[논문]완전 용입 십자형 필릿용접부에서 피로파괴특성과 피로수명에 관한 연구

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doi:10.7842/kigas.2012.16.4.16

완전 용입 십자형 필릿용접부에서 피로파괴특성과 피로수명에 관한 연구
A Study on Characteristics of Fatigue Failure and Fatigue Life in Full Penetrated Cruciform Fillet Weld Zone 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.16 no.4, 2012년, pp.16 - 22

초록
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용접기술의 발달과 더불어 기계, 교량, 선박 그리고 가스설비 등의 제작공정을 위하여 용접의 이용이 증가하고 있다. 따라서 그들의 용접 구조물 제작을 위하여 높은 생산성과 안전설계를 고려하는 용접 법을 개발하는 것이 요구되고 있다. 본 연구에서는 재료 두께, 용접층수, 하중 방향 그리고 토우부의 노치 반경과 관련하여 완전 용입 십자형 필릿 용접부의 피로강도 및 피로수명의 특성에 대하여 기초적으로 고찰하였다. 대부분의 피로파괴는 십자형 필릿 용접의 토우부에서 발생하였다. 피로강도 및 피로수명은 토우 부의 노치 반경과 플랭크 각에 의한 응력집중의 영향을 받고 있다. 토우부의 금속이 다층 용접에 의하여 어닐링 되고 확산 되었으며 그 결과 침상 페라이트 조직이 형성되어 피로강도와 피로수명을 향상시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of welding process has been increased for manufacture of machine, bridges, ships, gas facilities and so on together with development of welding technique. Accordingly, it has been needed to develop the welding methods considering higher productivity and safety design for manufacture of their welding structures. In this study, it was studied basically on characteristics of fatigue strength and fatigue life in full penetrated cruciform fillet weld zone in relation to material thickness, welding passes, loading direction and notch radius of toe zone. Most of fatigue failure occurred in toe zone of cruciform fillet weld joint. Fatigue strength and fatigue life are under the influence of stress concentration due to notch radius and flank angle of toe zone. The metal of toe zone annealed and diffused by multi-layer welding and acicular ferrite structure formed by the result improved fatigue strength and fatigue life.

주제어

AI 본문요약
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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 용접법을 개발하는 것이 앞으로의 관심사이다[6-7]. 따라서 본 연구에서는 이와 관련하여 완전 용입에 의한 십자형 필릿 용접 구조물의 안전 설계를 위한 가장 기본적인 토우 부 파괴 시 피로강도와 피로수명의 특성을 파악하고 재료두께, 용접층수, 하중방향 그리고 토우부의 노치 곡률반경과의 관련성에 대하여 연구하고자 하였다.
용접 후 재료 두께별로 하중 형 및 비 하중 형으로 구분하여 시험편을 기계가공하고 피로시험을 수행하였다. 이들 시험에 의한 데이터들로부터 상기한 피로균열 특성과 피로수명에 대하여 고찰해 보았다.

