마찰교반용접이란?- 공정 및 응용

마찰교반용접이란?

마찰 교반 용접(FSW)은 회전 도구에서 발생하는 마찰열을 사용하여 공작물 재료를 녹이지 않고 마주보는 두 공작물을 접합하는 고체 상태 접합 공정입니다. 회전 도구와 공작물 재료 사이의 마찰에 의해 열이 발생하여 FSW 도구 근처에 연화 영역이 생깁니다.

도구가 접합선을 따라 이동하는 동안 두 금속 조각을 기계적으로 혼합하고 점토나 반죽을 접합하는 것과 같이 도구에 의해 가해지는 기계적 압력에 의해 뜨겁고 연화된 금속을 단조합니다.

주로 단조 또는 압출 알루미늄에 사용되며 특히 매우 높은 용접 강도가 필요한 구조물에 사용됩니다. FSW는 알루미늄 합금, 구리 합금, 티타늄 합금, 연강, 스테인리스강 및 마그네슘 합금을 접합할 수 있습니다.

최근에는 폴리머 용접에 성공적으로 사용되었습니다. 또한, 알루미늄과 같은 이종 금속과 마그네슘 합금의 접합은 최근 FSW에 의해 달성되었습니다. FSW의 응용 프로그램은 현대 조선, 기차 및 항공 우주 응용 프로그램에서 찾을 수 있습니다.

 

작동 원리

접합부를 통한 도구의 진행률, 용접 영역 및 도구 숄더의 영향을 받는 영역도 표시

FSW는 숄더 직경보다 작은 직경을 가진 프로파일 핀이 있는 회전하는 원통형 도구로 수행됩니다. 용접하는 동안 도구는 프로브가 공작물을 관통하고 숄더가 공작물의 표면에 닿을 때까지 두 개의 클램핑된 공작물 사이의 맞대기 접합부에 공급됩니다.

프로브는 필요한 용접 깊이보다 약간 짧으며 공구 숄더가 작업 표면 위에 있습니다. 짧은 체류 시간 후 공구는 사전 설정된 용접 속도로 조인트 라인을 따라 앞으로 이동합니다.

내마모성 공구와 공작물 사이에 마찰열이 발생합니다. 이 열은 기계적 혼합 과정에서 발생하는 열 및 재료 내의 단열 열과 함께 교반된 재료를 녹지 않고 부드럽게 만듭니다.

도구가 앞으로 이동하면 프로브의 특수 프로파일이 앞쪽 면에서 뒤쪽으로 가소화된 재료를 밀어넣고 높은 힘이 용접의 단조 통합을 돕습니다.

가소화된 관형 금속 샤프트에서 웰드 라인을 따라 이동하는 공구의 이 프로세스는 모재의 동적 재결정화를 포함하는 심각한 고체 상태 변형을 초래합니다.

 

 

마찰교반용접의 과정

마찰 교반 용접은 함께 용접해야 하는 이음매 위에서 고속으로 회전하는 특수 설계된 도구를 사용합니다. 도구가 금속 위에서 회전하면 금속 사이에 열이 발생합니다. 이 열로 인해 금속이 플라스틱이 되어 서로 융합됩니다. 마찰 교반 용접은 두 가지 유형의 조인트를 용접할 수 있습니다.

▷ Lap Joints
▷ Butt joints

마찰교반용접에 사용되는 공구는 두 부분으로 나뉩니다. 숄더라고 하는 원통형 부품이 이음새에서 회전하고 프로파일 핀이 숄더에서 확장됩니다.

핀은 먼저 솔기에 드릴됩니다. 그런 다음, 숄더는 최적의 온도에 도달하여 재료에 흡수될 때까지 일정 시간 동안 공작물 위에서 회전합니다.

그런 다음 도구가 이음매를 가로질러 이동하여 연속 용접을 생성합니다. 이것은 도구에 의해 생성된 체적 가열과 프로파일링된 핀에 의한 금속 입자의 혼합으로 인해 가능합니다. 핀이 말 그대로 연화 입자를 저어 융합시키기 때문에 "저어"라는 이름이 붙은 작업 공간으로 들어가는 프로파일링된 핀에서 나온 것입니다.

