KR20140093971A - 용접 방법 및 용접 이음부 - Google Patents

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치아키 시가
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오사카 유니버시티
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Abstract

본 발명은 거싯플레이트와 고장력강철의 모서리 돌림 용접부의 피로강도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 용접 방법 및 용접 이음부를 제공한다.
거싯플레이트를 고강력강철로 모서리 돌림 용접에 의하여 용접하는 용접 방법으로서, 용접 금속의 마르텐사이트 변태 개시점이 350℃ 이하인 용접재료를 이용하여, 거싯플레이트의 단부의 길이방향으로 17mm 이상 길이의 비드를 형성하는 용접 방법. 상기 용접 방법을 이용하여, 거싯플레이트가 고장력강철에 용접되어 있는 용접 이음부. 기존 강철구조물에 있어서의 거싯트와 모재로 이루어진 모서리 돌림 용접부를 용접에 의하여 보수 또는 보강하는 용접 방법으로서, 용접금속의 마르텐사이트 변태 개시점이 350℃ 이하인 용접재료를 이용해서, 모서리 돌림 용접부의 거싯플레이트의 단부의 길이방향으로, 거싯플레이트의 단부로부터의 비드부의 길이가 17mm이상이 되도록 비드를 형성하는 용접 방법.

Description

용접 방법 및 용접 이음부{WELDING METHOD AND WELD JOINT}
본 발명은, 고장력강철을 이용한 용접 구조물에 있어서 거싯플레이트(gusset plate)를 고장력강철에 모서리 돌림(box-welding) 용접할 때의 용접 방법에 관한 것이다.
선박, 해양구조물, 교량 등의 용접 구조물의 대형화와 그에 따른 경량화와 안전성을 목적으로, 최근에는 항장력이 종래의 500MPa에서 1000MPa까지 증가한 고장력강철이 사용되게 되었다.
고장력화에 비례하여 모재의 피로 수명과 피로 한도로 대표되는 피로 강도도 향상되지만, 용접부에 대해서는, 종래의 용접기술을 사용하는 한, 피로 강도는 향상되지 않는다.
용접부에는, 맞댐 용접부, 모살용접부, 모서리 돌림 용접부 등 각종 용접부가 있지만, 그 중에서도 모재의 고장력강철에 거싯플레이트를 용접할 때의 모서리 돌림 용접부는, 가장 피로강도가 낮기(모재에 비해 1/7 정도) 때문에, 용접 구조물의 설계 하중(허용 하중)은 이 모서리 돌림 용접부에 의해 결정되게 된다.
그러나, 이 거싯플레이트의 모서리 돌림 용접부에 대해서 종래의 용접 기술을 사용할 경우, 상기한 바와 같이, 용접부의 피로 강도가 향상되지 않기 때문에, 상기한 최근의 고장력화한 고장력강철을 사용함으로써 경량화와 안전성의 장점을 충분히 발휘하지 못하였다.
종래의 거싯플레이트의 모서리 돌림 용접부에 있어서 피로 강도가 저하하는 원인은, 용접 지단부에 있어서 단면 형상 변화로 인한 응력 집중도가 큰 점에 더하여, 용접열 응력에 의한 인장 잔류 응력의 생성에 의한 악영향도 겹쳐서 용접 지단부에서의 인장력이 국부적으로 매우 높아지는 것에 있다.
이 점에 대하여서는 도 11을 이용하여 설명한다. 도 11은 거싯플레이트가 부착된 상태에서 인장력을 가하였을 때 평판에 발생되는 인장력의 상태를 나타내는 사시도이다. 도 11에서, (10)은 모재인 평판, (20)은 거싯플레이트이다. 거싯플레이트(20)는 하부 측면부(21) 및 하부 지단부(22)에서 평판(10)에 용접되어, 하부 측면의 용접부(31) 및 모서리 돌림 용접부(32)를 형성하고 있다.
또한, F는 평판(10)의 길이 방향으로 작용하는 인장력이며, (90)은, 이 인장력에 의해서 평판(10)에 발생하는 모서리 돌림 용접부(32)의 용접 지단부(33)를 통하는 짧은 변 방향(폭 방향)에 따른 인장력의 분포를 나타내고, (91)은 평판(10)의 짧은 변 방향의 단면부의 응력이며, (92)는 중앙부의 응력이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 평판(10)에 발생하는 응력은, 거싯플레이트(20)의 하부 지단부(22)의 모서리 돌림 용접부(32)의 용접 지단부(33)에서 가장 커진다.
