KR101826491B1 - 필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필릿 용접 조인트의 제조 방법 및 필릿 용접 조인트에 있어서, 용접 구조 부재의 피로 파괴의 강도를 희생하지 않고, 생산성을 높이는 필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 필릿 용접 조인트는, 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 용접함으로써 형성된 필릿 용접 조인트이며, 적어도 한쪽의 상기 금속 부재의 표면에, 상기 필릿 용접에 의해 형성된 용접 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 프레스 성형에 의해 형성한 리브 형상 돌기인 프레스 비드를 갖고, 당해 프레스 비드의 일부가 상기 용접 비드와 접하거나 겹치는 것을 특징으로 한다.

Description

필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법

본 발명은 필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것이고, 특히, 복수의 금속 부재를 필릿 용접하기 위해 사용하기 적합한 것이다.

종래부터, 자동차 분야에서는 환경 보전을 위해, 차체의 경량화에 의한 연비의 향상과 함께, 충돌 안전성의 향상이 요구되고 있다. 그로 인해, 고강도 강판을 사용하여 박육화함과 함께 차체 구조를 최적화하여, 차체의 경량화와 충돌 안전성의 향상을 도모하기 위해서, 지금까지 다양한 대처가 이루어져 왔다.

차체의 경량화를 도모하는 고강도 강판에는, 큰 피로 강도도 요구된다. 특히, 서스펜션 아암이나 서브 프레임 등의 섀시 부재는, 용접부의 피로 강도가 더욱 중요해진다. 이들 섀시 부재의 용접에는, 필릿 아크 용접이 많이 사용된다. 따라서, 섀시 부재의 경량화를 달성하기 위해서는, 필릿 아크 용접 조인트의 피로 강도를 높이는 것이 과제가 된다.

도 1a에, 상측 강재(1)와 하측 강재(2)를 중첩하고, 상측 강재(1)와 하측 강재(2)의 맞닿음 부분의 양면에 생기는 구석부 중, 편면측의 구석부만을 용접하여 형성한 대표적인 중첩 필릿 용접 조인트의 단면 형상을 나타낸다. 이하의 설명에서는, 필릿 용접 비드를 필요에 따라서 「필릿 비드」라고 칭한다. 이러한 중첩 필릿 용접 조인트에 있어서는, 상하의 강판에 인장 하중 F1, F2가 작용하면, 필릿 비드(3)를 중심으로 회전 변형이 발생하고, 필릿 비드(3)의 지단부(4)나, 루트부(5)에 응력이 집중되어, 피로 균열이 하중과 수직의 방향으로 진전되어서 용접 조인트가 파괴된다. 그로 인해, 피로 강도를 향상시키기 위해서는 지단부(4)나 루트부(5)의 응력 집중을 저감하는 것이 중요해진다.

용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 방법으로서, 종래, 주로 비드 형상의 개선에 의한 용접 지단부의 응력 집중의 저감이 대처되어 왔다. 예를 들어, 용접 지단부의 그라인더 처리, 혹은 티그 용접으로 지단부를 재용융하여 프랭크각을 확장하는 후처리가 실시되고 있다. 또한, 특허문헌 1에서는, 프레스 성형에 의해 피 용접 부재에 미리 경사부를 형성해 두고, 그 경사부에 용접 비드가 겹치도록 용접함으로써, 용접 비드의 지단부의 프랭크각을 확장하는 수법이 제안되어 있다.

특허문헌 2 및 3에는, 부가적인 용접 비드를 형성하여, 용접 지단부로의 응력 집중을 완화하는 기술이 개시되어 있으며, 구체적으로는, 특허문헌 2에는, 용접 비드를 연장하는 기술, 특허문헌 3에는, 보강용 비드를 형성하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 4 및 5에는, 용접 비드에 처리를 실시하여, 용접 지단부를 매끄럽게 해서, 용접 지단부로의 응력 집중을 완화하는 기술이 개시되어 있으며, 구체적으로는, 특허문헌 4에는, 용접 비드에 경납땜을 실시하는 기술, 특허문헌 5에는, 플라스마를 사용하여 용접 지단부를 재용융하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 6에는, 용접 비드가 형성되는 용접 예정 개소의 근방에, 피용접 부재에 프레스 가공해서 돌기를 미리 형성하여, 용접부로의 응력 집중을 완화하는 기술이 개시되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 6에는, 복수매의 판상 부재를 중첩해서 용접하여 형성된 선 형상 용접부의 양단부를 각각 둘러싸는 형상으로 프레스 비드를 형성함으로써, 판상 부재에 가해진 인장 하중이나 비틀기 하중을 프레스 비드로 흡수시켜, 선 형상 용접부의 양단부에 응력이 집중하는 것을 방지하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 7에는, 평판 형상 브래킷의 로어 레일의 측벽부측에, 상방으로 돌출되는 비드부를 로어 레일의 측벽부를 따라 형성하는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 7에는, 상방으로 돌출된 상기 비드부에 의해, 아크 용접의 토치와 브래킷 상면 사이의 간격이 넓어져, 아크 용접의 용접성이 향상되는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 8에는, 자동차용 리드 헤밍부의 용접 고착 구조가 개시되어 있다. 특허문헌 8에는, 리드 이너 패널의 에지를 따라 폴딩한 리드 아우터 패널의 에지를 당해 이너 패널의 융기부에 아크 용접 고착함으로써, 충돌 시 등의 큰 외력에 대하여 충분히 견딜 수 있음이 개시되어 있다.

그러나, 이들 수법은, 도 1a에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트와 같이 구조적으로 응력 집중이 발생하는 부위, 즉, 지단부(4)나 루트부(5)에 대하여 피로 강도 향상 효과는 작아, 발본적인 피로 강도 향상을 실현할 수 없다. 특히, 박강판의 용접 부재에서는, 판 두께가 얇기 때문에 부재의 강성이 내려가고, 재하(載荷)에 의해, 도 1a의 하측 강재(2) 중 상측 강재(1)의 하측에 겹친 부분이 필릿 비드(3)를 중심으로 회전 변형되기 쉬워진다. 그로 인해, 피로 균열은 용접 지단부(4)뿐만 아니라 루트부(5)로부터 발생하는 경우도 있고, 용접 지단부 형상의 개선만으로는 피로 강도 혹은 피로 수명의 향상이 불충분해진다.

또한, 박판 용접 구조물에서는, 용접 입열의 과다에 의한 용접 변형을 방지하기 위해, 조인트 전체 길이를 용접하지 않고, 도 1b의 (a)에 도시하는 바와 같은 부분적인 용접 비드(301)로 용접 구조물이 제작되는 경우가 많고, 부분적인 용접 비드(301)에는 개시단부(301S) 및 종단부(301E)가 형성된다. 종래의 비드 형상 개선 수법은, 도 1b의 (c)에 도시되는 용접 비드 형상인 안정된 중간부(301M)를 대상으로 하는 기술이다. 그러나, 도 1b의 (b)에 도시하는 바와 같이, 개시단부(301S)는 용입 불량이 발생하거나, 볼록형 지단부 형상이 되어, 지단부(4S)의 피로 균열의 발생 개소가 되기 쉽다. 또한, 도 1b의 (d)에 도시하는 바와 같이, 종단부(301E)는 용접 금속의 두께가 얇아져, 루트부(5E)로부터의 균열이 발생하기 쉬워진다. 이와 같이, 실제의 용접 구조물에서는, 용접 비드의 시종단(301S 및 301E)에 있어서 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, 용접 구조물 전체의 피로 강도 향상 효과는 기대할 수 없다.

즉, 박강판의 용접 부재에서, 특히 중첩 필릿 용접 조인트나 T자 필릿 용접 조인트를 포함하는 용접 구조물의 피로 강도를 향상시키기 위해서는, 부재의 강성을 높여서 면외 변형을 억제함으로써, 구조적인 응력 집중을 저감시키는 것이 중요하다고 생각된다. 부재의 강성을 높이고, 구조적인 응력 집중을 낮출 수 있으면, 용접 비드의 개시단부 및 루트부를 포함하는 용접 구조물 전체의 피로 강도 향상 효과가 가능해진다고 생각된다.

특허문헌 9에는, 용접 개시점의 위치가 필릿 비드와 겹치도록 함과 함께 용접 종료점의 위치가 하측 강판의 표면이 되도록 하여, 필릿 비드와는 별도로 보강용 아크 용접 비드를 형성함으로써, 굽힘 모멘트가 부가되는 방향에 대한 강판 및 용접 금속의 합성을 높이는 부재로서 기능하여 하측 강판의 구부러짐을 억제하는 기술이 제안되어 있다.

또한, 종래, 필릿 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 수단으로서, 적절한 형상·위치에 리브 등의 보강 부재를 용접하는 일 등이 행해지고 있다. 그러나, 별도의 부재를 용접하면 비용의 증가로 이어지기 때문에, 이들 수단은, 자동차 부품과 같은 대량 생산품의 제조에 적용할 수 있는 기술이 아니다.

이와 같은 과제에 대하여 특허문헌 10에는, 금속 부재와 금속 부재를 필릿 아크 용접하여 용접 조인트를 제조할 때, 필릿 비드를 기점으로 하고, 필릿 비드와는 별도의 비드를, 당해 필릿 비드와 동일면 내에서 필요한 각도를 가지고, 적어도 한쪽의 금속 부재의 표면에 적어도 하나 형성함으로써, 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 기술이 제안되어 있다.

그러나, 특허문헌 9, 10에 개시된 기술에서는, 필릿 비드를 형성 후, 당해 필릿 비드에 대하여 소정의 방향으로 보강용 용접 비드를 형성할 필요가 있기 때문에, 복잡 형상의 부품에 대한 적용이 곤란하여, 용접 공정이 증가하고, 생산성의 향상이 제한된다는 문제가 있다.

