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1 29 기술논문 조선용후판 AH32 강에대한 SAW 및 Hybrid(CO 2 Laser+MIG) 맞대기용접부의열및역학적특성비교 방한서 * 오종인 ** 방희선 * 노찬승 *** ㆍ이윤기 *** ㆍ봉현수 ** 이정수 ** * 조선대학교공과대학선박해양공학과 ** ( 주 ) 한진중공업기술본부산업기술연구팀 *** 조선이공대학 The Comparison of the Thermal and Mechanical Characteristic in Butt Joint for Ship Structure Thick Plate AH32 Steel by SAW & Hybrid(CO 2 Laser+MIG)Welding Han-Sur Bang*, Chong-In Oh**, Hee-Seon Bang*, Chan-Seung Ro***, Yoon-Ki Lee***, Hyun-Soo Bong** and Jeong-Soo Lee** *Dept. of Naval Architecture & Ocean Engineering, Chosun University, Gwangju , Korea **Hanjin Heavy Industries & Construction Co. Ltd., KORDI, Busan, Korea ***Chosun College of Science & Technology, Gwangju , Korea *Corresponding author : cioh74@hanjinsc.com (Received June 25, 28 ; Revised August 6, 28 ; Accepted October 16, ; 28) Abstract In this paper concentrate on the comparison of the thermal and mechanical characteristics in Butt joint of ship structure AH32 steel by using hybrid welding and conventional SAW. For this purpose, fundamental welding phenomena of hybrid process using CO 2 Laser and MIG is investigated by the experiments and characteristics of thermal and welding residual stress distribution of welded joint in SAW and hybrid welding are understood from the result of FE numerical simulation and experimental values. From the result of this study, it is understood that Laser-MIG hybrid welding have high potential, make substantial saving of time and manufacturing cost and may proves its self robust in the butt joining of thick AH32 steel ship structural plate in the near future. Key Words : Hybrid Welding(CO 2 Laser+MIG) Process, Submerged Arc Welding, Ship Structure AH32 steel, Automated Production Line, Thermal and Mechanical Characteristic, Welding Residual Stress, FE Numerical Simulation 1. 서론 최근중공업및조선산업과같은대형구조물제조공정에서는경량화, 단위용접공정의생산성향상, 품질향상및정도관리 ( 열변형방지 ) 를통한공수절감등을목적으로새로운용접방법에대한연구를하고있다. 이러한용접방법으로레이저용접의깊은용입과빠른용접속도등의장점과아크용접의저렴한가격과 고출력, 가공허용오차 (fit-up) 정도를완화시키는장점등을승화시킨신기술로써레이저-아크하이브리드용접을개발하고유럽, 미국, 일본등의선진국에서는그에대한많은연구를수행하고있다. 대표적으로독일의 Meyer Werft 사의경우 9년대부터하이브리드자동용접시스템을도입하여여객선등의외판용접에활용하고있다. 이에국내에서도하이브리드용접의산업현장적용가능성을검토하여실용화를하고자한국생산기술연구원, 포항산업과학연구원, 현대중공업, 한양대 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 28 年 1 月 461

