KR20040093461A - 전자 비임 용접 방법 및 그것에 의한 가스 터빈 엔진 구성요소 형성 방법 - Google Patents

전자 비임 용접 방법 및 그것에 의한 가스 터빈 엔진 구성요소 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접된 조립체(10)를 형성하는 방법에 관한 것으로, 2개 또는 그 이상의 부품(12)을 접합하는 용접물(16)을 형성하여 용접된 조립체(10)를 구성하는데 전자 비임(24)이 사용된다. 이 방법은 용접물(16)내에서의 변형률 시효 크래킹의 발생율을 줄이기 위해, 융해된 석출-강화 페이즈의 석출을 방지하도록, 용접 비임(24)의 항적(wake)내에 있는 용접물(16)상에 제 2 전자 비임(26)을 조사하는 것을 포함한다.

Description

전자 비임 용접 방법 및 그것에 의한 가스 터빈 엔진 구성 요소 형성 방법{ELECTRON BEAM WELDING METHOD PROVIDING POST-WELD HEAT TREATMENT}
본 발명은 비임 용접 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 2개의 비임이 조사되어 용접 작업과, 용접 접합부의 변형률 시효 크래킹(strain aging cracking)을 줄이기 위한 용접후 열처리를 동시에 수행하는 전자 비임 용접(Electron Beam Welding: EBW) 방법에 관한 것이다.
고온 철, 코발트 및 니켈계 초합금은 연소기와 터빈의 베인(노즐) 및 블레이드(버킷)를 포함한 가스 터빈 엔진의 고온부 구성 요소를 구성하는데 널리 사용된다. 초합금재 구성 요소는 용접에 의해 제조되는 것이 바람직하거나 또는 필수적인 상황이 존재한다. 예를 들어, 터빈 미드프레임, 슈라우드 지지 링 및 증기 터빈 노즐 조립체(박스)와 같은 복잡한 구조를 가진 구성 요소는 주물을 서로 용접함으로써 보다 용이하게 제조될 수 있다. 초합금을 용접하기 위해 다양한 기술이 개발되어 왔다. 텅스텐 불활성 가스(Tungsten Inert Gas: TIG) 및 플라즈마 트랜스퍼 아크(Plasma Transfer Arc: PTA) 기술이 매뉴얼 용접 작업에 널리 사용된다. 높은 종횡비를 갖는 용접 접합부와 같이 보다 까다로운 응용예를 위해서는, 레이저 비임 및 전자 비임(EB) 용접 공정이 개발되었다. 당분야에 공지된 바와 같이, 전자 비임 용접은 진공내에 고정된 구성 요소들 사이의 접합부상에 고에너지 전자의 비임을 조사하는 것을 수반한다. 전자 비임 용접은 어떠한 비임 공정에 있어서도가장 깊은 관통을 발생시키므로, 전자 비임 용접 기술은 특히 높은 종횡비를 가진 용접 접합부를 형성하는데 적합하며, 약 10 내지 50의 매우 높은 종횡비가 용이하게 달성된다. 약 30 내지 50kW 용량의 EB 용접 기구는 이러한 목적에 일반적이지 않다.
가스 터빈의 고온부를 위한 구성 요소는 고온 및 고응력하에서 과도한 변형이 없이 장기간 견뎌낼 것이 요구된다. 이러한 이유로 인해, 이들 구성 요소는 γ'(감마 프라임) 및 γ"(감마 더블 프라임) 페이즈의 석출 경화를 통해 양호한 고온 강도를 달성하는 니켈계 초합금으로 제조되는 경우가 많다. 이들 페이즈의 석출은 "C자 곡선" 거동을 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이 석출 과정의 단계를 온도 대 시간 축으로 표시하면, 최종 곡선은 C자형이며, 석출이 가장 빠른 온도에서 "노우즈(nose)"가 나타난다. C자 곡선 거동은 석출과 같은 핵형성 및 성장 타입 과정에서는 일반적이다.
