KR20040048426A - 마찰교반 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 프로브의 온도를 제어하기 위해 도구에 하나 이상의 채널들을 통하여 온도조절 냉각제를 통과시킴으로써 용접 재료에 대한 딱딱한 워크피스의 용접동안 도구의 온도제어를 함으로써, 도구로부터 그리고 용접되는 상기 워크피스의 영역으로부터의 과도한 열을 제거하는 단계; (b) 상기 도구에 들어오는 제 1 기설정된 온도를 갖는 냉각제; (c) 상기 도구 프로브 온도를 나타내는 제 2 기설정된 온도를 측정하는 단계; 및 (d) 상기 도구 프로브가 기설정된 도구 프로브 온도에서 필수적으로 유지되도록 용접공정을 제어하는 단계를 포함하는, 프로브를 갖는 회전하는 마찰교반 용접도구를 사용하는 마찰교반 용접방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 조합물에 관한 것이다.

Description

마찰교반 용접방법{Method For Friction Stir Welding}

향상된 마찰교반 용접 프로브가 설명되어 있는 것으로서, 공동으로 양도되어 출원되고 동시 계류중의 특허출원 제0101663-3호를 본 명세서에서 참조로 하며, 상기 출원내용이 참조로 본 명세서에 통합된다.

마찰교반 용접은 비교적 새로운 용접기술에 해당한다. 이 용접기술은, 예를 들어, 접합되는 금속/합금의 두께로 인해 용접하기가 어려웠던 금속들과 합금들 또는 특수한 실딩 가스의 필요성과 특히 두꺼운 재료에서 금속이 냉각됨에 따라 공극 및/또는 경화성 균열 결함을 제거하여야 하는 필요성으로 인해 용접하기가 단순히 어려웠던 금속들/합금들의 용접을 개발시켜왔다.

일반적으로 용접기술내에서 접합되는 금속/합금의 두께는 양호한 용접을 달성하는데 아마도 가장 큰 장애가 된다고 말할 수 있다.

마찰교반 용접에서 회전하는 숄더형 실린더 도구는 빠르게 회전하는 실린더형 도구와 접촉한 금속에서 기계적인 마찰을 발생시키는데 사용된다. 기계적인 마찰은 도구와 접합되는 금속 사이의 마찰에 의하여 발생되는 열로 인해 회전하는 도구와 접촉한 금속을 소성(塑性)한다. 이러한 프로브는 EP-A2-0,810,056에서 찾을 수 있다.

도 1A 및 도 1B에, 종래 기술의 마찰교반 용접 프로브가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 2개의 부분들(10A' 및 10B')은 함께 용접되어지는 상기 부분들의 엣지가 직접적인 접촉을 유지하도록 정렬된다. 마찰교반 용접도구는 단부에 숄더(14')와 상기 숄더로부터 중앙하부로 연장되는 비소모품 용접 프로브(16')를 갖는다. 회전도구(W')가 상기 플레이트들(10A' 및 10B') 사이의 인터페이스와 접촉하게 되면, 회전 프로브(16')는 도시된 바와 같이 양 플레이트의 재료와 억지로 접촉하게된다.

프로브는 워크피스(workpieces)의 재료보다 더 단단한 재료로 제조되며, 상대적인 주기운동, 예를 들어, 프로브와 워크피스 사이의 회전운동 또는 가역운동을 야기하면서 접합영역과 상기 접합영역의 일측상에 있는 워크피스의 대향 부분들에 들어가도록 하여 마찰열이 발생되어 워크피스의 대향 부분들이 소성되게 한다. 용접을 하는데 있어 프로브는 접합영역의 방향으로 이동하게 된다. 프로브가 이동함에 따라, 소성된 금속/합금이 굳어지고 따라서 워크피스들이 함께 접합된다.

마찰교반접합의 다른 예들이 EP-B-0615480 및 WO 95/26254에 설명되어 있다. 도구의 다른 예들이 예를 들어, GB-A-2306366, WO 99/52669 및 WO 99/58288에 설명되어 있다.

