[논문]단속 필렛 용접의 변형 특성에 관한 연구

이주성

doi:10.5574/ksoe.2011.25.6.105

단속 필렛 용접의 변형 특성에 관한 연구
Deformation Characteristics of Intermittent Fillet Welding 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.25 no.6 = no.103, 2011년, pp.105 - 109

Abstract ▼ AI-Helper

As is well appreciated, welding is the most important fundamental process in manufacturing marine structures. However, weld-induced deformation is inevitable because of the non-uniform distribution of temperature during welding. The deformation caused by welding is one of the principal obstacles in enhancing the productivity in the manufacturing procedure for marine structures. This should be much more seriously considered in the case of the thin blocks found in a ship with multi-deck structures. This paper is concerned with the deformation control of thin panel blocks by applying intermittent welding to fillet welding. In order to investigate the quantitative effect of the intermittent welding, a thermo elasto-plastic analysis was carried out with various welding pitches and plate thicknesses. Welding tests were also carried out to show the validity of the present thermo-elasto-plastic analysis. Numerical analysis results showed good agreement with those of the welding tests. As far as the present numerical results are concerned, it has been seen that a more than 50% reduction in angular distortion can be achieved by applying the intermittent welding because of the low heat input.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 두께가 4, 5와 6mm 인 판의 필렛용접에 단속용접법을 적용하는 열탄소성 해석을 수행하였다. 용접부의 피치의 변화가 각변형량의 감소에 주는 정량적인 효과를 분석하기 위하여 피치가 각각 80, 100, 120 그리고 140mm인 네 가지 경우를 선택하였다.
단속용접법을 적용한 이러한 용접변형의 감소에 대해서 최근 (한성우, 2009)이 정량적으로 분석한 연구결과를 발표한 바 있다. 본 논문에서는 박판 평블록 필렛 용접에 단속 용접을 적용할 시 용접부의 피치의 크기에 따라 발생되는 용접변형 특성을 분석하였다. 이를 위해 열탄소성 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 두께가 4, 5, 6mm인 판과 두께 6mm인 플랫바형 보강재를 사용하여 각 모델의 용접변형 특성을 알아보기 위해 Table 1과 같이 각각의 모델을 정의하고 크기를 나타내었다. ‘Model C'는 연속용접(Continuous welding)을 의미하며, 나머지는 단속 용접 모델인데, P 뒤의 숫자는 용접부 사이의 거리로서 용접을 하지 않는 구간 즉, 용접부의 피치를 의미한다.

