KR101546475B1

KR101546475B1 - 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법

Info

Publication number: KR101546475B1
Application number: KR1020140037564A
Authority: KR
Inventors: 최진석; 최준웅
Original assignee: 최진석
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-08-21

Abstract

용접공정시 발생되는 열에 의한 소재의 성능 저하가 방지되되 사후 공정의 효율성이 향상되도록, 본발명은 접합단부의 테두리를 따라 외면으로부터 상측으로 기설정된 두께로 돌출된 접합돌출면부가 형성된 한쌍의 용접대상판재가 제조되는 제1단계; 상기 각 용접대상판재의 접합단부가 상호 접촉 및 정렬되어 배치되는 제2단계; 상기 각 접합단부 사이의 접합면에 접촉 및 고속회전되며 진행되는 프로브에 의해 발생된 마찰열로 상기 접합면의 인접부에 열가소영역이 형성되어 접합됨에 따라 열가소접합부가 형성되는 제3단계; 상기 열가소접합부의 냉각시 상기 프로브의 진행방향 후방측에 배치된 가압롤장치에 구비된 외주면에 쐐기형 가압돌기가 돌설된 가압롤러의 횡방향 이동 및 승강이 반복됨에 따라 상기 쐐기형 가압돌기가 상기 열가소접합부를 가압하여 압연하는 제4단계; 및 상기 접합된 한쌍의 용접대상판재의 외면이 평탄화되도록 상기 각 접합돌출면부가 절삭가공되는 제5단계를 포함하는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법을 제공한다.

Description

마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법{method for friction stir weld and after treatment by rolling press forming}

본 발명은 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접공정시 발생되는 열에 의한 소재의 성능 저하가 방지되되 사후 공정의 효율성이 향상되는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 용접은 금속 이음 방법의 하나로써 조선, 자동차 분야 등 넓은 영역에서 사용되고 있다. 특히, 마찰교반용접은 금속으로 구비된 판재의 끝단을 다른 판재의 일면에 용접하거나 두판의 끝을 상호 용접하는 버트 접합(butt joint) 혹은 두 판재를 겹치고 겹쳐진 부분을 용접하는 중합 접합으로 분류될 수 있다.

이때, 상기 마찰교반용접은 상술된 버트 접합이나 중합 접합시 판재의 끝단이나 겹쳐진 부분을 따라 고속으로 회전되는 용접헤드를 이동시켜, 상기 용접헤드와 판재 사이의 마찰열을 발생시킨다. 이때, 상기 마찰열에 의해 두 판재는 연화되고, 융착되어 상호 용접될 수 있다.

이러한, 용접 공정에서 두 판재의 결합부분에 가해진 국부적인 온도 상승과 냉각은 금속이 용착되는 부분 및 이에 인접하여 마찰열의 영향을 받는 열영향부의 강도를 저하시키는 문제점이 있었다.

이에, 종래에는 용접 공정 후에 추가적인 열처리를 통해 상기 용접부 및 열영향부의 물성을 개선하는 방법을 사용하였으나, 열처리 공정에 필요한 추가적인 비용과 공정시간으로 인해 제품의 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

더욱이, 금속의 종류에 따라 열처리로 인한 강도 개선의 효과가 상이하여 제품화를 위한 균질한 품질 제공이 힘들었으며, 일부 금속에서는 열처리를 통한 강도 개선효과가 미미하여 제품화에 필요한 강도 수치를 제공하지 못하는 문제점이 있었다.

한국 공개특허 제10-1997-0701114호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 용접공정시 발생되는 열에 의한 소재의 성능 저하가 방지되되 사후 공정의 효율성이 향상되는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 접합단부의 테두리를 따라 외면으로부터 상측으로 기설정된 두께로 돌출된 접합돌출면부가 형성된 한쌍의 용접대상판재가 제조되는 제1단계; 상기 각 용접대상판재의 접합단부가 상호 접촉 및 정렬되어 배치되는 제2단계; 상기 각 접합단부 사이의 접합면에 접촉 및 고속회전되며 진행되는 프로브에 의해 발생된 마찰열로 상기 접합면의 인접부에 열가소영역이 형성되어 접합됨에 따라 열가소접합부가 형성되는 제3단계; 상기 열가소접합부의 냉각시 상기 프로브의 진행방향 후방측에 배치된 가압롤장치에 구비된 외주면에 쐐기형 가압돌기가 돌설된 가압롤러의 횡방향 이동 및 승강이 반복됨에 따라 상기 쐐기형 가압돌기가 상기 열가소접합부를 가압하여 압연하는 제4단계; 및 상기 접합된 한쌍의 용접대상판재의 외면이 평탄화되도록 상기 각 접합돌출면부가 절삭가공되는 제5단계를 포함하는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법을 제공한다.

