KR101256973B1

KR101256973B1 - 액상 확산 접합 관 이음부 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101256973B1
Application number: KR1020117004348A
Authority: KR
Inventors: 에이지 츠루; 야스시 하세가와; 야스히로 시노하라; 유이치 사토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2013-04-19
Also published as: JP2011189409A; CN102131611A; WO2010024261A1; US8955887B2; US20110148102A1; JP5402988B2; KR20110046502A; EP2332686A4; JPWO2010024261A1; BRPI0917072A2; EP2332686A1; BRPI0917072B1; JP4782242B2; CN102131611B; EP2332686B1

Abstract

금속관끼리, 또는 금속관과 이음관을 액상 확산 접합하여 이루어지는 액상 확산 접합 관 이음부 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상기 액상 확산 접합 관 이음부은 금속관의 단부에 관축 방향의 압압에 의하여, 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입되고, 상기 단부와 긴밀히 계합하는 선단이 가는 경사부와, 상기 선단이 가는 경사부에 이어서, 금속관의 단면을 액상 확산 접합으로 접합하는 접합면부를 구비한 금속 이음부 및 단부가 확경된 상태로, 상기 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 또한, 단면이 상기 접합면부에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

액상 확산 접합 관 이음부 및 그 제조 방법 {LIQUID PHASE DIFFUSION BONDING PIPE JOINT AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은 금속관끼리 또는 금속관과 이음관을 액상 확산 접합하여 이루어지는 액상 확산 접합 관 이음부 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이음관의 일단부를 금속관에 액상 확산 접합하는 경우에는 이음관의 타단부를 금속관 이외의 부재 예를 들면, 벽 등에 접합하는 것도 가능하다.

액상 확산 접합은 피접합재보다 융점이 낮은 인서트재, 예를 들면, 비정질 금속 또는 비정질 합금을 접합면에 개재시키고, 인서트재의 액상선 온도보다 높고, 또한, 피접합재의 융점보다 낮은 온도로 가열하여 접합부를 용융시켜, 등온 응고시키는 접합 방법이다. 비정질 금속 또는 비정질 합금 등의 인서트재는 예를 들면 필름, 분말, 도금 등의 형태로 사용된다.

이 액상 확산 접합은 스테인리스강, 고니켈기 합금, 내열강 합금강 등 종래의 용접법으로는 용접이 곤란하였던 강종의 접합에 적용되고 있다. 또한, 액상 확산 접합에 의하면, 다수의 부분을 동시에 접합할 수 있고, 또한, 접합부의 단면이 큰 부재를 접합할 때에도 소요 시간이 크게 증가하지 않는다. 그 때문에, 시공 비용의 삭감을 목적으로 하여 용접에 의한 접합이 가능한 강재에도 액상 확산 접합이 적용되게 되었다.

액상 확산 접합을 금속관의 접합에 적용하는 경우에는 서로 마주보는 금속관의 단면에 인서트재로서 비정질 금속 또는 비정질 합금의 필름을 개재시키거나 또는 금속관에 축압력을 가하면서 접합면 및 그 근방을 액상선 온도 이상까지 가열하는 것이 일반적이다.

그러나, 실제의 조업시 특히 시공 현장에 있어서의 접합에서는 부하되는 면압이 불안정하게 되고, 또한, 접합면의 부위에 따라서는 면압이 낮아져, 충분한 접합 강도를 얻을 수 없는 경우가 간혹 발견되었다.

또한, 금속관의 형상이 타원이거나 한쪽이 두꺼운 부분이 존재하는 경우, 실제의 접합면이 피접합관의 단면보다 감소하여, 접합 강도가 저하하는 경우가 있다.

이와 같은 문제에 대하여 커플링, 니플을 개재시켜, 테이퍼 가공된 금속관과의 접합면을 큰 폭으로 늘림으로써 강도를 향상시키는 이음부가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 또한, 금속관에 테이퍼 가공을 하고, 그 금속관끼리를 액상 확산 접합으로 접합하는 이음부도 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2, 3 참조)

일본 공개 특허 공보 평10-85954호 일본 공개 특허 공보 2001-340974호 일본 공개 특허 공보 2001-330594호

그러나, 종래의 이음부에서는 금속관, 커플링, 니플의 선삭가공을 높은 정밀도로 실시하지 않으면 접합 강도가 저하되는 문제가 있다. 본 발명은 금속관이나 금속 부재의 금속 이음부와 한쪽 단부 또는 양쪽 단부의 외면을 테이퍼 가공한 이음관 또는 후육 금속관을, 액상 확산 접합에 의하여 접합하는 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 강도의 개선을 과제로 하는 것이다.

본 발명은 선단 테이퍼부 및 단차부가 있는 금속 부재, 이음관 또는 후육 금속관에 금속관의 단면의 단면적이 관체의 단면적 이상이 되도록 금속관을 확경 하여 끼우고, 단차부와 금속관의 단부와의 사이에 인서트재를 개재시켜 접촉하고, 가열하여 액상 확산 접합함으로써, 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 강도를 향상시키는 것에 성공한 것이다.

본 발명은 이하에 나타내는 형태를 취할 수 있다.

(1) 금속관의 단부에, 관축 방향의 압압에 의하여, 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입되고, 상기 단부와 긴밀하게 계합하는 선단이 가는 경사부와, 상기 선단이 가는 경사부에 이어서, 금속관의 단면을 액상 확산 접합으로 접합하는 접합면부를 구비한 금속 이음부 및 단부가 확경된 상태로, 상기 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 또한, 단면이 상기 접합면부에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관으로 이루어지고,
상기 금속 이음부가 중앙에 접합면부를 구비하고, 상기 접합면부에 이어서, 양측에 선단이 가는 경사부를 구비한 금속 이음관이며,
상기 금속 이음관의 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₁, 다른 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₂로 하고, 또한, 단부가 경사각 S₁의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₁, 단부가 경사각 S₂의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₂로 할 때, S₁, S₂, A₁ 및 A₂가 아래 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 (7)의 액상 확산 접합 관 이음부.
0.8 ≤ (S₁×A₁)/(S₂×A₂) ≤ 1.2··· (1)

(2) 상기 확경된 상태로, 상기 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고 있는 금속관의 단부의 두께가 금속관 본체의 두께 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 액상 확산 접합 관 이음부.

(3) 상기 금속 이음부가 금속 구조체에 형성된 것인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 액상 확산 접합 관 이음부.

(4) 상기 금속 구조체가 내부에 관로를 구비하고, 또한, 상기 금속 이음부가 상기 관로와 금속관을 연통시키는 관로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 액상 확산 접합 관 이음부.

(5) 상기 금속 이음부가 금속관과 접합하는 다른 금속관의 단부에 형성된 것인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 액상 확산 접합 관 이음부.

삭제

(8) 상기 단면적 A₁의 금속관의 두께와 상기 단면적 A₂의 금속관의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 액상 확산 접합 관 이음부.

(9) 상기 선단이 가는 경사부와 접합면부가 이루는 각도가 70 내지 110˚인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5), (8) 중 어느 하나에 기재된 액상 확산 접합 관 이음부.

(10) 상기 (1) 내지 (5), (8), (9) 중 어느 하나에 기재된 액상 확산 접합 관 이음부를 제조하는 방법에 있어서,

(i) 금속관의 단부에, 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입되고, 상기 단부와 긴밀히 계합하는 선단이 가는 경사부와, 상기 선단이 가는 경사부에 이어서, 금속관의 단면을 액상 확산 접합으로 접합하는 접합면부를 구비한 금속 이음부의 선단이 가는 경사부를, 관축 방향의 압압에 의하여, 금속관의 단부에 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입하는 것과 동시에, 확경된 금속관의 단면과 금속 이음부의 접합면부를, 인서트재를 개재하여 접촉시키고,

(ii) 관축 방향의 압압에 의하여, 상기 인서트재를 포함하는 접촉부에서 면압을 유지하면서, 상기 접촉부를 인서트재가 용융되는 온도로 가열하고, 금속관의 단면과 상기 접합면부를 액상 확산 접합으로 접합하며,
상기 금속 이음부로서 중앙에 접합면부를 구비하고, 상기 접합면부에 이어서, 양측에 선단이 가는 경사부를 구비한 금속 이음관을 사용하여 상기 금속 이음관의 양측에, 금속관을 액상 확산 접합으로 접합하는 경우, 상기 금속 이음관의 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₁, 다른 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₂로 하고, 또한, 단부가 경사각 S₁의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되는 금속관의 단면적을 A₁, 단부가 경사각 S₂의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 다른 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 금속관의 단면적을 A₂로 할 때, S₁, S₂, A₁ 및 A₂가, 아래 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (10) 또는 (11)의 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.
0.8 ≤ (S₁×A₁)/(S₂×A₂) ≤ 1.2··· (1)

(11) 상기 금속관이 상기 선단이 가는 경사부의 최소 외경보다 크고, 최대 외경 보다 작은 내경의 금속관인 것을 특징으로 하는 상기 (10)의 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.

삭제

(13) 상기 단면적 A₁의 금속관의 두께와, 상기 단면적 A₂의 금속관의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 상기 (10) 또는 (11)의 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.

(14) 상기 면압이 5 내지 20 MPa인 것을 특징으로 하는 상기 (10), (11), (13)의 어느 하나의 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.

또한, 본 발명에 있어서, 금속 이음부란 금속관을 접합하기 위한 부품 또는 부재를 가리키는 것으로, 2개의 금속관을 연결하여 맞추기 위한 부품 또는 부재에 한정되는 것은 아니다. 또한, 금속 이음관이란 금속 이음부 중에서 2개의 금속관을 연결하여 맞추기 위한 부품 또는 부재를 가리키는 것으로 한다. 또한, 액상 확산 접합 관 이음부란, 상기 금속 이음부 또는 금속 이음관과 1개 이상의 금속관을 액상 확산 접합에 의하여 접합한 부품 및 부재를 가리키는 것으로 한다.

