KR101289905B1 - 파괴인성 시험장치 - Google Patents

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Abstract

설비 구조를 개선하여 시험이 보다 용이하고 신속하며 안정적으로 수행될 수 있도록, 작업대와, 작업대 상에 간격을 두고 설치되어 시험편의 하단을 받쳐 지지하는 한 쌍의 하부앤빌, 작업대의 중앙 상부에 위치하여 시험편 상단에 접하는 상부앤빌, 상기 상부앤빌에 연결되고 상부앤빌에 하중을 인가하여 시험편에 예비 균열 및 개구 변위를 형성하는 하중인가부, 상기 작업대의 시험편을 선택적으로 감싸는 챔버부, 상기 챔버부 내부에 놓여진 시험편을 냉각시키는 냉각부를 포함하는 파괴 인성 시험장치를 제공한다.

Description

파괴인성 시험장치{FRACTURE TOUGHNESS TEST DEVICE}
본 발명은 시험장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 후판재에 대한 파괴 인성을 시험하기 위한 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로, 제조된 후판재의 품질 특성을 확인하기 위해서는 후판재로부터 시험편을 제조하고, 그 시험편을 이용하여 필요한 시험을 실시하게 된다.
예를 들어, 파괴 인성 시험은 시험편의 파괴 인성을 검증하기 위한 시험이다. 파괴 인성이란 결함을 내포함 재료가 외부 하중에 의해 균열 진전이 없이 얼마나 견디는지를 평가하는 시험이다. 즉, 시험편이 균열 진전 없이 어느 정도의 에너지를 흡수할 수 있는 지를 검증하기 위한 것이다.
어떤 구조물에 아주 작은 하중이라도 반복되는 하중이라면 구조물에 크랙을 발생하게 되고, 결국은 구조물을 파괴하므로, 파괴 인성을 검증하는 시험은 매우 중요하다.
파괴 인성 시험은 정적인(Static) 시험과 동적인(Dynamic)시험으로 대분되는데, 정적인 시험으로는 균열 개구 변위(COD;Crack opeing displacement) 시험 등이 있고, 동적인 시험방법으로는 샤르피형 계장화 충격시험법(Charpy type instrumented impact test)이 있다. 여기서 균열 개구 변위 시험은 시험편의 노치에 반복 하중을 가하여 예비 균열을 형성하고, 예비 균열에 3점 굽힘 형태로 압축 피로하중을 가하여 파괴 인성을 시험하게 된다. 이때, 온도 조건이 요구되는 경우에는 시험편을 요구되는 온도로 낮추는 과정을 거친다.
그런데, 종래에는 균열 개구 변위 시험을 위한 각 공정을 모두 수작업에 의해 이루어짐에 따라 작업이 비능률적이고 업무부하가 가중되는 문제점이 있다.
또한, 작업이 수작업에 의존함으로써 시험 완료 시까지 작업자가 설비에 항상 지키고 있어야 하는 시간적 낭비요인이 크게 발생된다.
또한, 시험편을 극저온으로 냉각시키는 과정에서 인명피해가 발생될 우려가 높다.
이에, 설비 구조를 개선하여 시험이 보다 용이하고 신속하며 안정적으로 수행될 수 있도록 된 파괴 인성 시험장치를 제공한다.
이를 위해 본 시험장치는 작업대와, 작업대 상에 간격을 두고 설치되어 시험편의 하단을 받쳐 지지하는 한 쌍의 하부앤빌, 작업대의 중앙 상부에 위치하여 시험편 상단에 접하는 상부앤빌, 상기 상부앤빌에 연결되고 상부앤빌에 하중을 인가하여 시험편에 예비 균열 및 개구 변위를 형성하는 하중인가부, 상기 작업대의 시험편을 선택적으로 감싸는 챔버부, 상기 챔버부 내부에 놓여진 시험편을 냉각시키는 냉각부를 포함할 수 있다.
상기 하중인가부는 지면에 수직으로 설치되는 가이드바와, 상기 가이드바를 따라 이동하는 이동블럭, 이동블럭에 설치되고 상부앤빌에 연결되어 상부앤빌에 진동에너지를 가하는 엑츄에이터를 포함할 수 있다.
