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(2)

2011 年 2 月 碩士學位論文

강구조물의 용접해석조건이 잔류응력분포에 미치는 영향

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

土 木 工 學 科

李 承 燁

(3)

강구조물의 용접해석조건이 잔류응력분포에 미치는 영향

Effect of Welding Analysis Conditions

on the Distributions of Welding Residual Stress in Steel Structure

2011 年 2 月 25 日

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

土 木 工 學 科

李 承 燁

(4)

강구조물의 용접해석조건이 잔류응력분포에 미치는 영향

指導敎授 朴 正 雄

이 論文 을 工學碩士學位 論文 으로 提出 함

2010 年 11 月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

土 木 工 學 科

李 承 燁

(5)

의 을 함.

李承燁 碩士學位論文 認准

委員長 朝鮮大學校 敎授 朴 吉 鉉 ( ) 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 金 大 賢 ( ) 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 朴 正 雄 ( ) 印

2010 年 11 月

朝 鮮 大 學 校 大 學 院

(6)

목 차

ABSTRACT

제 1 장 서 론••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 연구배경 및 목적

1.1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 기존 연구동향

1.2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2 연구방법 및 범위

1.3 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4

제 2 장 용접잔류응력의 이론 및 측정••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 5 용접부 특성

2.1 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 5 용접법의 종류

2.2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 7 잔류응력 생성원리와 영향

2.3 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 16 잔류응력의 생성원리

2.3.1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 16 잔류응력이 강구조물에 미치는 영향

2.3.2 ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 19 잔류응력 측정법

2.4 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 23 절단법에 의한 잔류응력 평가

2.4.1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 26 구멍가공에 의한 잔류응력 평가

2.4.2 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27 선을 이용한 잔류응력 평가

2.4.3 X- ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 29 잔류응력 수치해석

2.5 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 31

제 3 장 유한요소법에 의한 잔류응력의 해석••••••••••••••••••••••••••••••••••• 34 해석모델 및 해석조건

3.1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 34 해석모델

3.1.1 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 34 해석조건

3.1.2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 35 해석결과 및 고찰

3.2 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 39 용접에 의한 온도 분포

3.2.1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 39 용접잔류응력

3.2.2 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 41

제 4 장 결 론 61

(7)

그 림 목 차

그림 2.1 일반구조용 강재의 용접부 영역과 상태도••••••••••••••••••••••••••••• 5 그림 2.2 각종 용접 방법••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 7 그림 2.3 피복아크용접법••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 10 그림 2.4 서브머지아크용접••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 11 그림 2.5 가스메탈 아크 용접법••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 11 그림 2.6 셀프쉴드 아크용접•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 12 그림 2.7 TIG용접•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 13 그림 2.8 소모노즐식 일렉트로 슬래그 용접•••••••••••••••••••••••••••••••••••• 14 그림 2.9 일렉트로 가스 용접••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 15 그림 2.10 아크스터드용접•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 15 그림 2.11 외력에 의해 생성된 내부 인장응력•••••••••••••••••••••••••••••••••• 16 그림 2.12 조립 3 부재의 잔류응력•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 17 그림 2.13 용접에 의한 열응력 생성 단순모델•••••••••••••••••••••••••••••••••• 18 그림 2.14 용접잔류응력의 영향••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 19 그림 2.15 용접결함•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 20 그림 2.16 세로 이음의 정적 인장에 의한 잔류응력의 변화•••••••••••••••••••••• 21 그림 2.17 잔류응력 측정법••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 23 그림 2.18 판에 적용 된 응력이완기술••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 26 그림 2.19 홀 드릴링법 측정 기기••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27 그림 2.20 잔류응력 측정을 위한 스트레인 게이지 배열••••••••••••••••••••••••••28 그림 2.21 Bragg's law에 따른 X-ray 회절••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 29 그림 2.22 X-ray 회절에 의한 잔류응력 측정 원리•••••••••••••••••••••••••••••• 30 그림 3.1 시험편 치수 및 형상•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 35 그림 3.2 해석시 경계조건•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 35 그림 3.3 두께 60mm모델의 용접법에 따른 모델링••••••••••••••••••••••••••••••• 37 그림 3.4 재료의 온도의존성•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 38 그림 3.5 두께 60mm모델의 다층용접시 온도분포•••••••••••••••••••••••••••••••• 40 그림 3.6 구속조건에 따른 잔류응력 분포(60mm)•••••••••••••••••••••••••••••••• 43 그림 3.7 구속조건에 따른 잔류응력 분포(80mm)•••••••••••••••••••••••••••••••• 45

(8)

그림 3.8 Contact Die조건에서 과도 응력분포(60mm)•••••••••••••••••••••••••••• 46 그림 3.9 구속조건에 따른 잔류응력 분포(60mm)•••••••••••••••••••••••••••••••• 48 그림 3.10 구속조건에 따른 잔류응력 분포(60mm)••••••••••••••••••••••••••••••• 51 그림 3.11 구속조건에 따른 잔류응력 분포(80mm)••••••••••••••••••••••••••••••• 53 그림 3.12 구속조건에 따른 잔류응력 분포(60mm)••••••••••••••••••••••••••••••• 54 그림 3.13 SAW용접에서 두께에 따른 잔류응력분포•••••••••••••••••••••••••••••• 56 그림 3.14 EGW용접에서 두께에 따른 잔류응력분포•••••••••••••••••••••••••••••• 57 그림 3.15 용접프로세스에 따른 잔류응력 두께( 80mm, Free조건)•••••••••••••••••• 59 그림 3.16 용접프로세스에 따른 잔류응력 두께( 80mm, Contact Die조건)••••••••••• 60

(9)

표 목 차

표 2.1 용접부의 영역별 온도범위••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 6 표 2.2 각종 아크용접방법과 기본원리••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9 표 2.3 작업방법에 의한 용접의 분류•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9 표 2.4 잔류응력 측정법 분류•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 25 표 3.1 용접 해석 조건•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 37

(10)

ABSTRACT

Effect of Welding Analysis Conditions on the Distributions of Welding Residual Stress in Steel Structure

Lee, Seung-Yup

Advisor : Prof. Park, Jeong-Ung Ph.D Department of Civil Engineering Graduate School of Chosun University

Welding deformation causes critical problems under construction and in use of steel structures by varying the magnitude of the steel structures and deteriorating mechanic strength. Although the Residual stress by welding effect on Buckling Strength, Fatigue Performance, Fracture Mode of steel structures, it can't easy to measure. Accordingly, Although the Residual stress by welding is numerically calculated through the Thermal Elastic-Plastic Analysis using the Finite element analysis, it is unuseful in spite of advances in computer technology when analyzing this in three dimensions.

Therefore, it is common to analyze the Residual stress by welding and the welding deformation interpretation in two dimensions. But, In case of two dimensions, We can't consider restrained effects of three dimensional directions. Consequently, there is different between size and distribution in Thermal Elastic-Plastic Analysis, Welding Residual Stress.

Accordingly, this thesis studied for the Boundary condition, the Welding Process, effects of Residual Stress on the Butt-welding by a thickness type of

(11)

제 1 장 서 론

연구배경 및 목적 1.1

강재는 기초 산업자재이며 건설현장에서 없어서는 안 되는 가장 중요한 재료이다.

이러한 일반 용접 구조용 강재는 최근 제조 및 생산기술의 발달로 더욱 고강도화 및/ 극후화 되고 있다. 이러한 고성능 강재가 초고층 및 장경간 교량과 같은 대형 강구조 물에 적용되면서, 구조를 단순화하여 재료사용량, 제작공수, 운반, 가설, 유지관리면 에서 보다 합리적인 건설시스템을 구축하고 있다.

