KR20030022118A - 초입자 도구를 이용한 마찰교반용접 - Google Patents

Abstract

MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접하기 위한 프로브(probe)(28)는 숄더를 통해 몸체 안에 배열된 핀(34)과 숄더(32) 및 몸체(30)를 포함하며, 핀과 숄더는 초합금 재료로 된 코팅을 포함하며, 핀과 숄더는 응력 상승요소를 감소시키도록 설계되며, 몸체에 대해서 숄더의 한 부분에 대해서 칼라(36)를 배열하여 몸체에 대해서 숄더가 움직이지 못하도록 하고, 숄더 및 몸체 사이에 열유동 장벽(38)을 제공하고 칼라 및 도구 사이에 제 2 열유동 장벽(40)을 제공하여 열관리를 통합한다.

Description

초입자 도구를 이용한 마찰교반용접{FRICTION STIR WELDING USING A SUPERABRASIVE TOOL}

마찰용접은 수년간 이용되어 왔다. 종래의 융접(fusion welding)에서 발생되는 문제인 용해된 재료가 빠르게 응고되는 것과 관련된 문제점을 피할 수 있기 때문에 많은 경제적인 이점을 가져오는 고체상태의 공정이다.

마찰용접이 하나의 예로써 두 개의 파이프 단부가 서로 눌려질 때 하나의 파이프는 제 위치에 빠르게 고정되지만 다른 하나는 눌려 돌아가게 된다. 마찰에 의해 열이 발생하고 파이프 단부는 가소화(plasticized)된다. 파이프의 회전을 빠르게 정지시켜 마찰열은 결합될 두 부분의 상대적인 운동으로 발생된다.

반대로, 도 1은 마찰교반 맞대기 용접(friction stir butt welding)에 사용되는 도구의 사시도인데, 숄더에서 외부로 연장된 숄더(12) 및 핀(14)을 갖는 실린더형 도구(10)를 특징으로 한다. 핀(14)은 충분한 열이 발생할 때까지 소재(16)에 대해서 회전하며, 도구의 핀은 가소화된 소재에 플런징된다. 소재(16)는 결합라인(18)에서 함께 맞대기되는 재료의 두 플레이트 혹은 시트이다. 핀(14)은 결합라인(18)에서 소재(16)에 플런징된다. 핀(14)의 회전운동으로 인해 발생되는 마찰열로 인해서 소재가 용융점에 이르지 않고 부드러워진다. 도구(10)는 결합라인(18)을 따라 가로질러 이동되어서 가소화된 재료가 앞전(leading edge)에서 뒷전(trailing edge)까지 핀 주위를 유동함에 따라 용접된다. 그 결과 소재(16)와 구별할 수 없는 결합라인(18)에서 고체상태의 접합부(20)가 발생한다.

종래의 기술은 현재의 융접에 대한 이로운 특성을 갖는 용접을 얻기 위한 기술의 이점을 나타내는 마찰교반 용접특허에 충분하다. 이러한 이점은 긴 용접부에 왜곡없음, 퓸(fume) 없음, 구멍없음, 스플래터(splatter) 없음, 인장강도에 상관없이 좋은 기계적 특성을 포함한다. 또한 이러한 공정은 비소모성 도구를 이용하고, 필터 와이어가 필요없으며, 가스차폐가 필요없고, 용접부에 산소 같은 불안적한 용접에 대한 공차를 갖는다. 상기 공정은 특히 열에 의한 손상을 방지하거나 용접되는 원료의 특성을 변화시키지 않는데 유용하다.

그러나 이러한 산업분야에서 마찰교반용접으로는 용접되지 않는 재료를 용접하려는 요구가 있었다. 그러므로 마찰교반용접이 알루미늄, 놋쇠, 청동 같은 비철합금재를 용접하는데 매우 이로운 기술이었지만, 용융점이 더 높은 재료를 용접할 수 있는 도구가 없었다. 기능적으로 용접이 가능한 재료는 도구를 망가뜨리지 않고호칭길이(nominal length) 이상으로 마찰교반용접을 이용하여 용접이 가능한 것들이다.

