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JWJ > Volume 39(2); 2021 > Article
용접부 수명향상을 위한 피닝기술 개발 동향 및 응용사례

Abstract

Welding processes in various industries such as shipbuilding, railroads, aircraft, and construction are inevitably accompanied by HAZ(Heat Affected Zone) deformation and metal structure changes around the toe of the welding bead. It is widely known that it is very weak in terms of structural strength because the tensile residual stress is introduced by welding, and the surface is also rough, causing the main cause of stress concentration to occur. It also becomes the damage initiation cite to the welded structure. Post-welding heat treatment, grinder, and TIG dressing methods were used to release residual stress and to eliminate defects in the welding part. Recently, various peening technologies using pulsed heat sources of laser, elastic vibration energy of ultrasonic waves, compressed air or cavitation have been developed and are being actively utilized as performance improvement and standardized safety technologies in the field. The local peening process on the surface of the welded part and the welded heat-affected part is not only easily portable by various technical methods, but is also being applied to robots or hybrid-3D printing technology. Therefore, in this technical paper, the technical analysis of the various advanced peening technologies that are currently being utilized and the device development trend are evaluated. The portable ultrasonic peening equipment was developed and the recently applied technologies that are newly grafted to improve mechanical properties are introduced.

1. 서 론

조선·해양, 철도, 항공, 자동차, 건설업계 등 전반적인 산업에서 필수적인 용접 공정은 용접 지단부(Toe) 주변으로 열영향부 변형, 금속조직 물성 변화가 필연적으로 동반될 뿐 아니라 용접에 의한 인장 잔류응력이 작용하므로 구조 강도 측면에서 매우 취약하며, 지단부의 노치와 표면 또한 거칠어져 응력 집중의 주요인이 발생하여 용접구조물 파손의 시작 부위가 되는 것으로 많이 알려져 있다. 기존에는 용접부의 잔류응력과 결함을 제거하려는 방안으로 용접 후 열처리(Post Welding Heat Treatment)나 그라인더(Grinder), 티그드레싱(TIG Dressing) 등을 하였으나 공정상 표준화와 효과 측면에서 미비하여 대체기술을 요구하고 있는 상황이다. 이러한 대체기술로서 오래전부터 선진국에서는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 레이저의 펄스 열원이나, 초음파의 탄성 진동에너지, 압축공기나 캐비테이션 등을 이용한 피닝 응용기술들이 개발되어 현장에서 용접부 건전성 향상을 위한 표면 처리기술로 활용되고 있다. 이와 더불어 다양한 관련 산업의 운영 처는 핵심 용접부품 발주 시 용접부의 인장잔류응력 제거 방안, 수명향상에 대한 대책을 요구하고 있다. 이러한 요구사항에 맞추어 용접부 및 용접 열영향부의 표면에 국부적인 피닝 공정이 다양한 적용기술들로 개발되어 현장에서 성능향상과 표준화 안전기술로 적극적으로 활용되고 있을 뿐 아니라 최근에는 공장형 로봇이나 웨어 로봇 기술에도 적용 개발 중이다1,2). 이처럼 용접 지단부 주위를 다양한 피닝 기술로 그루브(Groove)형성과 거친 용접표면을 매끄럽게 하여 응력 집중 완화가 될 뿐 아니라 소성변형을 유발하여 인장 잔류응력을 압축 잔류응력으로 변화시키고 금속조직을 미세하게 하여 용접부 강도를 향상 시키는 기술을 기반으로 해외에서는 항공, 철도, 자동차, 조선, 교량, 중공업 등 용접구조물 제작 후 용접부에 피닝 처리가 필수공정으로 표준화 되고 있는 상황이다. 이러한 시점에서 국내의 경우도 수많은 제작사가 피닝 기술의 효과와 필요성에 대해서는 주지하고 있는 사실이지만, 표준화된 피닝 절차, 고가의 공정 장비구매비용, 효과 등에 관한 기반연구와 검증이 부족하여 현재까지 현장공정에 적극적으로 적용되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 기술논문에서는 현재 수입되고 있는 다양한 선진 피닝 기술에 대한 핵심기술 평가와 장치개발 동향을 분석하고 국내 자체적으로 개발 진보된 휴대용 초음파 피닝 장비 소개뿐만 아니라 장비의 내구성과 최적공정을 위한 측정기술, 실시간 모니터링과 피닝 효과의 극대화를 위한 복합 응용 기술들을 제시하고자 한다.
Fig. 1
Mechanical surface treatment techniques
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2. 피닝 기술개발 분석

