연구논문 유한요소해석을이용한다층 맞대기용접부의횡방향잔류응력평가에관한연구 신상범 이동주 박동환 현대중공업산업기술연구소 울산대학교자동차선박대학원 A Study on the Evaluation of Transverse Residual Stress at the Multi-pass FCA Butt Weldment using FEA Sang-Beom Shin*,, Dong-Ju Lee* and Dong-Hwan Park** *Hyundai Industries Co., Ltd., Ulsan 682-060, Korea **Ulsan University, Institute of E-vehicle Technology, Ulsan 682-192, Korea Corresponding author : str@hhi.co.kr (Received December 16, 2009 ; Revised February 11, 2010 ; Accepted May 20, 2010) Abstract The purpose of this study is to evaluate the residual stresses at the multi-pass FCA weldment using the finite element analysis (FEA). In order to do it, an H-type specimen was selected as a test specimen. The variable used was in-plane restraint intensity. The temperature distribution at the multi-pass FCA butt weldment was evaluated in accordance with the relevant guidance recommended by the KWJS. The effective conductivity for the weld metal corresponding to each welding pass was introduced to control the maximum temperature below the vaporization temperature of weld metal. The heat flux caused by welding arc was assumed to be applied to the weld metal corresponding to welding pass. With heat transfer analysis results, the distribution of transverse residual stresses was evaluated using the thermo-mechanical analysis and compared with the measured results by XRD and uniaxial strain gage. In thermo-mechanical analysis, the plastic strain resetting at the temperature above melting temperature of 1450 was considered and the weld metal and base metal was assumed to be bilinear kinematics hardening continuum. According to the comparison between FEA and experiment, transverse residual stresses at the multi-pass FCA butt weldment obtained by FEA had a good agreement with the measured results, regardless of in-plane rigidity. Based on the results, it was concluded that thermo-mechanical FE analysis based on temperature distribution calculated in accordance with the KWJS s guidance could be used as a tool to predict the distribution of residual stress of the multi-pass FCA butt weldment. Key Words : Transverse residual stress, Restraint degree, FCAW, Multi-pass butt weldment, Heat input, FEA, XRD 1. 