용접 왜곡 제어: 효과적인 전략 설명

용접 잔류 변형을 제어하거나 줄이기 위한 조치는 설계 조치와 공정 조치로 나뉩니다.

1. 설계 조치

(1) 합리적인 용접 구조 사용

합리적인 용접 구조를 사용하여 프로파일 또는 프레스 및 성형 시트 구조를 영리하게 사용하여 용접을 최소화하면 용접 작업량과 변형을 줄일뿐만 아니라 때로는 생산 효율성을 개선하고 생산 비용을 절감 할 수 있습니다. 그림 9-53a는 전통적인 방사형 리브 플레이트 강화 베어링 구조를, 그림 9-53b는 채널 강철 강화 베어링 구조를 보여 주며, 그림 9-53b의 구조가 그림 9-53a보다 훨씬 우수하다는 것이 분명합니다.

(2) 적절한 조인트 및 홈 형태 선택

적절한 조인트 및 그루브 형태를 선택하면 용접을 줄이고 용접 작업량과 용접 변형을 줄일 수 있습니다. 그림 9-54 및 9-55에서 볼 수 있듯이 그림 9-54b 및 9-55는 그림 9-54a 및 9-55에 비해 홈 형태와 용접 크기가 훨씬 작습니다.

a) 홈 없음
b) 홈 포함

(3) 합리적인 용접 크기와 모양 사용

충분한 하중 용량과 용접 품질을 보장한다는 전제하에 판 두께 측면에서 가능한 가장 작은 용접 크기를 사용하여 증착된 금속의 총량을 줄임으로써 용접 변형을 줄이도록 노력하십시오.

(4) 가능한 한 용접 횟수를 최소화합니다.

그림 9-56a와 같이 용접 부품 대신 형강과 스탬핑을 사용하여 용접 횟수를 줄이세요.

(5) 용접 위치를 합리적으로 배치합니다.

구조가 허용하는 한 용접 위치는 그림 9-56b와 같이 구성 요소 섹션의 중립 축에 최대한 가깝고 해당 중심 축과 대칭을 이루어야 구성 요소의 굽힘 변형을 줄일 수 있습니다.

a) 용접 변형을 줄이기 위해 용접 횟수를 줄입니다.
b) 용접 위치를 합리적으로 배치합니다.

(6) 컴포넌트 자체의 무게로 제어하기

아래쪽보다 위쪽에 용접부가 훨씬 많은 빔의 경우 용접 후 전체 빔이 위쪽으로 휘어집니다. 이러한 구조의 경우 빔 자체의 무게를 사용하여 굽힘 변형을 방지할 수 있습니다. 용접하기 전에 빔을 간격이 가까운 두 개의 지지대 위에 놓고 먼저 빔의 바닥을 용접합니다. 빔 자체의 무게와 용접부의 수축으로 인해 그림 9-57과 같이 빔의 굽힘이 증가합니다.

빔의 바닥을 용접한 후 양쪽 끝에 지지대를 놓고 빔을 뒤집은 다음 빔의 상단을 용접합니다. 지지대가 빔의 양쪽 끝에 배치되므로 빔의 자체 중량에 의한 굽힘 변형은 첫 번째 변형과 반대입니다. 또한 상단 용접부의 수축 변형 방향도 하단 용접부와 반대이므로 빔이 곧게 펴지거나 약간만 구부러지는 변형이 발생합니다.

실제 제작에서는 자체 중량 변형과 용접 변형을 결합하여 크레인 빔의 캠버를 생성합니다.

(7) 설계 중 용접 픽스처의 위치 예약

용접 과정에서 변형을 줄이기 위해 고정 장치를 사용할 수 있습니다.

2. 프로세스 조치

정확하고 합리적인 설계는 변형 제어의 중요한 부분이지만, 정확하고 합리적인 설계만으로는 잔류 변형을 완전히 제어할 수 없습니다. 올바른 공정 방법은 변형을 제어하는 중요한 수단입니다.

