KR101205583B1

KR101205583B1 - 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 그 피로 특성 개선 타격 처리 장치 및 내피로 특성이 우수한 용접 구조물

Info

Publication number: KR101205583B1
Application number: KR1020117002082A
Authority: KR
Inventors: 히로시 시마누끼; 데쯔로오 노세
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2012-11-27
Also published as: BRPI0916714B1; WO2010013658A1; TW201012584A; CA2731666C; CA2731666A1; JP4987816B2; US8776564B2; AU2009277618B2; US20110123820A1; AU2009277618A1; JP2010029897A; CN102112268A; KR20110036595A; TWI391204B; CN102112268B; BRPI0916714A2

Abstract

용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 타격 핀을 누르면서 용접선 방향으로 상대적으로 이동 조작시켜 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법이며, 상기 타격 핀으로서, 선단 곡률 반경이 금속 재료의 두께의 1/2 이하 또한 2 내지 10㎜인 타격 핀을 사용하여, 상기 용접 비드의 지단으로부터 타격 처리 위치의 중심까지의 거리가, 상기 타격 핀의 선단 곡률 반경의 2.5배 이내이고, 또한 상기 타격 핀이 타격 처리 중에 용접 금속에 접촉하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료 표면에, 상기 타격 핀에 의해, 타격흔의 홈 깊이가 0.1 내지 2㎜, 상기 타격 핀의 선단 곡률 반경 이하, 또한 상기 금속 재료의 두께의 1/10 이하이고, 타격흔의 폭이 1.5 내지 15㎜, 또한 상기 홈 깊이의 5배 이상인 잔류 소성 변형이 발생하도록, 상기 해머 피닝 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법이다.

Description

용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 그 피로 특성 개선 타격 처리 장치 및 내피로 특성이 우수한 용접 구조물 {PEENING METHOD FOR IMPROVING THE FATIGUE CHARACTERISTICS OF A WELDED JOINT, PEENING APPARATUS FOR IMPROVING THE FATIGUE CHARACTERISTICS, AND WELDED STRUCTURE HAVING EXCELLENT ANTI-FATIGUE CHARACTERISTICS}

본 발명은 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 그 피로 특성 개선 타격 처리 장치 및 내피로 특성이 우수한 용접 구조물에 관한 것이다. 특히, 건축, 조선, 교량, 건설 기계, 산업 기계, 해양 구조물, 자동차 등에 사용되는 반복 하중을 받는 구조물용 금속제 부재이며, 피로 균열의 발생이 문제가 되는 용접 조인트를 대상으로 하여, 그 피로 특성을 효율적으로 개선할 수 있는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 그 피로 특성 개선 타격 처리 장치 및 내피로 특성이 우수한 용접 구조물에 관한 것이다.

예를 들어, 선박이나 교량, 건설 기계, 산업 기계, 해양 구조물, 자동차 등의 금속제 구조물은 많은 금속제 부재를 용접하여 구성되어 있고, 이들 용접 부분에는 각종 용접 방법을 사용한 용접 조인트가 형성되어 있다.

그러나, 이와 같은 용접 조인트에서는 용접 비드를 형성하는 용접 금속의 표면이 금속제 부재(모재)의 표면과 교차하는 경계부(용접 비드의 지단이라고 함) 및 그 근방(이하, 용접 비드의 지단부라고 함)에 있어서, 용접 시에 고온 상태의 용접 금속이 주변의 모재에 구속된 상태에서 냉각되는 것에 기인하여 인장 잔류 응력이 존재하기 쉽게 되어 있다. 또한, 구조물로서 사용될 때에는 부재에 가해지는 외력에 의해 응력이 집중되기 쉬운 부위로 되어 있다.

이로 인해, 금속제 구조물에 사용되는 용접 조인트는 반복 하중이 작용함으로써, 용접 비드의 지단부로부터 피로 균열이 발생하여, 치명적인 균열이나 균열로 진전될 가능성을 갖고 있다. 또한, 용접 비드의 지단부에 있어서의 잔류 응력 및 응력 집중은 금속제 구조물의 피로 특성을 향상시키는 데 방해가 되고 있다.

따라서, 이와 같은 용접 조인트에 발생하는 피로 균열은 구조물 전체의 신뢰성에 중대한 영향을 미치기 때문에, 종래부터 용접 조인트의 피로 특성을 향상시키는 다양한 방법이 시도되고 있다(예를 들어, 비특허 문헌 1 및 2를 참조).

구체적으로는, 하기 비특허 문헌 1, 2에서는, (a) 기계적인 방법(그래이팅)에 의해 용접부를 평활하게 하는 방법, (b) TIG 용접에 의해 용접부에 화장 용접(드레싱)을 실시하는 방법 등에 의해, 용접부에 있어서의 응력 집중을 저감시키는 방법이 제안되어 있다.

또한, 용접부에 피닝(타격) 처리를 실시하여, 피로 균열이 발생하는 부위에 압축 응력을 도입하고, 더불어 응력 집중을 저감시키는 방법도 제안되어 있고, 구체적인 타격 처리로서는, (c) 숏 피닝, (d) 해머 피닝 등 외에, 최근에는 (e) 초음파 충격 처리(예를 들어, 특허 문헌 1 내지 3 참조) 등을 들 수 있다.

또한, 용접 지단부 근방에 피닝(타격) 처리를 행하여, 퓨전 라인 부근의 용접 열영향부의 금속 조직을 개질하고, 열영향부의 인성을 개선하는 방법이 특허 문헌 4에 개시되어 있지만, 이는 취성 파괴가 일반적으로 용접부의 퓨전 라인 상에 잔류하는 결함으로부터 발생하는 것에 기초하여, 취성 파괴의 기점부의 재질을 개선하기 위한 것이고, 피로 특성을 개선하는 것은 아니다.

또한, 용접에 의해 설치한 리브판의 단부의 용접 지단부의 피로 특성을 향상시키는 방법으로서 압축 펀치 등을 사용하여 용접 지단부에 압축 잔류 응력을 부여하는 방법(특허 문헌 5, 6)이 개시되어 있지만, 이들 방법은 모두, 돌림 용접 등을 행한 리브판의 단부의 피로 특성을 향상시키기 위한 방법으로, 본 발명에서 주로 대상으로 하는 용접 방향으로 길게 연속한 용접 지단부로는 적용할 수 없다.

일본 특허 출원 공개 제2006-167724호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-175512호 공보 미국 특허 제6,171,415호 명세서 일본 특허 출원 공개 제2004-149843호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-320960호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-312201호 공보

사단 법인 일본 도로 협회, 「강교의 피로」, 큐젠 주식회사, 1997년 5월 P.J.Haagensen and S J.Maddox, IIW Recommendations on Post Weld Improvement of Steel and Aluminum Structures, XIII-1815-00, Revised 16 February 2004

상기 (a) 내지 (e) 등의 피로 특성 개선 처리에 따르면, 용접 비드의 지단부에 있어서 내피로 균열 발생 특성을 향상시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 특히, 상기 (e)의 초음파 충격 처리는 비교적 단시간의 처리에서 큰 개선 효과가 얻어지므로, 산업계의 기대는 크다.

그러나, 이 초음파 충격 처리는 사람의 손으로 처리하는 것을 전제로 개발되어 왔으므로, 강교나 크레인 등 긴 거리를 연속해서 처리할 필요한 있는 구조물이나 조립 작업의 자동화가 진행되고 있는 공장 등에서는, 그 채용이 곤란한 경우가 있었다.