또한, 거싯플레이트(20)는, 용접 시의 가열에 의해 팽창하며, 그 후의 냉각에 의하여 수축하지만, 평판(10)의 팽창과 수축은, 거싯플레이트(20)의 팽창, 수축보다 작기 때문에, 거싯플레이트(20)의 용접부(31)(32)에 용접열 응력에 의한 인장 잔류 응력이 발생하며, 이 인장 잔류 응력도 모서리 돌림 용접부(32)의 용접 지단부(33)에서 최대가 된다.
상기 설명한 바와 같이, 거싯플레이트의 모서리 돌림 용접부에 있어서 피로 강도가 크게 저하된다.
피로 강도를 향상시키는 기술로서, 오래전부터 용접부에 해머 피닝(hammer peening) 처리나 레이저 피닝 처리를 실시하는 기술이 개발되어 있지만, 작업 부하가 크기 때문에, 현재 널리 보급되어 있지 않다.
또한, 근래의 10년, 용접 금속의 마르텐사이트 변태점을 저하시켜, 저온영역에서 마르텐사이트 변태를 일으켜서, 변태 팽창에 의해 용접부의 잔류 인장 응력을 경감시키거나, 약간의 압축 응력을 도입하는 저 변태점 용접 재료 및 이러한 용접 재료를 이용한 용접 시공법이 개발되어 있다 (특허 문헌 1 ~ 6). 그러나 이러한 기술을 이용하여도, 용접부의 피로 수명의 향상은 기껏해야 기존의 1.5 ~ 2배 정도에 머물고 있다.
특허 문헌 1 일본국 특허 공개 평11(1999년)138290호 공보 특허 문헌 2 일본국 특허 공개 2000-288728호 공보 특허 문헌 3 일본국 특허 공개 2000-17380호 공보 특허 문헌 4 일본국 특허 공개 2002-113577호 공보 특허 문헌 5 일본국 특허 공개 2003-275890호 공보 특허 문헌 6 일본국 특허 공개 2003-290972호 공보
상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 본 발명은, 거싯플레이트과 고장력강철의 모서리 돌림 용접부의 피로 강도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 용접 방법, 및 상기 용접 방법에 의해 용접된 용접 이음부를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자는 상기 과제의 해결에 대하여 집중적으로 연구하는 중에, 모서리 돌림 용접부에서의 거싯플레이트 단부로부터의 비드의 길이에 착안하여, 통상의 모서리 돌림 용접을 일반적으로 각장(leg length)이라고 칭하는 비드 길이 7mm에서 실시한 후, 이 모서리 돌림 용접부의 선단에 다양한 길이의 신장 비드를 형성하고, 신장 비드의 길이와 신장 비드 선단부의 응력 집중도와의 관계에 대해서 실험을 실시했다.
이 때 중요한 실험 조건은 다음과 같다. 즉, 모재로서 800MPa의 고장력강철(크기 : 폭 200 × 길이 1000 × 두께 20mm), 거싯플레이트로서 800MPa의 고장력강철(크기 : 폭 50 × 길이 200 × 두께 20mm)을 이용하였다.
실험 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6에서, 세로축은 응력 집중도이며, 가로축은 모서리 돌림 용접부의 선단으로부터 신장시킨 신장 비드의 길이이다. 또한, 응력 집중도는, 신장 비드가 형성되지 않은 통상의 모서리 돌림 용접의 경우에 있어서의 용접부 지단 위치의 응력에 대한 비율로 표시되어 있다. 도 6으로부터, 신장 비드가 짧은 영역에서 응력 집중도가 급격히 저하되고, 신장 비드가 7mm인 경우 응력 집중도가 0.4 정도까지 저하하며, 10mm에서 0.3 정도까지 충분히 저하하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 20mm 이상에서는 0.2 보다 다소 작고 안정되어 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 신장 비드를 10mm 이상 형성함으로써 응력 집중이 충분히 완화되고, 그 결과, 모서리 돌림 용접부에서의 피로 강도가 향상된다.
본 발명자는, 다음으로, 용접열 응력에 기인하는 인장 잔류 응력과 신장 비드의 길이, 및 용접 재료 종류의 관계에 대해서 실험을 실시했다. 즉, 종래 용접 재료 및 용접 금속의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms 온도)가 350℃ 이하인 저 변태점 용접 재료를 사용하여, 통상의 모서리 돌림 용접(비드 길이(각장) 10mm) 후, 신장 비드의 길이를 변화시켜서 신장 비드 선단부의 표면 위치 및 깊이 5mm의 위치에서의 인장 잔류 응력을 측정하였다.
또한, 상기 저 변태 용접 재료는, 피용접재료와의 용접에 의하여 형성된 용접 금속의 Ms 온도가 350℃ 이하인 용접 재료를 말하며, 용접 재료 자체의 Ms 온도는 250도 이하이다.
