KR20210122408A - T형 용접 이음매의 접합 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접부의 응력집중을 완화하여 내구강도를 증가시킬 수 있는 T형 용접 이음매의 접합 구조에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 T형 용접 이음매의 접합 구조는 제 1 모재에 제 2 모재를 T형으로 용접하는 이음매의 접합구조로서, 제 1 평탄부와 제 2 평탄부 사이에 굴곡부가 형성된 제 1 모재와; 본체부의 단부에 절곡부가 형성되어 상기 절곡부가 상기 제 1 모재의 굴곡부에 대향되도록 배치되는 제 2 모재와; 상기 제 1 모재의 굴곡부와 제 2 모재의 절곡부 사이에 형성되는 비드를 포함한다.

Description

T형 용접 이음매의 접합 구조{Welding structure of T-type welding joint}
본 발명은 T형 용접 이음매의 접합 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접부의 응력집중을 완화하여 내구강도를 증가시킬 수 있는 T형 용접 이음매의 접합 구조에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 차체는 다양한 패널의 용접 및 조립으로 이루어진다.
특히, 차체의 경량화와 고강도화를 위하여 용접이 많이 사용되고 있다.
용접은 용접되는 모재의 재질 및 형상에 따라 다양한 방식이 적용되는데, 가장 대표적인 용접 방식 중 하나가 모재가 서로 T자로 배치되는 T형 용접이다.
도 1 및 도 2는 일반적인 T형 용접 구조를 보여주는 도면으로서, 도 1은 T 플렛 용접을 보여주고, 도 2는 플레어 베벨 용접을 보여준다.
도 1 및 도 2는 모두 중력방향을 따라 배치되는 제 1 모재(1)에 중력방향과 수직방향을 따라 배치되는 제 2 모재(2)를 T자 형태로 용접하는 방법으로서, 중력방향을 기준으로 제 2 모재(2)의 상부와 제 1 모재(1)의 측면이 접하는 부분에 용접을 실시하여 비드(3)를 형성시킨다. 이때 도 2에 도시된 플레어 베벨 용접에서는 제 2 모재(2)의 단부가 "ㄱ"자로 절곡되어 절곡부(2a)와 수직부(2b)를 형성한다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 용접은 제 1 모재(1)가 모두 중력방향을 따라 직선으로 형성되는데, 이러한 형상으로 인해 제 1 모재(1)와 제 2 모재(2) 사이에 형성되는 비드(3)는 제 1 모재(1)쪽 토우각(θa, θb)이 비교적 작게 형성될 수밖에 없었다. 이렇게 비드(3)의 제 1 모재(1)쪽 토우각(θa, θb)이 작게 형성되는 이유는 용접되는 용융금속이 중력의 영향을 받아 아래쪽으로 처지는 현상이 발생하기 때문이다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 플레어 베벨 용접시 루트부에 용융금속이 용입되지 않아 비드(3)가 형성되지 않는 루트부 미용입부(A)가 형성될 수 있다.
이렇게 토우각(θa, θb)이 작게 형성되거나 루트부 미용입부(A)가 발생되면 이러한 부분에 응력이 집중되면서 파단이 발생되는 현상이 발생되는 문제가 발생된다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2018-0019214호 (2018.02.23)
본 발명은 용접부의 응력집중을 완화하여 내구강도를 증가시킬 수 있는 T형 용접 이음매의 접합 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 T형 용접 이음매의 접합 구조는 제 1 모재에 제 2 모재를 T형으로 용접하는 이음매의 접합구조로서, 제 1 평탄부와 제 2 평탄부 사이에 굴곡부가 형성된 제 1 모재와; 본체부의 단부에 절곡부가 형성되어 상기 절곡부가 상기 제 1 모재의 굴곡부에 대향되도록 배치되는 제 2 모재와; 상기 제 1 모재의 굴곡부와 제 2 모재의 절곡부 사이에 형성되는 비드를 포함한다.
상기 제 1 모재는 중력방향을 따라 배치되고, 상기 제 2 모재는 중력방향과 수직방향을 따라 배치되며, 상기 제 2 모재의 절곡부는 중력방향을 기준으로 하측으로 절곡되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 모재는 절곡부의 단부에 제 1 모재와 평행한 수직부가 형성되고, 상기 제 1 모재는 상기 제 1 평탄부가 상기 제 2 모재의 수직부에 대면되고, 상기 제 2 평탄부는 상기 제 1 평탄부의 상부 방향으로 굴곡부를 매개로 연장되며, 상기 제 1 평탄부와 제 2 평탄부가 옵셋량(u) 만큼 이격되어 평행하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 옵셋량(u)와 제 1 모재의 두께(t)는 하기의 [관계식 1]을 만족하는 것이 바람직하다.
