KR20240077311A - 마찰 교반 용접 방법 - Google Patents
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Abstract
본 실시예는 마찰 교반 용접 방법에 관한 것으로 제1 금속 부재, 상기 제1 금속 부재와 상이한 소재인 제2 금속 부재를 준비하는 단계, 상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계, 상기 아연 또는 아연계 합금층이 적층된 상기 제1 금속 부재를 상기 제2 금속 부재와 적어도 일부가 중첩되게 적층되어 용접라인을 형성하는 단계, 마찰 교반 용접 툴로 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이의 접촉면으로 이동시켜 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하고, 상기 소정의 온도는 제2 금속 부재의 융점 미만인 것을 특징으로 할 수 있다.
Description
본 실시예들은 마찰 교반 용접 방법에 관한 것으로, 마찰 교반 용접을 이용하여 강철(Steel)과 알루미늄(Aluminium) 합금 판재의 이종 겹침 용접 방법에 관한 것이다.
자동차 산업에서 연비 및 배기가스 규제의 강화로 인한 자동차 경량화와 적용 소재의 다변화 이슈가 대두되고 있다. 구체적으로, 적용 소재의 다변화, 멀티머터리얼(Multi Material) 적용을 통한 경량화 기술개발 경쟁이 자동차 사와 소재 제조 사에서 활발하게 진행되고 있다.
특히, 전기차와 수소차와 같은 친환경자동차용 소재로 알루미늄 사용이 급증하고 있어 이에 따라 강철(Steel) 판재와 알루미늄(Aluminium) 합금 판재의 겹침 접합은 적합한 용접방법이 없어 볼팅이나 리벳과 같은 기계적 체결 방식을 주로 사용하고 있다. 그러나, 상기 기계적 체결 방식의 경우, 비용이 증가되고 공정이 복잡해짐에 따라, 경제성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 강철과 알루미늄은 용융 온도, 결정 구조, 열전도도, 열팽창계수와 같은 특성에 있어서 차이가 커 용융 용접을 적용할 때, 용접 중에 응고 균열과 액상 균열, 기공과 같은 용접 결함이 발생하는 문제가 있다. 또한, 도 1에 도시된 것과 같이, 강철과 알루미늄이 계면 반응하는 동안 FeAl2, FeAl3, 또는 FeAl5와 같은 금속간 화합물이 발생하여 용융 용접을 적용하기 어려운 문제가 있다.
마찰교반 용접은 도2에 도시된 것과 같이, 용접선을 따라 접합 대상 소재보다 경한 재질을 지닌 비소모식 회전 툴(Tool)의 일부분이 접합하려는 소재 내부에 삽입되어 툴과 접합 부재의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 삽입된 툴 주위로 소재가 연화되고, 소성영역이 생기며 접합되는 고상의 접합 방법이다. 상기 마찰교반 용접은 알루미늄 합금 판재가 상부에 위치하고 강철 판재가 하부에 위치하는 겹침 용접에 적용하게 되면 알루미늄 융점 이하에서 접합이 이루어지므로 용융 용접보다 우수한 장점이 있다.
도 3을 참고하면, 강철 판재가 하부에 위치하고, 알루미늄 합금 판재가 상부에 위치한 후 겹침 용접을 수행하는 경우, 마찰교반 용접 툴 프로브 길이가 알루미늄 합금 판재 두께보다 소정 범위를 벗어나 길게 형성된 경우, 상기 툴이 회전하는 동안 발생하는 마찰열이 알루미늄 융점 보다 상승하게 되어 대량의 금속간 화합물층이 발생하게 되어 용접부 품질이 저하되는 문제가 있다.
