KR101276334B1 - Method For Welding Aluminium Alloy and Titanium Alloy By Hybrid Friction Stir Welding with Tungsten Inert Gas Welding - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금으로된 제1모재와, 티타늄 합금으로 된 제2모재를 상호 맞닿게 접촉시킨 상태에서 티그 토치를 마찰 교반 접합용 공구 보다 선행시킬 때 제2모재 쪽에만 위치된 상태를 유지하면서 아크열을 통해 티타늄 합금을 예열하고, 마찰 교반 접합용 공구의 핀을 접합부에 위치시킨 상태에서 진행방향에 대해 반시계방향으로 회전시키면서 접합부를 가압하면서 마찰열을 이용하여 소성유동을 유도하여 접합부를 따라 이동시키면서 용접한다. 이러한 본 발명에 따르면, 경도가 높은 금속의 소성교반을 양호하게 할 수 있으며 취약한 합금상을 억제하여 건전한 접합부를 얻을 수 있고, 이종 접합부의 접합성능을 향상시킴과 동시에 인장강도를 향상시킬 수 있으며, 접합부의 취성 파괴 양상을 억제하고, 마찰교반 접합용 공구의 마모를 줄일 수 있어 접합 속도 및 생산성 향상에 기여하는 효과를 얻을 수 있다.The present invention relates to a method of joining an aluminum alloy and a titanium alloy by a hybrid friction stir, wherein the tig torch is friction stir-bonded in a state in which a first base material made of an aluminum alloy and a second base material made of a titanium alloy are brought into contact with each other. Preheat the titanium alloy through the arc heat while maintaining its position on the second base material side prior to the tool, and rotate counterclockwise with respect to the direction of travel with the pins of the friction stir welding tool positioned at the joint. While pressurizing the joint, the plastic heat is induced using frictional heat to move along the joint and weld. According to the present invention, it is possible to improve the plastic stirring of the high hardness and to suppress the weak alloy phase to obtain a healthy joint, to improve the joint performance of the dissimilar joints, and to improve the tensile strength, The brittle fracture of the joint can be suppressed and the wear of the friction stir welding tool can be reduced, contributing to the improvement of the joining speed and productivity.

Description

하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법{Method For Welding Aluminium Alloy and Titanium Alloy By Hybrid Friction Stir Welding with Tungsten Inert Gas Welding}Method for Welding Aluminum Alloy and Titanium Alloy By Hybrid Friction Stir Welding with Tungsten Inert Gas Welding}

본 발명은 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 이종재료를 접합할 때 티타늄 합금의 접합부에 티그 예열을 실시함으로써 마찰교반 접합용 공구의 회전으로 발생하는 마찰열이 이종재료에 동등하게 분포함으로써 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 충분한 소성유동을 통해 용이한 접합과 함께 건전한 접합부를 얻을 수 있도록 한 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of joining an aluminum alloy and a titanium alloy by a hybrid friction stir, and more particularly, to friction stir joining by performing a preheating of a TIG at a junction of a titanium alloy when joining dissimilar materials of an aluminum alloy and a titanium alloy. The frictional heat generated by the rotation of the tool is distributed equally to the dissimilar materials, and the aluminum alloy and titanium alloy are joined by hybrid friction stir, which makes it possible to obtain a healthy joint with easy bonding through sufficient plastic flow of the aluminum alloy and titanium alloy. It is about a method.

최근, 각종 산업분야에 있어서 경량화 구조가 증가하고 있으며, 특히 수송기계분야(철도차량, 자동차, 선박, 항공기 등)에 있어서 경량 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다. In recent years, lightweight structures have been increasing in various industrial fields, and in particular, the application of lightweight members has rapidly expanded in the field of transportation machinery (railroad cars, automobiles, ships, aircrafts, etc.).

기존의 용융용접을 이용하여 고강도/경량소재의 구조체를 제작하는 경우, 용접열에 의한 변형 및 잔류응력과 응고균열, 기공, 산화 등 용접결함 뿐만 아니라 접합부의 강도저하로 만족스러운 접합부를 얻기가 어려웠다.When fabricating a structure of high strength / light weight material using the conventional melt welding, it was difficult to obtain a satisfactory joint due to the deformation of the welding heat and the welding stress such as residual stress and solidification crack, pore, and oxidation, as well as the strength of the joint.

이러한 문제점을 획기적으로 해결할 수 있는 환경 친화적 신 용접기술 즉, 마찰에 의한 가열 및 소성유동을 응용한 고상용접(마찰교반접합:Friction Stir Welding, 이하 'FSW'라 함) 적용시 용접에 의한 열 변형 및 잔류응력이 극히 적고 용가재를 사용하지 않고 흄, 유해광선의 발생이 없이 고품질의 접합부를 얻을 수 있어 용접품질 및 경제적 측면에서 효과적이다.Thermal deformation due to welding when applying new environmentally friendly welding technology that can solve this problem, namely, solid phase welding (Friction Stir Welding, hereinafter referred to as `` FSW '') applied by friction heating and plastic flow. And it has very low residual stress and it is effective in welding quality and economical because it can obtain high quality joint without generating fume and harmful rays without using filler metal.

