KR101114528B1 - 강재 용접 접합부의 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

강재 용접 접합부의 표면처리방법을 제공한다.

본 발명은 코일 상태로 권취된 강판을 풀어 일정길이의 강판재로 절단하는 블랭킹단계; 일정길이로 절단한 강판재를 제조하고자 하는 제품 형상에 맞추어 프레스가공하여 다수의 부품으로 성형 제조하는 성형단계; 성형 제조된 부품들을 서로 용접하여 용접 접합부를 갖는 제품을 제조하는 용접단계; 상기 용접 접합부에 0.03 내지 0.01mm의 쇼트볼을 쇼트피닝장치의 노즐로부터 일정시간 동안 투사하여 상기 용접 접합부의 표면으로부터 100 내지 200㎛의 경화깊이를 갖는 경화층을 형성하도록 상기 용접 접합부를 쇼트피닝 가공하는 표면처리단계;쇼트피닝된 제품의 표면을 도장하는 도장단계를 포함한다.

용접 접합부, 표면처리, 쇼트볼, 쇼트피닝, 블랭킹, 성형, 도장

Description

강재 용접 접합부의 표면처리방법{Method for Treating the Surface of Steel Welding Joint}

본 발명은 강재간의 용접 접합부를 표면 처리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 마이크로 쇼트볼을 용접부 및 열영향부에 투사하여 표면 및 표면 아래에 극 미세립의 결정립을 갖는 경화층을 형성함으로써 용접부와 열영향부의 용접에 의한 연화 현상 및 인장 잔류 응력을 극복할 수 있게 하는 고강도강 용접 접합부의 표면처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용접법은 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열 또는 압력과 같은 에너지를 제공하여 이들 금속재료의 접합부위를 일체화되도록 접합시키는 방법을 일컫는 것으로, 자동차 부품이나 건축구조물, 해양구조물 등에 사용되는 고강도강은 대부분 용접을 이용하여 구조물을 제작하게 된다.

이러한 용접법은 크게 융접법과 압접법으로 나뉘게 되는데, 융접법은 용접 접합부를 가열 및 용융시켜 서로 다른 두 재료의 원자 결합을 재배열하여 결합시키는 방법으로 아크용접, 가스용접, 테르밋용접 등을 들 수 있고, 압접법은 용접 접합부에 외부의 강한 물리적 압력을 가해 접합하는 방법으로 가스압접이나 단접(鍛 接), 가열압접 또는 고온압접을 들 수 있다.

이와 같은 용접법을 통해 용접된 용접결과의 좋고 나쁨을 용접성이라고 하는데 용접시 그 대상이 되는 모재(母材), 용접봉, 작업 조건의 모든 것으로 인해 영향을 받게 된다.

이에 용접부 및 열영향부의 파손이 일어나는 경우를 살펴보면, 용접재료의 사용이 잘못된 경우, 열영향부의 연화가 발생하여 연속적인 하중이 열영향부에 집중되는 경우, 용입이 부족한 경우, 용접 결함(기공, 크랙, 언더컷 등)에 의한 경우 등이 있다.

도 1은 일반적인 강판재간의 용접 접합부를 도시한 개략도로서, 이는 용접성의 영향을 주는 요인 중 용접 결함에 대해 보다 구체적으로 살펴보기 위해 도시한 것으로서 상, 하부로 적층된 강판재(1)(2)를 용접 접합하게 되면, 강판재(1)(2)를 서로 일체로 연결하는 용접 접합부는 용접부(3)와 열영향부(4)를 구성하게 된다.

한편, 용접가공 이후에 형상학적인 결함 즉, 기공(5)이 발생하면 외부의 응력이 기공에 집중되어 파손이 일어나게 되고, 언더컷(6)과 같은 응력 집중부위가 발생하게 되면 계속적인 하중에 의해 파손이 발생하게 된다.

도 2는 일반적인 강판재간의 용접 접합부의 용접부와 열영향부에서의 경도분포를 도시한 그래프로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 용접공정에 의해 접합된 강판재는 야금학적으로 열영향부의 연화가 쉽게 발생하게 되고, 접합면은 불순물을 포함하여 쉽게 물러지는 경향이 있었다.

이에 따라 최근에는 고강도강의 강판재 사용이 빈번해짐에 따라 용접부 및 열영향부의 인성 및 피로강도 향상을 위한 방안이 확대 및 논의되고 있다.

이에 관련된 종래기술로 대한민국 특허등록번호 제10-0671037호 " 강재의 용접 접합부에 있어서의 열 영향부의 인성 향상방법 ", 대한민국특허 등록번호 제10-0606312호 "피로 강도에 우수한 회전 용접 이음매, 회전 용접 이음매의 제조 방법 및 용접 구조물", 대한민국 특허 등록번호 제10-0361927호 " 쇼트투사에 의한 용접부 피로강도 강화방법" 및 일본공개특허 2004-122332호, 평8-311537호, 평3-249127호, 2004-009197호 등이 공지되어 있다.

