사용된 재료는 STS316L과 INCOLOY 825 소재로 두께는 2종류 모두 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm 두께의 판재를 사용하였다. INCOLOY825 합금은 Mo, Cu, Ti를 포함하는 Ni-Fe-Cr계 합금으로써 다양한 분위기에서 전면 또는 국부부식에 강한 합금이다. 이 합금은 LNG 선박용 벨로우즈 및 화학처리설비, 공해처리설비, 기름 및 가스환원설비, 산제조설비, 산세설비, 핵연료재처리 및 방사능폐기물설비 등에 다양하게 사용되고 있다. 또한 이 합금은 극저온에서부터 약 500℃까지의 넓은 온도범위에서 양호한 기계적 특성을 보유하고 있다. 상온에서의 충격특성은 모재의 경우 107 J을 나타내고, 용접열영향부에서는 약 60 J정도를 나타내며, 특히 극저온 상태인 –196℃에서도 91 J을 나타내는 우수한 인성을 가진 재료이다^〔6-8〕. Table 1에 STS316L과 INCOLOY 825 소재의 화학조성을 나타내었다.

본 연구에서는 용접성 평가를 위하여 인장강도를, 성형성 평가를 위하여 에릭센 시험을 실시하였다. 인장시험편은 KS B 0802:2003 규격에 의거하여 5호 시험편으로 제작하였으며, 에릭센 시험을 위하여 플라즈마 용접된 시험편의 크기를 90×90mm 크기로 제작하였다. 용접은 플라즈마용접기를 사용하여 제살용접을 실시하였으며, 예비시험을 통하여 판 두께별로 도출된 건전한 용접부를 얻을 수 있는 조건범위 내에서 용접전류와 용접속도를 변화시켜가며 시험편을 제작하였다. 에릭센 시험에 사용된 장비의 기본 사양은 3~600 kN의 hold force, 380VAC, 60Hz이며, 사용온도는 5~50℃이다. 평가는 시험편을 10kN의 홀딩력(holding force)으로 잡고 펀치속도(punch velocity)를 0.5mm/s으로 하여 성형을 하였으며, 실험실 온도는 RT (20℃)의 조건에서 실시하였다. 에릭센 시험은 소재 두께별로 전류와 속도를 변화시켜서 총 36가지의 용접조건에 대하여 실시하였다. 에릭센 시험방법의 모식도를 Figure 1에 나타낸다^〔9〕.

Figure 1: 
Schematic illustration of Erichsen test.

Table 2는 STS316L 과 INCOLOY 825의 모재와 용접부에 대한 인장시험 결과를 보인 것이다. 시험값은 0.8mm 두께의 시험편 5개에 대한 평균이며, 용접부에 대한 값은 용접전류와 용접속도를 변화시켜가며 제작한 시험편에 대해 최적의 용접조건에서 얻은 측정값이다. 인장시험 결과 STS316L과 INCOLOY 825 용접시험편은 모두가 용접 용융부와 열영향부(HAZ) 경계에서 파단되었다. STS316L 모재는 인장시험결과 585 MPa이고, 용접시험편의 인장강도는 549 MPa로 모재의 94% 정도이다. INCOLOY 825 모재는 인장시험결과 637 MPa이고, 용접시험편의 인장강도는 575 MPa로 모재의 90%정도이다.

그리고 Figure 2에 STS316L 용접부 단면사진 및 미세조직사진을, Figure 3에 경도분포를 나타내었다. 용융라인 부분(a)에서는 용접부 중심으로 성장하는 덴드라이트 조직이 나타났으며, 중심부분(c)에서는 등축정조직이 관찰되었다. 경도측정 결과, 모재와 용융부 경도값은 170~210Hv정도로 유사하였지만, 용융부와 열영향부 경계에서 경도가 감소하는 변화가 발생하였다. 앞선 인장시험 시에 이곳에서 파단이 발생하였다. 한편 Figure 4에는 INCOLOY 825 용접부 단면사진과 미세조직, Figure 5에는 INCOLOY 825 모재와 용접용융부에서 경도분포를 나타내었다. 모재는 경도값이 200~210Hv정도이지만 용융부의 경도값은 220~330Hv로 모재보다 경도값이 많이 높아졌다. Figure 2와 Figure 4의 미세조직사진에서 용접부에 용접결함이나 균열을 찾을 수 없으며, 모재와 용융부 경계면인 가장자리는 수지상정이고, 중심부는 등축정으로 구성되어 있음을 알 수 있다.

Figure 2:  
Microstructure of STS316L welded

Figure 3: 
Hardness distribution of weld on STS316L

Figure 4: 
Microstructure of INCOLOY 825 welded

Figure 5: 
Hardness distribution of weld on INCOLOY825

STS316L 에릭센 시험결과를 Table 3에 나타내었다. 시험결과를 보면 모재와 용접시험편간의 에릭센값은 큰 차이가 없었다. 시험결과 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm의 모든 판재에서 용접부가 아닌 모재에서 파단이 발생되었다. Figure 6의 a)는 STS316L, 0.8mm 모재에 대하여 에릭센값과 하중사이의 그래프를 나타내었고, b)는 STS316L 소재의 용접시험편에 대하여 에릭센값과 하중사이의 그래프를 나타내었다. Figure 6에서 알 수 있듯이 모재와 용접시험편의 하중과 에릭센값은 비슷한 경향을 나타내었다. 두께별로 용접전류에 따른 에릭센값의 변화는 크지 않으며, 두께가 증가할수록 에릭센값은 약간씩 증가하였다.

Figure 6: 
Erichsen-load graph of STS316L

또한 INCOLOY 825 에릭센 시험결과를 Table 4에 나타내었다. 시험결과를 보면 모재와 용접시험편간의 에릭센값의 큰 차이는 없지만 STS316L에 비하여 편차는 커진 것을 알 수 있었다. 하지만 STS316L과 같이 INCOLOY 825에서도 0.6mm, 0.8mm, 1.0 mm의 모든 판재에서 용접부가 아닌 모재에서 파단이 발생되었다. Figure 7의 a)에 INCOLOY 825, 0.8mm 모재에 대하여 에릭센값과 하중간의 그래프를 나타내었고, b)는 INCOLOY 825, 0.8mm 소재의 용접시험편에 대하여 에릭센값과 하중간의 그래프를 나타내었다. Figure 7에서 알 수 있듯이 모재와 용접시험편의 하중과 에릭센값의 그래프경향은 비슷하였다.

Figure 7: 
Erichsen-load graph of INCOLOY 825

STS316L 소재는 용접 시험편의 두께별 용접조건에서 에릭션 값이 10.0 ± 0.6안에 분포하며, 모재의 값과 비슷한 수준을 나타내었다. 이것은 인장 연신율이 60%로 높기 때문이라고 생각된다. INCO LOY 825 소재는 역시 모든 종류 두께와 용접조건에서 에릭션 값이 9.0 ± 1.0안에 분포하며, 모재의 값과 비슷한 수준을 나타내었다. 에릭센 값이 STS316L에 비하여 약간 낮은 이유는 인장 연신율이 40%로 낮기 때문이라고 생각된다. Figure 8에 STS316L과 INCOLOTY 825 소재의 에릭센 시험결과 사진을 나타낸다. 사진에서 보이는 바와 같이 두 소재 모두 용접부가 아닌 모재에서 파단이 발생하며, Table 3 및 Table 4의 조건이 건전한 용접부를 얻을 수 있는 조건임을 확인하였다.

Figure 9: 
Result of Erichsen test of STS316L and INCOLOY 825