KR20160094191A - 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법. - Google Patents

Abstract

본 발명의 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법은 접합을 위한 제 1모재와 제 2모재의 접합부를 밀착시키는 접합모재 정열단계와, 상기 제 1모재와 제 2모재의 접합부에 마찰용접툴의 회전에 의한 용융시 의 용융부충부를 설치하는 융보충부설치단계와, 마찰용접툴의 하단부의 중앙에 마찰용접툴의 직경보다 작은 툴핀이 접합부의 사이에 마찰열로 인해 용융된 제1,2모재에 인입되고, 상기 마찰용접툴의 하면이 상기 제 1,2모재 접합부의 상면과 용융보충부를 용융시켜 제 1,2모재가 접합되도록 하는 마찰용접단계를 구비한다.
본 발명의 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법은 마찰용접툴에 의한 용접시 마찰용접툴의 이송궤적이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

Description

마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법.{friction welding method utilizing welding tool}

본 발명은 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 모재를 마찰열에 의해 상호 융착시켜 결합력을 높일 수 있는 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접방법에 관한 것이다.

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 Al 합금의 용접은 기술적, 경제적 그리고 환경적 측면에서 개선해야 할 많은 문제점을 지니고 있다. 이러한 Al 합금의 용융용접 시 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술로서 비용융 고상접합공정인 마찰교반용접(Friction Stir Welding, "FSW")기술이 최근들어 다양한 산업분야에서 광범위하게 적용이 확대되고 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 수 십년간 사용되어져 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.

국제출원 제 W093/10935호에는 마찰교반용접이 게시되어 있다. 게시된 용접은 툴과 작업부재 사이에 상대적이고 주기적인 운동을 근간으로 하여, 툴과 작업부재 사이에 생성된 마찰열로 인해 작업부재 내에 소성화 된 영역을 생성하도록 한 후, 상대적인 주기 운동을 멈추게 하여 소성화 된 물질이 경화되게 한다. 이러한 방법은 상이한 작업부재(플라스틱,금속), 사용처(균열의 보수,밀봉, 결합) 및 사용된 툴의 형태에 따른 몇몇 실시예에 의해 기술되어 있다.

대한민국 공개특허 제 2011-0075266호(2011.12.28)와, 대한민국 공개특허 제 2011-0078518호(2011.07.07)에는 이종재료의 마찰용접방법 및 용접장치가 게시되어 있으며, 대한민국 등록 제 1199471호(2012.11.02)에는 접합부의 최고온도 및 냉각속도를 조절할 수 있는 마찰교반 접합장치 및 마찰교반 접합방법이 게시되어 있다.

그리고 공개특허 제 2010-71589호(2010.06.29)에는 마찰교반 점 용접장치 및 이를 이용한 마찰점용접방법이 게시되어 있다. 게시된 방법은 두 접합 소재를 부분적으로 겹쳐서 용접 부위를 형성하는 단계; 상기 용접 부위 상에 포일을 제공하는 단계; 및 원통형 형상의 숄더와 상기 숄더의 하부에 연결되며 수직적으로 연장하는 핀을 포함하고 용접툴을 회전시키면서 하강시켜 상기 포일과 상기 용접 부위로 삽입시켜 교반 용접하고 상기 용접툴을 상승시켜 상기 두 접합 소재를 용접하는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같은 용접방법은 맞댄 두 모재를 툴에 의해 상호 마찰접합시킨 것이므로 접합부위가 상대적으로 인입되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제 2011-0075266호(2011.12.28) 대한민국 공개특허 제 2011-0078518호(2011.07.07) 대한민국 공개특허 제 2010-71589호(2010.06.29)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 기술적 과제는 마찰용접 시 접합부의 높이가변(접합부의 살두께의 가변)을 근본적으로 줄일 수 있는 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 마찰용접 시 마찰용접툴의 궤적을 최소화 할 수 있는 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접방법은 접합을 위한 제 1모재와 제 2모재의 접합부를 밀착시키는 접합모재 정열단계와,

