KR100426267B1 - 선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부의 형합 구조 - Google Patents

선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부의 형합 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박을 구성하는 알루미늄 합금의 용접부의 용접변형 및 용접균열을 최소화함과 아울러 용접부의 강도를 향상시키도록 한 알루미늄 합금의 용접방법 및 용접부의 형합 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 용접 방법은 선박에서 상호 용접되는 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 일측 끝단을 "ㄷ"자 형태로 절곡하는 단계와, 상기 "ㄷ"자 형태로 절곡된 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 끝단을 서로 마주하여 포개지도록 형합하여 상기 알루미늄 합금 판재들을 접합하는 단계 및 상기 접합된 알루미늄 합금 판재들의 형합부를 심(Seam) 용접법을 이용하여 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부의 형합 구조{Welding Method For Use In Ships And Welding Part Using The Same}
본 발명은 선박의 접합부의 용접방법 및 용접부 구조에 관한 것으로, 특히, 용접부의 용접변형 및 용접균열을 최소화함과 아울러 용접부의 강도를 향상시키도록 한 선박의 용접방법 및 용접부의 형합 구조에 관한 것이다.
어선의 어로작업시 선박의 기계적 특성이 유지되게 하고 선박의 고속화에 대응할 수 있도록 선박의 재료 개발의 하나로서 알루미늄(Al)으로 어선을 건조하는데대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 알루미늄 재질의 어선뿐만 아리라 모든 구조물들에 있어서 용접 이음부의 형상과 치수 최소화는 구조물의 안전성을 확보하고 제작비를 감안한 경제적인 면에서도 매우 중요한 문제이다.
도 1을 참조하면, 종래의 선박 용접방법은 맞대기 용접방법으로서 두 장의 금속판(11a,11b)을 맞대고 용접선(12)을 따라 용접하는 방식을 이용한다. 이러한 종래의 용접방법은 TIG 용접기 혹은 MIG 용접기를 사용한다. 한편, 선박의 강도특성은 종강도 및 횡강도로 대별되고 있으며, 어선은 그 작업특성상 종강도보다 횡강도(수압)에 의존하고 있다. 이러한 점에 비추어 볼 때, 종래의 어선 용접 이음부인 맞대기 용접부는 용접변형 및 용접균열이 쉽게 발생하며, 용접 이음부에서의 강도가 낮기 때문에 이를 보강하기 위하여 별도의 보강재를 덧대어 용접하고 있다.
도 2를 참조하면, 종래의 맞대기 용접방법은 금속판의 면내변형과 면외변형을 유발한다. 특히, 종래의 맞대기 용접방법에 의해서는 알루미늄 어선에서 용접부위가 각변형되기 쉽고 이에 따른 처짐변형이 심각한 문제로 대두되고 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 맞대기 용접방법은 용접부위를 보강하기 위하여 용접부위에 별도의 보강재(13,15,17)를 용접하게 된다. 수축과 팽창이 자유로운 금속판(14)에 다수의 보강재(13)를 맞대기 용접하면 용접부위의 처짐변형이 현저히 감소하게 딘다. 그러나 금속판의 두께가 얇으면, 필릿(Fillet) 용접의 각변형에 기인하는 처짐과 함께 보강재(13,15,17)의 용접에 의해 금속판에 발생하는 용접선 방향의 압축 열응력에 의하여 좌굴변형에 기인하는 처짐이 발생한다. 이러한 변형을 줄이기 위하여, 모재(16,28a,28b)에 보강재(15,17)를 구속하면 용접응력이 커지게 되어 용접부 및 주변 열영향부의 응력이 집중하여 용접 균열이 발생하기 쉽다.
