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동적 유한요소 해석을 통한 용접 잔류응력 이완에 미치는 레이저 피닝 변수의 영향 고찰
Investigation on the Effect of Laser Peening Variables on Welding Residual Stress Mitigation Using Dynamic Finite Element Analysis 원문보기

대한용접접합학회 2010년도 춘계학술발표대회 초록집, 2010 May 13, 2010년, pp.84 - 92  

김종성 (순천대학교, 기계공학과)

초록
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현재 가동 중인 몇몇 가압 경수로 원전 안전 1등급 설비의 이종금속 용접부는 일차수응력부식균열(PWSCC : Primary Stress Corrosion Cracking) 발생의 세가지 조건(민감 재질, 부식 환경, 인장응력)을 동시에 충족하고 있다. 즉, 이종금속 용접부는 PWSCC에 민감한 재질인 Alloy 600 계열 합금으로 제작 또는 용접되어 있으며 고온 수화학 부식 환경 하에 놓여있다. 아울러 오스테나이트 스테인리스 강의 예민화 예방을 위한 용접 후열처리 미실시로 높은 인장 용접 잔류응력이 작용하고 있다. 이러한 이종금속 용접부의 특성상 PWSCC가 발생할 잠재성이 있을 뿐만 아니라 국내외적으로 Alloy 600 계열 합금으로 제작 및 용접된 가압 경수로 원전 안전 1등급 설비의 이종금속 용접부에 실제 PWSCC가 발생된 사례들이 다수 보고되고 있다. 운전 환경 및 재질 변화 없이 PWSCC 발생을 예방하기 위해서는 인장 잔류응력을 이완시켜 낮은 인장 또는 압축 응력화하여야 한다. 이러한 인장 잔류응력 이완방법들로는 PWOL(Pre-emptive Weld Overlay), 레이저 피닝(Laser Peening), MSIP(Mechanical Stress Improvement Process), 워터 제트 피닝(Water Jet Peening), IHSI(Induction Heating Stress Improvement) 방법들이 있는데 공정 시간이 짧고 열 에너지 원이 필요 없으며 전체적인 소성 변형을 야기시키지 않는 레이저 피닝을 본 연구의 대상 방법으로 한다. 본 연구에서는 동적 유한요소 해석을 통해 용접 잔류응력을 이완시키는 레이저 피닝의 효과를 검증하고 용접 잔류응력에 미치는 레이저 피닝 변수의 영향을 고찰하고자 한다. 내부 보수용접이 수행된 경수로 원전 가압기 노즐 이종금속 용접부에 레이저 피닝을 적용한 경우에 대해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 동적 유한요소해석을 수행한 결과, 고온 수화학 일차수와 접하는 Alloy 600 계열 합금 내면에서의 인장 잔류응력이 상당히 이완됨을 확인하였다. 또한, 최대충격 압력이 증가할수록, 충격압력 지속시간이 증가할수록, 레이저 스팟 직경이 증가할수록 내표면 인장 잔류응력 이완 정도는 감소하나 이완되는 영역의 깊이는 증가함을 알 수 있다. 또한, 레이저 피닝 방향이 잔류응력 이완에 미치는 영향은 미미함을 알 수 있다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 해석에서는 내면 보수용접 잔류응력 해석을 우선적으로 수행한 후 레이저 피닝 방안 적용에 따른 잔류응력 해석을 수행한다. 따라서 경계조건은 내면 보수용접 및 레이저 피닝 방안 적용의 각 경우에 대해 제시한다.
  • 본 연구에서는 동적 유한요소 해석을 통해 용접 잔류응력을 이완시키는 레이저 피닝의 효과를 검증하고 용접 잔류응력에 미치는 레이저 피닝 변수의 영향을 고찰하고자 한다.

