KR20180108646A

KR20180108646A - 레이저 용접 형강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20180108646A
Application number: KR1020187022565A
Authority: KR
Inventors: 토루 이에나리; 야스히로 사쿠라다; 히로시 아사다
Original assignee: 닛신 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-10-04
Also published as: MX2018009900A; NZ745621A; US20190084086A1; AU2016393538A1; TW201804004A; KR102035954B1; JP6197126B1; TWI678420B; CN108698168B; EP3417986A1; AU2016393538B2; RU2689823C1; US10603746B2; WO2017141470A1; PH12018501728A1; JPWO2017141470A1; CA3011950A1; BR112018015735A2; CA3011950C; CN108698168A

Abstract

용접부의 강도가 우수한 레이저 용접 형강을 제공한다. 강판으로 이루어진 웨브재(4) 및 플랜지재(3a, 3b)에 의해 형성된 레이저 용접 형강(1)에 있어서, 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며, 웨브재(4)와 플랜지재(3a, 3b)와의 접합 부분인 용접부(2)의 경도는 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고, 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이다. C_eql = C + (Si/50) + (Mn/25) + (P/2) + (Cr/25) + Ti ....(1)

Description

레이저 용접 형강 및 그 제조방법

본 발명은 형강에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 용접에 의해 용접부를 형성한 형강에 관한 것이다.

종래, 건축물 등의 구조 부재로서, 단면이 H형인 H형강이 널리 사용되고 있다. 이러한 H형강으로서는 도 6에 나타낸 바와 같이, 웨브(web)재와 플랜지재를 고주파 용접으로 접합함으로써 제조되는 경량 용접 H형강(도 6 (a)), 웨브재와 플랜지재를 아크 용접에 의해 접합함으로써 제조되는 BH(build-up H)형강(도 6의 (b)), 및 블룸 등을 열간 압연함으로써 제조되는 압연 H형강이 알려져 있다(도 6 (c)).

도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 경량 용접 H형강에서는 고주파 용접시에 웨브재와 플랜지재를 맞부딪치기 때문에, 용융된 강이 압출되어 비드가 형성된다. 경량 용접 H형강에서는 강판 표면과 비드 사이에 노치가 형성되기 때문에, 부하를 받을 경우에 노치에 응력 집중이 발생하고, 노치를 기점으로 파괴가 발생할 위험성이 있다. 또한, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, BH형강에서는 아크 용접에 사용하는 필러 와이어에 의해 용접 비드가 형성된다. 또한, 도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이 압연 H형강에서는 웨브와 플랜지와의 교점 부분에 필렛(fillet)이라 불리는 곡면 부분이 존재한다.

여기서, H형강은 구조 부재로서 사용될 때에, 플랜지재들 사이에, 웨브재와 맞닿도록 보강 부재가 배치되는 일이나, 다른 부재와 접합하여 사용되는 일이 있다. 그러한 경우에, 상술한 비드, 용접 비드 및 필렛 등의 돌출부가 보강 부재의 배치나 다른 부재와의 접합을 저해할 가능성이 있다. 그러나, 이들 돌출부를 절삭 등에 의해 제거해버리면, 강도가 저하된다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 웨브재와 플랜지재를 레이저 용접에 의해 접합하는 형강의 제조방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 3 참조). 레이저 용접에 의해 형강을 제조하는 방법에서는 용접에 필러 와이어를 사용하지 않기 때문에, 용접부에 돌출부가 형성되지 않고, 돌출부가 보강 부재의 배치나 다른 부재와의 접합을 저해하는 일은 없다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개공보 2009-119485호(2009년 6월 4일 공개) 특허문헌 2 : 일본 특허공개공보 2011-83781호(2011년 4월 28일 공개) 특허문헌 3 : 일본 특허공개공보 2012-152820호(2012년 8월 16일 공개)

근래, 레이저 용접에 의해 제조된 레이저 용접 형강에서 용접부의 강도를 더욱 향상시키는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 용접부의 강도가 우수한 레이저 용접 형강을 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강은 강판으로 이루어진 웨브재 및 플랜지재에 의해 형성된 레이저 용접 형강으로서, 상기 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며, 상기 웨브재와 상기 플랜지재와의 접합 부분인 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고, 상기 용접부의 돌출량이 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 용접 형강의 제조방법은 강판으로 이루어진 웨브재 및 플랜지재에 의해 형성된 레이저 용접 형강의 제조방법으로서, 상기 웨브재와 상기 플랜지재를 레이저 용접에 의해 접합하는 공정을 포함하고, 상기 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며, 상기 웨브재와 상기 플랜지재와의 접합 부분인 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고, 상기 용접부의 돌출량이 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 용접부의 돌출량이 1mm 이하임으로써, 플랜지재와 웨브재로 둘러싸이는 부분에 보강 부재 등을 설치할 때의 자유도가 높고, 레이저 용접 형강을 건축물 등의 구조 부재로서 사용할 때에 설계·시공면에서 유리하다. 또한, 탄소 당량(C_eql)을 0.075 이상 0.15 이하로 하고, 용접부의 경도를 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하로 함으로써, 용접부의 돌출량이 1mm 이하이면서도, 용접부의 강도가 뛰어난 레이저 용접 형강을 제공할 수 있다.

