KR100836380B1 - 마찰 용접을 이용하여 레일을 접합하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예컨대 철도 레일, 거더 등과 같은 프로파일링된 레일들을 마찰 용접을 이용하여 길이 방향으로 금속 접합하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 제 1 단계에서 레일 단부의 단부면들이 동시에 상대 운동을 하면서 서로 가압됨으로써 레일 단부들이 접합 온도로 가열되고, 제 2 단계에서 레일들의 윤곽들 또는 횡단면들이 정렬된 후 단부면들의 상호 가압에 의해 레일들이 접합된다.

레일 단부들의 상대 운동을 위한 휨 작용력을 감소시키고, 단부면들에 에너지를 발생시키기 위한 마찰 방식을 개선하며, 레일들의 횡단면이 일치하도록 하는 고품질 금속 접합을 보증하기 위해, 가열 단계에서 레일 단부들이 횡단면의 관성 모멘트가 최대인 주축 방향(Y)에 수직으로 최대 진폭으로 진동하면서 상호 상대 운동을 하도록 한다.

Description

마찰 용접을 이용하여 레일을 접합하는 방법{METHOD FOR CONNECTING RAILS BY MEANS OF FRICTION WELDING}

도 1은 철도 레일의 한 단부면의 끝 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1a는 운동 벡터를 도시한 것이다.

도 2는 비틀림 진동시 철도 레일의 한 단부면의 끝 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2a는 운동 벡터를 도시한 것이다.

도 3은 횡단면 외부에 놓인 회전점을 중심으로 하는 비틀림 진동시 철도 레일의 한 단부면의 끝 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3a는 운동 벡터를 도시한 것이다.

*도면의 주요 부호 설명*

1: 레일

R: 회전점

S: 레일 횡단면의 무게 중심

X: 관성 모멘트가 최소인 주축

Y: 관성 모멘트가 최대인 주축

Lx: 주축(X) 방향으로의 진동 운동

본 발명은 예컨대 철도 레일, 거더 등과 같은 프로파일링된 레일들을 마찰 용접을 이용하여 길이 방향으로 금속 접합하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 제 1 단계에서 레일 단부의 단부면들이 동시에 상대 운동을 하면서 서로 가압됨으로써 접합 온도로 가열되고, 제 2 단계에서 레일들의 윤곽들 또는 횡단면들이 정렬된 후에 단부면들이 상호 가압됨으로써 상기 레일들이 접합된다.

바아 단부면의 금속 접합은 바람직하게 마찰 용접에 의해 이루어질 수 있는데, 이때 단부면들의 상대 운동에 의해 상호 가압된 단부면들이 가열되거나 바아 단부들에 열이 발생하게 된다.

상대 운동은 적어도 하나의 바아가 그의 반대편 바아와 상이한 회전수 및/또는 상이한 회전 방향으로 공통의 축을 중심으로 회전 운동함으로써 달성되거나, 축에 대해 수직인 적어도 하나의 바아 단부가 반대편 바아 단부와 상이한 방향으로 전후 운동 및/또는 원운동 내지는 궤도 운동을 할 수 있다.

특히 중량이 높고 길이가 긴 바아의 경우에는, 접합될 바아 단부들의 가열을 위해 상기 바아 단부들이 실제로 축에 수직으로, 즉 회전하지 않고 상호 주기적으로 상대 운동을 하는 것이 바람직하다.

US 5 697 545호에는 파이프의 마찰 용접을 위한 방법 및 장치가 공지되어 있는데, 여기서는 2개의 파이프 섹션의 단부측이 여압에 의해 상호 정렬되고, 접합부의 가열을 위해 자기변형 변환기(magnetostrictive transducer)에 의해 상기 단부들의 상대 진동 운동이 구현된다.

EP 0 707 919 A1호에는 용접될 표면의 임의의 윤곽을 가진 기술 부품들의 마찰용접 접합 또는 디버링(deburring)을 위한 방법 및 진동 용접 헤드가 공지되어 있다. 마찰 용접 헤드에는 규정에 따라 제어 편심기 및 평행 가이드가 장착되고, 상기 평행 가이드에 의해 입력측 회전 에너지가 평행하게 가이드된 회전 운동 에너지로 변환될 수 있다. 상기 방법에 따라 가열 과정 동안 하나의 부품이 진동 용접 헤드에 의해 마찰 결합된 고정 부품의 중심부 주위를 미세하게 움직인다.