불행하게도 융접은 용접부의 합금재를 변형 혹은 손상을 주어서 용접과정에서 용저부에 결손으로 인한 용접부를 손상시킨다. 몇가지 경우에 있어서 합금을 만들기 위해 원소재와 결합되는 비금속 강화재료가 용접부에서 소모된다. 그 결과 원소재의 변하지 않은 부분과는 다른 특성을 갖는 용접부가 만들어진다.

현재까지 종래의 마찰교반용저 도구 혹은 프로브(probe)를 이용하는 마찰교반용접의 특성이 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재 같은 재료가 마찰용접되지 않도록 하기 위해 현저히 마모된다. 대부분의 도구는 모든 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재에서 동작하지 않는다. 만약 종래의 도구가 마찰교반용접을 시작할 수 있었다면, 짧은 시간에 프로브가 분열되도록 마모가 중요했을 것이다. 예를 들어, 몇몇의 합금재는 프로브가 마모되어 몇인치 정도를 용접한 후에는 더 이상 기능을 할 수 없게 될 수 있다.

불행하게도, 새로운 도구를 삽입하여 이전의 프로브가 실패한 마찰교반용접을 시작하는 것이 불가능한 경우이다. 만약 용접부가 불연속이고 방해되지 않는다면, 기계적인 약점으로 인해서 유용하지 못하다. 또한 도구의 한 부분은 통상적으로 고재 뒤에 남게되고, 또한 기계적인 약점에 일조를 하게 된다.

그러므로 종래의 기술에 대해서 짧은 시간에 종래의 도구가 용접을 실패하게 하는 재료를 오랜시간 연속적으로 방해받지 않은 상태에서 용접을 하게 하는 마찰교반용접을 이용하는데에 이점이 있다. 또한 종래의 기술에 대해서 새로운 도구가이전에는 종래의 마찰교반용접 도구로 용접하기가 너무 어려운 재료를 마찰교반용접을 가능하게 하는 것이 유익하다. 또한 종래의 소재를 마찰교반용접하는 도구를 제공하여 개선된 마모특성을 나타내는 것이 바람직하다.

마찰교반용접에는 바람직하지만 종래의 도구에서는 용접이 되지 않는 제 1 재료는 금속 매트릭스 복합물(metal matrix composite-MMC)이다. MMC는 금속과 세라믹상태를 갖는 재료이다. 세라믹 상태의 예는 탄화규소 및 탄화붕소를 포함한다. MMC에 사용되는 공통 금속인 알루미늄이다.

MMC는 바람직한 강도 및 마모특성을 갖지만, 낮은 파괴인성(fracture toughness)을 갖는다. MMC의 사용에 대한 좋은 예로써 자동차의 디스크 브레이크 회전자가 있는데, 현 재료는 강도, 강성, 마모성의 이점을 갖으며, 좀더 부서지기 쉬운 특성은 문제가 아니다. MMC는 주철 보다 가벼운 회전자를 만드며, 탄화규소 같은 세라믹 상태는 좀더 큰 저항성을 나타낸다.

MMC에 대한 다른 중요한 응용분야는 구동 샤프트, 실린더 라이너, 엔진연결로드, 항공기 랜딩기어, 항공기 엔진부품, 자전가 프레임, 골프클럽, 방사능 차폐부품, 위성, 항공기 구조물을 포함하지만 이것들에 국한되지는 않는다.

마찰교반용접에 바람직하고 좀더 넓은 산업분야에 응용될 수 있는 제 2 재료는 철합금재이다. 철합금재는 강철 및 스테인리스 스틸을 포함한다. 가능한 응용분야는 광범위한데, 조선, 항공우주, 철도레일, 건설 및 교통산업을 포함한다. 스테인레스 시장은 알루미늄 합금 시장보다 최소 5배이상 크다. 강철 및 스테인리스 스틸은 용접된 제품이 80%이상을 차지하고 마찰교반용접의 유용성을 더 높게 만든다.

