KR20090104800A

KR20090104800A - 제1 및 제2의 금속 공작물의 고압／고속 용접 또는 접합 방법 및 이 방법에 의해 제조되는 물품

Info

Publication number: KR20090104800A
Application number: KR1020097000280A
Authority: KR
Inventors: 오렌 가프리; 유리 리브쉬즈
Original assignee: 펄사르 웰딩 엘티디.
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-10-06
Also published as: US8393525B2; US20100108666A1; CN101472701B; CN101472701A; JP2009541059A; EP2040873A1; WO2007148339A1; US20130189025A1

Abstract

금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 제1 금속 공작물(10)의 제1 부분(12)이 상기 하나 이상의 제2 금속 공작물(15)의 제2 부분(17)과 대체로 중첩되는 관계가 되도록 상기 제1 금속 공작물(10)과 하나 이상의 제2 금속 공작물(15)을 상호 접근시킨다. 상기 제1 부분(13)과 상기 제2 부분(17) 사이에 입자의 형태 또는 포일의 형태인 적합한 물질(99)이 제공된다. 상기 제1 금속 공작물(10)과 상기 하나 이상의 제2 금속 공작물(15)이 상호 접합 또는 용접되어 이들 사이에 금속학적 접합부가 형성되도록 적절한 고압 결합공정(95) 및 고속 결합공정 중의 임의의 하나를 이용하여 상기 제1 부분(12)을 포함하는 상기 제1 공작물(10)의 적어도 제1 부분을 상기 제2 부분(17)을 포함하는 상기 하나 이상의 제2 공작물(15)의 일 부분을 향하여 가압한다.

금속 공작물(METAL WORKPIECE), 고압용접(HIGH PRESSURE WELDING), 고속용접(HIGH VELOCITY)

Description

제1 및 제2의 금속 공작물의 고압／고속 용접 또는 접합 방법 및 이 방법에 의해 제조되는 물품{METHOD FOR HIGH PRESSURE/HIGH VELOCITY WELDING OR JOINING FIRST AND SECOND METAL WORKPIECES BEFORE WELDING/JOINING； ARTICLE OF MANUFACTURE MADE THEREBY}

본 발명은 공작물의 용접공정 또는 접합공정에 적용되는 압력 및/또는 속도의 적용에 기초한 용접공정 및 접합공정에 관한 것이다.

공작물들 사이의 결합 또는 공작물들 사이의 금속학적 접합을 형성하기 위해 사용되는 다양한 접합공정 또는 용접공정이 있다.

이들 공정 중 일 종류는 고체상태 금속접합, 즉, 공작물을 그 융점까지 가열하지 않는 금속접합 또는 브레이징 용가재(brazing filler metal)를 첨가하지 않는 금속접합으로서, 적어도 다음과 같은 주지의 공정들을 포함한다.

(i) 펄스 자기 형성법(Pulse Magnetic Forming; PMF).

(ii) 폭발용접법(Explosive Welding; EW)

(iii) 마찰용접법(Friction Welding; FW).

(iv) 초음파용접법(Ultrasonic Welding; USW).

(v) 확산용접법(Diffusion Welding; DFW).

(vi) 냉간압접법(Cold Welding; CW).

(vii) 가스압접법(Pressure Gas Welding; PGW).

(viii) 단접법(Forge Welding; FOW).

펄스 자기 형성법(PMF)은 금속 공작물 또는 그 일부가 펄스 자기장에 의해 급속하게 진동함으로써 변형이 유발되는 공정이다. PMF 공정의 한가지 장점은 이 공정에서의 비열은 최소이므로 그 결과 공작물이 전혀 가열되지 않거나 극소량 가열된다는 것이다. 따라서, 이 공정은 "냉간압접법" 또는 용접"이라고 부른다. 또, 이 공정은 다른 용접법에서는 일반적인 공구자국을 남기는 단점이 없다.

상기 PMF 공정은 강한 자계를 형성하기 위해 커패시터 뱅크(capacitor bank), 포밍 코일(forming coil) 및 필드 쉐이퍼(field shaper)를 사용한다. PMF 공정시 요구되는 강한 자계는 뱅크 커패시터에 저장된 전기 에너지가 포밍 코일 내로 급속하게 방전됨으로써 생성된다. 그 결과 공작물에 유도되는 와전류는 공작물과 포밍 코일의 사이에 자력 반발을 유발하고, 포밍 코일은 정위치에 강고하게 고정되어 있으므로 상기 자력 반발에 의해 공작물의 변형이 유발된다.

상기 공작물의 표면은 반발력의 영향 하에서 이동함에 따라 자계로부터 에너지를 흡수한다. 가득 에너지의 대부분을 성형공정에 적용하기 위해 그리고 공작물 내로 에너지가 침투함으로써 발생하는 에너지 손실(에너지는 저항열로서 낭비됨)을 감소시키기 위해 성형 자기 펄스는 극히 짧은 길이로 생성된다. 대부분의 PMF 적용시, 펄스는 약 10 내지 약 250 μsec 범위의 지속시간(방전 전류의 제1파의 지속시간)을 가진다.

본 양수인이 양수한 미국특허 US 5,824,998에는 제1의 금속 공작물의 적어도 일부와 하나 이상의 제2 금속 공작물의 적어도 일부를 접합 또는 용접하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 상기 제2 공작물의 상기 부분에 충돌하도록 상기 제1의 공작물의 상기 부분에 펄스 자기력을 이용하여 운동을 유발하는 단계를 포함한다. 상기 운동은 제1의 공작물의 적어도 일부 상에 운동 에너지를 전달함으로써 상기 두 적어도 일부분들을 접합 또는 용접시킨다.

미국특허 US 5,442,846에는 브릿징 슬리이브에 의해 외경이 적어도 12 인치인 강관의 두 인접 세그먼트를 접합하는 공정이 개시되어 있다. 이 슬리이브는 짧은 수축펄스를 이용한 자기 성형법에 의해 강관의 양 세그먼트까지 수축된다.

폭발용접법(EW)은 제어된 폭발에 의한 공작물들의 고속충돌에 의해 두 공작물 사이에서 용접이 형성되는 고체 상태의 용접공정이다. 두 공작물은 공간을 두고 배치되고, 폭약(explosive charge)은 두 공작물의 접촉단부에 충격을 가하고, 이 접촉지점은 폭발력에 의해 공작물 전역을 통해 급격한 속도로 이동함으로써 용접이 형성된다.

마찰용접법(FW)은 제1 공작물은 제2 공작물과 접촉상태에서 이 제2 공작물에 대해 회전운동 및/또는 병진운동되고, 이들 두 공작물 사이에 발생되는 마찰에 의해 접합 에너지가 제공되는 고체 상태의 용접공정이다.

초음파 용접법(USW)은 제1의 공작물이 제2 공작물에 고압으로 압착되고, 이들 두 공작물의 접촉부에 고주파 진동이 유발됨으로써 접합을 위한 에너지가 제공되는 고체 상태의 용접공정이다.

확산 용접법(DFW)은 공작물의 거시적 규모의 변형이나 상대 운동이 발생하지 않은 상태에서 제1 공작물이 제2 공작물에 대해 고압 및 공작물의 융점 미만의 고온에서 압착되는 고체 상태의 용접공정이다.