2 3 방한서 오종인 방희선 노찬승ㆍ이윤기ㆍ봉현수 이정수 학교, 조선대학교, 항공대학교등산학연에서하이브리드자동화용접시스템에대한연구를꾸준히하고있다. 따라서본연구에서는중공업에서하이브리드용접의현장적용에대한연구의일환으로기존에사용하고있는 SAW 용접법과신기술로연구되고있는하이브리드 (CO 2 Laser+MIG) 용접법을이용하여조선용 AH32 강 (15t) 에대한최적용접조건선정후맞대기용접을수행하였으며시험편제작시사용된각각의용접법에따른용접조건과용접특성등에의해선정된용접열원모델을이용하여유한요소수치해석을하였다. 또한용접잔류응력수치해석결과와 X-ray 잔류응력측정기를통한용접잔류응력측정결과를비교검토함으로써아크및하이브리드맞대기용접부의역학적특성을파악하고자하였다. 아울러각용접법에따른용접부의기계적특성 ( 경도, 인장, 굽힘, 충격등 ) 평가를통하여하이브리드용접부의용접성및적용가능성을입증하고자하였다. 2. 최적용접조건선정 2.1 SAW 용접시험편제작 조선용 AH32 15t 강재에대하여 SAW 용접을이용하여맞대기용접을수행하였다. 용접부의시험편크기와단면형상을 Fig. 1에나타내었으며용접시험편제작시중공업현장에서사용되고있는조건을고려하여 Turn over 2pass 용접을수행하였다. Table 1은시험편제작시사용된최적의용접조건을보여주고있다. 2.2 Hybrid 용접시험편제작하이브리드맞대기용접시험편을제작하기위해한국생산기술연구원에구축되어있는 12kW 급 CO 2 laser-mig 하이브리드시스템을이용하여용접을수행하였다. Fig. 2는그시스템과하이브리드용접부의단면형상을보여주고있다. 시험편제작시 AH32 두께 15t 강에대하여레이저의플라즈마영향, 보호가스의영향, 레이저-아크간의거리, 레이저 Power 에따른용접속도등여러변수들을고려하여최적의용접조건을 1mm 4mm 15mm Fig. 1 Specimen size & cross section for SAW Item Welding condition Top Side Bottom Side Welding rod L-8(4.8mm) + S-77 Pass 2pass Current (A) 84 9 Voltage (V) Welding speed (mm/min) Fig. 2 Table 1 Welding condition for SAW Welding system & cross section for hybrid welding Table 2 Hybrid welding condition Item Welding condition CO 2 Laser power (KW) 12 Wire Type AWS A5.18 ER7S-G Voltage (V) 29 MIG Current (A) 3 CTWD (mm) 2 Wire feeding speed (mm/min) 9.9 Welding speed (mm/min) 8 Interspacing (mm) 4 Gap (mm) Shielding gas He8%, Ar8%, CO 212% 선정하였으며 Table 2 에나타내었다. 3. 유한요소수치해석및실험방법 3.1 수치해석이론및방법 이론적배경온도의시간및공간의분포는식 ⑴과같이 2차원비정상열전도지배방정식을만족하며경계조건으로서는해석대상인모델내부로의열전도와대기중으로의열전달이있는것으로하였다. 고체에서의열전도문제 462 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 28

3 조선용후판 AH32 강에대한 SAW 및 Hybrid(CO 2 Laser+MIG) 맞대기용접부의열및역학적특성비교 31 는갈라킨법을이용하여식 ⑵와같이유한요소정식화를하였다. λ : Thermal conductivity(cal/cm sec ) 24 α 1 6 : Linear expansion coeff. c 1 : specific heat(cal/g ) 21.4 ρ 1 3 : density(g/cm 3 ) 1 2 (1) ρ (2) 여기서, [K]: 열전도매트릭스, [C]: 열용량매트릭스 {F}: 절점에서의열유속벡터 또한, 열탄소성해석을위해서는식 ⑶에보인것과같이전변형률 ( ) 에탄성변형률 ( ) 과소성변형률 ( ) 그 리고열응력에의한변형률 ( ) 이포함되도록하였다. (3) 수치해석방법본연구에서수치해석시 4절점 Isoparametric 요소를사용하여용접열원을순간열원으로가정하여수치해석하였다. 이때사용된용접조건은 Table 1과 2에나타낸바와같이실제시험편을제작하기위해사용되었던조건을고려하였으며용융지의유동, 키홀내부의증발현상, 잠열및금속상변태는고려하지않았다. 