이종금속 접합을 위한 전자기 펄스 용접 장치 개발에 관한 연구
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제3회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
이종금속 접합 전자기 펄스용접장치 개발에 관한 연구

한국생산기술연구원 심지연, 강봉용, 강문진, 김인주
목포대학교 기계선박해양공학부 김일수
웰메이트㈜ 박동환
1. 서론
최근 자동차 산업 등에 있어 에너지 절감을 위해 경량화에 대한 필요성이 증대되고 있다.
이에 따른 경량소재(알루미늄, 마그네슘 등)의 적용이 확대되어 가고 있음에 따라, 새로운 가공 공정(이종금속 및 난성형재)으로서 High Velocity Technology 개발에 대한 관심이 집중되면서 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
High Velocity Technology의 한 분야인 전자기 펄스 용접 공정은 충전한 전류를 코일을 통해 방전하여 전류가 도체 내로 유입되어 코일과 전도체 사이에 형성된 자기장의 상호 작용으로 발생되는 전자기력으로 접합하는 기술을 말한다. (그림 1. 전자기 펄스 용접 공정의 원리 참조)
전자기 펄스 용접 공정은 관형 부품의 접합에 이용되고 있으며, 이스라엘 펄스 사 및 미국 다나 사가 주도적으로 자기 펄스 용접 장치를 개발하여 공정에 적용했으나, 국내의 경우 이러한 기술을 산업 현장에 적용한 예는 전무한 실정으로, 장비 개발도 전혀 이루어지지 않아 공정에 적용하기 위해서는 고가의 장치를 수입할 수 없는 실정이었다.
따라서 국내 자기 펄스 용접 기술의 확산과 보다 효과적인 동종 및 이종 금속 접합을 위한 국산 장비의 보급을 위한 실용화 장비의 개발이 절실한 상황이었다.



2. 전자기 펄스 용접 장치의 개발
(1) 전자기 발생 전원장치
전자기 발생 전원장치의 하부에 Capacitor와 Ignitron을 설치했으며, 전면 패널부에는 주 전원 스위치, 전압 충전 On/Off 스위치, 충전 전압 설정 다이얼 및 버튼, 충전 전압 표시부와 전류 표시부로 구성했다. (그림 2. 전자기 발생 전원장치 구성 참조)

전면 패널 뒤쪽으로 고전압 전원 공급 장치, 전압 충전 회로, 전압 검출 회로, 과전압 검출 회로와 Safety-dump 회로로 구성되어 있는 유닛을 내장했으며, Capacitor 뱅크는 장비의 하단에 위치해 두었다.

각 120㎌의 Capacity를 갖는 Capacitor가 각각 7개씩 2세트가 장착되어 있어 최대 10㎸까지 충전 가능하며, 각각의 Capacitor 뱅크는 고전압 전원 공급 장치로부터 전기에너지를 받아 최대 84kJ의 용접 용량이 가능하다.
Ignitron 스위치를 통해 Capacitor 뱅크에 저장된 에너지는 펄스 전류로 되어 코일로 전달한다. (그림 3. 전자기 펄스 용접 장비, 표 1. 전자기 펄스 용접 장치 사양 웰메이트㈜ 참조)

(2) 코일 및 지그 시스템
코일은 자기장에 의한 척력을 견뎌낼 수 있는 강도와 전기적 효율을 고려하여 설계했으며, 코일의 재료는 Beryllium Copper를 이용해 One Turn 및 Multi-Turn 코일, 각각의 지그 시스템을 개발했다.
(그림 4. 코일 및 지그 시스템 참조, 그림 5. One-turn 코일 참조, 그림 6. Multi-turn 코일 참조)



3. 전자기 펄스 용접 장치의 시험 평가
(1) Al 1070/Cu 1220 튜브 접합 계면 관찰
그림 7. 알루미늄과 구리의 이중 소재 접합 (* 주 - 캐패시터: 480㎌, 접합재 간 거리: 0.75㎜, 충전 전압: 8㎸) 참조

(2) 접합부 기계적 성질
① 수압 시험: 100kgf/㎠의 수압 하에서 10분간 유지시켰을 때 용접 부위 누수는 발생되지 않았으며, 수압의 지속 시 180kgf/㎠ 압력에서 용접부가 아닌 Al 모재에서 파열(그림 8. 수압 시험 결과 참조)
② 인장 시험: Cross Head Speed 1㎜/min의 조건으로 시험을 실시했으며, 최대 하중 789N에서 용접부가 아닌 Al 모재에서 파단(그림 9. 인장 시험 결과 참조)

4. 결론
전자기 발생 전원장치와 코일 및 지그 시스템으로 구성된 전자기 펄스 용접 장치를 개발하여 Al/Cu 튜브 접합 실험을 통해 개발된 장치가 이종금속 간 접합에 적정함을 확인했다.
향후 전자기 펄스 용접 장비는 이종 금속을 손쉽게 작동할 수 있는 장비로서 경량화 부품 및 우주 항공, 방위산업 현장에 바로 적용하여 친환경 공정을 통한 고품질 생산 및 생산성 향상에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

  • 문의처: 웰메이트㈜ Tel: 031-988-8100
  • 제3회부산국제공작기계,공구및금형가공설비산업전
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