2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S178

대차프레임 용접조인트에 대한 시편 피로강도 평가

Fatigue strength assessments of test specimens for the welded joints of bogie frame

김우진*†, 송시엽*, 한승호**

Woo-Jin Kim*†, See-Yeob Song*, Seung-Ho Han**

Abstract The fatigue assessment of the welded joints those are applied to the bogie frame for the rolling stock has been studied widely as can be found in the international standards. In this paper, a plan for making welding specimen has been made with considering the shape and the welding cut section with respect to the bogie frame to be used for the mass production. Then, welding specimens were collected per each weld joint to establish the fatigue test procedure and the way of assessment. Through the fatigue strength of the specimen should be evaluated meets the S-N curve presented by international standards. Keywords : Welded joint, Fatigue assessment, S-N curve, Fatigue strength 초 록 철도차량의 대차프레임에 적용되는 용접조인트에 대한 피로평가는 국제 규격에서도 볼 수 있듯이 많이 연구되어 왔다. 본 논문에서는 양산에 적용되는 실제 대차프레임에 대해서 형상 및 용접단면 정보를 바탕으로 용접시편 채취 방안을 고려하여, 각 용접조인트 별로 시편을 채취하여 피로시험절차와 평가방법에 대해서 연구하였으며, 피로시험을 통하여 시편의 피로강도가 국제 규격에서 제시하는 S-N선도를 만족하는지 평가하고자 한다.

주요어 : 용접조인트, 피로평가, S-N 선도, 피로강도

1. 서 론

철도차량 대차프레임은 내구수명 동안 운행하면서 지속적으로 반복하중을 받고 있다. 또한

대차프레임의 모든 구조에 대한 접합은 여러 가지 형상 및 용접단면으로 이루어져 있는 용

접구조물이다. 따라서 대차프레임은 용접 작업에 대한 건전성을 유지하여 내구수명 동안 각

용접조인트에 대한 피로강도 확보가 매우 중요하다고 볼 수 있다.

본 논문에서는 실제 양산용으로 제작된 대차프레임에 대하여 국제 규격에서 제시하는 형

태의 시편을 채취하여 피로시험절차를 기술하고, 용접 형상이 다른 각각의 용접조인트 별

평가방법을 기술한다. 또한 피로시험을 통해 시편의 피로강도가 규격에서 요구하는 S-N선도

를 만족여부를 평가한다.

† 교신저자: 현대로템주식회사 응용기술연구팀(kwj@hyundai-rotem.co.kr) * 현대로템 기술연구소 응용기술연구팀 ** 동아대학교 공과대학 기계공학과 교수

2. 본 론 2.1 시편 피로시험 절차

2.1.1 시편의 채취 위치 및 형상

시편 채취 위치 및 형상은 Fig. 1에 나타내었으며, 시편의 채취는 대차프레임에 적용된 용

접 형상 및 용접단면 정보를 바탕으로 아래 용접시편 채취 방안을 고려하여 다음과 같은 기

준으로 채취하였다.

(1) 가스기공 또는 전단가공으로 절단할 경우 충분한 가공여유를 주어야 한다.

(2) 가공은 과도한 냉간변형 또는 가열을 하지 않는다.

(3) 시험편의 가공불량 또는 가공 중 결함이 있다고 인정되는 경우 시편을 다시 채취한다.

(4) 시험장비의 취부 방법을 충분히 고려하여 시험편을 가공하여야 한다.

Fig. 1 Specimens location and configuration of each welded joints

2.1.2 시편의 종류 및 수량

시편의 종류 및 수량은 Table 2에 나타내었다. 각 조인트 별 시편 5개(유효 피로시험 3개,

여유시편 2개) 이상이 되어야 하나, 양산용 대차프레임에서 채취하는 만큼 시편으로 적용할

수 있는 수량은 한정되어 있다.

Table 2 Specimen configurations and quantity for fatigue test

Specimen iso-View Configurations Quantity

HK-FW_1

5

HK-FW_2

2

HK-FW_3

4

HK-FW_4

4

HK-BW_1

5

2.1.3 피로강도 등급 선정

시편의 피로강도는 DVS 1612 규격의 S-N선도 (생존수명 : 97.5% : 재질 S355)의 만족여부로

평가한다. 피로수명은 N=2x106 cycles으로 피로강도가 규격에서 제시하는 S-N 선도를 만족하

는지 확인한다. 각 시편별 등급은 Table 3에 나타내었다.

Table 3 Fatigue strength class of each specimen

Specimen DVS 1612 Class

HK-FW_1 Class E6 : σmax = 97MPa

HK-FW_2 Class F2 : σmax = 50MPa

HK-FW_3 Class E5 : σmax = 110MPa

HK-FW_4 Class F1 : σmax = 87.5MPa

HK-BW_1 Class F1 : σmax = 87.5MPa

2.1.4 피로시험 조건

본 시험은 50톤 용량의 만능시험기(MTS사)를 사용하였으며, 피로시험조건은 하중비 R=0.1

이며 시편별 상세 조건은 Table 4와 같다.

