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문제 정의
- 본 논문에서는 박판 용접시 좌굴변형을 제어하기 위해 장력법 (Tensioning method)을 적용한 연구로서, 필릿 용접시 발생되는 변형의 감소에 주는 정량적인 효과를 다루었다. 신상범과 이동주(2003)는 박판 용접부의 좌굴변형 제어를 위해 용접으로 인한 수축 하중을 감소시키거나 열 또는 기계적인 하중을 작용시켜서 수축현상을 이완시키는 제어방안을 제시한 바 있다.
- 본 절에서는 본 연구의 필릿용접실험을 위한 시편모델과 용접조건 및 실험방법에 대해 기술하였으며, 실험결과와 분석 결과를 언급하였다.
- 전술한 바와 같이 본 논문에서는 장력법을 박판의 필릿 용접에 적용하였을 때 발생되는 좌굴변형의 제어에 어느 정도의 효과가 있는지를 분석하는 것을 주된 내용으로 다루고 있다. 이를 위해 우선 필릿 용접시 발생되는 잔류응력에 의한 지배적인 좌굴모드의 형상들을 예상하기 위해 수치해석을 수행하였다.
제안 방법
- 예로서 'Weld direction7 으로 lOMUa라 함은 보강재 단면적을 제외한 판재에 작용하는 평균 인장 응력이 10W『a가 되도록 장력을 작용시켰음을 의미한다. 따라서 본 연구의 용접실험에서는 두꺼】-속도로 구분해서 4t-300, 5t-200z 5t-300z 6t-200z 6t-300인 다섯 가지 경우 각각에 대해 장력이 없는 경우 즉, 평균인장응력이 OMka인 경우, 평균 인장 응력이 각각 10과 25MPa이 발생되도록 용접선 방향으로의 장력을 작용시킨 경우 그리고 평균인장응력이 15MPa이발생되도록 용접선에 법선방향으로의 장력을 작용시킨 네 가지로서 총 20개 시편에 대해 실험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 장력법이 박판의 필릿 용접시 발생되는 좌굴변형에 주는 효과를 분석하기 위해 두께가 t=4z 5와 6 mm인 세 가지 시편 모델에 대해 장력의 크기와 방향에 따른 필릿 용접실험을 수행하였다. 실험 결과로서 발생되는 좌굴 형상은 수치해석에서 구한 지배적인 좌굴모드와 일치됨을 확인할 수 있었다.
- 본 실험을 통해 얻은 장력의 크기와 방향이 최대 변형량의 변화에 주는 효과를 보이기 위해 Table 2에 장력법을 적용하지 않는 경우 즉, OMPa tensile stress 의 경우를 기준으로 장력법을 적용한 경우의 무차원화 된 최대 변형량의 감소의 정도를 정리하였다. 본 연구의 실험에 의하면 용접선 방향으로 공칭 항복 응력의 약 2.
- 인위적으로 작용시키는 인장력의 크기가 변형감소에 주는 정량적인 영향을 파악하기 위해 인장력의 크기와 방향 그리고 판의 두께를 변화 시킨 20개 시편에 대한 필릿 용접실험을 수행하였다. 실험의 결과로서 장력의 크기와 방향이 좌굴변형의 감소에 주는 영향을 분석하여 정리하였다.
- 여기에서는 3절에서 기술한 시편모델과 같은 크기의 모델에 대해, 판과 보강재를 모두 4절점 사변형 요소로 모델링하였고, 보강재가 놓인 선 중앙점을 구속하여 강체운동을 방지하였다. 하중조건은 Fig.
- 용접 전후의 변위는 Fig. 5에 보인 것처럼 폭 방향으로 A에서 H까지 여덟 위치, 길이 방향으로 0에서 8까지 아홉 위치로서 총 72 위치에서의 변위를 디지털 게이지로 측정하였다.
- 용접기로는 COz 자동용접 기를 사용하였으며, 용접 전류와 용접 전압은 모든 시편에 대해 같은 값을 사용하였다. 용접속도는 두께 4mm인 경우에는 300mm/min 그리고 5와 6mm인 경우에는 각각 200mm/min와 300mm/miri 인 두 가지 경우에 대해 실험을 수행하여 입열량의 변화에 대한 변형감소의 변화를 파악할 수 있도록 설정하였다. 장력은 용접선 방향 (보강재 방향) 또는 용접선에 법선 방향 (보강재에 법선 방향)으로 작용시킨 상태에서 용접을 수행하였다.
