KR101553708B1 - 이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법 - Google Patents

이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철계금속 재료에 비철계금속 재료가 육성된 구조를 가지는 접합부재를 제공하고, 접합부재를 접합하고자 하는 철계금속 피용접재와 비철계금속 피용접재 사이에 제공함으로써, 동종 재료의 용접을 유도할 수 있어 접합부위에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있는 이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법에 관한 것이다. 접합부재는 철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어진 모재; 및 비철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어지며 모재에 일체로 형성되는 코팅층;을 포함하며, 철계금속 피용접재 및 비철계금속 피용접재 접합 시 철계금속 피용접재 및 비철계금속 피용접재 사이에 배치되어 모재와 철계금속 피용접재, 그리고 코팅층과 비철계금속 피용접재가 용융용접되게 한다.

Description

이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법{CONNECTION MEMBER AND WELDING METHOD OF DISSIMILAR METALS USING THEREOF}
본 발명은 이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경량화를 위해 철계금속과 비철계금속의 결합으로 제조되는 선박용 프로펠러, 및 선박용 벽체의 접합부위에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있게 하는 이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법에 관한 것이다.
일반적으로 해양 운송수단을 구성하는 구성물들의 대부분은 철계금속 재료가 사용되고 있다. 최근에는 운송수단의 경량화 및 환경적인 문제로 인해 비철금속 재료, 예를 들면 알루미늄계, 또는 마그네슘계 재료가 사용되고 있다.
해양 운송수단에 사용되는 비철금속 재료의 예를 살펴보면, 최근 소형선박의 경우 환경적 문제로 인해 선체를 FRP(fiber reinforced plastics)에서 알루미늄계 합금으로 변경하고 있으며, 대형 선박의 경우 물속에 잠기는 부분은 철계금속 재료로, 그리고 갑판 등은 경량소재인 알루미늄계 재료로 구성하고 있는 실정이다. 특히 전투함 및 구축함의 경우 상판은 알루미늄계 재료로 구성하고 하부는 철계금속 재료로 구성하고 있다.
종래 철계금속 재료 및 알루미늄계 재료를 접합하는 방법으로는, 용융 용접 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 용융 용접 방법은 알루미늄계 재료와 철계금속 재료와의 계면에 Al3Fe 등의 부서지기 쉬운 Al-Fe계 금속간 화합물을 생성시키기 때문에 접합부위의 접합강도가 현저하게 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 한국공개특허 제 2002-26768 호에서는 이종금속판재의 접합방법을 개시하고 있다. 여기에서는 비철합금판재와 철합금 부재를 접합하는 것으로 비철합금판재를 철합금 부재 위에 놓고 융점이하의 온도에서 일정압력을 가해 밀착성을 향상시킨 후 환원성 분위기에서 재결정 온도 이상으로 열처리하여 접합하는 방법을 공개하고 있다.
또 다른 한국등록특허 제 0136954 호에서는 알루미늄-스테인레스강과 같은 이종금속간이나 금속-세라믹과 같은 이종소재간의 접합방법을 공개하고 있다. 여기서는 접합대상재료의 접합면에 활성금속 증발물질을 진공증착하고, 활성금속 증착층을 접합 대상재료에 침투 확산 시킨 후, 두 접합 대상 재료 사이에 충진금속을 삽입하고 진공분위기 하에서 900~950℃의 온도로 10~50분간 열처리하여 이루어지는 방법을 개시하고 있다.
그러나 전술한 한국공개특허 및 한국등록특허는 별도의 열처리 과정을 거치거나 충진금속과 같은 부재를 필요로 하기 때문에 해양 운송수단과 같은 대형구조물 제작에는 용이하지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 철계금속 재료에 비철계금속 재료가 육성된 구조를 가지는 접합부재를 제공하고, 접합부재를 접합하고자 하는 철계금속 피용접재와 비철계금속 피용접재 사이에 제공함으로써, 동종 재료의 용접을 유도할 수 있어 접합부위에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있는 이종금속 접합용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이종금속 용접용 접합부재는, 철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어진 모재; 및 비철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어지며 모재에 일체로 형성되는 코팅층;을 포함하며, 철계금속 피용접재 및 비철계금속 피용접재 접합 시 철계금속 피용접재 및 비철계금속 피용접재 사이에 배치되어 모재와 철계금속 피용접재, 그리고 코팅층과 비철계금속 피용접재가 용융용접되게 할 수 있다.
