KR20150034754A

KR20150034754A - 레이저 용접 형강

Info

Publication number: KR20150034754A
Application number: KR1020157002799A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 사쿠라다; 다케후미 나카코; 히로시 아사다
Original assignee: 닛신 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2015-04-03
Also published as: CA2879175C; PH12015500298A1; EP2878410A1; CA2879175A1; PH12015500298B1; CN104520056A; MX2015001032A; US20150273630A1; RU2606682C2; KR102024415B1; CN104520056B; NZ703757A; RU2015100411A; EP2878410A4; BR112015001407A2; AU2012386121A1; WO2014016935A1; AU2012386121B2; US10144091B2

Abstract

강판으로 이루어지는 플랜지재에 대해 강판으로 이루어지는 웹재의 단부를 수직으로 꽉 누르는 것에 의해 형성된 T자형상 이음매부가 레이저광의 편측으로부터의 1패스 조사에 의해서 용융 접합된 형강으로서, 해당 형강의 긴쪽 방향에 수직인 단면의 용접부 형상을, a: 웹재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), b: 웹재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), c: 플랜지재의 판 두께 방향 최대 용입 깊이, d: 플랜지재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), e: 플랜지재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), Tw: 웹재의 판 두께로 했을 때, a>0㎜, b>0㎜, c≥0.14Tw, d≥0㎜, e≥0㎜로 하였다. 또, 플랜지재 및 웹재 모두가 아연계 도금 강판으로 이루어지는 경우, a>0㎜, b>0㎜, c≥0.14Tw, d≥0㎜, e≥0㎜, a+d≤2㎜, b+e≤2㎜로 되어 있는 것이 바람직하다.

Description

레이저 용접 형강{LASER-WELDED SHAPED STEEL}

본 발명은 레이저광을 열원으로 한 레이저 용접에 의해서 T자형상의 용접 이음매부를 형성한 용접 형강에 관한 것이다.

근래, 건축물의 몸체를 구성하는 빔 등에 이용되고 있는 T형강이나 H형강 등의 형강을 제조하는 방법으로서, 플랜지재와 웹재의 T자형상 이음매부에 레이저광을 조사하는 레이저 용접법이 검토되도록 되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에 보이는 바와 같이, 2개의 금속판을 서로 수직으로 맞대고, 맞댄 금속판의 표리 양면으로부터 2개의 레이저광을 대향하는 위치에 맞댐부를 따라 동시에 조사하고 있다.

*이 방법에 의하면, 맞댐부에 대해 웹재의 양면 방향으로부터 레이저광을 조사하게 되어, 생산성 향상의 관점에서는 반드시 효율적이지는 않다.

그래서, 본 출원인은 맞댐부에 대해 웹재의 편면 방향으로부터만 레이저광을 조사하는 방법을 제안하고 있다. 예를 들면, 특허문헌 2를 참조하기 바란다.

이 방법에서는 제 1 금속판에 제 2 금속판의 단부를 수직으로 꽉 눌러 T자형상의 용접 이음매부를 형성한 건축 부재를 제조할 때, 용접법으로서 레이저광을 조사하는 레이저 용접법을 이용하고, 상기 레이저광을, 제 1 금속판에 대해 30도 이하의 경사 각도로, 꽉 누른 제 2 금속판 단부에 해당 금속판이 판 두께 방향 전역에 걸쳐 용융되도록 조사하고 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2005-21912호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제2007-307591호

특허문헌 2에서 제안한 용접 방법에 의하면, 꽉 누른 측의 웹재 단부에 해당 웹재가 판 두께 방향 전역에 걸쳐 용융하도록 레이저광을 조사하고 있기 때문에, 용융 영역을 좁고 또한 깊게 할 수 있다. 그 결과, 형상 정밀도 좋게 용접 접합할 수 있을 뿐만 아니라, 플랜지재 및 웹재(피용접 강판)가 도금 강판이라도 도금층이 증발하는 손상 영역을 극력 좁게 할 수 있기 때문에, 용접 후의 보수 도료의 도포량을 저감할 수 있다. 또, 용융 영역을 깊게 할 수 있기 때문에, 편측으로부터의 용접만으로도, 소요의 용접 강도를 구비한 형재를 간편하게 제조할 수 있다.

