KR100514311B1 - 국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 국부 열제거원 용접장치는, 용접이 시행된 모재 용접부의 기계적 물성을 향상시키기 위한 국부 열제거원 용접장치에 있어서, 상호 접촉하는 모재간의 용접부위의 상부에 배치되어 상기 용접부위에 용접와이어를 융착시켜 상기 모재를 용접시키는 용접토오치; 및 상기 용접토오치의 측부에서 저온의 유체를 분사가능하게 배치되며, 상기 용접시, 상기 모재가 용융하는 용융부의 외측에 형성되는 열영향부의 적어도 일부 영역을 냉각시키는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 용접 과정 동안 발생되는 미변태열영향부의 탄화물 조대화 현상을 억제하여 원전설비의 압력용기 등의 재료로 사용되는 강재의 제조시에 신규 공정을 추가하는 방법을 사용하지 않고서도 결과적으로 원전설비의 압력용기 등의 기계적 강도와 파괴인성치 등 기계적 물성치를 종래에 비하여 향상시킬 수 있게 된다.

Description

국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법{Local Heat Sink Welding Device and Welding Method thereof}
본 발명은, 국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용접이 시행된 모재 용접부의 기계적 물성을 향상시키기 위한 국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법에 관한 것이다.
원전설비의 압력용기는 고온·고압 및 중성자 조사 환경에서 40년 이상 장시간 사용되므로 중성자 조사 취화에 대한 높은 저항성, 높은 파괴인성과 피로강도, 높은 재료균질성, 내부식성, 낮은 유도방사성, 양호한 용접성 등의 특성이 요구된다. 특히 압력용기의 노심대는 가동 중 고속중성자가 조사되어 최대흡수에너지가 감소하고, 연성-취성 천이온도가 상승하는 중성자 조사 취화가 발생하여 가동조건과 수명을 제한하게 된다. 따라서 가동조건을 완화하고, 수명을 길게 하기 위해서는 충격에너지(파괴인성)가 높은 재질로 압력용기를 제조하는 것이 바람직하다.
따라서 원전설비 압력용기는 주로 ASME SA508 Gr. 3에서 규정한 화학성분을 기준으로 제조되고 있는데, 이에 의하여 제조된 SA508 Gr. 3강은 원전설비 압력용기 즉 가압경수로 원자력발전소의 압력용기 외에도 원자력발전소의 증기발생기, 가압기, 원자로 냉각제 배관 등에 널리 사용되고 있는 실정이다.
한편, ASME SA508 Gr. 3에서 규정한 화학성분을 기준으로 제조된 SA508 Gr. 3강 즉 저합금강을 사용하여 원전설비 압력용기 등을 제조하더라도 요구되는 특성을 만족하기 어려운 경우가 발생된다. 이는 저합금강으로 원전설비 압력용기를 제조할 때에 용접과정이 필수적으로 필요한 데, 이러한 용접과정, 보다 상세하게는, 다층 용접 및 용접 후 열처리 동안의 반복적인 입열에 의하여 미변태열영향부에 탄화물 조대화 현상이 발생되어 기계적 강도와 파괴인성치가 저하된 국부 취약부가 발생하기 때문이다. 즉 종래의 용접장치 및 그 용접방법에 있어서는, SA508 Gr. 3강을 사용하여 원전설비의 압력용기를 제조하면 용접과정 중 미변태열영향부의 탄화물 조대화 현상에 의하여 압력용기의 요구되는 특성을 충분히 만족시키지 못하는 경우가 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 고려하여, 파괴에 대한 저항성이 현저하게 향상된 고인성 SA508 Gr. 3강을 제조하는 방법이 대한민국등록특허공보 제261664호에 개시된 바 있다. 이 방법은 SA508 Gr. 3 저합금강을 제조할 때 거치게 되는 종래의 열처리 과정인 소입(燒入;quenching)과 소려(燒戾:tempering)처리 중간에 페라이트 상과 오스테나이트 상이 공존하는 2상영역 온도구간에서 추가적인 열처리를 함으로써, 종래의 열처리 공정에 의하여 제조된 SA508 Gr. 3 저합금강에 비하여 상온 충격에너지와 최대 흡수에너지가 크게 증가되고 연성-취성 천이온도가 낮아져 파괴에 저항성이 현저하게 향상된 SA508 Gr. 3 저합금강을 제조하는 방법으로서, 이 고인성 SA508 Gr. 3강으로 원전설비의 압력용기를 제작함으로써 용접과정 동안에 발생되는 국부 취약부의 발생에 의해 원전설비의 압력용기의 기계적 강도와 파괴인성치 등의 기계적 물성치가 저하되는 문제점을 간접적으로 해결할 수 있게 된다.