냉간 용접법(CW)은 제1 공작물이 제2 공작물에 대해 고압 및 실온에서 압착되어 용접부에서 공작물이 실질적으로 변형되는 고체 상태의 용접공정이다.

가스 압접법(PGW) 또는 고온 가스 압접법은 제1 공작물이 제2 공작물에 대해 고압 및 고온에서 압축되어 공작물이 거시적 규모로 실질적 변형되는 고체 상태의 용접공정이다.

단접법(FOW) 또는 충격용접법은 제1 공작물과 제2 공작물이 용접온도까지 가열되는 중에 이들 공작물이 높은 충격을 받아서, 공작물의 접촉면에서 실질적으로 변형되는 고체 상태의 용접공정이다.

발명의 요약

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 하기의 용어가 사용된다.

제1 공작물 -- 금속물체로서, 적어도 그 일부가 적절한 힘(예, 펄스 자기력)에 의해 급속한 운동 상태에 처해짐으로써 제2 공작물(후술됨)과 접합되거나 용접되는 금속물체.

제2 공작물 -- 제1의 공작물의 적어도 일부에 접합 또는 용접되는 금속물체.

가공 -- 제1의 공작물의 표면 또는 그 일부에 가해지는 작업 공정. 본 발명에 따르면 가공은 제1공작물의 형태의 변화를 유발할 뿐 아니라 제1공작물과 제2공작물 또 제2공작물의 일부의 접합 또는 용접을 유발시킨다.

접합 -- 공작물과 제2 공작물의 극밀착 접촉을 유발시키는 가공. 접합은 예를 들면 금속제 원통상 물체에 대한 본질적으로 관형상인 공작물의 공작물의 내부에서의 수축작용으로서, 이들 두 물체의 대향하는 표면들을 상호 강력하게 그리고 본질적으로 영구적으로 가압하는 작용일 수 있다. 접합의 목적은 예를 들면 즉, 두 물체 사이의 전기저항을 최소화하는 긴밀한 전기 접속을 확보하기 위한 것일 수 있다.

용접 -- 제1, 제2 공작물의 두 대향면이 하나로 결합되도록 제1의 공작물을 형성하는 것. 용접시 이들 두 표면은 실제로 상호 융합되고 응고되어 일체가 된다.

금속학적 접합 -- 금속 원자의 응집체가 상호 근접하는 경우, 원자가 전자의 파동함수의 공간적 연장으로부터 유발되는 금속을 결합하는 주요 접합.

고체 상태의 접합 -- 브레이징 용가제를 첨가하지 않은 상태에서 본질적으로 공작물들 중 적어도 하나의 공작물의 융점 미만의 온도에서의 두 공작물 사이의 합체를 발생하는 용접공정에 의해 형성되는 접합.

본 발명의 일부 실시예는 하기와 같이 정의된다:

1. 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법으로서:

(a) 상기 제1 금속 공작물의 제1 부분이 상기 하나 이상의 제2 금속 공작물의 제2 부분과 대체로 중첩되는 관계가 되도록 상기 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물을 상호 접근시키는 단계;

(b) 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 입자의 형태 또는 포일의 형태인 적합한 물질을 제공하는 단계; 및

(c) 상기 제1 금속 공작물과 상기 하나 이상의 제2 금속 공작물이 상호 접합 또는 용접되어 이들 사이에 금속학적 접합부가 형성되도록 적절한 고압 결합공정 및 고속 결합공정 중의 임의의 하나를 이용하여 상기 제1 부분을 포함하는 상기 제1의 공작물의 적어도 제1 부분을 상기 제2 부분을 포함하는 상기 하나 이상의 제2 공작물의 일 부분을 향하여 가압하는 단계를 포함하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

2. 실시예 1에 따른 방법에 있어서, 상기 적합한 고압 접합공정 및 고속 접합공정 중의 임의의 하나는 상기 제1의 부분과 상기 제2 부분의 사이에 상기 물질을 개재한 상태에서 접촉 전단부를 형성하도록 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 금속학적 접합부를 형성하는 접촉부가 되도록 가압하는 단계를 포함하고, 상기 접촉 전단부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 대향하는 부분이 상기 공정에 의해 이미 접합된 적어도 하나의 금속학적 접합부 사이의 궤적, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 대향하는 부분이 상기 공정에 의해 장차 접합될 적어도 하나의 비접합부를 형성하고, 상기 접촉 전단부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서 급속하게 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

3. 실시예 2에 따른 방법에 있어서, 상기 접촉 전단부, 상기 제1의 부분 및 상기 제2 부분은 사전 설정된 예각으로 상기 접촉 전단부에서 만나는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

4. 실시예 2 또는 3 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 접촉 전단부는 약 3*10³m/초를 초과하는 속도로 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

5. 실시예 2 내지 4 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 접촉 전단부는 약 600m/초를 초과하는 속도로 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

6. 실시예 2 내지 5 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 접촉 전단부는 상기 비접합 부분 내의 상기 제1의 부분과 상기 제2 부분의 상기 대향하는 부분들 사이에서 플라즈마를 형성하는데 충분한 속도로 전파하는 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

7. 실시예 6에 따른 방법에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 전파하는 접촉 전단부에 의해 플라즈마의 형태로 가열되는 상기 물질의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

8. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 펄스 자기 형성 공정(PMF)인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

9. 실시예 8에 따른 방법에 있어서, (c) 단계에서 상기 PMF 공정은 코일을 통해 전류 펄스를 통과시킴에 의해 펄스 자력을 유발하는 단계로서, 이 펄스 자력은 상기 제1 부분을 충돌 전 제1 공작물의 소성변형 에너지 및 제2 공작물의 탄성변형 에너지의 결합된 에너지 이상인 제1의 공작물의 초기 운동 에너지를 가진 상태로 상기 제2 부분 상에 충돌시키기 위한 펄스 자력이고, 그 것에 의해 하나 이상의 제2 금속 공작물은 상호 접합 또는 용접되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

10. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 폭발용접 공정인 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

11. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 마찰용접 공정인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

12. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 초음파 용접공정인 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

13. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 확산용접 공정인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

14. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 냉간용접 공정인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

15. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 가스압접 공정인 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

16. 실시예 2 내지 7 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 공정은 단접인 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

17. 실시예 1 내지 16 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, (b) 단계에서 상기 입자는 상기 제1의 부분 및 상기 제2 부분 중 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

18. 실시예 17에 따른 방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 (a) 단계의 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

19. 실시예 1 내지 18 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 부분의 제1 표면 및 상기 제2 부분의 제2 표면 중 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

20. 실시예 19에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 금속 분말을 포함하는 에멀젼으로 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 분사하거나 또는 피복함으로써 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

21. 실시예 20에 따른 방법에 있어서, 상기 에멀젼은 적합한 기체 또는 액체 내에 현탁된 입자는 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

22. 실시예 19에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 표면, 상기 제2 표면 및 상기 입자 중의 적어도 하나의 사이에 정전인력을 유발시킴에 의해 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

