KR100570312B1 - 접합 방법 및 조인트용 밀봉제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 구조 부재 사이의 조인트 및 이들을 결합시키는 방법에 관한 것이다. 조인트는 마찰 용접 조인트 또는 부재의 접합면 간의 다른 연결, 및 접합면에 의하여 형성된 경계면에 배치된 발열 반응된 밀봉제를 포함한다. 경계면에서의 밀봉제의 발열 반응은 구조 부재의 접합 이전, 도중, 또는 이후에 개시되어 밀봉제가 경계면을 적어도 부분적으로 밀봉한다. 밀봉제는 구조 부재 사이의 공간을 채워 화학 재료, 습기, 찌꺼기, 및 다른 재료의 유입을 방지할 수 있으므로, 경계면에서 조인트 또는 구조 부재가 부식될 가능성이 감소된다. 또한, 밀봉제는 구조 부재와의 접합부를 형성하므로, 부재 간의 연결 강도가 증가된다.
구조 부재, 조인트, 접합면, 경계면, 밀봉제

Description

접합 방법 및 조인트용 밀봉제 {METHOD AND SEALANT FOR JOINTS}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 용접 조인트에 의하여 부분적으로 접합된 두 개의 구조 부재가 예시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 구조 부재 사이의 용접 조인트의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 부재 상에 부분적으로 배치된 밀봉제가 예시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 접합하도록 구성된 두 개의 구조 부재의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조인트 형성 동작이 예시된 블록도이다.
본 발명은 구조 부재의 접합에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구조 부재 사이의 조인트를 밀봉, 예를 들면 부재의 강도 및 내부식성을 증가시키기 위한 것이다.
구조 부재의 접합은 화학 재료, 습기, 또는 다른 유체 및 입자들이 유입될 수 있는 경계면이 형성되는 경우가 종종 있다. 예를 들면, 항공기 산업 분야에 있 어서, 구조 부재 사이의 조인트는 두 개 이상의 구조 부재를 겹치고, 부재를 관통하는 구멍을 형성하며, 구멍을 관통하여 리벳 또는 다른 파스너를 배치시키는 것이 일반적이다. 겹치는 부재가 그들의 경계면에서 서로 밀착될 수 있지만, 각각의 경계면에는 습기, 화학 재료, 찌꺼기, 및 다른 이재료이 유입되어 구조 부재 및 파스너의 부식을 증가시킬 수 있는 좁은 공간 또는 크레바스형 갭이 형성되는 것이 일반적이다. 따라서, 코킹형(caulk-like) 유기 재료과 같은 밀봉제를 각각의 경계면에 배치하여 경계면을 밀봉하고 이재료이 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 밀봉제는 일부 경우에 구조 부재의 기하학적 구성이 접합 후에는 경계면의 한쪽 또는 양쪽으로 접근이 불가능하기 때문에 접합 이전에 배치되는 것이 바람직하지만, 조인트가 형성되기 전후에 배치시킬 수 있다. 일부 경우에, 밀봉제는 접합 도중에 경계면으로부터 짜내어지고, 확인 및 특히 조인트의 한쪽 또는 양쪽이 접합 후 접근할 수 없는 경우 채우는 것이 곤란할 수 있는 경계면 내에 채워지지 않은 공간이 남겨질 수 있다. 또한, 밀봉제가 경계면을 채우는 경우에도, 밀봉제는 건조되어 시간이 지날수록 조인트의 접합이 열화되거나 또는 느슨해 질 수 있다.
대안으로서, 조인트는 구조 부재를 용접하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 마찰 휘젓기 용접 조인트는 구조 부재를 겹치고, 부재의 경계면과 대체로 직각인 방향으로 연장되는 마찰 휘젓기 용접 핀을 회전시켜서, 핀을 경계면을 따라 부재 내로 가압시켜 형성될 수 있다. 핀은 부재의 일부분을 가소화시키도록 구조 부재에 충분한 마찰을 발생시키고, 가소화된 재료은 핀에 의하여 혼합된다. 가소화된 재료이 냉각되면서, 너깃(nugget)이라고 하는 미세 입자 구조를 갖는 혼합 부분을 특징으로 하는 마찰 휘젓기 용접 조인트가 형성된다. 너깃은 일반적으로 겹치는 부재의 경계면만큼 넓지 않으므로, 부재는 전술한 리벳 조인트에 근접한 공간과 마찬가지로 부식이 일어날 수 있는 공간을 경계면 내에 형성한다. 밀봉제는 공간 내에 배치될 수 있지만, 밀봉제가 용접 전에 배치되는 경우 종래의 밀봉제는 조인트의 강도 및/또는 내부식성에 바람직하지 않게 영향을 미칠 수 있으므로 밀봉제가 조인트의 너깃 내로 유입되지 않도록 주의를 기울여야 한다. 예를 들면, 너깃이 형성될 구조 부재의 영역 상에 마스킹 테이프를 배치하고, 밀봉제를 구조 부재 상에 배치한 다음 마스킹 테이프를 제거하여 너깃을 형성하기 위한 깨끗한 영역을 남기는 것이 일반적이다. 이러한 공정은 시간이 많이 걸린다. 또한, 상기와 같이 사전에 주의하더라도, 부재는 조인트를 형성하도록 배치되어 함께 가압되기 때문에, 밀봉제 중 일부는 경계면 내로 짜들어가서 조인트의 가소화된 재료과 혼합되므로 용접 조인트의 품질을 열화시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 접합 도중에 경계면 내에 공간이 생기거나 또는 이어서 밀봉제가 경계면으로부터 느슨해 질 수 있다.
