KR20090074971A - 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세한 쇼트볼을 이용한 쇼트피닝 가공을 통해 용접부의 결정립을 미세화하여 인성 및 피로강도 등을 향상시킬 수 있도록 한 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 코일 상태의 고강도강을 절단하고, 절단한 소재를 제조하고자 하는 제품 형상에 맞춰 다수의 부품을 성형 제조하며, 성형 제조된 부품들을 서로 용접하여 제품을 제조하고, 용접된 제품의 인성 및 피로강도를 향상시키기 위해 0.1㎜ 이하의 쇼트볼을 사용하는 쇼트피닝장치를 이용하여 용접부와 열영향부에 150m/sec 이상의 속도로 쇼트피닝 가공하며, 쇼트피닝된 제품의 표면을 도장하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 미세한 쇼트볼을 이용한 고속의 쇼트피닝 가공을 통해 표면 경도를 향상시키고, 용접부 및 열영향부의 인성 및 피로강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 또한 쇼트볼의 자동 공급에 따른 생산 사이클 단축을 통해 제품의 생산성과 효율을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

쇼트피닝, 쇼트볼, 용접부, 열영향부, 피로강도.

Description

고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법 및 장치{Surface treatment method and apparatus for increasing a property of matter of steel product welded joint}

본 발명은 표면처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세한 쇼트볼을 이용한 쇼트피닝 가공을 통해 용접부의 결정립을 미세화하여 인성 및 피로강도 등을 향상시킴과 아울러, 쇼트피닝 가공을 연속적으로 수행하여 제품의 생산성과 효율을 향상시킬 수 있도록 한 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 용접법은 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 고체 사이에 직접 결합이 되도록 접합시키는 방법을 일컫는 것으로, 자동차 부품이나 건축구조물, 해양구조물 등에 사용되는 고강도강은 대부분 용접을 이용하여 구조물을 제조 및 구성된다.

이러한, 용접법은 크게 융접법과 압접법으로 나뉘게 되는데, 융접법은 접합부에 금속재료를 가열 및 용융시켜 서로 다른 두 재료의 원자 결합을 재배열하여 결합시키는 방법으로 아크용접, 가스용접, 테르밋용접 등을 들 수 있고, 압접법은 접합부에 외부의 강한 물리적 압력을 가해 접합하는 방법으로 가스압접이나 단접(鍛接), 가열압접 또는 고온압접을 들 수 있다.

이와 같은 용접법을 통해 용접된 용접결과의 좋고 나쁨을 용접성이라고 하는데 용접 시 그 대상이 되는 모재(母材), 용접봉, 작업 조건의 모든 것으로 인해 영향을 받게 된다. 이에, 용접부 및 열영향부의 파손이 일어나는 경우를 살펴보면, 용접재료의 사용이 잘못된 경우, 열영향부의 연화가 발생하여 연속적인 하중이 열영향부에 집중되는 경우, 용입이 부족한 경우, 용접 결함(기공, 크랙, 언더컷 등)에 의한 경우 등이 있다.

도 1은 상기한 용접성의 영향을 주는 요인 중 용접 결함에 대해 보다 구체적으로 살펴보기 위해 도시한 것으로, 상, 하부의 두 판재(1)(2)를 용접 접합함으로써 용접부(3)와 열영향부(4)를 구성하게 된다.

이와 같은, 용접 이 후에 형상학적인 결함 즉, 기공(5)이 발생하면 외부의 응력이 기공에 집중되어 파손이 일어나게 되고, 언더컷(6)과 같은 응력 집중부위가 발생하게 되면 계속적인 하중에 의해 파손이 발생하게 된다.

도 2는 도 1과 같이 용접된 고강도강의 용접부 및 열영향부의 경도분포를 나타낸 것으로, 용접에 의해 접합된 고강도강은 야금학적으로 열영향부의 연화가 쉽게 발생하게 되고, 접합면은 불순물을 포함하여 쉽게 물러지는 경향이 있다. 이에, 최근에는 고강도강의 사용이 빈번해짐에 따라 용접부 및 열영향부의 인성 및 피로강도 향상을 위한 방안이 확대 및 논의되고 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 종래의 기술로 특허 등록번호 제10-0671037호 "강재의 용접 이음부에 있어서의 열 영향부의 인성 향상방법" 및, 특허 등록번호 제10-0606312호 "피로 강도에 우수한 회전 용접 이음매, 회전 용접 이음매의 제조 방법 및 용접 구조물" 등이 공지된 바 있고, 이들 모두에서는 진동 강구에 의한 표면경화 방법을 통해 강재의 용접이음부 및 열영향부의 인성 향상방안을 언급하고 있다.