23. 실시예 19에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 금속이고, 자화되고, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나는 자화가 가능하고, 적절한 전류가 통전되어 상기 금속 분말의 인접부에서 상기 자화가 가능한 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나를 자화시킴으로써 상기 분말이 상기 제1 부분 및 제2 부분 중의 적어도 하나에 자기적 인력을 유발하도록 하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

24. 실시예 1 내지 실시예 23 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나는 적어도 (c) 단계 전에 상기 입자를 유지하도록 구성되는 표면 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

25. 실시예 24에 따른 방법에 있어서, 상기 표면 특성은 함몰부, 딤플, 체널 및 이와 유사한 것 중의 임의의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

26. 실시예 1 내지 실시예 25 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자 중의 적어도 일부는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나를 구성하는 금속과 동일한 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

27. 실시예 1 내지 실시예 26 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자 중의 적어도 일부는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 구성하는 금속과 동일한 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

28. 실시예 1 내지 실시예 27 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 부분 및 제2 부분을 구성하는 하나 이상의 금속과 상이한 하나 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1의 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

29. 실시예 1 내지 실시예 28 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 약 1*10^-6m 내지 약 200*10^-6m의 범위의 유효 직경 또는 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

30. 실시예 1 내지 실시예 28 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 약 5*10^-6m 내지 약 50*10^-6m의 범위의 유효 직경 또는 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

31. 실시예 1 내지 실시예 28 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 입자는 약 10^-9m의 유효 직경 또는 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

32. 실시예 1 내지 실시예 31 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 알루미늄, 철 또는 강철, 구리, 마그네슘, 비스무스, 리튬, 니켈, 아연, 마그네슘, 은, 금, 티타늄, 주석으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 또는 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

33. 실시예 1 내지 실시예 32 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 입자는 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물로부터 선택되는 적어도 하나의 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

34. 실시예 1 내지 실시예 28 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 포일은 약 1*10^-6m 내지 약 200*10^-6m 범위의 두께의 금속 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

35. 실시예 1 내지 실시예 28 중의 임의의 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 포일은 약 5*10^-6m 내지 약 50*10^-6m 범위의 두께의 금속 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.

36. 실시예 1 내지 실시예 35 중의 임의의 하나의 방법에 따른 하나 이상의 제2 금속 공작물에 용접된 제1 금속 공작물을 포함하는 물품.

본 발명의 일부의 실시태양에 따른 고압/고속 접합법 또는 용접법에서, 이 공정의 실시 전에 제1 공작물과 제2 공작물의 사이에 간극이 제공된다. 다음에 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 상기 물질을 개재한 상태에서 접촉 단부를 유발하도록 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 가압하여 금속학적 접촉부를 형성시키고, 공작물들의 비접합된 접촉면들의 사이에는 각도, 즉 α가 형성된다.

접촉 전단부는 제1 부분과 제2 부분의 대향하는 부분들이 상기 공정에 의해 이미 접합된 적어도 하나의 금속학적 접합부 사이의 운동 궤적 또는 분리선, 및 제1 부분과 제2 부분의 대향하는 부분들이 상기 공정에 의해 장차 접합될 적어도 하나의 비접합부를 형성한다. 접촉 전단부는 제1 부분의 전체가 제2 부분에 접합될 때까지 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서 급속하게 전파한다.

접촉점의 전파속도 Vc.p.는 두 공작물 사이의 충돌속도 Vr에 대해 다음과 같은 관계가 있다:

Vc.p. = Vr /tan α (1)

충돌속도는 다음 식으로이 주어질 수 있다.

Vr = [2*p*h/(γ*Δ)]^0.5 (2)

여기서,

h-공작물 사이의 간격

l-용접될 공작물들의 길이

p-고펄스압력(즉, 자기압력)

γ-물질의 비밀도(specific density)

Δ-압력에 의해 유도된 외력에 의해 변형되는 공작물 두께

(1)식과 (2)식을 결합하면, Vc.p.에 대한 다음식이 얻어진다.

(3)식은 Vc.p가 감소될 때 다른 파라메터가 어떻게 변화될 수 있는지를 나타낸다.

예를 들면 동일 압력에 대해 더 작은 간극을 채용할 수 있고, 또는 동일한 간극 및 길이에 대해 더 낮은 압력이 요구될 수 있다.

본 발명에 따른 입자 또는 포일을 제공하면 Vc.p.를 감소시킬 수 있고, 따라서 입자나 포일을 사용하지 않는 경우에 비해 더 낮은 압력 및/또는 더 작은 간극을 사용할 수 있다. 유사하게, 동일한 간극 및/또는 동일한 압력에 대해 더 긴 용접길이가 제공될 수 있다.

상기 식은 필요한 변경을 가하여 두 공작물 사이의 용접 전단부 또는 접촉점을 전파시키기 위해 외력이 제공되는 본 발명에서 사용되는 다른 고체 상태 용접공정에도 적용할 수 있다.

본 발명의 일부의 실시예에 따르면, 제1 공작물과 제2 공작물의 임의의 주어진 조합에 대한 간극의 치수 및/또는 유도된 외력의 크기는 이 외력을 유도하기 전 상기 두 공작물 사이에 상기 물질을 추가함으로써 감소시키는 것이 가능하다.

이론에 구애됨이 없이, 두 공작물의 사이에는 외력이 가해질 때 통상 플라즈마가 생성된다. 접촉 전단부가 전파함에 따라, 플라즈마(이것은 공작물들 사이의 공간에 개재하는 공기 또는 기체가 상기 공간으로부터 급속한 속도로 배기됨에 따라 상기 공기 또는 기체에 급작스럽게 가해지는 고온 및 고압에 의해 생성됨)는 공작물들의 대향면 및/또는 접합면을 실질적으로 세정시켜줌과 동시에 압력을 가한다. 공작물들 사이에 분말을 추가하면 플라즈마가 보다 용이하게 형성될 수 있고, 그 결과 간극의 치수 및/또는 필요한 외력의 크기를 감소시킬 수 있다.

따라서, 입자는 용접될 표면들 사이에서 플라즈마 파동의 열을 증대시키고, 국부 온도를 상승시킴으로써 용접 상태를 개선해주는 역할을 한다.

본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 두 공작물 사이에 본 발명에 따른 입자 또는 포일을 사전에 개재한 상태에서 두 공작물을 접촉시키고, 연속적인 고압 또는 충격압을 가하면 입자 및/또는 포일의 존재에 의해 용접공정이 개선된다.

본 발명 및 본 발명의 실시방법을 이해하기 위해, 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 비제한적인 예시로서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시태양에 따른 동심의 공작물들의 용접의 개략도이다.

도 2는 케이블의 단부를 케이블 러그의 공동부 내에 삽입한 상태를 보여주는 케이블과 케이블 러그로 구성되는 조립체의 사시도이다.

도 3은 도 2의 조립체의 부분단면도이다.

도 4는 도 3의 3-3선 단면도이다.

도 5는 케이블 러그의 원통형 부분의 수축된 후 케이블과 케이블 러그 사이에 강고한 접합부가 형성된 조립체의 상측 부분단면도이다.

도 6은 도 5의 5-5선 단면도이다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두개의 폴을 접합하는 방법의 개략 설명도이다.

