KR20120048569A - 용접 지단부의 다중 피닝 처리 방법 - Google Patents

Abstract

i회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i)과, (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})이, R_i＜R_{i ＋1}≤2R_i를 만족하고, 1회째의 피닝 처리는, 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 3㎜인 진동 단자를 사용하여, 상기 용접 지단선과 오버랩 자국을 제거할 때까지 행하고, 2회째 이후의 피닝 처리는, 접힘 자국을, 상기 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})의 진동 단자로 제거할 때까지 행하고, 최종회의 피닝 처리는, 상기 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})이 4.0㎜ 이상인 진동 단자를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 다중 피닝 처리 방법.

Description

용접 지단부의 다중 피닝 처리 방법 {MULTIPLE PEENING TREATMENT METHOD FOR WELD TOE SECTION}

본 발명은 용접 지단부의 피로 특성을 향상시키기 위한 피닝 처리 방법에 관한 것이다.

용접 조인트의 피로 강도는, 강재 강도에는 거의 의존하지 않고, 용접 조인트의 형상에 크게 의존하는 것이 알려져 있다. 특히 구조적 응력 집중이 큰 코너 박싱 조인트, 랩 조인트 등에서는, 용접 조인트부는 모재에 비해 현저하게 피로 특성이 저하된다.

따라서 용접 조인트의 형상이, 구조물의 응력 설계상에 방해가 되어, 고강도 강재의 우수한 특성을 충분히 살릴 수 없는 경우가 있었다. 따라서 반복 하중이 작용하는 용접 조인트를 갖는 부재에 있어서는, 용접 지단부에 그라인더 처리나 TIG 드레싱 처리, 혹은 피닝 처리 등의 마무리 처리가 행해지고 있다.

종래, 경질의 선단부를 갖는 진동 단자를 사용하여, 용접 지단부에 피닝 처리를 함으로써, 피로 수명을 향상시키는 것이 행해져 왔다. 이 종래의 피닝 처리에 있어서는, 진동 단자의 선단부 형상을 용접 지단부에 전사하여, 타격 홈을 형성하는 것까지만 행해지고 있었다.

그로 인해, 용접 지단부를 피닝 처리에 의해 큰 곡률 반경으로 정형한 경우, 용접 지단부에 접힘 자국을 남기는 경우가 많아, 충분히 피로 특성이 향상되지 않는다고 하는 문제가 있었다.

이 접힘 자국과, 햄머 피닝 처리를 사용한 피로 특성 향상 방법에 대해서는, IIW(International Institute of Welding)가 발행한 비특허 문헌 1에 기재되어 있다. 비특허 문헌 2에는 초음파 피닝 처리에 대해 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 1에는 햄머 피닝 처리의 조건을 특정하고, 용접 조인트의 피로 특성을 향상시키는 방법이 기재되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에는 아크 용접 직후에, 용접 아크에 의해 뜨거워진 용접 시임부를 따라 초음파 진동을 부여하는 방법이 기재되어 있다.

비특허 문헌 1, 2 및 특허 문헌 1, 2에 기재되는 방법에 있어서는, 용접 지단부의 피로 수명을 충분히 향상시킬 수 없는 문제가 있었다.

이들 방법에 있어서는, 피닝 처리에 의해, 용접 지단부에 압축 잔류 응력이 도입되므로, 용접 지단부의 피로 수명을 향상시키는 것이 기대된다.

그러나 특허 문헌 3에 서술되어 있는 바와 같이, 피닝 처리 후의 용접 지단부는, 후술하는 오버랩 자국이나 접힘 자국이 잔존하는 경우에는, 이들 자국이 피로 파괴의 기점으로 되어, 피로 수명을 충분히 향상시킬 수 없었다.

용접 지단부를 마무리하는 방법에는, 피닝 처리의 이외에, 그라인더 처리가 있다. 그러나 그라인더 처리에서는, 용접 지단부의 곡률 반경을 크게 함으로써 응력 집중의 완화는 가능해도, 용접 지단부에 압축 잔류 응력을 도입할 수는 없다. 따라서 용접 지단부에는, 용접 시의 인장 잔류 응력이 도입된 상태이므로, 용접 지단부의 피로 수명의 향상은 충분하지 않았다.

따라서 피닝 처리에서 발생하는 오버랩 자국이나 접힘 자국을 회피하면서, 용접 지단부의 곡률 반경을 크게 정형하기 위해, 그라인더 처리 후에 피닝 처리를 행하는 것도 생각할 수 있다.