그러나 이와 같이, SA508 Gr. 3 저합금강의 제조 시에 종래와 비교하여 새로운 열처리 공정을 추가하여 종래에 비하여 파괴에 대한 저항성이 향상된 저합금강을 제조하고 이를 사용하여 원전설비의 압력용기를 제조하는 방법은, 원자력 등 관련 산업의 경제성 제고를 위해서는 제작 공기 단축 및 단가 인하가 필요함에도 불구하고 신규 공정 추가에 따른 제작 공기와 비용의 증가를 야기하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 용접 과정 동안 발생되는 미변태열영향부의 탄화물 조대화 현상을 억제하여 원전설비의 압력용기 등의 재료로 사용되는 강재의 제조시에 신규 공정을 추가하는 방법을 사용하지 않고서도 결과적으로 원전설비의 압력용기 등의 기계적 강도와 파괴인성치 등 기계적 물성치를 종래에 비하여 향상시킬 수 있는 국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 용접이 시행된 모재 용접부의 기계적 물성을 향상시키기 위한 국부 열제거원 용접장치에 있어서, 상호 접촉하는 모재간의 용접부위의 상부에 배치되어 상기 용접부위에 용접와이어를 융착시켜 상기 모재를 용접시키는 용접토오치; 및 상기 용접토오치의 측부에서 저온의 유체를 분사가능하게 배치되며, 상기 용접시, 상기 모재가 용융하는 용융부의 외측에 형성되는 열영향부의 적어도 일부 영역을 냉각시키는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접 장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 열영향부는, 상기 용접시, 상기 모재가 변태하지 않는 미변태열영향부인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 냉각부는, 상호 대향되며 각각 상하조절 가능하도록 상기 용접토오치의 양측부에 결합되어 상기 열영향부로 저온의 유체를 분사하는 한 쌍의 분사노즐; 상기 저온의 유체를 상기 각 분사노즐로 공급하는 유체공급부; 및 상기 각 분사노즐과 상기 유체공급부를 연결하며 상기 유체공급부로부터 공급되는 유체가 상기 각 분사노즐로 이동되는 유로를 형성하는 유체공급호스;를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각부는, 상기 각 분사노즐을 상기 모재에 대하여 상하 및 좌우 위치를 조절하는 분사노즐조절장치를 더 포함하면 분사노즐을 최적의 위치에 배치하기가 용이하게 된다.
그리고, 상기 각 분사노즐과 상기 용접토오치 사이에 마련되며, 상기 저온의 유체가 상기 미변태열영향부로부터 상기 모재의 용융부 측으로 유동하는 것을 차단하는 차단막이 마련되어 있는 것이 분사노즐에 의한 저온의 유체가 용접부위에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있어 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 용접이 시행된 모재 용접부의 기계적 물성을 향상시키기 위한 국부 열제거원 용접방법에 있어서, (a) 소정의 대상 모재를 용접가능하게 상호 접촉시키는 단계; (b) 상호 접촉하는 모재간의 용접부위에 용접와이어를 융착시켜 상기 모재를 용접시키는 단계; 및 (c) 상기 용접시, 상기 모재의 용접에 관한 소정의 기준데이터에 기초하여 상기 모재가 용융하는 용융부의 외측에 형성되는 열영향부의 적어도 일부 영역을 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접방법이 제공된다.
여기서, 상기 열영향부는, 상기 용접시, 상기 모재가 변태하지 않는 미변태열영향부인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 용접에 대한 기준데이터는 미리 결정된 상기 미변태열영향부의 최고온도도달시점을 포함하며, 상기 (c)단계는 상기 최고온도도달시점 직후부터 수행되는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 용접에 대한 기준데이터는, 미리 결정된 상기 분사노즐의 위치 및 분사압력, 상기 저온의 유체의 온도 및 유량을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 국부 열제거원 용접장치 개략도이며, 도 2는 도 1의 'A'영역의 부분확대도로서, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 국부 열제거원 용접장치(1)는, 상호 접촉하는 모재(2)간의 용접부위의 상부에 배치되어 용접부위에 전극봉 또는 용접와이어(11)를 융착시켜 모재(2)를 용접시키는 용접토오치(10)와, 용접토오치(10)의 측부에서 저온의 유체를 분사가능하게 배치되는 냉각부(20)와, 용접토오치(10)와 후술할 냉각부(20)의 분사노즐(21) 사이에 마련되는 차단막(30)을 구비한다. 한편, 모재(2)는, 용접시 모재(2)가 용융하는 용융부(3)와, 용융부(3)의 외측에 형성되며 용접시에 발생되는 열에 영향을 받는 영역인 열영향부(5)를 가지며, 열영향부(5)는 용접시 모재(2)가 다른 상으로 전이되는 영역 즉 모재(2)가 변태하는 변태열영향부(5a)와, 모재(2)가 변태하지 않는 미변태열영향부(5b)로 구분될 수 있다.