또한, 발생된 열에 대한 문제가 (상술된) EP-A2-0,810,056에 개시되어 있다. 상기 문헌에서는, 알루미늄의 용접에 대해 조우되는 문제는 행해진 용접이 거칠게용접되기 때문에 머시닝(machining)을 해야한다는 것이다. 용접공정동안 (본질적으로 비돌출형인) 알루미늄 합금과 같이 용접하기가 어려운 용접 재료들을 용접할 때, 도구를 냉각시킴으로써 금속의 연화경향을 저하시켜 회전하는 프로브와 도구의 숄더에 고착되도록 하여, 이에 따라 표면을 거칠게 함을 알게되었다. 개시된 도구는 내부 공간 또는 외부 자켓(jacket)을 갖고, 이를 통해 냉각제가 용접동작동안 열을 제거하고 도구를 냉각시키도록 펌프될 수 있다. 또 다른 설명된 실시예는 냉각제를 용접도구의 말단의 외부 표면에 분무하여 용접동안 도구 및 둘러싼 워크피스들로부터 열을 제거하기 위한 장치를 포함한다.

마찰교반 용접에 사용된 도구는 일반적으로 큰 직경의 평평하거나 돔형 숄더로부터 돌출한 실린더형 또는 테이퍼진 프로브(tapered probe)를 포함한다. 알루미늄 합금에서 두께 3㎜ 및 두께 6㎜ 시트들 및 플레이트들의 용접에 대해 EP-B-0615480에 최초로 개시한 바와 같이, 프로브의 길이 대 그의 공칭 직경에 대한 깊이 대 폭 비는 1:1의 오더(order)이고 숄더 직경 대 프로브 길이의 비는 3:1 또는 4:1의 오더이다.

한번의 통과로 15㎜ 및 25㎜의 두꺼운 플레이트를 용접하기 위해, 길이/직경이 1:1인 형태의 15㎜ 내지 25㎜ 사이로 가변하는 두께를 갖는 프로브가 사용될 수 있으나, 이들 프로브들은 재료의 양을 과도하게 제거해버리는 경향이 있다. 플레이트가 더 두꺼워짐에 따라 공지된 형태의 스케일업(scaled-up) 프로브는 재료의 양을 더 많이 제거해버리고 이러한 시도는 문제를 해결하는 추천되는 방법이 아님을 알게된다. 그러나, 두꺼운 재료의 용접은 프로브에 더 큰 압력의 입력을 필요로 하며, 이는 프로브를 넓게 만들지 않고 길게하는데 문제가 될 수 있음을 나타낸다.

더 큰 치수의 피스들을 작업하게 될 때 마찰교반 용접을 사용한 워크피스를 접합하는 공정에서 한가지 중요한 점은 "플런지 시퀀스(plunge sequence)", 즉, 프로브가 접합선 밑으로 내려가 있을 때 용접공정의 시작이다. 문제는 플런지 시퀀스동안 발생된 열의 대부분이 급격하게 용접된 재료, 예를 들어, 구리의 벌크를 통해 전해지고, 도구가 고착되어 부러질 수 있는데 있다.

상술한 바의 향상된 마찰교반 용접기가 설명되어 있는 것으로, 공동으로 양도되고, 2001년 5월 11일자로 출원되어 동시 계류중인 특허출원 제010166-3호에서 논의한 바와 같이, 특히, 금속 또는 금속 합금의 두꺼운 피스의 접합이 실행될 때, 마찰교반 용접공정에서 발생된 열이, 개선이 프로브 자체의 설계에 이루어져 있을 때조차도, 문제가 될 수 있음이 시사되어있다.

더 얇은 워크피스를 용접할 때 도구속도의 가변 또는 숄더와 프로브에 대한 다른 회전속도는 용접영역에 열 입력을 제어하는 좋은 방법들이라는 것을 본 발명의 해당기술분야에서 일반적으로 당연한 것으로 생각하고 있다. 그러나, 용접에서 양호한 기능을 달성하기 위해, 특히, 접합되는 프로브와 워크피스의 치수가 증가할 때, 재료/프로브의 온도를 제어하는 것이 또한 필요하게 되리라는 것이 밝혀져 있다.

