KR101105000B1 - A welding structure for increasing thermal fatigue life - Google Patents

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Abstract

강재 용접시 열피로 수명 향상을 위한 용접부 구조를 제공한다.It provides welded structure for improving thermal fatigue life in steel welding.

본 발명의 열피로 수명 향상을 위한 용접부 구조는, 자동차 배기 매니폴드, 촉매 컨버터, 프런트 파이프, 센터 파이프, 소음기 등을 구성하는 자동차 배기가스 경로 부재를 제작하는 과정에서 용접비드의 덧살높이를 상기 용접비드의 양측 토우부간의 거리의 제곱근에 비례하도록 형성할 수 있다.The welded portion structure for improving the thermal fatigue life of the present invention is the welding bead height of the weld bead in the process of manufacturing the vehicle exhaust gas path member constituting the vehicle exhaust manifold, catalytic converter, front pipe, center pipe, silencer, etc. It can be formed so as to be proportional to the square root of the distance between the two toes of the beads.

상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 용접부의 열피로 수명을 향상시킬 수 있다.With the above configuration, the present invention can improve the thermal fatigue life of the welded portion.

용접비드, 덧살높이, 토우부간 거리, 페라이트계 스테인리스강 Weld Bead, Git Height, Toe Distance, Ferritic Stainless Steel

Description

열피로 수명 향상을 위한 용접부 {A welding structure for increasing thermal fatigue life}Welding structure for increasing thermal fatigue life

본 발명은 강재 용접시 열피로 수명 향상을 위한 용접부에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 배기 매니폴드, 촉매 컨버터, 프런트 파이프, 센터 파이프, 소음기 등을 구성하는 자동차 배기가스 경로 부재를 제작하는 경우에 용접비드의 덧살높이를 상기 용접비드의 양측 토우부간의 거리의 제곱근에 비례하도록 형성하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부에 관한 것이다.The present invention relates to a weld for improving fatigue life in steel welding, and more particularly, when manufacturing an automobile exhaust gas path member constituting an automobile exhaust manifold, catalytic converter, front pipe, center pipe, silencer, and the like. It relates to a welded portion for improving the thermal fatigue life of forming the bead height of the weld bead proportional to the square root of the distance between the two toes of the weld bead.

자동차 생산량 증가, 배기부품의 장기보증화 및 경량화, 배기가스 규제강화 등으로 인해 페라이트계 스테인리스강(ferritic stainless steels)의 수요가 크게 증가하고 있다. The demand for ferritic stainless steels is increasing greatly due to the increase in automobile production, long-term warranty and light weight of exhaust components, and tightened emission regulations.

이와 같이, 자동차의 배기 매니폴드(Exhaust manifold), 촉매 컨버터, 프런트 파이프, 센터 파이프, 소음기 등의 자동차 배기가스 경로부재로 사용되는 페라이트계 스테인리스강은 사용온도에 따라 약 600℃이하의 저온용과 600℃이상에서 사용되는 고온용으로 크게 나눠질 수 있다. As such, ferritic stainless steels used as exhaust path paths for automobile exhaust manifolds, catalytic converters, front pipes, center pipes, silencers, etc. are used for low temperature of about 600 ° C or lower, depending on the operating temperature. It can be largely divided into high temperature used above ℃.

특히, 최고온도가 900℃까지 올라가는 배기 매니폴드의 경우에, 제작에 사용되는 강재는 고온강도, 고온산화성과 더불어 고온 열피로 특성이 요구된다. In particular, in the case of the exhaust manifold, the maximum temperature of up to 900 ℃, the steel used in the production is required for the high temperature thermal fatigue properties, in addition to high temperature strength, high temperature oxidation.

이와 같은 물성을 얻기 위해서 고 Cr 400계 스테인리스강에 Nb, Ti, Mo 등이 복합 첨가된 고온용 400계 스테인리스강이 개발되고 있다(일본 공개특허공보 평18-117985).In order to obtain such physical properties, high-temperature 400-based stainless steels in which Nb, Ti, Mo, and the like are added to high Cr 400-based stainless steels have been developed (Japanese Patent Laid-Open No. 18-117985).

