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문제 정의
- 본 논문에서는 전동차 대차 프레임 및 차체 제작에 널리 사용되고 있는 SS400강의 용접부 피로강도에 미치는 쇼트 피닝의 영향을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 위에서 살펴본 기존의 연구들에서는 쇼트 피닝의 주요 변수들의 변화가 쇼트 피닝의 효과에 미치는 체계 적인 조사 없이 임의의 주어진 값에서 쇼트 피닝을 하고 그때의 쇼트 피닝 효과를 분석하였다. 본 연구에서는 우선 쇼트 피닝의 주요 변수인 쇼트 볼의 속도와 투사시간을 변화시켜 가면서 최적을 쇼트 피닝 효과를 주는 조건을 찾고 이 조건을 적용하여 용접후열처리를 한 시편과 하지 않은 시편을 쇼트 피닝 처리를 하여 모재와 용접상태 시편의 피로 강도와 비교하여 쇼트피닝이 피로강도 향상에 미치는 영향을 검토하였다.
- 뿐만 아니라 대차 용접부에는 용접시 필연적으로 발생하는 용접결함, 잔류응력, 용접 지단부에서의 응력집중 등의 영향으로 모재에 비하여 피로강도가 크게 낮아질 수밖에 없어 피로강도를 향상시키는 것은 구조 안전성을 확보하는데 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 전동차 대차 프레임뿐만 아니라 차체 제작에도 널리 사용되고 있는 SS400 강재로 맞대기 용접 시험편을 제작하고, 용접 후처리에 따른 피로특성을 알아보기 위하여 여러 가지 방법으로 용접 후처리를 실시한 후 굽힘 피로시험기로 피로시험을 수행하였다. 용접 후처리는 용접 시험편에 대하여 국내 전동차 대차 제작과정에서 적용하는 용접부의 노내 응력 제거방법에 따라[13,14] 실시한 용접후열처리와 피로강도 및 피로수명을 증가시키는 기술로서 잘 알려진 쇼트 피닝 가공을 실시하였다.
제안 방법
- 가장 긴 피로수명을 주는 쇼트 피닝 강도의 최적조건을 실험적으로 탐색하기 위해 쇼트 피닝 강도에 따른 굽힘 피로수명의 변화를 평가하였다. Fig.
- 6과 같다. 경도는 용접 라인의 중심에서 용접 라인에 수직인 방향으로 즉, 시편의 길이방향으로 따라가면서 표면에서 측정하였다. 시험편 모두 용접부 중앙으로부터 멀어질수록 경도가 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 8에서 보는 바와 같이 쇼트 피닝 가공시간이 증가할수록 피로수명이 증가하다가 쇼트 피닝 가공시간이 24분일 때 최대 피로수명을 보였으며, 24분을 초과하면서 수명이 점차 감소하는 경향이 나타났다. 그러므로 본 연구에서의 최적의 쇼트 피닝 조건으로 쇼트 볼의 투사속도는 60m/s, 투사시간은 24분으로 설정하였다.
- 9와 같이 모재, 용접시험편, 그리고 용접시험편에 대하여 실제 대차 프레임 제작공정에서 적용하는 방법인 용접후열처리를 실시하여 피로특성을 평가하였다. 또한, 쇼트 피닝 가공효과를 알아보기 위하여 용접시험편에 대하여 용접후열처리 후 쇼트 피닝 가공한 시험편과 용접후열처리를 실시하지 않고 쇼트 피닝 가공한 시험편의 피로특성도 평가하였다. 일반적으로 철강재의 S-N 곡선이 휘어지는 지점인 한계반복수에 대한 한계응력을 내구한도(endurance limit)라 하고, 그 이상에서는 수평이 되는 응력으로 표현하여 피로한도(fatigue limit)한다.
- 용접 후처리는 용접 시험편에 대하여 국내 전동차 대차 제작과정에서 적용하는 용접부의 노내 응력 제거방법에 따라[13,14] 실시한 용접후열처리와 피로강도 및 피로수명을 증가시키는 기술로서 잘 알려진 쇼트 피닝 가공을 실시하였다. 또한, 용접후열처리를 실시한 후 쇼트 피닝 가공한 시험편과 아무런 후처리를 실시하지 않은 용접 시험편으로 각각 구분하여 실험하고 비교평가 하였다. 위에서 살펴본 기존의 연구들에서는 쇼트 피닝의 주요 변수들의 변화가 쇼트 피닝의 효과에 미치는 체계 적인 조사 없이 임의의 주어진 값에서 쇼트 피닝을 하고 그때의 쇼트 피닝 효과를 분석하였다.
