KR20130056302A - 마찰교반용접 동안에 로드를 최소화하기 위한 고회전 속력을 사용한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고급 고장력 스틸(Advanced High Strength Steels; AHSS)로 제조된 워크피스들을 결합하기 위하여 마찰교반점조인트(FSSJ)를 사용하기 위한 시스템 및 방법인데, 여기서, 제1 실시예는 표면 피쳐가 없는 FSSJ 공구이고, FSSJ 공구의 회전 속도는 다른 FSSJ 공구에서 사용되는 것보다 훨씬 높으며, 이에 의해, 미시적 단위에서 AHSS의 소성화를 유발시켜서 토크를 감소시키며, 제2 실시예에서, 만일, FSSJ 공구가 높은 강도를 가진 전도성 공구 재료로 제조되면, 종래의 FSSJ 공구는 종래의 FSSJ 속력으로 사용될 수 있고, FSSJ 공구 및/또는 워크피스의 가열은 AHSS를 기능적으로 용접하기 위한 FSSJ 공구의 성능을 향상시킨다.

Description

마찰교반용접 동안에 로드를 최소화하기 위한 고회전 속력을 사용한 시스템{SYSTEM FOR USING HIGH ROTARY SPEED FOR MINIMIZING THE LOAD DURING FRICTION STIR WELDING}

관련된 출원의 상호 참조

본 문헌은 일련 번호 61/369,934를 가진 미국 가특허 출원 사건 번호 4832.SMII.PR에 포함된 모든 주제에 포함되고, 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 마찰교반용접(friction stir welding; FSW) 및 마찰교반용접의 변형예들에 관한 것으로서, 마찰교반용접의 변형예들에는 마찰교반공정(friction stir processing; FSP), FSSJ(friction stir spot welding; FSSW), 마찰교반점조인트(friction stir spot joining; FSSJ) 및 마찰교반혼합(friction stir mixing; FSM)이 포함된다(그리고, 본 명세서에서는, 이제부터, 전체적으로 "마찰교반용접"으로 지칭된다).

마찰교반용접은 용접 금속들과 금속 합금 용도로 개발되었던 기술이다. 마찰교반용접은 일반적으로 고상 공정(solid state process)이다. 본 명세서에서, 고상 공정은 통상 액상 상태(liquid phase)를 포함하지 않는 소성화된 상태(plasticized state)로 일시적으로 변형(transformation)되는 것으로 정의된다. 하지만, 일부 구체예들에서, 하나 또는 그 이상의 요소들이 액상 상태를 통과할 수 있게 하고 본 발명의 혜택을 구현할 수 있게 한다는 점을 유의해야 한다.

마찰교반용접 공정은, 종종, 회전하는 교반 핀(stir pin)에 의해 조인트(joint)의 양 측면(side) 상에서 2개의 인접한 워크피스(workpiece) 재료들을 결합하는 과정을 포함한다. 힘이 가해져서 핀과 워크피스들이 함께 움직이며(urge) 핀, 숄더(shoulder) 및 워크피스들 사이의 상호작용(interaction)에 의해 발생된 마찰열로 인해 조인트의 양 측면 상에서 재료들이 소성화(plasticization)된다. 핀과 숄더 조합(combination) 또는 "마찰교반용접 말단부(tip)"는 조인트를 따라 횡단되고(traversed), 이들이 전진함에 따라 소성화된 재료, 및 전진하는 FSW 말단부에 뒤따라 남겨진 소성화된 재료가 냉각되어 용접부(weld)를 형성한다. 또한, FSW 말단부는 숄더가 FSP를 통해 또 다른 재료를 처리하도록 핀이 없는 공구일 수 있다.

도 1은 섕크(8), 숄더(12) 및 숄더로부터 외부 방향으로 연장되는 핀(14)을 가진 일반적으로 원통형 공구(10)를 특징으로 하는 마찰교반용접 용도로 사용되는 공구의 사시도이다. 핀(14)은 공구의 핀이 소성화된 워크피스 재료 내에 삽입되는(plunged) 지점에서 충분한 열이 발생될 때까지 워크피스(16)에 대해 회전된다. 통상적으로, 핀(14)은 워크피스 내로 추가로 관통되는 것이 방지되도록 숄더(12)에 도달될 때까지 워크피스(16) 내에 삽입된다. 워크피스(16)는, 종종, 조인트 라인(18)에 함께 접하게 되는 재료의 2개의 시트(sheet) 또는 플레이트(plate)이다. 이 예에서, 핀(14)은 조인트 라인(18)에서 워크피스(16) 내에 삽입된다.

