KR20190011255A - 고체 상태 압출 및 본딩 방법 - Google Patents

Abstract

금속 기판의 표면 상에 금속 물질의 압출된 비드를 본딩하는 고체 상태 방법이 제공된다. 본 방법은 기판의 표면을 변형시키는 단계; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계; 및 기판에 본딩되는 물질의 비드를 기판 상에 형성하기 위해 기판의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다. 두 개의 금속 성분들을 결합하는 고체-상태 방법도 제공된다. 본 방법은, 압출물을 형성하기 위해 금속 압출 물질을 압출하는 단계; 성분들 각각과 접촉하여 성분들 사이의 초기 결합부를 형성하도록 두 성분들 사이에 압출 물을 증착시키는 단계; 초기 결합부의 표면을 변형시키는 단계; 및 두 성분들 사이의 초기 결합부 상에 추가의 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다.

Description

고체 상태 압출 및 본딩 방법

본 발명은 고체 상태 압출 및 본딩 방법과 관련된 것이다. 특히, 본 발명은 금속을 압출시키고 이를 금속 기판에 본딩하는 것을 포함하는 고체-상태 금속 프로세싱 방법에 관한 것이다.

두 가지 구성 요소들을 함께 결합시키는 데 사용되는 많은 기술들이 알려져 있다. 이러한 기술은 융합 용접(fusion welding), 레이저 용접, 전자 빔 용접, 금속 불활성 가스(MIG) 용접, 또는 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접, 마찰 용접, 또는 마찰 교반 용접(FSW)으로 알려진 변형, 브레이징(brazing), 리벳팅(riveting) 및 접착 본딩을 포함한다. 그러나, 이러한 결합 방법들은 결합의 품질 저하 또는 결합 프로세스를 어렵게 만드는 것과 같은 다양한 문제들이 존재한다.

구조적 어플리케이션들에 대한 알루미늄(또는 다른 가벼운 금속) 구성 요소들을 결합 시키는데 적합한, 예를 들어 WO 03/043 775에 기술된 바와 같이, 구성 요소들을 결합하기 위한 대안적인 고체 상태 방법이 공지되어 있다. 이 방법은 결합될 표면들 사이의 갭 내로 필러 물질을 압출하기 직전에 결합될 표면들로부터 산화물을 제거하여 두 표면들을 서로 결합시키는 것을 포함한다. 이 방법은 하이브리드 금속 압출 및 본딩(HYB) 프로세스라고 지칭될 수 있다. 이 방법은 필러/본딩 물질의 압출 원리에 기초하고 있으며, 그 목적은 FSW 방법과 관련하여 과도한 가열 및/또는 융합 본딩 시 일반적으로 요구되는 차폐 가스의 사용으로 인해 생성될 수 있는 결합부의 공극률과 같은 종래 기술의 방법들의 단점을 줄이거나 없애는 것이다.

HYB 프로세스의 기본 아이디어는 알루미늄 플레이트들과 같은 플레이트들의 고체 상태 결합을 가능하게 하고 종래의 융합 용접 및 FSW의 약한/부드러운 용접 존(열 영향 존(heat affected zone, HAZ)이라고 알려질 수 있는)을 형성하지 않고 필러 물질 첨가를 사용한 프로파일을 가능하게 하는 것이다.

본 고체 상태 하이브리드 금속 압출 및 본딩 프로세스의 대안적인 어플리케이션들이 있다는 것을 깨달았다.

본 방법은 본 방법을 수행하도록 배열된 압출 및 본딩 툴에 의해 수행될 수 있다.

본 발명은 금속 기판의 표면 상에 금속 물질의 압출된 비드/층을 본딩하는 고체 상태 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은, 기판의 표면을 변형시키는 단계; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계; 및 기판에 본딩되는 물질의 비드/층을 기판 상에 형성하기 위해 기판의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다.

하이브리드 금속 압출 및 결합 프로세스는 압출물을 사용하여 두 구성 요소들을 함께 결합시키기 위해 사용되는 것보다는 오히려 압출된 물질의 비드(즉, 층/스트립)를 기판의 표면 상에 증착시키고 본딩하는데 사용될 수 있음을 알게 되었다.

따라서, 본 방법은 기판의 표면 상에 추가적인 층을 형성하는 방법일 수 있다.

물질의 압출된 비드/층은 그것이 압출된 기판에만 본딩될 수 있으며, 즉 압출물은 두 구성 요소들 사이의 결합부에서 필러 물질로서 사용되지 않고 대신에 구성 요소의 표면 상에 압출되고 결합되는 추가 층이다. 압출된 비드는 나중에 다른 압출된 물질에 결합될 수 있다. 따라서, 압출물이 증착될 때, 압출물은 그것이 압출된 기판에만 본딩될 수 있다.

따라서, 압출물의 압출 및 본딩은 기판을 제2 기판에 본딩하기 위한 목적이 아닐 수 있으며, 오히려 단지 추가의 물질이 기판 상에 증착된다.

예를 들어, 기판이 플레이트인 경우, 본 방법은 압출된 압출 물질을 플레이트의 최상부 평면 표면 상에 증착 및 본딩하는 단계를 포함할 수 있다.

본 방법은 비드-온-플레이트 증착으로 지칭될 수 있다.

기판은 플레이트일 수 있고, 압출된 비드는 상부 평면 표면(즉, 압출 물질의 증착 동안 압출 툴을 마주 보는 플레이트의 표면)에 본딩될 수 있다. 즉, 압출된 비드는 두 구성 요소들 사이의 갭이나 틈새에 증착되지 않는다.

물질의 압출된 비드는 기판의 표면 상의 압출된 물질의 선(예를 들어, 스트링거 비드(stringer bead))일 수 있다.

변형된 기판의 표면은 기판의 영역(즉, 전체 기판 표면이 아닌)일 수 있다. 변형된 기판의 표면 영역은 기판과 접촉하는 압출된 비드의 영역과 동일하거나 더 클 수 있다.

기판의 표면을 변형시키는 단계는 압출물이 기판의 표면 상에 증착되기 전에 수행될 수 있다. 압출물은 기판의 변형된 표면 상에 증착될 수 있다. 기판의 표면은 압출 물질을 압출하는 동일한 툴에 의해 변형될 수 있다.

압출 물질은 기판 상에 증착되기 전에, 또는 기판과 접촉되기 전에 툴 내에서 압출될 수 있다. 기판은 압출물이 기판 상에 증착되기 전에, 또는 압출물이 기판과 접촉하기 전에 툴에 의해 소성 변형될 수 있다.

압출 물질은 압출될 때 고체 상태일 수 있다. 압출 물질은 압출 챔버 내에서 소성 변형(즉, 소성화)될 수 있고 및/또는 압출 챔버로부터 다이를 통해 강제로 압출될 때 소성 변형될 수 있다. 따라서, 본 방법은 압출 물질이 압출될 때 소성 변형시키는 단계를 포함할 수 있다. 이는 압출 물질의 표면(예를 들어, 표면 산화물)의 변형을 초래할 수 있다. 이는 따라서 압출물의 표면 층의 제거/분산/변형을 초래할 수 있다. 이는 압출물과 변형된 기판 사이의 금속성 본딩을 촉진하는 것을 도울 수 있다.

기판의 표면은 압출물의 증착에 의해 변형될 수 있다. 바꿔 말하면, 기판의 변형 및 표면 상의 압출물의 증착은 동시에 일어날 수 있다. 예를 들어, 압출물은 기판의 표면이 변형되도록 기판의 표면 상으로 가압될 수 있다. 그러나, 압출 물질이 이전에 소성 변형된 경우, 그것은 기판에 대해 가압된다.

압출 물질 및 기판(들)은 각각 금속으로 제조될 수 있다. 압출 물질 및 기판(들)은 가공될 때 고체 상태일 수 있다. 압출 물질 및 기판(들)은 압출 및 본딩 프로세스 중에 용융되지 않을 수 있다. 예를 들어, 압출 물질은 고체 상태로 압출될 수 있고, 압출 물질은 압출 챔버 내에서 변형 및/또는 소성화 될 수 있다.

압출 물질 및/또는 기판(들)은 소성 변형 및/또는 그들의 고체 상태에서 작동 가능한 금속으로 제조될 수 있다. 압출 물질 및/또는 기판은 알루미늄으로 제조될 수 있다.

