KR20140131306A - Apparatus and method for friction stir welding - Google Patents

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KR20140131306A
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이목영
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

The present invention relates to a friction stir welding apparatus and a friction stir welding method, capable of uniformly bonding a welding part by measuring the surficial temperature of the welding part and comparing the surficial temperature with a reference value to control the rotational speed of a tool when performing a friction stir welding process. The present invention provides a friction stir welding apparatus including a friction stir welding tool inserted into a target welding material and rotated so that bonding is achieved by friction and stirring. The friction stir welding apparatus includes: a temperature measuring unit provided on the target welding material to measure the temperature of a specific point during the friction stir welding process; a calculator to receive the temperature value measured from the temperature measuring unit to calculate a differential value between the preset reference value with the temperature value; and a control unit to receive the differential value from the calculator to control the rotational speed of the tool depending on the differential value.

Description

마찰교반용접 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FRICTION STIR WELDING}[0001] APPARATUS AND METHOD FOR FRICTION STIR WELDING [0002]

본 발명은 마찰교반용접 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰교반용접시 용접부 표면 온도를 측정하여 기준값과 비교하여 툴의 회전속도를 제어함으로써 용접부 성능이 균일한 접합을 실시할 수 있도록 개선된 마찰교반용접 장치 및 그 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a friction stir welding apparatus and method thereof, and more particularly, to a friction stir welding apparatus and method thereof, and more particularly, To an improved friction stir welding apparatus and a method thereof.

마찰교반용접은 툴과 소재의 물리적 마찰에 의하여 발생하는 열을 이용하여 피용접부를 가열하고, 툴의 단부에 형성된 핀을 이용하여 가열된 소재에 소성유동을 형성하여 접합하는 일종의 고상접합법이다. The friction stir welding is a solid state bonding method in which the welded portion is heated by using heat generated by physical friction between the tool and the workpiece, and a plastic flow is formed in the heated workpiece by using fins formed at the end portion of the tool.

이러한 기술은 용융온도 이하에서 접합을 하므로, 청결하고 용접부 물성이 우수하여 알루미늄, 마그네슘 등 융점이 낮은 소재에 널리 사용되고 있다.These techniques are widely used for materials having a low melting point such as aluminum and magnesium because they are bonded at a temperature below the melting temperature and are clean and have excellent physical properties of welded parts.

그리고 마찰교반용접은 반용융 상태의 고상에서 소성유동에 의하여 접합이 이루어지기 때문에 접합 품질은 툴 형상, 툴 회전속도, 이송속도 등 접합공정변수에 크게 영향을 받는다. Since the friction stir welding is performed by the plastic flow at the solid phase in the semi-molten state, the bonding quality is greatly influenced by the joining process parameters such as tool shape, tool rotation speed, and feed rate.

따라서 접합상태에 관한 정보를 바탕으로 접합 품질을 관찰하여 접합 상태가 부적합한 경우, 접합 조건을 변경하여 최적의 접합이 이루어지도록 하여야 한다.Therefore, it is necessary to observe the bonding quality based on the information on the bonding state, and to change the bonding conditions when the bonding state is inadequate, so that the optimal bonding is achieved.

그러나, 마찰교반용접에서 접합은 툴 아래의 소재 내부에서 진행되기 때문에 접합상태를 확인하기가 매우 어렵다.However, in friction stir welding, it is very difficult to confirm the bonding state because the bonding proceeds inside the material under the tool.

이러한 문제를 해결하기 위하여 미국 공개특허 US 2004/0129763 A1(2004.7.8)(System and associated friction stir welding (FSW) assembly, controller and method for performing a friction stir welding operation)에서는 마찰교반용접에서 툴에 작용하는 토크를 측정하고, 그것을 기준값과 비교하여 용접공정변수를 제어하는 방안을 고안하였다.In order to solve this problem, US patent application US 2004/0129763 A1 (2004.7.8) (System and associated friction stir welding (FSW) assembly, controller and method for performing a friction stir welding operation) And comparing it with a reference value to control the welding process parameters.

그러나, 상기한 미국 공개특허 기술은, 토크는 용접부 내부의 상태를 나타내기에는 부적합하다.However, in the above-mentioned U.S. patent, the torque is not suitable for indicating the state inside the welded portion.

그리고 미국 공개특허 US 2011/0172802 A1(2011.7.14)에서는 마찰교반용접에서 툴의 온도를 측정하고 그 것을 기준값과 비교하여 용접공정변수를 제어하는 방안을 고안하였다.In U.S. Patent Application Publication No. US 2011/0172802 A1 (July 14, 2011), a method of controlling the welding process parameters by measuring the temperature of the tool in friction stir welding and comparing it with a reference value has been devised.

