판금의 피로 고장: 원인 및 예방 방법

피로 장애란 무엇인가요?

피로 파괴는 반복적인 응력 하에서 금속이 항복 강도 이하로 서서히 균열이 생기는 것을 말합니다. 부품이 구부러지거나 구부러지거나 진동할 때마다 금속 구조 내부에 미세한 변화가 생깁니다. 재료는 눈에 보이는 균열이 형성되고 퍼질 때까지 조금씩 약해집니다.

이러한 유형의 고장은 종종 경고 없이 발생하기 때문에 위험합니다. 어느 날은 멀쩡해 보였던 부품이 다음 날 갑자기 고장날 수 있습니다.

피로의 3단계

크랙 개시
균열은 일반적으로 공구 자국, 날카로운 모서리 또는 펀칭된 모서리와 같은 표면 결함에서 시작됩니다. 연구에 따르면 90% 이상의 피로 균열이 응력이 가장 높은 표면 또는 그 근처에서 시작되는 것으로 나타났습니다.

균열 성장
일단 균열이 생기면 하중을 받을 때마다 균열이 조금씩 커집니다. 성장 속도는 응력 수준, 표면 마감 및 환경에 따라 달라집니다. 엔지니어는 종종 S-N 데이터 또는 파리 법칙을 사용하여 균열이 부품을 통해 얼마나 빨리 이동할지 예측합니다.

최종 골절
남은 단면이 너무 작아져 하중을 견디지 못하면 부품이 끊어집니다. 이 마지막 파손은 갑작스럽고 종종 치명적인 결과를 초래하며, 거친 표면과 눈에 보이는 패턴을 남깁니다.

피로 손상 인식

피로 균열은 분명한 시각적 징후를 남깁니다. 시간이 지남에 따라 균열이 어떻게 확장되었는지를 보여주는 비치 마크라고 하는 부드러운 곡선을 볼 수 있습니다. 현미경으로 보면 미세한 평행선, 즉 피로 줄무늬가 각 하중 사이클에 따른 균열의 진행 상황을 보여줍니다.

이러한 단서는 엔지니어가 고장을 진단하고, 응력 집중도를 파악하고, 더 나은 피로 성능을 위해 부품을 재설계하는 데 도움이 됩니다.

판금 부품이 특히 취약한 이유는 무엇입니까?

판금은 튼튼하고 가벼우며 다용도로 사용할 수 있습니다. 하지만 얇은 형상과 복잡한 제작 단계로 인해 피로가 쌓이기 쉽습니다. 작은 디자인 디테일이나 가공 오류로 인해 수명이 크게 단축될 수 있습니다.

얇은 벽과 스트레스 집중도

얇은 시트는 제한된 단면을 통해 하중을 전달합니다. 따라서 국부적인 응력 피크에 민감합니다. 구멍, 노치, 굴곡은 응력 증폭기 역할을 합니다.

날카로운 모서리는 부드러운 곡선에 비해 국부 응력을 두 배 또는 세 배까지 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어 강철 브래킷의 모서리 반경이 0.5mm이면 응력 강도가 2배 이상 증가할 수 있습니다. 많은 하중 주기에 걸쳐 이러한 지점은 균열의 발원지가 됩니다.

작은 필렛, 둥근 구멍, 일정한 벽 두께를 추가하면 응력이 고르게 분산되어 피로 수명이 늘어납니다.

제조 과정에서 발생하는 잔류 스트레스

모든 성형 또는 절단 공정은 금속 내부에 숨겨진 응력을 남깁니다. 굽힘, 스탬핑, 용접, 레이저 절단은 모두 표면 근처의 금속 구조를 변화시킵니다.

예를 들어 레이저 절단은 인장 응력이 남아있는 열 영향 영역(HAZ)을 생성합니다. 이 영역은 진동 시 약한 연결 고리가 됩니다. 적절한 툴링 없이 굽힘 반경이 좁으면 외부 섬유가 너무 많이 늘어나서 부품이 사용되기도 전에 미세 균열이 생길 수 있습니다.

이러한 잔류 응력이 제거되지 않으면 부품의 피로 수명이 30~50 %까지 떨어질 수 있습니다. 응력 완화 어닐링 또는 제어된 성형 파라미터를 사용하면 강도와 일관성을 회복할 수 있습니다.

진동 및 변화하는 하중

대부분의 판금 부품은 진동, 충격 또는 움직임과 같은 동적 하중에 직면합니다. 모터 근처의 기계 브래킷, 제어 패널, 인클로저는 지속적으로 진동합니다. 각 진동 주기는 동일한 취약 부위에 또 다른 스트레스 펄스를 추가합니다.

온도 변화는 상황을 더욱 악화시킵니다. 90°F(≈ 50°C) 상승하면 열이 항복 강도를 낮추고 팽창 변형을 유발하기 때문에 탄소강의 피로 한계가 10~15 %까지 감소할 수 있습니다.

