선박용 고압 연료 파이프의 인장잔류응력 저감을 위한 레이저 피닝 적용에 관한 기초 연구
Fundamental Study on the Application of Laser Peening for Residual Stress Improvement in Marine High-Pressure Fuel Pipes
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Abstract
In marine engines, high-pressure fuel pipes are subjected to extremely high pressures exceeding 1000 bar, which results in fuel injection. Due to the high operating pressure inside the pipes, the stresses acting on them are increased, making the pipes prone to failure. To reduce the stresses imposed on the high-pressure pipes, residual stresses are introduced through pre-stressing processes tailored to the operating pressure. However, in the bent sections of the pipes, some residual tensile stresses from the bending process remain, potentially leading to cracks. Therefore, this study applied laser peening to assess its effectiveness in improving the residual stresses of marine high-pressure fuel pipes. Initially, basic experiments were conducted by applying laser peening to SCM440 plates, which are the main material for marine high-pressure fuel pipes, to understand the effects of laser peening. It was found that changes in the laser beam overlap rate had a greater impact on residual stress reduction than increases in laser output. Subsequently, laser peening was performed on the bent sections of actual high-pressure fuel pipes, and it was confirmed that the residual tensile stresses present inside the pipes were improved with increasing laser beam overlap rate.
1. 서 론
1997년 교토의정서 체결 이후 급격한 온실가스(N2O, CO2, CH4 등) 배출 증가 및 기후 위기에 대응하기 위하여 2016년 유엔 기후 변화 회의(COP21)에서 파리협정을 체결하였다. 세계 평균 기온 상승을 산업화 이전(1850년 ~ 1900년) 대비 2℃ 이하로 유지하며, 기온 상승을 1.5℃로 제한하는 것이 본 협정의 목표 중의 하나이다. 이를 해결하기 위한 핵심적인 부분은 사용중인 화석 연료 사용에서 신재생 에너지로 전환하는 것이다1). Usama Asghar2) 등은 환경 인식이 높아지면서 CO2, Sox, NOx 배출을 줄이기 위한 광범위한 연구가 진행하였고 국제해사기구(IMO)는 1997년 9월 26일 런던 IMO 본부에서 개최된 제3차 MP Conference에서 선박으로부터의 대기 오염물질 배출을 규제하는 “선박으로부터 대기오염방지협약”을 채택하였다3). 2050년까지 2008년 수준 대비 50%의 배출 감소 목표를 설정했습니다4).
선박 디젤 엔진에 연료 공급 시스템의 NOx 저감기술 중 연료 분사 압력을 증가시키면 노즐에서 분사되는 연료입자의 미립화가 촉진되고 증발율이 증가하여 연료, 공기 혼합을 증가시키고 연소가 개선됨에 따라 확산 연소율이 급속히 높아져 입자상 물질과 매연이 감소된다. 또한 연소 말기의 잔류 미연소 연료량을 줄임으로써 연료소비도 감소시키는 장점이 있다. 동시에 추가로 분사시기를 지연시킴으로써 NOx를 감소시킬 수 있다.
일반적으로 예압공정(pre-pressure process)를 통해 파이프 내부에 발생한 잔류압축응력은 고압의 연료가 흐를 때 생기는 인장응력을 상쇄시킨다. 예압공정으로 파이프의 압축 응력이 상쇄될 수 있지만 파이프 제작 시 굽힘 공정에 의한 잔류인장응력 일부가 남아 균열을 야기할 수 있다5).
레이저 피닝은 높은 피크출력의 단펄스 레이저를 재료 표면에 조사하여 발생하는 플라즈마의 충격파에 의해 높은 압축잔류응력이 형성되기 때문에 응력부식균열 방지, 피로강도 향상 등에 효과적이다6). 레이저 충격 피닝(LSP)은 펄스 레이저를 이용하여 재료 표면에 충격파을 가하고, 이로 인해 발생하는 소성변형과 가공 경화 효과를 이용하는 표면 개질 기술이며, 방산, 자동차, 항공우주 분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다7). 특히, 레이저 피닝은 표면의 재응고 과정 없이 금속의 기계적 특성만을 변화시켜 주는 방법으로, 금속표면과 내부에 압축잔류응력이 남게 되어 부식은 물론 금속표면 결함을 방지할 수 있다. 또한, 재료의 피로 저항성 향상, 경도 증가 등 기계적 성질과 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 응력부식균열을 줄일 수 있다8-10).
레이저 피닝에 관한 연구는 전세계적으로 지금까지 많이 이루어져 왔으며, 현재에도 활발히 진행되고 있다. K. Praveenkumar11) 레이저 피닝이 오스테나이트 스테인리스강의 미세구조, 피로 및 마모 특성에 미치는 영향을 조사한 연구를 하였고, Hackel LA12) 고에너지 레이저 피닝(HELP)**을 사용하여 부식-피로 저항성을 개선하고, 균열 성장 속도를 크게 늦추는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 선박용 고압 연료 파이프 굽힘부에서 발생하는 균열을 억제하기 위하여, 레이저 피닝을 통한 고압 연료 파이프 굽힘부의 잔류응력 개선효과를 확인하고자 하였다. 선박용 고압 연료 파이프의 소재인 SCM440의 평판 시험편과 파이프 시험편에 레이저 피닝 전과 피닝 후 잔류응력의 변화를 관찰하였다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
본 연구에 사용된 선박용 고압 연료 파이프의 주재료는 SCM440이며, Table 1에는 SCM 440의 화학적 조성을 나타냈다.
Chemical compositions of the specimen
SCM440 소재의 잔류응력에 미치는 레이저 피닝의 영향을 알아보고자 Fig. 1과 같이 시험편을 준비하였다. 시험편은 어닐링 열처리를 실시하였다. Fig. 1(a)는 기초실험을 위한 평판 시험편의 사이즈와 개략도, Fig. 1(b)는 잔류응력 개선을 위해 레이저 피닝을 적용할 실제 파이프의 사진을 나타냈다.
Size and schematic diagram of the specimen
2.2 레이저 피닝 실험 방법
Fig. 2는 레이저 피닝 실험 장비 구성과 파이프 시험편 피닝을 위한 회전 지그 및 레이저 사양을 나타냈다. Fig. 2(a)에서 볼 수 있듯이, 실험 장비에는 레이저 발진기, 레이저 제어 판넬, 레이저 헤드, 7축암 및 X-Y 스테이지로 구성하였다. 시험편을 지그에 고정시킨 뒤, 레이저 피닝 효과를 극대화하기 위하여 시험편 표면에는 물을 흘려주어 수막을 형성하였다. 최종적으로, Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이 실제 고압 연료 파이프에 피닝을 적용하기 위해서는 파이프의 곡률을 고려한 전용 지그를 설치해, 파이프를 고정시킨 후 시험편을 회전시키며 레이저 피닝을 진행하였다. Fig. 2(c)에는 레이저의 사양을 나타냈다. 레이저 피닝 실험에 사용된 장치는 Q-switching Nd:YAG 레이저로, 레이저는 1,064nm 및 532nm로 가변이 가능하며, 해당 실험에서는 1,064nm의 파장을 사용하였다. 해당 파장에서 최대 펄스 에너지는 1.2 J이다. 레이저 빔은 멀티모드를 가지며, 직경은 2 mm이다.
Experimental setup of laser peening
2.3 잔류응력 측정 방법
레이저 피닝 전, 후 시험편의 잔류응력을 측정하기 위하여 Fig. 3(a)에 나타낸 PULSTEC사의 μ-X360 XRD 잔류응력 측정기를 사용하였다. μ-X360 XRD 잔류응력 측정기는 일반적인 X-선을 이용한 sin2ψ법이 아닌 X-선의 입사각도를 일정하게 하고 360도로 회절된 모든 회절 X-선을 이용하여 잔류응력을 측정하는 cosα법을 적용하였다. Fig. 3(b), (c)와 같이 X-선을 이용한 cosα법으로 X-선을 조사하여 결정구조의 데바이 고리 (비틀림θ) 전체를 취득한 후, 무응력 시편을 기준으로 측정된 데바이 고리 (비틀림θ)차와의 비틀림 정도를 측정하여 잔류응력을 산출할 수 있다. 이 때 X-선의 투과 깊이는 약 10㎛ 였다.
(a) Residual stress analyzer : U-X360XRD (b) Debye ring of non-stressed specimen (c) cosα method
시험편의 잔류응력 측정은 Fig. 4과 같이 시편과의 거리와 각도를 각각 51mm와 35도로 고정한 후 계측하였다. 시험편의 피닝 전, 후 표면 잔류응력을 측정하였고, 동일한 위치에서 3번 계측하여 평균값을 산출하였다.
