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KR101057068B1 - 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음 및 이의 제조 방법 - Google Patents

구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101057068B1
KR101057068B1 KR1020097008046A KR20097008046A KR101057068B1 KR 101057068 B1 KR101057068 B1 KR 101057068B1 KR 1020097008046 A KR1020097008046 A KR 1020097008046A KR 20097008046 A KR20097008046 A KR 20097008046A KR 101057068 B1 KR101057068 B1 KR 101057068B1
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위에 자오
티에준 쭈오
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Abstract

본 발명은 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음, 특히 플러그-인 구리-알루미늄 파이프의 용접 이음을 제조하는 제조 방법에 관한 것이다. 이 용접 이음의 특성은 다음과 같다: 화학결합이 구리 파이프의 원뿔 용접 부분과 알루미늄 파이프의 내벽 사이에 직접 형성되고 치아 형태의 원뿔 과립 결정이 형성된다. 이 이음 용접 방법의 특성은 다음과 같다: 금속 막대는 구리 파이프 용접 부분의 노이징 말단에 미리 고정되고, 펠더는 고정된 전극 그룹의 알루미늄 파이프의 고정된 위치에 설치된다. 용접하는 동안 미는 실린더가 구리 파이프를 가진 이동하는 전극 그룹을 알루미늄 파이프를 향해 민다. 동시에 회로를 연결하고, 구리-알루미늄 결합 영역은 전기 저항 가열로 가열된다. 구리 파이프는 미는 실린더에 의해 알루미늄 파이프의 내부로 연속적으로 이동한다. 전원을 끈 후 냉각된 금속 막대를 꺼내어 제거한다. 화학결합이 구리-알루미늄 이음에 직접 형성된다. 용접점은 공융 구조를 갖지 않는다. 본 발명에서, 구리-알루미늄 이음의 용접점은 높은 강도와 우수한 안정성을 가지며 따라서 이 이음은 냉동 업계에서 대용량 용도에 적합하다.
구리-알루미늄 얇은 벽 파이프, 비-공융 구조, 용접 이음

Description

구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음 및 이의 제조 방법{A non-eutectic structure weld joint of copper-aluminum thin wall pipe and its manufacturing method}
본 발명은 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음, 특히 플러그-인 구리-알루미늄 파이프의 용접 이음을 제조하는 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기한 방법에 의해 제조된 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음에 관한 것이다.
중국에서 구리 자원은 비교적 부족하고 알루미늄 자원은 비교적 풍부하다. 그러나, 구리 파이프는 현재 냉동 업계에서 널리 사용된다. 그래서 비용 감소를 위해 구리를 알루미늄으로 대체하려는 과제는 매우 중요해졌다. 그러나 냉동 업계에 사용된 주요 구리 파이프의 벽 두께는 1.0mm미만이다. 구리 파이프의 특유한 장점은 냉동 파이프라인의 제조 측면에서 알루미늄 파이프에 결코 대체될 수 없는데, 이는 구리 파이프를 알루미늄 파이프로 대체하면 여러 문제점이 발생할 것이기 때문이다. Cu-Al-Cu 파이프라인, 즉 양 말단이 구리이고 중간이 알루미늄인 파이프라인이 유일한 구리 파이프를 대체할 수 있다.
구리 파이프와 알루미늄 파이프 사이에 400℃의 용융점 차이가 있는 것 이외 에, 산화층이 알루미늄 파이프의 내부 표면상에 존재하기 때문에, 두 물질의 금속 원자들 사이의 직접적인 화학결합은 얻기 어렵고 구리-알루미늄의 공융 구조를 형성하지 못할 것이다. 본 발명에서 언급한 공융 구조는 고압하에서 형성되고 구리-알루미늄 금속 화합물 및 알루미늄으로 구성된 저 용융점 합금을 의미한다. 현재 플러그-인 구리-알루미늄 파이프의 용접 이음의 모든 용접선에 공융 구조들이 있다. 플러그-인 구리-알루미늄의 고주파수 가열 용접 방법을 채택한 일부 외부 발명들에서, 용접점에서 구리-알루미늄 공융 구조의 두께는 10㎛ 내이고 용접선은 구리-알루미늄 공융 구조로 이루어지는 것이 허용될 수 있다. 그러나 실제는 구리-알루미늄 파이프의 용접 이음의 파괴는 구리-알루미늄 공융 구조 및 이의 낮은 박리 강도 때문에 사용시에 쉽게 일어난다는 것이 입증되었다. 그래서 본 발명은 종종 실제로 사용하기 어렵다.
