오늘날 LNG선의 용접에는 아크와 플라즈마가 사용되고 있으나 아크용접은 에너지 밀도가 낮아 후판에 대해서 다층용접이 불가피하며, 고밀도 열원인 레이저 용접에 비하여 용접속도에도 한계가 있다. 따라서 후판 용접시 다층용접에 의한 용접부의 조직적 결함이나 과대 입열로 형성된 열영향부 등의 문제를 해소하기 위하여 키홀용접에 의한 원패스 용접이 고려되고 있다. 키홀용접이 가능한 열원은 레이저, 전자빔, 플라즈마가 있으며, 현재 플라즈마 용접이 아크를 대체하여 LNG선 카고탱크의 멤브레인 용접에 적용되고 있다. 최근에는 멤브레인의 용접에 레이저를 적용하기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. 본 연구에서는 LNG선용 스테인리스강에 대한 파이버 레이저 및 플라즈마 아크 용접의 용접성, 기계적 성질 및 미세조직을 비교하였다. 그 결과 레이저 용접이 더 빠른 용접속도에서 좁은 용접부와 열영향부를 얻을 수 있었다. 따라서 LNG선의 용접에서는 파이버 레이저가 보다 우수한 용접법이라는 것을 알 수 있었다.
오늘날 LNG선의 용접에는 아크와 플라즈마가 사용되고 있으나 아크용접은 에너지 밀도가 낮아 후판에 대해서 다층용접이 불가피하며, 고밀도 열원인 레이저 용접에 비하여 용접속도에도 한계가 있다. 따라서 후판 용접시 다층용접에 의한 용접부의 조직적 결함이나 과대 입열로 형성된 열영향부 등의 문제를 해소하기 위하여 키홀용접에 의한 원패스 용접이 고려되고 있다. 키홀용접이 가능한 열원은 레이저, 전자빔, 플라즈마가 있으며, 현재 플라즈마 용접이 아크를 대체하여 LNG선 카고탱크의 멤브레인 용접에 적용되고 있다. 최근에는 멤브레인의 용접에 레이저를 적용하기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. 본 연구에서는 LNG선용 스테인리스강에 대한 파이버 레이저 및 플라즈마 아크 용접의 용접성, 기계적 성질 및 미세조직을 비교하였다. 그 결과 레이저 용접이 더 빠른 용접속도에서 좁은 용접부와 열영향부를 얻을 수 있었다. 따라서 LNG선의 용접에서는 파이버 레이저가 보다 우수한 용접법이라는 것을 알 수 있었다.
Today the welding for LNG carrier is known to be possible using arc and plasma arc welding process. But because of the lower energy density, arc welding is inevitable to multi-pass welding for thick plate and has a limit of welding speed compared to laser which is high energy density heat source. Wh...
Today the welding for LNG carrier is known to be possible using arc and plasma arc welding process. But because of the lower energy density, arc welding is inevitable to multi-pass welding for thick plate and has a limit of welding speed compared to laser which is high energy density heat source. When thick plate is welded, weld defect by multi-pass welding and heat-affected zone by high heat-input were formed. Therefore one-pass welding by key-hole has been considered to work out the problems. It is possible for Laser, electron beam, plasma process to do key-hole welding. Nowadays, plasma process has been used for welding membrane of cargo tank for LNG carrier instead of arc process. Recently, many studies have examined to apply laser process to welding of membrane. In this paper, weldability, microstructure and mechanical properties of stainless steel for LNG carrier welded by fiber laser were compared to those by plasma. As a result, although the laser welding has several times faster speed, similar properties and smaller weld and heat affected zone were obtained. Consequently, this study proves the superiority of fiber laser welding for LNG carrier.