도 1을 참조하면, 워크피스 재료(16)에 대한 핀(14)의 회전 운동에 의해 발생되는 마찰열로 인해, 용융점에 도달하지 않고도 워크피스 재료가 연화된다. 공구(10)는 조인트 라인(18)을 따라 횡단 방향으로 이동되고(moved transversely) 이에 따라 소성화된 재료가 핀 주위에서 공구 경로(tool path)(20)를 따라 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)로 흐를 때 용접부(weld)를 생성한다. 그 결과, 종래의 비-FSW 용접공법을 사용할 때 생성된 용접부에 비해, 일반적으로 워크피스 재료(16)와 구별할 수 없는, 공구 경로(20)를 따라 조인트 라인(18)에서 고상 본딩된다(solid phase bond).

숄더(12)가 워크피스의 표면과 접촉할 때 숄더(12)가 회전하여, 삽입된 핀(14) 주위에서 재료의 상대적으로 큰 원통형 칼럼을 소성화시키는 추가적인 마찰열이 생성되는 것을 볼 수 있다. 숄더(12)는 공구 핀(14)에 의해 생성된 상부 방향으로의 금속 흐름(metal flow)을 포함하는 포징 힘(forging force)을 제공한다.

마찰교반용접 동안, 공구 및 용접되어야 하는 영역은 공구가 공구/워크피스 경계면(interface)에서 용접 조인트의 원하는 길이를 횡단하도록 서로에 대해 이동된다. 회전하는 마찰교반용접 공구(10)는 지속적인 고온 가공 작용을 제공하며, 핀(14)의 리딩 에지로부터 트레일링 에지로 금속을 이송시키면서, 상기 공구가 기초 금속(base metal)을 따라 횡단 방향으로 이동할 때, 좁은 영역 내에서 금속을 소성화시킨다. 용접 영역이 냉각되기 때문에, 공구(10)가 통과될 때, 액체와 같이, 통상, 경화 작용(solidification)이 없다. 이것은, 항상은 아니지만, 용접부가, 용접부 영역에서 형성된, 결점이 없고 재-결정화되며(re-crystallized), 미세한 입자 미세구조인 경우가 된다.

운행 속력(travel speed)은 통상 200 내지 2000 rpm의 회전 속력과 함께 10 내지 500 mm/분이다. 도달된 온도는 보통 고상온도(solidus temperature)에 가깝지만 이보다는 낮다. 마찰교반용접 변수들은 재료의 열특성, 고온의 흐름 응력 및 관통 깊이의 함수이다.

이전의 특허들은 이전에 기능적으로 용접할 수 없는(functionally unweldable) 것으로 간주된 재료들로 마찰교반용접을 수행할 수 있는 이점에 대해 기술하였다. 이런 재료들 중 일부는 비-융합 용접성을 가지거나(non-fusion weldable), 또는 전체적으로 용접하기가 단지 어렵다. 이러한 재료들은, 예를 들어, 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite), 철합금(ferrous alloy), 가령, 스틸 및 스테인리스 스틸, 및 비철 재료들을 포함한다. 마찰교반용접을 이용할 수 있는 또 다른 재료들의 군은 초합금(superalloy)이다. 초합금은 높은 용융 온도의 청동(bronze) 또는 알루미늄을 가지는 재료일 수 있으며, 또한 내부에 그 외의 다른 요소들을 가질 수도 있다. 초합금의 일부 예들은 니켈, 아이언-니켈, 및 일반적으로 1000℉ 이상의 온도에서 사용되는 코발트계 합금이다. 그 외의 추가적인 요소들은 보통 초합금에서 발견되는데, 이 초합금은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 및 레늄을 포함하지만 이들에만 제한되는 것은 아니다.

또한, 티타늄이 마찰교반용접 용도로 사용하기에 바람직한 재료라는 사실을 유의해야 한다. 티타늄은 비철함금이지만 그 외의 다른 비철금속보다 더 높은 용융점을 가진다. 이전의 특허에서 밝혀진 바에 따르면, 고온의 재료들을 마찰교반용접 하기 위한 공구는 마찰교반용접되는 재료들보다 더 높은 용융 온도를 가지는 재료 또는 재료들로 제조된다. 일부 구체예들에서, 공구에는 초연삭재(superabrasive)가 사용되었으며, 종종 코팅물(coating)로 사용되었다.