서론 용접시용접부에는용접아크 에의한불균일한온도구배에의하여열변형률의차이가발생하고 이로인하여변형 및잔류응력 이유발된다 실제용접구조물에서변형과잔류응력은용접구조물의역학거동특성에미치는영향이매우크므로 이의거동특성을평가하기위한매우다양한연구가진행되어왔다 특히최근에는컨테이너운반선이나해양구조물의대형화및사용조건이가혹화됨에따라극후부재의사용이증가함에따라용
유한요소해석을이용한다층 맞대기용접부의횡방향잔류응력평가에관한연구 접잔류응력의거동특성및영향을정량적으로평가하기위한방안에대한요구가점점증가하고있다 용접부의잔류응력을평가하기위한가장보편적인해석방법은고유변형률개념을이용한해석적방법 과유한요소해석을이용한수치적방법 으로대별된다 여기서 부적합도개념의고유변형률 를이용한해석적방법의경우초기에는주로판두께방향의응력성분을무시할수있는박판에대해수행되었다 등은무한평판에슬릿 인근에일정크기의고유변형률이분포하는경우잔류응력에대한해를제시하였고 등은박판의파이프를대상으로일정한크기의고유변형률의분포에따른응력분포를평가하였다 그러나초기에고유변형률을이용한용접부의잔류응력평가는잔류응력을평면응력 으로가정함으로써판두께방향으로잔류응력의구배가존재하지않는박판에만국한되어적용되었다 이에 등은고유변형률과탄성유한요소해석을이용하여후판다층용접부의잔류응력의분포를평가할수있는기법을제안하고이를다층맞대기용접부에적용하여타당성을검증하였다 이후 는고유변형률의분포를정확히평가하기위하여실험적인방법외에도열탄소성해석을이용한방법등을통하여고유변형률의분포를정의하는방안을제안하였다 그러나이러한접근방법들은용접부의내외적구속이작업조건에따라매우다양한선체와같은대형용접구조물의다층용접부에적용하기는매우어렵다 이와같이선체블록간용접부와같이구속에대한정의가단순실험이나해석적인방법으로평가하기힘든경우가장쉽게적용될수있는방안이유한요소해석을이용한수치해석적방법이다 유한요소해석을이용한용접부의잔류응력평가는용접아크에의하여용접부에유발되는온도분포를평가하기위한열전달해석과온도분포의차에의한열변형률을평가하는열탄소성해석으로이루어진다 그러나이러한수치해석적인접근을이용한잔류응력평가방법또한용접부가가지는물리적복잡성과함께해석에서발생할수있는다양한오류즉 해석모델이나 온도에의존하는물성치등의차이로인하여해석결과의신뢰성에많은문제점을유발할수있다 이에 는 년에용접부잔류응력평가를위한 을결성하고 단계사업으로축대칭요소를이용한원주용접부의잔류응력예측에대한라운드로빈 테스트를수행하였으며 현재잔류응력에관한 단계 테스트를 진행중이다 그러나최근 등의연구결과에따 르면 의 단계 테스트에서수행된원주용접 부에대한참여기관별잔류응력해석결과에는매우 큰차이가발생한것으로보고하고 이의주요인이참 여기관별온도분포에대한해석결과의차이임을밝 혔다 이에대한용접접합학회 용접강도연구 위원회는 의 테스트와유사한방법으로다층 맞대기용접부에대한온도분포를실험및해석적방 법으로평가하고 아크용접부의온도분포를정량적으 로평가하기위한해석규약을제안하였다 이에본 논문에서는극후다층 맞대기용접부의잔류응 력거동특성을 에서제안한온도분포해석을 위한표준규약에따라평가하고 이에따른잔류응력 의거동특성을평가하고자하였다 그리고이를계측 결과와비교평가함으로써유한요소해석을이용한다층 용접부의해석기법의타당성을검증하고자하였다 2. 유한요소해석및실험방법 극후 맞대기용접부의잔류응력및평균구속응 력평가를위하여본논문에서사용한시편은 과같이용접부의저온균열의감수성평가를위하여제 안된 시험편이다 시험편제작시사용된모재 는 두께의선급용강재 이며 시험편의폭 과시험용접장의길이 는각각 와 이다 여기서용접부구속도의변화를위한시 편길이 와구속용접부와거리 는식 과같이 정의되는면내구속도 와유한요소해석을이용하여 결정하였으며 그결과는 과같다 Ks = s o u Ks s o u W A Section A - A' L Ls G B Ws Lw A'
