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용접구조용 고기능 철강 소재와 용접기술의 개발[2] 용접구조용 고기능 철강 소재와 용접기술의 개발[2] 관리자 기자입력 2007-02-26 14:49:58

ENG 강좌 - 한국과학기술정보연구원 발췌
Ⅲ. A-TIG 용접법의 아크물리 현상

1. 기술의 개요

모재의 표면에 분말상의 활성 플럭스(Activating Flux)를 도포한 상태에서 용접을 행하는
A-TIG 용접법을 사용하면 스테인리스강의 경우 일반적인 TIG 용접법에 비해 용입이 2~3배 깊어지는 효과를 얻을 수 있다.
A-TIG 용접법의 이와 같은 효과는 활성 플럭스에 함유되어 있는 전자 친화력이 큰 산소와 할로겐 원소가 아크 플라스마 속에서 증발하여 아크 내에서 온도가 비교적 낮은 저온지역의 전자와 결합하여 아크를 수축시켜 주고 이 결과 모재로의 입열 밀도가 증가함으로써 용입이 깊어지는 것이다.
용접모재에 산소와 유황과 같은 표면활성 원소의 함유량이 높으면 용입이 깊어진다. 활성 플러스의 주성분인 TiO2, Cr2O3 등의 산화물이 용융지내에서 해리되어 산소를 공급하면 이러한 표면활성 원소가 용융 풀 내의 Marangoni 대류를 변화시켜서 표면장력 온도구배가 바뀐다.
Osaka 대학은 TIG 용접법의 수치계산 시뮬레이션을 이용하여 A-TIG 용접법에서의 아크
물리현상과 용융 풀(Weld Pool) 형성의 현상에 관하여 정리하였다.

2. 기술의 개요

가. TIG 용접법에서 용융 풀 형성의 기초

철강재료의 TIG 용접시 용융 풀에서 일어나는 대류의 구동력은 다음과 같다.

- 아크에서 발생된 플라스마 기류(Drag of Cathod Jet)에 의한 전단력
- 용융지 내에서의 밀도차에 의한 부력(Buoyancy)
- 용융지 내를 흐르는 전류에 기인한 전자기력(Electromagnetic Force)
- 용융지의 표면장력차에 기인하는 Marangoni 대류

A-TIG 용접에서 얻어지는 깊은 용입의 메커니즘은 유황과 같은 표면활성 원소에 의한 깊
은 용입의 메커니즘과 동일하다. 유황의 함유량이 40ppm 정도로 낮은 스테인리스강의 경우
아크온도가 증가할수록 표면장력이 감소한다. 유황의 함유량이 220ppm 정도로 높은 스테인
리스강의 경우 아크 온도가 증가할수록 표면장력도 함께 증가한다.
A-TIG 용접과 일반적인 TIG 용접과의 기본적인 차이는 아크온도에 따른 표면장력의 거동
이며, 여기에는 활성 플럭스가 큰 역할을 담당하고 있다.
황의 함유량이 낮은 스테인리스강은 일반적인 TIG 용접, 유황의 함유량이 높은 스테인리스
강은 A-TIG 용접으로 대응할 수 있다.

나. 스테인리스강의 정지 TIG 용접

Ar을 보호가스로 하고 아크전류를 150A로 하여 유황의 함유량이 낮은 스테인리스강을 20초 정지 TIG 용접한 경우 아크주변의 온도분포와 아크 플라스마의 속도분포는 다음과 같다.

- 스테인리스강의 용융온도를 1,750K로 가정하면 텅스텐 전극의 최고온도는 3,500K, 아크 플라스마의 최고온도는 17,000K이다. 그리고 용융 풀 중심부의 표면온도는 약 2,000K의 최고온도를 나타낸다.
- 아크 플라스마의 영역에서 텅스텐 전극으로부터 아크 중심부를 통하여 용융 풀 표면을 향해 강한 아크 플라스마가 약 200m/s의 최고속도로 흐르고 있다.

20초간 정지 TIG 용접한 스테인리스강 용접부에서 황의 함유량에 따른 용입형상은 다음과 같다.

- 황의 함유량이 낮은 스테인리스강의 경우 폭이 넓고 얕은 용입부를 형성한다.
- 황의 함유량이 높은 스테인리스강의 경우 폭인 좁고 깊은 용입부를 형성한다.

용융 풀 내 대류의 구동력에 대한 분석은 다음과 같다.
- 플라스마 기류에 의한 전단력은 최대 47cm/s에 달한다.
- 표면장력차에 기인하는 Marangoni 대류의 최고속도는 18cm/s에 달한다.
- 밀도차에 의한 부력의 최고속도는 1.4cm/s 정도로 작다.
- 전류에 기인한 전자기력의 최고속도는 4.9cm/s 정도로 작다.