금속들을 함께 결합하기 위한 가장 흔한 방법은 기계적 패스너 또는 전통적인 용접 방법이다. 전형적인 용접 방법은 저항 용접(resistance welding), TIG 용접, MIG 용접, 레이저 용접, 전자 빔 용접(electron beam welding) 및 이들 공정의 변형을 포함한다. 자동차 산업에서, 가장 흔한 용접 방법 중 하나는 저항점 용점(resistance spot welding)을 사용하는 것이다. 전형적으로, 이들 용접은 자동차 또는 트럭의 프레임 구성요소를 함께 결합하는데 사용된다. 이는 자동차를 제조하는데 사용되는 현저하고 중요한 방법이다. 예를 들어, 전형적인 4 도어 세단은 자동차의 프레임과 서브-구성요소를 만들기 위하여 4000개가 넘는 용접점이 요구될 것이다.

자동차 산업이 저항점 용접을 사용하는 가장 뚜렷한 산업인 반면, 이 결합 방법을 사용하는 많은 산업이 있다. 번잡을 피해, 자동차 산업은 본 문헌에 기술된 본 발명의 신규성뿐만 아니라, 기존의 문제점을 나타내는데 사용될 것이다.

저항점 용접은 오늘날 산업에서 구조 시트 메탈과 같은 금속 구성요소를 함께 결합하는데 가장 흔히 사용되는 방법 중 하나이다. 스틸 구성요소를 함께 결합하기 위해 선택되는 방법이다. FSSJ는 알루미늄 구조 구성요소를 함께 결합하는데 사용되는 좀 더 최신의 방법 중 하나이다. 높은 재료 비용과 결합 비용 때문에, 자동차 산업에서 매우 적은 퍼센트만이 구조 알루미늄 구성요소를 사용한다는 것에 유의해야 한다. 그러므로, 일반적으로 알루미늄은 자동차 내의 높은 파워 투 웨이트 라티오(power to weight ratio)를 찾는 열렬한 팬을 향해 마케팅된 비싼 스포츠카 내에만 사용된다.

종래 기술에서, FSSJ는 도 2에 도시된 것과 같은 강화된 공구 스틸 FSW 공구(30)를 사용하는 공정이다.

도 3A에 도시된 바와 같이, 공구(30)는 탑시트(top sheet, 34)와 바텀 시트(bottom sheet, 36)의 랩 조인트(lap joint, 32)(알루미늄 워크피스의 중첩부분) 상에서 회전된다. 도 3B에서, 공구(30)는 공구의 숄더(38)가 탑시트와 접촉할 때까지, 탑시트(34)를 뚫고(plunge through) 바텀 시트(36) 내로 부분적으로 삽입된다. 결합된 재료는 연화되나 녹지는 않고, 그 대신에, 공구(30)의 핀(40) 주위에 흘러서, 점 조인트(spot joint, 42)를 형성한다. 도 4는 알루미늄 내의 완성된 FSSJ 점 조인트(42)의 클로즈업도이다.

종래 기술의 중요한 일면은, FSSJ 동안, 결합되는 재료가 공구(30) 주위에 흐르기 위하여 표면 피쳐(surface feature)가 사용된다는 것이다. 도 5는 핀(40)의 나사 및/또는 숄더(38), 플랫(flat) 및 공구 면 프로필(tool face profiel)에서 연장되거나 돌출되는 다른 피쳐를 포함하는 몇몇의 표면 피쳐의 예시를 도시하나, 이에 제한되지 않는다.

알루미늄 워크피스를 결합하는데 사용되는 FSSJ 공정에서 두 가지 중요한 면이 있다는 점이 경험을 통해 증명되어왔다. 첫 번째 면은 공구(30)가 4000 RPM 보다 작은 속력에서 사용된다는 것이다. FSW 문헌은, 공구가 일반적으로 약 400 내지 600 RPM에서 발생된다는 것을 보여주는 공구 RPM 데이터로 가득 차 있다.

두 번째 면은 공구 주위에서 재료를 움직이도록 하기 위하여 공구(30)가 표면 피쳐를 가져야 하는 것이고, 이 때문에 이들 피쳐는 재료 흐름(material flow), 재료 특성 및 FSW 동안 발생할 수 있는 어떠한 결함에 현저한 영향을 미친다.

기존의 점용접 기술이 가진 문제점은 두 개의 카테고리로 나뉠 수 있는데, 즉, 스틸의 저항점 용접에 대한 문제점과 알루미늄 FSSJ에 대한 문제점이다. 알루미늄의 저항점 용접에 대해서는, 알루미늄은 공정의 액상 단계 및 경화 작용 단계 동안에 알루미늄이 자체적으로 용접 본딩되지 않기 때문에 시도되지 않으며, 그것은 주목할 만한 강도를 가지지 않는다. 스틸의 FSSJ에 대해서 말하자면, 공구 재료의 제한성과 과다하게 비싼 장비 비용 때문에 성공적이지 못하다.

