Contour method를 이용한 피닝(Peening)처리된 304L/316LN스테인리스강 용접부의 잔류응력 연구

Abstract

최근 사용후핵연료 건식 저장용기 용접부위에서 발생된 입계 응력부식 균열인염해부식을 일으키는 주요원인은 잔류웅력과 부식환경, 금속재료의 3가지 원인이 복합적으로 작용하는 것으로 알려져 있다. 이 중 잔류응력은 용접 및 접합과 같은 재료가공에서 발생할 수 있으며, 잔류응력은 외부 하중조건에 따라 건전성에 상당한 영향을 미친다. 본 논문에서는 실제 건식 저장용기 재료로서 가공되어진 스테인리스강(Stainlesssteel) 304L/ 316LN 시험편을 사용하여 용접부위에 대한 여러 종류의 피닝의 효과를 잔류응력 측정을 통해 확인하였다. 실제 용접된 열영향부위(HAZ)는 통상적으로 높은 잔류응력이 작용하므로 시험 전 후 잔류응력은 인장응력을 완화시키고 압축응력으로 변화되어 응력부식 균열을 완화할 수 있을 것이라는 가정을 세웠으며, 피닝처리 전 후 용접된 시험편을 만들고 동일한 조건을 적용하였다. 피닝기술은 시험편의 코팅유무에 따른 레이저 피닝(ALPC/NC)과 초음파 피닝 (UNSM, USP)의 총 4가지 방법을 적용하였으며, 단순 용접시험편(Base)과 비교를 통하여 잔류응력의 변화를 확인하였다. Contour 측정법은 Bueckner의 탄성 중첩 원리를 이용하여 평면이나 관심 표면에 작용하는 2D 잔류응력 지도를 제공할 수 있는 기법으로 시험편의 중앙을 절단하는 파괴적인 기법이다. 금속시험편의 절단 표면의 잔류응력 분포 분석을 진행하였으며 기본 분석단계는 시료 절단, 절단 표면 측정 그리고 마지막으로 유한요소해석을 통한 데이터 분석으로 구성된다. 시험편의 중심부위를 와이어 방전가공을 이용하여 항복강도 이내에서 신중히 절단한다. 방전가공 기법은 전기적으로 충전된 얇은 이동 와이어를 이용하는 비접촉 기법이며 전기 에너지로 재료를 이온화시켜 절단하여 모든 절단 과정이 온도가 일정하게 유지되는 물속에서 진행되어 온도에 의한 소성변형을 최소화할 수 있다. 스테인리스강의 재료특성을 감안한 금속의 탄성으로 인하여 발생된 표면의 굴곡에 정확한 데이터는 레이저를 사용한 좌표측정기로 정밀 측정하였으며, 절단면 변위의 변화는 굴곡면의 분포를 3차원으로 유한요소 해석하여 실제 잔류응력을 분석하였다. 해석은 상용프로그램인 ABAQUS 프로그램을 사용하였으며 304L/ 316LN 시험편의 각 물성치는 영의 탄성계수(E=195/204.5 GPa), 프아송비 (υ=0.30/0.294)를 균등하게 적용하였다. 3D 유한요소 해석으로 모델을 meshing한 후, 탄성 등방성 물질 특성을 이용하여 8개 점의 노드를 갖는 탄성 미소변형에 대한 해석을 사용한다. 통상 산업계에 널리 쓰이는 피닝처리의 압축응력 효과를 1 mm 전후로 보기에 그 중간점인 0.5 mm 깊이에서의 잔류응력 그래프는 가장 효과적인 피닝효과를 확인할 수 있는 기준으로 보았으며, 0.5 mm 깊이에서 횡방향의 잔류응력은 -50 mm에서 50 mm까지 피닝효과는 2D 지도로 확연히 나타난다. 스테인리스강 304L 시험편의 경우 피닝 전 후 시험편들과 비교 시 동일 위치(-10mm) 의 HAZ 부위에서는 최대 300 ∼ 330 MPa 의 차이를 보여주고 있으며 표면에서의 잔류응력은UNSM(-329MPa),USP(-237MPa) > ALP-C (-212MPa), ALP-NC (-147MPa) > Non-Peening (+84MPa)순으로 나타났다. C408, C410 시험편에서 피닝이 들어간 부위(-40, 40 mm)와 피닝이 들어가지 않은 부위(-60, 60 mm) 차이를 비교해 보면 실제 용접을 통한 큰 오차를 감안하더라고 초음파 피닝의 효과가 급격히 잘 나타난다. 용접 중심부의 수직인 깊이방향으로의 잔류응력 분포 결과는 실제 피닝 효과가 금속 표면으로부터 어느 정도의 깊이 내에서 잔류응력이 작용하고 있는지를 확인할 수 있다. 피닝 기술에 대한 효과는 피닝 방법에 따라 특징이 다르게 나타나고 있는데 초음파 피닝의 경우 깊이 1 mm 이내에서 급격한 압축응력 효과를 보이며 레이저 피닝보다 표면에서 더욱 높은 압축응력 효과를 보이는 반면, 레이저 피닝의 결과는 약 2 mm 까지 더욱 깊은 압축응력 효과가 나타났다.