KR20170094824A - 진공 확산접합장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 확산접합장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 접합소재가 적층되며 안착되는 고정다이가 형성된 챔버와 고정다이에 안착된 접합소재를 가압토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 가압부와 고정다이에 안착된 접합소재를 가열토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 가열부와 고정다이에 안착된 접합소재의 접촉면에 저항발열이 형성되도록, 상기 챔버와 연계되는 플라즈마 형성부 및 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록, 상기 챔버와 연계되는 진공화부를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 진공상태에서 가압력, 복사가열 및 저항발열에 의한 플라즈마 접합반응을 이용하여 적층소재를 효과적으로 접합할 수 있는 효과가 있다.

Description

진공 확산접합장치 및 방법{Vacuum diffusion inosculating apparatus and method}
본 발명은 진공 확산접합장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공상태에서 가압력, 복사가열 및 저항발열에 의한 플라즈마 접합반응을 이용하여 적층소재를 효과적으로 접합할 수 있는 진공 확산접합장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 고상접합은 기존의 용융용접과 달리 모재를 고체상태로 유지하면서 일체화하는 기술이다. 이 기술은 모재의 용융을 방지 또는 최대한 억제함으로써 모재가 가지고 있는 본래의 특성을 보존하고 접합부의 결함 발생을 최소화하여 일체화된 부품의 특성을 극대화할 수 있는 기술이다.
복합재료등 신금속소재의 개발과 첨단산업의 발달로 고상접합 기술이 크게 각광을 받고 발전하게 되었으며 이로 인해 기존의 용융용접기술로는 접합이 불가능한 소재, 복잡한 형상의 소재, 높은 품질 및 정밀성이 요구되는 소재 등의 접합이 가능하게 되었다.
이러한 고상접합 기술로는 마찰열을 이용하는 마찰접합, 원자의 확산현상을 응용한 확산접합(Diffusion Bonding) 등이 있다. 이 중에서 확산접합은 모재를 용융시키지 않을 정도의 고온에서 모재가 큰 소성변형을 일으키지 않는 정도의 정수압력을 가함으로써 고상상태에서 접합하는 방법이다.
도 1에는 종래 확산접합장치가 도시되어 있다. 도 1를 참고하면, 통상 진공을 이용한 확산접합장치(1)는 확산접합공정이 수행되는 챔버(2)가 배치되고, 챔버(2)의 내부에는 열교환기 코어 등의 접합소재가 안착되는 다이(4)가 배치된다. 이러한 다이(4)는 산업설비의 이동수단(3)에 의해 챔버(2) 내부로 장입되는 형태로 구성될 수 있다.
그리고 챔버(2)의 내부에는 발열체(5)가 배치될 수 있다. 발열체(5)는 다이(4)에 안착된 접합소재를 가열하여 접촉부에서 접합이 발생하도록 한다. 챔버(2)의 상부에는 유압실린더(7)의 로드에 연결된 램(ram;7a)가 배치되고, 접합소재를 가압하도록 제공된다.
작업자는 확산접합을 위해 먼저 다이(4)에 접합소재를 고정시키고, 챔버(2) 내부로 장입한다. 그리고 진공펌프(8)를 이용하여 밸브(8a)를 통해 챔버(2) 내부의 공기를 외부로 배출한다. 이후 유압실린더(7)를 가동하여 상부 램(7a)로 접합소재를 가압한 후, 발열체(5)를 가동하여 접촉면 접합을 일으킨다.
그런데 종래 이러한 확산접합장치는 복수 열전달 방식이어서 열 교환기 코어 등의 접합소재의 접합온도를 신속히 끌어 올리는데 제한이 있으며, 복사방식이므로 열전달 효율이 떨어지며, 열 교환기 코어 등의 접합소재의 중심부에서는 복사열이 상대적으로 약하게 전달되어 균일 가열이 용이하지 않은 문제가 있었다.