상기 챔버부는 지면에 설치되는 안내레일에 하단이 슬라이딩가능하게 설치되어 시험편이 놓여진 작업대를 선택적으로 덮는 하우징과, 상기 하우징 전면에 설치되어 하우징의 개방된 전면을 개폐하는 도어를 포함할 수 있다.
상기 챔버부는 상기 하우징의 상단에 상기 엑츄에이터가 지나가는 장공이 형성되고, 하우징 상단에 놓여져 상기 장공과 엑츄에티어 사이를 막기 위한 차단부재를 더 구비할 수 있다.
상기 냉각부는 상기 챔버부에 연결되는 가스관과, 상기 가스관에 연결되어 챔버부 내부로 냉각용 가스를 공급하는 가스탱크, 상기 가스관 일측에 설치되어 가스관을 개폐하는 제어밸브를 포함할 수 있다.
상기 챔버부는 상기 가스관과 연결된 하우징의 내면에 이격 설치되어 하우징 내부를 분리하는 격벽과, 격벽에 형성되어 냉각용 가스를 유통하는 유통구, 상기 격벽에 의해 분리된 내측에 설치되어 냉각용 가스를 유통구로 송풍시키기 위한 송풍팬을 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 장치에 의하면, 시험을 진행함에 있어서 작업이 기계적으로 연속적으로 이루어짐에 따라 작업을 보다 편리하고 빠르게 진행할 수 있다.
또한, 작업을 보다 안전하고 안정적으로 수행할 수 있게 되어 작업 시 발생되는 안전사고의 위험을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 파괴 인성 시험장치의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 파괴 인성 시험장치를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 파괴 인성 시험장치의 개략적인 측면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.
도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 파괴 인성 시험장치를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 본 시험장치(100)는 작업대(10)와, 작업대(10) 상에 간격을 두고 설치되어 시험편(110)의 하단을 받쳐 지지하는 한 쌍의 하부앤빌(12), 작업대(10)의 중앙 상부에 위치하여 시험편(110) 상단에 접하는 상부앤빌(14), 상기 상부앤빌(14)에 연결되고 상부앤빌(14)에 하중을 인가하여 시험편(110)에 예비 균열 및 개구 변위를 형성하는 하중인가부, 상기 작업대(10)의 시험편(110)을 선택적으로 감싸는 챔버부, 상기 챔버부 내부에 놓여진 시험편(110)을 냉각시키는 냉각부를 포함한다.
상기 작업대(10)는 지면에 놓여지며 상단에는 두 개의 하부앤빌(12)이 설치된다. 두 개의 하부앤빌(12)은 쌍을 이루며, 작업대(10) 좌우측으로 이동가능하게 설치된다. 상기 작업대(10)의 전면에는 수치가 표시된 스케일(16)이 부착되어 하부앤빌(12)의 위치나 하부앤빌(12)에 놓여지는 시험편(110)의 중심을 정확히 맞출 수 있게 된다.
상기 상부앤빌(14)은 하중인가부와 연결되어 작업대(10)의 하부앤빌(12)에 놓여진 시험편(110)의 상단 중심부에 밀착된다.
여기서 본 장치는 작업대(10)에 놓여진 시험편(110)에 예비 균열과 더불어 개구 변위를 가한다. 이에 시험편(110)을 이동시킬 필요없이 한 위치에서 시험편(110)의 예비 균열 및 개구 변위를 동시에 수행할 수 있게 된다. 여기서 예비 균열이라 함은 시험편(110)에 진동 충격과 같은 반복 하중을 가하여 시험편(110)에 형성된 노치(112)에 균열을 인위적으로 만드는 것을 의미한다. 그리고 상기 개구 변위라 함은 시험편(110)에 하중을 인가하여 예비 균열이 형성된 시험편(110)의 노치(112)가 벌어지도록 변형시키는 것을 의미한다.
이를 위해, 상기 하중인가부는 지면에 수직으로 설치되는 가이드바(20)와, 상기 가이드바(20)를 따라 이동하는 이동블럭(22), 이동블럭(22)에 설치되고 상부앤빌(14)에 연결되어 상부앤빌(14)에 진동에너지를 가하는 엑츄에이터(24)를 포함한다.