본 발명에 의하면, 가열시의 면압을 제어함으로써, 접합면에서의 파단을 회피할 수 있고, 또한, 접합 비용을 크게 상승시키지 않고, 금속재와, 일단 또는 양단의 외면을 테이퍼 가공한 금속 부재, 이음관 또는 후육 금속관을 액상 확산 접합에 의하여 접합하여 접합 강도가 우수한 액상 확산 접합 관 이음부을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 두께가 다른 금속관을 연결하여 맞춘 액상 확산 접합 관 이음부나, 외경이 다른 금속관을 이어 맞춘 액상 확산 접합 관 이음부 등도 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례로서, 금속 이음부가 금속 구조체에 형성되어 있는 형태을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례로서, 금속 이음부가 접합하는 한쪽 금속관의 단부에 형성되어 있는 형태을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례로서, 양측에 선단이 가는 경사부를 가진 금속 이음관을 사용하여 2개의 금속관이 접합된 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례로서, 금속 이음관을 사용하여 동일한 지름, 다른 두께의 금속관이 접합된 모양을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제6의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례로서, 금속 이음관을 사용하여 다른 지름, 다른 두께의 금속관이 접합된 모양을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제7의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 예이며, 금속 이음관을 사용하여 다른 지름, 동일한 두께의 금속관이 접합된 모양을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 관한 금속 이음부의 접합면부와 선단이 가는 경사부가 이루는 각도를 나타내는 도면이다. (a)는 액상 확산 접합 관 이음부의 일례를 나타내고, (b)는 접합부에 있어서의 각도를 나타낸다.
도 9는 금속 이음부의 접합면부에 접촉한 금속관의 단부가 크고 확경된 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 금속 이음부의 접합면부에 접촉한 금속관의 단부가 좌굴된 상태를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 감합 개시시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 감합 개시시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합전 상태를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 감합 개시시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 가열의 양태를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 전 상태를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 감합 개시시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 가열의 양태를 나타내는 도면이다.
도 19는 금속관 축 방향으로의 변위와 관축 방향의 압압의 관계 및 금속관의 단면과 금속 이음부의 접합면부와의 면압의 크기 나타내는 도면이다.
도 20은 액상 확산 접합 관 이음부의 인장 시험 시의 최대 하중을, 확경율과의 관계로 나타내는 도면이다.
도 21a는 시험에 제공한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 모양을 나타내는 도면이다.
도 21b는 시험에 제공한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 모양을 나타내는 도면이다.
도 21c는 시험에 제공한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 모양을 나타내는 도면이다.
도 22는 액상 확산 접합 관 이음부의 인장 시험 시의 최대 하중을 이음부 간에 비교한 도면이다.
도 23은 본 발명의 제5의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 전 상태를 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 제5의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 후 상태를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 제6의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 전 상태를 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 제6의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 접합 후 상태를 나타내는 도면이다.
도 27은 액상 확산 접합 관 이음부의 좌굴의 발생 및 인장 시험의 결과와 접합시의 금속관의 단면과 금속 이음부의 접합면부의 면압과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 변형 예인, 실시예 2에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 감합 개시시의 상태를 나타내는 도면이다.
도 29는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 변형 예인, 실시예 2에 관한 액상 확산 접합 관 이음부을 나타내는 도면이다.

이하에, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능을 가진 구성요소에 대하여서는 동일한 부호를 사용하고 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례로서, 금속 이음부(2)에 금속관(3)을 압입한 액상 확산 접합 관 이음부(1)이다. 금속 이음부(2) 및 금속관(3)은 회전 대칭 축(4)을 축으로 하는 회전 대칭체이다(이하, 회전 대칭 축(4)이 그려져 있는 도면에 있어서 동일하다).

금속 이음부(2)는 외면에 금속관(3)의 단면(8)이 접촉하는 환상의 접합면부(5)와 상기 접합면부(5)로부터 단면 방향으로 축경하면서 연신하는 선단이 가는 경사부(6)를 가지고 있다. 도 1에 나타낸 액상 확산 접합 관 이음부(1)에 있어서의 액상 확산 접합부(이하, 접합부라고도 함)는 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)과의 사이의 부분이다.

또한, 액상 확산 접합 관 이음부(1)에서는 접합부의 근방은 선단이 가는 경사부(6)의 외면(이하, 경사면)(7)에 의하여, 내면으로부터 지지되어 있다. 그 때문에, 접합부의 근방에서는 인장 응력이 부하되었을 때에 내경 방향으로 수축하는 변형이 내면으로부터의 지지력에 의하여 구속된다. 그 결과, 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 접합부의 근방에서는 축 방향 및 둘레 방향으로 인장 응력이 발생하여, 단축 응력 상태와 비교하여 항복하기 어려워진다.

한편, 금속 이음부(2)의 외면에 선단이 가는 경사부(6)가 없는 경우에는 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)과의 접합부에, 관체와 같은 단축 인장에 가까운 응력이 작용하는 상태가 된다. 이 경우, 접합면의 근방에는 접합의 형상 부정합이 남으므로, 관체의 인장 강도 이하에서 이음부 파단이 일어나기 쉽다.

또한, 액상 확산 접합 관 이음부(1)에서는 금속관(3)의 단부의 두께는 금속관(3) 본체의 두께 이상인 것이 접합 강도의 개선을 위하여 좋다. 즉, 선단이 가는 경사부(6)에 압입된 금속관(3)의 관단의 두께가 해당 금속관(3)의 관체(확경되어 있지 않은 부분)의 두께의 평균값보다 크게 되어 있는 것이 좋다.

이는 가열된 상태로 압압을 부여하는 것에 의하여, 금속관(3)의 단부의 두께가 증대되고, 그 결과, 금속관(3)의 단면(8)과 접합면부(5)와의 접합 면적이 증대하여 접합 강도가 높아지기 때문이다. 이상과 같은 변형의 구속 효과와 두께 증대 효과에 의하여, 액상 확산 접합 관 이음부(1)는 접합상태에서도 금속관(3)의 관체 강도 이상의 접합 강도를 구비한다.

본 발명의 제2 실시 형태에 관한 금속 이음부를 금속 구조체에 형성하는 일례를 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타내는 예에서는 금속 구조체인 벽(21)의 벽면(22)에 접합면부(5), 선단이 가는 경사부(6) 및 경사면(7)을 가진 금속 이음부(2)가 형성되어 있다.

접합면부(5)에 인서트재(9)를 첩부하고, 금속관(3)을 확경하여 선단이 가는 경사부(6)에 압입한 후, 가열에 의하여 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)을 액상 확산 접합한다.

또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 금속 구조체(21)의 내부에 관로(23)를 형성하고, 금속 이음부(2)에 상기 관로(23)와 금속관(3)을 연통하는 관로(24)를 형성할 수도 있다. 도 2에서는, 관로(23)는 회전 대칭 축(4)에 대하여 회전 대칭으로 되어 있으나, 관로(23)는 이것에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 제3 실시 형태에 관한 금속 이음부를 금속관의 단부에 형성하는 예를 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타내는 예에서는 금속관(3a)과 접합하는 금속관(3b)의 단부에 접합면부(5b) 및 선단이 가는 경사부(6b)를 가진 금속 이음부(2)가 형성되어 있다.

액상 확산 접합 관 이음부(1)는 접합면부(5b)에 인서트재(9)를 첩부하고, 금속관(3a)를 확경하여 선단이 가는 경사부(6b)에 압입한 후, 가열에 의하여 접합면부(5b)와 금속관(3a)의 단면(8a)을 액상 확산 접합함으로써 얻을 수 있다.

본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 금속 이음부가 중앙에 접합면부를 구비하고, 양측에 선단이 가는 경사부를 가진 금속 이음관인 예를 도 4에 나타낸다.

도 4에 나타내는 예에서는 금속 이음부는 중앙에 접합면부(5)를 구비하고, 접합면부(5)에 이어서, 양측에 선단이 가는 경사부(6)를 가진 금속 이음관(2a)이다.

그리고, 금속 이음관(2a)의 양측으로부터, 단부가 확경된 금속관(3)이 선단이 가는 경사부(6)에 압입되고, 금속관(3)의 단면(8)이 인서트재(9)를 개재하여, 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)에 접촉되며, 가열에 의하여 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)을 액상 확산 접합함으로써, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 얻을 수 있다.

이때, 본 발명자들은 금속관의 접합에 필요한 면압을 얻기 위한, 금속 이음관의 경사부의 경사각과 금속관의 단면의 적정한 조건에 대하여 검토하였다. 그 결과, 금속 이음관의 한쪽 선단이 가는 경사부를 S₁, 다른 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₂, 단부가 경사각 S₁의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한편에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₁, 단부가 경사각 S₂의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한편에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₂로 하면, S₁, S₂, A₁ 및 A₂가 아래 식 (1)을 만족하면, 금속관의 접합에 필요한 면압을 얻을 수 있고, 금속관의 좌굴 및 접합부의 접합 강도의 저하를 방지할 수 있는 것을 알게 되었다. 이때, 금속관의 단면이란, 금속관의 단면 중에서, 금속이 차지하는 면적을 가리키고, 중공부의 면적은 포함하지 않는다.

0.8 ≤ (S₁×A₁)/(S₂×A₂) ≤ 1.2··· (1)

상기 식 (1)의 관계는 A₁과 A₂가 다른 경우, 즉, 다른 두께의 금속관을 접합하는 액상 확산 관 이음부에도 적용할 수 있다.

