Hastelloy C-276, corrosion resistant alloy at high temperature, is used in chemical plant and power generation industry. In this study, process parameter of laser welding for welding property in Hastelloy C-276 using a continuous wave Nd:YAG laser was studied. As the result of experiment, laser weld...
Hastelloy C-276, corrosion resistant alloy at high temperature, is used in chemical plant and power generation industry. In this study, process parameter of laser welding for welding property in Hastelloy C-276 using a continuous wave Nd:YAG laser was studied. As the result of experiment, laser welding did not show segregation or crack at heat affected zone compared to conventional GTWA welding. The melting zone showed cell dendritic structure along with welding line. In addition, planer front solidification is occurred from welding structure, and it was progressed to cellular solidification. Optimal process parameter for butt welding was 1.2kW and 2.0 m/min for laser power and welding speed, respectively. While heat input, output density, tensile stress, and longitudinal strain was $441.98{\times}103$ J/cm2, $29.553{\times}103$ W/cm2, 768 MPa, and 0.689, respectively. Lap welding of the same material showed greater discrepancy in tensile property during 1 line and 2 line welding. For 1 line welding, tensile stress was about 320 MPa, and 2 line showed slightly larger tensile stress. However, strain was decreased by 20%. From this result, lap welding of the same material, Hastelloy C-276, with 2 line welding is considered to be more effective process than 1 line welding with consideration of mechanical property.
Hastelloy C-276, corrosion resistant alloy at high temperature, is used in chemical plant and power generation industry. In this study, process parameter of laser welding for welding property in Hastelloy C-276 using a continuous wave Nd:YAG laser was studied. As the result of experiment, laser welding did not show segregation or crack at heat affected zone compared to conventional GTWA welding. The melting zone showed cell dendritic structure along with welding line. In addition, planer front solidification is occurred from welding structure, and it was progressed to cellular solidification. Optimal process parameter for butt welding was 1.2kW and 2.0 m/min for laser power and welding speed, respectively. While heat input, output density, tensile stress, and longitudinal strain was $441.98{\times}103$ J/cm2, $29.553{\times}103$ W/cm2, 768 MPa, and 0.689, respectively. Lap welding of the same material showed greater discrepancy in tensile property during 1 line and 2 line welding. For 1 line welding, tensile stress was about 320 MPa, and 2 line showed slightly larger tensile stress. However, strain was decreased by 20%. From this result, lap welding of the same material, Hastelloy C-276, with 2 line welding is considered to be more effective process than 1 line welding with consideration of mechanical property.
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문제 정의
또한 최적의 공정변수로 용접한 용접단면의 조직과 경도분포 및 인장강도를 비교하여 Hastelloy C-276의 레이저 용접 특성에 관하여 고찰하고자 한다. 그리고 최적의 용접 공정으로 용접한 Hastelloy C-276과 비슷한 니켈기 합금인 STS 304의 용접결과와도 비교 검토하고자 한다.
공정변수를 결정하고자 한다. 또한 최적의 공정변수로 용접한 용접단면의 조직과 경도분포 및 인장강도를 비교하여 Hastelloy C-276의 레이저 용접 특성에 관하여 고찰하고자 한다. 그리고 최적의 용접 공정으로 용접한 Hastelloy C-276과 비슷한 니켈기 합금인 STS 304의 용접결과와도 비교 검토하고자 한다.
본 연구에서는 레이저 출력, 용접속도를 변화시켜 최적의 공정변수를 결정하고자 한다. 또한 최적의 공정변수로 용접한 용접단면의 조직과 경도분포 및 인장강도를 비교하여 Hastelloy C-276의 레이저 용접 특성에 관하여 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 Hastelloy C-276의 맞대기 용접과 겹치기 용접 특성에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
Hastelloy C-276과 비슷한 니켈기 합금인 STS304 강의 용접단면결과를 비교하였다. 용접조건은 Hastelloy C-276과 동일한 조건으로 실험하였다.
Hastelloy C-276의 용접특성을 고찰하기 위해 Table 2에 제시한 조건으로 비드용접 실험하였다. 최적의 비드실험을 기준으로 맞대기용접 (butt welding)과 겹치기 용접 (lap welding)을 실시하여 용접특성을 비교 했다.