Today the welding for LNG carrier is known to be possible using arc and plasma arc welding process. But because of the lower energy density, arc welding is inevitable to multi-pass welding for thick plate and has a limit of welding speed compared to laser which is high energy density heat source. When thick plate is welded, weld defect by multi-pass welding and heat-affected zone by high heat-input were formed. Therefore one-pass welding by key-hole has been considered to work out the problems. It is possible for Laser, electron beam, plasma process to do key-hole welding. Nowadays, plasma process has been used for welding membrane of cargo tank for LNG carrier instead of arc process. Recently, many studies have examined to apply laser process to welding of membrane. In this paper, weldability, microstructure and mechanical properties of stainless steel for LNG carrier welded by fiber laser were compared to those by plasma. As a result, although the laser welding has several times faster speed, similar properties and smaller weld and heat affected zone were obtained. Consequently, this study proves the superiority of fiber laser welding for LNG carrier.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 멤브레인 용접에 파이버 레이저를 적용하여 용접속도를 증대시켜 생산성향상을 도모하고자 STS304L과 STS316L 소재에 대한 파이버 레이저 용접을 실시하여 플라즈마 용접특성과 비교․분석하였다. 파이버 레이저는 공진기가 일체화되어있고 미세한 직경의 파이버를 매질로 사용하기 때문에 냉각이 용이하여 전체 시스템을 소형화할 수 있어 LNG선의 용접과 같이 선박의 내부에서 작업을 해야 하는 경우에 이동과 설치가 상대적으로 용이하다.
제안 방법
LNG선용 스테인리스강에 대하여 파이버 레이저 및 플라즈마 아크 용접을 실시한 후 용접부에 대한 특성을 비교․평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
파이버 레이저 용접은 앞선 저자의 연구에서 실시된 조건 중 맞대기 용접의 최적조건을, 그리고 플라즈마 용접은 용입에 큰 영향을 미치는 전류, 노즐직경 및 플라즈마 가스의 유량을 공정변수로 설정하여 맞대기 용접에 대한 최적의 용접조건을 선정하였다. 각 용접조건을 적용한 용접부에 대하여 미세조직을 비교하였으며, 샤르피 및 인장시험 그리고 경도 측정을 통한 기계적 성질도 평가하였다. 샤르피 충격시편은 KS B 0809에 따라 두께 5 mm의 축소 시험편으로 제작하였다.
또한 인장시험은 KS B 0801의 5호 시험편으로 제작하였으며, KS B 0802의 인장시험방법을 적용하여 속도 2 mm/min으로 시험하였다. 경도측정시 부하하중은 재료의 두께와 압흔의 크기를 고려하여 0.3 kg의 하중을 가하였으며, 표면에서 0.5 mm 깊이에서 폭방향을 따라 500 um 간격을 두고 경도측정을 하였다.
특히 구조재료로 사용되는 STS316L의 경우, 슬로싱과 같은 반복적인 물리적 충격을 견딜 수 있어야 함으로 용접부에서 저온인성을 구비하는 것이 매우 중요하다. 따라서 -196℃의 액체질소를 이용한 저온 샤르피 충격시험을 실시하여 STS316L의 저온인성 평가를 실시하였다. Figure 3(a)의 샤르피 충격시험 결과를 보면 파이버 레이저 용접부와 플라즈마 용접부 모두 모재와 비교하여 평균적으로 6J/cm2 이상의 더 높은 에너지 흡수량을 나타내고 있다.
샤르피 충격시편은 KS B 0809에 따라 두께 5 mm의 축소 시험편으로 제작하였다. 실험은 제작된 시편의 냉각시 균일한 온도구배를 위하여 -196℃의 액체질소에 시편을 10분간 침지시킨 후 충격시험을 실시하였다. 또한 인장시험은 KS B 0801의 5호 시험편으로 제작하였으며, KS B 0802의 인장시험방법을 적용하여 속도 2 mm/min으로 시험하였다.
실험은 파이버 레이저 용접과 플라즈마 용접을 실시한 후 용접특성을 비교하였다. 파이버 레이저 용접은 앞선 저자의 연구에서 실시된 조건 중 맞대기 용접의 최적조건을, 그리고 플라즈마 용접은 용입에 큰 영향을 미치는 전류, 노즐직경 및 플라즈마 가스의 유량을 공정변수로 설정하여 맞대기 용접에 대한 최적의 용접조건을 선정하였다.
실험은 파이버 레이저 용접과 플라즈마 용접을 실시한 후 용접특성을 비교하였다. 파이버 레이저 용접은 앞선 저자의 연구에서 실시된 조건 중 맞대기 용접의 최적조건을, 그리고 플라즈마 용접은 용입에 큰 영향을 미치는 전류, 노즐직경 및 플라즈마 가스의 유량을 공정변수로 설정하여 맞대기 용접에 대한 최적의 용접조건을 선정하였다. 각 용접조건을 적용한 용접부에 대하여 미세조직을 비교하였으며, 샤르피 및 인장시험 그리고 경도 측정을 통한 기계적 성질도 평가하였다.
