용접 구조물의 피로 강도 이해

용접 구조물의 피로 파괴 원인

용접 구조물에서 피로 파괴가 발생하는 원인에는 몇 가지 중요한 요소가 포함됩니다:

용접 조인트는 일반적으로 모재와 비슷한 정하중 지지력을 나타내지만, 주기적 하중 하에서 성능이 크게 저하됩니다. 이러한 피로 저항은 접합부 구성과 전반적인 구조 설계에 의해 크게 영향을 받습니다. 결과적으로 용접 연결부에서 조기 고장이 발생하여 전체 구조물의 무결성이 손상되는 경우가 많습니다.

역사적으로 용접 구조물 설계는 정하중 강도에 우선순위를 두어 중요한 피로 고려 사항을 무시했습니다. 이러한 간과와 포괄적인 피로 설계 표준의 부재로 인해 현재 장기적인 주기적 하중에 부적합한 것으로 인식되는 차선책의 접합부 설계가 이루어졌습니다.

용접 구조물의 고유한 피로 저항 특성과 관련하여 엔지니어링 설계자와 기술자 사이에 지식 격차가 존재합니다. 이러한 결핍은 종종 비용접 금속 구조물의 피로 설계 기준과 구조 형태를 부적절하게 적용하여 용접 조인트가 제기하는 특정 문제를 해결하지 못하는 결과를 초래합니다.

비용 효율성과 경량화를 선호하는 업계 트렌드와 함께 용접 구조물의 확산으로 인해 설계 하중이 증가했습니다. 이러한 최적화 추진은 정적 시나리오에는 도움이 되지만, 재료의 내구성 한계에 가까워짐에 따라 피로 관련 문제를 악화시키는 경우가 많습니다.

고속 및 고하중 어플리케이션에서 용접 구조물의 활용도가 높아짐에 따라 동적 하중 지지력에 대한 요구가 강화되고 있습니다. 그러나 용접 구조물의 피로 강도에 대한 연구는 이러한 진화하는 요구 사항을 따라가지 못해 설계 및 성능 예측에 중요한 지식 격차가 발생하고 있습니다.

용접 토우와 루트의 고유 응력 집중은 융착 부족 또는 다공성과 같은 잠재적 용접 결함과 결합하여 피로 균열의 시작점으로 작용합니다. 이러한 미세 구조 및 기하학적 불연속성은 용접되지 않은 부품에 비해 용접된 부품의 피로 수명을 크게 감소시킵니다.

용접 공정 중에 발생하는 잔류 응력, 특히 용접부 근처의 인장 잔류 응력은 주기적 하중 하에서 균열 시작 및 전파를 촉진하여 구조물의 유효 피로 강도를 크게 감소시킬 수 있습니다.

2. 용접 구조물의 피로 파괴 원인 2.

2.1 용접 구조물의 피로 강도에 대한 정하중 강도의 영향

철과 강철 재료에 대한 연구에서 연구자들은 높은 비강도, 즉 가벼우면서도 무거운 하중을 지탱할 수 있는 능력을 얻기 위해 노력합니다. 이를 통해 구조물은 같은 무게를 유지하면서 더 큰 지지력을 갖거나 더 가벼우면서 같은 용량을 가질 수 있습니다. 그 결과 높은 피로 강도를 자랑하는 고강도 강철이 개발되었습니다.

모재의 피로 강도는 정하중 강도가 증가함에 따라 증가합니다. 그러나 이는 용접 구조물에는 해당되지 않습니다. 용접 조인트의 피로 강도는 모재의 정적 강도, 용접 금속, 열 영향 영역의 미세 구조 및 특성, 용접 금속의 강도 일치와 제한된 상관관계를 갖습니다.

즉, 동일한 용접 접합부 세부 사항이 주어지면 고강도 강재와 저탄소 강재의 피로 강도는 동일하며 동일한 S-N 곡선을 나타냅니다. 이는 맞대기 접합부, 코너 접합부 및 용접 빔과 같은 다양한 접합부 유형에 적용됩니다.

매독스는 항복점 범위가 386~636MPa인 탄소-망간강의 피로 균열 성장과 6가지 전극을 사용하여 용접된 용접 금속 및 열 영향 구역에 대한 연구를 수행했습니다.

결과는 재료의 기계적 특성이 균열 성장률에 어느 정도 영향을 미치지만 그 영향은 크지 않다는 것을 나타냅니다.

교번 하중을 받는 용접 구조물의 설계에서 고강도 강재를 선택하는 것은 엔지니어링 요구 사항을 충족하는 데 의미가 없습니다. 고강도 강재는 응력비가 +0.5보다 크고 정적 강도 조건이 지배적인 역할을 하는 경우에만 용접 조인트의 모재에 필요합니다.

이러한 결과의 원인은 접합부의 용접 토우에 두께 0.075mm~0.5mm, 팁 반경 0.015mm 미만의 언더컷과 유사한 슬래그 쐐기 결함이 존재하기 때문입니다. 날카로운 결함은 피로 균열의 원인이며 피로 균열 형성 단계에 해당합니다.

