KR101194512B1

KR101194512B1 - 커먼 레일, 커먼 레일 홀더 및 커먼 레일의 제조 방법

Info

Publication number: KR101194512B1
Application number: KR1020117004553A
Authority: KR
Inventors: 류우이찌 혼마; 류우지 우에모리; 야스시 하세가와; 유따까 다까기
Original assignee: 후꾸주 고교 가부시끼 가이샤; 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-10-25
Also published as: JP5481396B2; KR20110082509A; JPWO2011062011A1; EP2351928A4; US20110239989A1; EP2351928A1; CN102292537B; US8490600B2; WO2011062011A1; CN102292537A

Abstract

본 발명은, 가열 압접 접합 및 액상 확산 접합을 이용하여, 커먼 레일 본체와 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더를 접합함으로써 형성되는 커먼 레일이며, 상기 접합 볼록면의 높이(H)가 1㎛≤H≤50㎛를 만족시키고, 상기 커먼 레일 홀더가, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖는 커먼 레일을 제공한다.

Description

커먼 레일, 커먼 레일 홀더 및 커먼 레일의 제조 방법 {COMMON RAIL, COMMON RAIL HOLDER, AND METHOD OF PRODUCING COMMON RAIL}

본 발명은 커먼 레일, 커먼 레일 홀더 및 커먼 레일의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2009년 11월 19일에 일본에 출원된 일본특허출원 제2009-264174호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 유럽을 중심으로 경유를 연료로 하는 디젤 엔진을 탑재한 승용차가 증가하고 있다. 이로 인해, 연료 분사 장치의 기술 개발, 특히 커먼 레일의 고성능화가 요구되고 있다.

커먼 레일은, 연료 탱크로부터 펌프에 의해 흡인된 경유를 일시적으로 고압으로 유지하는, 고압 연료 분사 축압 분배기로, 디젤 엔진의 연료 분사 장치의 핵심 부품이다. 커먼 레일 내에 보유된 경유는, 오리피스(토출구)로부터 토출되어, 각 연소실의 분사 노즐까지 커먼 레일 홀더(이하, 단순히 홀더라 서술하는 경우가 있음)에 장착된 배관을 통해 분배된다. 분사 노즐까지 보내진 경유는, 연소용 공기와 혼합되어, 엔진 연소실 내에 분사되어 폭발 연소된다.

경유의 연소 효율을 향상시키기 위해, 커먼 레일 내의 경유의 압력을 고압화하는 것이 요망되고 있다. 커먼 레일 내의 경유의 압력을 높임으로써, 불순물 성분이 적은 경유를 사용하여, 고출력, 저연비, 나아가서는 대(大)토크가 얻어지게 된다. 그로 인해, 연료의 고압화를 가능하게 하기 위해, 커먼 레일의 고성능화가 요구되고 있다.

통상, 커먼 레일은, 단조(鍛造)에 의해 커먼 레일 본체부와 커먼 레일 홀더부를 일체 성형한 후, 복잡한 분배관의 기계 가공을 실시함으로써 제조된다. 이때, 커먼 레일에 사용하는 강재의 화학 성분이나 열처리 등의 제조 조건의 최적화에 의해 커먼 레일의 강도를 향상시킬 수 있다. 이 방법에 의해, 160㎫ 이상의 분사 연료 압력에 견딜 수 있는, 신뢰성이 높은 커먼 레일이 실용화되고 있다.

그러나 커먼 레일에 사용하는 강재를 고강도화하면 성형성이나 가공성이 저하되어, 제조 비용이 증대된다. 그로 인해, 종래의 단조에 의한 일체 성형 및 기계 가공에 의한 제조 방법을 대신하는 커먼 레일의 제조 기술의 개발이 희구되고 있었다. 따라서, 커먼 레일 본체와 홀더를 각각 제조하고, 그들을 접합하는 것에 의한 커먼 레일의 제조 기술이 제안되어 있다.

특허문헌 1에는, 도 1과 같이 커먼 레일 본체(1)와 홀더(2)의 접합면 사이에 비정질 합금박(5)을 개재시켜 화살표(60) 방향으로 홀더(2)를 가압하여, 액상 확산 접합을 행하는 방법이 개시되어 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 커먼 레일 본체(1)의 내부에는, 내부 관로(3)와 분지관(4)이 설치되어 있다. 내부 관로(3)에 의해, 연료 탱크(도시하지 않음)로부터 연료 펌프(도시하지 않음)에 의해 흡인된 연료(경유)를 커먼 레일 본체(1)의 내부에 도입한다(도 1 중의 화살표 11). 또한, 내부 관로(3)는 분지관(4)에 의해 엔진 연소실의 분사 노즐(도시하지 않음)까지 연료를 보내기 위한(도 1 중의 화살표 12) 배관(도시하지 않음)과 연락한다.

도 1에는, 편의상, 1개의 분지관(4)만을 도시하였지만, 통상의 커먼 레일 본체(1)는 엔진 연소실의 복수의 분사 노즐에 대응하는 복수의 분지관(4)을 구비하고 있다. 또한, 커먼 레일 본체(1)에는, 복수의 분지관(4)과, 엔진 연소실의 분사 노즐까지 연료를 압송하기 위한 복수의 배관을 접속하기 위해, 복수의 분지관(4)에 대응하는 복수의 홀더(2)가 설치되어 있다. 홀더(2)와 커먼 레일 본체(1)를 액상 확산 접합에 의해 접합하면, 접합부에서는 등온 응고에 의해 균일한 조직이 형성된다. 그 결과, 양호한 접합부의 품질과 높은 형상 정밀도를 유지하면서, 커먼 레일의 생산성을 대폭 향상시킬 수 있다.

