KR102606405B1

KR102606405B1 - 니들 피닝 방법

Info

Publication number: KR102606405B1
Application number: KR1020217027115A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 시오자키; 나오키 야마구치
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2023-11-24
Also published as: CN113543927A; WO2020183783A1; JP2020142291A; MX2021010736A; EP3936276A4; EP3936276A1; KR20210118159A; US20220177988A1; EP3936276B1; CN113543927B; JP6696604B1

Abstract

본 발명에 관련된 니들 피닝 방법은, 타격핀 (1) 을 사용하여, 2 장의 금속 박판 (13, 15) 을 용접 접합하는 용접 이음매 (11) 의 용접 지단부 (19) 에 타격을 부여하는 니들 피닝 방법으로서, 타격핀 (1) 은, 그 선단부 (1a) 의 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경이, 0.05 mm 이상 1.00 mm 미만이며, 하나 또는 복수의 타격핀 (1) 을 중심축 방향으로 진동시킴과 함께, 그 중심축에 평행한 하나의 회전축을 중심으로 하나의 타격핀 (1) 에서는 그 중심축을 회전축으로부터 오프셋시켜 회전시키거나, 또는, 복수의 타격핀 (1) 에서는 회전축으로 회전시키고, 용접 방향을 따라 이동시켜, 용접 지단부 (19) 를 타격한다.

Description

니들 피닝 방법

본 발명은, 니들 피닝 (needle-peening) 방법에 관한 것이며, 특히, 금속 박판 (sheet metal) 을 용접 (welding) 하는 용접 이음매 (welded joint) 의 용접 지 단부 (weld toe) 를 타격하는 니들 피닝 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 (automotive) 바퀴 부품 (suspension part) 의 상당수는, 박강판 (steel sheet) 으로 이루어지는 각 강 부재 (steel parts) 가 용접 이음매에 의해 접합 (joining) 되어 있다. 또, 바퀴 부품에는 자동차가 주행 (driving) 중에 반복해 하중 (load) 이 가해지므로 피로 파괴 (fatigue) 가 생길 가능성이 있다. 이와 같은 피로 파괴는 용접부 (weld) 에서 발생하기 쉬운 것이 알려져 있고, 그 대부분은, 용접 방향에 평행한 균열 (crack) 을 원인으로 하는 파괴 모드 (fracture mode) 이다. 이 파괴 모드는, 용접 방향에 평행한 방향의 굽힘 모멘트 (bending moment) 하중, 즉 용접 방향에 수직인 응력에 의해 야기되는 파괴 모드이다. 그리고, 용접부의 피로 특성 (fatigue properties) 은 모재 (base metal) 를 고강도화 (high-strengthening) 해도 향상되지 않아, 판두께 증가로 보충하는 것이 효과적이기 때문에, 바퀴 부품에 사용되는 강 부재의 박육화 (reducing the wall thickness) 의 장애가 되고 있다. 그 때문에, 박육화를 도모할 목적으로 지금까지, 용접부의 피로 특성을 향상시키는 여러 가지 기술이 실시되어 왔다.

피로 파괴의 상당수는, 용접부 중에서도 용접 지단부에서 발생하고, 그 주된 요인은, 용접 지단부에 있어서의 응력 집중 (stress concentration) 과, 용접에 의한 인장 잔류 응력 (tensile residual stress) 인 것이 알려져 있다. 그래서, 이 문제를 해결하기 위해, 용접 지단부의 형상을 변형시켜 응력 집중을 완화하고, 동시에 소성 변형 (plastic deformation) 에 의한 압축 잔류 응력 (compressive residual stress) 을 부여하는 방법으로서, 진동한 해머 팁 (hammer tip) 또는 타격핀 (peening pin) 으로 용접 지단부를 타격하는 니들 피닝 처리가 실시되어 왔다 (특허문헌 1 및 특허문헌 2). 그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 에 개시되어 있는 방법에 있어서는, 해머 팁의 선단 반경 또는 타격핀의 선단의 곡률 반경 (radius of curvature) 이 용접 지단부 (용접 덧붙임 지단부) 의 곡률 반경에 비해 지나치게 크기 때문에, 타격되는 재료의 소성 유동 (plastic flow) 에 의해 용접 지단부에 접힘 흠집 (overlapping defects) 이 발생하여, 당해 용접 지단부의 접힘 흠집을 기점으로 하는 피로 파괴가 생겨 피로 특성이 충분히 향상되지 않는다는 문제가 있었다.