상기 하중인가부는 시험편(110)에 따라 다양한 용량으로 설계될 수 있으며, 설계 용량별로 복수개가 구분되어 각각의 작업대(10)에 배치될 수 있다.
상기 가이드바(20)는 작업대(10)의 양측에 배치되어 수직으로 연장설치된다. 상기 이동블럭(22)은 중량물로, 가이드바(20)를 따라 하강되어 상부앤빌(14)을 통해 시험편(110)에 하중을 인가하게 된다.
상기 엑츄에이터(24)는 이동블럭(22) 중앙 하부에 수직으로 설치되고 하단에는 상부앤빌(14)이 설치된다. 상기 엑츄에이터(24)는 이동블럭(22)의 하중을 상부앤빌(14)에 전달하며, 자체적으로 상하로 구동되어 상부앤빌(14)에 진동에너지와 같은 반복 하중을 가하게 된다. 상기 엑츄에이터(24)는 예를 들어, 유압으로 구동되는 유압실린더로 이루어질 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
또한, 상기 하중인가부는 시험편(110)의 노치(112)에 끼워져 시험편(110)의 개구 변위량을 검출하는 게이지(26)를 포함한다. 상기 게이지(26)는 시험편(110)에 인가되는 하중에 의해 시험편(110)의 노치(112)가 개구 변위하였을 때 그 변위량을 검출하게 된다.
한편, 상기 챔버부와 냉각부는 시험편(110)을 외부와 차단시키고 원하는 온도로 냉각시키는 구조로 되어 있다.
상기 챔버부는 지면에 설치되는 안내레일(30)에 하단이 슬라이딩가능하게 설치되어 시험편(110)이 놓여진 작업대(10)를 선택적으로 덮는 하우징(32)과, 상기 하우징(32) 전면에 설치되어 하우징(32)의 개방된 전면을 개폐하는 도어(34)를 포함한다.
또한, 상기 냉각부는 상기 챔버부에 연결되는 가스관(40)과, 상기 가스관(40)에 연결되어 챔버부 내부로 냉각용 가스를 공급하는 가스탱크(42), 상기 가스관(40) 일측에 설치되어 가스관(40)을 개폐하는 제어밸브(44)를 포함한다.
본 실시예에서 상기 냉각용 가스는 액화질소 가스가 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
이에 상기 하우징(32)으로 시험편(110)을 덮어 외부와 차단된 상태에서 하우징(32) 내부로 냉각용 가스를 유입함으로써, 시험편(110)을 냉각시킬 수 있게 된다.
상기 하우징(32)은 안내레일(30)을 따라 이동되어 시험편(110)이 놓여진 작업대(10)를 선택적으로 외부와 차단하게 된다.
상기 안내레일(30)은 작업대(10) 양측에서 지면에 길게 연장 설치된다. 상기 하우징(32)읜 양측 하단은 상기 안내레일(30) 상에 놓여져 안내레일(30)을 따라 슬라이딩된다. 상기 하우징(32)의 부드러운 이동을 위해 하우징(32)의 양측 하단에는 구동롤(33)이 더 설치될 수 있다.
상기 하우징(32)은 사각의 박스 형태로 이루어지며, 전면을 제외한 후면과 양측면 및 상면은 막혀진 구조로 되어 있다. 하우징(32)의 개방된 전면에는 도어(34)가 설치된다. 이에 하우징(32)을 이동시켜 작업대(10)를 덮은 상태에서 도어(34)를 닫게 되면 하우징(32)이 작업대(10) 전면을 감싸며 작업대(10)에 놓여진 시험편(110)을 외부와 차단하게 된다.
또한, 도어(34)를 개방하게 되면 하우징(32)의 전면이 열려. 작업대(10)와 간섭없이 하우징(32)을 작업대(10) 뒤쪽으로 후진시킬 수 있게 된다. 하우징(32)을 뒤로 이동시키게 되면 작업대(10)가 외부로 노출되어 하우징(32)과 관계없이 필요한 작업을 용이하게 수행할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 하우징(32)은 시험편(110)과 시험편(110)이 놓여지는 작업대(10) 전체를 감싸는 구조로 되어 있다. 이에 하우징(32) 내부로 유입된 냉각용 가스는 시험편(110) 뿐만 아니라 작업대(10)에도 영향을 주게 된다. 따라서 본 장치는 상기 작업대(10)는 하부 내측에 다음 시험편(110)을 적재할 수 있는 적재공간(11)을 구비함으로써, 다음 시험편(110)을 예비 냉각시키는 구조로 되어 있다. 이에 상기 작업대(10)의 적재공간(11)에 적재된 다음 시험편(110)은 하부앤빌(12)에 놓여진 본 시험편(110) 냉각과정에서 같이 냉각되어 다음 시험시 냉각에 소요되는 시간을 단축할 수 있게 된다.
