강구조물 용접부의 피로강도 향상을 위한 휴대용 UNSM 장치 개발 및 평가

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 휴대용 UNSM 기술의 실용화를 위해 출원중인 특허의 가압부재를 포함한 소형 경량화 장치를 개발하여 적용하고 평가하는 것이다. 가압부재는 정적하중을 최대한 일정하게 유지하는 기능을 하며 공압시스템을 응용하여 구현하였다. 장치 개발에 앞서 시제품을 통해 소형 경량화 가능성을 파악하고 공정변수 연구를 하였다. 개발된 장치는 한 명의 작업자가 어렵지 않게 사용할 수 있었다. 또한 작업자에게 전달되는 진동이 거의 없도록 진폭이 0인 부분을 고정하여 설계되어 장시간 사용하여도 무리가 없다. 표면에 압축잔류응력을 크게 유도하기 위해서는 높은 가압력이 요구되며 표면거칠기를 제어하기 위해서는 용접형상에 따른 볼팁의 형상이 더 중요하다. 휴대용 UNSM의 효과를 평가하기 위해 용접된 시편을 설계하여 초음파 피로시험을 진행하였다. 10^6 cycles에서 미처리시편의 피로강도가 휴대용 UNSM 처리 후 약 90MPa에서 160MPa로 향상되었다. 또한 휴대용 UNSM은 용접된 시편 표면에 압축잔류응력을 유도하여 피로균열발생(fatigue crack initiation, FCI) 지점을 표면에서 내부로 옮겼다. 평가 결과를 통해, 개발된 휴대용 UNSM 장치의 적용으로 실제 강구조물 용접부의 피로강도를 향상시킬 수 있을 것이라 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to develop and evaluate lightweight device with a pressure control system, which is in process to patent for practical use of portable UNSM. The pressure control system can provide a moderately static load, and it was implemented by applying the pneumatic system. Before developing of this device several lightweight possibilities were analyzed with prototypes and studied process variables. The developed device will be possible to using without difficulties by one operator. Only a negligible vibration is transmitted to the operator’s body, hence it is possible to operate the device for a long time. A high force is required to induce a high compressive residual stress at the surface layer. And to control surface roughness, the shape of the ball tip is more important depending on the weld geometry. To investigate the effectiveness of the portable UNSM, ultrasonic fatigue tests were performed on the welded specimens. The fatigue strength of the untreated specimen at 10^6 cycles was enhanced from about 90 MPa to 160 MPa after portable UNSM treatment. Moreover, portable UNSM induced a compressive residual stress, which changed the fatigue crack initiation (FCI) point from top surface to subsurface layer. Based on the evaluation result, it is expected that the application of the developed portable UNSM device enhances the fatigue strength of steel structures in various applications.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1-1. 연구의 배경 1
• 1-2. 연구의 목적 5
• 제2장 휴대용 표면처리장치 개발 7
• 2-1. 초음파나노표면개질(UNSM) 기술 7
• 2-1-1) 초음파나노표면개질 기술의 개요 7
• 2-1-2) 초음파나노표면개질 기술의 효과 8
• 2-1-3) 휴대용 표면처리장치의 시제품 예비시험 9
• 2-1-3-가) 용접시편 처리 시험 10
• 2-1-3-나) 일반 구조용강 배관 용접부 처리 시험 16
• 2-2. 공압시스템을 응용한 휴대용 표면처리장치 개발 18
• 2-2-1) 개념설계 18
• 2-2-2) 기본설계 19
• 2-2-3) 상세설계 및 제작 20
• 2-2-4) 검증 24 
• 제3장 피로강도 향상을 위한 장치 적용 및 평가 27
• 3-1. 초음파 피로시험의 개요 및 시편 설계 27
• 3-1-1) 초음파 피로시험의 개요 27
• 3-1-2) 시편 설계 및 UNSM 처리 28
• 3-1-3) 실험방법 및 조건 33
• 3-2. 초음파 피로시험 결과 35
• 제4장 결론 39
• 4-1. 결론 39
• 4-2. 향후 연구 40
• 참고문헌 41
• Abstract 47