KR100654410B1 - 확산접합 및 초소성성형용 치구 - Google Patents

확산접합 및 초소성성형용 치구 Download PDF

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이호성
윤종훈
이영무
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명에 따르면 상부치구, 중부치구 및 하부치구로 이루어진 확산접합 및 초소성성형용 치구에 있어서 상단부가 상부치구에 고정되고, 하단부에 쐐기결합홈이 형성되어 있으며 중부 및 하부 치구를 관통하여 연결하는 연결봉, 쐐기결합홈에 결합되어 하부치구가 연결봉에서 이탈되지 않도록 고정하는 쐐기 및 중부치구 내에 적층된 확산접합용 모재에 압력을 가하는 밀폐용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구가 제공된다. 이와 같은 확산접합 및 초소성성형용 치구에 의하면 대용량의 유압프레스가 없어도 고압을 유지할 수 있으며, 모재에 균일한 압력을 가할 수 있게 된다. 따라서 접합면에 미세크랙이나 기공 등의 결함이 없는 고품질의 확산접합 및 초소성성형을 현저하게 낮은 비용으로 가능하게 하는 효과가 있다.
확산접합, 치구, 가압, 초소성성형, 판재

Description

확산접합 및 초소성성형용 치구{Tools for diffusion bonding and superplastic forming}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산접합 및 초소성성형용 치구의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 연결봉 및 쐐기의 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 밀폐용기의 사시도,
도 4는 도 1에 도시된 밀폐용기의 단면도,
도 5는 도 1에 도시된 확산접합 및 초소성성형용 치구에 의해 제조된 구조물에 대한 미세조직 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...확산접합 및 초소성성형용 치구 110...상부치구
111...성형가스 주입로 120...중부치구
130...하부치구 131...보호가스 주입로
140...연결봉 141...쐐기결합홈
150...쐐기 160...밀폐용기
161...상부판재 162...중부판재
163...하부판재 164...용접부
165...파이프 170...밀폐판재
180...모재
본 발명은 고상접합 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속판재를 여러층으로 적층한 모재를 고상상태에서 접합하기 위해 사용되는 확산접합 및 초소성성형용 치구에 관한 것이다.
일반적으로 고상접합은 기존의 용융용접과 달리 모재를 고체상태로 유지하면서 일체화하는 기술이다. 이 기술은 모재의 용융을 방지 또는 최대한 억제함으로써 모재가 가지고 있는 본래의 특성을 보존하고 접합부의 결함발생을 최소화하여 일체화된 부품의 특성을 극대화할 수 있는 기술이다.
복합재료등 신금속소재의 개발과 첨단산업의 발달로 고상접합 기술이 크게 각광을 받고 발전하게 되었으며 이로인해 기존의 용융용접 기술로는 접합이 불가능한 소재, 복잡한 형상의 소재, 고품질 및 고정밀성이 요구되는 소재 등의 접합이 가능하게 되었다.
이러한 고상접합 기술로는 마찰열을 이용하는 마찰접합, 삽입금속을 이용하는 브레이징, 원자의 확산현상을 응용한 확산접합 등이 있다. 이 중에서 확산접합은 모재를 용융시키지 않을 정도의 고온에서 모재가 큰 소성변형을 일으키지 않는 정도의 정수압력을 가함으로써 고상상태에서 접합하는 방법이다.
한편 확산접합기술은 초소성성형, 항온성형, 열산 정수압 성형 기술등과 함께 연계되어 복잡한 형상의 부품을 일체형으로 제조하는데 활용되기도 한다.
