FCAW 다층 용 후 표면 GTAW 용 시

표면 용 부에서 생성된 고착 슬래그 분석

김 정 민․김 남 규․김 기 동․박 지 홍

한용 ･ 합학회지 제33권 5호 별책

2015. 10

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Journal of Welding and Joining, Vol.33 No.5(2015) pp14-19http://dx.doi.org/10.5781/JWJ.2015.33.5.14

14

FCAW 다층 용 후 표면 GTAW 용 시 표면 용 부에

생성된 고착 슬래그 분석

김 정 민*․김 남 규*․김 기 동*․박 지 홍*

*한국기계연구원 부설 재료연구소

Analysis of Adhesive Slag Formed on Weld Metal Surface of GTAW Welding after Flux Cored Multi-Pass Welding

Jung-Min Kim*, Nam-Kyu Kim*, Gi-Dong Kim* and Ji-Hong Park*

*Korea Institute of Materials Science (KIMS), Changwon 642-831, Korea

†Corresponding author : kjm85@kims.re.kr(Received October 16, 2015 ; Accepted October 22, 2015)

Abstract This study has been performed to investigate the adhesive slag at GTAW weld zone after FCAW multi-pass welding. The cause of adhesive slag formation was examined using optical microscope, field emission scanning electron microscope(FE-SEM) and XRD analysis. The results obtained in this experiment are summarized as follows. Slag of GTAW weld zone surface during welding were formed by mixing the presence of slag in FCAW weld zone. While the slag cools, Cr-spinel phase were formed due to reactions in slag/metal interface. Also, a Cr moves form the weld metal to the slag to strong affinity between oxide atoms and Cr atoms. Hence, detachability of slag was exacerbated by decreasing the interfacial tensions between slag and weld metal.

Key Words : GTAW, FCAW, Adhesive slag, Inclusion, Cr-spinel phase, Interfacial tension

특집논문ISSN 1225-6153

Online ISSN 2287-8955

1. 서 론

용 구조물의 형화에 따른 후 사용의 증가로 인

하여 용 공정에서의 작업성의 향상이 요구되고 있다.

따라서 높은 생산성과 모든 용 자세가 가능하며 자동

반자동의 용이 용이한 FCAW 용 기술의 용이

증가하고 있다.1,2)

그러나, FCAW 용융부의 낮은 충격특성으로 원자력

발 소 건설에서의 FCAW 용 기술의 용은 제한되었

다. FCAW 용융부의 충격특성이 향상된 용 재료가 개

발된 후, 한울 원자력발 소 5, 6호기 CLP(Containment

Liner Plate), SLP(Stainless Steel Liner Plate)등 구조

물 용 에 FCAW 용 기술이 최 로 용되었다. 재

원자력 발 소 건설에서의 FCAW 용 기술의 용범

는 TGB(Turbine Generator Building) 구경 배

Headplate 용 등으로 확 되고 있다.3,4)

용 부에 결함이 발생하여 보수가 필요한 경우, 동일

한 용 공정을 용하여 보수하는 것이 일반 이나 다른

용 공정을 용하여 보수용 을 수행하는 경우도 발생

한다. 특히, 보수용 이 이루어지는 공간이 소한 경우

는 용 부 일부분에만 수정이 필요한 경우에는

부분 수동(manual)으로 보수용 을 수행하고 있다.

FCAW 용 부에 한 보수용 에서는 좁은 부 의

보수 용 이 용이하고 용 부의 기계 성질이 우수한

GTAW 용 기술이 용되고 있다.5,6)

그러나 FCAW

용착 속에 생성된 결함을 GTAW 용 기술을 용하

여 보수용 을 하는 경우, 최종 GTAW 용 비드 표면

에 제거가 용이하지 않은 고착 슬래그가 생성될 수 있

다. 이러한 고착 슬래그의 제거를 해 추가로 기계

연마를 수행함으로 용 부 품질 하 보수 기간 증

가 등의 문제 이 발생하게 된다.7)

FCAW 다층 용 후 표면 GTAW 용 시 표면 용 부에 생성된 고착 슬래그 분석

한용 ․ 합학회지 제33권 제5호, 2015년 10월 399

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GTAW FCAW

Voltage (V) 12 - 18 24 - 31

Current (A) 130 - 230 170 - 230

Welding Speed (cm/min) 11 - 18 19 - 28

Shielding gas 100% Ar 100% CO2

Flow Rate (ℓ/min) 15 - 20 15 - 20

Table 2 Welding condition of test coupon.

