KR101256970B1 - 심레스 파이프 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접압출법을 통해 압출된 금속압출재를 마찰교반접합하여 심레스 파이프를 제조하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 관점에 의하면, 피압출재를 내부에 수용하는 컨테이너; 상기 피압출재의 일단부를 상기 컨테이너 내부에서 압축하는 스템; 상기 스템의 반대방향에 설치되며, 복수개의 포트로 구성된 압출구멍을 구비하는 다이스; 상기 다이스의 전단에 설치되며, 상기 압출구멍을 통해 배출되는 복수개의 금속피이스가 맞대어 형성된 이음면에 삽입되는 교반팁을 일면에 구비하고, 상기 일면을 상기 이음면에 접촉한 상태에서 회전하여 마찰교반접합을 수행하는 회전부재; 및 상기 마찰교반접합에 제조된 금속파이프를 수용하여 이를 외부로 배출하는 금속파이프 배출경로를 포함하는 교정금형;를 포함하는, 심레스 파이프 제조장치가 제공된다.

Description

심레스 파이프 제조장치 및 제조방법{Apparatus for seamless pipe and fabrication method of the same}
본 발명은 직접압출공정을 이용하여 금속파이프를 제조하는 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 직접압출공정을 이용하여 복수의 금속피이스(metal piece)로 구성된 파이프를 제조하면서 이를 마찰교반접합하여 심레스 파이프를 제조할 수 있는 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
압출성형이란 금속 빌렛과 같은 피압출재를 컨테이너 내에서 압축시켜 압출구멍을 통해 소정의 형상을 가지는 압출재로 배출시키는 성형방법이다. 이러한 압출성형에는 직접압출법과 간접압출법이 있다. 직접압출법은 피압출재의 일단부를 밀면서 상기 일단부의 반대쪽에 배치된 압출구멍을 통해 피압출재를 배출시켜 압출재를 제조하는 방법이다. 이에 대해 간접압출법은 피압출재를 미는 방향과 반대되는 방향으로 피압출재를 배출시켜 압출재를 제조하는 방법이다.
압출성형을 이용하여 금속파이프을 제조할 수 있다. 이때 직접압출법을 이용하는 경우에는 중공의 파이프를 제조하기 위하여 금형에서 복수개의 포트(port)로 구성된 압출구멍을 통과한 후에 다수의 금속피이스(piece)가 다시 고체 상태에서 접합이 발생되어 금속파이프를 제조한다. 이 경우 금속파이프의 길이방향을 따라 고체 상태에서 포트로 분리되어 압출구멍을 통과한 금속피이스가 서로 접합되면서 접합의 흔적이 생성되게 되며, 이를 심라인(seam line)이라고 한다. 예를들어, 세 개의 포트로 구성된 세 개의 압출구멍의 금형의 경우에는 직접압출 공정에 의하여 세 개의 심라인이 압출방향으로 형성된다. 이러한 심라인은 압출과정에서 기계적 접합이 이루어진 것이기 때문에 육안으로는 접합이 이루어진 것처럼 보이나 실제로는 기계적으로 취약한 부분으로서 금속파이프 내부에 유체의 압력이 발생되는 경우에는 쉽게 파손이 일어난다. 도 6에는 5000계열의 알루미늄 합금을 직접압출법으로 제조한 금속파이프를 열간가스성형하는 확관과정에서 심라인이 터져나간 부분(원표시 부분)이 나타나 있다. 이로부터 열간가스성형 과정에서 금속파이프 내부에 높은 가스압력이 걸리는 경우, 취약한 부분인 심라인 영역이 이를 견디지 못하고 터져버린 것을 확인할 수 있다.