신상범 이동주 박동환 Ks 시험편의온도분포는대한용접접합학회의 강도연구위원회에서제안한해석규약에따라수행하였 다 즉 시험용접부의각위치에서용접아크의진행 속도가일정하고용접시 종단부에서용접아크에의 한입열세기가일정하다고가정함으로써 차원열전 달문제를준정상상태 의 차원열전달문제로축소가정하여평가하였다 이때 사용된요소망은 와같이용접부와용접부 근처의열영향부 에서발생하는 급격한온도변화를고려하기위하여이영역에서요소 크기가최대 를초과하 지않도록하였으며 각용접패스 에따른단계 적인적층을위하여용착금속내의모든요소는생성 후최초해석모델로부터이를제거한후각패스에서 해당하는입열이가해지는시점에서순차적으로다시 요소를생성하는기법을적용하였다 그리고각용접 패스에서용착금속의단면적은용접입열량에따른 용접부의용착금속의단면적에대한실험결과를 토대로결정하였다 는시험및해석시사용 된용접입열량을나타낸것이다 유한요소해석을위한 열전달해석시 용접아크의효율은 차원열전달특성을고려하여 로가정하였으며 이때용접시아크에의한열속은균일분포체적열원으로각용접패스의용착금속에해당하는요소에만작용하는것으로가정하였다 이때 아크열속의변화를위한램프비 는 용접아크가해석영역을통과하는데소요되는총시간은 초로가정하였다 그리고해석시용접부에서과다한소성변형의발생을방지하기위하여용착금속 의온도가융점 을초과하는용접개선면내에위치한요소에대하여유효열전도계수 를적용함으로써용착금속의최대온도가기화온도 를초과하지않도록하였으며 상변화 에대한효과는잠열 을이용하여고려하였다 다층용접시후행용접은용접부의온도가층간온도 이하에서생성되도록하였다 냉각시열손실은공기와의경계면에서자연대류와복사에의한열손실이발생하는것으로가정하였다 는열전달해석시사용된열적물성치의온도의존성을나타낸것이다 잔류응력평가를위한열탄소성해석시 시편시험용접부의구속도를 차원해석모델에서구현하기위하여 와같이동일크기 Volume heat source ratio 1.0 0 1.0 4.0 5.0 Time [sec] Symmetric axis q Loss = 0 Natural convection Conductivity [W/m ] 150.0 120.0 90.0 60.0 30.0 Density [kg/mm 3 ] 8400.0 8100.0 7800.0 7500.0 7200.0 Density Conductivity Specific Heat 0.0 1000.0 2000.0 3000.0 Temperature[ ] 1800.0 1500.0 1200.0 900.0 600.0 Specific heat [J/kg ]
유한요소해석을이용한다층 맞대기용접부의횡방향잔류응력평가에관한연구 Ls/2=550mm B K spring 의해석모델의끝단에구속도에따라식 로정의되 는강성 을가진스프링요소 로고려하였다 K spring KSpring = F u s ob B = = æ s ö æ ö o s ols 1 Ls ç - ç - è Ks E ø è Ks E ø F u Ks A Ls E B 잔류응력평가시사용된요소망은용접선방향으로 과다한잔류응력의생성을제어하기위하여일반화된 평면변형률요소를이용하여 과같이구성하였으며 변위경계조건으로는해석모델의대칭축 에위치한절점에대칭조건을부여하고 용착금 속의생성및인근용접부의가열시발생하는용접하 부면방향으로의각변형을제어하기위하여 조건을적용하였다 잔류응력해석시모재및용접부 의온도가융점 이상인경우용접부에서발생 하는소성변형률을리셋팅 하였으며 모재 및용접부의기계적물성은등방성이고 온도에의존하 는이동경화연속체 로가정하였다 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 그리고항복개시조건으 로 조건을적용하였다 은 해 석시용접부의온도에따른항복강도및탄성계수의거 동을나타낸것이다 유한요소해석을이용한다층 맞대기용접부의 잔류응력평가에대한타당성은구속도에따른용접시 험편을 과같이제작한후 와 에도시 한바와 와 축스트레인게이지를이용하여용접 부의표면에작용하는잔류응력분포와평균구속응력 을계측하여해석결과와비교함으로써검증하였다 여기서 평균구속응력은 과같이용접시 험편의상하부에서계측된결과의평균치로정의하 였다 0.00 0.00 300.00 600.00 900.00 1200.00 1500.00 Temperature[ ] Yield strength Elastic modulus Stiffness Compression Tension Spring element for restraint Symmetric axis On-Die condition