그리고 이 때의 주요한 실험 조건은 다음과 같다. 즉, 모재로서 800MPa의 고장력강철(크기 : 폭 200 × 길이 1000 × 두께 20mm), 거싯플레이트로서 800MPa의 고장력강철(크기 : 폭 50 × 길이 200 × 두께 20mm)을 이용하였다. 그리고 종래의 용접 재료의 화학 조성은, C 0.12wt%, Ni 1.5wt%, Mo 0.5wt%이며, 저 변태점 용접 재료의 화학 조성은 C 0.05wt%, Cr 14wt%, Ni 9wt%이다.
측정 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7에서, 세로축은 잔류 응력이며, 가로축은 거싯플레이트 단부로부터의 비드 길이(모서리 돌림 용접부의 비드 길이)이다. 그리고, 종래 용접 재료 (도 7에서는 "종래재"로 표시)의 표면 위치에서의 잔류 응력을 ●, 깊이 5mm 위치에서의 잔류 응력을 ■로 표시하며, 저 변태점 용접 재료(도 7에서는, "저 변태용재"로 표시)의 표면 위치에서의 잔류 응력을 ○, 깊이 5mm의 위치에서의 잔류 응력을 □로 나타내고 있다. 또한 인장 잔류 응력은 양의 값으로 표시하고, 압축 잔류 응력은 음의 값으로 나타내고 있다. 또한 이러한 측정 결과는, 중성자 회절에 의한 잔류 응력 측정과 FEM 유한요소해석의 응력 해석으로부터 얻은 결과이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 종래 용접 재료를 이용한 경우, 모서리 돌림 용접이 행해진 때(비드 길이(각장) 10mm)에는, 표면 위치에서 300MPa 정도, 깊이 5mm 위치에서 680MPa 정도의 인장 잔류 응력이 발생하고 있으며, 그 후, 비드 길이가 길어짐에 따라 어떤 위치에서도 인장 잔류 응력이 상승하여, 비드 길이가 80mm(신장 비드 길이 : 70mm)된 경우에는 800MPa 정도의 큰 인장 잔류 응력이 발생하고 있다.
이에 대해서, 저 변태점 용접 재료를 이용한 경우, 모서리 돌림 용접이 행해졌을 때(비드 길이(각장) 10mm)의 인장 잔류 응력은, 깊이 5mm 위치의 경우, 300MPa이지만, 비드 길이 17mm(신장 비드 길이 7mm)의 위치에서 인장 잔류 응력이 소실하고 있다. 그리고, 비드 길이가 17mm 이상이 되면, 반대로 압축 잔류 응력이 발생되고 있다. 그리고, 비드 길이가 길어짐에 따라서, 이 압축 잔류 응력은 커지고, 최종적으로는, 300MPa 정도의 큰 압축 잔류 응력이 발생하고 있다.
또한, 표면 위치의 경우에는, 모서리 돌림 용접이 행해졌을 때, 이미 170MPa 정도의 압축 잔류 응력이 발생하고 있으며, 비드 길이가 80mm의 위치에서는 580MPa 정도의 압축 잔류 응력이 발생하고 있다.
그리고, 상기의 신장 비드 길이 7mm는, 상기 설명한 바와 같이, 도 6에 있어서, 응력 집중도를 충분히 저하시킬 수 있는 길이이기도 하다.
이와 같이, 종래 용접 재료와 저 변태점 용접 재료는 비드 길이의 신장이 잔류 응력에 따라서 반대의 영향을 미치며, 저 변태점 용접 재료일 경우는 거싯플레이트의 길이 방향 단부(이하, 간단히 "거싯플레이트 단부"라고도 칭함)로부터, 길이 17mm 이상의 비드를 형성함으로써 확실하게 압축 잔류 응력이 발생하기 때문에, 모서리 돌림 용접부에 있어서의 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
상기 설명으로부터, 통상의 모서리 돌림 용접 후, 용접 금속의 Ms 온도가 350도 이하인 저 변태점 용접 재료를 사용하여, 거싯플레이트와 평행하게 거싯플레이트 단부로부터의 비드 길이가 17mm 이상이 되도록 신장 비드를 형성함으로써, 용접 지단부의 기하학적 요인으로부터 발생되는 응력 집중을 완화할 수 있는 동시에, 큰 압축 잔류 응력을 발생시킬 수 있으며, 이로써, 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있는 것을 알 수있다.
