KR101973308B1 - 랩 필릿 아크 용접 이음매 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 2 장의 판 (3, 9) 을 중첩시켜, 일방의 판 (상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a)) 의 단부와 타방의 판 (하측 부품 (3) 의 세로벽부 (3a)) 의 표면을 상기 일방의 판 (상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a)) 의 단부를 따라 용접한 것으로서, 세로벽부 (3a) 의 표면측으로 돌출된 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 를 형성하고, 굴곡 볼록부 (5) 의 정상부에 용접 지단부 (1a) 가 위치하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

랩 필릿 아크 용접 이음매{LAP FILLET ARC-WELDED JOINT}
본 발명은 자동차 부품 (automotive part) 등, 박판 용접 구조체 (sheet metal welded structure) 의 랩 필릿 아크 용접 (lap fillet arc welding) 이음매 (joint) 에 관한 것이다.
최근, 자동차 업계에서는, 지구 온난화 방지의 관점에서 차체 경량화 (weight reduction of automotive body) 가 요망되고 있다. 예를 들어, 섀시 프레임 부품 (chassis frame parts) 이나 서스펜션 부품 (suspension parts) 에 대하여 고장력강재 (high-strength steel sheet) 를 적용하면, 강판을 박육화 (thickness reduction) 할 수 있어, 차체 전체 (full vehicle) 의 경량화에 기여할 수 있다.
섀시 프레임 부품이나 서스펜션 부품의 대부분은 아크 용접으로 접합 (joining) 되어 있고, 2 개의 부품을 용접 (welding) 하는 경우, 2 개의 부품 중 일방의 부품의 단부 (端部) 와 타방의 부품의 표면을 상기 일방의 부품의 단부를 따라 용접하는 랩 필릿 아크 용접이 채용되고 있는 경우가 많다.
일본 공개특허공보 2014-4607호 일본 공개특허공보 2012-213803호 일본 공개특허공보 평10-193164호
2 부품을 아크 용접에 의해 필릿 용접한 경우, 용접 비드 (weld bead) 의 용접 지단부 (止端部) (weld toe) 는, 내구 시험 (durability test) 에 있어서 균열 (crack) 의 발생부가 되기 쉽다. 따라서, 종래부터 용접 지단부의 다층화 (특허문헌 1 참조), 실드 가스 성분의 검토 (특허문헌 2 참조), 용접부 주변의 잔류 응력 (residual stress) 의 제거 (특허문헌 3 참조) 등, 다양한 수법으로 용접 지단부의 피로 강도 (fatigue strength) 를 향상시키는 검토가 이루어지고 있다. 그러나, 이들 기술은 용접 공정수가 증가하거나, 특수한 가스를 필요로 하거나 하기 때문에 비용 증가가 되어, 용접 공정수를 증가시키지 않고 저비용으로 피로 강도를 향상시키는 수단이 없는 것이 현 상황이다.
본 발명은, 섀시 프레임 부품이나 서스펜션 부품 등에 있어서의 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 2 장의 판 (금속판) 을 중첩시켜 아크 용접에 의해 랩 필릿 용접하는 경우에 있어서, 비용이나 공정수를 증가시키지 않고 피로 강도가 우수한 랩 필릿 아크 용접 이음매를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매는, 2 장의 판을 중첩시켜, 일방의 판의 단부와 타방의 판의 표면을 상기 일방의 판의 단부를 따라 용접한 랩 필릿 아크 용접 이음매로서, 상기 타방의 판의 표면측으로 돌출된 비드 (bead) 상의 굴곡 볼록부 (projection) 를 형성하고, 그 굴곡 볼록부의 정상부에 용접 지단부가 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매는, 상기 발명에 있어서, 상기 정상부는 평탄한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매는, 상기 발명에 있어서, 상기 굴곡 볼록부의 용접되어 있지 않은 측에 있어서의 상기 굴곡 볼록부의 상승부의 곡률 반경은 0.8 ㎜ 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매는, 2 장의 판을 중첩시켜, 일방의 판의 단부와 타방의 판의 표면을 상기 일방의 판의 단부를 따라 용접한 것으로서, 상기 타방의 판의 표면측으로 돌출된 비드상의 굴곡 볼록부를 형성하고, 그 굴곡 볼록부의 경사면부 (inclined surface portion) 중, 상기 일방의 판의 단부와 용접되는 측의 상기 경사면부에 용접 지단부가 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매는, 2 장의 판을 중첩시켜 일방의 판의 단부와 타방의 판의 표면을 상기 일방의 판의 단부를 따라 용접한 것으로서, 상기 일방의 판의 단부에 병행하고, 상기 타방의 판의 표면측으로 돌출된 비드상의 굴곡 볼록부의 정상부 또는 용접되는 측의 경사면부에 용접 지단부가 위치하도록 하였다. 이로써, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매는, 용접 지단부에 있어서의 응력 집중 (stress concentration) 이 억제되기 때문에, 상기 용접 지단부로부터의 피로 파괴 (fatigue failure) 를 방지할 수 있고, 상기 랩 필릿 아크 용접 이음매에 의해 접합된 접합 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매의 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 랩 필릿 아크 용접 이음매와 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매를 설명하는 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매의 다른 양태의 단면도이다.