해석시고려된재료의실제온도의존성물리정수및기계적물성치를 Fig. 3에나타내었으며모델의열및열탄소성해석을위하여자체개발한유한요소프로그램을사용하였다. Fig. 4에보인것과같이 SAW 용접열원모델로는실제용접현상을고려하여수치해석하였으며하이브리드용접열원모델은레이저와아크의실제용접현상과특성을고려한분리형 Volume- Volume heat source 를용접열원모델로선정하였다. 또한모델형상은전체모델 ( 총절점수 2224 개, 총요소수 27 개, 최소요소크기.5mm.5mm) 을이용하여수치해석하였고열탄소성해석시의경계조건은 Fig. 5에나타내었다. 용접열원모델에대한입열량을계산하기위해다음에보여주고있는식 ⑷와식 ⑸를사용하였으며, 각용접법에따른용접효율은 CO 2 레이저의경우 35%, GMAW 의경우 8% 로하였다. CO 2 Laser (Uniform cylinder flux) α λ σ Y (MPa) Yield strength c T( ) (a) Thermal coefficient σ YW(Weld metal and HAZ) σ YB (Base metal) Linear expansion coeff α=1.2ㆍ1-5 (1/ ) Poisson s ratio ν=.3 Weld metal and HAZ (b) Mechanical properties E(Gpa) Fig. 3 Temperature dependency of material property Z 15mm mm Youngs modulus ` (Total nodal points : 2224 개 / Total elements : 27 개 ) (a) Hybrid welding (b) SAW Y 4mm Fig. 4 Schematic mesh division & heat source x z Y (4) Fig. 5 Boundary condition for thermal elasto-plastic analysis 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 28 年 1 月 463

4 32 방한서 오종인 방희선 노찬승ㆍ이윤기ㆍ봉현수 이정수 여기서, Q: 용접입열 (KJ/ cm ), : 레이저용접효율 L P: 레이저출력 ( kw ), : 용접속도 (cm/sec) B A B GMAW (Uniform flux) W C (5) 여기서, : 아크용접효율, V: 용접전압 (V) I : 용접전류 (A) 3.2 실험방법및조건 G G - Gage length : 25.±.8mm W - Width : 6.25±.5mm T - Thickness : 6mm R - Radius of fillet, min : 6mm L - Over-all length, min : 1mm A - Length of reduced section, min : 32mm B - Length of grip section, min : 32mm C - Width of grip section, approximate : 1mm (a) Specimen of tensile test (ASTM A37) R T 용접잔류응력측정 SAW 및하이브리드용접시험편에대하여 X- Ray 잔류응력측정기를이용하여용접선길이방향에대한용접잔류응력을측정하였으며그값을수치해석결과와비교해보았다. Fig. 6은용접잔류응력측정장비와측정한위치를보여주고있다 기계적강도특성평가시험 SAW 및하이브리드용접부에대한기계적강도특성을알아보기위해각종성능시험 ( 인장, 굽힘, 충격시험 ) 을실시하였으며그시험편제작시고려된규격을 Fig. 7에나타내었다. L T : Original thickness of specimen W : 35mm over L : 25mm over (b) Specimen of bending test (KSB83) 9 ± 9 ± 2 2 T Rmax 6.3S W 4. 수치해석및실험결과 4.1 용접열분포해석결과 R.25± ± ±.5 SAW 와하이브리드용접을이용한맞대기이음부의열적특성을규명하기위해개발된열분포수치해석프로그램을이용하여해석한결과를 Fig. 8과 Fig. 9에나타내었다. Fig. 8은용접수행후상표면에서 1mm 떨어진부분의시간에따른온도분포와용접수행 2초후최고온도분포를나타낸그림이다. 결과를살펴보면 SAW 용접부에비해용착금속부와열영향부의크기가하이브리드용접부에서훨씬작게나타났으며열원분포형태가 SAW 용접에서는반원형등온분포형상이 4mm 4mm Fig. 6 Measurement of residual stress by X-ray 45 ±2 1± ± ±.4 55±.5 (c) Specimen of impact test (KSB821) Fig. 7 Schematic specimen for experiments 하이브리드용접에서는선열원분포형상이나타났다. 또한아크용접보다하이브리드용접에서최고온도를보이고있다. 이는용접열이발생하면서이동하는속도가하이브리드용접부에서더크다는것을알수있다. Fig. 9는용착금속, 열영향부, 모재부의열이력곡선이다. 그결과를보면하이브리드용접이용착금속부와열영향부가 SAW 의경우에비해작게형성되고냉각구배가크게나타나급격한온도차를보이고있다. 이는하이브리드용접시사용된레이저용접의특성에의한것으로사료된다. 464 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 28

