레이저 충격 피닝 처리 시 레이저 광원으로부터 금속표면에 조사되는 레이저 빔 형상은 다양하다. 레이저 형상은 표면에서 발생하는 압력파의 특성을 결정하기 때문에 금속 표면과 깊이 방향에 대한 잔류응력 분포에 영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 레이저 충격 피닝 처리시 레이저 광원 형상이 인코넬 alloy 600 합금의 잔류응력에 미치는 영향을 분석하였다. 레이저 광원 형상은 원형, 사각형, 타원형 형상이 고려되었으며, 표면과 깊이 방향에 대한 압축잔류응력 특성을 비교하였다. 표면에서 생성되는 압축잔류응력은 원형 레이저 형상이 최대이지만 중심부에서 인장응력이 발생하고, 깊이 방향에서는 타원형 레이저 형상이 최대 압축잔류응력을 생성한다. 소성변형 발생 깊이는 사각형에 비해 원형과 타원형이 양호하다.
레이저 충격 피닝 처리 시 레이저 광원으로부터 금속표면에 조사되는 레이저 빔 형상은 다양하다. 레이저 형상은 표면에서 발생하는 압력파의 특성을 결정하기 때문에 금속 표면과 깊이 방향에 대한 잔류응력 분포에 영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 레이저 충격 피닝 처리시 레이저 광원 형상이 인코넬 alloy 600 합금의 잔류응력에 미치는 영향을 분석하였다. 레이저 광원 형상은 원형, 사각형, 타원형 형상이 고려되었으며, 표면과 깊이 방향에 대한 압축잔류응력 특성을 비교하였다. 표면에서 생성되는 압축잔류응력은 원형 레이저 형상이 최대이지만 중심부에서 인장응력이 발생하고, 깊이 방향에서는 타원형 레이저 형상이 최대 압축잔류응력을 생성한다. 소성변형 발생 깊이는 사각형에 비해 원형과 타원형이 양호하다.
In LSP (laser shock peening) treatment, the laser source geometries when the laser beam strikes the metal target area are diverse. The laser spot geometry affects the residual stress field beneath the treated surface of the metallic materials, which determines the characteristics of the pressure pul...
In LSP (laser shock peening) treatment, the laser source geometries when the laser beam strikes the metal target area are diverse. The laser spot geometry affects the residual stress field beneath the treated surface of the metallic materials, which determines the characteristics of the pressure pulse. In this paper, detailed finite-element (FE) simulations on laser shock peening have been conducted in order to predict the magnitude and of the residual stresses and the depth affected in Inconel alloy 600 steel. The residual stress results are compared for circular, rectangular, and elliptical laser spot geometries. It is found that a circular spot can produce the maximum compressive residual stresses near the surface but generates tensile residual stresses at the center of the laser spot. In the depth direction, an elliptical laser spot produces the maximum compressive residual stresses. Circular and elliptical spots plastically affect the alloy to higher depths than a rectangular spot.
In LSP (laser shock peening) treatment, the laser source geometries when the laser beam strikes the metal target area are diverse. The laser spot geometry affects the residual stress field beneath the treated surface of the metallic materials, which determines the characteristics of the pressure pulse. In this paper, detailed finite-element (FE) simulations on laser shock peening have been conducted in order to predict the magnitude and of the residual stresses and the depth affected in Inconel alloy 600 steel. The residual stress results are compared for circular, rectangular, and elliptical laser spot geometries. It is found that a circular spot can produce the maximum compressive residual stresses near the surface but generates tensile residual stresses at the center of the laser spot. In the depth direction, an elliptical laser spot produces the maximum compressive residual stresses. Circular and elliptical spots plastically affect the alloy to higher depths than a rectangular spot.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 3 차원 유한요소해석 기법을 이용하여 레이저 광원의 특성이 LSP 잔류응력 결과에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이를 위해 레이저 광원에 의해 결정되는 다양한 레이저 스팟 형상(원형, 사각형 및 타원형)과 레이저 광원 에너지 분포 특성을 고려하였다.