또한, 특허문헌 2, 3에는, 커먼 레일 본체와 홀더의 접합에 적용할 수 있는, 접합면 사이에 비정질 합금박을 개재시켜, 가열 압접(1차 접합) 후, 액상 확산 접합(2차 접합)하는 기계 부품의 제조 방법이 개시되어 있다. 이것은, 가열 압접에 의해 용융 압접부를 형성하고, 다시 용융 압접부를 비정질 합금박의 융점 이상으로 가열하고, 유지하여 응고 과정을 완료시키는 방법이다. 이 방법에 따르면, 액상 확산 접합에 필요로 하는 시간의 단축이 가능해져, 기계 부품의 변형을 억제할 수 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 1차 접합시에, 전용 지그를 사용하여 커먼 레일 본체를 구속하고, 용접 전극 표면과 접합면이 이루는 각도를 0.03°이하로 조정하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의해, 1차 접합 후, 홀더의 중심축과 커먼 레일 본체의 분지관의 중심축의 축간 거리, 즉, 접합 위치 어긋남량이 작아져 고정밀도의 접합이 가능해진다.

일본공개특허 제2003-214291호 공보 일본공개특허 제2005-324245호 공보 일본공개특허 제2006-159212호 공보 일본공개특허 제2007-040244호 공보

그러나 본 발명자들이 더욱 검토를 진행한 결과, 1차 접합으로서 저항 용접을 행할 때에, 부품의 형상이나 재질에 따라서는, 일부의 홀더에서, 도 2와 같은 변형이 발생되어 홀더의 형상의 정밀도가 손상되는 것을 알 수 있었다. 도 2의 파선은, 변형 전의 홀더(2)의 형상을 나타내고 있고, 실선은 변형 후의 홀더(2)의 형상을 나타내고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 홀더(2)의 중심축(a)과 커먼 레일 본체(1)의 분지관(4)의 중심축(b) 사이의 접합 위치 어긋남(c)이나, 1차 접합 후의 홀더(2)의 내측 벌어짐량(21), 홀더(2)의 내경측과 커먼 레일 본체(1)의 내경측의 간극(22)이 커진다. 이 원인은, 1차 접합을 행할 때에, 단시간이지만, 홀더(2) 전체가 고온으로 된 상태에서 가압되기 때문인 것을 알 수 있었다.

또한, 1차 접합에 있어서의 통전 시간, 전류치, 가압력 중 어느 하나가, 무언가의 요인에 의해 변동되면, 그 변동에 따라서 홀더(2)의 변형량이 변화된다. 그 결과, 홀더(2)를 1차 접합할 때마다, 예를 들어 홀더(2)의 높이나 내경측에 가공되어 있는 나사산의 간격이 변동된다고 하는 문제가 있었다.

도 3에, 1차 접합 전후의 홀더(2)의 형상의 개략을 도시한다. 파선이 접합 전의 홀더(2)의 형상, 실선이 접합 후의 홀더(2)의 형상을 나타내고 있다. 도 3에 도시한 예는, 도 2에 도시한 예보다도 적정한 조건으로 1차 접합을 행한 예이다. 그러나 1차 접합 후는 홀더(2)의 전체의 두께가 증가하고, 나사부(31)도 변형되어 있다.

커먼 레일에는 복수개의 홀더(2)가 설치되지만, 그 중 하나라도 변형되면, 커먼 레일이 불량품으로 되거나, 또는 형상 수정 등의 추가 행정이 필요해진다.

본 발명은 이러한 실정에 비추어, 부품의 형상 변화를 억제하고, 접합 후의 형상 수정 가공을 필요로 하지 않고, 필요한 조인트 특성과 정밀한 형상을 얻을 수 있는, 생산성이 높은 커먼 레일의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해 이하의 구성 및 방법을 채용한다.

(1) 본 발명의 제1 형태는, 가열 압접 접합 및 액상 확산 접합을 이용하여, 커먼 레일 본체와, 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더를 접합함으로써 형성되는 커먼 레일이며, 상기 접합 볼록면의 높이(H)가

[수학식 1]

를 만족시키고, 상기 커먼 레일 홀더가, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖는 커먼 레일이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 커먼 레일에서는, 상기 가열 압접 접합 전의, 상기 변형 유도부의 높이(h)가

[수학식 2]

를 만족시키고, 상기 가압면의 두께(T)와 상기 접합 볼록면의 두께(t)가

[수학식 3]

를 만족시켜도 좋다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 커먼 레일에서는, 상기 가열 압접 접합 전의, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)가,

[수학식 4]

를 만족시켜도 좋다.

(4) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 커먼 레일에서는, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과, 상기 접합 볼록면의 두께(t)와, 상기 변형 유도부의 높이(h)가,

[수학식 5]

를 만족시켜도 좋다.

(5) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 커먼 레일에서는, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘게 되어 있어도 좋다.

