KR20210027369A - 팽창을 유발하는 열처리를 이용한 바이메탈 부품 제조 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제 1 알루미늄 합금에 의해 형성된 제 1 구성 요소 및 제 2 알루미늄 합금에 의해 형성된 제 2 구성 요소에 의해 바이메탈 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: - 제 1 구성 요소 및 제 2 구성 요소를 조립하여 조립된 부품을 얻는 단계; - 100℃ 내지 250℃의 온도에서 조립된 부품에 열처리를 적용하는 단계로서, 열처리는 특히 제 1 구성 요소 및/또는 제 2 구성 요소의 경화상의 석출에 의한 금속학적 변형의 결과로서, 부품을 변형시키는 것인 단계; - 주위 온도로 부품을 냉각시키는 단계로서, 냉각 후에 부품은 변형된 상태로 유지되는 것인 단계를 포함한다. 개시된 방법은 조립 단계 이전에, 조립된 부품이 열처리의 영향 하에서 겪게 될 변형 정도를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

팽창을 유발하는 열처리를 이용한 바이메탈 부품 제조 공정

본 발명의 기술분야는 서로 연결된 두 구성 요소를 포함하는 부품, 특히 구조 요소를 제조하는 방법이다. 본 제조는 한 구성 요소 또는 두 구성 요소의 변형을 야기하는 열처리를 사용한다. 본 방법은 참조 형태에 상응하는 부품의 형태를 얻기 위해 이러한 변형을 고려하는 것을 가능케 한다.

알루미늄은 항공 구조물, 특히 동체 또는 날개 요소에서, 예를 들어 패널 또는 스파 형태로 자주 사용되는 재료다. 항공기 날개의 제조는 날개의 상부(상부 외피)에 배치된 패널과 날개의 하부(하부 외피)에 배치된 패널을 사용하는 것을 전제로 한다. 상부 패널과 하부 패널은 각각 다른 응력에 노출된다: 상부 패널은 높은 압축 응력을 견딜 수 있도록 우수한 정적 기계적 강도를 가져야 한다. 하부 패널은 인장 응력에 노출될 수 있도록 손상에 대한 내성이 높아야 한다. 날개에서 하부 패널과 상부 패널은 특히 스파를 통해 연결되어 있다. 스파는, 상부 외피에 연결된 스파의 상부가 높은 압축 기계적 강도를 갖는 반면 하부 외피에 연결된 스파의 하부는 손상에 대해 높은 내성을 갖도록 최적화되어야 한다.

문헌 WO 2007068943은 구조 요소를 제조하는 방법을 설명한다.

문헌 WO 9858759는 마찰 교반 용접에 의한 제조 방법을 설명한다.

문헌 EP 1799391은 두 개의 서로 다른 알루미늄 합금을 용접하여 각각 높은 압축 기계적 강도와 높은 손상 내성을 갖는 구조 요소, 예를 들어 스파를 얻을 수 있게 하는 제조 방법을 설명한다. 두 합금의 용접은 특히 마찰 교반 용접에 의해 수행될 수 있다. 마찰 교반 용접은 용접 중에 용접되는 부품이 액체 상태에 있게 되는 용융 용접법으로 용접할 수 없는 합금의 조립을 사실상 가능케 한다. 따라서 마찰 교반 용접 중에 용접되는 부품은 고체 상태에 있다. 예를 들어 2XXX 및 7XXX 유형의 합금의 조립을 가능하게 한다. 2XXX 유형의 합금은 하부 외피의 사양에 적합하고 7XXX 유형의 합금은 상부 외피의 사양에 적합한 것으로 알려져 있다. 이들의 용접은 하부 외피와 상부 외피를 연결하기 위한 최적의 특성을 갖는 구조 요소를 얻을 수 있게 한다.

상기에 인용된 문헌에 따르면, 용접 후 에이징이 수행되어 예를 들면 내식성과 같은 특정 기계적 특성을 개선한다.

후술된 본 발명의 발명자들은 5미터를 초과하는, 심지어 10미터 또는 15미터를 초과하는 특히 매우 긴 부품을 생산하기 위해 상술한 방법에 대한 개선을 제안한다.

본 발명의 제 1 목적은 제 1 알루미늄 합금으로 형성된 제 1 구성 요소와 제 2 알루미늄 합금으로 형성된 제 2 구성 요소를 사용하여 바이메탈 부품을 제조하는 방법으로서, 제 1 및 제 2 알루미늄 합금은 서로 다르며, 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소는,

- 종방향 축선을 따라 5m 보다 큰 길이에 걸쳐 연장하고;

- 종방향 축선에 수직인 횡방향 축선을 따라 길이의 10분의 1보다 큰 폭에 걸쳐 연장하며;

상기 방법은,

- 조립된 부품을 얻기 위해 종방향 축선을 따라 제 2 구성 요소에 접하게 제 1 구성 요소를 조립하는 단계;

- 조립된 부품에 100℃ 내지 250℃의 온도에서 열처리를 적용하는 단계로서, 제 1 알루미늄 합금 및/또는 제 2 알루미늄 합금 내의 금속학적 특성 변화의 영향으로 유도 변형이라고 하는 조립된 부품의 변형을 야기하는 것인 단계;

- 주위 온도로 냉각하는 단계로서, 냉각 후에 상기 유도 변형은 유지되는 것인 단계를 포함하는 방법에 있어서, 상기 조립 단계에 앞서,

a) 제조 종료 시 원하는 형태에 해당하는 참조 형태 결정하는 단계;

b) 열처리로 인해 유도되는 조립품의 변형을 추정하는 단계;

c) 열처리 종료 시 부품이 참조 형태로 연장되도록 단계 a) 동안 결정된 참조 형태와 단계 b) 동안 추정된 변형을 고려하여 제 1 구성 요소의 초기 형태와 제 2 구성 요소의 초기 형태를 정의하는 단계;

d) 단계 c) 동안 정의된 각각의 초기 형태에 따라 제 1 구성 요소 및 제 2 구성 요소를 획득하는 단계,

를 포함한다.