따라서 특정 응력 진폭 하에서 접합부의 피로 수명은 주로 피로 균열 전파 단계에 의해 결정됩니다. 이러한 결함으로 인해 모재 및 용접 재료의 정적 강도에 관계없이 동일한 피로 강도를 갖는 모든 강재에 대해 동일한 유형의 용접 조인트가 발생합니다.

2.2 스트레스 집중이 피로 강도에 미치는 영향

2.2.1 조인트 유형의 영향

용접 조인트에는 버트 조인트, 크로스 조인트, T 조인트 및 랩 조인트가 포함됩니다. 이러한 조인트는 힘 전달 라인의 간섭으로 인해 응력이 집중되기 쉽습니다.

맞대기 접합부의 응력선 간섭이 최소화되어 다른 접합부에 비해 응력 집중도가 낮고 피로 강도가 높습니다. 그러나 실험 결과 맞대기 접합의 피로 강도는 샘플 크기, 홈 형태, 용접 방법, 전극 유형, 용접 위치, 용접 모양, 용접 후 용접 처리 및 용접 후 열처리와 같은 다양한 요인으로 인해 크게 달라질 수 있습니다.

버트 조인트에 영구 백킹 플레이트를 사용하면 백킹 플레이트에 응력이 집중되어 조인트의 피로 강도가 감소할 수 있습니다. 이러한 유형의 조인트에서 피로 균열은 용접 토우가 아닌 용접부와 백킹 플레이트 사이의 조인트에서 발생하며, 피로 강도는 일반적으로 백킹 플레이트가 없는 최악의 형태의 맞대기 조인트와 동일합니다.

크로스 조인트와 T 조인트는 용접 구조물에 널리 사용됩니다.

이러한 내하중 접합부에서는 용접부에서 모재로의 전환 시 단면의 뚜렷한 변화로 인해 맞대기 접합부에 비해 응력 집중 계수가 높아져 맞대기 접합부에 비해 크로스 및 T-조인트의 피로 강도가 낮아집니다.

다음으로 연결된 비경사 조인트의 경우 필렛 용접 및 국부 관통 용접이 있는 홈 조인트의 경우, 용접이 작업 응력을 전달할 때 두 개의 약한 링크, 즉 모재와 용접 토 또는 용접 사이의 접합부에서 피로 골절이 발생할 수 있습니다. 홈 관통이 있는 크로스 조인트의 경우 일반적으로 용접부가 아닌 용접 토우에서만 파단이 발생합니다.

용접부가 작업 응력을 받지 않는 T자형 및 교차 접합부의 피로 강도는 주로 용접부와 주 응력 플레이트의 접합부의 응력 집중에 따라 달라집니다. T 조인트는 피로 강도가 높은 반면 크로스 조인트는 피로 강도가 낮습니다.

홈 용접을 사용하고 용접 전환을 가공하여 부드러운 전환을 만들면 T자형 또는 교차 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 이 방법은 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

무릎 관절의 피로 강도는 힘줄의 심각한 왜곡으로 인해 매우 낮습니다. 소위 "강화" 커버 플레이트 버트 조인트를 사용하는 것은 매우 불합리합니다.

버트 조인트에 커버 플레이트를 사용하면 응력 집중이 증가하여 높은 피로 강도가 현저히 약해집니다.

하중을 견디는 커버 플레이트 접합부에서는 모재 또는 용접부에 피로 균열이 발생할 수 있습니다. 또한 커버 플레이트의 폭이나 용접 길이를 변경하면 모재의 응력 분포가 변경되어 접합부의 피로 강도에 영향을 미칩니다. 용접 길이와 커버 플레이트 폭의 비율이 증가하면 모재의 응력 분포가 더 균일해지는 경향이 있으므로 접합부의 피로 강도는 증가합니다.

2.2.2 용접 형상의 영향

조인트 형태에 관계없이 두 가지 유형의 용접으로 연결됩니다: 맞대기 용접 및 필렛 용접.

용접의 모양은 응력 집중 계수에 영향을 미쳐 피로 강도에 상당한 변화를 가져옵니다.

맞대기 용접의 모양은 관절의 피로 강도에 가장 큰 영향을 미칩니다.

(1) 전환 각도의 영향

야마구치 등은 피로 강도와 모재와 용접 금속 사이의 전이 각도(외부 둔각) 사이의 관계를 확립했습니다.

테스트에서 용접 폭(W)과 높이(H)는 변경되었지만 H/W 비율은 일정하게 유지되어 포함 각도는 변하지 않았습니다. 그 결과 피로 강도 역시 변하지 않는 것으로 나타났습니다.

그러나 용접 폭이 일정하게 유지되고 높이가 변경된 경우 높이가 증가하면 조인트의 피로 강도가 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 외부 포함 각도가 감소했기 때문인 것으로 보입니다.

(2) 용접 전이 반경의 영향

샌더 등의 연구 결과에 따르면 용접 전이 반경도 접합부의 피로 강도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 전이 반경이 증가하면(전이 각도는 변하지 않는 상태에서) 피로 강도가 증가합니다.

필렛 용접의 모양도 접합부의 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다. 단일 용접부의 계산된 두께(a)와 판 두께(b)의 비율이 0.6~0.7 미만인 경우 일반적으로 용접부에서 파단됩니다. a/b가 0.7을 초과하면 일반적으로 모재에서 파단됩니다.

