단조 용접

Forge welding

단조 용접(FOW)은 또한 화재 용접이라고도 불리며, 두 개의 금속을 고온으로 가열하여 [2]함께 두드려 접합하는 고체 용접[1] 공정입니다.또한 금속을 가열하여 프레스 또는 기타 수단을 사용하여 강제함으로써 [3]용접 표면에 소성 변형을 일으킬 수 있는 충분한 압력을 생성할 수도 있습니다.이 과정은 금속을 결합하는 가장 간단한 방법 중 하나이며, 전통적인 대장장이의 주요 요소로서 고대부터 사용되어 왔습니다.단조 용접은 유사 금속과 이종 금속을 다수 결합할 수 있어 다용도입니다.산업혁명 중 전기용접과 가스용접방법의 발명으로 자동 단조용접은 일반적인 제조공정이지만 수동 단조용접은 대부분 대체되었습니다.

서론

단조용접은 금속을 일정 역치 이상으로 가열하여 용접면을 변형시킬 수 있는 충분한 압력으로 결합함으로써 금속 원자 사이에 금속 결합을 만드는 과정입니다.필요한 압력은 [4]합금의 온도, 강도 및 경도에 따라 달라집니다.단조 용접은 가장 오래된 용접 기술로 고대부터 사용되어 왔습니다.

용접 프로세스는 일반적으로 융접과 확산 용접의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.융접에는 용접 인터페이스에서 금속이 국소적으로 용해되는 과정이 포함되며, 전기 또는 가스 용접 기법에 일반적으로 사용됩니다.따라서 열이 용접에서 열전도하기 전에 국소 용융을 유발하기 위해 금속의 융점보다 훨씬 높은 온도가 요구되며, 표면 장력이 높아 용접이 분리되지 않도록 하기 위해 필러 금속이 사용되는 경우가 많습니다.확산 용접은 금속을 녹이지 않고 접합하여 고체 [5]상태에서 표면을 용접하는 것으로 구성됩니다.

확산 용접에서 열원은 종종 금속의 융점보다 낮기 때문에 더 균일한 열 분배가 가능하므로 용접 시 열 응력이 감소합니다.이 방법에서는 일반적으로 필러 금속을 사용하지 않지만 용접은 용접 인터페이스의 금속 사이에서 직접 발생합니다.여기에는 냉간 용접, 폭발 용접 및 단조 용접과 같은 방법이 포함됩니다.다른 확산 방법과는 달리 단조 용접에서는 금속을 서로 밀어내기 전에 고온으로 가열하여 일반적으로 용접 표면의 가소성을 높입니다.따라서 단조 용접은 일반적으로 구리나 [6]알루미늄과 같은 연질 금속에서 수행되는 냉간 확산 기술보다 더 다용도적입니다.

단조 용접에서는 용접 부위 전체가 고르게 가열됩니다.단조 용접은 강철 및 [7]티타늄과 같은 훨씬 더 광범위한 경질 금속 및 합금에 사용될 수 있습니다.

역사

일본 가타나를 만들 때 쓰던 스펀지 다리미.

금속 결합의 역사는 청동기 시대로 거슬러 올라가며, 청동기 시대에는 다양한 경도의 청동들이 주조로 결합되었다.이 방법은 금형에 포함된 녹은 금속에 단단한 부분을 넣고 칼날처럼 손잡이에 꽂힌 금속이나 화살촉의 탱과 같은 두 금속을 실제로 녹이지 않고 단단하게 만드는 방식이었다.청동기 [8]시대에는 납땜과 납땜도 흔했습니다.

용접(확산을 통해 두 개의 고체 부품을 접합)하는 작업은 철에서 시작되었습니다.첫 번째 용접 과정은 단조 용접으로, 인간이 철광석으로부터 철을 제련하는 법을 배웠을 때 시작되었다; 아마도 기원전 1800년 경 아나톨리아 (터키)에서.고대인들은 철을 완전히 녹일 만큼 높은 온도를 만들 수 없었기 때문에, 철을 제련하는 데 사용된 블로머리 공정은 소량의 슬래그와 다른 불순물과 함께 소결된 철 알갱이 덩어리를 만들어 냈는데, 다공성 때문에 스펀지 철이라고 불렸습니다.

