KR20090062599A - 초음파 진동을 이용한 Ｆｅ-Ａｌ 이종용접 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 진동을 이용한 Ｆｅ-Ａｌ 이종용접 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Fe-Al 이종용접 방법 또는 장치에 있어서, 용접시 용융지에 초음파 진동단자에 의한 초음파 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법을 제공한다. 본 발명은 상기 용접 방법 또는 장치는 겹치기 용접 방법 또는 맞대기 용접 방법에 모두 적용 가능하다. 나아가 상기 초음파 진동단자는 용접 토치를 따라 함께 이동할 수 있으며, 용접 토치에 기계적으로 연결될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 용접 토치는 Fe-Al 용접부의 용접 중앙 라인을 기준으로 Fe 쪽으로 1~5mm 치우쳐서 위치할 수 있며, 상기 초음파 진동의 진폭은 2~10㎛임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, Fe-Al 용접부에 용접부 특성을 저하시키는 화합물층이 형성되는 것을 효과적이고 경제적으로 억제할 수 있어, 안정적이고 우수한 물성의 용접부를 얻을 수 있다.
용접부, 이종용접 방법, 화합물층, TIG 용접, 초음파 진동단자

Description

초음파 진동을 이용한 Ｆｅ-Ａｌ 이종용접 장치 및 방법{Fe-Al Different Metals Welding Appartus and Welding Method Using Ultrarsonic Vibration}
본 발명은 Fe-Al 이종용접부 특성 향상 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융용접시 용융 pool내에 초음파를 가하는 방법에 의해 용접부에 발생할 수 있는 Fe-Al계 금속간 화합물의 생성 또는 Clustering을 억제하여 Fe-Al 이종용접부의 물성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
자동차와 같은 수송기기에 대한 배기가스 규제가 엄격해지고 이에 따른 차체의 경량화 필요성이 증가함에 따라, Al 합금과 같이 경량화가 가능한 강판의 수요와 연구가 증가하고 있다. 이에 따라 Fe-Al 이종용접이 크게 증가하는 추세에 있고, Al 합금의 내식성, 저온 인성, 열전도도 등과 같은 우수한 특성 때문에 조선, 화학 플랜트, 전자제품과 같은 다양한 산업분야에서도 그 적용이 점차 증가하고 있다.
한편, 하기 표 1은 Fe와 Al의 기본 물성을 나타낸 것으로서, 용접에 크게 영향을 미치는 융점, 열전도도, 고유저항 등의 물성이 서로 크게 차이나는 것을 알 수 있다.
Figure 112007089698832-PAT00001
또한, 도 1은 Fe-Al 2원계 상변화를 나타내는 상태도로서, 하기 도 1로부터 이들 이종금속이 용접되었을 경우 생성되는 상을 예측할 수 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 Al의 함량이 증가함에 따라, 약 12% 함량 부근에서는 Fe3Al이 생성되기 시작하고, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5 , FeAl3 등이 순차적으로 생성된다. 이러한 금속한 화합물의 경도는 약 600 ~ 1000Hv 정도로 높으며 Fe-Al 이종용접시 용접부에 생성될 경우 Fe-Al 사이에 존재하면서 용접부의 가공성을 크게 떨어뜨린다. 하지만, 일반적으로 Fe-Al을 이종용접하는 경우에는 Al의 농도를 12% 이하로 낮추는 것이 쉽지 않으므로 이러한 화합물의 생성은 피할 수 없게 된다.
이러한 금속간 화합물의 생성을 억제하기 위해, 종래에 강재의 표면에 Al 또는 Zn와 같은 제3의 합금을 미리 도금하여 Al과 Fe의 접촉을 방해하는 기술이 나타났으나, 이러한 기술은 강재의 생산원가가 급격히 상승할 수 있다는 문제가 있고, 겹치기 용접에서만 적용할 수 있을 뿐, 맞대기 용접에서는 적용이 어렵다는 문제점이 존재한다.
또한, Al 클래드 강재를 그 이종금속 사이에 끼워 용접을 하여 Al 클래드 강의 Al측은 Al과 반응을 하고, Fe측은 모재 강재와 반응시키는 기술이 나타났으나, 이러한 기술 역시 또한 용접이음부의 전체 하중을 증가시킬 뿐만 아니라, 생산 단가는 증가시키고, 맞대기 용접에 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하고 아울러 Fe-Al 이종 용접부의 특성을 맞대기 용접 분야에서도 적용이 가능한 Fe-Al 이종용접부 특성 향상 기술의 연구 및 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 Fe-Al 이종용접 방법 또는 장치에 있어서, 용접시 용융지에 초음파 진동단자에 의한 초음파 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법을 제공한다.이 경우, 상기 용접 방법 또는 장치는 겹치기 용접 방법 또는 맞대기 용접 방법에 모두 적용 가능하다.
나아가 상기 초음파 진동단자는 용접 토치를 따라 함께 이동할 수 있으며, 용접 토치에 기계적으로 연결될 수 있다.