도 4 는 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매로 접합된 자동차용 서스펜션 부품의 일례의 사시도이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매를 설명하는 단면도이다.
도 7 은 실시예 1 및 실시예 2 에 있어서의 용접 방법의 설명도이다.
도 8 은 실시예 1 및 실시예 2 에 있어서의 평면 굽힘 (plane bending) 피로 시험 (fatigue test) 의 피로 시험편의 형상의 설명도이다.
도 9 는 실시예 1 및 실시예 2 에 있어서의 피로 시험 방법의 설명도이다.
도 10 은 실시예 1 에 있어서의 굴곡 볼록부의 형상의 설명도이다.
도 11 은 실시예 1 에 있어서의 피로 시험 결과의 도면이다.
도 12 는 실시예 2 에 있어서의 랩 필릿 아크 용접 이음매의 형상의 설명도이다.
[실시형태 1]
이하, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 2 장의 판을 중첩시켜, 일방의 판 (상측 부품 (9) 의 세로벽부 (side wall portion) (9a)) 의 단부와 타방의 부품 (하측 부품 (3) 의 세로벽부 (3a)) 의 표면을, 상측 부품 (9) 의 단부를 따라 접합할 때, 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 의 정상부에 용접 지단부 (1a) 가 위치하도록, 아크 용접으로 선상으로 접합한 것이다. 즉, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 에는, 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 의 단부에 병행하고, 또한 당해 단부와 용접되는 하측 부품 (3) 의 세로벽부 (3a) 의 표면측으로 돌출되도록, 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 가 형성되어 있다.
여기서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 하측 부품 (3) 에 굴곡 볼록부 (5) 를 형성하고 상측 부품 (9) 의 단부와 아크 용접함으로써 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 의 피로 강도가 향상되는 이유에 대해, 도 2 에 기초하여 설명한다.
종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 의 경우, 도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (metal sheet) 이 중첩되는 부분의 단면 형상은, 하측 부품 (13) 의 금속판의 표면과 상측 부품 (9) 의 금속판의 단부에 의해 직각 형상이 된다 (도 2(a) 중의 점선). 그리고, 하측 부품 (13) 과 상측 부품 (9) 의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 에서는, 상기 직각 형상의 직각부를 중심으로 하여, 하측 부품 (13) 의 금속판의 표면과의 교점 및 상측 부품 (9) 의 금속판의 표면과의 교점이 각각 용접 지단부 (11a) 및 용접 지단부 (11b) 가 된다.
한편, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 의 경우, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 굴곡 볼록부 (5) 가 형성된 하측 부품 (3) 측의 용접 지단부 (1a) 는, 굴곡 볼록부 (5) 의 정상부에 위치한다.
이와 같은 형상의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 및 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 에 응력이 집중되는 경우의 응력 집중 계수 (stress concentration factor) Kt 는, 하기 식 (1) 에 의해 산출된다.
Figure 112017082895554-pct00001
여기서, 식 (1) 중의 기호는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, θ 가 플랭크각 (flank angle), ρ 가 곡률 반경 (radius of curvature), T 가 중첩부 두께, t 가 하판 두께, h 가 용접 비드 높이 (용접 비드의 정상부와 용접 지단부의 판두께 방향의 차) 이다. 식 (1) 로부터, 플랭크각 (θ) 및 곡률 반경 (ρ) 이 크면, 응력 집중 계수 Kt 가 작아져, 응력 집중이 완화됨을 알 수 있다.