(6) 본 발명의 제2 형태는, 가열 압접 접합 및 액상 확산 접합을 이용하여, 커먼 레일 본체에 접합하여 커먼 레일을 형성하기 위한, 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더이며, 상기 접합 볼록면의 높이(H)가

[수학식 1]

를 만족시키고, 상기 커먼 레일 홀더는, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖고, 상기 변형 유도부의 높이(h)가

[수학식 2]

[수학식 3]

를 만족시키는 커먼 레일 홀더이다.

(7) 상기 (6)에 기재된 커먼 레일 홀더에서는, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)가,

[수학식 4]

를 만족시켜도 좋다.

(8) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 커먼 레일 홀더에서는, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과, 상기 접합 볼록면의 두께(t)와, 상기 변형 유도부의 높이(h)가,

[수학식 5]

를 만족시켜도 좋다.

(9) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 커먼 레일 홀더에서는, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘게 되어 있어도 좋다.

(10) 본 발명의 제3 형태는, 커먼 레일 본체와, 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더를 접합함으로써 형성되는 커먼 레일의 제조 방법이며, 상기 커먼 레일 본체와, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖는 상기 커먼 레일 홀더 사이에 비정질 합금박을 배치하여, 가열 압접을 행하여 용융 압접부를 형성하고, 상기 용융 압접부를 상기 비정질 합금박의 융점 이상의 온도로 가열하고, 그 온도를 유지하여 상기 용융 압접부를 응고시키는 액상 확산 접합을 행하는 커먼 레일의 제조 방법이다.

(11) 상기 (10)에 기재된 커먼 레일의 제조 방법에서는, 상기 변형 유도부의 높이(h)가

[수학식 2]

[수학식 3]

를 만족시켜도 좋다.

(12) 상기 (10) 또는 (11)에 기재된 커먼 레일의 제조 방법에서는, 상기 가열 압접 접합 전의, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)가,

[수학식 4]

을 만족시켜도 좋다.

(13) 상기 (10) 또는 (11)에 기재된 커먼 레일의 제조 방법에서는, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)와, 상기 변형 유도부의 높이(h)가,

[수학식 5]

을 만족시켜도 좋다.

(14) 상기 (10) 또는 (11)에 기재된 커먼 레일의 제조 방법에서는, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘게 되어 있어도 좋다.

상술한 구성 및 방법에 따르면, 커먼 레일 홀더에 설치되는 변형 유도부에 의해, 가열 압접 접합(1차 접합)에서의 홀더의 변형량을 극히 작게 할 수 있다. 그로 인해, 가열 압접 접합 후에 액상 확산 접합(2차 접합)을 행함으로써 제조되는 커먼 레일에 있어서, 접합 후의 형상 수정 가공을 필요로 하지 않고, 필요한 조인트 특성과 정밀한 형상을 얻을 수 있다. 특히, 상술한 구성 및 방법에 따르면, 홀더의 내경측에 설치한 나사산의 간격이나 끼워 맞춤부의 형상이, 1차 접합의 전후에서 거의 변화되지 않는다. 그로 인해, 접합 전의 홀더에 정밀 가공을 실시해도, 접합 후에 수정 가공을 행하는 일 없이, 부품 조립 장착 행정 등의 다음 공정으로 이행할 수 있다. 이러한 효과에 의해, 종래에 비해 높은 커먼 레일의 생산성을 실현할 수 있다.

또한, 생산성이나 제조 비용을 개선하면서, 간편한 방법으로, 접합 후의 홀더 형상의 편차, 결함 발생률을 저감한 커먼 레일을 제조할 수 있다. 특히, 분사 연료 압력이 250㎫까지의 고압 커먼 레일의 제조가 가능해진다. 그 결과, 경유를 연료로 하는 디젤 엔진의 고출력화, 저연비화, 나아가서는 대토크화를 달성할 수 있다.

도 1은 종래의 커먼 레일의 제조 방법에 있어서의, 홀더의 1차 접합의 개략을 도시하는 도면이다.
도 2는 종래의 커먼 레일의 제조 방법에 있어서, 홀더가 1차 접합 후에 변형된 모습을 도시하는 도면이다.
도 3은 종래의 커먼 레일의 제조 방법에 있어서, 1차 접합 후에 나사산의 간격이 변동된 홀더 내측의 개략을 도시하는 도면이다.
도 4는 종래의 홀더의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단차 형상의 변형 유도부(두께 감소 압궤부)를 갖는 홀더의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 테이퍼 형상의 변형 유도부(두께 감소 압궤부)를 갖는 홀더의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 커먼 레일의 제조 방법에 있어서의 1차 접합 전후의 홀더 변형의 개략을 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

종래의 홀더는, 도 4와 같이 저항 용접기의 전극에 접하는 가압면측으로부터 커먼 레일 본체와 접하는 접합면측까지의 두께가 일정하였다.

본 발명의 실시 형태에 관한 커먼 레일의 홀더는, 도 5와 같이 홀더의 접합면의 근방에, 적극적으로 변형시키기 위한 변형 유도부(두께 감소 압궤부)를 갖는다. 접합면측의 두께를 그 밖의 부분에 비해 얇게 함으로써, 1차 접합의 저항 용접시에 접합면측을 우선적으로 가열하여, 홀더 전체의 변형을 대폭 저감시킬 수 있고, 또한 홀더의 형상의 편차를 억제할 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 용어를 설명한다.

홀더의 접합면(41)이라 함은, 홀더가 커먼 레일 본체와 접하는 면을 가리킨다.

