KR20180003878A - 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법 - Google Patents

마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두께가 다른 이종 모재가 상호 서로 맞닿아 접합부를 형성하도록 배치된 이종 모재의 접합부에 접촉 회전하면서 마찰열을 발생시키는 마찰 교반 접합용 공구에 의해 두께가 상이한 이종재료를 접합하는 방법으로서, 이종모재는 철계소재로 된 제1모재와 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금 중 어느 하나의 소재로 된 제2모재이고, 마찰 교반 접합용 공구의 핀을 접합부에 위치시킨 상태에서 접합부를 따르는 진행방향에 대해 반시계방향으로 회전시키면서 접합부를 가압하면서 마찰열을 이용하여 소성유동을 유도하면서 접합부를 따라 이동시키면서 용접하고, 마찰교반 접합용 공구는 제1외경을 갖게 형성된 숄더부분과, 숄더부분의 저면 중앙에서 숄버부분의 제1외경의 50%~20%인 제2외경으로 연장된 핀을 갖으며 핀의 길이는 제1 및 제2모재 중 상대적으로 두께가 얇은 모재의 두께에 대해 80 내지 100%의 길이를 갖는 것을 적용한다. 이러한 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법에 의하면, 상호 두께가 다르며 소재가 다른 이종재료에 대해 건전한 접합면을 갖게 접합처리할 수 있다.

Description

마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법{Method For Welding Dissimilar Materials of Different Thickness by Friction Stir Welding}
본 발명은 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두께차이를 갖는 이종소재를 마찰교반에 의해 접합하는 방법에 관한 것이다.
최근, 각종 산업분야에 있어서 경량화를 위한 알루미늄, 마그네슘 등의 비철금속재료의 적용에 관한 연구는 현재까지도 활발하게 진행되고 있다. 최근에는 경량화를 극대화하기 위해 철강재료 뿐만 아니라 비철금속재료에도 TWB(Tailor welded blank) 및 TRB(Tailor rolled blank) 등의 TB(Tailored blank) 기술의 적용이 대두되고 있다.
테일러드 블랭크 용접은 판재를 재단한다는 의미로 동일 소재를 사용하는 것이 아니고 소재와 두께가 다른 이종 소재 및 이종 두께의 판재들을 성형 전에 맞대기 용접하는 공법을 일컫는다.
위 용접법은 두께 및 강도가 다른 재료를 사용하므로 전체 구조를 단순화할 수 있고, 강화재를 사용하지 않아 차체 중량을 감소시킬 수 있으며, 부품 제작 시 생성되는 스크랩양이 적은 장점이 있다.
비철계 재료에 TWB 기술을 적용함에 있어서 일반적인 용접방법인 MIG, TIG, LASER 등의 용융용접법(Fusion welding)은 높은 열에 의한 변형과 균열로 인해 적용하기 매우 어려운 단점이 있다.
한편, 최근에 용융용접법을 대체하기 위한 일환으로 고상접합 방법인 마찰교반용접(Friction stir welding; FSW)이 이용되고 있다.
마찰교반용접(Friction stir welding; FSW)이란 나사선 형태의 돌기(Probe)를 가지는 비소모성 공구(Tool)를 고속으로 회전시키면서 피접합재에 삽입하면 공구와 피접합재와의 상호마찰에 의해 열이 발생하며, 이러한 마찰열에 의해 공구 주변의 재료는 연화되며 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료가 강제적으로 혼합되는 원리로 피접합재의 용접이 이루어지는 것을 말하고 국내 공개특허 제10-2011-0066284호 등 다양하게 게시되어 있다.
이러한 마찰교반용접(Friction stir welding; FSW) 적용 시 용접에 의한 열 변형 및 잔류응력이 극히 적고 용가재를 사용하지 않고 흄, 유해광선의 발생이 없이 고품질의 접합부를 얻을 수 있어 용접품질 및 경제적 측면에서 효과적이다.