u ≥ 0.3 × t ……… [관계식 1]
상기 제 1 모재에 형성되는 굴곡부는, 제 1 평탄부에서 제 1 곡률(R1)로 굴곡되면서 연장되는 제 1 굴곡부와; 제 1 굴곡부에서 제 2 곡률(R2)로 굴곡되면서 연장되어 제 2 평탄부에 연결되는 제 2 굴곡부로 구분되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 굴곡부의 제 1 곡률(R1) 및 제 2 굴곡부의 제 2 곡률(R2)는 제 1 모재의 두께(t)와 하기의 [관계식 2] 및 [관계식 3]을 만족하는 것이 바람직하다.
R1 ≥ 2×t ……… [관계식 2]
R2 ≥ t ……… [관계식 3]
상기 제 1 굴곡부는 제 2 모재 방향으로 볼록하게 굴곡되고, 상기 제 2 굴곡부는 제 2 모재 방향으로 오목하게 굴곡되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용접 전에 제 1 모재의 용접부위에 굴곡부를 형성하여 용접시 용융금속이 중력의 영향을 받아 아래로 흘러내릴 때 굴곡부의 형상에 의해 용융금속이 굴곡부로 잘 모으게 되면서 루트부에 용융금속이 안정적으로 용입되고, 토우각과 각장을 증가시켜 용접부로 응력이 집중되는 것을 완화시킬 수 있다.
이에 따라 제품의 용접강도와 내구수명을 증가시켜서 품질과 상품성을 개선할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1 및 도 2는 일반적인 T형 용접 구조를 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 T형 용접 이음매의 접합 구조를 보여주는 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 모재 및 제 2 모재의 구조 및 배치를 보여주는 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 비교예와 실시예에 따른 용접 제품의 단품 내구 시험 후 단면을 촬영한 사진이며,
도 6a 및 도 6b는 비교예와 실시예에 따른 용접 제품의 응력 비교를 위한 하중 인가시 응력의 분포 상태를 해석한 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 T형 용접 이음매의 접합 구조를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 모재 및 제 2 모재의 구조 및 배치를 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 T형 용접 이음매의 접합 구조는 제 1 모재(10)에 제 2 모재(20)를 T형으로 용접하는 이음매의 접합구조로서, 제 1 평탄부(11)와 제 2 평탄부(14) 사이에 굴곡부(12, 13)가 형성된 제 1 모재(10)와; 본체부(21)의 단부에 절곡부(22)가 형성되어 상기 절곡부(22)가 상기 제 1 모재(10)의 굴곡부(12, 13)에 대향되도록 배치되는 제 2 모재(20)와; 상기 제 1 모재(10)의 굴곡부(12, 13)와 제 2 모재(20)의 절곡부(22) 사이에 형성되는 비드를 포함한다.
이때 제 1 모재(10)와 제 2 모재(20)는 소재의 종류와 상관없이 용접이 가능한 다양한 판재가 적용될 수 있다. 예를 들어 강(steel), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 티타늄(Ti)으로 형성되는 판재가 적용될 수 있다.
다만, 제 1 모재(10)에는 용접 전 프레스 형성을 통하여 용접시 용융금속이 중력방향으로 흐르면서 잘 모일수 있도록 굴곡부(12, 13)가 형성된다.
부연하자면, 제 1 모재(10)는 중력방향을 따라 상하방향으로 배치된다. 이때 제 1 모재(10)는 하측부터 제 1 평탄부(11), 굴곡부(12, 13) 및 제 2 평탄부(14)로 구분된다. 그리고 굴곡부(12, 13)는 다시 서로 다른 곡률을 갖는 제 1 굴곡부(12)와 제 2 굴곡부(13)로 구분된다.
그래서 제 1 모재(10)는 하측부터 제 1 평탄부(11), 제 1 굴곡부(12), 제 2 굴곡부(13) 및 제 2 평탄부(14)로 구분된다.
한편, 제 1 모재(10)에 형성되는 굴곡부(12, 13)는, 제 1 평탄부(11)에서 제 1 곡률(R1)로 굴곡되면서 연장되는 제 1 굴곡부(12)와; 제 1 굴곡부(12)에서 제 2 곡률(R2)로 굴곡되면서 연장되어 제 2 평탄부(14)에 연결되는 제 2 굴곡부(13)로 구분된다.