홀더의 가압면(42)이라 함은, 홀더와 커먼 레일 본체를 접합할 때에 홀더가 저항 용접기의 전극에 접하는 면을 가리킨다.

변형 유도부(51)라 함은, 접합면(41)측에 설치된, 가압면(42)측과 비교하여 두께가 얇은 부분을 가리킨다. 즉, 홀더는, 가압면(42)에 평행한 단면의 면적이 가압면(42)의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖는다.

변형 유도부(51)의 높이(h)라 함은, 변형 유도부(51)의 홀더 관축 방향의 길이를 가리킨다.

또한, 홀더에는 용접 전류를 집중시키기 위해 접합면(41)측에 접합 볼록부(43)[개선부(開先部)]를 설치해도 좋다. 이 접합 볼록부(43)는, 홀더의 좌굴(buckling) 변형을 억제하는 변형 유도부(51)와는 다른 부위이며, 변형 유도부의 높이(h)는, 접합 볼록부(43)의 높이는 포함하지 않는다.

여기서, 접합 볼록부(43)의 높이(H)는,

를 만족시키는 것이 바람직하다. H가 1㎛보다 작은 경우에는, 용접 전류를 집중시키는 효과를 충분히 얻을 수 없다. 또한, H가 50㎛보다 큰 경우에는, 충분한 접합 면적을 얻을 수 없다.

본 실시 형태에 관한 커먼 레일의 제조 방법에서는, 커먼 레일 본체와 홀더의 접합면 사이에 비정질 합금박을 개재시켜, 1차 접합으로서 저항 용접을 행한다. 1차 접합에 의해, 커먼 레일 본체와 홀더는 비정질 합금박을 개재하여 용융 압접된다. 이때, 용융 압접부에서는, 비정질 합금박의 일부가 용융 메탈로서 배출되어, 얇은 접합 합금층이 형성된다. 1차 접합에 이어서, 용융 압접부를 비정질 합금박의 융점 이상으로 가열하는 2차 접합(액상 확산 접합)을 행한다. 2차 접합에서는, 용융 압접부의 미등온 응고 조직이 완전히 소실될 때까지 유지하여, 등온 응고를 완료시킨다.

본 실시 형태에 관한 커먼 레일의 제조 방법에서는, 1차 접합에 의해, 용융 압접부에 얇은 접합 합금층이 형성되어 있다. 이로 인해, 액상 확산 접합의 등온 응고가 완료될 때까지의 유지 시간을 대폭 단축할 수 있다. 그 결과, 접합 품질을 양호하게 유지하면서, 접합 조인트의 생산성을 대폭 단축할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 1차 접합에 의한 홀더의 변형량이 극히 작으므로, 형상 수정 가공을 필요로 하지 않고 필요한 조인트 특성과 정밀한 형상을 얻을 수 있다.

한편, 예를 들어 액상 확산 접합을 행하지 않고, 프로젝션 용접 등의 저항 용접 단독으로 접합하면, 홀더가 크게 변형되어, 그 후의 행정에서의 형상 수정 가공을 피할 수 없다.

또한, 액상 확산 접합을 단독으로 행하는 경우, 비정질 합금박의 두께를 저감하는 것이 바람직하지만, 두께의 저감은 10㎛ 정도가 한계이다. 그로 인해, 비정질 합금 및 그 근방을 용융시켜, 등온 응고를 완료시키기 위해서는, 가압력을 높이거나, 유지 시간을 길게 하는 것이 필요하다. 그러나 가압력을 지나치게 높게 하면 조인트에 변형이 발생되므로, 변형을 억제하여 등온 응고를 완료시키기 위해서는 100초간 이상의 유지 시간이 필요하였다.

한편, 본 실시 형태에 관한 커먼 레일에서는, 광학 현미경에 의한 조인트 단면 조직의 관찰 결과로부터, 1차 접합에서 얻어진 비정질 합금박이 용융, 응고된 조직으로 이루어지는 접합 합금층의 두께가, 5㎛ 이하로 되는 것이 확인되어 있다. 1차 접합에서 형성된 극히 얇은 접합 합금층은, 그 후의 2차 접합으로서의 액상 확산 접합에 있어서, 비정질 합금박의 융점 이상의 온도에서 약 15초간 유지됨으로써 실질적으로 등온 응고를 거의 종료한다.

본 발명자들은, 피접합 재료로서 통상 탄소강을 사용하는 경우에서는, 약 30초간의 유지에 의해 등온 응고 조직이 얻어지고, 필요로 하는 조인트 성능이 얻어지는 것을 실험에 의해 확인하고 있다. 이와 같이 1차 접합에 이어지는 2차 접합(액상 확산 접합)에 의해, 액상 확산 접합이 등온 응고 완료될 때 까지, 즉, 접합부의 합금층 중의 미등온 응고 조직이 완전히 소실될 때까지의 유지 시간을 대폭 단축할 수 있다. 따라서, 1차 접합(가열 압접) 후, 2차 접합(액상 확산 접합)을 행함으로써, 접합 품질을 양호하게 유지하면서, 접합 시간을 단축하여, 커먼 레일의 생산성을 대폭 향상시킬 수 있다.

