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1 55 연구논문 함정용배전반용접부의용접후처리방법에의한피로강도증대효과에관한연구 김명현 * 강민수 * 강성원 * * 부산대학교조선해양공학과 A Study on Improvement of Fatigue Strength of Electrical Panel Weldments in Naval Vessels by Post Weld Treatment Myung-Hyun Kim*, Min-Su Kang* and Sung-Won Kang* *Naval Architecture & Ocean Engineering, Pusan National University, Busan , Korea *Corresponding author ; kimm@pusan.ac.kr (Received January 28, 2008 ; Revised March 10, 2008 ; Accepted July 14, 2008) Abstract Structural reliability of electrical panels installed in naval vessels is of critical importance from structural performance viewpoint. The panels may be exposed to vibration and fatigue loadings from internal and external sources and wave loading which cause fatigue cracking. In this study, common methods such as burr grinding and post weld heat treatment (PWHT), for the fatigue strength improvement of weldments are investigated. Burr grinding is carried out using a electric grinder in order to remove surface defects and improve the weld bead profile. And also PWHT is carried out for the purpose of removing residual. The effectiveness of the two post treatment methods is evaluated in terms of fatigue strength improvement of welded structures. Key Words : Fatigue, Electrical Panel, PWHT, Burr grinding 1. 서론 함정은전투상황에대비하기위해건조되는특수선박이므로상선과는다른개념에따라설계된다 1). 함정은일반상선과는달리전투라는특수임무를갖고있다. 또한, 적의공격에대비하기위해설계및건조에있어선체구조및주요탑재장비의안전성확보는절실히필요하며함정의생잔성관점에서가장중요한사항중의하나이다. 함정용탑재장비는선체구조에탑재되어지속적인파랑및기관기진력으로부터전달되는진동및피로하중에노출되어작동하여야할뿐만아니라, 전투상황에서발생할수있는심한진동과충격에대해서도기능을보전할수있는고도의방진ㆍ내 충격성능이요구된다. 특히함정용전장반구조와탑재장비는진동 충격에의한피로강도저하및노후화에따른파손이발생할가능성을항상가지고있다. 따라서중추적인기능수행의역할을담당하고있는함정용전기 전자장비구성부재의피로강도및신뢰성향상을위한시험평가및해석기법에대한지속적인기술개발이요구된다 2). 용접구조물의피로수명을향상시키기위해일반적으로사용되는방법으로그라인딩 (grinding), 숏피닝 (shot peening), 햄머피닝 (hammer peening) 등의표면처리방법이있다. 또한잔류응력을제거하여피로강도를개선하는방법으로는피닝 (peening), 오버로딩 (overloading), 스팟히팅 (spot heating) 방법등이있다. 본연구에서는참고문헌의최적화된 bracket 형상을 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 365

56 김명현 강민수 강성원 바탕으로용접후열처리 (Post Welding Heat Treatment, PWHT) 방법을적용한시험편과피로수명향상기대할수있는 burr grinding을적용한시험편에대하여피로시험을실시하고이결과를바탕으로함정용탑재장비전장반의내진및내피로강도향상기법을개발하는데그적용가능성을검토하고자한다. 2.

response prominences 4~33Hz : single amplitude 0.01 in maintained at each frequency for about 15 seconds Fig. 1 FEA result for idealized frame θz = fixed) 하고하부앵글에 6000N의하중을주어해석을수행하였다.

