KR20110066284A - 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 접합할 두 부재 사이에 접합물질을 충전하고, 이 두 부재의 접합라인을 따라 이동하는 마찰열 생성공구의 회전에 따른 마찰열로 접합물질 및 두 부재의 접합면 측을 가소화시키면서 수직압력을 가하면, 이 가소화된 접합물질 및 두 부재의 가소화된 부분이 경화되어 두 부재가 접합되기 때문에, 두 부재가 마찰열에 의하여 변형되는 것을 최소화할 수 있고, 용접선 부분과 두 부재 간을 비교적 평탄하게 할 수 있는, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법을 제공한다.

가소화, 고상접합, 마찰교반용접, 마찰열, 소성변형, 접합물질

Description

마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법{Method for Solid State Welding Using Friction Stir Joint}

본 발명은 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법에 관한 것으로, 자세하게는 접합할 두 부재의 접합면 사이에 접합물질을 충전하고, 접합라인을 따라 마찰열 생성공구를 이동 및 회전시켜 두 부재의 접합부위 및 접합물질에 소성변형을 일으킨 후, 소성변형이 일어난 두 부재의 접합부위와 접합물질을 경화시켜 두 부재를 접합하는 고상접합방법에 관한 것이다.

접합하고자 하는 부재를 대상으로 마찰원리에 의하여 적당한 양의 열을 발생시키고, 접합하고자 하는 부재의 마찰부위에 소성변형을 일으켜 접합하는 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding)은 지난 수십 년 동안 사용되어 왔다. 이러한 접합방법은 일반적인 용융용접과 대비하여 고상용접이라는 장점을 가진다.

마찰교반용접은 접합하고자 하는 부재에 비하여 경질재료인 프로브(probe)를 접합영역 및 접합하고자 하는 부재의 대향하는 부분들에 진입시키면서, 상대적이고 주기적인 운동으로서 회전, 궤도 또는 왕복운동 등을 시킴으로써, 마찰열이 발생되어 접합하고자 하는 부재 상의 대향하는 부분들이 가소화되고, 이 가소화된 부분이 굳어짐에 따라 접합하고자 하는 부재가 접합되게 하는 방법이다.

도 1, 2는 종래의 마찰이동 용접방법(한국등록특허 10-0219003)에 따른 용접공정을 나타내는 사시도 및 단면도이다. 도 1, 2를 참고하여 종래기술을 살펴보면, 종래기술은 서로를 향하여 조립된 부재(20)(25)를 꽉 붙여 부착하고, 이 조립된 부재(20)(25)보다 견고한 물질로 이루어진 프로브(10)에 의하여 조립된 부재(20)(25)를 서로 붙은 결합라인을 따라 마찰열을 발생시키는 회전운동 조건 하에 두어 인접 부재에 가소화된 영역을 생성하며, 이 가소화된 부재에 부재의 표면을 따라 수직압력을 가함과 아울러 가소화된 부재를 프로브(10)의 뒤에서 경화되게 하면서 프로브 핀(15)의 이동에 따라 가소화된 재질을 수직압력과 동시에 측면으로 수직한 방향으로 흐르도록 함으로써, 인접하여 조립된 부재(20)(25)의 길이방향에 대하여 측면으로 수직한 방향 및 수직면에서 수직한 방향으로 가소화된 부재를 확장하여 흘려 확보한 용접선(27)을 균일화시키는 마찰이동 용접방법이다.

그러나 종래기술은 마찰열을 발생시켜 부재(20)(25)에 가소화된 영역을 생성하는 프로브(10)에 프로브 핀(15)이 형성되고, 이 프로브 핀(15)이 부재(20)(25)의 접합면 사이에 삽입되므로, 부재(20)(25)의 접합면 사이에는 이 부재(20)(25)를 맞닿도록 부착하는 과정에서 프로브 핀(15)이 삽입되는 공간만큼의 빈 공간이 발생되 며, 이 프로브 핀(15)이 삽입되는 빈 공간을 채우기 위하여서는 그만큼 용접선(27) 부분이 부재(20)(25)보다 낮게 되어, 전체적으로 볼 때 평탄하지 못한 편이라는 문제점이 있었다.