E308LT1-1 E308LC 0.02 0.01Cr 19.9 19.86Ni 10.1 9.64Mo 0.06 0.12Mn 1.44 1.87Si 0.68 0.4N 0.037 0.027P 0.019 0.025S 0.012 0.014

Table 1 Chemical composition of electrode.

Fig. 1 Macrographs of adhesive slag at GTAW weld zone.

(wt%)C Cr Ti Mn Si Al Ca O N

a 1.7 31.4 17.4 35.7 0.84 5.91 - 3.7 2.3b 2.11 9.8 14.9 27.8 24.9 10.2 3.2 4.3 2.5

Fig. 2 FE-SEM micrographs and EDS analysis results of the adhesive slag.

SAW FCAW 공정에서 발생되는 고착 슬래그에

한 연구는 일부 보고되었지만8,9) 특히, 보수용 과 같

은 복합 공정 용 부 표면에 생성되는 고착 슬래그에

한 연구는 미비한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 FCAW 용 부 에 GTAW 용

기술을 용하는 경우, GTAW 용 부의 표면에 생성되

는 고착 슬래그를 분석하여 생성 원인 과정을 분석하

다.

2. 사용 재료 본 연구에서 사용된 모재는 두께 100mm의 STS 304

후 을 사용하 으며, FCAW 용 재료는 E308LT1-1 Φ

1.2mm, GTAW 용 재료는 E308L Φ2.4mm를 사용하

다. 용 재료의 화학조성은 Table 1에 각각 나타내었다.

3. 실험 방법 실험 결과

3.1 실험 방법 3.2.1 시험재 용

V-groove로 개선된 STS 304 재를 GTAW를 용

하여 루트(root)부를 용 한 후, FCAW 다층 용 을 실

시하 다. FCAW 용 시에는 각 패스마다 용 비드에

생성되는 슬래그의 향을 최소화하기 하여 각각의

용 비드에 생성되는 슬래그를 기계 방법으로 완 히

제거하 다. FCAW 용 이 완료된 시험재 표면에

GTAW로 단층(5 Pass) 용 을 수행하 다. 시험재를 제

작하기 해서 사용된 각각의 용 조건은 Table. 2에 나

타내었다.

3.2.2 미세조직 찰 화학성분 분석

시험재의 최종 GTAW 단층 용 비드 표면에 생성

된 고착 슬래그는 마크로 미경으로 찰하 다. 각각

의 용 부 미세조직은 학 미경(Nikon, AM100)

계방사 미경(FE-SEM, Inspect F50)으로 찰하 으

며 고착 슬래그 개재물의 화학성분 분석에는

EDS(Apollo EDS)를 활용하 다.

XRD(X-ray Diffractometer, Rigaku Ultima Ⅳ)를 이

용하여 GTAW 단층 용 부 표면에 생성된 고착 슬래

그를 구성하고 있는 상을 분석하 다.

3.2 실험 결과 3.2.1 고착 슬래그 찰

FCAW 용 부 에 용된 GTAW 용 부 표면에

형성되는 고착 슬래그의 마크로 조직을 Fig. 1에 나타

Adhesive Slag

X1k

김 정 민․김 남 규․김 기 동․박 지 홍

400 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 5, 2015

16

Fig. 4 Optical micrographs of inclusion distribution at each weld zone

Fig. 3 XRD analysis result of surface at GTAW weld zone.

(wt%)Si Mn Ti Al O N Cr Ni Fe

a 4.5 25.9 10.4 4.2 1.8 1.2 27.6 2.6 19.5b 8.2 12.5 3.7 2.1 0.8 0.7 17.7 6.3 44.6

(wt%)Si Mn Ti Al O N Cr Ni Fe

a 8.5 16.0 2.5 2.3 0.9 - 16.2 6.0 42.4b 5.0 10.0 3.6 1.2 0.8 0.9 18.5 6.7 50.0

Fig. 5 FE-SEM and EDS analysis results of inclusion at FCAW multi-pass and final GTAW weld zone.

FCAW X4K

최종 GTAW X4K

내었다. Fig. 1과 같이 최종 GTAW 용 부의 패스경

계 비드 앙부에 고착 슬래그가 많이 형성된 것을

확인하 다.

고착 슬래그에 한 FE-SEM EDS 분석한 결과

를 Fig. 2에 나타내었다. 고착 슬래그는 Cr의 함량이 높

은 수지상을 Si의 함량이 높은 상이 둘러싸고 있는 것

으로 찰되었다. 용 부 표면 XRD 분석 결과 Fig. 3과

같이 Cr 함량이 높은 상은 Cr스피넬상(MnCr2O4)10-13),

Si 함량이 높은 상은 SiO2 CaAl2Si2O8로 각각 분석

되었다.