토목 강구조물에서 두꺼운 강재를 사용하는 대표적인 구조물에는 2주형 판형교, 현 수교와 사장교의 주탑 등이 있다 유럽에서는 두꺼운 강재를 이미 오래 전부터 장지간. 에 까지 적용하고 있으며, 일본에서도 최근 합리화 구조형식 교량이란 개념으로 활발 한 연구 및 설계적용을 진행 중에 있다. 그 중 2주형 판형교는 기존의 플레이트 거더 교에 비하여 상당히 단순한 구조를 가지고 있다 플레이트 거더교의 합리화는 주형 개. 수의 최소화 구조부재의 단순화 및 생략함으로 가능해 지며 또한 고강도 후판강재의, , 사용을 통하여 보다 합리적인 사용이 가능하다. 사장교나 현수교에 사용되고 있는 강 주탑은 교량에 가해지는 압축과 굽힘하중에 대해 충분한 내하력을 가지기 위해 두꺼운 강재를 사용하고 있다. 이러한 강주탑은 여러 개의 블록으로 나누어지면 각각의 블록 은 현장에서 용접에 의해 연결된다. 교량 및 건축물에 극후판을 적용함으로써 얻게 되 는 가장 큰 효과는 보강재 생략 및 부재 수 감소에 의한 구조의 단순화에 있다. 또한 극한상태에서 부재단면의 소성변형도 기대할 수 있기 때문에 변형능력이 증대되는 효 과도 있다 이에 따라. , 극후판을 적용하는 2주형 판형교량과 같은 합리화 강교량이 지 속적으로 개발되어 새롭게 적용되고 있다.

이처럼 강구조물에 사용되는 강재의 두께가 두꺼워 질수록 용접부에 존재하는 잔류 응력이 증가하는 문제가 발생한다. 잔류응력이란 공학적인 많은 재료들에서 일상적으 로 존재하며 외부에서 가해지는 힘이 없어도 물체 내부에 존재하는 응력이라고 말할 수 있다. 그 중 용접에 의한 잔류응력은 구조물의 안전성에 밀접한 영향을 미치고 구,

(12)

조물의 파괴에 대한 저항력을 감소시키므로 잔류응력이 구조물에 미치는 영향에 대한 연구가 불가피한 실정이다. 강재는 절단, 천공, 용접 등의 가공공정을 거쳐서 부재가 되므로 부재 및 구조물의 설계, 제작 및 시공에서 잔류응력을 반드시 고려하여야 할 중요한 부분이다 기존 연구결과에 의하면 용접에 의한 잔류응력은 취성파괴를 초래하. 고, 임계좌굴응력을 감소시키며, 피로파괴, 응력부식균열 등을 촉진시키는 등 강구조 물에 영향을 미친다. 이러한 이유로 정확한 용접잔류응력 분포를 예측하기 위해 해석 적 방법과 실험적 방법을 이용한 다양한 연구가 진행되었다 본 연구에서는 이러한 용. 접잔류응력이 강구조물의 내하력에 미치는 영향을 규명하는 연구의 일환으로, 내부의 잔류응력을 예측하는 2차원 열탄소성해석법을 이용하여 용접해석조건이 용접잔류응력 에 미치는 영향을 규명하고자 한다.

이러한 용접잔류응력 해석법은 컴퓨터의 발전에도 불구하고 3차원 정밀해석을 수행 하기에는 많은 계산시간이 필요하므로 2차원해석을 통한 잔류응력 및 용접변형해석을 실시하는 것이 일반적이다. 그러나 2차원해석의 경우 3차원해석에서 발생되는 길이방 향의 구속효과를 고려할 수 없어 잔류응력과 용접변형의 크기 및 분포에 차이를 발생 시킨다. 따라서 본 연구에서는 후판 강구조물의 용접잔류응력 해석시 많이 사용되고 있는 차원 열탄소성해석시 경계조건2 (free, fix, Contact Die), 다층SAW 및 EGW, 그리 고 부재의 두께(60, 80mm)에 따른 잔류응력의 영향에 대해 검토하였다.

기존 연구동향 1.2

용접잔류응력은 강구조물의 내하력에 영향을 주기 때문에 용접과정에서 반드시 발생 하는 잔류응력의 측정방법 및 해석에 관한 많은 연구가 활발하게 진행되어 왔다 초기. 에는 파괴적 실험법인 응력이완법을 이용하여 잔류응력을 측정하였다. 두꺼운 모재를 길이방향으로 용접하고 이 방향으로 게이지를 부착하여 판을 직각방향으로 절단하면서 깊이에 따른 축방향의 잔류응력 상태를 측정하는 방법이3 Ferrill, Juhl. Miller와 J.

에 의하여 개발되었다 이 방법은 잔류응력을 측정하고자 하는 곳에 드 Marthar(1934) .

(13)

하여 X선 방법 등의 측정 방법이 개발되어 측정 결과가 축적되고 있으나 실험 과정상 많은 제약조건이 존재하였으며, 실험결과에 많은 문제점을 노출하였다 또한 이제까지. 의 실험적 잔류응력측정법은 강구조물의 표면의 잔류응력만을 측정할 수 있으므로 내 부의 잔류응력을 측정하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

해석적 방법에 있어서는 Rosenthal가 1941년 용접에 의한 열분포를 해석적으로 구한 이후, 용접 잔류응력에 관한 연구가 시작되었다. 1980년대 이후의 연구동향은 용접과 정에 포함된 금속의 조직변화, 열유동 재료역학 등을 고려한 수치해석이 주류를 이루, 고 있다. 가장 보편적인 해석 방법은 고유변형률 개념을 이용한 해석적 방법

과 유한요소해석을 이용한 수치적 방법 으로 대

(analytical method) (numerical method)

별된다. Watanabe(1964) 등은 무한 평판에 슬릿(slit) 인근에 일정 크기의 고유변형률 이 분포하는 경우 잔류응력의 해를 제시하였고, Satoh(1964) 등은 박판의 파이프를 대 상으로 일정한 크기의 고유변형률의 분포에 따른 응력분포를 평가하였다. 이후 등은 고유변형률의 이론을 발전시켜 맞대기 용접부의 실험 결과를 토 Fujimoto(1971)

대로 고유변형률의 분포를 정의하고, 이를 이용하여 용접잔류응력을 평가하였다. 그러 나 초기에 고유변형률을 이용한 용접부의 잔류응력 평가는 잔류응력을 평면응력(plane 으로 가정함으로써 판 두께 방향으로 잔류응력의 구배가 존재하지 않는 박판에 stress)

만 국한되어 적용되었다 이에. Ueda(1988) 등은 고유변형률과 탄성 유한요소해석을 이 용하여 후판 다층 용접부의 잔류응력의 분포를 평가할 수 있는 기법을 제안하고 이를 다층 맞대기 용접부에 적용하여 타당성을 검증하였다. 이후 Ueda(1991)는 고유변형률 의 분포를 정확히 평가하기 위하여 실험적인 방법 외에도 열 탄소성 해석을 이용한 방 법 등을 통하여 고유변형률의 분포를 정의하는 방안을 제안하였다.

성수대교와 같이 용접접합부의 결함으로 인한 사고 사례가 발생함에 따라 용접접합∙ 부의 잔류응력의 분포 및 파괴에 미치는 영향에 관한 관심이 증대되며 이에 대한 연구 도 진행 중에 있다 국내의 경우 이미 필렛용접 접합부의 잔류응력 분포 및 변형에 관. 한 특징 및 생성 매커니즘에 관한 연구는 이미 진행된바 있으며 외력 작용시 필렛용접 접합부의 응력 거동에 관한 연구도 진행 중에 있다. 그러나 현재까지의 연구 및 실험 은 부재시편 및 모델에 한정되어 진행되어 왔으며 용접 잔류응력과 전체 구조물의 관 계에 대한 연구에 몇몇 진행 된 바 있으나 아직 명확히 밝혀지지 않은 상태이다 최근.

(14)

강구조물 후판강재의 사용량 급증과 더불어 이로 인하여 강재의 용접부에서의 잔류응 력이 구조물에 미치는 영향을 정량적으로 명확히 규명해야할 필요가 있다.

