KR101639921B1

KR101639921B1 - 용접부 분사 피닝 방법

Info

Publication number: KR101639921B1
Application number: KR1020140190200A
Authority: KR
Inventors: 배규열
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-15
Also published as: KR20160080245A

Abstract

본 발명은 강판인 제1부재와 강판인 제2부재가 평행하게 놓인 상태에서 일부면이 접촉하도록 적층하여 아크 용접에 의해 형성된 용접부에 상기 제1부재의 접선면과 수직하지 않은 방향으로 입자가 수십 마이크로미터 단위인 분말을 분사하여 용접부의 성능을 개선하기 위한 용접부 분사 피닝 방법에 있어서, 법선방향과 분사노즐의 분사방향이 이루는 각도인 분사각을 일정범위로 유지하면서 분사노즐로부터 분말이 분사되는 분말분사단계;를 포함하고, 상기 법선방향은 분사노즐에 의해 조준되는 지점에서 상기 제1부재의 접선면에 수직이고, 상기 용접부는 상기 제2부재의 두께방향의 단면에 걸쳐 형성되고, 상기 분사노즐에 의해 조준되는 지점은 상기 용접부와 상기 제1부재의 경계인 용접부토우부이고, 상기 분말분사단계는 분말을 초음속으로 분사하는 용접부 분사 피닝 방법을 제공한다.

Description

용접부 분사 피닝 방법{SPRAYING PEENING METHOD FOR WELD}

본 발명은 용접부 분사 피닝 방법으로서, 분말입자를 용접부에 분사하여 용접부의 성능을 개선시키는 용접부 분사 피닝 방법에 관한 것이다.

아크용접의 경우 용접와이어의 용착에 의해 부품간 겹침이음 용접이 이루어지므로 이음부의 기하학적 형상 부여가 불가피하다. 이는 반복 피로응력이 집중되는 부분이 됨으로써 파단기점이 되어 결과적으로 부품의 내구성능 저하를 초래하게 된다.

따라서 용접부의 피로특성 개선을 위해서는 주로 응력집중부인 용접부 끝단부의 각도(토우각)를 저감하는 것이 무엇보다 중요하며, 이와 더불어 토우부의 재질 및 응력을 제어하는 것이 중요한 요소라 할 수 있다.

그런데 종래의 치퍼 타격 방법과 공압을 이용한 샷볼 피닝의 경우, 피닝 이후 대상재의 변형이 발생할 수 있으므로 자동차용 박판강재 등에 적용이 곤란할 수 있으며, 용접부의 단부에 적용시 취성이 높은 용접부에 미세균열 등의 결함이 발생할 수 있다.

특허문헌1: 일본 공개특허공보 제2013-220431호

특허문헌2: 일본 공개특허공보 제2014-014831호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 용접부의 성능을 개선시키는 용접부 분사 피닝 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같은 용접부 분사 피닝 방법을 제공한다.

또한, 상기 분사각은, 25°를 초과하고 55° 미만으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 분말분사단계는, 상기 분사노즐이 상기 용접부토우부를 따라 이동하면서 분말을 분사하는 이동분사단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이동분사단계는, 상기 분사노즐이 상기 용접부토우부를 따라 9 내지 18회 이동하면서 분말을 분사할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법은 상기 분말분사단계 이전에, 상기 분사각을 설정하는 분사각설정단계;를 포함할 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 용접부 분사 피닝 방법의 일 실시예는, 위와 같은 구성을 통해, 용접부의 성능을 개선하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법이 적용되는 분사노즐을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 따라 분사노즐이 용접부를 따라 이동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 따라 분사각이 형성된 분사노즐을 나타낸 도면이다.
도 4 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 의하여 용접부가 처리되기 이전의 모습을 나타낸 도면이다.
도 4 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 의하여 용접부가 처리된 이후의 모습을 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법이 적용되는 분사노즐을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 따라 분사노즐이 용접부를 따라 이동하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 따라 분사각이 형성된 분사노즐을 나타낸 도면이다. 그리고 도 4 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법에 의하여 용접부가 처리되기 이전과 처리된 이후의 모습을 각각 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법은, 강판인 제1부재(1)와 강판인 제2부재(2)를 일부가 겹치도록 적층하여 아크 용접에 의해 형성된 용접부(10)에 분말을 분사하여 용접부(10)의 성능을 개선하기 위한 용접부 분사 피닝 방법에 있어서, 법선방향(β)과 분사노즐(100)의 분사방향(γ)이 이루는 각도인 분사각(α)을 일정범위로 유지하면서 분사노즐로(100)부터 분말이 분사되는 분말분사단계;를 포함하고, 상기 법선방향(β)은 분사노즐(100)에 의해 조준되는 지점에서 제1부재(1)의 접선면에 수직하다.

