[논문]맞대기 용접 강판재에서 압연 및 잔류응력에 의한 피로거동

이용복; 오병덕; 김성엽

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.7.826

맞대기 용접 강판재에서 압연 및 잔류응력에 의한 피로거동
Fatigue Behavior with Respect to Rolling and Residual Stress in Butt-welded Steel Plate 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.7 = no.250, 2006년, pp.826 - 832

이용복 (홍익대학교 기계.시스템디자인공학과) , 오병덕 (홍익대학교 대학원 기계공학과) , 김성엽 (홍익대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For the improvement of safety and endurance in welded steel structure, it is needed to consider welding residual stress distribution and rolling directional characteristics of materials. In this study, it was investigated experimentally about characteristics of fatigue crack propagation according to welding residual stress and rolling in FCAW(flux cored arc welding) butt-jointed steel plates. SS400 steel plates of 3mm thickness were selected and tested for this study. When the angles between tensile loading direction and rolling direction in welded materials are increased from $0^{\circ}\;to\;90^{\circ}$, their fatigue crack propagation rates are increased. These results are same as predicted increments of fatigue crack propagation rate when stress ratio is increased from 0 to 0.5. When the angles of rolling direction and welding direction to tensile loading direction are $0^{\circ}\;and\;90^{\circ}$ respectively, fatigue crack propagation rate in welded material is lowest.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이를 감안하여 일반적으로 구조물 강재로서 많이 사용되고 있는 SS400 압연강재를 선택하여 압연방향과 용접비드 방향을 일치시켜 FCAW 법에 의한 맞대기 용접을 하였고, 하중방향과 용접비드 방향 사이의 각도를 변화시켜 시험편을 제작하였다. 그리고 잔류응력 분포, 압연방향 및 하중방향에 따른 피로균열 특성을 파악하고자 하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 일반적인 구조물 재료로 많이 사용하고 있는 SS400 압연강판 재료를 사용하여 맞대기 용접을 하고, 재료의 압연방향과 용접으로 인한 잔류응력에 따른 피로거동에 대하여 고찰해 보고자 하였다.

제안 방법

2에 나타낸 5톤 용량의 피로시험기(Instron 8511)를 사용하였으며 우선 모재시험편의 압연방향에 따른 피로특성을 알아보기 위하여 Fig. 1(a)의 시험편을 Φ=0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분하여 피로시험을 수행하였다. 이때 시험데이터의 신뢰성을 갖도록 하기 위하여 하중 방향과 시험편 재료의 압연방향 각도별 3편 이상씩을 사용하였고, 예비균열은 시험하중 5% 이내의 높은 하중으로 양쪽 슬릿(slit)으로부터 2mm 피로 균열을 진전시킨 후 시험하중에 의하여 피로균열 진전시험을 수행하였다.
용접 시험편은 Fig. 1(b)에 보이는 바와 같고, 피로시험 전에 천공법^(9,10) (Mather's method)과 자기식 응력측정기 사용을 병행하여 잔류응력을 즉정하였고, Terada식을 이용하여 균열진전 부위로부터의 잔류응력 분포도를 구하였다. 그리고 압연 및 용접비드 방향을 같도록 하여 하중방향 각도 Φ=0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분하고, 모재시험편과 동일 방법 및 동일 조건으로 피로균열 진전시험을 수행하였다.
그리 고 용접재료의 용접비드 방향과 하중방향 사이의 각도(θ°)를 0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분하여 Fig. 1과 같은 규격으로 와이어 절단가공하고, 중앙에 Φ2mm의 구멍을 뚫고, 양쪽으로 0.1mm 폭과 2mm 길이의 슬릿(slit)을 방전가공 하였으며 그로부터 2mm 길이의 예비균열을 진전시켜 시험하도록 하였다. 시험편 재료의 화학적 성분은 Table 1과 같고, 용접조건은 Table 2와 같이 26V의 전압과 230A의 전류 및 121/min의 송출량, 40cm/min로서 용접을 수행하였다.
1(b)에 보이는 바와 같고, 피로시험 전에 천공법^(9,10) (Mather's method)과 자기식 응력측정기 사용을 병행하여 잔류응력을 즉정하였고, Terada식을 이용하여 균열진전 부위로부터의 잔류응력 분포도를 구하였다. 그리고 압연 및 용접비드 방향을 같도록 하여 하중방향 각도 Φ=0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분하고, 모재시험편과 동일 방법 및 동일 조건으로 피로균열 진전시험을 수행하였다. 피로균열진전길이 측정은 광학현미경과 전자현미경을 사용하여 l/100mm 이내의 정확도로 일정 사이클마다 반복 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 체계적으로 용접구조물의 피로거동을 파악하기 위하여 재료의 압연방향과 용접 방향을 일치시키고, 하중방향 각도를 0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분한 Fig. 1(b)의 시험편을 사용하였다. 용접 시험편의 잔류응력 분포는 용접비드 방향이 하중방향(시험편의 길이방향)과 일치(θ=0°)하는 경우를 기준으로 용접 잔류응력 측정값을 Terada의 분포식에 적용하여 각도에 따라 코사인(cosine)값으로 나타내었고, 용접부를 중심으로 양쪽으로 대칭하여 분포하므로 한쪽만의 분포도를 Fig.
본 연구를 위하여 일반구조물 재료로 많이 사용하고 있는 3mm 두께의 열간압연 강판재료인 SS400을 선택하였고, 용접은 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 법으로 수행하였으며 이때 두 강판을 압연방향과 일치시켜 맞대놓고, 용접열로 인한 과대변형을 방지하기 위하여 지그를 고정시킨 후 앞면과 뒷면 양쪽을 1패스로 맞대기 용접하였다.
것이 필요하다. 본 연구에서는 이를 감안하여 일반적으로 구조물 강재로서 많이 사용되고 있는 SS400 압연강재를 선택하여 압연방향과 용접비드 방향을 일치시켜 FCAW 법에 의한 맞대기 용접을 하였고, 하중방향과 용접비드 방향 사이의 각도를 변화시켜 시험편을 제작하였다. 그리고 잔류응력 분포, 압연방향 및 하중방향에 따른 피로균열 특성을 파악하고자 하였다.
1mm 폭과 2mm 길이의 슬릿(slit)을 방전가공 하였으며 그로부터 2mm 길이의 예비균열을 진전시켜 시험하도록 하였다. 시험편 재료의 화학적 성분은 Table 1과 같고, 용접조건은 Table 2와 같이 26V의 전압과 230A의 전류 및 121/min의 송출량, 40cm/min로서 용접을 수행하였다. 그리고 기계적 성질을 Table 3에 나타내었고, 피로시험편의 크기를 Fig.
1(b)의 시험편을 사용하였다. 용접 시험편의 잔류응력 분포는 용접비드 방향이 하중방향(시험편의 길이방향)과 일치(θ=0°)하는 경우를 기준으로 용접 잔류응력 측정값을 Terada의 분포식에 적용하여 각도에 따라 코사인(cosine)값으로 나타내었고, 용접부를 중심으로 양쪽으로 대칭하여 분포하므로 한쪽만의 분포도를 Fig. 8과 같이 나타내었다. Terada의 잔류응력 분포식 ⁽¹²⁾은
1(a)의 시험편을 Φ=0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분하여 피로시험을 수행하였다. 이때 시험데이터의 신뢰성을 갖도록 하기 위하여 하중 방향과 시험편 재료의 압연방향 각도별 3편 이상씩을 사용하였고, 예비균열은 시험하중 5% 이내의 높은 하중으로 양쪽 슬릿(slit)으로부터 2mm 피로 균열을 진전시킨 후 시험하중에 의하여 피로균열 진전시험을 수행하였다. 용접 시험편은 Fig.
그리고 압연 및 용접비드 방향을 같도록 하여 하중방향 각도 Φ=0°, 30°, 45°, 60° 및 90°로 구분하고, 모재시험편과 동일 방법 및 동일 조건으로 피로균열 진전시험을 수행하였다. 피로균열진전길이 측정은 광학현미경과 전자현미경을 사용하여 l/100mm 이내의 정확도로 일정 사이클마다 반복 측정하였다. 피로시험기를 Fig.