그러나, 상기한 공개특허 기술은, 툴의 온도는 용접부 상태를 나타내기에는 부적합하다. However, in the above-mentioned patent, the temperature of the tool is not suitable for indicating the state of the welded portion.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 마찰교반용접시 용접부 표면의 온도를 측정하고, 이를 기준값과 비교하여 툴의 회전속도를 제어하여 용접부의 품질을 일정하게 유지되도록 한 마찰교반용접 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a friction stir welding method and a friction stir welding method in which the temperature of a weld surface is measured during friction stir welding, And an object of the present invention is to provide a welding apparatus and a method thereof.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마찰교반용접 장치는, 피용접재에 삽입 회전하여 마찰 및 교반 작용에 의해 접합이 이루어지게 하는 마찰교반용접용 툴을 포함하는 마찰교반용접 장치에 있어서, 상기 피용접재의 상부에 설치되어 상기 마찰교반용접 중 특정 지점의 온도를 측정하는 온도측정장치와; 상기 온도측정장치에서 측정한 온도값을 수신하여, 미리 입력된 기준값과의 차이값을 계산하는 계산기와; 상기 차이값을 상기 계산기로부터 수신하여, 상기 차이값에 따라 상기 툴의 회전속도를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a friction stir welding apparatus according to the present invention is a friction stir welding apparatus including a tool for friction stir welding which is inserted into a member to be welded and made to be joined by friction and stirring action, A temperature measuring device installed at an upper portion of the welded material to measure a temperature at a specific point in the friction stir welding; A calculator for receiving a temperature value measured by the temperature measuring device and calculating a difference value from a previously inputted reference value; And a controller receiving the difference value from the calculator and controlling the rotational speed of the tool in accordance with the difference value.

본 발명에 있어서, 상기 온도측정장치는, 상기 툴 외주 후방의 용접부의 표면온도를 측정한다.In the present invention, the temperature measuring apparatus measures a surface temperature of a welded portion behind the tool periphery.

그리고 상기 온도측정장치는, 상기 툴 후방으로 플래시 후방의 1지점 이상의 임의 위치에서 방사되는 광에너지를 측정하는 적외선 온도 측정장치를 포함하여 된다.The temperature measuring apparatus may include an infrared ray temperature measuring device for measuring light energy radiated from an arbitrary position at least one point behind the flash toward the rear of the tool.

또한 상기 온도측정장치의 온도측정 지점은 상기 플래시 후방으로부터 50mm 이내이고, 상기 온도측정장치는 측정하는 온도 측정 지점의 크기가 상기 툴 직경의 5~80%가 되도록 설치된다.Further, the temperature measuring point of the temperature measuring apparatus is set within 50 mm from the back of the flash, and the temperature measuring apparatus is installed such that the temperature measuring point to be measured has a size of 5 to 80% of the tool diameter.

또한 상기 피용접재는 마그네슘합금 또는 알루미늄합금이다.Further, the material to be welded is a magnesium alloy or an aluminum alloy.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마찰교반용접 방법은, 회전 가능한 툴이 피용접재에 삽입되어 마찰교반용접이 이루어지는 마찰교반용접 방법에 있어서, (a) 상기 피용접재를 장착하고, 용접 조건을 설정하는 단계와; (b) 상기 마찰교반용접을 시작하여 피용접재에 용접부를 형성하는 단계와; (c) 상기 피용접재의 용접부 표면 온도를 온도측정장치에 의해 측정하는 단계와; (d) 상기 온도측정장치에 의해 측정된 용접부의 표면 온도의 측정값을 수신한 계산기가 측정값과 이미 입력된 기준값과의 차이값을 계산하는 단계와; (e) 상기 단계 (d)에서 구한 차이값을 제어기가 수신하여, 상기 차이값이 0이라고 판단되면, 상기 측정값을 측정한 용접부가 용접 종료 지점인지 판단하는 단계와; (f) 상기 단계 (e)에서, 용접 종료 지점이라고 판단이 되면, 상기 툴의 용접 작동을 정지시키고, 상기 툴을 상부로 상승시키는 단계;를 포함하되, 상기 단계 (e)에서, 상기 단계 (d)에서 구한 차이값이 0이라고 판단되지 않으면, 상기 툴의 스핀들의 속도를 변화시키는 단계를 더 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a friction stir welding method comprising the steps of: (a) mounting the welded material; Setting a welding condition; (b) starting the friction stir welding to form a weld in the welded material; (c) measuring a surface temperature of the welded portion of the welded material by a temperature measuring device; (d) calculating a difference value between a measurement value and a reference value already input by the calculator, which has received the measurement value of the surface temperature of the welded portion measured by the temperature measurement device; (e) when the controller receives the difference value obtained in the step (d), and determines that the difference value is 0, determining whether the welded portion measuring the measured value is a welding end point; (e) stopping the welding operation of the tool and raising the tool upward when it is judged in the step (e) that the welding end point is present, wherein in the step (e) and changing the speed of the spindle of the tool if the difference value obtained in step d) is not 0.

