KR20080105806A - 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법 - Google Patents

작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은, 굴삭기의 붐 또는 아암 등과 같은 작업장치 구조물을 용접에 의해 제작하는 경우, 용접구조물(작업장치)의 용접부위에 집중되는 잔류응력 분포를 상대적으로 물성이 뛰어난 소재(모재)쪽으로 분산시킴에 따라, 용접부위에 집중되는 잔류응력을 감소시켜 용접구조물의 전체적인 구조강도를 높일 수 있도록한 것으로,
본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법은, 용접에 의해 작업장치의 구조물을 제작하는 단계와,
작업장치의 측판중, 분할된 제1,2측판을 용접에 의해 이음연결할 경우, 용접부위에 집중되는 잔류응력을 모재쪽으로 분산시켜 감소시키도록 제1측판 소정위치에 응력제거용 홀을 형성하는 단계와,
응력제거용 홀의 주변에 발생된 집중응력을 제거할 수 있도록 응력제거용 홀의 주변을 국부적으로 열처리하는 단계와,
응력제거용 홀에 캡을 결합하여 밀봉시키는 단계를 포함한다.
중장비, 작업장치, 열처리, 잔류응력제거용 홀

Description

작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법{removal method residual stress of workimg apparatus of welding portion}
도 1은 일반적인 굴삭기의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 작업장치의 사시도,
도 3은 종래 기술에 의해 중장비용 작업장치를 용접에 의해 제작할 경우, 용접부위에 잔류응력이 집중되는 것을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 잔류응력 제거용 홀이 형성되는 중장비용 작업장치의 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 잔류응력 제거용 홀의 주변에 잔류응력이 집중되는 것을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법을 나타내는 흐름도이다.
*도면중 주요 부분에 사용된 부호의 설명
11; 작업장치
21,22; 측판
21a; 제1측판
21b; 제2측판
23; 용접부위
24; 응력제거용 홀
25; 상판
26; 하판
27; 캡
본 발명은 굴삭기의 붐 또는 아암 등과 같은 작업장치 구조물을 용접에 의해 제작하는 경우, 용접구조물의 용접부위에 집중되는 잔류응력(residual stress)을 감소시킬 수 있도록한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 용접구조물(작업장치)의 용접부위에 집중되는 잔류응력 분포를 상대적으로 물성이 뛰어난 소재(모재)쪽으로 분산시킴에 따라, 용접부위에 집중되는 잔류응력을 감소시켜 용접구조물의 전체적인 구조강도를 높일 수 있도록한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법에 관한 것이다.
일반적으로, 소재의 잔류응력을 제거하기 위하여 열적방법(저온 풀림처리(응 력제거 풀림처리), 서브제로(sub-zero) 급열(急熱)법)과, 기계적 방법(쇼트 피이닝(shot peening), 기계진동)이 사용되고 있다.
전술한 저온 풀림처리(응력제거 풀림처리)는, 잔류응력을 완전하게 제거하려면 적어도 450℃ 이상으로 가열하는 것이 필요하다. 담금질 부품의 경도를 거의 손상하지않고 응력을 제거하고 내마모성을 증가시킬 목적인 경우 150-180℃의 저온 뜨임이 요구된다. 담금질한 경우 응력(stress)은 100℃ 뜨임처리로 약 25% 제거되며, 200℃의 뜨임처리로 약 50% 제거된다. 600-700℃로 가열하면 응력은 완전하게 제거된다. 이때 열처리 유지시간은 소재 두께 1인치(inch)마다 30분의 비율으로 하며, 냉각속도는 200℃/h 이하로 서냉하는 것이 바람직하다.
전술한 서브 제로급냉법(quenching)은, 소재 표면에 잔류하는 압축응력을 제거하는 새로운 방법으로서, 급냉에 의해 잔류응력이 발생된 부품을 -196℃(액체질소) 정도까지 서브 제로처리한 후, 증기 등을 불어서 급열한다. 즉 급냉과 반대로 급열로 인해 급냉의 응력이 제거된다. 일반적으로 뜨임처리 온도가 높을 경우 뜨임처리하여 응력을 제거할 수 있지만, 뜨임처리 온도가 낮을 경우(450℃ 이하)에는 서브 제로 급냉법이 바람직하다.
