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문제 정의
- 5V 튜브를 이용하여 SHF/DB 공정을 적용하여 T-형 구조물을 제작하는 실험을 수행하였다. 이 실험에서 얻은 T-형 구조물의 접합부의 분석을 수행하여 초소성 하이드로포밍을 위한 온도, 성형에 소요되는 시간과 필요한 확장성형의 범위와 압력, 확산접합에 필요한 온도, 압력, 시간에 대한 조건을 파악하고자 하였다. 접합의 품질도 접합부의 미세조직 분석으로 확인하고자 하였다.
- 이 실험에서 얻은 T-형 구조물의 접합부의 분석을 수행하여 초소성 하이드로포밍을 위한 온도, 성형에 소요되는 시간과 필요한 확장성형의 범위와 압력, 확산접합에 필요한 온도, 압력, 시간에 대한 조건을 파악하고자 하였다. 접합의 품질도 접합부의 미세조직 분석으로 확인하고자 하였다.
- 1(c)). 칸막이와 접촉이 시작되면서 DB 공정은 시작되며 공정의 종료 때까지 SHF와 DB 공정은 연속적으로 함께 진행되는 것이 본 기술의 특징이다. SHF/DB가 수행되는 온도는 870℃이며, 최대 가스 압력은 약 30 bar, 공정 시간은 150~200 min 범위로 수행되었다.
제안 방법
- 2. 두 튜브의 접합에 필요한 최초 접촉 부위는 확장변형(bulging)의 가운데 부위, 즉 본 실험의 경우 칸막이 중심 부위였으며 이후 확장변형과 확산에 의한 접합이 칸막이 면을 따라 동시에 진행되었다. 마지막으로 칸막이의 가장자리, 단면으로는 모서리 부위가 접합되는데 여기서 접합 결함이 쉽게 발생함이 확인되었다.
- 튜브-I의 SHF에 필요한 압력은 질소 주입으로 이루어지며 10bar, 20bar, 30bar로 단계적으로 증가시켰다. SHF/DB에 의해 제조된 T형 구조물은 절단하여 전체 접합부의 단면, 특히 전체 접합 부위의 관찰을 통해 분석하였다. 접합부 전체의 관찰을 위해 경면연마와 저배율 관학현미경이 사용되었다.
- 6. The SEM micrographs at different locations of the bonding interface of two Ti-3Al-2.5V tubes processed by SHF/DB showing the development of the bonding processes as shown in the schematics.
- 튜브 성형온도를 위한 가열은 먼저 금형을 가열하여 목표 온도에 도달하도록 하고 열전대를 이용하여 공정이 진행되는 동안 성형온도가 유지되도록 금형온도를 제어하였다. 금형이 가열되는 동안 질소주입을 통해 튜브의 산화를 방지하도록 하였다. Ti-3Al-2.
- 두 개의 직선형 Ti-3Al-2.5V 튜브를 이용한 T형접합 구조물의 제조에 초소성 하이드로포밍(SHF)과 확산접합(DB)의 연속 및 동시 공정을 활용하였고, 구조물 접합부 단면 부위의 관찰 및 분석을 통하여 접합 공정 과정과 접합부 계면의 특성을 현상학적으로 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한 초소성 성형을 위해 튜브의 하이드로포밍 기술을 적용하였다. 따라서 기존의 기술인 SPF/DB와 구별하도록 본 논문에서는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, 이하 SHF)과 확산접합(diffusion bonding, 이하 DB)의 연속 또는 동시 공정으로 SHF/DB로 명명하였다. 자전거 적용을 위한 기초 연구로써 두 개의 직선형 Ti-3Al-2.
- 사진에서 I로 표시된 부분은 튜브-I이며, II로 표시한 부분은 튜브-II(①~③)와 칸막이(④~⑥)이다. 변형률 값은 에칭 상태에서 구별되는 튜브-I의 이미지를 얻은 후에 해당 부위의 두께 측정값에서 2 mm의 초기 두께로부터의 감소율을 계산하여 얻은 것이며, 성형품의 변형률을 상대적으로 비교하기 위한 간접적인 측정값으로 사용하였다. ①~⑤의 II부위의 조직은 온도가 β상 영역임을 보여준다.
- 본 연구에서는 두 개의 직선형 튜브를 사용하여 SHF/DB 공정을 통해 하나의 T-형 구조물로 제조하고, 접합된 구조물의 접합부의 상태를 현상학적으로 분석하였다. 사용된 튜브 두 개는 모두 Ti-3Al-2.