2.1 Fine or Micro Shot Peening (FSP or MSP)

마이크로 샷 피닝(FSP or MSP) 기술은 40∼200㎛의 다양하고 특수한 비드를 금속표면에 고속으로 분사시켜 압축잔류응력을 부가시키는 동시에 표면의 결정립이 미세화 되어 마모 및 피로저항 뿐만아니라 표면의 텍스쳐로 인한 오일 함유 효과가 극대화되어 마찰특성이 크게 향상 되는 기술로써 전통적인 일본과 유럽에서 각각 개발 응용되어 현재 일본의 (주)不利 WPC 사는 거의 모든 자동차 내연기관 핵심부품들에 활발히 적용 진행하고 있다3). Fig. 2는 마이크로 샷 피닝 기술의 효과와 간단한 장치, 자동차 내연기관 부품에 적용되는 사진을 보여주고 있다. 학술적으로는 티타늄 합금에 대한 소성변형 정도에 따른 압축 잔류응력 분포가 고주기피로의 영향에 관한 연구가 독일의 T. Ludian 연구팀 외에 다양한 분야에서 정립 및 발표되고 있다4).
Fig. 2
Effect overview and application of Micro Shot Peening
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2.2 Laser Shock Peening (LSP)

레이저 쇼크 피닝(LSP) 기술은 레이저의 순간 조사 시 발생하는 고압의 플라즈마에 의해 금속표면에 충격파가 발생하여 금속 내부에 압축잔류응력이 생성된다. 생성된 압축잔류응력은 금속의 기계적 성질에 영향을 미치게 되며 특히 강도, 마모저항성, 부식저항성 및 피로수명을 향상시켜 고성능을 요구하는 중요한 분야에 사용되고 있는 기술이다. LSP 기술은 80년대 말에 개발된 특허기술로서 항공기나 발전분야 터빈 등에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 압축잔류응력의 크기나 깊이에서 가장 우수한 효과를 얻고 있으나 표면층의 열 변형으로 추가가공이 필요한 단점과 고가의 장비 설치에 어려움을 갖고 있다5). Fig. 3에 기본적인 레이저 쇼크 발생기구와 항공기 터빈 블레이드에 적용되는 모습을 보여주고 있으며, M. Morales 연구팀에서는 LSP의 최적화 기준과 실용적인 평가를 위한 잔류응력 분포를 연구하고 있다6).
Fig. 3
Illustration and appearance of LSP
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2.3 Ultrasonic Shot & Needle Peening (USP & UNP)

초음파 샷, 니들 피닝(USP & UNP) 기술은 초음파의 공진진동판에 볼이나 핀이 접촉될 시 반발력을 이용한 기술로서 일반적인 샷 피닝과는 다르게 적용부위를 선택적으로 전용장치화하여 표면 압축잔류응력과 결정립을 미세 화할 수 있는 기술로써 90년대 후반부터 항공과 원자력 분야에 적용하기 위해 프랑스 SONATA 사에서 개발 상용화되고 있다. Fig. 4는 초음파의 공진 진동을 이용하여 볼이 탄성진동의 반발력으로 피닝 효과에 대한 기본 구조와 축과 블레이드의 휠 장착부에 적용되는 장치를 보여주고 있으며, Fig. 5는 휴대용 니들(Potable Needle Type) 피닝 또는 핀 포밍(Peen Forming)으로 항공기 본체나 랜딩기어, 철도레일 용접부에 적용하는 모습을 보여주고 있다7).
Fig. 4
Illustration and appearance of USP (Ball type)
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Fig. 5
Application of UNP (Needle type)
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또한, 학술적으로 K. Lu 연구팀은 본 기술을 SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment)로 명명하여 다양한 결정구조를 갖는 소재들에 대해 표면의 결정립을 미세화 하는 연구를 통해 극소성변형 구조를 이론적으로도 규명하고 있을 뿐 아니라 표면의 경도 향상 및 온도 안정성에 관해서 연구를 활발히 수행하고 있다8-10).

