KR20010111006A - 전기적 접합 방법과 장치 및 접합된 부재유니트 - Google Patents

Abstract

스파크 플라즈마 신터링 공정 또는 열간 프레스 접합 공정과 같은 펄스 여기 신터링 공정을 위한 기술을 이용하여, 종래 기술의 결점을 극복할 수 있는 새로운 전기적 접합 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따라서 접합될 복수의 부재들을 그 접합표면에서 접합하는 전기적 접합 장치는, 상기 부재들에 전기를 가하기 위하여 부재들과 접촉할 수 있는 전류통전 전극쌍 (13, 16), 에너지공급전극에 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나를 공급하며 상기 에너지공급전극쌍에 연결된 전력공급부 (17), 및 상기 전극쌍의 각각을 상기 접합표면에 압착하는 압착유니트 (14) 를 포함하고, 상기 부재쌍은 상기 에너지공급전극들 사이에 끼워지며, 원하는 압력하에서 상기 전력공급부로부터 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나를 공급받아, 흑연으로 만들어진 다이을 사용하지 않고 접합될 수 있다.

Description

전기적 접합 방법과 장치 및 접합된 부재유니트 {ELECTRIC JOINING METHOD AND APPARATUS AND A JOINED UNIT OF MEMBERS}

본 발명은 DC전류 및/또는 펄스전류를 사용하여 두개의 부재를 접합하기 위한 접합 및 접착의 방법 및 장치와 상기 방법에 의하여 접합된 부재유니트에 관한 것이며, 특히 접합 방법 및 장치와 상기 방법에 의하여 접합된 부재유니트에 관한 것이다. 접합될 표면들이 서로 맞대어지도록 접합될 복수의 부재들이 배치되고 그리고/또는 DC전류, 다시말하면 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나가 이에 가해져서, 이들 부재들의 접합될 표면들은 스파크 플라즈마 신터링 공정 (spark plasma sintering process) (SPS) 또는 열간 프레스 접합 기술을 포함하는 펄스 여기 신터링 (pulse-excited sintering) 과 같은 기술을 이용하여 먼저 잠정적으로 접합되고, 그 후에 영구적 결합을 위하여 상기 잠정적으로 접합된 부재들을 열처리한다.

원하는 복수의 부재들을 접합하기 위하여 다양한 종래의 방법들이 실제적으로 사용되어 왔다. 다음과 같은 방법들을 포함하여 잘 알려진 방법들이 몇가지 있다; (1) 용접, 이것은 접합될 영역을 버너, 아크방출 등으로 가열하고, 접합될 부재의 성질과 동일하거나 유사한 성질의 재료로 된 용접보조재료 (즉, 용접봉) 를 상기 부재들에 용착되게 하여, 접합을 이루게 한다; (2) 납땜, 이것은 용접과는 달리, 접합될 부재와는 상이한 재료로 구성되는 납땜충전금속 (구리, 은 등의 합금 또는 비결정질의 금속) 을 이용하는데, 상기 금속은 진공상태, 질소, 또는 아르곤 분위기 등과 같은 불활성 분위기 (inactive atmosphere) 내에서 부재들의 접합표면들 사이에서 녹아서, 상기 부재들은 상기 납땜충전금속을 매개물로 하여 접합된다; 그리고 (3) 스폿용접, 이것은 상대적으로 얇은 금속시트를 전극쌍 사이에 끼워넣고 이를 통하여 전기를 가함으로써 용접한다.

비록 상기 (1)에 설명된 용접작업이 가열된 부분이 산화되는 것을 방지하기 위하여 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 기체를 주입하는 공정을 포함하지만, 이 방법에서는 용접보조재료로서 용접봉이 사용되어 접합표면들의 외부주위를 따라 상기 부재에 용착됨으로써(즉, 패딩을 형성) 복수의 부재들이 접합되기 때문에, 부재의 전체표면을 접합하는 것이 요구되는 때에는 이러한 용접은 사용하기에 적합하지 않다. 게다가, 용접은 (a) 용접보조재료가 사용되어야 한다는 점, (b) 용융된용접봉이 용착될 수 있도록 부재의 접합부의 일부분을 미리 절단해야 한다는 점, (c) 용융된 물질을 용접봉으로부터 정확하게 원하는 부분에 용착시키는 것이 불가능하기 때문에, 용접된 부분은 후처리 또는 후공정을 거쳐야 한다는 점, (d) 접합될 부재의 금속 성분이 변화하지 않도록 가열 또는 용접 온도를 제어하는 방법을 배우기 위한 훈련이 필요하다는 점, (e) 용접된 부분에 용접크랙 (weld crack) 이 생기지 않도록 냉각 온도 및 속도를 제어하는 훈련이 또한 필요하다는 점, (f) 접합된 부분이 아닌 다른 영역에서의 결과적인 열변형 및 접합된 부분의 체적의 증가가 불가결하게 발생한다는 점, (g) 상이한 재료로 만들어진 부재의 접합은 어렵다는 점, (h) 용접에 의하여 발생할 수 있는 성질변화 때문에, 스테인레스스틸 (SUS) 과 같은 특정 금속에 대하여는 상기 접합을 이용할 수 없다는 점을 포함하는 몇가지 결점을 가진다.

비록 (2)에 설명된 납땜은 전체 접합표면을 덮도록 배치된 중간의 납땜충전금속을 이용한다는 점 및 전술한 용접에서보다는 낮은 온도에서 접합을 이룰 수 있다는 점에서는 유리하지만, (i) 납땜충전금속이 사용되어야 한다는 점, (j) 얻어지는 접합강도가 납땜충전금속의 강도보다 크지 않다는 점, (k) 납땜 중에 납땜충전금속의 넘침이 있어서, 접합된 부분에 마무리 공정이 수행되어야 한다는 점, (l) 납땜충전금속의 넘침때문에 상기 부재들을 정확하게 원하는 영역에서 접합하는 것이 불가능하다는 점, (m) 외양에 있어서의 균일한 결합을 달성하기 어렵다는 점, (n) 특히 납땜충전금속이 넘쳐 흐르기 쉬운 외부 주위에서는 결합강도가 균일하지 않다는 점, 및 (o) 스테인레스스틸 (SUS) 과 같은 어떤 금속의 접합은 용이하지 않다는 점과 같은 몇가지 결점이 여전히 있다.