(1) 수축 방식에 대한 허용치

재료를 절단할 때는 부품의 길이 또는 너비 치수를 설계 치수보다 약간 더 늘려 용접부의 수축을 보정합니다. 여유량은 앞서 소개한 공식에 따라 생산 경험과 결합하여 결정됩니다. 여유 방법은 주로 용접부의 수축 변형을 방지하기 위해 사용됩니다.

예를 들어 크레인 빔(박스 빔)의 경우 용접 후 필요한 캠버는 9/1000~1.4/1000입니다. 웹 플레이트 절단시 용접 후 수축 및 변형량을 예약해야합니다. 일반적으로 웹 플레이트 절단 중 캠버는 15/1000~18/1000입니다. 따라서 예약 된 수축 및 변형은 용접 후 수축 및 변형을 상쇄 할 수 있습니다. 일반적으로 부품의 일부를 절단 할 때 미터당 0.3 ~ 1mm를 추가하는데, 이는 용접 후 수축을 상쇄하기위한 것입니다.

(2) 카운터 변형 방법

생산 시 발생하는 변형 패턴을 바탕으로 용접 후 발생하는 변형과 방향은 반대이지만 크기는 동일한 변형을 미리 용접부에 인위적으로 생성하여 잔류 변형을 방지하는 방법입니다. 이 방법은 매우 효과적이지만 용접 후 발생할 수 있는 변형의 방향과 크기를 정확하게 예측하고 용접물의 구조적 특성 및 생산 조건에 따라 유연하게 적용해야 합니다.

1) 외력 없이 변형 방지.

플레이트의 맞대기 용접에서 각도 변형이 발생하는 경우 그림 9-58a와 같이 용접 잔류 변형을 제어할 수 있으며, 일렉트로슬래그 용접 끝의 횡 변형이 시작보다 큰 경우 그림 9-58b와 같이 설치 및 배치 중에 접합부의 간격을 아래쪽은 작게, 위쪽은 크게 조정할 수 있습니다.

a) 플레이트 맞대기 용접
b) 일렉트로슬래그 버트 수직 용접
c) 스페이스 빔 플랜지의 플라스틱 사전 굽힘
d) 셸 지역 붕괴 방지
e) 수축 허용치를 위해 예약된 크레인 박스 빔 상판

f) 크레인 박스 빔 웹 사전 아치형

T 조인트 용접의 경우 용접 후 평판에 각도 변형이 발생하면 그림 9-58c와 같이 용접 전에 판을 반대 방향으로 미리 구부린 후 용접할 수 있으며, 플랜지와 한쪽에서 바깥쪽으로 맞붙여 용접하는 얇은 벽의 쉘은 안쪽으로 오목한 변형이 발생하면 그림 9-58d와 같이 용접 전에 가장자리를 바깥쪽으로 미리 구부린 후 용접할 수 있습니다.

수축 허용치를 남겨두는 것도 본질적으로 역변형입니다. 예를 들어 교량 크레인의 박스 거더의 경우 그림 9-58e와 같이 상부 커버 플레이트가 리브 플레이트에 용접될 때 각 리브 플레이트의 코너 용접부가 0.5mm씩 수축하고 코너 용접부가 20개라면 재료 준비 시 상부 커버 플레이트의 길이에 10mm의 여유를 확보하고 리브 플레이트에 균등하게 분배해야 합니다.

이 박스 거더의 후가공으로 인한 처짐 변형을 극복하기 위해 웹 플레이트 제작 시 그림 9-58f와 같이 미리 제작된 캠버(캠버 F)를 제작하여 최종 제품 인수 시 캠버보다 크게 제작합니다.

그림 9-59는 보일러 증기 드럼의 역변형 용접 장치와 용접 순서를 보여줍니다. 그림 9-59c에 표시된 스킵 용접 순서에 따라 두 명의 용접공이 동일한 스팀 드럼에서 각각 한 줄의 튜브 시트를 용접합니다. 한 스팀 드럼에서 두 줄의 튜브 시트를 용접한 후 동일한 방법을 사용하여 모든 용접이 완료될 때까지 번갈아 가며 다른 스팀 드럼의 튜브 시트를 용접하므로 용접 후 변형을 크게 방지할 수 있습니다.

a) 역변형 방법을 사용하지 않고 용접 후 스팀 드럼의 변형.
b) 스팀 드럼용 역변형 용접 플립 몰드.
c) 튜브 시트의 용접 순서를 건너뜁니다.