스틸의 저항점 용접에 대한 문제점

특히 자동차 산업은 미국에서 모든 자동차의 연료 효율성을 개선하기 위하여 엄격한 정부 요구하에 있고, 다른 나라도 유사한 기준으로 실행되고 있다. 이 연료 효율성 목표를 달성하기 위한 가장 쉬운 방법 중 하나는 자동차의 무게를 줄이는 것이다. 이것이 생산자가 고급 고장력 스틸(Advanced High Strength Steels; AHSS)을 개발하도록 하여서, 각 차량 유형에 대한 연방 안전 충돌 요구사항을 만족하면서, 더 가벼우나 더 강한 스틸 구성요소가 차체를 구성하는데 사용된다. 불행히도, 이들 새로운 AHSS는 용접하기 매우 어렵거나 전혀 용접할 수 없다.

저항점 용접은 일정한 점 조인트 강도를 유지하기 위하여 비교적 높은 정도의 재료 연도(consistency)를 요구한다. AHSS는 고강도 값으 생산하도록 기계적으로 작업되기 때문에 이 연도를 가지지 않는다. AHSS가 용접 공정 동안에 용융된 후에, 이들 특성은 심각하게 퇴화된다. 일반적으로 말해, 만일 스틸이 용접 가능하다면, 가능 스틸의 강도가 높을수록, 용접하기 더욱 어려워진다. 이 문제점은 고강도를 달성하기 위해 요구되는 고합금 함량에서 발생한다. 고합금 함량은 더 큰 강화능(hardenability)에 해당하고, 더 큰 수준의 강화능은, 저조한 충격 강도, 금이 갈 가능성 및 감소된 피로 수명을 가질 수 있는 취성 미세구조(brittle microstructure)를 만든다.

또한, 스틸의 FSSJ는 거의 성공하지 못한다. 폴리크리스탈린 큐빅 보론 니트라이드(Polycrystalline Cubic Boron Nitride; PCBN)와 같은 공구 재료는 AHSS를 결합하는데 제한되게 성공적이다. 결합될 재료가 이러한 고 강도를 가지기 때문에, 이들 재료를 PCBN 공구로 관통하기 위해 요구되는 힘은 매우 높다. 이는 로보트의 팔과 연결될 FSSJ 장치의 헤드부(head) 무게를 증가시킨다. 또한, 이는, 이러한 높은 로드(load)에 의한 휨 때문에 스로트(throat) 크기 또는 헤드부 범위(reach)를 감소시킨다.

간단히 말해서, 저항점 용접 헤드부의 기존 기하학적 구조는 사용될 수 없고, 좀 더 튼튼하고 견실한 헤드부 설계는 활용에 접근하는데 있어 매우 제한적이다. 재료가 연화되면서, 스핀들 로드가 커짐에 따라 공구 주위에 AHSS 스틸을 움직이기 위해 요구되는 토크 조건이 증가된다. 이는, 구조 및 모터 마력에 있어서, 장비가 수용해야만 하는 공구 축에 대한 높은 비틀림(torsional) 힘과 함께 축방향 공구 힘이 커진다는 것을 의미한다. PCBN은 비싼 재료이고, 이제, 이는 각 FSSJ 사이클 동안 높은 힘과 사이클 온도의 결과로서, 최고의 재료 강도 한계에 도달된다. 이는 빠른 공구 오류 및 어떤 경제적 이점을 제거하는 결과를 야기한다.

이에 따라, 자동차 산업은 AHSS를 저항점 용접할 수 없는 것과 의무적인 연료 효율성 기준을 만족시키기 위해 요구되는 자동차를 제조하기 위한 비용 효율이며 실행 가능한 FSSJ 공정을 가지 않는 것 사이의 교착상태에 빠르게 다가간다.

알루미늄의 FSSJ 에 대한 문제점

알루미늄에서 적은 수의 성공적인 FSSJ 활용에도 불구하고, 기술이 더 실행되는 것을 막는 기술 장벽이 있다. 활용에 있어서 알루미늄이 사용하기에 가장 좋은 재료라고 결정되면, 알루미늄의 높은 열전도성은 FSSJ 공정에 대한 문제점을 만든다. FSSJ 공구가 알루미늄 내로 삽입되면서, 공구 주위의 재료를 연화시키기 위한 열을 발생하기가 매우 어렵다. 이는 장비에 의해 작용(react)되어야 하는 높은 로드를 만든다.