상기 제 1모재와 제 2모재의 접합부에 마찰용접툴의 회전에 의한 용융시 의 용융부충부를 설치하는 용융보충부설치단계와,

마찰용접툴의 하단부의 중앙에 마찰용접툴의 직경보다 작은 툴핀이 접합부의 사이에 마찰열로 인해 용융된 제1,2모재에 인입되고, 상기 마찰용접툴의 하면이 상기 제 1,2모재 접합부의 상면과 용융보충부를 용융시켜 제 1,2모재가 접합되도록 하는 마찰용접단계를 구비한 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접방법은 마찰열에 의해 용융된 제 1,2부재의 접합부에 마찰용접툴의 이동궤적이 인입되어 나타나는 것을 방지할 수 있고, 용접토우가 원활하게 형성될 수 있도록 하며, 나아가서는 용접에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법을 나타내 보인 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접 상태를 나타내 보인 사시도,
도 3 내지 도 5는 마찰용접부가 설치되는 상태의 실시예들을 나타내 보인 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 마찰용접툴에 의해 모재들이 용접되는 상태를 나타내 보인 단면도.

마찰용접툴의 회전마찰력을 이용하여 용접을 위한 모재를 상호 접합하는 용접방법은 새로운 기술인 비용융 고상접합공정인 마찰교반용접(Friction Stir Welding,"FSW")과 마찰교반개질처리(Ffiction Stir Process, "FSP")방법이 있다.

상기 마찰교반용접법은 서로 결합할 부재를 대상으로 마찰원리를 이용하여 충분한 양의 열을 발생시켜 부재 접촉면을 기점으로 소성영역(Plasticized zone)을 생성한 후 외력을 가하여 부재를 접합하는 방법이며, 상기 마찰교반개질처리 (Ffiction Stir Process, "FSP")은 강재의 표면에 툴을 삽입시켜 마찰교반을 함으로써 소재의 물리적 성질을 개질시키는 방법이다.

본 발명의 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접방법은 상기 마찰교반용접 시 필수적으로 발생되는 툴의 이송궤적을 최소화 시킬 수 있는 것으로, 실시예를 도 1 내도 3에 나타내 보였다.

본 발명에 따른 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접방법은 마찰용접을 위한 제 1,2모재(10)(20)를 밀착시켜 정열하는 접합모재 정열단계(S1)를 수행한다. 상기 접합모재 정렬단계(S1)는 마찰용접툴의 회전 시 충분한 마찰이 이루어질 수 있도록 밀착함이 바람직하며, 가능한 한 용접 시 용접토우가 원활하게 형성될 수 있도록 배열 및 밀착시킴이 바람직하다.

상기와 같이 제 1,2모재(10)(20)를 정렬하는 과정에서 상기 제 1모재(10)와 제 2모재(20)의 접합부위에 마찰용접툴(100)의 회전에 의한 용융 시 모재와 같이 용융되는 용융보충부(50)를 설치하는 용융보충부설치단계(S2)를 포함한다. 상기 접합부위에 용융보충부설치단계를 수행하기 위한 용융보충부의 설치는 마찰용접툴(100)에 의해 접합부위의 소성 시 용접토우가 원활하게 형성되고, 마찰용접툴(100)의 이송궤적이 제1,2모재(10)(20)의 표면보다 낮게 형성되지 않도록 제1,2모재(10)(20)와 같이 용융될 수 있도록 함이 바람직하다. 이러한 용융보충부(50)는 제 1,2모재(10)(20)들의 사이에 제 3모재(30)를 개재시켜 용접하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 제 3모재(30)를 제 1,2모재(10)(20)의 상면 높이보다 상대적으로 높게 형성된 부위에 의해 이루어질 수 있다. 그리고 상기 용융보충부(50)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 스트립상으로 이루어져 제 1,2모재(10)(20)의 접합부에 가접되어 이루어질 수 있다. 또한 도 5에 도시된 바와 같이 상기 용융보충부(50)는 제 1,2모재(10)(20)의 단부가 각각 일측방향(동일방향)으로 절곡되어 이루어질 수도 있다. 상기 용융보충부설치단계(S2)를 수행하기 위한 용융보충부의 설치는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 마찰용접툴(100)에 의한 용접 시 마찰열에 의해 접합을 위한 소성영역에 포함될 수 있는 구조이면 가능하다.