이 때문에, 특허문헌 3 에 있어서는, 선단 반경이 1.0 mm 이상 2.0 mm 이하인 핀을 사용하고, 핀의 충격에 의해 금속이 소성 유동하여 생기는 오버랩상의 흠집의 발생을 방지하는 니들 피닝 방법이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 4 에 있어서는, 용접 금속부의 형상과 진동 단자 (vibration pin) 의 선단 반경의 관계로부터, 용접 지단부에 있어서의 접힘 흠집을 방지하는 니들 피닝 방법이 제안되어 있다. 또한, 전처리로서 그라인더를 사용하여 용접 지단부를 연삭하는 방법이 제안되어 있다.

또한, 니들 피닝에 의해 도입되는 압축 잔류 응력을 보다 크게 하기 위해서, 특허문헌 5 에는, 니들 피닝에 의해 형성되는 타격흔의 벌징 에지가 중복되도록, 간격을 두고 용접 방향으로부터 소정 각도를 갖게 하여 병렬시켜 고정한 채의 복수의 핀으로 타격 처리를 실시하여, 도입되는 잔류 응력을 증대시키는 방법이 제안되어 있다.

일본 특허 제3002229호 일본 공개특허공보 2014-008507호 일본 특허 제4837428호 일본 공개특허공보 2013-71140호 일본 공개특허공보 2006-167724호

자동차의 바퀴 부품의 상당수는, 판두께가 0.8 mm 이상 3.5 mm 이하의 박강판을 모재로 하여 용접 이음매에 의해 접합된 것이며, 이와 같은 박강판의 용접 이음매에 있어서의 용접 지단부의 곡률 반경은 약 0.2 ~ 1.0 mm 이다. 그 때문에, 박강판의 용접 이음매에 특허문헌 3 에 제안되어 있는 방법을 적용하면, 비록 선단 반경이 1.0 mm 인 타격핀을 사용하여 타격했다고 해도, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 용접 지단부의 접힘 흠집 (47) 이 발생할 위험성이 높았다.

또, 특허문헌 4 에 제안된 방법에서는, 타격핀 (진동 단자) 의 선단 반경과 용접 지단부 형상의 관계식에 기초하여 접힘 흠집의 발생을 억제할 수 있지만, 예를 들어 용접 지단부의 곡률 반경이 0.3 mm 인 용접 이음매에 대해는, 플랭크 각도 (flank angle) 가 15 도 이하일 것이 요구된다. 그러나, 플랭크 각도의 전형적인 값이 60 도 정도인 것을 고려하면, 특허문헌 4 에 제안된 방법은, 박강판을 모재로 하는 대부분의 용접 이음매에는 적용할 수 없다는 문제가 있었다.

또, 타격핀의 선단 반경이 크면, 소성 변형을 가하기 위한 압력을 부여하는 데에 필요한 구동력은 커지기 때문에, 고강도재 (high-strength material) 에 대해 선단 반경 1.0 mm 이상의 타격핀을 사용한 경우, 에어 구동식 (특허문헌 2) 이나 초음파식 (특허문헌 3, 특허문헌 5) 등의 고가이고 대형의 장치를 사용할 필요가 있었다. 이것에 대해, 타격핀의 선단 반경이 작으면, 도 10 에 나타내는 바와 같은 용접 지단부의 접힘 흠집 (47) 의 발생을 억제할 수는 있지만, 용접 지단부의 근처에 타격흔단 (打擊痕端) 의 접힘 흠집 (49) 이 발생하여, 피로 파괴의 기점이 되는 경우가 있다. 특히, 용접 방향을 따라 용접 지단부를 타격하면, 용접 방향으로 연속한 타격흔단의 접힘 흠집 (49) 이 형성된다.

이와 같은 용접 방향으로 연속한 타격흔단의 접힘 흠집 (49) 에 대해 직교하는 방향으로 하중이 작용하는 경우, 피로의 반복 인장 응력 (tensile stress) 의 방향에 대해 직교하는 방향으로 이어지는 절결로 간주할 수 있다. 그리고, 이와 같은 절결은, 다른 방향 (예를 들어, 인장 응력 방향에 평행한 방향) 으로 이어지는 절결에 비해, 그 절결의 바닥부에 발생하는 응력이 높아지므로, 균열의 발생과 진전을 촉진한다. 이 점에서, 용접 방향에 직교하는 방향으로 작용하는 하중이 용접 지단부에 부하되었을 때, 용접 방향에 병행하여 타격흔단의 접힘 흠집 (49) 이 형성되면, 타격핀의 타격에 의한 피로 특성의 향상을 방해해 버린다는 문제가 있었다.

