17 특집 : 용접산업의시뮬레이션기법활용 외력이작용하는용접구조물에용접잔류응력이미치는영향 Influence of Welding Residual Stress on the Externally Loaded Welded Structure Hee-Seon Bang, Chang-Soo Park, Chan-Seung Ro, Chong-In Oh and Han-Sur Bang 1. 서론 자동차, 조선, 항공, 철도, 토목, 건축, 기계등용접구조물에대한신뢰성확보및최적설계구현을위하여수치해석및실험을통한많은연구가이루어지고있다. 그러나현재용접구조물에대한외력해석에있어서용접으로인하여필연적으로수반되는제반현상, 즉용접잔류응력에대한효과를고려하지않거나또는용접잔류응력값을이상화하여구조물에적용하고외력해석을실시하고있는실정으로, 용접구조물의안전성에직접적으로영향을미치는인자인용접잔류응력을고려하여해석한사례는거의찾아볼수없다. 따라서, 본보고에서는용접구조물의실제제반현상을고려한최적용접설계및용접강도해석을위하여먼저수치해석에의한용접부의열및역학적특성을파악하고, 아울러용접구조물의신뢰성을향상시키기위하여용접잔류응력해석결과를상용프로그램에적용하여실용접구조물에대한외력구조해석시용접시공시에발생하는초기결함, 즉용접잔류응력이용접구조물강도에미치는영향을고찰하고자한다. 수있었다. 상기의이러한자체개발한프로그램의데이터작성및원활한상용의전후처리기와데이터호환작업개요의흐름을 Fig. 1에나타내었다. 먼저 MSC.PATRAN 에서작성된모델을개발된열전도및열탄소성프로그램에적용하기위하여 PATRAN 과개발된프로그램사이에인터페이스가될수있도록 PATRAN Command Language(PCL) 을사용하여 3가지 PCL 프로그램을작성하였다. 첫번째 WELD.pcl 은 Nodal coordinate 와 Element connectivity를 PATRAN 에서개발된열전도및열탄소성프로그램에전송되고두번째 BC.pcl 은 Surface 2. 외력에의한용접잔류응력평가 용접잔류응력을고려한외력해석을수행하기위해먼저해석모델의작성과이에따른요소형상관련데이터의작성은 MSC사의 PATRAN 을이용하여작성하고, 여기에서작성된모델데이터값은개발된열전도및열탄소성프로그램해석에사용하였다. 그리고열해석과열탄소성해석후에얻은용접잔류응력해석결과값들은상용프로그램 ANSYS 에초기응력 (initial stress) 으로적용되고상용프로그램 ANSYS 에서추가적인외력에대한구조해석을수행하였다. 따라서용접잔류응력성분이초기응력으로작용하고외력 ( 인장력, 압축력, 굽힘력 ) 이작용시용접구조물의잔류응력의재분포특성을확인할 Fig. 1 Schematic diagram for externally loaded welded s tructure analysis 大韓熔接 接合學會誌第 2 卷第 6 號, 27 年 12 月 71
18 element를보내는데사용된다. 마지막으로 MODEL.pcl 은외력을포함하여상용프로그램 ANSYS 에결과값을 Export 하는데사용된다. 또한상용프로그램 ANSYS 에해석모델은 PATRAN 으로부터전송된해석모델파일을사용하고, ANSYS 에열탄소성프로그램해석에서얻어진용접잔류응력을초기응력 (initial stress), 즉 Input 파일 (Istress.ist) 로입력하여 ISTRESS Commond을사용하는요소평균값으로서 ANSYS 의요소에적용하였다. 3. 용접잔류응력해석 3.1 열분포해석 외력해석을하기위해앞서먼저용접열원의효과를고려한비정상열전도및열탄소성이론을도입하고, 이들을유한요소식으로정식화한후아이소- 파라메트릭요소를이용하여수치해석용컴퓨터프로그램을개발하였다. 그리고이를이용하여용접시험편에대한수치시뮬레이션을수행하였다. 해석에사용된모델은폭 4(mm), 길이 4(mm), 두께 1(mm) 를사용하였으며, 용접 Pass 수는 pass 이고용접조건은 Table 1에나타내었다. Fig. 2는해석시험편전영역에걸쳐입열후냉각시간별온도분포도이다. 이온도분포를살펴보면최고온도는 2초에서나타나고있으며, 용접부를중심으로대칭을이루면서냉각되는모습을보여주고있다. Fig. 3은해석시험편의온도이력으로, 용접선에근접한부분은온도의변화가급격하게나타나고용접선에서멀어질수록온도변화가완만해짐을알수있다. 또한온도구배는시간의경과와함께점차감소하여온도구배가완만하게나타남을보이고있다. 