KR101488118B1 - 마찰교반용접 동안에 하중을 최소화하기 위해 고회전 속도를 사용한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고장력 강판(AHSS)으로 제작된 워크피스들을 결합하기 위하여 마찰교반 점결합(FSSJ)을 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 제1 실시예는 표면 특징부가 없는 마찰교반 점결합 공구이며, 상기 마찰교반 점결합 공구의 회전 속도는 다른 마찰교반 점결합 공구에서 사용되는 회전 속도보다 훨씬 빠르며 이에 따라 초고장력 강판의 소성화를 유발시켜 토크를 소량 감소시키며, 제2 실시예에서는, 마찰교반 점결합 공구가 높은 강도를 가진 전도성 공구 재료로 제작되는 경우 전형적인 마찰교반 점결합 공구가 통상적인 마찰교반 점결합 속도에서 사용될 수 있고, 마찰교반 점결합 공구 및/또는 워크피스가 가열되면 마찰교반 점결합 공구의 성능이 향상되어 초고장력 강판이 기능적으로 용접된다.

Description

마찰교반용접 동안에 하중을 최소화하기 위해 고회전 속도를 사용한 시스템{SYSTEM FOR USING HIGH ROTARY SPEED FOR MINIMIZING THE LOAD DURING FRICTION STIR WELDING}

관련 출원 참조 문헌

본 문헌은 미국 가특허출원번호 61/369,934호를 기초로 우선권을 주장하는데, 이 미국 특허출원은 본 발명에 참조문헌으로서 인용된다.

본 발명은 일반적으로 마찰교반용접(friction stir welding; FSW) 및 마찰교반용접의 변형예들, 가령, 마찰교반공정(friction stir processing; FSP), 마찰교반 점용접(friction stir spot welding; FSSW), 마찰교반 점결합(friction stir spot joining; FSSJ) 및 마찰교반혼합(friction stir mixing; FSM)에 관한 것이다(본 명세서에서는, 이제부터, 전체적으로 "마찰교반용접"으로 지칭됨).

마찰교반용접은 용접 금속들과 금속 합금 용도로 개발되었던 기술이다. 마찰교반용접은 일반적으로 고체 상태 공정(solid state process)이다. 본 명세서에서, 고체 상태 공정은 통상 액체 상태(liquid phase)를 포함하지 않는 소성화된 상태(plasticized state)로 일시적으로 변환(transformation)되는 것으로 정의된다. 하지만, 몇몇 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 요소들이 액체 상태를 통과할 수 있게 하고 본 발명의 혜택을 구현할 수 있게 한다는 점을 유의해야 한다.

마찰교반용접 공정은, 종종, 회전하는 교반 핀(stir pin)에 의해 이음부(joint)의 한 면(side) 상에서 2개의 인접한 워크피스(workpiece) 재료들을 결합하는 과정을 포함한다. 힘이 가해져서 핀과 워크피스들이 함께 움직이며, 핀, 숄더(shoulder) 및 워크피스들 사이의 상호작용(interaction)에 의해 발생된 마찰열로 인해 이음부의 한 면 상에서 재료가 소성화(plasticization)된다. 핀과 숄더의 조합(combination) 또는 "마찰교반용접 끝단(FSW tip)"은 상기 마찰교반용접 끝단이 전진함에 따라 이음부를 따라 횡단되고(traversed), 상기 전진하는 마찰교반용접 끝단의 경로(wake)에 남겨진 소성화된 재료는 냉각되어 용접부(weld)를 형성한다. 또한, 마찰교반용접 끝단은 숄더가 마찰교반공정(FSP)을 통해 또 다른 재료를 처리하도록 핀이 없는 공구일 수 있다.

도 1은 섕크(8), 숄더(12) 및 숄더로부터 외부 방향으로 연장되는 핀(14)을 가진 일반적으로 원통형 공구(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 용도로 사용되는 공구의 사시도이다. 핀(14)은 충분한 열이 발생될 때까지 워크피스(16)에 대해 회전되며, 이 시점에서 공구의 핀은 소성화된 워크피스 재료 내에 삽입된다(plunged). 통상, 핀(14)은 숄더(12)에 도달될 때까지 워크피스(16) 내에 삽입되어 워크피스(16) 내로 관통되는 것이 방지된다. 워크피스(16)는, 종종, 관절선(joint line)(18)에서 함께 접하는 2개의 시트(sheet) 또는 플레이트(plate)의 재료이다. 이 예에서, 핀(14)은 관절선(18)에서 워크피스(16) 내에 삽입된다.

