피로 설계 6 : 용접 구조물의 피로 Part 3 - 용접 품질 및 결함의 평가

안녕하세요? 이엔지베이는 구조해석 컨설팅 & 용역 전문 업체입니다.

 

강 구조물의 피로현상에 대해 장편에 걸쳐 포스팅을 개시할 계획입니다.

 

현업에서 경험할 수 있는 다양한 피로 현상과 용접의 피로 균열에 대한 내용을 다루게 됩니다.

 

1. 용접 품질 및 결함의 평가

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피로 상황에서 우수한 용접 품질을 결정하는 요인은 일반적으로 용접과 모재 사이의 매끄러운 하중 전달, 평평한 플랭크 각도(flank angle), 용접 토우의 큰 반경, 가능한 작은 언더컷과 탕경(cold laps)의 미발생입니다.

 

물론 모든 영역에서 해당 품질을 달성하는 것은 현실적인 대안이 되지 못하므로, 낮은 하중 사이클이 작용하는 영역에서(피로에 대한 영향이 낮은)는 개재물, 다공성, 언더컷, 융합 부족 등의 문제를 어느 정도 허용할 수 있습니다.

 

용접 경함에는 다양한 유형이 존재하는데 축 방향의 각도 편향에 대한 기하학적 문제(그림 1)가 될 수도 있고, 용접 토우의 과도한 응력 집중이나, 내부 결함에 의한 것으로도 존재할 수 있습니다.

[그림 1] 축 방향의 각도 편향에 의한 문제

일반적으로 결함은 균열과 비균열로 2 종류로 나뉩니다. 비균열 결함은 용접 내부 슬래그나 다공성뿐만 아니라 1 mm 미만의 미세한 언더컷도 포함됩니다(그림 2).

[그림 2] 비균열 결함 – 언더컷과 슬래그 및 다공성

언더컷과 슬래그 및 다공성의 제한사항으로 피로 강도 FAT 값에 따른 허용 수준을 제시하고 있습니다. 아래 표 1, 2를 참고할 수 있습니다.

[표 1] 피로강도 FAT에 따른 언더컷의 허용

[표 2] 피로강도 FAT에 따른 슬래그 및 다공성의 허용

하중 방향이 Longitudinal 방향으로 작용할 경우 언더컷이나 기타 용접 결함이 피로 강도에 영향을 미치지 않음에 주의하여 불필요한 소비를 줄일 수 있습니다.

 

언더컷이 1 mm 이상으로 깊다면 비균열이 아닌 균열에 의한 결함으로 간주하여야 합니다. 이 경우 불량으로 판정하여 후처리 또는 재용접을 수행하거나, 파괴 역학을 근거로 정밀한 평가가 필요하게 됩니다. 파괴역학은 추후 상세히 다뤄질 예정입니다.

 

그림 3과 같이 부분 침투나 내부 결함 등으로 생성된 ‘균열’ 결함들은 파괴 역학으로 피로 수명을 평가할 수 있습니다. 혹은 IIW에서는 관련 균열 크기에 따른 피로 강도 FAT 값을 제시하고 있어 보수적 일순 있지만 간단하고 효율적인 피로 설계 방법도 있습니다.

[그림 3] 균열 결함과 파괴역학의 분석

IIW에서는 균열 깊이나 크기에 따른 피로 강도 FAT 값을 제시하고 있습니다(그림 6).

 

이러한 균열 깊이나 크기는 NDT(비파괴 시험)을 기반으로 크기를 산정할 수 있고 형상에 대한 기초적인 내용은 그림 4를 기반으로 합니다.

[그림 4] 균열의 산정 방법

그림 5는 용접부의 결함을 타원형(내부 결함)과 반 타원형(표면 결함)으로 가정하여 나타낸 것입니다.

 

재료의 내부 결함이 표면 아래의 0.75a 미만에서 존재한다면 2a의 표면 결함으로 가정하여 계산합니다.

 

[그림 5] 용접부 결함의 타원형/반타원형 가정

 

[그림 6] 균열 깊이 & 크기에 따른 피로 강도 FAT 값

 

이상으로 “용접 품질 및 결함의 평가”에 대해 알아보았습니다.

 

다음 시간에는 “피로 설계의 실무 절차”에 대해 알아보겠습니다.

 

감사합니다.

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출처

[1] Hobbacher, A. Recommendations for fatigue design of welded joints and components. International Institute of Welding, document XIII-1965-03/XV-1127-03.

[2] Platbandboken, utgava VII. SSAB Borlange: s.n., 1997.

[3] SSAB Design handbook, www.ssab.com/ko-kr

 

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