2 1 1-1 2 1 1-1 2 1 1 16 17 18 19 2 21 22 23 24 2 a) Transient temperature distribution after 1 sec. 16 17 18 19 2 21 22 23 24 2 b) Transient temperature distribution after 2 sec. - 1 16 17 18 19 2 21 22 23 24 2 2 1 1 c) Transient temperature distribution after 4.22 sec. - 1 16 17 18 19 2 21 22 23 24 2 d) Transient temperature distribution after 1.3 sec. Fig. 2 Temperature fields in the xy plane 3.2 열탄소성해석 용접열원의크기및분포를열하중으로간주하여용접체에발생하는역학적메커니즘을해석하였다. Fig. 4는열탄소성해석에의하여얻어진전영역의두께방향에대해용접잔류응력 를나타내었다. 잔류응력의특징을살펴보면, 용접금속에발생된잔류응력은 Table 1 Welding condition of specimen Welding Voltage Speed Material Current (A) process (V) (cm/min) SS4 MIG AC 12 24 2 Temperature( ) 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 Distance (mm) 2.Sec. 3.7Sec. 6.66Sec. 19.26Sec. 28.3Sec. 47.Sec. 124.96Sec. 3 4 Fig. 3 Temperature history(w.m.,h.a.z.,b.m.) 72 Journal of KWJS, Vol. 2, No. 6, December, 27
외력이작용하는용접구조물에용접잔류응력이미치는영향 19 용접후용접금속이온도냉각과정임에도불구하고역학적강성회복온도 (7 ) 이하로냉각되어지면자체의강성을회복함과더불어용접금속의수축을온도가낮은모재가구속하기때문에용접금속에응력이발생되어진다. 따라서 Fig. 4에도시한바와같이용접금속및열영향부에서인장을나타내고열영향부에서최대가되며열영향부에인접하는모재에서압축으로변화한다. 또한용접부의잔류응력값의크기를각성분별로살펴보면, Fig. 에서도시한바와같이각성분별서로다른역학적구속의영향으로잔류응력이 > > 순으로나타남을확인할수있다. 2 2 1 1-4. 외력에의한용접잔류응력거동 용접구조물의외력작용시용접구조물의안정성을평가하기위해, 앞에서해석한용접잔류응력을상용프로그램 ANSYS 에초기응력으로적용하고외력 ( 인장력, 압축력, 굽힘력 ) 을주어용접구조물의잔류응력의재분포특성을고찰하였다. Fig. 6 ~ Fig. 8은용접부에외력작용시외력의변화에따라응력의변화를도시한것으로, Fig. 6은인장력, Fig. 7은굽힘력, Fig. 8은압축력을각각적용한그림이다. 그림에서도시한바와같이외력이변화하면서용접구조물의용접잔류응력이외력의영향을받아응력 1 16 17 18 19 2 21 22 23 24 2 Fig. 4 Distribution of welding residual stress( ) in the xy plane of the welded joint 4 3 3 2 2 1 1 - B(16kg) C(32kg) D(48kg) -1 1 2 3 4 4 3 3 2 2 1 1 A(kg) B(16kg) C(32kg) D(48kg) - -1 1 2 3 4 Fig. 6 Stress distribution with tensile load 3 2 2 1 1 - -1-1 -2-2 B(3kg) C(6kg) D(9kg) -3 1 2 3 4 6 4 4 3 2 1 STR-X STR-Y STR-Z 2-2 -4 A(kg) B(3kg) C(6kg) D(9kg) E(18kg) -6-1 1 2 3 4 Fig. Distribution of welding residual stress in the weld ed joint -8 1 2 3 4 Fig. 7 Stress distribution with bending load 大韓熔接 接合學會誌第 2 卷第 6 號, 27 年 12 月 73
