용접 비드의 경도 측정 위치(HAZ 및 FZ) 모식도

저탄소강 상의 마르텐사이트계 스테인리스강 클레이딩을 위한 펄스 FCAW: 미세조직, 경도 및 잔류 응력 분석

Pulsed FCAW of Martensitic Stainless Clads onto Mild Steel: Microstructure, Hardness, and Residual Stresses

본 연구는 수력 발전 터빈 부품의 내마모성 및 내식성 향상을 위해 저탄소강 기판 위에 AWS 410NiMo 마르텐사이트계 스테인리스강을 펄스 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)으로 적층할 때 발생하는 야금학적 특성을 분석하였습니다. 용접 매개변수가 비드 형상, 미세조직 형성, 경도 분포 및 잔류 응력에 미치는 영향을 체계적으로 조사하여 산업적 수리 및 제조 공정의 최적화 근거를 제시합니다.

Paper Metadata

  • Industry: 수력 발전 및 중공업 기계 부품 수리
  • Material: AISI 1020(모재), AWS 410NiMo(용가재)
  • Process: 펄스 플럭스 코어 아크 용접 (Pulsed FCAW)

Keywords

  • cladding
  • FCAW
  • residual stresses
  • mechanical properties
  • martensitic stainless steel
  • microstructure
  • hardness

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Taguchi L9 직교 배열법을 사용하여 평균 전류, 펄스 주파수, 용접 속도, 팁-모재 간 거리(CTWD) 등 네 가지 주요 용접 변수를 제어하며 실험을 설계하였습니다. AISI 1020 강판을 기판으로 사용하고 AWS EC410NiMo 튜브형 와이어를 용가재로 사용하여 비드-온-플레이트(Bead-on-plate) 방식으로 클레이딩을 수행하였습니다. 용접 전 기판은 200°C로 가열되었으며, 용접 중에는 150°C의 층간 온도를 유지하여 수소 취성을 방지하고 공정 안정성을 확보하였습니다. 적층된 클레이딩 층의 품질을 평가하기 위해 광학 현미경, 주사 전자 현미경(SEM), 전자 후방 산란 회절(EBSD) 및 X선 회절(XRD) 분석을 통해 미세조직과 잔류 응력을 정밀하게 측정하였습니다.

펄스 FCAW로 제작된 두 개의 비드-온-플레이트 클레이딩 매크로 이미지

Key Findings

실험 결과, 입열량이 430 J/mm에서 790 J/mm로 증가함에 따라 비드의 볼록 지수(CI)는 36.80%에서 30.55%로 감소하여 보다 평탄한 비드 형상을 얻을 수 있었습니다. 희석률은 입열량이 높을수록 증가하는 경향을 보였으며, 이는 용융부 내 Cr 및 Ni 함량의 감소로 이어져 경도 값을 낮추는 원인이 되었습니다. 잔류 응력 측정 결과, 모든 시편의 표면에서 압축 잔류 응력이 관찰되었으며 입열량이 가장 높은 시편(Sample 9)에서 -529 MPa로 가장 높은 압축 응력이 나타났습니다. 용융부(FZ)와 열영향부(HAZ)에서는 마르텐사이트와 베이나이트 혼합 조직이 형성되었으며, 입열량이 낮을수록 냉각 속도가 빨라져 더 높은 경도(최대 440 HV)를 기록하였습니다.

용접 비드의 경도 측정 위치(HAZ 및 FZ) 모식도
용접 비드의 경도 측정 위치(HAZ 및 FZ) 모식도

Industrial Applications

이 연구 결과는 수력 발전소의 대형 터빈 러너, 로터 및 고압 증기 펌프 하우징의 마모 부위 수리 공정에 직접적으로 적용될 수 있습니다. 특히 펄스 FCAW 공정을 통해 입열량을 정밀하게 제어함으로써 부품의 변형을 최소화하고 표면의 압축 잔류 응력을 극대화하여 피로 수명을 연장할 수 있습니다. 또한, 적절한 볼록 지수를 확보함으로써 다층 용접 시 층간 결함을 줄이고 가공 여유를 최적화하여 제조 비용을 절감하는 데 기여할 수 있습니다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 우수한 내캐비테이션 특성을 활용한 산업용 밸브 및 파이프라인의 육성 용접 지침으로도 활용 가능합니다.