성능/효과

(1) 피로균열 진전속도는 하중방향과 압연방향 사이의 각도가 클수록 높게 나타나는데 이는 재료의 항복강도가 높을수록 연신률이 낮을수록 피로균열 진전속도가 높게 나타나는 현상과 관련되고 있음을 알 수 있다.
(2) 압연방향에 따른 인장강도의 변화는 미약하여 압연방향에 따른 피로균열 진전속도는 인장강도와 관련시킬 수 없음을 알 수 있다. 이와 같은 결과로 피로균열은 비교적 낮은 하중 하에서 진전하므로 취성거동을 하기 때문인 것으로 생각된다.
(3) 하중방향과 압연방향 사이의 각도가 0°로부터 90º까지 변하는 사이의 피로균열 진전속도 증가는 응력비를 R=0으로부터 0.5까지 증가시켰을 때의 피로균열 진전속도 범위 안에 있다.
(4) 용접재에서 하중방향에 대하여 모재의 압연방향을 0°로 하고, 용접비드 방향을 90°로 했을 때 피로균열 진전속도는 가장 낮게 나타나고 있다.

후속연구

⁽¹⁾ 따라서 이와 같은 강구조물의 설계를 위해서는 이들 과정에 의한 재료의 기계적 성질과 피로특성을 정확하게 파악하고, 그 결과를 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.^(2,3) 재료의 제조과정에서 발생되는 압연의 방향성과 용접에 의한 잔류응력은 강구조물에 필연적으로 존재하게 되어 구조물 안전에 영향을 주게 되므로 안전하고, 효율적인 설계를 위해서는 이들 영향에 대한 체계적인 연구가 필요하다.^4,5)그리고 이러한 구조물은 계속적인 반복하중을 받게 되므로 압연 및 잔류응력을 고려하여 피로특성을 파악하는 것이 중요하다.
그리고 압연방향이 90°인 경우 모재의 피로균열 진전속도는 가장 높게 나타나지만 낮게 분포하는 인장 잔류응력으로 균열초기에 피로균열 진전속도가 크게 나타나지 않고 있다. 이와 같은 경향으로 보아 만일 피로균열 진전속도가 가장 높게 나타나는 모재의 압연방향(θ=90°)과 용접인장 잔류응력이 가장 높게 나타나는 용접비드 방향θ=0°을 갖도록 용접구조물을 설계하여 하중이 용접비드 방향으로 작용하도록 한다면 매우 위험하게 될 것이다. 반대로 외부 하중방향에 대하여 압연방향을 0°로 하고, 용접방향을 90°로 한다면 가장 안전한 용접구조물을 설계할 수 있을 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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