KR20090116192A - Method of welding poor conductive metal pipes - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기전도도가 낮은 금속관의 용접방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄 합금관들을 자기펄스용접방식으로 용접하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for welding metal tubes with low electrical conductivity, and more particularly, to a method for welding titanium alloy tubes by magnetic pulse welding.
일반적으로 자기펄스용접(Magnetic Pulse Welding)은 순간적으로 매우 큰 전자기력을 유도시켜서 금속 가공물을 유도된 자기력으로 변형시켜서 용접시키는 기술이다. In general, magnetic pulse welding (Magnetic Pulse Welding) is a technique that induces a very large electromagnetic force instantaneously transforms the metal workpiece into the induced magnetic force to weld.
자기펄스용접에서는 강자계를 발생하기 위하여 방전 커패시터, 성형코일, 필드세이퍼를 사용한다. 방전 커패시터에 충전된 전기 에너지를 매우 신속하게 성형코일로 방전시킴으로써 금속 가공물에 유도되는 맴돌이 전류에 의한 가공물과 성형코일 사이의 자기 척력을 이용하여 가공물에 변형을 일으켜 용접시키는 것이다. In magnetic pulse welding, a discharge capacitor, a forming coil, and a field saver are used to generate a ferromagnetic field. By discharging the electrical energy charged in the discharge capacitor to the molding coil very quickly, deformation and welding of the workpiece are performed by using the magnetic repulsion between the workpiece and the molding coil due to the eddy current induced in the metal workpiece.
따라서 순간적으로 전기 에너지를 방전시키기 위하여 대부분의 자기펄스는 약 10마이크로 초 내지 약 250마이크로 초 사이의 지속시간을 갖는다. Thus, most magnetic pulses have a duration between about 10 microseconds and about 250 microseconds to discharge electrical energy instantaneously.
자기펄스용접에 관련된 종래 기술로는 공개특허 제2000-64506호(금속물의 전자기전합 또는 용접방법 및 장치) 및 공개특허 제2006-25608호(용기를 봉합하기 위 한 자기펄스용접방법 및 장치와 봉합된 용기) 등에 개시되어 있다.Conventional techniques related to magnetic pulse welding include Patent Publication Nos. 2000-64506 (Method and Apparatus for Electromagnetic Electrolysis or Welding of Metals) and Patent Publication No. 2006-25608 (magnetic pulse welding method and apparatus for sealing containers and Sealed containers) and the like.
자기펄스용접은 아크 용접등과 같이 기존의 다른 용접과는 달리 용접부위가 고온에 의해 변색되거나 용접흔적이 남거나 하는 문제가 없기 때문에 외관이 깨끗하게 용접되므로 매우 유용한 용접방식 중의 하나이다. Unlike other conventional welding such as arc welding, magnetic pulse welding is one of the very useful welding methods because the welding part has no problem of discoloration due to high temperature or welding trace remains.
그러나 자기펄스용접은 용접 대상에 전류를 유도하기 때문에 반드시 전기전도도 좋은 금속재질에 대해서만 용접이 가능하였다. 그러므로 전기전도도가 낮은 금속재질을 가진 제품에 대해서는 사용할 수 없었다.However, magnetic pulse welding induces a current to the welding target, so welding is possible only for metal materials having good electrical conductivity. Therefore, it could not be used for products with low electrical conductivity metals.
최근에 티타늄은 가볍고 고강도이면서 내식성이 우수하여 항공, 해양, 화학, 민수용품 등 산업계 전반에 널리 사용되고 있다. 그러나 티타늄 합금은 전기전도도가 매우 낮아 자기펄스용접을 사용하지 못하고 가스텅스텐아크용접을 주로 사용하고 있다.Recently, titanium is light, high strength, and excellent in corrosion resistance, and is widely used in aerospace, marine, chemical, and civilian industries. However, titanium alloys have very low electrical conductivity, so magnetic pulse welding is not used, and gas tungsten arc welding is mainly used.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기전도도가 낮은 금속관들을 자기펄스용접방식으로 용접할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention for solving the above problems is to provide a method capable of welding metal tubes with low electrical conductivity by magnetic pulse welding.
