Laser-welded parts experience high local temperature and severe heating-cooling cycles which lead to large local residual stresses. These stresses introduce unacceptable degradation of mechanical properties of the weldment due to the nonlinear thermal processes during welding. Theoretical analyses and experimental investigations are performed to predict temperature distribution and the residual stresses of Nd-YAG laser-welded joints with various gap widths between the dissimilar steel such as austenitic (AISI304) and precipitation-hardening stainless steel (AISI630). Thermo-elasto plastic analyses are performed with three dimensional FE models to analyze the thermal and mechanical behavior for the laser-welded specimens. The specimens have a shape of pocket to optimize the weight of the structure consisting of thin skin(AISI304) and thick skeleton(AISI630). Considering Nd-YAG laser welding, pulse type moving heat source is applied to Gaussian heat profile. The residual stresses at the surface of the weldments are measured by instrumented indentation technique. The results of finite element analysis are compared with experimental data to verify the accuracy. The residual stresses and weld pool profiles show good agreement between theoretical and experimental results. The residual stresses of the welding joints with the smaller gap width are higher than those of the wielding parts with the larger gap width. For the welding joint with the larger gap width, the maximum longitudinal stress values at the yield stress level are observed. Weld pool profiles described by the underfill and penetration depth also depend upon the gap size. When the gap width is increased the magnitude of the underfill and penetration depth is also increased. The trend of these properties is opposite to that of the residual stress. Also, fatigue test are performed to estimate the fatigue strength for the laser-welded joints with gap. According to the results of the experiments, fracture is generated at lower fatigue strength than AISI304 base metal, and this reason is analyzed due to the residual stress produced during welding. The results of the test are showed that the position of the fracture is close to a part of fracture by tensile strength test load under a test of low cycle fatigue and to a part of weld pool under high cycle fatigue. That is, the position of the fracture is showed to be getting moved from pure base metal to a part of weld pool when the fatigue load is reduced. Also, it is figured out that the residual stresses obtained when the data of the experiments are analyzed are related to the fatigue life of each specimen gotten by the experiment. In other wards, fatigue strength is showed to have the order of gap width getting lower such as 0.2, 0.12, 0.06 under low cycle fatigue test, but 0.06, 0.20, 0.12 under high cycle fatigue test, this result is analyzed to tend to be same as value of residual stress obtained when the data of the experiment are analyzed at the position of fracture under fatigue test of each gap width. The most optimum value of the gap width is decided by comparing residual stress, deformation, tensile strength, and fatigue life on each gap width, and the value is defined to 0.2mm.
일반적으로 구조물의 용접부는 고입열로 국부적인 용융이 발생하고 열전도 과정에 따른 불균일한 온도분포가 발생한다. 이에 따라 불균일한 열변형이 발생하게 되고, 열응력이 유발되며, 소성변형이 잔류하여 냉각 후에는 비선형 소성변형과 잔류응력이 존재하게 되며, 그 크기는 모재의 항복응력 정도로 큰 응력이 발생하고 있다. 레이저 용접은 전체적인 입열양이 적으므로 변형은 작게 나타나나 입열량이 좁은 면적에 집중되므로 잔류응력 분포도 집중된다. 이러한 용접잔류응력은 용접이음부의 취성파괴강도 및 피로강도등의 역학적 제성질에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있어 용접구조물의 신뢰성을 한층 높이고 고품질화를 위해서는 사전에 용접잔류응력의 분포양상을 파악하여 이에 따른 설계를 수행하는 것이 중요하다. 특히, 물리적 및 기계적 성질의 차이가 있는 이종재질을 용접은 동종의 재질을 용접하는 것보다 위험요소를 더욱 많이 포함한다. 또한 반복하중을 받는 용접구조물의 건전성에 대한 신뢰도는 용접부의 피로강도에 의해 대부분 결정된다고 볼 수 있기 때문에 열전도에 의한 온도변화와 잔류응력의 예측 및 잔류응력이 피로강도에 미치는 영향 등을 정확히 파악하는 것이 용접구조물의 안전성과 접합성, 내구성 등의 판단에 매우 중요한 항목이다. 따라서 용접구조물 설계시 잔류응력을 고려한 피로강도에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다. 지금까지 틈새 크기를 고려한 Nd-YAG 용접부의 기계적 성질에 대한 이론적 정립 및 실험적 검증에 대한 연구는 미미한 상태이며, 특히 이종강을 포함한 연구는 전무한 상태이다. 따라서 본 연구의 목적은 다양한 틈새가 존재하는 이종강 Nd-YAG 용접부에 대한 기계적 성질을 도출하는 것이며, 그 증 핵심이 되는 열유동해석과 잔류응력해석을 수행하여 시험결과에 대한 해석 값의 타당성 검증을 통해 추후 틈새가 존재하는 이종강 펄스형 레이저 용접부 모델링시 활용하기 위한 것이다. 이를 위해 관련 열입력 모델을 정립하여 열유동해석을 수행하였으며, 시간에 대한 열입력을 구한후, 열탄소성해석을 통하여 레이저 용접부의 잔류응력 및 변형량을 계산하였다. 또한 AISI304 모재시편과 용접시편에 대한 피로시험을 수행하여 용접시편의 S-N 곡선과 모재시편의 S-N 곡선을 비교하였으며, 틈새크기 및 용접에 따른 잔류응력이 피로강도에 미치는 영향을 비교하였다. 이러한 자료들을 이용하여 기존에 인장강도시험을 통해 용접부의 건전성을 판단했던 것을 용접부에 내제 되어있는 잔류응력이 함께 고려된 피로강도시험을 통해 용접부 건전성을 판단할 수 있는 근거를 마련하였다. 또한 시험 및 해석결과들을 바탕으로 포켓형상 시편에 대해 용접부의 기계적 성질을 고려한 최적의 틈새크기를 결정할 수 있었으며, 그 크기를 0.2mm로 결정하였다. 따라서 본 연구를 통해 정립된 틈새가 존재하는 이종강 용접부에 대한 열입력 모델과 잔류응력 및 용접변형에 대한 수치해석 접근방법, 틈새 크기에 대해 추출한 S-N 선도를 활용하여 추후 유사 구조물의 기계적 성질에 대해 연구할 경우 본 연구절차 및 기법의 적용이 타당한 것으로 판단된다.