또한, 일반적으로 용접 비드의 개시점에서는, 용입이 불충분해지거나, 더욱 용접 결함이 발생하기 쉽다. 특허문헌 9, 10에 개시된 기술에서는, 보강용 비드의 용접 개시점이 필릿 용접 비드와 겹치므로, 이 겹친 부분에서 용입이 불충분해지거나, 용접 결함이 발생할 우려가 있다. 한편, 상기 보강용 비드의 모재 금속에 대한 용입을 해소하기 위해, 보강용 비드의 용접 개시점의 가열을 충분히 행하면, 용접 개시점에 있어서 모재 금속을 과도하게 가열하게 되어, 모재 금속의 강도의 저하를 초래한다는 문제가 있다.

일본 특허 공개 제2008-221300호 공보 일본 특허 공개 평09-253843호 공보 일본 특허 제5522317호 공보 일본 특허 공개 제2013-031878호 공보 일본 특허 공개 제2014-004609호 공보 일본 특허 공개 제2010-110793호 공보 일본 특허 공개 제2003-341391호 공보 일본 실용신안 출원 공개 소54-100925호 공보 국제 공개 제2013/157557호 국제 공개 제2014/084317호

본 발명은 상기 실정을 감안하여, 용접 구조 부재의 피로 파괴 강도를 희생하는 일 없이, 생산성을 높임과 함께 복잡 형상의 부품에 대한 적용이 용이한, 필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같이, 섀시재 등의 용접 구조 부재에서는, 부재의 구조상, 2개의 강 부재의 맞닿음 부분의 양면 구석부가 아닌 편면측의 구석부에만 필릿 용접되는 용접 개소가 있다. 피로 균열은 그러한 용접 개소에서 발생하기 쉬운 것이 예상된다. 그래서, 본 발명자들은, 기본적인 중첩 필릿 용접 조인트를 예로 들어, 피로 균열의 발생 원인과, 피로 균열의 발생을 억제하기 위한 수단에 대하여 검토하였다.

자동차용 박강판을 필릿 용접할 경우, 생산성의 관점에서, 박강판의 편면측에만 필릿 비드를 형성하는 경우가 있다. 이것은, 판 두께가 얇으므로, 구석부의 편면측, 즉, 구석부의 표측을 필릿 용접한 후, 바로 판의 이측을 필릿 용접하면, 강판이 다 식지 않았기 때문에, 강판 자체가 녹아내린다는 문제가 있기 때문이다.

그래서, 본 발명자들은, 적어도 한쪽의 강 부재를 판 두께가 3.2㎜ 이하인 박강판으로 한 2개의 강 부재의 맞닿음 부분의 양면에 생기는 구석부 중, 편면측의 구석부만을 필릿 용접한 용접 구조 부재를 대상으로 하여 피로 시험을 행하였다. 그 결과, 이러한 용접 구조 부재에서는, 필릿 비드의 루트부(5)에 피로 균열이 발생하는 경우가 있음이 판명되었다.

여기에서는, 도 1a에 도시되는 강판(1, 2)의 중첩부의 편면측의 구석부만을 필릿 아크 용접한 중첩 필릿 용접 조인트를 검토의 대상으로 하였다. 본 발명자들은, 필릿 아크 용접에 의해 형성된 필릿 비드(3)에, 상측 강판(1)을 따라 인장력 F1이 작용하고, 하측 강판(2)을 따라 인장력 F2가 작용하는 경우에, 강판(1, 2)이 어떻게 변형되는지를, 삼차원 유한 요소법을 사용하여 해석하였다.

그 결과, 상측 강판(1)의 중심축(강판의 두께와 폭의 중심을 통과하여, 강판의 길이 방향에 평행한 1개의 선)을 하측 강판(2)의 중심축과의 어긋남에 의해, 큰 굽힘 모멘트가 발생하고, 하측 강판(2)이 필릿 비드(3)의 근방에서 구부러져, 루트부(5)가 개구되는 것을 알 수 있었다. 이것이, 루트부(5)로의 응력 집중을 높여, 피로 균열의 발생을 야기하는 원인이라고 생각된다.

그래서, 본 발명자들은, 하측 강판(2)의 구부러짐을 억제하는 수단으로서, 보강용 비드를 용접 비드로 형성하는 것이 아니라, 용접 전에 미리 프레스로 형성하는 것을 검토하였다.

그 결과, 도 2에 도시하는 바와 같이 필릿 비드(3)와 교차 혹은 접하도록 하측 강판(2)의 일부를 프레스 성형에 의해 리브 형상의 돌기(3A)(이하, 이러한 돌기를 「프레스 비드」라고 함)를 미리 형성하고, 프레스 비드(3A)의 볼록측의 단부가 필릿 비드(3)와 겹치도록 필릿 아크 용접을 행하여 필릿 비드(3)를 형성한다. 이와 같이 하면, 프레스 비드(3A)가, 상술한 굽힘 모멘트가 부가되는 방향에 대한 강판 및 용접 금속의 강성을 높이는 부재로서 기능하여 하측 강판(2)의 구부러짐을 억제할 수 있다. 따라서, 피로 균열의 발생을 억제할 수 있다.

이들 관찰 결과로부터, 이하의 지견을 얻었다.

(I) 필릿 용접 비드에 교차 혹은 접하도록, 프레스 비드를 형성함으로써, 필릿 용접의 피로 강도를 높일 수 있음을 알아내었다.

또한, 프레스 비드(3A)를 필릿 비드(3)측에 볼록해지도록 배치하는 경우에는, 도 3의 (a)에 도시되는 바와 같이, 필릿 비드 용접 시의 용융 금속이 프레스 비드(3A)에 의해 막혀, 양호한 용접 비드 형상이 얻어진다. 그러나, 프레스 비드가 필릿 비드측에 오목해지도록 배치하면, 도 3의 (b)에 도시되는 바와 같이, 용접 시의 용융 금속이 프레스 비드의 오목부로 흘러 나가(아래의 하측 도면), 용접 비드의 두께가 저하되어 충분한 용접 금속 강도가 얻어지지 않는다.

자동차용 용접 구조 부재, 특히 섀시용 용접 구조 부재에서는, 상술한 시험편과 같은 판과 판을 단순하게 겹쳐 필릿 용접하는 「중첩 필릿 용접」 이외에, 금속 부재의 에지단을 다른 금속판의 표면 상에 필릿 용접하여 용접 구조 부재를 제조하는 경우(이하, 「맞댐 필릿 용접」 또는 「T자 필릿 용접」이라고 부르는 경우가 있음)가 있다. 이와 같은 용접 조인트에 대해서도, 필릿 용접된 금속판의 표면 상에, 필릿 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 상기 프레스 비드를 적어도 하나 이상, 당해 프레스 비드의 일부가 상기 필릿 비드와 겹치도록 형성하는 것이 유효하다는 것이 판명되었다.

(II) 또한, 외부로부터의 부하가 직접적으로 가해지는 용접 구조 부재에 부가된다고 상정되는 반복 하중을 당해 용접 구조 부재에 부가했을 때, 피로 균열이 최초에 발생하는 영역에 프레스 비드를 형성하는 것이 유효하다는 것이 판명되었다. 피로 균열이 최초에 발생하는 개소는 최대 주응력이 되는 개소에 대응한다. 이때, 최대 주응력의 방향도 미리 지견할 수 있는 경우에는, 그 최대 주응력 방향을 따르도록 프레스 비드를 형성하면 된다. 즉, 프레스 비드의 길이 방향이 최대 주응력 방향이 되면 된다.

또한, 용접 비드에 있어서의 응력 집중에 대해서는, 형상의 변화율이 높은 용접 지단부에 응력이 집중되어, 용접 지단부에 있어서의 수선 방향이 최대 주응력의 방향이 되는 경우가 많다. 이로 인해, 용접 비드와 모재 금속의 경계가 되는 용접 비드의 외측 에지단(이하, 「용접 지단선」이라고 함)에 대하여 직각 방향으로 프레스 비드를 배치하는 것이 피로 강도 향상에 유효해진다. 여기에서의 용접 비드의 지단선 방향은 이하와 같이 정의한다. 즉, (a) 직선의 필릿 비드에 대해서는 문자 그대로의 용접선 방향[도 4의 (a)의 실선의 화살표 방향], (b) 곡선의 필릿 비드에 대해서는 필릿 비드의 접선 방향[도 4의 (b)의 실선의 화살표 방향], (c) 필릿 비드의 시단부 및 종단부[이하, 「시종단부」라고 약칭함] 근방(단, 선단을 제외함)에 대해서는 그 필릿 비드 지단부의 접선 방향[도 4의 (c)의 실선의 화살표 방향], (d) 필릿 비드의 시종단부의 선단에 있어서는 비드 선단의 지단부의 접선 방향, 즉 용접선에 대하여 직각 방향[도 4의 (d)의 실선의 화살표 방향]을 의미한다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

본 발명의 필릿 용접 조인트는, 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 용접함으로써 형성된 필릿 용접 조인트이며, 적어도 하나의 금속 부재의 표면에, 필릿 용접에 의해 형성된 용접 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 프레스 성형에 의해 형성한 리브 형상 돌기인 프레스 비드를 갖고, 당해 프레스 비드의 일부가 용접 비드와 접하거나 겹치는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트의 다른 예에서는, 프레스 비드의 길이 방향과, 용접 비드의 용접 지단선의 방향이 이루는 각도가 45° 이상 135° 이하여도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트의 다른 예에서는, 상기 용접 비드의 시단부, 종단부, 굴곡부 및 당해 용접 비드 도중의 당해 시종단부보다도 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 1개에 있어서, 상기 용접 비드를 따라 위치하는 프레스 비드를 갖고 있어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트의 다른 예에서는, 지단부 반경 Ra(㎜)가, 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께 t(㎜) 이상인 프레스 비드를 갖고 있어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트의 다른 예에서는, 프레스 비드의 길이 방향의 길이를 La, 높이를 Ha, 폭을 Wa, 용접 비드의 폭을 W, 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께를 t라 했을 때, La≥2W, Ha≥t, Wa≥W를 만족시키는 것이어도 된다.