이와 같은 문제는, 타격흔의 벌징 에지가 중복하도록 복수의 핀으로 타격 처리를 실시하는 특허문헌 5 에 제안된 방법에 있어서도 보이고, 용접 방향에 수직인 응력에 대해 균열 진전을 억제할 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 용접 지단부의 응력 집중을 완화함과 함께 접힘 흠집의 발생을 방지할 수 있는 니들 피닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관련된 니들 피닝 방법은, 타격핀을 사용하여, 2 장의 금속 박판을 용접 접합하는 용접 이음매의 용접 지단부에 타격을 부여하는 니들 피닝 방법으로서, 상기 타격핀은, 그 선단부의 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경이, 0.05 mm 이상 1.00 mm 미만이며, 하나 또는 복수의 상기 타격핀을 중심축 방향으로 진동시킴과 함께, 그 중심축에 평행한 하나의 회전축을 중심으로 하나의 상기 타격핀에서는 당해 타격핀의 중심축을 회전축으로부터 오프셋시켜 회전시키거나, 또는, 복수의 상기 타격핀에서는 회전축으로 회전시키고, 용접 방향을 따라 이동시켜, 상기 용접 지단부를 타격한다.

복수의 상기 타격핀은, 상기 회전축을 중심으로 하는 직경 방향으로 배열되어 있으면 된다.

복수의 상기 타격핀은, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 배열되어 있으면 된다.

본 발명에 의하면, 용접 지단부에 있어서의 접힘 흠집의 발생을 억제하고, 또한 용접 지단부에 있어서의 용접 리플을 평탄하게 할 수 있어, 용접 이음매의 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법을 설명하는 도면이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법의 다른 양태를 설명하는 도면이다 (그 1).
도 3 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법의 다른 양태를 설명하는 도면이다 (그 2).
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법의 다른 양태를 설명하는 도면이다 (그 3).
도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법에 있어서의 타격핀의 배열의 예를 나타내는 도면이다 (그 1).
도 6 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법에 있어서의 타격핀의 배열의 예를 나타내는 도면이다 (그 2).
도 7 은, 실시예에 있어서, 본 발명에 관련된 니들 피닝 방법에 의한 처리를 설명하는 도면이다.
도 8 은, 실시예에 있어서, 피로 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9 는, 실시예에 관련된 피로 시험에 있어서, 타격핀의 선단부의 곡률 반경과 사이클수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10 은, 종래의 니들 피닝 방법의 문제점을 설명하는 도면이다.
도 11 은, 종래의 니들 피닝 방법에 의해 발생하는 접힘 흠집을 설명하는 도면이다.

종래, 용접 지단부의 곡률 반경이 1.0 mm 이하로 작은 경우, 그 예리한 형상으로부터, 응력 집중을 충분히 완화하는 것은 어렵다고 되어 있었다. 그 때문에, 타격핀에 의해 용접 지단부를 타격함으로써 응력 집중을 완화하기 위해서는, 그 타격핀의 선단부의 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경을 어느 정도 크게 하고, 예를 들어, 용접 지단부의 곡률 반경 이상으로 할 필요가 있다고 생각되고 있었다. 그러나, 용접 지단부보다 큰 곡률 반경을 갖는 타격핀으로 타격하면, 도 10 및 도 11 에 나타내는 바와 같이, 재료의 소성 유동에 의해 용접 지단부의 접힘 흠집 (47) 이 발생할 우려가 있었다.

그 한편으로, 용접 지단부의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경의 타격핀을 사용하여 용접 지단부를 용접 방향을 따라 타격하면, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 용접 지단부의 근처에 타격흔단의 접힘 흠집 (49) 이 연속적으로 형성되고, 이것을 기인으로 하여 피로 특성이 저하하는 경우가 있었다.

그래서, 발명자들은, 용접 이음매가 피로 파괴에 이르는 원인을 상세하게 재조사한 결과, 용접 시에 용접 지단부에 생성되는 용접 리플 (welding ripple) 로 불리는 0.05 mm 이하의 미소한 요철이 피로 특성을 악화시키는 것을 밝혀냈다. 특히, 인장 강도 (tensile strength) 가 780 MPa 급 (MPa grade) 이상의 고강도재에서는, 용접 지단부의 응력 집중에 의한 피로 강도 저하의 영향이 크기 때문에, 이 응력 집중을 완화함으로써 피로 특성 향상의 효과가 커지는 것을 찾아냈다.

