KR930007208B1 - 높은 강도를 갖는 중공형 초합금 소재의 관성용접방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

높은 강도를 갖는 중공형 초합금 소재의 관성용접방법

제1도는 종래의 중공형 소재의 용접형상을 도시하는 개략도.

제2도는 제1도에 도시한 형상을 갖는 용접된 소재의 광학현미경 사진.

제3도는 본 발명에 따른 용접 조인트의 형상을 나타내는 도면.

제4도는 제3도의 형상을 갖는 용접 조인트의 광학현미경 사진.

제5도는 본 발명에 따른 선택적인 용접구역의 형상을 나타내는 도면.

제6도는 제5도의 형상을 갖는 용접구역의 광학현미경 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A, B : 중공 소재 OR_a, OR_b: 외측반경

IR_a, IR_b: 내측반경 S_I, S_o: 단

본 발명은 중공형 소재의 관성용접 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 고강도 초합금 소재의 관성용접 방법 및 분말 야금학에 의해 제조되는 고강도 초합금 소재의 관성용접방법에 관한 것이다.

관성용접 방법은 회전축을 중심으로 대칭되는 금속제 소재들을 결합시키는데 사용되는 방법이다. 상기 소재들은 중실재료 또는 중공재료일 수 있다. 그러므로, 예컨데 관성용접 방법은 부품들을 서로 결합시켜 크랭크축 또는 용접된 중공관 조립체와 같은 제품을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 관성용접 방법은 예컨대 미합중국 특허 제 3, 234, 644호, 3, 235, 162호, 3, 462, 826호, 3, 591, 068호 및 4, 365, 136호에 기재되어 있고, 상기 특허들의 내용은 본 명세서에서 참조로 인용된다.

간단하게 설명하면, 관성용접에 있어서, 결합되는 소재들은, 그 대칭축이 일치되고 결합되는 표면들이 평행관계를 이루도록 배치된다. 소재들중의 하나는 고정적으로 유지되며, 다른 하나의 소재는 회전가능한 플라이휘일에 부착된다. 회전가능한 소재-플라이휘일의 조합체는 예정된 회전속도로 가속되고, 회전되는 소재는 고정된 소재에 대하여 가압된다. 플라이휘일 형상, 무게 및 회전속도에 의해 운동에너지가 결정되며, 이 운동에너지는 결합되는 소재들 사이의 마찰에 의해 열에너지로 변환된다. 소재들은 함께 압축되고, 변환되는 운동에너지는 국부를 연화(softening)시키기에 충분하게 된다.

플라이휘일의 회전이 정지될때 소재들 사이의 힘은 그대로 유지되거나 또는 증가되어 소재들의 연화된 부분들이 함께 접합되도록 한다. 소재들 사이의 힘으로 인하여 용접구역에서 소재들은 소성 또는 초소성 변형된다. 용접구역의 냉각은 소재의 열전도에 의해 매우 신속하게 이루어진다.

관성용접 방법은 용접구역으로 부터 상당량의 재료를 방출시킴으로써(밀어냄으로써) 표면오염에 관한 문제점을 본질적으로 제거하는 상태에서 수행된다. 용접구역은 주조보다는 단조의 특성을 더욱 많이 갖게된다. 레이저, 전자비임 및 전기융접(electric fusion welding)과 같은 용접에 의해 생성되는 용접구역은 용융되고 재고형화되며, 그러므로 관성용접 구역들에 의해 근사화되는 단조의 특성에 비해 덜 바람직한 주조의 특성들을 갖게된다.

관성 용접은 마찰용접의 한 형태이다. 다른 형태의 마찰용접은 연속적인 모터 구동에 의해 이루어지게 되어 플라이휘일에 저장되는 에너지보다는 마찰열을 제공하게 된다. 본 명세서에서 사용되는 '관성용접'이라는 용어는 다른 형태의 회전적인 마찰용접들을 포함하는 것이다.