전형적으로, C 프레임 FSSJ 헤드부가 공구를 회전하는데 사용되고, 로드를 사용하며, 공정에 의해 생성된 힘과 작용한다. 높은 로드는 편향되지 않을 장비를 요하고, 그래서 공구 위치가 공정 동안 유지될 수 있다. 또한, 스핀들 모터(spindle motor)의 마력 조건은 공정에 의해 겪게되는 비틀림 로드를 극복하기 위하여 높다.

따라서, 필요한 것은 자동차 및 다른 산업에서 사용될 수 있는 AHSS를 결합하기 위한 방법이다.

본 발명의 목적은 고급 고장력 스틸(Advanced High Strength Steels; AHSS)로 제조된 워크피스들을 결합하기 위하여 마찰교반점조인트(FSSJ)를 사용하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것인데, 여기서, 제1 실시예는 표면 피쳐가 없는 FSSJ 공구이고, FSSJ 공구의 회전 속도는 다른 FSSJ 공구에서 사용되는 것보다 훨씬 높으며, 이에 의해, 미시적 단위에서 AHSS의 소성화를 유발시켜서 토크를 감소시키며, 제2 실시예에서, 만일, FSSJ 공구가 높은 강도를 가진 전도성 공구 재료로 제조되면, 종래의 FSSJ 공구는 종래의 FSSJ 속력으로 사용될 수 있고, FSSJ 공구 및/또는 워크피스의 가열은 AHSS를 기능적으로 용접하기 위한 FSSJ 공구의 성능을 향상시킨다.

이러한 목적, 특징, 이점들과 그 외의 다른 목적, 특징, 이점들과 본 발명의 대안의 형태들은 첨부된 도면들과 조합하여 하기 상세한 설명을 고려함으로써 당업자들에게 자명해질 것이다.

도 1은 평면의 워크피스의 마찰교반용접을 나타내는 종래 기술의 도면이다.
도 2는 종래기술과 같은, 강화 공구 스틸로 제조된 FSSJ 점 용접 공구이다.
도 3A는 랩 조인트에서 두 개의 알루미늄 워크피스 위에 있는, 도 2의 FSSJ 점 용접 공구의 사시도이다.
도 3B는 랩 조인트에서 두 개의 알루미늄 워크피스로 삽입되는 도 2의 FSSJ 점 용접 공구의 사시도이다.
도 4는 마찰교반점조인트의 클로즈업 사시도이다.
도 5는 종래 기술의 표면 피쳐를 가진 FSSJ 공구의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 나타난 FSSJ 공구의 사시도이고, 여기서 FSSJ 공구는 표면 피쳐가 없다.
도 7은 AHSS의 FSSJ 수행에 사용될 수 있는 핀과 숄더 프로필의 제2 실시예의 클로즈업 사시도이다.
도 8은 하이브리드 열생성을 위한 유도 코일의 사시도를 나타내는 제3 실시예이다.

이제, 도면을 참조해 보면, 당업자가 본 발명을 이용할 수 있도록 하기 위하여 본 발명이 논의될 것이며 본 발명의 여러 요소들이 도면부호로 표시되어 있다. 하기 내용은 본 발명의 원리를 단지 예시한 것이며 청구항의 범위를 좁게 보는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.

본 발명은 AHSS 워크피스를 어떻게 결합하느냐의 문제를 풀기 위해 두 가지 다른 접근을 사용한다. 그러나, 본 발명의 고안에 대한 주된 동기는, 개선된 가스 마일리지를 낳는, 자동차의 구조 내에 강하나 가벼운 재료를 용접할 수 있도록 하기 위하여 자동차에 사용되는 AHSS의 FSSJ를 가능하게 하는 것인 반면, 본 발명의 원리는 단지 AHSS만이 아닌 많은 다양한 재료에 적용가능하다.

첫 번째 접근은 공구 피쳐와 FSSJ 공구의 작업의 조합이다. 도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 사용될 수 있는 FSSJ 공구의 사시도이다. 도 2 내지 도 5에 예시된 종래 기술에서 사용되는 공구와 대비하여, 본 발명은 모든 표면 피쳐를 제거한다. 도 6에 도시된 바와 같이, FSSJ 공구(50)는 핀(52), 숄더(54)를 포함하고, 표면 피쳐를 포함하지 않는다. 제거된 표면 피쳐는 핀(52)의 나사 및/또는 숄더(54), 플랫 및 공구 면 프로필에서 연장되거나 돌출되는 다른 피쳐이다.

표면 피쳐이 핀(52)과 숄더(54) 또는 핀이 없다면 숄더로부터 제거되면, FSSJ 공구(50)는 다른 FSSJ 공구에 비해 높은 속력으로 회전한다. 바람직하게 작동하기 위하여, FSSJ 공구(50)는 400 RPM 이상의 속력으로 회전하는 것이 필요하다는 점이 결정되었다. 이것은 FSSJ로부터 극적인 패러다임 전환이고, 재료의 "벌크" 레이어는 표면 피쳐에 의해 FSW 동안 공구 주위에서 움직인다.