따라서, 구조 부재에 내부식성 조인트를 형성하는 개선된 방법을 필요로 한다. 방법은 마찰 용접과 같은 용접 방법과 호환성이 있어야 하고, 시간 소모가 많지 않아야 한다. 또한, 방법은 조인트의 품질을 과다하게 감소시키지 않고 구조 부재 사이에 강력한 접합을 형성한다.
본 발명은 밀봉 조인트, 및 구조 부재 사이에 조인트를 형성하는 방법에 관 한 것이다. 발열 재료로 형성된 밀봉제가 구조 부재의 접합면 사이의 경계면에 배치되고 반응하여 경계면에 밀봉부 및/또는 접합부를 형성한다. 밀봉제는 화학 재료, 습기, 찌꺼기 및 다른 재료이 유입되지 않도록 구조 부재 사이의 공간을 채울 수 있으므로, 경계면의 조인트 또는 구조 부재가 부식될 가능성이 감소된다. 또한, 밀봉제는, 마찰 휘젓기 용접 조인트와 같이, 부재 사이에 조인트를 형성하기 이전, 도중, 또는 이후에 반응될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 조인트는 밀봉제를 경계면에 배치하고, 경계면 내의 밀봉제를 발열 반응시켜 형성된다. 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 스틸 등을 포함하는 다양한 재료로 형성될 수 있는 구조 부재는 밀봉제에 의하여 적어도 부분적으로 밀봉되는 조인트가 접합면 사이에 형성되도록 마찰 용접된다.
알루미늄, 니켈, 산소, 또는 다른 재료을 포함할 수 있는 밀봉제는 다층 포일과 같은 포일(foil) 또는 가소제를 포함할 수 있는 유체로서 배치될 수 있다. 또한, 밀봉제는 접합면의 한쪽 또는 양쪽에 밀봉제를 배치시키는데 사용되는 기판 상에 제공될 수 있다. 밀봉제는 약 0.0005 ~ 0.020인치 사이의 두께로 배치될 수 있고, 밀봉제 중 일부는 경계면 외측에서 반응하여 경계면 중 하나 이상의 에지 상에 필렛 밀봉부(fillet seal)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 접합면은 밀봉제가 반응하기 전에 함께 가압될 수 있으므로 밀봉제 중 일부가 경계면으로부터 짜내어진 다음 발열 반응하여 경계면 중 적어도 하나의 에지에 밀봉부를 형성한다.
밀봉제의 발열 반응은 밀봉제를 개시 온도까지 가열시키기 전에 개시될 수 있고, 구조 부재의 마찰 용접 이전, 도중, 또는 이후에 개시될 수도 있다. 예를 들면, 구조 부재를 마찰 휘젓기 용접함으로써 부재를 개시 온도까지 가열시키고, 이로써 발열 반응이 개시된다. 밀봉제의 발열 반응은 약 1200℉에 도달하거나 또는 초과하는 최대 온도를 가질 수 있다.
또한, 납땜 재료이 밀봉제로서 경계면에 제공될 수 있다. 납땜 재료은 구조 부재의 융점보다 일반적으로 더 낮은 융점을 가지므로 납땜 재료이 밀봉제의 발열 반응 도중에 접합면에 접합된다. 납땜 재료은, 예를 들면, 청동, 구리, 알루미늄, 또는 니켈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 다른 연결이 구조 부재 사이에 형성되어 밀봉될 수 있다. 예를 들면, 구조 부재는 선형 마찰 용접과 같은 유형의 마찰 용접, 레이저 용접 또는 아크 용접과 같은 유형의 용접, 리벳 또는 볼트와 같은 커넥터 또는 파스너 등에 의하여 접합될 수 있다.
또한, 본 발명은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 또는 스틸과 같은 재료로 형성된 하나 이상의 구조 부재의 제1 접합면과 제2 접합면을 연결시키는 용접 조인트를 제공한다. 마찰 용접 조인트는 경계면에서 접합면을 연결시키고, 경계면의 발열 반응된 밀봉제가 내부의 마찰 용접 조인트를 적어도 부분적으로 밀봉시킨다. 알루미늄, 니켈, 및 산소와 같은 재료을 포함할 수 있는 밀봉제가 경계면을 실질적으로 채울 수 있다. 또한, 밀봉제는 경계면 외측의 접합면을, 예를 들면, 경계면 에지 상의 필렛 밀봉부로서 밀봉할 수 있다. 마찰 용접 조인트는 미립자 구조를 특징으로 하는 너깃 영역을 갖는 마찰 휘젓기 용접 조인트일 수 있 고, 마찰 용접 조인트는 경계면과 대체로 직각인 방향으로 구조 부재를 통과하여 연장될 수 있다. 또한, 청동, 구리, 알루미늄, 니켈 등으로 형성된 납땜 조인트를 마찰 용접 조인트에 근접하는 접합면 사이에 제공하여 납땜이 경계면을 적어도 부분적으로 밀봉시킬 수 있다.
