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1 49 연구논문 연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 Hastelloy C-276 의용접특성에관한연구 나기대 * 유영태 ** 신호준 *** 오용석 **** * 조선대학교공과대학기계설계공학과 ** 조선대학교공과대학메카트로닉스공학과 *** 조선대학교일반대학원정밀기계공학과 **** 조선대학교일반대학원첨단부품소재공학과 A Study on the Welding Characteristics of Hastelloy C-276 using a Continuous Wave Nd:YAG Laser Gee-Dae Na*, Young-Tae Yoo**, Ho-Jun Shin*** and Yong-Seok Oh**** *Dept. of Mechanical Design Engineering, Chosun University, Gwang-ju , Korea **Dept. of Mechatronics Engineering, Chosun University, Gwang-ju , Korea ***Dept. of Precision Mechanical Engineering, Chosun University, Gwang-ju , Korea ****Dept. of Advanced Parts and Materials Engineering, Chosun University, Gwang-ju , Korea *Corresponding author : (Received April 15, 8 ; Revised July 10, 8 ; Accepted September 3, 8) Abstract Hastelloy C-276, corrosion resistant alloy at high temperature, is used in chemical plant and power generation industry. In this study, process parameter of laser welding for welding property in Hastelloy C-276 using a continuous wave Nd:YAG laser was studied. As the result of experiment, laser welding did not show segregation or crack at heat affected zone compared to conventional GTWA welding. The melting zone showed cell dendritic structure along with welding line. In addition, planer front solidification is occurred from welding structure, and it was progressed to cellular solidification. Optimal process parameter for butt welding was 1.2kW and 2.0 m/min for laser power and welding speed, respectively. While heat input, output density, tensile stress, and longitudinal strain was J/cm2, W/cm2, 768 MPa, and 0.689, respectively. Lap welding of the same material showed greater discrepancy in tensile property during 1 line and 2 line welding. For 1 line welding, tensile stress was about 320 MPa, and 2 line showed slightly larger tensile stress. However, strain was decreased by 20%. From this result, lap welding of the same material, Hastelloy C-276, with 2 line welding is considered to be more effective process than 1 line welding with consideration of mechanical property. Key Words : CW Nd:YAG laser, Hastelloy C-276, Bead profile, Lap welding, Microstructure 1. 서론 Hastelloy C-276 은니켈기합금으로고온에서내식성이요구되는열교환기의입구부분, 유인팬 (Induced draft fan) 등에서필수적으로사용되고있다. 그러나 Hastelloy C-276 과같은니켈기합금강은일반강 (steel) 보다가격이매우비싸기때문에대형열교환기와같은구조물에사용하는데는경제적으로많은부담으로작용하고있다. 이를해소하기위해열악한환경 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 8 年 10 月 481