 

마찰교반용접의 응용

FSW 프로세스는 처음에 대부분의 선진국에서 TWI에 의해 특허를 받았으며 183명 이상의 사용자에게 라이선스가 부여되었습니다. 마찰 교반 용접 및 그 변형 마찰 교반 스폿 용접 및 마찰 교반 처리는 조선 및 해양, 항공 우주, 자동차, 철도용 철도 차량, 일반 제조, 로봇 공학 및 컴퓨터와 같은 산업 응용 분야에 사용됩니다.
마찰 교반 용접은 알루미늄을 사용하는 다양한 산업 분야에서 적용됩니다.

조선
FSW는 어선용 중공 알루미늄 패널을 용접하는 데 처음 사용되었습니다. 오늘날 이 용접 기술은 선박의 선체와 선체에 사용되는 알루미늄 냉동고 패널을 용접하는 데 일반적입니다. FSW는 왜곡을 최소화하기 때문에 알루미늄 패널은 용접이 길어도 모양이 유지됩니다.

항공우주
극저온 산소를 저장하기 위해 우주선에 사용되는 알루미늄 연료 탱크는 FSW를 사용합니다. 접합 기술은 이러한 연료 탱크를 구성하는 원통형 구조에 돔을 용접합니다. 보잉은 1999년 8월 성공적으로 이륙한 Delta II 로켓의 Interstage Module에 FSW를 사용했습니다.
FSW는 또한 항공기 동체에서 볼 수 있는 경량 알루미늄 프레임을 결합하는 데 사용됩니다. 이는 이 기술이 볼팅이나 리벳팅보다 훨씬 가벼운 대안을 제공하기 때문입니다.

철도
마찰 교반 용접은 고속 열차 제조를 위한 중공 프로파일 및 T-스티프너 압출에 사용됩니다.

자동차 산업
자동차 산업은 자동차 섀시를 준비하는 최적의 재료로 알루미늄으로 눈을 돌렸습니다. 따라서 FSW 기술의 주요 채택자 중 하나입니다. 기존의 용접 방법은 FSW와 같은 높은 허용 오차 부품을 재현할 수 없습니다. FSW의 빠른 용접 시간은 또한 다른 형태의 알루미늄 용접보다 더 매력적입니다.

 

마찰 교반 용접과 마찰 용접의 차이점

여러 용접 기술은 마찰을 사용하여 열을 발생시키며 그 중 가장 일반적인 것은 마찰 용접입니다. 일반적인 마찰 용접 방법에서 열은 이음새에서 한 공작물을 다른 공작물과 관련하여 이동하여 두 공작물 사이에서 발생합니다.

두 표면 사이의 마찰로 인해 두 표면이 녹고 융합됩니다.

그러나 이는 직선왕복운동을 통해 공작물을 고속으로 이동시킬 수 있어야 하기 때문에 공작물 셋업 시 마찰용접에 한계가 있다.

마찰 교반 용접은 공작물을 제자리에 고정한 다음 이음매를 따라 도구를 이동하여 공정에서 용접을 생성함으로써 이러한 한계를 극복합니다.

 

마찰교반용접의 장점

마찰 교반 용접의 장점은 소모품이나 차폐 요소 기술을 사용하지 않는 독특한 용접에서 비롯됩니다. 이것은 용접에 다음과 같은 특성을 부여합니다.

▷ 완성된 용접은 매끄럽고 미학적입니다.
▷ 알루미늄 2xxx 및 7xxx 범위와 같은 달리 다루기 힘든 합금을 용접할 수 있습니다.
▷ 완전 자동화된 프로세스
▷ 플럭스 또는 차폐제가 필요하지 않음
▷ 낮은 피크 온도는 균열의 수축 및 다공성을 방지합니다.

 

마찰교반용접의 단점

▷ 복잡하거나 특별한 고정 장치가 필요합니다.
▷ 용접 플레이트에 눈에 보이는 구멍을 만듭니다.
▷ 높은 초기 또는 설정 비용.
▷ 아크 용접 공정에 비해 유연성이 떨어집니다.
▷ FSW는 필러 조인트를 만들 수 없습니다.
▷ 변형 불가능한 재료는 용접할 수 없습니다.

 

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