연구논문 하윤석 양진혁 삼성중공업산업기술연구소용접연구 Development of Distortion Analysis Method for Multi-pass Butt-welding Based on Shell Element Yunsok Ha*, and Jinhyuk Yang* *Welding Research Part, Institute of Industrial Technology, SHI, Geoje 656-710, Korea Corresponding author : yunsok.ha@samsung.com (Received August 18, 009 ; Revised October 6, 009 ; Accepted December 16, 009) Abstract Ship Blocks are assembled by welding, and among them, welding between large blocks (Pre-erection stage) is used as feature of butt. In this process, local material has a experience of thermal cycle and become finally shrunk. As for inconsistency of shrunk weldments and adjacent regions, ship structure would be deformed locally and globally. Thermal distortion analyses are done for control of these processes, and methodologies capable of ship block size among them are using -D shell element in FEM. A shell element takes charge of plate, so it has its thickness which is important for angular distortion by welding. By the way, a butt-welding consists normally of several passes, and weldment thickness are different at each pass. If a calculated final one-time welding shrinkage is acting on the shell element whose thickness is same as it of plate, then deformation value must be underestimated. This research developed a methodology that total deformation after multi-pass welding can be analyzed by one time at shell element having original thickness of its plate. We use the SDB thermal distortion analysis method and verified by several experiment. The both experimental and analysis results showed good agreements. Key Words : Ship block, Thermal distortion, FEM, Mutlti-pass, Butt welding, Shell element, Plate thickness, SDB, Angular distortion 1. 