본 발명의 제5의 실시 형태에 관한 동일한 지름, 다른 두께의 금속관을 접합한 액상 확산 접합 관 이음부의 일례를 도 5에 나타낸다.

도 5에, 금속 이음관(2a)에 박육 금속관(3a)과 후육 금속관(3b)을 양측으로부터 압입한 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 나타낸다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 금속 이음관(2a)의 박육 금속관(3a)측의 단부 외면에, 단부를 향하여 축경하는 선단이 가는 경사부(6a)가 형성되어 있고, 상기 선단이 가는 경사부(6a)의 확경하는 방향에는 박육 금속관(3a)의 단면(8a)이 접촉하는 접합면부(5a)가 형성되어 있다.

또한, 금속 이음관(2a)의 후육 금속관(3b)측의 단부 외면에는 단부를 향하여 축경하는 선단이 가는 경사부(6b)가 형성되어 있고, 상기 선단이 가는 경사부(6b)의 확경하는 방향에는 후육 금속관(3b)의 단면(8b)가 접촉하는 접합면부(5b)가 형성되어 있다.

두께가 다른 금속관(3a, 3b)을, 금속 이음관(2a)을 개재하여 동시에 액상 확산 접합할 때, 박육 금속관(3a) 및 후육 금속관(3b)에는 동등한 관축 방향의 압압이 발생한다.

이 경우, 좌굴 저항은 박육 금속관(3a) 쪽이 작기 때문에, 동일한 두께의 박육 금속관(3a)끼리의 접합에 적절한 관축 방향의 압압에서는 후육 금속관(3b)이 부딪혀 접촉하지 않거나, 부딪혀 접촉하더라도 충분한 면압을 얻을 수 없는 경우가 있다.

한편, 동일 두께의 후육 금속관(3b)끼리의 접합에 충분한 관축 방향의 압압을 가하면, 박육 금속관(3a)이 좌굴하여 적정한 이음부를 얻을 수 없다.

그러나, 상기 식 (1)의 관계가 성립하면, 즉, 박육 금속관(3a)측의 선단이 가는 경사부(6a)의 경사각을, 후육 금속관(3b)측의 선단이 가는 경사부(6b)의 경사각보다 크게 하면, 박육 금속관(3a)의 확경에 수반하는 변형 저항이 커지게 되어, 후육 금속관(3b)의 접합에 필요한 면압을 얻을 수 있고, 박육 금속관(3a)이 좌굴하지 않고, 후육 금속관(3b)측의 접합부의 접합 강도의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 박육 금속관(3a)의 단부에서는, 가열된 상태로 관축 방향의 압압이 부여되어 두께가 증대되므로, 박육 금속관(3a)의 관단의 두께가 상기 박육 금속관(3a)의 관체의 두께의 평균값보다 커진다. 그 결과, 박육 금속관(3a)의 단면(8a)과 금속 이음관(2a)의 접합면부(5a)와의 접합 면적이 증대되어, 접합 강도가 높아지고, 박육 금속관(3a)과 금속 이음관(2a)과의 액상 확산 접합부에서도, 박육 금속관(3a)의 관체 강도 이상의 이음부 강도를 얻을 수 있다.

상기 식 (1)의 값이 상한값 1.2를 초과하는 경우, 후육 금속관(3b)에서 좌굴이 발생하는 경향이 강해진다. 또한, 좌굴이 발생하지 않는 경우에도, 인장 시험에서 후육 금속관(3b)의 접합부가 파단한다. 이에 대하여, 상기 식 (1)의 값이 하한값 0.8 미만인 경우에는 박육 금속관(3a)에 좌굴이 발생하는 경향이 강해진다. 또한, 좌굴이 발생하지 않는 경우에도, 인장 시험에서 박육 금속관(3a)의 접합부가 파단한다.

본 발명의 제6의 실시 형태에 관한 다른 지름, 다른 두께의 금속관을 접합하는 액상 확산 접합 관 이음부의 일례를 도 6에 나타낸다.

도 6에, 대경(大徑)의 박육 금속관으로 이루어지는 소단면의 금속관(3a)과 소경(小徑)의 후육 금속관으로 이루어지는 대단면 금속관(3b)을 금속 이음관(2a)의 양측으로부터 압입한 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 나타낸다.

통상, 이와 같은 경우에도, 소단면 금속관(3a)의 단면적(A₁)이 대단면 금속관(3b)의 단면적(A₂)보다 작아진다. 그 때문에, 도 5에 나타낸 동일한 지름, 다른 두께의 금속관끼리를 접합하는 액상 확산 접합 관 이음부와 마찬가지로, 소단면 금속관(3a)의 좌굴이나, 대단면 금속관(3b)측의 접합부의 접합 강도의 저하를 방지하려면 상기 식 (1)을 만족하는 것이 좋다.

또한, 도 7에 나타내는 본 발명의 제7의 실시 형태에 관한 다른 지름, 동일한 두께의 금속관을 접합한 액상 확산 접합 관 이음부의 경우에도, 상기 식 (1)을 만족하는 것이, 소경의 금속관의 좌굴이나, 대경의 금속관측의 접합부의 접합 강도의 저하를 방지하는 데 좋다.

본 발명의 액상 확산 접합 관 이음부에서는 선단이 가는 경사부와 접합면부가 이루는 각도는 70 내지 110˚가 좋다. 도 8의 (a) 및 (b)에, 선단이 가는 경사부(6)와 접합면부(5)가 이루는 각도 θ가 70 내지 110˚인 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 일례를 나타낸다. 선단이 가는 경사부(6)와 접합면부(5)가 이루는 각도 θ란, 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 관축 방향 단면에 있어서, 접합면부(5)의 접합면과 선단이 가는 경사부(6)의 경사면(7)이 이루는 각도이다.

이와 같이, 선단이 가는 경사부(6)와 접합면부(5)가 이루는 각도 θ를 70 내지 110˚로 설정하면, 접합시에 큰 압압을 관축 방향에 부하할 수 있다. θ가 110˚보다 큰 경우에는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 금속관(3)의 단부가 접합면부(5)보다 크게 확경되는 경우가 있다. 또한, θ가 70˚보다 작은 경우에는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 금속관(3)의 단부가 좌굴하는 경우가 있다.

다음으로, 본 발명에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 1에 나타내는 액상 확산 접합 관 이음부(1)는 예를 들면, 도 11에 나타내는 바와 같이, 접합면부(5)에 미리 인서트재(9)를 첩부하고, 관축 방향의 압압에 의하여, 금속관(3)을 금속 이음부(2)에 압입하고, 인서트재(9)의 융점보다 높고, 금속관(2)의 융점보다 낮은 온도로 접합부를 가열하고, 인서트재(9)를 용융시켜 액상 확산 접합하는 것에 의하여 제조된다.

금속관(3)을 금속 이음부(2)에 압입할 때 , 금속관(3)의 단부의 내면은 금속 이음부(2)의 선단이 가는 경사부(6)의 경사면(7)을 따라서 확경된다. 또한, 인서트재(9)는 금속관(3)의 단면(8)에 첩부하여도 무방하나, 금속관(3)의 단부가 확경되었을 때에, 인서트재(9)가 벗겨질 가능성이 있으므로, 접합면부(5)에 첩부하는 것이 좋다.

금속관(3)의 내경은 선단이 가는 경사부(6)의 최소 외경보다 크고, 최대 외경보다 작은 내경을 가지는 것이 좋다. 금속관(3)의 단부를, 금속 이음부(2)의 선단이 가는 경사부(6)에 압입할 때, 경사면(7)을 따라서 확경하도록 구성하면, 금속관(3)의 단부의 내면에 선삭 가공에 의하여 경사면을 형성할 필요가 없어진다. 그 결과, 금속관을 경사 가공할 때의 가공 정밀도 오차에 기인하는 접합 강도의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 선단이 가는 경사부(6)에 압입하기 전의 금속관(3)의 단면 형상이 완전한 원이 아니고, 예를 들면, 타원 형상이어도, 선단이 가는 경사부(6)에 의하여 금속관(3)의 단부가 확경되므로, 타원 형상이 교정되고, 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)을 확실히 충합(衝合)시킬 수 있다.

금속 이음부(2)가 금속 구조체(21)에 형성되어 있는 경우에도 마찬가지로, 도 12에 나타내는 바와 같이, 접합면부(5)에 미리 인서트재(9)를 첩부하고, 관축 방향의 압압에 의하여 금속관(3)을 금속 이음부(2)에 압입하고, 인서트재(9)의 융점보다 높고, 금속관 2의 융점보다 낮은 온도로 접합부를 가열하고, 인서트재(9)를 용융시켜 액상 확산 접합함으로써, 도 2에 나타내는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법의 제2 실시 형태인, 금속관과 금속 이음부가 단부에 형성된 금속관을 접합하는 예를, 도 13 내지 도 15를 이용하여 설명한다.

도 13은 박육 금속관(3a)과 후육 금속관(3b)으로 이루어지는 액상 접합 관 이음부의 제조 방법을 도시한 것이다. 후육 금속관(3b)의 접합측의 단부 외면에 접합면부(5b)와 선단이 가는 경사부(6b)를 형성하고, 상기 후육 금속관(3b)의 선단이 가는 경사부(6b)에 박육 금속관(3a)를 압입하고자 하는 것이다. 이때, 박육 금속관(3a)의 내경은 후육 금속관(3b)의 선단이 가는 테이퍼(6b)의 최소 외경보다 크고, 최대 외경보다 작다. 도 13에 있어서, 인서트재(9)는 접합면부(5b)에 첩부되어 있으나, 박육 금속관(3a)의 단부에 첩부하여도 된다.

