[논문]알루미늄 철도차량 차체 용접부의 강도 특성에 관한 연구

서승일

문제 정의

알루미늄 철도차량은 경량화와 함께 대형 압출재를 활용한 제작의 용이성, 완벽한 재활용에 의한 환경 친화성 등이 큰 장점이라고 할 수 있으나, 용접부의 결함에 따른 강도 취약성 등의 문제점도 있다. 본 논문에서는 알루미늄 철도차량을 개발하는 과정에서 문제시 되었던 용접부의 강도에 대한 연구결과를 소개하고자 한다.
본 연구는 국내 기술로 개발된 알루미늄 철도차량의 상용화 과정에서 수행된 용접부 강도 특성 결과를 소개 하였다. 차체의 주요 소재로 개발한 A6005A 합금 용 접부의 강도를 확인하기 위해 시편 및 부분구조, 차체 전체에 대해 정적하중 시험과 피로하중 시험을 실시하였다.

제안 방법

16에서 동일한 용접부 형상을 가진 시편에 대한 피로 설계 기준을 함께 표시하였다. ERAAS는 알루미늄 합금 용접부 피로강도 를 시편의 이음부 형상과 하중 조건별로 등급을 정하고 각 등급에 대해 S-N곡선으로 제시하고 있으므로, 차체의 이음부 형상과 하중 상태를 고려하여 ERAAS에서 해당되는 등급을 찾아서 Fig. 16과 같은 비교 결과를 얻었다. 시험 결과의 비교에 따르면, 시편 시험의 피로 강도는 차체 전체의 피로강도와 유사한 결과를 주고 있음을 확인할 수 있다.
기하학적 영향을 고려하여 A6005A 압출재 용접부의 피로강도를 파악하기 위해 Fig. 7 및 Fig. 8과 같은 부분 구조 시편에 대해 3점 굽힘 피로시험을 수행하였다. 부분 구조 시편 제작을 위한 용접 조건은 Table 4와 같다.
피로 하중시험 결과는 동적 하중에 의한 차체의 동적 응답에 따라 균열이 차체 중앙에서 최초로 발생함을 보여주었다. 또한 동일이음부의 시편 시험에 의한 피로 설계 기준과 차체 피로시험 결과를 비교하여 피로 설계 기준의 적용 가능성을 확인하였다.
철저한 시공을 통한 부분용입의 방지와 부분용입을 원천적으로 차단할 수 있도록 설계 변경이 필요하다. 상업용 차체의 설계시 에는 Fig. 11과 같은 부분 용입에 의한 균열이 방지될 수 있도록 차체 전체를 파형의 심재(core)가 있는 중공 압출재 (hollow section)로 설계하였다
알루미늄 합금 용접부의 경우, 앞에서 기술한 바와 같이 결함이 많이 존재하여 피로강도가 취약하므로 시제차의 경우에는 차체 전체에 대해 피로하중 시험을 실시함으로써 강도를 입증할 필요가 있다. 실제 철도차량이 운행 중에 받는 반복하중을 재현하기 위해 Fig. 12와 같이 차체에 최대 하중을 적재하고 대차와 연결된 볼스터 부분에 유압가진기로 차체가 받을 수 있는 가속도 0.2g를 반복적으로 재현하였다. 차체에는 정하중 시험과 마찬가지로 스트레인게이지를 부착하여 응력을 계측하고 하중을 받는 전체 과정을 계측시스템을 이용하여 저장하고 분석하였다.
4에 나타난 바와 같이 인장강도를 저하시킬 뿐만 아니라 반복하중 하의 피로강도도 저하시킨다. 압출재 용접부에서 추출한 Fig. 5와 같은 인장시편에 대해서 편진 피로 강도 시험을 수행하였다. Fig.
인장 시편의 피로시험 결과는 동일 시편의 피로 설계 기준값과 유사한 경향을 보여 주었으나, 용접부의 결함 정도에 따라 피로강도의 편차가 심함을 보여주었다. 용접부 형상 효과를 고려하기 위한 부분구조 시편에 대해 피로시험을 실시하고 유사 용접 이음부의 피로 강도 기준과 비교하였다. 차체 전체의 정적 하중시험 결과는 응력 집중부의 철저한 시공관리를 통해 루트부의 부분 용입을 방지해야 함을 말해 주었고, 부분 용입의 근원적인 방지를 위해서는 차체 설계 변경이 필요함을 제시하고 있다.
기공의 감소를 위해서는 용접시의 수소원이 될 수 있는 수분 또는 불순물의 제거가 필수적이고, 고온 균열의 방지를 위해서는 용접봉의 적절한 선정이 중요하다. 일반적으로 5000계 열과 6000계열의 합금에는 E5356 용접봉을 많이 사용하므로 본 연구 과정에서도 A6005A 압출재 용접을 위해 E5356 용접봉을 사용하였으나, 고온균열이 심각히 발생하는 경우에는 E4043용접봉을 사용하여 고온 균열을 감소시키도록 노력하였다. E4043용접봉을 사용하는 경우 용착금속의 인장강도는 다소 저하되는 경향이 있었다.
2g를 반복적으로 재현하였다. 차체에는 정하중 시험과 마찬가지로 스트레인게이지를 부착하여 응력을 계측하고 하중을 받는 전체 과정을 계측시스템을 이용하여 저장하고 분석하였다. Fig.
본 연구는 국내 기술로 개발된 알루미늄 철도차량의 상용화 과정에서 수행된 용접부 강도 특성 결과를 소개 하였다. 차체의 주요 소재로 개발한 A6005A 합금 용 접부의 강도를 확인하기 위해 시편 및 부분구조, 차체 전체에 대해 정적하중 시험과 피로하중 시험을 실시하였다. 인장 시편의 피로시험 결과는 동일 시편의 피로 설계 기준값과 유사한 경향을 보여 주었으나, 용접부의 결함 정도에 따라 피로강도의 편차가 심함을 보여주었다.