표면 피쳐이 없는 FSSJ 공구(50)를 사용하고, 4000 RPM으로 회전할때, 적어도 두 개의 현저한 결과가 발생한다. 첫째, 더 높은 RPM에서, FSSJ 공구(50) 상에 더 작은 토크가 있다. 둘째, FSSJ 공구와 워크피스의 경계면("공구/워크피스 경계면")은 빠른 가열을 겪게된다. FSSJ 공구(50)가 워크피스에 삽입될 때에, 워크피스는 이 공구/워크피스 경계면에서 가열되고, 이 열은 공구/워크피스 경계면으로부터 멀리 전달되어서 공구 프로필 주위의 벌크한 재료를 가열한다.

현저한 것은 효과적으로, FSSJ 공구(50)의 높은 RPM은 FSW의 전형적인 거시적 단위(macroscopic scale) 보다는 미시적 단위(microscopic scale)에서 연화를 만든다.

결과는, 자동차 구조에서 사용되는 시트 금속과 같은 워크피스가 기존의 조립체 로보트의 로보트 팔(robotic arm)에서 작동할 수 있는 공구 조립체(tool assembly)의 FSSJ 공구를 사용하여 결합 될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예의 또 다른 결과는, FSSJ 장비를 개발하고 조립하는데 사용되는 종래의 FSW 설계 패러다임에서 근본적으로 벗어날 수 있다는 것이다. 장비는 50,000 RPM과 같이 높은 FSSJ 공구 RPM으로 조작할 수 있어야 한다. 더욱이, 특별한 정확 밸런스 공구 홀딩 시스템(precision balanced tool holding system)은 FSSJ 공구를 정확하게 잡는데 사용될 수 있고, 스핀들 베어링(spindle bearing)은 4000 RPM 이상의 속력에 대하여 설계되어야 하며, 또한 특별한 스핀들 모터도 요구된다.

본 발명의 대안적인 실시예에서, 제1 실시예의 변형은 FSSJ 공구에서 다양한 위치에서 다양한 마찰 결합(frictional couple)을 갖기 위하여, FSSJ 공구(50)를 조립하기 위한 다른 공구 재료를 사용하는 것을 포함한다. 즉, FSSJ 공구(50)에 다양한 위치에 다양한 재료를 사용함에 의해, FSSJ 공구의 일부 파트가 FSSJ 공구가 접촉하는 재료에서 FSSJ 공구의 다른 파트보다 더 많은 열이 발생하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 AHSS의 FSSJ를 가능하게 하나, 다른 재료 또한 본 발명을 사용하여 용접될 수 있다. 이들 재료는 자동차의 구성에 현재 사용되고 있는 모든 것들을 포함하고, 청구항의 범위 이내로 간주되어야 한다.

본 발명의 제2 실시예에서, 또 다른 FSSJ 공구(60)가 제공되고, 이는 도 6의 FSSJ 공구(50)에 관련된다. 도 7에서, FSSJ 공구(60) 또한 "특징없음"으로 분류될 수 있다. 그러나, 이는 숄더(54) 및 원뿔대형 에지(58)를 가진 핀(52)을 포함하는 도 6의 FSSJ 공구(50)와 달리, 제2 실시예의 핀(62)은 어떠한 모서리를 갖지 않은 돔(doom)형이다.

제1 실시예의 FSSJ 공구(50)의 에지(58)가 FSSJ 공구의 회전 경로를 방해하는 피쳐를 갖지 않기 때문에, 제1 실시예의 FSSJ 공구(50)의 에지(58)는 FSSJ 공구의 회전을 방해하지 않다는 점에 유의해야 한다.

따라서, 본 발명의 일면은 임의의 FSSJ 공구(50)가 본 발명의 청구항의 범위 이내로 간주될 수 있다는 것이고, 이는 워크피스 재료를 잡을 수 있는 표면 피쳐를 포함하거나 공구 주위의 증가된 흐름을 야기하지 않는다. 따라서, 피쳐없는 FSSJ 공구가 높은 속력에서 회전하고 워크피스에 삽입될 때 발생하는 것 이상으로 FSSJ 공구(50)가 워크피스 재료를 진동시키는 피쳐를 제거하는 것이 중요하다. 즉, 표면 피쳐를 제거함에 의하여, FSSJ 공구(50)는 FSSJ 공구의 최소 양의 토크로 빠르게 회전할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에서, "피쳐없음" 설계는 본질적으로 평활한 핀 및 숄더이다. 그러나, 대안적인 실시예에서, FSSJ 공구가 4000 RPM 보다 큰 속력으로 회전하는 것을 막지 않는 일부 피쳐를 포함하는 것은 가능하다. 즉, 일부 피쳐는 FSSJ 공구 상의 회전 속력 또는 토크에 대한 최소의 영향력을 가지는 것이 포함될 수 있다.

