KR100387595B1 - 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접을 할 때 용접속도와 갭 및 보호가스와 같은 주요 용접변수를 최적화함과 아울러 혼합조직으로 변화시키게 되는 필러 와이어(Filler wire) 등을 사용하여 용접금속의 미세조직을 제어함으로써 별도의 예열공정을 거치지 않고도 연성을 부여할 수 있게한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법에 관한 것으로,

즉, 레이저 출럭 5kW, 용접속도 1.2m/min의 용접조건에서 맞대기 이음부의 갭이 0.2~0.3mm에서 309L 오스테나이트계 필러 와이어(Filler wire)를 사용하고, 공급속도는 2.0~3.0m/min 조건으로 15% 이상의 Filler wire 희석율을 만족시키도록 용접함으로써, 용접금속의 미세조직을 마르텐사이트에서 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트+마르텐사이트로 변화되게 하여 연성을 부여하게 된 것이다.

Description

고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법{Laser Welding Method In Martensitic Stainless Steel Of High Carbon}

본 발명은 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법, 보다 상세하게는 레이저 용접을 할 때 용접속도와 갭 및 보호가스와 같은 주요 용접변수를 최적화함과 아울러 혼합조직으로 변화시키게 되는 필러 와이어(Filler wire) 등을 사용하여 용접금속의 미세조직을 제어함으로써 별도의 예열공정을 거치지 않고도 연성을 부여할 수 있게한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로, 마르텐사이트계 스테인리스강은 열처리 상태에서 BCT(체심정방격자) 결정학적 구조를 갖는 Fe-Cr-C 합금계로서, 통상 마르텐사이트의 합금조성은 급냉과 뜨임 처리로 고강도 및 경도를 얻을 수 있도록 설계되어 있다.

이러한 열처리 공정에 의해 마르텐사이트계 스테인리스강의 조직은 탄소강 및 저합금강과 동일하게 변화하며, 최대 강도 및 경도 또한 C함량에 좌우된다.

비록 마르텐사이트계는 Cr함량이 11~18% 범위로서 일부 페라이트계 스테인리스강과 유사하나, 상대적으로 C함량이 높기 때문에 고온(980℃)에서 델타 페라이트로부터 오스테나이트로 변태한 다음, 연속적인 빠른 냉각에 의해 오스테나이트가 경한 미르텐사이트로 변화한다. 그러므로 용접중 열 영향부에 부가되는 급열·급냉의 열 사이클은 이러한 급냉처리와 동일하며 열영향부 조직은 경한 마르텐사이트로 된다.

한편, 마르텐사이트계 스테인리스강의 열 영향부는 고탄소(C)의 마르텐사이트 조직으로서, 강도 및 경도는 매우 높아 취성이 매우 크다. 또 가열된 용접부에서 마르텐사이트인 열 영향부의 주위가 용접금속과 동등한 속도로 수축할 수 없다면, 균열이 발생할 수도 있다. 이외에도 BCT의 결정학적 특성에 의해 수소에 의한 저온균열 감수성도 매우 높다.

상기 고탄소(C)의 마르텐사이트계 스테인리스강의 용접은 기존의 아크 용접방법을 적용할 수 있으나, 용접부의 품질을 확보하기 위해서는 예열과 용접부 후열처리가 수반되지 않으면 안된다.

즉, 고탄소(C)의 마르텐사이트계 스테인리스강은 용접 경화성이 높기 때문에 저온균열의 방지 목적으로 통상 200~300℃의 예열이 필요하며, 용접부의 잔류응력완화와 경도 저하 및 인성 향상을 위해 650~750℃의 후열처리가 요구된다.

따라서 고탄소(C) 마텐사이트계 스테인리스강은 스테인리스강 중 용접가공이 가장 까다롭다고 할 수 있으며, 이러한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 용접부 품질을 확보하기 위해서는 가능한 한 저입열 용접에 의한 용접부 단면적의 감소가 유리하다.

즉, 용접 금속 및 열 영향부에 생성되는 고탄소(C) 마르텐사이트는 고 경도이기 때문에 부위가 적을수록 취화 발생 가능성도 줄어든다고 할 수 있다. 그 결과 동일한 두께를 용접하는데, 아크 용접보다 저입열 용접이 가능한 레이저 용접방법이 가장 적합하다고 할 수 있다. 물론 레이저와 같이 고밀도 열원을 사용하는 전자 빔 용접도 가능하지만, 진공상태에서 용접이 실시되기 때문에 범용적으로 사용하는데는 제약이 있다.

그러나 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접부는 비록 저입열에 의해 고정도의 열 영향부 면적을 최소화 하더라도, 용접금속에 생성된 고탄소 마르텐사이트는 용접부의 연성을 저하시킨다.