용융 후 스펀지 다리미를 용접 온도 이상으로 가열하여 망치로 두드리거나 "손질"해야 했습니다.이는 공기 주머니와 용융 슬래그를 짜내 철 입자를 밀착시켜 고체 블록(빌릿)을 형성했습니다.

고고학자들은 기원전 1000년 이전부터 단조 용접의 증거를 보여주는 연철로 만들어진 많은 물품들을 발견했다.일반적으로 철은 소량으로 만들어졌기 때문에 델리 필러와 같은 큰 물체는 작은 빌렛으로 [9][10]단조 용접해야 했습니다.

단조 용접은 시행착오 방식에서 발전하여 [11]수세기에 걸쳐 더욱 정교해졌습니다.고대 금속의 품질이 낮았기 때문에 변형에는 저항하지만 쉽게 부서지는 저탄소강과 단합금보다 더 강한 인성과 강도를 가진 저탄소강을 접합하여 복합강을 만드는 데 일반적으로 사용되었습니다.이 패턴 용접 방법은 기원전 700년경에 처음 등장했고 주로 칼과 같은 무기를 만드는 데 사용되었습니다. 가장 널리 알려진 예는 다마신,[12][13] 일본, 메로빙거입니다.이 과정은 또한 강철 가장자리가 있는 연철 쟁기부터 강철 절단면이 [12]있는 철제 끌까지 공구 제조에서도 일반적이었습니다.

자재

많은 금속을 단조 용접할 수 있으며, 가장 일반적인 금속은 고탄소강과 저탄소강입니다.철 및 일부 저공정 주철도 단조 용접할 수 있습니다.일부 알루미늄 합금은 단조 [14]용접할 수도 있습니다.구리, 청동 및 황동과 같은 금속은 쉽게 용접되지 않습니다.구리 기반 합금을 단조하는 것은 가능하지만 가열 [15]중에 구리가 산소를 흡수하는 경향 때문에 종종 매우 어렵습니다.구리와 그 합금은 보통 냉간 용접, 폭발 용접 또는 기타 압력 용접 기술과 더 잘 결합됩니다.철 또는 강철의 경우, 소량의 구리라도 존재하면 합금의 [16][17]단조 능력이 심각하게 저하됩니다.

티타늄 합금은 일반적으로 단조 용접됩니다.녹을 때 산소를 흡수하는 티타늄의 성향 때문에 단조 용접의 고체 확산 결합은 금속이 [18]액화된 융접보다 더 강한 경우가 많습니다.

유사한 재료 간의 단조 용접은 고체 확산에 의해 발생합니다.따라서 필러나 브리징 재료 없이 용접 재료로만 구성된 용접이 이루어집니다.이종 재료 간의 단조 용접은 재료 간의 낮은 용융 온도 공정의 형성에 의해 발생합니다.이 때문에 용접이 개별 금속보다 강한 경우가 많습니다.

과정

기계식 트립 해머.

가장 잘 알려진 가장 오래된 단조 용접 프로세스는 수동 해머링 방식입니다.수동 해머링은 금속을 적절한 온도로 가열하고 플럭스로 코팅한 후 용접면을 겹친 다음 핸드헬드 해머로 조인트를 반복적으로 두드리는 방식으로 이루어집니다.이 조인트는 종종 표면을 비스듬히 구부리거나 약간 둥글게 만들어 플럭스를 밀어내기 위해 연속적으로 바깥쪽으로 두드려 플럭스를 짜냅니다.해머 타격은 일반적으로 성형에 사용되는 것만큼 단단하지 않기 때문에 첫 타격 시 조인트에서 플럭스가 분출되는 것을 방지합니다.

