KR20060048967A - 박형 금속 구조체의 국부적인 강화 방법 - Google Patents

박형 금속 구조체의 국부적인 강화 방법 Download PDF

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Abstract

박형 금속 구조체의 강화되어야 할 영역에서 상기 금속 구조체의 하나 이상의 면에, 상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질보다 기계적 특성이 우수한 물질로 구성된 용접 비드 형태의 금속 빌드-업을 형성하여 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법. 철도용 차량 구조체에 적용할 수 있다.
금속, 용접, 비드, 국부, 철도, 빌드-업

Description

박형 금속 구조체의 국부적인 강화 방법{METHOD FOR LOCALLY REINFORCING A THIN METAL STRUCTURE}
도 1은 철도용 차량의 차체 구조의 측면 패널의 바깥면에 대한 투시도이다.
도 2는 철도용 차량 측면의 창문용 보이드(void)의 코너를 나타내는 부분도이다.
도 3a, 3B 및 3C는 철도용 차량 측면 패널의 창문용 보이드의 코너를 강화한 3개의 실시예를 단면으로 나타낸다.
도 4는 가해지는 힘의 분배를 고려하여, 철도용 차량 측면 패널의 창문용 보이드의 코너를 국부적으로 강화한 또 다른 실시예를 나타낸다.
본 발명은 박형 금속 구조체(thin metal structure)를 국부적(locally)으로 강화하는 방법에 관한 것이다.
철도용 차량과 같은 차량의 차체 구조는, 예를 들면 표면에 창문용 보이드(void) 또는 도어용 개구(opening)와 같은 개구를 형성하기 위하여 성형 및 절단된 금속 패널로 구성된다.
이러한 금속 패널은 불균일하게 분산된 형태의 하중(burden)을 견딜 수 있어야 한다. 가해진 힘을 적절히 분산시킬 수 있는 저항성을 보장하고, 패널의 질량을 최적화하기 위해서, 복합 패널(composite panel)이 제조되고 있다. 이러한 복합 패널은, 예를 들면 일 부분이 특정한 기계적 강도 및 특정한 두께를 가지는 물질 시트로 되어 있고, 다른 부분이 보다 강한 기계적 강도를 가지는 물질 시트, 또는 더욱 두꺼운 시트로 되어 있다. 시트 금속 스텐션(stanchion), 또는 주조되거나 심지어 단조된 부분을 포함하는 스텐션과 같은 더욱 두꺼운 금속 부재를 부가하는 방법으로 강화되기도 한다. 이러한 모든 강화 방법은 금속 패널의 제조를 복잡하게 하고, 패널의 제조 단가 및 질량을 상승시키는 문제점이 있다. 그러나, 강화되어야 하는 일부 영역은 이러한 큰 노력이 필요한 강화 수단을 요구하지 않는다. 이는 특히, 창문용 보이드의 코너의 경우에 해당되는데, 이 코너는 차량의 차체 구조 인증 시험시에는 강한 힘을 받지만, 실제 운용시에는 큰 힘을 받지 않는다. 인증 조건 아래에서 여러 형태의 하중을 견딜 수 있도록 코너를 강화하는 것은 때때로 강화 공정을 복잡하고, 비용 단가 면에서 불리하게 하며, 차량의 질량을 필요 없이 상승시킨다.
본 발명의 목적은 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 수단을 제공하여, 경제적이고, 신속하며 편리한 방법으로 상기와 같은 문제점을 해결하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위하여, 본 발명은 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법에 관한 것이며, 이에 따르면 강화되는 영역에서 상기 금속 구조체의 하나 이상의 면에, 상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질보다 기계적 특성이 우수한 물질로 구성된 용접 비드(welding bead) 형태의 금속 빌드-업(build-up)이 형성된다. 결과적으로 탄성 한계(elastic limit; Re) 및 최대 파열 강도(maximum rupture strength; Rm)와 같은 기계적 특성이 처리 이전보다 우수한 기재 및 용착 금속(deposit)을 가진 복합 구조가 된다.
이러한 빌드-업은 상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질과 동일한 금속 그룹의 물질로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질은 스테인레스 스틸(stainless steel)일 수 있으며, 상기 빌드-업 물질은 스텔라이트(stellite)일 수 있다.
