마찰교반 용접방법 및 그 장치{FRICTION STIR WELDING METHOD AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 마찰교반 용접방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마찰교반 용접 전의 가열과정을 통하여 탄소강을 연화(軟化)시킴으로써 용접심의 파손 및 마모를 감소시킴과 동시에 작업 속도를 개선하고, 마찰교반 용접 후의 가열과정을 통하여 탄소강의 강도(剛度)를 증가시킨 마찰교반 용접방법 및 그 장치에 관한 것이다.

탄소강을 재료를 용접할 때 용접 부위의 강도 및 용접 부위의 거칠기 등을 개선시키기 위해서 다양한 용접 방법들이 시도되고 있다. 일반적으로 주로 사용하는 용접 방법으로는 매쉬 심(mash seam)용접 방법, 레이저 용접 방법 및 플래쉬 버트 용접 방법 등이 있다. 이러한 용접방법들을 개략적으로 소개한다.

매쉬 심 용접 방법은 접합부의 소재를 겹쳐 놓고 상부에서 힘을 가하여 롤을 회전시켜 소재의 변형을 유도하여 용접하는 방법이고, 레이저 용접 방법은 접합부에 레이저를 가함으로써 접합부를 용접하는 방법이다. 또한, 플래쉬 용접 방법은 접합부를 맞댄 후에 전류를 통과시켜, 이러한 전류에 의해서 발생되는 열을 이용하 는 용접 방법이다.

상기한 용접 방법들은 모두 소재를 용융하여 접합하는 용융 용접 방법으로 고탄소강이나 특수한 합금이 함유된 탄소강을 접합할 경우, 접합부의 품질이 저하되는 단점이 있었다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 용융 용접으로 접합하기 곤란한 탄소강을 접합하기 위한 방법으로 마찰교반 용접방법이 제시되었다.

압연 공정을 연속적으로 수행하기 위해서는 선행코일(C1)과 후행코일(C2)을 서로 연결시키는 작업이 필요한데, 이러한 작업은 마찰교반 용접방법으로 수행된다.

즉, 선행코일(C1)과 후행코일(C2)의 일측이 접하게 위치시킨 후에, 숄더(1)와 핀(3)을 포함하는 마찰교반 용접기를 이용하여 선,후행코일(C1,C2)을 연결시킬 수 있었다. 그러나, 이러한 마찰교반 용접기로 용접하는 경우, 탄소강인 선행코일(C1)과 후행코일(C2)의 강도가 매우 높기 때문에, 핀(3)이 쉽게 부러지거나 마모되고, 용접된 탄소강은 그 용접라인을 따라 강도가 저하되며, 용접 작업시 작업속도가 저하되는 문제점이 있었다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 용접심의 마모 및 파손을 방지하고, 용접 작업의 속도가 개선되며, 용접 후 용접라인의 강도가 개선된 마찰교반 용접방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마찰교반 용접방법은 선행코일의 후단과 후행코일의 선단을 접촉시켜 용접라인을 형성하는 준비과정; 상기 선행코일과 후행코일의 일측 강도가 저하되도록 고주파 유도 가열된 코일 소재를 이용하여 상기 용접라인(L)을 따라 열을 가하는 제1가열과정; 상기 용접라인측으로 마찰교반 용접장치를 삽입하는 삽입과정; 및 마찰력 및 소성유동현상을 이용하여 용접라인을 따라 마찰교반 용접시키는 용접과정;을 포함한다.

상기 제1가열과정에서 가해지는 주파수의 세기는 상기 선행코일 및 후행코일의 두께와 관련하여 하기 식에 의해 연산되는 것을 특징으로 한다.