도 1 (a)는 본 발명의 실시형태 1에 따른 레이저 용접 형강의 길이 방향에 수직인 단면을 나타낸 도면으로, (b)는 (a)의 부분 확대도.
도 2는 탄소 당량(C_eql)과 용접부의 경도와의 관계를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 레이저 용접 방법을 나타낸 모식도.
도 4는 실시예 1에서의 피로 시험의 모식도.
도 5 (a) 및 (b)는 경사 균열 시험의 모식도.
도 6 (a) 내지 (c)는 종래 사용되고 있는 H형강을 나타낸 도면.
도 7은 형강이 건축물 등의 구조 부재로서 사용되는 경우의 일 예를 나타낸 도면.
도 8 (a) 및 (b)는 경량 용접 CT형강 및 압연 CT형강에서의 돌출량을 설명하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시형태 2에 따른 레이저 용접 형강의 길이 방향에 수직인 단면을 나타낸 도면.
도 10은 실시형태 2에 따른 레이저 용접 형강의 모서리 이음부의 부분 확대도로, (a)는 플랜지재의 끝면과 웨브재의 면이 가지런한 경우이며, (b)는 플랜지재의 끝면이 웨브재의 면에 대해 돌출되어 있는 경우를 나타내고 있다.
도 11은 형강이 건축물 등의 구조 부재로서 사용되는 경우의 일 예를 나타낸 도면으로, (a)는 실시형태 2에 따른 레이저 용접 형강을, (b)는 압연 형강을, (c)는 경량 용접 형강을 나타내고 있다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 레이저 용접 방법을 나타낸 모식도.
도 13은 실시예 2에서의 피로 시험의 모식도.
도 14 (a) 내지 (c)는 실시예 2에서의 밀착 굽힘 시험의 모식도.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

<실시형태 1>

도 1 (a)는 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)의 길이방향으로 수직인 단면을 나타낸 도면이며, (b)는 (a)에 나타낸 레이저 용접 형강(1)에서의 용접부(2)의 부분 확대도이다.

레이저 용접 형강(1)은 강판으로 이루어진 2개의 플랜지재(3)와, 플랜지재(3)끼리를 연결하는, 강판으로 이루어진 웨브재(4)가 레이저 용접에 의해 접합된 H형강이다. 또한, 본 실시형태에서는 레이저 용접 형강(1)이 길이 방향에 수직인 단면이 H형인 H형강인 경우에 대해 서술하였는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 레이저 용접 형강(1)은 레이저 용접에 의해 제조된 T자형 이음부를 가지고 있는 형강이면 되며, I형강, T형강 등의 각종 형강이어도 좋다. 또한, 이하에서는 플랜지재(3) 및 웨브재(4)를 모재라고 칭하는 일이 있다.

레이저 용접 형강(1)은 플랜지재(3)와 웨브재(4)와의 접합 부분에, 플랜지재(3)와 웨브재(4)가 용융되어 형성된 용접부(2)를 갖는다.

본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이며, 0.75mm 이하인 것이 바람직하다. 용접부(2)의 돌출량이란, 레이저 용접 형강(1)의 길이 방향에 수직인 임의의 단면에서, 플랜지재(3)로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이, 및 웨브재(4)로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 중 최대인 것의 길이이다.

즉, 레이저가 조사된 측을 웨브재(4)의 바깥쪽으로 하면, 도 1 (b)에 나타낸 용접부(2)에서는, 용접부(2)의 돌출량이란 웨브재(4)의 바깥쪽의 플랜지재로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이(α), 웨브재(4)의 안쪽의 플랜지재(3)로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이(β), 웨브재(4)의 바깥쪽으로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이(γ), 및 웨브재(4)의 안쪽으로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이(δ) 중, 최대 길이의 것이다. 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 임의의 부위의 단면에서, α, β, γ 및 δ로 표시되는, 돌출되어 있는 용접부의 길이가 모두 1mm 이하이다.

여기에서, 웨브재(4)의 판두께는 6mm 이하인 것이 바람직하다. 이는 웨브재(4)의 판두께가 6mm를 초과하면, 레이저 용접을 사용하여 플랜지재(3)와 웨브재(4)를 용접할 때에, 입열량을 많이 할 필요가 있다. 그 결과, 용접부(2)의 돌출량, 특히 도 1 (b)에서, β 및 δ로 표시되는 안쪽 비드의 길이가 1mm를 초과하는 경우가 있기 때문이다. 또한, 플랜지재(3)의 판두께는 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 7은 형강이 건축물 등의 구조 부재로서 사용되는 경우의 일 예를 나타낸 도면으로, (a)는 경량 용접 형강을, (b)는 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)을 나타내고 있다.

