[논문]가상 고정물을 이용한 축 대칭 용접물의 용접 변형 해석 모델링 기법

이호진; 이봉상; 정인철; 심덕남

doi:10.5781/kwjs.2010.28.2.060

문제 정의

본 연구에서는 기존의 2차원 축대칭 모델링 기법을 수정 발전시켜 새롭게 적용함으로써 실제 원통형 용접 물의 변형 거동을 모사하고자 하였다. 또한 용접 모형을 제작한 후 용접 실험에 의한 실제 변형량을 측정하여 본 연구에서 제시한 모델링의 정확성 및 신뢰성을 확인하였다.
더욱이 고온에서의 용접소재의 강도 및 강성 (stiffness) 이 매우 작으므로 모델링에서 고려하지 못한 미미한 경계조건에 의해 용접부에서의 변형이 크게 영향을 받을 수 있게 되어 실제와 다른 변형량이 계산될 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 실제 용접물의 구속조건 상태를 모사하고 고온에서의 용접 변형을 해석하기 위해 가상의 고정물을 사용하는 2차원 축대칭 모델링 기법을 사용하고자 하였다.

가설 설정

이와 같은 가정은 용접 부가고온으로 가열되는 경우 고온에서의 소재 강도 및강성이 매우 작고, 고온으로 가열되는 영역이 국소적이 며, 그 주위는 아직 충분히 가열되지 않은 상태이므로 용접물의 무게, 가 용접, 혹은 용접 후 냉각된 부분에 서의 구속 등과 같이 용접물에 내재하는 구속 조건에 의해 고온으로 가열된 용접부의 변형이 구속될 수 있기 때문이다. 또한 냉각되는 동안은 고온 영역의 주위가 이미 높은 온도 영역에 둘러 싸여 있으므로 고온 부분 에서의 용접부 수축이 자유로울 수 있다고 가정하였다.
용접물의 양단을 완전히 고정하지 않고 용접하는 경우 용접물 자체가 갖는 용접 변형의 제한 조건, 즉 용접물의 무게, 용접물의 설치 위치, 가 용접 (tack welding) 등에 의해 집중적으로 형성된 고온의 용접부 변형이 부분적으로 지배를 받을 수 있음을 가정하였다. 또한 용접이 수행되고 있는 영역에서의 변형이 용접이 수행되 었거나 혹은 아직 수행되지 않은 부분에 의해 지배를 받게 될 수 있으므로 축 대칭 모델로 정확한 용접 변형을 계산하기 어렵다.
가상 고정물에 의한 용접물의 변형 구속조건을 확인하기 위해 Young's modulus 를 일정하게 하고, 가상 고정물 소재의 항복 강도를 0 - 400 MPa 사이에서 조절하면서 용접 변형 량을 계산하였다. 이 때 고정물의 응력-변형율 관계는각 항복강도 조건에 따라 0.55 의 변형율에서 항복강 도의 2 배 응력을 갖는 관계를 갖는다고 가정하였다. 가상 고정물의 항복강도가 0 인 경우는 가상의 고정물을 사용하지 않은, 즉 용접물의 한쪽 단이 자유단인 기존의 축대칭 모델링과 같은 경우이다.

