KR101278097B1 - 마찰교반 접합방법 및 이를 이용한 접합 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마찰교반 접합방법 및 이를 이용한 접합 구조체에 관한 것이다. 본 발명은 마찰교반 접합을 위해 서로 밀착된 접합재의 일면에 삽입홈을 형성하는 단계; 삽입홈에 접합 물질을 삽입하는 단계; 접합 물질을 덮도록 상기 접합재 일면에 테이프를 부착하는 단계; 삽입홈이 형성된 접합재 일면의 반대면을 마찰교반하는 단계를 포함한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 접합부의 복합소재 및 합금화가 가능한 마찰교반 접합방법을 이용하여 접합 시에 삽입된 접합 물질이 외부로 유출되지 않고 접합부의 결함 또한 방지할 수 있다.

Description

마찰교반 접합방법 및 이를 이용한 접합 구조체{Method for friction stir welding and welding structure material using the same}

본 발명은 마찰교반 접합방법에 관한 것으로서, 특히 접합부의 복합소재화 혹은 접합부 영역의 합금화가 가능한 마찰교반 접합방법 및 이를 이용한 접합 구조체에 관한 것이다.

최근 들어 지구환경보호와 에너지절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 자동차, 항공기, 철도차량, 선박 등 각종 수송기기의 경량화를 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이를 위해 Al, Mg 등 경량합금 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다. 이들 외에도 건축, 토목분야에서도 경량합금의 도입이 증가하고 있다. 이러한 각종 기기 및 구조물의 조립은 용접 공정에 의해 이루어지는데 알루미늄 합금의 용접은 기술적, 경제적 그리고 환경적 측면에서 개선해야 할 많은 문제점을 지니고 있다. 이러한 알루미늄 합금의 용융용접시 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술로서 비용융 고상접합공정인 마찰교반용접(Friction Stir Welding, 이하 "FSW" 라고 칭함)기술이 최근들어 다양한 산업분야에서 광범위하게 적용이 확대되고 있다.

서로 결합할 부재를 마찰의 원리를 이용하여 충분한 양의 열을 발생시켜 부재 접촉면을 기점으로 소성영역(Plasticized zone)을 생성한 후 외력을 가하여 부재를 접합하는 마찰용접은 수십 년간 사용되어 왔는데, 이 경우 마찰열은 2개의 결합될 부품에 의해서 생성된다.

또한, 최근 복합소재에 관한 산업계의 수요 및 적용이 증가가 되고 있으며 이에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 일반적으로 복합소재란 두 종류 이상의 물질을 인위적으로 결합하여 기존의 물질보다 더 좋은 성질이나 아주 새로운 성질을 갖도록 만들어진 재료를 의미한다.

특히, 이산화탄소 절감 및 경량화 등에 따라 알루미늄 및 마그네슘 등의 경금속 재료가 많은 적용이 되고 있지만, 이들 자체의 물성으로는 기존 철강 소재와 비교해 볼 때 한계가 있으므로 이러한 재료들을 기본으로 한 복합소재가 계속 개발이 되고 있으며 현재 사용 중에 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마찰교반 접합 시에 접합부의 복합소재화 및 합금화가 가능하도록 하여 원하는 다른 소재를 손쉽게 삽입함으로써 접합부에서 원하는 물성을 나타낼 수 있도록 한 마찰교반 접합방법 및 이를 이용한 접합 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 마찰교반 접합을 위해 서로 밀착된 접합재의 일면에 삽입홈을 형성하는 단계; 상기 삽입홈에 접합 물질을 삽입하는 단계; 상기 접합 물질을 덮도록 상기 접합재 일면에 테이프를 부착하는 단계; 상기 삽입홈이 형성된 접합재 일면의 반대면을 마찰교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 접합 물질은 상기 접합재와 상이한 소재인 것을 특징으로 한다.

상기 테이프는 상기 접합 물질과 동일한 소재인 것을 특징으로 한다.

상기 테이프는 상기 접합 물질의 융점과 동일하거나 높은 융점을 가지는 소재인 것을 특징으로 한다.

상기 테이프는 알루미늄 또는 마그네슘 소재인 것을 특징으로 한다.