2 50 나기대 유영태 신호준 오용석 에노출된영역의부분적인부위를다양한방법으로용접하여재료비를절감하고있다. 예를들어박판금속라이닝 (thin-sheet metallic lining), 클래드판구조물 (clad plate construction), 서페이싱오버레이용접 (Surfacing overlay welding), 용사법 (thermal spraying process) 등과같은방법이경비절감에활용되고있다. Hastelloy C-276 은가스텅스텐아크용접 (GTAW) 과피복아크용접 (SMAW) 을주로사용하고있다. 이것은대부분의용접구조물이대형이므로자동화라인을설치할수가없어수동용접을하고있다 1). Hastelloy C-276 의용접성은우수하지만과도한입열량으로용접할때내부식성에대한용접금속의편석 (segregation) 이발생하여기공발생과응고고온균열감수성이높은특징이있다. 또한용접부탄화물의입자석출 (grain precipitation) 로인하여내부식성저하가발생하기때문에일반적으로용접후열처리로할필요가있다. 이중에서특히산소아세틸렌 (oxyacetylene) 용접은침탄가능성이있어가급적피하고있다 2). GTAW 용접한 Hastelloy C-276은고온 부식환경에서장시간사용할때용접부의열영향부분에서균열이발생하게된다 3-5). 이러한균열의원인으로응력-부식균열, 입계예민화및수소취성등의다양한균열발생기구가적용될수있다. 사용중손상요인외에도용접시국부적인용융과열전도과정에서큰온도구배로인한열응력, 열충격이작용할수있다. 이것이원인이되어열피로와같은사용반복응력이손상요인으로작용하여용접부가손상될수있다. Kim 6) 은용접열영향부에발생된균열은용접으로부터유발된잔류응력과사용중의부식환경에영향을받았을것으로판단하여유한요소법으로열영향부위에서의잔류응력특성을고찰하였다. 니켈기합금의용접에서발생하는결함을줄이기위한방법으로일반적인용융융접에비해열원특성이매우뛰어난레이저용접이매우효율적인방법이다. 아크용접과같은일반용접법은용접열원이재료표면에공급되고내부의용융은열전도만으로행해지므로, 종 횡비가큰용입 (penetration depth) 을얻기가어렵다. 그러나레이저는전자빔용접과함께고에너지밀도열원을이용하기때문에단시간에용융, 응고과정이진행되어일반용접에비해종횡비 (aspect ratio) 가대단히크고, 열영향부 (heat affected zone ; HAZ) 가작은용접이가능하다. 출력밀도가높은레이저빔을이용하여매우짧은시간내에용접하기때문에적절한열확산과적은내부응력이형성하여용접변형이적어일반용접에비해금속조직이나기계적성질측면에서모재에거의영향을미치지않아우수한용접평가를받고있다. 기술선진국에서는중 화학산업과관련하여고에너지빔용접에관한수많은연구가행해져왔으나특수분야의적용이대부분이기때문에공개된기술은그리많지않다. 국내의에너지동력산업에서용접기술및적용사례등을살펴볼때, 고부가가치소재에대한신기술관련연구부재로인하여다양한용접변수와용입특성에대한많은자료가요구되고있다. 본연구에서는레이저출력, 용접속도를변화시켜최적의공정변수를결정하고자한다. 또한최적의공정변수로용접한용접단면의조직과경도분포및인장강도를비교하여 Hastelloy C-276 의레이저용접특성에관하여고찰하고자한다. 그리고최적의용접공정으로용접한 Hastelloy C-276 과비슷한니켈기합금인 STS 304 의용접결과와도비교검토하고자한다. 2. 실험재료및실험방법 2.1 실험재료 본연구에사용된실험재료는 Hastelloy C-276 과 STS304 로화학성분은 Table 1과같다. 두시편모두 Ni과 Cr성분이상대적으로다른조성분에비해많이포함돼있다. 시편표면의이물질을완전히제거하기위해아세톤으로세척한후용접실험하였다. 본연구에사용한 Nd:YAG 레이저는최대출력 2.8kW, 평균유효출력 2kW 급의연속파형레이저이다. 레이저용접시표면과대기중의오염물질사이의 Table 1 Chemical compositions of Specimens (wt%) C Mn Fe S Si Cu Ni Cr Hastelloy C-276 Ti Co Mo P B W V Austenite Stainless steel C Si Mn P S Cr Ni Fe ~20 8.~10.5 Bal. 482 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 8