도 1을 보면, 워크피스 재료(16)에 대한 핀(14)의 회전 운동에 의해 발생되는 마찰열로 인해, 워크피스 재료는 용융점에 도달하지 않고도 연화된다(soften). 공구(10)는 관절선(18)을 따라 횡단 방향으로 이동되고(moved transversely) 이에 따라 소성화된 재료가 핀 주위에서 공구 경로(tool path)(20)를 따라 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)로 흐를 때 용접부(weld)가 형성된다. 그 결과, 공구 경로(20)를 따라 관절선(18)에서 고체 상태 접합부(solid phase bond)가 형성되는데, 일반적으로 고체 상태 접합부는 종래의 비-마찰교반용접(non-friction stir welding) 공법을 사용할 때 형성되는 용접부에 비해 워크피스 재료(16)와 구별할 수 없다.

숄더(12)가 워크피스의 표면과 접촉할 때, 숄더(12)가 회전하면 추가적인 마찰열이 발생하여, 삽입된 핀(14) 주위에서 더 큰 원통형 칼럼(column) 재료가 소성화된다. 숄더(12)는 공구 핀(14)에 의해 형성된 상부 방향으로의 금속 흐름(metal flow)을 포함하는 단조 힘(forging force)을 제공한다.

마찰교반용접 동안, 공구 및 용접되어야 하는 영역은 공구가 공구/워크피스 경계면(interface)에서 원하는 길이의 용접이음부(weld joint)를 횡단하도록 서로에 대해 이동된다. 회전하는 마찰교반용접 공구(10)는 지속적으로 고온의 가공 작용(working action)을 제공하며, 금속을 핀(14)의 리딩 에지로부터 트레일링 에지로 이송시키고, 기초 금속(base metal)을 따라 횡단 방향으로 이동할 때, 좁은 영역 내에서 금속을 소성화시킨다. 용접 영역이 냉각되기 때문에, 공구(10)가 통과될 때 어떠한 액체도 생성되지 않는 것과 같이, 통상, 경화 작용(solidification)도 없다. 이것은, 항상은 아니지만, 결과적인 용접부가, 용접부 영역에서 형성된, 결점이 없고 재-결정화되며(re-crystallized), 미세한 입자 미세구조인 경우이다.

운행 속도(travel speed)는 회전 속도가 통상 200 내지 2000 rpm인 10 내지 500 mm/분이다. 도달된 온도는 보통 고상선 온도(solidus temperature)에 가깝지만 이보다는 낮다. 마찰교반용접 변수들은 재료의 열특성, 고온의 흐름 응력(flow stress) 및 관통 깊이의 함수이다.

종래의 특허들은 예전에는 기능적으로 용접할 수 없는(functionally unweldable) 것으로 간주되었던 재료들을 사용하여 마찰교반용접을 수행할 수 있는 이점에 대해 기술하고 있다. 이런 재료들 중 몇몇 재료들은 비-융합 용접성을 가지거나(non-fusion weldable), 또는 단지 용접하기가 어렵다. 이러한 재료들은, 예를 들어, 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite), 철합금(ferrous alloy), 가령, 스틸 및 스테인리스 스틸, 및 비철 재료들을 포함한다. 마찰교반용접을 이용할 수 있는 또 다른 재료들의 군은 초합금(superalloy)이다. 초합금은 높은 용융 온도를 가진 재료, 가령, 청동(bronze) 또는 알루미늄일 수 있으며, 또한 내부에 그 외의 다른 요소들을 가질 수도 있다. 초합금의 몇몇 예들은 일반적으로 1000℉ 이상의 온도에서 사용되는 니켈, 철-니켈, 및 코발트계 합금이다. 통상적으로 초합금 내에서 발견되는 그 외의 원소들은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 및 레늄을 포함하지만 이들에만 제한되는 것은 아니다.

또한, 티타늄도 마찰교반용접 용도로 사용하기에 바람직한 재료라는 사실을 유의해야 한다. 티타늄은 비철 재료이지만 그 밖의 비철 재료보다 더 높은 용융점을 가진다. 종래의 특허에서 밝혀진 바에 따르면, 고온의 재료들을 마찰교반용접 하기 위한 공구는 마찰교반용접되는 재료들보다 더 높은 용융 온도를 가지는 재료 또는 재료들로 제작된다. 몇몇 실시예들에서, 공구에는 초연삭재(superabrasive)가 사용되었으며, 종종 코팅(coating)으로서 사용되었다.