그런데, 이와 같은 확산접합시에는 고온에서 고압을 유지하여야 하는데 이때 프레스나 기체를 이용하여 고압을 형성하게 된다. 기체를 이용하여 고압을 형성하게 될 경우, 기체의 기밀을 유지하며 압력을 가하기 위해서는 대용량의 유압프레스가 필요하며, 모재를 균일하게 가압하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 대용량의 유압프레스 없이 고압을 형성하기 위한 기밀을 유지할 수 있고, 모재에 균일한 압력을 가할 수 있는 확산접합 및 초소성성형용 치구를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 확산접합 및 초소성성형용 치구는 상부치구, 중부치구 및 하부치구로 이루어진 확산접합 및 초소성성형용 치구에 있어서, 상단부가 상기 상부치구에 고정되고, 하단부에 쐐기결합홈이 형성되어 있으며, 상기 중부 및 하부 치구를 관통하여 연결하는 연결봉; 상기 쐐기결합홈에 결합되어 상기 하부치구가 상기 연결봉에서 이탈되지 않도록 고정하는 쐐기; 및 상기 중부치구 내에 적층된 확산접합용 모재에 압력을 가하는 밀폐용기를 포함한다.
또한, 상기 연결봉은 상기 쐐기결합홈의 단면이 사다리꼴 모양인 것을 바람직하다.
게다가, 상기 연결봉 및 상기 쐐기는 니켈합금내열강인 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 중부치구 및 상기 하부치구는 일체형으로 형성될 수 있다.
더구나, 상기 밀폐용기는 상기 모재의 단면과 같은 모양의 형상인 하부판재; 상기 하부판재와 같은 모양과 크기이며, 가스가 통과할 수 있도록 중앙에 통공이 형성되어 있는 상부판재; 및 상기 하부판재와 상기 상부판재 사이에 위치하며, 중앙부에 가스가 저장될 수 있는 공간이 형성되어 있는 중부판재를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 상부 및 하부판재는 용접으로 결합되는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 밀폐용기는 상기 확산접합용 모재와 같은 재질일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들 이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산접합 및 초소성성형용 치구의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연결봉 및 쐐기의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 확산접합 및 초소성성형용 치구(100)는 상부치구(110), 중부치구(120) 및 하부치구(130)를 구비하며, 하단부에 쐐기결합홈(141)이 형성된 연결봉(140), 상기 쐐기결합홈(141)에 결합되는 쐐기(150) 및 모재(180)에 압력을 가하는 밀폐용기(160)를 더 포함한다.
상기 상부치구(110)에는 성형가스 주입로(111)가 형성되어 있고, 이 주입로(111)로 유입되는 불활성 기체가 상기 밀폐용기(160)에 주입되어 모재(180)가 가압성형 된다. 여기서 상기 불활성 기체는 아르곤 가스(Argon Gas)인 것이 바람직 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 상부치구(110)의 하부에는 확산접합 하고자 하는 모재(180)가 안치되는 중부치구(120)가 위치하며, 상기 상부치구(110)와 상기 중부치구(120) 사이에는 밀폐판재(170)가 게재되어 상기 상부 및 중부치구(110, 120)를 밀폐하며 분리하는 역할을 한다.
여기서, 상기 모재(180)는 금속판재를 여러 층으로 적층한 것으로, 이 때 금속판재는 화학적 세척이나 기계적 연마방법 등으로 처리되어 깨끗한 표면을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 적층된 모재(180)는 본 발명에 의한 치구 내부에 안치되어 서로 접합되게 된다.
또한, 상기 중부치구(120)의 하부에는 보호가스 주입로(131)가 형성된 하부 치구(130)가 위치한다. 상기 보호가스는 가압성형 중에 금속이 산화되는 것을 방지하는 역할을 하게된다. 이 때 상기 보호가스는 아르곤 가스인 것이 바람직 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 연결봉(140)은 하단부에 상기 쐐기(150)가 결합할 수 있는 쐐기결합홈(141)이 형성되어 있고, 상단부가 상기 상부치구(110)에 고정되며 상기 중부 및 하부치구(120, 130)를 관통하여 연결한다.
여기서, 상기 쐐기(150)는 상기 쐐기결합홈(141)에 결합하여 상기 하부치구(130)가 상기 연결봉(140)에서 이탈되지 않도록 상기 상부치구(110)쪽으로 밀착시키는 역할을 한다.
