KR100997511B1

KR100997511B1 - Ｏｐｃ드럼 용접방법 및 그의 용접물

Info

Publication number: KR100997511B1
Application number: KR1020080057583A
Authority: KR
Inventors: 김병일; 국진선; 송중근
Original assignee: 알메탈주식회사; 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-12-06
Also published as: KR20090131695A

Abstract

본 발명은 고품질의 기계적 성질 및 미세조직이 형성되도록 OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)용 튜브본체를 용접방식으로 제작하는 기술을 제공하되, 용접부의 길이를 최소화시킬 수 있으면서도 브레이징 시트의 표피재에 다량 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시켜서, 용접부 및 그 주변의 열영향부의 강도 저하를 막아 용접 품질을 극대화할 수 있는 OPC드럼 용접방법 및 그의 용접물을 제공하고자 한다.

본 발명의 OPC드럼 용접방법은 심재인 A3003합금과 표피재인 A4045합금을 갖는 클래드 알루미늄합금재의 스트립을 용접하여 OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)용 튜브본체를 제작하기 위한 것으로서, 상기 스트립의 용접시 용접부의 길이를 축소시키면서 상기 표피재에 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시키기 위한 용접전압과 용접전류를 포함한 용접조건이 용접제어부에 세팅되는 세팅단계; 상기 스트립이 조관성형장치에 연속 공급되는 공급단계; 상기 조관성형장치에 탑재된 것으로서 상기 용접제어부를 구비한 용접기가 상기 용접조건에 따른 용접입열을 이용하여 상기 스트립을 용접하는 용접단계를 포함한다.

브레이징 시트, 용접, OPC드럼, 용접전류, 용접전압, 용접부, 열영향부

Description

ＯＰＣ드럼 용접방법 및 그의 용접물{WELDING METHOD FOR ORGANIC PHOTO CONDUCTOR DRUM AND WELDING PRODUCT THEREOF}

본 발명은 OPC드럼 용접방법 및 그의 용접물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게, 레이저 프린터, 복사기, 팩스 등에 사용되는 OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)의 튜브본체를 용접방식으로 제작하는 OPC드럼 용접방법 및 그의 용접물에 관한 것이다.

일반적인 감광드럼, 즉 OPC드럼은 내부에 소정의 공간부가 형성된 알루미늄재질의 OPC드럼용 원통형 지지체와; 이런 원통형 지지체의 표면에 코팅되어서 상기 레이저빔에 의하여 전기적 성질을 변화시킬 수 있도록 각종 감광물질로 이루어진 감광층과; OPC드럼이 토너 카트리지 내부에서 회전될 수 있도록 상기 원통형 지지체의 단부에 끼워져 결합된 기어부재를 갖는다.

일반적인 원통형 지지체의 제작방법을 살펴보면, 빌렛(billet) 제작 후, 압출(extrusion)을 수행하고, 이후 4∼5회의 인발(drawing)을 거친 다음 사이징(sizing)으로 마무리 된다.

이러한 일반적이고도 전통적인 방법에 의해 제조된 원통형 지지체는 압출제품의 특징을 갖고 있음에 따라 강도 및 경도가 상대적으로 낮고, 가격이 상대적으 로 비싸며, 편심도가 큰 단점을 갖고 있다.

한편, OPC드럼용 원통형 지지체 또는 튜브본체를 브레이징 시트 또는 스트립(코일)을 이용하여 용접에 의해 제작하려는 시도가 있었다. 여기서, 스트립은 브레이징 시트를 필요한 폭으로 절단하여 제작한 것을 의미한다.

클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금은 BAS121합금이라고도 하며, KSD7043(알루미늄합금 땜납 및 브레이징시트)에서 다음과 같이 규정하고 있다.

우선 BAS는 브레이징 시트(Brazing Sheet)를 의미한다. 다음 121의 첫 번째 숫자는 브레이징 시트를 구성하는 호칭번호(한 면 땜납 클래드일 경우 1)이며, 두 번째 숫자는 표피재의 합금번호 및 호칭번호(A4343의 경우 1, A4045일 경우 2)이며, 세 번째 숫자는 심재의 합금번호 및 호칭번호(A3003의 경우 1)를 각각 의미한다. 따라서 BAS121합금은 표피재인 A4045합금이 심재인 A3003합금에 한 면 땜납 클래딩 되어있는 브레이징 시트이다.

이 브레이징 시트는 고주파 유도용접(High Frequency Induction Welding)에 의하여 파이프 형태의 튜브본체로 제조된다.

