KR20110075168A - 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법에 관한 것으로, 프레임, 이 프레임에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들, 이 스핀들의 하부에 형성되어 회전되며 티타늄 백킹 플레이트의 본체와 덮개를 마찰교반접합하는 교반핀, 및 이 교반핀을 하측으로 노출시키도록 프레임에 형성되고 본체와 덮개의 마찰교반접합 부위로 공급되는 실딩가스(shielding gas)를 공급받도록 공급노즐을 형성한 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종래 기술과 달리 티타늄 백킹 플레이트(titanium backing plate)의 본체와 덮개의 틈새를 마찰교반접합으로써 접합특성을 향상시키고, 마찰교반접합시 발생되어 전달되는 열을 이용하여 단턱과 덮개의 이음부위를 솔더링함으로써 본체의 채널 형상을 유지한 채 기존의 접합부보다 고강성을 얻을 수 있도록 하며, 티타늄 재질의 백킹 플레이트를 접합시 실딩가스(shielding gas)를 마찰교반접합장치로 주입하여 티타늄 백킹 플레이트와의 접합부위로 공급함으로써 간단한 구조를 통해 접합불량을 방지할 수 있다.

티타늄, 백킹 플레이트, 본체, 덮개, 마찰교반접합, 솔더링, 복합접합, 실딩가스

Description

티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법{STIR FRICTION WELD DEVICE OF TITANIUM BACKING PLATE AND STIR FRICTION WELD METHOD THEREOF}

본 발명은 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄 백킹 플레이트(titanium backing plate)의 본체와 덮개의 틈새를 마찰교반접합으로써 접합특성을 향상시키고, 마찰교반접합시 발생되어 전달되는 열을 이용하여 단턱과 덮개의 이음부위를 솔더링함으로써 본체의 채널 형상을 유지한 채 기존의 접합부보다 고강성을 얻을 수 있도록 하며, 티타늄 재질의 백킹 플레이트를 접합시 실딩가스(shielding gas)를 마찰교반접합장치로 주입하여 티타늄 백킹 플레이트와의 접합부위로 공급함으로써 간단한 구조를 통해 접합불량을 방지할 수 있도록 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 마찰교반접합방법에 관한 것이다.

티타늄의 수요는 경량성, 뛰어난 내식성, 고 열전도율, 고 전기전도율 및 높 은 비강도(specific strength; 강도대 중량의 비) 등의 성질로 인하여 항공우주 비행체, 화학적 용기와 컨테이너 및 구조물, 전기 기계 그리고 기타 여러 가지의 산업분야에 있어서 점차로 증가하고 있다.

전술한 산업분야에서 이용되고 제조되는 수많은 티타늄 성분들은 용접, 납땜 또는 기계적 조립절차에 의하여 조립되고 있다. 이들 성분의 용접에 있어서 주로 MIG 용접 또는 비전극형 불활성가스 아크 용접(이하 TIG 용접이라 칭함)이 이용되고 있으나, TIG 용접보다 아크 효율이 더 높고 일반적으로 용접속도가 빠른 특성을 갖는 MIG 용접이 광범위한 두께의 평판/시트(sheet)재를 용접하는데 채용되고 있다.

MIG 용접으로 티타늄을 용접하는 경우에 있어서, 용접되는 모재(base material)의 형태, 사용되는 용접와이어(welding wire), 및 기타의 용접조건에 따라 용접물 비드 주위에 또는 비드 표면 자체에 흑색 분말이 형성되는 것을 종종 발견할 수 있다.