그래서, 타격핀에 의해 용접 지단부를 타격할 때에, 곡률 반경 1.0 mm 이하의 용접 지단부에 대해 접힘 흠집을 발생시키지 않고 용접 지단부의 형상을 완화하고, 나아가서는 용접 지단부에 있어서의 용접 리플을 평탄화하는 방법을 예의 검토했다.

그 결과, 용접 지단부의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경의 타격핀을, 그 중심축으로부터 오프셋한 회전축을 중심으로 회전시키면서 용접 방향을 따라 용접 지단부를 타격함으로써, 용접 지단부의 접힘 흠집과 타격흔단의 접힘 흠집의 쌍방의 발생을 억제하면서 용접 지단부의 용접 리플을 평탄화할 수 있어, 충분한 피로 특성의 향상과 생산성의 향상을 실현할 수 있다는 지견을 얻었다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법에 대해, 겹침 모살 용접 이음매를 예로 도 1 ~ 도 6 에 기초하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능이나 구성을 갖는 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 특징을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있지만, 각 구성 요소의 치수나 비율 등이 실제와 동일하다고는 한정되지 않는다.

본 실시형태에 관련된 니들 피닝 방법은, 도 1 에 일례로서 나타내는 바와 같이, 타격핀 (1) 을 사용하여, 2 장의 금속 박판 (13) 및 금속 박판 (15) 을 용접 접합하는 용접 이음매 (11) 에 있어서의 용접 비드 (weld bead) (17) 의 용접 지단부 (19) 에 타격을 부여하는 것으로서, 하나의 타격핀 (1) 을 중심축 방향으로 진동시킴과 함께, 그 중심축에 평행으로 오프셋시킨 회전축을 중심으로 회전시키면서 타격핀 (1) 을 용접 방향을 따라 이동시켜, 용접 지단부 (19) 를 타격하는 것이다.

본 실시형태에 있어서, 타격핀 (1) 의 선단부 (1a) 는, 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경이 0.05 mm 이상 1.00 mm 미만이다. 선단부 (1a) 의 곡률 반경을 이 범위로 함으로써, 타격했을 때의 선단부 (1a) 의 마모의 영향을 받지 않고 용접 지단부 (19) 의 미소 요철 형상을 완화할 수 있고, 나아가서는, 타격에 의한 용접 지단부 (19) 에서의 접힘 흠집의 발생을 방지할 수 있다.

그리고, 도 1 에 나타내는 바와 같이 하나의 타격핀 (1) 으로 타격하는 경우, 회전축은, 타격핀 (1) 의 중심축과 오프셋하여 설정되어 있다.

이와 같이, 타격핀 (1) 의 중심축과 오프셋된 회전축을 중심으로 하여 타격핀 (1) 을 회전시킴으로써, 타격 가공 폭을 확장시켜 용접 지단부 (19) 의 주변 일체가 타격 가공되어, 용접 지단부 (19) 에 있어서의 용접 리플을 평탄화할 수 있다. 이로써, 특허문헌 4 에 제안되어 있는 바와 같은 그라인더 등으로의 전처리가 불필요해진다.

또, 선단부 (1a) 의 곡률 반경이 상기 범위 내로 설정된 타격핀 (1) 에 있어서는, 타격에 의한 판두께 방향의 소성 변형역은 용접 이음매 (11) 에 있어서의 피가공 부위 (processed portion) 의 표층 0.05 mm 정도가 된다. 이로써, 판두께 (thickness) 방향의 변형 구배 (strain gradient) 가 커져, 피가공 부위의 표면에 있어서 국소적으로 큰 압축 잔류 응력이 얻어지고, 피로 강도가 향상된다. 이것에 더하여, 판두께 방향의 소성 변형역이 0.05 mm 정도로 얕으므로, 니들 피닝 처리에 의한 판휨 (warping of sheet) 이 억제된다.

또한, 종래 기술에 있어서는 곡률 반경이 1.00 mm 이상인 타격핀이 사용되고 있었지만, 본 실시형태에 관련된 타격핀 (1) 은, 그 선단부 (1a) 의 곡률 반경이 0.05 mm 이상 1.00 mm 미만으로 작다. 이 때문에, 용접 이음매 (11) 에 있어서의 피가공 부위와의 접촉 면적이 작아져, 용접 이음매 (11) 의 표층에 소성 변형을 일으키는 압력을 만들어 내기 위한 타격핀 (1) 에 주는 타격 하중 (peening load) 을 작게 할 수 있다. 이로써, 종래의 에어식 피닝이나 초음파식 피닝과 비교해, 타격 가공하기 위한 공구의 소형화가 가능해져, 작업성이나 생산성의 향상을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 타격핀을 오프셋한 회전축 둘레로 회전시킴으로써 피닝 가공폭을 확장시킬 수 있기 때문에, 불안정한 형상이나 곡선상의 용접 비드의 용접 이음매에 있어서도, 용접 지단부를 확실하게 타격하는 시공이 가능해진다. 또한, 타격핀을 회전시켜 타격할 때에, 적어도 타격시켜야 하는 부위의 범위가 용접 지단부를 중심으로 하여 용접 비드 측 및 모재 측으로 각각 0.5 mm 정도이면 된다.