열처리는 특히 에이징일 수 있다. 조립은 용접으로 수행할 수 있다.

열처리가 끝날 때까지, 특히 합금이 주위 온도로 돌아갈 때까지 지속되는 합금의 금속학적 특성의 변화는, 예를 들어 재결정화 또는 용체화 열처리 또는 합금 원소의 석출을 의미한다. 이 변화는 특히 경화상의 석출일 수 있으며, 이는 합금 원소가 고용체에서 경화 석출물로 변경되는 것과 관련하여 합금에 의해 형성된 구성 요소의 변형을 야기한다.

단계 b)에서 조립된 부품의 변형 추정은 특히 디지털 모델링에 의해 수행될 수 있다. 단계 b)는,

bi) 제 1 가상 열팽창 계수를 제 1 합금에 할당하고 제 2 가상 열팽창 계수를 제 2 합금에 할당하고 시간에 따른 가상 온도 변화를 정의하는 하위 단계;

bii) 제 1 및 제 2 가상 열팽창 계수와 시간에 따른 가상 온도 변화를 고려하고 열처리의 영향으로 조립된 부품의 변형을 모델링하는 하위 단계를 포함할 수 있다.

하위 단계 bi) 동안 정의된 시간에 따른 가상 온도 변화는 특히 열처리 동안 조립된 부품이 겪는 온도 변화와 다를 수 있다. 가상 온도 변화는 최소 온도와 최대 온도 사이의 범위일 수 있으며, 최소 온도와 최대 온도 사이의 진폭은 열처리 동안 조립 부품이 겪는 온도의 변화와 다르다.

하위 단계 bi)에서 가상 온도 변화뿐만 아니라 제 1 가상 열팽창 계수와 제 2 가상 열팽창 계수를 실험적으로 정의할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 가상 열팽창 계수 및 가상 온도 변화는,

- 실험적 유도 변형을 얻기 위해 조립된 부품을 대표하는 시험편에 열처리를 적용함으로써;

- 모델링된 변형을 얻기 위해 시험편을 제 1 가상 열팽창 계수, 제 2 가상 열팽창 계수 및 가상 온도 변화를 고려하여 디지털 모델링함으로써;

- 모델링된 변형이 시험편의 변형에 상응하도록 제 1 가상 열팽창 계수, 제 2 가상 열팽창 계수 및 가상 온도 변화를 조정함으로써 정의될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제 1 가상 열팽창 계수, 제 2 가상 열팽창 계수 및 가상 온도 변화는 열처리의 시작과 종료 사이의 각 구성 요소의 치수차이에 해당하는 금속학적 변형의 팽창계(dilatometry)를 이용한 측정을 사용하여 정의될 수 있다. 상기 측정은 시험편에서 이루어지며 각 시험편은 각각 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소를 대표한다. 합금 사이의 가상 열팽창 계수의 차이는 가상 온도 변화를 고려하여 팽창계로 측정한 값으로 조정될 수 있다.

단계 b)에서 모델링은 두 합금의 탄성 거동을 고려한다. 이는 각 합금에 대한 서로 다른 영 계수(Young's modulus)를 고려할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제 1 합금은 유형 2XXX 알루미늄 합금이고 제 2 합금은 유형 7XXX 알루미늄 합금이다. 열처리가 에이징일 때, 제 1 가상 열팽창 계수는 엄밀히 제 2 가상 열팽창 계수보다 클 수 있다.

일 실시예에 따르면, 조립은 용접에 의해 수행되고 열처리는 에이징이다. 상기 방법은 단계 c)에서, 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소의 초기 형태를 정의할 때, 참조 형태와 조립된 부품의 중간 형태를 고려하도록, 용접과 에이징 사이에 있어서의, 조립 부품의 중간 형태를 정의하기 위해 용접으로 인한 조립 부품의 변형을 추정하는 단계 b')를 포함한다. 단계 b')는 특히 디지털 모델링에 의해 수행될 수 있다. 단계 b')는,

b'i) 제 1 보조 가상 열팽창 계수를 제 1 합금에 할당하고 제 2 보조 가상 열팽창 계수를 제 2 합금에 할당하고 시간에 따른 보조 가상 온도 변화를 정의하는 하위 단계;

b'ii) 제 1 및 제 2 보조 가상 열팽창 계수와 시간에 따른 보조 가상 온도 변화를 고려하고 용접 중 부품의 변형을 모델링하는 하위 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 2 목적은 5m보다 큰, 바람직하게는 10m보다 큰 길이에 걸쳐 연장되는 본 발명의 제 1 목적에 따라 제조된 부품이다.

본 발명의 제 3 목적은 수송 수단의 구성 요소, 예를 들어 항공기의 구성 요소, 예를 들어 항공기 날개 또는 꼬리 유닛의 스파의 구성 요소 제조를 위한 본 발명에 따른 부품의 용도이다.

다른 이점 및 특징은 비 제한적인 예로서 제공되고 하기에 나열된 도면에 도시된 본 발명의 특정 실시예의 후속한 설명으로부터 보다 명확하게 나타날 것이다.

