용접 후 롤러 체인의 잔류 응력을 줄이는 방법

용접 후 롤러 체인의 잔류 응력을 줄이는 방법
롤러 체인의 생산 및 제조 공정에서 용접은 핵심 공정입니다. 그러나 용접 후 롤러 체인에는 종종 잔류 응력이 발생합니다. 이를 줄이기 위한 효과적인 조치를 취하지 않으면 품질과 성능에 여러 가지 악영향을 미칠 수 있습니다.롤러 체인롤러 체인 용접부의 잔류 응력은 피로 강도를 저하시키고, 변형이나 심지어 파손을 유발하여 다양한 기계 장비에서 롤러 체인의 정상적인 사용과 수명에 영향을 미칩니다. 따라서 롤러 체인 용접부의 잔류 응력을 줄이는 방법을 심도 있게 연구하고 숙달하는 것이 매우 중요합니다.

1. 잔류응력의 원인
용접 과정에서 롤러 체인의 용접 부위는 불균일한 가열 및 냉각을 겪게 됩니다. 용접 중에는 용접 부위와 주변 부위의 온도가 급격히 상승하고 금속 재료가 팽창합니다. 냉각 과정에서는 이러한 부위의 금속 수축이 주변의 가열되지 않은 금속에 의해 제한되어 용접 잔류 응력이 발생합니다.
용접 중 구속 조건은 잔류 응력의 크기와 분포에도 영향을 미칩니다. 용접 중 롤러 체인의 구속이 심한 경우, 즉 고정 또는 변형 제한 정도가 큰 경우, 용접 후 냉각 과정에서 자유로운 수축이 불가능하여 발생하는 잔류 응력 또한 그에 따라 증가합니다.
금속 재료 자체의 특성 또한 무시할 수 없습니다. 재료마다 열적, 물리적, 기계적 특성이 다르기 때문에 용접 시 열팽창, 수축, 항복강도가 달라지고, 이는 잔류응력 발생에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 일부 고강도 합금강은 항복강도가 높아 용접 시 큰 잔류응력이 발생하기 쉽습니다.

2. 롤러 체인 용접 시 잔류 응력을 줄이는 방법

(I) 용접 공정 최적화

용접 순서를 합리적으로 정하십시오. 롤러 체인 용접 시에는 수축률이 큰 용접부를 먼저 용접하고, 수축률이 작은 용접부를 나중에 용접해야 합니다. 이렇게 하면 용접 중 용접부가 더 자유롭게 수축할 수 있어, 수축 제한으로 인한 잔류 응력을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 롤러 체인의 내판과 외판을 용접할 때는 내판을 먼저 용접하고, 냉각된 후 외판을 용접하면 내판의 수축 시 외판에 의한 제한을 최소화할 수 있습니다.

