KR101771158B1

KR101771158B1 - 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법

Info

Publication number: KR101771158B1
Application number: KR1020170001546A
Authority: KR
Inventors: 최성규; 신재우
Original assignee: 주식회사 케이에스피
Priority date: 2017-01-04
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2017-08-25

Abstract

본 발명은 이종금속의 헤드부(2)와 라운드바(3)를 가압, 회전시켜 마찰열에 의해서 접합시킬 수 있도록 한 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제공코자 하는 것으로서, 상기 본 발명은 마찰용접장치(10)의 플라이휠(13) 회전축(14)에 니켈(Ni)기 초내열합금의 헤드부(2)를 장착하면서 회전축(14)에서 소정 간격으로 이격된 고정구(15)에 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강의 라운드바(3)를 장착하고, 마찰용접장치(10)의 회전구동모터(11)에 의해서 플라이휠(13)을 회전시켜서 회전축(14)에 장착된 헤드부(2)를 회전시키는 회전단계와, 고정구(15)를 플라이휠(13) 회전축(14)으로 이동시켜서 라운드바(3)를 헤드부(2)에 가압 접촉시켜서 헤드부(2) 후단과 라운드바(3) 선단의 마찰 접합부(4)에서 회전력과 가압력으로 마찰열을 발생시켜서 접합되게 하되, 헤드부(2)의 마찰 접합면에 가압되는 라운드바(3)와의 마찰력을 향상시키기 위해 산술평균조도(Ra) 24~36a의 거칠기를 갖는 마찰제고표면조도(5) 또는 헤드부(2)와 라운드바(3)의 중심과 직교되는 수직면에서 3~5°로 기울어진 마찰제고각도(6)를 가공한 것을 특징으로 하며, 이로 인하여 결합력과 결합효율을 극대화시키므로 해서 설비비를 줄이면서 제품 수명을 장구히 할 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

Description

고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법{Manufacturing method of exhaust valve spindle using high-efficiency friction welding}

본 발명은 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법에 대한 것으로서, 이를 보다 상세히 설명하면 니켈(Ni)기 초내열합금과 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강의 이종금속으로 이루어진 헤드부와 라운드바를 가압 및 회전으로 발생되는 마찰열에 의해서 접합시켜서 대형선박의 대형엔진용 경제형 배기밸브의 스핀들을 제작할 수 있도록 한 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 주기관인 디젤엔진의 배기밸브는 고온에서의 강도, 내식성 및 내마모성 등이 요구되어 니모닉(Nimonic) 80A로 알려진 고가의 니켈(Ni)기 초내열합금으로 성형한 일체형, 내열강으로 제조된 밸브헤드의 시트부위에 스텔라이트(Stellite) 합금을 육성 용접하여 만든 육성 용접형, 헤드부 표면에 초내열합금인 인코넬(Inconel 625)을 용사하여 제작한 표면처리형, 그리고 밸브의 헤드부와 스템부(=라운드바)를 각각 다른 재질로 만든 후 다양한 접합공정으로 접합하여 만든 조합형 등이 다양하게 이용되어 왔던 것이다.

최근 선박의 고속화 및 대형화에 따라 우수한 니모닉(Nimonic) 80A와 같은 고가의 초내열합금의 고품질 일체형 배기밸브가 주로 사용되고 있었으며, 이러한 일체형 배기밸브는 잉고트(ingot)를 자유단조(free forging)한 봉재(棒材)를 업셋(upest) 성형한 소재나, 봉재 제조과정에서 부분 성형한 소재의 헤드부를 형단조(die forging)를 실시하여 헤드부와 스템부를 일체형으로 제조하므로 대형 단조설비가 요구되고 헤드부와 스템부의 연결부위에서 급격한 단면적 감소와 스템부 길이가 길기 때문에 제조공정상의 어려운 점이 많이 발생하며, 특히 고가의 초내열합금의 손실이 발생하므로 가격이 비싼 단점을 가지고 있었던 것이다.

