건축구조용 고장력강 용접 잔류응력 분포 특성

조원준,김진경,황원오,이지승,성대희,안규백 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5

최근 산업의 발달로 건축 구조물의 거대화에 따라 건축 구조물 제작에 고장력강의 사용이 증가하고 있으며, 이를 통하여 강재의 두께를 감소시키는 노력이 지속되었고, 구조물의 경량화를 위한 고장력강의 사용이 일반화되고 있다. 하지만, 고장력강의 경우 용접에 의해 발생하는 용접잔류응력이 일반적으로 용접부에 큰 인장잔류응력이 분포하게 되어, 구조물 제작에 있어서 파괴 발생 또는 파괴의 전파에 직·간접적으로 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 구조물의 용접잔류응력 분포를 명확하게 파악하는 것은 중요하다. 종래에도 용접잔류응력의 파악을 위하여 파괴적 또는 비파괴적인 방법을 적용하여 많은 연구가 수행되었으나, 두께방향의 잔류응력과 T-용접이음부에 대한 잔류응력에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 구조물의 안전성 측면에서 용접잔류응력은 무시할 수 없는 중요한 요인이기 때문에 상세한 검토가 필요하다. 잔류응력 측정법으로는 ① 비파괴적인 방법(X-ray, Synchrotron S-ray, Neutrons, Magnetic, Ultrasonic) ② 중간파괴적인 방법(Center-hole, Ring core, deep-hole drilling) ③ 파괴적인 방법(Contour, Inherent, Slitting)이 있다. 본 연구에서는 용접 시 발생하는 용접 잔류 응력에 대하여 용접선 길이 방향(σx), 용접선 수직방향(σy)의 잔류응력 거동을 절단법(Cutting method), 굴곡 측정법(Contour), 유한요소해석(Finite Element Method)을 통한 고장력강(HT-80) T-형 용접부의 잔류응력 분포 특성을 검토하였다.

고온압연과 QST(Quenching and Self-Tempering) 공정으로 제조된 H형강에 계장화 압입시험을 이용한 잔류응력 평가

이소현,송은지,김주영 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11

H 형강은 건축물, 해양플랜트 등 많은 분야에서 사용되는 구조용 철강 재료이다. 그 중, 해양구조물에 사용되는 H 형강은 고온압연과 QST(Quenching and Self-Tempering) 공정으로 제조 되어지고 있는데, 이러한 공정을 통해 만들어진 H형강은 미세조직이 제어되어 고강도 와 저온환경에서 요구되는 고인성을 가지게 된다. 그러나, 이러한 제조과정에서 잔류응력이 생성될 수 있다. 기존 연구에 따르면, 잔류응력은 재료 내부에 소성변형 또는 온도 구배에 따른 불균일한 부피변화로 생성될 수 있다. 잔류응력이 재료 내부에 존재하게 되면, 재료의 항복 강도보다 더 적은 강도가 가해졌음에도 소성변형이 일어날 수 있다. 따라서 재료의 신뢰성을 확보하기 위해서 잔류응력을 정확하게 측정해야한다. 추가로, H 형강이 재료로 사용될 때, 한 방향으로만 응력을 받는 것이 아니라 다양한 방향에서 다양한 응력을 받기 때문에, 잔류응력의 종류(compressive and tensile)와 크기를 정확하게 측정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 비파괴적인 계장화 압입 시험을 이용하여 잔류응력 평가 기술을 개발하고, 고온압연과 QST 공정으로 제조된 H형강의 잔류응력을 평가하고자 한다. 또한, 홀드릴링에 의한 잔류응력 분포와 비교하여 계장화 압입 시험을 이용한 잔류응력 평가법의 신뢰성을 평가하고자 한다.

잔류응력의 영향을 고려한 용접부 내진 평가

김종성(Jong-Sung Kim),장현수(Hyun-Su Jang) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

