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문제 정의
- 본 연구에서는 원자로 입출구 노즐 Weld Inlay 적용 후 잔류응력을 완화시키기 위한 방법으로 초음파 진동에너지로 표면 압축 잔류응력을 형성시킬 수 있는 초음파나노표면개질(UNSM: Ultrasonic Nano Crystal Surface Modification)13-16) 기법의 타당성을 평가하기 위하여 Weld Inlay 시편을 제작하여 UNSM 처리 후 UNSM 전후의 잔류응력을 계장화압입시험(IIT: Instrumented Indentation Technique)17)으로 측정하고, UNSM이 잔류응력 완화에 미치는 영향을 평가하였다.
- 본 연구에서는 원자로 입출구 노즐 이종금속 용접부 Weld Inaly 용접 후 용접부 내 존재하는 잔류응력에 대하여 초음파나노표면개질(UNSM)처리 기술 적용 시 잔류응력 완화 효과에 대한 타당성을 검토하기 위하여 실험적 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- As-welded와 Weld Inlay 용접시편에 대하여 2.3절에서 얻은 UNSM의 최적 공정 조건 적용 시 용접시편에 대한 품질 평가를 수행하였다. Fig.
- 잔류응력 측정을 위한 장비로는 프론틱스사의 AIS3000 Compact의 IIT 장치이다. IIT 압입 시험 경우, 비커스압입자와 구형압입자 간 측정 거리는 압입으로 인한 가공경화의 영향을 피하기 위하여 약 3 mm 정도로 이격하여 측정하였다.
- 용접 결함 미 검출 확인 후, 608∼612℃에서 2Hr 40min 조건 하에 용접후열처리(PWHT)를 수행하였다. PWHT 후 열처리 과정에 따른 결함 발생 여부를 확인하기 위하여 UT를 이용한 비파괴 검사를 재실시하였다. 한편, 용접시편은 시편 사면을 완전히 구속시킨 후, V-Groove 개선 공간에 ERNiCr-3을 이용하여 용접을 실시하였다.
- 한편, 용접시편은 시편 사면을 완전히 구속시킨 후, V-Groove 개선 공간에 ERNiCr-3을 이용하여 용접을 실시하였다. V-Groove 이종금속 용접부에 대하여 결함 유무를 확인하기 위하여 방사선투과검사(RT: radiographic test), UT, PMI 등의 비파괴 검사를 실시하였으며, 또한 용접부 표면 내 존재하는 잔류응력 측정을 위하여 측정부 두 평면에 대하여 표면 정삭 및 연마 가공을 실시하였다.
- Weld Inlay 용접시편 제작은 Fig. 3(b)와 같이 Weld Inlay 레이저 육성용접 할 부위에 대하여 개선 가공을 실시하였으며, 초층 용접 시 Safe end의 SA182 F304L 모재에는 ER308L, 노즐부의 A350 LF2에는 ERNiCrFe-7A로 용착시켰으며, 두 번째 층 이상에서는 ERNiCrFe-7A로 용접을 실시하였다. Weld Inlay의 레이저용접 조건 특성은 최대 출력 6.
- 3(b)와 같이 Weld Inlay 레이저 육성용접 할 부위에 대하여 개선 가공을 실시하였으며, 초층 용접 시 Safe end의 SA182 F304L 모재에는 ER308L, 노즐부의 A350 LF2에는 ERNiCrFe-7A로 용착시켰으며, 두 번째 층 이상에서는 ERNiCrFe-7A로 용접을 실시하였다. Weld Inlay의 레이저용접 조건 특성은 최대 출력 6.6 kW, 초점거리 340 mm, 초점심도 0.3 mm의 사양을 가지는 고출력 디스크 레이저를 이용하여 레이저출력 2 kW, 용접 속도 20 mm/s 용접 조건 하에서 15번째 층까지 육성용접을 수행하였다. 용접 후, 레이저 용접부 표면을 정삭 및 연마 가공을 실시하였다.