이때 제 1 굴곡부(12)는 제 2 모재(20) 방향으로 볼록하게 굴곡되고, 제 2 굴곡부(13)는 제 2 모재(20) 방향으로 오목하게 굴곡된다. 이에 따라 예를 들어 제 1 굴곡부(12)와 제 2 굴곡부(13)은 대략 "S"자 형상으로 연결된다.
그리고, 제 1 모재(10)는 제 1 굴곡부(12)와 제 2 굴곡부(13)의 형성에 의해 옵셋량(u)만큼 이격되어 제 1 평탄부(11)와 제 2 평탄부(14)가 평행하게 형성된다. 그래서 제 1 평탄부(11)와 제 2 평탄부(14)는 제 1 굴곡부(12)와 제 2 굴곡부(13)를 매개로 연장된다.
한편, 제 2 모재(20)는 중력방향과 수직방향을 따라 배치된다. 그래서 제 1 모재(10)와는 수직방향으로 접촉된다.
이때 제 2 모재(20)의 단부는 중력방향으로 기준으로 하측으로 절곡되는 절곡되어 절곡부(22)와 수직부(23)를 형성한다. 이때 제 2 모재(20)는 대략 "ㄱ"자 형태로 절곡되어 수직부(23)가 제 1 모재(10)와 평행하게 형성된다.
한편, 본 발명에서 제 1 모재(10)의 제 1 평탄부(11)와 제 2 평탄부(14)가 평행하게 형성되고, 제 1 모재(10)의 제 1 평탄부(11)와 제 2 모재(20)의 수직부(23)가 평행하게 형성된다는 의미는 상호 간에 정확하게 평행을 이루는 것 만을 한정하지 않고, 제 1 평탄부(11), 제 2 평탄부(14) 및 수직부(23)가 정확하게 평행을 이루지는 않지만 비교적 서로 나란하게 형성된 경우를 포함할 수 있다.
그래서, 제 1 모재(10)의 제 1 평탄부(11)에 제 2 모재(20)의 수직부(23)가 대면되면서 그 상부에 제 1 모재(10)의 제 1 굴곡부(12) 및 제 2 굴곡부(13)와 제 2 모재(20)의 절곡부(22)로 둘러싸는 용접 영역이 형성된다.
비드(30)는 제 1 모재(10)와 제 2 모재(20)의 용접 시 발생되는 용융금속에 의해 형성된다. 이때 비드(30)는 제 1 모재(10)의 제 1 굴곡부(12) 및 제 2 굴곡부(13)와 제 2 모재(20)의 절곡부(22)로 둘러싸는 용접 영역의 형상에 의해 그 형상이 결정된다
한편, 본 실시예에서는 비드(30)가 형성하는 토우각(θc)을 증가시키기 위하여 옵셋량(u)와 제 1 모재의 두께(t) 사이의 관계를 하기의 [관계식 1]로 한정한다.
u ≥ 0.3 × t ……… [관계식 1]
즉, 옵셋량(u)은 굴곡부(12, 13)을 형성하는 제 1 모재(10)의 두께(t)보다 0.3배 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 만약 옵셋량(u)이 제 1 모재(10)의 두께(t)보다 0.3배보다 작게 되면 제 1 모재(10)가 거의 직선에 가깝게 되어 원하는 수준만큼 토우각(θc)이 형성되지 않는 문제가 발생된다.
그리고, 제 1 굴곡부(12)의 제 1 곡률(R1) 및 제 2 굴곡부(13)의 제 2 곡률(R2)는 제 1 모재(10)의 두께(t)와의 관계를 하기의 [관계식 2] 및 [관계식 3]로 한정한다.
R1 ≥ 2×t ……… [관계식 2]
R2 ≥ t ……… [관계식 3]
이렇게 제 1 굴곡부(12)의 제 1 곡률(R1) 및 제 2 굴곡부(13)의 제 2 곡률(R2)을 한정함에 따라 용접시 용융금속이 제 1 모재(10)의 제 1 굴곡부(12) 및 제 2 굴곡부(13)와 제 2 모재(20)의 절곡부로 둘러싸이는 용접 영역으로 잘 모이는 효과를 달성할 수 있다.
다음으로, 비교예와 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.
비교예는 도 1에 도시된 일반적인 T 플렛 용접의 결과물이고, 실시예는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 T형 용접의 결과물이다.
비교예와 실시예에 따른 용접 제품의 단품 내구 시험 후 제품의 단면을 촬영하고, 그 결과를 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.
도 5a 및 도 5b는 비교예와 실시예에 따른 용접 제품의 단품 내구 시험 후 단면을 촬영한 사진이다.