상기 접합 물질은 SiC, Si₃N₄, B₄C 중 어느 하나의 세라믹 파우더나 합금화 하고자 하는 첨가원소(Cu, Mg, Al, Ni 중 어느 하나)가 함유되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 접합부의 복합소재 및 합금화가 가능한 마찰교반 접합방법을 이용하여 접합 시에 삽입된 접합 물질이 외부로 유출되지 않고 접합부의 결함 또한 방지할 수 있으며 원하는 특성을 나타내는 접합부를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 구조체의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반 접합방법을 보인 순서도.
도 3은 종래의 마찰교반 접합방법에 따른 테이프 미부착 시의 접합부의 표면을 보인 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 테이프 부착 시의 접합부의 표면을 보인 사진.
도 5는 종래의 테이프 미부착 시의 접합부와 본 발명의 테이프 부착 시의 접합부의 단면을 비교한 사진.

이하에서는 본 발명에 의한 마찰교반 접합방법 및 이를 이용한 접합 구조체 의 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 구조체의 구성도이다.

이를 참조하면, 본 발명에 의한 접합 구조체는 마찰교반 접합을 위해 서로 밀착된 접합재(10)의 접합에 의해 이루어진다. 접합재(10)로는 금속 소재의 다양한 물질이 사용될 수 있다.

이러한 접합재(10)의 접합부(12)를 복합소재화 및 합금화를 하기 위해서는 접합재(10)와는 상이한 소재의 접합 물질(20)이 필요하다. 예를 들어, 경량화를 위해 알루미늄 및 마그네슘 등의 경금속 재료가 접합 물질(20)로 사용될 수 있다. 그리고, 본 실시예에서 상이한 소재인 접합 물질(20)이 삽입되는 삽입홈(14)이 형성된다(S10). 삽입홈(14)은 접합재(10)가 서로 밀착된 접합부(12)의 일면에 형성된다. 삽입홈(14)의 크기는 접합부(12)의 특성에 맞게 조절이 가능하다.

삽입홈(14)에는 접합재(10)의 소재와 상이한 소재의 접합 물질(20)이 삽입된다(S20). 본 실시예에서는 접합부(12)의 복합소재화 및 합금화가 가능하도록 하기 위해 상이한 소재, 예를 들면, SiC, Si₃N₄, B₄C 등의 세라믹 파우더나 합금화 하고자 하는 첨가원소(Cu, Mg, Al, Ni 등)가 함유된 접합 물질(20)을 삽입하고 이를 접합재(10)에 접합하는 것이다.

일반적으로 상술한 바와 같이 삽입홈(14)에 접합 물질(20)을 삽입하고 마찰교반접합을 하게 되면 회전하는 툴의 원심력에 의하여 삽입홈(14) 내에 삽입된 상이한 접합 물질(20)이 외부로 유출되는 문제가 발생하게 되고, 또한 회전하는 툴이 삽입홈(14)을 따라 전진하게 되므로 전진하는 툴에 의하여 삽입홈(14) 내에 삽입된 접합 물질(20)이 빠져 나와 2차적으로 접합 물질(20)이 유실되는 문제도 있었다.

이와 같이 유출된 접합 물질(20)에 의하여 접합 후에 삽입홈(14)이 형성된 부분에는 표면에 결함이 발생되어 접합부(12)의 품질을 저하시키는 문제도 발생하였다. 도 3에는 종래의 마찰교반 접합방법에 따른 테이프 미부착 시의 접합부의 표면을 보인 사진이 도시되어 있다. 이를 참조하면, 삽입홈(14)이 형성된 부분의 표면을 따라 결함이 발생한 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 표면 결함을 방지하고 접합 물질(20)이 유실되는 것을 방지하기 위해 본 실시예에서는 삽입된 접합 물질(20)을 덮도록 테이프(30)를 접합재(10)의 일면에 부착하고 마찰교반을 실시하였다(S30). 여기에서, 테이프(30)는 접합하고자 하는 소재보다 융점이 동일하거나 높은 소재의 테이프(30)를 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 이유는 접합 시 온도는 접합 소재의 융점 온도의 약 80%정도까지 도달하므로 적어도 접합 소재와 비슷한 융점의 테이프 재질을 사용하여야 접합 시 테이프가 녹거나 변형이 되는 일이 없기 때문이다. 즉,접합소재와 유사한 소재의 테이프를 사용하는 것이 바람직하다.

