KR20020045485A - 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법 - Google Patents

마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법 Download PDF

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Abstract

Ti 합금으로 만들어진 로드소재는, 내연기관용 포핏밸브를 형성하도록 그 단부에 마찰결합에 의해 Ti-Al 금속간화합물과 접합되는 대직경부를 구비한다. 이런 대직경부를 대신하여, Ti-Al 금속간화합물로 만들어진 소재의 단부가 가열되어 접합을 촉진할 수도 있다.

Description

마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법{METHOD OF JOINING DIFFERENT METAL MATERIALS BY FRICTION WELDING}
본 발명은 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법에 관한 것으로서, 특히 Ti 합금으로된 로드소재과 Ti-Al 계열의 금속 화합물을 마찰용접에 의해 접합하여 내연기관용 포핏밸브를 제조하는 것에 관한 것이다.
Ti 합금 포핏밸브는 낮은 비중과 작은 관성질량을 갖고, 입력, 연비, 및 엔진성능이 향상되는 잇점을 제공한다.
Ti 합금의 내열온도는 약 500℃이고, 이는 튜브내 직접분사방식과 같은 높은 연소온도 엔진용 배기밸브나, 고온강도를 필요로하는 린번(lean-burn) 엔진용 배기밸브의 제조를 어렵게 한다.
이런 단점을 극복하기 위한 Ti 합금 밸브가 일본특허 공개 평62-197610호에 기재된 바, 내열성을 필요로 하는 밸브헤드는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo로 제조되고, 낮은 열부하가 적용되는 밸브 축부는 Ti-6Al-4V로 제조된다. 이들은 용접에 의해 접합된다. 다른 방법에 있어서, 포핏밸브는 Ti-Al 금속간화합물로 제조된다.
전술한 전자에 있어서, 내열 Ti 합금으로 제조된 밸브헤드를 구비한 포핏밸브는, 이 밸브가 밸브헤드의 온도가 800℃에 이르는 고속 및 고부하 배기밸브로서 사용될 때, 낮은 내구력과 신뢰성을 갖는다.
Ti-Al 금속간화합물로 제조된 포핏밸브는 Ti 합금 포핏밸브보다 낮은 비중을 가지며, 밸브자체를 경량화하는 잇점을 가진다. 이 밸브는 인코넬(inconel)과 같은 내열강 및 니켈 내열합금등과 유사한 고온강도를 가지며, 배기밸브로서 사용될 수 있다.
그러나, 통상의 단조를 사용해 이를 형성하기가 어렵고, 주조에 의해 형성할 필요가 있다. 따라서, 한 주도 단계당 제조되는 밸브의 수가 극히 작아 생산력이떨어지고 비용이 증가한다.
게다가, 포핏밸브는 긴 밸브축부의 일단에 밸브헤드를 구비한다. 상기한 주조 공정에서, 공동과 같은 주조결함이 소형 포핏밸브에 빈번히 발생한다. 따라서, X-ray를 사용한 비파괴검사에 의해 모든 제품을 검사할 필요가 있고, 이는 결과적으로 비용을 증가시킨다.
본 발명자는, 주조결함을 극복한 주조방법을 사용하여 Ti-Al 금속간화합물로부터 내열성을 필요로하는 밸브헤드를, Ti-6Al-4V와 같은 Ti 합금으로부터 밸브축부를 제조하여, 밸브헤드와 밸브축부를 접합하였다.
그러나, 밸브헤드를 구성하는 Ti-Al 금속간화합물과 밸브축부를 구성하는 Ti 합금 사이에는 그 구조와 용융점에 있어서 차이가 있다. 따라서, 브레이징과 같은 용접에 의해 충분한 접합강도가 획득되지 않는다. 게다가, Ti은 매우 쉽게 활성되고 고온에서 빈번하게 산화되어 접합부에 산화막을 형성하여 파단을 발생시킨다.
이런 문제를 해결하기 위해, 밸브헤드는 마찰용접에 의해 밸브축부에 접합된다. 일반적인 마찰용접에 있어서, Ti-Al 금속간화합물의 고온강도는 Ti 합금 보다 높다. 따라서, Ti합금이 금속간화합물의 변형에 앞서 먼저 소성변형되어 바람직한 접합이 얻어지지 않는다.
전술한 단점의 관점에서, 본 발명의 목적은 마찰결합을 사용한 Ti합금과 Ti-Al 금속간화합물로 만들어진 상이 금속소재의 접합방법을 제공하여 인장강도를 향상시키는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 포핏밸브의 정면도;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 접합전의 포핏밸브를 나타내는 정면도;
도 3은 마찰 용접후의 부분 단면도;
도 4는 가공후 부분 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 접합전 정면도;
도 6은 마찰 용접후 부분 단면도;
도 7은 가공후 부분 단면도;
도 8은 포핏밸브의 제 3실시예의 접합전 부분 단면도;
도 9는 마찰 용접후 부분 단면도; 및