3 연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 Hastelloy C-276 의용접특성에관한연구 51 상호작용을방지하기위해서 Ar가스를 45 각도, 1bar 의가스압력으로분사시켰다. 본연구에사용된실험장치의계략도는 Fig. 1과같다. 2.2 실험방법 Hastelloy C-276의용접특성을고찰하기위해 Table 2에제시한조건으로비드용접실험하였다. 최적의비드실험을기준으로맞대기용접 (butt welding) 과겹치기용접 (lap welding) 을실시하여용접특성을비교했다. 레이저빔의이송속도는비드용접은 0.1 m/min, 맞대기용접은 1m/min 씩증가시키면서입열량을조절했다. 최적의용접공정변수를결정하기위해레이저공정변수의변화에따른용접비드의폭과침투깊이등을측정한후각각의공정에대한입열량의변화를측정하였다. 본실험결과분석에사용한입열량은아래식 (1) 과같다. (1) 인장강도 (tensile stress) 및인장변형률 (tensile strain) 을실험하였다. 용접부의비드폭및침투깊이를관찰하기위해 STS304 용접시편을정밀금속절단기로용접시편을절단하고사포로연마및폴리싱후증류수 (50ml)+ 염산 (150ml)+ 산화크롬VI(25g) 로에칭하였다. Hastelloy C-276 은고온내부식성니켈기합금으로서미세조직을관찰하기위해 STS 304 를에칭방법으로는어려움이많았다. 많은문헌을근거로마이크로및매크로에칭실험을실시하였으나에칭현상이전혀발생하지않았다. 그러므로본실험에서는옥살산 (oxalic acid) 과전류 전압장치를이용하여전해에칭했다. 에칭된용접부경계면은광학현미경으로관찰하였다. 용접부경도시험은마이크로비이커스경도시험기를사용하여 0.3 kg의하중을적용시켰다. 3. 실험결과및고찰 3.1 용접공정에대한입열량특성 위식에서 E는입열량, P는레이저출력, W는시편위표면의용입폭, V는용접속도이다. 시편의위표면의용입폭으로입열량을계산한것과비교하기위해용접단면부의이미지분석을통해용융면적을계산한후입열량과의상관관계를제시하였다. 레이저용접공정변수변화에따른기계적특성을평가를위해시험편 [KS B0801] 을제작한후인장시험기 (Universal Testing machine 4206, 15ton) 로 레이저의출력을 1.0kW 로하고레이저빔의이송속도변화에대한입열량을 Fig. 2 나타내었다. 레이저빔의속도가느려입열량이큰경우는 A로표시하였다. 입열량이큰공정즉, 용접속도가느린공정에서는용융부의윗부분용접중심선에오목한부분이발생하였다. 레이저빔이가우시안형태와강도분포가유사하기때 Heat input( 10 3 J/cm 2 ) 3.5 Bead welding, Laser power : 1000W) Welding speed(m/min) Fig. 1 Schematic diagram of laser welding Fig. 2 Heat input variations of Hastelloy C-276 for welding speeds Table 2 Parameter of laser welding Bead welding Butt welding Lap welding Laser power(kw) , 1.4, , 1.5, 1.6 Welding speed(m/min) 0.9~ ~ Focal position(z) 0(f=mm) 0mm(f=mm) 0mm(f=mm) Shielding gas (Ar) 1bar, 3 1bar, 3 1bar, 3 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 8 年 10 月 483

4 52 나기대 유영태 신호준 오용석 문에레이저빔의중심의에너지밀도가높아용융온도가낮은조성분일부가증발되었기때문이다. 또한편으로는레이저빔의주변부는모재로의급속한열전달로중심부에비해용융면주변부로의냉각에의한열손실량이많아주변부는증발현상이발생하지않았다. 용접속도가늦어입열량이클경우과입열량으로인한용융물이시편의상부에서응집력이나점성력보다중력의영향으로흘러내린용융물이시편의아래표면의모재와의응집력으로부착되어볼록한용접면을형성하고있다. 또한레이저용접특성상임계값이상의레이저빔이재료의표면에조사되면급격한재료의증발현상이발생하고, 금속증기가분출하는반동력에의해서용융금속면에함몰을일으켰다. 용접속도가 1.2~ 2.0m/min 일때의용접비드는상부에오목한부분이발생하지않고, 하부에는볼록한부분이발생하는않는모습을 B에타나냈다. 이때의입열량은 3.038~ J/cm 2 이다. 이때의용융단면은모래시계모양을하고있다. 용융면적이모래시계모양을하고있는이유는레이저빔이직접조사되는시편표면에서는열전도때문에용융면적이상대적으로크다. 반면에용융부의중간부분은모재로의열전달에의한냉각때문에좁게형성되지만시편아래부분은모재와용융부의개면접촉때문에주변부로열전달되어모래시계모양으로형성되었다. 레이저빔의이송속도가증가하여상대적으로입열량이작을때는 C 구역에나타낸것처럼비드모양이나사모양을하고있다. C로표시한부분의입열량은에너지밀도가작아충분한키홀용접이되지못하고주변부모재로열전달된용융부모양을하고있다. 용융단면이나사모양으로내부로갈수록작아지는이유는레이저빔의이송속도가빨라상대적으로흡수된작은에너지가내부로진행하면서급격하게냉각되기때문이다. 입열량계산식 (1) 로계산하면표면용융단면을실험결과값으로계산하기때문에그래프가 Fig. 2처럼출령거리는현상을보이고있다. 그러나용접속도에따른용융단면적을기준으로출력밀도로계산할경우출력밀도는용융단면적에비례하므로 Fig 2와같은모순이발생하지않음을 Fig. 3에나타냈다. 입열량을계산할때지금까지통상적으로사용하고있는식 (1) 보다는용융단면적을중심으로계산하는것이일관성이있음을나타내고있다. Fig. 4은오스테나이트스테인리스강인 STS304 의용접속도에따른종횡비의변화를나타낸결과이다. 