그런데, 이러한 마찰교반용접은 대부분 동일 두께를 갖는 이종재료(비철계 및 철계 재료)에 대해 적용되고 있고, 두께가 다른 이종재료에 대해서도 고품질의 접합부를 얻을 수 있는 방안은 시도되지 않고 있다.
따라서, 두께 차이를 갖는 이종재료에 대해 마찰교반에 의해 고품질의 접합부를 얻을 수 있는 접합방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 물리적 특성이 상이하면서 두께가 다른 이종재료를 마찰교반 접합용 공구에 의해 고품질의 접합부를 갖도록 접합하는 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법은 두께가 다른 이종 모재가 상호 서로 맞닿아 접합부를 형성하도록 배치된 이종 모재의 상기 접합부에 접촉 회전하면서 마찰열을 발생시키는 마찰 교반 접합용 공구에 의해 두께가 상이한 이종재료를 접합하는 방법으로서, 상기 이종모재는 철강소재로 된 제1모재와 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금 중 어느 하나의 소재로 된 제2모재이고, 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀을 상기 접합부에 위치시킨 상태에서 상기 접합부를 따르는 진행방향에 대해 반시계방향으로 회전시키면서 상기 접합부를 가압하면서 마찰열을 이용하여 소성유동을 유도하면서 상기 접합부를 따라 이동시키면서 용접하고, 상기 마찰교반 접합용 공구는 제1외경을 갖게 형성된 숄더부분과, 상기 숄더부분의 저면 중앙에서 상기 숄버부분의 제1외경의 50%~20%의 제2외경으로 연장된 핀을 갖으며 상기 핀의 길이는 상기 제1 및 제2모재 중 상대적으로 두께가 얇은 모재의 두께에 대해 80 내지 100%의 길이를 갖는 것을 적용한다.
또한, 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀은 상기 접합부에 대한 접촉면 중 상기 제1모재와 접촉하는 제1면적과 상기 제2모재와 접촉하는 제2면적의 비율이 3:7 내지 1:9가 되게 위치시킨다.
바람직하게는 상기 제2모재는 상기 제1모재에 대해 두께가 더 두껍고 상기 제2모재와 상기 제1모재의 두께차이는 0.1mm 내지 10mm인 것을 적용한다.
또한, 상기 마찰교반 공구의 숄더부분의 제1외경은 10 내지 25mm인 것을 적용한다.
본 발명에 따른 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법에 의하면, 상호 두께가 다르며 소재가 다른 이종재료에 대해 건전한 접합면을 갖게 접합처리할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법에 적용되는 마찰교반 접합 장치의 사시도이고,
도 2는 도 1의 정면도이고,
도 3은 도 1의 공구가 접합면을 따라 기울어진 정도를 설명하기 위한 측면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 접합방법에 따라 마찰교반용접에 의해 접합된 이종재료의 접합 단면 사진이고,
도 5는 마찰 교반 용접에 의한 두께가 상이한 이종재료인 알루미늄 합금과 고강도강에 대해 본 발명에 따른 접합방법에 의해 생성된 접합부의 인장특성 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법에 적용되는 마찰교반 접합 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이고, 도 3은 도 1의 공구가 접합면을 따라 기울어진 정도를 설명하기 위한 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이종 접합방법은 철계재료로 된 제1모재(101)와, 제1모재(101)와 두께가 다르며 비철계재료로 된 제2모재(102)의 접합부(104)에 마찰교반 접합장치의 마찰교반 접합용 공구(110)가 맞닿아 회전하면서 접합을 수행한다.
여기서, 이종모재는 철강소재 예를 들면 구조용강(structural steel) 소재로 판형상으로 형성되고 제1두께(d1)를 갖는 제1모재(101)와, 비철계 재료로 판형상으로 형성되며 제2두께(d2)를 갖는 제2모재(102)가 적용된다.
여기서 제2모재(102)에 적용되는 비철계 재료는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금 중 어느 하나가 적용된다.
또한, 제2모재(102)는 제1모재(101)에 대해 두께가 더 두껍고 제2모재(102)와 제1모재(101)의 두께차이(d2-d1)는 0.1mm 내지 10mm인 것을 적용한다.
