KR0137026B1 - 관성 용접 방법, 그 방법에 의하여 제조된 제품 및 그 관성 용접 방법을 이용한 보수방법 - Google Patents

관성 용접 방법, 그 방법에 의하여 제조된 제품 및 그 관성 용접 방법을 이용한 보수방법

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KR0137026B1 KR1019890018772A KR890018772A KR0137026B1 KR 0137026 B1 KR0137026 B1 KR 0137026B1 KR 1019890018772 A KR1019890018772 A KR 1019890018772A KR 890018772 A KR890018772 A KR 890018772A KR 0137026 B1 KR0137026 B1 KR 0137026B1
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Abstract

내용 없음

Description

관성 용접 방법, 그 방법에 의하여 제조된 제품 및 그 관성 용접 방법을 이용한 보수방법
제1A도는 동일한 직경을 가진 중실형 금속 물품의 종래의 관성 용접을 도시하는 개략도.
제1B도는 물품이 결합된 후 대체로 평평한 용접 영역에 발생되는 노치를 도시하는도면.
제2도는 종래의 관성 용접 방법에 따른 용접 영역에 발생된 노치를 보여주는 동일 두께의 2개의 물품 사이의 결합부의 확대 사진.
제3도는2개의 중실 금속 물품 사이의 결합부의 형상 변수를 도시하는 도면.
제4도는 2개의 중공 물품 사이의 결합부의 형상 변수를 도시하는 도면.
제5도는 본 발명에 따른 관성 용접 방법에 따른 결합부의 확대 사진.
제6도는 만곡형 용접 영역을 도시하는 본 발명의 관성 용접 방법에 의해 용접된 물품의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10:노치Ida:외부직경
Cla, Clb:중심선Idb:내부직경
Da, Db:직경Ta, Tb:벽두께
본 발명은 물품의 관성 용접에 관한 것이며, 특히 봉형상의 중심형 물품 및 튜브와 같은 중공 물품의 관성 용접에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 고강도 초합금(superalloy) 물품의 관성 용접 및, 분말 야금으로 제작되는 고강도 초합금 물품의 관성 용접에 관한 것이며, 또한 관성 용접에 의한 초합금 제품을 보수하는 수선 방법에 관한 것이다.
관성 용접이라 함은 일반적으로 회전축에 관하여 대칭인 금속 물품을 결합시키는데 사용되는 방법으로서, 그 물품은 중실(中實) 물품이든 또는 중공 물품이든 관계가 없다. 예를 들면, 관성 용접은 크랭크축 또는 용접된 중공 튜브 조립체와 같은 제품을 형성하기 위하여 부품들을 결합시키는데 사용될 수 있다. 상기 관성용접 방법은, 예를 들면 참고로 여기에 인용되는 미합중국 특허 제3,234,644호, 제3,235,162호, 제3,462,826호, 제3,591,068호 및 제4,365,136호에 기술되어 있다.
요약하면, 관성 용접에 있어서, 결합될 물품들은 대칭축이 일치되고 결합된 면은 서로 평행하도록 배치되고 위치 조정된다.
물품중 하나는 고정된채 유지되고, 다른 하나는 회전 가능한 플라이휘일에 부착된다. 회전 가능한 요소, 즉 플라이휘일 결합체는 예정된 회전 속도로 가속되며, 회전되는 물품은 그후 고정된 물품에 대해 가압된다. 풀라이휘일 형상, 질량 및 회전 속도에 의해, 사용될 수 있는 운동 에너지가 결정되는데, 이 운동 에너지는 결합되는 물품 사이의 마찰로 인해 소산 (즉, 열에너지로 변환)된다. 물품들이 서로에 대해 가압되며, 운동에너지는 국소 부분을 연화(softening)시키기에 충분한다. 플라이 휘일의 회전이 정지될 때 물품 사이의 가압력을 유지 또는 상승되어, 결합되는 물품의 연화된 부분이 결합되게 한다. 물품 사이에 작용하는 힘은 용접 영역내에 소성 또는 초소성 변형을 야기하며, 용접 영역의 냉각은 열이 물품속으로 전도됨에 의해 빠르게 진행된다.