기존의 티타늄으로 이루어진 두 모재의 접합으로 형성되는 티타늄 백킹 플레이트는 TIG용접이나 MIG용접으로 행해짐에 따라 흑색분말을 형성함으로써 토치각, 아크 전압, 차폐(shield) 노즐의 형상과 내경, 노즐기부와 모재 사이의 간격 및 차폐 가스의 유속 등의 다양한 용접조건을 적합하게 선정하여야 하는 주의가 요구되 는 문제점이 있다. 그리고, 기존의 티타늄 백킹 플레이트는 발생되는 흑색 분말을 표면처리 또는 페인팅과 같은 용접후 처리로써 제거해야 하는 번거로움이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 서로 맞대어지는 본체와 덮개의 이음부위를 마찰교반 접합하면서 이 마찰교반 접합시 발생되는 열로써 덮개와 본체에 형성된 단턱의 이음부위를 자연적으로 솔더링(soldering)함에 따라 본체와 덮개의 연결부위 전체에 걸쳐 고강도를 얻고, 본체의 채널에 인접된 부위를 솔더부재로써 솔더링함에 따라 마찰교반 접합시 채널의 변형을 방지하며, 제조 공정 및 단가를 저감시킴과 아울러 마찰교반접합장치의 교반핀측으로 실딩가스(shielding gas)를 주입하여 마찰교반접합되는 위치로 공급함으로써 간단한 구조를 통해 접합불량을 방지할 수 있도록 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치는: 프레임, 상기 프레임에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들, 상기 스핀들의 하부에 형성되어 회전되며 티타늄 백킹 플레이트의 본체와 덮개를 마찰교반접합하는 교반핀, 및 상기 교반핀을 하측으로 노출시키도록 상기 프레임에 형성되고 상기 본체와 상기 덮개의 마찰교반접합 부위로 공급되는 실딩가스(shielding gas)를 공급받도록 공급노즐을 형성한 케이싱을 포함한다.

상기 케이싱은 상기 프레임에 분리 가능하게 형성되고, 투명한 재질로 이루어짐이 바람직하다.

상기 교반핀은 마찰교반접합 부위로 공급되는 실딩가스에 와류 생성을 극대화하기 위해 둘레면에 와류발생홈을 형성함이 바람직하다.

본 발명에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법은: 채널을 형성하고 상기 채널의 마주하는 양측에 단턱을 구비하는 티타늄 재질의 본체를 성형하는 본체성형단계, 상기 단턱에 솔더부재를 구비하는 솔더부재구비단계, 상기 단턱 각각에 양측이 면접되도록 덮개로 상기 채널의 개방된 상측을 커버링하는 덮개안착단계, 상기 덮개와 상기 채널의 접합부위를 마찰교반접합장치로써 마찰교반 접합하여 마찰교반접합부를 형성하는 마찰교반접합단계, 실딩가스(shielding gas)를 마찰교반접합되는 접합부위에 분사하기 위해 상기 마찰교반접합장치 내측으로 공급하는 실딩가스공급단계, 및 마찰교반접합장치에 의해 상기 본체와 상기 덮개의 접합부위에서 발생하는 열에 의해 용융되는 상기 솔더부재로써 상기 단턱의 상측면과 상기 덮개의 하측면을 솔더링하여 솔더링접합부를 형성하는 복합접합단계를 포함한다.

상기 솔더부재 구비단계 전(前)에는 상기 단턱에 플럭스를 도포하는 플럭스 도포단계가 행해짐이 바람직하다.

상기 본체와 상기 덮개의 틈새(t)는 0.1 내지 0.5mm 범위로 유지됨이 바람직하다.

상기 본체와 상기 덮개의 표면 평탄도는 0.05 내지 0.3mm로 함이 바람직하다.

상기 단턱의 높이(h)와 폭(w)의 길이비는 1 : 1 내지 1 : 1.5를 유지함이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법은 종래 기술과 달리 서로 맞대어지는 본체와 덮개의 이음부위를 마찰교반 접합하면서, 이 마찰교반 접합시 발생되는 열로써 덮개와 본체에 형성된 단턱의 이음부위를 자연적으로 솔더링함에 따라 본체와 덮개의 연결부위 전체에 걸쳐 고강도를 얻고, 본체의 채널에 인접된 부위를 솔더부재로써 솔더링함에 따라 마찰교반 접합시 채널의 변형을 방지하며, 제조 공정 및 단가를 저감시킬 수 있다.

아울러, 본 발명은 마찰교반접합장치의 교반핀측으로 실딩가스(shielding gas)를 주입하여 마찰교반접합되는 위치로 공급함으로써 간단한 구조를 통해 접합불량을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 및 이의 마찰교반접합방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백킹 플레이트의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백킹 플레이트의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백킹 플레이트의 본체와 덮개를 복합 접합된 상태를 보인 요부 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체와 덮개를 복합 접합하는 작업 상태를 보인 요부 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체와 덮개를 복합 접합한 작업 완료 상태를 보인 요부 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 백킹 플레이트의 제조방법을 보인 순서도이고, 도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 백킹 플레이트의 제조방법 순서에 따른 백킹 플레이트의 성형과정을 보인 개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트(10)는 티타늄(titanium) 재질을 모재로 사용한 본체(12) 및 덮개(16)를 포함한다.