그러나 배기밸브의 사용조건에서 보면 헤드부는 고온의 배기가스로 인하여 약 500~700C 정도의 열영향을 받게 되나, 스템부는 열영향을 거의 받지 않는다. 따라서 재질특성상 헤드부는 고온의 산화분위기에서의 강도, 내식성 및 내마모성이 요구되고, 스템부는 상온에서의 배기밸브 개폐 슬라이딩에 대한 내마모성이 요구된다. 이와 같이 헤드부와 스템부의 사용 환경이 다른 점을 이용하여 그 특성에 적합한 재질을 선정하고 이들 이종 금속재료를 이용하여 빠르고 간편하며 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 접합기술이 발전하게 되었으며, 대표적인 기술로는 금속을 용해하지 않고 접촉면 마찰로 생기는 마찰열과 고온에서 일어나는 소성변형을 동시에 이용하는 마찰용접 방법이 널리 알려져 있다.

상기 마찰용접은 크게 브레이크 방식과 플라이휠 방식으로 나뉘며, 상기 플라이휠 방식에 의한 마찰용접의 경우, 압접에 필요한 회전관성모멘트 에너지를 발생시키고 재료간의 마찰을 통해 회전관성모멘트 에너지를 열에너지로 자연스럽게 변환시키는 동시에 압접을 통해 재료의 열전도를 최대한으로 억제함으로써, 열영향부가 좁고, 재료 특유의 성질을 유지할 수 있다. 또한 용접변수가 적어 작업공정이 단순하고, 특히 용융 접합법과 같이 용접에 사용되는 부재료(용접봉, 용가재 등)가 필요하지 않기 때문에 유해한 흄이나 불꽃이 발생되지 않아 작업 환경이 청결하며, 작업 능률이 높고, 자동화가 가능하며 일정한 품질의 유지가 가능하므로 신뢰도가 높다.

이러한 마찰용접에 의한 스핀들 제조방법으로는 대한민국 등록특허 제543295호(2006년 1월 20일자 공고)에 기재된 바와 같이 대형 선박용 기관의 배기밸브를 니켈기 초내열합금의 헤드부와 니켈크롬 내열강의 스템부로 구성되는 이종금속재를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동을 시켜 회전관성모멘트 에너지를 이용하여 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 플라이휠방식 마찰용접에 의한 배기밸브 스핀들의 제조방법이 공지되어 있었다.

이와 함께 대한민국 등록특허 제1238126호(2013년 2월 27일자 공고)에 기재된 바와 같이 스템부 상단에 이종을 재질을 갖는 팁을 접합한 후 팁을 포함하는 스템부 상단을 예비 성형과 함께 헤드부를 성형하는 열간 단조에 의해서 팁을 갖는 헤드부와 스템부로 이루어진 배기밸브 스핀들의 제조방법이 공지되어 왔던 것이다.

그러나 이러한 공지된 마찰용접에 의한 대형엔진용 배기밸브 스핀들의 제조방법들은 여러 가지 장점에도 불구하고 종래의 마찰용접 장비의 사양 부족으로 인하여 자동차 및 선박용 밸브 등과 같이 직경 40㎜ 이하 소형 부품의 접합에만 한정되어 왔으며, 상기 등록특허 제543295호에서는 70mm 이상이 되는 대형의 니켈기 초내열합금과 니켈크롬 내열강의 접합에 적용이 가능하다고 하였으나, 실제로는 접합부의 용융정도가 적어서 접합이 강하게 이루어지지 않았으며, 이에 의하면 70mm 이상의 이종금속재료로 된 헤드부와 스템부를 마찰용접으로 부착시키더라도 제조 후 사용 시 접합부가 쉽게 파손되는 문제점을 가지고 있었으며, 따라서 대형엔진용 배기밸브의 스핀들에 적용하더라도 쉽게 파손이 되지 않도록 내구성이 높은 스핀들을 제조할 수 있도록 한 기술의 개발이 시급히 요구되고 있었던 것이다.

