KR101322875B1 - 마찰 교반 방법 및 그러한 방법에 의한 작업물 쌍의 접합 - Google Patents

마찰 교반 방법 및 그러한 방법에 의한 작업물 쌍의 접합 Download PDF

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Abstract

마찰 교반 방법은 마찰 교반 공구의 회전 탐침(1)이 한쌍의 작업물(89) 사이의 접합부 또는 작업물에 진입하게 하는 것을 포함하고, 작업물 또는 각각의 작업물은 낮은 전도성의, 고 용융점 금속 또는 금속 합금이다. 탐침(1)은 작업물(들)과 접촉된 숄더(4)로부터 연장되거나, 또는 숄더들 사이로부터 연장되고, 숄더 또는 각각의 숄더에 대하여 회전된다.

Description

마찰 교반 방법 및 그러한 방법에 의한 작업물 쌍의 접합{Friction stir method and a pair of workpiece joint by such method}
본 발명은 낮은 전도성 및 고온의 금속과 금속 합금을 처리하거나 또는 접합하는 방법에 관한 것이다.
이와 관련하여, "고온의 금속과 금속 합금"은 알루미늄의 용융 온도보다 높은 용융 온도, 즉, 700℃ 보다 높은 용융 온도로서 정의된다. "낮은 전도성의 금속 및 금속 합금"은 알루미늄 보다 낮은 열적 전도성을 가진 것으로서 정의되며, 통상적으로 250 W/m K 보다 낮고, 바람직스럽게는 150 W/m K 보다 낮은 열적 전도성을 가지는 것이다. 높은 온도, 낮은 전도성의 금속 및 금속 합금들은 높은 용융점 및 높은 강도들을 가지고, 공통적으로 철 함유(ferrous)의 합금을 포함하며, 또한 니켈, 코발트, 크롬, 몰리브데늄, 텅스텐, 알루미늄, 티나늄, 니오븀, 탄탈륨, 레늄 및 지르코늄의 양을 함유하는 재료들을 포함한다. 이들은 또한 티타늄 합금을 포함하는데, 이것은 고성능의 항공 우주 적용예 및 다른 적용예들에서 광범위의 용도를 가진다.
낮은 전도성의 고온 금속들 및 금속 합금들은 통상적으로 융해 방법(fusion method)에 의해 접합되었지만, 마찰 교반 용접(friction stir welding;FSW)을 이용 하여 이들을 접합하는데 유리하다는 점이 인정되었다.
마찰 교반 용접은, 작업물 보다 경질인 재료의 탐침(probe)이 접합 영역 및 작업물의 대향하는 부분들에 진입되도록 하면서, 상대적인 주기 운동(cyclic movement)(예를 들면, 회전, 궤도 또는 왕복 운동)이 탐침과 작업물 사이에 야기됨으로써 마찰열이 발생되어 대향하는 부분들이 가소성 상태를 취하게 되고; 선택적으로는 접합 영역의 방향에서 탐침과 작업물 사이에 상대적인 운동이 야기되고; 탐침을 제거하고; 가소성 상태가 된 부분이 굳어져서 작업물을 함께 접합시키게 하는 방법이다. 마찰 교반 용접의 예는 유럽 특허 출원 EP-A-0615480 및 국제 출원 공개 WO 95/26254 에 개시되어 있다.
마찰 교반 용접의 장점들은 종래 기술에서 널리 보고되고 있으며, 특히 통상적인 융해 용접 기술에 비교하여 보고되었다. 이러한 장점들에는 소모품 또는 충전재(filler)의 불필요성, 길이가 긴 용접에서의 낮은 왜곡, 준비를 거의 안해도 되는 점, 고체 상(phase)(연기, 구멍 및 튀기는 현상(splatter)이 없음, 낮은 열 투입 및 용융된 용접 풀(pool)의 응결(solidification) 회피), 접합부의 우수한 기계적 특성 및 성형 특성들이 포함된다.
마찰 교반 공구들은 또한 단일의 작업물을 처리하는데 이용될 수 있다. 마찰 교반 처리(Friction Stir Processing, FSP)에서, FSW 용으로 통상적으로 이용된 공구는, 용접을 형성하는 접합 선을 따라 움직이는 대신에, 단일 작업물의 재료를 통해 움직여서 그 재료의 특성에 변화를 부여한다. 공구의 열기계적(thermo-mechanical) 재처리 작용은 마이크로구조, 물리적인 특성(플라스틱 거동, 강도 및 c.) 및 화학적 특성(내부식성 및 c.)의 특정한 국부적 변화에 이를 수 있다. FSP 는 주조물 및 다른 구조들을 굳히고 수리하는데 이용되어, 예를 들어 실린더 헤드 주조물에서 채널/포트들 둘레의 특성을 향상시키고, 구멍을 제거하는데 도움을 주었다. FSP 의 예들은 미국 특허 US 6712916B, 유럽 특허 출원 EP-A-1160029, 일본 특허 출원 JP 2005-324240A, 미국 특허 출원 US2006-0032891A 및 미국 특허 US 6994916B에서 찾을 수 있다.