최근 고강도 열연강재는 사용량이 증가 추세에 있으며, 이러한 고강도 열연강재는 일반적으로 아크 용접에 의해 접합되어 이용된다. 그런데 이때 아크 용접에 의해 형성된 용접부는 피로응력이 집중되는 부분으로 파단 기점이 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바에 따라 아크 용접에 의해 형성된 용접부(10)에 분말을 분사하여 인장 잔류응력을 제거하고 표면을 개질할 수 있다. 이 때 운동에너지를 가진 분사가스로부터 운동 모멘텀을 분말이 제공받도록 함으로써 분말이 상기 용접부(10)에 충격량을 전달할 수 있다. 이렇게 함으로써 용접부에 축적된 인장 잔류응력을 제거하고 표면을 개질할 수 있다. 분말의 크기는 수십 마이크로미터이므로 분말에 의하여 상기 용접부(10)에 충격량을 전달하기 위하여는 충분한 속도가 요구된다. 따라서 이를 위하여 분말에 운동 모멘텀을 전달하는 분사가스의 속도는 음속을 초과하는 초음속이 되어야 한다. 이 점에서 기존의 샷볼(shot ball) 피닝 기술과 다르며, 분말을 분사할 때 이 점이 고려되어야 한다. 그런데 상기 분사노즐(100)이 상기 제1부재의 접선면과 수직한 방향으로 분말을 분사하는 경우 분사가스의 속도로 인하여 충격파가 발생할 수 있으며 이로 인하여 상기 용접부(10)의 성능을 개선하는 데 있어서 장애요인으로 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1부재의 접선면과 수직하지 않은 방향으로 분말을 분사함으로써 이를 해결할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1부재(1)의 접선면에 수직인 방향을 법선방향(β)이라 하고, 상기 분사노즐(100)에서 분말이 분사되는 방향을 분사방향(γ)이라 하면, 상기 법선방향(β)과 상기 분사방향(γ)이 이루는 각인 상기 분사각(α)을 일정한 범위로 유지하도록 함으로써, 충격파의 발생으로부터 초래되는 장애요인을 방지할 수 있다. 이와 같이 상기 분사각(α)을 유지하도록 함으로써 분사된 분사가스 및 분말과 그 이후에 분사되는 분사가스 및 분말 사이의 간섭을 배제시킬 수 있으므로 상기 용접부(10)의 성능을 개선하는 데 있어서 높은 효율을 기대할 수 있다.

또한, 상기 분사노즐(100)에 의해 조준되는 지점은, 상기 용접부(10)와 상기 제1부재(1)의 경계인 용접부토우부(11)가 될 수 있다.

아크 용접에 의하여 피로가 집중되는 부분은 상기 용접부(10)와 상기 제1부재(10)의 경계인 상기 용접부토우부(11)이며, 상기 용접부토우부(11)를 상기 분사노즐(100)에 의해 조준되는 지점으로 함으로써, 상기 용접부(10)의 성능을 효과적으로 개선할 수 있다. 또한 상기 용접부토우부(11)가 상기 제1부재의 접선면과 이루는 각도인 토우각을 감소시킴으로써 상기 용접부(10)의 성능을 개선시킬 수 있다.