제안 방법

경도 시험은 경면 연마한 시험편의 토우부로부터 0.2mm 간격으로 모재부의 내부 쪽으로 이동시키며 마이크로 비커스 경도(H_V)를 측정하였다. 십자형 필릿 용접부의 토우부로부터 두께에 따른 경도 분포는 Fig.
)를 “0”으로 하여 10Hz의 정현 파형(Sine wave form) 반복하중으로 수행하였다. 균열길이는 금속 현미경 (Unitron Versamet-2)을 사용하여 100배의 배율로 1/100mm 오차 범위 내에서 실험 중 수시로 측정하였다. 시험 후 시험편의 파단면을 기계가공하고 경면 연마하여 나이탈 용액으로 부식시킨 후 용접 토우 부를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였다.
시험편 준비는 우선 재료 두께를 포함하여 가로 및 세로 폭 길이를 260mm~280mm가 되도록 십자형 형상으로 하고 용접 길이 방향을 300mm~ 320mm로 하여 삽입 판 재료의 위아래 판의 양쪽 용접부위를 45° 로 개선(groove)가공 하였다. 그리고 용접 작업은 기계가공 된 재료를 지그로 고정시키고 재료 두께별 적정 용접 조건으로 GMAW법에 의하여 완전 용입되도록 십자형 필릿 용접하였다. 용접와이어는 모재와 강도가 유사한 SM-70(AWS ER705-6)을 사용하였다.
균열길이는 금속 현미경 (Unitron Versamet-2)을 사용하여 100배의 배율로 1/100mm 오차 범위 내에서 실험 중 수시로 측정하였다. 시험 후 시험편의 파단면을 기계가공하고 경면 연마하여 나이탈 용액으로 부식시킨 후 용접 토우 부를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였다.
시험편 준비는 우선 재료 두께를 포함하여 가로 및 세로 폭 길이를 260mm~280mm가 되도록 십자형 형상으로 하고 용접 길이 방향을 300mm~ 320mm로 하여 삽입 판 재료의 위아래 판의 양쪽 용접부위를 45° 로 개선(groove)가공 하였다.
이와 같은 연구를 위하여 교량이나 선박 그리고 가스설비 등 일반 강 구조물 재료로 많이 사용하고 있는 재료를 사용하여 재료두께를 10, 15, 20mm로 구분하고 두께에 따른 적당한 용접 층수와 전압 및 전류 등의 용접조건을 적용하고 완전 용입 되도록 필릿 용접을 수행하였다. 용접 후 재료 두께별로 하중 형 및 비 하중 형으로 구분하여 시험편을 기계가공하고 피로시험을 수행하였다. 이들 시험에 의한 데이터들로부터 상기한 피로균열 특성과 피로수명에 대하여 고찰해 보았다.
용접 층수는 재료 두께 및 형상을 고려하여 용접구조물의 강도상 적정 용접 조건을 적용하고 재료 두께 10mm인 경우와 15mm인 경우는 2 pass로 2층 용접하였고, 재료 두께가 20mm인 경우는 3pass로 3층 용접하였다. 용접 후 재료를 용접 길이 방향으로 25mm가 되도록 기계 절단 및 가공하고 십자형 단면을 경면 연마하여 나이탈 용액으로 부식시킨 후 용접부의 용입 상태를 점검하였다. 그리고 하중 형 및 비하중형 시험편으로 구분하여 주판의 길이를 260mm, 삽입 판의 길이를 85mm로 기계 가공하여 피로시험편으로 사용하였다.
이와 같은 연구를 위하여 교량이나 선박 그리고 가스설비 등 일반 강 구조물 재료로 많이 사용하고 있는 재료를 사용하여 재료두께를 10, 15, 20mm로 구분하고 두께에 따른 적당한 용접 층수와 전압 및 전류 등의 용접조건을 적용하고 완전 용입 되도록 필릿 용접을 수행하였다. 용접 후 재료 두께별로 하중 형 및 비 하중 형으로 구분하여 시험편을 기계가공하고 피로시험을 수행하였다.
피로시험은 25ton 용량의 전기 유압식 피로 시험기(Instron, Model-1332)를 사용하여 고 사이클(104~106)범위에서 4~5단계의 작용하중으로 각 3~4편의 시험편을 사용하였고, 하중제어 방식은 응력 비(R= σmin/σmax)를 “0”으로 하여 10Hz의 정현 파형(Sine wave form) 반복하중으로 수행하였다.

대상 데이터

용접 후 재료를 용접 길이 방향으로 25mm가 되도록 기계 절단 및 가공하고 십자형 단면을 경면 연마하여 나이탈 용액으로 부식시킨 후 용접부의 용입 상태를 점검하였다. 그리고 하중 형 및 비하중형 시험편으로 구분하여 주판의 길이를 260mm, 삽입 판의 길이를 85mm로 기계 가공하여 피로시험편으로 사용하였다.
본 연구를 위하여 시험편 재료는 교량이나 선박 등 강구조물에 많이 사용하고 있는 SWS 490B강재를 선택하고, 재료두께는 10mm, 15mm, 20mm의 3가지를 사용하였다.
그리고 용접 작업은 기계가공 된 재료를 지그로 고정시키고 재료 두께별 적정 용접 조건으로 GMAW법에 의하여 완전 용입되도록 십자형 필릿 용접하였다. 용접와이어는 모재와 강도가 유사한 SM-70(AWS ER705-6)을 사용하였다. 용접 층수는 재료 두께 및 형상을 고려하여 용접구조물의 강도상 적정 용접 조건을 적용하고 재료 두께 10mm인 경우와 15mm인 경우는 2 pass로 2층 용접하였고, 재료 두께가 20mm인 경우는 3pass로 3층 용접하였다.

