KR20130010171A - 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템 - Google Patents

Abstract

저렴한 것은 물론, 냉연판재의 열피로 특성을 정확하게 평가할 수 있는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템이 소개된다.
상단은 고정되고 하단은 하중 부가 가능하게 설치되며 상하단 사이에는 응력집중부(12)가 형성된 냉연판재 시편(10); 상기 응력집중부(12)에 열을 가하는 가열유닛(20); 및 상기 냉연판재 시편(10)의 온도를 전달받아 상기 가열유닛(20)을 구동함으로써, 상기 냉연판재 시편(10)의 온도를 설정된 온도 파형에 따라 제어하는 컨트롤 유닛(30)을 포함한다.

Description

냉연판재 열피로 특성 평가 시스템{THERMO-MECHANICAL FATIGUE CHARACTERIZATION SYSTEM}

본 발명은 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 냉연판재의 열피로를 정량적으로 평가할 수 있는 내연판재 열피로 특성 평가 시스템에 관한 것이다.

고온에서 사용되는 기계부품은 열 하중과 기계적 하중의 복합 하중을 받게 된다. 이러한 열적, 기계적 복합 하중을 받는 부품으로는, 터빈 블레이드, 자동차의 이그조스트 매니폴드(exhaust manifold) 등이 있다.

이러한 기계 부품은 운전 중에 기계적인 하중뿐만 아니라, 작동시 그 온도가 수시로 변화됨에 따라 반복적으로 열팽창 및 열수축에 의해 열적 하중을 받게 되는 것이다. 기계 부품은 이러한 열 하중에 의해 열 변형이 일어나게 되는데, 열 변형은 기계 부품 내에 압축 및 인장 응력을 유발시키며, 반복적이 내부 응력 변화는 결과적으로 소재의 피로를 촉진하여 소재의 파단을 발생시키게 된다.

종래의 대표적인 열피로 특성 평가방법을 소개한다.

첫 번째로, 도 1에 도시된 바와 같이, 환봉형의 열피로 시편(1)을 제작하여 온도 변화와 기계적 구속 정도를 제어하여 소재의 파단까지의 수명을 측정하는 방법이 있다.

이러한 열피로 특성 평가방법은 합금 성분에 따른 소재의 열피로 특성을 평가할 수 있다는 장점이 있지만, 시편을 환봉형으로 제작해야 하므로, 소재 내부에 발생되는 응력 분포가 판재로 제작되는 부품과는 상이하다는 단점이 있다.

또한, 환봉형 열피로 시편(1)의 금속조직을 냉연판재와 같이 치밀하게 만드는 것이 상당히 어렵기 때문에 냉연판재의 열피로 특성과는 차이가 존재하는 열피로 특성이 도출되는 문제점이 존재한다.

나아가, 열변형과 온도제어를 동시에 구현하기 때문에, 실험에 사용되는 장비가 고가라는 문제점이 있었다.

도 2에 도시된 바와 같이, 두 번째 열피로 특성 평가방법으로, 환봉형 시편 가운데를 천공한 할로우(Hollow) 타입의 열피로 시편(3)을 이용하는 방법이 있다.

이러한 방법은 소재에 발생되는 응력 분포는 판재로 제작되는 부품과 매우 유사한 것으로 알려져 있으나, 시편을 제작하는 방법이 상당히 까다롭고 앞서 언급한 첫 번째 열피로 특성 평가방법과 마찬가지로, 고가의 장비를 사용해야만 하는 단점이 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 세 번째 열피로 특성 평가방법으로, 냉연판재를 파이프 형태로 조관하여 열피로 시편을 제작, 열피로 특성을 평가하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 파이프형 열피로 시편(5) 역시, 조관 작업이 필요하므로, 대규모 조관 시설이 필요한 것은 물론, 조관시 필요한 용접부에서의 파단 가능성이 증가한다는 문제점이 있었다.