연구방법 및 범위 1.3

본 연구에서는 유한요소법을 이용한 2차원 열탄소성해석을 통한 해석결과를 바탕으 로 최근 그 사용량이 증가하고 있는 극후 강재의 용접시 발생하는 잔류응력의 특성을 명확히 하고자 한다 이를 위해 잔류응력이 발생하는 용접부의 특성 및 용접법의 종류. 에 간략하게 소개하였다. 다음으로 고강도 극후 강재에서의 용접잔류응력의 생성원리 및 그에 따른 잔류응력이 발생하는 다양한 영향을 제시하였다. 해석에 필요한 유한요 소법에 의한 열탄소성해석에 대한 기본 이론은 대표적인 잔류응력 측정법과 함께 소개 하였다.

용접에 의해 발생하는 잔류응력은 실측하는 것이 쉽지 않기 때문에 일반적으로 열탄 소성해석을 통하여 용접잔류응력을 수치적으로 계산하고 있으나, 이것을 3차원으로 해 석하는 경우 컴퓨터의 발전에도 불구하고 너무 많은 시간이 소요되므로 차원 모델 해2 석을 통한 용접잔류응력 및 용접변형해석을 실시하는 것이 일반적이다. 해석에 사용된 강재는 용접구조용 강재 SM400의 물성치를 이용하였고, 60mm, 80mm 두께의 판 모델에 서의 판두께 용접프로세스, , 경계조건에 따른 특성을 파악하고자 한다. 해석시 용접부 의 용접방법은 플럭스 코어드 아크용접(FCAW)과 일렉트로 가스 용접(EGW)을 적용하였 다. 본 연구를 통하여 용접해석조건에 따른 용접선직각방향 응력( σ ), 용접선두께방 향 응력( σ ) 및 용접선방향 잔류응력( σ )의 특성을 분석하여 열탄소성해석시 해석 조건에 따른 용접부의 잔류응력 분포 및 특성을 규명하고자 한다.

(15)

제 2 장 용접잔류응력의 이론 및 측정

용접부 특성 2.1

강재는 급열 급랭의 용접공정을 거치면서 용접부를 형성하게 된다 강재의 용접부는∙ . 용융점 이상의 고온의 영향을 받는 용착부와 용접열원으로부터의 거리에 따라 용융점 이하의 온도에 의해서 고상변태가 발생하는 열영향부(HAZ ; heat affected zone)로 구 분된다. 한편 용착부에 인접한 열영향부는 용접열에 의해서 용융점 직하에서 광범위한 각 온도로 급속 가열 냉각된∙ 부분이다. 또한 열영향부는 최고가열온도(Peak 에 따라 서로 다른 미세조직을 갖게 되며 조립역 세립역 부분 변태역

Temperature) , , , ,

취화역으로 구분된다.(Kenneth, 1983) 각 영역은 서로 다른 기계적 특성을 갖는다 그. 림 2.1은 일반구조용 강재의 용접부 영역과 상태도 간의 관계이며 표, 2.1은 용접부의 영역별 온도범위이다. 여기서 는 최고가열온도, 는 오스테나이트로 변태가 시작 되는 온도, 는 완료 되는 온도를 나타낸다.

그림 2.1 일반구조용 강재의 용접부 영역과 상태도

(16)

표 2.1 용접부의 영역별 온도범위

용접부의 큰 특징 중 하나는 온도에 따라 금속의 조직이 변화하는 상변태(phase 현상이다 하지만 본 연구의 수치해석 부분에서는 상변태 현상이 고 transformation) .

려되지 않았으므로 이에 관해 간략히 기술하겠다. 용착부는 용융점 이상의 온도영역에 서 완전히 용융된 후 응고한 영역이다 기계적 특성은 용접재료 및 열 사이클 등의 영. 향에 따라 결정되지만, 저탄소강의 경우 일반적으로 강도 및 경도는 높아지고 인성은 저하된다. 용접금속과 열영향부의 경계는 용융선 또는 용융경계부로 불리운다 열영향. 부의 경계인 용융선이 용착부와 접한 부분이 바로 조립역으로 용접 시 1100℃~1500℃ 범위의 온도에서 완전히 오스테나이트로 변태된 후 냉각되는 과정에서 결정립이 성장 이 이루어져 조대(粗大)한 결정구조를 보인다 연성 및 인성의 저하가 가장 큰 영역이. 다. 세립역은 오스테나이트 변태가 일어나기에 충분한 고온의 영향을 받지만 조립역 보다는 낮은 온도로 가열되는 영역으로 오스테나이트로 변태 후, 결정립이 성장할 시 간이 부족하여 미세한 결정립 구조로 남게 된다. 조립역과는 다르게 연성 및 인성 등 기계적 성질이 양호하다. 부분 변태역은 오스테나이트로의 부분적인 변태가 일어나며,

구분 온도범위

용착부 >1500℃

열영향부

조립역 1500℃> >1100℃

세립역 1100℃> >

부분 변태역 > >

취화역 >

모재부 열영향을 받지 않음

(17)

용접법의 종류 2.2

최근 건설업에서는 강교량의 대형화에 따라 고강도 극후강재의 적용이 증대되고 있 다 이러한 극후판의 적용은 용접 공수가 증가되므로 용접 생산성 향상을 위하여 기존. 의 다층용접 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 대신, 강재 두께 55mm 이하에서는 1Pole

공정을 적용하고 이상은 공정과 공정의 혼

EGW(Electro Gas Welding) 55mm 1Pole EGW FCAW 용 적용 또는 2Pole EGW공정 고능률 대입열 용접 공정이 이루어지고 있다.

이 외에도 용접방법에는 여러 가지 방법이 있는데, 그림 2.2는 각종 용접방법을 정 리하여 나타낸 것이다. 융접(融接)∙압접(壓接)∙노접(爐接)으로 크게 분류되는데, 융접 은 피용접재를 가열하고, 피용접재 및 용가재(溶加材)를 융합시켜 용융금속을 만들어 서 이것을 응고시켜 접합하는 방법이다.

그림 2.2 각종 용접 방법

(18)

강교량 제작에서 많이 이용되는 것이 아크용접이다 아크 용접법에서는 접합하는 모. 재와 전극 용접봉 또는 와이어 의 사이에 아크 방전을 발생시켜 그 열을 이용해 접합( ) 부를 용융시킨다. 표 2.2는 각종 아크용접 방법과 기본원리를 나타낸 것인데, 아크용 접법은 전극 자체가 녹느냐 또는 외기로부터 아크를 어떻게 차폐하느냐에 따라 구분된 다. 용극식 아크란 용접봉 또는 와이어가 모재와 함께 용융하는 것이다. 비용극식 아 크는 TIG용접 등과 같이 전극은 녹지 않고, 그 아크 속에 삽입한 용가봉(溶加棒) 또는 모재가 용융하는 것이다 아크용접에서는 용융 부분을 외기로부터 차폐하는 것이 중요. 하다. 플럭스를 이용하여 그 작용으로 작용한 가스와 용융 슬래그 쉴드(shield)하는 방법과 쉴드가스를 직접 외부에서 공급하는 방법이 있다. 용융부분이 외기에 닿으면 고온 때문에 산소 ∙ 질소 ∙ 수소 등의 가스를 다량으로 흡수해 버린다. 흡수된 가스는 유해 화합물을 만들 뿐 아니라 온도가 강하함에 따라 용해도는 감소하고 과포화된 가 스는 직접 또는 간접으로 블로우 홀 균열 및 취화 등의 원인이 된다, .

용접방법의 분류와는 별도로 용재의 공급, 홀더 이동의 시방에 의해 표 2.3과 같이 용접을 분류하기도 한다. 피복아크용접 수동용접이다= . 가스메탈 아크용접은 일반적으 로는 반자동 용접이라고 불리는데, 홀더의 이동방법에 따라서는 자동용접이 된다.