금속들을 함께 결합하기 위한 가장 흔한 방법은 기계식 패스너(mechanical fastener)를 사용하거나 또는 전통적인 용접 방법을 이용한다. 전통적인 용접 방법은 저항 용접(resistance welding), TIG 용접, MIG 용접, 레이저 용접, 전자 빔 용접(electron beam welding) 및 이들의 변형 용접 방법들을 포함한다. 자동차 산업에서, 가장 흔한 용접 방법 중 하나는 저항 점용접(resistance spot welding)을 사용하는 것이다. 이러한 용접 공법들은 통상 자동차 또는 트럭의 프레임 구성요소(frame component)를 함께 결합하도록 사용된다. 이는 자동차를 제작하는데 사용되는 현저하고 중요한 방법이다. 예를 들어, 일반적인 4-도어 세단은 자동차의 프레임과 서브-구성요소(sub-component)를 만들기 위하여 4,000개가 넘는 점용접(spot weld)부를 필요로 할 것이다.

자동차 산업이 저항 점용접을 사용하는 가장 두드러진 산업이긴 하지만, 저항 점용접을 사용하는 다수의 산업이 존재한다. 간결하게 기술하기 위하여, 본 명세서에 기술된 본 발명의 신규성뿐만 아니라 기존의 문제점을 예시하는데 자동차 산업이 사용될 것이다.

저항 점용접은 오늘날 산업에서 구조용 시트 금속(structural sheet metal)과 같은 금속 구성요소를 함께 결합하는데 가장 흔히 사용되는 방법 중 하나이다. 이 용접 방법은 스틸 구성요소를 함께 결합하기 위해 선택되는 방법이다. 마찰교반 점결합(FSSJ)은 구조용 알루미늄 구성요소를 함께 결합하는데 사용되는 보다 최신의 방법 중 하나이다. 높은 재료 비용과 접합 비용 때문에, 자동차 산업에서 매우 적은 부문만이 구조용 알루미늄 구성요소를 사용한다는 것에 유의해야 한다. 그러므로, 일반적으로 알루미늄은 자동차에서 높은 전력-중량비(power to weight ratio)를 추구하는 열혈 스포츠카 팬을 위한 값비싼 스포츠카에만 사용된다.

종래 기술에서, 마찰교반 점결합(FSSJ)은, 도 2에 도시된 것과 같은 강화 공구 스틸(hardened tool steel)로 제작된 마찰교반용접 공구(30)를 사용하는 공정이다.

도 3A에 도시된 것과 같이, 공구(30)는 상부 시트(top sheet, 34)와 바닥 시트(bottom sheet, 36)의 겹이음부(lap joint, 32)(알루미늄 워크피스의 중첩부분) 상에서 회전된다. 도 3B에서, 공구(30)는 공구의 숄더(38)가 상부 시트와 접촉할 때까지 상부 시트(34)를 통해 바닥 시트(36) 내로 부분적으로 삽입된다. 결합되는 재료는 연화되나(soften) 용융되지는 않지만, 대신에, 공구(30)의 핀(40) 주위로 흘러서 점이음부(spot joint, 42)를 형성한다. 도 4는 알루미늄에서 완성된 마찰교반 점결합(FSSJ) 점이음부(42)의 확대도이다.

종래 기술의 한 중요한 특징은, 마찰교반 점결합 동안, 결합되는 재료가 공구(30) 주위에 흐르게 하기 위하여 표면 특징부(surface feature)가 사용된다는 것이다. 도 5는 몇몇의 표면 특징부를 도시하는데, 이러한 표면 특징부는 핀(40) 및/또는 숄더(38) 상의 스레드(thread), 평평부(flat), 및 공구 면 프로파일(tool face profile)로부터 돌출되거나 혹은 공구 면 프로파일을 향해 연장되는 그 외의 다른 특징부를 포함하지만 이들에만 제한되지는 않는다.

경험을 통해, 알루미늄 워크피스를 결합하기 위해 사용되는 마찰교반 점결합 공정에서 두 가지 중요한 특징이 있다고 증명되어 왔다. 첫 번째 특징은 공구(30)가 4000 RPM 보다 작은 속도에서 사용된다는 것이다. 마찰교반용접 문헌에는, 공구가 일반적으로 약 400 내지 600 RPM에서 유지된다는(held) 것을 보여주는 공구의 RPM 데이터로 가득 차 있다.

두 번째 특징은, 표면 특징부가 재료 흐름(material flow), 재료 특성 및 마찰교반용접 동안 발생할 수 있는 임의의 결함(defect)에 현저한 영향을 미치기 때문에, 재료를 공구(30) 주위에서 움직이도록 하기 위하여 공구(30)가 표면 특징부를 가진다는 점이다.

기존의 점용접 기술이 가지는 문제점들은 2개의 카테고리 즉 스틸의 저항 점용접에 관한 문제점들과 알루미늄의 마찰교반 점결합에 관한 문제점들로 나뉠 수 있다. 알루미늄의 저항 점용접에 대해서는, 공정의 액체(liquid) 및 고차화(solidification) 단계 동안에 알루미늄이 자체적으로 용접 결합되지 않아서 주목할 만한 강도를 가지지 않기 때문에 해당되지 않는다. 스틸의 마찰교반 점결합에 대해서 말하자면, 공구 재료의 제한과 과다하게 비싼 장비 비용 때문에 성공적이지 못하다.