도 5a 및 도 5b에서 알 수 있듯이, 비교예에서는 비드의 토우각이 115°로 형성된 반면에, 실시예에서는 비드의 토우각이 150°로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예에서는 비드의 각장이 28㎜로 형성된 반면에, 실시예에서는 비드의 각장이 40㎜로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 비교예와 실시예에 따른 용접 제품의 용접부 응력비교를 위한 단위 하중 인가 시 응력의 분포 상태를 해석하였고, 그 결과를 도 6a 및 도 6b에 나타내었다.
이때 제 1 모재의 제 1 평탄부를 고정하고, 제 1 모재의 제 2 평탄부와 제 2 모재의 본체부에 각각 동일한 하중을 부여했을 때 최대 응력을 비교하였다. 일반적인 T형 접합 구조인 비교예를 100%로 설정했을 때 본 발명의 실시예에 따른 접합 구조는 비교예 대비 55% 수준임을 확인하였다. 그 결과 비교예에 비하여 실시예에서 비드에 응력이 집중되는 것이 완화된 것을 확인할 수 있었다.
한편, 단품 내구 시험에 따르면, 비교예는 수명이 26.1만회인 반면에, 실시예는 수명이 39.2만회로 증가하였다.
여기서 단품 내구 시험은 차량 전체를 제작하여 평가하는 실차 평가 단계 전에 검증하고자 하는 부품과 그 주변의 차량을 구성하는 몇가지의 부품만 제작하여 시험하는 방법이다.
내구 평가를 위하여 차량 전체를 제작하기 위해서는 비용과 시간이 상당함은 자명하다. 그래서 일반적으로 검증하고자 하는 부분의 부품과 그 부품과 밀접한 연관성이 있는 부품을 제작하여 평가함으로써 비용과 시간을 단축할 수 있다. 이러한 단품 내구 시험 단계에서 검증한 결과를 바탕으로 실차 시험의 결과도 예상 가능하다. 이러한 단품 내구 시험은 동종업계뿐만 아니라 일반적인 제조업 부분에서도 널리 사용하는 방법이다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1, 10: 제 1 모재 2, 20: 제 2 모재
2a: 절곡부 2b: 수직부
3, 30: 비드 11: 제 1 평탄부
12: 제 1 굴곡부 13: 제 2 굴곡부
14: 제 2 평탄부 21: 본체부
22: 절곡부 23: 수직부

Claims (7)

  1. 제 1 모재에 제 2 모재를 T형으로 용접하는 이음매의 접합구조로서,
    제 1 평탄부와 제 2 평탄부 사이에 굴곡부가 형성된 제 1 모재와;
    본체부의 단부에 절곡부가 형성되어 상기 절곡부가 상기 제 1 모재의 굴곡부에 대향되도록 배치되는 제 2 모재와;
    상기 제 1 모재의 굴곡부와 제 2 모재의 절곡부 사이에 형성되는 비드를 포함하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 모재는 중력방향을 따라 배치되고,
    상기 제 2 모재는 중력방향과 수직방향을 따라 배치되며,
    상기 제 2 모재의 절곡부는 중력방향을 기준으로 하측으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 모재는 절곡부의 단부에 제 1 모재와 평행한 수직부가 형성되고,
    상기 제 1 모재는 상기 제 1 평탄부가 상기 제 2 모재의 수직부에 대면되고, 상기 제 2 평탄부는 상기 제 1 평탄부의 상부 방향으로 굴곡부를 매개로 연장되며,
    상기 제 1 평탄부와 제 2 평탄부가 옵셋량(u) 만큼 이격되어 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 옵셋량(u)와 제 1 모재의 두께(t)는 하기의 [관계식 1]을 만족하는 것을 특징으로 하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
    u ≥ 0.3 × t ……… [관계식 1]
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 모재에 형성되는 굴곡부는,
    제 1 평탄부에서 제 1 곡률(R1)로 굴곡되면서 연장되는 제 1 굴곡부와;
    제 1 굴곡부에서 제 2 곡률(R2)로 굴곡되면서 연장되어 제 2 평탄부에 연결되는 제 2 굴곡부로 구분되는 것을 특징으로 하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 굴곡부의 제 1 곡률(R1) 및 제 2 굴곡부의 제 2 곡률(R2)는 제 1 모재의 두께(t)와 하기의 [관계식 2] 및 [관계식 3]을 만족하는 것을 특징으로 하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
    R1 ≥ 2×t ……… [관계식 2]
    R2 ≥ t ……… [관계식 3]
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 굴곡부는 제 2 모재 방향으로 볼록하게 굴곡되고,
    상기 제 2 굴곡부는 제 2 모재 방향으로 오목하게 굴곡되는 것을 특징으로 하는 T형 용접 이음매의 접합 구조.
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