도 14는 접합 방법을 나타낸 것으로, 박육 금속관(3a)의 단부의 내면은 후육 금속관(3b)의 경사부(6b)의 경사면(7b)에 접촉하고 있다. 관축 방향의 압압을 더욱 부하하면, 박육 금속관(3a)의 단면(8a)은 경사면(7b)을 따라서 확경되어 인서트재(9)를 개재하여 후육 금속관(3b)의 접합면부(5b)와 접촉한다.

또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 인덕션 히터(41)에 의하여, 박육 금속관(3a)의 단면(8a)과 접합면부(5b)와의 접합면을 인서트재(9)의 융점 이상으로 가열하고, 일정 시간 경과 후 냉각한다.

접합부의 냉각은 공랭, 팬 냉각 등의 강제 공랭, 수냉이나 분무 냉각 등의 제어 냉각 중 어느 것을 채용하여도 좋다. 냉각 후의 이음부의 강도를 확보하기 위하여는 냉각 속도가 빠른 편이 좋지만, 수냉이나 분무 냉각에는 제어 냉각 장치가 필요하게 되므로, 강제 공랭이 바람직하다.

본 발명에 관한 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법의 제3 실시 형태를, 도 16 내지 도 18을 이용하여 설명한다. 도 16에 금속 이음관(2a)에 금속관(3)을 양측으로부터 압입하려 하고 있는 상태를 나타낸다. 금속 이음관(2a)은 단부를 향하여 축경하는 선단이 가는 경사부(6)를 가지고 있고, 선단이 가는 경사부(6)(이하, 경사부라고도 함)의 확경하는 방향에는 금속관(3)의 단면(8)이 접촉하는 접합면부(5)를 가지고 있다.

도 16에 나타내는 예에서는 금속 이음관(2a)을 이용하여 2개의 금속관(3)을 접합하기 위하여, 금속 이음관(2a)의 관축 방향 양측의 외면에, 접합면부(5)와 상기 접합면부(5)로부터 단면 방향으로 연신하는 선단이 가는 경사부(6)가 각각 설치되어 있다. 금속 이음관(2a)의 중앙부의 외면에는 플랜지 형태의 환상체가 돌출 형성되어 있고,이 환상체의 양 측면이 각각의 선단이 가는 경사부(6)로부터 돌출된 접합면부(5)을 이루고 있다.

즉, 접합면부(5)는 금속 이음관(2a)의 외주면상에 둘레 방향을 따라서 형성된 환상의 접합면부이며, 금속 이음관(2a)의 각 단면 방향을 향한 환상의 접합면을 가지고 있다. 이 접합면부(5)의 접합면은 금속 이음관(2a)의 관축 방향에 대한 수직면으로부터 단면측으로 경사진 면이 되고 있다.

예를 들면, 도 16 등에 도시하는 단면도에 있어서, 접합면부(5)의 접합면은 선단이 가는 경사부(6)의 경사면(7)과 대략 수직이다. 이에 의하여, 선단이 가는 경사부(6)에 압입된 금속관(3)의 단면(8)과 접합면부(5)가 인서트재(9)를 사이에 두고 틈이 없이 매우 적합하게 접촉할 수 있게 되어 있다.

또한, 도 16에서는 접합면부(5)에 미리 인서트재(9)를 첩부하였으나, 인서트재(9)를 금속관(3)의 단면(8)에 첩부하여도 좋다. 다만, 인서트재(9)를 금속관(3)의 단면(8)에 첩부하면, 금속관(3)의 단부가 확경되었을 때에, 인서트재(9)가 벗겨질 가능성이 있기 때문에, 접합면부(5)에 첩부하는 것이 좋다.

도 17은 도 16에 도시한 상태로부터, 금속관(3)을 금속 이음관(2a)에, 관축 방향의 압압에 의하여 압입한 상태를 나타낸다. 도 17에서는 금속 이음관(2a)의 선단이 가는 경사부(6)의 경사면(7)과, 금속관(3)의 단부의 내면이 접촉하고 있다. 더욱 압압을 부여하면, 금속관(3)의 단면(8)은 경사면(7)을 따라서 확경되고, 금속관(3)의 단면(8)은 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)에 인서트재(9)를 사이에 두고 접촉한다.

또한, 도 18에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 인덕션 히터(41) 등의 가열 수단에 의하여, 인서트재(9)가 용융하도록, 인서트재(9)의 융점보다 높고, 금속관(3)의 융점보다 낮은 온도로 접합면을 가열하고, 그 후, 접합부를 냉각한다. 접합부의 냉각은 공랭, 팬 냉각 등의 강제 공랭, 수냉이나 분무 냉각 등의 제어 냉각 중 어느 것을 채용하여도 좋다. 냉각 후의 이음부의 강도를 확보하려면 냉각 속도가 빠른 편이 좋지만, 수냉이나 분무 냉각에는 제어 냉각 장치가 필요하게 되므로, 강제 공랭이 좋다.

금속관(3)에 대하여, 관축 방향의 압압을 부여하여 상기 금속 이음관(2a)의 선단이 가는 경사부(6)에 압입하였을 때의 압압력과, 금속관(3)의 관축 방향으로의 변위와의 관계를 도 19에 나타낸다. 관축 방향의 변위의 증가는 금속관(3)의 단면(8)이 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)를 향하여 이동하는 것을 의미한다.

도 19에 나타낸 바와 같이, 관축 방향의 변위가 증가하면, 먼저, 금속관(3)의 단부의 내면이 선단이 가는 경사부(6)의 외면에 접촉한다. 그 다음은 마찰력이 생기므로, 축 방향으로의 변위에 대한 관축 방향의 압압력의 증가가 커져서, 직선의 기울기가 커진다.

관축 방향의 변위가 더욱 증가하면, 금속관(3)의 단면(8)이 인서트재(9)를 사이에 두고 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)에 접촉한다. 관축 방향의 변위가 더욱 증가하면, 금속관(3)의 단면(8)과 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)와의 접촉부에 면압이 발생한다.

접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)이 접촉한 후, 관축 방향의 압압을 해제하면, 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)과의 접촉부의 면압은 약간 저하하지만, 경사면(7)과 금속관(3)의 내면과의 마찰에 의하여 유지된다.

그러나, 가열 조건에 따라서는 접합면부(5)와 금속관(3)의 단면(8)과의 접촉부의 면압을 유지하는 것이 곤란한 경우도 있다. 강고한 접합 강도를 얻기 위하여는 가열시에, 다시 관축 방향의 압압을 부하하고, 면압을 유지하는 것이 좋다. 또한, 가열시에 관축 방향의 변위를 구속하고, 열 응력에 의하여 압압을 발생시켜, 면압을 유지하는 것도 유효하다.

인서트재(9)를 용융시키기 위한 접합면의 가열은, 예를 들면, 유도 가열 방식 이외에, 노 과열, 전기 저항 가열, 통전 가열을 채용할 수 있다.

또한, 금속 이음부를 사이에 두고 2개의 금속관을 접합하는 경우에는 금속 이음관의 한쪽의 선단이 가는 경사부를 S₁, 다른 한쪽의 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₂, 단부가 경사각 S₁의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하여 단면이 중앙의 접합면부의 한편에 액상 확산 접합으로 접합하는 금속관의 단면적을 A₁, 단부가 경사각 S₂의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하여 단면이 중앙의 접합면부의 한편에 액상 확산 접합으로 접합하는 금속관의 단면적을 A₂로 할 때, S₁, S₂, A₁ 및 A₂가 식 (1)의 관계를 만족하도록 하고, 액상 확산 접합 관 이음부을 제조하는 것이 접합에 필요한 면압을 얻는 데 좋다.

2개의 금속관의 두께가 다른 경우에도, 마찬가지로 식 (1)의 관계를 만족하도록 하고, 액상 확산 접합 관 이음부을 제조하는 것이 접합에 필요한 면압을 얻는 데 좋다.

이때, 금속관의 단부의 확경 및 두께 증대의 효과에 대하여, 구체적인 예를 들어 설명한다.

외경 76.3 mm, 두께 4 mm, 재질 STKM13의 강관으로 이루어지는 금속관을, 금속 이음부의 양단으로부터, 확경율 2.5 내지 10%, 단면적비 1.05 내지 1.19로 하여 금속 이음부에 압입하고, 액상 확산 접합 관 이음부을 제조하여, 인장 시험에 제공하였다. 결과를 최대 강도(이음부 강도)와 금속관의 단부의 확경율과의 관계를 도 20에 나타낸다. 도 20 중의 비교예는 강관을 확경 및 두께 증대시키지 않고 액상 확산 접합한 이음부이다.

본 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부에서는 금속관의 관체로부터 파단하였지만, 비교예에 관한 확경 및 두께 증대시키지 않는 이음부에서는 모두 강관의 단면과 접합면부와의 접합부로부터 파단하였다.

또한, 본 실시 형태에 관한 이음부에 있어서 관체 파단하였을 때에는 비교예에 관한 이음부에 있어서 접합부 파단하였을 때보다 최대 하중이 크고, 이음부 강도가 높은 것을 확인할 수 있었다.

또한, 다른 구체적인 예로서 외경 76.3 mm, 두께 4 mm, 재질 STKM13A의 강관을 이용하여, 도 21a, 도 21b 및 도 21c에 도시하는 형상의 액상 확산 접합 관 이음부(이하, 각각, 이음부 A, 이음부 B, 이음부 C)를 제조하여 인장 시험을 실시하였다. 인서트재에는 원자%로, Si: 3.5%, B: 3.0%를 함유하는 Ni계 비정질 합금을 사용하였다.

