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레이저 레이저 레이저

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(1)

2 0 0 5 年 2 月 博 士 學 位 論 文

레이저 레이저 레이저

레이저 용접시 용접시 용접시 용접시 2.25Cr-1Mo

2.25Cr-1Mo 2.25Cr-1Mo

2.25Cr-1Mo강의 강의 강의 강의 역학적 역학적 역학적 역학적 특성에

특성에 특성에

특성에 관한 관한 관한 관한 연구 연구 연구 연구

朝 朝

朝 朝 鮮 鮮 鮮 鮮 大 大 大 大 學 學 學 學 校 校 校 校 大 大 大 大 學 學 學 學 院 院 院 院

船 船 船

船舶 舶 舶 舶海 海 海 海洋 洋 洋 洋工 工 工學 工 學 學科 學 科 科 科

金 金

金 金 瀅 瀅 瀅 瀅

(2)

레이저 용접시 2.25Cr-1Mo강의 역학적 특성에 관한 연구

A StudyonMechanicalBehaviour ofLaserWelded2.25Cr-1MoSteel

2005年 2月 日

朝鮮大學校大學院

船舶海洋工學科

金 瀅

(3)

레이저 용접시 2.25Cr-1Mo강의 역학적 특성에 관한 연구

指 導 敎 授 房 漢 瑞

이 論文을 工學博士學位申請 論文으로 提出함

2004 年 12 月 日

朝鮮大學校大學院

船舶海洋工學科

金 瀅

(4)

金 瀅의 博士學位論文을 認准함

委員長 朝鮮大學校 敎授 권 영 섭 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 방 한 서 印 委 員 釜山大學校 敎授 강 성 원 印

委 員 포항산업연구원

용 접 센 터 장 권 영 각 印

委 員 한국생산기술연구원

수 석 연 구 원 김 정 한 印

2004年 月 日

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

(5)

목 목 목 목 차 차 차 차

List List List

List of of of Figuresof FiguresFiguresFigures --- List

List List

List of of of Tablesof TablesTablesTables --- Abstract

Abstract Abstract

Abstract ---

제1111장 장 서론 서론 서론 서론

1.1 연구배경 --- 1

1.2 연구목적 --- 3

1.3 연구방법 --- 3

1.3.1 수치해석 --- 4

1.3.2 실험 --- 6

제2222장 장 해석이론 해석이론 해석이론 및 해석이론 및 프로그램프로그램프로그램프로그램 2.1 용접 열전도 --- 7

2.1.1 열전도 이론의 유한요소 정식화 --- 8

2.1.2 열전도 해석용 프로그램 ---11

2.2 용접 잔류응력 --- 13

2.2.1 열탄소성 이론의 유한요소 정식화 --- 14

2.2.2 열탄소성 해석용 프로그램 --- 19

제3333장 장 용접법에 용접법에 용접법에 따른 용접법에 따른 따른 2.25Cr-1Mo따른 2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo강 강 Bead Bead Bead on Bead on on on plateplateplate의 plate의 열 열 및 및 역학적 역학적 역학적 역학적 특성특성특성특성 3.1 2.25Cr-1Mo강의 물리적 성질과 화학적 조성 --- 22

3.2 해석모델과 용접조건 --- 25

3.3 고찰 및 결론 --- 31

제4444장 장 용접법에 용접법에 용접법에 따른 용접법에 따른 따른 2.25Cr-1Mo따른 2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo강 강 맞대기용접부의 맞대기용접부의 맞대기용접부의 열적 맞대기용접부의 열적 열적 열적 특성특성특성특성 4.1 해석모델과 용접조건 --- 45

4.2 용접법에 따른 열적 특성 ---50

4.3 고찰 및 결론 --- 58

(6)

제5555장 장 용접법에 용접법에 용접법에 따른 용접법에 따른 따른 2.25Cr-1Mo따른 2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo강 강 맞대기용접부의 맞대기용접부의 맞대기용접부의 역학적 맞대기용접부의 역학적 역학적 역학적 특성특성특성특성

5.1 해석모델 및 경계조건 --- 63

5.1 용접부의 역학적 특성 --- 63

5.2 고찰 및 결론 --- 79

제6666장 장 용접법에 용접법에 용접법에 따른 용접법에 따른 따른 용접부 따른 용접부 용접부 용접부 성능평가성능평가성능평가성능평가 6.1 샤르피충격시험 --- 83

6.2 인장시험 --- 89

6.3 굽힘시험 --- 91

6.4 결론 --- 93

제7777장 장 총론총론총론총론 --- 94

참고문헌참고문헌 참고문헌참고문헌 --- 97

(7)

List List List

List of of of of FiguresFiguresFiguresFigures

Fig. 2.1 Iso-parametric element --- 7

Fig. 2.2 Isotropic workhardening rule --- 7

Fig. 3.1 Temperature dependency of physical and mechanical properties of 2.25Cr-1Mo steel --- 24

Fig. 3.2 Configuration of welded specimen and coordinate --- 25

Fig. 3.3 Schematic mesh division (two-dimensional half model) --- 29

Fig. 3.4 Boundary condition for stress analysis --- 30

Fig. 3.5 Temperature distribution along the width direction --- 33

Fig. 3.6 Temperature history in WM and HAZ (at =11.5mm) ---34

Fig. 3.7 Heat conduction characteristics in CO2 laser welding --- 36

Fig. 3.8 Heat conduction characteristics in TIG welding --- 37

Fig. 3.9 The results of the numerical simulation ---38

Fig. 3.10 Macrosection of welded specimen ---38

Fig. 3.11 Comparison of residual stress along the width direction in the upper surface of welding test specimen according to welding method --- 40

Fig. 3.12 Comparison of residual stress along the thickness direction in WM of test specimen according to welding method --- 42

Fig. 4.1 The welding configuration and sequence --- 47

Fig. 4.2 Configuration of welded specimen and coordinate --- 48

Fig. 4.3 Finite-element mesh for numerical analysis --- 48

Fig. 4.4 Thermal distribution of SAW weldment per each passage --- 50

Fig. 4.5 Thermal gradient in W.M. and HAZ of SMAW welds --- 53

Fig. 4.6 Thermal distribution of FCAW weldment per each passage --- 55

Fig. 4.7 Thermal gradient in W.M. and HAZ of FCAW weld --- 56

Fig. 4.8 Thermal distribution of CO2 Laser weldment --- 57

Fig. 4.9 Thermal gradient in W.M. and HAZ of CO2 Laser weld --- 57

Fig. 4.10 Thermal history along the width at 1 mm below the upper surface of weldment ( =11㎜) --- 60

(8)

Fig. 4.11 Temperature field across the transverse cross section --- 61

Fig. 4.12 Photograph of the welding cross section --- 62

Fig. 5.1 Boundary condition for stress analysis --- 63

Fig. 5.2 Transient residual stress in SAW weldment --- 65

Fig. 5.3 Transient residual stress in FCAW weldment --- 70

Fig. 5.4 Distribution of welding residual stress (CO2 Laser) --- 74

Fig. 5.5 Distribution of welding residual stress (SMAW) --- 76

Fig. 5.6 Distribution of welding residual stress (FCAW) --- 78

Fig. 5.7 Distribution of σ in the welding cross section according to the welding method --- 80