전술한 쇼트 피이닝(shot peening)은, 소재의 표면에 잔류하는 인장응력을 제거하기 위하여 쇼트 피이닝에 의하여 생성되는 잔류 압축응력을 이용하는 방법으로, 쇼트 피이닝에 의하여 표면의 잔류 인장응력을 상쇄시키는 것이다.
전술한 기계진동에 의한 방법은, 잔류응력이 있는 부품에 기계적 진동을 주어 응력을 제거하는 방법으로서, 기계진동은 열에 의한 분자운동과 같은 효과를 얻 게되므로 응력을 제거할 수 있다. 대형 부품의 응력 제거에 응용하면 효과가 크다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 굴삭기는 하부 주행체(1)와,
하부 주행체(1) 위에 탑재되고 구동수단(swing motor 등) 구동에 의해 양방향으로 회전되는 상부 선회체(2)와,
상부 선회체(2) 위에 탑재되는 운전실(3) 및 엔진실(4)과,
상부 선회체(2)에 장착되고, 해당 액츄에이터(붐실린더(5), 아암실린더(6), 버킷실린더(7)) 구동으로 작동되는 붐(8), 아암(9), 버킷(10) 등을 포함하는 작업장치(11)와,
상부 선회체(2) 후방에 장착되고 작업시 장비의 균형을 유지할 수 있도록 수은 등의 중량체가 내장되는 카운터웨이트(12)를 포함한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 붐, 아암 등의 작업장치 구조물을 용접으로 제작하기 위하여 작업장치(11)(아암 등)의 측판(21,22)중, 분할된 제1,2측판(21a,21b)을 맛대기용접에 의해 이음연결하는 경우, 용접부위(23)에 잔류응력이 집중(도 3에 원으로 도시됨)됨에 따라 용접구조물의 구조적인 강도 및 내구성이 떨어진다.
즉 용접에 의해 제작되는 용접구조물은 용접공정중에 발생되는 소재의 용융 및 응고로 인해 인성이 낮은 소재 특성과, 인장성분의 잔류응력으로 인해 일반 구조물의 특성에 비해 상대적으로 취약성을 갖는다. 특히 두께 차이를 갖는 판 용접 부의 경우는 작용 하중에 대해 용접부에 응력이 집중되므로 용접부의 내구수명은 일반적인 기계구조물에 비해 상대적으로 낮게 된다.
즉 용접부위에서 소재의 인성이 부족하여 취약하고, 특히 소재 조직의 변태로 인하여 인장성분의 잔류응력을 갖게 되므로 피로강도에 대해 더욱 민감하여 용접부위에서 강도가 떨어져 작업장치의 사용수명이 단축된다. 이로 인해 용접부위의 구조강도를 높이기 위하여 뜨임 열처리를 행하여 용접부위에서의 잔류응력을 제거시켜 사용하고 있다.
현재, 작업장치 용접부의 구조강도를 개선하기 위하여 작업장치의 판 두께를 증대시켜 구조강도를 높이고 있다. 이때 판 두께를 증대시키는 경우 작업장치의 전체 중량이 증가 되고, 작업장치의 성능 저하를 초래한다.
한편, 작업장치(아암)의 취약부위는 양 측판의 후방쪽 용접부가 사이드포스(side force)의 굽힘하중에 의해 응력이 집중되므로, 용접부위에서 반복 하중으로 인해 내구수명이 단축될 수 있는 문제점을 갖는다.
본 발명의 실시예는, 굴삭기의 붐, 아암 등과 같은 작업장치 구조물을 용접에 의해 제작하는 경우, 용접구조물의 용접부위에 집중되는 잔류응력을 감소시켜 용접구조물의 전체적인 구조강도를 높일 수 있도록한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법과 관련된다.
본 발명의 실시예는, 용접구조물의 용접부위에 집중되는 잔류응력 분포를 상 대적으로 물성이 뛰어난 소재(모재)쪽으로 분산시킴에 따라, 용접구조물의 구조적인 안정성 및 피로수명을 증대시킬 수 있도록한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법과 관련된다.