그리고, 종래 용접 재료를 사용하여 통상의 모서리 돌림 용접 후, 용접 금속의 Ms 온도가 350도 이하인 저 변태점 용접 재료를 사용하여, 거싯플레이트와 평행으로 거싯플레이트 단부로부터의 비드 길이가 17mm 이상이 되도록 신장 비드를 형성하여도, 마찬가지로, 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 거싯플레이트의 단부로부터의 비드 길이가 잔류 응력의 내용을 크게 지배하고 있기 때문에, 상기한 길이 17mm 이상인 비드의 형성은, 상기와 같이, 통상의 모서리 돌림 용접 후에 신장 비드를 형성하는 것 외에도, 모서리 돌림 용접 시에 한번에 17mm 이상의 비드 형성을 실시하여도, 마찬가지로, 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있다.
모서리 돌림 용접부에 있어서의 피로 강도를 향상시키는 연구로서, 종래부터, 용접 후, 드레싱 등의 후 처리를 행하는 것이 이루어지고 있지만, 이러한 처리에 의한 피로 강도의 향상은 충분하다고 할 수 없으며, 또, 그 효과도 불안정하였다.
이에 대해서, 본 발명에서는 용접 금속의 Ms 온도가 350도 이하인 저 변태점 용접 재료를 사용하여, 17mm 이상의 비드를 형성함으로써, 안정적으로, 높은 피로 강도를 얻을 수 있다.
본 발명은 이러한 발견에 의거한 것이며, 청구항 1에 기재된 발명은,
거싯플레이트를 고장력철강에 모서리 돌림 용접에 의해 용접하는 용접 방법으로서,
용접 금속의 마르텐사이트 변태 개시점이 350℃ 이하인 용접 재료를 사용하여,
상기 거싯플레이트의 단부의 길이 방향으로 17mm 이상 길이의 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법이다.
그리고, 청구항 2에 기재된 발명은,
상기 비드를 형성하는 방법이, 모서리 돌림 용접 후, 모서리 돌림 용접에 의해 형성된 상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부의 비드 선단부에, 부가하여 신장 비드를 형성하는 비드 형성 방법인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 용접 방법이다.
또한, 청구항 3에 기재된 발명은,
상기 비드를 형성하는 방법이, 모서리 돌림 용접시에, 상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부에 17mm 이상 길이의 비드를 형성하는 비드 형성 방법인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 용접 방법이다.
본 발명은, 또한 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
상기 설명한 길이 17mm 이상의 비드는 거싯플레이트의 길이 방향으로 형성된다. 그리고, 비드의 폭은 도 8에 도시한 돌림 용접 폭 (D) 이상이면 특히 한정되지 않지만, 응력 집중의 완화 및 압축 잔류 응력 발생의 관점에서는, 도 8과 같이, 돌림 용접부 폭 (D) 보다 큰 것이 바람직하다.
즉, 청구항 4에 기재된 발명은,
상기 비드의 비드의 폭이, 돌림 용접부 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 용접 방법이다.
다음으로, 신장 비드는, 통상의 모서리 돌림 용접에 의해 형성된 비드부의 선단에 형성되지만, 모서리 돌림 용접부를 덮도록 거싯플레이트 단부로부터 형성해도 된다. 이 경우, 도 9에 도시한 바와 같이, 모서리 돌림 용접 후, 거싯플레이트 단부와의 접속부에 단차를 형성하지 않고, 매끄러운 형상으로 신장 비드를 형성함으로써, 보다 더 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
마찬가지로, 모서리 돌림 용접 시, 긴 비드를 형성 할 때에도, 거싯플레이트 단부와의 접속부에 단차를 형성하지 않고 매끄러운 형상으로 비드를 형성함으로써, 보다 더 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
즉, 청구항 5에 기재된 발명은,
상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부와의 접속부를 매끄러운 형상으로 하면서, 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 용접 방법이다.
다음으로, 모서리 돌림 용접 후, 모서리 돌림 용접에 의해 형성된 비드부의 선단에 신장 비드를 형성하는 경우, 신장 비드는, 통상, 모서리 돌림 용접부의 선단의 일부에 중첩된 상태로 형성된다. 이 경우에도, 모서리 돌림 용접부와 신장 비드와의 접속부에 단차를 형성하지 않고, 매끄러운 형상으로 신장 비드를 형성하는 것이, 피로 강도 향상의 관점에서 바람직하다.
즉, 청구항 6에 기재된 발명은,
상기 모서리 돌림 용접에 의해 형성된 비드 용접부와의 접속부를 매끄러운 형상으로 하면서, 신장 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 용접 방법이다.
이상과 같은 용접 방법을 사용하여 용접된 용접 이음부는, 응력 집중이 크게 완화되고, 또한, 큰 압축 잔류 응력이 발생하기 때문에, 피로 강도가 충분히 향상된 용접 이음부로서 제공할 수 있다.