스틸의 저항 점용접(Resistance Spot Welding)에 관한 문제점

특히, 자동차 산업은 미국에서 모든 자동차의 연료 효율을 개선하기 위하여 정부 요구가 엄격하며, 다른 나라도 유사한 기준으로 실행되고 있다. 이 연료 효율 목표를 달성하기 위한 가장 쉬운 방법 중 하나는 자동차의 무게를 줄이는 것이다. 이 때문에, 철강 생산업체가 초고장력 강판(Advanced High Strength Steel; AHSS)을 개발하도록 하여, 각 차량 유형에 대한 연방 안전 충돌 요구사항을 만족하면서도, 차체를 구성하기 위해 더 가볍지만 더 강한 스틸 구성요소가 사용될 수 있었다. 하지만, 불행히도, 이 새로운 초고장력 강판은 용접하기가 매우 어렵거나 용접이 전혀 불가능하다.

저항 점용접은 일정한 점이음부 강도를 유지하기 위하여 상대적으로 높은 수준의 재료 밀도(material consistency)를 필요로 한다. 초고장력 강판은 높은 강도 값을 가지도록 기계적으로 작업되기 때문에 이러한 재료 밀도를 가지지 않는다. 일단 초고장력 강판이 용접 공정 동안에 용융되고 나면, 이들 초고장력 강판의 특성은 심각하게 저하된다. 일반적으로 말하면, 만일 용접이 가능하다면, 스틸의 강도가 높으면 높을수록, 용접하기가 더 더욱 어려워진다. 이 문제는 높은 강도를 구현하기 위해 높은 합금 함량(alloy content)으로부터 야기된다. 높은 합금 함량은 경화능(hardenability)이 더 커지는 것을 의미하는데, 높은 수준의 경화능은 좋지 못한 충격 강도를 가지고, 균열이 쉽게 형성되며, 피로 수명(fatigue life)이 감소될 수 있는 파손되기 쉬운 미세구조(brittle microstructure)를 형성한다.

또한, 스틸의 마찰교반 점결합은 거의 성공하지 못하여 왔다. 폴리크리스탈린 큐빅 보론 니트라이드(Polycrystalline Cubic Boron Nitride; PCBN)와 같은 공구 재료는 초고장력 강판을 결합하는데 제한적인 성공을 거두어왔다. 결합되는 재료가 이렇게 높은 강도를 가지기 때문에, PCBN 공구로 이들 재료를 관통하기 위해 요구되는 힘은 엄청나게 크다. 이에 따라 로봇의 암(arm)에 결부될 수 있는 마찰교반 점결합 장치의 헤드(head) 무게가 증가된다. 또한, 이렇게 높은 하중(load)에 의한 휨(deflection) 때문에 헤드 범위(reach) 또는 스로트(throat) 크기가 감소된다.

간단히 말해서, 저항 점용접 헤드의 기존의 기하학적 형상(geometry)은 사용될 수 없고, 좀 더 견고하고 컴팩트(compact)한 헤드 디자인은 매우 제한적일 것이다. 스핀들 하중이 커지면서, 재료가 연화됨에 따라, 공구 주위로 초고장력 강판을 움직이기 위해 필요한 토크 조건도 증가된다. 이는, 구성 및 모터 마력에 있어서, 높은 비틀림 힘(torsional force)과 함께, 장비가 수용해야 하는 공구 축 주위에 축방향 공구 힘(axial tool force)이 존재하는 것을 의미한다. 폴리크리스탈린 큐빅 보론 니트라이드(PCBN)은 값비싼 다이아몬드와 비슷한 재료로서, 각각의 마찰교반 점결합 사이클(FSSJ cycle) 동안 큰 힘과 높은 사이클 온도의 결과로서 재료의 극한 강도(ultimate strength) 한계에 도달한다. 그 결과, 공구가 일찍 파손되어 경제적인 이점도 없어진다.

이에 따라, 자동차 산업은 의무적인 연료 효율 기준을 충족시키도록 요구되는 자동차를 제작하기 위해 마찰교반 점결합 공정(FSSJ process)을 수행할 수 있는 것과 비용 효율성을 가지지 않고 초고장력 강판을 저항 점용접할 수 없는 것 사이의 교착상태에 빠르게 다가간다.

