[논문]암반 파쇄용 진동리퍼 기어박스-생크 용접부의 피로특성

오광근; 김재훈; 김연욱; 박정렬; 양규상; 박종원; 김성현

doi:10.14346/jkosos.2014.29.6.028

Abstract ▼ AI-Helper

Vibro ripper worked by high frequency vibration is developed to do rock fragmentation and work of ripper is the different concept with other existing breakers. The gear box-shank welded joint of vibro ripper is very important part to deliver vibromotive force to tooth, so this part should endure hig...

Vibro ripper worked by high frequency vibration is developed to do rock fragmentation and work of ripper is the different concept with other existing breakers. The gear box-shank welded joint of vibro ripper is very important part to deliver vibromotive force to tooth, so this part should endure high frequency vibration environments. The purposes of this study are to choose the optimal welding conditions for fatigue strength. The conditions were made using three kind of shank materials and two kind of filler metals. Shank materials are Hadox-hituf, Posten80 and AR400, and filler metals are CSF-71T and CSF-81T. The fatigue test was conducted each condition. Fracture surface was observed to estimate fracture characteristics of welded joint using SEM.

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AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재 국내에서 고주기 저소음 진동 리퍼에 대한 개발이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 진동리퍼의 핵심중 하나인 투스-생크 (tooth- shank) 용접부에 관한 연구를 진행하였다. 진동리퍼의 핵심 부품인 기어박스와 생크는 서로 용접에 의해서 연결되어 있다.
이러한 경우 리퍼의 파괴는 반복적인 하중에 의하여 취약부인 용접부에서 균열이 발생하고 진전해서 최종파단에 이를 것으로 예측된다⁴⁾. 따라서 본 연구에서는 투스-생크 용접부의 형상을 잘 표현 할 수 있는 불완전 용입 십자필렛용접(cross fillet welding) 시편을 이용하여 동일한 용접 조건하에서 생크와 용착금속의 소재 변화에 따른 피로시험을 수행하였고 소재별 피로특성을 파악하여 최상의 조합조건을 도출하였다. 그리고 파단면 분석을 통하여 소재별 파단면의 특징을 분석하여 결과를 논의하였다.
본 논문에서는 국내에서 개발 중인 진동리퍼에 대하여 연구를 하였다. 여러 소재에 대한 용접 시 피로수명의 비교를 통해서 적절한 용접소재의 선택 방안을 제시하였으며 결과는 다음과 같다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 투스-생크 용접부의 형상을 잘 표현 할 수 있는 불완전 용입 십자필렛용접(cross fillet welding) 시편을 이용하여 동일한 용접 조건하에서 생크와 용착금속의 소재 변화에 따른 피로시험을 수행하였고 소재별 피로특성을 파악하여 최상의 조합조건을 도출하였다. 그리고 파단면 분석을 통하여 소재별 파단면의 특징을 분석하여 결과를 논의하였다.
피로시험은 Fig. 2의 만능 유압시험기(Shimadzu, EHF-10ED-40)를 이용하여 인장강도 기준의 70%~30%의 하중범위에서 응력비(R = σmin/σmax)를 0으로 설정하고 10Hz의 정현파로 일정 반복하중을 부하하였다.
용접 시험편은 Fig. 2와 같이 가운데는 기어박스 소재 그리고 상하부는 생크소재로 구성된 십자형으로 제작하였고 루트부 파괴를 유도하기 위해서 미 용입길이를 7 mm로 하였으며 용접부의 응력집중을 피하기 위해 필렛용접 하였다. 용접 방식은 CO₂를 이용한 아크 용접으로 모든 시편이 동일한 조건에서 용접되었다.
파단면 분석은 SEM촬영을 통해서 이루어졌다. 분석 결과 모든 조건에서 동일하게 초기 크랙은 미용입부분에서 발생하였고 취성파괴를 나타내는 스트라에이션(striation)이 발견되었고 최종 파단은 시편의 루트부에서 일어났으며 연성 파과를 의미하는 딤플(dimple)이 발견되었으며, 크랙의 진전과 최종파단까지 피로파괴기구를 잘 보여주고 있다⁶⁾.
본 논문에서는 국내에서 개발 중인 진동리퍼에 대하여 연구를 하였다. 여러 소재에 대한 용접 시 피로수명의 비교를 통해서 적절한 용접소재의 선택 방안을 제시하였으며 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

Hardox-hituf와 AR400은 내마모성이 우수한 합금강으로 주로 굴삭기와 불도저 등의 중장비에 사용된다. 용착금속은 아크 용접에 사용되는 플럭스 코드와이어(flux cord wire) CSF-71T와 CSF-81T 두가지 소재를 이용하였다. Table 1은 생크 및 용착금속 소재에 대한 화학 조성을 나타내며 Table 2는 기계적 특성을 나타낸 것이다.

