KR102147580B1 - 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 ded 공정을 이용한 소재 보수 방법 - Google Patents

Abstract

모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법이 개시된다. 상기 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법은, a) 모재부 상의 균열 부분을 일정 크기의 홈 형태의 보수부로 가공하는 단계; b) 상기 보수부를 수용하도록 상기 보수부의 면적보다 큰 분말공급영역을 설정하는 단계; c) 상기 분말공급영역 내에 레이저를 조사하고 금속분말을 공급하면서 용융 풀(melt pool)을 형성하는 단계; 및 d) 상기 용융 풀을 응고시켜서 보수층을 완성하는 단계를 포함하고, 상기 보수층은 상기 모재부의 상면에서 소정의 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법{MATERIAL REPAIR METHOD USING THE DED PROCESS TO SUPPRESS CRACKS BETWEEN THE BASE MATERIAL AND THE CONSERVATIVE}

본 발명은 금속부품의 파손 부분을 보수하는 과정에 관한 것이다.

DED(direct energy deposition) 공법은 금속 분말 등 용가재료를 적층부에 송급하면서 동시에 레이저 등의 고에너지로 용융하여 적층하는 방식의 3D 프린팅 기술이다.

DED 공법은 생산성이 높고 대형부품적용에 유리하여, 연속주조용 주형, 철도레일, 가스 터빈, 금형 등에 대한 수리, 재생, 보강을 비롯하여 다품종 소량생산 부품 제조 등의 분야에 활용되고 있다.

종래의, DED 공법을 이용한 부품의 보수 과정은, 부품의 파손된 부분을 홈 형태로 기계가공하고, DED 공법을 통해 상기 홈 내에 적층부를 형성하게 된다.

그런데 종래에는, 이러한 DED 공법을 통한 보수 과정에서 급속 용융과 응고과정이 반복됨에 따라 열팽창계수의 차이로 발생되는 열응력과 모재부와 보수부의 큰 온도구배에 의해 계면에 균열이 발생하는 문제가 있다.

DED 공법에서의 균열을 방지하기 위해 모재를 예열하는 방법이 이용되었으나, 예열 장비를 추가 구비 및 설치하는 번거러움이 있었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모재부의 균열부분을 보수하는 보수층의 냉각속도를 낮추어서 모재부 및 보수층 간의 계면에서의 균열을 방지할 수 있도록 한 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법은, a) 모재부 상의 균열 부분을 일정 크기의 홈 형태의 보수부로 가공하는 단계; b) 상기 보수부를 수용하도록 상기 보수부의 면적보다 큰 분말공급영역을 설정하는 단계; c) 상기 분말공급영역 내에 레이저를 조사하고 금속분말을 공급하면서 용융 풀(melt pool)을 형성하는 단계; 및 d) 상기 용융 풀을 응고시켜서 보수층을 완성하는 단계를 포함하고, 상기 보수층은 상기 모재부의 상면에서 소정의 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법에 의하면, 모재부의 균열부분을 금속분말을 이용하는 DED 공정으로 보수할 때 모재부의 표면 상에서 보수층을 균열부분보다 넓고 높게 과적층하여 보수층의 냉각속도를 낮추어서 모재부 및 보수층 간의 계면에서의 균열을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 DED 장비의 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 S110 ~ S140 각각의 단계의 진행 모습을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 DED 장비의 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 S110 ~ S140 각각의 단계의 진행 모습을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법은, a) 모재부 상의 균열 부분을 일정 크기의 홈 형태의 보수부를 가공하는 단계(S110); b) 상기 보수부를 수용하도록 상기 보수부의 면적보다 큰 분말공급영역을 설정하는 단계(S120); c) 상기 분말공급영역 내에 레이저를 조사하고 금속분말을 공급하면서 용융 풀(melt pool)을 형성하는 단계(S130); 및 d) 상기 용융 풀을 응고시켜서 보수층을 완성하는 단계(S140)를 포함한다. 이러한 각각의 단계의 진행 모습은 도 3에 나타나 있다.

상기 S110 단계에서, 모재부(10) 상에 균열(crack)이 발생된 부분에 대해 절삭기 등의 기계를 통해 균열이 발생된 부분을 기계가공하여 일정 크기의 홈 형태의 보수부(11)를 형성한다. 이러한 모습은 도 2의 (a) 부분에 예시되어 있다.

