대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.675-680
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2002
Cracking and bulging in welded and internally lined pressure vessels that work in thermal-mechanical cycling service have been well known problems in the petrochemical, power and nuclear industries. However, published literature and industry surveys show that similar problems have been occurring during the last 50 years. A better understanding of the causes of cracking and bulging causes is needed to improve the reliability of these pressure vessels. This study attempts to add information required for increasing the knowledge and fundamental understanding required. Typical examples of this problem are the coke drums in the delayed coking units refinery process. This case was selected for experimental work, field study and results comparison. Delayed coking units are among the refinery units that have higher economical yields. To shut down these units represents a high negative economical impact in refinery operations. Also, the maintenance costs associated with repairs are commonly very high. Cracking and bulging occurrences in the coke drums, most often at the weld areas, characterize the history of the operation of delayed coking units. To design and operate more robust coke drums with fewer problems, an improved metallurgical understanding of the cracking and bulging mechanisms is required. A methodology that is based field experience revision and metallurgical analyses for the screening of the most important variables, and subsequent finite element analyses to verify hypotheses and to rank the variables according to their impact on the coke drum lives has been developed. This indicated approach provides useful information for increasing coke drum reliability. The results of this work not only order the most important variables according to their impact in the life of the vessels, but also permit estimation of the life spans of coke drums. In conclusion, the current work shows that coke drums may fail as a combination of thermal fatigue and other degradation mechanisms such as: corrosion at high and low temperatures, detrimental metallurgical transformations and plastic deformation. It was also found that FEA is a very valuable tool for understanding cracking and bulging mechanisms in these services and for ranking the design, fabrication, operation and maintenance variables that affect coke drum reliability.
The microstructural characteristics and low temperature tensile properties between $25^{\circ}C$ and $-196^{\circ}C$ for as-welded and age hardened specimen by using Al 5083-H321 for base metal, 5083-5356 and 5083-4043 weldments have been investigated. The hardness of 5083-5356 weldment decreases with aging treatment, whereas the weld region of 5083-4043 weldment shows remarkable increase in hardness after aging due to the precipitation of fine Si particle at the grain boundaries and interiors. Low temperature tensile properties of 5083 AI base metal, 5083-5356 and 5083-4043 weldments appear to be the increment of tensile strengths and elongations at the room temperature and $-196^{\circ}C$, while the decrement of tensile properties around $-50^{\circ}C$ is shown. Through the observation of fine serration to fracture in the stress-strain curve and tensile fractography, the increment of localized deformation leading to promote the neck initiation and the increment of the dimple size cause to decrease in tensile strengths and elongations around $-50^{\circ}C$. For the tensile specimen of the 5083 base metal, 5083-5356 and 5083-4043 weldments, the reason to increase in elongation after solution and aging treatment is the diminishment of fine pit, the resolution of Mg into the matrix and the spheridization of the eutectic Si.
Use of sheet metal structure is increased in various fields such as automobile, aerospace and communication equipment industry. When this structure is welded, welding distortion is generated due to the non-uniformity of temperature distribution. Recently welding distortion becomes a matter of great importance in the structure manufacture industry because it deteriorates the product's quality by bringing about shape error. Accordingly many studies for solving the problems by controlling the welding distortion are being performed. However, it is difficult to remove all kinds of distortion by welding process, though various kinds of methods for reducing distortion are applied to production. Consequently, straightening process is operated if the high precision quality is requested after welding. The local heating method induces compression plastic deformation by thermal expansion in the heating stage and then leaves constriction of length direction in the cooling stage. Accordingly, in the case of sheet metal structure, straightening effect is expected by heating for the part of distortion. This study includes numerical analysis of straightening effect by the local heating method in distortion comes from production of welded sheet metal structure. Particularly straightening effect followed by dimensions of heating area is analyzed according to the numerical analysis. The numerical analysis is performed by constructing 3-dimensional finite element model for 0.4mm stainless steel-sheet metal. Results of this study confirm that straightening effect changes as heating area increases and the optimum value of heating area that proves the maximum straightening effect exists.
