The Effect of Weld Line on the Mechanical Strengths and its Elimination Process in the Zr-4 Resistance Upset Welds

지르칼로이-4의 저항업셋용접에서 용접선이 기계적성질에 미치는 영향과 그 소멸과정

The objective of this study is to investigate the effect of weld line on the mechanical strengths and the process of weld line elimination in the Zircaloy-4 resistance upset welding for the fabrication of heavy water reactor fuel rods. The weld current and the amount of upset increased linearly with the main heat, in which two relations between them were derived. It was found that the threshold to obtain sound weld was 50% of main heat in terms of weld upset size, mechanical strengths and weld line elimination. The weld microstructure of resistance upset welds of Zircaloy-4 comprsied basketweave, Widmanstatten and martensite respectively by changing the main heats. Dimples on uniaxially fractured surface at weld line in the Zr-4 welds were larger and deeper compared with those on biaxially fractured surface. It was also found that the process of the weld line elimination in the resistance upset weld of Zircaloy-4 could be divided into three stages in terms of the presence of many pores, their shrinkage and elimination, and the shrinkage of the original weld interface with increasing weld currents.

중수로형 핵연료봉단마개용접부의 품질검 사는 금속조직 검사에 따른 용접계면에 존재하는 불연속인 용접선(weld line) 길이가 가장 중요한 검사기준이다. 본 연구에서는 저항용접에서 가장 중요한 변수인 용접열의 변화에 따라 용접계면에서 용접선 소멸과 이 용접선이 용접부에 미치는 경향을 미세조직, 인장 및 파열시험으로 조사하였고, 또 주사전자현미경을 사용하며 파단면을 조사하였다. 용접열(main heat)의 변화에 따라 실제 용접에 사용된 전류와 업셋에 따른 시편길이 감소량은 증가하였으며 이들에 관한 상관관계식을 유도하였다. 용접열 50%근 용접된 용접부의 용접업셋 크기, 기계적 강도 및 용접선 소멸등을 고려한 결과 이것이 건전한 봉단마개 용접을 위한 임계치임을 알았다. 용접열을 50%에서 75%로 변화시킴에 따라 Zircaloy-4 용접부의 미세조직은 basketweave, Widmanstatten과 마르텐사이트로 변했고, 이는 용접시 최고도달 온도에 따라 냉각속도가 크게 변화했기 때문으로 사료된다. 인장시험에 의한 용접선 파단면에서 연성파괴의 dimple 형상은 2축응력에 의해 파열된 파단면의 dimple보다 크고 깊었음이 관찰되었다. 저항업셋용접부에서의 용접전류 증가에 따른 용접선의 소멸과정은 초기용접계면에 기공 존재, 이들의 수축과 소멸 및 초기계면 수축등 3단계로 구분할 수 있었다.