도 1a는 제조될 바이메탈 부품, 본 예의 경우 스파를 도시한다.
도 1b 및 1c는 바이메탈 부품의 양쪽 단부의 세부 사항을 도시한다.
도 1d는 시험편을 도시한다.
도 1e는 소위 시험편을 사용하여 실험적으로 얻은 변형을 개략적으로 도시한다. 이 도면에서는 변형이 과장되어 있다.
도 2a는 에이징 영향 하에서 부품의 변형을 모델링하기 위한 해당 가상 온도 변화를 도시한다. X축과 Y축은 각각 시간과 온도를 나타낸다. 도 2b는 에이징의 영향 하에서 부품 변형의 모델링을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 방법의 주요 단계를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 용접으로 인한 변형의 모델링을 도시한다.
도 5는 용접 후 에이징으로 지칭하는 용접하고 나서 에이징을 행함으로 인한 부품 변형의 모델링을 도시한다.
도 6a는 용접으로 조립된 부품의 형태에 해당하는 소위 중간 형태의 모델링을 도시한다. 도 6b는 도 6a에 도시된 중간 형태로부터 에이징으로 인한 변형의 모델링을 도시한다.
도 7a는 참조 형태로 연장된 부품을 도시한다. 도 7b는 조립된 부품의 형태를 보여주며, 그 변형은 에이징 후에 도 7a에 도시된 참조 형태를 얻을 수 있게 한다. 도 7c는 두 개의 구성 요소를 도시하며, 그 조립을 통해 도 7b에 도시된 조립 부품을 얻을 수 있다.
도 8a는 도 7a에 도시된 것과 유사한 참조 형태로 연장하는 부품을 도시한다. 도 8b는 용접 및 에이징 후 도 8a에 도시된 부품을 얻을 수 있는 두 개의 구성 요소를 도시한다.
도 3a, 도 4, 도 5, 도 6a 및 도 6b, 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8b에서 축선(Z)을 따른 변형은 축선(Y)에 적용된 스케일에 대해 10을 곱한 것과 같다.

달리 규정되지 않는 한, 합금의 명칭은 알루미늄 협회가 정한 명칭과 일치한다.

구조 요소는 장비 항목의 구조를 구성하는 요소를 의미한다. 본 출원에서, 구조 요소는 예를 들어 항공기 날개 또는 동체용으로 의도된 부재, 또는 구조체, 특히 항공 구조체의 임의의 요소를 지칭한다.

도 1a는 제 1 알루미늄 합금(M1)으로 제조된 제 1 구성 요소(11) 및 제 2 알루미늄 합금(M2)으로 제조된 제 2 구성 요소(12)를 포함하는 스파(10)를 개략적으로 도시한다. 제 1 알루미늄 합금(M1)은 예를 들어 2XXX 유형의 합금일 수 있고, 제 2 알루미늄 합금(M2)은 7XXX 유형의 합금일 수 있다. 제 1 구성 요소(11) 및 제 2 구성 요소(12)는 종방향 축선(Y)을 따른 길이 ℓ의 계면(13)을 따라 서로에 접하게 배치된다. 본 발명은 주로 큰 길이를 따라 서로 연결되는 서로 다른 재료의 두 구성 요소를 조립하여 제조된 부품에 관한 것이다. 계면(13)의 길이는 일반적으로 5m 또는 10m보다 길다. 그 길이는 예를 들어 5m 내지 20m다. 스파(10)는 종방향 축선(Y)을 따라 2개의 단부(A, B)들 사이에서 연장되며, 각각의 세부 사항은 도 1b 및 도 1c에 도시되어 있다. 측방향 축선(Z)을 따른 부품(10)의 폭은 단부(A)와 단부(B) 사이에서 각각 약 500mm 내지 800mm 및 150mm 내지 400mm으로 변한다. 횡방향 축선(X)을 따른 부품의 두께는 예를 들어 50mm 내지 150mm다. 축선(X) 및 축선(Y)으로 정의된 평면은 주 평면(P_YZ)다.

종래 기술의 제조 방법에 따르면, 제 1 구성 요소(11)는 용접에 의해 제 2 구성 요소(12)에 연결된다. 종래 기술과 관련하여 지적한 바와 같이, 마찰 교반 용접은 특히 용융 용접법으로 용접할 수 없는 알루미늄 합금의 용접 부품 제조에 적합하다. 마찰 교반 용접은 계면(13)을 따라 수행된다. 용접 후, 스파(10)는 특정 특성, 특히 내식성 및/또는 기계적 강도를 개선하기 위해 용접 후 에이징이라고 하는 에이징을 받는다. 상기 에이징은 다음과 같은 파라미터를 가질 수 있는데, 즉 시간당 30℃로 155℃까지 상승시킨 다음 18시간 동안 155℃에서 유지한다.

본 발명자들은 용접이 스파(10)의 변형을 야기하는 것을 발견했다. 본 발명자들은 더욱 예기치 않게도 용접 후 에이징이 또한 스파(10)의 상당한 변형을 야기하여 주 평면 P_YZ에 곡률의 외관을 초래하는 것을 발견했다. 용접 후 에이징 중에 두 가지 변형 현상이 발생하여 조립된 부품의 유도 변형을 초래한다:

- 에이징의 종료 시 주위 온도로 돌아갈 때 더 이상 관찰되지 않는다는 점에서 가역적인 열팽창;

- 응력의 도입 및 완화, 재결정 또는 용체화 열처리 또는 합금 원소의 석출과 같은 금속학적 특성의 변화로 인한 금속학적 변형. 열팽창과 달리 금속학적 변형은 주위 온도로 돌아갈 때 지속된다. 관련된 금속학적 현상에 따라 금속학적 변형은 팽창 또는 수축을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 경화상의 석출은 본질적으로 고용체의 합금 원소가 경화 석출물로 변화하는 것과 관련된 부피 변화에 기인한 변형을 야기한다. 제조할 부품이 짧은 경우, 예를 들어 약 1미터인 경우, 그러한 변형이 거의 감지되지 않는다면, 길이가 증가하여, 예를 들어 5미터 또는 10미터를 초과하는 경우, 해당 치수 변화가 현저해질 수 있다.

조립된 부품에 열처리를 적용한 후 조립된 부품의 유도 변형은 특히 전술한 바와 같이 각 부품에 영향을 미치는 금속학적 변형으로 인한 것이다. 두 구성 요소가 서로 연결되어 있다는 사실과 관련된 응력도 고려해야 한다. 조립으로 인해 제 1 구성 요소의 변형은 제 2 구성 요소의 탄성에 의해 영향을 받고 그 반대의 경우도 마찬가지다.

