KR100984616B1 - 마찰 교반 용접 공구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접을 위하여 사용하는 마찰 교반 용접 공구의 개량에 관한 것이다.
알루미늄 합금의 종래의 마찰 교반 용접에서는, 마찰 교반 용접 공구의 온도는 매우 높아지므로, 이와 같은 상황 하에서는 마찰 교반 용접 공구의 연화 및 열화가 심각한 문제로 되며, 마찰 교반 용접 공구의 온도가 극히 상승하면, 마찰 교반 용접 공구의 내마멸성이 현저히 떨어져서 마멸의 진행 속도가 극히 빨라지고 공구마찰 교반 용접 공구의 선단부에서 심한 변형이 발생하며, 마찰 교반 용접 공구의 수명이 현저히 짧아지고, 자동화된 용접 작업을 중지하고 수시간 마다 메인티넌스를 하여야 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이상의 사정을 배경으로 한 것이며, 그 목적은, 마찰 교반 용접 시에 공구의 내마멸성이 높고, 공구 선단부에서의 손상과 변형이 방지되어 메인티넌스 비용이 절감되며, 생산성이 향상되고, 공구의 수명을 현저히 향상시킬 수 있는 마찰 교반 용접용 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 1.9∼2.1mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 2.8∼3.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 7∼9mm의 범위이며, 마찰 교반 용 접 공구의 선단부 길이(27)는 2∼3mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 5∼8mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 47∼51mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 14˚∼18˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.4∼R0.6mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.1∼R0.3mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 72˚∼76˚의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 39˚∼43˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 0.8∼1.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 1.8∼2.2mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 9와 SKH 51의 둘 중의 하나로 구성되며, 고속도강의 담금질은 1차 예열온도인 500℃∼550℃에서 4∼6분간 유지하고, 2차 예열온도인 845∼855℃에서 4∼6분간 유지하며, 1160℃∼1200℃에서 9∼11분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 540℃∼570℃에서 28∼32분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 58∼60의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마찰 교반 용접용 공구를 사용하여 알루미늄 합금을 마찰 교반 용접하는 경우에, 마찰 교반 용접 시에 마찰 교반 용접용 공구의 내마멸성이 높고, 마찰 교반 용접용 공구의 선단부에서의 손상과 변형이 방지되어 메인티넌스 비용이 절감되며, 생산성이 향상되고, 마찰 교반 용접용 공구의 수명이 현저히 향상된다.
마찰, 교반, 용접, 공구, 수명, 마모, 알루미늄
Description
본 발명은, 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접을 위하여 사용하는 마찰 교반 용접 공구의 개량에 관한 것이다.
최근에, 환경 보호의 관점으로부터 자동차의 경량화가 적극적으로 시도되고 있으며, 이러한 이유 때문에 자동차 부품에 대한 알루미늄의 사용량이 증가하고 있다.
일반적으로, 마찰 교반 용접은 용접 곤란한 금속, 합금(알루미늄 합금, 티탄 합금, 니켈 합금 등과 같은) 및 그 외의 재료를 접합하는데 이용된다. 예를 들면 일부의 알루미늄 합금은, 용접 시에 모재가 고상선과 액상선 사이의 온도에 달하는 것과 같은 가소화 열영향역에서 영향을 받기가 쉽다. 이 영역에서는, 결정 입계에서 부분 용융에 의하여, 취성 화합물을 함유하는 망상 조직이 형성된다. 그 결과, 용접부의 연성이 크게 저하된다. 마찬가지로, 다른 종래의 접합법에서는, 용접 시에 가공물 내에 생기는 높은 온도 구배 때문에 용접 접합부 부근에서 주변 변형이 발생할 소지가 있다. 이러한 변형은, 가공물 내에 변형 및 다른 치수 결함을 일으키고, 동시에 열영향역 또는 용접 접합부에서 균열, 라메라 테어, 혹은 응력 부식 균열에 의하여 조기 파손을 일으킬 가능성이 있는 잔류 응력을 발생시킬 위험이 있다. 그러므로, 일부의 금속, 합금의 용접 이음의 종류에 따라서는 접합이 극히 곤란한 경우가 있다.
