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문제 정의
- 이를 고려하여 본 연구에서는 일반적으로 강 봉 구조물로 많이 사용하고 있는 SM45C 환봉을 선택하여 GMAW(CO2 Gas Metal Arc Welding) 용접법으로 맞대기 용접하였고 각 용접부위에 대한 회전 굽힘 시험을 하여 피로거동을 평가해 보고자 하였다. 그리고 최종적으로 이들 결과에 의한 Goodman의 식을 이용한 Haigh 선도로부터 무한 수명을 갖는 영역을 알아보고 SM45C 환봉 용접 재료를 사용하는 경우의 안전설계 응력 범위에 대하여 고찰해 보고자 하였다.
- 따라서 이들 조건에 따른 강 봉 용접부의 피로강도 향상을 위하여 그 기초 연구로서 용접부 각 경계에서의 기계적 성질은 물론 피로강도 특성을 정확하게 파악해 볼 필요가 있다. 이를 고려하여 본 연구에서는 일반적으로 강 봉 구조물로 많이 사용하고 있는 SM45C 환봉을 선택하여 GMAW(CO2 Gas Metal Arc Welding) 용접법으로 맞대기 용접하였고 각 용접부위에 대한 회전 굽힘 시험을 하여 피로거동을 평가해 보고자 하였다. 그리고 최종적으로 이들 결과에 의한 Goodman의 식을 이용한 Haigh 선도로부터 무한 수명을 갖는 영역을 알아보고 SM45C 환봉 용접 재료를 사용하는 경우의 안전설계 응력 범위에 대하여 고찰해 보고자 하였다.
- 일반 기계요소 및 구조물재료로 많이 활용하고 있는 SM45C 환봉재를 GMAW 용접법으로 맞대기 용접하여 용접부위의 피로거동을 파악해 보고 안전설계를 위한 무한수명 영역에 대하여 고찰해 보았다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- SM45C 환봉 맞대기 용접부에 대한 회전 굽힘 피로시험을 수행하기 전에 용접 각 부의 기계적 성질을 알아보기 위하여 먼저 인장시험 및 경도시험을 수행하였다. 인장시험은 100kN의 UTM을 사용하였고 각 용접부위의 기계적 특성을 파악하기 위하여 각 용접 부위별로 원둘레 U-노치를 가공한 시험편을 사용하였다.
- 용접재료에 대한 기계적 성질을 파악하기 위하여 경도 및 인장시험을 수행하였다. 경도시험은 Fig. 4에 보여주는 바와 같이 용착금속부의 중심 위치로부터 모재부로 이동하면서 0.2mm 간격으로 측정하였다. 그림에서 보여주는 바와 같이 용착금속부는 167Hv 정도의 경도 값을 갖고 용착금속부와 열영향부 경계에서 급작스럽게 경도가 증가하여 최고 200Hv 경도 값까지 나타나며 열영향부에서 급작스럽게 165Hv 경도 값까지 감소한다.
- 노치의 영향을 알아보기 위하여 모재의 평활재료 시험편에 대한 시험도 수행하였다. 경도시험은 용착금속부의 중심 위치로부터 0.2mm 간격으로 모재부로 이동시키며 마이크로 비커스(micro-vickers)경도를 측정하였다. 환봉 맞대기 용접재료의 피로수명 평가를 위하여 회전 굽힘 피로시험은 FTO-10(H) 형식의 회전 굽힘 시험기(Fig.
- 인장시험은 100kN의 UTM을 사용하였고 각 용접부위의 기계적 특성을 파악하기 위하여 각 용접 부위별로 원둘레 U-노치를 가공한 시험편을 사용하였다. 노치의 영향을 알아보기 위하여 모재의 평활재료 시험편에 대한 시험도 수행하였다. 경도시험은 용착금속부의 중심 위치로부터 0.
- 5mm의 원둘레 U-노치를 기계가공 하였다. 또한 용접부위의 경도 측정을 위하여 용접부 주위를 평탄하게 기계가공하고 경 연마(polishing) 후 부식시켜 각 경계가 명확하게 나타나도록 하여 경도 시험편을 준비하였다. 그리고 회전 굽힘 시험편은 Fig.
- 용접재료에 대한 기계적 성질을 파악하기 위하여 경도 및 인장시험을 수행하였다. 경도시험은 Fig.
