SM570-TMC 강의 고온 시 기계적 성질 및 용접접합부의 잔류응력 특징 Characteristics of Mechanical Properties at Elevated Temperatures and Residual Stresses in Welded joint of SM570-TMC Steel원문보기
최근 건설되는 강교량은 지간의 장대화 및 교량으로서의 기능은 물론이고 외적 조형미, 유지관리, 공사기간과 수명주기 비용 등을고려한 구조적 단순함을 요한다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 극후판이나 TMCP 강과 같은 고성능 강의 사용이 요구된다. TMCP (Thermo-Mechanical Control Proces)법에 의해 제조되는 TMCP 강은 탄소당량이 적고, 조직이 미세하며, 강도 및 인성이 좋다. 최근에는 인장강도 60MPa급의 고강도 TMCP 강인 SM570-TMC 강이 개발되어 토목구조물에 일부 적용되고 있으며, 점차 그 영역을 확장하려는 추세에 있다. 하지만 이러한 고강도 TMCP 강을 강구조물에 적용하기 위해서는 그 재료적 특성뿐만 아니라 용접 시 발생하는 접합부의 역학적 특징을 명확히 할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 고온인장실험을 통해서 SM570-TMC 강의 고온시의 기 계적 특성을 조사하였고, 이를 잔류응력 특징을 명확히 하였다.
최근 건설되는 강교량은 지간의 장대화 및 교량으로서의 기능은 물론이고 외적 조형미, 유지관리, 공사기간과 수명주기 비용 등을고려한 구조적 단순함을 요한다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 극후판이나 TMCP 강과 같은 고성능 강의 사용이 요구된다. TMCP (Thermo-Mechanical Control Proces)법에 의해 제조되는 TMCP 강은 탄소당량이 적고, 조직이 미세하며, 강도 및 인성이 좋다. 최근에는 인장강도 60MPa급의 고강도 TMCP 강인 SM570-TMC 강이 개발되어 토목구조물에 일부 적용되고 있으며, 점차 그 영역을 확장하려는 추세에 있다. 하지만 이러한 고강도 TMCP 강을 강구조물에 적용하기 위해서는 그 재료적 특성뿐만 아니라 용접 시 발생하는 접합부의 역학적 특징을 명확히 할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 고온인장실험을 통해서 SM570-TMC 강의 고온시의 기 계적 특성을 조사하였고, 이를 잔류응력 특징을 명확히 하였다.
Recently constructed bridges often have long spans and simple structure details considering not only the function but other important factors such as aesthetics, maintenance, construction duration and life cycle cost. Therefore, bridges require high-performance steels like extra-thick plate steels a...
Recently constructed bridges often have long spans and simple structure details considering not only the function but other important factors such as aesthetics, maintenance, construction duration and life cycle cost. Therefore, bridges require high-performance steels like extra-thick plate steels and thermo-mechanical control process (TMCP) steels. TMCP stels are now gaining wide attention due to their weldability improved strength and toughness. Recently, SM570-TMC steel, which is a high-strength TMCP steel with a tensile strength of 600 MPa, has been developed and applied to steel structures. However, using this steel in building steel structures requires the elucidation of not only material characteristics but also the mechanical characteristic of welded joints. In this study, high-temperature tensile properties of SM570-TMC steel were investigated through the elevated temperature welded joints of SM570-TMC steel were studied through the three-dimensional thermal elasticplastic analyses on the basis of mechanical properties at high temperatures obtained from the experiment.
Recently constructed bridges often have long spans and simple structure details considering not only the function but other important factors such as aesthetics, maintenance, construction duration and life cycle cost. Therefore, bridges require high-performance steels like extra-thick plate steels and thermo-mechanical control process (TMCP) steels. TMCP stels are now gaining wide attention due to their weldability improved strength and toughness. Recently, SM570-TMC steel, which is a high-strength TMCP steel with a tensile strength of 600 MPa, has been developed and applied to steel structures. However, using this steel in building steel structures requires the elucidation of not only material characteristics but also the mechanical characteristic of welded joints. In this study, high-temperature tensile properties of SM570-TMC steel were investigated through the elevated temperature welded joints of SM570-TMC steel were studied through the three-dimensional thermal elasticplastic analyses on the basis of mechanical properties at high temperatures obtained from the experiment.