- 본 연구에서는 튜브 형태의 Ti-3Al-2.5V 소재를 초소성 조건에서 하이드로포밍 공정을 이용하여 확장 변형(bulging) 시키면서 동시에 확산접합을 수행하였다. 위에 언급한 항공우주 분야의 샌드위치 또는 벌집 구조물 제작에 활용되는 초소성성형/확산접합 공정은 1단계에서 초소성 성형으로 확장변형을 완료시킨 후에 2단계로 확산접합을 수행하는 불연속 공정이라 한다면, 본 연구에서는 초소성 성형과 확산접합이 연속적으로 그리고 대부분의 공정에서 동시에 수행되도록 하는 것이 차별성이다.
- 따라서 기존의 기술인 SPF/DB와 구별하도록 본 논문에서는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, 이하 SHF)과 확산접합(diffusion bonding, 이하 DB)의 연속 또는 동시 공정으로 SHF/DB로 명명하였다. 자전거 적용을 위한 기초 연구로써 두 개의 직선형 Ti-3Al-2.5V 튜브를 이용하여 SHF/DB 공정을 적용하여 T-형 구조물을 제작하는 실험을 수행하였다. 이 실험에서 얻은 T-형 구조물의 접합부의 분석을 수행하여 초소성 하이드로포밍을 위한 온도, 성형에 소요되는 시간과 필요한 확장성형의 범위와 압력, 확산접합에 필요한 온도, 압력, 시간에 대한 조건을 파악하고자 하였다.
- 접합부 전체의 관찰을 위해 경면연마와 저배율 관학현미경이 사용되었다. 전체 접합면의 관찰 후에 선택된 부위에 대해 접합계면의 미세조직을 광학현미경과 SEM을이용하여 분석하였다.
- 5V 합금으로 되어 있다. 초소성 하이드로포밍을 통해 다른 튜브(이하 튜브-II)와의 확산접합에 사용될 확장(bulging)성형 양을 제공할 하나의 튜브를 튜브-I으로 구별하였다. 튜브-I은 외경 39mm, 두께 2mm인 튜브의 양쪽 면을 동일한 소재의 판재로 용접하여 밀폐하였으며, 밀폐된 튜브-I의 한쪽 끝에는 SHF에 필요한 가스압력을 가하도록 소형관이 연결되게 하였다.
- 5V의 초소성 성형 온도인 870℃를 유지되도록 한 후에 SHF/DB 공정이 수행되었다. 튜브 성형온도를 위한 가열은 먼저 금형을 가열하여 목표 온도에 도달하도록 하고 열전대를 이용하여 공정이 진행되는 동안 성형온도가 유지되도록 금형온도를 제어하였다. 금형이 가열되는 동안 질소주입을 통해 튜브의 산화를 방지하도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 두 개의 직선형 튜브를 사용하여 SHF/DB 공정을 통해 하나의 T-형 구조물로 제조하고, 접합된 구조물의 접합부의 상태를 현상학적으로 분석하였다. 사용된 튜브 두 개는 모두 Ti-3Al-2.5V 합금으로 되어 있다. 초소성 하이드로포밍을 통해 다른 튜브(이하 튜브-II)와의 확산접합에 사용될 확장(bulging)성형 양을 제공할 하나의 튜브를 튜브-I으로 구별하였다.
이론/모형
- 위에 언급한 항공우주 분야의 샌드위치 또는 벌집 구조물 제작에 활용되는 초소성성형/확산접합 공정은 1단계에서 초소성 성형으로 확장변형을 완료시킨 후에 2단계로 확산접합을 수행하는 불연속 공정이라 한다면, 본 연구에서는 초소성 성형과 확산접합이 연속적으로 그리고 대부분의 공정에서 동시에 수행되도록 하는 것이 차별성이다. 또한 초소성 성형을 위해 튜브의 하이드로포밍 기술을 적용하였다. 따라서 기존의 기술인 SPF/DB와 구별하도록 본 논문에서는 초소성 하이드로포밍(superplastic hydroforming, 이하 SHF)과 확산접합(diffusion bonding, 이하 DB)의 연속 또는 동시 공정으로 SHF/DB로 명명하였다.