5 조선용후판 AH32 강에대한 SAW 및 Hybrid(CO 2 Laser+MIG) 맞대기용접부의열및역학적특성비교 33 Thickness(mm) Width(mm) 1set 2set 1set 2set 1set 1set 3set Weld Weld zone zone 14mm 14mm below below the the top top Heat Heat affected affected zone zone 14mm below the the top top Base Base metal metal 14mm below the top top Time(sec) Weld Weld zone zone 14mm 14mm below below the the top top Heat Heat affected affected zone zone 14mm below the the top top Base Base metal metal 14mm 14mm below the top top Time(sec) Fig. 9 Thermal history graph 용접잔류응력해석결과 Thickness(mm) Width(mm) set 2set 1set 2set 1set 1set 3set SAW 와하이브리드용접이음부의역학적특성을규명하기위해열탄소성해석후표면으로부터 1mm 지점에대한용접잔류응력분포를 Fig. 1에나타내었다. 그결과를살펴보면 SAW 와하이브리드용접모두용착금속및열영향부에서용접선길이방향인 에서큰인장을볼수있고, 방향에서는인장과압축이교차하는현상을볼수있다. 그크기는 > > 순이다. 또한하이브리드용접부에서 SAW 용접부보다잔류웅력의분포영역및크기가작게나타남을알수있었는데이는 SAW 용접부에비해좁은열영향부의생성과적은입열량및보다큰냉각구배때문으로사료된다. 4.3 X-Ray 용접잔류응력측정결과 Fig. 8 Heat distribution according to time X-Ray 잔류응력측정기를이용용접선길이방향에대한잔류응력을측정하였으며그값을수치해석결과와비교하여 Fig. 11에나타내었다. 수치해석결과와비교해보면측정된결과값들이두용접법모두정성적및정량적으로유사함을보임으로서열탄소성수치 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 28 年 1 月 465

6 34 방한서 오종인 방희선 노찬승ㆍ이윤기ㆍ봉현수 이정수 Fig. 1 Welding residual stress Numerical simulation Experiment(left side) Experiment(right side) Numerical simulation Experiment(left side) Experiment(right side) Fig. 11 Comparison of welding residual stress values 해석의재현성에좋은결과라할수있겠다. 4.4 기계적강도특성평가시험결과 SAW 및하이브리드용접시험편에대한인장시험결과를 Table 3에나타내었다그결과를살펴보면모든시험편에서의파단은용접부및열영향부 (HAZ) 를벗어난모재에서발생하였으며, 모재보다 SAW 및하이브리드용접시험편에서항복강도및인장강도가조금더높게나타났으며그크기는하이브리드>SAW> 모재순이나그값은큰차이를보이지않았다. 따라서 SAW 및하이브리드용접부가충분한강도를보임으로써강도적인측면에서우수함을알수있었다. 굽힘실험은 Fig. 12에나타낸바와같이최대굽힘 (18 ) 이되게실험을하였으며, 그결과모든시험편에서터짐이나찢어짐이보이지않는양호한굽힘형태를보여주고있다. 따라서용입형태및용착방법등이양호함을예측하였다. 각용접법에따른용접부에생성된역학적특성의차가외부충격으로부터보여주는물리적현상을파악하기위하여샤르피충격시험을수행하였다. 시험편은용접부가시험편의중심에위치하도록하고용착금속부와열영향부및모재부에노치를주어서표준시험편을제작하였으며 에서시험을수행하여그결과를 Table 4에나타내었다. 그결과를고찰해보면 에서의충격 Table 3 Result of tensile test (Unit : MPa) Base metal SAW Hybrid YS TS YS TS YS TS Ave Fig. 12 Result of bending test Table 4 Result of charpy impact test ( ) WM HAZ BM Standard SAW 12J 95J 26J 34J Hybrid 18J 12J 26J 466 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 28

