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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.21 No.2 pp.194-199
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2015.21.2.194

A Study on the Butt Welding Deformation Considering Dog-Piece Setting

Hyun-Su Ryu*
*Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering R&D Institute, Seoul 100-210, Korea
flame@snu.ac.kr, 02-2129-3575
February 25, 2015 April 3, 2015 April 27, 2015

Abstract

In this study, experiments of welding deformation considering dog-pieces setting were performed to assess the effect of dog-pieces on welding deformations quantitatively and an analysis method of welding deformations considering dog-pieces was proposed. Experimental results show the relationship between welding deformations and dog-pieces setting quantitatively. The maximum reduction of welding deformation was measured as 74%. The proposed numerical analysis method to predict welding deformations is one of thermal elasto-plastic analyses using a circular heat flux and finite elements model and has been verified through experiments of welding deformation. The proposed analysis method is expected to be used in a variety of fields as an analysis tool to assess or establish guidelines for a proper use of dog-pieces.


도그 피스 설치량에 따른 맞대기 용접 변형 연구

유 현수*
*대우조선해양 중앙연구원

초록

본 연구에서는 도그 피스 설치량에 따른 용접 변형 실험을 수행하여 용접 변형 감소 효과를 정량적으로 평가하였고, 도그 피스 설치를 고려한 용접 변형 해석 방법을 제안하였다. 용접 변형 실험 결과, 도그 피스 설치량이 증가할수록 용접 변형이 감소하며 최대 74%의 변형 감소 효과가 있음을 확인하였다. 원판형 열속 모델을 사용한 열탄소성 유한요소 해석을 활용하여 도그 피스 설치를 고려한 용접 변형 해석 방법을 제안하고, 해석 결과와 실험 결과가 좋은 유사성을 보이고 있음을 확인하였다. 본 해석 방법은 현행 도그 피스 설치량에 대한 적정 여부를 평가하거나 도그 피스 사용량을 절감할 수 있는 설치 가이드를 마련하기 위한 해석적 툴로 활 용될 수 있다.


    1.서 론

    선박 건조 과정에서 블록과 블록의 용접 조인트 작업 시, 용접 개선 부위의 단차 조정과 블록 조인트 부위의 용접 변 형 예방을 위하여 다량의 피스(piece)가 사용되고 있다. 이와 같은 용접 변형 방지용 피스는 각변형을 구속하면서 면내 변형은 자유롭게 발생시켜 용접 잔류 응력을 저감시키는 효 과가 있다(Park, 2005). Fig. 1과 Fig. 2는 블록 조립 및 탑재 공 정에서의 피스 작업 영역들을 보여 주고 있다.

    Fig. 3(a)~(c)는 단차 조정 및 용접 변형 예방을 위해 사 용되는 대표적인 피스 형상이다.

    피스 시공 작업은 먼저 단차 조정 작업이 완료된 후, Fig. 1 과 같이 용접 변형 예방용 피스가 일정 간격으로 용접하여 설치된다. 그리고 본 용접 이후 이를 절단하고 육성 용접 및 사상 작업이 수행된다. 이와 같은 작업에 투입되는 시수만 하더라도 연간 약 123,000 MH에 이르는 것으로 조사되었다 (Noh et al., 2008). 블록 조인트 용접의 작업 중요도와 블록 정도 관리 차원에서 단차 조정 및 용접 변형을 감소시키기 위한 피스 사용은 피할 수 없는 부분이다. 따라서 생산성과 품질을 함께 향상시키기 위해서는 적정 수준에서의 피스 사 용량 절감 대책이 필요한 실정이다. 피스 사용량 절감 대책 을 마련하기 위해서는 먼저 현행 피스 설치량이 적정 수준 인지 여부를 평가해야만 한다. 즉, 피스를 고려한 맞대기 용 접 변형 해석을 통해 피스 설치량에 따른 용접 변형량을 계 산하여 정도 측면에서의 적정 수준 여부를 평가해야 한다. 맞대기 용접 변형 해석 연구 동향을 살펴보면 변형도 경계 법을 기반으로 쉘요소를 사용한 탄성 변형 해석 연구(Ha and Yang, 2010), V-개선 맞대기 용접 변형 실험과 열탄소성 해석 을 통한 용접 변형 간이 예측 모델 연구(Kim, 2004), 용접 변 형 간이 예측 모델을 사용하여 절점에 강제 변위 조건을 부 여하는 방법으로 평블록의 용접 변형을 해석하는 연구(Lee, 2004) 등이 주를 이루고 있다. 그러나 기존 연구에서는 피스 모델이 생략된 유한 요소 해석 모델을 사용하였기 때문에 용접 변형 예방용 피스가 최종 변형 결과에 어떤 영향을 미 치는 가에 대한 논의는 이루어 지지 않았다. 따라서 본 연구 에서는 피스 설치를 고려한 맞대기 용접 변형을 계산하기 위한 방법으로 유한요소법 중 하나인 열탄소성 해석법을 활 용하여 적합한 해석 방법을 제안하였다. 열탄소성 해석 방 법은 입열 조건에 따른 열전달 해석을 통해 시간에 따른 온 도 분포를 계산하고, 이 결과를 이용하여 단계 별로 탄소성 해석을 수행하여 변형 형상, 응력 분포, 잔류 변형률 및 그 이력과 같은 상세한 정보를 정성적으로 얻을 수 있다. 따라 서 용접 완료 후 피스가 제거된 상태의 최종 변형을 계산하 기 위해서는 열탄소성 해석 방법이 적합하다. 또한, 본 연구 에서는 피스 사용량에 따른 맞대기 용접 변형 실험을 수행 하여 피스 사용량이 용접 변형에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.