간접압출법에 의할 경우는 금속파이프 성형시 포트를 거치지 않기 때문에 기존의 직접압출공정에서 필연적으로 생성되는 고체상태의 접합인 심라인이 없는 심레스 파이프(seamless pipe)를 제조할 수 있다. 그러나 간접압출법은 배치(batch)작업으로 이루어지므로 연속적으로 공정을 진행할 수 없으며, 직접압출법에 비해 큰 힘을 가할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 직접압출법을 통해 압출공정에서 금형의 포트로 구성된 압출구멍을 지나기 때문에 필연적으로 형성되는 심라인을 금형의 포트를 거친 지점에서 바로 마찰교반접합하여 심레스 파이프를 제조하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 피압출재를 내부에 수용하는 컨테이너; 상기 피압출재의 일단부를 상기 컨테이너 내부에서 압축하는 스템; 상기 스템의 반대방향에 설치되며, 복수개의 포트로 구성된 압출구멍을 구비하는 다이스; 상기 다이스의 전단에 설치되며, 상기 압출구멍을 통해 배출되는 복수개의 금속피이스가 맞대어 형성된 이음면에 삽입되는 교반팁을 일면에 구비하고, 상기 일면을 상기 이음면에 접촉한 상태에서 회전하여 마찰교반접합을 수행하는 회전부재; 및 상기 마찰교반접합에 제조된 금속파이프를 수용하여 이를 외부로 배출하는 금속파이프 배출경로를 포함하는 교정금형;를 포함하는, 심레스 파이프 제조장치가 제공된다.
이때 상기 금속파이프 배출경로는, 압출방향을 따라 상기 교정금형의 내부에 형성된 원기둥 형상의 빈공간과 상기 다이스 일면의 중심부에 연결되어 상기 압출방향을 따라 상기 빈공간에 비해 작은 내경을 가지고 상기 빈공간의 내부로 연장되는 봉 사이에 형성된 공간일 수 있다.
또한 상기 회전부재는 복수개로 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 피압출재를 내부에 수용하여 다이스 내에 구비된 복수개 포트를 가지는 압출구멍을 통해 복수개의 금속피이스를 배출시키는 단계; 상기 복수개의 금속피이스를 서로 맞대어 이음면을 형성하는 단계; 상기 이음면에 회전부재를 직접 접촉시키고 상기 회전부재를 회전시켜 상기 복수의 금속피이스를 마찰교반접합하여 금속파이프를 제조하는 단계; 및 교정금형 내부에 형성된 금속파이프 배출경로를 통해 상기 금속파이프를 외부로 배출하는 단계;를 포함하는 심레스 파이프 제조방법이 제공된다.
이때 상기 압출구멍을 통해 배출되는 금속피이스는 소정의 곡면을 가지는 형상일 수 있다.
한편, 상기 피압출재는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 철강소재 및 이들 금속의 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 압출이 진행되는 다이스 내에서 다수의 포트로 구성된 압출구멍 통과시 발생된 심라인을 마찰교반접합으로 접합시켜 제조하므로 심라인이 없으면서도 접합부의 기계적 강도가 우수한 심레스 파이프를 연속적으로 제조할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 심레스 파이프 제조장치를 이용하여 심레스 파이프를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 따르는 심레스 파이프 제조장치에 사용되는 다이스의 형태를 예시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 따르는 심레스 파이프 제조장치를 이용하여 심레스 파이프를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 마찰교반접합의 원리를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 심레스 파이프의 제조방법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 6은 종래의 방법으로 제조된 금속파이프를 열간가스성형하는 과정에서 심라인이 터져나간 부분을 나타낸 사진이다.
도 7a 및 7b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 튜브의 접합부 및 종래의 방법에 따라 제조된 알루미늄 튜브의 접합부를 관찰한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 심레스 파이프 제조장치(100)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 피압출재(130)를 장입하기 위한 컨테이너(110)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 피압출재(130)는 금속 빌릿(billet) 형태로 컨테이너(110) 내에 장입될 수 있다. 컨테이너(110)는 피압출재(130)를 수용할 수 있도록 다양한 형상의 내부구조 및 외형을 가질 수 있다. 따라서 피압출재(130) 및 컨테이너(110)의 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
스템(stem, 112)은 컨테이너(110) 내의 피압출재(130)를 밀어 넣어 압축시킬 수 있도록 컨테이너(110) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 피압출재(130)의 효과적인 압축을 위해서, 스템(112)의 외형은 컨테이너(110)의 내부형상에 맞추어질 수 있다. 다른 예로, 스템(112)의 외형은 내부 구멍(115)의 형상과 일치하지 않을 수 있고, 이 경우 피압출재(130)의 일부분이 컨테이너(110) 내에서 압축되지 않고 잔류할 수 있다. 스템(112)은 램(ram) 또는 압축기와 같이 불릴 수도 있고, 그 용어 및 형상에 의해서 이 실시예의 범위가 제한되지 않는다.
