KR102375236B1 - 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법 - Google Patents

고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법 Download PDF

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Abstract

고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법은 서로 접촉하는 제1 고강도 소재와 제2 고강도 소재의 테두리들에 저강도 소재의 테두리를 접합하는 단계, 마찰 교반 용접 툴로 상기 저강도 소재의 표면을 마찰하여 상기 저강도 소재의 발열을 이용해 상기 제1 고강도 소재 및 상기 제2 고강도 소재를 예열하는 단계, 및 상기 마찰 교반 용접 툴을 상기 저강도 소재의 표면으로부터 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재 사이의 접촉면으로 이동시켜 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계를 포함한다.

Description

고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법{FRICTION STIR WELDING METHOD OF HIGH STRENGTH MATERIAL}
본 기재는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법은 회전하는 마찰 교반 용접 툴을 서로 접하는 피접합체들과 마찰하여 발열함으로써 융점 이하에서 피접합체들 간의 접합이 이루어지도록 하는 방법이다.
종래의 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법에 이용되는 마찰 교반 용접 툴은 내마모성 및 고온 강도가 높은 툴 소재인 텅스텐 및 초경소재 등을 포함하였다.
최근, 다양한 합금계를 포함하는 마찰 교반 용접 툴 소재가 개발되고 있으나, 툴 소재의 내마모성 및 고온 강도가 부족하여 용접 대상이 되는 피접합체는 주로 알루미늄, 구리, 마그네슘 등의 저강도 소재에 한정되고 있다.
피접합체들로서 티타늄, 철강 등의 고강도 소재들을 마찰 교반 용접 툴을 이용해 마찰 교반 용접할 경우, 마찰 교반 용접 툴 수명이 급격히 저하되는 문제가 있다.
일 실시예는, 마찰 교반 용접 툴을 이용해 고강도 소재들을 마찰 교반 용접하더라도, 마찰 교반 용접 툴의 수명이 저하되는 것을 억제하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 제공하고자 한다.
일 측면은 서로 접촉하는 제1 고강도 소재와 제2 고강도 소재의 테두리들에 저강도 소재의 테두리를 접합하는 단계, 마찰 교반 용접 툴로 상기 저강도 소재의 표면을 마찰하여 상기 저강도 소재의 발열을 이용해 상기 제1 고강도 소재 및 상기 제2 고강도 소재를 예열하는 단계, 및 상기 마찰 교반 용접 툴을 상기 저강도 소재의 표면으로부터 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재 사이의 접촉면으로 이동시켜 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 제공한다.
상기 제1 고강도 소재, 상기 제2 고강도 소재, 및 상기 저강도 소재는 동일한 금속 재료를 포함할 수 있다.
상기 제1 고강도 소재 및 상기 제2 고강도 소재는 티타늄 합금을 포함하며, 상기 저강도 소재는 순수 티타늄을 포함할 수 있다.
상기 제1 고강도 소재, 상기 제2 고강도 소재, 및 상기 저강도 소재는 동일한 두께를 가질 수 있다.
서로 접촉하는 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재의 테두리들과 상기 저강도 소재의 테두리 사이를 용접하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마찰 교반 용접 툴을 이용해 고강도 소재들을 마찰 교반 용접하더라도, 마찰 교반 용접 툴의 수명이 저하되는 것을 억제하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법의 효과를 확인한 제1 실험예를 나타낸 사진들이다.
도 4는 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법의 효과를 확인한 제2 실험예를 나타낸 사진들이다.
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 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 서로 접촉하는 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2)의 테두리들에 저강도 소재(LS)의 테두리를 접합한다(S100).
구체적으로, 마찰 교반 용접 대상인 제1 고강도 소재(HS1)의 테두리와 제2 고강도 소재(HS2)의 테두리를 서로 접촉시킨다. 그리고 서로 접촉하는 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2)의 테두리들에 저강도 소재(LS)의 테두리를 접합한다. 여기서, 저강도 소재(LS)의 접합은 제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소재(HS2) 중 적어도 하나와 저강도 소재(LS) 사이를 연결하는 추가의 고정 부재를 이용해 수행될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 서로 접촉하는 제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소재(HS2)와 저강도 소재(LS) 사이의 접합 부분에서 유격이 없도록 사전 가공을 수행할 수 있다.
제1 고강도 소재(HS1), 제2 고강도 소재(HS2), 저강도 소재(LS)는 동일한 금속 재료를 포함한다.
저강도 소재(LS)는 제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소제(HS2)와 조성계가 동일하면서 순도가 높은 소재일 수 있다.
제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소재(HS2)가 고강도 티타늄 합금을 포함할 경우, 저강도 소재(LS)는 티타늄 순도가 높은 순수 티타늄을 포함할 수 있다. 저강도 소재(LS)는 순도가 높을수록 좋으나, 초고순도계의 소재는 필요 없으며, 공업용 순수 조성계의 소재일 수 있다.