국내특허 등록번호: 제 10-1034858 호
본 발명은 상기와 같이 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 진공상태에서 가압력, 복사가열 및 저항발열에 의한 플라즈마 접합반응을 이용하여 적층소재를 효과적으로 접합할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 진공 확산접합장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 접합소재가 적층되며 안착되는 고정다이가 배치되는 챔버와 고정다이에 안착된 접합소재를 가압토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 가압부와 고정다이에 안착된 접합소재를 가열토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 가열부와 고정다이에 안착된 접합소재의 접촉면에 저항발열이 형성되도록, 상기 챔버와 연계되는 플라즈마 형성부 및 상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록, 상기 챔버와 연계되는 진공화부를 포함할 수 있다 .
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가압부는, 상기 고정다이의 상부에 배치되고, 접합소재에 부합되는 형상을 가진 가압판 및 상기 가압판과 연결되고, 상기 가압판을 상기 고정다이 방향으로 전진 또는 후진토록 제공되는 가압구동유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가열부는, 상기 챔버 내부에서 상기 고정다이의 주변부 둘레를 따라 배치되는 가열판 및 상기 가열판과 연결되고, 상기 가열판을 발열시키도록 제공되는 가열구동유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 플라즈마 형성부는, 접합소재의 접촉면에서 저항발열에 의한 스파크 현상을 이용하여 접합소재를 접합하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 플라즈마 형성부는, 상기 고정다이에 배치되고, 음극 또는 양극 중 어느 하나를 형성하는 제1 전극과 상기 가압판에 배치되고, 상기 제1 전극과 반대극으로 형성되는 제2 전극 및 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 전류를 공급하도록, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 연결되며 제공되는 전류공급유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 진공화부가 형성하는 상기 챔버 내부의 진공도는 10-4 Torr 이하로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 접합소재를 냉각토록, 상기 챔버와 연계되는 냉각부를 더 포함하되, 상기 냉각부는, 상기 챔버 내면에 복수개로 배치되는 분사노즐과 상기 분사노즐과 연결되고, 상기 분사노즐에 공기 또는 냉각수를 공급하는 냉각구동유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 접합소재의 실시간 온도를 측정토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 온도측정부를 더 포함하되, 상기 온도측정부는, 상기 챔버 내부에서 상기 고정다이에 인접하여 배치되는 복수의 열전대 및 상기 열전대와 연결되고, 상기 열전대의 신호를 통해 접합소재의 국부적 접합온도를 취합하는 온도검출유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 진공 확산접합방법에 있어서, 고정다이에 접합소재를 적층시키는 소재 적층단계와 고정다이에 적층된 접합소재를 챔버 내부로 장입하는 소재 장입단계와 고정다이에 적층된 접합소재를 가압하는 소재 가압단계와 챔버 내부를 진공상태로 형성하는 진공화단계와 고정다이에 적층된 접합소재를 가열하는 소재 가열단계 및 접합소재에 전류를 인가하여 접합소재의 접촉면에서 저항발열을 발생시켜 플라즈마 상태의 접합반응을 일으키는 플라즈마 처리단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 접합소재는 유로가 가공된 금속판재이고, 접합소재는 유로가 서로 교차되도록 적층되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 진공화단계는, 챔버 내부의 진공도를 10-4 Torr 이하로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 소재 가열단계는, 접합소재를 복사 가열 방식으로 가열할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 전류 인가단계 이후에, 챔버 내부에 공기를 분사하여 접합소재를 냉각하는 냉각단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 냉각단계는, 접합소재에 인가된 가압력이 유지된 상태에서 접합소재를 냉각하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 플라즈마 처리단계는, 접합소재의 접촉면에서 저항발열에 의한 스파크 현상을 이용하여 접합소재를 접합하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공상태를 형성하고 접합소재를 가압한 상태에서 복사가열하고, 동시에 전류 인가를 통해 접합소재의 접촉면에서 저항발열을 형성하여 플라즈마 상태에서의 접합반응을 유도함으로써, 종래에 비해 금속재질의 접합소재의 접합공정시간을 단축하고 접합력을 향상시킬 수 있다.