이에 따라, 이를 이용한 접합대상이 기존의 알루미늄과 알루미늄 동종계의 경량합금에서 이종재의 경량합금의 접합 영역 뿐 아니라 경량합금과 철강재료 접합의 영역까지 연구가 진행 되고 있다.Accordingly, the object of joining has been studied from the existing light alloy of aluminum and aluminum homogeneous to the joining region of light alloy of dissimilar materials as well as the joining region of light alloy and steel material.

그러나, 종래의 마찰교반 접합 기술을 이용하여 경량합금인 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 이종 접합부 중심에 마찰교반 접합용 공구를 삽입하여 접합할 경우 물리적 성질과 기계적 특성이 상이하여 접합부에 취약한 합금층이 생성되고, 접합강도 저하 및 소성교반 저하 등의 문제가 발생하여 접합부에 결함이 발생하므로 접합이 극히 어렵다.However, when the friction stir welding tool is inserted into the center of the heterojunction of the light alloy aluminum alloy and the titanium alloy by using the conventional friction stir welding technique, the physical and mechanical properties are different, thereby creating an alloy layer vulnerable to the joint. In addition, problems such as a decrease in joining strength and a drop in plastic stir occur, and defects occur in the joining portion, and thus joining is extremely difficult.

또한, 상기 마찰교반 접합 기술로 알루미늄 합금과 티타늄 합금을 접합할 경우 마찰교반 접합용 공구와 티타늄 합금 사이에서 발생하는 마찰열이 알루미늄합금 보다 상대적으로 적게 발생하기 때문에 충분한 소성변형 및 재결정 온도에 이르지 못하여 티타늄 합금의 탈락된 입자들이 알루미늄 합금 쪽으로 이동 분산되어 건전한 접합부를 얻기 힘들다.In addition, when the aluminum alloy and the titanium alloy are joined by the friction stir welding technique, the frictional heat generated between the friction stir welding tool and the titanium alloy is generated relatively less than that of the aluminum alloy, and thus the titanium does not reach sufficient plastic deformation and recrystallization temperature. Dropped particles of the alloy migrate and disperse toward the aluminum alloy, making it difficult to obtain a healthy joint.

뿐만 아니라, 상기 마찰교반 접합 기술을 이용하여 티타늄 합금을 접합할 경우 마찰교반 접합용 공구의 마모가 심하게 발생하며 마찰교반 접합 장치의 심한 진동이 발생하는 문제가 발생한다.In addition, when the titanium alloy is bonded using the friction stir welding technique, the wear of the friction stir welding tool is severely generated, and severe vibration of the friction stir welding apparatus occurs.

그리고, 상기 마찰교반 접합용 공구의 가압력과 마찰열 만으로는 이종재료 접합부 중 티타늄 합금을 연화시켜 소성유동 시키기에 역부족하여 건전한 접합부를 얻기 힘들다.In addition, only the pressing force and the frictional heat of the friction stir welding tool are insufficient to soften the titanium alloy in the dissimilar material joint to plastic flow, thereby making it difficult to obtain a healthy joint.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 물리적 특성이 상이한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합시 티타늄 합금을 예열함으로써 마찰교반 접합용 공구의 회전과 마찰에 의해 충분한 소성유동을 일으키고, 마찰열 온도분포를 동등하게 부여하여 충분한 소성교반이 가능하게 연화시켜 건전한 접합부와 접합특성을 향상시킬 수 있는 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to improve the above-mentioned problems. The present invention provides a sufficient plastic flow due to rotation and friction of a friction stir welding tool by preheating a titanium alloy when joining aluminum alloy and titanium alloy having different physical properties. The present invention provides a method of joining an aluminum alloy and a titanium alloy by hybrid friction agitation, which is capable of equally giving frictional heat temperature distribution to soften enough plastic agitation to improve sound joints and joining properties.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법은 이종 모재가 수평상으로 상호 서로 맞닿아 접합부를 형성하도록 배치된 이종모재의 상기 접합부에 접촉 회전하면서 마찰열을 발생시키는 마찰 교반 접합용 공구와, 상기 마찰 교반 접합용 공구 보다 선행하면서 아크열에 의해 상기 접합부에 예열을 수행하는 티그 토치를 포함하는 하이브리드 마찰교반 접합시스템을 이용하여 이종재료를 접합하는 방법에 있어서, 상기 이종모재는 알루미늄 합금으로된 제1모재와, 티타늄 합금으로 된 제2모재이고, 상기 티그 토치를 상기 마찰 교반 접합용 공구 보다 선행시킬 때 상기 제2모재 쪽에만 위치된 상태를 유지하면서 아크열을 통해 상기 티타늄 합금을 예열하고, 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀을 상기 접합부에 위치시킨 상태에서 진행방향에 대해 반시계방향으로 회전시키면서 상기 접합부를 가압하면서 마찰열을 이용하여 소성유동을 유도하고, 소성유동에 의해 상기 제1모재와 상기 제2모재가 대등한 온도분포를 갖게 하여 탈락된 티타늄 합금의 입자가 상기 제1모재 측으로 이동분포되는 것을 억제한 상태에서 상기 접합부를 따라 이동시키면서 용접한다.In order to achieve the above object, a method of joining an aluminum alloy and a titanium alloy by hybrid friction stir according to the present invention is performed while contacting and rotating the joining portion of the dissimilar base material arranged so that the dissimilar base materials abut each other horizontally. A method of joining dissimilar materials using a hybrid friction stir welding system comprising a friction stir welding tool that generates friction heat, and a tig torch that preheats the joint portion by arc heat while preceding the friction stir welding tool. The dissimilar base material is a first base material made of an aluminum alloy and a second base material made of a titanium alloy, while maintaining the state located only on the second base material side when the tag torch is preceded by the friction stir welding tool. Preheat the titanium alloy through arc heat and for friction stir welding In the state in which the pin of the tool is located at the junction, the plastic flow is induced by using frictional heat while pressing the junction while rotating counterclockwise with respect to the advancing direction, and the first and second base materials are The welding is carried out while moving along the joining portion in a state in which the particles of the titanium alloy dropped by having a similar temperature distribution are suppressed from being moved to the first base material side.