또한, 비록 (3)에 설명된 스폿용접은 짧은 시간 내에 전극쌍 사이에 열에너지를 발생시킬 수 있고 짧은 시간 내에 좁은 영역이 접합되도록 할 수 있지만, 여전히 (p) 얇은 판형 재료의 부재만이 접합될 수 있다는 점, (q) 용접후 변형이 크다는 점, (r) 부분용접의 발생 때문에 매우 작은 영역이 용접될 수 있다는 점, 및 (s) 부분용접의 발생 때문에 용접후 변형이 상당하다는 점과 같은 결점을 가지고 있다.

이에 더하여, 상기에 언급된 접합 방법들은 금속부재들 간의 접합공정에만 사용가능하며, 금속부재와 비금속부재를 접합하거나 비금속부재들을 접합하는 것에는 적합하지 않다.

한편, 미리 정해진 압력하에서 접합될 부재들에 가해지는 DC전류를 이용하여 접합을 수행하는 열간 프레스 접합의 원리를 이용하는 다른 접합 방법이 제안된 바 있으며, 부재들에 가해지는 DC펄스전류를 사용하여 접합을 수행하는 스파크 플라즈마 신터링 공정 (SPS) 이 알려져 있다. 그러나, SPS 기술을 사용하는 접합 방법은 접합될 부재들이 흑연 (graphite) 으로 만들어진 다이 내에 배치되고 상기 다이 내에서 접합되어야 하고, 이것이 공정을 매우 복잡하게 한다는 점에서 결점이 있으며, 접합될 수 있는 부재들의 모양에 많은 제한이 따르고, 충분히 강한 결합이 얻어지기 어렵다. 일본국 특허출원공개번호 제 헤이(Hei) 11-158514 호에 개시된 바와 같은 스파크 플라즈마 신터링 공정의 원리를 이용하는 또 다른 접합 방법이 있다. 그러나, 이 방법 역시, 거친 표면을 갖는 부재들에 대하여만 적용가능하여, 접합 전에 표면을 미리 거칠게 하는 과정이 필요하고, 그 방법의 사용이 제한되어 예를 들면 경면 (mirror-surface) 등에 대하여는 적용할 수 없게 되며, 충분한 강도의 결합을 얻는 것이 곤란하게 되는 몇가지 문제점이 있다. 또한, 어떠한 변형도 없이 종래의 열간 프레스 접합 공정을 대형 부재들의 접합에 사용하더라도, 충분한 강도의 결합을 얻기가 어려워진다.

본 발명의 목적은, 스파크 플라즈마 신터링 공정 또는 열간 프레스 접합 공정과 같은 펄스 여기 신터링 공정의 기술을 이용하여 상기에서 서술한 종래 기술과 관련된 결점을 극복할 수 있는 새로운 전기적 접합 방법 및 장치를 제공하고, 동일한 방법 및 장치에 의하여 접합된 부재유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 어느 하나를 서로 접합될 복수의 부재들에 가하여 접합영역 내에 신속하고 견고한 접합이 달성되도록 하는 전기적 접합 방법 및 장치를 제공하고, 동일한 방법 및 장치에 의하여 접합된 부재유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 각각 상이한 재료들로 만들어진 부재들 간에서도 용이하고 견고한 접합이 수행되도록 하는 전기적 접합 방법 및 장치를 제공하고, 동일한 방법 및 장치에 의하여 접합된 부재유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 금속부재들 만의 접합 뿐만이 아니라 금속부재와 비금속부재 간의 접합 또는 비금속부재들 간의 접합을 가능하게 하는 전기적 접합 방법 및 장치를 제공하고, 또한 동일한 방법 및 장치에 의하여 접합된 부재유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 접합공정을 비교적 용이하게 하고 서로 상이한 모양을 갖는 접합표면들 사이의 접합도 안정적으로 가능하게 하는 전기적 접합 방법 및 장치를 제공하고, 또한 동일한 방법 및 장치에 의하여 접합된 부재유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 접합 후의 변형이 최소한으로 되는 접합을 가능하게 하는 전기적 접합 방법 및 장치를 제공하고, 또한 동일한 방법 및 장치에 의하여 접합된 부재유니트를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전기적 접합 방법은 다음의 단계들을 포함한다; 흑연으로 만들어진 다이를 사용하지 아니하고, 접합될 복수의 부재들의 접합표면이 서로 맞대어 지도록 상기 표면들을 배치하는 단계; 상기 부재들을 잠정적으로 접합하기 위하여, 요구되는 크기의 압력을 부재들에 대해 가하면서, DC 전류와 펄스전류로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 하나의 원하는 전류를 상기 부재들에 가하는 단계; 및 원하는 온도하에서, 상기 잠정적으로 접합된 부재들을 열처리하는 단계.

상기 전기적 접합 방법에서, 상기 접합표면들은 경면 또는 거친 표면일 수 있다. 또한, 상기 복수의 부재들은 실질적으로 동일한 재료 또는 상이한 재료로 만들어 진 것일 수 있다. 또한, 상기의 전기적 접합 방법에서, 접합될 3개 이상의 부재들은 직렬로 배치될 수 있어서, 복수의 접합표면쌍에서 접합될 수 있다. 또한, 상기 전기적 접합 방법에서, 상기 부재에 가해지는 압력은 최대한 50 MPa 일 수 있으며, 상기 열처리는 접합될 부재들의 최저 용융점의 85% 의 온도이하로 되도록 제어되는 온도로 수행될 수 있다. 게다가, 접합표면들의 위치정확도를 개선하기 위하여 위치결정핀이 사용될 수 있다.