이와 같은, 자동차 배기가스 경로부재를 제작하는데 적용되는 용접법은 크게, 레이저빔 용접, 가스텅스텐 아크용접 등이 적용되는 조관용접, 가스메탈 아크용접, 플럭스 코어드 아크용접 등이 적용되는 부품 및 조립용접 등으로 나눠질 수 있다.The welding method applied to manufacturing the exhaust gas path member of the automobile is largely a component welding and assembly welding to which laser beam welding, gas tungsten arc welding, etc. are applied, gas metal arc welding, flux cored arc welding, and the like. It can be divided into the back.

특히, 자동차 배기가스 매니폴드의 경우에는, 가스메탈 아크용접(GMAW) 및 플럭스코어드 아크용접(FCAW)으로 제작되며, 상기 배기가스 매니폴드는 엔진 배기가스를 최초로 모아주는 부품이므로, 고온의 배기가스로 인해 상온에서 약 900℃까지의 반복적인 열사이클을 받게 된다. Particularly, in the case of automobile exhaust manifolds, gas metal arc welding (GMAW) and fluxcored arc welding (FCAW) are manufactured. The exhaust gas manifold is a component that collects engine exhaust gas for the first time, and therefore, high-temperature exhaust gas. The gas undergoes repeated thermal cycles from room temperature to about 900 ° C.

이와 같은, 반복적인 열사이클은 상기 배기가스 매니폴드에 인장 및 압축응력을 부가하게 되고 이로 인해 발생하는 열피로 균열로 인해 상기 배기가스 매니폴드의 수명이 감소된다. Such repetitive thermal cycles add tensile and compressive stress to the exhaust manifold, resulting in reduced thermal fatigue cracking and reducing lifetime of the exhaust manifold.

특히, 자동차 배기가스 경로부재의 열피로 균열은 대부분의 용접 이음부에서 발생하는바, 이로 인하여 배기가스 경로부재의 장기보증이 어렵게 되는 문제점이 있다.In particular, the thermal fatigue crack of the vehicle exhaust gas path member occurs in most welded joints, which makes it difficult to long-term warranty of the exhaust gas path member.

따라서, 용접부의 열피로를 향상시키는 기술이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a need for a technique for improving thermal fatigue of a welded part.

본 발명은 자동차 배기 매니폴드, 촉매 컨버터, 프런트 파이프, 센터 파이프, 소음기 등을 구성하는 자동차 배기가스 경로부재의 사용수명을 향상을 위하여 용접비드의 덧살높이를 적정하게 형성하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부를 제공하는데 목적이 있다.The present invention is to improve the heat fatigue life of properly forming the bead height of the weld bead to improve the service life of the vehicle exhaust gas path member constituting the vehicle exhaust manifold, catalytic converter, front pipe, center pipe, silencer, etc. The purpose is to provide a weld.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은, 강재의 용접시 용접비드의 덧살높이를 상기 용접비드의 양측 토우부간의 거리의 제곱근에 비례하도록 형성하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부를 제공한다.As a technical aspect for achieving the above object, the present invention, the weld portion for improving the thermal fatigue life of forming the bead height of the weld bead at the time of welding the steel proportional to the square root of the distance between the tow portion of the weld bead to provide.

바람직하게는, 상기 용접비드의 형성시 강재의 두께(t)에 따라 덧살높이(h)와 토우부간의 거리(w)가 Preferably, when forming the weld bead according to the thickness (t) of the steel material height (h) and the distance (w) between the tow portion is

Figure 112008087966110-pat00001
Figure 112008087966110-pat00001

을 만족하도록 형성될 수 있다.It can be formed to satisfy.

더 바람직하게는, 인접하는 강재의 일부를 겹쳐서 용접하는 겹치기 용접시 상기 강재의 두께(t)는 상기 인접하는 강재 중 얇은 강재의 두께로 구성될 수 있다.More preferably, the thickness t of the steel during overlap welding in which a portion of the adjacent steel is overlapped may be configured as the thickness of a thin steel among the adjacent steels.

이때, 상기 강재는 페라이트계 스테인리스강으로 구성될 수 있다.In this case, the steel may be made of ferritic stainless steel.

본 발명에 따른 용접부에 의하면, 강재 용접시에 용접부의 열피로 수명을 향상시키는 효과가 있다. According to the welding part according to the present invention, there is an effect of improving the thermal fatigue life of the welding part at the time of steel welding.

