저 합금강의 템퍼비드 용접기술에 관한 연구
배수진*, 정봉완*,†
*조선대학교 선박해양공학과
Study on the welding technique of tempered bead of low alloy steel
Su-Jin Bae
*, Bong-Wan Jeong
*,††,*Department of Marine and Ocean Engineering, the Graduate School, Chosun University, Gwangju, Korea (Received :Jun. 13, 2017, Revised : Sep. 16, 2017, Accepted : Sep. 23, 2017)
Abstract : There should be tempered bead welding technology to cope with unexpected damage during operation of a nuclear power plant. Welding work should be urgently performed considering the safety of radiation exposure to workers without stopping operation of nuclear power plant. In this study, the tempering effect was measured by measuring the residual stress of the welded part by the tempered bead welding on the low alloy steel specimen, which is the main material of the nuclear reactor, by hardness of the base, HAZ and weld metal zone, And to develop the optimal tempering bead welding technology applicable to actual field.
Keyword : HAZ, Post Weld Heat Treatment, Temper Bead, Residual Stress
1. 서론
1)
원자력발전소의 주기기 소재인 저합금강을 용접 하 면 용접 열영향부(Heat Affected Zone : HAZ)에 조대화된 마르텐사이트와 같은 취약한 조직이 형성된 다. 이와 같은 취약한 조직을 제거하고 건전한 용접부 조직을 얻기 위해서는 용접 후열 처리 (PWHT)를 수 행하여 취약한 조직에 템퍼링 효과를 부여해야 하나 복잡한 플랜트 현장에서 이루어지는 보수용접의 경우 다른 배관이나 장치들에 의한 기계적 간섭으로 후열처 리가 불가능 할 때 제어된 용접 비드 적층 방법, 즉 템퍼비드(temper bead) 용접을 수행 하여 후열처리 없이 용접부에 템퍼링 효과를 부여 할 수 있다.
ASME CodeSection IX 에서는 원전 배관이나 용기 의 보수용접에 적용할 수 있는 후열처리 면제조건의 템퍼비드 용접에 대한 내용을 제시하고 있고[1] 저합 금강에 대하여 용접 후열처리 공정 없이 비드의 적층 방법 및 용접입열량을 조절하여 열영향부의 미세조직
†Corresponding Author 성 명 : 정 봉 완
소 속 : 조선대학교 선박해양공학과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교
에 템퍼링을 부여하는 기술로 ASME Code Section IX의 QW 290 에서는 보수기술에 사용할 수 있는 템 퍼비드 용접기술에 대한 내용을 규정하고 있다[2].
즉, 후열처리를 면제 하는 대신에 템퍼비드 용접 공정 으로 보수용접을 수행하고, 용접성을 만족하는 경우 후열처리를 하지 않아도 된다는 면제 조항의 근거를 마련하였다. 템퍼비드 용접방법은 모재에 여러 개의 비드 층을 적층하는 다층 비드 용접시 같은 비드 층 내에서 비드들을 반복적으로 overlap을 하여 템퍼링 효과를 얻고, 또한 계속되는 비드 적층 시 위의 층에 서 발생된 용접 입열이 아래층 용접금속을 통과하여 열영향부의 취약한 미세조직에 전달되도록 함으로써 템퍼링 효과를 부여하는 용접기술로 템퍼비드 용접 원 리는 두 개의 비드 층을 높이방향으로 적층하는 경우 아래층에 의해 형성된 열영향부는 위층 비드 적층에 사용된 용접입열로 템퍼링 되고 아래층에 사용된 입열 량 보다 큰 용접 입열량으로 위층을 용접하는 경우 아 래층에 형성된 열영향부 조직까지 재 가열시켜 미세화 하거나 혹은 템퍼링 시킨다. 이와 같이 세 개 이상의 비드 적층을 통해 후열처리 없이 열영향부에 템퍼링 효과를 부여한다[3]. 템퍼비드 용접방법과 같은 후열 처리 대체 기술은 이론적으로는 단순 하나 실제 현장 적용하기 위해서는 용접 효율성, 신뢰성, 숙련성 등을 고려한 최적의 공정이 개발 되어야 한다. 1980년대부