구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 용접을 위한, 현재 이미 공지된 다양한 용접 방법은 구리-알루미늄 공융 구조가 용접선에 형성되는 것을 완전히 막을 수 없고, 따라서 통해 용접 구조의 화학적 결합을 얻을 수 없다. 비록 맞댐 이음의 에너지 저장 용접 및 마찰 용접이 용접 마무리 이전에 말단 힘을 감소시킴으로써 공유 구조의 양을 감소시킬 수 있지만, 이음의 구조는 이 방법이 1.25mm 벽 두께 이상의 구리-알루미늄 두꺼운 벽 파이프의 용접에 적합하다는 것을 규정한다. 따라서 상기 방법은 본 발명과 관련된 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 용접에 사용될 수 없다. 플러그-인 구리-알루미늄 파이프 이음의 용접 방법은 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 용접에 적합하나, 만일 고 주파수 용접 또는 브레이즈 용접을 채택하는 경우, 구리-알루미늄 화학 결합은 얻을 수 없고 기공, 구리-알루미늄 공융 구조, 잠재적 부식 위험과 같은 일부 불리한 요인들 때문에 대량으로 생산하기가 매우 어렵다. 모든 이런 기술적 결함은 냉동 업계에서 알루미늄 파이프의 사용을 제한하고 있다.
본 발명의 한 목적은 용접에 공융 구조가 없는 플러그-인 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 용접 이음의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다른 목적은 상기한 방법으로 제조된 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 용접 이음을 제공하는 것이다.
본 발명의 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음을 위한 해결법은 다음과 같이 개시된다: 용접된 구리 파이프의 용접 이음은 직선 파이프의 유향 부분(directed part) 및 원뿔 용접 부분을 가진다. 이의 유향 부분의 외부 지름은 알루미늄 파이프의 내부 지름보다 약간 작다. 화학결합은 구리 파이프의 원뿔 용접 부분과 알루미늄 파이프의 내벽 사이에 직접 형성되어, 치아 형태를 가진 원형 과립 결정이 된다. 용접점은 공융 구조를 갖지 않는다. 이 공융 구조는 α-Al+CuAl2이다.
냉간 압접과 전기 저항 가열을 사용하는 본 발명은 새로운 용접 방법을 만들었다. 다음이 해결법이다. 한 구리 파이프와 한 알루미늄 파이프를 각각 선택한다. 구리 파이프의 한 말단은 노이징(nosing)으로 가공된다. 금속 막대는 구리 파이프 용접 부분의 노이징 말단에 미리 고정된다. 금속 막대의 외관은 노이징 가공된 구리 파이프의 내부 모양과 일치한다. 구리 파이프는 이동하는 전극 그룹에 놓이고 고압 실린더로 고정된다. 알루미늄 파이프는 고정된 전극 그룹에 놓이고 고압 실린더로 고정된다. 펠더(felder)는 고정된 전극 그룹의 알루미늄 파이프의 고정된 위치에 설치된다. 펠더의 내부기공 모양은 알루미늄 파이프의 모양과 일치하고 펠더는 높은 열 저항과 낮은 열 전달 효율을 가진 물질들로 구성된다. 용접하는 동안 알루미늄 파이프의 말단이 펠더 모서리와 정렬되도록 하고 적절한 150kg ~ 250kg의 압력으로 실린더를 밀어서 구리 파이프를 가진 이동하는 전극 그룹을 알루미늄 파이프를 향해 민다. 동시에 회로를 연결하고, 구리-알루미늄 결합 영역은 전기 저항 가열로 가열된다. 구리 파이프는 미는 실린더의 역할에 의해 알루미늄 파이프의 내부로 연속적으로 이동한다. 구리 파이프가 이동하는 동안, 미는 압력과 용접 전류가 1~2mm의 간격으로 자동적으로 1회 변수들(전류, 전압, 기체압 등)을 제어하여, 구리-알루미늄 용접의 온도는 제어될 수 있다. 전원을 끈 후 냉각된 금속 막대를 꺼내어 제거한다.