그러나 그라인더 처리를 행하기 위해서는, 용접 지단부에 오버레이를 행할 필요가 있다. 또한, 그라인더 처리는 대단히 수고가 많이 드는 작업이다. 또한, 그라인더 처리와 피닝 처리의 2개의 장치를 사용하므로, 비효율적이었다.

특허 문헌 3에는, 피닝 처리에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 2.0㎜ 이하로 함으로써, 오버랩 자국을 방지하고 있지만, 선단 형상이 다른 핀을 사용한 피닝 처리에 의해, 용접 지단선 근방의 소성 유동에 의해 접힘 자국(이 특허 문헌 3에서는, 이 자국도 오버랩 자국이라고 쓰고 있음)이 남는 것에 대해 피로 특성에 좋지 않은 것을 지적하고 있지만, 이 접힘 자국에 대한 해결 방법에 대해서는 검토가 행해지지 않고 있었다.

또한, 피닝 처리에 의한 용접 지단부로의 잔류 압축 응력 도입에 더하여, 피닝 처리 후의 용접 지단부의 곡률 반경을 가능한 한 크게 하여, 응력 집중을 작게 하고자 하는 요망은 용접 구조물의 안전한 이용을 위해 끊임없이 있었고, 최종적으로 2.0㎜보다도 크게 하기 위해, 다중 피닝 처리가 요망되고 있었다.

일본 특허 출원 공개 평 04-021717호 공보 미국 특허 제6171415호 명세서 일본 특허 출원 공개 제2007-283355 공보

IIW Co㎜ission ⅩⅢ, IIW reco㎜endation Post Weld Improvement of Steel and Aluminum Structures, Revised March 2009, P.20 내지 27 피로 강도 향상용 초음파 피닝 방법, 용접 학회지 제77권 (2008) 제3호, P.210 내지 213

본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 진동 단자를 사용하여 용접 지단부를 타격하는 피닝 방법에 있어서, 용접 지단부에 압축 잔류 응력을 도입하면서, 곡률 반경이 큰 용접 지단부를 효율적으로 정형하여, 용접 지단부의 피로 특성을 안정적으로 향상시킬 수 있는 용접 지단부의 피닝 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 선단부 곡률 반경이 다른 2종류 이상의 진동 단자를 준비하고, 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 어떻게 단계적으로 크게 해 가면, 효율적이고, 용접 지단부에 자국을 남기지 않고, 큰 곡률 반경의 용접 지단부를 정형할 수 있는지에 대해 예의 검토하였다.

그 결과, 본 발명자들은 1회째의 피닝 처리에서는, 선단부 곡률 반경이 1 내지 3㎜인 진동 단자를 사용하고, 용접 지단선과, 1회째의 피닝 처리에 의해 용접 지단선 근방에 발생하는 오버랩 자국을 제거하고나서, 2회째 이후의 피닝 처리를 행할 필요가 있는 것을 발견하였다.

또한, 본 발명자들은 2회째 이후의 피닝 처리에서는, i회째의 피닝 처리에 의해 형성된 타격 홈의 양 옆에 발생하는 엣지부가, (i＋1)회째의 피닝 처리에 의해 접혀져 발생하는 접힘 자국을, (i＋1)회째의 피닝 처리에서 제거할 때까지 행함으로써, 용접 지단부의 피로 수명을 현저하게 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.

또한, 본 발명자들은 i회째, (i＋1)회째의 피닝 처리에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경을, 각각 R_i, R_{i ＋1}이라고 하였을 때, R_{i ＋1}／R_i가 2 이하일 때, 상기한 접힘 자국을 제거할 때까지의 시간을 현저하게 단축할 수 있는 것을 발견하였다.

본 발명은 상기의 지식의 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 다음과 같다.

(1) 소정의 선단부 곡률 반경을 갖는 진동 단자를 사용하여 용접 지단부를 용접 지단선을 따라 타격 처리하는 피닝 처리를 복수회 반복하는, 용접 지단부의 다중 피닝 처리 방법이며, i회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i)과, (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})이, 하기 수학식 1을 만족하고, 1회째의 피닝 처리는, 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 3㎜인 진동 단자를 사용하여, 용접 지단부에 곡률 반경이 R₁인 타격 홈을 형성하는 동시에, 상기 용접 지단선과, 상기 1회째의 피닝 처리에 의해 상기 곡률 반경이 R₁인 타격 홈 중에 발생하는 오버랩 자국을 제거할 때까지 행하고, 2회째 이후의 피닝 처리는, 상기 선단부 곡률 반경(R_i)의 진동 단자를 사용하여, 용접 지단부에 곡률 반경이 R_i인 타격 홈을 형성하는 동시에, 상기 곡률 반경(R_i)의 타격 홈의 양 옆에 발생하는 엣지부가, (i＋1)회째의 피닝 처리에 의해 졉혀져 발생하는 접힘 자국을, 상기 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})의 진동 단자로 제거할 때까지 행하고, 최종회의 피닝 처리는, 상기 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})이 4.0㎜ 이상인 진동 단자를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 다중 피닝 처리 방법.