성능/효과

1. 완전 용입한 십자형 필릿 용접 구조물에서 피로파괴는 토우 부에서 발생하며 피로강도는 토우부의 곡률반경(ρ)과 플랭크 각(θ)에 따른 응력집중에 의하여 크게 영향을 받는다.
2. 피로강도는 하중 전달형의 경우가 비 하중 전달형의 경우보다 전반적으로 높게 나타나고 있으나 재료 두께별 차이는 별로 나타나지 않는다. 이와 같은 결과는 십자형 필릿 용접 시 삽입 판을 수평으로 하여 위아래 판의 45°경사 개선(groove)부에 용접하므로 서 하중 전달 형 시험편이 비 하중 전달 형 시험편 보다 균열 진전 방향에 더 많은 열 영향을 받고 이 때 금속조직 변화가 피로강도 향상에 좋은 영향을 준 때문이라 판단된다.
3. 하중전달형의 경우 재료 두께에 따라 20mm, 15mm, 10mm의 순으로 피로한도가 높고 무한수명 영역이 크게 나타난다. 이 결과는 다층 용접으로 반복적인 용접 열 영향을 받아 합성 금속조직의 확산이 잘 이루어진 재료 두께 20mm의 경우가 가장 우수한 결과를 나타내는 것으로 판단된다.
4. 비 하중전달형의 경우 하중 전달 형과 비교하여 재료 두께별 내구한도 및 무한수명 영역의 높이와 크기 차이는 매우 작게 나타나며 약간의 차이를 보이는 것은 토우부의 곡률반경에 따른 응력집중계수의 크기에 영향을 받은 것으로 판단된다.
5. 2층 용접한 재료두께 10mm 및 15mm의 미세조직에서 주로 오스테나이트로부터 형성된 마르텐사이트와 베이나이트 조직이 관찰되었고, 3층 용접한 재료두께 20mm의 미세조직에서 침상 페라이트가 관찰되었다. 다층 용접하여 용접횟수를 증가시키면 용접부에 어닐링 효과를 주어 합금성분을 확산시키고 이로 인하여 노치인성이 우수한 침상 페라이트 조직을 형성시키는 것으로 판단된다.
경도 값은 열영향부와 용착금속부에서 모재부보다 상대적으로 높게 나타났다. 경도분포는 판 두께가 두꺼울수록 상대적으로 열영향부 주위의 경도가 전반적으로 더 높게 나타났고 모재 쪽으로 갈수록 모든 재료의 경도가 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 현상은 용접 후 모재가 대기와 직접 접촉하여 급랭되면서 모재의 탄소가 침입 형 고용체로 존재하고 있다가 용접 시 열을 받게 되면 열영향부에 국부적으로 확산되어 밀도가 높아지면서 열처리 효과가 나타나고 경도 값이 높아진 것으로 판단된다.
또한 십자형 필릿 용접 시 삽입판 위아래 판의 45°경사 개선(groove)부에 다층 용접하여 용입을 하므로 서 하중 전달 형 시험편의 균열 진전 방향에 반복적으로 열을 가하게 되어 이때 합성 금속조직 변화가 피로강도 향상에 좋은 영향을 준 것으로 판단된다.
7은 이들 3가지의 판 두께별 피로시험 결과를 함께 나타낸 것이다. 모든 두께의 시험편에서 하중 전달형의 경우가 비 하중 전달형의 경우보다 전반적으로 피로강도가 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박과 같이 제작공정에서 용접에 의한 비중이 큰 구조물의 경우 생산성 향상을 위해서 무엇을 개발하는 것이 앞으로의 관심사인가?	최근에는 용접기술과 용접방법의 발전으로 그들과 같은 요인들을 잘 해결하고 있고 용접부의 강도 향상을 위한 많은 연구가 진행되고 있다[3-5]. 그리고 특히 선박과 같이 제작공정에서 용접에 의한 비중이 큰 구조물들의 경우 생산성 향상을 위해서는 용접부의 강도향상과 더불어 경제성을 고려한 용접법을 개발하는 것이 앞으로의 관심사이다[6-7]. 따라서 본 연구에서는 이와 관련하여 완전 용입에 의한 십자형 필릿 용접 구조물의 안전 설계를 위한 가장 기본적인 토우 부 파괴 시 피로강도와 피로수명의 특성을 파악하고 재료두께, 용접층수, 하중방향 그리고 토우부의 노치 곡률반경과의 관련성에 대하여 연구하고자 하였다.
	대부분 강구조물은 어떤 용접으로 이루어지는가?	기계, 교량, 선박 그리고 가스설비 등 대부분 강구조물들에 의한 제작공정에서 구조물의 강도 향상 및 편리성 때문에 용접에 의한 비중이 증대되고 있다. 그리고 이들 구조물은 대부분 맞대기 및 필릿 용접으로 이루어지고 있다. 그러나 이들 용접부에는 높은 아크열에 의하여 재료의 변형이 생기기 쉽고 이로 인하여 잔류응력이 존재하게 되고, 용접 기능사의 미숙과 열악한 환경조건은 여러 가지 결함을 유발시킬 수도 있다[1-3].
	기계, 교량, 선박 그리고 가스설비 등 대부분 강구조물들에 의한 제작공정에서 용접에 의한 비중이 증대되고 있는 이유는 무엇인가?	기계, 교량, 선박 그리고 가스설비 등 대부분 강구조물들에 의한 제작공정에서 구조물의 강도 향상 및 편리성 때문에 용접에 의한 비중이 증대되고 있다. 그리고 이들 구조물은 대부분 맞대기 및 필릿 용접으로 이루어지고 있다.

