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문제 정의
- 저자 등은[3,4] 그간 압력용기 강 용접부를 대상으로 표준 샤르피 시험편을 채취하여 기계적인 노치를 가공한 후 노치선단에서 발생하는 음향방출에 관한 연구를 수행한 바 있다. 본 연구에서는 동일재료를 대상으로 샤르피 시험편에 예균열(pre-crack)을 내어 AE신호를 구하고, 이들 AE신호 특성과 균열선단에서 발생하는 소성영역의 크기 및 거동과의 관계를 평가해보고자 한다. 본 연구 결과는 산업현장에서 예리한 균열을 갖고 있는 용접부의 손상과정을 비파괴적으로 감시(monitoring)하는데 활용될 수 있다는 점에서 중요한 의미를 갖는다.
제안 방법
- 본 연구에서 택한 하중 방식은 4점 굽힘실험을 동시에 실시하였으며, cross head속도는 0.05 mm/min로 하였다[3]. 4점 굽힘실험의 경우 시험편의 span length는 40 mm로 하였다.
- 본 연구에서는 압력용기 강을 대상으로 다층용접을 실시하고 채취한 후, 용접 후열처리재, 용접재와모재의 노치선단에 예균열을 낸 후 4접 굽힘과 AE실험을 동시에 실시였다. 이어 각 시험편 사이의 AE신호특성을 비교하였으며, 균열선단에 형성된 소성변형영역의 거동을 축적된 AE 에너지 관점에서 고찰하였다.
- 음향방출 실험에서 실험 조건으로 가장 중요한 문턱값(threshold hold)은 40 dB로 일정하게 하였으며, 실험중 AE신호는 소프트웨어 AE-win을 사용하여 실시간으로 얻어 내었다. 실험중 얻어진 음향 방출신호의 종류는 signal strength, AE events, rise-time, AE energy, counts 및 amplitude 등이었다. AE 실험중 필연적으로 발생하는 잡음은 주로 하중 핀과 시험편과의 마찰과 전기적인 잡음으로 구분할 수 있다.
- 예균열은 만능피로시험기를 이용하였으며, 하중 제어하에서 3 Hz로 ±1.5 kN의 반복하중을 가하여 0.5 mm를 더 내었다.
- 용접부의 층별이력은 Fig. 1과 같으며, 용접을 마친 후 용접후 열처리를 실시하였다. 열처리조건은 가열속도는 145 ℃/hr, 열처리 온도는 630 ℃에서 100분 동안 유지한 후 노냉하였다.
- 용접은 판재(300x400 mm)의 압연방향으로 두꺼운 판재용접에 많이 적용되고 있는 잠호용접(submerged arc welding)기를 이용하여 Table 2와 같은 조건으로 실시하였다.
- 우선 양 쪽 센서에 10 ㎲안에 도착하는 신호들을 택하고 난 다음, event 분포 분석을 행하여 균열선단에서 발생하는 신호를 정하였다. 이어 최종적으로 rise-time이 3 ㎲이상 차이가 나는 신호는 무시하였다.
- 음향방출신호의 측정은 두 개의 센서(PAC-R15)를 시험편의 양 끝에 부착하였으며, 예증폭기의 모델은 기존의 실험에서와 같이 PAC-1220A를 사용하였다. 음향방출 실험에서 실험 조건으로 가장 중요한 문턱값(threshold hold)은 40 dB로 일정하게 하였으며, 실험중 AE신호는 소프트웨어 AE-win을 사용하여 실시간으로 얻어 내었다. 실험중 얻어진 음향 방출신호의 종류는 signal strength, AE events, rise-time, AE energy, counts 및 amplitude 등이었다.
- 본 연구에서는 압력용기 강을 대상으로 다층용접을 실시하고 채취한 후, 용접 후열처리재, 용접재와모재의 노치선단에 예균열을 낸 후 4접 굽힘과 AE실험을 동시에 실시였다. 이어 각 시험편 사이의 AE신호특성을 비교하였으며, 균열선단에 형성된 소성변형영역의 거동을 축적된 AE 에너지 관점에서 고찰하였다. 얻어진 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 재료는 압력용기 강으로서 화학적 조성과 대기중에서 기계적 성질은 Table 1과 같다.
- 4점 굽힘실험의 경우 시험편의 span length는 40 mm로 하였다. 음향방출신호의 측정은 두 개의 센서(PAC-R15)를 시험편의 양 끝에 부착하였으며, 예증폭기의 모델은 기존의 실험에서와 같이 PAC-1220A를 사용하였다. 음향방출 실험에서 실험 조건으로 가장 중요한 문턱값(threshold hold)은 40 dB로 일정하게 하였으며, 실험중 AE신호는 소프트웨어 AE-win을 사용하여 실시간으로 얻어 내었다.
- 열처리조건은 가열속도는 145 ℃/hr, 열처리 온도는 630 ℃에서 100분 동안 유지한 후 노냉하였다. 표준 샤르피시험편은 모재의 경우에는 강판에서 압연방향과 직각 방향에서 채취하였으며, 용접재와 후열처리재는 용접된 판에서 Fig. 1과 같이 두께 방향의 정 중앙부에서 채취하였고, 용접부의 용융선 부근이 Fig. 2에서 시험편의 중앙(노치의 위치와 같음)에 위치하도록 하였다.