(19)

표 2.2 각종 아크용접방법과 기본원리

표 2.3 작업방법에 의한 용접의 분류

전극 실드제 용접방법

용극식 용접식( ) 플럭스 피복아크용접

용극식 와이어( ) 플럭스 서브머지아크

셀프쉴드아크

용극식 와이어( ) 가스

용접 MIG

용접 MAG

용접 (CO₂ ) 비 용극식

텅스텐전극

( ) 가스 MIG용접

플라즈마아크

구분

용재의 송급방법

홀더의

이동방법 대표적 용접방법

수동용접 수동 수동 피복아크용접

반자동용접 자동 수동 가스메탈아크용접

셀프쉴드아크 서브머지아크

자동용접 자동 자동

(20)

그림 2.3은 피복아크용접법을 나타낸 것인데 피복아크용접, (Covered Arc Welding)은 용접봉과 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 그 열을 이용해 용접봉과 모재를 녹여 용 접하는 방법이다. 일반적으로는 아크길이의 제어나 운봉(運棒)을 수동조작으로 하기 때문에 수동용접이라 한다.

그림 2.3 피복아크용접법

서브머지아크용접(Submerged arc welding)은 입상(粒狀) 플럭스로 아크부를 실드해 서 용접하는 방법이다. 그림 2.4는 용접방법을 나타낸 것이다. 용접에 앞서 용접선에 입상의 플럭스를 뿌리고 그 속에 와이어를 송급 하여 아크를 발생시킨다 아크에 접한. 플럭스가 용융하여 용접금속을 보호한다 피복아크용접에 비해 큰 전류의 사용이 가능. 하고 용융시의 교반작용이 크며, 또 열에너지의 손실이 적은 용접법이다. 공장내에서 의 사용은 일반적으로 맞대기용접, 필렛용접에 사용된다. 서브머지아크용접은 일반으 로 용입이 깊기 때문에 모재의 조성 등에 따라 용접금속의 성질이 크게 좌우된다. 강 재종류에 따라서는 대전류용접의 경우 열영향부의 성능이 열화하는 경우도 있다, .

(21)

그림 2.4 서브머지아크용접

가스메탈아크용접(gas shielded arc welding)은 쉴드에 가스를 이용하는 방법이다. 쉴드가스로서는 CO₂와 같은 활성가스(active gas), Ar 등의 불활성(Inert)가스가 사 용된다. 각각의 머리문자를 따서, 전자를 MAG용접, 후자를 MIG용접이라고도 한다. 가 스는 그림 2.5와 같이 전극와이어의 주위에 배치된 노즐로부터 분출해, 아크 및 용융 지를 보호한다. 와이어는 모터 구동의 송급 롤러에 의해 연속적으로 공급되어 아크길 이를 일정하게 유지하면서 용접한다. 용접재료 자체에 수소원(水素源)이 적고, 가스 쉴드를 충분히 하면 저온균열이 발생하기 어려운 용접법이라고 할 수 있다.

그림 2.5 가스메탈 아크 용접법

(22)

그림 2.6은 셀프쉴드 아크용접(non gas shielded arc welding)의 개요를 나타낸 것 이다. 비가스쉴드 아크용접이라고도 한다. 외부로부터 플럭스나 쉴드가스를 공급하지 않아도 용접할 수 있으나, 가스메탈 아크용접에 비해 작업능률이 떨어지고, 용접금속 의 기계적 성질에 난점이 있다. 또 다량의 홈(Fume)이 발생하므로 그루브의 밑에서는 용융지가 잘 안 보이고, 또 옥내작업에서는 환기가 필요하다 그러나 쉴드가스가 불필. 요하므로 바람의 영향에 의한 기공 발생이 적고, 옥외작업이 가능한 장점이 있다. 또 철골의 현장용접에 널리 적용되었으며, 최근에는 강관말뚝, RC교각의 강판보강 등의 용접에 사용되고 있다.

그림 2.6 셀프쉴드 아크용접

용접은 그림 과 같이 등의 불활성가스 분위기속 TIG(Tungsten Inert Gas) 2.7 Ar, He

에서 텅스텐전극과 모재 사이에 아크를 발생시키고, 그 아크열로 용가봉을 녹여 용접 한다. 용접입열을 제어하기 쉬워서 박판의 용접에 알맞다. 특수한 경우를 제외하고는 교량제작에는 사용하지 않는다.

(23)

그림 2.7 TIG용접

일렉트로 슬래그 용접(electro slag welding)은 아크열이 아닌 와이어와 용융슬래그 속을 흐르는 전류의 저항열을 이용하여 와이어와 모재를 용융시켜 용접하는 방법이다.

그림 2.8은 그 개요를 나타낸 것인데, 수직의 자동용접방법이다. 개선가공은 가스절단 인데도 좋으며, 판 두께에 관계없이 I형개선이 일반적이다. 1패스로 용접할 수 있기 때문에 능률이 좋은 방법이지만, 판 두께가 두꺼워지면 용접입열이 증가한다. 재질이 변화하거나 본드 취화하는 재료에서는 입열제한이 있어 적용할 수 없다. 종래는 노즐 도 용융하는 소모노즐이 일반적이었지만 고능률화를 겨냥한 비소모노즐식이 보급되고, 있다.

그림 2.8 소모노즐식 일렉트로 슬래그 용접

(24)

본 논문의 수치해석 부분에서 참고한 용접법인 일렉트로 가스(EGW: electro gas arc 용접은 가스메탈아크용접과 같은 원리로 그림 와 같이 아크 및 용융지를

welding) 2.9

가스로 쉴드한다. 용융금속이 용융지로부터 유출하지 않도록 모재의 양면에 덧댐재를 대어 준다. 겹침이동형식의 수냉 구리판을 이용하는 것이 일반적이다 일렉트로슬래그. 용접법과 마찬가지로 수직방향의 자동 용접법으로서, 또 대표적인 고능률 용접법으로 이용되고 있다. 일렉트로슬래그 용접법이 후판용접에 적합한 것에 비해 중판 이하의 강판용접에 능률적인 방법이다. 그러나 용접입열이 50~300KJ/cm로 크게 되어 열 영향 부에 연화부가 생겨서 이음강도가 저하하는 경우가 있다. 일렉트로가스용접은 강거더 의 전단면 현장용접에 적용되고 있다. 최근에는 RC교각의 강판보강 현장수직방향용접 에도 적용된다.

그림 2.9 일렉트로 가스 용접

(25)

아크스터드용접(Arc Stud Welding)은 스터드지벨에 사용되는 용접방법으로 그림 은 그 개요를 나타낸 것이다 스터드와 모재와의 사이에 단시간만 아크를 발생시

2.10 .

켜 이것을 자동적으로 눌러 붙이는 용접이다. 용접부는 휄 르라는 세라믹스 부품으로- 덮어서 아크실드와 덧살형성을 실시한다.

그림 2.10 아크스터드용접

(26)

잔류응력의 생성원리와 영향 2.3

잔류응력의 생성원리 2.3.1

뉴턴의 제 법칙과 제 법칙에 의하면 정지상태의 물체에 힘을 가하면 물체가 가속되2 3 거나 반발력이 나타난다. 가속되지 않은 물체는 그림 2.11과 같이 재료내부에 응력이 발생한다 즉. , 일반적으로 고체재료 내부에 발생한 응력은 외부에서 가한 외력에 대한 반발력 때문에 발생한다 그러나 잔류응력은 외부에서 외력을 가하지 않아도 재료내부. 에 응력이 존재하는 현상이다.

(27)

그림 2.12(a)의 초기 3부재에서 중간부재가 연결되어있지 않으나, 그림 2.12(b)에서 와 같이 중간부재를 당겨서 접합하면, 구조물 외부에서 하중은 작용하고 있지 않으나 중간부재에서는 인장응력을, 양쪽 두 부재에서는 압축응력이 작용되고 있다. 이와 같 이 외부에서 하중을 작용하지 않고 평형상태를 유지하고 있는 구조물 내부에 응력이 존재하는 것을 잔류응력이라 한다.