다음에, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 몇 가지 실시예를 예로 들어 상세하게 설명한다. 실제로, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 본 명세서에 개시된 실시예에만 한정되지 않고, 이들 실시예는 다음의 상세한 설명이 적용가능한 법적 요건을 충족시키도록 제공되는 것이다. 동일 부재에는 동일 도면 부호로 표기하였다.
도면을 참조하면, 도 1은 제1 및 제2 구조 부재(20, 22)를 연결시키는 조인트(10)를 형성하는 장치의 도면이다. 두 개의 구조 부재가 일반적으로 본 발명에 따른 방법에 의하여 접합되지만, 하나의 구조 부재, 예를 들면 튜브형 부재 또는 만곡된 부재의 인접하는 에지가 접합될 수 있다. 대안으로서, 세 개 이상의 구조 부재가 접합될 수 있고, 구조 부재는 여러 가지 구성으로 배열될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 제1 구조 부재(20)는 제1 구조 부재(20)의 접합면(24)이 제2 구조 부재(22)의 접합면(26)과 겹쳐서 두 개의 구조 부재(20, 22)가 이들 부재 사이에 경계면(28)을 형성하도록 배치된다. 마찰 용접 공구를 사용하여 구조 부재(20, 22) 사이에 마찰 용접 조인트(12)를 형성한다. 예를 들면, 마찰 용접 공구는 쇼울더(54)로부터 연장되는 회전가능한 핀(52)을 포함하는 마찰 휘젓기 용접 공구(50) 일 수 있다. 핀(52)은 경계면(28)과 대체로 직각, 예를 들면, 경계면(28)에 수직인 선으로부터 약 3-5°의 각도로 경계면(28)을 관통하여 삽입된다. 앤빌(anvil)(도시되지 않음) 또는 다른 서포트를 마찰 휘젓기 용접 공구(50)와 대향하도록 제2 구조 부재(22)에 맞대어 배치할 수 있다. 다음에, 마찰 휘젓기 용접 공구(50)를 제1 구조 부재(20)에 맞대어 방향(55)으로 가압시켜 핀(52)이 도면 부호(57)로 표기된 방향으로 회전할 때 구조 부재(20, 22)의 경계면(28)을 따라 방향(56)으로 전진시킨다. 핀(52)의 동작으로 인하여 재료을 가소화시키는 마찰열이 구조 부재(20, 22)로부터 발생되고, 가소화된 재료이 핀(52)에 의하여 혼합된다. 가소화된 재료이 냉각 및 경화될 때, 마찰 휘젓기 용접 조인트(12)가 형성되고, 마찰 휘젓기 용접 조인트(12)는 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 구조 부재(20, 22)를 연결시키는 조인트(10) 중 일부를 포함한다. 마찰 용접 조인트(12)는 핀(52)의 경로에 근접한 너깃 영역을 포함하고, 너깃 영역은 미립자 구조를 특징으로 한다.
구조 부재(20, 22)를 접합시키는 마찰 용접 휘젓기 용접 공정은 당해 기술에 공지되어 있고, 토머스 외에 허여된 미합중국 특허 제5,460,317호에 개시되어 있으며, 이 내용 전체를 참조하여 본 명세서에 결합시켰다. 도 1에 도시된 구성으로 형성된 용접 조인트(12)는 일반적으로 랩 조인트(lap joint), 즉, 겹치는 부재의 경계면과 대체로 직각인 조인트라고 한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 다른 용접 조인트가 마찰 휘젓기 용접에 의하여 또한 형성될 수 있다. 또한, 선형 마찰 용접과 같은 유형의 마찰 용접을 사용하여 마찰 용접 장치 및 방법 이외의 용접 장치 및 방법으로서 부재(20, 22)를 접합시킬 수 있다. 예를 들면, 용접 조인트(12) 는 레이저 용접 또는 아크 용접, 보다 구체적으로는 기체 텅스텐 아크 용접, 텅스텐 불활성 기체 용접, 플라즈마 아크 용접 등의 임의의 용접 기술에 의하여 형성될 수 있다. 또한, 구조 부재(20, 22)는 용접하지 않고, 예를 들면, 땜납 조인트 또는 납땜 조인트에 의하여 또한 접합될 수 있다. 대안으로서, 구조 부재(20, 22)는 예를 들면 리벳, 볼트, 나사, 클립, 클림프 등을 포함하는 커넥터 또는 파스너를 사용하여 접합될 수 있다. 본 발명은 상기 또는 다른 유형의 조인트에만 한정되지 않고, 구조 부재(20, 22)를 연결시키는 광범위한 조인트가 사용될 수 있다.
