동적 유한요소 해석을 통한 용접 잔류응력 이완에 미치는 레이저 피닝 변수의 영향 고찰

Investigation on the Effect of Laser Peening Variables on Welding Residual Stress Mitigation Using Dynamic Finite Element Analysis

현재 가동 중인 몇몇 가압 경수로 원전 안전 1등급 설비의 이종금속 용접부는 일차수응력부식균열(PWSCC : Primary Stress Corrosion Cracking) 발생의 세가지 조건(민감 재질, 부식 환경, 인장응력)을 동시에 충족하고 있다. 즉, 이종금속 용접부는 PWSCC에 민감한 재질인 Alloy 600 계열 합금으로 제작 또는 용접되어 있으며 고온 수화학 부식 환경 하에 놓여있다. 아울러 오스테나이트 스테인리스 강의 예민화 예방을 위한 용접 후열처리 미실시로 높은 인장 용접 잔류응력이 작용하고 있다. 이러한 이종금속 용접부의 특성상 PWSCC가 발생할 잠재성이 있을 뿐만 아니라 국내외적으로 Alloy 600 계열 합금으로 제작 및 용접된 가압 경수로 원전 안전 1등급 설비의 이종금속 용접부에 실제 PWSCC가 발생된 사례들이 다수 보고되고 있다. 운전 환경 및 재질 변화 없이 PWSCC 발생을 예방하기 위해서는 인장 잔류응력을 이완시켜 낮은 인장 또는 압축 응력화하여야 한다. 이러한 인장 잔류응력 이완방법들로는 PWOL(Pre-emptive Weld Overlay), 레이저 피닝(Laser Peening), MSIP(Mechanical Stress Improvement Process), 워터 제트 피닝(Water Jet Peening), IHSI(Induction Heating Stress Improvement) 방법들이 있는데 공정 시간이 짧고 열 에너지 원이 필요 없으며 전체적인 소성 변형을 야기시키지 않는 레이저 피닝을 본 연구의 대상 방법으로 한다. 본 연구에서는 동적 유한요소 해석을 통해 용접 잔류응력을 이완시키는 레이저 피닝의 효과를 검증하고 용접 잔류응력에 미치는 레이저 피닝 변수의 영향을 고찰하고자 한다. 내부 보수용접이 수행된 경수로 원전 가압기 노즐 이종금속 용접부에 레이저 피닝을 적용한 경우에 대해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 동적 유한요소해석을 수행한 결과, 고온 수화학 일차수와 접하는 Alloy 600 계열 합금 내면에서의 인장 잔류응력이 상당히 이완됨을 확인하였다. 또한, 최대충격 압력이 증가할수록, 충격압력 지속시간이 증가할수록, 레이저 스팟 직경이 증가할수록 내표면 인장 잔류응력 이완 정도는 감소하나 이완되는 영역의 깊이는 증가함을 알 수 있다. 또한, 레이저 피닝 방향이 잔류응력 이완에 미치는 영향은 미미함을 알 수 있다.