KR20180104723A

KR20180104723A - 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법, 겹침 용접 이음매의 제조 방법 및 겹침 용접 이음매

Info

Publication number: KR20180104723A
Application number: KR1020187024619A
Authority: KR
Inventors: 쇼타 기쿠치; 마나부 후쿠모토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-09-21
Also published as: US20190291216A1; JPWO2017131186A1; WO2017131186A1; MX2018009204A; RU2707762C1; CN108602162B; EP3409410A4; EP3409410A1; KR20200031708A; CA3012336A1; EP3409410B1; CN108602162A; BR112018015059A2; JP6544446B2

Abstract

제1 강재(12)의 겹침부(12a)와 제2 강재(14)의 겹침부(14a)가 겹쳐져 있으며, 또한 제1 강재(12)의 가장자리부를 따라 연장되는 용접부(16)에 의해 그 가장자리부가 제2 강재(14)의 표면(14b)에 용접되어 있는 겹침 용접 이음매(10)의 피로 강도를, 이하의 방법에 의해 향상시킨다. 우선, 용접부(16)의 연신방향 X에 수직이며 또한 제2 강재(14)의 표면(14b)에 평행한 방향을 기준방향 Y로 하여, 겹침 용접 이음매(10)의 기준방향 Y로의 이동을 규제함과 더불어, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)의 판두께 방향으로의 이동을 규제한다. 이 상태로, 제2 강재(14)의 일부(14a)에 용융부(18)가 형성되도록, 제2 강재(14)의 일부(14a)를 가열한다.

Description

겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법, 겹침 용접 이음매의 제조 방법 및 겹침 용접 이음매

본 발명은, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법, 겹침 용접 이음매의 제조 방법 및 겹침 용접 이음매에 관한 것이다.

종래, 자동차의 차체 등의 구성 부재로서, 복수의 강판을 서로 겹쳐 용접한 겹침 용접 이음매가 사용되고 있다. 또, 종래, 경량화 및 충돌 안전성의 향상을 도모하기 위해, 차체의 구성 부재로서 여러 가지 강판이 사용되고 있다.

그런데, 겹침 용접 이음매의 모재의 피로 강도는, 용접 이음매를 구성하는 강판의 강도에 비례하여 높아진다. 한편, 겹침 용접 이음매 자체의 피로 강도는, 용접 이음매를 구성하는 강판의 강도를 높게 해도 거의 높아지지 않는 것으로 알려져 있다. 그래서, 종래, 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 향상시키기 위해 여러 가지 검토가 행해지고 있다.

예를 들면, 일본국 특허공개 평10-193164호 공보(특허문헌 1)에는, 겹침 용접 이음매의 피로 특성 향상 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시된 방법에서는, 용접 이음매를 구성하는 하측 강판의 용접부의 근방 위치가, 용접부와 평행하게, 강판이 용융되지 않을 정도로 가열된다. 특허문헌 1에는, 하측 강판을 상기와 같이 가열함으로써, 용접 지단(止端)부 근방의 인장 잔류 응력이 저감되며, 용접 이음매의 피로 특성이 향상되는 것이 기재되어 있다.

일본국 특허공개 평 10-193164호 공보

그러나, 본 발명자들의 검토 결과, 겹침 용접 이음매의 하측 강판을 상기와 같이 가열해도, 용접 이음매에 발생한 인장 잔류 응력을 충분히 저감할 수 없는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 이 경우, 용접 이음매의 피로 강도를 충분히 향상시킬 수 없다.

본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 충분히 향상시킬 수 있는 방법, 우수한 피로 강도를 갖는 겹침 용접 이음매의 제조 방법, 및 우수한 피로 강도를 갖는 겹침 용접 이음매를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명자가 검토를 행한 결과, 특허문헌 1의 방법에 있어서 하측 강판이 가열되는 위치를, 그 하측 강판이 용융될 때까지 가열함으로써, 용접 이음매에 발생한 인장 잔류 응력을 더욱 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그러나, 이 경우, 하측 강판 자체의 피로 강도가 저하하여, 용접 이음매의 피로 강도를 향상시킬 수 없는 것을 알 수 있었다.

그래서, 본 발명자들이 더욱 검토를 진행한 바, 용접 이음매에 있어서 2개의 강판이 겹쳐져 있는 부분의 일부를 가열함으로써, 용접 이음매의 피로 강도가 향상되는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 상기의 지견에 의거하여 이루어진 것이며, 하기의 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법 및 제조 방법, 및 겹침 용접 이음매를 요지로 하고 있다.

(1) 소정의 두께를 갖는 제1 강재의 일부와 소정의 두께를 갖는 제2 강재의 일부가 각각 겹침부로서 겹쳐져 있으며, 또한 상기 제1 강재의 가장자리부를 따라 연장되는 용접부에 의해 상기 가장자리부가 상기 제2 강재의 표면에 용접되어 있는 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법으로서,

상기 용접부의 연신방향에 수직이며 또한 상기 제2 강재의 상기 표면에 평행한 방향을 기준방향으로 하여, 상기 기준방향으로의 상기 겹침 용접 이음매의 이동을 규제하고, 상기 제1 강재의 두께방향으로의 상기 제1 강재의 이동을 규제하며, 또한 상기 제2 강재의 두께방향으로의 상기 제2 강재의 이동을 규제한 상태로, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 용융부가 형성되도록, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.

(2) 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 상기 용융부가 형성되도록, 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 상기 (1)의 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.

(3) 상기 용융부는, 상기 제1 강재의 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부에 대해 평행하게 연장되도록 형성되는, 상기 (1) 또는 (2)의 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.

(4) 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 가열 위치가, 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 2mm 이상 10mm 이하 떨어진 위치인, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.

(5) 레이저빔, 텅스텐 불활성 가스, 또는 전자빔에 의해 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.

(6) 상기 용융부는, 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 떨어진 위치에 형성되는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.

(7) 제1 강재와 제2 강재를 용접함으로써 접합체를 얻는 용접 공정과, 상기 접합체를 가열하는 가열 공정을 갖고,

상기 용접 공정은, 상기 제1 강재의 일부와 상기 제2 강재의 일부를 각각 겹침부로서 겹친 상태로, 상기 제1 강재의 가장자리부를 따라 용접부가 형성되도록 상기 가장자리부와 상기 제2 강재의 표면을 용접하는 공정을 포함하며,

상기 가열 공정은, 상기 용접부의 연신방향에 수직이며 또한 상기 제2 강재의 상기 표면에 평행한 방향을 기준방향으로 하여, 상기 기준방향으로의 상기 접합체의 이동을 규제하고, 상기 제1 강재의 두께방향으로의 상기 제1 강재의 이동을 규제하며, 또한 상기 제2 강재의 두께방향으로의 상기 제2 강재의 이동을 규제한 상태로, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 용융부가 형성되도록, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는 공정을 포함하는, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.

(8) 상기 가열 공정은, 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 상기 용융부가 형성되도록, 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는 공정을 포함하는, 상기 (7)의 겹침 용접 이음매의 제조 방법.

(9) 상기 가열 공정에 있어서, 상기 용융부는, 상기 제1 강재의 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부에 대해 평행하게 연장되도록 형성되는, 상기 (7) 또는 (8)의 겹침 용접 이음매의 제조 방법.

(10) 상기 가열 공정에서의 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 가열 위치가, 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 2mm 이상 10mm 이하 떨어진 위치인, 상기 (7) 내지 (9) 중 어느 하나의 겹침 용접 이음매의 제조 방법.