2 56 김명현 강민수 강성원 바탕으로용접후열처리 (Post Welding Heat Treatment, PWHT) 방법을적용한시험편과피로수명향상기대할수있는 burr grinding을적용한시험편에대하여피로시험을실시하고이결과를바탕으로함정용탑재장비전장반의내진및내피로강도향상기법을개발하는데그적용가능성을검토하고자한다. 2. 주요파단부위모습 Table 1에나타나있는함정용탑재장비의내진성능기준인 MIL-STD-167-1A 3) 를적용하여실시한진동시험중 Photo 1에서와같이일부브라켓의용접부에서응력집중으로파단되었다. 3. 용접부형상변화를통한개선 전장반의구성유닛을 1m 1m 의단순화된 frame 으로모델링하고기존에사용되고있는 bracket의형상을변화시켜가며 Fig. 1과같이프레임의각부분에삽입하여해석을수행하였다. 프레임의상부앵글을모두구속 (dx, dy, dz, θx, θy, Table 1 MIL-STD-167-1A Vibratory displacement of environmental vibration Test type Objective Test method Exploratory vibration test To determine the presence of response prominences 4~33Hz : single amplitude 0.01 in maintained at each frequency for about 15 seconds Fig. 1 FEA result for idealized frame θz = fixed) 하고하부앵글에 6000N의하중을주어해석을수행하였다. Type A는 bracket 의상부가직선으로뻗은형상이며, Type B는 bracket 의상부를곡선으로처리하였으며, Type C는 Type B에서끝단처리를곡선으로하였다. 마지막으로 Type D는 Type C에서 bracket 의하단부위를일정거리연장하였다. 이는응력집중부의응력이 bracket 의형상에민감하게반응하여변화함을보여준다 2). Variable frequency test Endurance test Frequency durability examination durability test from resonance frequency 4~50Hz : maintained for 5 minutes - 4~15Hz : 0.030±0.006 in - 16~25Hz : 0.020±0.004 in - 26~33Hz : 0.010±0.002 in Response prominences from exploratory or variable frequency testing Total period of at least 2 hours The amplitudes of vibration shall be in accordance with variable frequency test 4. 시험절차 4.1 시험편형상 본연구에사용된시험편은 Fig. 1의 case study를통한최적화된형상이며, 시험편의형상을 Fig. 2에나타내었다. bracket 은용접부다리길이가 5mm가유지되도록필릿용접하여시험편을제작하였으며, 시험편의두께는 4.5mm 이다. 4.2 용접후열처리 Photo 1 Fatigue cracking at bracket 피로강도를증가시키고잔류응력을제거하기위해열처리를하였으며 Table 2에 ASME 와 BS5500 에서규정하고있는 PWHT 의조건을나타내었다 4). 본연구에서는 Table 2의규정을참고하여 650 까지의가열시간은 3시간, 650 에서 1시간동안유지하여열처리를 366 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008

용접윤곽을매끄럽게하여응력집중을감소시켜야한다. 용접토우부에있어서균열이발생ㆍ전파에의해파손이일어나는경우, 특정범주의용접부에있어서용접투토우부그라인딩을통해약 3~4배의피로수명향상을기대할수있는것으로알려져있으나, 이는용접부의형상및하중모드등에따라현저히달라진다 5).

3 함정용배전반용접부의용접후처리방법에의한피로강도증대효과에관한연구 57 Fig. 2 Dimension of test specimen Table 2 PWHT condition ASME : 15~30minute Hold hour BS 5500 : 60minute ASME :595~675 Heating temperature BS 5500:600±20 를향상시키기위해서는기본적으로용접토우부의결함을제거하고, 용접윤곽을매끄럽게하여응력집중을감소시켜야한다. 용접토우부에있어서균열이발생ㆍ전파에의해파손이일어나는경우, 특정범주의용접부에있어서용접투토우부그라인딩을통해약 3~4배의피로수명향상을기대할수있는것으로알려져있으나, 이는용접부의형상및하중모드등에따라현저히달라진다 5). 특히본연구에서는용접부피로강도를향상시키는방법으로용접형상개선방법중 grinding 방법을채택하였으며, 용접부에있어서 grinding 가공된모습을 Photo 3에나타내었다. 또한, Table 3과 Fig. 3에서는 IIW recommendation에서규정한 burr grinding 방법과허용치수를각각나타내었다. Photo 2 Furnace for PWHT of test specimens 실시하였으며 Photo 2의가열장치 (furnace) 를이용하여시험편을열처리하였다. 4.3 Burr grinding 용접부가모재에비해취약한원인은용접후발생하는금속조직의변화, 용접결함, 용접토우부의형상및잔류응력등을들수있다. 용접연결부위의피로강도 Thickness of Plate 10~ 50mm Photo 3 Ground specimen Table 3 Condition of improvement method Diameter of Air Travel Speed Tip pressure speed 15000~ 15~20 10~25mm 5~7 bar rpm mm/sec 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 367

58 김명현 강민수 강성원 Table 4 Average of dimension of ground area Burr grinding h(mm) hp(mm) θ ρ d(mm) 2.62 6.48 29.77 3.37 1.19 PWHT 4.32 4.

0mm or 5%t (t: plate thickness) Fig. 3 Specification of depth for burr grinding (IIW recommendation) 4.

따라서본연구에서는피로시험을수행하기에앞서, 사용된시험편의용접토우부형상을측정하기위하여용접토우부표면에 Photo 4와같이치과용실리콘고무를이용하여형상을본뜨고비드길이방향으로 1mm 단위로 3등분하여절단한형상을비디오현미경으로계측하였다.

1 해석모델및방법 피로시험에앞서각시험편에대해상용유한요소해석프로그램을이용하여 shell 4 node의요소로응력해석을수행하였다. Fig.