KR 10-0543295 B1 2006. 1. 20. KR 10-1238126 B1 2013. 2. 27.

본 발명에서는 상기한 종래 기술의 제반 문제점들을 해결코자 새로운 기술을 창안한 것으로서, 본 발명은 고효율 마찰용접의 특성을 최대한 활용하여 종래 마찰용접 시 마찰면의 용융정도를 높이면서 결합력을 향상시키기 위해서 회전수와 가압력을 높이고자 과도한 장치를 구비해야 하거나, 과도한 회전수와 부하에 의해서 장치에 상당한 무리가 가서 장치의 수명이 대폭 줄어드는 것을 최소화할 수 있도록 대형엔진용 배기밸브 스핀들의 헤드부와 라운드바 사이의 마찰부에 다양한 구조적 특징을 가미시켜서 스핀들의 제조 시 최소화된 장치에 의해서 용융정도와 결합력을 향상시키도록 하며, 최소화된 장치에 의해서도 헤드부와 라운드바의 마찰 접합면의 결합력을 극대화시키도록 한 것을 목적으로 한다.

더불어 상기와 같이 최소화된 장치에 의해서 결합력을 최대화시켜서 접합면의 직경이 65mm 이상이 되더라도 이종의 금속으로 각각 이루어진 헤드부와 라운드바의 결합력이 월등하게 접합되어 제조 후 사용 시 결합 부위의 파손을 최소화시켜서 대형엔진의 배기밸브 스핀들에도 적용할 수 있도록 한 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제공코자 함에 발명에서 해결하고자 하는 과제를 두고 완성한 것이다.

이와 더불어서 별도로 기술하지는 않았으나, 본 발명 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법을 상세하게 기술한 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 청구범위 및 도면 등을 감안하여 유추할 수 있는 범위 내의 또 다른 목적들도 본 발명의 전체 해결과제에 포함되는 것이다.

상기한 발명의 과제를 해결하기 위한 구체적인 수단으로 본 발명에서는 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법에 있어서, 상기 본 발명의 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법은 마찰용접장치의 플라이휠 회전축에 니켈(Ni)기 초내열합금의 헤드부를 장착하면서 회전축에서 소정 간격으로 이격된 고정구에 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강의 라운드바를 장착하는 소재장착단계와, 마찰용접장치의 회전구동모터에 의해서 플라이휠을 회전시켜서 회전축에 장착된 헤드부를 회전시키는 회전단계와, 고정구를 플라이휠 회전축으로 이동시켜서 라운드바를 헤드부에 가압 접촉시키는 가압이송단계를 거치도록 해서 헤드부 후단과 라운드바 선단의 마찰 접합부에서 회전력과 가압력으로 마찰열을 발생시켜서 접합되게 이루어지며, 상기 회전되는 헤드부의 마찰 접합면에 가압되는 라운드바와의 마찰력을 향상시키기 위해 산술평균조도(Ra) 24~36a의 거칠기를 갖는 마찰제고(摩擦提高)표면조도 또는 헤드부와 라운드바의 중심과 직교되는 수직면에서 3~5°로 기울어진 마찰제고(摩擦提高)각도를 가공하며, 이와 함께 헤드부가 장착된 회전축의 플라이휠 마찰용접회전력을 S₁= 30590 × (1/D)으로 구하도록 한 것을 특징으로 한다.

이와 더불어서 상기 회전되는 헤드부의 마찰 접합면에 회전력 및 가압력에 의해서 헤드부와 라운드바가 마찰될 시 마찰열에 의해서 용융된 금속용융물이 헤드부와 라운드바 사이의 마찰 접합부 내에 잔존하도록 마찰제고표면조도보다 깊게 패인 용융물유입홈을 가공한 것을 특징으로 한다.