성능/효과

4.1 S-N 선도와 피로수명

피로시험을 통해서 생크소재와 용접봉의 소재에 따라 총 6가지의 S-N선도를 얻었으며, 생크 소재 및 용접봉 소재의 변화에 따른 S-N곡선을 이용해서 피로수명이 가장 높은 조건을 도출하였다. 피로실험은 내구한도인 N = 10⁶ cycle을 넘으면 무한수명으로 판단하여 실험을 중단하였다.
5는 동일한 용접봉 소재에서 생크 소재의 변화에 따른 S-N선도를 나타낸 것이다. 생크 소재별 피로강도을 비교한 결과에서 용접봉 소재와 상관없이 Hadoxhituf, Posten80, AR400의 순으로 높은 피로강도를 보이며 동일한 용접봉 소재에서 Hadox-hituf와 AR400은 20 MPa이상의 피로강도의 차이를 보인다. 가장 높은 인장강도를 가진 AR400이 용접 후 가장 낮은 피로강도를 가지는 것은 피로강도 측면에서 볼 때 용접성이 다른 소재보다 상대적으로 낮다는 것을 의미한다.
위 결과를 종합해 본 결과로부터, 생크 소재는 Hadox-hituf를 사용하고 CSF-81T을 이용한 용접봉 소재가 가장 우수한 피로수명을 나타내고 있다. Fig.
파단면 분석은 SEM촬영을 통해서 이루어졌다. 분석 결과 모든 조건에서 동일하게 초기 크랙은 미용입부분에서 발생하였고 취성파괴를 나타내는 스트라에이션(striation)이 발견되었고 최종 파단은 시편의 루트부에서 일어났으며 연성 파과를 의미하는 딤플(dimple)이 발견되었으며, 크랙의 진전과 최종파단까지 피로파괴기구를 잘 보여주고 있다⁶⁾. Fig.
용접봉 소재에 따른 파단면을 비교해본 결과 용접봉의 종류에 따라 파단면의 차이가 나타나는 것을 발견하였다. Fig.
8 a)와 b)를 비교하면, CSF-81T용접봉이 CSF-71T 보다 검은 점 형상이 상대적으로 적다는 것을 알 수 있다. 이 형상을 확대하면 작은 결정형태의 입자가 나타나는데, 이를 EDS 성분분석을 통해서 알아본 결과에서, 탄소(C)를 67.96 wt% 포함하는 탄산칼슘(CaCO₃)과 산소(O)가 21.67 wt% 그리고 규소(Si)가 0.29 wt%를 포함하는 산화규소(SiO₂)가 주를 이루는 비금속 개재물로 판단되었다. 이러한 비금속 개재물은 용접 시 발생되는 용접 개재물로 비교적 큰 크기를 가지고 있다.
1. 생크소재의 변화에 따른 피로시험을 수행한 결과에서 피로강도는 용접봉의 종류에 상관없이 HodaxHituf, Posten80, Ar400의 순으로 나타난다. 용접봉 소재의 변화에 따른 피로강도는 생크소재와 상관없이 CSF-81T가 CSF-71T보다 우수하다.
2. SEM을 이용한 파단면 분석을 수행한 결과, 모든 종류의 파단면에서 피로파괴의 대표적인 형상인 스트라이에이션(striation)과 딤플(dimple)이 확인되었다. 용접봉 소재에 따른 파단면의 분석에서 탄산칼슘(CaCo₃)과 산화규소(SiO₂)가 주를 이루는 비금속 개재물이다.
3. 결과적으로 기어박스-생크 용접부의 소재로 생크부는 Hadox-hituf, 용접봉은 CSF-81T를 선택하면, 가장 우수한 피로강도를 지니게 된다. 하지만 CSF-81T는 상대적으로 경제적 부담이 크기 때문에 용접봉의 적절한 선택이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동리퍼 개발을 위한 연구에서 용접 시 피로수명의 비교한 결과는?	1. 생크소재의 변화에 따른 피로시험을 수행한 결과에서 피로강도는 용접봉의 종류에 상관없이 HodaxHituf, Posten80, Ar400의 순으로 나타난다. 용접봉 소재의 변화에 따른 피로강도는 생크소재와 상관없이 CSF-81T가 CSF-71T보다 우수하다. 2. SEM을 이용한 파단면 분석을 수행한 결과, 모든 종류의 파단면에서 피로파괴의 대표적인 형상인 스트라이에이션(striation)과 딤플(dimple)이 확인되었다. 용접봉 소재에 따른 파단면의 분석에서 탄산칼슘(CaCo3)과 산화규소(SiO2)가 주를 이루는 비금속 개재물이다. CSF-81T에 비해 Si를 더 함유한 CSF-71T에서 개재물이 많이 나타나며, 이는 피로수명을 감소시키는 원인으로 판단된다. 3. 결과적으로 기어박스-생크 용접부의 소재로 생크부는 Hadox-hituf, 용접봉은 CSF-81T를 선택하면, 가장 우수한 피로강도를 지니게 된다. 하지만 CSF-81T는 상대적으로 경제적 부담이 크기 때문에 용접봉의 적절한 선택이 요구된다.
	중장비를 필요로 하는 작업에서 주로 유압브레이커를 어디에 장착하여 사용하는가?	암반파쇄, 도로보수, 건축물 해체 등 중장비를 필요로 하는 작업에서는 주로 유압브레이커를 굴삭기에 장착하여 사용하고 있다. 하지만 유압브레이커는 기계의 특성상 충격과 파괴에 따른 소음, 진동으로 인하여 대표적인 환경 소음원의 하나로 관련 법규에 의하여 발생소음의 크기가 제한받고 있는 실정이다1-2).
	진동리퍼란?	진동리퍼는 장비 내부 편심기어가 회전하면서 발생하는 기진력을 동력원으로 하여 진동을 발생시켜 암반을 타격함으로서 암반의 인장파괴를 유도하여 암반을 직접적으로 파쇄하는 방식으로 기존의 천공을 내고 2차 파쇄작업을 해야 하는 유압브레이커와는 차별화된 암반파쇄장치이다. 현재 국내에서 고주기 저소음 진동 리퍼에 대한 개발이 이루어지고 있다.

