KR20120056942A - 접합부의 최고온도 및 냉각속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법 - Google Patents

접합부의 최고온도 및 냉각속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마찰교반 접합 시 접합부의 최고온도 및 피접합재의 냉각속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법에 관한 것으로, 접합 시에는 접합부에 가해지는 열을 접촉 플레이트로 흡수하고 냉각기로 냉각시킴으로써 접합 시 최고온도를 낮추어 상변태가 일어나는 것을 막고, 접합 후에는 피접합재의 냉각속도를 조절함으로써 상변태가 일어날 수 있는 재료의 상변태를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

접합부의 최고온도 및 냉각속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법{Apparatus and method for friction stir welding capable of controlling maximum temperature and cooling speed of joint}
본 발명은 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도에 따라 상변태를 발생할 수 있는 피접합재의 접합 시에는 접합부의 최고온도를 조절하고, 접합 후에는 피접합재의 냉각속도를 조절함으로써, 피접합재의 상변태를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법에 관한 것이다.
최근 들어 지구환경보호와 에너지절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 자동차, 항공기, 철도차량, 선박 등 각종 수송기기의 경량화를 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이를 위해 Al, Mg 등 경량합금 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다. 이들 외에도 건축, 토목분야에서도 경량합금의 도입이 증가하고 있다. 이러한 각종 기기 및 구조물의 조립은 용접 공정에 의해 이루어지는데, 알루미늄 합금의 용접은 기술적, 경제적 그리고 환경적 측면에서 개선해야 할 많은 문제점을 지니고 있다. 이러한 알루미늄 합금의 용융 용접시 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술로서, 비용융 고상접합공정인 마찰교반 용접(Friction Stir Welding, 이하 "FSW" 라고 칭함) 기술이 최근 들어 다양한 산업분야에서 광범위하게 적용되고 있다.
서로 결합할 부재를 마찰의 원리를 이용하여 충분한 양의 열을 발생시켜 부재 접촉면을 기점으로 소성영역(Plasticized zone)을 생성한 후 외력을 가하여 부재를 접합하는 마찰용접은 수십 년간 사용되어 왔는데, 이 경우 마찰열은 2개의 결합될 부품에 의해서 생성된다.
이러한 마찰용접은 부재의 용융을 수반하지 않으므로 기존의 용융용접에서 발생하는 용접결함을 방지할 수 있지만, 이러한 마찰 용접의 활용성을 상당히 제한하는 주된 제약은 용접될 부재의 적어도 하나가 축 대칭이어야 한다는 것이다. 따라서 기존의 마찰용접 공정은 예를 들어 판재의 연속용접을 필요로 하는 구조물에는 활용할 수 없었다.
이러한 마찰용접의 한계를 개선한 것이 앞서 언급한 마찰교반 접합(W093/10935호)인데, 접합부재보다 단단한 제3의 툴(tool)이 접합공정에서 사용되는데. 이러한 마찰교반 접합은 상기 툴과 작업부재 사이에 상대적이고 주기적인 운동을 근간으로 하여, 툴과 작업부재 사이에 생성된 마찰열로 인해 작업부재 내에 소성화된 영역을 생성하도록 한 후, 상대적인 주기운동을 멈추게 하여 소성화된 물질이 경화되게 한다. 이러한 방법은 상이한 작업부재(플라스틱, 금속), 사용처(균열의 보수, 밀봉, 결합) 및 사용된 툴의 형태에 따른 몇몇 실시 예에 의해 기술되어 있다.
마찰교반 접합공정은 도 1에 나타나 있으며, 접합할 부재(3)를 고정시킨 후, 이음부의 맞대기면, 즉 접합선(4)을 따라 특수 형상을 지니고 접합 부재(3)에 비해 경한 재질을 지닌 비소모식 회전 툴(1)의 일부분을 삽입시킴으로써, 툴(1)과 접합 부재(3)의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 모재의 변형저항을 낮추어 연화시키기에 충분한 온도로 인접한 접합부를 가열시킨다. 이로 인해 툴(1)의 삽입된 부분인 핀(2) 주위로 연화된 소성영역이 생기게 된다.