본 작업은 프로브의 회전속도를 400rev/min 아래로 낮추는 것이 프로브에 의하여 받게되는 토크를 증가시킴을 밝혔다. 이는 프로브의 파손을 피하기 위해 토크가 더 클 수록 프로브의 치수도 더 커져야함을 의미한다.

그러나, 400rev/min 이상으로 빠르게 회전속도를 증가시키는 것은 워크피스의 상단의 온도를 증가시키게 되어 아래의 용접재료, 예를 들어, 구리가 용접되는데 충분하게 연화되기 전에 극단적으로 워크피스의 상단이 연화되는 것을 야기시킨다. 이 상황은 도구의 숄더가 연화된 상단층으로 과도한 깊이로 침투하거나 돌입하도록 야기할 수 있다.

본 발명은 온도조절을 이용한 마찰교반 용접방법 및 온도조절장치를 갖는 마찰교반 용접 프로브(probe)에 관한 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 목적, 이점 및 특성들은 도면과 결부하여 고려될 때 바람직한 실시예에 대한 아래의 상세한 설명으로부터 더 용이하게 이해된다:

도 1A는 종래 기술의 마찰교반 용접도구의 개략도이다;

도 1B는 종래 기술의 마찰교반 용접도구를 도시한 개략적인 단면도이다;

도 2는 온도제어장치를 포함하는 본 발명에 따른 마찰교반 용접 프로브 조합을 도시한 것이다;

도 3은 본 발명에 따른 교반 용접도구에서 제어 시스템의 개략도를 도시한 것이다;

도 4는 마찰교반 용접을 실행하면서 측정된 및/또는 제어된 매개변수의 경과를 명확하게 보여주기 위한 이상적인 용접기록을 도시한 것이다;

도 5는 다른 매개변수에 대하여 도구에 프로브 코어온도 및 냉각된 냉각제 온도를 나타내는 본 발명에 따른 용접의 용접기록을 도시한 것이다;

도 6은 본 발명에 따른 용접에서 사용된 공정을 설명하는 흐름도를 도시한 것이다.

본 발명의 목적은 일단 용접영역을 과열시키거나 과냉각시키지 않고 일정한 용접품질을 가능하게 하도록 주어진 범위 내에서 안정적인 용접조건이 달성된 후에 도구 프로브의 온도를 유지하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 도구의 과열 및/또는 도구의 열전단(hot shearing)을 피하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 여전히 일정한 용접품질을 달성하면서 마모가 최소가 되는 동작온도를 달성함으로써 도구 프로브의 마모를 줄이는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 프로브와 또한 용접된 재료의 온도조절을 가능하게 함으로써 용접 공정동안 최적의 조건과 본질적으로 용접에서의 향상을 제공하는 향상된 마찰교반 용접도구 조합물을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이는 용접영역의 과열 또는 과냉각에 의해 발생하는 결함없이 일정한 용접품질을 제공하는 마찰교반 용접도구와 조합하여 제어되는 냉각 시스템 및 용접시에 온도조건을 달성하고 유지하기 위한 방법으로 달성된다.

본 발명에 따르면, 전체 용접을 통하여 향상된 용접구조를 달성하도록 마찰교반 용접도구로부터 과도한 열이 제거된다. 본 발명에 따르면, 마찰교반 용접도구 및 공정을 위한 온도조절장치의 실시예가 설명된다. 도면에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 마찰교반 용접 프로브(201)와 상기 프로브의 숄더(202)가 도구 본체(210)에 장착된 것이 도시되어 있다.

이 도면에서 또한 마찰교반 용접도구는 하나의 비회전부(206, 210) 및 회전부(205, 202 및 201)를 갖는 것으로 나타나 있다.