도 7 (a)에 나타낸 바와 같이, 종래 사용되고 있는 경량 용접 형강 등의 형강에서는 웨브재와 플랜지재와의 접합 부분에 돌출부가 형성된다. 그런데, 이러한 형강은 건축물 등의 구조 부재로서 사용되는 경우에는 웨브재와 플랜지재로 둘러싸이는 부분에 보강 부재를 배치하여 사용되는 일이 있다. 그런 경우에, 종래 사용되고 있는 경량 용접 형강 등의 형강에서는 웨브재와 플랜지재와의 접합 부분에 돌출부가 형성되어 있어, 보강 부재의 배치나 형상이 제한되게 된다.

한편, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)에서는 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이기 때문에, 보강 부재의 배치나 형상의 자유도가 높다. 또한, 이러한 형강은 다른 부재와 접합하여 사용되는 경우도 있다. 그러한 경우에도, 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이기 때문에, 용접부(2)가 다른 부재와의 접합을 저해하는 일은 없다. 이와 같이, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 종래의 형강에 비해 구조 부재로서 사용할 경우, 설계·시공면에서 유리하다.

또한, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 용접부(2)의 경도가 웨브재(4) 및 플랜지재(3)로 이루어진 모재의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이다. 또한, 용접부(2)의 경도는 모재의 경도의 2배 이상 3.5배 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서 말하는 경도란, 비커스 경도(Hv0.2)이다. 용접부(2)의 경도란, 용접부(2)에서의 웨브재(4)와 플랜지재(3)의 맞부딪침부(맞닿는 부분)로서, 웨브재(4)의 두께 방향의 중심인 위치에서의 경도이다. 예를 들면, 용접부(2)에서의 경도란, 도 1 (b)에 나타낸, 위치(2a)에서의 경도이다. 또한, 웨브재(4)의 경도와 플랜지재(3)의 경도가 서로 다를 경우에는 그 평균값을 모재의 경도로 한다.

또한, 레이저 용접 형강(1)에서, (용접부(2)의 경도)/(모재의 경도)로 표현되는 경도비는 모재의 조성 및 레이저 용접 조건 등에 의해 제어할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)의 용접부(2)는 하기 식 (1)로 표시되는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이다. 또한, 하기 식 (1)에 있어, 각각의 원소 기호는 용접부(2)에서의 각 원소의 중량% 농도를 나타내고 있다.

여기에서, 용접부(2)에서의 탄소 당량(C_eql)은 용접부(2)에서의 각 원소의 농도를 직접 측정함으로써 구하여도 좋지만, 웨브재(4) 및 플랜지재(3)에서의 각 원소의 중량% 농도를 사용하여도 좋다. 이는 레이저 용접은 아크 용접과는 달리, 필러 와이어를 사용하지 않기 때문에, 웨브재(4) 및 플랜지재(3)와 동일한 조성의 용접부(2)가 형성되기 때문이다. 또한, 웨브재(4)와 플랜지재(3)에서 조성이 다른 강판을 사용할 경우에는 그 평균값을 용접부(2)의 조성으로 하면 된다.

도 2는 식 (1)로 표시되는 탄소 당량(C_eql)과 용접부(2)의 경도와의 관계를 나타낸 도면이다. 식 (1)로 표시되는 탄소 당량(C_eql)은 본원 발명자가 열심히 검토한 결과 발견한 것으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 탄소 당량(C_eql)과 용접부(2)의 경도와의 사이에는 좋은 상관 관계가 보임을 알 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)에 사용되는 강판(플랜지재(3) 및 웨브재(4))는 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering) 등의 조질(調質) 처리를 실시한 강판이어도 좋고, 또한 조질 처리를 실시하지 않은 비조질 강판이어도 좋다.

이상과 같이, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 식 (1)로 표시되는 탄소 당량(c_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며, 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이고, 용접부(2)의 경도가 모재의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이다. 이에, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 이하의 (i)과 (ii)의 효과를 나타낸다.

(i) 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하임으로써, 플랜지재(3)와 웨브재(4)로 둘러싸이는 부분에 보강 부재 등을 설치할 때의 자유도가 높고, 레이저 용접 형강(1)을 건축물 등의 구조 부재로서 사용할 때에 설계·시공면에서 유리하다.

(ii) 탄소 당량(c_eql)을 0.075 이상 0.15 이하로 하고, 용접부(2)의 경도를 모재의 경도의 1.2배 이상 4배 이하로 함으로써, 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이면서도 용접부(2)의 강도가 우수한 레이저 용접 형강(1)으로 할 수 있다.

<실시형태 2>

상기 실시형태 1에서는 레이저 용접에 의해 제조된 T자형 이음부를 가지고 있는 레이저 용접 형강에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 T자형 이음부를 가지고 있는 레이저 용접 형강에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 모서리 이음부를 갖는 레이저 용접 형강에도 적용될 수 있다.