이렇게 제조된 튜브본체는 에어컨이나 자동차 열교환기의 PFC(Parallel Flow Condenser)의 헤더튜브로 장착되어서 별도의 브레이징 필러(Brazing Filler)가 없는 상태로 브레이징 할 수 있다. 즉 BAS121합금은 표피재(A4045)의 액상선온도가 590℃, 심재(A3003)의 액상선온도가 654℃이다. 이 합금을 620℃에서 30분 정도 가열하면 표피재가 녹아 브레이징 필러의 역할을 한다.

종래 기술에 따른 본 발명의 감광드럼의 제조방법은 본 출원인 및 관련 발명자들에 의해 특허등록 제753370호로 등재되어 있는 것으로서, 도 1을 참조하면, 알루미늄합금 잉고트 압연단계(S10)와; 고주파 유도용접단계(S20)와; 완전풀림단계(S30)와; 인발단계(S40)와; 사이징 단계(S50)와; 감광층 형성단계(S60)와; 기어부재 조립단계(S70)를 순차적으로 수행함에 따라 전자사진공정(electro-photographic process) 관련 인쇄 또는 복사를 수행하는 장치(예 : 레이저 프린터, 팩스, 복사기 등)의 감광드럼과 같은 제조물을 제작하고자 하였다.

본 출원인 및 관련 발명자들은 고주파 유도용접단계(S20)에서 저융점 알루미늄합금 소재를 위한 고주파 유도용접 방식의 용접 기술을 개시하면서, 용접장치에 의해 비 앵글각도(vee angle)를 유지하면서 연속적으로 상호 밀접하게 공급되는 용접부위를 400㎑ ∼ 600㎑ 범위내에서 선택된 어느 하나의 출력값으로 용접하는 기술을 공개하였다. 여기서, 저융점 알루미늄합금 소재는 클래드 알루미늄 합금이 아닌, 단순 A3003 알루미늄 합금이다.

이에 본 출원인 및 관련 발명자들은 클래드 알루미늄합금재를 이용하여 연속적이면서 고품질의 용접품질을 제공할 수 있도록, 고주파 유도용접 등과 같이 아크 용접한 클래드(A4045/A3003) 알루미늄 합금의 기계적 성질 및 미세조직에 대한 지속적인 연구 노력의 결과 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 종래 기술에서는 아크 용접된 용접부 또는 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)에서 용접부의 팽창, 수축 및 상변태 등에 의하여 항복응력에 가까운 잔류응 력이 발생하여 기계적으로 매우 취약하게 되는 문제점을 갖고 있다.

또한, 일반 구조용 파이프재료와는 달리 클래드 알루미늄합금 파이프는 표피재층(A4045)이 용융되어 클래드재의 특성을 발휘할 수 없게 되어 연속 공정 중 비파괴검사(와전류탐상법)로 선별처리하여야 하는 문제점이 지적되고 있다.

또한, 종래 기술에서는 아크 용접한 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금재의 미세조직 및 기계적 특성 또는 성질이 명확하게 규명되지 않아서, 용접부 또는 열영향부의 강도가 방향성에 영향을 받는지, 또는 열영향부의 강도가 어떤 이유로 취약하게 되는지 알 수 없으며, 또한 열영향부의 강도가 모재부보다 감소하는 이유 역시 알 수 없는 상황이다.

또한, 종래 기술에서는 용접열 또는 용접입열에 의해 결정립이 커지고 가공경화효과가 소멸되는 임계적 용접조건을 규명할 수 없어서, 용접전압 또는 용접전류를 최적화된 용접조건으로 입증 및 세팅하여 사용하기 어렵고, 이에 따라 OPC드럼의 양산에 걸림돌이 되고 있으며, OPC드럼 업계에서 고품질의 용접방법 및 그의 의해 제조된 용접물이 시급히 요구되고 있는 상황이다.

본 발명의 목적은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)용 튜브본체를 용접방식으로 제작하는 기술을 제공하되, 용접조건 중 용접전류의 크기를 OPC드럼의 품질 규격에 맞게 최적화 제어 및 세팅하여 고품질의 기계적 성질 및 미세조직이 형성되도록 할 수 있고, 용접부의 길이를 최소화시킬 수 있으면서도 브레이징 시트의 표피재에 다량 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시켜서, 용접부 및 열영향부의 강도 저하를 막아 용접 품질을 극대화할 수 있는 OPC드럼 용접방법 및 그의 용접물을 제공하고자 한다.

앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 목적은, 심재인 A3003합금과 표피재인 A4045합금을 갖는 클래드 알루미늄합금재의 스트립을 용접하여 OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)용 튜브본체를 제작하기 위한 OPC드럼 용접방법에 있어서, 상기 스트립간 용접부의 길이를 축소시키면서 상기 표피재에 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시키기 위한 용접전압과 용접전류를 포함한 용접조건이 용접제어부에 세팅되는 세팅단계; 상기 스트립이 조관성형장치에 연속 공급되는 공급단계; 상기 조관성형장치에 탑재된 것으로서 상기 용접제어부를 구비한 용접기가 상기 용접조건에 따른 용접입열을 이용하여 상기 스트립을 용접하는 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC드럼 용접방법에 의해 달성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 용접단계이후에는 기계적 특성의 균일화를 고려하여 모재부와 용접부의 경도가 같아지는 온도 중에서 전기전도도의 감소가 시작되는 것을 기준으로 한 제1열처리조건, 또는 조직의 균일화를 고려하는 것을 기준으로 한 제2열처리조건 중 어느 하나를 이용한 용접완료후 열처리단계가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 OPC드럼 용접방법에 의해 제조된 용접물이 제공될 수 있다.

이때, 용접물은 심재인 A3003합금과 표피재인 A4045합금을 갖는 클래드 알루미늄합금재의 스트립을, 용접전압 35V, 용접전류 100A로 아크 용접하여, 용접부 길이 2.5㎜, 열영향부 길이 6㎜를 갖게 되어 OPC드럼용 튜브본체로서 제작될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 OPC드럼 용접방법은 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금재의 텅스텐아크용접부의 용접조건이 미치는 열영향부의 기계적 성질과 조직변화를 파악하여 스트립의 용접방향과 용접강도와의 관계를 규명하고, 또한 열화효과로 인한 가공경화의 효과가 감소됨에 따라 용착부의 경도가 모재와 비슷하게 되는 반면 열영향부의 경도가 모재보다 현저히 저하되는 현상을 파악하고, 이를 통해서 용접부 또는 열영향부의 기계적 취약점을 해결할 수 있는 용접조건들을 제시 및 입증 함에 따라 OPC드럼으로 사용하기에 매우 적합한 용접타입 튜브본체를 용접방식으로 대량 제조할 수 있고, 이를 통해 OPC드럼의 품질을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 OPC드럼 용접방법에 의해 제조된 용접물은 고품질의 기계적 성질 및 미세조직을 갖고 있고, 상대적으로 최소화된 용접부의 길이를 갖고 있고, 브레이징 시트, 즉 스트립의 표피재에 다량 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시켜서 용접부, 열영향부에서 뛰어난 강도가 유지될 수 있는 장점을 갖는다.

따라서 본 발명에 따른 OPC드럼 용접방법 및 그의 용접물은 사전에 용접조건 중 용접전류의 전류값을 특정 수치로 세팅함에 따라 과도한 용접입열의 영향을 최소화시켜서 용접부, 열영향부에서의 강도 감소를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 OPC드럼 용접방법의 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 OPC드럼 용접방법에 대한 실시예에서는, 스트립의 용접시 용접부의 길이를 축소시키면서 상기 표피재에 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시키기 위한 용접전압과 용접전류를 포함한 용접조건이 용접제어부에 세팅되는 세팅단계(S100)를 포함한다.

예컨대, 용접조건에는 OPC드럼용 튜브본체를 브레이징 시트인 스트립을 이용하여 고품질의 용접을 수행하기 위해 실험과 연구를 통해 획득한 용접전압의 전압값 및 용접전류의 전류값이 포함된다.

용접기는 조관성형장치에 탑재된 고주파유도용접기 또는 텅스텐아크용접기로서, 용접조건을 입력 및 세팅할 수 있는 용접제어부(도시 안됨)를 구비하고 있다.

여기서, 용접제어부는 아날로그방식 또는 디지털방식으로 용접전류, 용접전압 등을 입력, 설정 및 제어할 수 있도록 용접기 자체에 회로적으로 구비된 것이거나, 별도의 케이블을 통해 용접기와 접속되어서 용접전압과 용접전류을 설정하고 그 설정값에 대응하게 용접전압과 용접전류를 공급 제어할 수 있는 아날로그방식 또는 디지털방식의 용접피더(welding feeder) 인 것이 바람직하다.

클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금, 즉 BAS121합금 재질의 브레이징 시트 및 이를 절단하여 만든 스트립을 OPC드럼 용접방법에 최적화시켜 사용하기 위한 용접조건으로서, 용접전압의 전압값은 35V이고, 용접전류의 전류값은 100∼119A 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

만일, 상기 용접전류의 전류값이 100A 이하일 경우에는 용접입열 저하에 따라 용접품질이 급격히 떨어질 수 있다. 반면, 119A 이상일 때에는 용접부의 길이가 증가되면서 스트립에 함유된 표피재의 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되어 용접부 전체에서 상대적으로 강도가 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 용접조건인 상기 용접전류 100∼119A는 본 발명 관련 용접물로 하여금 특유의 기계적 특성 및 미세조직을 형성시킬 수 있는 임계적 수치로서 이해된다.