매우 높은 온도를 견딜 수 있는 초합금은 부피가 큰 γ'의 조각을 포함하도록 설계되기도 한다. 이들 합금에 대해서는, C자 곡선의 노우즈 부근 온도에서의 석출이 매우 빠르다. 석출-경화형 합금으로 제조된 구성 요소가 용접될 때, γ' 및 γ" 페이즈는 용접부(Heat affected zone 또는 HAZ) 내부 및 그 부근에서 융해된다. 구성 요소가 나중에 C자 곡선의 노우즈 부근(에이징 범위)의 고온에 노출되면, 이들 페이즈는 다시 석출될 수 있다. 이러한 강화 공정은 용접후에 남아 있는 잔류 응력의 완화보다 빠르게 발생할 수 있다. 따라서, 용접부 및 그 주변 영역은 잔류 응력을 해제하는데 요구되는 변형률을 수용하는 것이 불가능하며, 용접부 또는 HAZ에 크랙이 발생한다. 이러한 현상은 변형률 시효 크래킹으로 알려져 있다.
변형률 시효 크래킹을 방지하기 위해 진전되어 온 한가지 방법은 강화 페이즈가 석출될 시간을 갖지 못 하도록 충분히 빠른 속도로 용접물 및 그 주변 영역을 특정 합금의 응력 해제 온도까지 가열하는 것이다. 도 1의 시간-온도 곡선에 있어서, 이러한 방법은 C자 곡선의 노우즈를 피해가는 위쪽의 가열 곡선을 따른다. 그러나, 도 1의 아래쪽 곡선으로 표시된 바와 같이, 이러한 방법은 상당한 열 질량을 가진 비교적 큰 구성 요소에 대해 통상의 가열 방법을 사용하는 경우에 실제적이지 못하다. 변형률 시효 크래킹의 경향이 있는 합금의 용접을 촉진하기 위해, 용접후 응력 해제에 대한 대안이 개발되어 왔다. 예를 들어, 영국 캠브리지의 용접 학회(TWI)는 EB 용접기의 전자 비임의 일부를 전용하여, 2개의 분리된 비임이 독립적으로 구성 요소에 조사되도록 하는 독점적인 방법을 개발하였다. TWI 방법은 특히 2가지의 메카니즘을 통해 변형률 시효 크래킹의 발생률을 줄이도록 개발되어 왔다. 첫 번째 메카니즘은 전용된 비임을 사용하여 용접 비임 전방의 용접될 영역을 예열하는 것이다. 크래킹은 용융된 용접부와 주변 부분 사이의 작은 온도 차이로 인해서 뿐만 아니라, 이러한 온도에 있는 재료의 보다 낮은 강도로 인해 감소된다. 두 번째 메카니즘은 전용된 비임을 사용하여 용접 비임의 위치 주변의 구성 요소를 가열하는 것이다. 이러한 기술은 완료후에 용접부가 압축 잔류 변형의 상태가 되도록 하는 열 변형률 분포에 영향을 주어, 용접후 열처리동안 크래킹의 발생률을 감소시킨다.
본 발명은 용접된 조립체를 형성하는 방법을 제공하며, 이 방법에서는 2개 또는 그 이상의 부품을 접합하는 용접물을 형성하여 조립체를 형성하는 전자 비임이 사용된다. 이 방법은 특히 제 2 전자 비임을 용접 비임의 항적(wake)내에 있는 용접물상에 조사하여 용접물의 변형률 시효 크래킹을 감소하는 방식을 교시한다.
본 발명의 전자 비임 용접 방법은 2개 또는 그 이상의 부품을 그들 사이에 적어도 하나의 접촉면이 규정되도록 서로 배치하는 것을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이들 부품은 γ' 및/또는 γ" 석출물을 포함하는 니켈계 초합금과 같은 적어도 하나의 석출-강화 페이즈를 포함하는 합금으로 형성된다. 제 1 전자 비임은 계면을 따라 진행하여 부품을 서로 접합하는 용접물을 형성하는 한편, 제 2 전자 비임은 선택적으로 제 1 전자 비임 후방의 용접물의 일부에 조사된다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 전자 비임은 제 3 전자 비임을 분기시킴으로써 형성된다. 석출-강화 페이즈는 전자 비임에 의해 융해되어 용접물내에서 실질적으로 제거된다. 제 2 전자 비임은 충분한 전력 밀도를 가지며, 석출-강화 페이즈의 석출을 방지하기에 충분한 속도로 합금의 응력 해제 온도까지 용접물이 가열되도록 제 1 전자 비임과 적절한 거리를 두고 용접물에 조사된다. 이러한 방식으로, 본 발명의 전자 비임 용접 방법은 용접물이 형성된 후에 용접물과 그 주변 영역이 거의 즉각적으로 응력 해제되도록 하여, 변형률 시효 크래킹에 견딜 수 있는 용접된 조립체를 형성한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질것이다.