이에 따라. 상기 프로브의 끝단부가 스틸 표면에 일부 접촉하는 범위의 길이가 되도록 설계하여 용접하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 경우, 도 4와 같이 알루미늄 합금 판재와 스틸 판재 사이의 계면에 금속간 화합물 층이 용이하게 형성되지 않아 접합력이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 강철 판재와 알루미늄 합금 판재 사이의 계면에서 금속간 화합물을 용이하게 형성하며 두께가 얇은 금속간 화합물이 형성될 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 강철 판재와 알루미늄 합금 판재 사이의 계면에서 금속간 화합물을 용이하게 형성하고 두께가 얇은 금속간 화합물이 형성되는 마찰용접 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 방법은 제1 금속 부재, 상기 제1 금속 부재와 상이한 소재인 제2 금속 부재를 준비하는 단계, 상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계, 상기 아연 또는 아연계 합금층이 적층된 상기 제1 금속 부재를 상기 제2 금속 부재와 적어도 일부가 중첩되게 적층되어 용접라인을 형성하는 단계, 및 마찰 교반 용접 툴로 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이의 접촉면으로 이동시켜 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하고, 상기 소정의 온도는 제2 금속 부재의 융점 미만인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 용접라인을 형성하는 방법 이후, 상기 형성된 용접라인을 이루는 제2 금속 부재를 고주파 유도 가열하여, 상기 제2 금속 부재와 접촉하는 상기 제1 금속 부재를 소정의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재는 Fe계 합금일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2 금속 부재는 Al계 합금일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마찰 교반 용접 툴의 프로브의 길이는 상기 제2 금속 부재 두께와의 관계에서 하기 식 1을 만족할 수 있다.
<식 1>
제2 금속 부재 두께 ≤ 프로브 길이 ≤ 제2 금속 부재 두께 + 0.5
일 실시예에서, 아연 또는 아연계 합금을 적층하는 단계는 20 내지 500 ㎛ 범위의 두께를 갖는 합금층이 적층될 수 있다. 일 실시예에서, 아연 또는 아연계 합금을 적층하는 단계는 상기 마찰 교반 용접 툴의 프로브의 직경과 동일한 폭으로 합금층이 적층될 수 있다.
일 실시예에서, 마찰 교반 용접 후, 상기 형성된 용접라인을 이루는 제2 금속 부재를 고주파 유도 가열하여, 상기 제2 금속 부재와 접촉하는 상기 제1 금속 부재를 후가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계는 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 계면 상에 금속간 화합물층이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속간 화합물층은 10 ㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계 이전에,
상기 제1 금속 부재 표면을 블래스팅하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강철 및 알루미늄 합금 이종 소재를 용접할 때, 상기 강철 및 상기 알루미늄 사이에 아연(Zn) 또는 아연 합금층을 형성하여 마접합부가 우수한 용접부를 갖는 마찰용접 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 강철(Steel)과 알루미늄의 상태도를 나타낸다.
도 2는 일반적인 마찰 교반 용접 방법을 도시한다.
도 3은 알루미늄 및 강철(Steel) 사이 마찰 교반 용접 방법을 도시한다.
도 4는 알루미늄과 강철 판재 사이의 계면을 SEM 사진으로 도시한다.
도 5는 용사 공정에 따른 Zn 합금층을 제조하는 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 알루미늄 판재 및 강철 판재의 고정 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 접합부 단면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 인장전단 시험편에 대해 도시한다.
도 2는 일반적인 마찰 교반 용접 방법을 도시한다.
도 3은 알루미늄 및 강철(Steel) 사이 마찰 교반 용접 방법을 도시한다.
도 4는 알루미늄과 강철 판재 사이의 계면을 SEM 사진으로 도시한다.
도 5는 용사 공정에 따른 Zn 합금층을 제조하는 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 알루미늄 판재 및 강철 판재의 고정 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 접합부 단면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 인장전단 시험편에 대해 도시한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 방법은 제1 금속 부재, 제1 금속부재와 상이한 소재인 제2 금속 부재를 준비하는 단계, 상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금을 적층하는 단계, 상기 아연 또는 아연계 합금층이 적층된 상기 제1 금속 부재를 상기 제2 금속 부재와 적어도 일부가 중첩되게 적층되어 용접라인을 형성하는 단계, 마찰 교반 용접 툴로 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이의 접촉 면으로 이동시켜 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 금속 부재, 제1 금속부재와 상이한 소재인 제2 금속 부재를 준비하는 단계는 상호 상이한 금속 소재의 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재, 예를 들어 금속 판재를 준비할 수 있다.