또한, 프레스 비드는, 용접 비드와 교차하도록 형성되어 있어도 된다.

또한, 프레스 비드는, 용접 비드에 있어서 미리 구한 최대 주응력이 발생하는 부분에서 겹치도록 형성되어 있어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트의 다른 예에서는, 프레스 비드가 형성된 금속 부재와 용접되는 금속 부재에는, 프레스 비드와 용접되는 개소에 있어서, 프레스 비드가 감입되는 절결부를 갖고 있어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트의 다른 예에서는, 금속 부재의 적어도 한쪽이 꺾여 구부러진 코너부를 갖는 단면 형상의 금속 부재이고, 그것을 다른 쪽의 금속 부재에 필릿 용접하여 형성되는 필릿 용접 조인트이며, 생성된 용접 비드의 코너부에서 프레스 비드가 겹치도록 형성되어 있어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트를 형성하는 방법은, 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 용접함으로써 필릿 용접 조인트를 형성하는 방법이며, 적어도 하나의 금속 부재의 표면에, 필릿 용접에 의해 형성된 용접 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 리브 형상 돌기인 프레스 비드를 프레스 성형하고, 프레스 비드의 일부가 용접 비드와 접하거나 겹치도록, 금속 부재를 필릿 용접하는 것을 특징으로 한다.

또한, 프레스 비드의 길이 방향과, 용접 비드의 지단선 방향이 이루는 각도가 45° 이상 135° 이하가 되도록 프레스 비드를 형성함으로써 프레스 비드 효과가 높아진다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트를 형성하는 다른 방법에 있어서, 상기 용접 비드의 시단부, 종단부, 굴곡부 및 당해 용접 비드 도중의 당해 시종단부보다도 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 1개에 있어서, 상기 용접 비드를 따라 위치하는 프레스 비드를 형성해도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트를 형성하는 다른 방법에 있어서, 지단부 반경 Ra(㎜)가 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께 t(㎜) 이상인 프레스 비드를 형성해도 된다.

또한, 프레스 비드의 길이 방향의 길이를 La, 높이를 Ha, 폭을 Wa, 용접 비드의 폭을 W, 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께를 t라 했을 때, La≥2W, Ha≥t, Wa≥W를 만족시키도록 프레스 비드를 형성해도 된다.

또한, 프레스 비드를, 용접 비드와 교차하도록 형성해도 된다.

또한, 용접 비드에 있어서 미리 구한 최대 주응력이 발생하는 부분에서 겹치는 개소에, 프레스 비드를 형성해도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트를 형성하는 다른 방법에서는, 프레스 비드가 형성된 금속 부재와 용접되는 금속 부재에는, 프레스 비드와 용접되는 개소에 있어서, 프레스 비드가 감입되는 절결부를 형성해도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 용접 조인트를 형성하는 다른 방법에서는, 상기 금속 부재의 적어도 한쪽이 꺾여 구부러진 코너부를 갖는 단면 형상의 금속 부재이고, 그것을 다른 쪽의 금속 부재에 필릿 용접하여 형성되는 필릿 용접 조인트를 형성하는 방법이며, 생성된 용접 비드의 코너부에 프레스 비드가 겹치도록, 상기 다른 쪽의 금속 부재에 프레스 비드를 미리 형성해도 된다.

본 발명에 따르면, 용접 비드를 형성한 후, 보강용 비드를 추가로 형성하지 않는다. 그로 인해, 복잡 형상의 부품에 대한 적용이 용이하며, 용접 공정이 간략화되어 생산성을 향상시킬 수 있음과 함께, 용접 비드 위에 겹쳐서 용접을 행하는 것에 기인하는 강도의 저하라는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 용접 토치의 도달이 곤란한 매우 좁은 개소이더라도, 본 발명에 따르면, 프레스 비드에 의해 보강할 수 있다. 또한, 용접 비드와 상이하게, 프레스 비드는 높이와 지단부 반경을 자유롭게 설정할 수 있으므로, 충분한 강성 향상 효과를 얻을 수 있고, 보강용 프레스 비드 자체로부터 피로 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 1a는 중첩 필릿 용접 조인트의 단면 형상을 도시하는 단면도이다.
도 1b의 (a)는 부분적인 용접 비드로 제작된 용접 구조물의 상면도이고, 도 1b의 (b)는 도 1b의 (a)의 용접 구조부의 부분적인 용접 비드의 개시단에 있어서의 단면도이고, 도 1b의 (c)는 도 1b의 (a)의 용접 구조부의 부분적인 용접 비드의 중간부에 있어서의 단면도이며, 도 1b의 (d)는 도 1b의 (a)의 용접 구조부의 부분적인 용접 비드의 종단부에 있어서의 단면도이다.
도 2는 중첩 필릿 용접 조인트의 시험편을 도시하는 상면도이다.
도 3의 (a)는 프레스 비드를 필릿 비드측에 볼록해지도록 배치한 상태를 도시하는 단면도이며, 도 3의 (b)는 프레스 비드를 필릿 비드측에 오목해지도록 배치한 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4의 (a)는 직선의 필릿 비드인 경우에 있어서의 지단선 방향과 용접선 방향의 관계를 도시하는 상면도이고, 도 4의 (b)는 곡선의 필릿 비드인 경우에 있어서의 지단선 방향과 필릿 비드의 접선 방향의 관계를 도시하는 상면도이고, 도 4의 (c)는 필릿 비드의 시단부 및 종단부 근방에 있어서의 필릿 비드의 접선 방향과 비드의 지단선 방향의 관계를 도시하는 상면도이고, 도 4의 (d)는 필릿 비드의 시단부 및 종단부의 선단에 있어서의 필릿 비드의 접선 방향과 비드의 지단선 방향의 관계를 도시하는 상면도이다.
도 5의 (a)는 필릿 비드의 중앙부 부근에 접하도록 하측 강판에 볼록한 프레스 비드를 배치한 예를 나타내는 상면도이고, 도 5의 (b)는 필릿 비드의 중앙부 부근에 접하도록 상측 강판에 볼록한 프레스 비드를 배치한 예를 나타내는 상면도이고, 도 5의 (c) 내지 (f)는 필릿 비드의 시종단부에 접하도록 하측 강판에 볼록한 프레스 비드를 배치한 예를 나타내는 상면도이고, 도 5의 (g)는 도 5의 (b) 및 (f)에 나타낸 프레스 비드의 배치 형태를 조합한 예를 나타내는 상면도이다.
도 6a의 (1)은 본 발명의 맞댐 필릿 조인트의 일례이며, 필릿 비드의 중앙부 부근에 접하도록 하측 강판에 볼록한 프레스 비드를 배치한 경우의 사시도이며, 도 6a의 (2)는 도 6a의 (1)의 단면도이다.
도 6b는, 본 발명의 맞댐 필릿 조인트의 일례이며, 필릿 비드의 시종단부에 접하도록 하측 강판에 볼록한 프레스 비드를 상기 필릿 비드의 시종단부의 각각에 배치한 경우의 사시도이다.
도 6c의 (1)은 본 발명의 맞댐 필릿 조인트의 일례이며, 상측 강판에 미리 절결을 형성하여, 프레스 비드에 상기 절결이 들어맞게 구성한 경우의 사시도이며, 도 6c의 (2)는 도 6c의 (1)의 단면도이다.
도 6d는, 본 발명의 맞댐 필릿 조인트의 일례이며, T자 필릿 조인트의 하측 강판에, 필릿 비드의 시종단부에 접하도록 하측 강판에 볼록한 프레스 비드를 상기 필릿 비드에 대하여 평행하게 배치한 경우의 사시도이다.
도 7의 (a)는 필릿 비드에 굴곡부를 갖는 중첩 필릿 비드에 의해 형성된 본 발명의 용접 조인트의 상면도이며, 도 7의 (b)는 브래킷재의 코너부에 있어서 필릿 비드와 접하도록 프레스 비드가 배치된 구조의 본 발명의 맞댐 필릿 조인트의 사시도이다.
도 8은 용접 구조 부재의 제1 예를 나타내는 사시도이다.
도 9는 용접 구조 부재의 제2 예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 용접 구조 부재의 제3 예를 나타내는 사시도이다.
도 11은 용접 구조 부재의 제4 예를 나타내는 사시도이다.
도 12의 (a)는 용접 비드의 길이 방향에 대하여 수직인 단면으로, 당해 용접 비드를 절단했을 때의 단면도이며, 도 12의 (b)는 프레스 비드의 길이 방향에 대하여 수직인 단면으로, 당해 프레스 비드를 절단했을 때의 단면도이다.
도 13은, 도 12에서 도시되는 용접 비드의 용접 지단부에 있어서의 필릿 비드의 곡률 반경과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 보강 비드가 없는 중첩 필릿 용접 조인트와, 보강 비드로서 용접 비드가 형성된 중첩 필릿 용접 조인트와, 보강 비드로서 프레스 비드가 형성된 중첩 필릿 용접 조인트를 사용하여 행해진 피로 강도 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 14의 피로 강도 시험에 사용된 중첩 필릿 용접 조인트의 상면도이다.
도 16의 (a)는 도 5의 (a), (b), (e), (f) 및 (g)에 도시된 중첩 필릿 용접 조인트를 사용하여 행해진 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프이며, 도 16의 (b)는 도 16의 (a)의 피로 시험에 사용된 비교예로서의 중첩 필릿 용접 조인트의 상면도이다.

먼저, 본 발명의 필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법의 기본적인 사항에 대하여 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 이하, 주로 필릿 용접 조인트를 사용하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명의 필릿 용접 조인트 및 그 제조 방법은, 자동차용 용접 구조 부재에 한하지 않고, 철도 차량이나 항공기 등의 수송용 기기, 기계 구조물, 가전 등, 복수의 재료나 부재 등으로 구성되는 구조물에 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은 강판에 한하지 않고, 철판, 알루미늄판, 티타늄 합금판, 금속 및 수지를 포함하는 판재에 적용할 수 있다.