도 9는 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)의 길이 방향에 수직인 단면을 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 형강(1)은 강판으로 이루어진 2개의 플랜지재(3a, 3b)와, 플랜지재(3a, 3b)끼리를 연결하는, 강판으로 이루어진 웨브재(4)가 레이저 용접에 의해 서로 접합된 형강이다. 레이저 용접 형강(1)은 한쪽의 플랜지재(3a)와 웨브재(4)가 T자형 이음부에 의해 서로 접합되고, 다른쪽 플랜지재(3b)와 웨브재(4)가 모서리 이음부에 의해 서로 접합되어 있으며, 단면이 J형인 형강(이하, J형강이라 한다)으로 되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는 레이저 용접 형강(1)이 J형강인 경우에 대해 서술하는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 레이저 용접 형강(1)은 레이저 용접에 의해 제조된 모서리 이음부를 가지고 있는 형강이면 되며, 단면이 'ㄷ'자형인 형강 등의 각종 형강이어도 좋다.

레이저 용접 형강(1)에는, 플랜지재(3a, 3b)와 웨브재(4)와의 접합 부분에 플랜지재(3)와 웨브재(4)가 용융되어 형성된 용접부(2)를 갖는다. 본 실시형태에 있어서도, 실시형태 1과 마찬가지로, 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이며, 0.75mm 이하인 것이 바람직하다. 여기서, T자형 이음부에서의 돌출량은 실시형태 1과 동일하므로, 설명을 생략하고, 모서리 이음부에서의 돌출량에 대해 설명한다.

도 10은 모서리 이음부의 용접부(2)의 부분 확대도이다. 여기서, 실시형태 2의 레이저 용접 형강(1)을 제조하는 경우의 용접 방법을 도 12에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 실시형태 2의 레이저 용접 형강(1)은 웨브재의 일면측으로부터 레이저를 조사하여 T자형 이음부와 모서리 이음부를 형성할 수 있다. 그리고, 실시형태 1과 마찬가지로, 레이저가 조사된 측을 웨브재(4)의 바깥쪽으로 한다. 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 플랜지재(3b)의 끝면(3c)과 웨브재(4)의 바깥쪽 면이 가지런히 일치한 경우, 용접부(2)의 돌출량이란, 웨브재(4)의 안쪽의 플랜지재(3b)로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 β 및 웨브재(4)의 안쪽으로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 δ 중, 최대 길이의 것이다. 또한, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 플랜지재(3b)의 끝면(3c)이 웨브재(4)의 바깥쪽 면에 대해 돌출되어 있는 경우, 웨브재(4)의 바깥쪽 플랜지재(3b)로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 α, 웨브재(4)의 안쪽 플랜지재(3b)로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 β, 웨브재(4)의 바깥쪽으로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 γ, 웨브재(4)의 안쪽으로부터 돌출되어 있는 용접부(2)의 길이 δ 중, 최대 길이의 것이다. 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 모서리 이음부의 임의의 부위의 단면에 있어서, α, β, γ 및 δ로 표시되는, 돌출되어 있는 용접부의 길이가 모두 1mm 이하이다.

또한, 본 실시형태의 레이저 용접에 있어서도 실시형태 1과 마찬가지로, 입열량을 고려하여, 웨브재(4)의 판두께는 6mm 이하인 것이 바람직하다.

도 11은 형강이 건축물 등의 구조 부재로서 사용되는 경우의 일 예를 나타낸 도면으로, (a)는 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)을, (b)는 압연 형강을, (c)는 경량 용접 형강을 나타내고 있다.

도 11의 (b), (c)에 나타낸 바와 같이, 압연 형강이나 경량 용접 형강에서는 웨브재와 플랜지재와의 접합 부분에 돌출부(도 6의 비드나 필렛)가 형성된다. 그 때문에, 웨브재와 플랜지재로 둘러싸이는 부분에 보강 부재를 배치할 경우, 웨브재와 플랜지재와의 접합 부분의 돌출부에 의해 보강 부재의 배치나 형상이 제한되게 된다.

한편, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)에서는 T자형 이음부 및 모서리 이음부의 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이기 때문에, 실시형태 1과 마찬가지로 보강 부재의 배치나 형상의 자유도가 높아진다.

또한, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 T자형 이음부에 한정하지 않고, 모서리 이음부에서도 실시형태 1과 마찬가지로, 용접부(2)의 경도가 웨브재(4) 및 플랜지재(3)로 이루어진 모재의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이다. 또한, 용접부(2)의 경도는 모재의 경도의 2배 이상 3.5배 이하인 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어, 모서리 이음부의 용접부(2)에서의 경도란, 도 10에 나타낸 위치(2a)에서의 경도이다.

또한, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)의 용접부(2)는 T자형 이음부에 한정하지 않고, 모서리 이음부에서도 실시형태 1과 마찬가지로, 상기 식 (1)로 표시되는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이다.

이상과 같이, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)에서의 모서리 이음부의 용접부(2)는 실시형태 1과 마찬가지로, 식 (1)로 표시되는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0. 15 이하이며, 돌출량이 1mm 이하이고, 경도가 모재의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이다. 이로써, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 형강(1)은 실시형태 1과 마찬가지로, 플랜지재(3)와 웨브재(4)로 둘러싸이는 부분에 보강 부재 등을 설치할 때의 자유도가 높으며, T자형 이음부에 한정하지 않고 모서리 이음부에서도, 용접부(2)의 돌출량이 1mm 이하이면서도, 용접부(2)의 강도가 뛰어나다.