본 출원에 개시된 다른 발명은 서로 접합될 복수의 부재들을 그 각각의 접합표면들에서 접합시키는 전기적 접합 장치를 제공한다. 상기 장치는 다음의 것들로 구성된다: 접합될 부재들에 전기를 가하기 위하여 부재들과 접촉할 수 있는 한 쌍의 전류통전 전극, 상기 에너지공급전극들에 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나를 공급하는 상기 에너지공급전극들에 연결된 전력공급부, 및 상기 전극들의 각각을 상기 접합표면에 압착하는 압착유니트를 포함하는 전기적 접합 기구; 및 전류를 가하여 잠정적으로 접합된 부재들을 원하는 분위기 하에서 열처리 하는 열처리장비. 상기 부재들은 상기 에너지공급전극들 사이에 위치되고, 원하는 압력하에서 상기 전력공급부로부터 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나를 공급받아, 흑연으로 만들어진 다이를 사용하지 않고 접합될 수 있다. 또한 상기 전기적 접합 장치는 불활성 기체를 상기 열처리장비로 공급하기 위하여 상기 열처리장비에 연결되는 불활성 기체공급원을 더 포함할 수도 있다.

또한, 본 출원에 개시된 다른 발명은 전기적 접합 방법을 사용하여 복수의 부재들을 접합함으로써 형성되는 접합된 부재유니트를 제공하는데, 상기 부재들에 전기를 가하여 잠정적으로 접합된 상기 복수의 부재들에는 열처리가 가해진다.

상기 접합된 부재유니트는 경면으로 가공된 접합표면을 가진 복수의 부재들을 포함할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 전기적 접합 방법에 의하여 접합되는 두 부재들의 사시도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 전기적 접합 장치의 개념적 구성을 도시하는 측면도이다.

도 3 의 [A] 및 [B] 는 본 발명에 따른 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태에서 접합되는 원형 바아들을 각각 도시하는 사시도이다.

도 4 의 [A], [B], [C], 및 [D] 는 본 발명에 따른 전기적 접합 방법의 적용예를 나타내는 사시도이다.

도 5 는 본 발명에 따른 전기적 접합 방법에 의하여 형성되는 플라스틱 기어 성형다이의 사시도이다.

도 6 은 각각의 부재들에 형성된 홈들의 상대적 위치, 관통구멍 및 연결채널을 보이며, 도 5 의 성형다이의 각 부재가 분해된 상태를 도시하는 사시도이다.

도 7 은 본 발명에 따른 다른 전기적 접합 장치를 도시하는 측면도이다.

도 8 은 에너지공급전극 상의 부재들의 배치를 도시하는, 도 7 의 A - A 을 따라 취한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 3: 부재 2, 4: 접합표면

10: 전기적 접합 장치 11: 전기적 접합부

12: 베이스 13: 하부 에너지공급전극

14: 유압실린더 15: 피스톤로드

16: 상부 에너지공급전극 17: 전력공급부

21: 열처리부 22: 노 (furnace)

100: 플라스틱 성형다이 110, 120, 130, 140: 부재

113, 123, 133: 홈 116, 126, 136, 146: 위치결정구멍

118, 128, 138: 연결채널 127, 137, 147: 관통구멍

첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.

먼저, 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서 접합될 두개의 부재 (1, 3) (이하에서는 간편함을 위하여 부재라고 칭한다) 가 준비된다. 이 두개의 부재는 동일한 재료 또는 상이한 재료들로 만들어질 수 있다. 부재 (1, 3) 각각의 접합될 표면들, 즉 접합표면 (2, 4) 은 바람직하게는 편평하지만, 상기 표면들 사이에 틈이 생기지 않는다면 예를 들어 동일한 곡률을 갖는 곡면일 수 있다. 이들 접합표면 (2, 4) 은 (JIS 에 정의된 등급 ▽ 의 표면거칠기로) 거친 것일 수 있지만, 경면이 더 바람직한데, 왜냐하면 경면일 때 두 부재들의 접합강도가 클 것이며 그러한 접합에서 기인하는 변형이 보다 적을 것이기 때문이다.

다음으로, 상기 접합표면 (2, 4) 이 서로 맞대어 지도록 부재 (1, 3) 중의 일방이 타방의 위에 배치되고, 부재 (1, 3) 가 전기적 접합 장치 (10) 의 에너지공급전극쌍 사이에 배치된다. 이 실시형태에서, 전기적 접합 장치 (10) 는 전기적 접합부 (11) 및 열처리부 (21) 를 포함한다. 상기 전기적 접합부 (11) 는, 베이스 (12) 로부터 전기적으로 절연되도록 알려진 방식에 따라 절연부재를 거쳐서 상기 베이스 (12) 에 고정되는 하부 에너지공급전극 (13); 상기 베이스 (12) 의 위에 배치되고 알려진 방식에 따라 베이스 (12) 에 대하여 고정되는 유압실린더 (14); 및 피스톤로드 (15) 로부터 전기적으로 절연되도록 알려진 방식에 따라 절연부재를 거쳐서 유압실린더 (14) 의 피스톤로드 (15) 의 단부 (도시된 도면에서의 하측 단부) 에 고정되는 상부 에너지공급전극 (16) 을 포함한다. 바람직하게는, 상기 전극 (13, 16) 은 흑연으로 만들어진다.

