강재의 초기 잔류응력과 상변태를 고려한 용접 잔류응력 해석에 관한 연구

Abstract

강교량과 같은 강구조물은 대부분 공장에서 용접에 의해 운반 가능한 크기로 제작되어, 현장으로 운반 되어 고장력 볼트에 의해 체결된다. 강교량에서 용접부가 파괴되는 경우는 장시간 사용에 따른 용접부 피로에 의한 파괴가 일반적이다. 용접부는 크게 필렛 용접부과 맞대기 용접부로 나누어지는데, 이러한 용접부는 구조적으로는 불연속부로서 응력집중이 발생하여 공칭응력보다 더 큰 응력이 발생하여 소성변형을 유발시킨다. 이러한 소성변형이 축적되어 균열이 발생하고 진전하여 파괴된다. 금속적인 면에서는 용접에 의해 급속가열/냉각되는 용접부는 금속조직이 과대해지거나 가공경화가 발생하여 작은 하중에 의해서 파괴가 발생할 수 있다. 또 하나의 중요한 영향을 미치는 요인은 용접에 의해 발생하는 잔류응력이 피로파괴에 영향을 준다고 보고되고 있다(Masaoka 등, 2010). 최근 강구조물의 경제성과 효율화를 위해 구조물은 강의 제조기술의 발전으로 대형화되고 두께는 더욱 두꺼워지고, 고강도화 되고 있는 추세다. 이와 같이 강구조물의 두께가 두꺼워지면서 강제조시 표면과 내부의 온도 차이에 의해 초기 잔류응력이 발생한다. 이러한 잔류응력의 크기는 모재의 항복응력에 60%정도로 발생된다. 따라서 이러한 초기잔류응력이 용접잔류응력에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다. 또한 강제의 고강도화에 따라 연강(mild steel)에서 비교적 작게 나타나는 상변태에 의한 금속체적의 변화가 강재가 고강도화 됨에 따라 크게 발생하여 용접잔류응력이 감소한다. 이러한 상변태에 의한 체적의 변화는 오스테나이트변태와 마르텐사이트 변태가 있으며, 이중 용접잔류응력에 영향을 미치는 것은 저온에서 발생하는 마르테사이트 변태이다. 이러한 마르텐사이트의 변태는 저온에서 발생하여 잔류응력을 감소시키는 역할을 한다. 따라서 피로파괴에 미치는 잔류응력의 영향을 예측하기 위해서는 이러한 잔류응력을 초기잔류응력과 상변태를 고려하여 유한요소법에 의한 열 탄소성해석에 의한 예측 또는 실험에 의해 측정해야한다.

용접잔류응력을 측정 및 예측하는 방법에는 실험적 방법과 해석적 방법이 있다. 해석적 방법은 컴퓨터 수치계산능력과 범용적인 수치해석 코드의 발달로 열탄소성해석에 의한 잔류응력을 용이하게 계산할 수 있다. 그러나 강제조시에 발생하는 초기잔류응력과 용접시 발생하는 상변태를 고려한 해석은 해석기술의 어려움으로 인해 제한적으로 이루어지고 있다. 따라서 피로파괴에 대한 구조물의 안전성을 평가하기 위해서는 이러한 2가지 조건을 고려한 유한요소 해석기법이 필요하다. 또한 열 탄소성해석에 의해 구한 해석결과를 시험에 의한 실측에 의해 검증이 필요하다. 실험에 의한 잔류응력측정방법은 고유변형도법, 중성자법, Deep Hole Drilling법 등이 개발되고 있다. 이 중 고유변형도법을 이용한 잔류응력측정방법은 본 연구실에서 측정기술을 보유하고 있는 기술로서 두께방향의 잔류응력을 측정할 수 있다. 중성자법은 원자력에서 발생하는 중성자를 이용하는 기술로서 기존에는 25mm두께가 한계였으나, 최근 70mm까지 측정할 수 있는 기술이 개발되어 적용되고 있다. 또한 Deep Hole Drilling법은 최근 영국에서 개발되어 후판의 잔류응력에 적용되며 적용 재료도 다양하여 활용도가 넓은 기술이다. 본 연구에서는 용접잔류응력해석의 정확도를 향상시키기 위해 강재의 초기 잔류응력과 용접에 의해 발생하는 온도변화에 따른 금속의 상변태에 따른 잔류응력의 변화를 보다 정확히 해석하기 위해 금속의 냉각선도를 이용 온도에 따른 금속의 물성치를 도출하여 유한요소 해석 프로그램에 적용하여 잔류응력을 해석하고, 실측한 용접의 잔류응력측정결과와 비교하여 검증하였다.|Most of the steel structures such as steel bridges, structures are made available size by welding in a factory, and then to joint it using high strength bolts connection at the site. In general, fatigue fracture occurs due to used for a long time in weld of steel bridges. Welds are divided into 2parts as fillet weld and butt weld, and these welds for discontinuity on structure are created more stress concentrations than nominal stress and causes plastic deformation occurs. By plastic deformation generate crack and fracture. Another important factor of fatigue fracture is residual stresses by welding. Recently, for high performance and structural stability, application of high strength steel have continuously increased. When produce high strength steel, initial residual stress is generated by the temperature difference between surface and interior. This initial residual stress is around 60% of the yield stress. So need to be consider the effect of initial residual stress on welding residual stresses. The phase transformation of metal gives rising problems with the accuracy management of the welded structure. the phase transformation has austenitic and martensitic transformation. Among them, martensitic transformation of metal affect on decreasing to residual stress. In this study verify and analyze the result that finite element analysis was uesd and compare to residual stress measurements with initial residual and considering residual stress due to phase transformation for an accurate analysis about welding residual stress.