여기서, 상기 제4단계에서 상기 쐐기형 가압돌기는 폭 방향을 따라 다단으로 돌설되되, 다단으로 돌설된 상기 쐐기형 가압돌기가 상기 열가소접합부를 가압하여 압연함이 바람직하다.

삭제

한편, 상기 제4단계에서 상기 쐐기형 가압돌기의 압입 깊이는 상기 열가소접합부의 표면으로부터 0.1 ~ 0.25 mm로 설정됨이 바람직하다.

또한, 상기 프로브의 회전속도(rpm)는

로 설정되되, v는 상기 프로브의 이송속도(mm/s)이며, Y는 상기 용접대상판재의 인장강도(MPa)임이 바람직하다.

상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명의 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상기 가압롤장치는 완전 냉각되지 않고 가소성을 가진 상태의 마찬교반 용접에 의한 열가소접합부의 상측 표면을 가압함으로써 상기 열가소접합부 내 금속의 원활한 유동으로 금속 간 교란이 촉진되어 다량의 맞물림 결합이 형성됨과 함께 열가소접합부 내부 기포의 원활한 배출로 견고하고 균일하게 접합되며, 가압시 압연에 의한 가공경화로 용접품질이 현저히 개선될 수 있다.

둘째, 상기 가압롤장치는 마찰열로 가소화된 열가소접합부를 가압하므로 큰 가압력이 요구되지 않아 효율적인 압연이 가능하며, 용접시 발생된 마찰열에 의해 강도가 저하된 용접부를 별도의 열처리 없이 자연 냉각 중에 가압하므로 공정시간 단축과 열처리 비용의 절감을 통해 공정의 생산성이 향상될 수 있다.

셋째, 상기 쐐기형 가압돌기는 단부가 상기 열가소접합부와 선접촉되어 가압력이 집중될 수 있으므로 높은 강도의 금속도 적은 가압력으로 용이하게 가압 및 가공경화할 수 있어 공정의 에너지 효율이 향상될 수 있다.

더욱이, 상기 쐐기형 가압돌기는 열가소접합부의 일측단으로부터 타측단까지 순차적으로 가압하여 가압된 부분의 인접영역이 복수회 가압되므로 더욱 견고하게 가공경화되며, 일회 가압된 인접영역은 주변보다 높은 강도를 가지게 되어 차번 가압시 상측에서 가해진 압력을 하부측으로 효과적으로 전파하므로 열가소접합부의 하부까지 균일한 가공경화가 가능하여 용접품질이 현저히 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법의 흐름도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법이 적용된 공정의 예시도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법에서 마찰교반 용접에 의한 접합을 나타낸 예시도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법에서 가압롤성형 및 절삭가공에 의한 후처리를 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법이 적용된 공정을 측면에서 나타낸 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법의 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법이 적용된 공정의 예시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법에서 마찰교반 용접에 의한 접합을 나타낸 예시도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법에서 가압롤성형 및 절삭가공에 의한 후처리를 나타낸 예시도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법이 적용된 공정을 측면에서 나타낸 예시도이다.

여기서, 마찰교반 용접은 두 용접대상판재(1,2)의 단부 사이에서 고속으로 회전되는 프로브를 통해 마찰열이 발생되고, 마찰열로 인해 프로브 주변의 용접대상판재가 가소성을 가지는 상태가 되며, 가소화된 용접대상판재가 유동됨에 따라 서로 엉켜 맞물림 결합을 형성하여 접합되는 용접 방법을 의미한다.

도 1 내지 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법은 다음과 같은 과정으로 이루어진다.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 접합단부의 테두리를 따라 외면으로부터 상측으로 기설정된 두께로 돌출된 접합돌출면부(1a,2a)가 형성된 한쌍의 용접대상판재(1,2)가 제조된다. 여기서, 상기 접합단부는 각 용접대상판재가 서로 맞대어져 용접되는 부분을 말한다.

이때, 상기 접합돌출면부(1a,2a)는 상기 용접대상판재(1,2)의 외면으로부터 상측으로 돌출되어 형성되며, 접합단부의 테두리를 따라 상기 용접대상판재(1,2)의 외면 일부가 상측으로 돌출됨에 따라 형성될 수 있다.