용접의 크기를 늘려도 다른 약한 부분, 즉 용접 토우 끝의 모재의 강도는 변하지 않으므로 기껏해야 피로 강도를 초과할 수 없습니다.

소에테와 반 크롬브루게는 축방향 피로 하중을 받는 다양한 필렛 용접으로 용접된 15mm 두께의 판을 대상으로 테스트를 수행했습니다.

그 결과 용접 다리가 13mm인 경우 모재 또는 용접 토우에서 파단이 발생했습니다. 용접 다리가 이 값보다 작으면 용접부에서 피로 골절이 발생했습니다. 다리 크기가 18mm인 경우 모재에서 골절이 발생했습니다.

이러한 결과를 바탕으로 용접 다리 크기에 대한 제한을 제안했습니다: S = 0.85B, 여기서 S는 용접 다리 크기이고 B는 플레이트 두께입니다.

용접 다리 크기가 판 두께(15mm)에 도달하더라도 용접부에 여전히 균열이 발생하여 이론적 결과를 확인했습니다.

2.2.3 영향 용접 결함

다양한 결함 유형 용접 토우에서 피로 균열의 조기 균열과 모재의 피로 강도의 현저한 감소(80%까지)로 이어집니다.

용접 결함은 일반적으로 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다:

평면 결함(예: 균열 및 융착 부족)과 체적 결함(예: 기공 및 슬래그 포함)은 다양한 정도의 영향을 미칩니다.

또한 다음과 같은 영향도 있습니다. 용접 결함 관절의 피로 강도에 미치는 영향은 결함의 유형, 방향, 위치에 따라 달라집니다.

1) 균열

용접 균열저온 및 고온 균열과 같은 균열은 부서지기 쉬운 미세 구조 외에도 응력 집중의 중요한 원인이며 구조물이나 관절의 피로 강도를 크게 감소시킬 수 있습니다.

이전 연구에 따르면 폭 60mm, 두께 12.7mm의 저탄소강 맞대기 접합 샘플에서 용접부에 길이 25mm, 깊이 5.2mm의 균열(샘플 단면적의 약 10%를 차지)이 있는 경우 교번 하중 하에서 피로 강도가 200만 사이클 후 55%에서 65%로 감소하는 것으로 나타났습니다.

2) 불완전한 침투

불완전 관통은 압력 용기 노즐과 같은 특정 조인트를 위해 의도적으로 설계되었을 수 있으므로 항상 결함으로 간주되는 것은 아니라는 점에 유의하세요.

불완전한 관통 결함은 표면 결함(단면 용접) 또는 내부 결함(양면 용접)일 수 있으며 국부적이거나 전체적으로 발생할 수 있습니다. 이러한 결함은 주로 단면을 약화시키고 응력 집중을 유발합니다.

테스트 결과, 이러한 결함이 없는 결과와 비교했을 때 피로 강도가 25% 감소하여 균열만큼 충격이 심하지 않은 것으로 나타났습니다.

3) 불완전한 융합

중요한 문제임에도 불구하고 샘플 준비의 어려움으로 인해 이 주제에 대한 연구는 제한적이었습니다.

그러나 융합 부족은 일종의 평면 결함이며 무시할 수 없다는 것은 분명합니다. 이는 종종 불완전한 침투의 한 형태로 취급됩니다.

4) 언더컷

언더컷을 설명하는 주요 매개변수는 언더컷 길이(L), 언더컷 깊이(h), 언더컷 폭(W)입니다.

현재 피로 강도에 영향을 미치는 주요 파라미터는 언더컷 깊이(h)이며, 깊이(h) 또는 깊이와 판 두께의 비율(h/B)로 평가할 수 있습니다.

5) 기공

해리슨은 체적 결함과 관련된 이전 테스트 결과를 분석하고 요약했습니다.

피로 강도의 감소는 주로 기공으로 인한 단면적 감소 때문입니다. 이들 사이에는 선형 관계가 있습니다.

그러나 일부 연구에 따르면 샘플 표면이 가공되어 기공이 표면 위 또는 바로 아래에 위치하게 되면 기공의 부정적인 영향이 증가한다고 합니다. 기공은 응력 집중의 원인으로 작용하여 피로 균열의 시작점이 됩니다.

이는 모공의 위치가 크기보다 관절의 피로 강도에 더 큰 영향을 미치며, 표면 위나 아래에 위치한 모공이 가장 큰 부정적인 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

6) 슬래그 포함

IIW에서 실시한 연구에 따르면 체적 결함 중 슬래그 포함이 다공성보다 관절의 피로 강도에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

용접 결함이 접합부의 피로 강도에 미치는 영향은 결함의 크기뿐만 아니라 내부 결함보다 표면 결함이 더 큰 영향을 미치고, 힘 방향에 수직인 평면 결함이 다른 방향보다 더 큰 영향을 미치는 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다.

잔류 인장 응력 영역에 위치한 결함의 영향은 잔류 압축 응력 영역에 위치한 결함보다 크며, 용접 토우 균열과 같은 응력 집중 영역에 위치한 결함은 균일한 응력 필드에 있는 동일한 결함보다 더 큰 영향을 미칩니다.

