KR101687250B1 - 마찰교반용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마찰교반용접 방법에 관한 것으로서, 마찰교반용접시 발생되는 후크 크랙을 방지할 수 있도록 겹이음 부분에 대해서는, 1차 마찰교반용접과 2차 마찰교반용접장치 용접툴의 회전후퇴측 영역이 서로 중첩되게 동일 용접 위치에서 2회의 마찰교반용접을 수행하여 겹이음 부분의 후크 크랙을 방지하고, 압연재와 압출재의 맞대기 이음부분에 대해서는 마찰교반용접장치의 용접툴의 회전후퇴측 영역이 압출재 측을 향하도록 마찰교반용접을 수행하도록 함으로써, 랩 조인트에서 발생될 수 있는 후크 크랙을 방지하는 마찰교반용접 방법이다. 이러한 마찰교반용접 방법을 이용하여 저장용량이 큰 독립형 타입-B의 LNG 탱크 제작시 생산성 향상 효과가 있다.

Description

마찰교반용접 방법{Method for Friction Stir Welding}

본 발명은 마찰교반용접(FSW, Friction stir welding) 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접 결합을 방지할 수 있도록 겹이음 부분은 회전툴의 회전후퇴측 영역(RS)이 서로 중첩 되게 하고, 압연재(rolled plate)와의 선단부와 압출재(trusion profile)의 단턱부 수직면 사이의 맞대기 부분은 압출재 측으로 상기회전 후퇴측 영역이 향하도록 마찰교반용접을 수행하여 후크 크랙 용접결합을 방지할 수 있도록 하는 마찰교반용접 방법에 관한 것이다.

LNG(액화천연가스, Liquid Natural Gas)는 -162도의 액체상태에서 저장 및 운반을 하므로, LNG 저장용 탱크의 소재 및 용접부는 극저온에서 구조적으로 안정되어야 한다. LNG 탱크용 소재는 Ni계 철합금(36% Ni steel), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 또는 알루미늄(Aluminum)등이 해당 되고, 현재 플라즈마 아크 용접(plasma arc welding, GTAW, GMAW)등이 상용화되어 있다. 그중 알루미늄 소재로 제작된 LNG 탱크의 경우, 두꺼운 Al 후판을 GMAW 용접으로 용접한 구 형상 (type C) 또는 다각기둥 형상(type B)이 일반적이다.

알루미늄(Al) 탱크의 경우 대부분 구 형상의 탱크(type-A)를 이용하고 있어서 원통형(type-B)에 비하여 저장용량이 약 30% 적다. 그리고, 아크 용접으로 조립하다 보니 용접부 결함(기공)이 자주 발생하고 있다.

그런데, 국내에서 저장용량이 큰 LNG 저장용기로써 Invar(Ni36% steel)를 사용한 다기둥 형상(type B) 형태를 제작하는 경우, 원천기술을 보유한 프랑스 GTT사에 많은 로열티를 지불하고 있다.

기존의 아크 용접(GMAW, GTAW 등)은 저융점 알루미늄 합금의 특성상, 고난이도 용접이면서 용접부 기공이 발생하기 쉬워서 제작 비용 및 기간이 길게 되는 문제가 있다. 이에 반해, 마찰교반용접(FSW)은 최근 알루미늄의 고상 용접으로 주목받고 있으며, 철도, 항공기, 자동차 등 차체경량화의 새로운 기술로써 상용화가 가속화되고 있다.

따라서, 저장용량이 큰 다각기둥형(독립형 LNG tank type-B)을 알루미늄 용접에 특화된 마찰교반용접(FSW)으로 제작하여, 생산 효율도 높이고 용접결함을 줄이는 고유의 신기술 개발 필요한 실정이다.

한편, 알루미늄 소재의 압연재를 본체로하고 조인트로서 압출재를 대고 마찰교반용접을 수행하는 경우, 하부 소재가 상부 소재로 파고드는 후크 크랙이 발생될수 있다. 이러한 후크 크랙은 용접 결함으로 존재하게 되어 용접품질이 떨어지고 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있었다.