제안 방법

6 mm 이며, 개선 각은 5 o , 그루브 깊이는 45 mm 로 하였다. 200 mm 길이의 배관 두 개를 수직으로 가 용접하여 설치한 후 원주 방향 용접을 수행하였으며, 한 쪽은 용접 중 변형이 가능하도록 고정물에 고정하지 않았다. 소재는 스테인리 스강 type 304 이며, 일반 탄소강에 비해 열팽창율이 크므로 큰 용접 변형이 예상되었다.
원통형 용접물의 용접 변형 거동을 예측하기 위해 용접 모형을 제작하고 용접을 수행하였다. Fig. 1 과 같은 용접 모형은 코어 배럴의 소형 모형으로서 외경이약 1000 mm, 길이는 약 400 mm, 두께는 50 mm 의 원통형 형태이며, 편측 그루브 (single-groove) 용접을 수행하였다. 협개선 용접을 하였으며, 각 비이드 적층마다 변형량 변화를 측정하여 용접부의 변형거동을 예측 하였다.
Fig. 1 과 같은 용접물에 축대칭 모델을 사용하여 열적 기계적 해석을 수행하였다. 용접 중 아아크가 지나는 동안 용접부는 가열되어 길이가 늘어나게 되고, 아아크가 지나가면 용접부가 냉각되면서 길이가 수축하게 된다.
Fig. 2 와 같은 모델에서 가상 고정물의 구속효과를 확인하기 위해 가상 고정물의 두께를 10 mm 두께로 일정하게 유지하고, 고정물 소재의 항복강도를 변수로 하여 각각의 경우에 대한 용접물과 그루브 간격의 용접 변형량을 계산하여 비교하였다. 가상 고정물에 의한 용접물의 변형 구속조건을 확인하기 위해 Young's modulus 를 일정하게 하고, 가상 고정물 소재의 항복 강도를 0 - 400 MPa 사이에서 조절하면서 용접 변형 량을 계산하였다.
비이드 적층이 좌우 대칭으로 이루어 지지 않으므로 1/2 모델을 사용하지 않았으며, 계산은 상용 전산해석 유한요소 프로그램 (ABAQUS) 를 사용하였다. Fig. 2 와 같은 용접 모델을 사용하여 실제 용접에 사용된 용접전류, 용접속도를 사용하고, 아아크 효율을 80% 로 가정하여 용접 비이드의 요소들에 발생 열로 설정하여 열 유동 및 용접 변형량을 계산하였다. Fig.
가상 고정물에 의한 용접물의 변형 구속조건을 확인하기 위해 Young's modulus 를 일정하게 하고, 가상 고정물 소재의 항복 강도를 0 - 400 MPa 사이에서 조절하면서 용접 변형 량을 계산하였다.
본 연구에서는 기존의 2차원 축대칭 모델링 기법을 수정 발전시켜 새롭게 적용함으로써 실제 원통형 용접 물의 변형 거동을 모사하고자 하였다. 또한 용접 모형을 제작한 후 용접 실험에 의한 실제 변형량을 측정하여 본 연구에서 제시한 모델링의 정확성 및 신뢰성을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 모델링 기법의 적용성이 확인된다면 이 모델링 방법을 이용하여 원통형 대형 구조물 해석에 적용함으로써 정확한 용접 변형량을 예측할 수 있을 것으로 기대하였다.
실제 원통형 용접물에 내재하는 변형에 대한 구속 조건을 모사하기 위해 용접 중 가열되는 동안은 가상 고정물을 활성화시켜 팽창 변형을 일부 구속시키고, 용접 부가 냉각되는 동안은 가상 고정물을 비활성화 시켜 용접부의 수축 변형이 자유롭게 하는 축대칭 모델을 제안 하였다. 임계 항복강도 이상의 구속조건을 갖는 가상의 고정물을 사용하는 모델링 결과 계산된 용접물의 수축 량은 용접 모형의 측정 결과와 거의 유사하였다.
소재는 스테인리 스강 type 304 이며, 일반 탄소강에 비해 열팽창율이 크므로 큰 용접 변형이 예상되었다. 용접 비이드 수는 35 개의 층으로 적층하였으며, pulsed current type 의 GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) 를 수행하 였다. 용접전류 (최대/최소) 및 용접속도는 비이드를 적층하면서 160A/100 A - 180A/120 A 에 8.
용접이 수행되는 동안 용접물에 내재하고 있는 용접물 변형에 대한 구속조건을 모사하기 위해 가상의 고정 물을 Fig. 2 와 같이 용접물 양단을 연결하도록 위치시켜 모델링하였다. 가상 고정물은 용접 중 가열되는 동안은 활성화시켜 팽창 변형을 구속시키고, 용접부가 냉각되는 동안은 가상 고정물을 비활성화 시켜 용접부의 수축 변형을 자유롭게 하였다.
원통형 용접물의 용접 변형 거동을 예측하기 위해 용접 모형을 제작하고 용접을 수행하였다. Fig.
1 과 같은 용접 모형은 코어 배럴의 소형 모형으로서 외경이약 1000 mm, 길이는 약 400 mm, 두께는 50 mm 의 원통형 형태이며, 편측 그루브 (single-groove) 용접을 수행하였다. 협개선 용접을 하였으며, 각 비이드 적층마다 변형량 변화를 측정하여 용접부의 변형거동을 예측 하였다. Fig.