또한, 상기 접합돌출면부(1a,2a)는 한쌍의 용접대상판재가 용접된 후 절삭가공으로 제거될 부분이므로 기설계된 완제품의 두께에 추가적인 두께를 더하여 구비됨이 바람직하다.

그리고, 제조된 상기 각 용접대상판재(1,2)는 접합단부가 상호 접촉 및 정렬되어 배치된다. 여기서, 상기 각 용접대상판재(1,2)는 각각의 접합단부가 서로 접촉하도록 배치되며, 상기 각 용접대상판재(1,2)의 상면 높이와 하면 높이가 서로 일치되도록 정렬됨이 바람직하다.

이때, 상기 각 용접대상판재(1,2)는 각 접합단부가 만나는 접합면(3)측으로 가압되어 지지될 수 있다. 이에 따라, 상기 각 접합단부가 서로 밀착되므로 접합시 열에 의한 변형으로 각 접합단부 사이가 벌어지거나 접합단부 사이에 기포가 생성되어 용접 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 각 접합단부 사이의 접합면(3)에 접촉 및 고속회전되며 진행되는 프로브(11)에 의해 발생된 마찰열로 상기 접합면(3)의 인접부에 열가소영역이 형성되어 접합됨에 따라 열가소접합부(4)가 형성된다.

여기서, 상기 프로브(11)는 용접 툴(10)의 하부에 돌출된 핀 형상으로 구비되며, 용접 툴(10) 하면의 숄더(12)와 함께 용접대상판재(1,2)에 접촉 및 회전하여 마찰열을 발생시킬 수 있다.

이때, 상기 프로브(11)는 상기 접합면(3)의 상측에 접촉하여 회전됨에 따라 상기 접합면(3) 상측부에 열가소영역을 형성하며, 접촉된 부분이 가소화됨에 따라 점점 하측으로 삽입되며, 상기 접합면(3)의 인접부로 상기 열가소영역을 확장하게 된다.

또한, 상기 열가소접합부(4)는 상기 열가소영역 내에서 가소화된 용접대상판재(1,2)가 유동되어 서로 맞물리며 형성되며, 상기 열가소접합부(4)에 의해 상기 각 용접대상판재(1,2)가 일체로 접합될 수 있다.

그리고, 도 5를 참조하면, 마찰열에 의해 가열된 상기 열가소접합부(4)는 냉각시 상기 프로브(11)의 진행방향 후방측에 구비된 가압롤장치(20)에 의해 가압된다. 여기서, 상기 가압롤장치(20)는 완전 냉각되지 않고 가소성을 가진 상태의 상기 열가소접합부(4)의 상측 표면을 가압함으로써, 상기 열가소접합부(4) 내 금속의 유동을 촉진시켜 상기 열가소접합부(4) 내의 금속 간의 맞물림 결합을 강화시킬 수 있다.

마지막으로, 도 6을 참조하면, 상기 접합된 한쌍의 용접대상판재(1,2)의 외면이 평탄화되도록 상기 각 접합돌출면부(1a,2a)가 절삭가공된다. 여기서, 상기 절삭가공은 페이스커터나 엔드밀 등의 공구를 통해 수행될 수 있다.

이때, 상기 용접대상판재(1,2)의 외면의 높이 범위를 따라 절삭가공을 수행하여 상기 접합돌출면부(1a,2a)를 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 용접 툴(10)의 숄더(12)와 마찰로 인해 용접부의 표면에 형성된 물고기 비늘 형상의 비드 및 가압롤장치(20)의 가압으로 형성된 압입홈이 제거되며 상기 용접대상판재(1,2)의 외면이 평탄하게 정리될 수 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 상기 가압롤장치(20)는 상기 프로브(11)의 후방측에 구비되되, 상기 가압롤장치(20)에는 외주면에 쐐기형 가압돌기(23)가 돌설된 가압롤러(22)가 승강되도록 구비된다.

그리고, 상기 쐐기형 가압돌기(23)는 상기 가압롤러(22)의 횡방향 이동 및 승강이 반복됨에 따라 상기 열가소접합부(4)를 가압하여 압연할 수 있다. 여기서, 상기 가압롤장치(20)는 상기 프로브(11)와 기설정된 간격으로 이격되어 배치되되, 상기 프로브(11)와 일정한 간격을 유지하며 진행될 수 있다.