(프레스 비드의 단면 형상)

상술한 바와 같이, 본 발명은 필릿 용접 조인트에 사용되는 금속 부재를, 필릿 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 프레스 성형하고, 상기 금속 부재의 표면에 리브 형상 돌기를 미리 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 상기 리브 형상 돌기를 「프레스 비드」라고 칭한다. 프레스 비드의 형성 방향에 대하여 수직인 단면 형상은, 프레스 성형이 가능하다면 특별히 한정되지 않고, 다각형형, 반타원형, 반원 등의 다양한 형상을 적용할 수 있다. 또한, 프레스 비드의 형성 방향과 평행한 단면 형상은, 프레스 성형이 가능하다면 특별히 한정되지 않는다.

(중첩 필릿 비드인 경우의 프레스 비드의 배치 형태)

상술한 바와 같이, 본 발명은 필릿 비드와 교차 혹은 접하도록 하측 강판의 일부에 프레스 비드를 미리 형성하고, 프레스 비드의 볼록측의 단부가 필릿 비드와 겹치도록 필릿 용접을 행하여 필릿 비드를 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.

중첩 필릿 비드인 경우, 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이 필릿 비드의 중앙부 부근에 접하도록 하측 강판에 볼록한 프레스 비드를 배치해도 된다. 도 5의 (a)에 도시되는 프레스 비드의 배치 형태의 경우, 하측 강판의 회전 변형이 억제되어, 필릿 비드 지단부로부터의 균열을 억제할 수 있다.

또한, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 필릿 비드의 중앙부 부근에 접하도록 상측 강판에 볼록한 프레스 비드를 배치해도 된다. 도 5의 (b)에 도시되는 프레스 비드의 배치 형태의 경우, 상측 강판의 회전 변형이 억제되기 때문에, 특히, 필릿 비드의 루트부로부터의 균열을 억제할 수 있다.

또한, 도 5의 (c) 내지 (f)에 도시하는 바와 같이, 필릿 비드의 시종단부에 접하도록, 하측 강판에 필릿 비드 지단부보다도 긴 볼록한 프레스 비드를 배치해도 된다. 특히, 필릿 비드의 지단부로부터 적어도 10㎜ 이상 긴 프레스 비드를 형성함으로써, 필릿 비드의 종시단부의 강성을 높여, 종시단부로부터의 균열을 억제하는 효과가 있다. 도 5의 (c), (d) 및 (f) 각각에 도시된 프레스 비드는, 용접 비드의 시단부 및 종단부에 있어서, 그 길이 방향과 용접 비드의 용접 지단선의 방향이 이루는 각도가 45° 이상 135° 이하가 되도록 형성되어 있다. 도 5의 (e)에 도시된 프레스 비드는, 용접 비드의 시단부 및 종단부에 있어서, 그 길이 방향이 용접 비드의 용접 지단선의 방향에 대하여 평행해지도록 형성되어 있다. 하측 강판의 폭이 좁고, 도 5의 (a)와 같은 긴 프레스 비드를 배치하는 것이 곤란한 경우, 도 5의 (c) 내지 (f)에 도시하는 프레스 비드의 배치 형태는 유효하다.

또한, 도 5의 (a) 내지 (f)에 도시된 상술한 배치 형태의 2개 이상을 조합한 배치 형태여도 된다. 상술한 어느 배치 형태여도, 프레스 비드는, 중첩 필릿 비드에 의해 형성된 용접 조인트의 강성을 향상시키는 효과를 갖는다. 즉, 상기 프레스 비드는, 상하 강판에 인장 하중을 가했을 경우의 판 두께 방향의 회전 변형을 억제하고, 필릿 비드에 작용하는 응력 집중을 저감하여, 피로 수명 향상에 효과를 발휘한다. 예를 들어, 도 5의 (b) 및 (f)에 도시한 프레스 비드의 배치 형태를 조합하여, 도 5의 (g)에 도시하는 용접 조인트를 제조해도 된다. 도 5의 (g)에 도시하는 프레스 비드의 배치 형태에 의하면, 루트부로부터의 균열 억제 효과와 용접 비드의 시단부 및 종단부로부터의 균열 억제 효과를 상승적으로 얻을 수 있다.

(프레스 비드의 배치 형태에 의한 피로 수명 향상 효과의 검증)

프레스 비드의 배치 형태에 의한 피로 수명 향상에 대한 효과를 조사하기 위해, 도 5의 (a), (b), (e), (f) 및 (g)에 나타난 중첩 필릿 용접 조인트를 사용하여 피로 시험을 행하였다. 또한, 본 발명에 의한 프레스 비드의 배치 형태와 비교하기 위해, 필릿 비드를 따라 필릿 비드와 동등한 길이의 프레스 비드가 형성된 중첩 필릿 용접 조인트[도 16의 (b)에 나타냄]와, 프레스 비드 등의 보강 비드가 형성되어 있지 않은 중첩 필릿 용접 조인트를 사용하여 피로 시험을 행하였다.

피로 시험에 사용된 각각의 형태의 중첩 필릿 용접 조인트는, 판 두께 2.6㎜의 780㎫급 강판에, 미리 각각의 프레스 비드를 성형하고, 그 위에 판 두께 3.2㎜의 780㎫급 강판을 겹쳐서 필릿 용접함으로써 제조되었다. 또한, 각각의 형태의 중첩 필릿 용접 조인트에 있어서, 프레스 비드는, 높이가 Ha'=1, 지단부 반경이 ρ'=1이 되도록 형성되었다. 여기서, Ha' 및 ρ'는, 각각, 용접 비드 높이(Hb)/판 두께(t)와, 지단부 반경(Rb)/판 두께(t)의 값을 나타낸다.

또한, 도 5의 (a), (b), (f) 및 (g)의 프레스 비드는, 길이가 La=50㎜가 되도록 형성되고, 도 5의 (e) 및 도 16의 (b)의 프레스 비드는, 길이가 La=25㎜가 되도록 형성되었다.

피로 시험은, 범용의 축력 피로 시험기를 사용하여, 상판(1)과 하판(2)을 서로 반대 방향으로(후술되는 도 15와 마찬가지로, 도 15에 도시되는 화살표 방향으로), 최소 하중 1kN, 최대 하중 11kN이 인가되도록 반복 하중을 작용시켰다.

피로 시험의 결과를 도 16의 (a)에 나타낸다. 보강 비드를 갖지 않는 중첩 필릿 용접 조인트의 경우, 파단 수명은 17만회이고, 용접 시종단으로부터 균열이 발생하였다. 도 5의 (a)에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트의 경우, 파단 수명은 5.2배로 증가하고, 균열 발생 위치는 필릿 비드의 루트부가 되었다. 도 5의 (b)에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트의 경우, 파단 수명이 1.5배로 증가했지만, 그 증가율은 작았다. 도 5의 (b)에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트에서는, 하판의 회전 변형 억제 효과를 기대할 수 없고, 필릿 비드 시종단의 지단부로부터 균열이 발생했기 때문에 피로 수명 연장 효과가 작았다고 생각된다.

도 5의 (e) 및 (f)의 중첩 필릿 용접 조인트의 피로 수명은, 각각, 3.1배, 4.0배로 증가했지만, 도 5의 (a)에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트에 비하면 피로 수명 연장 효과는 작다. 균열 발생부는 필릿 비드의 루트부이며, 필릿 비드 시종단의 지단부의 균열 억제 효과는 얻어졌지만, 도 5의 (e) 및 (f)의 중첩 필릿 용접 조인트는, 도 5의 (a)에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트에 비하여, 루트부의 변형을 억제하는 효과가 작았기 때문이라 생각된다.

도 5의 (g)의 중첩 필릿 용접 조인트는, 대폭적인 피로 수명 연장 효과가 얻어졌다. 도 5의 (f)에 도시된 프레스 비드에 의한 필릿 비드 시종단의 균열 억제 효과와, 도 5의 (b)에 도시된 프레스 비드에 의한 루트부의 변형 억제 효과가 상승 효과로 작용했기 때문이라 생각된다.

비교예로서의 도 16의 (b)에 도시하는 중첩 필릿 용접 조인트의 경우, 피로 수명 연장 효과가 작다. 필릿 비드와 평행인 프레스 비드를 배치해도, 하판의 회전 변형을 억제하는 효과는 발휘되지 않고, 필릿 비드 시종단의 균열 억제를 할 수 없었기 때문이다.

(맞댐 필릿 조인트인 경우의 프레스 비드의 배치 형태)

한편, T자 필릿 조인트(맞댐 필릿 조인트)의 경우, 하측 강판으로부터의 균열이 발생하기 쉽다는 과제를 고려할 필요가 있다. 이와 같은 과제를 고려한 배치 형태로서, 도 6a의 (1)에 도시하는 바와 같이 필릿 비드(3)의 중앙부 부근에 접하도록 하측 강판(2)에 볼록한 프레스 비드(3A)를 배치해도 된다. 또한, 도 6b에 도시하는 바와 같이 필릿 비드(3)의 시종단부에 접하도록 하측 강판(2)에 볼록한 프레스 비드(3A)를 상기 필릿 비드(3)의 시종단부의 각각에 배치해도 된다. 혹은, 도 6c의 (1)에 도시하는 바와 같이 상측 강판(1)에 미리 절결(1A)을 형성하여, 프레스 비드(3A)에 상기 절결(1A)이 들어맞게 상기 상측 강판(1)을 배치하고, 필릿 비드(3)와 프레스 비드(3A)가 교차하도록 하측 강판(2)에 볼록한 프레스 비드(3A)를 배치해도 된다.