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문제 정의
그리고 수치해석에 의한 용접 시물레이션에는 반드시 강재의 기계적 제성질의 온도 의존성을 알아야 한다. 따라서 본 연구에서는 고온 인장실험을 실시하여 SM570-TMC 강의 고온 시의 기계적 제성질을 조사하였고, 이를 수치해석에 도입하여 SM570-TMC 강의 용접 시 발생하는 잔류응력의 특징을 조사하였다. 또한 SM570- TMC 강의 잔류응력 측정실험을 실시하여 이를 수치해석의 결과와 비교하였다.
그리고 수치해석에 의한 용접 시물레이션에는 반드시 강재의 기계적 제성질의 온도 의존성을 알아야 한다. 따라서 본 연구에서는 고온 인장실험을 실시하여 SM570-TMC 강의 고온 시의 기계적 제성질을 조사하였고, 이를 수치해석에 도입하여 SM570-TMC 강의 용접 시 발생하는 잔류응력의 특징을 조사하였다. 또한 SM570- TMC 강의 잔류응력 측정실험을 실시하여 이를 수치해석의 결과와 비교하였다.
가설 설정
잔류응력의 해석은 열전도해석으로부터 구한 시간에 따른 각 절점에서의 온도를 하중으로 도입하여 3차원 열탄소성해석을 수행하였다. 3차원 비정상 열전도 해석 시 공기와 접하는 면에서 열은 대류가 되고 내부에서 열은 전도되는 것으로 하였다. 그리고 용착부를 모델링하기 위하여 용접이 진행되지 않은 요소는 강성이 없게 처리하고 용접이 끝난 후 온도에 따라 강성을 회복하는 것으로 하였으며 강체 운동이 발생하지 않도록 경계조건을 설정하였다.
제안 방법
SM570-TMC강의 용접 시 발생하는 잔류응력의 특징을 조사하기 위해 미세조직 관찰 및 잔류응력 측정 실험을 수행하였다. 이를 위해 용접 시편을 제작하였으며 시험편의 전체 폭(B) 과 길이 (L)는 600剛이고 두께 (t) 는 20並의 크기로써 그림 6 과 같은 형태로 제작하였다.
같다. 각각 SM570-TMC 강과 SM570 강으로 이루어진 500mm x 1000mmx 7 mm 크기의 두 평면 플래이트를 FCAW(Flux Cored Arc Welding)로 Ipass 맞대기 용접하는 것으로 하였다. 용접조건은 입 열량 Q= 1300(7/mm), 용접속도 v=6(mm/s)°H 해석에 사용된 프로그램은 수차례기 발표 논문에서 검증된 3차원 해석 프로그램 (Kim 등, 1998; 장경호 등, 2002; 장경호 등, 2003)으로써, 8절점 Isoparametric 입체 유한요소를 도입하여 용접패스의 진행속도를 고려한 시간에 따른 이동 열원을 이용하여 3차원 비정상 열전도 해석을 전체 모델(full model)로 수행하였다.
용접부 및 열영향부에서의 잔류응력의 특징을 관찰하기 위해 용접부와 열영향부에 게이지를 집중해서 부착하였다. 게이지를 부착하고 초기변형률을 측정한 후 시편을 게이지 부분별로 그림 9와 같이 절단법을 실시하여 잔류응력을 측정하였다. 그림 10에 용접선 방향의 잔류응력 측정 결과를 나타내었다.
