열탄소성 해석

4.2 용접부 잔류응력 및 변형

4.2.1 열탄소성 해석

(1) 잔류응력

Fig 4.3은 수냉을 적용하지 않은 기존 용접방식의 잔류응력 분포로, 잔류응력 성분중 주도적 역할을 하는 용접선 길이방향(Z)의 잔류응력 σzz의 분포를 나타내 었다. 선행으로 수행되는 좌측 용접선의 경우 최대 235MPa의 잔류응력이 나타났으 며, 후행으로 수행되는 우측 용접선의 경우 좌측 용접선에 비해 다소 낮은 223MPa 의 잔류응력이 나타났다. 이는 선행으로 수행되는 좌측의 용접선의 입열 및 예열 효과로 인한 잔류응력의 완화 현상 때문이라 판단되며, 용접선 이외의 영역에서는 압축방향의 잔류응력이 발생함을 확인하였다.

(a) Top view (b) Bottom view

Fig. 4.3 Distribution of residual stress σzz in welding line direction of welds without water cooling

Fig 4.4는 좌측 용접선 길이방향의 σxx (폭방향), σyy (두께방향), σzz (길이 방향) 성분별 잔류응력을 나타낸다. 길이방향(Z) 잔류응력의 경우 σzz 가 용접선 중앙지점에서 최대 235MPa로 나타났으며, 이는 사용 소재(SS400) 항복강도 98% 정 도에 해당하는 잔류응력이 발생함을 알 수 있다.

성분별 잔류응력의 크기를 통해서 용접선 길이방향(Z) > 폭방향(X) > 두께방향 (Y) 순으로 나타남을 확인하였으며, 폭방향 및 두께방향에서는 잔류응력이 미소하 게 발생함을 알 수 있다. 이는 각각의 방향별 시험편의 크기에 따른 구속 정도와 관련이 있으며 부재의 치수가 큰 방향일수록 강성이 커지므로 잔류응력이 크게 나 타남을 알 수 있다.[20]

Fig. 4.4 Residual stress σxx σyy σzz in welding line direction of welds without water cooling

Fig 4.5와 Fig 4.6은 용접 절차에 따라 후행으로 진행되는 우측 용접선의 용접 전, 후 각각에 대한 좌측 용접선의 길이방향(Z) 잔류응력 그래프이다. 먼저 선행 용접이 수행되었을 때의 수냉 적용 유무에 따른 잔류응력을 살펴보면 용접선 중앙 부인 150mm ~ 350mm 구간에서 모든 조건 동일하게 최대 잔류응력이 나타났으며, 수냉을 적용하지 않은 기존 용접방식 잔류응력(216MPa) 대비 수냉을 적용한 시험 편(176MPa)에서 최대 약 19% 정도의 잔류응력이 감소됨을 확인하였다. 특히 용접 아크와 근접한 이격거리 35, 50mm 조건에서 잔류응력 저감 효과가 크게 나타났으 나 이격거리 75mm 조건에서는 잔류응력 저감 효과가 낮게 나타남을 확인하였다.

후행 용접이 수행되었을 경우 마찬가지로 용접선 중앙부인 150mm ~ 250mm 구간 에서 최대 잔류응력이 나타났으나 수냉 적용에 관계없이 최대값의 크기가 235MPa 로 동일하게 나타났다. 그 외의 구간에서는 수냉을 적용하지 않은 기존 용접방식 에 비해 수냉을 적용한 시험편에서 약 10% 정도의 잔류응력이 감소되어 나타났으 며, 용접아크와의 이격거리에 따른 냉각효과가 미약하게 나타남을 알 수 있다. 이 는 후행으로 용접이 진행될 때 용접과정 중 발생하는 잔류응력이 좌측 용접선에 영향을 끼치기 때문에 나타나는 현상이라 사료된다.

Fig. 4.7과 Fig. 4.8은 후행 용접 전, 후에 따른 좌측 용접선 길이방향 125mm 지점의 용접부 단면 길이방향(Z) 잔류응력 분포이다. 수냉 적용 유무에 따른 용접 부의 잔류응력을 살펴본 결과 모든 조건 동일하게 용접부 주변에서 인장 잔류응력 이 나타나고, 모재부에서는 압축 잔류응력이 나타남을 알 수 있다. 또한 용접아크 와의 이격거리가 근접할수록 잔류응력의 감소폭이 증가함을 알 수 있다.

Fig. 4.5 Comparison of residual stress σzz in welds with and without water cooling after first procedure

Fig. 4.6 Comparison of residual stress σzz in welds with and without water cooling after second procedure

(e) Without cooling (f) Cooling distance 35mm

(g) Cooling distance 50mm (h) Cooling distance 65mm Fig. 4.7 Distribution of welding residual stress σzz in welds with and

without water cooling after first procedure

(e) Without cooling (f) Cooling distance 35mm

(g) Cooling distance 50mm (h) Cooling distance 65mm Fig. 4.8 Distribution of welding residual stress σzz in welds with and

without water cooling after second procedure

(2) 용접변형

Fig. 4.9와 Fig. 4.10은 용접 절차에 따라 후행으로 진행되는 우측 용접선의 용 접 전, 후 각각에 대한 좌측 용접선의 두께방향(Y) 변위 그래프이다. 먼저 선행 용접이 수행되었을 때의 수냉 적용 유무에 따른 변위를 살펴보면 용접선 중앙부인 250mm 구간에서 모든 조건 동일하게 최대 변위가 나타났으며, 수냉을 적용하지 않 은 기존 용접방식 변위(1.49mm) 대비 수냉을 적용한 시험편(1.38mm)에서 최대 약 7.4% 정도의 변위가 감소됨을 확인하였다.

후행 용접이 수행되었을 경우 마찬가지로 용접선 250mm 구간에서 최대 변위가 나타났으며, 수냉을 적용하지 않은 기존 용접방식(0.83mm)에 비해 수냉을 적용한 시험편0.79mm)에서 최대 약 5% 정도의 변위가 감소됨을 확인하였다. 용접변형에서 도 마찬가지로 후행 용접 실시 후 상대적으로 이격거리에 따른 냉각효과가 감소함 을 알 수 있으며, 이는 후행 용접 과정 중 좌측 용접선에 영향을 끼치기 때문에 나타나는 현상이라 사료된다.

Fig. 4.11과 Fig. 4.12는 후행 용접 전, 후에 따른 좌측 용접선 길이방향 250mm 지점의 용접부 단면 두께방향(Y) 변위 분포이다. 수냉 적용 유무에 따른 용접부의 변위를 살펴본 결과 최대 변위 발생 구간은 모든 조건 동일하게 하부 판재 끝단에 서 나타났으며, 용접아크와의 이격거리가 근접할수록 변위의 감소폭이 증가함을 알 수 있다.

Fig. 4.9 Comparison of welding deformation in welds with and without water cooling after first procedure

Fig. 4.10 Comparison of welding deformation in welds with and without water cooling after second procedure

(e) Without cooling (f) Cooling distance 35mm

(g) Cooling distance 50mm (h) Cooling distance 65mm Fig. 4.11 Distribution of welding residual stress σzz in welds with and

without water cooling after first procedure

(a) Without cooling (b) Cooling distance 35mm

(c) Cooling distance 50mm (d) Cooling distance 65mm Fig. 4.12 Distribution of welding deformation in welds with and without

water cooling after second procedure