KR101799376B1 - 타격 단자 및 해머 피닝 처리 방법 그리고 그것을 이용한 용접 조인트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 그 선단부가 당해 타격 단자의 이동 방향으로 1㎜ 내지 10㎜의 길이를 갖고, 그 이동 방향에 직각인 단면에서 곡률 반경이 1㎜ 내지 10㎜인 원호 형상이 되는 타격 단자 이용하여, 타격을 부가함으로써, 용접 지단을 사이에 두고 모재에서 용접 금속까지의 영역인 용접 지단부에 대하여 타격 영역을 형성하여, 해머 피닝 처리에 의한 용접 조인트부의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

Description

타격 단자 및 해머 피닝 처리 방법 그리고 그것을 이용한 용접 조인트의 제조 방법{IMPACT TIP, METHOD FOR HAMMER PEENING, AND METHOD FOR MANUFACTURING WELD JOINT USING THE SAME}

본 발명은, 강교(steel bridge) 등의 우수한 피로 특성이 요구되는 강구조물(steel structures)에 적합한 용접 조인트를 형성하기 위한, 타격 단자(impact tip) 및 해머 피닝 처리(hammer peening) 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 용접 지단부(welding toe portion)의 형상 개선에 의해 응력 집중을 완화시켜, 전술의 용접 조인트부의 피로 강도의 향상을 도모하는 것이다.

최근, 강교의 노후화에 의한 부식이나 피로에 수반하는 손상 사례의 보고가 증가하고 있다. 이들의 방지에는, 우선 검사 체제를 확립하는 것이 필요하다. 특히, 피로 손상의 경우는, 통과 차량 등의 작용 외력을 경감하는 것만으로는 부족하고, 설계 및 제작면에서의 용접 품질의 향상이 중요하다.

용접부는, 균열 등의 결함이 존재하여 용접 지단의 형상이 부적절한 경우에, 응력 집중이 발생하기 쉽다. 그 결과, 반복 응력과 용접 잔류 응력의 영향이 중첩되어 피로 노치(fatigue notch)가 발생하고, 피로 파괴를 초래하는 경우가 있다. 피로 파괴의 방지를 위해, 여러 가지의 관점에서 제안이 이루어지고 있다.

예를 들면, 일본공개특허공보 2006-175512호(특허문헌 1)는, 용접부의 피로 강도 향상 방법 및 그것을 이용한 용접 구조물에 관한 것이다. 특허문헌 1은 용접 지단의 근방을 초음파 진동하면서 타격하여 소성 변형(plastic deformation)시키는 가공 장치를 이용하여, 특정 치수의 홈을 소정의 타격 조건으로 가공함으로써, 작업자의 숙련도에 의존하지 않고도 안정되게 용접 구조물의 피로 강도를 고속으로 향상시킬 수 있는 기술이 기재되어 있다.

일본공개특허공보 2006-159290호(특허문헌 2)는, 레이저 충격 피닝 처리 방법에 관한 것으로, 레이저 광원으로부터의 펄스 레이저빔을 사용하여, 표면의 박층 또는 플라즈마를 형성하는 표면의 코팅을 순간적으로 기화시켜 그 폭발력에 의해 표면의 일부에 국소적으로 압축력을 발생시키는 방법으로, 가스 터빈 엔진의 팬 회동 날개(fan rotating blade)에 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 기재되어 있다.

일본공개특허공보 2010-029897호(특허문헌 3)에는, 용접 조인트의 피로 특성의 개선을 위한 타격 방법 및 그 방법을 사용하는 장치에 관한 기술이 기재되고, 특히, 특정 치수의 선단을 갖는 타격핀(impact pin)을 이용하여, 용접 지단 근방에 타격 영역을 형성하여 강판 표면을 압축함으로써, 용접부에 압축 잔류 응력을 도입하는 기술이 기재되어 있다.

통상, 해머 피닝 처리 중에는, 피닝 처리 장치를 보유(holding)하는 작업자가 용접 지단에 대하여 단자(진동 단자(transducer)나 치퍼(chipper), 혹은 타격 단자라고도 함)의 선단을 경사지게 상방으로부터 타격하여, 피닝 처리 장치의 하중을 용접 지단에 가함으로써 작업 부하를 경감하고 있다.

그 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이, 모재(base material; 1)에 리브(rib)(2)를 직립시킨 면 외 거싯 용접 조인트(out-of-plane gusset welded joint)에 대하여 해머 피닝 처리를 실행한 경우, 피닝 처리 장치의 타격 단자(5)의 선단에 의해 용접 지단(4)에 응력 집중 개소가 되는 깊은 홈(타격 영역)(6)이 형성되어, 용접 비드(weld bead; 3)의 선단부로부터 피로 균열(7)이 발생하는 경우가 있었다.