도 2(b) 에 나타내는 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 도 2(a) 에 나타내는 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 와 비교하면, 굴곡 볼록부 (5) 의 정상부에 용접 지단부 (1a) 가 위치하고 있다. 따라서, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 용접 비드 높이 (h) 가 작아져, 용접 지단부 (1b) 에서의 용융 금속의 융기가 작아진다. 그 결과, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 에서는, 용접 지단부 (1a) 에 있어서의 플랭크각 (θ) 이 커진다.
또한, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 에 있어서, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 의 용접 지단부 (11a) 에 상당하는 부위는 굴곡 볼록부 (5) 의 용접 지단부 (1a) 이다. 따라서, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 용접 지단부 (1a) 에 있어서의 곡률 반경 (ρ) (도 2(b) 참조) 을 크게 함으로써 용접 지단부 (1a) 에 있어서의 응력 집중을 완화시킬 수 있기 때문에, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
또, 식 (1) 로부터, 용접 비드 높이 (h) 가 작으면 응력 집중 계수 Kt 도 작아짐을 알 수 있다. 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 의 용접 비드 높이 (h) 는, 도 2(a) 에 나타내는 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 의 용접 비드 높이 (h) 와 비교하여 현저하게 작아진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 피로 강도를 충분히 향상시키는 것이 가능해진다.
이상과 같이, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 보다 응력 집중 계수 Kt 를 작게 할 수 있기 때문에, 피로 강도를 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 하측 부품 (3) 에 형성되는 굴곡 볼록부 (5) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 정상부가 평탄한 형상이어도 된다 (도 3 중의 A 참조). 이 경우, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같은 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 의 경우와 동일하게, 하측 부품 (3) 측에 위치하는 용접 지단부 (1a) 의 플랭크각 (θ) 및 곡률 반경 (ρ) 을 크게 할 수 있기 때문에, 용접 지단부 (1a) 에 있어서의 응력 집중을 완화시킬 수 있다. 또한, 도 3 에 나타내는 바와 같이 굴곡 볼록부 (5) 의 정상부를 평탄하게 함으로써, 용접 지단부 (1a) 가 당해 정상부에 위치하도록 아크 용접하는 것이 용이해진다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 는, 예를 들어, 도 4 에 나타내는 서스펜션 아암 (suspension arm) (21) 과 같은 자동차용 서스펜션 부품에 있어서, 중첩 마진을 형성하고 2 장의 판을 중첩시켜, 상측 부품 (25) 의 단부와 하측 부품 (23) 의 표면을 상측 부품 (25) 의 단부를 따라 아크 용접할 때에 적용할 수 있다.
서스펜션 아암 (21) 에서는, 예를 들어, 브레이크로 정지시킬 때에 차체 (automotive body) 의 전후 방향으로 하중 (load) 이 발생한다. 그리고, 이와 같은 하중이 반복하여 작용하기 때문에, 상측 부품 (25) 과 하측 부품 (23) 의 접합부 (27) 의 피로 강도가 문제가 되는데, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 로 2 부품을 접합함으로써, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
[실시형태 2]
이하, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매에 대해, 도 5 및 도 6 에 기초하여 구체적으로 설명한다. 또한, 도 5 및 도 6 에 있어서, 도 1 또는 도 2 와 동일하거나 또는 대응하는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 일방의 판 (상측 부품 (9)) 의 세로벽부 (9a) 의 단부와 타방의 판 (하측 부품 (3)) 의 세로벽부 (3a) 의 표면을, 상기 단부를 따라 접합할 때, 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 에 있어서 상측 부품 (9) 의 단부와 용접되는 측의 경사면부 (7) 에 용접 지단부 (31a) 가 위치하도록 아크 용접으로 선상으로 접합한 것이다. 즉, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 에는, 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 의 단부에 병행하고, 또한 당해 단부와 용접되는 하측 부품 (3) 의 세로벽부 (3a) 의 표면측으로 돌출되도록, 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 가 형성되어 있다.