레이저빔출력이 1.9kW, 초점위치 (z) 는 -0.5mm, 보호가스 (Ar) 는 3l/min 으로고정하고용접속도를변화시 Melting area(cm 2 ) Hastelloy C-276 Laser power=1000w Welding speed(m/min) Fig. 3 Variation of melting area according to welding speed Bead depth/width 2.6 Aspect ratio Welding speed(m/min) Fig. 4 The aspect ratio of STS304 steel on the welding speed 켜실험하였다. 용접속도가증가할수록종횡비는감소하였고, 5m/min 일때종횡비가 1에근접한뒤용접속도가증가하면종횡비가 1이하로감소하였다. 이는레이저빔의이송속도가증가하여입열량이감소하면표면에서키홀이잘형성되지않아레이저빔이용융풀에서다중반사될확률이줄어들어흡수에너지양이줄어들기때문이다. 용접속도가 3m/min 일때는키홀의형성이원활하게진행되어종횡비가 2.15 로가장크게나타났다. 종횡비가가장클때입열량은 Hastelloy C-276은 3.038~ J/cm 2 이고 STS 304는 J/cm 2 으로 Hastelloy C-276 보다약 10 2 배크게나타났다. 입열량을 Fig. 3에서설명한출력밀도 (P/A) 로표현하면 ~ W/cm 2 과 W/cm 2 이었다. STS 304의용융단면적은 Fig. 2의 B에나타낸모양과비슷하여 Ni과 Cr 성분이상대적으로많은재료는종횡비가클경우용융단면적의형상이비슷하게형성됨을나타내고있다. 이는열용량, 밀도등다른물리적성질의유사성때문에 Hastelloy 강의용접특성 484 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 8

5 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 Hastelloy C-276의 용접특성에 관한 연구 3.2 맞대기 용접 특성 Hastelloy C-276의 맞대기 용접특성을 고찰하기 위 해 비드용접실험 결과를 기준으로 맞대기 용접하였다. 공정변수는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 레이저 출력을 각각 1.2, 1.4, 1.6kW이며, 용접속도는 각각 1.0, m/min로 변화시켜 용접하였다. 레이저빔의 이 송속도가 작을수록 또는 레이저빔의 출력이 클수록 용 융폭이 증가하고 있다. 용접속도가 2.0m/min 3.0m/min 일 때는 레이저빔의 출력 증가에 대한 비드폭의 증가율 은 크지 않았지만, 1.0m/min일 때의 용융폭의 증가율 이 약 2배정도 컸다. 이는 레이저빔의 시편에 대한 흡 수율이 출력의 증가보다는 속도에 민감함을 의미한다. 레이저 용접변수에 따른 용접부 단면을 광학현미경을 활용하여 Fig. 6에 나타냈다. 레이저 출력이 1.6kW이 고 레이저빔의 이송속도가 1.0m/min, 2.0m/min, 3.0m/min일 때 모두 두께가 2mm인 시편이 관통용접 됐다. 맞대기 용접에서도 BOP 용접특성을 나타낸 Fig. 2에 설명한 현상과 같은 결과가 출력 1.6kW, 용 접속도를 1.0m/min, 2.0m/min, 3.0m/min으로 변 Seam width(mm) 이 오스테나이트 스테인리스강과 매우 흡사한 결과를 나타내고 있다. Hastelloy 와 STS 304와 큰 차이는 낮은 열팽창, 낮은 열전도, 높은 전기저항이다. 이와 같 은 물리적 성질 때문에 응고온도가 STS 304보다 약 55 정도 낮아 입열량이 다르게 나타났다. 53 Vws :1.0m/min Vws :2.0m/min Vws :3.0m/min Laser power(w) Fig. 5 Variation of seam width for laser powers and laser transverse speeds P=1.6kW, v=1.0m/min P=1.4kW, v=1.0m/min P=1.2kW, v=1.0m/min P=1.6kW, v=2.0m/min P=1.4kW, v=2.0m/min P=1.2kW, v=2.0m/min P=1.6kW, v=3.0m/min P=1.4kW, v=3.0m/min P=1.2kW, v=3.0m/min Fig. 6 Cross sectional area of welding according to variation of laser powers and traverse speeds (Hastelloy C-276) 大韓熔接 接合學會誌 第26卷 第5號, 8年 10月 485