- 일반적으로 100% 커버리지에서의 아크하이트를 쇼트 피닝 강도로 나타낸다[18]. 쇼트 피닝 가공의 충격에너지를 측정하고 조절하기 위하여 Almen은 SAE 1070 스프링강 시편(Almen strip)을 이용하여 측정하는 방법을 제시하였다. 이 방법은 쇼트 피닝 가공하지 않은 알멘 스트립을 금속 블록에 고정하고 주어진 시간 동안 쇼트 피닝 가공처리를 한다.
- 모재에 대한 인장시험 결과 항복강도는 359MPa, 인장강도는 417MPa, 파단연신률은 38%였다. 쇼트 피닝 시험편은 모재, 용접후열처리한 시편 그리고 후열처리를 하지 않은 시편으로 구분하였다. 용접후열처리는 국내 전동차 대차 제작공정에 적용하는 방법과 같이 KS B 0883[21]에 따라 실시하였다.
- 용접부와 모재의 경계면으로부터 약 5mm 위치에서 크랙이 생성된 시험편은 쇼트 피닝 가공한 35개의 시험편중 2개로 나타났다. 쇼트 피닝에 의해 용접지단부의 곡률반경이 변화했는지 알아보기 위해서 Mitutoyo CV-3000S4 형상측정기를 이용하여 피닝을 한 시편과 하지 않은 시편에 대해 임의로 10곳에서 용접지단부의 곡률반경을 측정하였다. Fig.
- 4). 시험편의 끝단의 요철 발생을 방지하기 위하여 마스킹 테이프를 감고 시험편의 중앙 부위를 쇼트 피닝 가공하였다. 사용된 쇼트 볼은 경강선을 일정한 길이로 잘라서 구형화 작업을 통해 만들어진 컷 와이어 라운드 쇼트 볼(cut wire rounded shot ball)을 사용 하였으며, 쇼트 볼의 직경은 0.
- 따라서 쇼트 피닝에 의한 용접 지단부의 곡률반경 변화는 크지 않다고 할 수 있으므로 쇼트 피닝에 의한 피로수명의 증가는 주로 피닝에 의한 압축잔류응력에 기인하는 것으로 판단된다. 압축잔류응력은 X-ray 회절을 이용하는 TEC4000을 이용하여 용접 비드와 모재의 경계부에서 시편의 폭 방향으로 용접 비드를 따라 가면서 4곳에서 측정하였다. Table 2는 측정된 잔류응력의 값으로 시편의 길이 방향의 성분이다.
- 전동차 대차 프레임 및 차체 제작에 널리 사용되고 있는 SS400강의 피로특성을 평가하기 위하여 Fig. 9와 같이 모재, 용접시험편, 그리고 용접시험편에 대하여 실제 대차 프레임 제작공정에서 적용하는 방법인 용접후열처리를 실시하여 피로특성을 평가하였다. 또한, 쇼트 피닝 가공효과를 알아보기 위하여 용접시험편에 대하여 용접후열처리 후 쇼트 피닝 가공한 시험편과 용접후열처리를 실시하지 않고 쇼트 피닝 가공한 시험편의 피로특성도 평가하였다.
- 철강재나 제한된 금속에서는 106에서 107회의 반복횟수에서 피로한도를 구하는데 본 논문에서는 2×106회의 반복횟수를 피로한도로 정하였다.
대상 데이터
- 시험편의 끝단의 요철 발생을 방지하기 위하여 마스킹 테이프를 감고 시험편의 중앙 부위를 쇼트 피닝 가공하였다. 사용된 쇼트 볼은 경강선을 일정한 길이로 잘라서 구형화 작업을 통해 만들어진 컷 와이어 라운드 쇼트 볼(cut wire rounded shot ball)을 사용 하였으며, 쇼트 볼의 직경은 0.8mm이고 경도는 약 670Hv이다. 쇼트 피닝 장비의 임펠러 직경은 250mm, 쇼트 볼의 속도는 60m/s를 적용하였다.
- 2Φ, 전류는 170A, 전압은 20V, 용접속도는 50cm/min, 쉴딩 가스는 80% Ar+20% Co2를 적용하였고 2 패스 용접을 하였다. 시편의 형상은 Fig. 3과 같이 판재이며 두께는 3mm이다.
- 시편제작에 사용된 용접 와이어는 YFW-A50DR 1.2Φ, 전류는 170A, 전압은 20V, 용접속도는 50cm/min, 쉴딩 가스는 80% Ar+20% Co2를 적용하였고 2 패스 용접을 하였다.
- 시험편의 재료는 전동차 대차 프레임뿐만 아니라 차체 제작에도 널리 사용되고 있는 SS400 강재이다. 인장시험편은 ASTM E8[20]에 따라 제작하였다.