즉, 청구항 7에 기재된 발명은,
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 용접 방법을 이용하여, 거싯플레이트가 고장력철강에 용접되는 것을 특징으로 하는 용접 이음부이다.
다음으로, 본 발명에 따른 용접 방법은, 기존 강철 구조물에 있어서의 피로 수명 및 파괴 수명 연장에 큰 효과를 발휘한다.
즉, 현재, 세계의 인프라 구조물인, 예를 들면, 다리나 고속도로 등의 강철 구조물에서는, 모서리 돌림 용접부에 대해서 정기적으로 보수나 보강이 실시되어, 피로 수명 및 파괴 수명의 연장을 도모하고 있다. 또한, 조선 및 탱크 등의 운송물이나 압력 용기 등에서도, 마찬가지로 검사나 처리가 행하여져서, 피로 수명 및 파괴 수명의 연장을 도모하고 있다.
예를 들어, 도 10의 (a) 및 그 확대도 (b)에 도시한 바와 같이, 강철 구조물의 모서리 돌림 용접부(32)에는 장시간 사용에 의해 피로에 의한 크랙(피로 균열)(40)이 발생하는 경우가 있다. 이 피로 균열(40)에 대해서, 종래는, (c)에 도시한 바와 같이, 보수 용접을 실시하여 보수 용접부(34)를 형성함으로써 보수를 실시했다.
그러나 종래의 보수 방법의 경우, 보수 용접부(34)의 길이가 짧기 때문에, 응력 집중을 충분히 완화할 수 없고, 피로 수명 및 파괴 수명을 충분히 연장할 수 없었다.
이에 대해서, 미리 종래의 보수 용접부를 형성한 후, 본 발명을 적용하고, 용접 금속의 마르텐사이트 변태 개시점이 350℃ 이하인 용접 재료를 사용하여, 모서리 돌림 용접부의 거싯플레이트의 단부의 길이 방향으로, 비드 길이가 17mm 이상이 되도록 신장 비드를 형성하고 보수하는 경우에는, 상기한 바와 같이, 피로 수명 및 파괴 수명을 충분히 연장하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 의거한 신장 비드의 형성은, 사전에 보수 용접부를 형성하지 않아도, 또, 이미 보수 용접부를 형성한 기존의 강철구조물에 대해서 적용해도, 피로 수명 및 파괴 수명의 연장 효과를 발휘한다.
또한, 균열이 발생되어 있는 경우의 보수에 한정되지 않고, 사전 예방으로서의 보강에 대해서도, 본 발명을 적용하는 것에 의한 효과를 발휘시킬 수 있으며, 마찬가지로, 피로 수명 및 파괴 수명을 대폭으로 연장할 수 있는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 정기 검사의 기간을 대폭 연장할 수 있으며, 유지 보수 비용의 대폭적인 삭감을 도모할 수 있다.
또한, 상기 비드의 형성에 있어서는, 상기한 바와 같이, 모서리 돌림 용접부의 돌림 용접부 폭보다 큰 비드 폭으로 비드를 형성하는 것이 바람직하며, 또한 ,모서리 돌림 용접부의 비드 선단부와의 접속부를 매끄러운 형상으로 하면서 형성하면 더욱 바람직하다.
도 10(d)에 보수 방법의 구체적인 예를 도시한다. 도 10(d)에 있어서는, 보수 용접부(34)의 형성 이외에, 보수 용접부(34)를 덮는 형태로, 모서리 돌림 용접부의 거싯플레이트(gusset plate)(20)의 단부의 길이 방향으로, 17mm 이상의 길이로, 모서리 돌림 용접부의 돌림 용접부 폭보다 큰 비드 폭의 신장 비드(35)를 형성하고 있다.
즉, 청구항 8에 기재된 발명은,
기존 강철 구조물에 있어서 거싯트(gusset)와 모재로 이루어진 모서리 돌림 용접부를 용접에 의하여 보수 또는 보강하는 용접 방법으로서,
용접 금속의 마르텐사이트 변태 개시점이 350℃ 이하인 용접 재료를 사용하여, 상기 모서리 돌림 용접부의 거싯플레이트의 단부의 길이 방향으로, 상기 거싯플레이트의 단부로부터의 비드부의 길이가 17mm 이상이 되도록 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법이다.
그리고, 청구항 9에 기재된 발명은,
상기 모서리 돌림 용접부의 비드 선단부에 보수 용접 또는 보강 용접을 형성한 후, 상기 비드가 형성되는 것을 특징으로 하는 청구항 8에 기재된 용접 방법이다.