결과적으로, 종래의 선박 용접방법은 용접부위를 맞대기 형상으로 용접하여 용접변형 및 용접균열을 유발하기 쉽다. 또한, 맞대기 용접부위는 강도 측면에서 볼 때, 횡강도(수압)를 견딜 수 있는 충분한 각도를 얻기 위하여 별도의 보강재들을 추가적으로 용접하여야 하므로 재료의 낭비가 크고 선박 건조비가 과다하게 소모되게 하는 요인으로 지적되고 있다. 또한, 종래의 용접방법은 작업자가 수작업으로 직접 TIG 용접기 혹은 MIG 용접기를 사용하여 용접하여야 하므로 일정한 규격품을 생산하기 어렵다. 그런데, 어선의 특성상 해수에서 사용되기 때문에 수밀력이 우수하고, 강도 및 부식에 강하여야 하는데, 맞대기 형상의 용접방법에 의해서는 상기한 문제점들이 나타날 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 용접부의 용접변형 및 용접균열을 최소화함과 아울러 용접부의 강도를 향상시키도록 한 선박의 용접방법 및 그에 적합한 용접부의 형합 구조를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 맞대기 형상의 용접부를 나타내는 사시도.
도 2는 종래의 용접방법에 의해 용접된 금속판의 변형예를 나타내는 도면.
도 3은 종래의 용접방법에서 보강재로 보강한 금속판을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선박의 용접방법에 의해 형성되는 적층구조 용접부를 나타내는 사시도.
도 5는 종래의 용접부와 본 발명에 따른 적층구조 용접부의 강도비교를 위한 시험편을 나타내는 단면도.
도 6a는 종래의 맞대기 용접부를 가지는 금속판의 각 시간(초)별 온도분포를 나타내는 온도 분포도.
도 6b는 종래의 맞대기 용접부를 가지는 금속판의 상표면에서의 온도분포를 나타내는 그래프.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 적층구조 용접부를 가지는 금속판의 각 시간(초)별 온도분포를 나타내는 온도 분포도.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 적층구조 용접부를 가지는 금속판의 상표면에서의 온도분포를 나타내는 그래프.
도 8a는 종래의 맞대기 용접부를 가지는 금속판의 용접선 방향의 응력분포를 나타내는 응력 분포도.
도 8b는 종래의 맞대기 용접부를 가지는 금속판의 상표면에서의 응력분포를 나타내는 그래프.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 적층구조 용접부를 가지는 금속판의 용접선 방향의 응력분포를 나타내는 응력 분포도.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 적층구조 용접부를 가지는 금속판의 상표면에서의 응력분포를 나타내는 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 알루미늄 합금으로 건조되는 선박의 용접 방법은, 상기 선박에서 상호 용접되는 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 일측 끝단을 "ㄷ"자 형태로 절곡하는 단계; 상기 "ㄷ"자 형태로 절곡된 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 끝단을 서로 마주하여 포개지도록 형합하여 상기 알루미늄 합금 판재들을 접합하는 단계; 및 상기 접합된 알루미늄 합금 판재들의 형합부를 심(Seam) 용접법을 이용하여 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 알루미늄 합금으로 건조되는 선박에서 상기 알루미늄 합금의 판재를 심(Seam) 용접에 의해 용접하는데 적합한 용접부의 형합 구조는, 상기 선박에서 상호 용접되는 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 일측 끝단은 "ㄷ"자 형태로 절곡되고, 상기 절곡된 "ㄷ"자 형 부분이 서로 마주하여 포개지도록 상호 형합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 4 내지 11을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 하며, 본 발명의 실시예는 알루미늄 합금으로 건조되는 선박에 적용된다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 선박의 용접부는 두 장의 금속판, 예컨대 알루미늄 합금 판재(1a,1b)의 일단을 각기 "ㄷ"자 형태로 절곡하고, 그 절곡부가 상호 마주하여 포개지도록 형합한다. 따라서, 본 발명에 따른 선박의 용접부는 적층 구조의 형합 구조를 갖는다. 이러한 형합 구조를 갖는 알루미늄 합금 판재의 용접부(2)는 심(Seam) 용접법에 의해 알루미늄 합금 판재간의 접합라인을 따라 용접된다. 이렇게 용접된 적층구조의 용접부(2)는 별도의 보강재(또는 보강판)을 용접할 때와 동일하거나 보다 우수한 강도를 유지한다. 또한 적층구조의 용접부(2)는 심 용접법을 이용하여 용접되기 때문에 수밀성이 우수하고 일정한 규격품을 생산하기에 유리하다.
본 발명에 따른 용접방법과 종래의 용접방법에 대한 강도를 비교한 결과는 다음과 같다. 이 비교 방법으로는 빔이론을 이용하여 구조부재를 단순화하고 평판, 보강재가 용접된 보강판 및 본 발명의 용접방법이 적용된 적층구조의 용접부가 형성된 금속판 각각에 대하여 강도를 측정하였다.