참고문헌 (8)

J. H. Lee, J. G. Ih, S. H. Park, T. G. Ha and J. H. Lim, "Vibro-acoustic Design and Developement of a Low-noise Hydraulic Breaker", Journal of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 11, No. 5, pp. 148-155, 2001.
G. B. Park, C. H. Park, Y. S. Park and D. H. Choi, "Optimal Design of Minimizing Weight of Housing of Hydraulic Breaker", Trans. of the Korean Society of Mechanical Engineers(A), Vol.35, No. 2, pp 207-212, 2011.

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V. Balasubramanian and B. Guha, "Influence of Weld Size Fatigue Crack Growth Characteristics of Flux Cored are Welded Cruciform Joints", Materials Science and Engineering: A", Vol. 265, Issues 1-2, pp.7-17, 1999.

상세보기
Y. B. Lee, "A Study on Characteristics of Fatigue Life in LOP Cruciform Rillet Welding Zone", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 16, No. 3, pp.29-34, 2012.
K. H. Chang and C. H. Lee, "Residual Stresses and Fracture Mechanics Analysis of a Crack in Welds of High Strength Steels", Engineering Fracture Mechanics, Vol. 74, Issue 6, pp. 980-994, 2007.

상세보기
S. B. Jeon, "Fracture Surface Analysis", R&B INC., No. RB-FA-G003, 2014.
Z. Xiaohui, W. Dongpo, D. Caiyan, L. Yu and S. Zongxian, "The Fatigue Behaviors of Butt Welds Ground Flush in the Super-long Life Regime", International Journal of Fatigue, Vol. 36, Issue 1, pp. 1-8, 2012.

상세보기
F. Matsuda, H. Nakagawa, S. Ogata and S. Katayama, "Fractographic Investigation on Solidification Crack in the Varestraint Test of Fully Austenitic Stainless steel : Studies on Fractography of Welded Zone(III)",Transactions of JWRI, Vol. 7, No.1, pp.59-70, 1978.

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