구조 부재(20, 22)는 시트, 플레이트, 블록 등과 같은 임의의 다양한 형상을 형성할 수 있다. 부재(20, 22)는 알루미늄, 티타늄, 이들의 합금, 또는 스틸과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 대안으로서, 부재(20, 22)는 폴리머, 복합물 등을 포함하는 비금속 재료로 형성될 수 있다. 또한, 부재(20, 22)는 유사하거나 또는 유사하지 않은 재료로 형성될 수 있고, 즉 부재(20, 22) 각각은 동일하거나 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부재(20, 22) 중 하나는 금속 재료로 형성되고, 비금속 재료로 형성된 부재(20, 22) 중 다른 하나에 접합된다. 부재(20, 22)는 항공기 및 우주선과 같은 항공 우주 구조체 및 선박, 자동차 등의 프레임, 패널, 스킨, 에어포일 등을 포함하는 다양한 응용에 사용되는 어셈블리를 형성하도록 접합될 수 있다. 일부 응용에서는, 부재(20, 22)는 조인트(10)의 검사 및 처리를 위해 접근이 곤란하거나 또는 접근을 할 수 없는 기하학적 구성으로 접합된다. 예를 들면, 구조 부재(20, 22)는 튜브 또는 항공기 날개와 같은 부분적으로 또는 완전하게 폐쇄된 몸체를 형성할 수 있도 록 겹쳐서 접합될 수 있다.
구조 부재(20, 22)의 접합면(24, 26)은 윤곽으로는 밀착되고 접합면(24, 26)은 함께 밀착되어 클램프될 수 있지만, 경계면(28)은 용접 조인트(12)가 형성되지 않은 공간(24, 26) 사이, 즉 용접 조인트(12)의 양쪽의 공간(14)을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22) 사이의 경계면(28)에 배치된다. 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22)의 접합면(24, 26) 한쪽 또는 양쪽에 배치될 수 있고, 마찰 휘젓기 용접 조인트(12)의 영역을 포함하는 경계면(28) 영역의 일부 또는 전체에 걸쳐 배치될 수 있다. 따라서, 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22)의 접합면(24, 26) 사이의 공간(14)을 채울 수 있다. 밀봉제(40)는 화학 물질, 습기, 찌꺼기, 및 다른 물질이 공간(14)으로 유입되는 것을 방지하고, 이로써 밀봉제(40)는 이들 물질로 일어날 수 있는 부식 또는 다른 손상을 방지할 수 있다.
밀봉제(40)는 화학적으로 발열 반응가능한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상기의 발열 반응가능한 재료는 베릴륨, 니켈, 알루미늄, 붕소, 구리, 마그네슘, 몰리브덴, 팔라듐, 로듐, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 밀봉제(40)는 티타늄 및 붕소, 알루미늄, 니켈 및 구리, 니켈 및 알루미늄, 지르코늄 및 알루미늄, 니켈 및 실리콘, 몰리브덴 및 실리콘, 팔라듐 및 알류미늄, 로듐 및 알루미늄, 티타늄 및 알루미늄, 등의 화합물 또는 혼합물로 형성될 수 있다. 특히, 밀봉제(40)는 ZrAl3, ZrAl2, TiAl, 티타늄 및 붕소 혼합물 또는 여러 가지 다른 발열 반응가능한 화합물, 혼합물, 및 상기 나열된 요소 및/또는 다 른 요소를 포함하는 재료일 수 있다. 밀봉제(40)는 여러 가지 화학 물질, 예를 들면, 밀봉제(40) 내의 금속의 산화를 방지 또는 감소시키거나 또는 부재를 일시적으로 결합시켜 조인트(10)에 양호한 금속 접합을 형성할 수 있는 물질을 또한 포함할 수 있다.
발열 반응 도중에 릴리스된 에너지는 반응에 충분할 수 있으므로 일단 반응이 개시되면, 경계면(28) 내의 밀봉제(40) 모두 또는 대체적으로 모두가 반응한다. 밀봉제(40)의 발열 반응은 밀봉제(40)의 최대 반응 온도 및 구조 부재(20, 22)의 용융 온도에 따라 밀봉제(40) 및/또는 구조 부재(20, 22)의 일부를 용융시키기에 또한 충분할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 구조 부재(20, 22)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고, 발열 반응 도중에 약 1200℉ ~ 2000℉ 사이의 최대 온도에 도달하는 밀봉제(40)에 의하여 밀봉된다. 다른 실시예에 있어서, 티타늄 또는 티타늄 합금으로 형성된 구조 부재(20, 22)는 발열 반응 도중에 약 2000℉ ~ 3500℉ 사이의 최대 온도에 도달하는 밀봉제(40)에 의하여 밀봉된다. 비합금 알루미늄 및 티타늄은 약 1220℉ 및 3270℉의 온도에서 각각 용융된다. 따라서, 일부 경우에 있어서, 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22)의 경계면에서 부분적으로 용융되어 함께 확산 접합부를 형성한다. 대안으로서, 반응 온도가 구조 부재(20, 22)의 융점 이하인 경우, 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22)를 용융시키지 않고 경계면(28)을 채우도록 용융될 수 있다.