한편, 해머 피닝 처리 및 TIG 처리(Tungsten Inert Gas dressing)에 의한 고강도 강(High Tensile Strength Steel; SM570)의 용접 조인트부의 피로 강도 향상과 관련하여, "Improving Fatigue Strength of Welded Joints by Hammer Peening TIG-Dressing: Kengo ANAMI, Chitoshi MIKI, Hideki TANI, Haruhito YAMAMOTO, Structual Eng./Earthquake Eng., JSCE, Vol.17, NO.1, 57s-68s, 2000 April"(비특허문헌 1)에는 해머 피닝 처리를 실행한 경우에, 전술한 바와 같은 피로 균열이 발생하여 용접부의 피로 강도가 저하되는 문제에 대하여, 용접 지단의 응력 집중이나 잔류 응력을 저감시키기 위한 새로운 해머 피닝 처리 방법에 대해서 검토한 결과가 기재되어 있다.

즉, 비특허문헌 1에 따르면, 해머 피닝 처리를 실행하기 전에, 그라인더로 용접 지단의 일부를 미리 연삭하는 것 및 해머 피닝 처리를 대략 3패스의 복수회 행하는 것이 피로 노치(피로 균열이라고도 칭함)의 발생 방지에 효과적이다.

일본공개특허공보 2006-175512호 일본공개특허공보 2006-159290호 일본공개특허공보 2010-29897호

IMPROVING FATIGUE STRENGTH OF WELDED JOINTS BY HAMMER PEENING TIG-DRESSING: Kengo ANAMI, Chitoshi MIKI, Hideki TANI, Haruhito YAMAMOTO, Structual Eng./Earthquake Eng., JSCE, Vol.17, NO.1, 57s-68s, 2000 April Zukai Yosetsu Yogo Jiten (Welding terminology Dictionary), Nikkan Kogyo, Sept. 20, 1971, 4th ed, p.53

용접 구조물을 제조할 때에는, 작업 환경, 작업 능률 및 용접 조인트 성능을 고려한 용접 방법이 선정되고, 용접부의 피로 강도 향상을 위해, 상술된 특허문헌 1 등에 기재된 용접부의 피로 강도 향상 방법이 적용된다. 피로 특성이 우수한 용접 조인트의 특징이 명확하면, 용접 방법의 선정과 동일하게 최적의 피로 강도 향상 방법을 선정하는 것이 가능해진다.

그러나, 특허문헌 1에 기재된 초음파에 의한 해머 피닝 처리 방법에서 사용하는 장치는, 공기압으로 단자를 구동하는 종래 장치와 비교하여, 고가이고 게다가 그런 장치는 입수가 어렵다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 레이저 충격 해머 피닝 처리 방법은, 소재의 전처리(pre-treatment)가 필요하고, 또한 장치가 고가이고 크기 때문에, 이 방법을 강교의 제조에 적용하는 것이 어렵다.

한편, 특허문헌 3에는, 내피로(fatigue resistance) 특성이 우수한 용접 구조물이 기재되어 있고, 피로 균열 발생의 가능성이 큰 용접부보다 바람직한 용접부가 개시되어 있기는 하지만, 실구조물에 이 용접부를 적용한 경우, 당해 용접부를 얻기 위한 장치를 입수하기 곤란하고, 시공 능률의 점에서도 문제가 남아 있다. 특허문헌 3에 기재된 타격 방법은, 선단의 곡률 반경이, 금속 재료의 두께의 1/2 이하이고 2mm 내지 10㎜인 타격핀을 이용한다. 이 방법은, 타격핀이 타격 중에 용접 금속에 접촉하지 않는 범위에서, 모재 금속 재료 표면에 타격 영역을 부여한다. 그러나, 타격 단자 선단이 반구(半球) 형상이기 때문에, 많은 횟수의 타격이 필요하게 된다. 그러므로, 용접 조인트부에 대하여 효율적으로 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 곤란하다.

또한, 비특허문헌 1에 기재된 기술이라도, 미리 연삭하는 것을 요하거나, 또는 해머 피닝 처리를 복수회 행하는 것 등, 시공 능률의 점에서 문제가 남아 있다.

본 발명은, 전술한 현상을 감안하여 개발된 것으로, 해머 피닝 처리를 실행하여, 용접 조인트부의 피로 강도를 향상시킬 수 있는 타격 단자 및 그것을 이용하는 방법 및 그 방법을 이용하여 피로 강도 특성이 우수한 용접 조인트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키기 위해, 피로 균열이 특히 쉽게 형성되는 용접 지단부에 대해서 그 특성을 예의 검토했다. 그 결과, 용접 지단부의 응력 집중을 저감시킴과 동시에 용접에 의한 인장 잔류 응력을 경감시키는 수단을 적용, 즉 해머 피닝 처리를 위한 타격 단자의 형상을 대략 배럴(barrel) 형상으로 만듦으로써, 공기압 진동 방식의 간단한 장치라도 지단부 형상을 개선함과 동시에 용접부로 압축 잔류 응력을 도입할 수 있는 것을 발명자들은 발견했다.