- 이러한 사실로부터 재료의 인장강도 σu와 피로노치계수 Kf로부터 노치가 있는 재료의 피로수명 예측을 정확하게 할 수 있음을 알 수 있다. 용접재료에 대한 피로거동을 평가해 보기위하여 고 사이클 범위에서 회전 굽힘 피로시험을 수행하였고 모재의 평활재료와 노치재료의 피로시험 결과를 나타내면 Fig. 7과 같다. 모재의 평활재료 시험편의 피로강도와 피로한도에 대한 실험값은 기계적 성질로부터 예측한 값과 유사하며 노치재료 시험편의 피로수명곡선은 노치에 의한 피로응력집중계수 Kf의 영향을 받아 평활재료의 경우보다 피로 강도가 전반적으로 낮게 나타나고 있다.
- 1과 같이 표준 인장 시험편 규격으로 평활재 시험편(unnotched specimen)과 U-노치 시험편(U-notched specimen)을 준비 하였다. 이때 각 용접부위를 용착금속부(deposited metal zone), 용착금속부와 열영향부의 경계(the boundary between deposited metal zone and heat affected zone), 모재부(base metal zone)로 구별하여 각 부위를 중심으로 양쪽으로 대칭되도록 기계가공 및 경 연마(polishing)하고 부식시킨 후 노치 시험편은 각 위치에 반경 0.5mm의 원둘레 U-노치를 기계가공 하였다. 또한 용접부위의 경도 측정을 위하여 용접부 주위를 평탄하게 기계가공하고 경 연마(polishing) 후 부식시켜 각 경계가 명확하게 나타나도록 하여 경도 시험편을 준비하였다.
- (8) 이러한 현상은 상온에서 인발공정에 의하여 제조되므로 인하여 가공경화의 영향을 크게 받은 결과로 생각되며 열영향부가 가장 낮게 나타나고 용착금속부가 모재부에 비하여 현저하게 낮은 결과를 보이고 있는데 이 결과는 용접 시 높은 열로 가열된 후 상온에서 서서히 냉각 되어 재료가 연화된 결과라고 생각된다. 인장시험은 모재의 평활재 시험편과 노치 시험편 그리고 용접재료의 모재부, 열영향부, 열영향부와 용착금속부의 경계 및 용착금속부로 구분하여 수행하였다. 그 결과는 Fig.
- 3)를 사용하였고 하중하의 회전 굽힘 피로시험 중에 발생하는 열을 일정하게 유지시키기 위하여 공냉챔버(chamber)를 설치해서 실내 온도와 같은 18℃~20℃ 범위 내의 온도를 유지시키며 시험을 수행하였다. 하중조건은 각 시험편마다 4,5단계 하중을 사용하였으며 104~107 범위의 고 사이클에서 회전 굽힘 피로시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 2 와 같이 인장시험편의 경우와 같은 방법으로 준비 하였다. 각 부위의 시험편은 12편 이상씩 준비하여 4단계 시험 하중으로 구분하여 각 시험 하중에서 3편 이상씩 회전 굽힘 피로 시험을 수행할 수 있도록 준비 하였다. 시험편 재료의 기계적 성질 및 화학 성분은 Table 1 및 Table 2 와 같고 GMAW의 용접조건은 Table 3과 같다.
- 본 연구를 위하여 사용한 시험편 재료는 일반적으로 기계 구조물로 많이 사용하고 있고 상온에서 인발 공정에 의하여 제조된 지름 25mm의 SM45C 환봉을 선택하였고, 양 끝 면을 30º 경사지도록 원둘레로 기계가공한 후 60º 개선(groove) 형태로 맞대어 지그로 고정하고 회전시키며 GMAW 용접법에 의하여 3층 맞대기 용접 하였다. 그리고 우선 각 용접부위의 기계적 성질을 파악하기 위하여 Fig. 1과 같이 표준 인장 시험편 규격으로 평활재 시험편(unnotched specimen)과 U-노치 시험편(U-notched specimen)을 준비 하였다. 이때 각 용접부위를 용착금속부(deposited metal zone), 용착금속부와 열영향부의 경계(the boundary between deposited metal zone and heat affected zone), 모재부(base metal zone)로 구별하여 각 부위를 중심으로 양쪽으로 대칭되도록 기계가공 및 경 연마(polishing)하고 부식시킨 후 노치 시험편은 각 위치에 반경 0.
- 5에 보이는 바와 같다. 모재 평활재료 시험편의 경우 항복강도 666MPa, 인장강도 721MPa, 연신율 18%로 Table 1에 나타낸 바와 같고, 모재 노치재료는 항복강도 550MPa, 인장강도 612MPa, 연신율 18%이다. 그리고 열영향부, 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부의 노치 시험편은 항복강도 441MPa, 인장강도 595MPa, 연신율 18%로 각 부위에서 오차범위내의 유사한 기계적 특성을 보이며 모재 평활재료의 경우와 비교하여 노치영향(9)에 의한 응력집중을 받아 전반적으로 낮은 값들을 갖고 모재 노치재료와 비교하여 항복강도는 다소 차이를 보이나 인장강도와 연신율은 유사하게 나타나고 있다.