이들 모두에서는 20~50㎛크기의 쇼트볼을 경금속에 투사하거나 0.1mm이상의 쇼트볼을 금속 표면에 투사하고, 혹은 진동 강구에 의한 표면경화 방법을 통해 강재의 용접 접합부인 용접부 및 열영향부의 인성을 향상시키는 방안에 대해서 언급하고 있다.

또한, 강재의 표면을 경화하는 방법 중 하나인 쇼트피닝 기술로 대한민국 공개특허번호 제2004-0036121호 "숏 피닝 시스템"과, 대한민국 특허등록번호 제10-0591982호 "금속 모재의 표면 개질 방법", 대한민국 공개특허번호 제2002-0083500호 "쇼트 피닝 장치의 제어 방법 및 장치" 및 일본공개특허 평9-193015호가 공지되어 있다.

그러나, 상기한 종래기술들은 일반적인 표면개질처리 방법에 국한되어 있으며 실제적인 강화 방법 및 그 장치에 대해서는 한계점을 갖고 있는 문제가 있었다.

특히, 용접부를 강화시키는 주된 방법으로 쇼트볼을 사용하는 쇼트피닝이 아닌 핀을 이용하여 소재를 두드려 강화시키는 방법이 제시되어 있고, 또한 0.1mm이 상의 볼을 사용하여 용접 접합부 및 일반 강재의 강화효과에 대해 언급을 하고 있다.

또한, 이러한 종래기술들의 경우에는 0.1mm 이상의 볼을 사용함으로써 표면처리시 표면경화의 한계를 노출시키고, 강재의 표면조도가 불량해지는 단점을 갖게 되는 문제가 있었다.

그리고, 용접공정이 필수적으로 수반되는 부품생산에 있어 쇼트피닝공정을 전체 자동화라인중 하나의 공정으로 채택함으로써, 부품생산에 있어 더욱 간편하고 빠른 생산설비에 대한 발명은 알려진 바 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 금속재료간의 용접이 이루어지는 용접 접합부분에 0.1mm이하의 미세한 쇼트볼을 이용한 쇼트피닝 가공을 수행하여 용접부에 극 미세화된 결정립을 갖는 경화층을 형성함으로써 용접 접합부에 대한 표면 경도와 인성 및 피로강도 등을 향상시킬 수 있는 강재 용접 접합부의 표면처리 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 제품 제조 공정 중 표면처리공정을 자동화함으로서 표면처리에 필요한 쇼트피닝 가공을 연속적으로 수행하여 제품의 생산성과 효율을 향상시킬 수 있는 강재 용접 접합부의 표면처리 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서, 본 발명은 코일 상태로 권취된 강판을 풀어 일정길이의 강판재로 절단하는 블랭킹단계; 일정길이로 절단한 강판재를 제조하고자 하는 제품 형상에 맞추어 프레스가공하여 다수의 부품으로 성형 제조하는 성형공정과; 성형 제조된 부품들을 서로 용접하여 용접 접합부를 갖는 제품을 제조하는 용접단계와; 상기 용접 접합부에 직경 0.03 내지 0.1mm의 쇼트볼을 쇼트피닝장치의 노즐로부터 일정시간동안 투사하여 상기 용접 접합부의 표면으로부터 100 내지 200㎛의 경화깊이를 갖는 경화층을 형성하도록 상기 용접 접합부를 쇼트피닝 가공하는 표면처리단계; 쇼트피닝된 제품의 표면을 도장하는 도장단계;를 포함하고, 상기 표면처리단계는 상기 쇼트볼을 투사하는 노즐이 2 ~ 5cm/min 의 속도로 일방향으로 이동하면서 이루어지며, 상기 용접 접합부와 상기 노즐 간의 투사거리를 5~15cm 로 설정하고, 상기 용접 접합부에 쇼트볼을 투사하는 노즐의 투사각도는 45 ~ 135도로 설정하며, 상기 용접 접합부에 쇼트볼을 투사하는 노즐의 투사압은 0.4 ~0.6Mpa로 설정한 것임을 특징으로 하는 강재 용접 접합부의 표면처리 방법을 제공한다.

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바람직하게, 상기 표면처리단계는 상기 용접 접합부에 쇼트볼을 투사하여 쇼트피닝 가공하는 시간을 30 내지 150초 사이로 설정한다.