모재(2) 즉 본 실시 예에서는 SA508 Gr. 3강을 용접할 때에는 아아크 용접이 주로 사용된다. 아아크 용접은 용접토오치(10)에 용접와이어(11)를 공급하면서 강한 전류를 용접토오치(10)와 용접대상 모재(2) 사이에 형성하여 용접와이어(11) 및 모재(2)를 순간적으로 녹이며 융착시키는 용접방법이다. 따라서 용접토오치(10)는 전극봉(11) 또는 용접와이어를 구비하며 전기회로가 내장된 용접기(미도시)에 연결되게 된다.
그리고 냉각부(20)는, 용접토오치(10)의 양측부에 상호 대향되게 결합되어 열영향부(5)로 저온의 유체를 분사하는 한 쌍의 분사노즐(21)과, 저온의 유체를 각 분사노즐(21)로 공급하는 유체공급부(23)와, 각 분사노즐(21)과 유체공급부(23)를 연결하며 유체공급부(23)로부터 공급되는 유체가 각 분사노즐(21)로 이동되는 유로를 형성하는 유체공급호스(29)를 갖는다. 여기서 유체공급부(23)는 저온의 유체가 저장되는 유체저장용기(27)와, 유체저장용기(27)에 저장된 유체의 온도를 조절하는 온도조절기(28)와, 유체저장용기(27)에 저장된 유체를 분사노즐(21)로 분사시키기 위하여 동력을 발생시키는 유체공급펌프(26)와, 유체공급호스(29)로 흐르는 유체의 유량 및 유압을 조절하는 유량·유압조절기(25)와, 유량을 외부에서 인식할 수 있도록 유량을 표시하는 유량계(24)를 구비한다. 이러한 구성으로, 온도조절기(28)와 유량·유압조절기(25)에 의해 저온의 유체 온도, 유체공급호스(29)로 흐르는 유량 및 유압이 조절된 상태에서 유체공급펌프(26)가 작동하게 되면 유체저장용기(27)에 저장된 유체가 정해진 저온의 온도를 가지고 유체공급호스(29)로 공급되며, 유체공급호스(29)에 공급된 저온의 유체는 분사노즐(21)을 통하여 모재(2)의 열영향부(5) 즉 본 실시예에서는 미변태열영향부(5b)에 분사되어 미변태열영향부(5b)를 냉각시키게 된다.
또한, 한 쌍의 분사노즐(21)은 본 실시 예에서 용접토오치(10)의 양측부에 상호 대향되게 결합되어, 용접토오치(10)의 이동에 따라 함께 이동된다. 그러나 용접토오치(10)가 배치된 후에 분사노즐(21)은 분사노즐조절장치(22)에 의하여 모재(2)에 대하여 상하 및 좌우 위치 조절이 가능하여 미변태열영향부(5b)의 탄화물 조대화를 효과적 억제할 수 있는 위치에 배치가 가능하다.