2.4 Pneumatic Impact Treatment (PIT)

압축공기 충격 처리(PIT) 기술은 압축공기로 피스톤의 왕복운동을 이용한 HFMI(High Frequency Mechanical Impact) 방법으로 주파수는 80~120Hz, 에어 압력은 4~7bar를 사용하며, 초음파피닝의 고정된 수십 kHz 주파수와는 달리 피닝 대상에 따라 주파수를 선택하여 활용할 수 있으며, Fig. 6은 기본적인 장치의 단면구조와 용접 지단부 적용 장면을 보여주고 있다11).
Fig. 6
Illustration and appearance of PIT
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2.5 Ultrasonic Impact Treatment (UIT)

초음파 충격 처리(UIT) 기술은 샷 피닝, 해머 피닝, 니들 피닝의 후속 기술로 초음파 변환기는 일반적으로 20-30kHz의 고정된 고주파수로 공진 팁(Tip)을 다양하게 설계하여 기계적 진동을 유발한다. 이러한 팁은 용접부의 응력집중부인 지단부 영역만 처리하는 것으로 용접 지단 부를 따라 소위 “그루브”로 생성되는 효과는 용접부 피로수명 향상에 큰 효과가 있을 뿐 아니라 처리 속도를 높일 수 있고 품질 관리도 쉽게 수행할 수 있도록 하였다. UIT 기술은 1970~80년대 구소련에서 잠수함의 용접 부를 강화하기 위해 개발되어 현재는 교량, 항공, 중공업, 철도 등 다양한 분야에서 용접부의 피로 강도 향상을 위해 사용되고 있다. Fig. 7은 현장에서 적용되는 UIT 장비와 용접부 표면처리 장면을 보여주고 있다12-14).
Fig. 7
Field application photos of UIT
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2.6 Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modi-fication (UNSM)

초음파나노표면개질(UNSM) 기술은 20kHz의 압전소자(PZT)를 이용하여 전기적 에너지를 기계적 진동에너지로 변환시켜 탄성 진동파 전달 및 증폭시킨 초음파 진동에너지를 최종 고정된 볼(Ball)이나 핀 팁(Pin Tip)을 통해 금속표면에 단위면적당 1,000∼4,000/ mm2 정도 타격을 가하여 극심한 소성변형을 발생시킴으로써 압축 잔류응력을 부여하는 기술이다. 이때 극심한 소성변형을 통해 표층부의 결정립이 미세화 되어 금속표면강화 효과가 있다. UNSM 기술은 UIT의 휴대용 유형과 달리 일정한 정적하중에 추가로 초음파 동적 진동(Amplitude)을 일정하게 부가하는 기술로서 국내에서 주로 공업용 나이프나 베어링표면에 적용되고 있으며, 기본적인 가공기구는 Fig. 8과 같이 CNC 공작기계(선반, 머시닝센터)에 부착하거나 전용기를 제작하여 정밀 기계요소 부품들의 환형물, 평면형상물의 표면을 일정한 제어로 가공할 수 있다15-17).
Fig. 8
Schematic and setup scene of UNSM equipment
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2.7 Cavitation Shotless Peening(CSP)

캐비테이션 쇼트리스 피닝(CSP) 기술은 기존의 피닝 기술과는 달리 충격에너지를 전달하는 비드, 볼 핀 등을 사용하지 않는 기술로 주로 Fig. 9와 같이 워터 젯(Water Jet)을 이용하여 캐비테이션을 발생시키고, 이때 발생하는 고압의 에너지로 압축 잔류응력을 제품표면에 부가시킨다. 물을 이용하므로 유지비 절감뿐만 아니라 오염 및 분진이 없는 청정기술로써 일본에서 최근에 개발되고 있는 기술이다. CSP기술은 최근 일본의 D.Y. Ju 연구팀에서 공정별 압축 잔류응력 분포와 충격파(Impact Wave)에 의한 금속전위와 관련된 강화 구조를 설명하고 있다18).
Fig. 9
Illustration and appearance of CSP
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이와 같이 다양한 피닝 기술들에 대한 대표적인 에너지원과 표면 압축 잔류응력 부가와 결정립 미세화를 위한 연구결과 자료를 참고하여 정량적으로 비교 정리하면 Table 1과 같다. 이러한 피닝 기술들 중 용접부 처리를 위한 UIP, USP 기술은 현장 활용도 차원에서 휴대용 (portable type)으로 추가 개발된 큰 장점이 있지만, 수작업으로 인한 일정(uniform)한 기술적인 효과의 한계와 작업자의 피로 도를 무시할 수 없으며, SP, LSP, CSP와는 달리 복잡한 형상에는 구애를 받는 단점이 있다. 피닝 기술들은 각각의 적용 분야에 있어 각기 다른 장단점을 갖고 있다. 하지만 무엇보다 중요한 점은 적용하고자 하는 요소 부품, 적용환경에 최적의 장치 및 기술을 맞춤형으로 개발하여 응용하는 것이다. 용접부 안전과 수명 향상을 위하여 피닝 기술을 적극적으로 현장에서 적용하기 위해서는 고가의 해외 장비의 국산화와 장비의 내구성능 향상, 그리고 표준화된 피닝 절차서를 구축하는 것이 필요하다. 이러한 해결방안으로 피닝 처리시 실시간 모니터링 할 수 있는 기술들과 처리전후 장비와 효과에 대한 검증을 할 수 있는 측정기술들도 동시에 개발되어야만 피닝 기술을 안정적으로 현장에서 활용할 수 있는 해결책으로 판단된다.
Table 1
Consequences of various peening technologies on mechanical properties19)
Peening method Energy source Main process Grain structure in surface layerDav(nm) Residual stress[MPa], depth[mm] Refs.
SP, MSP Ball & powder injection 0.36mm - -760, 0.18 4)
LSP Laser pulse 25ns - -500, 1.00 6)
USP (Potable) Ultrasonic dynamic load 3mm STS ball, 20kHz~30kHz 20 (AISI316L) -950, 0.70 (AISI316L) 8)
UIP (Potable) Ultrasonic dynamic load 5mm, HSS Tip, 20kHz~30kHz 20~30 (AISI321) -700. 0.50 (AISI321) 12)
UNSM Static load + ultrasonic dynamic load 2.3mm, WC Tip, 20kHz 20 (AISI304) -1150, 0.70 (Ti-6Al-4V) 15)
CSP Cavitation jet in air p1=30MPa - -600, 0.15 (AISI316L) 18)

