KR20130062765A - 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치 및 방법 - Google Patents

마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치 및 방법 Download PDF

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김성진
박규열
홍성태
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세종공업 주식회사
울산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 마찰교반용접/마찰교반점용접 시에 소재들 사의 접합부에서 발생하는 결함(defect)을 효과적으로 모니터링함으로써 마찰교반용접/마찰교반점용접의 품질을 향상시킬 수 있는 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법은 공구를 구동시켜 소재와 소재를 마찰교반용접 또는 마찰교반점용접하여 접합하는 용접단계; 상기 용접단계 중에 소재들 사이의 접합부 측에서 생성되는 음향방출 신호를 음향방출센서에 의해 검출하여 이를 전기적 신호로 변환하는 음향방출 검출단계; 및 상기 음향방출 검출단계에서 생성된 음향방출 신호의 진폭변화를 시간의 함수에 따른 그래프 형태로 표시하는 표시단계;로 이루어진다.

Description

마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING OF FRICTION STIR WELDING AND FRICTION STIR SPOT WELDING PROCESS}
본 발명은 마찰교반용접/마찰교반점용접 시에 소재들 사의 접합부에서 발생하는 결함(defect)을 효과적으로 모니터링함으로써 마찰교반용접/마찰교반점용접의 품질을 향상시킬 수 있는 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치 및 방법에 관한 것이다.
대표적인 경량화 소재인 알루미늄(Al) 합금은 최근 자동차 산업에서 강하게 일고 있는 경량화 추세와 맞물려 자동차 차체 섀시(chassis) 분야에의 응용이 빠른 속도로 확산되고 있다. 그러나, 알루미늄 합금은 용융용접 시 고온균열 및 용접변형 등이 발생하기 쉽다는 취약점을 가지고 있다. 특히 차체 섀시 제조의 주요 공정으로서 부품간의 랩(Lap) 접합이 사용되고 있음을 고려할 때 알루미늄 합금의 낮은 용접성은 자동차 산업에서 알루미늄 합금의 보급 확대를 위해서 반드시 극복해야 할 문제점이라고 할 수 있다.
이와 같은 알루미늄 합금의 낮은 용접성을 극복할 수 있는 대표적인 신기술로서 고상접합공정의 일종인 마찰교반용접((Friction Stir Welding: FSW)이 주목받고 있다. 자동차 산업에서 주목을 받고 있는 새로운 생산 공정들 중의 하나인 마찰교반용접(FSW; Friction Stir Weling)은 동종 혹은 이종 소재간의 접합이 소재의 용융점 이하에서 고형상태로 이루어지는 비용융 접합방법으로, 이러한 마찰교반용접은 기존의 용융접합 공정들에 비해, 용접 결함이 작고, 잔류응력이 낮으며, 우수한 피로강도 및 높은 연성과 인성을 가지고, 이종소재 혹은 일반적인 용접방법으로는 용접이 힘들거나 불가능한 소재의 용접이 가능하고, 현격한 에너지/생산비용의 절감을 구현하며, 공정 중 자외선이나 스패터가 발생하지 않는 친환경적인 공법이 장점이 있다.
그리고, 마찰교반용접(FSW)에서 파생된 마찰교반점용접(Friction Stir Spot Welding: FSSW)은 마찰교반용접(FSW)과 마찬가지로 회전마찰에 의한 가열 및 재료의 소성유동을 응용한 고상접합 방법으로 모재를 용융시키지 않아 변형이 극히 적고 용접 후 외관의 상태가 좋아 고품질의 접합부를 얻을 수 있으며 소음 및 유해광선의 발생이 없기 때문에 환경 친화적인 접합방법이다. 또한, 마찰교반점용접(FSSW)은 알루미늄 합금의 용융식 Spot용접을 대체할 수 있는 자동차 분야의 새로운 알루미늄 합금 점용접법으로 주목 받고 있다.
이러한 마찰교반용접(FSW) 또는 마찰교반점용접(FSSW)은 공정의 원리가 기존의 용융식 Spot용접과 확연히 다르므로, 소재와 소재 사이의 접합부에 대한 용접품질을 보장할 수 있는 공정 모니터링기법의 개발이 시급히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 마찰교반용접/마찰교반점용접 시에 음향방출의 진폭변화를 통해 소재들 사이의 접합부에서 발생하는 결함(defect)을 효율적으로 모니터링함으로써 마찰교반용접/마찰교반점용접에 의한 소재들 사이의 접합부에 대한 용접품질을 향상시킬 수 있는 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치로서,
소재와 소재를 마찰교반용접 또는 마찰교반점용접에 의해 접합하는 공구;
