마찰 교반 용접: 고체 금속 접합 공정

 마찰 교반 용접은 금속과 그 합금을 가열하고 용접하기 위해 마찰을 기반으로 하는 고체 용접으로, 이 글에서는 마찰 교반 용접의 작동 원리, 융합 용접보다 선호되는 이유, 자동차, 항공 우주 등 주요 사용 분야, 최근 FSW의 발전에 대한 간략한 업데이트, 마찰 교반 용접과 같은 다양한 스핀오프 공정에 대해 설명합니다. 이 중요한 금속 접합 공정에 대한 모든 필수 정보를 다루는 것을 목표로 합니다.

마찰 교반 용접: 고체 금속 접합 공정

목차

소개

마찰 교반 용접의 원리

마찰 교반 용접의 장점

툴 설계 및 프로세스 파라미터

마찰 교반 용접의 응용 분야

금속 접합의 도전 과제와 최신 발전 사항

마찰 교반 용접의 혁신적인 파생 제품

마찰 교반 용접의 향후 발전 방향

결론

자주 묻는 질문

마찰 교반 용접(FSW)은 1991년 영국 용접 연구소에서 발명된 새로운 고체 접합 공정입니다. 이 공정은 처음 개발된 이래 용융 접합 공정 이외의 금속 접합 기술에 의존하는 수많은 금속 가공 산업 분야를 크게 변화시켰습니다. FSW에서는 비소모성 회전 공구를 사용하여 접합되는 재료의 융점 이하에서 마찰 열을 발생시킵니다. 이렇게 하면 금속이 가열되고 부드러워져 금속을 함께 단조하여 결함 없는 고품질의 접합부를 만들 수 있습니다.

응고 균열 및 다공성과 같은 문제가 없기 때문에 FSW는 용융 대체재보다 더 강력하고 일관된 용접을 생성합니다. 항공우주용 알루미늄 합금뿐만 아니라 자동차, 해양, 철도 등에도 사용되고 있습니다. 이 글에서는 마찰 교반 용접의 원리, 마찰 교반 용접의 장점, 마찰 교반 용접의 적용, 마찰 교반 용접의 새로운 발전 등 마찰 교반 용접에 대한 기본적인 내용을 다룹니다. 그 범위는 이 중요한 금속 접합 공정의 모든 측면을 포함합니다.

작동 원리

FSW는 모재를 녹이지 않고 열을 적게 투입하여 재료를 접합하는 새로운 공정입니다. 이 과정에서 원통형 핀과 원통형 숄더를 가진 전기적으로 가열된 비접촉식 전극을 인접한 두 부재 표면에 배치하고 작업 접합부의 끝에서 끝으로 이동합니다.

마찰을 통한 열 발생

FSW 공구의 핀이 회전하며 소재를 통과할 때, 숄더와 핀 표면이 소재와 접촉하는 사이에 마찰 열이 발생합니다. 이 열로 인해 버팅 공작물의 재료가 융점에 도달하지 않고 부드러워집니다. 그런 다음 핀은 원래의 결합 구조를 분해하고 함께 단조하여 연화된 재료를 기계적으로 혼합합니다.

균일한 용접부 형성

핀 뒤에서 재료가 냉각되고 빠르게 재결정화되어 두 원본 조각 사이에 고체 상태의 결합이 이루어집니다. 따라서 일반적으로 다음과 같은 용융 또는 응고 관련 결함이 없는 균일한 용접 너겟이 남습니다. 융합 용접.

기존 용접 대비 장점

뛰어난 기계적 특성

용융 및 응고 관련 결함이 없기 때문에 FSW 용접은 용접 상태 자체의 모재와 동등하거나 더 우수한 기계적 특성을 제공합니다.

향상된 안전성

가스 금속 아크 용접과 같은 용융 용접 공정에 비해 FSW는 연기, 스플래터 또는 자외선이 발생하지 않습니다. 따라서 더 안전한 용접 공정입니다.

필러 필요 없음

FSW는 고체 공정이므로 와이어나 플럭스와 같은 충전재가 필요하지 않으므로 공정이 간소화됩니다.

간편한 자동화

FSW의 자동화된 순차적 특성은 다양한 산업 분야의 대량 제조에서 로봇 및 자동화 구현에 매우 적합합니다.

모든 위치에서 작동

일부 융착 용접 공정과 달리 FSW는 평평, 수평, 수직 또는 오버헤드 위치에 있는 재료에 동일한 효과로 수행할 수 있습니다.

우수한 용접 외관

일반적으로 마찰 교반 용접은 융착 용접에 비해 왜곡이 최소화되고 평평하고 균일한 외관을 갖습니다.