상기한 방법들은 다음 특징들을 가진다. 첫째, 구리 파이프 용접 부분의 노이징 말단에 미리 고정된 금속 막대는 3가지 기능을 가진다: 용접의 과정에서 구리 파이프를 지지하고, 구리 파이프가 고압하에서 불안정해지는 것을 막고, 고온 때문에 용접점을 형성하는 구리-알루미늄 공융 구조를 피하기 위해 열을 흡수한다. 구리가 알루미늄 파이프 내부로 이동하는 동안, 구리-알루미늄 공융 구조는 금속 막대 지지 작용하에서 용접점으로부터 짜내어진다. 금속 막대로서 적동(red copper) 막대를 선택하는 것이 훌륭하다. 둘째, 구리 및 알루미늄은 다른 강도를 가져, 구리 파이프가 알루미늄 파이프에 삽입될 때 발생하는 고압을 이용하여, 알루미늄 파이프의 내부 표면상의 산화물이 세척된다. 이것이 보조 첨가제의 사용을 피하게 한다. 셋째, 회로를 연결하고 산화물이 세척될 때 결합된 지역을 전기 저항 가열에 의해 가열시킨다. 가열하는 동안 압축한다. 이것이 구리-알루미늄 공융 구조의 양을 감소시키며 구리 파이프가 변형되는 것을 막아준다. 구리-알루미늄 공융 구조는 구리와 알루미늄 사이의 고압에 의해 빠져나오고, 이음의 전체적인 성능이 향상된다. 넷째, 재용융성 알루미늄 금속이 고압 및 전기 저항 가열의 합성 작용 하에서 구리 파이프의 외부 표면상에 형성된다. 큰 융합 영역을 가진 플러그-인 구리-알루미늄 파이프의 용접 이음이 최종적으로 형성된다. 다섯째, 400배 확대하는 현미경으로 관찰하면, 구리-알루미늄 공융 구조가 없는 구리-알루미늄 용접선이 이음의 알루미늄 쪽에 형성된다. 용접선의 화학결합은 구리와 알루미늄 사이에 형성된다.
구리-알루미늄을 용접하는 동안, 구리-알루미늄 용접 영역에서의 온도 분포가 용접 조건과 일치하도록 만들기 위해 알루미늄 파이프 쪽에 열 주입을 제어할 필요가 있다. 본 발명의 계획은 알루미늄 파이프 쪽에 있는 전극의 전기전도도 계수를 낮추고 알루미늄 파이프 쪽의 전류 밀도를 분산시켜, 열 주입을 줄이는 것이다. 전극의 전기전도도 계수를 낮추기 위해서, 열 저항, 고온 저항 및 알루미늄 파이프 국부부식 저항의 특성을 가진 물질들을 가진 구리 전극을 연구하였다.
용접 후 구리-알루미늄 공융 구조의 견본을 만든다. 축 방향을 따라 용접선을 4분하고 알루미늄 파이프를 동일하게 당긴다. 구리-알루미늄 공융 구조를 가진 용접선은 깨지기 쉽기 때문에, 구리 및 알루미늄은 서로 쉽게 분리될 수 있다. 구리-알루미늄 화학 결합을 가지며 구리-알루미늄 공융 구조를 갖지 않는 용접선은 최초 융합 상태를 유지할 수 있다. 본 발명은 구리-알루미늄 공융 구조가 없는 용접선을 측정하기 위해 버니어 캘리퍼를 사용하며 이 용접의 길이는 3mm 이상이다.
더 좋은 용접 품질을 얻기 위해서, 적동 파이프와 순수 알루미늄 파이프를 선택할 수 있다.
알루미늄 파이프의 용융 온도 범위 근처에서, 용접 온도가 높으면 높을수록, 고온 기간이 길면 길수록, Cu-Al 공융 구조는 더 두꺼워질 것이다. 금속 막대가 들어간 구리 파이프는 용접 이전에 냉각제에 담그고, 용접을 시작한다. 금속 막대의 냉각 효과는 더욱 향상될 것이고, 구리-알루미늄 공융 구조의 양은 감소한다.
이동하는 전극을 빠른 냉각 액체 질소 속에 넣고 빠른 냉각 과정을 겪게 한다. 완전히 냉각하고 전극을 꺼낸다. 이 방법은 전극의 냉각 효과를 향상시키고 구리-알루미늄 공융 구조의 양을 감소시킬 수 있다.
품질을 쉽게 추적하기 위해 각 용접 이음에 품질 추적 표지를 표시한다. 즉, 펠더는 오목 글자로 새겨져, 볼록 글자는 용접이 마무리될 때 형성될 것이다.
도 1은 용접의 개략적 그림이다.
도 2는 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음을 도시한다.
도 3은 공융 구조를 가진 구리-알루미늄 용접 이음의 용접 금속 현미경 그림이다.
도 4는 치아 형태의 원형 과립 결정을 가진 구리-알루미늄 용접 이음의 용접 금속 현미경 그림이다.