파라미터를 설정하기 위한 지침으로서, 타격핀 진동의 주파수 (frequency) 를 f_H[1/s], 회전수를 f [1/s], 회전 반경 (오프셋 거리) 을 r [mm] 로 하면, 이하의 관계를 만족하면 된다.

0.5/2πr ≤ f/f_H≤ 2.0/2πr

또, 이동 속도를 v [mm/s] 로 하면, 이하의 관계를 만족하면 된다.

0.25f ≤ v ≤ 2.5f

이상, 본 발명에 의하면, 고강도재를 용접 접합하여 이루어지는 용접 이음매의 피로 특성을 용이하고 또한 극적으로 향상시킬 수 있다. 그리고, 박육화와 피로 특성 향상의 양립이 요구되는 자동차 부품 (automotive parts) 에 대해, 본 발명에 의해 얻어지는 효과를 충분히 향수할 수 있다.

또한, 상기의 설명은, 하나의 타격핀 (1) 을 회전시키면서 타격하는 것이었지만, 본 발명의 다른 양태로서는, 도 2 ~ 도 4 에 예시하는 바와 같이, 복수의 타격핀 (1) 을 중심축 방향으로 진동시킴과 함께, 그 중심축에 평행한 하나의 회전축을 중심으로 회전시키면서 복수의 타격핀 (1) 을 용접 방향을 따라 이동시켜, 용접 비드 (17) 의 용접 지단부 (19) 를 타격하는 것이어도 된다.

도 2 는, 3 개의 타격핀 (1) 이, 회전축을 중심으로 하는 직경 방향으로 배열된 것, 도 3 은, 3 개의 타격핀 (1) 이, 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 배열된 것이다. 도 4 는, 복수의 타격핀 (1) 을, 회전축으로부터 오프셋한 위치에서 묶은 것이다.

도 5 에, 복수의 타격핀 (1) 을 회전축을 중심으로 하는 직경 방향으로 배열시킨 경우의 배열, 도 6 에, 복수의 타격핀 (1) 을 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 배열시킨 경우의 배열의 구체예를 나타낸다. 복수의 타격핀 (1) 을 회전시키는 경우, 회전축은, 전술한 도 2 ~ 도 4 나, 도 5(a) 및 도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 복수의 타격핀 (1) 의 어느 중심축으로부터도 오프셋시키는 것을 필요로 하는 것이 아니고, 도 5(b), (c) 및 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 복수의 타격핀 (1) 중 어느 하나의 중심축과 일치시켜도 된다.

이와 같이, 복수의 타격핀 (1) 을 배열하여 회전시켜 타격함으로써, 타격핀 (1) 에 주는 타격 하중을 크게 시키지 않고, 타격 면적을 확대함과 함께 가공 속도 (peening speed) 를 높일 수 있다. 나아가서는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 타격핀 (1) 의 묶음을 동시에 회전시킴으로써, 가공 효율 (efficiency of peening) 을 더욱 높일 수 있다.

또한, 타격핀 (1) 의 선단부 (1a) 의 형상은, 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경이 0.05 mm 이상 1.00 mm 미만이면 특별히 한정되지 않고, 선단부 (1a) 의 형상으로서는 예를 들어, 반구형 (hemispherical), 반타원형 (semi-elliptical), 반원통형 (semi-cylindrical), 대략 반원통형 (abbreviated semi-cylindrical) 등의 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기의 설명에 있어서의 용접 이음매 (11) 는, 2 장의 금속 박판 (13, 15) 을 겹침 모살 용접 (lap fillet welding) 한 겹침 모살 용접 이음매에 대한 것이었다. 무엇보다, 본 발명은, 겹침 모살 용접 이음매의 용접 지단부를 대상으로 하는 것에 한정되는 것이 아니고, T 이음매 (T-joint) 나 십자 이음매 (cruciform joint) 등의 모살 용접 (fillet welding) 이음매나, 맞댐 용접 (butt welding) 이음매 등이어도 된다. 또, 용접 이음매의 용접 방법에 대해서도, 아크 용접 (arc welding) 에 한정하지 않고, 어느 용접 방법에 의해 형성한 용접 지단부에도 본 발명을 적용할 수 있다. 나아가서는, 용접 이음매의 모재에 사용하는 금속 박판에 대해서도, 박판이면 그 재질 (material) 은 특별히 묻지 않는다.