적절한 용접 방법과 매개변수를 사용하십시오. 용접 방법에 따라 롤러 체인에 발생하는 잔류 응력이 다릅니다. 예를 들어, 가스 차폐 용접은 아크 열이 집중되고 열 효율이 높아 기존 용접 방법에 비해 열영향부를 어느 정도 줄여 잔류 응력을 감소시킬 수 있습니다. 동시에 용접 전류, 전압, 용접 속도와 같은 매개변수를 적절하게 선택하는 것도 중요합니다. 용접 전류가 과도하면 용접 침투 깊이가 과도해지고 열 입력이 과다해져 용접 부위가 과열되고 잔류 응력이 증가합니다. 반면 적절한 용접 매개변수를 사용하면 용접 공정이 안정화되고 용접 결함이 줄어들어 잔류 응력을 감소시킬 수 있습니다.
층간 온도 제어: 롤러 체인을 다층 및 다패스 용접할 때, 층간 온도 제어는 잔류 응력을 줄이는 효과적인 방법입니다. 적절한 층간 온도는 용접 과정 동안 용접부와 열영향부의 금속이 양호한 가소성을 유지하도록 하여 용접부의 수축과 응력 해소에 도움이 됩니다. 일반적으로 층간 온도는 롤러 체인에 사용되는 재료의 특성과 용접 공정 요구 사항에 따라 결정되어야 하며, 용접 과정 중 온도를 측정하고 제어하여 층간 온도가 적절한 범위 내에 있도록 해야 합니다.
(II) 적절한 용접 예열 및 후열 조치를 채택한다.
예열: 롤러 체인 용접 전에 용접부를 예열하면 용접 잔류 응력을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 예열은 용접부의 온도 차이를 줄이고 용접 중 용접부의 온도 분포를 더욱 균일하게 하여 온도 구배로 인한 열 응력을 감소시킵니다. 또한, 예열은 용접부의 초기 온도를 높여 용접 금속과 모재 사이의 온도 차이를 줄이고 용접부의 성능을 향상시키며 용접 결함 발생을 감소시켜 잔류 응력을 줄입니다. 예열 온도는 롤러 체인 재료의 구성, 두께, 용접 방법 및 주변 온도 등을 고려하여 결정해야 합니다.
후열처리: 용접 후 후열처리, 즉 탈수소 처리는 롤러 체인 용접부의 잔류 응력을 줄이는 중요한 방법 중 하나입니다. 후열처리는 일반적으로 용접 완료 직후 용접부를 약 250~350℃까지 가열한 후 일정 온도로 냉각하고, 일정 시간 동안 보온한 후 서서히 냉각하는 과정입니다. 후열처리의 주요 기능은 용접부 및 열영향부에서 수소 원자의 확산 및 방출을 촉진하여 용접부의 수소 함량을 감소시키고, 수소 유발 응력 부식 균열 발생 가능성을 줄이는 것입니다. 또한 용접 잔류 응력을 완화하는 데에도 도움이 됩니다. 후열처리는 특히 고강도 강재 및 후벽 롤러 체인의 용접에 중요합니다.
(III) 용접 후 열처리 실시
전체 고온 템퍼링: 롤러 체인 전체를 가열로에 넣고 약 600~700℃까지 천천히 가열한 후 일정 시간 동안 온도를 유지하고, 가열로와 함께 실온까지 냉각합니다. 이 전체 고온 템퍼링 처리는 롤러 체인의 잔류 응력을 효과적으로 제거할 수 있으며, 일반적으로 80~90%의 잔류 응력을 제거할 수 있습니다. 고온 템퍼링의 온도와 시간은 롤러 체인의 재질, 크기, 성능 요구 사항 등의 요소를 고려하여 정밀하게 제어해야 열처리 효과와 품질을 보장할 수 있습니다. 그러나 전체 고온 템퍼링 처리는 대형 열처리 장비가 필요하고 처리 비용이 상대적으로 높지만, 잔류 응력에 대한 요구 사항이 엄격한 일부 롤러 체인 제품에는 잔류 응력을 제거하는 이상적인 방법입니다.
국부 고온 템퍼링: 롤러 체인의 크기가 크거나 형상이 복잡하여 전체 고온 템퍼링이 어려운 경우, 국부 고온 템퍼링을 사용할 수 있습니다. 국부 고온 템퍼링은 롤러 체인의 용접 부위와 그 주변의 국부적인 영역만 가열하여 해당 영역의 잔류 응력을 제거하는 방식입니다. 전체 고온 템퍼링에 비해 장비 요구 사항과 가공 비용이 상대적으로 낮지만, 잔류 응력 제거 효과는 전체 고온 템퍼링만큼 완벽하지는 않습니다. 국부 고온 템퍼링을 수행할 때는 가열 영역의 균일성과 가열 온도 제어에 주의를 기울여야 하며, 국부적인 과열이나 온도 불균일로 인한 새로운 응력 집중이나 기타 품질 문제를 방지해야 합니다.
(IV) 기계적 스트레칭 방법
기계적 인장법은 용접 후 롤러 체인에 인장력을 가하여 소성 변형을 유발함으로써 용접 과정에서 발생한 압축 잔류 변형을 상쇄하고 잔류 응력을 감소시키는 방법입니다. 실제 작업에서는 특수 인장 장비를 사용하여 롤러 체인의 규격 및 성능 요구 사항에 따라 적절한 인장력과 인장 속도를 설정하여 롤러 체인을 균일하게 인장할 수 있습니다. 이 방법은 정밀한 치수 제어와 잔류 응력 제거가 요구되는 일부 롤러 체인 제품에 효과적이지만, 해당 인장 장비와 전문 작업자가 필요하며 생산 현장 및 공정 조건에 대한 특정 요구 사항이 있습니다.
(V) 온도차 스트레칭 방법
온도차 인장법의 기본 원리는 국부적인 가열로 발생한 온도차를 이용하여 용접 부위에 인장 변형을 일으켜 잔류 응력을 감소시키는 것입니다. 구체적인 방법은 산소-아세틸렌 토치를 사용하여 롤러 체인 용접부의 양쪽을 가열하고, 동시에 토치 뒤쪽 일정 거리에 구멍이 뚫린 수도관을 통해 물을 분사하여 냉각하는 것입니다. 이렇게 하면 용접부 양쪽에 고온 영역이 형성되고 용접 부위 자체는 저온을 유지하게 됩니다. 양쪽의 금속은 열에 의해 팽창하면서 저온 용접 부위를 늘려 용접 잔류 응력을 제거하는 효과를 얻습니다. 온도차 인장법 장비는 비교적 간단하고 조작이 용이하여 건설 현장이나 생산 현장에 유연하게 적용할 수 있지만, 잔류 응력 제거 효과는 가열 온도, 냉각 속도, 물 분사 거리 등의 변수에 크게 영향을 받으므로 실제 상황에 따라 정확하게 제어하고 조정해야 합니다.
(VI) 진동 노화 처리
진동 시효 처리는 진동의 기계적 에너지를 이용하여 롤러 체인을 공진시켜 공작물 내부의 잔류 응력을 균일화하고 감소시키는 공정입니다. 롤러 체인을 특수 진동 시효 장비에 장착하고, 가진기의 주파수와 진폭을 조정하여 일정 시간 동안 롤러 체인이 공진하도록 합니다. 공진 과정에서 롤러 체인 내부의 금속 입자들이 미끄러지고 재배열되면서 미세 구조가 개선되고 잔류 응력이 점차 감소합니다. 진동 시효 처리는 장비가 간단하고, 처리 시간이 짧으며, 비용이 저렴하고, 효율이 높으며, 롤러 체인의 표면 품질에 영향을 미치지 않는다는 장점이 있어 롤러 체인 생산에 널리 사용되고 있습니다. 일반적으로 진동 시효 처리는 롤러 체인 용접부의 잔류 응력을 약 30%~50% 정도 제거할 수 있습니다. 특히 높은 잔류 응력이 요구되지 않는 롤러 체인 제품의 경우, 진동 시효 처리는 잔류 응력을 제거하는 경제적이고 효과적인 방법입니다.
(VII) 망치질 방법
해머링 공법은 용접 잔류 응력을 줄이는 간단하고 흔히 사용되는 방법입니다. 롤러 체인 용접 후, 용접 온도가 100~150℃ 또는 400℃ 이상일 때 작은 망치로 용접 부위와 인접 부위를 고르게 두드려 금속에 국부적인 소성 변형을 일으켜 잔류 응력을 감소시킵니다. 단, 해머링 과정에서 200~300℃의 온도 범위에서는 금속이 취성 상태이므로 용접 부위에 균열이 발생할 수 있으므로 이 온도 범위에서는 해머링을 피해야 합니다. 또한, 해머링의 강도와 빈도는 롤러 체인의 두께, 용접 부위의 크기 등의 요소를 고려하여 적절하게 조절해야 해머링 효과와 품질을 확보할 수 있습니다. 해머링 공법은 일반적으로 작고 단순한 롤러 체인 용접부에 적합합니다. 크거나 복잡한 롤러 체인 용접부의 경우, 해머링 공법의 효과가 제한적일 수 있으므로 다른 공법과 병행하여 사용해야 합니다.

