KR101179763B1 - 하이드로포밍을 이용한 다중복합강관 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부강관에 상대적으로 직경이 작은 내부강관을 삽입한 상태에서, 내부강관에 유체를 공급하여 내부강관을 확관시켜, 내부강관과 외부강관이 결합된 다중복합강관을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 내부강관의 양단부를 확관하고 상기 외부강관에 용접으로 고정한 후, 내부강관을 팽창시키는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 내부강관의 양단부를 확관시켜 외부강관에 용접으로 고정한 후, 내부강관을 확관시키도록 함으로써, 확관과정에서 외부강관과 내부강관을 별도로 고정하지 않아도 외부강관과 내부강관이 정렬된 상태를 유지하게 되는 효과를 가져온다. 따라서, 생산성을 향상시키고 정렬불량으로 야기되는 품질 불량의 문제를 해소할 수 있는 효과를 가져온다.

내부강관, 외부강관, 다중복합강관, 표면거칠기

Description

하이드로포밍을 이용한 다중복합강관 및 그 제조방법{HIGH PRESSURE HYDROFORMED MULTI-LAYER TUBE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 하이드로포밍을 이용한 다중복합강관 및 그 제조방법에 의해 제조된 다중복합강관에 관한 것으로, 내부강관을 외부강관의 내부에서 유압을 가하여 소성변형이 되도록 팽창시켜 확관하고, 내부강관의 소성 확관에 의하여 외부강관은 탄성 확관 되었다가 압력이 제거되면 외부강관이 탄성 수축 되도록 함으로써, 별도의 접착제 등의 사용 없이 내부강관과 외부강관을 견고하게 결합시키는 제조방법을 제공한다.

하이드로포밍(hydro forming)이란 복잡한 부품을 만들 때 여러 형태의 프레스 금형으로 별도로 가공해 용접하지 않고 관의 형태로 만들어진 소재를 원하는 형상을 가진 성형홈(VOID)을 가진 금형 내에 넣고, 관 안으로 물과 같은 유체를 강한 압력으로 밀어 넣어 가공하는 복합성형을 뜻한다. 이러한 공법은 소재 회수율 및 생산성이 높은 강관 가공 기술이다.

일반적으로 흔히 사용되는 이중/다중 구조의 강관은 접착제 또는 합성 수지를 내부강관과 외부강관 사이에 충전하여 결합을 시키거나 내부 또는 외부 강관에 가열 또는 냉각의 방법을 사용하여 열박음으로 제조한다.

그러나 접착제를 이용하는 복합강관의 경우 주위의 온도 또는 환경에 따라 화학적 변화로 결합 성능을 상실하여 결합력을 떨어 지는 문제점이 있으며,

열처리에 의하여 결합시키기 위해서는 고가의 열처리 장비가 필요하고, 강관의 길이가 긴 경우 열처리에 의하여 모든 면이 균일하게 접합시킬 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 외부강관에 상대적으로 직경이 작은 내부강관을 삽입하고, 내부강관을 유압으로 확관시킴으로써 내부강관과 외부강관이 결합된 다중복합강관 제조방법에 있어서, 내부강관의 확관이전에 내부강관을 외부강관에 용접으로 고정함으로써 성형과정에서 내부강관의 틀어짐이나 정렬불량을 방지하여 생산성을 향상시키고 안정적인 품질을 확보할 수 있도록 하는 다중복합강관 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 외부강관에 상대적으로 직경이 작은 내부강관을 삽입한 상태에서, 내부강관에 유체를 공급하여 내부강관을 확관시켜, 내부강관과 외부강관이 결합된 다중복합강관을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 내부강관의 양단부를 확관하고 상기 외부강관에 용접으로 고정한 후, 내부강관을 팽창시키는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기의 방법으로 제조된 다중 복합 강관을 제공한다.

본 발명은 내부강관의 양단부를 확관시켜 외부강관에 용접으로 고정한 후, 내부강관을 확관시키도록 함으로써, 확관과정에서 외부강관과 내부강관을 별도로 고정하지 않아도 외부강관과 내부강관이 정렬된 상태를 유지하게 되는 효과를 가져온다.