도 10은 포핏밸브의 온도에 대한 인장강도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 한 실시예는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법을 제공하고, Ti 합금으로 만들어지고, 단부에 소직경부 및 대직경부를 구비한 제 1소재를 마찰용접기의 회전척을 사용해 파지하는 단계; Ti-Al 금속간화합물로 만들어지고, 단부가 제 1소재의 소직경부와 동일한 직경을 갖는 제 2소재를 마찰용접기의 고정척을 사용해 파지하는 단계; 제 2소재의 단부를 제 1소재의 단부의 대직경부 속으로 압입하는 단계; 회전척내 제 1소재를 고속으로 회전시키는 단계; 및 제 1소재의 회전을 정지시켜 제 1소재의 단부에 제 2소재의 단부를 단단하게 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 마찰용접을 사용하여 상이 금속소재의 접합방법을 제공하고, Ti 합금으로 만들어지고, 제 2소재의 단부와 대략 동일한 직경을 갖는 제 1 소재와, Ti-Al 금속간화합물로 만들어진 제 2소재를 제공하는 단계; 제 2소재의 단부를 가열하는 단계; 제 1소재의 단부를 마찰용접에 의해 제 2소재의 단부와접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특성 및 잇점은, 첨부된 도면에 나타낸 바와 같이, 실시예 각각에 대한 설명으로 더욱 명확해진다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 획득된 밸브축부(1)과 밸브헤드(2)로 이루어진 배기 포핏밸브를 나타낸다.
밸브축부(1)는 장축부(1a)와, 밸브헤드(2)에 일체적으로 형성된 단축부(1b)를 구비한다. 축부(1a,1b)는 마찰결합에 의해 각각의 단에 접합된다. 밸브축부(1)가 내연기관에 장착될 때, 접합부(4)는 2점쇄선으로 나타낸 밸브가이드(5)의 하부내 항상 배치되어, 밸브의 개방시, 고온의 배기가스에 노출되지 않도록 된다.
장축부(1a)는, β변형점보다 낮은 온도에서 단조에 의해 형성된 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, 및 Ti-6Al-6V-2Sn 와 같은 α- β합금에 의해 만들어진다. 단축부(1b) 및 밸브헤드(2)는 Ti-Al 금속간화합물의 TiAl로 만들어지고, 정밀주조접에 의해 일체적으로 형성된다. 64.4Ti-33.5Al-0.5Cr-1.0Nb-0.5Si 가 사용될 수도 있고, 여기에서 숫자는 중량%를 나타낸다.
도 2-4는 제 1 실시예에 따른 장축부(1a)와 배기밸브(3)의 밸브축부(1)의 단축부(1b)와의 접합을 나타낸다.
도 2는 접합전 α- βTi 합금으로 만들어진 장축부(1a)를 형성하는 축부소재(6)와, Ti-Al 금속간화합물로 만들어진 헤드소재(7)를 나타낸다. 대직경부(6b)는 축부소재(6)의 단부에 형성된다. 헤드소재(7)는 전술한 단축부(1b) 및 밸브헤드(2)와 유사한 밸브헤드 단축부(7a)와 밸브헤드(7b)로 이루어지고, 단축부(7a)의 직경은 로드부재의 소직경부(6a)와 대략 동일하도록 정밀주조법에 의해 일체적으로 형성된다.
Ti-Al 금속간화합물의 고온강도는 Ti합금 보다 높다. 따라서, Ti-Al 금속간화합물이 Ti 합금과 동일한 형태를 갖는다면, 두 소재의 가열시, Ti 합금이 소성변형되어 적당한 접합을 불가능하게 한다. Ti-Al 금속간화합물과 Ti 합금 사이의 고온강도의 동일함을 필요로한다. Ti 합금측의 열용량을 증가시키기 위해, 대직경부(6b)가 축부소재(6)의 단부에 형성된다. 대직경부(6b)에 대한 단축부(7a)의 직경 비율은 1 : 2.2 이다. 바람직하게는 1 : 2 ~ 1 : 2.5이다. 게다가, 대직경부(6b)는 드라이아이스에 의해 약 -80℃로 냉각하고, 보일링에 의해 단축부(7a)의 단부를 약 80℃로 가열하여, 바람직한 접합을 위한 160℃의 온도차를 둔다.
따라서, 대직경부(6b)가 헤드소재(7)에 마찰용접될 때, 대직경부(6b)의 용접온도는 헤드소재(7)의 단축부(7a)의 용접온도와 동일하도록 변화되어 바람직한 접합이 형성된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 소재(6,7)를 접합하기 위해, 축부소재(6)의 소직경부(6a)가 마찰용접기(도시안됨)의 회전척에 의해 파지되는 동안, 헤드소재(7)의 밸브헤드(7b)는 회전척과 동축으로 마주보고 있는 고정척에 의해 소재 (6,7)들이 동축으로 배치되도록 파지된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 회전척에 의해 파지된 축부소재(6)가 고속으로 회전되는 동안, 회전척에 의해 파지된 헤드소재(7)는 좌측으로 이동되고 단축부(7a)의 일단면은 적당한 압력으로 축부소재(6)의 대직경부(6b)상에 압착된다. 접합부가 Ti 산화되는 것을 방지하기 위해, Ar 가스와 같은 불활성 가스가 접합부에 분사될 수도 있다.
접합면은 열을 발생하고, 낮은 고온강도를 갖는 대직경부(6b)가 먼저 녹아 소성변형됨에 따라, 단축부(7a)의 일단부가 대직경부(6b) 속으로 들어가 녹게된다. 회전척은 축부소재(6)의 회전을 급정지시켜 대직경부(6b)를 헤드소재(7) 단축부(7a)에 단단하게 접합시킨다.