그리고 부재(20)(25) 자체의 일정 부위를 가소화시켜 용접선(27)을 확보하기 때문에, 불필요한 부분까지 가소화되어 부재(20)(25)에서 소성변형 부위가 차지하는 비율이 높은 편이고, 이에 따라 부재(20)(25)가 열에 의하여 변형되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 접합할 두 부재를 용접한 때 용접부위가 부재의 다른 부위보다 상대적으로 낮게 형성되는 문제점을 해결할 수 있는 고상접합방법을 제공하는 데 있다. 또, 본 발명은 접합할 두 부재의 가소화가 불필요한 부위까지 이루어짐에 따라 소성변형 부위가 크고 부재가 열에 의하여 변형되는 문제점을 해결할 수 있는 고상접합방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 마찰교반 접합방법에 있어서, 접합할 두 부재의 접합면 사이에 접합물질을 충전하고, 상기 두 부재의 접합라인을 따라 이동하는 마찰열 생성공구의 회전운동에 따른 마찰열로 상기 접합물질 및 상기 두 부재의 접합 면 측 영역을 가소화시키면서 수직압력을 가함으로써, 상기 가소화된 접합물질 및 상기 가소화된 두 부재의 접합면 측 영역이 경화됨에 따라 상기 두 부재의 접합면이 접합되는, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법이 제공된다.

바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 고상접합방법은, 상기 접합할 두 부재를 접합면이 서로 대향하여 맞닿도록 배치하고, 이 배치된 두 부재의 접합면 사이에 접합라인을 따라 접합물질을 충전하는 준비단계와; 상기 두 부재의 접합라인을 따라 상기 마찰열 생성공구를 이동시키면서 상기 마찰열 생성공구의 회전운동에 따른 마찰열로 상기 접합물질 및 상기 두 부재의 접합면 측 영역을 가소화시켜 소성변형을 일으키는 가소화단계와; 상기 가소화된 접합물질 및 상기 가소화된 두 부재의 접합면 측 영역에 상기 마찰열 생성공구로 수직압력을 가하여 상기의 소성변형이 상기 두 부재의 접합면을 따라 흘러내리도록 일어나면서 경화되어 상기 두 부재가 접합라인을 따라 연속적으로 접합되는 접합단계를 포함할 수 있다.

상기 접합물질은 상기 두 부재에 비하여 견고성이 낮거나 동일한 물질일 수 있고, 상기 마찰열 생성공구는 상기 접합물질 및 두 부재에 비하여 견고성이 높을 수 있다.

상기 준비단계는, 상기 접합할 두 부재를 접합면이 맞닿도록 배치 시, 이 두 부재의 접합면 상부에 상기 접합라인을 따라 상기 접합물질이 수용되는 홈 라인을 형성하는 단계와; 상기 홈 라인 속에 상기 접합물질을 충전하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 접합물질은 그 횡단면이 원형이고, 상기 홈 라인은 그 바닥 부 분의 횡단면이 상기 접합물질 형상과 대응하는 반원형일 수 있다.

또는, 상기 접합물질은 그 횡단면이 역삼각형이고, 상기 홈 라인은 그 횡단면이 상기 접합물질 형상과 대응하는 역삼각형일 수 있다. 또는, 상기 접합물질은 그 횡단면이 사각형이고, 상기 홈 라인은 그 횡단면이 상기 접합물질 형상과 대응하는 사각형일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고상접합방법은 상기 가소화단계 전에, 상기 배치된 두 부재의 접합면 사이에 접합라인을 따라 접합 액을 투입하는 첨가물 투입단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 접합할 두 부재를 접합 시 이 두 부재에 최소한의 소성변형만을 일으키기 때문에, 마찰열에 의한 두 부재의 변형을 최소화할 수 있다.

또한, 접합할 두 부재 자체의 소성변형만으로 접합면을 메우는 것이 아니라, 주로 충전된 접합물질의 소성변형에 의하여 접합면을 메우기 때문에, 용접선 부분을 두 부재의 다른 부분과 비교적 평탄하게 할 수 있다.

나아가서는, 접합할 두 부재의 두께, 물질특성 등을 고려하여 접합물질의 형상을 정함으로써, 접합물질의 소성변형 양을 조절할 수 있다.