이 용접 방법은 용접 영역으로부터 많은 양의 재료가 밀려남으로써 유해한 표면 오염 물질이 근본적으로 제거하게 하는 조건하에서 수행된다고 하는 사실을 포함한, 몇가지의 자명하지는 않지만 유리한 특징이 있는 바람직한 공정이다. 최종 가공된 물품에서의 용접 영역은 주물 특성 보다는 단물의 특성을 보다 많이 나타낸다. 레이저 용접, 전자 비임 그리고 전기 용융 용접과 같은 다른 형태의 용접에 의해 형성되는 용접 영역은 용융되었다가 재고형화되면, 따라서 그러한 용접 영역은 일반적으로 관선 용접에 의해 얻어지는 용접 영역이 나타내는 단조물의 특성보다 대체로 덜 바람직한 주물의 특성을 가지게 되는 문제점이 있었다.
관성 용접은 마찰 용접의 한 형태로서, 마찰 용접의 또 다른 형태로는, 마찰 가열을 위하여, 플라이휘일에 저장된 에너지 보다는 연속 모터 구동에 의존한다. 본 명세서에서 언급하는 관성 용접은 다른 형태의 회전 마찰 용접도 포함한다.
관성 용접은 중공업용 구조물에 사용되는 철 및 강과 같은 철재 재료를 결합시키기 위하여 개발되어 광범위하게 사용되어 왔다. 최근에는 초합금을 결합시키는데 채용되어 상당한 성공을 거두었다. 초합금은 연화 온도가 높고 고온 변형에 보다 큰 내성을 가지기 때문에, 초합금 재료를 결합하는 것은 철재 재료를 결합하는 것보다 어려우며 분말 야금 처리된(powder processed) 초합금을 관성 용접하는 것은 적용되는 모든 관성 용접중 가장 어렵다. 결합 대상 물품에 있어서 용접 과정에 의해 연화되어야 하는 영역은 제한되고, 용접 영역에서의 단압(鍛壓) 또는 변형도도 유사하게 제한된다. 결국, 초합금(분말 야금 처리된)을 관성 용접함에 있어서는 일반적으로 용접영역에 잔류 노치가 관찰되는데, 이러한 노치는 철재 재료의 관성 용접부에서는 빈번하게 관찰되지 않는다.
유감스럽게도, 분말 야금 처리된 니켈 초합금의 경우, 상기 용접 영역의 노치는 관성 용접 영역의 깊이를 초과하여 안쪽으로 일정하게 확장된다. 따라서, 심지어는 기계 가공에 의해 용접 단압부가 제거된 후에도, 노치는 항상 잔류하게 되며, 이러한 노치를 제거하기 위해서는 결합된 물품의 원래의 직경보다는 작게 기계 가공해야 한다. 만약에 노치를 완전하게 제거하지 못한다면 용접된 물품은 계속 사용하거나 혹은 열처리하는 도중에 노치가 응력 집중점 또는 파단 개시점으로 작용하게 된다. 이러한 문제점은 특히 고강도 초합금등과 같은 재료(1000℃F(538℃)에서 100ksi(689.5MPa)를 초과하는 것) 및 분말 야금 기술로 제작된 초합금 재료에 악영향을 미친다. 초합금 이라함은 감마 프라임(gamma prime)(Ni3Al) 석출(precipitation)에 의해 강화된 니켈 기초 합금으로 정의된다.
따라서, 본 발명의 목적은 재료를 관성 용접하고 용접영역 노치의 깊이 및 위치를 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 용접 영역 노치의 유해한 효과를 최소화하면서 고강도(및/또는 분말 야금 처리된) 초합금을 관성 용접하는 방법을 제공하는 것이다.
최종적으로, 본 발명의 목적은 관성 용접 방법을 이용하여 초합금 물품을 보수하는 방법을 제공하는것이다.