류의 탄소강 및 합금강에 적용하기 위한 기술개발 및 현재 까지도 수많은 연구가 수행되고 있고[4~7] 용 접재료, 용접 공정, 현장의 여건 등을 고려한 여러가 지 템퍼 비드 용접방법이 제시 되었으나 국내의 경우 아직 이 규정을 적용하기 위한 체계적인 기술 기반 및 이해가 아직 확립되지 못하고 있으며 국내 원자력발전 소의 경우 현장 보수 혹은 생산용접에 대해서는 많은 경험이 있으나 후열처리 효과를 얻을 수 있는 공정을 현장에 적용하기 위한 기반기술은 아직 부족하다. 원 자력발전소의 운전 중 예상치 못한 손상이 발생하는 경우에 대처하기 위한 보수기술이 있어야 하며 보수 작업은 운전을 정지 하지 않고 또 작업자에 대한 방사 선 피폭 안전성을 고려하여 긴급하게 수행 되어야한 다. 즉 현장 보수용접 작업에 필요한 템퍼비드 용접 기술이 필요하다. 본 연구에서는 원자력 주기기 소재 인 저합금강에 템퍼비드 용접후 열영향부의 템퍼링 효 과를 평가하여 실제 설비들에 적용 가능한 최적의 템 퍼비드 용접기술을 개발 하고자 한다.
2. 실험조건 및 PQT 시험편 제작 2.1 PQT 시편 제작
원자력발전소 현장에서 용접을 수행하기 위해서는 용접시편에(Procedure Qualification Test : PQT) 를 통하여 사용할 용접장비, 금속재료, 용접봉, 용접전 류, 전압 등의 용접품질에 전반적인 확인 작업이 필요 하며 이런 검증을 통하여 용접성을 확인하고 현장작업 에 적용한다. 저 합금강에 용접후 인장시험, 굽힘 시 험, 용착금속 화학성분등 기계적 성질 및 용접재료에 대한 건전성 확인을 위하여 Figure 1과 같이 시편 용 접을 실시 하고 용접조건은 Table 1에 나타내었다.
U-Groove Design U-Groove Sample
U-Groove Welding Welding Complete
Figure 1. PQT Welding Specimens
Table 1. PQT Welding Conditions
인코넬 690 합금 용접부는 모재와의 경계부에 생기 는 조립구역과 후열처리 수행 후 오버레이 층으로 탄 소 확산에 의한 탄소과다 층이 형성 될 수 있다. 다층 용접의 경우 중첩 되는 층에 의한 재결정 효과로 세립 구역이 나타난다. 용접부의 건전성은 PT, UT 등의 방법으로 확인하며 고온 균열과 같은 미세한 균열이나 불순물 혼입, 표면부 산화, 기공 등의 결함에 유의하 여 작업 하였다. 용접 입열은 변수를 선정하는 주요소 로서 용접 길이 당 부가 되는 열량을 의미하며, 가스 텅스텐아크 용접의 경우 용가재를 별도로 공급하 므로 동일한 열량이라도 용가재 공급량에 따라 부가되는 입 열이 다르다. 이점을 고려하여 전력율(Power ratio) 과 에너지밀도(Energy density) 개념이 도입 되었으 며 전력율은 단위 길이 당 공급되는 용가재에 부가 되 는 전력량으로서 와이어 송급량을 증가시키면 낮아진 다. 전력율이 낮으면 희석율은 감소되나 용입 부족과 같은 결함 발생확률이 높아진다. 에너지 밀도는 용가 재 단위 부피당 사용하는 에너지로서 수치가 크면 가 열 에너지가 증대함을 의미한다. 이러한 개념을 고려 하여 용접부 요구 특성에 맞는 PQT 조건을 설정 하 였다. 템퍼비드 용접은 열영향부의 취약한 미세조직인 조대한 마르텐 사이트 조직을 다층용접에서 계속 적층 되는 비드층의 재 가열효과에 의해 템퍼링 시킨다. 이 와 같은 재가열효과는 비드 층간의 입열량비, 예열온 도, 용접속도, 비드층 높이, 용접재료 등에 의해 최적 조건으로 결정된다. PQT 시편 제작시 용접 예열과 패 스간 온도가 중요한 이유는 저 합금강 용접부는 용접 열로 인하여 급격한 가열 및 냉각이 이루어지게 되며 이로 인한 열영향부에서는 조직 변화와 변형 및 응력 이 발생하게 된다. 열영향부에서의 조직은 통상 경화 조직이 나타나기 쉬우며 이를 방지 하거나 억제하기 위하여 예열을 실시하게 된다. 예열은 열영향부의 냉 각속도를 늦추어 경화 조직이 형성하는 것을 방지해 준다. 예열과 패스간 온도 (Interpass Temperature) 는 모재의 화학조성뿐만 아니라 모재의 두께, 용접 입 열량, 용착금속의 수소량 등에도 영향을 받는다.