대상 데이터
따라서 탄화물을 형성할 수 있는 C의 양을 줄이기 위해 Ti, Nb 등과 같이 C와의 친화력이 Cr보다 높은 원소를 첨가하거나, 탄소의 함량을 감소시킨 강종을 사용하여 예방할 수 있으며, 또한 C함량에 따른 석출임계온도 범위를 피함으로써 어느 정도 완화시킬 수 있다[5-9]. 본 실험에서는 LNG 카고탱크에 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강인 두께 1.2mm의 STS304L과 8mm의 STS316L 소재를 사용하였으며, 그 조성을 Table 1에 나타낸다. 또한 Table 2에는 사용 재료의 Cr 및 Ni 당량을 나타낸다.
각 용접조건을 적용한 용접부에 대하여 미세조직을 비교하였으며, 샤르피 및 인장시험 그리고 경도 측정을 통한 기계적 성질도 평가하였다. 샤르피 충격시편은 KS B 0809에 따라 두께 5 mm의 축소 시험편으로 제작하였다. 실험은 제작된 시편의 냉각시 균일한 온도구배를 위하여 -196℃의 액체질소에 시편을 10분간 침지시킨 후 충격시험을 실시하였다.
이론/모형
실험은 제작된 시편의 냉각시 균일한 온도구배를 위하여 -196℃의 액체질소에 시편을 10분간 침지시킨 후 충격시험을 실시하였다. 또한 인장시험은 KS B 0801의 5호 시험편으로 제작하였으며, KS B 0802의 인장시험방법을 적용하여 속도 2 mm/min으로 시험하였다. 경도측정시 부하하중은 재료의 두께와 압흔의 크기를 고려하여 0.
성능/효과
(1) 1.2mmt STS304L의 파이버 레이저 및 플라즈마 아크 용접부를 비교한 결과 상대적으로 느린 용접속도로 인한 높은 입열로 인해 플라즈마 아크 용접의 용융부가 크게 형성이 되었다. 또한 플라즈마 가스압에 의해 비드처짐 현상을 나타냈다.
(2) 8mmt STS316L의 경우에도 역시 플라즈마 아크용접의 용융부가 넓게 형성되었으며, 과입열로 인해 열영향부의 결정립계가 국부적으로 용융된 조직을 보였다.
(3) 각 용접재에 대한 사르피 충격시험 및 인장 시험을 실시한 결과, 레이저와 플라즈마 용접부는 모두 모재보다 높은 에너지 흡수량을 나타내었으며, 인장강도 역시 모재에 비해 증가한 값을 확인할 수 있었다.
(4) 용접부의 조직분석을 통해 STS304L의 레이저 용융부에서는 용융부 중심으로 성장한 덴드라이트 조직을, 플라즈마 아크 용접부에서는 vermicular 페라이트와 모재 근방 용융부에서의 등축 덴드라이트가 관찰되었다. 또한 STS316L의 경우 레이저 용융 중심부에서는 acicular 및 lathy 페라이트가 국부적으로 형성되고, 플라즈마 용접된 용융부 중앙은 vermicular 페라이트가 형성되었다.
파이버 레이저는 공진기가 일체화되어있고 미세한 직경의 파이버를 매질로 사용하기 때문에 냉각이 용이하여 전체 시스템을 소형화할 수 있어 LNG선의 용접과 같이 선박의 내부에서 작업을 해야 하는 경우에 이동과 설치가 상대적으로 용이하다. 또한 기존의 레이저보다도 높은 빔품질로 인해 에너지의 집속도가 높아 상대적으로 적은 입열로 어스팩트비가 큰 용접부를 얻을 수 있으며, 유지 및 관리 측면에서도 우수한 특성을 가진다. 여기광원으로 LD를 사용함으로 레이저 효율이 25 % 정도로 Nd:YAG 레이저에 비해 매우 높으며, LD의 수명도 50,000시간 정도로 길고 시스템이 간단하다.
본 연구에서 레이저와 플라즈마 아크 용접법 모두 LNG선용 스테인리스강의 용접시 건전한 용접부를 얻을 수 있었다. 그러나 플라즈마 아크용접에서는 용접부의 연화가 크게 나타나기 때문에 구조재로 사용되는 STS316L에 적용하기에는 부적합하며, 파이버 레이저의 경우 용접속도가 플라즈마에 비하여 10배 이상 빠르므로 생산성 향상의 측면에서 보다 우수한 용접법이라고 판단된다.
