KR20090069612A - 마찰 교반 용접 시스템 및 마찰 교반 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

접합하고자 하는 두 개의 피가공재를 서로 맞대어 접합부를 공구(tool)가 진행하면서 발생하는 마찰열과 피가공재 내부에서 발생하는 소성 가공 현상을 이용하여 피가공재를 접합하는 마찰 교반 용접장치 및 용접 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접 시스템은 서로 맞닿아 접합부를 형성하는 모재들과, 상기 접합부를 따라 이동하며 상기 모재들을 가압하면서 회전하여 마찰열을 발생시키는 회전 부재, 및 상기 회전 부재에 선행하여 이동하며 상기 접합부에 금속분말을 코팅하는 스프레이를 포함할 수 있다.
마찰, 교반, 회전 공구, 스프레이, 노즐, 금속 분말

Description

마찰 교반 용접 시스템 및 마찰 교반 용접 방법{FRICTION STIR WELDING SYSTEM AND WELDING METHOD USING THEREOF}
본 발명은 마찰 교반 용접 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접합부에 금속 분말을 코팅하는 스프레이를 포함하는 마찰 교반 용접 시스템 및 방법에 관한 것이다.
자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.
따라서 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)이 적용되고 있다.
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, 열 감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 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.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 이종 모재를 접합 시에 금속간 화합물 생성을 억제하고 용접 속도를 향상시킬 수 있는 마찰 교반 용접 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 용접 시스템은 서로 맞닿아 접합부를 형성하는 모재들과 상기 접합부를 따라 이동하며 상기 모재들을 가압하면서 회전하여 마찰열을 발생시키는 회전 부재, 및 상기 회전 부재에 선행하여 이동하며 상기 접합부에 금속분말을 코팅하는 스프레이를 포함할 수 있다.
여기서 상기 스프레이는 접합면을 향하여 금속분말을 분사하는 노즐과 상기 금속 분말을 가속시킬 수 있도록 노즐로 고압 가스를 공급하는 가스 공급 장치와 상기 노즐로 금속분말을 공급하는 분말 공급 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속분말은 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 셀렌(Se) 및 혼합 금속 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 접합부에는 홈이 형성될 수 있으며, 상기 홈은 삼각형, 사각형 또는 호형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 단면 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 홈은 하나의 홈의 바닥에 다른 홈이 형성된 다단구조로 이루어질 수 있 다. 또한, 상기 모재들은 서로 다른 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 용접 방법은 노즐을 모재의 접합부에 위치시키는 단계와 스프레이 코팅 방법으로 금속 분말을 접합부 상에 코팅하는 단계, 및 회전 부재를 이용하여 접합부에 마찰열을 발생시키면서 모재를 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 모재의 접합부에 홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 이종 모재들을 용접할 때, 금속 분말이 금속간 화합물 형성을 억제하여 접합 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 스프레이 코팅 과정에서 모재의 예열 효과를 얻을 수 있으므로 마찰 교반 용접 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 분말이 마찰을 크게 하여 경고가 높은 금속을 보다 용이하게 마찰 교반 용접할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 용접 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 마찰 교반 용접 시스템(100)은 용접 대상인 모재들(101, 102)과 모재들(101, 102)에 맞닿아 회전하는 회전 부 재(120), 모재들(101, 102)을 향하여 금속 분말을 분사하는 스프레이(130)를 포함한다.
모재들(101, 102)은 서로 맞닿아 접합부(106)를 형성하는 제1 모재(101)와 제2 모재(102)를 포함하며, 기본적으로 금속으로 이루어진다. 모재(101, 102)의 형상 및 소재에 대해서는 제한하지 않으며, 본 실시예에 따른 모재들(101, 102)은 서로 다른 소재로 이루어진다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 모재들(101, 102)은 동일한 소재로 이루어질 수도 있다.
한편, 회전 부재(120)는 설정 속도로 회전하는 스핀들에 고정되며, 스핀들은 회전력을 인가하는 제1 구동기에 연결된다. 그리고 회전 부재(120)를 접합부(106)를 따라 이동시키기 위해서 스핀들은 제2 구동기와 연결된다.
이러한 구성으로 회전 부재(120)는 일정한 속도로 회전하면서 접합부(106)를 따라 이동할 수 있으며 이 과정에서 접합부(106)를 가압하여 마찰 교반 용접을 실시한다.
한편, 본 실시예에 따른 마찰 교반 용접 시스템(100)은 스프레이(130)를 포함하는데, 스프레이(130)는 금속 분말을 분사하는 노즐(134)과 노즐(134)로 고압의 가스를 공급하는 가스 공급 장치(136)와 노즐(134)로 금속 분말을 공급하는 분말 공급 장치(132)를 포함한다.
가스 공급 장치(136)와 노즐(134) 사이에는 노즐(134)로 가스를 공급할 수 있도록 가스 공급관(137)이 설치되며, 분말 공급 장치(132)와 노즐(134) 사이에는 노즐(134)로 금속 분말을 공급할 수 있도록 분말 공급관(138)이 설치된다.
본 실시예에 따른 스프레이(130)는 400℃ 내지 600℃의 범위로 예열된 고압의 가스를 이용하여 금속 분말을 접합부로 고속으로 분사하는데, 가스로 인하여 금속 분말이 고속으로 분사될 수 있다. 이러한 저온 스프레이 코팅 방식(clod spray coating method)으로 금속 분말은 접합부에 분사되어 수㎛의 두께를 갖는 코팅층(112)을 형성한다.
이때, 고압의 가스로는 질소, 헬륨, 공기 등이 적용될 수 있으며, 금속 분말은 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 셀렌(Se) 및 혼합 금속 분말 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접 시스템을 이용한 마찰 교반 용접 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하여 마찰 교반 용접 시스템을 이용하여 용접을 실시하는 방법에 대하여 살펴본다.
먼저 스프레이(130)의 노즐(134)을 접합부(106)의 최선단에 위치시킨다. 노즐(134)이 위치가 확정되면 금속 분말을 접합부(106)에 고속으로 분사하여 접합부(106) 상에 금속 분말로 이루어진 코팅층(112)을 형성한다. 노즐(134)은 접합부(106)를 따라 서서히 이동함과 동시에 금속 분말을 분사하며, 코팅층(112)이 형성된 접합부에는 회전 부재(120)가 회전하면서 노즐(134)의 뒤를 따른다. 이때, 회전 부재(120)는 접합부(106)를 가압하면서 마찰열을 발생시켜서 모재(101, 102)를 서로 접합한다.
이와 같이 스프레이 방식으로 금속 분말을 분사한 후에 마찰 교반 용접을 행 하면, 도 3에 도시된 바와 같이 이종 금속간의 용접을 행하더라도 금속간 화합물을 거의 발생시키지 않으므로, 안정적으로 모재들(101, 102)을 접합할 수 있다.
또한, 스프레이 코팅 과정에서 고온의 가스가 분사되므로 접합부(106)가 예열되어 작은 마찰로도 모재들(101, 102)에 큰 열을 발생시킬 수 있다. 이에 따라 보다 빠르게 마찰 교반 접합을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 경도가 높은 금속의 경우에도 고온의 가스로 충분히 예열될 수 있어서 마찰 교반으로 접합이 가능하다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제2 실시예와 그 변형예에 따른 모재를 도시한 단면도이다.
모재(201, 202)의 접합부(210)에는 도 4a 내지 도 4f에 도시한 바와 같이 홈(205)이 형성될 수 있는데, 홈(205)에는 스프레이 코팅으로 분사되는 금속 분말이 코팅된다.
상기한 홈(205)은 도 4a에 도시한 바와 같이 폭이 높이보다 큰 사각 단면 형상으로 이루어질 수 있으며, 도 4b에 도시한 바와 같이 폭이 높이보다 작은 사각 단면 형상으로 이루어질 수도 있다. 또한 홈(205)은 도 4c에 도시한 바와 같이 사각단면을 갖는 두 개의 홈이 연속적으로 형성된 다단 구조로 이루어질 수 있으며, 도 4d에 도시한 바와 같이 삼각단면을 갖도록 형성될 수도 있다. 또한, 홈(205)은 도 4e에 도시한 바와 같이 호형의 단면 형상으로 형성될 수 있으며, 도 4f에 도시된 바와 같이 호형의 단면을 갖는 홈의 바닥에 사각형의 단면을 갖는 홈이 연속적으로 형성된 다단 구조로 이루어질 수도 있다.
이와 같이 접합부(210)에 홈(205)이 형성되면, 홈(205)에 많은 양의 금속 분 말을 코팅할 수 있으므로, 보다 많은 금속 분말을 이용하여 보다 용이하게 접합을 실시할 수 있다. 또한, 금속 분말을 코팅하는 과정에서 홈(205) 주변의 온도가 상승하므로 더욱 신속하게 용접을 행할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접장치를 이용하여 용접하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접 방법으로 용접된 모재의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제2 실시예와 그 변형예에 따른 모재를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 마찰 교반 용접 시스템 101: 제1 모재
102: 제2 모재 106: 접합부
112: 코팅층 120: 회전 부재
130: 스프레이 132: 분말 공급 장치
134: 노즐 136: 가스 공급 장치
205: 홈(205)

