용접기술/ 구리와 구리합금의 마찰 용접의 성질과 특성
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제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
구리와 구리합금의 마찰 용접의 성질과 특성
(Specifics of Friction Stir Welding of Copper and Its Alloys)
마찰 용접과 표면 처리 (Friction Stir Welding and Surfacing)
  • 우크라이나 용접기술: 구리와 구리합금의 마찰 용접의 성질과 특성 (마이크로워드 문서)다운로드
  • 마찰 용접의 과정은(FSW)는 1991년 영국 용접 연구소에서 발명되었다.
    그것은 맞대기, 필릿과 반제품의 강판 접합 오버랩핑을 가능하게 했다.
    이 방법 (그림 1) 을 사용한 용접 과정은 다음과 같이 진행된다.

    특별한 회전 공구, 얇게 만들어진 것( 공구 마찰면 a shoulder), 그리고 주입 부분( a pin)이 반제품의 육중한 후면 맞대는 부분에 접하게 된다. 그리고 그 핀은 반제품에 깊숙이 박히고, 공구 마찰면(shoulder)은 그 표면에 닿는다.

    반제품의 핀과 공구 마찰면(shoulder) 의 마찰로 인한 열의 발생이 공구 주위에 금속의 소성 상태를 발생시킨다. 그때, 용접 속도에 상반 되는 공구의 침투와 반제품의 물질, 열 발생 면과 냉각 면 사이의 운동은 핀을 감싸고 접합 부위를 생성한다.
    FSW과정의 주된 요인(소)들은 그림2와 같다: 용접 속도(공구의 움직이는 속도),공구 회전의 도수(빈도),공구의 경사도(각도),공구의 크기다.

    부연하면, 금속 변형을 이루는 열에 대한 반제품의 물질의 유연성에 가해지는 압력과 마찬가지로 마찰의 상태 ,사용된 공구의 물질과 용접된 금속 등이 요인들이다.
    이 방법은 조선, 철도운송, 자동차 산업 그리고 건설에 있어서 알루미늄과 그 합금의 접합에 널리 적용 된다
    예를들면, FSW는 또한 구리합금의 접합에도 사용되고, 핵 쓰레기의 저장을 위한 구리용기나 [5-6]

    분사 장비에 사용되는 다양한 열용해 구리 뒷면에도 사용된다[7]. FSW에 근거하여, 저자는 구리와 그 합금의 마찰에 의한 표면 처리 기술을 발명하였다.
    그 과정의 원리는 (그림 2)와 같다.
    표면 처리의 한 부분과 강판 형성에 있어서 용입 금속의 물질이 집게들로 고정된다.
    회전 작동 공구는 남은 쪽까지 용입금속판과 연결되어 박힌다
    공구의 마찰 결과에 따르면 열은 용입금속을 만들기 위하여 필요하고, 금속소성 부분이 발생된다.
    공구가 움직이는 동안 오버랩 접합부가 형성된다.
    이런 오버랩핑 용접의 연속적인 레이아웃들은 표면 처리의 부분이다.

    Fig.2. Scheme of FSS

    (1)실험(Experiments)
    용접과 표면 처리의 실험들은 plates of oxygen-free copper of grade M1 of 5을 사용하고, 20 mm의 얇은 것과 6 mm 의 얇은 동 L60 (60%구리, 40%아연)을 사용하여 수행 하였다.
    용접 과 표면 처리는 특별히 제작된 10 kW 작동 능력의 절삭 기계(그림 3)가 수행하였다.

    Fig.3 Lab unit for friction stir welding and surfacing of copper

    FSW와 FSS의 과정은 900-1250 rpm 의 핀의 회전 속도와 공구의 움직임의 속도가 50-70mm/min 인 것을 알게 되었다.
    작업 공구는 열에 강한 텅스텐으로 만들어 졌고, 유기적인 디자인을 지니고 있다(공구마찰면의 지름이25 mm ).
    공구 표면의 경사 각도는 용접 할 때나 표면 처리시에 2-3도이다.
    5mm 두께의 접시는 20 mm의 얇은 강판의 표면 처리시에 물질 주입기로 사용된다.

    (2)용접된 접합들의 질적 평가(Evaluation of quality of welded joints.)
    표본의 겹쳐진 부분의 금속 마이크로 구조조직은 MBS-10 의 현미경을 사용하여 실험 되었다.
    표본들은 오르토인산 10g 의 용액으로 갈고 닦고, 부각동판 했고,0.3-0.4 g의 크롬 무수물과 수소 과산화물 두 방울을 사용한다. 60초 내에.
    마이크로 조직과 화학적인 구성은 광학렌즈와 REMMA-101AD을 사용하여 실험 되었다.

    (3)Results (결과)
    접합의 형성은 그림4에서 보여 준다.
    용접표면의 앞부분은 shoulder의 흔적이 아주 부드럽다.
    접합 부분의 macrosections의 분석은 구멍들의 형성의 결점과, 틈 그리고 미연결 부분의 결점이 없음 을 보여 준다.

    Fig.4. Formation of a front surface of joint, made from brass L60, in FSW (접합의 앞 표면의 형성, L60의 놋쇠, 마찰 용접에 있어서)


    그림5는 교차 부분의 용접구조의 분포를 보여준다.
    A 부분은 모체이고, B는 열 영향을 받는 부분이고(HAZ), C는 thermomechanical 의 영향 부분이고, D 구역은 생동적인(활동적인)재결정(재배열)구역이다.