본 발명에 있어서, 상기 단계 (d)에서, 상기 차이값(ΔT)은, 목표온도(T목표)－측정값(T)이고, 상기 기준값은 상기 용접부 성능이 양호한 조건에서 용접부의 표면 온도를 측정한 값이다.In the present invention, in the step (d), the difference value? T is a target temperature (T target) -measured value T, and the reference value measures the surface temperature of the welded part under the condition that the performance of the welded part is good Value.

그리고 상기 단계 (a)에서 상기 용접조건은, 툴의 회전속도(Wo), 이송속도(V0) 및 피용접재의 용접부의 목표온도(T목표)를 포함하여 된다.In the step (a), the welding condition may include a tool rotation speed (Wo), a feed speed (V0), and a target temperature (T target) of a welded portion of the welded material.

또한 상기 단계 (b)에서, 상기 용접부의 표면 온도는, 상기 툴 외주 후방의 1지점 이상의 특정 지점의 온도이다.In addition, in the step (b), the surface temperature of the welded portion is a temperature at a specific point more than one point behind the outer periphery of the tool.

그리고 상기 피용접재는 마그네슘합금 및 알루미늄합금 중 어느 하나를 적용한다.The material to be welded may be one of a magnesium alloy and an aluminum alloy.

또한 상기 온도측정장치가 측정하는 온도측정 지점은 플래시 후방으로부터 50mm 이내이다.The temperature measurement point measured by the temperature measuring device is within 50 mm from the back of the flash.

그리고 상기 온도측정장치가 측정하는 온도 측정 지점의 크기는 상기 툴 직경의 5~80%이다.The size of the temperature measuring point measured by the temperature measuring device is 5 to 80% of the tool diameter.

본 발명의 실시예에 따르면, 용접 중 용접부를 실시간으로 측정하여 툴의 회전속도를 제어하여 반영함으로써, 기존과 같이 용접부 하단에 기공, 균열 등 결함이 없이 용접 품질이 우수하고, 균일한 마찰교반 용접부를 확보할 수 있게 되었다.According to the embodiment of the present invention, the welding speed is controlled and measured by measuring the welding speed during the welding in real time, so that the welding quality is excellent without any defects such as pores and cracks at the lower end of the welding portion, .

도 1은 본 발명에 따른 마찰교반용접 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마찰교반용접 장치에 의해 용접 중 온도측정을 하는 일 예의 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마찰교반용접 방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도이다.
도 4는 본 발명이 적용된 툴의 핀으로부터 거리에 따른 용접부 표면 온도 분포를 나타내 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명이 적용된 용접부의 표면 온도 분포 변화를 나타내 보인 그래프이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 기존과 본 발명의 용접부의 비교 단면도이다.1 is a structural view showing the construction of a friction stir welding apparatus according to the present invention.
Fig. 2 is an example of the temperature measurement during welding by the friction stir welding apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic flowchart showing a friction stir welding method according to the present invention.
4 is a graph showing the surface temperature distribution of the welded portion according to the distance from the pin of the tool to which the present invention is applied.
5 is a graph showing a change in surface temperature distribution of a welded portion to which the present invention is applied.
Figs. 6 (a) and 6 (b) are cross-sectional views of a conventional welded portion and a welded portion of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명에 따른 마찰교반용접 장치의 구성을 나타낸 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 마찰교반용접 장치에 의해 용접 중 온도측정을 하는 일 예가 도시되어 있다.FIG. 1 shows a configuration of a friction stir welding apparatus according to the present invention. FIG. 2 shows an example of temperature measurement during welding by a friction stir welding apparatus according to the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 마찰교반용접 장치는, 피용접재(10)에 삽입 회전하여 마찰 및 교반 작용에 의해 접합이 이루어지게 하는 마찰교반용접용 툴(30)과, 피용접재(10)의 상부에 설치되어 마찰교반용접 중 특정 지점의 온도를 측정하는 온도측정장치(41)와, 이 온도측정장치(41)에서 측정한 온도값을 수신하여 미리 입력된 기준값과의 차이값을 계산하는 계산기(42)와, 상기 차이값을 계산기(42)로부터 수신하여 차이값에 따라 툴(30)의 회전속도를 제어하는 제어기(50)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the friction stir welding apparatus according to the present invention includes a tool 30 for friction stir welding which is inserted into a member to be welded 10 to cause joining by friction and stirring action, A temperature measuring device 41 provided at an upper portion of the welded member 10 for measuring the temperature at a specific point during the friction stir welding, and a control unit 40 for receiving the temperature value measured by the temperature measuring device 41, And a controller 50 for receiving the difference value from the calculator 42 and controlling the rotation speed of the tool 30 according to the difference value.