따라서이러한응력집중부 (hot spot) 로부터일정거리떨어진부분에서의응력을외삽법 (extrapolation) 을이용하여구한응력을핫스팟응력 (Hot spot stress, HSS) 이라고정의하며, 이를바탕으로피로수명을산정할수있다.

4 58 김명현 강민수 강성원 Table 4 Average of dimension of ground area Burr grinding h(mm) hp(mm) θ ρ d(mm) PWHT Burr grinding t= 10~15mm : Minimum Depth (d)=0.5mm t > 15mm : Minimum Depth (d)=1.0mm Maximum Depth (d)=2.0mm or 5%t (t: plate thickness) Fig. 3 Specification of depth for burr grinding (IIW recommendation) 4.4 용접부형상측정 동일한부재에있어서도용접부의피로강도는용접부형상에따라크게차이를보이는것으로알려져있다. 따라서본연구에서는피로시험을수행하기에앞서, 사용된시험편의용접토우부형상을측정하기위하여용접토우부표면에 Photo 4와같이치과용실리콘고무를이용하여형상을본뜨고비드길이방향으로 1mm 단위로 3등분하여절단한형상을비디오현미경으로계측하였다. 직경이 6mm인 tip을사용하여 grinding하였으며, 깊이는 1mm로하였다. 용접부형상측정결과를 Table 4 에나타내었으며, IIW 규정에부합함을확인하였다. 5. 유한요소해석 5.1 해석모델및방법 피로시험에앞서각시험편에대해상용유한요소해석프로그램을이용하여 shell 4 node의요소로응력해석을수행하였다. Fig. 4와같이 burr grinding을하지않은시험편및 grinding을실시한시험편에대하여각각유한요소해석을수행하여토우부끝단에서부터의응력값을 Fig. 5와같이나타내었다. 5.2 Hot spot stress 용접구조물에있어서균열은주로불연속부나용접부에서발생한다. 따라서이러한응력집중부 (hot spot) 로부터일정거리떨어진부분에서의응력을외삽법 (extrapolation) 을이용하여구한응력을핫스팟응력 (Hot spot stress, HSS) 이라고정의하며, 이를바탕으로피로수명을산정할수있다. 이방법은현재선체구조의피로강도를구하는데있어통상적으로많이적용되고있다. 본연구에서는여러가지핫스팟응력의산출방법중선급에서주로사용되는방법을이용하여부재두께의 0.5t 및 1.5t (t= 두께 ) 에서외삽한값을통해핫스팟응력을구하였다 6). Fig. 5와같이결과는 burr grinding 된시험편의핫스팟응력이 26 MPa로나타나 As-welded 된시험편의핫스팟응력 40 MPa에비교하여약 35% 정도의응력이완화된것으로나타났다. (a) As-welded specimen (b) Burr grinding specimen (c) Video microscope (d) Silicon rubber Photo 4 Measurement of weld profile using silicon rubber Fig. 4 Stress distribution obtained from FEA 368 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008

함정용배전반용접부의용접후처리방법에의한피로강도증대효과에관한연구 59 Stess(Mpa) 55 50 45 40 35 30 25 20 15 0 5 10 15 20 Distance from toe Burr grinding As-welded Fig. 5 FEA result along distances from the weld toe 6. 피로시험및결과 6.

6.2 피로시험및결과피로시험은정현파를이용한변위제어를이용하여시험하였으며, 응력비 =-1 및주파수 =30Hz의조건으로피로실험을수행하였다. 또한실제시험에사용된시험기는외팔보시험기로최대진폭 ±25.4mm, 최고주파수 33Hz 에서시험이가능하며, 그실제시험모습을 Photo 6에나타내었다. 이렇게수행된피로시험결과를 Fig.

정량적인피로강도및피로수명향상효과를구하기위해다음과같이식 (1) 과식 (2), (3) 으로나타내었다.