또한, 면압이 5, 10 MPa이 되도록 강관의 단면의 관축 방향의 압압을 가한 후 해제하고, 1200℃까지 가열하여 10분간 유지하고, 그 후 냉각하였다. 가열 온도 1200℃는 접합부를 용융시키기 위한 온도, 즉, 인서트재의 액상선보다 높고, 피접합재인 금속관의 융점보다 낮은 온도의 일례이다.

이음부 A(본 발명의 실시 형태)는 금속 이음관의 재질이 SS400이고, 금속 이음관의 선단이 가는 경사부의 최대 외경은 82.3 mm, 최소 외경은 71.7 mm, 경사각(경사면과 회전 대칭축과의 각)은 7˚, 선단이 가는 경사부의 축 방향의 길이는 30 mm이다.

이음부 B(비교예)는 재질 및 외경의 최대값은 이음부 A와 동일하지만, 금속 이음관의 양단에 선단이 가는 경사부를 형성하지 않고 원통형으로 하고, 접촉부에 있어서의 금속 이음관의 외경을 강관의 내경과 거의 동일하게 한 것이다.

이음부 C(비교예)는 금속 이음관을 사용하지 않고, 강관끼리의 맞댐부에 인서트재를 개재시킨 예이다.

이음부 A 내지 C를 5, 10 MPa의 면압으로 접합하고, 이음부 또는 관체가 파단할 때까지 인장 하중을 가하고 최대 하중을 측정하였다. 그 결과를 도 22에 나타낸다. 어느 접합 강도도 규격 항복 강도보다 높았지만, 이음부 B와 이음부 C에서는 규격 인장 강도에는 못 미쳤다. 또한, 이음부 B, 이음부 C도 접합 계면으로부터 파단하였다. 이것에 대하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부인 이음부 A에서는 최대 하중은 규격 강도보다 높고, 파단은 관체부에서 발생하였다.

이상과 같이, 접합면압, 온도 이력이 동일하여도, 본 발명의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부은 높은 접합 강도를 가지는 것을 실증할 수 있었다.

본 발명의 실시 형태에 관한 액상 확산 접합 관 이음부은 관 단면에서의 불균일한 접합면압을 회피할 수 있고, 이음부에 인장 응력을 부하하였을 때, 항복 후에 접합면의 근방이 수축하기 어렵고, 응력 집중을 경감할 수 있으므로, 접합 계면으로의 파단을 회피할 수 있다. 또한, 실 작업상의 장점으로서 금속관의 내면, 예를 들면, 강관의 내면을 금속 이음관의 경사면을 따라서 압입함으로써, 중심을 조정하는 것을 용이하게 할 수 있는 것을 들 수 있다.

본 발명에서는 금속관의 단부를 확경하면서 금속 이음부에 압입하는 것이 중요하고, 금속 이음관의 양측으로부터 압입되는 금속관의 두께가 차이가 나는 경우, 예를 들면, 도 23 및 도 24에 나타내는 실시 형태와 같이, 금속 이음관(2a)의 양측에 상이한 형상의 접합면부(5a, 5b), 선단이 가는 경사부(6a, 6b)를 각각 가지고 있더라도, 압입시에 금속관(3a, 3b)이 확관되면, 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

또한, 양측으로부터 압입되는 금속관의 외경이 다른 경우, 예를 들면, 도 25 및 도 26에 나타내는 바와 같이 접합면부(5a, 5b)에서의 외경이 차이가 나도, 압입시에 금속관(3a, 3b)이 확관되면 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

또한, 도 23 내지 도 26에 나타내는 바와 같이, 금속 이음관(2a)의 접합면부(5a, 5b)의 높이를, 접합되는 금속관(3a, 3b)의 두께와 거의 동일하게 함으로써, 접합 후에 금속관(3a, 3b)의 단부 또는 접합면부(5a, 5b) 중 한쪽이 돌출하지 않도록 양자를 매우 적합하게 접합할 수 있다.

본 발명의 액상 확산 접합 관 이음부의 실시 형태에 있어서, 금속 이음부의 접합면부와 금속관의 단면을 액상 확산 접합으로 접합할 때에는 접합면부와 단면과의 접촉부의 면압을 5 내지 20 MPa의 범위로 하는 것이 좋다.

면압은 도 19에 나타낸 것처럼, 금속 이음부의 접합면부와 금속 사이의 단면이 접촉하였을 때의 관축 방향의 압압에 대하여, 추가로 부하한 관축 방향의 압압의 증가분을 접촉부의 면적으로 나누어 구하였다.

도 27에, 액상 확산 접합 관 이음부의 금속관에, 가열시 관축 방향의 압압에 의한 좌굴이 발생한 면압, 좌굴을 일으키지 않은 액상 확산 접합 관 이음부에 인장 응력을 부하하였을 때에 접합면에서 파단한 면압 및 관체부에서 파단한 면압을 나타내었다.

면압을 22 MPa로 하면, 접합온도가 1200℃에 이르기 전에, 하중이 저하하기 시작하여 관 단부에 좌굴을 일으켰다. 면압을 5 내지 20 MPa로 하면, 인장 시험에서는 모두 관체부에서 파단하고, 면압이 4 MPa 이하에서는 인장 시험의 결과, 접합면에서 파단하였다. 이 결과로부터, 면압은 5 내지 20 MPa의 범위로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

또한, 접촉부의 가열 개시의 타이밍은 특히 한정되는 것이 아니며, 가열 개시 후에 관축 방향으로 압압을 가하여도 무방하나, 금속 이음부의 접합면부와 금속관의 단면을 접촉시킨 후에 가열을 개시함으로써, 접촉면에 있어서의 산화를 최소한으로 할 수 있다.

또한, 가열 온도는 특히 한정되는 것은 아니지만, 1150 내지 1250℃가 좋다.

본 발명의 각 실시 형태에 있어서, 인서트재는 비정질 금속 또는 비정질 합금 등으로 형성되고 비정질 금속, 비정질 합금의 필름이 매우 적합하다. 본 실시 형태에서는 비정질 금속 또는 비정질 합금을 접합면에 개재시켜, 면압을 유지하면서 가열하는 것이 중요하고, 필름 이외에도, 분말, 박편, 도금 등을 사용할 수 있다. 인서트재의 두께는 특히 한정되지 않지만, 필름인 경우에는 10 내지 50㎛가 매우 적합하고, 복수 장의 필름을 포개어 사용하여도 좋다.

인서트재는 특히 한정되는 것은 아니지만, 금속 이음부 및 금속관이 강관인 경우에는 Ni기 또는 Fe기의 비정질 합금이 좋다. Ni기 또는 Fe기의 비정질 합금의 예로서 원자%로, 2 내지 10%의 Si, 2 내지 10%의 B, 2 내지 10%의 V, 2 내지 5%의 P, 2 내지 5%의 C의 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 잔부가 Ni 또는 Fe로 이루어지며, 급냉 응고법으로 제조된 필름을 들 수 있다.

또한, 인서트재는 접촉부에만 개재시켜도 충분히 접합 강도가 우수한 액상 확산 접합 관 이음부가 얻어지나, 경사면과 금속관의 내면과의 사이에 개재시켜도 좋다. 경사면과 금속관의 내면과의 사이에 인서트재를 개재시키는 경우, 인서트재는 슬라이딩에 의하여 벗겨지지 않도록 도금인 것이 좋다.

이상, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 상기 실시 형태는 예시이며, 본 발명은 상기 실시 형태 및 이하에 나타내는 실시예에 의하여 한정하여 해석되어야 할 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 여러 가지 변경예, 수정예를 도출할 수 있는 것은 분명하고, 이들도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

실시예 1

도 11에 도시하는 금속 이음부(2)의 선단이 가는 경사부(6)에, 금속관(3)을 확경하면서 압입하고, 인서트재(9)를 사용하여 액상 확산 접합을 실시하여, 도 1에 도시하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 얻었다.

금속 이음부(2)의 접합면부(5)에는 인서트재(9)로서 Ni기 비정질 금속(Si: 3.5 원자%, B: 3.0 원자%, 잔부: Ni 및 불가피한 불순물. 이하, Ni기 1. 표 중에 있어서 동일하다.)을 첩부하고 유지하였다.

금속관(3)을 선단이 가는 경사부에 압입할 때의 확경율은 2 또는 5%로 하였다. 금속관(3)의 단면(8)을 접합면부(5)에 상당하는 벽면에 접촉하여 5 내지 20 MPa의 면압을 부여한 후, 유도 가열에 의하여 접합면 근방을 1100℃ 또는 1200℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

표 1에, 금속관(3) 및 금속 이음부(2)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다.

제조한 액상 확산 접합 관 이음부 중에서, 시험체 A1 내지 A3를 인장 시험에 제공한 바, 모두 금속관(3)의 관체에서 파단하였다. 또한, 시험체 A4 내지 A6를 굽힘 시험에 제공한 바, 모두 금속관(3)의 관체가 좌굴하였다.

비교를 위하여, 금속관(3)을 확경하지 않고, 선단이 가는 경사부(6)에 압입하고, 인서트재(9)를 사용하여 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 결과를 표 1의 시험체 B1 내지 B6에 나타낸다.

표 1 중의 시험체 B1, B2 및 B4는 금속관(3)의 단부가 미리 선단이 가는 경사부(6)에 압입되어 있으나, 금속관(3)의 단부의 내경이 선단이 가는 경사부(6)에 압입할 때에 확경되지 않도록, 금속관(3)의 단부의 내경을 금속 이음부(2)의 선단이 가는 경사부(6)의 외경보다 약간 크게 한 예이다.