This study was carried out to investigate the optimum condition of a friction stir welding process for a joint of AA2219-T87 and AA2195-T8 dissimilar aluminum alloys. These alloys are known to have good cryogenic properties, and as such to be suitable for use in fuel tanks of space vehicles. The welding parameters include the travelling speed, rotation speed and rotation direction of the tool. The experiment was conducted under conditions in which the travelling speed of the tool was 120-300 mm/min and the rotation speed of the tool was 400-800 rpm. To investigate the effect of the rotation direction of the tool, the joining was performed by switching the positions of the two dissimilar alloys. After welding, the microstructure was observed and the micro-hardness were measured; non-destructive evaluation was carried out to perform tensile tests on defect-free specimens. The result was that the microstructure of the weld joint underwent dynamic recrystallization due to sufficient deformation and frictional heat. The travelling speed of the tool had little effect on the properties of the joint, but the properties of the joint varied with the rotation speed of the tool. The conditions for the best joining properties were 600 rpm and 180-240 mm/min when the AA2219-T8 alloy was on the retreating side(RS).
The Friction Stir Welding(FSW) has mainly been used for making butt joints in Al alloys. Development of Friction Stir Lap Welding(FSLW) would expand the number of applications. Microstructure of FSLW in A5052-H112 alloy was investigated under varying rotation and welding speed. As the rotation speed was increased and the welding speed was decreased, a amount of heat was increased. As a result, bead interval was narrower, bead width are larger, and experimental bead interval was almost similar to theoretical bead interval. Typical microstructures of FSLW A5052-H112 alloy consist of three zones, including Stir Zone(SZ), Thermo-Mechanically Affected Zone(TMAZ) and Heat Affected Zone(HAZ). As a amount of heat was increased, average grain size was larger in three zones. Nevertheless, the aspect ratio was almost fixed for FSLW conditions. The misorientation of SZ, HAZ and TMAZ was examined. A large number of low angle grain boundaries, which were formed by severe plastic deformation, were showed in TMAZ as comparison with SZ and HAZ. Microhardness distribution was high in order of BM, SZ, TMAZ, and HAZ. The Micro-hardness distribution in HAZ, TMAZ of upper plate were lager than lower plate. Relationship between average grain size and microhardness was almost corresponded to Hall-Petch equation.
선박의 건조과정이나 압력용기의 몸체 부분을 용접할 경우 많이 사용되는 SAW(Submerged Arc Welding)는, 용접 부위에 분말 형태의 용제(Flux)를 일정 두께로 살포하고 그 속에 전극 와이어를 연속적으로 공급하여 용접이 이루어지는 방법으로 용접 시 발생되는 아크열이 외부로 노출되지 않는 특징이 있으며, 잠호용접으로 불리기도 한다. 또한 1,500~3,000A의 전류까지 통전 할 수 있는 고전류 용접이 가능하며 아크효율이 95% 이상, 미세한 금속 산화물 입자인 Welding Fume 발생량이 적고 아크광선이 외부로 노출되지 않아 청정한 작업이 가능하며 용입이 깊고 결함이 잘 발생하지 않아 용접 이음부의 신뢰도가 높다. 본 연구에서는 SM490C-TMC 후판을 서브머지드 아크용접(SAW)을 이용하여 이종 용접한 후 용접부의 기계적 특성을 인장, 경도, 매크로, 자분탐상 검사 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 굽힘 시험 결과 시료에서 표면의 터짐 현장이 발생하지 않았고 기타 결점의 유무를 확인할 수 없었으며, 이는 용접 이후 소성변형 과정에서도 충분한 인성을 발휘하고 있는 것으로 나타났으며, 1F 용접 방법이 굽힘 성능에 문제가 없는 것으로 판단되었다.
Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification (UNSM) is a peening technology that generates elastic-plastic deformation on the material surface to which a static load of a air compressor and a dynamic load of ultrasonic vibration energy are applied by striking the material surface with a strike pin. In the UNSM-treated material, the structure of the surface layer is modified into a nano-crystal structure and compressive residual stress occurs. When UNSM is applied to welds in a reactor coolant system where PWSCC can occur, it has the effect of relieving tensile residual stress in the weld and thus suppressing crack initiation and propagation. In order to quantitatively evaluate the compressive residual stress generated by UNSM, many finite element studies have been conducted. In existing studies, single-path UNSM or UNSM in a limited area has been simulated due to excessive computing time and analysis convergence problems. However, it is difficult to accurately calculate the compressive residual stress generated by the actual UNSM under these limited conditions. Therefore, in this study, a minimum finite element peening analysis area that can reliably calculate the compressive residual stress is proposed. To confirm the validity of the proposed analysis area, the compressive residual stress obtained from the experiment are compared with finite element analysis results.