2.2 PQT 시편 기계적 성질 및 조직 시험
PQT 시편의 인장, 굽힘, 충격, 미세조직 시험은 Figure 2에 나타내었다.
1. Tensile Test 2. Tensile test results
ASME SEC Ⅸ: QW-150 ASME SEC Ⅸ: QW-150 3. Bend Test 4. Bend test results
ASME SEC Ⅸ: QW-160 ASME SEC Ⅸ: QW-160 5. Charpy Impact Test 6. Impact test results
ASME SEC Ⅸ: QW-170 ASME SEC Ⅸ: QW-170 7. Hardness Test 8. Macro section
ASTM E384-11e1 ASME SEC Ⅸ: QW-470 9. Microstructure(B.M) 10. Microstructure(HAZ)
ASTM E407-07e1 ASTM E407-07e1 11. Microstructure(W.M) 12. Chemical Composition
test specimen
ASTM E407-07e1 KS D 1652 : 2007
인장시험은 ASME SEC Ⅸ QW-150 TENSION TEST[8]를 기준으로 인장시험을 하였으며 시험을 하기 위한 시편가공 치수는 폭 19.25 mm, 두께 52.05 mm, 단면적 1001.96 ㎟인 시편과 폭 19.24 mm, 두께 52.14 mm, 단면적 1003.17 ㎟인 시편 두개를 가공 하여 시험환경 온도 22.8±0.1℃, 습도 56±0 % R.H.에서 인장시험을 시행한 결과 632 MPa, 636 MPa로 모재의 인장강도 이상으로 나왔고 굽힘 시험 은 ASME BPVC SEC Ⅸ QW-160 GUIDED-BEND TEST[9]를 기준으로 굽힘 시험을 하였으며 시험을 하기위한 시편준비는 표면 굽힘 시편 두개와 이면 굽 힘 시편 두 개를 가공하여 시험환경 온도 22.6±0.
1℃, 습도 56±0 % R.H.에서 롤 지름 40 mm, 각도 180°로 굽힘 시험기계를 Setting 하여 시험한 결과 표면 및 이면 굽힘 시편 4개 모두 용접부에 Crack 없 이 건전성을 확인하였다. 충격 시험은 ASME BPVC SEC Ⅸ QW-170 NOTCH-TOUGHNESS TEST[10]
를 기준으로 충격시험을 하였으며 시험을 하기위한 시 편가공은 V-노치로 10 mm x 10 mm x 55 mm로 6개의 시편을 가공하여 시험환경 온도 21.4±0.1℃, 습도 51±0 % R.H. 에서 충격시험을 시행한 결과 Table 2와 같은 결과가 나왔다.
Table 2. PQT Specimen Impact Test Results
경도시험은 ASTM E384-11e1[11] 절차에 따라 서 Figure 3과 같은 위치에서 온도 24.8±0.2℃, 습 도 49±1 % R.H.에서 경도 시험을 하였고 시험결과 는 Table 3 과 Figure 4에 나타내었다.