또한, 접합소재의 주변부 또는 내부에 열전대를 설치하여, 접합공정간에 접합소재가 균일한 온도에서 접합이 진행되고 있는지를 모니터링할 수 있다. 균일온도에서의 접합은 최종 접합제품의 국부적 품질 차이를 방지하고 품질의 일정성을 유지하는데 도움이 된다.
도 1은 종래 진공 확산접합장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명인 진공 확산접합장치를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명인 진공 확산접합방법을 나타낸 순서도.
도 4a 내지 도 4g는 도 2 및 도 3에 따른 공정과정을 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 진공 확산접합장치 및 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명인 진공 확산접합장치를 나타낸 개략도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명인 진공 확산접합장치의 실시예는 챔버(11), 가압부(20), 가열부(30), 플라즈마 형성부(40), 진공화부(50), 냉각부(70) 및 온도측정부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
우선 상기 챔버(11)는 밀폐된 공간이며, 그 내부에는 복수의 접합소재(13)가 적층되며 안착되는 고정다이(12)가 배치될 수 있다. 그리고 상기 챔버(11)의 일측에는 도면으로 도시하지는 않았으나, 도어가 장착될 수 있으며, 도어의 개폐를 통해 상기 고정다이(12)가 상기 챔버(11) 내부로 이동수단(14)에 의해 투입되거나 또는 배출될 수 있다. 이러한 이동수단(14)은 도면으로 도시하지는 않았으나, 일반적인 이동장치의 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어 이동방향을 안내하는 리니어가이드, 볼스크류부재 및 볼스크류부재를 구동하는 모터의 조합 또는 체인 또는 타이밍벨트, 스프로킷 또는 풀리 및 스로프킷 또는 풀리의 회전축에 연결된 엔진 등 다양한 형태가 제시될 수 있다.
또한 상기 챔버(11)는 상기 가열부(30)에서 접합소재(13)를 가열할 때 발생되는 고온을 견딜 수 있도록 내열성 재질로 이뤄질 수 있으며, 상기 플라즈마 형성부(40)에서 인가하는 전류가 누설되지 않도록 절연성 재질로도 이뤄질 수 있다.
상기 고정다이(12)는 상단은 평평하여 접합소재(13)가 안착될 수 있으며, 하단은 산업설비의 이동수단(14)과 연결될 수 있다. 이러한 이동수단(14)은 리니어가이드, 레일, 체인 등 동력장치에 연결되어 운용되는 설비일 수 있다. 그리고 상기 고정다이(12)는 이하 검토할 제1 전극과 통전될 수 있는 금속재질로 구현될 수 있다.
다음 상기 가압부(20)는 고정다이(12)에 안착된 접합소재(13)를 가압토록, 상기 챔버(11)와 연계되며 배치될 수 있다. 이러한 상기 가압부(20)는 가압판(21) 및 가압구동유닛(22)을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 가압판(21)은 상기 고정다이(12)의 상부에 배치되고, 접합소재(13)에 부합되는 형상으로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 접합소재(13)는 열교환기 코어일 수 있으며, 이에 따라 상기 가압판(21)의 형상은 평평할 수 있다. 그리고 상기 가압판(21)은 이하 검토할 제2 전극(42)과 통전될 수 있는 금속재질로 구현될 수 있다.
상기 가압구동유닛(22)은 상기 챔버(11)를 관통하며 상기 가압판(21)과 연결되고, 상기 가압판(21)을 상기 고정다이(12) 방향으로 전진 또는 후진토록 제공될 수 있다. 이러한 상기 가압구동유닛(22)은 유압실린더일 수 있다. 그리고 상기 가압판(21)은 유압실린더의 로드에 연결될 수 있다. 이 경우 유압실린더 로드의 전진에 따라 상기 가압판(21)이 접합소재(13) 방향으로 하강하여 접촉되며 접합소재(13)를 가압할 수 있다.
그리고 상기 챔버(11)에서 유압실린더의 로드가 관통하는 부분은 밀폐력을 유지하기 위해 내열성 가스킷 등이 배치될 수 있다.