상기 금속 빌드-업은 스트레스 라인(stress line)을 따라 배치되는 것이 바람직하지만, 하나 이상의 표면 상에 배치될 수도 있다.
상기 빌드-업은 서로 대향 하는 영역에서 2개의 면에 수행될 수도 있고, 에지(edge; 박형 금속 구조체의 두께 방향) 상에 수행될 수도 있다.
상기 금속 빌드-업은, 예를 들면 레이저(laser)에 의해 수행될 수도 있다.
또한, 본 발명은 이러한 금속 빌드-업에 의해서 국부적으로 강화된 박형 금속 구조체에 관한 것이다.
상기한 박형 금속 구조체는, 예를 들면 차량 특히, 철도용 차량, 도로용 차량 또는 선박의 구조 부재(structual member)를 구성한다.
특히, 상기 차량이 철도용 차량일 경우에, 상기 강화되는 영역은, 예를 들면 차체 패널의 소실점(singular point)인 창문용 보이드의 코너, 크로스-부재(cross-member) 또는 차체와 보기(bogie)가 접촉하는 영역의 베어링(bearing)과 같은 하나 이상의 영역이다.
도면을 참조로 하여 본 발명을 한정하지 않는 범위에서, 본 발명을 더욱 명확히 기재한다.
도 1의 부호 1로 나타낸 철도용 차량의 차체 측면 패널은, 특히 용접과 같은 종래의 방법으로 절단 및 조립된 하나 이상의 박형 금속 시트로 구성된 구조이며, 이러한 패널은 창문용 보이드(2), 도어용의 보다 큰 개구(3)과 같은 복수의 개구를 포함한다. 이러한 개구의 코너(4)는, 구조 패널의 기계적 강도에 영향을 미치는 스트레스가 집중되는 소실 영역(singular region)이다. 운용중에는, 이러한 영역(4)은 특별한 스트레스를 받지 않는 것이 일반적이다, 하지만 차량 인증용 테스트시에는 이러한 영역(4)이 강한 스트레스를 받으며, 이 영역(4)은 금속에 국부적인 소성(plasticisation)을 발생시키지 않고, 스트레스를 견뎌야만 한다. 이러한 영역(4)을 강화하기 위하여, 기계적 특성이 우수한 금속 물질을 사용하여 빌드-업한다.
도 2에서 더욱 확대해서 나타내었듯이, 금속 시트(5)는 창문용 보이드의 코너(4)를 형성하는 둥글게 절단된 부분을 포함한다. 금속 시트(5) 상의, 창문용 보이드의 코너의 절단된 부위 주위로, 면 구조에 일반적인 강직성을 부여하는 강화재(6)가 배치된다.
창문용 보이드의 코너(4)와 바로 인접해서 강화 빌드-업(7)이 형성되며, 이러한 빌드-업은 대체로 초승달(descent) 형태이지만, 하기와 같이 더욱 적당한 형태가 될 수도 있다. 도 3a, 3B, 3C에서 알 수 있듯이, 창문용 보이드의 코너(4)의 강화는 금속 시트(5)의 단지 하나의 면(8)에만 행해져서, 강화 빌드-업을 얻을 수 있다. 이러한 강화는 금속 시트(5)의 하나의 면(8)과, 절단된 영역인 금속 시트(5)의 에지(8')에 행해질 수도 있다. 그 결과, 강화 빌드-업(7) 및 강화 빌드-업(7)으로 연장되는 금속 시트(5)의 절단 에지 상에 위치한 강화 빌드-업(7')이 형성된다. 또한, 이러한 강화는 윗 면(8) 및 아래 면(8"), 및 절단 에지(8') 상에 형성될 수도 있다. 그 결과, 금속 시트(5)의 절다 부위를 둘러싸는 강화 빌드-업(7, 7' 및 7")이 얻어진다.
이와 같은 강화 빌드-업은 용착 금속으로 구성되는데, 용착 금속의 조성은 지지 시트를 구성하는 금속의 조성에 따라서 적당히 달라진다. 이는 다른 빌드-업에도 적용된다. 빌드-업은 하드(hard) 빌드-업 또는 기타 빌드-업에서 사용되는 용접 빌드-업 형태와 같은 종래의 빌드-업 기술을 사용하여 행해질 수 있다. 이러한 빌드-업은, 국부적으로 가열된 금속 시트의 표면 상에, 파우더형 금속 또는 와이어형 금속을 위치시켜서 가열함으로써 행해지며, 금속 시트의 표면 상에서 이 금속이 용융, 용접되어서 용접 비드 형태의 층을 형성한다.
본 발명의 범위 내에서, 빌드-업은, 특히 EP 0 74 580 또는 미국 특허 5,418,350에 기재된 레이저 동축 노즐(laser-coaxial nozzle)을 사용하는, 레이저에 위한 빌드-업 수단으로 행하는 것이 바람직하다. 이러한 노즐은 금속 시트 표 면 상의 정확한 부위에, 불활성 가스로 운반되는 파우더형 금속, 제2의 동반 가스 및 레이저 빔을 동시에 가할 수 있으며, 금속 시트를 국부적으로 가열하고 파우더형 금속을 용융시킨다. 이와 같은 방법은 기재의 표면만을 가열하지만, 용착되는 층을 기재에 성공적으로 결합시키며, 따라서 기재의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않거나 전혀 영향을 미치지 않으며, 특히 처리되는 기재를 변형시키지 않는 장점이 있다.