또한, 청구항 10에 기재된 발명은,
상기 비드의 비드 폭이, 돌림 용접부 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 청구항 8 또는 청구항 9에 기재된 용접 방법이다.
또한, 청구항 11에 기재된 발명은,
상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부와의 접속부를 매끄러운 형상으로 하면서, 상기 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 1항에 기재된 용접 방법이다.
본 발명에 의하면, 거싯플레이트와 고장력강철의 모서리 돌림 용접부의 피로 강도를 비약적으로 향상시킬 수 있기 때문에, 용접 구조물의 허용 하중을 향상시킬 수 있으며, 용접 구조물의 고장력화를 크게 확대시킨다. 그 결과, 중량 경감 등에 의한 저탄소화 사회로의 요구에 크게 공헌할 수 있게 되고, 또한 허용 응력 상승에 따른 안전성 향상으로도 이어진다.
또한 용접 구조물의 수명을 현저하게 연장시키는 것이 가능하게 되기 때문에, 구조물의 보수나 보강의 관점에서도 이점이 있다. 전쟁 후, 건설되어, 40년 이상 경과한 구조물이, 최근 10년 내로 대부분이 폐물이 되지만, 본 발명은 보수나 보강에 의한 수명 연장의 측면에서도 큰 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 용접 방법으로 제작된 용접 이음부의 개요를 나타내는 것으로서, 도 1a는 평면도, 도 1b는 측면도이다.
도 2는 종래의 용접 방법으로 제작된 용접 이음부의 개요를 나타내는 것으로서, 도 2a는 평면도, 도 2b는 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 용접 방법으로 제작된 용접 이음부의 다른 일례의 개요를 나타내는 것으로서, 도 3a은 평면도, 도 3b는 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 용접 방법으로 제작된 용접 이음부의 다른 일례의 개요를 나타내는 것으로서, 도 4a는 평면도, 도 4b는 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 용접 방법으로 제작된 용접 이음부의 다른 일례의 개요를 나타내는 것으로서, 도 5a는 평면도, 도 5b는 측면도이다.
도 6은 신장 비드의 길이와 응력 집중도의 관계를 나타내는 도이다.
도 7은 모서리 돌림 용접부에 형성된 비드의 길이와 잔류 응력의 관계를 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 용접 이음부의 다른 예의 개요를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 용접 이음부의 다른 예의 개요를 나타내는 도 9a는 평면도 및 도 9b는 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 용접 방법을 보수에 적용한 예를 설명하는 도이다.
도 11은 거싯플레이트가 장착된 상태에서 인장력을 가하였을 때 평판에 발생하는 인장력의 상태를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명을 실시형태에 의거하여 설명한다. 또한, 본 발명은, 다음의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명과 동일 및 동등한 범위 내에서 다음의 실시형태에 대해서 다양한 변경을 부가하는 것이 가능하다.
먼저, 본 발명의 용접 이음부의 개요와, 종래의 용접 이음부의 개요를 도면을 이용하여 설명한다. 도 1에 본 발명에 따른 용접 방법으로 제작된 용접 이음부를, 또한 도 2에 종래의 용접 방법으로 제작된 용접 이음부를 나타낸다. 도 1, 도 2에 있어서 각각 도 1a는 평면도, 도 1b는 측면도이다.
도 2에 도시하는 종래의 용접 이음부에 있어서는, 종래의 모서리 돌림 용접을 이용하여, 모재인 평판(10)과 거싯플레이트(20)가 용접되어, 거싯플레이트(20)의 하부측면의 용접부(31) 및 모서리 돌림 용접부(32)가 형성되어 있다.
그리고 도 1에 도시된 본 발명의 용접 이음부에 있어서는, 모서리 돌림 용접부(32)의 선단에, 거싯플레이트 단부로부터의 비드 길이가 17mm 이상이 되도록, 부가하여 신장 비드(35)가 형성되어 있다. 이와 같이 용접 이음부를 제작함으로써, 상기 설명한 바와 같이, 피로 강도가 크게 향상된다. 또한 신장 비드(35)의 형성은, 먼저 형성된 모서리 돌림 용접부(32)의 비드 온도가 Ms점까지 냉각되기 전에 실시하는 것이 바람직하다. Ms 점까지 냉각한 후, 신장 비드(35)를 형성하려고 하면, 재가열에 의하여, 표면의 일부에 변태되지 않는 영역이 생겨서, 변태 영역과의 경계에 인장 응력이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.
다음, 도 1에 도시한 비드 형성 방법 이외의 바람직한 형태에 대하여 도 3 내지 도 5에 의거하여 설명한다.