상기 공구에 인접하여 배치되고, 소재들 사이의 접합부에서 생성된 음향방출신호를 검출하는 하나 이상의 음향검출센서;
상기 음향검출센서에 전기적으로 접속되어 음향방출센서에 의해 검출된 음향방출신호를 증폭하는 증폭기; 및
상기 증폭기에 전기적으로 접속되고, 음향방출신호를 시간의 함수에 따른 그래프 형태로 표시하는 모니터;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법으로,
공구를 구동시켜 소재와 소재를 마찰교반용접/마찰교반점용접하여 접합하는 마찰교반용접/마찰교반점용접단계;
상기 마찰교반용접/마찰교반점용접단계 중에 소재들 사이의 접합부 측에서 생성되는 음향방출 신호를 음향방출센서에 의해 검출하여 이를 전기적 신호로 변환하는 음향방출 검출단계; 및
상기 음향방출 검출단계에서 생성된 음향방출 신호의 진폭변화를 시간의 함수에 따른 그래프 형태로 표시하는 표시단계;로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 마찰교반용접/마찰교반점용접 시에 음향방출(acoustic emission)신호에 의해 소재들 사이의 접합부에서 발생하는 결함(defect)을 효과적으로 모니터링함으로써 마찰교반용접/마찰교반점용접의 용접품질을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법을 도시한 공정도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치는 소재(11)와 소재(12)를 구동시켜 접합시키는 공구(10), 공구(10)에 인접하여 배치되어 소재(11, 12)들 사이의 접합부에서 생성된 음향방출 신호를 검출하는 하나 이상의 음향검출센서(15), 음향검출센서(15)에 전기적으로 접속된 증폭기(17), 및 증폭기(17)에 전기적으로 접속되는 모니터(19)를 포함한다.
공구(10)는 회전하면서 소재(11, 12)의 접합부를 마찰교반용접 또는 마찰교반점용접에 의해 접합하도록 구성된다.
한편, 공구(10)는 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW), 마찰교반점용접(Friction Stir Spot Welding; FSSW) 중에서 어느 하나의 용접을 수행할 수 있다. 예컨대, 공구(10)가 회전하면서 소재(11, 12)들의 접합부를 따라 길이방향으로 이동하면서 마찰교반용접(friction stir welding)을 수행할 수도 있고, 이와 달리 공구(10)가 회전하여 소재(11, 12)들 사이의 일정 지점에 삽입되어 마찰교반함에 따라 소재(11)와 소재(12)를 용접하는 마찰교반점용접(friction stir spot welding)공정을 수행할 수도 있다.
음향방출센서(15)는 압전소자를 가지고, 이러한 압전소자는 수정, 로셸염, 티탄산바륨 등의 결정에 변형력을 가하면 그 변형력에 비례하는 전하가 생기는 압전현상을 이용한 소자이다. 이러한 음향방출센서(15)는 표준 반정합(AC) 시리즈 센서, 광대역 센서(broadband sensors), 소형센서(miniature sensors), 방향성 센서(directional sensors), 극한환경 및 고온센서(severe environment and high temperature sensor), 내장형 프리증폭기 센서(integral pre-amplifier sensors), 고유 안전센서(intrinsically safe sensor), 수중센서(underwater sensor), 바퀴형 센서(wheeled sensors) 등이 이용된다.
증폭기(17)는 음향방출센서(15)에서 수신된 신호를 증폭하는 장치로서, 음향방출센서(15)로부터의 출력은 보통 증폭기 입력환산으로 수 ㎶에서 수 ㎷정도의 미약한 신호이므로 증폭이 필요하고, 대개의 겨우 40㏈/60㏈로 증폭한다.
모니터(19)는 음향방출센서(15)에서 검출된 음향방출 신호의 진폭을 시간에 따른 그래프 형태로 표시하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법을 도시한 공정도이다.
본 발명에 의한 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법은 도 1의 모니터링장치를 이용하여 마찰교반용접/마찰교반점용접 시에 소재(11)와 소재(12)의 접합부에 있는 결함(defect)을 모니터링한다.
본 발명에 의한 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법은 용접단계(S1), 음향방출 검출단계(S2), 표시단계(S3)로 이루어진다.
