A Study on the Microstructure and Mechanical Properties of Electron Beam Welds of SA508 Gr.3 Cl.1 steel with Different Heat Treatment conditions for Small Modular Reactor

인철 정; 헌민 서; 인성 최; 정 서; 성우 조; 덕남 심; 현욱 홍

doi:10.5781/JWJ.2024.42.2.6

Abstract

Electron beam welding was conducted on SA508 Gr.3 Cl.1 steel, which is being considered as a material used in the pressure vessel steel of small modular reactors. The characteristics of the welds were analyzed under various heat treatment conditions. The heat treatment conditions were categorized as as-welded, post weld heat treatment(PWHT), quality heat treatment(QHT), and their features were examined and compared through cross-sectional structure and composition analyses, as well as mechanical property tests. The electron beam welded joints displayed no defects, including pores or cracks. weld metal of the as-welded specimen revealed a needle-type martensite with high hardness, whereas the base metal was characterized by tempered bainite. The weld cross-section bead of the QHT specimen exhibited no significant difference in microstructure compared to the base metal. Tensile testing revealed that both the as-welded and PWHT specimens fractured at the base metal, whereas the QHT specimen fractured at the weld metal. The PWHT specimens showed enhanced impact values in the welds compared to the as-welded specimens. In the QHT specimens, both the base metal and the weld metal demonstrated similarly favorable impact values, approximately 200 Joules. It is evident that post-welding heat treatment improves the toughness value, and quality heat treatment can result in the weld metal being similar to the base metal.

Key words: Electron beam welding, SA508 Gr.3 Cl.1, Small modular reactor, Quality heat treatment, Post weld heat treatment, Tempered bainite

1. 서 론

원전 압력용기용 강재는 ASME 규격 SA508 Gr.3 저합금강 소재를 사용하여 왔다¹⁾. 지금까지 국내의 대형 원전 압력용기 제작에는 아크 용접을 적용하고 있으며 그중에서도 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW) 방식이 주로 사용되었다. SAW 방식은 수십 년간의 사용 실적과 안정된 공정 절차(process procedure)를 갖고 있다. 그러나 후판의 경우 용접 그루브 내에 수십 패스의 많은 용착량이 필요하며 장시간의 용접 작업이 요구되는 단점이 있다.

전자빔용접(electron beam welding, EBW)은 고에너지를 갖는 전자빔을 사용하여 용접시간을 단축하고 고품질의 용접을 수행할 수 있다. 그러나 진공 하에서 용접되어야 하며 정밀한 용접변수 설정 및 용접선 추적(seam tracking) 등의 고도의 공정기술을 개발이 요구된다²⁾.

최근에 원전은 안전성과 효율성을 고려하여 대형에서 소형 형태로 바뀌어 가는 추세이다. SMR(small modular reactor)은 300 MWe 이하의 소형 원자로이며 주기기를 하나로 통합하여 일체화한 것이다. 국내·외에서 다수의 모델이 개발되고 있으며 기기 제작과 설치 기간의 단축을 위해 해외 연구기관은 새로운 제작 방식 특히 혁신적인 용접 방식을 개발하고 있다.

전자빔용접은 후판 두께의 이음 용접을 한 번에 할 수 있으므로 압력용기의 제작기간을 단축하기 위한 혁신기술 중에 하나로서 N-AMRC(nuclear-advanced manufacturing research center, 영국)에서는 NuScale (SMR모델, 미국) 개발과 동시에 지속적으로 전자빔 용접기술을 개발하고 있다³⁾. N-AMRC에서는 열처리 조건에 따른 경도 및 인성값을 측정 비교하고 단조 소재와 열간등방압가압법(hot isostatic pressing) 소재에 따른 전자빔 용접성의 차이를 시험하였다⁴^,⁵⁾. 압력용기 모형 제작을 통해 전자빔 용접공정 기반기술을 확보하고 국부진공(local vacuum) 형태의 새로운 진공방식을 개발하고 있다⁶^,⁷⁾. 이러한 시험은 실제품 적용성을 파악하기 위한 개략적인 시험이며 조직변화에 따른 세부적인 특성 파악에는 크게 미흡한 상황이다. 실제로 SMR 압력용기는 직경 약 5m, 두께 150~250 mm에 해당하는 크기이므로 여기에 적용 가능한 상용화 전자빔 용접장비는 아직 개발이 필요하며 적용을 위한 공정기술 확보에도 많은 시간이 요구된다.