기계적 힘을 가하여 툴(1)이 용접선(4)을 따라 이동함에 따라, 가열된 부위가 툴(1)의 앞부분에서 뒤쪽으로 압출되고 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상접합부가 만들어진다. 이와 같이 마찰교반 접합기술을 적용할 경우 접합부에서는 용융은 일어나지 않으므로, 미세한 결정립의 압출조직이 남아 있고 액상에서 고상으로의 변태에 따른 기공, 응고균열, 잔류응력 등과 같은 문제가 해결된다.
또한, 최근에 이러한 마찰교반 접합의 적용 범위는 기존의 알루미늄 및 마그네슘 등의 저융점 재료를 넘어서, 스틸, 니켈, 타이타늄 합금 등 1000℃ 이상의 융점을 가지는 고융점 재료에도 적용되고 있으며, 또한 이러한 고융점 재료에 적용이 가능한 마찰교반 접합용 툴 재료가 개발되고 있다.
이러한 고융점 재료에 대해서도 마찰교반 접합의 경우 접합 조건(툴 회전 속도, 접합 속도)에 따라서 입열량 조절이 가능하며, 접합 시 접합부의 최고 온도가 기존의 용융 용접법 보다는 낮기 때문에 상변태가 발생할 수 있는 가능성을 줄일 수는 있다. 하지만 툴 접합 조건을 컨트롤 하는 것도 한계가 있을 뿐만 아니라, 접합 후 피접합재가 냉각되는 속도를 임의적으로 조절할 수 없기 때문에 접합부의 상변태를 완벽하게 조절할 수가 없다.
탄소강의 용접시 발생하는 상변태를 일 예로 들자면, 일반적으로 탄소강의 마르텐사이트 변태는 고온의 오스테나이트 상에서 급냉이 일어날 시 페라이트와 시멘타이트로 변태되지 못하고 과포화 고용체인 마르텐 사이트로 변태하게 된다. 이러한 마르텐사이트 조직은 강도가 높지만, 매우 취성이 높으므로 재료의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 특히, 고탄소강의 용접 시 용접 후 급냉에 의해 접합부 대부분이 마르텐사이트로 존재하게 되며, 이에 따라 균열발생 등으로 용접 자체가 어려울 뿐만 아니라, 용접 후에도 취화된 조직으로 인하여 여러 가지 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근 상기에서 언급한 바와 같이 마찰교반 접합이 적용되고 있으며, 그에 따른 결과가 문헌을 통하여 공개 된 바 있다. 마찰교반 접합의 경우 기존의 용융용접 대비 입열량이 적을 뿐만 아니라, 접합 조건(툴 회전속도, 접합 속도)을 달리함에 따라 피접합재에 가해지는 입열량을 조절할 수 있는 특징이 있다. 이러한 최적의 접합조건을 바탕으로 약 0.85 wt%의 탄소를 함유하는 고탄소강의 경우, 마르텐사이트가 전혀 없는 접합부를 구현한 연구가 공개되었다. 하지만 매우 낮은 툴 회전속도로 접합할 경우, 상대적으로 피접합재와 툴 사이에서 발생하는 마찰열이 적어지기 때문에 피접합재의 연화는 상당히 적어지며, 그에 따라 툴이 받는 하중은 상대적으로 더욱 크게 되는 문제를 수반하게 된다. 또한, 1.02 wt%의 탄소를 함유하는 초고탄소강의 경우에는, 마찰교반 접합 시 모든 접합 조건에서 접합부 내에 다량의 마르텐사이트 조직이 생성되는 것 또한 문헌으로 알려진 바 있다.
