KR19980025021A - 탱크와 그 조립 방법 - Google Patents

Abstract

선단 돔이 구비되고 이 돔들이 마찰 압접에 의해 부착된 원통형 탱크의 제작에 있어서, 왜건 휠이 탱크 내부의 탱크 실린더와 돔의 계면에 위치되어 마찰 압접 공구에 의해 가해지는 압력에 대한 지지체로 제공되며 마찰 압접 공정에 의해 탱크 속에 용접됨으로써 용접 지역과 탱크를 강화한다.

Description

탱크와 그 조립 방법

본 발명은 탱크의 용접에 관한 것이다. 특히 마찰 압접(friction stir welding; FSW) 기술을 사용한 알루미늄 합금 여압 탱크의 조립에 관한 것이다.

용접 기술은 널리 공지되었다. 예를 들어, 확산 용접과 같은 고체 상태 용접 공정은 특정 금속야금학적 분야에 있어서의 특수한 공정으로 사용되어 왔다. 마찰 용접은 기계적으로 유발된 마찰 운동에 의해 2개의 표면 사이에 발생하는 열을 사용하여 합착하는 고체 상태 용접 공정이다. 마찰 용접에는 몇 가지의 근본적인 한계가 있는데, 그 중에서도 고른 마찰과 열을 발생시키는 데 매우 중요한, 특히 직경이 큰 경우에 더욱 중요한 작업 소재의 준비 및 정렬을 들 수 있다. 따라서, 과거와 현재 이용되고 있는 용접 기술 공정의 형태가 다양함에도 불구하고, 고강성 알루미늄 합금의 접합과 관련된 기술상의 문제점이 차량 구조물에 알루미늄을 보다 광범위하게 사용하지 못하고 알루미늄 항공 구조물에서 비용 및 무게 절감의 추가적인 개선을 이루지 못하는 주된 제한점으로 인식되고 있다.

마찰 압접으로 일컬어지는 새로운 공정은 알루미늄 합금을 접합하는 독특하고 혁신적인 방법을 제공하는 바, 특히 저가의 고성능 알루미늄 구조를 용접하는 새로운 방법을 제공한다. 기본적으로, 마찰 압접은 알루미늄 합금(그리고 구리 합금)을 가소화시킨 후에 접합선 부분에서 재료를 결합시킴으로써 접합한다. 이와 같은 작업은 접합 초기에 비소모성 핀을 침투시켜 수행된다. 강철과 같은 비소모성 재료의 핀은 탱크 소재보다 단단하며, 마찰열에 의해 알루미늄을 연화시키고 가소화시킨다. 그런 다음 핀을 회전하여 용접 방향으로 이동시킨다. 핀을 회전시키면, 마찰열이 핀 둘레의 알루미늄 합금의 원형 지역을 가열한다. 핀이 용접 방향으로 이동함에 따라, 핀의 인도면에 의해 제공되는 압력은 고온의 가소화된 재료를 핀의 후부 쪽으로 이동시키는데, 이는 움직이는 핀에 의해 남겨지는 빈 공간을 메운다. 용융 과정은 일어나지 않으며, 차단된 산화물 또는 기체 간극 없이 용접물은 미세 분쇄된 고온 상태로 잔류한다.

마찰 압접 기술은 미국 특허 제5,460,317호에 기술되었는데, 이는 본 명세서에 참고로 기술한다.

마찰 압접의 많은 장점으로 인하여, 마찰 압접은 알루미늄 탱크, 특히 우주 발사 시스템의 극저온 산소 보관에 사용되는 것과 같은 크기가 큰 알루미늄 합금 여압 탱크의 조립에 적합한 공정으로 생각되어진다. 마찰 압접에는 큰 압력이 수반되므로, 이러한 탱크 구조에서의 최종 용접은 특히 탱크 내부로의 접근이 제한되었을 때, 어떻게 탱크 내부에 지지체를 적절하게 제공하는가 하는 문제가 제시된다.