성능/효과
- 1. 접합에 필요한 변형은 하나의 튜브에서 초소성 하이드로포밍에 의한 확장변형(bulging)으로 얻어졌다. 확장변형이 진행되며 다른 튜브와의 접촉되고 확산에 의한 접합이 이루어지는 진행 과정을 단면의 관찰을 통해 확인할 수 있었다.
- 3. 관찰된 SHF/DB 접합 단면에서 최대 변형률은 870%로 측정되었고 칸막이 부위전체에서 측정된 변형률은 400~870% 였으며, 측면의 모서리부와 아래 쪽의 접합 결함이 발생된 부위의 변형률은 200% 정도로 나타났다.
- 4. SHF/DB의 공정 온도와 소요시간은 각각 870℃와 약 3시간이었다. 관찰된 단면부의 전체에서 변형률의 차이와 접합시간의 차이에도 불구하고 미세조직은 균일하였으며, 입자의 크기는 9.
- 5. 접합부의 관찰을 통해 SHF/DB 공정 수행에 필요한 적절한 공정 조건을 파악하는 것이 가능하였다.
- SHF/DB의 공정 온도와 소요시간은 각각 870℃와 약 3시간이었다. 관찰된 단면부의 전체에서 변형률의 차이와 접합시간의 차이에도 불구하고 미세조직은 균일하였으며, 입자의 크기는 9.2에서 9.5 μm의 범위로 거의 균일한 것으로 측정되었다. 이는 전체의 공정에서 초소성 성형 조건이 잘 유지되었음을 확인해 주었다.
- 이는 전체의 공정에서 초소성 성형 조건이 잘 유지되었음을 확인해 주었다. 또한 접합 단면에서 문헌에서 알려진 확산접합이 진행되는 모든 단계의 미세조직 상태를 관찰하는 것이 SEM 조직 관찰로 확인되었다.
- 두 튜브의 접합에 필요한 최초 접촉 부위는 확장변형(bulging)의 가운데 부위, 즉 본 실험의 경우 칸막이 중심 부위였으며 이후 확장변형과 확산에 의한 접합이 칸막이 면을 따라 동시에 진행되었다. 마지막으로 칸막이의 가장자리, 단면으로는 모서리 부위가 접합되는데 여기서 접합 결함이 쉽게 발생함이 확인되었다.
- 변형률 값을 보면, 칸막이 부위에서의 튜브-I의 변형량이 가장 크게 나타났다. 마지막에 변형되는 모서리(④)가 상대적으로 적은 이유는 칸막이 배압 조절의 이상으로 칸막이 부위에 대한 변형량이 많았기 때문으로 판단된다.
- 여기에서 필요한 추가적인 확장변형은 변형량의 급격한 증가를 위한 압력이 요구되기도 하지만, 압력 증가의 필요성은 이미 접합된 부위는 변형량이 적기 때문에 모서리를 채우기 위한 곡률은 점점 작아지며, 모서리 곡률이 작아질수록 소요되는 압력은 크게 증가된다. 본 실험에서 모서리를 채우는 확장변형에 필요한 질소의 압력은 870℃의 온도 조건에서 약 30 bar가 적정한 것으로 실험되었다.
- 칸막이의 위치를 고정하도록 배압을 적절히 제어했을 경우 최대 변형률은 ④부위 근처에서 발생하는 것이 예상된다. 수백%의 변형률 값은 본 연구의 SHF/DB 공정이 전형적인 초소성 조건에서 진행되었음을 말해준다. 결정립 크기의 값과 결정립의 형상은 모든 성형 부위에서 균일하게 유지되고 있다는 것과 초소성 조건이 공정 기간 중에 잘 유지되고 있었음을 말해준다.
- 따라서 870 ℃에서 수행하는 본 공정에는 산화피막으로 인한 영향은 공정 기술 측면에서는 무시할 수 있다. 종합적으로 본 논문에서 제시한 870℃ 의 온도와 30bar의 압력 및 3시간 정도의 공정조건에서 재료의 결정립과 같은 미세조직은 초소성 성형 조건이 유지되고 있음을 확인해준다.
- 접합에 필요한 변형은 하나의 튜브에서 초소성 하이드로포밍에 의한 확장변형(bulging)으로 얻어졌다. 확장변형이 진행되며 다른 튜브와의 접촉되고 확산에 의한 접합이 이루어지는 진행 과정을 단면의 관찰을 통해 확인할 수 있었다.
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