마찰 교반 공구들은 통상적으로 단순한 실린더형 또는 약간 테이퍼진 탐침 또는 "핀"을 포함하는데, 이들은 직경이 크고 평탄하거나, 돔(dome)의 형태이거나 또는 테이퍼진 숄더(shoulder)로부터 돌출된 것이다. 이러한 유형인 공구의 통상적인 예는 영국 특허 출원 GB-A-23066366 에 설명되어 있다. 단순한 핀 공구의 많은 변형들이 종래 기술에 공지되어 있다. 종래 기술로부터 알려진 공구의 다른 공통적인 유형은 "보빈 공구(bobbin tool)"로서 알려져 있으며, 유럽 특허 출원 EP-A-0615480 에 개시된 바와 같다. 이러한 유형의 공구는 지원용 부재(backing member)의 필요성을 극복하는데, 지원용 부재는 종종 작업물(들)에 대한 공구의 작용에 의해 발생되는 힘에 반작용하는데 필요하다.
공구들의 다른 예들이 공지되어 있는데, 이것은 조직화된 표면, 나사화되고 세로홈이 파진(fluted) 핀들을 포함하며, 이것은 교환 가능한 핀 및 숄더들로 이루어지고, 또한 적용예에 따라서 재료들의 상이한 조합으로 이루어진다. 이러한 예들은 국제 출원 공개 WO 95/26254, WO 02/092273, 미국 특허 US 62774301B1, 국제 출원 공개 WO 99/52669, 유럽 특허 출원 EP-A-1361014, 미국 특허 US 6676004B1 및 많은 다른 것들에서 찾을 수 있다.
마찰 교반 용접을 이용하여 공통적으로 접합되는 통상적인 작업물 재료들은 낮은 용융 온도의 것이며 이와 관련하여 일반적으로 저온 금속 또는 저온 재료로서 지칭된다. 가장 통상적인 마찰 교반 용접 가능 재료들은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 납 및 다른 유사한 재료들에 기초한 금속들이다.
마찰 교반 용접에 의하여 고온 재료들의 접합을 수행하는 많은 연구들이 변화 많은 성공과 함께 수행되어 왔다. 고온 재료를 마찰 교반 용접할 때 많은 문제점들중 하나는 올바른 공구 재료를 선택하는 것으로서, 이것은 통상적으로 내화 금속 또는 세라믹 재료가 사용되었다.
국제 출원 공개 WO 99/52669 는 철 함유(ferrous) 재료에 대하여 순수 텅스텐, 텅스텐 레늄 합금 및 텅스텐 카바이드의 이용을 고려하고; 다른 고온 적용예들에 대하여 코발트 재료, 세라믹 또는 도성 합금(cermet) 재료를 고려한다.
국제 출원 공개 WO 01/85385 는 공구를 이용하는 MMC, 철 함유 합금, 비철 합금 및 슈퍼합금(superalloy)의 마찰 교반 용접에 관한 것인데, 핀 및 숄더는 적어도 슈퍼 연마(superabrasive) 재료를 포함하는 코팅을 포함한다. 이것은 통상적으로 폴리크리스탈린 큐빅 보론 질화물(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN)이다.
영국 특허 GB 2402905 는 니켈 및 티타늄 합금과 같은 고강도 재료의 용접에 유용한, 텅스텐에 기초한 내화 재료로 제조된 공구를 개시한다.
용접 상부와 저부 사이의 열 불균형, 벌레 구멍의 결함 및 높은 숄더 속도에 기인한 플래싱(flashing)의 문제점들 및 왜곡이 표준 기하 형상의 W-Re 공구 유형에서 발생할지라도, 표준 기하 형상의 W-R3 공구들을 이용하는 특정 Ti 등급의 접합에서 합리적인 용접 품질이 얻어졌다. ("마찰 교반 용접 베타 21S 티타늄의 개관", Loftus 등, 제 5 회 FSW 심포지엄. Metz 2004). 열 입력의 균형을 맞추는 보빈 공구의 이용을 포함하는, 상기의 문제점을 극복하려는 방법들은 상기 문헌에서도 제안되었다.
