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문제 정의
- 본 연구는 장력법을 적용하여 맞대기 용접에서 변형 감소에 대한 연구의 후속 연구로서 필릿 용접에 장력법을 적용하였다. 변형제어 방안으로서 레버 블록을 이용한 기계적 인장법의 적용에 관한 연구로서, 용접부에 인위적으로 가하는 인장력의 크기가 굽힘과 수축변형에 주는 정량적인 영향을 분석하는 연구의 주된 내용으로 설정하였다. 이를 위해 다수의 시편에 대해 인장력의 크기를 변화시키면서 필릿 용접을 수행하여 그 결과를 인장력의 크기와 변형량 사이의 관계를 그래프로 정리하였다.
- 본 논문에서는 박판의 용접변형을 감소시키는 방법으로서 인위적 인장력을 작용시키는 장력법을 박판 필릿용접에 적용하는 것을 다루었다. 박판의 맞대기 용접 시 용접선 방향으로 인장력을 가하였을 때, 굽힘과 수축변형의 감소에 효과가 있다는 것을 선행 연구에서 확인한 바 있었는데(이주성 등 2006), 여기에서는 그 후속 연구로서 필릿용접에 장력법을 적용하였을 때, 변형 감소에 주는 영향을 실험적으로 분석하였다.
제안 방법
- 용접선 방향으로 인장력을 가하는 경우에는 Fig. 3(a)와 같이 용접선 양 끝에 폭 100mm, 길이 100mm의 Tab Piece를 용접하여 붙이고 좌측 Tap Piece를 고정시킨 상태에서 우측 Tap Piece를 레버 블록에 연결하여 계획한 인장응력이 발생될 수 있도록 작용시켰다. 용접선에 법선 방향으로 인장력을 가하는 경우에는 Fig.
- Fig. 2에 보인 변형량 계측 장비를 사용하여 Fig. 1에 보인 격자점들에서의 용접 전 변위와 용접 후 냉각이 완료된후 변위를 측정하여 그 차이로서 변형량을 구하였다.
- Fig. 5에 보인 변형 형상을 보면, 본 연구의 실험에서는 인위적 인장력의 작용 여부와 상관없이 좌굴변형의 형상이 뒤틀린 형태로 나타났는데, 이를 수치적으로 확인하기 위해 잔류응력으로 인한 변형 모드를 고유 값 해석을 수행하였다. 판과 보강재 모두 4절점 사변형 요소로 모델링하였고, 보강재가 놓인 선 중앙점을 구속하여 강체운동을 방지하였다.
- 3(b)와 같이 좌측을 고정시키고 우측을 레버 블록에 연결하여 작용시켰다. 계획된 인장력은 본 실험에서는 두께별로 Tension load 만을 변화시켜가며 실험하였다. 인장응력은 시편 길이의 중앙에서 폭 방향으로의 평균응력이 여러 가지 경우에 해당 되도록 인장력을 가한 상태에서 용접을 수행하였다.
- 본 논문에서는 박판의 용접변형을 감소시키는 방법으로서 인위적 인장력을 작용시키는 장력법을 박판 필릿용접에 적용하는 것을 다루었다. 박판의 맞대기 용접 시 용접선 방향으로 인장력을 가하였을 때, 굽힘과 수축변형의 감소에 효과가 있다는 것을 선행 연구에서 확인한 바 있었는데(이주성 등 2006), 여기에서는 그 후속 연구로서 필릿용접에 장력법을 적용하였을 때, 변형 감소에 주는 영향을 실험적으로 분석하였다. 용접 중 인위적인 인장력을 용접선 방향과 용접선에 법선 방향으로 작용시켰는데, 후자의 경우보다는 전자의 경우에 변형감소에 상당한 효과가 있음을 확인하였다.
- 본 연구는 장력법을 적용하여 맞대기 용접에서 변형 감소에 대한 연구의 후속 연구로서 필릿 용접에 장력법을 적용하였다. 변형제어 방안으로서 레버 블록을 이용한 기계적 인장법의 적용에 관한 연구로서, 용접부에 인위적으로 가하는 인장력의 크기가 굽힘과 수축변형에 주는 정량적인 영향을 분석하는 연구의 주된 내용으로 설정하였다.