따라서, 일 실시예에서, FSSJ 공구 상의 표면 피쳐없음이 FSSJ 공구 지름의 대략 10% 보다 큰 것은 여전히 본 발명의 범위 이내이다.

본 발명의 다른 면에서, 단열체가 FSSJ 공구와 FSSJ 공구를 잡고 회전하는 공구 손잡이 사이에 배치된다. FSSJ 공구는 액체 냉각 흐름 또는 가스 흐름을 사용하여 FSSJ 공구를 냉각 상태로 유지시킬 수 있다. FSSJ 공구의 숄더는 볼록하다. 비활성 쉴딩 가스(inert shielding gas)는 FSSJ 공구 주위에 사용되어, FSSj 공정 동안 워크피스 흐름을 개선시킬 수 있다. 또한, 핀의 말단부는 FSSJ 공구 반지름의 1.1 % 보다 항상 큰 반지름을 가져야 한다.

본 발명의 제2 실시예에서, FSSJ 공구(30)의 회전 속도를 증가 및 표면 피쳐의 제거 대신에, 워크피스(70)의 흐름을 유발하는데 사용되는 종래의 표면 피쳐 중 어느 하나를 포함하는 종래의 FSSJ 공구가 사용된다. 종래의 FSSJ 공구(30)을 사용하는 열쇠는 워크피스(70)에 열을 가해서, 이에 의해 종래의 회전 속도와 종래의 표면 피쳐를 가지고서, 워크피스가 흐를수 있는 능력을 증가시키는 것이다. 열을 가하는 한 방법은 코일(72)을 통해서다.

구체적으로, 공구, 워크피스(70) 또는 공구와 워크피스에 열의 적용이 가능하게 하는 수정된 FSSJ 공구(30)는, 전형적인 FSW 속력에서 회전할 때에, FSSJ 공구를 사용하는 것은 스틸과 알루미늄을 기능적으로 용접하는데 또한 사용될 수 있도록 한다. 제2 실시예에서, 가열의 목적은 FSSj 공정 동안, 워크피스(70) 재료의 흐름을 개선하는 것이다. 열을 가하는 것은 FSSj 공정의 다른 단계 동안에 사용될 수 있다. 열이 언제 그리고 어디에 가해야 하는 지에 관한 몇몇의 요인은 점 용접될 특정 워크피스(70) 재료, FSSJ 공구(30)의 형상, 쉴딩 가스의 사용자 및 FSSJ 공구 상에 있는 표면 피쳐를 포함한다.

열이 가해질 수 있는 시간과 위치는 FSSJ 이전, FSSJ 동안 및/또는 FSSJ 이후에 워크피스를 포함한다. 이와 같이, FSSJ 이전, 동안 및/또는 이후에 공구와 접촉을 통하여 워크피스에 열을 가하기 위하여 FSSJ 공구 자체에 열이 가해질 수 있다.

FSSJ 공구 및/또는 워크피스를 가열하는데 임의의 수단이 사용될 수 있고, 이는 본 발명의 청구항의 범위 이내에 간주되어야 한다. 가열 방법은 유도가열(induction heating) 및 저항가열(resistive heating)을 포함하나 이것으로 제한되지 않아야 한다.

위에서 기술된 장치들은, 단지, 본 발명의 원리를 예시한 것임을 이해해야 한다. 당업자들에 의해, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도 다수의 변형예들과 대안의 장치들이 고안될 수 있다. 하기 청구항들은 이러한 변형예들과 대안의 장치들을 다루기 위한 것이다.