특히 본 발명은 티타늄 합금관을 자기펄스용접하는 방법을 제공하는 데 있다. In particular, the present invention provides a method for magnetic pulse welding a titanium alloy tube.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용접방법은 서로 일정 간격을 두고 제1금속관과 제2금속관이 겹치는 부분에 전기전도도가 높은 금속링을 위치시키고, 금속링에 순간적으로 강한 맴돌이 전류를 유도시키는 단계를 구비한다. 그러므로 이 맴돌이 전류에 의해 발생된 척력에 의해 상기 금속링이 순간적으로 변형되면서 상기 제1금속관과 제2금속관의 겹치는 부위가 충돌에 의해 용접된다. The welding method of the present invention for achieving the above object is a step of placing a metal ring with a high electrical conductivity in the overlapping portion of the first metal pipe and the second metal pipe at a predetermined interval from each other, inducing a strong eddy current in the metal ring instantaneously It is provided. Therefore, the metal ring is instantaneously deformed by the repulsive force generated by this eddy current, and the overlapping portions of the first metal pipe and the second metal pipe are welded by collision.
여기서 제1 및 제2금속관은 전기전도도가 낮은 티타늄, 서스 및 티타늄 합금 중 어느 하나의 재질이고, 금속링은 전기전도도가 높은 구리, 알루미늄, 철 및 알루미늄 합금 중 어느 하나의 재질일 수 있다. Here, the first and second metal pipes may be any one of titanium, sus, and titanium alloys having low electrical conductivity, and the metal rings may be any one of copper, aluminum, iron, and aluminum alloys having high electrical conductivity.
여기서 자기력은 미리 설계된 값을 가진다. 구체적으로 금속링이 제1금속관을 밀어서 제2금속관의 용접면까지 이동하는 동안 제1 및 제2금속관이 서로 용접될 만큼의 속도를 얻을 수 있을 정도의 값을 가져야 한다. The magnetic force here has a predesigned value. Specifically, the metal ring should have a value such that the first and the second metal pipes can be welded to each other while the first metal pipe is moved to the welding surface of the second metal pipe.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접방법은 전기전도도가 낮은 티타늄 합금관들 을 자기펄스용접방식으로 용접할 수 있으므로 금속관들의 용접부위가 매끈하므로 별도의 후처리 공정이 필요 없고 용접 후에도 용접부위의 온도가 저온이므로 즉시 후속 공정작업이 가능하므로 생산성을 향상시킬 수 있다. The welding method according to an embodiment of the present invention can weld titanium alloy tubes having low electrical conductivity by magnetic pulse welding, so that the welding portions of the metal tubes are smooth, so that no additional post-treatment process is required and the temperature of the welding portion is maintained even after welding. Because of the low temperature, it is possible to immediately follow-up and improve productivity.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 용접방법에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. Hereinafter, the welding method according to the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art will appreciate The present invention may be embodied in various other forms without departing from the spirit of the invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도가 낮은 티타늄 합금관의 용접 전의 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도가 낮은 티타늄 합금관의 용접 후의 상태를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a state before welding of a low electrical conductivity titanium alloy tube according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a state after welding of a low electrical conductivity titanium alloy tube according to an embodiment of the present invention. The figure shown.