여기서 작업자는 상기 가압부(20)에 의한 가압력은 소재의 접합온도에서의 항복강도에 따라 적절히 조절할 수 있다. 즉 접합소재(13)가 동, 알루미늄, 철 등의 재질로 구현될 수 있으며, 이 경우 재질의 성질에 따라 소재의 접합온도가 제각각이며, 그에 따른 소재의 접합온도에서의 항복강도도 제각각이다.
작업자는 재질의 성질에 따라 각 소재의 접합온도에서의 항복강도를 데이터로 사전에 입력하고, 이에 따라 유압실린더의 가압력이 자동적으로 설정되도록 할 수 있다.
다음으로 상기 가열부(30)는 고정다이(12)에 안착된 접합소재(13)를 가열토록, 상기 챔버(11)와 연계되며 배치될 수 있다. 이러한 상기 가열부(30)는 가열판(31) 및 가열구동유닛(32)을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 가열판(31)은 상기 챔버(11) 내부에서 상기 고정다이(12)의 주변부 둘레를 따라 배치될 수 있다. 상기 가열판(31)은 열선, 전열기, 전기로, 저항로 등의 저항발열체 형태로 구성될 수 있으며, 상기 고정다이(12)의 주변부에서 접합소재(13)의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 이는 접합소재(13)를 균일하게 가열하기 위함이다.
상기 가열구동유닛(32)은 상기 가열판(31)과 연결되고, 상기 가열판(31)을 발열시키도록 제공될 수 있으며, 상기 가열판(31)에 전력을 공급하는 전원장치 형태로 구성될 수 있다.
다음으로 상기 플라즈마 형성부(40)는 고정다이(12)에 안착된 접합소재(13)의 접촉면에 저항발열이 형성되도록, 상기 챔버(11)와 연계되며 구성될 수 있다. 이러한 상기 플라즈마 형성부(40)는 제1 전극(41), 제2 전극(42) 및 전류공급유닛(43)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 제1 전극(41)은 상기 가압판(21)에 배치되고, 음극 또는 양극 중 어느 하나를 형성하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 제2 전극(42)은 상기 고정다이(12)에 배치되고, 상기 제1 전극(41)과 반대극으로 형성되도록 구성될 수 있다.
이때 상기 전류공급유닛(43)은 상기 제1 전극(41) 또는 상기 제2 전극(42)에 저전압, 대전류를 공급하도록, 상기 제1 전극(41) 및 상기 제2 전극(42)에 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서 인가되는 전류는 DC 전류, 펄스 전류 등일 수 있다.
예를 들어 상기 제1 전극(41)이 + 극으로 형성되면, 상기 전류공급유닛(43)이 상기 제1 전극(41) 방향으로 전류를 인가하면, 전류는 상기 제1 전극(41)과 연결된 상기 가압판(21)에서 접합소재 방향으로 흐르고, 상기 고정다이(12)를 통해 상기 제2 전극(42)으로 흐르게 된다.
이때 접합소재(13)의 접촉면에서 접촉저항발열이 발생한다. 이는 각 접합소재(13)의 접촉면 마다의 미세한 간격에 기인한다. 이러한 미세한 간격은 전류가 흐를 때, 저항으로 작용하여 그 사이에서 발열이 발생되고, 그 발열상태가 지속되어 소재의 접합온도에 도달하면, 이는 각 접합소재(13)의 접촉면에서 스파크 플라즈마(spark plasma) 현상을 유도한다. 즉 접합반응이 일어나게 되는 것이다. 상기 가열부에 의한 가열과 상기 플라즈마 형성부(40)에 의한 접촉저항발열로 접합소재의 접촉면에서의 가열온도는 보다 신속하게 상승하게 된다.
여기서 플라즈마 상태란 고체 상태의 물질에 열을 가하면 액체 상태를 거쳐 기체상태로 변하는데, 여기서 더욱 에너지를 가하여 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자(음이온)와 양이온들이 독립적으로 존재하면서 전기적으로 중성인 상태가 된다. 플라즈마 상태에서의 접합기술은 접합소재의 접촉면에서 이러한 전류 통전으로 인해, 어느 하나의 접합소재의 전자가 다른 접합소재의 양이온과 결합하면서 접촉면에서 스파크를 발생하면서 이뤄지게 된다.
