KR101161462B1 - 형상 기억 합금 와이어의 연속 품질 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

형상 기억합금 와이어의 연속 품질 제어 방법은 a) 와이어 제조 재료의 특징적인 변태 온도를 포함할 수 있는 온도 범위를 갖는 장치를 통해 와이어를 공급하는 단계와, b) 상이한 공지의 온도에 대응하는 상기 장치의 예정 지점에서 상기 와이어의 길이 편차를 직간접적으로 인-라인 측정하는 단계와, c) 온도 연신율 다이어그램에서 상기 재료에 대한 자기 이력곡선을 상기 지점들에서 얻을 수 있도록 온도 및 길이 편차에 대한 데이터를 사용하는 단계를 포함한다. 바람직하게 와이어는 공지된 속도와 일정한 인장력 하에서 공급되며, 연신율의 측정은 와이어에 대한 속도를 측정함으로써 달성된다. 상기 방법을 수행하는 장치는 공회전 풀리(M)를 포함하는 일련의 온도 자동 조절 챔버(T)를 통해 인장력을 조절하고 상기 와이어(F)의 공급 속도를 조절하는 공급 유닛(B,B',V,V')을 포함하며, 상기 공회전 풀리 위에서 와이어가 미끄럼 없이 감기며 상기 공회전 풀리의 회전 속도가 고해상도 인코더에 의해 측정된다.

Description

형상 기억 합금 와이어의 연속 품질 제어 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR THE CONTINUOUS QUALITY CONTROL OF A SHAPE MEMORY ALLOY WIRE}

본 발명은 형상 기억합금(이후, "SMA"으로도 지칭됨)으로 제조된 와이어의 연속적인 품질 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 임의의 가장 중요한 적용분야인 와이어와 관련하여 설명하지만, 본 발명의 방법은 하나의 실질적인 무한 치수와 다른 두 개의 유한 치수를 갖는 다른 유사한 형상, 일반적으로 작은 예를 들어 테이프 등에도 적용될 수 있다고 이해해야 한다.

주지하고 있듯이, 형상 기억 현상은 이러한 현상을 나타내는 합금으로 제조된 기계 부품이 온도 변화에 반응하여 제조 공정 중에 예정된 두 개의 형상 사이에서 중간의 평형 자세 없이 짧은 시간에 이동될 수 있다는 사실에 근거한다. 이러한 현상은 온도 변화의 결과로서 기계 부품이 단일 방향으로 변형되는, 예를 들어, B 형상으로부터 A 형상으로 되는 소위, "일 방향" 모드로 발생될 수 있으나, A 형상으로부터 B 형상으로의 반대 변형은 기계적 힘의 적용을 필요로 하며; 반대로, 소위 "양 방향" 모드에서 두 방향으로의 변형은 온도 변화에 의해 유발될 수 있다.

이들 재료는 그들의 미세 결정질 구조를 저온에서 안정한 말텐사이트로 지칭되는 형태로부터 고온에서 안정한 오스테나이트로 지칭되는 형태로, 또한 이와 반대로 변태시키는 것으로 공지되어 있다. 두 형태 사이의 변태는 4 개의 온도값을 특징으로 하는 온도-연신율 다이어그램의 자기이력 곡선에 따라 발생하는데, 상기 온도값은 가열 중에, 말텐사이트 상이 안정한 저온으로부터 시작되어 오스테나이트 상으로의 변태가 시작되는 제 1 온도(A_s)에 도달하며, 그 후에 오스테나이트 상으로의 변태가 완료되는 시점이 제 2 온도(A_f)에 도달한다. 냉각 중에, 오스테나이트 상이 안정한 온도 범위로부터 시작되어 말텐사이트 상으로의 변태가 시작되는 온도가 제 3 온도(M_s)이며, 그 후 이러한 변태가 완료되는 시점이 제 4 온도(M_f)이다. 이러한 자기 이력 곡선은 예를 들어 미국 특허 제 4,896,955호 및 EP 0 807 276호에 제시되어 있다.

전술한 변태들에 대한 실제 온도는 재료의 형태와 제조 공정에 의존하나, 각각의 재료에 대한 이들 온도들은 항상, M_f < M_s, A_s < A_f의 순서인 반면에, 두 상 사이의 변태 발생 비율에 따라 M_s < A_s 또는 그 반대 일 수 있다. 형상 기억합금의 예시적인 조성은 본 출원인의 미국 특허 6,309,184호에 나타나 있으며, 그 중에서도 중량%로 Ni 54-55,5%이고 나머지가 티타늄인 Ni-Ti 합금(미소량의 다른 성분이 허용될 수 있음)이 바람직하다.