    2.피스 사용량을 고려한 맞대기 용접 변형 실험

    본 실험은 평블록 조인트 맞대기 용접 시 사용하는 용접 변형 방지용 피스의 사용량에 따른 용접 변형량을 비교하고 분석하여, 용접 변형 해석 결과와 실험 결과와의 비교를 통 해 맞대기 용접 변형 해석 방법을 정립하는 것을 목적으로 수행되었다. 실험 용접 조건은 FCAW(Flux Core Arc Welding) 현장 시공 지침을 참고로 다음 Table 1과 같이 선정하였다.

    시편 사이즈는 940×1100×15 mm이며, 실험 case는 피스 설 치 개수에 따른 용접 변형량을 비교하기 위해 Fig. 4와 같이 피스 설치 개수가 0개, 3개, 5개의 3가지 case로 구분하여 실 험을 수행하였다. Case1은 피스를 설치하지 않은 경우의 용 접 변형량을 계측하여 피스를 설치한 경우의 용접 변형량과 비교하기 위한 일종의 대조군이다. Case2는 3개의 피스를 275 mm 등간격으로 설치한 실험군이다. 등간격 275 mm는 현 장에서 경험적으로 사용하는 피스 설치 간격 250 mm~300 mm 의 평균값이다. Case3은 5개의 피스를 약 183 mm 등간격으로 설치하여 case2보다 조밀한 간격으로 피스를 설치한 경우의 용접 변형량을 파악하기 위한 실험 조건이다.

    시편 구속 방법은 자유 상태 정반 조건을 사용하였고, 용 접 라인 양 끝 단에 태그 용접을 하여 시편을 고정하였다. 용접 변형량은 3차원 접촉식 계측기를 사용하여 마킹 포인 트의 3차원 좌표 값을 획득하여 그 차이를 비교하여 산출하 였다. 마킹 포인트는 피스 설치 면의 반대 면에 격자 형태로 50 mm 간격으로 표시하였고, 용접 비드 인근 부분은 20 mm 로 보다 조밀하게 표시하였다. 용접 변형 실험은 각 case별 로 Fig. 5와 같이 용접, 피스 제거, 변형 계측의 순서로 진행 하였고, 용접 조건 모니터링 결과와 용접 비드의 외관 검사 결과 모두 양호함을 확인하였다.

    각 시편 별로 총 504개의 마킹 포인트를 계측한 후, Fig. 6 에 보인 횡방향(B01~B05)과 종방향(L01~L03`)으로의 각 비교 라인 위치에서의 용접 변형량을 Fig. 7과 Fig. 8의 예와 같이 도시하여 분석하였다.

    용접선 수직 방향으로 각 비교 라인 별 최대 변위 값을 비교하면 위의 Table 2와 같다.

    Table 2에서 각 case 별 평균값을 기준으로 피스가 없는 경 우(case01)와 비교하여 피스 3개 설치 시 38 %, 피스 5개 설치 시 74 %의 각 변형 감소 효과가 있음을 알 수 있다. 아울러 case01의 경우, 모서리 효과(edge effect)로 인해 용접선 시작 (B01)과 끝(B05)부분에서 상대적으로 각 변형이 증가하는 것 을 확인할 수 있지만 case02와 case03의 경우에는 피스 구속 효과로 인하여 case01과는 다른 각 변형 분포를 보이고 있음 을 알 수 있다. 한편, 용접선 평행 방향으로 각 비교 라인 별 최대 변위 값을 비교하면 다음 Table 3과 같다.