도 3의 경우, 모서리 돌림 용접부(32)의 비드의 선단부 근처에서부터, 연결 부분을 매끄러운 형상으로 하면서 돌림 용접부 폭과 동일한 폭으로 신장 비드(35)를 형성하여, 소정의 길이의 비드를 형성하고있다.
도 4의 경우는, 모서리 돌림 용접부(32)의 비드 전체를 덮는 상태에서, 거싯플레이트 단부에서부터, 돌림 용접부의 폭보다 큰 폭으로 신장 비드(35)를 형성하고 있다.이 경우 거싯플레이트 단부와의 접속부에 단차를 형성하지 않고, 매끄러운 형상으로 비드를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 5의 경우는, 모서리 돌림 용접 시, 한번에 긴 비드를, 거싯플레이트의 단부에서부터 돌림 용접부의 폭보다 큰 폭으로 형성하고 있다. 이 경우에도, 거싯플레이트 단부와의 접속부에 단차를 형성하지 않고, 매끄러운 형상으로 비드를 형성하는 것이 바람직하다.
(실험 - 1)
다음으로, 본 발명의 우수한 효과를 나타내기 위하여 실시한 실험 결과를 나타낸다. 실험은, 용접 재료로서, (C 0.1wt% 이하, Cr 8 ~ 13wt%, Ni 5 ~ 12wt%를 베이스로 하는 화학조성이며, 용접 금속의 Ms 온도 350℃ 이하인 용접 재료)를 이용하여, 통상의 모서리 돌림 용접을 실시한 후, 동일한 용접 재료를 사용하여 표 1에 표시한 길이의 각각의 신장 비드를 형성하고, 각각의 신장 비드 선단부에 있어서의 응력 집중도 및 잔류 응력의 크기를 측정함과 동시에, 피로강도로서, 응력 범위 150MPa의 하중(± 150MPa의 하중)을 10회/초 반복해서 부여하여, 파단하였을 때의 반복 횟수(피로 파단 횟수)를 측정하였다. 그리고, 비교를 위하여, 종래 용접 재료를 이용하여 통상의 모서리 돌림 용접을 실시하여, 이와 같은 측정을 실시하였다.
또한, 모서리 돌림 용접의 비드 길이(각장(leg length))는 일반적인 비드 길이인 7mm로 설정하였다. 또한 모재로서는 800MPa의 고장력강철(크기: 폭 200 × 길이 1000 × 두께 20mm)를, 또한 거싯플레이트로서는 800MPa의 고장력강철(크기: 높이 50 × 길이 200 × 두께 20mm)을 사용하였다.
측정 결과를, 표 1에 함께 나타냈다. 또한, 표 1에 있어서, 응력 집중도는, 각각의 용접 재료를 이용하여 제작된 도 2의 용접 이음부, 즉 신장 비드가 형성되어 있지 않은 용접 이음부에 있어서의 응력 집중도를 1로 한 상대값으로 표시하였으며, 수치가 높을수록 응력 집중도가 높다는 것을 보여주고 있다. 또한 잔류 응력은, +가 인장 잔류 응력, -가 압축 잔류 응력임을 보여주고 있다.
또한, 피로 강도는 종래 용접 재료를 이용하여 제작된 도 2의 용접 이음부의 피로 파단 횟수 δ를 기준으로 나타내고 있다. 또한, 이 δ는, 시험체의 형상에 따라서, 예를 들면, 폭 70 × 길이 1000 × 두께 12mm의 모재 및 높이 50 × 길이 100 × 두께 12mm인 거싯플레이트의 경우에는 500만 회 정도, 폭 160 × 길이 1000 × 두께 20mm의 모재 및 높이 50 × 길이 150 × 두께 20mm인 거싯플레이트의 경우에는 30만 회 정도이다.
Figure pct00001
표 1에서, 10mm의 신장 비드, 즉, 길이 17mm인 비드를 형성함으로써, 응력 집중도가 1에서 0.4까지 급격하게 저하하고 있으며, 40mm 이상의 신장 비드에서는 0.2로 안정되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 모서리 돌림 용접부 만으로 신장 비드를 형성하지 않는 경우(실험예 1-1)에는, 표면에서는 압축 잔류 응력이 발생하고 있지만, 깊이 5mm의 위치에서는 아직 인장 잔류 응력이 발생되고 있기 때문에, 피로 강도는 종래의 1.5배에 머물고 있다. 그러나, 10mm의 신장 비드를 형성함으로써, 깊이 5mm 위치에도 압축 잔류 응력이 발생하며, 표면의 압축 잔류 응력의 증가와 더불어서, 피로 강도는 3배까지 향상하고 있다(실험예 1-2). 또한, 40mm 이상의 신장 비드에서는, 표면, 깊이 5mm 모두 압축 잔류 응력이 증가하여, 피로 강도는 15배까지 크게 향상하고 있다(실험예 1-4 ~ 1-6).
