KR20120107739A - 모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법 - Google Patents

모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고속으로 회전이 가능한 스핀들과, 상기 스핀들의 하부에 밖으로 볼록한 형태로 형성되는 숄더부와, 상기 숄더부의 끝단에 설치되어 둘 이상의 모재 경계에 삽입되어 둘 이상의 모재를 접합시키며, 외측 표면이 굴곡없이 매끈하며 끝이 뾰족한 원뿔 형상으로 형성된 핀과, 상기 스핀들과 숄더부의 외측에 이를 감싸도록 형성되며, 상기 모재 간 접합부의 산화를 방지하기 위하여 내부에서 보호가스를 배출하는 케이스를 포함하는, 모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다.

Description

모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법{FRACTION STIR WELDING APPARATUS FOR PREVENTING OXIDATION AND FRACTION STIR WELDING METHOD FOR TITANIUM USING THE SAME}
본 발명은 둘 이상의 모재를 교반에 의한 마찰열로 접합하는 마찰 교반 접합 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다.
마찰 교반 접합은 특수 형상의 장치를 고속으로 회전시킨 후 모재에 삽입하여 접합선을 따라 이송함으로써 모재에 발생되는 마찰열을 이용하여 용융점 이하 온도에서 두 소재의 재결정화를 통해 접합하는 고상접합 기술이다. 마찰 교반 접합의 특징은 경량비철금속(Al,Cu,Mg 등) 접합에 탁월한 성능을 나타내며 용융으로 인한 기공 및 결함이 없고 우수한 접합부 강도와 깊은 용입 및 빠른 생산속도를 가지는 것이다.
특히 항공우주산업분야 등에서는 경량의 금속이면서도, 내식성이 우수하고 고열전도율 및 고전기전도율 등 우수한 성질을 요하는 티타늄 등의 수요가 계속하여 증가하고 있다. 이러한 산업분야에서 응용되고 있는 수많은 제품들은 용접, 납땜 또는 기계적 조립절차에 의하여 조립되고 있다. 이들 성분의 용접에 있어서 주로 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(Metal Inert Gas Arc) 용접이 광범위한 두께의 평판/시트(sheet)재를 용접하는데 채용되고 있다.
그러나, 이러한 아크 용접의 경우 용접되는 모재의 형태, 사용되는 용접와이어 등 여러가지 조건에 따라 용접부 주위나 용접부 자체가 산화되어 흑색 분말 등이 형성되는 등의 문제점이 발생하였다.
본 발명의 목적은, 둘 이상의 모재를 마찰 교반 접합할 때 모재 및 접합부의 산화를 방지하여 우수한 품질의 접합물을 획득할 수 있는 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 마찰 교반 접합 장치는, 고속으로 회전이 가능한 스핀들과, 상기 스핀들의 하부에 밖으로 볼록한 형태로 형성되는 숄더부와, 상기 숄더부의 끝단에 설치되어 둘 이상의 모재 경계에 삽입되어 둘 이상의 모재를 접합시키며, 외측 표면이 굴곡없이 매끈하며 끝이 뾰족한 원뿔 형상으로 형성된 핀과, 상기 스핀들의 외측에 이를 감싸도록 형성되며, 상기 모재 간 접합부의 산화를 방지하기 위하여 내부에서 보호가스를 배출하는 케이스를 포함할 수 있다.