2) 외력에 의한 역변형.

용접 몰드 또는 고정구를 사용하여 역변형 조건에서 공작물을 용접합니다. 용접 후 금형이나 고정 장치를 해제하면 공작물이 모양과 크기 측면에서 기술 요구 사항을 정확히 충족하도록 다시 튀어 나옵니다.

그림 9-60은 I형강 용접으로 인한 각도 변형을 극복하기 위해 간단한 고정 장치를 사용하여 평판을 역변형하는 것을 보여주고, 그림 9-61a, b, c, d는 용접이 상부에 집중되어 용접 후 구부러지는 중공 부품을 보여줍니다.

그림 9-61e와 같이 터닝 지그를 사용하여 동일한 단면을 가진 두 개의 구성 요소를 "연속적으로" 만들고 끝을 고정하고 가운데를 올려서 각 구성 요소를 역방향으로 굽힘 상황에서 용접합니다. 이 터닝 지그는 용접을 용이하게 하고 생산 효율도 향상시킵니다.

a), b), c) 단면 세로 용접이 있는 중공 빔
d) 단면 횡단 용접이 있는 중공 빔
e) 용접 터닝 지그에서의 용접

외력 변형 방지 방법을 사용할 때는 다음 두 가지 문제를 고려해야 합니다.

안전 문제. 필요한 외력은 충분히 커야 하므로 사용되는 지그는 강도와 강성을 보장해야 합니다. 공작물은 변형 방지 중 탄성 상태이며 용접 후에도 탄성을 유지합니다. 클램프가 풀리면 공작물은 필연적으로 튀어 오르기 때문에 이러한 반동으로 인한 부상을 방지하는 것이 중요합니다.

변형 방지 양을 제어하는 가장 신뢰할 수있는 방법은 표준 용접 매개 변수를 사용하여 자유 상태에서 시험 용접을 수행하고 잔류 변형을 측정하는 것입니다. 이 변형은 공작물의 반동과 결합하여 변형 방지의 기초로 사용되어야하며 반동 후 공작물의 모양과 크기가 공작물의 기술적 요구 사항과 정확히 일치하도록 적절하게 조정해야합니다.

3) 박판 용접을 위한 사전 스트레칭 방법.

벽이 얇은 용접 구조물에 역변형 공법을 유연하게 적용하여 용접 후 후면 패널의 물결 모양 변형을 방지한 사례입니다. 얇은 벽의 평판 내부에 프로파일 표면으로 만들어진 프레임이 용접되고 용접 후 주변 용접 수축으로 인해 프레임 내부의 얇은 판이 좌굴 임계 응력에 도달하거나 이를 초과하는 압축 응력이 발생하여 그림 9-62와 같이 물결 모양의 변형이 발생합니다.

단축이 우려되는 부위에 기계적 프리스트레칭, 가열 프리스트레칭 또는 두 가지 방법을 조합한 프리스트레칭을 적용한 후 프레임과 정식으로 조립 및 용접하고 용접 후 프리스트레칭 열을 제거하면 얇은 벽판이 초기 상태로 돌아가 잔류 응력을 효과적으로 줄이고 벽판의 물결 변형 방지 목적을 달성할 수 있습니다.

표 9-12는 스트레칭 방식(SS 방식), 가열 방식(SH 방식), 이 두 가지를 결합한 방식(SSH 방식)의 세 가지 구현 방식을 보여줍니다. 스트레칭 방식은 특별히 설계된 기계 장치가 필요하며, 가열 방식은 히터에 의한 간접 가열 대신 벽판 자체의 저항에 의존하여 직접 가열하는 방식으로 전류를 사용할 수 있습니다.