상기 제1 금속 부재는 예를 들어, Fe계 합금과 같은 철강(Steel)일 수 있고, 상기 제2 금속 부재는 예를 들어, Al계 합금과 같은 알루미늄 합금일 수 있다. 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재는 마찰 교반 용접을 위해 상이한 용융점을 갖는 금속 부재일 수 있다.
상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계는 Fe 합금과 같은 철강 판재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층시켜 아연 또는 아연계 합금층을 형성하는 단계일 수 있다. 상기 아연 또는 아연계 합금층은 아연 단독 합금 또는 아연과 아연과 상이한 금속 원소가 혼합된 합금층일 수 있으며, 예를 들어 Zn 100 % 또는 Zn 50 % - Al 50 %의 합금일 수 있다. 상기 아연 또는 아연계 합금층은 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 원소, 예를 들어, Fe 또는 Al의 확산이 용이하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 아연 또는 아연계 합금층은 제2 금속 부재 보다 융점이 낮은 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로, 아연은 알루미늄의 융점 보다 낮은 온도인 400 내지 450 ℃ 범위에서 녹는점을 가질 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 제2 금속 부재, 예를 들어 알루미늄에 마찰교반 용접을 수행하는 동안 발생하는 용접부 온도는 500 ℃ 이상 상승함에 따라, 상기 아연 또는 아연계 합금층 내 아연이 용접을 수행하는 동안 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 계면 사이에 스며들어 원자간 확산이 발생하는 환경이 생성되는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계는 용사 공정 또는 클래딩 공정을 통해 수행될 수 있다. 상기 용사 공정은 예를 들어, 아크용사나 화염용사와 같은 용사 방법으로 수행되고, 상기 클래딩 공정은 예를 들어, 레이저클래딩과 같은 방법으로 수행될 수 있다. 상기 합금층을 적층하는 단계는 비제한적인 예시로, 소정의 폭 및 두께를 갖는 합금층을 적층하는 방법이 활용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용사 공정에 사용되는 용사는 예를 들어 아연, 아연 합금 분말 또는 와이어가 사용될 수 있고, 레이저, 아크, 또는 화염과 같은 열원이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계는 50 내지 500 ㎛ 범위의 두께를 갖는 합금층이 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계는 50 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 갖는 합금층이 적층될 수 있다. 상기 합금층의 두께가 전술한 범위를 만족함으로써, 확산이 용이한 것을 확인할 수 있다.
상기 합금층의 두께가 전술한 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 아연 합금층이 용접부 근처에 잔존하여 불필요한 알루미늄-아연 합금층을 형성시키는 문제가 있다. 상기 합금층의 두께가 전술한 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 접합력 향상 효과가 발현되지 않는 문제가 있다.
상기 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계에서, 상기 마찰 교반 용접 툴의 프로브의 길이와 상기 제2 금속 부재 두께와의 관계는 하기 식 1을 만족할 수 있다.
<식 1>
제2 금속 부재 두께 ≤ 프로브 길이 ≤ 제2 금속 부재 두께 + 0.5
상기 프로브의 길이는 상기 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 프로브와 금속 부재사이에 과도한 발열로 인해 접합부에 홀(Hole)과 같은 결함이 발생하는 문제가 있다. 상기 프로브의 길이는 상기 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 접합이 제대로 안되는 의 문제가 있다.
상기 아연 또는 아연계 합금층이 적층된 상기 제1 금속 부재를 상기 제2 금속 부재와 적어도 일부가 중첩되게 적층되어 용접라인을 형성하는 단계는 상기 제1 금속부재 및 상기 제2 금속 부재의 겹치기 용접을 위해, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속부재의 적어도 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인을 형성하는 것일 수 있다. 상기 용접 라인이란 후술한 마찰 교반 용접 단계에서 용접 장치가 이동하는 기준선이 되는 선이며 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 접촉하여 연결되는 부분이다.