본 발명은, 전술한 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

본 발명의 주요 특성은 다음과 같다.

1. 공기압을 이용하여 타격 단자를 진동시키는 시스템을 이용하여, 용접 지단부에 타격을 부가함으로써 용접 조인트부의 피로 강도를 향상시키는 해머 피닝 처리를 행하기 위한 타격 단자로서,

상기 타격 단자의 선단부가, 당해 타격 단자의 이동 방향으로 1㎜ 내지 10㎜의 길이를 갖고, 또한 그 이동 방향에 직각인 단면에서 곡률 반경이 1㎜ 내지 10㎜인 원호 형상을 갖는 타격 단자.

2. 상기 1에 따르는 타격 단자에 있어서, 상기 타격 단자의 선단부는, 직각인 단면이, 상기 타격 단자의 축 방향 및 이동 방향 양자에 직각인 방향에 평행한 타원의 장경(major radius)을 갖는 타원호(elliptical arc) 형상이며, 당해 타원의 단경(mirror radius)이 1㎜ 이상인 타격 단자.

3. 공기압 진동 방식의 타격 단자를 이용하여, 용접 지단부에 타격을 부가함으로써 용접 조인트부의 피로 강도를 향상시키는 해머 피닝 처리 방법에 있어서,

상기 타격 단자의 이동 방향으로 1㎜ 내지 10㎜의 길이를 갖고, 또한 그 이동 방향에 직각인 단면에서 곡률 반경이 1㎜ 내지 10㎜인 원호 형상을 갖는 선단부를 포함하는 타격 단자를 이용하여 타격을 부가하고, 용접 지단을 사이에 두고 모재에서 용접 금속까지의 영역인 용접 지단부에 대하여 타격 영역을 형성하는 해머 피닝 처리 방법.

4. 상기 3에 따르는 해머 피닝 처리 방법에 있어서, 상기 타격 단자를 이용하여 타격을 부가할 때, 모재의 표면에 대한 타격 각도가 60°±20°의 범위에 있는 해머 피닝 처리 방법.

5. 상기 3 또는 4에 따르는 해머 피닝 처리 방법에 있어서, 상기 타격 단자의 이동 방향에 직각인 단면에서, 당해 타격 단자의 선단부를, 상기 타격 단자의 축 방향 및 이동 방향 양자에 직각인 방향에 평행한 타원의 장경을 갖는 타원호 형상을 가지며, 당해 타원의 단경을 1㎜ 이상으로 하는 해머 피닝 처리 방법.

6. 상기 3 내지 5 중 어느 하나에 따르는 해머 피닝 처리 방법에 있어서, 상기 용접 지단부는, 용접 지단을 사이에 두고, 용접 금속측에서 2㎜ 이상부터 모재측에서 2㎜ 이상까지의 범위의 영역인 해머 피닝 처리 방법.

7. 상기 3 내지 6 중 어느 하나에 따르는 해머 피닝 처리 방법에 의해, 용접 지단을 사이에 두고 모재와 용접 금속을 포함하는 용접 지단부에 타격을 부가하는 용접 조인트로서,

상기 타격에 의해 형성된 타격 영역의 곡률 반경이 2㎜ 이상인 용접 조인트.

8. 상기 7에 따르는 용접 조인트에 있어서, 상기 용접 지단부가, 용접 지단을 사이에 두고, 용접 금속측에서 2㎜ 이상부터 모재측에서 2㎜ 이상까지의 범위의 영역인 용접 조인트.

본 발명에 의하면, 플럭스 치퍼(flux chipper)와 같이, 종래의 공기압에 의해 단자를 구동하는 장치라도, 용접 지단부에 효과적으로 타격할 수 있다. 즉, 이 기술은 용접부의 피로 강도 개선 효과가 용이하게 얻어져, 산업상, 매우 유용하다.