9은 레이저 출력을 L6kW로 고정한 후 용접속도를 l.Om/min과 2.0m/min, 3.0m/min으로 용접한 용접시편의 인장 특성을 비교하였다. 용접속도가 가장 작은 l.
Om/min일 때의 미세조직이다. 각각의 시험편의 용접부와 모재부의 조직을 비교하였다. 용용부와 모재의 경계부는 급격한 과냉각현상이 발생하여 모제의 경계부에서 생성한 핵이 성장하여 용접부 중심으로 조직이 성장하여 모재의 기본구조인 등축입자(equiaxed grains) 입계면으로 조직이 성장하였다.
용접하였다. 공정변수는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 레이저 출력을 각각 1.2, 1.4, 1.6kW이며, 용접속도는 각각 1.0, 2.0 3.0m/min로 변화시켜 용접하였다. 레이저빔의 이송속도가 작을수록 또는 레이저빔의 출력이 클수록 용융 폭이 증가흐}고 있다.
하고 있다. 또한 레이저 용접특성상 임계값 이상의 레이저빔이 재료의 표면에 조사되면 급격한 재료의 증발 현상이 발생하고, 금속증기가 분출하는 반동력에 의해서 용융금속면에 함몰을 일으켰다. 용접속도가 1.
레이저 용접시 표면과 대기 중의 오염 물질 사이의 상호작용을 방지하기 위해서 Ar가스를 45각도, lbar 의 가스압력으로 분사시켰다. 본 연구에 사용된 실험 장치의 계략도는 Fig.
4은 오스테나이트 스테인리스강인 STS3042] 용접속도에 따른 종횡비의 변화를 나타낸 결과이다. 레이저빔 출력이 1.9kW, 초점위치(z)는 -0.5mm, 보호 가스(Ar)는 3//min으로 고정하고 용접속도를 변화시켜 실험하였다. 용접속도가 증가할수록 종횡비는 감소하였고, 5m/min 일 때 종횡비가 1에 근접한 뒤 용접속도가 증가하면 종횡비가 1이하로 감소하였다.
레이저용접 공정변수 변화에 따른 기계적 특성을 평가를 위해 시험편〔KS B0801〕을 제작 한 후 인장 시험기 (Universal Testing machine 4206, 15ton) 로 인장강도(tensile stress) 및 인장변형률(tensile strain) 을 실험하였다.
본 연구에서는 이러한 개념을 접목시키기 위해 Fig. 13와 같이 한쪽에서만 용접을 하는 편측용접과 겹치기이음 부의 한쪽에서만 필릿용접하는 겹치기 용접을 각각의 공정변수에 대한 용접특성을 비교하였다.
표면의 용입폭, V는 용접속도이다. 시편의 위 표면의 용입폭으로 입열량을 계산한 것과 비교하기 위해 용접 단면 부의 이미지 분석을 통해 용융면적을 계산한 후입열량과의 상관관계를 제시하였다.
전압 장치를 이용하여 전해에칭 했다. 에칭된 용접부 경계면은 광학현미경으로 관찰하였다. 용접부 경도시험은 마이크로 비이커스 경도시험기를 사용하여 0.
용접부의 비드폭 및 침투깊이를 관찰하기 위해 STS304 용접시편을 정밀금속절단기로 용접시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 증류수(50ml) +염산(150ml) + 산화크롬VI(25g)로 에칭하였다. Hastelloy C-276은 고온 내부식성 니켈기 합금으로서 미세조직을 관찰하기 위해 STS 304를 에칭방법으로는 어려움이 많았다.
제시한 조건으로 비드용접 실험하였다. 최적의 비드실험을 기준으로 맞대기용접 (butt welding)과 겹치기 용접 (lap welding)을 실시하여 용접특성을 비교 했다.
1 m/min, 맞대기용접은 lm/min씩 증가시키면서 입열량을 조절했다. 최적의 용접공정변수를 결정하기 위해 레이저 공정변수의 변화에 따른 용접비드의 폭과 침투깊이 등을 측정한 후 각각의 공정에 대한 입열량의 변화를 측정하였다. 본 실험 결과분석에 사용한 입열량은 아래 식(1)과 같다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 실험재료는 Hastelloy C-276과 STS304로 화학성분은 Table 1과 같다. 두 시편 모두 Ni과 Cr성분이 상대적으로 다른 조성분에 비해 많이 포함돼 있다.
