FCAW로 접합된 St 37 강판의 열 변형, 경도 및 미세 조직에 관한 연구

Study on The Thermal Distortion, Hardness, and Microstructure of St 37 Steel Plate Joined Using FCAW

본 연구는 산업 현장에서 널리 사용되는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 공정에서 용접 전류의 변화가 St 37 구조용 강판의 기계적 특성과 미세 조직에 미치는 영향을 분석하였다. 용접 변수 최적화를 통해 열 변형을 최소화하고 접합부의 신뢰성을 확보하기 위한 기술적 근거를 제시한다.

Paper Metadata

• Industry: 금속 제조 및 선박 건조 산업
• Material: St 37 구조용 강판 (두께 10 mm)
• Process: 플럭스 코어드 아크 용접 (FCAW)

Keywords

• Hardness (경도)
• Microstructure (미세 조직)
• Thermal distortion (열 변형)
• Welding current (용접 전류)
• Heat-affected zone (열영향부)
• Acicular ferrite (침상 페라이트)

Executive Summary

Research Architecture

본 실험은 10mm 두께의 St 37 강판을 대상으로 V형 홈(60도) 가공 후 FCAW 용접을 수행하였다. 용접 전류는 80A, 110A, 140A의 세 가지 조건으로 설정하였으며, 보호 가스로는 CO2를 15 LPM 속도로 공급하였다. 용접 후 베벨 분도기를 사용하여 용접 방향에 수직인 세 지점에서 변형각을 측정하였다. 경도 시험은 용접 중심선으로부터 0, 5, 10, 15mm 거리에서 마이크로 비커스 경도계를 사용하여 300g 하중으로 실시하였다. 미세 조직 관찰은 광학 현미경을 통해 모재, 열영향부(HAZ), 용접 금속 영역을 1400배 배율로 분석하였다.

Key Findings

실험 결과, 용접 전류가 80A에서 140A로 증가함에 따라 평균 변형각은 2.11도에서 2.81도로 비례하여 증가하였다. 특히 용접 종료 지점에서의 변형이 시작 지점보다 높게 나타났는데, 이는 누적된 열 입력에 의한 결과이다. 경도 측정 결과, 80A 조건의 용접 금속에서 284.1 HV로 가장 높은 수치를 기록하였으며, 전류가 증가할수록 모든 영역에서 경도가 감소하는 경향을 보였다. 미세 조직 측면에서는 저전류(80A)에서 침상 페라이트가 지배적이었으나, 고전류로 갈수록 위드만스테텐 페라이트가 형성되며 결정립이 조대화되는 현상이 관찰되었다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 선박 건조 및 중장비 제조 공정에서 용접 변형으로 인한 수정 비용을 절감하는 데 활용될 수 있다. 용접 전류와 열 변형 사이의 정량적 관계를 통해 정밀한 치수 제어가 필요한 구조물 제작 시 최적의 입열량 가이드를 제공한다. 또한, 요구되는 기계적 강도에 맞춰 미세 조직을 제어하기 위한 용접 파라미터 설정의 기초 자료로 사용될 수 있다.

Theoretical Background

FCAW 공정의 특성

플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)은 전극 와이어 내부에 플럭스가 충전되어 있어 높은 증착률과 우수한 생산성을 제공하는 공정이다. 이 공정은 녹이나 불순물에 대한 민감도가 낮고 조작이 간편하여 선박 건조 및 금속 가공 산업에서 널리 채택된다. 용접 전류, 전압, 속도 및 보호 가스 유량은 용입 깊이와 접합부의 야금학적 특성을 결정하는 핵심 변수이다. 특히 입열량은 냉각 속도와 직결되어 최종 미세 조직과 잔류 응력 형성에 결정적인 영향을 미친다.

용접 열 변형 메커니즘

용접 과정에서의 불균일한 가열과 냉각은 재료 내부에 열팽창과 수축의 차이를 발생시킨다. 이러한 비가역적인 소성 변형은 용접부 주변에 잔류 응력을 형성하며, 이는 구조물의 기하학적 왜곡인 열 변형으로 나타난다. 입열량이 높을수록 열영향부(HAZ)의 범위가 넓어지고 온도 구배가 완만해지며, 이는 더 큰 각변형을 유발하는 원인이 된다. 변형은 제품의 조립 정밀도를 떨어뜨리고 추가적인 교정 작업을 필요로 하여 제조 원가를 상승시키는 주요 요인이 된다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 10mm 두께의 St 37 구조용 강판이 사용되었으며, 화학 성분은 0.063% C, 0.621% Mn 등을 포함한다. 용접기는 Rillon 350A 모델을 사용하였고, AWS E71T-1 표준의 전극 와이어를 채택하였다. 용접 전류는 80, 110, 140 A로 가변하였으며 전압은 15-25 V 범위에서 조절되었다. 모든 용접은 아래보기(Flat) 자세에서 수행되었으며, 일정한 용접 속도를 유지하여 입열량의 변화를 전류에 의존하도록 설계하였다.