잔류응력이 존재하는 구조물은 평형상태를 유지하기 때문에, 구조물 내부의 임의의 단면에 대하여 생성 되어있는 잔류응력은 반드시 힘의 평형( σ )과 모멘트

평형( ) 조건을 만족시켜야 한다. 즉, 임의의 주어진 단면에 생성된 인장 잔류응력과 압축잔류응력의 합은 반드시 0이 되어야 한다.

초기상태 중간 부재 접합

(a) (b)

그림 2.12 조립 3 부재의 잔류응력

(28)

용접열원에 의해 평판을 가열하면 그림 2.13과 같이 가열부위는 팽창하고 열원에서, 멀어진 영역에서는 온도상승이 없기 때문에 가열부위를 구속하는 효과가 있다. 이러한 현상은 양단구속 부재와 유사하기 때문에 동일형태로 단순 모델화 할 수 있다. 만약 평판 전체 온도가 일정한 균일 온도분포를 하면서 가열된다면 평판에서 열응력 및 잔 류응력은 생성되지 않는다. 즉, 용접에 의해 생성된 열응력 및 잔류응력은 용접부 주 위의 불균일한 온도분포에 의해 생성된다. 그러므로 열응력 및 잔류응력은 각 방향에 따른 온도구배가 어떠한 분포를 갖느냐에 따라 응력분포가 결정된다.

가열 후 냉각 가열 후 냉각

그림 2.13 용접에 의한 열응력 생성 단순모델

(29)

잔류응력이 강구조물에 미치는 영향 2.3.2

가 . 피로강도

피로는 인장응력의 반복에 의해 발생하나 외력으로서 압축응력만이 작용하는 부위에 서도 인장잔류응력이 존재하면 피로균열이 발생하는 경우도 있다. 그림 2.14와 같이 용접부에는 용접시공 시 냉각과정에서 통상 항복점에 가까운 인장응력이 내부응력으로 서 잔류하게 되는데 이러한 용접부에 압축응력이 반복적으로 작용하면 용접부의 내부, 응력과 중첩된 인장응력이 반복적으로 작용하게 된다.

그림 2.14 용접잔류응력의 영향

일반적으로 소형 시험체에서 주어진 피로강도는 실물 크기의 보 시험편에서 주어진 피로강도보다 크게 된다 이러한 이유는 소형시험편의 용접 이음부에서 생기는 인장잔. 류응력은 실물 크기의 보 시험체의 용접이음부에서 발생하는 인장잔류응력만큼 크지 않기 때문이다. 따라서 소형시험편 용접이음부의 응력비는 실물 크기의 보 시험체의 용접 이음부의 응력비보다 작게 된다. 응력비가 낮은 피로시험에서 주어진 피로강도는

(30)

실물 크기의 보 시험편에서 주어진 피로강도보다 크다. 따라서 소형 시험편에서 주어 진 피로강도는 실물 크기의 보 시험편에서 주어진 피로강도보다 크게 된다. 그러므로 소형시험편에서 주어진 피로강도는 실제 교량의 피로강도를 안전측으로 평가하지 않는 다 또. , 용접이음에 그림 2.15에 나타낸 바와 같이 용접결함 그리고 용접형상의 기하, 학적인 불연속 등에 의해 응력집중이 발생하여 피로강도를 저하시킬 수 있다.

그림 2.15 용접결함

나 . 정적강도

연성이 풍부한 연강 및 저합금강 등에서는 항복점에 가까운 잔류응력이 존재하여도, 외력에 의해서 소성 변형이 진행하여, 잔류응력이 완화되므로, 파단 강도에는 영향이 없다고 생각해도 좋다. 그 이유는 그림 2.16의 연강 맞대기 이음의 예와 같이, 비드 근방에는 높은 인장응력이 잔류되었던 부분은 외력의 증가에 따라 즉시 항복하여, 그 부분은 소성변형을 시작하지만 응력은 그다지 증가하지 않는다, .

(31)

그림 2.16 세로 이음의 정적 인장에 의한 잔류응력의 변화

예를 들면, 이음 시험편 전체로서 0.18%의 연신 변형을 주면, 전 단면이 항복하여 의 응력분포로 된다 이 상태에서 만약 외력을 제거하면 잔류응력은 점선과 같이

abcde .

대단히 작게 되고 이음에 근소한 소성 변형을 주면 잔류응력이 경감된다 그 후 시험, . 편의 소성변형이 2~8%로 진행함에 따라 응력분포는 그림과 같이 거의 평탄하게 증가하 며 처음부터 잔류응력이 없을 때와 거의 같이 파단하게 되며 강도에는 거의 차가 나, , 타나지 않는다.

다 . 취성파괴

균열이 존재하는 구조물에 있어서 잔류응력은 용접구조물의 정적 및 동적 파괴를 용 이하도록 돕는다. 파괴역학적인 관점에서 보면 결함이 있는 구조물의 취성파괴조건은

(32)

주어진 결함의 파괴변수 겉보기 파괴인성 재료의 파괴인성 등으로 볼 수 있는

“ ( ) = ”

데 이때, , 잔류응력의 존재는 결함변수의 작용응력 항에 중첩되어 겉보기 파괴인성 값 을 상승시키므로 최종적으로 구조물이 취성파괴조건에 쉽게 도달하도록 만든다.

이처럼 취성파괴는 보통 예기치 않게 부재 내에서 균열이 발생하고 급격히 전단면에 전파해서 파괴에 이르는 것이다. 이때 소성변형은 거의 발생하지 않는다. 이와 같은 취성파괴는 저온 등의 특수한 환경 하에서 발생하지만, 보통 상태의 구조물에서도 발 생한다. 온도의 저하, 변형속도의 증가 또는 두꺼운 단면인 상태일 때 등, 이 때문에 부재의 소성변형이 억제된 상태에 있을 때, 어떠한 원인으로 인하여 큰 응력이 작용하 면 취성파괴가 돌연 발생한다. 이때 잔류응력은 보통 부재단면에 초기응력으로 가해져 서 취성파괴에 영향을 준다.

(33)

잔류응력 측정법 2.4

용접에 의해 발생하는 잔류응력은 용접부 주위의 불균일한 온도분포에 기안한다 이. 러한 온도분포에 의해 용접부 부근에서는 복잡한 응력 변화가 발생하며 냉각 후에 응 력이 잔류하게 되고 또한 용접 변형이 발생하게 된다. 또한 용접에 의한 잔류응력은 용접변형, 저온균열, 취성파괴, 좌굴강도 등에 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 이러 한 잔류응력이 재료의 기계적 성질이나 구조물의 역학적 거동에 미치는 영향을 평가하 기 위해서는 잔류응력의 분포를 정량적으로 평가하는 방법을 확립하여야 한다. 잔류응 력의 분포를 구하는 방법에는 이론적인 방법과 실험적인 계측방법이 있다.