6 54 나기대 유영태 신호준 오용석 화시켰을때 Fig. 6과같이뚜렷하게나타는것을볼수있다. 레이저출력이 1.4kW 와 1.2kW 일때는용접속도가 3.0m/min 부터는관통용접이불가능하였다. 용융부중심으로부터양쪽모재로급냉각하면서열이용출되어관통용접된용융단면의용접선중심부에서모재방향으로수지상조직이관찰됐다. Hastelloy C-276과비슷한니켈기합금인 STS304 강의용접단면결과를비교하였다. 용접조건은 Hastelloy C-276 과동일한조건으로실험하였다. STS 304 의맞대기용접한용접단면을 Fig. 7에나타냈다. 레이저출력이 1.6kW 와용접속도가 1.0m/min 으로동일한용접공정조건일때 STS 304 가 Hastelloy C-276 을맞대기용접한것보다종횡비가크게나타났다. Fig. 7 에나타낸실험결과의출력밀도는 W/cm 2 이고 Fig. 6에나타낸 Hastelloy C-276 의출력밀도는 W/cm 2 이었다. STS304 는 Fe-Cr-Ni 의 3원계합금으로서용융온도가 1535 인 Fe 성분이주성분이다. 반면에 Hastelloy C-276 은용융온도가 1455 인 Ni성분이가장많이포함되어있다. 용융온도가 Fe 보다낮은 Ni 성분이용융되어모재양면으로 전달되면서용융면적이 STS304 보다 Hastelloy C- 276 이더크게형성되었다. Hastelloy C-276은고용체강화형합금으로 Nickel γ상을 Cr, Mo, W 등으로강화하는것으로 Cr을많이함유시켜내산화성이뛰어나다. 그러므로 Hastelloy C는 Cr을첨가하여환원성뿐아니라산화성환경에대해서도우수한내식성을갖고있어부식성이강한화학공장에많이활용되고있다. 그러나이합금도용접열영향부에서의입계부식을일으키는결점이있다. 이결점을개선한것이 Hastelloy C-276 이며현재 Hastelloy C는주조재로만쓰이고있다. Hastelloy C-276 은염화물중에서의 SCC(stress corrosion cracking: 응력부식균열 ) 에강하고공석, 입계부식의염려가없는것이특징이며거의모든장치의중요기기에쓰이고있다. 이합금은부식환경이변할때또는 2 종류의다른환경에노출될때에유리하다 4-6). 이와같은특성을지닌 Hastelloy C-276 의용접특성을분석하기위해 Fig. 8에레이저용접부의미세조직을나타냈다. Fig. 8(A) 는레이저출력이 1.6kW, 용접속도가 P=1.6kW, v=0.9m/min P=1.6kW, v=1.0m/min P=1.6kW, v=1.1m/min Fig. 7 Cross sectional area of welding according to variation of laser powers and traverse speeds (STS304) (A) Base metal ( 400) Melting zone ( 400) Base metal ( 400) (B) Base metal ( 400) Melting zone( 400) Base metal ( 400) Fig. 8 Photographs of melting zone after butt welding 486 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 8

7 연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 Hastelloy C-276 의용접특성에관한연구 m/min 일때용접부이며, (B) 는레이저출력이 1.4kW, 용접속도가 1.0m/min 일때의미세조직이다. 각각의시험편의용접부와모재부의조직을비교하였다. 용용부와모재의경계부는급격한과냉각현상이발생하여모제의경계부에서생성한핵이성장하여용접부중심으로조직이성장하여모재의기본구조인등축입자 (equiaxed grains) 입계면으로조직이성장하였다. (A) 그림중오른쪽경계면에서모재방향으로급냉각때문에크랙이발생하였다. 용융부는용접선을중심에서좌 우로셀상의수지상조직 (cellular dendrite structure) 이형성되었다. 용접부의모재로부터응고가시작되면서면선단응고 (planer front solidification) 가일어난후 cellular solidification 이진행되고, 조성적과냉 (constitutional supercooling) 이발생하였다. 응고에대한용해물질의편석때문에 Hastelloy C-276 에비교적많이포함되어있는 Mo은용융영역의세포수지상경계층 (cellular dendrite) 로분리된다. 녹는점이 1907 인 Cr과 1455 인 Ni에비해 Mo은확산이느린성분으로녹는점이 2630 로상대적으로높기때문이다. 비중이 인 Cr과 인 Ni 에비해 Mo은비중이 으로비교적높아확산이느려진다. 또한 Mo(1.38W/cm K) 이 Cr(0.937W/cm K), Ni(0.907W/cm K) 보다열전도율이크기때문에응고되는시점이다른원소에비해빠르게진행된다. Mo의빠른열전도에때문에다른조성분에비해먼저냉각되면용융풀의점성이증가하여확산이느려져편석의발생원인으로작용한다. 높은용융점을갖는재료에서먼저응고가시작되고, 용융점이낮은원소는온도가충분히내려갈때까지액상으로머무르다가응고된다. 용액을응고에영향을받지않도록방치하면두재료의비중이일치하여중첩되어실제이용하는데부적당하다. 그러나레이저빔으로용접을하면급가열급냉각되기때문에중첩을막을수있고두합금원소를미세하고균일하게분포하도록하는장점이있다. 레이저빔에의해급가열된용융단면의모재경계면에서급격한냉각이일어나먼저많은결정이형성된다. 계속되는냉각으로결정이성장하여열의방출과더불어융융부내부로주상결정 (columnar crystal) 이형성되었다. 이미형성된결정의벽이두꺼워질수록온도강하가감소되어열방출이서서히일어나고, 주상결정의성장즉결정성장은중지되고내부잔류용액은방향성이없는입상결정 (grain crystal) 으로채워진모습을보여주고있다. 