KR200405384Y1 - 플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형 경제형 로터샤프트 - Google Patents

Abstract

본 고안은 내연기관, 특히 중대형 선박용 기관에 사용되는 로터샤프트에 관한 것이다.

즉, 본 고안은 중대형 선박용 기관의 로터샤프트(1)를 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부(2)와 동일합금 및 일반 내열강의 스템부(3)로 구성되는 이종의 금속재를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동을 시켜 회전관성모멘트 에너지를 이용하여 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 플라이휠 방식 마찰용접으로 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 고안은 직경 100㎜ 이상의 동일 금속재 및 이종 금속재 접합이 가능한 플라이휠 방식 마찰용접으로 로터샤프트(1)를 구성한 것으로서, 직경이 큰 로터샤프트(1)에 적합하고, 열영향부가 좁고, 재료 특유의 성질을 유지하며, 작업공정이 단순하고, 작업환경이 청결하며, 작업능률이 높은 등의 효과를 득할 수 있고, 더불어 대형 단조설비가 필요 없고, 고가의 초내열합금의 손실이 거의 발생하지 않으므로 제조단가를 줄일 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

로터샤프트, 헤드부, 스템부, 플라이휠, 마찰용접

Description

플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형 경제형 로터샤프트{Economical large rotor shaft utilizing flywheel type friction welding}

도 1은 본 고안의 바람직한 일 실시예를 보인 사시도

도 2는 본 고안의 바람직한 일 실시예를 보인 단면 구성도

도 3은 본 고안의 제조공정을 보인 공정도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1: (플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형 경제형)로터샤프트

2: 헤드부(Cr-Mo-V Steel 초내열합금)

3: 스템부(동일합금 및 일반 내열강)

본 고안은 내연기관, 특히 중대형 선박용 기관에 사용되는 로터샤프트(rotor shaft)에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부와 동일합금 및 일반 내열강의 스템부로 구성되는 동일금속재 및 이종의 금속재를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동을 시켜 회전관성모멘트 에너지를 이용하여 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 플라이휠 방식 마찰용접으로 제조, 구성한 대형 경제형 로터샤프트를 제공코자 하는 것이다.

통상 선박의 디젤엔진의 과급기에 사용되는 로터샤프트는 도 1내지 도 2에 도시된 바와 같이 크게 헤드부(2)와 스템부(3) 두 부분으로 구성되어 일체형 결합되어 이루어진다.

로터샤프트를 제작함에 있어서, 상기 헤드부(2)는 고온, 고압의 주변 여건하에서 작동하기 때문에 이를 견디기 위해 통상 Cr-Mo-V Steel, INCONEL713 초내열합금을 소재로 하여 정밀주조 및 단조공정을 거치되 제작 편의상 헤드부(2)와 샤프트(3)를 일체형으로 제작하는 것이 일반적이었다.

그런데 초내열합금은 일반 내열강에 비해서 가격이 고가여서 헤드부과 샤프트를 일체로 제작하게 되면 제품단가가 높아지는 문제가 발생한다.

이 때문에 직접적으로 고온, 고압의 가스에 노출되는 부분, 즉 헤드부는 초내열합금을 사용하여 물성을 갖도록 하고, 샤프트는 제조단가가 낮은 내열강으로 대체하여 제조단가가 낮은 로터샤프트 개발이 필요하였던 것이다.

이러한 일체형 로터샤프트는 잉곳(ingot)을 자유단조(free forging)한 봉재(棒材)를 업셋(upset) 성형한 소재나, 봉재의 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.

따라서 재질특성상 헤드부는 고온의 산화분위기에서의 강도, 내식성 및 내마모성이 요구되고, 스템부는 일반 내열강으로 요구된다. 이와 같이 헤드부와 스템부의 사용환경이 다른 점을 이용하여 그 특성에 적합한 재질을 선정하고 이들 이종 금속재료를 이용하여 빠르고 간편하며 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 접합기술이 발전하고 있는 실정이다.

상기 접합기술들 중 일반적인 용융 접합법을 이용할 경우 별도의 용접봉이나 용가재 등의 부재료를 필요로 하고, 헤드부와 스템부의 용접 시 유해한 흄(fume)이나 불꽃이 발생하여 작업환경의 개선이 요구되었으며, 작업능률이 떨어지고 품질의 정형화가 이루어지지 않아 제품의 신뢰도가 떨어지는 등의 문제점을 내포하고 있었던 것이다.

근자에 들어 상기 문제점을 해결코자 금속을 용해하지 않고 접촉면 마찰로 생기는 마찰열과 고온에서 일어나는 소성변형을 동시에 이용하는 마찰용접법이 널리 보급되었으나, 종래의 마찰용접기술은 자동차 및 소형선박용 밸브 등과 같이 직경 40㎜ 이하 소형 부품의 접합에만 한정되는 것이 문제점으로 지적되어 왔던 것으로서, 상기 문제점들을 일소할 수 있는 장치의 개발이 시급히 요구되었던 것이다.

이에 본 고안에서는 상기한 바와 같은 종래 로터샤프트가 갖는 제반 문제점을 개선코자 본 고안을 안출한 것으로서, 본 고안은 내연기관, 특히 중대형 선박용 기관에 사용되는 로터샤프트를 구성함에 있어서, 상기 로터샤프트를 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부와 동일합금 및 일반 내열강의 스템부로 구성되는 이종 금속재를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동을 시켜 회전관성모멘트 에너지를 이용하여 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 플라이휠 방식 마찰용접으로 제조, 구성하여 재료의 열전도를 최대한으로 억제함으로써, 열영향부가 좁고, 재료 특유의 성질을 유지하며, 작업공정이 단순하며, 부재료(용접봉, 용가재 등)가 필요하지 않아 유해한 흄(fume)이나 불꽃이 발생되지 않아 작업 환경이 청결하며, 작업능률이 높고, 자동화가 가능하여 일정한 품질의 유지가 가능하므로 제품의 신뢰도가 높은 대형 경제형 로터샤프트를 제공함에 고안의 기술적 과제를 두고 본 고안을 완성한 것이다.