이상과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 용접 형강은, 강판으로 이루어진 웨브재 및 플랜지재에 의해 형성된 레이저 용접 형강으로서, 상기 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며, 상기 웨브재와 상기 플랜지재와의 접합 부분인 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고, 상기 용접부의 돌출량이 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강에 있어서, 상기 웨브재는 판두께가 6mm 이하이어도 좋다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강에 있어서, 상기 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 2배 이상 3.5배 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강에 있어서, 상기 용접부의 돌출량은 0.75mm 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강의 제조방법은, 강판으로 이루어진 웨브재 및 플랜지재에 의해 형성된 레이저 용접 형강의 제조방법으로서, 상기 웨브재와 상기 플랜지재를 레이저 용접에 의해 접합하는 공정을 포함하고, 상기 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며, 상기 웨브재와 상기 플랜지재료와의 접합 부분인 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고, 상기 용접부의 돌출량이 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강의 제조방법에 있어서, 상기 웨브재는 판두께가 6mm 이하이어도 좋다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강의 제조방법에 있어서, 상기 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 2배 이상 3.5배 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 형강의 제조방법에 있어서, 상기 용접부의 돌출량은 0.75mm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 각 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 청구항에 나타낸 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 서로 다른 실시형태에 각각 개시된 기술적 수단을 적절하게 조합하여 얻어지는 실시형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[실시예]

<제1 실시예>

이하, 실시예 및 비교예에 의하여, 본 발명 중, 실시형태 1을 더욱 상세히 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

표 1에 나타낸 바와 같은 탄소 당량(C_eql)을 갖는 웨브재 및 플랜지재를 사용하여, 레이저 용접에 의해 폭 100mm, 높이 100mm의 H자형 형강을 제조하였다(실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 12).

여기서, 플랜지재로서는 폭 100mm, 길이 4m의 강판을 사용하였다. 웨브재로서는 폭이 [100-(2장의 플랜지재의 판두께의 합)/2]mm이고 길이가 4m인 강판을 사용하였다. 사용한 플랜지재 및 웨브재의 판두께는 표 1에 나타낸 대로이다.

또한, 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 12에서는 플랜지재 및 웨브재로서 비조질(非調質)의 강판을 사용하였다.

도 3은 본 실시예에 따른 레이저 용접 방법을 나타낸 모식도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 레이저 용접은 웨브재(4)를 플랜지재(3)에 대해 맞부딪쳐, 파이버 레이저 용접기를 사용하여, 레이저 토치(6)로부터 4.0kW 내지 5.2kW의 출력으로 빔 스폿 직경이 0.6mm인 레이저 광(5)을 조사함으로써 수행하였다. 또한, 용접 속도를 4m/min으로 하고, 플랜지재(3)에 대한 레이저 광(5)의 조사 각도(θ)를 10°로 하였다.

또한, 비교를 위해, 고주파 용접에 의해 제조되는 경량 용접 H형강(비교예 13, 14)과, 열간 압연에 의해 제조되는 압연 H형강(비교예 15, 16)을 제조하였다. 피로 강도 시험에서는 이들 H형강을 웨브에서 절단하여 T자 형태로 시험에 제공하였다. 또한, 후처리로서, 비교예 14에서는 고주파 용접 후의 비드를, 비교예 16에서는 필렛을 절삭에 의해 제거하였다.

그리고, 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 16에 대해, T자형 형강의 길이 방향에 수직인 임의의 단면에서의 용접부 돌출량을 측정하였다. 용접부 돌출량의 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

도 8은 경량 용접 형강 및 압연 형강에서의 돌출량을 설명하는 도면으로, 도 8의 (a)는 경량 용접 형강을 나타내며, 도 8의 (b)는 압연 형강을 나타내고 있다.

또한, 고주파 용접으로 제조한 경량 용접 형강(비교예 13, 14)에 대해서는 T자형 형강의 길이 방향에 수직인 임의의 단면에 있어, 도 8의 (a)에서 α, β, γ 및 δ로 표시되는 웨브재 및 플랜지재로부터 돌출되어 있는 비드의 길이를 측정하여, 그 최대 길이를 돌출량으로 하였다. 또한, 열간 압연으로 제조한 압연 형강(비교예 15, 16)에 대해서도 T자형 형강의 길이 방향에 수직인 임의의 단면에 있어, 도 8의 (b)에서 α, β, γ 및 δ로 표시되는 웨브재 및 플랜지재로부터 돌출되어 있는 필렛의 길이를 측정하여, 그 최대 길이를 돌출량으로 하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 판두께가 6mm 이하인 웨브재를 사용하여, 레이저 용접으로 제조한 실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 11에서는 용접부의 돌출량이 1mm 이하임을 알 수 있다. 한편, 고주파 용접으로 제조한 비교예 13 및 열간 압연으로 제조한 비교예 15은 모두 용접부의 돌출량이 1mm 초과임을 알 수 있다. 또한, 비드를 제거한 비교예 14 및 필렛을 제거한 비교예 16은 용접부의 돌출량이 1mm 이하임을 알 수 있다.