여기서, i : 자연수

(2) 상기 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 2㎜인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 용접 지단부의 다중 피닝 방법.

본 발명에 따르면, 피로 수명 향상을 저해하는 자국을 용접 지단부에 잔류시키는 일 없이, 용접 지단부에 압축 잔류 응력을 도입하고, 또한 용접 지단부를 단시간에 큰 곡률 반경으로 정형함으로써, 용접 지단부의 피로 수명을 안정적으로 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 용접 조인트를 갖는 부재의 용접 지단부의 피로 수명을 향상시킴으로써, 용접 조인트부로부터 피로 파괴되는 일이 없이, 모재의 재료 특성을 살린 부재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다중 피닝 처리 방법의 수순을 도시하는 도면이다.
도 2는 피닝 처리에 의한 용접 지단부의 단면 형상의 변화를 도시하는 도면이다.
도 3은 1회째의 피닝 처리에 있어서, 진동 단자의 직경의 차이에 의한, 용접 지단부에 발생하는 자국 등의 차이를 설명하는 도면이다.
도 4는 2개의 접힘 자국이 제거되는 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 사용하는 진동 단자의 용접 지단선을 따르는 방향으로 수직 방향의 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도 6은 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i 및 R_{i ＋1})과, 접힘 자국을 제거할 때까지의 시간(T_i 및 T_{i ＋1})의 관계를, (R_{i ＋1}／R_i) 및 (T_{i ＋1}／T_i)로 정리한 도면이다.
도 7은 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i 및 R_{i ＋1})의 비 (R_{i ＋1}／R_i)와, 다중 피닝 처리한 용접 지단부의 피로 수명의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명을 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 다중 피닝 처리 방법의 수순을 도시하는 도면이다.

1회째의 피닝 처리는, 도 1의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 3㎜인 진동 단자(1)를 사용하여 용접 지단부를 타격하여, 타격 홈(4)을 형성한다.

선단부 곡률 반경(R₁)을 1㎜ 이상으로 하는 것은, R₁이 1㎜ 미만에서는 타격에 충분히 견딜 수 있을만한 진동 단자의 강도를 확보할 수 없기 때문이다. 또한, R₁이 1㎜ 미만이면, 형성되는 타격 홈(4)의 곡률 반경이, 일반적인 용접 지단부의 곡률 반경에 가까워, 그 상태에서는 용접 지단부의 피로 수명이 향상되지 않기 때문이다.

그로 인해, 후술하는 바와 같이, 본 발명에서는 용접 지단부가 원하는 곡률 반경으로 될 때까지, 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 단계적으로 크게 하고, 더욱 피닝 처리를 행한다.

그때, R₁이 1㎜ 이하이면, 용접 지단부가 원하는 곡률 반경으로 될 때까지의 단계 수가 많아져 처리 효율이 저하되기 때문이다. 또한, 다수의 종류의 진동 단자를 준비할 필요도 있기 때문이다.

한편, 선단부 곡률 반경(R₁)을 3㎜ 이하로 하는 것은 이하의 이유에 의한 것이다. R₁이 3㎜를 초과하면, 1회째의 피닝 처리에 의한 용접 지단선 근방의 소성 유동 범위가 넓어진다. 이로 인해, 용접 지단부에 있어서 모재(강재)와 용접 금속이 이루는 각도가 큰 경우, 용접 지단선 근방의 소성 유동에 의해, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 타격 홈(4)에 깊은 홈이 생기는 경우가 있다. 이 깊은 홈에 대해 피닝 처리를 계속하면, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 소성 유동에 의해 깊은 홈이 폐쇄된 후에 형성되는 자국, 즉 오버랩 자국이 형성되는 것이 있다. R₁이 3㎜를 초과하면, 이와 같은 메커니즘으로 형성되는 오버랩 자국의 발생 빈도가 매우 높아진다. 한번 발생하면, 장시간의 피닝 처리를 행해도, 제거할 수 없게 되기 때문이다.