본 발명은 또한 첨부 도면을 참조하여 다음에 설명될 것이다.
도 1은 해머 피닝 처리에 있어서, 용접 지단에 발생하는 결함을 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 용접 조인트에 의해 지단 형상이 개선되는 원리를 개랴적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 용접 조인트의 타격에 이용하는 타격 단자의 X, Y, Z방향을 설명한다.
도 4a는 본 발명에 따른 용접 조인트의 타격에 이용하는 타격 단자의 XZ 단면의 형상을, 도 4b는 YZ 단면의 형상을 설명한다.
도 5a는 본 발명에 따른 용접 조인트의 타격에 이용하는 다른 타격 단자의 XZ 단면의 형상을, 도 5b는 YZ 단면의 형상을 설명한다.
도 6a는 돌림 용접(boxing)을 실행한 돌림 아크 용접 조인트(box arc weld joint)의 정면도와 입면도를 나타낸다.
도 6b는 돌림 용접을 실행한 다른 모서리 돌림 용접 조인트의 정면도와 입면도를 나타낸다.
도 7은 지단 형상의 프로파일을 나타낸다.
도 8은 파단(failure)에 이르기까지의 횟수와, 응력 범위와의 관계를 나타낸다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

또한, 이하의 설명에서 관련된 도면은, 특징을 알기 쉽게 하기 위해, 편의상, 특징이 되는 부분을 개략적으로 나타내고 있다. 그 때문에, 각 구성 요소의 치수, 비율 등이 일정한 비율로 도시되지 않을 수도 있다.

본 발명은, 용접 비드의 용접 지단부에, 타격 단자(이하, 단순히 단자라고도 함)를 밀어붙이면서, 타격 단자를 용접선 방향으로 이동시키는, 소위 해머 피닝 처리를 실행함으로써, 용접 조인트부의 피로 강도를 개선하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 설명에 있어서, 지단 또는 용접 지단은, 모재의 표면과 용접 금속의 표면과의 교선(line of intersection)을 의미한다(비특허문헌 2 참조).

본 발명에서 사용하는 모재, 리브 및 용접 금속은, 종래 공지의 용접 조인트에 이용되고 있는 것이면, 그 모두를 적용할 수 있다. 또한, 하나의 부재에 다른 부재를 용접하여 부착한 용접 조인트에 대하여, 본 발명은 폭넓게 적용하는 것이 가능하지만, 그 사용 위치에서의 구조나 부하 상황 등의 요소에 기초하여, 피로 균열이 발생하기 쉬운 용접부 및 용접 비드를 갖는 용접 조인트를 대상으로 하면, 본 발명의 효과가 한층 발휘된다. 또한, 전술한 용접부 등의 예로는, 교량에 있어서는 형교(bridge beam)와 교각(bridge footing)과의 용접부, 선박에 있어서는 늑재판(rib plate)과 측판(side plate)과의 용접부를 들 수 있다.

도 2는, 본 발명에 따른 해머 피닝 처리 방법에 의해 피로 특성이 향상하는 원리를 개략적으로 설명하며, 모재(1)에, 리브(2)를 돌림 용접으로 용접했을 때의 용접 조인트부의, 용접선 방향에 대하여 수직인 단면을 나타낸다. 도 2는, 용접 비드(3)의 지단(4)에 대하여, 소정의 각도로 단자를 밀어붙임으로써, 모재 및 용접 금속에 압력을 가하여 소성 변형(도면 중, 점선으로 표시)이 발생된 타격 영역(8)이 어떻게 생성되는지를 보여준다.

도 3은, X방향이 타격의 이동 방향과 직각인 방향(즉, 용접선 방향에 직각인 방향), Y방향이 타격의 이동 방향(즉, 용접선 방향에 평행한 방향)이라고 정의한 경우의 X방향, Y방향 및 Z방향을 설명하는 도면이다. 이하에 설명하는 X방향, Y방향 및 Z방향은 이 정의에 따르고 있다.

도 4a, 도 4b 및 도 5에, 본 발명에 따르는 타격 단자의 선단의 형상을 나타낸다.

본 발명에 따르는 타격 단자는, 도 4a 및 도 4b에 나타내는 바와 같이, 타격 단자의 선단부는, 이동 방향(Y방향)에 직각인 단면(XZ 단면)에 있어서, a₁㎜의 길이를 갖는 정부(apex)에, 1㎜ 내지 10㎜의 곡률 반경(r₁)을 갖는 원호 형상의 외주부(arc shaped periphery; 도 4a)를 가지며, 이동 방향(Y방향)으로 1㎜ 내지 10㎜의 길이 b₁㎜를 갖는 대략 배럴 형상(도 4b)이다. 길이 a₁은, 5mm 내지 9.5㎜의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 5mm 내지 9㎜의 범위이다. 이것은, 모재 및 지단측이 넓은 범위 상에서 타격될 수 있어, 용접부에 있어서의 지단 형상의 평활화에 유용하기 때문이다.

곡률 반경(r₁)이, 1㎜ 미만의 경우, 지단에 응력 집중을 쉽게 발생시키는 변형이 형성된다. 한편, 10㎜를 초과하는 경우, 타격시에 타격 단자와 지단부와의 접촉 면적이 지나치게 커져, 지단부에 충분한 압축 잔류 응력을 도입할 수 없다. 따라서, 곡률 반경(r₁)은 1㎜ 내지 10㎜로 설정한다.