또한, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 상술한 배치 형태의 2개 이상을 조합한 배치 형태여도 되고. 도 6a에 도시된 상술한 배치 형태에, 하측 강판에 프레스 비드가 형성되어 있는 도 5의 (a), (c) 내지 (f)에 도시된 배치 형태를 조합해도 된다. 예를 들어, 도 6d에 도시된 T자 필릿 조인트는, 도 6c의 (1) 및 (2)에 도시되는 T자 필릿 조인트의 하측 강판(2)에, 도 5의 (e)에 도시하는 바와 같이 필릿 비드(3)의 시종단부에 접하도록 하측 강판(2)에 볼록한 프레스 비드(3Aa)를 상기 필릿 비드(3)에 대하여 평행하게 배치해도 된다.

상술한 어느 배치 형태이더라도, 프레스 비드는 맞댐 필릿 조인트의 강성을 향상시키는 효과를 갖는다.

도 6a의 (2)는 도 6a의 (1)의 상측 강판(1) 및 하측 강판(2)의 중심선을 통과하는 평면으로부터 본 단면도이다. 또한, 도 6c의 (2)는 도 6c의 (1)의 상측 강판(1) 및 하측 강판(2)의 중심선을 통과하는 평면으로부터 본 단면도이다. 이들 단면도에 도시되는 바와 같이, 상하 강판에 인장 하중을 가했을 경우, 프레스 비드에 의해 하측 강판의 면외 변형이 억제되는 구조로 되어 있다. 따라서, 상기 프레스 비드는, 상하 강판에 인장 하중을 가했을 경우의 판 두께 방향의 회전 변형을 억제하고, 필릿 비드에 작용하는 응력 집중을 저감하는 강성 향상 효과에 의해, 피로 수명 향상에 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명의 프레스 비드는 용접 비드의 선 형상 부분뿐만 아니라, 용접 지단선의 방향이 변화하는 용접 부분(이하, 「굴곡부」라고 함) 용접 부분에 대해서도 적용할 수 있다. 예를 들어, 용접 비드가 L자 형상, V자 형상 혹은 U자 형상으로 형성되어 있는 경우, 당해 용접 비드의 용접 지단선은 2개의 방향을 포함한다. 필릿 비드가 상기 굴곡부를 갖는 경우, 당해 굴곡부에 응력 집중되기 쉬우므로, 굴곡부에 프레스 비드를 배치하면, 피로 강도 향상에 유효해진다.

도 7의 (a)는 필릿 비드(3)에 굴곡부(1B)를 갖는 중첩 필릿 비드에 의해 형성된 본 발명의 용접 조인트의 상면도이다. 도 7의 (b)는 브래킷재(18)의 코너부(18B)에 있어서 필릿 비드(3)와 접하도록 프레스 비드(3A)가 배치된 구조의 본 발명의 맞댐 필릿 조인트의 사시도이다.

도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이 프레스 비드는, 굴곡부에 있어서 필릿 비드와 교차하거나, 혹은, 그 단부가 필릿 비드를 겹치도록 형성할 필요가 있다. 필릿 비드와 이격되어 형성되면, 강판의 강성을 높이는 부재로서 충분히 기능하지 않기 때문이다.

이상에서는, 각종 용접 조인트를 예로 들어 프레스 비드의 적정한 배치를 설명했지만, 실제의 용접 조인트는, 다수의 부재로 구성되기 때문에 복수의 용접선이 근접하여 배치되는 경우를 생각할 수 있다. 그래서, 2개의 독립된 필릿 비드에 대하여 동일한 프레스 비드를 공용시킬 경우에는, 프레스 비드의 개시점(한쪽의 단부)을 한쪽의 필릿 비드와 겹치고, 종료점(다른 쪽의 단부)을 다른 쪽의 필릿 비드와 겹치게 배치해도 된다. 즉, 프레스 비드의 단부 중 어느 하나가, 2개의 독립된 필릿 비드 중 어느 하나와 겹치도록 형성해도 된다.

용접 조인트의 균열 발생 위치가 미리 예상되는 경우에는, 균열 발생 개소에 있어서의 최대 주응력의 방향으로 프레스 비드를 배치하는 것이 유효하다. 주응력의 방향은, 일반적으로는, 용접 지단선과 수직 방향이 되는 경우가 많다. 또한, 균열 발생 개소를 실험에서 예측할 수 없는 경우에는 예를 들어, 3차원 CAD를 이용한 FEM 응력 해석에 의해, 하중이 용접 구조 부재에 부하되었을 때의 응력 분포로부터 응력 집중부를 구함으로써 균열 발생 개소를 파악할 수 있다. 또한, 실제의 용접 구조 부재를 사용하여 응력 부하 시험을 행하고, 그 때 변형 게이지 등을 사용하여 변형의 분포를 조사함으로써도 얻을 수 있다.

(프레스 비드의 길이)

프레스 비드가 상면에서 볼 때 선 형상이 되도록 성형해도 되고, 혹은 프레스 비드가 상면에서 볼 때 복수의 선 형상 부분으로 구성되게 성형해도 되지만, 프레스 비드의 길이(La)는 하기의 (A)의 조건을 만족시키도록 하는 것이 바람직하다.

(A) 프레스 비드의 길이(La)≥필릿 비드의 폭(W)×2

또한, 도 5의 (f)의 프레스 비드(3A)의 참조 부호 3A1 및 3A2(혹은 참조 부호 3A3 및 3A4)에 나타나는 바와 같이 1개의 프레스 비드가 복수의 선 형상의 팽출 부분으로 구성되는 경우, 선 형상의 팽출 부분은 각각 상기 (A)의 조건을 만족시키는 길이를 갖는 것이 바람직하다.

프레스 비드의 길이가 짧은 경우에는 충분히 강 부재의 강성을 높일 수 없고, 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 없다. 필릿 비드로부터 돌출되는 프레스 비드의 길이가 필릿 비드의 폭 이상이면, 용접 구조 부재에 부가되는 하중의 정도에 따라서는 피로 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있지만, 더욱 강성을 높이기 위해서는, 프레스 비드의 길이(La)를 필릿 비드의 폭(W)의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 프레스 비드 길이의 상한은, 용접으로 제조하는 강제품의 형상·구조에 따라 제약을 받는다. 예를 들어, 필릿 비드의 길이를 L이라 하면, 프레스 비드의 길이(La)를 0.5×L 미만으로 할 수 있다.

(프레스 비드의 높이)

상술한 바와 같이 프레스 비드의 형성 방향과 평행한 단면 형상은 특별히 한정되지 않으므로, 1개의 프레스 비드에 있어서, 높이가 일정하지 않아도 된다. 단, 프레스 비드의 강 부재의 표면으로부터의 높이(Ha)는 프레스 비드를 형성하는 강 부재의 두께[t(㎜)]에 대하여 하기의 (B)의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.

(B) 프레스 비드의 높이(Ha)≥강 부재의 두께(t)

프레스 비드의 높이가, 프레스 비드가 형성되는 강 부재의 두께에 미치지 못하면, 프레스 비드는 그 기능을 충분히 발휘하지 않는다.

용접부의 강성 향상 효과를 얻기 위해서는 보강 비드의 높이는 높을수록 바람직하다. 그러나, 용접 비드에서 비드 높이를 높이려고 하면 입열 과다가 되어, 용접부에 용락 결함이 발생해 버린다. 용락 결함을 방지하기 위해 용접 전압을 조금 낮게 설정하면 용접 지단부의 형상이 급준해져 피로 균열의 발생 원인이 되어 버린다.

한편, 용접 지단부의 응력 집중을 저감하기 위해서는, 지단부의 프랭크각을 넓히는 것, 즉, 지단각 θ를 작게 할 필요가 있다. 그로 인해, 용접부의 강성 향상 효과를 얻기 위해서는, 보강 비드를 높게 함과 함께, 지단각 θ를 작게 할 필요가 있다.

그래서, 판 두께 2.6㎜의 강판의 표면에 50㎜ 길이 용접 비드를 형성하고, 용접 비드 높이와 용접 지단부의 형상 사이의 관계를 조사하였다. 용접 조건은 박판 용접으로 일반적인 펄스 마그 용접(용접 전류=115A, 용접 전압=22V) 및 쇼트 아크 용접(용접 전류=115A, 용접 전압=18V)으로 하고, 용접 속도를 30 내지 100㎝/min으로 변화시켜서 용접 비드 높이를 변화시켰다. 또한, 종래의 특허문헌에서는 지단부 형상으로서 프랭크각을 지표로 사용하고 있지만, 본 발명자들의 지견에서는 프랭크각 혹은 지단각 θ보다도 지단부 반경 쪽이 응력 집중 계수를 나타내는 지표로서 적합하다고 생각되기 때문에, 지단부 반경을 지단부 형상의 지표로 하였다. 여기서, 용접 비드의 지단부 반경이란, 도 12의 (a)에 도시되는 바와 같이, 용접 지단부(4)에 있어서의 필릿 비드(3)의 곡률 반경 Rb이다. 이 결과를 도 13의 그래프에 나타낸다.

펄스 마그 용접, 쇼트 아크 용접 모두에, 용접 속도를 늦추고 비드 높이(Hb)를 높이면 지단부 반경(Rb)이 작아지는 경향을 나타냈다. 또한, 펄스 마그 용접, 쇼트 아크 용접 모두에, 용접 속도를 늦추고 비드 높이(Hb)를 높이면, 강판 이면이 용융되어 버려 용접 비드의 용락이 우려되었다. 이상에 도시하는 바와 같이, 용접 비드에서 지단부 반경의 확대와 용접 비드 높이의 증가를 양립하는 것은 곤란한 것을 알 수 있다. 특히 펄스 마그 용접의 경우, 지단부 반경을 안정되게 1.0㎜ 초과로 하는 것은 곤란하다.

괄호 내의 수치는, 용접 비드 높이(Hb)/판 두께(t)와, 지단부 반경(Rb)/판 두께(t)의 값을 나타내지만, 용접 비드 높이의 최댓값은, 펄스 마그 용접으로 판 두께 정도, 쇼트 아크 용접으로 판 두께의 1.3배 정도였다. 또한, 지단부 반경의 최댓값은 각각의 용접법으로 판 두께의 0.92배, 0.54배 정도였다.

