용접 이음부의 피로 강도를 향상시키는 방법

1. 응력 집중 완화

피로 균열은 용접 이음부 및 구조물의 응력 집중 부위에서 발생합니다. 이러한 응력 집중을 제거하거나 감소시키는 모든 조치는 피로 강도를 높일 수 있습니다.

건전한 구조적 형식을 사용하십시오

• 맞대기 이음매를 우선적으로 사용하고 겹침 이음매는 최소화해야 합니다. 가능한 경우, 중요 구조물의 T자형 이음매나 모서리 이음매를 맞대기 이음매로 대체하고, 용접부가 모서리에 닿지 않도록 해야 합니다. T자형 이음매나 모서리 이음매를 피할 수 없는 경우에는 완전 관통 용접을 실시해야 합니다.
• 편심 하중을 피해야 합니다. 내부 응력은 2차 응력을 발생시키지 않으면서 부드럽게 흐르고 균일하게 분산되어야 합니다.
• 두께나 너비가 현저히 다른 판들이 만나는 부분에는 점진적인 이음을 마련하십시오. 날카로운 모서리나 굽은 부분에는 충분한 반경을 적용하십시오.
• 3중 용접으로 인한 공간적 교차를 피해야 합니다. 용접부는 응력 집중 구역에서 멀리 떨어뜨리고, 주 인장 부재에 횡방향 용접을 하지 않도록 해야 합니다. 부득이하게 용접해야 할 경우에는 내부 및 외부의 품질을 높게 유지하고, 용접 토우 부위의 응력 집중을 최소화해야 합니다.
• 중요 구조물의 단면 맞대기 용접 부위 뒤쪽에 영구적인 받침재를 남겨두지 마십시오. 각 구간은 시작부와 끝부분에 응력이 집중되므로, 간헐적인 용접은 피하십시오.

동적 하중을 받거나 저온 환경에서 사용되는 구조물은 실온에서 정적 하중을 받는 구조물보다 더 세심한 세부 설계를 필요로 한다.

용접 형상 및 품질 제어

맞대기 용접 보강부는 가능한 한 작게 하고, 용접부를 평평하게 다듬거나 연마하여 표면이 평평하게 처리되도록 하는 것이 바람직합니다. T자형 접합부에는 볼록한 필렛 용접 대신 오목한 필렛 용접을 사용하십시오. 용접 토우 부분에서는 매끄러운 이행을 확보하고, 필요한 경우 연마하거나 TIG 재용융을 실시하십시오.

모든 용접 결함은 어느 정도의 응력 집중을 유발합니다. 균열, 불완전 침투, 용착 불량, 언더컷과 같은 평면 결함은 피로 강도에 가장 큰 영향을 미칩니다. 모든 용접 부위를 작업 접근이 용이하고 제대로 시공될 수 있도록 설계해야 하며, 허용 한도를 초과하는 모든 결함을 제거해야 합니다.

2. 잔류 응력 분포 조정

잔류 압축 응력은 피로 강도를 높이는 반면, 잔류 인장 응력은 피로 강도를 낮춥니다. 용접 순서를 변경하거나 국부 가열을 적용함으로써 표면에 유리한 압축 응력 분포를 형성하거나 응력 집중을 유발할 수 있습니다.

I형 강재의 맞대기 이음부에서, 맞대기 용접부 1은 가장 큰 굽힘 응력을 받습니다. 필렛 용접부 3의 양 끝단에서 짧은 길이를 용접하지 않은 상태로 남겨두고, 용접부 1을 완료한 다음, 웹 맞대기 용접부 2를 완료합니다. 용접부 2의 수축으로 인해 용접부 1은 잔류 압축 상태가 됩니다. 마지막으로 필렛 용접 3의 미용접 부분을 용접하면, 이 부분의 수축으로 인해 용접 1과 2 모두 잔류 압축 상태가 됩니다. 시험 결과, 이 순서는 용접 이음매 1보다 먼저 이음매 2를 용접하는 경우에 비해 피로 강도를 30%만큼 향상시키는 것으로 나타났습니다. 종방향 용접으로 접합된 거셋 플레이트의 경우, 용접 끝부분 근처의 노치 부위에 적절하게 위치시킨 점 가열을 통해 응력 집중 부위에 유리한 잔류 압축 상태를 형성할 수 있습니다.

압연, 단조 또는 쇼트 피닝을 통한 표면 변형 강화는 접합면을 소성 변형시키고 경화시켜, 잔류 압축 응력을 남김으로써 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다.

3. 용접 이음부의 미세조직 및 특성 개선

모재와 용접 금속의 본질적인 피로 저항성을 향상시키려면 재료와 용접선의 야금학적 품질을 높이고 내포물을 줄여야 합니다. 가능한 경우, 접합부 열처리를 통해 유리한 미세구조를 형성함으로써 강도뿐만 아니라 연성, 인성 및 피로 저항성도 함께 높일 수 있습니다.

강도, 연성 및 인성은 균형을 이루어야 합니다. 강도는 파단을 방지하지만, 고강도 재료는 노치에 민감합니다. 연성은 변형 에너지를 흡수하고, 응력 피크를 낮추며, 높은 응력을 재분배하고, 노치와 균열 끝부분을 무디게 하여 균열의 진행을 늦추거나 멈추게 한다. 연성은 강도를 효과적으로 활용할 수 있게 해주므로, 연성과 인성을 높이면 고강도 알루미늄 합금 접합부의 피로 저항성을 현저히 향상시킬 수 있다.