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문제 정의
- 본 연구에서는 초대형 컨테이너 선박 및 대형해상구조물의 건조에 사용되고 있는 80mm 두께의 고장력 EH40 TMCP강재의 용접 부의 잔류 응력 파악을 위한 실험 방법과 유한요소해석 사례를 제시하였다. 본 연구는 극후판 용접부의 피로 강도 평가의 기초 단계로서 수행되었으며, Tandem EGW 방법의 수치 해석 기법 및 잔류 응력 계측절차를 소개하였다.
- 본 연구에서는 Tandem EGW공법이 적용된 극후판 용접 접합부에 대한 정적 강도 및 피로 수명 평가의 기초연구로서 국부적인 가열과 냉각으로 발생하는 용접부의 잔류응력의 특성을 실험을 통해서 계측하였으며, 잔류응력을 예측하기 위한 3차원 유한요소해석 절차를 제시하였다. Tandem EGW 방법을 유한요소해석방법으로 접근하기 위해서는 GMAW(Gas metal arc welding)나 FCAW 등의 일반적인 수평 이동 용접의 해석 방법과는 달리 수직 상향 이동 특성뿐만 아니라 두 개의 용접봉(electrode) 위빙(Weaving)에 의한 용접 용융부 생성 과정을 고려해야 하는 어려움을 가지고 있다.
- 용접부의 유한요소해석에 있어서 열원 분포 및 온도 분포는 잔류 응력의 예측의 정확성과 밀접한 관련이 있기 때문에, 온도 분포의 타당성 검토가 우선 수행되어야 한다. 본 연구에서는 용접 시편 단면의 조직 변화를 통하여 온도 분포를 역으로 추정하고, 해석 과정에서 가정한 열원이 단면의 조직과 유사한 온도 분포를 보이는 지를 비교함으로써 열원으로 가정한 열유속 분포의 타당성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 초대형 컨테이너 선박 및 대형해상구조물의 건조에 사용되고 있는 80mm 두께의 고장력 EH40 TMCP강재의 용접 부의 잔류 응력 파악을 위한 실험 방법과 유한요소해석 사례를 제시하였다. 본 연구는 극후판 용접부의 피로 강도 평가의 기초 단계로서 수행되었으며, Tandem EGW 방법의 수치 해석 기법 및 잔류 응력 계측절차를 소개하였다.
가설 설정
- 3차원 유한요소해석을 통하여 EGW의 잔류응력과 잔류변형을 해석하기 위해서는 열원이 진행되는 과정에 맞추어 열전달 해석을 통해서 각 해석 단계(step) 별 온도분포를 계산하고 계산된 온도분포를 연성구조해석의 열응력으로 변환하여 잔류응력해석을 진행하기 때문에, 열원의 진행에 따른 시간 증분을 필요로 한다(Lee & Chang, 2008). 그러나 3차원 용접해석의 경우 시간 증분에 따라 해석시간의 변화가 크기 때문에 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 시간 증분에 따른 온도분포의 편차가 발생하지 않는 범위에서 해석시간을 단축시키기 위해서 전체 해석이 약 3시간 이내에 완료되도록 1step을 10sec로 가정하였으며 사용된 비선형 해석 수치해석 기법은 Newton-Raphson 방법을 선택하였다.
- 1과 같이 위빙 조건에 따른 용접봉의 이동방향에 따라 유한요소해석을 위한 용접 열원의 용접방향이 모델링 되어야 한다. 그러나 EGW의 이동열원이 부재에 영향을 미치는 범위에서 Fig. 12에서와 같이 준정상(quasi-steady) 열원으로 가정하고 위빙이 가정된 용접조건을 Fig. 11의 이중 타원체 모델을 이용하여 EGW 열원을 모델링 하여 이동열원의 특성을 반영하였다.
- 또한 재료의 소성 변화를 정의하는 plastic modulus는 Chang and Teng(2003)과 Masubuchi(1980)이 제시한 multi-linear isotropic hardening 특성을 기준으로 온도에 따라 세분화하여 반영하였다. 그리고 용접 용융부인 용가재(filler metal)의 재료 특성은 모재(base metal)와 같다고 가정하였으며, 동당금(sliding copper shoe)의 재료특성은 구리(copper)와 동일한 것으로 가정하였다(Simon, et al., 1992).
- 10과 같이 모델의 바닥 부분에 고정(Fixed) 조건 적용 후 2개의 열원(heat source)이 수직으로 진행하도록 하고 대입열의 온도를 낮추기 위한 냉각재(sliding copper shoe)의 형상 및 열전달 재료 물성치를 반영하여 모델링하였으며 모재와 접하는 부분은 접촉 요소로 모델링하였다. 다만, 접촉부의 열접촉 계수(Thermal Contact Coefficient)는 계측하기 매우 어렵기 때문에, 완전 접합 조건을 가정하였다. 그러나 열접촉 계수 값을 정확하게 파악하기 위해서는 향후에도 지속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 용접해석 시 이론적인 용접공정의 해석을 위해서는 온도에 따른 재료의 특성이 정의되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 EH40 TMCP 강재의 재료 열전달 재료 특성과 기계적 재료의 특성을 Fig. 15와 같이 온도의존성을 가지는 함수로 가정하였다. 소성 경화 모델은 비선형 등방 경화(nonlinear isotropic hardening)조건을 적용하고 Von-Mises 항복 조건을 따르는 것으로 가정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 식 (5)를 이용하여 대류 조건을 적용하였으며, 방사율(εr)은 0.9로 가정하였다.
- 아크의 효율은 용접 조건, 용융 깊이 등의 변수의 영향을 받기 때문에 예측이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 실험 및 가정을 통해서 구해지는 값인 0.65로 가정하였다(Armentani, et al., 2007).
- 15와 같이 온도의존성을 가지는 함수로 가정하였다. 소성 경화 모델은 비선형 등방 경화(nonlinear isotropic hardening)조건을 적용하고 Von-Mises 항복 조건을 따르는 것으로 가정하였다.
- 자연 대류 상태를 반영하기 위한 상온의 기준 온도는 20℃로 가정하였다. Rykalin(1974)는 용접 시의 대류에 의한 열전달 계수(h)는 온도 변화에 따른 대류 냉각효과와 복사 열 전달에 의한 냉각 효과를 동시에 포함한 대류 계수를 식 (5)와 같이 제안하였다.
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