프레스 성형에 의해 제작되는 비드는, 용접에 수반하는 비드 형상의 제약을 받지 않는 점에서, 용접 비드에 대하여 상이하다. 그로 인해, 프레스 비드는, 지단부 반경의 확대와 비드 높이의 증가를 양립할 수 있고, 게다가 폭 치수의 변경이 용이하므로, 용접 보강 비드를 상회하는 피로 강도 향상 효과를 기대할 수 있다. 여기서, 프레스 비드의 지단부 반경이란, 도 12의 (b)에 도시되는 바와 같이, 프레스 비드의 근원 부분의 곡률 반경 Ra이다.

그래서, 보강 비드로서 용접 비드가 형성된 중첩 필릿 용접 조인트와, 보강 비드로서 프레스 비드가 형성된 중첩 필릿 용접 조인트를 사용하여, 피로 강도 시험을 행하고, 각각의 피로 강도 향상 효과를 비교하였다.

상기 시험에 사용된 중첩 필릿 용접 조인트를 도 15에 도시한다. 상기 중첩 필릿 용접 조인트는, 판 두께 2.6㎜의 780㎫급 강판 위에 판 두께 3.2㎜의 780㎫급 강판을 겹쳐서 필릿 용접된 것으로서, 필릿 용접 비드의 중앙에 용접선과 수직 방향의 보강 비드가 배치되어 있는 구조를 갖는다.

피로 시험은, 범용의 축력 피로 시험기를 사용하여, 도 15의 상판(1)과 하판(2)을 서로 반대 방향으로(도 15의 화살표 방향으로), 최소 하중 0.9kN, 최대 하중 9.9kN이 인가되도록 반복 하중을 작용시켰다. 이 피로 강도 시험의 결과를 도 14에 도시한다. 시험편 조건으로서, 도 14에 기재한 Ha' 및 ρ'는, 각각, 보강 비드 높이, 보강 비드의 지단부 반경을 판 두께(t)로 제산한 값이다.

보강 비드가 없는 경우, 파단 수명은 23만회이고, 용접 시종단으로부터 균열이 발생하였다. 보강 비드로서 용접 보강 비드가 형성된 경우, 보강 비드 높이의 증가에 따라, 파단 수명은 1.6배, 2.4배로 증가했지만, 피로 균열은 용접 시종단뿐만 아니라 보강 비드단으로부터도 발생하게 되었다. 한편, 보강 비드가 프레스 비드인 경우, 보강 비드 높이의 증가에 따라서 피로 수명이 대폭으로 증가하였다. 프레스 비드의 지단부 반경을 판 두께와 동등(ρ'=1)하게 크게 했기 때문에, 프레스 비드 단부로부터의 균열이 없어지고, 비드 높이의 증가에 따른 피로 수명 향상 효과가 얻어졌다고 생각된다.

이상의 검토 결과에 의하면, 프레스 비드에 의해 용접 비드를 상회하는 피로 수명 연장 효과를 얻기 위해서는, Ha'≥1, ρ'≥1로 하는 것이 바람직하다.

(프레스 비드의 폭)

또한, 프레스 비드의 폭(Wa)은 하기의 (C)의 조건을 만족시키도록 하는 것이 바람직하다.

(C) 프레스 비드의 폭(Wa)≥필릿 비드의 폭(W)

상술한 바와 같이, 프레스 비드의 형성 방향에 대하여 수직인 단면 형상은 특별히 한정되지 않지만, 프레스 비드의 폭이 필릿 비드의 폭에 미치지 않으면, 프레스 비드로서의 기능을 충분히 발휘하지 않는다. 프레스 비드의 폭의 상한은, 용접 구조 부재에 요구되는 피로 강도를 확보할 수 있고, 제품의 기능이 손상되지 않는 한, 특별히 정하지 않지만, 프레스 비드에 의한 국부적인 강성의 향상을 도모하기 위해서는 용접 비드 폭의 3배 이하로 하는 것이 바람직하다.

(프레스 비드의 형성 방향의 각도)

프레스 비드의 형성 방향의 각도(γ)는 하기 (D)의 조건을 만족시키도록 하는 것이 바람직하다.

(D) 45°≤프레스 비드의 각도(γ)≤135°

프레스 비드가 강판의 강성을 높이고, 구부러짐을 억제하는 기능을 발휘하기 위해서는, 균열 발생 개소에 있어서의 최대 주응력의 방향으로 프레스 비드를 배치하는 것이 바람직하다. 그 최대 주응력의 방향은, 용접 지단선과 수직 방향이 되는 경우가 많기 때문에, 필릿 용접 비드의 지단선 방향과 프레스 비드의 교차 각도 γ는 45 내지 135°인 것이 바람직하다. 각도 γ가 45° 미만 또는 135° 초과이면, 프레스 비드에 의한 강성 향상 기능이 저하된다. 또한, 설계상 최대 응력 방향이 기지인 경우에는, 그 방향으로 프레스 비드의 길이 방향이 일치하도록 형성하면 된다.

상기 프레스 비드의 상기 교차 각도 γ의 더욱 바람직한 각도는, 60° 이상 120° 이하이고, 특히 바람직하게는, 80° 이상 100° 이하이다.

(기타의 요건)

프레스 비드의 시공 조건이나 필릿 비드 시공 시의 아크 용접 조건 및 용접와이어의 조성은, 통상법에 따르면 되고, 특정한 것에 한정되지 않는다.

또한, 용접 조인트에서는, 필릿 비드에 겹치도록 프레스 비드를 형성하기 때문에, 용접 조인트의 주변에 프레스 비드를, 필요한 각도 및 필요한 길이, 높이, 폭으로 형성할 수 있는 영역이 있을 것이 필요하다.

이상과 같이 본 발명에서는, 용접 구조 부재가 반복해서 응력에 노출되는 경우에도, 프레스 비드를 부여한다는 간단한 수단에 의해, 피로 파괴의 발생을 현저하게 억제할 수 있다.

또한, 본 발명자들은, 강 부재 이외의 금속 부재여도, 본 발명의 수법을 적용할 수 있음을 확인하였다. 예를 들어, 강 부재 대신에 알루미늄 부재 또는 스테인리스 부재에 본 발명의 수법을 적용할 수 있다. 또한, 본 발명자들은, 이종의 금속 부재에 대해서도 본 발명의 수법을 적용할 수 있음을 확인하였다.

이하에, 프레스 비드를 필릿 용접 조인트에 적용하는 경우의 구체적인 실시 형태를, 도 8 내지 10에 도시하는 용접 구조 부재를 사용하여 설명한다. 또한, 이들 예에서는, 각 도면에 나타내는 백색 바탕의 화살표 방향으로 반복해서 하중이 부가되는 것으로 한다.

(제1 실시 형태)

도 8은 용접 구조 부재의 제1 실시 형태를 도시하는 사시도이다.

도 8에 나타내는 용접 구조 부재(10)는 1개의 채널재(홈형 강)(12)의 상면(12A)에, 다른 채널재(11)의 일단부를 맞닿게 하고, 맞닿은 부분 중, 채널재(11)의 판면의 외측에 있는 부분만을 필릿 용접함으로써 형성된다.

필릿 비드(13)는 그 도중에 2개의 코너부(16A, 16B)가 존재한다. 여기에서는, 용접 구조 부재(10)에 부가된다고 상정되는 반복 하중을, 용접 구조 부재(10)에 부가하면, 채널재(11)의 코너부(16A, 16B)와 필릿 비드의 종시단부(16C)에 있어서 주응력이 크고, 16C에 있어서의 주응력이 최대 주응력이 되는 것으로 한다.

이 경우, 먼저, 최대 주응력의 위치인 종시단부(16C)에 프레스 비드를 형성하면, 피로 강도가 향상된다. 시종단부(16C)에 프레스 비드를 형성함으로써, 반복 하중이 부여되었을 때 최초로 파괴되는 위치는 코너부(16A, 16B)로 이동한다. 그래서, 코너부(16A, 16B)에 프레스 비드를 형성하면, 더욱 피로 강도가 올라간다. 도 8에서는, 시종단부(16C)의 위치에 채널재(11)에 미리 절결부(14)를 형성해 두고, 프레스 비드(15C)가 감입되도록 하고 있으므로, 더욱 피로 강도가 향상된다. 도시하고 있지 않으나, 코너부(16A, 16B)의 위치에 있어서도, 채널재(11)에 미리 절결부를 형성해 두고, 프레스 비드(15A, 15B)가 채널재(11)를 교차하도록 하면 피로 강도가 더욱 향상된다. 상기 필릿 비드(13)측에 볼록해지도록, 상기 상면(12A)에 프레스 비드(15A, 15B, 15C)를 형성한다. 프레스 비드는 1개소에 1개씩 형성하면 충분하다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 필릿 비드(13)를 형성할 때에는, 당해 필릿 비드(13)의 방향에 대하여 교차하는 방향으로, 당해 필릿 비드(13)와 겹치는 개소가 포함되도록, 상기 상면 부분(12A)을 미리 프레스하여 프레스 비드(15A, 15B 및 15C)를 형성한다. 상기 프레스 비드(15A, 15B 및 15C)는, 상기 채널재(11)의 상기 일단부와 상기 상면(12A) 사이의 접촉성을 충분히 확보하고, 불필요한 클리어런스를 형성하지 않도록 형성할 필요가 있다.

(제2 실시 형태)

도 9는 용접 구조 부재의 제2 실시 형태를 도시하는 사시도이다.

도 9는 한쪽의 금속 부재와 다른 쪽의 금속 부재의 판면 부분끼리 서로 접합된 중첩 필릿 아크 용접 조인트의 예를 나타내는 것이다.