또한, 강재의 표면 경화방법 중 하나인 쇼트피닝 기술로 종래에 특허 공개번호 제2004-0036121호 "숏 피닝 시스템"과, 특허 등록번호 제10-0591982호 "금속 모재의 표면 개질 방법" 및, 특허 공개번호 제2002-0083500호 "쇼트 피닝 장치의 제어 방법 및 장치" 가 공지된 바 있다.

그러나, 상기한 종래기술들은 일반적인 표면개질처리 방법에 국한되어 있으며 실제적인 강화 방법 및 그 장치에 대해서는 한계점을 갖고 있는 문제가 있고, 특히 용접부를 강화시키는 주된 방법으로 쇼트볼을 사용하는 쇼트피닝이 아닌 핀을 이용하여 소재를 두드려 강화시키는 방법이 제시되어 있다.

더욱이, 종래의 쇼트피닝 기술의 경우는 1mm 이상의 볼을 사용함으로써 표면경화의 한계 및 표면조도가 불량한 단점을 갖게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 용접이 이루어지는 부분에 미세한 쇼트볼을 이용한 쇼트피닝 가공을 수행하여 용접부의 결정립을 미세화 형성하므로, 표면 경도와 인성 및 피로강도 등을 향상시킬 수 있는 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 제품 제조 공정 중 표면처리공정을 자동화함과 아울러, 표면처리에 필요한 쇼트피닝 가공을 연속적으로 수행하여 제품의 생산성과 효율을 향상시킬 수 있도록 한 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면처리 방법은, 코일 상태의 고강도강을 절단하는 블랭킹공정과; 절단한 소재를 제조하고자 하는 제품 형상에 맞춰 다수의 부품을 성형 제조하는 성형공정과; 성형 제조된 부품들을 서로 용접하여 제품을 제조하는 용접공정과; 용접된 제품의 인성 및 피로강도를 향상시키기 위해 0.1㎜ 이하의 쇼트볼을 사용하는 쇼트피닝장치를 이용하여 용접부와 열영향부에 150m/sec 이상의 속도로 쇼트피닝 가공하는 표면처리공정과; 쇼트피닝된 제품의 표면을 도장하는 도장공장을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 표면처리공정에서는 쇼트피닝 가공이 신속하게 이루어질 수 있게 사용 된 쇼트볼을 챔버 하부의 수합부를 통해 수합하여 자동으로 쇼트피닝장치에 공급하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 표면처리 장치는, 절단한 고강도강의 소재를 성형 및 용접하여 제품을 제조한 후, 용접된 용접부 및 열영향부의 물성 향상을 위해 표면을 경화처리하는 장치에 있어서, 챔버 외부에 쇼트피닝장치를 설치하고, 상기 챔버 내부에 로봇아암을 설치하며, 상기 로봇아암 단부에는 용접부와 열영향부에 쇼트볼을 투사할 수 있는 노즐을 장착하되 상기 노즐은 쇼트피닝장치와 연결하고, 상기 노즐을 통해 투사된 쇼트볼이 통과할 수 있게 챔버 바닥을 망 형태로 형성하고, 상기 챔버 바닥 하부에 수합부를 설치하며, 상기 수합부와 쇼트피닝장치를 연결하되 그 사이에 흡입장치를 설치하여 수합부에 수합된 쇼트볼을 쇼트피닝장치에 자동 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 미세한 쇼트볼을 이용한 고속의 쇼트피닝 가공을 통해 표면 결정립을 100㎚이하로 형성하여 표면 경도를 향상시킴과 아울러, 용접에 의한 용접부 및 열영향부의 인성 및 피로강도를 모재와 유사하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 쇼트피닝 가공에 사용된 쇼트볼을 쇼트피닝장치에 자동으로 순환 공급하여 쇼트피닝 가공에 소요되는 시간을 줄이므로, 공정 중 생산 사이클을 단축시켜 제품의 생산성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 9는 본 발명의 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법에 대한 것으로, 크게 블랭킹공정(P10)과, 성형공정(P20)과, 용접공정(P30)과, 표면처리공정(P40)과, 도장공정(P50)으로 이루어진다.