상기와 같이 용융보충부설치단계(S2)의 설치가 완료되면 마찰용접툴(100)을 접합부에 밀착 및 마찰용접툴(100)을 툴핀이 삽입된 상태에서 고속회전시켜 접합부를 용융시킴으로써 마찰용융단계(S3)를 수행한다. 이러한 마찰용융단계(S3)를 수행하기 위한 마찰용접툴(100)은 구동부(미도시)에 장착되어 고속회전되는 것으로, 척(200)에 장착되는 섕크부(101)와, 상기 섕크부(101)의 단부측에 설치되어 섕크부(101)의 직경보다 상대적으로 작은 툴핀(102)을 구비하며, 상기 섕크부(101)와 툴핀(102)의 경계부위는 단차부(103)를 구비하는데, 이 단차부의 단면에는 내면으로 막곡된 구조를 가지거나 가장자리로부터 내측으로 소정의 각도로 경사진 경사면(103)을 갖도록 형성된다.(도 6참조)

상술한 바와 같이 마찰용접툴(100)을 이용한 접합부의 용접은 마찰용접툴(100)의 툴핀(101)이 접합부에 밀착된 상태에서 회전력을 부여하면, 툴핀(53)은 접합부의 열영향부에 삽입되기 시작한다. 이때 마찰용접툴(100)은 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전되면서 접합부의 용접라인을 따라 이동하게 된다.

이와 같이 마찰용접툴(100)이 접합부를 따라 이동하게 되면 마찰의 툴핀(101)이 삽입된 부분 즉, 열영향부가 소성유동하면서 각 부분의 금속이 혼합되어 접합된다. 이와 같이 접합되는 과정에서 상기 모재들의 접합부위에는 용접토우의 형성이 원활하게 이루어지게 된다. 즉, 제1,2무재(10)(20) 또는 제 1,2,3모재(10)(20)(30)의 접합부에는 상기 용융보충부설치단계에서 설치된 용융보충부(50)가 구비되어 있으므로 이 용융보충부(50)가 용접마찰툴(100)에 의한 열영향부가 소성유동되면서 접합부에 보충되며, 용접토우를 형성하게 된다. 따라서 종래와 같이 열영향부에서 마찰용접툴의 이송궤적이 접합부에 나타나는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같은 용접은 용접토우(40)와 열영향부에 잔류하는 표면 압축 잔류응력을 완화시킬 수 있으며, 마찰가공에 의하여 미세한 조직변화가 이루어져 용접강도를 높일 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 용접하는 과정에서 마찰용접툴의 회전수는 약 1000 rpm 내지 약 5000 rpm인 것이 바람직하다. 상기 마찰용접툴(100)의 진행속도는 약 0.5 m/min 미만인 경우 최종적으로 개질되는 경계부의 범위가 과도하게 넓어지게 되며, 진행 속도가 약 1 m/min를 초과하는 경우, 툴핀(102)에 과도한 무리가 가기 때문에 툴핀이 손상될 우려가 있으므로 0.5 m/min 내지 1 m/min인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법은 모재들의 접합부에 용융보충부를 설치하과 마찰용접툴의 마찰열을 이용하여 접합부의 모재들과 용융보충부를 용융시켜 접합함으로써 접합부위에 마찰용접툴의 궤적이 나타나는 것을 방지할 수 있으며, 접합부우에 용접토우의 발생이 원활하게 이루어진다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명의 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법은 각종 선박, 자동차 및 각종 산압기기계 등의 용접에 널리 적용 가능하다.

Claims (3)

1. 접합을 위한 제 1모재와 제 2모재의 접합부를 밀착시키는 접합모재 정열단계와,
   상기 제 1모재와 제 2모재의 접합부에 마찰용접툴의 회전에 의한 용융시 의 용융보충부를 설치하는 용융보충부설치단계와,
   마찰용접툴의 하단부의 중앙에 마찰용접툴의 직경보다 작은 툴핀이 접합부의 사이에 마찰열로 인해 용융된 제1,2모재에 인입되고, 상기 마찰용접툴의 하면이 상기 제 1,2모재 접합부의 상면과 용융보충부를 용융시켜 제 1,2모재가 접합되도록 하는 마찰용접단계를 구비한 것을 특징으로 하는 마찰용접 툴을 이용한 마찰용접방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 용융보충부설치단계는 상기 제 1,2무재의 사이에 상기 제 3모재가 상기 제 1,2모재의 상면으로부터 용융보충부가 돌출되도록 한 것을 특징으로 하는 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용융보충부설치단계는 제 1,2모재의 단부가 각각 일측방향으로 절곡되어 용융보충부 마련되도록 한 것을 특징으로 하는 마찰용접툴을 이용한 마찰용접방법.
   

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