본 연구에서는 유한요소해석법을 이용하여 레이저 스팟 형상이 잔류응력 결과에 미치는 영향을 확인하였다. 동일한 충격부 면적을 갖는 서로 다른 형상의 레이저 스팟을 이용하여 표면과 깊이 방향 잔류응력 분포를 비교하였다.
가설 설정
(13, 14) 재료 거동은 탄성-완전 소성체(elastic-perfectly plastic)로 가정하였으며, 재료의 항복을 결정하는 Hugoniot 탄성한계 HEL=1.3GPa 이다.
3 은 레이저에 의해 발생하는 압력파의 시간이력을 보여준다. 실제 압력파는 가우시안 펄스 (Gaussian pulse)형태이지만, 압력파 지속시간이 수~ 수백 ns 정도로 매우 짧기 때문에 삼각 파형으로 가정하여 입력한다.(1,2,8,9)
제안 방법
본 연구에서는 유한요소해석법을 이용하여 레이저 스팟 형상이 잔류응력 결과에 미치는 영향을 확인하였다. 동일한 충격부 면적을 갖는 서로 다른 형상의 레이저 스팟을 이용하여 표면과 깊이 방향 잔류응력 분포를 비교하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
유한요소 해석 결과를 정량적으로 비교하기 위해 적용된 레이저 공정변수를 Table 2 와 같이 부여하였다. 동적 해석의 안정화를 위해 충분한 해석 시간을 부여하였으며, 입력하중 Pmax는 Hugoniot 탄성한계의 2 배를 입력하였다. 주요 비교 변수인 레이저 수팟 형상은 원형, 사각형, 타원형으로 레이저 스팟 크기는 입력되는 레이저 에너지를 일정하게 유지하기 위해 동일한 면적(약 0.
표면방향은 레이저 스팟 중심으로부터 x 축을 따라, 깊이 방향은 레이저 스팟 중심에서 z 축을 따라 측정하였다. 동적해석에 대한 해석결과의 정확성과 수렴성을 확인하기 위해 안정한계시간(stability time limit)과 요소크기는 기존연구를 통해 확인하였으며 각각 만족하는 범위내에서 해석조건을 설정하였다.(9)
레이저에 의한 발생되는 충격파에 의한 경계부 반향효과를 없애고, 무한평판 경계조건을 구현하기 위해 무한요소(infinite element)를 혼합 사용하였다.(1,2,8,9)
본 연구에서 적용된 레이저 공정변수는 원자로 하부헤드 관통노즐 용접잔류응력 완화를 위해 고려중인 레이저 시스템을 참고하였다.(15) 관통노즐 내부에 대한 피닝공정을 위해 적용된 레이저의 반경은 Table 1 과 같이 매우 작다.
본 연구에서 제시하는 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 기존 문헌에서 제시된 실험 결과(16)와 유한요소 해석 결과를 비교해 보았다. 검증을 위한 LS P 적용 대상 재료는 3 5CD430HRC(원형 레이저)와 50HRC(사각형 레이저)합금으로 재료물성은 문헌을(1,16) 참고하였다.
(15) 관통노즐 내부에 대한 피닝공정을 위해 적용된 레이저의 반경은 Table 1 과 같이 매우 작다. 이러한 레이저 공정변수를 만족하는 범위내에서 레이저 광원 형상에 따른 유한요소해석 결과는 표면과 깊이 방향의 잔류응력을 비교하였다(Fig. 4 참고). 표면방향은 레이저 스팟 중심으로부터 x 축을 따라, 깊이 방향은 레이저 스팟 중심에서 z 축을 따라 측정하였다.
따라서 본 논문에서는 3 차원 유한요소해석 기법을 이용하여 레이저 광원의 특성이 LSP 잔류응력 결과에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 이를 위해 레이저 광원에 의해 결정되는 다양한 레이저 스팟 형상(원형, 사각형 및 타원형)과 레이저 광원 에너지 분포 특성을 고려하였다.