(11) 상기 가열 공정에서는, 레이저빔, 텅스텐 불활성 가스, 또는 전자빔에 의해 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 상기 (7) 내지 (10) 중 어느 하나의 겹침 용접 이음매의 제조 방법.

(12) 상기 가열 공정에서는, 상기 용융부는, 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 떨어진 위치에 형성되는, 상기 (7) 내지 (10) 중 어느 하나의 겹침 용접 이음매의 제조 방법.

(13) 제1 강재의 일부와 제2 강재의 일부가 각각 겹침부로서 겹쳐진 상태로 상기 제1 강재의 가장자리부가 상기 제2 강재의 표면에 용접되어 있는 겹침 용접 이음매로서,

상기 제1 강재의 가장자리부를 따라 연장되며 또한 상기 가장자리부를 상기 제2 강재에 접속하는 용접부와,

상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 있어서 상기 용접부로부터 떨어진 위치에 형성된 용융부를 가지며,

상기 용접부의 연신방향에 수직이며, 또한 상기 제2 강재의 상기 표면에 평행한 방향 중, 상기 용접부를 기준으로 하여 상기 제1 강재와는 반대측을 향하는 방향을 소정 방향으로 한 경우에,

상기 용접부의 상기 제2 강재의 표면 상의 용접 지단으로부터 상기 소정 방향으로 0.5mm 떨어진 위치에 있어서, 상기 제2 강재의 상기 표면에 발생한 잔류 응력은 상기 제2 강재의 두께방향에서의 중앙에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값인, 겹침 용접 이음매.

본 발명에 의하면, 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 충분히 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 따른 용접 이음매를 나타내는 사시도이다.
도 2는, 겹침 용접 이음매를 나타내는 측면도이다.
도 3은, 본 발명의 한 실시형태에 따른 피로 강도 향상 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3(a)는, 피로 강도가 향상되기 전의 용접 이음매를 나타내는 도면이고, 도 3(b)는, 가열 중의 용접 이음매를 나타내는 도면이며, 도 3(c)는, 규제 상태에서 해방된 용접 이음매를 나타내는 도면이다.
도 4는, 피로 강도 향상 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 4(a)는, 용융부가, 제2 강재의 이면으로부터 제1 강재를 향해 연장되도록 또한 제1 강재의 표면에 도달하지 않도록 형성된 용접 이음매를 나타내는 도면이고, 도 4(b)는, 용융부가 제1 강재 및 제2 강재를 관통하도록 형성된 용접 이음매를 나타내는 도면이며, 도 4(c)는, 용융부가, 제1 강재의 표면으로부터 제2 강재를 향해 연장되도록 또한 제2 강재의 이면에 도달하지 않도록 형성된 용접 이음매를 나타내는 도면이다.
도 5는, 용접 이음매의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 5(a)는, 용접 이음매의 다른 예를 나타내는 사시도이고, 도 5(b)는, 용접 이음매의 다른 예를 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은, 용접 이음매의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 6(a)는, 용접 이음매를 나타내는 종단면도이고, 도 6(b)는, 도 6(a)의 B-B선 단면도이다.
도 7은, FEM 해석 모델을 설명하기 위한 도면이다. 도 7(a)는, 본 발명에 따른 용접 이음매의 FEM 해석 모델을 나타내는 도면이고, 도 7(b)는, 비교예에 따른 용접 이음매의 FEM 해석 모델을 나타내는 도면이며, 도 7(c)는, 다른 비교예에 따른 용접 이음매의 FEM 해석 모델을 나타내는 도면이다.
도 8은, 제2 강재의 표면에 발생한 잔류 응력(해석 결과)을 나타내는 그래프이다.
도 9는, 제2 강재의 판두께 중앙에 발생한 잔류 응력(해석 결과)을 나타내는 그래프이다.
도 10은, 제2 강재의 표면에 발생한 잔류 응력에서 판두께 중앙에 발생한 잔류 응력을 감산하여 얻어지는 값을 나타내는 그래프이다.
도 11은, 해석 모델에 대한 굽힘 모멘트의 부가 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는, 해석 모델에 굽힘 모멘트를 부가했을 때의, 제2 강재의 표면의 응력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 13은, 굽힘 모멘트의 부가의 전후에서의 응력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 해석 모델의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 14(a)는, 용융부가 제2 강재의 이면에 도달하지 않은 해석 모델을 나타내는 도면이며, 도 14(b)는, 용융부가 제1 강재의 표면에 도달하지 않은 해석 모델을 나타내는 도면이다.
도 15는, 제2 강재의 표면에 발생한 잔류 응력을 나타내는 그래프이다.
도 16은, 실시예에 따른 용접 이음매를 나타내는 사시도이다.
도 17은 피로 시험편을 나타내는 도면이다. 도 17(a)는, 피로 시험편의 평면도이고, 도 17(b)는, 도 17(a)의 b-b선 단면도이다.
도 18은, 굽힘 피로 시험의 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법(이하, 간단히 향상 방법이라고도 한다.), 겹침 용접 이음매의 제조 방법, 및 겹침 용접 이음매에 대해 설명한다.

＜겹침 용접 이음매의 구성＞

우선, 겹침 용접 이음매(이하, 간단히 용접 이음매라고도 한다.)에 대해 설명한다. 도 1은, 용접 이음매(10)를 나타내는 사시도이며, 도 2는, 겹침 용접 이음매(10)를 나타내는 측면도이다. 또한, 도 1에 나타내는 용접 이음매(10)는, 후술하는 향상 방법에 의해 피로 강도가 향상된 용접 이음매(10)이다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 용접 이음매(10)는, 소정의 두께를 갖는 제1 강재(12), 소정의 두께를 갖는 제2 강재(14) 및 용접부(16)를 갖는다. 본 실시형태에서는, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)로서 각각 강판이 이용된다. 제1 강재(12)의 두께 및 제2 강재(14)의 두께는, 서로 동일해도 되고, 상이해도 된다. 제1 강재(12)로서는, 두께가 3.3mm 이하인 강재를 이용할 수 있다. 동일하게, 제2 강재(14)로서, 두께가 3.3mm 이하인 강재를 이용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 제1 강재(12)의 일부(12a)와 제2 강재(14)의 일부(14a)가 각각 겹침부로서 서로 겹쳐진 상태로, 제1 강재(12)의 가장자리부가 제2 강재(14)의 표면(14b)에 용접되어 있다. 이하에서는, 제1 강재(12)의 일부(12a)를 겹침부(12a)라고 하고, 제2 강재(14)의 일부(14a)를 겹침부(14a)라고 한다. 제1 강재(12)와 제2 강재(14)는, 예를 들면, 가스 용접, 아크 용접, 전자빔 용접, 또는 레이저빔 용접 등에 의해 용접되어 있다. 본 실시형태에서는, 용접부(16)는, 예를 들면, 제1 강재(12)의 상기 가장자리부를 따라 연장되는 용접 비드이며, 상기 가장자리부를 제2 강재(14)에 접속하고 있다.

또한 도 1에서는, 용접부(16)의 연신방향을 화살표 X로 나타내고 있다. 또 도 1 및 도 2에서는, 용접부(16)의 연신방향 X에 수직이며 또한 제2 강재(14)의 표면(14b)에 평행한 방향을 화살표 Y로 나타내고 있다. 이하, 화살표 Y로 나타내는 방향을 기준방향이라고 한다. 본 실시형태에서는, 기준방향 Y는, 용접부(16)를 기준으로 하여 제1 강재(12)측을 향하는 제1 방향 Y1과, 용접부(16)를 기준으로 하여 제1 강재(12)와는 반대측을 향하는 제2 방향(Y2)을 포함한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 제1 강재(12)의 표면(12b) 상에, 용접부(16)의 용접 지단(16a)이 형성되어 있다. 또, 제2 강재(14)의 표면(14b) 상에도, 용접부(16)의 용접 지단(16b)이 형성되어 있다.