이어, 레이저 용접으로 제조한 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 12, 그리고 고주파 용접으로 제조한 비교예 13, 14에 대해, 용접부의 경도와 플랜지재 및 웨브재(모재)의 경도를 측정하여, 용접부 경도/모재 경도로 표시되는 경도비를 산출하였다. 경도의 측정결과 및 경도비를 표 2에 나타낸다. 또한, 플랜지재와 웨브재의 조성이 다른 실시예 6 및 비교예 4에 대해서는 플랜지재의 경도와 웨브재의 경도와의 평균값을 모재의 경도로 하였다. 또한, 열간 압연에 의해 제조한 비교예 15 및 16에 대해서는 용접부가 존재하지 않기 때문에, 모재의 경도에 대한 측정을 실시하였다.

또한, 실시예 1 내지 11 및 비교예 1 내지 16의 형강에 대해, 피로 시험, 인장 시험 및 경사 균열 파괴 시험을 실시하였다. 각각의 시험의 내용은 다음과 같다.

[피로 시험]

도 4는 피로 시험의 모식도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 플랜지재(3)와 시험기 베이스부(13)가 평행이 되도록, 플랜지재(3)를 고정 볼트(12)로 시험기 베이스부(13)에 고정한다. 그리고, 웨브재(4)를 척(11)으로 파지하고, 웨브재(4)에 대해 초당 4회로 모재 강도의 10 내지 80%의 인장 하중을 가하여 완전 편진으로 시험을 실시하였다. 그리고, 10⁶회 부하를 가하여도 파단되지 않는 하중을 측정하여, 모재의 강도로 나눈 값을 피로 한도로 하였다. 또한, 모재 강도의 50%의 하중을 가하여 파단될 때까지의 횟수를 측정하였다. 그리고, 비교예 15에서 나타낸 형강이 모재 강도의 50%의 하중을 가하여 파단될 때까지의 횟수를 기준 횟수로 하며, 해당 기준 횟수에 대한 비를 피로 수명으로 하였다. 측정한 피로 한도 및 피로 수명을 표 3에 나타낸다. 또한, 피로 시험에서, 형강이 파단된 위치를 맞춰 표 3에 나타낸다.

[인장 시험]

인장 시험은 JIS G 3353에 준거해 실시하여, 파단 위치를 측정하였다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

[경사 균열 시험]

도 5는 경사 균열 시험의 모식도이다. 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 먼저 하부재(15)와 상부재(16) 사이에, T자형 형강을, 플랜지재(3) 및 웨브재(4)가 모두 하부재(15)에 접하도록 비스듬하게 올려놓았다. 그리고, 상부재(16)에 대해 하부재(15)를 향한 방향의 하중을 가하여, 플랜지재(3)가 상부재(16)와 밀착되며 웨브재(4)가 하부재(15)과 밀착될 때까지 압축하였다(도 5의 (b) 참조). 그리고, 시험 후 용접부의 균열 유무를 측정하였다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

또한, 레이저 용접 형강에서는 레이저가 조사된 측이 위쪽이 되도록 올려놓는 경우와, 레이저가 조사된 측을 아래쪽이 되도록 올려놓는 경우의 2가지의 올려놓는 방법을 생각해 볼 수 있다. 그러나, 어떤 방법으로 올려놓고 시험을 실시하더라도, 용접부의 균열 유무는 변화하지 않기 때문에, 올려놓는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다.

또한, 용접을 실시하지 않은 비교예 15 및 16에 대해서는 경사 균열 시험 후의 웨브재와 플랜지재와의 경계 부분에서의 균열 유무를 측정하였다.

표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 탄소 당량(C_eql)이 0.075 미만인 비교예 1, 6, 8 및 10은 피로 시험에서 용접부가 파단되고, 또한 인장시험에 있어 용접부에서 파단되기 쉬움을 알 수 있다. 또한, 탄소 당량(C_eql)이 0.15 이상인 비교예 2, 3, 5, 7, 9 및 11은 피로시험에서 용접부가 파단되며, 또한, 경사 균열 시험에서 균열이 발생하기 쉬움을 알 수 있다. 이상으로부터, 탄소 당량(C_eql)은 0.075 이상 0.15 이하로 할 필요가 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 경도비가 4를 초과하는 비교예 4는 피로시험에서 용접부가 파단되며, 또한 경사 균열 시험에서도 균열이 발생하고 있다. 이 때문에, 경도비는 4 이하로 할 필요가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 경도비가 1.2 미만인 비교예 4.5는 피로시험에서 용접부가 파단되며, 또한 인장시험에서도 용접부가 파단되어 있음을 알 수 있다. 이 때문에, 경도비는 1.2 이상으로 하는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 탄소 당량(C_eql)을 0.075 이상 0.15 이하로 하고, 용접부의 경도를 모재 의 경도의 1.2배 이상 4배 이하로 함으로써, 인장시험에서 용접부가 파단되지 않고, 경사 균열 시험에서 용접부에 균열이 발생하지 않으며, 또한 피로 수명이 우수한 레이저 용접 형강으로 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 웨브재의 판두께가 6mm를 초과하는 실시예 11은 웨브재의 판두께가 6mm 이하인 실시예 1 내지 10에 비해 용접부의 돌출량이 많고, 이 때문에, 웨브재의 판두께는 6mm 이하가 바람직함을 확인할 수 있었다.