미국 특허 출원 US-A-2003/0201307 은 마찰 교반 용접 공구의 다른 예를 설명하는데, 여기에서는 탐침이 2 개의 숄더(shoulder) 사이에 연장되고, 숄더들중 하나는 탐침에 대하여 회전하는 반면에, 다른 하나는 탐침에 독립적으로 회전한다. 이것은 숄더에 의해서 상이한 표면 가열 비율이 적용되는 것을 허용하는데, 이는 상이한 용접 파라미터들을 필요로 하는, 유사하지 않은 특성들을 가진 재료들을 겹치기 용접(lap welding)할 때 유리하다.
종래 기술에서 주목된 공구를 이용하는 고온 재료들의 마찰 교반 용접 및 처리를 수행할 때 다양한 문제점들이 명백한데, 특히 공구 재료의 품질 저하가 문제이며, 이는 전체적으로 이들 고온 재료들의 마찰 교반 용접 및 처리 동안에 발생되는 고온 및 응력의 탓이다. 또한 고온 재료들에서의 열 입력 제어할 때 문제점들이 발생되는데, 이는 Loftus 등에서 지적된 바와 같이, 공구의 과열 때문만이 아니고, 용접 프로파일을 통한 열적 불균형 및 작업물의 과열 때문이기도 하며, 이는 불량한 접합 특성으로 이어질 수 있다. 특정의 고온 재료들에서, 이러한 효과는 공통적으로 재료의 혼합을 증진시키도록 핀에 충분한 속도를 부여하는 동안 공구 숄더의 상대적으로 큰 마찰 표면에 의해 제공되는 높은 열 입력 때문이다. 비록 공구를 냉각시키는 노력이 공구의 수명을 늘리는데 성공적이었을지라도, 이들은 오직 접합 특성들에서 제한된 효과를 가질 뿐이다. 공구의 숄더 부분의 직경을 감소시키는 것은 열 입력을 감소시킬 수 있지만, 재료의 부적합한 강화 및 많은 양의 플래쉬(flash)의 발생에 이르게 된다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 마찰 교반 방법은 마찰 교반 공구의 회전 탐침이 한쌍의 작업물 사이의 접합 영역 또는 작업물에 진입하게 하는 것을 포함하고, 작업물 또는 각각의 작업물은 낮은 전도성, 높은 용융점의 금속 또는 금속 합금이며, 탐침은 작업물과 접촉된 단일 숄더로부터 연장되고 숄더에 대하여 회전한다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 마찰 교반 방법은 마찰 교반 공구의 회전 탐침이 한쌍의 작업물 사이의 접합 영역 또는 작업물에 진입하게 하는 것을 포함하고, 작업물 또는 각각의 작업물은 작업물(들)의 대향하는 측들에 접촉된 제 1 숄더와 제 2 숄더들 사이에 있고, 양쪽 숄더들에 대하여 회전한다.
고온 재료, 특히 금속에 대한 FSW 의 연구가 수행되었는데, 가장 심각한 문제로 증명된 것은 고온, 낮은 전도성 재료들에서의 과도한 열의 발생이라는 점이 주목된다. FSW 공구에 의해 발생된 열은 용접 영역 주변에서 국부화되어 남는 경향이 있으며, 이것은 작업물 재료의 과열로 이어질 수 있다.
(표면의 열 투입을 줄이도록) 숄더의 직경을 감소시키는 것조차도 표면 과열의 문제점을 극복하지 못한다. 그러나, 본 발명으로서 적절한 혼합 및 굳힘(consolidation) 작용을 유지하면서 열 투입을 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명에서, 탐침은 그 어떤 숄더와도 분리되어 회전한다. 이것은, 낮은 전도성의 고온 재료를 접합시키도록 내부 가열의 소스(source)와 표면 가열의 소스 사이에 존재하는 직접적인 상호 의존 관계가 없는 것이 바람직스럽기 때문인데, 상호 의존 관계는 그 어떤 고정된 탐침/숄더 상을 가지고 마찰 교반 용접 공구들을 이용할 때 존재하는 것과 같은 것이다. 숄더(또는 숄더들)와 탐침의 완전한 회전 결합 분리(decoupling)는 재료에 대한 그리고 재료를 통한 독립적인 열 투입의 제공을 허용한다. 특히, 전체적인 표면 과열 없이 숄더(들)가 재료 표면에 충분한 굳힘을 제공하면서, 충분한 속도가 핀에 의해서 재료를 혼합시키록 부여된다.