상기 S120 단계에서, 분말공급영역(12)은 보수부(11)의 면적보다 크게 설정된다. 일 예로, 분말공급영역(12)은 보수부(11)의 면적 대비 2배 이상의 면적으로 설정될 수 있다.

상기 S130 단계에서는 DED(Direct Energy Deposition) 공법을 이용하는 DED장비(30)가 사용될 수 있다. DED장비(30)는 도 2에 예시되어 있다. 도 2를 참조하면, DED장비는 금속분말의 공급, 레이저 조사 및 가스 공급이 가능하도록 구성되는 노즐(31)을 포함하고, 노즐(31)의 중심부에서는 레이저 및 가스가 조사되며, 노즐(31)의 몸체 상에는 금속분말의 공급을 위한 분말공급부(311)가 구비되어 분말공급부(311)를 통해 금속분말이 공급될 수 있다.

S130 단계에서는 이러한 DED장비(30)를 이용하여 분말공급영역 내에 금속분말을 공급하면서 상기 금속분말에 대해 레이저를 조사하여 용융 풀(melt pool)을 형성한다. 이때, 노즐(31)의 이동방향은, 분말공급영역(12)의 가장자리의 일측으로부터 보수부(11)를 지나도록 이동하며, 이에 따라 용융 풀은 보수부(11)를 완전히 덮는 형태로 형성된다.

S140 단계에서, 용융 풀은 자연 응고되어 보수층(20)이 완성될 수 있다. 이때, 보수층(20)은 모재부(10)의 상면에서 소정의 두께를 갖도록 형성된다. 일 예로, 모재부(10)의 상면으로부터의 보수층(20)의 높이는 0.5mm ~ 1.5mm로 형성될 수 있다. 보수층(20)의 냉각방향은 보수층(20)의 높이 방향일 수 있다. 보수층(20)은 모재부(10)의 상면에서 소정의 두께를 갖도록 형성되므로 용융 풀의 냉각속도는 보수층(20)이 모재부(10)의 상면과 동일 높이를 갖는 종래의 경우보다 낮아질 수 있다.

용융 풀의 냉각속도를 확인하기 위해, 보수부(11)의 내측으로만 보수층(20)을 형성한 비교예 샘플 및 모재부(10)의 상면으로부터 소정 두께를 갖도록 보수층(20)을 형성한 실험예 샘플 각각에 대해서, 보수부(11)에 열전대(thermocouple)를 장착하고, 열전대에 데이터 로거(data logger)를 연결하여, 비교예 샘플 및 실험예 샘플 각각의 보수부(11)에 형성된 보수층(20)의 냉각속도를 확인하였으며, 확인 결과 실험예 샘플의 보수층(20)의 냉각속도가 낮아진 것을 확인할 수 있었다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법에 의하면, 모재부(10)의 균열부분을 금속분말을 이용하는 DED 공정으로 보수할 때 모재부(10)의 표면 상에서 보수층(20)을 균열부분보다 넓고 높게 과적층하여 보수층(20)의 냉각속도를 낮추어서 모재부(10) 및 보수층(20) 간의 계면에서의 균열을 방지할 수 있는 이점이 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

1. a) 모재부 상의 균열 부분을 일정 크기의 홈 형태의 보수부를 가공하는 단계;
   b) 상기 보수부를 수용하도록 상기 보수부의 면적 대비 2배 이상의 면적으로 분말공급영역을 설정하는 단계;
   c) 상기 분말공급영역의 가장자리 일측으로부터 상기 보수부를 지나 상기 분말공급영역의 가장자리의 일측의 반대측까지 이동하면서 레이저를 조사하고 금속분말을 공급하여 상기 보수부 및 상기 모재부의 상면보다 높고 상기 보수부보다 넓게 과적층되게 용융 풀(melt pool)을 형성하는 단계; 및
   d) 상기 과적층된 용융 풀을 응고시켜서 보수층을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   모재와 보수층 사이의 균열 발생이 억제되는 DED 공정을 이용한 소재 보수 방법.

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