세팅단계(S100) 이후에는 클래드 알루미늄합금재의 스트립을 조관성형장치에 연속 공급하는 공급단계(S110)가 수행된다.

여기서, 스트립은 브레이징 시트를 필요한 폭으로 절단하여 만들어 코일 형태로 감아 둔 것을 풀어서 사용하는 것으로서, 3∼80m/min 중에서 선택된 어느 한 속도로 조관성형장치에 연속 공급되어 파이프 형태의 튜브본체로 조관된다.

이런 공급단계(S110)와 연계하여서, 최적 세팅한 용접조건(예 : 용접전압 35V, 용접전류 100A)에 따른 용접입열을 이용하여 상기 스트립을 용접하는 용접단계(S120)가 진행된다.

용접단계(S120)에서는 고주파유도용접(High Frequency Induction Welding) 또는 아크 용접이 사용 가능하다. 부연 설명하면, 용접단계(S120)는 조관성형장치에 구비된 상기 용접제어부를 고주파유도용접기 또는 텅스텐아크용접기 등에 의해 이루어진다.

이후, 본 발명에서는 용접완료후 열처리단계(S130)가 포함된다.

용접완료후 열처리단계(S130)에서는 기계적 특성의 균일화를 고려하여 모재부와 용접부의 경도가 같아지는 온도 중에서 전기전도도의 감소가 시작되는 것을 기준으로 한 제1열처리조건(예 : 320±10℃, 2시간 어닐링)으로 열처리를 수행하거나, 또는 조직의 균일화를 고려하는 것을 기준으로 한 제2열처리조건(예 : 450±10℃, 2시간 어닐링)으로 열처리를 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 OPC드럼 용접방법에 의한 용접물이 제공된다. 이 용접물은 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금재의 OPC드럼용 튜브본체로 사용된다.

이와 같은 본 발명의 실시예는 하기에 설명할 본 발명 관련 실험 및 연구를 기반으로 완성되었다.

본 발명 관련 실험 및 연구의 결론적인 내용을 살피건대, 텅스텐아크 용접한 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금재(예 : 스트립 등의 판재)의 미세조직 및 기계적 특성을 개시한다. 강도는 인장방향에 영향을 받았으며, 열영향부는 취약하였다.

열영향부의 강도가 모재부보다 감소하는 이유는 용접열에 의해 결정립이 커지고 가공경화효과가 소멸되었기 때문이다. 용접부 또는 용착부의 경도는 모재부의 값과 비슷하게 나타났으나, 열영향부는 현저히 감소하였다.

스트립의 표피재인 A4045 클래드층 용착부에서는 Si-rich의 조대한 주상정 조직이 형성되었다. 이때, A4045합금은 용접입열이 큰 경우 A4045의 규소(Si)가 심재인 A3003의 용접부까지 확산되어 강도를 감소시킴을 확인하였다.

이하, 본 실험 및 연구에 대해서 상세히 설명하고자 한다.

본 연구에서는 폭 68㎜, 두께 1.5㎜인 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금 판재(예 : 스트립)를 맞대어 텅스텐아크 용접한 타입(예 : B형 시편, C형 시편) 또는 용접하지 않은 타입(예 : A형 시편, Raw)의 시편을 제작하고 용접조건이 미치는 열영향부의 기계적 성질과 표피재로서 작용하는 A4045합금용접부에 대한 조직변화에 주안점을 두어 용접부의 특성을 조사하였다.

실험에 사용된 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금재는 독일의 HYDRO사에서 생산된 것으로, 두께 및 폭은 각각 1.5㎜ 및 68㎜이며, 그의 질별은 H14(가공경화 만 하여 인장강도가 1/2경질로 한 것)이다. 이 판재의 클래드율은 A4045층이 전체두께의 10%로서 0.15㎜이다. 이 판재는 보통 H14의 상태에서 조관 성형하여 고주파유도용접한 후 요구되는 기계적 성질 및 치수는 인발을 하여 H16(가공경화만 하여 인장강도가 3/4경질로 한 것)의 상태로 조절할 수 있다.

하기의 [표 1] 및 [표 2]에 A4045/A3003클래드재의 기계적 성질 및 화학조성을 각각 나타내었다. 본 실시예에서 화학조성은 모두 중량비(wt.%)로 표기하였다.

도 3은 도 2에 도시된 실시예의 특성을 입증하기 위한 실험에 사용된 텅스텐아크용접기의 도면 대용 사진이다. 텅스텐아크용접기는 그의 좌측에 배치된 용접제어부와 우측에 배치된 용접부를 포함한다. 이런 텅스텐아크용접기를 이용한 예비실험으로 폭 68㎜, 두께 1.5㎜의 시편(예 : 시험편)에 대해서 용접성을 조사하였다.