또한, 로봇에 초음파 충격 처리 장치를 조립하여 자동 처리를 행하는 경우에는, 용접 비드의 지단의 라인은 통상 불규칙하게 왜곡되어 있으므로, 정확하게 용접 비드의 지단부에 처리를 행하기 위해서는, 지단의 검출 기능이나, 왜곡에 맞춘 주행 기구 등, 고도의 자동 제어가 필요로 되어 있어, 비용의 면으로부터도 실용화가 곤란한 경우가 있었다.

또한, 용접 비드의 지단부에 직접 충격 처리를 실시하는 경우에는, 용접 비드의 지단 형상으로 매치한 타격 핀을 사용할 필요가 있어, 용접 비드의 지단 형상에 따라서는 타격 핀이 지단부의 용접 금속에 걸려, 처리가 정지되거나, 지단부에 끼워 넣어져 흠집이나 예리한 노치 형상의 흠집을 남기는 경우가 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 용접 비드의 복잡한 지단 형상에 의한 영향을 그다지 받지 않고 안정적으로 해머 피닝 처리 또는 초음파 타격 처리할 수 있고, 용접 비드의 지단 부근의 보다 넓은 부분에 압축 잔류 응력을 부가하는 것을 가능하게 한, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 그 피로 특성 개선 타격 처리 장치 및 내피로 특성이 우수한 용접 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하는 것을 목적으로 한 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 타격 핀을 누르면서 용접선 방향으로 상대적으로 이동 조작시켜 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법이며,

상기 타격 핀으로서, 선단 곡률 반경이 금속 재료의 두께의 1/2 이하 또한 2 내지 10㎜의 타격 핀을 사용하고,

상기 용접 비드의 지단으로부터 타격 처리 위치의 중심까지의 거리가, 상기 타격 핀의 선단 곡률 반경의 2.5배 이내이고, 또한 상기 타격 핀이 타격 처리 중에 용접 금속에 접촉하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료 표면에,

상기 타격 핀에 의해, 타격흔의 홈 깊이가 0.1 내지 2㎜, 상기 타격 핀의 선단 곡률 반경 이하, 또한 상기 금속 재료의 두께의 1/10 이하이고, 타격흔의 폭이 1.5 내지 15㎜, 또한 상기 홈 깊이의 5배 이상인 잔류 소성 변형이 발생하도록,

상기 해머 피닝 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법.

(2) 용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 타격 핀을 누르면서 용접선 방향으로 상대적으로 이동 조작시켜 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치이며,

상기 용접 조인트를 갖는 피처리재의 용접 비드의 지단 위치를 검출하는 지단 위치 검지부와,

상기 타격 핀에 의한 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 처리 기구부와,

상기 처리 기구부를 지지하는 동시에, 상기 타격 핀을 상기 피처리재의 용접 비드의 지단으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료 표면으로 누르는 지지 압박 기구부와,

상기 지지 압박 기구부 또는 피처리재의 한쪽이 적재되는 장치 기부와,

상기 지지 압박 기구부 또는 피처리재의 다른 쪽이 탑재되는 동시에, 스스로가 상기 장치 기부에 적재되고, 상기 용접 지단 위치 검지부에 의해 검지된 용접 비드의 지단 위치에 기초하여, 상기 피처리재에 대해 상기 처리 기구부를 용접선 방향으로 상대 이동시키는 이동 기구부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치.

(3) 용접 구조물의 구조 및 부하 상황으로부터 피로 균열 발생 위험부의 용접부 내지 용접 비드를 특정할 수 있는 용접 구조물에 있어서,

적어도 상기 특정 용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 상기 특정 용접 비드의 길이의 90％ 이상의 길이의, 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리의 타격 핀에 의한 연속적인 타격흔이 형성되어 있고,

상기 타격흔은 그 폭 방향 중앙 위치와 상기 특정 용접 비드의 지단의 거리가 그 홈 바닥의 곡률 반경의 2.5배 이내이고, 또한 상기 특정 용접 비드에 접하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료 표면에 형성되는 동시에, 그 홈 깊이가 0.1 내지 2㎜, 상기 홈 바닥의 곡률 반경 이하, 또한 상기 금속 재료의 두께의 1/10 이하이고, 그 폭이 1.5 내지 15㎜, 또한 상기 홈 깊이의 5배 이상인 것을 특징으로 하는, 내피로 특성이 우수한 용접 구조물.

도 1은 본 발명이 적용되는 용접 조인트의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명이 적용되는 용접 조인트의 다른 예를 도시하는 사시도이다.
도 3은 모재 금속 재료 표면에 타격 핀에 의해 타격흔이 형성된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명을 적용한 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명을 적용한 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치의 다른 예를 도시하는 사시도이다.
도 6은 용접 비드의 지단의 코러게이션이 작은 경우의 타격흔의 일례를 도시하는 평면도이다.
도 7은 용접 비드의 지단의 코러게이션이 큰 경우의 타격흔의 일례를 도시하는 평면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

또한, 이하의 설명에서 사용하는 도면은 특징을 이해하기 쉽게 하기 위해, 편의상 특징이 되는 부분을 모식적으로 도시하고 있는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다는 것으로는 한정되지 않는다.

본 발명은 용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 타격 핀을 누르면서 용접선 방향으로 상대적으로 이동 조작시켜 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시함으로써, 용접 조인트의 피로 특성을 개선하는 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 그 피로 특성 개선 타격 처리 장치 및 내피로 특성이 우수한 용접 구조물을 제공하는 것이다.

(용접 조인트)

우선, 본 발명이 적용되는 용접 조인트에 대해 설명한다.

본 발명이 적용되는 용접 조인트로서는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같은 용접 조인트(10)를 들 수 있다. 이 용접 조인트(10)는 동일면 내에서 한쪽의 강판(11)의 단부면과 다른 쪽의 강판(12)의 단부면을 대향시켜 서로를 용접하여 이루어지는, 소위 맞댐 용접 조인트(10)이다. 이 용접 시에, 피용접재인 한쪽의 강판(11)과 다른 쪽의 강판(12)의 용접 단부면에는 미리 개선이 가공되는 경우가 많고, 이들 강판(11, 12)의 개선부를 맞대어 용접 시공되고, 이들 강판의 표면보다도 외측으로 융기되어 이루어지는 용접 비드(20)가 형성된다.

그리고, 본 발명에서는 이와 같은 용접 비드(20)의 용접 금속(20a)의 표면이 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면과 교차하는 경계[용접 비드(20)의 지단(20b)이라고 함]의 근방에, 후술하는 타격 핀(50)을 압박하여 용접선 방향으로 상대 이동시키면서, 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시한다. 이에 의해, 용접 비드(20)의 지단(20b) 부근의 모재 금속 재료[강판(11, 12)] 표면에는, 후술하는 타격흔(80)이 형성된다.

또한, 본 발명이 적용되는 용접 조인트로서는, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같은 용접 조인트(30)를 들 수 있다. 이 용접 조인트(30)는 한쪽의 강판(31)의 양 주면의 서로 대향하는 위치에, 각각 다른 쪽의 강판(32)의 단부면을 대향시켜 필렛 용접하여 이루어지는, 소위 십자 용접 조인트이다. 또한, 한쪽의 강판(31)의 양 주면에 대해 다른 쪽의 강판(32)의 양 주면이 직각으로 교차하는 부분(코너라고 함)에는 삼각 형상의 단면을 갖는 용접 금속(40a)으로 이루어지는 용접 비드(40)가 형성되어 있다.