그리고 상기 온도측정장치(41)는, 툴(30) 외주 후방의 용접부의 표면온도를 측정한다.The temperature measuring device 41 measures the surface temperature of the welded portion behind the outer periphery of the tool 30.

보다 상세하게는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 온도측정장치(41)는, 상기 툴(30) 후방으로 플래시(43) 후방의 1지점 이상의 임의 위치에서 방사되는 광에너지를 측정하는 적외선 온도 측정장치를 포함하여 된다.2, the temperature measuring device 41 includes an infrared thermometer 41 for measuring a light energy radiated from an arbitrary position behind the flash 43 at one or more positions behind the tool 30, Device.

이러한 온도측정장치(41)의 온도측정 지점은, 상기한 플래시(43) 후방으로부터 50mm 이내이다.The temperature measuring point of the temperature measuring device 41 is within 50 mm from the rear of the flash 43 described above.

그리고 상기 온도측정장치(41)는 측정하는 온도 측정 지점의 크기가 툴(30) 직경의 5~80%가 되도록 설치된다.The temperature measuring device 41 is installed such that the size of the temperature measuring point to be measured is 5 to 80% of the diameter of the tool 30.

또한 상기 피용접재(10)는 마그네슘합금 또는 알루미늄합금이다.The material to be welded 10 is a magnesium alloy or an aluminum alloy.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 마찰교반용접 장치를 적용하여, 본 발명에 따른 마찰교반용접 방법을 설명한다.A friction stir welding method according to the present invention will be described by applying a friction stir welding apparatus having the above-described configuration.

도 3에는 본 발명에 따른 마찰교반용접 방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있다.FIG. 3 is a schematic flow chart showing a friction stir welding method according to the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마찰교반용접 방법은, 우선, 피용접재(10)를 지지대(20) 위에 장착하고, 용접 조건을 설정한다.(단계 110)1 to 3, in the friction stir welding method according to the present invention, the welded material 10 is first mounted on the support base 20 and the welding conditions are set (step 110).

여기서, 용접 조건은, 툴(30)의 회전속도(Wo), 이송속도(V0) 및 피용접재(10)의 용접부의 목표온도(T목표)이다.Here, the welding conditions are the rotational speed Wo of the tool 30, the feed speed V0, and the target temperature (T target) of the welded portion of the welded material 10.

이어서, 마찰교반용접을 시작하여 피용접재(10)에 용접부를 형성한다.(단계 120) 즉, 마찰교반용접의 시작과 동시에 설정된 속도로 툴(30)의 스핀들이 회전하면서 툴(30)이 하강하여 툴(30)의 하부에 구비된 핀이 피용접재(10)를 가열 및 교반하면서 툴(30)의 어깨부가 피용접재(10)의 표면에 압력을 가하면서 용접부를 형성한다.The friction stir welding is then started to form a weld in the weld 10 (step 120). That is, as the spindle of the tool 30 rotates at a set rate at the start of the friction stir welding, The shoulder portion of the tool 30 forms a welded portion while applying pressure to the surface of the welded material 10 while the pin provided at the lower portion of the tool 30 is heated and stirred.

그리고 상기 피용접재(10)의 용접부 표면 온도를 온도측정장치(41)에 의해 측정한다.(단계 130)Then, the surface temperature of the welded portion of the welded material 10 is measured by the temperature measuring device 41 (Step 130)

또한 상기 온도측정장치(41)에 의해 측정된 용접부의 표면 온도의 측정값을 수신한 계산기(42)가 측정값과 이미 입력된 기준값과의 차이값을 계산한다.(단계 140)Also, the calculator 42, which has received the measured value of the surface temperature of the welded portion measured by the temperature measuring device 41, calculates the difference value between the measured value and the reference value already input (Step 140)

즉, 상기 차이값(ΔT)은, 목표온도(T목표)－측정값(T)으로 계산한다. 상기한 목표온도는 전술한 기준값으로, 다시 말해서, 상기 용접부 성능이 양호한 조건에서 용접부의 표면 온도를 측정하여 기준값으로 선정하여 미리 입력한 값이다.That is, the difference value? T is calculated as the target temperature (T target) -measurement value (T). The target temperature is a predetermined value, that is, a value measured by measuring the surface temperature of the welded portion under the condition that the performance of the welded portion is good, and is selected as a reference value and input in advance.

