용접물의 초음파 피닝(UP, Ultrasonic Peening)을 위한 기술과 장비

용접에 의한 잔류응력을 재분배하는 데에 가장 새롭고도 유망한 처리 방법 중 하나가 초음파 피닝(UP) [1-4] 이다.

UP 처리의 발달 과정 중 초음파 충격 처리 (UIT) [5-8], 그리고 초음파 충격 피닝 (UIP) [9-10] 이라고도 불렀다.

UP의 유익한 효과는 주로 금속과 합금의 표면에 잔류인장응력을 완화하고 잔류압축응력을 불어 넣으며 용접 선단부(toe zone)에

집중되는 응력을 낮추고 금속 표면의 물성을 향상 시킴으로써 달성한다. 용접 시편의 피로테스트 결과 UP가 다른 연삭,

TIG 드레싱, 열처리, 해머 피닝, 숏 피닝 (shot peening) 등의 전통적 기술 대비 가장 효과적인 개선효과를 보였다. 

UP 기술은 특수한 스트라이커에 의한 고주파 충격과 처리 금속의 초음파 진동의 복합된 효과에 기반한다.

개발된 UP처리 시스템(총 중량 8kg)은 초음파 변환기, 발생기, 그리고 UP를 최적으로 – 최소의 비용, 노력,

전력소모로 용접물의 피로수명을 최대한 연장하도록 – 적용하기 위한 랩탑 컴퓨터 (옵션)로 구성된다. 그림 1에 보여진

기본 사양의 UP 시스템은 용접 선단부나 용접 부위 자체, 그리고 넓은 표면에 사용된다.

UP 장비

UP 처리를 위해서는 초음파 변환기와 초음파 전원 또는 발생기 필요하다. 발생기는 원하는 초음파 주파수에 맞게

전기 에너지를 공급한다. 초음파 변환기는 초음파 발생기로부터 발생된 전기에너지를 기계적 진동으로 변환시킨다.

UP의 용도로 두 가지의 일반형 초음파 변환기가 있는데 자기변형형과 압전형이다.
두 가지 모두 교류 전기에너지를 기계적 진동에너지로 변환시키는데 방법은 상이하다.

Piezoelectric 압전형
Magnetostrictive 자기변형형
Transducer 변환기
Striker 스트라이커 (타격기)
Amplitude of longitudinal oscillation 길이방향 진폭
Figure 4. Schematic view of transducer for Ultrasonic Peening.

자기변형형 변환기는 어떤 물질이 교번자계에 놓일 때에 팽창하거나 수축하는 자기변형 원리를 사용한다.

초음파 발생기로부터 나오는 교류 전기 에너지는 권선을 통하여 먼저 교번자계로 변환이 된다.

그 다음 교번자계가 초음파의 주파수로 공명하는 자기변형형 금속편에 기계적 진동을 유도한다. 

자기변형형 변환기는 일반적으로 압전형 변환기 보다 효율이 떨어진다. 이는 주로 자기변형형 변환기가

전기에서 자기로 또다시 자기에서 전기로 이중의 에너지 변환을 필요로 한다는 사실 때문이다. 각각의

변환에는 조금의 손실이 따른다. 자기 이력현상 역시 자기변형형 변환기의 효율을 떨어뜨린다.

게다가 자기변형형 변환기는 수냉식 강제 냉각이 필요하다. 따라서 이 장비는 비교적 무겁고 고가이다. 

압전형 변환기는 교류 전기 에너지를 압전현상을 통하여 바로 기계 에너지로 바꾼다. 오늘날의 압전형 변환기는

고온과 응력을 받는 상태에서 사용 가능한 더욱 강력하고 효율성과 안정성이 높은 세라믹 압전소재를 사용한다.

최근의 압전형 변환기는 신뢰도도 높으며 작동 에너지 비용도 자그마치 60% 절감된다. 

ITL이 협력업체와 함께 개발한 UP 시스템은 압전형 변환기를 사용한다. 이 시스템은 콤팩트한 초음파 변환기,

발생기, 최적의 UP 적용을 위한 전문가용 시스템이 탑재된 랩탑으로 구성된다.