동종/이종 용접잔류응력 해석

제 3 장 동종/이종재의 용접잔류응력 해석 및 영향

본 장에서는 제2장에서의 이론을 바탕으로 동종/이종재 시험편을 사용하여 잔류응력 측정 실험을 실시한 후 용접 잔류응력해석을 유한요소 프로그램을 사용해 해석하여 그 결과를 실험 데이터와 비교함으로써 프로그램의 신뢰성 확인하고, 프로그램 해석을 통 해 얻어진 동종/이종 용접잔류응력을 비교하여 나타난 차이점을 물성치의 따라 잔류응 력의 영향을 비교 고찰하고자한다. 또한, 용접선 방향과 직각방향으로 인장응력을 가해 봄으로써 동종/이종 용접구조물의 역학적 거동을 파악하고자한다.

그림 3.1 시험편의 치수

(a) x방향의 경계조건

(b) y방향의 경계조건

(c) z방향의 경계조건

그림 3.2 시험편의 경계조건

동종강재의 해석은 그림 3.3(a)와 같이 하나의 모델을 이용하여 해석 하였고, 이종강재 의 용접해석은 그림 3.3(b),(c),(d)와 같이 세 가지의 용접부의 형상을 가지고 해석을 실시하였다.

(a) 동종강재의 용접 부 형상 (b) 이종강재 용접 부 형상 (Case1)

(c) 이종강재 용접 부 형상(Case2) (d) 이종강재 용접 부 형상 (Case3)

그림 3.3 동종/이종강재의 용접부 형상

나. 해석 조건

해석과 실험 시 사용된 강재는 High Mn강과 SUS304강을 사용하였고, 아래의 표 3.1과 표 3.2는 각각 동종/이종 용접에서 사용되는 물성을 보여주고 있다. 동종 용접 시 Base Metal과 Filler Metal의 차이는 Filler Metal의 항복응력 값이 Base Metal의 -20%의 값을 가진다. 또한, 이종 용접 시 Filler Metal의 항복응력 값 역시 High Mn 강의 항복응력 값의 -20%의 값을 가진다.

Base Metal (High Mn) Filler Metal  Mass density

( ^ ) 7.66E-09 7.66E-09

 Young's Modulus

(GPa) 175 175

 Yield stress

(MPa) 442 354

 Poisson's ratio 0.27 0.27

Base Metal

(High Mn) Filler Metal Base Metal (SUS304)  Mass density

(^{}) 7.66E-09 7.66E-09 7.90E-09

 Young's Modulus

(GPa) 175 175 198.5

 Yield stress

(MPa) 442 354 265

 Poisson's ratio 0.27 0.27 0.3

그림 3.4 용접부의 Base metal 과 filler metal의 위치

표 3.1 동종 용접시 사용되는 시험편의 물성

표 3.2 이종 용접시 사용되는 시험편의 물성

열전달 해석에서 사용되는 재료의 물성들은 온도의 변화에 따라 그 값이 변하게 되 는데, 아래 그림 3.4와 3.5은 온도의 의존성과 기계성질의 온도의 의존성을 나타내는 그림이다.

0.0 1000.0 2000.0 3000.0

Temperature [ C]

7200.0 7500.0 7800.0 8100.0 8400.0

Density [kg/mm ]

30.0 60.0 90.0 120.0 150.0

Conductivity [W/m C]

600.0 900.0 1200.0 1500.0 1800.0

Specific Heat [J/kg C]

Density Conductivity Specific Heat

3

그림 3.5 온도에 따른 재료의 물성치의 거동 (용접강도연구위원회, 2005)

그림 3.6 시험편의 기계적 성질의 온도의 의존성

다. 열전달해석에 의한 온도분포

그림 3.6과 그림 3.7은 각각 동종과 이종 강재의 실제 시험편 용접 시 열영향부 (700~1500℃)의 단면마크로 사진과 열전달해석에 의한 온도분포를 비교 하였다.

700~1500℃의 열영향부의 FEM해석결과 실제 용접부의 단면 마크로와 비교 하였을 때 용접 단면마크로의 열영향부의 범위와 FEM해석 결과 열영향부의 범위가 비슷하다는 것을 그림 3.7에서 확일 할 수 있다. 또한, High Mn강의 열전달계수는 일반 강에 비해 약 4배 정도 작은 값을 가지고 있다. 따라서 일반강에 열영향부의 폭이 약 1.5배 정도 더 크게 나타났다.

