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문제 정의
- 레이저출력과 와이어 송급 속도가 동일한 조건 하에서 용접 속도가 용접 품질에 미치는 영향을 조사하였다. Fig.
- 레이저출력과 용접속도가 동일한 조건 하에서 와이어 송급 속도가 용접 품질에 미치는 영향을 조사하였다. Fig.
- 본 연구에서는 원자로 입출구 노즐 이종금속 용접부 Weld Inlay 예방정비를 위한 오스테나이트계 스테인리스강 레이저 클래딩 공정 개발을 위하여 실험적 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 저입열량의 레이저클래딩 공정을 이용한 원자로 입출구 노즐 Weld Inlay 정비 기술 확보를 위하여 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 레이저클래딩 기초 연구를 수행하였다. 최대출력 3kW 다이오드레이저를 이용하여 용가재별(ER309L, Alloy 52M)로 용접 변수를 변화시키면서 Melt-run 실험을 실시하여 용접 품질을 평가하였으며, 도출된 최적 용접 공정 변수를 바탕으로 모재인 스테인리스강 위에 용가재 ER309L과 Alloy 52M를 적층하여 육성용접을 수행하였다.
제안 방법
- 1층 희생층으로 적용되는 용가재 ER309L의 최적 용접 공정 변수를 도출하기 위하여 모재 Alloy 600위에 용접 공정 변수를 변화시키면서 레이저클래딩 실험을 수행하였다. Fig.
- 2층과 3층에 적층할 용가재 Alloy 52M에 대한 최적용접 공정 변수를 도출하기 위하여 모재 Alloy 600 위에 레이저클래딩 실험을 실시하였다. Fig.
- Table 1과 같이 3.1과 3.2절에서 얻은 용가재별 최적 용접 공정 변수를 기준으로 모재 SA312 TP304와 용가재 ER309L(1층) 그리고 후속 층으로 Alloy 52M(2층, 2+3층)의 레이저클래딩 다층용접 실험을 수행한 후 제작된 용접시편에 대한 용접성 평가를 실시하였다. Fig.
- 다층 육성용접은 앞에서 도출된 최적 용접 공정 변수를 바탕으로 오스테나이트계 스테인리스강 위에 먼저 용가재 ER309L로 1층(희생층)을 적층한 후 후속 층으로 용가재 Alloy 52M을 이용하여 2층 그리고 3층까지 육성용접을 실시하였다. 각 층별로 제작된 용접시편의 용접 품질을 평가하기 위하여 PT 시험을 이용한 결함 지시 검사, OM 또는 SEM을 이용한 절단된 용접 비드면의 용접 특성 및 결함 유무 확인 등을 수행하였고, 마지막으로 Weld Inlay 용접 시 ASME Code Case N-766 기술기준에서 요구하는 용착된 모든 용접금속부(Alloy 52M)가 24% 이상의 Cr 함유량을 만족하고 있는지 EDS 분석을 통하여 평가하였다.
- 다음은, Weld Inlay 용접 시 ASME Code Case N-766 기술기준에서 요구하는 인코넬 합금 재질 (Alloy 690: Alloy 52M)로 용착된 모든 용착금속부에서의 Cr 함유량 만족 여부를 확인하기 위하여 제작된 용접시편의 용접열영향부 근처 영역에 대하여 SEM을 이용한 미세 조직 관찰과 EDS 분석을 통한 Cr 함유량을 평가하였다. Fig.
- 먼저, 용가재별 최적 용접 공정 변수를 도출하기 위하여 용접 공정 변수를 변화시키면서 Melt-run 기초 실험을 수행하여 용접 품질을 평가하였다. 다층 육성용접은 앞에서 도출된 최적 용접 공정 변수를 바탕으로 오스테나이트계 스테인리스강 위에 먼저 용가재 ER309L로 1층(희생층)을 적층한 후 후속 층으로 용가재 Alloy 52M을 이용하여 2층 그리고 3층까지 육성용접을 실시하였다. 각 층별로 제작된 용접시편의 용접 품질을 평가하기 위하여 PT 시험을 이용한 결함 지시 검사, OM 또는 SEM을 이용한 절단된 용접 비드면의 용접 특성 및 결함 유무 확인 등을 수행하였고, 마지막으로 Weld Inlay 용접 시 ASME Code Case N-766 기술기준에서 요구하는 용착된 모든 용접금속부(Alloy 52M)가 24% 이상의 Cr 함유량을 만족하고 있는지 EDS 분석을 통하여 평가하였다.
