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문제 정의
- 그리고 특히 선박과 같이 제작공정에서 용접에 의한 비중이 큰 구조물들의 경우 생산성 향상을 위해서는 용접부의 강도향상과 더불어 경제성을 고려한 용접 법을 개발하는 것이 앞으로의 국내외적인 관심사이다6-8). 따라서 본 연구에서는 용접 구조물의 안전설계에 필요한 용접부의 피로강도 향상과 경제성을 고려한 용접방법을 위한 기초연구로서 하중전달 십자형 필릿 용접부에서 용입 깊이에 따른 피로파괴 특성과 형상에 대하여 고찰해 보고자 하였다.
- 그리고 피로시험은 고 사이클(104~106)범위에서 4~5단계 작용하중으로 각각 3~4편의 시험편을 사용하여 피로 시험을 수행하였다. 이와 같은 시험으로부터 얻은 데이터들을 S-N 곡선으로 나타내고 용입 깊이에 따른 피로 파괴 특성과 형상에 대하여 고찰해 보았다.
제안 방법
- 그리고 Fig. 1과 Table 2에 나타낸바와 같이 십자형 단면의 가로방향 삽입 판 길이(D= 85mm), 재료 두께를 포함한 세로방향 길이(L= 260mm)로 하고 후 방향인 용접 방향 길이를 300mm로 하였다. 용접은 Table 3과 같이 재료 두께 별 적정 용접 조건을 적용하여 120~160mm/min의 이송 속도로 GMAW법으로 필릿 용접하였다.
- 상기와 같은 연구의 목적을 위하여 일반적으로 교량이나 선박 구조물 재료로서 많이 사용하고 있는 재료를 선택하고 재료두께(10, 15, 20mm)를 달리하여 두께에 따른 적정 용접 층수와 적정 용접조건(전압 및 전류 등)을 적용하고 용입 깊이를 4가지로 구분하여 필릿 용접을 수행하였다. 용접 후 적당한 크기로 피로시험편을 기계 가공하고 일부는 십자형 단면을 미세가공 및 부식시켜 용접부가 명확하게 나타나도록 하여 피로 시험 시 균열 진전을 잘 관찰할 수 있도록 하였다.
- 이때 미 용입(Lack of penetration) 길이(2a)를 2.4mm, 4.8mm, 7.2mm로 구분하고 완전 용입(Non-lack of penetration)시험편과 함께 상 하판 재료의 필릿 용접 부를 45°의 양면 경사를 갖도록 개선(groove)하여 용접하였다.
- )를 “0”으로 하여 10Hz의 정현파 형(Sine wave form) 반복하중을 사용하였다. 피로 균열길이는 금속 현미경을 사용하여 1/100mm 오차 범위 내에서 실험 중 수시로 측정하였다.
- 피로실험은 25ton 용량의 전기 유압식 피로 시험기를 사용하였고 하중제어 방식으로 응력 비(R = σmin/σmax)를 “0”으로 하여 10Hz의 정현파 형(Sine wave form) 반복하중을 사용하였다.
대상 데이터
- 용접 후 적당한 크기로 피로시험편을 기계 가공하고 일부는 십자형 단면을 미세가공 및 부식시켜 용접부가 명확하게 나타나도록 하여 피로 시험 시 균열 진전을 잘 관찰할 수 있도록 하였다. 그리고 피로시험은 고 사이클(104~106)범위에서 4~5단계 작용하중으로 각각 3~4편의 시험편을 사용하여 피로 시험을 수행하였다. 이와 같은 시험으로부터 얻은 데이터들을 S-N 곡선으로 나타내고 용입 깊이에 따른 피로 파괴 특성과 형상에 대하여 고찰해 보았다.
- 본 연구를 위하여 시험편 재료는 일반적으로 교량 및 선박 구조물에 많이 사용하고 있는 SWS 490B강재를 선택하고 재료두께를 10mm, 15mm, 20mm의 3가지로 구분하였다. Table 1에 강재의 화학적 성분과 기계적 특성을 나타내었다.
- 재료 두께 10mm인 경우와 15mm인 경우는 2 pass로 2층 용접하였고, 재료 두께가 20mm인 경우는 3pass로 3층 용접하였다. 용접 후 용접 길이 방향으로 25mm가 되도록 기계 절단하고 십자형 단면을 경면 연마하여 나이탈 용액으로 부식시킨 후 용접영역의 용입 상태와 미 용입 길이를 측정하고 해당 치수에 정확한 시험 편 만을 선정하여 피로시험편으로 사용하였다.
- 용접은 Table 3과 같이 재료 두께 별 적정 용접 조건을 적용하여 120~160mm/min의 이송 속도로 GMAW법으로 필릿 용접하였다. 용접에 사용한 용접봉은 모재와 강도가 유사한 AWS ER705-6을 사용하였다. 이때 미 용입(Lack of penetration) 길이(2a)를 2.
이론/모형
- 1과 Table 2에 나타낸바와 같이 십자형 단면의 가로방향 삽입 판 길이(D= 85mm), 재료 두께를 포함한 세로방향 길이(L= 260mm)로 하고 후 방향인 용접 방향 길이를 300mm로 하였다. 용접은 Table 3과 같이 재료 두께 별 적정 용접 조건을 적용하여 120~160mm/min의 이송 속도로 GMAW법으로 필릿 용접하였다. 용접에 사용한 용접봉은 모재와 강도가 유사한 AWS ER705-6을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 필릿 용접부에서의 파괴 형상은 루트 부 파괴, 토우 부 파괴 및 혼합형 파괴의 3가지 형상으로 나타나고 있고 모든 재료 두께에서 피로파괴 강도는 토우 부 파괴의 경우가 루투 부 파괴의 경우보다 높게 나타나고 있고 재료 두께가 클수록 높게 나타난다.
