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HDPE 용접 구조물에서 발생하는 변형에 관한 실험적 연구

An Experimental Study on Welding Distortion in High-Density Polyethylene (HDPE) Welded Structures

Article information

J Weld Join. 2023;41(4):238-243
Publication date (electronic) : 2023 August 31
doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2023.41.4.2
강수지*orcid_icon, 이재민*,orcid_icon
* 전남대학교 조선해양공학과
* Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Chonnam National University, Yeosu, 59626, Korea
†Corresponding author: jae27v@jnu.ac.kr
Received 2023 May 31; Revised 2023 June 22; Accepted 2023 June 23.

Abstract

High-density polyethylene (HDPE) is increasingly recognized as an eco-friendly material for small crafts. However, there is limited research on welding distortion in HDPE welded structures. This study investigates the deformation behavior of HDPE fillet-welded specimens, focusing on global out-of-plane distortions such as angular and bowing distortions. Experimental analysis, conducted using an optical 3D scanner, reveals similarities between the observed deformation patterns in HDPE fillet-welded specimens and those commonly found in other fillet-welded structures. Angular and bowing distortion modes are primarily observed, resulting from the contraction forces that occur during the cooling process after the melting and solidification of the HDPE welding rod. Additionally, the influence of specimen thickness on deformations is examined. This research contributes valuable knowledge about welding distortions in HDPE, providing directions for optimization of welding processes and the enhancement of structural performance in HDPE welded structures.

1. 서 론

해양수산부 통계자료에 따르면 2019년 국내 등록 어선 가운데 95%인 6만 3천대가 FRP(섬유강화플라스틱)선박이다. 목선이 대부분이었던 시절, 싼 가격에 가볍고 가공성이 좋아 1970년대 후반부터 1980년대 초에 앞다퉈 도입된 FRP 선박은 2020년대 현재, 해양 미세 플라스틱의 주범으로 꼽히고 있다. FRP 선박은 외부 충격으로부터 취약하고, 재활용이 어려우며, 건조부터 폐기까지 환경오염을 유발하는 문제가 존재한다. FRP 선박의 건조 과정의 그라인딩 작업 시 다량의 FRP 가루가 발생하는데, 집진 시설을 갖춘 밀폐식 시설에서 건조하는 유럽과 달리 우리나라 조선소의 대부분은 그러한 시설을 갖추지 못하고 있다. FRP 가루가 바다에 유입될 경우 어류가 먹고 미세플라스틱처럼 몸에 축적된다1).

또한 가장 문제가 되는 점은 노후된 FRP 선박의 처리 문제이다. FRP 소재 선박의 경우 폐선 처리비용이 수백만 원에서 수천만 원까지 소요되며, 재활용이 불가능한 폐기물이다. 해안가에 버려진 FRP 소재 폐선에서 깨진 플라스틱 조각들이 바다로 흘러 들어가 해양오염을 일으키며, 연안이나 항만에 방치된 폐 FRP 선박을 지방자치단체가 예산을 들여 처리하는 일이 반복되고 있는 것으로 조사 되었다. 알루미늄 소재 선박은 FRP와 달리 재활용이 가능한 친환경 소재이지만, FRP 선박 대비 높은 초기 건조 비용이 드는 것으로 알려져 있다2).

2020년대에 이를러 HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 친환경 소형 선박 연구 개발에 대한 관심 급증하고 있다. HDPE 소재는 재활용이 가능한 친환경 소재일 뿐만 아니라, 소재의 생산 과정에서도 탄소배출량이 적은 친환경 소재이며, 또한 내충격성과 내부식성이 우수하며 알루미늄 선박 대비 자가 수리가 용이하며 100% 국내 가공 생산으로 어선 건조가 가능하다는 장점이 존재한다3). HDPE의 장점 때문에 국내에서도 HDPE 활용한 어선의 개발·보급이 가능토록 HDPE 어선 구조기준의 개발과 시제선 건조 등에 대한 다양한 기초 연구들이 2020년대를 기점으로 수행되고 있다. 최근 연구개발 목적으로 시제선이 개발되어 시운전까지 성공적으로 마쳐, HDPE 소형 어선의 활용 가능성에 대해서 검증되었으나, 현재까지 HDPE 소형 어선 개발에서 드러난 문제점은 HDPE 용접으로 인한 높은 열변형과 이에 대한 관리 기준의 부재가 있다4).