마찰 교반 용접법은, 다른 종래의 접합법에서 직면하는 많은 문제를 극복할 수 있다.
마찰 교반 용접에서는, 도 4와 도 6에서 보이는 바와 같이 회전 원통형 마찰 교반 용접 공구를 사용하는 것에 의하여, 고속으로 회전하는 원통형의 마찰 교반 용접 공구를 금속에 접촉시켜서 기계적인 마찰을 발생시킨다. 접합하려고 하는 금속과 마찰 교반 용접 공구와의 마찰에 의하여 열이 발생하므로, 이러한 기계적인 마찰은 마찰 교반 용접 공구와 접촉 상태에 있는 접합 대상의 알루미늄 합금을 연화시킨다. 용접할 알루미늄 합금의 접합부를 따라서 공구를 횡진시키면, 가소화한 알루미늄 합금이, 마찰 교반 용접 공구의 앞모서리로부터 마찰 교반 용접 공구의 후부 모서리로 이송되어서, 마찰 교반 용접 공구가 지나간 흔적에 강고한 고상 용접 접합부를 형성한다.
도 4는 2개의 가공물에 대한 맞대기 용접부를 형성하기 위한 종래의 마찰 교반 용접 동작을 나타내는 개략 사시도로서, 본 명세서에서 인용으로 채용하는 미국특허 제5,460,317호에 공지된 종래의 마찰 교반 맞대기 용접을 나타내고 있다. 도 5 (A)는 마찰 교반 용접 공구를 사용한 마찰 교반 용접에서 용접전의 맞대기 접합부를 나타내는 도 4의 선 2A-2A의 단면도, 도 5 (B)는 마찰 교반 용접 공구를 사용한 마찰 교반 용접에서 용접후의 맞대기 접합부를 나타내는 도 4의 선 2B-2B의 단 면도를 보인다. 도 5의 (A)에서 명백하게 보이는 바와 같이, 맞대기 용접되는 2개의 가공물(60, 62)은 에지가 당접하는 관계가 되도록 배치된다. 선단부(66)를 가지는 회전 마찰 교반 용접 공구(64)를 가공물의 상면에 올리고, 회전 마찰 교반 용접 공구의 선단부(66)가 쌍방의 가공물의 재료에 대하여 그 사이의 접합부(68)의 편측에서 접촉하도록 한다. 회전 마찰 교반 용접 공구의 선단부(66)은 회전 마찰 교반 용접 공구의 선단부(66)에 인접하는 가공물인 재료를 마찰에 의하여 가열하고, 이 재료를 가소화시켜서, 가소성 영역이 가공물의 하면에 인접하는 장소로 진행할 때 까지 가공물의 안으로 돌진한다. 회전 마찰 교반 용접 공구(64)는 접합부(68)을 따라서 전진하고, 회전 마찰 교반 용접 공구의 선단부(66)는 회전 마찰 교반 용접 공구(64)가 전진하는 때에 가공물 재료를 가열하여 가소화시키며, 2개의 가공물의 가소화된 재료를 혼합하여, 끊김 없이 연속적으로 가공물의 사이를 매우는 가소성 영역(70)을 생성한다. 도 5의 (B)에서 보이는 바와 같이, 전진하는 회전 마찰 교반 용접 공구의 선단부(66)의 뒤를 따라서 남겨진, 가소화된 재료는, 냉각에 의하여 다시 응고되며, 가공물의 사이에 용접부(72)를 형성한다. 용접된 영역(72)의 외측면(74)는, 잠재적 부식성 환경에 놓인다.