- 본 연구를 위하여 사용한 시험편 재료는 일반적으로 기계 구조물로 많이 사용하고 있고 상온에서 인발 공정에 의하여 제조된 지름 25mm의 SM45C 환봉을 선택하였고, 양 끝 면을 30º 경사지도록 원둘레로 기계가공한 후 60º 개선(groove) 형태로 맞대어 지그로 고정하고 회전시키며 GMAW 용접법에 의하여 3층 맞대기 용접 하였다.
- SM45C 환봉 맞대기 용접부에 대한 회전 굽힘 피로시험을 수행하기 전에 용접 각 부의 기계적 성질을 알아보기 위하여 먼저 인장시험 및 경도시험을 수행하였다. 인장시험은 100kN의 UTM을 사용하였고 각 용접부위의 기계적 특성을 파악하기 위하여 각 용접 부위별로 원둘레 U-노치를 가공한 시험편을 사용하였다. 노치의 영향을 알아보기 위하여 모재의 평활재료 시험편에 대한 시험도 수행하였다.
이론/모형
- 5mm)의 U-노치를 가공하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였기 때문에 순수한 용착금속부와 열영향부 사이의 경계만의 특정 값을 얻기가 곤란한 결과라고 생각한다. 이들 결과로부터 용접재의 무한수명을 갖는 영역의 응력범위를 알아보기 위하여 Goodman의 식을 이용한 Haigh 선도(18)로 나타내면 Fig. 9 및 Fig. 10과 같다. Fig.
- 2mm 간격으로 모재부로 이동시키며 마이크로 비커스(micro-vickers)경도를 측정하였다. 환봉 맞대기 용접재료의 피로수명 평가를 위하여 회전 굽힘 피로시험은 FTO-10(H) 형식의 회전 굽힘 시험기(Fig. 3)를 사용하였고 하중하의 회전 굽힘 피로시험 중에 발생하는 열을 일정하게 유지시키기 위하여 공냉챔버(chamber)를 설치해서 실내 온도와 같은 18℃~20℃ 범위 내의 온도를 유지시키며 시험을 수행하였다. 하중조건은 각 시험편마다 4,5단계 하중을 사용하였으며 104~107 범위의 고 사이클에서 회전 굽힘 피로시험을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 냉간 인발공정에 의한 가공경화로 인하여 모재부에서 경도와 인장강도가 가장 높게 나타나고 용접에 의하여 높은 열을 받은 후 상온에서 서서히 냉각됨으로서 용접부위가 연화되어 용착 금속부와 열영향부의 경도 및 인장강도는 낮게 나타난다.
- (2) 모재의 회전 굽힘 피로시험으로부터 노치재료는 평활재료에 비하여 피로강도가 현저히 낮게 나타나며 실제 평활재료 시험의 피로강도 값은 노치재료를 기준으로 기하학적 형상의 노치계수를 고려한 값보다 다소 낮게 나타난다.
- (3) 각 용접부위의 피로강도 값은 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부, 열영향부의 순으로 높게 나타나며 이 경향은 경도 값의 순서와 같다.
- (4) 모재부의 피로강도는 104 ~ 106 사이클 범위에서 낮은 사이클에서는 용접부위의 피로강도와 비교하여 높게 나타나고 있으며 높은 사이클 범위로 갈수록 피로강도가 현저히 감소하여 106 사이클 근방에서 가장 낮은 열영향부의 피로강도 값과 유사하게 나타난다. 이러한 경향은 모재의 인발공정으로 인한 초기의 높은 압축잔류응력이 오랜 반복하중으로 인하여 이완되고 경도 및 인장강도도 다소 연화되는 영향으로 생각된다.
- 이들 경도 시험결과는 대체적으로 후열처리 된 판재의 경도 값보다 현저히 높게 나타나고 있다.(8) 이러한 현상은 상온에서 인발공정에 의하여 제조되므로 인하여 가공경화의 영향을 크게 받은 결과로 생각되며 열영향부가 가장 낮게 나타나고 용착금속부가 모재부에 비하여 현저하게 낮은 결과를 보이고 있는데 이 결과는 용접 시 높은 열로 가열된 후 상온에서 서서히 냉각 되어 재료가 연화된 결과라고 생각된다. 인장시험은 모재의 평활재 시험편과 노치 시험편 그리고 용접재료의 모재부, 열영향부, 열영향부와 용착금속부의 경계 및 용착금속부로 구분하여 수행하였다.