여기서, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 하측 부품 (3) 에 굴곡 볼록부 (5) 를 형성하고, 상측 부품 (9) 의 단부와 하측 부품 (3) 의 굴곡 볼록부 (5) 의 경사면부 (7) 를 아크 용접함으로써, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 의 피로 강도가 향상되는 이유를 도 6 에 기초하여 설명한다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 의 경우 (도 6 참조), 굴곡 볼록부 (5) 가 형성된 하측 부품 (3) 측의 용접 지단부 (31a) 는, 굴곡 볼록부 (5) 의 용접되는 측의 경사면부 (7) 에 위치한다. 이와 같은 형상은, 판폭 방향으로 노치 (notch) 를 갖는 부재로 볼 수 있으며, 당해 노치에 응력이 집중되는 경우의 응력 집중 계수를 고려할 필요가 있다. 이 응력 집중 계수 Kt 는, 하기 식 (2) 에 의해 산출된다.
Figure 112017082895554-pct00002
여기서, 식 (2) 중의 기호는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, θ 가 플랭크각, ρ 가 곡률 반경, t1 이 하측 부품 (3) 의 판두께, t2 가 상측 부품 (9) 의 판두께, h 가 용접 비드 높이이다. 식 (2) 로부터, 용접 비드 높이 (h) 가 작으면 응력 집중 계수 Kt 가 작아져, 응력 집중이 완화됨을 알 수 있다.
용융 금속 (molten metal) 의 젖음성 (wettability) 이나 양이 동일한 경우, 용융 금속의 형상이 용융 고화 후의 형상에 영향을 준다. 그 때문에, 도 2(a) 에 나타낸 바와 같은 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 와 비교하여, 도 6 에 나타내는 바와 같은 경사면부 (7) 에 용접 지단부 (31a) 가 위치하는, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 는, 분명히 용접 비드 높이 (h) 가 작다. 따라서, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 는, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 보다 응력 집중 계수 Kt 가 작아져, 응력 집중이 완화됨으로써, 피로 강도가 향상된다.
또, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 의 경우, 아크 용접의 용접 방향으로 용접 불균일 (welding irregularities) 이 발생하기 쉽고, 용융 금속이 부족한 부분을 기점으로 피로 파괴되기 쉬워지는 것이 문제이며, 용접 방향으로 균일한 용접이 가능해지는 방법이 요망되고 있었다.
종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 에서는, 도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 용접하는 부위는, 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 의 단부와 하측 부품 (13) 의 세로벽부 (13a) 의 표면이 교차하는 직각부의 중심 (모서리부) 이다. 그 때문에, 용접 지단부 (11a) 및 용접 지단부 (11b) 는, 각각 용융 금속과 하측 부품 (13) 의 표면의 교점, 및 용융 금속과 상측 부품 (9) 의 표면의 교점이 된다. 따라서, 용융 금속은, 중력이 작용함으로써 하측 부품 (13) 의 표면에 흐르기 쉬운 상태가 되고, 용접 조건이나 금속판 표면의 상태에 근소한 편차 (variation) 가 있으면, 용융 금속의 젖음성이 변화하여, 용접 불균일이 발생하기 쉬워진다.
이에 대하여, 본 발명의 경우, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 일방의 용접 지단부 (31a) 가 하측 부품 (3) 의 경사면부 (7) 에 위치하고, 타방의 용접 지단부 (31b) 는 상측 부품 (9) 의 표면에 위치함으로써, 하측 부품 (3) 의 경사면부 (7) 와 상측 부품 (9) 의 단부에 의해 홈 형상이 형성된다. 그리고, 아크 용접은 이 홈 형상을 따라 실시되기 때문에, 용접 조건이나 금속판 표면의 상태에 다소의 편차가 있어도, 용융 금속에는 중력이 작용하여, 용융 금속 자체에 용접 불균일을 균등화하는 작용이 기능한다. 따라서, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 에서는, 용접 불균일이 잘 발생하지 않아, 안정적인 용접이 가능해지고, 그 결과, 피로 강도가 향상된다. 또한, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관련된 굴곡 볼록부 (5) 의 정상부에 용접 지단부 (1a) 가 위치하는 경우도 동일하며, 용접 불균일이 잘 발생하지 않아, 안정적인 용접이 가능하다.
또한, 랩 필릿 아크 용접 이음매가 판의 표면과 평행한 방향으로 반복하여 응력을 받는 경우, 일반적으로, 피로 파괴는 용접 지단부로부터 발생하기 쉽고, 균열은 거의 판두께 방향으로 전파된다. 여기서, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) (도 2(a) 참조) 와, 경사면부 (7) 를 형성하여 용접하는 본 발명의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) (도 5 및 도 6 참조) 에 있어서, 일방의 용접 지단부 (11b) 또는 용접 지단부 (31b) 는, 어느 쪽도 용융 금속과 상측 부품 (9) 의 금속판 표면의 교점으로서, 어느 쪽도 동일 위치가 된다.
