용접잔류응력을 고려한 STS301L 플러그 및 링 용접부의 피로설계 자동화에 관한 연구

백승엽(Seung yeb Baek),윤기호(Ki Ho Yun) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.9

가스용접 구조물의 장 수명 피로설계기준(fatigue design criterion)을 결정하기 위해서는 정확한 응력해석과 체계적인 피로강도평가가 필요하다. 그러나 실 구조물로부터 피로설계기준을 결정하는 것은 대단히 어려우므로 구조물의 기계적ㆍ구조적 특성을 만족하는 간편 시편을 만들어서 σ-Nf 관계를 도출하여 피로강도를 평가하고 있다. 그리고 가스용접에 의해 제작된 실 구조물의 피로설계를 위해서는 피로균열발생과 파단 기점이 되는 용접부의 용접잔류응력(welding residual stress)이 고려되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 플러그 및 링 가스용접 이음재에 대한 용접잔류응력을 고려하기 위해 용접 열 사이클(heat cycle)에 의한 비선형 열해석(non-linear thermal analysis)과 열 응력(thermal stress) 해석을 수행하고, 실험 치와 비교ㆍ분석하여 용접잔류응력을 고려한 응력 진폭-피로수명((σa)R-Nf) 관계를 도출하여 자동적으로 피로설계기준을 제시할 수 있도록 하고자 하였다. This paper presents a fatigue design method for plug- and ring-type gas-welded joints, which takes into account the effects of welding residual stress. To develop this method, we simulated the gas-welding process by performing nonlinear finite element analysis (FEA) To validate the FEA results, numerically calculated residual stresses in the gas welds were then compared with experimental results obtained by the hole-drilling method. To evaluate the fatigue strength of plug- and ring-type gas-welded joints influenced by welding residual stresses, the use of stress amplitude (σa)R, which includes the welding residual stress in gas welds, is proposed (σa)R on the basis of a modified Goodman equation that includes the residual stress effects. Using the stress amplitude (σa)R at the hot spot point of gas weld, the relations obtained as the fatigue test results for plug and ring type gas welded joints having various dimensions and shapes were systematically rearranged to obtain the (σa)R-Nf relationship. It was found that more systematic and accurate evaluation of the fatigue strength of plug- and ring-type gas-welded joints can be achieved by using (σa)R.

직선 Slot 용접의 유한요소해석 및 용접잔류응력 분포특성

박치용(Chi-Yong Park),김만원(Maan-Won Kim),이경수(Kyoung-Soo Lee),송기오(Ki-Oh Song) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

본 연구에서는 316L 스테인리스강 테스트 시편으로 직선 슬롯(slot) 용집을 수행하고 X-선 회절법을 이용하여 용접 잔류응력을 측정하였다. 또한 3 차원 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 a straight slot welding was performed with a 316L stainless steel test block and a numerical welding simulation was conducted with the finite element analysis for the slot welding process. The residual stress data were measured at equally spaced points along the lines parallel and perpendicular to welding direction on the top surface of the test plate. The X-ray diffraction method after electrolytic polishing was used for stress measurement. The calculated weld residual stresses were compared with measured data and they displayed good agreement. The weld residual stress distribution inside the plate was extracted from the finite element analysis results and its characteristics were discussed in detail.

용접 잔류응력장 중에서의 Aluminum-Alloy 용접재의 피로균열 성장거동 연구(Ⅱ) : 잔류응력 재 분포 Redistribution of the Residual Stress

최용식,정영석 成均館大學校 科學技術硏究所 1988 論文集 Vol.39 No.1

It is well known that welding residual stress has a great influence on fatigue crack growth rate in welded structure. In the general area of fatigue crack growth in the presence of residual stress, it is noted that the correction of stress intensity factor(K) to account for residual stress is important for the determination of both stress intensity factor range(ΔK) and stress ratio (R) during a loading cycle. The superposition technique can be applied generally for determination of K. The crack growth rate of the welds correlated with the effective stress intensity factor range, ΔK_eff, which was estimated by superposition of the respective stress intensity factors for the residual stress fields and for the applied stresses. However, redistribution of residual stress occurs during crack growth and its effect is not negligible. In this study, fatigue crack growth characteristics of the weld joint were examined by using superposition of redistributed residual stress and examined in comparison with that of the initial residual stress superposition.