상세히, 상기 가압롤러(22)는 상기 쐐기형 가압돌기(23)가 상기 열가소접합부(4)의 표면에 접촉된 상태에서 승강되며, 하강된 상기 쐐기형 가압돌기(23)는 상기 열가소접합부(4)를 가압하여 압연하게 된다.

그리고, 상기 가압롤러(22)는 상승, 횡방향 이동, 하강의 공정을 반복하며 상기 열가소접합부(4)의 일측단에서 타측단까지 이동하며 압연하게 된다. 또한, 상기 열가소접합부(4)의 일측단에서 타측단으로 이동된 상기 가압롤러(22)는 반대방향으로 횡방향 이동 및 승강을 반복하게 된다.

즉, 상기 열가소접합부(4)의 표면에는 상기 쐐기형 가압돌기(23)에 의해 압입된 압입홈이 형성되며, 상기 압입홈은 횡방향으로 촘촘하게 이격 형성되되 상기 가압롤장치(20)의 진행방향을 따라 전진하여 비스듬하게 사선을 그리며 지그재그형태로 형성될 수 있다.

이때, 도 7을 참조하면, 상기 열가소접합부(4) 내의 금속은 선행하는 프로브(11)의 회전 및 숄더(12)의 하측 가압력에 의해 후방측으로 가압되어 유동되고, 후행하는 가압롤장치(20)의 하측 가압력에 의해 전방측으로 가압되어 유동된다. 이에 따라, 금속 상호 간의 교란이 촉진되어 다량의 맞물림 결합이 형성될 수 있다.

이와 같은 다량의 맞물림 결합 형성과 함께, 상기 열가소접합부(4) 내부에 발생된 기포의 유동이 촉진됨으로 인해 외부로 원활하게 배출될 수 있으며, 더욱 견고하고 균일한 결합을 형성하여 용접품질이 향상될 수 있다.

또한, 상기 열가소접합부(4)는 가압돌기(23)에 의한 가압으로 내부가 가공경화되어 용접부의 강도가 향상될 수 있다. 더욱이, 마찰열로 가소화된 상태에서 가압이 진행되므로 큰 가압력이 요구되지 않아 효율적으로 가압이 가능할 뿐만 아니라, 마찰열로 강도가 저하된 용접부를 별도의 열처리 없이 자연 냉각 중에 가압하므로 공정시간 단축과 열처리 비용의 절감으로 공정의 생산성이 향상될 수 있다.

특히, 본 발명은 규모가 큰 구조용 소재 등 열처리 공정이 불가능한 경우나 열처리 비용이 과도하게 드는 경우에 효과적으로 적용될 수 있으며, 소규모 용접 등 열처리가 가능하거나 열처리 비용이 적은 경우에는 가압롤성형과 함께 열처리를 중복으로 적용하는 것도 가능하다.

이때, 용접 방법 및 후처리 방법에 따라 용접부의 인장강도를 실험적으로 비교한 결과에 따르면, 연질의 소재인 알루미늄계열 합금의 경우 마찰교반용접 후 가압롤성형, 열처리를 수행하였을 때 가장 높은 용접부 인장강도를 나타냈다. 그 다음으로 용접부의 인장강도가 높은 순서로 배열하면, 마찰교반용접 후 가압롤성형, 마찰교반용접 후 열처리, 마찰교반용접, 용융용접의 차례로 나타났으며, 용융용접이 가능 낮은 인장강도를 나타냈다.

그리고, 고융접 소재인 스틸이나 타이타늄 등의 경우에는 예열공정 후 마찰교반용접 및 가압롤성형시 가장 높은 용접부 인장강도를 나타냈다. 그 다음으로 용접부의 인장강도가 높은 순서로 배열하면, 마찰교반용접 후 가압롤성형, 마찰교반용접, 용융용접의 차례로 나타났으며, 열처리를 통해서는 인장강도 개선이 매우 힘들뿐만 아니라 높은 비용이 요구되는 것으로 나타났다.

한편, 본 실시예에서 마찰교반용접장치는 국내 제조회사인 (주)영진텍에서 연구된 YJT-FSW MAX를 사용하였으며, 용접 툴은 동일 회사에서 연구된 원통좌나사형의 JST-FSW MAX를 사용하였다.