도 1 내지 도 2는 본 고안의 바람직한 일 실시예를 보인 사시도 및 단면 구성도이고, 도 3은 본 고안의 로터샤프트(1) 제조공정을 보인 공정도로서, 이를 통하여 본 고안을 이하에 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 내연기관 및 중대형 선박용 기관에 사용되는 로터샤프트(1)를 구성함에 있어서, 상기 로터샤프트(1)는 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)과 바나듐(V)을 첨가한 Cr-Mo-V Steel 초내열합금으로 헤드부(2)를 형성하고, 동일합금 및 주석(Sn)과 크롬(Cr)과 텅스텐(W)을 첨가한 일반 내열강으로 스템부(3)를 형성한다.

상기 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부(2)와 동일합금 및 일반 내열강의 스템부(3)를 서로 접촉시킨 채로 가압하면서 상대운동을 시켜 회전관성모멘트 에너지를 이용하여 접촉면에서 발생하는 마찰열로 접합면을 가열하여 압접하는 플라이휠 방식 마찰용접으로 로터샤프트(1)를 제조하여 구성한다.

도면 중의 미 설명부호 4는 플라이휠 마찰용접장치, 4a는 회동모터, 4b는 플라이휠, 4c는 회전축, 4d는 고정구를 도시한 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 고안은 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부(2)와 동일합금 및 일반 내열강의 스템부(3)를 플라이휠 마찰용접장치(4)에 의해 압접하여 일체로 로터샤프트(1)를 구성하는 것으로서,

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, 작업능률이 높고, 자동화가 가능하며 일정한 품질의 유지가 가능하므로 제품의 신뢰도를 높일 수 있는 것이다.

상기 플라이휠 방식 마찰용접에 의한 로터샤프트(1)의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에서 보는 바와 같이 상기 플라이휠 마찰용접장치(4)에 있어서 플라이휠(4b)의 회전축(4c)과, 상기 회전축(4c)과 소정의 간격으로 이격된 고정구(4d)에 이종의 금속재로 구성된 헤드부(2)와 스템부(3)를 각각 설치한 후, 상기 회동모터(4a)에 의해 플라이휠(4b)을 회전시키고, 플라이휠(4b)이 회전함에 따라 발생되는 마찰용접회전력으로 회동모터(4a)를 제거하더라도 회전축(4c)이 회전되도록 회전관성모멘트 에너지를 생성시킨다.

이때 상기 고정구(4d)에 마찰용접압력을 가해 스템부(3)를 이동시켜 회전축(4c)에 설치된 헤드부(2)와 접촉시키고, 접촉면에 상대운동에 따른 마찰을 발생시켜 회전관성모멘트 에너지를 열에너지로 자연스럽게 변환시키며, 동시에 고정구(4d)에 추가로 압력을 가하여 접합하여 직경 100㎜ 이상의 이종 금속재 접합이 가능한 플라이휠 방식 마찰용접으로서, 상기 마찰용접회전력으로 회전축(4c)을 회전시켜 회전관성모멘트 에너지를 생성시키는 단계, 상기 마찰용접압력을 마찰용접시간 동안 고정구(4d)에 설치된 스템부(3)에 가해 회전축(4c) 및 고정구(4d)에 설치된 헤드부(2) 및 스템부(3)를 서로 마찰시키는 단계, 상기 고정구(4d)에 설치된 스템부(3)에 단조압접압력을 단조압접시간동안 더 가해 상기 회전축(4c)에 설치된 헤드부(2)가 제동되어지면서 고정구(4d)에 설치된 스템부(3)와 회전축(4c)에 설치된 헤드부(2)가 압접되는 단계를 거쳐 이종의 금속재인 헤드부(2)와 스템부(3)를 일체로 구성하여 로터샤프트(1)를 완성하는 것이다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 고안에서 제공하는 플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형 경제형 로터샤프트(1)는 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부(2)와 동일합금 및 일반 내열강의 스템부(3)를 직경 100㎜ 이상의 이종 금속재 접합이 가능한 플라이휠 방식 마찰용접으로 일체로 구성한 것으로서,

직경이 큰 로터샤프트(1)에 적합하고, 회전관성모멘트 에너지를 열에너지로 자연스럽게 변환시키는 동시에 압접을 통해 재료의 열전도를 최대한으로 억제하여 열영향부가 좁고, 재료 특유의 성질을 유지하며, 작업공정이 단순하고, 용접봉 및 용가재 등이 필요하지 않아 유해한 흄이나 불꽃이 발생되지 않으므로 작업 환경이 청결하며, 작업능률이 높고, 자동화가 가능하며 일정한 품질의 유지가 가능하므로 제품의 신뢰도를 높일 수 있음은 물론, 대형 단조설비가 필요 없고, 고가의 초내열합금의 손실이 거의 발생하지 않으므로 제조단가를 줄일 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 고안이다.

Claims (1)

1. 통상의 내연기관 및 대형선박용 기관에 사용되는 로터샤프트(1)에 있어서;

   상기 로터샤프트(1)는 Cr-Mo-V Steel 초내열합금의 헤드부(2)와, 동일합금 및 일반 내열강의 스템부(3)가 상호 플라이휠 방식 마찰용접에 의해 일체 구성한 것을 특징으로 하는 플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형 경제형 로터샤프트.

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