특히, 자동차의 배기가스 경로부재에 있어서 본 발명에 따라 용접비드를 형성하여 용접부의 열피로 균열을 방지할 수 있는 효과가 있다.Particularly, in the exhaust gas path member of the automobile, the welding bead according to the present invention has an effect of preventing thermal fatigue cracking of the welded part.

따라서, 자동차 배기가스 경로부재의 장기보증이 가능하게 된다.Therefore, long-term warranty of the vehicle exhaust gas path member is possible.

본 발명은 강재 용접시 용접비드의 덧살높이를 상기 용접비드의 양측 토우부간의 거리의 제곱근에 비례하도록 형성하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부를 제공한다.The present invention provides a welded portion for improving the thermal fatigue life of forming the bead height of the weld bead at the time of steel welding proportional to the square root of the distance between the two tows of the weld bead.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

또한, 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.In addition, the present embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only, and various modifications may be made without departing from the technical gist of the present invention.

도 1은 본 발명에 따라 맞대기 용접의 경우에 용접비드 형상을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따라 겹치기 용접의 경우에 용접비드 형상을 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따라 용접비드의 형상에 대한 용접부의 열피로 수명을 나타내는 그래프이다.1 is a cross-sectional view showing a weld bead shape in the case of butt welding in accordance with the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view showing a weld bead shape in the case of overlap welding in accordance with the present invention, Figure 3 is a view of the weld bead according to the invention It is a graph showing the thermal fatigue life of the welded part against the shape.

도 1 또는 도 2를 참고하면, 자동차 배기가스 경로부재를 용접하는 경우에 특히 가스메탈 아크용접(GMAW) 또는 플럭스코어드 아크용접(FCAW)을 함에 있어서 도 1은 맞대기 용접을 나타내고, 상기 맞대기 용접은 제1강재(10)와 제2강재(20)를 서로 맞댄 후에 용접하여 용접비드(30)를 형성한다. 그리고, 도 2는 겹치기 용접을 나타내고, 상기 겹치기 용접은 제1강재(40)에 제2강재(50)를 겹친후에 용접하여 용접비드(60)를 형성한다. 1 or 2, in the case of welding a vehicle exhaust gas path member, in particular in gas metal arc welding (GMAW) or fluxcored arc welding (FCAW), FIG. 1 shows butt welding, and the butt welding Is welded to the first steel 10 and the second steel 20 after each other to form a weld bead 30. And, Figure 2 shows the overlap welding, the overlap welding is welded to form a weld bead 60 after the second steel material 50 is overlapped with the first steel material (40).

이와같이, 상기 제1강재(10)(40)와 제2강재(20)(50)를 용접하여 용접비드(30)(60)를 형성하는 경우에 용접부의 열피로 수명을 향상시키기 위하여 상기 용접비드(30)(60)의 덧살높이를 상기 용접비드(30)(60)의 양측 토우부간의 거리의 제곱근에 비례하도록 형성할 수 있다.As such, when welding the first steel 10, 40 and the second steel 20, 50 to form the weld bead 30, 60, the weld bead to improve the thermal fatigue life of the welded part. The tooth height of the 30 and 60 may be formed to be proportional to the square root of the distance between the two tow portions of the welding bead 30 and 60.

상기 용접비드(30)(60)의 형성시 상기 제1강재(10)(40)와 제2강재(20)(50)의 두께(t)(mm)에 따라 용접비드(30)(60)의 덧살높이(h)(mm)와 토우부간의 거리(w)(mm), 즉 용접비드(30)(60)폭이 다음 수학식 1을 만족하도록 하는 것이 바람직하다.When the welding beads 30 and 60 are formed, the welding beads 30 and 60 are formed according to the thickness t of the first and second steels 10 and 40 and 20 and 50. It is preferable that the distance between the height (h) (mm) and the distance of the tow portion (w) (mm), that is, the weld bead 30, 60 width of the to satisfy the following equation (1).

Figure 112008087966110-pat00002
Figure 112008087966110-pat00002

상기 제1강재(40)와 제2강재(50)를 겹치기 용접하는 경우에 상기 제1강재(40)의 두께(t1)와 제2강재(50)의 두께(t2)가 서로 다른 경우에는 수학식 1에서 강재의 두께(t)는 얇은 강재의 두께를 나타낸다.When the first steel material 40 and the second in the case of welding the steel product 50 overlap thickness (t 2) of the first steel 40, the thickness (t 1) and a second steel material 50 in the different In Equation 1, the thickness t of the steel represents the thickness of the thin steel.