여기서, 원통좌나사형 용접 툴(JST-FSW MAX)은 상기 접합면(3)의 상측에 접촉하여 회전되는 상기 프로브(11)의 외주면을 따라 나선형의 나사산이 형성되며, 상기 나사산을 통해 회전시 열가소접합부(4) 내 금속의 유동을 더욱 촉진시키고 금속 간의 맞물림 결합수를 증가시킬 수 있다.

용접대상	용접 공정 후 인장강도 (MPa)	가압롤성형 후처리시 인장강도 (MPa)	화기가공 후처리시 인장강도 (MPa)
A6061-T6 시편1	170	181	174
A6061-T6 시편2	171	182	176
A5083-H321 시편1	287	293	287
A5083-H321 시편2	271	295	271

상기 표 1는 A6061-T6 시편과 A5083-H321 시편에 용접 공정 후 가압롤성형 후처리 및 화기가공 후처리를 각각 수행했을 때 용접부의 인장강도를 나타내고 있다.

여기서, A6061-T6 시편은 마그네슘(Mg)과 규소(Si)를 주요첨가물로 한 알루미늄(Al) 계열의 열처리형 합금이며, A5083-H321 시편은 마그네슘(Mg)을 주요첨가물로 한 알루미늄(Al) 계열의 비열처리 합금이다.

화기가공을 통한 후처리시 열처리형 합금인 A6061-T6의 경우에 미미한 강도 개선이 나타나고 있으나, 비열처리 합금인 A5083-H321의 경우에는 강도 개선이 나타나고 있지 않다.

가압롤성형을 통한 후처리시 두 금속 모두에서 강도 개선이 나타나고 있으며, 열처리형 금속인 A6061-T6에서도 화기가공을 통한 후처리보다 향상된 강도 개선치를 보여주고 있다.

즉, 용접 후 용접부의 인장강도는 모재 인장강도의 70%~80% 정도 수치를 보여주고 있지만, 가압롤성형을 통한 후처리시 모재 대비 90%에 달하는 인장강도를 나타내고 있어 용접부의 품질이 현저히 개선되는 것을 알 수 있다.

이처럼, 냉각 중 가압하는 단순한 공정만으로 효율적인 용접부의 인장강도 개선이 가능할 뿐만 아니라, 금속의 종류와 무관하게 인장강도를 개선할 수 있으므로 용접공정의 호환성 및 효율성이 향상될 수 있다.

또한, 상기 쐐기형 가압돌기(23)는 단부가 상기 열가소접합부(4)와 선접촉되어 가압력이 집중될 수 있으므로 높은 강도의 금속도 용이하게 가압 및 가공경화 될 수 있다. 즉, 가압시 필요한 전력 등의 에너지를 절감하여 공정의 에너지 효율이 향상될 수 있다.

더욱이, 상기 쐐기형 가압돌기(23)에 의한 가압은 상기 열가소접합부(4)의 전면에 동시에 이루어지는 것이 아니라 일측단으로부터 타측단까지 순차적으로 진행된다.

즉, 일측단의 가압시 일측단의 하부 및 하부 인접영역이 가공경화되고, 일측단의 측부 가압시 일측단의 측부 하부 및 측부 하부 인접영역이 가공경화됨에 따라 가압되는 부분의 인접영역이 여러 차례 가압될 수 있다.

또한, 일회 가압된 인접영역은 주변보다 높은 강도를 가지게 되며, 차번 가압시 상측에서 가해진 압력으로 일회 가압된 인접영역이 가압되면 더 무른 하부측를 가공경화시키게 된다. 즉, 가압력이 효과적으로 하부측으로 전파될 수 있으므로 상기 열가소접합부(4)의 표면으로부터 깊은 내부측까지 가공경화가 이루어질 수 있다.

이처럼, 가압되는 부분의 인접영역이 복수회 가압됨에 따라 더욱 견고하게 가공경화될 수 있을 뿐만 아니라, 표면으로부터 내부 깊은 곳까지 가공경화가 가능하여 용접부의 품질이 개선될 수 있다.

물론, 상기 가압롤러(22)는 상기 각 접합돌출면부(1a,2a) 폭의 합에 대응되는 폭으로 형성되되, 외주면에 돌설된 가압돌기가 폭 방향을 따라 다단으로 배치되도록 구비되는 것도 가능하다.

이때, 상기 가압롤러(22)는 하강 및 회전에 따라 상기 열가소접합부(4) 전면을 동시에 가압하여 압연할 수 있다. 이에 따라, 상기 프로브(11)의 진행과 동시에 후처리가 이루어지므로 용접부의 길이와 무관한 연속적인 후처리를 통해 공정의 생산성이 향상될 수 있다.