또한, 상기 쐐기결합홈(141)의 단면은 사다리꼴의 형상인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 쐐기(150)는 상기 쐐기결합홈(141)에 깊게 결합될수록 상기 쐐기결합홈(141)의 빗면을 따라 상기 연결봉(140)의 상단쪽으로 이동하게 되므로, 상기 쐐기(150)는 상기 하부치구(130)를 상기 상부치구(110)쪽으로 더욱 밀착시키게 된다.
게다가, 상기 연결봉(140) 및 상기 쐐기(150)는 니켈합금내열강인 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 사용되는 니켈내열합금강은 인코넬625(상품명)일 수 있다.
상기 연결봉(140) 및 쐐기(150)를 이용하여 상기 상부, 중부 및 하부치구(110, 120, 130)를 서로 밀착시키면 고온고압의 환경에서도 기밀을 유지할 수 있게 된다.
아울러 상기 중부치구(120) 및 상기 하부치구(130)는 일체형으로 형성될 수 있다. 따라서 상기 확산접합 및 초소성성형용치구(100)의 기밀을 더욱 효과적으로 유지할 수 있으며, 확산접합의 안정성 및 품질이 더욱 높아지게 된다. 게다가, 일체형으로 형성된 치구는 더욱 견고하며 그 제작 비용을 절감할 수 있게 된다.
도 3은 도 1에 도시된 밀폐용기의 사시도이고, 도 4는 도 1에 도시된 밀폐용기의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 밀폐용기(160)는 상기 모재(180)의 단면과 같은 모양의 형상인 하부판재(163)와 상기 하부판재(163)와 같은 모양과 크기이며, 가스가 통과할 수 있도록 중앙에 통공(미도시)이 형성되어 있는 상부판재(161) 및 상기 하부판재(163)와 상기 상부판재(161) 사이에 위치하며, 중앙부에 가스가 저장될 수 있도록 공간이 형성된 중부판재(162)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 상부, 중부 및 하부판재(161, 162, 163)는 용접으로 결합될 수 있다. 여기서 상기 용접법은 TIG(Tungsten Inert Gas)용접인 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. TIG(Tungsten Inert Gas)용접을 이용할 경우 상기 상부 및 하부판재(161, 163)는 상기 중부판재(162)를 필러메탈로 이용하여 접합되는 것이 바람직하다. 필러메탈이란 용접열에 의해 용융되어 모재를 접합시키는 역할을 하는 금속으로 일반적인 용접에서는 용접봉이 그 역할을 하게 된다.
게다가, 상기 상부판재(161)에는 성형가스가 상기 밀폐용기(160)내부로 유입될 수 있도록 상기 통공(미도시)이 형성된 부위에 파이프(165)가 위치할 수 있다.
또한, 상기 밀폐용기(160)는 제한된 크기의 치구내에서 성형가스의 압력을 손실없이 상기 모재(180)에 균일하게 전달하여야 하기 때문에 상기 모재(180)와 같 은 재질인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 밀폐용기(160)의 내부로 유입된 고압의 성형가스는 상기 밀폐용기(160)를 팽창시켜 상기 모재(180)를 가압하게 된다. 이 때, 기체는 모든 방향에 대하여 일정한 압력을 가하게 되므로 상기 모재(180)는 가압면에 대하여 균일한 압력을 받게 된다. 따라서, 확산접합의 품질이 매우 높아지게 된다.
이하, 본 실시예의 확산접합 및 초소성성형용 치구를 이용한 티타늄 합금의 접합과정을 나타내보았다.
티타늄 합금인 Ti-6AL-4V로 만들어진 두께 2.04㎜의 판재를 지름 120㎜의 원반모양으로 2장 절삭하여 상부판재(161) 및 하부판재(163)를 준비하였다. 그리고 상기 티타늄 합급 판재를 안지름 100㎜, 바깥지름 130㎜의 링모양으로 절삭하여 중부판재(162)를 준비하였다. 상기 상부판재(161)에는 가스 주입을 위하여 지름 5㎜의 통공을 뚫고, 파이프(165)를 TIG용접으로 고정시켰다. 상기 상부판재(161)와 하부판재(163) 사이에 상기 중부판재(162)를 놓고 TIG용접을 하여 상기 밀폐용기(160)를 만들었다.