상술한 과제 해결을 위한 구체적인 수단에 의하면, 본 발명의 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법은 마찰용접에 의해서 접합되는 배기밸브 스핀들의 헤드부와 라운드바 사이의 마찰 접합부에 일정한 경사각도나 표면조도를 주어헤드부와 라운드바의 마찰력 상승으로 보다 신속하고 높은 마찰열을 일으키면서 용융정도를 높여 결합력을 향상시킬 수 있으며, 이와 함께 헤드부 또는 라운바의 마찰 접합부에 방사상으로 용융물유입홈을 형성하는 등의 다양한 구조적인 특징을 더하도록 가공해서 용융물유입홈으로 용융물을 내입시켜 결합력을 더 배가시킬 수 있어서 결합효율을 극대화시킬 수 있다.

상기와 같이 배기밸브 스핀들의 헤드부와 라운드바의 마찰용접을 위해 회전시키고 고정시키며 가압해주는 용접장치를 대형화시키거나 고속화시키는 별다른 변화 없이 헤드부와 라운드바의 마찰 접합부에 다양한 구조적 특징만을 주어 용융정도와 결합력을 높여 결합효율을 향상시킬 수 있음으로써, 장치에 상당한 무리가 가지 않아도 헤드부와 라운드바의 결합이 신속하고 견고히 이루어지도록 하여 최소화된 마찰용접장치에 의해서 최대의 결합효율을 월등히 향상시킬 수 있으므로 이로 인하여 설비비를 현저히 줄일 수 있으며, 스핀들 헤드부와 라운드바의 마찰 접합면의 결합력을 극대화시켜서 제품 수명을 장구히 할 수 있다.

또한 마찰용접장치를 대형화하거나 가속화하지 않아도 헤드부와 라운드바의 결합력을 극대화시킬 수 있어서 헤드부와 라운드바의 접합면 직경이 65mm 이상이 되는 대형엔진의 배기밸브 스핀들의 제조 시에도 이종의 금속으로 각각 이루어진 헤드부와 라운드바가 월등하게 접합이 이루어지므로 제조 후에 대형엔진에 사용 시 결합 부위의 파손을 최소화시켜서 내구성 향상으로 스핀들이 사용되는 대형엔진의 수명까지도 연장시킬 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 고효율 마찰용접에 의해서 접합되는 스핀들의 헤드부와 라운드바의 결합 전 상태를 보인 정면도
도 2는 본 발명의 제조방법에 의해서 헤드부와 라운드바를 결합하는 상태를 보인 예시도
도 3은 본 발명에서 헤드부와 라운드바의 마찰 접합부의 일례를 보인 입체도
도 4는 본 발명에서 헤드부와 라운드바의 마찰 접합부의 다른 실례를 보인 입체도(십자형-네방향)
도 5는 본 발명 중 용융물유입홈의 다양한 형태를 보인 예시도(가-일자형,나-세방향,다-여섯방향 좁게,라-여덟방향 더좁게)

본 발명은 니켈(Ni)기 초내열합금의 헤드부(2)와 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강의 라운드바(3)로 분할된 이종금속의 접하는 부분을 서로 접촉되게 가압하면서 회전시켜 마찰열에 의해서 접합시켜서 대형선박의 대형엔진용 경제형 배기밸브의 스핀들(1)을 제작할 수 있도록 한 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법을 제공코자 하는 것으로서, 이를 하기에서 도면들과 함께 보다 구체적으로 설명토록 하며, 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 사용되는 용어들 역시 실시 예를 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐 해당 용어에 국한되어 해석해서는 아니 된다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 대형의 엔진에 사용되는 배기밸브의 스핀들(1)을 이루는 헤드부(2)와 스템부인 라운드바(3)를 가압 및 회전의 마찰용접에 의해서 제조하기 위한 제조방법에 관한 것으로서, 상기 헤드부(2)는 니켈(Ni)기 초내열합금으로 이루어지고 상기 스템부가 되는 라운드바(3)는 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강으로 이루어져 서로 다른 이종(異種)의 금속으로 되어 있으므로 대형엔진에 사용되는 대형의 스핀들(1)을 제작할 시 고효율의 마찰용접방법이 제공되어야 하는 것이다.

