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문제 정의
- 일반 기계구조물로 많이 활용하고 있는 SM45C 강봉 재를 GMAW 용접법으로 맞대기 용접하여 용접 부위의 기계적 성질과 피로수명에 대하여 고찰해 보았다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 강 봉 맞대기 용접부의 회전 굽힘 피로시험을 수행하기 전에 용접 각 부의 기계적 성질을 알아보기 위하여 먼저 인장시험 및 경도시험을 수행하였다. 인장시험은 100 kN의 UTM을 사용하였고, 각 용접부위의 특성을 파악하기 위하여 모재부, 열영향부, 용착금속부와 열영향부의 경계 그리고 용착금속부로 구별하여 시험을 수행하였다.
- 및 인장시험을 수행하였다. 경도시험은 Fig. 4에 보여주는 바와 같이 용착금속부의 중심 위치로부터 모재 부로 이동하면서 0.2 mm 간격으로 측정하였다. 용착금속 부는 167 Hv 정도의 경도치를 갖고 용착금속 부와 열영향부 경계에서 급격하게 경도가 증가하여 최고 200 Hv로 나타나며, 열영향부에서 급작스럽게 경도가 감소하여 165 Hv로 감소한다.
- 노치의 영향을 알아보기 위하여 모재의 평활재료 시험편(un-notched specimen in base metal) 에 대한 시험도 수행하였다. 경도시험은 측정 부위를 평탄하게 위치시키고 용착금속부로부터 모재부로 이동시키며 마이크로 비커스(micro-vickers)경도를 측정하였다. 회전 굽힘 피로시험은 FTO-IO(H) 형식의 회전 굽힘 피로시험기(Fig.
- 그리고 양 끝 면을 30 경사지도록 원둘레로 기계가공하고 6CT 개선(groove) 형태로 맞대어 지그로 고정한 후 회전시키며 GMAW에 의하여 3층 맞대기 용접 하였다. 기계적 성질을 파악하기 위하여 표준 인장시험편을 기계 가공한 후 용접부 주위를 경연마(polishing)하고 부식 시켜 용착금속부의 중앙, 용착금속부와 열영향부의 경계, 열영향부 그리고 모재부의 각 위치에 반경 0.
- 그리고 양 끝 면을 30 경사지도록 원둘레로 기계가공하고 6CT 개선(groove) 형태로 맞대어 지그로 고정한 후 회전시키며 GMAW에 의하여 3층 맞대기 용접 하였다. 기계적 성질을 파악하기 위하여 표준 인장시험편을 기계 가공한 후 용접부 주위를 경연마(polishing)하고 부식 시켜 용착금속부의 중앙, 용착금속부와 열영향부의 경계, 열영향부 그리고 모재부의 각 위치에 반경 0.5 mm의원둘레 U-노치를 기계 가공하였다. Fig.
- 인장시험은 100 kN의 UTM을 사용하였고, 각 용접부위의 특성을 파악하기 위하여 모재부, 열영향부, 용착금속부와 열영향부의 경계 그리고 용착금속부로 구별하여 시험을 수행하였다. 노치의 영향을 알아보기 위하여 모재의 평활재료 시험편(un-notched specimen in base metal) 에 대한 시험도 수행하였다. 경도시험은 측정 부위를 평탄하게 위치시키고 용착금속부로부터 모재부로 이동시키며 마이크로 비커스(micro-vickers)경도를 측정하였다.
- 2와 같이 기계 가공하였다. 용접부위는 인장시험편의 경우와 같이 용착금속 부, 용착금속부와 영열향부의 경계, 열영향부, 모재부로구분하여 원둘레 U-노치를 가공하였다. 각 경계의 시험편은 12편 이상씩 준비하여 4단계 시험 하중으로 구분하여 각 시험 하중에서 3편 이상씩 회전 굽힘 피로시험을 수행할 수 있도록 준비하였다.
- 용접재료에 대한 기계적 성질을 파악하기 위하여 경도 및 인장시험을 수행하였다. 경도시험은 Fig.