구체적으로 모재의 하부면은 철계금속 피용접재의 상부면 형상과 동일한 형상을 가지며, 모재의 상부면은 비철계금속 피용접재의 하부면 형상과 동일한 형상을 가질 수 있다.
구체적으로 코팅층은 비철계금속 피용접재와 동종 재료 분말을 모재에 저온분사하여 형성될 수 있다.
그리고 코팅층은 모재의 상부면을 따라 형성되거나, 또는 모재의 일측 및 타측 중 어느 하나, 또는 모재의 일측 및 타측에 같이 형성될 수 있다.
또한 코팅층은 모재와의 결합력을 높이기 위해 열처리될 수 있다.
그리고 코팅층의 높이 및 모재의 높이는 비철계금속 피용접재 및 철계금속 피용접재와의 용융용접 시 용접홈이 형성될 높이를 가질 수 있다.
철계금속 피용접재와, 비철계금속 피용접재를 접합하기 위한 본 발명에 따른 이종금속 접합용 접합부재를 이용한 이종금속의 접합방법은, 철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어진 모재에 비철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어진 코팅층이 일체로 형성된 접합부재를 제조하는 단계(S10); 접합부재를 접합하기 위한 철계금속 피용접재와, 비철계금속 피용접재 사이에 배치하는 단계(S20); 및 맞대어진 철계금속 피용접재와 모재의 접합부위, 맞대어진 비철계금속 피용접재와 코팅층의 접합부위에 각각 용접홈을 형성한 후, 철계금속 피용접재와 모재, 비철계금속 피용접재와 코팅층을 용융용접하는 단계(S30);를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 철계금속 재료로 이루어진 모재, 및 비철계금속 재료로 이루어지며 모재에 일체로 형성되는 코팅층을 포함하는 접합부재를 제공하고, 접합부재를 접합하고자 하는 철계금속 피용접재와 비철계금속 피용접재 사이에 제공함으로써, 동종 재료들의 용접을 유도할 수 있어 접합부위에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있게 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이종금속 용접용 접합부재를 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1의 코팅층을 형성하기 위한 저온분사 코팅기를 개략적으로 나타낸 도면이며, 그리고
도 3은 본 발명에 따른 이종금속 접합용 접합부재를 이용한 이종금속의 접합방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 이종금속 용접용 접합부재를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이종금속 용접용 접합부재(100)는 철계금속 재료로 이루어진 모재(110), 및 비철계금속 재료로 이루어지며 모재(110)에 일체로 형성되는 코팅층(120)을 포함한다.
이와 같은 접합부재(100)는 철계금속 피용접재(10)와 비철계금속 피용접재(20)를 접합하기 위해 철계금속 피용접재(10)와 비철계금속 피용접재(20) 사이에 제공되며, 모재(110)는 철계금속 피용접재(10)에 그리고 코팅층(120)은 비철계금속 피용접재(20)에 용융용접 된다. 즉 본 발명에 따른 접합부재(100)는 동종 재료의 용접을 유도할 수 있어 접합부위에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있게 한다.
바람직하게는 용융용접으로는 통상의 TIG용접(tungsten inert-gas arc welding), 또는 MIG용접(metallic inert-gas arc welding)이 이용된다.
한편, 모재(110)는 전술한 바와 같이 철계금속 피용접재(10)와 동종의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 모재(110)의 하부 형상, 즉 모재(110)를 저면에서 봤을 때의 하부면의 형상은 철계금속 피용접재(10)를 평면에서 봤을 때의 상부면의 형상과 동일한 형상을 가지도록 형성되며, 모재(110)의 상부 형상, 즉 모재(110)를 평면에서 봤을 때의 상부면 형상은 비철계금속 피용접재(20)를 저면에서 봤을 때의 하부면 형상과 동일한 형상을 가지도록 형성된다.
다시 말해 철계금속 피용접재(10)의 상부면 형상이 일측으로 만곡된 형상으로 제조되었다면 모재(110)의 하부면 형상도 일측으로 만곡되게 형성되며, 그리고 비철계금속 피용접재(20)의 하부면 형상이 타측으로 만곡된 형상으로 제조되었다면 코팅층(120)이 형성되는 모재(110)의 상부면 형상도 타측으로 만곡되게 형성된다.
따라서 모재(110)는 서로 접합되는 철계금속 피용접재(10)의 상부면 형상 및 비철계금속 피용접재(20)의 하부면 형상에 따라 다양하게 제공될 수 있다.