금속표면에 레이저가 조사될 때 입사각에 따라 레이저 형상은 원형에서 타원형으로 변화하며, 입사렌즈의 가장자리 여백처리를 통해 사각형 형상으로도 조사가 가능하다. 이처럼 레이저 광원 형상이 잔류응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 다양한 레이저 스팟 형상을 고려하였다. Fig.
동적 해석의 안정화를 위해 충분한 해석 시간을 부여하였으며, 입력하중 Pmax는 Hugoniot 탄성한계의 2 배를 입력하였다. 주요 비교 변수인 레이저 수팟 형상은 원형, 사각형, 타원형으로 레이저 스팟 크기는 입력되는 레이저 에너지를 일정하게 유지하기 위해 동일한 면적(약 0.28mm2)으로 모델링 하였다. 타원형 레이저 스팟의 경우 문헌을(15) 통해 장축과 단축의 비가 1.
4 참고). 표면방향은 레이저 스팟 중심으로부터 x 축을 따라, 깊이 방향은 레이저 스팟 중심에서 z 축을 따라 측정하였다. 동적해석에 대한 해석결과의 정확성과 수렴성을 확인하기 위해 안정한계시간(stability time limit)과 요소크기는 기존연구를 통해 확인하였으며 각각 만족하는 범위내에서 해석조건을 설정하였다.
대상 데이터
LSP 처리를 위해 적용된 재료는 Inconel alloy 600 합금으로 재료 물성은 Table 1 과 같다.(13, 14) 재료 거동은 탄성-완전 소성체(elastic-perfectly plastic)로 가정하였으며, 재료의 항복을 결정하는 Hugoniot 탄성한계 HEL=1.
와 유한요소 해석 결과를 비교해 보았다. 검증을 위한 LS P 적용 대상 재료는 3 5CD430HRC(원형 레이저)와 50HRC(사각형 레이저)합금으로 재료물성은 문헌을(1,16) 참고하였다. 두 실험은 모두 물막 용융층(water confining mode: WCM) 처리된 상태에서 수행되었으며, 잔류응력 측정은 X-ray 회절법을 사용하였다.
이론/모형
2 는 유한요소해석 상용 프로그램인 ABAQUS(7)를 이용한 LSP 시뮬레이션 해석과정을 보여준다. 일반적으로 단충격파의 동적 해석에 적용되는 1) 동해석과 정해석을 혼합한 ABAQUS Explicit/ Implicit 를 이용하는 방법과 2) ABAQUS Explicit 에서 보다 많은 해석 시간을 부여해 주는 방법이 사용된다.(8,9)
단충격파에 의한 동적 해석은 ABAQUS Explicit 를 이용하여 효율적으로 계산할 수 있다. 하지만 동적 해석은 내부 충격파에 의한 국부진동으로 인해 정적 평형상태에 도달하는데 상당한 해석시간이 필요하다.
검증을 위한 LS P 적용 대상 재료는 3 5CD430HRC(원형 레이저)와 50HRC(사각형 레이저)합금으로 재료물성은 문헌을(1,16) 참고하였다. 두 실험은 모두 물막 용융층(water confining mode: WCM) 처리된 상태에서 수행되었으며, 잔류응력 측정은 X-ray 회절법을 사용하였다. Fig.
성능/효과
따라서 본 연구에서 적용된 유한요소해석 기법은 일반적인 LSP 특성을 잘 모사하고 있음을 알 수 있다.
하지만 원형의 경우 중심부에서 높은 인장잔류응력 특성을 보임을 알 수 있다. 상대적으로 사각형과 타원형 스팟은 큰 차이가 없음을 확인하였다.
후속연구
금속표면의 압축잔류응력은 역학적으로 균열의 생성과 진행을 억제시켜 금속의 피로 특성을 향상시키고, 응력부식균열(SCC) 성장을 억제시킨다.(1~5) 따라서 소구경 관통노즐의 용접잔류응력 완화를 위해 LSP 효과를 수치해석적으로 예측함으로써 PWSCC 예방효과를 확인하고, 효과적인 LSP 정비 시스템 구축을 위한 레이저 공정변수 특성을 분석하는 것이 필요하다.
참고문헌 (18)
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