일례로, 제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소재(HS2)는 Ti-6Al-4V 티타늄 합금을 포함할 수 있으며, 저강도 소재(LS)는 CP-Ti 순수 티타늄을 포함할 수 있다.
제1 고강도 소재(HS1), 제2 고강도 소재(HS2), 및 저강도 소재(LS)는 판 형태를 가지며, 제1 고강도 소재(HS1), 제2 고강도 소재(HS2), 및 저강도 소재(LS)는 동일한 두께를 가진다.
한편, 서로 접촉하는 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2)의 테두리들과 저강도 소재(LS)의 테두리 사이를 용접할 수 있다.
구체적으로, 서로 접촉하는 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2)의 테두리들과 저강도 소재(LS)의 테두리 사이를 TIG(tungsten inert gas) 용접을 이용해 용접할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
다음, 마찰 교반 용접 툴(10)로 저강도 소재(LS)의 표면을 마찰하여 저강도 소재(LS)의 발열을 이용해 제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소재(HS2)를 예열한다(S200).
구체적으로, 마찰 교반 용접 툴(10)로 저강도 소재(LS)의 표면을 마찰하여 저강도 소재(LS)의 발열인 마찰열을 이용한 열전도에 의해 제1 고강도 소재(HS1) 및 제2 고강도 소재(HS2)를 예열한다.
여기서, 마찰 교반 용접 툴(10)은 공지된 다양한 구조를 가질 수 있으며, 마찰 교반 용접 툴(10)의 툴 소재는 공지된 고강도 소재의 용접용 툴을 적용할 수 있다. 일례로, 마찰 교반 용접 툴(10)의 툴 소재는 텅스텐 및 초경 소재 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
다음, 마찰 교반 용접 툴(10)을 저강도 소재(LS)의 표면으로부터 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이의 접촉면(CS)으로 이동시켜 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이를 마찰 교반 용접한다(S300).
구체적으로, 마찰 교반 용접 툴(10)의 표면 마찰에 의한 저강도 소재(LS)의 발열이 충분히 발생되는 것을 확인하고, 마찰 교반 용접 툴(10)을 저강도 소재(LS)의 표면으로부터 서로 접촉하는 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이의 접촉면(CS)으로 이동시켜 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이를 마찰하여 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2)를 서로 마찰 교반 용접한다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법은 마찰 교반 용접 툴(10)을 이용해 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이를 마찰 교반 용접하더라도, 우선 마찰 교반 용접 툴(10)로 저강도 소재(LS)를 표면 마찰하여 저강도 소재(LS)의 발열인 마찰열을 이용한 열전도에 의해 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2)를 예열한 후 마찰 교반 용접 툴(10)로 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이의 접촉면(CS)을 마찰 교반 용접함으로써, 제1 고강도 소재(HS1)와 제2 고강도 소재(HS2) 사이를 용접하는 마찰 교반 용접 툴(10)의 수명이 저하되는 것을 억제한다.
즉, 고강도 소재들간의 마찰 교반 용접 시 고강도 소재들의 예열을 위한 추가적인 예열 장치가 필요치 않은 동시에 마찰 교반 용접 툴(10)의 수명이 저하되는 것을 억제하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법이 제공된다.
이하, 도 3을 참조하여 상술한 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법의 효과를 확인한 제1 실험예를 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법의 효과를 확인한 제1 실험예를 나타낸 사진들이다. 도 3의 (A)는 제1 실험예의 실험 순서를 나타낸 사진들이며, (B)는 제1 실험예의 실험 결과인 마찰 교반 용접된 판재들의 표면을 나타낸 사진이다.
도 3의 (A) 및 (B)를 참조하면, 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 판재들의 마찰 교반 용접 시 순티타늄(CP-Ti) 판재를 맞대고 접합하고 순티타늄(CP-Ti) 판재의 표면을 FSW 툴로 마찰하여 발열시킨 후 티타늄 합금(Ti-6Al-4V, Ti64) 판재들 사이를 마찰 교반 용접하였다.
제1 실험예의 실험 결과, FSW 툴이 순티타늄(CP-Ti) 판재에서 발열 후 티타늄 합금(Ti64) 판재들과 접촉 시 발열이 다소 줄어들었으나 다시 재가열되어 마찰 교반 용접이 진행되었다.
도 4는 일 실시예에 따른 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법의 효과를 확인한 제2 실험예를 나타낸 사진들이다. 도 4의 (A)는 제2 실험예의 실험 순서를 나타낸 사진들이며, (B)는 제2 실험예의 실험 결과인 마찰 교반 용접된 판재들의 표면을 나타낸 사진이다.
도 4의 (A) 및 (B)를 참조하면, 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 판재들의 마찰 교반 용접 시 순티타늄(CP-Ti) 판재를 TIG(tungsten inert gas) 용접으로 완전히 접합하고 순티타늄(CP-Ti) 판재의 표면을 FSW 툴로 마찰하여 발열시킨 후 티타늄 합금(Ti-6Al-4V, Ti64) 판재들 사이를 마찰 교반 용접하였다.
제2 실험예의 실험 결과, FSW 툴이 순티타늄(CP-Ti) 판재에서 발열 후 티타늄 합금(Ti64) 판재들과 접촉 시 발열이 줄어들지 않고 마찰 교반 용접이 진행되었다.
본 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
제1 고강도 소재(HS1), 제2 고강도 소재(HS2), 저강도 소재(LS), 마찰 교반 용접 툴(10)

