38 연구논문 이주성 *, 김철호 ** * 울산대학교조선해양공학부 ** STX조선조선해양연구소 On the Fillet Weld-Induced Deformation Control by Applying the Tensioning Method Joo-Sung Lee*, and Cheul-Ho Kim** *School of Naval Architecture and Ocean Engineering, University of Ulsan, Ulsan, 680-749, Korea **Shipbuilding & Ocean Research Institute, STX Shipbuilding, Changwon, 641-839, Korea Corresponding author : jslee2@ulsan.ac.kr (Received December 2, 2008 ; Revised March 16, 2009 ; Accepted June 19, 2009) Abstract As it has been well appreciated, the weld-induced deformation control is one of the most important issues from view point of efficiency in ship production. The weld-induced deformation is more serious in the case of thin plate block than in the case of relatively thick plate block, since, for example, heat affect zone of thin plates is wider than that of thick plates for the same heat input. Among weld-induced deformation, buckling deformation due to shrinkage and residual stress in weld line direction is one of the most serious deformation type. This paper is concerned with the controling the buckling deformation of thin plate fillet weld by applying the tensioning method. Weld experiments have been carried out for specimens with varying the magnitude and direction of tension load. The results are graphically represented to show the effect of tensioning method upon reducing the weld-induced deformation. From the present findings, its has been seen that tensioning method is one of the useful ways to control the weld-induced deformation of fillet weld of thin plates. Key Words : Buckling deformation, Buckling mode, Residual stress, Tension load, Tensioning method, Thin plate, Fillet weld, Weld-induced deformation 1. 서론 선박의건조에있어서용접변형은필연적으로발생하게되지만, 생산성향상을위해용접변형의발생량을가능한낮은수준이되도록제어해야하는중요성은이미잘인식되어져있다. 최근선체중량의경량화를위해박판의사용비율이증가하고있으며, 특히여객선과같이다수의갑판을갖는선박에서는상당량의박판이사용되고있다. 박판은열전달특성상용접시입열량이동일하다면후판보다열영향부의폭이넓고또한내적및외적구속에더민감하기때문에상대적으로많은변형이발생한다 1-4). 용접시발생하는변형의형태중에서 박판의경우에는, 용접이완료된후용접선방향으로의종수축과압축잔류응력으로인한좌굴변형 (Buckling deformation) 이특히빈번하게발생하고있다. 이러한좌굴변형은구조적강도저하와외관상의불량은물론이고, 조립단계이후의공정에서발생되는추가적인변형과이를바로잡기위한과도한곡직작업으로인해잔류되는초기응력은구조강도저하에추가적인원인을제공하며, 변형교정작업에많은시간이추가로투입해야하는등생산성저하의주된원인으로작용하고있다. 이러한이유로발생된변형을교정하는작업이전체블록제작시간중상당부분을차지하고있는실정이다. 용접변형의교정측면에서보면실제의용접구조물에있어서용접조건특히, 입열량의크기에따른온도분포 382 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