대상 데이터

국내 철도차량에 적용되는 알루미늄 합금 소재로, 압출재에 대해서는 A6005A와 판재에 대해서는 A5083이 주로 활용되고 있다 광주시 지하철 및 한국형 고속열차의 차체를 이루는 지붕구조, 측구조, 하부구조, 단부구조가 모두 A6005A 압출재를 사용하여 제작되었다. 전두부의 곡면을 이루는 일부 판재는 A5083을 사용하였다.
국내 철도차량에 적용되는 알루미늄 합금 소재로, 압출재에 대해서는 A6005A와 판재에 대해서는 A5083이 주로 활용되고 있다 광주시 지하철 및 한국형 고속열차의 차체를 이루는 지붕구조, 측구조, 하부구조, 단부구조가 모두 A6005A 압출재를 사용하여 제작되었다. 전두부의 곡면을 이루는 일부 판재는 A5083을 사용하였다. A5083은 기존에 선박이나 내식성 구조용 재 질로 사용실적이 많은 범용 재질이나 A6005A는 철도 차량용 대형 압출재 생산을 위한 알루미늄 합금 소재로서 본 연구를 통해 개발되었다.
피로 시험에 사용된 시험기는 50톤 용량의 유압식 피로시험기이며, 시험기에 장착된 50톤 용량의 로드셀 (load cell)을 이용하여 하중을 측정하였다. 하중 주파수는 3~5 Hz이고 최대하중 범위는 1, 100 1, 800 kg이며 최소하중은 100 kg이다.

성능/효과

16과 같은 비교 결과를 얻었다. 시험 결과의 비교에 따르면, 시편 시험의 피로 강도는 차체 전체의 피로강도와 유사한 결과를 주고 있음을 확인할 수 있다.
차체 전체의 정적 하중시험 결과는 응력 집중부의 철저한 시공관리를 통해 루트부의 부분 용입을 방지해야 함을 말해 주었고, 부분 용입의 근원적인 방지를 위해서는 차체 설계 변경이 필요함을 제시하고 있다. 피로 하중시험 결과는 동적 하중에 의한 차체의 동적 응답에 따라 균열이 차체 중앙에서 최초로 발생함을 보여주었다. 또한 동일이음부의 시편 시험에 의한 피로 설계 기준과 차체 피로시험 결과를 비교하여 피로 설계 기준의 적용 가능성을 확인하였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

알루미늄 철도차량 차체 용접부의 강도 특성에 관한 연구
A Study on the Strength Characteristics of Welded Joints in Aluminum Carbody of Rolling Stock 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

알루미늄 철도차량 차체 용접부의 강도 특성에 관한 연구 A Study on the Strength Characteristics of Welded Joints in Aluminum Carbody of Rolling Stock 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

서승일 (56)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

알루미늄 철도차량 차체 용접부의 강도 특성에 관한 연구
A Study on the Strength Characteristics of Welded Joints in Aluminum Carbody of Rolling Stock 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper