KR100419290B1

KR100419290B1 - Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술

Info

Publication number: KR100419290B1
Application number: KR1020030050681A
Authority: KR
Inventors: 이종욱; 박진형; 염종택; 박노광; 백승찬
Original assignee: 주식회사 금화정밀; 주식회사 엔파코; 한국기계연구원
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2004-02-18

Abstract

본 발명은 금속재(모재) 2 개를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 마찰압접 방법에 관한 것으로, 특히, 직경 50 mm 이상의 대형 이종 금속재 접합이 가능한 마찰압접 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 마찰압접 방법은, 상기 두 모재(3)(4)를 스핀들(1)과 테이블 척(2)에 각각 고정한 다음, 스핀들(1)로 한 쪽 모재(3)를 고속 회전시키는 상대회전단계와, 테이블 척(2)을 이송하여 두 모재(4)를 2 차에 걸쳐 서로 다른 압력으로 가압하여 마찰시키는 1, 2 차 마찰단계, 그리고, 도 5에 나타난 바와 같이 스핀들(1)을 급정지시킨 뒤 더 큰 압력으로 두 모재(3)(4)를 가압하여 단조 압접시키는 압접단계 등으로 이루어진다. 본 발명의 마찰압접 방법에 따르면, 중대형 이종 금속재 접합에 적용이 가능하여, 중대형 이종 금속재 접합시, 마찰압접 방법의 장점 을 모두 취할 수 있다.

Description

Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술{STANDARDIZATION TECHNOLOGY ON THE DESIGN OF FRICTION WELDING PROCESS FOR DISSIMILAR MATERIALS, ＮｉBASE SUPER HEAT-RESISTING ALLOY AND HEAT-RESISTING STEEL}

본 발명은 금속재(모재) 2 개를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 마찰압접 방법에 관한 것으로, 특히, 직경 50 mm 이상의 대형 이종 금속재, Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 접합이 가능한 이종재 마찰압접 방법에 관한 것이다.

선박용 디젤엔진의 과급기에 사용되는 로터 접합체(Rotor Assembly)는 도 1에 도시된 바와 같이 크게 터빈휠(3)과 샤프트(4) 두 부분으로 구성되어 있고 이 중 터빈휠(3)은 여러 개의 블레이드(3a)들이 디스크(3b)에 의해 일체로 결합되어 이루어진다.

로터 접합체를 제작함에 있어서, 상기 터빈휠(3)은 고온고압의 주변 여건 하에서 작동하기 때문에 이를 견디기 위해서 통상 INCONEL713C, INCONEL713LC 등의 니켈기 초내열합금을 소재로 하여 진공 정밀주조 공정을 거치되 제작의 편의상 터빈휠(3)과 샤프트(4)를 일체로 만드는 것이 일반적이었다. 특히 INCONEL713LC 합금은 INCONEL713C 합금의 우수한 크리프-파단 특성을 활용하면서 인장강도 및 연성을 보다 향상시키기 위해 개발된 소재로, 부품의 부위별 두께나 주조시의 냉각속도에 따른 특성변화가 최소화되도록 합금 설계되었기 때문에 터빈휠과 같이 부위별 두께 차이가 큰 부품에 많이 사용된다. 그런데 니켈기 초내열합금은 일반 내열강에 비해서 가격이 고가(高價)여서 상기와 같이 터빈휠(3)과 샤프트(4)를 일체로 생산하게되면 제품단가가 높아지는 문제가 발생한다. 이 때문에 로터 어셈블리의 구성부분 중 직접적으로 고온고압의 가스에 노출되는 부분 즉 터빈휠(3)은 니켈기 초내열합금을 써서 내구성을 갖도록 하고 로터 샤프트(4)를 포함한 여타 부분은 예컨대 SCM440 등의 내열강으로 대체하여 제조단가가 낮은 로터 어셈블리의 개발이 필요하게 되었으며, 그에 따라 이들 이종(異種) 금속재를 빠르고 간편하며 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 접합 기술이 발전하게 되었다.

이종 금속재를 접합하는 종래 대표적 기술로는 금속을 용해하지 않고 접촉면 마찰로 생기는 마찰열과 고온에서 일어나는 소성변형을 동시에 이용하여 접합하는 마찰압접 방법이 널리 알려져 있다.