또한, 상기의 실험에서는, 모서리 돌림 용접 후, 신장 비드의 형성을 실시하고 있지만, 모서리 돌림 용접 시에 긴 비드를 형성하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.
위 설명으로부터, 저 변태점 용접 재료를 사용하여, 10mm 이상의 신장 비드, 즉 거싯플레이트의 단부로부터 17mm 이상의 비드를 형성함으로써, 피로 강도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그리고 40mm 이상의 신장 비드를 형성하여도, 피로 강도를 향상시키는 효과는 포화하기 때문에, 저 변태점 용접 재료를 이용한 신장 비드의 형성은 40mm, 즉, 거싯플레이트의 단부로부터 47mm인 비드를 형성하는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 응력 집중도 저하와 압축 잔류 응력의 발생에 의해, 피로 강도의 비약적인 향상을 도모할 수 있다.
(실험 - 2)
이하에서는, 기존 강철 구조물의 모서리 돌림 용접부의 보수, 보강에 있어서의 본 발명의 효과를 확인했다.
구체적으로는, 도 10d와 같이, 보수 용접부(34)를 덮는 형태이며, 저 변태점 용접 재료를 이용하여 40mm 길이의 신장 비드(35)를 형성하고, 용접 지단부의 응력 집중도, 표면 위치 및 깊이 5mm에서의 잔류 응력, 및 피로 강도를 측정하였다.
결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 표 2에는, 보강 처리를 위하여, 보수의 경우와 마찬가지로 신장 비드를 형성시켰을 때의 결과도 나타내고 있다.
Figure pct00002
표 2에서, 보수, 보강의 어느 경우에 있어서도, 본 발명을 적용하여, 신장 비드를 형성함으로써, 피로 강도를 크게 개선할 수 있으며, 피로 수명 및 파괴 수명을 대폭 연장하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있다.
10 : 평판
20 : 거싯플레이트
21 : 거싯플레이트의 하부 측면부
22 : 거싯플레이트의 하부 지단부
31 : 거싯플레이트의 하부 측면의 용접부
32 : 모서리 돌림 용접부
33 : 모서리 돌림 용접부의 용접 지단부
34 : 보수 용접부
35 : 신장 비드
40 : 피로 균열
90 : 인장력의 분포
91 : 평판의 짧은 변 방향의 단면부의 응력
92 : 평판의 짧은 변 방향 중앙부의 응력

Claims (11)

  1. 거싯플레이트를 고장력강철에 모서리 돌림 용접에 의해 용접하는 용접 방법으로서,
    용접 금속의 마르텐 사이트 변태 개시점이 350℃ 이하의 용접 재료를 사용하여,
    상기 거싯플레이트의 단부의 길이 방향으로 17mm 이상 길이의 비드를 형성하는
    것을 특징으로 하는 용접 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비드를 형성하는 방법이, 모서리 돌림 용접 후, 모서리 돌림 용접에 의해 형성된 상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부의 비드 선단부에, 부가하여 신장 비드를 형성하는 비드 형성 방법인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비드를 형성하는 방법이, 모서리 돌림 용접 시에, 상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부에, 17mm 이상 길이의 비드를 형성하는 비드 형성 방법인 것을 특징으로 하는 용접 방법 .
  4. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비드의 비드 폭이, 돌림 용접부 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부와의 접속부를, 매끄러운 형상으로 하면서, 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서
    상기 모서리 돌림 용접에 의해 형성된 비드 용접부와의 접속부를 매끄러운 형상으로 하면서 신장 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 용접 방법을 이용하여, 거싯플레이트가 고장력강철에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 이음부.
  8. 기존 강철구조물에 있어서의 거싯트와 모재로 이루어진 모서리 돌림 용접부를 용접에 의하여 보수 또는 보강하는 용접 방법으로서,
    용접 금속의 마르텐사이트 변태 개시점이 350℃ 이하인 용접 재료를 사용하여, 상기 모서리 돌림 용접부의 거싯플레이트의 단부의 길이 방향으로, 상기 거싯플레이트의 단부로부터의 비드부의 길이가 17mm 이상이 되도록 비드를 형성하는 것을 특징으로하는 용접 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 모서리 돌림 용접부의 비드 선단부에 보수 용접 또는 보강 용접을 형성한 후, 상기 비드가 형성되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 비드의 비드 폭이, 돌림 용접부의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거싯플레이트의 길이 방향 단부와의 접속부를 매끄러운 형상으로 하면서 상기 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
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