KR100618529B1

KR100618529B1 - 융점 차이를 고려한 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합방법

Info

Publication number: KR100618529B1
Application number: KR1020050036824A
Authority: KR
Inventors: 이창길; 김성준; 박신상
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-08-31

Abstract

본 발명은 종류가 다른 두 개의 금속판재를 맞대기로 접합하는 방법에 관한 것으로, 이종의 접합부재 접합면을 서로 맞대기 한 상태로 견고히 고정하는 단계와; 상기 접합부재보다 더 견고한 재질로 이루어진 고속회전용 환봉형 프로브핀을 접합요구선에 위치시키는 단계와; 상기 프로브핀을 고속회전시켜 접합요구선 내부로 삽입시킴과 동시에 상기 프로브핀의 회전방향과 진행방향이 일치하는 쪽에 배치된 접합부재의 접합면 재료가 절삭, 제거되면서 새로운 접합면을 형성시키는 단계와; 상기 프로브핀의 회전방향과 진행방향이 반대되는 쪽에 배치된 접합부재의 재료가 프로브핀의 회전에 따른 소성유동에 의해 상기 접합면으로 이동하면서 연속적으로 상호 접합되는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면 종류가 서로 다른 두 개의 금속판재를 연속적으로 용이하게 맞대기 접합할 수 있고, 나아가 그 접합면의 품위도 우수하며, 프로브핀이 파손되지 않고도 마찰교반용접이 가능하여 생산성이 극대화되는 커다란 효과를 제공한다.

이종 금속판재, 맞대기 접합, 고상 접합, 접합요구선의 위치

Description

융점 차이를 고려한 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합방법{METHOD FOR BUTT SOLID STATE JOINING DIFFERENT KIND METAL PLATES CONSIDERED DIFFERENCE OF MELTING POINT}

도 1은 본 발명에 따른 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합과정을 보인 모식도,

도 2는 본 발명 실시예에 따른 두께 4.0mm인 알루미늄 판재와 구리 판재의 접합후 단면사진,

도 3은 본 발명 실시예에 따른 두께 4.0mm인 알루미늄 판재와 마그네슘 판재의 접합후 단면사진.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

1....프로브 2,3....접합부재

4....접합요구선

본 발명은 종류가 다른 두 개의 금속판재를 맞대기로 접합하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 융점 차이를 고려하여 종류가 다른 두 개의 금속판재를 연속적으로 용이하게 맞대기 접합할 수 있도록 한 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 종류가 서로 다른 두 개의 금속판재를 맞대기로 접합하고자 할 때 브레이징, 폭발용접, 확산용접, 마찰용접 등의 여러가지 접합법이 사용된다.

이때, 브레이징법은 접합면 사이에 삽입된 필러(filler)를 용융시켜 접합하는 방법이며, 폭발용접법은 폭약의 폭발에 의해 발생하는 초고압의 충격에너지를 이용하여 접합하는 방법이고, 확산용접법은 깨끗하게 처리된 두 금속의 접합면을 불활성분위기 또는 진공상태의 고온에서 적절한 압력으로 접촉시켜 접합면이 유착되는 현상을 이용한 접합법이다.

이러한 접합법들은 접합하고자 하는 금속에 맞는 특정한 필러를 별도로 사용하여야 하거나 혹은 고온, 고압, 특정한 분위기, 전처리 등의 조건을 필요로 하기 때문에 생산성이 저하되어 생산단가가 높은 편이며, 특히 폭발용접법의 경우에는 폭약을 사용하여야 하므로 작업의 위험성이 매우 큰 단점을 가진다.

이에 반해, 마찰용접법은 두 접합부재 간의 상호마찰에 의한 마찰열을 이용하여 접합하기 때문에 별도의 열원, 전처리, 필러, 분위기 등의 조건을 필요로 하지 않으며, 작업이 안전하고 높은 생산성을 얻을 수 있는 장점을 가진다.