그러나, 특허문헌 2에 의한 용접 방법에서는 피용접부에 레이저광을 조사하여 피용접부의 판 두께 방향 전역을 용융시키고 있으므로, 플랜지재에 대한 레이저광의 입사각, 웹재 단부에 대한 레이저광의 목표 위치, 및 레이저광 자신의 에너지량의 차에 따라, 용융부의 형성 상황이 바뀌어 원하는 접합 강도가 얻어지지 않는 경우가 있다. 또, 소재로서 도금 강판, 특히 아연계 도금 강판을 이용한 경우에, 용융부의 형성 상황이 바뀌면, 도금층의 증발 상황이 변화하여, 제조된 용접 형강의 내식성이 열화하는 경우가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해소하기 위해 안출된 것으로서, T자형상 이음매부를 구비한 레이저 용접 형강에 있어서, 형성된 용융부의 형상을 적정한 것으로 하여 원하는 접합 강도, 원하는 내식성을 확보한 레이저 용접 형강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 레이저 용접 형강은 그 목적을 달성하기 위해, 플랜지재에 대해 웹재의 단부에 수직으로 꽉 눌러져 형성된 T자형상 이음매부가 웹재의 편측의 면으로부터 조사되는 레이저광에 의한 1패스의 조사에 의해서 용융 접합된 형강으로서, 플랜지재 및 웹재 모두가 강판으로 이루어지고, 해당 형강의 긴쪽 방향을 따르는 단면의 용접부 형상이 a>0, b>0, c≥0.14Tw, d≥0, e≥0으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

플랜지재 및 웹재 모두가 아연계 도금 강판으로 이루어지는 경우, a>0, b>0, c≥0.14Tw, d≥0, e≥0, a+d≤2, b+e≤2로 되어 있는 것이 바람직하다.

단, a: 웹재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), b: 웹재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사), c: 플랜지재의 판 두께 방향 최대 용입 깊이, d: 플랜지재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), e: 플랜지재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), Tw: 웹재의 판 두께이다. 단위는 모두 ㎜로 한다.

또, 상기 용접부의 플랜지재 용입 면적을 Sf, 웹재 용입 면적을 Su로 했을 때, 그 비 Sf/Su가 Sf/Su<0.75인 바람직하다.

단, Sf=(d+Tw+e)×c/2, Su=(a+b)×Tw/2과 근사하다.

본 발명에 의한 레이저 용접 형강은 플랜지재에 웹재의 단부를 수직으로 꽉 눌러 형성된 T자형상 이음매부에 레이저광을 편측으로부터 1패스 조사하고, 상기 이음매부가 용융 접합된 것으로, 상기 이음매부에 형성된 용융 용접부의 형상을 규정하고 있다.

그 때문에, 본 발명에서 제공되는 레이저 용접 형강은 안정된 접합 강도를 갖고, 특히 아연계 도금 강판을 소재로 한 용접 형강이라도 용접부 내식성의 저하가 없으므로, 고강도, 고내식성을 구비한 용접 형강을 저코스트로 제조하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 T자형상 이음매부를 편측으로부터의 1패스 조사로 레이저 용접하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 형강의 긴쪽 방향을 따르는 단면에 있어서의 T자형상 이음매부의 용융 용접부 형상을 설명하는 도면이다.
도 3은 T자형상 이음매부를 편측으로부터의 1패스 조사로 레이저 용접할 때의 레이저광 조사 각도 θ와 웹재 단부에 대한 조사 위치의 관계를 설명하는 도면이다.

플랜지재에 웹재의 단부를 수직으로 꽉 눌러 형성된 T자형상 이음매부를 편측(웹재의 표리 한쪽의 측)으로부터의 1패스에 의한 레이저광 조사로 용접할 때에, 도 1에 나타내는 플랜지재에 대한 레이저광의 조사 각도 θ, 및 웹재 단부에 대한 레이저광의 조사 위치의 설정을 적정하게 실행하지 않으면, 원하는 접합 강도는 얻어지지 않는다. 또, 도금 강판을 소재로 한 경우에는 조사 각도 θ 및 조사 위치의 설정을 적정하게 실행하지 않으면 플랜지재의 웹재와 맞닿는 면의 도금층에 손상을 줄 수도 있다.