실험 테스트에서는, 제 1 합금(M1)이 2050 유형의 합금이고 제 2 합금(M2)이 7140 유형의 합금이고 계면 길이가 16m인 경우, 에이징으로 인한 부품 변형은 59mm의 처짐(deflection)(F)을 추정하는 곡률을 야기하는 것을 보였다. 도 1d는 도 1a에 도시된 바와 같이 에이징 전에 직선 형태로 시험편(20)을 개략적으로 도시한다. 도 1e는 에이징으로 인한 주 평면(P_YZ)에서 변형 후의 시험편(20_d)을 보여준다.

도 1e에 도시된 바와 같이, 처짐(F)은 해당 부품, 본 예의 시험편(20_d)과 그 단부를 연결하는 직선 D 사이의 최대 거리에 해당한다.

따라서 두 부품의 용접이 일반적으로 5미터 또는 10미터보다 긴 길이에 걸쳐 수행되고 이렇게 조립된 부품(10_a)에 대해 에이징이 수행될 때, 부품은 에이징 전 조립된 부품(10_a)의 형태와 실질적으로 다른 형태를 얻게 된다.

종래에는 그러한 변형을 시뮬레이션할 수 있는 계산 코드가 없다. 이는 에이징 과정에서 합금에서의 석출로 인해 부품의 팽창을 정확하게 시뮬레이션하기가 어렵다는 사실에 기인한다. 본 발명자들은 변형 모델 mod를 설정하여 에이징으로 인한 변형을 모델링하고자 했다.

본 발명자들이 제안한 모델링은, 제 1 합금(M1)이 제 1 가상 열팽창 계수(α₁)를 갖고, 제 2 합금(M2)이 제 2 가상 열팽창 계수(α₂)를 갖는 것으로 상정하는 것으로 구성된다. 본 예에서 제 2 가상 열팽창 계수(α₂)는 0으로 간주된다. 이러한 방식으로, 에이징의 영향으로 인한 조립 부품(10_a)의 유도 변형은 합금(M1)의 구성 요소(11)와 합금(M2)의 구성 요소(12) 간의 금속학적 변형의 차이와, 구성 요소가 조립되어서 자유롭게 연장할 수 없다는 사실 때문에 야기된 탄성 변형에 기인한다.

본 발명자들이 제안한 모델 mod에 따르면, 에이징은 시간 t의 함수로서 온도(T(t))의 단순한 변화에 동화된다. 에이징은 예를 들어 선형으로, 특히 온도가 지속적으로 변화하는 경우일 수 있다. 온도 변화(T(t))는 모델링 목적으로 가상으로 정의되며 에이징 중 온도의 실제 변화와 일치하지 않는다. 그 온도 변화는 "가상 온도 변화"라는 용어로 지칭된다. 모델 mod는 부품의 구성 요소 중 하나를 형성하는 합금의 등방성 열팽창만을 기반으로 하는 단순 팽창 모델을 고려하여 조립된 부품(10_a)의 변형을 시뮬레이션하는 것을 목표로 한다.

본 발명자들이 제안한 모델 mod는, 예를 들어 푸아송 비(Poisson's ratio)는 물론 영의 계수인 합금(M1, M2)의 기계적 특성들을 고려한다. 이 모델링은 유한 요소 컴퓨팅 소프트웨어, 예를 들어 개발사 MSC가 판매하는 MARC 시뮬레이션 소프트웨어에 의해 수행될 수 있다. 이를 통해 가상 온도 변화(T(t))의 영향 하에서 각 구성 요소의 열역학적 변형을 추정할 수 있다.

모델 mod의 한 목적은 에이징 동안 조립된 부품(10_a)에 의해 겪는 변형을 간단히 제공하는 것이다. 조립 부품(10_a)의 형태로부터 에이징에 의한 변형을 모델링하여 변형된 부품(10_d)의 모델링을 얻는다. 모델링의 목적은, 에이징 후에 부품이 참조 형태(10_ref)로 연장되도록 에이징 전에 조립된 부품(10_a)의 형태를 정의할 수 있도록 하는 것이다. 참조 형태는 에이징 후 부품(10)에 원하는 형태에 해당한다.

한 가지 중요한 양태는, 모델 mod의 파라미터화, 특히 알루미늄 합금(M1, M2)의 가상 열팽창 계수(α₁, α₂)의 결정과 가상 온도 변화(T(t))의 정의이다. 이러한 파라미터는, 시험편(20)에서 수행된 테스트 또는 동일한 온도에서 두 측정 사이의 각 합금에 대해 관찰된 팽창 크기에 기초하여 실험적으로 결정된다. 시험편(20)이 사용되는 경우, 시험편은 가급적 조립 부품(10_a)과 동일한 크기 및/또는 조성을 갖는다. 시험편(20)이 조립 부품(10_a)과 정확히 동일할 필요는 없다. 그러나, 시험편(20)의 조성은 조립된 부품(10_a)의 조성을 충분히 대표하여 에이징으로 인한 변형을 충분히 정밀하게 모델링할 수 있어야 한다. 시험편(20)에 대해 수행된 시험은 도 1d 및 도 1e에 개략적으로 도시된 바와 같이 실험적으로 결정된 변형(20_d)을 얻을 수 있게 한다. 관찰된 변형으로부터 모델 mod의 파라미터, 본 예의 경우 α₁, α₂, T(t)를 정의할 수 있다.

모델 mod의 일부 파라미터는 금속학적 합금의 거동에 대한 지식에 따라 선험적으로 정해질 수 있다. 예를 들어, 제 1 합금(M1)이 2050 유형이고 제 2 합금(M2)이 7140 유형인 경우, α₂ = 0으로 간주될 수 있다는 것이 선험적으로 밝혀졌다.

본 발명의 한 가지 특징은 모델에 의해 고려되는 가상 온도 변화(T(t))가 에이징을 지배하는 온도 변화에 반드시 일치할 필요는 없다는 점이다. 가상 온도 변화(T(t))는 변형의 올바른 모델링을 허용하기 위해 실험적으로 관찰된 변형을 기반으로 임의로 정의된다. 다음 예에서 가상 온도 변화(T(t))는 증가하는 선형 함수이다.

