마찰 교반 방법 및 그러한 방법에 의한 작업물 쌍의 접합 document_id A220623108929

이와 관련하여, "고온의 금속과 금속 합금"은 알루미늄의 용융 온도보다 높은 용융 온도, 즉, 700℃ 보다 높은 용융 온도로서 정의된다. "낮은 전도성의 금속 및 금속 합금"은 알루미늄 보다 낮은 열적 전도성을 가진 것으로서 정의되며, 통상적으로 250 W/m K 보다 낮고, 바람직스럽게는 150 W/m K 보다 낮은 열적 전도성을 가지는 것이다. 높은 온도, 낮은 전도성의 금속 및 금속 합금들은 높은 용융점 및 높은 강도들을 가지고, 공통적으로 철 함유(ferrous)의 합금을 포함하며, 또한 니켈, 코발트, 크롬, 몰리브데늄, 텅스텐, 알루미늄, 티나늄, 니오븀, 탄탈륨, 레늄 및 지르코늄의 양을 함유하는 재료들을 포함한다. 이들은 또한 티타늄 합금을 포함하는데, 이것은 고성능의 항공 우주 적용예 및 다른 적용예들에서 광범위의 용도를 가진다. 낮은 전도성의 고온 금속들 및 금속 합금들은 통상적으로 융해 방법(fusion method)에 의해 접합되었지만, 마찰 교반 용접(friction stir welding;FSW)을 이용하여 이들을 접합하는데 유리하다는 점이 인정되었다. 마찰 교반 용접은, 작업물 보다 경질인 재료의 탐침(probe)이 접합 영역 및 작업물의 대향하는 부분들에 진입되도록 하면서, 상대적인 주기 운동(cyclic movement)(예를 들면, 회전, 궤도 또는 왕복 운동)이 탐침과 작업물 사이에 야기됨으로써 마찰열이 발생되어 대향하는 부분들이 가소성 상태를 취하게 되고; 선택적으로는 접합 영역의 방향에서 탐침과 작업물 사이에 상대적인 운동이 야기되고; 탐침을 제거하고; 가소성 상태가 된 부분이 굳어져서 작업물을 함께 접합시키게 하는 방법이다. 마찰 교반 용접의 예는 유럽 특허 출원 EP-A-0615480 및 국제 출원 공개 WO 95/26254 에 개시되어 있다. 마찰 교반 용접의 장점들은 종래 기술에서 널리 보고되고 있으며, 특히 통상적인 융해 용접 기술에 비교하여 보고되었다. 이러한 장점들에는 소모품 또는 충전재(filler)의 불필요성, 길이가 긴 용접에서의 낮은 왜곡, 준비를 거의 안해도 되는 점, 고체 상(phase)(연기, 구멍 및 튀기는 현상(splatter)이 없음, 낮은 열 투입 및 용융된 용접 풀(pool)의 응결(solidification) 회피), 접합부의 우수한 기계적 특성 및 성형 특성들이 포함된다. 마찰 교반 공구들은 또한 단일의 작업물을 처리하는데 이용될 수 있다. 마찰 교반 처리(Friction Stir Processing, FSP)에서, FSW 용으로 통상적으로 이용된 공구는, 용접을 형성하는 접합 선을 따라 움직이는 대신에, 단일 작업물의 재료를 통해 움직여서 그 재료의 특성에 변화를 부여한다. 공구의 열기계적(thermo-mechanical) 재처리 작용은 마이크로구조, 물리적인 특성(플라스틱 거동, 강도 및 c.) 및 화학적 특성(내부식성 및 c.)의 특정한 국부적 변화에 이를 수 있다. FSP 는 주조물 및 다른 구조들을 굳히고 수리하는데 이용되어, 예를 들어 실린더 헤드 주조물에서 채널/포트들 둘레의 특성을 향상시키고, 구멍을 제거하는데 도움을 주었다. FSP 의 예들은 미국 특허 US 6712916B, 유럽 특허 출원 EP-A-1160029, 일본 특허 출원 JP 2005-324240A, 미국 특허 출원 US2006-0032891A 및 미국 특허 US 6994916B에서 찾을 수 있다. 마찰 교반 공구들은 통상적으로 단순한 실린더형 또는 약간 테이퍼진 탐침 또는 "핀"을 포함하는데, 이들은 직경이 크고 평탄하거나, 돔(dome)의 형태이거나 또는 테이퍼진 숄더(shoulder)로부터 돌출된 것이다. 이러한 유형인 공구의 통상적인 예는 영국 특허 출원 GB-A-23066366 에 설명되어 있다. 단순한 핀 공구의 많은 변형들이 종래 기술에 공지되어 있다. 종래 기술로부터 알려진 공구의 다른 공통적인 유형은 "보빈 공구(bobbin tool)"로서 알려져 있으며, 유럽 특허 출원 EP-A-0615480 에 개시된 바와 같다. 이러한 유형의 공구는 지원용 부재(backing member)의 필요성을 극복하는데, 지원용 부재는 종종 작업물(들)에 대한 공구의 작용에 의해 발생되는 힘에 반작용하는데 필요하다. 