본 실시 형태에 관한 커먼 레일에서는, 1차 접합을 행하기 전의 홀더의 단부 중, 저항 용접기의 전극에 접하는 가압면측의 두께보다도, 접합면측의 두께가 얇게 되어 있다. 홀더의 접합면측의 두께를 얇게 하여, 변형 유도부를 설치하면, 접합면의 근방에 변형을 집중시킬 수 있다. 또한, 접합면의 근방의 두께를 얇게 하면, 1차 접합의 저항 용접시에 접합면측이 우선적으로 가열된다. 그 결과, 홀더 전체의 변형을 대폭 저감할 수 있고, 또한 홀더의 형상의 편차도 억제할 수 있다. 또한, 변형 유도부는, 예를 들어 커먼 레일 홀더의 일부를 절삭 가공함으로써 얻을 수 있다.

종래, 1차 접합 전의 홀더는, 가압면측으로부터 접합면측까지의 두께가 일정하였다. 이 경우, 1차 접합시에 가압하면, 홀더 전체에 일정한 응력이 가해진다. 그로 인해, 가열 압접할 때에는, 저항 발열에 의해, 고온으로 되는 접합면의 근방으로부터 서서히 변형되어, 최종적으로 홀더 전체가 변형된다.

한편, 본 실시 형태에 관한 홀더는, 도 5에 일례를 도시한 바와 같이, 접합면측의 두께를, 전극의 가압면측의 두께보다도 얇게 하고 있다. 이 경우는, 전극의 가압면측보다도 단면적이 작은 접합면 근방의 온도가 높아지고, 또한 상대적으로 강도가 낮아진 변형 유도부에 변형이 집중되고, 그 이외의 부분은 거의 변형되지 않는다. 그로 인해, 변형 유도부 이외에서는, 1차 접합에 의한 홀더 각 부의 치수 변화가 극히 적다.

또한, 본 발명자들은 더욱 검토를 행하여, 시험 결과에 기초하여, 홀더의 변형 유도부의 최적의 형상을 결정하였다. 즉, 본 실시 형태에 관한 커먼 레일의 홀더의 형상은, 변형 유도부의 높이(h)[㎜] 및 가압면의 두께(T)[㎜]와 접합면의 두께(t)[㎜]의 차(T－t)[㎜](이하, 두께 감소량)가,

및/또는

를 만족시키도록 결정해도 좋다. 이에 의해, 1차 접합 후의 형상의 편차를 대폭 저감시킬 수 있다.

수학식 2에 있어서는 변형 유도부의 높이(h)[㎜]에 관하여, 하한치로서 1.0㎜, 상한치로서 5.0㎜를 설정하고 있다. 높이(h)가 1.0㎜ 이상인 경우에는, 홀더 전체의 변형을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 있다. 또한, 높이(h)가 5.0㎜ 이하인 경우에는, 변형 유도부에 있어서의 좌굴 변형을 억제할 수 있다. 또한, 높이(h)를 크게 하는 경우에는, 그로 인한 가공량이 증대된다. 이러한 관점에서, 높이(h)를 4.0㎜ 이하로 해도 좋다.

또한, 변형 유도부의 높이(h)는, 도 5에 도시한 형상에서는, 접합면으로부터 두께 감소량(T－t)[㎜]이 0 초과로 되는 부위, 즉 단차까지의 가압축 방향의 높이이다. 도 5에는, 홀더의 외면측을 얇게 하여 변형 유도부를 형성한 예를 도시하고 있지만, 외면측과 내면측 중 한쪽 또는 양쪽을 두께 감소시킴으로써 변형 유도부를 형성해도 좋다.

수학식 3에 있어서는 두께 감소량(T－t)[㎜]에 관하여, 하한치로서 0.3㎜, 상한치로서 1.0㎜를 설정하고 있다. 두께 감소량이 0.3㎜ 이상인 경우에는, 홀더 전체의 변형을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 있다. 또한, 두께 감소량이 1.0㎜이하인 경우에는, 변형 유도부에 있어서의 좌굴 변형을 억제할 수 있다.

한편, 두께 감소량이 증가하면, 가공량이 증가하므로, 생산성의 관점에서 두께 감소량을 0.8㎜ 이하로 설정해도 좋다.

또한, 변형예로서, 홀더의 변형 유도부의 형상은, 도 6에 도시하는 바와 같이 서서히 두께를 변화시키는 테이퍼 형상으로 해도 좋다. 즉, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘게 되어 있어도 좋다. 이 경우는, 변형 유도부의 높이(h)는, 접합면, 즉 테이퍼의 선단으로부터, 두께 감소량(T－t)[㎜]이 0으로 되는 부위까지의 가압축 방향의 높이이다. 또한, 도 6에는, 홀더의 외면측을 테이퍼 형상으로 얇게 한 예를 도시하고 있지만, 내면측을 얇게 해도 좋다. 또는, 외면측 및 내면측의 양쪽을 얇게 해도 좋다.

또한, 본 발명자들이 검토를 행한 결과, 변형 유도부의 형상에 따라서는, 변형 유도부가 좌굴 변형되기 쉬워지는 것을 알 수 있었다. 홀더의 변형 유도부가 좌굴 변형되면, 1차 접합의 가압에 의한 응력이 비정질 합금박에 전달되지 않아, 박 두께를 일정 이상으로 얇게 하는 것이 어려워진다. 그로 인해, 2차 접합으로서 액상 확산 접합을 행하면, 접합면에서 가장 박 두께가 얇아지기 어려운 외경측의 단부에, 미등온 응고 조직이 잔존하는 경우가 있다. 이 경우, 조인트 성능에 영향은 없지만, 접합 후에 행하는 초음파 탐상 검사시에 실수로 결함이라 판정되는 경우가 있다.