관성용접 방법은 중장비 산업에서 철 및 강과 같은 철재료들을 결합시키기 위해 널리 사용되어 왔다. 최근에 상기 관성용접 방법은 초합금(superalloy)을 결합시키는데에 사용되고 있다. 상기 초합금들이 더욱 높은 연화점을 가지며 고온변형에 큰 저항성을 나타내기 때문에, 초합금 재료들의 결합은 상기 철재료들의 결합보다 훨씬 어렵게 된다. "분말 처리된"초합금들의 관성용접은 가장 어려운 것으로 간주된다. 용접공정에 의해 연화될 소재의 용접구역이 제한되게 되고, 용접구역에서의 업셋 또는 변형의 정도도 마찬가지로 제한되게 된다. 따라서, 초합금(특히 분말처리된 초합금)의 관성용접에 있어서는, 용접구역에서 잔류노치가 존재된다. 이와 같은 잔류 노치는 철 재료들의 관성용접의 경우에는 종종 발생되지 않는 것이다.

유감스럽게도, 분말처리된 니켈 초합금들의 경우에, 용접구역 노치는 항상 용접소재의 본래의 직경을 지나서 내측으로(파인상태로)존재된다. 그러므로, 기계가공에 의해 용접부의 업셋이 제거된 후에도, 노치는 존재하게 되며 이와 같은 노치를 제거하기 위해서는 결합될 소재의 본래의 직경을 감소시키면서 기계가공을 행하여야만 한다. 노치가 완전히 제거되지 않을 경우에, 상기 노치는, 용접된 소재의 사용중에 또는 용접후의 열처리중에 응력집중원 및 파단개시 구획으로서 작용하게 된다. 이와 같은 노치의 문제점은 고강도 초합금(즉, 1000°F에서 100ksi를 초과하는 항복강도를 갖는 초합금) 및 분말 야금기법에 의해 생성된 초합금 재료의 경우에 특히 유해하게 된다.

관성용접에 의한 초합금 소재의 최초제작에 있어서는, 최초의 소재를 큰 크기로 하고 용접된 조립체를 노치를 제거하기에 충분한 크기로 기계가공함으로써, 노치에 관한 문제점은 특정의 경제적인 비용으로 극복할 수 있다. 그러나, 불행히도, 이와 같은 방법은 손상된 소재를 관성용접에 의해 보수하는 것이 필요할 경우에는 바람직하지 않게된다. 왜냐하면 소재의 손상되지 않은 부분이 이미 특정직경, 즉 부품에 영향을 미치지 않으면서 감소될 수 있는 최소 설계직경으로 가공되어 있기 때문이다. 그러므로 초합금 소재의 손상된 부분을 제거하고 새로운 것으로 대체시키고자 하는 경우에는, 소재의 취약화 요소로서 작용하거나 소재가 지나치게 작은 크기로 가공되어야만 하도록 하는 용접구역 노치가 존재되기 때문에, 피니싱된 소재에는 취약점이 존재하게 된다.

최초 제작에 있어서 조차도, 초과크기를 갖는 소재를 이용하게 됨으로써, 사용되는 관성용접기의 용량을 초과할 수도 있게된다.

또한, 지금까지는 관성용접이 어려웠던 용접 형상체들도 있다. 이러한 형상체들은 중공형 원추와 같은 테이퍼된 소재들을 생산할때 마주치게 된다. 상기와 같은 상황은 개스터빈 엔진에서 디스크에 축을 결합시킬 때 발생된다.

따라서, 본 발명의 목적은 재료를 관성용접하고 용접구역 노치의 깊이 및 위치를 제어하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 용접구역 노치의 유해한 효과를 최소화하면서 고강도(및/또는 분말 야금학적으로 처리된)초합금을 관성용접하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 원추형 허브를 형성하기 위하여 소재들을 관성용접시키는 데에 사용되는 형상을 제공함에 있다.

초합금은 Ni₃Al을 기초로 하여 침전물에 의해 강화되는 니켈계 합금들이다. 고강도 초합금들은 1000°F에서 항복강도가 100ksi를 초과하는 초합금들을 지칭한다.