표 9-12 사전 연신법에 의한 박판 용접의 불안정한 변형 제어를 위한 구현 방식

아니요.	방법	회로도
1	SS 방법 스트레칭 방법
2	SH 방식 가열 방법
3	SSH 방법 스트레칭 방법 + 가열 방법

(3) 고정 고정 방법

용접물의 강성과 구속력을 높이기 위해 적절한 방법을 사용하면 변형을 줄이는 목적을 달성할 수 있는데, 이것이 바로 강성 고정 방법입니다. 일반적인 고정 고정 방법에는 다음이 포함됩니다:

1) 용접부를 단단한 플랫폼에 고정합니다.

박판을 용접할 때는 그림 9-63과 같이 포지셔닝 용접으로 단단한 플랫폼에 고정하고 뒤쪽의 용접부를 프레스 인두로 눌러서 고정할 수 있습니다. 모든 용접부가 완전히 용접되고 냉각된 후 포지셔닝 용접부를 제거하면 박판 용접 시 파형 변형을 방지할 수 있습니다.

2) 용접부를 강성 또는 대칭성이 높은 구조로 결합합니다.

T-보 용접 시 각도 변형과 굽힘 변형이 발생하기 쉽습니다. 그림 9-64는 두 개의 T 빔을 결합하여 용접 이음새를 구조 섹션의 중립 축과 대칭으로 만들어 구조의 강성을 크게 높이고 역 변형 방법 (그림 9-64에서 심 사용)을 사용하여 합리적인 용접 순서를 채택하여 굽힘 변형 및 각도 변형을 방지하는 데 유리합니다.

3) 용접 고정 장치를 사용하여 구조물의 강성과 구속력을 높입니다.

그림 9-65는 용접부를 고정하고, 부품의 구속력을 높이고, 부품의 각도 변형 및 굽힘 변형을 방지하기 위해 클램프를 사용하는 방법을 보여줍니다.

4) 임시 지지대를 사용하여 구조의 구속력을 높입니다.

일체형 생산에서는 특수 고정구를 사용하는 것이 경제적으로 합리적이지 않습니다. 변형되기 쉬운 부품에 임시 지지대나 타이로드를 용접하면 국부적인 강성을 높이고 용접 변형을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그림 9-66은 보호 커버에 임시 지지대를 사용하여 구속력을 높이는 적용 사례입니다.

1-베이스 플레이트
2-수직 플레이트
3-플랜지 플레이트
4-임시 지원

(4) 합리적인 조립 및 용접 순서를 선택합니다.

조립 및 용접 순서는 용접 구조물의 변형에 큰 영향을 미치므로 합리적인 조립 및 용접 순서를 사용하여 용접 변형을 제어할 수 있습니다. 용접 변형을 제어하고 줄이려면 조립 및 용접 순서를 선택할 때 다음 원칙을 따라야 합니다:

1) 용접되는 용접부는 구조 섹션의 중립 축에 최대한 가깝게 위치해야 합니다.

그림 9-67a에서 보듯이 교량 크레인의 메인 빔 구조에는 일정한 상향 캠버가 필요합니다. 이 요구 사항을 충족하려면 왼쪽 및 오른쪽 웹 플레이트의 상향 캠버를 사전 제작하는 것 외에도 하향 굽힘 변형을 최소화하기 위해 최상의 조립 및 용접 순서를 선택해야 합니다.

2) 용접부가 비대칭으로 배열된 구조물의 경우, 조립 및 용접 시 용접부가 적은 쪽을 먼저 용접합니다.

그림 9-68에서 볼 수 있듯이 프레스의 상부 다이 섹션은 중립축 위쪽의 용접부가 아래쪽보다 더 많습니다. 조립 및 용접 순서가 불합리하면 결국 아래쪽으로 굽힘 변형이 발생합니다.