이에 대해, R₁이 1 내지 3㎜인 경우에는, 1회째의 피닝 처리에 의한 용접 지단선의 소성 유동 범위가 좁기 때문에, 오버랩 자국이 발생해도, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 타격 홈(4)에 얕은 오버랩 자국을 형성하는 것에 그친다. 그리고 계속해서 피닝 처리를 행함으로써, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 이 얕은 오버랩 자국을 제거할 수 있다. 즉, 피닝 처리에 의해, 오버랩 자국을 확실하게 보이지 않게 할 수 있다.

따라서 1회째의 피닝 처리는, 용접 지단선과 오버랩 자국이 제거될 때까지 행할 필요가 있다. 여기서, 용접 지단부의 곡률 반경이 매우 작기 때문에 모재(강재)와 용접 금속 사이에 보이는 선 형상의 모양을, 용접 지단선이라 한다. 피닝 처리를 이 용접 지단선을 따라 행하면, 용접 지단부의 곡률 반경이 진동 단자의 것과 동일한 큰 곡률 반경으로 되므로, 모재(강재)와 용접 금속 사이의 선 형상의 모양이 보이지 않게 된다. 즉, 피닝 처리에 의해 용접 지단선을 제거할 수 있다.

2회째 이후의 피닝 처리에서는, 용접 지단선과 오버랩 자국을 제거할 수 없기 때문이다. 이것은, 2회째 이후의 피닝 처리에서 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경은, 1회째의 피닝 처리에서 형성된 타격 홈(4)의 곡률 반경(R₁)보다도 크기 때문에, 진동 단자의 선단부가, 용접 지단선과 오버랩 자국에 도달하기 어려운 것에 의한 것이다.

즉, 1회째의 피닝 처리는 용접 지단선과 오버랩 자국의 양쪽을 제거하는 기초 처리에 해당한다. 또한, 용접 지단선과 오버랩 자국의 제거는 육안 검사로 확인된다.

또한, R₁을 1 내지 2㎜의 범위로 하면, 오버랩 자국이 매우 얕게 된다. 따라서 타격 홈(4)이 형성된 단계에서, 이 오버랩 자국은 용접 지단부의 피로 수명에 영향을 미치지 않는 정도의 얕은 것으로 되어, 용이하게 오버랩 자국을 제거할 수 있다. 즉, R₁을 1 내지 2㎜의 범위로 하면, 1회째의 피닝 처리의 시간을 단축할 수 있기 때문이다.

따라서 R₁은 1 내지 2㎜의 범위로 하는 것이 바람직하다. R₁의 상한은, 1.8㎜로 하는 것이 바람직하고, 1.5㎜로 하는 것이 보다 바람직하다.

다음에, 2회째 이후의 피닝 처리에 대해 설명한다. 2회째 이후의 피닝 처리는, 도 1의 (d) 내지 (g)에 도시한 바와 같이, 1회째의 피닝 처리에서 사용한 진동 단자(1)보다도 직경이 큰 진동 단자(2)를 사용하여 행한다.

2회째 이후의 피닝 처리는, 1회째의 피닝 처리에서 형성된 타격 홈(4)을 더욱 피닝 처리하여, 도 1의 (g)에 도시한 타격 홈(5)을 형성한다. 그리고 타격 홈(5)의 곡률 반경이 4.0㎜ 이상으로 될 때까지, 도 1의 (d) 내지 (g)에서 도시한 공정을, 진동 단자(2)의 선단부 곡률 반경을 단계적으로 크게 하면서, 순서대로 반복한다.

다음에, 진동 단자(2)의 선단부 곡률 반경을, 어떻게 단계적으로 크게 해 가는지에 대해 설명한다. i회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 R_i, (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 R_{i ＋1}이라고 한다. 여기서, i는 자연수이다. 또한, i＝1일 때는, 1회째의 피닝 처리에서 사용하는 진동 단자(1)의 선단부 곡률 반경(R₁)으로 한다.

도 2는 피닝 처리에 의한 용접 지단부의 단면 형상의 변화를 도시하는 도면이다. 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 용접한 상태의 용접 지단부의 곡률 반경(ρ)은 작다. 여기서, 도 2의 (a)의 θ은 용접 지단부 각도이다.