본 발명 및 그 동작상의 이점, 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설 명하기 위하여, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고, 이를 참조하여 살펴본다.

참고로, 본 발명을 설명함에 있어서, 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기나 선의 두께 등은 이해의 편의를 위하여 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 아울러, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자의 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 용어에 대한 정의는 이 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.

본 발명은 접합할 두 부재의 접합면 사이에 접합물질을 충전하고, 접합라인을 따라 마찰열 생성공구를 이동 및 회전시켜 두 부재의 접합부위 및 접합물질에 소성변형을 일으킨 후, 이 소성변형이 일어난 두 부재의 접합부위와 접합물질을 경화시켜 두 부재를 접합하는 고상접합방법이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법에 대한 용접공정의 일 실시예가 도시된 사시도, 단면도 및 평면도이다. 도 3 내지 도 5를 참고하여 본 발명에 따른 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법을 살펴보면, 접합할 두 부재(200)(250)는 그 접합면이 서로 대향하여 맞닿도록 배치되고, 이 접합할 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에는 접합물질(150)이 접합라인을 따라 충전된다.

마찰열 생성공구(100)는 두 부재(200)(250)의 접합라인을 따라 이동한다. 이 렇게 이동하는 마찰열 생성공구(100)는 두 부재(200)(250)의 접합면의 소정 영역을 비롯하여 이 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에 충전된 접합물질(150)을 회전운동에 따른 마찰열에 의하여 가소화시켜 소성변형을 일으킨다.

이러함과 동시에, 마찰열 생성공구(100)는 마찰열에 의하여 가소화된 접합물질(150)과 마찬가지로 마찰열에 의하여 가소화된 두 부재(200)(250)의 소정 영역에 수직압력을 가한다. 이 때, 소성변형은 두 부재(200)(250)의 접합면을 따라 흘러내리도록 일어나면서 경화되고, 두 부재(200)(250)는 접합라인을 따라 연속적으로 접합되며, 접합부위에는 용접선(270)이 생긴다.

설명한 본 발명에 따른 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법에서, 마찰열 생성공구(100)에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 프로브 핀(도면부호 15 참조)을 별도로 구비하고 있지 않다. 그리고 마찰열 생성공구(100)는 접합할 두 부재(200)(250)와 맞닿아 마찰열을 발생시키는 부분(즉, 저면)이 평평한바, 용접 시 두 부재(200)(250)와 맞닿게 되는 면적(접촉면적)이 넓어 마찰열을 용이하게 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 용접할 때 접합할 두 부재(200)(250)만을 가소화시켜 이 두 부재(200)(250)를 접합하는 것이 아니라, 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에 별도의 접합물질(150)을 충전하고, 이 충전된 접합물질(150)을 두 부재(200)(250)와 함께 가소화시킨다. 물론, 소성변형은 두 부재(200)(250)의 접합면을 따라 흘러내리도록 일어나고, 두 부재(200)(250)는 이러한 소성변형 후 경화됨에 따라 접합된다.

여기서, 접합물질(150)로는 접합할 두 부재(200)(250)에 비하여 견고성이 낮은 물질, 또는 동일한 물질이나 브레이징(brazing)용 용가제가 이용될 수 있다.

접합물질(150)로서 두 부재(200)(250)와 동일한 견고성을 가지는 물질을 이용하여 용접하는 경우에는 이 접합물질(150)과 두 부재(200)(250)가 밀착되어 맞닿아 있기는 하나, 접합물질(150)과 두 부재(200)(250)가 단일의 물질은 아니기 때문에, 접합물질(150) 전부가 소성변형 되더라도 두 부재(200)(250)에는 큰 변형을 일으킬 정도의 마찰열이 전달되지 않는다.

특히, 접합물질(150)로서 두 부재(200)(250)에 비하여 견고성이 낮은 물질을 선택하여 용접 시, 두 부재(200)(250)는 이 접합물질(150)이 완전히 소성변형 되더라도 적은 소정의 부위에 소성변형이 일어난다. 접합물질(150)은 소성변형이 두 부재(200)(250)의 접합면을 따라 흘러내리도록 일어나면서 두 부재(200)(250)의 소성변형 부분과 함께 경화되므로, 두 부재(200)(250)는 단단히 접합된다.