바람직하게는 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀은 상기 접합부에 대한 접촉면 중 상기 제1모재와 접촉하는 제1면적과 상기 제2모재와 접촉하는 제2면적의 비율이 3:7 내지 9:1이 되게 위치시킨다.Preferably, the pin of the friction stir welding tool has a ratio of the first area that is in contact with the first base material and the second area that is in contact with the second base material among the contact surfaces of the joint is 3: 7 to 9: 1. Position it.

또한, 상기 접합부의 계면과 상기 티그 토치와의 이격거리는 0.001 내지 50mm로 적용한다.In addition, the separation distance between the interface of the junction and the TIG torch is applied to 0.001 to 50mm.

상기 마찰 교반 접합용 공구의 회전속도는 300 내지 1600rpm이고, 전진속도는 분당 50 내지 150mm이고 가압력은 50 내지 3000kgf이며, 상기 마찰교반접합용 공구의 저면와 상기 접합부의 표면과의 사이각은 0 내지 10°로 적용하는 것이 바람직하다.The rotational speed of the friction stir welding tool is 300 to 1600rpm, the forward speed is 50 to 150mm per minute and the pressing force is 50 to 3000kgf, the angle between the bottom surface of the friction stir welding tool and the surface of the joint is 0 to 10 It is preferred to apply in degrees.

상기 티그토치와 상기 마찰교반접합용 공구와의 이격거리는 0.001 내지 50mm이고, 상기 티크토치를 통해 인가되는 전류는 5 내지 500A이고, 상기 티크토치와 상기 접합부의 표면과의 사이각은 10 내지 90°로 적용하는 것이 바람직하다.The distance between the TIG torch and the friction stir welding tool is 0.001 to 50 mm, the current applied through the teak torch is 5 to 500 A, and the angle between the teak torch and the surface of the junction is 10 to 90 degrees. It is preferable to apply as.

상기 접합부는 용접된 후 상기 알루미늄 합금이 갖는 인장강도 대비 평균적으로 86-91%의 인장강도를 갖는 것이 바람직하다.The welded portion preferably has an average tensile strength of 86-91% compared to the tensile strength of the aluminum alloy after being welded.

또한, 상기 티크 토치는 X, Y, Z축 좌표 설정지그를 통해 좌표 설정이 가능하고, 상기 X,Y축 좌표 설정지그는 가이드바를 따라 움직일 수 있도록 구성된다.In addition, the teak torch can be set through the X, Y, Z axis coordinate setting jig, the X, Y axis coordinate setting jig is configured to move along the guide bar.

본 발명은 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.The present invention provides the following effects according to the bonding method of aluminum alloy and titanium alloy by hybrid friction stir.

첫째, 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 이종재료를 접합할 때 티타늄 합금 접합부에 티그 예열을 실시함으로써 마찰교반 접합용 공구의 회전으로 발생하는 마찰열이 함께 발생하여 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 충분한 소성유동을 일으켜 이종소재를 용이하게 접합할 수 있다.First, when joining dissimilar materials between aluminum alloy and titanium alloy, preheating the TIG to the titanium alloy joint generates friction heat generated by the rotation of the friction stir welding tool, resulting in sufficient plastic flow between the aluminum alloy and the titanium alloy. The material can be easily joined.

둘째, 티그 예열을 실시함으로써 경도가 높은 금속의 소성교반을 양호하게 할 수 있으며 취약한 합금상을 억제하여 건전한 접합부를 얻을 수 있는 효과가 있다.Second, by performing preheating of the TG, it is possible to improve the plastic stirring of the metal with high hardness and to suppress the weak alloy phase to obtain a healthy joint.