Ar을 보호가스로 스테인리스강을 TIG 용접한 경우 용융 풀 내 대류의 구동력은 플라스마 기류에 의한 용융 풀 표면의 전단력과 표면장력차에 의한 Marangoni 유동의 지배를 받는다.

황의 함유량에 따른 스테인리스강 TIG 용융 풀 내 대류의 구동력은 다음과 같다.

- 황의 함유량이 낮은 스테인리스강의 경우, Marangoni 유동에 의한 바깥 방향의 구동력에 플라스마 기류의 바깥 방향의 전단력이 더해져서 용융 풀 표면에서의 최고속도가 54cm/s에 달하는 매우 빠른 바깥 방향으로의 용융 풀 내 대류가 발생한다.
- 황의 함유량이 높은 스테인리스강의 경우, Marangoni 유동이 안쪽 방향으로 역전하고 여기에 플라스마 기류에 의한 바깥 방향의 전단력이 복잡하게 간섭을 하여 거시적인 대류가 결정된다.
A-TIG 용접과 일반적인 TIG 용접에서 용융 풀 표면의 온도분포는 같은 경향을 보인다.

- 황의 함유량이 낮은 스테인리스강의 경우에는 용융 풀의 반경 반향으로 온도가 낮아진다.
- 황의 함유량이 높은 스테인리스강의 경우에는 용융 풀의 반경 반향으로 온도가 약간 상승하다가 반경 2mm 부근에서 온도가 급격하게 떨어진다.

황의 함유량에 따라 스테인리스강 TIG 용융 풀의 깊이(D)와 폭(W)의 비율이 변화하는 상태는 다음과 같다.

- 황의 함유량이 낮은 스테인리스강의 경우, 용융 풀의 형상은 시간의 변화와 관계없이 일정한 상태(D/W≒0.1)를 유지한다.
- 황의 함유량이 높은 스테인리스강의 경우, 용접이 개시되고 5초가 지나면 용융 풀의 폭은 일정하게 유지되나 용융 풀의 깊이는 시간이 흐를수록 증가하여 20초 후에는 D/W값이 약 0.45에 달한다.

다. 아크 긴축의 효과

He을 보호가스로 스테인리스강을 TIG 용접하는 경우, He의 전류밀도는 Ar에 비해 최대값이 매우 크고 열적 핀치효과가 높아 아크 중심부가 긴축을 하게 된다.
TIG 용접의 아크전류가 150A인 경우 Ar 가스와 He 가스의 전자기 압력(Electromagnetic Pressure)을 보면, 아크루트(Arc Root)가 2.1mm인 Ar 가스의 전자기압은 35Pa 정도이고, 아크루트가 4.5mm인 He 가스의 전자기압은 160Pa 정도에 달한다.
He 가스를 사용하는 경우 TIG 아크에 의해 형성되는 용융 풀에서의 전자기 압력은 용융지의 표면장력차에 의한 Marangoni 유동보다 크게 나타나고, He을 보호가스로 하고 아크전류를 150A로 하여 황의 함유량이 낮은 스테인리스강을 20초간 정지 TIG 용접한 경우 아크 주변의 온도분포와 아크 플라스마의 속도분포는 다음과 같다.

- 스테인리스강의 용융온도를 1,750K로 가정하면 텅스텐 전극의 최고온도는 3,500K, 아크 플라스마의 최고온도는 19,000K이다. 그리고 용융 풀 중심부의 표면온도는 약 2,500K의 최고온도를 나타낸다.

- 아크 플라스마의 영역에서 강한 전자기 압력에 의해 깊이 방향으로 약 15cm/s의 대류가 발생하며 텅스텐 전극으로부터 아크 중심부를 통하여 용융 풀 표면을 향해 강한 아크 플라스마가 약 300m/s의 최고속도로 흐르고 있다.


스테인리스강 A-TIG 용접부에서 관찰되는 용융 풀의 깊이와 폭의 비율이 높은 용입의 형상은 전류밀도가 높은 He을 보호가스로 사용함에 따른 높은 열적 핀치효과와 아크중심부의 긴축에 따른 것이다.

라. 용융 풀 표면 흐름의 가시화

황의 함유량이 10ppm 정도로 낮은 스테인리스강의 TIG 용접부에서 용융 풀 표면의 흐름을 가시화로 관찰한 결과는 Ar 보호가스와 He 보호가스의 구분 없이 방사상(放射狀)의 외부방향으로 50~70cm/s의 속도를 갖는 대류가 발생하였다.
황의 함유량이 220ppm 정도로 높은 스테인리스강의 TIG 용접부에서 보호가스에 따라 용융 풀 표면의 흐름이 다르게 관찰되었다.