상기 유압실린더 (14) 는 접합되는 부재들을 압착하는 압착기구로서 기능한다. 압착기구로서의 기능을 완수하기 위하여, 유압실린더 (14) 의 대체물로서 상부 에너지공급전극이 나사 기구와 연결된 전기모터에 의하여 상하로 이동될 수 있다. 상기 상부 및 하부의 에너지공급전극은 전력공급부 (17) 에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전력공급부는 DC펄스전류를 공급하도록 조정될 수 있다. 상기 전력공급부 (17) 는, 전력공급부 및 에너지공급전극 사이의 전기회로를 연결 및 단절하는 내부 스위치 기구 (도시되지 않음) 를 포함한다. 상기 전력공급부는 일반적으로 100 V 이하의 전압 및 예를 들어 2000 내지 5000 A 정도의 높은 전류를 공급할 수 있는 것이다. 상기 실시형태에서는 상부 전극이 움직일 수 있도록 되어 있는 반면에 하부 전극은 고정되어 있으나, 이들 전극은 그 반대로 설치하거나 또는 둘 다 움직일 수 있도록 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 열처리부 (21) 는 알려진 형태의 진공 열처리 노이다. 이러한 진공 열처리 노의 예로서, 이시카와지마하리마 중공업 (Ishikawajima-Harima Heavy Indurstries Co. Ltd. (IHI)) 로부터 구입가능한 모델번호 VTTC-324T 또는 NVFT-180PT 의 노가 있다. 다른 형태로서, 상기 전기적 접합부 (11) 및 상기 열처리부 (21) 는 이동을 가능하게 하는 구조를 갖도록 통합되거나 또는 별도로 배치될 수 있다.

부재 (1, 3) 가 상기 장치에 의하여 접합될 때, 먼저 상기 부재 (1, 3) 가 그들의 접합표면 (2, 4) 이 서로 맞대어지도록 전극 (12, 16) 의 사이에 배치되고, 그 다음에 상기 유압실린더 (14) 가 가동되어 상기 피스톤로드 (15) 로 에너지공급전극 (16) 을 상기 부재 (1, 3) 의 방향으로 압착시킨다. 이에 의하여, 베이스 (12) 및 피스톤로드 (15) 사이에 끼워진 전극 (12, 16) 의 쌍은 상기 부재에 대하여 압착하도록 강제되어 상기 부재 (1, 3) 의 쌍은 각각의 접합표면의 방향으로 밀린다. 이 압착력은 상기 부재의 재료에 따라서 적절하게 제어되지만, 50 MPa 이하일 것이다. 부재 (1, 3) 가 압착력 하에서 보유되는 동안에 상기 전력공급부 (17) 로부터의 원하는 크기의 DC펄스전류가 에너지공급전극 (12, 16) 을 거쳐서 상기 부재 (1, 3) 에 가해지면, 상기 두 부재들은 접합표면 (2, 4) 에서 서로 접합된다.

비록 이 접합공정의 상세한 메카니즘이 반드시 명백한 것은 아니지만, 이 접합은, 상기 접합표면들 사이에서 발생하는 플라즈마, 줄열 (Joule Heat) 에 의한 열적 확산효과, 전기장에 의한 전기화학적 확산효과 등에 의하여 이루어지는 것으로 사료된다. 한편, 원하는 크기의 DC전류만이 부재 (1, 3) 에 가해지거나 또는 DC전류 및 펄스전류가 동시에 상기 부재 (1, 3) 에 가해지는 때에도, 상기 부재 (1, 3) 모두는 접합표면 (2, 4) 에서 서로 접합될 수 있다. 이 상태에서의 두 부재 간의 접합은 접합강도의 관점에서는 완전하지 않다. 따라서, 이 접합상태는 잠정적인 접합으로 칭하며, 잠정적으로 접합된 부재는 통칭하여 잠정적으로 접합된 유니트로 칭한다.

잠정적으로 접합된 부재 (1, 3) 로 구성되는 잠정적으로 접합된 유니트는 열처리부 (21) 의 열처리 노 (22) 에서 열처리된다. 열처리부 (21) 를 구성하는 노 (22) 내부는, 알려진 구조 및 기능을 구비하는 분위기제어시스템 (23) 에 의하여, 불활성 기체를 수용하도록 제어될 수 있다. 이 열처리를 수행하는 데 필요한 온도 및 시간은 상기 부재들의 재료 및 크기에 따라 정해진다. 이 열처리를 통하여, 잠정적으로 접합되었던 접합표면들 사이의 접합이 완료되며, 상기 부재들의 재료의 강도와 동등한 결합강도를 갖는 완전히 접합된 유니트로 된다. 상술한 바와 같이 DC전류, 펄스전류 또는 이들의 조합을 본 발명에 따른 접합 방법 및 장치에 사용되는 전류로서 사용할 수 있고, 펄스전류 또는 DC전류와 펄스전류의 조합이 사용되는 경우에는 필수적으로 펄스전류가 이용되기 때문에 상기 방법 및 장치는 펄스 여기 접합 방법 및 장치로 칭할 수 있다.

실시예 1

도 3 [A] 에 도시된 바와 같이 각각 단면모양이 원형이고 직경 20 mm, 길이 90 mm 를 갖는 SUS304 (스테인레스스틸) 로 만들어진 두개의 원형막대기 (1a, 3a) 가 준비되고, 전술한 바와 같이 이들의 각 접합표면 (2a, 4a) 이 경면이 되도록 가공된 후에, 전기적 접합 장치 (10) 에 놓여진다. 그리고 나서, 3 내지 5 V 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 1 에서는 3.2 V 의 전압 및 1000 내지 2000 A 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 1 에서는 1850 A 의 전류를 갖는 DC펄스전류가 상기 전력공급부로부터 상기 에너지공급전극을 통해서 10 내지 30 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 1 에서는 12 분의 시간동안 상기의 원형막대기에 가해져서, 이들을 잠정적으로 접합한다. 그 후, 상기 잠정적으로 접합된 원형막대기들은 불활성 분위기 내에서 1000 내지 1100 ℃ 의 범위 내, 예를 들어 1080 ℃ 의 온도로 30 내지 90 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 1 에서는 60 분의 시간동안 상호확산 열처리 (mutual diffusion heat treatment) 를 받는다. 상기 열처리가 완료된 후에, 접합된 원형막대기 유니트의 중앙부분이 15.05 mm 의 평균 직경을 갖도록 연마하고, 40 mm 의 게이지길이로 인장강도테스트를 행한다. 상기 인장강도테스트의 결과로서, 결과적인 길이 52.0 mm, 연신율 30 %, 및 인장강도 551 N/mm²가 얻어진다. 인장강도테스트의 이들 값은 상기 부재와 동일한 재료 및 크기를 갖는 단일 부재로 부터 얻어지는 값들과 비교적 거의 동등하다.