세째, 티타늄 합금의 접합부 측에 티그 예열을 실시함으로 소성변형과 재결정 온도에 이를 수 있으므로 탈락된 티타늄 합금의 입자가 알루미늄 합금 측으로 이동 분포하는 것을 억제하여 이종 접합부의 접합성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Third, by preheating the TIG to the junction part of the titanium alloy, plastic deformation and recrystallization temperature can be reached, so that the particles of the dropped titanium alloy are prevented from moving and distributed to the aluminum alloy side, thereby improving the joining performance of the dissimilar junction part. have.

네째, 이종 접합부의 인장강도를 향상시킬 수 있으며 접합부의 취성 파괴 양상을 억제할 수 있는 효과가 있다.Fourth, it is possible to improve the tensile strength of the heterojunction and to suppress the brittle fracture of the joint.

다섯째, 마찰교반 접합용 공구의 마모를 줄일 수 있고 마찰교반 접합 속도를 향상시켜 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.Fifth, it is possible to reduce the wear of the friction stir welding tool and to increase the productivity by improving the friction stir welding speed.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법을 수행하는 이종 재료 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 보인 요부 구성도이고,
도 2는 도 1의 이종 재료 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)의 측면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법에 의해 접합된 이종재료의 접합부를 보인 실제 찰영 사진이고,
도 4는 종래의 마찰교반 접합 방법으로 접합한 접합부의 인장특성 그래프이고,
도 5는 본 발명에 의한 이종 재료 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)으로 접합한 접합부의 인장특성 그래프이고,
도 6은 종래의 마찰교반 접합 방법과 본 발명에 따라 접합한 접합부의 위치별 경도분포를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.1 is a main configuration diagram showing a heterogeneous material hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) performing a bonding method of aluminum alloy and titanium alloy by hybrid friction stir according to the present invention,
FIG. 2 is a side view of the dissimilar material hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) of FIG. 1;
3 is a real photographic image showing the joint portion of the dissimilar material bonded by the aluminum alloy and titanium alloy bonding method by a hybrid friction stir according to the present invention,
4 is a graph of tensile properties of the joints joined by a conventional friction stir welding method;
5 is a graph of tensile properties of a joint bonded by a heterogeneous material hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) according to the present invention.
6 is a graph showing a result of measuring the hardness distribution for each position of the joint portion bonded according to the conventional friction stir welding method and the present invention.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the bonding method of the aluminum alloy and titanium alloy by a hybrid friction stir according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법을 수행하는 이종 재료 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 보인 요부 구성도이고, 도 2는 도 1의 이종 재료 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)의 측면도이다.1 is a main configuration diagram showing a heterogeneous material hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) performing a bonding method of aluminum alloy and titanium alloy by a hybrid friction stir according to the present invention, Figure 2 is a heterogeneous material of FIG. Side view of hybrid friction stir welding system (FSW-TIG).

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 적용되는 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(100)은 접합 대상인 이종모재, 즉 티타늄 합금(101)과 알루미늄합금(102)의 접합부에 맞닿아 회전하면서 접합을 행하는 마찰교반 접합용 공구(110), 이종 접합부 중 티타늄 합금(101)을 예열시키는 티그 토치(120)를 포함한다.1 and 2, the hybrid friction stir welding system 100 applied to the present invention performs bonding while rotating by contacting and rotating a heterogeneous base material, that is, a titanium alloy 101 and an aluminum alloy 102, to be joined. Friction stir welding tool 110, and a torch 120 for preheating the titanium alloy 101 of the heterojunction.

이때, 이종모재로서 판형상의 제1모재인 알루미늄합금(102)은 경량합금이며, 판형상의 제2모재인 티타늄 합금(101)은 철강재료가 적용되고, 이들이 수평상으로 상호 서로 맞닿아 접합부(104)를 형성하도록 배치된다.At this time, the aluminum alloy 102, which is a plate-shaped first base material as a dissimilar base material, is a light alloy, and the titanium alloy 101, which is a plate-shaped second base material, is applied with steel materials, and they are brought into contact with each other in a horizontal plane to form a joint 104. Are arranged to form.

마찰교반 접합용 공구(110)는 마찰교반 접합 시스템의 스핀들(115)에 고정되고, 스핀들(115)은 구동모터(118)에 구동축으로 연결되어 회전수를 설정할 수 있도록 되어 있다.The friction stir welding tool 110 is fixed to the spindle 115 of the friction stir welding system, and the spindle 115 is connected to the drive motor 118 with a drive shaft to set the rotation speed.

한편, 마찰교반 접합용 공구(110)는 내열성과 내마모성이 우수하고 경도가 우수한 초경합금강으로 된 것을 적용하면 되고, 이에 상응하는 다른 특수합금강으로 형성된 것을 사용 할 수도 있다.Meanwhile, the friction stir welding tool 110 may be made of cemented carbide having excellent heat resistance and abrasion resistance and excellent hardness, and may be formed of other special alloy steel corresponding thereto.