따라서, 생산성을 향상시키고 정렬불량으로 야기되는 품질 불량의 문제를 해소할 수 있는 효과를 가져온다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 다중복합강관 및 그 제조 방법의 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 이중강관의 완제품을 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중강관은 내부강관(10)과 외부강관(20)이 별도의 접착제를 이용하거나 용접을 하지 않고 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

외부강관(20)에 상대적으로 직경이 작은 내부강관(10)을 삽입한 상태에서, 내부강관에 유체를 공급하여 내부강관을 확관시켜, 내부강관과 외부강관이 결합된 다중복합강관을 제조하기 위한 방법에서, 내부강관(10)의 양단부를 확관하고 확관된 내부강관(10)의 양단부를 외부강관(20)에 용접으로 고정한 후, 내부강관(10)에 유체를 주입하여 팽창시킴으로써 외부강관(20)과 내부강관(10)을 기계적으로 결합시켜 다중복합강관을 제조한다.

이 때 외부강관(20)의 팽창률을 제어하기 위하여, 외부강관(20)을 소정의 성형홈이 형성된 금형에 안착한 상태에서 내부강관(10)에 유체를 주입하는 것이 바람직하다.

또한, 내부강관(10)의 팽창시에 내부강관(10)과 외부강관(20) 사이의 공기와 이물질을 배출할 수 있도록 외부강관(20)에 배출공을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 이중강관은 내부강관(10)의 외면과 외부강관(20)의 내면이 마찰력으로 결합되는 것으로, 결합력은 외부강관의 수축하는 탄성력으로 인해서 발생하는 내부강관(10)의 외면과 외부강관(20)의 내면 사이의 마찰력이다.

따라서, 결합력을 향상시키기 위하여 내부강관의 외면 또는 외부강관의 내면에 소정의 표면거칠기를 부여하여 결합강도를 향상시킬 수 있다.

후술하는 실험 결과에 의하면, 내부강관의 외면 또는 외부강관의 내면의 표면거칠기는 25~75㎛ 범위인 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 이중강관 제조방법을 나타낸 공정순서도이다. 도 3은 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 이중강관 제조방법 의 주요 공정에서의 단면을 나타낸 공정도이다.

본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 다중강관 제조방법은, 외부강관(20)과, 상기 외부강관(20)의 내경의 95~98% 범위의 외경을 가지는 내부강관(10)과, 상기 외부강관(20) 외경의 100.20~100.30% 범위의 직경을 가지는 성형홈을 구비하는 금형을 마련하는 소재 마련 단계(S-11)와, 상기 외부강관(20)에 상기 내부강관(10)을 삽입한 후, 상기 내부강관(10)의 양단부(12)를 상기 외부강관(20)에 밀착하도록 확관시키는 내부강관 확관 단계(S-12)와, 상기 내부강관(10)의 확관된 단부(12)와 상기 외부강관(20)을 용접하여 상기 내부강관(10)을 상기 외부강관(20)에 고정시키는 용접 고정 단계(S-13)와, 용접으로 고정된 내부강관(10)과 외부강관(20)을 상기 성형홈에 안착시키는 금형 안착 단계(S-14)와, 상기 내부강관(10)에 유체를 주입하여 상기 내부강관(10)과 상기 외부강관(20)을 팽창시켜 상기 내부강관(10)과 상기 외부강관(20)과 상기 성형홈이 서로 밀착하도록 팽창시키는 유압 성형 단계(S-15)와, 상기 내부강관(10)에 주입된 유체를 제거하여 상기 외부강관(20)이 탄성회복하도록 함으로써 상기 외부강관과 상기 내부강관이 결합되도록 하는 탄성 회복 단계(S-16)을 포함한다.

이하, 각각의 공정과정에 관하여 상세하게 살펴본다.