표 1 중의 시험체 B3, B5 및 B6는 금속관(3)을 확경하지 않고, 금속관(3)의 단면(8)을 접합부면(5)에 상당하는 벽면에 인서트재(9)를 사이에 두고, 직접 접촉한 예이다. 그 후, 관축 방향의 위치를 고정하고, 5 내지 20 MPa의 면압을 부여한 후, 유도 가열에 의하여 접합면 근방을 1100℃ 또는 1200℃로 가열하였다.

시험체 11은 가열 중에 금속관(3)이 좌굴을 일으켜, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조할 수 없었다.

시험체 7 내지 9를 인장 시험에 제공한바, 모든 시험체가 접합면으로부터 파단하였다. 또한, 시험체 10, 12를 굽힘 시험에 제공한바, 양 시험체 모두 접합면으로부터 파단하였다.

실시예 2

도 28에 도시하는 바와 같이, 금속 이음부(2)에 중실의 선단이 가는 경사부(6)를 형성하고, 상기 선단이 가는 경사부(6)에 금속관(3)을 확경하면서 압입하고, 인서트재(9)를 사용하여 액상 확산 접합을 실시하고, 도 29에 도시하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 얻었다.

금속 이음부(2)의 접합면부(5)에는 인서트재(9)로서 Ni기 비정질 금속(Si: 3.0 원자%, B: 3.0 원자%, V: 2.5 원자%, 잔부: Ni 및 불가피한 불순물. 이하, Ni기 2. 표 중에 있어서 동일하다.)을 첩부하여 유지하였다.

금속관(3)을 선단이 가는 경사부에 압입할 때의 확경율은 2.5 또는 5%로 하였다. 금속관(3)의 단면(8)을 접합면부(5)에 상당하는 벽면에 접촉하여 5 내지 20 MPa의 면압을 부여한 후, 유도 가열에 의하여 접합면 근방을 1200℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

표 2에, 금속관(3) 및 금속 이음부(2)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다.

제조한 액상 확산 접합 관 이음부 중에서, 시험체 C1 내지 C3의 금속관(3)의 관 단부를 나사 가공하고, 인장 시험을 위한 지그를 설치하여 인장 시험에 제공하였다. 그 결과, 모든 시험체에서 나사부품으로부터 파단하였다.

비교를 위하여, 금속관(3)을 확경하지 않고, 선단이 가는 경사부(6)에 압입하고, 인서트재(9)를 사용하여, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 결과를 표 2의 시험체 D1 내지 D3에 나타낸다.

시험체 D1은 선단이 가는 경사부(6)를 가지고 있으나, 금속관(3)을 압입하여도 금속관(3)은 확경되지 않은 예이며, 시험체 D2 및 D3는 금속관(3)의 단면(8)을, 접합부 면(5)에 상당하는 벽면에 인서트재(9)를 사이에 두고, 직접 접촉한 예이다.

그 후, 관축 방향의 위치를 고정하고, 5 내지 20 MPa의 면압을 부여한 후, 유도 가열에 의하여 접합면 근방을 1100℃ 또는 1200℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

시험체 D1 내지 D3에 인장 시험을 위한 나사 가공을 하고, 인장 시험에 제공한 바, 모든 시험체가 접합면으로부터 파단하였다.

실시예 3

도 12에 도시하는 바와 같이, 금속 구조체인 벽(21)에 선단이 가는 경사부(6)를 내재시키고, 상기 선단이 가는 경사부(6)에 금속관(3)을 확경하면서 압입하고, 인서트재(9)를 사용하여 액상 확산 접합을 실시하여, 도 2에 도시하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 얻었다.

금속 이음부(2)의 접합면부(5)에는 인서트재(9)로서 Ni기(1)를 첩부하여 유지하였다. 금속관(3)을 선단이 가는 경사부에 압입할 때의 확경율은 2% 또는 5%로 하였다.

금속관(3)의 단면(8)을 접합면부(5)에 상당하는 벽면에 접촉하여 15 MPa, 또는 20 MPa의 면압을 부여한 후, 유도 가열에 의하여 접합면 근방을 1150℃ 또는 1200℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

표 3에 금속관(3), 금속 구조체(11)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다.

제조한 액상 확산 접합 관 이음부 중에서, 시험체 E1 및 E2의 금속관(3)의 관 단부를 나사 가공하고, 인장 시험을 위한 지그를 설치하여 인장 시험에 제공하였다. 그 결과, 모든 시험체가 나사부품으로부터 파단하였다.

비교를 위하여, 금속관(3)을 확경하지 않고, 선단이 가는 경사부(6)에 압입하고, 인서트재(9)를 사용하여 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 결과를 표 3의 시험체 F1, F2에 나타낸다.

시험체 F1은 선단이 가는 경사부(6)를 가지고 있으나, 금속관(3)을 압입하여도 금속관(3)은 확경되어 있지 않은 예이며, 시험체 F2는 금속관(3)의 단면(8)을 접합부면(5)에 상당하는 벽면에 인서트재(9)를 사이에 두고, 직접 접촉한 예이다.

그 후, 관축 방향의 위치를 고정하고, 15 MPa 또는 20 MPa의 면압을 부여한 후, 유도가열에 의하여 접합면 근방을 1150℃ 또는 1200℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

시험체 F1 및 F2에 인장 시험을 위한 나사 가공을 하고, 인장 시험에 제공한 바, 모든 시험체에서 접합면으로부터 파단하였다.

실시예 4

동일한 2개의 금속관(3)의 단부를 금속 이음관(2)의 양측에 각각 압입하여 확경시키고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

표 4 및 표 6에, 금속관(3), 금속 이음관(2)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다. 표 4의 시험체 G1 내지 G29 및 표 6의 시험체 I1 내지 I12는 본 발명에 관한 실시예이며, 도 21a에 나타낸 이음부 A에 상당한다.

금속관(3)은 외경이 76.3 내지 318.5 mm, 재질이 STKM13A, S45C, SCM4, SM490, SUS304 중 어느 하나의 강관이다. 금속 이음관(2)의 선단이 가는 경사부(6)의 테이퍼 형상은 1/16 내지 1/4이고, 금속 이음관(2)의 외면에는 금속관(3)의 두께와 동등 이상의 폭을 가진 접합면부(5)를 형성하였다.

금속관(3)을 금속 이음관(2)의 선단이 가는 경사부(6)에 압입할 때의 확경율은 2 내지 10%로 하였다. 이때, 확경율은 아래 식 (2)에 나타내는 최대 확경 위치에서의 내경 증분율로 나타낼 수 있다. 또한, 두께비는 평균 두께에 대한 관단의 두께의 비이며, 확경에 의한 관단의 두께의 증분을 의미한다.

확경율(%)={(확경 후의 최대 내경-초기 내경)/초기 내경}×100··· (2)

확경율 및 두께비는 확산 접합 후에, 관외 지름과 초음파 두께계 등에 의하여 측정한 두께로부터 산출하였다. 두께비는 확산 접합 때의 온도와 접합면에 면압을 부여할 때의 관축 방향의 압압에 의하여 변화시켰다.

액상 확산 접합 관 이음부(1)는 금속관(3)을 금속 이음관(2)의 선단이 가는 경사부(6)에 압입하고, 관축 방향의 압압을 부여하여 확경하면서 압입함으로써 형성하였다.

금속 이음관(2)의 접합면부(5)에는 인서트재(9)로서 Ni기 1 , Ni기 2, Fe기비정질 금속(Si: 2.5 원자%, B: 3.5 원자%, 잔부: Fe 및 불가피한 불순물. 이하, Fe기. 표 중에 있어서 동일하다.) 중 어느 하나를 첩부하고 유지하였다.

그 후, 금속관(3)의 단면(8)을 금속 이음관(2)의 접합면부(5)에 접촉하고, 유도 가열에 의하여 접합면 근방을, 1050℃ 내지 1300℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

제조한 액상 확산 접합 관 이음부(1) 중에서, 시험체 G1 내지 G29를 인장 시험에 제공한 바, 모두 금속관(3)의 관체에서 파단하였다. 또한, 표 6에 나타내는 조건으로 제조한 시험체 I1 내지 I12를 4점 굽힘 시험에 제공한바, 모든 시험체가 금속관(3)의 관체에서 좌굴하였다.

비교예로서 도 21b에 도시한 이음부 B 및 도 21c에 도시한 이음부 C에 상당하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 표 5 중의 시험체 H4 내지 H9 및 표 6 중의 시험체 J4 내지 J6가 이음부 B이며, 표 5 중의 시험체 H10 내지 H12가 이음부 C이다.

이들은 금속관(3)을 확경하지 않고, 금속관(3)의 단면(8)을 금속 이음관(2)의 접합면부(5) 또는 금속관(3)의 단면(8)에 접촉하였다. 그 후, 축 방향의 위치를 고정하고, 유도 과열에 의하여 접합면 근방을 1200℃ 또는 1250℃로 가열하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다.

또한, 표 5의 시험체 H1 내지 H3, 표 6의 시험체 J1 내지 J3는 비교예의 다른 형태로서, 형상은 이음부 A의 형상이지만, 금속관(3)의 단부를 미리 금속 이음관(2)의 선단이 가는 경사부와 대략 동일한 형상으로 플레어 가공하고, 접합한 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조한 것이다.

이들 액상 확산 접합 관 이음부(1)는 금속관(3)의 단부의 내경을, 금속 이음관(2)의 선단이 가는 경사부(6)의 외경보다 약간 크게 하였고, 금속관(3)을 확경 하지 않고 금속 이음관(2)의 선단이 가는 경사부(6)에 압입하여, 인서트재(9)를 사용하여 접합하였다.