따라서, 홀더를 좌굴 변형시키는 일 없이 1차 접합을 완료하기 위해 적합한, 변형 유도부의 높이(h), 접합면의 외경(D), 두께(t)의 조건에 대해 검토를 행하였다.

그 결과,

또는

이 만족되는 경우에, 좌굴 변형이 발생되지 않고 홀더의 1차 접합을 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 특히 수학식 4와 수학식 5가 모두 만족되는 경우에는, 좌굴 변형의 발생을 보다 확실하게 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 커먼 레일 제조에 있어서의 결함 발생률의 관점에서, 수학식 4 및 수학식 5를 만족시키는 것이 바람직하다.

또한, D/t가 큰 경우, 즉, 강관의 외경이 두께에 대해 큰 경우는, 1차 접합의 통전 및 가열 과정에 있어서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 홀더(2)의 접합면 근방이, 외측으로 나팔 형상으로 벌어진다. 이 경우, 홀더 내측 벌어짐량(13)에 따라서, 접합 위치 어긋남(i)이 발생하여, 후행정에서 홀더에 접속하는 부품을 장착할 수 없게 된다. 따라서, D/t의 상한은 21.7이 바람직하다. 이것은, 변형 유도부의 높이(h)가 5㎜인 경우에 상당한다. 또한, 접합 위치 어긋남(i)은, 1차 접합 후에 홀더(2)의 중심축(f)과 커먼 레일 본체(1)의 분지관(4)의 중심축(g)의 축간 거리이다.

또한, 도 6에 도시하는 테이퍼 형상의 변형 유도부에서는, 가압면의 두께(T)가 서서히 얇아져, 접합면에서 두께 t로 되도록 매끄럽게 가공한다. 이 경우도, 수학식 4 및/또는 수학식 5를 만족시킴으로써, 홀더의 변형을 최소한으로 하면서, 1차 접합 후의 용융 압접부의 비정질박의 두께를 얇게 하는 것이 가능하다.

또한, 커먼 레일 본체 및 홀더에 사용하는 금속 재료로서는, 철강 재료가 일반적으로 사용된다. 금속 재료의 기계적 특성은, 특별히 한정할 필요는 없고, 커먼 레일의 사용 환경하인 내압 150㎫까지 견딜 수 있는 강도 등의 특성을 구비한 것이 바람직하다.

액상 확산 접합용 비정질 합금박은, 적어도 접합 면적을 커버하는 링 형상으로 절단 가공되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 액상 확산 접합용 비정질 합금박의 조성은, Ni 또는 Fe를 기재(基材)로 하고, 확산 원자로서 B, P 및 C 중 1종, 또는 2종 이상을 각각 0.1 내지 20.0원자％ 함유하는 것인 것이 바람직하다.

1차 접합에서는, 홀더와 커먼 레일 본체의 접합면(맞댐면)에 저항 발열이 발생하도록 용접 전류를 공급하고, 비정질 금속박 및 그 근방을 가열 용융시켜 압접한다. 이 1차 접합에서는, 저항 용접의 용접 입열에 의해, 홀더와 커먼 레일 본체의 접합면의 일부와 액상 확산 접합용 합금박이 용융되어, 저항 용접의 전극에 의한 가압력에 의해 업셋된다. 그 결과, 가열 용융시에, 접합면에서 생성된 산화물 및 협잡물은 용융 메탈과 함께 접합면 외부로 배출된다.

1차 접합은, 예를 들어 전극을 각 홀더의 상하에 배치하고, 맞댐면 사이에 가압력을 부가하는 응력 부가 기구로서 유압 작동 인스트론형의 인장ㆍ압축 장치 등을 적용한, 저항 용접 장치에 의해 행한다. 또한, 1차 접합으로서 사용하는 저항 용접으로서는, 통전 가열 방식의 스폿 용접, 프로젝션 용접, 업셋 용접 및 플래시 버트 용접 중 어느 1종의 용접 방법이 사용된다. 이들 저항 용접 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니며, 각 용접 방법의 특징과 접합 조인트의 요구 특성 및 용접 조건 등에 따라서 적절하게 선택하면 된다.

1차 접합의 용접 시간은, 생산성 향상을 위해 10초간 이하로 하는 것이 바람직하다. 개선면 및 개선면 사이의 액상 확산 접합용 비정질 합금박을 단시간에 용융시키기 위해, 1차 접합에 있어서의 저항 용접에서는 전류 밀도를 100A/㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도하게 전류 밀도를 높이면, 비정질 합금박의 용융 금속이 흐트러져, 개선면에, 소정 두께로 균일하게 분포시키는 것이 곤란해진다. 따라서, 저항 용접의 전류 밀도의 상한을 100,000A/㎟ 이하로 하는 것이 바람직하다.