- 쇼트 피닝 가공한 경우는 용접부와 모재의 경계면으로부터 최대 5mm 정도 떨어진 곳에서부터 용접부와 모재의 경계면까지 다양한 위치에서 크랙이 생성 되었다. 용접부와 모재의 경계면으로부터 약 5mm 위치에서 크랙이 생성된 시험편은 쇼트 피닝 가공한 35개의 시험편중 2개로 나타났다. 쇼트 피닝에 의해 용접지단부의 곡률반경이 변화했는지 알아보기 위해서 Mitutoyo CV-3000S4 형상측정기를 이용하여 피닝을 한 시편과 하지 않은 시편에 대해 임의로 10곳에서 용접지단부의 곡률반경을 측정하였다.
이론/모형
- 쇼트 피닝 시험편은 모재, 용접후열처리한 시편 그리고 후열처리를 하지 않은 시편으로 구분하였다. 용접후열처리는 국내 전동차 대차 제작공정에 적용하는 방법과 같이 KS B 0883[21]에 따라 실시하였다. 시편제작에 사용된 용접 와이어는 YFW-A50DR 1.
- 시험편의 재료는 전동차 대차 프레임뿐만 아니라 차체 제작에도 널리 사용되고 있는 SS400 강재이다. 인장시험편은 ASTM E8[20]에 따라 제작하였다. 모재에 대한 인장시험 결과 항복강도는 359MPa, 인장강도는 417MPa, 파단연신률은 38%였다.
- 임펠러 투사 방식인 쇼트 피닝 머신(PMI-0608)을 이용하여 쇼트 피닝을 실시하였다(Fig. 4). 시험편의 끝단의 요철 발생을 방지하기 위하여 마스킹 테이프를 감고 시험편의 중앙 부위를 쇼트 피닝 가공하였다.
성능/효과
- 1. 피로수명이 가장 긴 최적의 쇼트 피닝 조건은 쇼트 볼의 투사속도 60m/sec, 투사시간 24분으로 확인되었다.
- 2. 피로특성평가 결과 모재에 비하여 용접시험편과 용접후열처리 한 시험편에서는 피로한도가 각각 37.3%, 44.4% 가량 감소하였다. 용접후열처리를 실시한 시험편의 경우 인장강도가 낮아지고 가공에 의한 경화가 소멸되기 때문으로 판단된다.
- 3. 쇼트 피닝 가공한 시험편의 피로특성 평가결과 용접후열처리 실시한 시험편의 경우 모재에 비하여 피로한도가 약 33.9% 가량 증가하였으며, 용접후열처리를 실시하지 않고 쇼트 피닝 가공한 시험편의 경우 피로한도는 약 72.9% 증가하였다. 따라서 쇼트 피닝 가공은 금속의 용접부 혹은 취약부의 피로강도를 향상시킬 수 있는 매우 유익한 방법이라 할 수 있다.
- 4. 쇼트 피닝에 의한 용접 지단부의 곡률반경의 변화는 미미하였다.
- 5. 쇼트 피닝에 의한 압축잔류응력의 크기는 -80~-265MPa 정도로 피로수명 증가의 주된 원인으로 판단된다.
- 7의 결과를 바탕으로 투사속도는 60m/s인 경우만 피로시험을 하여 최적조건을 찾았다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 쇼트 피닝 가공시간이 증가할수록 피로수명이 증가하다가 쇼트 피닝 가공시간이 24분일 때 최대 피로수명을 보였으며, 24분을 초과하면서 수명이 점차 감소하는 경향이 나타났다. 그러므로 본 연구에서의 최적의 쇼트 피닝 조건으로 쇼트 볼의 투사속도는 60m/s, 투사시간은 24분으로 설정하였다.
- 시험편 모두 용접부 중앙으로부터 멀어질수록 경도가 감소하는 경향을 보이고 있다. 각 시험편의 경도측정 결과 용접후열처리를 실시한 시험편은 최대경도가 218Hv, 용접후열처리를 실시하지 않은 용접시험편은 최대 경도가 253Hv, 용접후열처리 실시 후 쇼트 피닝 가공 한 시험편의 최대 경도는 283Hv 그리고 용접후열처리를 실시하지 않은 상태로 쇼트 피닝 가공한 시험편의 최대경도는 317Hv로 측정되었다. 이와 같이 각 시험편의 경도측정 결과 용접후열처리 실시한 시험편이 용접후열처리를 실시하지 않은 용접시험편보다 최대경도가 약 13.
- 그러나 쇼트 피닝 가공에 의한 경도의 증가와 압축잔류응력의 생성은 크랙 진전을 억제하는 효과가 있어 크랙의 생성이 표면이 아닌 내부에 생기는 이른바 Fish eye가 생기는 경우도 있다고 보고되고 있다[23]. 그러나 본 연구에서 사용된 SS400 소재의 피로시험 결과 내부에서의 크랙은 관찰되지 않았으며 시험편 모두 표면으로부터 크랙이 전파해 나아가는 형상을 띄고 있다. 크랙 생성 위치에 있어서 쇼트 피닝 가공한 시험편과 쇼트 피닝 가공하지 않은 시험편간에 차이점이 있었는데, Fig.
