So we suggest the fiber laser welding technique as an alternative heat source to plasma output and arc welding. In this study, fiber laser was used to weld stainless steel for LNG carriers to apply the laser welding technique to the shipbuilding industry.
서론
연구 배경
현재 LNG 화물탱크 용접에는 아크와 플라즈마를 이용한 용접이 주로 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 조선용 스테인리스강 용접에 고출력 파이버 레이저를 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 용접조건에 따른 모재와 용접부의 기계적 성질 및 경도를 측정하였다. 현재 LNG선용 스테인레스강 용접에 널리 사용되고 있는 플라즈마 용접을 적용하여 파이버 레이저 용접과 비교해보고자 합니다.
이론적 배경
LNG선의 특성 및 종류
- LNG선의 특성
- LNG선의 종류
- LNG선용 스테인리스강 및 기타재료의 성질
하지만 멤브레인 방식의 경우 충격량을 수치적으로 계산하기 어렵고, 탱크 상부가 사각형으로 되어 있어 비산 피해를 입을 가능성이 높습니다. 이로써 선체와 탱크가 통합됩니다.
LNG선용 스테인리스강의 용접특성
- LNG선용 스테인리스강의 용접성
- 기존의 열원에 의한 용접성
이는 응고상태의 변화에 따라 오스테나이트와 δ-페라이트의 비율이 달라지기 때문이다. 위에서 설명한 것과 같은 이유로 δ-ferrite가 남아 있습니다.
화이버 레이저의 특성 및 LNG선으로의 적용성
- 화이버 레이저의 특성
- LNG선으로의 적용성
이렇게 생산된 섬유를 코어로 사용한다. 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 레이저 파장은 다음 식으로 표현될 수 있다. 파이버 레이저는 공진기로 사용되는 이중 코팅 파이버 내부의 매체를 여기시킵니다.
이때 생성된 빛은 모든 방향으로 생성되어 일부는 코어를 따라 이동하다가 코어 경계면에서 완전히 반사된 후 코어 양쪽 끝에 위치한 브래그 격자에 반사되어 이동하게 된다. 코어 내부에서 앞뒤로.
실험 방법
- 실험 재료
- 실험 장치
BPP after fiber feeding < 4 mm․mrad BPP after fiber processing < 6 mm․mrad Core diameter of feed fiber.
실험 방법 및 시편제작
경도 및 기계적 성질 시험
- 비커스 경도시험
- 인장시험
- 극저온 샤르피 충격시험
일반적으로 금속을 용접할 때 용접부위가 용융 및 응고되는 과정을 거치게 되어 모재와 기계적 성질이 달라지게 됩니다. 특히 용접부에 기공이나 균열 등의 결함이 있거나 용접부의 기계적 성질이 크게 저하된 경우에는 용접부가 외력에 의해 파손될 가능성이 크다. 따라서 인장시험을 통해 용접부의 견고성을 평가하는 것이 필요하다.
특히, 구조재로 사용되는 STS316L의 경우, 물보라 등 반복되는 물리적 충격을 견딜 수 있어야 하기 때문에 용접 부위의 저온 인성은 매우 중요합니다.
비초점거리에 따른 용입특성
- STS316L 의 용입특성
- STS304L 의 용입특성
위에서 언급한 바와 같이 파이버 레이저와 CO2 레이저의 투과 특성의 차이는 파이버 레이저의 우수한 빔 품질로 인한 높은 출력 밀도에 따른 것으로 생각됩니다. 따라서 더 작은 스폿 사이즈로 빔을 집속시킬 수 있는 파이버 레이저는 비초점 거리에 따른 키홀 종횡비의 변화를 명확하게 보여주며, 비드 침투 깊이도 최대화함을 알 수 있다. 기존 레이저에 비해 천이 구간이 줄어들었습니다. 열쇠구멍이 형성되는 이유는 레이저에 의해 생성된 플라즈마가 고압 레이저 방사선 지점 주위로 용융 금속을 밀어내어 용융물로 둘러싸인 공동을 형성하기 때문입니다.
따라서 STS304L의 경우 사운드 비드와 최대 침투 깊이를 얻기 위해 비초점 거리를 fd=0mm로 선택하고, 이 조건을 용접 시편 제작을 위한 용접 조건으로 설정하였다.
실드가스의 종류 및 변수에 따른 용입특성
- 실드가스 종류가 용접에 미치는 영향
- 노즐 각도에 따른 용입특성
- 노즐 거리에 따른 용입특성
- 유량에 따른 용입특성
따라서 사용되는 가스의 영향을 줄일 수 있는 Ar을 차폐 가스로 선택했습니다. 따라서 기공을 생성하지 않고 양호한 비드 표면을 얻기 위한 실드가스 노즐의 최적 거리를 20mm로 설정하였다. 보호 가스 유량은 용융 영역을 산화로부터 보호하는 데 가장 중요한 요소입니다.
따라서 침투 깊이와 보호가스 소비량을 고려하여 최적의 보호가스 유량은 25리터/분으로 결정됩니다.
레이저 가공인자와 용접형상이 용입에 미치는 영향
- 겹치기 용접시의 용입특성
- 맞대기 용접시의 용입특성
따라서 그래프에 나타난 바와 같이 용접속도 v=이다. 한편, 레이저 출력과 용접 속도의 변화에 따른 비드 폭과 접합 길이의 변화는 Fig. 용접속도가 P=3kW 이상으로 일정한 경우 출력전력에 따른 접합길이는 거의 유사하였다.
이는 용접속도가 감소함에 따라 후면 비드 폭이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
용접조건에 따른 용접부의 기계적 성질
- 경도분포
- 인장특성
그림과 같이 STS304L의 대부분은 모재에서 파손되어 있습니다. 파손된 시험편의 경우 No. 1, 파단의 시작점은 모재이다. 그림에서 보는 바와 같이 모재에서 파단이 시작되었으며 파단 시작점인 (c)부분의 파단면을 관찰하면 모재에 기공이 존재함을 확인할 수 있다.
파손은 초기에 용융부 일부에서 발생했고, 모재에서는 4회 발생했습니다.
레이저와 플라즈마 아크의 용접특성 비교
- 용입특성
- 기계적 성질
- 용접부의 미세조직
따라서 레이저 용접 면적에 비해 용융 면적이 매우 크게 형성된다. 이는 플라즈마 아크 용접의 입열량이 크고 박판의 열전도율이 높기 때문입니다. 따라서 용융 경계에 등축 수상돌기가 형성된 것으로 추정됩니다.
한편, STS316L의 플라즈마 아크 용접 미세구조는 그림 1에 도시되어 있다.
결론
오스테나이트계 스테인리스 강의 특성상 용접부의 경도는 냉각 속도에 크게 의존하는 경향이 있으며 냉각 속도가 증가함에 따라 경도는 약간 증가하지만 약간 증가합니다. 따라서 LNG선용 스테인리스강 용접에 파이버 레이저를 활용하면 기존 방식에 비해 획기적인 생산성 향상이 기대된다. 문영훈, 허성도, "오스테나이트 스테인리스강 용접의 델타-페라이트 형성 요인".
박현준, "조선용 프라이머 코팅 강판의 CO2 레이저 용접 시 용접 결함의 형성 메커니즘 및 억제 방법," 한국해양대학교 대학원 석사학위 논문, 2004.
