KR20210156987A - 모재에 형상을 부여하는 방식의 용접 방법 및 이를 위한 모재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 하판에 상면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 하판홈을 형성하고, 상기 상판의 하면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 상판홈을 형성하고, 상기 하판의 하판홈과 상판의 상판홈을 상호 치합되도록 중첩시켜 용접을 수행하여 용접 부위에 비드가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 용접 방법에 관한 것이다.

Description

모재에 형상을 부여하는 방식의 용접 방법 및 이를 위한 모재{Welding method that gives the base material a shape and the base material therefor}

본 발명은 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 하판에 상면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 하판홈을 형성하고, 상기 상판의 하면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 상판홈을 형성하고, 상기 하판의 하판홈과 상판의 상판홈을 상호 치합되도록 중첩시켜 용접을 수행하여 용접 부위에 비드가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금속을 상호 접합시키기 위하여 용접 공정이 수행된다.

이러한 용접방법으로서, 아크 용접과 레이저 용접이 있으며, 아크 용접은 모재와 용접봉 사이에 발생되는 아크(arc) 열에 의하여 모재의 용접부를 용융시키고 용접봉의 용융된 금속이 용접부에 첨가되어 모재간 결합이 일어나도록 하는 용접방법이며, 레이저 용접은 레이저 빔을 모재에 방사하고 모재를 용융시켜 모재간 결합이 일어나도록 하는 용접 방법이다.

도 1 은 일반적인 용접 공정에 의하여 용접이 수행되어 양측의 모재의 결합상태를 나타낸 단면모식도이다.

도면을 참조하면, 금속재질의 하판(1)의 상측으로 금속재질의 상판(2)이 거치된 상태에서 하판(1)의 상면에 상판 하부 모서리 최외측지점이 놓이는 위치인 루트(R, root)를 중심으로 용접을 수행하게 되면, 모재의 용접부위가 용융되어 용접봉의 용융된 금속이 용접부위에 첨가되면서 루트(R)를 중심으로 하판(1)의 상측 공간부와 상판(2)의 측부 공간부에 걸쳐서 일정한 부피를 가지는 비드(3, bead) 부분이 생성된다.

이때, 상기 비드(3)의 형상은 내구성 품질 저하를 방지하기 위하여 전체적으로 균일성을 유지하여야 하는데, 이를 위하여 용접 작업이 이루어지는 동안 수시로 용접 부위의 비드의 형상을 측정하여 확인할 필요가 있다.

비드의 형상을 측정하기 위하여, 비드(3)의 내부의 루트(R) 지점으로부터 45°로 방향의 연장선이 비드(3)의 표면과 일치하는 점과의 거리인 각목(W)(목두께)과, 루트(R) 지점으로부터 수평의 연장선이 비드(3)의 표면과 일치하는 점과의 거리인 각장(L)의 치수를 측정하여 비드가 균일하게 형성되고 있는지를 확인하게 된다.

만일, 비드의 각목(W)과 각장(L)의 길이가 불균일하게 형성되면 하판(1)과 상판(2)에 대한 용접 면적이 각각 다르게 형성되는 것을 의미하므로 해당 부분에 대한 용접 강도가 상이하게 형성되어 구조물에 내구성이 취약해질 우려가 발생될 수 있으므로, 용접 작업간에는 비드(3)의 각목(W)과 각장(L)의 치수가 일정하게 형성되도록 주의하여야 한다.

그러나, 이러한 비드(3)의 치수 확인작업에 시간과 인력이 추가로 투입되므로 시간과 인력의 투입을 최소화하면서도 효과적으로 용접부위의 품질을 확인할 수있는 방법의 개발이 필요한 실정이다.

또한, 용접 공정에 의하여 비드(3)가 생성된 후에는 용접전 명확하게 확인되는 루트(R)의 지점이 용접후에는 비드(3)의 형성으로 인하여 그 위치가 명확하게 확인되지 않아 각목(W)과 각장(L)의 길이 측정에 오차가 발생될 수 밖에 없으며, 현장 실무에서는 상판(2)의 용융된 변곡점을 기준으로 가상의 선을 그어 루트(R)를 가정하고, 가정된 루트를 중심으로 각목(W)과 각장(L)을 측정하게 된다.