온도제어장치가 도시되어 있다. 도구 본체(210)내 및 도구 숄더와 접촉하여 도구 온도제어회로(223)가 도시되어 있다. 도관이 마찰교반 용접도구의 회전부와 비회전부 모두를 지난다. 본 발명을 이루기 위해 씰들(seals)(204)이 상기 회전부와 비회전부 사이의 인터페이스(interface)에 배치된다.

프로브(201)를 지나기 전에 도관(223)에 있는 냉각제를 냉각하기 위해 도관(223)에 냉각장치(220)가 갖추어져 있다. 냉각제는 액체나 가스중 어느 하나 일 수 있다. 도 2에서는 단지 하나의 도관이 도시되어 있으나, 해당기술분야의 당업자는 도관이 여러 개일 수 있고 또한 동일한 목적을 수행함을 알게 될 것이다. 도관(223)에서 유량계(211), 압력 게이지(pressure gauge)(212) 및 유량제어계(flow control meter)(213)가 표시되어있다. 순환되는 냉각제를 측정하기 위한 온도측정장치(214)가 도관(223)에 배치되어 있다.

계기 블록(instrumentation block)(203)이 도시되어 있고, 상기 계기 블록은 도구 프로브의 온도가 기록되는 데이터 로거(data logger)를 포함한다. 블록은, 예를 들어, 열전대 기전력(thermocouple e.m.f.)용의 증폭기를 구비할 수 있다. 상기 열전대는 도구온도를 측정하는데 사용되고, 기전력은 슬립 링(slip ring)에 의하여 회전샤프트로부터 취해질 수 있고 실시간으로 표시될 수 있다.

상기 계기는 본 발명에 특별히 중요한 것은 아니다.

도 3에는 용접동안 마찰교반 용접 매개변수, 특히 프로브의 온도를 제어하기위한 본 발명에 따른 제어시스템이 도시되어 있다. 마찰교반 용접제어 프로그램이 용접 시퀀스(welding sequence)를 제어하도록 실행될 수 있는 제어장치(330)가 설치되어 있다. 제어장치(330)는 계기블록(303)으로부터 변수들, FSW 프로브 온도, 유량계(311)로부터 유량측정치, 압력 게이지(312)로부터 압력측정치, 및 냉각장치에서 나가고 온도제어회로(미도시)로 들어오는 냉각제의 온도를 수신한다. 수신되고 측정된 변수들은 펌프(313)에 의하여 서킷(cricuit)에서 유량을 조절하고, 냉각장치(320)에서 나가는 냉각제의 온도를 제어하며, 프로브(350) 대 용접되는 워크피스(workpieces)의 횡단속도(340)를 조절함으로써, 온도제어회로에서의 유량을 제어하는데 사용된다.

두꺼운 구리 피스를 용접하는데 있어 잘 작동되는 회전속도를 찾고, 회전속도를 증가하거나 감소하는 것이 제 1 선택이 아님을 앞서 언급하였으나, 다른 상황들 하에서는, 다른 재료를 용접하는 것이 프로브(350)의 회전 속도를 제어하기 위한 선택이 되는 경우도 있다.

도 4를 참조하면, 도 4에서는 본 발명에 따른 대표적인 용접 시퀀스동안의 다양한 변수들을 예시하고 있다. 마찰교반 용접도구의 회전속도가 필수적으로 일정하게 유지되는, 이 경우 곡선(F)으로 예를 들고 있는, 것을 도시하고 있다. 냉각된 냉각제의 온도는 본질적으로 10 내지 40℃ 곡선(I)으로 유지된다. 특허청구의 범위에서는 제 1 기설정된 온도로서 언급된다.

프로브의 온도(곡선(E))는 먼저 비교적 천천히 올라가고, 프로브 횡단속도는 프로브의 도입에서부터 용접영역까지 대략 2 내지 8분에서 증가(곡선(C))함에 따라최대에 도달하는 것을 도면으로부터 알 수 있다. 프로브에 의하여 횡단되는 거리가 곡선(A)으로 도시되어 있다. 도구 프로브 코어온도(곡선(E))는 780 내지 900℃ 사이의 요망되는 기설정된 온도에까지 근사적으로 올라가는 것이 도시되어 있다.