본체(12)는 티타늄 백킹 플레이트(10)의 외형을 형성하는 것으로서, 유체 또는 기체의 흐름을 안내하기 위한 채널(13)을 형성한다. 특히, 채널(13)은 본체(12)에 함몰 형성된다. 이에 따라, 채널(13)은 상측으로 개방된다.

이때, 채널(13)은 본체(12) 내부로 유체 또는 기체를 유입하여 일정한 경로 를 따라 유동한 후 본체(12) 외부로 배출되게 형성된다. 물론, 채널(13)은 본체(12) 내부에서 다양한 경로를 형성할 수 있다.

물론, 본체(12)는 다양한 형상으로 변형 가능하다. 그리고, 본체(12)와 덮개(16)는 비강도가 우수하고 중량을 줄일 수 있으며 내식성이 큰 티타늄 재질로 함이 바람직하다.

아울러, 채널(13)은 내측면에 단턱(14)을 형성한다. 이때, 단턱(14)은 채널(13)의 양쪽 내측면에 각각 형성됨이 바람직하다. 즉, 채널(13)의 마주하는 내측면은 단턱(14)에 의해 계단 형상으로 형성된다.

또한, 덮개(16)는 본체(12)의 상측으로 개방된 채널(13)을 덮어 밀폐하는 역할을 한다.

이때, 덮개(16)의 양쪽 하측면은 대응되는 단턱(14)의 상측면에 면접된다. 그래서, 덮개(16)는 단턱(14)에 지지된다.

특히, 이 단턱(14)은 바닥면에 대해 기울어지게 형성될 수 있으나, 바닥면과 평행하게 형성됨이 바람직하다. 이에 따라, 덮개(16)는 단턱(14)과 최대한 면접되도록 편평하게 형성됨이 바람직하다.

그리고, 덮개(16)는 채널(13)을 따라 유동하는 유체 또는 기체의 밀봉을 위해 채널(13) 내측면과 단턱(14) 상측면에 동시에 접합됨이 바람직하다.

이때, 채널(13)의 내측면은 서로 마주하는 측면을 말한다. 특히, 채널(13)의 내측면은 서로 마주하는 측면 중 단턱(14)의 상부에 해당되는 측면을 말한다. 이하에서는 채널(13)의 상부 내측면이라고 한다.

그리고, 상측면은 덮개(16) 방향을 향하는 단턱(14)의 상면을 말한다.

특히, 덮개(16)는 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)에 의해 채널(13)의 상부 내측면과 접합되고, 복합적으로 솔더링(soldering)에 의해 단턱(14)의 상측면과 접합된다.

이에 따라, 도 3에서처럼, 티타늄 백킹 플레이트(10)의 덮개(16) 단부면과 채널(13)의 상부 내측면은 마찰교반용접되어 마찰교반접합부(40)를 형성하고, 덮개(16)의 하측면과 단턱(14)의 상측면은 솔더링되어 솔더링접합부(50)를 형성한다.

여기서, 덮개(16)의 단부면은 채널(13)의 상부 내측면을 향하는 덮개(16)의 가장자리를 말한다.

더욱 상세히, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 마찰교반접합부(40)는 마찰교반접합장치(100)에 의해 형성된다.

마찰교반접합장치(100)는 피접합재인 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면을 융점 이하의 온도에서 고상(固相) 접합할 수 있는 접합공구이다.

즉, 마찰교반접합장치(100)에 의해 행해지는 마찰교반접합은 본체(12)의 단턱(14)에 덮개(16)를 안착한 후 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면의 이음부를 따라 덮개(16) 및 본체(12)에 비해 경한 재질을 지닌 비소모식 교반핀(130)이 삽입되도록 하여, 이 교반핀(130)과 덮개(16) 및 교반핀(130)과 채널(13) 내측면의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 연화시키기에 충분한 온도로 대향하는 덮개(16)와 채널(13) 내측면을 포함한 접합부위를 가열시키게 된다.

이로 인하여, 교반핀(130)이 삽입된 부분 주위로 연화된 소위“서드바 디(Third-body)”라고 불리는, 후술할, 교반영역부(60)가 생성되며, 이러한 교반영역부(60)에 기계적 힘을 가하여 교반핀(130)이 이음부위를 따라 이동함으로써 가열된 부위가 교반핀(130)에 의해 압출되고, 이와 같은 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상의 마찰교반접합부(40)가 형성된다.