- 3의 용접부 형상 치수 조건을 바탕으로 V-Groove 개선 가공을 수행하였다. 노즐부 모재 A350 LF2 표면 위에 용가재 ER308L을 이용하여 용접절차 인정 시에 적용된 용접조건으로 두께 10 mm 클래딩 용접을 수행하였으며, A350 LF2 V-Groove 개선면 위에 용가재 ERNiCr-3을 이용하여 10 mm 의 버터링(Buttering) 용접을 수행하였다. 클래딩 용접부 표면과 V-Groove 개선 버터링 용접부 표면에 대하여 평탄도를 유지하기 위하여 표면으로부터 3 mm 정도까지 정삭 가공 처리하였다.
- 용접시편 세부 제작 과정은 다음과 같다. 먼저, As-welded 용접시편은 모재의 용접할 부위에 대하여 Fig. 3의 용접부 형상 치수 조건을 바탕으로 V-Groove 개선 가공을 수행하였다. 노즐부 모재 A350 LF2 표면 위에 용가재 ER308L을 이용하여 용접절차 인정 시에 적용된 용접조건으로 두께 10 mm 클래딩 용접을 수행하였으며, A350 LF2 V-Groove 개선면 위에 용가재 ERNiCr-3을 이용하여 10 mm 의 버터링(Buttering) 용접을 수행하였다.
- 용접 결함 미 검출 확인 후, 608∼612℃에서 2Hr 40min 조건 하에 용접후열처리(PWHT)를 수행하였다.
- 3 mm의 사양을 가지는 고출력 디스크 레이저를 이용하여 레이저출력 2 kW, 용접 속도 20 mm/s 용접 조건 하에서 15번째 층까지 육성용접을 수행하였다. 용접 후, 레이저 용접부 표면을 정삭 및 연마 가공을 실시하였다.
- 용접시편에 대한 UNSM 처리 시 용접시편 내 잔류응력 개선 효과를 획득할 수 있는 최적 공정 처리 조건을 도출하기 위하여 4개의 가공 변수에 대하여 처리 조건(30∼40N static force, 1.5∼3.0m/min 속도, 35∼50μm 진폭, 1.2∼2mm 팁 반경)을 변화시키면서 실험을 수행하였다.
- 클래딩 용접부 표면과 V-Groove 개선 버터링 용접부 표면에 대하여 평탄도를 유지하기 위하여 표면으로부터 3 mm 정도까지 정삭 가공 처리하였다. 정삭 가공 후, 용접부 내 결함 여부를 확인하기 위하여 초음파탐상검사(UT: ultrasonic testing)와 합금분석검사(PMI: positive material identification)를 이용한 비파괴 검사를 실시하였다. 용접 결함 미 검출 확인 후, 608∼612℃에서 2Hr 40min 조건 하에 용접후열처리(PWHT)를 수행하였다.
- 노즐부 모재 A350 LF2 표면 위에 용가재 ER308L을 이용하여 용접절차 인정 시에 적용된 용접조건으로 두께 10 mm 클래딩 용접을 수행하였으며, A350 LF2 V-Groove 개선면 위에 용가재 ERNiCr-3을 이용하여 10 mm 의 버터링(Buttering) 용접을 수행하였다. 클래딩 용접부 표면과 V-Groove 개선 버터링 용접부 표면에 대하여 평탄도를 유지하기 위하여 표면으로부터 3 mm 정도까지 정삭 가공 처리하였다. 정삭 가공 후, 용접부 내 결함 여부를 확인하기 위하여 초음파탐상검사(UT: ultrasonic testing)와 합금분석검사(PMI: positive material identification)를 이용한 비파괴 검사를 실시하였다.
- PWHT 후 열처리 과정에 따른 결함 발생 여부를 확인하기 위하여 UT를 이용한 비파괴 검사를 재실시하였다. 한편, 용접시편은 시편 사면을 완전히 구속시킨 후, V-Groove 개선 공간에 ERNiCr-3을 이용하여 용접을 실시하였다. V-Groove 이종금속 용접부에 대하여 결함 유무를 확인하기 위하여 방사선투과검사(RT: radiographic test), UT, PMI 등의 비파괴 검사를 실시하였으며, 또한 용접부 표면 내 존재하는 잔류응력 측정을 위하여 측정부 두 평면에 대하여 표면 정삭 및 연마 가공을 실시하였다.