알루미늄의 마찰교반 점결합에 대한 문제점

알루미늄의 마찰교반 점결합 공정이 성공적으로 수행되는 경우가 적은 것뿐만 아니라, 이 기술이 더 많이 수행되는 것을 막는 기술적인 장벽이 있다. 활용 분야에 있어서 알루미늄이 사용하기에 가장 좋은 재료라고 결정되고 나면, 알루미늄의 높은 열전도성은 마찰교반 점결합 공정에 대한 문제점을 만든다. 마찰교반 점결합 공구(FSSJ tool)가 알루미늄 내로 삽입될 때(plunge), 공구 주위에서 재료를 연화시키기 위해 열을 축적하기가(build up) 매우 어렵다. 이에 따라 장비에 의해 반응(react)해야 하는 큰 하중이 생성된다. 전형적으로, 공구를 회전시키고 하중을 제공하며 공정에 의해 생성된 힘들에 반응하기 위해 C 프레임 마찰교반 점결합 헤드가 사용된다. 이렇게 커다란 하중으로 인해 편향되지 않는 장비가 필요하며 이에 따라 공정 동안 공구 위치가 유지될 수 있다. 또한, 공정에 의해 겪게 되는 비틀림 하중을 극복하기 위하여 스핀들 모터(spindle motor)의 마력 조건이 높다.

삭제

따라서, 필요한 것은 자동차 산업 및 그 외의 다른 산업에서 사용될 수 있는 초고장력 강판을 결합하기 위한 방법이다.

본 발명의 목적은, 초고장력 강판(Advanced High Strength Steel; AHSS)으로 제작된 워크피스(workpiece)들을 결합하기 위하여 마찰교반 점결합(Friction Stir Spot Joining; FSSJ)을 사용하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것으로, 제1 실시예는 표면 특징부(surface feature)가 없는 마찰교반 점결합 공구이고, 상기 마찰교반 점결합 공구의 회전 속도는 그 외의 다른 마찰교반 점결합 공구에서 사용되는 회전 속도보다 훨씬 빠르며, 이에 따라, 초고장력 강판의 소성화를 유발시켜 토크를 소량 감소시키며, 제2 실시예에서는, 마찰교반 점결합 공구가 높은 강도를 가진 전도성 공구 재료로 제작되는 경우 전형적인 마찰교반 점결합 공구가 통상적인 마찰교반 점결합 속도에서 사용될 수 있고, 마찰교반 점결합 공구 및/또는 워크피스가 가열되면 마찰교반 점결합 공구의 성능이 향상되어 초고장력 강판이 기능적으로 용접된다.

본 발명의 이러한 목적, 특징, 이점들과 그 외의 다른 목적, 특징, 이점들 및 대안의 형태들은 첨부된 도면들과 조합하여 하기 상세한 설명을 고려함으로써 당업자들에게 자명해질 것이다.

도 1은 평면 워크피스의 마찰교반용접을 나타내는 종래 기술의 도면이다.
도 2는 종래 기술과 같은, 강화 공구 스틸로 제작된 마찰교반 점결합 점용접 공구이다.
도 3A는 겹이음부에서 2개의 알루미늄 워크피스 위에 떠 있는, 도 2의 마찰교반 점결합 점용접 공구의 사시도이다.
도 3B는 겹이음부에서 2개의 알루미늄 워크피스 내에 삽입되는 도 2의 마찰교반 점결합 점용접 공구의 사시도이다.
도 4는 마찰교반 점결합의 확대 사시도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 표면 특징부를 가진 마찰교반 점결합 공구의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰교반 점결합 공구의 사시도로서, 여기서 마찰교반 점결합 공구에는 표면 특징부가 없다.
도 7은 초고장력 강판의 마찰교반 점결합 공정을 수행하도록 사용될 수 있는 핀과 숄더 프로파일의 제2 실시예의 확대 사시도이다.
도 8은 하이브리드 열생성을 위한 유도 코일의 사시도를 나타내는 제3 실시예이다.
도 9는 일반적인 표면 특징부를 가진 마찰교반 점결합 공구의 사시도이다.

이제, 도면을 참조해 보면, 본 발명의 여러 요소들의 도면부호가 표시되어 있으며 당업자가 본 발명을 이용할 수 있도록 하기 위하여 본 발명이 논의될 것이다. 하기 내용은 본 발명의 원리를 단지 예시한 것이며 청구항의 범위를 한정하려는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.

본 발명은 초고장력 강판 워크피스를 어떻게 결합하느냐 하는 문제를 해결하기 위해 두 가지의 상이한 접근법을 사용한다. 그러나, 본 발명을 고안한 주된 동기는, 자동차를 제작하는데 있어서 강하지만 가벼운 재료로 용접하여 그 결과 연료 효율이 향상되도록 하기 위하여, 자동차에 사용되는 초고장력 강판의 마찰교반 점결합을 가능하게 하는 것으로서, 본 발명의 원리는 단지 초고장력 강판만이 아니라 많은 다양한 재료에 적용가능하다.