- He을 보호가스로 하는 경우 50~60cm/s의 속도로 용융 풀의 중앙부를 향해 대류가 집중하였다.
- Ar을 보호가스로 하는 경우에는 용융 풀의 중앙부에서 외부를 향해 대류가 발생하였다.

3. 결론

고온에서 재료를 가공하는 TIG 용접과 A-TIG 용접공정에서 일어나는 복잡한 아크현상과 용융 풀 형성 현상을 정성적 뿐만 아니라 정략적으로도 규명하였다.
A-TIG 용접에서 일어나는 아크의 긴축은 용융 풀의 크기와 표면온도의 변화에 수반하여 용융 풀부터의 금속증기의 분포가 아크 플라스마 내부에서 변화하는데 기인된다.

4. 전문가 제언

우크라이나의 Paton Welding Institute에서 최초로 제안하고, 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 본격적으로 개발한 A-TIG 용접법은 활성 플럭스(Activating Flux)를 사용하여 TIG 용접부의 용입을 2~3배 증가시켜 주는 효율적인 아크용접법이다.
스테인리스강과 티타늄 합금을 위한 A-TIG 용접용 활성 플럭스는 용화되어 일부 산업분야에서 사용되고 있으며, 알루미늄 합금에는 실리카를 사용하는 AC mode TIG 용접용 활성 플럭스가 개발되는 등 A-TIG 용접의 활용화가 증가하는 추세이다. A-TIG 용접기술은 용입이 깊고 경제적인 장점을 지니고 있어서 향후 후판재를 이용하는 내열부품과 경량제품의 제조분야에서 수요가 많을 것으로 전망된다.
A-TIG 용접부의 용입을 효율적으로 얻기 위해서는 용융지에서 일어나는 아크에서 발생된 플라스마 기류에 의한 전단력과 용융지의 표면장력차에 기인하는 Marangoni 대류와의 균형을 조절해야 한다.용융 풀 내를 흐르는 전류에 기인한 전자기력의 크기에 따라 A-TIG 용접시 용융 풀의 깊이와 폭의 비율(D/W)이 영향을 받으므로 용접시 아크물리 현상을 정밀하게 조사하는 것이 필요하다.
A-TIG 용접에 효과적인 스테인리스강이나 알루미늄 합금 등은 합금성분을 많이 함유하고 있어서 TIG 용접시 고온에서의 응고균열 감수성이 매우 높은 재료이다. 따라서 기계적 성질이 우수하고 용접 결함이 발생하지 않는 건전한 A-TIG 용접부를 얻기 위해서는 활성 플럭스와 용융 풀 내의 대류현상이 용융역/용접열 영향부의 야금학적 거동과 용접금속의 응고균열 감수성에 미치는 영향을 분석하는 것이 중요하다.

Ⅳ. EUROPIPE社에서 제조한 고강도 라인 파이프의 기술현황

1. 기술의 개요

현재 천연가스는 전 세계적으로 전개되고 있는 CO2 절감 운동과 청정에너지원의 대상으로많은 주목을 받고 있다. 그러나 천연가스의 생산지와 수요지가 멀리 떨어져 있어서 천연가스를 운송하는 파이프라인의 설치·운전비용의 절감과 가혹한 환경조건에 대한 기술개발이 중요한 과제이다.
Kenji Ooka 등은 유럽의 파이프 제작의 중심에 있는 EUROPIPE社의 기술을 소개하고, 파이프 사양의 현황과 향후 일본의 파이프 제작사의 기술개발 방향에 관하여 정리하였다.


2. 기술의 개요

가. 고강도 라인 파이프

1) X80의 개발
1984년 Cu와 Ni를 첨가원소로 하는 Mn-Nb-Ti계 재료로 두께가 13.6mm인 MegalⅡ를 사용하였다. 이 재료의 C당량은 IIW(International Institute of Welding) 공식으로CEiiW 0.430이다.
Cu와 Ni를 첨가하지 않은 Mn-Nb-Ti계 재료인 개량형의 CSSR이 사용되었다. 이 재료는 C 당량이 낮아졌다(CEiiW : 0.409).
1992년 Ruhrgas에서는 CSSR의 C과 Mn을 약간 증가시키고 나머지 성분은 변경하지 않은 두께가 19.3mm이고 직경이 48″인 파이프(X80)를 사용하였다(CEiiW : 0.435).