2.3 용접 잔류 응력이 피로 강도에 미치는 영향

용접 잔류 스트레스 은 용접 구조물의 피로 강도에 미치는 영향에 대해 널리 연구되고 있는 용접 구조물의 특성입니다. 이 문제를 조사하기 위해 수많은 실험 연구가 수행되었습니다.

피로 테스트는 종종 샘플을 다음과 비교하여 수행됩니다. 용접 잔류 응력 를 열처리하여 잔류 응력을 제거한 제품보다 더 많이 사용합니다. 이는 용접 잔류 응력의 발생이 종종 다음과 같은 재료 특성의 변화를 동반하기 때문입니다. 용접 열 주기열처리는 잔류 응력을 제거할 뿐만 아니라 재료 특성을 부분적으로 또는 완전히 복원합니다.

그러나 테스트 결과의 가변성으로 인해 용접 잔류 응력의 영향에 대한 결과와 평가에 대한 해석이 다양합니다. 이는 다양한 개인이 수행한 초기 연구와 최근 연구를 살펴보면 알 수 있습니다.

예를 들어, 연구자마다 보강재가 있는 엉덩이 관절에 대한 2×106 사이클 테스트에서 서로 다른 결론에 도달했습니다.

응력 완화를 위해 열처리한 시료의 피로 강도는 용접 상태의 동일한 시료보다 12.5% 더 높은 것으로 나타났습니다. 그러나 일부 연구에서는 용접 상태와 열처리된 시료의 피로 강도가 거의 차이가 없이 동일하다는 결과가 나왔습니다. 다른 연구에서는 잔류 응력을 제거하기 위해 열처리 후 피로 강도가 증가했지만 증가 폭은 12.5%보다 훨씬 낮았습니다.

표면 연마가 적용된 맞대기 접합 샘플의 테스트에서도 비슷한 결과가 나타났습니다. 일부 테스트에서는 열처리 후 피로 강도가 17%까지 증가할 수 있는 것으로 나타났지만, 다른 테스트에서는 개선이 나타나지 않았습니다.

이 문제는 한동안 혼란의 원인이었습니다. 그러나 구소련의 학자들이 교대 하중을 가한 일련의 실험을 통해 이 문제를 명확히 규명하는 데 도움이 되었습니다. 특히 다양한 응력 주기 특성 하에서 용접 잔류 응력이 접합 피로 강도에 미치는 영향에 대한 트루피야코프의 연구는 주목할 만합니다.

테스트는 14Mn2 일반 저합금 구조용 강철을 사용하여 수행되었으며 샘플에 가로 맞대기 용접을 하고 양쪽에 하나의 세로 용접 비드를 겹쳐서 수행했습니다.

한 그룹의 샘플은 용접 후 잔류 응력을 제거하기 위해 열처리를 하였고, 다른 그룹은 처리하지 않았습니다. 피로 강도 비교 테스트는 r = -1, 0, +0.3의 세 가지 응력 주기 특성 계수를 사용하여 수행되었습니다.

교번 하중(r = -1) 하에서 잔류 응력이 제거된 샘플의 피로 강도는 130MPa에 가까웠지만 제거되지 않은 샘플의 피로 강도는 75MPa에 불과했습니다.

맥동 하중(r = 0) 하에서 두 샘플 그룹의 피로 강도는 185MPa로 동일했습니다.

r = 0.3일 때 열처리로 잔류 응력이 제거된 시료의 피로 강도는 260MPa로 열처리하지 않은 시료의 피로 강도인 270MPa보다 약간 낮았습니다.

이 현상의 주된 이유는 다음과 같습니다:

맥동 하중(r = 0)과 같이 r 값이 높으면 피로 강도가 높고 높은 인장 응력의 영향으로 잔류 응력이 빠르게 방출되어 잔류 응력이 피로 강도에 미치는 영향이 감소합니다. r이 0.3으로 증가하면 하중 하에서 잔류 응력은 더욱 감소하여 피로 강도에 영향을 미치지 않습니다.

열처리는 잔류 응력을 제거할 뿐만 아니라 소재를 연화시켜 처리 후 피로 강도를 감소시킵니다.

이 테스트는 용접 열 주기로 인한 잔류 응력 및 재료 변화가 피로 강도에 미치는 영향을 보여줍니다. 또한 용접 잔류 응력이 접합부의 피로 강도에 미치는 영향은 피로 하중의 응력 사이클 특성과 관련이 있음을 나타냅니다. 사이클 특성 값이 낮으면 그 영향은 상대적으로 높습니다.

이전에는 잔류 스트레스로 인해 재료 수율 지점을 구조 용접에서 일정한 진폭 응력 사이클을 갖는 접합부에서 사용하면 원래 사이클 특성에 관계없이 용접 근처의 실제 응력 사이클이 재료 항복점 아래로 떨어집니다.

예를 들어, 공칭 응력 주기는 +S1 ~ -S2이고 응력 범위는 S1 + S2여야 합니다. 그러나 조인트의 실제 응력 주기 범위는 SY(항복점의 응력 진폭)에서 SY-(S1 + S2)까지입니다.

이는 용접 조인트의 피로 강도를 연구할 때 고려해야 할 중요한 요소이며, 일부 설계 코드에서는 주기적 특성 r을 응력 범위로 대체하기도 합니다.