마찰압접 방법은 회전에 의한 마찰열을 이용하기 때문에 접합부 단면형상에 많은 제약을 받는 단점이 있긴 하지만 접합표면을 중심으로 극히 제한된 부위에서만 발열이 일어나므로 화염을 이용하는 용접법에 비해서 약 10 - 20%의 적은 에너지로 접합할 수 있고, 접합면의 기계적 성질이 우수한데다, 마찰용접, 압력, 시간, 회전속도, 감소량(소재loss) 등의 공정변수 관리가 비교적 용이하여 자동화가 가능하다는 이점을 가진다. 또한 일반 화염용접에 비해 금속소모량이 적고, 접합이 아주 짧은 시간에 이루어져 접합부의 열영향 부위(Heat Affected Zone)가 좁으며, 또한 용융-응고과정이 일어나지 않는 고상 접합과정이어서 마찰에 의해 표면에 존재하는 불순물 등을 제거할 수 있는 장점도 있다.

그러나, 종래 마찰압접기술은 위와 같은 여러 가지의 장점들에도 불구하고 접합 전,후 처리의 기술적 어려움이나 마찰용접기의 사양 부족으로 인해 자동차 및선박용 소형 엔진밸브 등과 같이 두께 10 ~ 30 mm 정도 이하의 소형 부품 접합에만 한정되는 것이 문제점으로 지적되곤 했다.

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 마찰압접 방법의 제약 문제를 해소하기 안출된 것으로, 비교적 직경이 두꺼운 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 용접부에서 마찰압접의 최적 조건을 찾아내는 한편, 특히, Inconel713LC 합금소재 터빈휠과 SCM440 소재의 샤프트로 구성된 로터 어셈블리 등과 같은 직경 50 mm 이상의 중대형 이종 금속재의 접합이 가능한 마찰 압접 공정을 도출하는데 그 목적이 있다고 할 수 있다.

도 1은 선박용 디젤엔진의 과급기에 사용되는 로터 접합체 측단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰압접 방법의 공정준비단계의 공정도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰압접 방법의 상대회전단계 공정도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰압접 방법의 1, 2 차 마찰단계 공정도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰압접 방법의 단조단계 공정도.

도 6은 본 발명에 따른 마찰압접 방법에서 시간 경과에 따른 각 단계별 모재 상대회전수 또는 압력 변화를 보여주는 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 마찰압접 방법에서 모재의 접합부 직경과 마찰압력의 상관관계를 보여주는 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 스핀들 2 : 테이블 척

3, 4 : 모재(터빈휠, 샤프트)

본 발명에 따른 마찰압접 방법은, 두 모재인 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강을 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 접합하는 마찰압접 방법에 있어서,

1) 상기 두 모재를 400 ~ 500 rpm(바람직하게는 450 rpm)으로 상대회전시키는 상대회전단계;

2) 상대회전되고 있는 상기 두 모재를 (a)의 식으로 산출된 압력(P₁)으로 (b)의 식으로 구해진 시간(T₁) 동안 가압하여 마찰시키는 1 차 마찰단계;

(a)

(b)

P₁: 1차 마찰압력(bar) P₂: 2차 마찰압력(bar)

T₁: 1차 용접시간(sec) (단, T₁은 소수점 첫째자리 미만을 버린 자연수)

D : 접합부 직경(mm)

3) 상대회전되는 두 모재를 (c)식으로 산출되는 압력(P₂)으로 (d)식으로 구해지는 시간(T₂) 동안 가압하여 마찰시키는 2차 마찰단계;

(c)

(d)

p : 접합부 단위면적당 압력(N/mm²) A : 접합부 면적(mm²)

H : 마찰용접기 유압실린더 단면적(mm²)

α: 단위환산상수(단위환산상수, N/mm²→ bar)

T₂: 2 차 마찰시간(sec)

G : 2 차 마찰시간 등급( 단, G는 소수점 첫째자리 미만을 버린 자연수)

δ: 35 (2차 마찰시간 상수)

β: 5 (2차 마찰시간 등급 상수)

4) 두 모재를 정지시킨 뒤, 이들을 (f)식으로 산출된 압력(P₃)으로 (g)식으로 산출된 시간(T₃) 동안 가압하여 단조 압접하는 압접단계;

(f)

(g)

T₃(sec) : 단조 압력 시간(단, T₃은 소수점 첫째자리 미만을 버린 자연수)

D(mm) : 용접할 재료의 직경

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상의 각 단계에 있어서, 상기 1, 2 차 마찰단계의 각 마찰압력 허용 오차는 ±10 %, 상기 압접단계의 단조압력의 허용오차는 ±15 %, 그리고, 상기 각 단계별 가압시간 허용오차는 ±10 % 이다.

