KR101593405B1 - 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종의 소재 둘을 서로 적층하고, 둘의 소재 중 비교적 용융점이 놓은 소재의 스폿용접할 접합점 위치에 전기펄스를 주지적으로 인가하여, 유동응력(유동변형력)을 낮춘 후 마찰교반 스폿 용접하는 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법에 관한 것으로, 제1판재의 상면에 상기 제1판재의 재질과 다른 재질로 이루어진 제2판재를 적층하는 단계와, 상기 제2판재의 표면에 스폿 용접할 해당 위치에 접합점을 마킹하는 단계와, 상기 제1판재의 유동응력(유동변형력)을 낮추기 위해 상기 제1판재에 전기펄스를 인가하는 단계와, 상기 제2판재의 표면에 형성된 접합점에 용접장치의 마찰교반용접툴을 어느 한 방향으로 회전시키면서 상기 접합점을 가압하여, 상기 제2판재와 제1판재를 마찰교반하여 용접하는 단계를 포함해 이종의 소재 둘을 서로 적층하고, 둘의 소재 중 비교적 용융점이 놓은 소재의 스폿용접할 접합점 위치에 전기펄스를 주지적으로 인가하여, 유동응력(유동변형력)을 낮춘 후 마찰교반 스폿 용접을 이행함으로써, 용접결함이 적고, 에너지와 생산비용이 절감되며, 소재의 미세구조 개질 효과를 이용하여 금속재료의 성형성, 피로강도 등 물성치를 향상되고, 소재의 유동응력이 낮아져 비교적 낮은 온도에서 용접이 가능해 마찰 교반 용접 속도를 향상됨은 물론, 생산성의 향상되는 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법을 제공한다.

Description

이종소재의 마찰교반 스폿용접방법{Friction stir spot welding of dissimilar materials method}

본 발명은 서로 다른 재질로 이루어진 소재를 마찰교반 스폿 용접하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종의 소재 둘을 서로 적층하고, 둘의 소재 중 비교적 용융점이 놓은 소재의 스폿용접할 접합점 위치에 전기펄스를 주지적으로 인가하여, 유동응력(유동변형력)을 낮춘 후 마찰교반 스폿 용접하는 이종소재의 마찰교반 스폿 용접방법에 관한 것이다.

현대의 고도화된 산업사회에서 용접기술의 발달은 제품의 생산성과 품질을 더욱 향상시키고 있으며, 세계 각국은 수출품의 가격 경쟁력에 직접적인 영향을 미치는 생산성을 증대시키기 위한 새로운 용접기술의 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

1991년에 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 친환경적이며 에너지 절약형 생산공정인 마찰교반용접(Friction Srir Welding, FSW)기술은 모재가 녹지 않는 고상용접법으로 기존의 용융용접법에 비해 용접부의 특성과 품질이 뛰어나 산업계의 많은 주목을 받고 있으며 철도차량, 선박, 항공기기, 자동차, 반도체분야 등에 대한 적용화 과정에서 괄목할만한 성과를 얻고 있다.

상기한 마찰 교반 용접이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말한다. 이러한 마찰 교반 용접은 고온의 용융 용접 시에 용접 균열과 용접변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그리고 마찰 교반 용접 장치는 접합되는 부재보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전도구와 상기 회전도구를 회전시키는 구동부재를 포함한다. 그리고 상기 구동부재는 분할된 금속의 접합부에 설치된 회전 부재를 회전시키면서 접합부를 따라 회전 부재를 이송한다. 이에 따라 회전 부재와 접합부 사이에는 마찰열이 발생하고 이러한 마찰열과 회전 부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의해 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어진다.

그런데, 상기한 마찰 교반 용접 기술을 이용하여 이종 모재를 마찰 교반 용접으로 접할 경우, 접합부의 계면에 금속간 화합물(intermetallic compound)의 생성으로 인해 접합부 특성 저하 및 교반 특성 저하 등의 문제가 발생한다.

또한, 이러한 종래의 마찰 교반 접합 장치는 금속의 마찰로 발생하는 열만으로 녹일 수 있는 금속의 종류가 한정되는 문제가 있다, 특히 스틸과 같이 경도가 높은 재료를 교반 접합할 경우에는 고출력의 회전과 큰 가압력이 요구되며, 접합 과정에서 회전 부재에 마모가 심하게 발생하는 문제가 있다.

상기한 문제점을 해소하기 위해 종래에도 다양한 방법이 제안되었는데, 이를 살펴보면 특허공개 제10-2009-0069612호(2009.07.01)에서는 노즐을 모재의 접합부에 위치시키는 단계와, 스프레이 코팅 방법으로 금속 분말을 접합부 상에 코팅하는 단계 및 회전 부재를 이용하여 접합부에 마찰열을 발생시키면서 모재를 접합하는 단계를 포함하는 마찰 교반 용접 방법을 제공하였다.