그러나, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 의 경우, 타방의 용접 지단부 (11a) 는 하측 부품 (3) 의 표면이 된다 (도 2(a) 참조). 그 때문에, 종래의 랩 필릿 용접에서는, 균열의 전파 방향이 하측 부품 (3) 의 표면에 대하여 거의 수직이 되고, 이 균열의 전파 방향이 피로의 반복적인 응력의 방향 (하측 부품 (3) 의 표면과 평행한 방향) 과는 거의 수직의 관계가 되기 때문에, 균열의 전파 길이 (propagation length) 가 짧아진다.
이것에 비해, 본 발명의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 에서는, 하측 부품 (3) 의 표면에 경사면부 (7) 가 있어 (도 5 및 도 6 참조), 상측 부품 (9) 의 판두께 방향과 거의 평행하게 균열이 전파된다. 그 때문에, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 에서는, 경사면부 (7) 에 있어서는 판두께 방향에 대하여 비스듬하게 균열이 전파되기 때문에, 전파 길이가 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 보다 길어진다. 그 결과, 본 발명의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 는, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 보다 피로 수명이 향상된다.
또한, 실시형태 1 과 동일하게, 도 4 에 나타내는 서스펜션 아암 (21) 과 같이, 중첩 마진을 형성하여 2 부품을 끼워 맞춰 아크 용접한 접합 부품에 있어서, 상측 부품 (25) 의 세로벽부의 단부와 하측 부품 (23) 의 접합부 (27) 에 본 실시형태 2 에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 를 적용함으로써, 상기 접합 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
실시예 1
본 발명의 작용 효과에 대해 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 이하에서는 이 실험 내용에 대해 설명한다. 본 실시예 1 에서는, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) (도 2(b) 참조) 또는 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) (도 2(a) 참조) 에 의해 접합된 2 장의 강판으로 이루어지는 피로 시험편을 사용하여 기초 피로 시험을 실시하고, 각각의 피로 강도를 평가하였다.
피로 시험편은, 판두께 (t) 가 2.6 ㎜ 인 780 ㎫ 급 열연 강판을 공시재로 하여, 이하의 순서로 제조하였다. 먼저, 상기 공시재로부터 300 ㎜ × 100 ㎜ 의 치수의 강판편을 복수 잘라냈다. 그리고, 잘라낸 강판편의 장변측 (300 ㎜) 의 단부와 병행하게 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 를 형성하였다.
다음으로, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 잘라낸 강판편 (43) 과 굴곡 볼록부 (5) 를 형성한 강판편 (45) 을 중첩시켜, 강판편 (43) 의 단부를 따라 아크 용접함으로써, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) (도 2(b) 참조) 로 접합된 시험체를 제조하였다. 그리고, 제조된 시험체로부터 도 8 에 나타내는 형상의 피로 시험편 (41) 을 채취하여, 피로 시험을 실시하였다.
용접 조건은, 용접 전류를 180 A, 전압을 22.5 V, 토치 속도를 80 ㎝/min, 실드 가스를 Ar-20 ％ CO2 로 하고, 용접 와이어에는 직경 1.2 ㎜ 의 780 ㎫ 급 고장력강 (high-strength steel) 용을 사용하였다.
또한, 피로 시험은, 편진 (片振) 평면 굽힘 (pulsating plane bending) 으로 실시하고, 상기 피로 시험편 (41) 의 용접 비드가 하측을 향하도록 시험기에 설치하였다. 그 때, 상판을 시험기의 구동 아암측에, 하판을 시험기의 계측 스윙 아암측에 고정시키고, 하판의 판두께 중앙이 굽힘 중립면이 되도록 피로 시험편 (41) 을 설치하였다. 그리고, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 상기 구동 아암을 통하여 피로 시험편 (41) 에 목표 응력이 가해지도록 반복하여 하중을 부여하여, 피로 시험편 (41) 에 균열이 발생할 때까지 시험을 실시하였다. 피로 시험편 (41) 에 가해지는 응력은, 상기 계측 스윙 아암을 통하여 계측된 모멘트 (moment) 와, 피로 시험편 (41) 의 판두께 및 판폭 (상판과 하판의 평균값) 으로부터 구하였다. 또, 피로 시험 조건은, 응력비를 0 (편진), 시험 주파수를 20 ㎐ 로 하고, 피로 시험은 최장 1000 만 회에서 중지하였다.