이에 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 헤드부(2)와 라운드바(3)를 마찰용접장치(10)에 의해서 마찰용접으로 접합시키되, 우선 상기 마찰용접장치(10)는 일측으로 회전구동모터(11)의 구동축에 클러치(12)로 회전 연동되게 설치된 플라이휠(13)과 플라이휠(13)에 결합되어 플라이휠(13)의 회전 시 함께 회전되면서 헤드부(2)가 장착되는 회전축(14)이 설치되며, 타측으로 스템부가 되는 라운드바(3)가 장착되는 고정구(15)와 고정구(15)에 장착된 라운드바(3)를 후방에서 플라이휠(13) 및 회전축(14) 방향을 향해서 가압해서 밀어주게 구성된 가압실린더(16)가 설치되는 것으로서, 이러한 마찰용접장치(10)에 의해서 헤드부(2)와 라운드바(3)를 가압, 회전시켜서 마찰용접에 의해서 접합시켜 스핀들(1)을 제조하는바 하기에 이의 제조방법을 보다 상세히 설명토록 한다.

먼저 마찰용접장치(10)의 플라이휠(13) 회전축(14)에 니켈(Ni)기 초내열합금으로 이루어진 헤드부(2)를 장착하고, 이와 함께 회전축(14)에서 소정 간격으로 이격되게 설치된 고정구(15)에 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강으로 이루어진 라운드바(3)를 장착하는 소재장착단계를 거친 다음, 상기 마찰용접장치(10)의 회전구동모터(11)를 가동시켜서 회전구동모터(11)에 클러치(12)로 회전 연동되게 설치된 플라이휠(13)을 회전시켜서 플라이휠(13)에 결합된 회전축(14)을 회전시켜서 회전축(14)에 장착된 헤드부(2)를 강제로 회전시키는 회전단계를 거치면서, 라운드바(3)의 후방을 가압실린더(16)로 가압하여 라운드바(3)가 장착된 고정구(15)를 플라이휠(13)과 이에 장착된 회전축(14)쪽으로 밀어서 라운드바(3)의 선단을 헤드부(2)의 후단에 가압 접촉시키는 가압이송단계를 거치도록 함으로써, 상기 플라이휠(13) 회전축(14)에 장착된 헤드부(2)의 후단과 고정구(15)에 장착된 라운드바(3)의 선단이 서로 접하는 마찰 접합부(4)에서 회전구동모터(11)의 회전력과 가압실린더(16)의 가압력에 의해서 마찰열을 발생시켜서 이종금속으로 이루어진 헤드부(2)와 스템부가 되는 라운드바(3)를 접합하여 배기밸브 스핀들(1)을 제조토록 한다.

본 발명에서는 상기와 같이 마찰용접장치(10)에 의해서 이종의 금속으로 이루어진 헤드부(2)와 라운드바(3)를 마찰용접으로 접합시킬 때, 회전되는 헤드부(2)의 마찰 접합면에 마찰력을 향상시켜서 보다 높은 마찰열을 신속하게 일으킬 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이 마찰력(摩擦力)을 제고(提高)시키는 마찰제고표면조도(5)를 가공하되, 상기 헤드부(2)의 마찰 접합면에 가공되는 마찰제고표면조도(5)는 산술평균조도(Ra) 24~36a의 거칠기를 가지도록 가공하여 고효율의 마찰용접이 이루어지도록 한다.

상기 마찰제고표면조도(5)의 산술평균조도(Ra)를 24a의 거칠기 이하로 가공하면 표면이 너무 조밀해서 마찰력을 향상시키고자 하는 목적에 반하게 되며, 36a의 거칠기 이상으로 가공하면 표면이 너무 거칠어서 과도한 마찰력에 의해서 마찰용접장치(10)에 부하가 많이 발생하게 되는 것이다.