결국, 레이저 용접부도 연성을 만족시키기 위해서는 적어도 후열처리가 필요하게 되어, 실제 용접시 많은 어려움을 초래되는 문제점이 있었다.

따라서 레이저 용접부에 대해 예·후열 과정을 거치지 않고 연성을 확보하기 위해서는 우선적으로 레이저 용접금속의 미세조직 제어가 필수적이고, 이를 위해서는 용접속도와 갭 및 보호가스와 같은 주요 변수의 최적화와 필러 와이어(Filler wire)의 선택 및 사용기술 등이 함께 정립해야 될 필요성이 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 레이저 용접에 따른 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 레이저 용접부에 대해 예열과 후열 과정을 거치지 않고 충분한 연성을 부여할 수 있는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 출럭 5kW, 용접속도 1.2m/min의 용접조건에서 맞대기 이음부의 갭이 0.2~0.3mm에서 309L 오스테나이트계 필러 와이어(Filler wire)를 사용하고, 공급속도는 2.0~3.0m/min 조건으로 15% 이상의 Filler wire 희석율을 만족시키도록 용접함으로써 용접금속의 미세조직을 마르텐사이트에서 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트+마르텐사이트로 변화시켜 연성을 부여함을 특징으로 한다.

도 1은 샤플러 조직도에 의한 용접금속의 미세조직 예측방법을 나타낸 선도,

도 2는 맞대기 이음부 캡과 Filler wire 공급속도에 따른 Filler wire의 희석율을 입체적으로 나타낸 선도,

도 3은 용접조건 및 Filler wire사용조건에 따른 용입형상 및 희석율과의 관계를 나타낸 선도이다.

이하, 본 발명의 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법을 상세히 설명한다.

본 발명은 탄소함량이 0.3%(중량)인 마르텐사이트계 스테인레스강(KS 규격, STS 420J2에 상당)에 대한 레이저 용접부의 연성을 향상시키기 위해, 시판의 309L또는 Ni계의 Inconel 82 Filler wire(직경 0.9mm)를 사용하고, Filler wire의 희석율(단위 길이당 Filler wire가 용융된 량/용접금속의 체적)이 15% 이상이 되도록, Filler wire공급속도를 2.0~3.0 m/min 조건으로 레이저 용접을 실시하여 용접금속의 미세조직을 마르텐사이트에서 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트+마르텐사이트의 혼합조직으로 제어하는 것이다.

먼저 Filler wire을 사용하는 이유를 설명한다. 앞서 언급한 바와 같이 레이저 용접부의 취화는 용접금속의 고탄소 마르텐사이트 조직에 기인하므로, 이것을 탄소 고용도가 상대적으로 크고, 또 기계적 성질이 양호한 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트와 마르텐사이트(페라이드)의 혼합조직으로 변화시킬 수 있다.

이것은 도 1의 샤플러 조직도와 같이 모재와 309L, Inconel 82 Filler wire의 화학조성을 직선으로 연결해 보면 이해할 수 있다. 즉 용접금속의 화학조성은 이들 직선상에 있고, Filler wire의 공급속도(희석율, 용접금속내의 Filler wire용융량)에 따라 용접금속의 미세조직이 변화한다.

예를들면 309L을 사용한 경우, Filler wire의 공급조건에 따라 용접금속은 마르텐사이트 조직에서 오스테나이트+마르텐사이트, 오스테나이트+페라이트의 혼합조직으로 변화시킬 수 있다. 또 Inconel 82는 Filler wire의 희석율이 증가할수록, 마르텐사이트에서 오스테나이트+마르텐사이트, 오스테나이트 단상으로 변화하게 된다. 여기서 샤플러 조직도 내의 모재 및 Filler wire의 위치는 각각의 화학조성으로부터 Creq(=% Cr+% No+1.5 % Si+0.5% Nb), Nieq(=% Ni+0.5% Mn+30% C)를 계산한 것이다. 이로부터 309L또는 Inconel 82 Filler wire를 사용하면, 용접금속의 미세조직을 요구품질에 부합할 수 있도록 변화시킬 수 있다.

그러나 도 1의 샤플러 조직도에 나타낸 바와 같이 용접금속을 기계적 성질이 양호한 미세조직으로 충분히 변화시키기 위해서는 Filler wire의 공급속도, 즉 희석율이 15%이상이 되도록 관리하는 것이 중요하다.

도 2는 레이저 출력과 용접속도를 일정하게 하고, 맞대기 이음부의 갭, Filler wire 공급속도에 따른 모재의 희석율 변화를 나타낸 것이다. 여기서 갭과 Filler wire 공급속도가 증가할수록 모재의 희석율은 감소하고 있다. 동일한 용접조건에서 모재의 희석율이 감소한다는 것은 용접금속의 단위체적당 Filler wire의 희석율(용융량)이 증가한다는 것과 같다.