M에 열선에 의해 가열되는 전기로를 설치한 후 전기로의 온도를 변화시키면서 실험을 실시하였다. 고온 인장시험은 상온 (20°C) 〜 800°C의 시험온도범위에서 10 0°C 간격으로 전기로를 사용해서 가열하고, 시험편 평행 부의 온도를 균일화시키기 위하여 시험온도에서 20분간 유지한 후, 1所m/min의 인장속도로 시험을 행하였다. 전기로의 온도오차는 ±2°C의 범위가 되게 하였으며, 가열 시에 시험편에 발생하는 힘을 '0'으로 유지함으로써 열에 의한 시험편의 열팽창이 일어나도록 하였다.
3차원 비정상 열전도 해석 시 공기와 접하는 면에서 열은 대류가 되고 내부에서 열은 전도되는 것으로 하였다. 그리고 용착부를 모델링하기 위하여 용접이 진행되지 않은 요소는 강성이 없게 처리하고 용접이 끝난 후 온도에 따라 강성을 회복하는 것으로 하였으며 강체 운동이 발생하지 않도록 경계조건을 설정하였다. 온도 변화에 따른 재료의 물리 정수는 그림 12와 같으며 기계적 제 성질은 고온 인장실험의 결과를 이용하여 그림 13과 그림 14와 같이 이상화하였다.
기하학적 비선형 및 재료의 물리적 제성질의 온도 의존성을 고려한 재료학적 비선형을 고려하였다. 8절점 Isopara metric 입체 유한요소를 도입하였으며, 기본 식은 아래와 같다.
따라서 본 연구에서는 고온 인장실험을 실시하여 SM570-TMC 강의 고온 시의 기계적 제성질을 조사하였고, 이를 수치해석에 도입하여 SM570-TMC 강의 용접 시 발생하는 잔류응력의 특징을 조사하였다. 또한 SM570- TMC 강의 잔류응력 측정실험을 실시하여 이를 수치해석의 결과와 비교하였다.
또한 동일한 인장 강도급의 용접구조용 압연 강재인 SM570 강의 고온 시의 기계적 특성과 용접 시 발생하는 잔류응력의 특징을 조사하여 이를 SW0-WC 강의 결과와 비교하였다. 이상의 결과를 요약하면 다음과 같다.
시편을 제작한 후 절단법으로 잔류응력을 측정하기 위해 게이지를 부착하였다. 사용된 게이지의 제원은 표 5와 같으며 부착한 게이지의 위치는 그림 8에 나타내었다.
열 탄 소성 해석 시 필요한 SM570-TMC 강의 기계적 제 성질의 온도의존성을 조사하기 위하여 고온 인장시험을 실시하였다.
용접재료의 기계적 성질은 제조 자의 성적서(KWS 및 JIS 규격)를 인용하였다. 예열은 하지 않고 본용접을 실시하였으며 본 용접은 표 4과 같이 FCAW (Flux Cored Arc Welding) 로 총 4PASS 용접을 실시하였다. 전면용접 후 후면 용접 시 가우 징을 먼저 실시하여 후면의 불연속면 및 결함과 공극이 있는 부분을 제거한 후에 다시 용접을 실시하여 시편을 제작하였다.
사용된 게이지의 제원은 표 5와 같으며 부착한 게이지의 위치는 그림 8에 나타내었다. 용접부 및 열영향부에서의 잔류응력의 특징을 관찰하기 위해 용접부와 열영향부에 게이지를 집중해서 부착하였다. 게이지를 부착하고 초기변형률을 측정한 후 시편을 게이지 부분별로 그림 9와 같이 절단법을 실시하여 잔류응력을 측정하였다.
용접이 끝난 후 용접부와 용접부 근방의 열영향부(HAZ) 및 모재를 절단하여 셈플(sample)을 채취한 후 폴리싱 (polishing)-a 하고 2% Nital의 에칭제 (etchant)를 이용하여 20〜30초 동안 에칭한 후 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 사용한 광학현미경은 OLYMPUS PME3 모델로써 600배율의 크기로 미세조직을 촬영하였다.