또한, 상기 분사각(α)은, 25°를 초과하고 55° 미만으로 형성될 수 있다. 상기 분사각(α)을 0° 로 하는 경우 전술한 바와 같이 충격파가 문제될 수 있다. 그런데, 상기 분사각(α)을 90° 에 가깝게 하는 경우 분말에 의해 상기 용접부(10)에 가해지는 충격량이 미미하므로 상기 용접부(10)의 성능 개선을 기대하기 어렵다.

또한, 상기 분말분사단계는, 상기 분사노즐(100)이 상기 용접부토우부(11)를 따라 이동하면서 분말을 분사하는 이동분사단계;를 포함할 수 있다. 상기 제1부재(1)와 상기 제2부재(2)를 일부가 겹치도록 적층하여 용접하는 경우 상기 용접부토우부(11)가 선을 형성할 수 있으며 상기 분사노즐(100)이 상기 용접부토우부(11)를 따라 이동하면서 분말을 분사하도록 하여 상기 용접부(10)의 성능을 개선할 수 있다.

또한, 상기 이동분사단계는, 상기 분사노즐(100)이 상기 용접부토우부(11)를 따라 9 내지 18회 이동하면서 분말을 분사할 수 있다. 상기 용접부 (10)에 가해지는 분말의 충격량에 의하여 상기 용접부(10)의 성능이 개선되고 표면이 개질되는데, 상기 분사노즐(100)이 너무 적은 횟수로 상기 용접부토우부(11)를 따라 이동하면서 분말을 분사하면 상기 용접부(10)에 가해지는 충격량이 미미하므로 상기 용접부(10)의 성능 개선을 기대하기 어렵고, 상기 분사노즐(100)이 너무 많은 횟수로 상기 용접부토우부(11)를 따라 이동하면서 분말을 분사하면 상기 용접부(10)에 가해지는 충격량이 커서 오히려 상기 용접부(10)의 효과적인 성능 개선을 기대하기 어렵다. 도 2는 상기 분사노즐(100)이 상기 용접부토우부(11)를 따라 이동하면서 분말을 분사하는 모습을 나타낸 도면이다.

하기 표 1은 분사각과 분사횟수를 독립변수로 하여 상기 용접부(10)의 성능개선을 실험한 자료이다. 이 실험에서 상기 제1부재(1) 및 상기 제2부재(2)의 소재는 자동차용 열연강재로 널리 사용되는 HB780 강판(두께: 3.2mm)로 하였고, 상기 제1부재(1)와 상기 제2부재(2)를 일부가 겹치도록 적층하여 용접한 후, 하기 표 1의 조건으로 분사 피닝을 실시하였다. 비교예1은 용접 이후 분사 피닝을 실시하지 않은 것이다. 한편, 상기 분사 피닝 시, 분사가스는 질소(N2), 상기 분사노즐(100)의 출측 구경은 8mm, 압축가스의 온도는 550℃, 압축가스의 압력은 3.0MPa, 분말입자는 평균직경 45㎛의 알루미나(Al2O3), 분말의 송급량은 20g/min, 상기 분사노즐(100)의 이송속도는 50mm/min, 상기 분사노즐(100)과 상기 용접부토우부(11)의 거리(분사거리)는 35mm로 일정하게 하였다. 이후, 상기 용접부토우부(11)로부터 분사 피닝된 영역의 폭과 단면을 관찰하여 표층으로부터의 분사 피닝된 깊이를 측정하였으며, 이 때 하중 24kN에서의 피로수명을 표 1에 함께 나타내었다. 피로수명을 측정하기 위한 피로 시험에서는, 인장피로(R = 최소하중 대 최대하중의 비율)를 0.1로 하였고 주파수(frequency)는 20Hz로 하였으며, 최대 2,000,000cycles까지 평가하였다.