선박 건조 공정은 절단, 가공, 용접, 조립 및 의장품 탑재, 시운전 성능 검증 후 선주에게 인도되는 공정이다. 선박의 건조 공정 특성 상, 각 부재의 설계된 치수와 실제 제작 치수 간의 치수 오차를 관리하는 것은 생산에 있어서 매우 중요한 이슈이다. 이러한 선박 공정 과정 중 치수 오차를 일으키는 원인 중에 하나는 용접으로 인한 열 변형이다. 국부적인 열원에 의하여 용접 부위 인근에 수축 변형이 생기고, 이러한 변형이 조립 과정에서 누적되면 다음 부재 조립 과정에서 조립이 불가 하거나 너무 큰 단차로 인하여 접합이 불가능하게 되는 등의 문제점이 발생한다. 열 변형에 의해 선체 외판 및 구조 부재 간의 편차가 발생하고 이는 폴리에틸렌 선박 건조의 조립 시간과 작업난이도를 어렵게 만드는 주요한 문제이다. 그러나 국내 HDPE 어선 건조에 관한 연구는 현재 초기 단계이므로, 어선 건조 기술 관점에서 HDPE 용접 변형 관리 및 제어에 대한 기초 연구가 현재 전무한 상황이다.

반면, 일반적으로 조선에 사용되는 강재의 용접 변형에 대한 실험적, 경험적 그리고 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구는 1990년대부터 활발하게 진행되어왔다5,6). 판재 용접 시, 용접 조건에 따른 단위 시편 실험 진행을 통해 용접 변형 발생 기구와 변형 정도에 대한 실험적 연구에서부터 대형 용접 구조물 변형 예측에 적합한 다양한 수치적 접근까지 개발되어 조선업 등에서 생산 설계에 활용되고 있다.

그러나, HDPE 판재 용접에서 발생하는 용접 변형에 대한 연구 사례가 없다. HDPE 어선 설계 및 재료 시험 관련한 연구 사례7-9)는 존재하나, HDPE 판재 용접 시, 발생하는 변형에 대해서 정성적 및 정량적 분석을 수행한 사례가 전무하다. 따라서, 본 연구에서는 양면 필렛 용접 구조물에 한정하여, HDPE 용접 시편을 제작 및 발생하는 면외 변형에 대한 분석 및 두께에 따른 변형 형태 및 변형 정도를 비교하여 고찰하였다.

2. 실험 재료 및 구성

2.1 실험 재료

본 실험 연구에서 양면 필렛 용접 시편 제작을 위해 모재는 250×300 (mm) 의 HDPE 모재를 사용하였으며 두께는 8 mm와 12 mm로 2가지를 고려하였다 (Fig. 1). 용가재는 직경 4 mm의 PE100 계열 용가재를 사용하였으며 Table 1에서는 사용된 모재의 재료 물성치를 기술하였다.

Fig. 1

Dimensions of welding specimens

Material properties of base material

2.2 실험 구성

본 실험 연구에서는 독일 Leister®사에서 개발된 플라스틱 압출 용접기인 WELDPLAST S2를 본 용접에 적용하였다. 압출 용접은 1960년대에 개발된 플라스틱 접합 기법으로, 열가소성 구조물 제작에 사용되며, 주로 폴리프로필렌(PP) 부재와 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 부재를 용접하는데 사용되고 있다. 폴리에틸렌 판재 용접 시 압출 용접 방식의 가장 큰 특징 중 하나는 다층 접합이 적용되어야 하는 고온 가스 용접과 달리 단층 접합이 가능하다는 점이다10).

용접 과정은 접합부의 예열, 고온으로 가열되어 용융된 용접봉이 압출기를 통해 압출될 때 압출기와 연결된 용접 슈(welding shoe)를 통해 접합부 형상에 적합한 용접 단면 형성 순으로 진행된다. 예열을 위한 공기 가열 유닛은 압출기의 끝부분에 통합되어 있으며, 용접 과정 중에 가열된 공기로 접합부가 예열 된다. 용접 슈는 접합부의 형상, 필렛 용접과 같은 경우 목표하는 각목(유효 두께)의 크기 등의 따라 그 종류가 다양하다. 본 실험에는 각목 7 mm 용접 단면부를 형성하는 필렛 용접용 용접 슈를 적용하였다. Fig. 2는 본 실험에 사용한 용접기와 필렛 용접에 사용한 용접 슈를 나타낸다.