도 9에 나타내는 용접 구조 부재(20)는 채널재(21) 양측의 플랜지부의 이면을 채널재(22)의 서로 대향하는 측면에 설치하고, 플랜지부의 선단부를 중첩 필릿 용접함으로써 형성된다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 필릿 비드(23)가 형성되는 부분이 포함되도록, 채널재(22)의 측면(22A)에는, 채널재(21)의 플랜지부의 선단부와 채널재(22)의 기단부 사이의 경계[단부(26A, 26B)] 근방에 대응하는 개소에 있어서, 상기 필릿 비드(23)측에 볼록 형상의 프레스 비드(25A, 25B)를 미리 형성한다.

또한, 상기 필릿 비드(23)의 접합 강도를 향상시키기 위해서, 도 9에 도시하는 바와 같이, 채널재(21)의 플랜지부의 측면(21A) 측에, 필릿 비드(23)가 형성되는 부분이 포함되도록, 상기 필릿 비드(23)의 방향에 대하여 교차하는 방향으로, 상기 필릿 비드(23)측에 볼록 형상의 프레스 비드(25C)를 형성하고 있어도 된다. 상기 프레스 비드(25C)는, 상기 플랜지부의 선단의 중앙에 형성되는 것이 바람직하지만, 복수개 형성해도 된다.

(제3 실시 형태)

도 10은, 용접 구조 부재의 제3 실시 형태를 도시하는 사시도이다.

도 10에 도시하는 용접 구조 부재(30)는 각형 금속관을 사용한 박스재(32)와, 각형 금속관 선단부의 서로 대응하는 2세트의 면 중 1세트의 면이 박스재(32)의 형상에 맞추어 절취된 박스재(31)를 사용하여 구성된다.

박스재(31) 선단부의 절취되어 있지 않은 부분의 이면이 박스재(32)의 표면(32A2)과 접촉함과 함께, 박스재(31)의 선단부가 절취된 부분의 판 두께 부분이 박스재(32)의 표면에 접촉하도록, 박스재(32)와 박스재(31)가 조합되고, 맞닿음부를 필릿 용접함으로써 용접 구조 부재(30)가 형성된다.

용접 구조 부재(30)에 형성되는 필릿 비드(33)는 그 도중에 적어도 코너부(36A 내지 36E)의 코너부를 갖는다. 용접 구조 부재(30)에 부가된다고 상정되는 반복 하중을, 프레스 비드를 형성하고 있지 않은 용접 구조 부재(30)에 부가했을 때, 피로 균열이 최초에 발생하는 개소는, 박스재(31)의 선단부가 절취된 부분의 판 두께 부분과 박스재(32)의 표면이 맞닿고 있는 코너부인 것으로 한다.

그러나, 각형 금속관(31)에 가해지는 하중의 방향을 고려하면, 코너부(36A, 36B, 36E)는 박스재(32)의 측면(32A1)과 참조 부호 32C, 참조 부호 32A1과 32B, 참조 부호 32B와 32A2의 경계 부분이기 때문에, 당해 부분에 프레스 비드를 형성함으로써 상기 필릿 비드(33)의 접합 강도를 향상시키는 효과는 낮다. 그래서, 여기서는, 코너부(36A 내지 36E) 등 대신에, 박스재(32)의 측면(32A1 및 32A2)의 적어도 어느 하나에 있어서, 필릿 비드(33)가 형성되는 부분이 포함되도록, 적어도 하나의 프레스 비드를 형성한다.

또한, 도 10에 있어서, 박스재(32)의 측면(32A1)에만 1개의 프레스 비드(35A)가, 그 볼록형 부분의 단부와 필릿 비드(33)가 중복되도록 형성되어 있지만, 상기 프레스 비드의 수는 동일한 측면에 복수 형성되어 있어도 된다.

또한, 이상 설명한 본 발명의 실시 형태는, 모두 본 발명을 실시하는 데 있어서 구체화의 예를 나타낸 것에 지나지 않고, 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어서는 안되는 것이다. 즉, 본 발명은 그 기술적 사상, 또는 그 주요한 특징으로부터 일탈하는 일 없이, 다양한 형태로 실시할 수 있다.

(제4 실시 형태)

도 11은, 용접 구조 부재의 제4 실시 형태를 도시하는 사시도이다.

도 11에 도시하는 바와 같이, 하측 강판(2)의 상면에, 채널재(11)의 일단부를 맞닿게 하고, 맞닿은 부분 중, 채널재(11)의 판면의 외측에 있는 부분만을 필릿 용접함으로써 형성된다. 제4 실시 형태는, 채널재(11)의 코너부(16A, 16B)와 필릿 비드의 종시단부(16C)에 있어서, 필릿 비드(43)를 따라 형성된 프레스 비드(45A, 45B 및 45C)를 갖는 것을 특징으로 한다. 이들 프레스 비드는, 당해 필릿 비드(43)와 겹치는 개소가 포함되도록, 채널재(11)의 코너부(16A, 16B)와 필릿 비드의 종시단부(16C)에 대응하는 개소를 미리 프레스함으로써 형성된다.

[실시예]

이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 하나의 조건 예이며, 본 발명은 이 하나의 조건 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

도 8 내지 10에 나타내는 형상의 용접 구조 부재(10, 20, 30)의 비교예 및 발명예를, 표 2 내지 4에 나타내는 프레스 비드의 형성 조건에서 제작하고, 이들의 용접 구조 부재를 피로 시험에 제공하였다. 또한, 도 14의 피로 강도 시험의 결과에 기초하는 지견을 기초로, 프레스 비드의 지단부 반경은, 판 두께와 동등(ρ'=1)하게 하였다.

용접 구조 부재에 사용한 강 부재와 용접 재료를, 표 1에 나타낸다. 표 1에 있어서, 강재 A 및 강재 B의 2종류의 강 부재를 사용하였다. 또한, 강판 A 및 강판 B로서, 각각 2종류의 강 부재를 사용하였다. 또한, 강판 A 및 강판 B로서, 각각 2개의 판 두께(2.3㎜, 2.6㎜)의 것을 준비하였다. 또한, 와이어 A 및 와이어 B의 2종류의 용접 재료를 사용하였다. 와이어 A 및 B의 직경은 1.2㎜이다.

본 실시예에 있어서, 도 8에 나타내는 해트재(12)의 사이즈는, X 방향(길이) 300㎜×Y 방향(폭) 150㎜×Z 방향(높이) 80㎜이다. 브래킷재(11)의 사이즈는, X 방향(폭) 80㎜×Y 방향(폭) 75㎜×Z 방향(높이) 80㎜이다.

본 실시예에 있어서, 도 9에 도시하는 해트재(22)의 사이즈는, X 방향(길이) 300㎜×Y 방향(폭) 100㎜×Z 방향(높이) 50㎜이다. 브래킷재(21)의 사이즈는, X 방향(폭) 75㎜×Y 방향(폭) 105㎜×Z 방향(높이) 80㎜이다.

본 실시예에 있어서, 도 10에 도시하는 박스재(32)의 사이즈는, X 방향(길이) 300㎜, Y 방향(폭) 100㎜, Z 방향(높이) 50㎜이다. 다른 한쪽의 브래킷재(31)는 X 방향(폭) 76㎜, Y 방향(길이) 180㎜, Z 방향(높이) 56㎜의 각형 강관의 180㎜ 길이의 부분을 선단으로부터 25㎜ 절결한 것이다.

또한, 공통되는 용접 조건으로서, 이하의 형성 조건에서 필릿 비드를 형성하였다.

용접 방법 펄스 마그 용접

용접 전류 150 내지 200A

용접 전압 20 내지 25V

목적 위치 중첩부의 구석

용접 속도 60 내지 80㎝/min

제작한 용접 구조 부재를, 하중의 방향이 도 8 내지 도 10의 백색 바탕의 화살표로 표시된 방향이 되도록 전기 유압식 피로 시험 장치로 파지하고, 하중 범위를 일정(응력 범위 일정), 하중비를 0.1, 반복 주파수를 5Hz로, 피로 시험에 제공하였다.

본 실시예에서는, 프레스 비드를 배치하지 않는 용접 구조 부재의 피로 수명에 대하여, 프레스 비드를 배치한 용접 구조 부재를 동일한 가중 범위에서 시험했을 경우의 「피로 수명 향상률」이 120％를 초과하는 경우에, 프레스 비드에 의한 효과가 있는 것이라고 판정하였다.

(실시 형태 1에 기초하는 실시예에 대해서)

도 8 및 표 2에 기초하여, 실시 형태 1에 있어서의 실시예의 결과를 설명한다.

도 8에 도시하는 용접 구조 부재(10)는 해트 부재(12)의 상면(12A)에 コ자 형상의 브래킷재(11)를 배치하고, 브래킷재의 외주부를 필릿 용접함으로써 형성된다.

또한, 시험편 C-1은 프레스 비드를 배치하지 않은 비교예이며, 시험편 C-2 내지 5는 프레스 비드를 배치한 발명예이다.

프레스 비드를 배치하지 않은 비교예 C-1에서는, 필릿 비드 개시단부 혹은 종단부의 해트재측의 용접 지단부(16C)에 균열이 발생하였다. 그래서, 발명예 C-2에서는 해트재 상면의 필릿 비드 시종단부에 상당하는 위치에 프레스 비드(15C)를 배치하였다. 또한, 프레스 비드의 배치 위치가 필릿 비드의 시종단의 선단부이기 때문에, 프레스 비드의 방향은, 용접 지단부(16C)의 용접 지단선에 대하여 90°, 즉 용접선과 평행해지는 방향으로 하였다. 또한, 발명예 C-2에서는, 해트재에 절결을 형성하지 않고, 필릿 비드와 프레스 비드가 접하는 상태로 하였다. 피로 시험의 결과, 수명 향상률은 180％ 초과의 증가를 보이고, 균열 발생 위치가 필릿 비드 시종단부로부터 필릿 비드 코너부로 변화하였다.