1회째의 피닝 처리는, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, R₁이 1 내지 3㎜인 진동 단자(1)를 사용하여 타격 홈(4)을 형성한다. 상술한 바와 같이, 1회째의 피닝 처리는 용접 지단선 및 오버랩 자국이 제거될 때까지 행한다. 1회째의 피닝 처리가 종료했을 때, 타격 홈(4)의 양 옆에는 엣지부(3)가 발생하고 있다.

2회째 이후의 피닝 처리를 행할 때에는, 이들 엣지부(3)가 반드시 존재한다. 따라서 이들 엣지부(3)를 눌러 찌그러뜨리기 위해 2회째 이후의 피닝 처리를 행하는 경우에는, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 타격 홈(4)의 곡률 반경보다도 큰 선단부 곡률 반경을 갖는 진동 단자(2)를 사용할 필요가 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 진동 단자(2)는 엣지부(3)를 눌러 찌그러뜨려[도 2의 (c) 참조], 타격 홈(5)을 형성한다[도 2의 (d) 참조]. 그리고 눌러 찌그러진 엣지부(3)는, 타격 홈(5)으로 접혀져, 2개의 접힘 자국으로 된다. 이 2개의 접힘 자국은, 진동 단자(2)에 의한 피닝 처리의 초기 단계에서 발생한다.

즉, 2회째 이후의 피닝 처리를 행할 때에는, (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자(2)의 R_{i ＋1}은, i회째에 사용한 진동 단자의 R_i를 초과하는 것일 필요가 있다.

또한, i회째의 피닝 처리에서 사용하는 R_i의 진동 단자로 형성된 곡률 반경(R_i)의 타격 홈(4)의 양 옆에는, 2개의 엣지부(3)가 발생한다. 그리고 이 2개의 엣지부(3)는, (i＋1)회째의 피닝 처리에서 사용하는 R_{i ＋1}의 진동 단자로 눌러 찌그러지고, 눌러 찌그러진 2개의 엣지부는, 2개의 접힘 자국으로 된다.

이 2개의 접힘 자국은, (i＋1)회째의 피닝 처리의 초기 단계에서, 2개의 엣지부(3)가 눌러 찌그러져 발생하는 것이다. 이 2개의 접힘 자국을, (i＋1)회째의 피닝 처리를 계속해서 행하여 제거할 필요가 있다. 즉, 육안 검사에서 2개의 접힘 자국을 보이지 않게 할 필요가 있다. 왜냐하면, 이와 같은 2개의 접힘 자국은 용접 지단부의 피로 수명을 현저하게 저하시키기 때문이다.

도 4는 2개의 접힘 자국의 제거 메커니즘을 설명하는 도면이다. 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, (i＋1)회째의 피닝 처리의 초기 단계에서 눌러 찌그러진 엣지부(3)는, 용접 지단부로 접혀져, 용접 지단선 방향으로 2개의 선으로 되어 2개의 접힘 자국으로 된다.

이 2개의 접힘 자국은, (i＋1)회째의 피닝 처리를 계속해서 행함으로써, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 2개의 선이 서로 접근하여 1개의 선, 즉 1개의 접힘 자국으로 된다. 또한, 피닝 처리를 계속하면, 이 1개의 접힘 자국도 마침내 보이지 않게 되어 제거된다. 이 1개의 접힘 자국도 포함하는 모든 접힘 자국이 제거된 시점을, (i＋1)회째의 피닝 처리가 완료되는 기준으로 한다. 또한, 2개의 접힘 자국과 1개의 접힘 자국의 제거는, 육안 검사로 확인된다. 이때, 접힘 자국은 극히 얇은 막 형상으로 연장되어, 그것이 깨지고, 박리되어버린 상태로 되어 있다.

(i＋1)회째의 피닝 처리가 완료되었을 때에는, 용접 지단부에는 곡률 반경이 R_i＋1인 새로운 타격 홈(5)이 형성되어 있다. 그리고 이 새로운 타격 홈(5)의 양 옆에는, 새로운 2개의 엣지부(3)가 발생하고 있다.

새로운 타격 홈(5)의 곡률 반경(R_{i ＋1})이 4.0㎜ 이상이면, 새로운 엣지부(3)의 돌출량은, 용접 지단부의 피로 수명 저하에 영향을 미치지 않을 정도로 작다. 또한, 새로운 타격 홈(5)의 곡률 반경이 4.0㎜ 이상인 것은, 용접 조인트를 갖는 부재에 하중이 작용했을 때에, 용접 지단부에 응력 집중이 되지 않게 하는 관점에서도 바람직하다.