한국공개특허 10-2012-0061229호(2012.06.13)

본 발명에서는 마찰교반용접시 발생되는 용접부의 후크 크랙 용접 결함을 줄일 수 있는 마찰교반용접 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 압연재(rolled plate)와 압출재(trusion profile)를 마찰교반용접(FSW)으로 용접하여 독립형 타입-B형의 LNG 탱크를 제작할 수 있도록 겹이음부분은 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 중첩되게 2회 마찰교반용접을 수행하고, 압연재의 선단과 압출재와 단턱부 수직면 사이의 맞대기 부분은 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 압출재 측을 향하도록 하여 후크 크랙을 방지할 수 있도록 하는 마찰교반용접 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 마찰교반용접 방법은,

용접 대상의 겹이음 부분에 대해 임의의 용접진행방향으로 마찰교반용접장치의 용접툴을 진행시키면서 마찰교반용접을 수행하는 1차 마찰교반용접단계와;

상기 용접툴의 회전 후퇴측 영역이 상기 1차 마찰교반용접단계의 용접툴의 회전 후퇴측 영역과 서로 중첩되게 상기 1차 마찰교반용접단계의 용접진행방향과 반대방향으로 용접툴을 진행시키면서 마찰교반용접을 수행하는 2차 마찰교반용접단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 마찰교반용접 방법은, 겹이음 부분에 대한 마찰교반용접시 용접툴의 회전후퇴측 영역에서 발생되는 후크 크랙을 서로 중첩시켜 상쇄시킴으로써 후크 크랙을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 마찰교반용접 방법은,

압연재와 압출재의 맞대기 이음부분에 대해 마찰교반용접장치의 용접툴의 회전 후퇴측 영역이 상기 압출재측을 향하도록 마찰교반용접을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이는 압연재를 압출재의 단턱부에 정렬시켜 압연재의 선단과 압출재의 단턱부 수직면의 맞대기부분의 마찰교반용접시 용접툴의 회전 후퇴측 영역을 압출재측을 향하도록 함으로써 랩 조인트(lap joint) 영역에서 발생될 수 있는 후크 크랙을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 마찰교반용접방법은, 서로 연결하고자 하는 압연재 사이에 조인트로서 단턱부가 형성된 압출재를 설치하여 용접하는 마찰교반용접 방법에 있어서,

상기 압연재와 상기 압출재의 겹이음(lap joint) 영역은, 마찰교반용접장치 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 중첩되게 2회의 마찰교반용접을 수행하고,

상기 압연재의 선단과 상기 압출재 단턱부 사이의 맞대기 이음 영역은, 마찰교반용접장치 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 압출재 측에 위치되게 마찰교반용접을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 마찰교반용접 방법은,

상기 압출재로서,

중앙에 돌출부가 형성되어 양측에 압연재가 겹이음 형태로 놓여지는 단턱부를 구비한 평평한 맞대기 이음(butt joint)용 압출재(A)와,

상기 맞대기 이음용 구조에서 상기 중앙의 돌출부 중앙에 보강재가 연장 형성되는 보강재(stiffener)형 압출재(B) 및

일측으로 하나의 단턱부가 형성되는 압출재 2개를 각도에 따라 대향하게 배열하여 용접시킨 각을 잦는 이음부용 압출재(C)를 구비하고,

압연재의 연결 형태에 따라 해당되는 압출재를 설치하여 단턱부에 압연재를 겹이음 형태로 정렬시킨 후 마찰교반용접하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기와 같이 단턱부를 가지는 다수 형태의 압출재를 압연재의 연결부위에 설치하여 압연재와 압출재 사이의 겹이음 및 맞대기 이음부분에 대해 각각 마찰교반용접을 수행하되 겹이음부분은 회전툴의 회전후퇴측 영역이 중첩되게 2회 마찰교반용접을 수행하고, 맞대기 부분은 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 압출재 측을 향하도록 마찰교반용접을 수행함으로써 후크 크랙을 방지할 수 있다.