예를 들면, 상기 레이저광의 조사 각도 θ를 작게 하면, 도 2에 나타내는 웹재와 플랜지재의 교점(맞닿음 위치)의 상하에 위치하는 플랜지 표면 용융 폭 d 및 플랜지 이면 용융 폭 e가 커져, 용접부의 내식성 열화가 우려된다.

반대로, 조사 각도 θ를 크게 하면, 플랜지 용융 폭 d, e는 작아지지만, 웹 단면의 용입이 적어진다. 그 때문에, 미용융부가 생기기 쉬워지며, 충분한 강도를 확보할 수 없게 된다. 또, 조사 각도 θ를 크게 한 경우, 플랜지재에의 용입 깊이 c도 커지기 때문에, 플랜지재가 박판인 경우에, 열 변형이 커지거나, 또한 도금 강판의 경우에는 웹재와 상반된 면의 도금 손상 폭이 커진다.

그래서, 본 발명자들은 플랜지재에 대한 레이저광의 조사 각도 θ 및, 웹재 단부에 대한 레이저광의 조사 위치를 세세하게 조정하는 것에 의해서, 도 2에 나타나는 각 부위의 사이즈로서 원하는 특성을 얻는데 최적의 것을 알아내었다.

이하에 그 상세를 설명한다.

우선, 상기 플랜지재에 대한 레이저광의 조사 각도 θ 및, 웹재와 플랜지재의 맞닿음 위치에서 레이저광의 조사 위치까지의 거리의 영향을 조사하기 위해, 조사 각도 θ 및 조사 위치를 각종 변경해서 예비 실험을 실행하였다(도 1). 조사 위치는 맞닿음 위치를 원점으로 해서, 그곳으로부터 웹재의 레이저광 조사면 위를 맞닿음 위치로부터 멀어지는 방향으로 된 좌표로 표현한다.

판 두께가 2.3㎜이고 인장 강도가 400N/㎟인 강판에 Zn-6%Al-3%Mg 합금 도금층을 편면당 부착량 90g/㎡로 마련하고, 폭을 200㎜로 하는 동시에 길이를 2000㎜로 한 용융 도금 강판을 이용하고, 표 1에 나타내는 조건으로 레이저 용접하여, T자형상 형강을 얻었다. 실드 가스로서 Ar을 이용하고, 레이저광 조사점에 대해 비스듬히 옆에서 내뿜는 사이드 가스로서 이용하였다.

[표 1]

*

그 후, 얻어진 T자형상의 레이저 용접 형강에 대해, 용접부를 단면 관찰한 화상에 의거하여 도 2에 나타내는 각 부위의 사이즈를 측정하는 동시에, 접합 강도를 측정하였다. 또, 플랜지재의 웹재와의 비맞닿음면측을 육안 관찰하였다.

이 때, JIS G 3353에 준거하여 인장 시험을 실행하였다. 웹의 모재에서 파단한 경우에는 파단한 하중에서의 인장 강도가 400N/㎟이상이면 접합 강도를 양호하다고 판정하였다. 또, 용접부에서 파단한 경우에는 파단 하중을 웹의 실 단면적으로 나눈 값이 400N/㎟이상이면, 접합 강도를 양호하다고 판정하였다. 또, 플랜지재의 비맞닿음면측의 관찰에서, 도금의 재용융에 의한 손상이 확인된 것을 손상 있음으로 하고, 그 손상 폭을 측정하였다.

그 결과를 표 2∼12에 나타낸다.

또한, 각 표 2∼12에 있어서, 수치에 밑줄을 그은 것은 인장 시험에 있어서 강도 부족으로 된 것이다. 또, 각 표 중의 숫자의 단위는 ㎜이다.

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

[표 10]

[표 11]

[표 12]

웹재와 플랜지재의 조합으로 이루어지는 T자형상 이음매부의 용접 강도를 확보하기 위해서는 플랜지재와 웹재가 서로 맞닿음면 근방에 있어서 용융하여 일체화될 필요가 있다. 즉, 편측으로부터의 1패스에 의한 레이저 용접으로 용접을 실행하는 경우에는 웹재의 표면 용융 폭 및 이면 용융 폭(플랜지재의 표면 및 이면 비드)이 존재하고(a>0, b>0), 또한 플랜지에 용입해 있을 필요가 있다. 상기 표 4의 결과로부터, 플랜지에의 용입 깊이 c는 0.33㎜이상 필요한 것을 알 수 있다. 이 표 4는 판 두께 2.3㎜의 강판에 대한 시험의 결과이기 때문에, 일반적으로는 플랜지에의 용입 폭 c는 c/Tw=0.33/2.3=0.14 내지 0.14×Tw(㎜)이상이 필요하게 된다.