통상적으로 작업물에 대하여 정지 상태가 되지만 탐침에 대하여 느리게 회전될 수 있는 분리된 숄더(들)는 (존재한다면) 매우 적은 열을 용접 표면에 부가하며, 따라서 고온의 낮은 전도성 재료들의 통상적인 FSW에서 보이는 표면 과열의 문제점을 회피한다. 단일의 숄더가 제공되고 작업물의 상부 표면에 대한 위치에 숄더가 있을 때, 비록 단계화된 탐침 형상을 이용하는 것이 가능할지라도, 회전 FSW 공구는 일반적으로 탐침 구성 요소만으로 이루어진다. 이러한 회전 탐침은 FSW 과정에 필요한 열을 발생시키며, 양호한 품질의 용접이 고온의 낮은 전도성의 재료에서 발생될 수 있다.
분리된 탐침 및 숄더를 가지는 마찰 교반 용접 공구를 제공하는 것이 공지되어 있지만, 그러한 공구가 고온 재료들의 용접에서 이용되는데 특히 유리하다는 것은 인식되지 않았다.
예를 들면, 일본 특허 출원 2004-358513A 는 상대적으로 낮은 분쇄 강도(crush strength)(압출) 및 우수한 특성을 가진 재료들을 접합시키기 위한 마찰 교반 용접 공구를 개시한다. 이것은 핀/숄더의 기하학적 독립성을 감소시키도록 가열된 공구 및 독립적인 숄더를 이용하며, 따라서 곤란한 기하 형상을 접합시킬 때 필요한 하방향의 힘 및 핀의 크기를 감소시킨다. 이것은 그 어느 때에도 마찰 교반 용접에 의해서 고온 재료들의 용접의 문제점을 해결하려고 하지 않는다.
미국 특허 6,811,632B 는 FSW 를 이용하여 열가소성 재료를 접합시키는 방법 및 장치를 설명한다. 이 발명의 특징은 분리된 핀 및 정지 상태의 제한용 표면을 포함하는 공구의 이용을 포함한다. 이 발명은 열가소성 재료의 재료 방출(expulsion of material)의 문제를 해결하려는 것으로서, 이는 회전 숄더의 작용에 의해 발생하게 되는 것이다. 이 발명은 특히 열가소성 재료들의 접합을 위한 것이며, 유사한 특징을 가진 장치를 이용하여 금속들이 접합될 수 있는 것을 시사하지는 않는다. 이러한 특허에는 금속에 대해 작용하는 마찰 교반 용접의 방법이 플라스틱에 대해 작용하지 않고, 그 역으로도 마찬가지라는 점이 시사되어 있다. 플라스틱 및 금속들의 근본적으로 상이한 특성들에 기초하여 이것에 대한 많은 이유들이 설명되어 있다. 이것은 과정중에 플라스틱들이 용융되는 반면에, 금속들은 용융되지 않으며, 금속들은 재료의 직각 유동 및 굳힘을 돕도록 특정한 양의 아래 방향 힘이 부여될 것을 필요로 하는 반면에, 플라스틱은 그러하지 않다는 사실을 포함한다. 또한 정지 상태 표면을 통한 열의 도입은 플라스틱에서 공정의 성공에 중요하다는 점이 특히 지적되어야 한다. 이러한 특허는 순수하게 플라스틱의 접합을 위한 것으로서, 그 기술을 이용하여 금속을 접합하는 것에 관한 언급이 없다. 특히 언급되어야 하는 것으로서 제한용 부재로부터의 압력이 아닌 제한이 필요하다. 수직 방향으로의 압력은 재료에 상이하게 영향을 미치게 되며, 플라스틱에 대하여 문제를 일으킨다. 고온 재료에 고유한 특성들은 금속들보다는 플라스틱으로부터 더욱 제거되기 때문에, 반대의 접근 방법이 이루어져야 하는 것으로 기대된다.
유럽 특허 출원 EP-A-1021270 은 FSW를 이용하여 작업물들을 접합시키기 위한 장치에 관한 것이다. 이 발명의 특징은 핀 및 동체(그것의 가장 낮은 부분은 통상적인 FSW 공구에서와 같이 숄더이다)의 이용을 포함하는데, 핀 및 동체는 상호 움직일 수 있어서, 핀 및 동체가 서로에 대하여 상이한 운동 패턴을 수행하는 것이 허용된다. 이 특허는 숄더 영역에 의해 발생된 마찰 열의 결여 때문에 접합 영역에 대한 추가적인 열의 공급 필요성과 함께, 순수하게 정지 상태인 동체의 이용을 설명한다. 이 발명은 작업물에서의 두께 변화 및 접합 동안에 추가적인 재료의 공급에 대한 문제를 해결하려는 것이다. 이것은 마찰 교반 용접으로 고온 재료의 용접 문제들을 해결하려고 하는 것이 아니며, 정지 상태 숄더의 이용과 고온 재료를 접합하는 것 사이에 명백한 연결이 이루어질 수 없다. 고온 재료들의 특성들 때문에, 당업자들은 보다 많은 열이 투입되는 것을 기대할 것이다.