본 발명에 의하면, 미세한 쇼트볼을 이용한 고속의 쇼트피닝 가공을 통해 표면에서 약 100nm이하, 표면부근에 결정립을 갖는 경화층을 수십에서 수백㎚이하로 형성하여 표면 경도를 향상시킴과 아울러, 압축잔류응력을 발생시켜 용접에 의한 용접부 및 열영향부의 인성 및 피로강도를 모재와 유사하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 쇼트피닝공정을 부품생산의 자동화 공정중 하나로 채택함으로써 기존의 생산라인에 큰 변화 없이 용접에 의해 연화된 소재를 모재수준이상의 물성을 가지는 제품(차량의 경우 서브프레임, 엔진크래들과 같은 샤시부품)을 간편하고 신속 하게 생산성있는 부품 생산 시스템을 구축 할 수 있다.

더욱이, 쇼트피닝 가공에 사용된 쇼트볼을 쇼트피닝장치에 자동으로 순환 공급하여 쇼트피닝 가공에 소요되는 시간을 줄이므로, 공정 중 생산 사이클을 단축시켜 제품의 생산성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면에 따라 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 강재 용접 접합부의 표면처리방법은 블랭킹단계(P10)와, 성형단계(P20)와, 용접단계(P30)와, 표면처리단계(P40) 및 도장단계(P50)를 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 강재 용접부의 표면처리방법을 도시한 공정도로서, 도시한 바와 같이, 상기 블랭킹단계(P10)는 일정길이의 강판을 두루마리형태로 권치한 코일(C)을 일방향으로 풀면서 고강도강소재로 이루어진 강판을 상,하부나이프와 같은 별도의 절단장치(K)로서 절단가공하여 판 형태의 강판재를 확보하는 것이다.

그리고 상기 성형단계(P20)는 일정길이로 절단된 강판재을 이용하여 수요각 원하는 다수의 부품을 성형하게 되는데, 이는 제조하고자 하는 제품 형상에 맞추어 기제작된 금형으로 이용하여 상,하부금형사이에 배치되는 강판재를 별도의 프레스장치(P)를 이용하여 적절한 형상을 갖는 강재부품을 성형가공하게 된다.

또한, 상기 용접단계(P30)는 성형단계(P20)에서 성형가공된 강재부품과 다른 강재부품을 별도의 용접장치(W)로서 서로 용접 접합하여 일체화함으로써 하나의 제 품을 제조하는 것이다.

계속해서, 상기 표면처리단계(P40)에서는 용접된 강재제품의 물성을 향상 및 강화시키기 위해 쇼트피닝장치(30)를 이용하여 강재부품이 용접공정에서 서로 접합된 용접 접합부의 용접부와 열영향부를 쇼트피닝방식으로 가공하는 것이다.

이러한 표면처리단계는 직경 0.03 내지 0.1㎜ 입도크기를 갖는 마이크로 쇼트볼을 사용하여 100~300m/sec의 투사속도, 0.4 ~ 0.8MPa의 투사압력으로 30~150초의 쇼트피닝가공시간동안 용접 접합부에 대한 쇼트피닝가공을 수행하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 용접 접합부와 쇼트피닝 노즐간의 투사거리는 약 5~15cm범위가 적당하고, 용접 접합부에 대한 노즐의 투사각도는 45~145도로 설정하는 것이 바람직하다.

쇼트볼크기	경도(Hv)			조도(Ra)			경화층 깊이(㎛)
	30초	60초	150초	30초	60초	150초	30초	60초	150초
표면처리전	250	250	250	0.2	0.2	0.2	0	0	0
0.01mm	300	305	305	0.22	0.23	0.22	30	40	45
0.03mm	320	310	290	0.3	0.5	0.7	100	100	100
0.07mm	430	450	470	1.7	3.2	5.1	100~200	100~200	100~200
0.1mm	420	445	470	5.5	13.8	15.2	200	200	200
0.3mm	400	410	410	10.3	17.6	29.3	220	220	220

상기 표 1은 용접 접합부에 대한 쇼트피닝 가공전, 0.01mm, 0.03mm, 0.07mm, 0.1mm 및 0.3mm의 입도크기를 갖는 쇼트볼을 이용하여 용접 접합부를 30초, 60초, 150초 동안 쇼트피닝 가공한 후, 용접 접합부에 대한 경도, 조도 및 경화층 깊이를 각각 측정한 것이다.