2 3 2 2 B(16kg) C(32kg) D(48kg) 1 1 - -1-1 a) Stress distribution under tensile load -2 1 2 3 4 3 2 2 A(kg) B(16kg) C(32kg) D(48kg) 1 1 - b) Stress distribution under bending load -1-1 -2 1 2 3 4 Fig. 8 Stress distribution with compression load 이변화함을알수있다. Fig. 6과 Fig. 8의인장력및압축력작용시외력이 16kg씩증가할때마다응력은잔류응력의 2% 씩증가하여잔류응력이재분포하는것을알수있다. 그리고잔류응력을고려하지않은해석과비교를해보면특히용접부영역에서잔류응력의차이가확실히나타나고있다. 특히 Fig. 7의굽힘력작용의경우외력이 3kg씩증가할때마다용접부의응력은잔류응력의 6% 씩증가하여잔류응력이재분포하는것을볼수있었고, 하중을급격하게증가시키면용접부에서잔류응력의영향은거의사라지는것을볼수있었다. Fig. 9는용접잔류응력이상용프로그램 ANSYS 에초기응력 (initial stress) 으로적용되고상용프로그램 ANSYS 에서추가적인외력 ( 인장력, 압축력, 굽힘력 ) 에대한구조해석을수행한결과로, 용접구조물의잔류응력의재분포특성을확인할수있었다. c) Stress distribution under compression load Fig. 9 Stress distribution for externally loaded welded st ructure. 결론 본보고에서는용접구조물에대한신뢰성확보및최적설계구현방법에대해간략히소개하고자하였다. 구조물조립시용접시공시에발생하는초기결함, 즉용접잔류응력은용접구조물의안정성에직접적으로영향을미치는인자중의하나이다. 그런데이러한용접잔류응력을고려한구조물외력구조해석에대한연구가거의이루어지고있지못한실정이어서, 본기술보고에서보고하였듯이용접잔류응력을고려한용접구조물의외력구조해석을수행하기위해, 먼저유한요소해석에의한용접시발생되는열이동현상과이에따른응력의발생메카니즘을고찰하였다. 아울러상용프로그램에용접잔류응력을적용하여외력작용시용접구조물의역학적특성을살펴보았다. 74 Journal of KWJS, Vol. 2, No. 6, December, 27
외력이작용하는용접구조물에용접잔류응력이미치는영향 21 따라서이러한용접구조물에대한신뢰성확보에대 한산업현장의요구와그중요성이더욱증대됨에따라, 향후이에대한활발한연구가전개되고아울러용접구조물에대한최적설계구현방법에보다현실적결과를제공할것으로사료된다. 참고문헌 1. H.S. Bang. "Study on the mechanical behaviour of welded part in thick plate by three-dimensional thermal elasto-plastic analysis based on finite Element Method." Journal of the Korean Welding Society, 1-4(1992), 37-43 방희선 ( 房熙善 ) 1971년생 e-mail: banghs@chosun.ac.kr Element Method." Journal of the Korean Welding Society, 1-4(1992), 37-43 2. H.S. Bang, H.S. Bang, S.M. Joo, Numerical simulation of Al-SPCC weldment, Key Engineering Materials, (26), 1738-1744 3. Rajesh S.R, H.S. Bang, S.M. Joo, I.S. Kim, "Study on the effect of residual stress on the externally loaded welded structure", Korean Welding Society, 43-12(24), 8-6 4. H. Hiraga, K. Fukatsu, K. Ogawa, M. Nakayama, Y. Mutoh, "Nd-YAG laser welding of pure titanium to stainless steel", Transaction of the Japan Welding Society, 19-4(21), 717-726 박창수 ( 朴昌洙 ) 1973년생 로이드선급아시아 e-mail: chang-soo.park@lr.org 노찬승 ( 盧贊承 ) 1966년생 조선대학교접합가공기술연구소 e-mail: cs71@hanmail.net 방한서 ( 房漢瑞 ) 191년생 e-mail: hsbang@chosun.ac.kr 오종인 ( 吳鍾仁 ) 1974년생 e-mail: chong11@hotmailcom 大韓熔接 接合學會誌第 2 卷第 6 號, 27 年 12 月 7