반면에, 마찰용접법은 접합원리상 접합면의 형상이 축대칭이거나 접합부재의 두께에 대한 폭과 길이의 비가 크지 않을 경우에만 적용할 수 있는 제약이 있고, 무엇보다도 특정 방향으로의 연속접합이 요구될 경우에는 사용할 수 없다는 단점이 있다.

최근에는 이와 같은 마찰용접법의 단점을 개선하기 위해 비소모성 경질 공구 와 접합부재의 마찰을 이용한 마찰교반용접법(WO93/10935, WO95/26254)이 개시된 바 있다.

개시된 마찰교반용접법은 특수한 형태의 프로브핀과 숄더로 구성되는 환봉형의 공구를 고속으로 회전시키면서 프로브핀을 접합부재의 접합요구선에 삽입하게 되면 프로브핀 및 숄더와 접촉하는 접합부재와의 상호마찰에 의해 열이 발생하게 되고, 이 마찰열에 의해 프로브핀 주변의 소재가 연화되면서 프로브핀의 회전에 의한 강제적인 소성유동으로 혼합되어 접합되게 되는 원리를 이용한 것이다.

그러나, 이와 같은 마찰교반용접법을 이용하여 알루미늄과 구리 또는 알루미늄과 마그네슘과 같이 서로 다른 종류의 금속을 맞대기 접합하고자 할 경우에는 접합요구선 양쪽의 금속들간 융점(melting point)의 차이 때문에 주어진 접합조건에서 각 금속들의 소성유동이 크게 달라지게 되므로 프로브핀의 정중앙에 접합요구선이 위치하도록 프로브핀을 접합부재 내부로 삽입하게 되면 프로브핀에 가해지는 응력이 한쪽으로 과도하게 집중됨으로써 프로브핀이 쉽게 파손되어 버리는 문제 때문에 접합작업이 매우 어렵다는 단점이 파생되었다.

즉, 융점 차이가 큰 서로 다름 금속을 맞대기 접합하기에는 상당한 어려움이 있어 접합이 거의 불가능하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 종류가 서로 다른 금속을 맞대기하여 접합할 때에 이들 각 접합부재 금속들의 융점 차이를 충분히 고려하여 프로브핀에 대한 접합요구선의 위치와 접합시 진행방향에 대한 위치관계 등을 적절하게 선정함으로써 연속적이고 용이하게 맞대기 접합할 수 있도록 한 융점 차이를 고려한 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 종류가 서로 다른 두 개의 금속판재를 맞대기하여 접합하는 방법에 있어서; 두 접합부재의 접합면을 서로 맞대기 한 상태로 견고히 고정하는 단계와; 상기 접합부재보다 더 견고한 재질로 이루어진 고속회전용 환봉형 프로브핀을 접합요구선에 위치시키는 단계와; 상기 프로브핀을 고속회전시켜 접합요구선 내부로 삽입시킴과 동시에 상기 프로브핀의 회전방향과 진행방향이 일치하는 쪽에 배치된 접합부재의 접합면 재료가 절삭, 제거되면서 새로운 접합면을 형성시키는 단계와; 상기 프로브핀의 회전방향과 진행방향이 반대되는 쪽에 배치된 접합부재의 재료가 프로브핀의 회전에 따른 소성유동에 의해 상기 접합면으로 이동하면서 연속적으로 상호 접합되는 단계를 포함하는 융점 차이를 고려한 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합방법을 제공함에 그 기술적 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합과정을 보인 모식도이고, 도 2는 본 발명 실시예에 따른 두께 4.0mm인 알루미늄 판재와 구리 판재의 접합후 단면사진이며, 도 3은 본 발명 실시예에 따른 두께 4.0mm인 알루미늄 판재 와 마그네슘 판재의 접합후 단면사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 한쌍의 접합부재(2,3), 바람직하기로는 종류가 서로 다른 두 개의 금속판재가 서로 맞대어진 상태로 배치된다.

그리고, 접합부재(2,3)가 맞대어진 접합요구선(4)을 따라 그 내부로 환봉형 프로브핀(1)이 삽입되며, 상기 프로브핀(1)은 고속회전되면서 적절한 마찰열을 발생시킬 수 있도록 배치되게 된다.