- 일반적으로 쇼트 피닝 가공후 시험편의 압축잔류응력은 표면 및 깊이별 경도와 깊은 상관관계를 가지고 있다. 그러므로 각 시험편의 경도 측정 결과로부터 각 시험편의 피로특성을 유추할 수 있으며, 용접후열처리 한 시험편의 경우 오스테나이트 상태의 시험편을 어닐링하여 잔류응력이 감소하였을 뿐만 아니라 시험편 표면의 경도 또한 감소한 것으로 판단된다.
- 인장시험편은 ASTM E8[20]에 따라 제작하였다. 모재에 대한 인장시험 결과 항복강도는 359MPa, 인장강도는 417MPa, 파단연신률은 38%였다. 쇼트 피닝 시험편은 모재, 용접후열처리한 시편 그리고 후열처리를 하지 않은 시편으로 구분하였다.
- 실험결과를 요약하면 모재의 경우 피로한도가 200.8MPa로 측정되었으며, 용접시험편은 125.9MPa 그리고 용접후열처리를 실시한 시험편은 111.6MPa로 측정되어 모재에 비하여 각각 37.3%, 44.4% 가량 감소하였다. 이와 같이 용접후열처리 가공을 실시하였을 경우 오스테나이트 상태로 된 시험편을 냉각하여 어닐링 상태로 하면 피로강도는 낮아진다고 보고되고 있다.
- 5분~16분까지 변화시켜 가며 아크하이트를 측정하여 도시한 것이다. 약 4분 정도까지는 급격한 증가를 보이다가 이후 서서히 증가하는 경향을 보였으며, 최소 0.078mmA로부터 0.525mmA의 다양한 아크하이트를 얻었다.
- 기존의 연구결과에 의하면 실물크기의 용접 구조물에서도 용접후열처리를 한 경우의 피로강도가 용접후열처리 하지 않은 경우보다 약간 작았다[22]. 용접후열처리 후 쇼트 피닝 가공한 시험편과 용접후열처리 공정 없이 쇼트 피닝 가공한 시험편의 피로한도가 각각 268.9, 347.2MPa로 측정되어 모재에 비하여 약 33.9%, 72.9% 가량 증가한 것을 알 수 있다. 쇼트 피닝 가공으로 인하여 시험편의 표면에 상당한 크기의 압축잔류응력이 생성되었으며 이로 인하여 피로한도가 크게 증가한 것으로 판단된다.
- 각 시험편의 경도측정 결과 용접후열처리를 실시한 시험편은 최대경도가 218Hv, 용접후열처리를 실시하지 않은 용접시험편은 최대 경도가 253Hv, 용접후열처리 실시 후 쇼트 피닝 가공 한 시험편의 최대 경도는 283Hv 그리고 용접후열처리를 실시하지 않은 상태로 쇼트 피닝 가공한 시험편의 최대경도는 317Hv로 측정되었다. 이와 같이 각 시험편의 경도측정 결과 용접후열처리 실시한 시험편이 용접후열처리를 실시하지 않은 용접시험편보다 최대경도가 약 13.84% 가량 감소하였으며, 용접후열처리 실시 후 쇼트 피닝 가공한 시험편과 용접후열처리를 실시하지 않고 쇼트 피닝 가공한 시험편의 최대경도는 용접후열처리 및 쇼트 피닝 가공을 하지 않은 용접시험편 보다 최대경도가 각각 11.9%, 22.6% 가량 증가하였다. 일반적으로 쇼트 피닝 가공후 시험편의 압축잔류응력은 표면 및 깊이별 경도와 깊은 상관관계를 가지고 있다.
- 피로수명은 부식조건에 따라 다르나 쇼트 피닝에 의해 371~453% 증가하였다. 정석주와 백상도[9]에 의한 스프링강 SPS의 피로에 미치는 쇼트 피닝 연구결과에서는 피로한도가 140% 향상되었다. 스프링강 SPS5A에 대한 심동석 등[10]의 균열진전에 미치는 쇼트 피닝의 효과에 대한 연구에서는 균열의 진전이 늦어짐을 보여 주고 있다.
후속연구
- 6. 국내 전동차 대차 프레임의 용접잔류응력 완화를 위하여 적용하는 용접후열처리 기법은 본 연구결과에서 보는 바와 같이 용접후열처리에 의하여 피로수명이 더 낮아지는 현상을 볼 수도 있으므로[22] 용접후열처리에 앞서 그에 따른 피로강도가 설계요구에 적합한지 여부를 사전에 실험 등을 통하여 충분히 검토한 후 적용하여야 할 것으로 판단된다.
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