BDBE 와 같이 심각한 지진 하중 하에서 원자력 발전소의 안전성을 검증하기 위해 APR-1400의 가압기와 고온관을 연결하는 밀림배관의 탄소성 유한요소 해석을 수행하였다 [1~2]. 이전 연구에서 지진에 중요한 위치인 가압기 노즐과 핫레그 노즐의 용접부 모사할 때 3case (용접부의 기하학적 형상을 고려하지 않은 경우, 기하학적 형상과 용접 물성을 고려한 경우, 잔류응력을 고려한 경우)에 대해서 지진해석을 수행하였다. 잔류응력을 고려하여 지진해석을 수행한 경우, 누적소성변형률과 등가소성변형률이 다른 경우에 비해 상당히 크게 발생하였다. 잔류응력 해석시 용접부가 융착되는 시간은 매우 짧다. 따라서 본 연구에서는 잔류응력을 고려한 지진해석의 누적소성변형률과 등가소성변형률을 좀 더 현실적으로 시뮬레이션 하기 위해서 어닐링 온도를 고려하여 잔류응력 해석을 수행하였다. 용접 재료인 ER308l의 물성은 주기적인 테스트 결과를 가지고 있지 않기 때문에, 간단한 인장 실험의 결과를 통해 샤보세 경화 모델을 정의하였다. 또한 분석 변수(예: 지진 변위 시간 이력)는 이전 연구에 사용하였던 것과 동일한 값을 사용하였다. 잔류응력을 고려한 지진 해석시 핫레그 노즐과 용접부 사이에서 취약부위가 발생하였다. 취약 부위에 대해 ASME code [3]의 변형률 기반 허용 기준 평가를 수행하였고, 무결성이 만족되었다. 어닐링 온도는 잔류응력 해석에 의해 발생한 누적소성변형률과 등가소성변형률에 상당한 영향을 미치고, 그에 따라 잔류응력을 고려한 용접부의 내진 평가 시 여유도에 영향을 미치는 것을 확인하였다. To verify the safety of nuclear power plants under severe seismic loads, such as BDBE, the finite element elastic-plastic analysis of the surge line system connecting the pressurizer and the hot-leg of APR-1400 was conducted. In the previous study, seismic analysis was conducted on 3 cases (not considering geometry shape of weld, considering geometry shape of welds and material properties of welds, considering welding residual stress) when simulating welds in pressurizer nozzles and hot-leg nozzles, which are critical location for earthquakes. When seismic analysis was conducted in consideration of welding residual stress, accumulated plastic strain and equivalent plastic strain were significantly larger than those of other cases. When conducting welding residual stress, the time for weld to fuse is very short. Therefore, in this study, welding residual stress analysis was conducted considering annealing temperature to more realistic simulation of accumulated plastic strain and equivalent plastic strain of seismic analysis considering welding residual stress. The welding material was used as ER308l instead of TP316 which was previously used material. Since the properties of ER308l do not have cyclic test results, define the Chaboche hardening model through the results of a simple tensile experiment. Furthermore, the analytical variables (such as seismic displacement time history) used the same values as those used in previous study. The seismic analysis was conducted considering the effects of welding residual stress, and vulnerable point occurred between hot-leg nozzles and welds. The integrity was satisfied by performing strain-based acceptance criteria evaluation of ASME code. The annealing temperature was confirmed to have a significant effect on the accumulated plastic strain and the equivalent plastic strain caused by welding residual stress analysis. Accordingly, it was confirmed that the seismic evaluation of welds considering welding residual stress affects the margin.