GB 1 293 531호에는, 가열 단계에서 바아 단부들의 상호 정렬된 단부면들이 상대 선회(orbital) 운동을 하는 마찰 용접 방법이 공개되어 있다. 이러한 상대 선회 운동은 원형, 타원형 또는 리사쥬 도형(Lissajous figure)의 형태로 구현될 수 있다.

DE 198 07 457 A1호에는 철도 레일들 및 그와 유사한 거더 프로파일들의 마찰 용접 방법이 공지되어 있다. 이 출원 명세서에서는, 연결될 레일 단부들 사이에서 중간 부재가 선형 또는 궤도 형태로 진동 운동을 하는 한편, 고정된 양쪽 레일 단부들이 상기 중간 부재에 평행하게 레일 길이 방향으로 상기 중간 부재에 대해 가압됨으로써, 용접에 필요한 열이 마찰 에너지에 의해 각각의 레일 단부와 중간 부재의 각각의 단면 사이의 양 접촉면에 제공되도록 하는 것을 제안한다. 그러한 방식의 레일 접합은 방법 특성상 2개의 마찰 용접 접합면을 갖는다.

AT 411 883 B호에는 길이 연장부가 긴 레일과 관련하여 마찰 용접을 이용하여 단부면들 내지는 횡단면들을 금속 접합하는 방법이 공개되어 있다. 단부들을 축에 수직으로 드레싱한 후에, 가열 단계를 위해 상기 드레싱한 횡단면들을 서로 정렬하여 여압하고, 양 레일 단부가 상대적으로 서로 대향하여 진동 운동을 하도록 한다.

경우에 따라 프로파일링된 바아들의 단부면을 마찰 용접을 이용하여 접합하는 경우, 종래 기술에서는 단부면측 단부들의 가열을 위해 바아 축을 중심으로 하는 회전에 의한 상대 운동이 필수적인 것은 아니며, 진동하는, 경우에 따라 선회(orbital) 진동하는 여압 횡단면들의 상대 운동도 사용될 수 있다.

가열시 여압된 단부면들이 진동하면서 상대 운동을 하게 하는 마찰 용접을 이용하여 레일들 및 거더들을 금속 접합하는 경우에는, 레일 단부들의 운동에 필요한 큰 힘에 의해 추후에 플랜지 단부들의 어긋남, 즉 용접 지점에서 길이 방향으로 레일 횡단면의 국부적 단속이 야기될 수 있다.

본 발명은, 레일 단부들의 상대 운동을 위한 휨 작용력(actuating force)을 감소시키면서 단부면들에서의 에너지 발생을 위한 마찰 방식을 개선하고, 레일들의 횡단면이 일치하도록 하는 고품질 금속 접합을 보증하는, 도입부에 언급한 방식의 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며 그에 대한 해결책을 제시할 것이다.

범용되고 있는 방법에서는, 가열 단계에서 레일 단부들이 횡단면의 관성 모멘트가 최대인 주축 방향에 수직으로 최대 진폭으로 진동하면서 상호 상대 운동을 함으로써 상기 목적이 달성된다.

예컨대 철도 레일 또는 거더 등의 레일과 같이 휨 하중에 의해 프로파일링된 바아들이 횡단면으로 볼 때 축 관성 모멘트가 최대 또는 최소인 주축을 가진다는 기술 메커니즘의 원리를 기초로 하며, 이때 주 관성 모멘트에 있어서 횡단면 영역들 및 축으로부터 상기 횡단면 영역 각각의 수직 거리, 프로파일링된 면들의 마찰시 필요 조건 및 동적 작용력의 효과를 산출하는 것이 매우 중요하다.

단부면들에서의 에너지 발생을 위해 레일 단부들이 각 방향으로 축에 수직으로 진동하면서 이동될 수 있다.

주 응력 방향으로의 휨 저항이 큰 레일들은, 경우에 따라 길이단위 당 중량이 작을 때 큰 횡단면 관성 모멘트를 얻기 위해, 레일 풋(rail foot) 플랜지 또는 거더 플랜지와 같이 축으로부터 일관되게 최대한 멀리 떨어져서 돌출되어 있는 영역을 포함한다.