상기 표 1에서 용접 접합부의 경도, 조도 및 경화깊이는 쇼트피닝가공 이후 증가됨을 알 수 있으며, 특히 쇼트볼의 입도크기가 0.01mm 이하에서는 경도 및 조도가 향상되지만 경화층 깊이가 낮고, 쇼트볼의 입도크기가 0.1mm 이상에서는 조도 및 경화층 깊이가 양호해지만 경도가 저하되기 때문에, 용접부를 쇼트피닝하는 마이크로 쇼트볼의 입도크기는 0.03mm ~ 0.1mm 로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

투사거리	경도(Hv)			조도(Ra)			경화층 깊이(㎛)
	30초	60초	150초	30초	60초	150초	30초	60초	150초
표면처리전	250	250	250	0.2	0.2	0.2	0	0	0
2cm	450	480	480	12.2	20.2	34.3	80	80	80
5cm	450	480	490	5.2	12.2	18.3	100	100	100
10cm	430	450	470	1.7	3.2	5.1	100~200	100~200	100~200
15cm	400	420	440	1.4	2.4	4.8	100	100	100
17cm	300	330	370	1.1	2.4	2.9	40	50	60

상기 표 2는 용접 접합부에 대한 쇼트피닝 가공전, 용접 접합부와 노즐간의 투사거리를 2cm,5cm, 10cm, 15cm 및 17cm로 각각 변경하면서 용접 접합부를 30초, 60초,150초 동안 쇼트피닝 가공한 후, 용접 접합부에 대한 경도, 조도 및 경화층 깊이를 측정한 것이다.

상기 표 2에서 용접 접합부의 경도, 조도 및 경화깊이는 쇼트피닝가공 이후 증가됨을 알 수 있으며, 특히 용접 접합부와 노즐간의 투사거리가 2cm 이하에서는 경도 및 조도가 향상되지만 표면처리되는 투사범위가 좁아지고 경화층 깊이가 100㎛ 이하로 낮고, 투사거리가 17cm 이상에서는 경도가 저하되고 경화층 깊이가 낮아지기 때문에, 용접 접합부와 노즐간의 투사거리는 5 ~ 15cm 로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

투사압	경도(Hv)			조도(Ra)			경화층 깊이(㎛)
	30초	60초	150초	30초	60초	150초	30초	60초	150초
표면처리전	250	250	250	0.2	0.2	0.2	0	0	0
0.2MPa	280	300	300	1.3	2.5	3.4	40	45	50
0.3MPa	320	330	340	2.2	4.2	6.3	75	75	85
0.4MPa	380	400	420	3.7	8.9	12.2	100	110	50
0.5MPa	430	450	490	5.2	9.4	14.5	150~200	150~200	150~200
0.6MPa	410	430	465	6.2	14.4	22.9	180	185	185
0.7MPa	400	420	445	9.2	18.2	27.9	180	180	180
0.8MPa	400	420	445	13.2	21.2	37.9	150	150	150

상기 표 3은 용접 접합부에 대한 쇼트피닝 가공전, 용접 접합부에 쇼트볼이 투사되는 투사압을 0.2MPa, 0.3MPa,0.4MPa, 0.5MPa, 0.6MPa, 0.7MPa, 0.8MPa로 변경하면서 용접 접합부를 30초,60초,150초 동안 쇼트피닝 가공한 후, 용접 접합부에 대한 경도, 조도 및 경화층 깊이를 측정한 것이다.

상기 표 3에서 용접 접합부의 경도, 조도 및 경화깊이는 쇼트피닝가공 이후 증가됨을 알 수 있으며, 특히 용접 접합부에 쇼트볼이 투사되는 투사압이 0.3MPa 이하에서는 경도 및 조도가 향상되지만 경화층 깊이가 100㎛ 이하로 낮고, 투사압이 0.7MPa 이상에서는 경화층이 깊게 형성되지만 경도가 저하되기 때문에, 용접 접합부에 쇼트볼이 투사되는 투사압은 0.4~0.6MPa 로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

투사각도	경도(Hv)			조도(Ra)			경화층 깊이(㎛)
	30초	60초	150초	30초	60초	150초	30초	60초	150초
표면처리전	250	250	250	0.2	0.2	0.2	0	0	0
30도	280	290	290	0.35	0.4	0.42	20	20	20
45도	340	340	360	0.8	1.8	2.2	60	70	70
90도	430	450	490	1.7	3.2	5.1	150~200	150~200	150~200
135도	340	340	360	0.8	1.8	2.2	60	70	70
150도	250	250	250	0.5	1.0	1.7	20	20	20

상기 표 4는 용접 접합부에 대한 쇼트피닝 가공전, 용접 접합부에 쇼트볼이 투사되는 각도를 30도, 45도, 90도, 135도로 변경하면서 용접 접합부를 30초, 60초, 150초 동안 쇼트피닝 가공한 후, 용접 접합부에 대한 경도, 조도 및 경화층 깊이를 측정한 것이다.