- 6은 Peterson과 Neuber의 피로노치계수를 이용한 값과 실험값과의 비교를 나타낸 S-N선도 이다. Neuber에 의한 값보다 Peterson에 의한 예측 값이 실험값에 더 잘 일치함을 보이나 두 방법 모두 잘 일치하는 경향을 보여준다. 이러한 사실로부터 재료의 인장강도 σu와 피로노치계수 Kf로부터 노치가 있는 재료의 피로수명 예측을 정확하게 할 수 있음을 알 수 있다.
- 모재 평활재료 시험편의 경우 항복강도 666MPa, 인장강도 721MPa, 연신율 18%로 Table 1에 나타낸 바와 같고, 모재 노치재료는 항복강도 550MPa, 인장강도 612MPa, 연신율 18%이다. 그리고 열영향부, 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부의 노치 시험편은 항복강도 441MPa, 인장강도 595MPa, 연신율 18%로 각 부위에서 오차범위내의 유사한 기계적 특성을 보이며 모재 평활재료의 경우와 비교하여 노치영향(9)에 의한 응력집중을 받아 전반적으로 낮은 값들을 갖고 모재 노치재료와 비교하여 항복강도는 다소 차이를 보이나 인장강도와 연신율은 유사하게 나타나고 있다. 이들 결과로부터 모재의 경우 상온 인발공정에 의한 경화와 높은 압축잔류응력의 발생으로 인하여 모재가 초기에 용접부위에 비하여 높은 항복강도를 나타내고 있고, 평활재료의 인장강도가 노치재료의 인장강도 보다 높게 나타나는데 이 결과는 노치의 영향이라고 생각 된다.
- 이러한 경향은 상온에서 인발공정에 의하여 제조된 모재가 높은 압축잔류응력을 갖고 있고 기계적 성질에서 나타나는 바와 같이 높은 경도와 인장 강도를 갖고 있어 다소 높은 인장 작용하중을 받는 초기 사이클 범위에서 높은 피로강도 값을 보이다가 오랜 반복하중으로 인하여 고 사이클 범위에서 압축잔류응력이 이완되고 경도 및 인장강도도 다소 완화되어 나타나는 현상으로 생각된다. 이들의 결과는 기계적 성질에서 나타나는 바와 같이 경도와 인장강도의 높은 수준에 따라 피로강도가 높게 나타나고 압축잔류응력이 인장강도와 피로강도에 영향을 주고 있음을 알 수 있다.(16) 그리고 용착금속부와 열영향부의 경계부에서 다른 용접부위에 비하여 경도 값이 매우 급작스러운 증가를 보이며 높게 나타나고(17) 있으나 응력-변형률 선도상의 응력변화와 S-N선도 상의 피로강도 차이가 크게 차이를 보이지 않고 있는데 이것은 시험편을 위한 환봉 맞대기 용접 시 60o 개선하여 용접함으로서 용착금속부와 열영향부가 다소 혼합된 상태의 특성을 보이는 것이라 생각된다.
- 8과 같다. 피로강도는 열영향부와 용착 금속부의 경계, 용착금속부, 열영향부의 순으로 높게 나타나며 특히 모재부의 피로강도는 104 ~106사이클 범위의 104 사이클 근방에서 여러 용접부의 피로강도보다 높게 나타나고 있고 점점 고 사이클 쪽으로 갈수록 피로강도가 여러 용접부의 경우보다 급속하게 떨어지는 경향을 보이며 106 사이클에서 피로강도가 용접부위에서 가장 낮은 열영향부의 경우와 유사하게 나타나고 있다. 이러한 경향은 상온에서 인발공정에 의하여 제조된 모재가 높은 압축잔류응력을 갖고 있고 기계적 성질에서 나타나는 바와 같이 높은 경도와 인장 강도를 갖고 있어 다소 높은 인장 작용하중을 받는 초기 사이클 범위에서 높은 피로강도 값을 보이다가 오랜 반복하중으로 인하여 고 사이클 범위에서 압축잔류응력이 이완되고 경도 및 인장강도도 다소 완화되어 나타나는 현상으로 생각된다.
후속연구
- 10의 각 용접부위에 대한 Haigh 선도에서 무한수명 영역은 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부, 모재부, 열영향부의 순으로 크게 나타나고 있다. 따라서 본 연구에서 사용한 SM45C 환봉 맞대기 용접재료를 사용하여 기계구조물을 제작할 때 안전설계를 위해서는 무한수명 영역이 가장 낮게 나타나는 열영향부 영역의 범위를 기준으로 설계응력을 선택하는 것이 요구된다.
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