툴 설계 및 프로세스 파라미터

도구 설계의 중요성

공구 설계는 침투 깊이, 열 발생 특성 및 궁극적으로 용접 품질을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 고급 공구 설계는 더 깊은 깊이와 더 두꺼운 단면 용접을 달성하는 데 도움이 됩니다.

도구 지오메트리 변형

공구 설계는 프로브 또는 핀 프로파일(단순한 원통형부터 나사형 또는 계단형 핀까지 다양한 프로파일), 숄더 직경 및 재료 흐름에 영향을 주는 기능을 다양하게 적용할 수 있습니다.

프로세스 파라미터 효과

공구 회전 및 이동 속도, 플 런지 깊이 등과 같은 공정 파라미터는 용접 중 열 발생과 재료 흐름에 큰 영향을 미칩니다. 두꺼운 부분을 깊게 관통하기 위해서는 저속에서 적은 에너지와 토크를, 얇은 게이지 소재에는 고속을 사용하는 것이 좋습니다. 그러나 마찰 교반 용접은 유망한 고체 접합 기술 중 하나로, 다양한 산업 분야의 다른 융착 용접 공정에 비해 몇 가지 장점이 있습니다... 공구 설계 및 공정 파라미터의 지속적인 발전으로 그 기능이 더욱 향상되었습니다.

마찰 교반 용접의 응용 분야

금속 매트릭스 복합재

알루미늄 매트릭스 복합재 결합

실리콘 카바이드(SiC) 및 탄화붕소(B4C)와 같은 경질 세라믹 입자로 강화된 금속 매트릭스 복합재(MMC)를 용접하는 데 Fsw 공정이 성공적으로 활용되었습니다. 이 방법은 Al 매트릭스 보강재 SiC 및 B4C 미립자에서 모재와 비슷하거나 더 우수한 기계적 특성을 가진 건전한 접합부를 생성합니다.

향상된 미세 구조 및 강도

MXY FSW를 사용하여 생산된 접합부는 용융 용접 기술에 비해 용접 너겟에 보강재가 더 미세하고 균일하게 분포되어 있습니다. 이는 기본 복합재에 근접하는 높은 접합 강도를 의미합니다. FSW에는 액화 및 재응고 결함이 없기 때문에 MMC의 융착 용접에서 흔히 발생하는 균열 및 다공성 문제를 방지할 수 있습니다.

자동차 및 항공우주 산업

항공기 날개 및 동체 패널

선도적인 항공기 제조업체는 날개, 동체 및 꼬리 부분의 알루미늄 합금 패널을 접합하는 데 FSW를 광범위하게 사용합니다. Embraer는 이 기술을 사용하여 E-Jet의 날개 스킨과 스파를 제작합니다. 보잉은 747-8 패널 제조 시 33km가 넘는 용접 부위에 FSW를 활용합니다.

자동차 차체 및 섀시 부품

후드, 도어, 후면 차체 패널, 서스펜션 링크와 같은 자동차 구조 부품은 최고의 제조업체들이 FSW에 참여합니다. 마쓰다는 대형 트럭 봉고를 비롯한 여러 모델에 이 공정을 사용합니다. Ford는 F-150 픽업트럭과 익스페디션 SUV의 알루미늄 차체에 FSW를 사용합니다.

해양 및 운송

조선 및 해양 선박

이탈리아의 조선업체 핀칸티에리는 페리와 유람선의 상부 구조물, 갑판 및 격벽을 전적으로 FSW 접합 알루미늄 판으로 제작합니다. Dockwise는 마찰 교반 용접을 사용하여 대형 운송 선박의 폰툰 슬리브를 접합합니다.

지하철 및 고속 열차

델리, 뭄바이, 시드니와 같은 도시의 지하철 열차는 FSW 접합 알루미늄 차체 패널과 언더프레임을 갖추고 있습니다. 일본 신칸센 고속 열차의 구조 부품과 외피는 마찰 교반 용접 알루미늄 합금으로 제작되었습니다.

요약하면, 마찰 교반 용접은 항공우주, 자동차, 해양, 운송, 전자 등 다양한 산업 분야에서 다양한 금속과 합금을 효율적이고 결함 없이 접합할 수 있게 해줍니다. 지속적인 공정 개발을 통해 새로운 분야로 적용 범위가 계속 확장되고 있습니다.

금속 접합의 도전 과제와 최신 발전 사항

용접하기 어려운 재료

전통적으로 용접이 어렵다고 여겨졌던 재료를 접합하기 위해 마찰 교반 용접 기술이 연구되고 있습니다.

접합강 및 티타늄 합금

균열로 인해 융착 용접이 어려운 고강도 강철과 티타늄 합금의 접합을 위한 FSW의 타당성을 검토하는 연구가 많이 진행되었습니다. 예비 연구에 따르면 이종 강철-알루미늄 및 티타늄-알루미늄 용접에서 바람직한 강도를 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.