실제 사용을 위해, SMA 와이어는 특정 실험으로 추정될 수 있는 여러 개의 기능적 및 기술적 특징들을 가져야 한다. 이들 와이어의 특징을 체크하는데 통상적으로 사용되는 실험은 다음의 4 가지 실험이다.

1. 피로 강도:

샘플 와이어(예를 들어, 길이 10cm의 부품)가 한 단부에 의해 현수되어 있고 자유 단부에 균형추가 매달려 있는 오븐으로 도입되며, 균형 추는 와이어의 직경에 따라 선택되고 일반적으로 와이어가 실제 적용에 견뎌야 할 하중과 유사하다. 샘플을 주기적으로 가열하고 냉각함으로써, 파괴시까지 일련의 연신과 수축 사이클이 반복된다.

2. 잔류 세트:

동일한 조건에서 실험된, 그러나 파괴의 원인이 된 것보다 낮은 사이클의 수(예를 들어 파괴의 원인이 된 사이클의 75% 또는 90%)에 대해 실험된 것 중의 하나와 같은 샘플에 대한 순수 잔류 세트(net residual set)를 추정하는 것으로 구성됨.

3. 자기 이력 곡선:

규정된 조성에 대해 예상되는 온도에서 와이어가 연신 및 수축 변태를 실제로 수행하는가를 입증하는데 사용됨. 이러한 실험은 현재에도 제 1 실험과 동일한 조건에서 수행됨.

4. 스트로크:

변태 중 샘플의 연신율 또는 수축율을 예상하도록 구성되며, 마지막 실험은 처음 실험과 동일한 조건 및 동일한 실험 설정치에서 수행된다.

위의 4 가지 실험은 모든 샘플링 실험이며, 이는 예를 들어 약 매 킬로미터 당 와이어에 실시될 수 있으나, 실험의 반은 파괴적이며 따라서 샘플에 대해 수행되어야 할 필요가 있으며 실험 3과 실험 4를 연속적으로 수행하는 것이 바람직하다. 사실상, 샘플링 테스트로서 두 개의 후자 실험을 수행하는 것은 몇몇 단점을 가진다.

첫 번째 단점은 와이어에 따른 매우 낮은 샘플링 빈도수로 인해 검출되지 않는 와이어의 특성에 이질성이 있다는 점이며, 또한 현 작동 모드에 있어서 이들 실험은 제작 공정과 동시에 수행됨으로써 제조 라인으로부터 샘플을 취하고 오프-라인 실험을 수행하기 위한 시간과 비용이 증가되며, 결국 산업상의 제작에 있어서 가능한한 오랫동안 와이어를 갖고 있는 것이 바람직한 반면에, 전술한 바와 같이 샘플 실험을 수행하기 위해서는 와이어를 상당히 작은 부분으로 나누어야 할 필요가 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 전술한 단점들을 극복할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다. 이러한 목적은 본 발명의 제 1면인 다음 단계들, 즉

a) 와이어 제조 재료의 특징적인 변태 온도를 포함할 수 있는 온도 범위에 노출되는 장치를 통해 와이어를 공급하는 단계와,

b) 상이한 공지의 온도에 대응하는 상기 장치의 예정 지점에서 상기 와이어의 길이 편차를 직간접적으로 인-라인 측정하는 단계와,

c) 온도 연신율 다이어그램에서 상기 재료에 대한 자기 이력곡선을 상기 지점들에서 얻을 수 있도록 온도 및 길이 편차의 데이터를 사용하는 단계,들을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 기억합금 와이어 등의 연속 품질 제어 방법에 관한 본 발명을 통해서 달성된다.

따라서, 본 발명의 방법 및 관련 장치의 주요 장점은 더 이상 계속적인 샘플링 없이 그러나 계속적으로 와이어의 특성을 체크할 수 있게 함으로써 제품의 품질 제어를 모든 제품에 대해 수행할 수 있게 한다는 점이다.

다른 중요한 장점은 제어가 인-라인으로 수행되어서 샘플을 취하고 오프-라인으로 실험을 수행하기 위한 시간과 비용이 절감된다는 점이다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 전술한, 그리고 그 이외의 장점 및 특징들은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해 설명하는 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 당업자들에 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치의 개략적인 정면도이며,

도 2는 도 1의 장치에 대한 개략적인 평면도이다.