어느 경우에서나, 밀봉제(40)는 경계면(28)을 실질적으로 채울 수 있으므로, 경계면(28)이 밀봉되고 찌꺼기, 습기, 등이 유입될 수 없다. 또한, 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22)에 접합되어 이들 부재 사이에 조인트를 형성할 수 있다. 밀봉제(40)가 구조 부재(20, 22)의 마찰 용접 전에 반응하는 경우, 밀봉제(40)에 의하여 형성된 조인트는 마찰 용접이 실행되는 동안 구조 부재(20, 22)를 제 위치에 지지할 수 있다. 또한, 밀봉제(40)가 언제 반응하느냐에 상관없이, 밀봉제(40)에 의하여 형성된 조인트는 구조 부재(20, 22) 사이의 전체 조인트(10)의 강도를 향상시킬 수 있다. 즉, 밀봉제(40)는 구조 부재(20, 22)를 마찰 용접에 의하여 접합되지 않은 경계면(28) 부분에 걸쳐 연결할 수 있으므로, 마찰 용접 조인트(12)의 강도를 보강할 수 있다.
밀봉제(40)는 필름, 페이스트, 파우더, 등으로 형성 및 배치될 수 있다. 예를 들면, 밀봉제(40)는 수십, 수백, 또는 수천 개의 층으로 형성될 수 있다. 대안으로서, 밀봉제(40)는 페이스트, 또는 가소화 유체 내에 현탁된 파우더와 같은 다른 유체로 형성될 수 있다. 또한, 밀봉제(40)는 접합면(24, 26)의 한쪽 또는 양쪽에 밀봉제(40)를 배치하는데 사용되는 기판 상이나 또는 기판 내에 필름, 파우더, 유체, 등으로 배치될 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 기판(42)은 폴리머 또는 종이 재료로 된 얇고 가요성을 갖는 테이프형 시트일 수 있다. 대안으로서, 기판(42)은 밀봉제(40)를 내부에 적어도 부분적으로 흡수할 수 있는 다공성 또는 거즈형 재료일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 밀봉제(40)는 기판(42) 상에 균일한 두께를 갖는 층으로 배치될 수 있고, 다음에 기판(42)은 롤(roll)(44)을 형성하도록 코일로 감길 수 있다. 이어서, 기판(42)은 롤이 풀려서 부재(20, 22)와 기판(42) 사이에 밀봉제(40)가 채워진 상태로 구조 부재(20, 22)의 한쪽 또는 양쪽 에 배치될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 밀봉제(40)는 기판(42)이 코일로부터 분배될 때 기판(42) 상에 배치되거나 또는 공급 장치에 의하여 배치될 수 있고, 다음에 기판(42)은 구조 부재(20, 22) 상에 위치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(42)은 접합면(26) 상에 밀봉제(40)를 남겨 두고 부재(22)로부터 방향(43)으로 벗겨질 수 있다. 대안으로서, 구조 부재(20, 22)는 이들 사이에 기판(42)이 접합되도록 구성될 수 있고, 기판(42)은 밀봉제(40)의 발열 반응 및/또는 구조 부재(20, 22)의 용접 도중에 얇아지거나 또는 파괴될 수 있다.
접합면(24, 26) 상에 배치된 밀봉제(40) 양은 변할수 있고, 일 실시예에서는 약 0.0005 ~ 0.020인치 사이의 층이 배치될 수 있다. 밀봉제(40)는 일부 경우에 있어서는 밀봉제(40)가 마찰 용접 조인트(12)의 소정의 기계적 성질에 긍정적 또는 부정적으로 영향을 미칠 수 있지만, 조인트(10)의 마찰 용접 조인트(12)를 형성하도록 용접된 경계면(28) 부분을 포함하여 접합면(24, 26) 전부 또는 일부분에 걸쳐 배치될 수 있다.
밀봉제(40)의 발열 반응은 구조 부재(20, 22)가 용접 조인트(12)를 형성하도록 마찰 용접되기 이전, 도중, 또는 이후에 개시될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 밀봉제(40)를 접합면(24, 26) 상에 배치시키고, 구조 부재(40)를 접합면(24, 26)이 대향하여 이들 부재 사이에 경계면(28)을 형성하도록 위치시킨 다음, 발열 반응이 개시된다. 발열 반응은 밀봉제(40)를 가열하고, 화학적 촉매 등을 준비함으로써 개시될 수 있다. 예를 들면, 오븐, 플레임, 레이저 등을 사용하여 발열 반응이 개시되는 밀봉제(40)의 개시 온도까지 밀봉제(40) 및/또 는 구조 부재(20, 22)의 전부 또는 일부분을 가열시킨다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예의 경우, 발열 반응은 반응을 유지하기에 충분한 열에너지를 릴리스하므로, 추가의 에너지를 공급할 필요가 없다. 그러나, 다른 실시예에 있어서는, 발열 반응은 일어나지만 자동으로 계속되기에 충분한 열에너지를 릴리스하지 않으므로, 추가의 에너지가 예를 들면 오븐, 플레임, 레이저 등으로 공급되어야 한다. 발열 반응이 자동으로 계속될 수 있는 경우, 반응은 일단 개시되면 신속하게 일어나는 것이 일반적이다. 다음에, 마찰 용접이 전술한 바와 같이 실행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 마찰 용접은 발열 반응 도중에 적어도 부분적으로 실행될 수 있다. 특히, 밀봉제(40)를 배치하고, 구조 부재(20, 22)를 경계면(28)을 형성하도록 위치시킨 다음, 마찰 용접이 발열 반응을 개시시키기에 충분한 열에너지를 제공하도록 마찰 용접이 실행될 수 있다. 다음에, 발열 반응은 마찰 용접 속도와 동일하거나 또는 상이한 속도로 일어날 수 있다. 예를 들면, 일단 개시되면, 밀봉제(40)의 발열 반응은 마찰 용접이 저속으로 계속되는 동안 수초 이내에 종료될 수 있다.
