[논문]함정용 배전반 용접부의 용접후처리 방법에 의한 피로강도 증대 효과에 관한 연구

김명현; 강민수; 강성원

doi:10.5781/kwjs.2008.26.4.055

함정용 배전반 용접부의 용접후처리 방법에 의한 피로강도 증대 효과에 관한 연구
A Study on Improvement of Fatigue Strength of Electrical Panel Weldments in Naval Vessels by Post Weld Treatment 원문보기

Structural reliability of electrical panels installed in naval vessels is of critical importance from structural performance viewpoint. The panels may be exposed to vibration and fatigue loadings from internal and external sources and wave loading which cause fatigue cracking. In this study, common methods such as burr grinding and post weld heat treatment (PWHT), for the fatigue strength improvement of weldments are investigated. Burr grinding is carried out using a electric grinder in order to remove surface defects and improve the weld bead profile. And also PWHT is carried out for the purpose of removing residual. The effectiveness of the two post treatment methods is evaluated in terms of fatigue strength improvement of welded structures.

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문제 정의

본 연구에서는 선박용 전장 패널에 있어 응력이 집중되는 기하학적 불연속부 및 용접부에 있어서 최적 bracket 형상을 바탕으로 용접후처리한 피로시험편에대한 피로시험 및 해석을 수행하여 피로강도 및 피로수명을 평가해 보았다.
본 연구에서는 참고 문헌의 최적화된 bracket 형상을 바탕으로 용접 후열처리 (Post Welding Heat Treatment, PWHT)방법을 적용한 시험편과 피로수명 향상 기대할 수 있는 burr grinding을 적용한 시험편에 대하여 피로시험을 실시하고 이 결과를 바탕으로 함정용 탑재 장비 전장반의 내진 및 내피로 강도 향상기법을 개발하는데 그 적용 가능성을 검토하고자 한다.

제안 방법

있다. 따라서 본 연구에서는 피로 시험을 수행하기에 앞서, 사용된 시험편의 용접 토우부 형상을 측정하기 위하여 용접 토우부 표면에 Photo 4와 같이 치과용 실리콘 고무를 이용하여 형상을 본뜨고 비드 길이방향으로 1mm 단위로 3등분하여 절단한 형상을 비디오 현미경으로 계측하였다.
본 연구에서 피로시험은 외팔보 형식의 굽힘 시험기를 사용하였으며, 이때 피로시험을 위한 변위제어를 정확히 하기 위하여 레이저 변위 센서를 이용하여 시간에 따른 변위를 측정하였다. Photo 5에 피로시험 시 사용된 레이저 변위센서를 나타내었으며, 이를 이용하여 일정 시간 동안 측정된 변위를 Fig.
본 연구에서는 Table 2의 규정을 참고하여 650℃까지의 가열시간은 3시간, 650℃에서 1시간동안 유지하여 열처리를 실시하였으며 Photo 2의 가열장치 (furnace) 를 이용하여 시험편을 열처리하였다.
이 방법은 현재 선체구조의 피로강도를 구하는데 있어 통상적으로 많이 적용되고 있다. 본 연구에서는 여러가지 핫스팟 응력의산출 방법 중 선급에서 주로 사용되는 방법을 이용하여부재두께의 0.5t 및 1.5t (t=두께)에서 외삽한 값을통해 핫스팟 응력을 구하였다6).
전장반의 구성 유닛을 lm><lm의 단순화된 frame으로 모델링하고 기존에 사용되고 있는 bracket의 형상을 변화시켜가며 Fig. 1과 같이 프레임의 각 부분에 삽입하여 해석을 수행하였다.
특히 본 연구에서는 용접부 피로 강도를 향상 시키는방법으로 용접 형상 개선 방법 중 grinding 방법을 채택하였으며, 용접부에 있어서 grinding 가공된 모습을 Photo 3에 나타내었다. 또한, Table 3과 Fig.
프레임의 상부 앵글을 모두 구속(dx, dy, dz, 9x, 0 y, 9z = fixed)하고 하부 앵글에 6000N의 하중을 주어 해석을 수행하였다. Type A는 bracket의 상부가 직선으로 뻗은 형상이며, Type B는 bracket의 상부를 곡선으로 처리하였으며, Type C는 Type B에서 끝단 처리를 곡선으로 하였다.
피로 시험에 앞서 각 시험편에 대해 상용 유한요소해석 프로그램을 이용하여 shell 4 node의 요소로 응력해석을 수행하였다. Fig.
피로시험은 정현파를 이용한 변위제어를 이용하여 시험하였으며, 응력비=-1 및 주파수=30Hz의 조건으로 피로 실험을 수행하였다. 또한 실제 시험에 사용된 시험기는 외팔보 시험기로 최대진폭 ±25.
향후 본 피로시험의 결과와 미 해군의 탑재장비 내진 성능 기준인 MIL-STD-167-1A, 내충격 성능기준 MIL-S-901D 및 진동절연 성능기준 MIL-STD- 740-2를 비교 분석하여 선박용 전장반 보강재의 내진 . 내충격 성능 고도화에 활용할 수 있는 구조 최적 설계의 개선안을 마련하는데 보다 지속적이고 다양한 연구가 필요하다고 판단된다.

대상 데이터

2에 나타내었다. brackete 용접부 다리길이가 5mm가 유지되도록 필릿 용접하여 시험편을 제작하였으며, 시험편의 두께는 4.5mm이다.
본 연구에 사용된 시험편은 Fig. 1의 case study를 통한 최적화된 형상이며, 시험편의 형상을 Fig. 2에 나타내었다. brackete 용접부 다리길이가 5mm가 유지되도록 필릿 용접하여 시험편을 제작하였으며, 시험편의 두께는 4.

성능/효과

결과는 Fig. 7과 같이 그라인딩 효과 및 용접후열처리효과로 인해 As-welded 시험편보다 Burr grinding 시험편 및 PWHT 시험편이 피로강도 및 피로수명 향상을 나타내었다. 정량적인 피로강도 및 피로수명 향상 효과를 구하기 위해 다음과 같이 식 (1)과 식 (2), (3)으로 나타내었다.
기존 As-welded시험편의 피로시험 결과와 용접 후처리를 통한 피로강도 및 피로수명 향상을 꾀한 시험 편을 피로 선도에 적용하였을 때 As-welded 시험편에 비하여 용접후처리 된 시험편의 피로수명 및 피로강도가 상당 부분 향상된 결과를 보이는 것을 알 수 있었다.
23배의 피로수명 향상을 보였다. 또한, burr grinding 시험편의 경우 2><106 cycle 기준 2.04배의 피로수명 향상을 보였으며, 기준응력 200 MPa에서의 피로수명은 1.14배이었다. As-welded 시험편을 기준으로 burr grinding 및 PWHT 시험편의피로수명 향상 정도를 Table 5에 나타내었다.

후속연구

. 내충격 성능 고도화에 활용할 수 있는 구조 최적 설계의 개선안을 마련하는데 보다 지속적이고 다양한 연구가 필요하다고 판단된다.

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