마지막으로, 제 3 재료 마찰교반용접에 바람직하고 좀더 넓은 산업분야에 응용될 수 있으며 철합금재보다 높은 용융점을 갖고 철을 소량 함유하거나 함유하지 않는 것은 슈퍼합금이다. 슈퍼합금은 니켈-, 철-니켈, 1000℉ 이상의 온도에서 사용되는 코발트 합금이다. 슈퍼합금에서 공통적으로 발견되는 요소는 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오브, 탄탈, 레늄이지만 여기에 국한되지는 않는다.

티타늄은 마찰교반용접에 적합한 재료이다. 티타늄은 비철재료이지만 다른 비철재료 보다 높은 용융점을 갖는다.

MMC, 철합금재, 슈처합금재를 기능적으로 용접할 수 있는 도구를 만들기 위한 노력이 있다. 이러한 노력중에 하나는 본 발명자가 비철합금재를 마찰교반용접을 할 수 있는 현존하는 도구를 변형시키려 하는 것이다. 본 발명을 실행하기 위해 도구에 대한 이러한 노력들에 대해서 설명할 것이다.

본 발명은 마찰교반용접에 관련되는데, 용접을 하기 위한 열은 도구의 회전핀을 소재에 플런징(plunging)하여 발생된다. 좀더 자세히 말해서 본 발명은 종래의 마찰교반용접 과정 및 도구를 이용하여 마찰용접되지 않는 재료를 본 발명에서 용접할 수 있도록 하는 마찰교반용접에 이용되는 새로운 도구에 관련되는데, 상기 재료는 스테인리스 스틸 같은 철합금재 및 철합금재를 함유하지 않거나 적게 함유한 용해점이 높은 슈퍼합금재(superalloy)를 포함한다.

도 1은 두가지의 재료로된 플레이트를 용접하는 종래의 마찰교반용접 도구의 사시도.

도 2A는 본 발명의 원리를 따라 제조된 선호되는 실시예의 횡단면도.

도 2B는 도 2A에 도시된 도구의 저면도.

도 3은 몸체, 숄더, 핀 모두가 독립적은 요소인 선택적인 실시예의 횡단면도.

도 4는 핀을 교체하는데 조력하기 위해 몸체의 길이방향을 따라 구멍이 배열된 또 다른 선택적인 도구의 횡단면도.

도 5는 몸체, 숄더, 핀이 모놀리식 요소인 또 다른 선택적인 도구의 실시예에 대한 횡단면도.

도 6A는 초입자에 배열된 헬리컬 채널을 갖는 핀 같은 역할을 하는 엔드밀 블랭크(endmill blank)의 횡단면도.

도 6B는 도 6A의 엔드밀 블랭크의 저면도.

도 7A는 몸체가 고정 칼라(locking collar)로 기능을 하는 또 다른 선택적인 도구 실시예의 횡단면도.

도 7B는 기계적으로 고정시켜 몸체에 대해서 숄더가 미끄러지지 않게 하는 표면의 불규칙성에 대한 근접 측면도.

도 7C는 기계적으로 고정시켜 몸체에 대해서 숄더가 미끄러지지 않게 하는 표면의 불규칙성에 대한 근접 측면도.

도 8은 소재의 핀 주위에 전이 혹은 난류유동을 만들도록 설계된 표면 변형을 갖는 핀의 횡단면도.

도 9A는 핀 주위에 전이 혹은 난류유동을 발생시키도록 설계된 핀의 플랫형태로써 표면 변형을 포함하는 핀에 대한 도면.

도 9B는 핀 주위에 전이 혹은 난류유동을 발생시키도록 설계된 핀의 불규칙한 표면 형태로써 표면 변형을 포함하는 핀에 대한 도면.

도 10은 핀 주위에 전이 혹은 난류유동을 발생시키도록 설계된 중앙에서 벗어난 핀 혹은 캠을 갖는 도구의 횡단면도.

* 부호설명 *

28 : 도구30 : 몸체

32 : 숄더34 : 통합핀

36 : 칼라38 : 열유동장벽

40 : 열유동 장벽

본 발명의 목적은 종래의 도구에 대해서 개선된 마모특성을 갖는 마찰교반용접에 사용되는 새로운 도구를 제공하는 것이다

또 다른 목적은 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재 및 비철합금재를 마찰교반용접하는 초입자물질을 갖는 새로운 도구를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 비철합금재에 대한 개선된 용접특성을 나타내는 새로운 도구를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 용접된 재료의 마무리 비용을 줄이는 새로운 도구를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 때 도구의 마모를 줄이기 위해 개선된 모양을 갖는 새로운 도구를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 새로운 도구의 열적, 기계적, 화학적 마모를 줄이기 위한 것이다.