이러한 제1모재(101)와 제2모재(102)는 가장자리가 상호 맞닿아 접합부(104)를 형성하도록 배치된다. 이 경우 제1모재(101)와 제2모재(102)의 밀착 경계면에 형성되는 접합부(104)는 두께차이에 대응되는 높이 차이를 갖는 위치에 형성된다.
마찰교반 접합용 공구(110)는 마찰교반 장치의 스핀들(115)에 고정되고, 스핀들(115)은 구동모터(118)에 구동축으로 연결되어 회전수를 설정할 수 있도록 되어 있다.
한편, 마찰교반 접합용 공구(110)는 내열성과 내마모성이 우수하고 경도가 우수한 초경합금강으로 된 것을 적용하면 되고, 이에 상응하는 다른 특수합금강으로 형성된 것을 사용할 수도 있다.
마찰 교반 접합용 공구(110)는 제1외경(b)을 갖게 형성된 숄더부분(110b)과, 숄더부분(110b)의 저면 중앙에서 숄더부분(110b)의 제1외경의 50% ~20%로 된 제2외경으로 연장된 핀(110a)을 갖는 구조로 형성된 것이 적용되었다.
즉, 핀(110a)의 제2외경은 숄더부분(110b)의 제1외경의 50%~20%의 크기를 갖게 더 작게 형성된다.
숄더부분(110b)의 제1외경(b)은 10 내지 25mm인 것을 적용한다.
숄더부분(110b)의 제1외경(b)이 10mm미만이면 마찰교반시 마찰열 발생양 및 소성유동 영역이 작아 접합품질이 떨어질 수 있다.
여기서 숄더부분(110b)은 접합과정에서 제1 및 제2모재(101)(102)에 대해 일정깊이 진입되게 이용된다.
또한, 핀(110a)의 길이는 제1 및 제2모재(101)(102) 중 상대적으로 두께가 얇은 제1모재(101)의 두께(d1)에 대해 80 내지 100%의 길이를 갖게 형성된 것이 적용된다.
여기서, 핀(110a))의 길이(a)가 제1모재(101)의 두께(d1)의 100%보다 길게 되면 숄더부분(110b)의 제1 및 제2모재(101)(102)내로의 진입시 제1모재(101) 하부로 핀(110a)이 관통할 수 있고, 80%미만의 길이가 되면 접합하고자 하는 피용접재의 판두께 하부까지 교반 및 소성유동이 발생하지 않아 미접합부가 발생한다.
한편, 구동모터(118)에 의해 회전하는 마찰교반 접합용 공구(110)는 이종모재의 접합부(104) 중 연질인 경량 비철합금, 즉 제2모재(102) 쪽에 치우치게 삽입되어 역회전 방향 즉, 진행방향을 기준으로 시계반대방향으로 회전하며, 마찰열을 발생시켜 이종모재의 접합부(104)를 소성교반시켜 접합을 시행한다.
이하에서는 이러한 마찰교반장치를 이용하여 접합을 수행하는 과정을 설명한다.
먼저, 접합할 경량 비철계 재료인 제2모재(102)와 철계 재료인 제1모재(101)를 지그(Jig)(107) 위에 서로 맞닿게 설치하여 고정하고, 마찰교반 접합용 공구(110)의 핀(110a)을 접합부(104) 중 대부분 제2모재(102)측 위에 위치시키고, 핀(110a)의 일부만 제1모재(101)에 위치되게 배치한다.
즉, 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(110a)의 접합부(104)에 대한 접촉면 중 제1모재(101)와 접촉하는 제1면적과 제2모재(102)와 접촉하는 제2면적의 비율이 3:7 내지 1:9가 되게 위치시킨다.
더욱 바람직하게는 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(112)의 접합부(104)에 대한 접촉면 중 제1모재(102)와 접촉하는 제1면적과 제2모재(102)와 접촉하는 제2면적의 비율이 1:9가 되게 위치시킨다.