시편 표면의 이물질을 완전히 제거하기 위해 아세톤으로 세척한 후 용접 실험하였다. 본 연구에 사용한 Nd:YAG레이저는 최대출력 2.8kW, 평균 유효 출력 2kW급의 연속파형 레이저이다.
성능/효과
1) Hastelly C-276는 맞대기 용접시 입열량이 증가할수록 용융폭과 용융면적이 증가하고, 출력밀도가 약 19><103 W/cm2 이상으로 증가할수록 상부 비드폭보다는 하부 비드폭이 크게 형성되었다.
2) GTAW 용접시 발생하는 열영향부의 균열은 용융점이 서로 다른 성분이 액상에서 응고되는 과정에 발생된다. 그러나 본 실험 결과 레이저 용접을 진행하였을 때는 열영향부에서 내부결함이 발생되지 않았다.
3) 맞대기 용접시 최적의 공정조건은 레이저빔 출력, 용접속도가 각각 1200W, 2, 0m/min이다. 이때 입 열량, 출력밀도, 인장응력과 변형률은 각각 441.
4) 겹치기 용접후 용접단면은 전형적인 비드형상인와인컵모양을 이루지고 있고, 이면비드(back bead) 에용접부가 약 300 융기된 현상을 볼 수 있었다.
5) 동종재질의 겹치기 용접의 경우 1 line 과 2 line 용접 시 인장특성이 크게 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 1 line 용접의 경우 인장응력이 약 320MPa 정도 작게 형성되었고, 2 line의 경우 모재보다 인장응력은 약간 크게 나타나지만 변형률은 약 20%정도 작게 형성되었다.
2m/min 이상으로 용접속도가 증가하면 응력-변형률선도가 급격히 감소하였다. Hastelloy C-276과 동일한 조건하에서 인장 특성을 비교했을 때 인장응력과 변형률이 각각 763MPa, 0.647로써 인장응력은 약 20.5%크지만, 변형률은 0.16 작게 나타났다.
인장에 의한 절단은 용접단면보다 모재부분에서 이루어졌다. 동일한 용접 입열량 조건에서 1 line 겹치기 용접하면 맞대기 용접에 비하여 인장응력이 약 43 % 작게 나타났다. 2 line 겹치기 용접하여 인장응력 시험하면 겹치기 용접한 2 line의 용접부 경도증가로 인장력이 선형적으로 전달되지 않아 모재를 인장시험 했을 때보다 변형률(时이 약 20%정도 작았다.
OnVmin로 용접한 결과이다. 레이저 출력이 1.6kW일 때 인장응력(。)과 변형률이 각각 427MPa, 5%로써 가장 크게 나타났다. 맞대기 용접한 결과를 나타낸 Fig.
12는 맞대기용접 후 경도분포를 고찰하기 위해 시편 표면으로부터 200㎛1에서 마이크로 비커스 경도 측정한 결과이다. 모재의 경도값은 약 230Hv 이며, 용접부의 경도값은 최대 255Hv에서 최소 245Hv정도로모재에 비해 경도값이 큰 차이는 발생하지 않았다. 마이크로 비커스 경도계로 최대값과 최소값의 차이가 10Hv로 이 차이는 경도계의 탐침이 입계내부와 입계경계부위에 작용했을 때 발생할 수 있는 차이로 생각할 수 있다.
5mm, 보호 가스(Ar)는 3//min으로 고정하고 용접속도를 변화시켜 실험하였다. 용접속도가 증가할수록 종횡비는 감소하였고, 5m/min 일 때 종횡비가 1에 근접한 뒤 용접속도가 증가하면 종횡비가 1이하로 감소하였다. 이는 레이저빔의 이송속도가 증가하여 입열량이 감소하면 표면에서 키홀이 잘 형성되지 않아 레이저빔이 용융 풀에서 다중 반사될 확률이 줄어들어 흡수 에너지양이 줄어들기 때문이다.
1 line 용접의 경우 인장응력이 약 320MPa 정도 작게 형성되었고, 2 line의 경우 모재보다 인장응력은 약간 크게 나타나지만 변형률은 약 20%정도 작게 형성되었다. 이 결과 Hastelloy C- 276의 동종재질의 겹치기 용접시 기계적특성을 고려한 측면에서는 1 line 용접보다는 21ine 용접이 좀 더 효율적인 공정이라 판단된다.
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