 양호한 용접성을 보유하고 있다. 이러한 맥락에서, AISI 1020 탄소강 위에 AWS E316LT1-1/4 스테인리스강을 적층하는 실험을 수행하였으며, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 공정 변수가 공식 및 입계 부식에 미치는 영향을 조사하였다. 공정 변수가 부식 저항성에 미치는 영향을 예측하고 수학적 모델을 개발하기 위해 반응 표면 분석법(RSM) 기반의 중심 합성 계획(CCD)이 사용되었다. 관심 응답은 이중 루프 전기화학적 동전위 재활성화(DLEPR) 및 동전위 분극 시험을 통해 얻어졌다. 분석된 공정 변수는 와이어 송급 속도, 용접 전압, 용접 속도 및 노즐-모재 간 거리였다. 개발된 모든 RSM 모델은 통계적으로 유의미하였으며 양호한 적합도를 나타냈다. 결과에 따르면 공정 변수는 예민화도와 공식 전위를 결정하는 데 중요하며, 변수 간의 상호작용 또한 무시할 수 없는 것으로 나타났다.

3. Methodology

3.1. 실험 계획: 반응 표면 분석법(RSM)의 중심 합성 계획(CCD)을 사용하여 4가지 용접 변수(W, V, S, N)에 대해 5개 수준에서 총 31회의 실험을 설계하고 수행하였다.
3.2. 용접 및 시편 준비: ESAB AristoPower 460 장비를 이용하여 AISI 1020 강판에 AWS E316LT1-1/4 와이어를 적층하였으며, 절단 및 연마 과정을 거쳐 부식 시험용 시편을 제작하였다.
3.3. 전기화학적 부식 시험: 3.5 wt.% NaCl 용액에서 동전위 분극 시험을 통해 공식 전위를 측정하고, ASTM G108-94에 따라 DLEPR 시험을 실시하여 예민화도(DOS)를 산출하였다.
3.4. 미세조직 분석: 광학 현미경 및 SEM을 사용하여 클래딩 층의 조직을 관찰하였으며, 페라이트스코프를 이용해 델타 페라이트 함량(FN)을 측정하고 셰플러 선도로 상 구성을 예측하였다.

4. Key Results

연구 결과, 노즐-모재 간 거리(N)가 증가할수록 열 입력이 감소하여 공식 전위가 상승하고 예민화도가 낮아지는 등 부식 저항성이 뚜렷하게 향상되었습니다. 샘플 21은 가장 낮은 예민화도(0.002)와 가장 높은 공식 전위(275 mV)를 기록하여 최적의 성능을 보인 반면, 샘플 8은 높은 희석률로 인해 마르텐사이트 조직이 형성되어 부식에 가장 취약한 것으로 나타났습니다. 개발된 RSM 모델은 80% 이상의 수정 결정계수를 확보하여 공정 변수와 부식 특성 간의 관계를 신뢰성 있게 설명하였으며, 변수 간의 상호작용 효과가 부식 성능 결정에 핵심적인 역할을 함을 확인하였습니다.

5. Mathematical Models

희석률에 따른 용융부의 화학 조성 예측 모델: $$X_{WM} = X_{BM} \left( \frac{D}{100} \right) + X_{FM} \left( 1 – \frac{D}{100} \right)$$ RSM 기반의 2차 다항식 응답 표면 모델: $$Y = \beta_0 + \beta_1 W + \beta_2 V + \beta_3 S + \beta_4 N + \beta_{11} W^2 + \beta_{22} V^2 + \beta_{33} S^2 + \beta_{44} N^2 + \beta_{12} WV + \beta_{13} WS + \beta_{14} WN + \beta_{23} VS + \beta_{24} VN + \beta_{34} SN$$

Figure List

  1. Figure 1. Characterization of sample 8: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).
  2. Figure 2. Characterization of sample 21: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).
  3. Figure 3. SEM observation of sample 8 (weld metal).
  4. Figure 4. Effect of nozzle to plate distance (N), wire feed rate (W), welding voltage (V) and welding speed (S) on: (a) pitting potential and (b) degree of sensitization.
  5. Figure 5. Response surface for interaction effect of welding speed (S) and nozzle to plate distance (N) on degree of sensitization (DOS).
  6. Figure 6. Response surface for interaction effect of welding speed (S) and wire feed rate (W) on degree of sensitization (DOS).
  7. Figure 7. Response surface for interaction effect of welding voltage (V) and nozzle to plate distance (N) on pitting potential (Epit).
  8. Figure 8. Response surface for interaction effect of wire feed rate (W) and nozzle to plate distance (N) on pitting potential (Epit).

References

  1. ASM International. Properties and selection: irons, steel and high performance alloys. 2005.
  2. Palani PK, Murugan N. Optimization of weld bead geometry for stainless steel claddings deposited by FCAW. 2007.
  3. Montgomery DC. Design and analysis of experiments. 6th ed. 2005.
  4. ASTM G108-94: standard test method for Electrochemical Reactivation (EPR) for detecting sensitization. 2015.