또한, 구동모터(118)에 의해 회전하는 마찰교반 접합용 공구(110)는 이종모재의 접합부(104) 중 연질인 경량합금, 즉 알루미늄 합금(102) 쪽에 삽입되어 역회전 방향 즉, 진행방향을 기준으로 시계반대방향으로 회전하며, 마찰열을 발생시켜 이종모재 접합부(104)를 소성교반 시켜 접합을 시행한다.In addition, the friction stir welding tool 110, which is rotated by the drive motor 118, is inserted into the soft lightweight alloy, that is, the aluminum alloy 102, of the joint portion 104 of the dissimilar base material, so that the reverse rotation direction, that is, the traveling direction is changed. As a reference, it rotates counterclockwise, generates frictional heat, and then plastically stirs the dissimilar substrate bonding part 104 to perform bonding.

또한, 이종재료 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(100)은 티그예열 시스템을 포함하는데, 아크를 발생시키는 티그 토치(120)와, 티그 토치(120)의 좌표를 설정할 수 있는 좌표 설정 지그(130)와, 티그 예열부를 대기로부터 보호를 위한 보호가스, 전류를 발생시키는 티그 용접기 본체(미도시)를 포함한다.In addition, the dissimilar material hybrid friction stir welding system 100 includes a TIG preheating system, a TIG torch 120 for generating an arc, a coordinate setting jig 130 for setting the coordinates of the TIG torch 120, and The tag preheater includes a protective gas for protecting the atmosphere from the atmosphere and a tag welder main body (not shown) for generating a current.

이때, 티그 토치(120)의 좌표를 설정하기 위한 좌표 설정 지그(130)는 X축, Y축, Z축의 거리를 조절할 수 있는 게이지로, X축 좌표 설정 게이지(131), Y축 좌표 설정 게이지(132), Z축 좌표 설정 게이지(133)를 포함한다.At this time, the coordinate setting jig 130 for setting the coordinates of the tag torch 120 is a gauge that can adjust the distance of the X-axis, Y-axis, Z-axis, the X-axis coordinate setting gauge 131, Y-axis coordinate setting gauge 132, a Z-axis coordinate setting gauge 133.

상기 게이지 중 X축 좌표 설정 게이지(131)와 Y축 좌표 설정 게이지(132) 및 Z축 좌표 설정 게이지(133)은 가이드바(Guide Bar)(136)(137)(138)를 따라 직선 운동하면서 좌표를 설정하는 구조로 형성되어 있다.Among the gauges, the X-axis coordinate setting gauge 131, the Y-axis coordinate setting gauge 132, and the Z-axis coordinate setting gauge 133 move linearly along the guide bars 136, 137, and 138. It is formed in a structure for setting coordinates.

티그 용접기 본체는 재료의 두께와 형상에 따라 전류를 조절할 수 있으며, 보호가스는 아르곤(Argon), 헬륨(Helium) 및 아르곤과 헬륨의 혼합된 가스 중 어느 하나를 접합 조건에 따라 사용할 수 있다.The TIG welder body can adjust the current according to the thickness and shape of the material, and the protective gas may use any one of argon (Argon), helium (Helium) and a mixture of argon and helium depending on the bonding conditions.

티그 용접기 본체에는 보호가스의 유량을 조절하는 게이지를 포함할 수 있다.The tag welder body may include a gauge for adjusting the flow rate of the protective gas.

이러한 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)(100)에서 마찰교반 접합용 공구(110)의 삽입 위치와 티그 토치(120) 예열위치를 도 2를 통해 상세하게 설명한다.In this hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) 100, the insertion position of the friction stir welding tool 110 and the preheating position of the tag torch 120 will be described in detail with reference to FIG. 2.

먼저, 접합할 알루미늄합금(102)과 티타늄 합금(101)을 지그(Jig)(108) 위에 서로 맞닿게 설치하여 고정하고, 마찰교반 접합용 공구(110)의 핀(Pin)(112)을 접합부(104) 중 대부분 알루미늄합금(102)측 위에 위치시키고, 핀의 일부만 티타늄 합금(101)에 위치되게 배치한다.First, the aluminum alloy 102 and the titanium alloy 101 to be joined are fixed to each other on a jig 108 by abutting each other, and the pin 112 of the friction stir welding tool 110 is joined. Most of the 104 is positioned on the aluminum alloy 102 side, and only a part of the fin is disposed so as to be located in the titanium alloy 101.

즉, 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(112)의 접합부(104)에 대한 접촉면 중 제1모재인 알루미늄합금(102)과 접촉하는 제1면적과 제2모재인 티타늄 합금(102)과 접촉하는 제2면적의 비율이 3:7 내지 9:1이 되게 위치시킨다. 더욱 바람직하게는 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(112)의 접합부(104)에 대한 접촉면 중 제1모재인 알루미늄합금(102)과 접촉하는 제1면적과 제2모재인 티타늄 합금(102)과 접촉하는 제2면적의 비율이 8:2이 되게 위치시킨다.That is, among the contact surfaces of the pin 112 of the friction stir welding tool 110, the first area contacting the aluminum alloy 102, which is the first base material, and the titanium alloy 102, which is the second base material; Position the second area in contact so that it is 3: 7 to 9: 1. More preferably, the first area and the second alloy of the titanium alloy 102 which is in contact with the aluminum alloy 102 which is the first base material among the contact surfaces of the pin 112 of the friction stir welding tool 110. ) So that the ratio of the second area in contact with) is 8: 2.