기계 해머가 개발되었을 때, 단조 용접은 금속을 가열하여 기계화된 해머와 앤빌 사이에 배치함으로써 이루어질 수 있었습니다.원래 물레방아로 구동되는 현대의 기계식 망치는 압축 공기, 전기, 증기, 가스 엔진, 그리고 많은 다른 방법으로도 작동할 수 있습니다.또 다른 방법은 금형을 사용한 단조 용접입니다. 반면 금속 조각은 가열된 후 금형으로 압입됩니다. 이 두 가지 방법은 용접에 압력을 제공하고 조인트를 완성된 형태로 유지합니다.롤 용접은 가열된 금속을 겹쳐서 롤러를 고압으로 통과시켜 [19][20]용접을 만드는 또 다른 단조 용접 프로세스입니다.

현대의 단조 용접은 컴퓨터, 기계 및 정교한 유압 프레스를 사용하여 다양한 [21]합금으로부터 다양한 제품을 생산하기 위해 자동화되는 경우가 많습니다.예를 들어, 강철 파이프는 제조 공정 중에 단조 용접되는 경우가 많습니다.평탄한 소재는 가열되어 특수 형태의 롤러를 통해 공급되며, 둘 다 강철을 튜브로 형성하는 동시에 가장자리를 용접하여 연속된 [22]심으로 만드는 압력을 제공합니다.

확산 결합은 항공우주 산업에서 티타늄 합금을 단조하기 위한 일반적인 방법입니다.이 과정에서 금속은 프레스 또는 다이 중에 가열됩니다.합금에 따라 달라지는 특정 임계 온도를 넘어서면 불순물이 연소되어 표면이 함께 [23]강제됩니다.

다른 방법으로는 플래시 용접과 타진 용접이 있습니다.이러한 저항 단조 용접 기법은 프레스 또는 다이가 전기화되어 합금을 통해 높은 전류를 [24]흘려 용접에 필요한 열을 생성하는 것입니다.차폐 활성 가스 단조 용접은 산소 반응 환경에서 단조 용접을 통해 산화물을 연소시켜 수소 가스 및 유도 [25]가열하는 과정입니다.

온도

용접을 단조하는 데 필요한 온도는 일반적으로 용해 [26]온도의 50~90%입니다.철은 동소체가 감마 철(면 중심 입방체)에서 델타 철(체 중심 입방체)로 변하는 임계 온도(A4 온도)를 초과할 때 용접할 수 있습니다.임계 온도는 탄소 등의 합금제의 영향을 받기 때문에 철보다 낮은 온도 범위에서 강철 용접이 이루어집니다.강철의 탄소함유량이 증가함에 따라 용접온도범위가 [27]선형적으로 감소한다.

탄소 함량이 용접 범위가 겹칠 정도로 충분히 가깝다면 철, 다른 강철, 심지어 주철도 서로 용접할 수 있습니다.순수 철은 거의 흰색으로 뜨거울 때 용접할 수 있습니다. 즉, 2,500°F(1,400°C)에서 2,700°F(1,500°C) 사이입니다.탄소 함량이 2.0%인 강철은 주황색-황색일 때 1,700°F(900°C)와 2,000°F(1,100°C) 사이에서 용접할 수 있습니다.탄소 0.2~0.8%의 일반 강철은 일반적으로 밝은 노란색 [28]열로 용접됩니다.

단조 용접의 주요 요건은 두 용접 표면이 너무 식기 전에 동일한 온도로 가열되고 용접되어야 한다는 것입니다.강철은 적정 온도에 도달하면 매우 쉽게 용접되기 때문에 동일한 온도로 가열된 얇은 막대나 못이 처음 접촉할 때 고착되는 경향이 있으므로 구부러지거나 비틀려 느슨해져야 합니다.철이나 강철이 충분히 뜨거운지 구별하는 가장 간단한 방법 중 하나는 자석을 붙이는 것이다.철이 A 임계2 온도를 통과할 때, 그것은 감마 철이라고 불리는 동소체로 변한다.이 경우, 강철 또는 철은 [29]비자성 상태가 됩니다.