Technical Q&A

Q: 용접 전압(V)이 증가할 때 부식 저항성이 감소하는 구체적인 이유는 무엇입니까?

용접 전압이 증가하면 아크의 열 입력이 직접적으로 상승하게 됩니다. 높은 열 입력은 모재인 탄소강과 클래딩 금속인 스테인리스강 사이의 합금 원소 확산을 촉진하며, 특히 모재로부터 탄소의 유입을 증가시켜 희석률을 높입니다. 이는 결정립계에서 크롬 탄화물의 석출을 가속화하여 예민화도를 높이고, 결과적으로 공식 전위를 낮추어 부식 저항성을 저하시키는 결과를 초래합니다.

Q: 노즐-모재 간 거리(N)가 부식 성능 향상에 기여하는 메커니즘은 무엇입니까?

노즐-모재 간 거리가 멀어지면 아크의 열 밀도가 분산되고 모재로 전달되는 유효 열 입력이 감소합니다. 이와 동시에 용가재인 와이어가 모재 위에 더 두껍게 쌓이는 효과가 발생하여 희석률이 낮아집니다. 낮은 희석률은 클래딩 층 내의 크롬, 니켈 등 내부식성 원소의 농도를 높게 유지시켜 공식 전위를 상승시키고 예민화 발생을 억제함으로써 전반적인 부식 성능을 향상시킵니다.

Q: 샘플 8에서 마르텐사이트 조직이 관찰된 원인과 그 영향은 무엇입니까?

샘플 8은 41.1%라는 매우 높은 희석률을 보였는데, 이는 모재로부터 다량의 탄소가 클래딩 층으로 유입되었음을 의미합니다. 셰플러 선도 분석에 따르면, 이러한 화학 조성의 변화는 오스테나이트 안정화 원소의 상대적 부족을 초래하여 냉각 과정에서 마르텐사이트 변태를 유도합니다. 마르텐사이트 조직은 경도를 높이지만 부식 저항성 측면에서는 매우 취약하며, 크롬 탄화물 석출과 결합하여 해당 샘플의 부식 성능을 급격히 저하시켰습니다.

Q: 와이어 송급 속도(W)가 부식 저항성에 미치는 영향은 다른 변수와 어떻게 다릅니까?

본 연구의 ANOVA 분석 결과, 와이어 송급 속도는 단독 변수로서 공식 전위나 예민화도에 미치는 직접적인 영향력이 가장 낮은 것으로 나타났습니다. 그러나 W는 용접 속도(S)나 노즐 거리(N)와 결합할 때 유의미한 상호작용 효과를 보입니다. 예를 들어, 와이어 송급 속도가 증가하면 전극 용융량이 늘어나 희석률을 낮추는 데 기여할 수 있으며, 이는 특정 조건에서 부식 저항성을 보완하는 역할을 수행합니다.

Q: 본 연구에서 개발된 RSM 모델의 산업적 신뢰성은 어떻게 검증되었습니까?

개발된 모든 수학적 모델은 분산 분석(ANOVA)을 통해 P-값이 0.05 미만으로 나타나 통계적 유의성이 검증되었습니다. 또한 수정 결정계수(Adj. R2)가 공식 전위 모델의 경우 80.90%, 예민화도 모델의 경우 85.00%로 나타나 실험 데이터와 모델 예측값 사이의 높은 일치성을 입증하였습니다. 적합 결여(Lack-of-fit) 테스트에서도 유의미한 결함이 발견되지 않아, 실제 산업 현장에서 공정 변수 제어를 위한 예측 도구로 사용하기에 충분한 신뢰성을 갖추고 있습니다.

Conclusion

본 연구를 통해 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 공정 변수가 316L 스테인리스강 클래딩의 부식 저항성에 미치는 복합적인 영향이 규명되었습니다. 반응 표면 분석법을 통해 구축된 수학적 모델은 용접 전압, 속도, 노즐 거리가 예민화도와 공식 전위를 결정하는 핵심 인자임을 보여주었으며, 특히 변수 간의 상호작용이 부식 특성에 미치는 영향이 상당함을 입증하였습니다. 낮은 용접 전압과 속도, 그리고 높은 노즐-모재 간 거리를 유지하는 것이 부식 저항성 극대화에 유리하다는 결론을 얻었습니다.

결론적으로, 본 연구에서 제시된 최적화 모델과 미세조직적 분석 결과는 해양 및 에너지 산업에서 저가형 소재의 표면 성능을 강화하기 위한 신뢰성 있는 공정 가이드라인을 제공합니다. 이는 고품질 내부식성 클래딩 층의 경제적 생산을 가능하게 하며, 향후 다양한 합금 시스템의 용접 공정 설계 및 품질 관리에 중요한 기초 자료로 활용될 것입니다.

Source Information

Citation: Marlon Muniz Nunes, José Henrique de Freitas Gomes, Tarcisio Gonçalves Brito, Reny Angela Renzetti (2020). Effect of Flux Cored arc Welding Process Parameters on Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel Claddings. Materials Research.

DOI/Link: https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2020-0356

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