또한 시편의 크기, 하중 모드, 응력 주기 비율, 하중 스펙트럼도 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다.

3. 용접 구조물의 피로 강도 향상을 위한 공정 방법

용접 조인트의 피로 균열 시작은 일반적으로 용접 루트 및 용접 토에서 발생합니다. 용접 루트에서 피로 균열이 시작될 위험을 제어하면 용접 조인트에서 가장 취약한 지점이 용접 토에 집중됩니다.

용접 조인트의 피로 강도를 개선하는 방법에는 여러 가지가 있습니다:

용접 결함, 특히 개구부를 줄이거나 제거합니다;

용접 토의 형상을 개선하고 응력 집중 계수를 줄입니다;

용접 잔류 응력 필드를 조정하여 잔류 압축 응력 필드를 생성합니다. 이러한 개선 방법은 표 1과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

최적화 용접 프로세스 용접 구조물의 피로 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 용접 조인트의 정하중 강도와 야금학적 특성도 향상시킵니다. 이 주제에 대한 방대한 양의 데이터가 있으므로 여기서는 반복하지 않겠습니다.

표 1 용접 구조물의 피로 강도 개선 방법

용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 주요 방법은 공정 방법에 중점을 두고 세 부분으로 나누어 자세히 설명합니다.

3.1 용접 토우 형상을 개선하고 응력 집중을 줄이는 방법

1) TIG 드레싱

연구에 따르면 TIG 수리는 국내 및 국제적으로 용접 조인트의 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 프로세스에는 다음이 포함됩니다. TIG 용접 을 사용하여 용접 조인트의 전이 부분을 재용융하여 용접부와 모재 사이의 부드러운 전환을 만듭니다. 이렇게 하면 응력 집중이 줄어들고 비금속 슬래그 내포물을 제거하여 관절의 피로 강도를 개선합니다.

용접 건은 일반적으로 수리 과정에서 용접 토우에서 0.5~1.5mm 떨어진 곳에 위치하며, 재용융된 부위는 깨끗하게 유지해야 합니다. 미리 살짝 연마하면 결과가 더 좋아집니다.

재용융 중 아크 소멸이 발생하면 재용융된 용접 비드의 품질에 영향을 미치므로 재아크 프로세스를 올바르게 처리하는 것이 중요합니다. 리아크에 가장 적합한 위치는 일반적으로 용접 비드 크레이터 앞 6mm 지점입니다.

최근 국제 용접 학회는 여러 유럽 국가 및 일본의 용접 연구 기관과 협력하여 관절의 피로 강도를 향상시키는 방법의 효능에 대한 통합 연구를 수행했습니다. 샘플은 영국 용접 연구소에서 준비했습니다.

연구 결과 2×10 후 관절의 공칭 피로 강도는 다음과 같습니다.⁶ 사이클이 이 방법으로 처리한 후 58% 증가했습니다. 이 공칭 값인 211MPa의 피로 강도는 특성 값(K 지수)인 144MPa에 해당합니다. 이는 국제 용접 학회에서 정한 접합부 세부 피로 강도의 최고 FAT 값을 뛰어넘는 수치입니다.

2) 가공

용접 표면을 가공하면 응력 집중을 크게 줄이고 맞대기 접합부의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 용접부에 결함이 없는 경우 피로 강도는 모재의 피로 강도를 능가할 수도 있습니다. 그러나 가공은 비용이 많이 드는 공정이므로 이점이 비용을 정당화할 수 있는 경우에만 수행해야 합니다.

심각한 결함이 있고 바닥 용접이 없는 용접의 경우 결함 또는 용접 루트의 응력 집중이 표면보다 훨씬 더 심하여 기계 가공이 무의미해집니다. 관통 결함이 없는 경우 피로 균열은 보강재와 용접 토에서 시작되지 않고 용접 루트로 전이됩니다. 이러한 경우 기계 가공은 실제로 접합부의 피로 강도를 감소시킬 수 있습니다.

전체 용접 금속이 아닌 용접 토우만 연마하면 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 연구에 따르면 이 시나리오에서 균열 시작 지점은 용접 토우에서 용접 결함.

구소련의 Makorov가 고강도 강철(인장 강도 σb = 1080MPa)을 대상으로 실시한 피로 강도 테스트에 따르면 교번 하중 하에서 횡단 맞대기 용접의 피로 강도는 2×10 후 ± 150MPa였습니다.⁶ 사이클을 용접된 상태로 유지했습니다. 용접부를 가공하고 보강재를 제거하면 피로 강도가 모재의 피로 강도와 동일한 ± 275MPa로 증가했습니다. 맞대기 용접부의 국부 연삭은 피로 강도가 ± 245MPa로 가공 효과의 83%에 해당하며 용접 상태보다 65% 향상되었습니다.

원하는 피로 강도 향상을 보장하려면 가공 또는 연삭에 적절한 기술을 사용해야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

3) 연삭 휠 연삭

그라인딩 휠을 사용한 연삭은 기계 가공만큼 효과적이지는 않지만 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 데 유용한 방법입니다. 국제 용접 협회에서는 탄소 텅스텐 소재로 제작된 15,000~40,000RPM 속도의 고속 전기 또는 유압 구동 연삭 휠을 사용할 것을 권장합니다. 휠의 직경은 연삭 깊이와 반경이 판 두께의 1/4 이상이어야 합니다.