참고문헌 (10)

J. R. Garland and P. R. Kirkwood: Toward improved submerged arc weld metal, Metal Construction( Part 1), Metal Construction, Vol. 7, No. 5, 275, (1975)
J. R. Garland and P. R. Kirkwood: Toward improved submerged arc weld metal, Metal Construction( Part 2), Metal Construction, Vol. 7, No. 6, 320, (1975)
Yong Bok Lee, Chin Sung Chung, Young Keun Park and Ho Kyung Kim: Effect of redistributing residual stress on the fatigue behavior of SS330 weldment, Int. J. Fatigue, 20-8, 565-573, (1998)

상세보기
D. Radaj: Review of fatigue strength assessment of non-welded and welded structures based on local parameters, Int. J. Fatigue, Vol. 18, No. 3, 153-170, (1996)

상세보기
Yong Bok Lee and Byung Duck Oh: Characteristics of fatigue crack propagations with respect to the angles between rolling and tensile loading directions of steel plates, J. of KSMTE, 14-3, 74-80, (2005)
S. W. Kang et al: An improvement of the fatigue strength in fillet welded cruciform joints of mild steel under pulsating tension load, JSNA of Japan, Vol. 150, No. 11, 499, (1981)
V. Balasubramanian and B. Guha: Influence of weld size on fatigue crack growth characteristics of flux cored arc welded cruciform joints, Materials Science and Engineering A265, 7-17, (1999)
J. M. Ferreira and C. M. Branco: Influence of fillet weld joint geometry on the fatigue crack growth, Theor. Appl. Frac. Mech., Vol. 15, 131-142, (1991)

상세보기
J. Bannantine, J. Comer and J. Handrock: Funde- rmentals of metal fatigue analysis, 9-13, (1987)
Y. B. Lee: Characteristics of fatigue failure according to thickness material and number of passes in cruciform fillet weld zone, Journal of KWJS(in Korean), 28-6, 45-50 (2010)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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