도 4는 강도 비교를 위한 Al 평판, Al 보강판 및 적층구조 용접부가 형성된 Al 금속판의 단면이 도시되어 있다. 이들 평판, 보강판 및 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 길이는 500 mm의 단순빔으로 단순화하여 모멘트를 구하였으며, 그 단면치수는 선급규정의 소형 어선 강선 규칙을 참조하여 보강재의 크기(30 mm(폭)×7 mm(높이))와 간격을 선정하고, 하중조건은 수압을 고려하여 분포하중으로서 200 kgf/cm2으로 설정되었다. 강도 비교를 위한 각 파라미터의 해석 결과는 다음의 표 1과 같다.
구 분 맞대기 용접 평판 보강재가 강화한 보강판 적층구조 용접부가 형성된 금속판
최소단면계수(Zmin) 4083(mm3) 14469(mm3) 57820(mm3)
전단면적(Aw) 3500(mm2) 3710(mm2) 4130(mm2)
굽힘응력(σ) 15.31(kgf/mm2) 4.32(kgf/mm2) 1.08(kgf/mm2)
안전계수(Sf) 1.8 6.5 25.9
전단응력(τ) 0.09(kgf/mm2) 0.14(kgf/mm2) 0.12(kgf/mm2)
이 비교 결과에 의하면, 모멘트 크기가 같은 경우에서 시험체에 작용되는 굽힘응력(σ)은 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판이 보강재로 강화한 보강판에 비하여 1/4 수준으로 나타났으며, 안전계수(Sf)의 비율도 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판이 보강재로 강화한 보강판에 비하여 4배 정도 우수한 것으로 나타났다. 이는 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 강도가 보강재로 강화한 보강판보다 우수함을 의미하며, 용접부의 적층구조 자체가 보강재로써의 역할을 충분히 할 수 있음을 보여준다.
도 6은 종래의 용접방법에 의해 용접된 금속판의 온도분포특성을 나타내며, 도 7은 본 발명에 따른 용접방법에 의해 용접된 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 온도분포특성을 나타낸다.
도 6은 종래의 TIG 용접기를 이용하여 금속판들 간의 맞댄 용접선을 따라 용접하였을 때의 온도분포로서 용접수행 후 수초 후 열전도가 매우 빠르게 진행됨을 알 수 있다. 이에 비하여, 본 발명에 따른 용접방법을 이용하여 심(Seam) 용접으로 측면 상의 두 점에 용접된 적층구조 용접부가 형성된 금속판은 도 8과 같이 용접후 10 cycle이 경과한 후부터 발열부를 중심으로 급속히 열전도가 진행되어 100 cycle이 경과한 후부터는 거의 전영역에서 일정한 온도를 유지함을 알 수 있다.
도 6 및 도 7에 있어서, 상표면에서의 온도분포 특성도를 보면 종래의 맞대기 용접이 수행된 금속판과 본 발명에 따른 용접방법에 의한 적층구조 용접부가 형성된 금속판 모두 최고치 온도와 냉각 이력은 유사한 형상을 유지하고 있으나, 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 경우에 맞대기 용접보다 면적이 크기 때문에 열전도가 휠씬 빠르게 진행되어 고온영역이 적음을 알 수 있다.
종래의 맞대기 용접과 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 열분포 이력을 입력 데이터로 하여 용접응력을 비교한 결과는 도 8 및 도 9와 같다. 도 8 및 도 9에 있어서, 용접잔류응력 성분 중 응력성분을 주도하는 용접선 방향 응력(σx)이 시험체 중앙 단면 전체에 걸쳐 측정되었다.