한편, 차단막(30)은 분사노즐(21)과 용접토오치(10) 사이에서 차단막위치조절장치(31)에 의해 용접토오치(10)와 분사노즐(21) 사이를 위치 이동하여 배치될 수 있도록 설치된다. 차단막(30)은 적절한 위치에서 분사노즐(21)과 용접토오치(10) 사이를 차단하여 미변태열영향부(5b)로부터 용융부(3) 측으로 저온의 유체가 흐르거나 튀는 것을 막아주는 역할을 하여 저온의 유체의 분사로 인하여 용접작업이 방해를 받지 않도록 한다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 용접방법에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 용접을 실시하기 앞서 용접대상 모재(2) 즉 본 실시 예에서의 SA508 Gr. 3강의 용접에 대한 기존 연구결과, 실험 및 해석적 연구 등을 통해 용접을 시행하고자 하는 모재(2)의 용접 후 기계적 물성치가 최대로 저하되는 국부 취약부 위치를 파악한다. 현재 미변태열영향부(5b)가 용접 후 기계적 물성치가 최대로 저하되는 국부 취약부로 파악되고 있다. 그리고 유한요소법 등 해석적 방법과 열전대를 이용한 온도 측정 실험 등을 통해 모재(2)의 미변태열영향부(5b)의 최고온도도달시점을 결정한다. 도 4는 미변태열영향부의 최고온도도달시점을 설명하기 위하여 도시한 도면으로서, 이에 'a', 'b', 'c'로 지시된 그래프는 각각 용융선(Fusion Line)으로부터 2mm, 4mm, 6mm의 거리에 있는 모재(2)의 온도변화를 도시하고 있다. 여기서 'a' 'b'는 변태열영향부(5a)이고, 'c'는 미변태열영향부(5b)이다. 이에 도시된 바와 같이, 용융선으로부터의 거리에 따라 입열량이 다르기 때문에 거리에 따라 최고온도도달시점이 약간 차이가 날 수 있으나, 미변태열영향부(5b)는 변태열영향부(5a)보다 용융선으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 미변태열영향부(5b)에서의 최고온도도달시점(tmax)을 기준으로 국부적으로 냉각시키는 것이 변태열영향부(5a)의 크기 변화와 변태열영향부(5a)내 미세조직 변화가 미약하게 된다. 그리고 도 4에서의 'tmax' 지점을 미변태열영향부(5b)에서의 최고온도도달시점(t)으로 결정하여 기준테이터로 저장하게 된다. 또한, 유한요소법 등을 이용한 해석적 방법과 실험을 통해 미변태열영향부(5b)의 기계적 물성치 저하를 최대로 억제하는 최적의 분사노즐(21) 위치, 분사압력, 저온의 유체온도 및 유체유량 등의 조건을 결정하여 이들에 대한 데이터도 기준데이터로 저장한다.
다음으로, 분사노즐(21)의 위치 및 분사압력, 저온의 유체의 온도 및 유량은 미리 결정되어 있는 전술한 기준데이터에 따라 설정해 놓은 뒤, 소정의 대상 모재(2)를 용접가능하게 상호 접촉시킨 후, 상호 접촉하는 모재(2)간의 용접부위에 용접와이어(11)를 융착시켜 모재(2)를 용접시킨다.
그리고 나서, 용접을 진행하는 동안에 전술한 기준데이터에 의해 미리 결정된 미변태열영향부(5b)의 최고온도도달시점에 도달하면, 그 직후 유체공급펌프(26)를 작동시켜 용융부(3)의 외측에 형성되는 미변태열영향부(5b)에 저온의 유체가 분사노즐(21)을 통하여 분사되게 함으로써 미변태열영향부(5b)의 적어도 일부 영역을 냉각시키게 한다.
이상과 같이, 상호 접촉하는 모재(2)간의 용접부위의 상부에 배치되어 용접부위에 용접와이어(11)를 융착시켜 모재(2)를 용접시키는 용접토오치(10)와, 용접토오치(10)의 측부에서 저온의 유체를 분사가능하게 배치되며, 용접시, 모재(2)가 용융하는 용융부(3)의 외측에 형성되는 미변태열영향부(5b)를 냉각시키는 냉각부(20)를 구성하여, 미리 결정된 미변태열영향부(5b)의 최고온도도달시점(tmax) 직후 미변태열영향부(5b)의 적어도 일부 영역에 저온의 유체를 집중적으로 분사하여 미변태열영향부(5b)를 냉각시킴으로써, 용접 과정 동안 발생되는 미변태열영향부(5b)의 탄화물 조대화 현상을 억제하여 원전설비의 압력용기 등의 재료로 사용되는 강재의 제조시에 신규 공정을 추가하는 방법을 사용하지 않고서도 결과적으로 원전설비의 압력용기 등의 기계적 강도와 파괴인성치 등 기계적 물성치를 종래에 비하여 향상시킬 수 있게 된다.
전술한 실시 예에서는, 분사노즐(21)이 용접토오치(10)의 양측부에 상호 대향되게 결합되어 있는 것에 대하여 상술하였으나, 용접토오치(10)와 독립적으로 작동가능하게 용접토오치(10)의 측부 및 모재(2)의 미변태열영향부(5b) 상부에 배치되어 용접시 용접토오치(10)의 측부에서 미변태열영향부(5b)에 저온의 유체를 분사할 수 있도록 구성할 수 있음은 물론이다.