설계자는 항상 이러한 실제 조건을 고려해야 합니다. 실험실에서 정적 하중으로만 테스트한 부품은 진동과 온도 사이클을 무시하면 현장에서 조기에 실패하는 경우가 많습니다.

판금 피로 고장의 일반적인 원인

피로는 우연히 발생하는 것이 아닙니다. 피로는 특정 설계, 재료 및 제조 결정에서 비롯됩니다. 엔지니어는 균열이 시작되는 지점을 이해함으로써 고장이 시작되기 전에 이를 막을 수 있습니다.

열악한 디자인 기능

부품의 모양은 반복되는 응력을 처리하는 방식에 영향을 미칩니다. 날카로운 모서리, 얇은 전환, 갑작스러운 컷아웃은 응력을 집중시키는 역할을 합니다. 응력이 반복되면 이러한 지점에 하중이 모이고 작은 균열이 시작됩니다.

반경을 추가하면 하중이 분산되고 피크 응력이 낮아집니다. 2mm 필렛도 날카로운 모서리에 비해 국부 응력을 거의 50%까지 줄일 수 있습니다. 굴곡 근처에 구멍이나 슬롯을 두지 말고 시트 두께의 최소 두 배 이상 떨어져 있어야 합니다.

고르지 않은 벽 두께도 피로 수명을 단축시킬 수 있습니다. 단면의 갑작스러운 변화는 응력이 작은 영역에 집중되도록 합니다. 점진적인 전환 또는 보강 리브를 사용하여 구조물을 통해 하중을 원활하게 전달하세요.

💡 디자인 팁: 하중이 부품을 통해 어떻게 이동하는지 생각해 보세요. 방향이 급격하게 바뀔 때마다 응력이 증가합니다.

표면 결함

표면 마감 은 피로 저항의 가장 큰 요인 중 하나입니다. 스크래치, 공구 자국, 버는 작은 균열처럼 작용합니다. 주기적인 하중을 받으면 이러한 결함은 빠르게 증가합니다.

테스트 결과 50마이크론의 표면 거칠기는 광택 마감에 비해 피로 수명을 최대 40%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 디버링, 샌딩 또는 샷 피닝과 같은 간단한 개선만으로도 큰 차이를 만들 수 있습니다.

샷 피닝은 표면에 압축 응력을 발생시켜 균열 형성을 차단합니다. 연마는 균열이 시작되는 표면 피크를 줄입니다. 두 방법 모두 비용이 저렴하고 피로 수명이 몇 배 연장됩니다.

부적절한 재료 선택

모든 금속이 반복되는 응력을 똑같이 처리하는 것은 아닙니다. 알루미늄은 피로 한계가 정해져 있지 않아 충분한 사이클이 지나면 낮은 응력에서도 고장이 날 수 있습니다. 반면 강철은 내구성 한계가 있어 스트레스가 임계값 이하로 유지되면 무한한 사이클을 견딜 수 있습니다.

부품이 진동에 노출될 경우 내구성 비율(피로 한계를 인장 강도로 나눈 값)이 높은 소재를 선택합니다. 중탄소강과 합금강이 여기에 적합합니다. 미세 입자 소재는 균열이 더 많은 입자 경계를 통과해야 하므로 거친 입자 소재보다 균열 성장에 더 잘 견딥니다.

열처리도 중요합니다. 적절하게 템퍼링된 합금은 처리되지 않은 합금보다 피로 강도가 20~30% 더 높을 수 있습니다. 확실하지 않은 경우 선택한 금속의 S-N 곡선을 참조하여 예상 응력 수준에 맞추는 것이 좋습니다.

💡 엔지니어링 노트: 소재 선택은 비용뿐만 아니라 장기적인 주기적 스트레스 상황에서 부품이 어떻게 작동하는지에 영향을 미칩니다.

조립 및 허용 오차 문제

완벽한 설계라도 조립 과정에서 새로운 응력이 발생하면 실패할 수 있습니다. 정렬 불량, 과도한 조임 또는 불균일한 볼트 압력은 판금 패널을 왜곡시킬 수 있습니다. 이러한 고정 응력은 작업 하중과 결합하여 피로를 가속화합니다.

브래킷을 강제로 제자리에 고정하면 금속이 약간 구부러진 상태로 유지됩니다. 이 구부러짐은 일정한 프리로드가 됩니다. 진동 사이클이 반복될 때마다 같은 부위에 더 많은 변형이 가해집니다. 시간이 지나면 마운팅 구멍이나 패스너 가장자리 주변에 균열이 생깁니다.

이를 방지하려면 조립 시 적절한 토크 제어와 정밀한 고정 장치를 사용하세요. 고정하기 전에 평탄도와 정렬 상태를 확인하세요. 진동이 심한 시스템에서는 잠금 와셔 또는 나사산 접착제를 사용하여 풀림과 충격 하중을 방지하세요.