가설 설정

또한 상변화가 일어나는 동안의 열전달 현상을 구현할 수 있는 잠열(Latent heat)의 효과를 고려하였고, 그 값은 65×103cal/kg이다. 그리고 대기의 온도는 20℃로 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서 적용한 열탄소성 해석 과정은 연속 및 단속용접에 대한 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 3가지 판 두께를 갖는 판의 필렛용접시 네 경우의 피치 크기에 대한 열탄소성 해석을 통해 각 피치의 크기에 따른 변형 결과를 비교 검토하여 피치 크기에 따른 용접변형의 감소에 대한 분석을 수행하였다.
Table 1에 보인 바와 같이 판 두께가 4, 5와 6mm인 판에 용접부의 피치를 80, 100, 120 그리고 140mm로 변화시킨 필렛 용접에 대해 전절에서 검증한 열탄소해석 과정을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 각 모델별 열탄소성 해석 결과로서, 4.
이를 위해 열탄소성 해석을 수행하였다. 본 논문에서 적용한 열탄소성 해석 과정은 연속 및 단속용접에 대한 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 3가지 판 두께를 갖는 판의 필렛용접시 네 경우의 피치 크기에 대한 열탄소성 해석을 통해 각 피치의 크기에 따른 변형 결과를 비교 검토하여 피치 크기에 따른 용접변형의 감소에 대한 분석을 수행하였다.
본 연구에서 적용한 열탄소성 해석 과정의 타당성을 검증하기 위해 Table 1에 열거한 모델 중 연속용접 모델인 Model-C와 단속용접 모델인 P100과 P140에 대한 용접실험을 수행하였다. 실험 모델의 판 두께는 모두 6mm이다.
용접 후 변위는 오차 ±0.2mm인 레이저 센서를 이용하여 측정하였다.
본 논문에서는 박판 평블록 필렛 용접에 단속 용접을 적용할 시 용접부의 피치의 크기에 따라 발생되는 용접변형 특성을 분석하였다. 이를 위해 열탄소성 해석을 수행하였다. 본 논문에서 적용한 열탄소성 해석 과정은 연속 및 단속용접에 대한 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
열탄소성 해석은 이론적으로 열전달 문제와 열변형 문제가 연성된 형태이나 변형량이 판의 다른 치수들에 비해 상대적으로 크지 않은 경우 판의 기하학적 형상 변화가 열전달 문제에 영향을 주지 않는 것으로 가정할 수 있고, 따라서 열전달문제와 열변형 문제를 분리하여 독립적으로 해석할 수 있다(장창두와 서승일, 1998; 김상일, 2003). 즉, 열전달해석을 통해 열원이 통과하는 과정의 온도분포를 각 Time step에서 계산한 다음, 이 결과를 열 하중으로 입력하여 탄소성해석을 수행함으로서 용접에 의한 변형을 계산한다.
열변형 해석은 열전달해석을 통한 각 절점에서의 과도적인 온도분포가 열탄소성해석 시의 하중조건이 되므로 열전달해석 시의 요소분할을 그대로 사용하였다. 탄소성 해석시 모델의 네 모서리의 연직벙향으로의 변위를 구속하는 것을 포함해서 강체운동을 방지할 수 있도록 최소한의 경계조건을 부여하였다.
해석에 사용된 유한요소는 8절점 고체요소이고, 생성되는 용접 비드면이 표면열속을 가하는 방법으로 온도 분포의 시간이력을 구하였다. 열변형 해석은 열전달해석을 통한 각 절점에서의 과도적인 온도분포가 열탄소성해석 시의 하중조건이 되므로 열전달해석 시의 요소분할을 그대로 사용하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 두께가 4, 5와 6mm 인 판의 필렛용접에 단속용접법을 적용하는 열탄소성 해석을 수행하였다. 용접부의 피치의 변화가 각변형량의 감소에 주는 정량적인 효과를 분석하기 위하여 피치가 각각 80, 100, 120 그리고 140mm인 네 가지 경우를 선택하였다. 본 연구에서 적용한 열탄소성 해석 과정의 타당성을 보이기 위해 연속 및 단속용접에 대한 실험을 수행하여 수치해석 결과와 비교한 결과 수치해석 결과가 실험결과에 상당히 근접하는 좋은 일치를 보였다.

이론/모형

본 연구의 수치해석에서는 범용 유한해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였고, 비선형 열전달 문제를 풀어 온도분포의 시간 이력을 계산한 다음, 그 결과를 열하중으로 입력하여 탄소성해석을 수행하는 2단계 해석법을 적용하였다(이주성과 김철호, 2006; 한성우, 2009).
열속 모델(Heat flux model)로는 표면열속(Surface heat flux)을 사용하였으며, 이때 표면열속의 크기 p는 아래의 식 (1)에 의해 계산한다.

성능/효과

3가지 판 두께 모델에 대해 피치를 4 경우로 변화시킨 모델들에 대한 열탄소성 해석 결과로부터 피치가 증가함에 따라 각변형량의 감소효과가 두드러짐을 확인하였는데, 이는 단속용접의 경우 단위길이당 입열량이 연속용접의 경우의 약 50% 이하로 적기 때문에 나타나는 당연한 결과이다. 또한, 단속용접법 적용에 따른 입열량의 감소 정도에 비해 변형량의 감소효과가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
5에 보였다. 두 결과 사이에는 최대 변위 측면에서 약 10% 이내의 오차를 보이고 있어서 본 연구에서 적용한 열탄소성 해석 과정이 타당성이 있다고 판단된다.
3가지 판 두께 모델에 대해 피치를 4 경우로 변화시킨 모델들에 대한 열탄소성 해석 결과로부터 피치가 증가함에 따라 각변형량의 감소효과가 두드러짐을 확인하였는데, 이는 단속용접의 경우 단위길이당 입열량이 연속용접의 경우의 약 50% 이하로 적기 때문에 나타나는 당연한 결과이다. 또한, 단속용접법 적용에 따른 입열량의 감소 정도에 비해 변형량의 감소효과가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
용접부의 피치의 변화가 각변형량의 감소에 주는 정량적인 효과를 분석하기 위하여 피치가 각각 80, 100, 120 그리고 140mm인 네 가지 경우를 선택하였다. 본 연구에서 적용한 열탄소성 해석 과정의 타당성을 보이기 위해 연속 및 단속용접에 대한 실험을 수행하여 수치해석 결과와 비교한 결과 수치해석 결과가 실험결과에 상당히 근접하는 좋은 일치를 보였다.
Table 3에서 보는 바와 같이 단속용접의 경우 각변형량이 대폭 감소했음을 볼 수 있고, 이는 용접부 피치의 증가에 따라 더 뚜렷함을 알 수 있다. 특히 단속용접에 따른 입열량의 감소비율에비해 각변형량의 감소 비율의 더 크다는 것을 알 수 있으며 이러한 각변형량의 감소효과는 피치가 증가함에 따라 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 예를 들어서 판 두께가 4mm인 P80과 P140 모델의 경우 단위 길이 당 입열량은 각각 45.