다음으로, 접합된 가공품이 마찰용접기로부터 제거되고, 그 접합부가 냉각된다. 축부소재(6)의 대직경부(6b)의 외주면은, 소직경부(6a) 및 헤드소재(7)의 단축부(7a)와 동일한 직경을 갖도록 기계적으로 절삭되어, 축부소재(6)의 일단면과 헤드소재(7)의 단축부(7a)가 단단하게 접합된 포핏밸브 또는 도 1내 포핏밸브(3)를 형성한다.
이런 접합에 의해, 축부소재(6)의 접합부는 Ti 합금의 β변형점을 초과하는 온도에서 가열된다. 따라서, 조직은 등축 α구조에서 침상구조로 변화됨에 따라, 벨브축부의 접합부의 고온강도가 증가된다.
도 5-7은 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸다. 제 2 실시예는 헤드소재(7)의 단축부(7a)의 단부를 제외하면 제 1 실시예와 동일함에 따라, 마찰용접 및 가공법에 대한 설명은 생략한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 헤드소재(7)의 단축부(7a)의 단부는 둥근 형태의 소직경부(7c)로 형성된다. 이와같이 마찰결합을 하면, 단축부(7a)의 소직경부(7c)에 대한 축부소재(6)의 대직경부의 직경비율은 제 1 실시예의 직경비율보다 크고, 질량차가 커진다. 대직경부(6b)와 단축부(7a)의 용융시작온도가 각각 근사하게 되고, 따라서 양호한 접합을 형성한다.
대직경부(6b)의 직경은 제 1 실시예의 대직경부의 직경보다 더 작게 만들어 질 수도 있고, 따라서 접합후 절삭가공 비용을 감소시킨다.
게다가, 도 7에 나타낸 바와 같이, 헤드소재(7)의 단축부(7a)와 축부소재(6)와의 접합부의 단면영역은 제 1 실시예의 접합부의 단면영역보다 크게되고, 따라서 접합강도가 확실하게 향상된다.
제 2 실시예에서, 단축부(7a)는 원추형으로 될 수도 있다.
도 8 및 9는 본 발명에 따른 접합방법의 제 3 실시예를 나타낸다. 축부소재(6)는 헤드소재(7)의 단축부(7a)와 동일한 직경을 갖는다. 전술한 바와 같이, Ti-Al 금속간화합물은 고온 강도에 있어서 Ti 합금보다 높기때문에, Ti 합금이 Ti-Al 금속간화합물의 변형보다 먼저 소성변형되어 접합이 불가능하게 된다. 가열에 있어서 강도를 다르게 하지 않기 위해, 헤드소재(7)는 그 내주면에 코일을 갖는 원통형 고주파유도가열기에 의해 가열된다. 단축부(7a)의 단부는 마찰용접기(도시안됨)내로 척과 동축이 되도록 삽입되어 가열될 수 있다. 이런 방법에 의해, 축부소재(6)의 직경은 단축부(7a)의 직경과 동일하게 되어 이들간의 접합이 가능해진다.
축부소재(6)를 헤드소재(7)의 단축부(7a)와 접합하기위해, 단축부(7a)가 가열기(8)에 의해 온도차가 900-1100℃이도록 가열된 후, 단축부(7a)의 단면은 도 9에 나타낸 바와 같이 고속으로 회전되는 축부소재(6)상에 압착된다. 두 단면이 비슷하게 용융되어 단단한 접합을 형성한다. 접합 후, 접합부의 버(burr)가 가공에 의해 제거되어 도 4에 나타낸것과 동일한 포핏밸브를 형성한다.
제 3 실시예는 축부소재(6)에서 대직경부(6b)를 사용할 필요가 없고, 헤드소재(7)의 단축부(7a)와 동일한 직경을 갖는 로드소재가 사용됨에 따라, 제조비용이 감소되고 대직경부(6b)의 절삭단계가 생략되어 소재의 생산량이 증가되며, 비용이 상당히 감소된다.
제 3 실시예에 있어서, 헤드소재(7)의 단축부(7a)의 단부는 제 2 실시예와유사하게 라운드되거나 테이퍼될 수도 있다.
축부소재(6)는 α- β합금의 Ti-6Al-4V로 만들어질 수도 있고, 헤드소재(7)는 TiAl 또는 정밀주조처리에 의해 Ti-Al 금속간화합물의 64.5Ti-33.5Al-0.5Cr-1.0Nb-0.5Si(여기에서 숫자는 중량%)로 만들어질 수도 있다. 도 2-4에 나타낸 제 1 실시예에 의해 이들이 접합된다.
도 10은 본 발명에 의해 상기 방법으로 접합된 포핏밸브의 인장강도를 다른소재로 이루어진 포핏밸브와 비교하여 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 내열강 및 Ti 합금의 인장강도는 온도의 증가에 따라 감소되고, 본 발명에 따른 방법에 의해 만들어진 포핏밸브는 Ti-Al 금속간화합물과 유사하게 상온에서 고온에 이르기까지 일정한 인장강도를 제공하고, 높은 온도에서 높은 강도를 요구하는 배기밸브로 사용하기에 안전하다.
전술한 방법에 의해 접합된 포핏밸브는 내열강의 약 40%, Ti 합금의 약 11%정도로 경량화된다. 전술한 제 2 실시예 및 제 3 실시예에 의해 접합된 포핏밸브에 있어서 동일한 결과가 얻어진다.
본 발명에 따른 접합방법은 터보충전기의 회전축과 가열노와의 접합에도 적용될 수도 있다.
전술한 바는 단지 본 발명의 실시예에 관한 것으로, 청구범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 발생할 수도 있다.