마찰 교반 용접(friction stir welding; FSW) 뿐만 아니라, 본 발명은 다른 마찰 교반의 적용예들에 적용될 수 있으며, 마찰 교반 처리, 마찰 교반 스폿 용접, 마찰 교반 채널링(channelling) 및 고온 재료들을 이용하는 그 어떤 다른 적용예라도 포함된다. 그러나, 비록 바람직한 특징들이 다른 적용예들에 적용될 수 있다는 점이 용이하게 이해될지라도, 본 발명은 주로 FSW 와 관련하여 설명될 것이다.
본 발명의 방법은 또한 평판이 아닌 접합 기하 형상의 접합을 위해서 이용될 수 있는데, 예를 들면 파이프의 내측 직경 또는 외측 직경, 코터 또는 필렛(fillet) 또는 계단화된 구성 요소들과 같은 것이다. 이러한 경우들에서, 예를 들면 회전하지 않는 슬라이드 형태인 숄더는 형성되어야 하는 용접부의 형상 또는 구성 요소의 형상을 따르도록 설계될 수 있다. 더욱이, 2 개 이상의 작업물들을 접합하기 위해 그것이 이용될 수 있다.
접합 품질을 더욱 향상시키도록, 표면 코팅 또는 표면 처리들이 하나 이상의 숄더(들) 및 탐침에 적용될 수 있다. 이러한 코팅들 및 처리들은 낮은 마찰, 내마모성, 온도 저항성, 확산에 대한 저항성 및 낮은 반응성과 고체 상태 윤활의 특성을 나타낼 수 있다. 처리들의 예는 질화 처리(nitriding), 탄소 처리(carburizing) 및 질화-탄소 처리(nitro-carburizing)를 포함한다. 코팅의 예들은 알루미나, 지르코니아, 실리콘 질화물 및 시알론(sialon)과 같은 세라믹들; 및 PCBN, 주조 철 및 몰리브데늄과 같은 내화 금속들을 포함한다.
불활성 차폐용 개스(inert shielding gas)는 산화를 방지하고 냉각을 돕도록 숄더를 통해서 슬라이드 둘레에 적용될 수 있다. 그 예들은 아르곤 및 헬륨을 포함한다.
예비 가열이 용접에 앞서 재료를 사전 연화시키도록 적용될 수 있다.
숄더(들)는 냉각될 수 있다(물, 개스 히트 싱크).
사후의 가열/냉각은, 공구 배후의 작업 재료가 겪는 열적 사이클(thermal cycle)을 제어하도록 적용될 수 있다.
쌍둥이 탐침 접근 방식(twin probe approach)은, 측방향으로 발생된 힘들을 감소시키고 용접 품질 및 공구의 수명을 향상시키도록 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 단일 숄더 안의 개별 통공들을 통해 연장되는 2 개의 회전 탐침(rotating probe)들이 제공될 수 있으며, 탐침은 탐침의 운동 방향과 라인(line)을 형성하고 있거나 또는 약간 오프셋 되어 있다. 탐침들은 상이한 크기(길이 및/또는 폭)들을 가질 수 있으며, 반대로 회전될 수 있다.
다수의 탐침들이 작업물 재료의 상이한 영역들을 처리하기 위해서 적용될 수 있다.
용접 작동중에, 숄더(들)가 작업물과 접촉되게 유지되는 동안, 탐침 구성 요소는 용접부를 희미하게 하도록 점진적으로 수축될 수 있거나, 또는 구성 요소의 두껍고/얇은 부분들을 처리하도록 연장될 수 있거나/수축될 수 있다.
숄더 또는 각각의 숄더가 정상적으로는 정지 상태의 슬라이드일 것이지만, 접합 작용중에는 느리게 회전하거나 또는 둘레로 서행하도록 만들어질 수 있다. 통상적으로, 탐침은 숄더(들)보다 적어도 10 배 더 빠르게 회전할 것이며, 숄더(들)는 통상적으로 50 rpm 보다 적게 회전한다.