본 발명의 방법은 전술한 특징적인 변태 온도가 온도 범위 내에 포함되는 그러한 온도 범위 내에서 작동하며 그 온도 범위에서 와이어에 대한 길이 편차를 인-라인으로 측정하는 측정 장치 내에 와이어를 연속적으로 통행시키는 것을 기본 사상으로 한다. 바람직하게, 측정 장치로 출입하는 와이어의 온도는 실온인 반면에, 측정 장치의 적어도 하나의 영역에서 와이어는 A_f와 적어도 동일한 온도(그러나, 바람직하게는 A_f보다 높은 온도)로 가열된다. 측정 장치 내부에서는 연속적인 또는 불연속적인 "바이 스텝(by step)"인 열적 프로파일을 갖는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 방법의 제 1 실시예에서, 예를 들어 측정 장치의 지지점에서 와이어를 미끄럼시킴으로써 와이어의 길이 편차로 인해 상기 지지점 사이에서 와이어의 쳐짐(sag)을 점진적으로 형성 및 사멸시키고, 상기 쳐짐을 측정함으로써 상기 지지점 사이에서 발생되는 길이 편차를 얻을 수 있으며, 이에 따라 와이어의 연신율을 직접 측정할 수 있게 한다. 여기서, 일단 상기 지지점에서의 온도와 길이 편차가 공지되면, 와이어의 자기이력 곡선을 얻는 것이 가능하다.

그러나, 연신율이 작으므로, 연신율을 직접적으로 측정하는 것이 어려우며, 이는 또한 와이어의 인장에 영향을 끼치지 않게 하기 위해 광학 정밀 기구의 이용을 필요로 한다.

그러므로, 양호한 실시예에서, 본 발명의 방법은 시스템의 상이한 온도 영역들 사이로 통과하는 동안 와이어의 속도 편차를 측정하는 단계로 구성된다. 길이 편차가 초기 길이의 백분율로 표현될 수 있음을 고려하면, 하나의 온도 영역으로부터 다른 온도 영역으로 통과할 때 후자의 편차는 시간에 대한 제 1 유도값, 즉 속도로서 측정될 수 있다. 더욱 정밀하게, 본 발명의 방법에 있어서 상이한 온도 영역에 있는 장치를 통과하는 여러 지점들 사이에서의 와이어의 속도 차이를 측정한다. 환언하면, 상이한 온도를 갖는 일련의 영역을 통해서, 일정한 공지의 속도와 적합한 일정한 인장력 하에서 와이어를 공급하고 각각의 온도에서 와이어의 속도를 측정함으로써, 상기 온도하에서 통과하는 동안 발생되는 연신(수축)율의 양을 얻을 수 있다. 이러한 방식으로, 속도의 편차를 적분함으로써 온도-연신율 다이어그램에서 자기 이력 곡선을 점들에 의해 얻을 수 있고 두 온도 사이의 변태의 구간도 계산할 수 있다.

본 발명의 측정 방법에 있어서, 와이어 속도의 측정은 전술한 와이어의 쳐짐을 측정하는 방법(sag method)에서 수행될 연신율 또는 수축율을 직접적으로 측정하는 것보다 간단하다.

본 발명의 제 2 측면에서, 본 발명은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

속도 편차의 측정을 수행할 수 있는 장치의 일 예가 전술한 도면에 도시되어 있으며, 상기 도면에서는 입력측 비권선 기계(B)에 의해 감기지 않은 와이어(F)와 출력측 권선 기계(B')에 의해 감긴 와이어가 도시되어 있다. 와이어(F)의 인장력은 두 개의 롤러(R)가 제공된 입력측 비권선 기계(B)의 하류에 놓인 유닛(V)에 의해 제어되며, 와이어(F)는 와이어 상의 인장력을 검출하는 루즈 아암(C: loose arm)에 의해 여러 번 감긴다. 루즈 아암(C)에 의한 인장력 측정은 롤러(R)의 제어에 작용함으로써 인장력을 일정하게 유지하기 위한 것이며 또한, 와이어의 속도를 제어하고 출력측 권선 기계(B')의 상류에 놓이는 유닛(V')의 롤러(R')에도 작용한다. 유닛(V,V')은 모두 상호간의 피이드백을 위해 연결된다.