제2 강재(14)의 겹침부(14a)의 일부에는 용융부(18)가 형성되어 있다. 용융부(18)는, 용접부(16)로부터 기준방향 Y(본 실시형태에서는, 제1 방향 Y1)으로 떨어진 위치에 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 용융부(18)는, 용접 지단(16a)으로부터 제1 방향 Y1로 거리 d1 떨어진 위치에 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 용접 이음매(10)의 바닥면에서 볼 때, 용융부(18)는, 용접부(16)에 대해 평행하게 연장되도록 형성되어 있다. 용융부(18)의 연신방향 X의 길이는, 제2 강재(14)의 폭의 0.5배 이상의 길이인 것이 바람직하고, 제2 강재(14)의 폭의 0.8배 이상의 길이인 것이 보다 바람직하며, 제2 강재(14)의 전체 폭에 걸쳐 있는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서 제2 강재(14)의 폭이란, 겹침부(14a)의 연신방향 X의 길이를 의미한다. 본 실시형태에서는, 용접 이음매(10)의 측면에서 볼 때, 용융부(18)는, 제2 강재(14)의 이면(14c)으로부터 표면(14b)을 향해(이면(14c)으로부터 제1 강재(12)의 이면(12c)을 향해) 연장되도록 형성되어 있다. 또한 거리 d1은, 기준방향 Y(제1 방향 Y1)에서의, 용융부(18)의 중심과 용접 지단(16a)의 거리를 나타낸다. 거리 d1은, 예를 들면, 1(mm) 이상으로 설정된다. 또 도 2를 참조하여, 기준방향 Y에 있어서, 제1 강재(12)와 제2 강재(14)가 겹쳐져 있는 부분의 길이를 L(mm)로 하면, 거리 d1은, 예를 들면, 0.2×L(mm)~0.8×L(mm)의 범위의 값으로 설정되어도 되고, 0.3×L(mm)~0.6×L(mm)의 범위의 값으로 설정되어도 된다. 거리 d1은, 예를 들면, 2mm 이상 10mm 이하로 설정되고, 바람직하게는 8mm 이하로 설정되며, 더욱 바람직하게는 6mm 이하로 설정된다. 길이 L은, 예를 들면, 10mm 이상으로 설정되며, 바람직하게는 40mm 이상으로 설정된다. 용융부(18)의 형성 방법에 대해서는 후술한다.

본 실시형태에 따른 용접 이음매(10)는, 용접 지단(16b)으로부터 제2 방향 Y2로 거리 d2 떨어진 위치에 있어서, 이하와 같은 응력 상태를 갖는다. 도 2를 참조하여, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 있어서 용접 지단(16b)으로부터 제2 방향 Y2로 거리 d2 떨어진 위치 20a에 발생한 잔류 응력은, 제2 강재(14)의 두께방향에서의 중앙(본 실시형태에서는, 판두께 중앙)에 있어서 용접 지단(16b)으로부터 제2 방향 Y2로 거리 d2 떨어진 위치 20b에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값이 되고 있다. 거리 d2는, 예를 들면, 0.5mm이다. 본 실시형태에서는, 상기 잔류 응력은, 기준방향 Y(제1 방향 Y1 및 제2 방향 Y2)에서의 잔류 응력을 의미한다.

또한, 위치 20a에 발생한 잔류 응력이 위치 20b에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값이란, 위치 20a에 압축 방향의 잔류 응력이 발생하고, 또한 위치 20b에 인장 방향의 잔류 응력이 발생한 경우에 한정되지 않는다. 예를 들면, 위치 20a 및 위치 20b에 모두 압축 방향의 잔류 응력이 발생하고, 또한 위치 20a의 압축 잔류 응력이 위치 20b의 압축 잔류 응력보다 큰 경우도, 위치 20a에 발생한 잔류 응력이 위치 20b에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값이라는 조건을 만족한다. 또 예를 들면, 위치 20a 및 위치 20b에 모두 인장 방향의 잔류 응력이 발생하며, 또한 위치 20a의 인장 잔류 응력이 위치 20b의 인장 잔류 응력보다 작은 경우도, 상기 조건을 만족한다. 또한, 용접 이음매(10)에 발생한 잔류 응력은, X선 회절법을 이용하여 측정한다.

＜피로 강도 향상 방법의 설명＞

이하, 본 발명의 한 실시형태에 따른 피로 강도 향상 방법에 대해 설명한다. 도 3은, 본 실시형태에 따른 향상 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 3(a) 및 (b)의 삼각형의 기호는, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)에 있어서 이동이 규제되고 있는 부분을 나타내고 있다. 또, 도 3(a)에 나타내는 용접 이음매(10a)는, 피로 강도를 향상하기 전의 용접 이음매(10)에 상당한다.

도 3(a)를 참조하여, 본 실시형태에서는, 우선, 도시 생략의 유지 부재에 의해, 용접 이음매(10a)의 기준방향 Y로의 이동 및 두께방향(본 실시형태에서는, 판두께 방향. 화살표 Z로 나타내는 방향)으로의 이동을 규제하도록, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 유지한다. 본 실시형태에서는, 제1 방향 Y1로의 제1 강재(12)의 이동 및 제1 강재(12)의 두께방향(이하, 판두께 방향이라고 기재한다.)으로의 제1 강재(12)의 이동을 규제하도록, 제1 강재(12)의 일단부(12d)가 유지된다. 또, 제2 방향 Y2로의 제2 강재(14)의 이동 및 제2 강재(14)의 두께방향(이하, 판두께 방향이라고 기재한다.)으로의 제2 강재(14)의 이동을 규제하도록, 제2 강재(14)의 일단부(14d)가 유지된다.

또한 본 실시형태에서는, 제1 강재(12)의 적어도 일부에 대해 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있으면 되고, 제1 강재(12)의 모든 부분에 대해, 판두께 방향으로의 이동을 규제할 필요는 없다. 또, 제2 강재(14)의 적어도 일부에 대해 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있으면 되고, 제2 강재(14)의 모든 부분에 대해, 판두께 방향으로의 이동을 규제할 필요는 없다. 예를 들면, 단면(12e)(제1 강재(12)의 제1 방향 Y1측의 끝)에서만, 제1 강재(12)의 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있어도 된다. 또 예를 들면, 표면(12b) 및 이면(12c) 중 한쪽에서만, 제1 강재(12)의 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있어도 된다. 또 예를 들면, 단면(14e)(제2 강재(14)의 제2 방향 Y2측의 끝)에서만, 제2 강재(14)의 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있어도 된다. 또 예를 들면, 표면(14b) 및 이면(14c) 중 한쪽에서만, 제2 강재(14)의 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있어도 된다.

또, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)가 유지되는 부분은 상술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 강재(12) 중, 기준방향 Y에 있어서, 겹침부(12a)를 기준으로 하여, 용접부(16)와는 반대측의 임의의 부분이 상기 유지 부재에 의해 유지되어도 된다. 즉, 제1 강재(12)에 있어서, 겹침부(12a)와 일단부(12d) 사이의 임의의 부분이 유지되어도 된다. 이 경우, 예를 들면, 제1 강재(12)의 상기 임의의 부분의 제1 방향 Y1로의 이동 및 판두께 방향으로의 이동을 규제하도록, 제1 강재(12)를 유지해도 된다. 또 예를 들면, 제2 강재(14) 중, 기준방향 Y에 있어서, 용접부(16)를 기준으로 하여, 겹침부(14a)와는 반대측의 임의의 부분이 상기 유지 부재에 의해 유지되어도 된다. 즉, 제2 강재(14)에 있어서, 용접부(16)와 일단부(14d) 사이의 임의의 부분이 유지되어도 된다. 이 경우, 예를 들면, 제2 강재(14)의 상기 임의의 부분의 제2 방향 Y2로의 이동 및 판두께 방향으로의 이동을 규제하도록, 제2 강재(14)를 유지해도 된다.

다음으로, 도 3(b)를 참조하여, 상기와 같이 용접 이음매(10a)의 이동을 규제한 상태(이하, 규제 상태라고도 한다.)로, 제2 강재(14)의 겹침부(14a)의 일부를 가열함으로써, 그 겹침부(14a)의 일부에 상술한 용융부(18)를 형성한다. 본 실시형태에서는, 예를 들면, 가열 장치(22)를 이용하여, 제2 강재(14)의 이면(14c)을 가열함으로써, 제2 강재(14)에 용융부(18)를 형성한다. 본 실시형태에서는, 제2 강재(14)의 겹침부(14a)의 가열 위치는, 예를 들면, 기준방향 Y에 있어서 용접부(16)로부터 0.2×L(도 2 참조)~0.8×L 떨어진 위치이다. 구체적으로는, 상기 가열 위치는, 예를 들면, 용접부(16)로부터 기준방향 Y로 2mm 이상 10mm 이하 떨어진 위치이다. 본 실시형태에서는, 상기 가열 위치와 용접부(16)의 기준방향 Y에서의 거리는, 기준방향에서의 가열 중심과 용접 지단(16a)의 거리로 나타내어진다. 또한, 용융부(18)는, 예를 들면, 레이저빔, 텅스텐 불활성 가스, 또는 전자빔 등에 의해 형성할 수 있다. 용융부(18)의 기준방향 Y에서의 길이는, 예를 들면, 1~2mm이다. 가열 온도는, 강재의 융점보다 높으면 된다. 본 실시형태에서는, 제2 강재(14)에 용융부(18)가 형성되므로, 가열 온도는, 제2 강재(14)의 융점보다 높은 온도로 설정된다. 또한, 후술의 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)에 용융부(18)가 형성되는 경우에는, 가열 온도는, 제1 강재(12)의 융점 및 제2 강재(14)의 융점보다 높은 온도로 설정된다. 예를 들면, 강재로서 SUS316L을 이용하는 경우는, 가열 온도는 1400℃ 이상이다.

본 실시형태에서는, 상기와 같이 하여 용융부(18)를 형성한 후, 예를 들면, 용접 이음매(10a)의 규제 상태를 유지하면서 그 용접 이음매(10a)를 냉각한다. 구체적으로는, 예를 들면, 용융부(18)의 온도가 200℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이하, 더욱 바람직하게는 상온이 될 때까지, 용접 이음매(10a)의 규제 상태를 유지한다.

다음으로, 도 3(c)를 참조하여, 용접 이음매(10a)를 규제 상태로부터 해방한다. 즉, 용접 이음매(10a)의 기준방향 Y 및 판두께 방향으로의 이동의 규제를 해제한다. 이에 따라, 도 2를 참조하여, 위치 20a에 발생한 잔류 응력이 위치 20b에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값이 된 용접 이음매(10)를 얻을 수 있다.

또한 본 실시형태에 있어서, 용접 이음매(10a)의 이동을 규제한다는 것은, 용접 이음매(10a)의 이동을 완전히 규제하는 것만을 의미하는 것은 아니다. 예를 들면, 용접 이음매(10a)의 기준방향 Y로의 이동이 규제된 상태란, 기준방향 Y에 있어서, 상기 유지 부재에 의해 유지된 제1 강재(12)의 임의의 부분과 상기 유지 부재에 의해 유지된 제2 강재(14)의 임의의 부분의 상대적인 위치 관계가 유지된 상태를 의미한다. 따라서, 상기 상대적인 위치 관계가 유지되어 있으면, 제1 강재(12)의 상기 임의의 부분과, 제2 강재(14)의 상기 임의의 부분이, 기준방향 Y로 동시에 이동해도 된다. 동일하게, 용접 이음매(10a)의 판두께 방향으로의 이동이 규제된 상태란, 판두께 방향에 있어서, 상기 유지 부재에 의해 유지된 제1 강재(12)의 임의의 부분과 상기 유지 부재에 의해 유지된 제2 강재(14)의 임의의 부분의 상대적인 위치 관계가 유지된 상태를 의미한다.

＜본 실시형태의 효과＞

용융부(18)가 형성된 용접 이음매(10)에서는, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 있어서, 용접 지단(16b)의 근방에 큰 인장 잔류 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 위치 20a에 발생한 잔류 응력이 위치 20b에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값이 된다. 이에 따라, 예를 들면, 제2 강재(14)에 있어서 용접 지단(16b)의 근방에 기준방향 Y의 힘이 작용했다고 해도, 표면(14b)에 있어서 용접 지단(16b)의 근방에, 기준방향 Y의 큰 인장 응력이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 종래의 용접 이음매와 비교하여, 용접 지단(16b)의 근방에 있어서 제2 강재(14)의 표면(14b)측에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 즉, 우수한 피로 강도를 갖는 용접 이음매(10)를 얻을 수 있다. 또한, 보다 우수한 피로 강도를 갖는 용접 이음매(10)를 얻기 위해서는, 위치 20a에 발생한 잔류 응력이 위치 20b에 발생한 잔류 응력보다 150MPa 이상 압축측의 값이 되는 것이 바람직하고, 200MPa 이상 압축측의 값이 되는 것이 보다 바람직하다.

또, 본 실시형태에 따른 용접 이음매(10)에서는, 제2 강재(14)의 겹침부(14a)의 일부에 용융부(18)를 형성함으로써, 위치 20a에 발생하는 잔류 응력을 상기와 같이 압축측의 값으로 할 수 있다. 여기서, 제1 강재(12)가 제1 방향 Y1로 잡아당겨지고, 제2 강재(14)가 제2 방향 Y2로 잡아당겨지는 경우에는, 제1 강재(12)에 기준방향 Y의 인장 응력이 발생함과 더불어, 제2 강재(14) 중 용접부(16)보다 제2 방향 Y2측의 부분에 기준방향 Y의 인장 응력이 발생한다. 한편, 제2 강재(14) 중 용접부(16)보다 제1 방향 Y1측의 부분, 즉 제2 강재(14)의 겹침부(14a)에는 인장 응력이 거의 발생하지 않는다. 이 때문에, 제2 강재(14)의 겹침부(14a)의 일부에 용융부(18)를 형성함으로써, 가령 겹침부(14a)의 강도가 저하했다고 해도, 용접 이음매(10)의 인장 강도가 저하하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 용접 이음매(10)의 인장 강도를 저하시키지 않고, 위치 20a에 발생하는 잔류 응력을 상기와 같이 압축측의 값으로 할 수 있다.