따라서, 용접후에는 기준점인 루트(R) 자체가 모호하여 짐으로써 각목(W)과 각장(L)의 수치 자체가 모호하여 지게되어 비드(3)의 부피를 정확하게 측정할 수 없어 저입열로 인한 모재의 용융 부족, 과입열로 인한 모재 물성저하 현상을 예측하는데 한계가 있다는 점도 문제점으로 상존하고 있다.

한편, 이러한 비드의 형상을 균일하게 형성하는 용접방법으로서, 일본특허공보 JP3772731 호의 기술(선행기술 1)과, 일본특허공보 JP4090599 호의 기술(선행기술 2)과, 일본특허공개공보 소58-148079 호의 기술(선행기술 3)이 공지되어 있으나, 선행기술 1 부터 선행기술 3 은 용입량의 정확한 확인이 불가능하다는 점에서 종래의 제반 문제점을 해소할 수 없는 기술이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 용접후 모재에 형성된 비드의 형상 측정을 정확하게 수행할 수 있도록 모재의 표면에 일정한 형상을 부여하여 이를 기준으로 용접후 육안으로 비드의 형상 측정을 정확하게 수행할 수 있으며, 이를 바탕으로 용입량을 용이하게 확인할 수 있도록 하는 용접방법을 제공하는데에 기술적 과제가 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 용접 방법의 구성은, 하판에 상면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 하판홈을 형성하고, 상기 상판의 하면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 상판홈을 형성하고, 상기 하판의 하판홈과 상판의 상판홈을 상호 치합되도록 중첩시켜 용접을 수행하여 용접 부위에 비드가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 용접 방법은, 모재에 형성된 홈에 의하여 비드의 형상을 측정하기 위한 각장 및 각목의 확인이 용이하므로 비드가 균일하게 형성되었는지를 보다 정확하게 확인함으로써 제품의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 모재에 형성된 비드의 형상 확인이 정확하게 이루어질 수 있으므로 용접시 용입량을 용이하게 확인할 수 있어 종래의 비드 확인 방법에 비하여 투입되는 시간과 인력을 절감할 수 있게 된다.

또한, 모재에 형성된 홈에 의하여 실질적으로 용입량이 깊어져 모재를 보다 견고하게 접합시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 일반적인 용접 공정에 의하여 용접이 수행된 상태의 단면모식도,
도 2 는 본 발명의 형상이 부여된 모재들의 용접전 상태의 단면모식도,
도 3a 및 도 3b 는 본 발명의 형상이 부여된 상태의 상판 및 하판의 확대도,
도 4 는 본 발명의 형상이 부여된 모재들의 용접후 상태의 단면도식도,
도 5 는 모재에 형성되는 홈부의 상세도,
도 6 및 도 7 은 본 발명의 형상이 부여된 모재들의 실시예의 단면도로서, 도 6 은 다양한 형상을 적용한 실시예의 모재의 단면도, 도 7 은 주기가 상이하도록 형상을 부여한 실시예의 모재의 단면도,
도 8 은 본 발명의 상판 및 하판의 치합된 상태의 확대도,
도 9 는 모재의 두께에 따른 홈부의 폭의 그래프,
도 10 은 본 발명의 상판에만 형상을 부여한 경우의 단면사진으로서, 도 10a 는 용접전 상태의 단면사진, 도 10b 는 용접후 상태의 단면사진, 도 10c 는 종래 모재들에 의한 용접후 상태의 단면사진이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 모재에 형상을 부여하는 용접 방법 및 이를 위한 모재의 구성을 상세하게 설명한다.

단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.

또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2 는 본 발명의 형상이 부여된 모재들의 용접전 상태의 단면모식도, 도 3a 및 도 3b 는 본 발명의 형상이 부여된 상태의 상판 및 하판의 확대도이다.