대안으로서, 마찰 용접이 밀봉제(40)의 발열 반응을 개시시키기에 충분한 열에너지를 제공하지 않는 경우, 밀봉제(40)는 마찰 용접이 시작되거나 종료된 후 반응할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 밀봉제(40)는 접합면(24, 26) 상에 배치되고, 구조 부재(20, 22)는 이들 사이에 경계면(28)을 형성하도록 대향하는 접합면(24, 26)이 배치되며, 마찰 용접 조인트(12)가 형성된다. 마찰 용접 조인트(12)의 적어도 일부를 형성한 다음, 밀봉제(40)는 경계면(28)에 밀봉부를 형성하도록 발열 반응한다.
밀봉제(40)는 경계면(28)을 실질적으로 채우고, 즉 경계면(28)을 밀봉시켜 습기 또는 찌꺼기가 경계면(28) 내로 유입되는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 밀봉제(40)는 경계면(28) 외측, 예를 들면, 경계면(28)의 하나 이상의 에지에 연장되는 밀봉부(46)를 형성하여 구조 부재(20, 22)가 부식되거나 또는 다른 손상을 입지 않도록 경계면(28)을 더 보호할 수 있다. 따라서, 밀봉제(40)는 경계면(28) 외측에 배치될 수 있다. 예를 들면, 밀봉제(40)가 포일 또는 페이스트형 유체로서 배치되는 경우, 밀봉제(40)는 접합면(24, 26)의 영역을 지나서 연장되는 구조 부재(20, 22)의 부분 상에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 밀봉제(40)는 접합면(24, 26) 상에 페이스트로서 배치되고, 구조 부재(20, 22)는 경계면(28)을 형성하도록 대향하는 구조의 접합면(24, 26)이 제공된다. 구조 부재(20, 22)는, 예를 들면, 구조 부재(20, 22)를 함께 클램핑함으로써 함께 가압된다. 페이스트 밀봉제(40)로 경계면(28)을 실질적으로 채우고, 밀봉제(40)의 일부는 경계면(28)의 에지에서 경계면(28)으로부터 짜내어진다, 과다한 페이스트 밀봉제(40)는 경계면(28)의 에지로부터 제거될 수 있지만, 일부 밀봉제(40)는 경계면(28) 외측에 남게 된다. 따라서, 페이스트 밀봉제(40)가 반응할 때, 경계면(28) 에지의 밀봉제(40) 비드(bead)는 필렛 밀봉부(46)를 형성한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 필렛 밀봉부(46)는 코크형 또는 수지재와 같은 종래의 밀봉제를 사용하여 또한 형성될 수 있다.
도 4에 예시된 바와 같이, 납땜 재료(48)는 밀봉제(40)가 반응하여 구조 부 재(20, 22) 사이에 납땜 조인트를 형성하기 전에 경계면(28)에 밀봉제(40)로 제공될 수 있다. 일반적으로, 납땜 재료(48)는 구조 부재(20, 22)의 융점보다 더 낮은 융점을 특징으로 한다. 따라서, 특정 조인트(10)용의 특정 납땜 재료(48)는 구조 부재(20, 22)의 재료 및 밀봉제(40)에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 납땜 재료(48)는 청동, 구리, 알루미늄, 및/또는 니켈을 포함할 수 있다. 납땜 재료(48)는 포일, 페이스트, 파우더, 또는 밀봉제(40)용 다른 구성부로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 납땜 재료(48)로 된 얇은 시트를 밀봉제(40)의 포일 내에 적층시키거나 또는 납땜 재료(48)의 입자를 파우더 또는 페이스트인 밀봉제(40)와 혼합시킬 수 있다. 따라서, 납땜 재료(48)는 접합면(24, 26)의 한쪽 또는 양쪽에 밀봉제(40)와 함께 배치될 수 있다. 대안으로서, 납땜 재료(48)는 경계면(28) 내에 각기 다르게, 예를 들면, 포일 밀봉제(40)로 적층된 별개의 시트, 밀봉제(40)와 대향하는 접합면 상에 배치된 파우더 또는 페이스트, 등으로 제공될 수 있다. 어떤 경우에 있어서나, 밀봉제(40)는 납땜 재료(48)의 융점보다 더 높은 반응 온도를 가질 수 있고, 밀봉제(40)는 발열 반응 도중에 납땜 재료를 용융시키기에 충분한 열을 릴리스하여 납땜 재료(48)가 구조 부재(20, 22)에 납땜되거나 또는 접합되어 구조 부재(20, 22)를 접합시킬 수 있는 양으로 배치될 수 있다. 밀봉제(40)의 발열 반은, 즉 구조 부재(20, 22)가 납땜 재료(48)에 의하여 접합되기 이전, 도중, 또는 이후에, 조인트(12)는, 전술한 바와 같이, 예를 들면 마찰 휘젓기 용접에 의하여 형성될 수 있다. 따라서, 납땜 재료(48)가 구조 부재(20, 22) 사이의 조인트(10) 강도를 강화시킨다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조인트 형성 동작을 예시하는 도면이다. 일부 동작은 방법에서 생략되었으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 추가의 동작이 실행될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 블록(100)에 표시된 바와 같이, 밀봉제는 적어도 하나의 구조 부재의 제1 및 제2 접합면에 의하여 형성된 경계면 내에 배치된다. 밀봉제는 포일 또는 유체로서 배치될 수 있고, 기판으로 배치될 수 있다. 밀봉제는 약 0.0005 ~ 0.020인치의 두께로 배치될 수 있고, 전체 경계면을 채우거나 또는 대체로 채울 수 있다. 또한, 밀봉제 일부는, 예를 들면, 밀봉제를 배치시킨 후 부재와 함께 짜냄으로써 경계면 외측에 배치되고, 이로써 밀봉제가 경계면 외측에 필렛 밀봉부를 형성한다. 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 납땜 재료가 경계면 내에 밀봉제로서 또한 배치될 수 있다. 블록(110)을 참조한다. 밀봉제의 발열 반응은 밀봉제가 접합면 사이의 경계면을 적어도 부분적으로 밀봉하도록 개시된다. 블록(120)을 참조한다. 예를 들면, 밀봉제를 개시 온도까지 가열시킴으로써 반응이 개시될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 발열 반응은 적어도 약 1200℉의 최대 온도를 특징으로 한다. 상기 적어도 하나의 구조 부재는 제1 접합면과 제2 접합면 사이에 조인트를 형성하도록 용접되거나 또는 연결되고, 조인트는 밀봉제에 의하여 적어도 부분적으로 밀봉된다. 