    Fig.5. Scheme of zones in FSW of brass (a) and macrostructure of a brass joint (b)
    1- shoulder diameter, 2 - filler, 3 - copper plate

    금속현미경은 선동구역의 결정립 크기가 모체의 금속결정립 크기와 확실히 다르다는 것을 보여 줬다.그림6은 +II. 을 두 면으로 구성하는 모체금속의 마이크로 구조조직을 보여 줬다. 결정립 크기 50-60 m이였다.
    화학적 구성은 발생하는 동안에는 변하지 않았고,(그것은 분광 마이크로 분석기의 엑스레이의 결과로 이루어 졌고) 이것 때문에, 동의 화학적인 특징은 원칙에 따라서 변하지 않았다.
    그림6(b) 은 5-7 m 결정립 크기로 이루어진 재결정체의 마이크로 구조조직이 발생하는 구역의 중심의 금속의 구조를 보여 준다.
    그것은 마찰이 발생하는 동안 상당한 결정립 미세화가 발생된다는 것을 보여 준다.

    Fig.6. Microstructure of parent metal모체의 마이크로 조직 (a) and stirring zone 동L60의 마찰 발생 구간(nugget) (b) of brass L60

    접합구역 안의 용접 중심부로부터의 거리에 따른 강도의 변화들을 그림 7이 보여 준다. 마찰 발생 구역의 금속의 강도는 모체의 강도 보다 10-12 units 더 높다.

    Fig.7. Distribution of hardness in joint made by FSW of 6 mm thick sheets of brass L60 (L60동의6 mm의 얇은 씨트를 마찰 용접후에 접합면의 강도 분포)

    모체 금속(L60 동)의 화학적이고 시각적인 엑스레이 분석과 용접된 접합 부분은 그림 8 (a and b)을 나타낸다.
    발표된 수치는 같은 구조적 구역을 나타낸다,+II의 구성과 모체 금속과 접합의 비교에 있어서 화학적 구성의 변화가 없음을 증명한다.
    얻어진 수치들은 쉽게 자기 요소를 소멸시키는 성질을 지닌 구리 합금의 접합에 있어서의 마찰 용접의 적용을 시도하는 걸 나타낸다.
    작업8의 아웃트라인은 놋쇠의 용해 용접이 사용될 때, 아연 소멸이 발생하고, 그러므로 용접의 화학적인 구성이 변하고, 그것의 기계적인 특징이 생산품의 높은 온도 변화도에 대한 적용을 한정하고 용접에 있어서 상당한 량의 구멍을 만들어 그것의 열 저항력에 부정적인 여향을 끼친다.

    Fig.8. X-ray microanalysis of parent metal L60 (a) and in stirring zone center (b)

    구리의 마찰 표면 처리와 그것의 높은 수준의 용접 합금이 결점 없이 생산 되었고, 말찰 발생 구간에서 (그림9) 불완전함 없이 생산 되었다.

    Fig.9. Macrostructure of deposited layer M1

    반제품의 표면 처리된 것으로부터 때어낸 금속 조직학적인 분석은 발생 지역의 결정립 크기는 모체의 그것과는 아주 다르다는 것을 보여준다.
    그것은 그림 10처럼 같은 구조적인 구역의 출연이 마찰의 발생 동안에 상당한 결정립 미세화의 발생이 이었다는 사실을 보여 주고 있다.

    Fig.10. Microstructure of parent metal (a) and deposited layer of copper (b), X250

    이런 경우, 강도의 뚜렷한 변화는 관찰되지 않았다. 마찰 발생 구역의 금속은 모체의 금속 보다 10%로 강해졌다. 용접의 압력으로 인한 뒤틀림은 없었다.
    deposited layer와 모체 금속의 화학적인 분석 결과들은 그들의 성질과 풍부한 산소의 존재가 없음을 확신시켰다.
    수행된 실험을 통하여 얻어진 결과들은, 금속의 연속적인 주조 기계를 위한 구리 금형의 전체 규모의 판들이 그것들의 원래의 크기를 복원하는 표면 작업을 하는데 사용된다(Figure 11)..
    산업적인 규모에 있어서 위에서 언급한 표면 처리의 기술에 대한 인식은 디자인 된 앞부분의 FSW 와 FSS이 연결된 작업 기계 공구로의 하나의 셋트로서 작동할 수 있게 한다.
    이런 경우에, 용접된 반제품이나 deposited layer의 연약함은 20-30 mm에 이를 수 있다.

    Fig.11. Full-scale plates of copper moulds for the machines of continuous casting of steel(연결된 철 주조의 기계를 위한 구리 금형의 전체 크기의 판)

    (4)결론(Conclusions)
    1. 동L60의 마찰 용접에 있어서, 용접의 질은 결점의 발생이나 마찰 발생 구역의 화학적인 변화 없이 수행되었다. 용접 부분의 강도는 모체의 금속 보다 10%로 증가 되었다.
    2. 구리의 FSS의 기본 과학 기술과 기법은 오버랩핑의 스롯 용접의 사용으로 발전되어졌다.
    3. 구리 M1에 있어서 deposited metal의 화학적인 구성의 분석은 그것의 표면처리금속 부분의 타당성과 기공의 침윤이 없음을 확신 시켰다.
    4. 구리 금형의 후판 전체 크기는 표면처리 되었고,FSS의 산업적인 기술의 인식을 위한 두부(머릿부분)는 고안 되어 지고 있다.
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