이와 같은 용착은 용접 비드를 형성함으로써 수행되는데, 표면을 긁어내면(sweeping) 어떠한 형태의 표면에도 적용될 수 있다. 또한, 표면은 환형일 수 있고, 나선형으로 용착될 수도 있다.
도 4에 나타낸 것과 같은 용착을 형성하는 것도 가능하며, 이는 본 발명의 바람직한 실시예이다. 이 실시예에서, 금속 시트(5)의 창문용 보이드의 코너(4)는 용착 금속(9)에 의해서 강화된다. 이러한 용착 금속은, 사용되는 창문용 보이드의 코너에 가해지는 다양한 형태의 하중에 따른 스트레스가 가해지는 영역에서의 힘의 주요 라인을 따라서 연장되어 있는 복수의 비드(10A, 10B, 10C 및 10D)로 구성된다. 이와 같은 비드는 "물고기-뼈(fish-bone)" 형태의 구조를 이룬다.
빌드-업 물질의 특성은, 이 물질이 용착되는 기재(즉, 금속 시트)의 특성에 따라서 변경되어야 한다. 빌드-업 물질은 용접 물질 중에서 선택될 수도 있고, 금속 시트를 구성하는 물질에 따라 변경되는, 당업자에게 알려진 빌드-업 물질 중에서 선택될 수도 있다. 빌드-업 물질의 조성 역시 상황에 따라서 다를 수 있다.
일반적으로, 빌드-업 물질은 용착 금속의 탄성 한계가 기재의 탄성 한계 보 다 높은 것 중에서 선택되며, 따라서 처리가 끝난 시점에서의 용착 금속의 인열 연신(elongation)이 기재의 인열 연신 이상인 것이 바람직하다. 용착 금속의 탄성 한계는, 기재의 탄성 한계에 비하여 25% 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50% 이상, 80% 이상인 것이 더더욱 바람직하다.
또한, 부식(corrosion) 문제를 회피할 수 있도록 용착되는 물질과 기재가 선정된다. 이러한 목적을 위하여, 용착되는 물질과 기재에 해당하는 금속은 특히, 전기 화학적 배터리 현상(electrochemical battery phenomena)을 야기하지 않도록 동일한 족(family)이어야만 한다.
당업자는 기재가 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 오스테나이트계(austenitic) 스테인레스 스틸, 페라이트계(ferritic) 스테인레스 스틸 또는 탄소강과 같은 금속으로 구성될 경우에 적당한 물질을 선택할 수 있을 것이다.
강화 용착 금속의 두께는 수 밀리미터 내지는 수십 밀리미터의 값을 가질 수 있으며, 0.5mm 내지 1.5mm인 것이 바람직하다.
예를 들면, EN 10.088-2 표준에 따른 1.4003 형태인 2.5mm 두께의 페라이트계 스테인레스 스틸 시트 소재의 창문용 보이드의 코너를 강화하기 위해서는, Gr25 스텔라이트 파우더(통용 명칭)로 얻어진 두께 0.98mm의 강화층을 형성한다. 스텔라이트 용착 금속의 탄성 한계는 금속 시트를 구성하는 페라이트계 스틸의 탄성 한계의 2배이다.
이와 같이 하여, 인증 테스트 시에 소성(plasticity)을 나타내지 않는 창문용 보이드의 코너를 가진 철도용 차량의 측면을 얻을 수 있다. 게다가, 이렇게 제 조된 벽체(wall)는, 중량이 거의 증가하지 않으며, 이러한 강화 조작의 수행 비용도 낮다.
이와 같은 강화 방법은 예를 들면, 용접에 의하여 절단 및 조립되는 금속 시트로 구성되는 다양한 구조체를 국부적으로 강화하는 데 사용될 수 있다.
이러한 구조체는 특히, 철도용 차량 또는 도로용 차량의 차체 패널이거나 선박용 부재이다.
강화 영역은 소실점(굴곡의 작은 반경)의 형태를 가지는 개구로 인하여 특별한 스트레스를 받는 영역일 수 있다. 또한, 강화 영역은 특별한 기능을 수행하기 위하여 반드시 강화되어야 하는 영역일 수도 있다. 이들 영역의 예를 들면, 특히 차체/보기(bogie) 연결 크로스-부재, 또는 차량의 차체 및 보기 사이를 연결하는 베어링을 형성하는 영역일 수 있다.
본 발명의 범위는 본 명세서의 기재로 인하여 한정되지 않으며, 당업자는 본 발명의 방법을 다른 형태의 구조에 적용할 수 있을 것이다.
본 발명의 방법에 의하면, 탄성 한계 및 최대 파열 강도와 같은 기계적 특성이 처리 이전보다 우수하며, 인증 테스트 시에 소성을 나타내지 않는 창문용 보이드의 코너를 가진 철도용 차량의 측면을 얻을 수 있다. 게다가, 이렇게 제조된 박형 금속 구조체는, 중량이 거의 증가하지 않으며, 강화 조작의 수행 비용도 낮다.