- 0 m/min 이내 범위이다. 먼저, 용가재별 최적 용접 공정 변수를 도출하기 위하여 용접 공정 변수를 변화시키면서 Melt-run 기초 실험을 수행하여 용접 품질을 평가하였다. 다층 육성용접은 앞에서 도출된 최적 용접 공정 변수를 바탕으로 오스테나이트계 스테인리스강 위에 먼저 용가재 ER309L로 1층(희생층)을 적층한 후 후속 층으로 용가재 Alloy 52M을 이용하여 2층 그리고 3층까지 육성용접을 실시하였다.
- 본 연구에서 수행된 레이저클래딩 실험은 Fig. 2와 같이 웨스팅하우스형 원자로 입출구 노즐 배관 직경과 같은 Mock-up을 제작하여 자체 개발된 기구부를 Mock-up 내에 삽입하였으며(12), 접촉식 프루브(Probe) 타입의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 장치를 이용하여 용접선을 사전 추적하여 데이터를 취득하였고, 용접 공정 스케쥴러 프로그램을 통하여 레이저 발진기, 와이어 피더 공급 장치, 기구부의 개별 공정 변수들을 변화시켜가면서 실험이 수행되었다. 클래딩 용접 공정 변수 중 초점위치, 레이저와 와이어의 이격 거리(D), Ar 쉴딩 가스 유량(Q)는 각각 +6 mm, 1 mm, 30 L/min으로 선정하였다.
- 8 m/min 이상에서는 용가재가 연속적으로 용융되어 용착되지 않고 부분적으로 불균질한 험핑 비드가 형성됨을 확인하였다. 앞에서 얻은 결과로부터, 용가재 ER309L를 이용한 레이저클래딩 실험 시 레이저출력 2 kW, 용접 속도 0.6 m/min, 와이어 송급 속도 1.5 m/min 조건에서 우수한 용접 품질을 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이 조건에서 멀티패스를 통한 오버랩(overlap) 용접 가능성을 확인하기 위해 초층(1 layer) 레이저클래딩 실험을 실시하였다. 그 결과, Fig.
- 96 mm 를 나타내었다. 이들 중 용접 품질이 가장 양호한 조건인 와이어 송급속도 1.65 m/min에서 레이저출력을 증가시키면서 용접 실험을 수행하였다. Fig.
- 최대출력 3kW 다이오드레이저를 이용하여 용가재별(ER309L, Alloy 52M)로 용접 변수를 변화시키면서 Melt-run 실험을 실시하여 용접 품질을 평가하였으며, 도출된 최적 용접 공정 변수를 바탕으로 모재인 스테인리스강 위에 용가재 ER309L과 Alloy 52M를 적층하여 육성용접을 수행하였다. 제작된 용접시편에 대한 용접 품질을 평가하기 위하여 액체침투탐상검사(PT), 광학현미경(Optical Microscope) 및 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용한 용접비드면 조직 관찰 그리고 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 분석을 통한 Alloy 52M 용착금속부의 Cr 함유량 평가 등을 수행하였다.
- 본 연구에서는 저입열량의 레이저클래딩 공정을 이용한 원자로 입출구 노즐 Weld Inlay 정비 기술 확보를 위하여 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 레이저클래딩 기초 연구를 수행하였다. 최대출력 3kW 다이오드레이저를 이용하여 용가재별(ER309L, Alloy 52M)로 용접 변수를 변화시키면서 Melt-run 실험을 실시하여 용접 품질을 평가하였으며, 도출된 최적 용접 공정 변수를 바탕으로 모재인 스테인리스강 위에 용가재 ER309L과 Alloy 52M를 적층하여 육성용접을 수행하였다. 제작된 용접시편에 대한 용접 품질을 평가하기 위하여 액체침투탐상검사(PT), 광학현미경(Optical Microscope) 및 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용한 용접비드면 조직 관찰 그리고 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 분석을 통한 Alloy 52M 용착금속부의 Cr 함유량 평가 등을 수행하였다.
- 2와 같이 웨스팅하우스형 원자로 입출구 노즐 배관 직경과 같은 Mock-up을 제작하여 자체 개발된 기구부를 Mock-up 내에 삽입하였으며(12), 접촉식 프루브(Probe) 타입의 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 장치를 이용하여 용접선을 사전 추적하여 데이터를 취득하였고, 용접 공정 스케쥴러 프로그램을 통하여 레이저 발진기, 와이어 피더 공급 장치, 기구부의 개별 공정 변수들을 변화시켜가면서 실험이 수행되었다. 클래딩 용접 공정 변수 중 초점위치, 레이저와 와이어의 이격 거리(D), Ar 쉴딩 가스 유량(Q)는 각각 +6 mm, 1 mm, 30 L/min으로 선정하였다. 사용된 레이저출력, 용접 속도 및 와이어 송급 속도는 각각 1.