<제2 실시예>

이어, 본 발명 중, 실시형태 2에 따른 J형강의 실시예와 비교예에 대해 설명한다. 표 4에 나타낸 바와 같은 탄소 당량(C_eql)을 갖는 웨브재 및 플랜지재를 이용하여, 레이저 용접에 의해 폭 100mm, 높이 100mm의 J자형 형강을 제조하였다(실시예 12 내지 22 및 비교예 17 내지 28).

여기에서, 플랜지재(3a)로서 폭 100mm, 길이 4m의 강판을 사용하고, 플랜지재(3b)로서 폭이 [50 + (웨브재(4)의 판두께)/2]mm이고 길이가 4m인 강판을 사용하였다. 웨브재(4)로서는 폭이 [100-(플랜지재(3a)의 판두께 + 플랜지재(3b)의 판두께)/2]mm이고 길이가 4m인 강판을 사용하였다. 사용한 플랜지재 및 웨브재의 판두께는 표 4에 나타낸 대로이다.

또한, 실시예 12 내지 22 및 비교예 17 내지 28에서는 플랜지재 및 웨브재로서 비조질의 강판을 사용하였다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 레이저 용접은 웨브재(4)를 플랜지재(3a, 3b)에 대해 맞부딪치고, 파이버 레이저 용접기를 사용하여, 4.0kW 내지 5.2kW의 출력으로 빔 스폿 직경이 0.6mm인 레이저 광을 조사함으로써 실시하였다. 또한, 용접 속도를 4m/min로 하고, 플랜지재(3a, 3b)에 대한 레이저 광의 조사 각도(θ)를 10°로 하였다.

또한, 비교를 위해, 고주파 용접에 의해 제조되는 경량 용접 H형강(비교예 29, 30)과 열간 압연에 의해 제조되는 압연 H형강(비교예 31, 32)의 한쪽 플랜지재를 절삭에 의해 제거하여, 모서리 이음부와 동일한 형상의 샘플을 제조하였다.

이들 형강을 웨브재(4)의 중간 위치에서 절단하고, 모서리 이음부를 포함하는 L자 형태로 하여 시험에 제공하였다. 또한, 비교예 30에서는 고주파 용접 후의 비드를, 비교예 32에서는 압연 형강의 필렛을 절삭에 의해 제거하였다.

그리고, 실시예 12 내지 22 및 비교예 17 내지 28에 대해 L자형 형강의 길이 방향에 수직인 임의의 단면에서의, 모서리 이음부의 용접부 돌출량을 측정하였다. 용접부 돌출량의 측정 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 판두께가 6mm 이하인 웨브재를 사용하여 레이저 용접으로 제조한 실시예 12 내지 22 및 비교예 17 내지 27에서는 용접부 돌출량이 1mm 이하임을 알 수 있다. 한편, 고주파 용접으로 제조한 비교예 29 및 열간 압연으로 제조한 비교예 31은 어느 것이나 용접부의 돌출량이 1mm를 초과하였음 알 수 있다. 또한, 비드를 제거한 비교예 29 및 필렛을 제거한 비교예 31은 용접부의 돌출량이 1mm 이하임을 알 수 있다.

이어, 레이저 용접으로 제조한 실시예 12 내지 22 및 비교예 17 내지 28, 그리고 고주파 용접으로 제조한 비교예 29, 30에 대해, 모서리 이음부의 용접부 경도와, 플랜지재 및 웨브재(모재)의 경도를 측정하여, 용접부 경도/모재 경도로 표시되는 경도비를 산출하였다. 경도의 측정 결과 및 경도비를 표 5에 나타낸다. 또한, 플랜지재와 웨브재의 조성이 서로 다른 실시예 17 및 비교예 20에 대해서는 플랜지재의 경도와 웨브재의 경도와의 평균값을 모재의 경도로 하였다. 또한, 열간 압연에 의해 제조한 비교예 31 및 32에 대해서는 용접부가 존재하지 않기 때문에, 모재의 경도에 대해 측정을 실시하였다.

또한, 실시예 12 내지 22 및 비교예 17 내지 28의, 모서리 이음부를 갖는 L자형의 형강에 대해, 피로 시험, 인장 시험 및 밀착 굽힘 시험을 실시하였다. 각각의 시험 내용은 이하와 같다.