상기 단계 140에서 구한 차이값을 제어기(50)가 수신하여, 수신한 상기 차이값이 0이라고 판단되면(단계 150), 즉 측정한 값이 기준값과 동일하면, 측정값을 측정한 용접부가 용접 종료 지점인지 판단한다.(단계 160)If the controller 50 determines that the difference value is 0 (step 150), that is, if the measured value is equal to the reference value, (Step 160). ≪ RTI ID = 0.0 >

상기 단계 160에서, 용접 종료 지점이라고 판단이 되면, 툴(30)의 용접 작동을 정지시키고(단계 170), 툴(30)을 상부로 상승시킨다.(단계 180)If it is determined at step 160 that the welding end point is reached, the welding operation of the tool 30 is stopped (step 170) and the tool 30 is raised upward (step 180)

한편, 상기 단계 150에서, 상기 단계 140에서 구한 차이값이 0이라고 판단되지 않으면, 툴(30)의 스핀들의 속도를 변화시키고, 상기 단계 130부터 재 수행한다.(단계 210)If it is determined in step 150 that the difference value obtained in step 140 is not 0, the spindle speed of the tool 30 is changed and the process is resumed from step 130. In step 210,

상기 단계 210에서, 툴(30)의 스핀들의 속도 변화(또는 변경) 치(W)는, α×ΔT×Wo이다. 여기서 상기 α는 온도 차이값에 따른 가감 상수이다.In step 210, the speed change (or change) value W of the spindle of the tool 30 is? X? T x Wo. Here,? Is an addition / subtraction constant according to the temperature difference value.

그리고 상기 단계 160에서, 측정값을 측정한 용접부가 용접 종료 지점이 아니라고 판단이 되면, 마찬가지로 상기 단계 130부터 재 수행한다.If it is determined in step 160 that the welded part measuring the measured value is not the welding end point, the process is repeated from step 130 again.

여기서, 상기 피용접재(10)는 마그네슘합금 및 알루미늄합금 중 어느 하나를 적용할 수 있다.Here, the material to be welded 10 may be any one of a magnesium alloy and an aluminum alloy.

또한 상기 온도측정장치(41)가 측정하는 온도측정 지점은 플래시(43) 후방으로부터 50mm 이내이다.The temperature measurement point measured by the temperature measuring device 41 is within 50 mm from the rear of the flash 43.

그리고 상기 온도측정장치(41)가 측정하는 온도 측정 지점의 크기는 상기 툴(30) 직경의 5~80%인 것이 바람직하다.The size of the temperature measuring point measured by the temperature measuring device 41 is preferably 5 to 80% of the diameter of the tool 30.

상기한 바와 같이, 마찰교반용접에서 용접 입열량을 결정짓는 가장 중요한 요소는 툴(30)의 회전속도이며, 용접부의 성능은 용접부 가열온도와 관련이 있다. As described above, the most important factor determining the welding heat input amount in the friction stir welding is the rotational speed of the tool 30, and the performance of the welding portion is related to the welding portion heating temperature.

따라서 용접부의 성능이 양호한 조건에서 용접부 표면 온도를 측정하여 기준값을 선정하고, 마찰교반용접시 용접부 표면온도를 측정하여 상기한 기준값과 비교하여 툴(30)의 회전속도를 제어함으로써 용접부 성능이 균일한 접합을 실시할 수 있게 된다.Therefore, by measuring the surface temperature of the welded portion in a condition where the performance of the welded portion is good, the reference value is selected, the surface temperature of the welded portion is measured during friction stir welding, and the rotational speed of the tool 30 is controlled by comparing with the reference value, It is possible to perform bonding.

그리고 본 발명은 알루미늄합금, 마그네슘합금 등의 금속판재에 대한 마찰교반용접시 용접부 품질을 일정하게 제어하기 위한 마찰교반용접 장치 및 방법이다.The present invention is a friction stir welding apparatus and method for constantly controlling the quality of a welded portion during friction stir welding of a metal plate material such as an aluminum alloy or a magnesium alloy.