이하, 바람직한 예를 통하여 본 발명에 따른 마찰압접 방법을 보다 구체적으로 살펴본다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰압접 방법을 수행할 수 있는 마찰용접기는 어느 한 모재(터빈휠)(3)를 고정하고 고속 회전되는 스핀들(Spindle)(1)과, 다른 모재(샤프트)(4)를 고정하고 상기 스핀들(1)에 대하여 축방향으로 이송시키면서 가압할 수 있는 테이블 척(Table Chuck)(2)을 구비한다. 그리고, 이와 같은 마찰용접기를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰압접 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 두 모재(3)(4)를 스핀들(1)과 테이블 척(2)에 각각 고정한 다음, 도 3에 도시된 바와 같이 스핀들(1)로 한 쪽 모재(3)를 고속 회전시키는 상대회전단계와, 도 4에 도시된 바와 같이 테이블 척(2)을 이송하여 두 모재(4)를 2 차에 걸쳐 서로 다른 압력으로 가압하여 마찰시키는 1, 2 차 마찰단계, 그리고, 도 5에 나타난 바와 같이 스핀들(1)을 급정지시킨 뒤 더 큰 압력으로 두 모재(3)(4)를 가압하여 단조 압접시키는 압접단계 등 적어도 4 단계 이상의 공정으로 이루어진다.

이들 각 단계에서 이루어지는 공정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

1) 상대회전단계

먼저, 두 모재를 동일축선상에서 접합부를 서로 마주대하도록 스핀들(1)과 테이블 척(2)에 각각 고정한다. 이어, 스핀들(1)을 400 ~ 500 rpm 바람직하게는 450 rpm으로 고속회전시켜 두 모재(3)(4)가 상대회전되게 한다.

2) 1 차 마찰단계

테이블 척(2)의 회전속도가 정상속도에 이르면, 테이블 척(2)을 이송하여 두모재의 접합부를 가압하여 마찰시킨다. 이 때 테이블 척(2)에는 모재 접합부 면적에 의해 결정되는 2 차 마찰압력(P₂)에 따라 다음의 (a)의 식으로 산출되는 압력(P₁)을 모재의 접합부 직경(D)에 따라 (b)의 식에 의해 산출되거나 또는 표 1에서 정해진 시간(T₁)동안 가압한다.

(a)

(b)

P₁: 1 차 마찰압력 (bar)

P₂: 2 차 마찰압력 (bar)

p : 접합부 단위면적당 압력 (N/mm²)

A : 접합부 면적 (mm²)

α: 10 (단위환산상수, N/mm²→ bar)

H : 마찰용접기의 유압실린더 단면적 (mm²)

T₁: 1 차 마찰시간(sec)(단, 소수점 첫째자리수 이하를 버린 자연수)

D : 모재의 접합부 직경(mm)

위 P₂와 T₁의 각 산출공식은 반복 시험을 통해 얻어진 결과식으로, 예컨대, 접합부 직경(D)이 58 mm(접합부 면적 A = 2,642mm²)인 경우, 2 차 마찰단계에서 장비 입력 압력(P₂)과 1 차 마찰단계의 장비 입력 압력(P₁)은 다음과 같이 구할 수 있다.

= 74 (bar)

= 63 (bar)

그리고, 1 차 마찰시간은

이다.

다음의 표 1은 모재 접합부 직경(D)에 따른 1 차 마찰단계의 마찰시간을 산출하여 표로 나타낸 것이다.

직경(mm)	0~9	10~19	20~29	30~39	40~49	50~59	60~69	70~79
T₁(sec)	0	1	2	3	4	5	6	7

(표 1) 모재 접합부 직경별 1 차 마찰시간

3) 2 차 마찰단계

이어, 2 차 마찰단계에서는 1 차 마찰단계 보다 더 큰 압력 즉 다음의 (c)식으로 산출된 압력(P₂)으로 (d)식으로 계산되는 시간(T₂) 동안 가압하여 마찰시킨다.

(c)

(d)

여기서

p : 접합부 단위면적당 압력(N/mm²)

A : 접합부 면적(mm²)

H : 마찰용접기 유압실린더 단면적(mm²)

T₂: 2 차 마찰시간(sec)

α: 10 (단위환산상수, N/mm²→bar)

G : 2 차 마찰시간 등급 (단, G는 소수점 첫째자리 미만을 버린 자연수)

δ: 35 (2 차 마찰시간 상수)

β: 5 (2 차 마찰시간 등급 상수)

여기서, 시험결과 T₂는 접합부 직경별 약 5mm 단위로 동일한 경향을 보이는것으로 나타난 바, T₂가 같으면 같은 등급으로 분류하고 이를 편의상 2차 마찰시간 등급이라 칭하여 G 라 표시 하였고(표2 참조) δ, β는 각 직경별로 최적의 압접상태를 얻을수 있는 2차 마찰시간들을 구하는데 필요한 공통 상수로서 실험 결과로부터 얻어진 것이다. 시험에 의한 δ값 35를 T₂즉, 2 차 마찰시간인 (d)식에 대입 계산하면 표 2)와 같이 정리된다.