상기 핀은, 텅스텐과 니켈 가루를 소결하여 압축해서 제조된 중합금 소재인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 케이스의 하단 끝단은 상기 스핀들의 하단 끝단과 동일한 선상에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 케이스에는, 외부에서 보호가스가 이동되는 가스라인이 내부로 연통되도록, 가스주입구가 더 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 티타늄 마찰 교반 접합 방법은, 접합이 필요한 둘 이상의 모재의 경계를 서로 붙여 준비하는 단계와, 고속으로 회전하는 스핀들에 형성된 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계와, 상기 스핀들의 외부를 감싸는 케이스 하단을 통하여 보호가스를 접합 부분에 배출하여 접합부의 산화 방지를 시작하는 단계와, 상기 둘 이상의 모재의 경계가 상기 회전하는 핀 쪽으로 계속 이동되면서 둘 이상의 모재가 접합되는 단계와, 상기 접합이 완료된 후 상기 보호가스의 배출을 중단하여 접합부의 산화방지를 완료하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산화방지를 시작하는 단계에서, 상기 접합부로 배출되는 보호가스는, 불활성 가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계에서의 핀의 회전속도는, 상기 둘 이상의 모재가 접합되는 단계에서의 핀의 회전속도 보다 저속으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계는, 상기 핀의 회전속도가 200~400RPM인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 둘 이상의 모재가 접합되는 단계는, 상기 핀의 회전속도가 600~800RPM인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 둘 이상의 모재가 접합되는 단계는, 상기 핀 쪽으로 이동되는 상기 모재의 속도가 100mm/min~350mm/min인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 접합부의 산화방지를 완료하는 단계는, 상기 모재 간 접합이 완료된 후 상기 모재에서 발생되는 열이 식을 때 까지 상기 보호가스의 배출을 유지한 후, 상기 모재의 열이 식은 후 상기 보호가스의 배출을 중단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계는, 상기 핀을 끝이 뾰족한 원뿔 형상으로 제조하여 상기 모재에 바로 삽입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법에 의하면, 둘 이상의 모재를 마찰 교반 접합할 때 모재 및 접합부의 산화를 방지하여 우수한 품질의 접합물을 획득할 수 있으며, 생산 속도가 빨라 생산 효율이 높아지는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 마찰 교반 접합 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 일반적인 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 일반적인 마찰 교반 접합 장치는 평판형(Sheet) 금속 모재(B) 둘을 맞닿도록 고정한 후, 두 모재(B) 간의 경계면의 상단에서 경계면을 따라 접합을 수행하는 것이다. 구체적으로 접합할 두 모재(B)를 고정한 후 경한 재질을 가진 핀(2)을 모재(B) 내에 삽입하여 고속으로 회전시키면서 모재(B)의 경계부를 따라 움직일 수 있도록 하는 것이다. 핀(2)을 회전시키는 것은 핀(2)과 결합되어 있는 스핀들(1)로서 스핀들(1)은 수백 RPM으로 고속 회전하게 된다. 스핀들(1)의 회전에 의해 회전하는 핀(2)과 접합할 모재(B) 간에는 상대적 운동에 의해 마찰열이 발생되고, 핀(2) 주위로 기계적 열영향부가 발생된다. 또한, 핀(2)이 접합 경계를 따라 움직이면서 가열된 부위기 핀(2) 앞부분에서 뒷부분으로 압출되게 되고 마찰열과 기계적인 조합이 동시 발생하여 고상 접합이 이루어지게 되는 것이다. 핀(2)이 지나간 자리는 이처럼 고상 접합이 이루어진 접합흔적(S)이 남게된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도면을 참조하면, 마찰 교반 접합 장치는 스핀들(10)과, 숄더부(11)와, 핀(12)과, 케이스(20)를 포함하여 이루어질 수 있다.
스핀들(10)은 고속으로 회전 가능한 것으로, 외부에서 연결된 축에 가해지는 회전력에 의하여 회전 가능하다. 스핀들(10)은 외부에 설치된 회전 모터(도면에 도시하지 않음)와 연결되어 이에 의해 회전되는 것이 바람직하다.
스핀들(10)은 바닥에 대하여 축이 수직되게 형성되는 것이 바람직하며, 스핀들(10)의 하부 끝단은 바닥과 수평을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 스핀들(10)은 하부에 설치된 둘 이상의 모재(B)를 향해 수직한 하 방향으로 움직일 수 있도록 구동되는 것이 바람직하다.