티타늄 합금인 Ti-6AL-4V로 만들어진 두께 2.04㎜의 판재를 지름 100㎜의 원반모양으로 50장을 절삭하여 그 표면을 화학세척한 후 상기 중부치구(120)에 순차적으로 쌓았다. 그리고 상기 중부치구(120)의 상부에 상기 밀폐용기(160)를 위치시킨 후 상기 상부, 중부 및 하부치구(110, 120, 130)를 상기 연결봉(140)과 쐐기(150)를 이용하여 결합하였다. 이 때, 상기 연결봉(140) 및 쐐기(150)는 고온에서도 강도를 유지하기 위하여 인코넬625 합금으로 이루어진 것을 사용하였다.
상기 상부 및 하부치구(110, 130)의 공기를 진공펌프를 이용하여 제거하고 상기 확산접합 및 초소성성형용 치구(100)를 대략 800℃로 가열하였다. 그리고 상기 밀폐용기(160)에 40Bar 혹은 그 이하의 아르곤 가스를 주입하기 시작하였다. 상기 확산접합 및 초소성성형용 치구(100)의 온도가 대략 875℃에 도달하면 40Bar 혹은 그 이하의 압력을 대략 30분간 유지한 후, 기체압력을 제거하고 온도를 서서히 내려 노냉시켰다.
한편, 상기 과정을 진행할 때, 상기 티타늄 금속판재가 산화되지 않도록, 보호가스를 이용하여 하부치구(130) 내부를 진공 또는 환원성 상태로 유지하였다.
이렇게 일체형으로 완성된 구조물의 접합면에 대한 미세조직 사진이 도 5이다. 도 5를 참조하면, 접합면에 미세크랙이나 기공 등의 결함이 없고 고체상태에서 원자확산 및 결정입계의 이동으로 완전한 확산접합이 이루어졌음을 알 수 있다.
본 발명의 확산접합 및 초소성성형용 치구에 따르면, 대용량의 유압프레스가 없어도 고압을 유지할 수 있으며, 모재에 균일한 압력을 가할 수 있게 된다. 따라서 접합면에 미세크랙이나 기공 등의 결함이 없는 고품질의 확산접합을 현저하게 낮은 비용으로 가능하게 하는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 상부치구, 중부치구 및 하부치구로 이루어진 확산접합 및 초소성성형용 치구에 있어서,
    상단부가 상기 상부치구에 고정되고, 하단부에 쐐기결합홈이 형성되어 있으며, 상기 중부 및 하부 치구를 관통하여 연결하는 연결봉;
    상기 쐐기결합홈에 결합되어 상기 하부치구가 상기 연결봉에서 이탈되지 않도록 고정하는 쐐기; 및
    상기 중부치구 내에 적층된 확산접합용 모재에 압력을 가하는 밀폐용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결봉은,
    상기 쐐기결합홈의 단면이 사다리꼴 모양인 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연결봉 및 상기 쐐기는,
    니켈합금내열강인 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중부치구 및 상기 하부치구는,
    일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐용기는,
    상기 모재의 단면과 같은 모양의 형상인 하부판재;
    상기 하부판재와 같은 모양과 크기이며, 가스가 통과할 수 있도록 중앙에 통공이 형성되어 있는 상부판재; 및
    상기 하부판재와 상기 상부판재 사이에 위치하며, 중앙부에 가스를 저장할 수 있도록 공간이 형성된 중부판재를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상부 및 하부판재는,
    용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 밀폐용기는,
    상기 확산접합용 모재와 같은 재질인 것을 특징으로 하는 확산접합 및 초소성성형용 치구.
KR1020050127661A 2005-12-22 2005-12-22 확산접합 및 초소성성형용 치구 KR100654410B1 (ko)

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