그리고, 본 발명에서는 이와 같은 용접 비드(40)의 용접 금속(40a)의 표면이 모재 금속 재료[강판(31, 32)]의 표면과 교차하는 경계[용접 비드(40)의 지단(40b)이라고 함]의 모재 금속 재료[강판(31, 32)]측 근방에, 후술하는 타격 핀(50)을 압박하여 용접선 방향으로 상대 이동시키면서, 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시한다. 이에 의해, 용접 비드(40)의 지단(40b) 부근의 모재 금속 재료[강판(31, 32)] 표면에는 후술하는 타격흔(90)이 형성된다.

또한, 본 발명이 적용되는 용접 조인트로서는, 상기 도 1에 도시하는 맞댐 용접 조인트(10)나, 상기 도 2에 도시하는 십자 용접 조인트(30)로 한정되는 것은 아니고, 용접 비드가 구부러져 있는 경우도 포함하여, 한쪽의 부재에 다른 쪽의 부재를 용접한 용접 조인트에 대해 본 발명을 폭 넓게 적용하는 것이 가능하다. 또한, 이와 같은 용접 조인트(10, 30)의 용접 방법으로서는, 각종 용접법을 사용할 수 있고, 또한 1 패스 용접으로부터 다층 살붙임 용접에도 적용할 수 있다.

(용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법)

다음에, 본 발명을 적용한 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법에 대해 설명한다.

또한, 본 실시 형태에서는 상기 용접 조인트(10)의 강판(11)(모재 금속 재료)의 주면과 접하는 용접 비드(20)의 지단(20b) 부근의 모재 금속 재료 표면에 처리를 실시하는 경우를 예로 들어 설명한다.

본 발명을 적용한 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법은, 도 3에 확대하여 도시한 바와 같이, 타격 핀으로서, 선단 곡률 반경(R)이 강판(11)의 두께의 1/2 이하 또한 2 내지 10㎜의 타격 핀(50)을 사용하여, 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 타격 처리 위치의 중심(O)까지의 거리(x)가 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)의 2.5배 이내이고, 또한 타격 핀(50)이 타격 처리 중에 용접 금속(20a)에 접촉하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료[강판(11)]의 표면에, 타격 핀(50)에 의해, 타격흔(80)의 홈 깊이(y)가 0.1 내지 2㎜, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R) 이하, 또한 강판(11)의 두께(t)의 1/10 이하이고, 타격흔(80)의 폭(z)이 1.5 내지 15㎜, 또한 홈 깊이(y)의 5배 이상인 잔류 소성 변형이 발생하도록, 해머 피닝 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명에 있어서 「선단 곡률 반경(R)이 강판(11)의 두께의 1/2 이하 또한 2 내지 10㎜의 타격 핀(50)을 사용한다」는 것은, 처리 후에 잔류하는 압축 응력에 의해 피로 특성의 향상에 효과가 있기 때문이고, 압축 잔류 응력 영역의 크기가 타격 핀(50)에 의한 압흔의 크기와 관계되어 있기 때문이다.

즉, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)이 강판(11)의 두께의 1/2보다도 큰 경우에는, 대략 강판(11)의 전체 두께에 소성 변형이 미치는 왜곡을 부여하는 타격흔(80)이 필요해지지만, 이 경우, 타격흔에 의한 소성 영역이 강판(11)의 반대면으로 빠져 버리므로, 용접 비드(20)의 지단부에 발생하는 압축 잔류 응력이 작아진다.

또한, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)이 2㎜보다 작은 경우에는, 압축 잔류 응력 영역이 좁아지므로, 피로 균열의 발생을 방지하기 위해서는 용접 비드(20)의 지단(20b)의 바로 근처를 타격할 필요가 있다. 그러나, 용접 비드(20)의 코러게이션(corrugation) 등에 의해 정확하게 처리 위치를 제어하는 것이 어렵다. 또한, 타격 핀(50)의 선단부의 마모가 심해져, 타격 핀(50)의 교환 빈도가 증대하기 때문에 처리 효율이 저하된다.

한편, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)이 10㎜를 초과하는 경우에는, 유효한 압축 잔류 응력을 발생시킬 정도의 홈을 형성시키는 데 극히 큰 타격력이 필요해져, 처리 장치가 대규모의 것으로 된다. 또한, 타격 처리에 의해 용접 구조물(10)의 형상이 왜곡되어 버릴 우려가 있다.

또한, 타격 핀(50)은 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리에 의해 처리 대상물을 국소적으로 타격하여 소성 변형시키는 것이므로, 타격 핀(50)에는, 통상, 처리 대상물인 금속 재료(예를 들어, 용접 구조용 강)보다 강도나 경도가 높은 금속 재료를 사용한다.

본 발명에 있어서 「용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 타격 처리 위치의 중심(O)까지의 거리(x)가, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)의 2.5배 이내」로 한 것은 상술한 압축 잔류 응력 영역의 크기가 타격 핀(50)에 의한 타격흔(80)의 크기와 관계되어 있기 때문이다. 즉, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)이 클수록 압축 잔류 응력이 발생하는 영역이 넓고, 또한 타격흔(80)으로부터 가까울수록 큰 압축 잔류 응력이 발생하는 것을, FEM 해석과 실험에 의해 확인하고, 피로 특성 향상에 충분한 압축 잔류 응력을 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 이로 인해, 타격흔은 지정 범위 내라도, 용접 지단부에 가능한 한 가까운 쪽이 바람직하다.

본 발명에 있어서 「타격 핀(50)이 타격 처리 중에 용접 금속(20a)에 접촉하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료[강판(11)]의 표면에, 타격 핀(50)에 의해 잔류 소성 변형이 발생하도록 해머 피닝 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것」으로 한 것은, 용접 금속(20a)에 타격 핀(50)이 접촉한 경우에, 타격 핀(50)에 의한 연속적인 타격 처리가 저해되는 경우가 있기 때문이다. 또한, 본 발명에 있어서는, 연속적인 타격 처리를 현저하게 저해하지 않으면 용접 금속(20a)에 타격 핀(50)이 다소 접촉해도 상관없다.

본 발명에 있어서 「타격흔(80)의 홈 깊이(y)가, 0.1 내지 2㎜, 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R) 이하, 또한 금속 재료[강판(11)]의 두께(t)의 1/10 이하이고, 타격흔(80)의 폭(z)이 1.5 내지 15㎜, 또한 홈 깊이(y)의 5배 이상이다」로 한 것은, 지나치게 깊은 타격흔(80)은 그 자체가 응력 집중원으로 되는 것이나 용접 조인트(10)에 큰 각 변형이 발생해 버려, 그 형상이 왜곡되어 버리기 때문이다. 또한, 타격흔(80)의 폭(z)에 대해서는, 지나치게 넓은 경우에 처리 효율이 저하되는 경우가 있고, 타격흔(80)이 얕고, 좁은 경우에는 피로 특성에 유효한 압축 잔류 응력이 발생하지만, 불충분해진다. 또한, 타격흔(80)의 폭(z)은 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경(R)과 처리 깊이에 따라서 정해지지만, 여기서의 폭(z)의 규정은 처리 시의 장치나 목표 위치의 떨림을 고려하여 설정한 것이다. 즉, 타격흔(80)의 폭(z)은 충분한 깊이의 타격을 부여하면 상기 범위에 들어가지만, 선단 곡률 반경(R)이 큰 타격 핀(50)에서는 상기 범위를 초과해도 피로 특성에는 큰 해는 없지만, 처리 효율이 저하된다. 또한, 타격 핀 선단의 곡률 반경이 큰 경우, 도 3의 P가 용접 금속에 접촉하기 쉬워지므로, 타격흔의 폭이 충분히 얻어지는 범위에서 핀 직경을 가늘게 하는 것도 유효하다. 또한, 선단 곡률이 중단되는 도 3의 P부에 모따기를 실시하여, 형상을 원활하게 하는 것도 유효하다.