이와 함께 본 발명에서는 도 3에서처럼 회전되는 헤드부(2)의 마찰 접합면에 헤드부(2)와 가압되는 라운드바(3)와의 마찰력(摩擦力)을 제고(提高)시키는 마찰제고각도(6)를 가공하되, 상기 헤드부(2)와 라운드바(3)의 중심과 직교되는 수직면에서 3~5°로 기울어지도록 가공하여 이 역시 고효율의 마찰용접이 이루어진다.

이때 상기 헤드부(2)가 장착된 회전축(14)의 플라이휠(13) 마찰용접회전력은 실험치에 의해서 나온 S₁= 30590 × (1/D)으로 구하되, 여기서 S₁은 마찰용적회전력으로 단위는 rpm이며, D는 접합부의 직경으로 단위는 mm이다.

그리고 상기 마찰용접장치(10)의 플라이휠(13) 회전축(14)에 장착되어 회전되는 헤드부(2)의 라운드바(3)와 접촉되는 마찰 접합면에는 도 4에 도시된 바와 같이 회전력 및 가압력에 의해서 헤드부(2)와 라운드바(3)가 마찰될 시 마찰열에 의해서 용융된 금속용융물이 헤드부(2)와 라운드바(3) 사이의 마찰 접합부(4) 내에 잔존할 수 있도록 용융물유입홈(7)을 가공한다.

상기 용융물유입홈(7)은 마찰제고표면조도(5)와 동일, 유사한 깊이로 가공할 수도 있고, 도면에서와 같이 마찰제고표면조도(5)보다 깊게 패이도록 가공할 수도 있으며, 특히 도 4에서와 같이 상기 헤드부(2)의 마찰 접합면에 형성된 용융물유입홈(7)은 회전중심에서 방사상으로 가공하면서 회전 시 마찰열이 상대적으로 높은 가장자리에서 마찰열이 상대적으로 낮은 회전중심으로 점점 깊어지도록 경사지게 가공할 수도 있으며, 이는 회전중심에서 가장자리로 점점 멀어지면 1회전당 마찰면적이 많아지기 때문으로 회전모멘트에 의해서 중심보다 가장자리쪽으로 점점 마찰열이 많이 발생되기에 상대적으로 마찰열이 적어서 표면용융물이 적은 중심부로 가장자리쪽에서 다량으로 발생된 표면용융물이 유도하여 헤드부(2)의 마찰 접합면과 라운드바(3)의 마찰 접합면이 견고히 접합되도록 하기 위한 것이다.

상기 용융물유입홈(7)은 도 4에서와 같이 헤드부(2)의 마찰 접합면에 방사상으로 네 방향의 열십자형태로 가공하거나, 도 5에 도시된 바와 같이 도 5의 (가)에서처럼 방사상으로 두 방향의 일자형태, 도 5의 (나)에서처럼 방사상으로 세 방향의 시옷자형태, 도 5의 (다)에서처럼 방사상으로 여섯 방향 및 도 5의 (라)에서처럼 방사상으로 여덟 방향으로 가공하되, 방사상으로 가공하는 방향의 개수가 많아지면 적은 방향의 개수 때보다 용융물유입홈(7)의 너비를 좁게 가공하며, 필요에 따라서는 상기 용융물유입홈(7)을 도시된 바와 같이 방사상으로 가공하지 않고, 수평적 또는 수직적으로 수개 정렬 및 배치되거나 일정한 규칙 없이 임의의 형태를 가지도록 가공할 수도 있다.

상기와 같은 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들(1)의 제조방법은 S₁= 30590 × (1/D)와 같이 정의된 마찰용접회전력(S₁)을 구하는 식을 통해 접합부 직경(D)이 115㎜ 인 경우에는 다음과 같이 구할 수 있다.

S₁= 30590 × (1/115) = 266(rpm)

이렇게 마찰용접회전력(S₁) 산출식을 이용하여 마찰용접 접합부의 직경(D)에 따른 일정한 회전관성에너지를 얻기 위해 마찰용접회전력을 산출하여 나타내면 표 1과 같다.