본 발명에 따르면, 용접 대상 물품의 상당히 다른 치수, 즉 중실 재료인 경우에는차동 직경을, 그리고 중공 물품인 경우에도 차등의 벽 두께를 갖도록 함으로써, 관성 용접으로 초래되는 노치의 크기 및 위치가 제어된다.
결합되는 물품의 상대적인 치수는 용접 영역으로부터의 열 유동에 중요한 효과를 미치며, 결합되는 물품 사이의 열유동을 차등적으로 분배함에 의해 용접 결합형상의 중요한 수정 및 제어가 이루어진다. 특히, 용접 영역에서 얇은 물품으로 방출되는 열유동이 두께운 물품으로 방출되는 그것보다 작기 때문에, 얇은 물품이 보다 높은 온도에 도달한다. 결국, 얇은 물품이 보다 많이 변형되고, 보다 많은 양의 재료가 용접 영역으로 밀려나게 함으로써, 용접 영역의 노치가 동일 치수의 물품에서의 위치에 대해 상대적으로 이동되게 한다.
또한, 두꺼운 물품은 압축 응력을 제공함으로써 용접 노치 형상을 변형시킨다. 본 발명에 따라 제조되는 물품에 있어서, 얇은 물품에 대해서 만곡되는 상당한 곡률을 나타낸다. 본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조로 한 이하의 설명에 의해 보다 명확하게 질 것이다.
종래의 기술 및 본 발명을 예시하는 도면 및 사진을 포함한 첨부 도면을 참고로 본원 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
제1도는 통상적인 형상의 중실 초합금 물품의 관성 용접 전후의 상태를 도시하는 개략도로서, 제1A도는 용접되기 전의 물품을 도시하고, 제1B도는 그 물품들이 용접된 후의 상태를 도시하는 바, 이 도면의 용접 영역에는 물품의 원래의 직경에 미치지 못하는 거리만큼 물품 속으로 전개된 노치(10)가 도시되어 왔다. 따라서, 용접 영역의 면적은 결합된 물품의 면적보다 작게 된다.
제2도는 벽 두께가 동일한 물품의 관성 용접후의 상태에 대한 32x 배율 확대사진으로서, 이 확대 사진은 용접 영역과 결합되는 물품의 원래의 직경 안쪽으로 확장된 노치를 보여주고 있다. 여기에서 용접 영역은 평평하다.
본 발명의 특징은 관성 용접시 형상이 동일하지 않은 물품을 사용하는데 있으며, 이러한 사실은 동일하거나 혹은 유사한 합금 요소의 용접을 위해 동일한 형상을 사용하는 종래의 기술과 대비되는 것이다.
용접전의 본 발명의 용접 영역의 형상은 제3도 및 제4도에서 도시되어 있으므로 그 도면과 관련하여 설명하기로 한다. 제3도는 본 발명에 따라 중실 물품에 결합되는 중실 물품을 예시하고 있다. 제3도에서, 물품 A가 물품 B에 결합되는데, 물품 A는 물품 B의 직경 Db보다 작은 직경 Da을 가진다. 상기 물품들은 서로에 대해 대칭으로 배치되어야 하는바, 즉 요소 A의 중심선 CLa은 요소 B의 중심선 CLb과 일치되어야 한다. 이는 관성 용접의 일반적인 필요조건이다. CLa와 CLb가 일치한다고 가정하면, 상기 요소들은 반경이 달라지며,
Figure kpo00002
R과
Figure kpo00003
R'는 Da-Db/2와 같게된다. 명백하게는,
Figure kpo00004
R과
Figure kpo00005
R'은 같게되며, CLa와 CLb가 일치할때, 전술한 값과 동일하게 될 것이다.