이를 이용하여 본 발명은 LNG 탱크로서 저장용량이 큰 독립형 타입-B의 LNG 탱크를 알루미늄 소재로 마찰교반용접에 의해 제작할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 겹이음 부분은 2회의 마찰교반용접을 수행하되 회전툴의 회전후퇴측 영역을 중첩시킴으로써 후크 크랙을 상쇄시켜 결함을 방지하고, 맞대기부분은 압출재 측으로 회전후퇴 측 영역이 향하도록 마찰교반용접을 수행하여 후크 크랙 용접결합을 방지할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 상기와 같은 마찰교반용접 방법을 이용하여 LNG 탱크로서 저장용량이 큰 독립형 타입-B의 LNG 탱크를 마찰교반용접에 의해 제작함으로써, 아크 용접에 비해 결함을 줄일 수 있고, 아크용접에 비해 생산속도가 빠른 마찰교반용접을 이용하기 때문에 생산속도가 빨라지는 효과가 있으며, 독립형 타입-B의 알루미늄 LNG 탱크 제작시 알루미늄 압연재의 용접부 형태에 따라 평평한 맞대기 이음부와, 보강재 이음부와, 각도를 가지는 조인트 이음부에 맞는 형태의 압출재를 구비하여 각각 적합한 형태를 적용하여 마찰교반용접을 수행할 수 있어서 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 LNG 운반선에 탑재되는 독립형 타입-B 탱크의 예시도.
도 2는 본 발명에 적용되는 압출재의 형태별 구성 설명도.
도 3은 본 발명에 의한 각을 갖는 이음부용 압출프로 파일(C)의 마찰교반용접 순서를 보인 예시도.
도 4는 본 발명을 설명하기 위한 마찰교반용접의 후크 크랙 제거 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 맞대기 이음부에서 발생될 수 있는 후크 크랙 방지방법 설명도.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 LNG 운반선에 탑재되는 독립형 타입-B 탱크의 예시도이다.

이에 도시된 바와 같이 탱크 본체는, 좌우 상하 벽면(1)들을 각각 경사면(2)으로 연결한 형태로 구성된다. 즉, 직각을 이루는 박스형이 아니고, 상하 모서리에 경사면(2)이 형성된 구조로 이루어진다.

종래에는 상기와 같은 독립형 타입-B LNG탱크를 GMAW와 같은 아크용접을 수행하여 제작하고 있었는데, 알루미늄 탱크인 경우 아크 용접 후 내부 기공이 발생되어 결함이 많아 알루미늄 탱크로 제작하기가 어려웠다.

이에 본 발명은 알루미늄으로 LNG 탱크를 제작하기 위해서 마찰교반용접을 이용하고자 하는 것이다.

마찰교반용접(FSW)은, 프로브가 달린 회전툴을 이용하여 조인트 라인을 따라 가압된 상태에서 고속회전시킴으로써, 용접 대상이 되는 두 모재를 마찰교반용접에 의해 용접시키는 것으로서, 마찰교반용접을 하게 되면, 용접부가 모재보다 치밀한 미세조직으로 형성되어 기계적 물성 향상과 기공류 결함이 방지된다는 것은 잘 알려진 기술이다.

도 2는 본 발명에 적용되는 압출재의 형태별 구성 설명도이다.

본 발명은, 상기 도 1의 독립형 타입-B탱크를 제작하기 위하여 각 용접부의 형태에 따라 도 2의 (가)와 같은, 평평한 맞대기 이음부용 압출재(A)과, 도 2의 (나)와 같은 보강재가 있는 보강재 이음부용 압출재(B)와, 도 2의 (다)와 같은 경사면을 연결하기 위한 각을 갖는 이음부용 압출재(C)로 구분되는 압출재를 구비한다.

도 2의 (가)와 같이, 상기 맞대기 이음부용 압출재(A)은, 중앙의 돌출부(21)와, 돌출부(21) 양측의 단턱부(22)가 형성되고, 좌우측의 압연재(10)의 사이에 설치되어 단턱부(22)에 각각 압연재(10)이 겹이음 형태로 배열되어 마찰교반용접을 수행할 수 있도록 이루어진다.

도 2의 (나)와 같이, 상기 보강재 이음부용 압출재(B)은, 중앙의 돌출부(21)와, 돌출부(21) 양측의 단턱부(22)가 형성되고, 상기 돌출부(21)의 중앙에 연장되는 보강재(23)가 형성되며, 좌우측의 압연재(10)의 사이에 설치되어 단턱부(22)에 각각 압연재(10)이 겹이음 형태로 배열되어 마찰교반용접을 수행할 수 있도록 이루어진다.