- 크기의 압축응력이 용접선 방향으로 작용한다. 이러한 잔류 응력상태에서 특히, 박판 용접시 발생 가능한 좌굴변형 형상을 우선 파악하기 위해 여기에서는 좌굴변형 해석을 수행하였다. 3절에서 기술하고 있는 본 연구의 용접실험을 위한 시편은 판의 중앙에 보강재가 하나 있는 모델로서, 용접 후 잔류응력의 분포를 Fig.
- 있다. 이를 위해 우선 필릿 용접시 발생되는 잔류응력에 의한 지배적인 좌굴모드의 형상들을 예상하기 위해 수치해석을 수행하였다. 인위적으로 작용시키는 인장력의 크기가 변형감소에 주는 정량적인 영향을 파악하기 위해 인장력의 크기와 방향 그리고 판의 두께를 변화 시킨 20개 시편에 대한 필릿 용접실험을 수행하였다.
- 이를 위해 우선 필릿 용접시 발생되는 잔류응력에 의한 지배적인 좌굴모드의 형상들을 예상하기 위해 수치해석을 수행하였다. 인위적으로 작용시키는 인장력의 크기가 변형감소에 주는 정량적인 영향을 파악하기 위해 인장력의 크기와 방향 그리고 판의 두께를 변화 시킨 20개 시편에 대한 필릿 용접실험을 수행하였다. 실험의 결과로서 장력의 크기와 방향이 좌굴변형의 감소에 주는 영향을 분석하여 정리하였다.
- 용접속도는 두께 4mm인 경우에는 300mm/min 그리고 5와 6mm인 경우에는 각각 200mm/min와 300mm/miri 인 두 가지 경우에 대해 실험을 수행하여 입열량의 변화에 대한 변형감소의 변화를 파악할 수 있도록 설정하였다. 장력은 용접선 방향 (보강재 방향) 또는 용접선에 법선 방향 (보강재에 법선 방향)으로 작용시킨 상태에서 용접을 수행하였다. Table 1에서는 장력 자체의 크기가 아닌 장력을 그 작용 방향에 대한 단면적으로 나눈 평균응력으로서 'Tensile stress'로 표시하였다.
- 장력의 크기와 방향이 필릿 용접시 변형에 주는 정량적인 영향을 보이기 위해 Fig. 9와 Fig. 10에서는 용접선 방향으로 장력을 작용시킨 경우 그리고 Fig. 11과 Fig. 12에서는 용접선에 법선 방향으로 장력을 작용시킨 경우 발생된 최대 변형량을 비교하였다.
- 6nun인 세 종류이다. 절단으로 인한 초기변형을 최소화하기 위해 모든 시편은 플라즈마 절단으로 제작하였다. 재료는 공칭 항복 응력이 235MPa인 연강이다.
대상 데이터
- 이러한 잔류 응력상태에서 특히, 박판 용접시 발생 가능한 좌굴변형 형상을 우선 파악하기 위해 여기에서는 좌굴변형 해석을 수행하였다. 3절에서 기술하고 있는 본 연구의 용접실험을 위한 시편은 판의 중앙에 보강재가 하나 있는 모델로서, 용접 후 잔류응력의 분포를 Fig. 1과 같이 이상화하여 취급할 수 있다.
- 모든 시편의 크기는 길이X폭=400x3QQmm이고, 두께는 4, 5 와 6nun인 세 종류이다. 절단으로 인한 초기변형을 최소화하기 위해 모든 시편은 플라즈마 절단으로 제작하였다.
- 시편의 크기와 용접조건 등 실험조건들을 Table 1에 정리하였다. 보강재의 크기는 길이 X높이 =400x60mm이고 두께는 판의 두께와 같게 하였다. 용접기로는 COz 자동용접 기를 사용하였으며, 용접 전류와 용접 전압은 모든 시편에 대해 같은 값을 사용하였다.
- 본 용접실험을 위한 시편은 판의 중앙에 보강재가 하나 부착된 것으로서 보강재와 판의 접합부 좌우를 동시에 필릿 용접을 하였다.
- 보강재의 크기는 길이 X높이 =400x60mm이고 두께는 판의 두께와 같게 하였다. 용접기로는 COz 자동용접 기를 사용하였으며, 용접 전류와 용접 전압은 모든 시편에 대해 같은 값을 사용하였다. 용접속도는 두께 4mm인 경우에는 300mm/min 그리고 5와 6mm인 경우에는 각각 200mm/min와 300mm/miri 인 두 가지 경우에 대해 실험을 수행하여 입열량의 변화에 대한 변형감소의 변화를 파악할 수 있도록 설정하였다.