성능/효과
- 1) 시험편의 종류에 관계없이 탄성영역에서는 AE신호가 거의 발생하지 않았으며, 소성역역이 시작되는 점에서부터 AE신호가 발생하였다. 또한, 항복하중과 최대하중 중간점에서 가장 큰 신호 강도 값을 보이다가 그 이후의 소성심화변형영역에서는 음향방출신호가 발생하지 않았다.
- 2) 모재의 경우, 균열선단에서 소성영역이 성장함에 따라 축적된 음향방출에너지는 비교적 단순한 과정을 보이면서 증가한 반면, 후열처리재와 용접재의 경우에는 소성영역의 크기와 누적된 에너지 값의 관계는 여러 단계를 거치는 경향을 보였다. 모재와 후열처리재 및 용접재의 진폭의 범위는 각각 48.
- 금속재료를 대상으로 음향방출에 관련된 연구를 살펴보면 대개 첫 번째 신호가 발생하는 영역(대개 항복강도에 해당하는 영역)에서 미시균열이 발생한다고 보고되고 있으나, 본 실험에서는 Fig. 4에서 보는 것처럼 항복강도와 최대하중의 중간점에서 미시적인 균열이 발생하였음을 광학현미경으로 확인할 수 있었다. 그러나 시험편의 두께가 얇고 상온에서 실험을 실시하여 연성이 풍부하기 때문에 균열의 진전은 일어나지 않았다.
- 일반적으로 용접재의 경우, 기지강도는 모재에 비해 큰 값을 보이며, 그 결과 본 실험과 같이 용접재의 AE진폭값이 모재보다 크게 나타나는 것으로 여겨진다. 또한, 그림에서 모재와 후열처리재 및 용접재의 AE counts의 총수는 각각 291개, 525개와 774개로서 용접재가 가장 많이 AE counts가 발생하였다. AE 신호중 AE counts는 재료 내부에서 발생하는 균열의 수와 밀접한 관계가 있다.
- 2) 모재의 경우, 균열선단에서 소성영역이 성장함에 따라 축적된 음향방출에너지는 비교적 단순한 과정을 보이면서 증가한 반면, 후열처리재와 용접재의 경우에는 소성영역의 크기와 누적된 에너지 값의 관계는 여러 단계를 거치는 경향을 보였다. 모재와 후열처리재 및 용접재의 진폭의 범위는 각각 48.1~58.2 dB와 51~68.3 dB 51.3~78.8 dB이었으며, 모재의 AE counts의 총 수는 291개인 데 반해, 후열처리재와 용접재의 경우에는 각각 525개, 774개로서 용접재가 보다 많은 AE counts가 발생하였다.
- 모재와 후열처리재 및 용접재의 진폭의 범위는 각각 48.1~58.2 dB와 51~68.3 dB, 51.3~78.8 dB로서 용접재가 모재와 후열처리재에 비해 넓은 범위의 진폭값을 보였다. 이는 앞선 신호 강도값에서처럼 해당재료의 기지강도와 밀접한 관계가 있는 것으로 생각된다.
후속연구
- 본 연구에서는 동일재료를 대상으로 샤르피 시험편에 예균열(pre-crack)을 내어 AE신호를 구하고, 이들 AE신호 특성과 균열선단에서 발생하는 소성영역의 크기 및 거동과의 관계를 평가해보고자 한다. 본 연구 결과는 산업현장에서 예리한 균열을 갖고 있는 용접부의 손상과정을 비파괴적으로 감시(monitoring)하는데 활용될 수 있다는 점에서 중요한 의미를 갖는다.
- 이상의 연구 결과를 종합해 볼 때, 사용중 용접에 의해 결합된 부재의 안전성을 위해서는 용접부 내에 음향방출원을 최소화할 수 있는 대책, 즉 대기중에서 용접을 실시하는 과정에서 발생하는 산화물이나 기공 등을 최소화할 수 있는 용접 공정의 개선이 요구된다. 아울러 본 연구에서는 평면응력 상태하에 있는 시험편에 대해 음향방출신호 특성을 조사하였으며, 추후 평면변형을 만족하는 두께의 시험편을 대상으로 음향방출실험을 실시하여 동일 재료에 대해 평면응력과 평면변형 사이에 음향방출 실험 결과가 어떻게 나타나는지 규명할 필요가 있다고 본다.
- 이상의 연구 결과를 종합해 볼 때, 사용중 용접에 의해 결합된 부재의 안전성을 위해서는 용접부 내에 음향방출원을 최소화할 수 있는 대책, 즉 대기중에서 용접을 실시하는 과정에서 발생하는 산화물이나 기공 등을 최소화할 수 있는 용접 공정의 개선이 요구된다. 아울러 본 연구에서는 평면응력 상태하에 있는 시험편에 대해 음향방출신호 특성을 조사하였으며, 추후 평면변형을 만족하는 두께의 시험편을 대상으로 음향방출실험을 실시하여 동일 재료에 대해 평면응력과 평면변형 사이에 음향방출 실험 결과가 어떻게 나타나는지 규명할 필요가 있다고 본다.
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