Fig. 6.1 Results of Charpy test according to the welding method --- 83

Fig. 6.2 Dimension of Charpy test specimen --- 84

Fig. 6.3 Microstructure in welds --- 85

Fig. 6.4 Dimension of tensile test specimen --- 89

Fig. 6.5 Dimension of bending test specimen --- 91

Photo. 1 Charphy test machine --- 84

Photo. 2 Result of Charphy test (CO2 Laser) --- 87

Photo. 3 Result of Charphy test (SMAW) --- 87

Photo. 4 Result of Charphy test (FCAW) --- 88

Photo. 5 Results of tensile test (1) --- 89

Photo. 6 Results of tensile test (2) --- 90

Photo. 7 Tensile test machine --- 90

Photo. 8 Results of bending test --- 91

(9)

List List List

List of of of Tablesof TablesTablesTables

Table. 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo steel (unit:%) --- 23

Table. 2 Mechanical properties of 2.25Cr-1Mo steel --- 23

Table. 3 Chemical composition of welding wire (S-9016.B3) --- 23

Table. 4 Mechanical properties of welding wire (S-9016.B3) --- 23

Table. 5 Welding technology parameters (CO2 laser & TIG) --- 25

Table. 6 Welding technology parameters (CO2 laser, SMAW & FCAW) --46

(10)

The The

The The Study Study Study on Study on on on the the the the Applicability Applicability Applicability Applicability of of of Laser of Laser Laser Welding Laser Welding Welding Welding in in in the in the the the Welding

Welding Welding

Welding of of of 2.25Cr-1Mo of 2.25Cr-1Mo 2.25Cr-1Mo Steel 2.25Cr-1Mo Steel Steel Steel

By By By By Kim, Kim, Kim, Kim, HyungHyungHyungHyung

Advisor Advisor Advisor Advisor : : : : Prog. Prog. Prog. Prog. Bang, Bang, Bang, Han-Sur, Bang, Han-Sur, Han-Sur, Han-Sur, Ph.D.Ph.D.Ph.D.Ph.D.

Department Department Department Department of of of of Ship Ship Ship Ship & & & & Ocean Ocean Ocean Engineering,Ocean Engineering,Engineering,Engineering,

Graduate Graduate Graduate Graduate School, School, School, School, Chosun Chosun Chosun Chosun UniversityUniversityUniversityUniversity

Abstract AbstractAbstract Abstract

Although the generation efficiency of the nuclear power plant can be improved as the pressure and temperature of a moving fluid is getting higher, we can not increase the operation pressure and the temperature of the moving fluid over a certain level. It is due to the material characteristics of the pressure vessel and the joining method used to manufacture it.

2.25Cr-1Mo steel is used in manufacturing important components of the nuclear power plant, and the joining method used in manufacturing the pressure vessel is an arc welding method. For power plant facilities where the welding method is used, the region at which problem occurs is the welding parts and so this region needs close observation as the passage in time of operation

As the manufacturing technology of a laser welding equipment supplying directly a high density heat energy in the joining part, which is different from heat input method of arc welding, a laser welding equipment which is possible to weld the thick steel plate by the complete penetration of 1 pass began to be utilized. And, as the operating method of a laser welding

(11)

equipment has been improved and its cost is lowered, it is essential to review the applicability of the laser welding equipment in the manufacturing process which needs serious safety considerations.

The important characteristics of laser welding are narrow welding width, small welding deformation and fine grain size in the welding parts, such welding characteristics are greatly improved compared to arc welding.

Application of the laser welding in manufacturing of the nuclear power plant has not reported yet, but there is a report which concludes that the result of the application of the laser welding in the repair welding of the plant was satisfactory.

Especially, the comparison research on the thermal characteristics between the applications of the arc welding and the laser welding in the 2.25Cr-1Mo steel has not been done and no report has not been publicized.

Consequently, this research work is dealt with an in a 2 stages to confirm the applicability of laser welding in joining method in manufacturing the important facilities.

The 1st stage dealt with determination of the thermal characteristics in this steel by melting heat after melting the surface of 2.25Cr-1Mo steel using arc heating and laser heating method.

The 2nd stage with determination of the mechanical characteristics of the welded parts. The welding method used in the butt welding of 2.25Cr-1Mo steel is submerged arc welding(SMAW) and flux cored arc welding(FCAW) in the arc weldings and CO laser welding in the laser wleding.

(12)

The results of this research are as follows:

Thermal Thermal Thermal characteristics Thermal characteristics characteristics characteristics of of of of various various various various the the the the welding welding welding welding methodmethodmethodmethod

1) Thermal characteristics according to the welding method is divided along HAZ border line with the melting part and the base metal part, and the heat conduction characteristics in the melting part is different according to the welding method but the heat conduction characteristics in the base metal behind HAZ have no difference according to the welding method.

2) The cooling rate as a thermal characteristics according to the welding method is due to the difference of the heating process, the difference is the initial heating temperature and the time required to arrive at the maximum temperature.

3) Due to the difference of the cooling rate according to the welding method, The temperature difference of (the melting zone and HAZ) and (HAZ and the adjacent base metal) is smaller for CO2 laser welding compared to TIG welding.

Mechanical Mechanical Mechanical characteristics Mechanical characteristics characteristics characteristics of of of the of the the welding the welding welding welding parts parts parts parts based based based based on on on the on the the welding the welding welding methodswelding methodsmethodsmethods

(1) In the distribution of the stress σ distribution along the welding cross section, the melting width of CO2 laser welding with the residual stress is smaller compared to SMAW and FCAW and it is confirmed that σ with a constant magnitude is formed from the base side( =0mm) to the

(13)

center ( =6mm) in SMAW and FCAW but in CO2 laser welding, σ is decreasing from the center to the base side

(2) From the σ and σ distribution in welding cross section, it is confirmed thatσ of compression component is formed in the part with larger σ , but σ of tension component is formed in the part with smaller

σ , and that the magnitude of σ approaches to 0 as the difference of σ along thickness direction decreases.

(3) From the analysis of the mechanical characteristics according to the welding method, it is confirmed that the mechanical characteristics of the welding parts formed by laser welding which is single pass welding of the complete penetration is superior compared to the arc welding which is multi pass.

Confirmation Confirmation Confirmation of Confirmation of of the of the the mechanical the mechanical mechanical characteristics mechanical characteristics characteristics characteristics of of of of the the the the welding welding welding welding partspartspartsparts

(1) The magnitude of impact absorbing energy by CO2 laser welding is more than 5 times relative to arc welding. It is due to the characteristics of σ distribution of the welding cross section, and the effect of external impact in σ distribution seems to be insignificant.

