Influence of welding sequences on the accumulation evolution of angular distortion in thick-plate T-joint GMAW: Numerical simulation and modeling perspectives

선박, 교량, 그리고 거대한 압력 용기를 제작하는 중공업 분야에서 엔지니어들은 엄청난 무게를 견디고 극한의 힘을 버텨내기 위해 두꺼운 강철판에 의존합니다. 이 판들을 접합하기 위해 작업자들은 금속을 녹여 하나로 융합시키는 과정인 용접을 사용하며, 이때 발생하는 강렬한 열은 금속을 녹입니다. 그러나 이 열은 숨겨진 문제를 일으킵니다. 용융된 금속이 식으면서 수축할 때 주변의 강철을 변형시키기 때문입니다. T자형 구조처럼 한쪽 판이 다른 쪽 판에 수직으로 서 있는 형태인 특정 종류의 조인트(T-joint)에서는, 이 수축으로 인해 수직 판이 휘거나 기울어지는 현상이 발생하는데, 이를 각변형(angular distortion)이라고 합니다. 만약 이 휨 현상이 너무 심하면 부품들이 제대로 맞물리지 않아 최종 구조물의 안전과 강도를 저해할 수 있습니다. 수십 년 동안 제조업체들은 용접을 적용하는 순서를 바꾸어 이를 관리하려 노력해 왔지만, 두꺼운 단면에서 금속이 정확히 어떻게 움직일지 예측하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었습니다.

중국 남창교통대학교와 남창대학교의 연구팀은 최근 중장비에서 흔히 쓰이는 크기인 40mm 두께의 강철 T-조인트를 연구함으로써 이 난제를 해결하고자 했습니다. 그들은 용접부가 충분히 깊게 침투하여 강도를 확보할 수 있도록 양쪽에 V자형 홈을 판 K-그루브(K-groove)라는 특정 설계를 중점적으로 살펴보았습니다. 연구팀은 용접 패스(welding passes)—즉, 하나씩 차례대로 쌓아 올리는 용융 금질의 개별 비드(bead)들—의 순서가 시간이 흐름에 따라 변형이 축적되는 방식에 어떤 변화를 주는지 이해하고자 했습니다. 이를 위해 그들은 먼저 조인트의 물리적 모델을 제작하고 세 가지 다른 순서로 용접을 실시했습니다. 그다음, 실제 용접 과정의 열과 응력을 모사한 정밀한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축하여, 직접 손으로 만들기에는 너무 많은 시간이 소요되었을 여섯 가지 추가적인 순서를 테스트했습니다. 그들의 목표는 단순히 최선의 방법을 찾는 것뿐만 아니라, 용접이 추가됨에 따라 변형이 어떻게 성장하고, 이동하고, 안착하는지를 관찰하며 변형의 전체 생애 주기를 지도화하는 것이었습니다.

연구진은 변형이 한꺼번에 일어나는 것이 아니라 두 가지 뚜렷한 단계를 거쳐 진화한다는 사실을 발견했습니다. 첫 번째 단계는 전체 용접 패스의 40%를 차지하는 구간으로, 격렬한 조정의 시기입니다. 이 기간 동안 수직 판은 새로운 뜨거운 금속 비드가 추가되고 식을 때마다 앞뒤로 크게 흔들립니다. 나머지 48%의 패스로 구성된 두 번째 단계는 점진적인 수렴의 시기입니다. 이 단계에서는 금속이 더 단단해지며 흔들림 운동이 느려지고, 결국 최종적인 안정된 각도로 자리 잡게 됩니다. 연구팀은 형상을 제어하기 가장 중요한 시점이 바로 이 초기 혼돈의 단계라는 것을 밝혀냈습니다. 그들은 각 새로운 용접이 각도를 교정할 수 있는 능력이 후반부의 안정화 단계보다 초기 조정 단계에서 약 13배 더 강력하다는 것을 계산해 냈습니다. 이는 제조업체가 조인트를 곧게 유지하고 싶다면, 나중에 수정하려 하기보다는 처음부터 순서를 제대로 잡아야 함을 의미합니다.

