[논문]수치해석기법을 이용한 초기 인장잔류응력에 대한 레이저 충격 피닝 효과 분석

김주희; 이종우; 유삼현

doi:10.9766/kimst.2017.20.5.608

수치해석기법을 이용한 초기 인장잔류응력에 대한 레이저 충격 피닝 효과 분석
Analysis of the Effects of Laser Shock Peening under Initial Tensile Residual Stress Using Numerical Analysis Method 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.20 no.5, 2017년, pp.608 - 619

김주희 (육군사관학교 기계시스템공학과) , 이종우 (육군사관학교 기계시스템공학과) , 유삼현 (육군사관학교 기계시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the effects of parameters related to the residual stress induced due to laser shock peening process to determine mitigation of the initial tensile residual stresses are discussed, such as the maximum pressure, pressure pulse duration, laser spot size and number of laser shots. In order to estimate the influence of the initial tensile residual stresses, which is generated by welding in 35CD4 50HRC steel alloy, the initial condition option was employed in the finite element code. It is found that $2{\times}HEL$ maximum pressure and a certain range of the pressure pulse duration time can produce maximum mitigation effects near the surface and depth, regardless of the magnitudes of tensile residual stess. But plastically affected depth increase with increasing maximum pressure and pressure pulse duration time. For the laser spot size, maximum compressive residual stresses have almost constant values. But LSP is more effective with increasing the magnitudes of tensile residual stress. For the multiple LSP, magnitudes of compressive residual stresses and plastically affected depths are found to increase with increasing number of laser shots, but the effect is less pronounced for more laser shots. And to conclude, even though the initial tensile residual stresses such as weld residual stress field are existed, LSP is enough to make the surface and depth reinforcement effects.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 용접부에서 발생하는 잔류응력은 용접환경에 따라 수십 MPa ~ 수백 MPa 범위에서 다양하게 분포한다. 본 연구에서는 유한요소해석기법을 이용하여 레이저 충격 피닝에 의한 초기 인장잔류응력 제거 또는 완화 효과를 확인하고 다양한 범위의 인장잔류응력 크기에 따라 레이저 충격 피닝의 효과를 확인하였다. 이를 위해 레이저 충격 피닝의 주요 변수에 대한 민감도 분석을 통해 잔류응력에 미치는 다양한 원인을 분석하였다.
본 연구에서는 유한요소해석법을 이용하여 용접부위와 같은 초기 인장잔류응력이 존재하는 35CD4 50HRC 금속재료를 대상으로 레이저 충격 피닝 주요 변수에 대한 민감도 해석을 수행하였다. 레이저 충격 피닝 시뮬레이션 결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

3은 레이저에 의해 발생되는 압력파의 시간이력을 보여준다. 실제 압력파는 가우시안 펄스(Gaussian pulse) 형태이지만, 압력파 지속시간이 수~수백ns정도로 매우 짧기 때문에 일반적으로 삼각파형 또는 수정된 가우시안 펄스 형태로 가정^{[1, 2, 11, 12]}하여 입력한다.
사각형 레이저 스팟의 3차원 모델에 적용된 재료는 35CD4 50HRC 금속합금이다. 재료거동은 탄성-완전 소성(elastic-perfectly plastic)체로 가정하였으며, 재료의 항복은 von Mises 항복조건에 의해 결정된다. 특히, LSP는 고변형률(high strain rate) 조건하에 거동하므로 정적항복응력(static yield strength)과 구분되는 동적항복응력(dynamic yield strength)을 기준으로 한다.