각각 SM570-TMC 강과 SM570 강으로 이루어진 500mm x 1000mmx 7 mm 크기의 두 평면 플래이트를 FCAW(Flux Cored Arc Welding)로 Ipass 맞대기 용접하는 것으로 하였다. 용접조건은 입 열량 Q= 1300(7/mm), 용접속도 v=6(mm/s)°H 해석에 사용된 프로그램은 수차례기 발표 논문에서 검증된 3차원 해석 프로그램 (Kim 등, 1998; 장경호 등, 2002; 장경호 등, 2003)으로써, 8절점 Isoparametric 입체 유한요소를 도입하여 용접패스의 진행속도를 고려한 시간에 따른 이동 열원을 이용하여 3차원 비정상 열전도 해석을 전체 모델(full model)로 수행하였다. 잔류응력의 해석은 열전도해석으로부터 구한 시간에 따른 각 절점에서의 온도를 하중으로 도입하여 3차원 열탄소성해석을 수행하였다.
결과를 나타내었다. 잔류응력은 용접선 방향축에서 용접선 방향 (weld line direction) 과 용접선직각방향 (transverse direction), 그리고 두께방향 (thickness direction) 의 잔류응력에 주목하였다. SM570 강을 접합한 경우 잔류응력의 결과는 그림 17에 나타내었다.
용접조건은 입 열량 Q= 1300(7/mm), 용접속도 v=6(mm/s)°H 해석에 사용된 프로그램은 수차례기 발표 논문에서 검증된 3차원 해석 프로그램 (Kim 등, 1998; 장경호 등, 2002; 장경호 등, 2003)으로써, 8절점 Isoparametric 입체 유한요소를 도입하여 용접패스의 진행속도를 고려한 시간에 따른 이동 열원을 이용하여 3차원 비정상 열전도 해석을 전체 모델(full model)로 수행하였다. 잔류응력의 해석은 열전도해석으로부터 구한 시간에 따른 각 절점에서의 온도를 하중으로 도입하여 3차원 열탄소성해석을 수행하였다. 3차원 비정상 열전도 해석 시 공기와 접하는 면에서 열은 대류가 되고 내부에서 열은 전도되는 것으로 하였다.
예열은 하지 않고 본용접을 실시하였으며 본 용접은 표 4과 같이 FCAW (Flux Cored Arc Welding) 로 총 4PASS 용접을 실시하였다. 전면용접 후 후면 용접 시 가우 징을 먼저 실시하여 후면의 불연속면 및 결함과 공극이 있는 부분을 제거한 후에 다시 용접을 실시하여 시편을 제작하였다. 패스 층간 온도는 200°C 온도 쵸크를 사용하여 200°C 이하가 되게 하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 재료는 최근 국내에서 개발된 인장강도 600MPa급의 SM570-TMC 강재이며, 두께 20mm인 판에서 고온인장시험편을 채취하였다. 인장 시험편은 KS D 0026 의 철강재료 및 내열 합금의 고온 인장시험 방법에 따라 제작하였으며, 그 치수 및 형상은 그림 1에 나타내었다.
사용한 광학현미경은 OLYMPUS PME3 모델로써 600배율의 크기로 미세조직을 촬영하였다. 그림 7에 그 결과를 나타내었다.
이를 위해 용접 시편을 제작하였으며 시험편의 전체 폭(B) 과 길이 (L)는 600剛이고 두께 (t) 는 20並의 크기로써 그림 6 과 같은 형태로 제작하였다. 시편 제작 시 용접 방법 및 용접재료는 표 1과 같으며 용접재료의 기계적 성질 및 화학성분은 표 2와 표 3에 나타내었다.
이론/모형
고온인장시험편을 채취하였다. 인장 시험편은 KS D 0026 의 철강재료 및 내열 합금의 고온 인장시험 방법에 따라 제작하였으며, 그 치수 및 형상은 그림 1에 나타내었다. 시험편의 양 끝은 나선으로 되어 있어 전기로.
