[논문]레이저 피닝 처리 및 적용 기술

김종도; 무네하루 쿠쯔나; 유지 사노

doi:10.5781/jwj.2015.33.4.1

레이저 피닝 처리 및 적용 기술
Laser Peening Process and Its Application Technique 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.4, 2015년, pp.1 - 6

김종도 (한국해양대학교 기관공학부) , 무네하루 쿠쯔나 ((주)최신레이저 기술연구소센타) , 유지 사노 ((주)동지 전력시스템사 전력.사회시스템기술개발센타)

Abstract ▼ AI-Helper

Advances in laser technology have yielded a multitude of innovative processes and applications in various industries. Laser peening is a typical example invented in the mid-1990s as a surface technology, which converted residual stress from tension to compression by just irradiating successive laser pulses to metallic materials under aqueous environment without any surface preparation. The effects of laser peening have been experimentally studied on residual stress, stress corrosion cracking(SCC) susceptibility and fatigue properties with water-penetrable frequency-doubled Nd:YAG laser. In addition, laser peening has been widely used in aviation and aerospace industries, automobile manufacturing and nuclear plant. One of the most important causes to improve the above-mentioned properties is the deeper compressive residual stress induced by laser peening. Taking advantage of the process without reacting force against laser irradiation, a remote operating system was developed to apply laser peening to nuclear power reactors as a preventive maintenance measure against SCC.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 아직까지 국내에서의 적용이 미흡한 레이저 피닝 처리에 대하여 그 원리 및 특징 그리고 적용 효과를 설명하고 활용 사례에 대해 서술한다.

제안 방법

STS304 소재에 대하여 온도 620 ℃에서 24시간 열예민화 처리를 실시한 후 20%의 냉간 압연을 실시하여 50 × 10 × 2 mmt 크기의 시험편을 제작하였다.
STS304의 응력-변형곡선 및 푸아송비(poisson’s ratio)를 반영하여 플라즈마 압력의 시간 변위를 외력 경계조건으로 동적인 응답을 계산하여 산출하였다.
결과적으로 레이저 피닝 처리에 의해서 재료 표면에 압축잔류응력이 형성되어 응력부식균열의 발생을 방지할 수 있음을 확인하였다. 니켈기 합금 alloy600 및그 용접금속 alloy182에 대해서도 동일한 시험을 실시하여 레이저 피닝 처리에 의한 응력부식균열 감수성의 저감 효과를 확인하였다²⁴⁾.
다양한 금속 재료에 대해 Nd:YAG 레이저를 사용하여 레이저 피닝 처리를 실시하였으며, 표면으로부터 약1 mm의 깊이까지 압축잔류응력을 형성할 수 있다는 것을 설명하였다. 그 결과를 통하여 레이저 피닝 처리는 응력부식균열 감수성을 줄이고 피로강도가 향상되며 금속 구조물의 수명 연장에 대한 효과를 확인할 수 있었다.
6에 나타낸다²³⁾. 두 종류의 열처리한 시험편에 대하여 레이저 피닝 처리한 후 피로시험을 실시하여 각각의 피로특성을 평가하였다. 사전 열처리는 온도 1,100 ℃에서 한 시간의 진공 풀림(FA, full annealing) 및 900 ℃에서 한 시간의 잔류응력제거 열처리(SR, stress- relieving heat treatment)를 실시하였다.
레이저는 광파이버를 통해서 약 50 m 전송되어 슈라우드의 용접 열영향부에 조사되고, 표면에 압축잔류응력을 형성하였다. 레이저 피닝 속도를 향상시키기 위해서 주파수 60 Hz의 레이저 발진기를 5대 사용하여 그 출력광을 합성함으로써 최대 300 Hz로 피닝 처리를 실시하였다.
두 종류의 열처리한 시험편에 대하여 레이저 피닝 처리한 후 피로시험을 실시하여 각각의 피로특성을 평가하였다. 사전 열처리는 온도 1,100 ℃에서 한 시간의 진공 풀림(FA, full annealing) 및 900 ℃에서 한 시간의 잔류응력제거 열처리(SR, stress- relieving heat treatment)를 실시하였다. 실험 결과, 피로한도는 레이저 피닝 처리하지 않은 응력제거 시험편에서 240 MPa을 나타낸 반면에 레이저 피닝 처리한 응력제거 시험편에서 약 1.
오스테나이트계 스테인리스강 STS316L에 대한 회전굽힘 피로시험을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타낸다²³⁾. 두 종류의 열처리한 시험편에 대하여 레이저 피닝 처리한 후 피로시험을 실시하여 각각의 피로특성을 평가하였다.
크기의 시험편을 제작하였다. 이 시험편에 1 %의 인장변형을 가한 후 레이저 피닝 처리를 실시하였다. 응력부식균열을 가속하기 위하여 온도 289 ℃, 용존산소 8 ppm, 전도율 0.
이에 따른 응력부식균열 시험을 위해 용접부에 대한레이저 피닝 처리를 실시하였으며, 시험 결과 사진을 Fig. 11에 나타낸다²²⁾. 사진에서 보이는 바와 같이 응력부식균열은 인장잔류응력이 큰 용접 토우부를 따라서 빠르게 진전하고 있다.
8 mm, 조사밀도 36pulse/mm²의 조건으로 레이저 피닝 처리를 한 결과, 표면으로부터 약 1 mm의 깊이까지 잔류응력이 형성되었다. 잔류응력의 깊이 분포는 X선회절과 전해연마를 반복하여 구하였다. 그림에서 보이는 실선은 유한요소법에 의한 탄소성 동적해석으로 구한 잔류응력 깊이 분포로서 실험 결과를 잘 나타내고 있다.