여기서, 상기 가압돌기는 외주면을 따라 나선형으로 돌설될 수도 있다. 이때, 상기 가압돌기의 가압시 상기 열가소접합부(4)의 표면에는 빗살형의 압입홈이 형성될 수 있다.

이로 인해, 상기 프로브(11) 및 숄더(12)에 의한 열가소영역 내 금속의 후방측 유동과 상이한 방향의 금속 유동이 발생될 수 있으며, 금속 간의 맞물림 결합이 다양한 방향으로 형성될 수 있어 상기 열가소접합부(4)의 강도가 향상될 수 있다.

한편, 상기 프로브(11)의 이송속도는 1.5~2mm/s로 설정됨이 바람직하다. 상세히, 상기 프로브(11)는 상기 접합면(4)의 사이로 삽입되어 회전되되, 상기 접합단부의 테두리에 안착되어 회전되는 숄더(12)의 중심부에 하측으로 돌출되어 형성된다.

여기서, 상기 이송속도는 핀 형태의 프로브(11)가 상기 접합면(4)에 삽입되어 상기 숄더(12)가 접합단부에 테두리에 안착된 상태에서 상기 프로브(11)의 진행속도를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.

	프로브 이송속도(mm/s)별 용접부의 모재 대비 인장강도 비율(%)
프로브 회전속도 (rpm)	0.5mm/s	1mm/s	1.5mm/s	2mm/s	2.5mm/s
400	55%	56%	65%	62%	56%
600	54%	55%	62%	65%	57%

상기 표 2는 마찰교반 용접시 프로브(11)의 이송속도 및 회전속도에 따른 용접부의 인장강도를 용접전 모재의 인장강도를 분모로 하여 백분율로 나타낸 것으로, 표 2의 모재는 니켈을 주체로한 내열합금인 인코넬이며, 용접전 인장강도는 280Mpa이다.

이때, 25mm 직경의 숄더, 6.4mm로 돌출된 프로브를 가진 용접 툴을 기준으로 수행된 결과이며, 별도의 후처리 과정을 거치지 않은 상태를 나타내고 있다. 일반적으로, 용접부의 인장강도가 모재 대비 60% 이상인 경우를 용접 품질이 적합한 것으로 판단할 수 있다.

이를 참고하면, 동일한 규격의 용접 툴 사용시 프로브의 회전이 400rpm일 때 프로브 이송속도가 1.5mm/s인 경우 모재 대비 인장강도가 65%인 것을 확인할 수 있으며, 가장 적합한 이송속도임을 알 수 있다. 또한, 600rpm에서는 2mm/s에서 모재 대비 인장강도가 65%로 적합한 이송속도임을 알 수 있다.

프로브의 이송속도가 1.5mm/s 미만인 경우에는 마찰된 부분의 금속이 과도하게 용융되어 열가소영역 내의 금속이 서로 엉키지 못하는 경우가 발생될 수 있으며, 이송속도가 2.0mm/s를 초과하는 경우에는 마찰된 부분의 금속의 가소화가 충분히 이루어지지 못하여 금속간 맞물림 결합을 형성하기 위한 유동성을 제공하지 못하는 경우가 발생될 수 있다.

한편, 상기 가압롤장치(20)의 이송속도는 상기 프로브(11)의 이송속도와 동일하게 설정되며, 상기 쐐기형 가압돌기(23)의 압입 깊이는 상기 열가소접합부(4)의 표면으로부터 0.1 ~ 0.25 mm로 설정됨이 바람직하다.

여기서, 상기 열가소접합부(4)의 냉각 정도는 상기 프로브(11)가 통과된 후의 거리에 따라 달라질 수 있다. 상기 프로브가 일정한 속도로 이송되므로 프로브와 열가소접합부 간 거리는 냉각 시간으로 이해할 수 있으며, 프로브(11)와 열가소접합부(4) 간의 거리를 통해 냉각 시간을 산출하여 냉각 정도를 예측할 수 있다.

따라서, 상기 가압롤장치(20)는 상기 프로브(11)와 일정한 간격을 유지하여 횡방향 이동 및 승강시 동일한 정도로 냉각된 상기 열가소접합부(4)를 가압할 수 있으므로, 하강시 가압력이 복잡하게 제어되지 않더라도 상기 열가소접합부(4)의 각 부분의 가압 및 그에 따른 가공경화가 균일하게 이루어져 용접부의 품질이 향상될 수 있다.

