40
41
0 50 100 150 200 250 300 350
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
D is to rt io n ( m m )
Time (sec)
bop hsw
Fig 4.29 Bead on plate 용접과 최적 조건 HSW 시 면외 변형량 비교
Bead on plate 용접 시 최대 면외 변형량은 2.6483mm 로 확인되었으며 조건이 냉각부 온도 20°C, 용접 열원과 냉각 열원과의 이격 거리 20mm, 냉각 열원의 반경 14mm 인 Heat sink welding 시 최대 면외 변형량은 0.026647mm 로 확인 되었다. 이 결과값을 통하여 약 99% 변형이 저감된 것을 확인할 수 있었다.
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2) Bead on plate 용접과 최적조건 HSW 잔류응력 비교
0 10 20 30 40 50
-200 -100 0 100 200 300 400
R es id u al S tr es s (M P a)
Width (mm)
bop hsw
Fig 4.30 Bead on plate 용접과 최적 조건 HSW 시 잔류응력 비교
Bead on plate 용접과 Heat sink welding 의 잔류응력을 비교하였을 때 두 경우 모두 용접부에서 잔류응력이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 전체적인 경향에서 Bead on plate 용접에 비하여 Heat sink welding 이 잔류응력이 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 특히 Bead on plate 용접 시에는 용접부에서 거리가 떨어진 부분에서도 인장 잔류응력이 존재하였으나 Heat sink welding 시에는 용접부로부터 25mm 떨어진 거리부터는 인장 잔류응력이 압축잔류응력으로 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 이는 인장 잔류응력과 압축 잔류응력이 균형을 이루는 상태로 인장 응력이 분포하고 있는 부분의 면적과 압축 응력이 분포하고 있는 부분의 면적이 거의 동일하게 분포하고 있음을 알 수 있다. 이는 시편 내부에서 인장과 압축이 평행을 이루고 있다는 것을 의미하며 변형이 최소화된 상태의 내부 역학적 상태를 보여주고 있다.
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3) Bead on plate 용접과 최적조건 Heat sink welding 온도 이력 비교
0 5 10 15 20 25 30 35 40
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Temperature (o c)
Time (sec)
bop hsw
Fig 4.31 BOP 용접과 최적 조건 HSW 시 시간에 따른 온도 이력 비교
Fig 4.31 은 Bead on plate 용접과 냉각부 온도 20°C, 용접 열원과 냉각 열원과의 이격 거리 20mm, 냉각 열원의 반경 14mm 인 조건의 Heat sink welding 의 온도 이력을 측정한 그림이다. 측정 위치는 재료의 가장 중앙에 위치한 node 5804 에서 측정하였으며 용접 시작부터 용접이 끝날 때까지의 온도 이력을 측정하였다.
일반적으로 Cr 을 15~70% 함유한 Fe-Cr 계 스테인레스강은 400°C~500°C 구간에서 장시간 유지하면 경도가 급격하게 증가하는 반면에 연성은 급격하게 감소를 일으키는 열시효 취화(Thermal aging embrittlement) 현상을 일으킨다. 또한 용접에 의해 500°C~800°C 정도로 가열된 후 이 온도 역에서 서냉하게 되면 HAZ 입계에 Cr 탄화물이 석출하게 되여 입계 예민화 현상이 나타나 내식성을 떨어트리게 된다.
Fig 4.31 에서 보면 알 수 있듯이 Bead on plate 용접에 비하여 Heat sink welding 은 약 10 초 정도에 약 30°C 로 온도가 급격하게 떨어지는 것을 확인할 수
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있다. 이를 통하여 400°C~500°C 구간에서 발생하는 취화 현상을 방지할 수 있으며 연성이 감소되는 것을 방지할 수 있다. 또한 500°C~800°C 구간에서 발생하는 입계 예민화를 감소하는 유리한 역할로 작용한다고 생각된다.
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제 5 장 결 론
본 연구에서는 용접 공정 중에 실시간으로 냉각 열원을 적용할 경우 최종 용접 변형과 잔류응력의 변화를 기존 용접 공정과 비교하여 용접 변형 발생이 적고 잔류응력이 완화되는 최적 용접 공정 조건이 존재하는지 평가하고자 하였다.
이를 위해 유한요소 해석(FEM)을 수행하여 여러 가지 각 조건에 따른 용접 변형과 잔류응력을 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 용접 변형의 해석 결과 Bead on plate 용접에서는 최대 2.6483mm의 면외 변형이 발생하였으나 냉각온도 20°C, 용접 열원과 냉각 열원과의 이격 거리 20mm, 냉각 열원의 반경 14mm인 Heat sink welding 시 최대 면외 변형량이 0.026647mm가 발생되었다. 이는 Bead on plate 용접 대비 약 99% 변형이 감소된 것을 확인할 수 있었다.
2) 용접 잔류응력의 해석 결과 Bead on plate 용접 대비 냉각온도 20°C, 용접 열원과 냉각 열원과의 이격 거리 20mm, 냉각 열원의 반경 14mm인 Heat sink welding 시 전체적으로 잔류응력이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
3) 연구 목적과는 별개로 용접부의 온도를 급격하게 떨어트린 결과, 스텐인레스의 400°C~500°C 구간에서 발생하는 취화 현상을 방지할 수 있을 것이라고 예상이 되며, 500°C~800°C 구간에서 발생하는 입계 예민화를 방지하여 이를 통하여 내식성이 감소되는 것을 방지할 수 있을 것이라고 예상된다.
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4) 수치해석적 방법을 통하여 용접 변형과 용접잔류응력이 저감된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결론을 기반으로 실험적인 방법을 통한 실측에서도 용접 변형과 용접 잔류응력이 저감되는지에 대하여 추후에 실험을 통한 검증이 필요하다.
5) 연구 결과 용접 공정 중에 용접 열원 후방에 냉각 열원을 적용함으로써 용접 변형이 발생하지 안는 최적 조건이 존재함을 확인하였다.
실제 현장에 적용할 경우 지그를 사용하여도 발생하는 박판의 좌굴 변형 방지에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
또한 현장에서 용접 지그를 사용하지 않아도 충분한 변형 저감 효과를 얻을 수 있으며 추가적인 공정 비용의 저감도 기대된다.
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