3. 개발 추진 및 적용 분야

3.1 진보된 피닝 및 측정 기술개발

용접부 활용 휴대용 피닝기술 개발에서 가장 중요한 것은 발진 장치와 액추에이터 진동자의 내구성으로 용접부 피닝 시 반발력 부하 량에 자동조정기능으로 조절할 수 있어야 하며, 휴대가 편이한 취부 장치와 팁 장착 설계기술이 중요하다. 또한, 공진 혼과 팁의 수명을 향상하기 위한 요소 기술들이 확보되어 있어야 한다. Fig. 10은 자체적으로 개발된 두 가지 액추에이터 유형으로 압전 세라믹(PZT)의 20kHz와 1~2.5kHz 자기변형 소자(Terfenol-D)를 각각 용도에 맞게 설계된 장치를 보여주고 있다. 진보된 핵심 기술 중 하나는 액추에이터의 기계적 진동과 함께 작업자의 수작업으로 인한 일정한 정적하중 제어를 위하여 하중 센서를 손잡이 부에 삽입하여 설정된 하중 값에서 발진이 될 수 있도록 설계되어 있으며, 작업 핀의 탈착과 교환을 쉽게 할 수 있도록 설계하였다. 또한, 용접부 최적 피닝 공정을 위해서는 현장작업이 시작되거나 끝났을 때 공진주파수 확인과 팁 끝단의 최대 진폭값이 수치상으로 확인되어 장비의 내구성을 확보하여야 한다. 이를 위한 방안으로 개발 적용 완료된 휴대용 비접촉 광센서를 이용한 주파수와 변위 측정 장비를 Fig. 11에서 보여주고 있다. 추가적으로 개발되어야할 기술로는 피닝처리후 효과에 대한 검증방법으로 잔류응력을 측정하는 방법이 있다. 이러한 개발의 중요한 요구사항 중 하나가 정확하면서도 현장에서 비파괴적인 방법으로 손쉽게 잔류응력을 평가할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있는 상황이다. 전통적인 잔류응력 측정 방법으로는 절단법(Sectioning)과 홀-드릴링(Hole-Drilling) 방법이 있으며, 비파괴적인 방법으로는 X-선 회절법(X-ray Diffraction), 중성자 회절법(Neutron Diffraction), 바크하우젠법(BN), 초음파(Ultrasonic) 측정분석 기법 등이 있다. 또한 최근에는 계장화 압입시험 측정법을 통해 잔류응력을 측정할 수 있는 기법도 개발되어 활용되고 있다. 이와 같이 다양한 잔류응력 측정기술 중 현장에서 존재하는 잔류 응력을 측정하기 위하여 측정 대상 체에 전혀 손상을 미치지 않고 정확하고 신속하게 잔류응력을 측정할 수 있는 방법 중 하나가 초음파 음향속도를 이용한 측정방법이라 할 수 있다20). 이와 더불어 차후에는 용접부 피닝 처리시 비접촉 비전 시스템과 음향 기술을 도입하여 실시간 모니터링 기술개발을 추진하고자 하며, 용접 후 피닝 효과의 극대화를 위한 방안으로 휴대용 할로겐램프를 활용하여 국부 예열시스템을 복합적으로 개발하고자 한다.
Fig. 10
New design of peening equipments
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Fig. 11
Ultrasonic displacement measurement equipment and program
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3.2 웨어러블 로봇 및 자동화장비 응용