실시예 2

도 3 [B] 에 도시된 바와 같이 각각 단면모양이 원형이고 직경 20 mm, 길이 90 mm 를 갖는 SKD61 (합금공구강) 로 만들어진 두개의 원형막대기 (1b, 3b) 가 준비되고, 전술한 바와 같이 이들의 각 접합표면 (2b, 4b) 이 경면이 되도록 가공된 후에, 펄스 여기 접합 장치 (10) 에 놓여진다. 그리고 나서, 3 내지 5 V 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 2 에서는 3.6 V 의 전압 및 1000 내지 2000 A 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 2 에서는 1680 A 의 전류를 갖는 DC펄스전류가 상기 전력공급부로부터 상기 에너지공급전극을 통해서 10 내지 30 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 2 에서는 15 분의 시간동안 상기의 원형막대기에 가해져서, 이들을 잠정적으로 접합한다. 그 후, 상기 잠정적으로 접합된 원형막대기들은 불활성 분위기 내에서 1000 내지 1100 ℃ 의 범위 내, 예를 들어 1025 ℃ 의 온도로 30 내지 90 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 2 에서는 60 분의 시간동안 상호확산 열처리를 받고나서 완전히 풀림 (annealed) 된다. 상기 열처리가 완료된 후에, 접합된 원형막대기 유니트의 중앙부분이 15.05 mm 의 평균 직경을 갖도록 연마하고,40 mm 의 게이지길이로 인장강도테스트를 행한다. 상기 인장강도테스트의 결과로서, 결과적인 길이 46.7 mm, 연신율 16.8 %, 및 인장강도 695 N/mm²가 얻어진다. 인장강도테스트의 이들 값은 상기 부재와 동일한 재료 및 크기를 갖는 단일 부재로 부터 얻어지는 값들과 비교적 거의 동등하다.

실시예 3

실시예 2 와 유사한 것으로서, 도 3 [B] 에 도시된 바와 같이 각각 단면모양이 원형이고 직경 20 mm, 길이 90 mm 를 갖는 SKD61 로 만들어진 두개의 원형막대기 (1b, 3b) 가 준비되고, 전술한 바와 같이 이들의 각 접합표면 (2b, 4b) 이 경면이 되도록 가공된 후에, 전기적 접합 장치 (10) 에 놓여진다. 그리고 나서, 5 내지 10 V 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 3 에서는 5.4 V 의 전압 및 800 내지 2000 A 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 3 에서는 1450 A 의 전류를 갖는 DC전류가 상기 전력공급부로부터 상기 에너지공급전극을 통해서 60 내지 120 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 3 에서는 60 분의 시간동안 상기의 원형막대기에 가해져서, 이들을 잠정적으로 접합한다. 그 후, 상기 잠정적으로 접합된 원형막대기들은 불활성 분위기 내에서 1000 내지 1100 ℃ 의 범위 내, 예를 들어 1025 ℃ 의 온도로 30 내지 90 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 3 에서는 60 분의 시간동안 상호확산 열처리를 받고나서 완전히 풀림된다. 상기 열처리가 완료된 후에, 접합된 원형막대기 유니트의 중앙부분이 15.05 mm 의 평균 직경을 갖도록 연마하고, 40 mm 의 게이지길이로 인장강도테스트를 행한다. 상기 인장강도테스트의 결과로서, 결과적인 길이 44.6 mm, 연신율 11.5 %, 및 인장강도 685 N/mm²가 얻어진다. 인장강도테스트의 이들 값은 상기 부재와 동일한 재료 및 크기를 갖는 단일 부재로 부터 얻어지는 값들과 비교적 거의 동등하다.

실시예 4

실시예 2 와 유사한 것으로서, 도 3 [B] 에 도시된 바와 같이 각각 단면모양이 원형이고 직경 20 mm, 길이 90 mm 를 갖는 SKD61 로 만들어진 두개의 원형막대기 (1b, 3b) 가 준비되고, 전술한 바와 같이 이들의 각 접합표면 (2b, 4b) 이 경면이 되도록 가공된 후에, 전기적 접합 장치 (10) 에 놓여진다. 그리고 나서, 5 내지 10 V 의 범위 내, 예를 들어 5.4 V 의 전압 및 800 내지 2000 A 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 4 에서는 1450 A 의 전류를 갖는 DC전류 및 500 내지 1000 A 의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 4 에서는 800 A 의 펄스전류가 상기 전력공급부로부터 상기 에너지공급전극을 통해서 10 내지 25 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 4 에서는 20 분의 시간동안 상기의 원형막대기에 가해져서, 이들을 잠정적으로 접합한다. 그 후, 상기 잠정적으로 접합된 원형막대기들은 불활성 분위기 내에서 1000 내지 1100 ℃ 의 범위 내, 예를 들어 1025 ℃ 의 온도로 30 내지 90 분의 범위 내, 예를 들어 본 실시예 4 에서는 60 분의 시간동안 상호확산 열처리를 받고나서 완전히 풀림된다. 상기 열처리가 완료된 후에, 접합된 원형막대기 유니트의 중앙부분이 15.05 mm 의 평균 직경을 갖도록 연마하고, 40 mm 의 게이지길이로 인장강도테스트를 행한다. 상기 인장강도테스트의 결과로서, 결과적인 길이 45.8 mm, 신장 14.5 %, 및 인장강도 690 N/mm²가 얻어진다. 인장강도테스트의 이들 값은 상기 부재와 동일한 재료 및 크기를 갖는 단일 부재로 부터 얻어지는 값들과 비교적 거의 동등하다.