Theoretical Background

마르텐사이트계 스테인리스강(AWS 410NiMo)의 특성

AWS 410NiMo 강은 약 13%의 크롬, 4%의 니켈, 0.4%의 몰리브덴을 함유한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강으로, 저온 충격 인성과 내식성 및 내캐비테이션 성능이 매우 우수합니다. 이 재료는 용접 시 탄소 함량이 낮아 일반적인 마르텐사이트계 강에 비해 용접성이 양호하지만, 용접 후 냉각 과정에서 마르텐사이트 변태로 인한 경화와 잔류 응력 발생에 주의해야 합니다. 특히 수력 터빈과 같이 가혹한 환경에서 작동하는 부품의 경우, 미세조직 내의 잔류 오스테나이트 분율과 마르텐사이트 래스(Lath)의 미세화 정도가 부품의 수명을 결정짓는 핵심 요소가 됩니다.

펄스 FCAW 공정의 메커니즘

펄스 플럭스 코어 아크 용접(Pulsed FCAW)은 전류를 주기적으로 변화시켜 금속 이행을 제어하는 공정으로, 낮은 평균 전류에서도 안정적인 아크를 유지하고 입열량을 효과적으로 관리할 수 있습니다. 펄스 전류를 사용하면 용융풀의 교란을 유도하여 기공 배출을 돕고 결정립 미세화를 촉진하며, 열영향부의 크기를 줄여 기계적 성질의 저하를 방지할 수 있습니다. 클레이딩 공정에서는 모재와의 희석률을 적절히 유지하면서도 충분한 용착 효율을 확보하는 것이 중요한데, 펄스 파라미터의 최적화를 통해 비드 형상과 야금학적 특성을 동시에 제어할 수 있는 장점이 있습니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 185 x 63.5 x 12.7 mm 크기의 AISI 1020 강판을 기판으로 사용하였으며, 1.2 mm 직경의 AWS EC410NiMo 튜브형 와이어를 사용하여 단층 비드를 적층하였습니다. 보호 가스로는 Ar + 2 vol.% O2 혼합 가스를 18 L/min 속도로 공급하였으며, 인버터 기반의 멀티프로세스 용접 전원을 사용하여 펄스 전류를 인가하였습니다. Taguchi L9 설계에 따라 평균 전류(170-230 A), 펄스 주파수(18-22 Hz), 용접 속도(5.0-6.7 mm/s), CTWD(30-36 mm)를 변수로 설정하여 총 9개의 시편을 제작하였습니다. 모든 시편은 용접 전 200°C로 예열되었으며, 용접 벤치에서 150°C 온도를 유지하며 정밀하게 시공되었습니다.

Visual Data Summary

매크로 분석 결과, 입열량이 가장 낮은 Sample 2(430 J/mm)는 비드 폭이 좁고 높이가 높아 볼록 지수가 36.80%로 나타난 반면, 입열량이 가장 높은 Sample 9(790 J/mm)는 비드가 넓게 퍼지며 볼록 지수가 30.55%로 가장 이상적인 수치를 보였습니다. EBSD 분석을 통해 확인된 미세조직은 용융부(FZ)에서 강한 우선 방위를 가진 주상정 마르텐사이트 구조를 나타냈으며, 열영향부(HAZ)에서는 조립역(CGHAZ)과 세립역(FGHAZ)이 뚜렷하게 구분되었습니다. XRD 잔류 응력 측정 그래프에서는 모든 조건에서 압축 응력이 지배적이었으며, 입열량이 증가함에 따라 열적 변형에 의한 격자 왜곡이 커지면서 표면 압축 응력이 강화되는 경향이 시각적으로 확인되었습니다.

Variable Correlation Analysis

분산 분석(ANOVA) 결과, 평균 전류가 비드 폭, 높이, 침투 깊이 및 볼록 지수 등 모든 기하학적 특성에 가장 결정적인 영향을 미치는 변수임이 확인되었습니다(p-value < 0.05). 용접 속도와 CTWD 역시 비드 형상에 유의미한 영향을 주었으나, 펄스 주파수는 본 실험 범위 내에서 비드 형상 변화에 미치는 통계적 영향이 미미한 것으로 나타났습니다. 입열량과 경도 사이에는 역비례 관계가 성립하였는데, 이는 높은 입열량이 냉각 속도를 늦추고 모재로부터의 Fe 희석을 증가시켜 마르텐사이트의 경화 효과를 상쇄시키기 때문으로 분석됩니다. 반면, 입열량과 압축 잔류 응력 사이에는 정비례 관계가 관찰되어 피로 특성 측면에서는 높은 입열량이 유리할 수 있음을 시사합니다.