다음으로 상기 진공화부(50)는 상기 챔버(11) 내부가 진공상태가 되도록, 상기 챔버(11)와 연계되며 배치될 수 있다. 상기 진공화부(50)는 상기 챔버(11)에 설치된 가스홀(51)과 연결된 진공펌프(52)에 의해 챔버(11) 내부의 공기를 흡입하여 상기 챔버(11) 내부를 진공상태로 만들 수 있다.
이때 상기 진공화부(50)에 의한 상기 챔버(11) 내부의 진공도는 10-4 Torr 이하일 수 있다. 이러한 고진공 상태를 만들기 위해 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 전공펌프(52)로는 확산펌프(diffusion pump), 터보분자펌프(turbo molecular pump) 등일 수 있다.
다음으로 상기 냉각부(70)는 가압, 가열, 플라즈마 처리된 접합소재(13)를 냉각토록, 상기 챔버(11)와 연계되며 배치될 수 있다. 이러한 상기 냉각부(70)는 분사노즐(71) 및 냉각구동유닛(72)을 포함하여 구성될 수 있다.
우선 상기 분사노즐(71)은 상기 챔버(11) 내면에 복수개로 배치될 수 있으며, 상기 냉각구동유닛(72)은 상기 분사노즐(71)과 연결되고, 상기 분사노즐(71)에 공기 또는 냉각수를 공급하도록 제공될 수 있다.
이 경우 상기 가열부(30) 및 상기 플라즈마 형성부(40)에 의한 접합공정 후 냉각을 진행하게 되는데, 여기서 상기 가압부(20)에 의한 가압력은 계속 유지되는 상태일 수 있다.
이는 각 접합소재(13)의 접촉면에서 플라즈마 상태를 이용한 접합 후 가압력을 유지하면서, 저온의 공기 또는 냉각수를 분사하는 것이 접합부위의 접합력이 단단히 유지되는데 효과적이기 때문이다.
다음으로 상기 온도측정부(60)는 접합소재(13)의 실시간 온도를 측정토록, 상기 챔버(11)와 연계되며 배치될 수 있다. 이러한 상기 온도측정부(60)는 열전대(61) 및 온도검출유닛(62)을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 열전대(61)는 상기 챔버(11) 내부에서 상기 고정다이(12)에 인접하여 배치될 수 있다. 이러한 열전대(61)는 접합소재(13)의 온도를 측정하기 위한 것으로, 상기 고정다이(12)의 주변부에서 접합소재(13)의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 다르게는 다수의 지점에 부착될 수 있다. 물론 접합소재(13)의 중심부에서의 온도를 측정하기 위해 접합소재(13)에 형성된 유로(13a) 내부로 투입되어 배치될 수 있다. 다르게는 접합소재(13)에 홀을 가공하여 열전대를 삽입하여 중심부 온도를 측정할 수도 있다.
그리고 상기 온도검출유닛(62)은 상기 열전대(61)와 연결되고, 상기 열전대(61)의 신호를 통해 접합소재(13)의 국부적 접합온도를 취합하도록 제공될 수 있다. 상기 온도검출유닛(62)은 접합소재(13)의 표면 또는 내부에서 균일한 온도로 가열되고 있는지, 소재의 접합온도에서 국부적인 접합온도 차이는 없는지 등에 의해 자료를 취합하게 된다. 가열온도의 차이 또는 접합온도의 차이는 열교환기 코어 등의 접합소재(13)의 품질 편차에 영향을 미치게 된다. 따라서 상기 온도검출유닛(62)을 통해 접합소재(13)가 균일하게 가열, 저항발열되며 접합되고 있는지를 확인하게 된다.
상기된 가압구동유닛(22), 가열구동유닛(32), 전류공급유닛(43), 진공펌프(52) 및 냉각구동유닛(72)는 작업자가 콘트롤부(80)에 의해 개별제어가 가능하다.