3.2.2 용 부 개재물 럭스 찰

최종 GTAW 용 부에 생성된 고착 슬래그의 생성

원인을 알아보기 해 층 GTAW 용 부, FCAW 용

부 최종 GTAW 용 부의 미세조직을 찰한 결

과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4 (a)와 같이 층

GTAW 용 부에는 개재물이 찰되지 않았다. 반면,

Fig. 4 (b)에 나타낸 FCAW 용 부에는 다수의 구형 개

재물이 찰되었다. 이 같은 개재물은 FCAW 용 공정

에서 차폐가스로 사용된 CO2의 분해로 생성된 산소와

합 원소와의 반응으로 구형의 개재물이 생성된 것으로

단된다.14-17)

Fig. 4의 (c)의 최종 GTAW 용 부에서는 층

GTAW 용 부(Fig.4 (a))에는 존재하지 않은 개재물이

찰되었다. FCAW 용 부와 최종 GTAW 용 부의

개재물을 FE-SEM EDS 분석한 결과를 Fig. 5에 나

타내었다. FCAW 용 부와 최종 GTAW 용 부에 존

재하는 개재물은 오스테나이트 입내에 구형으로 존재하

는 것을 확인하 다. 한 EDS 분석 결과 FCAW 용

부와 최종 GTAW 용 부에 존재하는 개재물은 Si, Al,

Mn Ti의 함량이 높은 유사한 화학 조성을 나타내었

20 30 40 50 60 70 80 90 100

2θ

(c)-GTAW

(b)-FCAW

(a)-GTAW

(a)

(c)(b)

FCAW 다층 용 후 표면 GTAW 용 시 표면 용 부에 생성된 고착 슬래그 분석

한용 ․ 합학회지 제33권 제5호, 2015년 10월 401

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(wt%) Cr Si Mn Al Ti O Ca

a 49.0 2.9 29.7 5.2 9.5 1.2 -b 4.0 35.5 32.8 10.9* 13.1 2.2 3.2

Fig. 7 FE-SEM and EDS analysis result of weld surface/ adhesive slag interface.

Fig. 8 Line EDS analysis result of weld surface/adhesive slag interface.

Fig. 9 EDS Mapping analysis result of weld surface/ adhesive slag interface. (a) adhesive slag free surface (b) adhesive slag surface

(wt%)Ti Mn Si Al K O N Na Fe Mg49.3 12.3 6.0 5.6 1.6 2.8 4.0 2.2 13.9 1.3

Fig. 6 EDS analysis result of FCAW flux.

으며, FCAW 용 의 럭스만을 채취하여 EDS 분석

한 결과(Fig. 6), Fig. 5에서 용 부에 존재하는 개재물

과 같이 Ti, Mn, Si Al의 함량이 높게 나타났다. 따

라서 최종 GTAW 용 부에 존재하는 개재물은 FCAW

용 부에 생성된 개재물이 최종 GTAW 용 에 혼입

된 것으로 단된다.

3.2.3 용 부/슬래그 계면 찰

최종 GTAW 용 부에 생성된 고착 슬래그의 박리성

이 악화된 이유를 알기 해서 용 부와 고착 슬래그의

계면을 FE-SEM EDS 분석한 결과를 Fig. 7에 나타

내었다. 용 부와 슬래그의 계면을 분석한 결과 고착 슬

래그는 Fig. 2의 결과와 같이 Cr의 함량이 높은 수지상

의 Cr 스피넬상과 Si의 함량이 높은 상이 찰되었다.

Cr 스피넬상은 용 부 표면에서 슬래그 방향으로 성장

하여 불규칙한 계면을 형성하고 있었다. 한 슬래그로

부상하지 못한 구형의 개재물이 GTAW 용 부 내부에

서도 찰되었다.

용 부와 고착 슬래그의 계면을 Line EDS 분석한

결과 Fig. 8과 같이 수지상의 Cr 스피넬상에서 Cr의 함

량이 높게 분석되었다. 한 최종 GTAW 단층 용 부

와 고착 슬래그의 경계에서 용착 속보다 높은 Cr 함량

을 나타내었다.

이 같은 상은 용 부와 고착 슬래그의 계면을 EDS

Mapping한 결과인 Fig. 9에서 뚜렷하게 찰할 수 있었

X1k

X15k

Cr

MnFe

Cr

MnFe

(a)

(b)

Interface

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Length(μm)

700

600

500

400

300

200

100

0

AISiCaTiCrMn

김 정 민․김 남 규․김 기 동․박 지 홍

402 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 5, 2015

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Equation 1 Equation of quantify slag adhesion.