또 다른 목적은 새로운 도구에 대한 열관리(thermal management)를 제공하는 것이다.

선호되는 실시예에서, 본 발명은 MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접하기 위한 도구이며, 상기 도구는 몸체, 숄더, 숄더를 통해 배열되고 몸체 안에 배열된 핀을 포함하는데, 핀과 숄더는 최소한 초입자 물질로 된 코팅을 포함하며, 핀과 숄더는 응력 상승요소(stress riser)룰 줄이도록 설계되었고, 숄더와 몸체의 어떠한 부분 주변에 칼라(collar)를 배치시켜, 몸체에 대해서 숄더가 회전하지 못하도록 하며, 숄더와 몸체 사이 그리고 칼라와 도구 사이에 열유동 장벽을 제공하여 열관리를 통합한다.

본 발명의 첫 번째 관점에서, 몸체, 숄더 및 핀은 마찰교반용접 도구를 형성하기 위해 함께 커플링되는 독립적인 요소이며, 숄더 및 몸체는 초입자 코팅을 포함한다.

두 번째 관점에서, 몸체 및 숄더는 최소한 한 부분에 대해서 초입자 코팅을 갖고 초입자 코팅으로 된 독립적인 핀을 포함하는 모놀리식 요소이다.

세 번째 관점에서, 몸체, 숄더 및 핀은 최소한 일부분을 커버하는 초입자 코팅으로 된 모놀리식 요소이다.

네 번째 관점에서, 도구 내에서 열유동 장벽을 이용하여 열관리가 핀 내에서마찰교반용접을 하기에 충분한 열을 내면서 열로부터 도구 홀더를 보호한다.

다섯 번째 관점에서, 응력 상승요소는 핀에서 감소되고 숄더의 반지름은 크며, 핀의 직경은 증가해 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접한다.

여섯 번째 관점에서, 도구는 화학 및 기계적 마모에 대한 저항을 증가시키기 위해 초입자 코팅에 배열된 최소한 하나의 CVD, 이온빔 PVD 코팅을 포함한다.

일곱 번째 관점에서, 도구는 초입자 코팅의 박리(spalling)를 감소시키기 위해 휘스커 강화 초입자(whisker reinforced superabrasive)로 코팅된다.

여덟 번째 관점에서, 도구가 병진운동을 하는 동안 구성요소로 분리되지 않도록 하기 위해 도구의 세로축을 따라 플랫(flat)들이 배열된다.

아홉 번째 관점에서, 초입자 코팅은 화학적 마모 및 기계적 마모 사이의 바람직한 균형에 따라 선택된다.

열 번째 관점에서, 초입자 코팅은 소재가 도구에 접착되지 않도록하여 도구의 마모를 줄이는 낮은 마찰계수의 특성에 따라 선택된다.

본 발명의 이러한 특징 및 그 외 여러 가지 이점이나 특성은 도면을 참고로 자세히 설명될 것이다.

당해업자들이 본 발명을 이용할 수 있도록 본 발명은 설명될 것이며, 본 발명의 여러 가지 요소에 대해서 참조번호가 부여될 것이다. 다음 설명은 본 발명의 원리에 대한 예이다. 본 발명의 선호적인 실시예는 핀과 숄더에서 초입자 물질을 통합하는 도구이며, 현재 기능적으로 용접이 되지 않는 재료를 마찰교반용접하기 위해 도구 내에서 열관리를 이용한다. 그러므로 본 발명은 도구를 소모하지 않고 MMC, 철합금, 슈퍼합금을 오랜시간 연속적으로 방해받지 않고 용접할 수 있도록 한다.

