순수Ti용접재의 피로특성에 관한 연구

Abstract

기계 및 용접구조물이 받는 하중은 정하중의 경우보다도 주기적 또는 비주기적으로 변하는 반복하중이나 변동하중인 경우가 많으며 부재의 설계에 있어서 중요한 문제가 되고 있다. 용접부 근처에 생기는 균열은 반복하중에 의한 피로(fatigue)현상이 원인이 되어 발생되는데 기계 및 용접구조물의 파괴사고의 예를 살펴보면, 고온피로, 부식피로, 프레팅피로를 포함한 피로파괴 사고가 약 60%를 차지한다.(1),(2) 특히, 용접은 단시간에 5,000~6,000℃의 높은 열을 받으므로 가공변형이 다른 접합에 비하여 상대적으로 심하기 때문에 제작과정에서 상당한 결함을 초래하게 되며, 이러한 결함에는 용접불량, 기공, 불순물 혼입 및 크랙 등이 있다. 용접할 때 발생되는 열에 의하여 조직의 결정립이 성장되고 용접이음 강도에 미치는 홈의 개선각도는 완전 용입이 되는 조건에서 적은 개선각도가 인장시험과 굽힘시험에서 양호하며, 기공과 용접변형이 적게 발생한다고 보고하였다. 또한 용접금속의 열영향을 받는 부분에서는 결정입도가 조대화되고, 가열온도의 냉각조건에 따라 조직이 달라져서 열처리에 기계적 성질이 크게 달라진다고 보고하였다. 피로수명이란 크게 발생수명과 전파수명으로 대별되며, 발생수명은 기공 및 불순물 같은 결함의 크기, 결정립의 대소 및 강도 등에 의해 좌우된다. Normark(3) 등은 용접재에서의 피로크랙 성장속도는 모재에서와 비교하여, 열영향부에서 가장 느리고 용착부에서 가장 빠르다고 하였고, Irwin(4)은 응력확대계수의 개념을 확립하였으며, Kitagawa(5)등은 히스테리시스 곡선에서 안정된 반복 변형률값을 사용한 반복 변형률 확대계수범위 를 제안하였다. 또한 Nisitani(6),(7)등은 역학적 변수를 사용하여 여러가지 재료에 평활재의 피로크랙 전파거동을 적용하였으며, Frost(8)에 의하여 처음 실험적으로 적용되었으며, 그 후 Wareing(9)등에 의하여 상온하의 피로크랙에 대하여 그 유용성이 일부 입증되었다. Nihei와 Sasaki(10)는 용접의 끝(toe)에서 피로 크랙이 시작된다고 보고하였으며, Yoshida 등(11)은 시편의 두께가 피로하중에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 기계 부품이나 용접구조물의 결함, 상처, 게재물 등에 의하여 재료의 항복응력 이하의 작은 응력에서도 크랙은 서서히 성장하여 최종적으로는 급속하게 파괴한다. 이 균열성장 과정은 반복하중, 부식성환경, 크리프 등에 의해 진행된다. 이러한 균열성장속도를 미리 단순한 시험편을 사용하여 실험적으로 재현하여 적절한 특성을 파악하면 실제의 결함, 균열에 의한 균열의 성장의 특성을 예측할 수 있으며 어떠한 구조물이 파괴에 이르는 시간을 알아내어 대형사고를 미연에 방지하는데 많은 도움을 준다. 따라서 본 연구에서는 비피로강도(피로강도/밀도)와 비강도가 매우 우수하고 안전성과 신뢰성이 높은 티타늄을 TIG용접하여 피로실험을 통한 피로특성에 대하여 고찰하고자 한다.