재료의 하나 이상의 유형 또는 하나 이상의 단편으로부터 숄더 또는 각각의 숄더를 구성하고, 회전 탐침에 가깝게 재료를 포함하기 위하여 고온 삽입부 또는 특수하게 코팅된 삽입부를 이용하는 것은 선택적인 것이다. 예를 들면, 숄더는 주로 니켈에 기초한 합금으로 만들어질 수 있지만, 탐침이 연장되는 통공의 둘레에 형성된 삽입부를 가질 수 있으며, 삽입부는 위에서 언급된 바와 같은 세라믹 또는 내화 금속으로 만들어진다.
탐침은 고체 베어링을 통해서 결합될 수 있으며, 숄더 또는 각각의 숄더 또는 작은 간극이 그 사이에 제공될 수 있다.
쌍둥이 숄더 접근 방식(twin shoulder approach)이 이용될 수 있는데, 여기에서는 숄더를 상부 표면상에 제공할 뿐만 아니라, 탐침상의 적절한 베어링 또는 핀에 의해서 또는 다른 방식으로 숄더를 작업물 아래에 고정시키도록 적절한 부착이 제공될 수 있다. 따라서, 제 2 숄더는 탐침에 대하여 정지 상태이거나 또는 느리게 회전될 수 있다.
숄더(들)가 정상적으로는 활성화된 적용 하중을 사용중에 겪게될 것인데, 이것은 통상적으로 500 내지 5000 kg 이고, 항상 약 3000 kg 이다.
많은 상이한 재료 유형들 및 조합들이 접합되거나 처리될 수 있으며, 이들은 다음과 같은 것을 포함한다.
Ti 및 합금
Fe, 강철 및 다른 합금
Ni 및 합금
V 및 합금
Cr 및 합금
Mn 및 합금
Co 및 합금
Zr 및 합금
Pd 및 합금
Hf 및 합금
Pt 및 합금
유사하지 않은 재료의 조합들이 접합될 수 있다. 탐침 단독으로 제공되는 매우 좁은 가열 및 혼합 영역 때문에, 접합 영역의 위치는 하나의 재료를 다른 재료에 걸쳐 선택적으로 혼합시키고 가열시키는 것일 수 있다. 이것은 특히 접합 특성들이 상호 금속간 화합물의 형성에 의해 공통적으로 제한되는 경우에 유리할 수 있다. 감소된 표면 가열은 금속간 형성을 제한하는 가능성을 가지며, 이전에 용접될 수 없었던 유사하지 않은 많은 재료 조합들의 접합을 가능하게 한다. 사실, 고온의 낮은 전도성의 금속들 및 금속 합금들이 아닌, 많은 유사하지 않은 재료들은 상기 명세서에서 설명된 마찰 교반 공구들을 이용하여 접합될 수 있다.
고온 재료들의 성공적인 접합을 용이하게 하는 것과는 별개로, 상기 언급된 방법은 접합 영역으로의 열 투입 균형을 맞추는데 있어서 접합시에 장점을 제공한다. 본 발명의 방법은 특정한 접합 특성들 및 마이크로구조들을 제공하도록 맞춤 제작될 수 있다. 슬라이드를 이용하여 만들어진 접합부들의 표면 마무리는 전체적으로 마찰 교반 및 유행에 기초한 다른 기술들을 이용하여 제조된 것보다 훨씬 낳은 품질이다.
본 발명의 접근 방식은 다음과 같은 다른 장점들을 가진다:
고온, 낮은 전도성의 재료에서 안정된 FSW 과정으로 우수한 품질의 용접을 만드는 성능.
종래의 FSW (여기에서는 용접 과열이 제한 인자이다)에 비교하여 고온, 낮은 전도성의 재료들에서 향상된 용접 속도.
오직 탐침만이 회전함으로써, 용접을 통한 열 투입이 보다 균일하게 균형이 잡히는 것과 같이, 종래의 FSW 와 비교하여 향상된 용접 루트(weld root) 품질.
용접부에서 보다 균형되게 분포된 열에 기인하여, 향상된 공구 수명 및 감소된 FSW 공구 마모의 가능성.
회전 탐침을 분리된 부분으로서 이용하는 것은 FSW 공구에 필요한 고온 재료의 체적을 감소시키는데, 이것은 발전된/보다 높은 품질의 공구 재료가 이용될 수 있게 하여 향상된 공구 성능을 부여한다.