가상 온도 변화를 기반으로 하기 때문에, 즉 부품에서 수행되는 에이징과의 상관관계가 없기 때문에, 열팽창 모델만을 기반으로 간단한 모델링을 얻을 수 있어 조립된 부품의 열역학적 변형의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 한다.

제 1 합금(M1) 및 제 2 합금(M2)에 각각 할당된 가상 열팽창 계수(α₁, α₂)와 관련하여, 모델에서 고려된 가상 온도 변화(T(t))를 고려하면서 실험적 변형을 정확하게 추정할 수 있도록 가상 열팽창 계수는 결정된다.

예시인 실시예에 따르면, 가상 온도 변화(T(t))가 선험적으로 정의되고, 이어서 시험편(20)에서 관찰된 실험 변형을 정확하게 모델링할 수 있게 하는 가상 열팽창 계수(α₁, α₂)가 각각 제 1 합금과 제 2합금에 할당된다.

모델 mod의 파라미터가 정해지면, 에이징 후 참조 형태(10_ref)를 얻을 수 있게 하는 조립된 부품(10_a)의 형태를 정의하도록 변형을 모델링할 수 있다.

제 1 예에 따르면, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 피스와 유사한 시험편(20)이 에이징된다. 피스의 실험적 변형(20_d)이 관찰되며, 이를 기반으로 모델 mod의 파라미터가 결정된다.

또 다른 예에 따르면, 모델 mod의 파라미터는 샘플에 대한 팽창계에 의한 측정을 기반으로 결정될 수 있다. 이 경우, 측정된 팽창들 간의 차이에 따라 제 1 가상 열팽창 계수 및 제 2 가상 열팽창 계수가 결정된다. 각 샘플은 제 1 합금 또는 제 2 합금을 대표한다. 이러한 측정을 기반으로 0의 가상 열팽창 계수(α₂)가 제 2 합금, 본 예의 경우 7140 합금에 할당된다. 가상 온도(T(t))의 선형 증가 변화는 도 2a에 도시한 바와 같이 정의되었다. 이 변화는 에이징 기간 동안 1℃의 점진적인 증가를 나타낸다. 도 2a에서 X축은 시간(t)을 나타내며, 좌표 t = 1는 에이징 종료에 해당한다. Y축은 초기 온도로부터 섭씨온도의 변화를 나타낸다. 제 1 합금(2050 합금)의 가상 열팽창 계수(α₁)는 팽창계에 의해 실험적으로 결정되었다. 본 예에서 α₁ = 0.05%/℃ 이다.

모델에서 고려된 가상 온도 변화(T(t))는 최소 온도 T _min 과 최대 온도 T _max 사이에서 연장된다. 온도차 T _max -T _min 은 1℃이다. 따라서 에이징 중 야기된 온도 변화 ΔT와 다르다. 모델에서 고려된 가상 온도(T(t))의 변화는 에이징 중 실제 온도 변화를 나타내고자 하는 것이 아니다. 그 변화는 변형이 오직 열팽창 효과로 인한 것이라는 가정 하에 에이징으로 인한 변형을 단지 모델링할 수 있게 한다.

이렇게 생성된 모델 mod는 도 2b에서 점선으로 도시된 모델링된 부품(10_a)에 적용된다. 변형된 부품(10_d)의 모델링이 얻어졌으며, 도 2b에서 개략적으로 회색조로 도시된다. 회색조 스케일은 측방향 축선(Z)을 따라 측정된 변형에 해당한다. 모델에 따르면 56mm 높이의 처짐이 얻어지며 실험적으로 측정된 값은 59mm에 달한다. 모델과 실험에 의해 얻은 처짐 값 사이의 일관성은 모델이 부여한 모델링의 품질을 입증한다.

변형 모델 mod를 정의한 후, 에이징 후 선험적으로 결정된 참조 형태(10_ref)와 상응하는 형태의 조립 부품(10_a)을 조립 후에 얻을 수 있게 하는 제 1 및 제 2 구성 요소의 초기 형태(11_i, 12_i)를 얻을 수 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 부품 제조 방법의 주요 단계를 요약한다:

단계 100: 2개의 구성 요소(11, 12)의 조립 및 조립된 부품(10_a)에 적용된 열처리의 종료 시 원하는 참조 형태(10_ref)를 결정하는 단계.

단계 110: 에이징 후 부품(10_ref)을 제공하는 제 1 구성 요소(11) 및 제 2 구성 요소(12)를 조립함으로써 형성된 부품(10_a)의 변형을 반복하여 추정하기 위해 변형 모델 mod를 적용하는 단계. 변형 모델 mod는 특히 전술한 바와 같은 디지털 변형 모델이며, 다음 예에서 설명한다. 그 변형 모델은 특히 컴퓨터를 통해 사용할 수 있다.

단계 120: 단계(110) 동안 추정된 변형에 따라, 제 1 구성 요소(11)의 제 1 초기 형태(11_i) 및 제 2 구성 요소(12)의 제 2 초기 형태(12_i)를 정의하는 단계.

단계 130: 제 1 초기 형태(11_i)에 따라 제 1 구성 요소(11)를 획득하고 제 2 초기 양식(12_i)에 따라 제 2 구성 요소(12)를 획득하는 단계.

단계 140: 조립된 부품(10_a)을 얻기 위해 제 2 구성 요소에 대해 제 1 구성 요소를 조립하는 단계. 조립은 제 1 구성 요소(11) 및 제 2 구성 요소(12)의 용접, 접착제 접합 또는 클램핑에 의해 얻을 수 있다.

단계 150: 조립된 부품(10_a)에 에이징을 적용하여, 에이징 종료 시 참조 형태(10_ref)를 얻기 위해 제조된 부품(10)을 변형시키는 단계.