성능/효과

하지만 레이저 피닝 처리를 실시한 시험편에서는 응력부식균열이 관찰되지 않았다. 결과적으로 레이저 피닝 처리에 의해서 재료 표면에 압축잔류응력이 형성되어 응력부식균열의 발생을 방지할 수 있음을 확인하였다. 니켈기 합금 alloy600 및그 용접금속 alloy182에 대해서도 동일한 시험을 실시하여 레이저 피닝 처리에 의한 응력부식균열 감수성의 저감 효과를 확인하였다²⁴⁾.
다양한 금속 재료에 대해 Nd:YAG 레이저를 사용하여 레이저 피닝 처리를 실시하였으며, 표면으로부터 약1 mm의 깊이까지 압축잔류응력을 형성할 수 있다는 것을 설명하였다. 그 결과를 통하여 레이저 피닝 처리는 응력부식균열 감수성을 줄이고 피로강도가 향상되며 금속 구조물의 수명 연장에 대한 효과를 확인할 수 있었다.
사전 열처리는 온도 1,100 ℃에서 한 시간의 진공 풀림(FA, full annealing) 및 900 ℃에서 한 시간의 잔류응력제거 열처리(SR, stress- relieving heat treatment)를 실시하였다. 실험 결과, 피로한도는 레이저 피닝 처리하지 않은 응력제거 시험편에서 240 MPa을 나타낸 반면에 레이저 피닝 처리한 응력제거 시험편에서 약 1.4 배 향상된 340 MPa을 나타내었다. 진공 풀림 시험편은 190 MPa에서 레이저피닝 처리 후 320 MPa로 약 1.
7 배 향상되었다. 즉, 레이저 피닝 처리에 의해 고사이클 피로특성이 개선되었다는 것을 확인할 수 있다.
4 배 향상된 340 MPa을 나타내었다. 진공 풀림 시험편은 190 MPa에서 레이저피닝 처리 후 320 MPa로 약 1.7 배 향상되었다. 즉, 레이저 피닝 처리에 의해 고사이클 피로특성이 개선되었다는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피닝은 무엇인가?	피닝(peening)이란 재료의 표면층에 충격을 가함으로서 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법으로, 쇼트 피닝, 해머 피닝, 초음파 피닝 및 레이저 피닝이 적용되고 있다. 특히 최근 들어 레이저 발진기의 발달 및 소형화 그리고 레이저의 광파이버 전송기술로 인해 레이저 피닝 처리의 활용이 점차적으로 확대되고 있다1-5).
	레이저 피닝의 원리에서 GPa급의 강도에 달하는 플라즈마의 압력에 의하여 충격파가 발생하는데 이 충격파는 어떻게 압축 잔류응력을 형성하는가?	그에 따라서 발생하는 GPa급의 강도에 달하는 플라즈마의 압력에 의해 충격파가 발생하고 재료 내부로 전파된다. 이 충격파에 의해서 금속표면에 국부적인 소성변형이 발생하고 주위의 미변형부에 의해 구속을 받음으로써 재료의 표면에 압축잔류응력이 형성된다. 소성변형에 의한 압축잔류응력은 피로강도를 높여 응력부식균열의 방지, 피로균열의 진전 방지 등에 상당히 유효하다6,8,9).
	레이저 피닝으로는 재료 표면에서 어느 정도까지 압축 잔류응력을 형성할 수 있는가?	레이저 피닝은 높은 피크출력의 단펄스 레이저를 재료 표면에 조사하여 발생하는 플라즈마의 충격파에 의해 높은 압축잔류응력이 형성되기 때문에 응력부식균열방지, 피로강도 향상 등에 효과적이다. 레이저 피닝의 가장 큰 특징은 그 효과가 재료의 깊숙한 곳까지 미치는 것으로, 표면으로부터 약 1 mm 혹은 그 이상의 깊이까지 압축잔류응력을 형성할 수 있다. 또한 레이저펄스마다 조사 조건을 정밀하게 제어하여 보다 고품질의 피닝 처리가 가능하다6-9).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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