본 발명인 진공 확산접합장치의 실시예는 상기와 같은 구성을 가지고, 가압, 가열, 저항발열에 의한 플라즈마 상태를 이용하여 종래보다 접합소재를 더 빠르게 접합하고 최종 제품의 품질도 보장할 수 있게 된다.
다음으로, 도 3은 본 발명인 진공 확산접합방법을 나타낸 순서도이고, 도 4a 내지 도 4g는 도 2 및 도 3에 따른 공정과정을 도시한 도면이다.
도 3를 참고하면, 본 발명인 진공 확산접합방법의 실시예는 소재 적층단계(S1), 소재 장입단계(S2), 소재 가압단계(S3), 진공화단계(S4), 소재 가열단계(S5), 플라즈마 처리단계(S6) 및 냉각단계(S7)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 소재 적층단계(S1)는 도 4a에서와 같이 고정다이(12)에 접합소재(13)를 적층시키는 단계일 수 있다. 여기서 접합소재(13)는 열 교환기 코어의 각 적층 금속판재일 수 있으며, 각 접합소재(13)에는 유로(13a)가 가공되어 제공될 수 있다. 예를 들어 금속판재의 두께는 약 2mm일 수 있으며, 스테인리스강, Ni합금, Ti합금, Al합금 등일 수 있다. 금속판재의 유로(13a) 가공은 전기화학적 에칭(etching)이나 기계가공으로 구현될 수 있다. 적층전 금속판재의 표면은 아세톤세척을 통해 청정도를 유지하는 전처리공정을 적용할 수 있다. 이때 접합소재(13)는 유로(13a)가 서로 교차되도록 적층될 수 있다. 이는 열교환기 코어에서 열전달이 보다 잘 이뤄지도록 하기 위함이다.
다음 상기 소재 장입단계(S2)는 도 4b에서와 같이 고정다이(12)에 적층된 접합소재(13)를 챔버(11) 내부로 장입하는 단계일 수 있다. 작업자는 산업설비의 이동수단(14)을 구동하여 고정다이(12)가 챔버(11) 내부로 이동하도록 하게 된다.
그리고 소재 가압단계(S3)는 도 4c에서와 같이 챔버(11) 내부로 유입된 고정다이(12)의 상단에 적층된 접합소재(13)를 가압하는 단계일 수 있다. 이는 가열, 플라즈마 형성 과정 중에서 온도변화에 따른 접합소재의 변형, 뒤클림 방지 및 확산접합시 접촉면간의 밀착을 위함이다. 작업자가 가압구동유닛(22)을 작동시키면, 가압판(21)이 하강하면서 접합소재(13)를 가압하게 된다. 이때 접합소재(13)의 재질에 따라 접합온도에서의 항복강도를 고려하여 가압력을 설정할 수 있다.
다음 진공화단계(S4)는 도 4d에서와 같이 챔버(11) 내부를 진공상태로 형성하는 단계일 수 있다. 작업자는 챔버(11) 내부를 진공상태로 만들기 위해 진공펌프(52)를 가동하고, 이에 따라 가스홀(51)를 통해 챔버(11) 내부의 공기가 외부로 배출되게 된다. 이때 챔버(11) 내부의 진공도는 10-4 Torr 이하일 수 있다. 진공도 10-4 Torr 이하의 범위는 고진공상태로서, 이는 플라즈마 상태에서의 접합시 공기 중 불순물에 의한 접합불량 및 제품 품질 저하를 방지하고, 가열 또는 전류 인가시 미세하게 공기 중 불순물에 의한 확산을 방지하기 위함이다.
다음 소재 가열단계(S5)는 도 4e에서와 같이 고정다이(12)에 적층된 접합소재(13)를 가열하는 단계일 수 있다. 작업자가 가열구동유닛(32)을 작동하면 가열판(31)이 작동하여 접합소재(13)의 주변부를 가열하게 된다. 이때 가열판(31)은 접합소재(13)에 밀착된 것이 아니라, 일정 간격이 이격되어 있어서 가열방식은 복사 가열 방식으로 적용될 수 있다.