이상과 같은 조직분석을 통하여 오스테나이트계 스테인리스강의 상온조직 형성에는 당량비, 입열량 및 냉각속도의 영향이 크다는 것을 확인하였다.
후속연구
여기광원으로 LD를 사용함으로 레이저 효율이 25 % 정도로 Nd:YAG 레이저에 비해 매우 높으며, LD의 수명도 50,000시간 정도로 길고 시스템이 간단하다. 그리고 파이버 전송이 가능하며 초점거리를 길게 유지할 수 있어, 굴곡이 심한 멤브레인의 접합에 다양한 방법으로 적용이 가능할 것으로 사료된다[4].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
멤브레인 방식의 LNG 카고탱크에 사용되고 있는 스테인리스강은?
대표적인 저탄소 오스테나이트계 스테인리스강인 STS304L과 STS316L은 멤브레인 방식의 LNG 카고탱크에 사용되고 있다. STS304L은 1, 2차 방벽에 사용되며 STS316L은 구조재로서 탱크를 지탱하는 역할을 한다.
입계 예민화는 어떤 현상인가?
그러나 용접시 열영향부에서 입계 예민화가 발생하기 쉽다. 입계 예민화는 스테인리스강이 400 ~ 800℃에서 장시간 유지될 경우 Cr이 C와 결합하여 입계에 탄화물로 석출되며, 이 과정에서 입계주변의 Cr 비율이 낮아져 스테인리스강 고유의 내식성을 잃게 되는 현상으로, 스테인리스강의 용접성능을 저하시키는 요인이다[1-3]. 이러한 이유로 입계 예민화의 발생을 방지하기 위해 탄소의 함량을 현저하게 감소시킨 스테인리스강을 사용하기도 한다.
파이버 레이저는 기존의 레이저에 비교하여 어떤 특성이 있는가?
파이버 레이저는 공진기가 일체화되어있고 미세한 직경의 파이버를 매질로 사용하기 때문에 냉각이 용이하여 전체 시스템을 소형화할 수 있어 LNG선의 용접과 같이 선박의 내부에서 작업을 해야 하는 경우에 이동과 설치가 상대적으로 용이하다. 또한 기존의 레이저보다도 높은 빔품질로 인해 에너지의 집속도가 높아 상대적으로 적은 입열로 어스팩트비가 큰 용접부를 얻을 수 있으며, 유지 및 관리 측면에서도 우수한 특성을 가진다. 여기광원으로 LD를 사용함으로 레이저 효율이 25 % 정도로 Nd:YAG 레이저에 비해 매우 높으며, LD의 수명도 50,000시간 정도로 길고 시스템이 간단하다.
참고문헌 (9)
H. W. Lee, Y. T. Shin, J. U. Park, J. W. Lee and C. Y. Kang, "A study on low temperature strength and fatigue strength of austenitic stainless steel for membrane type LNG tank", Journal of Korea Welding Society, vol. 17, no. 3, pp. 198-202, 1999.
H. Kokawa, "Weld decay-resistant austenitic stainless steel by grain boundary engineering", Journal of Materials Science, vol. 40, no. 4, pp. 927-932, 2005.
Science and Technology Publishing Editorial Dep., Handbook of Stainless, Science and Technology Pub., 2000 (in Korean).
L. Quintino, A. Costa, R. Miranda, D. Yapp, V. Kumar and C. J. Kong, "Welding with high power fiber lasers - A preliminary study", Materials and Design, vol. 28, pp. 1231-1237, 2007.
E. A. Trillo, R. Beltran, J. G. Maldonado, R. J. Romero, L. E. Murr, W. W. Fisher and A. H. Advani, "Combined effects of deformation (strain and strain state), grain size, and carbon content on carbide precipitation and corrosion sensitization in 304 stainless steel", Materials Characterization, vol. 35, no. 2, pp. 99-112, 1995.
Y. H. Moon and S. D. Hur, "Delta-ferrite formation factor of austenitic stainless steel weld", Journal of The Korean Welding and Joinig Society, vol. 5, no. 1, pp. 16-22, 1987 (in Korean).
B. S. Rho, H. U. Hong and S. W. Nam, "The effect of $\delta$ -ferrite on fatigue cracks in 304L steels", International Journal of Fatigue, vol. 22, pp. 683-690, 2000.
P. S. Korinko and S. H. Malene, "Considerations for the weldability of types 304L and 316L stainless steel", practical failure analysis, vol. 1, no. 4, pp. 61-68, 2001.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.