숄더부(11)는 스핀들(10)의 하단 끝단에 형성되는 것일 수 있다. 숄더부(11)는 스핀들(10)의 하단 끝단에 접합되는 것일 수도 있고, 볼트와 너트의 형태로 구비되어 끼워 맞춰 지는 것일 수도 있다. 숄더부(11)는 밖으로 볼록한 형태를 가지는 것일 수 있다. 숄더부(11)는 스핀들(10)과 결합되어 있으므로 스핀들(10)의 회전에 의하여 동일 방향 동일 속도로 회전하는 것이다.
핀(12)은 숄더부(11)의 끝단에 설치되는 것이다. 핀(12)은 둘 이상의 모재(B) 경계에 삽입되어 접합을 직접적으로 수행하는 부분이다. 핀(12)은 숄더부(11)의 하단 끝단에 하 방향으로 수직한 축을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다.
핀(12)은 그 외측 표면이 굴곡없이 매끄러운 형상인 것이 바람직하다. 또한, 핀(12)은 뾰족한 원뿔 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 핀(12)은 둘 이상의 모재(B) 경계로 이동하여 상 방향에서 누르는 압력과 회전력에 의하여 모재(B)의 경계를 뚫고 하 방향으로 삽입되는 것일 수 있다.
핀(12)은 텅스텐과 니켈 가루를 소결하여 압축해서 제조되는 중합금 소재인 것이 바람직하다. 이때 중합금 소재의 핀(12)은 모재(B)가 티타늄 등 경한 금속일 경우에 사용되는 것이 더욱 바람직하다.
케이스(20)는 스핀들(10)의 외측에 형성되며, 이를 감싸는 형태이다. 도 3과 같이, 케이스(20)는 스핀들(10)의 외측에 스핀들(10)과 소정의 간격을 두고 이격되어 형성되어 스핀들(10)을 감싸는 형태인 것이 바람직하다. 또한, 케이스(20)는 그 하단 끝단이 스핀들(10)의 하단 끝단과 동일한 선상에 위치된다. 그러므로 스핀들(10)의 하단에 형성된 숄더부(11)와 핀(12)은 케이스(20)의 하단 외부로 돌출된 형태가 될 수 있다.
케이스(20)의 내부에는 모재(B) 간 접합부의 산화를 방지하기 위한 보호가스가 흘러 케이스(20) 외부로 배출된다. 케이스(20)에는 외부에서 보호가스가 이동하기 위한 가스라인(21)을 내부로 연통하기 위한 가스주입구(22)가 더 형성되는 것이 바람직하다. 가스주입구(22)는 케이스(20) 상단에 외부와 연통되며 가스주입구(22)에는 가스라인(21)이 설치되어 외부에 위치한 가스통(23)을 통해 케이스(20) 내부로 보호가스가 주입되어 케이스(20) 하단을 통해 배출되는 것이다. 보호가스가 배출되는 곳은 스핀들(10)과 케이스(20) 사이에 형성된 공간으로서 이 공간은 스핀들(10)의 둘레 외곽을 따라 형성된 것이 바람직하다. 케이스(20)는 접합시 발생되는 열을 견딜 수 있는 소재이면 어떠한 것이든 가능하다. 예를 들어, 플라스틱 계, 유리 계 재료들이 모두 가능하며 금속도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 마찰 교반 접합 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
먼저 접합이 필요한 티타늄 모재(B)를 준비한 후, 모재(B) 사이의 끝단부를 맞닿게 붙여 고정시킨다(S10). 이때 고정을 위해 스크류 등으로 모재(B)를 잡아 고정시킬 수 있으며, 모재(B)를 고정할 수 있는 도구라면 어떠한 것이든 사용이 가능하다.