이와 같이, 환봉형 열피로 시편(1), 할로우 타입 열피로 시편(3) 및 파이프형 시편(5)을 이용한 열피로 특성 평가방법은 고온 부품 소재의 열피로 특성 평가시 이용되는 대표적인 방법이지만, 실험에 사용되는 장비가 매우 고가이거나, 시편을 제작하는 과정이 매우 어렵다는 문제점이 있었다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 저렴하면서도 변화하는 사용 온도 환경세서 열피로 특성을 평가할 수 있는 열피로 특성 평가 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템은 상단은 고정되고 하단은 하중 부가 가능하게 설치되며 상하단 사이에는 응력집중부가 형성된 냉연판재 시편; 상기 응력집중부에 열을 가하는 가열유닛; 및

상기 냉연판재 시편의 온도를 전달받아 상기 가열유닛을 구동함으로써, 상기 냉연판재 시편의 온도를 설정된 온도 파형에 따라 제어하는 컨트롤 유닛을 포함한다.

상기 응력집중부는 노치 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 가열유닛은 파워 서플라이와, 이 파워 서플라이에서 전기를 공급받아 상기 응력집중부에 열을 가하는 인덕션 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 응력집중부에는 열전대가 고정 설치되고, 상기 컨트롤 유닛은 상기 열전대로부터 상기 냉연판재 온도 정보를 전송받는 것을 특징으로 한다.

상기 냉연판재 시편의 상단은 상부지그에 고정되고, 이 상부지그의 상단에는 로드셀이 장착되되, 이 로드셀은 지지스탠드에 고정되며, 상기 냉연판재 시편의 하단은 하부지그에 고정되고, 이 하부지그에는 하중부가추가 선택적으로 부착되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉연판재 시편은 동종 또는 이종의 금속이 용접되어 제조되고, 상기 응력집중부는 용접된 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 생산된 냉연판재 또는 실험용으로 제조된 냉연판재를 대상으로 일정한 하중이 부가된 상태에서 열피로 특성을 저렴한 비용으로 평가할 수 있으며, 모재는 물론, 이종금속의 용접 등 복합적인 열피로 특성의 정량적인 평가가 가능한 이점이 있다.

도 1은 종래의 환봉형의 열피로 시편을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 할로우(Hollow) 타입의 열피로 시편을 나타낸 도면,
도 3은 종래의 파이프형 열피로 시편을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 노치 형상의 응력집중부가 마련된 냉연판재 시편을 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템에 대하여 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템은 냉연판재 시편(10), 가열유닛(20), 컨트롤 유닛(30)을 포함한다.

냉연판재 시편(10)은 상단이 고정되고, 그 하단은 하중 부가 가능하게 설치되며, 응력집중부(12)는 이러한 냉연판재 시편(10)에 부분적으로 자리 잡아 위치한다.

가열유닛(20)은 이러한 응력집중부(12)에 열을 가하는 기능을 한다.

스위치(S)가 온(ON)되면, 컨트롤 유닛(30)에서는 온도 파형을 설정하는 바, 설정된 온도 파형에 따라 냉연판재 시편(10)에 적절한 열이 가해지도록 가열유닛(20)을 구동함으로써, 냉연판재 시편(10)의 온도를 설정된 온도 파형에 따라 제어하는 기능을 한다.

응력집중부(12)는 노치 형성으로 형성되는 것이 바람직하다. 노치 형상의 응력집중부(12)가 형성된 냉연판재 시편(10)은 제조가 간단한 바, 그것을 제조함에 있어서, 별도의 공장 설비 등이 불필요하기 때문에, 원가를 절감할 수 있는 것은 물론, 가장 적합한 냉연판재의 열피로 특성을 평가할 수 있는 이점이 있다.

컨트롤 유닛(30)에 의해 일정 기계적 응력을 셋팅한 상태에서, 일정 온도 파형을 갖는 열을 노치 형상의 응력집중부(12)에 가하되, 이러한 열, 기계적 응력 공급 사이클을 반복한 후에 냉연판재 시편(10)을 절단하여, 광학 현미경으로 냉연판재 시편(10) 내부의 크랙의 길이를 측정하거나, 크랙이 발생된 위치가 완전히 파단될 때까지의 열피로수를 측정하면 냉연판재 시편(10) 피로 특성을 정량적으로 평가할 수 있는 것이다.

가열유닛(20)은 파워 서플라이(22)와, 이 파워 서플라이(22)에서 전기를 공급받아 노치 형상의 응력집중부(12)에 열을 가하는 인덕션 코일(24)을 포함하는 것이 바람직하다. 컨트롤 유닛(30)은 냉연판재 시편(10)의 온도 변화 추이를 지속적으로 전송받아 파워 서플라이(22)에서 공급되는 전기의 양을 조절하며, 이에 따라 인덕션 코일(24)로부터 냉연판재 시편(10)에 공급되는 열량이 결정된다.