No. Test item Unit Location Result 1
Absorbed energy
(21 ℃) J B.M
213
2 195
3 262
Average J B.M 224 1 Amount of
horizontal expansion
mm B.M
2.45
2 2.27
3 2.54
4
Absorbed energy
(21 ℃) J HAZ
180
5 196
6 199
Average J 191
4 Amount of horizontal expansion
mm HAZ
1.59
5 2.18
6 2.00
Figure 3. PQT Sample Hardness Test Location Table 3. Hardness Value of PQT Specimen B.M 1 2 3 10 11 12 22 23 24 Ave
HV 187 189 183 185 195 188 171 192 192 186 HAZ 4 5 6 13 14 15 19 20 21 Ave HV 366 362 344 307 311 314 283 305 299 321
W.M 7 8 9 16 17 18 Ave
HV 210 206 207 213 218 224 213 경도 시험결과 상부 위치인 1~3번에서의 경도값은 183~187(HV), 4~6번에서의 경도 값은 344~
366(HV), 7~9번에서의 경도 값은 206~210(HV) 이고 시편 중간 위치인 10~12번에서의 경도 값은 185~195(HV), 13~15번에서의 경도 값은 307~
314(HV), 16~18번에서의 경도 값은 213~224(HV) 로 확인이 되었으며 하부 위치 인 19~21번에서의 경 도 값은 283~305(HV), 22~24번에서의 경도 값은 171~192(HV)로 확인 되었다.
Figure 4. Comparison of hardness value of specimen 2.3 1 Layer, 3 Layer, 15T Pad 시편 제작 Temper Bead 용접기술 적용을 통한 열영향부 (HAZ)의 잔류응력 및 경도의 변화를 관찰하기 위하 여 용가재 ERNiCrFe-7(Allpy 52)를 사용하여 1 Layer, 3 Layer, 15T Pad Overlay 시편을 제작하 고 용접 Process는 GTAW를 선택하였다. 1 Layer, 3 Layer, 15T Pad Overlay 용접조건은 175(Amp), 11(Volt), 속도 10(Cm/min), Max. Heat Input 1.15(KJ/mm)로 하였다.
2.3 용접장비 시스템 구성
용접장비 시스템 구성은 Figure 5와 같이 구성이 되었으며 Welding equipment는 정방향/역방향으로 360°회전 이동하면서 용접을 수행한다.
Figure 5. Welding equipment system configuration 각 장비들에 사양 및 기능을 살펴보면 용접토치는 장시간 작업을 위하여 수냉식으로 되어있고 출력이 일 정하며 AVC(Automatic voltage control)와 연동하 여 작동되고 설정 전압을 기준으로 모재와 텅스텐봉의 간극을 자동 유지한다. Controller에서는 Welding equipment 동작 조절 및 용접조건 수정기능을 한다.
Power Source는 아크 발생 시 고압 발생 회로에 의한 고전압을 발생 하며 평균 전류 300A 출력이다.
Cooling equipment 장시간 연속용접으로 인하 여 용접 토치가 과열되어 작업중지 및 장비 수명의 단축을 방지하는 역할을 한다. Teaching Pendant 는 작업자의 업무 효율성을 위하여 Controller에서 조작하는 기능들을 사용할수 있게 하였다. Welding equipment는 용접와이어가 장착이 되면서 용접을 수행한다.
3. 실험 결과 및 고찰 3.1 비파괴검사
시편에 대하여 초음파탐상 및 액체침투탐상시험을 하였으며 시험 결과는 Table 5에 나타내었다.