국제 용접 학회의 최근 연구에 따르면 연삭 후 2 사이클 후 샘플의 공칭 피로 강도가 45% 증가한 것으로 나타났습니다. 공칭 피로 강도 199MPa는 국제 용접 학회에서 정한 접합부 세부 피로 강도의 최고 FAT 값보다 높은 특성 값(135MPa)에 해당합니다.

연삭 방향은 응력선의 방향과 일치해야 한다는 점에 유의해야 합니다. 다른 방향으로 연삭하면 응력선에 수직인 노치가 남게 되어 응력 집중원으로 작용하여 조인트의 피로 강도를 감소시킬 수 있습니다.

4) 특수 전극 방식

이 방법에는 새로운 유형의 전극 개발이 포함됩니다. 액체 금속과 액체 슬래그는 높은 습윤성을 가지고 있어 용접의 전이 반경을 향상시키고, 용접 토우의 각도를 줄이고, 용접 토우의 응력 집중을 줄이고, 용접 조인트의 피로 강도를 향상시킵니다.

TIG 용접 수리와 마찬가지로 특정 용접 위치, 특히 평면 및 필렛 용접에 대한 선호도가 높은 반면 수직, 수평 및 기타 용접 위치에서는 이점이 크게 감소합니다. 오버헤드 용접.

3.2 압축 응력을 생성하기 위해 잔류 응력장을 조정하는 방법

1) 사전 과부하 방법

노치에서 항복이 발생할 때까지 응력 집중이 포함된 시편에 인장 하중을 가하여 인장 소성 변형이 발생하면, 하중을 제거한 후 하중을 받은 노치 근처의 인장 소성 변형 부위에서 압축 응력이 발생합니다. 항복점 아래의 인장 응력은 샘플의 다른 섹션에서 균형을 이룹니다.

후속 피로 테스트에서 이 처리를 받은 시편의 응력 범위는 예압이 없는 원래 시편의 응력 범위와 다르며 현저히 감소합니다. 이를 통해 용접 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다.

연구에 따르면 교량이나 압력용기와 같은 대형 용접 구조물을 가동하기 전에 사전 하중 테스트가 필요합니다. 이를 통해 피로 성능을 향상시킬 수 있습니다.

2) 지역 난방

국부 가열은 용접의 잔류 응력장을 조정하여 응력 집중 지점에서 압축 잔류 응력을 생성하여 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 현재 이 방법은 세로 불연속 용접 또는 세로 강화 플레이트가있는 조인트에만 적용 할 수 있습니다.

단면 필렛 플레이트의 경우 가열 위치는 일반적으로 용접부로부터 플레이트 폭의 약 1/3입니다. 양면 필렛 플레이트의 경우 가열 위치는 플레이트의 중앙입니다. 이렇게 하면 용접부에 압축 응력이 발생하여 접합부의 피로 강도가 향상됩니다.

연구자마다 이 방법을 사용하여 다양한 결과를 얻었습니다. 단면 거싯 플레이트의 경우 피로 강도가 145-150% 증가한 반면 양면 거싯 플레이트의 경우 피로 강도가 70-187% 증가했습니다.

국부 가열의 위치는 접합부의 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다. 용접 끝에서 스폿 가열을 하면 노치에서 압축 잔류 응력이 발생하고 피로 강도가 53% 증가합니다. 그러나 용접 끝에서 동일한 거리를 두고 용접 끝의 시료 중앙에서 스폿 가열하면 금속학적 효과는 동일하지만 인장 잔류 응력이 발생하여 처리되지 않은 시편과 동일한 피로 강도가 발생합니다.

3) 압출 방법

국소 압출 메커니즘은 압축 잔류 응력을 생성하여 관절의 피로 강도를 향상시킨다는 점에서 점 가열 방법과 유사합니다. 그러나 작용 지점이 다르며 압출 위치는 압축 잔류 응력을 원하는 위치에 있어야 합니다.

압출 방식은 저탄소강보다 고강도강 샘플에 더 큰 영향을 미칩니다.

4) 구르너트 방법

국부 가열 방식에서는 가열 위치와 온도를 정확하게 결정하기 어렵기 때문에 만족스러운 결과를 얻기 위한 방법을 구네르트가 제안했습니다. 이 방법의 핵심은 소성 변형을 일으킬 수 있지만 상변태 온도인 55°C 또는 550°C보다 낮은 온도로 주변이 아닌 노치를 직접 가열한 후 빠르게 냉각하는 것입니다.

표면 아래의 금속과 냉각되지 않은 주변 금속의 냉각이 늦어지면 수축이 발생하고 냉각된 표면에 압축 응력이 발생합니다. 이 압축 응력은 부재의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다.

바닥층을 가열하려면 가열 과정이 느리게 진행되어야 한다는 점에 유의하세요. Gunnert는 가열 시간을 3분으로 권장하는 반면 Harrison은 5분을 권장합니다.