(용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치)

다음에, 본 발명을 적용한 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치에 대해 설명한다.

본 발명을 적용한 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치로서는, 크게 나누어 2개의 타입이 있고, 하나는 도 4에 도시하는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)(제1 실시 형태)와 같이, 처리 기구부측을 고정하여, 피처리재측을 이동시키는 타입이고, 다른 하나는 도 5에 도시하는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)(제2 실시 형태)와 같이, 피처리재측을 고정하여 처리 기구부측을 이동시키는 타입이다. 어떤 타입을 선택할지는, 처리 대상이나 처리 환경(옥외 구조물의 처리, 공장 내에서의 처리 등)에 의해, 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 이하에 나타내는 제1 및 제2 실시 형태에서는, 피처리재로서, 상기 용접 조인트(10)의 피로 특성을 개선하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 그 처리 대상으로서는, 상기 용접 조인트(30)라도 좋고, 또한 하나의 부재에 다른 부재를 용접하여 설치한 용접 조인트를 갖는 용접 구조물에 대해 폭넓게 처리를 행하는 것이 가능하다.

(제1 실시 형태)

제1 실시 형태로서 도 4에 도시하는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)에서는 처리 기구부측이 장치 기부(65)에 고정되는 동시에, 피처리재(용접 조인트)를 적재하여 슬라이드 구동하는 이동 기구부(도시하지 않음)가 장치 기부(65)에 구비되어 있고, 이 이동 기구부는 그 슬라이드 방향과 용접 비드(20)의 길이 방향을 일치시킨 상태에서, 용접 조인트(10)를 이동시킬 수 있다.

또한, 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)는 이 이동 기구부의 상방에 위치하여 상기 타격 핀(50)이 설치된 처리 기구부(61)와, 이 처리 기구부(61)가 설치된 지지 압박 기구부(62)를 구비하고 있다. 이 지지 압박 기구부(62)는 지지 아암(63)과 압박 장치(64)로 이루어지고, 장치 기부(65)에 고정되어 있다.

처리 기구부(61)는 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에, 타격 핀(50)을 누르면서 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하기 위한 것이고, 예를 들어 상기 특허 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있는 것 등을 채용할 수 있다. 또한, 해머 피닝 처리 및 초음파 충격 처리에 대해서는, 종래부터 공지이므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하는 것으로 한다. 또한, 본 발명에서는 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리 중 어떤 타격 처리도 채용할 수 있지만, 처리 시의 반동이 비교적 적은 것이나, 처리의 출력이 높은 것 등으로부터, 해머 피닝 처리보다도 초음파 충격 처리의 쪽이 유리하다. 또한, 에어 툴 등의 진동 공구를 사용하여 타격 처리를 하는 것도 가능하지만, 출력이 작아 초음파 충격 처리에 비해 일반적으로 처리 효율이 낮다.

지지 압박 기구부(62)는 타격 핀(50)의 선단부를 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 적정한 하중으로 누르면서, 타격 진동에 의해 목표로 한 처리 위치로부터 타격 핀(50)이 어긋나지 않도록 처리 기구부(61)를 지지하는 것이다. 또한, 지지 압박 기구부(62)는 처리 기구부(61)에 의한 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리의 일반적인 처리 조건으로부터, 처리 기구부(61)의 자중 정도(수백 그램으로부터 수십 킬로그램 정도)의 압박 하중을 발생시키는 것이면 된다. 또한, 지지 압박 기구부(62)에는 장치의 보호 등의 면으로부터 타격 핀(50)으로부터의 반동을 흡수하는 기구를 부가하는 것도 가능하다.

그런데, 타격 핀(50)을 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 위치시키기 위해서는, 처리 진행 방향의 미처리부의 지단(20b)의 위치를 확인할 필요가 있다. 이로 인해, 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)에는 용접 비드(20)의 지단 위치를 검출하는 지단 위치 검지부(66)가 설치되어 있다.

이 지단 위치 검지부(66)에는 레이저에 의한 고도 정보를 도입하는 형상 센서나, 화상으로부터 모재 금속 재료[강판(11, 12)]와 용접 금속(20a)을 식별하는 엣지 센서에 의한 지단 센서 등, 모재 금속 재료[강판(11, 12)]와 용접 금속(20a)의 경계를 인식하는 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 미리 지단(20b)의 형상이나 위치가 기지인 경우에는, 지단 센서를 생략하고, 기지의 용접 비드(20)의 지단(20b)에 대응하여 타격 핀(50)을 이동시키는 것도 유효하다.

그리고, 이 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)에는 용접 지단 위치 검지부(66)에 의해 검지된 용접 비드(20)의 지단 위치에 기초하여, 타격 핀(50)을 용접선 방향과 교차하는 방향으로 이동 제어하는 타격 핀 위치 제어부(67)가 설치되어 있다. 이 타격 핀 위치 제어부(67)는 처리 기구부(61)와 지지 압박 기구부(62) 사이에 위치하여, 지지 압박 기구부(62)에 슬라이드 가능하게 설치한 처리 기구부(61)를 용접선 방향과 교차하는 방향으로 이동 제어한다.

이상과 같은 구조를 갖는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)에서는 용접 지단 위치 검지부(66)에 의해 검지된 용접 비드(20)의 지단 위치에 기초하여, 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 타격 핀(50)을 누르면서, 이동 기구부가 용접 조인트(10)를 슬라이드 구동함으로써, 용접 조인트(10)에 대해 타격 핀(50)을 용접선 방향으로 상대 이동시키는 것이 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 타격 핀(50)에 의한 연속적인 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것이 가능하다.

즉, 이 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)에서는 피로 균열의 발생 부위가 되는 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강재(11, 12)]의 표면에, 타격 핀(50)에 의한 타격 처리를 연속적으로 행함으로써, 피로 특성 향상에 충분한 압축 잔류 응력을 부가하는 것이 가능하고, 이에 의해 용접 조인트(10)의 피로 특성을 개선하여, 피로 균열 발생 저지 성능이 높은 용접 구조물을 얻는 것이 가능하다.

(제2 실시 형태)

제2 실시 형태로서 도 5에 도시하는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)는 도시를 생략하는 장치 기부를 구비하고, 이 장치 기부 상에 용접 조인트(10)를 적재하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)에서는 이 장치 기부의 상방에 위치하여 상기 타격 핀(50)이 설치된 처리 기구부(71)와, 이 처리 기구부(71)가 설치된 지지 압박 기구부(72)와, 이 지지 압박 기구부(72)를 하나의 방향으로 슬라이드 구동하는 이동 기구부(73)를 구비하고 있다.

처리 기구부(71)는 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 타격 핀(50)을 누르면서 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하기 위한 것으로, 예를 들어 상기 특허 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있는 것 등을 채용할 수 있다. 또한, 해머 피닝 처리 및 초음파 충격 처리에 대해서는, 종래부터 공지이므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하는 것으로 한다. 또한, 본 발명에서는 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리 중 어떤 타격 처리도 채용할 수 있지만, 처리 시의 반동이 비교적 적은 것이나, 처리의 출력이 높은 것 등으로부터, 해머 피닝 처리보다도 초음파 충격 처리의 쪽이 유리하다. 또한, 에어 툴 등의 진동 공구를 사용하여 타격 처리를 하는 것도 가능하지만, 출력이 작고 초음파 충격 처리에 비해 일반적으로 처리 효율이 낮다.