마찰 교반 용접 툴로 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이의 접촉 면으로 이동시켜 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계는 예를 들어, 마찰력 및 소성 유동 현상에 기초하여 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재를 접합시키는 단계일 수 있다. 구체적으로, 상기 용접라인을 이루는 상기 제2 금속부재에 마찰 교반 용접 툴을 삽입한 후, 마찰 교반 용접 장치를 용접라인을 따라 이동시키면서 마찰열이 유도되며, 상기 마찰열이 발생된 상태에서 일 방향으로 압력을 가하면 소성 유동 현상에 의해 용접이 발생하는 것이다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계는 상기 제2 금속 부재가 상기 제1 금속 부재의 상부에 배치된 상태에서 마찰 교반 용접 툴에 의해 겹침 용접이 수행될 수 있다. 상기 제1 금속 부재가 Fe계 합금이고, 상기 제2 금속 부재가 Al계 합금인 경우, 상기 제1 금속 부재가 상기 제2 금속 부재 하부에 배치되어 겹침 용접이 수행되는 경우, 상기 제2 금속 부재 융점 이하에서 접합이 이루어지기 때문에, 용융 용접보다 금속간 화합물이 적게 생성되어 우수한 접합부를 얻을 수 있는 이점이 있다.
상기 제1 금속 부재를 하부에 배치시키고, 상기 제2 금속 부재를 상기 제1 금속 부재 상부에 배치시킨 뒤, 겹침 용접을 수행하는 경우, 상기 마찰 교반 용접 툴의 끝단부인 프로브 길이가 상기 제2 금속 부재 두께 보다 과도하게 긴 경우, 상기 마찰 교반 용접 툴이 회전하는 동안 발생하는 마찰열이 상기 제2 금속 부재의 융점 보다 상승하게 되어 대량의 금속간 화합물층이 발생함에 따라 용접부의 품질이 저하되는 문제가 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계는 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 계면 상에 금속간 화합물층이 형성되는 단계를 포함할 수 있다. 상기 금속간 화합물은 예를 들어, Al-Fe 금속간 화합물일 수 있다. 구체적으로, 상기 Al-Fe 금속간 화합물은 예를 들어, FeAl2, FeAl3, 또는 Fe2Al5와 같은 화합물일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속간 화합물층은 10 ㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 두께는 10 ㎛ 이하, 구체적으로, 2 ㎛ 이하 일 수 있다. 상기 금속간 화합물층은 전술한 두께를 만족함으로써, 목표한 인장 전단 강도를 확보할 수 있다. 상기 금속간 화합물층의 두께는 전술한 두께 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 용접부가 부서지기 쉬워(Brittle) 충격에 의해 탈리되는 문제가 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계는 0.1 내지 2 mm/sec 범위의 용접 속도에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 용접 속도는 0.1 내지 1 mm/sec 범위의 용접 속도에서 수행될 수 있다.
상기 용접 속도는 상한 값을 벗어나는 경우, 용접부에 결함이 쉽게 생기는 문제가 있다. 상기 용접 속도는 하한 값을 벗어나는 경우, 과도한 입열량 때문에 접합이 용이하지 못한 문제가 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계 이전에, 상기 제1 금속 부재 표면을 블래스팅하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 금속 부재의 용접부위에 블래스팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 블래스팅하는 단계는 제1 금속 부재 상에 모래와 같은 블래스팅 물질을 블래스팅(Blasting)하여 강철 표면에 굴곡을 형성시키고, 상기 굴곡 표면에 상기 제1 금속 부재의 물질인 알루미늄이 파고들어 기구적인 체결을 하고, 제2 금속 부재의 물질인 철과 화학적 확산을 용이하게 하여 기계적 및 화학적 과정을 포함한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
<실험예>
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 알루미늄 판재 및 강철 판재의 고정 상태를 도시한다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 알루미늄 합금 판재로 두께 1.4 mm의 Al5182를 사용하고, 강철(Steel)은 인장 강도 354 MPa, 두께 2.3 mm의 냉연강판을 사용하였다. 먼저, 상기 강철 표면에 100 % Zn 코팅층을 20 ㎛ 적층한 후 하부에 위치시키고, 상기 알루미늄 합금 판재를 상부에 위치시켜 고정하였다. 이후, 아래와 같이 마찰교반 용접을 실시하였다.
<용접 속도에 따른 평가예>
상기 마찰교반 용접에 사용된 툴의 프로브 길이는 알루미늄 합금 판재 두께보다 긴 1.6 mm를 사용하였다. 툴 회전속도는 500 rpm으로 고정하고, 용접 속도는 0.9 mm/sec, 1.1 mm/sec, 1.3 mm/sec, 및 1.5 mm/sec으로 조정하면서 용접실험을 수행하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 접합부 단면을 도시한다.
