[논문]고유변형도법에 의한 두께 25mm 맞대기용접부의 두께방향의 잔류응력측정

박정웅; 안규백; 우완측; 허승민

doi:10.5781/kwjs.2013.31.4.67

고유변형도법에 의한 두께 25mm 맞대기용접부의 두께방향의 잔류응력측정
Measurement of Welding Residual Stress in a 25-mm Thick Butt Joint using Inherent Strain Method 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.31 no.4, 2013년, pp.67 - 72

박정웅 (조선대학교 토목공학과) , 안규백 (포스코 기술연구소 접합연구그룹) , 우완측 (한국원자력연구원 중성자과학연구부) , 허승민 (조선대학교 대학원 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Overlay welding is carried out to improve the corrosion resistance, wear resistance and heat resistance on the surface of the chemical plant and steelmaking plant structures. In overlay welding, control of the bead size and the temperature distribution of weldment are particularly important because that is directly connected to the improvement of quality and productivity. The aim of this study is to model the welding heat source that is very useful to analyze the bead size and temperature distribution of weldment. To find the welding heat source model, numerical analyses are performed by using FE software MSC-marc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고유변형도법을 이용하여 맞대기용접부에서 다층 FCA용접하였을 때 두께방향에 분포하는 용접잔류응력을 측정하고, 그 분포특성을 규명하였다. 구체적으로는 고유변형도법에 의해 잔류응력을 측정하기 위해 시험체로부터 이완변형을 측정하고, 이것으로부터 용접잔류응력의 생성근원인 고유변형을 측정하였다.

가설 설정

본 시험편과 같이 용접선이 충분히 긴 경우 전단성분의 고유변형은 작은 것으로 가정하여 용접선방향의 고유변형 εx* 과 용접선 직각방향의 고유변형 εy*, 두께방향의 고유변형 εz*만 존재하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

1) 맞대기 다층용접부의 두께방향의 잔류응력을 고유변형도법을 이용하여 측정하고, 그 분포특성을 실험에 의해 규명하였다.
강판의 두께는 25mm이고, 개선가공 후 Fig. 2와 같이 강 백킹재를 초층의 하부에 가접하고 총 13패스 다층 FCA용접을 실시했다.
구체적으로는 고유변형도법에 의해 잔류응력을 측정하기 위해 시험체로부터 이완변형을 측정하고, 이것으로부터 용접잔류응력의 생성근원인 고유변형을 측정하였다.
이러한 고유변형을 절점력으로 한 탄성 유한 요소해석을 실시하여 맞대기 용접부에 발생하는 두께방향의 용접잔류응력을 계산하여, 용접선방향과 폭방향의 잔류응력분포에 대한 특성을 규명하였다.
또한 T_y 시험편인 경우 용접선 직각방향과 두께방향의 이완변형을 측정한다. 이렇게 측정된 이완변형으로부터 고유변형을 계산하고 이것을 무응력상태의 구조물에 절점력으로 작용시켜 용접잔류응력을 계산한다. Fig.
이완변형은 두께방향으로 5개 층으로 나누어 측정하였으며 최대 인장 1,300μ이며, 압축방향으로 -1,500μ가 발생하였다.
사용된 모재와 용접의 물성치는 항복강도 490MPa급강 선급용 고장력강인 EH47(table 1)이며, 용접조건은 table 2와 같다. 한편, 잔류응력의 측정 위치는 단부의 영향이 없는 중앙부에 대해 평가하였다.

대상 데이터

사용된 모재와 용접의 물성치는 항복강도 490MPa급강 선급용 고장력강인 EH47(table 1)이며, 용접조건은 table 2와 같다.

이론/모형

두께 25mm인 맞대기 다층 용접부의 두께방향의 용접잔류응력을 측정하기 위해 고유변형도법을 이용하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
그러나 이러한 해석결과는 비교할 수 있는 측정된 결과가 없어 해석결과에 대해 신뢰성을 확인하기가 어렵다. 실험적 방법에 의한 잔류응력은 일반적으로 표면의 잔류응력을 측정할 수 있는 홀드링법^8,9), 절단법¹⁰⁾ 그리고 X-선법¹¹⁾등이 사용되었다. 이러한 표면의 잔류응력의 분포는 피로 및 파괴에 미치는 영향이 크지만 두께방향의 잔류응력의 분포는 균열의 진전 방향 및 진전속도 등에 많은 영향이 준다.
이와 같이 FCA 용접 다층용접시 발생하는 두께방향의 용접잔류응력의 분포를 고유변형도법에 의해 측정할 수 있었다.

성능/효과

2) 용접선방향의 잔류응력의 분포형태는 용접부에서 인장, 용접부로 멀어짐에 따라 압축잔류응력이 발생하였다.
3) 용접선 직각뱡향의 잔류응력은 용접선방향에 비해 70% 작게 발생하였으며, 이것은 외적구속이 없는 경우 온도구배에 의해 결정된다.
본 시험체의 경우 초층에 강백킹재를 붙이고 용접을 실시하여 초층의 고유변형이 크게 발생하고 있는 것을 알 수 있다.
전체적인 잔류응력의 크기는 용접선방향은 항복응력에 가까운 값을 보여주고 있으나 용접선직각방향은 ±200MPa이하로 발생하여 상대적으로 작게 나타났다.

후속연구

이러한 결과는 용접부의 피로 및 파괴안전성을 평가할 때 용접잔류응력의 분포에 대한 중요한 자료로 활용될 수 있을것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접에 의해 발생하는 잔류응력이 강구조물의 피로성능, 파괴 등에 영향을 주는 문제를 해결하여 구조물의 용접이 음부의 안전한 설계를 할 수 있도록 하는 방안으로는 무엇이 있는가?	용접에 의해 발생하는 잔류응력은 강구조물의 피로성능, 파괴 등에 영향1)을 준다. 따라서 구조물의 용접이 음부의 안전한 설계를 하기 위해서는 용접 잔류응력2-4)의 분포를 정확히 예측 및 측정하여 그 영향을 평가하는 것이 중요하다. 용접잔류응력을 측정 및 예측하는 방법에는 실험적 방법과 해석적 방법이 있다.
	잔류응력을 일으키는 원인은 무엇인가?	용접에 의해 발생하는 잔류응력은 강구조물의 피로성능, 파괴 등에 영향1)을 준다. 따라서 구조물의 용접이 음부의 안전한 설계를 하기 위해서는 용접 잔류응력2-4)의 분포를 정확히 예측 및 측정하여 그 영향을 평가하는 것이 중요하다.
	잔류응력은 무엇에 영향을 주는가?	용접에 의해 발생하는 잔류응력은 강구조물의 피로성능, 파괴 등에 영향1)을 준다. 따라서 구조물의 용접이 음부의 안전한 설계를 하기 위해서는 용접 잔류응력2-4)의 분포를 정확히 예측 및 측정하여 그 영향을 평가하는 것이 중요하다.

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