기판 및 압출 물질의 물질은 상이한 물질들일 수 있다. 이는 본 방법이 다른 물질로 기판을 커버링(covering)/코팅(coating)/플레이팅(plating)하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판은 강철일 수 있고, 압출 물질은 알루미늄일 수 있어, 본 발명은 강철 상에 알루미늄을 증착시키는 결과를 가져온다.

본 방법은 또한 기판의 표면 상의 물질의 비드(압출물의 제1 비드라고도 함)의 표면을 변형시키는 단계; 및 기판 상의 물질의 비드(압출물의 제1 비드)의 표면 상에 압출물을 증착시켜 기판 상의 물질의 비드에 본딩되는 물질의 비드(압출물의 제2 비드)를 형성하는 단계를 포함한다.

이 경우, 압출된 비드는 이미 기판의 표면에 결합된 압출된 비드 상으로 압출되어 결합되며, 즉 압출물의 제2 비드가 압출물의 제1 비드 상으로 압출되어 결합된다. 이는 고체-상태 압출 및 본딩 추가 층 제조(또는 추가 층 제조, 추가 제조 또는 3D 인쇄)로 지칭될 수 있다.

따라서, 다른 양태에서, 본 발명은 고체 상태 압출 및 본딩 추가 층 제조 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은, 금속 물질의 제1 비드의 표면을 변형시키는 단계; 및 상기 금속 물질의 제1 비드 상에 금속 물질의 제2 비드를 형성하여 본딩하기 위해 물질의 제1 비드의 표면 상에 금속 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다.

제1 비드는 압출되어 기판에 본딩된 비드일 수 있다. 이것은 동일한 동작의 일부로서 및/또는 동일한 툴에 의해 압출 및 본딩될 수 있다.

본 방법은 또한 기판 상에 제1 비드를 압출 및 본딩하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 비드는 제2 비드가 제1 비드에 본딩되기 전에 압출되어 기판에 본딩될 수 있다.

따라서, 다른 양태에서, 본 발명은 압출 및 본딩 추가 층 제조 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은, 기판의 표면을 변형시키는 단계; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계; 기판의 표면 상에 압출물을 증착시켜, 기판에 본딩되는 물질의 제1 비드/층을 기판 상에 형성하는 단계; 기판의 표면 상의 물질의 제1 비드/층의 표면을 변형시키는 단계; 및 기판 상의 물질의 제1 비드/층 상에 물질의 제2 비드/층을 형성하기 위해 압출물을 기판 상의 물질의 제1 비드/층의 표면 상에 증착시키는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명은 서로의 상부에 일련의 압출 비드들을 적층 및 본딩하는 단계들을 포함할 수 있다.

본 방법은 물질의 제1 비드에 본딩된 물질의 제2 비드의 표면을 변형시키는 단계; 및 물질의 제2 비드의 표면 상에 압출물을 증착시켜 물질의 제2 비드 상에 물질의 제3 비드를 형성하는 단계를 포함한다.

이것은 이전에 압출 및 본딩된 비드 상에 네 번째, 다섯 번째, 여섯 번째 등의 비드를 압출 및 본딩하기 위해 반복될 수 있다.

따라서, 본 방법은 상기 물질의 최상위 비드의 표면을 변형시키는 단계; 및 기판 상의 이전의 최상위 비드의 표면 상에 압출물을 증착시켜 기판 상의 이전에 최상위 비드 상에 또 다른 (새로운 최상위) 비드를 형성하는 단계를 포함한다.

이전의 최상위 비드에 본딩된 새로운 압출된 비드는 이전의 최상위 비드와 동일한 폭 또는 더 작은 폭의 비드일 수 있다. 예를 들어, 제2 압출된 비드는 기판 상에 본딩된 제1 압출된 비드와 동일한 폭 또는 더 좁은 폭일 수 있다.

이것은 새로운 비드가 증착되는 이전의 비드가 새로운 압출된 비드가 본딩될 수 있는 적절한 지지 및 본딩 표면을 제공하기 위한 것이다.

압출된 물질은 변형(증착 전에 또는 증착으로 인해)된 기판의 영역 상에 증착될 수 있다.

기판의 표면을 변형시키는 단계는 기판의 표면의 제1 영역을 변형시키는 단계를 포함할 수 있다. 기판 상의 물질의 비드는 기판의 표면의 제1 영역 상에 증착되는 기판 상의 물질의 제1 비드라고 할 수 있다. 이 경우, 본 방법은 기판의 표면의 제2 영역을 변형시키는 단계; 및 기판 표면의 제2 영역 상에 압출물을 증착시켜 기판에 본딩된 기판 상에 물질의 제2 비드를 형성하는 단계를 포함한다.

다시, 기판의 변형은 압출된 물질의 증착 전에 일어날 수 있거나, 이는 압출된 물질의 증착의 결과일 수 있으며, 즉 증착과 동시에 일어난다. 그러나, 고체 압출 금속의 변형은 기판과 접촉하기 전에 툴 내에서 발생할 수 있다.

따라서, 다른 양태에서, 본 발명은 금속 기판의 표면 상에 금속 물질의 압출된 비드를 본딩하는 고체-상태 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은, 기판의 표면의 제1 영역을 변형시키는 단계; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계; 기판에 본딩되는 금속 물질의 제1 비드를 기판 표면의 제1 영역 상에 형성하기 위해 기판의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계; 상기 기판의 표면의 제2 영역을 변형시키는 단계; 및 기판에 본딩되는 금속 물질의 제2 비드를 기판 상에 형성하기 위해 기판 표면의 제2 영역 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다.

제2 영역은 기판의 표면의 제1 영역으로부터 이격되어, 물질의 제2 비드가 물질의 제1 비드로부터 이격될 수 있다.

대안적으로, 제1 및 제2 영역은 서로 이격되지 않을 수 있다. 이 경우에, 증착된 비드들은 서로 접촉될 수 있다.

물질의 제1 및 제2 비드들은 그 사이에 채널을 형성하도록 서로 이격될 수 있다. 이 경우, 본 방법은, 채널의 표면을 변형시키는 단계; 및 채널에 압출물을 증착시켜 기판 및 물질의 제1 및 제2 비드들에 본딩되는 물질의 제3 비드를 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다.

채널의 표면을 변형시키는 단계; 및 기판 및 물질의 제1 및 제2 비드들에 본딩되는 물질의 제3 비드를 기판 상에 형성하는 단계는 압출 및 본딩 기술을 사용하여 압출된 물질의 제1 및 제2 비드들 사이에 맞대기 결합부를 형성하는 것과 동일할 수 있다.

따라서, 본 방법은 기판의 표면 상에 압출된 플레이트를 형성하기 위해 표면 증착과 맞대기 결합의 조합으로 간주될 수 있다.

제1, 제2 및 제3 비드들은 함께 기판 상에 플레이트를 형성할 수 있다. 따라서, 본 방법은 플레이트 표면처리 기술(plate surfacing technique)이라고 할 수 있다.

기판 상에 이격되어 있는 물질의 층들을 증착시키는 프로세스는 일련의 채널들을 생성하기 위해 2회 이상 반복될 수 있다. 일련의 채널들은 각각 변형되어 그 내부에 압출물이 압출되어 기판 상에 표면 플레이트를 형성할 수 있다. 표면 플레이트는 기판 표면의 전체 또는 실질적으로 전체를 덮을 수 있다.

기판 및 압출 물질의 물질은 상이한 물질들, 즉 상이한 금속들일 수 있다. 이는 본 발명이 상이한 물질로 기판을 커버링/코팅/플레이팅하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판은 강철일 수 있으며, 압출 물질은 알루미늄일 수 있어, 본 발명은 강철 상에 알루미늄을 플레이팅하는 것을 초래할 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 두 구성 요소들을 결합시키는 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은, 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계; 구성 요소들 각각과 접촉하여 구성 요소들 사이의 초기 결합부를 형성하도록 두 구성 요소들 사이에 압출물을 증착시키는 단계; 초기 결합부의 표면을 변형시키는 단계; 및 두 구성 요소들 사이의 초기 결합부 상에 추가의 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다.