그리고 등록특허 제10-0957905호(2010.05.06)에서는 Fe-Al 이종용접 방법에 있어서, 용접시 용융지에 초음파 진동단자에 의하여 진폭 2.5~9㎛의 초음파 진동을 가하는 Fe-Al 이종용접 방법을 제공하였다.

하지만 종래의 금속분말을 용접 지점에 코팅하는 것은 접합할 모재들 외에 접합촉진재인 금속분말을 사용해야하는 문제점과, 고출력 고가압력의 변화에 있어 그 차이가 아주 미세하여 실질적으로 생산성에 향상에 기여하지 못하였다.

그리고 초음파진동자를 이용한 것은 초음파를 발생하는 압전체의 출력이 제한되어있어 긴 용접시간과 소재의 두께가 한정되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 극복하기 위해 이종의 소재 둘을 서로 적층하고, 둘의 소재 중 비교적 용융점이 놓은 소재의 스폿용접할 접합점 위치의 내부 격자(분자구조체) 장애물을 분산시켜, 소재 내부의 전위(dislocation)의 이동성 증가로 유동응력이 일시적으로 매우 낮아지게 전기펄스를 주지적으로 인가하여, 유동응력(유동변형력)을 낮춘 후 마찰교반 스폿 용접하는 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법을 제공한다.

본 발명에 따른 이종소재의 마찰교반 스폿 용접방법은 스틸재인 제1판재의 상면에 알루미늄재인 제2판재를 적층하는 단계와, 상기 제2판재의 표면에 스폿 용접할 해당 위치에 접합점을 마킹하는 단계와, 상기 제2판재의 표면에 형성된 접합점에 용접장치의 마찰교반용접툴을 어느 한 방향으로 회전시키면서 상기 접합점을 가압하여, 상기 제2판재와 제1판재를 마찰교반하여 용접하는 단계로 이루어지는데, 상기 제2판재의 표면에 스폿 용접할 해당 위치에 접합점을 마킹한 후, 상기 제1판재 중, 해당 접합점 위치의 내부 격자(분자구조체) 장애물을 분산시켜, 소재 내부의 전위(dislocation)의 이동성 증가로 유동응력이 일시적으로 매우 낮아지게 전기펄스(electric pulse)를 인가하는 것과, 상기 제1판재의 스폿 용접할 해당 접합점 위치에 전기펄스를 인가할 시, 상기 스틸재인 제1판재에 전류밀도가 90[A/㎟]인 전류를 인가하는 것과, 상기 제2판재와 제1판재를 마찰교반하여 용접하는 단계에서, 상기 마찰교반용접툴의 회전속도는 1000~1400[rpm]을 유지하는 것을 포함한다.

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본 발명에 따른 이종소재의 마찰교반 스폿 용접방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 이종의 소재 둘을 서로 적층하고, 둘의 소재 중 비교적 용융점이 놓은 소재의 스폿용접할 접합점 위치의 내부 격자(분자구조체) 장애물을 분산시켜, 소재 내부의 전위(dislocation)의 이동성 증가로 유동응력이 일시적으로 매우 낮아지게 전기펄스를 주지적으로 인가하여, 유동응력(유동변형력)을 낮춘 후 마찰교반 스폿 용접하게 되면 용접결함이 적고, 에너지와 생산비용이 절감되는 효과를 가진다.

둘째, 소재의 미세구조 개질효과를 이용하여 금속재료의 성형성, 피로강도 등 물성치를 향상시키는 효과를 가질 뿐만 아니라, 소재의 유동응력이 낮아져 비교적 낮은 온도에서 용접이 가능해 마찰 교반 용접 속도를 향상됨은 물론, 생산성의 향상되는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법의 실시예를 보인 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소재에 전류 및 전기펄스의 인가에 따른 연실율의 변화를 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법의 실시 상태를 간략하게 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법에 따른 용접점 생성과정을 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법의 실시예를 보인 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 소재에 전류 및 전기펄스의 인가에 따른 연실율의 변화를 보인 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법의 실시 상태를 간략하게 보인 예시도이고, 도 4는 본 발명 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법에 따른 용접점 생성과정을 보인 예시도이다.