제안 방법

LSP에 의해 발생되는 레이저 압력파는 아주 짧은 시간에 발생하기 때문에 충격파 전달을 포함하는 동역학적 해석에 유용한 외연적(explicit) 시간 적분 해석 코드를 활용하여 유한요소해석을 수행한다^[7].
공정변수는 최대 압력파 P_max, 압력파 지속시간 t_d, 레이저 스팟 크기 x_p, 레이저 샷 횟수 n으로 구분되며 현장에서 실제 적용 가능한 범위의 변수값에 대해 민감도 해석을 수행하였다. 민감도 해석 결과는 참조값(Ref.
레이저 스팟 크기에 대한 잔류응력 변화를 확인하기 위하여 Pmax = 2×HEL, td = 50 ns에서 xp = 0.5 mm ~ 2.5 mm에 대한 민감도 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 Pmax = 2×HEL, td = 50 ns, xp = 2.5 mm에 대한 다중 레이저 스팟에 대한 효과를 확인하였다.
본 연구에서는 용접부에서 발생되는 인장잔류응력을 초기조건옵션(Initial condition option)을 이용하여 초기 인장잔류응력, σi = 200, 300, 400 MPa을 입력하였다.
이는 ABAQUS Explicit의 불안정한 동적해석 결과를 ABAQUS Implicit로 전환(export)하여 보다 빨리 정적 평형상태에 도달시켜 결과값을 도출하는 방법이다. 본 연구에서는 초기인장잔류응력에 대한 효과를 확인하기 위해 초기조건옵션(Initial condition option)을 이용하여 ABAQUS Implicit 정적 해석 추가하였다.
본 연구에서는 유한요소해석기법을 이용하여 레이저 충격 피닝에 의한 초기 인장잔류응력 제거 또는 완화 효과를 확인하고 다양한 범위의 인장잔류응력 크기에 따라 레이저 충격 피닝의 효과를 확인하였다. 이를 위해 레이저 충격 피닝의 주요 변수에 대한 민감도 분석을 통해 잔류응력에 미치는 다양한 원인을 분석하였다.
초기 인장잔류응력이 부여된 상태에서 레이저 공정변수의 민감도 해석은 σi = 300 MPa을 기준으로 비교하였으며, 초기 인장잔류응력의 크기 변화에 대한 잔류응력 변화를 확인하였다.

대상 데이터

. 사각형 레이저 스팟의 3차원 모델에 적용된 재료는 35CD4 50HRC 금속합금이다. 재료거동은 탄성-완전 소성(elastic-perfectly plastic)체로 가정하였으며, 재료의 항복은 von Mises 항복조건에 의해 결정된다.
충격파에 의한 경계부 반향효과를 최소화하기 위해 무한평판 경계조건인 무한요소(infinite element)를 사용하였다^{[1-3, 17]}. 유한요소 영역은 레이저 스팟(x_p) 크기의 2배까지 형상화하였으며, 요소 형태는 3차원 C3D8R 일차요소를 사용하였다. 무한요소 영역은 유한요소 영역의 2배로 형상화하였으며, 요소형태는 CIN3D8 이다.
6과 같이 3차원 1/4 모델로 형상화하였다. 충격파에 의한 경계부 반향효과를 최소화하기 위해 무한평판 경계조건인 무한요소(infinite element)를 사용하였다^{[1-3, 17}]. 유한요소 영역은 레이저 스팟(x_p) 크기의 2배까지 형상화하였으며, 요소 형태는 3차원 C3D8R 일차요소를 사용하였다.

데이터처리

, 레이저 샷 횟수 n으로 구분되며 현장에서 실제 적용 가능한 범위의 변수값에 대해 민감도 해석을 수행하였다. 민감도 해석 결과는 참조값(Ref. value)을 기준으로 비교하였으며, 모든 변수는 선정된 범위 내에서 결과를 도출하였다.