살펴본 바와 같이, 본 발명은 접합할 두 부재(200)(250)의 최소 부위에만 소성변형을 일으킬 수 있다. 그러므로 본 발명은 마찰열에 의한 두 부재(200)(250)의 변형을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은 두 부재(200)(250) 자체만의 소성변형으로 접합면을 메우는 것이 아니라, 주로 충전된 접합물질(150)의 소성변형으로 접합면을 메우기 때문에, 용접선(270) 부분이 두 부재(200)(250)의 면에 대하여 비교적 평탄하도록 할 수 있다.

나아가서는, 본 발명은 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에 접합물질(150)을 보다 효과적으로 충전하기 위하여 두 부재(200)(250)의 접합면 상부에 접합라인을 따라 접합물질(150)이 수용되는 홈 라인(300)을 형성할 수 있다.

도 3 및 도 4를 보면, 접합물질(150)은 그 횡단면이 원형인 것으로 도시되어 있고, 이 접합물질(150)이 수용되는 홈 라인(300)의 횡단면은 그 바닥 부분이 접합물질(150)과 대응하는 반원 형상으로 형성되어 전체적으로 볼 때 대략 Ｕ자형인 도시되어 있다.

도 6, 7은 앞서 살펴본 접합물질과 홈 라인에 대한 변형 예들이 도시된 단면도로, 도 6은 접합물질(150A)이 역삼각형의 횡단면을 가지도록 형성하고, 이 역삼각형의 접합물질(150A)을 수용하는 홈 라인(300A)이 접합물질(150A)과 대응하는 역삼각형의 횡단면을 가지도록 형성할 수 있음을 나타낸다.

또한, 도 7의 경우, 접합물질(150B)은 그 횡단면을 사각형으로 형성하고, 이 사각형의 접합물질(150B)이 수용되는 홈 라인(300B)은 그 횡단면을 접합물질(150B)과 대응하는 사각형으로 형성할 수 있음을 나타낸다.

이와 같이, 접합물질(150)(150A)(150B)은 형상이 다양화될 수 있고, 홈 라인(300)(300A)(300B)도 이 접합물질(150)(150A)(150B)에 대응하는 형상으로 다양하게 변형될 수 있는데, 이는 접합할 두 부재(200)(250)의 두께, 물질적 특성 등(용접조건, 상황)을 고려하여 접합물질(150)(150A)(150B)의 형상을 정함으로써, 이 접합물질(150)(150A)(150B)의 소성변형 양을 조절할 수 있게 한다.

도 8은 본 발명에 따른 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법에 대한 용접공정의 다른 실시예가 도시된 단면도로, 이 도 8에 도시된 바와 같이, 도 8에 도시된 다른 실시예는 도 3 내지 도 5에 도시된 일 실시예와 비교하여 볼 때 기타 구성 및 그 작용은 모두 동일한 것에 대하여, 접합물질(150) 및 두 부재(200)(250)의 접합면의 소정 영역을 마찰열 생성공구(100)에 의하여 가소화시키기 이전에, 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에 접합라인을 따라 액상의 접합물질인 접합 액(170)을 투입하는 과정을 더 포함한다는 점만이 상이하다.

접합 액(170)의 투입시점은 접합할 두 부재(200)(250)를 접합면이 서로 대향하도록 맞닿도록 배치한 이후로서 배치된 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에 접합물질(150)을 충전하기 이전일 수도 있고, 두 부재(200)(250)의 접합면 사이에 접합물질(150)을 충전한 이후로서 마찰열 생성공구(100)에 의한 가소화과정을 진행하기 이전일 수도 있다. 또는, 마찰열 생성공구(100)를 이동시키면서 접합 액(170)을 투입하되, 마찰열 생성공구(100)의 이동방향 앞쪽에서 접합 액(170)을 투입하여도 좋다. 즉, 이는 가소화에 따라 소성변형이 일어나는 마찰열 생성공구의 뒤쪽과 달리, 가소화 진행 이전인 마찰열 생성공구의 앞쪽에서 접합 액(170)을 투입하는 것이다.