＜용접 이음매의 제조 방법의 설명＞

상술한 실시형태에서는, 기존의 용접 이음매(10a)를 가열함으로써 피로 강도가 향상된 용접 이음매(10)를 얻는 방법에 대해 설명하였지만, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)로부터 용접 이음매(10)를 얻어도 된다. 이 경우, 우선, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 용접함으로써, 도 3(a)에 나타낸 용접 이음매(10a)와 동일한 구성을 갖는 접합체를 얻는다(용접 공정). 구체적으로는, 용접 공정에서는, 제1 강재(12)의 겹침부(12a)와 제2 강재(14)의 겹침부(14a)를 겹친 상태로, 제1 강재(12)의 가장자리부를 따라 용접부(16)가 형성되도록, 상기 가장자리부와 제2 강재(14)의 표면(14b)을 용접한다. 그 후, 용접 공정에서 얻어진 접합체에 가열 공정(상술한 향상 방법에 상당하는 공정)을 실시함으로써, 용접 이음매(10)를 얻을 수 있다.

＜변형예＞

상술한 실시형태에서는, 용융부(18)가 제2 강재(14)의 겹침부(14a)에만 형성되는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 용융부(18)가 형성되는 영역은 상술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 4(a)~(c)에 나타내는 바와 같이, 제1 강재(12)의 겹침부(12a)의 일부 및 제2 강재(14)의 겹침부(14a)의 일부에 걸쳐 용융부(18)가 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 제1 강재(12)의 겹침부(12a)와 제2 강재(14)의 겹침부(14a)가 용접되므로, 용융부(18)를 형성해도, 겹침부(12a) 및 겹침부(14a)에 있어서 용접 이음매(10)의 강도가 저하하는 것을 방지할 수 있다. 또한 이 경우, 용융부(18)는, 예를 들면, 용접부(16)에 대해 평행하게 연장되도록 형성된다.

또한 도 4(a)에 나타낸 용융부(18)는, 제1 강재(12)의 표면(12b)에 도달하지 않도록, 제2 강재(14)의 이면(14c)으로부터 제1 강재(12)의 표면(12b)을 향해 연장되어 있다. 이 용융부(18)는, 상술한 실시형태와 동일하게, 예를 들면, 제2 강재(14)의 이면(14c)측에서 겹침부(12a) 및 겹침부(14a)를 가열함으로써 형성할 수 있다.

도 4(b)에 나타낸 용융부(18)는, 제1 강재(12)의 겹침부(12a) 및 제2 강재(14)의 겹침부(14a)를 관통하고 있다. 이 용융부(18)는, 예를 들면, 상술한 실시형태와 동일하게 제2 강재(14)의 이면(14c)측에서 겹침부(12a) 및 겹침부(14a)를 가열함으로써도 형성할 수 있고, 제1 강재(12)의 표면(12b)측에서 겹침부(12a) 및 겹침부(14a)를 가열함으로써도 형성할 수 있다.

도 4(c)에 나타낸 용융부(18)는, 제2 강재(14)의 이면(14c)에 도달하지 않도록, 제1 강재(12)의 표면(12b)으로부터 제2 강재(14)의 이면(14c)을 향해 연장되어 있다. 이 용융부(18)는, 예를 들면, 제1 강재(12)의 표면(12b)측에서 겹침부(12a) 및 겹침부(14a)를 가열함으로써 형성할 수 있다.

상술한 실시형태에서는, 평면에서 볼 때 직사각형상의 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 갖는 용접 이음매(10)의 피로 강도를 향상시키는 방법에 대해 설명하였다. 그러나, 용접 이음매의 형상은 상술한 예에 한정되지 않으며, 본 발명은, 여러 가지 형상의 용접 이음매에 적용할 수 있다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 바와 같은 용접 이음매(24)에 본 발명을 적용해도 된다. 이하, 용접 이음매(24)에 대해 간단히 설명한다.

도 5(a)는, 용접 이음매(24)를 나타내는 사시도이고, 도 5(b)는, 용접 이음매(24)를 나타내는 분해 사시도이다. 도 5(a)를 참조하여, 용접 이음매(24)는, 제1 부재(26), 제2 부재(28), 및 제1 부재(26)와 제2 부재(28)를 접속하는 용접부(30)를 갖는다. 제1 부재(26) 및 제2 부재(28)는 각각 강으로 이루어진다. 또, 제1 부재(26) 및 제2 부재(28)의 두께는, 예를 들면, 3.3mm 이하이다.

도 5(a), (b)를 참조하여, 제1 부재(26)는 각관형상을 가지며, 4개의 판형부(32, 34, 36, 38)를 갖고 있다. 판형부(32)와 판형부(36)는, 서로 마주 보며 또한 평행하게 설치되어 있다. 판형부(34)와 판형부(38)는, 서로 마주 보며 또한 평행하게 설치되어 있다. 판형부(34, 38)는 각각, 판형부(32)와 판형부(36)를 접속하고 있다. 판형부(32)의 일부(32a) 및 판형부(36)의 일부(36a)는, 판형부(34, 38)보다 제2 부재(28)측으로 돌출되어 있다.

제2 부재(28)는 각관형상을 가지며, 4개의 판형부(40, 42, 44, 46)를 갖고 있다. 판형부(40)와 판형부(44)는, 서로 마주 보며 또한 평행하게 설치되어 있다. 판형부(42)와 판형부(46)는, 서로 마주 보며 또한 평행하게 설치되어 있다. 판형부(42, 46)는 각각, 판형부(40)와 판형부(44)를 접속하고 있다.

제1 부재(26)와 제2 부재(28)를 용접할 때에는, 판형부(32)의 일부(32a)와 판형부(36)의 일부(36a) 사이에 제2 부재(28)를 끼워 넣는다. 용접 이음매(24)에서는, 핀형부(32)의 일부(32a)와 판형부(40)의 일부가 각각 겹침부로서 서로 겹치고, 또한 판형부(36)의 일부(36a)와 판형부(44)의 일부가 각각 겹침부로서 서로 겹쳐진 상태로, 제1 부재(26)와 제2 부재(28)가 용접되어 있다. 용접부(30)는, 제1 부재(26)에서의 제2 부재(28)측의 가장자리부를 따라 형성되어 있다.

본 실시형태에서는, 판형부(32) 및 판형부(36)가 각각 제1 강재에 상당하고, 판형부(40) 및 판형부(44)가 각각 제2 강재에 상당한다. 도 5(a)를 참조하여, 본 실시형태에서는, 예를 들면, 용접부(30)가 판형부(32)에서의 제2 부재(28)측의 가장자리부를 따라 연장되는 방향을 상술한 연신방향 X로 하여, 기준방향 Y를 규정한다. 이와 같이 기준방향 Y를 규정하여, 상술한 실시형태와 동일하게, 예를 들면, 판형부(32)의 일부(32a) 및 판형부(40) 중 상기 일부(32a)에 겹치는 부분에 용융부(48)를 형성한다. 상세한 설명은 생략하지만, 동일하게, 용접부(30)가 판형부(36)에서의 제2 부재(28)측의 가장자리부를 따라 연장되는 방향을 연신방향으로 하여, 기준방향을 규정한다. 이와 같이 기준방향을 규정하여, 상술한 실시형태와 동일하게, 예를 들면, 판형부(36)의 일부(36a) 및 판형부(44) 중 상기 일부(36a)에 겹치는 부분에 용융부를 형성한다. 이에 따라, 상술한 용접 이음매(10)와 동일하게, 용접 이음매(24)에서도, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 한쪽 부재의 판형부를, 다른 쪽 부재의 판형부에 용접한 구성을 갖는 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 향상시킬 때에는, 한쪽의 판형부를 제1 강재로 규정하고, 다른 쪽의 판형부를 제2 강재로 규정하여, 본 발명을 이용할 수 있다.