소재 마련 단계(S-11)는 이중강관의 내부강관(10)과 외부강관(20) 그리고, 외부강관(20)의 팽창을 제한하는 금형(30)을 마련하는 단계이다. 내부강관(10)과 외부강관(20)은 동일한 재질로 제조될 수도 있으며, 서로 상이한 재질로 제조될 수 도 있다.

본원발명은 내부강관(10)을 외부강관(20)에 삽입한 상태에서, 내부강관(10)에 유체를 주입하여 내부강관(10)을 팽창시키고, 내부강관(10)은 소성변형된다.

또한, 내부강관(10)의 팽창압력으로 외부강관(20)도 팽창하게 되고, 압력이 제거되었을 때 외부강관(20)의 수축압력으로 외부강관(20)을 내부강관(10)에 밀착시켜서 별도의 접착제나 용접없이 이종의 강관을 결합시키는 것이다.

따라서, 내부강관의 직경과 외부강관의 직경의 비율과, 외부강관의 직경과 외부강관의 팽창을 제한하는 금형(30)의 성형홈의 크기의 비율이 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.

외부강관을 기준으로, 내부강관의 외경과, 성형홈의 직경에 관한 비율을 후술하는 실시예를 통하여 최적의 결합강도를 가질 수 있는 범위를 도출하였으며, 그 범위는 내부강관이 외부강관의 내경의 95~98% 범위이고, 성형홈의 직경이 외부강관 외경의 100.20~100.30% 이다.

내부강관(10)의 외경이 외부강관의 내경의 95% 작은 경우 내부강관(10)이 과도하게 팽창되어 터짐이나 파손 등의 불량이 발생할 우려가 있고, 내부강관(10)의 외경이 외부강관 내경의 98%보다 큰 경우 압력을 제거하였을 때 내부강관의 수축량이 많아 적절한 결합강도가 확보되지 않는다.

성형홈의 직경을 살펴보면, 성형홈의 직경이 100.20% 보다 작은 경우 외부강관의 팽창이 작아 수축량도 작게되고, 따라서 충분한 결합강도를 확보하기 곤란하며, 성형홈의 직경이 100.30% 보다 큰 경우 외부강관이 소성변형을 하게 되어 수축 력이 저하된다.

따라서, 상술한 바와 같은 크기의 비율을 가지도록 외부강관, 내부강관, 금형을 마련하는 것이다.

또한, 더욱 높은 결합강도를 유지하기 위해서는 직접 마찰하게 되는 외부강관의 내면과, 내부강관의 외면에 표면거칠기를 부여하는 것이 바람직하며, 결합강도의 향상을 위한 최적의 표면거칠기 범위에 관해서는 실시예에서 후술한다.

내부강관(10)과 외부강관(20)을 결합시키기 이전에, 내부강관(10)과 외부강관(20)의 깨끗이 표면처리 해야 한다. 내부강관(10)의 경우 산세(pickling)으로 표면처리하고, 외부강관(20)의 경우 숏블라스팅(shot blasting)으로 표면처리하는 것이 바람직하다.

내부 강관 확관 단계(S-12)는 내부강관(10)을 외부강관(20)에 삽입 한 후, 내부강관(10)의 양측 단부를 지그 등을 이용하여 확관시켜 내부강관(10)의 양측단부(10)가 외부강관(20)에 밀착될 수 있도록 하는 것이다. 내부강관(10)의 양측 단부를 확관시켜 외부강관(20)에 고정함으로써, 내부강관(10)과 외부강관(20)의 축심이 일치하게 되며, 외부강관(20)만을 고정한 상태에서 후속 공정들을 진행 할 수 있는 효과를 가져오게 된다.