용접단계(S1)에서는 공구(10)를 구동시켜 소재(11)와 소재(12)를 마찰교반용접 또는 마찰교반점용접하여 접합시킨다. 앞서 언급한 바와 같이, 공구(10)는 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW), 마찰교반점용접(Friction Stir Spot Welding; FSSW) 중에서 어느 하나의 용접을 수행할 수 있다. 예컨대, 공구(10)가 회전하면서 소재(11, 12)들의 접합부를 따라 길이방향으로 이동하면서 마찰교반용접(friction stir welding)을 수행할 수도 있고, 이와 달리 공구(10)가 회전하여 소재(11, 12)들 사이의 일정 지점에 삽입되어 마찰교반함에 따라 소재(11)와 소재(12)를 용접하는 마찰교반점용접(friction stir spot welding)공정을 수행할 수도 있다.
음향방출 검출단계(S2)에서는 용접(S1) 도중에 소재(11, 12)들 사이의 접합부 측에서 생성되는 음향방출 신호를 음향방출센서(15)에 의해 검출하여 이를 전기적 신호로 변환한다.
소재(11)와 소재(12) 측에 공구(10)의 마찰교반작용 또는 소재(11, 12)의 접합부 내부에서 작용하는 하중에 의해 변형 또는 내부균열의 발생과 성장 등과 같은 결함(defect)이 있으면, 이러한 결함에 에너지가 축적되고, 축적된 에너지는 파면형상에너지, 열에너지, 격자변형에너지 등의 형태로 공급의 형성과 더불어 급격한 해상에 의해 탄성응력파를 발생시킨다. 이때, 발생한 탄성응력파는 소재(11, 12)의 접합부를 따라 사방으로 진동해가며, 음향방출센서(15)의 압전소자에 의해 전기적인 신호로 계측 변환된 후에 증폭기(17)를 통해 증폭될 수 있다.
표시단계(S3)에서는 도 3 및 도 4와 같이 음향방출 검출단계에서 검출된 음향방출 신호의 진폭변화를 시간에 따른 그래프 형태로 모니터(19) 상에 표시한다. 이렇게 시간의 함수에 따른 진폭변화를 나타낸 그래프를 이용하여 소재(11, 12)의 접합부에서 생성되는 결함(defect)을 매우 간편하고 신속하게 모니터링할 수 있다.
(실험예)
도 3은 소재(11)와 소재(12)를 공구(10)에 의해 마찰교반점용접하는 도중에 소재(11, 12)의 접합부에서 발생되는 결함을 시간의 함수에 따른 음향방출신호의 진폭변화를 나타낸 그래프로서, 각 소재(11, 12)는 그 두께가 3mm인 알루미늄시트이다.
그리고, 도 4는 두께가 6mm인 알루미늄시트의 음향방출신호를 검출한 그래프로서, 도 3의 경우와 동일한 조건에서 음향방출신호의 진폭변화를 시간의 함수로 나타낸 것이다.
한편, 도 3은 3mm 두께의 알루미늄시트 2장이 적층되고, 도 4는 6mm 두께의알루미늄시트 1장이므로, 그 각각의 비교예들은 두께가 동일하다.
도 3 및 도 4에서, A점은 공구(10)의 공구핀(13)이 상측 소재(11)와 접촉하기 시작하는 점이고, B점은 공구핀(13)이 상측 소재(11)를 관통하여 하측 소재(12)의 상면과 접촉하기 시작하는 점이며, D점은 공구핀(13)이 하측 소재(12)로부터 빠져나오는 시점이다.
도 3 및 도 4를 비교하여 보면, 도 3을 살펴보면, 상측 소재(11)와 하측 소재(12)가 마찰교반점용접됨에 따라 그 접합부에 해당하는 B-C구간에서는 음향방출신호의 진폭이 급격하게 변동되고, 이에 불연속적인 진폭변화가 확실하게 관찰됨을 알 수 있었다.
이에 반해, 도 4에서, B-C구간에서 음향방출신호의 진폭이 급격하게 변동됨이 발견되지 않고 연속적인 진폭변화가 확실하게 관찰됨을 알 수 있었다.
이로부터, 도 4와 같이 단일의 알루미늄시트에 대해 음향방출신호를 검출함에 따라 그 내부에 결함이 거의 발견되지 않음을 알 수 있었고, 도 3과 같이 2개의 소재(11, 12)들이 마찰교반점용접될 때 그 접합부에서 다양한 결함(defect)이 쉽게 관찰됨을 알 수 있었다.
10: 공구 11, 12: 소재
13: 공구핀 15: 음향방출센서
17: 증폭기 19: 모니터

Claims (2)

  1. 소재와 소재를 마찰교반용접 또는 마찰교반점용접에 의해 접합하는 공구;
    상기 공구에 인접하여 배치되고, 소재들 사이의 접합부에서 생성된 음향방출신호를 검출하는 하나 이상의 음향검출센서;
    상기 음향검출센서에 전기적으로 접속되어 음향방출센서에 의해 검출된 음향방출신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 증폭기에 전기적으로 접속되고, 음향방출신호를 시간의 함수에 따른 그래프 형태로 표시하는 모니터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링장치.
  2. 공구를 구동시켜 소재와 소재를 마찰교반용접 또는 마찰교반점용접하여 접합하는 용접단계;
    상기 용접단계 중에 소재들 사이의 접합부 측에서 생성되는 음향방출 신호를 음향방출센서에 의해 검출하여 이를 전기적 신호로 변환하는 음향방출 검출단계; 및
    상기 음향방출 검출단계에서 생성된 음향방출 신호의 진폭변화를 시간의 함수에 따른 그래프 형태로 표시하는 표시단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 및 마찰교반점용접 모니터링방법..
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