[논문]계장화 압입시험법에 의한 SUS316L판의 용접부 기계적 물성치 측정

송기남; 홍성덕; 노동성

doi:10.5781/kwjs.2013.31.2.37

계장화 압입시험법에 의한 SUS316L판의 용접부 기계적 물성치 측정
Measurement of Weld Mechanical Properties of SUS316L Plate Using an Instrumented Indentation Technique 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.31 no.2, 2013년, pp.37 - 42

송기남 (한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부) , 홍성덕 (한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부) , 노동성 (프론틱스)

Abstract ▼ AI-Helper

Different microstructures in the weld zone of a metal structure such as a fusion zone or heat affected zone are formed as compared to the parent material. Thus, the mechanical properties in the weld zone are different from those in the parent material. As the basic data for reliably understanding the structural characteristics of welded PCHE prototype made of SUS316L, the mechanical properties in the weld zone and parent material for a SUS316L plate are measured using an the instrumented indentation technique in this study.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

판재의 용접면은 용접변형이 발생하였기 때문에 계장형 압입시험 법을 이용하려면 평평하게 별도의 표면가공을 해야 한다. 본 논문에서는 절단 단면을 가공하여 압입시험을 수행하였다. 압입시험은 영역별로 되도록 많은 측정 data를 얻기 위해 절단한 시편 단면에서 0.
본 연구에서는 실험실 수준 PCHE 시제품의 고온구조해석을 위한 기초자료로서 SUS316L판의 용융부, 열영향부 및 모재 부위에 대한 기계적 물성치를 통상적인 인장시험으로부터 얻기 어려운 경우의 대체방법으로 제시되고 있는 계장화 압입시험법을 이용하여 측정하고⁴⁾ 정리하였다.

가설 설정

5에서와 같이 모재부위에서는 총 60개 지점, 열영향부(HAZ) 부위에서는 총 20개 지점 그리고 용융부에서는 총 45개 지점에서 기계적 물성치를 측정하였다. 모재 및 용융부는 구분이 용이하나 HAZ 부위를 구분하는 것이 용이하지 않기 때문에 본 연구에서는 PCHE 구조해석 모델에 사용된 유한요소 크기가 2.0 mm인 점을 감안하여 용융부와 근접한 곳에서 모재 쪽으로 2 mm까지로 가정하였다.

제안 방법

SUS316L로 제작된 실험실 수준 인쇄기판형 열교환기(PCHE) 시제품의 용접부 기계적 물성치를 계장형 압입시험법으로 측정하였고 측정자료를 분석한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 참고문헌 5에서와 같은 장비 및 실험 조건으로 시험을 수행하였다. 즉, 계장형 압입시험장비인 Micro AIS를 이용하여 변위제어 압입시험을 수행하였다.
시험에서는 직경 0.05 mm의 구형 압입자를 이용하고 최대 압입깊이 6 μm, 다중 압입 횟수 6회, 하중 제거 비율 50%, 시험 속도 0.03 mm/min의 시험조건으로 수행하였다.
3은 계장화 압입시험을 통하여 얻어지는 압입하중-압입 깊이 곡선을 나타낸 것이다. 실제 접촉깊이를 결정하기 위해서는 우선 하중제거 곡선을 멱함수로 나타내고, 이를 최대 압입깊이에서 미분하여 구한 기울기 값으로써 재료의 강성(stiffness)인 S를 평가한다. Fig.
본 논문에서는 절단 단면을 가공하여 압입시험을 수행하였다. 압입시험은 영역별로 되도록 많은 측정 data를 얻기 위해 절단한 시편 단면에서 0.5 mm 간격으로 수행하였다. Fig.
4는 실험실 수준 PCHE 시제품을 제작하는 공정을 나타낸 것으로 PCHE 제작공정을 살펴보면 화학적으로 에칭(etching)하여 제작한 1차 및 2차 유체가 흐르는 열교환기 판들을 교대로 적층한 뒤 모서리부위를 확산접합(diffusion bonding)하여 열교환기 core를 제작하고 헤더와 플랜지가 부착된 챔버를 열교환기 core에 TIG용접한다. 용가재없이 또한 별도의 용접구속을 하지 않은 상태로 TIG 용접을 시행하였다.
본 연구에서는 참고문헌 5에서와 같은 장비 및 실험 조건으로 시험을 수행하였다. 즉, 계장형 압입시험장비인 Micro AIS를 이용하여 변위제어 압입시험을 수행하였다. 시험에서는 직경 0.

대상 데이터

5 mm 간격으로 수행하였다. Fig. 5에서와 같이 모재부위에서는 총 60개 지점, 열영향부(HAZ) 부위에서는 총 20개 지점 그리고 용융부에서는 총 45개 지점에서 기계적 물성치를 측정하였다. 모재 및 용융부는 구분이 용이하나 HAZ 부위를 구분하는 것이 용이하지 않기 때문에 본 연구에서는 PCHE 구조해석 모델에 사용된 유한요소 크기가 2.
실험실 수준 PCHE 시제품은 내부식성 및 내입계부식성이 우수한 SUS316L 재료로 제작되어 있는데 SUS316L의 대표적인 화학조성과 물성치는 Tables 1 및 2에 나타나 있다. 또한 TIG 용접 조건은 Table 3에 나타나 있다.
6의 측정 data를 이용하여 모재, HAZ 및 용융부에서 항복응력과 인장강도의 평균값, 분산 및 95% 하한 신뢰도 평균값과 ASME Boiler & Pressure Vessel Code⁹⁾에 나와 있는 모재부위에서 최소 항복응력과 인장강도 등을 나타낸 것이다. 예전에는 용접부의 기계적 물성치가 확보되지 못하여서 참고 문헌 9에 있는 SUS316L의 기계적 물성치들을 PCHE 구조물의 구조해석 및 평가에 사용하였다¹⁰⁾.