성능/효과
- 그리고, Fig. 12(b)의 점 P1과 P2의 Cr 함유량은 각각 24.79%와 25.47% 이었으며 이 값은 Weld Inlay 용접 시 ASME Code에서 요구하는 새롭게 용착된 인코넬 합금 재질의 용착금속부는 24% 이상의 Cr 함유량 기준을 만족하는 것으로 확인되었으며, 또한 Fig. 13의 세 번째 층 Alloy 52M 용접금속부에 대한 EDS 분석 결과에서도 마찬가지로 코드 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
- 1) 용가재 ER309L에 대한 레이저클래딩 단층 용접 실험 결과, 레이저출력 2 kW, 용접속도 0.6 m/min, 와이어 송급속도 1.5 m/min에서 용접 결함이 없는 최적 용접 공정 조건을 얻었으며, 용접비드폭과 적층 높이는 각각 2.95 mm와 0.75 mm 이었다.
- 12(a)와 12(b)는 두 번째 층 용접시편에 대한 미세조직 관찰과 EDS 분석 결과이다. 1층과 2층 사이의 용접금속부에서의 EDS 분석 결과, Fe, Ni, Cr의 합금 원소들이 주로 발견되었으며, 특히 Fe 원소의 경우 2층의 Alloy 52M 용접금속부 하단에 Fe 원소가 존재하는 것으로 보아 ER309L 용가재와 Alloy 52M이 잘 희석되어 응고됨을 확인 할 수 있었다. 그리고, Fig.
- 2) 용가재 Alloy 52M에 대한 레이저클래딩 단층 실험 결과, 레이저출력 1.8 kW, 용접속도 0.6 m/min, 와이어 송급속도 1.65 m/min에서 용접 결함이 없는 최적 용접 공정 조건을 얻었으며, 용접비드폭과 적층 높이는 각각 2.98 mm와 0.86 mm 이었다.
- 3) 오스테나이트계 스테인리스강(SA312 TP304)과 용가재 ER309L, Alloy 52M에 대한 레이저클래딩 다층육성용접 실험 결과, 초층(SA312+ER309L), 두 번째 층 (SA312+ER309L+Alloy 52M), 세 번째 층(SA312+ER309L +Alloy 52M+Alloy 52M)에 대한 레이저클래딩 용접시편 제작이 가능하였으며, 용접부 표면 및 절단면 용접비 드에서 특이할 만한 용접 결함이 발견되지 않았다.
- 5) 세 번째 층 용접시편에 대하여 Alloy 52M 층별 Cr 함유량을 평가한 결과, Weld Inlay 용접시 ASME Code Case N-766에서 요구하는 인코넬 합금 용가재로 용착되는 모든 층의 용착금속부는 24% 이상의 Cr 함유량을 만족해야 한다는 기준을 충분히 만족하고 있음을 확인하였다.
- 관찰 결과, 와이어 송급 속도 증가 시, 용접비드폭과 용입 깊이는 큰 변동이 없음을 확인하였고, 적층 높이는 0.75 mm ∼ 1.42 mm로 점진적으로 증가함을 알 수 있었다.
- 5 m/min 조건에서 우수한 용접 품질을 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이 조건에서 멀티패스를 통한 오버랩(overlap) 용접 가능성을 확인하기 위해 초층(1 layer) 레이저클래딩 실험을 실시하였다. 그 결과, Fig. 6과 같이 적층 높이 약 1 mm 정도의 용접비드를 가지는 오버랩용접이 가능하였으며, 용접비드면 표면 위에는 특이할만한 용접 결함이 발견되지 않았다.
- 7(b)는 레이저출력 변화에 따른 용접 품질 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 레이저출력 1.8 kW에서 용접비드폭 2.98 mm, 적층높이 0.86 mm의 용접비드면을 얻었으며, 특이할 만한 용접 결함이 없는 품질을 얻을 수 있었다. 앞에서 얻은 결과 중 용접 품질이 가장 우수한 조건인 레이저출력 1.
- 5 m/min 이다. 그 결과, 레이저출력이 1.3 kW에서 2.4 kW로 증가할 경우, 레이저입열량 증가와 함께 용접비드폭은 2.54 mm에서 3.05 mm로 넓어졌으며, 용입 깊이는 0.72 mm에서 1.69 mm로 깊어짐을 확인하였다. 반면, 적층 높이는 0.