가열온도는 접합소재(13)의 상태의 접합온도에 따라 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어 동 재질의 접합소재인 경우 용융점은 1080℃ 정도이므로, 작업자는 가열온도를 1080℃ 미만으로 사전에 설정해 놓을 수 있다. 또한 알루미늄 재질의 접합소재인 경우 용융점이 660℃ 정도이므로 작업자는 재질의 특성에 맞게 가열온도를 660℃ 미만으로 사전에 설정해 놓을 수 있다. 만약 철 재질의 접합소재인 경우 융용점은 1540℃ 정도이므로 작업자는 재질의 특성에 맞게 가열온도를 1540℃ 미만으로 설정할 수 있다.
확산접합기술은 접합소재가 비용융된 고체상인 상태에서 일정량의 가압력과 발열을 이용하는 것이므로, 가압력 크기를 고려하여 세부적인 발열온도범위가 결정될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 가열부에 의한 발열범위는 600 ~ 1200℃일 수 있다. 세부적인 발열범위는 열 교환기 코어 등의 접합소재의 재질 특성, 가압력의 크기에 따라 개별적으로 결정될 수 있다.
다음으로 상기 플라즈마 처리단계(S6)는 도 4f에서와 같이 접합소재(13)에 전류를 인가하여 접합소재(13)의 접촉면(A)에서 저항발열을 발생시켜 플라즈마 상태의 접합반응을 일으키는 단계일 수 있다.
작업자는 전류공급유닛(43)을 작동시켜 제1 전극(41)에 전류를 공급하면, 전류는 가열판(31)을 통과하여 접합소재(13)에 전달된다. 이때 접합소재(13)는 유로(13a)가 형성되어 있으며, 각 접합소재의 하단은 유로(13a)가 형성된 다른 접합소재의 상단과 접촉되어 있어, 이러한 접촉면(A)에서 미세한 간격에 의한 저항발열이 발생한다. 미세한 간격은 전류의 흐름을 방해하고 이는 저항으로 작용하는 것이다.
이때 지속적으로 흐르는 전류에 의해 저항발열은 각 접합소재의 접촉면(A)에서 플라즈마 상태를 형성하게 된다. 물론 가열판(31)에 의해 지속적으로 발생된 열도 이러한 플라즈마 상태를 보다 빠르게 유도되도록 한다.
이러한 플라즈마 상태에서 각 접합소재(13)는 접합반응이 일어나게 된다. 이는 가열, 플라즈마 상태를 동시에 이용하는 것이므로 종래보다 접합시간은 단축되게 된다.
다음으로 냉각단계(S7)는 도 4g에서와 같이 챔버(11) 내부에 공기를 분사하여 접합소재(13)를 냉각하는 단계일 수 있다. 작업자는 냉각구동유닛(72)을 작동시켜 챔버(11) 내면에 복수개로 형성된 분사노즐(71)을 통해 저온의 공기 또는 냉각수를 분사하여 접합소재를 냉각시키게 된다.
이때 접합소재(13)에 인가된 가압력이 유지된 상태에서 접합소재(13)를 냉각하도록 할 수 있다. 이는 각 접합소재(13)의 접촉면에서 플라즈마 상태를 이용한 접합 후 가압력을 유지하면서, 저온의 공기 또는 냉각수를 분사하는 것이 접합부위의 접합력이 단단히 유지되도록 하는 것이다.
이후 작업자는 가압판(21)을 해제시키고 챔버(11) 도어를 개방하여 고정다이(12)를 배출하고 최종 접합된 제품을 생산하게 된다.
본 발명인 진공 확산접합방법의 실시예는 상기와 같은 과정을 통해 가열, 플라즈마 상태를 동시에 이용하여 종래보다 더 빠르게 소재를 접합시킬 수 있다.