오타는 이 방법을 사용하여 맞대기 배관의 피로 균열을 성공적으로 예방했습니다. 배관 외부를 유도로 가열하고 내부를 순환수로 냉각하여 배관에 압축 응력을 발생시키고 피로 균열을 효과적으로 방지했습니다. 처리 후 맞대기 용접 파이프의 피로 균열 성장률이 크게 감소하고 모재와 동일한 균열 성장률에 도달했습니다.

3.3 스트레스 집중을 줄이고 압축 스트레스를 발생시키는 방법

1) 망치질 방법

해머링은 조인트의 용접 토 표면에 압축 응력을 생성하는 냉간 가공 방법입니다. 이 방법의 효과는 용접 토 표면의 소성 변형에 따라 달라집니다.

또한 해머링은 노치 선명도를 감소시켜 응력 집중을 감소시켜 조인트의 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 국제 용접 학회에서는 에어 해머의 압력을 5-6 Pa로 권장합니다.

해머 헤드의 상단은 직경 8~12mm로 단단해야 하며, 0.6mm의 망치질 깊이를 보장하기 위해 네 번의 충격을 사용하는 것이 좋습니다.

국제 용접 학회의 연구에 따르면 비하중 T 조인트의 경우 망치질은 2×10에서 피로 강도를 54%까지 증가시킵니다.⁶ 주기를 설정합니다.

2) 샷 피닝

샷 피닝은 해머링의 또 다른 형태이며 충격 가공의 일종입니다. 샷 피닝의 효과는 샷 피닝 직경에 따라 달라집니다. 직경이 너무 커서 작은 결함을 해결하기에는 너무 작아서는 안 되지만, 너무 작아서 일정 수준의 냉간 가공 경화를 달성하기에는 너무 작아서는 안 됩니다. 샷 피닝은 일반적으로 수천분의 1밀리미터 깊이까지 표면에 충격을 가할 수 있습니다.

연구에 따르면 샷 피닝은 고강도 강철 조인트의 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있으며 특히 다음과 같은 경우에 강력한 효과가 있습니다. 아르곤 아크 용접 고강도 강철 재료로 TIG 수리를 능가합니다. 샷 피닝을 사용하면 TIG 융착 수리의 효과도 향상시킬 수 있습니다.

4. 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 최신 기술

4.1 초음파 충격 처리 방법

최근에는 용접 조인트와 구조물의 피로 강도를 향상시키기 위한 수단으로 초음파 충격이 개발되었습니다. 그 메커니즘은 해머링 및 샷 피닝과 유사합니다.

그러나 초음파 충격은 경량, 우수한 제어, 유연하고 편리한 사용, 최소 소음, 고효율, 적용 제한이 적고, 저렴한 비용 및 에너지 효율과 같은 장점이 있습니다. 모든 유형의 조인트에 적합하며 용접 후 용접 조인트의 피로 성능을 개선하는 데 효과적인 방법입니다.

다양한 일반적인 용접 구조용 강재의 맞대기 접합부 및 비지지 종방향 코너 접합부에 초음파 충격 처리를 사용하여 연구를 수행했습니다. 그런 다음 용접 상태와 충격 처리된 접합부 모두에 대해 비교 피로 시험을 실시했습니다. 표 2에 표시된 결과는 초음파 충격 처리 후 용접 접합부의 피로 강도가 50-170% 증가했음을 나타냅니다.

표 2 초음파 충격 처리 전후의 피로 강도 비교

4.2 낮은 위상 변화 스폿 용접 스트립 방법

4.2.1 P용접 접합부의 피로 강도 향상 원리 및 개발

압축 응력은 용접 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있으며, 이는 문헌에서 널리 논의되어 왔습니다. 그러나 문제는 용접 조인트에 압축 응력을 쉽게 도입하는 방법에 있습니다.

화학적 조성, 합금 함량, 냉각 속도에 따라 철 및 철강 소재의 냉각 과정에서 다양한 미세 구조 변화가 발생할 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이러한 구조적 변화는 부피 팽창을 동반하며, 이는 억제 시 상변형 응력을 발생시켜 압축 응력으로 이어질 수 있습니다.

용접 금속의 경우 잔류 인장 응력이 감소하고 잔류 압축 응력도 감소하여 용접 조인트의 기계적 특성이 향상됩니다.

저변형 온도 용접 전극(LTTE)은 새로운 용접 재료 상변형 응력을 활용하여 용접 조인트에 압축 응력을 생성하고 피로 강도를 향상시킵니다.

1960년대까지 거슬러 올라가면 구소련의 용접 전문가들은 저상 변환 방법을 제안했습니다. 스폿 용접 스트립을 사용하여 용접 구조물의 피로 강도를 향상시켰지만, 당시에는 '저상 변환 스폿 용접 스트립'이라는 용어가 사용되지 않았고 단순히 특수 전극이라고 불렀습니다.

표면 처리 금속 성분 는 주로 상변환 온도를 낮추고 야금학적 상변환을 달성하기 위해 3-4% Mn으로 구성됩니다. 문헌에 따르면 이러한 특수 전극으로 표면 처리한 후 작은 시편의 피로 강도는 표면 처리하지 않은 경우보다 75% 더 높다고 합니다.

최근 초저탄소강의 개발과 용접 재료에 증착된 금속의 마르텐사이트 변성 온도를 낮추기 위한 Cr 및 Ni의 사용으로 저변형 스폿 용접 스트립이 빠르게 발전하고 있습니다.