실시예

본 발명의 작용 효과에 대해 확인하기 위한 실험을 실시했으므로, 이것에 대해 이하에 설명한다. 본 실시예에서는, 2 장의 박강판을 겹침 모살 아크 용접한 용접 이음매에 있어서의 용접 비드의 용접 지단부에 대해, 회전시키면서 타격하는 타격핀을 사용하여 니들 피닝 처리를 실시했다. 이어서, 그 니들 피닝 처리한 용접 이음매, 및, 비교로서 니들 피닝 처리를 실시하지 않은 용접 이음매로부터 피로 시험편 (fatigue specimen) 을 채취하고, 평면 굽힘 피로 시험 (plane bending fatigue test) 을 실시하여 피로 강도 (fatigue strength) 를 평가했다. 구체적인 순서 및 조건은 이하와 같다.

먼저, 판두께 2.9 mm, 인장 강도 980 MPa 급의 열연 강판 (hot-rolled steel sheet) 으로부터 300 × 140 mm 의 2 장의 박강판 (23, 25) 을 잘라냈다. 그리고, 박강판 (23, 25) 을 지그 (jig) 로 고정하여 겹침 모살 아크 용접하여, 용접 이음매 (21) 를 제작했다 (도 7 참조). 용접 조건을 표 1 에 나타낸다. 또한, 용접 이음매 (21) 의 용접 지단부 (29) 의 곡률 반경은, 0.2 mm ~ 0.8 mm 였다.

본 실시예에서는, 이하에 나타내는 순서에 의해 니들 피닝 처리를 실시했다. 먼저, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 위치 결정 핀 구멍 (33) 을 갖는 용접 이음매 (21) 를 지그 (31) 로 고정한다. 그리고, 로봇 아암 (도시 없음) 의 선단에 설치한 전자식 공구에 의해 타격핀 (1) 을 진동시킴과 함께, 타격핀 (1) 을 회전시키면서 용접 이음매 (21) 의 용접 방향을 따라 이동시킨다.

로봇 아암에 의해 타격핀 (1) 을 이동시킬 때에, 먼저, 1 장째의 용접 이음매 (21) 를 사용하고, 용접 비드 (27) 의 용접 개시부 (27a) 를 피닝 가공 개시 위치, 용접 종단부 (27b) 를 피닝 가공 종료 위치로 하여, 로봇 아암에 티칭을 실시했다.

이어서, 그 티칭에 근거하여, 1 장째의 용접 이음매 (21) 를 니들 피닝 처리한다. 계속해서, 2 장째의 용접 이음매 (21) 로 교체하여, 1 장째의 용접 이음매 (21) 에 티칭한 조건인 채 니들 피닝 처리를 실시했다. 이 작업을 반복하여, 용접 조건 및 니들 피닝 조건이 동일한 용접 이음매 (21) 를 합계 5 장 제작했다.

이와 같이 니들 피닝 처리한 1 장의 용접 이음매 (21) 및 비교로서 니들 피닝 처리하지 않은 용접 이음매로부터 각 1 장당 4 개의 피로 시험편을 채취하고, 평면 굽힘 피로 시험을 실시했다. 피로 시험 조건은, 반복 주파수를 15 Hz, 응력비 (stress ratio) (피로 시험편에 부하하는 응력의 최소값과 최대값의 비) 를 0 (맥동 (pulsating)) 으로 했다. 그리고, 피로 시험편에 피로 균열이 발생할 때까지의 응력을 부하하는 사이클수를 측정하고, 사이클수가 3 × 10⁶ 에 도달했을 때에 시험을 중지하고, 피로 한도 (fatigue limit) 로 했다.