다이스(114)는 스템(112) 반대편의 컨테이너(110)의 전단에 결합될 수 있다. 예를 들어, 스템(112), 컨테이너(110) 및 다이스(114)는 일렬로, 예컨대 도 1의 X축 방향으로 배열되어 결합될 수 있다. 이러한 X축 방향이 피압출재(130)의 압출 방향이 될 수 있다. 이 실시예의 변형된 예에서, 스템(112), 컨테이너(110) 및 다이스(114)가 일렬로 배열되지 않을 수도 있고, 이 경우 압출 방향은 주로 다이스(114)를 기준으로 결정될 수 있다.
다이스(114)는 피압출재(130)의 압출 형상을 한정하는 압출구멍(116)을 가질 수 있다. 이때 압출구멍(116)은 서로 분리된 복수개의 포트(port)로 구성될 수 있다. 도 2a 및 2b에는 복수개의 포트로 이루어진 압출구멍(116)의 형태가 예시되어 있다. 예를 들어 도 2a의 압출구멍(116)은 2개의 포트(116a, 116b)로 이루어져 있으며, 도 2b의 압출구멍(116)은 3개의 포트(116a, 116b, 116c)로 구성되어 있다.
압출구멍(116)의 형상은 도 2에 도시된 것과 같이 파이프의 일부분을 이루는 곡면을 가지는 형상을 가질 수 있다.
이러한 복수개의 포트로 이루어진 압출구멍(116)을 통하여 피압출재(130)를 복수개의 금속피이스(132)로 배출한다. 예를 들어, 도 2(a)는 2개의 금속피이스가 배출되고, 도 2(b)는 3개의 금속피이스가 배출된다.
이러한 다이스(114)의 전단에는 압출구멍(116)을 통해 배출되는 금속피이스(132)를 접합시키기 위한 마찰교반접합장치가 구비될 수 있다. 구체적으로 마찰교반접합장치는 복수개의 금속피이스(132)가 서로 접촉된 영역에 집적 접촉가능한 회전부재(118a, 118b) 및 회전부재(118a, 118b)에 회전구동력을 전달할 수 있는 구동장치(120)를 포함한다. 이때 회전부재(118a, 118b)의 일면으로서 금속피이스(132) 접하는 면에는 교반팁(119a, 119b)이 형성되어 있다.
마찰교반접합은 접합모재를 용융시키지 않더라도 서로 접합시킬 수 있는 방법으로서 도 4에는 마찰교반접합의 원리가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 분리된 접합모재(400a 400b)를 서로 맞대어 형성한 이음면(410)을 따라 접합모재(400a, 400b)에 비해 경한 재질을 가진 회전부재(420)가 제공된다. 이때 회전부재(420)의 단부에는 교반팁(422)이 형성되어 있다. 교반팁(422)은 원형막대형상을 가질 수 있으며, 이음면(410)에 삽입되게 된다. 교반팁(422)을 이음면(420)에 삽입한 후 회전부재(420)를 고속으로 회전시키면서 이음면(410)을 따라 이동시킨다. 이때 회전부재(420)와 연결된 교반팁(422)이 회전하면서 마찰열을 발생시키면, 이에 따라 이음면(410) 주변이 연화되어 교반팁(422)의 교반에 의한 접합모재의 소성유동으로 접합모재의 용융이 일어나지 않은 상태에서 접합모재가 강제적으로 혼합된다. 이러한 혼합에 의해 접합모재(400a, 400b)간의 접합부(430)가 형성되며 이음면(410)을 따라 접합이 일어나게 된다.
이러한 마찰교반접합은 용융이 일어나지 않은 상태에서 접합이 이루어지는 고상접합으로서, 접합부는 접합에 따른 변형이 거의 없다. 또한 용융용접에서 발생하기 쉬운 기공, 균열 등의 결함이 거의 발생하지 않으므로 접합부의 기계적 강도가 우수하다.