그림 2.17 잔류응력 측정법

이론적인 해석 방법은 우선 용접부의 온도분포를 정확히 알아낸 다음 응력 변형율과- 탄성계수 등 필요한 물리상수를 이용하여 열응력을 계산할 수 있다 이 이론적인 방법. 은 계산과정에서 사용되는 여러 가지 복잡한 온도 의존성 변수들에 의해 계산의 정도 가 낮아지고 또한, 해석하고자 하는 구조물의 기하학적 또는 역학적인 복잡성 때문에 도 계산의 정도가 낮아질 수 있다 이러한 정도를 낮추는 여러 가지 용인 때문에 이론. 적인 해석방법은 복장한 실제 구조물에서는 적용되어지지 못하고 있는 실정이다 그러, 나 이론적인 해석방법에 부가적으로 유한 요소법을 적용하여 많은 수의 연구자들이 가 공되어진 재료의 기계적 특성, 형상, 치수 및 하중의 조건하에서 해석 대상물에 퍼져 있는 잔류응력을 계산하고 있지만. 이러한 복잡한 해석의 절차에서 강도와 열과 같은

(34)

중요한 요소들을 환경에 맞게 적절히 이용하는데 어렵기 때문에 유한요소법을 이용한 해석적 적용방법 또한 매우 제한적이며, 예측된 잔류응력의 값들이 부정확하게 된다. 위와 같은 이유 때문에 실험적인 방법에 의해서 잔류응력이 측정되는데 실험적인 잔류 응력의 측정방법에는 파괴적인 방법과 비파괴적인 방법으로 다시 나누어지고 있다 파. 괴적인 방법은 여러 가지 확립된 방법이 있으나 측정 대상체를 파괴시켜야 한다는 근 본적인 문제점이 있는 반면 비파괴적인 방법은 잔류응력과 상관관계가 있는 물리적 성 질을 측정함으로써 잔류응력을 측정하기 때문에 이 물리적 성질에 영향을 주는 다른 인자들의 영향력을 배제시켜 줄 필요성이 있다. 한편 구멍 뚫기 방법과 같이 반 비파 괴적인 방법도 많이 쓰이고 있으나 이는 두께 방향의 응력분포가 심하지 않아야 하며 존재하는 잔류응력이 항복응력의 반을 넘지 않아야 된다는 조건이 필요하고 미세한 구 멍이나마 측정대상물에 손상을 주어야 한다. 최근에 잔류응력의 측정은 비파괴적인 방 법으로 나아가고 있으며 x-ray 회절, neutron 회절 초음파 자기적 방법 등이 다양하, , 게 연구되고 있다.

(35)

표 2.4 잔류응력 측정법 분류

Stress-relaxation using electrical and mechanical strain gages

Techniques applicable primary to plates

Sectioning technique using electrical resistance strain gages Gunnert technique

Mathar-Soethe drilling technique Stablein successive milling technique

Techniques applicable primary to solid cylinders tubes

Heyn-Bauer successive machining technique

Mesanger-Sahs boring-out technique Techniques applicable primary to

three dimensional solids

Gunnert drilling technique

Rosenthal-Norton sectioning technique

Stress-relaxation techniques using apparatus other than

electrical and mechanical strain gages

Grid system-dividing technique Brittle coating-drilling technique Photo-electric coating-drilling technique

X-ray diffraction techniques

X-ray film techniques

X-ray diffractometer techniques Technique based on stress-sensitive properties

Ultrasonic technique Polarized ultrasonic wave technique Ultrasonic attenuation technique Hardness technique Hardness technique

Hardness technique

Hydrogen-induced cracking technique Stress-corrosion cracking technique

(36)

절단법에 의한 잔류응력평가 2.4.1

용접종료 후 잔류응력 측정을 원하는 위치에 스트레인 게이지를 부착하여, 그 주위 부분을 절단하여 제거하면 잔류응력은 해소되기 때문에 잔류응력 해소에 의해 탄성변 형률의 측정이 가능하다 측정된 변형률이. 0 이상인 플러스 값으로 나타나면 압축잔류 응력이 존재하고, 0 이하인 마이너스 값으로 나타나면 인장잔류응력이 존재함을 알 수 있다. 절단법에 의한 잔류응력 측정은 스트레인 게이지를 표면에 부착하기 때문에 표 면잔류응력만을 구할 수 있으며, 판재의 두께가 얇은 경우에 평면응력 상태로 생각하 여 다음과 같이 구할 수 있다.

ε ε ε ε γ γ

σ υ ε υε σ

υ ε υε τ γ (2.1)

여기서, : 탄성계수, : 전단계수, υ : 포와송 비, ε : 변형률, ε : 측정변형률

그림 2.18과 같이 스트레인 게이지를 붙이고 그 주위를 제거하면서 변위를 측정한 다 이 잔류응력 측정의 가장 큰 단점은 파괴적 방법이라는 것이다 하지만 이 기술을. . 이용하면 시편부위의 잔류응력을 정량적으로 측정할 수 있어 널리 사용되고 있다.

(37)

구멍가공에 의한 잔류응력 평가 2.4.2

잔류응력의 정량적 평가기법 중 신뢰성이 비교적 높은 홀 드릴링(hole-drilling)법 은 고속의 제트류나 기계적 드릴링을 이용하여 잔류응력을 측정하기 위한 부분에 3축 스트레인 게이지를 부착하여 원형의 구멍을 형성하고 게이지의 각 축방향에 대한 변형 률을 측정하여 식(2.3)에 의하여 주 응력의 크기를 결정한다. 천공법(穿孔法)에서 의 해 잔류응력을 이완시킬 때 원형구멍 주위에서의 스트레인 변화량을 계측하는 것이기 때문에 다른 요인에 의한 스트레인의 변화를 최소화하여야 한다. 구멍의 주변에 형성 된 형성된 소성변형으로 인하여 스트레인 게이지의 변형을 유발할 수 있으며 스트레인 게이지 내에 정확한 드릴링을 하여야 정밀성 있는 측정이 가능하다 천공하기 전의 스. 트레인을 측정하고 스트레인 게이지 중심에서부터 적당히 떨어진 곳에 천공을 한 후, 충분히 이완되는 시간을 주기 위해 적당한 시간을 두고 스트레인 값을 측정한다.

그림 2.19 홀 드릴링법 측정 기기

그림 2.20과 같이 평면응력상태의 잔류응력장이 존재하는 시편에 스트레인 게이지를 부착하고 관통 구멍을 가공하여 ① ② ③, , 위치에서 이완된 변형률을 측정하여 주응력 방향과 주응력을 구하면 다음과 같으며, 이 값이 잔류응력이 된다.

(38)

σ ε ε

ε ε ε ε ε

σ ε ε

ε ε ε ε ε

α ε ε ε

ε ε (2.3)

여기서, σ : 응력, ε : 3방향 변형률,

α : 주응력 방향에서 스트레인 게이지① 까지 각도

또한, 와 는

ν ,

ν

ν 이고, 이다. (2.4)

여기서, : 탄성계수, ν : 프와송 비, 구멍의 반지름

: , : 스트레인 게이지 반지름

(39)

선을 이용한 잔류응력 평가 2.4.3 X-

금속재료는 금속결함에 의해 원자들이 규칙적으로 배열되어 결정구조를 이루고 있 다. 예로써 상온상태의 강은 BCC(체심입방구조) 결정 구조로 되어있다. 그림 2.21과 같은 금속표면에 X-선을 투사하면 일부는 내부로 침투하여 흡수되고, 일부는 반사된 다. 어떤 입사각에서는 각 격자면에서 반사하는 X-선의 행로차가 파장의 정수배가 될 때는 서로 겹쳐 강하게 되고, 그렇지 않으면 상쇄되어 버린다. X-선의 파장은 Bragg

에 의하여

law λ θ 의 조건을 만족시키면 방사선의 위상은 일치한다 따라서 θ를 측정하면 격자상수 를 알아낼 수 있고, 의 변화를 θ의 변화로써 측정하면 격자의 변형률을 알 수가 있다.

금속재료에 응력이 작용되어 탄성변형이 일어나면 원자간의 간격이 변하게 되어 그 림 2.22와 같이 X-선 최대강도가 나타나는 반사각도 2θ가 변하게 된다. 반사각도 2θ 의 변화에 따라 원자층 간의 거리변화를 구할 수 있기 때문에, 잔류응력이 존재하지 않은 표준시편의 원자층 간의 거리와 비교하면 잔류응력을 구할 수 있다 그러나. X-선 조사면에 녹이 있으면 회절선을 얻을 수 없고 또 표면을 가공하면 그 가공에 의한 잔, 류응력을 측정하게 된다. 따라서 가공층의 응력을 구하는 것이 목적이 아니면 표면가 공을 전해 연마 등으로 제거해야 한다. 또, 측정은 원자간의 탄성변형에 관한 문제이 므로 소성변형에는 관계없다.