Paper Details

Pulsed FCAW of Martensitic Stainless Clads onto Mild Steel: Microstructure, Hardness, and Residual Stresses

1. Overview

  • Title: Pulsed FCAW of Martensitic Stainless Clads onto Mild Steel: Microstructure, Hardness, and Residual Stresses
  • Author: Joao Sartori Moreno, Fabio Faria Conde, Celso Alves Correa, Luiz Henrique Barbosa, Erenilton Pereira da Silva, Julian Avila, Ricardo Henrique Buzolin, Haroldo Cavalcanti Pinto
  • Year: 2022
  • Journal: Materials

2. Abstract

저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강인 AWS 410NiMo 강은 화학 조성상 13%의 크롬, 4%의 니켈, 0.4%의 몰리브덴(중량%)을 함유하고 있으며, 저온 충격 저항성과 부식 및 캐비테이션 저항성 덕분에 터빈 복구, 로터 및 고압 증기 펌프 하우징에 사용됩니다. 이러한 AWS 410NiMo 강의 응용 분야는 빈번하게 용접이나 클레이딩을 통한 수리를 요구합니다. 아크 용접은 재료 접합을 위한 잘 확립된 기술이며 용접 비드의 기계적 성능에 영향을 미치는 여러 매개변수를 제시합니다. 수많은 용접 공정이 존재함에도 불구하고 특정 응용 분야와 재료에 대한 용접 매개변수를 최적화하는 것은 항상 도전적인 과제입니다. 본 연구는 펄스 플럭스 코어 아크 용접(FCAW) 매개변수, 즉 펄스 전류 및 주파수, 용접 속도, 팁-모재 간 거리(CTWD)와 비드 형상, 미세조직 형성, 잔류 응력 및 마르텐사이트 클레이딩의 경도 사이의 상관관계를 확인하기 위한 체계적인 연구를 다룹니다. 사용된 기판은 AISI 1020 강이었으며, AWS 410NiMo 강이 클레이딩 적층을 위한 용가재로 사용되었습니다. 초기 9개 샘플 중 3개 샘플이 심층 분석을 위해 선택되었습니다. 낮은 입열량은 낮은 희석률, 더 높은 경도 및 더 낮은 압축 잔류 응력을 초래했습니다. 따라서 결과는 클레이딩의 원하는 성능을 달성하기 위해 펄스 FCAW 절차를 사용할 때도 적절한 입열량을 선택해야 할 필요성을 강조합니다. 본 사례에서는 더 낮은 볼록 지수, 용융부와 열영향부 사이의 부드러운 경도 전이, 그리고 더 높은 압축 응력 덕분에 높은 입열량이 더 유리한 것으로 나타났습니다.

3. Methodology

3.1. 재료 준비 및 예열: AISI 1020 강판을 기판으로 준비하고, 용접 전 수소 유입 방지를 위해 가열로에서 200°C로 예열한 후 용접 벤치에서 150°C를 유지하며 공정을 수행함.
3.2. 용접 실험 설계: Taguchi L9 직교 배열법을 적용하여 평균 전류, 주파수, 속도, CTWD를 3수준으로 설정하고 펄스 FCAW 공정을 통해 단층 비드-온-플레이트 시편을 제작함.
3.3. 기하학적 및 야금학적 분석: 광학 현미경을 이용해 비드 폭, 높이, 침투 깊이를 측정하고, SEM/EBSD를 사용하여 FZ, HAZ, BM의 미세조직 및 결정 방위를 분석함.
3.4. 기계적 성질 및 응력 측정: Vickers 경도계를 사용하여 비드 횡단면의 경도 프로파일을 작성하고, XRD의 sin²ψ법을 사용하여 클레이딩 표면의 종방향 및 횡방향 잔류 응력을 정밀 측정함.