Fig. 2

Welding machine and welding shoes (a) Extrusion welder, (b) Welding shoe for fillet welding

3. 실험 방법

3.1 실험 조건

압출 용접에서의 주요 설계 변수는 압출 속도, 압출 온도, 예열 공기의 온도 그리고 용접 속도이다. 압출 속도는 사용하는 용접기의 성능에 따라 가용 범위가 다르며, DVS 2225-1에 따르면 수동 용접 시 고밀도 폴리에틸렌을 위한 일반적인 압출 용접 온도는 약 220~ 250°C, 예열 온도는 220~260°C이며 용접 속도는 0.2~0.5 m/min으로 알려져 있다. 본 실험 연구에 적용한 WELDPLAST S2 용접기의 경우 직경 4 mm 용접봉 사용 시 가용한 압출 속도가 1.0~2.0kg/h이다. 용접기에서 압출 속도를 30~100%까지 조절 가능하므로 최대 속도의 70%인 1.3kg/h를 기준으로 이상적인 용접 속도를 산출 하였다. 계산된 용접 속도는 Table 2와 같으며, 본 시편 실험 시 적용한 용접 조건은 Table 3과 같다.

Welding speed estimation

Welding condition

Table 3에 기술된 용접 조건을 적용하여 flange 및 web 부재가 모두 8 mm인 양면 필렛 용접 시편 3개 제작 및 flange 및 web 부재가 모두 12 mm인 양면 필렛 용접 시편에 대해서도 3개를 제작하였다. 반복적인 실험을 진행한 이유는, 수동 용접으로 인한 용접 속도에 대한 불확실성을 고려하기 위함이다. 실제 용접 속도는 용접사가 진행하는 시편 용접 과정을 동영상으로 촬영하여 용접 길이를 용접 시간으로 나눠서 계산하는 방식을 적용하였다. 실제 측정된 평균 용접 속도는 Table 4와 같다.

Average welding speed of actual welding experiments

3.2 측정 방법

본 연구의 주요 목적은 고밀도 폴리에틸렌 판재 용접 부재에서 일반적으로 잘 알려진 필렛 용접 구조물에서 발생하는 용접 변형의 형태(각변형 및 종굽힘)가 나타나는지 확인하기 위함이므로, 국부적인 변형 계측이 아닌 전역적인 변형 계측이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 전역적인 면외 변형 계측을 목표로 핸드헬드 HD 스캔 모드에서 ±0.045 mm까지 측정할 수 있는 광학식 3D 스캐너 EinScan® Pro 2X 2020을 사용하여 면외 변형을 계측하였다. 광학식 레이저 스캐너의 특성상 빛이 흡수되는 검은 표면에 대해서 인식률이 낮으므로, 스캐닝용 특수 3D 스캔 스프레이를 측정 대상 표면에 균일하게 분사하여 3D 스캐너의 표면 인식 효율성을 높였다. 3D 스캐너로 용접 시험 편의 바닥 면을 측정하여 포인트 클라우드 데이터를 획득한 후, 바닥 면의 중점을 원점으로 설정하고 포인트 클라우드 데이터를 정렬하여 면외 변형 값들을 분석하였다. 전역적인 변형 측정 및 데이터 후처리 과정의 모식도는 Fig. 3와 같다.

Fig. 3

Post-process distortion measurement process (a) Test specimen and 3D scanner, (b) Application of 3D scanning spray to enhance scanning accuracy (c) Point cloud data acquisition, (d) Data alignment

4. 실험 결과 및 고찰

4.1 변형 측정 결과

필렛 용접 시편들에 대해서 3D 스캐너를 이용한 전역적인 면외 변형 계측 결과는 8 mm 두께의 용접 시편에 대해서는 Fig. 4에 모사하였다. 계측된 전역적인 변형의 패턴과 양적인 값은 반복 실험을 수행한 동일한 두께들에 대해서는 유사한 결과를 보이는 것으로 확인되었다.