도 1을 참조하면, 본 발명의 용접장치는 상용교류를 입력하여 고전압 대전류의 펄스 에너지를 발생하는 펄스전원장치(100)로 구성된다. 펄스전원장치(100)는 충전회로부(110), 커패시터 뱅크(120), 대전류 스위치(130), 유도코일(140)을 포함한다. Referring to Figure 1, the welding apparatus of the present invention is composed of a pulse
충전회로부(110)는 통상의 정류회로와 인버터회로로 구성되어 상용교류를 정류하고 정류된 전압을 인버터 승압하여 고전압의 직류를 출력한다. 충전회로부(110)는 대략 3 내지 4초 정도에 커패시터 뱅크(120)를 충전시킨다. The
커패시터 뱅크(120)는 대용량의 커패시터들을 4개 또는 8개 단위로 병렬로 연결하여 충전회로부(110)로부터 제공된 직류를 충전한다. 125㎌/10kV의 커패시터 4개를 병렬로 연결하여 구성한다. 커패시터 뱅크(120)는 펄스폭을 최소화하기 위하여 저 임피던스로 설계된다. The
대전류 스위치(130)는 이그나이트론, 아크 간극 스위치 또는 스파크 간극 스위치 등으로 구성되어 통상시에는 오프상태를 유지하고 동작시에는 게이트에 인가되는 제어전압에 응답하여 통전되어 순간적으로 수십 kA ~ 수백 kA의 대전류를 유도코일(140)에 제공한다. 대전류 스위치(130)는 수십 kV의 고전압에 견디면서 제어성이 보장되어야 하고 주변 동작조건 변화에 관계없이 일정한 동작특성을 가져야 하며, 스위치를 통과하는 대전류 펄스는 번개와 같은 섭씨 수만 도의 고온의 아크 형태이기 때문에 이로 인한 전극의 손상을 극복할 수 있는 구조로 형성된다. 여기서 발생되는 펄스의 폭은 수 내지 수십 마이크로초로 설계된다. The high
유도코일(140)은 1내지 수회의 턴 수를 가진 것으로 그리스문자 "Ω'형상으로 구성된다. 턴수는 용접부위에 가하고자 하는 자기력의 세기에 따라서 결정된다. 또한 유도코일(140)은 유도코일에 자기적으로 결합되는 필드 세이퍼를 포함할 수도 있다. The
티타늄 합금관(210)의 일단을 티타늄 합금관(220)의 확관된 일단에 삽입하고 겹쳐진 부위에 알루미늄 링(230)을 위치시킨 상태에서 유도코일(140)의 내부에 삽입시킨다. 여기서 도 1에 도시한 바와 같이 삽입된 티타늄 합금관(210)은 티타늄 합금관(220)과 수 mm의 간격을 유지한다. 알루미늄 링(230)에 티타늄 합금관(220)은 간격없이 꼭 맞게 삽입된다. 여기서 티타늄 합금관(220)의 확관된 부위에 알루 미늄 관(230)을 끼우고 나서 티타늄 합금관(210)을 티타늄 합금관(220)에 삽입하여 두 관(210, 220) 사이에 일정 간격을 유지하도록 위치시킬 수도 있다. One end of the
이 상태에서 대전류 스위치(130)를 턴온시키면 커패시터 뱅크(120)에 충전된 수백 kA의 대전류가 대전류스위치(130), 유도코일(140)을 통해 수 마이크로초 이내에 방전된다. In this state, when the large
이때 유도코일(140)에 흐르는 방전전류에 의해 알루미늄 링(230)에는 맴돌이 전류(eddy current)가 유도되어 유도코일에 흐르는 전류와 반대방향으로 흐르게 된다. 그러므로 유도코일(140)에서 형성된 전자기장과 반대의 전자기장이 형성되므로 유도된 두 전자기장은 서로 척력(펄스화된 자기력)을 발생하게 되므로 알루미늄 링(230)은 초속 수백 m 정도의 고속도로 이동 수축하게 된다. At this time, a eddy current is induced in the
따라서 티타늄 합금관(220)의 확관된 부분이 알루미늄 링(230)의 수축력에 밀려서 수축되어 티타늄 합금관(210)의 표면에 도 2에 도시한 바와 같이 용접되게 된다. Therefore, the expanded portion of the
여기서 자기력은 미리 설계된 값을 가진다. 구체적으로 알루미늄 링(230)이 티타늄 합금관(220)을 밀어서 티타늄 합금관(210)의 용접면까지 이동하는 동안 티타늄 합금관(220)과 티타늄 합금관(210)이 서로 용접될 만큼의 속도를 얻을 수 있을 정도의 값을 가져야 한다. The magnetic force here has a predesigned value. In detail, while the
자기력 F 는 자속밀도 B와 맴돌이 전류 i의 벡터곱으로 얻어진다. The magnetic force F is obtained by the vector product of the magnetic flux density B and the eddy current i.