따라서, 본 방법은 두 구성 요소들 사이에 물질의 제1 비드를 증착하여 초기 결합부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 물질의 증착된 제1 비드(즉, 제1 결합부)를 소성 변형시키고 변형된 초기 결합부의 상부에 제2 비드를 증착하여 제1 비드와 제2 비드가 서로 금속 본딩될 수 있도록 한다. 이것은 두 구성 요소들 사이에 다중-패스 결합을 형성하는 데 사용될 수 있다.

본 방법은 결합될 구성 요소들의 적어도 하나 또는 각각의 표면을 변형시키는 단계를 포함할 수 있다.

제1 비드는 제1 및/또는 제2 구성 요소들에 본딩될 수 있다.

추가의 압출물은 초기 결합부 상에 제1 비드를 형성할 수 있다. 제1 비드는 구성 요소들 중 하나와 그 사이에 제1 채널 및/또는 구성 요소들 중 다른 하나와 그 사이에 제2 채널을 형성할 수 있다. 본 방법은, 제1 채널의 표면을 변형시키는 단계; 및 채널에 압출물을 증착시켜 초기 결합부, 구성 요소 중 하나 및 압출물의 제1 비드에 본딩되는 제2 비드를 형성하는 단계를 포함한다.

제2 채널이 형성되면, 본 방법은 제2 채널의 표면을 변형시키는 단계; 및 채널에 압출물을 증착시켜 초기 결합부, 구성 요소들 중 다른 하나 및 압출물의 제1 비드에 본딩되는 제3 비드를 형성하는 단계를 포함한다.

제1 결합부, 및 제1, 제2 및 (존재하는 경우) 제3 비드들이 함께 두 구성 요소들 사이의 결합부를 형성할 수 있다.

제1, 제2 및 (존재하는 경우) 제3 비드들은 함께 초기 결합부(제1 층으로 지칭될 수 있음) 상에 제2 층을 형성할 수 있다.

이러한 결합부는 다중-패스 결합부(multi-pass joint)로 불릴 수 있다.

이러한 다중-패스 결합부는 단일 패스와 효과적으로 결합할 수 없는 두꺼운 구성 요소들의 결합에 유용할 수 있다.

초기 결합부는 두 구성 요소들 사이의 맞대기 결합부 또는 필렛 결합부일 수 있다(형상에 따라 다름).

제1 비드는 초기 결합부 상에 형성된 추가 층일 수 있다.

제2 및/또는 제3 비드들은 제1 비드와 구성 요소들 중 하나의 사이의 효과적인 맞대기 결합일 수 있다.

따라서, 다중-패스 결합 방법은 필렛 및/또는 맞대기 결합들 및 추가 층을 포함하는 것으로 간주될 수 있다.

구성 요소들은 기판들이라고 할 수 있다. 구성 요소들/기판들은 플레이트들일 수 있다.

다중-패스 결합부는 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 추가의 압출물(즉, 제4 비드)이 압출되어 제1, 제2 및/또는 제3 비드들에 본딩될 수 있다.

이 추가의 압출물은 추가의 비드들(예를 들어, 표면 상에 증착 및/또는 맞대기 및/또는 필렛 결합에 의해 형성된 비드들일 수 있는)에 의해 구성 요소들의 결합 표면들에 본딩되어 결합부의 제2 층 상에 제3 층을 형성할 수 있다.

두 개의 구성 요소들은 서로에 대해 위치될 수 있어, 결합될 구성 요소들 각각의 표면들 사이에 갭을 형성할 수 있다.

따라서, 본 방법은 두 기판들(예를 들어, 플레이트들과 같은 구성 요소들)을 위치시켜 결합될 기판의 면이 서로 마주하도록 하고 그 사이에 갭을 형성하도록 일정 간격을 두고 배치하는 단계를 포함할 수 있다.

결합되는 구성 요소들 각각의 표면은 서로에 대해 경사질 수 있다. 따라서, 갭은 결합부 내로의 방향으로 변화하는 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 갭은 결합부의 최하부(초기 결합부가 형성되는 곳)에서 가장 작을 수 있고 갭의 최상부 표면에서 최대일 수 있다(다중 패스를 사용하여 두 구성 요소들 사이에 층을 형성할 수 있음). 예를 들어, 갭(횡단면)은 V-자형일 수 있다. 초기 결합부는 V-자형 갭의 정점/가장 좁은 부분에 형성될 수 있다.

또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 두 금속 구성 요소들을 결합시키는 고체-상태 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은, 금속 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계; 두 구성 요소들 사이의 제1 방향으로부터 압출물을 증착시켜 구성 요소들 사이에 제1 결합부를 형성하는 단계; 및 두 구성 요소들 사이의 제2 방향으로부터 추가의 압출물을 증착시켜 구성 요소들 사이에 제2 결합부를 형성하는 단계를 포함한다.

이는 양-측 결합부라고 할 수 있다.

두 구성 요소들은 압출물이 구성 요소들 각각의 표면에 본딩된다는 사실에 의해 결합될 수 있다.

제1 방향은 제2 방향에 대향하거나 실질적으로 반대일 수 있다.

본 방법은 제1 결합부를 형성한 다음 제2 결합부를 형성하는 단계, 즉 결합들을 순차적으로 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

동일한 툴을 사용하여 각 결합부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 툴은 제1 결합부를 형성한 다음 제2 결합부를 형성하는 데 사용될 수 있다.

방향들은 두 구성 요소들을 기준으로 할 수 있다. 압출 및 본딩을 수행하는 툴은 압출물이 증착되는 플레이트들에 대한 방향을 변화 시키도록 이동될 수 있다. 대안적으로, 압출 및 본딩을 수행하는 툴은 고정될 수 있고 두 구성 요소들은 두 구성 요소들에 대해 압출물이 증착되는 방향을 변화시키도록 이동될 수 있다(뒤집힌(flipped over) 것과 같이).

본 방법은 결합될 구성 요소들 각각의 표면을 (적어도 그 일부를) 변형시키는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 각 방향으로부터 수행될 수 있다.

변형이 제2 방향으로부터 수행 될 때(즉, 제1 결합부가 형성된 후에), 본 방법은 결합되는 하나 이상의 구성 요소들에 추가하여 초기 결합부의 하부를 변형시키는 단계를 포함할 수 있다.

제1 결합부는 두 구성 요소들의 제1 표면으로부터 압출물을 증착시킴으로써 형성될 수 있고 및/또는 제2 결합부는 두 구성 요소들의 제2 표면으로부터 압출물을 증착시킴으로써 형성될 수 있다.

제1 결합부 및 제2 결합부는 구성 요소들의 대향 표면들 사이의 위치(예를 들어 중심)에서 만날 수 있다. 따라서, 제1 결합부와 제2 결합부는 함께 양-측 결합부를 형성할 수 있다.

두 구성 요소들은 서로에 대해 위치될 수 있어, 결합될 구성 요소들 각각의 표면들 사이에 갭을 형성할 수 있다.

결합되는 구성 요소들 각각의 표면은 서로 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있다.

결합되는 구성 요소들 각각의 표면은 서로에 대해 경사질 수 있다. 따라서, 갭은 결합부 내의 방향으로 변화하는 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 갭은 결합부 중심(초기 결합부가 형성되는 곳)에서 또는 그 중심으로 가장 작을 수 있고 갭의 최상부 표면에서 최대일 수 있다. 예를 들어, 갭(단면에서)은, V자 형상들의 정점/가장 좁은 부분이 두 구성 요소들 사이의 갭의 중시에서 또는 중심을 향하여 만나는, 두 개의 V자 형상일 수 있다. 제1 결합부는 V자 형상들 중 하나의 정점/가장 좁은 부분에 형성될 수 있다. 제2 결합부는 V형상들 중 다른 하나의 정점/가장 좁은 부분에 형성될 수 있다.

양-측 결합부의 경우, 각 측의 결합부는 위에서 설명한 다중-패스 결합부일 수 있다. 다중-경로 결합부는 일 측으로부터 형성될 수 있고 다중-경로 결합부는 다른 측으로부터 형성될 수 있다.

이는 매우 두꺼운 플레이트들을 결합할 때 특히 유용할 수 있다.

대안적으로, 각 측 상의 결합부는 단일 패스 결합부일 수 있다. 예를 들어, 각 측 상의 결합부는 단일 패스 맞대기 결합부일 수 있다.