Distance and angle between specimen and analyzer
3. 실험결과 및 고찰
3.1 SCM440에 미치는 레이저 피닝의 영향을 알아보기 위한 기초실험
3.1.1 레이저 펄스 에너지에 따른 영향
레이저 피닝 시 펄스 에너지에 따른 SCM440 소재의 잔류응력의 변화를 알아보기 위한 기초실험으로써, 평판 시험편에 레이저 피닝을 수행하였다. 레이저 빔 중첩률(R)을 75%로 고정하고, 레이저 펄스 에너지(Ep)를 0.6 J에서 1.2 J까지 0.2 J 간격으로 증가시키면서 진행하였다. Fig. 5에서는 레이저 펄스 에너지 변화에 따른 피닝부의 표면사진과 피닝 전, 후의 잔류응력 측정치 및 잔류응력 변화를 그래프로 나타내었다. 피닝 전 잔류응력 그래프에서 확인할 수 있듯이 시험편에서는 잔류응력이 거의 없거나 낮은 인장 잔류응력이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 그러나 레이저 피닝 후에는 재료 표면에 약 300Mpa 정도의 인장잔류응력이 형성되었다. 이것은 열처리가 진행된 재료의 산화피막이 레이저 피닝에 의해 제거되면서 재료 내부에 잔존해있던 인장응력이 관찰된 것으로 사료된다.
Surface and residual stress of laser peening according to the pulse energy of the laser beam in plate specimen
3.1.2 레이저 중첩률에 따른 영향
이후, 동일한 SCM440 평판에서 레이저 빔 중첩률에 따른 레이저 피닝 효과를 알아보기 위하여 레이저 출력을 1.2J로 고정한 뒤, 중첩률을 25%에서 75%까지 25% 간격으로 증가시키면서 레이저 피닝을 진행하였다. 이때 레이저 빔 중첩률이란 레이저 빔의 반경이 겹치는 정도를 의미하며 레이저의 스캔속도, 즉 진행속도를 조절하는 방법을 통해 중첩률의 조절이 가능하다. 예시로, 현재 실험에서 사용하는 레이저 빔의 반경이 2mm이기 때문에 50%의 중첩률을 달성하기 위해서는 레이저 빔이 1mm의 간격으로, 75%의 중첩률을 달성하기 위해서는 0.5mm의 간격으로 레이저 빔이 조사되어야 한다. Fig. 6에서는 레이저 빔 중첩률에 따른 피닝부의 표면 사진과 피닝 전과 피닝 후의 잔류응력을 그래프로 나타내었다. 피닝 전 시험편에서는 3.1.1에서 설명한 것과 같이 표면 열처리로 인해 5 MPa, 2 MPa, 8 MPa 낮은 인장 잔류응력이 측정된 것을 확인할 수 있었다. 그러나 레이저 빔 중첩률이 25%인 경우 390MPa의 인장 잔류응력이 측정되었고, 중첩률을 50%와 75%로 높아짐에 따라 각각 324MPa, 277MPa로 잔류응력이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 레이저 펄스 에너지의 증가보다는 레이저 빔 중첩률이 SCM440소재의 잔류응력 개선에 미치는 영향이 더 크다는 것을 알 수 있었다.
Surface and residual stress of laser peening according to the overlap rate of the laser beam in plate specimen
3.2 고압 연료 파이프의 잔류응력에 미치는 레이저 피닝의 영향
3.2.1 고압 연료 파이프 굽힘 공정에 따른 파이프 표면의 잔류응력 특성
실제 선박엔진의 고압 연료 파이프에 대한 잔류응력을 확인하기 위하여 굽힘 공정 전, 후의 파이프 시험편에 대한 잔류응력을 측정하였다. Fig. 7에서는 굽힘 공정 전 가공된 파이프 시험편의 잔류응력을 각각 3개의 측정지점에서 측정한 결과 값을 나타내었다. 실제 파이프 제작과정에서 압출과 인발이 동시에 이루어지며, 이로 인해 굽힘 전 파이프의 표면에서는 전체적으로 인장잔류응력이 측정된 것으로 판단된다.
