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문제 정의
- 2와 같이 K type의 열전대를 부착하여 용접 및 냉각시 온도 변화를 측정하였다. 그리고 용접부의 매크로 단면에서 측정한 용융지(weld pool) 형상 결과를 유한요소해석 결과와 비교함으로써 입열 모델 및 효율을 정의하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 SA 용접 조건과 부재의 치수는 Table 1과 같으며, 채널 I butt SA 용접부의 갭(gap)은 3mm이다.
- Dong and Janosch(2002)는 1996년에 시작된 IIW의 Round-robin phase 1에서 각 참여 기관별 잔류응력의 발생 원인을 조사한 결과 부적절한 입열 모델에 기인한 용접부 온도 분포의 차이와 용접부의 소성 거동 및 용융/재 용융에 따른 역학적 고려의 부족을 지적한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 채널 I형 SA 맞대기 용접시 용접 변형 및 잔류 응력을 보다 정량적으로 평가할 수 있는 입열 모델을 개발하고자 Fig. 2와 같이 K type의 열전대를 부착하여 용접 및 냉각시 온도 변화를 측정하였다. 그리고 용접부의 매크로 단면에서 측정한 용융지(weld pool) 형상 결과를 유한요소해석 결과와 비교함으로써 입열 모델 및 효율을 정의하고자 하였다.
- 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 박판 블록 용접 구조물의 채널 I형 잠호 맞대기 용접부의 변형 및 잔류 응력 평가 방안을 정립하기 위한 연구를 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 박판 용접 변형 제어 설계를 위한 기초 연구로써 유한요소해석을 이용하여 자동차 운반선의 카 데크(deck)에 적용되고 있는 채널 I 형 잠호(submerged arc, 이하 SA) 맞대기 용접부의 역학적 거동 특성을 평가할 수 있는 방안을 제안하였다. 이를 위하여 채널 I형 SA 맞대기 용접시 용접부로 유입되는 입열 모델을 유한요소해석 및 실험을 이용하여 개발하고 개발된 입열 모델을 이용하여 채널 I형 SA 맞대기 용접부의 변형 및 잔류 응력 수준을 평가하였으며, 이를 실험결과와 비교함으로써 타당성을 검증하였다.
가설 설정
- 그리고 η 와 # 는 각각 용접 아크에 의한 효율과 아크의 열원이 표면 열속으로 작용하는 경우 95%이상의 열속이 집중되는 유효 반경(effective radius)으로 본 고에서는 용접부의 비드폭(15mm)으로 가정하였다.
- 25mm의 상온(20℃)의 공기층을 모델링하여 이 영역에서 열전도에 의한 열 손실이 존재하는 것으로 가정하였다(Incropera and Dewitt 1990). 그리고 용접부와 모재는 일반 탄소강 (carbon steel)의 열적 물성과 동일한 것으로 가정하였으며, Fig. 4와 같이 온도에 의존하며, 용접 개선면 내의 용착 금속의 온도가 융점(1450℃)을 초과하는 경우 용융지(molten pool)내에서의 아크 압력과 융융지 내에서 온도 차에 의한 교반 효과를 고려하기 위하여 용착 금속이 생성되는 영역에서 유효 열전달 계수를 도입하였으며, 상변화에 따른 잠열 효과 (latent heat) 또한 기존의 연구 결과(대한용접학회 2005)에서 제시한 방법과 동일한 방법으로 적용하였다.
- 본 연구에서는 식(1)과 (2)로 주어진 기본 열원 모델을 이용하여 열원 분포와 아크 효율에 대한 용융지 부근에서의 가열 및 냉각시 온도분포를 실험을 통한 계측결과와 비교하여 용접 입열 모델을 제안하였다. 여기서, 용접 및 냉각시 발생하는 열 손실은 해석 모델의 경계면에서 복사와 McAdams(1954)에 의하여 제안된 수평 평판에서의 자연 대류에 의하여 발생하는 것으로 가정하였으며, 주판과 채널에서는 간극의 크기를 고려한 접촉 열 저항에 의한 열 손실이 있는 것으로 가정하였다. 즉, Fig.
- 주판과 채널 사이에서의 접촉 열 저항을 위하여 사용된 공기층의 요소의 강성은 거의 “0” 인 것으로 가정하였다.
- 즉, Fig. 3과 같이 주판과 “ㄷ”자형 채널 간의 0.25mm의 상온(20℃)의 공기층을 모델링하여 이 영역에서 열전도에 의한 열 손실이 존재하는 것으로 가정하였다(Incropera and Dewitt 1990).
- 해석시 사용된 열원은 식(1)로 정의되는 가우시안 분포의 열속(Anderson 1978)과 식(2)로 정의되는 체적 열원이 용접부에 일정 혼합비로 작용하는 혼합 열원 (combined heat source)이다. 체적열원은 용접 아크에 의한 열원이 용접 개선 면에서 식(2)와 같이 균일 분포의 형태로 작용한다고 가정하였다.
- 주판과 채널 사이에서의 접촉 열 저항을 위하여 사용된 공기층의 요소의 강성은 거의 “0” 인 것으로 가정하였다. 해석시 사용된 모재 및 용접부의 기계적 물성은 Fig. 9와 같이 온도에 의존하고 등방성이며 항복 조건으로 von-Mises 조건을 이용하였으며(Anderson 1978), 가열시 누적되는 소성 변형률 (plastic strain)의 최대 온도는 용착 금속의 융점으로 가정하여 계산하였다. 그리고 해석 결과의 타당성은 해석 모델과 같은 치수의 용접 시험편에 대해 동일한 용접조건으로 실험을 수행하여 3차원 변위 계측기에 의한 변형량과 hole drilling method (ASTM E-837-01)를 이용하여 측정한 잔류 응력을 비교함으로써 검증하였다.
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