양 측 결합부(각 결합부가 단일 패스 결합부 또는 다중 패스 결합부인지 여부와 상관없이)는 결합부의 각 측면에서 필요한(예를 들어, 부드러운) 마무리를 얻는 데 사용될 수 있다. 따라서, 비교적 얇은 구성 요소들이 결합되는 경우에도 양 측 결합부가 수행될 수 있다(즉, 이 기술은 두꺼운 구성 요소들이 결합되는 경우에만 반드시 수행되는 것은 아님).

본 발명은 전술한 방법들 중 하나 이상을 수행하기에 적합한 압출 및 본딩 툴을 제공할 수 있다. 압출 및 본딩 툴은 압출 물질을 압출하고 압출 물질을 기판에 본딩하기 위한 것일 수 있다. 툴은 압출 물질을 압출하여 압출된 압출 물질이 기판에 본딩되도록 기판 상에 증착시키도록 배열될 수 있다. 즉, 본딩 및 압출 툴은 하이브리드 금속 압출 및 본딩(HYB) 프로세스를 수행하기 위한 툴일 수 있다.

본 발명은 압출 및 본딩 툴을 사용하여 전술한 방법들 중 하나 이상을 수행하는 방법을 제공할 수 있다.

본 방법이 두 구성 요소들을 결합시키는 방법인 경우, 툴은 두 구성 요소 사이들의 갭을 따라 이동될 수 있어서, 연속적인 결합부가 변형되는 표면에 의해 구성 요소들 사이에 형성되고 나서 각각 압출된 압출 물질에 본딩된다.

각 양태에 있어서, 표면을 변형시키는 단계는 금속 기판을 소성 변형시키는 단계 및/또는 기판으로부터 표면 산화물과 같은 표면 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 산화물 분산 및/또는 전단 변형으로 인해 금속 압출 물질과 기판 사이의 금속 본딩을 촉진시킬 수 있다.

방법 중 툴의 일부가 아닌, 예를 들어 회전 스핀들은 기판에 완전히 잠기지 않을 수 있지만(즉, 그 전체 둘레를 둘러싸지 않음), 스핀들의 에지 부분 만이 기판의 표면을 변형 시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 방법은 변형 구성 요소가 기판에 잠기고 결합될 표면 근처의 벌크 구성 요소의 일부를 통해 이동하는 마찰 교반 용접 방법이 아닐 수 있다. 대신에, 본 발명은 결합을 용이하게 하기 위해 기판의 표면 층을 변형/제거하기 위해 스핀들의 단지 일부를 사용하는 방법에 것에 관한 것일 수 있다.

또한 마찰 교반 용접과는 대조적으로, 두 개의 구성 요소들을 함께 결합하는 방법의 경우, 두 구성 요소들 사이에 갭이 있을 수 있다. 또한, 압출 물질은 필러 물질을 포함하는 통상적인 마찰 교반 용접에서처럼 기판과의 접촉에 의해 소성화되기보다는 기판과 접촉하기 전에 툴 내에서 소성화될 수 있다.

회전 가능한 스핀들(존재하는 경우)은 100 내지 900 rpm, 200 내지 600 rpm, 300 내지 500 rpm 또는 약 400 rpm의 속도로 회전될 수 있다. 정확한 속도는 툴 전진 속도 또는 물질 특성과 같은 여러 요소에 따라 달라질 수 있다.

이러한 특징들 중 하나 이상(및 선택적으로 툴 및 방법의 다른 특징들)은 본 방법으로 결합되는 물질의 온도가 마찰 교반 용접보다 낮은 온도로 유지될 수 있음을 의미할 수 있다(결합우위의 품질이 향상될 수 있도록). 또한, 방법 중 툴 및/또는 회전 스핀들에 의해 가해지는 힘은 더 적을 수 있다.

변형 단계는 압출물이 기판의 표면 상에 증착되기 전에 수행될 수 있다. 압출물은 기판의 변형된 표면 상에 증착될 수 있다. 기판의 표면은 압출 물질을 압출하는 동일한 툴에 의해 변형될 수 있다. 예를 들어, 툴에는 물질을 밀어 내고 표면을 변형시키는 데 사용되는 회전 스핀들과 같은 부품이 있을 수 있다. 따라서 스핀들은 압출물의 압출 및 기판의 변형을 야기하는 이중 기능을 가질 수 있다. 이 두 단계는 동시에 발생할 수 있다.

스핀들의 회전은 기판 및 압출 물질 모두에서 표면 층의 분산 또는 변형을 유발할 수 있다.

대안적으로, 압출물이 증착되는 표면은 압출물의 증착에 의해 변형될 수 있다. 바꿔 말하면, 기판의 변형 및 표면 상의 압출물의 증착은 동시에 일어날 수 있다. 예를 들어, 압출물은 기판의 표면이 변형되도록 기판의 표면 상으로 가압될 수 있다.

압출물은 압출되는 표면에 본딩되도록 표면 상에 압출될 수 있다.

기재/구성 요소(들)은 알루미늄(알루미늄 합금 포함)과 같은 경금속일 수 있다. 기판/구성 요소는 동일한 재료일 수 있다. 기판들/구성 요소들 모두가 알루미늄인 경우, 그들은 동일하거나 다른 등급의 알루미늄일 수 있다.

기판/구성 요소(들)은 강철과 같은 비-경금속일 수 있다.

본 방법이 두 기판들을 함께 결합시키는 방법일 때, 두 기판들은 동일한 재료일 수 있다. 기판들/구성 요소들은 서로 동일한 조성을 가질 수 있다. 대안적으로, 두 기판들은 상이한 재료들일 수 있다. 예를 들어, 하나의 기판은 알루미늄과 같은 경금속일 수 있고 다른 기판은 강철과 같은 비-경금속일 수 있다.

압출 물질은 필러 와이어와 같은 필러 물질일 수 있다.

압출 물질은 알루미늄(알루미늄 합금 포함)일 수 있다. 압출 물질은 기판과 동일한 재료일 수 있다(또는 두 기판들이 결합되는 경우, 적어도 하나의 기판과 동일하다).

대안적으로, 압출 물질은 기판(들)의 재료와 다를 수 있다.

방법 중에 압출 물질이 변경될 수 있다.

예를 들어, 추가 제조의 경우에, 기판에 더 가까운 비드들은 하나의 재료일 수 있는 반면, 기판으로부터 더 멀리 떨어진 비드들은 상이한 재료일 수 있다. 다중 패스 결합의 경우, 초기 결합부는 제1 물질로 형성될 수 있고 후속 층은 상이한 물질로 형성될 수 있다.

두 구성 요소들이 함께 결합되는 경우, 압출 물질은 두 기판들 사이의 갭을 채우는 필러 물질일 수 있다. 압출 물질은 두 물질들을 함께 결합할 수 있다. 이는 두 기판들을 본딩하는 압출된 물질에 의해 달성될 수 있다.

상기 기재된 방법은 실온에서 수행될 수 있다. 본 방법은 임의의 가열 수단을 사용하지 않거나 프로세스 자체에 의해 발생된 열 이외의 환경에 여분의 열을 가하는 단계를 포함할 수 있으며, 즉 압출 및/또는 마찰(예를 들어, 압출기와 기판 및/또는 압출 물질 사이)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 방법 중에, 압출 챔버로부터 다이 개구(압출이 수행되는 그를 통한)를 통해 압출 물질이 증착되는 기판/구성 요소로 열이 전달될 수 있다.

본딩 동안 압출 물질의 과도한 가공 경화(excessive work hardening)를 피하기 위해 기판(들)에 대한 열의 충분한 공급이 존재하는 것이 바람직할 수 있으며, 열은 압출기 헤드 아래의 제한된 양의 기판에만 공급되는 것이 바람직하다.

가열은 압출물을 통해 또는 및 도전체를 통해 및 기판과 접촉하는 툴의 기계적 작동에 의해 공급될 수 있다.

본 방법은 압출 및 본딩 중에 툴 및/또는 기판을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 방법은 툴이 상용되는 동안 툴, 기판 및/또는 압출물을 냉각, 예를 들어 수냉하는 단계를 포함할 수 있다.

냉각은 수냉 수단을 사용하여 수행될 수 있다. 냉각 수단은 물 이외의 유체를 사용할 수 있다. 예를 들어, 냉각 수단은 CO₂ 또는 헬륨일 수 있다.

