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1 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*, Woo-Il Lee*, Sung-Won Kang* and Myung-Hyun Kim*, *Dept. of naval architecture and ocean engineering, Pusan National University, Pusan , Korea Corresponding author : kimm@pusan.ac.kr (Received November 28, 2008 ; Revised January 7, 2008 ; Accepted February 5, 2009) Abstract In this study, a series of fatigue test was performed to evaluate the fatigue strength of butt welded specimens. Effective notch stress through finite element analysis was conducted to analyze the fatigue results. As a results, no significant decrease in fatigue strength was observed when backplates were present. The S-N curve that based on effective notch stress appeared a similar fatigue life to FAT 225 curve without reference to existence of backplates. Key Words : Backplate, Fatigue assessment, Butt weld, Effective notch stress 1. 서론 금속구조물의접합방법으로용접은작업의용이성, 구조물의단순화, 수밀의우수성등의장점때문에철도, 교량, 선박등많은기계구조물제작에이용되고있다. 이러한용접구조물의경우오랜시간동안의반복하중으로발생하는피로파괴가일어나는위치는일반적으로응력집중이발생하는용접연결부이다 1,2). 따라서용접구조물의용접연결부에대한피로강도평가는설계시매우중요한요소로작용한다 3). 한편, 철강구조물의제작시채용되는다양한용접이음형식중이음효율이좋고시공이간편하며중량경감및구조를간이화할수있어맞대기용접이널리사용되고있다. 이러한맞대기용접은용접완료후 backplate의제거여부에따라피로강도에차이를나타내는것으로알려져있다 4). 따라서본연구에서는용접완료후 backplate 제거여부에관한연구를위해 steel backing( 제거X), ceramic backing( 제거O) 맞대기용접시험편을제작하 였다. 또한 steel backing 한 under matching 맞대기용접시험편을제작하여피로수명을비교해보았다. 각시험편에대한피로강도평가를위한피로시험을수행하였으며유효노치응력기법을이용하여피로시험결과와비교검토하였다. 2. 시험편형상 본연구에서는 Table 1과 Fig. 1에나타낸용접조건 으로 GMAW용접하였고, 용접자세는아래보기로하였 다. 시험편은설계에따라 Fig. 2와같이제작하였다. 이 후시험에사용된 3종류의시험편을 SB(Steel Backing), CB(Ceramic Backing), UMSB (Under Matching Steel Table 1 Welding condition SB CB UMSB pass Welding process GMAW Base metal grade SM 490 SM 490 WELDOX Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009

2 Backplate 의유무에따른맞대기용접시험편의피로강도평가 91 c) UMSB Fig. 1 Welding procedure Backing) 로부르기로한다. 3. 피로시험방법및결과 3.1 피로시험방법 본연구에사용된피로시험기는최대용량 50ton 의축인장 / 압축유압서보피로시험기 (Instron Model 8803) 를사용하였다. 피로실험을실시하기전, 각각의용접시편에대한공칭응력을계산하기위하여해당용접부의실제단면적을측정하였고, 하중제어방식으로피로실험을수행하였다. 피로하중의파형은정현파이며, 응력비는완전편진상태가되도록최대하중과최저하중을설정하였다. 하중반복속도는각시편별응 c) UMSB Fig. 2 Weld profile 력대를고려하여 4~10 Hz범위에서실험을수행하였고, 피로한도는 cycles로고려하여실험을수행하였다. 피로시험은 cycle 이상피로한도를넘어서는시험편이발생할때까지하중을변화시켜가며시험을수행하였다. 본연구에서는 SB 시험편 21개, CB 시험편 18개, UMSB 시험편 16개, 총 55개의시험편에대하여 stress range 120MPa~280MPa 응력대에서피로시험을실시하였다. 시험편제작의정도를알아보기위해피로시험전치수, misalignment, angular distortion을측정하였으며 misalignment 는 CB(0.26mm), SB(0.17mm), UMSB 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 91

3 92 한주호 김성민 이우일 강성원 김명현 Fig. 3 Fatigue test machine (0.12mm), angular distortion은 UMSB (0.015), SB(0.0107), CB (0.0095) 으로측정되었다. Fig. 2에나타낸치수는총시험편의평균값을나타낸것이다. Fig. 3 에는본피로시험에사용된피로시험기를나타내었다. 3.2 피로시험결과피로시험결과 SB 시험편과 CB 시험편은모든시험편이용접토우부에서균열이발생하여두께방향으로거의 0 로진전하여파손되었다. UMSB 시험편도 1개를제외한나머지시험편은모두용접토우부에서크랙이발생, 진전하였고 1개시험편이주판에 backplate를고정시키기위해가용접한부분에서균열이발생하여피로파손이일어났다. Fig. 4에피로시험중균열의발생, 진전사진을나타내었다. 세시험편모두보이는바와같이용접토우부에서균열이발생하고두께방향으로전파하는양상을나타내었다. Fig. 5에피로시험의결과를바탕으로 S-N선도를나타내었으며일반적으로알려진바와같이 5) CB 시험편이 SB 시험편보다긴수명을가지는것을확인하였다. 용접후제거가능한 Ceramic Backing 재가 backplate를사용하는맞대기용접에있어피로파손부위에는영향을끼치지않고피로수명의향상에만영향을끼치는것을알수있었다. 또한 UMSB 시험편은 SB와같은강재의 backplate를사용하였고 under matching 되었음에도불구하고 CB와거의비슷한수명을가지는것으로나타났다. 본시험결과에비추어볼때 under matching 시험편에 ceramic backing 재를사용할경우본시험에사용한 CB, SB, UMSB 보다도더좋은피로강 Fig. 4 Nominal stress range(mpa) Typical location for crack initiation and crack propagation SB CB UMSB Number of cycle, N f Fig. 5 S-N Curve 도를가질것을예상할수있었다. 4. 유효노치응력 본연구에서는 IIW(International Institute of Welding) 에서제시하는가상의노치반경 1mm를용접토우부와용접루트부에적용하여맞대기용접시험편의피로강도평가를수행하였다. 사용한가상의노치반경은식 (1) 에의해서정의되어지며 는가상의노치반경, 는실제노치반경이다. s는다축성계수로서용접부대부분의경우에사용되는 2.5를사용하였다. 는미세조직길이며, 인장강도혹은항복강도에따라 가결정되고 6,7) 본연구에서는 0.4로하여가상의노치반경을 1mm 로하여해석을수행하였다. 92 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009