용접 고정 단계(S-13)는 확관된 내부강관(10)의 양측 단부(12)를 외부강관(20)의 단부에 용접하여 내부강관(10)을 외부강관(20)에 대하여 더욱 견고하게 고정하는 것이다. 용접부(12)를 일부 구간에만 형성하여 용접되지 않은 구간으로 공기가 빠져나갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

금형 안착 단계(S-14)는 마련된 금형(30)에 용접으로 양측 단부가 고정된 내부강관(10)과 외부강관(20)을 안착시키는 공정이다. 종래에는 내부강관(10)과 외부강관(20)을 정렬하여 금형에 안착시켜야 했으나, 본원발명은 내부강관(10)의 양단이 확관되어 외부강관(20)에 용접으로 고정되므로, 내부강관(10)과 외부강관(20)을 정렬된 상태를 유지하고 있으므로, 외부강관(20)만을 정렬하여 고정하면 된다.

유압 성형 단계(S-15)는 내부강관(10)으로 유체를 주입하여 내부강관(10)과 외부강관(20)과 금형(30)이 모두 밀착되도록 성형하는 공정이다. 내부강관(10)에 유체가 주입되면 내부강관(10)이 팽창하여, 외부강관(20)에 밀착하게 된다. 압력이 지속적으로 가해지면, 외부강관(20)도 내부강관(10)과 함께 팽창하여, 내부강관(10)과 외부강관(20)과 성형홈(30)이 모두 밀착하게 된다.

이 때, 가해지는 유체의 압력은 내부강관의 항복강도와 외부강관의 항복강도의 합의 10~20% 범위인 것이 바람직하다. 유체의 압력이 상기의 범위보다 작으면 확관이 제대로 이루어지지 않으며, 유체의 압력이 상기의 범위보다 크면, 급속한 팽창으로 인하여 불균일한 성형이 이루어져 좋지 못하다.

탄성 회복 단계(S-16)는 내부강관(10)에 주입된 유체를 제거하여 외부강 관(20)이 수축하도록 함으로써 내부강관(10)과 외부강관(20)을 결합시키는 공정이다. 내부강관(10)은 소성변형을 하고, 외부강관(20)은 탄성변형을 하기 때문에, 유체가 제거되면, 외부강관(20)이 수축하며 내부강관(10)과 결합된다.

탄성 회복 단계(S-15) 이후에, 금형(30)으로부터 내부강관(10)과 외부강관(20)이 결합된 이중강관을 분리한 후, 상기 용접 고정 단계(S-13)에서 용접된 양측 단부를 절단하여 완성된다.

실시예

1) 내부강관의 확관률에 따른 결합강도의 변화를 살펴보기 위하여, 다른 조건은 동일하게 한 상태에서 내부강관의 확관률에만 변화를 주고 결합강도를 측정하였다.

실험조건 ( 내부강관 두께 : 2.0mm, 외부강관 외경 : 55.0mm,

외부강관 두께 : 2.5mm, 외부강관 내경 : 50.0mm 제 1 성형압력 : 250bar,

제 2 성형압력 : 500bar)

표 1은 내부강관의 확관률에 따른 결합강도의 변화를 나타낸 것이다.

실험결과 표1에서와 같이 확관률이 3.0~5% 범위인 경우가 결합강도가 우수한 것으로 나타났다.

2) 외부강관의 외경에 대한 성혐홈의 크기에 따른 결합강도의 변화를 살펴보기 위하여, 다른 조건은 동일하게 한 상태에서 성혐홈의 직경에만 변화를 주고 결합강도를 측정하였다.

실험조건 ( 내부강관 외경 : 48.6mm, 내부강관 두께 : 2.0mm,

외부강관 외경 : 55.0mm, 외부강관 두께 : 2.5mm, 외부강관 내경 : 50.0mm

제 1 성형압력 : 250bar,제 2 성형압력 : 500bar)

표 2는 성형홈의 크기에 따른 결합강도의 변화를 나타낸 것이다.

3) 내부강관과 외부강관의 표면 거칠기에 따른 결합강도의 변화를 살펴보기 위하여, 다른 조건은 동일하게 한 상태에서 표면거칠기에만 변화를 주고 결합강도를 측정하였다.