용융단면과모재의경계부는원자의계면에너지는표면에너지또는표면장력효과로나타나므 로, 계면의윤곽선은표면장력과평형이이루어생성된모습이보인다. Cieslak et al. 4) 는아크용융기술에의해 Hastelloy C-276 용접부의공정조성 (eutectic constituent) 은 p상 (p-phase) 과 μ상 (μ-phases) 들의결합될것임을제시하였다. Fig. 9와 10은맞대기용접후 KS B0801규격으로인장시험한결과를나타내었다. Fig. 9은레이저출력을 1.6kW 로고정한후용접속도를 1.0m/min 과 2.0m/min, 3.0m/min 으로용접한용접시편의인장특성을비교하였다. 용접속도가가장작은 1.0m/min일때의인장강도가가장작았다. 이와같은이유는레이저빔의이송속도가작아입열량이많아지면경도는증가하나취성성분이모재에비해큰용접부의면적이증가하여인장응력이감소하였기때문이다. 이때인장응력은최대인장응력 658MPa 보다 110Mpa 정도작았다. Fig. 10에용접속도를 2.0/min 으로고정하고레이저출력을각각 1.2kW, 1.6kW 로변화시켰을때인장특성을비교한결과이다. 이때의인장강도는 768Mpa 이고, 입열량은 J/cm 2, 출력밀도 (I=P/A) 는 J/cm 2 로 Hastelloy C-276을맞대기 Tensile stress(mpa) Laser power : 1.6kW. z : 0mm(focal length: mm) V ws :1.0m/min V ws :2.0m/min V ws :3.0m/min Longitudinal strain(ε) Fig. 9 The results of tensile stress for strain according to welding speeds Tensile stress(mpa) V ws : 2.0m/min, z : 0mm(focal length: mm) Laser power : 1.2kW Laser power : 1.6kW Longitudinal strain(ε) Fig. 10 The results of tensile stress for strain according to laser powers 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 8 年 10 月 487

8 56 나기대 유영태 신호준 오용석 용접했을때최적공정조건이다. Fig. 11는오스테나이트스테인리스강 (STS304) 의맞대기용접한후 Hastelloy C-276 인장시험편과동일하게제작하여인장응력과변형률을나타낸것이다. STS304 시험편의레이저출력을 1.6kW 로고정하고입열량을변화시키기위해레이저빔이송속도를 0.7~ 1.3m/min 까지 1m/min 씩증가시켰다. 용접속도가 0.7~1.1m/min 로증가할수록인장응력과변형률이증가하여 1.1m/min 일때최대변형률과인장응력값은각각 0.807, 633MPa 이었다. 1.2m/min 이상으로용접속도가증가하면응력-변형률선도가급격히감소하였다. Hastelloy C-276 과동일한조건하에서인장특성을비교했을때인장응력과변형률이각각 763MPa, 로써인장응력은약 20.5% 크지만, 변형률은 0.16 작게나타났다. Fig. 12는맞대기용접후경도분포를고찰하기위해시편표면으로부터 μm에서마이크로비커스경도측정한결과이다. 모재의경도값은약 230Hv 이며, 용접부의경도값은최대 255Hv 에서최소 245Hv 정도로모재에비해경도값이큰차이는발생하지않았다. 마 Tensile stress(mpa) Stainless steel(sts304)laser power : 1.6kW. z : 0mm, Ar:1bar V ws:0.7m/min, V ws:0.8m/min V ws:0.9m/min, V ws:1.0m/min V ws:1.1m/min, V ws:1.2m/min V ws:1.3m/min Longitudinal strain(ε) Fig. 11 The results of tensile stress for strain according to welding speeds(sts304) Micro vickers hardness(0.3kg) STS304, Laser power(w) : 1600, Welding speed(m/min) : 1.1 Hastelly C-276, Laser power(w) : 1, Welding speed(m/min) : Distance from the center on the surface(mm) Fig. 12 Hardness profile of cross section 이크로비커스경도계로최대값과최소값의차이가 10Hv 로이차이는경도계의탐침이입계내부와입계경계부위에작용했을때발생할수있는차이로생각할수있다. 이는용접부의조직이셀수지상조직으로형성되면서발생하는특징으로판단된다. 중탄소강을용접했을때용접부위의경도가모재보다약 300% 이상증가하는것 7) 과비교하면 Hastelloy 약 9%, STS 304 약 5% 정도증가하여 Hastelloy 용접에의한용접부위경도증가는 STS 304 처럼매우작았다. 