후속연구

본 연구의 열탄소성 해석을 통해 얻은 결과들은 단속용접을 적용한 경우에 대한 강도평가를 수행하여 구조 안전성 측면에서 검토하여야 하며, 그 결과를 토대로 최적의 단속용접 Pitch를 결정해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이론적으로 열탄소성 해석은 무엇을 가정하는 것인가?	열탄소성 해석은 이론적으로 열전달 문제와 열변형 문제가 연성된 형태이나 변형량이 판의 다른 치수들에 비해 상대적으로 크지 않은 경우 판의 기하학적 형상 변화가 열전달 문제에 영향을 주지 않는 것으로 가정할 수 있고, 따라서 열전달문제와 열변형 문제를 분리하여 독립적으로 해석할 수 있다(장창두와 서승일, 1998; 김상일, 2003). 즉, 열전달해석을 통해 열원이 통과하는 과정의 온도분포를 각 Time step에서 계산한 다음, 이 결과를 열 하중으로 입력하여 탄소성해석을 수행함으로서 용접에 의한 변형을 계산한다.
	용접변형은 선박에 어떤 문제를 야기시키는가?	그 중 중요한 것이 용접으로 발생되는 변형이다. 이러한 용접변형은 선박의 외관상 불량은 물론 구조 강도저하 등의 문제를 발생시킨다. 최근 선박에 있어서 박판의 사용비중이 증가함에 따라 박판 구조에 대한 용접 변형의 제어에 대한 중요성이 널리 인식되어 있다.
	박판의 사용이 선박 구조에 미치는 장단점은 무엇인가?	최근 선박에 있어서 박판의 사용비중이 증가함에 따라 박판 구조에 대한 용접 변형의 제어에 대한 중요성이 널리 인식되어 있다. 이는 갑판 등 선박의 상부구조에서의 박판사용은 복원성을 좋게 하여 선박의 안정성을 높인다는 큰 장점을 가지고 있으나, 박판은 열전달 특성상 후판에 비해 동일한 양의 열량이 입열되었을 때, 용접시 열영향부가 넓고 판의 강성이 상대적으로 낮아서 불균일한 용접입열에 의해 좌굴변형이 빈번히 발생한다(Masubuchi, 1980). 이러한 용접변형은 구조 강도저하와 외관상의 불량은 물론, 현 조립단계 이후의 공정에서 발생되는 추가적인 변형과 이에 기인하여 발생되는 교정 작업량의 증가 등 생산성 저하의 주원인이 되고 있다(이주성, 2004).

참고문헌 (7)

Masubuchi K. (1980). Analysis of Welded Structures, Pergamon Press, Oxford.
김상일 (2003). "필릿 용접변형에 대한 간이 예측 모델 개발", 대한조선학회논문집, 제40권 제2호, pp 49-56.

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신대희, 신상범, 이주성 (2007). "유한요소해석을 이용한 채널 I 형 잠호 맞대기 용접부의 변형 및 잔류 응력 예측에 관한 연구", 대한조선학회논문집, 제44권 제6호, pp 598-604.

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이주성 (2004). "평블록의 용접변형제어에 관한 연구", 한국해양공학회지, 제18권 제1호, pp 35-40.

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이주성, 김철호 (2006). "장력법을 적용한 선체 박판블록의 변형 감소방안에 관한 실험연구", 한국해양공학회지, 제20권 제3호, pp 103-108.

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장창두, 서승일 (1998). "열탄소성해석에 의한 잔류 응력 계산" 대한조선학회논문집, 제6권 제4호, pp 49-56.
한성우 (2009). 보강재 형태에 따른 박판 패널블록의 열변형 특성연구, 울산대학교 공학석사 학위 논문.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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