펄스전류만이 또는 펄스전류 및 DC전류가 접합공정을 수행하기 위하여 가해지는 상기의 전기적 접합방법에 따르면, 전술한 실시예들에서 설명된 것과 같은 동일 단면 및 동일 재료의 막대기 부재들 사이 뿐만이 아니라, 예를 들어 SKD61 로 만들어진 부재와 알루미늄합금으로 만들어진 부재 사이, SUS304 로 만들어진 부재와 SUS420J2 로 만들어진 부재 사이, 구리합금으로 만들어진 부재와 SUS420J2 로 만들어진 부재 사이, 및 SKH51 (고속공구강) 로 만들어진 부재와 SKD61 로 만들어진 부재 사이와 같은 상이한 재료의 금속부재들 사이, 나아가 금속부재와 비금속부재 사이 또는 비금속부재들 사이의 접합도, 어떤 용접보조재료 또는 납땜충전금속을 사용하지 않고도, 실시가능하다.

예를 들어 금속과 세라믹 또는 플라스틱과 같은 상이한 재료로 만들어진 부재가 본 접합방법에 의하여 접합되는 때에는, 점진적 기능성 (gradient functionality) (즉, 부재의 일면으로부터 타면으로의 부재성질의 점진적 변화) 을 갖는 부재가 상기 부재들 사이에 배치된다.

나아가, 도 4 [A] 에 도시된 것과 같이 부재들이 어긋나게 된 때 평면에서 보는 모양이 같은 두 부재 (1c, 3c) 사이의 접합도 가능하게 되고, 또한 도 4 [B] 에 도시된 것과 같이 평면에서 보는 모양이 상이한 두 부재 (1d, 3d) 사이의 접합도 가능하게 된다. 또한, 부재들이 어긋나게 된 때 평면에서 보는 모양이 같은 세 부재 (1e, 3e, 5e) 사이의 접합이 가능하게 되는데, 다시 말해서 도 4 [C] 에 도시된 것과 같이 접합표면 (2e, 6e) 사이 및 접합표면 (7e, 4e) 사이와 같은 복수의 접합표면쌍에 대한 접합이 한번에 가능하게 된다. 이에 더하여, 도 4 [D] 에 도시된 것과 같이, 임의의 모양 (본 실시예에서는, 실린더형 부재 (1f) 의 4등분된 모양) 을 갖는 복수의 부재 (3f, 5f) 는 상기 부재 (1f) 의 접합표면 (2f) 에 접합될 수 있다. 이 경우에, 모든 부재가 동일한 재료로 만들어 졌다면, 상기의 방법은 복잡한 모양을 갖는 부품들의 조립을 어려운 기계적 가공 없이 할 수 있게 한다. 특히, 부재 (1f, 3f, 5f) 가 상기의 방법으로 접합된 때에는 상기 접합영역의 주위에서 생성되는 원형부 (rounding) 가 생성되지 않지만, 도 4 [D] 에 도시된 것과 같은 모양이 기계적 가공을 이용하여 만들어진다면 도구질 (tooling) 에 내재하는 성질 때문에 불가피하게 상기 원형부가 가공된 영역 내에 생성된다. 물론, DC전류만이 가해질 때에도 상기 부재들이 같은 방식으로 접합될 수 있다.

도 5 및 도 6 은 본 발명의 접합방법에 따라서 특정한 생산품, 즉 플라스틱 기어 성형 다이를 제조하는 경우의 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에서, 성형다이에 냉각제를 공급하기 위한 냉각제통로를 부재 내에 형성하기 위하여 미리 분할된 복수 (본 실시형태에서는 네개) 의 부재들이 준비되고, 이들은 상기 냉각제통로의 형성 후에 본 발명에 따른 접합방법에 의하여 접합된다. 이런 방식으로, 통합된 기재 재료가 성형다이을 위하여 형성되고, 그 후에 이 기재 재료는 기계적으로 가공되어 성형다이을 형성한다.

플라스틱 성형다이 (100) 을 위한 기재 재료는 네개의 부재 (110, 120, 130, 140) 를 포함하는데, 이들은 SKD61 로 만들어진 것이며, 실린더형 이거나 원판형의 모양이다. 가장 밑에 있는 부재 (110) (도 5) 의 일방 표면 (111) (도 6 에서의 상부면) 은 편평하도록 (바람직하게는, 경면이 되도록) 가공되고, 거기에 상기 부재의 중심축을 중심으로해서 그 주위로 형성된 고리모양의 홈 (113) 을 구비한다. 또한, 중간 부재 (120, 130) 의 일방 표면 (121, 131) (도 6 에서의 상부면) 은 각각 편평하도록 (바람직하게는, 경면이 되도록) 가공되고, 각각 거기에 상기 부재의 중심축을 중심으로해서 그 주위로 형성된 고리모양의 홈 (123, 133) 을 구비한다. 또한 최상부 부재 (140) (도 5) 의 하부 표면 (142) (도 6) 및 중간 부재 (120, 130) 의 다른 쪽의 표면 (도 6 에서의 하부 표면) 또한 편평하도록 (바람직하게는, 경면이 되도록) 가공된다. 이들 홈 (113, 123, 133) 은 각각 동일한 크기의 원형으로서, 상기 부재의 중심축을 중심으로해서 형성된다.