4. Key Results

실험 결과, 평균 전류가 비드 형상을 결정하는 가장 중요한 인자로 확인되었으며, 전류가 증가할수록 비드 폭과 침투 깊이가 증가하였습니다. 입열량이 가장 높은 시편 9(790 J/mm)는 볼록 지수 30.55%를 기록하여 가장 우수한 비드 형상을 보였으며, 표면 압축 잔류 응력 또한 -529 MPa로 가장 높게 나타났습니다. 반면 입열량이 가장 낮은 시편 2(430 J/mm)는 냉각 속도가 빨라 용융부에서 440 HV의 최고 경도 값을 보였으나, 볼록 지수가 36.80%로 높아 다층 용접 시 결함 발생 가능성이 높음을 시사했습니다. EBSD 분석을 통해 용융부에서는 마르텐사이트와 베이나이트가 혼합된 래스 구조가 확인되었으며, 열영향부는 약 2mm의 폭을 형성하며 기판 조직의 변화를 나타냈습니다. 희석률은 입열량에 비례하여 증가하였으며, 이는 용융부의 화학 조성 변화를 유도하여 경도 분포에 직접적인 영향을 미쳤습니다.

5. Mathematical Models

$$Q = k \frac{U \times I_{rms}}{v}$$ (여기서 Q는 입열량(J/mm), k는 열효율 계수(FCAW의 경우 0.8), U는 아크 전압(V), Irms는 전류의 실효값(A), v는 용접 속도(mm/s)임)

$$CI = \left( \frac{r}{b} \right) \times 100$$ (여기서 CI는 볼록 지수(%), r은 비드 높이(mm), b는 비드 폭(mm)임)

$$D = \left( \frac{A_p}{A_r + A_p} \right) \times 100$$ (여기서 D는 희석률(%), Ap는 침투 면적(mm²), Ar은 보강 면적(mm²)임)

Figure List

  1. 펄스 FCAW로 제작된 두 개의 비드-온-플레이트 클레이딩 매크로 이미지
  2. 평균 전류 200A에서 기록된 펄스 용접 전류의 오실로그램
  3. 비드 높이, 폭, 침투 깊이 및 열영향부를 나타내는 용접 비드 단면 모식도
  4. 용접 비드의 경도 측정 위치(HAZ 및 FZ) 모식도
  5. XRD로 측정된 잔류 응력 성분(횡방향 및 종방향) 및 측정 위치
  6. AISI 1020 모재의 역극점도(IPF) 맵
  7. 시편 2, 6, 9의 용접 비드 단면 광학 현미경 사진
  8. 시편 2, 6, 9의 각 영역별(FZ, CGHAZ, FGHAZ, ICHAZ, SCHAZ) SEM BSE 이미지
  9. FZ 및 HAZ 상부의 EBSD 분석 결과(IPF 맵 및 마르텐사이트 블록 상세 구조)
  10. 용융부 및 열영향부 내 마르텐사이트와 베이나이트 분율 분석을 위한 밴드 대비(BC) 히스토그램
  11. 시편 9와 시편 2의 FZ 및 HAZ 미세조직 상세 비교
  12. FZ, CGHAZ, FGHAZ 전이 영역의 오일러(Euler) 맵
  13. FZ에서 BM까지 모든 영역을 포함하는 IPF 맵 시퀀스
  14. 시편 2, 6, 9의 FZ/HAZ 경계면 EDXS 라인 스캔 화학 분석 결과
  15. 용융부에서 모재까지 3mm 구간의 경도 분포 프로파일
  16. 세 가지 주요 시편의 종방향 및 횡방향 잔류 응력 측정값 그래프
  17. 최고 온도에 따른 용접 미세조직 및 야금학적 구역의 모식도

References

  1. Kahraman, G. et al. (2019). Identification of optimum working conditions in hydroelectric power plants for cavitation. Eng. Fail. Anal.
  2. ASTM-A743/A743M-19; Standard Specification for Castings, Iron-Chromium, Iron-Chromium-Nickel, Corrosion Resistant.
  3. ISO/TR 17671-1; Welding—Recommendations for Welding of Metallic Materials—Part 1.
  4. Krauss, G. (1999). Martensite in steel: Strength and structure. Mater. Sci. Eng. A.
  5. Folkhard, E. (1988). Welding Metallurgy of Stainless Steel; Springer: Berlin, Germany.

Technical Q&A

Q: 용접 입열량이 클레이딩 층의 경도에 미치는 구체적인 영향은 무엇입니까?