냉각 유체는 예를 들어 툴 및/또는 압출된 물질에 대해 지향될 수 있다. CO₂의 경우, 유체는 냉각 수단 내의 액체 일 수 있으며, 냉각될 부분(예를 들어, 툴 자체 또는 본딩되는 물질)에 충돌하기 전, 충돌할 때 또는 충돌한 직후 가스로 변형될 수 있다.

본 방법은 상기 방법들 중 하나 이상의 조합일 수 있다. 본 방법은 두 기판들(예를 들어, 플레이트들 또는 구성 요소들) 사이에 압출 물질을 압출하여 두 기판들을 함께 결합시키는 단계를 포함할 수 있고 및/또는 본 방법은 기판의 표면(예를 들어, 플레이트 또는 구성 요소의 표면) 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 방법은 두 구성 요소들을 맞대기 결합하는 단계, 두 구성 요소들을 필렛 결합(T, 코너 및 랩 결합 포함)하는 단계, 두 구성 요소들을 다중-패스 결합하는 단계, 구성 요소들의 표면 상에 스트링거 비드(stringer bead)를 증착시키는 단계, 기판 상에 층을 증착시키는 단계, 양면 결합 단계 및/또는 추가의 층 제조 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 방법이 복수의 상이한 어플리케이션들/기술들을 포함할 때, 상이한 툴이 프로세스의 상이한 단계에 대해 사용될 수 있다. 또는 하나의 툴이 사용될 수도 있다. 본 방법을 수행하기 위한 단일 툴은 본딩 및 압출 툴이 사용될 어플리케이션에 따라 변경될 수 있는 상호 교환 가능한 부품을 포함할 수 있다.

예를 들어, 툴은 사용하고자 하는 어플리케이션에 따라 변경될 수 있는 압출기 헤드를 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 압출기 헤드들이 제공될 수 있다. 각각의 압출기 헤드는 상이한 본딩 및 압출 용일 수 있다.

각각의 압출기 헤드는 툴이 사용될 어플리케이션에 적합한 특정 형상을 가질 수 있다.

예를 들어, 맞대기 결합을 위해 설계된 압출기 헤드, 필렛 결합을 위해 설계된 압출기 헤드, 비드-온-플레이트 증착을 위해 설계된 압출기 헤드 및/또는 추가 층 제조를 위해 설계된 압출기 헤드가 각각 제공될 수 있다.

따라서, 상기 툴은 각각 상이한 어플리케이션에 대해 설계된 복수의 상호 교환 가능한 압출기 헤드들을 포함할 수 있다. 각각의 상이한 어플리케이션은 압출 물질을 압출하고 이를 기판에 본딩시키는 것을 포함한다.

툴은 복수의 상이한 어플리케이션들(맞대기 결합, 필렛 결합, 다중-패스 결합, 양면 결합, 비드-온-플레이트 증착 및/또는 추가 층 제조 포함)에 대해 사용될 수 있기 때문에, 툴은 이들 상이한 기술들의 조합을 필요로 하는 어플리케이션들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 툴은 기판 상에 분리된 비드들을 증착한 후 인접하게 증착된 비드들을 서로 맞대기 결합시킴으로써 수행될 수 있는 플레이트 표면 처리(plate surfacing)에 사용될 수 있다. 상기 툴은 필렛 결합, 필렛 결합부 상에 비드의 증착 및 각 측 상의 증착된 비드를 결합되는 기판에 결합하는 맞대기를 포함할 수 있는 다중 패스 결합에 사용될 수 있다.

본 방법은 결합 및/또는 증착 기술을 수행하는 동안 툴의 압출기 헤드를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

툴은 압출기 헤드 또는 각각의 압출기 헤드와 결합할 수 있는 구동 메커니즘을 포함할 수 있다. 구동 메커니즘과 압출기 헤드는 함께 결합 및 압출 툴을 형성할 수 있다.

따라서, 다른 양태에서, 본 발명은 고체-상태 하이브리드 금속 압출 및 본딩 프로세스를 수행하는 본딩 및 압출 툴 용 부품들의 키트를 제공할 수 있으며, 상기 툴은 금속 압출 물질을 압출하고 상기 압출 물질을 금속 기판에 본딩하기 위한 것이며, 상기 부품들의 키트는, 구동 메커니즘; 및 복수의 압출기 헤드들을 포함하며, 각각의 압출기 헤드는 구동 메커니즘에 의해 구동될 수 있으며; 상기 구동 메커니즘 및 상기 압출기 헤드들 중 하나는 함께 상기 본딩 및 압출 툴을 형성한다.

본 발명은 두 개의 기판들을 맞대기 결합하도록 설계된 압출기 헤드를 제공할 수 있다. 이러한 압출기 헤드는 맞대기 결합 압출기 헤드라고 지칭될 수 있다.

맞대기 결합 압출기 헤드는 두 기판들을 결합하도록 설계될 수 있다. 두 기판들은 서로 실질적으로 동일한 평면에 있고 갭에 의해 서로 분리될 수 있는 상부 표면을 갖는다. 상기 기판들은 각각 사용 중 툴의 주 몸체를 향하는 표면인 상부 표면을 가질 수 있다. 기판들은 각각, 서로 마주하고 두 개의 기판들 사이의 갭에 본딩되는 결합 표면들 가질 수 있다. 두 개의 기판들 각각의 상부 표면 및 결합 표면들은 서로 45°와 90° 사이의 각도와 같은 각도로 서로 경사질 수 있다. 결합 표면들은 서로에 대해 평행할 수 있다.

본 발명은 두 기판들의 필렛 결합을 위해 설계된 압출기 헤드를 제공할 수 있다. 이러한 압출기 헤드는 필렛 결합 압출기 헤드라고 지칭될 수 있다.

필렛 결합 압출기 헤드는 서로에 대해 소정 각도로 연장되는 두 개의 기판들을 결합하도록 설계될 수 있다. 기판들은 각각 사용 중 툴의 주 몸체를 향하는 표면인 제 1 표면을 가질 수 있다. 두 개의 기판들의 제 1 표면들은 서로 일정 각도일 수 있다. 기판들은 각각 다른 기판에 가깝게/근접하게 위치된 결합 부를 가질 수 있다.

상기 필렛 결합 압출기 헤드는 사용 시 두 개의 기판들에 접촉하여 밀봉하는 지지/밀봉 표면을 포함할 수 있다. 밀봉 표면은 결합 중에 기판의 표면 상의 압출기 물질 플래시 형성을 감소시킬 수 있다.

밀봉 표면은 사용 시 두 개의 기판들 중 제1 기판에 대해 밀봉하는 제1 밀봉 부 및 사용 시 두 개의 기판들 중 다른 기판(즉, 제2 기판)에 대해 밀봉하는 제2 밀봉 부를 포함할 수 있다.

본 발명은 비드-온 - 플레이트 증착을 위해 설계된 압출기 헤드를 제공할 수 있다. 이러한 압출기 헤드는 비드-온-플레이트 압출기 헤드라고 지칭될 수 있다.

비드-온-플레이트 압출기 헤드는 압출물의 비드를 기판의 표면 상에 증착하도록 설계될 수 있다. 기판은 사용 시 툴의 주 몸체와 대면하는 표면 및 압출된 압출 물질이 증착될 표면인 증착 표면을 가질 수 있다.

본 발명은 추가 층 제조를 위해 설계된 압출기 헤드를 제공할 수 있다. 이러한 압출기 헤드는 추가 층 제조 압출기 헤드라고 할 수 있다.

추가 층 제조 압출기 헤드는 이미 기판 상에 증착된 비드 상에 압출물의 비드를 증착시키도록 설계될 수 있다. 따라서, 툴이 증착하는 기판은 툴에 의해 이미 증착된 비드일 수 있다.

본 방법은 맞대기 결합 압출기 헤드, 필렛 결합 압출기 헤드, 비드-온-플레이트 압출기 헤드 및/또는 추가 층 제조 압출기 헤드 중 하나 이상, 예컨대 이상을 갖는 툴을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

물질의 압출된 비드를 기판의 표면 상에 본딩하는 방법은 비드-온-플레이트 압출기 헤드를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 비드-온-플레이트 압출기 헤드는 기판의 표면을 변형시키는 시키고; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하고; 및 기판에 본딩되는 물질의 비드를 기판 상에 형성하기 위해 기판의 표면 상에 압출물을 증착시키기 위해 사용될 수 있다.