1차 접합에 있어서의 저항 용접의 가압력은, 접합면에서 생성된 산화물 및 협잡물을 용융 메탈과 함께 접합면 외부로 배출하기 위해, 10㎫ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 용융 압접부에 형성되는 접합 합금층의 두께를 10㎛ 이하까지 저감시킬 수 있어, 2차 접합의 접합 시간이 단축화된다. 과도하게 가압력이 높으면, 접합 조인트의 변형이 발생되므로, 상한은 1000㎫ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합 조인트의 변형 정도는, 피접합 재료의 용접 온도에서의 영률에 의해 변화되므로, 가압력의 상한은 피접합 재료의 재질에 따라 조정하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 1차 접합에 있어서의 저항 용접에 의해 형성한 용융 압접부의 조인트 효율(용융 압접 전의 개선면의 면적/용융 압접 후의 조인트 부위의 면적)은, 0.5 이상이 바람직하다. 개선의 형상에 기인하는 접합 후의 조인트 구속 효과를 가미하면, 조인트 효율을 0.5 이상으로 함으로써, 조인트의 정적 인장 강도를, 모재와 동등한 정도 이상의 인장 강도로 할 수 있다. 또한, 저항 용접시의 고가압력에 의해 조인트 부위가 변형되면, 조인트부 면적이 모재부 단면적보다 넓어진다. 이러한 경우라도 양호한 조인트 특성을 얻기 위해서는, 조인트 효율의 상한을 2.0 이하로 하는 것이 바람직하다.

도 7에, 본 실시 형태에 관한 커먼 레일의 홀더의, 커먼 레일 본체와의 1차 접합 전후의 형상 변화의 개략을 도시한다. 파선이 접합 전의 홀더의 형상, 실선이 접합 후의 홀더 형상을 나타내고 있다.

본 실시 형태에 관한 커먼 레일의 홀더를 사용하면, 1차 접합의 전후의 변형은, 변형 유도부(51)의 두께가 증가하고, 높이가 감소할 뿐이며, 나사부(31)가 변형되거나, 홀더(2) 전체가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 성분과 융점을 갖는 액상 확산용 비정질 합금박 A 또는 B와, 표 2에 나타내는 화학 성분을 갖는 강재 STPA28을 사용하여 커먼 레일을 제조하였다. 홀더의 접합면과 커먼 레일 본체의 접합면을 링 형상의 비정질 합금박을 개재하여 맞대고, 1차 접합(가열 압접 접합)을 행하였다. 1차 접합에서는, 홀더 및 커먼 레일 본체에 각각 밀착된 저항 용접기의 전극에 의해, 접합면에 전류를 흘리는 동시에, 연직 방향으로 가압력을, 홀더의 상방으로부터 유압에 의해 작동하는 응력 전달판(도시하지 않음)을 통해 부가하였다.

다음에, 2차 접합(액상 확산 접합)으로서, 이 접합 조인트를 고주파 유도 가열 코일 및 저항 발열체를 갖는 전기로에서 1150℃의 가열 온도로 승온시켰다. 가열 온도로 소정 시간 유지하고, 1차 접합에 의해 형성된 접합 합금층이 등온 응고된 후, 냉각하였다.

표 3 및 표 4에, 접합박(합금박)의 종류, 홀더 형상, 홀더 치수 및 홀더 평가 결과를 나타낸다. 홀더의 형상에 관해서는, 「도 5」가 단차 형상의 변형 유도부를 갖는 홀더의 형상을 의미하고, 「도 6」이 테이퍼 형상의 변형 유도부를 갖는 홀더의 형상을 의미한다.

표 3 및 표 4에 있어서의 홀더 평가 결과는, 각각 이하의 기준에 기초하여 행하였다.

(접합 위치 어긋남)

1차 접합 후에 전용 지그를 사용하여 홀더의 중심축과 커먼 레일 본체의 분지관의 중심축의 축간 거리를 측정한 결과, 축간 거리가 0.1㎜ 이하인 경우를 "GOOD", 0.1㎜ 이상인 경우를 "POOR"라 평가하였다.

(형상 수정)

접합 후에, 나사산의 수정, 혹은 커먼 레일 홀더 높이의 수정이 필요했던 경우는 "있음"이라 하고, 수정할 필요가 없었던 경우는 "없음"이라 평가하였다.

(접합면의 조직)

초음파 탐상에 의해 접합면의 결함의 유무를 검사한 결과, 전혀 결함이 없었던 경우는 "VERY GOOD", 매우 경미한 결함이 있었지만 성능에 문제없었던 경우는 "GOOD", 큰 결함이 있었던 경우는 "POOR"라 평가하였다.

(내압 피로 시험)

부하 응력 최대 2000기압으로 하고, 반복수 10의 7제곱회까지 연료 누설을 발생하지 않은 경우는 "GOOD", 연료 누설을 발생한 경우는 "POOR"라 평가하였다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 대응하는 제1 내지 제10 실시예는, 어느 평가도 좋은 결과가 나타났다. 특히, 제2, 제3, 제5, 제10 실시예는, 변형 유도부의 높이(h)[㎜], 접합면의 두께(t)[㎜], 접합면의 외경(D)[㎜]이,

[수학식 4]

4.35<D/t<21.7

및

[수학식 5]

을 만족시키고 있어, 홀더의 좌굴 변형이 억제되어, 2차 접합 후의 초음파 탐상에 의한 검사에서 결함이 전혀 검출되지 않았다.