    Table 3에서 볼 수 있듯이 용접선 평행 방향의 경우, case01 과 비교하여 case02는 32 %, case03은 43 %의 종굽힘 변형 감 소 효과가 있는 것으로 분석되었다. 이는 각변형 감소 효과 수치보다는 작은 값으로 기존 용접 예방용 피스 설치는 주 로 용접 각 변형을 감소시키는 효과가 있음을 의미한다. 아 울러 종굽힘 변형의 경우에는 case02와 case03의 변형량 차이 가 각변형의 경우와 비교하여 미미하다는 것을 확인할 수 있다. 이상의 용접 변형 실험 결과를 토대로 용접 변형 예방 용 피스 설치량에 따른 용접 변형 감소량을 정량적으로 분 석하였고, 맞대기 용접 변형 해석 방법 정립을 위한 검증 실 험 데이터를 마련하였다.

    3.피스 모델을 고려한 맞대기 용접 변형 해석

    피스를 고려한 맞대기 용접 변형 실험 결과를 토대로 맞 대기 용접 열탄소성 해석 방법을 정립하기 위하여 다음과 같은 일련의 과정을 통해 용접 입열 모델 및 경계 조건 등의 해석 조건을 선정하였다.

    1. 상용 유한 요소 해석 프로그램인 MSC MARC를 사용 하여 맞대기 용접 열탄소성 해석을 수행하였다.

    2. 열전달 해석 시 4-node bilinear shell(heat transfer element) 를 사용하였고, 두께 방향으로는 선형 온도 구배를 표현할 수 있도록 적분점(integration point)를 9개로 설정함으로써 solid element를 사용하는 경우와 비교하여 계산 시간 효율을 향상시켰다. 사용된 shell element는 면내(plane)방향으로는 이 중선형보간법(bilinear interpolation)으로 온도 분포를 계산하 고, 두께 방향으로는 선형(linear) 또는 이차(quadratic) 온도 분 포를 가정하여 최대 11개의 적분점을 갖는 심슨 룰 (Simpson’s rule)에 의해 온도 구배를 표현할 수 있다.

    3. Young’s modulus, yield stress, tangent modulus, specific heat, thermal expansion coefficient, conductivity의 경우, 온도 의 존성 물성치(Shin et al., 2007)를 사용하였다.

    4. Fig. 9와 같이 용접선을 기준으로 좌우 대칭 모델을 생 성하고, 대칭 경계 조건과 시편 고정용 태그 용접 부위의 절 점에 강체 운동을 방지하기 위한 경계 조건을 적용하였다.

    5. (5) 해석 용접 조건은 용접 속도 150(mm/min), 전류 240(A), 전압 29(V)의 값을 사용하였다. 일반적으로 수동 아크 용접 의 경우, 자동 용접에 비해 작업자의 기량과 주위 환경에 따 라 용접 속도, 전류, 전압이 불규칙적이다. 본 연구에서는 용 접 속도, 전류, 전압의 변화값이 가급적 Table 1의 현장 시공 지침 범위 내에 포함될 수 있도록 모니터링과 반복적인 예 비 실험을 수행하여 비교적 안정적인 수동 용접을 실시하였 다. 해석에 사용된 용접 조건은 실제 용접 실험에서의 시간 에 따른 용접 조건 변화값을 사용하는 대신 해석 스텝(step) 의 수를 줄여 해석 시간 효율을 높이기 위해 범위의 평균값 을 사용하였다.

    6. case01의 실험 결과를 토대로 해석 변수값을 변화시키 면서 해석 결과와 실험 결과와의 유사도를 Table 4와 같이 계산한 결과, 유사도가 가장 높은 해석 변수값인 R135를 해 석 조건으로 결정하였다.