비회전 슬라이드 숄더의 이용 및 낮춰진 표면 열 투입은, 특히 티타늄과 같은 재료를 접합시킬 때 용접 오염물의 가능성을 감소시키는데, 이는 숄더가 외부 환경을 접합부 또는 처리 영역으로부터 차단시키기 때문이다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 방법 및 장치들의 예들은 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 및 도 2 는 종래의 FSW 방법을 이용하는, 고온 재료들 사이의 접합의 외관을 도시하는 사진들이다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 FSW 장치의 제 1 예에 대한 개략적인 다이아그램이다.
도 4 는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 제 2 예를 통한 단면도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 수행된 맞대기 용접의 사진이다.
도 6 은 도 5 에 도시된 용접을 통하여 취해진 횡단면도이다.
도 1 및 도 2 는 고온 재료들을 용접하기 위한 통상적인 FSW 방법들의 문제점을 도시하는데, 이러한 경우에 2 개의 고온 재료들은 Ti-6Al-4V 이다. 상기 사진들에서 알 수 있는 바로서, 접합 표면의 심한 과열이 발생되어 재료의 과도한 연화(over-softening), 부적절한 재료의 함유 및 불량한 표면 마무리에 이르게 된다. 25 mm 직경의 숄더(shoulder)가 15 mm 직경의 탐침(probe)과 이용되었는데, 탐침은 200 rpm 으로 회전되었고 100 mm/min 으로 병진 운동되었다. 도 2에서는 15 mm 직경의 숄더가 6 mm 직경의 탐침 또는 핀과 이용되었는데, 탐침 또는 핀은 250 rpm 으로 회전하고 60 내지 90 mm/min 사이에서 병진 운동되었다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 단순한 장치의 예를 도시한다. 이러한 경우에, 길이가 긴 탐침(1)은 기계 스핀들(2)로부터 가해진 하중하에서, 함께 맞대기 되어 있는 고온 금속 작업물(8,9)의 쌍 사이의 접합 영역(7)으로 연장된다. 기계 스핀들은 주 공구 헤드 베어링(3)에 저널(journal) 되어 있는데, 주 공구 헤드 베어링은 하중하에 배치된 숄더 구성 요소를 한정하는 비회전 슬라이드(4)에 의해 지지된다. 탐침은 텅스텐 또는 몰레브데늄과 같은 내화성(refractory) 합금으로 제조될 수 있거나, 또는 대안으로서 알루미나, 지르코니아 및 그와 유사한 것으로 만들어지는 세라믹에 기초한 것일 수 있다. 슬라이드(4)는 통상적으로 니켈에 기초한 합금이나 또는 다른 고온 재료로 만들어지고, 이전에 설명된 바와 같이, 탐침(1)에 가깝게 위치한 삽입부(insert)를 가진다.
사용중에, 기계 스핀들(2) 및 따라서 탐침(1)은 고속으로 회전하는데, 예를 들면 10-1000 rpm 이고, 통상적으로 약 500 rpm 이며, 탐침은 작업물(8,9) 사이에 삽입된다. 다음에, 작업물(8,9)의 상부 표면들에 접촉하는 탐침과 슬라이드(4)는, 접합 영역(5)을 따라서 작업물들을 함께 마찰 교반 용접하기 위하여 화살표(10)의 방향으로 가해진 하중하에서 움직인다. 비회전 슬라이드(4)에 의해서 횡단된 영역은, 도면 번호 6 으로 도시되어 있다.
도 3 에 원리가 도시된 장치는 도 4에서 보다 실질적인 구현예로 도시되어 있다. 도 4 는 스핀들 베어링(11)을 통하여 기계 스핀들(13)을 회전 가능하게 지지하는 주 하우징(20)을 포함하는 FSW 공구를 도시하는데, 기계 스핀들의 상단부는 기계 스핀들을 회전 가능하게 구동하기 위하여 구동 모터에 연결될 것이고, 그 하단부는 하우징(20)에 고정된 주 공구 헤드 베어링(14)에 의해 지지된다.
홀더(holder)에 있는 FSW 탐침(17)은 주 스핀들(13)의 단부에 연결되고 하우징(20)의 하부 부분(15) 안에 형성된 개구(21)를 통해 돌출된다.
하우징(20)의 하부 부분(15)은 통상적인 FSW 공구의 숄더와 동등한 비회전 슬라이드 구성 요소(18)를 지지하는데, 슬라이드 구성 요소는 중앙의 고온 플러그(22)를 가지고, 고온 플러그는 개구(21) 안으로 삽입되고 탐침(17)이 연장되는 통공을 형성한다.
불활성 차폐용 개스는 유입 구멍(12)을 통해 공급될 수 있고 유출 구멍(16)을 통해 배출된다.