비교예로서 제조한 액상 확산 접합 관 이음부(1) 중에서, 시험체 H1 내지 H12를 인장 시험에 제공하고, 시험체 J1 내지 J6를 4점 굽힘 시험에 제공하였다. 인장 시험 및 4점 굽힘 시험에서는 모든 시험체가 접합면으로부터 파단하였다.

이상의 시험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 G1 내지 G29, I1 내지 I12에서는 금속관(3)의 단부를 선단이 가는 경사부(6)에 압입하여 확경시키고, 금속관(3)의 관단의 두께를 관체의 평균의 두꺼운 부분보다 증가시키고 있으므로, 인장 하중이나 굽힘 하중 부하시에도, 액상 확산 접합부의 접합 강도를 금속관(3)의 관체의 강도 이상으로 할 수 있는 것이 실증되었다.

이것에 대하여, 비교예와 관련된 시험체 H1 내지 H12 및 J1 내지 J6는 금속관(3)의 단부를 확경시키지 않고, 금속관(3)의 관단의 두께도 거의 증가하지 않기 때문에, 본 발명의 실시예에 비하여 액상 확산 접합부의 강도가 큰 폭으로 낮아졌다.

실시예 5

두께 또는 외경이 다른 박육 금속관(3a) 및 후육 금속관(3b)을 금속 이음관을 개재하지 않고 직접 접합하여, 도 3에 도시하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 표 7에 박육 금속관(3a) 및 후육 금속관(3b)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다.

가열시의 면압의 유지에는 관축 방향의 압압을 부하하고, 후육 금속관(3b)의 접합면부(5)에 박육 금속관(3b)의 단면(8b)를 접촉한 후, 축 방향의 변형을 구속하고, 가열에 의한 열팽창을 이용하였다.

표 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 K1 내지 K10은 후육 금속관(3b)의 단부에 선단이 가는 경사부(6) 및 접합면부(5)를 형성하고 상기 선단이 가는 경사부(6)에 박육 금속관(3a)를 압입하고, 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조한 예이다. 후육 금속관(3b)의 선단이 가는 경사부(6)에 의하여, 박육 금속관(3a)의 단부는 확경되고, 또한, 박육 금속관(3a)의 관단의 두께가 관체의 평균 두께보다 증가하였다.

박육 금속관(3a)의 단면(8a)를 후육 금속관(3b)의 접합면부(5)에 접촉하고, 유도가열에 의하여 접합면 근방을 1200 내지 1250℃로 가열하였다. 얻은 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 인장 시험에 제공한 바, 모든 시험체 K1 내지 K10에서 박육 금속관(3a)의 관체로부터 파단한다.

비교예로서 박육 금속관(3a)의 단면(8a)과, 외면에 선단이 가는 경사부가 형성되어 있지 않은 후육 금속관(3b)의 단면(8b)을 접합하고, 인서트재(9)를 이용하고, 유도가열에 의하여 접합면 근방을 1200℃ 또는 1250℃로 가열하고, 경사면(7)에서 박육 금속관(3a)의 단부가 확경되어 있지 않은 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 제조한 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 표 7에 시험체 L1 내지 L6으로 나타낸다. 이 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 시험체 L1 내지 L6을 인장 시험에 제공한 결과, 박육 금속관(3a)과 후육 금속관(3b)의 접합면으로부터 파단하였다.

이상의 시험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 K1 내지 K10에서는 박육 금속관(3a)의 단부를 후육 금속관(3b)의 선단이 가는 경사부(6)에 압입하여 확경시키고, 박육 금속관(3a)의 관단의 두께를 관체의 평균의 두께보다 증가시켰기 때문에, 인장 하중 부하시에 액상 확산 접합 부의 접합 강도를 박육 금속관(3a)의 관체의 강도 이상으로 할 수 있는 것이 실증되었다.

비교예에 관한 시험체 L1 내지 L6은 박육 금속관(3a)의 단부를 확경시키지 않고, 박육 금속관(3a)의 관단의 두께도 거의 증가하고 있지 않기 때문에, 실시예에 비하여 액상 확산 접합 부의 이음부 강도가 큰 폭으로 낮다고 할 수 있다.

실시예 6

2개의 동일한 금속관(3)의 단부를, 접합면부(5)와 선단이 가는 경사부(6)가 이루는 각도 θ를 변경한 금속 이음관(2)의 양측에 각각 압입하여 확경시키고, 도 4에 도시하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 표 8에 금속관, 금속 이음관의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 조건을 나타낸다.

표 8 중의 시험체 M1 내지 M9가 본 발명의 실시예이며, 외경 76.3 mm 또는 177.8 mm, 두께 4 mm 또는 10.3 mm, 재질 SCM4 또는 STKM13A의 금속관(3)을 금속 이음관(2)을 사용하여 접합한 예이다.

가열시의 면압의 유지에는 관축 방향의 압압을 부하하고, 금속 이음관(2)의 접합면부(5)에 금속관(3)의 단면(8)을 각각 접촉한 후, 축 방향의 변형을 구속하고, 가열에 의한 열팽창을 이용하였다.

금속 이음관(2)에는 여러 가지 선단이 가는 경사부(6)를 가공에 의하여 형성하고 접합면부(5)에 인서트재(9)를 첩부하였다. 이 때, 접합면부(5)와 선단이 가는 경사부(6)가 이루는 각도 θ는 70 내지 110˚로 하였다.

금속관(3)은 확경율을 5%로 하여 선단이 가는 경사부(7)에 압입하고, 금속관(3)의 단면(8)을 접합면부(5)에 접촉하여 관축 방향의 위치를 고정하고, 유도 과열에 의하여 접합면 근방을 1050 내지 1250℃로 가열하였다. 두께비는 확산 접합 때의 온도와 접합면(5)에 면압을 부여할 때의 관축 방향의 압압에 의하여 변화시켰다.

얻은 모든 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 시험체에 대하여, 두께비를 측정 하고, 인장 시험에 제공하였다. 인장 시험의 결과, 모든 시험체 M1 내지 M9에서 금속관(3)의 관체에서 파단하였다.

비교예로서 접합면부(5)와 선단이 가는 경사부(6)가 이루는 각도θ가 60˚, 65˚ 및 115˚인 금속 이음관(2)을 사용하여, 금속관(3)을 선단이 가는 경사부(6)에 압입하여 확경하고, 인서트재(9)를 사용하여, 유도가열에 의하여 접합면 근방을 1050 내지 1250℃로 가열하여 제조한 액상 확산 접합 관 이음부(1)를, 표 8에 시험체 N1 내지 N7로서 나타낸다.

θ가 115˚인 금속 이음관(2)을 사용한 예에서는 액상 확산 접합 관 이음부(1) 제조시의 관축 방향의 압압을 가하고 있는 단계에서, 금속관(3)의 단부가 도 9에 도시하는 나팔형의 형상으로 변형되고, 적절한 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 성형을 할 수 없었다.

θ가 65˚이하인 경우에는 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 성형은 가능하였지만, 접합면부(5)에 현저한 변형을 일으켜서, 시험체를 인장 시험에 제공한 결과, 접합면으로부터 파단하였다.

이상의 시험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 M1 내지 M9에서는 접합면부(5)와 선단이 가는 경사부(6)가 이루는 각도θ가 적정 범위로 조정되어 있으므로, 인장 하중 부하 시에, 액상 확산 접합부의 접합 강도를, 금속관(3)의 관체의 강도 이상으로 할 수 있는 것이 실증되었다.

비교예에 관한 시험체 N1 내지 N7는 접합면부(5)와 선단이 가는 경사부(6)가 이루는 각도θ가 적정 범위를 벗어나기 때문에, 접합시에 금속관(3)의 관단이나, 금속 이음관(2)의 접합면부에 부적절한 변형이 생기므로, 실시예에 비하여 액상 확산 접합부의 접합 강도가 낮아지거나, 또는 적절한 액상 확산 접합 이음부(1)의 형성이 불능이 된다.

실시예 7

외경 및 재질은 동일하지만, 두께가 다른 박육 금속관(3a), 후육 금속관(3b)을, 금속 이음관(2a)을 사이에 두고 접합하여, 도 5에 도시하는 액상 확산 접합 이음부(1)를 제조하였다. 표 9에 박육 금속관(3a), 후육 금속관(3b), 금속 이음관(2a)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다.

가열시의 면압의 유지에는 관축 방향의 압압을 부하하고, 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)에 박육 금속관(3a)의 단면(8a), 후육 금속관(3b)의 단면(8b)을 각각 접촉한 후, 축 방향의 변형을 구속하고, 가열에 의한 열팽창을 이용하였다.

박육 금속관(3a) 및 후육 금속관(3b)의 관단은 선단이 가는 경사부(6)에 의하여 확경되고, 또한, 박육 금속관(3a)의 관단의 두께는 증대되었다. 또한, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 O1 내지 O10은 어떠한 조합도, 금속 이음관(2a)의 선단이 가는 경사부(6)의 경사각(S₁, S₂)과 박육 금속관의 단면적(A₁), 후육 금속관의 단면적(A₂)에 대하여, 상기 식 (1)을 만족하였다.

상기와 같이 하여 얻은 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 시험체 O1 내지 O10을 인장 시험에 제공한 바, 모든 시험체에서 박육 금속관의 관체로부터 파단하였다.

비교예인, 시험체 P1 내지 P7은 상기 식 (1)을 만족하지 않는 예이다. 시험체 P1 내지 P3, P5에 대하여는 액상 확산 접합 관 이음부(1) 제조시의 관축 방향의 압압에 의하여, 박육 금속관(3a) 또는 후육 금속관(3b)의 관단이 좌굴하였다.