4 Backplate 의유무에따른맞대기용접시험편의피로강도평가 93 (1) 피로노치계수는유한요소해석을통한유효노치응력으로부터계산되어진다. 유한요소해석에사용한요소의최소크기는일련의 parametric 연구후얻어진요소크기인 0.1mm 로하였고, 기본적으로 4개의노드를갖는 2차원평면변형률요소를사용하였다 8). 경계조건으로는 1/2 요소모델이므로중앙절단부에 x축방향으로대칭조건, 오른쪽하중이작용하는부분에는 y축방향으로경계조건을설정하였다. Fig. 6은가상의노치반경을적용한맞대기용접부의응력분포를나타낸것이며보이는바와같이기하학적불연속부인용접토우부와용접루트부에서응력이집중됨을확인할수있었다. Table 2는유효노치응력으로계산된각시험편의용접토우부와용접루트부의피로노치계수를나타낸것이다. SB는해석결과용접토우부의피로노치계수가용접루트부의피로노치계수보다더높게나왔으며, 이는본피로시험결과와일치하는것으로나타났다. CB는피로시험결과와는달리용접루트부의피로노치계수가더높게나타났다. 이는유한요소해석과정에는고려하지못한시험편제작시발생하는 misalignment 와 angular Symmetric Symmetric Y translation fix Y translation fix Fig. 6 Finite element mesh with fictitious notch radius Table 2 Results of fatigue notch factors at the weld toe and weld root SB CB Position K f Toe 2.24 Root 1.92 Toe 2.08 Root 2.42 Nominal stress range(mpa) Steel backing Ceramic backing Number of cycle, N f Fig. 7 Notch stress based S-N curve distortion의영향으로생각되며실제측정결과 steel backing 시험편보다 ceramic backing 시험편에서 misalignment 와 angular distortion이더크게측정되었고이로인해 CB의용접토우부에더큰인장력이작용함을알수있었다. Fig. 7은유효노치응력에따른피로수명을 IIW에서제시하는설계선도 FAT 225와비교한것을나타내었다 4) 5. 결론 본연구에서는 backplate를사용하여맞대기용접시험편을제작한후 backplate의제거여부에따른피로강도평가와언더매칭을하여용접하였을때의피로강도평가를위해피로시험및유효노치응력법을이용한유한요소해석을수행하였다. 그결과본연구에서얻어진결과를요약하면다음과같다. 1) Backplate 를사용한맞대기용접이음부에있어서용접완료후 backplate 제거여부에따른피로수명은 backplate를가지고있는것이고응력에서는 35%, 저응력에서는 5% 정도낮게나타났다. 이는 backplate 를제거하는것이평균적으로 20% 의수명을증가시키는것을알수있다. 2) UMSB 시험편의경우 backplate를제거하지않았음에도불구하고 backplate를제거한 CB와거의비슷한피로수명을나타내었으며 ceramic backing재를사용할경우좀더좋은피로수명을가질것으로사료된다. 3) 유효노치응력기법을적용한유한요소해석결과 SB는용접토우부의피로노치계수가높게산정되었으며이는실험결과와일치하는경향을보인다. 이에반해 CB는실험결과와는대조적으로용접루트부의피로노치계수가더크게나타났다. 이는해석상에서고려하지않았던 misalignment 와 angular distortion의영향인것으 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 93

5 94 한주호 김성민 이우일 강성원 김명현 로판단된다. 후 기 본논문은산자부중기거점및첨단조선공학연구센터의지원으로수행되었습니다 참고문헌 1. 엄동석, 강성원, 하우일 : 필릿용접이음부의응력집중계수에관한연구, 대한용접학회특별강연및학술발표대회개요집, 1 (1984), H. S. Bang, S. W. Kang, J. M. Kim : A study on the optimization of shape of weld joints, Bulletin of the korean weld society, 15-4, (1997), M. G. Kim, T. G. Min : Analysis of fatigue durability on seam weldment using notch stress approach, Bulletin of the korean weld society, 22-2 (2004), Recommendation for Fatigue Design of Welded Joints and Components, IIW documents. I /XV (2004) 5. J. H. Han, S. W. Kang, J. H. Pyun, S. M. Kim, M. H. Kim : Fatigue assessment of butt welded specimens with backplates, Proceeding of the 2008 spring annual meeting of korea, (2008) 6. Radaj D. : Review of fatigue strength assess -ment of nonwelded and welded structures based on local parameters, International Journal of Fatigue, 18-3 (1996), Neuber H. : Theory of Notch Stress, Ann Arbor Mi, Edwards, (1946) 8. S. W. Kang, M. H. Kim, H. R. Kim, J. H. Pyun : A study on the fatigue, Proceeding of the 2008 autumn annual meeting of korean welding and joining society, 48 (2007), (in Korean) 94 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009