플랜지 상면으로부터 레이저광을 경사시켜 입사하고 있기 때문에, 입사각이 너무 커지거나, 조사 위치가 플랜지재와 웹재의 맞닿음 위치로부터 너무 멀어지면, 웹재의 표면 용융 폭 및 이면 용융 폭이 존재하지 않게 되고, 웹 단면과 플랜지의 사이에 미용융부가 생겨 강도 저하로 되는 경향이 있다. 즉, 플랜지재의 표면 및 이면 용융 폭 d, e에 대해서는 각각 d≥0(㎜), e≥0(㎜)로 할 필요가 있다.

또, 플랜지재가 박판의 도금 강판인 경우에는 플랜지에의 용입량이 커지면, 웹재와 상반된 면의 도금 손상이 커지는 동시에 열 변형이 생기기 때문에, 플랜지재에의 용입량은 너무 많지 않은 것이 좋다.

또, 웹재와 플랜지재의 교점 부근에 있어서의 용융 면적은 극력 작게 하는 것이 좋다. 아연계 도금 강판의 절단 단면에 있어서의 희생 부식 방지 작용은 일반적으로 2.3㎜정도까지만 효과가 있다고 되어 있으며, 레이저 용접부에 있어서는 용접부 주위의 도금 증발을 고려하면 레이저 용접에 의한 용융 폭은 2㎜ 정도 이내로 함으로써, 용접부는 보수 도장을 실시하지 않아도 양호한 내식성이 확보된다. 따라서, 용융하고 있는 영역을 2㎜ 이내로 하는 것이 좋다.

즉, 아연계 도금 강판을 소재로 한 경우, 웹재와 플랜지재의 교점 부근의 내식성 열화를 억제하기 위해서는 a+d≤2㎜, b+e≤2㎜로 할 필요가 있다.

도금 강판의 희생 부식 방식의 관점에서는 플랜지의 손상 폭도 2㎜이하로 해 두는 것이 바람직하다. 그러나, 표 7에 있어서, 조사 각도 θ가 10°또는 15°일 때에 목표 위치가 0.2㎜인 경우에는 a+d가 모두 2㎜이하로 되어 있음에도 불구하고, 동일 조건에서도 표 12에 있어서의 플랜지 손상 폭은 2㎜를 넘고 있다.

플랜지 손상부는 레이저광의 조사를 받고 있지 않고, 따라서 도금이 증발에 의해 완전히 없어진 것은 아니므로, 반드시 2㎜이하로 할 필요는 없다. 그러나, 아연계 도금 강판의 희생 부식 방지 작용에 의해 보수 도장을 실시하지 않아도 양호한 내식성이 발휘되기 위해서는 플랜지 손상부 폭을 2㎜이하로 하는 동시에, 플랜지의 열 변형을 억제하기 위해, Sf/Su<0.75로 하는 것이 바람직하다. 또한, Sf는 용접부의 플랜지재 용입 면적이며, Su는 웹재 용입 면적이다. 플랜지재 용입 면적은 형강의 긴쪽 방향을 따르는 단면에 있어서 플랜지재내에 나타나는 금속이 한번 용융된 영역의 면적이다. 웹재 용입 면적은 형강의 긴쪽 방향을 따르는 단면에 있어서 웹재내에 나타나는 금속이 한번 용융된 영역의 면적이다.

또, 용접부 강도의 면도 고려하면, Sf/Su≥0.15로 하는 것이 더욱 바람직하다.

단, Sf=(d+Tw+e)×c/2, Su=(a+b)×Tw/2로 근사한다.

또한, 아연계 도금 강판을 소재로 한 경우, a+d≤2㎜, b+e≤2㎜로 할 필요가 있는 것, 또한 Sf/Su<0.75로 하는 것이 바람직한 것은 내식성 평가의 가속 시험으로서 종래부터 널리 이용되고 있는 염수(소금물) 분무→건조→습윤의 반복 시험(CCT 시험)을 실행하는 것에 의해서 확인하였다.(본 건에서는 35℃에서 5%NaCl을 2시간 분무→60℃ 또한 30%RH(상대 습도)에서 4시간 건조→50℃ 또한 95%RH에서 2시간 습윤의 반복 조건을 채용하였다.)