특히, 이와 같은 접합공정을 위한 마찰교반접합장치(100)는 프레임(110), 스핀들(120) 및 교반핀(130)을 포함한다.

프레임(110)은 지지대(도시하지 않음) 등 고정체에 고정되거나 승하강 가능하게 연결되어 있다.

이 프레임(110)이 고정체에 연결되는 방식은 일반적인 것으로 한다.

아울러, 프레임(110)은 다양한 형상으로 변형 가능하고, 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

그리고, 스핀들(120)은 프레임(110)에 세워지게 축 삽입되고, 외력에 의해 회전 가능하게 구비된다. 특히, 스핀들(120)은 모터(도시하지 않음)에 의해 회전됨이 바람직하고, 이 모터는 프레임(110)에 형성됨이 바람직하다.

이때, 스핀들(120)은 바닥에 대해 수직되게 구비됨이 바람직하다. 이는, 스핀들(120)의 회전시 흔들림을 최소화하기 위함이다.

더불어, 스핀들(120)은 프레임(110)의 하측으로 소정 돌출되게 형성됨이 바람직하다.

여기서, 스핀들(120)이 프레임(110) 내측에 회전 가능하게 장착되는 구조는 일반적인 것으로 한다.

또한, 교반핀(130)은 프레임(110)의 하측으로 노출되는 스핀들(120)의 단부에 고정 형성되어 스핀들(120)과 함께 회전되면서 티타늄 백킹 플레이트(10)의 본체(12)와 덮개(16)의 접합부위를 마찰교반접합하는 역할을 한다.

이 교반핀(130)은 티타늄 재질의 본체(12)와 덮개(16)를 마찰교반접합 가능한 재질로 이루어지고, 다양한 형상으로 변형 가능하다.

아울러, 교반핀(130)은 다양한 방식에 의해 스핀들(120)에 분리 가능하게 형성됨이 바람직하다.

한편, 교반핀(130)이 티타늄 재질의 본체(12)와 덮개(16)를 마찰교반접합할 경우, 본체(12)와 덮개(16)의 접합 부위에는 흑색 분말이나 찢어지는 등의 접합불량이 초래된다.

그래서, 교반핀(130)에 의해 마찰교반작업이 행해질 때, 접합부위에는 실딩가스(shielding gas)가 공급됨이 바람직하다.

여기서, 실딩가스는 별도의 설비에 의해 교반핀(130)과 티타늄 백킹 플레이트(10)의 접합부위로 분사될 수 있으나, 전체 설비가 복잡해지게 된다.

따라서, 실딩가스는 마찰교반접합장치(100)에서 접합부위로 분사됨이 바람직하다. 여기서, 실딩가스는 아르곤으로 함이 바람직하다.

아울러, 실딩가스가 티타늄 재질인 본체(12)와 덮개(16)에 화학적으로 작용하는 원리는 일반적인 것으로 한다.

결과적으로, 마찰교반접합장치(100)는 공급노즐(142)을 갖는 케이싱(140)을 포함한다.

다시 말해서, 케이싱(140)은 프레임(110)에 형성되고, 교반핀(130)을 돌출시키기 위해 하측으로 개방되게 형성된다.

아울러, 케이싱(140)은 내부에 스핀들(120)과 교반핀(130)을 수용한다.

특히, 교반핀(130)은 케이싱(140)의 하측으로 돌출되게 형성된다. 이는, 교반핀(130)이 티타늄 백킹 플레이트(10)와 접하여 마찰교반접합을 가능하도록 하기 위함이다.

그리고, 케이싱(140)은 내측과 연결되는 공급노즐(142)을 형성한다.

이 공급노즐(142)은 실딩가스를 공급받아 케이싱(140) 내부로 안내하는 역할을 한다.

이때, 공급노즐(142)의 개수와 형상은 한정되지 않는다.

또한, 케이싱(140)은 프레임(110)에 일체로 형성될 수 있으나, 분리 가능하게 장착됨이 바람직하다. 이는, 케이싱(140)의 유지 보수를 용이하게 하고, 작업 조건에 맞는 케이싱(140)으로 쉽게 교체 가능하도록 하기 위함이다.

아울러, 케이싱(140)은 투명한 재질로 이루어짐이 바람직하다. 이는, 교반핀(130)의 회전 상태를 육안으로 쉽게 확인할 수 있도록 하기 위함이다. 물론, 케이싱(140)은 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

결과적으로, 교반핀(130)이 본체(12)와 덮개(16)의 연결부위를 접합할 때 또는 접합 직전에, 실드가스는 공급노즐(142)을 통해 케이싱(140) 내부로 공급된다.