상기 표 1에서, 비교예 1 및 2를 비교하면, 분사 피닝을 통하여 기존 대비 피로수명이 289,328cycles에서 1.534.378cycles로 급격히 증가하여 상기 용접부(10)의 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. 한편 비교예 2 및 3과 발명예 1 내지 3을 비교하면, 분사횟수는 9회로 일정하나 상기 분사각(α)이 25 내지 55°로 다르다. 비교예 2에서는 상기 분사각(α)이 25°로서 피로수명이 1, 534,378cycles이며, 비교예 3에서는 상기 분사각(α)이 55°로서 피로수명이 632,927cycles이다. 비교예 2 내지 3은, 상기 분사각(α)이 30 내지 45° 인 발명예 1 내지 3의 피로수명인 2,000,000cycles에 비하여 상기 용접부(10)의 성능 향상이 미비하다. 따라서 상기 분사각(α)은 25°를 초과하고 55° 미만으로 형성됨이 바람직하다.

또한 발명예 3과 비교예 4를 비교하면, 분사횟수가 각각 9회와 8회로 차이가 있고, 이에 따라 피로수명이 각각 2,000,000cycles와 1,792,731cycles 로서 상기 용접부(10)의 성능 향상에 있어서 분사횟수가 9회 이상이 적정함을 보여준다. 그리고 발명예 4와 비교예 5를 비교하면, 분사횟수가 각각 18회와 19회로 차이가 있고, 이에 따라 피로수명이 각각 2,000,000cycles와 1,875,365cycles 로서 상기 용접부(10)의 성능 향상에 있어서 분사횟수가 18회 이하가 적정함을 보여준다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 분사 피닝 방법은, 상기 분말분사단계 이전에, 상기 분사각(α)을 설정하는 분사각설정단계;를 포함할 수 있다. 즉 상기 용접부(10)에 대하여 분사 피닝을 하기 이전에 상기 분사각(α)를 미리 설정하고 그 이후에 분말을 분사할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

1: 제1부재 2: 제2부재
10: 용접부 11: 용접부토우부
100: 분사노즐 α: 분사각
β: 법선방향 γ: 분사방향

Claims

강판인 제1부재와 강판인 제2부재가 평행하게 놓인 상태에서 일부면이 접촉하도록 적층하여 아크 용접에 의해 형성된 용접부에 상기 제1부재의 접선면과 수직하지 않은 방향으로 입자가 수십 마이크로미터 단위인 분말을 분사하여 용접부의 성능을 개선하기 위한 용접부 분사 피닝 방법에 있어서,
법선방향과 분사노즐의 분사방향이 이루는 각도인 분사각을 일정범위로 유지하면서 분사노즐로부터 분말이 분사되는 분말분사단계;를 포함하고,
상기 법선방향은 분사노즐에 의해 조준되는 지점에서 상기 제1부재의 접선면에 수직이고,
상기 용접부는 상기 제2부재의 두께방향의 단면에 걸쳐 형성되고,
상기 분사노즐에 의해 조준되는 지점은 상기 용접부와 상기 제1부재의 경계인 용접부토우부이고,
상기 분말분사단계는 분말을 초음속으로 분사하는 용접부 분사 피닝 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 분사각은,
25° 를 초과하고 55° 미만인 것을 특징으로 하는 용접부 분사 피닝 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 분말분사단계는,
상기 분사노즐이 상기 용접부토우부를 따라 이동하면서 분말을 분사하는 이동분사단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 분사 피닝 방법.
제4항에 있어서,
상기 이동분사단계는,
상기 분사노즐이 상기 용접부토우부를 따라 9 내지 18회 이동하면서 분말을 분사하는 것을 특징으로 하는 용접부 분사 피닝 방법.
제5항에 있어서,
상기 분말분사단계 이전에,
상기 분사각을 설정하는 분사각설정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 분사 피닝 방법.