Claims (12)

  1. 박형 금속 구조체(5; thin metal structure)의 강화되어야 할 영역(4)에서 상기 금속 구조체의 하나 이상의 면(8, 8")에, 상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질보다 기계적 특성이 우수한 물질로 구성된 용접 비드(welding bead) 형태의 금속 빌드-업(build-up; 7, 7", 9)을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빌드-업 물질이 상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질과 동일한 금속 그룹인 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 박형 금속 구조체를 구성하는 물질은 스테인레스 스틸(stainless steel)이며, 상기 빌드-업 물질은 스텔라이트(stellite)인 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 빌드-업(9)이 강화 라인(10A, 10B, 10C, 10D)을 따라 배치되는 것 을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빌드-업(7, 7")이 상기 금속 구조체의 하나 이상의 표면(8, 8") 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 빌드-업이 상기 금속 구조체의 절단 에지(8'; cut edge) 상에 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빌드-업(7, 7")이 서로 반대되는 영역에서 2개의 면(8, 8")에 형성되는 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 표면에 배치되는 상기 빌드-업(7, 7")이 나선 용착 금속(spiral deposit)을 포함하는 것임을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 빌드-업의 형성이 레이저(laser)에 의해 수행되는 것임을 특징으로 하는 박형 금속 구조체를 국부적으로 강화하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 금속 빌드-업에 의해서 국부적으로 강화된 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    차량, 특히 철도용 차량, 도로용 차량 또는 선박의 구조 부재(structual member)를 구성하는 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 차량은 철도용 차량이며, 상기 강화되는 영역은, 차체 패널의 소실점(singular point)인 특히 창문용 보이드의 코너; 크로스-부재(cross-member); 또는 차체와 보기(bogie)가 접촉하는 영역의 베어링(bearing)과 같은 하나 이상의 영역인 것을 특징으로 하는 박형 금속 구조체.
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