단계(110)는 에이징 동안 변형된 부품의 모델링에 의존해야 한다. 이러한 모델링은 단계(90)의 목적인 변형 모델 mod의 사전 설정을 전제로 한다. 단계(90)는 두 가지 하위 단계를 포함한다:

하위 단계 92: 제 1 합금과 제 2 합금을 나타내는 각 시편에 대해 팽창계에 의한 측정을 수행하는 하위 단계. 대안으로, 하위 단계(92)는 전술한 바와 같이 시험편의 실험적 변형의 관찰을 포함할 수 있다.

하위 단계 94: 하위 단계(92)에서 얻은 측정으로 열역학적 변형 모델의 파라미터를 정의하는 하위 단계. 전술한 바와 같이 파라미터는 가상 열팽창 계수(α₁, α₂)와 가상 온도 변화(T(t))다.

도 3b와 관련하여 설명된 일 실시예에 따르면, 조립 자체가 예를 들어 팽창에 의해 제 1 구성 요소(11) 및/또는 제 2 구성 요소(12)의 변형을 야기한다. 본 방법은 조립 중 변형이 고려될 수 있다. 이것은 특히 조립이 용접인 경우다. 그런 다음 보조 변형 모델이라고 하는 변형 모델 mod _aux 로 조립하는 동안 변형을 모델링할 수 있다.

이 경우, 단계(110)는 또한 조립 동안 제 1 구성 요소(11) 및 제 2 구성 요소(12)의 변형을 추정하는 것을 포함한다. 단계(120) 동안,

- 변형 모델 mod에 의한 에이징으로 인한 변형을 고려하여 조립된 부품(10_a)의 중간 형태(10_int)로 지칭되는 형태를 참조 형태(10_ref)로부터 정의하고;

- 중간 형태(10_int)로부터, 용접과 관련된 보조 변형 모델 mod _aux 를 고려하여 제 1 구성 요소의 초기 형태(11_i) 및 제 2 구성 요소의 초기 형태(12_i)를 중간 형태(10_int)로부터 정의한다.

이 경우, 단계(110)는 용접 중에 변형된 부품의 모델링에 의존해야 한다. 이러한 모델링은 단계(80)의 목적인 보조 변형 모델 mod _aux 의 사전 설정을 전제로 한다. 보조 변형 모델의 설정은 두 가지 하위 단계를 포함한다.

하위 단계 82: 제조될 부품(10)을 대표하는 시험편에 용접을 적용하고, 실험적 변형을 얻는 하위 단계.

하위 단계 84: 실험 변형으로부터 보조 변형 모델의 파라미터를 정의하는 하위 단계. 후술하는 바와 같이, 파라미터는 보조 가상 열팽창 계수(α'₁, α'₂) 및 보조 가상 온도 변화(T'(t))다.

보조 변형 모델 mod _aux 의 설정은 도 4와 관련하여 후술되어 있다.

보조 변형 모델 mod _aux 은 에이징에 따른 변형 모델과 유사하다: 다음을 고려한다:

- 보조 가상 온도 변화(T'(t))인 가상 온도 변화;

- 제 1 구성 요소(11)에 기인한 제 1 보조 가상 열팽창 계수(α'₁);

- 제 2 구성 요소(12)에 기인한 제 2 보조 가상 열팽창 계수(α'₂).

보조 모델 mod _aux 의 파라미터, 즉 보조 가상 열팽창 계수(α'₁, α'₂) 및 보조 가상 온도 변화(T'(t))들은 용접 공정을 상당하는 실험 테스트에 따라 조정된다. 단계(80)와 관련하여 나타낸 바와 같이, 실험 테스트 시험편을 사용하여 수행된다. 용접 중에 시험편을 형성하는 부품이 변형되고 그 변형이 특정된다. 다음으로 보조 변형 모델 mod _aux 의 파라미터가 결정되어, 획득된 실험 변형의 올바른 모델링을 가능하게 한다.

이러한 보조 변형 모델 mod _aux 은 실험적으로 정의되었다. 제 1 합금, 본 예의 경우 2050 합금에는 0의 보조 가상 열팽창 계수(α'₁)가 할당되었다. 선형의 증가하는 온도 변화(T'(t))가 도 2a에 도시된 것과 유사하게 정의되었으며, X축의 좌표 1은 용접 종료에 해당한다. Y축은 초기 온도에서부터 섭씨온도의 변화를 나타낸다. 제 2 합금(7140 합금)의 보조 가상 열팽창 계수(α'₂)는 시험편의 변형 모델링이 관찰된 실험 변형과 실제로 일치하도록 결정되었다. 본 예에서, α'₂ = 0.12%/℃다. 보조 변형 모델 mod _aux 를 설정하는 동안 각 합금에 각각 귀속되는 보조 가상 열팽창 계수는 변형 모델 mod가 설정될 때 각 합금에 각각 할당된 가상 열팽창 계수와 다르다는 점은 유념해야 할 것이다.

도 4a 및 도 4b는 보조 변형 모델 mod _aux 를 제 1 구성 요소(11) 및 제 2 구성 요소(12)에 적용하는 예를 도시한다. 보조 변형 모델을 적용하기 전에 각 구성 요소는 초기 참조 형태(11_i, 12_i)로 연장된다(도 4a 참조). 용접 후, 변형된 부품(10_d)이 얻어진다(도 4b 참조). 전술한 보조 변형 모델에 따르면, 높이 13mm의 처짐이 얻어지며 실험적으로 측정된 값은 12mm에 달한다. 이는 보조 변형 모델이 용접 중에 부품이 겪는 변형을 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 보여준다.