도 5a 및 도 5b는, 본 발명의 다른 예에 따른 타격 단자의 형상을 나타내고 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, 타격 단자의 선단부는, 이동 방향(Y방향)에 직각인 단면(XZ 단면)에 있어서, 정부에 타격 단자의 축 방향 및 이동 방향 양자에 직각인 방향에 평행한 타원의 장경(r₃)과 길이 a₂㎜의 타원호 형상의 외주부를 가지며, 타원의 단경(r₂)은 1㎜ 이상(도 5a)이다. 도 4a 및 도 4b에 나타낸 단자와 동일하게, 단자는 이동 방향(Y방향)으로 1㎜ 내지 10㎜의 길이 b₂㎜를 갖는 반원기둥(도 5b)으로 형성된 것이다. 그 길이 a₂는, 5mm 내지 9.5㎜의 범위가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 5mm 내지 9㎜의 범위이다. 이것은, 모재 및 지단측이 넓은 범위 상에서 타격될 수 있어, 용접부에 있어서의 지단 형상의 평활화에 용이하기 때문이다.

전술의 타원호 형상의 외주부를 갖는 타격 단자의 경우, 타원의 단경(r₂)이 1㎜ 미만이면, 지단부에 응력 집중을 발생하는 변형이 형성되기 때문에, 타원의 단경(r₂)은 1㎜ 이상으로 설정한다. 한편, 그 상한에는 특별한 제한은 없지만, 약 2㎜가 바람직하다.

또한, 타원의 장경(r₃)이, 8㎜를 초과하면, 용접 지단을 타격하는 것이 곤란해지기 때문에, 단경보다 큰 값, 약 6㎜까지의 값이 바람직하다.

도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 타격 단자는, 전술한 바와 같이, 이동 방향(Y방향)으로 1㎜ 내지 10㎜의 길이 b₁ 및 b₂를 갖고 있다. 이 길이가 1㎜ 미만이면, 지단에 압축 잔류 응력을 효과적으로 부여할 수 없을 뿐만 아니라, 타격 단자에 가해지는 힘이 커지기 때문에 선단이 찌그러지기 쉬워져, 빈번하게 선단의 교환이 필요해진다. 한편, 그 길이가 10㎜를 초과하면, 지단에 응력 집중을 발생하는 변형이 형성될 뿐만 아니라, 지단부에 효과적인 타격을 부가하기 위해 큰 힘이 필요해지기 때문에, 대규모의 타격 장치가 되어 버린다. 따라서, b₁ 및 b₂는 각각 1㎜ 내지 10㎜의 범위로 설정한다.

또한, b₁ 및 b₂는, a₁ 및 a₂와 동일하거나 작은 것이 바람직하다. 이것은, 타격 단자의 접촉 면적이 과도하게 커지면, 단위 면적당 힘이 약해져 안정된 형상이 얻어지기 어렵기 때문이다.

본 발명에서는, 모재의 표면에 대하여 60°±20°의 각도(이하, 타격 각도라고 함)로, 용접 지단부에 대하여 타격을 부가하는 것이 중요하다.

그 이유는, 타격 각도가 80°를 초과한 경우에는, 용접 금속에 대하여 효과적인 타격을 부가하는 것이 약간 곤란해지고, 한편, 40°보다 작은 타격 각도는, 모재에 대하여 효과적인 타격을 부가할 수 없을 수도 있다.

본 발명에 있어서, 타격 각도를 조정하는 방법은, 종래 공지의 방법에 따를 수 있다. 예를 들면, 타격 개시 직전에, Y방향으로 일정한 두께를 갖는 판을 60°의 꼭지각을 갖고 모재 상에 배치하고, 그 위에 플럭스 치퍼를 올려놓고, 각도를 확인하고 나서 타격을 시작할 수 있다. 또한, 각도를 임의로 바꿀 수 있는 대(stand)에 올려놓거나, 또는 투명 플라스틱제의 분도기를 곁에 두고 공동 작업자에게 육안으로 각을 확인 받으면서, 타격할 수도 있다.

그러나, 타격 중의 육안에 의한 확인은 곤란하고, 또한 위험하다. 그러므로, 타격 개시시에, 타격 단자의 선단을 타격 위치에 접촉시킨 상태에서, 타격 각도를 육안으로 확인하면 충분하다.

즉, 타격 각도의 확인에 대해서는 일련의 작업 중, 첫회의 타격이 범위 내에 들어가 있는 것을 확인하는 것으로 충분하다. 이것은, 작업자가 타격 각도를 확인하는 것이 곤란하고, 모든 작업 중에 확인하는 것은 비효율적이기 때문이다.