이와 같이 투입되는 접합 액(170)은 소성변형이 일어난 접합물질(150) 및 두 부재의 소성변형 부분에 혼입되므로, 두 부재(200)(250)는 이 혼입된 접합 액(170)의 화학적 결합작용으로 보다 견고히 접합된다. 즉, 두 부재(200)(250)를 용접함에 있어, 접합 액(170)을 이용하면 두 부재(200)(250) 간의 접합 정도를 보강할 수 있 는 것이다.

한편, 접합물질(150)과 홈 라인(300)의 횡단면 형상은 도 6, 7처럼 다양하게 변형될 수 있다.

이상은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것인바, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 이내에서 다양한 변형과 수정이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아닌, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 이와 동등한 범위 이내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1, 2는 종래의 마찰이동 용접방법(한국등록특허 10-0219003)에 따른 용접공정이 도시된 사시도 및 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법에 대한 용접공정의 일 실시예가 도시된 사시도이다.

도 4는 도 3의 용접공정을 측면에서 본 상태가 도시된 단면도이다.

도 5는 도 3의 용접공정이 도시된 평면도이다.

도 6, 7은 도 3, 4에 도시된 접합물질과 홈 라인의 변형 예를 나타내는 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법에 대한 용접공정의 다른 실시예가 도시된 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

100 : 마찰열 생성공구

150, 150A, 150B : 접합물질

200, 250 : 접합할 부재

270 : 용접선

300, 300A, 300B : 홈 라인

Claims (9)

1. 마찰교반 접합방법에 있어서,

   접합할 두 부재의 접합면 사이에 접합물질을 충전하고, 상기 두 부재의 접합라인을 따라 이동하는 마찰열 생성공구의 회전운동에 따른 마찰열로 상기 접합물질 및 상기 두 부재의 접합면 측 영역을 가소화시키면서 수직압력을 가함으로써,

   상기 가소화된 접합물질 및 상기 가소화된 두 부재의 접합면 측 영역이 경화됨에 따라 상기 두 부재의 접합면이 접합되는, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 접합할 두 부재를 접합면이 서로 대향하여 맞닿도록 배치하고, 이 배치된 두 부재의 접합면 사이에 접합라인을 따라 접합물질을 충전하는 준비단계와;

   상기 두 부재의 접합라인을 따라 상기 마찰열 생성공구를 이동시키면서 상기 마찰열 생성공구의 회전운동에 따른 마찰열로 상기 접합물질 및 상기 두 부재의 접합면 측 영역을 가소화시켜 소성변형을 일으키는 가소화단계와;

   상기 가소화된 접합물질 및 상기 가소화된 두 부재의 접합면 측 영역에 상기 마찰열 생성공구로 수직압력을 가하여 상기의 소성변형이 상기 두 부재의 접합면을 따라 흘러내리도록 일어나면서 경화되어 상기 두 부재가 접합라인을 따라 연속적으 로 접합되는 접합단계를 포함하는, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 접합물질은 상기 두 부재에 비하여 견고성이 낮거나 동일한 물질인, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 마찰열 생성공구는 상기 접합물질 및 두 부재에 비하여 견고성이 높은, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
5. 청구항 2에 있어서, 상기 준비단계는,

   상기 접합할 두 부재를 접합면이 맞닿도록 배치 시, 이 두 부재의 접합면 상부에 상기 접합라인을 따라 상기 접합물질이 수용되는 홈 라인을 형성하는 단계와;

   상기 홈 라인 속에 상기 접합물질을 충전하는 단계를 포함하는, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 접합물질은 그 횡단면이 원형이고,

   상기 홈 라인은 그 바닥 부분의 횡단면이 상기 접합물질 형상과 대응하는 반원형인, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 접합물질은 그 횡단면이 역삼각형이고,

   상기 홈 라인은 그 횡단면이 상기 접합물질 형상과 대응하는 역삼각형인, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
8. 청구항 5에 있어서,

   상기 접합물질은 그 횡단면이 사각형이고,

   상기 홈 라인은 그 횡단면이 상기 접합물질 형상과 대응하는 사각형인, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.
9. 청구항 2에 있어서,

   상기 가소화단계 전에, 상기 배치된 두 부재의 접합면 사이에 접합라인을 따 라 접합 액을 투입하는 첨가물 투입단계를 더 포함하는, 마찰교반 접합방식을 이용한 고상접합방법.

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