(2) Fracture path deviation(FPD) of arc welding appeared in the vertical direction to the welding cross section but in the CO2 laser welding the route of FPD was changes from welding part to the base metal and progressed.

(3) In the relation between the strain and force obtained by the tensile tests, the similar tensile curves for all of three welding methods are

(14)

metal. The surface crack on the welding parts in free bending test not occurred.

Consequently, from the thermal and mechanical characteristics and the magnitude of impact absorbing energy, it is confirmed that CO2 laser welding has more advantages than SMAW and FCAW in manufacturing structures considered to be important to the safety and durability.

(15)

제 제 제

제1111장 장 장 장 서론 서론 서론 서론

1.1 1.1 1.1 1.1 연구배경 연구배경 연구배경 연구배경

우리나라의 전력수요 40%을 점유하고 있는 원자력 발전설비의 중고온용 압력용 기 소재로는 2.25Cr-1Mo강이 이용되고 있으며, 발전설비의 열효율을 높이기 위해 Cr의 비율을 높인 고 크롬강의 소재 이용도 고려되고 있다. 이와 같은 중요 설비 는 발전설비의 기계적 효율 뿐 아니라, 운전의 안전성과 내구성도 동시에 고려되어 야 한다. 따라서 설비제작의 설계 초기단계에서부터 제작방법은 면밀히 검토(20)되 어야 한다.

원자력 발전설비의 중요 제작수단으로는 이미 검증된 아크용접이 적용되고 있으 며, 아크용접으로 제작된 설비의 용접부에는 용접 시 생성된 잔류응력과 운전 중 가해지는 외력의 중첩으로 시간의 경과에 따른 역학적 강성 취약으로, 발전 운전 중 주요 관찰부위(18)가 된다.

따라서 설비의 운전 안전성과 내구성을 동시에 만족시키기 위해, 설비제작 시 용 접부에서 생성되는 잔류응력이 용접구조물의 피로에 영향을 미치는 정도를 적게 하기 위한 용접 잔류응력의 크기가 작고, 열영향부(HAZ)의 생성 영역을 적게 하는 용접법(22)이 검토된 후 적용되고 있다.

용접구조물에서는 용접부에 생성되는 잔류응력은 피할 수 없는 것(16)이다. 이것은 용접에 의한 용접부의 용융 금속이 고체로 변하는 냉각과정에서 용접부 주변과의 구속 관계에 의해서 생성되는 것이며, 냉각과정에서 생성되는 잔류응력은 용융부 금속의 상변태에도 영향을 기여하고 있다.

이와 같이 생성된 용접 잔류응력은 용접 구조물에 가해지는 외력과 중첩되어 용 접부의 파괴 특성에 미치는 기여도가 큼으로서 가동 중인 용접구조물의 용접성능 은 시간에 따라 악화(31)된다. 따라서 용접부의 기계적 특성을 이해하기 위해서는 용접부의 파괴 특성 규명 이전에 이러한 용접 잔류응력의 기여도를 확인하는 것이 중요하다.

(16)

않으며, 지금도 연구(32) 중에 있다. 이와 같은 주된 이유는 3차원 조건에서 용접부 에 생성되는 잔류응력의 측정에 대한 정확한 측정기술의 어려움과 용접부의 비균 질적인 물질특성에 기인하며, 용접단면에서의 잔류응력 계측의 어려움 때문에 수치 해석에 의한 용접부의 역학적 특성 규명이 중요하다.

따라서 용접부에서의 잔류응력분포 특성을 정확히 규명할 수 있고 이 분포특성과 파괴특성과의 상관성을 얻을 수 있다면 실 설비제작에서 큰 설득력을 갖게 된다.

현재까지 꾸준한 용접부의 역학적 특성 파악에 대한 연구를 통해 아크 용접법을 개선하여 원자력 설비의 파이프 용접 이음부에 입열되는 입열량의 크기와 용접 소 요시간을 대폭 줄임으로서 개선 폭을 줄이고 용접 잔류응력을 저감시켰으며, HAZ 에서의 금속조직의 개선과 용접변형을 저감하였다. 특히, 입열량 감소에 의한, 잔류 응력 저감과 HAZ의 금속조직 개선을 얻음으로서 응력부식에 좋은 효과를 얻었음 을 확인(22)하였다.

이와 같이 용접법의 개선에 의해서 용접부의 기계적 특성을 개선시킬 수 있음은 물론 고출력 레이저 용접이 보급됨에 따라 10mm이상의 후판 용접도 단층용접이 가능하게 되었다. 또한 급속가열 급냉에 의한 레이저 용접부의 기계적 성질은 굽힘 시험과 인장시험에서 용접부에서 파단이 발생하지 않고 모재에서 파단이 발생하였 으며, 맞대기 이음의 용접부에서 판 두께 감소 발생으로 용접부에서의 응력 집중이 있지만, 두께 감소율이 25%이하의 경우에는 용접부에서 파단이 발생하지 않음도 확인하였다.

본 연구의 대상인 발전설비용 중고온 고압배관 재료인 2.25Cr-1Mo강은 그 특성 상 건전하며 우수한 용접부가 요구되어지며, 기존의 경우 용접을 위해 SAW, SMAW, GTAW, FCAW 등의 아크용접이 적용되어 왔다. 그러나 최근 일본 등의 선진국에서는 전자빔 용접에 의한 2.25Cr-1Mo강의 용접사례가 보고 되어지고 있 다. 따라서 본 연구에서는 2.25Cr-1Mo강에 대한 고품질의 레이저 용접공정 적용 가능성(15)을 검토하기 위해, 기존의 아크(SAW-11패스 및 FCAW-4패스) 용접부 및 레이저 용접부(1패스)의 역학적 특성(용접 열영향, 잔류응력, 인성 및 인장강도 등)을 수치해석적인 방법과 실험적인 방법을 통하여 파악(17)하고자 하였다.

(17)

1.2 1.2 1.2 1.2 연구목적 연구목적 연구목적 연구목적

본 연구에서는, 원자력 발전설비의 중요소재인 두께 12mm의 2.25Cr-1Mo강에 대한 레이저 용접공정의 적용가능성을 검토하기 위해, 기존에 적용되고 있는 아크 용접 방법 중 피복 아크용접법(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)과 플럭스 코어드 아크용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW)과, 레이저용접법 중에서는 CO2레이저용접을 2.25Cr-1Mo강의 맞대기 용접에 적용하여, 용접법에 따른 열적 및 역학적 특성을 수치해석을 통하여 고찰하고, 아울러 용접부의 용접성능에 관한 실험적 평가를 실시하여, 용접법에 따른 용접부의 성능 및 안정성을 확보하였다.

이러한 목적을 수행하기 위하여, 본 연구에서는 용접 열원의 효과와 물리정수 즉 비저항, 열전도, 비열 및 밀도 등의 온도 의존성을 고려한 유한요소법에 의한 비정 상 열전도 해석과 아울러, 재료의 기계적 성질(항복응력, 탄성계수 및 열팽창 계수 등)의 온도 의존성을 고려하여 자체 개발된 2종류(열분포 해석용, 용접잔류응력 및 변형해석용)의 수치해석용 컴퓨터 프로그램을 사용하여 체계적인 해석을 수행하고 정립(3,6,7,8,9)

하고자 한다.