Table 5. Ultrasonic, Liquid Penetrant Test Result Ultrasonic Test Result
Diagnosis 1 Layer 3 Layer 15T PAD Probe 4MHz.8x9(60°S/N ABC-0445)
Cable LEMO
Linearity Amp. Control 1dB Control (within± 1% FSH) Test, Angle 0°, 60°
Method of inspection, Temperature
Touch, Ordinary Temperature Couplant glycelin
Reference
sensitivity 50 dB (+6dB) Application Code ASME Sec. V, Art.4
A criterion,
Grade ASME Sec Ⅸ Result Pass Pass Pass
Liquid Penetrant Test Result
Diagnosis 1 Layer 3 Layer 15T PAD Test prepare 5 min
Developer
application time 1 min Penetrant
Conformation P2, Participle Dwell time 15 min Cleaning agent
Conformation RI-3, Handwipe Developer
Conformation NPD-4, Participle Developing Time 15 min
Lighting Type Artificial light, 200W Incandescent Buld With Reflector Illumination 1100 lx Application Code ASME Sec. V, Art.4
A criterion,
Grade ASME Sec Ⅸ Result Pass Pass Pass 3.2 경도시험
시편의 경도시험을 ASTM E384-11e1[11] 절차 에 따라 Figure 6와 같은 위치에서 하였으며 시험환 경은 온도 24.8±0.2℃, 습도 49 ±1 % R.H.이며 경
Table 5. Vicker's hardness Test results(Hv)
시편 W.M HAZ B.M
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 Layer 173 177 171 348 387 376 184 193 193
Ave 173 370 190
3 Layer 199 188 188 295 281 331 183 193 194
Ave 191 302 190
15t Pad 202 200 199 242 228 208 190 194 193
Ave 200 226 192
Figure 6. Specimen Hardness Test Location 다층 비드 용접 시 위의 층에서 발생된 용접입열이 아래층 용접금속을 통과하면서 아래층 열영향부 (HAZ) 의 취약한 미세조직에 전달되도록 하여 아래 층 용접부 주변의 열영향부가 템퍼링(뜨임)되어 열영 향부의 경도 가 낮아졌다. 이와 같은 결과로 1 Layer 용접시의 열 영향부 경도 값은 3 Layer 용접시의 경 도 값보다 더 높다는 것을 알수 있었다.
3.3 오버레이 시험편의 Micro 시험 결과
1 Layer, 3 Layer, 15T PAD 오버레이 시편을 용접 후 미세조직 관찰을 위하여 Micro 시험을 하였 고 용접에 의한 미세조직의 변화를 확인하여 용접열 영향부에 템퍼링 효과를 관찰할 수 있었다.
저 합금강에 Inconel 690(Alloy 52) 와이어를 사
과정의 사이클 뿐만 아니라, 용접 입열량의 불균일과 전체 용접부의 경직성으로 인하여 구속응력을 받으며 이와 같은 응력 및 열사이클이 열에서 액화균열을 일 으키는 원인으로 작용 한다. 용접부 근처에서 작용하 는 응력이 가장 크며 조성적 액화 및 초기용융 (Incipient Melting)에 의해 형성된 액막이 결정립계 를 취화시키고 이러한 구속응력이 취화된 결정립계에 작용하면 균열을 쉽게 발생시 킬 수 있는 것으로 알려 져 있다. 저 합금강(SA508 Gr.3 Cl.1)과 인코넬 690(52)으로 이종 용접된 강 재를 후 열처리하면 저 합금강 Base Metal의 조 직은 구 오스테나이트상 위 에 존재하는 마르텐 사이트이며 입계는 구 오스테 나 이트상이고 버터링 후의 용접 후 열처리에 의해 모재 의 원래 조직에 비해 조직이 성장하여 매우 조대화 된 다는 것과 저 합금강의 열영향부 즉 저 합금강과 버터 링의 용접계면에서 약 1㎜ 에 위치한 열 영향부의 조 직은 페라이트와 마르텐사이트가 혼재하고 GTAW시 의 아크열에 의해 상 대적으 로 입열량이 많았을 것으 로 추정되는 용접계면 근방에서는 페라이트 조직의 입 도(Grain size)가 완전히 미세화 된다. 이종재 용접 부에서의 기계적 성질의 거동은 금속 조직의 변화에 따라 기계적 성질의 거동이 달라 지므로 경도시험을 통해 미시 역학적 관점에서 기계적 성질의 거동 에 대 하여 확인한 결과 용접 후 형성되는 금속조직의 상태 에 따라 경도가 변화 된다는 것을 알 수 있다. 용접에 서 Temper bead 용접의 경우 ASME Code Case N-638-4 요건을 충족하는 최적 용접공정 변수(용접 전류, 전압, 용접속도, 용가재 송급 속도) 를 정량적으 로 도출하기 위하여 각 용접 조건 별로 용접 Test를 실시 후 용접결함 유무, 절단면 용접부 경도 및 미세 조직 관찰을 통해 용접성을 평가하면서 최적 용접 변 수를 도출 하였고 확인된 최적 용접 변수를 적용하여 1 Layer, 3 Layer, 15T PAD 용접시편을 제작하여 열영향부에 실제 템퍼링 효과를 얻을 수는지 검증을 하였다. 검증 절차는 용접부 표면 또는 내부의 용착금 속에 균열 같은 결함 확인을 위한 액체 침투탐상검사 (PT)와 초음파탐상검사(UT) 수행 후 1 Layer, 3 Layer, 15T PAD 용접시편의 절단면에서 용접 HAZ 에 대한 비커스경도측정, 미세조직 관찰, 용착금속부 의 Cr 함유량 분석을 수행하였다. 1 Layer, 3 Layer 용접시편 미세조직 관찰 결과는 Figure 7과 같다.