상기 수학식 1은 맞대기 용접 또는 겹치기 용접을 하여 용접비드(30)(60)를 형성함에 있어서, 용접대상인 상기 제1강재(10)(40)와 제2강재(20)(50)의 두께에 따라 상기 용접비드(30)(60)의 덧살높이(h) 및 양쪽 토우부간 거리(w)를 나타낸다. 이는 겹치기 및 맞대기 용접 이음부의 용접비드 형상 관리기준을 나타낸다.Equation 1 is formed in the weld bead 30, 60 by butt welding or overlapping welding, the thickness of the first steel (10) 40 and the second steel (20, 50) to be welded Accordingly, the tooth height h of the weld bead 30 and 60 and the distance w between both tow portions are shown. This represents the weld bead shape control criteria for the overlap and butt weld seams.

그리고, 상기 강재(10)(20)(40)(50)는 자동차 배기가스 경로부재에서 요구되는 고온강도, 고온 산화성, 고온 열피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 페라이트계 스테인리스강은 열팽창이 작고, 열 피로 특성, 내스케일 박리성이 우수하다.In addition, the steels 10, 20, 40 and 50 are preferably made of a ferritic stainless steel material having excellent high temperature strength, high temperature oxidative property, and high temperature thermal fatigue characteristics required by the vehicle exhaust gas path member. Ferritic stainless steel has a small thermal expansion, and has excellent thermal fatigue characteristics and scale peel resistance.

다음의 표 1은 자동차의 배기가스 경로부재에 일반적으로 사용되는 2~3mm 두께의 페라이트계 스테인리스강을 대상으로 모재 열피로 수명에 대한 용접부의 열피로 수명을 나타내는 것이다.The following Table 1 shows the thermal fatigue life of the welded part about the thermal fatigue life of the base material for the 2-3 mm thick ferritic stainless steel generally used in the exhaust gas path member of the automobile.

Figure 112008087966110-pat00003
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이와 같은, 상기 표 1에서와 같은 열피로 시험은 200℃~900 ℃ 온도구간에서 가열 및 냉각속도는 14℃/S, 900℃에서 유지시간은 30초이다. 그리고, 1사이클당 130초가 소요된다. 상기 열피로 수명은 열피로 시험 중 인장하중 값이 초기 5사이클 중 최대 하중값의 70%가 되는 시점을 측정한다.As such, in the thermal fatigue test as shown in Table 1, the heating and cooling rates in the temperature range of 200 ℃ ~ 900 ℃ 14 ℃ / S, the holding time at 900 ℃ is 30 seconds. Then, it takes 130 seconds per cycle. The thermal fatigue life is measured when the tensile load value during the thermal fatigue test is 70% of the maximum load value during the initial five cycles.

자동차 배기가스 경로부재의 열피로 균열이 최초로 발생되는 위치는 대부분 용접비드(30)(60)의 토우부이며, 이는 용접비드(30)(60) 형상에 의해 상기 자동차 배기가스 경로부재 전체에 부가되는 응력보다 용접비드(30)(60) 토우부에 집중되는 응력이 더 크기 때문이다.Most of the location where the thermal fatigue crack of the vehicle exhaust gas path member is first generated is the tow of the welding beads 30 and 60, which are added to the entire vehicle exhaust gas path member by the shape of the welding beads 30 and 60. This is because the stress concentrated on the tow portion of the weld beads 30 and 60 is greater than the stress to be generated.

상기 표 1에서와 같이, 비교예 1 내지 9의 경우에는 수학식 1을 만족하지 못함에 따라 충분한 용접부의 열피로 수명을 나타내지 못하는 반면에, 실시예 10 내지 15의 경우에는 수학식 1을 만족함에 따라 모재 열피로 수명에 대한 용접부의 열피로 수명이 80%이상의 열피로 수명값을 나타내고 있다. As shown in Table 1, the comparative examples 1 to 9 do not satisfy the thermal fatigue life of a sufficient welded part as not satisfying Equation 1, whereas the Examples 10 to 15 satisfy Equation 1 Accordingly, the thermal fatigue life of the welded part with respect to the thermal fatigue life of the base metal shows a thermal fatigue life value of 80% or more.