- 이를 고려하여 본 연구에서는 일반적으로 강 봉 구조물로 많이 사용하고 있는 SM45C 강 봉을 선택하여 GMAW법으로 맞대기 용접을 실시하였고 용접부위를용착금속부, 용착금속부와 열영향부의 경계, 열영향부로 구분하여 모재부와 더불어 각 위치에 원둘레 노치를 가공하고 회전 굽힘 피로시험을 하여 피로강도 및 피로 수명을 평가 하였다.
- 인장시험은 100 kN의 UTM을 사용하였고, 각 용접부위의 특성을 파악하기 위하여 모재부, 열영향부, 용착금속부와 열영향부의 경계 그리고 용착금속부로 구별하여 시험을 수행하였다. 노치의 영향을 알아보기 위하여 모재의 평활재료 시험편(un-notched specimen in base metal) 에 대한 시험도 수행하였다.
- 이러한 결과는 모재가 상온에서 인발공정에 의하여 제조되므로가공경화의 영향을 크게 받은 결과로 생각되며 열영향부가 가장 낮게 나타나고 용착금속부와 더불어 모재 부에 비하여 현저하게 낮은 결과를 보이고 있는데 이 결과는 용접 시 높은 열로 가열된 후 상온에서 서서히 냉각 되어 재료가 연화된 결과라고 생각된다. 인장시험은 모재의 평활재료 시험편 (U-NBMZ: un-notched base metal zone)과 노치 시험편(NBMZ: notched base metal zone), 그리고 용접재의 모재부(BMZ: base metal zone), 열영향부(HAZ: heat affected zone), 열영향부와 용착금속부의 경계(B of HAZ & DMZ: boundary between heat affected zone and deposited metal zone) 및 용착금속부(DMZ: deposited metal zone)로 구분하여 수행하였다. 그 결과는 Fig.
- 피로수명을 평가하기 위하여 회전 굽힘 시험기를 사용하여 고 사이클 범위에서 피로시험을 수행하였다. 모재의 평활재료(un-notched specimen) 와노치재료 (notched specimen) 의 피로시험 결과는 Fig.
- 3)를 사용하였고 하중하의 회전 굽힘 피로시험 중에 발생하는 열을 일정하게 유지시키기 위하여 공냉 챔버 (chamber)를 설치해서 실내 온도와 같은 18℃~20℃ 범위 내의 온도를 유지시키며 피로시험을 수행하였다. 하중 조건은 각 시험편마다 4~5 단계 하중을 사용하였으며 104~107범위의 고 사이클에서 회전 굽힘 피로시험을 수행하였다.
- 경도시험은 측정 부위를 평탄하게 위치시키고 용착금속부로부터 모재부로 이동시키며 마이크로 비커스(micro-vickers)경도를 측정하였다. 회전 굽힘 피로시험은 FTO-IO(H) 형식의 회전 굽힘 피로시험기(Fig. 3)를 사용하였고 하중하의 회전 굽힘 피로시험 중에 발생하는 열을 일정하게 유지시키기 위하여 공냉 챔버 (chamber)를 설치해서 실내 온도와 같은 18℃~20℃ 범위 내의 온도를 유지시키며 피로시험을 수행하였다. 하중 조건은 각 시험편마다 4~5 단계 하중을 사용하였으며 104~107범위의 고 사이클에서 회전 굽힘 피로시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 용접부위는 인장시험편의 경우와 같이 용착금속 부, 용착금속부와 영열향부의 경계, 열영향부, 모재부로구분하여 원둘레 U-노치를 가공하였다. 각 경계의 시험편은 12편 이상씩 준비하여 4단계 시험 하중으로 구분하여 각 시험 하중에서 3편 이상씩 회전 굽힘 피로시험을 수행할 수 있도록 준비하였다. 시험편 재료의 기계적 성질 및 화학성분은 Table 1 및 Table 2와 같고 GMAW의 용접조건은 Table 3과 같다.
- 본 연구를 위하여 일반적으로 기계 구조물로 많이 사용되고 있고 상온에서 인발 공정에 의하여 제조된 지름 25 mm의 SM45C 강 봉 재료를 선택하였다. 그리고 양 끝 면을 30 경사지도록 원둘레로 기계가공하고 6CT 개선(groove) 형태로 맞대어 지그로 고정한 후 회전시키며 GMAW에 의하여 3층 맞대기 용접 하였다.