동일하게, 비교예로서, 공시재로부터 잘라낸 2 장의 강판편을 중첩시켜, 일방의 강판편의 단부와 타방의 강판편의 표면을 아크 용접에 의해 선상으로 접합함으로써, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) (도 2(a) 참조) 로 접합된 시험체를 제조하였다. 그리고, 제조된 시험체로부터 피로 시험편을 채취하여, 피로 시험을 실시하였다. 비교예의 용접 조건 및 피로 시험 조건은, 피로 시험편 (41) 의 경우와 동일하게 하였다.
본 실시예 1 에서는, 도 10 에 나타내는 굴곡 볼록부 (5) 의 형상을 변화시켜, 랩 필릿 아크 용접 이음매 (1) 의 피로 강도를 검토하였다. 여기서, 굴곡 볼록부 (5) 의 형상은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 굴곡 볼록부 (5) 의 높이를 h1, 굴곡 볼록부 (5) 에 있어서 용접되지 않은 측의 상승부 (5a) 의 곡률 반경을 ρ1, 상승부 (5a) 의 상승 각도를 θ1, 용접되지 않은 측의 정상부의 곡률 반경을 ρ2, 정상부의 R 종료부와 상승부 (5a) 의 폭을 Wp, 굴곡 볼록부 (5) 의 폭을 Wb 로 규정하였다. 표 1 에 프레스 성형에 의해 형성한 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 의 형상을 나타낸다.
Figure 112017082895554-pct00003
또한, 표 1 에 있어서의 비교예 (No.10) 는, 도 2(a) 에 나타내는 바와 같은 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 를 갖는 피로 시험편이다.
도 11 에, 반복수 300 만 사이클에서의 피로 강도 (응력 진폭 (stress amplitude)) 의 시험 결과를 나타낸다. 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) 인 비교예 No.10 과 비교하여, 본 발명예인 No.1 ∼ No.9 는 모두 피로 강도가 향상된 결과가 되었다. 여기서, 본 발명예에 있어서, No.1, 2, 4, 5, 6 에서는 용접 지단부 (1a) 에, No.3, 7, 8, 9 에서는 굴곡 볼록부 (5) 의 상승부 (5a) 에 피로 균열 (fatigue crack) 이 발생하였다.
굴곡 볼록부 (5) 의 높이 (h1) 가 상이한 No.1 ∼ No.3 에서는, 높이 (h1) 의 증대에 수반하여 용접 지단부 (1a) 로의 응력 집중이 저감되어 피로 강도가 향상되었다. 또, 본 실시예 No.1 ∼ No.3 에 있어서 굴곡 볼록부 (5) 의 높이 (h1) 가 가장 높은 No.3 에서는, 용접 지단부 (1a) 에 피로 균열이 발생하지 않고, 굴곡 볼록부 (5) 의 상승부 (5a) 로의 응력 집중에 의해 피로 균열이 발생하였다.
굴곡 볼록부 (5) 의 상승부 (5a) 에 있어서의 곡률 반경 (ρ1) 이 상이한 No.4 ∼ No.6 에서는, 곡률 반경 (ρ1) 의 증대에 수반하여 상승부 (5a) 에 있어서의 응력 집중이 저감되고, 용접 지단부 (1a) 에 피로 균열이 발생하였다. 여기서, No.4 ∼ No.6 에 있어서의 굴곡 볼록부 (5) 의 높이 (h1) 는, 용접 지단부 (1a) 에 있어서의 응력 집중이 낮은 No.3 의 경우와 동일하다. 따라서, No.4 ∼ No.6 에서는, 용접 지단부 (1a) 에 있어서의 응력 집중이 낮기 때문에, 모두 양호한 피로 강도를 나타냈다.