또한, 본 발명에서는, 1개소의 용접부에 대하여 1회의 타격으로도, 충분히 용접 조인트의 피로 강도를 향상시킬 수 있지만, 지단부 내에서, 타격 각도를, 전술의 각도 범위 내에서 필요에 따라 바꿀 수 있다. 예를 들면, 모재측을 타격할 때에는, 60°보다 큰 타격 각도로 타격을 가하고, 반면 지단 근방을 타격할 때에는 타격 각도를 약 60°로 할 수 있고, 용접 금속측을 타격할 때에는, 60°보다 작은 타격 각도로 타격을 가 할 수 있다. 타격의 개시는, 모재측 혹은 용접 금속측 중 어느 하나로부터 행할 수 있다. 본 발명에 있어서는, 복수회, 타격 처리를 할 때에는, 적어도 1회, 용접 지단을 타격 대상으로 하면 충분하고, 그 외의 타격은, 모재 또는 용접 금속측에 가해지게 해도 좋다. 단, 그 결과로서, 모재와 용접 금속의 양방에 타격 영역이 형성되는 것이 필요하다.

본 발명에 있어서, 용접 지단부는, 용접 지단을 사이에 두고 모재에서 용접 금속까지의 범위에서 타격 영역이 형성되어 있는 영역을 의미한다. 용접 지단을 기준으로 하여 타격 영역의 끝부분(테두리)까지의 길이를 측정하고, 그 범위가 용접 금속측에서 2㎜ 이상부터 모재측에서 2㎜ 이상까지의 영역인 것이 바람직하다. 그 이유는, 각 값이 2㎜보다 작은 경우는, 용접 조인트부의 피로 강도의 개선이 불충분할 수 있기 때문이다.

또한, 그 상한에 특별한 제한은 없지만, 그 상한은 용접 금속측에서는, 약 8㎜이고, 모재측에서는, 약 10㎜이다.

본 발명에 따르면, 전술한 해머 피닝 처리 조건에 의해, 용접 지단부에 타격을 부가하여, 피로 강도를 개선한 용접 조인트를 형성한다.

이 때에, 타격에 의해 형성된 타격 영역의 곡률 반경을, 2㎜ 이상으로 하는 것이 필수적이다.

그 이유는, 타격 영역의 곡률 반경이 2㎜보다 작으면, 타격의 부가에 의한 응력 집중 완화의 효과가 충분히 얻어지지 않기 때문이다. 또한, 상한에 특별한 제한은 없지만, 곡률 반경은 용접부의 다리 길이를 넘지 않는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 용접 조인트는, 전술한 바와 같이, 그 용접 지단부가, 용접 지단을 기준으로 하여 용접 금속측에서 2㎜ 이상부터 모재측에서 2㎜ 이상까지의 범위의 영역이 바람직하다.

본 발명에 이용하는 타격 단자는, 전술한 형상 이외, 종래 공지의 타격 단자, 예를 들면, 인장 강도가 1000㎫ 이상인 공구강(tool steel) 등 일 수 있다.

본 발명에 이용하는 타격 장치는, 종래 공지의 용접부 타격 장치일 수 있지만, 플럭스 치퍼와 같이, 종래의 공기압으로 단자를 구동하는 장치가 바람직한데, 이는 설비에 요하는 비용을 저감할 수 있기 때문이다.

(예 1)

XZ 단면(단자의 이동 방향에 직각인 단면)에 있어서, 정부에서 4.5㎜의 곡률 반경을 갖고, YZ 단면(단자의 이동 방향의 단면)에서 5㎜의 길이를 갖는 타격 단자를 준비했다. XZ 단면(단자의 이동 방향에 직각인 단면)에 있어서, 장경이 6㎜이고, 단경이 3㎜이며, X 방향에 평행한 장경을 갖는 타원호 형상을 갖고, YZ 단면(단자의 이동 방향의 단면)에서 9㎜의 길이를 갖는 타격 단자를 준비했다. 곡률 반경이 1.5㎜인 선단부를 갖는 반구형 타격 단자를 또한 준비했다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 150㎜의 평행부폭과, 500㎜의 길이 및 12㎜의 판두께를 갖는 모재(1)(SM490Y) 상에, 75㎜×50㎜의 리브(2)(SM490Y)에 용접(용접 와이어 MXZ200-1.2Φ, 실드 가스(shielded gas) 100％ CO₂, 용접 전류 240A-용접 전압 30V-용접 속도 40CPM(㎝/min), 용접 입열 10.8KJ/㎝)을 가하여 거싯 용접 조인트를 준비했다.