본 발명에 따르면, 도구 프로브의 온도 또는 온도범위는, 청구의 범위에서, 제 2 기설정된 온도로 언급된다.

그러나, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 순환 냉각제의 온도가 프로브 온도에 대한 측정으로서 사용될 수 있으며, 상기 온도 또는 온도범위는, 청구의 범위에서 제 2 기설정된 온도로 언급된다.

기설정된 온도는 본 발명에 따르면 프로브를 간접적으로 냉각하고/하거나 이동속도를 조절함으로써, 즉 프로브와 워크피스 사이의 상대적인 이동에 의하여 제어될 수 있다.

또한 도면은 기설정된 온도가 달성될 때(곡선(E)) 비교적 안정적인 수준에까지 올라가는 토크(곡선(C))를 나타낸다. 또한, 변위(곡선(B))는 동일한 과정을 따른다. 변위는, 프로브의 회전운동 뿐만 아니라, 온도증가를 야기하는, 접합되는 워크피스에 대한 프로브의 전방 또는 후방 이동의 측정치이다.

용접 절차는 마찰교반 용접에 의하여 접합되는 워크피스들 사이의 인터페이스에 회전도구 프로브를 도입함으로써 시작된다. 숄더접촉이 확립되고, 용접되는 방향으로 도구 프로브와 워크피스 사이의 상대운동이 시작된다. 곡선에서 알 수 있는 바와 같이 횡단속도가 들쭉날쭉하다.

따라서 본 발명에 따르면 용접조건은 도구 프로브온도가 꽤 일정하게 유지되도록 제어된다. 이는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 사용하고 용접되는 워크피스에 대해 마찰교반 용접 프로브의 이동 속도에서 약간의 조절을 하게 함으로써 달성된다. 당업자는 회전하는 정적 프로브와 이동하는 워크피스가 정적인 워크피스 및 이동하고 회전하는 프로브와 등가임을 알 것이다. 이 제어방법은 제품용접에 큰 이점을 가지는 것으로 나타나는데, 도구 프로브 온도에 대한 상부 및 하부한계가 피드백 제어루프를 통하여 용접에 의해 접합되는 재료의 이동속도를 제어하는데 사용될 수 있기 때문이다.

도 5에서 용접의 실제 용접기록이 도시되어 있다. 곡선들은 해당하는 대문자가 사용된 도 4와는 반대로 소문자를 이용하여 도 4에서와 같이 표시되어 있다.

도 6에서, 이러한 용접 공정을 설명하는 흐름도가 도시되어 있다. 처음에 프로브가 회전하고, 제 1 운동, 즉, 관성 운동이 빠르게 진행된다. 마찰교반 용접도구의 이동은 용접 인터페이스로부터 10-30㎜로 천천히 간다. 그런 후 도구 프로브는 도구 숄더가 용접되는 워크피스의 표면에 닿을 때까지 용접 인터페이스를 관통한다. 여기서 휴지 기간(dwell periode)(가열 기간)이 시작되고 워크피스가 이동하는 단부에서 기설정된 기간(제 1 램프(ramp))동안 낮은 횡단속도가 시작된다. 워크피스의 이동 횡단속도는 그런 후 최적이 달성될 때까지 증가된다(또는 램프된다). 도구 프로브 온도(기설정된 범위)는 폐쇄된 루프 피드백 제어 시스템에 의하여 워크피스 횡단속도를 제어하는데 사용된다. 그리고 나서 용접이 완료되기 위해 계속되고 마찰교반 용접이 용접 인터페이스로부터 철수되고 워크피스의 이동이 정지된다.

본 발명의 단지 2개의 대표적인 실시예를 상술하였으나, 당업자는 많은 변형들이 본 발명의 범위로부터 벗어남이없이 가능함을 알게된다.