그 결과 전압 35V로 고정하고 용접전류를 80∼140A로 변화시켰을 때 최적의 조건은 100∼120A였다.

따라서 이러한 조건으로 아르곤가스 분위기하에서 3m/min의 속도로 별도의 용접봉을 사용하지 않고 맞대기 용접하여 시험편을 제작하였다.

인장시험에 사용된 시편은 KS B 0801에서 규정하는 정형시험편(5호)으로서 도 4와 같다.

도 4는 도 2에 도시된 실시예의 특성을 입증하기 위한 실험에 사용된 시편(100)들의 치수평면도이다.

도 4에 보이듯이, A형 시편은 스트립의 길이방향(압연방향)으로 채취한 원소재의인장시험편이고, A형 시편과 C형 시편은 각각 스트립의 길이방향에 대하여 수직 및 평행하게 용접한 시험편이다. 인장시험은 KS B 0802에 의하였으며, cross-head의 이동속도는 10㎜/min으로 하였다.

경도측정은 마이크로비커스 경도기를 사용하였으며, 용접부와 열영향부를 포함한 모재부의 경도측정은 용접선을 가로지르는 방향으로 0.2㎜마다 측정하였고 각각 3회 측정하여 평균값으로 나타내었다. 이때 시험하중은 100g, 가압시간은 15초였다.

용접부의 미세조직관찰에는 광학현미경(OM) 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하였다. 미세조직관찰을 위한 부식액으로는 Keller 용액(HCl 1.5% HNO₃ 2.5%, HF 1%, H₂O 95%)을 사용하였다.

도 5는 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금의 단면 형상에 따른 광학현미경(OM) 사진과 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

도 5를 통해 용접부를 관찰하였다. 즉, 도 5는 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금 판재의 단면을 나타낸 것으로, 도 5의 (a)와 같이 표피재인 A4045의 두께는 전체두께의 10%이다. 도 5의 (b)는 A4045/A3003의 경계면(점선 원의 표기 부분)을 나타낸 것으로 비교적 양호하게 접합되어 있음을 알 수 있다.

도 6은 아크 용접한 용접부(110, 111)의 단면도들이다.

도 6의 (a)의 경우에는, 35V, 100A로 용접한 경우로서, 그 용접부(110)의 길이는 2.5㎜이고, 열영향부의 길이는 6㎜이다.

이에 대한 비교예로서 도 6의 (b)의 경우에는, 35V, 120A로 용접한 경우로서, 그 용접부(111)의 길이는 3.5㎜로서 증가되었으며, 열영향부의 길이도 8㎜에 달하였다.

용접부(110, 111)에 해당하는 각각의 용착부의 형상은 용입량이 증가에 따라 그 폭이 넓어지며, 개선각이 없는 맞대기 용접부이지만 용입형태는 A3003의 하단부까지는 용입량이 감소하다가 A4045 부근에서는 다시 증가하는 형태를 보였다.

특히 용입량이 적은 100A의 경우 루트부로 향하는 각도가 크게 나타났다.

하부의 클래드(A4045)면에서는 A3003의 용융부가 0.5㎜ 정도 혼합된 흔적이 나타나는데, 이러한 현상은 다량의 규소(Si)를 함유한 A4045가 상대적으로 융점이 낮기 때문으로 보인다.

도 7은 도 6의 용접부와 열영향부의 조직변화를 나타낸 확대도들이다.

도 7의 (a)의 화살표로 표시된 부분을 확대한 것이 도 7의 (b) 사진이다. 이를 살피건대, 클래드 A4045층은 규소(Si) 화합물이 주상정 또는 수지상정으로 다양하게 존재하고 있다. 이러한 변화는 망간(Mn)이 1%정도 함유된 A3003의 용접부 경계면에서도 관찰되었다.

도 8을 통해서 시편별 기계적 특성에 대해서 설명하고자 한다.

도 8은 도 4에 나타낸 시편들에 대한 인장시험결과를 보인 그래프이다.

여기서, A형 시편은 스트립의 길이방향(압연방향)으로 채취한 원소재의 인장시험편이고, B형 시편은 압연방향과 수직으로 용접한 것이고, C형 시편은 압연방향과 평행으로 용접한 것이다.

A형 시편의 인장강도는 162 ㎫, 항복강도는 140 ㎫을 나타내었다.

B형 시편은 인장강도가 135 ㎫로 감소하였고, 항복강도는 98 ㎫로 현저히 감소하였다.