시험체 P4, P6, P7에 대하여는 박육 금속관(3a) 또는 후육 금속관(3b)의 관단은 좌굴하지는 않았지만, 인장 시험에 제공한 결과, 박육 금속관(3a) 또는 후육 금속관(3b)의 접합면으로부터 파단하였다.

이상의 시험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 O1 내지 O10에서는 금속 이음관(2a)의 선단이 가는 경사부(6)의 경사각(S₁, S₂)과, 박육 금속관의 단면적(A₁), 후육 금속관의 단면적(A₂)이 상기 식 (1)의 관계를 만족하면, 박육 금속관(3a) 및 후육 금속관(3b)의 관단을 좌굴시키지 않고, 또한, 박육 금속관(3a) 및 후육 금속관(3b)의 접합부의 접합 강도의 저하를 방지할 수 있는 것이 실증되었다.

비교예에 관한 시험체 P1 내지 P7은 상기 식 (1)의 관계를 만족하지 않고, 박육 금속관(3a) 또는 후육 금속관(3b)의 관단의 좌굴 또는 박육 금속관(3a) 또는 후육 금속관(3b)의 접합부의 파단이 발생하였다.

실시예 8

두께 또는 외경의 한쪽 또는 쌍방이 다르기 때문에 단면이 다른 소단면 금속관(3a), 대단면 금속관(3b)을, 금속 이음관(2a)을 개재하여 접합하여, 도 6에 도시하는 액상 확산 접합 관 이음부(1)를 제조하였다. 표 10에, 소단면 금속관(3a), 대단면 금속관(3b), 금속 이음관(2a)의 특성 및 액상 확산 접합 관 이음부(1)의 제조 조건을 나타낸다.

가열시의 면압의 유지에는 관축 방향의 압압을 부하하고, 금속 이음관(2a)의 접합면부(5)에 소단면 금속관(3a)의 단면(8a), 대단면 금속관(3b)의 단면(8b)을 각각 접촉한 후, 축 방향의 변형을 구속하고, 가열에 의한 열팽창을 이용하였다.

소단면 금속관(3a) 및 대단면 금속관(3b)의 관단은 금속 이음관(2a)의 선단이 가는 경사부(6)에 의하여 확경되고, 또한 소단면 금속관(3a)의 관단의 두께는 증대되었다. 또한, 본 발명의 실시예에 관한 Q1 내지 Q10은 어떠한 조합도 금속 이음관의 선단이 가는 경사부의 경사각(S₁, S₂)과 소단면 금속관의 단면적(A₁), 대 단면 금속관의 단면적(A₂)에 대하여, 상기 식 (1)을 만족하였다.

액상 확산 접합 관 이음부(1)의 시험체 Q1 내지 Q10을 인장 시험에 제공한 바, 모든 시험체에서, 소단면 금속관(3a)의 관체로부터 파단하였다.

비교예에 관한 시험체 R1 내지 R9는 상기 식 (1)을 만족하지 않는 예이다. 시험체 R1, R5, R7 및 R8에 대하여는 액상 확산 접합 관 이음부(1) 제조시의 관축 방향의 압압에 의하여 소단면 금속관(3a) 또는 대단면 금속관(3b)의 관단이 좌굴하였다.

시험체 R2 내지 R4, R6 및 R9에 대하여는 소단면 금속관(3a) 또는 대단면 금속관(3b)의 관단은 좌굴하지는 않았지만, 인장 시험에 제공한 결과, 소단면 금속관(3a) 또는 대단면 금속관(3b)의 접합면으로부터 파단하였다.

이상의 시험 결과로부터, 본 발명의 실시예에 관한 시험체 Q1 내지 Q10에서는 금속 이음관(2a)의 선단이 가는 경사부(6)의 경사각(S₁, S₂)과 소단면 금속관의 단면적(A₁), 대단면 금속관의 단면적(A₂)에 대하여, 상기 식 (1)을 만족하면, 소단면 금속관(3a) 및 대단면 금속관(3b)의 관단을 좌굴시키지 않고, 또한, 소단면 금속관(3a) 및 대단면 금속관(3b)와 금속 이음관(2a)와의 접합 강도의 저하를 방지할 수 있는 것이 실증되었다.

비교예에 관한 R1 내지 R9는 식 (1)의 관계를 만족하지 않고, 소단면 금속관(3a) 또는 대단면 금속관(3b)의 관단의 좌굴, 또는 소단면 금속관(3a) 또는 대단면 금속관(3b)의 접합부의 파단이 발생하였다.

산업상 이용 가능성

본 발명에 의하면, 가열시의 면압을 제어함으로써, 접합면에서의 파단을 회피할 수 있고, 또한, 접합 비용을 큰 폭으로 상승시키지 않고, 금속재와 일단 또는 양단의 외면을 테이퍼 가공한 금속 부재, 이음관 또는 후육 금속관을, 액상 확산 접합에 의하여 접합하여 접합 강도가 우수한 액상 확산 접합 관 이음부을 제공한다. 또한, 본 발명에 의하면, 두께가 다른 금속관을 연결하여 맞댄 액상 확산 접합 관 이음부나, 외경이 다른 금속관을 연결하여 맞댄 액상 확산 접합 관 이음부 등도 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능성이 큰 것이다.

1 액상 확산 접합 관 이음부
2 금속 이음부
2a 금속 이음관
3, 3a, 3b 금속관
4 회전 대칭축
5, 5a, 5b 접합부면
6, 6a, 6b 선단이 가는 경사부
7, 7a, 7b 경사면
8, 8a, 8b 단면
9 인서트재
21 벽 (금속 구조체)
22 벽면
23 금속 구조체 내부의 관로
24 금속 구조체 내부의 관로와 금속관을 연통시키는 관로
41 인덕션 히터

Claims

금속관의 단부에, 관축 방향의 압압(押壓)에 의하여, 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입되고, 상기 단부와 긴밀히 계합하는 선단이 가는 경사부와, 상기 선단이 가는 경사부에 이어서, 금속관의 단면을 액상 확산 접합으로 접합하는 접합면부를 구비한 금속 이음부 및 단부가 확경된 상태로, 상기 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 또한, 단면이 상기 접합면부에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관으로 이루어지고,
상기 금속 이음부가 중앙에 접합면부를 구비하고, 상기 접합면부에 이어서, 양측에 선단이 가는 경사부를 구비한 금속 이음관이며,
상기 금속 이음관의 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₁, 다른 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₂로 하고, 또한, 단부가 경사각 S₁의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₁, 단부가 경사각 S₂의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 다른 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₂로 할 때, S₁, S₂, A₁ 및 A₂가 아래 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
0.8 ≤ (S₁×A₁)/(S₂×A₂) ≤ 1.2··· (1)
제1항에 있어서, 상기 확경된 상태로 상기 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고 있는 금속관의 단부의 두께가 금속관 본체의 두께 이상인 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 이음부가 금속 구조체에 형성된 것인 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
제3항에 있어서, 상기 금속 구조체가 내부에 관로를 구비하고, 또한, 상기 금속 이음부가 상기 관로와 금속관을 연통시키는 관로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 이음부가 금속관과 접합하는 다른 금속관의 단부에 형성된 것인 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단면적 A₁의 금속관의 두께와 상기 단면적 A₂의 금속관의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선단이 가는 경사부와 접합면부가 이루는 각도가 70 내지 110˚인 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부.
제1항에 기재된 액상 확산 접합 관 이음부를 제조하는 방법에 있어서,
(i) 금속관의 단부에, 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입되고, 상기 단부와 긴밀히 계합하는 선단이 가는 경사부와, 상기 선단이 가는 경사부에 이어서, 금속관의 단면을 액상 확산 접합으로 접합하는 접합면부를 구비한 금속 이음부의 선단이 가는 경사부를, 관축 방향의 압압에 의하여, 금속관의 단부에, 상기 금속관의 내경을 확경하면서 압입하는 것과 동시에, 확경된 금속관의 단면과 금속 이음부의 접합면부를, 인서트재를 개재하여 접촉시키고,
(ii) 관축 방향의 압압에 의하여, 상기 인서트재를 포함하는 접촉부에서 면압을 유지하면서, 상기 접촉부를 인서트재가 용융되는 온도로 가열하고, 금속관의 단면과 상기 접합면부를 액상 확산 접합으로 접합하며,
상기 금속 이음부로서 중앙에 접합면부를 구비하고, 상기 접합면부에 이어서, 양측에 선단이 가는 경사부를 구비한 금속 이음관을 사용하여, 상기 금속 이음관의 양측에 금속관을 액상 확산 접합으로 접합하는 경우, 상기 금속 이음관의 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₁, 다른 한쪽 선단이 가는 경사부의 경사각을 S₂로 하고, 또한, 단부가 경사각 S₁의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₁, 단부가 경사각 S₂의 선단이 가는 경사부에 긴밀히 계합하고, 단면이 중앙의 접합면부의 다른 한쪽 면에 액상 확산 접합으로 접합되어 있는 금속관의 단면적을 A₂로 할 때, S₁, S₂, A₁ 및 A₂가 아래 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.
0.8 ≤ (S₁×A₁)/(S₂×A₂) ≤ 1.2··· (1)
제10항에 있어서, 상기 금속관이 상기 선단이 가는 경사부의 최소 외경 보다 크고, 최대 외경보다 작은 내경의 금속관인 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.
삭제
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 단면적 A₁의 금속관의 두께와, 상기 단면적 A₂의 금속관의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 면압이 5 내지 20 MPa인 것을 특징으로 하는 액상 확산 접합 관 이음부의 제조 방법.