도 1은 석출-강화 합금의 전형적인 C자 곡선 거동을 나타내는 온도 대 시간 그래프로서, 석출-강화 페이즈의 석출을 방지하기 위해 구성 요소를 열처리할 수 있는 능력에 대해 크기가 미치는 영향을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 분기 비임 용접 시스템을 나타내는 개략도,
도 3은 석출-강화 페이즈의 석출을 방지하기에 충분한 속도로 용접 직후에 충분한 응력 해제 온도까지 용접물을 가열함으로써, 전자 비임 용접된 초합금에 변형률 시효 크래킹이 발생하는 것을 방지하는 능력을 나타내는 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 용접된 조립체 12 : 용접된 구성 요소
14 : 계면 16 : 용접물
18 : 분기 장치 20 : 전자 비임
22 : 전자 비임 건 24 : 분기 비임
26 : 분기 비임 28 : 용접 위치
30 : 용접물 부분
본 발명은 도 2에 도시된 전자 비임 용접 시스템을 사용한다. 이 용접 시스템은 한쌍의 구성 요소(12)상에 용접 작업을 수행하는 것으로 도시되어 있으며, 이 용접 시스템에 의해 전자 비임(24)이 구성 요소(12)들의 대향면으로 형성된 계면(14)에 조사되어 구성 요소(12)들을 야금학적으로 접합하여 용접된 조립체(10)를 형성하는 용접물(16)을 생성한다.
구성 요소(12)는 다양한 금속 합금으로 형성될 수 있으며, 그러한 금속에는 가스 터빈 엔진의 주물 구성 요소를 구성하는데 사용되는 석출-강화형 니켈계 초합금과 같이 비교적 용접이 어려운 금속이 포함된다. 특히 주목할만 한 초합금에는 Rene N5로 알려진 γ' 강화형 니켈계 초합금이 포함되며, 이것은 7.5중량% 코발트, 7.0중량% 크로뮴, 6.5중량% 탄탈륨, 6.2중량% 알루미늄, 5.0중량% 텅스텐, 3.0중량% 레늄, 1.5중량% 몰리브데늄, 0.15중량% 하프늄, 0.05중량% 카본, 0.004중량% 붕소, 0.01중량% 이트륨과, 나머지 니켈 및 부수적인 불순물로 이루어진 공칭 조성을 갖는다. 본 발명의 이점은 석출-강화 초합금을 기준으로 설명되지만, 본 발명을 다른 합금에 적용함으로써 얻어질 수 있는 다른 이점도 예상할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전자 비임(24)은 전자 비임 건(22)에 의해 발생된 전자 비임(20)으로부터 분기된 2개의 비임(24, 26)중 하나이다. 비임(24)은 도 2에 도시된 바와 같이 하방으로 진행하며, 용접물(16)을 형성하기에 충분한 전력 밀도를 갖는다. 제 2 비임(26)은 "용접" 비임(24)과 대체로 동일한 방향으로 진행하지만, 도 2에 도시된 순간에 있어서 용접 비임(24)이 조사되는 위치(28) 후방의 용접물(16)의 일부(30)상에 선택적으로 조사된다. 이하에 설명된 바와 같이, 제 2 비임(26)은 용접물(16)과 이 용접물(16)을 직접 둘러싸고 있는 HAZ상에 국부적인 열처리를 수행하기에 충분한 전력 밀도를 가지며, 열처리에 앞서 용접물(16)의 냉각을 최소화하기 위해 용접 비임(24)에 충분히 근접하여 뒤따른다. 본 발명에 따르면, 용접 작업동안 융해된 강화 페이즈가 재석출될 수 있는 고온에 용접된 조립체(10)가 다시 노출되었을 때, 용접물(16)의 내부 또는 주변에 변형률 시효 크랙이 발생하는 것을 방지하기에 충분하도록 제 2 "처리" 비임(26)을 이용한 열처리가 수행될 것이 요구된다.
