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문제 정의
- 본 연구에서는 인장강도 700 MPa 급 고강도강을 사용하여 선박 및 기계구조물에 많이 쓰이는 맞대기 용접을 동당금 배킹(copper backing)을 사용하여 제작하고 루트 갭의 길이를 변경하는 사례 연구를 통한 고강도강 맞대기 용접부의 피로특성을 파악하며 유효노치 응력법을 이용한 유한요소해석을 통하여 해석결과와 시험 값을 비교, 검토하였다.
- 본 연구에서는 인장강도 700 MPa급 ATOS70 강재의 루트 갭길이에 따른 피로강도를 평가하고 유한요소해석을 통한 비교 평가를 수행하였다. 피로시험 결과와 유한요소해석 값을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 피로시험을 진행하기 전에 시험편에 작용하는 하중이 적절하게 부여되는지 확인하기 위하여 정하중 테스트를 실시하였다. Fig. 5 에 보이는 위치와 같이 5mm 단축 스트레인 게이지를 응력집중예상부인 전면 그리고 이면 비드의 토우부로부터 시험편 두께의 0.5, 1.5 배 떨어진 위치에 8 개의 스트레인 게이지를 부착하였고, 하중을 15 kN, 30 kN, 45 kN, 60 kN 으로 선형적으로 증가시키며 일정시간동안 부하된 하중을 데이터 레코드에 저장하여 테스트를 실행하였다(Do, et al., 2009).
- 경계조건은 모델의 X 축을 기준으로 A 그립부의 변위와 회전모두 구속하고, B 그립부의 Y 축 방향 변위만 구속하였다. 하중조건은 B 그립부분에 X 축 방향으로 인장이 작용하도록 Total load 를 부하하였다.
- 1 과 같이 시험편을 준비하였다. 루트갭을 제외한 그루브 각, 시험편의 두께, 용접조건 등과 같은 치수는 동일한 조건으로 시험편을 제작하였다.
- 1 mm이하로 하였고, 기본적으로 4 개의 노드를 갖는 2 차원 평면 변형률요소를 사용하였다. 본 해석에서는 시험편 전체를 모델링하여 해석하였고, 각 CASE 별 시험편을 식 (2) 에 따라 얻어진 가상 노치반경과 실제 제작된 시험편의 측정 평균치를 적용한 전면 및 이면비드의 그루브 폭과 높이를 반영하여 상세 모델링을 수행하였고 이를 Fig. 10 에 나타내었다.
- 시험편의 제작 정도를 확인하기 위하여 피로시험 전 치수, misalignment, angular distortion 을 측정하였으며, 각 case 에 따른 전체 시험편의 misalignment 와 angular distortion의 측정 평균값을 Table 4 에 나타내었다.
- 주파수는 4~10 Hz 범위에서 적용하중에 따라 다르게 설정하여 적용하였고, 시험의 종료 시점은 2×106 반복수로 설정하여 시험을 수행하였다.
- 피로시험을 진행하기 전에 시험편에 작용하는 하중이 적절하게 부여되는지 확인하기 위하여 정하중 테스트를 실시하였다. Fig.
- 본 연구에 사용된 피로 시험기는 Instron 사의 8803 model 로 최대용량 ±50 ton 인 축 인장/압축 유압 서보 시험기이다. 피로하중의 파형은 사인 정현파를 사용하였고, 하중제어 방식으로 응력비 를 0.1로 하여 편진 하중이 작용하도록 설정하여 최대, 최소 하중을 부하하였다. 루트갭 3 mm 시험편 9 개, 4 mm 시험편 7개, 5 mm 시험편 11 개, 총 27 개의 시험편에 대하여 응력범위(stress range)를 기준으로 S-N 데이터를 취득하였고, 응력 범위를 120~ 280 MPa 로 설정하여 전체 피로시험을 수행하였다.
대상 데이터
- ATOS70 강재는 인장강도 660 MPa 급 SC-80M, 1.2 φ 용접봉를 사용하여 FCAW 용접법으로, 아래보기 자세로 용접하였다.
- CASE-1 시험편 9 개 중 시험 종료 반복수인 2×106 반복수를 상회한 2 개의 시험편을 제외한 7 개의 시험편 중 전면비드 토우 부 1 개, 이면비드 토우부 6 개에서 균열이 발생, 파단하였다.
- 1로 하여 편진 하중이 작용하도록 설정하여 최대, 최소 하중을 부하하였다. 루트갭 3 mm 시험편 9 개, 4 mm 시험편 7개, 5 mm 시험편 11 개, 총 27 개의 시험편에 대하여 응력범위(stress range)를 기준으로 S-N 데이터를 취득하였고, 응력 범위를 120~ 280 MPa 로 설정하여 전체 피로시험을 수행하였다.
- 본 시험에 사용된 강재는 고강도 강인 ATOS70 으로 인장강도 700 MPa급 강재이며, 모재의 기계적 특성 및 화학적 조성을 Table 2 에 나타내었다.
- 본 시험에 사용된 맞대기 용접의 배킹방법은 동당금을 사용하였다. 동당금 방법은 열전도성이 우수하고(Raghu & Philip, 2006), 칠러를 사용한 수냉이 용이하며, 용접 후 동당금 배킹을 제거할 수 있으므로 스틸 배킹을 사용하여 용접 후 배킹을 제거하지 않은 맞대기 용접보다 응력집중을 줄일 수 있다.
- 본 연구에 사용된 피로 시험기는 Instron 사의 8803 model 로 최대용량 ±50 ton 인 축 인장/압축 유압 서보 시험기이다.