또, No.4 ∼ No.6 은, 상승부 (5a) 에 있어서의 곡률 반경 (ρ1) 이 No.1 ∼ No.3 의 곡률 반경 (ρ1) ＝ 0.8 ㎜ 보다 크다. 이와 같이, 곡률 반경 (ρ1) ＝ 0.8 ㎜ 이상으로서 양호한 피로 강도가 얻어졌다. No.9 는, 높이 (h1) 가 양호한 조건이었기 때문에, 굴곡 볼록부 (5) 의 상승부 (5a) 로부터 피로 균열이 발생하였다. 따라서, No.9 는, 곡률 반경 (ρ1) 이 0.5 ㎜ 로 낮기는 하지만, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매인 비교예 (No.10) 보다 높은 피로 강도를 나타냈다.
굴곡 볼록부 (5) 에 있어서의 상승부 (5a) 의 상승 각도 (θ1) 가 상이한 No.7 과, 용접되지 않은 측의 정상부의 곡률 반경 (ρ2) 이 상이한 No.8 에서는, 피로 균열의 발생 위치가 굴곡 볼록부 (5) 의 상승부 (5a) 였기 때문에, 어느 쪽도 양호한 피로 강도를 나타냈다.
이상으로부터, 접합에 제공되는 2 장의 판 중, 일방의 판의 단부와 타방의 판의 표면을 상기 일방의 판의 단부를 따라 용접할 때, 일방의 판의 단부에 병행하고, 타방의 판의 표면측으로 돌출된 비드상의 굴곡 볼록부의 정상부에 용접 지단부가 위치하도록 함으로써, 피로 강도가 향상되는 것이 실증되었다.
실시예 2
본 실시예 2 에서는, 도 12(a) 에 나타내는 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 로 접합된 피로 시험편을 사용하여 기초 피로 시험을 실시하고, 그 피로 특성을 평가하였다.
본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매 (31) 로 접합된 피로 시험편은, 실시예 1 과 동일하게, 판두께 (t) 가 2.6 ㎜ 인 780 ㎫ 급 열연 강판을 공시재로 하여, 이하의 순서로 제조하였다. 먼저, 상기 공시재로부터 300 ㎜ × 100 ㎜ 의 치수의 강판편을 복수 잘라냈다. 그리고, 잘라낸 강판편의 장변측 (300 ㎜) 의 단부와 병행이 되도록, 벤더 (bender) 를 사용한 굽힘 성형에 의해 비드상의 굴곡 볼록부 (5) 를 형성하여, 강판편으로 하였다.
다음으로, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 잘라낸 강판편 (43) 과 굴곡 볼록부 (5) 를 형성한 강판편 (45) 을 중첩시켜, 일방의 용접 지단부 (31a) 가 굴곡 볼록부 (5) 의 용접되는 측의 경사면부 (7) 에 위치하도록 강판편 (43) 의 단부를 따라 아크 용접하여, 본 발명에 관련된 랩 필릿 아크 용접 이음매로 접합된 시험체를 제조하였다. 제조된 시험체로부터, 도 8 에 나타내는 피로 시험편 (41) 과 동일 형상의 피로 시험편을 채취하였다.
동일하게, 비교예로서, 상기 공시재로부터 잘라낸 2 장의 상기 강판편을 중첩시켜, 일방의 강판편의 단부와 타방의 강판편의 표면을 아크 용접에 의해 선상으로 접합함으로써, 종래의 랩 필릿 아크 용접 이음매 (11) (도 12(b) 참조) 로 접합된 시험체를 제조하였다. 그리고, 제조된 시험체로부터, 도 8 에 나타내는 피로 시험편 (41) 과 동일 형상의 피로 시험편을 채취하였다.
도 12 에 본 발명예의 피로 시험편 (도 12(a) 참조) 과 비교예의 피로 시험편 (도 12(b) 참조) 에 있어서의 용접 비드 부근의 단면도를 나타낸다. 도 12(a) 에 나타내는 본 발명예의 피로 시험편에 있어서, 성형한 굴곡 볼록부 (5) 에 의해 형성된 경사면부 (7) 의 높이 (깊이) (D) 는, 공시재의 판두께 (t2) 와 동등한 2.3 ㎜ 로 하고, 굴곡 볼록부 (5) 에 의해 형성되는 경사면부 (7) 의 경사 각도 (θ) 는 45°로 하고, 강판편 (43) 의 단부와 강판편 (45) 의 굴곡 볼록부 (5) 의 상승부 (5a) 의 거리 (L1) 는 2 ㎜ 로 하고, 강판편 (43) 과 강판편 (45) 의 중첩 마진 (L2) 은 5 ㎜ 로 하였다. 그리고, 도 12(b) 에 나타내는 비교예의 피로 시험편에 있어서도, 강판편 (43) 과 강판편 (45) 의 중첩 마진 (L2) 은 5 ㎜ 로 하였다. 또, 용접 비드폭 (W) 은, 본 발명예와 비교예에서 동일해지도록, 5.5 ㎜ 또는 7 ㎜ 로 하였다.