서론 선박건조시내업의용접형태의특징이필릿 이라고한다면 블록간용접이이루어지는외업에대하 여는맞대기 용접이특징이다 용접이라는작업 이항상열변형을수반하기때문에비교적작은크기로 모델링이가능한내업생산품에대하여는정도제어의 방법으로열변형해석이수행되어왔다 그런데현재 선체블록급에해당하는모델에대해서도용접변형해석을위한모델링전산화 및해석의신속화 가어느 때보다도빠르게이루어지고있어서외업의정도제어에 도용접변형해석의결과들이큰역할을하고있다 이 를가능하게하는몇가지방법론중의하나가유한요소 해석내에서선체구조물의모델링에쉘 요소를사용하는것인데 선체가대부분후판으로이루어진다고하더라도그두께는판폭이나판장에비해일반적으로 이하이므로 차원요소를선택했다는것이공학적인큰무리로이어지지는않는다 열변형해석시쉽고도신속한모델링에대한인프라가갖추어지면 이제용접부를구성하는절점에어떠한방식으로입열후의수축을모사할것인지에대한경계조건을연구하여야한다 그런데외업에적용되는맞대기용접의경우특수한소수의사례를빼면판이얇은경우라고하더라도최소 패스이상의다층으로이루어진다 일반적으로동일한두께라도용접자세에따라표
준작업시패스수는두배이상의차이를보일수있고그차이는변형의차이를만든다는것이경험적으로알려져있다 즉 채워넣는비드량은동일하지만한패스에만들어지는비드단면적의넓이차이에의하여변형이달라지는것이고 이는잘게여러번용접할수록재료품질면에서좋아지는것과반비례하여변형측면에서는그양이커지는것으로알려져있다 특히그러한변형량변화의특징은용접선에수직한방향으로의굽힘변형에서가장크게발현된다는것이경험적으로알려져있으나 현재쉘요소를이용하여맞대기를해석하는방법론은비드의단면기하정보만을이용하므로패스수에대한반영을해주지못하고있다 이경우대략적인평균변형량을도출하는것이아니라 무의미하게도전비드영역을 패스로용접하는것으로가정된상황에서의변형량이도출된다 쉘요소는두께방향으로는차원이없고단지상수의두께정보만을갖고있다 다층용접의경우 특정패스의용접이끝났을때그용접에대한변형은용접부에누적된그단계까지의두께에의해서결정된다 그런데판의굽힘강성은두께의세제곱에해당하므로용접수축을담당하는비드는층방향으로의각영역이굽힘에있어서매우다른조건에서그역할을담당하고있다 그러나해석에서이를담당하는쉘요소는용접이완료된후의두께와비슷하다고할수있는인접판의두께를속성으로지니고있으므로 비드형상으로부터추출된해석의입력인자는평균적으로자신이굽힘에역할을담당했던조건보다매우강성이커진상태에서해석이이루어지게된다 본연구는쉘요소를사용하여대형화된모델링에서이부분에대한해석이합리적으로이루어지도록해석의입력인자가패스수를반영하여설계되도록고안하였다 이렇게굽힘량이나오도록설계하는과정에서수축이과장되지않게하는부분역시배려되었으며 실험으로는정성적경향을확인하기위한동일두께패스수변경실험과 정량적정확성을판단하기위하여 후판처럼 여패스가필요한맞대기용접에대하여해석과실험을병행하였다. 변형도경계법 N.A. Imaginary Temperature [T top T bottom ] [0 0] Welded structure 계수가매우큰관계로유한요소해석의변형값은유사 하게도출된다 본연구에서는최근에상변태및재료 하드닝을반영하여정밀하게계산되고있는고유변형도 를바탕으로하며입력하중을스칼라로받아내적 수축에의한응력장의도출도가능한변형도직접경계 법 를사용하여 제시한문제를해결 하려고한다 길이방향으로용접부가일정하다고가정하였을때 이해석법의입력인자는 과관련하여식 과 같다 고유변형도는가상의물성치 열팽창계수 로대입 되어있다 여기에쉘요소절점에대하여상용코드가 지원하는상 하로다른온도의경계조건을활용하면 식 의평균값은용접부의수축을 그차이는굽힘을 모사 하게된다 용접부인근절점에는역시가상의온 도의 도가부여되어열영향부의범위를설정하므로 본해석법은요소분할단계에서열영향부를미리고려 하여야한다 쉘요소를사용하여구조물의용접변형을평가하는방법은긴역사를가진등가하중법 이가장대표적이다 등가하중법은용접부의수축을모사하기위한수축력을결정하기위하여 고유변형도를사용하거나실험에서구한총변형도를적분한다 비구속시편상태에서는두변형도가동일하고 구속상태라고하더라도강의탄성 3. 다층용접용가상온도정식화 3.1 굽힘변형 본연구에서는맞대기다층용접의단면을 와같이이상화하였다 개선각으로인하여실제로는다층