먼저, 도 2 를 참조하면, 본 발명의 모재에 형상을 부여하는 방식의 용접 방법에 이용되는 모재는 하측에 위치한 금속재질의 모재인 하판(10)과, 하판(10)의 상측으로 위치하되 하판(10)에 용접에 의하여 상호 부착되는 금속재질의 모재인 상판(20)을 포함한다.

또한, 도 3a 및 도 3b 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 모재는, 상기 하판(10)에 상면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 하판홈(11)을 형성하고, 상기 상판(20)의 하면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 상판홈(21)을 형성하는 구성이다.

이때, 상기 하판(10)의 하판홈(11)과 상판(20)의 상판홈(21)은 상호 치합되도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 4 는 상기와 같이 이루어진 본 발명의 하판(10) 및 상판(20)을 이용하여 용접 가공을 수행한 후의 단면모식도로서, 하판(10)과 상판(20)에 각각 형성된 하판홈(11)과 상판홈(21)을 상호 치합시키도록 하판(10) 상에 상판(20)을 거치시키고, 하판(10)의 상면에 상판 하부 모서리 최외측지점인 루트(R, root)를 중심으로 용접을 수행하게 되면, 도시된 바와 같이, 모재의 용접부위가 용융되어 용접봉의 용융된 금속이 용접부위에 첨가되면서 루트(R)를 중심으로 하판(10)의 상측 공간부와 상판(20)의 측부 공간부에 걸쳐서 일정한 부피를 가지는 비드(30, bead) 부분이 생성된다.

이때, 도 5 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하판(10) 또는 상판(20)은 이들(10,20)에 형성된 홈(11,21)들의 전체길이(A) 및 전체폭(B)과 모재의 두께(t)를 미리 알고 있는 상태이므로, 도 4 와 같이 용접후 비드(30)가 형성되었을때, 용접부위의 측면에서 비드(30)를 관찰하였을때, 비드(30)에 의하여 가려지지 않은 남은 홈들(11,21)의 전체길이 및 전체폭을 측정하여 용접전의 전체길이(A) 및 전체폭(B)과 비교함으로써 양 모재(10,20)들이 용접에 의하여 접합된 루트(R)의 위치를 정확하게 파악할 수 있게 되는 것이며, 루트(R)의 위치를 알게 되면 루트(R)를 이용하여 산출되는 비드(30)의 각목(W)의 길이와 각장(L)의 길이를 용이하게 산출함으로써 구조물의 전체적인 비드(30)의 형상을 균일하게 확인할 수 있게 되는 것이며, 이러한 홈(11,21)들의 존재로 인하여 비드(30)로 투입되는 용재의 용입량도 증가되게 되는 것이다.

이러한 본 발명의 하판(10)과 상판(20)에 형성되는 홈(11,21)들의 형상은 다양한 모양 및 주기적인 반복 패턴을 가지도록 형성할 수 있으며, 예를 들어, 도 6 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 상판(20)에 형성되는 홈(21)의 모양을 톱니형 모양, 반원형 모양, 타원형 모양, 사각형 모양으로 형성할 수 있으며, 홈(21)의 형성을 단순 반복 패턴, 비주기적으로 반복되는 패턴, 주기적으로 반복되는 패턴 및 단일갯수의 패턴과 같이 다양한 반복 패턴을 가지도록 형성할 수 있으며, 이러한 모양이나 패턴을 하판(10)에 형성되는 홈(11)에도 동일하게 적용할 수 있다.

한편, 도 8 은 본 발명의 상판 및 하판의 치합된 상태의 확대도로서, 본 발명의 실시예에 의하면, 하판(10)과 상판(20)에 형성되는 홈(11,21)들중 적어도 어느 하나의 치합되는 한쌍의 홈들이 상호 접촉되지 않는 비접촉부위(p2)를 가지도록 형성할 수 있으며, 그렇게 되면 비접촉부위(p2) 이외의 다른 쌍의 홈들은 상호 접촉되는 접촉부위(p1)를 이루게 된다.