도 3을 통해 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 블랭킹공정(P10)에서는 코일 상태의 고강도강을 절단하여 판 형태의 소재를 확보한다. 그리고, 성형공정(P20)에서는 절단한 소재를 이용하여 다수의 부품을 성형하게 되는데, 이는 제조하고자 하는 제품 형상에 맞춰 적절한 형상으로 성형하게 된다. 또한, 용접공정(P30)에서는 성형공정(P20)에서 성형한 부품과 다른 부품을 서로 용접 접합하여 제품을 제조한다.

계속해서, 표면처리공정(P40)에서는 용접된 제품의 물성을 향상 및 강화시키기 위해 쇼트피닝장치(30)를 통해 용접부와 열영향부에 쇼트피닝 가공하는 단계로써, 0.1㎜ 이하의 마이크로 쇼트볼을 사용하여 150m/sec 이상의 속도(적절하게는 대략 200m/sec)로 쇼트피닝 가공을 수행한다. 여기서, 상기한 쇼트피닝장치(30)는 적어도 하나 이상을 사용하는 것이 적절한 것으로, 본 발명에서는 양측에 2대의 쇼트피닝장치(30)를 설치하는 것으로 예시하였다.

이러한, 쇼트피닝 가공에 대해 도 5를 통해 설명하면, 기계적 방법(임펠러 방법) 또는 가스의 압력을 이용하여 노즐(21)을 통해 소재에 쇼트볼을 투사하게 되면, 소재 표면에 강한 소성변형을 일으키게 된다. 이와 같은 소성변형은 표면 내부 에 강한 압축응력을 발생시키게 되고, 조직적으로 표면의 결정립을 미세화시켜 표면 경도를 강화시키게 된다.

즉, 강철볼, 스테인리스볼, 세라믹볼, 하이스강볼 등의 다양한 종류의 쇼트볼을 용접부에 투사함으로써, 고강도강의 용접부 및 열영향부를 강화시키는 것이다. 여기서, 투사를 위해 사용되는 가스는 일반 공기를 사용할 수도 있으나, 청정도 유지를 위해 질소가스를 사용하는 것이 바람직하다.

이처럼, 표면처리공정(P40)을 마친 쇼트볼은 쇼트피닝장치(30)가 설치된 챔버(10) 바닥에 수합부(12)를 통해 수합되고, 수합된 상기 쇼트볼은 수합부(12)와 쇼트피닝장치(30) 사이에 설치한 흡입장치(31)를 통해 쇼트피닝장치(30)에 공급됨으로써, 연속적으로 신속하게 쇼트피닝 가공을 수행할 수 있게 된다.

도장공정(P50)에서는 쇼트피닝 가공된 제품의 표면을 도장하는 것으로, 제품의 제조를 완료하게 된다.

한편, 도 4는 본 발명의 고강도 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법을 위해 사용하는 표면처리 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 챔버(10)와, 로봇아암(20)과, 쇼트피닝장치(30)를 포함하여 구성된다.

보다 구체적으로 설명하면, 챔버(10) 내부 중앙에 쇼트피닝 가공하고자 하는 제품을 구비하고, 상기 제품 주변으로 적어도 하나 이상의 로봇아암(20)을 설치하며, 상기 로봇아암(20) 단부에는 노즐(21)을 설치한다. 그리고, 상기 챔버(10) 외부에 쇼트피닝장치(30)를 설치하고, 상기 쇼트피닝장치(30)와 노즐(21)을 서로 연결하여 상기 노즐(21)에 쇼트피닝장치(30)로부터 쇼트볼을 공급함으로써, 노즐(21) 을 통해 제품에 쇼트볼을 투사할 수 있게 구성한다.