예컨대, 접합부 직경(D)이 58 mm인 모재를 접합하는 경우 2 차 마찰시간 T₂는

가 된다.

이와 같은 방식으로 산출한 접합부 직경이 다른 모재들의 2 차 마찰시간이 표 2에 나타나 있다.

직경(mm)	0~4	5~9	10~14	15~19	20~24	25~29	30~34
등급(G)	1	2	3	4	5	6	7
T₂(sec)	35	40	45	50	55	60	65
직경(mm)	35~39	40~44	45~49	50~54	55~69	70~74	75~79
등급(G)	8	9	10	11	12	13	14
T₂(sec)	70	75	80	85	90	95	100

(표 2) 접합부 직경별 2 차 마찰시간

4) 압접단계

2 차 마찰단계가 끝나면, 마지막으로, 스핀들(1)을 급정지시킨 후 두 용접제(3)(4)를 가압하여 단조 압접한다. 이 때 두 모재(3)(4)의 접합부는 앞서 1, 2 차 마찰단계를 거치면서 가열된 상태이므로 도 5에 도시된 바와 같이 마찰열에 의해 열변형되면서 고착된다. 이 때 가하게 되는 단조 압력(P₃)의 크기와 가압 시간(T₃)은 다음의 식으로 구할 수 있다.

(f)

(g)

T₃(sec) : 단조 압력 시간 (단, T₃은 소수점 첫째자리 미만을 버린 자연수)

D(mm) : 용접할 재료의 접합부 직경

여기서, T₃는 T₂보다 약 2초 정도 더 작용을 해야 마찰용접 시험 평가 결과가 더 우수하게 나왔다.

표 3은 모재의 접합부 직경별로 산출한 압접단계의 가압시간이다.

직경(mm)	0~9	10~19	20~29	30~39	40~49	50~59	60~69	70~79
T₁(sec)	2	3	4	5	6	7	8	9

(표 3) 압접단계의 접합부 직경별 가압시간

시험 결과에 따르면 단조압력은 단위 면적당 압력(p)이 500 N/mm²일 때 최상의 결과가 나타났다.

따라서, 접합부 직경이 58 mm인 경우 단조압력(P₃)은 다음과 같은 식으로 통해 산출할 수 있다.

표 4에는 이상과 같은 단계들로 이루어진 본 발명에 따른 마찰압접 방법에서 위에서 제시한 각 식으로 산출한 접합부 직경별 압력과 가압시간이 표시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 따른 마찰압접 방법에서 시간 경과에 따른 각 단계별 모재 상대회전수 또는 압력 변화를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 그리고, 도 7에는 용접할 모재의 접합부 직경과 마찰압력의 상관관계를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

지 름 (mm)	35	40	48	51	54	58
1 차 마찰단계	압력(bar)	23	30	43	49	55	63
	시간(sec)	3.0	4.0	4.0	5.0	5.0	5.0
	회전수(rpm)	450	450	450	450	450	450
2 차 마찰단계	압력(bar)	27	35	51	57	64	74
	시간(sec)	70	75	80	85	85	90
	회전수(rpm)	450	450	450	450	450	450
압접단계	압력(bar)	56	73	106	119	134	154
	시간(sec)	5.0	6.0	6.0	7.0	7.0	7.0
	회전수(rpm)	0	0	0	0	0	0
총감소량(mm)	29.0	32.0	33.8	33.8	40.0	46.2

(표 4) 접합부 직경에 따른 각 공정별 압력과 시간

표 4와 도 6로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 다른 마찰압접 방법에 따르면, 스핀들의 회전수(모재의 상대회전수)는 1, 2 차 마찰단계에서 최고 속도가 되었다가 압접 단계에서는 0이 되며, 모재의 가압력은 도 6의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 1 차 마찰단계에서 압접단계까지 진행되는 동안 2 단계에 걸쳐 대략 계단식으로 증가한다. 또한, 1, 2 차 마찰단계의 마찰압력과 압접단계에서의 단조압력은 용접부의 접합부 직경이 커지면서 선형적으로 증가한다.