해결책은 먼저 솔기 1과 1'을 대칭으로 용접하는 것입니다(그림 9-68b 참조). 이 경우 상당한 상향 캠버 굽힘 변형이 발생하게 됩니다. ₁ 구조의 강성을 증가시킨 다음 그림 9-68c에 표시된 위치에서 이음새 2와 2' 를 용접하여 하향 굽힘 변형 f를 생성합니다. ₂ 마지막으로 그림 9-68d에 표시된 위치에서 이음새 3과 3' 를 용접하여 아래쪽 굽힘 변형 f를 생성합니다. ₃ . 이렇게 하면 f ₁ F와 거의 같습니다. ₂ 와 f의 합계 ₃ 와 방향이 반대이므로 굽힘 변형은 본질적으로 서로 상쇄될 수 있습니다.

3) 용접부가 대칭으로 배열된 구조물의 경우, 짝수 개의 용접기가 대칭으로 용접해야 합니다.

그림 9-69와 같이 원통형 바디의 맞대기 용접은 두 용접기가 대칭으로 용접하는 것이 가장 좋습니다.

4) 긴 용접(1m 이상)은 그림 9-70에 표시된 방향과 순서대로 용접하여 용접 후 수축 변형을 줄일 수 있습니다.

5) 왜곡을 방지하기 위해 인접한 용접부는 그림 9-71b에 표시된 방향과 순서대로 용접해야 합니다.

a) 올바르지 않음
b) 정답

(5) 합리적인 용접 방법 및 매개변수 선택

다른 용접 방법 열 입력이 다르므로 변형이 다르게 발생합니다. 에너지가 더 집중된 용접 방법을 사용하면 용접 변형을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, CO ₂ 박판 용접에는 가스 용접 및 차폐 금속 아크 용접 대신 가스 차폐 용접 또는 플라즈마 아크 용접을 사용하고, 기어와 같은 정밀 가공 제품에는 진공 전자빔 용접을 사용하여 변형을 제어합니다(그림 9-72 참조).

동일한 구조의 다른 부분에 다른 용접 파라미터가 사용됩니다. 이를 통해 용접 변형을 제어하고 조정하는 목적을 달성할 수 있습니다. 그림 9-73과 같이 비대칭 단면 빔은 용접부 1, 2에서 구조물의 중성축까지의 거리 s가 용접부 3, 4에서 중성축까지의 거리 s'보다 크기 때문에 용접 후 아래쪽으로 굽힘 변형이 발생합니다.

1 ~ 4-용접 솔기

용접 1과 2에 다층 용접을 사용하여 각 층에 더 작은 열 입력을 선택하고 용접 3과 4에 단층 용접을 사용하여 더 큰 열 입력을 선택하면 용접 1과 2 용접에서 발생하는 하향 변형이 용접 3과 4 용접에서 발생하는 상향 아치형 변형을 기본적으로 상쇄하여 용접 후 기본적으로 평평한 구조를 만들 수 있습니다.

(6) 열 밸런싱 방법

용접부가 비대칭으로 배열된 일부 구조물의 경우 용접 후 굽힘 변형이 발생하는 경우가 많습니다. 가스 불꽃 가열을 용접과 대칭되는 위치에서 용접과 동기화하여 사용하는 경우 가열 공정 파라미터를 적절하게 선택하면 부품의 굽힘 변형을 줄이거나 방지할 수 있습니다. 그림 9-74에서 볼 수 있듯이 열 밸런싱 방법은 측면 빔 박스 구조의 용접 변형을 제어하는 데 사용됩니다.

(7) 냉각 방법

냉각 방법은 용접 변형을 줄이기 위해 직접 수냉 및 구리 냉각 블록을 사용하여 용접 열장의 분포를 제한하고 줄이는 등 용접 영역에서 열을 빠르게 발산하는 다양한 방법을 사용합니다. 단, 경화성이 높은 소재는 주의해서 사용하세요.

실제 용접 구조물의 생산 공정에서는 다양한 변형을 충분히 예측하고, 다양한 변형의 패턴을 분석하고, 현장 조건에 따라 하나 또는 여러 가지 방법을 선택하여 용접 변형을 효과적으로 제어해야 합니다.