도 1을 참조해서, 각각 동일한 지름을 가진 적동 파이프 하나와 순수한 알루미늄 파이프를 선택한다. 구리 파이프(6)의 한 말단은 가공된 노이징이다. 노이징 부분의 한쪽 각도는 7~8°(테이퍼 각도 14~16°)이다. 금속 막대(5)는 구리 파이프 용접 부분의 노이징 말단에 미리 고정된다. 금속 막대의 외관(5, 용접 후 당겨짐)은 노이징 가공된 구리 파이프의 내부 모양과 일치한다. 알루미늄 파이프(1)는 원래 상태를 유지한다. 구리 파이프(6)는 이동하는 전극 그룹(4)에 놓이고 고압 실린더로 고정된다. 전극의 국부부식 저항을 향상시키기 위해서 알루미늄 파이프의 용접선 부분들이 우수한 기계적 강도를 갖도록 해야한다. 펠더(3)는 고정된 전극 그룹(2)의 상응하는 위치에 고정되고 펠더는 티타늄 합금, 세라믹과 같은 높은 열 저항과 낮은 열 전도 효율을 가진 물질들로 구성된다. 이 실시예에서, 티타늄 합금 펠더를 선택하고 펠더의 내부 공동의 모양은 알루미늄 파이프의 형태와 맞게 된다. 용접하는 동안 알루미늄 파이프의 말단은 티타늄 합금 펠더(3)와 정렬되어야 하고 미는 실린더에 의해 구리 파이프를 가진 이동하는 전극 그룹(4)을 알루미늄 파이프(1)를 향해 민다(적절한 제어 압력 150kg~250kg). 구리와 알루미늄은 다른 경도를 가져서, 구리 파이프(6)가 알루미늄 파이프(1)에 삽입될 때 발생하는 고압을 사용하고, 알루미늄 파이프(1)의 내부 표면상의 산화물은 세척된다. 동시에 회로를 연결하고 원뿔 용접 부분(7)을 전기 저항 가열에 가열한다. 가열하는 동안 압축한 다. 이 공정에서 구리 파이프(6)가 알루미늄 파이프(1)의 내부로 연속적으로 이동한다. 용접 공정에서, 가공품의 이동 거리는 5mm 이상이다. 구리-알루미늄 화합물(공융 구조)는 고압에 의해 빠져나오고, 이음에 대한 깨지기 쉬운 구조의 효과는 피하게 된다. 알루미늄 파이프는 고압 및 전기 저항 가열의 합성 작용 하에서 용융된다. 티타늄 합금 펠더(3)의 작용하에서, 고온 상태의 알루미늄 파이프는 필수적인 플라스틱 변형이 일어나서, 재용융하는 알루미늄 금속이 구리 파이프의 외부 표면상에 형성된다. 구리-알루미늄 용접 표면상에 홈 및 볼록 변형이 없다. 큰 융합 영역을 가진 플러그-인 구리-알루미늄 파이프가 최종적으로 형성된다.
도 2는 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음을 도시한다. 이의 유향 부분의 외부 지름은 알루미늄 파이프의 내부 지름보다 약간 작다. 구리-알루미늄 공융 구조(10)가 없는 구리-알루미늄 용접선은 원뿔 용접 부분(7) 근처에 형성되며 이의 길이는 3mm 이상이다. 화학결합은 용접의 영역에서 구리와 알루미늄 사이에 형성되고 치아 형태(11)를 가진 원형 과립 결정이 형성될 수 있다. 펠더(3)는 품질을 쉽게 추적하기 위해 오목 글자로 새겨지며, 볼록 글자(8)는 용접이 마무리될 때 알루미늄 파이프(1) 표면상에 형성될 것이다.
구리-알루미늄 파이프의 용접 이음을 얻었다. 전자현미경을 스캔하여 용접 단면을 분석하면, 치아 형태 구조(11)를 가진 원형 과립 결정이 구리 파이프(6)와 알루미늄 파이프(1) 사이에 형성되는 것을 알 수 있다. 이의 금속 현미경 구조는 도 4에 도시된다.
용접 후 금속 현미경 분석 방법을 통해 용접 구조와 조성을 확인할 수 있고 구리-알루미늄 화합물(공융 구조)의 분포 지역을 견본으로 만들기 위해 다음의 단순한 방법을 사용할 수 있다. 벤치마크(알루미늄 파이프의 길이는 20mm, 구리 파이프의 길이는 50mm)로서 구리-알루미늄 용접 이음의 외부 표면을 고려하고 이음을 절단한다. 구리 파이프는 벤치 바이스로 고정한다. 구리 파이프의 상부는 알루미늄 파이프와 만난다. 이음을 4분 하기 위해 알루미늄 파이프의 말단면을 정렬하고 이음을 용접점 아래 2mm까지 톱으로 아래쪽으로 절단한다. 절단된 구리 파이프를 세우고 알루미늄 파이프를 천천히 그리고 안정되게 전력으로 당긴다. 구리-알루미늄 공융 구조를 가진 용접점은 깨지기 쉽기 때문에, 구리 및 알루미늄은 서로 쉽게 분리될 수 있다. 구리-알루미늄 공융 구조가 없는 용접점은 원래 상태로 유지될 수 있다.