상기 부재 (110, 120, 130, 140) 의 각각은 직경방향으로 서로 간격을 두고 떨어진 한 쌍의 위치결정구멍 (116, 126, 136, 146) 을 구비한다. 이들 위치결정구멍들은 서로 정렬되도록 배치되고, 쌍을 이루는 위치결정구멍 (126, 136) 의 각각은 관통구멍을 제공하도록 형성된다. 부재 (110) 의 위치결정구멍 (116) 들의 각각은 상부 표면 (111) 으로부터 미리 정해진 깊이까지 하향으로 뻗어있다. 또한, 부재 (140) 의 위치결정구멍 (146) 들의 각각은 하부 표면 (142) 으로부터 미리정해진 깊이까지 상향으로 뻗어있다. (도시되지 아니한) 위치결정핀들은 상기 네개의 부재들이 제자리에 있도록 삽입된다.

(도 5 의) 상기 상부의 두 부재 (130, 140) 는 각각 이들을 관통하고 원주방향으로 동일하게 간격을 두고 있는 네개의 관통구멍 (137, 147) 을 구비한다. 상기 부재 (130) 의 상부 표면 (131) 에는, 원형의 홈 (133) 과 네개의 관통구멍 (137) 중의 두개의 관통구멍 (137) 간에 소통이 있게 하기 위하여 연결채널 (138) 이 원형 홈 (133) 으로부터 방사방향으로 뻗어 형성되고, 이들 두 구멍 (137) 이 직경방향 (도 6 에서 수평방향) 으로 떨어져 있게 된다. 부재 (120) 은 직경방향으로 떨어져 있고 (도 6 에서 수평방향으로 위치된), 상기 부재를 관통하는 한 쌍의 관통구멍 (127) 을 구비한다. 상기 부재 (120) 의 상부 표면 (121) 에는, 상기 상부 표면 (121) 에 형성된 원형 홈 (123) 과 상기 하부 표면 (132) 의 쪽의 네개의 관통구멍 (137) 중의 나머지 두개의 관통구멍 (137) 의 개방단 간에 소통이 있게 하기 위하여 연결채널 (28) 이 원형 홈 (123) 으로부터 방사방향으로 뻗어 형성되어 있고, 상기 남아 있는 두개의 구멍 (137) 은 직경방향 (도 6 에서 수직방향) 으로 떨어져 있게 된다. 상기 부재 (110) 의 상부 표면 (111) 에는, 상기 부재 (120) 의 하부 표면에서 개방되어 있는 두개의 관통구멍 (127) (도 6 에서 수평방향으로 떨어져 있는 두 구멍) 과 소통이 있게 하기 위하여 연결채널 (118) 이 원형 홈 (113) 으로부터 방사방향으로 뻗어 형성된다.

전술한 바와 같이 미리 기계적으로 가공된 부재 (110, 120, 130, 140) 는 도 5 에 도시된 바와 같이 서로 포개지게 배치되고, 위치결정핀 (도시되지 아니함) 에 의하여 및 위치결정구멍 (116, 126, 136, 146) 에 의하여 제자리에 배치되며, 그후에 펄스전류 또는 펄스전류 및 DC전류의 조합이 가해지는 전술된 전기적 접합 방법에 의하여 하나의 유니트로 통합되도록 서로 접합되어, 성형다이로 사용되는 기재 재료 (100) 를 형성한다. 성형다이을 위한 기재 재료 내에는, 냉각제통로가 복수의 원형 홈 (113, 123, 133), 관통구멍 (127, 137, 147), 및 연결채널 (118, 128, 138) 에 의해 형성된다. 관통구멍이 성형다이을 위한 상기 기재 재료 (100) 의 중앙 부분에 형성되고 (원형 홈을 방해하지 않도록 반경방향으로 상기 홈의 내측에서), 플라스틱성형을 위하여 필요한 공동 (플라스틱 재료가 주입되는 공동) 을 형성하기 위한 코어부재가 상기 관통구멍내에 끼워 맞춤되어 성형다이로 형성된다. 성형다이를 위한 상기 기재재로 실제 성형다이로 만드는 공정에 대한 설명은 생략되었는데, 이들 공정은 본 발명에 직접적인 관계가 없기 때문이다. 상기 유니트가 성형다이로 사용될 때, 냉각제는 화살표에 의하여 표시되는 바와 같이 외부로부터 성형다이 내의 냉각제통로로 흘러 들어가서, 플라스틱 기어 성형다이을 냉각시킨다. 화살표 →로 표시되는 냉각제의 흐름은 원형 홈 (123) 을 통과하여 그 주위를 냉각시키고, 화살표 ⇒ 로 표시되는 냉각제의 흐름은 원형 홈 (113, 133) 을 통과하여 그 주위를 냉각시킨다. 비록 상기의 실시형태에서는 원형 홈 및 연결채널이 서로 접합되는 두 표면의 일방 표면에만 형성되었지만, 이들은 접합되는 각 표면에 면대칭으로 형성되어 이들 각각의 두부분이 접합되어 하나의 통로를 이룰 수 있다. 또한, 상기 평면에서 본 홈의 모양은 상기의 실시형태에서 도시된 원형의 모양에만 제한되지 아니하고, 다양한 모양이 가능하다.

비록 도 1 및 도 2 에 도시된 전기적 접합 장치에서는, 전기적 접합부 (11)가 펄스전류 및 DC전류로부터 선택된 적어도 하나의 전류를 복수의 부재에 가하여 상기 부재들을 하나의 잠정적으로 접합된 유니트로 형성하고 상기 잠정적으로 접합된 유니트의 단일 부재는 열처리부 (21) 에 의하여 열처리되어 완전히 접합된 유니트로 만들어 졌지만, 그룹지워진 복수의 잠정적으로 접합된 유니트가 뱃치 공정 방식으로 열처리될 수 있다. 또한, 접합될 부재들이 상대적으로 작고 대량 생산되는 경우에는, 상기의 에너지공급전극 (13g, 16g) 이 도 7 및 도 8 에 도시되는 바와 같이 넓은 단면 표면을 갖는 판형의 부재 (원형 또는 다각형 부재) 를 구비하도록 변형될 수 있고, 복수의 부재 (1, 3) 의 쌍은 이들 전극 사이에 배치되어 복수의 부재 쌍이 한번에 접합될 수 있다.