2개의 분리된 비임(24, 26)을 형성하기 위해 본래의 비임(20)을 분기시키는 것은, 예를 들어 TWI에 의해 실용화된 바와 같이 과거에 용접 접합 계면을 예열하기 위해 사용되었던 것과 유사한, 공지된 타입의 분기 장치(18)에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 분기된 비임(24, 26)은 다른 여러 장치 및 기술에 의해 비임(20)으로부터 분기될 수 있으며, 용접 비임(24) 후방의 복수의 위치에 하나 이상의 처리 비임(26)이 조사될 수 있다. 또한, 용접 비임(24)과 하나 또는 그 이상의 처리 비임(26)은 분리된 전자 비임 건(gun)들에 의해 발생될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 분리된 건들을 유지보수해야 하고, 비임의 조준을 조절해야 한다는 단점이 있다. 용접 및 처리 비임(24, 26)의 요구 전력 밀도는 구성 요소(12)의 열 질량과 구성 요소(12)를 구성하는 재료에 의해 어느 정도 좌우된다. 일반적으로, 용접 비임(24)은 처리 비임(26)보다 높은 전력 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 비임(24, 26)의 직경은 상이할 수 있으며, 처리 비임(26)은 그 범위를 증가시키기 위해 진동할 수 있다는 것을 예상할 수 있다.
본 발명에 이르기까지의 연구에 따르면, γ' 강화형 니켈계 초합금으로 형성된 9쌍의 쿠폰이 비드-온-플레이트 비임 와이어 공급(bead-on-plate beam wire feed: EBWF) 기술에 의해 서로 용접되었다. 전자 비임 용접기는 피크 용접 온도가 용접 접합부 내부 및 그 부근의 γ' 석출물을 융해하기에 충분하도록 작동되었다. 용접 직후에, 9쌍의 용접된 쿠폰중 8쌍이 용접물의 온도 하강을 최소화하기 위해 예열된 오븐으로 신속히 이송되었다. 나머지 한쌍의 쿠폰은 용접후에 열처리되지 않았지만, 자연 대류에 의해 실온(약 25℃)으로 냉각되었다.
용접후 열처리(Post-Weld Heat Treatment: PWHT)되는 쿠폰을 위해, 열처리 오븐은 매우 높은 가열 속도를 제공하는 매우 높은 오븐 온도를 이용하여 약 1200℉(약 650℃), 1300℉(약 705℃), 1400℉(약 760℃), 약 1500℉(약 815℃), 약 1600℉(약 870℃), 1700℉(약 930℃), 약 1800℉(약 980℃) 또는 약 1900℉(약 1040℃)의 온도로 예열되었다. 8쌍의 쿠폰의 열처리 이후에, 용접 접합부의 γ' 페이즈의 석출을 허용하기에 충분히 느린 속도로 9쌍의 쿠폰이 모두 열처리되었다. 이들 쿠폰의 쌍은 다시 실온으로 냉각되고, 변형률 시효 크랙이 존재하는지 시험되었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 용접후 열처리를 거치지 않은 쿠폰의 쌍("0"의 PWHT 온도를 갖는 것으로 표시됨)은 비교적 많은 수의 변형률 시효 크랙을 갖는 것으로 밝혀졌다. 약 1400℉ 내지 약 1800℉에서 열처리된 쿠폰의 쌍들은 보다 적은그러나 여전히 상당한 수의 크랙을 나타내는 한편, 약 1200℉ 내지 1300℉에서 열처리된 쿠폰의 쌍들은 변형률 시효 크래킹을 나타내는 쿠폰의 쌍들에 대해 최소의 크랙을 나타냈다. 반면, 약 1900℉(약 1040℃)에서 열처리된 쿠폰의 쌍은 어떠한 크래킹도 나타내지 않았으며, 용접후 가열 속도가 테스트된 초합금에 대해 C자 곡선의 노우즈를 완전히 피하기에 충분하다는 것을 보여주었다. 그리하여, 이러한 결과는 전자 비임 용접 직후의 적절한 열처리를 이용함으로써 변형률 시효 크래킹의 발생을 방지할 수 있다는 것을 보여주었다.
이러한 결과로부터, 용접물이 과도하게 냉각되기 전에 제 2 비임에 노출되고, 제 2 비임이 특정 합금에 대해 적정 응력 해제 온도로 용접물을 급속히 가열하기에 충분한 전력 밀도를 가지고 있다면, 용접 비임 직후의 제 2 비임에 의해 적절한 열처리가 수행될 수 있다는 결론이 나왔다.