구리-알루미늄 파이프의 용접 이음은 본 발명에 따라 생성된다. 구리-알루미늄 공유 구조(10, 즉, 도 3의 박판 α-Al+CuAl2)가 제거되기 때문에, 치아 형태 구조(11, 도 4)를 가진 단순 원형 과립 결정이 형성되어, 물질들의 기계적 특성이 크게 향상된다. 구리-알루미늄 파이프의 용점 이음은, 우수한 방열 및 진동방지 특성, 긴 피로 수명, 높은 휘어짐 저항 및 중간 온도 가소성을 포함하는 포괄적인 특성을 가진다.
본 발명은 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 설명되나, 보호 범위는 단지 이에 한정되지 않는다. 다음은 보호 범위이다: 본 발명의 기술 분야의 당업자는 단순한 변형을 통해 본 발명과 같은 동일한 기술적 효과를 얻는다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있음.

Claims (9)

  1. 일종의 비 공융 구조의 박벽 구리 알루미늄 파이프 용접 이음 제조 방법으로서,
    구리 파이프 하나와 알루미늄 파이프 하나를 각각 선택하고, 구리 파이프의 한 말단은 노이징으로 가공하며, 구리 파이프 용접 부분의 노이징 말단 내부에 금속 막대를 미리 고정하고, 상기 금속 막대는 용접 과정 중 구리 파이프를 지탱하고 구리 파이프를 냉각시키며, 구리 파이프는 이동 전극 그룹에 놓이고 고압 실린더로 구리 파이프를 고정시키며, 알루미늄 파이프는 고정 전극 그룹에 놓이고 고압 실린더로 알루미늄 파이프를 고정시키고, 고정 전극 그룹의 상응하는 위치에는 펠더가 설치되고, 펠더는 알루미늄보다 내열성이 더 높고 열전도 효율이 더 낮은 재료로 만들어지며, 펠더의 내부기공 모양은 알루미늄 파이프의 외형과 일치하고, 용접하는 동안 알루미늄 파이프의 말단이 펠더 모서리와 정렬되도록 하고, 실린더가 구리 파이프를 가진 이동 전극 그룹을 알루미늄 파이프를 향해 미는 동시에 이동 전극 그룹과 고정 전극 그룹의 회로를 전원과 연결시키며, 구리 파이프는 실린더의 작용 하에서 연속적으로 알루미늄 파이프 내부로 이동되고, 구리 파이프가 이동하는 동안, 1회 변수가 미는 압력과 용접 전류에 따라 1~2mm의 간격으로 제어됨으로써, 구리-알루미늄 용접의 온도를 조절할 수 있고, 전원을 끄고 냉각한 후 구리 파이프에서 금속 막대를 꺼내어 제거하는 비 공융 구조의 용접 이음 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    구리 파이프는 적동 파이프이고 알루미늄 파이프는 순수한 알루미늄 파이프인 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속 막대는 적동 막대인 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    펠더는 티타늄 합금인 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    금속 막대가 놓인 구리 파이프는 용접 이전에 냉각제에 담기고, 완전히 냉각한 후 용접을 위해 꺼내어지는 것이 필요한 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    이동하는 전극을 급랭 액체 질소에 넣고 급랭 공정을 거치게 하고 완전히 냉각한 후 꺼내서 용접을 시작하는 것이 필요한 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    펠더는 오목 글자로 새겨지는 것이 필요한 제조 방법.
  8. 구리 파이프와 알루미늄 파이프로 구성되고, 제 1 항에 따라 제조된 구리-알루미늄 얇은 벽 파이프의 비-공융 구조의 용접 이음으로서, 용접된 구리 파이프는 직선 파이프의 유향 부분과 원뿔 용접 부분을 가지며, 이의 유향 부분의 외부 지름은 알루미늄 파이프의 내부 지름보다 약간 더 작고, 화학결합이 구리 파이프의 원뿔 용접 부분과 알루미늄 파이프의 내벽 사이에 직접 형성되고 치아 형태의 원뿔 과립 결정이 형성되는 것과 같이 수행되는 비-공융 구조의 용접 이음.
  9. 제 8 항에 있어서,
    알루미늄 파이프는 볼록 글자로 새겨지는 비-공융 구조의 용접 이음.
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