2) X100의 개발
TM 압연(Thermo Mechanical Rolling)과 가속냉각 기술을 사용하지 않고, 종래의 기술을 응용하여 X100 판재의 제조에 성공하였다.
이 재료의 C량은 CSSR보다 낮으나 C당량은 약간 높다(CEiiW : 0.419). 그럼에도 불구하고충분한 원주 용접성을 갖고 있어 우수한 인성을 지닌다.
이상적인 냉각조건을 선택하여 제조하였으며, 현재의 압연과 냉각설비의 잠재능력을 최대로 높여 주었다.
X100은 수동 용접과 기계화된 야외 용접(Mechanized Field Welding)에서 매우 양호한 특성을 보였는데, 이는 X100 재료의 C량이 낮기 때문이다.

나. 심해용 라인 파이프

1993년에 오만에서 인도까지 3,500m의 심해 파이프라인이 설치되었다.
파이프의 크기는 외경 28″, 두께 41mm이며, 350bar의 고압에서도 붕괴되지 않는 Collapse 강도가 요구되었다. Collapse 강도에는 기계적인 강도와 파이프의 형상이 관련되어 있다. 파이프의 둘레방향으로 균일하게 높은 강도가 분포되어 있을수록 Collapse의 위험성이 낮아진다.
해양에는 X70(Non-Sour)이 사용되고 있으며, 매우 높은 인성치를 요구하고 있다. 모재의 경우는 -10℃에서 평균값이 200J, 개별값이 150J이다. 용접부의 경우는 -10℃에서 평균값이 100J, 개별값이 75J이다. DWTT 시험과 CTOD 시험도 규정되어 있다.
1995년에 1,000m의 용접성의 평가가 실시되었다.

파이프의 두께/외경의 비율이 매우 높아 파이프를 성형하는데, Crimping Press, U-ing Press, O-ing Press와 같은 확관용 공구가 필요하다. 파이프 제조시 발생하는 형상과 강도 등의 분산은 파이프의 collapse 강도에 영향을 주게 된다. 두꺼운 파이프의 경우 압축 항복 강도의 영향이 매우 크다.

다. 사워 분위기용 라인 파이프

부식성 황화가스를 함유하는 사워가스(Sour Gas) 분위기에서 사용되는 새로운 파이프로 매우 양호한 인성과 수소 유기균열에 대한 저항성(내HIC)을 갖는다. 재료의 화학성분을 작게 하여 강의 경화지수(Hardenability)를 낮춘다.
강의 청정도를 높여서 수소유기균열을 일으키는 개재물과 침전물의 생성을 피한다. 파이프의 성분설계와 제강 및 후판 압연단계의 공정조건을 최적의 조건으로 설계하여 강도와 용접성 및 성형성 등의 특성을 얻는다. 후판 압연에서 가속냉각 공정을 사용하면 강의 조직을 보다 균일하게 만들고 수소 유기 균열에 대한 저항성을 향상시켜 준다.
페라이트-펄라이트 밴드를 없앤 페라이트-베이나이트 조직이 주류를 이룬다.
수소 유기균열을 실시한 시료의 단면에서 발생하는 모든 균열군의 크기를 길이와 폭으로 측정하여 3종류의 평가지수(CLR, CTR, CSR)를 도출하여 균열방생 정도를 정량화한다.

1) X65
X65 사워가스용 파이프는 C, Mn, S의 편석을 적게하여 수소유기 균열에 대한 저항성을 높였으며, V과 Nb를 첨가하여 기계적 성질을 얻었다.
NACE 조건(TM0286-96, pH=3, 1bar H2S)에서 수소 유기균열에 대한 시험결과 규정의 요구조건을 모두 만족하였다. 실험실 규모의 실험(96시간)과 실물 크기의 실험(90일, 2,160시간)에서 내HIC 강은 엄격한 조건에서도 균열과 블리스터(Blister : 강재표면 가까이에 위치한 개재물로부터 균열이 발생하면 내부에서 작용하는 수소압력에 의해 표면이 국부적으로 부풀어 오르는 현상)가 발생하지 않았다.