이 후, 이 케이싱(140) 내부의 실드가스는 케이싱(140)의 개방된 하측을 통 해 본체(12)와 덮개(16)의 접합부위로 분사된다.

그래서, 실드가스는 접합불량을 방지하는 역할을 한다.

여기서, 실드가스는 공급노즐(142)을 통해 고압으로 공급되기 때문에 본체(12)와 덮개(16)의 연결부위에 넓게 퍼지지 못하게 되고, 이로 인해, 국부적인 접합불량만이 방지된다.

이를 방지하기 위해, 교반핀(130)은 둘레면에 와류발생홈(132)을 함몰 형성함이 바람직하다.

이 와류발생홈(132)은 교반핀(130)의 회전시 유입되는 실드가스에 와류를 발생시킴으로써 실드가스가 퍼지며 케이싱(140) 하측으로 토출되게 하는 역할을 한다.

이는, 실드가스가 본체(12)와 덮개(16)의 접합부위 전체에 고르게 퍼지도록 하기 위함이다.

물론, 와류발생홈(132)은 다양한 형상으로 변형 가능하다.

특히, 덮개(16)의 하측면은 단턱(14)의 상측면과 접하게 된다. 그래서, 이 덮개(16)의 하측면과 단턱(14)의 상측면도 접합되어야 밀봉력을 극대화할 수 있다.

이때, 교반핀(130)이 고속 회전하면서 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면과 마찰됨에 따라 고온의 마찰열이 발생하게 된다.

이 경우, 교반핀(130)의 직경이 커질수록, 단턱(14)은 이 마찰열을 직접적으로 받기 때문에 연화되면서 변형을 발생하게 된다. 그래서, 본체(12)는 불량이 된다.

반대로, 교반핀(130)의 직경이 작을수록, 단턱(14)의 상측면은 덮개(16)의 하측면과 미접합된다.

그래서, 교반핀(130)은 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면의 이음부위를 견고하게 교반 접합하도록 함과 동시에 단턱(14)의 형상을 유지할 수 있는 최적으로 직경으로 형성됨이 바람직하다.

아울러, 교반영역부(60)에서 발생되는 열이 전달되는 열영향영역부(70)에는 솔더부재(20)가 개재된다.

상세히, 단턱(14)의 상측면에는 솔더부재(solder member,20)가 구비됨이 바람직하다.

이 솔더부재(20)는 교반핀(130)의 회전으로 전달되는 열로써 자연적으로 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면을 솔더링(soldering)하는 역할을 한다.

즉, 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면이 솔더부재(20)에 의해 솔더링됨으로써 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면은 견고하게 접합되고, 단턱(14)은 교반핀(130)의 굵기를 가능한 범위 내에서 줄일 수 있어 전달되는 마찰열에 의한 형상 변경을 방지할 수 있다.

특히, 이 솔더부재(20)는 가능한 범위 내에서 얇게 형성되고, 채널(13)의 내측면에서 채널(13)의 중심방향에 해당되는 단턱(14)의 너비와 유사한 너비를 갖도록 함이 바람직하다.

그리고, 솔더부재(20)는 유체 또는 기체의 유동방향에 해당되는 축방향으로 단턱(14)의 길이만큼 길게 형성될 수도 있고, 짧게 형성되어 비연속되게 구비될 수 도 있다.

이에 따라, 덮개(16)와 본체(12)의 이음부위는 마찰교반접합장치(100)에 의한 마찰교반접합부(40)를 형성함과 아울러 마찰교반접합부(40)를 형성하면서 발생되는 열로써 솔더부재(20)에 의한 솔더링접합부(50)를 형성한다.

즉, 본체(12)와 덮개(16)의 이음부위는 마찰교반용접을 통해 솔더링을 실현할 수 있기 때문에 복합적으로 접합된다.

더욱 상세히, 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면의 맞대어진 부위를 중심으로 한 덮개(16)와 본체(12)는 마찰교반용접시 교반영역부(60)와 열영향영역부(70)로 나뉘어진다.

여기서, 교반영역부(60)는 서로 맞대어진 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면의 이음부 영역이고, 열영향영역부(70)는 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면의 이음부 영역이다. 이때, 교반영역부(60)는 본체(12)의 표면 부위에 해당되는 상측 영역이고, 열영향영역부(70)는 본체(12)의 내측 영역인 하측 영역이다.