대상 데이터
- 잔류응력 측정 위치(Line1과 Line2)는 원자로 입출구 노즐 배관 내부로 일차냉각재와 접촉하는 표면이다. 잔류응력 측정을 위한 장비로는 프론틱스사의 AIS3000 Compact의 IIT 장치이다. IIT 압입 시험 경우, 비커스압입자와 구형압입자 간 측정 거리는 압입으로 인한 가공경화의 영향을 피하기 위하여 약 3 mm 정도로 이격하여 측정하였다.
- 2∼2mm 팁 반경)을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 표면 내 압축 잔류응력을 크게 부가시키기 위하여 얻은 Stactic force, 속도, 진폭, 팁 반경의 최종 처리 조건은 각각 30N, 2.1m/min, 50㎛, 1.2mm 이다.
이론/모형
- 2는 제작된 용접시편의 형상을 보여준다. 각 재료별 화학적 조성과 물리적 특성은 ASME Code SectionⅡ18)를 참조한다.
- 5는 용접시편에 대한 UNSM 처리 실제 장면을 나타낸다. 처리 표면은 Fig. 2와 같이 XZ와 XY의 두 개 평면으로 전체 면적에 대하여 UNSM 처리를 수행하였다. 용접시편에 대한 UNSM 처리 시 용접시편 내 잔류응력 개선 효과를 획득할 수 있는 최적 공정 처리 조건을 도출하기 위하여 4개의 가공 변수에 대하여 처리 조건(30∼40N static force, 1.
성능/효과
- 1) UNSM 적용으로 원자로 입출구 노즐 Alloy 600재질의 이종금속 용접시편(As-welded, Weld Inlay)에서 잔류응력 완화 효과가 발생하였다.
- 2) As-welded 용접시편에 대한 UNSM 처리 전후잔류응력 평가 결과, 용접시편 내 존재하는 최대 인장 잔류응력은 재료별 항복강도 이하의 범위내로 감소하였으나, 응력 완화 효과는 각 재료의 위치별로 부분적으로 나타남을 확인하였다.
- 3) Weld Inlay 용접시편에 대한 UNSM 처리 전후잔류응력 평가 결과, 용접시편 내 존재하는 최대 인장 잔류응력은 재료별 항복강도 이하의 범위내로 감소하였으며, 인장 잔류응력은 전반적으로 현저하게 완화 또는 압축 잔류응력으로 변환되는 경향이 나타났다.
- XZ 평면에서 UNSM 처리 후 경도값을 측정한 결과, As-welded 용접시편의 경우, 1, 2번의 스테인리스강(SA182 F304L)의 경도값은 UNSM 처리 전과 비교하여 평균 14%, 3, 4번의 Alloy 82 경우 는 평균 30% 증가하였고, Weld Inlay 용접시편의 경우, 1, 2번에서 평균 14%, 3, 4번의 Alloy 52M에서 평균 34% 증가하였음을 확인하였다. Alloy 52M의 경도 증가 비율이 스테인리스강보다 2배 정도 차이를 보였으며, Alloy 52M이 스테인리스강보다 가공경화 효과가 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 이 결과로부터, 두 종류의 용접시편에 대한 UNSM 처리 후 재료 표면의 경화 정도는 다소 증가하였으나, 균열 민감도를 증가시킬 우려는 없는 것으로 판단된다.
- 9는 UNSM 처리 전후 As-welded 용접시편에 대한 포인트별 잔류응력 측정 결과를 보여준다. As-welded 용접시편에 대한 UNSM 전후 잔류응력 측정값을 비교한 결과, 용접시편 내 재료별(SA182 F304L: SS, Alloy 82: Al) UNSM 처리 전 IIT 잔류응력 측정값은 스테인리스강, Alloy 82 재료별 최대 인장/압축 잔류응력이 각각 119.65 MPa과 -29.29 MPa, 74.26 MPa과 -65.79 MPa이었으며, UNSM 처리 후 스테인리스강, Alloy 82 재료별 최대 인장/압축 잔류응력은 각각 42.76 MPa과 -86.53 MPa, 81.12 MPa과 -109.09 MPa이었다. 한편, UNSM 처리 전후 측정된 잔류응력을 비교한 결과, UNSM 처리 후에 얻은 측정 위치별 잔류응력값은 부분적으로 응력 완화 효과가 나타났지만, 반대로 잔류응력이 인장방향 쪽으로 전환 또는 증가하는 경향도 나타났다.