2) X70
미세조직의 제어와 고용 강화를 통해 강도를 높이기 위하여 X65 파이프 재료인 Nb, V계 강에 Cu, Ni, Cr, Mo 등을 첨가한다(CEiiW : 0.39). Nb를 증가하고 Ti를 첨가한다(CEiiW : 0.32). Nb는 오스테나이트의 고용량 이상으로 첨가하여 석출 경화를 일으키고, Ti는 N을 고정시켜 NbC의 석출을 억제하여 Nb의 고용강화를 도와준다.
X70 사워가스용 파이프의 수소 유기균열에 대한 저항성은 30mm 두께의 내HIC용 후판으로 가속냉각을 적용할 때는 주의가 필요하다. 이러한 후판이 U-ing Press, O-ing Press 확관 공정을 거쳐 30″ 파이프로 성형된다.
모재와 용접부에 대하여 NACE 조건(TM0286-96, A용액(pH=3), 1bar H2S)에서 수소 유기균열을 시험한 결과 <표 1>과 같이 규정의 요구조건을 모두 만족하였다.

라. 클래드(Cladding) 파이프

내식성이 우수한 고합금 오스테나이트인 Incoley 825와 고강도 탄소강(Microallyed C-Mn Steel)을 결합하여 만든 파이프로 생산 비용이 낮다. 샌드위치형 또는 폭발 압착형의 강판으로 제작하며, 기판과 클래드와의 밀착성이 매우 중요하다. 클래드 슬라브의 최초 압연은 오스테나이트의 재결정 온도보다 조금 높은 온도에서 60%의
압하율로 실시하여 미세한 오스테나이트 조직을 얻는다.
최종 압연은 Ar3 위의 오스테나이트 미재결정 온도 영역에서 실시하여 미세 변태조직을 얻는다. Nb를 첨가하면 오스테나이트의 재결정이 지연된다.파이프의 생산과정에서 길이 방향으로의 용접공정은 다음과 같다.
파이프 외면의 고강도 탄소강 용접부는 Mn-NiMo 또는 Mn-Mo 계통의 와이어를 2개 이상 사용하는 서브머지드 아크 용접(Multi-wire SAW)으로 2패스를 용접한다.
파이프 내면의 Incoley 825 용접부는 Incoley 625의 스트립(Strip)을 사용하는 일렉트로 슬래그 용접(Electro Slag Welding)으로 1패스를 용접한다. 스트립 용가재를 사용하면 용접시 희석률(Dilution)이 매우 낮아 용가재와 거의 동일한 수준의 화학성분을 갖는 용착금속이 얻어지며 이 결과 용접부의 내식성을 높일 수 있다.


3. 결론

미국과 유럽의 석유 메이저들은 이미 차세대의 고강도 라인파이프에 대한 개발을 모색하고 있다.

4. 전문가 제언
석유나 천연가스를 운반하는 송유관은 외부는 해수와 진흙, 사막, 토양에 노출되며 표면온도는 시베리아의 혹한에서 사막의 열대 기온의 범위에 놓인다. 또한 진흙이나 토양속에 존재하고 있는 황화 박테리아에 의해 발생하는 H2S 가스를 함유한 부식성 분위기에서 사용되는 라인 파이프에 수소가 침투하여 수소취성과 수소 유기균열이 발생할 가능성이 높다.
현재 우리나라의 동해에 매장되어 있는 천연가스를 채굴하여 육지로 수송하기 위한 라인 파이프와 앞으로 러시아의 이루크츠크 가스전에서 중국과 북한을 거쳐 국내로 천연가스를 도입하는 대형 사업의 건설에 사용될 라인 파이프의 용접부는 해수 분위기에서의 내식성과 혹한 분위기에서의 저온인성을 충분히 확보하는 것이 필수적이다.
H2S 가스를 함유한 원유 또는 천연가스 수송용으로 사용하는 라인 파이프와 용접부가 응력을 받게 되면 표면에 존재하고 있는 산화막이 파괴되어 수소의 농도가 증가하게 된다. 따라서 파이프 재료와 용접부에 대한 기계적 성질 실험을 하는 경우 재료에 가해지는 동적인 소성 변형에 관심을 두어야 하며, 수소 유기균열에 대한 평가지수(CLR, CTR, CSR)를 토대로 라인 파이프의 수명을 설계해야 한다.
석유나 천연가스의 송유관으로 개발되고 있는 고강도 라인 파이프 또는 마르텐사이트계 스테인리스강 라인 파이프의 국내 수요와 해외 수출을 위한 국산화 개발을 달성하기 위해서는 파이프 모재와 용접부의 부식과 균열의 방지를 위한 기술개발이 이루어져야 한다.
특히, 용접부의 방식, 용접재료, 용접 시공을 포함하는 용접기술 분야의 연구개발이 필수적이다.
본 내용에서 제공하는 EUROPIPE社의 기술개발에 관한 내용은 향후 국내의 라인 파이프 개발과 용접·방식 분야의 내실있는 연구개발에 좋은 참고자료로 활용될 것으로 생각된다.

 

 

관리자 기자
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