따라서 본 발명은 탱크 몸체의 벽을 지탱하도록 특히 알루미늄 원통형 탱크 몸체 내에 지지 구조 부재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 추가적인 목적은 용접 이음부에서 강한 지지체로 작용하는 지지 구조 부재를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 지지 구조 부재가 최종 탱크의 하중 수용 압력 용기의 일부로도 작용하도록 하여 지지 구조가 완성된 탱크로부터 해체되어 제거될 필요가 없게 하는 데 있다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 지지 구조 부재가 탱크 내의 압력 가스의 압력 하에서 탱크의 외부 팽창을 견디도록 하는 데 있다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 최종 탱크 내의 무게 감소 뿐 아니라 탱크 조립에 있어서의 비용 절감이 최적이 되도록 설계된 지지 구조를 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명에 따라 건조된 탱크의 분해 사시도.

도2는 조립된 탱크의 절결 사시도.

도3은 외주 용착부와 지지판을 통한 축단면도.

도4는 용착부(18)를 통한 수직 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

4, 12 : 돔

6 : 탱크 몸체

8 : 몸체 선단

10 : 지지판

16, 18 : 외주 용착부

20 : 마찰 압접기

22 : 회전 공구 주축

24 : 마찰 핀

본 발명은 알루미늄 탱크 조립에 있어서 이음부의 최종 마찰 압접 중의 지지 문제에 대한 일반적인 해결책을 제공한다. 마찰 압접 공정 중에 지지체로 사용될 뿐 아니라 최종 생산품의 탱크 압력 용기의 일부로도 사용되어, 지지 구조물을 해체하여 최종 탱크로부터 제거할 필요가 없는 알루미늄 내부 구조물이 사용된다. 바람직한 실시예에 있어서, 왜건 휠(wagon wheel) 형태가 내부 일체 수단과 탱크 지지체로 사용된다. 바람직하기로 왜건 휠은 탱크 외피와 동일한 알루미늄 합금으로 제조된다. 따라서, 원통형 탱크 몸체 상에 반구체 돔 탱크의 선단을 조립하기 위해 최종 외주 용접하는 경우에, 왜건 휠의 테두리는 바람직하기로 탱크 돔과 탱크 실린더 사이의 맞댐이음부 상에 중첩되어 지탱한다. 왜건 휠을 일부 조립된 탱크 내에 고정시키기 전에 왜건 휠은 극저온 냉각에 의해 수축-조립되어 빈틈없이 조립된다. 그리고 나서 마찰 압접에 의해 접합되어 3부재, 즉 돔과, 실린더 및, 왜건 휠이 3부분 이음으로 동시에 용접된다. 마찰 압접 공정 중에, 왜건 휠은 실린더 외주 맞댐이음부에 대한 돔의 단단한 지지체의 역할을 한다. 완성된 탱크에 있어서, 왜건 휠은 3부분 용접을 통하여 탱크 내의 압력 가스의 압력 하에서 탱크가 외부로 팽창하는 것을 억제하는 하중 수용 압력 용기의 일부로 작용한다.

본 발명은 대체로 원통 형상이면서, 그 내부에 존재하는 압력 가스의 압력 하에서의 외부 팽창을 견딜 수 있는 용접 탱크 용기를 제공한다. 이러한 용기의 디자인과 구조 및 특징과, 이를 제조하는 방법은 본 발명의 구체적 실시예를 도시한 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 잘 이해될 것이다.

이제 도면의 도1과 도2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 탱크(2)가 도시되었다. 제거 가능한 지지 수단 또는 일체형 지지판을 필요로 하는 탱크 돔(4)은 외주 용접(16)에 의해 탱크 몸체(6)와 적절히 접합된다. 다른 실시예에 있어서, 탱크 몸체(6)는 탱크 돔(4)이 탱크 몸체의 일부인 단일 구조로 형성될 수 있는데, 특히 탱크의 크기가 비교적 작은 경우에 더욱 그러하다. 이와는 달리, 탱크 용기 조립의 최종 단계에 탱크 돔 폐쇄부(4)를 탱크 몸체(6)와 접합할 수 있다.