또한, 상기 챔버(10) 바닥은 망(11) 형태로 형성하고, 상기 챔버(10) 바닥 하부는 수합부(12)를 구비하여 상기 노즐(21)을 통해 투사되는 쇼트볼이 망(11) 형태의 바닥을 통해 수합부(12) 내부로 수합될 수 있게 구성한다. 그리고, 상기 수합부(12)는 쇼트피닝장치(30)와 순환배관(32)을 통해 연결하고, 상기 수합부(12)와 쇼트피닝장치(30) 사이에는 흡입장치(31)를 설치하여 수합부(12)에 수합된 쇼트볼을 순환배관(32)을 통해 쇼트피닝장치(30) 내부로 공급할 수 있게 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

고강도강 용접 이음부의 물성을 향상시키기 위한 방법으로 제품의 자동화공정에서 그 적용이 가능하다. 보다 구체적으로 설명하면, 코일 상태에서 블랭킹공정(P10)을 통해 판을 절단하고, 절단한 판을 성형공정(P20)을 통해 성형부품을 성형하며, 성형부품과 또 다른 성형부품을 용접공정(P30)을 통해 용접하여 제품을 제조하게 된다.

이처럼 제조한 제품의 용접부와 열영향부에는 0.1㎜ 이하의 쇼트볼을 이용하여 150m/sec의 속도로 쇼트피닝 가공에 의한 표면처리 공정을 수행하므로, 용접에 의한 용접부와 열영향부의 연화를 방지하고, 표면을 강화시킬 수 있게 된다.

즉, 일반적인 쇼트피닝은 0.25~1㎜의 쇼트볼을 20~150m/sec의 속도로 투사하여 표면을 경화시키므로, 압축 잔류응력을 형성시키는 데 도움이 되나, 표면 조직을 미세화시키지는 못한다.

반면, 본 발명의 표면처리공정(P40)은 0.1㎜이하의 미세한 쇼트볼을 150m/sec 이상의 속도로 투사하게 됨으로써, 표면에 깊은 잔류응력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 도 6에 도시한 바와 같이 미려한 표면조도를 확보할 수 있게 된다.

또한, 도 7에 도시한 바와 같이 상기한 쇼트피닝 가공을 통해 표면경도를 모재경도의 2배 이상 향상시킬 수 있고, 특히 연화가 발생하는 용접부와 열영향부에 대해서는 모재경도 이상의 경도를 얻게 됨으로써, 제품의 인성 및 피로강도를 향상시킬 수 있게 된다.

아래의 표 1은 본 발명의 쇼트피닝 가공에 의한 강종별 경도 변화를 정리하였다.

강종	처리시간(초)	처리전 경도(Hv)	처리후 경도(Hv)
DP590	30	200	400
STD11	60	800	1200
STD61	60	680	1050
STD61(질화)	60	1190	1430
SCM415(침탄)	60	820	1150
S20C	30	170	370
STS304	60	250	550

즉, 즉 일반 쇼트피닝에 의해서 얻을 수 없는 고경도를 0.1㎜ 이하의 쇼트볼로 표면을 소성변형 처리함으로써 높은 경도를 얻을 수 있으며, 질화 및 침탄재에 대해서도 유효하게 나타남을 확인할 수 있다.

이와 같은 경도 향상의 이유는 일반 쇼트피닝에 의해서는 내부에 압축잔류응력 및 소성변형만 이루어지나, 미세한 쇼트볼을 이용한 쇼트피닝의 경우에는 높은 투사에너지로 인하여 표면에 소성변형 이외에 표면의 결정립을 도 8에서 도시한 바와 같이 100㎚ 이하로 줄이는 것이 가능하기 때문이다.

즉, 본 발명의 표면처리 방법은 미세한 쇼트볼의 고속 투사를 통해 표면의 결정립을 100㎚ 이하로 형성시켜 표면의 경도를 향상시킴과 아울러, 고강도강의 인성 및 피로강도를 모재와 유사하게 향상시킬 수 있는 것이다.

이에 대해서는 도 9의 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 600㎫급 이상의 고강도강에서 쇼트피닝 가공 이전의 용접부의 피로강도는 매우 낮게 나타나게 되나, 쇼트피닝 가공 이후의 용접부의 피로강도는 모재의 피로강도와 유사할 정도로 향상됨을 확인할 수 있다.