7 조선용후판 AH32 강에대한 SAW 및 Hybrid(CO 2 Laser+MIG) 맞대기용접부의열및역학적특성비교 35 흡수에너지는두용접시험편모두선급표준규격 34J 이상을나타내었다. 또한하이브리드용접부의충격흡수에너지크기가 SAW 에의한용접부충격흡수에너지크기보다크게나타난이유는 SAW 시험편에서는파괴경로가용착금속부로이어진데반해하이브리드용접시험편에서는레이저용접부에서의용착금속부와열영향부의폭이좁은데기인하는레이저용접의특성에의해파괴경로가용착금속부에서모재로그경로가변화하는현상 (FPD: Fracture Path Deviation) 이나타났기때문으로사료된다. 5. 결론 본연구를통하여조선용 AH32 강 15t 의맞대기이음부에대한하이브리드용접의현장적용가능성을검토하기위해유한요소수치해석및실험을수행하여다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 조선용 AH32 15t 강재에대하여하이브리드용접시변수를고려한최적의용접조건을선정하였다. 2) 용접열분포및용접잔류응력분포특성에대한수치해석결과실제하이브리드용접부에서의열거동과흡사한형태를보였으며중공업에서사용되고있는 SAW 용접부보다잔류응력분포와크기가작게나타났는데이는레이저영향에의한좁은열영향부의형성, 적은입열량및냉각구배가훨씬크기때문으로사료된다. 3) X-Ray 잔류응력측정기를이용 축에대한잔류응력을측정하여수치해석치와비교한결과값들이정성적및정량적으로유사함을보임으로서수치해석의재현성에좋은결과라할수있겠다. 4) SAW 및하이브리드용접부의기계적강도 ( 인장, 굽힘, 충격 ) 시험결과두용접법모두용접성이우수함을알수있었으나하이브리드용접부에서보다더우수한결과를얻을수있었다. 이상의결과에의해 SAW 및하이브리드용접부의역학적특성이모두우수하나하이브리드용접이보다더우수한용접방법임을알수있었다. 또한제품의품질및생산성향상부분에서하이브리드용접이훨씬우수함으로서앞으로현장에적용해나가야할것이다. 참고문헌 1. Bang Han-Sur, Kim Young-Pyo : Fundamental Study on The Heat Input Model of Hybrid Welding for The Finite Element Analysis, Journal of KWJS Vol 41, (23), 36-38(in Korean) 2. Bang Han-Sur, Lee Jin-Uk : A Study on The Reliability Evalution of Hybrid(CW Nd:YAG Laser+MIG) Welding of Butt Joints in Al-Mg Alloy, Conference of The Korean Society of Ocean Engineers, (25), Oh Chong-In, Kim Young-Pyo, Park Ho-Kyung, Bang Han-Sur : A Study on The Thermal and Mechanical Characteristic of Hybrid Welded Ship Structure A-Grade Steel, Journal of The Korean Society of Ocean Engineers, 21-1, (27), 64-68(in Korean) 4. Kaplan, A.F.H., Jurgen Zimmerma, Dieter Schuocker, and Walter Spruzina : Laser beam welding of aluminium alloys, International Conference Welding Technology, Materials and Materials Testing, Fracture Mechanics and Quality Management, Vienna University of Technology, (1997), Nielsen, S.E., Andersen, M.M. and Kristensen, J.K. : Hybrid welding of thick section C/Mn steel and aluminium, IIW-DOC.Ⅻ, (22), R.M. Brick, A.W. Pense and R.B. Gordon : Structure and Properties of Engineering Materials(4th Edition), McGRAW HILL BOOK Co., 1977, 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 28 年 1 月 467