이와 같이 탄소강뿐만 아니라 상변태가 일어나는 피접합재의 접합 시 상변태를 조절할 수 있는 방법은 크게 두가지로, 즉 접합 시 접합부의 최고 온도를 상변태가 발생하는 온도보다 낮추는 것과, 접합 후 접합부의 냉각 속도를 충분히 늦추는 방법으로 요약할 수가 있다. 하지만 상기에서도 언급한 바와 같이 접합부 최고온도를 낮추는 방법은 접합 조건, 즉 툴 회전 속도를 낮추거나 또는 접합 속도를 빠르게 하여 온도를 낮추는 방법이 있으나, 이러한 경우에도 온도를 낮추는 데에는 한계가 있으며, 또한 접합 조건에 따라서 접합부 내에 결함이 발생할 수 있기 때문에 상당히 제한적이라고 할 수 있다. 냉각속도를 늦추는 경우에는 반대로 접합 속도를 아주 느리게 하는 방법이 있으나, 이것 또한 냉각 속도를 늦추는 데에는 한계가 있으며, 또한 접합 속도에 따라서 결함이 발생할 수도 있기 때문에 제한적 방법이라고 할 수 있다.
따라서, 외부의 열원으로 이러한 피접합재의 냉각속도를 조절하지 않는 이상, 접합 프로세스만으로는 상변태를 조절하기는 매우 힘들다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같이 접합 시 발생하는 피접합재의 상변태를 조절하는 것으로서, 정확하게는 접합 시 접합부의 최고 온도를 조절할 수 있고, 접합 후 피접합재의 냉각속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 피접합재의 접합부에 삽입되어 피접합재를 마찰교반 접합하는 툴; 피접합재를 지지하는 백킹 플레이트; 백킹 플레이트에 삽입되는 접촉 플레이트; 및 백킹 플레이트에 삽입되는 냉각기를 포함하는 마찰교반 접합장치를 제공한다.
본 발명의 마찰교반 접합장치에서 접촉 플레이트는 열전도율이 높은 세라믹 재료로 코팅된 금속으로 이루어지는 것이 바람직하고, 이때 금속은 구리이고, 코팅되는 세라믹 재료는 알루미늄 나이트라이드인 것이 바람직하다.
본 발명의 마찰교반 접합장치에서 접촉 플레이트는 피접합재의 접합부에 대응되는 부분에만 삽입되는 것이 바람직하다.
본 발명의 마찰교반 접합장치에서 접촉 플레이트에는 발열을 위한 적어도 하나 이상의 저항선이 실장되는 것이 바람직하다.
본 발명의 마찰교반 접합장치는 접촉 플레이트를 가열하기 위한 열원을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합장치에서 냉각기는 예를 들어 냉각수가 흐르는 냉각 파이프일 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합장치는 피접합재의 상부에 설치되는 덮개를 더 포함할 수 있는데, 덮개의 내부에 별도의 열원이 설치될 수 있으며, 덮개는 열전도율이 낮은 세라믹 재료로 코팅될 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합장치는 접촉 플레이트의 온도를 측정하는 온도측정기 및/또는 피접합재의 온도를 측정하는 온도측정기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 접합부의 최고온도를 조절하면서 피접합재를 접합하는 단계; 및 접합 후에 접합부의 냉각속도를 조절하면서 피접합재를 냉각시키는 단계를 포함하는 마찰교반 접합방법을 제공한다.
본 발명의 마찰교반 접합방법에서 접합부 최고온도 및 냉각속도를 조절함으로써 피접합재의 상변태를 조절할 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합방법에서 피접합재의 상변태 발생온도 미만의 온도에서 접합하는 것이 바람직하다.
본 발명의 마찰교반 접합방법에서 접합 단계에서는 접촉 플레이트로 마찰열을 흡수하고 냉각기로 냉각시켜 접합부의 최고온도를 조절할 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합방법에서 접합 후에는 접촉 플레이트를 가열하여 냉각속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합방법에서 접합 후에는 덮개를 덮어 냉각속도를 늦출 수 있다.