- 피로노치계수는 유한요소해석을 통한 유효노치응력으로부터 계산 된다. 유한요소 해석에 사용한 요소의 최소 크기는 0.1 mm이하로 하였고, 기본적으로 4 개의 노드를 갖는 2 차원 평면 변형률요소를 사용하였다. 본 해석에서는 시험편 전체를 모델링하여 해석하였고, 각 CASE 별 시험편을 식 (2) 에 따라 얻어진 가상 노치반경과 실제 제작된 시험편의 측정 평균치를 적용한 전면 및 이면비드의 그루브 폭과 높이를 반영하여 상세 모델링을 수행하였고 이를 Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 International Institute of Welding(Hobbacher, 2004)에서 제시하는 가상의 노치반경을 적용하여 맞대기 용접 시험편의 피로강도 평가를 수행하였다. 사용한 가상의 노치 반경은 식 (2) 에 의해서 정의되며 ρf 는 가상의 노치 반경, ρ는 실제 노치 반경이다.
성능/효과
- 1) 고강도 ATOS70 강재의 맞대기 용접 시험편의 경우 루트갭을 3 mm 에서 4 mm, 5 mm로 증가 시킬 경우 피로강도가 각각13 %, 36 % 향상됨을 확인하였다.
- 2) 루트갭이 작으면, 시험편을 제작함에 있어서 용가재의 유동성 부족으로 인한 용입 부족이나, 가장 큰 응력집중이 발생하는 용접 비드와 모재가 만나는 노치부의 곡률반경의 값이 작아지기 때문에 응력집중이 커지는 것으로 판단된다.
- 3) 제작된 시험편의 치수를 바탕으로 유효노치응력법 적용하여 해석한 결과 해석값과 시험값이 유사한 양상을 나타내고 있지만, 시험값을 바탕으로 한 유효노치계수 값과 피로시험 결과 값이 약 20 % 차이가 나는 이유로는, 시험편 제작 시 발생할 수 있는 결함이나 잔류응력 그리고 각변형 및 오정열(misalignment) 때문으로 판단된다.
- 4) 루트갭 이외의 다른 조건들이 같으므로 이면비드의 토우부에 응력 집중으로 인한 초기 균열 발생 시기가 피로강도를 결정하는데 있어 주요한 변수라고 사료된다.
- 각 시험편의 모든 CASE 에서 해석 결과, 이면비드 토우부에서의 피로노치계수가 전면비드 토우부의 피로노치계수보다 더 높게 나왔으며, 이는 본 피로시험 결과와 일치하는 경향을 보인다. 각 시험편의 곡률반경을 고려하여 해석한 결과 루트갭이 커질수록 비드형상과 곡률반경이 커지므로 루트갭이 작을수록 노치부의 응력집중이 커지는 것으로 판단된다.
- 모든 CASE 에서 해석 결과, 이면비드 토우부에서의 피로노치계수가 전면비드 토우부의 피로노치계수보다 더 높게 나왔으며, 이는 본 피로시험 결과와 일치하는 경향을 보인다. 각 시험편의 모든 CASE 에서 해석 결과, 이면비드 토우부에서의 피로노치계수가 전면비드 토우부의 피로노치계수보다 더 높게 나왔으며, 이는 본 피로시험 결과와 일치하는 경향을 보인다. 각 시험편의 곡률반경을 고려하여 해석한 결과 루트갭이 커질수록 비드형상과 곡률반경이 커지므로 루트갭이 작을수록 노치부의 응력집중이 커지는 것으로 판단된다.
- 루트갭이 3 mm 인 CASE-1 대비 루트 갭이 4 mm 인 CASE-2의 피로강도는 약 13 % 향상되었고, 루트 갭이 3 mm 인 CASE-1대비 루트갭이 5 mm 인 CASE-3 의 피로강도는 약 36 % 향상됨을 확인할 수 있다. 이는 루트갭이 커질수록 전면 및 이면비드의 형태가 달라져 토우부의 곡률반경과 프랭크 각이 커지므로 토우부의 응력집중이 감소하며, 용가재의 유동성 확보 차원에서 용입 차이로 인한 것으로 사료된다.
- 모든 CASE 에서 해석 결과, 이면비드 토우부에서의 피로노치계수가 전면비드 토우부의 피로노치계수보다 더 높게 나왔으며, 이는 본 피로시험 결과와 일치하는 경향을 보인다. 각 시험편의 모든 CASE 에서 해석 결과, 이면비드 토우부에서의 피로노치계수가 전면비드 토우부의 피로노치계수보다 더 높게 나왔으며, 이는 본 피로시험 결과와 일치하는 경향을 보인다.
- 본 연구에 사용된 맞대기 용접 시험편의 피로강도평가 기준이 되는 FAT 80 class 와 CASE-1의 피로강도를 비교하면, CASE-1의 피로강도가 약 40 % 높음을 확인할 수 있다.
- 정하중 테스트의 결과는 Fig. 6 에 보이는 바와 같이 하중이 증가하는 만큼 시험편에 발생하는 응력 또한 선형적으로 증가하며, 토우부에 근접 할수록 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있다.
- 피로시험 결과 모든 시험편의 응력 집중부인 전면, 이면 비드의 토우부에서 균열이 발생하여 두께방향으로 진전하고 파단에 이르렀다. CASE-1 시험편 9 개 중 시험 종료 반복수인 2×106 반복수를 상회한 2 개의 시험편을 제외한 7 개의 시험편 중 전면비드 토우 부 1 개, 이면비드 토우부 6 개에서 균열이 발생, 파단하였다.
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