Claims (19)

1. 금속 워크피스의 마찰교반점조인트(FSSJ)를 수행하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
   1) 생크(shank), 숄더 및 핀을 포함하는 FSSJ 공구를 제공하는 단계, 여기서, 숄더와 핀은 평활한 표면을 가지고 FSSJ 공구 프로필에서 연장되거나 돌출되는 피쳐를 갖지 않음;
   2) 4000 분당 회전수(RPM) 보다 큰 속도에서 FSSJ 공구를 회전하는 단계; 및
   3) FSSJ 공구를 적어도 두 개의 금속 워크피스에 삽입하고, 그 후에, FSSJ 공구를 제거하여서, 적어도 두 개의 금속 워크피스가 점 용접되는 단계를 포함하는 상기 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 고급 고장력 스틸(Advanced High Strength Steels; AHSS), 스틸 및 알루미늄으로 구성된 재료의 그룹에서 적어도 두 개의 금속 워크피스를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 원뿔대형을 가진 핀을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 돔형을 가진 핀을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 FSSJ 공구에서 표면 피처를 제거함에 의해 FSSJ 공구의 토크를 감소시키는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 공구/워크피스 경계면을 빠르게 가열하는 단계를 더 포함하되, 여기서, 공구/워크피스 경계면은 FSSJ 공구가 적어도 두 개의 워크피스의 임의의 부분과 접촉하는 곳인 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 적어도 두 개의 워크피스에 거시적 마찰교반효과를 감소시키는 단계를 더 포함하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 FSSJ 공구에서 다른 공구 재료를 사용하는 단계를 더 포함하여, 이에 의해, FSSJ 공구의 다양한 위치에서 다양한 마찰 결합을 얻게 되는 방법.
9. 금속 워크피스의 마찰교반점조인트(FSSJ)를 수행하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
   1) 생크(shank), 숄더 및 핀을 포함하는 FSSJ 공구를 제공하는 단계, 여기서, 숄더와 핀은 FSSJ 공구 프로필에서 연장되거나 돌출되는 피쳐를 가짐;
   2) 4000 분당 회전수(RPM) 보다 큰 속도에서 FSSJ 공구를 회전하는 단계; 및
   3) FSSJ 공구를 적어도 두 개의 금속 워크피스에 삽입하고, 그 후에, FSSJ 공구를 제거하여서, 적어도 두 개의 금속 워크피스가 점 용접되는 단계를 포함하는 상기 방법.
10. 제 9 항에 있어서, FSSJ 공구 지름의 10%보다 작은 피쳐를 제작하는 단계를 더 포함하는 방법.
11. 금속 워크피스의 마찰교반점조인트(FSSJ)를 수행하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    1) 생크(shank), 숄더 및 핀을 포함하는 FSSJ 공구를 제공하는 단계, 여기서, 숄더와 핀은 FSSJ 공구 프로필에서 연장되거나 돌출되는 피쳐를 가짐;
    2) FSSJ 공구를 가열하기 위한 수단을 제공하여, 이에 의해, FSSJ 공구와 접촉하는 적어도 두 개의 워크피스의 적어도 일 부분을 좀 더 빨리 가열하고, 이에 의해, FSSJ 공구 주위의 적어도 두 개의 워크피스의 흐름 속도를 증가시키는 단계; 및
    4) FSSJ 공구를 적어도 두 개의 금속 워크피스에 삽입하고, 그 후에, FSSJ 공구를 제거하여서, 적어도 두 개의 금속 워크피스가 점 용접되는 단계를 포함하는 상기 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 적어도 두 개의 워크피스를 가열하여 이에 의해, FSSJ 공구 주위의 적어도 두 개의 금속 워크피스의 흐름 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 방법은 FSSJ 공구가 적어도 두 개의 워크피스에 점 용접을 만들기 전, 동안 또는 그 후에, FSSJ 공구와 적어도 두 개의 워크피스를 선택적으로 가열하는 단계를 더 포함하는 방법.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 방법은 유도 가열과 저항 가열을 포함하는 가열 수단의 그룹에서 FSSJ 공구와 적어도 두 개의 워크피스를 가열하는 수단을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
15. 금속 워크피스의 마찰교반점조인트(FSSJ)를 수행하기 위한 시스템에 이TDj서, 상기 시스템은,
    생크, 숄도 및 핀을 포함하는 FSSJ 공구, 여기서, 숄더와 핀은 평활한 표면을 가지고 FSSJ 공구 프로필에서 연장되거나 돌출되는 피쳐를 갖지 않음; 및
    4000 분당 회전수(RPM) 보다 큰 속도에서 FSSJ 공구를 회전시키기 위한 회전수단을 포함하는 시스템.
16. 제 15 항에 있어서, 적어도 두 개의 금속 워크피스는 고급 고장력 스틸(Advanced High Strength Steels; AHSS), 스틸 및 알루미늄으로 구성된 재료의 그룹에서 선택되는 시스템.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 핀은 원뿔대형인 시스템.
18. 제 15 항에 있어서, 상기 핀은 돔형인 시스템.
19. 제 15 항에 있어서, FSSJ 공구는 다른 공구 재료를 더 포함하여, 이에 의해 FSSJ 공구의 다양한 위치에서 다양한 마찰 결합을 얻는 시스템.

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