δ= 503.3(ρ/fμ _i ) ^1/2

ρ; 저항율 [Ωm]

μ _i ; 비투자율

δ; 두께

f: 주파수

상기 용접단계 이후에 고주파 유도 가열된 코일 소재를 이용하여 상기 용접라인을 따라 열을 가하는 제2가열과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1가열과정은 300℃~1400℃에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제2가열과정은 300℃~1400℃에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1가열과정은 코일을 용접장치에 대하여 코일을 1°~8°틸팅하면서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제2가열과정은 코일을 용접장치에 대하여 코일을 1°~8°틸팅하면서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마찰교반 용접장치는 하우징과 이 하우징에 회전가능하게 장착된 심을 포함하는 용접부; 상기 용접부의 전방에 위치하고, 상기 용접부에 대하여 일정각도 틸팅된 제1고주파가열기를 구비한 가열부를 포함한다.

상기 상기 가열부는 제1고주파가열기 및 용접부와 일직선상에 위치하고, 상기 용접부에 대하여 일정각도 틸팅된 제2고주파가열기를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 선행코일과 후행코일이 맞닿아 형성되는 용접라인이 연화되어 용접시 용접심의 마찰 및 파손 가능성이 최소화되는 것은 물론, 용접 작업의 속도가 개선된다. 나아가, 용접 후 열처리 효과를 통하여 용접라인의 강도가 개선된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰교반 용접방법 및 그 장치에 대하여 살펴본다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰교반 용접방법은 준비과정(S10), 제1가열과정(S20), 삽입과정(S30) 및 용접과정(S40)을 포함한다.

준비과정(S10)은 선행코일(C1)과 후행코일(C2)을 연결시키기 위하여 선행코일(C1)의 후단과 후행코일(C2)의 선단을 접촉시켜 용접라인(L)을 형성하는 과정이다. 용접라인(L)은 후술할 마찰교반 용접장치가 이동하는 기준선이 되는 라인임과 동시에, 선행코일(C1)과 후행코일(C2)이 맞닿아 연결되는 부분이다.

준비과정(S10)을 통하여 선행코일(C1)의 후단과 후행코일(C2)의 선단이 접촉된 상태에서 제1가열과정(S20)이 진행된다. 제1가열과정(S20)은 용접라인(L)에 열을 가하는 과정인데, 용접라인(L)을 기준으로 양 측에 위치하는 탄소강 재질의 선행코일(C1) 및 후행코일(C2)의 일측에 열이 가해지면, 이러한 탄소강이 연화(軟化)된다. 즉, 선행코일(C1)과 후행코일(C2)이 부드럽고 무르게 되는 것이다.

제1가열과정(S20)을 통하여 용접라인(L)을 기준으로 선행코일(C1)과 후행코일(C2)의 일측이 연화되면, 삽입과정(S30)가 진행된다. 삽입과정(S30)는 용접라인(L)측으로 마찰교반 용접장치를 삽입하는 과정이다. 이러한 마찰교반 용접장치에 대하여는 후술한다.

마찰교반 용접장치를 삽입한 후에 용접과정(S40)이 진행되는데, 이러한 용접과정(S40)은 마찰력 및 소성유동현상에 기초하여 이루어진다. 즉, 마찰교반 용접장 치가 용접라인(L)에 접촉되어 상기 용접라인(L)을 따라 이동하면 탄소강인 선행코일(C1) 및 후행코일(C2)의 일측에 마찰열이 유도된다. 이러한 마찰열이 발생된 상태에서, 선행코일(C1) 또는 후행코일(C2) 중 어느 한 코일에 일 방향 압력을 가하면, 소성유동현상에 의하여 용접된다. 따라서, 용접라인(L)이 가열된 상태, 즉, 탄소강인 선행코일(C1) 및 후행코일(C2)이 연화된 상태에서 용접이 이루어지기 때문에, 마찰교반 용접장치의 용접심의 마모 및 파손 가능성이 최소화되며, 용접 작업의 속도가 개선된다.