상기의 설명으로부터 명백하듯이, 본 발명은 IC기판과 냉각금속부재의 접합, 초경도 금속과 보통 금속의 접합, 알루미늄 등으로 만들어진 부재와 내부식성부재 또는 내마모성부재의 접합, 다중열캠 (cams in multi-rows) 의 접합, 기어와 피니언의 접합 및 샤프트와 기어의 접합을 포함하는 다양한 종류의 접합에 이용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 다음의 효과들이 얻어질 수 있을 것으로 예상된다.

(a) 어떤 용접보조재료도 사용하지 않고 접합할 수 있다.

(b) 접합표면 전체에 대하여 접합의 효과가 있으며, 또한 접합이 전체 접합표면에 대하여 균일하다.

(c) 접합표면을 단순히 편평하게 가공하는 것으로서 접합을 할 수 있다.

(d) 접합표면의 편평도를 개선함에 의하여 접합강도가 증가된다.

(e) 접합강도가 접합되는 금속부재의 재료의 강도와 동등하게 되도록 개선될 수 있다.

(f) 접합이 수행됨에 있어서, 적은 변형만이 수반된다.

(g) 접합된 부분의 주위 영역에서 용접보조재료 또는 납땜충전금속을 연삭으로 제거하는 등의 후처리가 필요하지 않다.

(h) 정확한 위치에서의 접합이 가능하다.

(i) 작은 부품의 접합이 쉽게 수행된다.

(j) 접합되는 부재가 완전한 부품으로 형성된 후에 접합할 수 있어서, 복잡한 모양을 갖는 제품을 접합공정에 의하여 조립할 수 있다.

(k) 접합되는 부재의 성질을 훼손하지 아니하고 접합할 수 있다.

(l) 상이한 재료로 만들어지는 부재가 쉽게 접합될 수 있다.

(m) 접합 부분이 아닌 다른 부분에 대한 적당한 열적 제어와 함께 접합이 가능하다.

(n) 상이한 모양을 갖는 복수의 부재들이 단일한 작업으로서 접합될 수 있다.

Claims (19)

1. 흑연으로 만들어진 다이를 사용하지 아니하고, 접합될 복수의 부재들의 접합표면이 서로 맞대어 지도록 상기 표면들을 배치하는 단계;

   상기 부재들을 잠정적으로 접합하기 위하여, 요구되는 크기의 압력을 부재들에 대해 가하면서, DC 전류와 펄스전류로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 하나의 원하는 전류를 상기 부재들에 가하는 단계; 및

   원하는 온도하에서, 상기 잠정적으로 접합된 부재들을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 접합표면이 경면인 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 접합표면이 거친 표면인 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 부재들이 실질적으로 동일한 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 부재들이 실질적으로 상이한 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   직렬로 접합될 3 개 이상의 상기 부재들을 배치하여, 상기 부재들이 복수의 접합표면쌍에서 접합되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   직렬로 접합될 3 개 이상의 상기 부재들을 배치하여, 상기 부재들이 복수의 접합표면쌍에서 접합되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   직렬로 접합될 3 개 이상의 상기 부재들을 배치하여, 상기 부재들이 복수의 접합표면쌍에서 접합되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 부재들에 가해지는 압력이 50 MPa 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 열처리가 불활성 분위기 중에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 열처리가, 접합될 부재들의 최저 용융점의 85% 의 온도 이하로 제어되는 온도범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
12. 제 4 항에 있어서,

    상기 열처리가, 접합될 부재들의 최저 용융점의 85% 의 온도 이하로 제어되는 온도범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
13. 제 5 항에 있어서,

    상기 열처리가, 접합될 부재들의 최저 용융점의 85% 의 온도 이하로 제어되는 온도범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 방법.
14. 접합될 복수의 부재들을 그 접합표면에서 접합하는 전기적 접합 장치에 있어서,

    접합될 부재들에 전기를 가하기 위하여 부재들과 접촉할 수 있는 한 쌍의 전류통전 전극, 상기 에너지공급전극들에 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나를 공급하는 상기 에너지공급전극들에 연결된 전력공급부, 및 각 전극을 상기 접합표면에 압착하는 압착유니트를 포함하고, 상기 부재들은 상기 에너지공급전극들 사이에 위치되며 원하는 압력하에서 상기 전력공급부로부터 DC전류 또는 펄스전류 중의 적어도 하나를 공급받아, 흑연으로 만들어진 다이를 사용하지 않고 접합할 수 있는 전기적 접합 기구; 및 전류를 가하여 잠정적으로 접합된 부재들을 원하는 분위기 하에서 열처리하는 열처리장비를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    불활성 기체를 상기 열처리장비로 공급하기 위하여 상기 열처리장비에 연결되는 불활성 기체공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 접합 장치.
16. 전기적 접합 방법을 사용하여 복수의 부재들을 접합함으로써 형성되는 접합된 부재유니트로서, 상기 부재들에 전기를 가하여 잠정적으로 접합된 상기 복수의 부재들에 열처리가 가해진 것을 특징으로 하는 접합된 부재유니트.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 접합된 부재유니트는, 경면으로 처리될 접합표면을 구비하는 복수의 부재들로 구성되는 것을 특징으로 하는 접합된 부재유니트.
18. 제 16 항에 있어서,

    상기 부재들은 그 내부에 형성된 유체통로들을 구비하고, 상기 접합된 부재유니트는 플라스틱성형다이로 사용될 기재재료인 것을 특징으로 하는 접합된 부재유니트.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 부재들은 그 내부에 형성된 유체통로들을 구비하고, 상기 접합된 부재유니트는 플라스틱성형다이로 사용될 기재재료인 것을 특징으로 하는 접합된 부재유니트.