도 6은 마찰 교반 용접 공구를 사용한 중공 원통형 소재에 대한 맞대기 용접부를 형성하기 위한 종래의 마찰 교반 용접 동작을 나타내는 개략 설명도이다. 도 6에서, 맞대기 용접되는 2개의 가공물(80, 82)은 에지가 당접하는 관계가 되도록 배치되어, 도 6에서 보이는 바와 같이 중공 원통체의 길이 방향을 축으로 하여 서서히 회전한다. 선단부(84)를 가지는 고속으로 회전하는 마찰 교반 용접 공구(85) 를 가공물의 상면에 올리고, 고속으로 회전하는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(84)가 쌍방의 가공물의 재료에 대하여 그 사이의 접합부의 편측에서 접촉하여 마찰열에 의하여 접합부(83)를 생성시킨다.
이와 같이, 도 7에서 보이는 바와 같은 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)를 사용하는 경우에는, 용접 시에 생성된 마찰열이 방열성이 나빠서 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접에서 공구의 온도는 매우 높아진다. 이와 같은 상황 하에서는 공구의 연화 및 열화가 심각한 문제로 된다. 공구의 온도가 극히 상승하면, 공구의 내마멸성이 현저히 떨어져서 마멸의 진행 속도가 극히 빨라지고 공구의 선단부에서 심한 변형이 발생하며, 공구의 수명이 현저히 짧아진다. 따라서 자동화된 용접 작업을 중지하고 수시간마다 메인티넌스를 하여야 하는 문제가 있었다. 이와 같이 공구는 용접시에 고온화되며, 이 때문에 종래에는 공구 안으로 냉각수의 순환로를 형성하고, 당해 냉각수에 의한 냉각을 실시하고, 열에 의한 전극의 마모 및 변형을 방지하도록 하는 경우가 있다. 그러나 이와 같이 전극 안으로 냉각수의 순환로를 형성하는 공구 구성에 있어서는, 공구의 구조가 복잡화된다든지, 급배수 기구를 필요로 하는 등의 문제가 있다. 또한 냉각수는 전극의 내측을 순환시키는 것이므로, 가장 고온화되는 전극 최선단 표면의 냉각을 충분히 실시할 수는 없다는 문제도 있었다. 또한 종래에는 마찰 교반 용접 공구(51)의 주면에 도 8과 같은 방열핀(52)을 설치하여, 공구의 표면적을 넓힘에 의하여 열의 방산성을 향상시키는 기술이 사용되어 있다. 그러나 공구에 방열핀을 설치하는 경우에는 전극의 최선단부와 가까운 위치에 방열판을 두어야 그 냉각 효과를 가질 수 있는데, 전극의 최선단부와 가까 운 위치에 방열판을 두는데는 위치적으로 한계가 있으며, 저항 용접 시에 방열판이 작업에 지장을 초래하는 경우가 발생하므로, 실제로는 적용하기 곤란한 경우가 많았다. 한편, 마찰 교반 용접 시에 용접부 뿐만 아니라 공구 자신도 마찰열에 의하여 발열하여 심지어는 연화 정도가 아니라 국부적으로 용융하는 경우도 있으므로 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방편으로 당해 공구의 내구성을 향상시키려는 시도도 행해져 왔다. 이러한 시도의 일환으로, 종래에는 공구의 소재로서 초경합금이 적용되는 경우가 많았으나, 초경 합금은 경도는 높으나, 인성이 부족하여 공구의 선단부에서 칩핑 또는 파손을 일으키는 경우가 많았으며, 초경 합금을 사용하는 경우에도 요구되는 공구 수명이 얻기 어려운 경우가 많았다. 이와 같이 공구의 마모나 공구 선단부에서의 변형은 건전한 마찰 교반 용접 접합부를 얻기 위해서는 반드시 해결하지 않으면 안 될 문제이다.