성능/효과
- 1) 인발공정에 의한 소성경화로 인하여 모재 부에서 경도와 인장강도가 가장 높게 나타나고 다층용접에 의한 풀림현상으로 용접부위가 연화되어 용착금속부와 열영향부의 경도 및 인장강도는 낮게 나타난다.
- 2) 각 용접부의 피로강도는 고 사이클 범위(104~ 106)의 초기에 모재부, 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부, 열영향부의 순으로 높게 나타나며, 이 경향은 경도 값의 순서와 일치한다.
- 3) 모재부의 피로강도는 104~106사이클 범위에서 초기에 용접부의 피로강도와 비교하여 높게 나타나고고 사이클로 갈수록 피로강도 값이 현저히 감소하여 106사이클 근방에서 가장 낮은 열영향부의 피로강도 값과 유사하게 나타난다. 이러한 현상은 모재의 인발공정으로 인한 초기의 높은 압축잔류응력이 오랜 반복하중으로 인하여 이완되고 경도 및 인장강도도 다소 연화되는 영향으로 생각된다.
- 4) S-N곡선에 의한 용접부위의 피로한도는 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부, 모재부, 열영향부의 순으로 높게 나타난다. 따라서 본 강 봉 용접재의 안전 설계응력은 가장 낮은 열영향부의 피로한도 범위 내에서 정하는 것이 필요하다.
- 모재 평활재료 시험편의 경우 항복강도는 666 MPa, 인장강도는 721 MPa 그리고 연신율은 15 % 이며 노치 시험편의 경우 모재 노치재료는 항복강도가 550 MPa, 인장강도가 612 MPa, 신율은 18 %이다. 그리고 열영향부, 열영향부와 용착금속부의 경계 및 용착금속부의 노치 시험편은 항복강도 441 MPa, 인장강도 595 MPa, 연신율 18 %로모재 평활재 시험편의 경우와 비교하여 노치영항이에 의한 응력집중을 받아 전반적으로 낮은 값들을 갖고 모재노치시험편과 비교하여 항복강도는 다소 차이를 보이나 인장강도와 연신율은 유사하게 나타난다. 이들 결과로부터 모재의 경우 상온 인발공정에 의한 경화와 높은 압축 잔류응력의 발생으로 인하여 모재가 초기에 용접 부위에 비하여 높은 항복강도를 나타내고 있다.
- 이러한 경향은 상온에서 인발공정에 의하여 제조된 모재가 높은 압축잔류응력을 갖고 있고 기계적 성질에서 나타나는 바와 같이 높은 경도와 인장강도를 갖고 있어 초기에 높은 피로강도 값을 보이다가 고 사이클 쪽으로 갈수록 오랜 반복하중으로 인하여 압축잔류응력이 이완되고 경도 및 인장강도도 다소 완화되어 나타나는 현상으로 생각된다. 이들의 결과는 기계적 성질에서 나타나는 바와 같이 경도와 인장강도의 높은 수준에 따라 피로 강도가 높게 나타나고 압축잔류응력이 인장강도와 피로 강도에 영향을 주고 있음을 보여주고 있다. 15).
후속연구
- 9로부터 피로한도는 열영향부와 용착금속부의 경계, 용착금속부, 모재부, 열영향부의 순으로 높게 나타나고 있다. 따라서 본 연구에서 사용한 SM45C 강 봉 맞대기 용접재료를 사용하여 기계 구조물을 제작할 때 안전설계를 위해서는 피로 한도가 가장 낮게 나타나는 열영향부의 피로한도 값을 기준으로 설계응력을 선택하는 것이 요구된다.
- 이들 곡선으로부터 피로노치계수, K/를 고려하여 평활재료로 예상한 피로강도 값들은 실제 모재의 평활재료 시험에서 얻은 값과 비교하여 다소 높게 나타나고 있으나 크게 차이를 보이고 있지 않고 있어 평활 재료 용접 부위의 피로강도 평가를 하는데 자료로써 활용할 수 있다고 판단된다. Fig.
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