200사이클까지 시험을 실시한 결과, a+d≤2㎜, b+e≤2㎜로 한 T자형상 이음매부의 레이저 용접부에서는 조기부터 용접부가 백색 녹으로 덮여 적색 녹의 발생은 확인되지 않았고, 플랜지의 열 영향부에 대해서도 도금 손상부가 백색 녹으로 덮여 적색 녹의 발생은 확인되지 않았다. 또, 플랜지부의 열 변형도 관찰되지 않았다.

그런데, 상기한 바와 같은 좁은 폭의 용융부를 얻기 위해서는 웹 단면 전면을 효율적으로 용융시킬 필요가 있다. 이 때문에, 좁은 폭의 용융부를 얻기 위해서는 기하학적으로 고려해서, 편측으로부터의 1패스에 의한 레이저 용접으로 T자형상 이음매부를 용접할 때에, 웹 표면측의 웹과 플랜지의 교점을 겨낭하는 것보다 웹 이면측의 웹과 플랜지의 교점을 목표로 하는 것이 좋다.

웹 표면상의 플랜지로부터의 목표 위치 X는 「X=Tw·tanθ」(Tw: 웹 판 두께, θ: 플랜지에 대한 레이저 입사각)로 구해진다. 목표 위치 X를 레이저빔 반경(D/2) 이상으로 하면, 기하학적으로 고려한 경우에 웹 표면과 플랜지의 교점을 레이저가 통과하지 않기 때문에, 미용융부가 생기게 된다.

그러나, 실제로는 레이저빔 직경의 주위도 열 영향(열 전도)을 받고, 빔 직경 이상의 범위에서 용융이 발생한다. 이 용융이 발생하는 범위는 조건에 따라 빔 직경의 약 1.1∼2.5배의 범위로 된다. 이 때문에, 목표 위치 X의 상한값은 「2.5×(D/2)」로 된다(Tw·tanθ<X≤2.5×(D/2)). 이로부터 조사각 θ를 구하면, 0<θ≤tan^-1((2.5×D/2)/Tw)로 된다.

상기한 바와 같은 조사각 θ, 목표 위치 X를 채용해서 편측으로부터의 1패스에 의한 레이저 용접으로 T자형상 이음매부를 용접하면, 규정한 형상의 용접부가 얻어진다.

Claims

플랜지재에 대해 웹재의 단부에 수직으로 꽉 눌러져 형성된 T자형상 이음매부가 웹재의 편측의 면으로부터 조사되는 레이저광에 의한 1패스의 조사에 의해서 용융 접합된 형강으로서, 플랜지재 및 웹재 모두가 강판으로 이루어지고, 해당 형강의 긴쪽 방향을 따르는 단면의 용접부 형상이 a>0, b>0, c≥0.14Tw, d≥0, e≥0으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 형강:
단, a: 웹재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), b: 웹재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), c: 플랜지재의 판 두께 방향 최대 용입 깊이, d: 플랜지재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), e: 플랜지재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), Tw: 웹재의 판 두께이고, 단위는 모두 ㎜이다.
플랜지재에 대해 웹재의 단부에 수직으로 꽉 눌러져 형성된 T자형상 이음매부가 레이저광의 편측으로부터의 1패스 조사에 의해서 용융 접합된 형강으로서, 플랜지재 및 웹재 모두가 아연계 도금 강판으로 이루어지고, 해당 형강의 긴쪽 방향에 수직인 단면의 용접부 형상이 a>0, b>0, c≥0.14Tw, d≥0, e≥0, a+d≤2, b+e≤2로 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 형강:
단, a: 웹재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), b: 웹재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), c: 플랜지재의 판 두께 방향 최대 용입 깊이, d: 플랜지재의 표면 용융 폭(레이저광 조사측), e: 플랜지재의 이면 용융 폭(레이저광 비조사측), Tw: 웹재의 판 두께이고, 단위는 모두 ㎜이다.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용접부의 플랜지재 용입 면적을 Sf, 웹재 용입 면적을 Su로 했을 때, 그 비 Sf/Su가 Sf/Su<0.75인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 형강.