선형구배 응력장에서 표층의 잔류응력 측정에 관한 연구

최병길,전상윤,이택순 대한기계학회 1992 대한기계학회논문집 Vol.16 No.9

본 연구에서는 방전가공(electric disharge machining, EDM) 또는 공기연마 분사기(air-abrasive jet machine, AJM) 가공에 의하여 인장 시험편 또는 외팔보 시험 편에 구멍깊이를 증가시켜 가면서 구멍을 뚫었다. 여기에서 방저가공(EDM)을 채택한 것은 구멍깊이를 직접 계측하는 것이 가능하여 구멍깊이 측정 오차에 기인하는 잔류응 력 측정오차를 최소화 할 수 있기 때문이며, 공기연마 분사기를 채택한 것은 구멍을 뚫는 동안 가공응력을 유발시키지 않기 때문이었다. 위 인장 시험편 또는 외팔보 시 험편을 이용하여 균일한 응력장과 두께 방향으로 변하는 선형적 구배응력장을 구현하 고, 이 때 각각 구멍깊이가 다른 원통형 막힘 구멍으로 부터 이완되는 스트레인을 계 측하였다. Schajer가 제안한 멱급수법과 최소장승법을 적용하여 균일응력장 또는 구 배 응력장에서 측정되는 스트레인을 잔류응력으로 환산하였으며, 환산된 잔류응력과 실제로 작용하는 응력을 비교하므로서 이론적으로 제시된 멱급수법과 최소자승법의 타 당성을 실험적으로 검토하는데 본 연구의 목적이 있다. 이 때 얕은 구멍깊이 (0.3∼ 1.2mm)에서 측정되는 스트레인을 이용하여 Schajer의 제안에 따라 잔류응력을 산정하 므로서, 잔류응력 계측 대상 구조물을 가급적 덜파괴시키며 잔류응력을 측정할 수 있 는지 여부를 실험적으로 검토하였다. When a blind hole of small diameter is drilled in the field of residual stress, strain relieved around the hole is function of magnitude of stress, patterns of stress distribution and hole geometry of diameter and depth. Relieved strain coefficients can be calculated from FEM analysis of relieved strain and actual stress. These relieved strain coefficients make it possible to measure residual stress which vary along the depth in the subsurface of stressed material. In this study, the calibration tests of residual stress measurement are carried out by drilling a hole incrementally on the cantilever or on the tensile test bar. Residual stresses can be determined from measured strains around a shallow hole by application of power series method. For the sake of reliable measurement of residual stress, much efforts should be done to measure relieved strains and hole depth more accurately comparing with conventional procedures of gage subject to the external load. Otherwise linear equations converting strains into stresses may yield erratic residual stresses because of ill-conditions of linear equations. With accurate measurements of relieved strains, residual stress even if varying along the depth can be measured. It is also possible to measure residual stress in the thin film of material by drilling a shallow hole.

습도에 따른 다이아몬드성 카본필름의 잔류응력 변화에 대한 연구

이영진,김태영,이광렬,양인상,Lee Young-Jin,Kim Tae-Young,Lee Kwang-Ryeol,Yang In-Sang 한국진공학회 2004 Applied Science and Convergence Technology Vol.13 No.4

라디오파 플라즈마 화학증착법 (radio frequency plasma assisted chemical vapor deposition: r.f.-PACVD) 법으로 증착된 다이아몬드성 카본 (Diamond-like Carbon : DLC) 필름에서 나타나는 습도에 따른 압축 잔류 응력의 변화 거동을 체계적으로 조사하였다. 합성에 사용된 탄화수소 가스의 종류와 -100V에서 -800V 범위의 기판 바이어스 전압의 조절을 통해 폴리머성 필름에서 흑연성 필름까지 광범위한 구조의 DLC 필름을 합성하였다. 상대습도가 10%-90% 범위에서 변화하는 분위기 챔버 내에서 박막의 잔류응력의 변화를 실시간으로 측정하였다 박막의 경도와 잔류응력이 최고 값을 가지는 합성조건에서 얻어진 치밀한 DLC박막에서는 습도에 따른 잔류응력의 변화가 관찰되지 않았다. 그러나, 폴리머상이나 흑연상의 박막에서는 두 경우 모두 습도가 높아짐에 따라 압축 잔류응력이 증가함을 관찰할 수 있었으며, 습도의 변화에 대해 잔류응력이 즉각적으로 변화하였다. 한편, 동일한 습도에서 압축 잔류응력의 증가량은 필름의 두께에 반비례하는 것이 관찰되었다. 이 결과는 물분자가 필름의 구조내로 침투하면서 생기는 변화가 아니라, 박막의 표면에서 일어나는 물분자와의 반응에 의해 필름의 잔류응력이 변할 수 있음을 의미한다. Dependence of residual compressive stress of diamond-like carbon (DLC) films on relative humidity was investigated. Polymeric, graphitic and diamond-like carbon films were prepared by r.f.-PACVD using methane or benzene with the negative self bias voltage of the substrate ranging from -100 to -800 V. In-situ measurements of the residual stress were carried out in an environment chamber where the relative humidity was varied from 10% to 90%. In dense DLC film of high residual compressive stress and hardness, we could not observe any change in the residual compressive stress with relative humidity. However, in the cases of graphitic and polymeric DLC films, abrupt change in the residual stress occurred by changing the relative humidity. The quantity of the stress change was inversely proportional to the film thickness, which means that the stress change with humidity is not due to the penetration of the water molecule into the film structure, but due to surface interaction between water molecules and film surface.