Claims (5)

  1. 서로 접촉하는 제1 고강도 소재와 제2 고강도 소재의 테두리들에 저강도 소재의 테두리를 접합하는 단계;
    마찰 교반 용접 툴로 상기 저강도 소재의 표면을 마찰하여 상기 저강도 소재의 발열을 이용해 상기 제1 고강도 소재 및 상기 제2 고강도 소재를 예열하는 단계; 및
    상기 마찰 교반 용접 툴을 상기 저강도 소재의 표면으로부터 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재 사이의 접촉면으로 이동시켜 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계
    를 포함하며,
    상기 저강도 소재는 상기 제1 고강도 소재 및 상기 제2 고강도 소재 대비 강도가 낮은 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 고강도 소재, 상기 제2 고강도 소재, 및 상기 저강도 소재는 동일한 금속 재료를 포함하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 고강도 소재 및 상기 제2 고강도 소재는 티타늄 합금을 포함하며,
    상기 저강도 소재는 순수 티타늄을 포함하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 제1 고강도 소재, 상기 제2 고강도 소재, 및 상기 저강도 소재는 동일한 두께를 가지는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법.
  5. 제1항에서,
    서로 접촉하는 상기 제1 고강도 소재와 상기 제2 고강도 소재의 테두리들과 상기 저강도 소재의 테두리 사이를 용접하는 단계를 더 포함하는 고강도 소재의 마찰 교반 용접 방법.
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JP2018061980A (ja) * 2016-10-13 2018-04-19 日本軽金属株式会社 摩擦攪拌接合方法

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