공구들의 다른 예들이 공지되어 있는데, 이것은 조직화된 표면, 나사화되고 세로홈이 파진(fluted) 핀들을 포함하며, 이것은 교환 가능한 핀 및 숄더들로 이루어지고, 또한 적용예에 따라서 재료들의 상이한 조합으로 이루어진다. 이러한 예들은 국제 출원 공개 WO 95/26254, WO 02/092273, 미국 특허 US 62774301B1, 국제 출원 공개 WO 99/52669, 유럽 특허 출원 EP-A-1361014, 미국 특허 US 6676004B1 및 많은 다른 것들에서 찾을 수 있다. 마찰 교반 용접을 이용하여 공통적으로 접합되는 통상적인 작업물 재료들은 낮은 용융 온도의 것이며 이와 관련하여 일반적으로 저온 금속 또는 저온 재료로서 지칭된다. 가장 통상적인 마찰 교반 용접 가능 재료들은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 납 및 다른 유사한 재료들에 기초한 금속들이다. 마찰 교반 용접에 의하여 고온 재료들의 접합을 수행하는 많은 연구들이 변화 많은 성공과 함께 수행되어 왔다. 고온 재료를 마찰 교반 용접할 때 많은 문제점들중 하나는 올바른 공구 재료를 선택하는 것으로서, 이것은 통상적으로 내화 금속 또는 세라믹 재료가 사용되었다. 국제 출원 공개 WO 99/52669 는 철 함유(ferrous) 재료에 대하여 순수 텅스텐, 텅스텐 레늄 합금 및 텅스텐 카바이드의 이용을 고려하고; 다른 고온 적용예들에 대하여 코발트 재료, 세라믹 또는 도성 합금(cermet) 재료를 고려한다. 국제 출원 공개 WO 01/85385 는 공구를 이용하는 MMC, 철 함유 합금, 비철 합금 및 슈퍼합금(superalloy)의 마찰 교반 용접에 관한 것인데, 핀 및 숄더는 적어도 슈퍼 연마(superabrasive) 재료를 포함하는 코팅을 포함한다. 이것은 통상적으로 폴리크리스탈린 큐빅 보론 질화물(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN)이다. 영국 특허 GB 2402905 는 니켈 및 티타늄 합금과 같은 고강도 재료의 용접에 유용한, 텅스텐에 기초한 내화 재료로 제조된 공구를 개시한다. 용접 상부와 저부 사이의 열 불균형, 벌레 구멍의 결함 및 높은 숄더 속도에 기인한 플래싱(flashing)의 문제점들 및 왜곡이 표준 기하 형상의 W-Re 공구 유형에서 발생할지라도, 표준 기하 형상의 W-R3 공구들을 이용하는 특정 Ti 등급의 접합에서 합리적인 용접 품질이 얻어졌다. ("마찰 교반 용접 베타 21S 티타늄의 개관", Loftus 등, 제 5 회 FSW 심포지엄. Metz 2004). 열 입력의 균형을 맞추는 보빈 공구의 이용을 포함하는, 상기의 문제점을 극복하려는 방법들은 상기 문헌에서도 제안되었다. 미국 특허 출원 US-A-2003/0201307 은 마찰 교반 용접 공구의 다른 예를 설명하는데, 여기에서는 탐침이 2 개의 숄더(shoulder) 사이에 연장되고, 숄더들중 하나는 탐침에 대하여 회전하는 반면에, 다른 하나는 탐침에 독립적으로 회전한다. 이것은 숄더에 의해서 상이한 표면 가열 비율이 적용되는 것을 허용하는데, 이는 상이한 용접 파라미터들을 필요로 하는, 유사하지 않은 특성들을 가진 재료들을 겹치기 용접(lap welding)할 때 유리하다. 종래 기술에서 주목된 공구를 이용하는 고온 재료들의 마찰 교반 용접 및 처리를 수행할 때 다양한 문제점들이 명백한데, 특히 공구 재료의 품질 저하가 문제이며, 이는 전체적으로 이들 고온 재료들의 마찰 교반 용접 및 처리 동안에 발생되는 고온 및 응력의 탓이다. 또한 고온 재료들에서의 열 입력 제어할 때 문제점들이 발생되는데, 이는 Loftus 등에서 지적된 바와 같이, 공구의 과열 때문만이 아니고, 용접 프로파일을 통한 열적 불균형 및 작업물의 과열 때문이기도 하며, 이는 불량한 접합 특성으로 이어질 수 있다. 특정의 고온 재료들에서, 이러한 효과는 공통적으로 재료의 혼합을 증진시키도록 핀에 충분한 속도를 부여하는 동안 공구 숄더의 상대적으로 큰 마찰 표면에 의해 제공되는 높은 열 입력 때문이다. 비록 공구를 냉각시키는 노력이 공구의 수명을 늘리는데 성공적이었을지라도, 이들은 오직 접합 특성들에서 제한된 효과를 가질 뿐이다. 공구의 숄더 부분의 직경을 감소시키는 것은 열 입력을 감소시킬 수 있지만, 재료의 부적합한 강화 및 많은 양의 플래쉬(flash)의 발생에 이르게 된다.