이상의 사항은 진공 확산접합장치 및 방법의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:진공 확산접합장치 11:챔버
12:고정다이 13:접합소재
13a:유로 20:가압부
21:가압판 22:가압구동유닛
30:가열부 31:가열판
32:가열구동유닛 40:플라즈마 형성부
41:제1 전극 42:제2 전극
43:전류공급유닛 50:진공화부
60:온도측정부 61:열전대
62:온도검출유닛 70:냉각부
71:분사노즐 72:냉각구동유닛
80:콘트롤부

Claims (15)

  1. 복수의 접합소재가 적층되며 안착되는 고정다이가 배치되는 챔버;
    고정다이에 안착된 접합소재를 가압토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 가압부;
    고정다이에 안착된 접합소재를 가열토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 가열부;
    고정다이에 안착된 접합소재의 접촉면에 저항발열이 형성되도록, 상기 챔버와 연계되는 플라즈마 형성부; 및
    상기 챔버 내부가 진공상태가 되도록, 상기 챔버와 연계되는 진공화부;
    를 포함하는 진공 확산접합장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 고정다이의 상부에 배치되고, 접합소재에 부합되는 형상을 가진 가압판; 및
    상기 가압판과 연결되고, 상기 가압판을 상기 고정다이 방향으로 전진 또는 후진토록 제공되는 가압구동유닛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 챔버 내부에서 상기 고정다이의 주변부 둘레를 따라 배치되는 가열판; 및
    상기 가열판과 연결되고, 상기 가열판을 발열시키도록 제공되는 가열구동유닛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 형성부는, 접합소재의 접촉면에서 저항발열에 의한 스파크 현상을 이용하여 접합소재를 접합하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 형성부는,
    상기 고정다이에 배치되고, 음극 또는 양극 중 어느 하나를 형성하는 제1 전극;
    상기 가압판에 배치되고, 상기 제1 전극과 반대극으로 형성되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 전류를 공급하도록, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 연결되며 제공되는 전류공급유닛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진공화부가 형성하는 상기 챔버 내부의 진공도는 10-4 Torr 이하인 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  7. 제1항에 있어서,
    접합소재를 냉각토록, 상기 챔버와 연계되는 냉각부;를 더 포함하되,
    상기 냉각부는,
    상기 챔버 내면에 복수개로 배치되는 분사노즐;
    상기 분사노즐과 연결되고, 상기 분사노즐에 공기 또는 냉각수를 공급하는 냉각구동유닛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  8. 제2항에 있어서,
    접합소재의 실시간 온도를 측정토록, 상기 챔버와 연계되며 배치되는 온도측정부;를 더 포함하되,
    상기 온도측정부는,
    상기 챔버 내부에서 상기 고정다이에 인접하여 배치되는 복수의 열전대; 및
    상기 열전대와 연결되고, 상기 열전대의 신호를 통해 접합소재의 국부적 접합온도를 취합하는 온도검출유닛;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합장치.
  9. 진공 확산접합방법에 있어서,
    고정다이에 접합소재를 적층시키는 소재 적층단계;
    고정다이에 적층된 접합소재를 챔버 내부로 장입하는 소재 장입단계;
    고정다이에 적층된 접합소재를 가압하는 소재 가압단계;
    챔버 내부를 진공상태로 형성하는 진공화단계;
    고정다이에 적층된 접합소재를 가열하는 소재 가열단계; 및
    접합소재에 전류를 인가하여 접합소재의 접촉면에서 저항발열을 발생시켜 플라즈마 상태의 접합반응을 일으키는 플라즈마 처리단계;
    를 포함하는 진공 확산접합방법.
  10. 제9항에 있어서,
    접합소재는 유로가 가공된 금속판재이고, 접합소재는 유로가 서로 교차되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 진공화단계는, 챔버 내부의 진공도를 10-4 Torr 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 소재 가열단계는, 접합소재를 복사 가열 방식으로 가열하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 전류 인가단계 이후에, 챔버 내부에 공기를 분사하여 접합소재를 냉각하는 냉각단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각단계는, 접합소재에 인가된 가압력이 유지된 상태에서 접합소재를 냉각하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리단계는, 접합소재의 접촉면에서 저항발열에 의한 스파크 현상을 이용하여 접합소재를 접합하는 것을 특징으로 하는 진공 확산접합방법.
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