전술의 용접 조인트의 지단에, 전술의 타격 단자에 의한 해머 피닝 처리를, 공기압: 약 6㎏/㎠, 주파수: 90㎐의 고정 조건하에서, 모재에 대한 타격의 각도를 45°내지 70°의 범위로 실행했다. 타격 각도는, 타격 개시 직전에, 투명 플라스틱 분도기를 곁에 두고, 공동 작업자에게 육안으로 확인 받았다.

표 1에는, 시험 No.와 전술의 단자 형상 및 타격 각도가 나열되어 있다.

해머 피닝 처리 후의 용접 조인트의 지단 반경을, 실리콘 고무 캐스팅(silicon rubber casting)에 의해 실측했다.

또한, 파단까지의 횟수(응력 범위: 200㎫)는, 도 6a에 나타낸 시험체를 이용하여, 피로 시험기에 모재(1)의 양단을 척킹하고, 리브(2)의 길이 방향으로 반복 응력(응력비): 0.1, 주파수: 5Hz 내지 10㎐)을 부여함으로써 구했다. 본 발명에서는, 200㎫의 응력 범위에 있어서 10⁶회를 초과하는 파단까지의 횟수를 양호하다고 했다.

또한, 전술한 타격 단자에 의한 타격 영역의 부분(용접 지단부)의 크기를 측정했다. 구체적으로는, 디지털 노기스(digital caliper square)를 이용하고, 리브단(rib end)을 기준으로 하여, 타격 전에 미리 리브단에서 용접 지단까지의 거리를 측정해 두고, 타격 후에 재차 리브단을 기준으로 하여, 타격 영역의 테두리까지의 거리를, 용접 금속측 및 모재측에서 측정했다. 그 후, 용접 지단으로부터 타격 영역의 각 테두리까지의 거리를 용접 금속측 및 모재측에서 차분을 취함으로써 구했다.

타격 영역의 곡률 반경(지단 반경), 파단까지의 횟수(응력 범위: 200㎫) 및 용접 지단부의 범위의 측정 결과가, 표 1에 모두 나열되어 있다.

표 1은, 본 발명의 단자 형상을 이용하여, 모재의 표면에 대한 각도를 60°±20°로 설정한 경우에, 각각의 경우에 있어서의 타격 영역의 곡률 반경이 2㎜ 이상임을 보여준다. 또한, 피로 시험에 있어서는, 용접부가 파단하기 전에, 시험체(모재)의 척킹부가 파열되어 버렸지만, 용접부의 파단까지의 횟수는 각각의 경우에서, 200㎫의 응력 범위에 대하여, 적어도 10⁶회를 초과하고 있다. 한편, 처리 없음의 경우에는, 응력이 인장 응력이 되고, 1.5㎜의 곡률 반경을 갖는 반구 형상의 단자를 이용한 경우는, 처리 없음의 경우에 비하면 타격 영역의 곡률 반경이 커져 있기는 하지만, 용접부의 파단까지의 횟수가 뒤떨어져 있다. 타격 단자의 선단이 반구 형상일 때에는, 선단의 강도가 충분하지 않아, 타격시에 모재에 압축의 잔류 응력을 충분히 도입할 수 없다. 또한, 타격 후에 1.5㎜의 반구 형상의 단자의 선단은 찌그러져 있었다.

도 7은 본 발명에 따르는 지단 형상의 프로파일과 용접 그대로의 지단 상태를 나타낸다. 도 7은, 본 발명에 따른 용접 지단부에서, 용접 그대로의 경우와 비교하면 지단부가 매끄러운 형상을 갖는 것을 보여준다. 따라서, 본 발명은, 형상 개선 효과에 의해, 전술한 응력 집중의 완화 효과를 얻을 수 있음이 명확하다.

이어서, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 모재(1) 대신에, 100mm 내지 150㎜의 평행부폭, 700㎜의 길이, 및 16㎜의 판두께를 갖는 모재(1')(SM490Y)를 사용하여, 75㎜×50㎜의 리브(2)(SM490Y)에 돌림 용접(3)(용접 와이어 MXZ200-1.2Φ, 실드 가스 100％ CO₂, 용접 전류 240A-용접 전압 30V-용접 속도 40CPM, 용접 입열 10.8KJ/㎝)을 가하여 얻어진 돌림 아크 용접 조인트에 대해서도 피로 시험을 행했다.

발명예로서는, 4.5㎜, 3㎜ 및 1.5㎜의 3종류의 다른 선단 반경과, 3㎜, 5㎜ 및 9㎜의 3종류의 다른 길이를 갖는 타격 단자를 준비했다. 한편, 그라인더 처리된 예(비교예 A 시리즈)와 용접 후 처리되지 않은 예(용접 그대로 둔 비교예 B시리즈)로 구성된 비교예에 피로 시험을 행했다.