나아가, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 도 2 에 도시된 하판(10)의 두께(t1)는 0.1-80.0 mm 이고, 상판(20)의 두께(t2)는 0.1-40.0 mm 이 바람직하고, 도 5 에 도시된 바와 같이, 홈(11,21)들의 전체길이(A)는 다음의 수식 1 의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

(수식 1)

0.5 x t min < A < 2.0 x t min

* t min: 상판의 두께(t2) 또는 하판의 두께(t1)중 더 작은 두께를 가지는 모재의 두께

* A; 홈들의 전체길이

또한, 홈(11,21)들의 폭(B)은 다음의 수식 2 의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

(수식 2)

B < 0,2 x t min

* t min: 상판의 두께(t2) 또는 하판의 두께(t1)중 더 작은 두께를 가지는 모재의 두께

* B; 홈들의 폭

이러한 이유는, 본 발명의 하판(10)과 상판(20)을 중첩되도록 겹쳐지게 접합하는 용접시 비드(30)가 형성되면 비드(30)의 각장(L)의 길이가 모재의 두께 대비 1.0 x t min 이상이어야 하므로, 상기 본 발명의 홈들의 전체길이(A) 및 홈들의 폭(B)은 일반 각장의 두배 길이 이하의 범위로 한정하는 것이며, 이렇게 됨으로써 홈(11,21)을 과도하게 가공할 필요없이 최소한으로 가공할 수 있게 된다. 나아가, 홈(11,21)의 폭(B)은 상판 또는 하판의 두께의 최대 20% 이하의 두께로 형성하되 최소 0.1 mm 이상으로 하며, 그 이하로 홈(11,21)의 폭(B)을 형성하게 되면 육안으로 확인불가 하여 현장에서 바로 확인되지 않는 단점이 있기 때문이다.

도 9 는 모재의 두께에 따른 홈부의 폭의 그래프이다.

상기 그래프를 참조하면, 모재 두께의 20% 갭(gap)이 있는 경우, 모재의 갭이 없는(0%) 시편에 비해 피로 특성이 우수하며, 이는 피로시험시 가해지는 하중에 대한 변형을 갭이 감소시키고 구속하기 때문이다.

반면, 33% 이상의 갭이 있는 경우에는 피로시험시 시편에 대한 벤딩(휨) 응력과 형상에 대한 응력집중으로 인해 피로강도가 감소하게 된다.

따라서, 본 발명의 홈(11,21)의 폭(B)은 폭(B)은 상판 또는 하판의 두께의 최대 20% 이하의 두께로 형성됨이 바람직하다.

도 10 은 본 발명의 상판에만 형상을 부여한 경우의 단면사진으로서, 도 10a 는 용접전 상태의 단면사진, 도 10b 는 용접후 상태의 단면사진, 도 10c 는 종래 모재들에 의한 용접후 상태의 단면사진이다.

도 10 은 본 발명의 다른 실시예로서 상판(20)에만 홈(21)을 형성하고 하판(10)에는 홈을 형성하지 않은 실시예이다.

이 실시예의 경우, 도 10a 에 도시된 바와 같이 상판(20)에 형성된 4 개의 홈(21)들의 전체 길이는 1.5mm + 2.7 mm 를 합산하여 4.2 mm 이나, 도 10b 에 도시된 바와 같이, 용접 수행후 상판(20)의 끝단으로부터 홈(21)의 형성부위까지 0.7 mm 가 확인되므로 결국 용접으로 인하여 상판(20)이 용입된 길이는 1.5 mm 에서 0.7 mm 를 감산하여 0.8 mm 임을 육안으로 용이하게 확인할 수 있으며, 이로 인하여 비드(30)의 루트(R)의 위치를 정확하게 파악할 수 있으므로 비드(30)의 각장(L) 및 각목(W)의 길이 역시 용이하게 확인할 수 있게 된다.