따라서 STS 420J2의 용접금속의 미세조직 관찰 결과로부터, 모재의 희석율이 85% 이하(Filler wire의 희석율은 15%이상)에서 용접금속은 오스테나이트 단상(Inconel 82) 또는 오스테나이트와 마르텐사이트의 혼합조직(309L)을 얻을 수 있다.

Filler wire의 종류 및 공급속도에 따른 레이저 용접부의 연성을 90°반복 굽힘시험으로 평가한 결과를 다음 표 1에 나타냈다.

시험재(mm)	레이저출력(kW)	용접속도(m/min)	갭(mm)	Fillerwire	Filler 공급 속도(m/min)	90°반복 굽힘 시험결과(회)
420J2(0.3C-11Cr)	5	1.2-1.5	0.2	사용안함	-	1
				309L	2.0	12
					3.0	14
					4.5	8
				Inconel 82	2.0	9
					3.0	9
					4.5	6

여기에서 확인할 수 있는 바와 같이, Filler wire을 사용하지 않은 용접부는 단 1회의 반복 굽힘으로 파단이 발생한 반면, 시판의 309L과 Inconel 82를 사용한경우는 Filler wire의 공급속도에 따라 최저 6회에서 최대 15회에서 파단이 발생했다. 또 파단 위치도 Filler wire를 사용하지 않은 용접부는 용접금속인 반면, Filler wire를 사용한 경우 모두 용접열영향부에 인접한 모재였다.

따라서 Filler wire를 사용하여 용접금속의 미세조직을 변화시킨 경우, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접부 연성이 향상되었음을 확인할 수 있다.

한편, Inconel 82보다 309L을 사용한 레이저 용접부의 연성이 상대적으로 우수했는데, 그 원인은 Inconel 82의 용접금속은 오스테나이트 단상으로써 용접금속의 중심부에 미세한 응고균열이 발생했기 때문이다.

또 309L과 Inconel 82, 모두 공급속도가 4.0m/min으로 증가함에 따라 용접부 연성은 오히려 감소했다. 이것은 주어진 맞대기 이음부의 갭 조건에서 Filler wire의 공급속도가 지나치게 증가하면, 용접금속의 형상, 즉 표·이면 비드가 필요 이상으로 돌출하여 반복 굽힘시험시 용접부 노치로 작용하여 연성을 저하시켰기 때문이다.

도 3은 맞대기 이음부의 갭과 Filler wire공급속도에 따른 용접금속의 형상 및 모재의 희석율을 나타낸 것으로, 여기서 용접금속의 형상은 갭과 Filler wire 공급속도와 밀접한 관계가 있다. 즉, 갭이 적을 수록 Filler wire의 공급속도를 감소시켜야 하며, 반면에 갭이 크면 Filler wire의 공급속도도 증가시켜야 한다.

또 갭과 Filler wire 공급속도가 증가할 수록, 모재의 희석율은 감소(Filler wire 희석율은 증가)한다. 따라서 맞대기 이음부의 갭을 0.2~0.3mm에서 Fillerwire공급속도를 2.0~3.0m/min 조건으로 용접하면, 양호한 용접금속 형상을 얻을 수 있고, 또 용접부 연성을 향상시키는데 필요한 Filler wire의 희석율을 15%이상 확보할 수 있는 것이다(모재는85%이하).

결국, 0.3%의 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 레이저 용접부 연성을 향상시키기 위해서는 309L Filler wire를 사용하고, 15% 이상의 Filler wire희석율을 얻도록 2.0~3.0m/min 공급속도로 용접하면, 용접금속의 미세조직을 오스테나이트+마르텐사이트 혼합조직을 변화시켜 용접부 연성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법은 용접속도와 갭 및 보호가스와 같은 주요 용접변수를 최적화함과 아울러 혼합조직으로 변화시키게 되는 필러 와이어(Filler wire) 등을 사용하여 용접금속의 미세조직을 제어함으로써 별도의 예열공정을 거치지 않고도 용접부에 연성을 부여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 레이저 출럭 5kW, 용접속도 1.2m/min의 용접조건에서 맞대기 이음부의 갭이 0.2~0.3mm에서 309L 오스테나이트계 필러 와이어(Filler wire)를 사용하고, 공급속도는 2.0~3.0m/min 조건으로 15% 이상의 Filler wire 희석율을 만족시키도록 용접하여, 용접금속의 미세조직을 마르텐사이트에서 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트+마르텐사이트로 변화되게 하여 연성을 부여함을 특징으로 하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 레이저 용접방법.