지지 압박 기구부(72)는 타격 핀(50)의 선단부를 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 적정한 하중으로 누르면서, 타격 진동에 의해 목표로 한 처리 위치로부터 타격 핀(50)이 어긋나지 않도록 처리 기구부(71)를 지지하는 것이다. 또한, 지지 압박 기구부(72)는 처리 기구부(71)에 의한 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리의 일반적인 처리 조건으로부터, 처리 기구부(71)의 자중 정도(수백 그램으로부터 수십 킬로그램 정도)의 압박 하중을 발생시키는 것이면 된다. 또한, 지지 압박 기구부(72)에는 장치의 보호 등의 면으로부터 타격 핀(50)으로부터의 반동을 흡수하는 기구를 부가하는 것도 가능하다.

이동 기구부(73)는 하나의 방향으로 연장하여 설치된 레일부(74)와, 이 레일부(74)를 삽입 관통하는 가이드부(75)를 갖고, 이 가이드부(75) 내에 설치된 전동 대차(도시하지 않음)가 레일부(74) 상을 주행함으로써, 가이드부(75)의 하면에 설치된 지지 압박 기구부(72)를 하나의 방향으로 슬라이드 구동하는 것이 가능하게 되어 있다.

그런데, 타격 핀(50)을 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 위치시키기 위해서는, 처리 진행 방향의 미처리부의 지단(20b)의 위치를 확인할 필요가 있다. 이로 인해, 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)에는 용접 비드(20)의 지단 위치를 검출하는 지단 위치 검지부(76)가 설치되어 있다.

이 지단 위치 검지부(76)에는 레이저에 의한 고도 정보를 도입하는 형상 센서나, 화상으로부터 모재 금속 재료[강판(11, 12)]와 용접 금속(20a)을 식별하는 엣지 센서에 의한 지단 센서 등, 모재 금속 재료[강판(11, 12)]와 용접 금속(20a)의 경계를 인식하는 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 미리 지단(20b)의 형상이나 위치가 기지인 경우에는, 지단 센서를 생략하고, 기지의 용접 비드(20)의 지단(20b)에 대응하여 타격 핀(50)을 이동시키는 것도 유효하다.

그리고, 이 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)에는 용접 지단 위치 검지부(76)에 의해 검지된 용접 비드(20)의 지단 위치에 기초하여, 타격 핀(50)을 용접선 방향과 교차하는 방향으로 이동 제어하는 타격 핀 위치 제어부(77)가 설치되어 있다. 이 타격 핀 위치 제어부(77)는 처리 기구부(71)와 지지 압박 기구부(72) 사이에 위치하여, 지지 압박 기구부(72)에 슬라이드 가능하게 설치한 처리 기구부(71)를 용접선 방향과 교차하는 방향으로 이동 제어한다.

이상과 같은 구조를 갖는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)에서는 상기 하나의 방향과 용접 비드(20)의 길이 방향을 일치시킨 상태에서, 용접 조인트(10)가 장치 기부 상에 적재되어 있고, 용접 지단 위치 검지부(76)에 의해 검지된 용접 비드(20)의 지단 위치에 기초하여, 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에 타격 핀(50)을 누르면서, 이동 기구부(73)가 지지 압박 기구부(72)를 슬라이드 구동함으로써, 타격 핀(50)을 용접 조인트(10)의 용접선 방향으로 상대 이동시키는 것이 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 타격 핀(50)에 의한 연속적인 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것이 가능하다.

즉, 이 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)에서는 피로 균열의 발생 부위가 되는 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료[강판(11, 12)]의 표면에, 타격 핀(50)에 의한 타격 처리를 연속적으로 행함으로써, 피로 특성 향상에 충분한 압축 잔류 응력을 부가하는 것이 가능하고, 이에 의해 용접 조인트(10)의 피로 특성을 개선하여, 피로 균열 발생 저지 성능이 높은 용접 구조물을 얻는 것이 가능하다.

또한, 타격 처리를 실시하는 부위는 용접 비드(20)의 지단부에 용접에 의해 발생하고 있는 인장 잔류 응력을 압축측으로 역전할 수 있을 정도의 큰 압축 잔류 응력이 부여되도록, 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 가까운 위치로 하는 것이 바람직하고, 그 지단(20b)으로부터의 거리는 상술한 타격 핀(50)의 선단 곡률 반경의 2.5배 이내이고, 또한 타격 핀(50)이 타격 처리 중에 용접 금속(20a)에 접촉하지 않는 범위이다.

(용접 구조물)

다음에, 본 발명을 적용한 용접 구조물에 대해 설명한다.

본 발명이 대상으로 하는 용접 구조물로서는, 그 구조 및 부하 상황으로부터 피로 균열 발생 위험부의 용접부 내지 용접 비드를 특정할 수 있는 용접 구조물을 전제로 한다. 또한, 이 특정한 피로 균열 발생 위험 부위는, 예를 들어 교량에서는 브리지 빔과 교각의 접합부 등, 선박이면 선측의 종통 늑골 부재와 측판의 용접부 등, 개별 구체적인 용접 구조물이 특정되면, 그 용접 구조물마다 그 구조 및 부하 상황으로부터 특정될 수 있는 것이다.

이하의 설명에서는, 상기 본 발명을 적용한 피로 특성 개선 타격 처리 방법 및 피로 특성 개선 타격 처리 장치에 의해, 그 피로 특성을 개선한 용접 조인트(10)를 갖는 용접 구조물을 예로 들어 설명하지만, 본 발명을 적용한 용접 구조물로서는, 상기 용접 조인트(30)를 갖는 것이라도 좋고, 또한 하나의 부재에 다른 부재를 용접하여 설치한 용접 조인트를 갖는 용접 구조물에 대해 본 발명을 폭넓게 적용하는 것이 가능하다.

본 발명을 적용한 용접 구조물에서는 그 구조 및 부하 상황으로부터 피로 균열 발생 위험부의 용접부 내지 용접 비드(20)를 특정할 수 있는 것이며, 적어도 용접 조인트(10)의 특정 용접 비드(20)의 지단(20b) 부근의 모재 금속 재료[강판(11, 12)] 표면에, 그 특정 용접 비드(20)의 길이의 90％ 이상의 길이의, 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리의 타격 핀(50)에 의한 연속적인 타격흔(80)이 형성되어 있고, 그 타격흔(80)은 그 폭 방향 중앙 위치와 특정 용접 비드(20)의 지단(20b)의 거리(x)가, 그 홈 바닥의 곡률 반경(r)의 2.5배 이내이고, 또한 특정 용접 비드(20)에 접하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료[강판(11, 12)] 표면에 형성되는 동시에, 그 홈 깊이(y)가 0.1 내지 2㎜, 상기 홈 바닥의 곡률 반경(r) 이하, 또한 금속 재료[강판(11, 12)]의 두께(t)의 1/10 이하이고, 그 폭(w)이 1.5 내지 15㎜, 또한 홈 깊이(y)의 5배 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 「적어도 특정 용접 비드(20)의 지단(20b) 부근의 모재 금속 재료[강판(11, 12)] 표면에, 피로 균열 발생 위험부가 되는 특정 용접 비드(20)의 길이의 90％ 이상의 길이의, 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리의 타격 핀(50)에 의한 연속적인 타격흔(80)이 형성되어」 있다고 한 것은, 피로 특성의 개선이 필요한 용접 비드(20)의 지단부의 잔류 응력 상태를 타격 처리에 의해 압축 응력으로 하기 위해서는 대상 부위의 용접 비드 길이와 동일한 정도의 길이 이상의 처리를 행하는 것이 유효하기 때문이다. 또한, 부분적으로 충분한 처리가 행해지고 있지 않은 부위가 있어도, 피로 균열 발생 위험부로 되는 특정 용접 비드(20)의 지단(20b)과 타격흔(80)이 이격되어 있으므로, 비드 길이의 90％에서도 충분한 압축 잔류 응력이 발생하기 때문이다.