일례로써, 교반영역부(60)는 고상상태의 접합이 이루어지는 영역이며, 마찰접합 시 상대적으로 고온 특히, 800∼900℃에 이르게 된다.

아울러, 열영향영역부(70)는 실제 접합이 완벽히 이루어지지 않게 되는 부분으로서 상대적으로 저온 특히, 200∼300℃ 정도가 된다.

특히, 본체(12)와 덮개(16)는 티타늄 재질이기 때문에 용융점이 1500℃ 내외이다.

따라서, 열영향영역부(70)의 미흡한 결합력을 충족시키기 위해서, 200∼300℃ 범위 내에서 솔더링되는 솔더부재(20)는 서로 접한 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면의 이음부 사이에 개재되고, 이로 인해, 마찰교반접합과 연이어서 솔더링 접합이 복합적으로 행해짐으로써 본체(12)와 덮개(16)의 맞대어진 접합면 전체에 걸쳐 접합된다.

이때, 솔더부재(20)는 200∼300℃ 범위에서 솔더링되는 Sn/Pb의 혼합조성물인 솔더바(solder-bar)로 함이 바람직하다.

그리고, 도 2 및 도 5를 참조하면, 단턱(14)은 상측면에 플럭스(30)를 도포한다. 이 플럭스(30)는 송진과 같은 성질을 갖는 것으로서, 솔더부재(20)를 단턱(14) 상측면에 가고정하는 역할을 한다.

플럭스(30)는 다양한 형상으로 변형 가능하고, 가능한 범위 내에서 최소한의 층(layer)을 이루도록 형성됨이 바람직하다. 이는, 솔더부재(20)가 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면 사이에서 솔더링되며 충분히 접합하는 것을 간섭하지 않도록 하기 위함이다.

한편, 도 7에서처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트(10)의 마찰교반접합방법은 본체성형단계(S10), 플럭스도포단계(S20), 솔더부재구비단계(S30), 덮개안착단계(S40), 마찰교반접합단계(S50), 실딩가스공급단계(S60) 및 복합접합단계(S70)를 포함한다.

도 8에서처럼, 먼저, 본체성형단계(S10)는 다양한 형상의 육면체 형상인 본체(12)의 일측을 함몰하여 채널(13)을 형성하고, 이 채널(13)의 마주하는 내측면에 각각 단턱(14)을 성형하는 공정이다.

이때, 채널(13)의 단면상 형상은 다양하게 적용 가능하나, 편의상, 사각 형상으로 성형한다.

아울러, 본체(12)는 유체 또는 기체의 흐름이 가능하도록 채널(13)을 형성한다.

특히, 단턱(14)은 채널(13)의 마주하는 양측면에서 동일 높이에 형성됨이 바람직하다. 이는, 덮개(16)의 상측면을 본체(12)의 상측면과 동일 평면상에 위치하도록 하기 위함이다.

한편, 단턱(14)의 높이(h)와 폭(w)의 길이비는 1 : 1 내지 1 : 1.5를 유지함이 바람직하다.

특히, 단턱(14)의 폭(w)의 길이가 높이(h)의 길이보다 짧을 경우, 채널(13)의 모서리 부분은 마찰교반접합장치(100) 특히, 교반핀(130)의 회전 및 압력에 의해 무너질 위험성이 있고, 본체(12)와 덮개(16)가 정상적으로 접합되지 못하게 된다.

반대로, 단턱(14)의 폭(w)의 길이가 높이(h)의 길이의 1.5배 이상일 경우, 채널(13)의 모서리 부분이 무너질 위험성은 없으나, 본체(12)의 절삭률이 증가함으로써 재료 손실 비용이 증가하게 되고, 무산소동과 같은 소재의 구입비가 증가함으로써 원가 상승으로 경제적이지 못하게 된다.

이때, 단턱(14)의 높이(h)는 대략 덮개(16)의 두께와 동일함이 바람직하다.

또한, 본체(12)의 표면 평탄도는 0.05 내지 0.3mm로 함이 바람직하다.

본체(12)의 표면 평탄도가 0.05mm미만이 되면, 가공비가 증가하게 된다.