두 개의 유닛(V,V') 사이에는 일정한 온도가 공지된 조절 시스템에 의해 일정하게 유지되어 별도 방식으로 특정 온도 프로파일을 재생하는 일련의 자동 온도조절 챔버가 놓인다. 도시된 실시예에서는 인접 챔버들 사이의 온도 "스텝(step)", 즉 40-60-80-100-120-140-160-120-100-80-60-40℃의 온도 프로파일을 얻기 위한 방식으로 먼저 온도가 증가하고 나서 감소되는 20℃의 온도 차이를 갖는 13 개의 챔버(T)가 제공된다.

각각의 챔버(T)에는 상기 챔버 온도로 유지되고 와이어(F)가 미끄럼 없이 감기는 공회전 풀리(M)가 놓이며, 이는 풀리(M)의 회전 속도를 검출하는 고해상도 인코더를 통해서 와이어(F)의 속도를 측정하는데 사용된다. 관련 인코더를 갖춘 두 개의 추가의 풀리(M)가 또한, 실온, 정상적으로 약 20 ℃에서 와이어의 속도를 검출하기 위한 상류 및 하류 챔버에 각각 놓인다.

각각의 온도에서 다양한 챔버(T) 내에 있는 와이어(F)의 속도를 인식함에 의해, 그리고 풀리(M) 사이의 피치(P)를 인식함으로써, 와이어의 온도와 와이어의 연신율 사이의 관계를 얻을 수 있다. 측정된 변수들은 공지의 적합한 수단에 의해 실시간으로 연속적으로 기록되며, 측정 변수들이 허용 수치범위를 벗어나면 자동으로 작동되는 와이어 제조 수단도 제공하는 것이 바람직하다.

하나의 대체 실시예에서, 두 개의 유닛(V,V') 사이에는 개방 단부를 갖는 단일 가열 챔버가 놓이며, 풀리(M)는 챔버의 축선을 따라 이동될 수 있으며, 챔버의 중앙 영역을 가장 높은 온도(위의 예에서 160℃)에 도달하게 함으로써 챔버의 개방 단부에서 열 분산은 중앙에서 최대치를 갖고 단부쪽으로 정상적으로 감소되는 단일 쳄버를 따라 '벨 형태'의 온도 프로파일을 이룬다. 챔버의 열 프로파일이 공지되면, 각각의 풀리(M)를 소정 온도(예를 들어, 전술한 실시예에서 13 개의 챔버에 대응하는 온도)에 도달한 챔버 내의 위치로 이동시키는 것이 가능하다. 챔버의 열 프로파일은 챔버를 따라 위치되는 일련의 지점들에서 예를 들어, 열전쌍 또는 광학 고온계 또는 다른 적합한 시스템에 의해 온도를 측정함으로써 알 수 있으며, 일련의 지점에서의 온도 측정은 적합한 교정 테스트 또는 실제 와이어의 체킹 테스트 중에 연속적인 방법으로 수행될 수 있다. 바람직하게, 챔버를 따라 온도가 측정되는 지점들은 풀리(M)가 놓이는 지점들과 대응하게 형성될 수 있다.

전술하고 도시한 본 발명에 따른 방법 및 장치의 실시예들은 다양한 변경에 민감한 단지 예시적인 실시예들이다. 특히, 여러 구조 및 작동 변수들은 챔버(T), 챔버들 사이의 온도 스텝, 와이어 비권선, 권선 및 공급 유닛의 수와 같은 것들은 변경될 수 있으며, 인접 풀리(M)들 사이의 피치(P)도 알고 있는 한 일정하지 않을 수 있다. 또한, 장치에 따른 온도 스텝 프로파일을 갖는 실시예에서 챔버(T)는 주울 효과에 의해 와이어를 가열하는 수단을 갖도록 배열되며(적어도 온도 증가를 위해), 와이어와 접촉하는 상이한 지점[동일한 풀리(M)일 수 있음]에서 상이한 전압을 가함으로써 단일 부품의 와이어에서 예정된 전위 하강의 설정이 가능하며, 이에 따라 와이어에 대한 저항을 안다면 이들 부품에 있어서 공지된 온도를 예비 설정하는 것이 가능하다.

유사하게, 속도는 인코더를 갖춘 전술한 풀리와는 상이한 수단, 예를 들어 일정한 거리에 배치된 와이어 상에 놓인 마크를 검출하는 광학 기구, 또는 와이어 상의 마크의 존재를 필요로 하지 않고 도플러 효과에 기초하여 동일한 속도 측정을 하는 레이저 판독 광학 기구에 의해서 검출될 수 있다.