대상 데이터

200 mm 길이의 배관 두 개를 수직으로 가 용접하여 설치한 후 원주 방향 용접을 수행하였으며, 한 쪽은 용접 중 변형이 가능하도록 고정물에 고정하지 않았다. 소재는 스테인리 스강 type 304 이며, 일반 탄소강에 비해 열팽창율이 크므로 큰 용접 변형이 예상되었다. 용접 비이드 수는 35 개의 층으로 적층하였으며, pulsed current type 의 GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) 를 수행하 였다.

데이터처리

5 와 같은 스테인리스 강의 열적 기계적 물성을 사용하여 계산하였으며, 용접 비이드 적층 방법을 모사하기 위해 요소 소멸 (death) 및 재 생성 (rebirth) 방법을 사용하였다. 변형 해석 방법은 열 유동 해석을 수행한 후 그 결과를 사용하여 변형 및 응력을 해석하였다^3,6) . Fig.
비이드 적층이 좌우 대칭으로 이루어 지지 않으므로 1/2 모델을 사용하지 않았으며, 계산은 상용 전산해석 유한요소 프로그램 (ABAQUS) 를 사용하였다. Fig.

이론/모형

2 와 같은 용접 모델을 사용하여 실제 용접에 사용된 용접전류, 용접속도를 사용하고, 아아크 효율을 80% 로 가정하여 용접 비이드의 요소들에 발생 열로 설정하여 열 유동 및 용접 변형량을 계산하였다. Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 와 같은 스테인리스 강의 열적 기계적 물성을 사용하여 계산하였으며, 용접 비이드 적층 방법을 모사하기 위해 요소 소멸 (death) 및 재 생성 (rebirth) 방법을 사용하였다. 변형 해석 방법은 열 유동 해석을 수행한 후 그 결과를 사용하여 변형 및 응력을 해석하였다^3,6) .

성능/효과

가상 고정물의 항복강도가 작은 경우 용접부가 가열 되는 동안 고온의 용접부에서 큰 변형이 발생하여 전체 길이가 늘어나며, 냉각되는 동안에는 거의 비슷한 량이 수축되어 용접 후의 총 수축량은 매우 작게 되는 변형 거동을 보였다. 가상 고정물의 항복강도가 큰 경우는 용접부가 가열되는 동안 활성화된 가상 고정물에 의해 강도 및 강성이 작은 용접부 소재의 고온 변형이 구속 되어 전체 길이가 작게 늘어나며, 냉각되는 동안은 가상 고정물이 비활성화 되어 구속력이 작아져 용접물의 수축량이 커지게 되므로 총 수축량은 커지는 거동을 보였다.
임계 항복강도 이상의 구속조건을 갖는 가상의 고정물을 사용하는 모델링 결과 계산된 용접물의 수축 량은 용접 모형의 측정 결과와 거의 유사하였다. 가상의 고정물을 사용하여 계산된 용접물의 잔류응력과 가상의 고정물을 사용하지 않은 기존의 축 대칭 모델을 사용해서 얻은 잔류응력 분포를 비교한 결과 두 경우 모두 거의 동일한 잔류응력 분포를 나타내었다. 이와같은 결과를 볼 때 가상의 고정물을 사용하는 모델링 방법은 기존의 축 대칭 모델링 방법에 비해 실제 원통형 용접물의 용접 변형 및 용접 잔류응력의 거동을 모두 잘 모사할 수 있는 유용한 방법으로 예상된다.
7 은 용접 모형에서 측정된 변형량과 모델링을 통해 계산된 용접물의 변형량을 비이드 적층 단계에 따라 비교하고 있다. 용접 모형에서 측정된 수축량은 35 개의 비이드 적층 후 그루브 간격은 약 7.5mm, 전체 용접물의 길이는 약 5mm 정도 수축되었다. 측정 결과 에서 보듯이 루우트 (root) 면으로 부터 10 개 정도의 비이드가 적층되면 기존 적층 냉각된 부분의 구속에 의해 전체 길이는 거의 변형하지 않고, 단지 그루브 부분 에서 용접되지 않은 부분에서의 구속력이 적으므로 그루브 간격의 수축만이 발생하는 양상을 보인다.
가상의 고정물을 사용하여 계산된 용접물의 잔류응력과 가상의 고정물을 사용하지 않은 기존의 축 대칭 모델을 사용해서 얻은 잔류응력 분포를 비교한 결과 두 경우 모두 거의 동일한 잔류응력 분포를 나타내었다. 이와같은 결과를 볼 때 가상의 고정물을 사용하는 모델링 방법은 기존의 축 대칭 모델링 방법에 비해 실제 원통형 용접물의 용접 변형 및 용접 잔류응력의 거동을 모두 잘 모사할 수 있는 유용한 방법으로 예상된다.
5mm, 전체 용접물의 길이는 약 5mm 정도 수축되었다. 측정 결과 에서 보듯이 루우트 (root) 면으로 부터 10 개 정도의 비이드가 적층되면 기존 적층 냉각된 부분의 구속에 의해 전체 길이는 거의 변형하지 않고, 단지 그루브 부분 에서 용접되지 않은 부분에서의 구속력이 적으므로 그루브 간격의 수축만이 발생하는 양상을 보인다.