Fig. 4

Out-of-plane global distortion of 8mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 4의 8 mm 두께의 양면 필렛 용접 시편에서 확인할 수 있는 면외 변형은, 용접선을 중심으로 용접선과 수직 방향으로 상승하는 패턴을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이 패턴은 용접 변형의 일반적인 형태인 각 변형(angular distortion)에 해당된다. 또한 용접선에 인접한 부분은 용접 길이 방향으로 따라가면서 시작점과 끝점이 바닥면의 중심에 비해 아래로 처지는 양상을 보인다. 이는 필렛 용접 구조물에서 흔히 발생하는 종방향 굽힘 변형(Bowing distortion)에 해당된다. 8 mm 두께의 용접 시편의 용접선 중점에서 수직한 방향으로 발생한 각변형은 Fig. 5와 같으며 해당 용접 조건에서는 평균 5.4 mm의 각변형이 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 용접선 방향에 대해서 발생한 종굽힘 변형은 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 5

Average angular distortion of 8mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 6

Bowing distortion of 8mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

동일한 계측 과정을 진행한 12 mm 두께의 용접 시편들에 대한 면외 변형 계측 결과는 Fig. 7에 모사하였다. 마찬가지로 반복 실험을 수행한 동일 두께에 대해서는 계측된 전역적인 변형의 패턴과 양적인 값은 유사한 것으로 확인되었다. 12 mm 두께의 용접 시편에서 발생한 각변형은 Fig. 8와 같으며 해당 용접 조건에서는 평균 4.5 mm의 각변형이 발생하였다. 발생한 각변형의 정량적인 값이 8 mm 두께 시편 대비 15% 정도 작은 것으로 확인되었다. 각 용접 시편에 대해서 계측된 평균 각변형 값은 Table 5와 같다.

Fig. 7

Out-of-plane global distortion of 12mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 8

Average angular distortion of 12mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Average angular distortion values of welding specimens

또한 용접선 방향에 대해서 발생한 종굽힘 변형(Fig. 9)은 8 mm 두께 시편은 최대 처짐량이 1 mm 내외를 보인 반면, 12 mm 두께 시편에 대해서는 종굽힘 변형이 상대적으로 거의 발생하지 않은 것이 확인되었다.

Fig. 9

Bowing distortion of 12mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

4.2 변형 측정 결과에 대한 고찰

실험 결과를 종합해보면, HDPE 필렛 용접 시편에서 발생하는 변형의 형태는 일반적으로 알려진 필렛 용접 구조물에서 발생하는 용접 변형의 형태와 유사함을 보이는 것으로 확인되었다. 주요하게 각변형 형태와 종굽힘 형태가 발생하는 것이 확인 되었다. 이는 HDPE 용접 시 용접봉이 고온으로 녹아 상온으로 식는 과정에서 수축력이 작용하여 변형을 일으키는 것으로 판단된다.

일반적으로 알려진 강(steel) 재료의 용접 변형 발생 메커니즘은 용접 과정에서 발생하는 불균일한 온도 분포에 기인한다. 용접 입열에 의한 용융 및 응고 과정에서 국부적으로 가열된 부분과 그렇지 않은 부분에 불균일한 온도 분포로 인한 불균일한 팽창과 수축으로 열탄소성 변형 및 잔류응력이 발생하며, 최종적으로 열영향부에서 수축 형태의 영구 변형이 발생한다. HDPE 용접 시편에서 관찰된 면외 용접 변형 또한 이러한 수축 형태의 변형이므로 변형 발생 원인은 유사하다고 볼 수 있겠으나, 기존 용접 변형 발생 메커니즘과 유사 여부를 판단하기 위해서는 열영향부의 크기, 전체 구조물에서 열영향부의 위치와 영역, 열영향부의 영구 변형량 발생 확인 등이 종합되어 판단되어야 할 것으로 예상된다.

용접 길이 방향으로 작용하는 수축력은 필렛 용접 구조물의 단면에서 중립축보다 낮은 위치에 작용 시, 모재의 양 끝단을 수직 아래로 처지게 만드는 굽힘 모멘트를 발생시키며, 이는 종굽힘 변형을 발생시킨다. 마찬가지로 용접 길이에 수직한 방향으로 작용하는 수축력은 용접 길이의 수직한 방향으로 용접 비드를 수축시켜, 모재를 수직 위로 변형시키는 각변형을 발생시킨다.

두께에 따른 실험 결과를 분석해보면, 12 mm 두께의 시편에서는 각변형과 종굽힘 변형이 8 mm 시편 대비로 작게 나타났다. 이는 두께의 영향으로 설명될 수 있을 것으로 판단된다. 거의 유사한 용접 조건을 적용하여 종방향(용접 길이 방향) 및 횡방향(용접 길이에 수직한 방향)으로 유사한 수축력이 작용하여도 8 mm에서 12 mm로 두께가 증가함에 따라 종방향 및 횡방향 굽힘 강성이 증가하여 발생하는 변형량도 작아지는 경향을 보이는 것으로 판단된다.