본 발명예 및 비교예에 있어서, 아크 용접 조건은 모두, 용접 전류를 185 A 또는 205 A 로 하고, 전압을 19 V 또는 23 V 로 하고, 용접 속도를 85 ㎝/min 으로 하고, 실드 가스를 Ar-20 ％ CO2 로 하고, 용접 와이어에는 직경 1.2 ㎜ 의 780 ㎫ 급 고장력강을 사용하였다. 아크 용접 조건을 표 2 에 나타낸다.
Figure 112017082895554-pct00004
피로 시험은, 실시예 1 과 동일하게, 편진 평면 굽힘으로 실시하고, 상기 피로 시험편의 용접 비드가 하측을 향하도록 상기 시험기에 설치하였다. 그 때, 상판을 시험기의 구동 아암측에, 하판을 시험기의 계측 스윙 아암측에 고정시키고, 하판의 판두께 중앙이 굽힘 중립면이 되도록 피로 시험편 (41) 을 설치하였다. 그리고, 상기 구동 아암을 통하여 피로 시험편 (41) 에 목표 응력이 가해지도록 반복하여 하중을 부여하여, 피로 시험편 (41) 에 균열이 발생할 때까지 시험을 실시하였다 (도 9 참조). 피로 시험편 (41) 에 가해지는 응력은, 상기 계측 스윙 아암을 통하여 계측된 모멘트와, 피로 시험편 (41) 의 판두께 및 판폭 (상판과 하판의 평균값) 으로부터 구하였다. 피로 시험 조건은, 응력비를 0 (편진), 시험 주파수를 20 ㎐ 로 하고, 피로 시험은 최장 1000 만 회에서 중지하였다.
피로 시험 결과를 상기한 표 2 에 나타낸다. 전술한 바와 같이, 본 발명예는, 도 12(a) 에 나타낸 경사면부에 용접 지단부가 있는 랩 필릿 아크 용접 이음매로 접합된 피로 시험편의 시험 결과이다. 한편, 비교예는 도 12(b) 에 나타낸 종래 기술의 랩 필릿 아크 용접 이음매로 접합된 피로 시험편의 시험 결과이다. 표 2 로부터, 목표 응력마다 비교한 경우, 본 발명예는, 용접 조건에 상관없이, 비교예의 피로 수명 (fatigue life) 을 크게 상회하는 결과가 되었다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 랩 필릿 아크 용접 이음매에 의해 접합된 접합 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있기 때문에, 랩 필릿 아크 용접 이음매에 적용할 수 있다.
1 : 랩 필릿 아크 용접 이음매
1a : 용접 지단부 (하측 부품측)
1b : 용접 지단부 (상측 부품측)
3 : 하측 부품
3a : 세로벽부
5 : 굴곡 볼록부
5a : 상승부
9 : 상측 부품
9a : 세로벽부
11 : 랩 필릿 아크 용접 이음매
11a : 용접 지단부 (하측 부품측)
11b : 용접 지단부 (상측 부품측)
13 : 하측 부품
13a : 세로벽부
21 : 서스펜션 아암
23 : 하측 부품
25 : 상측 부품
27 : 접합부
31 : 랩 필릿 아크 용접 이음매
31a : 용접 지단부
31b : 용접 지단부
41 : 피로 시험편
43 : 강판편
45 : 강판편

Claims (4)

  1. 2 장의 판을 중첩시켜, 일방의 판의 단부와 타방의 판의 표면을 상기 일방의 판의 단부를 따라 용접한 랩 필릿 아크 용접 이음매로서,
    상기 타방의 판의 표면측으로 돌출된 비드상의 굴곡 볼록부를 형성하고, 그 굴곡 볼록부의 경사면부 중, 상기 일방의 판의 단부와 용접되는 측의 상기 경사면부에 용접 지단부가 위치하는 것을 특징으로 하는 랩 필릿 아크 용접 이음매.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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