도 5 는 도 4 에 도시된 장치를 이용하여 형성된 Ti-6Al-4V 에서의 맞대기 접합 용접의 사진이다. 이러한 경우에, 탐침은 8 mm 의 직경을 가지고, 300 rpm 으로 회전하고, 80 mm/min 으로 병진 운동된다. 용접 사후의 마무리가 이루어지지 않았지만 훨씬 향상된 접합이 얻어졌다는 점이 주목되어야 한다. 동일한 접합이 도 6 의 횡단면에 도시되어 있다.
본 발명은 작업물의 처리, 접합, 용접등에 이용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 마찰 교반 공구의 회전 탐침(1)이 한쌍의 작업물들(8,9) 사이의 접합 영역 또는 작업물에 진입하게 하는 것을 포함하는 마찰 교반 방법으로서, 작업물 또는 각각의 작업물은 낮은 전도성 및 높은 용융점의 금속 또는 금속 합금, 즉, 알루미늄의 열적 전도성보다 낮은 열적 전도성(thermal conductivity) 및 알루미늄의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가지는 금속 또는 금속 합금이고,
    마찰 교반 공구는 단일의 숄더(4)를 가지고,
    단일의 숄더(4)로부터 탐침이 연장되고,
    숄더는 작업물 또는 작업물들과 접촉하고,
    탐침은 숄더(4)에 대하여 회전하고, 숄더(4)는 작업물 또는 작업물들(8,9)에 대하여 회전하지 않는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    한쌍의 작업물들을 접합시키기 위하여, 작업물들(8,9) 사이의 접합 라인(7)을 따라서 공구를 움직이는 것을 더 포함하는, 마찰 교반 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    작업물의 처리(processing)를 위하여, 작업물을 따라서 연장되는 접합 라인(7)을 따라 공구를 움직이는 것을 더 포함하는, 마찰 교반 방법.
  4. 삭제
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    숄더(4)는 슬라이드 부재(slide member)를 한정하는, 마찰 교반 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    숄더(4)는, 그 숄더가 맞대어지는 작업물 또는 작업물들(8,9)의 표면 또는 표면들과 합치되도록(conform) 형상화되는, 마찰 교반 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    탐침(1)과 숄더(4)중 하나 또는 양쪽에는 저마찰(low friction), 마모 저항성(wear resistance), 온도 저항성(temperature resistance), 확산 저항성(diffusion resistance), 저반응성(low reactivity) 및 고체 상태 윤활(solid state lubrication)중 하나 이상을 나타내는 표면 처리 또는 표면 코팅이 제공되는, 마찰 교반 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    숄더(4)와 작업물 또는 작업물들(8,9) 사이의 영역에 차폐용 개스(shielding gas)를 공급하는 것을 더 포함하는, 마찰 교반 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    숄더(4)와 작업물 또는 작업물들(8,9) 사이의 영역에 냉각제 또는 윤활제를 공급하는 것을 더 포함하는, 마찰 교반 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    숄더(4)는 하나 이상의 단편(piece)으로 구성되고, 탐침 주위에 위치된 단편은 고용융점(high melting point)을 가지는, 마찰 교반 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    작업물 또는 각각의 작업물들(8,9)은:
    티타늄(Ti) 및 합금,
    철(Fe), 강철 및 다른 합금,
    니켈(Ni) 및 합금,
    바나듐(V) 및 합금,
    크롬(Cr) 및 합금,
    망간(Mn) 및 합금,
    코발트(Co) 및 합금,
    지르코늄(Zr) 및 합금,
    팔라듐(Pd) 및 합금,
    하프늄(Hf) 및 합금,
    플래티늄(Pt) 및 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된, 마찰 교반 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    한쌍의 작업물들(8,9)을 접합하기 위하여, 작업물들이 상이한 재료들로 만들어지는, 마찰 교반 방법.
  16. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    숄더가 작업물 또는 작업물들(8,9)과 접촉되어 유지되면서 공구가 접합 라인(7)의 끝의 주위에 위치될 때, 탐침(1)은 회전하면서 수축되는, 마찰 교반 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    금속 또는 금속 합금의 융융점은 700℃ 보다 큰, 마찰 교반 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    금속 또는 금속 합금의 열적 전도성은 250 W/m K 보다 작은, 마찰 교반 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 따른 방법에 의해 접합되었던, 알루미늄의 열적 전도성보다 낮은 열적 전도성(thermal conductivity) 및 알루미늄의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가지는 금속 또는 금속 합금으로 된 한쌍의 작업물들.
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