또한 본 발명에 의한 용접부 측정은 도 2에 도시된 바와 같이, 피용접재(10)는 지지대(20) 위에 장착되고, 회전하는 툴(30)에 의하여 핀이 피용접재(10)에 삽입된 위치에서 용접진행방향으로 진행하면 툴(30) 및 핀에 의한 마찰 및 교반작용에 의하여 접합이 이루어진다. 2, the welded material 10 is mounted on a support 20, and the pin is inserted into the welded material 10 by the rotating tool 30 The welding is performed by friction and agitation by the tool 30 and the pin.

이때 접합부는 모재의 융점 70~80% 가량으로 가열되고, 모재로의 열전달 혹은 대기로 복사에 의하여 온도가 감소된다. 본 발명에서는 툴(30) 후방의 플래시(43) 후방의 1지점 이상의 임의의 위치에서 방사되는 광에너지를 측정한다.At this time, the joint is heated to a melting point of 70 to 80% of the base material, and the temperature is reduced by heat transfer to the base material or radiation to the atmosphere. In the present invention, light energy radiated at an arbitrary position beyond a point behind the flash 43 at the back of the tool 30 is measured.

마찰교반용접에서 접합부의 최고가열온도는 T=K(W²× V­¹×10­⁴)×Tm으로 (W와 V는 각각 툴(30)의 회전속도 및 이송속도) 알려졌는데, 이 식에 따라 마그네슘합금의 마찰교반용접에서 최고가열온도는 T=0.8052(W²× V­¹×10­⁴)0.0442 × 647℃로 표현된다. In the friction stir welding, the maximum heating temperature of the joint is known as T = K (W² × V¹ × 10⁴) × Tm (where W and V are the rotational speed and feed rate of the tool 30, respectively) The maximum heating temperature in friction stir welding is expressed as T = 0.8052 (W² × V¹ × 10⁴) 0.0442 × 647 ° C.

한편, 툴(30)이 통과하고 나면 용접부는 모재에 의한 자기냉각에 의하여 급격히 온도가 감소한다. On the other hand, once the tool 30 passes, the temperature of the welded part is rapidly reduced by self-cooling by the base metal.

그리고 도 4는 본 발명에 의한 실시예를 나타낸 것으로, 툴(30)의 외주에서 후방으로 용접부 표면의 온도를 툴(30)의 회전속도에 따라 나타낸 것이다. 4 shows the embodiment according to the present invention, in which the temperature of the surface of the welded portion from the outer periphery to the rear of the tool 30 is shown in accordance with the rotational speed of the tool 30.

도 4에 보이는 바와 같이, 플래시(43) 지점에서 온도의 정점을 나타낸 후 거리 증가에 반비례하여 온도는 감소하였다. As shown in FIG. 4, the temperature was decreased in inverse proportion to the increase in distance after the peak of the temperature at the point of flash 43 was shown.

도 4에서 보는 바와 같이 툴(30)의 회전속도가 증가함에 따라 용접부 표면의 온도가 증가하였으며, 이것으로부터 용접부 표면의 온도를 측정하여 용접부 품질을 실시간으로 예측하는 것이 가능하였다. As shown in FIG. 4, as the rotational speed of the tool 30 increases, the temperature of the surface of the weld increases, and it is possible to predict the quality of the weld in real time by measuring the temperature of the surface of the weld.

또 다른 실시예로써 도 5는, 툴(30)의 핀으로부터 거리에 따른 용접부 표면 온도를 시간에 따라 나타낸 것이다. 온도 측정지점은 플래시(43)로부터 50mm 이내가 적당한데, 그 이유는 플래시(43)는 변화가 심하여 제어 인자로 부적합하며, 반대로 플래시(43)로부터 거리가 50mm를 초과하는 경우에는 모재로 열전달에 의하여 용접부가 냉각되어 용접부에 대한 정보를 찾기가 어렵기 때문이다.As another embodiment, Fig. 5 is a time-based representation of the weld surface temperature along the distance from the fin of the tool 30. Fig. The temperature measurement point is preferably within 50 mm from the flash 43 because the flash 43 is inadequate as a control parameter due to the large variation and conversely if the distance from the flash 43 exceeds 50 mm, This is because it is difficult to find the information about the welded part by cooling the welded part.