하윤석 양진혁 용접의마지막으로갈수록한패스가한층을모두담 당할수는없는등용접과정을이상화하는것은쉽지 않으나 여기서는다음과같은가정들이사용되었다 각패스는모두동일한단면적 을갖는다 모든패스는층방향으로쌓여나간다 각패스가만들어내는 의면적은무시된다 그 러나비드의덧살 은고려한다 덧살부로인한굽힘은국부적인비드높이가아닌 판두께의높이에해당하는강성의지배를받는다 이종판두께의결합은두꺼운쪽이챔퍼링 되었다고가정하여얇은쪽을기준으로계산 한다 패스별층간온도차이가유발하는내부의잔류응력 에기인한변형차는무시한다 에서와같이 번째패스가진행되었을때에는 두판의굽힘변형을진행하는두께인자는 이고폭은 이다 용접전비드공간의기하학적정보만으로 번 째패스후의비드폭과두께정보는사다리꼴넓이공 식으로부터 차방정식의해로식 와같이도출할 수있다 tan tan tan tan tan tan tan tan 받는덧살부와자체비드두께의강성지배를받는일반 비드부를분리하기위하여 다시내부비드공간을채 우기직전까지의패스수를 으로두면 패스는 식 와같이해석용가상온도를구할수있다 이 때 식 의 에해당하는부분은수축을담당하는부 분인데 단계별로과장된굽힘으로부터도출된가상온 도를수축에도그대로적용할필요는없다 따라서 식 에서는일단 으로두고다음절에서이부분을완 성할것이다 패스이후부분에대해서는판두께요인은동일 하다고하더라도 깊이방향으로의폭함수 를 과같이선형구간과원형구간 으로나누어기술되어 야한다 따라서총합을구하기위한단계별표현은무 의미하지만 함수의특성에따른두항으로나누 어진적분계산이필요하다 가상의상부온도및하부 온도를벡터로표현하고복호는순서대로상 하를지칭 한다고하면 식 에서제외된덧살이포함된부분의 굽힘을맞추기위한가상온도는식 와같다 식 는기준분모 가변하지않는상태이므로 식 의지배를받지않는다 이제최종두께에서변형을맞추기위하여각패스의용접이실시된이후그두께에대하여가상의온도쌍을구하고 이값을식 과같은상사의과정만거쳐서최종적으로는판두께로이루어진모델링에적용시킨다 식 의경우 맞대기용접간루트갭이없는경우에는내부의어떤패스직후라도닮은삼각형이되어계산결과가 이된다 최종패스수를 이라고하고 판두께의강성지배를 Ellipsoidal b(z) 1 st polynomial b(z) m+1~n pass 1~m pass
13mm 60 300mm 5mm 이제식 와식 를더하면식 과같고 굽 힘에만관심이있는경우는식 을 해석에그 대로사용하여도무방하다 용접단면기하정보및용 접재의물성정보가동일할때 굽힘량의크기는식 의두원소간차이인식 에비례하며 같은영역을 몇 패스로나누어서용접하느냐에따라이값은수십 배까지도차이를보일수있다 3. 수축변형 용접부의수축에저항하는인자는굽힘의판두께인 자처럼초기패스의수축이최후의수축량에지배적인 결과를주는것이아니라 단지그두께에비례하여줄 어들어간다 각패스별로의해당두께에서의적분은 불필요하며 마치단일패스의용접처럼한번만계산하 면된다 해석의가상의온도쌍은평균값이수축 을가리키므로 최종완성된형태의온도쌍은식 과 같이수축량위주로계산된형태에식 의원소간차 이의절반을각기더하고 용접면 빼준 용접이면 값 이된다 4.1 정성적평가 ± 4. 실험을통한검증 본연구의주안점은같은단면기하를가진용접부라 도패스수에의해다른변형을보이는것을쉘요소를 사용한유한요소해석으로모사해내는것이다 수축량은 다층으로이루어진다는것의영향을크게받지않기때 문에결국본연구의핵심은식 을검증받는것에 있다 이를위하여용접재나해석법의정도등의영향 을받지않고순수하게패스수조절에의한변형비율 7 pass(9mm) 3 pass(10mm) Δ Δ 을파악하기위하여 와같은실험이기획되었다 두스테인리스강 의시편은동일한단면에동 일한용접재 로패스수의차이만두어용접 되었고 많은패스수로작업된시편에대하여적은패 스수로작업된시편의굽힘량의결과를 내의 사진및 에정리하였다 굽힘량을평가하기위 한실험이므로 최종변형된용접구조물을엎어서처짐 량을구하여비교대상인굽힘량으로삼았다 서로다른두총패스수에의한같은용접구조물은 해석에들어갈입력인자의비가실험과거의동일한수 치로계산된것을확인할수있다 또한서로간 배에 달하는실험값의차이로부터총패스수에대한변형량 의차이는재료나입열량등그어떤전통적인인자보 다월등히중요한요인이라는것을확인할수있다 4. 정량적평가 이제본연구에서제시한방법론이해석을통해정량 적인부분을얼마나만족시키는지도확인하기위하여 새로운실험이기획되었다 변형량수치가나오는과정 은해석법자체의정도및용접재의불균질성등정도