압출 및 본딩 추가 층 제조 방법은 비드-온-플레이트 압출기 헤드 및 추가 층 제조 압출기 헤드를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 비드-온-플레이트 압출기 헤드는 기판 상에 초기 비드를 형성하는데 사용될 수 있고, 추가 층 제조 압출기 헤드는 하나 이상의 후속 비드들을 초기 비드의 상부에 서로의 상부에 증착 시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비드-온-플레이트 압출기 헤드는 기판의 표면을 변형시키고; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하고; 및 기판에 본딩되는 물질의 제1 비드를 기판 상에 형성하기 위해 기판의 표면 상에 압출물을 증착시키기 위해 사용될 수 있다. 추가 층 제조 압출기 헤드는 상기 기판의 표면 상의 물질의 제1 비드의 표면을 변형시키고; 및 기판 상의 물질의 제1 비드의 표면 상에 물질의 제2 비드를 형성하기 위해 기판 상의 물질의 제1 비드의 표면 상에 압출물을 증착시키기 위해 사용될 수 있다. 본 방법은 비드-온-플레이트 압출기 헤드를 사용하여 초기 비드를 압출 및 증착시키고, 툴의 압출기 헤드를 추가 층 제조 압출기 헤드로 변경하고, 추가 층 제조 압출기 헤드를 사용하여 하나 이상의 비드를 초기 비드 상의 서로의 상부에 증착시키는 것을 포함한다.

기판의 표면 상에 물질의 압출된 비드를 본딩하는 방법은, 비드-온-플레이트 압출기 헤드를 사용하여 기판 상에 복수의 비드들을 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 비드-온-플레이트 압출기 헤드는, 사용 시 기판과 마주하는 하부 표면 상의 리세스와 같은 수단을 가질 수 있으며, 이 리세스는 각 비드를 인접한 이미 증착된 비드로부터 일정 거리만큼 이격시키는데 사용될 수 있다. 리세스는 이미 툴에 의해 증착된 비드 또는 비드의 적어도 일부를 수용하도록 설계될 수 있다. 이는 인접한 비드에 툴이 부딪치지 않고 비드들이 서로 가깝게 증착될 수 있게 한다.

리세스는 비드-온-플레이트 압출기 헤드에 의해 증착된 비드와 동일한 높이 또는 그 보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이는 비드가 추가 비드들의 증착을 손상시키지 않으면서 채널 내에 수용될 수 있도록 하기 위한 것이다. 압출기 헤드 상의 리세스의 위치는 툴에 의해 증착된 두 비드들 사이의 최소 거리를 결정할 수 있다.

비드-온-플레이트 압출기 헤드는 기판의 표면의 제1 영역을 변형시키고; 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하고; 및 기판에 본딩되는 물질의 제1 비드를 기판 상에 형성하기 위해 기판의 표면 상에 압출물을 증착시키기 위해 사용될 수 있다. 이어서 비드-온-플레이트 압출기 헤드는 압출기 헤드 하우징의 리세스의 제1 비드를 수용함으로써 결정될 수 있는 제2 위치로 이동될 수 있다. 일단 이동되면, 비드-온-플레이트 압출기 헤드는 그 후 기판의 표면의 제2 영역을 변형시키고; 및 기판에 본딩되는 물질의 제2 비드를 기판 상에 형성하기 위해 기판 표면의 제2 영역 상에 압출물을 증착시키기 위해 사용될 수 있다. 동일한 압출기 헤드는 복수의 동일한 간격으로 배치된 스트링거 비드들의 상기 구성 요소 상에의 증착을 허용하기 위해 동일한 방식으로 여러 번 사용될 수 있다. 리세스는 인접한 비드들 사이의 거리를 설정하는데 사용될 수 있다. 구성 요소의 표면 상에 압출된 플레이트를 형성하는 방법은 비드-온-플레이트 압출기 헤드를 사용하여 구성 요소의 표면 상에 일련의 이격된 스트링거 비드들을 증착시키는 단계(예를 들어, 상술한 바와 같이), 및 맞대기 결합 압출기 헤드로 변경하여 인접한 스트링거 비드들 사이의 채널들에서 구성 요소의 표면 플레이트에 효과적인 맞대기 결합부를 수행하는 단계를 포함한다.

두 구성 요소들 사이에 다중 패스 결합을 수행하기 위해, 두 구성 요소들 사이에 초기 결합부(각각 맞대기 결합부 또는 필렛 결합부일 수 있음)를 형성하기 위해 맞대기 결합 압출기 헤드 또는 필렛 결합 압출기 헤드(결합 될 두 구성 요소들 사이의 간격의 기하학 구조에 따라 다름)를 사용할 수 있다. 툴의 헤드를 비드-온-플레이트 압출기 헤드로 변경한 다음 툴을 사용하여 초기 결합부 상에 제1 비드를 압출 및 본딩할 수 있다. 제1 비드는 두 구성 요소들 각각으로부터 이격되어 초기 결합부 하부에만 본딩될 수 있다. 그런 다음 툴의 헤드를 맞대기 결합 압출기 헤드 또는 필렛 결합 압출기 헤드(제1 비드와 결합될 두 구성 요소들 사이의 갭들 각각의 기하학적 구조에 따라)로 변경할 수 있다. 그런 다음 툴을 사용하여 초기 비드의 각 측 상에 맞대기 결합부 또는 필렛 결합부를 형성하여 초기 비드를 구성 요소들에 본딩할 수 있다.

다중 패스 결합부가 추가 층들을 갖는 경우, 본 방법은 비드-온-플레이트 압출기 헤드로 다시 변경하는 단계, 두 구성 요소들 사이의 갭에 하나 이상의 비드들을 증착시키는 단계 및 맞대기 또는 필렛 결합 헤드로 변경하는 단계(기하학적 형상에 의해 요구되는 바와 같이) 및 증착된 비드들을 구성 요소 및/또는 서로에 대해 결합시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시 예들을 예시적인 방법으로서 첨부된 도면들을 참조하여 설명하며, 이하;
도 1은 비드-온-플레이트 증착을 도시하고;
도 2a는 비드-온-플레이트 증착의 다른 뷰를 도시하고;
도 3은 비드-온-플레이트 증착을 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 4는 표면 플레이팅 기술을 도시하고;
도 5는 맞대기 결합(butt join)을 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 6은 사용되는 맞대기 결합을 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 7은 추가 층 제조를 도시하고;
도 8은 추가 층 제조의 다른 뷰를 도시하고;
도 9는 추가 층 제조를 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 10은 다중-패스 결합의 제1 단계를 도시하고;
도 11은 다중-패스 결합의 제1 단계를 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 12는 다중-패스 결합의 제2 단계를 도시하고;
도 13은 다중-패스 결합의 제2 단계의 다른 뷰를 도시하고;
도 14는 다중-패스 결합의 제2 단계를 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 15는 다중-패스 결합의 제3 단계를 도시하고;
도 16은 다중-패스 결합의 제3 단계를 위한 압출기 헤드를 도시하고;
도 17은 완료된 다중-패스 결합부위를 도시하고;
도 18은 양 측 다중-패스 결합부위를 도시하고; 그리고
도 19는 구동 메커니즘에 연결된 압출기 헤드를 구비한 하이브리드 본딩 및 압출 툴을 도시한다.

도 1 및 도 2는 물질의 압출된 비드(4)를 기판(6)의 표면 상에 본딩시키는 방법인 비드-온-플레이트 증착 방법(bead-on-plate deposition method)을 도시한다. 본 방법을 위한 압출기 헤드(8)가 도 3에 도시되어 있다. 본 방법에서 비드-온-플레이트 압출기 헤드(8)는 금속 기판(6) 상에 금속 물질의 비드(4)를 압출 및 증착시키는데 사용된다. 본 방법은 기판(6)의 표면을 변형시키는 단계를 포함한다. 이는 압출물이 증착되는 곳에 먼저 기판(6)을 변형시키기 위해 압출기 헤드(8)의 일부(회전 스핀들(rotating spindle)(10)과 같은)를 사용하거나, 또는 추가적으로 증착되는 압출물의 힘이 기판(6)을 변형시킬 수 있게 함으로써 달성될 수 있다. 본 방법은 또한 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하고 압출물을 기판(6)의 표면 상에 증착시켜 기판(6)에 본딩되는 물질의 비드(4)를 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다.