실험조건 ( 내부강관 외경 : 48.6mm, 내부강관 두께 : 2.0mm,

외부강관 외경 : 55.0mm, 외부강관 두께 : 2.5mm, 외부강관 내경 : 50.0mm

제 1 성형압력 : 350bar,제 2 성형압력 : 500bar)

표 3은 표면 거칠기에 따른 결합강도의 변화를 나타낸 것이다.

실험결과 내부강관의 외면 표면거칠기와 외부강관 내면 표면거칠기가 각각 25~75㎛ 범위인 경우 결합강도가 가장 우수한 것으로 나타났다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 다중복합강관 제조방법은 내부강관을 확관시켜 외부강관에 고정시킨 후, 유압에 의한 성형을 실시하기 때문에 성형시에 내부강관을 별도로 고정할 필요가 없어 생산성이 향상되는 효과를 가져온다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 이중강관의 완제품을 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 이중강관 제조방법을 나타낸 공정순서도,

도 3은 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 이중강관 제조방법의 주요 공정에서의 단면을 나타낸 공정도임.

Claims (11)

1. 외부강관에 상대적으로 직경이 작은 내부강관을 삽입한 상태에서, 내부강관에 유체를 공급하여 내부강관을 확관시켜, 내부강관과 외부강관이 결합된 다중복합강관을 제조하기 위한 방법에 있어서,

   상기 내부강관의 양단부를 확관하고 상기 외부강관에 용접으로 고정한 후, 내부강관을 팽창시키되, 상기 외부강관의 팽창율을 금형으로 제한하는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부강관의 양단부와 상기 외부강관의 용접은 일부 구간에만 이루어져 용접되지 않은 부분으로 상기 내부강관과 상기 외부강관 사이의 공기가 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부강관에 배출공을 형성하여, 상기 내부강관의 팽창시에 상기 내부강관과 상기 외부강관 사이의 공기와 이물질이 상기 배출공으로 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법.
4. 삭제
5. 외부강관과, 상기 외부강관의 내경의 95~98% 범위의 외경을 가지는 내부강관과, 상기 외부강관 외경의 100.20~100.30% 범위의 직경을 가지는 성형홈을 구비하는 금형을 마련하는 소재 마련 단계(S-11);

   상기 외부강관에 상기 내부강관을 삽입한 후, 상기 내부강관의 양단부를 상기 외부강관에 밀착하도록 확관시키는 내부강관 확관 단계(S-12);

   상기 내부강관의 확관된 단부와 상기 외부강관을 일부 용접하여 상기 내부강관을 상기 외부강관에 고정시켜, 용접되지 않은 부분으로 내부강관과 외부강관 사이의 공기가 배출될 수 있도록 하는 용접 고정 단계(S-13);

   용접으로 고정된 내부강관과 외부강관을 상기 성형홈에 안착시키는 금형 안착 단계(S-14);

   상기 내부강관에 유체를 주입하여 상기 내부강관이 상기 외부강관에 밀착한상태에서, 상기 외부강관이 상기 성형홈에 밀착되도록 팽창시키는 유압 성형 단계(S-15); 및

   상기 내부강관에 주입된 유체를 제거하여 상기 외부강관이 탄성회복하며 상 기 내부강관에 결합되도록 하는 탄성 회복 단계(S-16);를 포함하는 다중복합강관 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 소재 마련 단계에서,

   상기 외부강관은 숏블라스팅(shot blasting)으로 내면을 표면처리하는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 소재 마련 단계에서,

   상기 내부강관은 피클링으로 표면처리하는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 탄성 회복 단계 이후에,

   용접으로 연결된 양단부를 절단하는 엔드 커팅 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조 방법.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 유압 성형 단계에서 가해지는 유체의 압력은 상기 내부강관의 항복강도와 상기 외부강관의 항복강도의 합의 10~20% 범위인 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조방법.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 외부강관 내면의 표면거칠기 및 상기 내부강관 외면의 표면거칠기는 Ra 25~75㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 다중복합강관 제조방법.
11. 제 1 항 또는 제 5 항의 제조방법으로 제조되는 다중복합강관.

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