High-pressure fuel pipe before bending and residual stress of each point
Fig. 8에서는 파이프의 굽힘 공정 이후 굽힘부 표면에서의 잔류응력을 측정하여 그 결과를 나타냈다. 굽힘부 외각과 내각의 잔류응력을 확인하고자 Fig. 9(a)와 같이 #1, #2, #3, #4 총 4개의 측정지점에서 잔류응력을 측정하였다. 각 포인트의 잔류응력 계측치는 Fig. 9(b) #1 지점에서 -186 MPa, #3 지점에서 -24MPa의 압축잔류응력이, #2 지점에서 160MPa, #4 지점에서 103MPa의 인장잔류응력이 측정되었다. 이러한 현상은 고압 연료 파이프를 굽히는 소성변형 과정에서 발생하는 스프링백 현상을 통해서 설명할 수 있다. 고탄소강과 합금강은 경도가 높기 때문에 소성가공을 하게 되면 빠르게 변형저항이 증가하며12), Fig. 9(c)에 나타낸 바와 같이 소성변형을 준 후에 그 하중을 제거했을 때 물체가 변형에 저항하는 물체 내부의 탄성 복원력에 의해 변형된 재료의 표면 부근이 원래 형상으로 되돌아가는 스프링 백 현상이 발생한다13-15). 이로 인해 파이프의 외측 표면부에 인장잔류응력이, 내측 표면부에는 압축잔류응력이 형성된 것으로 판단된다.
High-pressure fuel pipe after bending and spring back
Surface and residual stress of laser peening according to the overlap rate of the laser beam in high-pressure fuel pipe
3.2.2 레이저 중첩률에 따른 잔류응력 개선 효과
평판에서의 기초시험 결과를 바탕으로 선박용 고압 연료 파이프에 레이저 빔 중첩률을 높였을 때의 잔류응력 변화를 확인하였다. Fig. 9 (a)의 선박용 고압 연료 파이프의 굽힘부 #1, #2, #3, #4 지점에 대하여 레이저 출력 에너지(Ep)를 1.2 J로 고정하고, 레이저 빔 중첩률을 50 %, 75 %, 그리고 시험편 굽힘부 및 지그 형상에 의한 최대 중첩률인 87.5 %로 증가시키면서 실험을 진행하였다. Fig. 10에서는 굽힘에 의해 잔류응력의 변화 정도가 가장 큰 Fig. 9의 (a) #1 지점의 피닝부의 표면의 피닝 전과 후의 잔류응력 측정치와 잔류응력 중첩률의 그래프로 나타내었다. 중첩률 50%일 때 243MPa의 인장잔류응력이 나타났으며, 75%일 때 207MPa의 인장잔류응력이 측정되었다. 중첩률을 높일수록 계측되는 인장잔류응력의 값이 더 작아지는 것을 확인할 수 있다. 최종적으로, 중첩률을 87.5%로 증가시켰을 때 파이프 굽힘부의 잔류응력이 90MPa로 인장잔류응력이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해 중첩률이 높을수록 잔류응력이 큰 폭으로 감소함을 확인할 수 있었고, 파이프의 잔류응력 개선 효과가 더 큰 폭으로 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 레이저 빔 중첩률이 증가할수록 같은 영역 내의 재료에 가해지는 에너지양이 더 커지기16) 때문으로 판단된다.
Laser peening of specimens by changing the overlap ratio
4. 결 론
선박용 고압 연료 파이프 굽힘부의 잔류응력에 미치는 레이저 피닝의 영향을 확인하기 위하여 실험을 진행하였고, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
1) SCM440 소재의 평판 시험편에 레이저 출력을 증가시키며 잔류응력을 확인한 결과, 레이저 출력에 따른 잔류응력변화는 거의 나타나지 않았다. 하지만, 레이저 피닝에 의해 표면 열처리에 의한 산화피막이 제거되며, 재료 내에 잔존해있던 인장잔류응력이 나타남을 확인할 수 있었다.
2) 평판 시험편과 파이프 시험편 모두 레이저 빔 중첩률을 증가시킴에 따라 재료 내부에 잔존해 있던 인장잔류응력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 고압 연료 파이프의 굽힘부의 레이저 피닝 결과, 레이저 빔 중첩률이 87.5%일 때 인장 잔류응력이 243MPa에서 90MPa로 크게 감소하였다.
3) 본 실험 결과를 통하여 레이저 피닝을 통해 고압 연료 파이프의 인장잔류응력이 개선되는 효과를 확인하였다. 본 연구를 바탕으로 선박용 고압 연료 파이프의 인장잔류응력을 제거하기 위하여 최적의 공정조건을 도출함으로써 굽힘부의 결함 발생을 방지할 수 있을 것이라 기대한다.
감사의 글
본 과제(결과물)는 교육부와 한국연구재단의 재원으로 지원을 받아 수행된 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)의 연구결과입니다.
이 연구는 교육부가 지원하는 한국기초과학연구원(국립연구시설 및 장비센터)의 지원을 받았습니다. (2022 R1A6C101B738)