Visual Data Summary

Figure 2의 변형각 곡선 분석 결과, 전류 증가에 따라 변형각이 선형적으로 증가하는 양상을 확인하였다. Table 1에 따르면 140A 전류에서 최대 2.9도의 변형이 발생하였다. Figure 6의 경도 분포 그래프에서는 용접 중심선(0mm)에서 가장 높은 경도를 보이며, 모재 방향으로 갈수록 경도가 낮아지는 종형 분포를 나타냈다. 미세 조직 사진(Figure 3-5)에서는 전류가 낮을수록 바늘 모양의 침상 페라이트 조직이 촘촘하게 형성되어 경도 향상에 기여했음을 시각적으로 확인할 수 있다.

Variable Correlation Analysis

용접 전류와 기계적 특성 사이에는 명확한 상관관계가 존재한다. 전류의 증가는 입열량의 증가로 이어져 냉각 속도를 늦추고, 이는 결과적으로 결정립의 성장을 촉진하여 경도를 저하시킨다. 반면, 증가된 입열량은 열영향부 내의 잔류 응력을 심화시켜 변형각을 증대시킨다. 따라서 높은 경도와 낮은 변형을 동시에 달성하기 위해서는 적절한 저전류 범위를 선택하는 것이 유리하며, 이는 미세 조직 내 침상 페라이트의 분율을 높이는 야금학적 변화와 일치한다.

Paper Details

Study on The Thermal Distortion, Hardness, and Microstructure of St 37 Steel Plate Joined Using FCAW

1. Overview

• Title: Study on The Thermal Distortion, Hardness, and Microstructure of St 37 Steel Plate Joined Using FCAW
• Author: Maijuansyah, Yanuar Rohmat Aji Pradana, Gaguk Jatisukamto, Solichin
• Year: 2019
• Journal: Journal of Mechanical Engineering Science and Technology

2. Abstract

본 연구는 80, 110, 140 A의 용접 전류를 사용하여 FCAW로 제작된 St 37 강판 용접부의 변형각, 미세 조직 및 경도를 조사하는 것을 목표로 한다. 아래보기 자세에서 CO2와 E71T-1 와이어를 각각 보호 가스와 전극 충전재로 활용하였다. 변형각 측정은 베벨 분도기를 사용하여 용접 방향에 수직인 용접 샘플의 3개 서로 다른 위치에서 수행되었다. 마이크로 비커스 테스트는 용접 중심선으로부터 0, 5, 10, 15 mm 거리의 횡단면 표면에 300g의 하중과 15초의 압입 시간으로 점진적으로 적용되었다. 이어서 모재, 열영향부(HAZ) 및 용접 금속을 포함한 횡단면 용접 접합 영역에 대해 미세 조직 변화를 조사하기 위한 일련의 관찰이 진행되었다. 결과로부터 용접 전류를 높이면 모든 압입 영역에서 경도가 감소할 뿐만 아니라, 특히 HAZ에서 발생하는 열 변형 수준이 높아지는 것을 관찰할 수 있었다. 다양한 용접 전류를 사용하여 용접된 샘플에서 미세 조직의 변화도 관찰되었다. 용접 샘플에 가해진 입열량과 냉각 속도 모두 특성을 규정하는 데 중요한 역할을 하였다.

3. Methodology

3.1. 재료 준비: 10mm 두께의 St 37 구조용 강판을 준비하고, 60도의 홈 각도, 1.5mm의 루트 면, 1mm의 루트 간격을 가진 V형 홈으로 가공하였다.
3.2. 용접 파라미터 설정: FCAW(Rillon 350A) 장비를 사용하여 전류를 80A, 110A, 140A로 가변 설정하고, 전압은 15-25V 범위, CO2 가스 유량은 15 LPM으로 고정하였다.
3.3. 변형 및 경도 측정: 베벨 분도기로 각변형을 측정하고, DIN 50103에 따라 시편을 절단한 후 마이크로 비커스 경도계(Eseway TH721)를 사용하여 경도를 측정하였다.
3.4. 미세 조직 분석: 시편을 #150에서 #5000 연마지로 폴리싱한 후, 95% 알코올과 5% HNO3 혼합액으로 10초간 에칭하여 광학 현미경으로 관찰하였다.

4. Key Results

용접 전류가 증가함에 따라 평균 변형각은 2.11도(80A)에서 2.81도(140A)로 증가하였다. 용접 금속의 경도는 80A에서 284.2 HV로 최대치를 보였으며, 140A에서는 227.5 HV로 감소하였다. 열영향부(HAZ) 역시 80A에서 262.7 HV로 가장 높았고, 전류 증가에 따라 경도가 낮아지는 경향을 보였다. 미세 조직 관찰 결과, 80A에서는 침상 페라이트가 지배적이었으나 전류가 높아질수록 위드만스테텐 페라이트의 양이 증가하고 결정립이 조대화되었다. 모재 영역에서는 140A 고입열 조건에서 결정립 조대화와 균질화가 발생하여 경도가 173.2 HV까지 하락하였다.