가설 설정

  • 그림 5는 내면 보수용접 및 레이저 피닝 방안 적용시 변위 구속조건을 보여주고 있다. 그림 5에서 보이는 바와 같이 배관 끝단면은 배관 중심점과 x, y방향 변위의 자유도를 연계시켰으며 x, y, z방향 모멘트가 발생하지 않는다고 가정하였다. 노즐 절단면은 y방향 변위를 구속시켰다.
  • 1, 버터링과 버터링-안전단의 용접금속은 Alloy 82/182, 안전단은 SA182 F316, 안전단-배관의 용접금속은 ER316L, 배관은 SA376 TP316이 사용되었다. 내면 보수용접을 실시하지 않으면 PWSCC 발생을 유발시킬 만한 인장 잔류응력이 크게 발생하지 않으므로 본 평가에서는 내면 보수용접을 수행하였다고 가정하였으며 적용한 예방정비는 레이저 피닝으로서 그림 2는 본 연구에서 적용할 레이저 피닝 방안 방안 개요를 제시하고 있다3,4.
  • 내면 보수용접의 경우, 그루브 부위는 용접금속의 용착 동안에는 단열상태로 가정한다. 한편 용접금속은 액상선 온도보다 높은 1500℃ 정도의 높은 온도로 용착된다고 가정한다.
  • 한편 용접금속은 액상선 온도보다 높은 1500℃ 정도의 높은 온도로 용착된다고 가정한다. 용착시 입열량은 용접시방서 상의 전압, 전류 값들을 식 (1), (2)에 대입하여 계산된 값이 용착시간 동안 작용한다고 가정한다.
  • 그림 6은 레이저 피닝 적용시 작용하는 충격하중이 작용하는 경계조건을 제시하고 있다. 이러한 충격하중은 최대 압력 6GPa로 그림 7과 같이 작용하며 레이저 스팟 크기는 직경 2mm 정도로 가정하였다4,12.
  • 내면 보수용접의 경우, 그루브 부위는 용접금속의 용착 동안에는 단열상태로 가정한다. 한편 용접금속은 액상선 온도보다 높은 1500℃ 정도의 높은 온도로 용착된다고 가정한다. 용착시 입열량은 용접시방서 상의 전압, 전류 값들을 식 (1), (2)에 대입하여 계산된 값이 용착시간 동안 작용한다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일차수응력부식균열 발생의 세가지 조건은? 현재 가동 중인 몇몇 가압 경수로 원전 안전 1등급 설비의 이종금속 용접부는 일차수응력부식균열(PWSCC : Primary Stress Corrosion Cracking) 발생의 세가지 조건(민감 재질, 부식 환경, 인장응력)을 동시에 충족하고 있다. 즉, 이종금속 용접부는 일차수응력부식균열에 민감한 재질인 Alloy 600 계열 합금으로 제작 또는 용접되어 있으며 고온 수화학 부식 환경 하에 놓여있다.
가압경수로 원전 가압기 안전노즐 이종금속 용접부의 부위별 재질은 어떻게 되는가? 그림 1은 본 연구의 해석 대상인 국내 가동 중인 가압경수로 원전 가압기 안전노즐 이종금속 용접부의 형상을 제시하고 있다2. 각 부위별 재질로는 노즐은 SA508 Gr.3, Cl.1, 버터링과 버터링-안전단의 용접금속은 Alloy 82/182, 안전단은 SA182 F316, 안전단-배관의 용접금속은 ER316L, 배관은 SA376 TP316이 사용되었다. 내면 보수용접을 실시하지 않으면 PWSCC 발생을 유발시킬 만한 인장 잔류응력이 크게 발생하지 않으므로 본 평가에서는 내면 보수용접을 수행하였다고 가정하였으며 적용한 예방정비는 레이저 피닝으로서 그림 2는 본 연구에서 적용할 레이저 피닝 방안 방안 개요를 제시하고 있다3,4.
이종금속 용접부는 어떤 환경에 놓여있는가? 현재 가동 중인 몇몇 가압 경수로 원전 안전 1등급 설비의 이종금속 용접부는 일차수응력부식균열(PWSCC : Primary Stress Corrosion Cracking) 발생의 세가지 조건(민감 재질, 부식 환경, 인장응력)을 동시에 충족하고 있다. 즉, 이종금속 용접부는 일차수응력부식균열에 민감한 재질인 Alloy 600 계열 합금으로 제작 또는 용접되어 있으며 고온 수화학 부식 환경 하에 놓여있다. 아울러 오스테나이트 스테인리스 강의 예민화 예방을 위한 용접 후열처리 미실시로 높은 인장 용접 잔류응력이 작용하고 있다.
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