본 발명은 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 당업자들에 의해 다른 형태가 적용될 수 있다는 것은 명백하다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해서만 제한된다.
본 발명의 전자 비임 용접 방법은 제 2 전자 비임을 용접 비임의 항적(wake)내에 있는 용접물상에 조사하여 용접후 열처리를 동시에 수행함으로써 용접물의 변형률 시효 크래킹을 감소시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 전자 비임 용접 방법에 있어서,
    적어도 하나의 석출-강화 페이즈를 포함하는 합금으로 형성된 부품(12)들을 그들 사이에 접촉 계면(14)이 규정되도록 서로 배치하는 단계와,
    상기 부품(12)을 상기 접촉 계면(14)에서 서로 접합하는 용접물(16)을 형성하고 그에 의해 용접된 구성 요소(10)를 형성하도록 접촉 계면(14)을 따라 제 1 전자 비임(24)을 조사하는 단계로서, 상기 석출-강화 페이즈는 상기 용접물(16)에서 실질적으로 제거되도록 제 1 전자 비임(24)에 의해 융해되는, 제 1 전자 비임 조사 단계와,
    상기 제 1 전자 비임(24) 후방의 용접물(16)의 일부(30)에 제 2 전자 비임(26)을 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 전자 비임(26)은 충분한 전력 밀도를 가지며, 석출-강화 페이즈의 석출을 방지하기에 충분한 속도로 상기 용접물(16)의 응력 해제 온도까지 상기 용접물(16)의 일부(30)가 가열되도록 상기 제 1 전자 비임(24)과 소정 거리를 두고 조사되는
    전자 비임 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전자 비임(24, 26)은 제 3 전자 비임(20)을 분기시킴으로써 형성되는
    전자 비임 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자 비임(24)은 상기 제 2 전자 비임(26)보다 높은 전력 밀도를 갖는
    전자 비임 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금은 니켈계 초합금이며, 상기 석출-강화 페이즈는 γ' 석출물을 포함하는
    전자 비임 용접 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금은 니켈계 초합금이며, 상기 석출-강화 페이즈는 γ" 석출물을 포함하는
    전자 비임 용접 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 구성 요소(10)는 가스 터빈 엔진 구성 요소인
    전자 비임 용접 방법.
  7. 전자 비임 용접에 의한 가스 터빈 엔진 구성 요소(10) 형성 방법에 있어서,
    γ' 석출물 및 γ" 석출물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 석출-강화 페이즈를 포함하는 니켈계 초합금으로 형성된 부품(12)들을 그들 사이에 접촉 계면(14)이 규정되도록 서로 배치하는 단계와,
    전자 비임(20)을 발생시키는 단계와,
    제 1 분기 전자 비임(24) 및 제 2 분기 전자 비임(26)을 형성하도록 상기 전자 비임(20)을 분기시키는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 분기 전자 비임(24)은 상기 부품(12)을 상기 접촉 계면(14)에서 접합하는 용접물(16)을 형성하고 그에 의해 구성 요소(10)를 형성하도록 상기 접촉 계면(14)을 따라 조사되며, 상기 석출-강화 페이즈는 상기 용접물(16)에서 실질적으로 제거되도록 상기 제 1 분기 전자 비임(24)에 의해 융해되며, 상기 제 2 분기 전자 비임(26)은 상기 제 1 분기 전자 비임(24) 후방의 용접물(16)의 일부(30)에 조사되며, 상기 제 2 분기 전자 비임(26)은 충분한 전력 밀도를 가지며, 석출-강화 페이즈의 석출을 방지하기에 충분한 속도로 상기 용접물(16)의 응력 해제 온도까지 상기 용접물(16)의 일부(30)가 가열되도록 상기 제 1 분기 전자 비임(24)과 소정 거리를 두고 조사되는
    전자 비임 용접에 의한 가스 터빈 엔진 구성 요소 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 분기 전자 비임(24)은 상기 제 2 분기 전자 비임(26)보다 높은 전력 밀도를 갖는
    전자 비임 용접에 의한 가스 터빈 엔진 구성 요소 형성 방법.
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