KR101349287B1

KR101349287B1 - 금속 박판 제조방법

Info

Publication number: KR101349287B1
Application number: KR1020070109589A
Authority: KR
Inventors: 장웅성; 박서정
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2014-01-16
Also published as: KR20090043817A

Abstract

박판의 접합 공정을 개선하여 이종 금속이 접합된 박판을 제조할 수 있는 금속 박판 제조방법을 제공한다. 금속 박판 제조방법은 제1 부재의 일면과 제2 부재의 일면을 서로 대향하도록 배치하는 단계, 적어도 한 개의 부재를 회전시켜 제1 부재와 제2 부재간에 회전 마찰력을 발생시켜 제1 부재와 제2 부재를 서로 접합하는 단계, 적어도 한 개의 부재를 가압하는 단계, 제1 부재와 제2 부재가 고상 접합된 접합부 표면에 가공 툴을 접하여 박판을 제조하는 단계를 포함한다.

회전 마찰 용접(Friction welding), 박판(Thin sheet metal), 고상 접합, 이종 금속(Dissimilar metal), 열변형(Heat transformation)

Description

금속 박판 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING METAL SHEET}

본 발명은 박판 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 박판 제조방법에 관한 것이다.

종래 금속 박판의 맞대기 접합(Butt joint) 및 용접에서는 저 입열 제어가 어렵고, 국부적인 위치 제어 역시 한계가 있었다. 또한 박판의 특성상 접합부 열 변형이 심하기 때문에 고정밀도를 요구하는 부품 제조에는 사용이 제한되어 왔다. 이러한 박판의 용접은 근래 들어 고품질의 레이저 발진기의 개발에 힘입어 수십 마이크론 직경의 집광빔으로 차츰 극복이 되어 가고 있다. 하지만 레이저 미세 용접 역시 금속에 대한 용융 접합이 이루어지기 때문에 접합부의 강도 특성이 떨어진다. 또한, 박판의 특성상 비록 국소 용접이라 하더라도 열분포의 편차가 심하기 때문에 열 변형 역시 피할 수 없다.

박판의 접합 공정을 개선하여 이종 금속이 접합된 박판을 제조할 수 있는 금속 박판 제조방법을 제공한다.

금속 박판 제조방법은 제1 부재의 일면과 제2 부재의 일면을 서로 대향하도록 배치하는 단계, 적어도 한 개의 부재를 회전시켜 제1 부재와 제2 부재간에 회전 마찰력을 발생시켜 제1 부재와 제2 부재를 서로 접합하는 단계, 적어도 한 개의 부재를 가압하는 단계, 제1 부재와 제2 부재가 고상 접합된 접합부 표면에 가공 툴을 접하여 박판을 제조하는 단계를 포함한다.

가공 툴의 일측에 구비되는 냉각장치로 가공 툴과 박판을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.

냉각된 박판을 롤 형태로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

제1 부재는 기 설정된 속도로 회전되는 회전부재이고, 제2 부재는 제1 부재 방향으로 길이방향 이동되는 가압부재로 이루어질 수 있다.

제1 부재와 제2 부재는 서로 다른 재질의 금속으로 이루어지며, 환봉으로 이루어질 수 있다.

금속 박판 제조방법은 이종 금속의 박판 제조가 가능하며, 고속 박판 생산이 가능하다.

또한, 고상 접합이기 때문에 이종 금속간 접합부 특성이 우수하며, 접합부의 열 변형이 거의 없다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1a 내지 도 1d에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 금속 박판 제조방법은 크게 4단계를 포함한다.

먼저, 도 1a에서 제1 부재(10)의 일면과 제2 부재(12)의 일면을 서로 대향하도록 배치한다. 이러한 부재들의 배치는 전형적인 회전 마찰 접합 공정을 나타내고 있다. 여기서, 제1 부재(10)는 기 설정된 속도로 회전되는 회전부재이고, 제2 부재(12)는 제1 부재(10) 방향으로 길이방향 이동되는 가압부재로 이루어진다. 제1 부재(10)와 제2 부재(12)는 서로 다른 재질의 이종 금속으로 이루어지며, 환봉으로 이루어질 수 있다. 즉, 환봉으로 이루어지는 두 개의 이종 금속에서 제1 부재(10)는 회전시키고, 제2 부재(12)는 회전되지 않고 제1 부재(10) 방향으로 이동되도록 하여 배치한다. 제1 부재(10)의 일측에는 제1 부재(10)를 회전시키는 회전장치가 별도로 구비되며, 제2 부재(12)의 일측에는 제2 부재(12)를 제1 부재(10)측으로 가압하는 가압장치가 별도로 구비된다. 상기한 회전장치와 가압장치의 도시는 생략한 다.

이어서, 도 1b에 도시한 바와 같이 제1 부재(10)와 제2 부재(12) 가운데 적어도 한 개의 부재를 회전시켜 제1 부재(10)와 제2 부재(12)간에 회전 마찰력을 발생시켜 제1 부재(10)와 제2 부재(12)를 서로 접합한다. 전술한 바와 같이 제1 부재(10)를 회전시킨다. 제1 부재(10)와 제2 부재(12)의 일면이 서로 맞닿은 상태에서 제1 부재(10)의 회전력에 의해 제1 부재(10)와 제2 부재(12)의 접합부(20)에는 마찰열이 발생된다.

상기한 상태에서 도 1c에 도시한 바와 같이 제1 부재(10)와 제2 부재(12) 가운데 적어도 한 개의 부재를 가압한다. 제1 부재(10)와 제2 부재(12)의 접합부(20)에서 발생되는 마찰열에 의해 접합부(20)의 온도가 융점 이하로 될 시에 제2 부재(12)의 가압에 의해 제1 부재(10)와 제2 부재(12)의 접합이 더 견고하게 이루어진다.