- 본 연구의 실험에서 인장력은 체인 블록을 사용하여 작용시켰으며, 인장력 작용 위치와 시편을 연결하는 중간위치에 인장력을 계측할 수 있는 장치를 설치하였다. 인장력은 로드셀과 하중 인디게이터로 구성된 하중 계측장치를 이용하여 측정하였다.
- 본 절에서는 본 연구에서 수행한 실험방법 및 순서에 대해 간략히 기술하였다. 시편의 초기변형 형상은 Fig. 1에 보인 격자점에서 Fig. 2에 보인 변위계측장치를 이용하여 계측하고 용접선의 법선 방향과 직각방향으로의 평균인장응력이 계획된 값이 되도록 인장력을 가한 상태에서 용접을 수행하였다. Fig.
- 용접이 완료된 후 냉각시간은 40분이며, 용접이 진행되면서 그리고 냉각 중의 인장력을 로드 셀과 하중 인디케이터로 구성된 하중측정 장치를 이용하여 시간별로 기록하여 그 변화를 살펴볼 수 있도록 하였다. 완전히 냉각된 상태에서 시편을 정반에 놓고 면외 변위를 계측하여 변형량 변화의 분석에 활용하였다.
- 인장응력은 시편 길이의 중앙에서 폭 방향으로의 평균응력이 여러 가지 경우에 해당 되도록 인장력을 가한 상태에서 용접을 수행하였다. 용접이 완료된 후 냉각시간은 40분이며, 용접이 진행되면서 그리고 냉각 중의 인장력을 로드 셀과 하중 인디케이터로 구성된 하중측정 장치를 이용하여 시간별로 기록하여 그 변화를 살펴볼 수 있도록 하였다. 완전히 냉각된 상태에서 시편을 정반에 놓고 면외 변위를 계측하여 변형량 변화의 분석에 활용하였다.
- 변형제어 방안으로서 레버 블록을 이용한 기계적 인장법의 적용에 관한 연구로서, 용접부에 인위적으로 가하는 인장력의 크기가 굽힘과 수축변형에 주는 정량적인 영향을 분석하는 연구의 주된 내용으로 설정하였다. 이를 위해 다수의 시편에 대해 인장력의 크기를 변화시키면서 필릿 용접을 수행하여 그 결과를 인장력의 크기와 변형량 사이의 관계를 그래프로 정리하였다.
- 본 연구의 실험에서 인장력은 체인 블록을 사용하여 작용시켰으며, 인장력 작용 위치와 시편을 연결하는 중간위치에 인장력을 계측할 수 있는 장치를 설치하였다. 인장력은 로드셀과 하중 인디게이터로 구성된 하중 계측장치를 이용하여 측정하였다. 작용 하중의 최대 값은 10ton이고 허용오차는 20kg 이다.
- 계획된 인장력은 본 실험에서는 두께별로 Tension load 만을 변화시켜가며 실험하였다. 인장응력은 시편 길이의 중앙에서 폭 방향으로의 평균응력이 여러 가지 경우에 해당 되도록 인장력을 가한 상태에서 용접을 수행하였다. 용접이 완료된 후 냉각시간은 40분이며, 용접이 진행되면서 그리고 냉각 중의 인장력을 로드 셀과 하중 인디케이터로 구성된 하중측정 장치를 이용하여 시간별로 기록하여 그 변화를 살펴볼 수 있도록 하였다.
- 5에 보인 변형 형상을 보면, 본 연구의 실험에서는 인위적 인장력의 작용 여부와 상관없이 좌굴변형의 형상이 뒤틀린 형태로 나타났는데, 이를 수치적으로 확인하기 위해 잔류응력으로 인한 변형 모드를 고유 값 해석을 수행하였다. 판과 보강재 모두 4절점 사변형 요소로 모델링하였고, 보강재가 놓인 선 중앙점을 구속하여 강체운동을 방지하였다. 하중조건은 실험의 경우와 마찬가지로 인장력을 작용시키는 경우에는 해당 인장력을 용접 중심선에 있는 절점에 작용시켰으며, 용접선에 수직인 변에 압축잔류응력을 작용시킨 상태에서 고유 값 해석을 수행하였다.