상술한 실시형태에서는, 제1 강재 및 제2 강재가 각각, 강판 또는 평판형의 부분으로 이루어지는 경우에 대해 설명하였지만, 제1 강재 및 제2 강재의 형상은 상술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 강재가 곡면형의 표면 및/또는 이면을 가지며, 제2 강재가 곡면형의 표면 및/또는 이면을 갖고 있어도 된다. 구체적으로는, 예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같은 용접 이음매(10b)에 본 발명을 적용해도 된다.

도 6(a)는, 용접 이음매(10b)를 나타내는 종단면도이고, 도 6(b)는, 도 6(a)의 B-B선 단면도이다. 도 6(a)를 참조하여, 용접 이음매(10b)가 상술한 용접 이음매(10)와 다른 것은, 제1 강재(12)가 반원통형상을 갖고 있는 점과, 제2 강재(14)가 원통형상을 갖고 있는 점이다. 즉, 본 실시형태에서는, 제1 강재(12)는 곡면형상(반원통형상)의 이면(12c)을 가지며, 제2 강재(14)는 곡면형상(원통형상)의 표면(14b)을 갖고 있다. 본 실시형태에서도, 상술한 실시형태와 동일하게, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)의 두께는, 예를 들면, 3.3mm 이하이다.

용접 이음매(10b)에서는, 이면(12c)의 일부와 표면(14b)의 일부가 마주 본 상태로, 제1 강재(12)와 제2 강재(14)가 용접부(16)에 의해 접합되어 있다. 본 실시형태에서는, 용접부(16)는, 제1 강재(12)의 가장자리부를 따라, 제2 강재(14)의 원주방향(도 6(b)에 화살표 X로 나타내는 방향)으로 연장되어 있다. 또 본 실시형태에서도, 용융부(18)는, 용접부(16)에 대해 평행하게 연장되도록, 겹침부(14a)에 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 용융부(18)는, 제2 강재(14)의 원주방향 X로 연장되도록 형성되어 있다. 또한 용융부(18)는, 상술한 실시형태와 동일하게, 겹침부(12a)에 형성되어도 된다.

도 6에 나타낸 용접 이음매(10b)에서도, 상술한 실시형태와 동일하게, 기준방향 Y, 제1 방향 Y1, 제2 방향 Y2, 위치 20a, 위치 20b, 거리 d1, 거리 d2, 및 거리 L을 규정하여, 본 발명을 이용할 수 있다. 또한, 상세한 설명은 생략하지만, 제1 강재가 원통형상을 가지며, 제2 강재가 반원통형상을 갖고 있어도 된다. 또, 제1 강재 및 제2 강재가 모두 반원통형상을 갖고 있어도 되고, 제1 강재 및 제2 강재가 모두 원통형상을 갖고 있어도 된다.

＜시뮬레이션에 의거한 검토 1＞

이하, 컴퓨터를 이용한 FEM 해석에 의한 시뮬레이션 결과와 함께, 본 발명의 효과를 설명한다. 도 7(a)는, 본 발명에 따른 용접 이음매의 FEM 해석 모델 50(이하, 간단히 해석 모델 50이라고 한다.)을 나타내는 도면이고, 도 7(b)는, 비교예에 따른 용접 이음매의 FEM 해석 모델 55(이하, 간단히 해석 모델 55라고 한다.)를 나타내는 도면이며, 도 7(c)는, 다른 비교예에 따른 용접 이음매의 FEM 해석 모델 60(이하, 간단히 해석 모델 60이라고 한다.)을 나타내는 도면이다. 각 해석 모델은, 평면 변형 요소를 이용한 2차원 해석 모델이며, 요소수는 1986이었다. 또, 해석은, 선형 이동 경화법칙에 의거하여 행하였다. 제1 강재(12), 제2 강재(14) 및 용접부(16)의 재료는, SUS316L로 하였다. 또한, 도 7(a), (b), (c) 및 후술의 도 11, 14에서는, 해석 모델의 구속점을 삼각형의 기호로 나타내고 있다.

해석 모델 50, 55, 60의 어느 것이나, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)의 두께는 3.2mm로 하였다. 제1 강재(12)의 용접부(16)측의 끝으로부터 제1 방향 Y1로 1mm의 영역은, 제2 강재(14)와 결합되어 있는 것으로 하였다. 또, 제1 강재(12)와 제2 강재(14) 사이의 정지 마찰계수는 0.2로 하였다.

해석 모델 50을 이용한 시뮬레이션에서는, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 관통하는 용융부(18)를 형성하는 것을 상정하여, 하기의 표 1에 나타내는 바와 같이, 용융부(18)가 되는 부분을 상온(20℃)으로부터 1400℃ 이상이 될 때까지 가열하였다. 또 하기의 표 1에 나타내는 바와 같이, 거리 d1은 3mm, 6mm 및 8mm로 설정하였다. 용융부(18)의 기준방향 Y에서의 폭은 2mm로 하였다. 그 후, 용접 이음매를 상온(20℃)까지 냉각한 후, 용접 이음매의 양단부의 구속을 해제하여, 용접 지단(16b) 근방에 발생한 잔류 응력을 조사하였다.

또한, 해석 모델 50을 이용한 시뮬레이션에서는, 가열 시 및 냉각 시에, 이하와 같이 용접 이음매를 구속하였다. 제1 강재(12)의 단면(12e)에 있어서, 제1 강재(12)의 기준방향 Y로의 이동을 규제하고, 단면(12e)으로부터 제2 방향 Y2로 길이 L1의 영역에 있어서, 제1 강재(12)의 판두께 방향으로의 이동을 규제하였다. 제2 강재(14)의 단면(14e)에 있어서, 제2 강재(14)의 기준방향 Y로의 이동을 규제하고, 단면(14e)으로부터 제1 방향 Y1로 길이 L2의 영역에 있어서, 제2 강재(14)의 판두께 방향으로의 이동을 규제하였다. 하기의 표 1에 나타내는 바와 같이, 길이 L1은 0mm, 5mm, 10mm, 15mm, 및 35mm로 설정하였다. 또한, 길이 L1을 0mm로 설정한 경우란, 제1 강재(12)에 있어서 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있는 장소가, 단면(12e)뿐인 경우를 의미한다. 길이 L2는 0mm, 5mm, 10mm, 15mm, 및 25mm로 설정하였다. 길이 L2를 0mm로 설정한 경우란, 제2 강재(14)에 있어서 판두께 방향으로의 이동이 규제되고 있는 장소가, 단면(14e)뿐인 경우를 의미한다.

[표 1]

해석 모델 55를 이용한 시뮬레이션에서는, 해석 모델 50을 이용한 시뮬레이션과 동일한 가열 조건 및 냉각 조건으로 해석을 행하였다. 또한, 상기의 표 1에 나타내는 바와 같이, 거리 d1은 3mm로 하였다. 용융부(18)의 기준방향 Y에서의 폭은 2mm로 하였다. 또 가열 시 및 냉각 시에는, 제1 강재(12)의 단면(12e)에 있어서, 제1 강재(12)의 기준방향 Y로의 이동을 규제하고, 제2 강재(14)의 단면(14e)에 있어서, 제2 강재(14)의 기준방향 Y로의 이동을 규제하였다. 제1 강재(12)의 판두께 방향으로의 이동 및 제2 강재(14)의 판두께 방향으로의 이동은 규제하지 않았다.