한편, 코팅층(120)은 전술한 바와 같이 비철계금속 피용접재(20)와 동종의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 코팅층(120)은 모재(110)의 상부면을 따라 형성되는데, 코팅층(120)은 비철계금속 피용접재(20)와 동종 재료 분말을 모재(110)에 상부면 상에 저온분사하여 형성된다.
다시 말해, 코팅층(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 가스 컨트롤부, 메인 가스 히터, 분말 송급 장치, 분말 가스 히터, 혼합 챔버, 온도 컨트롤부, 분사 노즐 및 가스 저장부를 포함하는 통상의 저온분사 코팅기를 통해 형성된다. 즉, 저온분사 코팅기의 작동에 의해서 분사노즐을 통해 가스와 함께 초음속으로 분사되는 비철계금속 분말은 가스의 속도에 근접한 높은 속도로 모재(110)의 상부면에 충돌하게 되고, 그 결과 비철계금속 분말은 소성변형을 일으키면서 모재(110)의 상부면 상에 코팅된다. 여기서 저온분사 코팅기의 작동관계는 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
그리고 코팅층(120)을 형성하기 위한 저온분사 공정조건은 하기의 표 1과 같다.
공정조건
비철계금속 재료 분말 입도 5~100㎛
사용가스 압축공기, 질소, 헬륨 및 아르곤 중 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 혼합가스
메인가스 온도 200~800℃
비철계금속분말 예열온도 100~800℃
분말송급양 3.7㎏/hr
메인가스압력 15~40㎏/㎠
분사노즐과 모재와의 거리 5~50㎜
분사노즐의 이동속도 10㎜/sec
그러나 코팅층(120)을 형성하기 위한 저온분사 공정조건을 상기의 표 1과 같이 한정하는 것은 아니다.
한편, 저온분사 코팅기를 통해 모재(110)에 분사되어 적층되는 비철계금속 재료 분말은 모재(110)와의 결합력을 높이기 위해서 통상의 레이저열처리, 또는 통상의 고주파열처리와 같은 후처리를 거쳐 코팅층(120)으로 형성된다.
여기서 코팅층(120)의 적층높이(h1), 및 모재(110)의 높이(h2)는 철계금속 피용접재(10), 및 비철계금속 피용접재(20)와의 용융용접 시 용접홈(under cut)이 형성될 정도의 높이를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 도 1 내지 도 2에서는 모재(110)의 상부면 상에 코팅층(120)이 형성된 것을 도시하였지만, 코팅층(120)은 모재(110)의 일측 또는 타측 중 어느 하나, 또는 모재(110)의 일측과 타측에 같이 형성될 수 있음을 누구나 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에서는 비철계금속 피용접재(20) 및 코팅층(120)을 알루미늄계 재료, 또는 마그네슘계 재료 중 어느 하나 일 수 있으며, 비철계금속 피용접재(20) 및 코팅층(120)을 알루미늄계 재료, 또는 마그네슘계 재료로 한정하는 것이 아님을 누구나 알 수 있을 것이다.
하기에는 전술한 바와 같이 형성된 접합부재(100)를 이용한 이종금속의 접합방법을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 이종금속 접합용 접합부재를 이용한 이종금속의 접합방법을 나타낸 순서도이다.
이종금속인 철계금속 피용접재(10)와, 비철계금속 피용접재(20)를 서로 접합하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이 먼저 전술한 접합부재(100)를 제조한다(단계 S10).
접합부재(100)는 우선, 철계금속 피용접재(10)와 동종 재료로 이루어진 모재(110)를 준비한 후, 모재(110)에 비철계금속 피용접재(20)와 동종 재료로 이루어진 코팅층(120)을 형성하여 제조된다.
여기서 모재(110)의 하부면 및 상부면은 전술한 바와 같이 철계금속 피용접재(10)의 상부면 및 비철계금속 피용접재(20)의 하부면 형상과 동일한 형상을 가지도록 준비한다. 그리고 코팅층(120)은 비철계금속 피용접재(20)와 동종 재료 분말을 모재(110)에 저온분사하여 형성한 후, 모재(110)와의 결합력을 높이기 위해 열처리한다. 이때 코팅층(120)은 철계금속 피용접재(20)의 상부면을 따라 형성함과 아울러 소정의 높이(h2)로 적층되도록 반복 분사하여 형성한다. 그리고 코팅층(120)의 열처리로는 통상의 레이저열처리, 또는 통상의 고주파열처리 중 어느 하나의 방법으로 열처리된다.