여기서, 상기 작업대(10) 위쪽에는 상부앤빌(14)에 설치된 엑츄에이터(24)가 수직으로 연장되어 있어서, 상기 하우징(32) 이동시 간섭이 일어나게 된다.
따라서 상기 하우징(32)은 상단에 상기 엑츄에이터(24)가 지나가는 장공(36)이 하우징(32)의 이동방향을 따라 길게 형성되어, 엑츄에이터(24)와의 간섭을 피하는 구조로 되어 있다. 또한, 본 장치는 상기 하우징(32) 상단에 놓여져 상기 장공(36)과 엑츄에이터(24) 사이를 막기 위한 차단부재(38)를 더 구비한다. 상기 차단부재(38)는 장공(36)보다 커서 장공(36)을 충분히 막을 수 있는 크기로 이루어지며 선단은 엑츄에이터(24)의 외형과 대응되는 형태로 형성되어 엑츄에이터(24)에 밀착되는 구조로 되어 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(32)은 뒷면에 가스관(40)이 연결되며, 내부에는 가스관(40)과 연결된 하우징(32)의 뒷면에서 이격되어 하우징(32) 내부를 분리하는 격벽(50)이 더 설치된다. 그리고 상기 격벽(50)에는 냉각용 가스를 유통하는 유통구(52)가 형성되며, 상기 격벽(50)과 하우징(32)의 뒷면 사이의 공간에는 냉각용 가스를 유통구(52)로 송풍시키기 위한 송풍팬(54)이 설치된다.
이에 송풍팬(54)이 구동되면 하우징(32) 내부로 유입된 냉각용 가스가 격벽(50)의 유통구(52)를 통해 하우징(32) 내부로 유입되어 시험편(110)을 냉각시키게 된다.
한편, 본 장치는 상기 챔버부에 설치되어 시험편(110)의 온도를 검출하는 온도센서(62)와, 온도센서(62)의 검출온도에 따라 각 구동부를 제어작동하기 위한 컨트롤러(60)를 더 포함한다. 상기 컨트롤러(60)는 온도센서(62)에 의한 시험편(110)의 온도에 따라 가스관(40)의 제어밸브(44)를 개폐하며, 시험편(110)의 노치(112)에 끼워진 게이지(26)의 출력신호에 따라 시험편(110)에 대한 하중 인가를 제어하게 된다.
이하 본 장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
노치(112)가 가공된 시험편(110)은 본 장치로 이동되어 작업대(10)의 하부앤빌(12) 상에 올려놓는다. 시험편(110)이 작업대(10) 상에 위치하면 컨트롤러(60)는 엑츄에이터(24)를 구동하여 시험편(110)에 반복하중을 가함으로써, 노치(112)에 예비 균열을 발생시킨다.
시험편(110)에 예비 균열이 발생되면, 시험편(110)의 노치(112)에 게이지(26)를 끼우고 하우징(32)을 이동시켜 작업대(10)를 감싼다. 그리고 하우징(32)에 설치된 도어(34)를 닫아 작업대(10)를 외부와 차단시킨다. 하우징(32) 상단의 장공(36)은 차단부재(38)를 이용하여 차단한다.
이와 같이 작업대(10)가 외부와 밀폐된 상태에서 컨트롤러(60)는 가스관(40)에 설치된 제어밸브(44)를 개방작동하여 냉각용 가스를 하우징(32) 내부로 공급한다.
가스탱크(42)로부터 가스관(40)을 통해 하우징(32)의 격벽(50) 내측으로 유입된 냉각용 가스는 송풍팬(54)의 구동에 의해 격벽(50)의 유통구(52)를 통해 흘러나가 하우징(32) 내부의 온도를 떨어뜨리는 분위기 가스로 작용하게 된다.