반대로, 본체(12)의 표면 평탄도가 0.3mm를 초과하게 되면, 본체(12)는 평탄정도의 심한 차이로 인해 가공하기가 어려움은 물론, 접합부위의 품질 불량이 발생하고, 과도한 버(burr) 발생 및 마찰교반접합장치(100)에 과도한 하중이 발생하여 교반핀(130)의 파손을 초래할 수 있다.

아울러, 본체(12)의 길이 및 폭 방향 수평도는 0.1mm 이내를 유지함이 바람직한데, 그 이유는 0.1mm 이상 차이 나게 되면 접합부위를 잇는 임의의 선과 교반핀(130)의 이동경로가 정확히 일치하지 못해 접합 불량이 발생하기 때문이다.

그리고, 도 9에서처럼, 플럭스도포단계(20)는 단턱(14)에 플럭스(30)를 도포하는 공정이다.

이 플럭스(30)는 솔더부재(20)를 고정하기 위한 역할을 하는 것으로서, 최소의 크기로 형성됨이 바람직하다.

미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.

아울러, 도 10에서처럼, 솔더부재구비단계(S30)는 단턱(14), 특히 플럭스(30) 상에 솔더부재(20)를 올려놓는 공정이다.

솔더부재(20)에 대해서는 상술한 것으로 대체한다.

미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.

또한, 도 11에서처럼, 덮개안착단계(S40)는 단턱(14) 각각에 양측이 면접되도록 덮개(16)로 채널(13)의 개방된 상측을 커버링하는 공정이다.

이때, 본체(12)와 덮개(16)의 틈새(t)는 0.1 내지 0.5mm 범위로 유지함이 바 람직하다.

특히, 본체(12)와 덮개(16)의 틈새(t)가 0.1mm 미만이면, 틈새가 너무 좁아 본체(12)에 덮개(16)의 접합함이 매우 어렵고, 마찰교반접합시 발생되는 열에 의해 덮개(16)의 팽창하게 되는데, 덮개(16)가 팽창할 수 있는 틈새 여유가 없기 때문에 마찰교반접합 중에 덮개(16)가 위로 들리는 현상이 발생하여 휘어지게 된다.

반대로, 본체(12)와 덮개(16)의 틈새(t)가 0.5mm를 초과하면, 본체(12)와 덮개(16)의 접합부위는 넓은 갭 간격으로 인해 마찰교반접합 후 내부에 결함이 발생한다.

아울러, 덮개(16)의 표면 평탄도는 0.05 내지 0.3mm로 함이 바람직하다.

덮개(16)의 표면 평탄도가 0.05mm 미만이거나 0.3mm 초과일 경우의 문제점은 본체(12)에서 언급된 문제점과 동일하다.

특히, 본체(12)와 덮개(16)는 티타늄 재질로 한다. 이는, 티타늄이 높은 열전도성을 갖고, 우수한 용접성 및 땜납성을 갖음으로써 마찰교반접합과 솔더링의 복합접합에 적합한 재질이기 때문이다.

물론, 본체(12)와 덮개(16)는 다양한 재질로 적용 가능하다.

미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.

한편, 도 12에서처럼, 마찰교반접합단계(S50)는 덮개(16)의 단부면과 채널(13)의 상부 내측면을 가해지는 열로써 접합하여 마찰교반접합부(40)를 형성하는 공정이다.

일례로써, 마찰교반접합장치(100)의 교반핀(130)은 덮개(16)의 단부면과 채 널(13)의 상부 내측면의 이음부위를 따라 회전속도 1200 ∼ 1500rpm, 이동속도 4 ∼ 8mm/s, 틸팅각도 0°∼ 3°를 유지하며 마찰교반접합을 실시한다.

이때, 본체(12)의 측면에 형성된 덮개(16)와의 이음부위에는 마찰교반접합장치(100)의 교반핀(130)의 초기 삽입 위치를 설정하기 위해 삽입홀(도시하지 않음)이 형성된다.

삽입홀이 가공되지 않은 상태에서, 교반핀(130)이 마찰교반접합 초기에 본체(12)와 덮개(16)의 이음부위로 그냥 삽입되면, 충격이 크기 때문에 교반핀(130)을 포함한 마찰교반접합장치(100)의 수명이 짧아지게 된다.

이때, 교반핀(130)의 회전속도, 이동속도 및 틸팅각도는 마찰교반접합용 대상물인 모재의 재질 및 교반핀(130)의 제원에 따라 틀려진다.

미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.

아울러, 실딩가스공급단계(S60)는 실딩가스를 마찰교반접합되는 접합부위에 분사하는 공정이다.