강철에서 탄소는 A 온도에서3 감마 철과 혼합되어 오스테나이트라고 불리는 고체 용액을 형성합니다.임계온도 A를4 넘으면 자성을 띠는 델타철로 변한다.따라서 대장장이는 자석을 금속과 접촉시켜 용접 온도에 도달한 시점을 알 수 있습니다.빨간색 또는 주황색으로 뜨거울 때는 자석이 금속에 부착되지 않지만 용접 온도가 교차하면 자석이 다시 금속에 부착됩니다.강철은 용접 온도에서 광택 또는 습한 외관을 띠며, 때로는 "용융 버터의 외관"으로 표현되기도 합니다(결정 변화가 빛을 생성하기 위해 에너지를 소모하기 때문에 나타나고 사라지는 어두운 줄무늬로 인해 발생하는 착시 현상).빠른 산화(연소)로 인해 스파크가 발생할 정도로 금속이 과열되지 않도록 주의해야 합니다. 그렇지 않으면 용접이 불량하고 부서지기 [30]쉽습니다.

탈탄

강철이 오스테닝 온도로 가열되면 탄소는 철을 통해 확산되기 시작합니다.온도가 높을수록 확산 속도가 높아집니다.이러한 고온에서 탄소는 산소와 쉽게 결합해 이산화탄소를 형성하기 때문에 탄소는 강철에서 주변 공기로 쉽게 확산될 수 있다.대장장이 작업이 끝나면 강철은 가열 전보다 탄소 함량이 낮아집니다.따라서 대부분의 대장간 작업은 탈탄량을 줄이기 위해 가능한 한 신속하게 이루어지며, 강철이 너무 부드러워지는 것을 방지합니다.

완제품에서 적절한 양의 경도를 생산하기 위해 일반적으로 원하는 것보다 탄소 함량이 높은 강철로 시작합니다.고대에 단조는 보통 사용하기에는 탄소 함량이 너무 높은 강철로 종종 시작되었다.대부분의 고대 단조 용접은 탄소 함량이 1.0%를 훨씬 넘는 초페레텍토이드강에서 시작되었습니다.초경량강은 일반적으로 너무 약해서 완제품에 유용하지 않지만, 단조가 끝날 무렵에는 일반적으로 0.8%(공구강)에서 0.5%(하이포에우텍토이드 스프링강)[31]의 탄소 함량이 높았다.

적용들

단조 용접은 역사적으로 강철과 철로 된 대부분의 항목을 만드는 데 사용되어 왔습니다.그것은 도구, 농기구, 조리도구 제조에서부터 울타리, 문, 감옥의 제조에 이르기까지 모든 분야에서 사용되어 왔다.산업혁명 초기에는 융접이 도입되기 전까지 보일러와 압력용기의 제조에 일반적으로 사용되었습니다.그것은 중세 시대 내내 갑옷과 무기를 만드는 데 일반적으로 사용되었다.

단조 용접의 가장 유명한 용도 중 하나는 패턴 용접된 블레이드의 생산입니다.이 과정에서 대장장이는 강철 빌렛을 반복적으로 꺼내고, 다시 접은 후 스스로 [32]용접합니다.또 다른 응용 분야는 산탄총 배럴 제조였다.금속 와이어는 맨드렐에 감긴 후 얇고 균일하며 튼튼한 통으로 단조되었다.경우에 따라서는 단조용접물체가 산에 식각되어 금속의 밑바탕 패턴을 드러내기도 합니다.이것은 각 품목마다 독특하고 심미적인 매력을 줍니다.