상기 표 4에서 용접 접합부의 경도, 조도 및 경화층 깊이는 쇼트피닝가공 이후 증가됨을 알 수 있으며, 특히 용접 접합부에 쇼트볼이 투사되는 투사각도가 30도 이하에서는 경도 및 조도가 향상되지만 경화층 깊이가 매우 낮고, 투사각도가 150도 이상에서는 경화층 및 경도가 저하되기 때문에, 용접 접합부에 쇼트볼이 투사되는 투사각도는 45~135도로 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

즉, 용접 접합부와 노즐간의 투사거리가 5cm이하이고 쇼트볼의 투사압이 0.6MPa 이상에서는 너무 큰 에너지가 표면에 전달되어 용접 접합부의 표면이 뭉그러지거나 조도가 극도로 나빠지고, 용접 접합부와 노즐간의 투사거리가 15cm 이상이고 쇼트볼의 투사압이 0.4MPa이하에서는 투사되는 쇼트볼의 투사거리가 멀고 투사에너지가 부족하여 용접 접합부를 충분한 경도를 갖도록 경화시키는 것이 곤란하였다.

또한, 쇼트볼의 투사각도가 45도 이하 혹은 135도 이상에서는 투사된 쇼트볼의 에너지가 대부분 전달되지 못하고 쇼트볼이 표면을 맞고 튀어나가 표면개질처리가 제대로 되지 않기 때문에 쇼트볼의 분사각도는 45 내지 135도로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 도 6은 쇼트피닝 처리시간에 따른 경도변화를 도시한 그래프로서, 도 6에 도시한 바와 같이, 30초 이하의 쇼트피닝공정에서는 경화가 덜되어 경도가 적게 나타나고, 60초 이상에서는 400이상의 경도가 일정하게 나타남을 알 수 있다.

즉, 30초 이하의 쇼트피닝공정에서는 표면 및 표면근처의 결정립이 극미세화가 안되고 경도 또한 최대점에 이르지 못한 것이 확인되기 때문이고, 60초 이상에서는 가공시간이 길어짐에도 경도 향상에 큰 변화가 없다.

도 4는 본 발명에 적용되는 쇼트피닝장치를 도시한 개략도로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기한 쇼트피닝장치(30)는 적어도 하나 이상을 사용하는 것이 적절한 것으로, 본 발명에서는 양측에 2대의 쇼트피닝장치(30)를 설치하는 것으로 예시하였다.

또한 하나의 쇼트피닝 장치에 필요에 따라 하나 이상의 노즐을 장착하는데, 본 예시에서는 하나의 각 쇼트피닝장치(30)에 하나의 노즐만 장착하는 것을 예시하였다. 이는 기존의 특허에는 왕복과정을 통해 쇼트피닝 처리하였으나 본 발명은 하나의 장치에 적어도 하나 이상의 노즐을 장착하고, 용접 접합부를 갖는 제품을 일방향으로 이송하는 컨베이어의 속도는 약 3cm/min의 속도가 적당하며 상기 공정에서 필요한 용접부 및 열 영향부에 30~60초의 쇼트피닝 공정적용시간을 가지는 것이 바람직하다.

이러한, 쇼트피닝 가공에 대해 도 5를 통해 설명하면, 기계적 방법(임펠러 방법) 또는 가스의 압력을 이용하여 노즐(21)을 통해 소재에 쇼트볼을 투사하게 되면, 소재 표면에 강한 소성변형을 일으키게 된다. 이와 같은 소성변형은 표면 내부에 강한 압축잔류응력을 발생시키게 되고, 조직적으로 표면의 결정립을 수십nm크기의 결정립으로 미세화시키고 이는 아래와 같은 홀페치식(Hall-Petch equation)에 의해 강화가 된다.

여기서, σ₀ 는 재료의 항복응력이고, σ_i 는 결정립 한 개의 항복응력이며, k 는 항복강도의 증가에 미치는 임계의 효과를 결정하는 복합매개변수 D 는 입도의 직경이다.

즉, 입도가 분모에 있으므로 입도의 크기가 작아지면 재료의 항복응력은 -1/2제곱에 비례하여 강해지게 되는데, 상기 식에서 가중 중요한 두가지 변수는 σ₀과 D 이다.

또한, 결정립 직경의 항목 지수에는 -1/2이 있으므로 중요 두 가지 변수사이에는 반비례의 관계가 있는데, 즉, 결정립의 크기가 작으면 작을수록 전체 재료의 강도는 상승하고, 결정립의 크기의 크기가 클수록 재료 전체의 강도는 감소하게 된다.