본 발명에 있어서 「타격흔(80)은 그 폭 방향 중앙 위치와 특정 용접 비드(20)의 지단(20b)의 거리(x)가, 그 홈 바닥의 곡률 반경(r)의 2.5배 이내이고, 또한 특정 용접 비드(20)에 접하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료[강판(11, 12)] 표면에 형성되는 동시에, 그 홈 깊이(y)가 0.1 내지 2㎜, 상기 홈 바닥의 곡률 반경(r) 이하, 또한 금속 재료[강판(11, 12)]의 두께(t)의 1/10 이하이고, 그 폭(w)이 1.5 내지 15㎜, 또한 홈 깊이(y)의 5배 이상이다」로 한 것은, 용접 금속(20a)에 타격 핀(50)[특히, 도 3 중 둘러싼 부분(P)에 나타내는 타격 핀(50)의 원기둥부와 선단 곡률부의 경계 부근]이 접촉한 경우, 용접 비드(20)에 접촉한 타격흔(80)이 발생하여, 지단(20b)에 용접 결함이 존재하는 경우에, 이 용접 결함을 발견하기 어려워지기 때문이다. 또한, 본 발명에서는 용접 결함의 발견을 저해하지 않을 정도의 경미한 타격흔(80)이면, 그와 같은 타격흔(80)이 발생하고 있어도 효과에 지장이 없다.

또한, FEM 해석과 실험에 의해, 타격흔(80)의 폭 방향 중앙 위치와 특정 용접 비드(20)의 지단(20b)의 거리(x)가 그 홈 바닥의 곡률 반경(r)의 2.5배 이내이고, 또한 특정 용접 비드(20)에 접하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료[강판(11, 12)] 표면에, 상기 타격흔(80)이 형성된 경우에, 피로 특성 향상에 충분한 압축 잔류 응력이 얻어지는 것을 확인하였다.

또한, 상기 범위이면, 용접 비드(20)의 지단(20b)으로부터 처리 위치까지의 거리(x)가 다소 변동되어도 좋고, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이, 용접 비드(20)의 지단(20b)의 코러게이션이 비교적 작은 경우에는, 용접 방향을 따른 대범한 처리 위치의 제어로 타격 처리를 행할 수 있다. 한편, 도 7에 도시한 바와 같이 용접 비드(20)의 지단(20b)의 코러게이션이 비교적 큰 경우에는, 상술한 용접 지단 위치 검지부(66, 76)에 의해 검지된 용접 비드(20)의 지단 위치에 기초하여, 타격 핀(50)을 용접 비드(20)의 지단 형상으로 추종시키면서 타격 처리를 행할 수 있다.

또한, 타격흔(80)에 대해, 그 홈 깊이(y)를 0.1 내지 2㎜, 홈 바닥의 곡률 반경(r) 이하, 또한 금속 재료[강판(11, 12)]의 두께(t)의 1/10 이하로 하고, 그 폭(w)을 1.5 내지 15㎜, 또한 홈 깊이(y)의 5배 이상으로 한 것은, 지나치게 깊은 타격흔(80)에서는 그 자체가 응력 집중원으로 되는 것이나, 용접 조인트(10)에 큰 각 변형이 발생해 버려, 용접 구조물의 형상이 왜곡되어 버리기 때문이다. 또한, 타격흔(80)의 폭이 지나치게 넓어지는 경우, 처리 효율이 저하되기 때문이고, 타격흔(80)이 얕고, 좁은 경우에는, 피로 특성에 유효한 압축 잔류 응력이 발생하지만, 불충분해지기 때문이다.

타격흔(80)의 폭(w)은 타격 핀(50) 선단 곡률 반경(R)과 처리 깊이(y)에 의해 정해지므로, 여기서의 폭(w)의 규정은 처리 시의 장치나 목표 위치의 떨림을 고려하여 설정한 것으로, 충분한 깊이(y)의 타격을 부여하면 이 범위에 들어가지만, 선단 곡률 반경(R)이 큰 타격 핀(50)에서는 이 범위를 초과해도 피로 특성에는 큰 해는 없지만 처리 효율이 저하되게 된다.

(실시예)

이하, 실시예에 의해 본 발명의 효과를 보다 명백한 것으로 한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.

(제1 실시예)

제1 실시예에서는, 우선 실제로 상기 도 2에 도시하는 용접 조인트(30)와 동일한 구조를 갖는 십자 용접 시험체를 25개 제작하였다. 구체적으로, 십자 용접 시험체에는 필릿 아크 용접에 의해 용접 길이가 1800㎜인 십자 용접 조인트를 형성하였다. 또한, 십자 용접 시험체에 사용한 강판은 판 두께 25㎜의 JIS G 3106에 준거한 SM490B이다. 또한, 용접 재료에는 JIS Z 3312에 준거한 YGW11을 사용하고, 용접 조건은 용접 입열 2.5×10⁴J/㎝의 CO₂ 반자동 아크 용접으로 하였다.

다음에, 상기 도 5에 도시하는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(70)를 사용하여, 이들 십자 용접 시험체에 대해 용접 조인트의 피로 특성을 개선하기 위한 타격 처리를 행하였다. 구체적으로, 이들 십자 용접 시험체를 장치 기부의 피처리재 탑재면에 용접 비드가 1개로 연결되도록 고정한 후, 용접 비드(40)의 지단(40b) 부근의 모재 금속 재료[강판(31)] 표면에 타격 핀(50)을 압박하고, 이동 기구부(73)에 의해 처리 기구부측을 용접선 방향으로 이동 조작하면서 초음파 충격 처리를 실시하였다. 또한, 초음파 충격 처리는 시험 하중을 부여하는 주판의 강판(31)의 4개소의 지단(40b) 부근만으로 하고, 시험 하중이 가해지지 않은 리브판의 강판(32)의 지단(40b) 부근으로의 처리는 생략하였다.

이 초음파 충격 처리의 진동 주파수는 27㎑, 출력은 약 1000W이다. 타격 핀은 상기 도 3에 도시하는 타격 핀(50)과 동일한 타입이고, 그 직경이 3㎜ 또는 6.4㎜, 선단부의 곡률 반경이 1.5 내지 12㎜인 것을 사용하였다. 또한, 초음파 충격 처리를 실시할 때의 타격 핀의 압박력(하중)은 처리 기구부의 자중으로 되도록 장치를 보유 지지함으로써 약 6㎏(약 60N)으로 하고, 처리부의 홈의 오목부 깊이가 0.5㎜로 되도록, 처리 속도는 50 내지 300㎜/min의 범위에서 조정으로 하였다.

타격 핀은 타격 에너지가 효율적으로 강판으로 전해지도록, 금속 재료[강판(31)] 표면에 대해 수직으로 타격하도록 각도를 조정하였다. 이때, 처리 기구부(71)는 십자 용접 시험체와의 간섭을 피하기 위해, 장치 내부의 웨이브 가이드의 선단 형상을 조정하여, 용접선 방향으로 직각이며, 금속 재료[강판(31)] 표면에 대해 약 60° 기울도록 각도를 설정하였다.

또한, 가이드부(75)의 전동 대차에는 초음파 충격 처리의 반력을 고려하여, 약 150㎏의 추를 설치하였다.