본 발명에 따라, 관성용접구역의 노치는, 결합되는 소재들이 현저히 다른 벽 직경들을 갖도록 함으로써, 크기 및 위치가 제어된다. 결합되는 중공소재들의 벽 직경을 변화시킴에 의해, 용접구역에는 단(step)이 형성되며 ; 이것에 의해 용접공정에 의해 발생되는 열의 유동을 제어하고 용접구역 형상 및 상기 용접구역으로 부터의 재료방출을 제어하며 결과적으로 용접구역 노치의 위치 및 크기를 제어하게 된다. 특히, 본 발명의 용접형상은 노치의 크기를 감소시키고 상기 노치의 위치를 이동시킴으로써, 상기 노치가 선행기술의 관성용접의 경우에서보다 덜 유해하게 되도록 한다.

이하 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명을 상술한다. 본 발명의 기본적인 정신은, 열유동 및 용접부로 부터의 재료방출을 제어하여 방출된 재료가 용접공정에서 제작되는 부품의 최종 크기에 노치를 형성하지 않도록 하기 위해 용접 조인트 형상이 변화되게 된다는 데에 있다. 본 발명의 방법은 원추형 또는 다른 테이퍼된 중공 소재들을 제작하기 위해 채택된다.

본 발명은 제3도를 참조로 하여 이해될 수 있고 ; 상기 제3도에서 소재직경은 서로에 관하여 어긋나게 되어 결합될 소재들 사이에 편차가 존재되게 되고 용접물의 내부 및 외부에는 용접구역에 근접하여 단이 형성되게 된다. 이것은, 이하에 상술하는 바와 같이, 열유동 및 연화된 재료의 방출에 중요한 요소로서 작용하게 된다.

제1도에는 중공 소재들에 대한 종래의 용접형상을 도시한다. 용접될 소재들은 도시한 중심선을 대칭되고 동일한 두께를 가지며, 결합될 부분들은 서로에 관하여 중심이 맞추어진다. 따라서, 용접구역은 용접구역의 평면을 횡단하여 대칭적으로 되고, 소재 재료들이 동일한 것으로 가정할 경우 용접구역으로 부터의 재료방출도 대칭적으로 이루어지게 된다. 제1도에 있어서의 이러한 대칭으로 인하여 평탄한 용접구역이 생성되게 된다.

제2도에는 제1도에 도시한 형상에 관하여 수행된 시험 조인트의 확대사진을 도시하며, 용접노치 및 방출된(밀려난)재료를 나타낸다. 상기 제2도에서 용접노치가 본래의 소재 치수(내경 및 외경)의 내측으로 연장되었다는 데에 주목하여야 하며, 이것은 용접구역이 본래의 소재의 면적보다 작은 면적을 갖는다는 것을 나타낸다. 이러한 조인트 또는 노치는 용접부의 강도 및 인성(durability)에 매우 해로운 영향을 미친다. 제2도에서 용접구역은 소재들 사이의 본래의 계면(interface)과 동일하게 평탄하게 된다.

제3도에는 본 발명에 따른 용접 형상을 도시한다. 제3도에 도시한 바와 같이 중공소재 A의 반경은 중공 소재 B의 반경보다 작게된다. 특히, 외측반경 OR_a는 외측반경 OR_b보다 작게되고 내측반경 IR_a는 내측반경 IR_b보다 작게 된다. 또한, 중공소재 A의 평균 반경은 중공소재 B의 평균 반경보다 작게되며 평균반경은 (OR+IR)/2로서 계산된다. 이러한 형상의 차이로 인하여 두개의 소재들 사이의 계면에는 단이 형성되게 되는데 즉, 복합 소재들의 내경부에는 단 S₁가 형성되고 복합 소재들의 외경부에는 단 S₀가 형성된다. 내부의 단 S₁는 외부의 단 S₀로 부터 접합평면의 대향측면상에 위치된다. 이러한 단 현상은 용접공정중의 열유동의 변화를 일으키고 용접구역의 가열 및 냉각중 응력의 변화를 유발한다.