Claims (16)

1. (a) 프로브의 온도를 제어하기 위해 도구에 하나 이상의 채널들을 통하여 온도조절 냉각제를 통과시킴으로써 용접 재료에 대한 단단한 워크피스의 용접동안 도구의 온도제어를 함으로써, 도구로부터 그리고 용접되는 상기 워크피스의 영역으로부터의 과도한 열을 제거하는 단계;

   (b) 상기 냉각제가 상기 도구에 들어오는 제 1 기설정된 온도를 가지게 하는 단계;

   (c) 상기 도구 프로브 온도를 나타내는 제 2 기설정된 온도를 측정하는 단계; 및

   (d) 상기 도구 프로브가 기설정된 도구 프로브 온도에서 필수적으로 유지되도록 용접공정을 제어하는 단계를 포함하는, 프로브를 갖는 회전 마찰교반 용접도구를 사용하는 마찰교반 용접방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 기설정된 온도는 프로브의 온도인 마찰교반 용접방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 기설정된 온도는 도구에서 나가는 냉각제의 온도인 마찰교반 용접방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 온도조절 냉각제는 상기 도구를 통해 통과한 후에 냉각되고 상기 도구를 통해 재순환되는 마찰교반 용접방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 온도조절 냉각제의 흐름은 제 2 기설정된 온도에 따라 제어되는 마찰교반 용접방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   용접속도, 즉 용접도구를 통과함에 따른 워크피스의 상대속도는 제 2 기설정된 온도에 따라 제어되는 마찰교반 용접방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   용접속도, 즉 워크피스 대 용접도구의 상대속도는 도구 프로브 온도에서의 변화에 따라 제어되는 마찰교반 용접방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각제의 흐름은 용접 시작시에 나오고, 도구에서 그리고 워크피스에서의 온도 측정치는 횡단속도, 온도조절 냉각제의 온도, 힘, 프로브 온도 및 도구의회전속도가 일정하게 유지되는 평형조건에 도달되었을 때를 설정하는데 사용되는 마찰교반 용접방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도구의 회전속도는 전 용접동안 일정하게 유지되는 마찰교반 용접방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 온도조절 냉각제의 제 1 기설정된 온도가 평형상태에 도달될 때까지 변하도록 하는 마찰교반 용접방법.
11. (a) 프로브(201), 숄더(202) 및 도구 본체(210)를 구비하는 마찰용접도구,

    (b) 상기 프로브의 온도를 기록하기 위한 수단, 및

    (c) 냉각제의 제 1 기설정된 온도 및 제 2 기설정된 온도에 따라 프로브를 지나는 온도조절 냉각제의 흐름을 제어하기 위한 제어수단(213)을 포함하고,

    상기 프로브(201)와 숄더(202)는 함께 용접되는 워크피스와 접촉하여 회전될 때 마찰열을 발생하도록 사용되고, 상기 도구는 온도조절장치(220)와 냉각제 접촉을 위해 사용되는 상기 도구내의 도관(223)을 구비하는 마찰교반 용접용 조합물.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 프로브의 온도를 기록하기 위한 수단은 상기 프로브에 장착된 온도측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 용접용 조합물.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 프로브의 온도를 기록하기 위한 수단은 상기 프로브에서 나갈 때 순환하는 냉각제 온도를 측정하는데 사용되는 온도측정장치(214)를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 용접용 조합물.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    제어장치(330)를 더 구비하는 마찰교반 용접용 조합물.
15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 마찰교반 용접 프로브의 회전속도를 제어하기 위한 수단은 상기 제어장치(330)에 의하여 제어되도록 사용되는 것을 특징을 하는 마찰교반 용접용 조합물.
16. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 용접속도, 즉 워크피스 대 용접도구의 상대속도는 상기 프로브의 온도의 변화에 대한 피드백으로 상기 제어장치(330)에 의하여 제어되도록 사용되는 마찰교반 용접용 조합물.