(a) 용접 부 단면마크로 (b) FEM해석 단면 형상

그림3.7 동종강재 용접시 단면 마크로와 FEM해석 단면 형상

(a) Case 1의 용접 부 단면마크로 및 FEM해석 단면 형상

(b) Case 2의 용접 부 단면마크로 및 FEM해석 단면 형상

(c) Case 3의 용접 부 단면마크로 및 FEM해석 단면 형상

라. 용접잔류응력 해석결과

아래 그림 3.8은 동종강재 용접 시 발생하는 잔류응력 값을 용접부의 쪽의 Equivalent Von Mises Stress, , ^을 확대하여 나타내주는 그림이다.

그림 3.9 동종강재의 용접부 부분의 잔류응력

다음 그림 3.9는 이종강재 용접 시 발생하는 잔류응력 값을 위의 그림과 같이 나타낸 Case 별로 나타낸 그림이다. 용접선 방향의 잔류 응력 값은 중앙부에 인장장류응력이 분포되어 있고, 용접선 직각방향의 잔류 응력 값은 용접 중앙부에 압축잔류응력이 분 포되어 있는 것을 확인 할 수가 있다.

(a) Case 1의 용접부 부분의 잔류응력

(c) Case 3의 용접부 부분의 잔류응력

그림 3.10 이종 강재의 용접부 부분의 잔류응력

이종강재의 잔류응력 단면을 보게 되면 Case 1의 경우 용접선 방향의 잔류응력은 낮아지다가 어느 부위에서 높아지는 현상이 있다. 용접선 직각방향의 경우에서는 용접 부의는 용접선 직각방향보다는 큰 잔류응력이 존재 한다는 것을 확인 할 수 있다.

Case 2의 경우에서는 용접선 방향에서 top과 bot면에서는 잔류응력이 급격하게 떨어지 는 것이 확인되고 용접선 직각방향에 경우에는 L_Base에서 낮은 잔류응력이 존재하는 것을 확인 할 수 있다. Case 3의 경우 용접선 방향과 용접선 직각 방향의 모두 용접부 에서 일정하지 않는 잔류응력이 존재하는 것을 확인 할 수 있다.

잔류응력의 측정위치는 다음 그림 3.11과 같이 시험편의 중앙부를 측정하였다. 시험 편모델의 중앙부를 절단하여 중앙부의 잔류응력을 측정하였고, 측정위치는 중앙부의 단면의 Top면과 Bot면의 결과를 정리 하였다.

그림 3.11 잔류응력 측정 위치

잔류응력은 용접선 방향 잔류응력 과 용접선 직각방향 잔류응력 ^을 측정하여 비교 하였다. 다음 그림 3.12은 동종재의 ^잔류응력, 그림 3.13은 동종재의 ^ 잔류응 력 을 보여 주고 있다.

그림 3.12에와 같이 동종에서는 용접잔류응력이 용접 부에서는 인장응력이 작용하고 있고, Base Metal부에서는 약간의 압축응력이 작용하고 있는 것을 확인 할 수 있다.

그림 3.13 동종 용접의 잔류응력

그림 3.13에서 보이는 봐와 같이 용접선 방향의 잔류응력 값이 용접부에서 top과 bot면은 크게 차이가 나고 있다. Top면에서는 인장응력이 작용하고 있고, Bot면의 경 우에는 압축응력이 작용되는 것을 확인 할 수 있다.

그림 3.14는 Case 별 시험편 중앙의 Top, Bot 면의 표면의 잔류 응력 값을 나타낸 그래프이다. Case 1의 경우 용접선 방향의 잔류응력은 왼쪽의 Base Metal 과 Filler Metal사이에서 큰 응력 값이 큰 폭으로 튀는 것을 확인 할 수 있다. 용접선 직각 방향 에서는 Top면이 Bot면 보다 큰 인장응력이 나타내지고 용접부가 아닌 부분에서는 대 부분 비슷한 잔류응력 값을 나타내고 있다. Case 2의 경우 용접선 방향의 잔류응력은 Case 1보다 더 비슷한 잔류응력 값이 나왔다. 하지만 여전히 이종용접의 특징인 응력 의 급격한 변화가 있었다. 용접선 직각방향의 경우에는 Top면이 bot면보다 100MPa 정도 더 큰 폭으로 변화하였다. Case 3의 경우 Case 1, Case 2보다 용접부의 잔류응력 변화가 더 좁게 형성되었다. 그이유로는 Tig용접 단면이 좁게 형성되어 있기 때문이라 고 판단된다. Case 1부터 Case 3까지 전체적으로 잔류응력을 비교해본 결과 이종용접 을 한 경우 모두 Filler metal부분과 SUS304의 Base metal 부분의 경계면에서 응력 값이 확 티는 이종재의 특성이 공통적으로 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