신상범 이동주 박동환 500.0 A A 150 Section A-A 3. 해석및실험결과 3.1 온도분포 은 용접부의두께가 이고 용접조건이 와같은경우각각첫번째와마지막용접패스에서용접아크가해석영역을지나고난후용접부의온도분포를도시한것이다 과같이용접부의최대온도는기화온도 를초과하지않으나 첫패스와마지막패스에서용접아크가해석영역을지나고난직후최대온도는각각 와 로다소큰차이를보이고있다 이러한온도차는 와같이각용접패스에서입열량의차이외에도 용접아크가해석영역을지나가는동안생성된용접부에서열손실의발생기구의차이에기인한것이다 즉 첫패스에서열손실은주로폭방향으로의 차원열전도에지배받는반면에 의 와같이마지막용접패스에서는두께및폭방향의 차원열전도에의하여열손실이발생함으로써상대적으로냉각속도가증가하기때문이다 는용접중용접부의각위치에서용접부의온도분포에대한계측및해석결과를서로비교하여도시한것이다 와같이해석및실험결과가매우유사한천 Temperature[ ] 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0 1 2 3......... 57 58 59 Pass No. 이거동특성을보여주고있다 이는본논문에서사용 한다층용접부의온도분포해석조건이타당함을의 미한다 3.2 잔류응력 은구속도가 인다층맞대기 용접부가상온으로완전히냉각된후의횡방향 잔류응력분포를나타낸것이다 여기서사용된모재는 두께의 이다 과같이용접선과 수직한방향의잔류응력은용접부상하부표면에서인
유한요소해석을이용한다층 맞대기용접부의횡방향잔류응력평가에관한연구 장으로작용하는반면 중앙내부에서는압축으로작용 하고있다 그리고용접선방향인 축방향의잔류응력 은용접부에는모재의항복응력 을초과하는 인장잔류응력이작용하는반면에용접부와바로인접 한영역에서다시압축으로천이됨을알수있다 유한 요소해석으로평가된다층맞대기용접부의잔류응력의 분포는구속이낮은경우발생하는잔류응력의분포와 잘일치함을알수있다 는 시험편의용접부구속도가각각 과 인경우용접부의상부 및하부표면에서각각용접선에수직한방향으로작용 하는잔류응력에대한유한요소해석과 를이용하 여평가한결과를비교하여도시한것이다 와 같이유한요소해석및 를이용하여평가된전반적 인잔류응력분포가서로잘일치하고있음을알수있 다 그리고용접부의구속도가증가함에따라용접부와 인접한영역에서발생하는최대잔류응력의차이는미 미하나 용접부로부터일정거리이상떨어진영역에서 잔류응력즉 평균구속응력은구속도에비례하여증가 Residual stress in X dir.[mpa] Residual stress in X dir.[mpa] 600.0 400.0 200.0 0.0-200.0 600.0 400.0 200.0 0.0 Top-FEA Bottom-FEA Top-XRD Bottom-XRD 0 100 200 300 400 500 Distance [mm] distance Top-FEA Bottom-FEA Top-XRD Bottom-XRD distance -200.0 0 50 100 150 200 250 Distance [mm] Restraint force[kn] 5000 4000 3000 2000 1000 0 FE A Ks:100MPa/mm Ks:200MPa/mm E xp Ks:100MPa/mm Ks:200MPa/mm 0 15 30 45 60 Welding pass 함을알수있다 는 축스트레인게이지를이용하여 시험편의용접부에서용접및냉각시용접선에수직한 방향으로작용하는구속력에대한계측결과를유한요 소해석결과와비교하여도시한것이다 여기서구속력 은시험편에부착된스트레인게이지에서계측된평균값 이다 와같이용접이진행됨에따라용접부의 구속력은증가하며 용접부의구속도에비례하여증가 한다 그리고용접부가완전히상온으로냉각된후용 접부에최종적으로잔류하는구속응력에대한실험및 해석결과가비교적잘일치하고있음을알수있다 4. 결론 유한요소해석을이용하여다층 맞대기용접부 의잔류응력거동평가에대한타당성을검토하기위 한연구를수행하고다음과같은결론을얻었다 의용접강도위원회에서규정한용접부온 도분포해석규약을따른다층 맞대기용접부의 온도분포해석결과는실험결과와잘일치하였다 용착금속의융점이상의영역에서소성변형률의 리셋팅 그리고 모재와용착금속을이동경 화연속체로가정하고유한요소해석을이용한잔류응력 분포와평균구속력의크기는 와 축스트레인게 이지를이용한계측결과와비교적잘일치하였다 다층맞대기용접부에서구속도의크기가증가함 에따라용접부에작용하는최대잔류응력의크기에미 치는영향은미미한반면에용접부의전영역에걸쳐 작용하는평균잔류응력즉 구속응력의크기는용접 부의구속도에비례하여증가하였다
신상범 이동주 박동환 참고문헌