도 8a, 8b, 및 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 초전도 케이블의 접합방법의 개략 설명도이다.

도 9a, 9b, 9c 및 9d는 두 개의 초전도 케이블의 접합을 위한 본 발명에 따 른 다른 실시예의 개략 설명도이다.

도 10a, 10b 및 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 접지선의 제조방법을 설명하는 개략 단면도이다.

도 11a 및 11b는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 제조방법을 설명하는 개략 단면도이다.

도 12는 두 매의 평판 금속 물체의 용접을 위한 설비를 보여주는 도면이다.

도 13은 도 12의 16-16선 단면도이다.

도 14a 및 14b는 초기에 평판이었던 금속 공작물이 PMF 용접에 의해 원통형 금속 공작물이 되는 실시예도이다.

도 15a 및 도 15b는 초기에 평판이었던 금속 공작물이 PMF 용접에 의해 각주형 금속 공작물이 되는 다른 실시예도이다.

도 16은 본 발명의 다른 실시태양에 따른 공작물들의 용접방법의 개략 설명도이다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 공작물들의 용접방법의 개략 설명도이다.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 공작물들의 용접방법의 개략 설명도이다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 공작물들의 용접방법의 개략 설명도이다.

실시예의 상세한 설명

도 1에는 본 발명에 따른 두개의 공작물의 접합방법이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 제1 공작물은 원통형 부재(10)의 형태로서, 이 부재의 적어도 하나의 제1 부분(12)은 제2 공작물의 제2 부분(17)과 동심으로 그 제2 부분에 중첩되어 있다. 임의의 적절한 접합기법 또는 용접기법을 적용하기 전 상기 제1 부분과 제2 부분의 사이는 작은 간극(18)에 의해 분리되어 있다. 이 실시예에서, 접합력은 펄스 자기력이다.

본 양수인에게 양도된 미국특허 US 5,824,998(이 특허의 내용의 전체가 본 명세서에 도입되었다)에는 펄스 자기력을 이용하여 두개의 공작물을 접합 또는 용접하는 장치 및 방법이 개시되어 있다. 전술한 특허에 개시된 방법 및 장치가 PMF력을 제공하기 위해 사용될 수 있으나 후술되는 바와 같이 본 발명은 그것에 한정되지 않고 임의의 적합한 PMF 기법을 채용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 제1 부분과 제2 부분이 PMF력에 의해 결합되기 전의 간극(18) 내에 적당량의 입자(99)가 제공된다.

본 발명에 따르면, 입자(99)는 임의의 적합한 형태 및 치수의 입자를 포함할 수 있다. 통상, 입자는 대체로 구형상이지만, 임의의 다른 규칙적 형태 또는 불규칙 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 일부의 입자는 띠 형상 또는 그와 유사한 형상을 가질 수 있고, 입자의 형상은 입자마다 다를 수 있다.

입자(99)의 치수는 대체로 균일하거나 입자마다 다를 수 있다. 입자의 치수는 형상에 대한 고유한 치수로서 표현하는 것이 가능하다. 예를 들면, 대체로 구형 인 입자에 대해 치수는 직경으로서 표현할 수 있다. 특히, 불규칙 형상의 입자의 치수는 문제의 입자와 동일한 체적을 가지는 구형 입자의 직경으로서 정의될 수 있는 유효직경으로서 표현하는 것이 편리할 수 있다. 이러한 입자의 실제의 직경 또는 유효직경은 예를 들면 약 1*10^-6 m 또는 약 5*10^-6 m 내지 약 50*10^-6 m 또는 약 200*10^-6 m의 범위일 수 있고, 또는 1*10^-6 미만의 치수, 경우에 따라 10^-9 m의 치수일 수 있다.

작은 치수의 입자는 표면 에너지가 더 크고 플라즈마의 생성시 필요한 에너지량이 작으므로 큰 치수의 입자에 비해 일반적으로 우수하다. 그러나, 적절한 입자의 치수는 입자 물질의 가연성의 함수일 수 있다. 예를 들면, 마그네슘, 알루미늄 또는 니켈의 경우 비교적 큰 치수의 입자를 이용하여 비교적 작은 치수의 강철 입자를 이용하여 얻어질 수 있는 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

입자(99)는 적합한 금속 또는 세라믹으로 제조할 수 있고, 본 발명의 일 실시태양에 따르면 입자는 접착물질을 포함하지 않는 비접착성이다. 두 공작물의 접합 또는 용접에 이용되는 입자(99)는 모두 동일한 금속 또는 기타 물질을 포함할 수 있고, 또는 상이한 금속과 세라믹 또는 기타 적합한 입자의 혼합물을 포함할 수 있고, 예를 들면, 일부의 입자는 하나의 금속으로 제조되고, 기타 입자는 상이한 금속, 세라믹, 플라스틱, 또는 기타 물질로 제조될 수 있다. 적어도 일부의 금속 입자(99)는 제1 공작물(10) 및 제2 공작물(15)의 하나 또는 양자와 동일한 금속으로 제조하는 것이 가능하고, 또는 적어도 제1 부분(12) 및 제2 부분(17)의 하나 또 는 양자와 동일한 금속으로 제조하는 것이 가능하다.

예를 들면, 입자(99)는 알루미늄, 아연, 마그네슘, 철 또는 강, 구리, 마그네슘, 비스무스, 리튬, 니켈, 은, 금, 티타늄, 주석 중의 하나의 금속 또는 합금으로 제조되거나; 또는 알루미늄 산화물 또는 마그네슘 산화물과 같은 세라믹 또는 금속 산화물로 제조되거나; 또는 플라스틱으로 제조되거나; 또는 특히 플라즈마를 형성할 수 있는 임의의 적합한 물질로 제조될 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에 따르면, 입자(99)는 제2 부분(17)에만 적용하는 것이 편리하다. 입자(99)는 다수의 상이한 방법으로 적용할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 실시예에서, 로드(15)의 제2 부분(17)은 일정량의 상기 입자를 수용하고 있는 용기 내에 매립된다. 상기 입자는 예를 들면 금속분말의 외관을 가질 수 있고, 상기 제2 부분(17)의 표면에 부착될 수 있다.

대안으로서, 입자(99)는 유체 매체 내에 현탁되어 에멀젼을 형성할 수 있다. 유체 매체는 기체 또는 액체(예, 알코올 또는 에테르)일 수 있고, 에멀젼은 제2 부분(17)의 표면 상에 분사되거나 피복될 수 있다. 예를 들면, 입자는 아세톤 내에 혼합된 은계 분말을 포함할 수 있고, 이 아세톤은 에멀젼이 공작물에 가해질 때 증발되어 소실된다.

입자는 적합한 도시메터(dosimeter)를 통과시킴으로써 입자의 요구되는 조도(consistency) 또는 농도를 제공할 수 있다. 필요에 따라, 로드(17)에 전위차를 유도하고, 입자에는 반대 전위를 하전시켜줌으로써 제2 부분 (17)의 표면에 입자(99)가 용이하게 부착될 수 있도록 할 수 있다. 이 전기적 인력 기법은 필요한 변경을 가하여 에멀젼을 사용하지 않고 제2 부분(17)에 직접 금속 입자(99)를 가하기 위해서 사용할 수도 있다.