최종 용접구역의 확대 사진을 제4도에 도시한다. 상기 어긋나는 용접형상이 S형태의 독특한 곡률을 갖는 용접구역을 생성한다는 것을 알 수 있다. 상기와 같은 커어브되는 용접구역의 형상으로 인하여, 내경부 및 외경부에서 용접구역으로부터 방출된 재료가, 종래의 형상에 따른 관성용접 작업에서의 경우와 같이 소재축선에 수직하기 보다는, 특정각으로 돌출되게 된다. 이와 같은 재료방출의 변화는 잔류 용접구역 노치의 크기 및 위치에 영향을 미치게 된다. 이것은, 용접구역의 내측 및 외측에 있는 단들을 기계가공 함으로써 재료절삭을 최소화하면서 용접 노치를 완전히 제거하게 된다는 것을 의미한다. 초합금 재료에 대해 단의 크기들 S₁및 S₀는 중공소재 A의 두께의 10 내지 50%, 바람직하게는 15 내지 40%로 된다. 중공소재 A의 두께는 (OR_a-IR_a)로서 계산될 수 있다.

내측단 및 외측단이 전기한 범위에 유지되는 한 중공소재 A 및 B의 벽두께는 반드시 동일할 필요는 없다. 예컨대, 소재 A가 0.200인치의 벽두께를 가질경우, 단은 0.020 내지 0.100인치의 범위내에 들 수 있다. 10인치의 내경 ID_A10.4인치의 외경 OD_A및 10.2인치의 평균직경을 갖는 0.200인치 벽두께의 소재는 9.96인치의 내경 ID_B10.6인치의 외경 OD_B및 10.28인치의 평균직경을 갖는 0.32인치 벽두께의 다른 중공소재에 결합되어 0.1인치의 외측 단 및 0.02인치의 내측단을 생성함으로써 본 발명의 기준을 만족시킬 수 있다.

제5도에는 본 발명이 유효하게 작용되면서 특정의 개스터빈 엔진 부품의 생산에 유용한 다른 용접 형상을 도시한다. 제5도에서, 소재들은 서로에 관하여 어긋나고, 각각의 소재들은 서로 평행한 벽들을 갖기 보다는 하나의 벽이 테이퍼되게 되며, 소재 A의 경우에는 내부벽이 테이퍼되고 소재 B의 경우에는 외부벽이 테이퍼되게 된다. 이러한 형상은 원추형 소재를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 상기와 같은 원추형 형상은, 최소한의 질량 및 높은 토오크 전달성능을 가지고 축이 디스크에 부착되어야만 하는 개스터빈 엔진의 경우에 있어서 통상적으로 사용되는 것이다. 점선은 중공원추형 소재가 최소한의 재료절삭으로 관성용접된 소재로부터 어떻게 기계가공되는 가를 나타낸다.

제6도에는 제5도에 도시한 최초 형상을 갖는 상태에서 관성용접된 시험 샘플의 광학 현미경 사진을 도시한다. 상기 제6도로부터 용접 노치가 이동되었고 따라서 원추형 형상을 생성하기 위해 최소한도의 금속만이 제거되면 된다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (2)

1. 높은 강도를 갖는 중공형 초합금 소재의 관성용접 방법에 있어서, 내경과 외경 및 중심선을 갖는 결합될 제1소재를 제공하는 단계, 및 내경과 외경 및 중심선을 갖는 결합될 제2소재를 제공하는 단계를 구비하고 ; 제1소재의 내경이 제2소재의 내경보다 작게되고 제1소재의 외경이 제2소재의 외경보다 작게되어, 상기 제1소재 및 제2소재가 그들 각각의 중심선이 일치된 상태에서 함께 놓여질때 상기 소재들 사이의 계면에 제1소재의 벽두께의 10 내지 50%에 해당되는 반경방향 단들이 형성되며 용접시 S형으로 커어브되는 용접구역이 창출되는 것을 특징으로 하는 높은 강도를 갖는 중공형 초합금 소재의 관성용접 방법.
2. 제1항에 있어서, 원추형 소재를 형성하기 위해 사용되는 경우에, 용접된 소재를 중공 원추형상으로 기계가공하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 높은 강도를 갖는 중공형 초합금 소재의 관성용접 방법.

Images