전산유체역학과 유한요소기법의 연동체제를 이용한 아크 용접공정의 열적-금속학적-기계적 거동에 대한 연구

Abstract

본 연구의 주 목적은 아크 용접 공정에 대해 전산유체역학과 유한요소기법의 연동체제를 통하여 열적-금속학적-기계적 거동을 재현하고 예측하는데 있다. 전산유체역학 기반의 열적거동은 질량, 에너지, 운동량, 그리고 체적 분율 보존 식을 용접 공정 열원 및 외력모델과 함께 연산함으로써 재현하였다. 용접 공정 열원과 외력모델의 매개변수는 공정 모니터링 기법과 영상분석 및 변환기법을 이용하여 선택하였다. 연산된 결과 중 용융 풀의 속도 장 정보를 기반으로 연속적인 유선과 속도장의 크기 도해를 통하여 가시화 하였고, 가시화 된 정보의 분석을 통하여 속도 장 내부의 운동량의 흐름을 파악하여 복잡한 용융 풀의 형성원인과 순서를 파악하였다. 용접공정의 수치해석적인 열적거동의 재현기법은 측정된 용입 부 형상과 모재의 바닥의 온도의 비교를 통하여 유효성을 검증하였다. 전산유체역학 기반의 질량과 열 유동 해석기법과 유한요소기법 기반의 전도 열 해석 기법의 연동은 가열 공정부터 고화공정까지의 전산유체 해석결과를 유한요소해석 영역에 이식함으로써 진행되었다. 해석결과의 이식은 이진 검색알고리즘을 통하여 공간적, 시간적 선형보간기법을 사용하였다. 공간적 선형 보간에서 오는 테두리에서의 문제점은 좌표변환을 통하여 해결하였으며 민감도 검토를 통하여 좌표변환 량을 결정하였다. 유한요소 해석에 이식된 고화공정의 마지막 온도 분포를 통하여 열 전도 해석을 진행하여 해석에 소요되는 시간을 단축하였다. 유한요소해석 영역에 이식된 온도이력은 금속학적 거동을 예측하는데 사용되었다. 가열 공정에서 이루어지는 금속학적 거동은 가열속도에 의존하는 변태 시작 및 종료 온도 모델을 사용 하였으며 냉각 공정에서는 CCT 선도의 정보를 기반으로 변태 시작 온도, 종료 온도, 최대 변태비율, 그리고 경도를 수식화 하였다. 수식화된 냉각 공정의 금속학적 거동은 순간냉각속도를 통하여 계산 하였다. 연산을 통해 얻어진 경도 분포는 열 영향 부 영역에서의 급격한 경도의 감소를 재현하였으며, 급격한 경도의 감소는 냉각속도의 차이보다는 가열 공정에서 진행되는 변태 시작 및 종료온도의 영향이 상대적으로 큰 것을 파악하였다. 연산된 금속학적 거동은 상의 비율로부터 계산되는 경도분포와 실험을 통해 측정한 경도 분포와의 비교를 통해서 검증하였다. 아울러 특정 상만 부식시키는 기법을 통해서 단면의 상 분포 측정을 통하여 해석결과의 유효성을 강화 하였다. 용접 공정에 대해 전산유체역학 기반의 질량 및 열 수송 해석 기법을 통한 열 이력과, 유한요소기법 기반의 열 전도 해석 기법을 통한 열 이력의 차이를 비교하고 금속학적 거동에 대한 예측 결과를 비교 하였다. 유한요소기법의 한계점 중 하나인 단위 열 입력 량에 대한 질량의 일시적 불 평형은 모델체인지 기법을 사용하여 근사적으로 회피 한 경우의 결과도 동시에 비교 하였다. 유한요소기법 기반의 해석 결과는 전산유체역학 기반의 해석기법 대비 빠른 연산속도를 가진 반면에 실험 결과와의 비교에서는 온도이력에 대해서는 낮은 정도를 보였다. 유한요소기법 기반의 전도 열 해석 결과는 용융 부에서의 높은 마르텐사이트 비율의 생성을 초래하였고, 모델체인지 기법의 적용한 경우 열 영향 부에서 높은 마르텐사이트 비율의 생성을 초래 하였다. 연산된 실시간 열적 금속학적 정보를 잠재력으로 하는 용접 공정에서의 용접물의 기계적 거동에 대한 예측을 진행하였다. 해석결과에 대한 검증은 용접 물 표면에서 측정한 방향 별 응력의 분포를 측정함으로써 유효성을 확보하였다. 실시간으로 탄성, 소성, 열, 상 변태에 의한 체적 변형 및 소성 변형에 대한 변형율을 모두 고려하고, 선형 이동 경화 법칙을 폰 미제스 항복조건을 통해 적용하였다. 기계적인 물성치는 금속학적 거동의 정보를 활용하기 위하여 상과 온도에 의존하는 값을 실시간으로 사용하였다. 탄성 거동 이후의 소성 거동의 소성경화 계수 의존도를 확인하기 위하여 고정된 소성경화계수와 상 비율에 의존하는 소성경화계수의 효과도 비교하였다. 가열 공정 시 가열속도에 의존하는 상 변태에 의한 체적 변형율을 확인하기 위하여 40개의 팽창계 선도를 분석하여 적용하였다. 고상이 액상으로 변환되는 상태의 현상을 재현하기 위하여 모델체인지 기법이 적용되었다. 변형율 텐서를 이루는 변형율간의 복잡한 상호관계를 체적 변형율의 평형으로 단순화 하여 체적 변형율과 응력의 집중에 대한 상호 관계를 분석하였다. 상 변태에 의한 변형율을 고려하는 경우 용융 부 중심의 높은 응력집중을 예측할 수 있었고 용접 반대 면의 응력집중도 재현 할 수 있었다. 모델체인지를 통한 액상 상태의 처리는 용융 부 주변에서의 미미한 응력집중의 차이를 발생시킨 반면 용접물의 변형에는 상대적으로 큰 영향을 주었다. 상 비율에 의존하는 소성경화 계수의 적용은 용접공정에서 고정된 소성경화계수와의 큰 결과응력을 보여주지 않았는데 이는 용접공정에서 발생하는 변형율이 변형율 경화모델에서는 큰 영향을 보이지 않기 때문으로 확인된다.