그림 2.21 Bragg's law에 따른 X-ray 회절

(40)

그림 2.22 X-ray 회절에 의한 잔류응력 측정 원리

이 방법은 표면응력 밖에 측정할 수 없지만 대부분의 경우 최대응력이 표면에 존재, 하게 되므로 중요한 가치가 있다. X선에 의한 응력 측정은 비파괴 측정이므로 사용하 고 있는 재료, 기계 및 구조물 등도 그대로 응력 측정이 가능하며, 응력분포가 극히 불균일할 때에도 표면의 극히 작은 부분에 존재하고 있는 응력을 측정할 수 있는 장점 이 있다. X-선법에 의한 잔류응력측정은 Barrett와 Massalski(1996), Klug와 등에 의해 연구되었 Alexander(1974), Taylor(1961), Christenson(1960), Hilley(1971)

다.

(41)

잔류응력 수치해석 2.5

컴퓨터 응용기술이 발달되기 전에는 잔류응력 해석을 위하여 이론적 해석이 시도되 었다. 용접열전달에 의한 이론 해석해를 이용하였으며, 주로 가열과정은 무시하고 냉 각과정에 발생하는 수축 양을 이용하여 잔류응력을 계산하였다. 수축에 의해 일어난 변형을 고유변형률(inherent strain)로 정의하고, 힘 평형방정식, 모멘트 평형방정식, 적합방정식 및 탄성이론을 적용하여 이론 해석해를 구하였다. 그러나 실제 용접역학 문제는 열 탄소성 비정상 상태의 문제이므로 이론 해석해를 이용한 결과의 신뢰성에, , 문제가 있으며, 최근 컴퓨터의 발달에 의해 수치해석 기법이 일반적으로 많이 사용되 고 있다.

최근 컴퓨터의 발달로 여러 분야에서 수치해석에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으 며, 특히 유한요소법(FEM)을 이용한 적용사례에 관한 연구가 많이 발표되고 있다. 용 접공정을 유한요소법을 이용하여 해석하기 위해서는 용접열원을 적절한 모델 일반적으( 로 분포열원모델 로 가정하여 용접부재에 입열시킴으로써 열전달해석을 수행한다) . 국 부적인 가열에 의해 불균일한 온도분포가 형성되어 각 위치마다 열팽창량이 상이하여 열응력이 발생한다 발생한 열응력은 항복응력을 초과하여 소성변형을 하기 때문에 냉. 각 후 잔류응력으로 남는다. 그러므로 수치해석을 위해서는 비선형 과도 열탄소성 해석을 수행해야 한다 비선형 과도 열 (nonlinear transient thermo elasto plastic) .

탄소성 문제를 설명하기 위하여 다음과 같이 유한요소 수식화 과정을 행렬형태로 표시 하여 나타내었다.

ε ε ε ε (2.5)

여기서, ε :전(total)변형률, ε :탄성변형률 ε :소성변형률, ε :열변형률(= αΔ )

ε

σ ε ε ε (2.6)

(42)

여기서, :변위, :변형률 변위 관계행렬- , :응력 변형률 관계행렬-

가상일의 원리를 이용하여 유도된 유한수식화 방정식은 다음과 같다.

σ δ ε δ δ δ (2.7)

여기서, : body force, : surface tractions, : concentration force

외부에서 작용하는 하중이 없고 중력 등 체적력, (body force)을 무시하면 다음과 같 이 된다.

σ δ ε (2.8)

행렬 형태로 표시하면 다음과 같다.

δ ε σ δ ε ε (2.9)

ε ε (2.10)

(2.11)

: stiffness matrix

(43)

ε ε ε (2.13)

컴퓨터를 이용한 유한요소법 해석이란 행렬형태의 식(2.10)을 계산하는 것이다. 식 에서 변위

(2.10) 가 계산되면 임의의 위치에서 변형률 ε 를 계산할 수 있고, 변형률 값을 이용하여 응력 값을 얻을 수 있다. 식(2.10)을 가열, 냉각하는 전체과정 을 미소시간 구간으로 나누어 각 순간의 시간마다 계산을 수행해야 하기 때문에 정상 상태가 아닌 과도상태 문제가 된다. 최후 완전냉각 상태에서 계산한 값이 잔류응력이 된다 또한 식. (2.10) 우측항의 ε 는 소성변형률 값으로 구하고자 하는 변위 의 종속변수이다 그러므로 식. (2.10) 계산시 한번의 계산으로 값을 얻을 수 없기 때문 에 비선형 문제가 되어 Newton-Rapson 방법 등 시행착오법을 이용하여 ε 를 결정 한 후 변위 을 구해야 한다. 또한 ε 항을 먼저 계산해야 하는 열해석 문제 이고, ε , ε 를 구하는 탄소성 문제이다.

용접변형 문제는 구조물 전체를 대상으로 하고 용접공정의 모든 과정을 해석해야 한 다. 용접열원 주변에서 온도변화가 급격하게 변화함으로써 열응력 및 열변형의 근본 원인이 되는 가열부위에서는 정확한 계산을 위하여 미세하게 요소를 분할해야 한다.

즉 임의 순간의 계산에서는 용접열원 주변만 미세한 요소가 필요하지만, , 전체 요소분 할에서는 모든 용접선을 따라 미세하게 요소분할을 해야 하기 때문에 요소의 수가 많 아진다. 그러므로 계산용량이 과도하여 슈퍼컴퓨터를 사용하여도 유용한 해를 얻기가 어려운 상황이다 그러나 용접열응력 문제는 용접변형과 다르게 부분적인 단품에 대한. 해석을 수행하면 열원이 지나간 다른 부분에서도 유사한 열응력 및 잔류응력 분포가 나타나기 때문에 용접순서에 따른 모든 공정을 해석할 필요가 없다. 그러므로 용접변 형 문제와 다르게 열응력 및 잔류응력 문제는 유한요소법을 이용한 수치해석 기법이 유용하게 사용되고 있다.

(44)

제 3 장 유한요소법에 의한 잔류응력의 해석

본 장에서는 강구조물의 내하력에 영향을 주는 용접잔류응력은 컴퓨터의 발전에도 불구하고 3차원 정밀해석을 수행하기에는 많은 계산시간이 필요하므로 차원해석을 통2 한 잔류응력을 실시하는 것이 일반적이다 그러나. 2차원해석의 경우 차원해석에서 발3 생되는 길이방향의 구속효과를 고려할 수 없어 잔류응력과 용접변형의 크기 및 분포에 차이를 발생시킨다.

따라서 본 연구에서는 강구조물의 용접잔류응력 해석시 많이 사용되고 있는 2차원 열탄소성해석시 경계조건(Free, Fix, Contact Die), 용접프로세스 다층( SAW 및 EGW) 그 리고 부재의 두께(60, 80mm)가 용접잔류응력에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 이러 한 결과는 추후 강구조물의 내하력을 평가와 좌굴하중과 같은 설계하중을 계산하는데 중요한 기초자료로 사용된다.