＜실시예 1, 회전축으로부터의 오프셋과 회전수의 영향＞

제작한 용접 이음매 (21) 의 용접 지단부 (29) 에, 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경이 0.3 mm 인 선단부 (1a) 를 갖는 하나의 타격핀 (1) 을 전자식 공구에 의해 100 Hz 로 진동시켜, 니들 피닝 처리를 실시했다. 니들 피닝 처리 조건을 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 No.1 ~ No.3 은, 본 발명예에 관련된 니들 피닝 처리 조건의 것이며, 하나의 타격핀 (1) 의 이동 속도, 회전 반경 (타격핀 (1) 의 중심축과 회전축의 오프셋 거리) 및 회전수를 변경한 것이다, 또, No.4 는, 비교 대상으로서, 하나의 타격핀을 오프셋도 회전도 시키지 않고 용접 지단부를 타격하는 니들 피닝 처리 조건이다.

도 8 에, 피로 시험 결과를 나타낸다. 도 8 에 있어서, 가로축은, 피로 시험편에 반복해 응력을 부하하여 피로 균열이 발생한 사이클수 (피로 수명), 세로축은, 부하하는 응력의 범위 (최대 응력과 최소 응력 (0 MPa) 의 차) 이다. 타격핀을 오프셋도 회전도 시키지 않고 타격한 비교예에 관련된 No.4 에서는, 피로 수명 (fatigue life) 의 편차가 많은 결과였다. 이것에 대해, 본 발명예에 관련된 No.1 내지 No.3 은, 각 응력 범위에 있어서 거의 동일한 피로 수명을 나타내고, 어느 응력 범위에 있어서도 비교예보다 피로 수명이 긴 양호한 결과였다.

＜실시예 2, 타격핀 선단부의 곡률 반경의 영향＞

다음으로, 표 1 에 나타낸 용접 조건으로 제작한 용접 이음매에 대해, 도 5(a) 에 나타내는 3 개의 타격핀을 회전축을 중심으로 하는 직경 방향으로 배열시키고, 타격핀의 선단부의 곡률 반경을 변경하여 니들 피닝 처리한 피로 시험편의 평면 굽힘 피로 시험을 실시하여, 피로 수명을 평가했다. 니들 피닝 처리에 있어서, 타격핀의 진동수를 100 Hz, 이동 속도를 80 cm/min, 회전 반경 (회전축에 가장 가까운 타격핀의 중심축과 회전축의 오프셋 거리) 을 2 mm, 회전수를 7.5 회/s 로 하고, 타격핀의 선단부의 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경을 0.03 mm ~ 1.00 mm 의 범위 내에서 변경했다.

그리고, 반복 주파수를 15 Hz, 부하 응력 범위를 650 MPa, 응력비를 0 (맥동) 으로 하고, 피로 시험편에 피로 균열이 발생할 때까지 응력을 부하하는 사이클수를 측정하고, 사이클수 3 × 10⁶ 을 피로 한도로 했다. 또한, 니들 피닝 처리한 후의 용접 지단부의 용접 방향에 수직인 단면을 촬영하고, 타격핀의 타격에 의한 접힘 흠집의 발생의 유무와, 타격에 의한 타격핀 선단부의 마모 (wear) 를 관찰해 평가했다. 표 3 에, 타격핀의 선단부의 곡률 반경과, 접힘 흠집의 발생, 타격핀의 선단부의 마모, 및 이들을 종합한 평가 결과를 나타낸다.

표 3 으로부터, 비교예에 관련된 No.11 에 있어서는, 선단부의 곡률 반경이 0.03 mm 이며 용접 지단부에 있어서의 접힘 흠집의 발생은 보이지 않았지만, 선단부의 마모가 격심했기 때문에 용접 방향을 따라 충분히 타격할 수 없어, 피로 시험에 제공하는 피로 시험편을 채취할 수 없었다.

또, 비교예에 관련된 No.16 에 있어서는, 선단부의 곡률 반경이 1.00 mm 로 용접 지단부의 곡률 반경에 비해 크기 때문에, 용접 지단부에 접힘 흠집의 발생이 보였다.

이것에 대해, 선단부의 곡률 반경이 본 발명의 범위 내인 No.12 ~ No.15 에 있어서는, 용접 지단부에 있어서의 접힘 흠집의 발생이 보이지 않고, 또한, 타격핀의 선단부의 마모의 정도도 충분히 작아 양호했다.

도 9 에, 표 3 에 나타내는 곡률 반경의 선단부를 갖는 타격핀으로 니들 피닝 처리한 피로 시험편의 피로 수명의 결과를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 표 3 중 No.11 에 있어서는, 타격핀 선단부의 마모가 커서 니들 피닝 처리를 속행할 수 없어, 평가에 필요한 개수의 피로 시험편을 채취할 수 없었다. 비교예에 관련된 No.16 에 있어서는, 선단부의 곡률 반경이 1.00 mm 이며 본 발명의 적합 범위보다 크기 때문에, 전술한 표 3 에 나타내는 바와 같이, 용접 지단부에 접힘 흠집이 발생하고, 사이클수 1 × 10⁵~ 1.4 × 10⁵ 정도에서 피로 균열이 발생했다.