도 3에는 이러한 마찰교반접합에 의해 금속피이스를 접합하는 과정이 도시되어 있다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 압출구멍을 통해 배출된 2개의 금속피이스(132a, 132b)는 압출방향(+x방향)으로 서로 평행하게 진행하면서 서로 맞대어지며 이음면(133)을 형성하게 된다. 이러한 이음면(133) 상부 및 하부에는 수직방향으로 이동가능한 회전부재(118a, 118b)가 배치되어 있으며, 이러한 회전부재(118a, 118a)를 각각 수직 이동시켜 이음면(133)에 접촉시킨다. 접촉된 회전부재(118a, 118b)는 구동장치(120)에 의해 구동력을 전달받아 회전하면서 2개의 금속피이스(132a, 132b)를 마찰교반접합시키게 된다.
이때 컨테이너(110) 내부의 스템(112)은 피압출재(130)를 계속 압축하여 압출구멍(116)을 통해 금속피이스(132a, 132b)를 배출시키므로 금속피이스(132a, 132b)는 회전부재(118a, 118b)에 대해 상대적으로 압출방향(+x방향)으로 연속적으로 이동하게 된다.
이러한 이동에 의해 이음면(133)은 압출방향(+x방향)을 따라 계속 접합이 일어나게 되며 이렇게 접합된 금속파이프는 연속해서 교정금형(123)으로 진입하게 된다. 교정금형(123)은 회전부재(118a, 118b)에 의해 접합된 금속파이프가 외부로 안정적으로 배출되게 하기 위한 금형이다.
이때 교정금형(123)은 압출방향(+x)방향을 따라 내부에 형성된 원기둥 형상의 빈공간(121)과 다이스(114) 일면의 중심부에 연결되어 압출방향(+x방향)을 따라 빈공간(121)에 비해 작은 내경을 가지고 상기 빈공간의 내부로 연장되는 봉(122) 사이에 형성된 공간으로 이루어진 금속파이프 배출경로를 가진다. 따라서 압출에 의해 압출구멍(116)을 통해 배출된 금속피이스(132a, 132b)가 회전부재(118a, 118b)에 의해 마찰교반접합된 후 교정금형(123)의 금속파이프 배출경로를 통해 외부로 배출되게 된다.
마찰교반접합 직후의 금속파이프의 원주면에는 마찰교반접합과정에서 발생된 접합흔적 및 버(burr)가 발생될 수 있으나 본 발명의 실시예에 따라 교정금형(123) 내 형성된 금속파이프 배출경로를 통해 배출하는 경우에는 접합흔적 및 버(burr)의 발생을 방지할 수 있게 된다. 또한 교정금형(123)을 통과하는 과정 중에 금속파이프는 교정에 의해 직경이 약간, 예를 들어 약 5% 내외에서 감소할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 심레스 파이프의 제조방법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 우선 피압출재(130)를 컨테이너(110) 내부에 장입시킨다(S1). 이때 피압출재(130)는 금속 빌릿(billet) 형태로 컨테이너(110) 내에 장입될 수 있다. 피압출재(130)는 알루미늄, 구리, 마그네슘 및 이들의 합금이거나 철강소재일 수 있다.
이때 피압출재(130)는 소정의 온도로 가열하여 연화시킨 후 컨테이너(110)에 장입될 수 있다. 혹은 컨테이너(110)는 장입된 피압출재(130)를 가열하기 위한 가열장치(미도시)를 이용하여 압출성형 전에 컨테이너(110) 내부에서 가열하여 연화시킬 수 있다.
다음, 스템(112)를 이용하여 피압출재(130)의 일단부를 가압하면서 다이스(114)에 구비된 복수의 포트를 구비한 압출구멍(116)을 통해 금속피이스(132a, 132b)를 복수개로 배출시킨다(S2). 이때 금속피이스(132a, 132b)의 형상은 압출구멍(116)에 의해 한정되는바, 압출구멍(116)의 형상에 따라 소정의 곡면을 가지는 형상일 수 있다.
다음, 금속피이스(132a, 132b)를 서로 접촉시켜 이음면(133)을 형성하고, 이음면(133)에 회전부재(118a, 118b)를 직접 접촉시킨 후 회전부재(118a, 118b)를 회전시켜 금속피이스(132a, 132b)를 마찰교반접합시킨다(S3).
