KR100448532B1 - 레이저를이용한보론첨가오스테나이트계스테인레스강용접부의연성향상용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물의 제조 기술로 원자력 산업 분야에서 부산물로 생성되는 핵 폐기물을 건식(乾式)으로 저장하고 수송하기 위한 목적으로 사용되는 용기의 원소재인 ASTM A887 304B3 Gr.B을 용접으로 제작하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후열처리없이 as-welded 상태의 취약한 용접부의 연성을 향상시킬 수 있는 레이저를 이용한 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 용접부의 연성 향상용접방법에 관한 것이다.

본 발명은 핵 폐기물 저장 용기의 제작에 사용되는 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 모재의 용접방법에 있어서,

고에너지 열원인 CO₂레이저용접 장치를 구비하여 출력을 3～4.5(kW)로 하고, 용접 이송속도는 1000～1500(mm/min.)로 하고, 용접부의 플라즈마 발생을 작게하고 고밀도로 집속시키며 고속용접을 위해 보호가스로 He을 10～30(ℓ/min.)을 흘려주고, 용접시 초점 거리를 3mm이하로 하는 용접조건으로 별도의 용가재 공급없이 저입열 용접함으로써 취성상의 집합체인 용접 열영향부 폭을 감소시키고, 용접후 취약한 용접부의 연성을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

Description

레이저를 이용한 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 용접부의 연성향상 용접방법{Apparatus for rising ductility at welding spot of austenite type stainless steel doped boron using LASER}

본 발명은 구조물의 제조 기술로 원자력 산업 분야에서 부산물로 생성되는 핵 폐기물을 건식(乾式)으로 저장하고 수송하기 위한 목적으로 사용되는 용기의 원소재인 ASTM A887 304B3 Gr.B을 용접으로 제작하는 용접방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후열처리없이 as-welded 상태의 취약한 용접부의 연성을 향상시킬 수 있는 레이저를 이용한 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 용접부의 연성 향상 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로, 종래에는 원자력 산업에 대한 중요도가 점차 증가함에 따라 일반 스테인레스 강에 비해 열 중성자 흡수율이 우수한 보론 첨가 스테인레스 강을 이용하면 핵 폐기물 저장의 고밀도화가 가능하므로 이 소재에 대한 접합 연구가 점차 진행되었다.

그 중 기존의 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)에 의한 용접은 용접부 연성이 특히 취약해 용접 구조물의 연성을 향상시키기 위해서는 1100℃ 이상의 고온에서 용체화 처리해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 용접 기능이 있는 고출력 레이저를 열원으로 사용함으로써 as-welded 상태의 용접부 연성이 취약화되는 문제점을 해결하고 이를 통해 용접후 별도로 실시하는 용체화 처리 문제를 해결하고자 하였다.

또한, 핵 폐기물 저장 용기의 제작시 열 중성자 흡수율이 우수해 "poison plate"로 사용되는 B grade ASTM A887 304B3 강을 기존의 볼팅과 같은 기계적 체결이 아닌 재살 용접으로 접합함으로써 굽힘 및 인장 연성이 우수한 용접부의 확보에 그 목적이 있으며 as-welded 상태에서도 우수한 연성을 지닌 용접부를 확보함으로써 핵 폐기물 저장 용기 제작시 후열처리에 소요되는 시간, 인력 및 비용의 절감을 도모해 부가 가치가 높은 공정을 확보할 수 있는 레이저를 이용한 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 용접부의 연성향상 용접방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 대상 소재인 ASTM A887 304B3 Gr.B 강의 미세 조직

도 2 는 본 발명에 사용된 레이저 장치의 모식도

도 3 은 본 발명에 따른 레이저 용접부의 단면 마크로 형상

도 4 는 본 발명에 따른 레이저 용접부의 굽힘 및 인장 시험 결과

도 5 는 본 발명에 따른 레이저 용접 열영향부의 미세 조직 및 폭 측정 결과

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 레이저 발진기

(12) : 빔 이송부

(14) : 가공 헤드

(16) : 용접부

(18) : X-Y 테이블

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 레이저 발진기에 빔 이송부가 연결되고 이 빔 이송부 끝단부에 가공 헤드를 설치하여 가공 헤드 하부와 X-Y 테이블 상부에 용접부를 형성한 고에너지 열원인 5kW CO₂레이저를 이용해 저입열 용접함으로써 취성상의 집합체인 용접 열영향부 폭을 감소시키고 이로 인해 as-welded 상태에서도 용접부의 연성이 향상되도록 하는 용접 방법을 특징으로 한다.

즉, 일반 스테인레스 강에 보론(B)을 첨가한 합금 설계적 특성으로 인해 용착부 근처의 열영향부에서는 부분적으로 용융되는 구역(P.M.HAZ:Partially Melted Heat Affected Zone)이 형성되고 이 후 냉각되는 과정에서 침상(針相)의 공정상이 생성되어 취성의 특징을 나타내므로 따라서, 용접으로 접합시 불가피하게 형성되는 P.M.HAZ 폭을 감소시키기 위해 고밀도 에너지원인 레이저를 도입한 것을 제공함에 의해 달성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 다음과같다.

