[논문]굴삭기 버킷 용접부의 피로수명에 관한 연구

박경동; 정재욱

문제 정의

건설장비(굴삭기)의 어태치먼트 부분, 특히 버킷(Bucket)에균열발생으로 인한 잦은 클레임(Claim)이 걸려서 동일재료에 용접법을 달리하여 피로시험을 실시, 용접 방법에서 균열발생의 원인을 찾고자하였다. 용접 구조용강 SM490A를 맞대기 용접하고, 각각의 용접법을 달리한 3가지 종류의 시험편에 주파수 10Hz로 상온에서 피로크랙전파시험을 실시한결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이처럼 피로하중 하에서 각각 시험편의 S-N 선도를 산출하여 현재 산업현장에서 문제점으로 지적되고 있는 굴삭기 버킷의 용접부에 대한 피로 수명을 구하여 작업성의 효율증대와 산업현장에서의 안전에 기여하고자 한다.

제안 방법

2는 시편의 형상과 치수를 나타내었다. 3가지 경우 모두 맞대기용접을 실시하였으며, 용접방법에 따른 피로한도를 알아보기 위해 Case 1의 경우 백비드가 형성되지 않도록 백플레이트(Back plate)와의 Gap이 0이 되게 하였으며, Case2는 백비드가 형성되게끔 백플레이트와 시험편 사이에 2mm의 Gap을 주었다. Case 3는 육성용접법을 실시하였는데, 이면에 원패스 용접 후 가우징을 실시하고 나머지 부분은 육성용접 하였다.
용접 구조용강 SM490A를 맞대기 용접하고, 각각의 용접법을 달리한 3가지 종류의 시험편에 주파수 10Hz로 상온에서 피로크랙전파시험을 실시한결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
측정하여 비교한 것이다. 저응력 구간은 각 시험편 항복응력의 50%, 중간응력 구간은 각 시험편 항복 응력의 60%, 고응력 구간은 각 시험편 항복응력의 70%일때를 기준으로 비교하였다. Fig.
피로균열진전실험은 전기유압서보 피로시험기(Instron 8821S, 100KN) 에 의한 하중제어 방식으로 실험하였다. 적용 하중 파형은 정현파(사인파)로 하고 주파수는 10Hz로 하였으며, 피로균열진전 사이클측정은 시험기에 연결된 컴퓨터로 측정하였다. 본 실험은 ASTM E 466에 따라 실험하였으며 Fig.
피로균열진전실험은 전기유압서보 피로 시험기에 의해 주파수는 10Hz, 피로균열 사이클 측정은 연결된 컴퓨터에 의해 상온에서 각각의 시험편을 실험하였다. Fig.
피로균열진전실험은 전기유압서보 피로시험기(Instron 8821S, 100KN) 에 의한 하중제어 방식으로 실험하였다. 적용 하중 파형은 정현파(사인파)로 하고 주파수는 10Hz로 하였으며, 피로균열진전 사이클측정은 시험기에 연결된 컴퓨터로 측정하였다.

대상 데이터

주파수는 10Hz로 진행하였으며, 균열길이는 100,000 Cycle 마다 측정하였다. 각 시험편은 상온에서 동일재료(SM490A)를 사용하였으며, 각각 용접방법을 달리하여 실험하였다.
본 연구에 사용된 시험편은 건설기계 중 굴삭기 구조용강으로 쓰이는 SM490A이며, 이 재료와 Weld Metal과 Filler Metal의 화학적 성분은 Table 1, 3와 같고, Table 2는 기계적 성질이다.
본 연구에서는 국내 건설기계 중 톡히 굴삭기의 구조용강으로 많이 사용되고 있는 SM490A를 대상으로 용접방법을 달리한 시험편을 제작하여 피로시험을 수행하였다. 용접은 맞대기(BUTT)용접을 하였는데, 맞대기 용접부는 미용착부가 생기기 쉽고 피로 하중이 가해지는 경우 미용착부 선단에서 균열 발생과 진전이 용이해져 부재의 안전성이 급격히 저하되는 치명적인 위험성을 내포하고 있다.

이론/모형

적용 하중 파형은 정현파(사인파)로 하고 주파수는 10Hz로 하였으며, 피로균열진전 사이클측정은 시험기에 연결된 컴퓨터로 측정하였다. 본 실험은 ASTM E 466에 따라 실험하였으며 Fig. 3 은 전기유압서보 피로시험기이다.

성능/효과

1) Fig. 5〜8의 응력(S)-사이클(N) 선도에서 Case 2 와 Case 3의 경우는 피로한도가 각각 80.55MPa 79.95MPa로 비슷한 수치를 나타내지만, Case 1의 경우는 피로한도가 현저히 낮은 약 72.24MPa로 나타났다. 따라서 Case 1의 용접방법 보다는 Case 2나 Case 3의 용접방법을 사용하는 것이 재료의 수명을 높이는데 좋을 것으로 판단된다.
2) 응력 S와 사이클수 N, 크랙길이 a와 사이클수 N 과의 관계를 통해 피로한도는 Case 2가 가장 높게 나타났으며 SM490A를 용접시 Case 2의 용접방법을 사용하는 것이 가장 안정적일 것으로 판단된다. 단 균열진전에 있어서는 Case 3가 균열진전 지연효과가 가장 좋은 것으로 확인되었다.
3) 비드형상 및 용접표면 상태도 재료의 피로수명에 영향을 미치는데, 톡히 Case 1과 Case 2의 경우와 같이 백플레이트와의 간격이나 Case 3의 경우와 같이 비드와 표면의 경계면은 노치의 역할을 하여 피로균열의 시작점이 된다. 본 실험에서도 이와 같은 요인들이 작용한 것으로 생각된다.
3가지 경우의 시험편 모두 항복응력의 약 48% 부근에서 피로한도가 발생하였으며, Case 1의 경우는 Case 2와 Case 3의 경우보다 낮은 것을 알 수 있는데, 이것으로 미루어 보아 용접방법에 따라 피로 한도에 차이가 있는 것을 알 수 있었으며, 백플레이트에 2mm의 Gap을 주어 백비드가 생성되게 한 Case 2와 이면에 초층용접한 뒤 나머지를 육성용접한 Case 3 의 경우는 거의 차이가 없었다. 그 결과는 Table 4에 나타내었다.
단 균열진전에 있어서는 Case 3가 균열진전 지연효과가 가장 좋은 것으로 확인되었다. 이는 용접 잔류응력의 영향이라고 생각되며, 차후에 좀더 자세한 연구가 필요한 부분이라 하겠다.
피로한도는 Case 2와 Case 3가 비슷한 결과치를 보이나 일단 균열이 시작되면 균열초기를 제외한 나머지 응력구간에서는 Case 3의 용접법이 가장 좋은 사이클 수명을 나타내었고 Case 2와 Case 1을 비교하면 Case 2의 경우는 고응력 구간에서, Case 1의 경우는 저응력 구간에서 사이클 수명이 더 우수한 것으로 판단된다.

후속연구

단 균열진전에 있어서는 Case 3가 균열진전 지연효과가 가장 좋은 것으로 확인되었다. 이는 용접 잔류응력의 영향이라고 생각되며, 차후에 좀더 자세한 연구가 필요한 부분이라 하겠다.

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