일 예로서, 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(112)의 직경이 10mm인 경우 2mm가 티타늄 합금(102)에 접촉되고 8mm가 알루미늄함금(102)에 접촉되게 위치시킨다.As an example, when the diameter of the pin 112 of the friction stir welding tool 110 is 10 mm, 2 mm is placed in contact with the titanium alloy 102 and 8 mm is placed in contact with the aluminum alloy 102.

그런 다음, 접합부(104) 중 티타늄 합금(101) 측에 예열할 티그 토치(120)를 위치시킨다.Then, the TIG torch 120 to be preheated is placed on the titanium alloy 101 side of the junction 104.

이때, 티그 토치(120)는 마찰교반 접합용 공구(110)의 진행방향에 대해 공구(110) 보다 앞쪽인 선행부에 위치하여야 한다.At this time, the tag torch 120 should be positioned in front of the tool 110 in front of the tool 110 with respect to the traveling direction of the friction stir welding tool 110.

또한, 접합부(104)의 계면과 티그 토치(120)와의 이격거리는 0.001 내지 50mm가 되게 위치시킨다. 바람직하게는 접합부(104)와 티그 토치(120)와의 이격거리는 20mm가 되게 위치시킨다. In addition, the separation distance between the interface of the junction 104 and the TIG torch 120 is positioned to be 0.001 to 50mm. Preferably, the separation distance between the junction 104 and the TIG torch 120 is 20 mm.

또한, 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(112)과 티그 토치(120)와의 이격거리는 0.001 내지 50mm가 되게 위치시킨다.In addition, the distance between the pin 112 of the tool for friction stir welding 110 and the torch torch 120 is positioned to be 0.001 to 50mm.

바람직하게는 마찰 교반 접합용 공구(110)의 핀(112)과 티그 토치(120)와의 이격거리는 20mm가 되게 위치시킨다.Preferably, the distance between the pin 112 of the tool 110 for friction stir welding and the tag torch 120 is 20 mm.

이후, 마찰교반 접합용 공구(110)를 역회전 방향으로 즉, 공구(110) 진행방향에 대해 시계반대방향 회전시키면서 이종재료와 맞닿아 마찰열을 발생시키고, 티그토치(120)는 티타늄 합금(101)측에 예열을 실시하며, 접합부(104)를 따라 이송하면서 접합작업을 수행한다.Subsequently, the friction stir welding tool 110 is rotated counterclockwise, that is, counterclockwise with respect to the tool 110 traveling direction, to generate frictional heat by contacting the dissimilar material, and the titanium torch 120 is a titanium alloy 101. The preheating is performed on the) side, and the bonding operation is performed while transferring along the bonding portion 104.

이때, 마찰 교반 접합용 공구(110)의 회전속도는 300 내지 1600rpm이고, 전진속도는 분당 50 내지 150mm이고 가압력은 50 내지 3000kgf이며, 마찰교반접합용 공구(110)의 저면과 접합부(104)의 표면과의 사이각은 0 내지 10°가 되게 적용하는 것이 바람직하다.At this time, the rotational speed of the friction stir welding tool 110 is 300 to 1600rpm, the forward speed is 50 to 150mm per minute and the pressing force is 50 to 3000kgf, the bottom surface of the friction stir welding tool 110 and the joint 104 It is desirable to apply the angle between the surface and 0 to 10 degrees.

이러한 과정에 의해 티그 토치(120)가 마찰교반 접합용 공구(110)보다 선행하여 이종재료 접합부(104) 중 티타늄 합금(101)측을 예열함으로써 마찰교반 접합용 공구(110)의 회전으로 인하여 발생하는 마찰열과 함께 알루미늄합금(102)과 티타늄 합금(101)을 용이하게 소성유동을 일으키게 하고, 대등한 온도분포를 형성하게 하여 접합하게 된다. Due to this process, the TIG torch 120 is generated due to the rotation of the friction stir welding tool 110 by preheating the titanium alloy 101 side of the dissimilar material bonding part 104 in advance of the friction stir welding tool 110. The aluminum alloy 102 and the titanium alloy 101 together with frictional heat to easily cause plastic flow, and form an equivalent temperature distribution, thereby joining.

이러한 접합에 대해 티그토치(120)를 통해 흐르는 전류인 TIG의 전류, 보호가스, 티크토치(102)와 접합부(104)의 표면과의 사이각인 토치앵글, 펄스전류 등을 주요 공정인자로 고려하여 접합특성을 고찰하였고, 티크토치(120)를 통해 인가되는 전류인 TIG 전류는 5 내지 500A, 티크토치(120)와 접합부(104)의 표면과의 사이각은 10 내지 90°를 적용하는 것이 바람직하였다.For this junction, considering the current of TIG, the current flowing through the TIG torch 120, the protective gas, the torch angle, the pulse current, etc., between the teak torch 102 and the surface of the junction 104, as main process factors, Considering the bonding characteristics, the TIG current which is the current applied through the teak torch 120 is 5 to 500A, the angle between the teak torch 120 and the surface of the junction 104 is preferably applied 10 to 90 °. It was.