바람직한 특징에 있어서, 탱크(2)의 몸체 선단(8)은 지지판(10) 및 돔 헤드(12)와 함께 3부분 외주 용접(18)에 의해 함께 접합된다. 일 예로, 반구체 돔 탱크(12)를 탱크 몸체(6)의 원통형 선단(8)에 접합하는 데 사용되는 최종 외주 용접(18)에서, 지지판(10)이 내부 일체형 수단과 탱크 지지체로 작용하는 왜건 휠 형태로 형성될 수 있다. 바람직하기로 왜건 휠(10)은 탱크(6)와 동일한 알루미늄 합금으로 제조된다. 알루미늄 왜건 휠(10)의 테두리는 바람직하기로 탱크 돔(12)과 탱크 실린더의 선단(8) 사이의 맞댐이음부에 중첩되어 지탱한다. 왜건 휠(10)은 일부 조립된 탱크의 내부에 고정되기 전에 극저온 냉각에 의한 수축 조립에 의해 단단히 끼워진다. 그리고 나서 3개의 부재, 즉 돔(12)과, 원통형 몸체의 선단(8) 및, 지지판 또는 왜건 휠(10)은 마찰 압접기(20)에 의해 3부재 접합으로 동시에 용접되도록 마찰 압접에 의해 용접(18)된다. 마찰 압접 공정 중에 가해지는 압력으로 인해, 왜건 휠(10)은 실린더의 외주 맞댐이음부에 대한 돔의 단단한 지지체 역할을 한다. 완성된 탱크에 있어서, 왜건 휠은 3부분 용접을 따라 탱크 내에 압력 가스의 압력 하에서 탱크의 외부 팽창을 견뎌 내는 하중 수용 압력 용기의 일부분으로 작용한다. 그러므로 왜건 휠은 탱크의 제조 비용 절감 뿐 아니라, 최종 탱크 내의 무게 감소를 최적화 하도록 디자인된다.

유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타내는 도면의 도3과 도4를 참조하면, 마찰 핀(24)과 이어진 회전 공구 주축(22)이 도시되어 있는데, 여기서 방향(26)은 주축과 핀의 회전 방향을 나타낸다. 한편 방향(28)은 용접 진행 방향을 나타낸다. 도3과 도4에 도시된 바와 같이, 3부분 외주 용접(18)은 마찰 압접기(20)의 작용에 의해 달성된다.

지지 구조 부재(10)의 주된 기능은 마찰 압접 작업 중에 지지판 또는 지지 수단의 역할이다. 또한 임의의 응용 장치에서 압력 용기 구조물의 일부로서의 다른 기능은 조립된 탱크로부터 육중한 수단을 제거할 필요성을 제거한다. 이는 무게 제한이 중요한 우주 발사 시스템의 극저온 산소 보관에 사용되는 여압 탱크의 경우에, 그리고 탱크 내부로의 접근이 제한된 경우에 특히 중요할 수 있다. 일단 탱크가 조립되면, 응용 장치에 따라 차이가 있겠으나, 우주 발사 시스템과 같은 경우에는 바로 밀봉되는 포트(도시되지 않음)를 통해 산소가 탱크의 내부로 공급된다.

본 발명의 정신을 벗어나지 않으면서 본 발명 따라 제조된 탱크의 디자인과 조작에 다양한 변형이 가해질 수 있음은 물론이다. 이에, 구체적으로 도시되고 설명된 바로서가 아닌, 첨부된 특허 청구의 범위의 범주로 본 발명이 실시되는 것으로 이해되어야 할 것이다.

따라서 본 발명에 따르면, 탱크 몸체의 벽을 지탱하도록 특히 알루미늄 원통형 탱크 몸체 내에 지지 구조 부재가 제공되어 용접 이음부에서 강한 지지체로 작용하고, 지지 구조 부재가 최종 탱크의 하중 수용 압력 용기의 일부로도 작용하도록 하여 지지 구조가 완성된 탱크로부터 해체되어 제거될 필요가 없으며, 지지 구조 부재가 탱크 내의 압력 가스의 압력 하에서 탱크의 외부 팽창을 견디고, 지지 구조는 최종 탱크 내의 무게 감소 뿐 아니라 탱크 조립에 있어서의 비용 절감이 최적이 되도록 설계된다.