전류 i와 압력 p는 다음 수식에 의해 얻어질 수 있다.The current i and the pressure p can be obtained by the following formula.
[수학식1][Equation 1]
∇ × i = - κ(∂B / ∂t)∇ × i =-κ (∂B / ∂t)
[수학식2][Equation 2]
p = (B2 o - B2 i)/2μ = (B2 o/2μ)(1-e-2x/δ)p = (B 2 o -B 2 i ) / 2μ = (B 2 o / 2μ) (1-e -2x / δ )
δ = √(2/ωκμ)(표면효과의 깊이)δ = √ (2 / ωκμ) (depth of surface effect)
여기서 κ는 전기전도도, μ는 자기 투자율, B2 o 알루미늄 링 외주면 자속밀도, B2 i알루미늄 링 내주면 자속밀도, ω는 자기장의 각주파수를 나타낸다. Where κ is the electrical conductivity, μ is the magnetic permeability, magnetic flux density of the outer peripheral surface of the B 2 o aluminum ring, magnetic flux density of the inner peripheral surface of the B 2 i aluminum ring, and ω is the angular frequency of the magnetic field.
방전전류가 유도코일에 흐르게 되면 유도코일과 알루미늄 링(230)사이에 척력이 작용하여 250m/s 내지 400m/s의 속도로 알루미늄 링(230) 및 티타늄 합금관(220)이 간격을 이동하여 티타늄 합금관(210)에 충돌하게 된다. 충돌된 두 면은 강력한 충돌에너지에 의해 용접된다. When the discharge current flows through the induction coil, the repulsive force acts between the induction coil and the
일 실시예에서 티타늄 합금관(220)보다 길게 돌출된 알루미늄 링(230)의 일부분은 티타늄 합금관(210)에 충돌되어 용접된다. In one embodiment, a portion of the
도 3은 다른 실시예의 충돌전 상태를 나타낸 것이고 도 4는 다른 실시예의 충돌 후 알루미늄 링(240)을 제거한 상태를 나타낸다. 다른 실시예는 일 실시예 알루미늄 링(230)과 비교하여 알루미늄 링(240)이 티타늄 합금관(220)의 에지보다 돌출되지 않게 구성한 점이 다르다. 그러므로, 충돌 후에 티타늄 합금관(220) 상에 위치한 알루미늄 링(240)을 제거하여 티타늄 합금관들만의 용접상태로 만들 수 있다. 그러므로 부식되는 알루미늄 링을 제거하여 내식성이 강한 티타늄 합금관만 남 길 수 있다. 3 shows a pre-collision state of another embodiment, and FIG. 4 shows a state in which the
본 발명에 따르면, 전기전도도가 낮은 티타늄 및 티타늄 합금이나 서스(SUS) 등의 재질로 된 금속관을 자기펄스 용접할 수 있으므로 산업계 전반에 걸쳐서 티타늄을 사용한 배관이나 튜브 형상 제작에 매우 유용하며 생산성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, it is possible to perform magnetic pulse welding of metal tubes made of titanium, titanium alloy or sus such as low electrical conductivity, which is very useful for producing pipes or tubes using titanium throughout the industry and improving productivity. You can.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described with reference to the embodiments above, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. You will understand.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도가 낮은 금속관의 용접 전의 상태를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a state before welding of a low electrical conductivity metal tube according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도가 낮은 금속관의 용접 후의 상태를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing a state after welding of a low electrical conductivity metal tube according to an embodiment of the present invention.
도 3은 다른 실시예의 충돌전 상태를 나타낸 것이다.3 shows a pre-collision state of another embodiment.
도 4는 다른 실시예의 충돌 후 알루미늄 링(240)을 제거한 상태를 나타낸다.4 shows a state in which the
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