성능/효과

충격파로 인한 불안정한 응력상태를 안정화하기 위한 해석방법은 Fig. 2와 같이1) 동적 해석과 정적 해석을 혼합한 ABAQUS Explicit/Implicit를 이용하는 방법과 2) ABAQUS Explicit에서 충분히 긴 해석 시간을 부여해 주는 방법이 있다.
5 GPa 범위에 대한 LSP잔류응력 결과를 보여준다. 그림에서 보듯이 P_max가 HEL보다 낮은 2 GPa에서는 잔류응력 개선의 거의 없으며, 2배의 HEL인 4 GPa에서 표면방향에서 최대 압축잔류응력이 생성되는 것을 확인하였다. 깊이방향의 압축잔류응력에서도 마찬가지로 HEL의 약 2배 부근에서 양호한 잔류응력이 생성됨을 알 수 있다.
하지만 최대 압축잔류응력 크기는 증가량이 급격히 감소하면서 일정한 값에 수렴하지만 소성변형 발생깊이는 계속 증가한다. 또한 소성변형 발생 깊이는 초기 인장잔류응력 크기가 클수록 미소하게 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 압축잔류응력 발생 깊이를 증가시키기 위해서는 다중 LSP를 활용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.
레이저 조사 횟수(n) 증가에 따라 최대 압축잔류응력은 증가하지만 3회 이상부터 증가량은 급격히 감소한다. 반면 소성변형 발생깊이는 n 증가에 따라 계속 증가하지만 초기인장잔류응력이 클수록 미소하게 감소하는 것을 확인하였다.
자동차 분야에서는 엔진의 흡기 및 배기밸브 스프링과 동력을 전달하는 커넥팅 로드 등에 적용되고 있으며 항공분야에서는 엔진 터빈 블레이드와 랜딩기어 등에 적용되고 있다. 좋은 예로 B-1B 전략폭격기는 터빈 블레이드와 랜딩기어에 적용하여 년간 1억 달러 이상의 엔진정비비용과 5.9억 달러 이상의 엔진 교체비용 및 4억달러 이상의 수명연장효과가 있는 것으로 확인 되었다. F/A-22는 전투기 엔진 블레이드 로터에 적용되어 양산되고 있다^[4].
18은 초기 인장잔류응력 변화에 대한 최대 압축잔류응력 및 소성변형 발생깊이를 보여준다. 초기 인장잔류응력 증가에 따라 압축잔류응력 크기 및 소성변형 발생깊이는 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 최대 압축잔류응력 크기는 증가량이 급격히 감소하면서 일정한 값에 수렴하지만 소성변형 발생깊이는 계속 증가한다.
14는 초기 인장잔류응력에 대한 압력파 지속시간에 따른 최대 압축잔류응력과 소성변형 발생깊이 변화를 보여준다. 최대 압력파와 마찬가지로 적정 범위에서 최대 압축잔류응력을 생성하며(t_d = 50 ns), 소성변형 발생깊이는 압력파 지속시간에 비례하여 증가하지만 초기 인장잔류응력이 클수록 LSP 효과는 점점 감소하는 것을 확인하였다. 이는 레이저 압력파 효과가 인장잔류응력을 저감키는데 소진되어 상대적으로 깊은 곳까지 영향을 미치지 못하기 때문으로 판단된다.
하지만 소성변형 발생깊이는 계속적으로 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 초기인장잔류응력이 클수록 소성변형 발생깊이 증가량은 현격하게 감소하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 충격 피닝이란 무엇인가?	금속재료 표면강화기술은 전통적인 샷 피닝에서부터 최근에 개발되어 적용되고 있는 레이저 충격 피닝등 매우 다양하다. 레이저 충격 피닝(LSP)은 강한 레이저 충격파를 이용하여 금속재료의 표면과 깊이방향으로 압축잔류응력을 생성시켜 주는 기술이다. 이를 통해 재료의 마모나 균열발생을 억제하여 피로수명을 향상시킨다[1, 2].
	LSP처리 과정에서 생성되는 충격파는 무엇을 생성하는가?	이를 통해 재료의 마모나 균열발생을 억제하여 피로수명을 향상시킨다[1, 2]. LSP처리 과정에서 생성되는 충격파는 금속 표면과 내부로 전달되면서 재료의 소성변형을 야기시켜 압축잔류응력을 생성시켜준다[1-3]. 이러한 압축응력 하에서는 균열닫힘 현상으로 인해 재료의 파괴가 유발되지 않는 것으로 알려져 있다.
	LSP 적용 분야는 무엇인가?	1은 LSP 적용 분야를 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 높은 반복하중에 노출되어 있는 항공기 및 자동차 분야에 주로 적용되며 최근 용접에 의한 인장 잔류응력과 수화학적 환경에서 발생되는 응력부식균열 예방을 위해 원자력분야에서도 적용되고 있다. 자동차 분야에서는 엔진의 흡기 및 배기밸브 스프링과 동력을 전달하는 커넥팅 로드 등에 적용되고 있으며 항공분야에서는 엔진 터빈 블레이드와 랜딩기어 등에 적용되고 있다. 좋은 예로 B-1B 전략폭격기는 터빈 블레이드와 랜딩기어에 적용하여 년간 1억 달러 이상의 엔진정비비용과 5.

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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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