표 4에 나타내는 제11 내지 제16 비교예는 모두, 무언가의 값이 본 발명의 바람직한 범위로부터 벗어난 예이다. 제11, 제14 비교예는 변형 유도부의 두께 감소량(T－t)이 작아, 홀더의 변형량이 약간 컸다. 제12, 제15 비교예는, 변형 유도부의 높이(h)가 낮아, 1차 접합에 의해 변형 유도부에서 좌굴 변형이 발생하고, 내압 피로 시험도 바람직한 범위의 실시예와 비교하면, 약간 떨어지는 결과로 되었다. 제13, 제16 비교예는 변형 유도부의 높이(h)가 커서, 1차 접합에 의해, 홀더의 접합면 근방이 외측으로 나팔 형상으로 벌어져, 접합 위치에 어긋남이 발생하였다.

제17, 제18 비교예는 변형 유도부를 갖지 않는 홀더를 사용한 비교예로, 접합 위치 어긋남, 홀더 변형량이 모두 크고, 내압 피로 시험의 결과도 본 발명의 실시예와 비교하여 떨어지는 결과로 되었다.

본 발명에 따르면, 분사 연료 압력이 250㎫까지의 고압 커먼 레일의 제조가 가능해진다. 그 결과, 경유를 연료로 하는 디젤 엔진의 고출력화, 저연비화, 나아가서는 대토크화를 달성할 수 있는 등, 본 발명의 산업상의 공헌이 매우 현저하다.

1 : 커먼 레일 본체
2 : 홀더
3 : 내부 관로
4 : 분지관
5 : 비정질 합금박
6 : 가압력
11 : 연료 펌프로부터 커먼 레일의 연료의 흐름
12 : 커먼 레일로부터 엔진으로의 연료의 흐름
21 : 1차 접합 후의 홀더 내측 벌어짐량
22 : 1차 접합 후의 홀더 내경측과 커먼 레일 내경측의 간극
31 : 나사부
41 : 접합면
42 : 가압면
43 : 접합 볼록부(개선부)
51 : 변형 유도부(두께 감소 압궤부)
a : 홀더의 중심축
b : 커먼 레일 본체의 분지관의 중심축
c : 접합 위치 어긋남
D : 홀더의 접합면의 외경
d : 홀더의 내경
h : 홀더의 변형 유도부의 높이
T : 홀더의 가압면의 두께
t : 홀더의 접합면의 두께
v : 1차 접합 전의 홀더 높이
w : 1차 접합 전의 나사부의 높이
y : 1차 접합에 의한 홀더 전체의 압궤량
z : 1차 접합에 의한 나사부의 압궤량

Claims

가열 압접 접합 및 액상 확산 접합을 이용하여, 커먼 레일 본체와, 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더를 접합함으로써 형성되는 커먼 레일이며,
상기 접합 볼록면의 높이(H)가
1㎛≤H≤50㎛
를 만족시키고,
상기 커먼 레일 홀더가, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일.
제1항에 있어서, 상기 가열 압접 접합 전의, 상기 변형 유도부의 높이(h)가
1.0㎜≤h≤5.0㎜
를 만족시키고,
상기 가압면의 두께(T)와 상기 접합 볼록면의 두께(t)가
0.3㎜≤T－t≤1㎜
를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 압접 접합 전의, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)가,
4.35≤D/t≤21.7
을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과, 상기 접합 볼록면의 두께(t)와, 상기 변형 유도부의 높이(h)가,
D/t≤h/0.23
을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘어지는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일.
가열 압접 접합 및 액상 확산 접합을 이용하여, 커먼 레일 본체에 접합하여 커먼 레일을 형성하기 위한 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더이며,
상기 접합 볼록면의 높이(H)가
1㎛≤H≤50㎛
를 만족시키고,
상기 커먼 레일 홀더는, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖고,
상기 변형 유도부의 높이(h)가
1.0㎜≤h≤5.0㎜
를 만족시키고,
상기 가압면의 두께(T)와 상기 접합 볼록면의 두께(t)가
0.3㎜≤T－t≤1㎜
를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일 홀더.
제6항에 있어서, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)가,
4.35≤D/t≤21.7
을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일 홀더.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과, 상기 접합 볼록면의 두께(t)와, 상기 변형 유도부의 높이(h)가,
D/t≤h/0.23
을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일 홀더.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘게 되어 있는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일 홀더.
커먼 레일 본체와, 가압면 및 접합 볼록면을 갖는 커먼 레일 홀더를 접합함으로써 형성되는 커먼 레일의 제조 방법이며,
상기 커먼 레일 본체와, 상기 가압면과 평행한 단면의 면적이 상기 가압면의 면적보다도 작은 변형 유도부를 갖는 상기 커먼 레일 홀더 사이에 비정질 합금박을 배치하여, 가열 압접을 행하여 용융 압접부를 형성하고,
상기 용융 압접부를 상기 비정질 합금박의 융점 이상의 온도로 가열하고, 그 온도를 유지하여 상기 용융 압접부를 응고시키는 액상 확산 접합을 행하는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 변형 유도부의 높이(h)가
1.0㎜≤h≤5.0㎜
를 만족시키고,
상기 가압면의 두께(T)와 상기 접합 볼록면의 두께(t)가
0.3㎜≤T－t≤1㎜
를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 가열 압접 접합 전의 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)가,
4.35≤D/t≤21.7
을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 접합 볼록면의 외경(D)과 상기 접합 볼록면의 두께(t)와, 상기 변형 유도부의 높이(h)가,
D/t≤h/0.23
을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 변형 유도부의 두께가 상기 접합 볼록면을 향해 끝이 가늘게 되어 있는 것을 특징으로 하는, 커먼 레일의 제조 방법.