도 7(a)(b)는 본 발명에 따른 표면처리방법에 의한 용접접합부에서의 결정립 변화를 도시한 것으로서, 용접 접합부 중 열영향부에서의 결정립 변화는 도 7(a)에 도시한 바와 같이, 좌측에 도시한 쇼트피닝 가공 전 열영향부가 약 500~1000nm의 직경을 갖는 결정립에서 우측에 도시한 쇼트피닝 가공 후 상태를 살펴보면 약 30~150nm의 크기로 결정립의 크기가 감소한 것을 확인할 수 있다.

또한, 용접 접합부 중 용접부에서의 결정립 변화는 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 좌측에 도시한 쇼트피닝 가공 전 용접부도 마찬가지로 약 500~1200nm의 직경을 갖는 결정립에서 우측에 도시한 쇼트피닝 가공 후 상태를 살펴보면 약 100~200nm의 결정립 크기로 감소한 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 표면처리방법에 의한 쇼트피닝후와 쇼트피닝전 결정립에서의 크랙전파를 도시한 것으로서, 대부분 재료의 파괴는 표면에서 일어나기 때문에 표면에 쇼트피닝에 의해 야기된 압축잔류응력과 극 미세화된 표면결정립은 크랙의 전파를 지연시키게 되어 피로강도를 현저히 향상시키게 된다.

즉, 강철볼, 스테인리스볼, 세라믹볼, 하이스강볼 등의 다양한 종류의 쇼트볼을 용접부에 투사함으로써, 고강도강의 용접부 및 열영향부를 강화시키는 것이다. 여기서, 투사를 위해 사용되는 가스는 일반 공기를 사용할 수도 있으나, 청정도 유지를 위해 질소가스를 사용하는 것이 바람직하다.

이처럼, 표면처리단계(P40)을 마친 쇼트볼은 도 4에 도시한 바와 같이, 쇼트피닝장치(30)가 설치된 챔버(10)바닥에 수합부(12)를 통해 수합되고, 수합된 상기 쇼트볼은 수합부(12)와 쇼트피닝장치(30) 사이에 설치한 흡입장치(31)를 통해 쇼트피닝장치(30)에 공급됨으로써, 연속적으로 신속하게 쇼트피닝 가공을 수행할 수 있게 된다. 이때 챔버(10)는 챔버 중앙을 지나가는 컨베이어(40)를 구비하고, 용접공정을 통하여 용접부를 갖는 제품이 탑재된 컨베이어는 도 3에서 보이는 것처럼 챔버를 한방향으로 관통한다.

한편, 도장공정(P50)에서는 쇼트피닝 가공된 제품의 표면을 도장하는 것으로, 제품의 제조를 완료하게 된다.

본 발명의 표면처리 방법을 위해 사용하는 표면처리 장치는 도 4에 도시한 바와 같이, 챔버(10)와, 로봇아암(20)과, 쇼트피닝장치(30)를 포함하여 구성된다.

보다 구체적으로 설명하면, 챔버(10)는 컨베이어(40)가 지나갈수 있도록 한 방향으로 뚫려 있어야 하고, 중앙에 컨베이어가 위치하여 지나간다. 내부 중앙에 위치한 컨베이어 위에 쇼트피닝 가공하고자 하는 제품이 일방향으로 지나가도록 설치하고, 이동속도는 약 3cm/min 로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 제품 주변으로 적어도 하나 이상의 로봇아암(20)을 장착하고, 상기 로보아암의 단부에는 노즐(21)을 설치한다. 그리고, 상기 챔버(10) 외부에 쇼트피닝장치(30)를 설치하고, 상기 쇼트피닝장치(30)와 노즐(21)을 서로 연결하여 상기 노즐(21)에 쇼트피닝장치(30)로부터 쇼트볼을 연속하여 공급함으로써, 노즐(21)을 통하여 제품의 용접 접합부에 쇼트볼을 투사할 수 있게 구성한다.

여기서, 상기 로봇아암(20)에 설치된 노즐은 컨베이어 이송방향으로 일정간격(5~15cm)을 두고 평행히 복수개 설치할 수 있다.

또한, 상기 챔버(10) 바닥은 망(11) 형태로 형성하고, 상기 챔버(10) 바닥 하부는 수합부(12)를 구비하여 상기 노즐(21)을 통해 투사되는 쇼트볼이 망(11) 형태의 바닥을 통해 수합부(12) 내부로 수합될 수 있게 구성한다. 그리고, 상기 수합부(12)는 쇼트피닝장치(30)와 순환배관(32)을 통해 연결하고, 상기 수합부(12)와 쇼트피닝장치(30) 사이에는 흡입장치(31)를 설치하여 수합부(12)에 수합된 쇼트볼을 순환배관(32)을 통해 쇼트피닝장치(30) 내부로 공급할 수 있게 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