또한, 상기 열가소접합부(4)의 표면은 고속회전되는 상기 용접 툴의 숄더와의 접촉으로 인해 높낮이의 구배가 형성되므로 0.1mm 미만으로 압입되는 경우에는 상기 가압롤장치(20)에 의한 가압력이 상기 열가소접합부(4) 내부까지 제대로 전파되지 못하는 경우에 발생될 수 있다.

그리고, 상기 가압롤장치(20)에 의한 압입 깊이가 0.25mm를 초과하는 경우에는 상기 가압롤장치(20)에 의해 가압되는 부분의 전방 및 후방으로 유동되는 금속량의 증가로 가압된 부분 내의 금속밀도가 저하되는 경우가 발생될 수 있다.

여기서, 상기 쐐기형 가압돌기(23)의 압입 깊이는 상이한 강도를 가진 다양한 소재에 공통적으로 적용될 수 있다. 이때, 상기 가압롤장치(20)는 가압력을 조절하기 위해 유압실린더의 압력을 조절하는 유압조절수단과 압입깊이감지부를 포함함이 바람직하다.

그리고, 상기 압입깊이감지부는 상기 열가소접합부(4)의 표면높이와 상기 쐐기형 가압돌기(23) 각각의 높이를 측정 및 비교하여, 상기 쐐기형 가압돌기(23)의 압입 깊이를 측정할 수 있다.

또한, 측정된 압입 깊이가 0.1~0.25mm 범위를 만족하지 않는 경우에 상기 유압조절수단은 유압 실린더의 유압을 조절하게 된다. 즉, 압입 깊이가 0.1mm에 미치지 못하는 경우에는 유압 실린더의 유압을 증가시켜 가압력을 증가시키고, 압입 깊이가 0.25mm를 초과하는 경우에 유압 실린더의 유압을 감소시켜 가압력을 감소시킬 수 있다.

물론, 상기 유압 실린더의 유압은 모재인 용접대상판재의 소재 및 가압시 온도에 대응하여 가압롤성형 이전에 미리 설정될 수 있다. 이때, 상기 압입깊이감지부는 가압롤성형이 정확하게 수행하는지 여부를 판단하고, 상기 유압조절수단을 통해 미세한 가압력을 조절하는 감지수단으로 사용될 수 있다.

여기서, 상기 쐐기형 가압돌기(23)의 압입 깊이는 용접대상판재의 재질에 무관하게 공통적용 가능하며, 용접대상판재의 재질이 상이한 경우에 가압력의 조절을 통해 기설정된 깊이로의 압입이 가능하다.

이때, 상기 용접대상판재(1,2)의 외면에 형성된 접합돌출면부(1a,2a)의 두께는 0.25mm 이상으로 설정됨이 바람직하다. 이에 따라, 절삭가공을 통해 평탄화된 상기 용접대상판재(1,2)의 외면에 상기 가압롤장치(20)의 가압으로 형성된 압입홈이 잔존하지 않고 깔끔하게 정리될 수 있다.

그리고, 상기 가압롤장치(20)의 가압롤러(22)는 상하로 신축되는 유압실린더 로드(21)에 결합되되, 상기 유압실린더는 상기 용접대상판재(1,2)의 인장강도에 대응되는 가압력을 제공하도록 제어됨이 바람직하다.

또한, 상기 가압롤장치(20)는 상기 용접대상판재(1,2)의 인장강도에 대응하여 상기 프로브(11)와의 이격거리가 제어되도록 설정됨이 바람직하다. 상세히, 상기 용접대상판재(1,2)는 분자 구조 결합력에 따라 인장강도 및 열가소영역이 형성되는 온도 범위가 변화되며, 이에 대응하여 상기 프로브(11)의 이송속도 및 회전속도가 결정될 수 있다.

즉, 상기 용접대상판재(1,2)의 가소화 온도 범위에 따라 마찰교반 용접시 필요한 열량인 상기 프로브(11)의 마찰에 의한 발열량이 결정될 수 있다. 이때, 상기 프로브(11)에 의해 각 용접대상판재(1,2)가 접합된 열가소접합부(4)는 상기 프로브(11)와의 거리, 즉 프로브(11)가 통과된 후의 시간에 따라 냉각 정도가 달라지게 된다.

