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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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