또한 용접부의 용접성능(10)을 평가하기 위하여, 파괴인성 평가방법인 샤르피 충격 시험과 굽힘시험을 수행하였으며, 용접부의 기계적 특성을 파악하기 위한 인장시험 도 수행하였다.

1.3 1.3 1.3 1.3 연구방법연구방법연구방법연구방법

용접열원의 효과를 고려하여 3차원의 비정상열전도 해석용 컴퓨터 프로그램을 개 발하였으며, 이를 이용하여 아크용접법과 레이저 용접법의 적용으로 얻어진 맞대기 용접 시험편에 대한 수치해석을 수행하고 아울러 3차원 비정상 열전도 해석용 컴퓨 터 프로그램을 이용한 해석결과의 분석에 의하여 맞대기 용접부 형상에 따른 열적 특성을 규명 하였다.

(15,16,17)

(18)

는 선행 연구로서, 연구 단계를 세 단계로 나누어 수행하였다.

첫 번째 단계는 레이저 열원과 아크열원을 2.25Cr-1Mo강의 표면에 입열시킨 비 드 온 플레이트에 의한 입열부와 모재 사이의 열전도 특성 규명으로 레이저용접의 적용 가능성을 검토하였다.

두 번째 단계에서, 레이저 용접을 2.25Cr-1Mo강의 맞대기 이음에 적용함으로서 용접부에 나타나는 역학적 특성을 아크용접의 경우와 비교함으로서 입열 방법이 서로 다른 두 용접법의 역학적 특성을 비교, 검토하였다.

세 번째 단계는 용접법에 따른 용접부의 기계적 강도특성(16)을 샤르피 충격시험, 인장시험과 굽힘시험을 통하여 규명하였다.

레이저 용접특성과 비교하기 위해 채택된 아크용접은 현재 2.25Cr-1Mo강의 용 접에 적용되는 용접으로서, 피복 아크용접(SMAW)과 플럭스 코어드 아크용접 (FCAW)으로 하였다. 레이저 용접법으로는 CO2레이저용접을 선정하였다.

1.3.1 1.3.1 1.3.1 1.3.1 수치해석 수치해석 수치해석 수치해석

(1) 용접 열해석(3,7,9,10,13)

적용된 용접법의 열원 효과를 고려하여 3차원 비정상열전도 해석용 컴퓨터 프로그 램을 개발하였으며, 이를 이용하여 적용된 용접법으로 얻어진 맞대기 용접부에 대 한 수치해석을 수행하였다. 이렇게 얻어진 수치해석 결과 분석으로 적용된 용접법 으로 얻어진 맞대기 용접부에서의 열적 특성을 규명하였다.

1) 3차원 비정상 열전도 방정식을 도입하여, 고체의 열전도문제를 Galerkin법을 이용하여 유한요소법(Finite Element Method)으로의 정식화를 유도하였다. 해석에 사용된 요소는 4절점 아이소-파라메트릭 유한요소를 사용하였다.

(19)

2) 재료의 등방성(isotropic)을 고려하였고, 비저항, 비열, 열전달계수, 열전도도 및 밀도 등은 재료의 온도변화에 따라 그 값이 변화하므로 이들의 온도의존성을 적 용하였다.

3) 용접시험체의 표면에 있어서는 외부로 열전달이 발생하므로 이를 고려하였으 며, 열복사등도 고려하였다. 또한, 용착금속부 및 열영향부에서는 동일한 열유속을 갖도록 하였으며, 요소의 온도가 750℃가 넘을 경우 자동적으로 HAZ(열영향부)요 소로 판별하도록 구성하였다.

4) 산업현장에서 수행되어지고 있는 아크 용접체의 실제 구조물과 역학적으로 동 일하도록 경계조건을 설정하여 수치해석을 수행하였다.

(2) 용접잔류응력 해석(응력, 변형등)(3,6,8,11,12)

용접 열분포 이력을 열하중으로 하는 용접잔류응력 및 변형해석을 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였으며, 각 시험편에 대한 수치해석을 수행하고 그 결과를 분석 하여, 맞대기 용접부에 대한 역학적 거동을 파악하였다.

1) 탄성 및 소성 전영역에 걸쳐 항복강도, 탄성계수 등의 재료정수의 온도 의존 성을 고려하였다.

2) 탄성역에서의 전변형율(total strain)증분은 탄성변형율 및 열변형율의 합으로 나타내었다. 소성역에서는 소성유동(plastic-flow)이론에 입각하여 증분형으로 나타 내어, 전변형율 증분을 구성하여 해석의 정도를 높였으며, 선형 등방경화 법칙을 고 려한 폰-미세스(Von-Mises) 항복조건을 항복함수로 사용하였다.

3) 열탄소성 프로그램을 이용하여 적용된 용접법에 따른 맞대기 용접부에 대한 수치해석 결과인 용접잔류응력 등을 규명하여, 2.25Cr-1Mo강에 대한 레이저용접 법 적용 가능성을 검토하였다.

1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 실 실 실 실 험 험 험 험

(20)

충격) 및 조직검사를 수행하여 용접이음부 최적형상에 대한 실험적 근거를 마련하 였다.

1) 용접부(용착금속부, 열영향부 및 모재부)의 조직사진을 촬영하여 용접법에 따 른 열해석 결과에 따른 수치해석의 신뢰성을 확보하였다.

2) K.S규격에 입각하여 인장, 굽힘 및 충격시험용 시험편을 가공하여 용접부의 성능평가를 수행하였다.

3) 2.25Cr-1Mo강의 용접에 CO2 레이저 용접의 적용 가능성(16,17)을 확인하기 위 하여, 실험을 통해 맞대기 용접에 적용된 용접법의 용접성능을 확인하였다.

(21)

제 제 제

제2222장장장장. . . . 해석이론 해석이론 해석이론 해석이론 및 및 및 및 프로그램프로그램프로그램프로그램

2.1 2.1 2.1 2.1 용접 용접 용접 용접 열전도열전도열전도열전도

용접열원에 대한 해석은 일반적인 해석기법과 수치 해석기법을 사용하여 왔으나, 본 연구에서는 용접열원 분포의 명확한 해석을 위하여 용접법에 따른 열원의 효과 를 고려하였으며, 해석의 정도를 높이기 위해 자연좌표계를 이용하여 요소좌표와 변위를 동일한 보간함수로 하여 절점 및 요소에서 뿐만 아니라 임의의 적분점에서 도 필요한 값을 알 수 있는 fig. 2.1과 같은 아이소-파라메트릭 4절점 유한요소를 도입하였다. 또한, 용접의 경우 시간에 따라 온도가 변화하므로 재료의 물리정수(비 저항, 비열, 밀도 및 열전도도 등)가 변화하게 되므로 이를 고려하여 열분포 해석용 프로그램을 개발(2,3,6,7,9)

하였다.