본 발명의 마찰교반 접합방법에서 접합 후에는 덮개를 가열하여 냉각속도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 온도에 따라 상변태를 발생할 수 있는 피접합재의 접합 시에는 접합부의 최고온도를 조절하고, 접합 후에는 피접합재의 냉각속도를 조절함으로써, 피접합재의 상변태를 조절할 수 있다.
도 1은 마찰교반 접합공정의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마찰교반 접합장치의 개략도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 마찰교반 접합장치의 개략도로서, 이 장치는 툴(10), 덮개(24), 백킹 플레이트(30), 접촉 플레이트(32), 저항선(34), 온도측정기(36), 냉각기(38) 및 열원(40) 등을 구비한다.
툴(10)은 대략 원통 형상으로 제작되고, 툴(10)의 선단에는 핀(12)이 구비된다. 핀(12)은 직접 제1피접합재(20) 및 제2피접합재(22)와 접촉하는 부분으로서, 마찰열을 통해 부재 내에 소성영역을 형성하는 역할을 한다.
피접합재(20, 22)는 다양한 금속 소재로 이루어질 수 있는데, 예를 들어, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 철, 니켈, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
덮개(24)는 피접합재(20, 22)의 상부에 설치되어 외부 대기와의 접촉을 차단하는 일종의 단열재로서 역할을 한다. 덮개(24)는 필요에 따라 자동 또는 수동으로 개폐 가능하게 구성할 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 덮개(24)의 내부에는 별도의 열원이 설치되어 덮개(24) 자체를 가열할 수 있다. 또한, 덮개(24)는 열전도율이 낮은 세라믹 재료로 코팅될 수 있다.
백킹 플레이트(30)는 피접합재(20, 22)를 지지하는 역할을 하며, 공구강 및 내열강 등으로 제작될 수 있다.
접촉 플레이트(32)는 백킹 플레이트(30)에 삽입되어 피접합재(20, 22)의 접합부에서 발생하는 마찰열을 흡수하는 역할을 한다.
접촉 플레이트(32)는 열전도율이 높은 세라믹 재료로 코팅된 금속으로 이루어지는 것이 바람직하고, 이때 금속은 구리이고, 코팅되는 세라믹 재료는 알루미늄 나이트라이드인 것이 바람직하다. 알루미늄 나이트라이드는 세라믹 소재 중에서 가장 열전도율이 높은 재료로서, 높은 열전도도, 낮은 열팽창 계수, 높은 전기 저항성 등의 물성을 나타낸다.
접촉 플레이트(32)를 알루미늄 나이트라이드로만 구성할 경우에는, 알루미늄 나이트라이드 소결체를 사용하여 상대적으로 값이 비싸고 열전도율도 금속에 비해 낮다. 본 발명에서는 구리 판재를 사용함으로써 상대적으로 경제적임과 동시에, 더 높은 열전도율을 지니는 재료를 사용함으로써 더 많은 열을 저장할 수 있어 알루미늄 나이트라이드로만 구성한 경우보다 더 효율적이라고 할 수 있다.
열전도율이 높은 소재로 제작된 접촉 플레이트(32)에 의해서 마찰교반 접합시에 발생하는 마찰열에 의해 피접합재(20, 22)와 백킹 플레이트(30)가 점착되는 것을 방지할 수 있고, 접촉 플레이트(32)의 높은 열전도율에 의해 접합부에 가해지는 입열량을 줄일 수 있다. 그리고, 접합된 후에 충분히 가열된 접촉 플레이트(32)에 의해 템퍼링 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 접촉 플레이트(32)는 높은 열전도율을 가지므로 쉽게 가열되므로 마찰교반 후에 접합부의 온도를 일정 수준으로 지속할 수 있어 보다 효과적인 접합을 가능하게 한다.
접촉 플레이트(32)는 도 2에 잘 도시된 바와 같이 입열량을 효과적으로 줄이기 위해 피접합재(20, 22)의 접합부에 대응되는 부분에만 삽입됨이 바람직하다. 백킹 플레이트(30) 전체를 가열하는 것은 접합부 외의 부분에도 영향을 미칠 뿐만 아니라 에너지 소모면에서도 낭비가 심하기 때문에 실질적으로는 접합이 되는 영역에만 국부적으로 가열할 수 있도록 한다.