따라서 최종회의 피닝 처리는, R_{i ＋1}이 4.0㎜ 이상인 진동 단자를 사용하여 피닝 처리하고, 곡률 반경이 4.0㎜ 이상인 타격 홈(5)을 형성하는 것이 필요하다. 최종회의 피닝 처리는, R_{i ＋1}이 4.5㎜ 이상인 것이 바람직하고, 5.0㎜ 이상인 것이 보다 바람직하다.

또한, 최종회의 피닝 처리까지의 진동 단자를 변경하는 횟수, 즉 R_{i ＋1}이 4.0㎜ 이상으로 될 때까지의 변경 횟수는, 경제성의 관점에서 실용적으로는 3회 이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고 구조물에 따라, 용접 지단부의 곡률 반경(ρ)이 규정되지만, 본 발명의 다중 피닝 처리에 따르면, 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 단계적으로 크게 해나감으로써, 최종적인 용접 지단부의 곡률 반경을 4.0㎜ 이상의 임의의 크기로 할 수 있다.

다음에, 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 어떻게 크게 해 가는지에 대해, 도 5, 도 6을 참조하면서 설명한다.

도 5는 본 발명에 사용하는 진동 단자의 용접 지단선을 따르는 방향으로 수직한 방향의 단면 형상을 도시하는 도면이다.

도 5의 (a)는 i회째에 사용하는 진동 단자(2)의 선단부 형상을 도시하고, 도 5의 (b)는 (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자(2)의 선단부 형상을 도시한다. 또한, 1회째에 사용하는 진동 단자(1)의 선단부 형상은, 도 5의 (a)에 도시한 진동 단자(2)의 선단부 형상에 준거하고, 또한 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 3㎜로 한다.

도 6은 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i 및 R_{i ＋1})과, 접힘 자국을 제거할 때까지의 시간(T_i 및 T_{i ＋1})의 관계를, (R_{i ＋1}／R_i) 및 (T_{i ＋1}／T_i)로 정리한 도면이다.

도 6으로부터 명백해진 바와 같이, R_{i ＋1}／R_i의 비가 2배 이상일 때, T_{i ＋1}／T_i가 급격하게 커진다. 즉, (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})을, i회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i)의 2배보다도 크게 하면, (i＋1)회째의 피닝 처리에 필요로 하는 시간이 급격하게 길어진다.

이것은, R_{i ＋1}이 R_i의 2배를 초과하면, (i＋1)회째의 피닝 처리의 초기 단계에서 발생하는 2개의 접힘 자국이, 도 4의 (a)에서 도시한 2개의 선으로 되었을 때, 이 2개의 선이 깊어진다.

이 깊은 2개의 선에, 계속해서 피닝 처리를 행함으로써, 2개의 선이 서로 접근하고, 도 4의 (b)와 같이, 1개의 선으로 되고, 마침내 이 1개의 선도 제거되어 없어질 때까지, 장시간의 피닝 처리가 필요하기 때문이다.

따라서, R_{i ＋1}／R_i는 2 이하로 할 필요가 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 진동 단자는 단계적으로 크게 해 갈 필요가 있으므로, R_i＜R_{i ＋1}로 할 필요가 있다.

따라서,

[수학식 1]

i : 자연수

의 관계를 만족하는 것이 필요하다.

또한, R_{i ＋1}은 R_i의 1.2배 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 진동 단자의 곡률 반경을 크게 해 갈 때의 단계 수를 절감할 수 있어, 작업 효율이 좋기 때문이다.

다음에, 상기 수학식 1을 만족하는 피닝 처리를 행함으로써, 용접 지단부의 피로 수명이 어떻게 향상되는지에 대해 설명한다.

도 7은 R_i와 R_{i ＋1}의 비 (R_{i ＋1}／R_i)와, 용접 지단부의 피로 수명의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 7에 나타낸 용접 지단부의 피로 수명은, 다중 피닝 처리한 시험체를 기계 가공하여 폭 70㎜인 십자 시험체로 하고, 축력에 의한 피로 시험을 행한 결과를 산포도로 정리한 것이다. 피로 시험에 있어서의 응력 범위는 200㎫, 응력비는 0.05이다.

도 7로부터 명백해진 바와 같이, R_{i ＋1}／R_i가 2를 초과하는 경우에는, 돌발적으로 피로 수명이 짧은 것이 존재한다. 이것은, R_{i ＋1}／R_i가 2를 초과하는 경우에는 접힘 자국이 깊어져, 육안으로 제거된 것 같이 보여도, 피로 수명이 짧아지게 하는 유해한 접힘 자국이 박리되지 않고 잔존하는 것이 있기 때문이다.