국내의 전자빔 용접은 방산부품 및 정밀기계, 반도체 장비 등 일부 분야에 지금까지 사용되어왔다. 원전기기 제작에는 RVI(reactor vessel internal) 부품 등 소형 기기에 적용한 바는 있으나 압력용기에는 적용한 바가 없다. 현재 국내에서는 혁신형 SMR 개발이 시작되었으며 새로운 제작기술의 하나로서 전자빔용접에 대해 많은 관심을 갖고 있다. 향후 국내의 SMR 제작 경쟁력 확보를 위해서는 조속히 전자빔 용접장비 및 공정기술 확보가 필요하다.

본 연구는 소형원전의 압력용기 강재에 사용되는 SA508 Gr.3 소재 시편에 대해 전자빔용접을 실시하고 열처리에 따른 시험을 수행하여 조건 별로 비교 분석하였다. 시편 시험은 단면 조직과 성분 분석을 통해 미세구조와 조성의 변화를 확인하였고 기계적 물성시험을 통해 강도 및 인성 등의 차이점을 비교하였다. 본 연구를 통해 SMR 압력용기 제작에 있어서 전자빔 용접의 특성을 파악하고 향후 공정기술 개발을 위한 기반기술을 확보하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1 사용 소재

시험용 시편은 SA508 Gr.3 CL.1(P-No.3) 소재로서 40 mm 두께의 평판(150 mm×400 mm×2 ea)을 사용하였다. 시편 소재는 단조재로서 880°C의 퀜칭 및 655°C의 템퍼링 열처리를 하였다. Table 1은 사용한 소재의 화학 조성을 나타낸 것으로 광방출 분광법에 의한 성분 분석값이다.

Table 1

Chemical composition of the used materials (wt %)

Materials	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Cu	Fe
Spec.	Max.0.25	Max.0.40	1.20~1.50	Max.0.025	Max.0.025	0.40~1.0	Max.0.25	0.40~0.60	Max.0.05	Max.0.20	bal.
SA508 Gr.3 Cl.1	0.23	0.21	1.43	0.009	0.001	0.93	0.21	0.51	0.004	0.06	bal.

2.2 시험 조건

사용한 장비는 연구과제를 통해 자체 제작한 것으로 120 kV 고전압형 전자빔용접 장비이다(제작사: 두산, 모델명: KDH-120). 시편 용접은 I형 맞대기 이음 형태로 용접하였고 예비시험을 통해 설정한 용접 변수는 Table 2와 같다. 용접된 시편은 Table 3과 같이 열처리 수행조건에 따라서 용접 그대로 상태(As-welded), 용접후열처리(post weld heat treatment, PWHT), 품질 열처리(quality heat treatment, QHT)로 구분하였다.

Table 2

Welding parameters for electron beam welding tests

Penetration depth	Accelerating voltage(kV)	Beam current (mA)	Welding speed (㎜/min)	Focusing current(mA)	On-focusing current(mA)	Beam scanning	Position
40㎜	120	200	600	680	700	‘○’, 0.5 mm	1G

Table 3

Test conditions of each coupons

Materials	Coupon ID	Heat treatment	Heat treatment conditions
SA508 Gr.3 Cl.1	C1A	As-welded	-
	C1P	PWHT	595-621°C, 2 hrs, heating/cooling rate max. 55°C
	C1Q	QHT	Solid solution, normalizing, quenching, tempering (1120°C, 900~650°C, 2 hrs)

2.3 분석 방법

단면조직과 성분 분석을 위해 시편 단면을 절단하여 1 ㎛ diamond paste로 연마한 후 2% nital 에칭 후 모재(base metal, BM)를 포함하여 열영향부(Heat- Affected-Zone, HAZ), 용접부(weld metal, WM)를 관찰하였다. 미세조직 관찰은 광학현미경(OM, NIKON ECLIPSE MA200) 및 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM-6510)을 사용하였다. 용접부의 원소는 습식 화학분석(ICP-AES)하여 측정하였고 열영향부에서 용접부까지 EDS(energy dispersive spectrometer)로 라인 스캔하여 분석하였다.

기계적 물성시험은 인장시험, 샤르피 충격(charpy impact)시험, 미세경도(microhardness) 시험을 수행하였고, 각 시험편은 두께 1/4, 3/4 위치를 기준하여 채취하였다. 인장강도 시험은 ASME Sec.IX, QW-150 (2021) 규정에 준하여 상온(23±2°C)에서 실시하고 장비는 만능재료시험기(Shimadzu UH-F1000kNX)를 사용하였다. 샤르피 충격 시험은 ASME Sec.IX, QW-171 (2021)에 따라 모재에서 용접부에 걸쳐 노치 위치를 정하여 측정하였다. 경도는 비커스 경도 시험기(Mitutoyo HV-110, 하중 19.61N/2kgf)를 사용하여 용접부 중앙을 기준하여 HAZ, 모재부를 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 시편 단면조직 및 성분 분석