전술한 측정들의 결과, 레일 횡단면들의 평면 궤도를 따르는 동심 마찰시 돌출된 플랜지들이 힘 성분에 의해 하중을 받게 되면 돌출 방향에 수직으로 주로 탄성 휨이 나타나고, 진동폭이 큰 경우에는 부분적으로 소성 휨이 나타나기도 한다는 것을 알 수 있다. 추후에 소위 플랜지 떨림(clattering)을 야기할 수 있고 금속 접합의 구조적 및 용접 기술적 단점들을 초래할 수 있는 그러한 플랜지 휨 현상은 레일 단부들이 최대 관성 모멘트를 갖는 주축 방향으로 휘어짐으로써 더욱 강화될 수 있기 때문에, 본 발명에서는 횡단면의 최대 관성 모멘트에 대해 거의 수직으로 최대 진폭을 정렬하는 것이 중요하다.

가열 단계에서 레일 단부들이 최대 횡단면 관성 모멘트를 갖는 주축 방향(Y)에 수직으로 서로 상대적으로 진동 운동을 하는 것이 바람직할 수 있다.

단부쪽으로 갈수록 원추형으로 더 두꺼워지는 플랜지의 경우에는, 가열 단계에서 레일 단부들이 주축 방향(Y)에 수직으로 서로 상대적으로 진동 운동을 하고, 상기 운동에 주축(Y) 방향으로 더 작은 강도를 갖는 진동이 중첩되는 것이 유리할 수도 있다. 마찰열을 균일한 면에 방출하는 것과 관련하여, 주축 방향으로의 진동이 예컨대 1/4 이하의 작은 강도를 갖는 것이 유리할 수 있으나, 이는 플랜지의 구조적 형태로 인해 제한된다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 바람직한 실시예에서는 가열 단계에서 레일 단부들이 서로 상대적으로 진동하면서 비틀림 운동을 한다. 이러한 운동 방식에 의해 작은 작용력에서도 질량 집중도(mass concentration)가 높은 레일 단부 영역으로의 열 제공이 목적에 맞게 강화될 수 있다.

레일 횡단면 외부에 회전점을 갖는 비틀림 진동이 사용되는 경우, 레일 횡단면의 전체 면적에 걸쳐서 레일 단부들의 진동성 상대 운동이 이루어지는 것이 바람직할 수도 있다.

가열 단계에서 레일 단부들이 주축 방향(Y)에 수직으로 서로 상대적으로 병진 운동을 하고, 상기 병진 운동에 비틀림 진동이 중첩되는 경우에는, 상이한 레일 재료 및 레일 단부들의 용접 품질의 최적화와 관련하여 방법의 높은 유연성이 추가로 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 적어도 강제 진동 운동을 위해 조화 진동의 공진 조건들을 실질적으로 충족시키는 단부를 갖는 방식으로 적어도 하나의 레일이 고정되면, 진동 운동에 사용되는 힘이 상당히 줄어들 수 있다. 공진 조건들과 관련하여 제약이 이루어지는 경우에는, 열 에너지를 발생시키기 위한 레일 단부들의 단부면들의 마찰이 공진 진동을 감쇠시키는 작용을 하더라도, 병진 진동뿐만 아니라 비틀림 진동시에도 진동 작용력이 줄어들 수 있다.

가열 단계에서 레일 단부면들의 상대 운동이 제공되는 것도 가능하며, 이때 진동은 실질적으로 전체면에 걸쳐서 형성되고 최대 횡단면 관성 모멘트를 갖는 주축 방향(Y)에 수직으로 최대 팽창부를 갖는 중첩 도형 내지는 리사쥬 도형의 형태를 보인다. 물론 용접 품질은 주축 방향으로의 진동폭의 차가 4:1보다 큰 경우, 특히 6:1인 경우에만 향상된다. 이러한 상관관계는 중첩된 병진 운동의 경우에서도 나타났다.

개략적인 도면들을 참고로 예시를 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1에는 관성 모멘트가 최대인 주축 방향(Y)을 갖는 레일(1)이 개략적으로 도시되어 있다. 레일 횡단면의 무게중심(S)을 지나 주축 방향(Y)에 수직으로 최소 관성 모멘트를 갖는 주축(X)이 연장된다.

