레이저 용접시 2.25Cr-1Mo강의 역학적 특성에 관한 연구

Abstract

원자력발전 설비의 발전효율은 작동유체의 작동압과 작동온도가 높을수록 향상되지만, 작동유체의 작동압과 작동온도를 일정 수준 이상 높일 수 없다. 이는 작동유체를 담고 있는 압력용기의 소재 특성과 압력용기를 만들기 위한 제작 방법에 기인한다. 현재 중요 원자력 발전설비의 소재는 2.25Cr-1Mo강이 이용되며, 설비에 제작되는 접합방법은 아크용접이 이용되고 있다. 용접이 적용된 발전설비에서, 문제 발생부위는 아크용접에 의한 이음부이며, 이 부위가 작동시간의 경과에 따른 주요관찰 대상이다. 아크용접의 입열방법과는 다른 접합부에 고밀도 에너지를 직접 입사시키는 레이저 용접장비의 제조기술 발전으로 1회의 완전용입에 의한 후판의 용접도 가능한 레이저 용접장비가 보급되기 시작하였다. 또한 레이저 용접장비의 이용성 향상과 구입가격이 낮아짐에 따라, 원자력 발전설비와 같은 안전성을 우선 시 하는 설비제작에도, 레이저 용접장비의 적용 가능성 검토가 필요하다. 레이저 용접의 중요 특성은 좁은 용융폭, 적은 용접변형 그리고 용접부의 미세한 결정이며, 이러한 용접특성은 아크 용접에 비해 대폭적으로 개선된 것이다. 지금까지는 원자력 발전설비 제작에 레이저용접을 적용한 예는 없으나, 원자력발전 설비의 리페어 용접에 레이저 용접으로 적용한 결과가 좋다는 연구가 보고 되었다. 특히, 아크 입열과 레이저 입열에 의한 2.25Cr-1Mo강에서의 열전도 특성이 연구되어 발표되지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 중요 설비 제작을 위한 접합방법으로서 레이저용접법의 적용 가능성을 확인하기 위하여 2 단계의 연구를 수행하였다. 첫 번째 단계는, 간접 입열방법인 아크열원과 직접 입열방법인 레이저열원을 이용하여 2.25Cr-1Mo강의 표면을 용융시킨 후, 이 용융열에 의한 이 강에서의 열전도 특성을 규명하였다. 두 번째 단계는 용접 이음부인 접합부의 역학적 특성을 규명하였으며, 적용된 접합방법은 아크용접에서는 서브머지드 아크용접(SMAW)와 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)을 레이저 용접에서는 CO₂ 레이저 용접의 버트용접에 적용하였다. 본 연구에서 얻어진 결과는 다음과 같다. 용접법에 따른 열해석 1) 용접법에 따른 열적 특성은 HAZ를 경계로 용융부 영역과 모재 영역의 열전도 특성으로 구분되며, 용융부의 열전도 특성은 용접법에 따라 상이한 반면에, HAZ 이후 모재에서의 시간에 따른 온도감소 경향은 용접법에 따른 차가 없다. 2) 용융법에 따른 열적특성인 냉각구배의 차는 가열과정의 상이함에 기인하며, 이 과정의 차는 초기 입열온도와 최고온도 도달 소요시간이다. 3) 용접법에 따른 냉각구배의 차로 인하여, 용융부와 HAZ, HAZ와 인접 모재사이의 온도차가 티그용접에 비해 CO₂ 레이저용접이 적다. 용접법에 따른 용접부의 역학특성 (1) 용접단면의 σ_(x) 분포에서, 잔류응력이 형성된 용융폭이 CO₂레이저용접이 SMAW와 FCAW에 비해 좁으며, 용접선 방향에 대해 직각인 두께방향으로 일정한 크기의 σ_(x)가 SMAW와 FCAW는 밑면(z=0mm)에서 중심(z=6mm)까지 형성된 반면에, CO₂레이저용접은 중심에서 밑면으로 갈수록 적어짐을 확인하였다. (2) 용접단면의 σ_(y)와 σ_(z)의 분포에서, σ_(x)가 큰 부위에서는 압축성분의 σ_(y)가 생성된 반면에, σ_(x)가 적은 부위에서는 인장성분의 σ_(y)가 생성되었으며, 두께방향에 따른 σ_(x)의 차가 적을수록 σ_(z)의 크기가 0으로 접근함을 확인하였다. (3) 용접법에 따른 용접부의 역학 특성 해석으로부터, 완전 용입의 단층용접인 레이저 용접이 다층용접인 아크용접에 비해, 용접부의 역학적 특성이 우수함을 확인하였다. 용접부의 기계적 특성 확인 (1) CO₂레이저용접에 의한 용접이음부 충격흡수에너지의 크기는 아크용접에 비해 약 1/5 미만의 수준이며, 이는 용접법에 따른 폭방향과 두께방향에서의 σ_(x)의 분포 특성에 기인하는 것이며, σ_(y)의 분포가 미치는 외부 충격에 의해 받는 영향은 적은 것으로 사료된다. (2) 파단 경로가 아크용접의 용접단면에 수직으로 발생되었으나, CO₂ 레이저용접은 용접부에서 모재로 경로가 변경되어 진행하였다. (3) 인장시험에 의한 변위와 힘의 관계에서 세 용접법 모두 유사한 인장곡선을 얻었으며, 최종 파단은 모재에서 발생하였으며, 굽힘 시험에 의한 용접부에 표면에서의 손상이 발생되지 않았다. 따라서, 용접부에 발생된 열적 특성, 잔류응력 분포특성과 샤르피 충격시험에 의한 용접부의 충격흡수에너지의 크기로부터, CO₂레이저용접이 아크용접인 SMAW와 FCAW보다 안전성과 내구성을 중시하는 구조물 제작에 유리함을 확인하였다.|Although the generation efficiency of the nuclear power plant can be improved as the pressure and temperature of a moving fluid is getting higher, we can not increase the operation pressure and the temperature of the moving fluid over a certain level. It is due to the material characteristics of the pressure vessel and the joining method used to manufacture it. 2.25Cr-1Mo steel is used in manufacturing important components of the nuclear power plant, and the joining method used in manufacturing the pressure vessel is an arc welding method. For power plant facilities where the welding method is used, the region at which problem occurs is the welding parts and so this region needs close observation as the passage in time of operation As the manufacturing technology of a laser welding equipment supplying directly a high density heat energy in the joining part, which is different from heat input method of arc welding, a laser welding equipment which is possible to weld the thick steel plate by the complete penetration of 1 pass began to be utilized. And, as the operating method of a laser welding equipment has been improved and its cost is lowered, it is essential to review the applicability of the laser welding equipment in the manufacturing process which needs serious safety considerations. The important characteristics of laser welding are narrow welding width, small welding deformation and fine grain size in the welding parts, such welding characteristics are greatly improved compared to arc welding. Application of the laser welding in manufacturing of the nuclear power plant has not reported yet, but there is a report which concludes that the result of the application of the laser welding in the repair welding