도 5, 도 6a 및 도 6b와 관련하여 설명된 예는 에이징을 대표하는 변형 모델 mod와 용접을 대표하는 보조 변형 모델 mod _aux , 본 예의 경우 마찰 교반 용접의 연속 적용을 설명한다. 이들 도면에서 초기 부품(10_i)에서 다음이 설정되었다,

- 가장 먼저 용접에 해당하는 보조 변형 모델 mod _aux . 이 모델에 따르면, 제 1 합금과 제 2 합금은 각각 보조 가상 열팽창 계수 α'₁ = 0%/℃, α'₂ = 0.12%/℃와, 도 2a에 도시한 바와 같은 보조 가상 온도 변화(T'(t))가 할당된다. X축 t= 1은 용접 종료 시점을 지칭;

- 다음 도 3a 및 도 3b와 관련하여 설명된 에이징에 해당하는 변형 모델 mod. 이 모델에 따르면, 제 1 합금과 제 2 합금은 각각 가상 열팽창 계수 α₁ = 0.05%/℃, α₂ = 0.0%/℃와, 도 2a에 도시한 바와 같은 가상 온도 변화(T(t))가 할당된다. X축 t = 1은 에이징 종료 시점을 지칭.

도 5는 전술한 바와 같이 두 가지 변형 모델을 부품(10)에 연속적으로 적용한 예를 도시한다. 회색조로 묘사된 형태는 두 변형 모델(mod , mod _aux )의 연속 적용에 따른 변형(10_d)의 모델링에 해당한다. 회색조 스케일은 측방향 축선(Z)을 따라 측정된 변형에 해당한다. 모델에 따르면 높이 42mm의 처짐이 얻어지며 실험적으로 측정된 값은 47mm에 달한다. 따라서 두 모델의 조합은 용접 및 에이징 과정에서 각각 부품이 연속적으로 겪는 변형을 충실하게 나타내는 것으로 간주된다.

참조 형태(10_ref)를 알면, 중간 형태(10_inte)를 얻기 위해 변형 모델 mod를 적용할 수 있다. 중간 형태는 조립된 부품의 형태에 해당하며, 조립된 부품의 형태는 에이징 후 참조 형태(10_ref)를 얻을 수 있게 한다. 중간 형태(10_inte)를 알면, 보조 변형 모델이 적용되어 초기 형태(10_init)를 정의한다.

도 6a와 도 6b는 두 가지 변형 모델을 연속적으로 적용한 예를 도시한다. 본 모델을 적용하기 전에 부품(10)은 초기 형태(10_i)에서 연장되어 용접 및 에이징 후에 부품(10)이 참조 형태(10_ref)가 된다.

도 6a에서 회색조로 표시된 형태는 보조 변형 모델 mod _aux 를 적용한 후 중간 형태(10_int)에 해당한다. 도 6b는 도 6a에 도시된 중간 형태(10_int)로부터 에이징의 변형을 상당하는 변형 모델 mod의 적용의 결과인 형태를 도시한다. 회색조 스케일은 축선(Z)을 따라 측정된 변형에 해당한다. 에이징으로 인한 변형은 열처리 후 참조 형태(10_ref)로 연장되는 부품(10)을 얻을 수 있게 한다.

도 7a, 도 7b 및 도 7c는 제 1 구성 요소(11)와 제 2 구성 요소(10)의 연결이 어떠한 변형도 일으키지 않을 때의 본 발명의 적용 예를 도시한다. 이것은 일반적으로 접착제 접합에 의한 조립이다. 도 7a는 획득될 참조 형태(10_ref)를 도시한다. 도 7b는 조립된 부품(10_a)의 형태를 정의하기 위해 변형 모델 mod를 참조 형태(10_ref)에 적용함으로써 얻어진다. 조립된 부품은 제 1 구성 요소(11)와 제 2 구성 요소(12)의 접착제 접합에 의해 얻어지며, 초기 형태(11_i, 12_i)는 도 7c에 도시되어 있다.

도 8a 및 도 8b는 제 1 구성 요소(11)와 제 2 구성 요소(12)의 연결이 변형을 수반할 때 본 발명의 적용 예를 도시한다. 이는 전형적으로 용접이다. 도 8a는 획득될 참조 형태(10_ref)를 도시한다. 보조 변형 모델 mod _aux 를 참조 형태(10_ref)에 적용하면 중간 형태라고 하는 조립 부품(10_a)의 형태를 정의할 수 있다. 조립 부품의 중간 형태로부터, 보조 변형 모델을 적용하면 제 1 구성 요소의 초기 형태(11_i)와 제 2 구성 요소의 초기 형태(12_i)를 얻을 수 있다. 초기 형태(11_i, 12_i)는 도 8b에 도시되어 있다.

본 발명은, 특히 큰 길이, 통상적으로 5미터보다 큰 길이, 심지어는 10미터보다 큰 길이를 따라 연장하는 구조 요소를 형성하도록 계획된 부품의 제조에서 구현될 수 있다.

Claims (19)