(a) 이종용접 Case 1의 잔류응력

(b) 이종용접 Case 1의 잔류응력

(c) 이종용접 Case 2의  잔류응력

(d) 이종용접 Case 2의 잔류응력

(f) 이종용접 Case 3의 잔류응력 그림 3.14 이종용접 Case 별 잔류응력

3.1.2 동종/이종 용접잔류응력 실험결과 및 비교

동종/이종 용접잔류응력 실험은 제2장의 잔류응력 측정법 중 고유변형도볍을 이용하 여 용접잔류응력 실험을 실시하였다. strain gage는 1축과 2축을 사용하였고 이종의 급 격한 변화가 일어나는 곳을 미리 해석을 통해 알아내었고 그 부분에 1축5개짜리 strain gage를 부착하여 더 정확한 응력 변화를 얻을 수 있었다.

가. 실험순서

잔류응력 측정을 하기위해 시험편의 중앙부를 중힘으로 하여 용접부의 양편에 일정 한 길이 간격으로 strain gage를 부착 하여 측정하였다. stain gage는 1축과 2축을 섞 어 사용하여 용접선 방향과 용접선 직각방향의 실험값을 얻을수 있게 하였다. 실험순 서로는 다음 그림 3.14와 같이 실시하였다. 그림 3.14(a)와같이 gage가 부착된 곳을 빗 금친 부분과 같이 용접부 양옆을 와이어 커팅 하여 절단한다. 그림 3.14(b)그림은 1차 절단 후 세부절단을 나타내는 그림 이다. 완전히 절단하지 않고 2mm남겨 놓은 채 절 단한다. 마지막으로 그림 두께방향으로 표면이 나올 수 있게 위에 아래 3mm간격으 로 3등분하여 절단한다.그림 3.16는 그림 3.14와 같이 그림들의 순서로 시험편에 gage 를 부착한 후의 절단한 순서의 사진들이다. 시험편에 strain gage를 부착하여 절단 시 열이 발생하지 않는 EDM절단기를 사용하여 시험편을 절단하였다. 절단 순서가 완료 될 때 마다 결과를 P3로 측정하여 더욱더 정확한 실험값을 얻을 수 있었다. 표면잔류 응력 측정이므로 2축 1축gage를 주로 사용하였고 해석결과 정확한 값을 얻기 위한 곳 에 2축 gage를 부착하여 측정하였다.

(a) 1차절단 (b) 세부절단 그림 3.15 시험편 절단 순서

(a) 시험편 및 strain gage 부착

(b) 세부절단

나. 실험결과 비교

위와 같이 실험을 진행한 결과 실험값을 얻을 수 있었다. 먼저 그림 3.17은 동종용접 의 실험 결과와 잔류응력 해석을 통해 얻어진 결과 값들과 비교한 그래프이다. 그림 3.17에서는 실험값과 해석 값이 용점 중앙부에서 해석값이 더 높게 측정되었다. 하지만 모재의 부분에서는 실험값과 해석 값이 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다. 다음 그림3.18 은 그림 3.17과 같이 이종용접 시험편 Case 1,2,3의 용접선 방향과 용접선 직각방향의 Top면과 Bot면의 잔류응력 측정값이다.

(a) 동종재의 의 Top면의 결과 비교 (b) 동종재의 _의 bot면의 결과 비교

(c) 동종재의 _의 Top, Bot면의 결과 비교

그림 3.18은 Case 1의 실험값과 해석값의 비교 그림이다. 용접선 방향의 Top의 경우 1 축 5개짜리 gage를 사용하여 잔류응력의 꺾이는 부분을 정확히 알 수 있었고, 용접부 와 모재의 경우 모두 실험값과 해석 값이 잘 맞는 다고 할 수 있었다. Bot면의 경우 실험값과 해석 값의 차이가 약간 나기는 하지만 모재와 용접부의 일부분에서 잘 맞는 것을 확인 할 수 있었다. 용접선 직각방형 의 경우 Top의 경우 실험값이 약간 부족하 긴 하지만 응력 값이 어느 정도 맞는다고 할 수 있다. Bot의 경우 모재와 용접부의 응 력 값이 비슷하게 측정되었다. Case 1 경우 실험값과 해석 값이 잘 일치하는 것을 볼 수 있었다.

(a) 의 Top면의 결과 비교 (b) _의 Bot면의 결과 비교

(c) _의 Top면의 결과 비교 (d) _의 Bot면의 결과 비교 그림 3.18 Case 1의 해석과 실험 결과 비교