또, 해석 모델 60을 이용한 시뮬레이션에서는, 용접 지단(16b)으로부터 제2 방향 Y2로 거리 d3 떨어진 영역(60a)을, 상온(20℃)으로부터 제2 강재(14)가 용융되지 않는 온도까지 가열하였다. 상기의 표 1에 나타내는 바와 같이, 거리 d3은 3mm 및 11mm로 설정하였다. 가열 온도는 650℃ 및 800℃로 설정하였다. 그 후, 용접 이음매를 상온(20℃)까지 냉각한 후, 용접 이음매의 양단부의 구속을 해제하여, 용접 지단(16b) 근방에 발생한 잔류 응력을 조사하였다. 또한 가열 시 및 냉각 시에는, 제1 강재(12)의 단면(12e)에 있어서, 제1 강재(12)의 기준방향 Y로의 이동을 규제하고, 단면(12e)으로부터 제2 방향 Y2로 길이 35mm의 영역에 있어서, 제1 강재(12)의 판두께 방향으로의 이동을 규제하였다. 또, 제2 강재(14)의 단면(14e)에 있어서, 제2 강재(14)의 기준방향 Y로의 이동을 규제하고, 단면(14e)으로부터 제1 방향 Y1로 길이 25mm의 영역에 있어서, 제2 강재(14)의 판두께 방향으로의 이동을 규제하였다.

도 8 및 도 9에, 용접 지단(16b) 근방에 발생한 기준방향 Y의 잔류 응력을 나타낸다. 도 8은, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 발생한 잔류 응력을 나타내고, 도 9는, 제2 강재(14)의 판두께 중앙에 발생한 잔류 응력을 나타낸다. 도 8 및 도 9에서는, 인장 잔류 응력을 양의 값으로 나타내고, 압축 잔류 응력을 음의 값으로 나타내고 있다. 후술의 도 12, 도 13 및 도 15에서도 동일하다. 또 도 10에, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 발생한 잔류 응력에서 판두께 중앙에 발생한 잔류 응력을 감산하여 얻어지는 값을 나타낸다. 또한 도 8~도 10에 있어서 횡축은, 용접 지단(16b)으로부터 제2 방향 Y2로의 거리를 나타내고 있다. 후술의 도 12 및 도 15에서도 동일하다.

또, 상기와 같이 하여 가열 및 냉각한 후의 해석 모델 50(구체적으로는, 표 1의 해석 No.1~7에서 사용한 해석 모델 50)에 굽힘 모멘트(0.4N·m)를 부가하였다. 구체적으로는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 제2 강재(14)의 제2 방향 Y2측의 단부를 구속한 상태로, 제1 강재(12)의 소정의 위치 P에 굽힘 모멘트를 부가하였다. 도시는 생략하지만, 가열 및 냉각한 후의 해석 모델 60에 대해서도, 동일하게 굽힘 모멘트를 부가하였다. 해석 모델 50, 60에 굽힘 모멘트를 부가했을 때의, 제2 강재(14)의 표면(14b)의 응력 분포를 도 12에 나타낸다. 또한 도 12에는, 비교를 위해, 가열 전(즉, 용융부(18)를 형성하기 전)의 해석 모델에 굽힘 모멘트를 부가했을 때의, 제2 강재(14)의 표면(14b)의 응력 분포를 해석 No.13으로서 나타내고 있다. 또 도 13에, 굽힘 모멘트의 부가의 전후에서의 응력의 변화를 나타낸다. 또한 도 13에는, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 있어서 용접 지단(16b)으로부터 제2 방향 Y2로 0.5mm의 위치(응력의 변화량이 가장 커진 위치)의 응력을 나타내고 있다.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 용접 이음매의 해석 모델 50(해석 No.1~7)에서는, 비교예에 따른 용접 이음매의 해석 모델 55, 60(해석 No.8~12)에 비해, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 있어서 용접 지단(16b)의 근방에, 충분히 큰 압축 잔류 응력을 발생시킬 수 있었다. 또, 도 8 및 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 해석 모델 50(해석 No.1~7)에서는, 해석 모델 55, 60(해석 No.8~12)에 비해, 용접 지단(16b)의 근방에 있어서, 표면(14b)에 발생하는 잔류 응력을, 판두께 중앙에 발생하는 잔류 응력보다, 충분히 압축측의 값으로 할 수 있었다. 또, 해석 No.1의 결과와, 해석 No.2~7의 결과의 비교로부터, 적어도 단면(12e)(도 7 참조)에 있어서, 제1 강재(12)의 제1 방향 Y1로의 이동 및 판두께 방향으로의 이동을 규제하고, 적어도 단면(14e)(도 7 참조)에 있어서, 제2 강재(14)의 제2 방향 Y2로의 이동 및 판두께 방향으로의 이동을 규제함으로써, 용접 지단(16b)의 근방에 있어서, 표면(14b)에 발생하는 잔류 응력을, 판두께 중앙에 발생하는 잔류 응력보다 충분히 압축측의 값으로 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 12 및 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 굽힘 모멘트를 부가했을 때에, 해석 모델 50(해석 No.1~7)에서는, 해석 모델 60(해석 No.9~12) 및 가열 전의 해석 모델(해석 No.13)에 비해, 표면(14b)에 있어서 용접 지단(16b)의 근방에 발생하는 인장 응력을 충분히 낮게 할 수 있었다. 이상으로부터, 본 발명에 따른 용접 이음매에 의하면, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 있어서 용접 지단(16b) 근방에 큰 인장 응력이 발생하는 것을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 충분히 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 도 12에 나타낸 결과에서는, 거리 d1을 8mm보다 작게 함으로써, 굽힘 모멘트를 부가했을 때에 발생하는 인장 응력을 보다 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 거리 d1을 6mm보다 작게 함으로써 굽힘 모멘트를 부가했을 때에 발생하는 인장 응력을 더욱 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.

＜시뮬레이션에 의거한 검토 2＞

상술한 시뮬레이션에서는, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 관통하도록 용융부(18)를 형성하는 경우를 상정하여 해석을 행하였지만, 본 시뮬레이션에서는, 용융부(18)의 형성 영역을 바꾸어, 용접 지단(16b) 근방의 잔류 응력을 조사하였다.

도 14(a), (b)를 참조하여, 본 시뮬레이션에서는, 용융부(18)가 제2 강재(14)의 이면(14c)에 도달하지 않은 해석 모델 70, 및 용융부(18)가 제1 강재(12)의 표면(12b)에 도달하지 않은 해석 모델 80을 이용하였다. 거리 d1은 3mm로 하였다. 또한, 용융부(18) 이외에 대해서는, 상술한 해석 모델 50과 동일한 조건으로, 해석 모델 70, 80을 작성하였다. 구속 조건은, 표 1의 해석 No.5(L1=35mm, L2=25mm)의 구속 조건과 동일하다.

상술한 해석 모델 50에 대한 조건과 동일한 조건으로, 해석 모델 70, 80을 가열 및 냉각하여, 제2 강재(14)의 표면(14b)에 발생한 잔류 응력을 조사하였다. 그 결과를 도 15에 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 해석 모델 50의 해석 No.5(d1=3mm)의 해석 결과도 도 15에 나타낸다.

도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 용융부(18)가 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 관통하지 않은 경우여도, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)를 관통하도록 용융부(18)를 형성한 경우와 동일한 효과가 얻어졌다.