본 발명의 실시예는, 용접구조물의 용접부위에 집중되는 잔류응력을 모재쪽으로 분산시키는 잔류응력제거용 홀 주변에 집중되는 집중응력으로 인한 피로수명 저하되는 것을 방지할 수 있도록한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법과 관련된다.
본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법은, 용접에 의해 작업장치의 구조물을 제작하는 단계와,
작업장치의 측판중, 분할된 제1,2측판을 용접에 의해 이음연결할 경우, 용접부위에 집중되는 잔류응력을 모재쪽으로 분산시켜 감소시키도록 제1측판 소정위치에 응력제거용 홀을 형성하는 단계와,
응력제거용 홀의 주변에 발생된 집중응력을 제거할 수 있도록 응력제거용 홀의 주변을 국부적으로 열처리하는 단계와,
응력제거용 홀에 캡을 결합하여 밀봉시키는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에 의하면, 전술한 응력제거용 홀은 제1,2측판을 용접할 경우 잔류응력이 상대적으로 많이 발생되는 제1측판의 후방 아래쪽에 형성될 수 있 다.
전술한 응력제거용 홀은 작업장치가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 장공형상으로 형성될 수 있다.
전술한 응력제거용 홀은 작업장치가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 원형으로 형성될 수 있다.
전술한 응력제거용 홀은 작업장치가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 집중응력을 분산시킴에 따라, 모재에 크랙 발생을 방지하도록 응력제거용 홀의 장축이 작업장치의 하판과 평행을 이루도록 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법은, 소정크기로 절단되는 모재를 용접에 의해 작업장치(아암 등)(11)의 구조물을 제작하는 단계(S100)와,
작업장치(11)의 양 측판(21,22)중, 측판(21)의 분할된 제1,2측판(21a,21b)을 맛대기용접에 의해 이음연결할 경우, 용접부위(23)에 집중되는 잔류응력을 모재쪽으로 분산시켜 감소시키도록 제1측판(21a) 소정위치에 응력제거용 홀(24)을 형성하 는 단계(S200)와,
응력제거용 홀(24)의 주변에 발생된 집중응력을 제거할 수 있도록 응력제거용 홀(24)의 주변을 국부적으로 열처리하는 단계(S300)와,
응력제거용 홀(24)에 캡(27)을 결합하여 밀봉시키는 단계(S400)를 포함한다.
전술한 응력제거용 홀(24)은 제1,2측판(21a,21b)을 용접할 경우 잔류응력이 상대적으로 많이 발생되는 제1측판(21a)의 후방 아래쪽에 형성될 수 있다.
전술한 응력제거용 홀(24)은 작업장치(11)가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 장공형상으로 형성될 수 있다. 또는 응력제거용 홀(24)은 작업장치(11)(아암)가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 원형으로 형성될 수 있다.
전술한 응력제거용 홀(24)은 작업장치(11)가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 집중응력을 분산시킴에 따라, 모재에 크랙(crack) 발생을 방지하도록 응력제거용 홀(24)의 장축이 작업장치(11)의 하판(26)과 평행을 이루도록 형성될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법의 사용예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 소정사이즈로 절단된 상판(25), 하판(26) 및 양 측판(21,22)으로 이루어지는 작업장치(아암 등을 말함)(11)의 용접구조물을 용접에 의해 사각형 관형상으로 제작한다(S100 참조).
작업장치(11)의 양 측판(21,22)중, 측판(21)의 분할된 제1,2측판(21a,21b)을 맛대기용접에 의해 이음연결할 경우, 용접부위(23)에 집중되는 인장성분의 잔류응력을 모재쪽으로 분산시켜 감소시키도록 제1측판(21a) 소정위치에 응력제거용 홀(24)을 장공형상(slot)으로 형성한다(S200 참조).
전술한 응력제거용 홀(24)은 제1,2측판(21a,21b)을 맛대기용접할 경우 잔류응력이 상대적으로 많이 발생되는 제1측판(21a)의 후방 아래쪽에 형성(도 5에 원으로 도시됨)될 수 있다. 즉 응력제거용 홀(24)의 수평방향으로의 중심선이 하판(26) 상면으로부터 소정높이(a)를 갖도록 배치되고, 용접부위(23)로부터 응력제거용 홀(24)의 원호부분의 중심(o)까지 소정거리(b)를 갖도록 배치된다. 전술한 "a"는 90-120㎜로 형성되고 "b"는 90-120㎜로 형성될 수 있다.