하윤석 양진혁.34m 1.10m 3 36 [V groove] [bevel groove] 6mm 6mm 0 - -4-6 -8-10 -1 0-600 -400-00 0 00 400 600-600 -400-00 0 00 400 600 0 - -4-6 -8-10 10 8 6 4-1 0-600 -400-00 0 00 400 600-600 -400-00 0 00 400 600 10 8 6 4 를절대비교하기에어려운요인이많다 하지만많은 수의패스에서변형량이매우커지고있는것을정성적 평가에서확인한바 패스에육박하는후판에서는외 부노이즈들의영향이상대적으로작아질것이라고가 정하고 실험과해석을병행하였다 준비된시편 은 의 강재두쌍 개선 개선 이며 그에사용된용접재 에준한고유변형도계 산이선행되었다 시편처짐의해석결과는양단탭피스의효과로중앙 부에서가장크고 따라서 의각개선별용접후 용접선길이방향에대한굽힘변형량의가장큰값이 중앙부가된다 이값을용접전역세팅량과더하게되 면실험의최종변위가된다 또한실험의초기세팅시 극후판인시편이뒤틀림에민감할것에대비하여 이상의용접이진행될때까지폭방향양단에정반과가 접 을하였다가제거하였다 따라서최종계측된 계측값은실제아무저항이없는상태 에서는 부등호로표시 에비해저평가된값이다 의결과 는 로정리되었다 예를들어 의 개 선실험계측값 는 의사전역세팅량 와최종중앙부변형량 의합이다 의해석결과를보면 다층용접에대한본방법론을변 형도경계법에적용하기전인기존의단일패스용접으 로가정하여해석한결과는매우적은변형량을도출하 고있다 가장좌측열의해석결과는본연구에 서제안한방법으로해석한결과이다 이값은변형량의 가실험계측값과유사할뿐아니라 그편차가큰 쪽에서나타나고있는것은앞서기술한정반과의가접 을고려하면합당하다고할수있다 5. 사례연구 선체블록을구성하는주판이후판인경우 혹은합판 과정에서판을뒤집기어려운특수한경우에대하여 개선의잠호용접 이포기되고 개선으로 가수행될수있다 이경우강성이갖춰지지못한주 판에두께에비대칭인 개선의용접은과도한면외변 형을일으키게된다 이를해결하는방법으로용접을 약 패스만수행하고 주판용접선에스캘럽된횡부재의 필릿용접으로선체블록의강성이만들어진후 나머지 비드를용접하는것을생각할수있다 이때 블록이형성된후잔여패스에의한용접변형 을미리예측할수있다면 교정에대한작업효율에따 라전 후패스수의비율을사전에합리적으로선정할 수있을것이다 은 주판에대하여잔여 패스 총 패스예상이되는비드공간에서 패스까지 용접이이루어진상황 를남겨둔상황의단면모식도 이다 이단면을기준으로 기존에용접된부분은이미 교정되어다음공정으로진행된것으로가정하면식 을식 와같이 패스이후부분만을계산하여 블록모델링에반영할수있다
5mm reinforcement (expected) Weld material : DW100KS Symm. Left 17pass expected - to be analyzed - 이에 동일비드홈에대해서도패스수를어떻게분할하느냐에따라서최종변형이달라질수있는현상을해석적으로보일수있게하였다 본방법론을통한분석결과들은정성적 정량적인부분에서비교실험을통하여좋은일치를보였다 후판외판을포함한블록의 부분의변형제어과정에본방법론을활용한부분을소개하였다 후 기 6mm height expected In case that 4pass welding 5mm Standard gap 본연구의내용은 춘계대한용접접합학회학술발표회에서공개되었고 이에당시의토의내용등을참고로하여보완되었다 참고문헌 에잔여패스에대한블록변형결과를보였다 사후에교정하기에부담스러울정도의변형이라고판단 이된다면 내부재조립전의용접패스수를더늘리는 결정이가능할것이다 6. 결론 본연구에서얻어진주요한결론은다음과같다 대형쉘구조물의열변형해석법에특화된변형도 경계법을근간으로하여 맞대기다층용접의수축및 굽힘변형을해석할수있는적정입력값의설계를하 였다 C