연구진이 용접 순서를 정하는 다양한 방식을 비교했을 때, 가장 효과적인 전략은 특정한 교차 패턴을 포함하는 것으로 나타났습니다. 조인트의 한쪽 면을 전부 용접한 뒤 반대편으로 넘어가거나, 단순히 좌우를 번갈아 가며 하는 방식 대신, 대각선으로 교차하는 접근 방식이 가장 좋은 결과를 냈습니다. 이 방식에서는 용접사가 한쪽 면의 웹(web) 쪽에서 시작한 뒤, 반대편으로 이동하여 그에 대응하는 층을 용접함으로써 조인트를 가로지르는 대각선 경로를 만들어냅니다. 이 기술은 최종 변형을 최소화하여 다른 일반적인 방법들에 비해 거의 40% 가까이 줄여주었습니다. 반면, 한쪽 면을 완전히 끝낸 후에 다른 쪽을 건드리는 방식은 가장 좋지 않은 결과를 낳았으며, 조인트를 크게 기울어지게 만들었습니다. 또한 연구는 매 패스마다 번갈아 가며 용접하는 것이 형상 제어에는 가장 뛰어나지만, 측면을 계속 바꾸는 데 더 많은 시간과 노력이 필요하다는 점도 밝혀냈습니다. 이보다 약간 덜 정밀하지만 더 효율적인 방법은 층 단위로 번갈아 가는 것으로, 한쪽 면의 한 층을 완전히 완성한 후 전환하는 방식인데, 이는 끊임적인 방해 없이도 여전히 좋은 제어력을 보여주었습니다.

연구팀은 또한 금속 내부에 남겨진 보이지 않는 힘인 잔류 응력(residual stress)도 살펴보았습니다. 그들은 굽힘을 최소화하는 용접 순서가 강철 내부의 높은 인장력이 발생하는 영역 또한 가장 작게 만든다는 것을 발견했습니다. 이는 높은 인장이 시간이 지남에 따라 금속의 균열을 유발할 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 시뮬레이션 결과, 최적의 순서는 응력을 보다 균형 있게 분포시킨 반면, 좋지 않은 순서는 강렬한 압력이 집중된 큰 포켓들을 남겼습니다. 물리적 실험과 컴퓨터 모델을 결합함으로써, 연구진은 변형이 어떻게 성장하는지, 그리고 각 용접 층이 얼마나 이를 교정할 수 있는지에 대한 수학적 설명을 만들어낼 수 있었습니다. 이러한 설명은 과정이 예측 가능한 곡선을 따르며 모델링을 통해 최종 형상을 예측할 수 있음을 보여주는 가이드북 역할을 합니다.

궁극적으로 이 연구는 두꺼운 강철 구조물을 제작하는 엔지니어들에게 명확한 로드맵을 제공합니다. 이는 용접을 적용하는 순서가 열을 사용하는 것만큼이나 중요하다는 점을 확인시켜 줍니다. 금속이 안착하기 전 격렬하게 흔들리는 단계를 거친다는 점을 이해하고, 그 흔들림을 관리하기 위해 대각선 교차 패턴을 사용함으로써, 제조업체는 낭비와 수리 횟수를 줄이면서 더 강하고 곧은 조인트를 생산할 수 있습니다. 이 연구는 최상의 결과를 얻기 위해서는 용접 계획이 초기 40%의 작업에 집중되어야 하며, 조인트 양측의 열을 지속적으로 균형 있게 맞추는 순서를 사용해야 한다고 제안합니다. 이러한 접근 방식은 복잡하고 예측 불가능한 문제를 관리 가능한 프로세스로 바꾸어 놓으며, 우리 세상을 지탱하는 거대한 강철 부품들이 설계대로 올바르게 유지되도록 보장합니다.