나아가, 도 10b 에 도시된 바와 같이 하판(10)의 용입량도 2.5 mm 임을 알 수 있는데, 이는 종래의 홈들이 형성되지 않은 모재들을 이용하여 용접한 10c 의 사진의 하판의 용입량이 1.65 mm 와 비교하여 본 발명의 용입량이 더 커짐으로써 용입량 증대로 인한 용접부위가 더욱 견고하여 질 수 있음을 확인할 수 있다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10; 하판
11; 하판홈
20; 상판
21; 하판홈
30; 비드

Claims (12)

1. 하측에 위치한 금속재질의 모재인 하판(10)과, 상기 하판(10)의 상측으로 위치하되 하판(10)에 용접에 의하여 상호 부착되는 금속재질의 모재인 상판(20)을 가지는 모재 상호간 용접 방법에 있어서,
   상기 하판(10)에 상면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 하판홈(11)을 형성하고,
   상기 상판(20)의 하면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 상판홈(21)을 형성하고,
   상기 하판(10)의 하판홈(11)과 상판(20)의 상판홈(21)을 상호 치합되도록 중첩시켜 용접을 수행하여 용접 부위에 비드(30)가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하판(10)과 상판(20)에 형성되는 홈(11,21)들의 형상은,
   톱니형 모양, 반원형 모양, 타원형 모양, 사각형 모양 중 어느 하나의 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하판(10)과 상판(20)에 형성되는 홈(11,21)들의 형상은,
   단순 반복 패턴, 비주기적으로 반복되는 패턴, 주기적으로 반복되는 패턴 및 단일갯수의 패턴 중 어느 하나의 패턴을 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   하판(10)과 상판(20)에 형성되는 홈(11,21)들중 적어도 어느 하나의 치합되는 한쌍의 홈들이 상호 접촉되지 않는 비접촉부위(p2)를 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 하판(10)의 두께(t1)는 0.1-80.0 mm 이고, 상기 상판(20)의 두께(t2)는 0.1-40.0 mm 인 구성을 특징으로 하는 용접 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 홈(11,21)들의 전체길이(A)는 다음의 수식 1 의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
   (수식 1)
   0.5 x t min < A < 2.0 x t min
   * t min: 상판의 두께(t2) 또는 하판의 두께(t1)중 더 작은 두께를 가지는 모재의 두께
   * A; 홈들의 전체길이
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 홈(11,21)들의 폭(B)은 다음의 수식 2 의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
   (수식 2)
   B < 0,2 x t min
   * t min: 상판의 두께(t2) 또는 하판의 두께(t1)중 더 작은 두께를 가지는 모재의 두께
   * B; 홈들의 폭
   
8. 하측에 위치한 금속재질의 모재인 하판(10)과, 상기 하판(10)의 상측으로 위치하되 하판(10)에 용접에 의하여 상호 부착되는 금속재질의 모재인 상판(20)을 가지는 모재 상호간 용접 방법에 있어서,
   상기 하판(10) 또는 상기 상판(20)중 어느 하나의 모재에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 홈을 형성하고,
   양 모재를 중첩시켜 용접을 수행하여 용접 부위에 비드(30)가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
   
9. 상기 하판(10)에 상면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 하판홈(11)을 형성한 금속재질의 하판(10) 및
   하면 일측에 일정한 폭과 깊이를 가지는 적어도 하나 이상의 상판홈(21)을 형성한 금속재질의 상판(20); 을 포함하고,
   상기 하판(10)의 하판홈(11)과 상판(20)의 상판홈(21)을 상호 치합되도록 중첩시켜 용접을 수행하여 용접 부위에 비드(30)가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 모재.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하판(10)의 두께(t1)는 0.1-80.0 mm 이고, 상기 상판(20)의 두께(t2)는 0.1-40.0 mm 인 구성을 특징으로 하는 모재.
    
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 홈(11,21)들의 전체길이(A)는 다음의 수식 1 의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 모재.
    
    (수식 1)
    0.5 x t min < A < 2.0 x t min
    * t min: 상판의 두께(t2) 또는 하판의 두께(t1)중 더 작은 두께를 가지는 모재의 두께
    * A; 홈들의 전체길이
    
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 홈(11,21)들의 폭(B)은 다음의 수식 2 의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 모재.
    
    (수식 2)
    B < 0,2 x t min
    * t min: 상판의 두께(t2) 또는 하판의 두께(t1)중 더 작은 두께를 가지는 모재의 두께
    * B; 홈들의 폭

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