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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 건설기계용 굴삭기의 용접 구조물에 적용할 수 있는 용접후 표면처리방법 들을 보다 정확하면서도 정량적으로 비교/분석하기 위하여, 굴삭기 구조물에 사용되고 있는 대표적인 용접부의 형상인 T 형상 용접 표준시험편을 제작하고 toe-grinding 과 UIT 기법을 적용하여 피로 시험을 실시하였다.
제안 방법
- As-welded 시험편과 toe-grinding, UIT 기법이 처리된 시험편에 대하여 피로 시험을 수행하였으며, 그 수량은 각각 15, 13, 7 개이다. Table 5 는 피로 시험에서 각 시험편의 반복 응력에 따른 싸이클을 나타내고 있다.
- 또한, 기존의 연구7,8에서 피로수명한도를 2×106 싸이클로 설정한 것에 반하여, 이 연구에서는 실제 굴삭기 제조 및 설계에서 적용되는 피로수명한도 기준인 3×106 사이클 이상일 때를 런아웃으로 판단하였다.
- 본 연구에서는 건설기계용 굴삭기에 사용되는 재질과 동일한 SM 50A 재질을 이용한, T 형 시험편의 용접 토우부를 as-welded, toe-grinding, UIT 기법을 적용한 경우에 대한 피로시험을 실시하여서, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 기존의 연구7,8와 달리, 실제 굴삭기에 사용되는 재질인 SM 50A 강을 이용하였으며, 적용된 toe-grinding 과 UIT 기법 또한 굴삭기 제조 현장에서 이용되는 처리 방법을 이용하였다. 따라서 굴삭기 제작시에 프레임 부의 설계 수명을 예측하고, 그 결과를 바탕으로 굴삭기 설계 및 제조현장에서 지침서로 이용될 수 있다.
- 시험 방법은 3 점 굽힘 시험으로 시험편을 좌우 편향되지 않도록 놓고 받침점 사이 거리의 1/2점(중앙)에서 하중(P)을 가하여 굽힘 응력을 발생시켰다. 굽힘 하중에 대한 시험편 중앙부의 최대응력은 (1.
- 제작된 굴삭기 맞춤형 시험편의 피로시험을 통하여 굴삭기 프레임 제조에 있어서 용접 토우부에 대한 toe-grinding 과 UIT 기법에 의한 피로강도 및 피로 수명 증대효과를 파악하였다.
- 6, 7 은 각각 이번 시험에 사용한 시험장비와 시험편 및 지그를 보여주고 있다. 지그 형상에서 받침점과 하중점의 형상과 크기가 모두 동일하게 반원(r=15 mm) 형상으로 제작하였고, T 형상 시험편과의 접촉부에 마찰저항을 최대한 줄이기 위해서 매끈하게 가공하였다.
- 피로 시험은 시험편이 완전 파단될 때까지 실시하였고, 피로 한도 기준을 3×106 사이클로 설정하고 이 이상의 사이클에서는 런아웃(run-out)으로 판단하여 S-N 선도를 분석하였다.
대상 데이터
- 5×P×L/(w×t2))과 같이 계산하였다.(Fig. 3참조) 피로하중 부하조건으로 가진주파수는 5Hz의 정현파로 하였고, R 은 0.1 을 적용하였다. 피로 시험은 시험편이 완전 파단될 때까지 실시하였고, 피로 한도 기준을 3×106 사이클로 설정하고 이 이상의 사이클에서는 런아웃(run-out)으로 판단하여 S-N 선도를 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 시험편의 재료는 건설용 중장비에 적용되는 용접 구조용 압연강인 SM 50A 이며, 피로시험을 실시하기 위하여 10mm 의 SM50A 판재를 Fig. 3 과 같이 T 형상의 표준 시험편으로 용접 제작하였다.11
- 본 연구에서는 피로시험을 위하여 최대용량 10 ton 인 MTS 809 를 사용하였으며, Fig. 6, 7 은 각각 이번 시험에 사용한 시험장비와 시험편 및 지그를 보여주고 있다. 지그 형상에서 받침점과 하중점의 형상과 크기가 모두 동일하게 반원(r=15 mm) 형상으로 제작하였고, T 형상 시험편과의 접촉부에 마찰저항을 최대한 줄이기 위해서 매끈하게 가공하였다.
성능/효과
- 1) 용접 토우부에 UIT 기법을 적용한 경우 as-welded 와 비교하여 281MPa 의 반복 응력 하에서, 약 25 배, toe-grinding 의 경우 약 4.15 배 정도의 피로수명 향상효과를 나타냈다.
- 2) Toe-grinding 의 경우 as-welded 와 비교하였을때, 전 반복응력 구간에서 피로수명 향상 효과가 나타났으며, 이는 그라인딩에 의하여 용접 토우부 형상을 곡면으로 변화시킴에 따라서 노치효과가 감소되었기 때문으로 보인다. 노치효과의 감소는 토우부의 응력집중을 줄여 주어서 실제 토우부에 발생하는 반복응력 폭을 감소시켰을 것으로 판단된다.
- 3) UIT 기법이 적용된 시험편이 toe-grinding 이 적용된 경우 보다 더 큰 피로수명 향상효과를 나타내었다. UIT 의 경우에도 toe-grinding 과 마찬가지로 토우부의 형상을 곡면으로 만들어 일정 부분노치를 감소시키는 효과를 가지고 있다.
- 4) 짧은 사이클 수준에서는 toe-grinding 과 UIT의 피로수명 차이가 긴 사이클에 비해 적게 나타났다. 하지만 짧은 반복응력이 부과되는 긴 사이클 영역에서는 UIT 의 피로수명 증대 효과가 더 크게 나타났다.
- 하지만 짧은 반복응력이 부과되는 긴 사이클 영역에서는 UIT 의 피로수명 증대 효과가 더 크게 나타났다. UIT 기법을 적용하는데 따른 비용은 toe-grinding 보다 높고, 실험결과, 짧은 사이클에서는 toe-grinding 과 UIT 는 차이가 비교적 적으므로 비용대비 효과를 고려할 때 이용가능 할 것으로 판단된다.
- 결과적으로, toe-grinding 은 as-welded 보다 높고 UIT 보다는 짧은 피로수명을 나타냈다. 그리고, 짧은 사이클 수준에서는 toe-grinding 과 UIT 의 수명 차이가 긴 사이클에 비하여 작았다.
- 여기서, as-welded 와 비교하여 281MPa 의 반복 응력 하에서, 용접 토우부에 UIT 기법을 적용한 경우 약 25 배, toe-grinding 의 경우 약 4.15 배 정도의 피로수명 향상효과를 보였다. Fig.
후속연구
- 와 달리, 실제 굴삭기에 사용되는 재질인 SM 50A 강을 이용하였으며, 적용된 toe-grinding 과 UIT 기법 또한 굴삭기 제조 현장에서 이용되는 처리 방법을 이용하였다. 따라서 굴삭기 제작시에 프레임 부의 설계 수명을 예측하고, 그 결과를 바탕으로 굴삭기 설계 및 제조현장에서 지침서로 이용될 수 있다. 또한, 기존의 연구7,8에서 피로수명한도를 2×106 싸이클로 설정한 것에 반하여, 이 연구에서는 실제 굴삭기 제조 및 설계에서 적용되는 피로수명한도 기준인 3×106 사이클 이상일 때를 런아웃으로 판단하였다.
- 본 연구결과는 설계 피로수명을 충족할 수 있는, 적절한 용접부의 표면처리 방법을 선택하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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