Claims (9)

  1. 서로 맞닿아 접합부를 형성하는 모재들;
    상기 접합부를 따라 이동하며 상기 모재들을 가압하면서 회전하여 마찰열을 발생시키는 회전 부재; 및
    상기 회전 부재에 선행하여 이동하며 상기 접합부에 금속분말을 코팅하는 스프레이;
    를 포함하는 마찰 교반 용접 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스프레이는,
    상기 접합부를 향하여 금속분말을 분사하는 노즐과
    상기 금속 분말을 가속시킬 수 있도록 노즐로 고압 가스를 공급하는 가스 공급 장치와
    상기 노즐로 금속분말을 공급하는 분말 공급 장치
    를 포함하는 마찰 교반 용접 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말은 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 셀렌(Se) 및 혼합 금속 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 마 찰 교반 용접 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 접합부에는 홈이 형성된 마찰 교반 용접 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 홈은 삼각형, 사각형 또는 호형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 단면을 갖는 마찰 교반 용접 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재들은 서로 다른 소재로 이루어진 마찰 교반 용접 시스템.
  7. 노즐을 모재의 접합부에 위치시키는 단계;
    스프레이 코팅 방법으로 금속 분말을 접합부 상에 코팅하는 단계; 및
    회전 부재를 이용하여 접합부에 마찰열을 발생시키면서 모재를 접합하는 단계;
    를 포함하는 마찰 교반 용접 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 모재의 접합부에 홈을 형성하는 단계를 포함하는 마찰 교반 용접 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 금속분말은 니켈(Ni), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 셀렌(Se) 및 혼합 금속 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 마찰 교반 용접 방법.
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