단조 용접의 다양성에도 불구하고 단조 용접에는 많은 제한이 있었습니다.주요 제한 사항은 단조 용접이 가능한 물체의 크기였습니다.물체가 클수록 더 큰 열원이 필요했고, 크기가 너무 커지기 전에 수동으로 용접할 수 있는 능력이 감소했습니다.강철판이나 거더와 같은 큰 물건을 용접하는 것은 융접이 발명되기 전까지는 불가능하거나 적어도 매우 실용적이지 않았으며, 대신 리벳을 고정해야 했습니다.경우에 따라서는 보일러 건설과 같이 융접을 통해 훨씬 더 강한 용접이 이루어지기도 했습니다.

플럭스

단조 용접은 용접 표면이 매우 깨끗해야 하며, 그렇지 않으면 금속이 제대로 접합되지 않습니다.산화물은 표면에 형성되는 경향이 있는 반면, 인이나 유황과 같은 불순물은 표면으로 이동하는 경향이 있다.용접 표면이 산화되는 것을 방지하고 용접 품질이 저하될 수 있으며 금속에서 다른 불순물을 추출하기 위해 플럭스가 사용되는 경우가 많습니다.플럭스는 산화물과 혼합되어 녹는 온도와 산화물의 점도를 낮춥니다.이렇게 하면 두 조각이 서로 부딪힐 때 산화물이 조인트에서 흘러나올 수 있습니다.붕사로 간단한 플럭스를 만들 수 있으며, 때로는 분말 철필링을 [33]추가하기도 합니다.

단조 용접에 사용된 가장 오래된 플럭스는 미세한 실리카 모래였습니다.철 또는 강철은 단조의 석탄 내에서 환원 환경에서 가열됩니다.산소가 없는 이 금속은 표면에 우스타이트라고 불리는 산화철 층을 형성합니다.금속이 충분히 뜨겁지만 용접 온도보다 낮으면 대장장이는 금속에 모래를 뿌립니다.모래 속의 실리콘은 유스타이트와 반응하여 페야라이트를 형성하고, 페야라이트는 용접 온도 바로 아래에서 녹습니다.이것은 매우 효과적인 플럭스를 만들어 내므로 [34]강한 용접을 할 수 있었습니다.