그리고 온도측정에서 피측정영역은 툴(30) 직경의 5~80%가 적당한데, 그 이유는 피측정영역의 크기가 툴(30) 직경의 5% 보다 작은 경우 광량이 적기 때문에 측정정밀도가 낮고 부위에 따른 온도변화가 발생하여 용접부 정보를 정확히 대별하지 못하며, 반대로 피측정영역의 크기가 툴(30)직경의 80%를 초과하는 경우 용접부와 관계가 적은 영역이 포함되어 측정온도의 신뢰도가 저하되기 때문이다. In the temperature measurement, the measured area is suitably 5 to 80% of the diameter of the tool 30 because when the size of the area to be measured is smaller than 5% of the diameter of the tool 30, the amount of light is small, If the size of the region to be measured is larger than 80% of the diameter of the tool 30, it is possible to reduce the reliability of the measurement temperature .

또한 측정지점은 툴(30)의 중앙 즉 용접부 중심이 좋지만 다소의 변동도 허용 가능하지만 가급적 툴(30)의 중심 연장선으로부터 좌우 각각에 대해 툴(30)직경의 40%이내인 것이 바람직하다. 그 이유는 이 영역을 이탈할 경우 용접부와 관계가 적은 영역이 포함되어 측정온도의 신뢰도가 저하되기 때문이다.Also, although the center of the tool 30 is preferably centered on the welded portion, although some variation is acceptable, it is preferable that the measurement point is within 40% of the diameter of the tool 30 with respect to each of the left and right sides of the center extension line of the tool 30 as much as possible. The reason for this is that when the region is deviated from the region, the region having a small relation with the welded portion is included and the reliability of the measured temperature is lowered.

그리고 도 6a는 종래의 방법에 의한 마찰교반용접부 단면을 나타낸 것으로, 부적합한 용접조건에 의하여 용접부 하단에 기공, 균열 등 결함이 발생하였다.6A shows a cross-section of a friction stir welding part according to a conventional method, and defects such as pores and cracks are generated at the lower end of the welding part due to improper welding conditions.

반면, 도 6b는 본 발명에 의한 마찰교반용접부 단면을 나타낸 것으로, 기존과 같이 용접부 하단에 기공, 균열 등 결함이 없이 품질이 우수하고, 균일한 마찰교반용접부를 형성하였다.FIG. 6B is a cross-sectional view of a friction stir welding part according to the present invention. As shown in FIG. 6B, the conventional friction stir welding part has excellent quality without defects such as pores and cracks.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. . Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.

10 : 피용접재
20 : 지지대
30 : 툴
41 : 온도측정장치
42 : 계산기
43 : 플래시
50 : 제어기10: Welded material
20: Support
30: Tools
41: Temperature measuring device
42: Calculator
43: Flash
50:

Claims (4)