고강도강 용접 접합부의 물성을 향상시키기 위한 방법으로 제품생산의 자동화공정에서 그 적용이 가능하다. 보다 구체적으로 설명하면, 부품생산을 위한 일반 자동화 공정에서는 코일 상태에서 블랭킹단계(P10)를 통해 일정길이의 강판소재로 절단하고, 절단한 강판소재를 성형단계(P20)를 통해 성형부품으로 성형가공하며, 성형부품과 또 다른 성형부품을 용접단계(P30)를 통하여 용접 접합부를 갖는 제품으로 용접한 후, 도장단계(P50)를 거쳐 제품을 제조하게 된다. 하지만 본 발명에서는 용접공정과 도장공정사이에 용접 접합부를 표면처리하는 쇼트피닝 공정을 추가함으로써 기존의 공정에 큰 변화 없이 기존의 소재보다 향상된 물성을 가진 부품을 생산할 수 있는 완벽한 생산시스템을 구축할 수 있게 된다.

용접공정에서 생산된 용접 접합부를 구성하는 용접부 및 열영향부에는 직경 0.03 내지 0.1㎜ 이하의 쇼트볼을 이용하여 100~300m/sec의 속도로 쇼트피닝 가공에 의한 표면처리 공정을 수행하므로써 용접에 의한 용접부와 열영향부의 연화를 극복하고, 표면을 강화시킬 수 있게 된다.

즉, 일반적인 쇼트피닝은 0.25~1㎜의 쇼트볼을 20~150m/sec의 속도로 투사하여 표면을 경화시키므로, 압축 잔류응력을 형성시키는 데 도움이 되나, 표면 조직이 조대하고, 표면조도가 높아 거친 표면을 생성한다.

반면에, 본 발명의 표면처리단계(P40)는 0.03 내지 0.1㎜이하의 미세한 쇼트볼을 100~300m/sec의 속도로 투사하게 됨으로써, 표면에 깊은 잔류응력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 도 8에서 도시한 바와 같이, 수십nm에서 수백nm의 크기를 가진 극 미세화된 결정립을 얻게 되고, 미려한 표면조도를 확보할 수 있게 된다.

즉, 상기 쇼트피닝에 의해 조대해지고 취약해진 용접부 및 열영향부 조직의 표면을 극미세화하여 표면에 약 5㎛내의 표면조도를 갖도록 하면서 표면에서 약 100nm이하, 표면부근에 수십에서 수백 nm의 크기를 결정립을 가진 미세구조를 형성하고, 모재대비 약 두 배 향상된 표면 경도 및 표면으로 부터 약 100㎛이상의 경화깊이를 갖도록 함으로써 용접공정시 연화현상에 의한 경도 및 강도 하락현상을 극복하였고, 용접공정시 발생되는 인장 압축 잔류 응력을 압축 잔류 응력으로 변환함으로써 약화된 피로강도를 모재와 거의 유사한 피로강도를 갖도록 할 수 있다.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이 상기한 쇼트피닝 가공을 통해 표면경도를 모재경도의 2배 이상 향상시킬 수 있고, 특히 연화가 발생하는 영역에서도 상승된 모재경도 이상의 경도를 얻게 됨으로써, 제품의 물성(경도, 인성 및 피로강도)을 향상시킬 수 있게 됨을 알 수 있다.

아래의 표 5는 본 발명에서 쇼트피닝 가공에 의한 강종별 경도 변화를 정리하였다.

강종	처리시간(초)	처리전 경도(Hv)	처리후 경도(Hv)
DP590	30	200	400
STD11	60	800	1200
STD61	60	680	1050
STD61(질화)	60	1190	1430
SCM415(침탄)	60	820	1150
S20C	30	170	370
STS304	60	250	550

즉, 즉 일반 쇼트피닝에 의해서 얻을 수 없는 고경도를 0.1㎜ 이하의 쇼트볼로 표면을 소성변형 처리함으로써 높은 경도를 얻을 수 있으며, 질화 및 침탄재에 대해서도 유효하게 나타남을 확인할 수 있다.

이와 같은 경도 향상의 이유는 일반 쇼트피닝에 의해서는 내부에 압축잔류응력 및 소성변형만 이루어지나, 미세한 쇼트볼을 이용한 쇼트피닝의 경우에는 높은 투사에너지로 인하여 표면에 소성변형 이외에 표면의 결정립을 최소 수십nm 이하로 줄이는 것이 가능하기 때문이다.

즉, 본 발명의 표면처리 방법은 미세한 쇼트볼의 고속 투사를 통해 표면 및 표면결정립을 100nm이하, 표면근처 결정립을 수십 nm에서 수백㎚ 의 크기를 가지 결정립을 형성시켜 표면의 경도를 향상시킴과 아울러, 고강도강의 인성 및 피로강도를 모재와 유사하게 향상시킬 수 있는 것이다.