W = σm +σS - σsmW = Work of adhesionσm = surface tension of weld metalσS = surface tension of slagσSm = interfacial tension of weld metal and slag

Equation 2 Chemical reaction.

1) 2Cr2O3 + 2Si = 4Cr + 3(SiO2)

2) Cr2O3 + Mn = 2Cr + 3MnO

다. 고착 슬래그가 생성되지 않은 최종 GTAW 용 부

는 Fig. 9 (a)와 같이 표면은 균일한 Cr 함량을 보 다.

반면에 고착슬래그가 생성된 최종 GTAW 용 부의 표

면에서는 Fig. 9 (b)와 같이 Cr 결핍 구역이 찰되었으

며, 용 부와 고착 슬래그의 계면에서는 Cr 과다 구역

이 찰되었다. Cr 결핍구역은 최종 GTAW 용 한 후

FCAW 용 부에 존재하는 개재물의 혼입으로 생성된

슬래그와 용착 속간의 반응으로 산소와의 친화력이 높

은 Cr이 슬래그로 확산하여 용 부의 표면에서 결핍구

역이 찰된 것으로 단된다.9,12,18-20)

4. 실험 고찰

4.1 고착 슬래그의 박리성 악화 원인 최종 GTAW 용 부의 표면에 생성된 슬래그가 박리

성이 악화된 이유는 슬래그와 GTAW 용착 속간의 반

응 때문으로 단된다. 최종 GTAW 용 한 후 FCAW

용 부의 개재물 혼입으로 생성된 산소 함량이 높은 슬

래그와 GTAW 용착 속간의 계면을 형성하게 된다. 계

면의 형성은 냉각되면서 산소의 함량이 높은 슬래그와

용착 속의 반응으로 Cr이 슬래그로 확산하게 된다. 이

는 Cr이 산소와의 친화력이 매우 크고 높은 온도에서의

높은 확산계수로 확산이 용이하여 계면에 Cr 과다

결핍 구역이 찰된 것으로 단된다.21)

용착 속의 Cr이 슬래그로 확산하여 최종 GTAW

용착 속과 슬래그와의 계면에서 Cr 과다 구역이 형성

되며 슬래그와 용착 속간의 화학반응으로 Cr 스피넬상

이 생성된다. 이같이 생성되는 Cr 스피넬상으로 인하여

용착 속과 슬래그의 계면에 지는 감소하게 된다.9,22-25)

계면에 지의 감소가 슬래그의 박리성에 미치는 향

은 Equation 1에서 설명이 가능하다.9,26) Equation 1은

슬래그의 합력을 나타내는 식으로 계면에 지가 감소

하면서 슬래그의 박리성은 악화된다. 따라서 슬래그와

용착 속간의 반응으로 생성되는 Cr 스피넬상으로 인하

여 계면에 지는 감소하게 되고 슬래그의 박리성은 악

화된다.9,27-29)

한 생성된 Cr 스피넬상은 Si Mn의 함량이 높게

나타난 슬래그와 Equation 2의 1), 2) 화학반응으로 국

한 인 고갈이 일어나게 된다.9.30) 이러한 국한 인 고갈

은 Cr 스피넬상과 슬래그와의 불규칙 계면을 형성하게

되고 용착부와 슬래그의 화학결합으로 슬래그의 박리성

이 더욱 악화시키는 것으로 단된다.

5. 결 론 FCAW 용 후 최총 GTAW 용 으로 표면에 생성

되는 고착 슬래그의 생성 원인 과정을 연구한 결과

다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 고착 슬래그의 생성 원인은 최종 GTAW 용 시

FCAW 용 부에 존재하는 개재물의 혼입 재용해로

생성되었다.

2) 최종 GTAW 용 후 냉각되는 과정에서 생성된

산소 함량이 높은 슬래그로 용착 속의 Cr이 확산하여

용 부와 슬래그의 계면에 Cr 스피넬상이 생성되어 낮

은 계면장력으로 인하여 슬래그의 합력이 상승하여

슬래그의 박리성이 악화되었다.

3) 최종 GTAW 용 부와 슬래그의 계면에서 Cr 스

피넬상과 슬래그와의 화학반응으로 국한 인 고갈로 인

한 불규칙 계면의 형성으로 슬래그의 박리성이 악화되

었다.

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∙김정민

∙1985년생

∙재료연구소

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∙김기동

∙1982년생

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