한편, 쇼트피닝 가공을 위해 노즐(21)을 통해 투사된 쇼트볼은 상기와 같이 용접부와 열영향부에 투사된 후, 챔버(10) 바닥에 떨어지게 되고 망(11) 형태로 되어 있는 바닥의 구멍을 통해 수합부(12)로 수합되며, 이는 흡입장치(31)의 흡입력에 의해 쇼트피닝장치(30)로 순환 공급됨으로써, 다시 노즐(21)을 통해 투사할 수 있게 된다.

즉, 용접부에 투사된 쇼트볼은 쇼트피닝장치(30)에 연속적으로 순환 공급되어 계속해서 투사할 수 있으므로, 쇼트피닝에 소요되는 시간을 줄여 전 공정의 생산 사이클에 지장을 주지 않게 됨과 아울러, 이는 자동화 제어장치에 피드백을 통해 제어하여 연속적인 생산 시스템을 구축할 수 있으므로, 제품의 생산성 및 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 일반적인 용접부의 형상 및 용접결합을 나타낸 개략도,

도 2는 고강도강의 용접부 및 열영향부의 경도 분포도,

도 3은 본 발명의 표면처리 방법을 순차적으로 나열한 개략도,

도 4는 본 발명의 표면처리가 이루어지는 챔버 내, 외부의 구조를 도시한 개략도,

도 5는 본 발명에 의한 쇼트피닝 가공의 개념도,

도 6은 본 발명의 쇼트피닝 가공을 통해 나타나는 미세한 표면 결정립 사진과 표면조도를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 쇼트피닝 가공 전, 후의 용접부 및 열영향부의 경도 향상 차이를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명의 쇼트피닝 가공을 통한 표면의 미세한 결정립 사진,

도 9는 본 발명의 의한 모재와 용접부의 쇼트피닝 가공 유, 무에 따른 경도 향상 차이를 나타낸 그래프.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 챔버 11 : 망

12 : 수합부 20 : 로봇아암

21 : 노즐 30 : 쇼트피닝장치

31 : 흡입장치 32 : 순환배관

P10 : 블랭킹공정 P20 : 성형공정

P30 : 용접공정 P40 : 표면처리공정

P50 : 도장공정

Claims (3)

1. 코일 상태의 고강도강을 절단하는 블랭킹공정(P10)과;

   절단한 소재를 제조하고자 하는 제품 형상에 맞춰 다수의 부품을 성형 제조하는 성형공정(P20)과;

   성형 제조된 부품들을 서로 용접하여 제품을 제조하는 용접공정(P30)과;

   용접된 제품의 인성 및 피로강도를 향상시키기 위해 0.1㎜ 이하의 쇼트볼을 사용하는 쇼트피닝장치(30)를 이용하여 용접부와 열영향부에 150m/sec 이상의 속도로 쇼트피닝 가공하는 표면처리공정(P40)과;

   쇼트피닝된 제품의 표면을 도장하는 도장공정(P50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 표면처리공정(P40)에서는 쇼트피닝 가공이 신속하게 이루어질 수 있게 사용된 쇼트볼을 챔버(10) 하부의 수합부(12)를 통해 수합하여 자동으로 쇼트피닝장치(30)에 공급하는 것을 특징으로 하는 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 방법.
3. 절단한 고강도강의 소재를 성형 및 용접하여 제품을 제조한 후, 용접된 용접부 및 열영향부의 물성 향상을 위해 표면을 경화처리하는 장치에 있어서,

   챔버(10) 외부에 쇼트피닝장치(30)를 설치하고, 상기 챔버(10) 내부에 로봇 아암(20)을 설치하며, 상기 로봇아암(20) 단부에는 용접부와 열영향부에 쇼트볼을 투사할 수 있는 노즐(21)을 장착하되 상기 노즐(21)은 쇼트피닝장치(30)와 연결하고, 상기 노즐(21)을 통해 투사된 쇼트볼이 통과할 수 있게 챔버(10) 바닥을 망(11) 형태로 형성하고, 상기 챔버(10) 바닥 하부에 수합부(12)를 설치하며, 상기 수합부(12)와 쇼트피닝장치(30)를 연결하되 그 사이에 흡입장치(31)를 설치하여 수합부(12)에 수합된 쇼트볼을 쇼트피닝장치(30)에 자동 공급하는 것을 특징으로 하는 고강도강 용접 이음부의 물성 향상을 위한 표면처리 장치.

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