본 발명은 이상의 사정을 배경으로 한 것이며, 그 목적은, 마찰 교반 용접 시에 공구의 내마멸성이 높고, 공구 선단부에서의 손상과 변형이 방지되어 메인티넌스 비용이 절감되며, 생산성이 향상되고, 공구의 수명을 현저히 향상시킬 수 있는 마찰 교반 용접용 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 1.9∼2.1mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 2.8∼3.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 7∼9mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이(27)는 2∼3mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 5∼8mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 47∼51mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 14˚∼18˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.4∼R0.6mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.1∼R0.3mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 72˚∼76˚의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 39˚∼43˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 0.8∼1.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 1.8∼2.2mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 9와 SKH 51의 둘 중의 하나로 구성되며, 고속도강의 담금질은 1차 예열온도인 500∼550℃에서 4∼6분간 유지하고, 2차 예열온도인 845∼855℃에서 4∼6분간 유지하며, 1160∼1200℃에서 9∼11분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 540∼570℃에서 28∼32분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 58∼60의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마찰 교반 용접용 공구를 사용하여 알루미늄 합금을 마찰 교반 용 접하는 경우에, 마찰 교반 용접 시에 마찰 교반 용접용 공구의 내마멸성이 높고, 마찰 교반 용접용 공구의 선단부에서의 손상과 변형이 방지되어 메인티넌스 비용이 절감되며, 생산성이 향상되고, 마찰 교반 용접용 공구의 수명이 현저히 향상된다.
본 발명의 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 1.9∼2.1mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 2.8∼3.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 7∼9mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이(27)는 2∼3mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 5∼8mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 47∼51mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 14˚∼18˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.4∼R0.6mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.1∼R0.3mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 72˚∼76˚의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 39˚∼43˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 0.8∼1.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 1.8∼2.2mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 9와 SKH 51의 둘 중의 하나로 구성되며, 고속 도강의 담금질은 1차 예열온도인 500℃∼550℃에서 4∼6분간 유지 하고, 2차 예열온도인 845℃∼855℃에서 4∼6 분간 유지하며, 1160℃∼1200℃에서 9∼11분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 540℃∼570℃에서 28∼32분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 58∼60의 범위인 것에 그 특징이 있다.
[발명의 매우 적합한 실시의 형태]
본 발명의 실시의 형태를 실시예 1∼실시예 4에 따르는 도면에 근거해 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 마찰 교반 용접 공구를 장착하기 위한 마찰 교반 용접 공구 홀더의 단면도, 도 2는 본 발명의 마찰 교반 용접 공구의 정면도, 도 3은 본 발명의 마찰 교반 용접 공구의 선단부의 확대도를 나타낸다.
실시예 1에서 사용된 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 2.0mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 3mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 8mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이(27)는 2.5mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 6.7mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 49mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 16˚이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.5이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.2mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 74˚이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 41˚이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 1.02mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 2.0mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 9로 구성되며, 고속도강의 담금질은 1차 예열온도인 525℃ 5분간 유지하고, 2차 예열온도인 850℃에서 5분간 유지하며, 1180℃에서 10분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 555℃에서 30분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 59인 마찰 교반 용접 공구(20)를 사용하여, 도 9에서 보이는 바와 같이, 화살표 방향으로 동시에 회전하는 2개의 중공 원통형 소재(80, 82)에 대하여, 본 발명의 마찰 교반 용접 공구(20)을 고속으로 회전시켜 맞대기 마찰 교반 용접을 실시하여, 접합부(83)를 형성하였다. 실시예 1에서 사용된 중공 원통형 소재(80, 82)는, AC8A-T6 알루미늄 주물 합금으로서, 중공 원통소재의 외경이 30mm, 중공 원통소재의 내경이 26mm이며, 실시예 1에서 사용된 AC8A-T6 알루미늄 주물 합금의 기계적 성질은, 인장강도 334.8N/mm2, 항복강도 313.3N/mm2, 신율 0.86％, 빅커스 경도 167.6Hv, 충격치 1.15J/cm2이었다.
[실시예 2]
실시예 2는, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재를 고속도강 SKH 51로 한 것 이외에는, 모든 조건이 실시예 1과 동일하다.