도 2의 (다)와 같이, 상기 각을 갖는 이음부용 압출재(C)은, 일측의 돌출부(21)와, 돌출부(21)에 대해 단턱진 단턱부(22)로 이루어지고 2개가 쌍을 이루어 용접부의 형태에 따른 각도로 배열 설치되어 2개의 각을 갖는 이음부용 압출재(C)을 용접하여 용접부(24)를 형성하고, 단턱부(22)에 압연재(10)이 겹이음 형태로 배열되어 마찰교반용접을 수행할 수 있도록 이루어진다. 도 2의 (다)는 임의의 각도(α)와 직각(90°)으로 압연재(10)을 용접시키는 경우를 예시한 것이며, 2개의 압출재(C)을 각도에 따라 배열하여 용접부(24)를 형성하도록 용접한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 각을 갖는 이음부용 압출재(C)의 마찰교반용접 순서를 보인 예시도이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 각을 갖는 이음부용 압출재(C) 2개를 압연재(10)의 용접각도에 맞추어서 배열하여 양 돌출부 사이를 용접하여 용접부(24)를 형성한다. 이와 같이 각각 일측 방향으로 단턱부가 형성된 2개의 압출재를 용접각도에 맞추어서 배열하여 용접하여 각을 갖는 이음부용 압출재(C)을 생성한다.

도 3의 (a)와 같이, 일측 단턱부에 압연재(10)의 선단부를 정렬시켜 겹이음 형태로 배치하고, 하면에 받침판(Backing plate)(110)을 받친 후, 겹이음부의 상부에서 마찰교반용접 회전툴(100)을 하강시켜 가압회전에 의해 제1용접부(31)에 대해 마찰교반용접을 수행한다.

도 3의 (b)와 같이, 상기 제1용접부(31)와 일부 중첩되게 제2용접부(32)에 대해 마찰교반용접을 수행한다.

도 3의 (c)와 같이, 상기 제1,제2용접부(31)(32)를 마찰교반용접을 수행한 후, 상기 압연재(10)의 선단 수직면과 상기 압출재의 단턱부 수직면의 맞대기 이음부에 제3용접부(33)에 대해 마찰교반용접을 수행하여 일측의 압연재(10)와 압출재의 용접을 완료한다. 이때 상기 맞대기 이음부의 마찰교반용접은 수직경계면과 수직경계면 하부의 압출재 몸체의 일부까지 마찰교반용접으로 용접되게 수행한다.

이후, 도 3의 (d) 내지 (f)와 같이 압출재의 타측 단턱부에 타측 압연재(10)을 정렬시켜 선단 내측의 소정위치에서 제1용접부와, 제1용접부와 일부 중첩되는 제2용접부 및 선단 수직면에 대한 제3용접부에 대해 차례로 마찰교반용접을 수행하여 타측의 압연재 용접을 완료한다.

도 4의 (가) 내지 (라)는 본 발명을 설명하기 위한 마찰교반용접의 후크 크랙 제거 설명도이다.

마찰교반용접(FSW)은 회전툴(100)을 이용해 용접부분에 대해 가압 및 회전에 의해 모재를 용융시켜 용접하는 것으로서, 도 4의 (가)와 같이 회전툴(100)이 진행하는 용접중심라인을 중심으로 회전툴이 회전 진입측 영역(Advancing side; AS)과, 회전툴의 회전 후퇴측 영역(Retreating side; RS)으로 구분할 수 있다.

그런데, 알루미늄 소재의 상부 압연재와 하부의 압출재의 겹이음 부분에 대해 한 번의 마찰교반용접을 수행하게 되면, 도 4의 (나)와 같이 회전툴(100)의 회전 후퇴측 영역(RS)에 하부의 모재가 상부의 모재속으로 뚫고 들어오는 후크 크랙(35)이 발생된다.

만약, 도 4의 (다)와 같이, 상부 부재와 하부 부재의 겹이음 부분에 대해 마찰교반용접을 수행하여 마찰교반용접부의 좌측영역이 회전 진입측 영역(AS)이고, 우측영역이 회전 후퇴측 영역(RS)인 경우, 회전 후퇴측 영역(RS)에 후크 크랙(35)이 발생된다. 이는 사진 도면인 도 4의 (나)와 같은 후크 크랙(35)이 발생되는 것이다.

이에 따라 본 발명에서는 도 4의 (라)와 같이 2회의 마찰교반용접을 일부 중첩되게 수행하되, 회전 후퇴측 영역(RS)이 서로 중첩되게 마찰교반용접을 수행하여 후크 크랙을 제거한 것이다. 즉, 도 4의 (라)와 같이 제1용접부(31)에 대해 마찰교반용접을 수행하면, 도 4의 (다)와 같이 후크 크랙이 잔존하게 된다. 이에 대해 도 4의 (라)와 같이 상기 제1용접부(31)의 회전 후퇴측 영역(RS)과 제2용접부(32)의 회전후퇴측 영역(RS)을 중첩시켜 마찰교반용접을 수행하게 되면 후크 크랙(35)을 제거할 수 있게 된다. 이는 제1용접부(31)의 용접진행방향과, 제2용접부(32)의 용접진행방향을 서로 반대방향으로 향하게 진행시켜 회전툴의 회전 후퇴측영역(RS)을 중첩시키는 것이며, 제1용접부(31)를 용접할 때 발생되는 후크 크랙이 제2용접부(32)를 용접하면서 서로 상쇄되어 제거된다.