성능/효과
(1) SM570-TMC 강의 고온에서의 항복응력 및 인장강도는 100°C부근을 제외하고는 SM570 강보다 큼을 알 수 있었다. 이것은 SM570-TMC 강의 제조 시 제어냉각에 의한 조직의 미세화로 인해 고온에서도 기계적 성질이 우수하기 때문으로 사료된다.
(2) SM570-TMC 강을 접합한 경우 용접부에서의 용접선 방향의 잔류응력의 크기는 SM570 강을 접합한 경우보다 큼을 알 수 있었다. 이것은 SM570-TMC 강의 고온에서의 기계적 성질이 SM570 강보다 우수하 기 때문이다.
그림 7의 (a), (b), ("는 각각 모재, 용접부 및 열영향부의 미세조직을 나타낸 것이다. 결과를 보면 모재에서는 베이나이트(Bainite) 조직을 나타냄을 알 수 있으며, 용접시 오스테나이트화 온도 이상으로 가열된 열영향부에서는 베이나이트와 페라이트(Bainite+Ferrite)의 혼합 조직을 나타냄을 알 수 있다. 그리고 용접부에서는 초석 페라이트와 Acicular Ferrite가 부분적으로 보이는 미세 Pear lite의 혼합조직을 나타냄을 알 수 있다.
잔류응력은 용접선 방향 축에서 용접선 방향 (weld line direction) 의잔류응력에 주목하였다. 결과를 보면 직각방향으로의 결과와 마찬가지로 용접부에서 SM570-TMC 강의 용접선방향의 잔류응력의 크기가 SM570 강보다 큼을 알 수 있다.
제강, 제어가열, 제어 압연, 제어냉각을 유기적으로 결합하여 이들의 공정조건을 통일적으로 규제함으로써 성형 완료시 재료에 최고의 재료특성을 부여하도록 하는 기술체계라 정의되고 있는 제어 압연법, 즉 TMCP(Thermo-Mechanical Control Process) 법에 의해 제조되는 강은 탄소 당량이 작고, 조직이 미세하며, 강도 및 인성이 좋다. 또한 종래의 강에 비해 용접성이 뛰어나고, 취성파괴에 대한 저항성능이 우수하며, 극후판 강재에서도 고강도, 고인성을 확보할 수 있다. 최근에는 인장강도 600MPa 급의 고강도 TMCP 강인 SM570-TMC 강이 개발(임성우 등, 2005)되어 토목구조물에 일부 적용되고 있으며, 점차 그 영역을 확장하려는 추세에 있다.
실험 결과를 보면 SM570-TMC 강의 용접부 및 열영향부에서 수치해석의 결과와는 달리 인장 잔류응력의 완화가 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은 시험편 제작 시 전면용접 후 후면 용접을 실시하기 전에 가우 징을 실시하여 불연속면 및 공극을 제거하게 되는데 이때 가우징에 의한 응력의 완화가 발생했기 때문으로 사료된다.
이상의 결과에서 SM570-TMC 강과 SM570 강의 고온시의 인장강도를 비교해 보면 100°C 부근을 제외하고는 SM570-TMC 강의 고온에서의 인장강도가 SM570 강보다 크며, 700°C 부근에서는 그 크기의 차이가 약 2배 정도(SM570-TMC: 260MPa, SM570 강: 125MPa) 차이가 남을 알 수 있다. SM570-TMC 강과 SM570 강의 고온 시의 항복응력의 경우도 인장강도의 경우와 마찬가지로 100°C부근을 제외하고는 SM570-TMC 강의 고온에서의 항복응력이 SM570 강보다 큼을 알 수 있다.
SM570 강의 경우에도 상변태에 의한 잔류응력의 완화는 발생하지 않는 것으로 하였다. 이상의 결과에서 SM570-TMC 강을 접합한 경우의 용접부에서의 용접선 방향의 잔류응력의 크기가 SM570 강을 접합한 경우보다 큼을 (591MPa>560MPa) 알 수 있다. 이것은 SM570-TMC 강의 고온에서의 기계적 성질이 SM570 강보다 우수하기 때문이다.
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