선호되는 실시예의 개발은 종래의 도구가 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재에 사용될 때 마모되거나 부서지기 때문에 중요한 개선점을 나타냈다. 이러한 개선점은열적마모, 기계적마모, 화학적마모, 열관리, 도구의 모양으로 요약될 수 있다. 도구에 대해서 재료가 선택되기 전까지 이러한 개선점에 대한 해결책은 적합한 도구모양, 열관리로 조합되는데 본 발명의 여러 가지 실시예를 통해 설명될 것이다.

MMC, 철합금 및 슈퍼합금을 기능적으로 용접할 수 있는 본 발명의 도구가 되는 일련의 과정은 부서진 도구에서 시작되었다. 상기 부서진 도구는 MMC로 만들어진 소재의 용접부에서 작동할 때 부서지는 핀을 포함했다. 그러므로 CBN으로 형성된 솟아 오른 숄더가 고정 칼라와 함께 배열되었다. 본 발명의 발명자는 숄더가 철합금재에서 화학적 혹은 기계적 마모를 견딜 것이라고 생각하지 않았지만 어떤 일이 발생하는지 궁금했다. 놀랍게도, 용융점이 높은 소재에 오랜시간 연속적으로 작동한 후에 숄더는 어떠한 마모의 표시도 나타내지 않았다.

이렇게 테스트의 성공으로 발명자들은 여러 가지 도구의 실시예를 실험하여 부서진 도구로 인한 열저항성 및 놀랄만한 마모성을 이용할 수 있는 도구의 특성을 밝히기 위해 노력했다.

도 2A는 이러한 테스트의 결과로 인한 본 발명의 선호되는 실시예의 요소들을 도시한 횡단면도이다. 기계적 요소에서부터 시작하면 도구(28)는 실린더형의 몸체(30)를 포함한다. 통합핀(34)을 갖는 숄더(32)는 몸체(30)에 연결된다. 칼라(36)는 통합핀(34)을 갖는 숄더(32) 및 몸체(30)의 한 영역에 대해서 연결된다. 열유동 장벽(38)은 통합핀(34)을 갖는 숄더(32) 및 몸체(30) 사이에 배열된다. 또한 통합핀(34)을 갖는 숄더(32) 뿐만 아니라 몸체(30)의 한 영역과 칼라(36) 사이에 배열된 열유동 장벽(40)이 있다.

이러한 선호되는 실시예는 몇가지 신규한 요소를 통합하는데, 이들 중 몇가지는 이미 도 2A에 도시되었다. 첫째, 도구(30)에 이용된 선호되는 재료는 본 발명에 중요하다. 몸체(30)는 선호적으로 초경 텅스텐 카바이드(cemented tungsten carbide)이다. 초경 텅스텐 카바이드는 도구(28)에 사용된 다른 재료에 대한 강도를 유지하기 위해 몸체를 적합하게 냉각시키는 높은 열전도성 및 강도 때문에 선택된다.

초경재료의 한가지 이로운 특징은 높은 열전도성이다. 그러나 열전도성은 어떻게 이용되느냐에 따라서 도구에 유용하거나 손상을 줄 수 있다는 것을 이해하는 것은 중요하다. 열관리가 성공적인 마찰교반용접 도구를 만드는데 중요한 것이 실험을 통해 밝혀졌다.

예를 들어, 핀(34)이 초입자 재료로 코팅될 때 많은 양의 열이 용접영역에서 빠져나왔다. 보정하기 위해서 도구(28)는 용접부분에 좀더 많은 열을 발생시키기 위해 더 거칠게 다뤄져야 했다. 그러므로 성공적인 도구는 고체상태를 용접할 수 있도록 용접영역에 충분한 열을 전달해야 하며, 동시에 열을 제한해서 높은 품질의 용접부분을 얻기 위해 용접부분을 가능한 저온으로 유지한다. 다시말해, 초입자의 높은 열전도성으로 도구는 도구에서 나온 열을 조절하도록 설계될 수 있기 때문에, 설계에 융통성이 있다. 반대로, 낮은 전도성 재료는 그 자체 전도성 값 혹은 그 이하로 제한된다.

많은 양의 열이 요구되는 작동변수 때문에 도구에 의해 발생되며 도구의 외부 냉각에 의존할 필요가 있게 된다. 빠르게 냉각하는 용접부를 포함하여 가장 좋은 용접특성을 얻기 위해 열유동 특성이 변형될 수 있는 도구를 갖는 것이 목적이다.