도 3은 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 이용하여 이종재료인 알루미늄 합금(102)과 티타늄 합금(101)에 대해 하이브리드 마찰교반 접합을 실시한 이종재료의 접합부 단면을 나타낸 사진으로서, 사진에 나타난 바와 같이 접합부(104)에 균열, 기공 및 금속간 화합물이 거의 발생되지 않았으며 건전한 접합부를 얻을 수 있었다.3 is a photograph showing a cross section of a joint portion of a dissimilar material subjected to hybrid friction stir welding of aluminum alloy 102 and titanium alloy 101, which is a dissimilar material using a hybrid friction stir welding system (FSW-TIG). As shown, cracks, pores, and intermetallic compounds were hardly generated in the joint 104, and a healthy joint was obtained.

또한, 상기 이종재료를 티그토치(120)를 적용하지 않은 종래의 마찰교반 접합 방식과 티크토치(120)를 적용한 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 이용하여 접합한 시험편을 인장시험편 제작기준에 맞게 20개의 시험편을 각각 제작하여 인장시험을 수행한 결과로서, 종래 마찰교반 접합을 시행하여 접합할 경우 도 4에 나타낸 것과 같이, 접합부의 인장강도가 알루미늄합금 인장강도의 평균 70~81%의 값을 보이는 반면, 도 5에 나타낸 것과 같이 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 이용하여 접합할 경우 접합부(104)의 인장강도는 알루미늄합금(102) 인장강도의 평균 86~91%의 우수한 접합 특성을 얻을 수 있었으며, 특히 연신율이 큰폭으로 향상됨을 확인할 수 있었다.In addition, the tensile test piece fabrication standards of the test piece bonded to the dissimilar material using a conventional friction stir welding method without applying the TIG torch 120 and hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) applying the teak torch 120 As a result of fabrication of 20 test specimens according to the tensile test, as shown in FIG. 4 when the conventional friction stir welding was performed, the tensile strength of the joint was 70-81% of the tensile strength of the aluminum alloy. While showing the value, as shown in Figure 5 when using the hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) according to the present invention, the tensile strength of the joint 104 is an average 86 ~ 10 tensile strength of the aluminum alloy 102 Excellent bonding properties of 91% were obtained, and in particular, it was confirmed that the elongation was greatly improved.

뿐만 아니라, 이종재료 접합부의 인장 파괴양상을 살펴보면, 도 5에 나타낸 바와 같이 종래 마찰교반 접합을 시행한 접합부는 취성 파괴양상을 보인 반면, 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 이용하여 접합한 접합부는 도 5에 도시된 바와 같이 연성 파괴양상을 보임으로써 우수한 접합부를 얻을 수 있음도 확인되었다.In addition, when looking at the tensile failure pattern of the dissimilar material joint, as shown in FIG. 5, the joint subjected to the friction stir welding shows the brittle fracture pattern, while the hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) according to the present invention is used. It was also confirmed that an excellent joint can be obtained by showing a soft fracture pattern as shown in FIG. 5.

여기서 도 5는 각각 상기 이종재료를 종래 마찰교반 접합에 의해 접합 한 시편과 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 이용하여 이종재료(알루미늄 합금과 티타늄 합금) 하이브리드 마찰교반 접합을 실시한 접합부의 시험편 상표면으로부터 0.5mm지점에서의 경도분포 결과이다. 도 5에서 알루미늄 합금(102) 측은 모재에 대비하여 경도가 약간 감소하고, 티타늄 합금(101)은 접합부(104) 근방에서 모재보다 경도가 상승하는 종래 마찰교반접합부의 경우와 전체적인 양상이 동일하게 나타남을 확인할 수 있었다. 그러나 본 발명에 따른 하이브리드 마찰교반 접합 시스템(FSW-TIG)을 이용한 접합부의 경우 입열량의 증가에 따라 도 5에서와 같이 알루미늄 합금(102)의 TMAZ, SZ 및 티타늄 합금(101)측의 접합계면에서는 소성 유동의 증가의 따른 미세조직의 세립화 및 가공경화로 인해 경도가 종래의 마찰교반접합부에 비해 소폭으로 증가함을 확인할 수 있었다. 5 is a hybrid friction stir welding of different materials (aluminum alloys and titanium alloys) using a hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) according to the present invention and a specimen in which the heterogeneous materials are joined by conventional friction stir welding. It is the hardness distribution result at the 0.5-mm point from the test piece brand surface of the joined part. 5, the aluminum alloy 102 side is slightly reduced in hardness compared to the base material, and the titanium alloy 101 is generally the same as in the case of the conventional friction stir welding part in which the hardness is higher than the base material near the junction 104. Could confirm. However, in the case of the joint using the hybrid friction stir welding system (FSW-TIG) according to the present invention, as shown in FIG. 5, the joint interface on the TMAZ, SZ and titanium alloy 101 sides of the aluminum alloy 102 is increased as the heat input amount increases. In, it was confirmed that the hardness increased slightly compared to the conventional friction stir welded joint due to the finer microstructure and work hardening caused by the increase of plastic flow.

