마찰교반법에 의한 맞대기 용접부의 피로강도 향상에 관한 연구

Abstract

강교량을 비롯한 기계 부품, 압력용기, 항공기, 선박, 해양 재킷 등의 구조물은 거의 용접이음으로 이루어져 있으며 이러한 구조물들은 기하학적 형상변화에 따라 높은 응력집중이 발생되고 이것이 피로 파괴의 한 원인이 된다. 용접 연결부의 피로는 응력의 반복작용에 의해 발생하며 노치나 용접비드 등의 형상이 급변하여 응력집중부로부터 피로균열이 발생하여 피로강도가 극단적으로 저하된다(경갑수 등, 1998). 용접이음부의 토우부를 개선시켜 피로강도를 향상시키는 방법이 기존 연구에서 많이 제안이 되고 있다. 용접집중부의 피로강도를 향상시키는 대표적이면서 가장 용이하게 적용할 수 있는 방법으로는 그라인더 처리, TIG(Tungsten inert gas welding)처리, 햄머 피닝 등 다양한 표면처리 방법 등이 사용되고 있으며, 이들 중 용접비드나 스패터를 절삭 혹은 그라인딩 작업을 통해 매끈하게 다듬는 작업은 피로강도를 향상시키는데 효과적인 것으로 알려져 있다. 그라인딩에 의한 용접 토우부의 형상을 변화시킴에 따라 응력집중을 감소시켜 피로강도를 향상시키는데 효과가 있다. 본 연구에서는 용접부 접합프로세스 중 하나인 FSW(Friction stir welding)법을 변형한 FSP(마찰표면개질, Friction stir processing)법을 이용하여, 용접부의 구조적 형상과 마이크로 조직을 개선하여 피로강도를 향상시키는 새로운 피로강도향상법을 실험에 의해 검증하였다(김흥주, 2011). 이를 위해 먼저 맞대기용접부에 알맞은 FSP tool의 형상과 적절한 금속조직을 얻기 위한 tool의 이동속도, tool회전속도, tilted angle을 다양하게 변화시켜 적절한 FSP 가공조건을 설정하였다. 이렇게 결정된 가공조건으로부터 FSW 처리된 피로시험편과 as-welded(표면처리를 하지 않은 용접상태) 시험편에 대해 피로실험을 실시하였다. 또한 피로강도에 영향을 미치는 응력집중계수를 핫스팟응력법, 구조응력법, 간이계산법 그리고 유한요소해석에 의해 도출하고 이를 고찰하였다.|Welding process is commonly used for making a steel bridge, mechanical part, pressure vessel, aircraft, ship and ocean jacket. The welded structures have the parts of stress concentration because of a geometrical shape and it will result in a one of the reason of fatigue failure. Fatigue failure of welded joints is caused by the stress concentration from the action of the stress repeatedly at the shape of the weld bead. Existing researches are frequently suggesting a method of an enhancing the fatigue strength by improving the part on weld toe. There are several typical and easy ways to improve a fatigue level on the welding joints and the methods are as followed: Grinder process, TIG(Tungsten inert gas welding) process, Hammer Peening process. The smoothing treatments of cutting or grinding weld bead and spatters is known for giving positive impacts on enhancing fatigue level. By grinding the weld toe changing the shape part by reducing the stress concentration is effective in improving the fatigue strength. This research used a method of FSP(Friction stir processing) which is originally came from FSW(Friction stir welding), one of the welding processes. Fatigue strength of FSW verified a improving the fatigue strength by improving a structural shape and microstructure at welding joint (Kim Heungju, 2011). Firstly, we set the appropriate FSP process condition by changing a moving speed and speed of rotation of the tool and tilted angle in various ways to get a proper FSP tool shape and microstructure for suitable butt welding. We have tested for fatigue experiment on a test specimen treated by FSW and as-welded one(welded one but not treated for a surface smoothing) as followed by the process conditions from the first step. Lastly, stress concentration factor value which largely affect to fatigue strength was calculated and contemplated by hot-spot stress method, structural stress, simple calculation and FEA(finite element analysis).