냉연판재 시편(10)의 온도 변화 추이에 관한 정확한 정보가 컨트롤 유닛(30)에 전달될 수 있도록 냉연판재 시편(10)의 응력집중부(12)에는 열전대(40)가 고정 설치되는 것이 바람직하며, 컨트롤 유닛(30)은 열전대(40)로부터 유선 또는 무선으로 냉연판재 시편(10)의 온도 상태에 관한 데이터를 전송받는다.

냉연판재 시편(10)의 상단은 고정되고 하단은 하중 부가 가능하게 설치될 수 있도록, 냉연판재 시편(10)의 상단은 상부지그(50)에 고정시키고, 이 상부지그(50)의 상단에는 로드셀(60)을 장착하되, 이 로드셀(60)은 지지스탠드(70)에 고정시키는 것이 바람직하다. 또한, 냉연판재 시편(10)의 하단은 하부지그(80)에 고정되며, 이 하부지그(80)에는 하중부가추(90)가 선택적으로 부착되는 것이 바람직하다.

로드셀(60)은 상부지그(50) 및 하부지그(80)에 냉연판재 시편(10)의 상, 하단을 고정시킨 상태에서 기계적 하중이 얼마나 걸리고 있는지를 계측하는 기능을 한다. 본 발명의 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템을 사용하는 실험자는 노치 형상의 응력집중부(12)가 형성된 냉연판재 시편(10)의 상,하단을 고정시킨 상태에서, 로드셀(60)로부터 나오는 하중을 보며, 상온에서 설정된 하중만큼 하중부가추(90)를 증가시키거나, 감소시킬 수 있는 것이다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉연판재 시편(10)은 동종 또는 이종의 금속이 용접되어 제조되고, 상기 응력집중부(12)는 용접된 위치에 형성될 수도 있다. 이와 같이, 냉연판재 시편(10)의 재질을 다양하게 변형시키며, 용접된 위치의 열피로 특성이 평가가 필요하다면, 이 위치에 열 응력을 부가함으로써, 특정 위치의 열피로 특성을 정량적으로 평가할 수 있는 것이다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10 : 냉연판재 시편 12 : 응력집중부
20 : 가열유닛 22 : 파워 서플라이
24 : 인덕션 코일 30 : 컨트롤 유닛
40 : 열전대 50 : 상부지그
60 : 로드셀 70 : 지지스탠드
80 : 하부지그 90 : 하중부가추

Claims (6)

1. 상단은 고정되고 하단은 하중 부가 가능하게 설치되며 상하단 사이에는 응력집중부(12)가 형성된 냉연판재 시편(10);
   상기 응력집중부(12)에 열을 가하는 가열유닛(20); 및
   상기 냉연판재 시편(10)의 온도를 전달받아 상기 가열유닛(20)을 구동함으로써, 상기 냉연판재 시편(10)의 온도를 설정된 온도 파형에 따라 제어하는 컨트롤 유닛(30)을 포함하는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 응력집중부(12)는 노치 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가열유닛(20)은 파워 서플라이(22)와, 이 파워 서플라이(22)에서 전기를 공급받아 상기 응력집중부(12)에 열을 가하는 인덕션 코일(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 응력집중부(12)에는 열전대(40)가 고정 설치되고, 상기 컨트롤 유닛(30)은 상기 열전대(40)로부터 상기 냉연판재 시편(10)의 온도 정보를 전송받는 것을 특징으로 하는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉연판재 시편(10)의 상단은 상부지그(50)에 고정되고, 이 상부지그(50)의 상단에는 로드셀(60)이 장착되되, 이 로드셀(60)은 지지스탠드(70)에 고정되며, 상기 냉연판재 시편(10)의 하단은 하부지그(80)에 고정되고, 이 하부지그(80)에는 하중부가추(90)가 선택적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 냉연판재 시편(10)은 동종 또는 이종의 금속이 용접되어 제조되고, 상기 응력집중부(12)는 용접된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 냉연판재 열피로 특성 평가 시스템.

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