Table 4 Condition of fatigue test

Specimen Specimen

ID Load (kN)

Load Frequency (Hz) Pmax Pmin

HK-FW_1

FW11 43.9 4.4 11

FW12 66.0 6.6 11

FW13 81.2 8.1 11

FW14 96.6 9.7 10

FW15 88.0 8.8 10

HK-FW_2 FW21 210.9 21.1 7

FW22 175.8 17.6 8

HK-FW_3

FW31 62.4 6.2 10

FW32 74.3 7.4 11

FW33 89.1 8.9 10

FW34 101.3 10.1 10

HK-FW_4

FW41 88.0 8.8 10

FW42 66.0 6.6 11

FW43 57.0 5.7 11

FW44 48.3 4.8 9

HK-BW_1

BW11 78.6 7.9 10

BW12 31.4 3.1 11

BW13 69.1 6.9 11

BW14 52.4 5.2 11

BW15 48.5 4.9 11

2.2 시편 피로시험 결과 및 평가

2.2.1 피로시험 결과

각 시험조건에 대한 피로시험 결과를 시편별로 정리하여 Table 5에 나타내었다. 적용된 응력

값은 Table 4의 시험하중/단면적으로 계산하였으며, 시편의 단면적은 실측한 값을 적용하였다.

곡면부의 단면적은 곡률의 반경이 크기 때문에 편의상 단면형상을 직사각형으로 가정하여 계

산하였다.

각 시편별로 실측한 너비(W)와 두께(T)는 다음과 같다.

HK-FW_1 : 30mm (W) x 15.1mm (T)

HK_FW_2 : 120mm (W) x 15.1mm (T)

HK_FW_3 : 30mm (W) x 11.6mm (T)

HK_FW_4 : 30mm (W) x 15.1mm (T)

HK_BW_1 : 20mm (W) x 13.5mm (T)

Table 5 Results of fatigue test

Specimen Specimen

ID σmax

(MPa) Nf

(cycles) Broken section

References1)

HK-FW_1

FW11 97.0 2,000,000 -

DVS 1612 Class E6 → Ps = 97.5% : σmax = 97MPa → Ps = 50% : σmax = 145.5MPa

FW12 146.0 2,000,000 -

FW13 179.5 963,084 WM

FW14 213.4 1,158,124 WM

FW15 194.0 657,533 WM

HK-FW_2 FW21 116.4 882,561 WM DVS 1612 Class F2

→ Ps = 97.5% : σmax = 50MPa → Ps = 50% : σmax = 75MPa FW22 97.0 2,000,000 -

HK-FW_3

FW31 179.5 2,000,000 - DVS 1612 Class E5 → Ps = 97.5% : σmax = 110MPa → Ps = 50% : σmax = 165MPa

FW32 213.4 1,292,913 WM

FW33 256.1 566,369 WM

FW34 291.0 199,785 WM

HK-FW_4

FW41 194.0 465,739 WM DVS 1612 Class F1 → Ps = 97.5% : σmax = 87.5MPa → Ps = 50% : σmax = 131.3MPa

FW42 146.0 1,162,449 WM

FW43 126.1 1,774,427 WM

FW44 106.7 2,000,000 -

HK-BW_1

BW11 291.0 169,483 BM

DVS 1612 Class F1 → Ps = 97.5% : σmax = 87.5MPa → Ps = 50% : σmax = 131.3MPa

BW12 116.4 2,000,000 -

BW13 256.1 284,855 WM

BW14 194.0 510,231 BM

BW15 179.5 861,177 WM

1) Richtlinie DVS 1612, MKJ-Diagram for S355 Survival probability 97.5%, N=2x106 cycles (Safety factor of 1.5 based on mean value)

2.2.2 S-N 선도

각 피로시험 결과에 대한 S-N 선도는 Fig. 2와 같다. 시간강도영역(Finite Fatigue Life Region)에

서의 피로강도 특성은 S-N 선도의 기울기 m이 3이라는 가정하에 DVS 1612에서 제공하는 최대

허용응력 σmax(MPa)으로 추정하였다.

Fig. 2 S-N Curve for fatigue test

3. 결 론

양산용 대차프레임에서 채취한 5종의 용접시편에 대해서 피로시험을 실시하여 얻어진 결

과를 Richtlinie DVS 1612의 MKJ-diagram for S355를 기준으로 피로강도 수준을 평가하였다.

DVS 1612의 MKJ-Diagram는 N=2x106 cycles에서 Survival probability 97.5%의 최대허용응력

σmax(MPa)를 제공하며 Survival probability 50%의 평균값에 Safety factor 1.5를 고려하였다.

용접시편들은 피로강도를 만족하고 있으며, 최초 선정된 피로강도 등급 기준으로 유사한

S-N 선도를 표현하고 있다. 하지만 HK_FW_4의 경우 Class F2으로 선정하였으나 피로시험

결과 Class F1 등급임을 확인할 수 있었고, BW11, BW14의 경우 주물재의 내부 결함에 의해

서 모재부에서 파단이 발생하여 정확한 결과를 판정하기는 어려웠다.

향후, 본 논문에서 사용한 동일한 방법으로 실제 양산용으로 제작되는 대차프레임에서 시

편을 채취하고, 피로시험을 실시하여 얻어진 결과를 토대로 대차의 용접조인트에 대한 피로

강도를 확보하여 설계 및 생산에 이용할 수 있으며, 용접에 대한 품질 확보에도 많은 도움

이 될 것으로 기대한다.

참고문헌

[1] Richtlinie DVS 1612 (2009) Gestaltung und Dauerfestigkeits-bewertung von Schweiβverbindungen

mit Stählen im Schienenfahrzeugbau