도 3은 비드-온-플레이트 증착을 위한 압출기 헤드의 부분 단면을 도시한다. 압출 물질은 압출 챔버(12)를 통해 회전 스핀들(10) 주위로 공급되고 후방의 대향 채널(14)을 통해 뒤쪽(툴의 진행 방향과 비교하여)으로 가압되어 비드(4)를 형성할 수 있다. 복수의 비드들(4)이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 증착될 때, 비드-온-플레이트 압출기 헤드(8)는 리세스(16)를 포함할 수 있다. 리세스(16)는 이미 증착된 인접 비드(4)를 수용할 수 있는 크기로 되어 있으며, 인접 비드(4)로부터 소정 거리만큼 각 비드(4)를 이격시키는데 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 표면 플레이팅 기술(surface plating technique)이 수행될 수 있도록 기판(6) 상에 복수의 비드들(4)을 증착시키는 것이 바람직할 수 있다. 일단 복수의 비드들(4)이 기판(6) 상에 증착되면, 맞대기 결합 압출기 헤드(18)는 인접한 비드들 사이에 맞대기 결합부(5)를 형성하도록 증착된 비드들(4) 사이의 채널 내로 압출 물질을 변형 및 압출하는데 사용될 수 있다. 채널들에 각각에 대해 이것이 반복되면, 압출된 플레이트가 기판(6) 상에 형성되고 기판(6)에 본딩된다.

도 5는 인접한 증착된 비드들(4)를 결합시키기 위해 표면 플레이팅 기술에 사용될 수 있는 맞대기 결합을 위한 압출기 헤드(18)를 도시한다. 맞대기 결합 압출기 헤드(18)는 압출 물질이 채널 내로 압출되기 전에 채널의 베이스 및 측면과 접촉하여 변형시키는 스핀들 팁(21)을 갖는 회전 스핀들(20)을 포함한다. 맞대기 결합 압출기 헤드(18)는 또한 사용 시 툴의 앞쪽에 플래시 누출(flash leakage)을 방지하기 위해 채널에 위치되는 밀봉 돌출부(22)를 포함한다.

도 6은 맞대기 접합을 수행하기 위해 사용되는 맞대기 결합 압출기 헤드(18)의 다른 뷰를 도시한다.

도 7 및 도 8은 추가 층 제조를 수행하기 위해 사용되는 추가 층 제조 압출기 헤드(24)를 도시한다. 추가 층 제조 압출기 헤드(24)가 도 9에 도시되어있다.

본 기술에서, 압출된 비드(7)는 이미 증착된 압출된 비드(4) 상에 증착된다.

따라서, 본 방법은 기판(도 7 및 도 8에 도시된 예에서는 도 4와 관련하여 설명된 방법에 따라 증착된 표면 플레이트이다)의 표면을 변형시키는 단계, 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하는 단계 및 기판의 표면 상에 압출물을 증착시켜 기판 결합될 물질의 제1 비드(4)를 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다. 이 제1 단계는 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 비드-온-플레이트 증착 방법과 동일할 수 있다.

다음으로, 본 방법은 기판의 표면 상의 물질의 제1 비드(4)의 표면을 변형시키는 단계 및 기판 상의 물질의 제1 비드(4) 상에 물질의 제2 비드(7)를 형성하기 위해 기판 상에 물질의 제1 비드(4)의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함한다. 증착된 비드의 표면을 변형시키는 단계 및 비드의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계의 프로세스는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 서로의 상부에 비드(7)의 스택을 형성하기 위해 반복될 수 있다.

추가 층 제조 압출기 헤드(24)는 압출 채널(28)의 양측 상에 가이딩 돌출부(guiding protrusion)(26)를 포함할 수 있다. 이러한 가이딩 돌출부(26)는 증착되는 비드(7)가 이미 증착된 비드 물질 상에 정확하게 증착되도록 보장하는데 사용될 수 있다.

도 10, 12, 13 및 15는 다중 패스 결합 기술(multi pass joining technique)을 도시한다. 본 기술은 단일 패스가 두 개의 플레이트들(30, 31) 사이의 적절한 결합부위를 형성할 수 없을 때 두꺼운 플레이트들(30, 31)을 결합 시키는데 사용될 수 있다.

제1 스테이지(예를 들어, 도 10에 도시 됨)로서, 초기 결합부(32)가 두 개의 플레이트들(30, 31) 사이에 형성된다. 두 개의 플레이트들(30, 31) 사이의 갭의 V 자 형상을 감안할 때, 이 초기 결합부는 필렛 결합부(fillet joint)이다. 따라서, 이 초기 결합부(32)는 필렛 결합 압출기 헤드(34)를 사용하여 형성된다.

두 개의 두꺼운 구성 요소들(30, 31)을 결합시키는 방법은 결합될 구성 요소들(30, 31) 각각의 표면을 변형시키는 단계를 포함한다. 이는 두 개의 구성 요소들(30, 31) 사이의 갭에 수용될 점점 가늘어지는 팁(tapered tip)을 갖는 회전 스핀들(36)을 사용하여 달성될 수 있다. 그 후, 압출기 헤드(34)는 압출 물질을 압출하여 압출물을 형성하고 압출물을 두 구성 요소들(30, 31) 사이에 증착시켜 구성 요소들(30, 31) 각각의 표면과 접촉하여 두 구성 요소들(30, 31) 사이의 초기 결합부(32)를 형성하기 위해 사용된다.

일단 초기 결합부(32)가 형성되면, 비드(38)는 2 개의 구성 요소들(30, 31) 사이의 갭에서 초기 결합부(32) 상에 증착될 수 있다. 본 방법은 초기 조인트(32)의 표면을 변형시키는 단계 및 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 비드(38)를 형성하기 위해 두 개의 구성 요소들(30, 31) 사이의 초기 조인트(32) 상에 추가의 압출물을 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 비드(38)는 비드-온-플레이트 압출기 헤드(40)에 의해 압출되고 증착될 수 있다.

비드(38)는 두 개의 구성 요소들(30, 31) 사이의 갭의 중심에 위치하여 비드(38)의 양측에 채널을 남길 수 있다. 비드-온-플레이트 압출기 헤드(40)는 두 개의 구성 요소들(30, 31) 사이의 갭에서 초기 결합부(32) 상에 비드(38)를 증착할 수 있도록 경사진 측부들(angled sides)을 갖도록 특별하게 설계될 수 있다(예를 들어 도 11 및 도 12 참조).

일단 비드(38)가 증착되면, 맞대기 결합 압출기 헤드(42)가 비드(38)의 양 측에 형성된 채널들을 변성 시키고 그 안에 압출물을 증착시키는데 사용될 수 있다. 먼저 하나의 채널이 채워지고 그 후 다른 채널이 채워진다. 이는 각각 제1 비드(38)에 본딩디는 제2 및 제3 비드들(44), 초기 결합부(32) 및 구성 요소들 중 각각의 하나(30 또는 31)로 채널들을 채운다.

일단 제2 및 제3 비드(44)가 압출되어 채널에 증착되면, 도 17에 도시된 바와 같이 완성된 다중-패스 결합부가 형성된다.

결합될 두꺼운 구성 요소들(30a, 31a)의 경우 및/또는 각 측 상의 결합의 표면 품질이 신중하게 제어되는 것이 바람직할 때, 제1 결합부(46)가 두 개의 구성 요소들의 제1 측으로부터 형성되고 제2 접합부(48)가 두 개의 구성 요소들의 대향하는 제2 측으로부터 형성되는 양-측 결합부가 형성될 수 있다.

특히 두꺼운 구성 요소(30a, 31a)들이 결합되는 경우에, 각 측 상의 결합부는 도 10 내지 도 17과 관련하여 기술된 방법에 의해 형성된 다중-패스 결합부일 수 있다.