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r Node 3 s = +1

Node 2

Node 1 s = -1

Node 4 r = +1 r = -1 r = 0

s = 0

Fig. 2.1 Iso-parametric Element

(22)

2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 열전도 열전도 열전도 열전도 방정식의 방정식의 방정식의 방정식의 유한요소 유한요소 유한요소 유한요소 정식화정식화정식화정식화

재료가 등방성(isotropic)일 때, 연속체의 2차원 비정상 열전도문제의 지배 방정식 은 아래식과 같이 기술된다.

ρ

= λ∇2 + ̇ (2.1)

식(2.1)을 직교좌표계( , )에서 2차원 비정상 열전도 방정식으로 기술하면 다음 과 같다.

ρ

∂ = λ( ∂ 22 + ∂ 22 )+ ̇ (2.2) 여기서, : 온 도 (℃ ), : 비 열 ( / ․ ℃ ),ρ : 밀 도 ( /㎤ ), α : , 방향의 열전도율 ( / ․ sec․℃ ),

: 시간 (sec), ̇ : 단위 시간당 입열량( /sec) 이다.

또한, 물체 표면의 열적 경계조건은 Fourier 법칙을 사용하여 다음과 같이 구성된 다.

=- α(∂∂ +

∂ )=-

(2.3)

만약 경계에서 열전달이 있을 경우에는 q는 식(2.4)이 된다.

= α ( - ) (2.4) 여기서, q : 열유속(Heat flux)( /sec․ 2), n : 물체표면의 외법선방향 α : 열전달계수 ( / 2․ sec․ ℃ ), Tc : 외부온도(℃) 이다.

고체의 열전도 문제를 Galerkin법을 적용하여 유한요소법으로 정식화하기 위해, 해석모델을 유한개로 분할하고, 한 요소내의 온도 분포를 아래 식으로 표현하였다.

( ,)= [ ( )]⁦ φ()⁧ (2.5)

(23)

여기서, : 요소의 온도

[ ] : 절점온도와 요소내의 온도를 련결하는 형상함수 Matrix ⁦ φ ⁧: 시간 에 대한 요소의 절점온도 Vector 이다.

식(2.2)에 형상함수[N]을 가중(Weighting)함수로 하여 Galerkin법을 적용하면 식 (2.6)가 구성된다.

⌡ [ ] ⁦α(∂22+ ∂22)+ ̇- ρ ∂ ⁧ = 0 (2.6)

여기서, v : 요소의 영역이다.

식(2.6)를 Green-Gauss 정리를 이용하여 식을 전개하면 다음 식이 구해진다.

α[ ] ⁦ α(∂22+ ∂22 )⁧

= - ⌠ α ( ∂[ ]

∂ + ∂[ ]

∂ ) (2.7) + ⌠α[ ](∂∂ +

∂ ) 여기서, s : 요소의 경계이다.

식(2.3), 식(2.4) 및 식(2.5)를 식(2.7)의 우변에 대입하면 다음과 같이 구성 할 수 있다.

- ⌠ α ( ∂[ ] ∂[ ]

+ ∂[ ] ∂[ ]

) ․ ⁦φ()⁧ (2.8)

상기의 3차원 비정상 열전도식을 Matrix화 하면, 다음 식이 구하여 진다.

[ ]⁦ φ ⁧ + [ ]⁦ ∂φ

⁧= ⁦ ⁧ (2.9)

여기서, [K] : 열전도 Matrix, [C] : 열용량 Matrix, {F} : 열유속 Vector이다.

그 내용은 다음과 같다.

(24)

[ ]=⌠ α(∂[ ]

∂[ ]

∂ +∂[ ]

∂[ ]

∂ )φ+⌠α[ ][ ]φ (2.10) [ ] = ⌠ ρ [ ] [ ] (2.11)

⁦ ⁧= ⌠ α [ ] + ⌠ [ ]̇ (2.12) 이다.

식(2.9)를 풀 경우에 ⁦ φ ⁧ ⁦ ∂φ

의 2개의 미지량이 존재하지만, 시간 증분 을 Δ 라 하고 증분 전의 온도를 φ , 증분 후의 온도를 φ 및 그 중간의 온 도를 φ 이라고 하면, 다음 식과 같이 쓸 수 있다.

∂φ∂ =

φ - φ

(Δ /2) , ∂φ

∂ =

φ - φ

(Δ /2) (2.13) 식(2.13)으로 부터 식(2.14)가 구성된다.

∂φ∂ = 2

Δ (φ - φ )- ∂φ

(2.14) 따라서 식(2.9)는 아래와 같이 최종적으로 구할 수 있다.

([ ]+ 2Δ [ ])⁦φ ⁧= ⁦ ⁧+ [ ]( 2Δ ⁦φ ⁧+ ⁦ ∂φ

⁧)(2.15) 여기서 , Δ : 시간증분, φ : 증분 후의 절점온도,

φ : 증분 전의 절점온도, [ ] : 열전도 Matrix, [ ] : 열용량 Matrix, { } : 열유속 Vector 이다.

식(2.15)에서, 시간 t에 대한 ⁦ φ ⁧의 값을 알면 이 연립방정식의 해인 ⁦ φ ⁧ 를 구할 수 있다. 즉, 초기조건으로써 ⁦ φ ⁧ = 0의 값을 대입하면 된다.

(25)

2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 열분포 열분포 열분포 열분포 해석용 해석용 해석용 해석용 프로그램프로그램프로그램프로그램

(1) (1) (1) (1) Flow-ChartFlow-ChartFlow-ChartFlow-Chart

열분포 열분포 열분포 해석용 열분포 해석용 해석용 프로그램 해석용 프로그램 프로그램 프로그램 Flow-Chart Flow-Chart Flow-Chart Flow-Chart

S TA RT

IN PUT D AT A

열 전 달 유 무 판 단

HAZ( 7 0 0℃ ) ,시 간 ,용 접 ,요 소 수 총 절 점 수 D i me n s io n 상 의 절 점 수

판 단

Hea ting 종 료 시 간

Ba ndwi dth 계 산

STOP

B a nd w i d th 와 D im e n s io n 상 의 크 기

판 단

STOP

It e r at i o n L o o p in g (전 St e p )

전 체 계 의 열 전 도 M a tr i x 전 체 계 의 열 하 중 M a tr i x

최 고 치 온 도 판 단

시 간 증 분 결 정

최 고 치 온 도 판 단

최 고 치 온 도 판 단 시 간 증 분 결 정

최 고 치 온 도 판 단

A

A

전 요 소 에 대 해 H e a t in g 시 간 판 단 요 소 의 Hea ting

여 부 판 단

전 체 계 의 강 성 M a tr i x 와 열 하 중 Ve c t o r의 Gl o v a l화

Heati ng시 간 판 단

열 원 의 분 포 계 산

SOL UTION

OUT PUT DATA

END STOP

B

B

∑ { F} , ∑ [ K]

NO

YE S

Y E S

N O

YE S NO

Y E S

N O 온 도 하 강 S t e p

온 도 상 승 S t ep

N O

YE S

Y E S 절 점 좌 표 형 성

절 점 온 도 에 대 응 하 는 새 로 운 요 소 의 온 도

정 상 , 비 정 상 열 전 달 요 소 강 성 M at r i x 계 산

열 전 달 계 산

절 점 온 도

시 간 에 따 른 온 도 증 분 계 산 시 간 증 분

요 소 에 대 한 H A Z 판 정

(26)

(2) (2) (2)

(2) 프로그램 프로그램 프로그램 프로그램 구성구성구성구성

1) 1) 1) 1) 구성구성구성구성 : 열분포 해석용 프로그램은 1개의 main문 과 45개의 sub-routine문 및 3개의 function문으로 구성되어 있으며, data를 입력함으로써 손쉽게 수치해석을 수행하도록 구성되어 있다.