해석모델 및 조건 3.1

해석모델 3.1.1

그림 3.1은 해석에 사용되는 시험편의 치수와 형상을 보여주고 있다 길이방향은 무. 한대이고, 폭은 400mm, 두께는 60mm와 80mm에 대해 해석을 실시하였다. 또한 본 강재 의 재료는 일반적으로 현장에서 많이 사용되고 있는 용접구조용 강재 SM400이고, 용접 부의 폭은 모두 10mm로 산정하여 수치해석을 실시하였다. 실제 해석시는 대칭성을 고 려하여 1/2모델을 사용하였으며 경계조건은 강체변형이 발생하지 않도록 구속하고 그, 림3.2에서 보여주고 있는 것과 구속조건에 따라 추가하여 해석을 실시하였다. 해석시 사용하는 좌표는 용접선 직각방향을 x, 두께방향을 y, 그리고 용접선방향을 z로 규정 하고 모델을 실시하였다. 해석시 사용한 요소는 길이방향의 응력분포를 구하기 위해

(45)

그림 3.1 시험편 치수 및 형상

해석조건 3.1.2

그림 3.2는 열탄소성해석시 사용한 경계조건을 보여주고 있다. 경계조건은 용접시 각변형을 구속정도에 따라 다음과 같이 가지 조건으로 각변형을 구속하지 않은 자유3 , 상태(Free), 완전히 구속하는 구속상태(Fix), 용접구조물이 놓여 있는 바닥을 contact 로 처리하여 용접구조물이 아래로 각변형이 발생하지 못하고 위 방향으로 변형이 Body

발생하게 하는 Contact Die 상태(Contact Die)이다. 이 중 제일 이상적인 경계조건이 상태이나 비선형접촉 문제를 계산해야 함으로 많은 계산시간이 필요하다

Contact Die .

그리고 좌측의 경계조건은 1/2 대칭성을 고려하여 경계조건을 설정하였다.

(a) Free (b) Fix (c) Contact Die 그림 3.2 해석시 경계조건

(46)

그림 3.3은 용접프로세스에 따른 모델을 보여주고 있다. 그림 3.3(a)는 다층용접 인 서브머드 아크용접 을 그림 는 한번 용접으로 전 (Multi-pass welding) (SAW) , 3.3(b)

용접부를 채우는 일렉트로 가스용접(EGW)을 보여주고 있다. 두 용접방법은 장단점을 가지고 있으며 다층용접의 경우 작은 열량으로 용접하므로 용접부 근방의 금속조직에 미치는 영향이 작고 반면 용접시간이 많이 소요되며 반면, , EGW는 한번에 많은 열량으 로 용접을 실시하므로 용접부 근방의 금속조직을 조대화시켜 물성을 저하시킬 수 있으 나 용접시간을 매우 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 그림 3.3에서 알 수 있는 것과 부 재의 두께가 60mm인 경우 다층용접은 총 24pass를 용접하고 EGW는 단 일회만 용접하는 것을 알 있다. 각각의 용접조건은 표 3.1에 보여주고 있다.

그림 3.4는 비정상열전도해석에서 사용한 재료의 물리정수의 온도의존성 그림( 을 열탄소성 대변형해석에서 사용한 재료의 기계적제성질의 온도의존성 그림

3.4(a)) , (

을 보여주고 있다 이러한 온도변화에 따른 재료의 물성계수 및 기계적 설질은

3.4(b)) .

비정상 열전도해석과 열탄소성해석에 모두 적용하여 해석을 실시하였다.

(47)

다층용접 (a) SAW

원패스용접 (b) EGW

그림 3.3 두께 60mm모델의 용접법에 따른 모델링

표 3.1 용접 해석 조건 Base

metal

Current (A)

Voltage (V)

Velocity (mm/sec) Multi weld

(SAW) SM400 550 34 5.5

EGW weld SM400 380 40 0.6

(48)

물리정수의 온도의존성 (a)

기계적제성질의 온도의존성 (b)

(49)

해석 결과 및 고찰 3.2

용접프로세스에 의해 발생하는 용접잔류응력을 해석하기 위해서는 용접열원이 이동 함에 따라 발생하는 비정상 열전도해석에 의한 온도분포와 이러한 온도분포를 하중으 로 하는 열탄소성응력해석을 실시하여 용접잔류응력을 계산할 수 있다. 비정상 열전도 해석과 열탄소성해석시에는 강재의 온도에 따른 물리적 성질과 기계적 성질을 고려하 여 수치해석을 실시하였다.

용접에 의한 온도분포 3.2.1

그림 3.5는 두께 60mm인 강재에 대해 다층용접시 온도분포를 비정상 차원 열전도해2 석을 통해 구한 4 Pass, 24 Pass 에서의 온도분포를 보여주고 있다 그림. 3.5(a)인 경 우 4 Pass에서의 온도분포이고, (b)는 마지막 24 Pass를 용접 후 온도분포를 보여주고 있다 온도분포는 용접부를 중심으로 모재의 폭방향으로 이동함에 따라 고온에서 저온. 으로 변하고 있는 것을 알 수 있다 또한 용접부 근방에서는 시간에 따라 고온에서 저. 온으로 급격하게 변화하나 용접부로 멀리 떨어진 곳은 거의 실온을 유지하고 있는 것 을 알 수 있다. 이러한 온도 분포는 열탄소성해석시 하중으로 작용하여 열응력에 의한 소성변형을 유발시키고 그것이 용접잔류응력을 발생시킨다.

(50)

냉각 (a) 60mm-4pass

(51)

용접잔류응력 3.2.2

비정상열전도해석에 의해 구한 온도분포를 하중으로 하는 열탄소성해석을 통해 용접 잔류응력을 구할 수 있다. 열탄소성 대변형해석시에는 그림 3.4(b)의 재료의 기계적 제성질의 온도의존성을 고려하여 실시하였다. 또한 3가지 경계조건과 2가지 용접프로 세스 그리고, 2종류의 부재의 두께를 고려하여 해석하였다. 이러한 해석결과로부터 2 차원 해석시 경계조건에 따라 용접잔류응력의 분포 특성을 알 수 있다.

가 . SAW 용접에서 경계조건에 따른 영향

그림 3.6은 부재두께가 60mm인 경우 용접선 직각방향으로 x=0mm에서 각변형 구속상 태((a)는 Free, (b)는 Fix, (c)는 Contact Die)에 따른 두께방향에 발생하는 용접잔류 응력분포를 보여주고 있다 각 그림에서는. 3가지 응력성분 용접선 직각방향( x, 두께방 향 y, 그리고 용접선 방향 z)에 대한 분포 형태를 보여주고 있다. 용접부에 발생하는 잔류응력 중 제일 크게 발생하는 것이 용접선 방향의 잔류응력임으로 z방향 응력을 보 면, 전체적으로 표면으로부터 10mm아래에서 제일 큰 잔류응력이 발생하고 있다. 하부 의 응력은 구속상태가 Fix인 경우를 제외하고는 모두 인장잔류응력이 발생하고 있다. 또한 제일 늦게 용접을 한 용접표면에서는 접촉구속조건이 거의 600MPa의 인장잔류응 력이 발생하였고 자유상태의 경우는 압축잔류응력이 발생하여 일반적으로 용접선방향 의 잔류응력분포와 다른 형태를 취하고 있는 것을 알 수 있다.

(52)

Free_SAW

0 10 20 30 40 50 60

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

Res idual Stres s (MPa)

Thickness(mm)

S tres s _x S tres s _y S tres s _z

(a) SAW_Free

Fix_S AW

0 10 20 30 40 50 60

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

Res idual Stres s (MPa)

Thickness(mm)

S tres s _x S tres s _y S tres s _z

(53)

Contact_SAW

0 10 20 30 40 50 60

-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

Res idual Stres s (MPa)

Thickness(mm)

S tres s _x S tres s _y S tres s _z

(c) SAW_Contact Die

그림 3.6 구속조건에 따른 잔류응력 분포(60mm)

그림 3.7은 부재두께가 80mm인 경우 용접선 직각방향으로 x=0mm에서 각변형 구속상 태((a)는 Free, (b)는 Fix, (c)는 Contact Die)에 따른 두께방향에 발생하는 용접잔류 응력분포를 보여주고 있다 각 그림에서는. 3가지 응력성분 용접선 직각방향( x, 두께방 향 y, 그리고 용접선 방향 z)에 대한 분포 형태를 보여주고 있다. 전체적인 용접잔류 응력 분포는 두께 60mm의 분포와 비슷한 경향을 보여주고 있으나, 두께가 20mm증가함 에 따라 자체구속이 증가하여 표면이 좀 더 크게 나타났다.

참조

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