블록(130)을 참조한다. 예를 들면, 구조 부재는 마찰 휘젓기 용접될 수 있다. 마찰 용접은 밀봉제의 발열 반응을 개시하거나 또는 밀봉제는 마찰 용접 이전이나 이후에 반응될 수 있다. 대안으로서, 구조 부재는 레이저 용접 또는 아크 용접, 보다 구체적으로는 기체 텅스텐 아크 용접, 텅스텐 불활성 기체 용접, 플라즈마 아크 용접 등과 같은 임의의 다 른 용접 기술에 의하여 용접될 수 있다. 또한, 구조 부재는 용접없이, 예를 들면, 땜납, 납땜, 또는 리벳, 볼트, 나사, 또는 클립과 같은 커넥터 또는 파스너를 구조 부재 사이에 배치함으로써 또한 접합될 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 여러 가지 변형예 및 다른 실시예는 전술한 설명 및 첨부 도면에 나타낸 지침의 장점을 갖는 다는 점을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정의 실시예에만 한정되지 않고 변형예 및 다른 실시예는 특허청구범위 내에 포함된다는 점을 이해할 것이다. 특정 용어를 본 명세서에 사용하였지만, 이들 용어는 일반적인 용어로서 단지 설명을 위한 것이지 한정하는 것은 아니다.
본 발명은 구조 부재에 내부식성 조인트를 형성함으로써 시간 소모가 많지 않게 조인트의 품질을 과다하게 감소시키지 않고 구조 부재 사이에 강력한 접합을 형성할 수 있다.

Claims (65)

  1. 용접 조인트를 형성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 구조 부재의 제1 접합면 및 제2 접합면에 의하여 형성된 경계면(interface)에 밀봉제를 배치하는 단계,
    상기 밀봉제가 상기 제1 및 제2 접합면 사이의 상기 경계면을 적어도 부분적으로 밀봉하도록 상기 밀봉제에서 발열 반응을 개시하는 단계, 및
    상기 개시 단계 동안 상기 경계면을 밀봉하기 전 또는 후, 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 밀봉된 상기 경계면을 통해 연장되는 조인트를 형성하도록 상기 적어도 하나의 구조 부재를 마찰-교반 용접(friction stir welding)하는 단계를 포함하고,
    상기 조인트는 상기 밀봉제에 의하여 적어도 부분적으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 용접 조인트 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    알루미늄, 니켈, 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 밀봉제를 제공하는 단계를 더 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개시 단계는 실질적으로 상기 경계면 전체를 상기 밀봉제로 채우는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 교반 용접 단계는, 쇼울더(shoulder)로부터 연장되는 마찰 교반 용접핀(friction stir welding pin)을 회전시키고 상기 핀이 상기 경계면을 관통하도록 가압하여 상기 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 교반 용접하도록 하는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 용접 단계는 마찰 용접 공구를 상기 경계면과 실질적으로 직각인 방향으로 상기 접합면을 관통하도록 가압시키는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배치 단계는 상기 밀봉제를 상기 제1 및 제2 접합면 사이에 포일(foil)로서 배치하는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    밀봉제를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 형성단계는 다층 포일(multilayer foil)을 형성하도록 복수개의 밀봉제 적층 시트를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배치 단계는 상기 밀봉제를 적어도 하나의 접합면 상에 유체(fluid)로 배치하는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밀봉제를 유체로서 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 유체는 가소제를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 조인트 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    기판 상에 밀봉제를 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 배치 단계는, 적어도 하나의 상기 접합면 위에 상기 밀봉제 및 상기 기판을 배치하는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마찰 교반 용접 단계 전에, 상기 기판을 상기 접합면으로부터, 밀봉제가 접합면 상에 잔류하도록, 제거하는 단계를 더 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 개시 단계는 상기 밀봉제를 상기 밀봉제의 발열 반응 개시 온도까지 가열시켜 상기 밀봉제가 발열 반응을 개시하도록 하는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 구조 부재를 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 구조 부재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합 금 및 강 (steel) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    융점이 상기 구조 부재의 융점보다 더 낮고 상기 밀봉제의 발열 반응 중에 상기 접합면에 적어도 부분적으로 접합되는 납땜 재료(braze material)를, 상기 경계면에 배치하는 단계를 더 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    