마찰 용접 공정변수가 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향

Abstract

현재 인류가 사용하는 80 % 이상의 에너지는 석유, 석탄, 천연가스 등과 같은 화석연료를 통해 이루어지고 있다. 화석연료에 대한 높은 의존도는 천연 자원에 고갈을 급속하게 진행 시켰으며, 세계 3 대 석유회사 중 하나인 BP(British Petroleum)가 발표한 통계 자료에 의하면 2009 년 기준으로 천연자원의 고갈 시점을 석유 45.7 년 천연가스 62.8 년, 석탄 119 년으로 전망하였다. 그림 1은 화석연료와 우라늄의 채굴 가능한 자원량과 사용 가능한 연수를 보여주는 통계이다. 이를 통해서 현재 인류가 이용하고 있는 자원이 매우 한정적임을 알 수 있다. 이와 같은 문제 상황을 해결하기 위해서 세계 각국은 대체연료를 개발 하기 위한 여러 대책을 강구하고 있는 실정이다. 여러 대안 중 한 가지는 핵융합 에너지이다. 태양의 원리를 이용하는 방법인 핵융합은 핵분열을 이용했을 때 보다 안전하며, 수소를 이용하기 때문에 자원이 무한하다는 장점을 지니고 있다. 따라서 에너지 관련 문제를 해결 할 수 있는 핵융합 기술을 현실화하기 위하여 그림 2와 같이 한국, 미국, 중국, 일본 등 세계 각국이 국제 핵융합 실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)를 제작 중에 있으며 건립 목표를 2025 년으로 두고 있다. 본 연구에서 선정한 대상 소재는 국제핵융합실험로에서 중성자 차폐 역할을 담당하게 될 저방사화강(Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel, RAFM)이다. 저방사화강은 제작 및 조립 여건상 불가피하게도 용접이 필요하기 때문에 용접 후에 발생되는 기계적 성능 저하를 최소화해야 한다. 이와 같은 이유로 해당 공정에서 어떤 종류의 용접공정을 이용할 것인지에 대한 부분은 중요한 관심사 중 하나다. 기존에는 전자빔용접(Electron Beam Welding, EBW), 가스텅스텐아크용접(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW), 레이저용접(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER) [1, 2] 등의 용융용접이 주요 용접 공정이 될 것으로 예상되었으나, 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)을 저방사화강의 용접에 적용 시 용융용접 대비 용접부에서의 건전성이 우수할 뿐만 아니라 [3, 4], 후열처리 공정까지도 필수적이지 않다는 연구 결과를 통해 마찰용접이 상당한 주목을 받게 되었다. 이 후 마찰교반용접에 대한 연구는 상당히 보고 되었지만, 마찰교반용접 역시 문제점이 존재한다. 몇 가지 예시를 들자면, 마찰교반용접은 봉상의 소재에 이용 할 수 없고, 사용되는 삽입 공구의 가격이 고가이며, 용접 중에 삽입 공구의 성분이 혼입되어 기계적 성능을 저하시킨다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 마찰교반용접의 단점을 보완할 수 있는 방법이 회전마찰용접(Rotary Friction Welding, RFW)이다. 하지만 이와 관련된 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 회전마찰용접을 이용하여 저방사화강을 용접해봄으로써 회전마찰용접 공정 변수가 저방사화강의 미세조직과 기계적 성능에 미치는 영향과 그 경향성을 연구 해보고자 한다. 추가적으로 용접 후에 불가피하게 발생되는 용접부의 기계적 성능 저하를 열처리를 통해 개선함으로써 건전한 용접부를 확보하는 것이 본 연구의 목표이다. |In this study, We evaluate the properties of friction-welded ARAA steel in terms of the relationship between microstructures and mechanical properties to find optimum processing variables. Friction welding was performed with parameters of a burn-off length (3, 5 and 7 mm). for all condition, Target material was successfully welded without any weld defects such as distortion and crack. By microstructural analysis and Hardness test, Thermo-mechanically affected zone(TMAZ) and Weld Zone(WZ) in all condition consist of fully martensite due to high heat input. In addition, Heat affected zone equally showed low dislocation density due to the tempering effect during friction welding. Consequently, the hardness value of the phase transformation region increased by 190 % compared to the base material, and the hardness value of the heat affected area with lowest dislocation density decreased by 5 % compared to the base material. In addition, the yield strength, ultimate tensile strength, total elongation was 91 %, 95 %, 85 % relative to base material, respectively. Particularly, the fracture of the specimens subjected to all tensile tests appeared in the heat affected zone, which means that the heat affected zone is the most vulnerable area due to the decrease in dislocation density.