첫 번째 접근법은 공구 특징부와 마찰교반 점결합 공구의 작동법의 조합이다. 도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 사용될 수 있는 마찰교반 점결합 공구(FSSJ tool)의 사시도이다. 도 2 내지 도 5에 예시된 종래 기술에서 사용되는 공구에 비하여, 본 발명은 표면 특징부를 제거한다. 도 6에 도시된 것과 같이, 마찰교반 점결합 공구(50)는 핀(52) 및 숄더(54)를 포함하지만 표면 특징부들은 없다. 제거된 표면 특징부들은 핀(52) 및/또는 숄더(54) 상의 스레드(thread), 평평부(flat), 및 공구 면 프로파일(tool face profile)로부터 돌출되거나 혹은 공구 면 프로파일을 향해 연장되는 그 외의 다른 특징부들이다.

핀(52) 및 숄더(54)로부터 표면 특징부가 제거되거나 또는, 핀이 없는 경우 단지 숄더로부터 표면 특징부가 제거되면, 마찰교반 점결합 공구(50)는 그 외의 다른 마찰교반 점결합 공구에 비해 높은 속도로 회전한다. 원하는 대로 작동시키기 위하여, 마찰교반 점결합 공구(50)는 400 RPM 이상의 속도로 회전할 필요가 있다고 정해졌다. 이것은 마찰교반용접 패러다임(FSW paradigm)으로부터의 상당한 변화인데, 여기서, 재료의 "벌크(bulk)" 레이어가 마찰교반용접 동안 표면 특징부들에 의해 공구 주위에서 움직인다.

표면 특징부가 없는 마찰교반 점결합 공구(50)를 사용하고 4000 RPM 이상으로 회전할 때, 2개 이상의 현저한 결과가 발생한다. 첫째, 더 높은 RPM에서는, 마찰교반 점결합 공구(50)에 더 작은 토크가 제공된다. 둘째, 마찰교반 점결합 공구와 워크피스의 경계면("공구/워크피스 경계면")은 신속하게 가열된다. 마찰교반 점결합 공구(50)가 워크피스 내에 삽입될 때, 워크피스는 상기 공구/워크피스 경계면에서 가열되고, 이 열은 공구/워크피스 경계면으로부터 멀리 전달되어서 공구 프로파일 주위에서 벌크 재료(bulk material)를 가열한다.

현저한 것은, 효과에 있어서, 마찰교반 점결합 공구(50)의 RPM이 높으면, 많이 연화되는 대신에 약간만 연화되는데 이는 마찰교반용접에서 전형적인 현상이다. 그에 따른 결과는, 자동차 구조에서 사용되는 시트 금속과 같은 워크피스는 기존의 조립체 로봇의 로봇 암(robotic arm)에서 작동할 수 있는 공구 조립체(tool assembly)에서 마찰교반 점결합 공구를 사용하여 결합될 수 있다는 점이다.

삭제

본 발명의 제1 실시예의 또 다른 결과는, 마찰교반 점결합 장비를 개발하고 제작하는데 사용되는 종래의 마찰교반용접 디자인 패러다임에서 급격하게 벗어날 수 있다는 것이다. 상기 장비는 50,000 RPM과 같이 높은 마찰교반 점결합 공구 RPM을 견뎌낼 수 있어야 한다. 더욱이, 마찰교반 점결합 공구를 정밀하게 고정시키기 위해 특정의 정밀 밸런스 공구 홀딩 시스템(precision balanced tool holding system)이 유용하고, 스핀들 베어링(spindle bearing)은 4000 RPM 이상의 속도에 대하여 설계되어야 하며, 또한 특별한 스핀들 모터도 요구된다.

본 발명의 대안의 실시예에서, 제1 실시예의 변형예들은 마찰교반 점결합 공구 위의 다양한 위치에서 상이한 마찰 결합(frictional couple)을 갖기 위하여, 마찰교반 점결합 공구(50)를 구성하기 위한 이종의(dissimilar) 공구 재료를 사용하는 단계를 포함한다. 즉, 달리 말하면, 마찰교반 점결합 공구(50)의 상이한 위치 상에 다양한 재료를 사용함으로써, 마찰교반 점결합 공구의 일부 부분들이 마찰교반 점결합 공구의 다른 부분들보다 마찰교반 점결합 공구가 접촉하는 재료를 사용하면 더 많은 열이 발생될 수 있게 한다.

본 발명이 초고장력 강판의 마찰교반 점결합을 가능하게 하지만, 또한 다른 재료들도 본 발명을 사용하여 용접될 수 있다. 이들 재료들은 현재 자동차의 구조에 사용되고 있는 모든 재료들을 포함하며, 상기 재료들은 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다.