대안으로서, 적합한 금속으로 제조된 입자(99)는 역시 자화가 가능한 금속으로 제조된 로드(15)를 영구적으로 또는 일시적으로 적절히 자화시키는 것에 의해 자화가 가능하고, 자화된 입자는 PMF 공정이 가해질 때까지 제2 부분(17)의 표면 상에 부착 상태로 유지된다.

얇은 층의 입자(99)가 제2 부분(17)에 대체로 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 입자는 제2 부분(17)의 전체 표면 상에서 균일하거나 비균일한 입자의 층으로서 형성될 수 있고, 그 두께는 평균 1개의 입자의 두께, 또는 예를 들면 입자의 두께의 2배, 3배, 4배, 5배, 또는 그 이상의 평균 두께를 포함할 수 있다. 대안으로서, 입자는 입자가 존재하지 않는 부분에 의해 분리되거나 또는 입자가 존재하지 않는 다수의 인접 부분들에 의해 둘러싸여 있는 망상의 입자의 포켓(pockets) 또는 입자의 섬(islands) 상으로 분산될 수 있다.

그럼에도 불구하고, 본 발명에 따르면, 금속 입자(99)는 제1 부분(12)에만 가해지거나, 제2 부분에 대한 전술한 설명과 유사하게 필요한 변경을 가하여 제1 부분 및 제2 부분의 양자에 가해질 수 있다.

입자(99)가 제2 부분(17)에 가해지면 PMF 공정을 두 개의 공작물(10, 15)에 적용할 수 있다.

적합한 PMF력은 예를 들면, 미국특허 US 5,824,998에 기술되어 있는 것과 유사한 방법으로 적합한 PMF 코일(95)로 구성된 공동부(96) 내에 두 공작물(10, 15)(동축으로 배열되는 것이 적합함)을 설치함으로써 가할 수 있다. PMF력이 가해지면 제1 부분(12)은 제2 부분(17)에 가압되고, 이들 사이에 금속 입자(99)의 층이 개재된다. 이론에 구애됨이 없이, PMF력의 크기가 두 공작물을 용접 또는 크림핑(crimping)시킬 수 있는 정도로 충분히 큰 경우, 금속 입자(99)는 제1 부분(12) 및 제2 부분(17)의 두 대향면의 용접 및 융합을 촉진시켜준다. 통상, 코일(96)의 폭은 전류가 이 코일(96)을 통해 방전될 때 가공되는 공작물의 길이를 결정한다.

도 1에 도시된 실시예에서 로드(15)를 관으로 대치할 수 있고, 이들 두 개의 관은 전술한 도 1의 배열과 유사한 방법으로 임의의 소망의 길이에 걸쳐 용접시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 입자(99)를 개재하는 두 공작물(10, 15) 사이의 고체 상태의 용접을 위해 접합력은 필요한 변경을 가하여 펄스 자기력 이외의 수단에 의해 제공될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 접합력은 폭발 용접법 또는 실제로 임의의 다른 공정(예, 마찰 용접법(FW), 초음파 용접법(USW), 확산 용접법(DFW), 냉간 용접법(CW), 가스압접법(PGW), 단접법(FOW))에 의해 제공될 수 있다.

따라서, 대응하는 폭발 용접공정에서는 제1 부분(12)의 외측에 코일(95) 대신 폭약이 배치되고, 도 1에 도시된 바와 같이 먼저 제1 부분(12)의 좌측부가 제2 부분(17)에 밀착되도록 제어되는 상태로 폭발됨으로써 두 공작물 사이의 원주부의 위치에서 용접이 이루어지게 된다. 폭발이 진행됨에 따라, 제1 부분(12)과 제2 부 분(17) 사이에 고체 상태 접합이 제공될 때까지 두 공작물 사이의 접촉영역은 도면의 우측으로 진행한다.

도 2 내지 도 6은 본 발명에 따라 케이블을 케이블 러그(cable lug)에 접합하는 방법을 도시한 것이다. 케이블 러그(22)는 다른 물체에 부착하기 위한 부착 베이스(24) 및 공동부(26)를 구비하는 실질적인 관 부분(25)을 포함한다. 케이블(28)은 각각 실질적으로 원형의 단면을 가지는 다수의 도체 섬유(30)를 포함한다.

도 2 내지 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 케이블(28) 및 케이블 러그(22)는 케이블의 단부(32)를 케이블 러그의 공동부(26) 내에 삽입함으로써 결합된다. 원통부(25)는 최초 반경 r01을 가지고, 케이블은 최초 반경 r02를 가진다.

다음에 도 1의 실시예에 기술된 것과 유사한 방법으로 필요한 변경을 가하여 상기 단부(32)에 적절하게 입자(99)가 피복된다. 그러나, 입자는 각 섬유(30)의 외면 상에 피복될 수 있고, 그 결과 펄스 자기형성 공정, 폭발용접 공정, 실제로 임의의 다른 적합한 고압 또는 고속의 용접공정 또는 접합공정에 의한 적합한 힘이 원통부(25) 상에 가해질 때 도 1의 실시예와 유사한 필요에 따라 변경을 가한 방법으로 원통부(25)는 수축된다. 원통부(25)의 내면은 케이블(28)의 단부(32)에 용접되고, 공동부(26) 내의 섬유(30)도 상호 용접된다. 이 용접은 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 용접부에 위치하는 입자들에 의해 촉진된다. 대안으로서, 입자들은 공동부(26)의 내면에 대면하는 섬유다발의 외면부 상에만 피복시킬 수 있다. 이 경우, 외력이 가해지면 입자들은 일반적으로 섬유와 러그(22) 사이의 용접을 촉진시켜 준 다.

이 실시예 및 필요한 변경을 가한 다른 실시예에서, 섬유들을 입자를 포함하는 페이스트나 에멀젼 내에 일부가 침지되어 있는 한 쌍의 역회전하는 브러시 사이를 통과시킴으로써 섬유 상에 입자(페이스트나 에멀젼 내에 존재하는 입자)를 도포시킨다.

어느 경우든 도 6에 도시된 바와 같이 섬유들(30)은 수축에 의해 압축되어 육각형이 되고, 섬유들(30) 자체 사이 및 섬유와 원통부(25) 사이의 금속학적 결합을 형성하는 입자들의 존재의 지원을 받아서 융합체로 응집될 수 있다. 수축 후의 원통부(25)는 반경 r1을 가지고, 케이블은 반경 r2를 가진다. 수축 후, 관부분(25)의 벽은 약간 두꺼워진다.

전형적인 케이블의 경우, 섬유는 예를 들면 내부 공간의 약 65%를 점할 수 있다. 완전한 수축 후 섬유가 육각형이 되는 경우 섬유는 입자와 함께 케이블의 실질적인 전체 내부공간을 충만시킬 수 있다.