도 2 는 본 발명에 사용된 레이저 장치의 모식도를 도시한 것으로서, 핵 폐기물 저장 용기의 제작에 있어서, 고에너지 열원인 5kW CO₂레이저 발진기(10) 일측부에 빔 이송부(12)가 연결 설치되고 이 빔 이송부(12) 끝단부에 가공 헤드(14)가 설치되며 가공 헤드(14) 하부에 용접부(16)를 형성함과 또한 상기, 용접부(16) 하단부에 X-Y 테이블(18)을 위치시킨 구성으로 레이저 최대 출력은 5kW이고 빔원은 transverse flow type-multi mode인 CO₂레이저를 사용한 것이다.

또한, 이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하겠다.

표 1

상기 표 1은 본 발명의 핵심인 완전 용입의 레이저 용접 조건을 나타낸 것으로서, 용접은 3.6mm 두께의 모재를 맞대기 형상(butt type)으로 준비한 후 별도의 용가재 공급없이 접합하였다. 여기에서, 헬륨(He) 가스를 보호 가스로 사용한 것은 아르곤(Ar) 가스에 비해 레이저 용접시 플라즈마 발생이 작아 고밀도로 집속시킬 수 있을 뿐 아니라 아르곤(Ar) 가스에서 이루지 못한 고속 용접을 실시할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

도 1 은 본 발명에 사용된 모재의 미세 조직을 나타낸 것으로서, 중성자 흡수율을 향상시키기 위해 첨가된 보론이 오스테나이트 기지에 복합 보라이드 형태로석출된 양상을 보여주고 또한, ASTM A887 304B3 강의 두 가지 그레이드(grade) 중 보라이드 형태 및 크기가 불균일하게 분포됨으로 인해 "poison plate" 로 사용되는 B grade 강재의 특성을 잘 보여주고 있다.

도 3 은 상기의 조건으로 레이저 용접된 304B3 강의 단면 마크로 형상을 나타낸 것으로서, 고밀도 에너지원인 레이저를 1450mm/min.의 고속으로 이동되면서 접합된 상태이므로 root部가 face部에 비해 용착 폭이 작은 것이 특징이다.

도 4 는 본 발명에 따른 레이저 용접부의 굽힘 및 인장 시험 결과를 나타낸 것으로서, 굽힘 시험은 4t(t:시험편의 두께) 포머를 이용해 3점 굽힘으로 시험하였으며 그 결과 face 및 root部 모두 건전한 90°굽힘부를 형성하였다. 또한, 용접부 및 모재가 함께 포함된 transverse 인장 시험 결과 모재에서 파단되어 용접부가 강도상으로 문제가 없음을 나타내고 있으며 참고적으로 GTA 용접부는 굽힘 및 인장 시험 공히 fusion line에서 파단되었는데 이는 모재에 비해 용접부가 상대적으로 취약함을 의미한다.

도 5 는 본 발명에 따른 레이저 용접 열영향부의 미세 조직 및 폭 측정 결과를 나타낸 것으로서, 레이저 용접은 GTA 용접에 비해 고밀도로 집속되는 에너지원을 이용하므로 용접시 입열량이 감소되고 이로 인해 취성이 집합체인 P.M.HAZ 폭이 감소되는 특성으로 용접부의 연성은 향상되게 된다.

본 발명은 열중성자 흡수율이 우수한 ASTM 304B3 Gr.B 강 용접부의 연성을향상시키기 위해 고에너지 열원인 5kW CO₂레이저 장치를 사용하여 핵 폐기물의 저장 용기를 제작함에 있어 기존 볼팅과 같은 기계적 체결 방법에 비해 공수를 절감할 수 있으며 또한, GTA 용접의 단점인 용가재의 사용 및 후열처리 적용에 의한 제작 단가의 상승을 절감하므로 인해 고 부가 가치 제품의 생산이 가능하도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

1. 핵 폐기물 저장 용기의 제작에 사용되는 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 모재의 용접방법에 있어서,

   고에너지 열원인 CO₂레이저용접 장치를 구비하여 출력을 3～4.5(kW)로 하고, 용접 이송속도는 1000～1500(mm/min.)로 하고, 용접부의 플라즈마 발생을 작게하고 고밀도로 집속시키며 고속용접을 위해 보호가스로 He을 10～30(ℓ/min.)을 흘려주고, 용접시 초점 거리를 3mm이하로 하는 용접조건으로 별도의 용가재 공급없이 저입열 용접함으로써 취성상의 집합체인 용접 열영향부 폭을 감소시키고, 용접후 취약한 용접부의 연성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 보론 첨가 오스테나이트계 스테인레스 강 용접부의 연성향상 용접방법.