한편, 본 발명의 마찰교반 용접방법은 제2가열과정(S50)을 포함하는 것이 바람직하다. 제2가열과정(S50)은 용접과정(S40) 이후에 선행코일(C1)과 후행코일(C2)이 연결된 부분인 용접라인(L)의 원자 확산을 촉진시켜 접합성을 향상시킨다. 용접과정(S40) 이후에 용접라인(L) 부분이 급냉되면, 용접라인(L)의 잔류응력이 증가하고, 취성이 증가하기 때문에, 선행코일(C1)과 후행코일(C2)은 용접라인(L)을 기준으로 파손될 가능성이 커지게 된다. 따라서, 제2가열과정(S50)은 용접라인(L)이 급냉을 방지하기 위하여, 용접라인(L)을 소정의 온도 범위로 다시 가열하는 과정이다. 즉, 용접라인(L)은 소정의 온도 범위에서 가열되어 급냉이 방지되기 때문에, 탄소강이 변형되거나 갈라지는 것이 방지된다.

상기 제1가열과정 및 제2가열과정은 고주파 유도가열 방식으로 가열된다. 고주파 유도가열은 가열시간이 매우 짧고, 두께 방향으로 동시에 가열될 수 있는 특징이 있다. 예를 들어 2~5mm 소재를 800℃로 가열하는데 소요되는 시간은 약 10초 밖에 소요되지 않으며, 표면과 뒷면의 온도가 거의 비슷하게 상승한다. 소재를 가 열하는 두께는 아래의 식으로 계산된다.

δ= 503.3(ρ/fμ _i ) ^1/2 =(2ρ/μw) ^1/2

ρ; 저항율 [Ωm], μ _i ; 비투자율, δ; 두께, f: 주파수, w: 각주파수

본 발명에 따른 마찰교반 용접방법에서 용접이 수행되는 탄소강의 소재가 1~5mm라면, 사용되는 주파수는 150~350㎒ 이다.

상기한 제1과열과정과 제2가열과정(S50)은 300℃~1400℃ 범위 내에서 이루어진다.

제1가열과정(S20)이 300℃ 미만에서 이루어지는 경우, 탄소강을 연화시키려는 목적 달성이 어려워 마찰교반 용접장치의 심(14)이 부러지거나 심하게 마모되는 것을 방지하기 어렵고, 1400℃를 초과하여 진행되는 경우, 마찰교반 용접시 용접라인(L)이 과도하게 녹아 탄소강의 형상이 불균일해지는 문제점이 발생된다.

또한, 제2가열과정(S50)이 300℃ 미만에서 이루어지는 경우, 탄소강 원자를 촉진시키기 어려워 소정의 열처리 효과를 얻을 수 없고, 1400℃ 이상에서 진행되는 경우, 용접라인(L)의 형상이 의도하지 않는 형상으로 변형될 수 있기 때문에, 제2가열과정(S50)은 300℃~1400℃ 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1가열과정(S20) 및 제2가열과정(S50)은 용접장치를 기준으로 코일(22b)을 일정각도 틸팅한 상태에서 진행되는 것이 바람직하다. 즉, 가열된 시점과 용접이 이루어지는 시점 사이의 시간적 간격을 최소화하기 위하여, 용접장치에서 최대한 가까운 지점에서 가열이 이루어지도록 하는 것이다. 상기 한 바와 같이, 가열 효과를 최대화하기 위해 코일(22b)을 용접장치에 대하여 1°~8°틸팅한 상태에서 제1가열과정(S20) 및제2가열과정(S50)을 진행하는 것이 바람직하다.

코일(22b)이 1°미만인 경우, 틸팅의 효과가 제대로 발휘될 수 없고, 코일(22b)이 8°를 초과하는 경우, 용접라인(L)과 이격된 코일(22b)부분이 용접라인을 가열하지 못하고, 스스로 가열만 되기 때문에, 코일(22b)에 손상이 일어나는 문제가 발생된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰교반 용접장치는 용접부(10)와 가열부(20)를 포함한다.