외력에 의하여 스핀들(10)이 회전하면서 스핀들(10)에 고정되어 있는 숄더부(11)와 숄더부(11) 하단에 고정된 핀(12)이 함께 회전하게 된다. 핀(12)이 회전하면서, 모재(B)의 상부에 있던 마찰 교반 접합 장치는 모재(B)가 위치한 하단으로 이동하게 된다. 핀(12)은 회전에 의한 회전력과 상부에서 가해지는 압력에 의하여 모재(B)의 경계면을 뚫고 들어가 삽입되게 된다(S20). 본 발명의 마찰 교반 접합 장치의 핀(12)은 외측 표면이 매끈하며, 뾰족한 원뿔 형상으로 경한 금속인 티타늄의 표면에도 쉽게 삽입될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 핀(12)을 모재(B)의 경계면에 삽입할 때 핀(12)의 회전속도는 200~400RPM인 것이 바람직하다.
이때 핀(12)의 회전속도가 200RPM 미만이거나 400RPM을 초과하면 핀(12)이 모재(B)에 제대로 삽입되지 않거나, 핀(12)이 손상될 수 있다.
핀(12)이 모재(B)에 삽입되면, 외부에서 마찰 교반 접합 장치의 케이스(20) 내부로 보호가스를 주입하여, 이 보호가스를 모재(B)의 접합부에 배출함으로써 접합부의 산화를 방지하는 작업을 시작한다(S30). 이때 보호가스로 사용되는 가스는 불활성 가스인 것이 바람직하다. 보호가스로는 불활성 가스인 아르곤 가스가 사용될 수 있다. 보호가스는 외부에 위치한 가스통(23)에서 가스라인(21)을 타고 이동되어, 케이스(20)에 형성된 가스주입구(22)를 통해 케이스(20) 내부로 주입된다. 주입된 보호가스는 케이스(20) 하부에 형성된 케이스(20)와 스핀들(10) 사이의 공간을 통하여 케이스(20) 하단으로 배출된다. 이때 모재(B)는 케이스(20) 하단에 위치하고 있으므로 접합이 이루어지는 동안 모재(B) 접합부에 보호가스가 계속하여 배출되면서 외부 공기와 모재(B) 접합부의 접촉이 차단되어 산화가 방지된다.
모재(B) 접합부의 산화방지가 시작되면, 스핀들(10)은 핀(12)이 모재(B) 경계면에 삽입될 때의 속도보다 빠른 속도로 회전하면서 모재(B) 간의 접합을 수행한다(S40). 이때 고정된 모재(B)는 경계면을 따라 움직이면서 회전하고 있는 핀(12)이 경계면을 따라 접합을 수행할 수 있도록 한다. 모재(B)가 핀(12) 쪽으로 이동하는 속도는 100mm/min~350mm/min 인 것이 바람직하다. 이때 모재(B)가 핀(12) 쪽으로 이동하는 속도가 100mm/min 미만인 경우는 접합부 표면이 찢어지거나 접합 결과가 불량일 수 있으며, 이동 속도가 350mm/min인 경우도 마찬가지로 접합부 표면이 찢어지거나 접합 결과가 불량일 수 있다.
또한, 모재(B) 간 접합을 수행하는 동안 핀(12)의 회전속도는 핀(12)을 모재(B) 경계에 삽입할 때의 속도보다 고속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 앞서 모재(B) 간 경계면에 핀(12)을 삽입할 때의 핀(12)의 회전속도는 200~400RPM이었으나, 모재(B) 간의 접합을 수행할 때의 핀(12)의 회전속도는 600~800RPM으로 핀(12)을 삽입할 때의 속도보다 속도를 높여 수행한다.
이때 핀(12)의 회전속도가 600RPM 미만이거나 800RPM을 초과하면 접합 표면이 찢어지거나, 접합이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
모재(B) 간의 접합은 일반적인 마찰 교반 접합의 원리에 따라 핀(12)의 회전력과 모재(B)의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 이에 의해 고상 접합의 형태로 이루어지게 된다.