Fig. 1은 SA508 Gr.3 Cl.1 소재의 열처리에 따른 용접부 단면 사진으로 좁은 폭의 비드를 갖는다. As-welded 시편 단면은 용접부를 비롯하여 각 부분의 경계가 육안으로 구분된다. PWHT 시편은 열처리에 의한 미세 탄화물 분포에 따라 용접부가 진하게 나타난다. QHT시편은 용접부와 모재 간에 구분이 거의 되지 않음에 따라 용체화 처리에 의한 열처리로 모재화가 가능함을 보여준다. 전자빔의 고에너지 강도에 의해 용접부 중심선을 기준으로 수평방향으로 수지상 성장조직이 보인다. 용접부 단면에는 어떠한 기공이나 균열 등의 용접 결함은 발견되지 않았다.

Fig. 1

Cross-section images of electron beam welded SA508 Gr.3 Cl.1 specimens, (a) As-welded, (b) PWHT, (c) QHT

Fig. 2는 각 시험편을 1000배로 확대하여 나타낸 SEM 분석사진이다. SA508 Gr.3 Cl.1 강은 베이나이틱 페라이트(bainitic ferrite)와 래스(lath)와 래스 간에 세멘타이트 밀집층이 존재하는 템퍼드 상부 베이나이트(tempered upper bainite) 조직을 갖는다. Fig. 2(a-1) 모재는 구 오스테나이트(prior austenite) 결정립 내부에 베이나이트 래스들이 일정한 방향으로 배열되어있는 상부 베이나이트 조직을 나타낸다. As- welded 시편의 경계부와 인접한 HAZ는 조립(coarse grain) 영역으로 모재와 차이가 있으며 용접부는 조대 결정립의 침상 마르텐사이트 조직으로 보인다. PWHT 시편은 전체적으로 As-welded에 비해 템퍼드된 조직 형태를 구성함에 따라 용접후열처리를 통해 전체적으로 경화 조직이 완화됨을 알 수 있다. QHT 시편은 모재와 용접부 간에 구분을 할 수 없을 정도로 비슷하며 조밀한 템퍼드 베이나이트 조직을 나타낸다. 전자빔용접부의 품질 열처리를 통해 모재에서 용접부에 걸쳐 모든 구간의 조직을 유사하게 만들 수 있으며 조직 형태는 적용한 상세 열처리 조건에 따라 다르게 할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 2

SEM micrograph showing the microstructure of electron beam welded specimens, (a-1) base metal and (a-2) HAZ and (a-3) weld metal of As-welded, (b-1) base metal and (b-2) HAZ and (b-3) weld metal of PWHT, (c-1) base metal and (c-2) HAZ and (c-3) weld metal of QHT

Fig. 3은 QHT 시편에 대해 EDS line profile 분석한 결과이다. Fig. 3(a)의 화살표 방향으로 두께 중간 위치의 모재로부터 용접부에 걸쳐서 Fe, Mn, Ni, Mo 함유량을 EDS로 분석하였다. 고에너지 빔 용접 시 Mn 등 일부 합금원소는 감소 될 수 있다. 본 시험에서는 모재와 용접부의 성분은 동일하게 측정됨에 따라 원소 변화는 없는 것으로 확인되었다. Fe, Mn, Ni, Mo의 wt% 평균값은 88.1, 1.5, 0.8, 0.5 으로 측정되었고 이 값은 정성적인 관점에서 참고할 수 있다. Table 4는 용접부의 화학성분을 ICP 분석으로 측정한 결과이며 모재의 성분과 거의 유사함을 알 수 있다.

Fig. 3

EDS analysis of As-welded specimen, (a) cross-section image of weld interface, (b) EDS line profile of base metal to weld metal, (c) EDS elemental analysis of Fe, Mn, Ni, and Mo

Table 4

Chemical composition of the weld metal (wt%)

Materials	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Cu	Fe
SA508 Gr.3 Cl.1	0.23	0.21	1.38	0.008	0.001	0.91	0.21	0.50	0.004	0.05	bal.

3.2 기계적 물성 시험

용접부의 중간 위치 기준으로 전체 구간에 걸쳐 미세경도를 측정한 결과를 비교하였다. Fig. 4에서 As- welded 용접부 경도값은 Hv 490~580 으로서 모재와 차이가 크다. PWHT 용접부는 Hv 300~340 으로서 크게 낮아지며 QHT 용접부는 Hv 270~310 으로서 모재와 용접부 경도값이 비슷하게 표시된다. PWHT를 통해 용접부 조직이 연화됨을 알 수 있으며 QHT에 의해 용접부가 모재와 유사하게 됨을 나타내고 있다.