- 판과 보강재 모두 4절점 사변형 요소로 모델링하였고, 보강재가 놓인 선 중앙점을 구속하여 강체운동을 방지하였다. 하중조건은 실험의 경우와 마찬가지로 인장력을 작용시키는 경우에는 해당 인장력을 용접 중심선에 있는 절점에 작용시켰으며, 용접선에 수직인 변에 압축잔류응력을 작용시킨 상태에서 고유 값 해석을 수행하였다. 고유 값 해석의 결과로써 고유 값이 작은 3개 모드를 Fig.
대상 데이터
- 시편의 크기는 길이×폭 = 400×300mm이고, 두께는 4mm, 5mm와 6mm인 세 종류이고, 보강재의 두께는 판의 두께와 같다.
성능/효과
- 용접 중 인위적인 인장력을 용접선 방향과 용접선에 법선 방향으로 작용시켰는데, 후자의 경우보다는 전자의 경우에 변형감소에 상당한 효과가 있음을 확인하였다. 또한 장력법을 적용하면 보강재의 좌굴변형 감소에도 많은 효과를 볼 수 있었다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 실험에서 나타난 판의 좌굴 모드가 고유 값 해석을 통해 구한 좌굴모드와 일치됨을 확인하였는데, 본 연구의 실험에서 사용한 시편과 세장비가 다른 경우에 대해서는 추가적인 실험 및 수치해석을 통해 그 좌굴모드를 확인해야 할 것이다.
- 5의 변형 형상과 일치한다. 시편의 길이와 폭의 비인 세장비에 따라 좌굴 모드가 달라질 수 있지만, 본 연구의 실험에서 사용한 시편의 세장비인 1.33에서는 Fig. 10의 Mode 1 이 지배적이라는 것을 실험과 수치해석을 통해 확인할 수 있었다. 다른 세장비를 갖는 모델에 대해서는 추가적인 실험과 수치해석을 통해 확인되어야 할 것이다.
- 9에서 보는 바와 같이 판의 두께가 얇을수록 보강재의 좌굴변형이 더 심하게 나타나며 인위적으로 작용시킨 인장력으로 인한 변형량의 감소 효과가 뚜렷하게 나타남을 볼 수 있다. 용접 선에 법선 방향으로 인장력을 작용시킨 경우에도 보강재의 좌굴변형 감소에 영향을 주기는 하나, 그 효과는 용접선 방향으로 인장력을 작용시킨 경우 보다는 작은 것으로 나타났다.
- 박판의 맞대기 용접 시 용접선 방향으로 인장력을 가하였을 때, 굽힘과 수축변형의 감소에 효과가 있다는 것을 선행 연구에서 확인한 바 있었는데(이주성 등 2006), 여기에서는 그 후속 연구로서 필릿용접에 장력법을 적용하였을 때, 변형 감소에 주는 영향을 실험적으로 분석하였다. 용접 중 인위적인 인장력을 용접선 방향과 용접선에 법선 방향으로 작용시켰는데, 후자의 경우보다는 전자의 경우에 변형감소에 상당한 효과가 있음을 확인하였다. 또한 장력법을 적용하면 보강재의 좌굴변형 감소에도 많은 효과를 볼 수 있었다.
후속연구
- 10의 Mode 1 이 지배적이라는 것을 실험과 수치해석을 통해 확인할 수 있었다. 다른 세장비를 갖는 모델에 대해서는 추가적인 실험과 수치해석을 통해 확인되어야 할 것이다.
- 또한 장력법을 적용하면 보강재의 좌굴변형 감소에도 많은 효과를 볼 수 있었다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 실험에서 나타난 판의 좌굴 모드가 고유 값 해석을 통해 구한 좌굴모드와 일치됨을 확인하였는데, 본 연구의 실험에서 사용한 시편과 세장비가 다른 경우에 대해서는 추가적인 실험 및 수치해석을 통해 그 좌굴모드를 확인해야 할 것이다.
- 향후에는 추가의 실험이나 수치해석을 통해 변형을 허용수준이하로 감소시키기 위해 작용시켜야 할 인장력의 수준을 결정하는 연구가 수행되어야 할 것이다.
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