이때, AS(Advancing side)는 접합용 공구인 프로브핀(1)의 회전방향과 접합 진행방향이 일치되는 방향을 나타내고, RS(Retreating side)는 상기 환봉형 프로브핀(1)의 회전방향과 접합 진행방향이 반대가 되는 방향을 나타낸다.

이후, 상기 접합요구선(4)을 따라 이에 삽입되어 고속회전하고 있는 상기 프로브핀(1)과 접촉되는 AS쪽 접합부재의 맞대기 면 재료가 절삭, 제거되면서 깨끗한 새로운 접합면을 형성하게 된다.

또한, RS쪽 재료는 프로프핀(1)의 회전에 의한 소성유동으로 새로이 형성된 AS쪽의 접합면으로 이동되게 되고 이 과정에서 두 접합부재(2,3)가 상호 접합되게 되며, 동시에 전진하고 있는 프로브핀(1)의 후방 공간을 채우게 된다.

이때, 접합 진행방향에 대하여 두 접합부재(2,3)의 위치관계를 고려하여야 한다.

즉, 두 접합부재(2,3)의 융점 차이가 있을 경우 주어진 접합조건에서 융점이 높은 금속보다 융점이 낮은 금속이 프로브핀(1)의 회전에 의한 소성유동을 보다 활발하게 일으키므로 상술한 과정을 통해 두 접합부재(2,3)의 접합이 이루어질 때 소 성유동이 보다 활발하게 일어날 수 있는 융점이 낮은 금속을 RS쪽에 위치시킴으로써 보다 용이한 접합작업을 수행할 수 있게 된다.

한편, AS쪽에 위치된 융점이 높은 금속은 고속회전하는 프로브핀(1)에 의해 원래 맞대개면의 재료가 절삭, 제거되기도 하지만 어느 정도 소성유동이 같이 일어나게 되며, 이와 같은 소성유동은 주어진 접합조건에서 RS쪽에 위치한 융점이 낮은 금속보다는 활발하지 않으며 소성유동에 대한 재료 자체의 저항도 크다.

따라서, 주어진 조건에서 프로브핀(1) 양쪽 재료들의 소성유동간에 균형을 이룰 수 있도록 프로브핀(1)의 배설위치를 적절히 조절할 필요가 있다.

이와 같은 프로브핀(1)의 배설위치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 접합요구선(4)의 위치, 프로브핀(1)의 직경, 각 접합부재(2,3)의 융점 차이 등과 밀접한 관계를 갖는 바, 프로브핀(1)의 파손을 없애면서 견고하고 용이한 접합작업이 이루어질 수 있도록 한 이들간의 관계조건을 수식으로 표현하면 하기 식1,2와 같다.

(식1)

0.02 < d₁/d₂ < T₃/T₂

(식2)

d₁+ d₂ = D

여기에서, d₁과 d₂는 프로브핀(1)에 대한 접합요구선(4)의 위치를 나타내는 것으로 d₁은 AS쪽으로부터의 거리를, d₂는 RS쪽으로부터의 거리를 나타낸다.

아울러, T₃와 T₂는 접합부재(2,3)의 융점을 절대온도(K)로 표시한 것으로, T₃는 RS쪽 접합부재(3)의 융점을, T₂는 AS쪽 접합부재(2)의 융점을 나타낸다.

후술하겠지만, 이와 같은 조건을 만족할 때에는 프로브핀(1)의 파손없이 견고한 접합이 가능하였으나 이를 만족하지 않았을 때에는 프로브핀(1)이 파손되거나 그 접합이 견고하지 못하였다.