Fig. 4

Comparison of micro hardness traverse of electron beam weld with different post-heat treatment conditions

Fig. 5는 용접 시편을 인장시험 후 파단된 시험편과 응력-변형률 곡선(strain-stress curve)을 나타낸다. As-welded, PWHT, QHT 시편의 평균 인장값은 각각 711.0 MPa, 694.8 MPa, 867.8 MPa로 측정되었다. 파단된 시험편 사진에서 나타난 바와 같이 As- welded와 PWHT 시편은 모재에서 파단되었고, QHT 시편은 용접부에서 파단되었다. 즉, 전자빔 용접을 한 상태 그대로 이거나 용접후열처리까지 했을 때는 용접부 강도가 모재보다 더 높다는 것을 알 수 있다. 반면에 용체화 처리를 포함하는 품질 열처리를 한 조건에서는 시험편의 중간 부분인 용접부에서 파단되었으며 이것은 품질열처리를 하더라도 모재와 용접부는 미소한 강도 차이가 있음을 의미한다. 따라서 측정된 인장값은 As-welded와 PWHT의 경우 모재 강도에 해당하며 QHT 시편은 용접부 강도를 나타낸다.

Fig. 5

Photos of tensile strength specimens of (a) Aw welded and (b) PWHT and (c) QHT, Strain-stress curves of (d) As-welded and (e) PWHT and (f) QHT

소재 및 열처리 조건별로 샤르피 충격시험의 결과를 비교하였다. 시험편은 두께 1/4, 3/4 위치에서 BM, FL(fusion line)+3 mm, FL+1 mm, FL, WM 으로 구분하여 채취하였다. 전반적으로 열처리를 통해 각 부위에 대한 충격값의 차이가 완화됨을 알 수 있다. Fig. 6에서 모재와 HAZ 부위에서의 충격값은 As- welded, PWHT, QHT 순으로 크게 나타나며 용접부는 As-welded와 QHT는 비슷하지만 PWHT 조건에서는 월등히 크다. PWHT를 통해 As-welded에 비해 충격값이 향상되지만 인장강도는 약간 감소하고 있다. As-welded 및 PWHT 조건에서 HAZ 부위는 100 Joule 이하의 낮은 충격값을 나타내며 QHT 시편은 약 200 Joule의 충격값을 갖는다. 따라서 품질 열처리를 통해 용접부와 모재는 거의 일정한 충격값을 갖는 양호한 인성 특성의 소재로 변화됨을 알 수 있다.

Fig. 6

Comparison graph of charpy impact energy of SA508 Gr.3 Cl.1 specimens

4. 결 론

소형원전의 압력용기 강재에 사용되는 SA508 Gr.3 Cl.1 소재 시편에 전자빔용접을 수행하고 열처리 조건에 따른 용접부 특성을 분석하였다. 단면 조직과 성분 분석을 통해 미세구조와 조성의 변화를 확인하였고 기계적 물성시험을 통해 강도와 인성 등의 차이점을 비교하였다. 그 결과 아래의 결론을 도출하였다.

1) 전자빔용접은 결함이 없는 양호한 용접부를 가지며 용접으로 인한 화학성분 조성의 변화는 나타나지 않는다.
2) As-welded 시편의 용접부는 침상 마르텐사이트 형태로서 PWHT에 의해 베이나이트 조직으로 완화되며 QHT를 통해 모재와 용접부는 비슷한 형태의 조밀한 템퍼드 베이나이트 조직을 갖는다.
3) As-welded 및 PWHT 조건에서는 용접부의 인장강도가 높은 반면 QHT 조건에서는 모재와 용접부의 강도가 거의 유사함을 추정할 수 있다
4) As-welded 용접부 경도값은 약 500 Hv 이상의 높은 값으로 모재와 차이가 크지만 PWHT를 통해 크게 낮출 수 있으며 QHT 조건에서는 전체 구간에 걸쳐 비슷한 경도값을 나타낸다.
5) As-welded 및 PWHT 조건에서의 HAZ 부위는 100 Joule 이하의 낮은 충격값을 가지며 품질 열처리를 통해 약 200 Joule의 양호한 충격값을 얻을 수 있다.

SMR 소재의 전자빔 용접부는 용접후열처리를 통해 강도 및 인성값이 어느 정도 변화되며 품질 열처리에 의해 용접부를 모재와 유사하게 할 수 있음을 확인하였다. 따라서 열처리를 통해 전자빔용접부의 특성을 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 전자빔용접을 소형원전 압력용기에 적용하기 위해서는 관련 설계규정에 따라 추가적인 상세한 특성 분석과 세밀한 공정기술 개발이 필요하다. 또한 극후판 두께에 용접 가능한 대용량의 전자빔장비 구축을 위한 노력이 선행되어야 한다.