39 특성에의해서변형의정도가다르기때문에변형형상과그양을해석적인방법으로예측하는것은매우어렵다. 실제현장에서는작업자의경험에의해서변형을예상하고, 조립작업이전에변형방지대책을마련하여시행하는것이대부분이다. 따라서용접변형을교정하는기술보다는용접변형자체를조립단계이전에서제어하는기술이필요하다 5,6). 본논문에서는박판용접시좌굴변형을제어하기위해장력법 (Tensioning method) 를적용한연구로서, 필릿용접시발생되는변형의감소에주는정량적인효과를다루었다. 신상범과이동주 7) 는박판용접부의좌굴변형제어를위해용접으로인한수축하중을감소시키거나열또는기계적인하중을작용시켜서수축현상을이완시키는제어방안을제시한바있다. 장력법은용접변형을감소시킬목적으로용접선방향이나용접선에법선방향으로인위적인인장력을작용시키는변형제어방법의일종으로서, 최근맞대기용접이나필릿용접에적용하여변형감소에상당한효과가있다는것을실험적으로또는수치해석적으로이미검증한바있다 8,9). 허주호와김상일 8) 은평블록조립시장력법을적용하였을때횡각변형등의감소에주는영향을실험과수치해석을통해다룬바있고, 이주성과김철호 9) 는박판의맞대기용접에장력법을적용하여변형량과잔류응력의감소에상당한효과가있다는것을실험을통해보인바있다. 전술한바와같이본논문에서는장력법을박판의필릿용접에적용하였을때발생되는용접변형의제어에어느정도의효과가있는지를분석하는것을주된내용으로다루고있다. 인위적으로작용시키는인장력의크기가변형감소에주는정량적인영향을파악하기위해인장력의크기와방향그리고판의두께를변화시킨다수의시편에대한필릿용접실험을수행하였다. 실험의결과로서장력의크기와방향이좌굴변형의감소에주는영향을분석하여정리하였다. 본연구의결과에의하면장력을용접선방향으로작용시킨경우장력의크기에따라 6~60% 정도의변형감소효과가있으며, 용접선에법선방향으로작용시킨경우에는 20~60% 정도의변형감소효과가있다는것을알수있었다. 또한입열량이적은경우보다입열량이많은경우에변형감소효과가더크다는점을알수있었다. 2. 필릿용접실험 본절에서는본연구의필릿용접실험을위한시편모델과용접조건및실험방법그리고실험결과를기술하 였다. 실험 1은보강재가하나인경우로서박판용접시좌굴변형을, 그리고실험 2는보강재가두개인경우로서각변형의감소에장력법이어느정도효과가있는지를알아보기위한것이다. 2.1 실험시편과실험조건 2.1.1 실험 1의시편과실험조건본용접실험을위한시편은 Fig. 1에보인바와같이판의중앙에보강재가하나부착된것으로서보강재와판의접합부좌우를동시에필릿용접을하였다. 시편의길이와폭은 400 300mm로같고, 두께는 4, 5 와 6mm인세종류이다. 절단으로인한초기변형을최소화하기위해모든시편은플라즈마절단으로제작하였다. 재료는공칭항복응력이 235 MPa인연강이다. 시편의크기와용접조건등실험조건들을 Table 1에정리하였다. 보강재의크기는길이 높이 = 400 60 mm이고두께는판의두께와같게하였다. 용접기로는 CO 2 자동용접기를사용하였으며, 용접전류와용접전압은모든시편에대해같은값을사용하였다. 용접속도는두께 4mm 인경우에는 300mm/min 그리고 5mm 와 6mm인경우에는각각 200mm/min 와 300mm/min 인두가지경우에대해실험을수행하여입열량의변화에대한변형감소의변화를파악할수있도록설정하였다. 장력은용접선방향 ( 보강재방향 ) 또는용접선에법선방향 ( 보강재에법선방향 ) 으로작용시킨상태에서용접을수행하였다. 60mm Weld line 400mm Fig. 1 Specimen model for welding test 1 300mm Table 1 Specimen size and test condition for test 1 Plate thickness(mm) 4 5 6 Size of stiffener L D t (mm) 400 60 4 400 60 5 400 60 6 Current I (A) 150 150 150 Voltage V (V) 21 21 21 Speed v (mm/min) 300 200, 300 200, 300 Tensile stress (MPa) weld direction normal to weld line 0, 10, 25 0, 10, 25 0, 10, 25 0, 15 0, 15 0, 15 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 383
40 이주성 김철호 Table 1에서는장력자체의크기가아닌장력을그작용방향에대한단면적으로나눈평균응력으로서 Tensile stress 로표시하였다. 예로서 weld direction 으로 1라함은보강재단면적을제외한판재에작용하는평균인장응력이 1가되도록장력을작용시켰음을의미한다. 따라서본용접실험에서는 두께-속도 로구분해서 4t-300, 5t-200, 5-300, 6t-200, 6t-300인다섯가지경우각각에대해장력이없는경우즉, 평균인장응력이 인경우, 평균인장응력이각각 10과 25 MPa이발생되도록용접선방향으로의장력을작용시킨경우그리고평균인장응력이 15 MPa이발생되도록용접선에법선방향으로의장력을작용시킨네가지로서총 20개시편에대해실험을수행하였다. Plate Tap piece Tensioning load monitor Tensioning load controller (a) Tension load in the weld direction Tensioning load controller 2.1.2 실험 2의시편과실험조건시편의길이와폭은 800 400mm이고, 두께는 6과 8mm인두종류이다. 