도 8은 종래의 맞대기 용접부에 대한 용접잔류응력분포이며, 도 9는 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 용접잔류응력분포 특성이다. 맞대기 용접의 경우에는 용착금속 및 인극 열영향부에서 집중적인 응력분포를 나타낸다. 이에 비하여, 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 경우에는 시험체 중앙부와 곡면부에서 응력이 집중되며, 바깥쪽 면에는 인장성분이 안쪽면에는 압축성분이 교차함을 알 수 있다. 이러한 분포특성은 용접부 형상과 용접시 전극의 가압에 의해 기인한 결과이다. 또한, 응력의 최고치는 맞대기 용접부에서 발생하였으며 위의 온도분포 해석 결과에서 알 수 있는 바, 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판은 온도분포 해석 결과에서 알 수 있듯이 고온영역이 작기 때문에 응력값이 작게 나타났다.
도 8b 및 도 9b를 비교하면, 맞대기 용접부가 형성된 금속판의 경우에는 용접선 방향의 응력성분이 폭 및 두께방향의 응력성분에 비하여 매우 높게 나타나지만, 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 경우에는 각 성분별 차가 거의 없다. 특히, 적층구조 용접부가 형성된 금속판은 y 및 z 방향 성분의 차가 크지 않았다. 또한, 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 경우에는 용접부의 곡면처리된 좌우면에서 높은 응력분포를 보였으며, 높은 응력분포를 나타내는 영역이 폭방향으로 갈수록 급격히 감소함을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판은 응력 집중이 작고 용접응력값이 더 작기 때문에 맞대기 용접부가 형성된 금속판보다 용접변형 및 용접균열이 작다는 것을 의미한다.
아래의 표 2는 종래의 맞대기 용접부가 형성된 금속판과 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판에 대한 인장강도 측정결과를 나타낸다. 인장강도시의 시험편으로는 1t와 3t 두께의 맞대기 용접부가 형성된 금속판과 1t 두께의 적층구조 용접부가 형성된 금속판이 사용되었다. 표 2에서 알 수 있는 바, 본 발명에 따른 적층구조 용접부가 형성된 금속판의 인장강도는 1t 두께의 맞대기 용접부가 형성된 금속판보다 훨씬 크며, 3t 두께의 맞대기 용접부가 형성된 금속판보다는 미치지 못하나 이에 근접한 값을 나타내고 있다.
시험횟수 맞대기 용접부가형성된 금속판 적층구조 용접부가형성된 금속판(1t)
1t 3t
인장강도(kgf/mm2) 1 5.9 12.7 8.5
2 5.2 10.5 9.3
3 6.1 1.3 9.1
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부는 두 알루미늄 합금판재의 접합단 각각을 "ㄷ"자 형태로 절곡한 후, 서로 마주하여 포개지도록 형합하고 심 용접법을 이용하여 접합부를 용접하게 된다. 그 결과, 본 발명에 따른 선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부는 용접부의 형상이 크기 때문에 열전도가 빠르게 진행되어 응력이 작게 되어 용접부의 용접변형 및 용접균열을 최소화함과 아울러 용접부의 강도를 향상시킬 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부에 의하면, 적층구조 용접부 자체가 충분한 보강재 역할을 하게되므로 별도의 보강재가 필요없어 선박 건조비용을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박의 용접방법 및 이를 이용한 용접부에 의하면, 심 용접법으로 일정한 규격품을 생산할 수 있으므로 작업시간을 단축시키고 어선 선체 및 갑판 용접부의 표준화를 이룰 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (2)

  1. 알루미늄 합금으로 건조되는 선박의 용접 방법에 있어서,
    상기 선박에서 상호 용접되는 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 일측 끝단을 "ㄷ"자 형태로 절곡하는 단계;
    상기 "ㄷ"자 형태로 절곡된 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 끝단을 서로 마주하여 포개지도록 형합하여 상기 알루미늄 합금 판재들을 접합하는 단계; 및
    상기 접합된 알루미늄 합금 판재들의 형합부를 심(Seam) 용접법을 이용하여 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 용접방법.
  2. 알루미늄 합금으로 건조되는 선박에서 상기 알루미늄 합금의 판재를 심(Seam) 용접에 의해 용접하는데 적합한 용접부의 형합 구조에 있어서,
    상기 선박에서 상호 용접되는 상기 알루미늄 합금 판재들의 각각의 일측 끝단은 "ㄷ"자 형태로 절곡되고, 상기 절곡된 "ㄷ"자 형 부분이 서로 마주하여 포개지도록 상호 형합되어 있는 것을 특징으로 하는 선박의 용접부 형합 구조.
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