Figure List

1. Fig. 1. 각변형 측정 방식 및 샘플의 3개 측정 위치 도식
2. Fig. 2. 용접 전류에 따른 샘플의 변형각 곡선
3. Fig. 3. 80A 전류 조건에서의 용접 금속, HAZ, 모재 미세 조직 (1400배)
4. Fig. 4. 110A 전류 조건에서의 용접 금속, HAZ, 모재 미세 조직 (1400배)
5. Fig. 5. 140A 전류 조건에서의 용접 금속, HAZ, 모재 미세 조직 (1400배)
6. Fig. 6. 용접 중심선으로부터의 거리에 따른 용접부 경도 곡선

References

1. Duniawan, A & Sutrimo (2010). Effect of welding speed and heat input on mechanical properties…
2. Kannan, T & Murugan, N (2006). Effect of flux cored arc welding process parameters…
3. Aloraier, A., et al. (2006). FCAW process to avoid the use of PWHT…
4. Syarul, I.A., et al. (2012). The effect of flux core arc welding (FCAW) processes…

Technical Q&A

Q: 용접 전류가 증가할 때 변형각이 커지는 물리적 이유는 무엇입니까?

용접 전류의 증가는 단위 시간당 입열량의 증가를 의미하며, 이는 용접부 주변의 온도 상승을 유발합니다. 높은 온도는 재료의 열팽창을 심화시키고, 이후 냉각 과정에서 불균일한 수축을 발생시켜 잔류 응력을 높입니다. 특히 열영향부(HAZ)에서 이러한 열적 불균형이 두드러지게 나타나며, 결과적으로 각변형(Angular shrinkage) 수치가 상승하게 됩니다.

Q: 80A 전류 조건에서 용접 금속의 경도가 가장 높게 나타난 이유는 무엇입니까?

80A 조건은 상대적으로 낮은 입열량을 제공하여 냉각 속도가 빠릅니다. 빠른 냉각 속도는 용접 금속 내에 미세한 바늘 모양의 조직인 침상 페라이트(Acicular ferrite) 형성을 촉진합니다. 침상 페라이트는 전위의 이동을 방해하는 인터로킹 구조를 가지고 있어 인성과 경도를 동시에 높이는 역할을 하며, 이로 인해 284.1 HV라는 높은 경도값을 기록하게 되었습니다.

Q: 고전류(140A) 용접 시 미세 조직에는 어떤 변화가 발생합니까?

전류가 140A로 증가하면 입열량이 많아져 냉각 속도가 느려집니다. 이 과정에서 침상 페라이트 대신 위드만스테텐 페라이트(Widmanstatten ferrite)의 분율이 높아지며 결정립이 조대화됩니다. 조대해진 결정립은 단위 부피당 결정립계 면적을 줄여 전위 이동을 쉽게 만들고, 결과적으로 재료의 경도와 강도를 저하시키는 원인이 됩니다.

Q: 용접 위치에 따라 변형각이 다르게 측정된 이유는 무엇입니까?

실험 결과 용접 종료 지점(End)의 변형각이 시작 지점(Beginning)보다 높게 측정되었습니다. 이는 용접이 진행됨에 따라 이전 용접부에서 발생한 열이 전도되어 종료 지점의 예열 효과를 유발하기 때문입니다. 누적된 열로 인해 종료 지점의 입열량이 실질적으로 더 높아지고, 이로 인해 더 큰 잔류 응력과 변형이 발생하게 됩니다.

Q: St 37 강판 용접 시 HAZ의 경도가 모재보다 높게 나타나는 현상을 어떻게 설명할 수 있습니까?

용접 열 사이클 동안 HAZ는 변태 온도 이상으로 가열되었다가 급랭되는 과정을 거칩니다. 이 과정에서 모재의 페라이트와 펄라이트 조직이 재배열되며 결정립 정제(Grain refining) 현상이 일어날 수 있습니다. 특히 저입열 조건에서는 HAZ의 냉각 속도가 충분히 빨라 미세한 조직이 형성되므로, 원래의 모재(260.7 HV)보다 높은 경도 수치를 나타내게 됩니다.

Conclusion

본 연구를 통해 FCAW 공정에서 용접 전류가 St 37 강판 접합부의 품질을 결정하는 핵심 요소임을 확인하였다. 전류가 증가할수록 열 변형은 선형적으로 증가하며, 경도는 결정립 조대화로 인해 감소하는 반비례 관계를 보였다. 특히 80A의 저전류 조건에서 침상 페라이트 조직 형성을 통해 최적의 경도 특성을 확보할 수 있었다. 이러한 결과는 고품질 용접 구조물 제작을 위해 입열량 제어와 적절한 전류 선택이 필수적임을 시사한다.

Source Information

Citation: Maijuansyah, Yanuar Rohmat Aji Pradana, Gaguk Jatisukamto, and Solichin (2019). Study on The Thermal Distortion, Hardness, and Microstructure of St 37 Steel Plate Joined Using FCAW. Journal of Mechanical Engineering Science and Technology.

DOI/Link: 10.17977/um016v3i12019p018

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