20 연구논문 HR Coil 재 Box 형용접구조물의피로강도평가에관한연구 강성원 * 김명현 * 장용원 * 이진우 ** * 부산대학교조선해양공학과 ** 볼보건설기계코리아 ( 주 ) 연구소 Fatigue Strength Evaluation of Welded Box Type with HR Coil Sung-Won Kang*, Myung-Hyun Kim*, Yong-Won Jang* and Jin-Woo Lee** *Dept. of Naval Architecture & Ocean Engineering, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea **R&D team, Volvo Construction Equipment Korea Ltd., Changwon 641-430, Korea Abstract Due to the difficulties associated with the supply of steel plates, hot rolled coil (Steel grade: SM490A) is considered for structural materials in replace of the existing SWS50A-M1. However, it is found that SM490A exhibits a significant anisotropy in terms of impact energy with respect to transverse and longitudinal directions. In this study, an experimental investigation is carried out to examine the relationship between the anisotropy in impact values and the fatigue strengths of SM490A with respect to the rolling direction of test specimens. All test specimens failed around 1,500,000 cycles regardless of the test specimen direction. Therefore, it is found that the anisotropy in impact energy is not related to the fatigue strength of the materials considered in this study. However, the transverse direction specimen showed more rapid brittle fracture mode compared to that of longitudinal direction specimen, and this appears to be related to the lower impact values in transverse direction. * Corresponding author : swkang@pusan.ac.kr (Received March 30, 2005) Key Words : Steel plates, Hot rolled coil, Impact values, Transverse, Longitudinal, Anisotropy, Fatigue strength 1. 서론 건설기계장비를비롯한각종강구조물은대부분용접구조물이며, 구조물대형화추세와함께다양한사용조건하에서도구조물의충분한내구성및신뢰성확보를필요로하고있다. 동시에작업능률및경제성의향상을위해서는구조경량화가필수적으로요구되고있다. 특히파손이일어나기쉬운용접부에대하여파손을방지하기위한합리적인구조설계및용접기술의개발과함께보다정밀한용접부응력해석및강도평가법의개발과용접결함이발생하지않는정밀용접시공법의확립이필요하다. 본연구에서는굴삭기의주요구조물등에서보이는 Box형용접판구조물을대상으로국내외적으로심각한강재의자재수급난발생으로인하여기존의소재 (SWS50A-M1) 를대체하여열연코일재 (SM490A) 로사용하 기위한피로강도평가및압연방향에따른 Transverse ( 횡 )/Longitudinal( 종 ) 방향충격치의차이로나타난이방성 (Fig. 1) 과피로수명사이의연관성을규명하기위한실험적연구를수행하였다. Fig. 1 Impact value of HR coil(sm490a) 428 Journal of KWS, Vol. 23, No. 5, October, 2005