특히 응력제거용 홀(24)의 장축이 작업장치(11)의 하판(26)과 평행을 이루도록 형성됨에 따라, 작업장치(11)가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 집중응력을 분산시킴에 따라, 모재에 크랙 발생을 방지할 수 있다.
도면에는 미도시되었으나, 전술한 응력제거용 홀(24)은 작업장치(11)(아암)가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 원형으로 형성될 수 있다.
응력제거용 홀(24)의 주변에 발생된 집중응력을 제거하여 피로강도를 높일 수 있도록 응력제거용 홀(24)의 주변에 고주파(초음파)를 부분적으로 가하여 국부적으로 담금질 열처리한다(S300 참조). 즉 응력제거용 홀(24)의 주변에 잔류 압축응력을 발생시킴에 따라 집중응력에 의한 피로수명 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이때, 응력제거용 홀(24)의 주변을 고주파 담금질 열처리하는 것과, 담금질 열처리후 잔류응력을 제거하여 조직을 안정화시키도록 뜨임 열처리하는 기술내용은, 당해분야에서 사용되는 기술내용이므로 이들의 상세한 설명은 생략한다.
따라서 응력제거용 홀(24) 주변의 소재강도를 높임에 따라 작업장치(11)의 내구성이 증가된다.
전술한 응력제거용 홀(24)에 실리콘을 사용하여 밀봉시키거나, 합성수지재 비금속재 등의 캡(27)을 결합함에 따라, 응력제거용 홀(24)을 통하여 용접구조물 내부에 빗물 등의 이물질 유입을 차단할 수 있다(S400 참조).
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법은, 아암 등의 작업장치 용접구조물의 용접부위에 집중되는 인장성분의 잔류응력을 응력제거용 홀에 의해 상대적으로 물성이 뛰어난 모재쪽으로 분산시킴에 따라, 작업장치의 구조적인 안정성 및 피로수명을 증대시킬 수 있다.
잔류응력 제거용 홀 주변을 국부적으로 초음파 열처리시킴에 따라 집중응력으로 인한 작업장치의 피로수명 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법은 아래와 같은 이점을 갖는다.
굴삭기의 붐, 아암 등과 같은 작업장치 구조물을 용접에 의해 제작하는 경우, 용접구조물 소재의 두께를 증가시키지않고 용접구조물의 구조강도를 높임에 따라, 작업장치의 사용수명을 연장하고 성능 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 용접구조물의 용접부위에 집중되는 잔류응력 분포를 상대적으로 물성(物性)이 뛰어난 모재(母材)쪽으로 분산시킴에 따라, 용접구조물의 구조적인 안정성 및 피로수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 용접구조물의 용접부위에 집중되는 잔류응력을 모재쪽으로 분산시키는 잔류응력제거용 홀 주변을 초음파 열처리시킴에 따라 집중응력으로 인한 피로수명 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 용접에 의해 작업장치의 구조물을 제작하는 단계;
    상기 작업장치의 측판중, 분할된 제1,2측판을 용접에 의해 이음연결할 경우, 용접부위에 집중되는 잔류응력을 모재쪽으로 분산시켜 감소시키도록 상기 제1측판 소정위치에 응력제거용 홀을 형성하는 단계;
    상기 응력제거용 홀의 주변에 발생된 집중응력을 제거할 수 있도록 응력제거용 홀의 주변을 국부적으로 열처리하는 단계; 및
    상기 응력제거용 홀에 캡을 결합하여 밀봉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 응력제거용 홀은
    상기 제1,2측판을 용접할 경우 잔류응력이 상대적으로 많이 발생되는 상기 제1측판의 후방 아래쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 응력제거용 홀은
    상기 작업장치가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 장공형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 응력제거용 홀은
    상기 작업장치가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 응력을 제거할 수 있도록 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 응력제거용 홀은
    상기 작업장치가 길이방향으로 굽힘하중을 받을 경우 발생되는 집중응력을 분산시킴에 따라, 모재에 크랙 발생을 방지하도록 응력제거용 홀의 장축이 작업장치의 하판과 평행을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 작업장치의 용접부에 발생되는 잔류응력 제거방법.
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