[논문]이동 열원을 고려한 전자빔 용접의 유한요소해석

조해용; 정석영; 김명한; 조창용; 이제훈; 서정

이동 열원을 고려한 전자빔 용접의 유한요소해석
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Simulation on the electron beam welding of Al 2219 alloy was carried out by using commercial FEM code MARC, which encounters moving heat sources. Due to axisymmetry of geometry, a half of the cylinder was simulated. A coupled thermo-mechanical analysis was carried out and subroutine for heat flux was substituted in the program. The material properties such as specific heat, heat transfer coefficient and thermal expansion coefficient were given as a function of temperature and the latent heat associated with a given temperature range is considered. As a result, the proper beam power is 60㎸${\times}$60㎃ and welding speed is 1∼1.5 m/min. The residual stress in the heat-affected zone as well as the fusion zone does not increase. It is necessary to use jigs for preventing distortion of cylinder and improving weld quality.

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문제 정의

생성된 열응력은 항복응력을 초과하여 복잡한 소성변형을 하게 되므로, 냉각 수축한 후 잔류응력이 남게 된다. 그러므로 본 연구에서는 용접 중에 열전도해석과 응력해석이 동시에 수행되는 커플링 해석을 하였다. 상용유한요소 프로그램인 MARC를 이용하여 열원이 실제 구조물의 용접부를 따라 이동하는 방식으로 이동열원을 가정, 용접속도를 고려할 수 있는 해석을 시도하고자 하였다.
즉, 한국형 로켓 추진체 탱크를 제작하기 위하여 알루미늄합금(2219-T851)의 전자빔 용접조건을 유한요소해석을 통하여 설정하고자 하였다.

가설 설정

(1) 빔 출력 60kVx60mA에서 용접속도를 1 〜 1.5m/min로 용접하면 양호한 용접 조건을 얻을 수 있을 것이다. 유한요소해석 결과와 Fig.
구조물의 모양은 원통형이고 X축으로 용접되어지는부분을 기준으로 축대칭 모델로 가정하였다. 요소는 8개의 절점을 가진 육면체요소를 이용하여 3차원으로 구성하였다.
그리고 열전달과 응력해석 시 재료는 등방성이며, 재료의 항복거동은 von-Mises^ 항복 조건을 따른다고 가정하였다.

제안 방법

기계적 해석 시 필요한 경계조건은 축대칭에의한 부분을 적용하여 구속시켰으며, 용접 시구조물의 아랫부분은 지면과 수직으로 고정시켰고 용접이 시작되는 점을 용접방향으로 고정시켰다.
그러므로 본 연구에서는 용접 중에 열전도해석과 응력해석이 동시에 수행되는 커플링 해석을 하였다. 상용유한요소 프로그램인 MARC를 이용하여 열원이 실제 구조물의 용접부를 따라 이동하는 방식으로 이동열원을 가정, 용접속도를 고려할 수 있는 해석을 시도하고자 하였다.
알루미늄합금(Al 2219)의 전자빔 용접에 대하 여상용 유한 요소프로그램인 MARC를 이용하고 이동 열원으로 온도분포, 잔류 응력분포, 변형량을 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다
열전달해석 시 고상과 액상의 상변화에 의한 잠열 (latent heat) 효과도 고려하였다.
온도분포 해석 시 필요한 경계조건으로 먼저 초기에 주어지는 모든 절점에서의 온도를 대기의 온도와 동일하게 20°C로 하였고, 용접부는 가열 및 급냉의 복잡한 열 이력을 겪게 되므로 열팽창계수와 탄성계수 및 항복응력(등방성, von-Mises의 항복조건), 재료의 열적 성질인 비열, 열전달계수 등을 온도에 따른 함수로 입력하였다.
구조물의 모양은 원통형이고 X축으로 용접되어지는부분을 기준으로 축대칭 모델로 가정하였다. 요소는 8개의 절점을 가진 육면체요소를 이용하여 3차원으로 구성하였다.

성능/효과

(2) 용접 후 잔류응력 분포는 용접되어진 부분에서만 나타나고 있으며 용접이 진행되면서 이전에 나타난 응력의 영향으로 값이 상승하는 현상은 일어나지 않았다.
따라서, 요소 분할(Mesh generation)은 국부적인 입열에 의해 온도구배가 심한 용접부 주변에서 보다 미세하게 분할하였으며 해석시간과 저장용량을 단축하기 위해 용융부와 열영향부에서 멀어질수록 요소의 크기를 증가시켰다. 구조물의 모양은 원통형이고 X축으로 용접되어지는부분을 기준으로 축대칭 모델로 가정하였다.
5m/min로 용접하면 양호한 용접 조건을 얻을 수 있을 것이다. 유한요소해석 결과와 Fig.7의 실제 용접실험결과를 비교하여보면 용접속도가 lm/min의 경우 용접반경이 약 3mm 정도로 해석결과와 73.3 〜100%로 대략 일치함을 알 수 있다.

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