C형 시편은 인장강도가 155 ㎫로 감소하였고, 항복강도는 118 ㎫로 다소 감소하였다.

강도는 B 및 C형 시편에서 용접전류의 변화에 따라서 큰 변화를 보이지 않았지만 100A의 경우가 상대적으로 높은 값을 보였다.

B형 시편의 강도감소는 열영향부에서 용접부의 수축 및 팽창, 상변태에 의하여 항복응력에 가까운 잔류응력의 발생 때문에 취약해졌기 때문으로 보인다.

C형 시편의 경우 비교적 강도가 높은 용접부가 시험편 길이에 평행하게 놓여 있어 취약한 열영향부의 강도를 상쇄하기 때문에 강도의 저하는 나타나지 않는다고 사료된다.

연신율은 A형 시편이 10 %이었고 B형 시편은 용접전류와 상관없이 모두 4 %로 현저히 감소하였다. 반면 C형 시편은 용접전류와 상관없이 모두 11%로 A형 시험편보다 다소 증가하였다. B형 시편에서 연신율이 현저한 저하하는 이유는 열영향부가 용접열에 의해 어닐링효과를 받게 되어 재결정 및 결정립성장이 일어나게 되고 따라서 가공경화효과가 소멸되어 열영향부의 강도가 모재에 비해 열화되었기 때문이다[참고문헌 : J. W. Yoon : Journal of KWS, 18-2(2000)20-26.].

도 9는 도 4에 나타낸 시편(100) 중 C형 시편의 용접전류에 따른 용접부의 경도분포를 나타낸 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 100A의 경우 용착부의 경도는 모재부의 경도와 비슷한 Hv 52 정도를 나타내었으나, 접합계면을 포함한 열영향부의 고온역에서는 Hv 35로 현저히 감소하였고 열영향부의 저온역에서 모재로 갈수록 점차 증가하여 모재의 경도에 도달하였다.

120A의 경우 용착부의 경도는 모재부의 경도보다 상대적으로 낮은 Hv 48 정도를 보였으며, 접합계면을 포함한 열영향부의 고온역에서는 Hv 33으로 현저히 감소하였고 열영향부의 저온역에서 모재로 갈수록 점차 증가하여 모재의 경도에 도달하였다.

따라서 용접부 및 열영향부의 경도분포는 100A보다 120A에서 다소 감소하는 경향을 나타내었다.

용착부를 포함하는 열영향부의 전체길이는 100A일 때 6㎜에 걸쳐 형성되고 있으며, 120A일 경우 8㎜로 증가하였는데 이러한 이유는 용입량의 증가로 비드폭이 증가하였기 때문이다.

열영향부의 경도가 120A에서 다소 낮아진 이유는 100A에 비해서 용입량이 크기 때문에 열전도 및 확산이 커지게 되고 가공경화효과도 상대적으로 저하되었기 때문으로 사료된다. H14로 가공경화된 A3003합금을 500 ℃에서 2시간 이상 어닐링(annealing) 한 경우 경도는 Hv 32정도를 나타낸다고 보고되었다[참고문헌 : I. C. Lee, Y. J. Song, J. S. Gook, D. J. Yoon and B. I. Kim : Journal of KWJS, 25-5 (2007) 51-57].

A3003과 같은 비열처리형 알루미늄합금은 냉간가공 및 안정화처리를 통해 강화된 합금으로서 용접에 의해 재료의 재결정온도 이상까지 가열된 열영향부의 조직특성은 매우 다르게 나타난다[참고문헌 : C. H. Lee, R. W. Chang : Weldability of Al Alloys, Journal of the KWS. 11-1 (1993)2 (in Korean)].

비열처리형 알루미늄합금을 아크 용접할 때 입열량을 증가시키면 열영향부의 크기는 증가하고 강도는 저하한다고 알려져 있다[참고문헌 : White S. S., Manchester R. E., Moffat W. G. and Adams C. M., : Plastic Properties of Aluminium - Magnesium Weldments, Welding Journal, 34-2 (1955),112].

이러한 강도의 저하는 냉간가공에 의해 연신 및 강화된 조직이 용접열에 의해서 결정립이 재결정하고 온도가 증가 할수록(즉 용접선에 가까워질수록) 재결정된 결정립이 성장하기 때문이다.

도 10은 인장시험 후 파단된 부분을 나타낸 도면 대용 사진이다.

도 10의 상단과 하단쪽에 배열된 바와 같이, A형 시편(용접하지 않은 상태)과 C형 시편(압연방향과 평행)은 인장축과 슬립방향의 각도가 +45°또는 -45°로 파단되었다.