Claims (12)

1. 내부에 존재하는 압력 가스의 압력 하에서 외부 팽창을 견뎌 낼 수 있으며, 내부에 탱크 몸체의 벽을 지지하기 위한 지지 구조 부재가 구비된 긴 원통형 탱크를 포함하고, 돔형 탱크 단부 부재는 탱크 몸체 및 지지 구조 부재와 접촉하고, 상기 탱크는 원통형 탱크 몸체와 함께 원통형 맞댐이음부를 형성하며, 지지 구조 부재의 테두리는 탱크 돔과 탱크의 원통 몸체 사이의 맞댐이음부에 중첩되어 지지하며, 모든 3개의 부재가 3부분 용접으로 함께 동시에 용접되어 지지 구조 부재가 돔이 부착된 실린더 외주 맞댐이음부의 단단한 지지체 역할을 함과 더불어 최종 탱크의 하중 수용 압력 용기의 일부분으로 작용하여, 이로써 탱크 내의 압력 가스의 압력 하에서의 외부 팽창을 견뎌 내는 것을 특징으로 하는 원통형 몸체와 적어도 하나의 돔형 탱크 단부 부재를 갖는 소정 길이의 탱크 용기.
2. 제1항에 있어서, 돔과 원통 몸체 및 일체 결합된 지지 구조가 마찰 압접 공정에 의해 3부분 접합으로 동시에 용접되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탱크 용기.
3. 제1항에 있어서, 결합되고 용접된 압력 용기 지지 구조 부재가 돔과 실린더 외주 맞댐이음부에 내부 부착된 왜건 휠의 형상인 것을 특징으로 하는 탱크 용기.
4. 제3항에 있어서, 왜건 휠과, 탱크 몸체 및, 탱크 돔이 하나 또는 다수개의 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 탱크 용기.
5. 제4항에 있어서, 상기 왜건 휠과, 탱크 몸체 및, 탱크 돔이 동일한 알루미늄 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 탱크 용기.
6. 일부 조립된 탱크를 제공하는 단계와, 탱크 몸체 내에 지지 구조 부재를 단단히 조립하는 단계와, 상기 탱크 몸체에 원통형 돔 선단을 맞댐이음하는 단계 및, 마찰 압접 공정 중에 지지 구조 부재를 활용하여 3부분 접합으로 원통형 몸체와 지지 구조 부재 및 돔이 동시에 접합되도록 마찰 압접을 사용하여 탱크를 조립하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 그 내부에 수용된 압력 가스의 압력 하에서 탱크의 외부 팽창을 견디는 탱크 용기의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 지지 구조 부재가 왜건 휠의 형태인 것을 특징으로 하는 탱크 용기의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 일부 조립된 탱크 내에 왜건 휠을 조립하기 전에 냉각시켜 왜건 휠을 수축 조립한 후에 왜건 휠이 탱크의 내부에 빈틈없이 맞도록 열팽창시킴으로써 원통 몸체 내에 단단히 끼우는 것을 특징으로 하는 탱크 용기의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 왜건 휠을 냉각하여 탱크 실린더 내에 왜건 휠이 수축-조립되도록 극저온 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 탱크 용기의 제조 방법.
10. 제8항에 있어서, 왜건 휠의 테두리가 탱크 돔과 원통형 탱크 몸체 사이의 맞댐이음부에 중첩되어 지지하며, 왜건 휠과 탱크 돔 및 원통형 탱크 몸체가 강하고 단단한 지탱 지지 구조를 필요로 하는 마찰 압접에 의해 3부분 접합으로 동시에 용접되는 것을 특징으로 하는 탱크 용기의 제조 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 마찰 압접 공정 전에 탱크 용기와 돔 및 왜건 휠이 하나 또는 다수개의 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 탱크 용기의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 탱크 용기와 돔 및 왜건 휠이 동일한 알루미늄 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 탱크 용기의 제조 방법.