Figure 7. 1 Layer, 3 Layer specimen Micro Test 1 Layer Microstructure
3 Layer Microstructure
3.3.1 1 Layer 시편 조직시험 결과
용접비드 폭(Bead width), 용접적층 높이 (Deposited height), 용입 깊이(Penetration depth)를 측정하여 용접 품질을 평가하였다. 평가결 과 용접전류가 증가할수록 용접비드 폭과 용입 깊이는 증가하였고 용접속도가 증가 할수록 용입 깊이는 조금 작게 되었으며 적층 높이는 감소하는 것으로 나타났 다. 절단면의 정량적인 평가결과 한 Pass 용접에서 용접비드 폭은 최소 6.95 mm 에서 최대 11.02 mm, 적층 높이는 최소 1.15 mm 에서 최대 1.72 mm, 용입 깊이는 최소 0.39 mm 에서 최대 1.3 mm 이내 범위정도에 있음을 확인 하였다. 또한 용접 부 표면은 결함 없이 양호한 용접품질을 얻을 수 있었 다. Weld shape condition of pad overlay welding requiring in ASME code[12]에 따라 용 접 시 초층에서 세 번째 층까지 요구되는 최소 적층 높이(min. 3.2 mm)를 만족해야 하기 때문에 이 부 분을 감안하여 용접전류 175A, 속도 11 cm/min 및 와이어 송급 속도 210 cm/min를 최적 용접공정 변 수 조건으로 선정하였다. 한편 선정된 용접공정 변수 가 Temper bead 용접적용에 타당성이 있는지를 확 인하기 위하여 1 Layer 용접 후 절단면의 용접 부위 별 Micro 조직 시험을 관찰을 통한 미세조직 특성을 파악하였다. 관찰결과 Figure 7의 1 Layer Microstructure HAZ+Weld Metal(Fusion line) 영역에서 용접 후 일반적으로 나타나는 취화하기 쉬운 침상조직(A)이 발견되었고 결정립 미세부 근처 영역 에서 모재부에 가까운 쪽으로 펄라이트조직(B)이 나 타남을 확인 하였다. 용접 부위별 경화정도를 평가하 기 위하여 경도 값을 측정한 결과 HAZ (Fusion line) 영역에서 모재부 경도 값인 281Hv 보다 약 1.4배 높은 370Hv로 나타났으며 이 결과로부터 취화 된 결정립 조립부 영역에 대한 조직 안정화를 얻기 위 해서는 템퍼링 처리가 필요함을 알 수 있었다.
3.3.2 3 Layer 시편 조직시험 결과
1 Layer 용접시편에서 얻은 최적 용접 공정변수를 적용하여 Pad 오버레이 용접부 형상조건에 맞게 3 Layer 용접을 수행하였다. 초 층에서 세 번째 층까지 용접 후 용접부 표면에 육안검사 결과 특이할 만한 용 접결함이 발견되지 않았고 PT와 UT 검사 결과에서도 결함지시가 없음을 확인하였다.
Temper bead 효과를 검증하기 위하여 절단된 용 접 비드면의 용접부위별 미세조직 Micro 조직시험 관 찰 결과 1 Layer 용접시편에서 침상 조직의 HAZ+
Weld Metal(Fusion line)영역이 Temper bead 적 용 후 펄라이트 조직으로 변화 되었으며 3 Layer 용 접시편의 열영향부에 대한 비커스경도 측정결과 결정 립 조립부 영역의 경도 값이 약 302 Hv 정도로 크게 감소하였음을 확인 하였다. 이 결과로부터 사용된 Temper bead 용접이 용접 후열 처리 없이도 용접 열영향부의 연화와 조직 안정화를 이룰 수 있음을 확 인하였다. 또한 오버레이 용접 시 ASME Code Case
층에 약 28.6% Cr 함유량이 존재하였으며 이는 ASME Code Case N-754 기준을 충족시킴과 동시 에 PWSCC의 감수성을 낮출 수 있다는 것이 확인되 었다. 1 Layer와 3 Layer 시편의 조직시험 후 다층 용접인 15T Pad 시편에 대한 미세조직 시험을 하였 고 관찰 결과는 Figure 8에 나타내었다.