본 발명의 제2 실시예에서, 도 6의 마찰교반 점결합 공구(50)에 관련된 또 다른 마찰교반 점결합 공구(60)가 제공된다. 도 7에서, 마찰교반 점결합 공구(60)는 "특징부가 없는(featureless)" 공구로 분류될 수 있다. 그러나, 에지(58)가 있는 원뿔대(frusto-conical) 형태를 가진 핀(52)과 숄더(54)를 포함하는 도 6의 마찰교반 점결합 공구(50)와 달리, 제2 실시예의 핀(62)은 임의의 에지를 갖지 않은 돔(doom) 형태이다.

제1 실시예의 마찰교반 점결합 공구(50)의 에지(58)가 마찰교반 점결합 공구의 회전 경로(rotation path)를 제한하는(inhibit) 특징부를 갖지 않기 때문에, 제1 실시예의 마찰교반 점결합 공구(50)의 에지(58)는 마찰교반 점결합 공구의 회전을 방해하지(impede) 않다는 점에 유의해야 한다.

따라서, 본 발명의 한 형태는, 워크피스 재료를 잡을 수 있거나 혹은 공구 주위의 흐름이 증가되게 할 수 있는 표면 특징부를 포함하지 않는 임의의 마찰교반 점결합 공구(50)가 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주될 수 있다는 것이다. 따라서, 중요한 한 형태는, 높은 속도에서 회전하고 워크피스 내에 삽입될 때 특징부가 없는 마찰교반 점결합 공구에 발생되는 것 이상으로, 마찰교반 점결합 공구(50)가 워크피스 재료를 진동시키게(agitate) 할 수도 있는 이러한 특징부들을 제거하는 것이다. 달리 말하면, 표면 특징부들을 제거함으로써, 마찰교반 점결합 공구(50)는 마찰교반 점결합 공구에 최소량의 토크가 제공되어도 가능한 최대한 빠르게 회전할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에서, "특징부가 없는" 공구 디자인은 본질적으로 매끈한 핀 및 숄더이다. 그러나, 대안의 실시예에서, 마찰교반 점결합 공구가 4000 RPM 보다 더 큰 속도로 회전하는 것을 방지하지 못하는 몇몇 특징부들을 포함하는 것이 가능할 수도 있다. 달리 말하면, 마찰교반 점결합 공구에 제공되는 토크 또는 회전 속도에 최소의 영향을 끼치는 몇몇 특징부들이 포함될 수 있다.

따라서, 한 실시예에서, 마찰교반 점결합 공구 상의 어떠한 표면 특징부도 마찰교반 점결합 공구 직경의 약 10%보다 더 많이 연장되거나 돌출될 수 없으며 이 또한 여전히 본 발명의 범위 내에 있다.

본 발명의 다른 형태들에서는, 마찰교반 점결합 공구를 잡고 회전시키는 공구 홀더(tool holder)와 마찰교반 점결합 공구 사이에 단열재(insulation)가 배치된다. 마찰교반 점결합 공구는 마찰교반 점결합 공구가 저온의 상태로 유지시키기 위해 액체 냉각 흐름 또는 가스 흐름을 사용한다. 마찰교반 점결합 공구의 숄더는 볼록한 형태이다. 마찰교반 점결합 공정 동안 워크피스 흐름을 향상시키기 위해 마찰교반 점결합 공구 주위에 비활성 쉴딩 가스(inert shielding gas)가 사용될 수 있다. 또한, 핀의 끝단은 항상 마찰교반 점결합 공구 반경의 1.1%보다 더 큰 반경을 가져야 한다.

본 발명의 제2 실시예에서, 마찰교반 점결합 공구(30)의 회전 속도를 증가하고 표면 특징부들을 제거하는 대신에, 워크피스(70)의 흐름을 유발하도록 사용되는 통상적인 표면 특징부들 중 임의의 표면 특징부를 포함하는 종래 기술의 마찰교반 점결합 공구가 사용된다. 종래 기술의 마찰교반 점결합 공구(30)를 사용하는 핵심적인 사항은 워크피스(70)에 열을 가해서 종래의 회전 속도 하에서 통상적인 표면 특징부를 이용하여, 워크피스가 흐를 수 있는 능력을 증가시키는 에 있다. 열을 제공하는 한 방법은 코일(72)을 통한 방법이 있다.

