KR101151569B1 - 스테인리스 스틸 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인리스 스틸 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접 비드가 좁고 깊으며 열응력 피로강도의 저하가 없어 제품의 변형을 막을 수 있는 스테인리스 스틸 접합방법에 관한 것이다.

본 발명의 스테인리스 스틸 접합방법은 두 개의 스테인리스 스틸의 접합면 사이에 얇은 용가재를 삽입하여 배치하는 제1 단계; 비접촉식 레이저 용접기가 상기 접합면에 레이저 빔을 조사하여 용접을 수행하는 제2 단계; 브레이징 로에서 용융된 용가재가 상기 접합면 사이를 충진하여 브레이징을 수행하는 제3 단계; 그리고 상기 접합면 사이에 충진된 용가재가 냉각되는 제4 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스테인리스 스틸 접합방법에 의하면 스테인리스 재질의 모재 사이에 얇은 용가재를 삽입하고 접합 부위에 비접촉식 레이저 용접을 함으로써 용접 비드가 좁고 깊게 형성되어 열응력 피로강도 저하가 없어 제품의 변형을 막을 수 있는 효과가 있다.

스테인리스 스틸, 용접, 브레이징, 응력부식균열

Description

스테인리스 스틸 접합방법{Welding method of stainless steel}

본 발명은 스테인리스 스틸 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접 비드가 좁고 깊으며 열응력 피로강도의 저하가 없어 제품의 변형을 막을 수 있는 스테인리스 스틸 접합방법에 관한 것이다.

종래의 스테인리스 스틸 겹치기 또는 맞대기 접합 방식에는 일반적으로 제품 성형이 쉬운 스테인리스 스틸 재질을 사용하기 때문에, 대부분 서로 다른 재질의 스테인리스 스틸을 사용한 브레이징(brazing) 접합을 이용하거나 티그 용접을 이용한 맞대기 접합 방법을 사용하였다.

이러한 브레이징 접합방법은 모세관(毛細管) 현상을 이용하는 것으로 모재(BASE METAL)와 모재 사이 적당한 이음부 간격을 두어 용융된 용가재(brazing filler metal)가 모세관 현상에 의해 이음부 간격에 흘러 채우도록 하는 방법이다. 이때 적당한 간격을 유지하여야만 적당한 강도(70Kg중/cm²)를 얻을 수 있다.

그러나 성형된 모재의 평탄도를 0.1㎜이하로 유지시키는 것이 용이하지 않으며, 더욱이 모재와 모재가 겹쳤을 때 이음부의 간격은 더욱 커질 것이다. 또한 서로 다른 재질의 스테인리스 스틸을 겹치기 또는 맞대기 접합함으로써 열응력(Thermal Stress) 피로강도(fatigue strength) 저하가 발생하게 된다.

이러한 조건에서 브레이징 접합을 하게 되면 완전한 접합이 불가능할 것이고 결국 제품의 품질 및 성능에 큰 영향을 끼칠 것이다. 또한, 모재와 모재 사이가 수직으로 세워져 있을 경우 용융된 용가재는 중력작용으로 아래로 흘러내리게 될 것이다. 이 경우 상부 부위는 완전한 접합이 이루어지지 않을 것이다.

한편 티그 용접(Tungsten Inert Gas welding) 방식은 레이저 용접(Laser welding)에 비해 열이 많이 발생하여 제품의 변형을 발생시킬 것이고 좁고 깊은 용접 비드를 형성하기가 용이하지 않고, 스테인리스 스틸 모재와 모재를 겹쳤을 때 발생한 이음부의 틈이 발생시 겹치기 또는 맞대기 접합 용접이 완전하게 형성되지 않는 현상이 발생할 수 있다.