시험 결과를 표 2에 나타낸다.

도 8은 파단까지의 응력 반복 횟수와, 응력 범위와의 관계를 나타낸다. 도 8 및 표 2는, 응력 범위가 250㎫ 이하에서, 본 발명에 따르는 경우는, JSSC(Japanese Society of Steel Construction)의 설계 곡선의 C등급을 충분히 만족하는 것을 보여준다. 특히, 곡률 반경이 1.5㎜인 선단을 갖는 타격 단자에 대해서도 충분한 피로 수명을 얻는다. 이것은, 선단이 반구 형상인 것에 비하여, 충분한 길이를 갖고 있기 때문에, 선단의 강도가 높고, 지단부에 충분한 압축 잔류 응력을 도입할 수 있기 때문이다. 한편, 비교예 A시리즈는 거의 D등급 이며, 비교예 B시리즈는 거의 E등급이다. 따라서, 본 발명에 따르면, 용접 그대로의 조인트보다도 적어도 2등급의 향상을 얻었고, 종래의 그라인더 처리보다도 적어도 1등급의 향상을 얻었다.

1, 1' : 모재
2 : 리브
3 : 용접 금속(비드)
4 : 지단
5 : 타격 단자(치퍼)
6 : 홈
7 : 피로 균열
8 : 타격 영역

Claims (8)

1. 공기압을 이용하여 타격 단자를 진동시키는 시스템을 이용하여, 용접 지단부에 타격을 부가함으로써 용접 조인트부의 피로 강도를 향상시키도록 해머 피닝 처리를 행하는 타격 단자로서,
   상기 타격 단자의 선단부에 대해서, 당해 타격 단자의 이동 방향에 있어서의 단면이 사다리꼴 형상이고, 또한, 당해 타격 단자의 이동 방향에 있어서의 선단에서의 길이가 1㎜ 내지 10㎜의 길이를 가지며, 그 이동 방향에 직각인 단면에서 곡률 반경이 1㎜ 내지 10㎜인 원호 형상을 갖는 타격 단자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 타격 단자의 선단부는, 이동 방향에 대하여 직각인 단면에서, 상기 타격 단자의 축 방향 및 이동 방향 양자에 직각인 방향에 평행한 타원의 장경(major radius)을 갖는 타원호(elliptical arc) 형상이며, 당해 타원의 단경(minor radius)이 1㎜ 이상인 타격 단자.
3. 공기압 진동 시스템의 타격 단자를 이용하여, 용접 지단부에 타격을 부가함으로써 용접 조인트부의 피로 강도를 향상시키는 해머 피닝 처리 방법에 있어서,
   상기 타격 단자로서, 그 선단부에 있어서의 당해 타격 단자의 이동 방향의 단면이 사다리꼴 형상이고, 또한, 당해 타격 단자의 이동 방향의 선단에서의 길이가 1㎜ 내지 10㎜이고, 상기 이동 방향에 직각인 단면에서 곡률 반경이 1㎜ 내지 10㎜인 원호 형상을 갖는 선단부를 포함하는 타격 단자를 사용하여 타격을 부가하여, 용접 지단을 사이에 두고 모재에서 용접 금속까지의 영역인 용접 지단부에 타격 영역을 형성하는 단계를 구비하는 해머 피닝 처리 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 타격 단자를 이용하여 타격을 부가할 때에 있어서, 모재의 표면에 대한 타격 각도가 60°±20°의 범위 내에 있는 해머 피닝 처리 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 타격 단자의 이동 방향에 직각인 단면에서, 당해 타격 단자의 선단부는, 상기 타격 단자의 축 방향 및 이동 방향 양자에 직각인 방향에 평행한 타원의 장경을 갖는 타원호 형상을 갖고, 당해 타원의 단경은 1㎜ 이상인 해머 피닝 처리 방법.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 용접 지단부는, 용접 지단을 사이에 두고, 용접 지단으로부터 용접 금속측으로 2㎜ 이상의 영역 및, 용접 지단으로부터 모재측으로 2㎜ 이상까지의 범위의 영역인 해머 피닝 처리 방법.
7. 제3항 또는 제4항에 기재된 해머 피닝 처리 방법에 의해, 용접 지단을 사이에 두고 모재와 용접 금속을 포함하는 용접 지단부에 타격을 부가하여, 상기 타격에 의해 곡률 반경: 2㎜ 이상의 타격 영역을 형성하는 용접 조인트의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 용접 지단부는, 용접 지단을 사이에 두고, 용접 지단으로부터 용접 금속측으로 2㎜ 이상의 영역 및, 용접 지단으로부터 모재측으로 2㎜ 이상까지의 범위의 영역인 용접 조인트의 제조 방법.

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