피용접재에 삽입 회전하여 마찰 및 교반 작용에 의해 접합이 이루어지게 하는 마찰교반용접용 툴을 포함하는 마찰교반용접 장치에 있어서,
상기 피용접재의 상부에 설치되어 상기 마찰교반용접 중 특정 지점의 온도를 측정하는 온도측정장치와;
상기 온도측정장치에서 측정한 온도값을 수신하여, 미리 입력된 기준값과의 차이값을 계산하는 계산기와;
상기 차이값을 상기 계산기로부터 수신하여, 상기 차이값에 따라 상기 툴의 회전속도를 제어하는 제어기;를 포함하되,
상기 온도측정장치는, 상기 툴 후방으로 플래시 후방의 1지점 이상의 임의 위치에서 방사되는 광에너지를 측정하는 적외선 온도 측정장치를 포함하여 되고,
그리고, 상기 온도측정장치의 온도측정 지점은 상기 플래시 후방으로부터 50mm 이내이며,
또한, 상기 온도측정장치는, 측정하는 온도 측정 지점의 크기가 상기 툴 직경의 5~80%가 되도록 설치된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 장치.A friction stir welding apparatus comprising a tool for friction stir welding which is inserted into a welded material and rotated so as to be joined by friction and stirring,
A temperature measuring device installed at an upper portion of the welded material to measure a temperature at a specific point in the friction stir welding;
A calculator for receiving a temperature value measured by the temperature measuring device and calculating a difference value from a previously inputted reference value;
And a controller for receiving the difference value from the calculator and controlling the rotation speed of the tool according to the difference value,
Wherein the temperature measuring device includes an infrared ray temperature measuring device for measuring light energy radiated from an arbitrary position at least one point behind the flash toward the back of the tool,
The temperature measuring point of the temperature measuring device is within 50 mm from the back of the flash,
The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the temperature measuring device is installed such that a temperature measurement point to be measured is 5 to 80% of the tool diameter. 제1항에 있어서,
상기 피용접재는, 마그네슘합금 또는 알루미늄합금인 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 장치.The method according to claim 1,
Wherein the welded material is a magnesium alloy or an aluminum alloy. 회전 가능한 툴이 피용접재에 삽입되어 마찰교반용접이 이루어지는 마찰교반용접 방법에 있어서,
(a) 상기 피용접재를 장착하고, 용접 조건을 설정하는 단계와;
(b) 상기 마찰교반용접을 시작하여 상기 피용접재에 용접부를 형성하는 단계와;
(c) 상기 피용접재의 용접부 표면 온도를 온도측정장치에 의해 측정하는 단계와;
(d) 상기 온도측정장치에 의해 측정된 용접부의 표면 온도의 측정값을 수신한 계산기가 측정값과 이미 입력된 기준값과의 차이값을 계산하는 단계와;
(e) 상기 단계 (d)에서 구한 차이값을 제어기가 수신하여, 상기 차이값이 0이라고 판단되면, 상기 측정값을 측정한 용접부가 용접 종료 지점인지 판단하는 단계와;
(f) 상기 단계 (e)에서, 용접 종료 지점이라고 판단이 되면, 상기 툴의 용접 작동을 정지시키고, 상기 툴을 상부로 상승시키는 단계;를 포함하되,
상기 단계 (e)에서, 상기 단계 (d)에서 구한 차이값이 0이라고 판단되지 않으면, 상기 툴의 스핀들의 속도를 변화시키는 단계를 더 포함하며,
또한, 상기 단계 (a)에서 상기 용접조건은, 툴의 회전속도(Wo), 이송속도(V0) 및 피용접재의 용접부의 목표온도(T목표)를 포함하여 되고,
그리고, 상기 단계 (b)에서, 상기 용접부의 표면 온도는, 상기 툴 외주 후방의 1지점 이상의 특정 지점의 온도이며,
또한, 상기 단계 (d)에서, 상기 차이값(ΔT)은, 목표온도(T목표)－측정값(T)이고, 상기 기준값은 상기 용접부 성능이 양호한 조건에서 용접부의 표면 온도를 측정한 값이며,
그리고, 상기 온도측정장치가 측정하는 온도측정 지점은 플래시 후방으로부터 50mm 이내이며,
상기 온도측정장치가 측정하는 온도 측정 지점의 크기는 상기 툴 직경의 5~80%인 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 방법.A friction stir welding method in which a rotatable tool is inserted into a welded material to perform friction stir welding,
(a) mounting the welded material and setting welding conditions;
(b) starting the friction stir welding to form a weld in the welded material;
(c) measuring a surface temperature of the welded portion of the welded material by a temperature measuring device;
(d) calculating a difference value between a measurement value and a reference value already input by the calculator, which has received the measurement value of the surface temperature of the welded portion measured by the temperature measurement device;
(e) when the controller receives the difference value obtained in the step (d), and determines that the difference value is 0, determining whether the welded portion measuring the measured value is a welding end point;
(f) stopping the welding operation of the tool and raising the tool upward when it is determined in the step (e) that the welding end point is present,
Further comprising changing the speed of the spindle of the tool if it is determined in step (e) that the difference value obtained in step (d) is not 0,
In the step (a), the welding condition includes a tool rotational speed (Wo), a feed speed (V0), and a target temperature (T target) of a welded portion of the welded material,
In the step (b), the surface temperature of the welded portion is a temperature of a specific point at least one point behind the outer periphery of the tool,
Further, in the step (d), the difference value? T is a target temperature (T target) -measured value T, and the reference value is a value obtained by measuring the surface temperature of the welded part under the condition that the welded part performance is good ,
The temperature measuring point measured by the temperature measuring device is within 50 mm from the back of the flash,
Wherein the size of the temperature measuring point measured by the temperature measuring device is 5 to 80% of the tool diameter. 제3항에 있어서,
상기 피용접재는 마그네슘합금 및 알루미늄합금 중 어느 하나를 적용하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 방법.The method of claim 3,
Wherein the welded material is one of a magnesium alloy and an aluminum alloy.
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GR20160100143A (en) * 2016-04-11 2017-11-30 Αχιλλεας Αλεξανδρος Βαϊρης Friction welding control
GR20170100380A (en) * 2017-08-10 2019-04-22 Αχιλλεας Αλεξανδρου Βαϊρης Method for the quality control of friction welding process
KR20220064579A (en) * 2020-11-12 2022-05-19 한국생산기술연구원 How to rehabilitate old water and sewage pipes

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