[실시예 3]
실시예 3에서 사용된 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 1.9mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 2.8mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 9mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이(27)는 2.0mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 8mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 47mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 14˚이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.4이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.1mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 72˚이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 39˚이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 0.8mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 1.8mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 9로 구성되며, 고속도강의 담금질은 1차 예열온도인 500℃에서 5분간 유지하고, 2차 예열온도인 545℃에서 5분간 유지하며, 1160℃에서 10분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 555℃에서 30분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 58인 마찰 교반 용접 공구(20)를 사용하여, 도 9에서 보이는 2개의 중공 원통형 소재(80, 82)의 맞대기 마찰 교반 용접을 실시하여, 접합부(83)를 형성하였다. 실시예 1에서 사용된 중공 원통형 소재(80, 82)는, AC8A-T6 알루미늄 주물 합금으로서, 실시예 1에서 사용된 AC8A-T6 알루미늄 주물 합금의 기계적 성질은, 인장강 도 334.8N/mm2, 항복강도 313.3N/mm2, 신율 0.86％, 빅커스 경도 167.6Hv, 충격치 1.15J/cm2이었다.
[실시예 4]
실시예 4에서 사용된 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 2.1mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 3.2mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 7mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이(27)는 2.0mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 7mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 51mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 18˚이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.6이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.3mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 76˚이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 43˚이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 1.2mm이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 2.2mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 51로 구성되며, 고속도강의 담금질은 1차 예열온도인 500℃에서 6분간 유지하고, 2차 예열온도인 545℃에서 6분간 유지하며, 1160℃에서 10분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 555℃에서 31분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 60인 마찰 교반 용접 공구(20)를 사용하여, 도 9에서 보이는 2개의 중공 원통형 소재(80, 82)의 맞대기 마찰 교반 용접을 실시하여, 접합부(83)를 형성하였다. 실시예 1에서 사용된 중공 원통형 소재(80, 82)는, AC8A-T6 알루미늄 주물 합금으로서, 실시예 1에서 사용된 AC8A-T6 알루미늄 주물 합금의 기계적 성질은, 인장강도 334.8N/mm2, 항복강도 313.3N/mm2, 신율 0.86％, 빅커스 경도 167.6Hv, 충격치 1.15J/cm2이었다.
[비교예 1∼비교예 6]
비교예 1은 도 7에서 보이는 종래의 마찰 교반 용접 공구를 사용한 것으로, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 지름(90)을 2.5mm로 하고, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 길이(91)를 6.7mm로 하였으며, 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 2는 도 7에서 보이는 종래의 마찰 교반 용접 공구를 사용한 것으로, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 지름(90)을 2.5mm로 하고, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 길이(91)를 6.7mm로 하였으며, 마찰 교반 용접 공구의 소재를 SKH 51로 하였으며, 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 3은 마찰 교반 용접 공구의 소재를 HRC 91의 경도를 가지는 초경 합금으로 하였으며, 마찰 교반 용접 공구의 형상과 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 4는 마찰 교반 용접 공구의 소재를 HRC 88의 경도를 가지는 초경 합 금으로 하였으며, 마찰 교반 용접 공구의 형상과 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 5는 도 7에서 보이는 종래의 마찰 교반 용접 공구를 사용한 것으로, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 지름(90)을 2.5mm로 하고, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 길이(91)를 6.7mm로 하였으며, 마찰 교반 용접 공구의 소재의 경도를 HRC 91의 초경 합금으로 하였으며, 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 6은 도 7에서 보이는 종래의 마찰 교반 용접 공구를 사용한 것으로, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 지름(90)을 2.5mm로 하고, 종래의 마찰 교반 용접 공구(92)의 선단부 길이(91)를 6.7mm로 하였으며, 마찰 교반 용접 공구의 소재의 경도를 HRC 88의 초경 합금으로 하였으며, 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
표 1은 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1 내지 비교예 6에서의 마찰 교반 용접 공구 소재, 마찰 교반 용접 공구 소재의 경도, 피용접 재료, 피용접 재료의 경도(Hv), 용접 가능 회수를 기준으로 한 마찰 교반 용접 공구 수명을 나타낸다.