일본과 중국 모두 이 분야에 대한 광범위한 연구를 수행했지만 아직 실험실 단계에 머물러 있습니다.

4.2.2 ELTTE 전극이 피로 강도 향상에 미치는 영향

천진대학교 재료학부는 저변형 온도 용접 전극(LTTE)을 설계 및 최적화하고 다양한 용접 접합부에 대한 광범위한 피로 테스트와 공정 성능 테스트를 수행했습니다.

(1) LTTE 방식

저변형 온도 용접 전극(LTTE)과 일반 전극 E5015를 사용하여 횡단 맞대기 조인트, 무하중 크로스 조인트, 세로 원주 필렛 조인트, 세로 평행 필렛 용접 조인트와 세로 엉덩이 관절에 각각 적용했습니다. 피로 비교 테스트가 수행되었습니다.

결과는 상 변화 지점의 LTTE 조인트의 피로 강도를 나타냅니다. 용접봉 는 일반 전극 E5015보다 11%, 23%, 42%, 46%, 59% 더 높았습니다. 피로 수명은 몇 배에서 수백 배로 증가했습니다.

표 3 용접 조인트 유형에 따른 피로 강도 개선 효과

저변형 온도 용접 전극(LTTE)은 낮은 온도에서 마르텐사이트 변형의 부피 팽창으로 인해 잔류 압축 응력이 발생하기 때문에 잔류 압축 응력의 크기는 용접 조인트의 구속과 밀접한 관련이 있습니다.

용접된 조인트가 더 많이 구속될수록 잔류 압축 응력이 커지고 피로 강도가 더 크게 향상됩니다.

(2) 저상 변환 스폿 용접을 위한 LTTE 드레싱 방법

그러나 더 많은 합금 원소 를 용접 재료에 첨가하여 정상적인 냉각 속도와 낮은 온도에서 마르텐사이트 변형을 달성하면 저변형 온도 용접 전극(LTTE)의 비용이 크게 증가합니다. 용접 구조물의 모든 용접부를 저상변환 용접 재료로 만들면 구조물의 전체 비용도 상당히 높아져 경제적으로 실현 불가능해집니다.

잘 알려져 있듯이 피로 골절 는 일반적으로 용접 조인트의 용접 토에서 발생합니다. 용접 토에 잔류 압축 응력이 발생하면 저상 변화 스폿 용접 스트립을 모두 사용하지 않고도 용접 조인트의 피로 강도를 개선하여 재료 비용을 절감할 수 있습니다.

이러한 아이디어를 염두에 두고 천진대학교는 실험 결과를 바탕으로 용접 조인트의 피로 강도를 개선하기 위해 저변형 온도 용접 전극(LTTE) 토 드레싱 방법을 제안했습니다. 두 가지 유형의 무하중 크로스 조인트와 종방향 원주 필렛 용접 조인트를 사용하여 LTTE 드레싱과 일반 전극 용접 조인트의 피로 강도를 비교했습니다. 전자의 피로 강도는 후자보다 각각 19.9%, 41.7% 높게 나타나 아이디어의 실현 가능성과 실용성을 입증했습니다.

이 예비 연구는 엔지니어링 실무에서 저변형 온도 용접 전극(LTTE)을 보다 합리적으로 적용할 수 있는 방법을 제시합니다.

동시에 저변형 온도 용접 전극(LTTE)의 토 드레싱 조인트는 커버 용접 및 토우 커버 용접 비드 근처에도 적용될 수 있습니다.

4.2.3 A저상 변화 스폿 용접 스트립의 장단점

장점:

(1) 저변형 온도 용접 전극(LTTE) 방식은 용접 공정 중에 수행되므로 용접 후 처리가 필요하지 않습니다.

(2) LTTE 방식은 특별한 조작 기술이 필요하지 않으므로 사용이 간단하고 편리합니다.

(3) 저변형 온도 용접 전극 (LTTE)을 사용하여 용접 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. 후속 용접 비드의 열 효과에 영향을받지 않기 때문에 숨겨진 용접, 덮개 용접, 단면 용접의 후면 용접 및 용접 후 처리 할 수없는 기타 용접의 피로 강도를 향상시키는 데 적합합니다.

(4) LTTE 전극은 용접 구조물의 피로 균열을 복구하는 데에도 사용할 수 있습니다.

단점:

용접 재료에 더 많은 합금 원소를 추가하면 저변형 온도 용접 전극(LTTE) 재료의 비용이 증가하지만, LTTE 드레싱 및 기타 방법을 사용하면 이를 상쇄할 수 있습니다.

5. 결론

결론적으로, 용접 구조물이 고속 및 고하중에 사용됨에 따라 용접 구조물에 대한 동적 하중 지지력 요구사항이 증가하고 있습니다. 따라서 용접 조인트의 피로 성능을 향상시키는 새로운 기술을 개발하고 활용하는 것은 용접 구조물의 광범위한 적용을 위해 매우 중요합니다.

초음파 충격 기술과 용접 접합부의 피로 강도 향상을 위한 저변형 온도 용접 전극(LTTE) 사용은 모두 피로 성능 개선 및 용접 구조물 공정 분야에서 중요한 연구 방향입니다.