이것에 대해, 본 발명예에 관련된 No.12 ~ No.15 에 있어서는, 비교예에 관련된 No.16 보다 피로 수명이 사이클수 2 × 10⁵~ 10 × 10⁵ 로 양호한 결과였다. 그리고, 0.05 mm ~ 1.00 mm 미만의 범위 내에서 선단부의 곡률 반경이 커지면, 타격핀의 타격에 의해 형성되는 타격흔 바닥에 작용하는 압축 잔류 응력이 강해지기 때문에, 피로 수명이 보다 향상되는 경향이 있는 결과가 얻어졌다.

＜실시예 3 (타격핀의 배열, 개수, 회전 반경의 영향)＞

또한, 표 1 에 나타낸 용접 조건으로 제작한 용접 이음매에 대해, 타격핀의 선단부의 곡률 반경을 0.3 mm 로 하고, 타격핀의 배열, 타격핀의 개수, 회전 반경을 변경하여 니들 피닝 처리하고, 처리 후의 피로 시험편의 평면 굽힘 피로 시험을, 반복 주파수 15 Hz, 부하 응력 650 MPa, 응력비 0 (맥동) 으로 실시하여, 피로 수명을 평가했다. 니들 피닝 처리에 있어서, 타격핀의 진동수를 100 Hz, 이동 속도를 80 cm/min, 회전수를 7.5 회/s 로 했다.

표 4 로부터, 타격핀의 배열을 회전축의 직경 방향으로 한 No.21 ~ No.24, 타격핀의 배열을 회전축의 둘레 방향으로 한 No.25 와 No.26 모두, 접힘 흠집은 발생하지 않았다. 또, 피로 강도는, 도 8 에 나타내는 종래의 타격핀을 회전시키지 않는 No.4 의 사이클수의 평균값이 약 1.5 × 10⁵ 였던 것에 대해, 본 발명예의 No.21 ~ No.26 은, 모두 사이클수의 평균값이 높아서, 피로 수명이 양호한 결과가 나타났다.

또, 회전 중심에 가장 가까운 타격핀의 중심축과 회전축의 오프셋 거리인 회전 반경을 변경한 No.21 ~ No.23 의 피로 수명은 대략 동일하고, 어느 조건에서도 양호한 결과였다.

본 발명에 의하면, 용접 지단부의 응력 집중을 완화함과 함께 접힘 흠집의 발생을 방지할 수 있는 니들 피닝 방법을 제공할 수 있다.

1 : 타격핀
1a : 선단부
11 : 용접 이음매
13, 15 : 금속 박판
17 : 용접 비드
19 : 용접 지단부
21 : 용접 이음매 (실시예)
23, 25 : 박강판
27 : 용접 비드
29 : 용접 지단부
31 : 지그
33 : 위치 결정 핀 구멍
41 : 타격핀
43 : 박강판
45 : 용접 금속
47 : 용접 지단부의 접힘 흠집
49 : 타격흔단의 접힘 흠집

Claims

타격핀을 사용하여, 2 장의 금속 박판을 용접 접합하는 용접 이음매의 용접 지단부에 타격을 부여하는 니들 피닝 방법으로서,
상기 타격핀은, 그 선단부의 용접 방향에 수직인 단면에 있어서의 곡률 반경이, 0.05 mm 이상 1.00 mm 미만이며,
하나 또는 복수의 상기 타격핀을 중심축 방향으로 진동시킴과 함께, 그 중심축에 평행한 하나의 회전축을 중심으로 하나의 상기 타격핀에서는 당해 타격핀의 중심축을 회전축으로부터 오프셋시켜 회전시키거나, 또는, 복수의 상기 타격핀에서는 회전축으로 회전시키고, 용접 방향을 따라 이동시켜, 상기 용접 지단부를 타격하여, 곡률 반경 1.0 ㎜ 이하의 용접 지단부에 있어서의 접힘 흠집의 발생을 억제하고, 또한 용접 지단부에 있어서의 용접 리플을 평탄하게 하는, 니들 피닝 방법.
제 1 항에 있어서,
복수의 상기 타격핀은, 상기 회전축을 중심으로 하는 직경 방향으로 배열되어 있는, 니들 피닝 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
복수의 상기 타격핀은, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향으로 배열되어 있는, 니들 피닝 방법.