용접 이음의 충격강도, 피로강도 및 피로강도 영향 인자

1. 개요

 

1) 용접이음: 모재와 금속 전극 사이에 아크를 발생시켜 그 용접열로써 전극과 모재를 용융시키며 용접 금속을 형성하는 것을 용접 이음이라고 한다.

2) 용접은 단시간 동안 고열을 수반하는 복잡한 금속접합이고, 부주의 시 심한 재질 열화, 변형, 잔류응력 등의 용접결함을 일으켜 재료에 손상을 줄 수 있으므로 전문성이 요구되는 기술이다.

 

2. 피로강도 영향 인자

 

1) 용접 이음의 피로강도 영향 인자

피로강도 저하인자(구조물에 있어서 피로 발생 인자)

• 구조적 불연속 및 용접 변형에 의한 부적합
• 노치 등 국부적 응력 집중: 재료의 각종 노치, 재료 내 각종 재료결함 등에 의한 응력 집중이 발생한다.
• 용접 덧살 부, 필릿 용접의 토우 부 또는 구멍이나 개구의 필릿 부:  기하학적으로 형상이 급변하면 응력 집중 형상 계수가 높아지게 되어 피로강도가 저하한다.
• Under-cut, Blow hole, 개재물 등에 의한 용접 결함
• 용접부의 인장 잔류 응력 및 부식, 도금, 표면부의 잔류응력

피로강도 상승인자(피로한도 상승대책)

• 진동 및 공명이 발생하는 위치를 피해서 용접 연결부 배치로 피로하중을 최소화한다.
• 부식성 환경의 노출을 최소화 한다
• 응력 집중 계수를  낮게 설계한다.
• 적합한 모재, 용가재 및 용접 공정을 선택한다.
• 시공 전 그루브 형상 및 표면을 처리한다.
• 후처리 실시

3. 용접 구조 설계상 피로강도의 검토

 

1) 용접 이음의 피로강도 저하의 원인

용접 열 영향부의 피로강도 저하

탄소강 또는 저합금강의 Arc용접 등 열을 이용한 용접 시 용접 금속읭 바깥면 수mm 구역에 용접 열 영향부(HAZ)가 형성되며, 이 열 영향부는 인성 및 연성이 저하되고, 경도가 증가하고 조직이 취하되는 특성을 보인다.

 

용접부 응력집중 현상

• 용접 비드의 루트 부는 용접 이음에 고유의 집중응력이 발생한다.
• 구조상 용접 불연속부는 응력의 난산에 의한 거시적 응력이 집중된다.

비드 높이에 따른 피로강도 저하

• 비드 높이를 삭제한 맞대기 이음은 모재의 피로강도와 같거나 이보다 낮다.
• 비드 높이를 삭제하지 않은 용접 이음은 비드의 토우부의 노치효과로 인해 비드 높이를 삭제한 이음보다 피로강도가 저하된다.
• 피로강도 특성: 모재 >= 비드 높이 삭제 맞대기 이음 > 비드 높이를 삭제하지 않은 이음

2) 용접 구조물의 피로강도 개선 방안

• 용접 설계 방법의 개선
• 용접 열 영향부의 피로강도 개선
• 각 용접 이음별 응력과 강도 특성

4. 용접 구조물의 파괴

(1) 용접 구조물의 파괴 원인

• 재료의 부적합: 용접용으로 적합하지 않은 강판의 사용, 부적합한 용접봉의 사용
• 시공불량: 용접 무자격자의 용접 시행, WPS 미준수, 적절하지 않은 용접 방법 시행
• 설계 불량: 피로강도 특성을 반영하지 앟은 구조적 설계, 하중의 분산을 고려하지 않은 설계

(2) 용접 구조물의 파괴의 종류

취성파괴: 용접 열 영향부는 취성이 높으므로 저온 및 충격하중 등에 약하고, 특히 노치부는 응력의 집중으로 인해 파괴가 진행 될 수 있으며, 아래와 같은 특성을 보인다.

• 원인: 저온일수록 발생이 쉽다. 용접 결함에 의한 구조상 불연속부, 용접 균열, 용입 부족, 슬래그 혼입등
• 발생형태: 항복점 이하에서도 진행된다. 파면은 보통 취성 재료의 파괴의 형태인 벽 파단면의 형태로 나타난다.

피로파괴: 재료에 허용 정하중 보다 작은 값이라 하더라도 반복 하중이나 변동하중이 장시간에 걸쳐 작용하여 파괴되는 현상

• 원인: 구조적 불연속 및 용접 변형에 의한 부적합, 노치 등 국부적 응력 집중, 용접 덧살부, 필릿 용접의 토우부 또는 구멍이나 개구의 필릿부등 기하학적으로 형상이 급변하면 응력집중 형상 계수가 높아지게 되어 피로강도가 저하됨, Under-cut, Blow hole, 게재물 등에 의한 용접 결함, 용접부의 인장 잔류 응력 등
• 발생 형태: 재료내부에 피로가 발생하고 미세균열 등이 발생하여 점차 진행, 파단하게 된다. 파괴, 파손되는 용접 구조물의 80%이상이 피로에서 기인한 여러가지 형태의 원인으로 파손이 된다.

(3) 해결 방안

• 용접 설계 방법의 개선
• 적합한 용접 재료의 사용
• 용접 시공 관리의 철저
• 용접 검사의 철저
• 용접 열 영향부의 응력집중 방지 및 예/후열처리 실시등

5. 결론

• 철강 구조물 파괴원인은 여러 가지가 있으나 그중 중요한 것이 동하중의 영향이다. 당초 설계시 충분한 강도와 안전율을 적용했음에도 불구하고, 계속되는 반복하중, 교번하중, 충격하중등 동하중의 영향으로 인한 피로 누적이 구조물의 파괴로 이어지게 된다.
• 최초 설계 시 피로내진을 충분히 고려하여 설계계수를 적용해야 한다.