재료는공칭항복응력이 235 MPa인 Grade A 연강이다. 용접프로세스는 CO 2 용접이고용접조건및장력에의한인장응력등실험조건을 Table 2에열거하였다. 보강재의크기는길이 높이 = 400 130 mm이고두께는판의두께와같다. 장력은용접선에법선방향 ( 보강재에법선방향 ) 으로작용시킨상태에서용접을수행하였다. Table 1에서와마찬가지로장력자체의크기가아닌장력을그작용방향에대한단면적으로나눈평균응력으로표시하였다. 200mm 130 800mm 200mm 용접선 Fig. 2 Specimen model for welding test 2 Table 2 Specimen size and test condition for test 2 Plate thickness(mm) 6 8 Size of specimen 800 400 800 400 Steel grade A A Current I (A) 290 270 Voltage V (V) 29 27 Speed v (mm/min) 400 360 Tensile stress normal to weld line (MPa) 400mm 0, 12.2, 24.5 0, 9.2, 18.4 (b) Tension load in the normal direction to weld line Fig. 3 Arrangement of experiment apparatus for test 1 2.2 실험방법 Fig. 3에시편과실험장치의배치도를보였다. Fig. 3(a) 는용접선방향즉, 보강재가놓인방향으로장력을준상태에서실험하는경우인데, 보강재양끝단부의판재에 Tap piece를부착하고좌측단은고정시키고우측단에서장력을가한상태에서필릿용접을하는경우이다. 장력은체인블록을사용하여하중지시계 (Load indicator) 에계획된크기가될때까지작용시킬수있다. Fig. 3(b) 는용접선에법선방향으로장력을주는경우인데, 용접선즉, 보강재가놓인방향으로의단면을따라가능한균일한응력이발생하도록하기위해보강재를중심으로대칭되는두곳에서하중이작용하도록하였다. 좌측단은 Fig. 3(a) 와마찬가지로고정단이다. Fig. 4와 5는실험시편, 자동용접기등용접준비가완료된장면을보여준다. 용접으로인한변형량은시편에미리표시한격자점들 (Grid points) 에서의수직변위를용접전후에디지털계이지로측정하여구하였다. 3 실험결과및검토 3.1 실험 1 장력의크기와방향에따른변형형상의변화를판 384 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
41 t=(v=300mm/min) t=5.0(v=200mm/min) t=5.0(v=300mm/min) t=6.0(v=200mm/min) t=6.0(v=300mm/min) Fig. 4 Arranged apparatus for test 1 0 5 10 15 20 25 30 Tensile stress(mpa) Fig. 7 Change of maximum deflection to tensile stress : tensile load in weld direction Fig. 5 Arranged apparatus for test 2 인위적으로작용시킨인장응력에대해거의선형적으로감소하는것을볼수있다. 절대적인크기로비교하자면판두께가얇을수록그효과가크다는것을볼수있다. Fig. 8은같은결과를입열량에따른장력법적용의효과를보인것인데, 여기에서횡축의입열량계수 (Heat input parameter) 는 (a) tensile stress= (b) tensile stress=1 (1) 로정의된것이다. Q는유효입열량으로서아래의식 (2) 와같이정의된다. (c) tensile stress=25 MPa (d) tensile stress=15 MPa (normal to weld line) Fig. 6 Deformed shape to magnitude and direction of tensile stress 두께는 t=5mm 이고용접속도는 200mm/min인경우에대해 Fig. 6에보였다. Fig. 6에서보듯이변형형상은모두같지만장력을작용시킨경우변형의크기가감소하는데, 그효과는용접선의법선방향으로장력을작용시킨경우보다는용접선방향으로작용시킨경우에보다크다는것을볼수있다. 장력의크기와방향이필릿용접시변형에주는정량적인영향을보이기위해 Fig. 7과 8에서는용접선방향으로장력을작용시킨경우그리고 Fig. 9와 10에서는용접선에법선방향으로장력을작용시킨경우발생된최대변형량을비교하였다. Fig. 7은용접선방향으로장력을작용시킨경우와그렇지않은경우최대변형량을비교한것인데, 횡축은장력으로인한평균인장응력이고종축은최대변형량을판두께로무차원화시킨것을나타낸다. 최대변형량이 Fig. 8에서보듯이입열량이클수록장력법의효과가두드러짐을알수있다. 용접선에법선방향으로장력을작용시킨경우, 동일한표현방법으로결과를표시한것이 Fig. 9와 10과같다. 본실험에서용접선에법선방향으로장력의크기변화 1 25 MPa 6.0 8.0 1 Heat input parameter Fig. 8 Change of maximum deflection to heat input parameter : tensile load in weld direction (2) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 385