한편, 준비되는 모재(110)의 높이(h2), 그리고 모재(110)에 적층되어 형성되는 코팅층(120)의 높이(h1)는 후술하는 공정(단계 S30)에서 용접홈(under cut)이 형성될 정도의 높이로 준비하거나 적층한다.
전술한 바와 같이 접합부재(100)의 제조가 완료되면(S10), 접합부재(100)를 서로 접합하기 위한 철계금속 피용접재(10)와, 비철계금속 피용접재(20) 사이에 배치한다(단계 S20).
접합부재(100)의 배치 공정(S20)에서는, 모재(110)의 하부면이 철계금속 피용접재(10)의 상부면에 맞대어지도록 배치한다. 그리고 코팅층(120)의 상부면이 비철계금속 피용접재(20)의 하부면에 맞대어지도록 배치한다.
한편, 접합부재(100)가 철계금속 피용접재(10)와, 비철계금속 피용접재(20) 사이에 배치되면(S20), 철계금속 피용접재(10)와 모재(110)의 접합부위, 그리고 비철계금속 피용접재(20)와 코팅층(120)의 접합부위에 용접홈(under cut)을 형성한 후, 철계금속 피용접재(10)와 모재(110), 그리고 비철계금속 피용접재(20)와 코팅층(120)을 용융용접하여 이종금속의 접합을 완료한다(단계 S30).
누구나 알 수 있듯이 용접홈(under cut)은 단면이 대략 "∨"자 형상, 또는 "∪"자 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성한다.
그리고 용융용접은 통상의 TIG용접(tungsten inert-gas arc welding), 또는 MIG용접(metallic inert-gas arc welding) 중 어느 하나의 용접방법으로 용접한다. 여기서 철계금속 피용접재(10)와 모재(110)의 용접 및 비철계금속 피용접재(20)와 코팅층(120)의 용접은 TIG용접 및 MIG용접의 조건표에 따라 실시한다.
이와 같은 본 발명은 철계금속 재료로 이루어진 모재(110), 및 비철계금속 재료로 이루어지며 모재(110)에 일체로 형성되는 코팅층(120)을 포함하는 접합부재(100)를 제공하고, 접합부재(100)를 접합하고자 하는 철계금속 피용접재(10)와 비철계금속 피용접재(20) 사이에 제공함으로써, 동종 재료들의 용접을 유도할 수 있어 접합부위에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있게 한다.
상기와 같은 이종금속 용접용 접합부재 및 이를 이용한 이종금속의 접합방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100 : 접합부재 110 : 모재
120 : 코팅층

Claims (7)

  1. 철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어진 모재; 및
    비철계금속 피용접재와 동종 재료로 이루어지며 상기 모재에 일체로 형성되는 코팅층;을 포함하며,
    상기 철계금속 피용접재 및 상기 비철계금속 피용접재 접합 시 상기 철계금속 피용접재 및 상기 비철계금속 피용접재 사이에 배치되어 상기 모재와 상기 철계금속 피용접재, 그리고 상기 코팅층과 상기 비철계금속 피용접재가 TIG용접 또는 MIG용접 중 어느 하나의 용접방법으로 용융용접되며,
    상기 코팅층은 상기 비철계금속 피용접재와 동종 재료 분말을 상기 모재에 저온분사하여 형성되고,
    상기 코팅층은 상기 모재와의 결합력을 높이기 위해 고주파 열처리 또는 레이저열처리 중 어느 하나의 방법으로 열처리되는 것을 특징으로 하는 이종금속 접합용 접합부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재의 하부면은 상기 철계금속 피용접재의 상부면 형상과 동일한 형상을 가지며, 상기 모재의 상부면은 상기 비철계금속 피용접재의 하부면 형상과 동일한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이종금속 접합용 접합부재.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 모재의 상부면을 따라 형성되거나, 또는 상기 모재의 일측 및 타측 중 어느 하나, 또는 상기 모재의 일측 및 타측에 같이 형성되는 것을 특징으로 하는 이종금속 접합용 접합부재.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층의 높이 및 상기 모재의 높이는 상기 비철계금속 피용접재 및 상기 철계금속 피용접재와의 용융용접 시 용접홈이 형성될 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 이종금속 접합용 접합부재.
  7. 삭제
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