제4도는 본 발명에 따라서 튜브와 같은 중공 물품을 결합하기 위한 형상을 도시하는데, 여기에서 물품 A는 물품 B에 결합되고, 물품 A 및 물품 B는 모두 중심선 CLa및 CLb을 각기 가지는 중공 물품으로서, 상기 중심선들은 일치하는 것이 바람직하다. 물품 A는 벽 두께가 Ta이고, 물품 B의 벽 두께는 Ta보다 두꺼운 Tb이다. 물품 A는 내경이 Ida이고 외경이 Oda이며, 물품 B는 내경이 Idb이고 외경은 Odb이다.
S와 S'는 물품 A가 물품 B에 관성 용접됨에 따라 형성되는 턱(step)을 표시한다.
본 발명의 요지는 다른 치수, 물품의 경우에는 다른 직경을, 그리고 중공 물품의 경우에는 차등 벽두께를 제공하여, 잔류 용접 영역 노치의 위치 및 범위를 제어함과 아울러, 만곡된 용접 영역을 형성하는 것이다.
이러한 차등적인 형상은 용접영역의 각 측부상에 턱을 형성한다. 본 발명의 목적을 성취하기 위해서 필수적인 턱의 치수는 사용되는 재료에 따라 달라진다. 따라서, 필요한 두께의 비 및 턱의 치수(제3도 및 제4도에 도시된
Figure kpo00006
R,
Figure kpo00007
R' 또는 S, S')는 재료에 따라 달라지며, 그 부분에 대한 연속된 실험을 통해 당업계에 종사하는 전문가에 의해 결정되는 것이 가장 정확하다.
2065°F(1129.45℃)에서의 용체화(溶體化) 처리를 포함한 열처리, 그 온도로부터의 기름 담금질 및, 1600°F(871.11℃), 1800°F(982.22℃) 1200°F(648.89℃) 및 1400°F(756.67℃)에 노출시키는 후속의 저온 열처리를 받고, 1300°F(704.44℃)에서 150ksi(23.25kg/㎠)의 항복 강도를 가지며, 입도가 ASTM 10.5 이하인 분말 야금처리된(12%의 크롬, 18%의 코발트, 3.2%의 몰리브덴, 4.3% 티탄, 5%의 알루미늄, 0.02% 붕소, 0.06% 지르코늄, 나머지 니켈의 공칭 조성을 갖는 IN100으로 알려져 있는 상업적인 초합금 재료로부터 유도된) 니켈계 초합금 재료와 같은 특별한 경우에, 제3도의 Db대 Da의 비 또는 제4도의 Tb대 Ta의 비는 1.5 내지 1.7이어야 한다. 따라서, 제4도를 참고로하면, 그 재료로 이루어진 중공 물품을 결합함에 있어서 벽두께가 0.200인치(0.508cm)인 물품은 벽두께서 0.300인치(0.762cm) 내지 0.340 인치(0.864cm)인 두꺼운 물품에 유리하게 결합된다.
본 발명은 필수적으로 공칭 직경(내경과 외경의 평균)이 동일한 물품에는 전반적으로 적용되는 바, 따라서 제4도에 도시된 외부 턱 S 및 내부턱 S'는 필수적으로 동일하다. 그러나, 본 발명의 범위내에서는 두개의 턱의 치수가 전술한 특정 합금과 관련하여 설명된 비율 1.5-1.7의 범위내에 속하는 한, 내외측에 치수가 다른 턱을 갖는 것도 전격으로 본 발명의 범위에 속한다. 따라서, 예를 들면 벽 두께가 0.2인치(0.508cm)인 물품을 결합함에 있어서 유리하게 결합될 물품의 벽 두께의 범위는 0.3인치(0.762cm)-0.34인치(0.864cm)이다. 따라서, 같은 공칭 직경을 갖춘 물품의 경우에는 바람직한 턱 치수 범위가 0.05-0.07인치(0.127-1.178cm)가 된다. 하나의 턱(step)은 치수 S가 0.05인치(0.127cm)이고, 다른 턱은 치수 S'가 0.07인치(0.178cm)인 관성 용접 물품의 경우는 분명히 본 발명의 범위내에 속하는 것이다.