모재(B) 간 접합이 모두 완료되면, 접합부의 산화를 방지하기 위하여 케이스(20)를 통해 접합부로 배출되던 보호가스의 공급을 완료한다(S50). 모재(B) 간 접합이 완료된 후, 모재(B)에서 발생되는 열이 식을 때 까지는 보호가스의 배출을 유지하다가 모재(B)의 열이 식은 후 보호가스의 배출을 중단하는 것이 바람직하다. 모재(B)에서 접합에 의한 열이 발생하여 유지되고 있는 상태에서 보호가스가 중단되면 모재(B) 접합부의 산화가 진행될 수 있으므로, 열이 식을 때까지 보호가스의 배출을 유지하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법에 의하면, 둘 이상의 모재(B)를 마찰 교반 접합할 때 모재(B) 및 접합부의 산화를 방지하여 우수한 품질의 접합물을 획득할 수 있다. 또한, 핀(12)을 바로 모재(B)에 삽입하여 접합을 수행할 수 있기 때문에 생산 속도가 향상되어 생산 효율이 높아지는 효과가 있다.
상기와 같은 마찰 교반 접합 장치 및 이를 이용한 티타늄 마찰 교반 접합 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
1 : 스핀들 2: 핀
10: 스핀들 11: 숄더부
12: 핀 20: 케이스
21: 가스라인 22: 가스주입구
23: 가스통 B: 모재
S: 접합 흔적

Claims (12)

  1. 고속으로 회전이 가능한 스핀들;
    상기 스핀들의 하부에 밖으로 볼록한 형태로 형성되는 숄더부;
    상기 숄더부의 끝단에 설치되어 둘 이상의 모재 경계에 삽입되어 둘 이상의 모재를 접합시키며, 외측 표면이 굴곡없이 매끈하며 끝이 뾰족한 원뿔 형상으로 형성된 핀;
    상기 스핀들의 외측에 이를 감싸도록 형성되며, 상기 모재 간 접합부의 산화를 방지하기 위하여 내부에서 보호가스를 배출하는 케이스;를 포함하는, 모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 핀은,
    텅스텐과 니켈 가루를 소결하여 압축해서 제조된 중합금 소재인 것을 특징으로 하는, 모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스의 하단 끝단은 상기 스핀들의 하단 끝단과 동일한 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는, 모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스에는,
    외부에서 보호가스가 이동되는 가스라인이 내부로 연통되도록, 가스주입구가 더 형성되는 것을 특징으로 하는, 모재 산화 방지용 마찰 교반 접합 장치.
  5. 접합이 필요한 둘 이상의 모재의 경계를 서로 붙여 준비하는 단계;
    고속으로 회전하는 스핀들에 형성된 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계;
    상기 스핀들의 외부를 감싸는 케이스 하단을 통하여 보호가스를 접합 부분에 배출하여 접합부의 산화 방지를 시작하는 단계;
    상기 둘 이상의 모재의 경계가 상기 회전하는 핀 쪽으로 계속 이동되면서 둘 이상의 모재가 접합되는 단계; 및
    상기 접합이 완료된 후 상기 보호가스의 배출을 중단하여 접합부의 산화방지를 완료하는 단계;를 포함하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 산화방지를 시작하는 단계에서,
    상기 접합부로 배출되는 보호가스는, 불활성 가스인 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계에서의 핀의 회전속도는,
    상기 둘 이상의 모재가 접합되는 단계에서의 핀의 회전속도 보다 저속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계는,
    상기 핀의 회전속도가 200~400RPM인 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 둘 이상의 모재가 접합되는 단계는,
    상기 핀의 회전속도가 600~800RPM인 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 둘 이상의 모재가 접합되는 단계는,
    상기 핀 쪽으로 이동되는 상기 모재의 속도가 100mm/min~350mm/min인 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 접합부의 산화방지를 완료하는 단계는,
    상기 모재 간 접합이 완료된 후 상기 모재에서 발생되는 열이 식을 때 까지 상기 보호가스의 배출을 유지한 후, 상기 모재의 열이 식은 후 상기 보호가스의 배출을 중단하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 핀을 상기 모재 사이의 경계에 삽입하는 단계는,
    상기 핀을 끝이 뾰족한 원뿔 형상으로 제조하여 상기 모재에 바로 삽입하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 마찰 교반 접합 방법.
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