[실시예]

도 3에서 설명한 본 실시형태에 따른 향상 방법을 이용하여, 도 16에 나타내는 형상·치수를 갖는 복수의 용접 이음매(10)를 작성하였다. 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)의 두께는 각각 1.6mm로 하고, 상술한 거리 L은 10mm로 설정하며, 상술한 거리 d1은 3mm 및 6mm로 설정하였다. 이하, 거리 d1을 3mm로 설정한 용접 이음매(10)를, 실시예 1의 용접 이음매(10)라고 하고, 거리 d1을 6mm로 설정한 용접 이음매(10)를, 실시예 2의 용접 이음매(10)라고 한다. 또한, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)는 아크 용접에 의해 접합하였다. 또 용융부(18)는, 레이저빔에 의해, 제1 강재(12) 및 제2 강재(14)에 걸쳐 형성하였다. 실시예 1 및 실시예 2의 용접 이음매(10)로부터, 도 17에 나타내는 형상·치수를 갖는 피로 시험편을 2개씩 채취하였다. 또한 도 17에 있어서, (a)는 피로 시험편의 평면도이며, (b)는 (a)의 b-b선 단면도이다. 또 도 17(a)에서는, 도면이 번잡해지는 것을 피하기 위해, 용융부(18)는 도시하고 있지 않다. 또, 용융부(18)를 갖고 있지 않은 점(가열 및 냉각 처리를 행하지 않은 점)을 제외하고, 실시예 1 및 실시예 2의 용접 이음매와 동일한 구성을 갖는 용접 이음매를, 비교예의 용접 이음매로서 작성하였다. 작성한 비교예의 용접 이음매로부터, 도 17에 나타내는 형상·치수를 갖는 피로 시험편을 3개 채취하였다.

실시예 1, 2의 용접 이음매(10) 및 비교예의 용접 이음매에서 채취한 상술한 시험편을 이용하여 굽힘 피로 시험을 실시하였다. 굽힘 피로 시험의 결과를 도 18에 나타낸다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 본 발명을 적용한 실시예 1, 2의 용접 이음매(10)에서는, 본 발명을 적용하지 않은 비교예의 용접 이음매에 비해, 피로 수명이 충분히 향상되었다. 구체적으로는, 예를 들면, 최대 응력이 330MPa일 때의 피로 수명을 비교하면, 실시예 1, 2의 용접 이음매(10)의 피로 수명은, 비교예의 용접 이음매의 피로 수명의 약 8.4~8.7배가 되었다. 또 예를 들면, 최대 응력이 360MPa일 때의 피로 수명을 비교하면, 실시예 1, 2의 용접 이음매(10)의 피로 수명은, 비교예의 용접 이음매의 피로 수명의 약 1.4~1.8배가 되었다. 이상으로부터, 본 발명에 의하면, 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 충분히 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명에 의하면, 겹침 용접 이음매의 피로 강도를 충분히 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은, 자동차의 차체 등의 구성 부재로서 사용되는 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상에 적합하게 이용할 수 있다.

10, 10a, 10b, 24 : 용접 이음매
12 : 제1 강재
14 : 제2 강재
16, 30 : 용접부
18, 48 : 용융부
26 : 제1 부재
28 : 제2 부재
32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 : 판형부

Claims

소정의 두께를 갖는 제1 강재의 일부와 소정의 두께를 갖는 제2 강재의 일부가 각각 겹침부로서 겹쳐져 있으며, 또한 상기 제1 강재의 가장자리부를 따라 연장되는 용접부에 의해 상기 가장자리부가 상기 제2 강재의 표면에 용접되어 있는 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법으로서,
상기 용접부의 연신방향에 수직이며 또한 상기 제2 강재의 상기 표면에 평행한 방향을 기준방향으로 하여, 상기 기준방향으로의 상기 겹침 용접 이음매의 이동을 규제하고, 상기 제1 강재의 두께방향으로의 상기 제1 강재의 이동을 규제하며, 또한 상기 제2 강재의 두께방향으로의 상기 제2 강재의 이동을 규제한 상태로, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 용융부가 형성되도록, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 상기 용융부가 형성되도록, 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 용융부는, 상기 제1 강재의 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부에 대해 평행하게 연장되도록 형성되는, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 강재의 상기 겹침부의 가열 위치가, 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 2mm 이상 10mm 이하 떨어진 위치인, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
레이저빔, 텅스텐 불활성 가스, 또는 전자빔에 의해 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융부는, 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 떨어진 위치에 형성되는, 겹침 용접 이음매의 피로 강도 향상 방법.
제1 강재와 제2 강재를 용접함으로써 접합체를 얻는 용접 공정과, 상기 접합체를 가열하는 가열 공정을 갖고,
상기 용접 공정은, 상기 제1 강재의 일부와 상기 제2 강재의 일부를 각각 겹침부로서 겹친 상태로, 상기 제1 강재의 가장자리부를 따라 용접부가 형성되도록 상기 가장자리부와 상기 제2 강재의 표면을 용접하는 공정을 포함하며,
상기 가열 공정은, 상기 용접부의 연신방향에 수직이며 또한 상기 제2 강재의 상기 표면에 평행한 방향을 기준방향으로 하여, 상기 기준방향으로의 상기 접합체의 이동을 규제하고, 상기 제1 강재의 두께방향으로의 상기 제1 강재의 이동을 규제하며, 또한 상기 제2 강재의 두께방향으로의 상기 제2 강재의 이동을 규제한 상태로, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 용융부가 형성되도록, 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는 공정을 포함하는, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 가열 공정은, 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 상기 용융부가 형성되도록, 상기 제1 강재의 상기 겹침부의 일부 및 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는 공정을 포함하는, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 가열 공정에 있어서, 상기 용융부는, 상기 제1 강재의 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부에 대해 평행하게 연장되도록 형성되는, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.
청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 공정에서의 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 가열 위치가, 상기 가장자리부를 따라 연장되는 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 2mm 이상 10mm 이하 떨어진 위치인, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.
청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 공정에서는, 레이저빔, 텅스텐 불활성 가스, 또는 전자빔에 의해 상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부를 가열하는, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.
청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 공정에서는, 상기 용융부는, 상기 용접부로부터 상기 기준방향으로 떨어진 위치에 형성되는, 겹침 용접 이음매의 제조 방법.
제1 강재의 일부와 제2 강재의 일부가 각각 겹침부로서 겹쳐진 상태로 상기 제1 강재의 가장자리부가 상기 제2 강재의 표면에 용접되어 있는 겹침 용접 이음매로서,
상기 제1 강재의 가장자리부를 따라 연장되며 또한 상기 가장자리부를 상기 제2 강재에 접속하는 용접부와,
상기 제2 강재의 상기 겹침부의 일부에 있어서 상기 용접부로부터 떨어진 위치에 형성된 용융부를 가지며,
상기 용접부의 연신방향에 수직이며, 또한 상기 제2 강재의 상기 표면에 평행한 방향 중, 상기 용접부를 기준으로 하여 상기 제1 강재와는 반대측을 향하는 방향을 소정 방향으로 한 경우에,
상기 용접부의 상기 제2 강재의 표면 상의 용접 지단(止端)으로부터 상기 소정 방향으로 0.5mm 떨어진 위치에 있어서, 상기 제2 강재의 상기 표면에 발생한 잔류 응력은 상기 제2 강재의 두께방향에서의 중앙에 발생한 잔류 응력보다 압축측의 값인, 겹침 용접 이음매.