도 5는 본 발명에 의한 맞대기 이음부에서 발생될 수 있는 후크 크랙 방지방법 설명도로서, 이에 도시된 바와 같이, 압연재(10)과 압출재(20)의 겹이음 부분에 대해 회전툴의 회전 후퇴측 영역(RS)이 서로 중첩되게 제1,제2용접부(31)(32)를 마찰교반용접으로 용접한 이후에, 압연재(10)의 선단부 수직면과 압출재 단턱부 수직면 사이를 맞대기 이음으로 상부에서 마찰교반용접을 수행하여 제3용접부를 형성한다. 물론 제3용접부는 맞대기 이음이 주를 이루지만, 압연재(10)의 하부 압출재와의 겹이음도 중첩된다. 이때, 알루미늄 소재에 대해 마찰교반용접을 수행하게 되면 회전툴의 회전 후퇴측에 상부 부재인 압연재(10)에 후크 크랙이 발생되므로, 본 발명에서는 회전툴의 회전 후퇴측 영역(RS)이 압출재(20)측이 되도록 회전툴의 회전 및 진행방행을 설정함으로써, 후크 크랙을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, LNG 운반선의 LNG 탱크를 알루미늄으로 제작하기 위한 것으로서, 마찰교반용접을 이용하며, 용접부의 형태에 따라 해당되는 압출재를 구비하여 평평한 맞대기 이음부용, 보강재가 있는 보장재 이음부용, 각을 갖는 이음부용을 각각 구성하여 마찰교반용접방식으로 저장용량이 큰 독립형 타입-B 형의 LNG 탱크를 제작할 수 있다.

또한 본 발명은, 겹이음 부분에서는, 회전툴의 회전 후퇴측 영역을 중첩시켜 마찰교반용접시 발생될 수 있는 후크 크랙을 제거하며, 선단부분의 맞대기 이음 부분은 회전 후퇴측 영역이 압출재측에 위치되도록 함으로써 후크 크랙을 방지할 수 있도록 한 것이다.

따라서 본 발명은 기존 독립형 타입-C보다 저장용량이큰 독립형 타입-B의 LNG탱크를 알루미늄 소재로 제작할 수 있고, 아크용접에 비해 결함이 적고 생산속도가 빠른 마찰교반용접을 이용하여 생산성이 향상될 수 있다.

10 : 압연재 20 : 압출재
31 - 33 : 제1 - 제3 용접부
AS : 회전 진입측 RS : 회전 후퇴측

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 서로 연결하고자 하는 압연재 사이에 조인트로서 단턱부가 형성된 압출재를 설치하여 용접하는 마찰교반용접 방법에 있어서,
   상기 압연재와 상기 압출재의 겹이음(lap joint) 영역은, 마찰교반용접장치 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 중첩되게 2회의 마찰교반용접을 수행하고,
   상기 압연재의 선단과 상기 압출재 단턱부 사이의 맞대기 이음 영역은, 마찰교반용접장치 회전툴의 회전 후퇴측 영역이 압출재 측에 위치되게 마찰교반용접을 수행하되,
   상기 압출재는,
   중앙에 돌출부가 형성되어 양측에 압연재가 겹이음 형태로 놓여지는 단턱부를 구비한 평평한 맞대기 이음(butt joint)용 압출재(A)와,
   상기 맞대기 이음용 압출재(A)에서 상기 중앙의 돌출부 중앙에 보강재가 연장 형성되는 보강재(stiffener)형 압출재(B) 및
   일측으로 하나의 단턱부가 형성되는 압출재 2개를 각도에 따라 대향하게 배열하여 용접시킨 각을 잦는 이음부용 압출재(C)를 구비하고,
   압연재의 연결 형태에 따라 해당되는 압출재를 설치하여 단턱부에 압연재를 겹이음 및 맞대기 형태로 정렬시킨 후 마찰교반용접하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 방법.
4. 삭제

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