- 11은 As-welded와 Weld Inlay 용접시편의 동일 측정 지점(Line1)에서 UNSM 처리 전후에 측정한 잔류응력을 분석한 결과이다. UNSM 처리 전의 경우, XZ 평면의 스테인리스강과 Alloy 82/52M 재료에서 Weld Inlay 용접시편이 As-welded 용접시편보다 잔류응력이 높게 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 구속조건에서 Weld Inlay 공정으로 인한 모재의 국부적인 가열과 냉각 수축으로 인한 영향으로 본다. 한편, UNSM 처리 후의 경우에서는 UNSM 처리 전과는 반대로 Weld Inlay 용접시편이 As-welded 용접시편보다 잔류응력이 전반적으로 낮게 나타났다.
- UNSM 처리 후 스테인리스강, Alloy 52M의 최대 인장 잔류응력은 재료별 항복강도의 약 23%, 76%의 잔류응력이 존재함을 확인할 수 있었으며, UNSM에 따른 응력 개선 효과가 있음을 알 수 있다.
- 한편, UNSM 처리 전후 측정된 잔류응력을 비교한 결과, UNSM 처리 후에 얻은 측정 위치별 잔류응력값은 부분적으로 응력 완화 효과가 나타났지만, 반대로 잔류응력이 인장방향 쪽으로 전환 또는 증가하는 경향도 나타났다. UNSM 처리 후 스테인리스강, Alloy 82의 최대 인장 잔류응력은 재료별 항복강도(SA182 F304L: 170MPa, Alloy 82: 207MPa)의 약 25%, 39%의 잔류응력이 존재함을 확인할 수 있었다. 앞에서 얻은 결과로부터, UNSM 처리 후 As-welded 용접시편 내 존재하는 인장 잔류응력은 재료의 항복강도 이하로 감소되었으나, UNSM에 따른 응력 완화 효과는 재료에 대한 측정 위치별로 부분적으로 완화 효과가 나타남을 확인하였다.
- 10은 UNSM 처리 전후 Weld Inlay 용접시편에 대한 포인트별 잔류응력 측정 결과를 나타낸다. Weld Inlay 용접시편에 대한 UNSM 처리 전 IIT 시험을 통한 잔류응력 측정 결과, 스테인리스강, Alloy 52M 재료별 최대 인장/압축 또는 최소 인장 잔류응력은 각각 159.03 MPa과 13.83 MPa, 280.95 MPa과 63.74 MPa이었으며, UNSM 처리 후 스테인리스강, Alloy 52M의 재료별 최대 인장/압축 잔류응력은 각각 39.41 MPa과 -276.08 MPa, 42.61 MPa과 -119.36 MPa이었다. 이 결과로부터, Weld Inlay로인하여 인장 잔류응력이 다소 증가하였음을 알 수 있고, UNSM 처리를 통하여 인장 잔류응력이 완화 또는 압축 잔류응력으로 변환되는 것으로 나타났다.
- 8은 As-welded와 Weld Inlay 용접시편 에 대한 UNSM 처리 전후 가공된 표면에 대한 비커스경도값(Hv)을 측정한 결과이다. XZ 평면에서 UNSM 처리 후 경도값을 측정한 결과, As-welded 용접시편의 경우, 1, 2번의 스테인리스강(SA182 F304L)의 경도값은 UNSM 처리 전과 비교하여 평균 14%, 3, 4번의 Alloy 82 경우 는 평균 30% 증가하였고, Weld Inlay 용접시편의 경우, 1, 2번에서 평균 14%, 3, 4번의 Alloy 52M에서 평균 34% 증가하였음을 확인하였다. Alloy 52M의 경도 증가 비율이 스테인리스강보다 2배 정도 차이를 보였으며, Alloy 52M이 스테인리스강보다 가공경화 효과가 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
- UNSM 처리 후 스테인리스강, Alloy 82의 최대 인장 잔류응력은 재료별 항복강도(SA182 F304L: 170MPa, Alloy 82: 207MPa)의 약 25%, 39%의 잔류응력이 존재함을 확인할 수 있었다. 앞에서 얻은 결과로부터, UNSM 처리 후 As-welded 용접시편 내 존재하는 인장 잔류응력은 재료의 항복강도 이하로 감소되었으나, UNSM에 따른 응력 완화 효과는 재료에 대한 측정 위치별로 부분적으로 완화 효과가 나타남을 확인하였다.
