[논문]상변태를 고려한 탄소강 용접부의 잔류응력 해석에 관한 연구

조시훈; 김재웅

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.3.390

문제 정의

이와 같이 용접부 잔류응력의 정확한 해석을 위해서는 금속의 상변태에 의한 영향이 반드시 고려되어야 함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 과거의 연구결과를 조사하여 상변태 해석모델을 개발하였으며 이를 이용하여 아크용접에서 발생하는 잔류응력을 수치적으로 해석하는 방법을 제시하였다. 계산과정에서 먼저 열유동해석이 선행되었으며, 열유동해석 결과를 기초로 용접부 잔류웅력의 해석을 시도하였다.
5와 6에 나타내었다. 본 연구에서는 상변태를 고려한 유한요소해석 모델을 이용하여 용접공정에서 수반되는 잔류응력을 해석하였다. 유한요소법을 이용한 열탄소성 해석에 있어 일반적인 해석을 위해 재료의 등방성을 고려하여 탄성 및 소성 전 영역에 걸쳐 재료물성치 (young's modulus, yield stress, thermal expansion coefficient)의 온도 의존성 및 가공경화 (strain hardening) 현상을 고려하였다.

가설 설정

특히, 상변태 효과를 고려하기 위해 상변태 온도구간에서 비열의 변화를 주었다. 상, 하 및 측면의 경계조건으로 자연대류경계조건을 적용하였으며, 용접열원은 용접아크의 열유속을 분포열원⁽¹⁴⁾으로 가정한 것을 이용하였다. 이에 대한 그림을 Fig.

제안 방법

(2) 용접중 발생하는 상변화와 이에 따른 열적팽창률을 예측할 수 있는 모델을 개발하였으며, 이를 용접부 잔류응력의 해석시 적용하였다.
AISI1045의 마르텐사이트 변태의 개시점(Ms)과 종결점(Mf)은 각각 360℃와 140℃로 하였으며, A1SI1020의 경우 앞서와 마찬가지로 연속냉각곡선을 기초로 마르텐사이트 변태의 개시점(Ms)과 종결점(Mf)은 각각 430℃와 280C로 하였다. 앞서 설명하였듯이 마르텐사이트 조직의 생성은 냉각속도의 영향을 크게 받는다.
따라서 본 연구에서는 과거의 연구결과를 조사하여 상변태 해석모델을 개발하였으며 이를 이용하여 아크용접에서 발생하는 잔류응력을 수치적으로 해석하는 방법을 제시하였다. 계산과정에서 먼저 열유동해석이 선행되었으며, 열유동해석 결과를 기초로 용접부 잔류웅력의 해석을 시도하였다. 잔류웅력의 해석시 소재에 따른 상변태 현상 및 응력의 분포를 비교하기 위해 중탄소강인 AISI1045 와 저탄소강인 AISI1020을 이용하였다.
그러나 이것은 해석시 많은 가정을 둠으로써 실제 용접시 나타나는 온도분포와는 많은 오차를 보이고 있다. 그후 1970년대 들어서면서 컴퓨터의 보급으로 인해 수치해석적인 방법을 이용하여 Friedman,^(3,4) Hibbit,⁽⁵⁾ Tekriwal,^(6,7) 따른 재료의 물성치(열전도도, 밀도, 비열 등), 대류, 복사 효과 둥을 고려하여 보다 정확한 용접공정의 열유동해석을 수행하였다. 또한, 이러한 열유동해석 결과를 기초로 Masubuchi,⁽⁸⁾등은 용접부의 잔류응력을 해석하였다.
따라서 용접진행 방향으로의 열전달이 용접부 전체의 온도분포에 큰 영향을 미치지 않을 경우 용접진행 방향으로의 온도분포를 무시할 수 있다. 따라서 본 해석에서는 이러한 해석시의 경제성을 고려하여 Fig. 1과 같이 용접진행방향으로의 한 단면을 절단한 후 준정상상태(quasi steady state)를 고려한 2차원 열유동해석을 수행하였다. 해석은 모델의 대칭성을 고려하여 모델의 1/2을 해석대상으로 선정하였으며, 해석에 사용된 모델은 Fig.
본 연구에서는 이러한 영향을 고려하여 AISI1045의 마르텐사이트 변태시 팽창량은 ε^tr=8.0×10^-3로 하였다. AISI1020의 경우 연속냉각곡선 (CCT curve) 및 실험후 경도값을 비교하여 팽창량을 ε^tr=1.
또한 변형율 측정을 위해서는 同社의 3축 측정용 스트레인게이지(TEA-06-062RK-120)를 사용하였다. 실험은 용접후 용접선 중심에 대해 각각 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40 mm 떨어진 위치에 대해 행하였다.
열전달 해석을 통하여 열원이 통과하는 과정의 온도분포를 각 시간단계에서 계산한 다음, 이 과도 온도 분포를 하중으로 입력하여 열탄소성 해석을 수행함으로써 용접부 열응력을 해석하였다.
3과 같다. 열해석시 위 두 소재의 열적 물성치는 Metal Handbook⁽¹³의 열적 물성치를 기준으로 보았을 때 차이를 거의 보이지 않으므로 동일한 물성치를 적용하였다. 특히, 상변태 효과를 고려하기 위해 상변태 온도구간에서 비열의 변화를 주었다.
본 연구에서는 상변태를 고려한 유한요소해석 모델을 이용하여 용접공정에서 수반되는 잔류응력을 해석하였다. 유한요소법을 이용한 열탄소성 해석에 있어 일반적인 해석을 위해 재료의 등방성을 고려하여 탄성 및 소성 전 영역에 걸쳐 재료물성치 (young's modulus, yield stress, thermal expansion coefficient)의 온도 의존성 및 가공경화 (strain hardening) 현상을 고려하였다.
잔류웅력 해석은 크게 상변태를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우에 대해 각각 수행하였다.
25);">13의 열적 물성치를 기준으로 보았을 때 차이를 거의 보이지 않으므로 동일한 물성치를 적용하였다. 특히, 상변태 효과를 고려하기 위해 상변태 온도구간에서 비열의 변화를 주었다. 상, 하 및 측면의 경계조건으로 자연대류경계조건을 적용하였으며, 용접열원은 용접아크의 열유속을 분포열원⁽¹⁴⁾으로 가정한 것을 이용하였다.