다음, 마찰교반접합에 의해 접합에 의해 제조된 금속파이프는 교정금형(123)의 금속파이프 배출경로를 통해 외부로 배출된다(S4).
이때 압출구멍(116)을 통해 연속적으로 금속피이스가(132a, 132b)가 압출방향(+x방향)으로 배출되므로 금속피이스(132a, 132b)는 회전부재(118a, 118b)에 대해 상대적으로 압출방향(+x방향)으로 이동하게 된다. 이로 인해 이음면(133)은 회전부재(118a, 118b)에 의해 압출방향(+x방향)을 따라서 연속적으로 마찰교반접합이 이루어지는 효과가 나타난다. 따라서 압출성형이 실질적으로 완료될 때까지 연속적으로 파이프를 제조할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 의할 경우, 압출된 금속피이스를 마찰교반접합법으로 접합시켜 제조하므로 심라인이 없으면서도 접합부의 기계적 강도가 우수한 심레스 파이프를 연속적으로 제조할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 마찰교반용접에 의해 제조된 5000계열 알루미늄 합금의 튜브의 접합부를 관찰한 결과이며, 도 7b는 비교예로서 일반적인 종래의 직접압출에 의해 제조된 5000계열 알루미늄 합금 튜브의 심라인를 관찰한 결과이다. 도 7a 및 7b를 참조하면, 종래의 방법에 의할 경우에는 심라인(도 7b의 화살표)이 관찰됨에 비해, 본 발명의 실시예를 따른 경우에는 어떠한 심라인도 관찰되지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 심레스 파이프 제조장치 110: 컨테이너
112: 스템 114: 다이스
116: 압출구멍 118a, 118b: 회전부재
119a, 119b: 교반팁 120: 구동장치
123: 교정금형 130: 피압출재
132a, 132b: 금속피이스 133: 이음면

Claims (6)

  1. 피압출재를 내부에 수용하는 컨테이너;
    상기 피압출재의 일단부를 상기 컨테이너 내부에서 압축하는 스템;
    상기 스템의 반대방향에 설치되며, 복수개의 포트로 구성된 압출구멍을 구비하는 다이스;
    상기 다이스의 전단에 설치되며, 상기 압출구멍을 통해 배출되는 복수개의 금속피이스가 맞대어 형성된 이음면에 삽입되는 교반팁을 일면에 구비하고, 상기 일면을 상기 이음면에 접촉한 상태에서 회전하여 마찰교반접합을 수행하는 회전부재; 및
    상기 마찰교반접합에 제조된 금속파이프를 수용하여 이를 외부로 배출하는 금속파이프 배출경로를 포함하는 교정금형;
    를 포함하는, 심레스 파이프 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속파이프 배출경로는,
    압출방향을 따라 상기 교정금형의 내부에 형성된 원기둥 형상의 빈공간과 상기 다이스 일면의 중심부에 연결되어 상기 압출방향을 따라 상기 빈공간에 비해 작은 내경을 가지고 상기 빈공간의 내부로 연장되는 봉 사이에 형성된 공간인, 심레스 파이프 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전부재는 복수개로 구비되는, 심레스 파이프 제조장치.
  4. 피압출재를 내부에 수용하여 다이스 내에 구비된 복수개 포트를 가지는 압출구멍을 통해 복수개의 금속피이스를 배출시키는 단계;
    상기 복수개의 금속피이스를 서로 맞대어 이음면을 형성하는 단계;
    상기 이음면에 회전부재를 직접 접촉시키고 상기 회전부재를 회전시켜 상기 복수의 금속피이스를 마찰교반접합하여 금속파이프를 제조하는 단계; 및
    교정금형 내부에 형성된 금속파이프 배출경로를 통해 상기 금속파이프를 외부로 배출하는 단계;
    를 포함하는 심레스 파이프 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 압출구멍을 통해 배출되는 금속피이스는 소정의 곡면을 가지는 형상인, 심레스 파이프 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 피압출재는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 철강소재 및 이들 금속의 합금 중 어느 하나를 포함하는, 심레스 파이프 제조방법
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