초음파 음향속도를 이용한 잔류응력 측정 방법에 대한 이론 및 평가

김희준(Hee Jun Kim),이모윤(Mo Youn Lee),정호빈(Ho Bin Jeong),박인규(In Gyu Park),조인식(In Sik Cho) 대한기계학회 2019 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.7 No.1

본 논문에서는 초음파잔류응력측정 방법에 대한 기본적인 이론과 직접적인 관련 기초기술인 초음파펄스에코(ultrasonic pulse-echo) 기법과 음탄성(acoustoelasticity) 평가를 위하여 S10C, Al6061, Cu-Zn(65-35) 3 가지 구조재료에 대하여 동탄성계수 및 푸아송비를 측정한 결과 각각 209.8GPa, 68.7GPa, 108.2GPa 및 0.288, 0.259, 0.360 로 측정되었으며, 음탄성(acoustoelasticity)법을 이용한 각 재료에 적용 응력에 따른 종파속도(longitudinal velocity)와 횡파속도(transverse velocity) 를 측정한 결과 적용응력이 증가함에 따라 종파속도는 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 X-ray single beam 법을 이용한 각 재료에 대한 잔류응력 측정결과 phi 0°에서 93.5 MPa, 154.4 MPa, 825.6MPa 이었다. 이러한 측정기반위에 차세대 초음파잔류응력 측정의 핵심 해석 및 장치기술에 대하여 평가하고자 하였다. In this paper, structure materials of S10C, Al6061, and Cu-Zn (65-35) are proposed for the ultrasonic pulseecho technique and acoustoelasticity evaluation, which are directly related to the basic theory of ultrasonic residual stress measurement. The dynamic elastic modulus and poisson "s ratio of the material were measured to be 209.7GPa, 68.7GPa, 108.2GPa and 0.288, 0.259 and 0.360, respectively. The acoustic velocities of each material using acoustoelasticity method longitudinal velocity and transverse velocity were measured. As the applied stress increased, longitudinal velocity decreased. The residual stress of each material using X-ray single beam method was 93.5 MPa, 154.4 MPa, and 825.6 MPa at phi 0 °. On the basis of this measurement, we tried to evaluate the core analysis and device technology of the next generation ultrasound residual stress measurement.

세라믹/금속 접합재의 잔류응력 해석

박영철,허선철,김광영 韓國非破壞檢査學會 1994 한국비파괴검사학회지 Vol.14 No.1

동을 중간재로 하는 Si₃N₄/SUS304 접합재의 접합계면 근방의 잔류응력 분포를 유한요소법과 X선 응력측정법을 이용하여 해석을 하였다. 그 결과, 접합재의 세라믹부 계면 근방의 잔류응력 분포를 정량적으로 밝혀낼 수 있었다. 세라믹부에 발생되는 접합 잔류응력은 접합계면 근방에서 대단히 크게 나타났으며, 특히 최대인장 잔류응력 σx 는 단부에서 발생하였다. 한편, σx는 접합계면 근방에서 3차원분포를 하고 있기 때문에 2차원 유한요소 해석결과와는 대단히 다른 값을 나타내고 있으며, 특히 시험편 중앙부의 계면 근방에서는 X선 실측결과가 인장 잔류응력임에 반하여 2차원 유한요소 해석결과는 압축 잔류응력으로 계산되어짐을 알았다. 따라서, 이와같은 3차원 분포를 하고 있는 접합계면 근방의 잔류응력 σx보다 간편하고 정확하게 예측할 수 있는 유한요소 해석모델에 대하여 서로 검토하였다. The two-dimensional elastoplastic analysis was performed to reveal a detail residual stress distribution of ceramic/metal joint specimen using finite element method and X-ray method. The highest tensile residual stress, σx perpendicular to the interface appeared at the edge of the ceramic near the interface. In the vicinity of the interface, the high stress concentration occurs and residual stress distributes three-dimensionally. Therefore, the measured stress distribution differed remarkably from the result of the two-dimensional finite-element analysis. Especially at the center of the specimen near the interface, the residual stress, σx obtained from the finite element analysis was compressive, whereas X-ray measurement yielded tensile σx. Therefore, it is also attempted to investi gate the finite element model for the prediction of residual stree σx distributed nearly the interface of joint.