이에 작업대(10)에 놓여진 시험편(110)이 냉각용 가스에 의해 설정된 온도로 냉각된다. 상기 시험편(110)의 온도는 하우징(32) 내에 설치된 온도센서(62)에 의해 검출되고 이 값은 컨트롤러(60)에 인가된다. 상기 컨트롤러(60)는 온도센서(62)의 출력값을 연산하여 시험편(110)이 설정된 온도로 냉각되면 제어밸브(44)를 구동하여 가스의 공급을 차단한다.
그리고 상부앤빌(14)을 통해 시험편(110)에 하중을 인가한다. 이에 시험편(110)은 노치(112)에 예비 균열이 형성된 상태에서 하중이 계속 인가됨에 따라 예비 균열이 발생된 부위가 견디지 못하고 벌어지면서 개구 변위된다.
시험편(110)의 개구 변위량은 노치(112)에 끼워져 있는 게이지(26)에 의해 검출되고 컨트롤러(60)에 인가된다. 컨트롤러(60)는 게이지(26)의 출력값에 따라 시험편(110)에 하중의 인가를 멈춘다. 작업자는 개구 변위된 시험편(110)을 작업대(10)에서 이동시켜 시험편(110)에 대한 평가작업을 진행한다.
이와 같이 시험편(110)을 이동하지 않고 하나의 장치를 통해 시험편(110)에 대한 예비 균열과 개구 변위 및 시험편(110) 냉각 작업 등을 연속적으로 진행할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 작업대 12 : 하부앤빌
14 : 상부앤빌 16 : 스케일
20 : 가이드바 22 : 이동블럭
24 : 엑츄에이터 26 : 게이지
30 : 안내레일 32 : 하우징
34 : 도어 36 : 장공
38 : 차단부재 40 : 가스관
42 : 가스탱크 44 : 제어밸브
50 : 격벽 52 : 유통구
54 : 송풍팬 60 : 컨트롤러
62 : 온도센서

Claims (6)

  1. 작업대 상에 간격을 두고 설치되어 시험편의 하단을 받쳐 지지하는 한 쌍의 하부앤빌, 상기 작업대의 중앙 상부에 위치하여 시험편 상단에 접하는 상부앤빌, 상기 상부앤빌에 연결되고 상부앤빌에 하중을 인가하여 시험편에 예비 균열 및 개구 변위를 형성하는 하중인가부, 상기 작업대의 시험편을 선택적으로 감싸는 챔버부, 상기 챔버부 내부에 놓여진 시험편을 냉각시키는 냉각부를 포함하고,
    상기 챔버부는 지면에 설치되는 안내레일에 하단이 슬라이딩가능하게 설치되어 시험편이 놓여진 작업대를 선택적으로 덮는 하우징과, 상기 하우징 전면에 설치되어 하우징의 개방된 전면을 개폐하는 도어, 상기 하우징의 상단에 엑츄에이터가 지나가는 장공이 형성되고, 하우징 상단에 놓여져 상기 장공과 엑츄에티어 사이를 막기 위한 차단부재를 포함하는 파괴 인성 시험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하중인가부는 지면에 수직으로 설치되는 가이드바와, 상기 가이드바를 따라 이동하는 이동블럭, 상기 이동블럭에 설치되고 상부앤빌에 연결되어 상부앤빌에 반복 하중을 가하는 엑츄에이터를 포함하는 파괴 인성 시험장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 챔버부에 연결되는 가스관과, 상기 가스관에 연결되어 챔버부 내부로 냉각용 가스를 공급하는 가스탱크, 상기 가스관 일측에 설치되어 가스관을 개폐하는 제어밸브를 포함하는 파괴 인성 시험장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 챔버부는 상기 가스관과 연결된 하우징의 내면에 이격 설치되어 하우징 내부를 분리하는 격벽과, 격벽에 형성되어 냉각용 가스를 유통하는 유통구, 상기 격벽에 의해 분리된 내측에 설치되어 냉각용 가스를 유통구로 송풍시키기 위한 송풍팬을 더 포함하는 파괴 인성 시험장치.
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