또 다른 예에 있어서, 항복 강도를 낮게하고 높은 온도에서 연산율을 증가되도록 하는 다른 열처리를 받은 전술한 바와 같은 조성의 재료(IN100)는 얇은 물품대 두꺼운 물품의 비가 1.3-1.5가 되는 것이 바람직하다. 전술된 바와 같이, 숙련된 전문가라면 본 명세서에 제시된 자료를 기초로 비교적 적은 실험을 통해서 다른 초합금 재료에 대해 필요한 두께비를 결정할 수 있을 것이며, 유용한 범위는 1.2:1 내지 2.0:1 사이인 것으로 판단된다.
본 발명은 동일한 초합금으로 제조된 물품이 용접되는 상황에 적용가능할뿐 아니라, 등기(equivalent)의 초합금이 용접되는 상황에도 적용될 수 있다. 여기에서 드등가라 함은 합금들이 양립성의 고온 특성을 갖는 것을 의미한다. 초합금의 고온특성(재결정 온도 근처 및 그 위에서의 특성)은 조성, 입도 및 열처리전의 상태를 포함한 여러가지 등가의 조건에 의해 제어된다. 여기에서 등가라 함은 결합되는 합금의 크리이프 강도가 합금의 재결정 온도와 용융온도 사이의 중간온도에서 측정하였을 때 각각에대해 30% 내에 있는 것을 의미한다. 등가이기 위해서는, 초합금들이 각각에 대해 100°F(37.78℃) 범위 이내의 재결정 및 용융 온도차를 가져야 한다.
제5도는 용접영역의 노치가 얇은 제품의 원래의 직경부 속으로 침입하지 않음을 보여주는 본 발명에 따라 형성된 관성 용접 영역을 예시하는 20x 배율의 확대사진이다.
제5도는 본 발명에 따라 관성 용접된 물품의 주요 특징부를 예시하는 바, 제5도에서 알 수 있는 바와 같이, 관성 용접 영역은 상당한 정도의 곡률을 가진다. 제5도는 평평한 또는 평면 용접 영역을 보여주는 종래의 관성 용접을 예시하는 제2도의 확대사진과 비교될 수 있다. 제5도에 도시된 만곡된 관성 용접 영역은 본 발명의 중요한 특징으로서, 그 곡률은 전문가가 본 발명을 다른 재질 또는 다른 변화된 조건에 적용시킴에 있어서 지침으로 사용될 수 있다. 일정한 방향으로 재료가 방출되게 하고, 또 잔류하는 용접 노치 위치 및 크기를 제어하는데 기억하는 것이 바로 그 만곡된 관성 용접구역이다.
제6도에 도시된 바와 같이, 곡선의 관성 용접 영역에 대한 접선과 용접된 요소의 돌출된 부분의 중심선 90° 미만의 각도 α를 이루게 된다. 그 각도 α는 제5도의 사진에서 측정하면, 약 70°이다.
본 발명을 정의하는 또 다른 방식으로, 용접 영역이 끝나는 지점에서 곡선 용접 영역에 대한 접선과 용접된 물품의 중심선이 50°에서 80° 사이의 각도를 가질때 본 발명의 장점이 나타난다는 점이다.