플럭스의 초기 예는 다양한 조합과 다양한 양의 철 충전재, 붕사, 살암모니아, 코피바의 발삼, 칼륨의 시안화물 및 인산소다를 사용했습니다.1920년판 Scientific American book of facts and formulae에는 구리, 소금, 일반 소금, 망간의 검은 산화물, 칼륨의 프러스레이트, 그리고 "멋진 용접 모래" (실리케이트)를 사용하는 것으로 자주 제공되는 영업 비밀이 나와 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Shirzadi, Amir, Diffusion Bonding, archived from the original on 2013-09-01, retrieved 2010-02-12.
  2. ^ Nauman, Dan (2004), "Forge welding" (PDF), Hammer's Blow: 10–15, archived from the original (PDF) on 2016-03-03, retrieved 2010-02-12.
  3. ^ 생산 테크놀로지(제조 프로세스): PC 샤르마에 의한 제조 프로세스 -- S. Chand & Co. 2014 페이지 369
  4. ^ 생산 테크놀로지(제조 프로세스): PC 샤르마에 의한 제조 프로세스 -- S. Chand & Co. 2014 페이지 369
  5. ^ 엔지니어링 도면 매뉴얼: Colin H. Simmons, Dennis E에 의한 영국 및 국제 표준에 대한 기술 제품 사양 및 문서.Maguire -- Elsevier 2009 233 페이지
  6. ^ 엔지니어링 도면 매뉴얼: Colin H. Simmons, Dennis E에 의한 영국 및 국제 표준에 대한 기술 제품 사양 및 문서.Maguire -- Elsevier 2009 233 페이지
  7. ^ 엔지니어링 도면 매뉴얼: Colin H. Simmons, Dennis E에 의한 영국 및 국제 표준에 대한 기술 제품 사양 및 문서.Maguire -- Elsevier 2009 233 페이지
  8. ^ R. L. Apps의 용접 및 브레이징 소개, D. R. Milner -- Pergamon Press 1994 페이지 x1
  9. ^ Richard Lofting의 용접 -- Crowood Press 2013 페이지 1
  10. ^ 인류의 역사: B.C. 7세기부터 A.D. 7세기까지 지그프리드 J. 드 라에 의해, 요아힘 헤르만-루트리지 1996년 36-37페이지
  11. ^ R. L. Apps에 의한 용접 및 브레이징 소개, D. R. Milner -- Pergamon Press 1994 페이지 xi
  12. ^ a b Hans Berns에 의한 경화의 역사 - Harterei Gerster AG 2013 Page 48-49
  13. ^ 시릴 스탠리 스미스의 금속학의 역사 - MIT Press 1960 3페이지 - 5
  14. ^ 용접 원리: Robert W의 프로세스, 물리, 화학 및 야금.Messler, Jr. -- Wiley VCH 2008 102 페이지
  15. ^ 구리개발협회에 의한 CDA 간행물 12호 - CDA 1951 페이지 40
  16. ^ 합금: Joseph R. Davis의 기초에 대하여 - ASM International 2001 139 페이지
  17. ^ 재료와 구조물의 결합: 실용적인 프로세스에서 Robert W에 의한 활성화로Messler -- Elsevier 2004 333 페이지
  18. ^ 티타늄: 테크니컬 가이드, Matthew J. Donachie 제2판 - ASM International 2000 76 페이지
  19. ^ K. C. John의 금속 주조 및 결합 -- PHI Learning 2015 392 페이지
  20. ^ New Edge of the Anvil: Jack Andrews의 대장장이를 위한 자원책 - Shipjack Press 1994 93-96 페이지
  21. ^ 참가: Flake C의 기본에 대해서Campbell ASM International 2011 페이지 144-145
  22. ^ 용접 제작 및 수리: Frank M. Marlow에 의한 질의응답 - 2002년 산업신문 43페이지
  23. ^ 티타늄: 테크니컬 가이드, Matthew J. Donachie 제2판 - ASM International 2000 76 페이지
  24. ^ 티타늄: 테크니컬 가이드, Matthew J. Donachie 제2판 - ASM International 2000 76 페이지
  25. ^ Andrew Clennel Palmer, Roger A의 해저 파이프라인 엔지니어링.킹 -- PenWell 2008 페이지 158
  26. ^ 티타늄: 테크니컬 가이드, Matthew J. Donachie 제2판 - ASM International 2000 76 페이지
  27. ^ New Edge of the Anvil: Jack Andrews의 대장장이를 위한 자원책 - Shipjack Press 1994 93-96 페이지
  28. ^ New Edge of the Anvil: Jack Andrews의 대장장이를 위한 자원책 - Shipjack Press 1994 93-96 페이지
  29. ^ New Edge of the Anvil: Jack Andrews의 대장장이를 위한 자원책 - Shipjack Press 1994 93-96 페이지
  30. ^ New Edge of the Anvil: Jack Andrews의 대장장이를 위한 자원책 - Shipjack Press 1994 93-96 페이지
  31. ^ Hans Berns에 의한 경화의 역사 - Harterei Gerster AG 2013 Page 48-49
  32. ^ Maryon, Herbert (1948). "A Sword of the Nydam Type from Ely Fields Farm, near Ely". Proceedings of the Cambridge Antiquarian Society. XLI: 73–76. doi:10.5284/1034398.
  33. ^ Murray Carter에 의한 블레이드 스미싱: Murray Carter에 의한 전통적인 기술의 현대적인 응용 - F+W Media 2011 페이지 40
  34. ^ Vagn Fabritius Buchwald의 고대 철과 강철 - Det Kongelige Danske Videnskabes Selskab 2005 페이지 65