Claims (17)

  1. Ti 합금으로 만들어지고, 단부에 소직경부 및 대직경부를 구비한 제 1소재를 마찰용접기의 회전척을 사용해 파지하는 단계;
    Ti-Al 금속간화합물로 만들어지고, 단부가 상기 제 1소재의 상기 소직경부와 동일한 직경을 갖는 제 2소재를 상기 마찰용접기의 고정척을 사용해 파지하는 단계;
    상기 제 2소재의 단부를 상기 제 1소재의 단부의 대직경부 속으로 압입하는 단계;
    상기 회전척내 제 1소재를 고속으로 회전시키는 단계; 및
    상기 제 1소재의 회전을 정지시켜 상기 제 1소재의 단부에 상기 제 2소재의 단부를 단단하게 접합하는 단계를 포함하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 대직경부가 접합 후 기계적으로 절삭되어 상기 제 1 및 제 2 소재의 단부들이 동일직경으로 매끄럽게 이어지는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  3. 제 1항에 있어서, 불활성 가스가 상기 제 1 및 제 2 소재의 단부를 향해 분사되는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 소재의 단부가 둥글게 되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 Ti 합금이 Ti-6Al-4V를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 Ti-Al 금속간화합물이 TiAl을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 제 2금속소재는 접합되는 단부의 반대쪽 단부에 밸브헤드를 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 소재가 마찰용접에 의해 접합되어 포핏밸브를 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 대직경부에 대한 상기 제 2소재의 단부의 직경비율이 1:2 - 1:2.5 인것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  10. 제 1항에 있어서, 바람직한 접합을 위해 상기 제 1 및 제 2 소재간의 온도차를 형성하도록, 상기 제 2소재의 단부를 가열하면서 상기 제 1소재의 단부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  11. Ti 합금으로 만들어지고, 제 2소재의 단부와 대략 동일한 직경을 갖는 제 1 소재와, Ti-Al 금속간화합물로 만들어진 제 2소재를 제공하는 단계;
    상기 제 2소재의 단부를 가열하는 단계;
    상기 제 1소재의 단부를 마찰용접에 의해 상기 제 2소재의 단부와 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2소재의 단부에 접합부에 의해 만들어진 버(burr)가 기계적으로 절삭되어 상기 제 1 및 제 2소재의 단부들이 매끄럽게 이어지는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  13. 제 11항에 있어서, 불활성 가스가 상기 제 1 및 제 2 소재의 단부를 향해 분사되는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 가열단계는 상기 제 1 및 제 2소재의 단부들 사이에 900-1100℃의 온도차를 제공하는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 가열단계는 고주파유도가열기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 제 1소재가 장축부를 포함하고, 상기 제 2소재가 단축부와 밸브헤드를 포함하고, 그에 따라 상기 접합단계에 의해 포핏밸브가 제조되는 것을 특징으로 하는 마찰용접에 의한 상이 금속소재의 접합방법.
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