반면 B형 시편(압연방향과 수직으로 용접)은 열열향부에서 전단이 발생하여 응력방향에 수직으로 파단되었는데, 모재부에서는 연신이 일어나지 않고 보재와 용융부의 사이의 열화된 영역에서 항복응력에 가까운 잔류응력이 발생하였기 때문으로 사료된다.

즉 사용된 시편은 H14상태로 가공경화되어 용접시 열영향부에서 높은 용접열에 의해 가공경화효과가 소멸되어 열화되었으며 모재에서 석출상 및 결정립성장이 일어나게 되어 강도가 모재에 비해 저하되었다고 사료된다.

H18로 가공경화 된 0.3㎜ 박판 A3003합금의 레이저빔 용접의 경우 비드부와 열영향부의 경도가 모재보다 낮게 나타난다고 알려져 있다[참고문헌 : I. S. Heo, B. C. Kim, T. H. Kim, J. S. Kim and H. Y. Lee : Journal of KSLP, 4-1(2001)29-38].

도 11은 인장시험 후 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진들이다.

도 11의 (a)에 해당하는 A형 시편은 딤플주변이 매끄럽고 립의 형태가 길게 연신되어있다.

반면, 도 11의 (b)에 해당하는 B형 시편은 열영향부에서 파단된 것으로서, 딤플주변이 거칠고 변형에 저항하는 형태를 보인다.

따라서 인장시험에서 B형 시편이 A형 시편보다 비교적 연신이 적은 상태에서 항복응력을 받고 변형되었음을 알 수 있다.

한편, 도 11의 (c)는 C형 시편의 용접부를 나타낸 사진이고, 도 11의 (d)는 C형 시편의 열영향부를 나타낸 사진이다. C형 시편의 파단은 일반적으로 인장시편의 가장 약한 부분에서 파단이 일어나기 때문에 경도가 가장 낮은 열영향부에서 일어났을 것으로 예상된다.

즉 C형 시편의 용접부에 해당하는 도 11의 (c)의 경우 딤플주변이 거칠고 변형이 심한 반면, 도 11의 (d)의 경우에 해당하는 열영향부에서는 딤플주변이 매끄러우며 큰 변형이 없는 것을 보인다.

도 11의 (a), (b), (c)에서 화살표로 표시한 것은 딤플 내부에 2상 입자가 존재하는 것을 나타낸 것이다. 제2상 입자를 함유하고 있는 상용재료에서의 연성파괴는 대부분 제2상 입자들에 의해 유발되며 이러한 딤플은 제2상 입자에 의해 미소공동의 발생, 성장 및 합체에 의하여 연성파괴가 일어나기 때문에 발생한다고 알려져 있다[참조문헌 : D. Broek : Eng. Fracture Mechanics, 1(10) (1973) 55-66].

도 12는 용접부 미세조직에 대한 주사전자현미경 사진과 그의 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometry)분석 자료를 도시한 도면이다.

도 12의 (a)를 참조하면, 용접전류 100A와 같은 용접조건 하에서 A3003합금의 용접부인

와

에서는 망간(Mn)외에 규소(Si)가 검출되지 않았다. 반면

는 Al_100-xSi_x(x=6.67),

는 Al₁₀₀ _- _xSi_x(x=15.6),

는 Al₁₀₀ _- _xSi_x(x=19.2)로서 규소(Si)가 증가하였다. 규소(Si)는 용접부 하부표면의 100㎛에서 관찰되었다.

용접전류 120A와 같은 용접조건 하에서는, 용접부인

와

에서 Al₁₀₀ _-x-ySi_xMn_y(x=1.5, y=0.7)로 규소(Si)가 검출되었으며,

,

의 양상은 100A와 비슷하였다.

이러한 결과는 입열량이 큰 120A에서는 A4045에 함유된 Si의 확산이 비교적 쉽게 일어났기 때문으로 보이며, 도 9의 경도분포에서 120A의 경우가 용접부의 경도가 상대적으로 낮게 나온 결과로 볼 때 A3003 용착부에 유동성이 좋은 규소(Si)가 소량 용해됨으로써 경도의 저하를 나타냈다고 사료된다.

도 12의 (b)의

영역은 도 12의 (a)의

를 확대한 것으로서, 도 12의 (c)와 같이 A4045의 Si-rich화합물이 용해된 Al₁₀₀ _-x- _ySi_xZn_y(x=30, y=1)의 공정조직이다.

도 12의 (b)의

영역은 도 12의 (d)와 같이 Al₁₀₀ _- _xSi_x(x=4)의 알루미늄(Al) 고용체로 사료된다.