[표 1]
표 1로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4의 마찰 교반 용접 공구를 사용하여 마찰 교반 용접하는 경우에는, 비교예 1 내지 비교예 6의 마찰 교반 용접 공구를 사용하여 마찰 교반 용접을 행하는 경우보다, 마찰 교반 용접 공구의 사용 가능한 마찰 교반 용접 회수를 기준으로 하는 마찰 교반 용접 공구 수명이 최소 3배 이상임을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 마찰 교반 용접 공구를 장착하기 위한 마찰 교반 용접 공구 홀더의 단면도
도 2는 본 발명의 마찰 교반 용접 공구의 정면도
도 3은 본 발명의 마찰 교반 용접 공구의 선단부의 확대도
도 4는 2개의 가공물에 대한 맞대기 용접부를 형성하기 위한 종래의 마찰 교반 용접 동작을 나타내는 개략 사시도
도 5 (A)는 마찰 교반 용접 공구를 사용한 마찰 교반 용접에서 용접전의 맞대기 접합부를 나타내는 도 4의 선 2A-2A의 단면도, (B)는 마찰 교반 용접 공구를 사용한 마찰 교반 용접에서 용접후의 맞대기 접합부를 나타내는 도 4의 선 2B-2B의 단면도
도 6은 마찰 교반 용접 공구를 사용한 중공 원통형 소재에 대한 맞대기 용접부를 형성하기 위한 종래의 마찰 교반 용접 동작을 나타내는 개략 설명도
도 7 (A)는 종래의 마찰 교반 용접 공구를 나타내는 정면도, (B)는 종래의 마찰 교반 용접 공구를 나타내는 사시도
도 8은 마찰 교반 용접 공구의 냉각 효과를 위하여 핀을 설치한 종래의 마찰 교반 용접 공구를 나타내는 단면도
도 9는 중공 원통형 소재에 대하여 마찰 교반 용접의 실시의 형태를 나타내는 설명도
[부호의 설명]
10 : 마찰 교반 용접 공구의 홀더
11 : 마찰 교반 용접 공구의 후부 삽입부
12 : 마찰 교반 용접 공구의 바디 삽입부
13 : 마찰 교반 용접 공구의 고정용 나사부
20 : 마찰 교반 용접 공구
21 : 마찰 교반 용접 공구의 선단부
22 : 마찰 교반 용접 공구의 바디
23 : 마찰 교반 용접 공구의 후부
24 : 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름
25 : 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름
26 : 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름
27 : 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이
28 : 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이
29 : 마찰 교반 용접 공구의 길이
41 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각
42 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기
43 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기
44 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각
45 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각
46 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치
47 : 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름
Claims (1)
- 마찰 교반 용접 공구(20)는 마찰 교반 용접 공구의 선단부(21), 마찰 교반 용접 공구의 바디(22) 및 마찰 교반 용접 공구의 후부(23)로 구성되며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 최외측 골지름(24)은 1.9∼2.1mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 바디 지름(25)은 2.8∼3.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 후부 지름(26)은 7∼9mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 선단부 길이(27)는 2∼3mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 선단부와 바디의 합계 길이(28)는 5∼8mm이며, 마찰 교반 용접 공구의 길이(29)는 47∼51mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 테이퍼 각(41)은 14˚∼18˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 산꼭대기의 둥글기(42)는 R0.4∼R0.6mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 골의 둥글기(43)는 R0.1∼R0.3mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 후면 경사각(44)은 72˚∼76˚의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 전면 경사각(45)은 39˚∼43˚의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 피치(46)는 0.8∼1.2mm의 범위이고, 마찰 교반 용접 공구의 나사형 선단부의 최내측 골지름(47)은 1.8∼2.2mm의 범위이며, 마찰 교반 용접 공구(20)의 소재는 고속도강 SKH 9와 SKH 51의 둘 중의 하나로 구성되며, 고속도강의 담금질은 1차 예열온도인 500℃∼550℃에서 4∼6분간 유지하고, 2차 예열온도인 845℃∼855℃에서 4∼6분간 유지하며, 1160℃∼1200℃에서 9∼11분간 유지한 후에 유냉하며, 고속도강의 뜨임은 540℃∼570℃에서 28∼32분간 유지한 후에 로냉 처리하며, 고속도강의 경도는 HRC 58∼60의 범위인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구(20).
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