마찰 용접의 다양한 유형 이해

1. 기존 마찰 용접

마찰 용접은 상대 운동의 형태에 따라 회전 마찰 용접과 마찰 교반 용접으로 구분됩니다.

(1) 회전 마찰 용접

회전 마찰 용접의 특징은 용접 공정 중에 하나 이상의 공작물(또는 링)이 접합면에 수직인 축을 중심으로 회전한다는 것입니다. 이 유형의 마찰 용접은 주로 원형 단면 공작물 용접에 사용되며(위상 제어를 통해 비원형 단면 공작물에도 사용 가능), 현재 가장 널리 사용되고 다양한 형태의 마찰 용접입니다.

회전 마찰 용접은 공작물의 회전 특성에 따라 연속 구동 마찰 용접, 관성 마찰 용접, 하이브리드 회전 마찰 용접 등으로 세분화할 수 있습니다.

1) 연속 구동 마찰 용접.

연속 구동 마찰 용접은 가장 일반적으로 사용되는 마찰 용접 유형입니다. 회전하는 공작물은 스핀들 척에 직접 연결되고 비회전 공작물은 유압식 심압대 백킹 플레이트 척에 장착되는 것이 특징입니다. 용접하는 동안 심압대 백킹 플레이트가 전진하여 공작물이 일정하거나 증가하는 압력 하에서 접촉하게 됩니다.

회전 스핀들이 마찰을 통해 공작물을 용접 온도까지 가열하면 스핀들이 회전을 멈추고 단조가 시작되어 용접이 완료됩니다. 연속 구동 마찰 용접에서는 그림 5-166a와 같이 단조 시작 직전까지 회전 장치와 연속 드라이브의 작용으로 공작물이 계속 회전합니다.

• a) 연속 구동 마찰 용접
• b) 관성 마찰 용접
• c) 방사형 마찰 용접
• d) 선형 마찰 용접
• e) 트랙 마찰 용접
• f) 마찰 교반 용접

 2) 관성 마찰 용접.

관성 마찰 용접의 원리는 연속 구동 마찰 용접과 유사하지만 회전하는 용접물이 스핀들에 직접 연결되지 않고 플라이휠을 통해 스핀들에 연결된다는 점이 다릅니다.

용접이 시작되면 플라이휠과 용접물의 회전 끝이 먼저 특정 속도로 가속된 다음 플라이휠이 메인 모터에서 분리되고 동시에 용접물의 움직이는 끝이 앞으로 이동합니다. 용접물이 닿으면 마찰 가열이 시작됩니다. 마찰 가열 과정에서 플라이휠은 마찰 토크에 의해 제동되어 속도가 0에 도달할 때까지 서서히 감소하며, 이 시점에서 용접 프로세스가 종료됩니다.

관성 마찰 용접은 그림 5-166b와 같이 관성 에너지 저장 방법(예: 플라이휠)을 사용하여 접합부 가열을 위한 에너지를 축적하며, 자유롭게 회전하는 플라이휠의 운동 에너지가 용접에 필요한 모든 열을 공급합니다.

 3) 하이브리드 로터리 마찰 용접.

하이브리드 회전 마찰 용접은 연속 구동 마찰 용접과 관성 마찰 용접의 조합입니다. 이 유형의 용접기는 구동 소스를 분리한 후 제동력을 가하거나 가하지 않을 수 있다는 특징이 있습니다.

 (2) 마찰 교반 용접(FSW)

마찰 교반 용접은 1991년에 발명된 새로운 고체 접합 기술로, 기초 연구부터 실제 적용에 이르기까지 중요한 과학적, 기술적 성과로 간주됩니다. 처음에는 알루미늄 합금 용접에 사용되던 마찰 교반 용접은 비철 용접에 널리 적용되었습니다. 금속 마그네슘 및 티타늄 합금과 같은 이질적인 소재를 사용할 수 있습니다.

그림 5-166f는 마찰 교반 용접의 개략도입니다. 마찰 교반 용접 중에 공작물은 고정되고 용접은 주로 교반 헤드에 의해 완료됩니다. 교반 헤드는 교반 핀, 홀더 및 실린더로 구성됩니다.

용접이 시작되면 교반 헤드가 고속으로 회전하고 교반 핀이 용접판의 이음새를 빠르게 뚫습니다. 교반 핀과 접촉하는 금속은 마찰로 인해 열을 발생시켜 매우 얇은 열가소성 층을 형성합니다.

교반 바늘이 용접물 표면 아래를 관통하면 일부 금속이 표면에서 압출됩니다. 전면 숄더와 후면 패드의 밀봉 효과로 인해 한편으로는 숄더가 용접판의 표면에 문질러 보조 열을 발생시키고, 다른 한편으로는 교반 헤드 앞에 연속적으로 형성된 열가소성 금속이 교반 헤드의 후면으로 전달되어 뒤의 공동을 채웁니다.

용접 공정 전반에 걸쳐 캐비티의 형성과 충전이 연속적으로 이루어지며 용접 영역의 금속은 압출, 마찰 가열, 소성 변형, 전달, 확산 및 재결정화 등의 과정을 거칩니다.

 2. 새로운 유형의 마찰 용접

(1) 트랙형 마찰 용접

트랙형 마찰 용접의 특징은 용접물의 접합 표면의 모든 지점이 다른 용접물의 접합 표면의 지점을 기준으로 동일한 궤적을 따라 움직인다는 것입니다. 이동 궤적은 선형 또는 비선형일 수 있습니다.

용접 공정 중에 용접물의 한쪽이 트랙형 메커니즘의 작용에 따라 고정된 다른 쪽의 표면에 대해 상대적으로 이동하고 축 방향 압력이 가해집니다. 마찰 운동이 진행됨에 따라 마찰 표면이 청소되고 마찰 열이 발생하고 마찰 표면의 금속이 점차 점탄성 상태에 도달하여 변형 된 다음 움직임이 멈추고 단조력이 가해져 용접이 완료됩니다.