나아가 본 발명은 상기 용접 토치는 Fe-Al 용접부의 용접 중앙 라인을 기준으로 Fe 쪽으로 1~5mm 치우쳐서 위치할 수 있며, 상기 초음파 진동의 진폭은 2~10㎛임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, Fe-Al 용접부에 용접부 특성을 저하시키는 화합물층이 형성되는 것을 효과적이고 경제적으로 억제할 수 있어, 안정적이고 우수한 물성의 용접부를 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하면서 맞대기 용접 분야에서도 적용이 가능한 경제적인 Fe-Al 이종용접부 특성 향상 방법에 관한 것으로, Fe-Al 이종용접부를 용접시 용융 pool에 초음파 진동을 부가하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성은 도 2에 의하여 보다 상세하게 설명될 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이 Fe-Al 이종용접시, 기존의 용융용접 공정에 롤 형식의 초음파 진동단자(201)를 용융지 근처 모재에 위치시킴으로써 용접이 진행되는 동안 초음파 진동이 용융지에 전파되도록 한다. 전파된 초음파 진동은 용접부에서 금속간 화합물이 생성될 경우에 이를 효과적으로 분쇄함으로써 화합물층의 형성을 억제할 수 있고, Clustering을 방지할 수 있는 작용을 한다.
상기 초음파 진동단자(201)는 토치(202)가 이동함에 따라 함께 이동함으로써 용접이 이루어지는 동안에 지속적으로 용융지에 초음파 진동을 가해줄 수 있다.
또한, 일반적으로 Fe-Al 용접시 Al이 Fe에 비해 상대적으로 그 융점이 낮으므로 Al만 용융이 될 수 있으므로, 본 발명의 용접법에서는 토치(202)를 용접 중앙 라인으로부터 Fe 쪽으로 1~5mm만큼 치우치게 하여 융점이 높은 Fe에 보다 많은 양의 열을 가함으로써 양 금속간의 융점 차이로 인한 용융 시간차이를 극복할 수 있도록 하였다.
만일 융점이 서로 다른 금속의 한가운데에 아크가 위치하여 용접이 된다면 도 3과 같이 Al은 용융되었으나 Fe가 용융되지 않는 현상이 나타날 수 있고, 이로 인하여 Fe-Al 사이에는 계면이 형성될 수 있다. 이러한 계면에는 특히 Fe-Al 화합물층이 두껍게 형성될 수 있으므로, 본 발명의 방법을 적용하는 경우에는 상술한 바와 같이 아크의 위치를 조절하여 Fe와 Al이 함께 용융되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 가해지는 초음파는 그 진폭이 2~10㎛으로 설정한다. 만일 진폭이 너무 작아서 2㎛ 미만일 경우에는 금속간 화합물의 형성 및 Clustering의 억제가 어렵다는 문제가 발생할 수 있고, 반면 10㎛를 초과하는 경우에는 초음파로 인하여 연결부에 무리한 충격을 줄 수 있고 공정 중 소음이 발생할 수 있기 때문에 초음파의 진폭은 2~10㎛ 범위로 한정한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 실시예에서는 TIG 용접법을 사용하였으며, 상기 TIG 용접은 DC type 용접기(최대용접전류 350A), bead on plate로 이루어졌다. 상세한 용접조건은 용접속도 0.32m/min, 텅스텐 전극직경 : 2.5mm, Arc length : 1.5mm, 전극선단각 : 100°이다. 대상강재는 두께 1.5mmt의 STS409L과 A6061을 사용하였다. 이러한 조건에서 본 발명의 초음파 진동을 사용하여 용접을 수행한 발명예 및 초음파 진동을 거치지 않고 용접된 비교예의 결과를 하기 표2에 나타내었다.
구분 실시번호 초음파 진동 진폭(㎛) Fe-Al 용접부 화합물층 평균두께(㎛)
발 명 예 1 2.5 1.4
2 3.5 1.2
3 5 1.1
4 7 1.2
5 9 1.5
비 교 예 6 초음파 진동을 가하지 않음 5.5
7 5.2
8 4.9
9 5.1
10 6.2
상기 표 2에 나타났듯이, 초음파 진동을 가한 발명예 1 내지 5에서는 Fe-Al 용접부 화합물층의 평균두께가 1.3㎛ 이하로 비교적 작게 나타났으나, 초음파 진동을 거치지 않은 비교예 6 내지 10에서는 대부분 5㎛ 이상의 두께를 가지는 화합물층이 나타났다. 따라서, 발명예와 같이 용접시 초음파를 가하는 경우, 용접부의 특성이 월등히 향상될 수 있음을 알 수 있다.
도 1은 온도에 따라 Fe-Al 사이에 발생할 수 있는 합금을 나타내는 상태도
도 2는 본 발명에 의한 초음파 진동단자를 포함하는 Fe-Al 이종용접 방법을 나타낸 모식도
도 3은 Al이 Fe보다 먼저 용융되었을 경우에 발생하는 문제점을 나타낸 모식도

Claims (9)

  1. Fe-Al 이종용접 방법에 있어서,
    용접시 용융지에 초음파 진동단자에 의한 초음파 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이종용접 방법은 겹치기 용접 방법 또는 맞대기 용접 방법인 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동단자는 용접 토치를 따라 함께 이동할 수 있는 것임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 용접 토치는 Fe-Al 용접부의 용접 중앙 라인을 기준으로 Fe 쪽으로 1~5mm 치우쳐 있는 것임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동의 진폭은 2~10㎛임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 방법.
  6. Fe-Al 이종용접 장치에 있어서,
    용접시 용융지에 초음파 진동단자에 의한 초음파 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 초음파 진동단자는 용접 토치를 따라 함께 이동할 수 있도록 상기 용접 토치에 연결된 것임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 용접 토치는 Fe-Al 용접부의 용접 중앙 라인을 기준으로 Fe 쪽으로 1~5mm 치우쳐 있는 것임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 초음파 진동의 진폭은 2~10㎛임을 특징으로 하는 Fe-Al 이종용접 장치.
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