따라서, 상기 가압롤장치(20)는 상기 열가소접합부(4)의 가압이 효과적으로 이루어지도록 냉각 시간에 따른 상기 열가소접합부(4)의 경화정도에 대응하여 상기 프로브(11)와의 이격거리가 제어될 수 있다.

예를 들어, 상기 프로브(11)의 마찰에 의해 가열된 열가소영역의 온도가 720℃인 경우에 상기 가압롤장치(20)는 620℃의 온도 범위에서 상기 열가소접합부(4)를 가압하도록 상기 프로브(11)와의 이격거리가 제어될 수 있다.

한편, 상기 프로브의 회전속도(rpm)는

상세히, 상기 용접대상판재(1,2)의 내부 분자 결합력에 따라 인장강도 및 가소화 온도 범위가 결정될 수 있다. 즉, 분자 간 결합력이 높을수록 인장강도가 높아지며 가소화 온도 범위가 높아지게 된다.

그리고, 상기 프로브(11)의 이송속도(mm/s) 및 회전속도(rpm)는 상기 프로브(11)와 접하는 용접대상판재(1,2)의 가열정도를 결정하게 된다. 즉, 프로브의 회전속도(rpm)가 높을수록 발열량이 증가하게 되며, 상기 프로브의 이송속도(mm/s)가 낮을수록 가열시간이 증가하게 된다.

여기서, 상기 프로브의 회전속도(rpm) 및 이송속도(mm/s)는 용접 공정 후의 인장강도 및 표면 품질에 영향을 미치게 된다. 즉, 상기 각 용접대상판재 사이의 접합면 온도를 가소화 온도 범위에 맞게 증가시키기 위해 가열시간과 발열량을 결정함으로써 프로브가 용이하게 이송될 수 있으며, 프로브의 회전 및 이송에 따른 금속의 유동으로 용접대상판재 사이의 결합이 견고하게 이루어질 수 있다.

따라서, 상기 프로브의 이송속도와 상기 용접대상판재의 인장강도를 기준으로 상기 프로브의 회전속도를 결정함으로써, 용접대상판재의 마찰교반에 필요한 온도를 적절하게 제공할 수 있다.

예를 들면, A6061-T6은 280MPa의 인장강도를 가지며, 1.5mm/s 기준 350~450rpm을 가지는 것이 바람직하다. 그리고, 2.0mm/s 기준 550~660rpm을 가지는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구한 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

1,2: 용접대상판재 1a,2a: 접합돌출면부
3: 접합면 4: 열가소접합부
10: 용접 툴 11: 프로브
12: 숄더 20: 가압롤장치
21: 유압실린더 로드 22: 가압롤러
23: 쐐기형 가압돌기

Claims

접합단부의 테두리를 따라 외면으로부터 상측으로 기설정된 두께로 돌출된 접합돌출면부가 형성된 한쌍의 용접대상판재가 제조되는 제1단계;
상기 각 용접대상판재의 접합단부가 상호 접촉 및 정렬되어 배치되는 제2단계;
상기 각 접합단부 사이의 접합면에 접촉 및 고속회전되며 진행되는 프로브에 의해 발생된 마찰열로 상기 접합면의 인접부에 열가소영역이 형성되어 접합됨에 따라 열가소접합부가 형성되는 제3단계;
상기 열가소접합부의 냉각시 상기 프로브의 진행방향 후방측에 배치된 가압롤장치에 구비된 외주면에 쐐기형 가압돌기가 돌설된 가압롤러의 횡방향 이동 및 승강이 반복됨에 따라 상기 쐐기형 가압돌기가 상기 열가소접합부를 가압하여 압연하는 제4단계; 및
상기 접합된 한쌍의 용접대상판재의 외면이 평탄화되도록 상기 각 접합돌출면부가 절삭가공되는 제5단계를 포함하는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제4단계에서 상기 쐐기형 가압돌기는 폭 방향을 따라 다단으로 돌설되되, 다단으로 돌설된 상기 쐐기형 가압돌기가 상기 열가소접합부를 가압하여 압연함을 특징으로 하는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제4단계에서 상기 쐐기형 가압돌기의 압입 깊이는 상기 열가소접합부의 표면으로부터 0.1 ~ 0.25 mm로 설정됨을 특징으로 하는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 프로브의 회전속도(rpm)는

로 설정되되,
v는 상기 프로브의 이송속도(mm/s)이며,
Y는 상기 용접대상판재의 인장강도(MPa)임을 특징으로 하는 마찰교반 용접 및 가압롤성형에 의한 후처리 방법.