본 발명자들은 섬유들의 사이 및/또는 입자와 원통부의 사이에 입자를 제공함으로써 원통부(25)에 제공되는 외력의 에너지 강도에 의존하여 금속학적 완전용접, 반용접, 또는 크림핑(crimping)을 얻을 수 있다는 것을 구명하였다. 섬유와 원통부 사이의 접합 또는 용접의 품질이 양호할수록 케이블/케이블 러그의 기계적 일체성 및 내열충격성이 더욱 우수해진다.

도 7a, 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기다란 금속 물체의 두 단부를 접합하는 방법을 도시한 것이다. 기다란 물체(72, 73)의 단부(70, 71)는 물체의 종축 선에 대해 비교적 둔각을 구비하는 각각 상보적 경사면(74, 75)을 형성하기 위해 경사지게 절단된 것이다. 상기 두 면(74, 75) 중 적어도 일면에는 적합한 입자(99)가 예를 들면 도 1의 실시예와 유사한 그리고 필요한 변경을 가한 방식으로 가해진다. 두 물체(72, 73)는 그 경사지게 절단된 단부(70, 71)(이들 중 하나 또는 양자는 금속 분말을 포함함)가 상호의 축선에 대해 약간 어긋나게 접촉되도록 배치된다. 다음에, 도 7a의 화살표에 의해 대략 도시된 강력한 펄스 자기력 또는 기타의 적합한 접합력을 가하면 두 단부(70, 71)는 상호 충돌하여 용접되어 일체가 된다.

도 8a-8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 초전도 케이블의 단부의 접합방법을 도시한 것이다. 두 초전도 케이블(76, 77)(도면에는 양 단부만 도시되어 있음)은 제1 금속합금으로 제조된 금속 매트릭스(78) 및 제2 금속합금으로 제조된 필라멘트(79)를 포함한다. 적절한 전기적 연속적을 가지기 위해, 필라멘트가 동일한 외연을 가지도록 두 단부를 접합시켜주어야 한다. 이를 위해, 두 케이블의 단부(76, 77)는 도 7a 및 도 7b의 로드와 마찬가지로 경사지게 절단되고, 경사면 중의 일면 또는 양면에 금속 분말(99)이 가해진다. 이것은 다수의 방법으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 제2 합금 입자는 필라멘트(79)의 절단 단부에 대응하는 경사면에 가해지고, 제1 합금 입자는 금속 매트릭스에 대응하는 경사면에 가해지도록, 각각 제1 합금 및 제2 합금으로 제조되는 두 종류의 금속 분말을 경사진 표면 중의 하나의 면 또는 양면에 가하는 것이 가능하다.

단부(76, 77)는 원통형 공작물(82)의 공동부(80) 내에서 상호 접촉한다(도 8B). 공동부(80)의 내면(81)은 사전에 입자(99)로 피복된다. 다음에, 도 8b의 화살 표로 개략적으로 나타낸 바와 같은 펄스 자기력 또는 기타 적합한 접합력을 가하면 원통형 공작물(82)는 초전도 케이블 상으로 수축되고, 그 결과 도 8C에 도시된 바와 같이 두 케이블 사이의 긴밀한 접합이 얻어진다.

도 9a 내지 도 9d에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 초전도 케이블의 접합 방법이 도시되어 있다. 케이블(86, 87)의 단부면(84, 85)에는 도 9B에 도시된 바와 같이 초전도 케이블의 필라멘트(89)에 대응하는 다수의 보어(88)가 보오링 가공에 의해 형성된다. 보어(88)에 대응하는 돌출부(92)를 포함하는 접합부재(90)가 제공되고, 돌출부(92) 또는 보어(88)의 어느 하나 또는 양자 및/또는 매트릭스 표면의 대응하는 연결표면에 금속 입자(99)를 필요에 따라 가할 수 있다. 접합부재(90)는 도 9c에 도시된 바와 같이 초전도 케이블의 두 단부와 결합되고, 다음에 이 결합체 상에 원통체(94)가 설치된다. 금속 입자(98)는 원통체(94)의 내면 및/또는 원통체(94)에 의해 피복될 케이블(86, 87) 및 접합부재(90)의 외면에 피복된다. 다음에 적합한 PMF력 또는 기타 고압 또는 고속에 의해 유도되는 외력이 도 9C의 화살표로 개략 도시한 바와 같이 가해지고, 그 결과 원통체(94)는 도 9D에 도시된 바와 같이 케이블 상에 수축되고, 그 결과 도 9D에 도시된 바와 같은 강고한 접합부가 얻어진다.

도 10a-10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 접지 케이블 또는 리이드선의 제조방법을 도시한 것이다. 도 10A에 도시된 도체(100)는 하나의 합금(예, 철)으로 제조된 코어(102) 및 다른 합금(예, 구리)으로 제조된 피복물(104)로 구성된다. 도체(100)는 도 1과 관련하여 설명된 방법으로 필요한 변경을 가하여 제조할 수 있 다. 도 10b에 도시된 바와 같이 절연재(예, 폴리에틸렌, 세라믹 재료 등)로 제조된 원통체 또는 피복물(106)이 도체 상에 배치되고, 이 원통체 또는 피복물의 외면에는 금속(예, 구리) 원통체(108)가 피복된다. 원통체(108)와 피복물(106) 사이에는 본 발명에 따른 적합한 입자(99)가 개재된다. 도 10b의 화살표로 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 자력 또는 기타 적합한 외력이 가해지면 금속 원통체(108)은 수축되고, 그 결과 절연재로 된 피복물(106)도 수축되어 도 10c에 도시된 긴밀한 구조가 얻어진다.

도 11a-11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 케이블의 제조방법을 개략적으로 설명하는 도면이다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 하나의 합금(예, 구리)으로 제조된 종방향 매트릭스(110)는 복수의 종방향 보어(112)를 포함하고, 다른 합금으로 제조된 필라멘트(114)는 각 보어 내에 삽입된다. 필라멘트(114)(개개의 필라멘트 또는 필라멘트의 묶음)나 보어(112)의 내면의 어느 일측, 또는 필라멘트 및 보어의 양측에는 전술한 다른 실시예에 기술된 방법에 필요한 변경을 가한 방법을 이용하여 적합한 입자(99)가 도포된다. 도 11a의 화살표로 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 펄스 자기력 또는 기타 적절한 외력을 가하면, 전체 케이블은 수축되고, 그 결과 각 보어의 벽은 적어도 부분적으로 금속 입자를 통해 필라멘트와 접합됨으로써 도 11b에 도시된 바와 같이 실질적으로 공극이 없는 초전도 케이블이 얻어진다.

도 12는 두 매의 평판 금속 공작물의 용접을 위한 설비를 보여주는 사시도이고, 도 13은 그 단면도이다(도 12에서 코일의 지지구조는 도면 작도의 편의를 위해 제거되었다). 두 평판 공작물을 접합하기 위해 실질적으로 평판상의 코일이 이용된다. 도 12에 도시된 평판 코일(150)은 제2 공작물(154)과 접합될 제1 공작물(152)의 부분과 실질적으로 동일한 형상 및 치수를 가지고, 공작물(152, 154)의 사이에는 입자(99)가 개재된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 코일 권체(156)는 고정부재(160)에 의해 가공 스테이지 상에 고정되는 지지벽(158)에 의해 정위치에 유지된다. 코일(150)에 펄스전류를 인가하면 평판 공작물(152)은 급속히 하방으로 이동하고, 이 것이 공작물(154)에 충분한 속도(예, 약 300m/초 또는 약 200m/초)로 충돌하면 두 금속 공작물은 상호 용접된다. 이를 위해, 도면 상의 화살표로 표시된 방향으로부터 자력이 가해진다.