5. 결론 및 추후 연구

본 연구에서는 HDPE 필렛 용접 시편에서 발생하는 변형에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 실험 결과를 종합해본 결과, HDPE 용접 시편에서 발생하는 변형은 일반적으로 알려진 필렛 용접 구조물에서 발생하는 용접 변형과 유사한 형태를 보였으며 주로 각변형과 종굽힘 변형이 관찰되었다. 이는 HDPE 용접 시 용접봉의 고온에서 녹아 상온으로 식는 과정에서 발생하는 수축력에 의해 일어나는 것으로 판단된다.

또한 실험을 통해 두께에 따른 변형의 차이를 분석하였을 때, 12 mm 두께의 시편에서는 각변형과 종굽힘 변형이 8 mm 시편에 비해 작게 나타났으며, 이는 두께의 영향으로 설명될 수 있을 것으로 판단된다. 두께가 증가함에 따라 용접 구조물의 강성이 증가하여 변형을 제한하는 역할을 한 것으로 판단된다.

추후 연구에서는 신뢰도를 높이기 위한 표본 개수의 확대와 용접 조건의 다각화를 고려해야 될 것으로 판단된다. 본 연구에서는 8 mm와 12 mm 두께의 시편에 대해서 실험을 진행하였지만, 수동 용접 공정의 불확실성을 고려할 때, 동일한 용접 조건에 대한 반복적 실험 횟수를 더 늘릴 필요가 있으며 더 다양한 두께와 용접 조건에 대한 실험을 수행하여 변형의 경향성을 더 명확히 파악할 필요가 있을 것으로 판단된다. 다양한 용접 형태에 따른 변형의 차이를 연구함으로써 용접 공정의 최적화 방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 용접 기법에 대한 열원 모델 구성, 변형 발생 및 잔류응력 발생 기구에 대한 해석적 검토 등이 추가 된다면 HDPE 용접 구조물의 용접 변형에 대한 근원적인 이해를 높이는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

이러한 연구 방향들을 추후 연구에 적용하여 HDPE 용접 구조물의 변형에 대한 이해를 더욱 확대하고, 용접 공정의 효율성과 구조물의 성능을 향상시킬 수 있는 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

이 논문은 전남대학교 학술 연구비(과제 번호: 2022- 2706) 지원에 의하여 연구되었음

References

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Article information Continued

Fig. 1

Dimensions of welding specimens

Table 1

Material properties of base material

Properties Value Unit
Density 0.95 g/cm3
Melting temperature 134 °C
Tensile modulus of elasticity 1,200 MPa
Tensile strength 23.5 MPa
Flexural strength 29 MPa
Coefficient of Linear Thermal expansion 150 10-6/°C

Fig. 2

Welding machine and welding shoes (a) Extrusion welder, (b) Welding shoe for fillet welding

Table 2

Welding speed estimation

Properties Value Unit
Design throat thickness 7.0 mm
Design leg thickness 9.9 mm
Weld cross section 49.0 mm2
Welding length 300 mm
Estimated output extrudate mass 13.9 g
Estimated extrusion rate 1.3 kg/h
Estimated welding speed 0.46 m/min

Table 3

Welding condition

Properties Value Unit
Hot gas temperature 260 °C
Extrudate temperature 230 °C
Estimated extrusion rate 1.3 kg/h
Estimated welding speed 0.46 m/min

Table 4

Average welding speed of actual welding experiments

Average welding speed Value Unit
8 mm thickness welding specimen 0.40 m/min
12 mm thickness welding specimen 0.44 m/min

Fig. 3

Post-process distortion measurement process (a) Test specimen and 3D scanner, (b) Application of 3D scanning spray to enhance scanning accuracy (c) Point cloud data acquisition, (d) Data alignment

Fig. 4

Out-of-plane global distortion of 8mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 5

Average angular distortion of 8mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 6

Bowing distortion of 8mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 7

Out-of-plane global distortion of 12mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Fig. 8

Average angular distortion of 12mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3

Table 5

Average angular distortion values of welding specimens

Item Fillet welding specimen (8 mm) Fillet welding specimen (12 mm)
Case 1 (mm) 5.1 4.6
Case 2 (mm) 5.8 4.5
Case 3 (mm) 5.4 4.4
Average value (mm) 5.4 4.5

Fig. 9

Bowing distortion of 12mm thickness fillet-welding specimens (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3