42 이주성 김철호 Table 3 Normalized maximum deflection to magnitude and direction of tensile stress t=(v=300mm/min) t=5.0(v=200mm/min) t=5.0(v=300mm/min) t=6.0(v=200mm/min) t=6.0(v=300mm/min) 0 5 10 15 20 Tensile stress(mpa) Fig. 9 Change of maximum deflection to tensile stress : tensile load in the normal direction to weld line T15 MPa 6.0 8.0 1 Heat input parameter Fig. 10 Change of maximum deflection to heat input parameter : tensile load in the normal direction to weld line 에대한실험을수행하지않았기때문에장력의크기에따른변형감소의효과에대해구체적으로분석할수는없으나용접선방향으로장력을작용시킨경우와유사한양상을보일것으로예상된다. Fig. 8과 10으로부터장력의작용방향과관계없이입열량계수가큰범위에서장력법의효과가크다는것을알수있다. 본실험을통해얻은장력의크기와방향이최대변형량의변화에주는효과를보이기위해장력법을적용하지않는경우즉, 인장응력이 인경우의최대변형량에대해장력법을적용한경우의최대변형량을무차원화시켜최대변형량의감소의정도를 Table 3에정리하였다. 본연구의실험에의하면용접선방향으로공칭항복응력의약 4.3% 수준에달하는인장응력을작용시켰을때, 판의두께와용접속도에따라최대변형량이약 6~27% 정도감소하며, 공칭항복응력의약 10% 수준의장력을작용시킨경우에는약 20~60% 의정도감소되었다. 용접선에법선방향으로장력 Tension in normal to thickness- Tension in weld direction weld direction weld speed 1 25 MPa 15 MPa t4-300 0.938 0.808 0.856 t5-200 0.729 0.337 96 t5-300 0.899 0.607 0.807 t6-200 0.862 91 0.664 t6-300 0.886 0.635 0.853 을작용시키는경우, 변형량감소에주는영향은용접선방향으로인장력을작용시키는경우보다상대적으로적지만공칭항복응력의 6.5% 수준에해당되는응력을발생시키는장력을가할경우최소 15% 이상의변형감소효과가있다는것을볼수있다. 3.2 실험 2 본실험은보강재가두개인모델에대한것으로서인위적으로작용시키는인장력이좌굴변형보다는횡각변형의감소에주는영향을보고자하는것이주된목적이다. Fig. 11에는두께별로인장응력의크기에따른변형형상의변화를표시하였고, 인장력에의한인장응력의크기에대한횡각변형량의변화를 Fig. 12에표시하였다. 보는바와같이본인위적으로작용시킨인장력이횡각변형량의감소에상당히효과적이며, 판두께 t=6과 8mm 모두가비슷한감소경향을보이고있음을알수있다. 횡각변형량의감소와인위적인장력에의한인장응력사이의관계를 Fig. 13에보였다. 횡축은인장응력을시편재료의공칭항복응력으로무차원화시킨것이 Deflection (mm) Deflection (mm) 10 8 6 4 2 0 10 8 6 4 2 0 1 MPa 24.5 MPa 0 100 200 300 400 500 600 700 800 y(mm) (a) t = 6mm 9.2 MPa 18.4 MPa 0 100 200 300 400 500 600 700 800 y(mm) (b) t =8mm Fig. 11 Deformed shape to change in tensile stress 386 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
