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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 선체구조용강의 용접 방법에 따른 최적의 용접방법을 찾고자 피로균열진전속도, 하한계 응력확대계수 등 피로균열진전 특성을 연구하여 용접부의 건전성 확보와 유지보수 비용의 절감을 통해 효율적인 사용적합성 평가를 하는 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- Fig. 2는 컴팩트(CT) 시험편으로, 두께 20 mm 판재에서 산소 절단기를 이용하여 압연방향이 하중 방향이 되게 L-T방향으로 채취하였고, 각부 치수는 ASTM-05의 기준에 따라 외형가공은 밀링 (Milling)으로, 노치 홈은 와이어커팅 방전가공기 (Wire cutting E.D.M)에서 노치 끝부분이 60° 의 각도에 노치 반지름 0.1mm가 되게 가공하였다
- 이에 비하여 피로 균열성장실험의 기본 역학인 선형탄성파괴역학은 이상적으로 날카로운 균열을 전제로 하고 있다. 따라서 기계 가공된 노치로부터 날카로운 예비균열을 성장시켜 가공된 노치의 영향과 균열 첨단모양 및 하중 이력으로 인한 영향을 감소하고 예상경로를 명확히 하기 위해 표면을 센드페이퍼 #1200으로 충분히 연마하였으며 25 ℃ 정도의 온도환경과 항복강도 이내의 응력 범위에서 ASTM E647-05 규정에 의거해 3 mm 의 피로예비균열을 주었다(4)-⑹.
- 4는 경도 분포를 조사하기 위해 마이크로비커스 경도기(MVK-H1)로 경도측정을 하였다. 모재 (Base metal) 와 용접방법별(SMAW, FCAW, SAW)의 경도분포를 조사하기 위해 시험편의 단면 부를 채취하여 열경화성 수지에 고정하고 폴리싱한 후, 측정하중은 500 g을 적용하여 압흔간격은 1 nnn로 하였다. 측정한 값은 Fig.
- 선체 구조용강의 수동용접 (SMAW), 반자동용접 (FCAW), 자동용접 (SAW)의 용접 방법과 응력 비 R=0.1, R = 0.3, R = 0.6으로 피로 균열진전 특성과 하한계 특성을 실험하여 다음과 같은 결과를 알 수 있었다.
- 2에 나타내었다. 용접은 V-groove의 양쪽 경사각이 40°가 되도록 시험편을 가공하여 아래보기자세로 다층용접을 실시하였으며, SMAW(Shielded Metal Arc Welding : 수동용접), FCAW(Flux Cored Arc Welding : 반자동용접), SAW(Submerged Arc Welding: 자동용접)로 각 용접방법별로 하였다. FCAW의 경우 실딩 가스는 CO가스를 사용했으며, 가스의 유량은 20 ℓ/min으로 공급하였다.
- 적용하중 파형은 정현파로 하고 적용 응력비는 R = 0.1, R = 0.3, R = 0.6, 주파수는 10 Hz로 하였다. 피로균열 길이 측정은 COD 클립게이지를 이용한 컴플라이 언스법으로 측정 하였으며 , ASTM E647-05에 의거 ZIK감소법으로 피로균열 진전이 정지될 때까지 실험하였다.
- 피로균열 진전실험은 Fig. 3의 전기유압서보 피로 시 험 기 (Instron 8821S, 100KN)에 의한 하중제 어 방식으로 실험 하였다. 파괴역 학 파라미터인 △K의 가감과 균열길이측정용 COD게이지의 출력 데이터를 처리하기 위한 컴퓨터로 구성되어있다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 재료는 선체 및 차량용 구조 합금강(JIS G 3458)으로서의 모재(Base metal) 와용접방법별 (SMAW, FCAW, SAW) 화학적 성분과 기계적 성질을 Table 1. 2에 나타내었다.
이론/모형
- 응력확대계수 범위 ZIK는 다음 식에 의해서 나타낸다. 본 실험에서는 ASTM E647-05 규정에 의거 △K 콘트롤에 의한 &감소방식을 이용하였는데 그 감소조건은 다음과 같다.
- 6, 주파수는 10 Hz로 하였다. 피로균열 길이 측정은 COD 클립게이지를 이용한 컴플라이 언스법으로 측정 하였으며 , ASTM E647-05에 의거 ZIK감소법으로 피로균열 진전이 정지될 때까지 실험하였다. 본 실험에 적용된 응력확대계수 범위 /K의 계산식은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 용접방법별 하한계 응력확대계수 △Kth에서는 SMAW가 가장 높고, FCAW, SAW 순으로 하한계 응력확대계수 (ZKth) 값은 da/dN-/K는 양 대수 직선관계의 영향으로 비례적인 관계를 나타내었다. 이는 용접법에 기인하는 것으로 잔류응력 및 열영향부의 열 및 압력의 영향으로 판단된다
- (2) SMAW 용접법이 FCAW, SAW에 비하여 피로 수명이 각 응력비 별 모두 향상되어 응력비의 영향을 나타내었다.
- (3) 피로균열파단면을 주사식 현미경(SEM)으로 관찰한 파단면의 균열의 성장은 정상적인 스트라이에이션을 형성하였고, 균열의 성장은 응력의 작용 방향에 대하여 수직으로 진행되었다.
- 같다. 각 용접방법에 있어서 SMAW용접재와 FCAW용접재가 SAW용접재와 모재에 비해 낮은 피로 균열속도를 나타내고 있음을 알 수가 있다. 또한 응력비가 높을수록 각 용접재의 피로 균열속도는 가속화되고 있는 경향이 나타났다.
- 10~13은 용접방법에 따른 하한계 응력확대계수(zlKth)와 피로균열진전지수(m)와의 관계를 나타낸 것이다. 각 응력비별 하한계 응력확대계수가 증가할수록 피로균열진전지수도 증가하는 양상을 나타내었다.
- 또 용접부의 잔류응력 및 열영향부(HAZ) 에서 변형과 수축으로 균열이 용접종단부에서 약간 내부로 균열이 전파되며 파단 되었음을 알 수 있었다.
- 각 용접방법에 있어서 SMAW용접재와 FCAW용접재가 SAW용접재와 모재에 비해 낮은 피로 균열속도를 나타내고 있음을 알 수가 있다. 또한 응력비가 높을수록 각 용접재의 피로 균열속도는 가속화되고 있는 경향이 나타났다.
- 용접방법에 따른 시험편의 각 지점의 3000배 확대한 사진이다. 파면의 양상을 미시적으로 관찰한 결과 피로파면의 전형적인 피로 줄무늬를 볼 수가 있으나, 연성이 큰 재료로서 피로 줄무늬 사이의 높이차가 다르게 형성되어 있는 것을 알 수가 있었다.
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