In this study, to explore the working performance of the CFST split spherical node wind power tower, two groups of CFST split spherical joint plane towers with different web wall thicknesses and a set of space systems were analyzed. The tower was subjected to a low-cycle repeated load test, and the hysteresis and skeleton curves were analyzed. ABAQUS finite element simulation was used for verification and comparison, and on this basis parameter expansion analysis was carried out. The results show that the failure mode of the wind power tower was divided into weld tear damage between belly bar, high strength bolt thread damage and belly rod flexion damage. In addition, increasing the wall thickness of the web member could render the hysteresis curve fuller. Finally, the bearing capacity of the separated spherical node wind power tower was high, but its plastic deformation ability was poor. The ultimate bearing capacity and ductility coefficient of the simulated specimens are positively correlated with web diameter ratio and web column stiffness ratio. When the diameter ratio of the web member was greater than 0.13, or the stiffness ratio γ of the web member to the column was greater than 0.022, the increase of the ultimate bearing capacity and ductility coefficient decreased significantly. In order to maximize the overall mechanical performance of the tower and improve its economy, it was suggested that the diameter ratio of the ventral rod be 0.11-0.13, while the stiffness ratio γ should be 0.02-0.022.
The collapse behavior observed in single-story beam-column assembly (SSBCA) do not accurately represent the actual overall stress characteristic of multi-story frame structure (MSFS) under column loss scenario owing to ignoring the interaction action among different stories, leading to a disconnection between the anti-collapse behaviors of "components" and "overall structures", that is, the anti-collapse performance of frame structures with two different structural scales has not yet formed a combined force. This paper conducts a numerical and theoretical study to explore the difference of the collapse behaviors of the SSBCA and MSFS, and further to reveal the internal force relationships and boundary constraints at beam ends of models SSBCA and MSFS. Based on the previous experimental tests, the corresponding refined numerical simulation models were established and verified, and comparative analysis on the resistant-collapse performance was carried out, based on the validated modeling methods with considering the actual boundary constraints, and the results illustrates that the collapse behaviors of the SSBCA and MSFS is not a simple multiple relationship. Through numerical simulation and theoretical analysis, the development laws of internal force in each story beam under different boundary constraints was clarified, and the coupling relationship between the bending moment at the most unfavorable section and axial force in the composite beam of different stories of multi story frames with weld cover-plated flange connections was obtained. In addition, considering the effect of the yield performance of adjacent columns on the anti-collapse bearing capacities of the SSBCA and MSFS during the large deformation stages, the calculation formula for the equivalent axial stiffness at the beam ends of each story were provided.
본 연구는 단조가력 하중을 받는 실물크기 비닐온실의 기둥-서까래-도리 접합부의 역학적거동을 알아보기 위해 현장에서 시공되고 있는 두 가지 형식의 실험체로 구조실험을 수행하였다. 실험결과를 바탕으로 두 가지 형식의 접합부에 대해서 휨성능을 분석하고 접합부 분류를 시도하였다. Type B는 Type A에 비해 휨 성능이 77% 수준으로 나타났으며 두 형식 모두 강성 및 휨내력이 강접합 수준에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 기둥-서까래-도리 접합부의 거동은 용접부 및 체결구 변형에 의한 국부좌굴이 지배적이었다. AISC 기준에 의한 접합부 분류 결과, Type A와 B 접합부 모두 설계 시 가정하는 강접합 성능에 미치지 못하는 결과를 보였으며 단순 접합으로 분류되는 것으로 나타났다. 따라서 접합부 성능평가 및 분류 결과, 접합부 성능을 고려한 온실 설계가 이루어져야 하며 신뢰성 높은 온실 구조설계를 위해서 온실 접합부에 대한 명확한 설계기준 정립 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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