43 Angular distortion (rad) 5 4 3 2 1 t=6mm t=8mm 0 0 5 10 15 20 25 30 Tensile stress(mpa) Fig. 12 Angular distortion to change in tensile stress Relative angular distortion Fig. 13 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 4 6 8 0.10 0.12 Tensile stress/yield stress t=6mm t=8mm Relative angular distortion to change in tensile stress 고종축은인장력을작용시키지않는경우에대한각변형량의상대적인비율이다. 본실험결과에의하면항복응력의약 4~10% 에상당하는인장응력을작용시켜도각변형량이약 30~60% 정도의감소효과를얻을수있다는점을보여주며, 공칭항복응력의 10% 수준을넘어서는경우에는그감소의기울기가적어짐을예상할수있다. 4. 결론 본논문에서는장력법이박판의필릿용접시발생되는용접변형의감소에주는효과를분석하기위해보강재가하나인경우 ( 실험 1) 와두개인경우 ( 실험 2) 인시편모델에대해장력의크기와방향에따른필릿용접실험을수행하였다. 본연구의실험결과에의하면변형량의감소수준은인장력에의한인장응력의크기와방향에따라달라지는데, 실험 1의결과로부터비교적박판의경우용접선방향으로장력을작용시키면용 실험 2 의결과로부터, 횡각변형즉, 용접선에법선방향 으로의굽힘변형은용접선의법선방향으로장력을작용시키면상당한제어효과가있다는것을확인하였다. 본연구의실험에의하면용접선방향또는그에법선방향으로인위적인장력에의한인장응력이공칭항복응력의 10% 수준으로작용시키면좌굴변형과횡각변형의제어에최적이라고판단된다. 그러나보다최적의장력수준은추가적인실험을통해확인해야하며또한실제현장에적용시생산성측면에서그적용가능성을검토해야할것이다. 참고문헌 1. S.I. Kim : A Study on the Analysis of Welding Distortion for Moon Pool Structure of FPSO Vessel, Journal of Ocean Engineering and Technology, 17-3(2003), 27-32 (in Korean) 2. D.H. Shin, S.B. Shin and J.S. Lee : A Study on the Prediction of Welding Distortion and Residual Stress for Channel I Butt SA Weldment using FE Analysis, Proceedings of the Korean Society of Ocean Engineers Autumn Meeting (2006), 189-192 (in Korean) 3. C.D. Chang and S.I. Seo : Calculation of Residual Stresses by Thermal Elasto-Plastic Analys s, Journal of the Korean Welding & Joining Society, 6-4 (1988), 35-43 (in Korean) 4. Masubuchi, K. : Analysis of Welded Structures, Pergamon Press, Oxford, 1980 5. S.I. Kim, Y.K. Cho and S.W. Park : Development of Welding Deformation Control Method for Thin Panel Block Structure, Proceeding of the Korean Welding & Joining Society Spring Meeting, 1(2001), 153-156 (in Korean) 6. J.S. Lee : A Study on the Accuracy Control of Panel Blocks, Journal of Ocean Engineering and Technology, 18-1(2004), 35-40 (in Korean) 7. S.B. Shin and D.J. Lee : A Study on the Control of Buckling Distortion of the Thin Panel Structure, Proceeding of the Korean Welding & Joining Society Special Meeting, 1(2003), 287-289 (in Korean) 8. J.H. Heo and S.I. Kim : Development of Welding Distortion Control Method for Thin panel Block Structure(I), Journal of the Korean Welding & Joining Society, 21-4 (2003), 75-79 (in Korean) 9. J.S. Lee and C.H. Kim : On the Deformation Control of Ship's Thin Plate Block by Applying the Tensioning Method, Journal of Ocean Engineering and Technology, 20-3 (2006), 103-108 (in Korean) 접변형량감소에보다효과적임을알수있었다. 한편 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 387