이 상태에서 마찰교반은 테이프(30)가 부착된 접합재(10) 일면의 반대면에 실시된다(S40). 즉, 작업자는 테이프(30)를 접합부(12)에 부착한 후에 접합재(10)를 뒤집고, 테이프(30)가 부착된 면의 반대면의 접합부(12)를 툴을 이용하여 마찰교반하는 것이다.

이러한 방법으로 마찰교반을 한 후에 접합부(12)의 표면과 테이프(30)가 부착된 면의 반대면이 도 4에 도시되어 있다. 이를 참조하면, 접합부(12)의 표면의 경우 삽입홈(14)이 형성되지 않은 부분이므로 결함이 나타나지 않았으며, 삽입홈(14)이 형성된 접합부(12)에도 접합 물질(20)이 유출되거나 테이프(30)가 손상된 흔적이 나타나지 않았다. 이는 툴이 직접 테이프(30)가 부착된 부분을 가공하지 않기 때문에 나타나는 현상이다.

다음으로, 도 5는 종래의 테이프 미부착 시의 접합부와 본 발명의 테이프 부착 시의 접합부의 단면을 비교한 사진이다. 이를 참조하면, 상부에 도시된 사진(테이프 미부착 시의 접합부 단면)에서 접합부(12)의 상단에 결함이 존재하는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 반면에, 하부에 도시된 사진(테이프 부착 시의 접합부 단면)에서는 삽입홈(14)이 형성된 부분에서 일체의 결함이 관찰되지 않았으며 접합부(12) 내에서 전체적으로 상이한 물질(접합재, 접합 물질)이 혼합된 것을 관찰할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 마찰교반 접합방법에 의하면 접합부에서 접합 물질이 외부로 유출되는 것이 방지되고 접합부에서 결함도 나타나지 않아 접합부의 복합소재화 및 합금화가 가능하고, 접합부에서 원하는 물성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10 : 접합재 12 : 접합부
14 : 삽입홈 20 : 접합 물질
30 : 테이프

Claims (12)

1. 마찰교반 접합을 위해 서로 밀착된 접합재의 일면에 삽입홈을 형성하는 단계;
   상기 삽입홈에 접합 물질을 삽입하는 단계;
   상기 접합 물질을 덮도록 상기 접합재 일면에 테이프를 부착하는 단계; 및
   상기 테이프가 부착된 접합재를 뒤집은 후, 상기 접합 물질이 삽입된 접합재 일면의 반대면을 마찰교반하는 단계를 포함하며,
   상기 접합 물질은 상기 접합재와 상이한 소재이되, SiC, Si₃N₄, B₄C 중 어느 하나의 세라믹 파우더나 합금화 하고자 하는 첨가원소(Cu, Mg, Ni 중 어느 하나)가 함유되고,
   상기 테이프는 상기 접합 물질의 융점과 동일하거나 높은 융점을 가지는 소재이되, 상기 접합 물질과 동일한 소재이거나 마그네슘 소재인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
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7. 마찰교반 접합을 위해 서로 밀착되고, 밀착된 부분의 일면에 삽입홈이 형성되는 한 쌍의 접합재;
   상기 삽입홈에 삽입되는 접합 물질; 및
   상기 접합 물질을 덮도록 상기 접합재의 일면에 부착되는 테이프를 포함하고,
   마찰교반되는 부분은 상기 접합 물질이 삽입된 상기 접합재 일면의 반대면이며,
   상기 접합 물질은 상기 접합재와 상이한 소재이되, SiC, Si₃N₄, B₄C 중 어느 하나의 세라믹 파우더나 합금화 하고자 하는 첨가원소(Cu, Mg, Ni 중 어느 하나)가 함유되고,
   상기 테이프는 상기 접합 물질의 융점과 동일하거나 높은 융점을 가지는 소재이되, 상기 접합 물질과 동일한 소재이거나 마그네슘 소재인 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
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