5 함정용배전반용접부의용접후처리방법에의한피로강도증대효과에관한연구 59 Stess(Mpa) Distance from toe Burr grinding As-welded Fig. 5 FEA result along distances from the weld toe 6. 피로시험및결과 6.1 Laser 변위센서를이용한측정 본연구에서피로시험은외팔보형식의굽힘시험기를사용하였으며, 이때피로시험을위한변위제어를정확히하기위하여레이저변위센서를이용하여시간에따른변위를측정하였다. Photo 5에피로시험시사용된레이저변위센서를나타내었으며, 이를이용하여일정시간동안측정된변위를 Fig. 6에나타내었다. Fig. 6 에서와같이시험중변위는일정하게반복되고있음을알수있었다. 6.2 피로시험및결과피로시험은정현파를이용한변위제어를이용하여시험하였으며, 응력비 =-1 및주파수 =30Hz의조건으로피로실험을수행하였다. 또한실제시험에사용된시험기는외팔보시험기로최대진폭 ±25.4mm, 최고주파수 33Hz 에서시험이가능하며, 그실제시험모습을 Photo 6에나타내었다. 이렇게수행된피로시험결과를 Fig. 7과같이 Aswelded 시험편의피로시험결과와비교하여응력범위 (ΔS), 파단수명 (N f) 사이의관계를 S-N선도로나타내었다. 결과는 Fig. 7과같이그라인딩효과및용접후열처리효과로인해 As-welded 시험편보다 Burr grinding 시험편및 PWHT 시험편이피로강도및피로수명향상을나타내었다. 정량적인피로강도및피로수명향상효과를구하기위해다음과같이식 (1) 과식 (2), (3) 으로나타내었다. As-welded : (1) Burr grinding : (2) PWHT : (3) Photo 6 Cantilever type fatigue test machine Photo 5 Laser displacement sensor Displacement(mm) Time(s) Fig. 6 Measurement of displacement Hss(MPa) Number of cycle Fig. 7 Improvements of fatigue strength due to burr grinding and PWHT 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 369

6 60 김명현 강민수 강성원 Fatigue life at 200MPa Fatigue life at cycle Table 5 Improvements of fatigue life As-welded burr grinding PWHT times 1.23times times 3.23times 식 (1) 과식 (2), (3) 에의하면 As-welded 시험편에비해 PWHT 시험편의경우 cycle 기준으로 3.23 배의피로수명향상을보였으며, 기준응력 200 MPa 기준 1.23배의피로수명향상을보였다. 또한, burr grinding 시험편의경우 cycle 기준 2.04배의피로수명향상을보였으며, 기준응력 200 MPa에서의피로수명은 1.14배이었다. As-welded 시험편을기준으로 burr grinding 및 PWHT 시험편의피로수명향상정도를 Table 5에나타내었다. 7. 결론 본연구에서는선박용전장패널에있어응력이집중되는기하학적불연속부및용접부에있어서최적 bracket 형상을바탕으로용접후처리한피로시험편에대한피로시험및해석을수행하여피로강도및피로수명을평가해보았다. 기존 As-welded 시험편의피로시험결과와용접후처리를통한피로강도및피로수명향상을꾀한시험편을피로선도에적용하였을때 As-welded 시험편에비하여용접후처리된시험편의피로수명및피로강도가상당부분향상된결과를보이는것을알수있었다. 향후본피로시험의결과와미해군의탑재장비내진성능기준인 MIL-STD-167-1A, 내충격성능기준 MIL-S-901D 및진동절연성능기준 MIL-STD 를비교분석하여선박용전장반보강재의내진 내충격성능고도화에활용할수있는구조최적설계의개선안을마련하는데보다지속적이고다양한연구가필요하다고판단된다. 후기 이연구는한국과학재단의첨단조선공학연구센터의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 1. S. S. Seo, K. H. Son, M. K. Park, A Study on the Optimum Structural Design of Naval Vessels, Journal of the Society Naval Architects of Korea, 39-1, (2002) (in Korean) 2. M. H. Kim, J. Y. Choi, S. W. Kang, J. Y. Chung, Optimum Design for Frame Bracket of Electrical Panels for Improved Fatigue Strength, Journal of the Society Naval Architects of Korea, 43-2, (2006) (in Korean) 3. MIL-STD-167-1A : Mechanical vibration of shipboard equipment, Department of Defense, USA, 대한용접학회 : 용접 접합편람 (Ⅰ), (in Korean) 5. Haagensen P. J., Maddox S. J., Specifications for weld toe improvement by burr grinding, tig dressing and hammer peening for transverse welds, IIW Commission XⅢ-Working Group 2, Collaborative Test Program on Improvement Techniques, S. W. Kang, M. H. Kim, S. H. Kim, W. I. Ha, An Experimental Study of Fatigue Strength of Welded Structures Using Structural Stress and Hot Spot Stress, Journal of the Society Naval Architects of Korea, 42-2, (2005) (in Korean) 370 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008

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DBPIA-NURIMEDIA 90 연구논문 Backplate 의유무에따른맞대기용접시험편의피로강도평가 한주호 * 김성민 * 이우일 * 강성원 * 김명현 *, * 부산대학교공과대학조선해양공학과 Fatigue Assessment of Butt Welded Specimen According to the Existence of the Backplate Ju-Ho Han*, Seong-Min Kim*,