3. 적합한 잔류응력 저감 방법을 선택하는 방법
실제 생산 과정에서는 롤러 체인의 다양한 상황과 요구 사항에 따라 잔류 응력 저감 방법의 장단점, 적용 범위, 비용 등을 종합적으로 고려하여 적합한 처리 방법을 선택해야 합니다. 예를 들어, 고정밀, 고강도, 후벽 롤러 체인의 경우 전체 고온 템퍼링이 최적의 선택일 수 있습니다. 반면, 대량 생산되거나 형상이 단순한 롤러 체인의 경우 진동 시효 처리 또는 해머링 방법을 통해 생산 비용을 절감하고 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 잔류 응력 저감 방법을 선택할 때는 롤러 체인의 사용 환경과 작업 조건을 충분히 고려하여 실제 사용 환경에서 롤러 체인의 성능 요구 사항과 품질 기준을 충족할 수 있도록 해야 합니다.
4. 롤러 체인의 품질 및 성능 향상에 있어 잔류 응력 감소의 역할
용접 잔류 응력을 줄이면 롤러 체인의 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 롤러 체인의 잔류 인장 응력이 감소하거나 제거되면 작동 중 실제로 받는 응력 수준이 그에 따라 감소하여 피로 균열의 발생 및 확장에 의한 파손 위험이 줄어들고 롤러 체인의 수명이 연장됩니다.
잔류 응력을 줄이면 롤러 체인의 치수 안정성과 형상 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 과도한 잔류 응력은 사용 중 롤러 체인의 변형을 유발하여 스프로킷 및 기타 부품과의 맞물림 정확도를 떨어뜨리고, 결과적으로 기계 장비의 정상적인 작동을 저해할 수 있습니다. 잔류 응력을 줄임으로써 롤러 체인은 사용 중에도 우수한 치수 안정성과 형상 정확도를 유지할 수 있으며, 동력 전달의 신뢰성과 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
이는 부식 환경에서 롤러 체인의 응력 부식 균열 발생 경향을 줄일 수 있습니다. 잔류 인장 응력은 부식성 매체에서 롤러 체인의 응력 부식 균열 민감도를 증가시키는데, 잔류 응력을 줄이면 이러한 위험을 효과적으로 감소시키고 가혹한 환경에서 롤러 체인의 내식성을 향상시켜 적용 범위를 넓힐 수 있습니다.