청동, 구리, 알루미늄, 및 니켈로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 납땜 재료를 제공하는 단계를 더 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 개시 단계는 상기 밀봉제의 발열 반응을 개시하는 단계를 포함하고,상기 발열반응은 적어도 약 1200℉의 최대 온도를 갖는 용접 조인트 형성 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 배치 단계는 약 0.0005 내지 0.020 인치 사이의 두께를 갖는 상기 밀봉제를 배치시키는 단계를 포함하는 용접 조인트 형성 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 적어도 하나의 구조 부재 사이에 조인트를 형성하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 구조 부재의 제1 접합면 및 제2 접합면에 의하여 형성된 경계면에 밀봉제를 배치하는 단계;
    상기 밀봉제가 상기 접합면 사이의 경계면을 적어도 부분적으로 밀봉하도록 상기 밀봉제에서 발열 반응을 개시하는 단계; 및
    상기 개시 단계 동안 상기 경계면을 밀봉하기 전 또는 후, 상기 제1 접합면과 상기 제2 접합면 사이에 밀봉된 상기 경계면을 통해 연장된 조인트를 형성하도록, 상기 적어도 하나의 구조 부재를 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 조인트는 상기 밀봉제에 의하여 적어도 부분적으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 조인트 형성 방법
  25. 제24항에 있어서,
    알루미늄, 니켈, 및 산소로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 밀봉제를 제공하는 단계를 더 포함하는 조인트 형성 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 개시 단계는 실질적으로 상기 경계면 전체를 상기 밀봉제로 충진(filling)하는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 구조 부재 사이에 용접 조인트를 형성하도록 경계면에서 상기 구조 부재를 용접하는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 용접 단계는 아크 용접 및 레이저 용접으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 한 가지를 포함하는 조인트 형성 방법.
  29. 삭제
  30. 제24항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 구조 부재를 접합시키기 위하여 적어도 하나의 커넥터를 상기 경계면을 관통하도록 배치하는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  31. 제24항에 있어서,
    상기 배치 단계는 상기 밀봉제를 상기 접합면들 사이에 포일(foil)로서 배치시키는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 밀봉제를 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 형성 단계는 복수개의 밀봉제 적층 시트를 적층하여 다층 포일을 형성하는 것을 포함하는 조인트 형성 방법.
  33. 제24항에 있어서,
    상기 배치 단계는 하나 이상의 접합면 상에 밀봉제를 유체로서 배치하는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 밀봉제를 유체로서 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 유체는 가소제를 포함하는 조인트 형성 방법.
  35. 제24항에 있어서,
    상기 밀봉제를 기판 상에 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 배치 단계는 상기 밀봉제 및 기판을 하나 이상의 상기 접합면 위에 배치시키는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    접합 단계 전에, 밀봉제가 상기 접합면들 위에 남아있도록, 상기 접합면들으로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함하는 조인트 형성 방법.
  37. 제24항에 있어서,
    상기 개시 단계는 상기 밀봉제의 발열 반응 개시 온도까지 상기 밀봉제를 가열시켜 상기 밀봉제가 발열 반응을 개시하도록 하는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
  38. 삭제
  39. 삭제
  40. 제24항에 있어서,
    알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 및 강(steel)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 적어도 하나의 구조부재를 제공하는 단계를 더 포함하는 조인트 형성 방법.
  41. 제24항에 있어서,
    융점이 상기 구조부재의 융점 보다 낮고, 밀봉제가 발열반응하는 동안 상기 접합면들에 적어도 부분적으로 접합하게 되는 납땜 재료(braze material)를, 상기 경계면에 배치하는 단계를 더 포함하는 조인트 형성 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    청동, 구리, 알루미늄, 및 니켈로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 납땜 재료를 제공하는 단계를 더 포함하는 조인트 형성 방법.
  43. 제24항에 있어서,
    상기 개시 단계는 상기 밀봉제의 발열 반응을 개시시키는 단계를 포함하며,
    상기 반응은 적어도 약 1200℉의 최대 온도를 갖는 조인트 형성 방법.
  44. 제24항에 있어서,
    상기 배치 단계는 약 0.0005 내지 0.020 인치 사이의 두께를 가지는 밀봉제를 배치하는 단계를 포함하는 조인트 형성 방법.
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