이후, 마찰교반 접합용 공구(110)를 역회전 방향으로 즉, 공구(110) 진행방향에 대해 시계반대방향 회전시키면서 이종재료와 맞닿아 마찰열을 발생시키고, 접합부(104)를 따라 이송하면서 접합작업을 수행한다.
이때, 마찰 교반 접합용 공구(110)의 회전속도는 300 내지 1600rpm이고, 전진속도는 분당 50 내지 150mm이고, 가압력은 50 내지 3000kgf이며, 마찰교반 접합용 공구(110)의 저면과 접합부(104)의 표면과의 사이각(P)은 1 내지 10°가 되게 적용하는 것이 바람직하다.
이러한 과정에 의해 마찰교반 접합용 공구(110)의 회전으로 인하여 발생하는 마찰열과 함께 경량합금인 제2모재(102)와 철강재료인 제1모재(101)가 소성유동을 일으키면서 대등한 온도분포를 형성하게 하여 접합하게 된다.
도 4는 이종재료로서 제2모재(102)에 대해 알루미늄 합금을 적용하고, 제1모재(101)로서 구조용강을 적용하녀 본 발명에 따른 마찰교반 접합을 실시한 이종재료의 접합부 단면을 나타낸 사진으로서, 사진에 나타난 바와 같이 접합부(104)에 균열, 기공 및 금속간 화합물이 거의 발생되지 않았으며 건전한 접합부를 얻을 수 있었다.
이러한 마찰 교반 용접에 의해 이종재료인 알루미늄 합금과 고강도강에 대해 접합한 경우 도 5에 도시된 바와 같이 접합부의 인장강도는 경량합금(알루미늄 합금)의 인장강도의 평균 86%의 값을 보인다.
이상에서 설명된 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법에 의하면, 상호 두께가 다르며 소재가 다른 이종재료에 대해 건전한 접합면을 갖게 접합처리할 수 있다.
101 : 제1모재 102 : 제2모재
104 : 접합부 110 : 마찰교반 접합용 공구
110a: 핀 110b: 숄더부분
115 : 스핀들

Claims (4)

  1. 두께가 다른 이종 모재가 상호 서로 맞닿아 접합부를 형성하도록 배치된 이종 모재의 상기 접합부에 접촉 회전하면서 마찰열을 발생시키는 마찰 교반 접합용 공구에 의해 두께가 상이한 이종재료를 접합하는 방법으로서,
    상기 이종모재는 철계소재로 된 제1모재와 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금 중 어느 하나의 소재로 된 제2모재이고, 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀을 상기 접합부에 위치시킨 상태에서 상기 접합부를 따르는 진행방향에 대해 반시계방향으로 회전시키면서 상기 접합부를 가압하면서 마찰열을 이용하여 소성유동을 유도하면서 상기 접합부를 따라 이동시키면서 용접하고,
    상기 마찰교반 접합용 공구는 제1외경을 갖게 형성된 숄더부분과, 상기 숄더부분의 저면 중앙에서 상기 숄버부분의 제1외경의 50%~20%인 제2외경으로 연장된 핀을 갖으며 상기 핀의 길이는 상기 제1 및 제2모재 중 상대적으로 두께가 얇은 모재의 두께에 대해 80 내지 100%의 길이를 갖는 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀은 상기 접합부에 대한 접촉면 중 상기 제1모재와 접촉하는 제1면적과 상기 제2모재와 접촉하는 제2면적의 비율이 3:7 내지 1:9가 되게 위치시키는 것을 특징으로 하는 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2모재는 상기 제1모재에 대해 두께가 더 두껍고 상기 제2모재와 상기 제1모재의 두께차이는 0.1mm 내지 10mm인 것을 적용하는 것을 특징으로 하는 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마찰교반 공구의 숄더부분의 외경은 10 내지 25mm인 것을 특징으로 하는 마찰교반에 의한 두께가 상이한 이종재료의 접합방법.
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CN108188565A (zh) * 2018-01-02 2018-06-22 沈阳航空航天大学 一种制备组织可控的梯度纳米结构的装置和方法
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