HR Coil 재 Box 형용접구조물의피로강도평가에관한연구 21 2. 사용재료및실험방법 본시험에사용된시험재의종류는열연코일재 (SM490A) 와판재 (SWS50A-M1) 이고, 시험편채취방향에따라횡방향은각각 2개의시험편, 종방향은각각 1개의시험편으로총 6개의시험편에대하여 4점굽힘피로시험을실시하였다. Table 1에본연구에사용된열연코일재 (SM490A) 의화학조성및기계적성질을나타내였으며, 용접조건은 Table 2에나타내었다. 시험편형상은 Fig. 2와같이 box형구조이며, 전체길이 1200mm, 높이 95mm, 폭 85mm, 두께 10mm 이며, 각장은 8mm로측면필릿용접이음을적용하여제작하였다. 또한, 4점굽힘피로시험으로윗지그사이간격은시험편중앙에서양방향으로 125mm, 아래지그사이간격은시험편중앙에서 1000mm 로피로시험을수행하였다. Table 1 Chemical composition and mechanical properties of the material(sm490a) Mechanical Properties Value Remarks Checked Value Yield Strength(MPa) Min.315 For thickness 15~40mm 424.5 For thickness Tensile 490~610 less than Strength(MPa) 100mm 526.3 Elongation(%), (G.L.: For thickness Min.22 50mm ) 6~15 mm 30 Impact strength(j) Min.27 at -20 30 Chemical Composition(%) Thickness range( mm ) C Si Mn P S t 50 0.20 0.55 1.60 0.035 0.035 50<t 200 0.22 0.55 1.60 0.035 0.035 Run Process 1 GMAW Table 2 Weld conditions Filler metal AWS A5.18 ER70S-G Current (A) Voltage (V) Travel speed (CPM) Heat input (KJ/cm) 350 36 25 30 Fig. 2 Dimensions and shape of test specimen [unit(mm)] Fig. 3 Schematic for strain gauge placements [unit(mm)] 피로시험은하중제어방식으로최대하중은 17tonf 으로동일하게하였고, 응력비 (R) 는 0.1, 반복하중파형은정현파, 반복속도는 3Hz로실시하였다. 피로시험에앞서시험편제작시변형으로인하여시험편에편심하중이작용하는것을측정하기위하여 Fig. 3과같이시험편에 1축 5mm스트레인게이지총 15개를부착하여 2tonf에서 17tonf 까지단계적으로정적하중을부하하면서변형률을측정하였다. 좌, 우및폭방향대칭점의변형률값이평형을유지하도록시험편과보조판사이에 liner 를삽입하여시험부에순수굽힘모우멘트가작용하도록조정하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 파단수명및파단위치 Fig. 4는피로시험후시험편종류별파단수명및파단위치를나타내었다. 파단위치는순수굽힘모멘트가걸리는중심에서양방향으로 125mm 지점안쪽에서모두파단되어유한요소해석결과로예측한파단위치와동일한피로시험결과를나타내었다. 한편, 피로수명은아래쪽인장측필릿용접부에서 web측으로 10mm 균열진전을기준으로판단할때, 판재 (SWS50A-M1) 와열연코일재 (SM490A) 의횡방향과종방향에따른각시험편에대한피로수명은모두약 1,500,000cycle에서파단되어충격치로나타난이방성에대비하여피로수명은거의차이가없는것으로나타났다. 시험편에서발생한피로균열은모두시험편아래쪽인장측필릿이음용접부에서발생하였고, 피로균열은수직으로전파하여 web과 flange 를관통하여인장응력방향과직각방향으로전파하는양상을보였다. Fig. 5에서는시험편아래쪽인장측용접토우부응력범위를이용한 S-N 선도를나타내었다. 피로시험시균열발생위치에해당하는시험편중앙에서폭방향으 大韓熔接學會誌第 23 卷第 5 號, 2005 年 10 月 429
22 강성원 김명현 장용원 이진우 (a)(coil/transverse)1,527,980cycle Fractured at 125mm right (b)(coil/longitudinal)1,415,300cycle Fractured at 128mm left (a)(coil/transverse) Web 4.7mm (b)(coil/longitudinal) Web 16mm (c)(plate/transverse)1,290,030cycle (d)(plate/longitudinal)1,760,000cycle Fractured at 75mm right Fractured 128mm left Fig. 4 Final failure life and fracture location of each specimen Fig. 5 S-N curve of test specimens 로아래쪽인장측플랜지토우부표면에 Fig. 3에서보인바와같이두군데부착한스트레인게이지 2, 5번을통해측정된응력의평균값으로응력범위를결정하였다. 