저항선(34)은 접촉 플레이트(32)의 내부에 실장되어 접촉 플레이트(32)를 일정한 온도 수준으로 가열하는 역할을 한다.
저항선(34)은 전기 에너지를 공급받아 열에너지로 바꾼 것으로, 접촉 플레이트(32)의 내부에 다수개가 실장될 수 있다.
저항선(34)은 전원공급장치(미도시)로부터 전원을 공급받으며, 전원의 조절은 컴퓨터(미도시)에 의해 제어 가능하다.
온도측정기(36)는 접촉 플레이트의 온도를 측정하는 역할을 하며, 열전대, 센서 등으로 구성될 수 있다. 온도는 신호변조 시스템(미도시) 및 컴퓨터를 통해 확인 가능하다.
도면에는 도시되지 않았으나, 피접합재의 온도를 측정하는 온도측정기도 설치될 수 있다.
냉각기(38)는 접촉 플레이트(32)와 인접하도록 설치되어 접합부를 냉각시키는 역할을 한다. 냉각기(38)로는 예를 들어 냉각수가 흐르는 냉각 파이프를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 냉각장치를 사용할 수 있다.
냉각기(38)를 냉각 파이프로 구성할 경우, 냉각수는 냉각파이프를 따라 순환하게 되며, 온도가 올라간 냉각수는 냉각장치에서 냉각된 후 다시 백킹 플레이트(30) 내로 흐르게 된다.
열원(40)은 백킹 플레이트(30)에 설치되어 저항선(34)과 마찬가지로 접촉 플레이트(32)를 가열하는 역할을 한다.
열원(40)은 접촉 플레이트(32)와 접하도록 설치될 수 있다. 도면에서는 백킹 플레이트(30)의 내부에 열원(40)이 설치되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 백킹 플레이트(30)의 외부에 열원(40)이 설치될 수도 있다.
이와 같이, 접합 시 피접합재(20, 22)와 맞닿아 있는 백킹 플레이트(30)에는 세라믹 계열의 재료가 코팅된 구리 판재로 이루어진 접촉 플레이트(32)가 장입되고, 이 접촉 플레이트(32)에는 부가적으로 다수의 저항선(34)이 장입되며, 접촉 플레이트(32)의 주변에는 접촉 플레이트(32)를 냉각시킬 수 있는 냉각기(38)가 설치된다.
또한, 외부로 열이 유출되는 것을 막기 위하여 피접합재(20, 22) 위에는 소정의 덮개(24)가 설치 가능하다.
본 발명에서는 크게 2가지 방법으로 상변태를 조절할 수 있게 된다.
첫 번째로는 접합 시 접합부의 열을 뺏음으로써 접합부의 최고온도를 낮추는 방법이다. 이 방법은 위에서 언급한 바와 같이, 마찰교반 접합 시 발생되는 열은 피접합재(20, 22) 하단의 접촉 플레이트(32), 즉 세라믹 재료가 코팅된 구리 판재로 빠져나가게 되어 상대적으로 접합부에 가해지는 입열량은 줄어들게 되며, 이에 따라 접합부 내 최고온도를 낮추게 되어 근본적으로 상변태가 일어나는 것을 막는 방법이다.
하지만 접합 공정 중간에 접촉 플레이트(32)가 충분히 가열된 후에는 접합부의 온도를 낮출 수 없는 상황이 일어날 수 있다. 그러므로 접촉 플레이트(32)가 열에 의하여 고온으로 가열되는 것을 막고 접촉 플레이트(32)의 원활한 냉각을 위하여 냉각기(38)를 설치하여 접촉 플레이트(32)의 가열을 막는다.