[피로 시험]

도 13은 피로 시험의 모식도이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 플랜지재(3b)와 시험기 베이스부(13)가 평행이 되도록, 플랜지재(3b)를 고정 볼트(12)로 시험기 베이스부(13)에 고정한다. 그리고, 웨브재(4)를 척(11)으로 파지하고, 웨브재(4)에 대해 초당 4회로 모재 강도의 10 내지 80%의 인장 하중을 가하여 완전 편진으로 시험을 실시하였다. 그리고, 10⁶회 부하를 가해도 파단되지 않는 하중을 측정하여, 모재의 강도로 나눈 값을 피로 한도로 하였다. 또한, 모재 강도의 50%의 하중을 가하여 파단될 때까지의 횟수를 측정하였다. 그리고, 비교예 31에 나타낸 형강이 모재 강도의 50%의 하중을 인가하여 파단될 때까지의 횟수를 기준 횟수로 하고, 해당 기준 횟수에 대한 비를 피로 수명으로 하였다. 측정한 피로 한도 및 피로 수명을 표 6에 나타낸다. 또한, 피로 시험에서, 형강이 파단된 위치를 맞춰 표 6에 나타낸다.

[인장 시험]

인장 시험은 JIS G 3353에 준거하여 실시하여, 파단 위치를 측정하였다. 측정 결과를 표 6에 나타낸다.

[밀착 굽힘 시험]

도 14는 밀착 굽힘 시험의 모식도이다. 도 14의 (a)에 나타낸 바와 같이, 먼저 하부재(15)와 상부재(16) 사이에 L자형의 형강을, 플랜지재(3b)의 단부가 하부재(15) 접하고 웨브재(4)의 단부가 상부재(16)에 접하도록 비스듬히 올려 놓았다. 그리고, 상부재(16)에 대해 하부재(15)를 향한 방향의 하중을 가하여 형강을 변형시키고(도 14의 (b) 참조), 플랜지재(3b)가 하부재(15)와 밀착되며 웨브재(4)가 상부재(16)와 밀착될 때까지 압축하였다(도 14의 (c) 참조). 그리고, 시험 후 용접부의 균열 유무를 측정하였다. 측정 결과를 표 6에 나타낸다.

또한, 용접을 실시하지 않은 비교예 31 및 32에 대해서는 밀착 굽힘 시험 후의 웨브재와 플랜지재의 경계 부분에서 균열의 유무를 측정하였다.

표 4 내지 표 6에 나타낸 바와 같이, 탄소 당량(C_eql)이 0.075 미만인 비교예 17, 22, 24 및 26은 피로 시험에서 용접부가 파단되며, 또한 인장 시험에 있어 용접부에서 파단하기 쉬움을 알 수 있다. 또한, 탄소 당량(C_eql)이 0.15 이상인 비교예 18, 19, 21, 23, 25 및 27은 피로 시험에서 용접부가 파단되며, 또한 밀착 굽힘 시험에서 균열이 발생하기 쉬움을 알 수 있다. 이상으로부터, 탄소 당량(C_eql)은 0.075 이상 0.15 이하로 할 필요가 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 경도비가 4를 초과하는 비교예 20은 피로 시험에서 용접부가 파단되고, 또한 경사 균열 시험에서도 균열이 발생하고 있다. 이 때문에, 경도비는 4 이하로 할 필요가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 경도비가 1.2 미만인 비교예 20.5는 피로 시험에서 용접부가 파단되며, 또한 인장 시험에서도 용접부가 파단되어 있음을 알 수 있다. 이 때문에, 경도비는 1.2 이상으로 하는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 탄소 당량(C_eql)을 0.075 이상 0.15 이하로 하고, 용접부의 경도를 모재의 경도의 1.2배 이상 4배 이하로 함으로써, 인장 시험에서 용접부가 파단되지 않고, 경사 균열 시험에서 용접부에 균열이 발생하지 않으며, 또한 피로 수명이 우수한 레이저 용접 형강으로 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 웨브재의 판두께가 6mm을 초과하는 실시예 22는 웨브재의 판두께가 6mm 이하인 실시예 12 내지 21에 비해 용접부의 돌출량이 많고, 이 때문에, 웨브재의 판두께는 6mm 이하가 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

1 : 레이저 용접 형강
2 : 용접부
3 : 플랜지재
4 : 웨브재

Claims

강판으로 이루어진 웨브재 및 플랜지재에 의해 형성된 레이저 용접 형강으로서,
상기 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며,
상기 웨브재와 상기 플랜지재와의 접합 부분인 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고,
상기 용접부의 돌출량이 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 형강.
[수학식 1]
제1항에 있어서,
상기 웨브재는 판두께가 6mm 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 형강.
강판으로 이루어진 웨브재 및 플랜지재에 의해 형성된 레이저 용접 형강의 제조방법으로서,
상기 웨브재와 상기 플랜지재를 레이저 용접에 의해 접합하는 공정을 포함하고,
상기 강판은 식 (1)로 주어지는 탄소 당량(C_eql)이 0.075 이상 0.15 이하이며,
상기 웨브재와 상기 플랜지재와의 접합 부분인 용접부의 경도는 상기 강판의 경도의 1.2배 이상 4배 이하이고,
상기 용접부의 돌출량이 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 형강의 제조방법.
[수학식 2]