트랙식 마찰 용접은 원통형 단면 용접물만 용접할 수 있는 기존 회전식 마찰 용접의 한계를 극복한 것으로, 사각형, 원형, 다각형 단면 용접물까지 용접할 수 있습니다.

트랙형 마찰 용접은 그림 5-166d 및 e와 같이 다양한 동작 궤적에 따라 선형 마찰 용접과 궤적 마찰 용접으로 나뉩니다.

 (2) 임베디드 마찰 용접

임베디드 마찰 용접은 마찰 용접의 원리를 활용하여 상대적으로 단단한 소재를 부드러운 소재에 임베드하는 방식입니다.

그림 5-167은 임베디드 마찰 용접의 작동 원리를 보여줍니다. 작동 중에 두 용접부 사이의 상대적인 움직임에 의해 발생하는 마찰열은 연성 소재에 국부적인 소성 변형을 일으키고 고온 플라스틱 소재는 사전 가공된 경질 소재의 홈으로 흘러 들어갑니다. 구속 숄더는 고온 플라스틱 소재가 경질 소재의 접합부를 단단히 감싸도록 합니다. 회전이 멈추고 용접부가 냉각되면 안정적인 조인트가 형성되고 용접부의 양면이 기계적으로 맞물립니다.

임베디드 마찰 용접은 현재 알루미늄-구리, 알루미늄-강, 강-강과 같은 전력, 진공 및 극저온 응용 분야와 같은 산업에서 매우 중요한 재료 연결에 주로 사용됩니다. 임베디드 마찰 용접은 엔진 밸브 시트, 연결 엔드, 압력 캡 및 튜브 시트 전환 조인트를 제조하는 데에도 사용할 수 있으며 열경화성 재료와 열가소성 재료를 연결하는 데에도 사용할 수 있습니다.

 (3) 3체 마찰 용접

그림 5-168은 3체 마찰 용접의 작동 원리를 보여줍니다. 융점이 낮은 제3의 재료가 축압의 토크를 받아 연결된 부품 사이의 틈새에서 마찰을 통해 열과 소성 변형을 일으킵니다. 상대적인 마찰 운동은 플럭스와 제어 가능한 보호 분위기 없이도 충분한 세정 효과를 낼 수 있습니다. 냉각 후 세 번째 몸체 재료가 고형화되어 두 부품이 서로 고정되어 안정적인 조인트를 형성합니다.

3체 마찰 용접 방식은 세라믹-세라믹, 금속-세라믹, 열경화성-열가소성 복합재 등과 같이 용접이 어려운 재료에 주로 사용되며 고강도 접합부를 형성하는 데 사용할 수 있습니다.

 (4) 위상 제어 마찰 용접

위상 제어 마찰 용접은 기계식 동기 핀을 통해 마찰 가열 공정 중 용접 후 용접물의 위상을 제어합니다. 피팅 또는 동기식 드라이브 시스템을 사용하여 용접물의 뒷면 가장자리를 정렬하고 방향을 수정하거나 위상 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 육각형 강철, 팔각형 강철 및 자동차 제어 랙과 같이 특정 위치 요구 사항이 있는 부품을 용접하는 데 사용됩니다.

 (5) 방사형 마찰 용접

앞서 언급한 회전 마찰 용접은 용접 과정에서 축 방향 압력을 가하는 반면, 방사형 마찰 용접은 반경 방향 압력을 가합니다. 방사형 마찰 용접은 용접할 두 튜브의 끝을 베벨링하고 내부에 맨드릴을 삽입하여 정렬 및 클램핑한 다음 튜브와 유사한 구성의 솔리드 링을 조인트 베벨에 배치하는 방식으로 이루어집니다. 이 링에는 내부 원추형 표면이 있으며 용접하기 전에 내부 원추형 표면이 먼저 베벨의 바닥에 닿아야 합니다.

용접하는 동안 공작물은 고정 된 상태로 유지되고 링은 고속으로 회전하며 튜브의 양쪽 끝에 방사형 마찰 압력을가합니다. 마찰 가열이 완료되면 링의 회전이 멈추고 그림 5-166c와 같이 링에 상단 단조 압력이 가해져 튜브의 양쪽 끝에 단단히 용접됩니다.

(6) 마찰 표면

마찰 표면 처리의 원리는 그림 5-169에 나와 있습니다. 표면 처리된 금속 막대는 공작물 n을 기준으로 회전하고 모재(모재)도 속도 n2로 회전합니다. 압력 P의 작용으로 로드와 모재는 마찰로 인해 열을 발생시킵니다. 모재는 부피가 크고 빠르게 냉각되기 때문에 표면 금속이 모재로 전이되어 표면 용접을 형성합니다.

 1-표면 금속 막대 2-표면 공작물 3-표면 용접

마찰 표면 처리는 특히 표면 용접 금속이 격자 왜곡이 높고 입자가 미세하며 인성이 우수하여 이종 재료를 접합하는 데 적합하므로 표면 처리에 적합합니다.

(7) 초소성 마찰 용접

초플라스틱 마찰 용접은 용접 공정 특성에 따라 분류됩니다. 용접 공정 중에 용접 영역을 초플라스틱 상태로 유지하기 위한 제어 조치가 포함됩니다. 고온에서 단단하고 부서지기 쉬운 금속 간 화합물의 형성을 방지하고 용접 재료의 열처리 상태를 유지할 수 있다는 장점이 있습니다. 용접하기 어려운 이종 금속을 접합하는 데 적합하며 특수 금속의 효과적인 연결에도 사용할 수 있습니다.