또한 겹치기 또는 맞대기 접합 용접이 되었다 할지라도 이음부의 틈 발생으로 인해 응력부식균열(Stress corrosion cracking, 이하 'SCC'라 한다) 또는 틈새부식과 같은 현상이 발생하여 정밀도나 디자인성 등을 요구하는 스테인리스 접합 방법에는 부적합한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 스테인리스 스틸 모재를 사용하고 그 사이에 얇은 용가재를 삽입하여 비접촉식 레이저 용접을 수행하여 SCC, 틈새부식 및 열응력 피로강도 저하를 방지할 수 있는 스테인리스 스틸 접합방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 스테인리스 스틸 접합방법은 두 개의 스테인리스 스틸의 접합면 사이에 순수한 구리금속, 인(Phosphorus) 0.01 ~ 0.03％를 포함하는 구리합금, 모두 구리합금, 동 또는 니켈이 포함되는 페이스트 중 어느 하나로 이루어지며, 그 두께는 0.025 ~ 0.5㎜로 이루어지는 용가재를 삽입하여 배치하는 제1 단계; 비접촉식 레이저 용접기가 상기 접합면에 레이저 빔을 조사하여 용접을 수행하는 제2 단계; 브레이징 로에서 용융된 용가재가 상기 접합면 사이를 충진하여 브레이징을 수행하는 제3 단계; 그리고 상기 접합면 사이에 충진된 용가재가 냉각되는 제4 단계;를 포함한다.

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또한, 상기 제2 단계는 3차원 좌표가 디지털로 표시되는 3차원 측정기로부터 데이터를 전달받은 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스테인리스 스틸 접합방법에 의하면 스테인리스 재질의 모재 사이에 얇은 용가재를 삽입하고 접합 부위에 비접촉식 레이저 용접을 함으로써 용접 비드가 좁고 깊게 형성되어 열응력 피로강도 저하가 없어 제품의 변형을 막을 수 있는 효과가 있다.

또한 이후 브레이징을 통해 스테인리스 스틸 모재 사이에 삽입된 용가재가 녹아 모든 이음부의 틈새에 스며들게 하여 틈새를 한번 더 접합시킴으로써 스테인리스 스틸 겹치기 또는 맞대기 제품의 품질 및 성능을 한층 더 향상시키는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명하면 다음과 같다.

다만, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

따라서 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 용접기에 의하여 용접하는 방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 도 1의 'A'부분에 대한 확대도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 브레이징 로에 의하여 브레이징하는 방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 4는 도 3의 'B'부분에 대한 확대도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 스틸 접합방법은 제1 단계 내지 제4 단계를 포함하여 이루어져 있다.

첨부된 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 제1 단계는 접합시키고자 하는 모재(10)로서 동일 재질 또는 서로 다른 재질의 두 개의 스테인리스 스틸의 접합면 사이에 용가재(20)를 삽입하여 배치하는 단계이다. 본 발명은 맞대기 또는 겹치기 접합방식 중에서 어떠한 방식으로도 수행될 수 있다.

전술한 SCC의 발생을 억제하기 위하여, 여기서 사용되는 스테인리스 스틸(stainless steel)로서 오스테나이트강 보다는 철-크로뮴계의 페라이트 스테인리스강을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 용가재(20)는 순수한 구리(copper) 금속, 0.01 ~ 0.03％의 인(Phosphorus)을 포함하는 구리합금, 모두 구리합금, 동 또는 니켈이 함유된 페이스트 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하며, 0.025 ~ 0.5㎜의 두께로 이루어진 것이 바람직하다.

예를 들어 상기 구리합금은 99.94％의 구리와 0.0254％의 인으로 이루어질 수 있고, 0.1㎜의 두께로 이루어질 수 있다.

첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 상기 제2 단계는 비접촉식 레이저 용접기(30)가 상기 접합면에 레이저 빔(40)을 조사하여 용접을 수행하는 단계이다.

여기서 상기 레이저 빔(40)의 조사는 로봇(robot)(50)에 의해 자동으로 이루어지도록 3차원 좌표가 디지털로 표시되는 3차원 측정기로부터 데이터를 전달받은 제어부(도시되지 않음)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.