본 발명의 임의의 변형예에서 본 발명의 장치는 와이어 부품에서 측정된 변수들이 허용 오차범위를 벗어날 때 와이어에 마킹을 수행하는 와이어 마킹 수단을 더 포함하며, 이들 마킹 수단은 일반적으로 시스템이 특정 사항을 와이어의 마킹들이 만족시키지 않을 때 자동으로 작동된다.

본 발명의 장치 및 방법은 SMA 합금으로 제조된 와이어의 100%가 소정의 특징을 갖고 있는지를 확인할 수 있도록, 공지의 방식으로 구성된다. 그러나, 덜 엄격한 품질 요건을 갖는 특정 적용 분야를 위해서, 본 발명의 방법 및 장치는 전체 와이어가 아닌, 예를 들어 75%의 와이어를 체크하는데 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 와이어 길이의 일부를 통과시키지 않거나 일부 시간 동안 시스템에 의해 측정된 데이터를 기록하지 않음으로써 달성될 수 있으며, 이들 주기에 있어서 와이어는 입력측 비권선 기계(B)로부터 출력측 권선 기계(B')로 더욱 빠르게 이동될 수 있음으로써 총 작동 시간을 단축시킬 수 있다. 이러한 방식으로 작동시키는 것은 적은 비용으로, 덜 엄격한 품질을 필요로 하는 적용 분야에 와이어 특성에 관한 양호한 신뢰도를 제공할 수 있다.

Claims (17)

1. 형상기억 합금 와이어의 연속 품질 제어 방법에 있어서,

   a) 와이어 제조 재료의 특징적인 변태 온도를 포함하는 온도 범위에 노출되는 장치를 통해 와이어를 공급하는 단계와,

   b) 상이한 미리 결정된 온도에 대응하는 상기 장치의 예정 지점들에서 상기 와이어의 길이 편차를 직접 또는 간접적으로 인-라인 측정하는 단계와,

   c) 온도-연신율 다이어그램에서 상기 재료에 대한 이력 곡선을 상기 예정 지점들에서 얻기 위해 온도 및 길이 편차에 대한 데이터를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   형상기억 합금 와이어의 연속 품질 제어 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 형상기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치에 있어서,

   (a) 와이어의 특정 변태온도를 포함하는 범위 내에서 미리 결정된 온도 프로파일을 와이어(F)에 따라서 설정하는 수단과,

   (b) 각각의 상이한 온도에서 와이어(F)의 길이 편차를 직접 또는 간접적으로 측정하는 수단, 및

   (c) 와이어(F) 공급 유닛(B,B',V,V')을 포함하는 것을 특징으로 하는,

   형상기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 와이어의 길이 편차는 상이한 온도에서 설정된 상이한 지점들 사이에서 와이어에 의해 형성된 와이어 쳐짐에 대한 광학 수단의 측정을 통해 직접적으로 측정되는 것을 특징으로 하는,

   형상 기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 공급 유닛(B,B',V,V')은 상기 와이어(F)의 인장력 및 공급 속도를 조절하며, 상기 와이어(F)의 길이 편차는 상이한 온도로 설정된 상이한 지점에서 와이어의 속도를 측정하는 수단을 통해서 간접적으로 측정되는 것을 특징으로 하는,

   형상 기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
7. 제 4 항에 있어서,

   미리 결정된 온도 프로파일을 와이어에 따라서 설정하는 상기 수단은 상이한 전기 전위로 설정된 상기 와이어의 접촉 지점을 포함하는 것을 특징으로 하는,

   형상 기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
8. 제 4 항에 있어서,

   미리 결정된 온도 프로파일을 와이어에 따라서 설정하는 상기 수단은 하나 또는 그보다 많은 자동 온도 조절 챔버(T)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   형상 기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 6 항에 있어서,

    상기 와이어(F)의 속도를 측정하는 수단은 공회전 풀리(M)이며, 상기 공회전 풀리 위에서 상기 와이어(F)가 미끄럼 없이 감기며, 상기 공회전 풀리의 회전 속도가 고해상도 인코더에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는,

    형상 기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
14. 삭제
15. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항 또는 제 13 항에 있어서,

    측정된 변수들이 허용 오차 범위 밖에 있는 값에 도달하면 자동으로 작동되는 와이어 마킹 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,

    형상 기억 합금 와이어(F)의 연속 품질 제어 장치.
16. 삭제
17. 삭제

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