접합부의 직경(mm)	65	70	80	85	90	95	100	105	115
마찰용접회전력(rpm)	470	437	382	359	339	322	305	291	266

한편 상기 고정구(15)에 고정되어 있는 스템부가 되는 라운드바(3)를 가압실린더(16)의 유압에 의해 급속 전진시켜 회전축(14)에 장착된 헤드부(2)와 접촉시켜 라운드바(3)와 헤드부(2)의 마찰 접합부(4)에 일정한 압력(1030kgf/㎟)이 가해지도록 마찰용접압력을 가하여 마찰을 발생시키도록 하며, 즉 모재 접합부의 면적에 따라 산출되는 마찰용접압력을 마찰용접시간동안 헤드부(2)와 라운드바(3)의 마찰 접합부(4)에 가한다.

상기 마찰용접압력을 산출하는 식은 P₁ = {(P_1i × A)/H} × θ이며, 여기서 P₁은 마찰용접압력(psi)이고, P_1i은 접합부 단위면적당 압력(kgf/㎟)이며, H는 플라이휠(13) 마찰용접장비의 유압실린더 단면적(㎟)이며, θ는 1422.2(단위환산상수, kgf/㎟ →psi)이며, A는 마찰 접합부(4)의 단면적(㎟)이다.

이때 헤드부(2)와 라운드바(3)에 마찰용접압력(P₁)이 가해지는 마찰용접시간은 라운드바(3)와 헤드부(2)의 마찰 접합부(4)의 직경(D), 즉 이종 금속재료의 마찰 접합부(4)의 직경에 따라 식에 의해 산출되거나, 반복시험에 의해 얻어진 마찰용접시간 동안 압력을 가한다.

상기 마찰용접시간을 산출하는 식은 T₁ = θ × G와 G = EXP(θ × D)이며, 여기서 T₁은 마찰용접시간(sec)이고, α는 마찰용접시간 상수이며, β는 마찰용접등급 상수이며, D는 접합부의 직경(㎜)이며, G는 마찰용접시간 등급이다.

상기 마찰용접시간(T₁)은 스템부가 되는 라운드바(3)와 헤드부(2)의 마찰 접합부(4) 직경(D)에 따라 EXP함수로 동일한 경향을 보이게 되므로 마찰용접시간이 같으면 같은 등급으로 분류하고 이를 편의상 '마찰용접시간 등급'이라 정하여 G로 표기하며, 또한 α,β는 각 직경별로 최적의 마찰용접시간을 구하는데 필요한 공통 상수로서 반복시험 결과로부터 얻어진 것이다.

예를 들어 접합부 직경(D)이 115㎜인 경우에 마찰용접시간(T₁)은

G = EXP(0.03 × 115) = 32

T1 = 3 × 32 = 96(sec)

하기의 표 2는 접합부 직경별 시험에 의해 얻어진 마찰용접시간(T₁)을 정리한 것이다.

접합부의 직경(mm)	65	70	80	85	90	95	100	105	115
등급(G)	7	8	11	13	15	17	20	23	32
마찰용접시간T₁(sec)	21	24	33	39	45	51	60	69	96

이와 같은 본 발명의 각 공정별에서 제시한 적정 제조조건으로 플라이휠(13) 마찰용접을 실시할 경우에 접합부가 양호한 단면을 형성하며, 하기의 표 3에서 보는 바와 같은 시험 결과를 얻을 수 있다.

항목		시험결과		규격
비파괴시험	Penetration	접합부 표면결함 없음		균열이 없을 것
	초음파 탐상시험	경계면 결함 없음		경계면 결함이 없을 것
파괴시헙	파단시험	접합률 100%		접합률 98% 이상
	인장시험	인장강도 700Mpa이상 SNCrW파단(경계면 파단 불허)		인장강도 700Mpa이상 SNCrW파단(경계면 파단 불허)
	경도시험	Nimonic80A	SNCrW	Nimonic80A	SNCrW
		>HV350	>HV220	>HV350	HV 190~240
	미세조직	경계면 결함 없음		경계면 결함이 없을 것
	피로시험	340Mpa		280Mpa 이상