Fig. 12은 최근 활발하게 개발되고 있는 웨어러블 로봇과 공장자동화 로봇으로 정밀하고 중요한 부품에는 다양한 피닝 장비에 대한 최적 장착기술이 개발되어 휴대용 피닝 장비의 단점인 일정한 타격에너지와 작업자의 피로 도를 대안 할 수 있는 기술로서 피닝 장치 정적하중 값과 동적 하중 진동 값을 자동제어하고 실시간 모니터링할 수 있는 스마트 공장 기술들이 복합적으로 추진될 것으로 판단된다.
Fig. 12
Examples of photos applied to wearable and automated robots7)
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3.3 하이브리드 3D 프린팅 적용기술

최근에는 금속 3D 프린팅 기술에서 내부응력을 제거하여 생산제품의 품질을 개선하는 보조 공정을 추가하는 하이브리드 방식이 추진되고 있다. 금속 3D 프린팅으로 제작된 부품은 적층 과정에서 내부 기공이나 응력분포가 불균일한 단점을 해소하기 위해 3D 프린팅 후 보조 공정으로 계층마다 동시에 피닝 공정을 추가함으로써, 내부 기공이나 잔류응력을 완화하고 내피로성, 내마모성 등을 향상 시키는 것으로 연구가 이루어지고 있다. Fig. 13는 기본적인 하이브리드 3D 프린팅 기술 개괄도로서 레이저 피닝, 초음파 피닝이 적층계층마다 가공경화를 부가하여 기계적 특성을 향상시키는 효과를 볼 수 있다. 이와 같이 다양한 복합공정을 통하여 각 공정별로 장점을 극대화하는 기술이 개발되고 있을 뿐 아니라 공정 표준 규격화를 위한 측정 및 실시간 모니터링 기술들도 함께 개발 발전 중에 있다21).
Fig. 13
Illustration of hybrid-AM using LSP, UP21)
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4. 결 론

본 논문에서는 다양한 선진 피닝 기술에 대한 분석과 동향을 평가하고 용접부강도 향상을 위하여 새롭게 개발 적용 되고 있는 휴대용 피닝 장비와 측정기술, 차세대 복합 응용 기술들을 소개하고자 하였으며, 피닝 기술의 적극적인 현장 활성화에 중요한 방안을 정리하면 다음과 같다.
  • 1) 선진국에서는 레이저의 펄스 열원이나, 초음파의 탄성 진동에너지, 압축공기나 캐비테이션 등을 이용한 다양한 피닝 적용기술들이 개발되어 현장에서 성능향상과 표준화 안전기술로 적극적으로 활용되고 있는 것으로 분석되었다.

  • 2) 용접부 건전성 향상을 위한 휴대용 피닝기술 개발에서 현장 활성화를 위한 방안으로 첫째, 선진국 고가의 공정장비 비용을 국산화를 통하여 진보된 휴대용 피닝 장비가 필요하다. 둘째, 장비의 내구성 및 효과 검증을 위하여 휴대용 측정 장비가 구축되어 있어야 한다. 셋째, 사용자에 대한 쉬운 기술 이해도와 숙련도를 위해서 장비의 보수와 교육지원 시스템이 수월하여야 한다.

  • 3) 선진국을 선도할 수 있는 차별된 기술로 용접부 피닝 처리시 비접촉 비전 시스템과 음향기술을 도입하여 실시간 모니터링 할 수 있는 기술개발의 필요성을 제시하였으며, 추후 웨어러블 로봇이나 공장자동화 로봇으로 정밀하고 중요한 부품에는 피닝 장비에 대한 최적 장착기술이 개발되어 일정한 타격에너지와 작업자의 피로 도를 대안 할 수 있는 기술로서 스마트 자동화 공장기술들이 복합적으로 접목 추진되어 용접·접합 분야의 산업발전에 크게 이바지가 될 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국철도기술연구원의 중소기업 협력사업과 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다. 또한, 고등기술연구원의 적극적인 기술지원 및 활성화를 위한 협력에 진심으로 감사드립니다.

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