이종 금속 조인트

FSW는 알루미늄과 구리, 마그네슘, 탄소섬유 강화 플라스틱과 같은 서로 다른 조합을 접합할 때도 연구되고 있습니다. 성공적인 지르코늄 합금과 강철 용접은 고체 공정의 다용도성을 보여줍니다.

프로세스 최적화 연구

도구 디자인 개선

나사산, 벤팅 및 고급 숄더 기능을 갖춘 공구 설계는 접합부 관통, 열 흐름 및 재료 혼합을 개선하기 위해 연구됩니다. 윤곽이 있는 핀은 두꺼운 섹션 용접의 결함을 줄이는 데 도움이 됩니다.

매개변수 최적화

연구를 통해 절입력, 회전 속도, 이동 속도 및 공구 형상과 같은 상호 의존적인 파라미터를 최적화합니다. 실험과 결합된 열 모델은 결함 예방에 대한 인사이트를 제공합니다.

마이크로 구조의 진화

연구는 교반 영역 입자 크기와 구조를 좌우하는 요인을 조사합니다. 냉각 속도와 공구 기능을 조정하여 어려운 합금 조합의 미세 구조와 기계적 특성을 개선합니다.

혁신적인 파생상품

마찰 교반 스폿 용접

이 개발로 시트 어셈블리의 스폿 접합이 가능해졌습니다. 저항 스폿 용접보다 유리한 자동차 클로저 및 차체 패널에 적용할 수 있습니다.

마찰 교반 처리

이 기술은 세심하게 제어된 교반 작용을 통해 재료 특성을 변경합니다. 금속 매트릭스 복합재료의 물성 향상과 그라데이션 나노 구조물 제작 등에 활용됩니다.

마찰 하이드로 필러 처리

FSW와 압출의 하이브리드는 알루미늄, 티타늄, 스테인리스 스틸과 같은 소재의 튜브형 및 중공형 부품 제조 옵션을 확장합니다.

지속적인 발전으로 마찰 교반 용접 응용 분야가 산업 전반에 걸쳐 재료, 설계 및 대량 제조의 새로운 영역으로 확장되고 있습니다.

결론

결론적으로 마찰 교반 용접은 1991년 발명된 이래 금속 접합에 혁명을 일으켰습니다. 원래 알루미늄 합금의 용융 용접에 대한 대안으로 개발되었지만, 이제는 다양한 산업 분야에서 기존 기술로는 어렵다고 여겨졌던 응용 분야에 사용되고 있는 성숙한 기술입니다. 우수한 기계적 특성, 결함 감소, 안전성, 자동화 기능, 다양한 금속 합금의 접합 가능성과 같은 마찰 교반 용접의 고유한 장점으로 인해 선호되는 제조 방법으로 자리 잡았습니다. 재료 흐름 거동을 이해하고, 공정 파라미터를 최적화하고, 고급 공구를 설계하기 위한 지속적인 연구는 마찰 교반 용접의 범위와 생산성을 더욱 향상시키고 있습니다. 마찰 교반 스폿 용접 및 마찰 교반 가공과 같은 혁신적인 파생 제품도 새로운 제조 영역으로 적용 가능성을 확장하고 있습니다. 지속적인 개발 노력으로 마찰 교반 용접과 그 변형은 전통적인 제조 방식을 계속 혁신하고 향후 산업 전반에 걸쳐 고급 합금 조합 및 부품 설계를 가능하게 할 것입니다.

자주 묻는 질문

용융 용접에 비해 FSW의 주요 장점은 무엇인가요?

다공성이나 균열과 같은 결함 없이 더 강력하고 고품질의 용접을 생성합니다. 또한 더 안전하고 자동화되어 있으며 모든 위치에서 작동하고 왜곡이 적습니다.

FSW는 평판 또는 판재 접합에만 국한됩니까?

아니요, 발전을 통해 복잡한 3D 형상, 관형/중공형 부품, 이종/다중 재료 조합의 FSW가 가능해졌습니다. 스폿 용접 도구로 패널 조립이 가능합니다.

용접 품질에 영향을 미치는 요인은 무엇인가요?

주요 요소는 재료와 두께에 맞는 공구 설계(핀/숄더 프로파일), 회전/이동 속도, 플 런지 깊이 및 핀 힘입니다. 열, 재료 흐름 및 접합 강도가 최적화됩니다.

다른 결합 기술이 FSW를 대체할 수 있나요?

많은 애플리케이션에서 동일한 수준의 일관성과 기계적 무결성을 제공하는 대안은 없습니다. 그러나 일부 특수 체결 방식은 FSW 도구 접근이 제한된 곳에서 작동할 수 있습니다.