    해석 변수값(heat flux parameter)는 본 해석에서 사용한 원 판형 열속 모델(Goldak et al., 1984)의 반경(radius)을 의미하 며, 이동 열원을 모사하기 위해 선택한 열속 모델은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

    q x , y , z = 3 Q π r 2 exp 3 x 2 r 2 exp 3 z 2 r 2
    (1)

    여기서, q는 단위 면적당 입열량을 의미하며 Q는 입열 효 율과 전압 및 전류의 곱으로 표현되는 입열 파워(heat source power)이고, r은 원판의 반지름이다. 열속 모델의 직교 좌표 계(x,y,z)에서 z는 용접선 길이 방향, x는 용접선에 수직한 방 향, y는 아크(arc)방향을 의미한다. 한편, 유사도(similarity)는 계측 포인트의 수직 변위 값과 해석 곡선에서 계측 포인트 에 대응되는 포인트의 수직 변위 값의 차이가 허용 오차 (tolerance) 이내인 포인트들의 개수를 전체 비교 포인트 개수 로 나눈 값을 백분율로 나타낸 것이다. Fig. 10과 Fig. 11은 해석 변수값에 따른 각변형과 종굽힘 변형의 해석 결과와 case01의 실험 데이터를 비교한 예시이다. R135인 해석 결과 가 case01의 실험 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있다.

    Case01의 실험 결과를 토대로 정립한 해석 방법의 타당성 을 검증하기 위하여 case02와 case03에 대한 해석 모델을 Fig. 12와 같이 생성하고 case01의 경우와 동일한 해석 조건을 적 용하여 해석을 수행하였다.

    Fig. 13과 Fig. 14는 각 case에 대하여 각변형(B04)와 종굽힘 변형(L02)를 도시한 것으로 다른 비교 라인에서도 유사한 경 향을 보인다. Fig. 13에서 볼 수 있듯이 각변형(B04)는 실험 결과와 해석 결과가 비교적 잘 일치하고 있지만, Fig. 14의 종굽힘 변형(L02)는 case03의 경우에 다소 차이를 보인다. 하 지만 L02 비교 라인의 case03 종굽힘 변형 실험 결과가 최대 4.1 mm 이하로 그 값이 비교적 작다는 것을 고려하면 해석 결과 역시 변형 자체가 미미하다는 것을 고려할 때 정성적 인 측면에서는 해석 방법이 실험 현상을 모사할 수 있다고 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 평블록 조인트 용접 시 사용되는 다량의 용접 변형 방지용 도그 피스의 사용량을 절감할 수 있는 가 능성을 검토하기 위해 피스 설치량에 따른 맞대기 용접 변 형 실험을 수행하고 피스 설치를 고려한 맞대기 용접 변형 해석 방법을 정립하였다. 피스 설치량이 증가할수록 각변형 과 종굽힘 변형이 감소하는 것을 정량적으로 평가하였고, 피스 모델을 고려한 맞대기 용접 변형 해석 방법을 제안하 여 실험 결과와 해석 결과와의 비교를 통해 해석 방법이 피 스 설치를 고려한 맞대기 용접 변형 현상을 충분히 모사할 수 있음을 확인하였다.

    향후, 본 연구에서 제안한 해석 방법을 활용하여 평블록 조립 시의 도그 피스 설치량에 따른 맞대기 용접 변형 시뮬 레이션을 수행하고, 평블록 조인트 용접 라인의 변형량을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하는 등의 연구를 추가로 수행하여 해석법의 활용 범위를 확장시킬 필요가 있다. 평 블록 수준의 모델까지 확장된 해석법을 활용한다면, 도그 피스 배치 도면 작성 및 설치 간격을 포함하는 도그 피스 설 치 가이드 작성 등의 실질적인 도그 피스 사용량 절감 방안 을 궁극적으로 마련할 수 있을 것으로 사료된다.

    Figure

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    Set up pieces by welding at block assembly stage.

    KOSOMES-21-194_F2.gif

    Set up pieces by welding at block erection stage.

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    Shape of pieces and strongback.

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    Specimens by experimental cases.

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    Procedure of experiments.

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    Positions of lines for comparison of welding deformations.

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    Comparison of welding deformations in x-direction (B03).

    KOSOMES-21-194_F8.gif

    Comparison of welding deformations in y-direction (L01).

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    Finite element model and boundary conditions.

    KOSOMES-21-194_F10.gif

    Analysis results by heat flux parameters (B01).

    KOSOMES-21-194_F11.gif

    Analysis results by heat flux parameters (L02).

    KOSOMES-21-194_F12.gif

    Finite element models considering piece elements.

    KOSOMES-21-194_F13.gif

    Comparison of analysis and experimental results (B04).

    KOSOMES-21-194_F14.gif

    Comparison of analysis and experimental results (L02).

    Table

    Butt welding conditions

    Comparison of max. displacements in x-dir. [mm]

    Comparison of max. displacements in y-dir. [mm]

    Similarity of analysis and experimental results (case01)

    Reference

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