첨부된 도 2는 레이저 빔에 의하여 용융된 모재의 일부분(10a)이 서로 용접되고, 또한 용접된 부분에 인접하는 용가재(20a)도 부분적으로 용융된 상태를 보여준다.

이 단계에서 용접시 발생하는 주위 열로 인해 모재와 모재 사이에 발생한 틈새를 용가재가 녹아 접합시키기 때문에 스테인레스 스틸 모재가 서로 맞닿게 되는 접합면의 평탄도에 대한 제약이 완화되는 것이다.

또한 후술되는 브레이징을 통해 스테인레스 스틸 모재 사이에 삽입된 용가재가 모든 접합면의 틈새에 녹아 스며들어 틈새를 한번 더 접합시켜 용접 비드(bead)가 좁고 깊게 형성되어 열응력 피로강도 저하를 방지하는 것이다.

첨부된 도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제3 단계는 브레이징 로(60)에서 용융된 용가재가 상기 접합면 사이를 충진하여 브레이징을 수행하는 단계이다. 이때 접합시킬 모재의 표면에 존재하는 산화막을 제거하기 위해 플럭스(flux)로서 붕산염, 보론(Boron), 붕사(Fused Borax) 등을 사용할 수도 있다.

마지막으로 상기 제4 단계는 상기 접합면 사이에 충진된 용가재가 냉각되는 단계이다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스 스틸 접합방법에 의하면 동일한 스테인리스 재질 사이에 용가재를 삽입하고 접합 부위에 로봇을 이용한 비접촉식 레이저 용접을 수행함으로써 열응력 피로강도 저하가 없어 제품의 변형을 막을 수 있다.

또한 스테인리스 스틸 모재와 모재를 겹쳤을 때 발생한 이음부의 틈에 레이저 용접시 발생한 열로 인해 용가재가 녹아 틈새로 스며들어 틈새를 접합시키고, 이후 브레이징을 통해 스테인리스 스틸 모재 사이에 삽입된 용가재가 녹아 모든 이음부의 틈새에 스며들게 하여 틈새를 한번 더 접합시킴으로써 스테인리스 스틸 겹치기 또는 맞대기 제품의 품질 및 성능을 한층 더 향상시키는 것이다.

그러므로 SCC와 틈새부식 발생 우려가 없고, 견고하고 확실한 겹치기 내지 맞대기 접합이 이루어짐에 따라 스테인리스 스틸 제품의 재료비 절감 및 제조 공정상에 생산성을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 전술한 실시 예에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정?변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 용접기에 의하여 용접하는 방법을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 도 1의 'A'부분에 대한 확대도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 브레이징 로에 의하여 브레이징하는 방법을 설명하기 위한 개략도,

도 4는 도 3의 'B'부분에 대한 확대도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 모재 20 : 용가재

30 : 레이저 용접기 40 : 레이저 빔

50 : 로봇 60 : 브레이징 로

Claims (4)

1. 두 개의 스테인리스 스틸의 접합면 사이에 순수한 구리금속, 인(Phosphorus) 0.01 ~ 0.03％를 포함하는 구리합금, 모두 구리합금, 동 또는 니켈이 포함되는 페이스트 중 어느 하나로 이루어지며, 그 두께는 0.025 ~ 0.5㎜로 이루어지는 용가재를 삽입하여 배치하는 제1 단계; 비접촉식 레이저 용접기가 상기 접합면에 레이저 빔을 조사하여 용접을 수행하는 제2 단계; 브레이징 로에서 용융된 용가재가 상기 접합면 사이를 충진하여 브레이징을 수행하는 제3 단계; 그리고 상기 접합면 사이에 충진된 용가재가 냉각되는 제4 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스테인리스 스틸 접합방법.
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4. 제1항에 있어서, 상기 제2 단계는 3차원 좌표가 디지털로 표시되는 3차원 측 정기로부터 데이터를 전달받은 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 스테인리스 스틸 접합방법.

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