정리하자면, 본 발명은 종류가 서로 다른 두개의 금속판재, 즉 두 접합부재(2,3)를 서로 맞대어 배치한 다음 상기 접합부재(2,3)보다 더 견고한 재질로 이루어진 고속회전용 환봉형 프로브핀(1)을 접합요구선에 위치시키는 단계를 거치게 되며, 이어 상기 프로브핀(1)을 고속회전시키면서 마찰열을 발생시킴과 동시에 접합부재(2,3)의 접합요구선(4)을 따라 접합부재(2,3) 내부로 삽입되는 단계, 고속회전하는 프로브핀(1)에 의해 AS쪽 접합부재(2)의 맞대기면의 재료가 절삭, 제거되면서 깨끗한 새로운 접합면이 형성되는 단계, RS쪽 접합부재(3)의 재료가 프로브핀(1)의 회전에 의한 소성유동으로 새로이 형성된 AS쪽 접합면으로 이동되면서 두 접합부재(2,3)가 접합되는 단계 및 상기 프로브핀(1)의 이동에 의해 연속적으로 두 접합부재(2,3)가 접합되는 단계를 통해 이종 금속판재간의 접합작업이 이루어지게 된다.

이때, 견고하면서도 용이한 접합을 위해 이종 금속판재중 융점이 높은 접합부재(2)를 AS쪽에 배치하고, 그에 비해 상대적으로 낮은 융점을 갖는 접합부재(3)는 RS쪽에 배치하도록 하여야 하며, 프로브핀(1)이 배치될 위치는 상술한 식1,2를 만족하는 접합요구선(4)에 위치되어야 한다.

이로써, 우수한 접합품질을 가지면서 접합면도 깨끗하고 용이한 접합성을 달성할 수 있게 된다.

[실시예]

두께가 동일하게 4.0mm를 갖는 알루미늄 판재와 구리 판재를 본 발명에 따른 조건으로 맞대기 접합한 후 그 단면을 촬영하여 도 2에 나타내었다.

이때, 상기 구리 판재는 AS쪽에 배치하였고, 알루미늄 판재는 RS쪽에 배치하였으며, 이들 판재의 접합시 d₁/d₂ = 0.10 으로서 알루미늄의 융점(933K)과 구리의 융점(1338K)을 고려할 때 상기 식1을 만족하였다.

뿐만 아니라, 두께가 동일하게 4.0mm를 갖는 알루미늄 판재와 마그네슘 판재를 본 발명에 따른 조건으로 맞대기 접합한 후 그 단면을 촬영하여 도 3에 나타내었다.

이때, 상기 알루미늄 판재는 AS쪽에 배치하였고, 마그네슘 판재는 RS쪽에 배치하였으며, 이들 판재의 접합시 d₁/d₂ = 0.80 으로서 마그네슘의 융점(923K)과 알루미늄의 융점(933K)을 고려할 때 상기 식1을 만족하였다.

이와 같은 실험결과, 도 2 내지 도 3에 나타나듯이 융점 차이를 갖는 이종 금속판재간의 접합을 용이하게 달성해 낼 수 있음은 물론 그 접합면이 깨끗하고 접합품위도 우수하며 무엇보다도 프로브핀이 파손되지 않아 마찰용접이 가능함을 확인하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종류가 서로 다른 두 개의 금속판재를 연속적으로 용이하게 맞대기 접합할 수 있고, 나아가 그 접합면의 품위도 우수하며, 프로브핀이 파손되지 않고도 마찰교반용접이 가능하여 생산성이 극대화되는 커다란 효과를 제공한다.

Claims

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종류가 서로 다른 두 개의 금속판재를 맞대기하여 생긴 접합요구선에 고속회전용 환봉형 프로브핀을 위치시켜 이의 회전에 따른 소성유동에 의해 접합하는 방법에 있어서,

상기 접합요구선의 위치는 하기의 식1,2를 만족하는 것을 특징으로 하는 융점 차이를 고려한 이종 금속판재의 맞대기 고상 접합방법.

(식1)

0.02 < d₁/d₂ < T₃/T₂

(식2)

d₁+ d₂ = D

(d₁은 AS(프로브핀의 회전방향과 진행방향이 일치하는 쪽)측에 배치된 접합부재의 맞대기 면으로부터의 거리, d₂는 RS(AS 반대쪽)측에 배치된 맞대기 면으로부터의 거리, T₃는 RS측 접합부재의 융점, T₂는 AS측 접합부재의 융점, D는 프로브핀의 직경)