대상 데이터

2와 같이 200개의 요소와 231개의 절점으로 구성하였으며, 높은 온도구배를 가지는 영역은 조밀한 영역으로 구분하였다. 대상으로 한 용접공정은 GTA(Gas Tungsten Arc) 용접공정이며 사용된 소재는 이후 상변태를 고려한 열응력의 해석에 있어 상변태효과를 확인하기 위해 중탄소강인 AISI1045와 저탄소강인 AISI1020을 사용하였다. 소재의 화학적 조성과 온도에 따른 열적 물성치는 Table 1 및 Fig.
졌다. 용접조건으로는 160A, 18V, 5mm/sec 단일조건을 이용하였으며, 시편의 크기는 AISI1045, AISI10 20 모두 길이 250mm, 폭 100mm, 두께 10mm의 시편을 이용하였다.
계산과정에서 먼저 열유동해석이 선행되었으며, 열유동해석 결과를 기초로 용접부 잔류웅력의 해석을 시도하였다. 잔류웅력의 해석시 소재에 따른 상변태 현상 및 응력의 분포를 비교하기 위해 중탄소강인 AISI1045 와 저탄소강인 AISI1020을 이용하였다. 본 해석의 계산과정에는 상용 유한요소해석 프로그램인 'ABAQUS' 를 이용하였다.
1과 같이 용접진행방향으로의 한 단면을 절단한 후 준정상상태(quasi steady state)를 고려한 2차원 열유동해석을 수행하였다. 해석은 모델의 대칭성을 고려하여 모델의 1/2을 해석대상으로 선정하였으며, 해석에 사용된 모델은 Fig. 2와 같이 200개의 요소와 231개의 절점으로 구성하였으며, 높은 온도구배를 가지는 영역은 조밀한 영역으로 구분하였다. 대상으로 한 용접공정은 GTA(Gas Tungsten Arc) 용접공정이며 사용된 소재는 이후 상변태를 고려한 열응력의 해석에 있어 상변태효과를 확인하기 위해 중탄소강인 AISI1045와 저탄소강인 AISI1020을 사용하였다.

이론/모형

잔류웅력의 해석시 소재에 따른 상변태 현상 및 응력의 분포를 비교하기 위해 중탄소강인 AISI1045 와 저탄소강인 AISI1020을 이용하였다. 본 해석의 계산과정에는 상용 유한요소해석 프로그램인 'ABAQUS' 를 이용하였다.
용접부 3축 잔류웅력의 측정을 위해 구멍뚫기방법(Hole Drilling Method)0] 이용되었으며, 이를 위한 실험장비로는 마이크로 메저먼트 (Micro Measurment)社의 밀링가이드를 이용하였다. 또한 변형율 측정을 위해서는 同社의 3축 측정용 스트레인게이지(TEA-06-062RK-120)를 사용하였다.

성능/효과

(1) GTA 용접공정에 대한 온도해석에 있어 용접진행 방향으로의 열전달을 무시한 2차원 해석을 하였으나 실험결과와 비교적 근접한 결과를 얻을 수 있었다.
(3) AISI1045의 용접부 잔류응력의 해석에 있어 상변태 효과를 고려한 경우가 상변태 효과를 고려하지 않은 경우에 비해 마르텐사이트 조직의 생성으로 인한 압축응력의 증가로 압축 잔류응력 분포를 보이며, 용접부 부근에서 실험결과에 근접한 결과를 보였다.
(5) AISI1045와 AISI1020의 잔류응력해석결과를 비교해 보았을 때, 탄소량이 증가할 수록 상변태현상이 용접비드 부근의 잔류응력 분포에 큰 영향을 미침을 확인할 수 있었으며, 이러한 현상으로 보아 중, 고탄소강의 용접부 잔류응력해석을 위해서는 금속의 상변태 현상이 반드시 고려되어야 함을 알 수 있다.
17은 AISI1020에 있어 온도에 따른 응력의 이력을 보여주는 것으로 상변태 구간에서 압축응력이 발생함을 확인할 수가 있고 이후 급격히 응력이 회복되어 상온에서는 상변태를 고려하지 않은 해석에 비해 거의 차이를 보이지 않고 있다. 이러한 결과로 보아 AISI1020과 같은 저탄소강에서는 상변태현상이 용접부 잔류응력의분포에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수가 있었다.
냉각시에는 반대로 용접부는 수축하게 되며, 이것은 용접부의 인장웅력을 유발한다. 특히 마르텐사이트 변태 온도 구간, 즉, 360℃ ~ 140℃ 에서 마르텐사이트 생성에 따른 체적팽창으로 인해 압축응력이 발생하며, 특히 이러한 마르텐사이트 변태가 높은 탄성계수를 가지는 저온에서 이루어짐으로 급격한 응력의 변화를 가져오며, 최종적으로 용접부 중심에서 압축 잔류응력이 발생함을 확인할 수가 있다.

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