두 번째는 냉각속도를 조절하는 방법으로 접합 후 피접합재(20, 22)의 냉각속도를 늦추어 상변태를 조절하는 방법이다. 이러한 방법을 위해서 본 발명에서는 다수의 저항선(34)을 접촉 플레이트(32)의 구리 판재에 삽입하여 발열시키며, 또한 외부 대기와의 접촉에 의해 냉각되는 것을 방지하기 위하여 별도의 덮개(24)를 설치하여 외부와의 접촉을 막도록 한다. 또한 상황에 따라서 외부 덮개(24)에도 별도의 열원을 장착하여 덮개(24) 내 온도를 높일 수 있다. 따라서 피접합재(20, 22)와 주위의 온도 구배를 동일하게 유지한 다음, 원하는 속도로 천천히 냉각시킴으로써, 결론적으로 접합부의 냉각속도를 조절하여 원하는 조직을 얻을 수 있다
본 발명은 고융점 재료의 마찰교반 접합에 있어서, 피접합재의 상변태를 조절할 수 있는, 정확하게는 상변태 온도 이하에서 접합이 가능한, 또는 접합 후 피접합재의 냉각속도를 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
이러한 원리는 표면에 세라믹 재료로 코팅된 구리 판재로 이루어진 접촉 플레이트(32)를 피접합재(20, 22)와 맞닿는 백킹 플레이트(30)에 삽입함으로써, 접합 시 발생하는 마찰열을 구리 판재가 흡수하여 상대적으로 피접합재(20, 22)에 가해지는 입열량을 조절하는 방법, 즉 최고 온도를 낮추는 방법으로 구현된다. 또한, 반대로 접합이 되는 주변 분위기를 조절하여 상변태가 발생하는 온도 바로 이하의 온도로 예열을 실시한 상태에서 접합을 실시함으로써, 접합 후 피접합재(20, 22)의 온도를 상변태가 발생할 수 있는 온도 바로 아래에서 등온을 유지한 후에 서서히 냉각시키어 조직을 조절하는 방법으로 구현된다.
도 2는 이러한 냉각 속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치의 단면 형상을 나타낸다.
기본적으로 백킹 플레이트(30)에는 삽입된 접촉 플레이트(32)를 가열시킬 수 있는 다수의 저항선(34)과 접촉 플레이트(32)를 냉각시킬 수 있게 냉각수가 흐르는 냉각 파이프(38)가 삽입된다.
이러한 시스템은 재료의 특성에 맞추어 별도로 작동이 실시되며, 앞에서 언급한 바와 같이 상변태점 온도 이하에서 접합을 실시할 경우에는, 발열은 일어나지 않고, 접합 시 발생한 마찰열을 흡수하는 접촉 플레이트(32)를 냉각할 수 있게 냉각기(38)를 작동시켜 접촉 플레이트(32)를 냉각하게 된다.
반대로 냉각속도를 조절하여 접합을 실시하는 경우에는, 냉각기(38)를 작동시키지 않고, 접촉 플레이트(32)에 삽입된 다수의 저항선(34)이 발열하게 한다. 또한, 외부 대기로부터 열이 나가는 것을 최대한 차단하기 위하여, 별도의 덮개(24)를 추가적으로 장착하고, 덮개(24)에는 열전도율이 낮은 세라믹 재료를 코팅하여 열이 덮개(24)를 통하여 유출되는 것을 막도록 하며, 상황에 따라서는 덮개(24) 내부에도 별도의 열원을 설치하여 덮개(24) 내부 공간의 온도구배를 동일하게 맞출 수 있도록 할 수 있다.
또한, 피접합재(20, 22)의 온도와 주변의 온도를 측정하기 위하여, 온도측정기(36)로서 다수의 열전대 혹은 온도를 측정할 수 있는 별도의 센서를 장착함으로써, 덮개(24) 내의 피접합재(20, 22)와 주위 온도의 구배가 맞도록 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 마찰교반 접합장치를 이용한 고탄소강(C 0.83 wt%)의 접합을 일 예로 들어서 설명하면 다음과 같다.