Figure 8. 15T Pad Sample Micro Test 15T PAD 시편 조직시험 결과
1 Layer와 3 Layer 시편 용접시 적용하였던 용접 공정변수를 사용하여 15T PAD 오버레이 용접을 수 행하였다. 용접 육성층의 두께 7mm 까지 용접부 표 면에 육안검사 결과 용접결함이 발견되지 않았고 PT 와 UT 검사 결과에서도 결함지시가 없음을 확인하였 다. Temper bead 효과를 검증하기 위하여 절단된 용 접비드면의 용접 부위별 Micro 시험 관찰결과 1 Layer 용접시편의 침상 조직의 HAZ+ Weld Metal(Fusion line)영역이 Temper bead 적용 후 펄라이트 조직으로 변화 되었으며 15T PAD 용접시 편의 열영향부에 대한 비커스경도 측정결과 결정립 조 립부 영역의 경도 값이 약 226 Hv 정도로 크게 감소 하였음을 확인 하였다. 이 결과로부터 시편 용접시 적 용된 Temper bead 용접은 용접 후 열처리 없이도 용접 열영향부의 연화와 조직 안정화를 이룰 수 있음 을 확인하였다. 또한 오버레이 용접시 ASME Code Case N-754 요건에 요구하는 용착 금속층의 Cr 함 유량을 확인한 결과 Pad 오버레이 용접 시편의 용착 금속층에 약 29.4% Cr 함유량이 존재하였으며 이는 1 Layer와 3 Layer 시편의 용착금속 층 Cr 함유량 보다 조금 높게 나와서 용접 희석으로 인한 Cr 감소가 없는 것과 ASME Code Case N-754 기준을 충족시 키며 PWSCC의 감수성을 낮출 수 있다는 것이 확인 되었다.
3.4 계장화압입시험을 통한 잔류응력 측정
용접된 구조물의 용접 부위는 용접 중에 투입된 열 로 인하여 용융부 및 열영향부(Heat Affected Zone;
HAZ)가 형성된다. 추가적인 열처리를 하지 않을 경우 일반적으로 용융부 및 HAZ에서의 미세조직은 모재와 는 다른 미세조직이 형성되어서 재료의 기계적 물성치 (항복응력, 인장강도)가 모재에 비해 다를 수 있으며 용융부 및 HAZ에서는 용접에 의해서 잔류응력도 발 생하게 된다. 이에 대한 구조물의 구조특성을 해석/평 가할 때 구조재의 물성치는 구조물 거동에 영향을 준 다. 따라서 모재 HAZ 및 용융부에서 기계적 물성치가 서로 상이한 용접 구조물인 경우에 용접 구조물의 구 조특성은 동일한 기계적 물성치로 해석/평가한 구조특 성 즉 모재 기계적 물성치로만 해석 평가한 것과는 다 르게 된다. 즉 모재 HAZ 및 용융부에 대한 각각의 기 계적 성질에 평가가 필요하게 된다. 하지만 기계적 성 질에 평가는 인장시편 채취가 필요로 하며 이것은 제 품에 파괴를 수반한다. 그래서 비파괴적인 방법으로 잔류응력 측정이 가능한 계장화압입시험을 산업계에서 는 많이 사용하는 추세이다. 계장화압입시험은 재료에 가해지는 압입 하중에 따른 압입 깊이를 연속적으로 측정하여 압입 하중 - 변위곡선을 얻고 이를 분석하여 대상 재료의 기계적 특성을 평가 하는 기법이다. 기존 의 경도시험과 유사하지만 직접 압흔의 크기를 측정하 지 않는다는 차이점과 기존의 경도 값 외에 탄성계수, 유동특성, 파괴인성 그리고 잔류응력 등 다양한 재료 고유의 물성을 얻을 수 있는 장점 이 있다.