거리를 두고 고정된 하나의 레일(1)이 단부면의 마찰 가열을 위해 축방향으로 맞은편에 정렬된 레일과 함께 본 발명에 따라 X축 방향으로 상대적으로 진동 운동을 하며, 이때 위치 1x에서 한쪽으로 최대의 편향(점선으로 도시됨)이 달성된다.

도 1a에는 면적 중심(S)을 기준으로 운동 벡터들이 도시되어 있다. X축 방향, 즉 레일 횡단면의 최소 관성 모멘트를 갖는 주축 방향으로의 진동 운동이 도면부호 "Lx"로 표시되어 있다. 진동 운동(X)에 Y방향으로, 즉 최대 관성 모멘트의 방향으로 같은 방식의, 그러나 훨씬 더 작은, 바람직하게는 최대 1/4, 더 바람직하게는 1/8에 해당하는 진동 운동이 중첩될 수 있다.

도 2에는, 마찰열의 발생을 위해 하나의 레일 단부가 축방향으로 맞은편에 놓인 레일 단부에 대해 중심축(S)을 중심으로 하는 비틀림 진동 운동을 구현하는 경우의 레일(1) 단부면이 도시되어 있다. 1r(점선으로 도시된 부분)은 도 2a에 운동 벡터로 표현되어 있는 진동의 최대 비틀림 편향을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3에는 관성 모멘트가 최소인 주축(X) 상에서 레일 중심축(S) 외부 내지는 레일 단부면 외부에 진동 회전점(R)이 놓이는 강제 비틀림 진동이 개략적으로 도시되어 있다. 비틀림 편향이 최대일 때 상대적 단부면 위치(1r)가 개략적으로 도시되어 있는데, 이 경우 운동 벡터(Lr)는 도 3a에 도시된 것처럼 회전점(R)을 중심으로 상기 회전점까지 거리 a를 갖는 횡단면 내에서 중심축의 진동이 구현되는 것을 보여준다.

본 발명을 통해, 레일 단부들의 상대 운동을 위한 휨 작용력(actuating force)을 감소시키면서 단부면들에서의 에너지 발생을 위한 마찰 방식을 개선하고, 레일들의 횡단면이 일치하도록 하는 고품질 금속 접합을 보증하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 예컨대 철도 레일, 거더를 포함하는 프로파일링된 레일들을 마찰 용접을 이용하여 길이 방향으로 금속 접합하기 위한 방법으로서,

   제 1 단계에서 레일 단부의 단부면들이 동시에 상대 운동을 하면서 서로 가압됨으로써 상기 레일 단부들이 접합 온도로 가열되고, 제 2 단계에서 레일들의 윤곽들 또는 횡단면들이 정렬된 후 단부면들이 상호 가압됨으로써 상기 레일들이 접합되는 레일 접합 방법에 있어서,

   가열 단계에서 상기 레일 단부들이 횡단면의 관성 모멘트가 최대인 주축 방향에 수직으로 최대 진폭으로 진동하면서 상호 상대 운동을 하는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   가열 단계에서 상기 레일 단부들이 최대 횡단면 관성 모멘트를 갖는 주축 방향(Y)에 수직으로 서로 상대적으로 진동 운동을 하는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   가열 단계에서 상기 레일 단부들이 주축 방향(Y)에 수직으로 서로 상대적으로 진동 운동을 하고, 상기 운동에 상기 주축 방향(Y)으로 더 작은 강도를 갖는 진동이 중첩되는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   가열 단계에서 상기 레일 단부들이 서로 상대적으로 진동하면서 비틀림 운동을 하는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 레일 횡단면 외부에 회전점을 갖는 비틀림 진동이 사용되는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   가열 단계에서 상기 레일 단부들이 주축 방향(Y)에 수직으로 서로 상대적으로 병진 운동을 하고, 상기 병진 운동에 비틀림 진동이 중첩되는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 레일들 중 하나 이상은 그 단부들이 강제 진동 운동을 위해 조화 진동의 공진 조건들을 실질적으로 충족시키도록 하는 방식으로 고정되는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 진동은, 실질적으로 전체면에 걸쳐서 형성되면서 최대 횡단면 관성 모멘트를 갖는 주축 방향(Y)에 수직으로 최대 팽창부를 갖는 중첩 도형 내지는 리사쥬 도형(Lissajous figure)의 형태를 보이는 것을 특징으로 하는,

   레일 접합 방법.

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