2) 2) 2) 2) 입력 입력 입력 입력 datadatadata : data ,방향의 좌표수 지정, 절점번호 코딩(coding)순서 지정, 용착 금속 요소수, 요소의 용접시간, 온도상승 및 냉각시간 선정, HAZ요소로 판별하는 온도지정, 열전달 등이 발생하는 요소 지정 등이다.

3) 3) 3) 3) MainMainMainMain문문문문 : 입력 data의 형식에 맞추어 초기 data를 입력하면, 해석모델 형상에 대한 열전달 및 열복사 유무를 판단하고, 각 좌표에 대한 절점을 자동으로 나누어 요소를 분할한다. 총 절점수 및 dimension上의 절점수를 판단하여 열영향부 및 용 접된 요소수를 초기화하여 용접이 수행된 요소의 종료시간을 판단하고, 매트릭스에 대한 bandwidth와 dimension상의 크기를 판단한다.

전 step에 대하여 열전도 매트릭스, 열하중 매트릭스를 구성하며 최고치 온도를 판단하여 시간증분을 결정한다. 시간증분에 따라 용접이 끝난 요소는 온도하강 과 정을, 용접이 수행되는 요소는 온도상승 과정을 겪게 된다.

온도하강 과정에서는 room temperature나 지정된 온도까지 하강하고, 온도상승 과정에서는 요소의 heating 종료시간을 판단한다.

다음은 전요소의 heating 시간을 판단하여 전체계에 있어서 강성 매트릭스와 열하 중 vector의 global화를 도모하며, 이러한 과정에서 sub-routine문과 function문을 필요에 따라 사용하게 된다.

이들 과정을 통하여 시간에 따른 절점의 온도, 시간에 따른 온도증분 계산, 요소에 대한 HAZ 여부의 판정을 하여 출력하게 된다.

(27)

{θ} = {0}

{σ}i

dσf

{dσ} {σ}i+1

σ1 σ2

dσf = dσ0

0

fi = 0 (σ0 = σ0i)

fi+1 = 0 (σ0 = σ0i+1)

2.2 2.2 2.2 2.2 용접 용접 용접 용접 잔류응력잔류응력잔류응력잔류응력

열응력 문제에서는 맨 처음 연속체의 비정상 열전도문제, 즉 시간과 함께 시시각 각 변화하는 온도분포를 구하여야만 한다. 이 온도 변화에 따라 열 변형율(thermal strain)이 변화하기 때문이다. 더욱이 각 요소를 구성하는 재료의 물리적 성질이 온 도에 따라 변화하므로 이들의 영향을 고려한 절점력과 절점 변위의 관계식을 작성 하여야 한다.

따라서 본 연구에서는 용접 잔류응력의 가장 일반적인 해석(2,3,6,8)을 위하여 재료의 등방성(isotropic)을 고려하여 탄성 및 소성 전 영역에 걸쳐 재료정수의 온도 의존 성을 고려하였으며, 변형율 및 응력의 관계를 소성유동(plastic flow)이론에 입각하 여 증분으로 나타내었다.

또한, 소성역에서는 선형 등방경화 법칙을 고려한 Von-mises의 항복조건을 항복 함수로 사용하였다. 즉, 소성유동(plastic-flow)동안에 초기 항복곡면은 일정하게 팽 창한다고 가정하였다.

f=0:yieldsurce(inthisexample,circle) {θ}:vectorwhichindicatecenterofyieldsurface σo :ameasureofsizeofyieldsurface

(radiusofyieldsurface) {σ}:stressesonyieldsurface

i,i+1:loadingstep

(suffixfindicatesnormalcomponentofeachincrement)

(28)

2.2.1 2.2.1 2.2.1 열탄소성 2.2.1 열탄소성 열탄소성 열탄소성 이론의 이론의 이론의 이론의 유한요소 유한요소 유한요소 정식화유한요소 정식화정식화정식화

용접선 방향의 길이가 폭 방향과 두께 방향의 치수에 비해 충분히 길다면, 용접선 길이 방향에 대하여 수직한 평면에 대한 열적, 역학적 거동은 용접선 길이 방향을 따라 일정하다고 가정(2,3,6,8)할 수 있다. 따라서 용접 시․종단부를 제외하고는 온도의 상승 및 냉각과정이 일정한 준정상역이 되고, 다음 조건으로 가정할 수 있다.

ⅰ) 응력과 변형율 분포는 용접선 길이 방향에 대해 독립이다.

ⅱ) 용접선 길이 방향에 수직인 평면이 변형 전에 평면으로 존재한다면, 변형 후에 도 평면으로 존재한다.

이들 가정을 정식화 하면, 식(2.16)과 식(2.17)로 나타낼 수 있다.

ε = ∂ , ε = ∂ (2.16)

γ = ∂∂ +

, γ = ∂∂ +

(2.17)

ⅲ) 그러나, 열은 등방성이므로 열에 의한 전단변형율은 발생하지 않기 때문에 이를 고려하여, 식(2.17)를 다음 식으로 표현할 수 있다.

γ 〓0 (2.18)

구조물이 물체력 및 경계조건을 만족함과 동시에 평형을 이루고 있다면, 평형방정 식과 역학적 경계조건이 성립되므로, 가상일의 원리(principle of virtual work)를 정식화 할 수 있다.

δ{ε} {σ} -⌠ δ{ }{ } -⌠ σδ{ }{ } = 0 (2.19) 여기서, {σ } : 응력 벡터, {ε } : 변형율 벡터, { } : 변위 벡터, { } : 단위체적당의 물체력 벡터, { } : 단위체적당의 표면력 벡터이다.

따라서, 열응력 문제의 변형율-변위 관계식은 다음과 같고,

(29)

ε = ∂ , ε = ∂ (2.20)

γ = ∂∂ +

∂ = 0 (2.21)

응력-변형율 관계식은 다음과 같이 구성된다.

ε = 1 [σ - ν σ ]+ α (2.22)

ε = 1 [σ - ν σ ]+ α (2.23)

γ = 1 τ = 0 (2.24) 여기서, {α } = ε : 열 변형율(thermal strain),

α : 순간 선팽창계수, : 온도 이다.