피로수명은 IIW(International Institute of Welding) 의 FAT 90 Class 에모두만족하는결과를보여피로강도측면에서판재 (SWS50A-M1) 를대체하여열연코일재 (SM490A) 가적합하다고사료되어진다. (c)(plate/transverse) Web 16mm (d)(plate/longitudinal) Web 16.7mm Fig. 6 Comparison between transverse and longitudinal fatigue crack propagation 로균열진전후급속한파단에이르렀고, 종방향은약 16mm 피로균열진전후급속한파단에이르렀다. 이는횡방향에비해종방향의충격치가 20~30% 밖에되지않는것을감안할때균열진전과연관성이있는것으로사료되어지며, 판재 (SWS50A- M1) 의경우종방향과횡방향모두유사한균열진전양상을보였다. 시험편에서발생한초기피로크랙은모두인장측필릿이음용접루트부에서발생하였다. Fig. 7에서는전자주사현미경을이용한초기파단면분석사진을나타내었으며, 분석결과초기크랙의발생원인은필릿용접시포함된슬랙개재물 (slag inclusion) 과기공 (porosity) 으로나타났다. Fig. 8에는열연코일재 (SM490A) 횡방향시험편에대한전자주사현미경사진을나타내었으며, 분석결과파면상에비금속개재물 (Non-metallic inclusion) 이 3.2 피로균열진전 Fig. 6에서는판재 (SWS50A-M1) 와열연코일재 (SM490A) 에대한횡방향과종방향의피로균열진전을비교하여나타내었다. 열연코일재 (SM490A) 횡방향의경우초기크랙발생부에서 web방향으로약 5mm 피 Fig. 7 SEM observation of a typical fatigue crack source 430 Journal of KWS, Vol. 23, No. 5, October, 2005
HR Coil 재 Box 형용접구조물의피로강도평가에관한연구 23 력인 σ s 및 σ m 는각각다음조건을만족하여야한다. (2) m = 1 t 0 t x (y)d y. Fig. 8 SEM observation the fracture surface of on the transverse HR coil(sm490a) 선상으로분포되어있는것으로나타났다. 이는열연코일재 (SM490A) 에있어균열이발생한이후, 판재 (SWS50A -M1) 와달리급격한파단이일어나는원인으로판단된다. 3.3 구조응력을이용한피로통합선도 최근제안되고있는기하학적불연속부에응력을산출하는방법인구조응력 (structural stress) 3-7) 은기본적인구조역학적평형조건을바탕으로용접부에서일정거리떨어진부분에서의응력을구한후이를이용하여용접부선단에서의응력을추정하는방법이다. 또한, 다양한용접부형상의 S-N곡선을단일곡선으로나타낼수있는것으로알려져있다. Fig. 9는기존해석절차에따른구조응력의정적평형분포를나타낸것으로식 (1) 과같이구조응력 (structural stress, σ s) 은막응력 (membrane stress, σ m) 과굽힘응력 (bending stress, σ b) 으로구분된다. (3) b = t 2 6 0 t x (y) (y- t 2 )dy 여기서 t는 web 길이의절반에해당하며, 식 (2) 는 x 방향으로의힘의평형, 식 (3) 은모멘트평형을각각의미한다. 식 (2) 와 (3) 을이용한구조응력해석절차를사용하여 Fig. 10와같이본시험에사용된시험편형상을상용프로그램인 Ansys 를이용하여유한요소해석을수행하였다. 유한요소해석시사용된요소는 20node solid요소로감소적분법 (reduced integration method) 을사용하여계산하였다. Fig. 11은본시험편형상에대한유한요소망크기에따라수행한응력해석결과를응력집중계수 (Stress Concentration Factors) 로나타내었다. 그림에서보는바와같이구조응력값이유한요소망크기에민감하게변하지않고일관성있게구해짐을알수있다. s = m + (1) b Fig. 10 FEA results(direction stress distribution and deformation) Fig. 9 의단면 A-A 에평형조건을부여하면구조응 Fig. 9 Illustration of structural stress definition Fig. 11 Calculated structural stress with respect to different mesh size 大韓熔接學會誌第 23 卷第 5 號, 2005 年 10 月 431