또한, 전술한 실시 예에서는, 모재(2)가 SA508 Gr. 3강인 것에 대하여 상술하였으나, 용접 과정 동안 발생되는 미변태열영향부(5b)의 탄화물 조대화 현상을 억제할 필요가 있는 다양한 금속에도 적용될 수 있음은 당연하다.
그리고, 전술한 실시 예에서는, 국부 취약부가 미변태열영향부(5b)인 것에 대하여 상술하였으나, 국부 취약부가 변태열영향부(5a)인 경우에는 변태열영향부(5a)를 냉각시킬 수도 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 용접 과정 동안 발생되는 미변태열영향부의 탄화물 조대화 현상을 억제하여 원전설비의 압력용기 등의 재료로 사용되는 강재의 제조시에 신규 공정을 추가하는 방법을 사용하지 않고서도 결과적으로 원전설비의 압력용기 등의 기계적 강도와 파괴인성치 등 기계적 물성치를 종래에 비하여 향상시킬 수 있도록 한 국부 열제거원 용접장치 및 그 용접방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 국부 열제거원 용접장치 개략도,
도 2는 도 1의 'A'영역의 부분확대도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 국부 열제거원 용접장치에 의해 용접을 수행하는 과정을 도시하기 위한 도면,
도 4는 미변태열영향부의 최고온도도달시점을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 국부 열제거원 용접장치 2 : 모재
3 : 용융부 5 : 열영향부
5a : 변태열영향부 5b : 미변태열영향부
10 : 용접토오치 11 : 용접와이어
20 : 냉각부 21 : 분사노즐
22 : 분사노즐위치조절장치 23 : 유체공급부
24 : 유량계 25 : 유량·유압조절기
26 : 유체공급펌프 27 : 유체저장용기
28 : 온도조절기 29 : 유체공급호스
30 : 차단막 31 : 차단막위치조절장치

Claims (9)

  1. 용접이 시행된 모재 용접부의 기계적 물성을 향상시키기 위한 국부 열제거원 용접장치에 있어서,
    상호 접촉하는 모재간의 용접부위의 상부에 배치되어 상기 용접부위에 용접와이어를 융착시켜 상기 모재를 용접시키는 용접토오치; 및
    상기 용접토오치의 측부에서 저온의 유체를 분사가능하게 배치되며, 상기 용접시, 상기 모재가 용융하는 용융부의 외측에 형성되는 열영향부의 일부 영역을 냉각시키는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열영향부는, 상기 용접시, 상기 모재가 변태하지 않는 미변태열영향부와, 상기 모재가 변태하는 변태열영향부로 이루어져 있으며,
    상기 저온의 유체는 상기 미변태열영향부를 냉각시키도록 상기 냉각부에서부터 분사되는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상호 대향되며 각각 상하조절 가능하도록 상기 용접토오치의 양측부에 결합되어 상기 열영향부로 저온의 유체를 분사하는 한 쌍의 분사노즐;
    상기 저온의 유체를 상기 각 분사노즐로 공급하는 유체공급부; 및
    상기 각 분사노즐과 상기 유체공급부를 연결하며 상기 유체공급부로부터 공급되는 유체가 상기 각 분사노즐로 이동되는 유로를 형성하는 유체공급호스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 각 분사노즐을 상기 모재에 대하여 상하 및 좌우 위치를 조절하는 분사노즐조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 각 분사노즐과 상기 용접토오치 사이에 마련되며, 상기 저온의 유체가 상기 미변태열영향부로부터 상기 모재의 용융부 측으로 유동하는 것을 차단하는 차단막이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접장치.
  6. 용접이 시행된 모재 용접부의 기계적 물성을 향상시키기 위한 국부 열제거원 용접방법에 있어서,
    (a) 소정의 대상 모재를 용접가능하게 상호 접촉시키는 단계;
    (b) 상호 접촉하는 모재간의 용접부위에 용접와이어를 융착시켜 상기 모재를 용접시키는 단계; 및
    (c) 상기 용접시, 상기 모재의 용접에 관한 소정의 기준데이터에 기초하여 상기 모재가 용융하는 용융부의 외측에 형성되는 열영향부의 일부 영역을 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열영향부는, 상기 용접시, 상기 모재가 변태하지 않는 미변태열영향부와, 상기 모재가 변태하는 변태열영향부로 이루어져 있으며,
    상기 저온의 유체는 상기 미변태열영향부를 냉각시키도록 상기 냉각부에서부터 분사되는 것을 특징으로 하는 국부 열제거원 용접방법.
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