- 절단으로 인한 초기변형을 최소화하기 위해 모든 시편은 플라즈마 절단으로 제작하였다. 재료는 공칭 항복 응력이 235MPa인 연강이다. 시편의 크기와 용접조건 등 실험조건들을 Table 1에 정리하였다.
성능/효과
- 변형감소 효과가 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 입 열량 이적은 경우보다 입열량이 큰 경우에 변형감소 효과가 더 크다는 점을 알 수 있었다. 한편 좌굴변형형상은 실험에 의한 변형 형상이 수치해석을 통해 예상한 것과 잘 일치되는 것을 확인하였다.
- 본 연구의 결과에 의하면 장력을 용접선방향으로 작용시킨 경우 장력의 크기에 따라 6-60% 정도의 변형 감소 효과가 있으며, 용접선에 법선방향으로 작용시킨 경우에는 약 20% 이상의 변형감소 효과가 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 입 열량 이적은 경우보다 입열량이 큰 경우에 변형감소 효과가 더 크다는 점을 알 수 있었다.
- 정리하였다. 본 연구의 실험에 의하면 용접선 방향으로 공칭 항복 응력의 약 2.5% 수준에 달하는 장력을 작용시켰을 때, 판의 두께와 용접속도에 따라 최대 변형량이 약 6-27% 정도 감소하며, 공칭항복응력의 약 10% 수준의 장력을 작용시킨 경우에는 약 20~60%의 정도 감소되었다. 용접선에 법선 방향으로 장력을 작용시키는 경우 변형량 감소에 주는 영향은 용접선 방향으로 장력을 작용시키는 경우보다 상대적으로 적지만 공칭 항복 응력의 약 6.
- 필릿 용접실험을 수행하였다. 실험 결과로서 발생되는 좌굴 형상은 수치해석에서 구한 지배적인 좌굴모드와 일치됨을 확인할 수 있었다. 최대 변형량을 기준으로 했을 때 장력 법을 적용한 정량적인 효과는 장력법을 적용하지 않는 경우보다 용접선 방향으로 공칭항복응력의 약 2.
- 실험 결과로서 발생되는 좌굴 형상은 수치해석에서 구한 지배적인 좌굴모드와 일치됨을 확인할 수 있었다. 최대 변형량을 기준으로 했을 때 장력 법을 적용한 정량적인 효과는 장력법을 적용하지 않는 경우보다 용접선 방향으로 공칭항복응력의 약 2.5%와 10% 수준에 해당되는 인장응력을 발생하는 장력을 작용시켰을 때, 판의 두께와 용접속도에 따라 최대 변형량이 각각 약 6~27%와 20~50% 정도 감소되었다. 용접선에 법선 방향으로 장력을 작용시키는 경우 변형량 감소에 주는 영향은 용접선 방향으로 장력을 작용시키는 경우보다 상대적으로 적지만 공칭 항복 응력의 약 6.
후속연구
- 2(d)가 관찰되지 않은 것으로 보아 그러한 좌굴 변형 형상이 발생하지는 않을 것으로 판단된다. 그러나 판재의 세장비가 달라지면 변형형상 역시 달라질 가능성이 있으므로 이에 대해서는 추가적인 실험과 수치해석을 통해 확인되어야 할 것이다.
- 2의 Mode 1 형태로 좌굴변형이 발생할 것이라는 것을 예상할 수 있겠다. 물론 판의 길이와 폭의 비인 세장비가 달라지면 지배적인 좌굴 형상이 달라질 수 있으므로, 보강재의 수가 다르거나 다른 세장비를 갖는 경우의 지배적인 좌굴 형상에 대해서는 좌굴해석을 통해 확인해야 할 것이다.
- 본 논문의 결과는 추후 판재의 크기와 용접조건에 따른 적정수준의 인장력의 크기를 결정하는 예측식의 개발 등에 활용할 수 있을 것이다.
- 추후에는 판재의 세장비 및 보강재의 수 등에 따른 연구와 함께 그 결과들을 토대로 판재의 크기와 용접조건에 따른 적정수준의 장력의 크기를 결정하는 부분에 대한 연구가 필요할 것이다.
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