본 발명에 따른 마찰교반 용접장치의 용접부(10)는 하우징(12)과 심(14)을 포함한다. 하우징(12)은 다양한 형상으로 제조될 수 있는 바, 이러한 하우징(12)에는 심(14)이 회전가능하게 장착된다. 하우징(12)으로부터 회전되는 심(14)의 회전력이 용접라인(L)에 맞닿으면, 이러한 심(14)과 용접라인(L)간의 마찰력에 의한 마찰열에 의해 선행코일(C1)과 후행코일(C2)의 일측이 맞닿아 있는 용접라인(L)의 온도가 상승하고, 선행코일(C1)과 후행코일(C2)의 소성유동현상에 의해 양 코일이 용접된다.

한편, 이러한 용접부(10)의 전방 일직선상에는 제1고주파가열기(22)가 위치한다. 이러한 제1고주파가열기(22)는 용접라인(L)이 용접부(10)에 의해 용접되기 전에, 용접라인(L)을 가열하여 연화시키는 기능을 한다. 이러한 제1고주파가열 기(22)는 용접부(10)와는 별도로 별물로 제조될 수도 있는 바, 용접라인(L)을 예열시키는 기능을 만족시키는 경우, 고주파 유도 가열장치가 이용될 수도 있으며, 다양한 형상 및 구조로 설계될 수 있다.

또한, 가열부(20)는 제2고주파가열기(24)를 더 포함하는 것이 바람직한데, 이러한 제2고주파가열기(24)는 선행코일(C1)과 후행코일(C2)이 용접된 상태에서, 마무리 열처리를 하는 기능을 수행하면 충분하기 때문에, 이러한 기능을 만족시키는 경우, 고주파 유도 가열장치가 이용될 수도 있으며, 다양한 형상 및 구조로 설계될 수 있다. 다만, 설계시, 용접부(10)와 제1고주파가열기(22) 및 제2고주파가열기(24)는 일직선상에 놓여, 용접라인(L)을 따라 위치할 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.

제1고주파가열기(22)는 전자회로(미도시)가 내장된 공진박스(22a)와, 이러한 공진박스(22a)로부터 인출되어 형성된 코일(22b)을 포함한다. 전자회로에 전류가 인가되어 코일(22b)에 유도전류가 흐르면, 코일(22b)은 발열하게 된다. 이러한 코일(22b)은 상술한 바와 같이, 용접부(10)에 대하여 1°~ 8°틸팅된 상태를 유지하기 때문에, 가열 효과를 최대화할 수 있다. 제2고주파가열기(24) 또한, 제1고주파가열기(22)와 동일한 구조로 형성되는 바, 상세한 설명은 생략한다.

제1고주파가열기(22) 및 제2고주파가열기(24)는 용접부(10)와 동일한 프레임(미도시)상에 장착하는 것이 바람직하다. 용접부(10) 또는 제1고주파가열기(22) 및 제2고주파가열기(24)를 선택적으로 용접라인(L)을 따라 위치시키면, 나머지 구성은 자동적으로 용접라인(L)을 따라 위치하게 된다. 따라서, 각각의 구성을 별도 로 용접라인(L)을 따라 위치시키지 않아도 되기 때문에, 작업성이 개선된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

도 1은 종래의 마찰교반 용접장치를 나타낸 도면;

도 2는 본 발명의 마찰교반 용접방법을 나타낸 도면;

도 3은 본 발명의 마찰교방 용접장치를 나타낸 도면;

도 4는 본 발명에 따른 마찰교반 용접장치의 개략도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

S10: 준비과정 S20: 제1가열과정

S30: 삽입과정 S40: 용접과정

10: 용접부 12: 하우징

14: 심 20: 가열부

22: 제1고주파가열기 24: 제2고주파가열기

22a: 공진박스 22b: 코일

C1: 선행코일 C2: 후행코일

L: 용접라인