이런 본 연구에서는 클래드(A4045/A3003) 알루미늄합금 판재의 텅스텐 아크 용접부의 용접조건이 미치는 열영향부의 기계적 성질과 조직변화를 조사하였으며, 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

스트립의 압연방향에 수직한 방향으로 용접한 시험편은 열영향부에서 파단이 발생하여 모재보다 용접강도가 낮았고, 평행방향으로 용접한 시험편은 모재와 비슷한 용접강도를 나타내었다.

경도는 용착부가 모재와 비슷하였으나 열영향부는 모재보다 현저히 저하하였다. 이러한 현상은 열화효과로 인한 가공경화의 효과가 감소되었기 때문이다.

표피재층(A4045)은 용접 열변형에 보다 민감하게 작용하였으며 계면에서 비교적 큰 상의 변화가 관찰되었다.

표피재층(A4045)의 규소(Si)는 용접입열이 큰 경우 심재(A3003)의 용접부까지 확산되어 미소한 강도의 감소원인이 되었다.

이러한 본 발명의 기술적 구성에 의해 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 감광드럼의 제조방법의 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 OPC드럼 용접방법의 흐름도이다.

도 3은 도 2에 도시된 실시예의 특성을 입증하기 위한 실험에 사용된 텅스텐아크용접기의 도면 대용 사진이다.

도 4는 도 2에 도시된 실시예의 특성을 입증하기 위한 실험에 사용된 시편들의 치수평면도이다.

도 6은 아크 용접한 용접부의 단면도들이다.

도 9는 도 4에 나타낸 시편 중 C형 시편의 용접전류에 따른 용접부의 경도분포를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

100 : 시편 110, 111 : 용접부

Claims

심재인 A3003합금과 표피재인 A4045합금을 갖는 클래드 알루미늄합금재의 스트립을 용접하여 OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)용 튜브본체를 제작하기 위한 OPC드럼 용접방법에 있어서,

상기 스트립의 용접시 용접부의 길이를 축소시키면서 상기 표피재에 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시키기 위한 용접전압과 용접전류를 포함한 용접조건이 용접제어부에 세팅되는 세팅단계;

상기 스트립이 조관성형장치에 연속 공급되는 공급단계;

상기 조관성형장치에 탑재된 것으로서 상기 용접제어부를 구비한 용접기가 상기 용접조건에 따른 용접입열을 이용하여 상기 스트립을 용접하는 용접단계;를

포함하며,

상기 용접조건은,

용접전압 35V의 전압값과, 용접전류 100∼119A 중에서 선택된 어느 하나의 전류값인 것을 특징으로 하는 OPC드럼 용접방법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 조관성형장치에서 상기 스트립을 연속 공급하는 속도는 3∼80m/min 중에서 선택된 어느 한 속도인 것을 특징으로 하는 OPC드럼 용접방법.
제1항에 있어서,

상기 용접단계이후에는,

기계적 특성의 균일화를 고려하여 모재부와 용접부의 경도가 같아지는 온도 중에서 전기전도도의 감소가 시작되는 것을 기준으로 한 제1열처리조건, 또는 조직의 균일화를 고려하는 것을 기준으로 한 제2열처리조건 중 어느 하나를 이용한 용접완료후 열처리단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 OPC드럼 용접방법.
제4항에 있어서,

상기 제1열처리조건은 320±10℃, 2시간으로 어닐링(annealing)이고, 상기 제2열처리조건은 450±10℃, 2시간 어닐링인 것을 특징으로 하는 OPC드럼 용접방법.
삭제
OPC드럼(Organic Photo Conductor drum)용 튜브본체를 제작하기 위한 OPC드럼 용접방법에 따라 제조된 용접물에 있어서,

상기 용접물은,

심재인 A3003합금과 표피재인 A4045합금을 갖는 클래드 알루미늄합금재의 스트립의 용접시 용접부의 길이를 축소시키면서 상기 표피재에 함유된 규소(Si)가 심재의 용접부까지 확산되는 것을 축소시키기 위해 용접전압 35V의 전압값과, 용접전류 100∼119A 중에서 선택된 어느 하나의 전류값을 갖는 용접조건이 용접제어부에 세팅되는 세팅단계;

상기 스트립이 조관성형장치에 연속 공급되는 공급단계;

상기 조관성형장치에 탑재된 것으로서 상기 용접제어부를 구비한 용접기가 상기 용접조건에 따른 용접입열을 이용하여 상기 스트립을 용접하는 용접단계;를

포함한 제조 과정을 통해 제조하고,

상기 용접물은,

심재인 A3003합금과 표피재인 A4045합금을 갖는 클래드 알루미늄합금재의 스트립을, 용접전압 35V, 용접전류 100A로 아크 용접하여, 용접부 길이 2.5㎜, 열영향부 길이 6㎜를 갖는 것을 특징으로 하는 용접물.