특히, 비교예 10의 경우에는 용접부의 열피로 수명이 모재 열피로 수명의 90%까지 개선됨을 나타낸다.In particular, in the case of Comparative Example 10 shows that the thermal fatigue life of the weld portion is improved to 90% of the base material thermal fatigue life.

본 발명에 따른 열피로 수명 향상을 위한 용접부에 의하면 표 1은 수학식 1에 따라, 상기 용접비드(30)(60)의 덧살높이(h)의 10배를 [강재 두께(t)＊비드폭(w)]1/2값으로 나눈 값이 4보다 작을 경우에 용접부의 열피로 수명을 모재 열피로 수명의 80%이상 까지 개선할 수 있음을 나타낸다. According to the welding part for improving the thermal fatigue life according to the present invention, Table 1 is 10 times the height of the toothing height (h) of the welding beads 30, 60 according to Equation 1 [steel thickness (t) * bead width) (w)] If the value divided by 1/2 is less than 4, it shows that the thermal fatigue life of welded part can be improved to over 80% of the base fatigue life of the base metal.

따라서, 용접비드(30)(60)의 토우부에 응력이 집중되는 현상을 완화하기 위해서는 용접비드(30)(60) 형상을 수학식 1에 따라 제어하는 것이 바람직하다. Therefore, in order to alleviate the phenomenon in which stress is concentrated in the tow of the welding beads 30 and 60, it is preferable to control the shape of the welding beads 30 and 60 according to Equation 1.

도 3을 참고하면, 상기와 같이 본 발명에 따른 열피로 수명 향상을 위한 용접부는 수학식 1이 4보다 작은 경우에 모재 열피로 수명에 대한 용접부의 열피로 수명의 개선효과가 크게 향상됨을 나타낸다. Referring to FIG. 3, the welded portion for improving thermal fatigue life according to the present invention as described above shows that the improvement effect of the thermal fatigue life of the welded portion on the thermal fatigue life of the base material is significantly improved when Equation 1 is less than four.

즉, 수학식 1이 4보다 작은 경우에는 용접부의 열피로 수명이 모재 열피로 수명의 80%이상의 값을 나타내고, 4보다 큰 경우에는 급격하게 용접부의 열피로 수명이 감소되는 것을 볼 수 있다.That is, when Equation 1 is less than 4, the thermal fatigue life of the welded portion indicates a value of 80% or more of the thermal fatigue life of the base material, and when it is greater than 4, the thermal fatigue life of the welded portion is rapidly decreased.

도 1은 본 발명에 따라 맞대기 용접의 경우에 용접비드 형상을 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a weld bead shape in the case of butt welding according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따라 겹치기 용접의 경우에 용접비드 형상을 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a weld bead shape in the case of overlap welding in accordance with the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 용접비드의 형상에 대한 용접부의 열피로 수명을 나타내는 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the thermal fatigue life of the weld to the shape of the weld bead according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>

10, 30: 제1강재 20, 40: 제2강재10, 30: first steel 20, 40: second steel

30, 60: 용접비드30, 60: weld bead

Claims (4)

강재의 용접시 용접비드의 덧살높이를 상기 용접비드의 양측 토우부간의 거리의 제곱근에 비례하도록 형성하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부.Welded part for improving the thermal fatigue life of forming the bead height of the weld bead at the time of welding the steel proportional to the square root of the distance between the two toes of the weld bead. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 용접비드의 형성시 강재의 두께(t)에 따라 덧살높이(h)와 토우부간의 거리(w)가 According to the thickness (t) of the steel during the formation of the weld bead height (h) and the distance (w) between the tow portion
Figure 112011005150311-pat00004
Figure 112011005150311-pat00004
 을 만족하는 것을 특징으로 하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부.Welded part for thermal fatigue life improvement characterized in that to satisfy. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 인접하는 강재의 일부를 겹쳐서 용접하는 겹치기 용접시 상기 강재의 두께(t)는 상기 인접하는 강재 중 얇은 강재의 두께인 것을 특징으로 하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부.Welded part for thermal fatigue life improvement, characterized in that the thickness (t) of the steel during overlap welding welding a portion of the adjacent steel overlapping the thickness of the thin steel of the adjacent steel. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 강재는 페라이트계 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 열피로 수명 향상을 위한 용접부.The steel is welded to improve the life of thermal fatigue, characterized in that the ferritic stainless steel.
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