고탄소강의 상변태점 온도는 약 723℃로 이 온도의 경계선은 탄소강의 조직을 (오스테나이트)와 (페라이트+시멘타이트)로 나눌 수 있다. 접합 전 덮개 내의 온도, 즉 피접합재의 온도를 약 700℃까지 가열시킨다.
충분히 가열되었을 때에 마찰교반 접합 툴을 피접합재에 삽입하여 접합을 실시하고, 접합이 끝난 후에도 예열 온도를 유지한다. 접합 시에는 접촉 플레이트로 마찰열을 흡수하고 냉각기를 작동시켜 접합부의 최고온도를 조절한다.
이후 등온으로 유지되는 상태에서 냉각 곡선을 고려하여 취성이 강한 조직을 피할 수 있는 냉각 속도를 유지하면서 천천히 피접합재를 냉각시킨다. 접합 후에는 냉각기의 작동을 중지하고 저항선을 작동시켜 냉각속도를 조절한다.
10: 툴
12: 핀
20: 제1피접합재
22: 제2피접합재
24: 덮개
30: 백킹 플레이트
32: 접촉 플레이트
34: 저항선
36: 온도측정기
38: 냉각기
40: 열원

Claims (20)

  1. 피접합재의 접합부에 삽입되어 피접합재를 마찰교반 접합하는 툴;
    피접합재를 지지하는 백킹 플레이트;
    백킹 플레이트에 삽입되는 접촉 플레이트; 및
    백킹 플레이트에 삽입되는 냉각기를 포함하는 마찰교반 접합장치.
  2. 제1항에 있어서,
    접촉 플레이트는 열전도율이 높은 세라믹 재료로 코팅된 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  3. 제2항에 있어서,
    금속은 구리인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  4. 제2항에 있어서,
    세라믹 재료는 알루미늄 나이트라이드인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  5. 제1항에 있어서,
    접촉 플레이트는 피접합재의 접합부에 대응되는 부분에만 삽입되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  6. 제1항에 있어서,
    접촉 플레이트에 발열을 위한 적어도 하나 이상의 저항선이 실장되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  7. 제1항에 있어서,
    접촉 플레이트를 가열하기 위한 열원을 더 포함하는 마찰교반 접합장치.
  8. 제1항에 있어서,
    냉각기는 냉각수가 흐르는 냉각 파이프인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  9. 제1항에 있어서,
    피접합재의 상부에 설치되는 덮개를 더 포함하는 마찰교반 접합장치.
  10. 제9항에 있어서,
    덮개의 내부에 별도의 열원이 설치되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  11. 제9항에 있어서,
    덮개는 열전도율이 낮은 세라믹 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합장치.
  12. 제1항에 있어서,
    접촉 플레이트의 온도를 측정하는 온도측정기를 더 포함하는 마찰교반 접합장치.
  13. 제1항에 있어서,
    피접합재의 온도를 측정하는 온도측정기를 더 포함하는 마찰교반 접합장치.
  14. 접합부의 최고온도를 조절하면서 피접합재를 접합하는 단계; 및
    접합 후에 접합부의 냉각속도를 조절하면서 피접합재를 냉각시키는 단계를 포함하는 마찰교반 접합방법.
  15. 제14항에 있어서,
    접합부 최고온도 및 냉각속도를 조절함으로써 피접합재의 상변태를 조절하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
  16. 제14항에 있어서,
    피접합재의 상변태 발생온도 미만의 온도에서 접합하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
  17. 제14항에 있어서,
    접합 단계에서 접촉 플레이트로 마찰열을 흡수하고 냉각기로 냉각시켜 접합부의 최고온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
  18. 제14항에 있어서,
    접합 후에 접촉 플레이트를 가열하여 냉각속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
  19. 제14항에 있어서,
    접합 후에 덮개를 덮어 냉각속도를 늦추는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
  20. 제14항에 있어서,
    접합 후에 덮개를 가열하여 냉각속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합방법.
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