3.3 겹치기용접특성 Hastelloy C-276 뿐만아니라 Nickel 기합금강은강 (steel) 보다가격 (cost) 이매우비싸므로열교환기와같은구조물에서열악한환경에노출되는부분에재료비절감하기위해서다양한방법으로덧대기용접하여활용한다. 이와같은가공방법중여러개의얇은판재를겹쳐지게하는방법 (Wallpaper concept) 으로산업현장에서는아크용접이사용되고있다. 본연구에서는이러한개념을접목시키기위해 Fig. 13와같이한쪽에서만용접을하는편측용접과겹치기이음부의한쪽에서만필릿용접하는겹치기용접을각각의공정변수에대한용접특성을비교하였다. Fig. 14는용접속도를 1.0m/min으로고정하고레이저빔출력을각각 1.6, 1.5, 1.4kW로변화시켜각각 1 line 과 2 line 겹치기용접을실험하였다. 겹치기용접하면레이저빔이표면에직접접촉하는부분인용융표면의열전달로용융표면의폭이증가하고아래시편의모재에서급속한모재로의냉각으로와인컵 (wine cup) 모양을이루고있다. 출력이클경우아래시편으로일부용융물이유동하여시편아래부분에표면과의용융물의응집력으로볼록한비드모양을형성하고있다. 2 line 겹치기용접은위시편표면의끝부분에서안쪽으로 1mm 지점에레이저빔을조사시켰다. 출력이 1.4 kw에서는위쪽에있는시편의일부가용융되지않았다. 겹치기용접에서 1 line lap welding 2 line lap welding Fig. 13 Schematic diagram of lap welding 488 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 8

9 연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 Hastelloy C-276 의용접특성에관한연구 57 P=1.6kW, v=1.0m/min P=1.5kW, v=1.0m/min P=1.4kW, v=1.0m/min (a) 1 line lap welding P=1.6kW, v=1.0m/min P=1.5kW, v=1.0m/min P=1.4kW, v=1.0m/min (b) 2 line lap welding Fig. 14 Cross sectional area of weld bead after lap welding 끝부분의영향을받지않는 1 line 용접과는다르게모서리부분의영향을받을경우에는비교적용융풀이크게형성되었다. 이것은낙뇌예방으로설치하는피뢰침처럼모서리부분에열전자집중현상이발생하여용융효과가증가하여발생한현상으로생각한다. Fig. 15, 16은겹치기용접시편을인장시험한결과이다. Fig. 15은 1 line 겹치기용접한시험편을인장시험한결과이다. 레이저빔출력은각각 1.6kW, 1.5kW, 1.4kW 로하고, 두시편이충분히관통용접이될수있도록레이저빔의이송속도는 1.0m/min 로용접한결과이다. 레이저출력이 1.6kW 일때인장응력 (σ) 과변형률 (ε) 이각각 427MPa, 5% 로써가장크게나타났다. 맞대기용접한결과를나타낸 Fig. 10의인장응력보다약 320Mpa 정도작았다. Fig. 16는겹치기용접 line 간격을 25mm로하여 2 line 겹치기용접하여인장시험한결과이다. 인장에의한절단은용접단면보다모재부분에서이루어졌다. 동일한용접입열량조건에서 1 line 겹치기용접하면맞대기용접에비하여인장응력이약 43 % 작게나타났다. 2 line 겹치기용접하여인장응력시험하면겹치기용접한 2 line 의용접부경도증가로인장력이선형적으로전달되지않아모재를인장시험했을때보다변형률 (ε) 이약 20% 정도작았다. Fig. 17은 1 line과 2 line 겹치기용접한시편의인장시험결과이다. Fig. 18은겹치기용접 (l line 용접 ) 시경도분포를 측정한결과이다. 맞대기용접과다르게그래프우측면쪽에서경도값이최대 254Hv 로용접선을중심으로좌 Tensile stress(mpa) V ws : 1.0m/min, z : 0mm(focal length: mm Laser power : 1.6kW Laser power : 1.5kW Laser power : 1.4kW Longitudinal strain(ε) Fig. 15 Result of tensile test for 1 line lap welding Tensile stress(mpa) Line lap welding Base metal Longitudinal strain(ε) Fig. 16 Tensile stress in comparison with base metal and 2 line lap welding 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 8 年 10 月 489

