수냉법을 이용한 용접 잔류응력 및 변형 저감 특성

Abstract

When assembling a welding structure, welding deformation occurs inevitably due to the welding heat source applied locally. this not only decreases the performance and strength of the structure, but also decreases productivity due to the modification work according to the dimensional change, In order to solve the welding deformation problem, various methods such as a presetting parts before welding, a change in welding sequence, and a line heating method are applied, but an additional post-treatment process is required, and it is performed according to the operator's experience.

Therefore, in this study, by applying a HSW that does not require an additional post-processing process, numerical analysis of the T-joint structure was carried out to characterize the residual stress and welding deformation characteristics, and the validity of the analysis was verified by comparing with the measured values ​​through experiments. The material used for numerical analysis is SS400 for general structural steel, and the joint type is one-side welded with a fillet T-joint of 5mm leg length also model used in the analysis consists of a lower plate and two vertical plates, the size of the lower plate is 500mm (L) X 250mm (W) X 3mm (T) and the size of the vertical plate is 500mm (L) X 50mm (W) X 3mm (T). The welding conditions were voltage 22V, current 170A, welding speed 5.56mm/s, welding efficiency 80% and CO2 welding was performed in addition the cooling conditions of HSW were considered as the flow rate of 0.2ml/s, the cooling radius of 2.5mm, the cooling distance of 35/50/65mm, and the cooling efficiency of 80% and H2O was used as the cooling medium.

As a result of the thermal conduction analysis, a cooling zone is formed on the surface of the welding metal along the arc by a cooling medium, compared to the conventional welding method, the temperature of the welding zone is reduced in HSW and It was confirmed that the closer the cooling distance from the welding arc was the greater the temperature of the welding zone was reduced.

As a result of the thermo-elastic-plastic analysis, residual stress and welding deformation were lower in HSW than in the conventional welding method, residual stress and welding deformation were significantly reduced as the distance from the welding arc was closer, In the case of the separation distance of 35 mm, the residual stress of up to 14% was reduced in the vicinity of the welding line of the T-joint structure, either It was confirmed that welding deformation of up to 7.4% was reduced in the welding line.|용접구조물 조립 시 국부적으로 가해지는 용접열원에 의하여 부재는 불균일한 온도분포가 형성된다. 이때 용접부는 급속한 열팽창 및 수축이 발생하며, 용접부 주위의 구속력과 소성변형에 의하여 잔류응력과 용접변형이 필연적으로 수반하게 된다. 더불어 부재 용접시 구속력이 크게 작용할 경우 잔류응력은 증가하나 용접변형은 감소되고, 구속력이 약하게 작용할 경우 잔류응력은 감소하나 용접변형은 증가하게 된다. 이처럼 잔류응력과 용접변형은 서로 상반되는 특성을 가지고 있으며, 잔류응력은 구조물의 피로강도 감소와 균열 진전을 유발시키는 등 구조물의 성능 및 강도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접변형으로 인한 구조물의 치수변화에 따른 이음부 수정 및 교정 작업으로 생산성 저하의 주된 요인이 된다.[1]

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 구조물 용접시 입열량을 저감시키거나, 부재의 기계적 하중을 가하여 용접부 잔류응력을 완화시키는 공정을 선택하고 있으며, 용접변형 방지용 지그, 용접순서 및 용착금속 적층법의 변경, 역변형법 등을 통한 용접변형 경감을 위한 다양한 방지대책을 계획하고 있지만 작업자의 경험에 의해서 이루어지고 있으며 많은 시간과 비용이 필요하다.[2]

따라서 최근 기존 방법과 다르게 용접 진행 동시에 용접변형과 잔류응력을 저감 할 수 있는 Heat Sink Welding(HSW) 공정 연구가 진행 되고 있으며, HSW 공정은 용접 진행과 동시에 용접토치 뒤에서 후행하는 쿨링 노즐(Cooling Nozzle)을 통하여 용접부를 냉각시켜주는 냉각매체 Cryogen(극저온유체), Liquid Nitrogen(액화질소). CO2 등을 분사하여 용접부 잔류응력과 용접변형을 저감하는 기술이다.[3] HSW 공정은 용접토치 뒤에서 분사되는 냉각매체에 의해 용접부 표면의 온도가 급격하게 냉각되어 용접부에서 발생하는 잔류응력과 소성변형을 최소화할 수 있기 때문에 자체 강성이 작은 박판 강 구조물의 경우 종굽힘 변형과 각변형 제어에 효과적이다. 또한 용접 진행과 동시에 이루어지는 공정이기 때문에 후처리 공정에 소요되는 작업시간을 단축시킬 수 있다.[4]

하지만 다양한 소재에 대한 적합한 냉각매체 선정과 Heat Sink 변수인 냉각매체의 유량, 냉각 반경, 용접토치와 쿨링 노즐의 이격거리 등 여러 방면에 대한 선행 연구가 부족하여 아직까지 산업 적용에 어려운 실정이다.

따라서 본 논문에서는 Heat Sink Welding 공정에 대한 잔류응력 및 용접변형 저감 특성을 규명하고자 T-이음부 구조물에 대하여 수냉법을 적용한 수치해석을 실시하였으며, 수치해석의 타당성을 검토하기 위해 해석모델과 동일한 소재 SS400 두께 3mm T-이음부 시험편에 대하여 용접을 실시하였고, 해석값과 실측값의 비교를 통해 해석결과의 타당성을 검증하였다. 또한, 용접아크와의 이격거리에 따른 잔류응력과 용접변형의 저감 특성을 고찰하고자 하였다.