- 133μm 범위였다. 이 결과는 잔류응력 측정을 위한 IIT 시험에서 요구하는 표면조도 기준치를 만족하였다.
- 36 MPa이었다. 이 결과로부터, Weld Inlay로인하여 인장 잔류응력이 다소 증가하였음을 알 수 있고, UNSM 처리를 통하여 인장 잔류응력이 완화 또는 압축 잔류응력으로 변환되는 것으로 나타났다. 한편, Fig.
- Alloy 52M의 경도 증가 비율이 스테인리스강보다 2배 정도 차이를 보였으며, Alloy 52M이 스테인리스강보다 가공경화 효과가 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 이 결과로부터, 두 종류의 용접시편에 대한 UNSM 처리 후 재료 표면의 경화 정도는 다소 증가하였으나, 균열 민감도를 증가시킬 우려는 없는 것으로 판단된다.
- 09 MPa이었다. 한편, UNSM 처리 전후 측정된 잔류응력을 비교한 결과, UNSM 처리 후에 얻은 측정 위치별 잔류응력값은 부분적으로 응력 완화 효과가 나타났지만, 반대로 잔류응력이 인장방향 쪽으로 전환 또는 증가하는 경향도 나타났다. UNSM 처리 후 스테인리스강, Alloy 82의 최대 인장 잔류응력은 재료별 항복강도(SA182 F304L: 170MPa, Alloy 82: 207MPa)의 약 25%, 39%의 잔류응력이 존재함을 확인할 수 있었다.
- UNSM 처리 전의 경우, XZ 평면의 스테인리스강과 Alloy 82/52M 재료에서 Weld Inlay 용접시편이 As-welded 용접시편보다 잔류응력이 높게 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 구속조건에서 Weld Inlay 공정으로 인한 모재의 국부적인 가열과 냉각 수축으로 인한 영향으로 본다. 한편, UNSM 처리 후의 경우에서는 UNSM 처리 전과는 반대로 Weld Inlay 용접시편이 As-welded 용접시편보다 잔류응력이 전반적으로 낮게 나타났다. 이러한 결과는, As-welded 용접 후 Weld Inlay 후속 공정에서 생성되는 용접부의 조대화와 인장 잔류응력이 증가된 용접시편이 UNSM 처리에 의하여 용접부 표면의 결정립 미세화, 압축 잔류응력의 부가와 전위밀도의 증가 등으로 설명되는 소성유기변형 (deformation induced transformation) 현상이 효과적으로 작용하였기 때문으로 판단된다15).
후속연구
- 이러한 결과는, As-welded 용접 후 Weld Inlay 후속 공정에서 생성되는 용접부의 조대화와 인장 잔류응력이 증가된 용접시편이 UNSM 처리에 의하여 용접부 표면의 결정립 미세화, 압축 잔류응력의 부가와 전위밀도의 증가 등으로 설명되는 소성유기변형 (deformation induced transformation) 현상이 효과적으로 작용하였기 때문으로 판단된다15). 앞에서 얻은 결과로부터, 실제 Weld Inlay 용접 시 UNSM 처리 기술을 이용한다면 보수용접 후 용접시편 내 인장 잔류응력을 완화할 수 있는 응력 개선 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 지금까지 얻은 연구 결과로부터, 실제 원자로 입출구 노즐 Weld Inlay 보수 시 UNSM 처리 기술을 적용한다면 보수 후에 존재하는 인장 잔류응력을 완화시켜 PWSCC를 예방할 수 있을 것으로 판단된다.
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