10 58 나기대 유영태 신호준 오용석 (a) 1 line lap welding (b) 2 line lap welding Fig. 17 Tensile specimens tested of both 1 line and 2 line lap weldment of Hastelloy-C Distance from the center on the surface(mm) Micro vickers hardness(0.3kg) Line lap welding, laser power : 1,600W, v : 1.0m/min Fig. 18 Hardness profile of cross section for laser welding 측면쪽으로경도값이약 10Hv 정도로작게형성되었다. 시편용융표면을관찰하면과입열양에의한증발때문에오목하게들어간부분에서경도값이약간높은데이것은이영역에서급가열과급냉각의효과가크기때문으로생각된다. 또한편으로고려할수있는것은정확하게시편이수평으로배열되지못해레이저빔의초점면이대칭적으로도달하지않고미소하게기울어지면서초점면의불일치에따른결과를고려할수있다. 4. 결론 본연구에서는연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 Hastelloy C-276 의맞대기용접과겹치기용접특성에대하여다음과같은결론을얻었다. 1) Hastelly C-276 는맞대기용접시입열량이증가할수록용융폭과용융면적이증가하고, 출력밀도가약 W/cm 2 이상으로증가할수록상부비드폭보다는하부비드폭이크게형성되었다. 2) GTAW 용접시발생하는열영향부의균열은용융점이서로다른성분이액상에서응고되는과정에발생된다. 그러나본실험결과레이저용접을진행하였을 때는열영향부에서내부결함이발생되지않았다. 이는레이저빔의열원이고밀도에너지열원으로서급가열 급냉각으로인한용융점이서로다른원소의응고되는시점을중첩시켜열영향부가생성되는것을막기때문이라판단된다. 3) 맞대기용접시최적의공정조건은레이저빔출력, 용접속도가각각 1W, 2,0m/min이다. 이때입열량, 출력밀도, 인장응력과변형률은각각 J/cm 2, W/cm 2, 768MPa, 0.689이다. 4) 겹치기용접후용접단면은전형적인비드형상인와인컵모양을이루지고있고, 이면비드 (back bead) 에용접부가약 300 μm융기된현상을볼수있었다. 5) 동종재질의겹치기용접의경우 1 line 과 2 line 용접시인장특성이크게차이가나타나는것을알수있다. 1 line 용접의경우인장응력이약 320MPa 정도작게형성되었고, 2 line 의경우모재보다인장응력은약간크게나타나지만변형률은약 20% 정도작게형성되었다. 이결과 Hastelloy C- 276 의동종재질의겹치기용접시기계적특성을고려한측면에서는 1 line 용접보다는 2line 용접이좀더효율적인공정이라판단된다. 후 기 본연구는조선대학교 8년교내학술연구비지원으로연구하였습니다. 참고문헌 1. Fabrication of Hastelloy corrosion-resistant alloys, Haynes International. Inc., (3), A.M. Tycho, G.R. David L. Francesco and G. Franz : Laser Cladding of Stainless Steel with Hastelloy, Advanced Engineering Materials, 3-4 (1), M. Ahmad, J.I. Akhter, M. Akhtar, M. Iqbal, E. Ahmed and M.A. Choudhry : Microstructure and hardness studies of the electron beam welded zone of Hastelloy C-276, Journal of Alloys and Compounds, 390 (5) M. Ahmad, J.I. Akhter, M. Iqbal, M. Akhtar, E. Ahmed, M.A. Shaikh and K. Saeed : Surface modification of Hastelloy C-276 by SiC addition and electron beam melting, Journal of nuclear materials, 336 (5), H.M. Tawancy : Long-term ageing characteristics of some commerical nickel-chromium-molybdenum alloys, Journal of materials science, 16 (1981), Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 8

11 연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 Hastelloy C-276 의용접특성에관한연구 J. W Kim, Byunghak Choe, Jinsun Hong and Woosik Kim : Cracking Observed in the Socket Weld HAZ of Hastelloy C-276 Alloy, J. Kor. Inst. Met. & Mater., 40-2 (2), Y. T. Yoo and H. J. Shin : Characteristics of CW Nd:YAG laser lap welds of Nickel coated S45C steel, Journal of the Korean Welding and Joining Society, 25-3 (7) (in Korean) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 8 年 10 月 491

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