SA508 탄소강 및 오스테나이트 스테인리스강의 표면잔류응력에 미치는 기계가공효과

이경수(Kyoung-soo Lee),이성호(Seong-ho Lee),박치용(Chi-yong Park),양준석(Jun-seok Yang),이정근(Jeong-geun Lee),박재학(Jai-hak Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.5

원자력발전소의 이종용접부에서 일차응력부식균열이 발생하고 있으며 용접부의 잔류응력이 균열발생 및 성장에 기여할 수 있다. 용접부의 잔류응력은 기본적으로 용접에 의해 형성되지만 기계가공에 의해 표면잔류 응력상태가 변화할 수 있다. 본 논문에서는 기계가공이 원전재료인 SA508 과 오스테나이트 스테인리스강에 표면잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 SA508, TP304, F316L 재료를 연마, 연삭, 방전가공으로 가공한 후 표면에 형성되는 잔류응력을 측정하였다. 측정방법은 구멍뚫기법과 엑스선회절법을 사용하였다. 기계가공방법에 따라 각 재료에 미치는 잔류응력의 크기 및 방향, 잔류응력이 형성되는 깊이 등의 특성을 확인하였다. Primary water stress corrosion cracking has occurred in dissimilar weld areas in nuclear power plants. Residual stress is a driving force in the crack. Residual stress may be generated by weld or surface machining. Residual stress due to surface machining depends on the machining method, e.g., milling, grinding, or EDM. The stress is usually distributed on or near the surface of the material. We present the measured residual stress for machining on SA 508 and austenitic stainless steels such as TP304 and F316. The residual stress can be tensile or compressive depending on the machining method. The depth and the magnitude of the residual stress depend on the material and the machining method.

원주 용접된 압력 매설강관의 거동 분석

Juntai Jeon,Chinhyung Lee,Kyongho Chang 한국재난정보학회 2015 한국재난정보학회 논문집 Vol.11 No.1

본 연구에서는 토압 등의 외압이 원주 용접된 매설 강관의 잔류응력에 미치는 영향을 유한요소 해석을 통하여 명확히 하였다. 먼저 3차원 열탄소성 해석을 통하여 원주 용접된 강관의 잔류응력을 구하였으며, 이를 초기조건으로 설정하여 3차원 탄소성 해석을 수행함으로써 외압이 작용하는 경우 잔류응력 거동을 조사하였다. 해석결과 외압에 의해 원주 용접부에 발생하는 원주방향 압축응력 때문에 원주방향 잔류응력이 압축 측으로 상당히 많이 이동함을 알 수 있었고, 축방향 잔류응력은 작용하는 외압에 의해 거의 영향을 받지 않음을 알 수 있었다. This paper presents finite element (FE) analyses to clarify the effects of external pressure on the residual stresses in a girth-welded steel pipe. At first, FE simulation of the girth welding process is carried out to obtain the weld-induced residual stresses employing sequentially coupled three-dimensional (3-D) thermo-mechanical FE formulation. Then, 3-D elastic-plastic FE analyses incorporating the residual stresses and plastic strains obtained from the preceding FE simulation are performed to investigate the residual stress behavior in the girth-welded pipe under external pressure. The FE analysis results show that the hoop compressive stresses induced by the external pressure significantly alter the hoop residual stresses in the course of the mechanical loading.

직선 Slot 용접의 유한요소해석 및 용접잔류응력 분포특성

박치용(Chi-Yong Park),이경수(Kyoung-Soo Lee),김만원(Maan-Won Kim),송기오(Ki-Oh Song) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.9

본 연구에서는 316L 스테인리스강 테스트 시편으로 직선 슬롯(slot) 용접을 수행하고 X-선 회절법을 이용하여 용접 잔류응력을 측정하였다. 또한 3차원 유한요소해석을 통하여 슬롯용접을 모사하고 시편의 용접잔류응력 분포를 구하였다. 슬롯용접은 용접잔류응력 특성을 고찰하는데 있어 맞대기 용접에 비하여 고려할 변수가 적으며, 용접 시작부터 종료까지 용접잔류응력 분포 특성을 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다. 테스트 시편의 표면에서 용접잔류응력을 용접 시작부와 중간부분, 종료부의 세 위치에서 측정값과 해석값을 비교하였고 용접잔류응력 분포특성을 고찰하였다. 유한요소해석 결과로부터 시편 내부의 용접잔류응력 분포특성을 살펴보았다. In this study, straight slot welding was carried out using a 316L stainless steel test block, and numerical simulation of the slot weld process was performed using finite element analysis. Data on the residual stress were obtained at equally spaced points on the top surface of the test block along directions parallel and perpendicular to the welding direction. After electrolytic polishing of the top surface of the block, the residual stress was measured by the X-ray diffraction method. The calculated weld residual stresses were compared with the measured data, and they were in good agreement with the data. The weld residual stress distribution inside the plate was determined from the results of finite element analysis, and the characteristics of the distribution were discussed in detail in this paper.