5083-0 Al합금 鎔接材의 잔류응력에 관한 硏究

권관구(Gwan-Gu Gwon) 산업기술교육훈련학회 2012 산업기술연구논문지 (JITR) Vol.17 No.4

The purpose of this thesis was to investigate the welding characteristics and the residual stress behavior of SS41, commonly using power station, aircraft and ship. The experimented material was GMA welded in order to look over the residual stress distribution was measured under perfect restraint and nonrestraint welding conditions. From these test, we reached conclusion as followings ; The welding residual stress welded specimens was much higher in restraint condition than in nonrestraint. In case of restraint welding, the σx direction residual stress was measured the tensile residual stress. In case of nonrestraint welding, it was rapidly changed to compressive residual stress at about 15mm from welding bead center. In case of nonrestraint welding, the σy direction residual stress was measured the tensile residual stress. In case of restraint welding, it was changed to compressive residual stress at 40~45mm from welding bead center.

이종금속 평판 맞대기용접의 유한요소해석 및 측정 용접잔류응력 분포특성 비교

이경수(Kyoung-Soo Lee),김만원(Maan-Won Kim),박치용(Chi-Yong Park),송기오(Ki-Oh Song),박재학(Jai-Hak Park) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

본 연구에서는 최근 원자력 발전소에서 이종금속용접 접합 소재로 많이 사용되고 있는 SA 508과 Type 304 스테인리스강의 이종금속 용접잔류응력 분포특성을 살펴보기 위하여 이종금속 용접시편을 제작하여 직접 용접을 실시하고 X-선 회절법을 이용하여 용접시험편의 표면에서 용접 잔류응력을 측정하였다. 또한 3 차원 유한요소해석을 통하여 이종금속 맞대기용접을 전산모사하고 시편의 용접잔류응력 분포를 구하였다. 측정한 잔류응력과 유한요소해석 결과 계산된 잔류응력을 비교 고찰함으로써 3 차원 형상의 영향과 평판 이종금속 맞대기 용접부의 잔류응력분포 특성을 살펴보았다. This study is concerned to the characterization of the weld residual stress distribution in a dissimilar metal weld consisted of low alloy carbon steel and stainless steel, which are widely used in nuclear power plants. A mock-up plate weldment was fabricated with SA 508 and Type 304 stainless steel and residual stresses were measured using the X-ray diffraction method after electrolytic polishing of the specimen. Finite element analysis was performed to simulate the dissimilar metal butt welding and the calculated weld residual stresses were compared with the measured data There were good agreements between the measured and calculated residual stress data. The 3-dimensional effect on residual stress distribution near the free edge of the mock-up plate was appeared and discussed in detail.

보수용접부 폭에 따른 용접잔류응력의 변화 및 재분배 거동 평가

박치용(Chi-Yong Park),이휘승(Hwee-Sueng Lee),허남수(Nam-Su Huh) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.2

본 논문에서는 보수용접부 폭 변화에 따른 이종금속 맞대기 용접부(Dissimilar metal butt weld) 용접잔류응력의 분포 및 동종금속용접/기계적 하중에 의한 재분배 거동을 평가하였다. 이를 위해 5가지 다른 보수용접부 폭을 고려한 상세 2차원 유한요소 열해석 및 응력해석을 수행하였다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 보수용접에 의한 용접잔류응력 분포를 평가하였으며, 동종금속용접 및 기계적 하중에 의한 응력 재분배 특성을 평가하였다. 보수용접에 의해 배관 내면에서는 큰 인장 용접잔류응력이 축방향과 원주방향에 대해 발생하는 것으로 나타났으며 보수용접부 폭이 특정값 이상이 되면 용접잔류응력 분포가 변하는 것으로 나타났다. 그러나 동종금속용접과 기계적 하중을 고려하면 인장잔류응력값이 크게 감소하였으며 그 경향은 보수용접부 폭에 무관한 것으로 나타났다. In this study, we investigated the variations in welding residual stresses in dissimilar metal butt weld due to width of repair welding and re-distribution behaviors resulting from similar metal welding (SMW) and mechanical loading. To this end, detailed two-dimensional axi-symmetric finite element (FE) analyses were performed considering five different repair welding widths. Based on the FE results, we first evaluated the welding residual stress distributions in repair welding. We then investigated the re-distribution behaviors of the residual stresses due to SMW and mechanical loads. It is revealed that large tensile welding residual stresses take place in the inner surface and that its distribution is affected, provided repair welding width is larger than certain value. The welding residual stresses resulting from repair welding are remarkably reduced due to SMW and mechanical loading, regardless of the width of the repair welding.