본 발명 유용성은 가스 터어빈 엔지 부품과 같은 손상된 제품을 용접으로 보수하는 상황에서 매우 높다. 이와 같은 손상은 사용중에 발생되거나 또는 가공자의 실수로 인하여 제작 도중에 발생될 수 있다. 전체적인 과정은, 기계 가공에 의해 손상되지 않은 부분으로부터 손상된 부분을 제거하고 관성 용접에 의해 손상된 부분을 적절한 형상의 손상되지 않은 부분으로 대체시킨다. 여기에서, 분명한 조건은 어떠한 잔류 용접 영역 노치도 그 제품의 강도 및 유용성을 저하시키지 않아야 한다는 것이다. 전술한 것처럼, 종래 기술에서 사용된 관성 용접기술은, 용접 영역에 존재하는 노치가 용접된 제품의 치수에 맞도록 기계 가공된 본래의 손상되지 않은 최초의 직경 안쪽으로 확장되기 때문에, 이러한 조건을(고강도 또는 분말 야금 처리된 초합금인 경우)만족시킬 수 없었다. 바람직하지 못한 다른 방안들은 용접 영역에 노치가 발생되거나 제품의 직경이 원래의 것보다 감소되어야 한다는 것이다. 본 발명에 따르면, 벽이 두꺼운 물품에 치수를 맞추기 위해서는, 가공된 벽이 얇은 본래의 물품상에 용접시킬 수 있으며, 용접 영역의 노치는 원래의 물품의 직경 외측에 배치될 수 있으므로, 제품의 과도한 치수의 보수 부분을 원래의 치수로 기계 가공하여 용접 영역의 노치를 완전히 제거할 수 있음을 쉽게 인식할 수 있다.
본 발명을 상세한 실시예와 관련하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 특허청구의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 수정 및 변형이 가능하다는 것을 알수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 금속 물품을 결합하기 위한 관성 용접 방법으로서, 직경 비가 1.2:1 내지 2.0:1이 금속 물품을 제공하는 단계와, 상기 물품들을 그들의 대칭축을 일치시키고 용접될 표면이 상호 평행하게 배치 및 위치 조정하는 단계와, 상기 물품들 중 일방은 고정된 채 유지하고, 타방은 회전시키는 단계와, 상기 물품들 중 회전하는 물품을 고정된 물품에 가압하는 단계로 이루러지는 것을 특징으로하는 관성 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합되는 물품은 분말 야금법으로 제작된 초합금 물품인 것을 특징으로 하는 관성 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결합되는 물품은 중공형 물품으로서, 물품의 벽 두께비가 1.2:1 내지 2.0:1인 것을 특징으로 하는 관성 용접 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 결합되는 물품은 분말 야금법으로 제작된 초합금 물품인 것을 특징으로 하는 관성 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 물품들 중 회전하는 물품이 고정된 물품보다 더 얇으며, 용접된 표면에는, 관성 용접에 의해 발생되는 노치의 치수 및 위치를 제어 할 수 있도록, 만곡된 관성 용접 구역이 형성되는 것을 특징으로 하는 관성 용접 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 만곡된 용접 구역에 대한 접선이 관성 용접 회전축과 50° 내지 80°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 관성 용접 방법.
  7. 2개의 물품중 하나를 회전시키고 이어서 그 두 요소 사이를 가압 접촉시킴으로써 관성 용접된 고강도 초합금 제품에 있어서, 상기 물품중 하나의 직경이 다른 하나의 직경의 1.2 내지 2.0배이며, 상기 제품은 만곡된 용접 구역을 구비하고, 그 만곡된 용접 구역의 접선이 회전축과 50° 내지 80°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 관성 용접된 고강도 초합금 제품.
  8. 제1항에 따른 관성 용접 방법을 이용하여 고강도 초합금 제품을 보수하는 초합금 제품 보수 방법에 있어서, 초합금 제품으로부터 손상된 부분을 제거하여 손상되지 않은 부분을 남기는 단계와 ; 상기 손상되어 제거된 부분에 그 손상된 부분 보다 큰 단면적인 새로운 초합금 요소를 관성 용접으로 결합하되, 용접부에 발생되는 노치가 상기 손상되지 않은 부분 안으로 연장되지 않도록 만곡된 용접부를 형성하는 단계와 ; 관성 용접된 상기 새로운 요소로부터 초과 부분을 제거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 보수 방법.
KR1019890018772A 1988-12-20 1989-12-18 관성 용접 방법, 그 방법에 의하여 제조된 제품 및 그 관성 용접 방법을 이용한 보수방법 KR0137026B1 (ko)

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US286912 1988-12-20
US07/286,912 US5111990A (en) 1988-12-20 1988-12-20 Inertia weld notch control through the use of differential wall thicknesses

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