입열량과 경도는 역비례 관계에 있습니다. 낮은 입열량(430 J/mm)에서는 냉각 속도가 빨라져 마르텐사이트 변태가 촉진되고 조직이 미세해지면서 최대 440 HV의 높은 경도를 형성합니다. 반면 입열량이 높아지면 냉각 속도가 느려지고 모재로부터의 Fe 성분 희석이 증가하여 Cr 및 Ni에 의한 고용 강화 효과가 감소하므로 경도가 낮아지는 경향을 보입니다.

Q: 본 연구에서 측정된 잔류 응력의 특징과 산업적 의미는 무엇입니까?

모든 실험 조건에서 클레이딩 표면은 압축 잔류 응력 상태를 나타냈으며, 특히 횡방향 응력이 종방향보다 높게 측정되었습니다. 입열량이 가장 높은 시편에서 가장 강한 압축 응력(-529 MPa)이 관찰되었는데, 이는 높은 열적 구배에 의한 격자 왜곡과 변태 응력의 조합 결과입니다. 이러한 압축 잔류 응력은 실제 운전 환경에서 균열 발생을 억제하고 피로 수명을 향상시키는 긍정적인 역할을 합니다.

Q: 볼록 지수(Convexity Index)가 용접 품질 평가에서 왜 중요한가요?

볼록 지수는 비드의 폭 대비 높이 비율을 나타내며, 클레이딩 공정의 생산성과 건전성을 결정하는 지표입니다. 권장되는 CI 값은 약 30% 수준으로, 이보다 높으면 비드가 너무 볼록하여 다층 용접 시 비드 경계에서 융합 불량이나 슬래그 혼입과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. 반대로 CI가 너무 낮으면 원하는 적층 두께를 얻기 위해 더 많은 패스가 필요하므로 생산 효율이 저하됩니다.

Q: EBSD 분석을 통해 확인된 열영향부(HAZ)의 미세 구조적 특징은 무엇입니까?

HAZ는 최고 도달 온도에 따라 CGHAZ, FGHAZ, ICHAZ, SCHAZ의 네 구역으로 뚜렷하게 구분됩니다. 용융선에 인접한 CGHAZ는 약 40μm 크기의 조대한 결정립을 형성하며 베이나이트와 마르텐사이트가 혼재된 조직을 보입니다. 입열량이 증가함에 따라 CGHAZ와 FGHAZ의 폭이 넓어지는 경향을 보이며, 전체 HAZ의 길이는 실험 조건에 관계없이 약 2mm 내외로 유지되었습니다.

Q: 펄스 FCAW 공정에서 평균 전류 외에 다른 변수들의 영향력은 어떠합니까?

통계적 분석 결과 평균 전류가 비드 형상 제어에 가장 지배적인 인자였으나, 용접 속도와 CTWD 역시 유의미한 상관관계를 보였습니다. 용접 속도가 빠를수록 입열량이 감소하여 비드 폭이 좁아지고 볼록 지수가 상승하는 경향이 있습니다. 반면 펄스 주파수는 본 연구의 실험 범위(18-22 Hz) 내에서는 비드의 기하학적 형상 변화에 통계적으로 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었습니다.

Conclusion

본 연구를 통해 펄스 FCAW 공정을 이용한 AWS 410NiMo 마르텐사이트계 스테인리스강 클레이딩 시, 입열량 제어가 최종 품질을 결정하는 핵심 요소임을 확인하였습니다. 높은 입열량(790 J/mm) 조건은 비드의 볼록 지수를 최적화(30.55%)하고 표면 압축 잔류 응력을 극대화하여 구조적 건전성 측면에서 유리한 결과를 제공합니다. 반면 낮은 입열량은 높은 표면 경도를 제공하지만 비드 형상이 불리해질 수 있으므로, 실제 산업 현장에서는 내마모 요구 성능과 시공 효율성 사이의 균형을 고려한 매개변수 선정이 필요합니다. 결론적으로 펄스 FCAW는 수력 터빈 부품의 수리 및 제작에 있어 정밀한 야금학적 제어가 가능한 우수한 공정임을 입증하였습니다.

Source Information

Citation: Moreno, J.S. et al. (2022). Pulsed FCAW of Martensitic Stainless Clads onto Mild Steel: Microstructure, Hardness, and Residual Stresses. Materials 2022, 15, 2715.

DOI/Link: https://doi.org/10.3390/ma15082715

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