- 9는 각 층별 레이저클래딩 다층용접 후 용접부 표면 외관 사진을 나타낸 것이다. 그 결과, 용가재 ER309L의 초층에 대한 레이저클래딩 용접의 경우, 적층 높이 약 1 mm의 용접부 표면 위에 특이할 만한 용접결함이 발견되지 않았으며 양호한 용접 품질을 얻을 수 있었다. 용가재 Alloy 52M을 이용한 후속 층 레이저클래딩 다층용접의 경우, 두 번째 층과 세 번째 층의 적층 높이는 각각 약 2.
- 5 m/min 이다. 그 결과, 용접 속도 0.6 m/min에서 용접부 표면의 용접비드 형상이 가장 양호하게 나타났으나, 0.8 m/min 이상에서는 용가재가 연속적으로 용융되어 용착되지 않고 부분적으로 불균질한 험핑 비드가 형성됨을 확인하였다. 앞에서 얻은 결과로부터, 용가재 ER309L를 이용한 레이저클래딩 실험 시 레이저출력 2 kW, 용접 속도 0.
- 86 mm의 용접비드면을 얻었으며, 특이할 만한 용접 결함이 없는 품질을 얻을 수 있었다. 앞에서 얻은 결과 중 용접 품질이 가장 우수한 조건인 레이저출력 1.8 kW, 용접 속도 0.6 m/min, 와이어 송급 속도 1.65 m/min의 조건에서 초층에 대한 레이저클래딩 오버랩용접을 실시한 결과, Fig. 8과 같이 적층 높이 약 1.22 mm 정도의 용접비드면을 얻었으며, 용접비드면 표면 위를 육안 검사 결과 특이할 만한 용접 결함이 발견되지 않음을 확인하였다.
- 6 m/min 이다. 와이어 송급 속도 1.5 m/min에서 용접부 표면의 용접비드면 관찰 결과, 용가재 공급량 부족으로 인한 험핑 비드가 형성되어 있음을 확인하였다. 와이어 송급 속도 1.
- 그 결과, 용가재 ER309L의 초층에 대한 레이저클래딩 용접의 경우, 적층 높이 약 1 mm의 용접부 표면 위에 특이할 만한 용접결함이 발견되지 않았으며 양호한 용접 품질을 얻을 수 있었다. 용가재 Alloy 52M을 이용한 후속 층 레이저클래딩 다층용접의 경우, 두 번째 층과 세 번째 층의 적층 높이는 각각 약 2.22 mm와 3.51 mm 이었으며 용가재 ER309L의 초층 위에 용착되어 육성용접은 이루어졌지만 부분적으로 용접부 표면이 좋지 않음을 확인하였다. 이러한 이유는, 용접기구부 회전축(R축)의 용접방향 이동 시 제어 구동이 원활하지 않아 다층용접 시 용융금속이 균질하게 응고되지 않았으며, 용접부 표면 위 용접선 추적을 위한 LVDT 사양이 용착된 용접금속 높이 0.
- 42 mm로 점진적으로 증가함을 알 수 있었다. 용접부 표면 비드면 상태는 전체적으로 특이할 만한 결함 없이 양호함을 확인하였다.
- 51 mm 이었으며 용가재 ER309L의 초층 위에 용착되어 육성용접은 이루어졌지만 부분적으로 용접부 표면이 좋지 않음을 확인하였다. 이러한 이유는, 용접기구부 회전축(R축)의 용접방향 이동 시 제어 구동이 원활하지 않아 다층용접 시 용융금속이 균질하게 응고되지 않았으며, 용접부 표면 위 용접선 추적을 위한 LVDT 사양이 용착된 용접금속 높이 0.5 mm 이상의 경우에 대해서 추적 능력을 상실하여 제기능을 발휘하지 못했던 것으로 확인되었다. 다음은, 각 층별 용접시편의 특정 부분만을 채취하여 PT 시험을 Fig.
- 11은 초층, 두 번째 층, 세 번째 층의 용접시편에 대한 절단면의 용접비드 형상과 매크로 조직 사진을 나타낸 것이다. 절단면 용접비드 관찰 결과, 초층, 두 번째 층, 세 번째 층 용접시편 모두 용접비드 간 용착이 잘 생성되어 있었으며, 균열이나 기공 같은 용접 결함이 발견되지 않았다.
- 한편, 레이저출력 1.3과 1.6 kW의 경우, 용접비드 형상이 양호하지 않았으며, 레이저입열량 저하로 인하여 용가재 미용융에 따른 용접부 표면 위에 험핑(Humping) 비드가 발생됨을 확인하였다. 레이저 출력 2 kW의 경우, 용접비드는 특이할 만한 결함없이 양호한 용접 품질을 얻을 수 있었다.
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