100 : 하이브리드 마찰교반 접합시스템(FSW-TIG)
101 : 티타늄 합금 102 : 알루미늄합금
104 : 접합부 110 : 마찰교반 접합용 공구
115 : 스핀들 120 : 티그 토치
130 : 좌표 설정 지그 100: Hybrid friction stir welding system (FSW-TIG)
101: titanium alloy 102: aluminum alloy
104: joint 110: tool for friction stir welding
115: Spindle 120: Tig Torch
130: coordinate setting jig

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 이종 모재가 수평상으로 상호 서로 맞닿아 접합부를 형성하도록 배치된 이종모재의 상기 접합부에 접촉 회전하면서 마찰열을 발생시키는 마찰 교반 접합용 공구와, 상기 마찰 교반 접합용 공구 보다 선행하면서 아크열에 의해 상기 접합부에 예열을 수행하는 티그 토치를 포함하는 하이브리드 마찰교반 접합시스템을 이용하여 이종재료를 접합하는 방법에 있어서,
상기 이종모재는 알루미늄 합금으로된 제1모재와, 티타늄 합금으로 된 제2모재이고, 상기 티그 토치를 상기 마찰 교반 접합용 공구 보다 선행시킬 때 상기 제2모재 쪽에만 위치된 상태를 유지하면서 아크열을 통해 상기 티타늄 합금을 예열하고, 상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀을 상기 접합부에 위치시킨 상태에서 진행방향에 대해 반시계방향으로 회전시키면서 상기 접합부를 가압하면서 마찰열을 이용하여 소성유동을 유도하고, 소성유동에 의해 상기 제1모재와 상기 제2모재가 대등한 온도분포를 갖게 하여 탈락된 티타늄 합금의 입자가 상기 제1모재 측으로 이동분포되는 것을 억제한 상태에서 상기 접합부를 따라 이동시키면서 용접하며,
상기 마찰 교반 접합용 공구의 핀은 상기 접합부에 대한 접촉면 중 상기 제1모재와 접촉하는 제1면적과 상기 제2모재와 접촉하는 제2면적의 비율이 8:2가 되게 위치시키고,
상기 접합부의 계면과 상기 티그 토치와의 이격거리는 20mm이며,
상기 마찰 교반 접합용 공구의 회전속도는 300 내지 1600rpm이고 전진속도는 분당 50 내지 150mm이고 가압력은 50 내지 3000kgf이며, 상기 마찰교반접합용 공구와 상기 접합부의 표면과의 사이각은 0 내지 10°이며,
상기 티그토치와 상기 마찰교반접합용 공구와의 이격거리는 20mm이고, 상기 티크토치를 통해 인가되는 전류는 5 내지 500A이고, 상기 티크토치와 상기 접합부의 표면과의 사이각은 10 내지 90°인 것을 특징으로 하는 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법.A friction stir welding tool which generates friction heat while contacting and rotating the joining portion of the dissimilar base material arranged so that the dissimilar base materials contact each other horizontally to form a joining portion, and the joining portion by arc heat preceding the friction stir welding tool. In the method of joining dissimilar materials by using a hybrid friction stir welding system including a TIG torch for preheating,
The dissimilar base material is a first base material made of an aluminum alloy and a second base material made of a titanium alloy, and arc heat is maintained while being positioned only on the second base material side when the tag torch is preceded by the friction stir welding tool. Preheat the titanium alloy, and induces plastic flow by using the heat of friction while pressing the joint while rotating in a counterclockwise direction with respect to the direction of travel in the state in which the pin of the friction stir welding tool is located in the joint, Welding while moving along the joint in a state in which the first base material and the second base material have an equal temperature distribution by plastic flow, and thus preventing the particles of the titanium alloy dropped off from being distributed to the first base material,
The pin of the friction stir welding tool is positioned such that the ratio of the first area contacting the first base material and the second area contacting the second base material is 8: 2 among the contact surfaces of the joint part,
The distance between the interface of the junction and the tag torch is 20mm,
The rotation speed of the friction stir welding tool is 300 to 1600rpm, the forward speed is 50 to 150mm per minute, the pressing force is 50 to 3000kgf, the angle between the friction stir welding tool and the surface of the joint is 0 to 10 ° ,
The distance between the Tig torch and the tool for friction stir welding is 20 mm, the current applied through the teak torch is 5 to 500 A, and the angle between the teak torch and the surface of the junction is 10 to 90 degrees. A method of joining an aluminum alloy and a titanium alloy by using hybrid friction stirring. 제5항에 있어서,
상기 접합부는 용접된 후 상기 알루미늄 합금이 갖는 인장강도 대비 평균적으로 86-91%의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 마찰교반에 의한 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 접합방법.The method of claim 5,
The joint is welded aluminum alloy and titanium alloy by a hybrid friction stir, characterized in that the average strength of 86-91% compared to the tensile strength of the aluminum alloy after welding. 삭제delete
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