본 발명은 이종의 소재 둘을 서로 적층하고, 둘의 소재 중 비교적 용융점이 놓은 소재의 스폿용접할 접합점 위치에 전기펄스를 주지적으로 인가하여, 유동응력(유동변형력)을 낮춘 후 마찰교반 스폿 용접하는 이종소재의 마찰교반 스폿용접방법에 관한 것으로, 상기한 방법을 도면을 참조하여 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

먼저 제1단계로,

모재인 제1판재(10)의 상면에 부재인 제2판재(20)를 적층한다.(S100)

이때 부재인 제2판재(20)는 모재인 상기 제1판재(10)의 재질과 다른 재질로 이루어지는데, 이때 상기 제1판재(10)의 재질은 스틸재로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 제2판재(20)의 재질은 알루미늄재로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 제2단계로,

상기 제2판재(20)의 표면에는 스폿 용접할 해당 위치에 접합점을 마킹한다.(S200)

이때 마킹하는 부재의 재질은 용접에 영향을 주지 않는 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기한 마킹단계를 생략하고, 용접과정을 이행할 수도 있다.

그리고 제3단계로,

상기 제1판재(10)의 유동응력(유동변형력)을 낮추기 위해 상기 제1판재(10)에 전기펄스(electric pulse)를 인가한다.(S300)

상기 제1판재(10)의 유동응력(유동변형력)을 낮추는 이유는 상기 제1판재(10)와 제2판재(20) 간의 용융점 차이를 극복하여, 이종재질 간의 온전한 용접이 이루어지도록 하기 위함이다.

이때 상기 제1판재(10)에 전기펄스(electric pulse)를 인가하면, 전자가 이동할 시 상기 제1판재(10)의 내부 격자(분자구조체) 장애물이 분산되므로, 소재 내부의 전위(dislocation)의 이동성 증가로 인하여 유동응력이 일시적으로 매우 낮아진다.

그리고 상기한 단계에서 수반되어야 할 수단으로 상기 제1판재(10)에 전류밀도가 90[A/㎟]인 전류를 인가한다.(S500)

따라서 상기 제1판재(10)에 전류밀도를 90[A/㎟]으로 유지하고, 전기펄스(electric pulse)의 지속기간과 주기를 변화 시킴으로서 전기저항에 의한 온도상승의 영향을 최소화한 상태로도 기존의 인장실험과 비교하여 200%~400%까지 소재의 연신율이 증가되며, 용접온도가 온도의 70~80%를 감소하여도 용접이 이루어진다.

그리고 제4단계로,

상기 제2판재(20)의 표면에 형성된 접합점에 용접장치의 마찰교반용접툴(30)을 어느 한 방향으로 회전시키면서 상기 접합점을 가압하여, 상기 제2판재(20)와 제1판재(10)를 마찰교반하여 용접한다.(S400)

이때 상기 마찰교반용접툴(30)의 회전속도는 1000~1400[rpm]로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

따라서 비교적 용융점이 높은 소재의 해당 용접 위치에 일정한 전류와 전기펄스를 주기적으로 인가할 경우 소재의 유동응력이 일시적으로 낮아져, 그에 따른 인장 강도의 감소와 성형성의 급격한 변화가 일어나, 강도가 떨어진 지점(용접 위치)을 이용하여 순간적인 이종 소재의 온전한 용접이 이루어진다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 제1판재
20: 제2판재
30: 마찰교반용접툴

Claims (4)

1. 스틸재인 제1판재의 상면에 알루미늄재인 제2판재를 적층하는 단계와, 상기 제2판재의 표면에 스폿 용접할 해당 위치에 접합점을 마킹하는 단계와, 상기 제2판재의 표면에 형성된 접합점에 용접장치의 마찰교반용접툴을 어느 한 방향으로 회전시키면서 상기 접합점을 가압하여, 상기 제2판재와 제1판재를 마찰교반하여 용접하는 단계로 이루어지는 이종소재의 마찰교반 스폿 용접방법에 있어서,
   상기 제2판재의 표면에 스폿 용접할 해당 위치에 접합점을 마킹한 후, 상기 제1판재 중, 해당 접합점 위치의 내부 격자(분자구조체) 장애물을 분산시켜, 소재 내부의 전위(dislocation)의 이동성 증가로 유동응력이 일시적으로 매우 낮아지게 전기펄스(electric pulse)를 인가하는 것과;
   상기 제1판재의 스폿 용접할 해당 접합점 위치에 전기펄스를 인가할 시, 상기 스틸재인 제1판재에 전류밀도가 90[A/㎟]인 전류를 인가하는 것과;
   상기 제2판재와 제1판재를 마찰교반하여 용접하는 단계에서, 상기 마찰교반용접툴의 회전속도는 1000~1400[rpm]을 유지하는 것을 포함하는 이종소재의 마찰교반 스폿 용접방법.
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