이에 대해서는 상기 표5와 같이, 600㎫급 이상의 고강도강에서 쇼트피닝 가공 이전에 비해 쇼트피닝 공정 적용 후 모재의 경도가 두배정도 상승함과 아울러 용접부 및 열영향부도 두배이상의 경도 상승을 확인할 수 있고, 또한 용접부의 피로강도는 매우 낮게 나타나게 되나, 쇼트피닝 가공 이후의 용접부의 피로강도는 모재의 피로강도와 유사할 정도로 향상됨을 확인할 수 있다.

한편, 쇼트피닝 가공을 위해 한 방향으로 뚫린 챔버(10)를 통해 놓여진 컨베이어에 부품을 놓고 챔버 중앙으로 이송시켜 쇼트피닝 처리를 한다. 노즐(21)을 통해 투사된 쇼트볼은 상기와 같이 용접부와 열영향부에 투사된 후, 챔버(10) 바닥에 떨어지게 되고 망(11) 형태로 되어 있는 바닥의 구멍을 통해 수합부(12)로 수합되며, 이는 흡입장치(31)의 흡입력에 의해 쇼트피닝장치(30)로 순환 공급됨으로써, 다시 노즐(21)을 통해 투사할 수 있게 된다.

즉, 용접부에 투사된 쇼트볼은 쇼트피닝장치(30)에 연속적으로 순환 공급되어 계속해서 투사할 수 있으므로, 쇼트피닝에 소요되는 시간을 줄여 전 공정의 생산 사이클에 지장을 주지 않게 됨과 아울러, 이는 자동화 제어장치에 피드백을 통해 제어하여 연속적인 생산 시스템을 구축할 수 있으므로, 제품의 생산성 및 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 일반적인 강판재간의 용접 접합부를 도시한 개략도이다.

도 2는 일반적인 강판재간의 용접 접합부의 용접부와 열영향부에서의 경도분포를 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 강재 용접부의 표면처리방법을 도시한 공정흐름도이다.

도 5는 본 발명에 따른 강재 용접부의 표면처리방법을 도시한 상태도이다.

도 4는 본 발명에 적용되는 쇼트피닝장치를 도시한 개략도이다.

도 6은 쇼트피닝 처리시간에 따른 경도변화를 도시한 그래프이다.

도 7(a)(b)는 본 발명에 따른 강재 용접부의 표면처리방법에 의한 용접접합부에서의 결정립 변화를 도시한 사진이다.

도 8은 본 발명에 따른 강재 용접부의 표면처리방법에 의한 쇼트피닝후와 쇼트피닝전 결정립에서의 크랙전파를 도시한 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따른 강재 용접부의 표면처리방법에 의해 가공 전후의 상태를 나타내는 그래프이다.

Claims (6)

1. 코일(C) 상태로 권취된 강판을 풀어 일정길이의 강판재로 절단하는 블랭킹단계(P10);

   일정길이로 절단한 강판재를 제조하고자 하는 제품 형상에 맞추어 프레스가공하여 다수의 부품으로 성형 제조하는 성형단계(P20);

   성형 제조된 부품들을 서로 용접하여 용접 접합부를 갖는 제품을 제조하는 용접단계(P30);

   상기 용접 접합부에 직경 0.03 내지 0.1mm이하의 쇼트볼을 쇼트피닝장치(30)의 노즐(21)로부터 일정시간동안 투사하여 상기 용접 접합부의 표면으로부터 100 내지 200㎛의 경화깊이를 갖는 경화층을 형성하도록 상기 용접 접합부를 쇼트피닝 가공하는 표면처리단계(P40);

   쇼트피닝된 제품의 표면을 도장하는 도장단계(P50);를 포함하고,

   상기 표면처리단계(P40)는 상기 쇼트볼을 투사하는 노즐(21)이 2 ~ 5cm/min 의 속도로 일방향으로 이동하면서 이루어지며, 상기 용접 접합부와 상기 노즐(21)간의 투사거리를 5~15cm 로 설정하고, 상기 용접 접합부에 쇼트볼을 투사하는 노즐(21)의 투사각도는 45 ~ 135도로 설정하며, 상기 용접 접합부에 쇼트볼을 투사하는 노즐(21)의 투사압은 0.4 ~ 0.6Mpa로 설정한 것임을 특징으로 하는 강재 용접 접합부의 표면처리 방법.
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6. 제1항에 있어서, 상기 표면처리단계(P40)는 상기 용접 접합부에 쇼트볼을 투사하여 쇼트피닝 가공하는 시간을 30 내지 150초 사이로 설정함을 특징으로 하는 강재 용접 접합부의 표면처리방법.

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