따라서, 전 변형율 {ε }는 탄성 변형율 {ε }와 열 변형율 {ε }의 합으로서 아래 식으로 표현되고,

{ε }= {ε }+ {ε } (2.25) 응력과 변형율은 후크의 법칙(Hooke’s law)으로 부터 다음과 같다.

{σ }= [ ]{ε }

{σ }= [ ]({ε }- {ε }) (2.26) 여기서, [ ] : 탄성 응력-변형율 매트릭스 이다.

(1) (1)

(1) (1) 응력응력응력응력---변형율 -변형율 변형율 관계변형율 관계관계관계

재료의 물리적 성질의 온도 의존성을 고려한, 응력증분의 영향을 [ ] 라고 하면, 응력-변형율 관계는 아래 식과 같다.

{ σ}= [ ]{ ε }- [ ] (2.27)

(30)

1) 1) 1) 탄성역1) 탄성역탄성역탄성역

재료가 탄성거동을 하는 경우에는 다음과 같다.

{ ε }= { ε }+{ ε } (2.28) { σ }= [ ]{ε } (2.29) 여기서, 탄성변형율{ε } : 응력 {σ } 및 온도 의 함수이다.

탄성변형율의 증분은 아래와 같이 구성되고, {ε }=

{

∂ε∂σ

}

{ σ }+ ∂{ε }

{ε }= [ ]- 1{ σ }+ ∂[ ] - 1{σ } (2.30)

전 변형율 증분은 아래 식과 같다.

{ ε}= [ ]- 1{ σ }+ ∂[ ] - 1{σ } + {α} (2.31)

이 식을 정리하면, 탄성역에서의 응력증분에 대한 구성방정식이 구해진다.

{ σ }= [ ]{ ε}- [ ](∂[ ] - 1{σ }+ {α })

= [ ]{ ε}-([ ]{α}- 1 - 1

Δ {σ})

= [ ]{ ε}-{ }

(2.32)

여기서, 1 : 온도변화Δ 후의 탄성계수, { }:[ ]α 1 - - 1

Δ {σ } 이 다.

2) 2) 2) 소성역2) 소성역소성역소성역

재료의 항복응력(σ )은 온도 와 소성일(plastic work) ( σ, ε )의 함

(31)

수로서 σ ( , )로 하고, 항복함수 는 응력 {σ }와 항복응력 ( σ )으로 부터 다음과 같이 구성된다.

= - 0= (σ )- 0(ε , )

= σ2- σ20(ε , )

(2.33)

즉, = - 0= 0을 만족할 때 재료는 항복한다.

따라서, 재료가 소성역에서 부하상태에 있을 경우에는 = 0의 조건을 만족해야 한다.

=

{

∂σ

}

{ σ}-

{

∂ε0

}

{ ε }- 0 = 0 (2.34) 여기서,

{

∂σ

}

: 상당응력의 변화,

{

∂ε0

}

: 가공경화, 0

: 온도증분 이

다.

소성역에 도달한 재료는 비압축성을 나타내고, 항복함수를 소성포텐셜로 가정하면, 소성변형율 증분은 다음 식이 된다.

{ ε }= λ

{

∂σ

}

(2.35)

여기서,

{

∂σ

}

: 편차응력, λ : 양(+)의 스칼라양이다.

또한, 위의 식은 폰-미세스(Von-mises) 항복조건을 따른다.

전 변형율(total strain)증분{ ε }은 아래 식과 같이 탄소성 및 열변형율의 합이 된다.

{ ε}={ε }+{ε }+{ε } (2.36) 따라서, 소성역에서의 응력증분에 대한 구성방정식이 구해진다.

(32)

{ σ }= [ ]{ ε }- [ ]

{

∂σ

}

λ- [ ]{α }

+ [ ] [ ]- 1{σ }

(2.37) (2)

(2) (2)

(2) 절점력절점력절점력절점력----절점변위 절점변위 절점변위 절점변위 관계관계관계관계

물체력을 무시하고 가상일의 원리에 따라, 요소 등가절점력 증분{ }는 다음 식이 된다.

{ }= [ ]{ }- { } (2.38)

용접에 의한 열응력 해석에서는 외력의 작용이 고려되지 않으므로, 각 요소에 관 한 평형조건식은 다음과 같이 표현된다.

[ ]{ }-{ }={ }= 0

[ ]{ } ={ } (2.39) 여기서, [ ]= ⌠

⌡ [ ] [ ][ ] : 요소의 강성 메트릭스, { }= ⌠

⌡ [ ] [ ] : 열에 의한 등가절점력이다.

따라서, 본 연구의 용접잔류응력 해석용 열탄소성 프로그램은 위의 식에 의거하여 구성 되었다.

(33)

2.2.2 2.2.2 용접잔류응력 2.2.2 2.2.2 용접잔류응력 용접잔류응력 및 용접잔류응력 및 및 변형해석용 및 변형해석용 변형해석용 프로그램변형해석용 프로그램프로그램프로그램

(1) (1) (1)

(1) Flow-ChartFlow-ChartFlow-ChartFlow-Chart

열탄소성 열탄소성 열탄소성 열탄소성 프로그램 프로그램 프로그램 프로그램 Flow-ChartFlow-ChartFlow-ChartFlow-Chart

START

INPUT DATA

요 소 좌 표 정 의 전 절 점 에 대 하 여

초 기 온 도 Set

요 소 의 강 성 항 복 응 력 소 성 경 화 계 수 열 팽 창 율

온 도 Reading

요 소 의 강 성 Matrix 온 도 를 하 중 으 로 치 환

요 소 의 강 성 Matrix

A B

탄 성 , 소 성 판 단 평 형 방 정 식 계 산

응 력 , 소 성 변 형 율 , 상 당 소 성 변 형 율 , 소 성 일 계 산

결 과 출 력

각 Pass 별 결 과 치 중 첩

OUTPUT DATA

END STOP

A B

소 성 요 소 Check 변 형 율 증 분

형 상 함 수

Jacobian Matrix

(34)

(2) (2) (2)

(2) 프로그램 프로그램 프로그램 프로그램 구성구성구성구성

1) 1) 1)

1) 구성구성구성구성 : 용접잔류응력 및 변형율 해석용 프로그램은 1개의 main문과 48개의 sub-routine문 및 5개의 function문으로 구성되어 있으며, 입력 data를 조절(입력) 함으로써 손쉽게 수치 시뮬레이션을 수행하도록 구성되어 있다.

2) 2)

2) 2) 입력 입력 입력 data입력 datadata :data , 방향의 좌표수 지정, 경계조건, 절점번호 코딩(coding)순서 지정, 각 패스별 용착금속 및 HAZ요소, 절점의 시간대별 온도이력 등이다.