그래서, 발명예 C-3에서는 프레스 비드를 필릿 비드 시종단부에 첨가하고, 필릿 비드 코너부(15A, 15B)에도 배치하였다. 본 발명예에서는, 프레스 비드의 배치 위치를 늘린 것, 프레스 비드의 길이(La/W)를 증가시킨 효과로 피로 수명 향상률이 270％가 되었다. 한편, 균열 발생 위치는 필릿 비드 코너부로부터, 필릿 비드의 시종단부와 프레스 비드의 경계부가 되었다.

필릿 비드 시종단부의 피로 수명을 더욱 증가시키기 위해, 발명예 C-4에서는 브래킷재(11)의 단부에 절결(14)을 형성하고, 프레스 비드의 볼록부가 브래킷의 절결에 들어맞게 배치하여, 필릿 비드가 프레스 비드에 실려 올라가도록 용접 시공을 행한 예이다. 프레스 비드와 필릿 비드의 중첩 범위를 늘림으로써, 필릿 비드 시종단부의 강성이 더욱 높아져, 피로 수명 향상률은 365％가 되었다.

발명예 C-5는 브래킷재의 코너부에도 절결을 형성하여, 필릿 비드와 프레스 비드가 교차하도록 프레스 비드를 배치한 예이지만, 피로 수명 향상률은 548％로 대폭으로 증가하였다.

(실시 형태 2에 기초하는 실시예에 대해서)

도 9 및 표 3에 기초하여, 실시 형태 2에 있어서의 실시예를 설명한다.

도 9에 도시하는 용접 구조 부재(20)는 해트 부재(22)에 コ자 형상의 브래킷(21)을 씌우듯이 배치하여, 중첩 필릿 용접으로 접합함으로써 제작된다.

프레스 비드를 배치하지 않는 비교예 D-1에서는, 필릿 비드 중앙의 루트부(도 1a의 부호 5에 상당하는 개소)로부터 균열이 발생하였다. 그래서, 발명예 D-2에서는 필릿 비드의 시종단부에 접하도록 프레스 비드(25A, 25B)를 배치하였다. 또한, 프레스 비드의 각도는 거기에서의 지단선에 대하여 90°, 즉 필릿 비드의 용접선에 대하여 45°로 하였다. 피로 시험의 결과, 수명 향상률은 132％의 증가를 보였다.

발명예 D-3은, D-2와 동일한 프레스 비드의 배치로 했지만 프레스 비드의 길이 및 높이를 D-2보다도 크게 하였다. 그 결과, 피로 수명 향상률은 212％로 더욱 증가를 보였다.

발명예 D-4는 필릿 비드 시종단부에 첨가하고, 필릿 비드 중앙부의 브래킷(21)측에 프레스 비드(25C)를 배치한 것인데, 프레스 비드의 증가에 의한 용접 조인트의 강성 향상 효과에 따라 피로 수명 향상률은 347％로 대폭으로 증가하였다.

(실시 형태 3에 기초하는 실시예에 대해서)

도 10 및 표 4에 기초하여, 실시 형태 3에 있어서의 실시예를 설명한다.

도 10에 도시하는 용접 구조 부재(30)는 박스재(31)와 박스재(32)를 T자 형상으로 배치한 용접 조인트이다. 박스재의 측면은 맞댐 필릿 용접, 박스재의 상하면은 중첩 필릿 용접으로 접합되어 있다. 박스재(31)에 수평 방향의 하중이 작용하면, 박스재(32)의 맞댐 필릿 용접 측면에 피로 균열이 발생하기 쉽기 때문에, 이 개소에 프레스 비드를 배치하면 된다.

프레스 비드를 배치하지 않는 비교예 E-1에서는, 필릿 비드 중앙부의 박스재(32)측의 용접 지단부로부터 균열이 발생하였다. 그래서, 그 개소의 필릿 비드에 접하도록 프레스 비드를 배치하였다.

발명예 E-2는 프레스 비드의 설치 각도를 용접 지단선에 대하여 30°로 했기 때문에, 강성 향상 효과가 불충분하여, 피로 수명 향상률은 129％에 머물렀다.

발명예 E-3은 프레스 비드의 사이즈를 크게 하고, 프레스 비드의 설치 각도를 용접 지단선에 대하여 45°로 함으로써, 피로 수명 향상률은 239％로 증가하였다.

발명예 E-4는 프레스 비드의 폭, 높이를 크게 하고, 프레스 비드의 설치 각도를 용접 지단선에 대하여 90°(35A)로 함으로써, 피로 수명 향상률은 417％로 대폭으로 증가하였다.

이상, 주로 필릿 용접 조인트를 사용하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 기계 공업을 비롯해, 강판 등의 금속 부재의 용접 산업에 있어서 이용 가능성이 높은 것이다. 즉, 본 발명은 자동차용 용접 구조 부재에 한하지 않고, 철도 차량이나 항공기 등의 수송용 기기, 기계 구조물, 가전 등, 복수의 재료나 부재 등으로 구성되는 구조물에 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은 강판에 한하지 않고, 철판, 알루미늄판, 티타늄 합금판, 금속 및 수지를 포함하는 판재에 적용할 수 있다.

1: 상측 강재
1A: 절결
2: 하측 강재
3: 필릿 용접 비드
3A: 프레스 비드
4: 지단부
5: 루트부
10: 용접 구조 부재
11: 채널재
12: 해트재
13: 필릿 비드
14: 절결부
15A 내지 15C: 프레스 비드
16A, 16B: 채널재의 코너부
16C: 필릿 비드의 종시단부
20: 용접 구조 부재
21: 채널재
22: 채널재
23: 필릿 비드
24: 필릿 비드
25A 내지 25C: 프레스 비드
30: 용접 구조 부재
31: 박스재
32: 박스재
33: 필릿 비드
35A: 프레스 비드
36A 내지 36E: 필릿 비드의 코너부
40: 용접 구조 부재
43: 필릿 비드
45A 내지 45C: 프레스 비드
θ: 지단각

Claims (18)

1. 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 용접함으로써 형성된 필릿 용접 조인트이며,
   적어도 한쪽의 상기 금속 부재의 표면에, 상기 필릿 용접에 의해 형성된 용접 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 프레스 성형에 의해 형성한 리브 형상 돌기인 프레스 비드를 갖고,
   당해 프레스 비드의 일부가 상기 용접 비드와 접하거나 겹치는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
2. 제1항에 있어서,
   상기 프레스 비드의 길이 방향이, 상기 용접 비드의 용접 지단선의 방향에 대하여 45° 이상 135° 이하인 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 프레스 비드는, 상기 용접 비드의 시단부, 종단부, 굴곡부 및 당해 용접 비드 도중의 당해 시종단부보다도 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 1개에 있어서, 상기 용접 비드를 따라 위치하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 프레스 비드의 지단부 반경 Ra(㎜)가, 당해 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께 t(㎜) 이상인 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 프레스 비드의 길이 방향의 길이를 La, 높이를 Ha, 폭을 Wa, 상기 용접 비드의 폭을 W, 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께를 t라 했을 때,
   La≥2W,
   Ha≥t,
   Wa≥W,
   를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 프레스 비드가, 상기 용접 비드와 교차하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 프레스 비드가, 상기 용접 비드에 있어서 미리 구한 최대 주응력이 발생하는 부분에서 겹치는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 프레스 비드가 형성된 금속 부재와 용접되는 금속 부재에는, 상기 프레스 비드와 용접되는 개소에 있어서, 상기 프레스 비드가 감입되는 절결부를 갖는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 금속 부재의 적어도 한쪽이 꺾여 구부러진 코너부를 갖는 단면 형상의 금속 부재이고, 그것을 다른 쪽의 금속 부재에 필릿 용접하여 형성되는 필릿 용접 조인트이며,
   생성된 용접 비드의 코너부에 있어서, 프레스 비드가 겹치는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트.
10. 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 용접함으로써 필릿 용접 조인트를 형성하는 방법이며,
    적어도 한쪽의 상기 금속 부재의 표면에, 상기 필릿 용접에 의해 형성되는 용접 비드를 갖는 측에 볼록해지도록 리브 형상 돌기인 프레스 비드를 프레스 성형하고,
    당해 프레스 비드의 일부가 상기 용접 비드와 접하거나 겹치도록, 상기 금속 부재를 필릿 용접하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 프레스 비드의 길이 방향을, 상기 용접 비드의 용접 지단선의 방향에 대하여 45° 이상 135° 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 용접 비드의 시단부, 종단부, 굴곡부 및 당해 용접 비드 도중의 당해 시종단부보다도 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 1개에 있어서, 상기 용접 비드를 따라 프레스 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 프레스 비드의 지단부 반경 Ra(㎜)를, 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께 t(㎜) 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 프레스 비드의 길이 방향의 길이를 La, 높이를 Ha, 폭을 Wa, 상기 용접 비드의 폭을 W, 프레스 비드를 갖는 금속 부재의 두께를 t라 했을 때,
    La≥2W,
    Ha≥t,
    Wa≥W,
    를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 용접 비드와 교차하는 프레스 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
16. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 용접 비드에 관하여 미리 구한 최대 주응력이 발생하는 용접 부분에 있어서, 상기 프레스 비드가 접하거나 겹치도록 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
17. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 프레스 비드가 형성된 금속 부재와 용접되는 금속 부재에는, 상기 프레스 비드와 용접되는 개소에 있어서, 상기 프레스 비드가 감입되는 절결부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.
18. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 금속 부재의 적어도 한쪽이 꺾여 구부러진 코너부를 갖는 단면 형상의 금속 부재이고, 그것을 다른 쪽의 금속 부재에 필릿 용접하여 형성되는 필릿 용접 조인트를 형성하는 방법이며, 생성된 용접 비드의 코너부에 프레스 비드가 겹치도록, 상기 다른 쪽의 금속 부재에 프레스 비드를 미리 형성하는 것을 특징으로 하는, 필릿 용접 조인트의 제조 방법.

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