이종금속 평판 맞대기용접의 용접잔류응력 분포특성

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

본 연구에서는 최근 원자력 발전소에서 이종금속용접 접합 소재로 많이 사용되고 있는 SA 508과 Type 304 스테인리스강의 이종금속 용접잔류응력 분포특성을 살펴보기 위하여 이종금속 용접시편을 제작하여 직접 용접을 실시하고 X-선 회절법을 이용하여 용접시험편의 표면에서 용접 잔류응력을 측정하였다. 또한 3차원 유한요소해석을 통하여 이종금속 맞대기용접을 전산모사하고 시편의 용접잔류응력 분포를 구하였다. 측정한 잔류응력과 유한요소해석 결과 계산된 잔류응력을 고찰함으로써 3차원 평판 이종금속 맞대기 용접부의 잔류응력분포 특성을 살펴보았다. In this study, the weld residual stress distribution at a dissimilar-metal welded plate of low alloy carbon steel and stainless steel, which are widely used in nuclear power plants, was characterized. A plate mock-up with butt welding was fabricated using SA 508 low alloy steel and Type 304 stainless steel plates and the residual stresses were measured by the X-ray diffraction method after electrolytic polishing of the plate specimen. Finite element analysis was carried out in order to simulate the butt welding of dissimilar metal plate, and the calculated weld residual stress distribution was compared with that obtained from the measured data. The characteristics of the three-dimensional residual stress distribution in a butt weld of dissimilar metal plates were investigated by comparing the measured and calculated residual stress data.

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.

가압경수로 노즐 맞대기 이종금속용접부의 용접잔류응력 예측

김지수(Ji Soo Kim),김주희(Ju Hee Kim),배홍열(Hong Yeol Bae),오창영(Chang Young Oh),김윤재(Yun-Jae Kim),이경수(Kyung soo Lee),송태광(Tae Kwang Song) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.2

가압경수로의 많은 관통관 중에서 니켈 기저 합금인 Inconel alloy 600 계열의 이종금속용접부는 일차수응력부식균열에 민감하며, 이를 평가하기 위하여 용접부에 작용하는 잔류응력분포를 정확히 예측하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 유한요소해석을 이용하여 노즐 맞대기 이종금속용접부에 작용하는 일반적인 잔류응력분포를 예측하였다. 이를 위해 노즐 맞대기 이종금속용접부의 형상을 단순화하여 특정한 형상변수에 따른 용접부 잔류응력분포를 확인하였으며, 이를 토대로 기존 문헌에 제시된 오스테나이트계 배관맞대기 용접부 잔류응력 분포식을 수정하여 가압경수로 노즐 맞대기 이종금속용접부에 작용하는 일반적인잔류응력분포 예측식을 제시하였다. In pressurized water nuclear reactors, dissimilar metal welds are susceptible to primary water stress corrosion cracking. To access this problem, accurate estimation of welding residual stresses is important. This paper provides general welding residual stress profiles in dissimilar metal nozzle butt welds using finite element analysis. By introducing a simplified shape for dissimilar metal nozzle butt welds, changes in the welding residual stress distribution can be seen using a geometry variable. Based on the results, a welding residual stress profile for dissimilar metal nozzle butt welds is proposed that modifies the existing welding residual stress profile for austenitic pipe butt welds.

용접부 형상이 협개선 용접부 잔류응력 분포에 미치는 영향

소나현(Na-Hyun Soh),양준석(Jun-Seok Yang),표창률(Chang-Ryul Pyo),허남수(Nam-Su Huh) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.6

일반적인 용접법은 용접 그루브(groove) 각도가 크기 때문에 용접 결함 발생의 원인이 된다. 따라서 원자력 발전소 배관 용접 시, 용접 그루브 각도가 작고 용접부 비드 폭이 좁은 협개선 용접법을 다수 수행하고 있다. 이러한 협개선 용접법은 용접시간 단축, 용접부 변형과 잔류응력의 감소, 용접결함의 감소 등과 같은 장점을 갖고 있다. 본 논문에서는 협개선 용접부의 실제 용접 공정을 모사함으로써, ER308L 용접재의 변형 거동과 용접잔류응력을 비선형 2차원 유한요소해석을 통하여 예측하였다. 특히 용접방법 및 순서가 다른 두 형상에 대한 결과를 비교하고, 용접부 폭 넓이 변화에 따른 잔류응력 분포를 분석하였다. 본 논문의 결과는 향후 협개선 용접부의 용접 개선과 용접부 결함의 건전성 평가 등을 위해 적용될 수 있다. It is well known that conventional welding techniques can result in welding defects due to the large groove angle of the weld. In this context, the narrow gap welding (NGW) technique is applied in the nuclear industry because of its inherent merits such as the reduction in welding time and the shrinkage of the weld, and the small deformation of the weld resulting from the small groove angle and welding bead width. In this paper, the distribution of welding residual stress and deformation behavior of the ER308L weld due to NGW are predicted through nonlinear two-dimensional finite element analysis, in which the actual NGW process is simulated in detail. In particular, the effects of the shape of weld, i.e., the width of the weld and the shape of the welding groove, on the residual stress are investigated. The present results can be used to assess the integrity of defective nuclear components and to improve the welding process.