제1 부재(10)와 제2 부재(12)가 고상 접합된 접합부(20) 표면에 가공 툴(30)을 접하여 박판을 제조한다. 가공 툴(30)은 접합부(20)의 형상에 대응되도록 설계 변경될 수 있다. 가공 툴(30)을 접합부(20)의 표면에 접하도록 삽입하여 금속 표피를 벗겨 내어 박판을 제조한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 금속 박판 제조방법은 가공 툴(30)의 일측에 구비되는 냉각장치(40)로 가공 툴(30)과 박판을 냉각하는 단계와 냉각된 박판을 롤 형태로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 접합부(20)의 표면과 맞닿은 가공 툴(30)은 고온이기 때문에 별도의 냉각장치(40)를 통해 가공 툴(30)과 박판(22)을 냉각시킨다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가공 툴(30)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이 제1 부재(10)와 제2 부재(12)의 회전 마찰열과 가압에 의해 두 부재가 서로 접합이 되었을 때, 접합부(20)의 표면으로 가공 툴(30)이 접하도록 가공 툴(30)을 위치 이동한다. 이러한 과정을 통해 접합부(20)의 표면은 가공 툴(30)을 통해 일정한 두께를 가진 박판(22)으로 제조될 수 있다.

일반적으로 마찰 교반 접합(FSW)은 두 판재의 두께가 1mm이하로 얇아질수록 접합이 매우 어려워진다. 이러한 어려움을 해소하기 위하여 본 발명의 실시예는 이종의 두 금속 환봉 중 한쪽 끝단을 회전시켜 마찰열에 의해 접합이 되는 공정을 이용하여 박판(22)을 제조한다. 즉, 회전 마찰에 의해 접합되는 금속을 특정의 가공 툴(30)을 접합부(20)에 측면으로 삽입함으로써 이종 접합이 되어 있는 두 부재의 접합부(20) 표면을 벗겨 냄으로써 이종 금속 박판(22)을 제조하는 것이다. 즉, 마찰 교반 접합과는 달리 성질이 다른 두 금속 환봉을 회전 마찰에 의해 융점 이하 상태로 될 시에 가압을 하게 되면 접합이 된다. 이때 외부에서 특정의 가공 툴(30)을 접합부(20)의 표면에 갖다 대면 제1 부재(10)의 회전력에 의해서 이종 접합된 금속이 벗겨지면서 박판(22)이 생성된다. 이러한 과정을 통해 고상 접합에 의한 박판(22)의 제조가 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 금속 박판 제조방법은 이종의 박판 금속을 용접하는 것이 아니라, 이종의 환봉을 회전 마찰에 의해 접합하면서 특수 제작된 가공 툴(30)에 의해 박판(22)을 제조하는 것이다. 즉, 회전 마찰열과 가압에 의해 접합된 두 환봉에서 박판(22)을 얻을 수 있는 공정이기 때문에 접합 프로세스와 박판 제조 프로세스가 혼합된 새로운 개념의 박판 제조라고 할 수 있다. 이러한 방법으로 접합부(20) 변형이 거의 발생하지 않는다. 이는 공정상 이미 열적 평형이 이루어진 접합부(20)만을 박판(22)화 하기 때문이라고 할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예는 고상 접합의 박판 제조방법을 사용하기 때문에 접합부(20) 특성이 아주 우수하다. 또한, 박판(22)의 두께를 어느 정도 조절할 수 있으며, 생산 속도가 빠르다. 단, 박판(22)의 폭이 회전 마찰에 의한 적정 온도에 영향을 받는다는 점에서 제한될 수 있다.

한편, 초정밀 부품에 있어서 가장 많이 사용되는 금속 박판은 용접에 많은 어려움이 있다. 특히, 이종 금속 박판의 용접은 열변형의 최소화 및 용접부 결함 해소가 관건이다.

본 발명의 실시예는 이러한 용접부 열변형을 원천적으로 없애고, 고상 접합 공정을 이용하여 용접부의 특성을 향상시킨다. 회전하는 두 금속 환봉의 접합부(20)를 중심으로 융점 이하의 온도로 유지되는 동안 특수 제작된 가공 툴(30)을 사용하여 일정한 두께의 금속 표피를 벗겨내어 박판(22)을 제조함으로써 열적 분포의 편차가 거의 없고 열 변형도 발생하지 않는다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 금속 박판 제조방법을 도시한 공정도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가공 툴의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 ; 제1 부재 12 ; 제2 부재

20 ; 접합부 22 ; 박판

30 ; 가공 툴 40 ; 냉각장치

Claims

제1 부재의 일면과 제2 부재의 일면을 서로 대향하도록 배치하는 단계;

적어도 한 개의 부재를 회전시켜 상기 제1 부재와 상기 제2 부재간에 회전 마찰력을 발생시켜 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 서로 접합하는 단계;

적어도 한 개의 부재를 가압하는 단계, 및

상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 고상 접합된 접합부 표면에 가공 툴을 접하여 박판을 제조하는 단계

를 포함하는 금속 박판 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 가공 툴의 일측에 구비되는 냉각장치로 상기 가공 툴과 박판을 냉각하는 단계를 더 포함하는 금속 박판 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 냉각된 박판을 롤 형태로 형성하는 단계를 더 포함하는 금속 박판 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 부재는 기 설정된 속도로 회전되는 회전부재이고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재 방향으로 길이방향 이동되는 가압부재인 금속 박판 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 재질의 금속으로 이루어지는 금속 박판 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 환봉으로 이루어지는 금속 박판 제조방법.