따라서, 두 개의 두꺼운 구성 요소들(30a, 31a)을 결합하는 방법은 결합될 구성 요소들(30a, 31a) 각각의 표면의 적어도 일부를 변형시키는 단계, 압출물을 형성하기 위해 압출 물질을 압출하는 단계, 압출물을 두 구성 요소들(30a, 31a) 사이의 제1 방향으로부터 증착시켜 변형된 각 구성 요소의 표면과 접촉시켜 구성 요소들 사이에 초기 결합부(32)를 형성하는 단계, 및 두 구성 요소들(30a, 31a) 사이에 추가적인 결합부(32)를 형성하기 위해 추가의 압출물 두 구성 요소들 사이의 제2 방향으로부터 증착시키는 단계를 포함한다. 압출물의 증착 방향은 압출 툴 및/또는 결합될 두 구성 요소들을 이동시킴으로써 변경될 수 있다.

도 19는 전술한 방법들을 수행하기 위한 툴(50)을 도시한다. 툴(50)은 구동 메커니즘(52) 및 압출기 헤드(18)(명확성을 위해 회색 음영으로 표시)를 포함한다. 툴(50)이 맞대기 결합 압출기 헤드(18)와 함께 도시되어 있지만, 압출기 헤드는 전술한 압출기 헤드들(8, 18, 24, 34, 40 및/또는 42) 중 임의의 것으로 교환 가능할 수 있다. 본 방법은 수행되는 방법의 단계들 사이에서 압출기 헤드를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면 플레이팅 방법의 경우, 초기에 플레이트 압출기 헤드(8) 상의 비드가 그 사이에 채널들을 갖는 복수의 동일 간격의 비드들(4)을 증착하기 위해 사용될 수 있으며, 그 다음에 맞대기 결합 압출기 헤드(18)는 표면 플레이틀 형성하기 위해 인접한 비드들(4)을 함께 맞대기 결합하기 위해 사용될 수 있다.

Claims (26)

1. 금속 물질의 압출된 비드를 금속 기판의 표면 상에 본딩하는 고체-상태 방법에 있어서,
   상기 기판의 상기 표면의 제1 영역을 변형시키는 단계;
   압출물(extrudate)을 형성하기 위해 압출 물질(extrusion material)을 압출하는 단계; 및
   상기 기판에 금속 본딩되는 물질의 제1 비드(bead)를 상기 기판 상에 형성하기 위해 상기 기판의 상기 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계,
   상기 기판의 상기 표면의 제2 영역을 변형시키는 단계;
   상기 기판에 본딩되는 물질의 제2 비드를 상기 기판 상에 형성하기 위해 상기 기판의 상기 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계로서, 상기 제2 영역은 상기 기판의 상기 표면의 상기 제1 영역으로부터 이격되어 상기 물질의 제2 비드가 상기 물질의 제1 비드로부터 이격되어 그 사이에 채널을 형성하는, 상기 압출물을 증착시키는 단계,
   상기 채널의 상기 표면들을 변형시키는 단계; 및
   상기 채널에 압출물을 증착시켜 상기 기판 및 상기 물질의 제1 및 제2 비드들에 결합되는 물질의 제3 비드를 상기 기판 상에 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 물질의 제1 비드를 형성하기 위해 상기 압출물이 증착될 때, 상기 압출 물이 압출된 상기 기판에만 상기 압출물이 본딩되는, 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 기판은 플레이트(plate)이고 상기 압출된 비드들은 상기 플레이트의 평면 표면에 본딩되는, 방법.
4. 청구항 1, 2 또는 3에 있어서, 상기 기판의 상기 표면을 변형시키는 단계는 상기 압출물이 상기 기판의 변형된 표면 상에 증착되도록 상기 압출물이 상기 기판의 표면 상에 증착되기 전에 행해지는, 방법.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 비드들은 상기 기판의 상기 표면 상에 압출된 플레이트를 형성하는, 방법.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 상에 간격을 두고 배치된 물질의 층들을 증착시키는 단계는 일련의 채널들을 생성하기 위해 2 회 이상 반복되고, 및 상기 일련의 채널들은 각각 변형되고 및 상기 기판 상에 표면 플레이트를 형성하기 위해 그 내부에 압출된 압출물을 갖는, 방법.
7. 금속 기판의 표면 상에 금속 물질의 압출된 비드를 본딩하는 고체-상태 압출 및 본딩 추가 층 제조 방법에 있어서,
   상기 기판의 표면을 변형시키는 단계;
   압출물을 형성하기 위해 압출 물질을 압출하는 단계; 및
   상기 기판에 금속 본딩되는 물질의 제1 비드를 상기 기판 상에 형성하기 위해 상기 기판의 상기 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계;
   상기 기판의 상기 표면 상의 상기 물질의 제1 비드의 표면을 변형시키는 단계; 및
   상기 기판 상의 상기 물질의 제1 비드 상에 물질의 제2 비드를 형성하기 위해 상기 기판 상의 상기 물질의 제1 비드의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함하는, 방법.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 물질의 제1 비드에 본딩된 상기 물질의 제2 비드의 표면을 변형시키는 단계; 및 상기 물질의 제2 비드 상에 물질의 제3 비드를 형성하기 위해 상기 물질의 제2 비드의 표면 상에 압출물을 증착시키는 단계를 포함하는, 방법.
9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 압출 및 본딩 툴을 사용하는, 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 방법은 상기 툴의 압출기 헤드를 교체하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 두 금속 성분들을 결합하는 고체-상태 방법에 있어서,
    압출물을 형성하기 위해 금속 압출 물질을 압출하는 단계;
    상기 성분들 각각과 접촉하여 상기 성분들 사이의 초기 결합부를 형성하도록 상기 두 성분들 사이에 압출물을 증착시키는 단계;
    상기 초기 결합부의 표면을 변형시키는 단계; 및
    두 성분들 사이의 상기 초기 결합부 상에 추가의 압출물을 증착시키는 단계를 포함하는, 방법.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 추가의 압출물은 상기 초기 결합부 상에 제1 비드를 형성하는, 방법.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 비드는 상기 두 성분들 중 하나와 그 사이에 제1 채널 및 상기 두 성분들 중 다른 하나와 그 사이의 제2 채널을 형성하는, 방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 방법은,
    상기 제1 채널의 상기 표면을 변형시키는 단계;
    상기 제1 채널에 압출물을 증착시켜 상기 초기 접합부, 상기 성분들 중 하나 및 상기 압출물의 제1 비드에 본딩되는 제2 비드를 형성하는 단계;
    상기 제2 채널의 상기 표면을 변형시키는 단계; 및
    상기 제2 채널에 압출물을 증착시켜 상기 초기 접합부, 상기 두 성분들 중 다른 하나 및 상기 압출물의 제1 비드에 본딩되는 제3 비드를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 초기 결합부, 및 상기 제1, 제2 및 제3 비드들은 함께 상기 두 성분들 사이에 다중-패스 결합부를 형성하는, 방법.
16. 청구항 14 또는 15에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 비드들은 함께 제1 층을 형성하는 상기 초기 결합부 상에 제2 층을 형성하는, 방법.
17. 청구항 11 내지 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 성분들은 그 사이에 V-자형 갭을 갖도록 배열되는, 방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 초기 결합부는 상기 V-자형 갭의 가장 좁은 부분에 형성되는, 방법.
19. 청구항 11 내지 18 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위해 압출 및 본딩 툴을 사용하는, 방법.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 방법은 상기 툴의 압출기 헤드를 교체하는 단계를 포함하는, 방법.
21. 청구항 11 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초기 결합부는 필렛 결합 압출기 헤드(fillet join extruder head)를 사용하여 형성되는, 방법.
22. 청구항 11 내지 21 중 어느 한 항에 있어서, 청구항 12에 따라, 상기 제1 비드는 비드-온-플레이트 압출기 헤드(bead-on-plate extruder head)를 사용하여 형성되는, 방법.
23. 청구항 11 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 청구항 14에 따라, 상기 제2 및 제3 비드들은 맞대기 결합 압출기 헤드(butt joining extruder head)를 사용하여 형성되는, 방법.
24. 두 성분들을 결합하는 방법에 있어서,
    상기 성분들 사이에 제1 결합부를 형성하기 위해 제1 방향으로부터 청구항 11 내지 23 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 단계; 및
    상기 성분들 사이에 제2 결합부를 형성하기 위해 제2 방향으로부터 청구항 11 내지 23 중 어느 한 항의 방법을 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
25. 청구항 24에 있어서, 상기 제1 결합부 및 상기 제2 결합부는 함께 양 측 결합부(double sided joint)를 형성하는, 방법.
26. 청구항 1 내지 25 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 배열된, 압출 및 본딩 툴.

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