도 14a 및 도 14b는 단면이 원통형인 물체(164)에 평판형 공작물(162)를 용접하는 것을 개략적으로 도시한 것으로서, 공작물(162) 및 원통형 물체(164)의 어느 일면 또는 양면에는 입자(99)가 가해지고, 그 후 본 발명에 따른 적합한 PMF력 또는 기타 적합한 접합력/용접력이 가해진다. 이와 유사하게 도 15a 및 도 15b는 단면이 장방형인 각주형 물체(164') 상에 평판형 공작물(162')을 용접하는 것을 도시한 것으로서, 공작물(162') 및 각주형 물체(164')의 어느 일면 또는 양면에는 입자(99)가 가해지고, 그 후 본 발명에 따른 적합한 PMF력 또는 기타 적합한 접합력이 가해진다. 이와 유사하게, 필요한 변경을 가하여 구형 또는 기차 3차원 형상의 공작물에 평판형 공작물을 용접하는 것도 가능하다.

도 16은 본 발명의 다른 실시태양에 따른 마찰 용접법에 기초한 용접공정을 도시한 것이다. 제1 공작물(201)은 클램프(203)에 의해 실질적으로 고정상태에 유 지되고, 제2 공작물(202)은 화살표(A)를 따라 제1 공작물(201)에 대해 가압되고, 대향면(205, 206)에서 두 공작물 사이에 높은 마찰력을 발생하기 위해 축선(204)을 중심으로 한 회전운동 및/또는 병진운동된다. 마찰 용접공정을 개시하기 전, 상기 표면(205, 206)의 어느 일면 또는 양면에 본 발명에 따른 입자(99)의 층이 가해질 수 있다. 대안으로서, 제2 공작물을 부동상태로 클램핑시키고, 제1 공작물을 회전운동 및/또는 병진운동시킴으로써 입자를 포함하는 대향하는 공작물의 표면들 사이에 마찰력을 발생시킬 수도 있다. 대안으로서, 제1 공작물 및 제2 공작물의 양자를 상호 회전운동 및/또는 병진운동시킴으로써 입자를 포함하는 대향하는 공작물의 표면들 사이에 마찰력을 발생시킬 수도 있다.

이론에 구애됨이 없이, 공작물(201 202) 사이의 마찰력에 의해 적어도 일부의 입자(99)는 연소되거나 플라즈마를 형성할 수 있고, 이것은 표면(205, 206) 사이의 고체 상태의 용접을 지원한다.

도 17은 본 발명의 다른 실시태양에 따른 초음파 용접법에 기초한 용접공정을 도시한 것이다. 제1 공작물(211)은 앤빌(213)에 유지되어 있고, 제2 공작물(212)은 질량체(mass; 218)에 클램핑된 리이드(reed)의 소노트로드 팁(sonotrode tip; 219)에 부착되어 있다. 제2 공작물(212)은 상호 대향하는 표면(215, 216)이 접촉되도록 화살표(A)를 따라 제1 공작물(211)에 가압된다. 초음파 진동자(217)은 적절한 웨지를 통해 리이드(219)에 고주파 진동 에너지를 제공하고, 이 진동 에너지는 공작물(212, 211)에 전달된다. 초음파 용접공정의 개시 전, 실제로 공작물(211, 212)을 접촉시키기 위해 본 발명에 따른 입자(99)의 층이 표면(215, 216) 의 어느 일면 또는 양면에 가해질 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 제1 공작물에 진동 에너지가 가해질 수 있다.

이론에 구애됨이 없이, 공작물(211, 212) 사이의 진동 에너지에 의해 적어도 일부의 입자(99)는 연소되거나 플라즈마를 형성할 수 있고, 이것은 표면(215, 216) 사이의 고체 상태의 용접을 지원한다.

도 18은 본 발명의 다른 실시태양에 따라 확산용접법 또는 확산 크림핑법에 기초한 용접공정을 도시한 것이다. 제1 공작물(221)은 클램프(223)에 의해 실질적으로 고정상태에 유지되고, 제2 공작물(212)은 적절한 프레스에 의해 화살표(A)를 따라 사전 설정된 압력 및 온도로 제1 공작물(211)에 가압됨으로써 두 공작물의 대향면(225, 226) 사이에 확산 용접 또는 확산 크림핑을 제공한다. 확산용접공정의 개시 전, 표면(225, 226) 중의 일면 또는 양면에 본 발명에 따른 입자(99)의 층이 가해질 수 있다. 대안으로서, 제2 공작물은 부동상태로 클램핑되고, 제1 공작물은 프레스를 통해 가압될 수 있다. 대안으로서, 제1 공작물 및 제2 공작물의 양자는 각각 대향하는 프레스에 의해 가압될 수 있다.

이론에 구애됨이 없이, 공작물(221, 222) 사이의 압력에 의해 유발되는 힘에 의해 적어도 일부의 입자(99)는 연소되거나 플라즈마를 형성할 수 있고, 이것은 표면(225, 226) 사이의 고체 상태의 용접을 지원한다.

도 18에 도시된 공정은 또 상기 확산용접에 대해 기술된 것과 유사한 방법에 필요한 변경을 가한 방법으로 가스압접법을 제공하는데 이용될 수 있고, 주요한 차이점은 가해지는 온도 및 압력이 확산용접보다는 가스압접 또는 가스압 크림핑을 발생시키는데 충분하다는 점이다.

도 18에 도시된 공정은 또 상기 확산용접에 대해 기술된 것과 유사한 방법에 필요한 변경을 가한 방법으로 냉간 압접법을 제공하는데 이용될 수 있고, 주요한 차이점은 온도가 실온에 유지되고, 가해지는 압력은 확산용접보다는 냉간 압접을 발생시키는데 충분하다는 점이다.

도 19는 본 발명의 다른 실시태양에 따라 단접 또는 단조 크림핑에 기초한 용접공정을 도시한 것이다. 제1 공작물(231)은 클램프(233)에 의해 실질적으로 고정상태에 유지되고, 제2 공작물(232)은 제1 공작물에 대해 가압되고, 클램프(237) 상에 유지된다. 표면(235, 236)의 일면 또는 양면에는 본 발명에 따른 입자(99)의 층이 가해질 수 있다. 충격 해머(238)는 클램프(237)에 타격을 가하여 두 공작물의 각각의 대향면(235, 236)의 사이에 단접을 제공한다. 대안으로서, 제2 공작물은 부동상태로 클램핑되고, 해머는 제1 공작물에 타격을 가할 수 있다. 대안으로서, 제1 공작물과 제2 공작물의 양방향에 동시 해머 타격이 가해질 수도 있다.

이론에 구애됨이 없이, 공작물(231, 232) 사이의 충격력에 의해 적어도 일부의 입자(99)는 연소되거나 플라즈마를 형성할 수 있고, 이것은 표면(235, 236) 사이의 고체 상태의 용접을 지원한다.