다음에, 진동 단자의 선단부 곡률 반경 이외의 형상에 대해 설명한다(도 5 참조). 피닝 처리 효율을 높이기 위해, 진동 단자의 견부 곡률 반경(r_i, r_{i ＋1})을, r_i≤R_i, r_{i ＋1}≤R_{i ＋1}로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이 견부의 형상을 실현하기 쉽게 하기 위해, 진동 단자의 직경(d_i, d_i＋1)을, d_i／2≤r_i, d_{i ＋1}／2≤r_{i ＋1}로 하는 것이 바람직하다.

또한, 진동 단자(1, 2)의 축 방향에서 본 단면 형상은 원형이어도 되지만, 타원형이나 직사각형으로 하여 용접 지단선을 따른 방향으로 가늘고 긴 단면 형상으로 함으로써 진동 단자(1, 2)의 강도를 높일 수 있다.

실시예

다음에, 본 발명을 실시예에 의해 더 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이고, 본 발명은 이 일 조건예로 한정되는 것이 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

시험체는 판 두께 12㎜의 강판 SM490B(JIS G3106)를 용접하여 제작하여, 십자 용접 조인트로 한 것을 사용하였다. 용접은 YFW-C50DR(JIS Z3313 : 와이어 직경 1.4㎜), 또는 YGW-11(JIS Z3312 : 와이어 직경 1.4㎜) 와이어를 사용하고, 탄산 가스 반자동 용접(전압 35V, 전류 350A, 속도 3㎜／초, 가스 조성 CO₂ 100%)하였다. 시험체의 제작 조건을 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 시험체의 용접 지단부를 피닝 처리하여, 용접 지단부를 정형하였다. 피닝 처리는 초음파 피닝 처리와 햄머 피닝을 적절하게 선택하여 행하였다.

초음파 피닝 처리는 진동 단자를 갖는 초음파 충격 처리 장치를 사용하고, 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 적절하게 변경하여 행하였다. 진동 단자에 부여한 초음파는 진동수 : 27㎑, 일률 : 1㎾로 하였다.

햄머 피닝 처리는 최대 2400RPM의 리벳 햄머(에어 툴)의 선단에 설치하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경을 적절하게 변경하여 행하였다.

표 2에 피닝 처리 조건을 나타낸다. 표 2에 있어서의 d, R, r은 각각 진동 단자의 직경, 선단부 곡률 반경, 견부 곡률 반경을 나타낸다. 또한, d_i, d_{i ＋1}, R_i, R_i＋1, r_i, r_{i ＋1}의 i는 처리의 횟수를 나타내고, 1 이상의 자연수이다. 또한, 표 1 중 오버랩 자국과 2개의 접힘 자국의 제거는, 육안 검사에 의해 확인하였다.

이와 같이 하여 피닝 처리한 시험체를 피로 시험하여 평가하였다. 피로 시험은 피닝 처리한 시험체를 기계 가공하여 폭 70㎜인 십자 시험체로 하고, 축력에 의한 시험을 행하였다. 응력 범위는 150㎫, 응력비는 0.1로 하였다. 평가는 파단까지의 진폭 횟수를 측정하여 행하였다. 파단까지의 진폭 횟수가 250만회 이상을 양호라고 하였다. 평가 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 No.1 내지 7, 12, 15 내지 17, 19 내지 20, 22 내지 23의 발명예는, 본 발명의 피닝 처리 조건을 만족하고 있으므로, 오버랩 자국 및 접힘 자국이 잔존하고 있지 않아, 용접 지단부의 피로 수명을 향상시킬 수 있게 되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, No.22의 발명예는, 2회째의 피닝 처리에서 용접 지단부의 곡률 반경을 4.0㎜로 하고 있는 것으로부터, 가장 효율적으로 용접 지단부의 피로 수명을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

이에 대해, No.8 내지 10의 비교예는, R_{i ＋1}이 R_i의 2배를 초과하고 있으므로 접힘 자국이 발생하고, 그대로 시험체 중에 접힘 자국이 잔존하여, 그 결과 피로 수명이 향상되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

No.11, 13, 14, 18의 비교예는, 1회째의 피닝 처리에 사용한 진동 단자의 R₁이 3㎜를 초과하고 있는 것으로부터 오버랩 자국이 잔존하여, 그 결과 피로 수명이 향상되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