성능/효과

1) SUS316L 판재의 용접 용융부에서 항복응력은 모재에 비해 유의할 정도로 감소하고 있으나 인장강도는 유의할 정도로 증가하고 있다.
7에서 보면 용접에 의한 상변화는 발생하지 않았으나 입자 (Grain)의 크기와 형상이 변하였음을 알 수 있다. 즉, 모재부위에서는 입자의 크기가 비교적 균일한데 반해 HAZ 및 용융부에서는 입자의 크기가 길게 늘어지고 촘촘해지는 것을 관찰하였는데 이러한 관찰사항과 용접 잔류응력에 의해서 모재보다 항복응력이 연화되고 인장 강도는 증강되는 현상이 나타내는 것으로 보인다.

후속연구

2) 본 연구 결과는 해당 소재로 용접/제작된 PCHE 시제품의 구조특성을 좀 더 신뢰성 있게 평가하기 위한 기초자료로 이용될 수 있다.
Table 4에서 보면 계장형 압입시험법을 이용하여 얻은 모재부위의 항복응력 및 인장강도(평균값 및 95%하한 신뢰도 평균값)가 참고문헌에 있는 값(비록 최소 규정된 값일지라도)들과 상당한 차이가 있다. 따라서 본 실험에서 얻은 기계적 물성치인 항복응력 및 인장강도를 용접부를 포함한 구조물의 구조해석용 설계입력자료로 사용하기 위해서는 선행연구^5,11)에서와 같이 계장형 압입시험법에서 얻은 모재부위의 실험값을 기준으로 하여 HAZ 및 용융부에 대한 상대적 기계적 물성치 값을 도출할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재료의 기계적 물성치는 어떻게 얻는가?	재료의 기계적 물성치는 ASTM 규격에 따라 제작된 인장시편을 ASTM 절차에 따라 인장시험을 수행하여 얻는 것이 일반화된 방법이다. 그런데 인장시편을 채취하기 곤란한 부위에서의 기계적 물성치를 비교적 용이하게 얻을 수 있는 대체방법으로 계장화 압입시험법(Instrumented Indentation Technique)이 있는데 기본 원리는 다음과 같이 요약될 수 있다5).
	인장시편을 채취하기 곤란한 재료의 기계적 물성치를 얻기위한 대체방법에는 무엇이 있는가?	재료의 기계적 물성치는 ASTM 규격에 따라 제작된 인장시편을 ASTM 절차에 따라 인장시험을 수행하여 얻는 것이 일반화된 방법이다. 그런데 인장시편을 채취하기 곤란한 부위에서의 기계적 물성치를 비교적 용이하게 얻을 수 있는 대체방법으로 계장화 압입시험법(Instrumented Indentation Technique)이 있는데 기본 원리는 다음과 같이 요약될 수 있다5).
	용접된 구조물의 용접 부위에는 무엇이 형성되는가?	용접은 단품으로 이루어진 부품들을 원하는 형상의 구조물로 -복잡한 구조물에서도- 용이하게 형상화할 수 있는 편리한 접합 방법으로 산업현장에서 널리 사용되고 있다. 그런데 용접된 구조물의 용접 부위는 용접시에 투입된 열로 인하여 용융부 및 열영향부(Heat Affected Zone; HAZ)가 형성된다. 추가적인 열처리를 하지 않을 경우 일반적으로 용융부 및 HAZ에서의미세조직은 모재와는 다른 미세조직이 형성되어서 재료의 기계적 물성치(항복응력, 인장강도 등)가 모재에 비해 다를 수 있다.

참고문헌 (11)

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K. N. Song, S. D. Hong, and H. Y. Park : High-Temperature Structural Analysis of a Small-Scale PHE Prototype - Analysis Considering Material Properties in Weld Zone, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 36-10 (2012), 1289-1295 (in Korean)

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K. N. Song, J. S. Chang, S. H. Kang, and S. D. Hong : Measurement of Weld Material Properties of SUS316L Using an Instrumented Indentation Technique, Abstracts of the 2012 Autumn Annual Meeting of Korean Welding & Joining Society, 57 (2012), 94, Chang-won, Nov. 7-9 (in Korean)
K. N. Song and D. S. Ro : Measurement of Mechanical Properties in Weld Zone of Nuclear Material using an Instrumented Indentation Technique, Journal of the Korean Welding & Joining Society, 30-3 (2012), 51-56 (in Korean)
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ISO TR29381 : Metallic Materials-Instrumented Indentation Test for Measurement of Indentation Tensile Properties (2008)
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ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section II Part D (Customary), 2007
K. N. Song, H. Y. Lee, C. S. Kim, S. D. Hong, and H. Y. Park : Macroscopic High-Temperature Structural Analysis Model for a Small-Scale PCHE Prototype (I), Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 35-11 (2011), 1499-1506 (in Korean)

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K. N. Song, S. D. Hong, S. H. Lee and H. Y. Park : Effect of Mechanical Properties in the Weld Zone on the Structural Analysis Results of Plate-Type Heat Exchanger Prototype and Pressurized Water Reactor Spacer Grid, Journal of Nuclear Science and Technology, 49-9&10 (2012), 947-960

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