본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 본 발명의 방법을 실시하기 전 제1 공작물과 제2 공작물의 대향하는 표면들 사이에 개재되는 입자의 층 대신 도 1 내지 도 19의 입자를 사용한 것과 유사한 방법에 필요한 변경을 가하여 포일(foil) 또는 박판(laminate)가 사용될 수 있다.

이 같은 포일은 예를 들면 약 1*10^-6m 또는 5*10^-6m 내지 약 50*10^-6m 또는 약 200*10^-6m, 또는 그 이상의 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들면 알루미늄, 아연, 마그네슘, 철 또는 강, 구리, 마그네슘, 비스무스, 리튬, 니켈, 은, 금, 티타늄, 주석 중의 임의의 하나로부터 선택되는 임의의 적합한 금속 또는 합금으로 제조될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 본 발명의 방법을 실시하기 전 제1 공작물과 제2 공작물의 대향하는 표면들 사이에 개재되는 입자의 층 대신 도 1 내지 도 19의 입자를 사용한 것과 유사한 방법에 필요한 변경을 가하여 포일 또는 박판과 동시에 입자가 사용될 수 있다.

후술하는 방법 청구항에서 청구항의 단계를 표시하기 위해 사용된 영숫자 및 로마숫자는 편의를 위한 것일 뿐 단계들을 수행하는 특정 순서를 암시하는 것은 아니다.

마지막으로, 첨부된 청구항에서 사용된 "포함하는"이라는 단어는 "포함하지만 제한되지는 않는"의 의미로 해석되어야 한다.

이상에서 본 발명에 따른 예시적인 실시예들이 개시되었으나, 본 발명은 그 정신으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 많은 변경이 가능하다는 것은 당연하다.

Claims

제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법으로서:

(a) 상기 제1 금속 공작물의 제1 부분이 상기 하나 이상의 제2 금속 공작물의 제2 부분과 대체로 중첩되는 관계가 되도록 상기 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물을 상호 접근시키는 단계;

(b) 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 입자의 형태 또는 포일의 형태인 적합한 물질을 제공하는 단계; 및

(c) 상기 제1 금속 공작물과 상기 하나 이상의 제2 금속 공작물이 상호 접합 또는 용접되어 이들 사이에 금속학적 접합부가 형성되도록 적절한 고압 결합공정 및 고속 결합공정 중의 임의의 하나를 이용하여 상기 제1 부분을 포함하는 상기 제1 공작물의 적어도 제1 부분을 상기 제2 부분을 포함하는 상기 하나 이상의 제2 공작물의 일 부분을 향하여 가압하는 단계를 포함하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 적합한 고압 접합공정 및 고속 접합공정 중의 임의의 하나는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 사이에 상기 물질을 개재한 상태에서 접촉 전단부를 형성하도록 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 금속학적 접합부를 형성하는 접촉부가 되도록 가압하는 단계를 포함하고, 상기 접촉 전단부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 대향하는 부분이 상기 공정에 의해 이미 접합된 적어도 하나의 금속학적 접합부 사이의 궤적, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 대향하는 부분이 상기 공정에 의해 장차 접합될 적어도 하나의 비접합부를 형성하고, 상기 접촉 전단부는 상기 제1부분과 상기 제2 부분 사이에서 급속하게 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 접촉 전단부, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 사전 설정된 예각으로 상기 접촉 전단부에서 만나는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 접촉 전단부는 약 3*10³m/초를 초과하는 속도로 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 접촉 전단부는 약 600m/초를 초과하는 속도로 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 접촉 전단부는 상기 비접합 부분 내의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 상기 대향하는 부분들 사이에서 플라즈마를 형성하는데 충분한 속도로 전파하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 전파하는 접촉 전단부에 의해 플라즈마의 형태로 가열되는 상기 물질의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 공정은 펄스 자기 형성 공정(PMF)인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서, (c) 단계에서 상기 PMF 공정은 코일을 통해 전류 펄스를 통과시킴에 의해 펄스 자력을 유발하는 단계로서, 이 펄스 자력은 상기 제1 부분을 충돌 전 제1 공작물의 소성변형 에너지 및 제2 공작물의 탄성변형 에너지의 결합된 에너지 이상인 제1 공작물의 초기 운동 에너지를 가진 상태로 상기 제2 부분 상에 충돌시키기 위한 펄스 자력이고, 그 것에 의해 하나 이상의 제2 금속 공작물은 상 호 접합 또는 용접되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 공정은 폭발용접 공정인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 공정은 마찰용접 공정, 초음파 용접공정, 확산용접 공정, 냉간용접 공정, 가스압접 공정, 및 단접 공정 중의 임의의 하나인 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, (b) 단계에서 상기 입자는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 (b) 단계는 (a) 단계의 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 부분의 제1 표면 및 상기 제2 부분의 제2 표면 중 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 입자는 금속 분말을 포함하는 에멀젼으로 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 분사하거나 또는 피복함으로써 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 에멀젼은 적합한 기체 또는 액체 내에 현탁된 입자는 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 표면, 상기 제2 표면 및 상기 입자 중의 적어도 하나의 사이에 정전인력을 유발시킴에 의해 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중의 적어도 하나에 가해지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 입자는 금속이고, 자화되고, 상기 제1 부분 및 상 기 제2 부분 중의 적어도 하나는 자화가 가능하고, 적절한 전류가 통전되어 상기 금속 분말의 인접부에서 상기 자화가 가능한 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나를 자화시킴으로써 상기 분말이 상기 제1 부분 및 제2 부분 중의 적어도 하나에 자기적 인력을 유발하도록 하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나는 적어도 (c) 단계 전에 상기 입자를 유지하도록 구성되는 표면 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 표면 특성은 함몰부, 딤플, 체널 및 이와 유사한 것 중의 임의의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자 중의 적어도 일부는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중의 적어도 하나를 구성하는 금속과 동일한 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자 중의 적어도 일부는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 구성하는 금속과 동일한 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자는 상기 제1 부분 및 제2 부분을 구성하는 하나 이상의 금속과 상이한 하나 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자는 약 1*10^-6m 내지 약 200*10^-6m의 범위의 유효 직경 또는 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자는 약 5*10^-6m 내지 약 50*10^-6m의 범위의 유효 직경 또는 특성 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자는 약 10^-9m의 유효 직경 또는 특성 치수를 가 지는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자는 알루미늄, 철 또는 강철, 구리, 마그네슘, 비스무스, 리튬, 니켈, 아연, 마그네슘, 은, 금, 티타늄, 주석으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 또는 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 입자는 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물로부터 선택되는 적어도 하나의 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 포일은 약 1*10^-6m 내지 약 200*10^-6m 범위의 두께의 금속 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 포일은 약 5*10^-6m 내지 약 50*10^-6m 범위의 두께의 금속 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 금속 공작물과 하나 이상의 제2 금속 공작물 사이에 금속학적 접합부를 형성하기 위한 방법.
제 1 항에 따른 하나 이상의 제2 금속 공작물에 용접된 제1 금속 공작물을 포함하는 물품.