1 Layer, 3 Layer, 15T PAD 오버레이 시편에 대하여 모재부, 열영향부, 용착금속에 대한 잔류응력 측정을 위하여 계장화압입시험을 하였으며 Table 6 에 잔류응력 측정결과를 나타내었고 Figure 9에는 각 조직별 잔류응력 분포를 나타내었다.
Table 6. Instrumented Indentation Technique 단위 : MPa
Figure 9. Residual Stress Distribution
1 Layer, 3 Layer, 15T Pad 시편에 대하여 용접 부 (B.M, HAZ, W.M) 라인을 따라서 잔류응력을 측정한 결과 Table 6과 같이 모두 화살표 방향에서 인장 잔류응력이 나타났으며 이중에서 1 Layer가 제 일 큰 잔류응력이었고 3 Layer, 15T Pad 순으로 잔 류응력의 크기가 무 응력에 가깝게 나타났다.
4. 결론
본 논문에서는 저 합금강 용접 후 용접부에 대한 후 열처리를 대체할 기술로 저 합금강을 용접시 다층 용 접을 수행하여 이전의 용접 층 및 용접열영향부에 금 속학적인 템퍼링 효과를 주도록 이전 용접 표면에 용 접하는 템퍼비드 용접기술을 개발 하였다. 기술개발을 위하여 원자력 주기기 소재인 저 합금강 시편에 템퍼 비드 용접을 하고 용접부(B.M, HAZ, W.M)의 경도, 용착금속 화학성분, Micro검사 및 계장화압입시험을 통한 잔류응력 측정으로 템퍼링 효과를 정량 또는 정 성적으로 제시하였고 시편 열영향부에 대한 템퍼링효 과에 대한 분석 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 1 Layer 용접시편의 각 위치별 Micro 조직을 관찰한 결과 HAZ+W.M 영역에서 용접 후 일 반적으로 나타나는 취화하기 쉬운 침상조직이 발견되었고 결정립 미세부 근처 영역에서 모재 부에 가까운 쪽으로 펄라이트 조직이 나타남을 확인하였다. 용접 부위별 경화정도를 평가하기 위하여 경도 값을 측정한 결과 HAZ 영역에서 모재부 경도 값인 281Hv 보다 약 1.4배 높은 370Hv 로 나타났으며 이 결과로 부터 취화된 결정립 조립부영역에 조직 안정화를 얻기 위해 서는 템퍼링 처리가 필요함을 알 수 있었다.
2) 저 입열량 조건으로 시편에 3 Layer 용접을 실 시하여 용접금속, 열영향부, 모재부의 Micro 시 험 후 조직을 관찰한 결과 1 Layer 용접시편의 침상 조직의 HAZ+Weld Metal(Fusion line) 영역이 Temper bead 적용 후 펄라이트 조직으 로 변화 되었고 결정립 조립부 영역의 경도 값
이 약 302 Hv 정도로 크게 감소하였음을 확인 하였고 이는 Temper bead 용접이 용접 후열처 리 없이도 용접 열영향부의 연화와 조직 안정화 를 이룰 수 있음을 확인하였다.
3) 시편에 Temper bead로 용접 후 HAZ의 Tempering 효과를 확인하기 위하여 1 Layer, 3 Layer, 15T Pad 시편 제작 후 HAZ에 경도 측정 결과 1 Layer(370Hv), 3 Layer (302 Hv), 15T Pad (226Hv)로 확인 되었으며 Multi-Layer Welding은 용접 열향부의 연화 와 조직 안정화 효과가 있음을 확인하였다.
4) 1 Layer, 3 Layer, 15T Pad 용접시편에서 대하여 용접부 (B.M, HAZ, W.M) 라인을 따 라서 잔류응력을 측정한 결과 모든 시편에서 인 장 잔류응력이 나타났으며 이중 1 Layer(146.27 MPa)가 제일 큰 잔류응력이었고 3 Layer (94.61 MPa), 15T Pad(75.18MPa)순으로 잔류응력의 크기가 감소되는 것이 확인되었다.
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