No.21의 비교예는, R₂＝2×R₁이지만, R₃＝2.5×R₂인 것으로부터, 3회째의 피닝 처리에서 접힘 자국이 발생하고, 그 상태로 시험체 중에 접힘 자국이 잔존하여, 그 결과 피로 수명이 향상되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

No.24, 25의 비교예는, 그라인더 처리이므로, 용접 지단부의 곡률 반경을 4.0㎜ 이상으로 하여 응력 집중은 완화할 수 있었지만, 압축 잔류 응력을 용접 지단부에 도입할 수 없어, 그 결과 피로 수명이 향상되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

No.26의 비교예는, 용접 지단부에 피닝 처리를 실시하지 않고, No.27의 비교예는, 피닝 처리 후의 용접 지단부의 곡률 반경이 4.0㎜ 미만이므로, 피로 수명을 향상시키지 않는 것을 확인할 수 있었다.

이들 실시예에 의해, 본 발명에 따르면, 용접 지단부에, 오버랩 자국 및 접힘 자국을 잔존시키는 일 없이, 용접 지단부의 곡률 반경을 크게 함으로써 응력 집중을 저감시킬 수 있어, 그 결과 용접 지단부의 피로 수명을 충분히 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상술한 바는, 본 발명의 실시 형태를 예시한 것에 지나지 않고, 본 발명은 청구의 범위의 기재 범위 내에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 다중 피닝 처리는 십자 조인트 이외에도, 코너 박싱 조인트, 랩 조인트 등에도 적용할 수 있다. 또한, 용접 방법에 대해서도, 탄산 가스 용접으로 한정되지 않고, 피복 아크 용접에서 용접된 조인트에도 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다중 피닝 처리를 행함으로써, 용접 지단부에 자국을 잔존시키는 일 없이 압축 잔류 응력을 도입할 수 있으므로, 피닝 처리 장치만으로 용접 지단부의 피로 수명을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 공업상, 이용 가치가 높은 것이다.

1 : 진동 단자(1회째의 피닝 처리에서 사용하는 진동 단자)
2 : 진동 단자(2회째 이후의 피닝 처리에서 사용하는 진동 단자)
3 : 엣지부
4 : 타격 홈(1회째의 피닝 처리에서 형성되는 타격 홈)
5 : 타격 홈(2회째 이후의 피닝 처리에서 형성되는 타격 홈)
d_i : i회째에 사용하는 진동 단자의 직경
d_{i ＋1} : (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 직경
R_i : i회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경
R_{i ＋1} : (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경
r_i : i회째에 사용하는 진동 단자의 견부 곡률 반경
r_{i ＋1} : (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자 견부의 곡률 반경

Claims (2)

1. 소정의 선단부 곡률 반경을 갖는 진동 단자를 사용하여 용접 지단부를 용접 지단선을 따라 타격 처리하는 피닝 처리를 복수회 반복하는, 용접 지단부의 다중 피닝 처리 방법이며,
   i회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_i)과, (i＋1)회째에 사용하는 진동 단자의 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})이, 하기 수학식 1을 만족하고,
   1회째의 피닝 처리는, 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 3㎜인 진동 단자를 사용하여, 용접 지단부에 곡률 반경이 R₁인 타격 홈을 형성하는 동시에, 상기 용접 지단선과, 상기 1회째의 피닝 처리에 의해 상기 곡률 반경이 R₁인 타격 홈 중에 발생하는 오버랩 자국을 제거할 때까지 행하고,
   2회째 이후의 피닝 처리는, 상기 선단부 곡률 반경(R_i)의 진동 단자를 사용하여, 용접 지단부에 곡률 반경이 R_i인 타격 홈을 형성하는 동시에, 상기 곡률 반경(R_i)의 타격 홈의 양 옆에 발생하는 엣지부가, (i＋1)회째의 피닝 처리에 의해 졉혀져 발생하는 접힘 자국을, 상기 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})의 진동 단자로 제거할 때까지 행하고,
   최종회의 피닝 처리는, 상기 선단부 곡률 반경(R_{i ＋1})이 4.0㎜ 이상인 진동 단자를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는, 다중 피닝 처리 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   여기서, i : 자연수
2. 제1항에 있어서, 상기 선단부 곡률 반경(R₁)이 1 내지 2㎜인 것을 특징으로 하는, 용접 지단부의 다중 피닝 방법.

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