도 7을 참조하면, 마찰교반 용접 툴 프로브가 하부에 있는 강철 표면에 일부 삽입되어 접합되며, 상기 강철 표면이 알루미늄 소재 내부에 일부 섞여 있는 것을 확인하였다. 또한, 상기 강철과 상기 알루미늄 합금 계면에는 정공(Hole)과 같은 결합이 관측되지 않았다. 또한, 상기 계면을 확대하여 확인한 결과, Al-Fe 금속간 화합물층이 약 1 내지 2 ㎛ 형성된 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 인장전단 시험편에 대해 도시한다.
도 8을 참조하면, 인장강도 측정을 위해, 인장 강도 시험기(Tensil Shear Test ASTM D5868)를 사용하여 인장 전단 시험을 실시하였다.
하기 표 1을 참조하면, 용접속도에 따른 인장전단 강도를 나타낸다.
| 번호 | 용접 속도 [mm/sec] |
툴 회전속도 [rpm] |
인장 전단 강도 [kN] |
| 실험예 1 | 0.9 | 500 | 8.2~9.9 |
| 실험예 2 | 1.1 | 500 | 7.0~11.0 |
| 실험예 3 | 1.3 | 500 | 8.2~9.5 |
| 실험예 4 | 1.5 | 500 | 8.5~10.5 |
상기 표 1을 살펴보면, 용접 속도 및 툴 회전 속도에 따라, 인장 전단 강도가 양호한 7 내지 11kN 수준에서 형성되고, 알루미늄 합금 판재 상호간 마찰 교반 용접한 경우와 유사한 값의 인장 전단 강도를 나타내는 것을 확인하였다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (11)
- 제1 금속 부재, 상기 제1 금속 부재와 상이한 소재인 제2 금속 부재를 준비하는 단계;
상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계;
상기 아연 또는 아연계 합금층이 적층된 상기 제1 금속 부재를 상기 제2 금속 부재와 적어도 일부가 중첩되게 적층되어 용접라인을 형성하는 단계; 및
마찰 교반 용접 툴로 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이의 접촉면으로 이동시켜 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하고,
상기 소정의 온도는 제2 금속 부재의 융점 미만인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
용접라인을 형성하는 방법 이후, 상기 형성된 용접라인을 이루는 제2 금속 부재를 고주파 유도 가열하여, 상기 제2 금속 부재와 접촉하는 상기 제1 금속 부재를 소정의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재는 Fe계 합금인 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 제2 금속 부재는 Al계 합금인 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 마찰 교반 용접 툴의 프로브의 길이는 상기 제2 금속 부재 두께와의 관계에서 하기 식 1을 만족하는 마찰 교반 용접 방법.
<식 1>
제2 금속 부재 두께 ≤ 프로브 길이 ≤ 제2 금속 부재 두께 + 0.5
- 제1 항에 있어서,
아연 또는 아연계 합금을 적층하는 단계는 20 내지 500 ㎛ 범위의 두께를 갖는 합금층이 적층되는 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
아연 또는 아연계 합금을 적층하는 단계는 상기 마찰 교반 용접 툴의 프로브의 직경과 동일한 폭으로 합금층이 적층되는 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
마찰 교반 용접 후, 상기 형성된 용접라인을 이루는 제2 금속 부재를 고주파 유도 가열하여, 상기 제2 금속 부재와 접촉하는 상기 제1 금속 부재를 후가열하는 단계를 더 포함하는 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 사이를 마찰 교반 용접하는 단계는 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 계면 상에 금속간 화합물층이 형성되는 단계를 포함하는 마찰 교반 용접 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 금속간 화합물층은 10 ㎛ 이하의 두께로 형성되는 마찰 교반 용접 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재 상에 아연 또는 아연계 합금층을 적층하는 단계 이전에,
상기 제1 금속 부재 표면을 블래스팅하는 단계를 포함하는 마찰 교반 용접 방법.
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| KR1020220159725A KR20240077311A (ko) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 마찰 교반 용접 방법 |
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