3) 3)

3) 3) MainMainMainMain문문문문 : 입력 data의 형식에 맞추어 data를 입력하면, 해석모델 형상의 전 절 점에 대해 요소좌표를 자동적으로 정의하여 형상함수 및 야코비언(Jacobian)매트릭 스를 구성한다.

또한, 열분포 이력을 열하중으로 하므로 용접이 수행되는 과정의 온도상승 및 랭 각에서의 온도이력을 입력하여 온도를 하중으로 치환하고, 요소의 강성 메트릭스를 구성한다. 또한, 재료의 항복응력, 소성경화계수, 열팽창율 등을 온도의 변화에 따라 계산하고, 요소의 강성 매트릭스를 중첩한다. 또한, 평형방정식을 계산하여 응력, 소 성변형율 등을 계산한다. 재료의 탄성, 소성여부를 폰-미세스 항복함수를 토대로 판단하여, 온도, 변위, 응력, 소성변형율 및 상당응력 등을 출력하게 되고, 다층-다 패스의 경우 이러한 결과치가 중첩과정을 반복하게 된다.

(35)

제 제 제

제333장 3장 장 장 용접법에 용접법에 용접법에 용접법에 따른 따른 따른 따른 2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo강 2.25Cr-1Mo강 강 Bead 강 Bead Bead Bead on on on plateon plateplateplate의 의 의 의 열 열 열 열 및 및 및 역학적 및 역학적 역학적 특성역학적 특성특성특성

원자력발전 설비의 중요 구성물인 압력용기 제작 시, 고온 및 고압의 환경에 적합한 재 질로 내열, 내압 및 내부식성이 우수한 2.25Cr-1Mo강이 이용되며, 제작방법으로는 지금 까지 검증된 아크용접 프로세스가 적용되고 있으며, 1997년에 T. Chapman 등은 원자력 발전 설비 중 파이프 용접에 적합한 용접법으로 티그용접을 개선시킨 방법을 발표하였 다. 개선된 용접법의 핵심은 용접부에 입열되는 입열량을 저감시킴으로서, 용융부의 기계 적 특성인 용접법형과 잔류응력의 크기 그리고 용융부 폭의 크기를 적게하는 효과(5,22)를 얻었다. 이와 같은 용접부의 기계적 특성은 입열방법에 기인하는 것임을 알 수 있다.

이 처럼, 용접으로 제작된 설비 및 구조물의 안전성과 내구성 확보를 위해 새로운 용접 열원 개발 및 적용을 위한 다양한 용접기법이 연구되고 있으며, 이와 같은 연구결과 적 용으로 높은 용접품질과 생산성 향상이 얻어지고 있다.

최근에는, 용접부에서의 용융열 발생방법이 아크용접과는 전혀 다른 고밀도 에너지를 직접 방출시키는 레이저 용접장비의 고출력화와 장비 사용의 편이성 증대로 후판 용접 적용이 가능하게 되었다. 이와 같은 입열 특성은 용융부의 용융체적을 대폭 저감(11)시킬 수 있다.

따라서 본 연구에서는 원자력 발전설비의 중요 소재인 중․고온용 2.25Cr-1Mo강의 용접 에, 입열부 최소화로 얻어진 용접의 정밀성, 높은 용접품질 그리고 빠른 용접속도와 같은 장점을 지닌, 레이저용접 열원의 적용가능성(15)을 검토하고자 한다.

본 연구를 위해, 소재는 원자력발전소에 사용되고 있는 두께 12mm의 2.25Cr-1Mo강을 선정하였으며, 용접법은 레이저용접에서는 CO2레이저용접을, 아크용접에서는 티그용접을 선정하였다. 레이저용접과 같은 새로운 용접열원에 의한 용접부의 열적특성을 규명하기 위해, 4절점 아이소-파라메트릭 유한요소법을 이용한 2차원 비정상열전도 수치해석을 수 행하였다. 수치해석 결과의 신뢰성은 용접법에 따라서 형성된 시험편의 비드 온 플레이 트의 단면사진으로부터 얻어진 HAZ 영역의 경계선과 수치해석에서 얻어진 경계선의 일 치여부로 확인(14)하였다.

(36)

3.1 3.1 3.1 3.1 2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo강의 강의 강의 강의 물리적 물리적 물리적 물리적 성질과 성질과 성질과 성질과 화학적 화학적 화학적 화학적 조성조성조성조성

용접이음부에 가해지는 외력에 중첩되는 용접 잔류응력이 용접부 파괴에 미치는 영향 규명의 주된 어려움은 삼차원 상태에서의 용접 잔류응력 계측기술 어려움에 있다.

이와 같은 계측의 어려움으로, 유한요소법을 이용한 열탄소성 해석을 이용하여 얻 어진 용접단면에서의 잔류응력분포 특성은 용접부 파괴 특성(16)을 이해하는데 유익 한 해석 수단이다.

이와 같은 해석 결과의 신뢰성 확보을 위한 첫 단계는 용접과 같은 가열과 냉각 과정에서 변하는 온도에 따른 용접 재질의 물리정수 고려하는데 있다. 가열과 냉각 과정에서 시간 경과에 따른 용접 이음부 재질의 열 변형율은 온도에 따라 다르기 때 문에, 용접과정의 열전도 해석을 통해서 얻어진 온도이력의 신뢰성은 용접부의 역 학적 특성을 규명하는 열탄소성 해석의 정확성을 좌우(7)한다.

따라서 열전도 해석에서 이용되는 밀도( ρ ), 열용량( ), 열전도율( λ )등의 온도 의존성을 고려한 fig. 3.1의 (a)와 같은 물리정수가 고려되지 않으면 안 된다. 또한 용접이음부에서의 온도 변황에 따른 물리적 성질은 fig. 3.1의 (b)와 같다.

이와 같은 온도 의존성의 재질적 특성이 고려된 힘과 변위의 관계로부터 열탄소 성 해석의 신뢰성을 확보하였다.

끝으로, 본 연구에 사용된 2.25Cr-1Mo강의 화학적 조성과 기계적 물성치는 table 1, 2과 같으며, 아크용접에 이용된 용접봉은 현대종합금속에서 제작된 S-9016.B3을 이용하였으며, 용접봉의 화학적 조성과 기계적 물성치는 table 3, 4 와 같다.

(37)

Table. 1 Chemical composition of 2.25Cr-1Mo steel (unit:%)

C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Nb V

0.13 0.15 0.47 0.008 0.004 2.21 0.17 0.02 0.99 0.001 0.008

Table. 2 Mechanical properties of 2.25Cr-1Mo steel Yield strength

(MPa)

Tensile strength (MPa)

Elongation (%)

Reduction of area (%)

476 582 30 59

Table. 3 Chemical composition of welding wire (S-9016.B3)

C Si Mn P S Cr Mo

0.07 0.57 0.82 0.022 0.012 2.32 1.07

Table. 4 Mechanical properties of welding wire (S-9016.B3) Yield strength

(MPa)

Tensile strength (MPa)

Elongation

(%) Heat treatment

554 663 25.6 5690℃×1hour

(release the stress)

참조

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