참고로, 표 4에서 접합부 직경이 58 mm인 경우 압접단계의 단조 압력은 위 계산식에 나타난 바와 같이 154 bar가 되어야 하지만, 시험용 마찰용접기의 최대 가압력이 136 bar로 한정되어 있기 때문에 그 최대 가압력을 단조 압력으로 적용하여 산출한 것이다. 그러나, 단조 압력이 136 bar인 경우에도 다음의 표 5에 나타난 바와 같은 평가 결과를 만족하는 것으로 나타난 바, 이와 같은 시험 결과로 미루어 볼 때, 마찰용접에서 가장 중요한 인자는 2 차 마찰단계에서의 마찰압력과 시간인 것으로 드러났다.

한편, 1, 2 차 마찰단계에서 마찰압력의 허용 오차는 ±10 %이고, 압접단계의 단조압력의 허용오차는 ±15 %이며, 각 단계별 시간 허용 오차가 ±10 % 일 때 표 5와 같은 시험결과를 얻을 수 있었다.

항 목	검사 결과	규 격
비파괴 시험	Penetra-tion 시험	표면 결함 없음	균열불허
	X-ray 시험	경계면 결함 없음	경계면 결함 불허
	초음파탐상시험	경계면 결함 없음	경계면 결함 불허
파괴시험(응력제거 열처리 전 시험)	파단시험	접합률 100%	접합률 90% 이상
파괴시험(응력제어 열처리 후 수행:550℃/4h)	인장시험	모두 인장강도740Mpa 이상으로 SCM440 또는 In713LC에서 파단	접합부 파단 불허인장강도 〉740 Mpa
	경도시험	SCM440	IN713LC	SCM440	IN713LC
	경도시험	경도하락률 약10% 이하	450HV1이하	경도하락률 10% 이하	450HV1이하
	조직검사	경계면 결함없음	경계면 결함 불허

(표 5) 마찰압접 샘플 시험 결과

이상에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마찰압접 방법에 따르면, 예컨대 선박용 디젤 엔진의 과급기에 사용되는 로터 접합제 등과 같은 직경 50mm이상 되는 중대형 이종 금속재 특히, Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 접합에 적용이 가능하다. 따라서, 중대형 이종 금속재 접합시에도 에너지와 금속 소모량이 적고 접합면의 기계적 성질이 우수할 뿐만 아니라 접합과정에서 마찰에 의해 표면의 불순물 제거할 수 있고 또 공정변수 관리가 용이하여 자동화가 가능한 마찰압접 방법의 장점을 모두 취할 수 있다.

Claims

Ｎｉ기 초내열합금과 내열강을 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 접합하는 이종재 마찰압접 방법에 있어서,

1) 상기 두 모재를 400 ~ 500 rpm으로 상대회전시키는 상대회전단계;

2) 상대회전되고 있는 상기 두 모재를 (a)의 식으로 산출된 압력(P₁)을 가하여 (b)의 식으로 구해진 시간(T₁) 동안 가하여 마찰시키는 1 차 마찰단계;

(a)

(b)

P₁: 1차 마찰압력(bar) P₂: 2차 마찰압력(bar)

T₁: 1차 용접시간(sec) (단, T₁은 소수점 첫째자리 미만을 버린 자연수) D : 접합부 직경(mm)

3) 상대회전되는 두 모재를 (c)식으로 산출되는 압력(P2)으로 (d)식으로 산출된 시간(T2) 동안 가압하여 마찰시키는 2 차 마찰단계;

(c)

(d)

p : 접합부 단위면적당 압력(N/mm²)

A : 접합부 면적(mm²)

H : 마찰용접기 유압실린더 단면적(mm²)

T₂: 2 차 마찰시간(sec)

α: 10 (단위환산상수, N/mm²→ bar)

G : 2 차 마찰시간 등급(단, G는 소수점 첫째 자리 미만을 버린 자연수)

δ: 35 (2차 마찰시간 상수)

β: 5 (2 차 마찰시간 등급 상수)

4) 두 모재를 정지시킨 뒤 (f)식으로 산출된 압력(P3)을 (g)식으로 산출된 시간(T₃) 동안 가압하여 단조 압접하는 압접단계;

(f)

(g)

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술.
제 1 항에 있어서,

상기 두 모재는 각각 선박 디젤엔진 과급기의 로터 접합체(Rotor Assembly)를 이루는 터빈휠과 샤프트인 것을 특징으로 하는 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 1, 2 차 마찰단계에서 마찰압력의 허용 오차는 ±10 %인 것을 특징으로 하는 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 압접단계의 단조압력의 허용오차는 ±15 %인 것을 특징으로 하는 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 각 단계별 가압시간 허용오차는 ±10 % 인 것을 특징으로 하는 Ｎｉ기 초내열합금과 내열강의 마찰용접 공정설계 표준화 기술.