즉, 실딩가스는 교반핀(130)이 본체(12)와 덮개(16)의 연결부위에 접한 직후 또는 연결부위에 접하여 마찰교반접합함과 동시에 케이싱(140)으로 공급되어 마찰교반접합 부위로 분사된다.

물론, 실딩가스는 케이싱(140) 내부로의 공급이 단속됨이 바람직하다.

특히, 실딩가스는 마찰교반접합장치(100)의 프레임(110)에 형성된 케이싱(140)으로 공급되어 본체(12)와 덮개(16)의 연결부위 상부에서 토출되기 때문에 접합불량 방지를 위한 제 역할을 충분히 할 수 있다.

그리고, 도 13에서처럼, 복합접합단계(S60)는 마찰교반용접시 전달되는 열에 의해 용융되는 솔더부재(20)로써 단턱(14)의 상측면과 덮개(16)의 하측면을 솔더링하여 솔더링접합부(50)를 형성하는 공정이다.

이때, 솔더부재(20)와 플럭스(30)는 전달되는 열에 의해 녹으면서 단턱(14)과 덮개(16)를 접합하는 역할을 한다.

복합 접합되는 상세한 과정은 상술한 것으로 대체한다. 그리고, 미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 평면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 본체와 덮개를 복합 접합된 상태를 보인 요부 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치 요부 확대 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체와 덮개를 복합 접합하는 작업 상태를 보인 요부 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 본체와 덮개를 복합 접합한 작업 완료 상태를 보인 요부 단면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법을 보인 순서도이다.

도 8 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법의 제조 순서에 따른 성형과정을 보인 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10: 티타늄 백킹 플레이트 12: 본체

13: 채널 14: 단턱

16: 덮개 20: 솔더부재

30: 플럭스 40: 마찰교반접합부

50: 솔더링접합부 60: 교반영역부

70: 열영향영역부 100: 마찰교반접합장치

110: 프레임 120: 스핀들

130: 교반핀 132: 와류발생홈

140: 케이싱 142: 공급노즐

Claims (8)

1. 프레임;

   상기 프레임에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들;

   상기 스핀들의 하부에 형성되어 회전되며 티타늄 백킹 플레이트의 본체와 덮개를 마찰교반접합하는 교반핀; 및

   상기 교반핀을 하측으로 노출시키도록 상기 프레임에 형성되고, 상기 본체와 상기 덮개의 마찰교반접합 부위로 공급되는 실딩가스(shielding gas)를 공급받도록 공급노즐을 형성한 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 케이싱은 상기 프레임에 분리 가능하게 형성되고, 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 교반핀은 마찰교반접합 부위로 공급되는 실딩가스에 와류 생성을 극대화하기 위해 둘레면에 와류발생홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플 레이트의 마찰교반접합장치.
4. 채널을 형성하고, 상기 채널의 마주하는 양측에 단턱을 구비하는 티타늄 재질의 본체를 성형하는 본체성형단계;

   상기 단턱에 솔더부재를 구비하는 솔더부재구비단계;

   상기 단턱 각각에 양측이 면접되도록 덮개로 상기 채널의 개방된 상측을 커버링하는 덮개안착단계;

   상기 덮개와 상기 채널의 접합부위를 마찰교반접합장치로써 마찰교반 접합하여 마찰교반접합부를 형성하는 마찰교반접합단계;

   실딩가스(shielding gas)를 마찰교반접합되는 접합부위에 분사하기 위해 상기 마찰교반접합장치 내측으로 공급하는 실딩가스공급단계; 및

   마찰교반접합장치에 의해 상기 본체와 상기 덮개의 접합부위에서 발생하는 열에 의해 용융되는 상기 솔더부재로써 상기 단턱의 상측면과 상기 덮개의 하측면을 솔더링하여 솔더링접합부를 형성하는 복합접합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 솔더부재 구비단계 전(前)에는 상기 단턱에 플럭스를 도포하는 플럭스 도포단계가 행해지는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 본체와 상기 덮개의 틈새(t)는 0.1 내지 0.5mm 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법.
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 본체와 상기 덮개의 표면 평탄도는 0.05 내지 0.3mm 인 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법.
8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 단턱의 높이(h)와 폭(w)의 길이비는 1 : 1 내지 1 : 1.5를 유지하는 것을 특징으로 하는 티타늄 백킹 플레이트의 마찰교반접합방법.

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