of the plant was satisfactory. Especially, the comparison research on the thermal characteristics between the applications of the arc welding and the laser welding in the 2.25Cr-1Mo steel has not been done and no report has not been publicized. Consequently, this research work is dealt with an in a 2 stages to confirm the applicability of laser welding in joining method in manufacturing the important facilities. The 1st stage dealt with determination of the thermal characteristics in this steel by melting heat after melting the surface of 2.25Cr-1Mo steel using arc heating and laser heating method. The 2nd stage with determination of the mechanical characteristics of the welded parts. The welding method used in the butt welding of 2.25Cr-1Mo steel is submerged arc welding(SMAW) and flux cored arc welding(FCAW) in the arc weldings and CO₂ laser welding in the laser wleding. The results of this research are as follows: Thermal characteristics of various the welding method Thermal characteristics of various the welding method 1) Thermal characteristics according to the welding method is divided along HAZ border line with the melting part and the base metal part, and the heat conduction characteristics in the melting part is different according to the welding method but the heat conduction characteristics in the base metal behind HAZ have no difference according to the welding method. 2) The cooling rate as a thermal characteristics according to the welding method is due to the difference of the heating process, the difference is the initial heating temperature and the time required to arrive at the maximum temperature. 3) Due to the difference of the cooling rate according to the welding method, The temperature difference of (the melting zone and HAZ) and (HAZ and the adjacent base metal) is smaller for CO₂ laser welding compared to TIG welding. Mechanical characteristics of the welding parts based on the welding methods (1) In the distribution of the stress σ_(x)distribution along the welding cross section, the melting width of CO₂ laser welding with the residual stress is smaller compared to SMAW and FCAW and it is confirmed that with a constant magnitude is formed from the base side(z=0mm) to the center (z=6mm) in SMAW and FCAW but in CO₂ laser welding, is decreasing from the center to the base side (2) From the σ_(y) and σ_(z)distribution in welding cross section, it is confirmed that σ_(y)of compression component is formed in the part with larger σ_(y), but σ_(y)of tension component is formed in the part with smaller σ_(y), and that the magnitude of σ_(z)approaches to 0 as the difference of σ_(x)along thickness direction decreases. (3) From the analysis of the mechanical characteristics according to the welding method, it is confirmed that the mechanical characteristics of the welding parts formed by laser welding which is single pass welding of the complete penetration is superior compared to the arc welding which is multi pass. Confirmation of the mechanical characteristics of the welding parts (1) The magnitude of impact absorbing energy by CO₂ laser welding is more than 5 times relative to arc welding. It is due to the characteristics of σ_(x) distribution of the welding cross section, and the effect of external impact in σ_(y)distribution seems to be insignificant. (2) Fracture path deviation(FPD) of arc welding appeared in the vertical direction to the welding cross section but in the CO₂ laser welding the route of FPD was changes from welding part to the base metal and progressed. (3) In the relation between the strain and force obtained by the tensile tests, the similar tensile curves for all of three welding methods are obtained, and final fracture was occurred in the similar position of the base metal. The surface crack on the welding parts in free bending test not occurred. Consequently, from the thermal and mechanical characteristics and the magnitude of impact absorbing energy, it is confirmed that CO₂ laser welding has more advantages than SMAW and FCAW in manufacturing structures considered to be important to the safety and durability.