구체적으로, 공구, 워크피스(70) 또는 공구와 워크피스에 열을 제공할 수 있게 하는 변형된 마찰교반 점결합 공구(30)가 사용될 수 있는데, 이 변형된 마찰교반 점결합 공구는, 통상적인 마찰교반용접 속도에서 회전하면서, 기능적으로 용접된 스틸 및 알루미늄에 마찰교반 점결합 공구가 사용될 수 있게 한다. 제2 실시예에서, 가열하는 목적은 마찰교반 점결합 공정 동안 워크피스(70) 재료의 흐름을 향상시키는 것이다. 열을 제공하는 것은 마찰교반 점결합 공정의 상이한 단계들 동안에 사용될 수 있다. 열이 언제 그리고 어디에 제공되어야 하는 지에 영향을 끼치는 몇몇의 요인은 점용접되는 특정 워크피스(70) 재료, 마찰교반 점결합 공구(30)의 형상, 쉴딩 가스의 사용자 및 마찰교반 점결합 공구 상에 있는 표면 특징부들을 포함한다.

열이 제공될 수 있는 시간과 위치는 마찰교반 점결합 이전, 마찰교반 점결합 동안 및/또는 마찰교반 점결합 이후의 워크피스를 포함한다. 이와 마찬가지로, 마찰교반 점결합 이전, 마찰교반 점결합 동안 및/또는 마찰교반 점결합 이후에 공구와의 접촉을 통하여 워크피스를 가열하기 위하여 마찰교반 점결합 공구 자체에 열이 제공될 수도 있다.

마찰교반 점결합 공구 및/또는 워크피스를 가열하도록 임의의 수단이 사용될 수 있으며, 상기 수단은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다. 가열 방법은 유도가열법(induction heating) 및 저항가열법(resistive heating)을 포함하지만 이들에만 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 9는 일반적인(common) 표면 특징부(82)를 가진 마찰교반 점결합 공구(80)의 사시도이다. 이러한 표면 특징부(82)들은 마찰교반 점결합 공구의 핀 및/또는 숄더 상의 스레드(thread), 평평부(flat), 및 공구 면 프로파일(tool face profile)로부터 돌출되거나 혹은 공구 면 프로파일을 향해 연장되는 그 외의 다른 특징부를 포함하지만 이들에만 제한되지는 않는다.

위에서 기술된 장치들은 단지 본 발명의 원리를 예시한 것임을 이해해야 한다. 당업자들에 의해, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도 다수의 변형예들과 대안의 장치들이 고안될 수 있다. 하기 청구항들은 이러한 변형예들과 대안의 장치들을 다루기 위한 것이다.

Claims (19)

1. 금속 워크피스의 마찰교반 점결합(Friction Stir Spot Joining; FSSJ)을 수행하기 위한 방법에 있어서,
   상기 방법은:
   1) 섕크, 숄더 및 핀을 포함하는 마찰교반 점결합 공구(FSSJ tool)를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 숄더와 핀은 마찰교반 점결합 공구 직경의 10%보다 크지 않게 마찰교반 점결합 공구 프로파일로부터 돌출되거나 혹은 마찰교반 점결합 공구 프로파일을 향해 연장되는 표면 특징부(surface feature)들을 가지며;
   2) 마찰교반 점결합 공구를 4000 RPM 보다 더 큰 속도로 회전시키는 단계를 포함하고;
   3) 마찰교반 점결합 공구를 2개 이상의 금속 워크피스에 삽입하고, 그 후에, 금속 워크피스들로부터 마찰교반 점결합 공구를 제거하여, 2개 이상의 금속 워크피스를 점용접시키는 단계를 포함하며,
   2개 이상의 금속 워크피스는 초고장력 강판(AHSS)을 포함하고, 초고장력 강판의 흐름에 대한 저항이 감소될 때까지 마찰교반 점결합 공구가 2개 이상의 금속 워크피스 내에 유지되는, 금속 워크피스의 마찰교반 점결합을 수행하기 위한 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 원뿔대(frusto-conical) 형태를 가진 핀을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 워크피스의 마찰교반 점결합을 수행하기 위한 방법.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 표면 특징부들을 추가함으로써 마찰교반 점결합 공구에 가해지는 토크에 최소의 영향을 끼치게 하여 변형에 의해 2개 이상의 금속 워크피스를 가열시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 워크피스의 마찰교반 점결합을 수행하기 위한 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 공구/워크피스 경계면을 신속하게 가열하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 공구/워크피스 경계면은 마찰교반 점결합 공구가 2개 이상의 워크피스의 임의의 부분과 접촉하는 곳에 위치되는 것을 특징으로 하는 금속 워크피스의 마찰교반 점결합을 수행하기 위한 방법.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은 마찰교반 점결합 공구의 다양한 위치들에서 상이한 마찰 결합(frictional couple)을 구현하기 위해 마찰교반 점결합 공구에 이종의(dissimilar) 공구 재료를 사용하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 이종의 공구 재료들은 마찰교반 점결합 공구의 표면 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 금속 워크피스의 마찰교반 점결합을 수행하기 위한 방법.
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