그리고, 표 1에 나타낸 바와 같이, 처리 전의 25개의 십자 용접 시험체 중, 18개의 십자 용접 시험체에 대해, 처리 조건을 다르게 하여 초음파 충격 처리를 행하였다. 즉, 타격 핀의 선단 곡률 반경을 1.5㎜, 2㎜, 5㎜, 10㎜, 12㎜로 단계적으로 다르게 하여, 각 십자 용접 시험체의 4개소의 지단 부근에 대해 초음파 충격 처리를 행하였다.

다음에, 초음파 충격 처리를 실시한 후에 각 십자 용접 시험체로부터, 상기 도 2의 용접부를 중앙에 갖는 강판(31)을, 도 1의 맞댐 용접된 강판(11, 12)과 치환한 경우의 상기 도 1 중의 S에 상당하는 시험편 a1 내지 a18을 취출하여, 각 시험편 a1 내지 a18에 대한 피로 시험을 행하였다. 또한, 처리 전의 십자 용접 시험체로부터 취출한 시험편 a0에 대해서도, 동일한 피로 시험을 행하였다. 피로 시험은 응력비가 0.1, 반복 부하 주파수 6㎐로 되는 축방향 반복 인장 시험으로 하고, 최대 응력은 175㎫로 하고, 용접부에 균열이 발생하여 시험편이 파단될 때까지의 반복 횟수(피로 수명)를 측정하였다. 그 평가 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 타격 핀의 선단 곡률 반경이 1.5㎜인 경우(시험편 a1 내지 a3), 피로 특성 개선의 면으로부터 효과는 얻어졌지만, 특히 목표 위치가 지단으로부터의 거리가 가까운 경우에는 용접 금속에 부딪혀, 처리가 정지하는 경우가 많아, 처리 효율이 저하되었다. 또한, 타격 핀의 마모의 점으로부터도 불리했다.

한편, 타격 핀의 선단 곡률 반경이 12㎜인 경우(시험편 a15 내지 a18), 처리 오목부 깊이가 0.3㎜를 하회하는 경우가 많아, 목표 위치가 지단으로부터 이격되면 피로 특성 개선 효과가 작아졌다. 또한, 목표 위치가 가까운 경우, 타격 핀의 테두리가 용접 금속과 간섭하는 경우가 많아, 처리가 종종 정지되어, 처리 효율이 저하되었다. 또한, 충분히 깊은 타격을 부여하기 위해서는, 처리 속도를 낮게 할 필요가 있어, 처리 효율이 저하되었다.

이에 대해, 타격 핀의 선단 곡률 반경이 2 내지 10㎜인 경우(시험편 a4 내지 a14)에는 처리 효율의 저하나 불충분한 처리로 되는 경우도 적어, 안정된 처리를 할 수 있었다.

이상의 결과로부터, 용접 비드의 지단으로부터 처리 위치가 가까운 경우에는 높은 피로 수명 개선 효과가 얻어지는 한편, 타격 핀이 용접 금속과 간섭하는 경우나, 타격 핀의 선단 곡률 반경이 큰 경우에는 처리 효율이 저하되는 것이 명백해졌다. 그리고, 본 발명은 이들의 결과로부터, 타격 핀의 선단 곡률 반경, 용접 비드의 지단으로부터 처리 중심까지의 거리, 용접 금속과의 간섭 비율을 규정하였다.

또한, 여기서의 시험 결과로부터, 타격흔은, 상기 도 7에 도시한 바와 같이 지단 형상과 평행하게 오목한 위치에 있어서 판별할 수 있었다. 또한, 용접 금속과의 간섭에 대해서는, 용접 비드의 지단 형상이 급변하는 위치와, 타격 처리 중의 타격 핀의 떨림이 중첩되는 경우에 발생하기 쉬운 것을 알 수 있었다.

다음에, 나머지 7개의 십자 용접 시험체에 대해, 표 2에 나타낸 바와 같이 처리 조건을 변화시켜 초음파 충격 처리를 행하였다. 즉, 타격 핀의 선단 곡률 반경을 5㎜로 고정하고, 처리 시간을 변동시켜, 처리 오목부 깊이를 0.08㎜, 0.1㎜, 0.5㎜, 2㎜, 2.5㎜로 단계적으로 다르게 하여, 지단으로부터 5㎜의 위치를 목표로 하여 초음파 충격 처리를 행하였다.

그리고, 초음파 충격 처리를 실시한 후에 각 십자 용접 시험체로부터, 상기 도 1 중 S에 상당하는 시험편 b1 내지 b7을 취출하여, 각 시험편 b1 내지 b7에 대한 피로 시험을 행하였다. 피로 시험은 응력비가 0.1, 반복 부하 주파수 6㎐로 되는 축방향 반복 인장 시험으로 하고, 최대 응력은 175㎫로 하여, 용접부에 균열이 발생하여 시험편이 파단될 때까지의 반복 횟수(피로 수명)를 측정하였다. 그 평가 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 처리 오목부 깊이가 0.1㎜ 이상인 경우(시험편 b2 내지 b5)에는 명료한 피로 특성 개선 효과가 보였다. 단, 처리 오목부 깊이가 2㎜를 초과하는 경우(시험편 b4, b5)에는 처리 시간이 매우 커 비효율이었다.

또한, 타격 핀의 굵기와 선단 곡률 반경을 크게 한 경우의 본 발명의 유효성을 확인한 바, 타격 핀의 직경이 큰 시험편 b7에서는 처리 시간이 긴데다가, 용접부에 큰 각변형이 발생하여, 용접 부재로서 형상의 문제가 발생하였다. 이로 인해, 타당한 처리 조건으로서는, 시험편 b6의 처리 조건까지의 타격 핀을 사용하는 것이 처리 효율의 점으로부터도 바람직하다고 생각된다. 이상의 실험 결과로부터, 본 발명의 유효 범위를 결정하였다.

(제2 실시예)

제2 실시예에서는, 우선 실제로 상기 도 1에 도시하는 용접 조인트(10)와 동일한 형상을 갖는 맞댐 용접 시험체를 4개 제작하였다. 구체적으로, 맞댐 용접 시험체에는 피복 아크 용접에 의해 용접 길이가 550㎜인 맞댐 용접 조인트를 제작하였다. 또한, 이 맞댐 용접 조인트의 개선은 X개선으로 하고, 양면의 비드 폭은 18 내지 21㎜이다. 또한, 맞댐 용접 시험체에 사용한 강판은 판 두께 20㎜의 JIS G 3106에 준거한 SM400A이다. 또한, 용접 재료에는 JIS Z 3311에 준거한 D4316의 용접봉(직경 4㎜)을 사용하고, 용접 조건은 용접 입열 1.7×10⁴J/㎝의 피복 아크 용접으로 하였다.

다음에, 상기 도 4에 도시하는 피로 특성 개선 타격 처리 장치(60)를 사용하여, 이들 맞댐 용접 시험체에 대해 용접 조인트의 피로 특성을 개선하기 위한 타격 처리를 행하였다. 구체적으로, 이들 맞댐 용접 시험체를 이동 기구부에 용접 비드가 1개로 연결되도록 고정한 후, 용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에 타격 핀을 압박하여, 이동 기구부에 의해 피처리재측을 용접선 방향으로 이동 조작하면서 초음파 충격 처리를 실시하였다. 또한, 초음파 충격 처리 개소는 강판(11, 12)의 표리의 4개소의 지단(20b) 부근으로 하였다.