- 2) 혼합형 파괴시의 피로강도는 재료 두께 10mm의 경우 루트 부 파괴 시 보다 높고 토우 부 파괴 시 보다 다소 낮게 나타났으나 재료 두께 15mm의 경우 토우부 파괴 시와 같은 높은 값을 나타내고 있다. 이와 같은 차이는 재료 두께에 따른 각장(l)을 포함한 미 용입비(2a/2W 또는 2a/t1)와 관련이 있다고 생각된다.
- 3) 피로강도는 토우 부 파괴 시와 혼합 파괴 시에 전반적으로 높게 나타나고 루트 부 파괴 시 낮게 나타나고 있다. 따라서 용접 구조물의 피로강도를 높게 하기 위해서는 용입 깊이를 충분하게 하거나 완전 용입으로 용접 작업을 수행해야 하는데 그러면 용접 작업량이 많아져 경제적인 면에서 손실이 크므로 혼합 파괴가 가능한 범위에서 용입 깊이를 갖도록 하고 용접 량을 줄이는 방법으로 경제적인 용접 구조물의 설계 방법을 모색하는 것이 바람직하다.
- 그러나 본 실험에서는 초기에 균열이 하중 방향과 직각 방향으로 직진한 후 최종 파단 시 약 45° 정도의 경사를 보이고 있다.
- 반면에 용입 깊이가 작을수록 루트 부 파괴 형상을 보이며 피로강도가 낮게 나타나고 있다. 또한 혼합 파괴의 경우 다소 높은 시험하중 범위에서 단 한 번의 경우에만 나타났으며 피로강도는 루트 부 파괴의 경우보다 다소 높게 나타나고 있음을 보인다.
- 따라서 앞으로도 이와 관련한 많은 연구가 요구된다. 실험 결과 피로강도는 토우 부 파괴 시와 혼합 파괴 시에 전반적으로 높게 나타나고 루트 부 파괴 시 낮게 나타나고 있다. 따라서 용접 구조물의 피로강도를 높게 하기 위해서는 용입 깊이를 충분하게 하거나 완전 용입으로 용접 작업을 수행해야 하는데 그러면 용접 작업량이 많아지고 경제적인 면에서 손실이 크므로 혼합 파괴가 가능한 범위에서 용입 깊이를 갖도록 하여 용접 량을 줄이는 방법으로 용접 구조물의 경제적인 설계 방법을 모색하는 것이 필요하다.
- 974×105 사이클 근방에서 두 균열이 합체되는 동시에 분리 파괴 되었다. 이들 결과로부터 완전 용입 되었거나 용입 깊이가 클수록 토우 부 파괴 형상을 보이며 피로강도가 높게 나타남을 알 수 있다. 반면에 용입 깊이가 작을수록 루트 부 파괴 형상을 보이며 피로강도가 낮게 나타나고 있다.
- 이러한 결과로부터 본 연구에서의 재료 두께 10mm 십자형 필릿 용접부와 관련하여 기하학적 조건 및 용접 조건 그리고 작용하중을 고려할 때 미 용입 길이를 2.4mm ~ 3.8mm의 범위로 다소 크게 하므로서 용접 량을 줄일 수 있다고 생각된다. 또한 이와 같은 연구를 체계적으로 수행하므로 서 그 결과 모든 용접 구조물의 피로강도를 고려하고 경제적인 설계를 할 수 있는 자료를 구축할 수 있다고 생각한다.
- 전체적으로 볼 때 피로강도는 파단 형태가 토우 부 파괴인 경우가 루트 부 파괴의 경우보다 높게 나타나고 있고 같은 용입 깊이를 갖는 시험편에서는 파단 형태 별 재료 두께가 클수록 피로 강도가 높게 나타난다. 혼합 파괴는 재료 두께 10mm와 15mm의 경우 미 용입 길이가 2.
후속연구
- 4) 필릿 용접부의 루트 부 파괴, 토우 부 파괴 및 혼합 파괴 3가지 형상에서 각각의 피로 균열 진전 형태는 개선 각도, 용접 조건, 토우부의 필릿 각도(θ°), 하중 조건 등과 피로 강도가 취약한 열 영향지역 분포도에 따라 영향을 받는다고 생각되며 필릿 용접부의 피로강도를 향상시키기 위해서는 이들 요인에 대하여 체계적인 더 많은 연구가 필요하다고 생각한다.
- 4mm일 때 발생하였으며 피로강도 값은 같은 재료 두께에서 토우 부 파괴시의 높은 피로강도 값과 유사하게 나타나고 있다. 따라서 이들 결과로부터 피로 파괴 강도가 취약한 루트 부 파단이 발생되지 않도록 하고 가능한 피로강도가 높은 토우 부 파괴가 발생하는 범위에서 또는 혼합 파괴가 발생하는 범위에서 용입 깊이를 조절하고 가능한 용접 량을 줄일 수 있는 방법을 취하므로 서 피로강도를 고려하고 경제적인 용접 구조물을 설계할 수 있다고 생각한다. 이와 관련하여 재료 두께 10mm 및 15mm의 경우 재료 두께에 대한 미용 입비(2a/t1)가 0.
- 8mm의 범위로 다소 크게 하므로서 용접 량을 줄일 수 있다고 생각된다. 또한 이와 같은 연구를 체계적으로 수행하므로 서 그 결과 모든 용접 구조물의 피로강도를 고려하고 경제적인 설계를 할 수 있는 자료를 구축할 수 있다고 생각한다.
- 상기의 연구 결과는 각종 필릿 용접 구조물의 피로강도 향상과 더불어 경제적인 용접방법의 기초 자료로서 활용할 수 있다고 생각한다.
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