1. 제 1 알루미늄 합금(M1)으로 형성된 제 1 구성 요소(11)와 제 2 알루미늄 합금(M2)으로 형성된 제 2 구성 요소(12)를 사용하여 바이메탈 부품(10)을 제조하는 방법으로서, 상기 제 1 및 제 2 알루미늄 합금은 서로 다르며, 상기 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소는
   - 종방향 축선을 따라 5미터보다 큰 길이에 걸쳐 연장하며;
   - 상기 종방향 축선에 수직인 횡방향 축선을 따라 상기 길이의 10분의 1보다 큰 폭에 걸쳐 연장하며;
   방법은;
   - 조립된 부품(10_a)을 얻기 위해 종방향 축선을 따라 상기 제 2 구성 요소(12)에 접하게 상기 제 1 구성 요소(11)를 조립하는 단계;
   - 상기 조립된 부품(10_a)에 100℃ 내지 250℃의 온도에서 열처리를 적용하는 단계로서, 상기 열처리는 상기 제 1 알루미늄 합금 및/또는 상기 제 2 알루미늄 합금의 금속학적 특성 변화의 영향으로 유도 변형이라 하는 조립된 부품의 변형을 야기하는 것인 단계;
   - 주위 온도로 냉각하는 단계로서, 냉각 후에 상기 유도 변형은 유지되는 것인 단계;
   를 포함하는 방법에 있어서, 상기 조립 단계에 앞서,
   a) 제조 종료 시에 원하는 형태에 해당하는 참조 형태(10_ref)를 결정하는 단계;
   b) 상기 열처리로 인해 유도되는 상기 조립 부품(10_a)의 변형을 추정하는 단계;
   c) 상기 열처리 종료 시 상기 부품(10)이 상기 참조 형태(10_ref)로 연장되도록 상기 단계 a) 동안 결정된 상기 참조 형태와 상기 단계 b) 동안 추정된 상기 유도 변형을 고려하여 상기 제 1 구성 요소(11_i)의 초기 형태와 상기 제 2 구성 요소(12_i)의 초기 형태를 정의하는 단계;
   d) 상기 단계 c) 동안 정의된 각각의 상기 초기 형태에 따라 상기 제 1 구성 요소(11) 및 상기 제 2 구성 요소(12)를 획득하는 단계
   를 포함하는, 바이메탈 부품 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 열처리는 에이징이고, 상기 금속학적 특성의 변화는 재결정 또는 용체화 열처리 또는 합금 원소의 석출인 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 조립은 용접에 의해 수행되는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 단계 b)에서, 상기 조립된 부품(10_a)에 의해 야기된 상기 변형은 디지털 모델링에 의해 추정되는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 단계 b)는,
   bi) 제 1 가상 열팽창 계수(α₁)를 상기 제 1 합금(M1)에 할당하고 제 2 가상 열팽창 계수(α₂)를 상기 제 2 합금(M2)에 할당하고 시간에 따른 가상 온도 변화(T(t))를 정의하는 하위 단계; 및
   bii) 상기 제 1 및 제 2 가상 열팽창 계수와 시간에 따른 보조 가상 온도 변화(T(t))를 고려하여, 상기 열처리 동안의 상기 조립된 부품(10)의 상기 변형을 모델링하는 하위 단계
   를 포함하는 바이메탈 부품 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 하위 단계 bi)에서 정의된 상기 가상 온도 변화(T(t))는 상기 열처리 동안 상기 조립된 부품이 겪는 온도 변화와 다른 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 하위 단계 bi)에서 정의된 상기 가상 온도 변화(T(t))는 최소 온도와 최대 온도 사이에서 연장되며, 상기 최소 온도와 최대 온도 사이의 진폭은 상기 열처리 동안 상기 조립된 부품이 겪는 온도 변화와 다른 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 가상 열팽창 계수(α₁), 상기 제 2 가상 열팽창 계수(α₂) 및 상기 가상 온도 변화(T(t))는 상기 하위 단계 bi)에서,
   - 유도 변형 시험편(20_d)을 얻기 위해 상기 조립된 부품(10_a)을 대표하는 시험편(20)에 상기 열처리를 적용함으로써;
   - 모델링된 변형을 얻기 위해 상기 시험편을, 상기 제 1 가상 열팽창 계수, 상기 제 2 가상 열팽창 계수 및 상기 가상 온도 변화를 고려하여 디지털 모델링함으로써;
   - 상기 모델링된 변형이 상기 시험편의 상기 변형에 상응하도록 상기 제 1 가상 열팽창 계수, 상기 제 2 가상 열팽창 계수 및 상기 가상 온도 변화를 조정함으로써,
   실험적으로 정의되는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 가상 열팽창 계수(α₁), 상기 제 2 가상 열팽창 계수(α₂) 및 상기 가상 온도 변화(T(t))는 상기 하위 단계 bi)에서, 팽창계에 의한 시험편에 대한 측정으로 실험적으로 정의되며, 각 시험편은 각각 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소를 대표하는, 바이메탈 부품 제조 방법.
10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모델링은 상기 단계 b)에서, 상기 제 1 합금(M1)과 상기 제 2 합금(M2)각각의 영 계수(Young's modulus)를 고려하는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
11. 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 합금(M1)은 유형 2XXX의 알루미늄 합금이고 제 2 합금(M2)은 상기 유형 7XXX의 알루미늄 합금인, 바이메탈 부품 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열처리는 에이징이고, 상기 제 1 가상 열팽창 계수(α₁)는 엄밀히 상기 제 2 가상 열팽창 계수(α₂)보다 큰 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
13. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조립은 용접에 의해 수행되고, 상기 열처리는 에이징인 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서 상기 제 1 구성 요소(11_i)와 상기 제 2 구성 요소(12_i)의 상기 초기 형태를 정의할 때, 상기 참조 형태(10_ref)와 상기 조립된 부품(10_a)의 중간 형태(10_int)를 고려하도록, 상기 용접과 상기 에이징 사이에 있어서의 상기 중간 형태(10_int)를 정의하기 위해, 용접하는 동안의 상기 제 1 구성 요소(11) 및/또는 상기 제 2 구성 요소(12)의 팽창을 추정하는 단계 b')를 포함하는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 단계 b')는 디지털 모델링에 의해 수행되는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 단계 b')는,
    b'i) 제 1 보조 가상 열팽창 계수(α'₁)를 상기 제 1 합금(M1)에 할당하고 제 2 보조 가상 열팽창 계수(α'₂)를 상기 제 2 합금(M2)에 할당하고 시간에 따른 보조 가상 온도 변화(T'(t))를 정의하는 하위 단계;
    b'ii) 상기 제 1 및 제 2 보조 가상 열팽창 계수와 시간에 따른 상기 보조 가상 온도 변화(T'(t))를 고려하고 용접 중 부품의 변형을 모델링하는 하위 단계
    를 포함하는 것인, 바이메탈 부품 제조 방법.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 상기 방법에 따라 제조된 부품으로서, 5미터보다 큰 길이, 바람직하게는 10미터보다 큰 길이에 걸쳐 연장하는 부품.
18. 수송 수단의 구성 요소를 제조하는 데에 있어서의 제 17 항에 따른 부품의 용도.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 수송 수단의 구성 요소는 항공기 구성 요소, 바람직하게는 항공기 날개 또는 꼬리 유닛의 스파인 것인, 용도.

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