이와 같은 본 발명은 마찰용접에서 플라이휠(13) 회전축(14)을 회전시키는 마찰용접압력과 고정구(15)를 가압하여 회전축(14)에 장착된 헤드부(2)와 고정구(15)에 장착된 라운드바(3)를 가압하여 압접되는 단조압접압력의 허용오차가 ±10%이고, 각 단계별로 주어지는 가입시간의 허용오차가 ±10%인 플라이휠(13) 마찰용접을 이용한 직경 65㎜ 이상의 대구경 니켈(Ni)기 초내열합금의 헤드부(2)와 니켈크롬(Ni-Cr) 내열강의 라운드바(3)의 접합이 가능하므로 대형엔진에 사용되는 대형의 배기밸브 스핀들(1)을 제조할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이며, 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정해지는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.

1:스핀들 2:헤드부 3:라운드바 4:마찰 접합부 5:마찰제고표면조도 6:마찰제고각도 7:용융물유입홈
10:마찰용접장치 11:회전구동모터 12:클러치 13:플라이휠 14:회전축 15:고정구 16:가압실린더

Claims

마찰용접장치(10)의 플라이휠(13) 회전축(14)에 니켈기 초내열합금의 헤드부(2)를 장착하면서 회전축(14)에서 소정 간격으로 이격된 고정구(15)에 니켈크롬 내열강의 라운드바(3)를 장착하는 소재장착단계와, 마찰용접장치(10)의 회전구동모터(11)에 의해서 플라이휠(13)을 회전시켜서 회전축(14)에 장착된 헤드부(2)를 회전시키는 회전단계와, 고정구(15)를 플라이휠(13) 회전축(14)으로 이동시켜서 라운드바(3)를 헤드부(2)에 가압 접촉시키는 가압이송단계를 거치도록 해서 헤드부(2) 후단과 라운드바(3) 선단의 마찰 접합부(4)에서 회전력과 가압력으로 마찰열을 발생시켜서 접합되게 이루어진 배기밸브 스핀들(1)의 제조방법에 있어서;
회전되는 헤드부(2)의 마찰 접합면에 가압되는 라운드바(3)와의 마찰력을 향상시키기 위해 산술평균조도(Ra) 24~36a의 거칠기를 갖는 마찰제고표면조도(5)를 가공하며,
회전되는 헤드부(2)의 마찰 접합면에 가압되는 라운드바(3)와의 마찰력을 향상시키기 위해 헤드부(2)와 라운드바(3)의 중심과 직교되는 수직면에서 3~5°로 기울어진 마찰제고각도(6)를 가공한 것을 특징으로 하는 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서;
헤드부(2)가 장착된 회전축(14)의 플라이휠(13) 마찰용접회전력을,
S₁= 30590 × (1/D)으로 구하되,
여기서 S₁은 마찰용적회전력으로 단위는 rpm이며, D는 접합부의 직경으로 단위는 mm임을 특징으로 하는 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법.
청구항 1에 있어서;
회전되는 헤드부(2)의 마찰 접합면에 회전력 및 가압력에 의해서 헤드부(2)와 라운드바(3)가 마찰될 시 마찰열에 의해서 용융된 금속용융물이 헤드부(2)와 라운드바(3) 사이의 마찰 접합부(4) 내에 잔존하도록 마찰제고표면조도(5)보다 깊게 패인 용융물유입홈(7)을 가공한 것을 특징으로 하는 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법.
청구항 4에 있어서;
헤드부(2)의 마찰 접합면에 형성된 용융물유입홈(7)을 회전중심에서 방사상으로 가공하면서 회전 시 마찰열이 상대적으로 높은 가장자리에서 마찰열이 상대적으로 낮은 회전중심으로 점점 깊어지도록 경사지게 가공한 것을 특징으로 하는 고효율 마찰용접을 이용한 배기밸브 스핀들의 제조방법.