24 강성원 김명현 장용원 이진우 한편, 서로다른하중조건하에서다양한연결부형상, 용접형상, 두께에대하여구해진다수의 S-N 데이터를바탕으로구조응력해석절차를이용하여통합선도가최근 Dong등 3-6) 에의하여발표되었다. Fig. 12 에서는통합선도에본시험편형상에대하여유한요소해석을통하여식 (1) 에의해구한구조응력결과를식 (4) 에나타낸방법을이용하여통합피로선도상에나타내었다. 식 (4) 는용접부형상, 두께및하중조건등을고려하여통합피로선도를도출하기위한식 7) 이다. ΔS s = t SCF ss Δσ n 2-m 2m I(r) 1 m 여기서 t= 부재두께, m=3.6, I(r)=Δσ b /Δσ s ( 구조응력진폭에대한굽힘응력진폭의비 ), Δσ n 은공칭응력진폭, SCF ss 는구조응력에근거한응력집중계수이다. Fig. 12에나타낸바와같이본연구에서고려한시험편에대하여구한구조응력및피로수명은통합피로선도와잘일치하는결과를보였다. 4. 결론 본연구에서는판재 (SWS50A-M1) 와열연코일재 (SM490A) 를사용하여제작한 box형용접구조물의피로수명평가를실험적으로규명하였으며, 다음과같은결론을얻었다. 1) 기존판재 (SWS50A-M1) 를열연코일재 (SM490A) 로대체하고자하는경우, 대등한피로수명을가지는것으로나타났다. 2) 판재 (SWS50A-M1) 와열연코일재 (SM490A) 의횡방향과종방향에따른각시험편에대한피로수명은 Fig. 12 Correlation of all edge details with other small details using the equivalent struct ural stress range parameter (4) web측으로 10mm 균열진전을기준으로약 1,500,000 cycle에서파단되어거의차이가없는것으로나타났다. 3) 피로수명을 web측으로 10mm 균열진전을기준으로판단할때, 횡방향과종방향의충격치차이로나타난이방성과피로수명은거의연관성이없는것으로판단된다. 4) 열연코일재 (SM490A) 의횡방향과종방향이방성과균열전파속도를고려할때, 횡방향시험편이종방향시험편에비해균열이발생한이후보다급격히파단에이르렀으며이는약 30% 낮은충격인성치와연관이있는것으로사료된다. 5) 유한요소해석을이용하여구한구조응력 (structural stress) 계산치는요소크기에큰영향을받지않고일정한값을나타내었으며, 구조응력 (structural stress) 을이용한피로수명선도작성시통합피로선도와일치하였다. 후 기 본연구의일부는볼보건설기계코리아 ( 주 ) 산학협동연구비에의하여수행되었으며, 일부는한국과학재단의첨단조선공학연구센터의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 1. D. S. UM, S. W. kang, T. H. Lee, H. W. Lee, S. H. Choi, : A Study on Bending Fatigue Strength of One Side Fillet Welded T-joint by SM490A steel, Journal of the Korean Welding Society, 16-5, October, 1998 2. Jong Rak Kim, Yang Hee, : A Study on Structural Characteristices of SM490A TMC Thick Steel Plates, Journal of the KSSC, Vol 15-3, No. 64, June 2003 3. Jong Sung Kim, Tae Eun Jin, Jeong Kyun Hong, Dong. P., : Finite Element Analysis and Development of Interim Consolidated S-N curve for Fatigue Design of Weld Structure, Journal of the KSME, 27-5 (2003), 724-733 (in Korean) 4. Dong, P., 2001, A Structural Stress Definition and Numerical Implementation for Fatigue Evaluation of Welded Joints, International Journal of Fatigue, Vol. 23/10, 865-876 5. Dong, P., Hong, J.K., Cao, Z., 2001, "A New Meshinsensitive Procedure for Characterizing Stress Concentration at Welds," Proceedings of ASME PVP Conference, Service Experience, Fabrication, Residual Stress and Performance, PVP Vol. 427, Atlanta, Georgia, July 22-26, 2001 6. Dong, P., Hong, J.K., Cao, Z., 2001, A Mesh Insensitive Stress Procedure for Fatigue Evaluation of Welded Structures, IIW Doc. No. ⅩⅢ-1902-01/ⅩⅤ-1089-01, International Institute of Welding 432 Journal of KWS, Vol. 23, No. 5, October, 2005
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