이 초음파 충격 처리의 진동 주파수는 27㎑, 출력은 약 1000W이다. 타격 핀은 상기 도 3에 도시하는 타격 핀(50)과 동일한 타입이고, 그 직경이 3㎜, 선단부의 곡률 반경이 5㎜인 것을 사용하였다. 또한, 초음파 충격 처리를 실시할 때의 타격 핀의 압박력(하중)은 처리 기구부의 자중으로 되도록 장치를 보유 지지함으로써 약 4.5㎏(약 45N)으로 하고, 처리부의 홈의 오목부 깊이가 0.3㎜로 되도록, 처리 속도는 200㎜/min으로 하였다.

그리고, 처리 전의 4개의 맞댐 용접 시험체 중, 3개의 맞댐 용접 시험체에 대해, 표 3에 나타낸 바와 같이 처리 조건을 다르게 하여 초음파 충격 처리를 행하였다. 또한, 각 맞댐 용접 시험체의 용접 비드의 지단은 물결치는 것처럼 되어 있고, 용접 폭은 변동되어 있지만, 이것을 수동 조정하여 용접 비드의 지단으로부터 3 내지 6㎜, 5 내지 7㎜, 11 내지 14㎜의 강판 표면의 위치를 타격할 수 있도록 세트하여, 각각의 조건으로 용접 시험체에 타격을 부여하였다.

다음에, 초음파 충격 처리를 실시한 3개의 맞댐 용접 시험체 및 타격 처리를 행하지 않았던 1개의 맞댐 용접 시험체로부터, 상기 도 1 중의 S로 나타내는 시험편 c1 내지 c4를 취출하여, 각 시험편 c1 내지 c4에 대한 피로 시험을 행하였다. 피로 시험은 응력비가 0.1, 반복 부하 주파수 10㎐로 되는 축방향 반복 인장 시험으로 하고, 최대 응력은 200㎫로 하여, 용접부에 파단이 발생할 때까지의 반복 횟수(피로 수명)를 측정하였다. 그 평가 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 타격 처리를 행하지 않았던 시험편 c4에서는 47500회에서 파단하였다. 이에 대해, 본 발명의 타격 처리를 행한 시험편 c1, c2에서는 수명이 3배 정도 길어지고, 시험편 c3에서는 약간의 개선이 보였다. 또한, 시험편 c3에서는, 특히 용접 비드의 지단으로부터 타격 처리부까지의 거리가 14㎜ 정도로 이격되어 있는 곳으로부터 피로 균열이 발생하고 있는 모습을 당해 시험편의 파단면으로부터 확인할 수 있었다.

본 발명에 따르면, 지단 위치 검지부와, 처리 기구부와, 지지 압박 기구부와, 장치 기부와, 이동 기구부를 유리하게 조합하여 사용함으로써, 빠르고 또한 합리적으로 용접 조인트의 피로 특성을 향상시킬 수 있으므로, 상술한 바와 같은 기술 과제나 경제적 과제의 문제점을 유리하게 해결할 수 있다.

예를 들어, 로봇 등에 의한 자동 이동 장치를 사용하는 경우에는, 단순하게 용접 비드의 대략의 방향을 지시할 뿐이고, 용접 비드의 지단의 왜곡을 검출하여 정확하게 추종하는 기능이 불필요해지는 등, 극히 간이한 시스템으로 처리 시스템을 구축하는 것이 가능해져, 경제적으로도 매우 유효하다.

또한, 인간이 용접 조인트의 타격 처리를 행하는 경우에는, 빈번하게 휴식을 취할 필요가 있는 작업이지만, 본 발명을 사용하면, 처리 중에는 감시 업무만으로 되므로, 처리 효율이 높아지는 것을 기대할 수 있다.

또한, 용접 비드의 지단부를 직접 타격 처리하는 종래의 방법에서는 처리가 충분했는지 여부를 직접 육안 검사할 필요가 있어, 용접 비드의 지단에 잔존한 결함을 발견하는 것이 곤란했지만, 본 발명에서는 평활한 모재 금속의 처리부를 검사하는 것만으로도 좋고, 검사의 부담이 현저하게 경감되는데다가 용접 비드의 지단의 결함 검사와 분리할 수 있으므로, 처리 후의 용접부에 있어서의 품질 관리를 보다 합리적으로 행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 피로 균열 발생 방지 효과와 용접부 제작 공사 기간의 단축, 또는 검사 합리화에 의한 경제 효과를 기대할 수 있다.

Claims

용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 타격 핀을 누르면서 용접선 방향으로 상대적으로 이동 조작시켜 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법이며,
상기 타격 핀으로서, 선단 곡률 반경이 금속 재료의 두께의 1/2 이하 또한 2 내지 10㎜의 타격 핀을 사용하고,
상기 용접 비드의 지단으로부터 타격 처리 위치의 중심까지의 거리가, 상기 타격 핀의 선단 곡률 반경의 2.5배 이내이고, 또한 상기 타격 핀이 타격 처리 중에 용접 금속에 접촉하지 않는 범위까지의 모재 금속 재료 표면에,
상기 타격 핀에 의해, 타격흔의 홈 깊이가 0.1 내지 2㎜, 상기 타격 핀의 선단 곡률 반경 이하, 또한 상기 금속 재료의 두께의 1/10 이하이고, 타격흔의 폭이 1.5 내지 15㎜, 또한 상기 홈 깊이의 5배 이상인 잔류 소성 변형이 발생하도록,
상기 해머 피닝 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 방법.
용접 비드의 지단 부근의 모재 금속 재료 표면에, 타격 핀을 누르면서 용접선 방향으로 상대적으로 이동 조작시켜 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치이며,
상기 용접 조인트를 갖는 피처리재의 용접 비드의 지단 위치를 검출하는 지단 위치 검지부와,
상기 타격 핀에 의한 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리를 실시하는 처리 기구부와,
상기 처리 기구부를 지지하는 동시에, 상기 타격 핀을 상기 피처리재의 용접 비드의 지단으로부터 소정의 거리 이격된 모재 금속 재료 표면으로 누르는 지지 압박 기구부와,
상기 지지 압박 기구부 또는 피처리재의 한쪽이 적재되는 장치 기부와,
상기 지지 압박 기구부 또는 피처리재의 다른 쪽이 탑재되는 동시에, 스스로가 상기 장치 기부에 적재되고, 상기 용접 지단 위치 검지부에 의해 검지된 용접 비드의 지단 위치에 기초하여, 상기 피처리재에 대해 상기 처리 기구부를 용접선 방향으로 상대 이동시키는 이동 기구부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 용접 조인트의 피로 특성 개선 타격 처리 장치.
용접 구조물의 구조 및 부하 상황으로부터 피로 균열 발생 위험부의 용접부 내지 용접 비드를 특정할 수 있는 용접 구조물에 있어서,
적어도 상기 특정 용접 비드의 지단 부근의 금속 재료 표면에, 상기 특정 용접 비드의 길이의 90％ 이상의 길이의, 해머 피닝 처리 또는 초음파 충격 처리의 타격 핀에 의한 연속적인 타격흔이 형성되어 있고,
상기 타격흔은 그 폭 방향 중앙 위치와 상기 특정 용접 비드의 지단의 거리가 그 홈 바닥의 곡률 반경의 2.5배 이내이고, 또한 상기 특정 용접 비드에 접하지 않는 범위까지의 금속 재료 표면에 형성되는 동시에, 그 홈 깊이가 0.1 내지 2㎜, 상기 홈 바닥의 곡률 반경 이하, 또한 상기 금속 재료의 두께의 1/10 이하이고, 그 폭이 1.5 내지 15㎜, 또한 상기 홈 깊이의 5배 이상인 것을 특징으로 하는, 내피로 특성이 우수한 용접 구조물.