후속연구

기존의 축대칭 모델을 사용하여 원통형 용접물의 잔류응력을 계산한 결과 실제 잔류응력의 거동을 잘 나타 낸다는 연구가 많이 발표되어 왔다. 따라서 본 연구에서 제시한 가상의 고정물을 이용한 모델링을 통해 얻어진 잔류응력의 결과와 기존의 축대칭 모델에 의한 잔류 응력 계산 결과가 서로 동일하게 얻어진다면 본 연구에서 제시한 모델링 방법이 용접 변형은 물론 잔류응력 해석에 까지 적용될 수 있음을 예상할 수 있다.
또한 용접 모형을 제작한 후 용접 실험에 의한 실제 변형량을 측정하여 본 연구에서 제시한 모델링의 정확성 및 신뢰성을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 모델링 기법의 적용성이 확인된다면 이 모델링 방법을 이용하여 원통형 대형 구조물 해석에 적용함으로써 정확한 용접 변형량을 예측할 수 있을 것으로 기대하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자로 내에는 핵연료 다발을 지지하고 보호하기 위해 어떤것이 설치되는가?	원자로 내에는 핵연료 다발을 지지하고 보호하기 위해 Type304 스테인리스강으로 제작된 대형 원통형 구조물인 코어 배럴 (core barrel) 이 설치된다 1) . 이와 같은 원통형의 대형 구조물을 제작하기 위해서는 몇 개의 원통형 부분 구조물을 제작한 후 원주방향 용접으로 서로 연결해야 한다.
	원통형 구조물의 용접 응력을 해석하기 위해 본 논문에서 제시된 축모델은?	실제 원통형 용접물에 내재하는 변형에 대한 구속 조건을 모사하기 위해 용접 중 가열되는 동안은 가상 고정물을 활성화시켜 팽창 변형을 일부 구속시키고, 용접 부가 냉각되는 동안은 가상 고정물을 비활성화 시켜 용접부의 수축 변형이 자유롭게 하는 축대칭 모델을 제안 하였다. 임계 항복강도 이상의 구속조건을 갖는 가상의 고정물을 사용하는 모델링 결과 계산된 용접물의 수축 량은 용접 모형의 측정 결과와 거의 유사하였다.
	용접 변형 해석의 경우 기존에 사용하고 있는 2 차원 축대칭 모델의 어려운 점은?	2차원 축 대칭 모델을 이용하여 원통형 구조물의 용접 잔류응력을 해석하는 경우 실제 용접 응력 거동을 잘 나타낸다는 많은 연구 결과가 보고되고 있다 3,4) . 그러나 용접 변형 해석의 경우 기존에 사용하고 있는 2 차원 축대칭 모델은 3 차원 모델에서와 같이 고온의 용접부의 실제 변형거동을 모사하기 어려우 므로 기존의 기법으로는 정확한 용접 변형량을 계산하기 어려울 것을 예상할 수 있다 5) .

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