용접부위 가까이에 있는 소재와 도구 사이의 마찰에 의해 발생되는 열을 유지하기 위해서 열관리 계획이 수립되었다. 이러한 계획의 한가지 관점은 핀(34)에서 나오는 열을 도구(28)의 연결단부(42)를 붙들고 있는 도구홀더에 제한할 몸체(30)에 대한 재료를 선택하는 것이다. 도구홀더는 도구(28)를 회전시키며, 이 또한 열로 인해 손상될 수 있다. 열관리 계속은 또한 마찰교만용접을 하는 동안 병진운동을 저항하기에 충분히 몸체를 냉각시킨다.

선택적으로 고강도 강철이 몸체(30)의 초경 텅스텐 카바이드 대신 사용될 수 있지만, 강철은 숄더(32) 및 통합핀(34)에서 열 에너지를 적게 유동시킬 것이며, 몸체가 높은 온도 및 감소된 강도에서 작동시킨다. 그러나 강철은 적합한 냉각 역할을 할 것이다.

만약 소재에 대해서 핀(34)을 회전시키는 것이 마찰교반용접에 대해서 열을 발생시키는 것이라면, 얼만큼의 회전율이 기능적인 용접에 발생될 것인지는 아는 것이 중요하다. 통합핀(34)을 갖는 숄더(32)의 회전율은 용접될 재료, 도구의 직경, 도구(28)의 요소들의 구성에 따라 선호적으로 50rpm에서 2000rpm 내에 있게 된다. 선호되는 도구의 표면속도는 분당 7 내지 400 표면선속도를 나타낸다.

회전율을 따라서 마찰교반용접 공정의 타이밍은 사소한 것은 아니다. 핀(34)이 가소화된 용접부위를 형성하도록 충분히 가열될 때 소재에 플런징되는 것이 중요하다. 그러나 이러한 타이밍은 사용되는 재료, 도구의 구성, 공정변수를 변화시킨다.

열유동 장벽(38)의 목적은 열유동 관리에 대해서 상기 설명에 따라 이해될 수 있다. 마찰열이 도구(28)를 통해 빠져나가지 않고 고재에 집중된 열을 유지시키는 것이 중요하다. 선호되는 실시예에서, 티타늄 혹은 티타늄 합금은 열유동 장벽(38)에 대한 재료로 선택된다. 티타늄 합금은 도구(28)에 의해 발생되는 온도를 견딜 수 있는 능력과 비교적 낮은 열전도성으로 인해서 선택된다. 그럼에도 불구하고 티타늄 합금만이 사용될 수 있는 유일한 재료는 아니다. 비슷한 기능을 하는 재료로 대신 사용될 수 있다.

통합핀(34)을 갖는 숄더(32)는 제조에 사용된 재료와 그 기하학적인 구조 때문에 본 발명에서 가장 신규한 요소이다. 상기 요소들은 마찰교반용접으로 인한 극도의 열적, 기계적, 화학적 마모를 극복하기 위해 선택된다. 한가지 형태의 마모는 또 다른 마모 보다 더 중요할 필요는 없으며, 여러 가지 다른 형태로 고장나게 된다.

재료에 대해서 숄더(32) 및 핀(34)의 초입자를 이용해서 본 발명이 MMC, 철합금, 비철합금 슈퍼합금을 기능적으로 용접할 수 있도록 한 실험을 통해 선택된다. 특히 선호되는 실시예에서 폴리크리스탈라인 큐빅 보론 니트라이드(polychristalline cubic boron nitride-PCBN)가 통합핀(34)을 갖는 숄더(32)에 사용되는 기질재료에 초입자 코팅으로 이용된다.

PCBN 코팅이 기질재료에 초입자 코팅으로 이용된다는 것은 공정이 중요한 것은 아니라는 것을 의미한다. 이 경우와 다르다. 코팅은 단순히 실내온도 공정을 이용해 씻겨진 물질이 아니다. 오히려 고온 및 초고압에 관련된다. 또한 초입자가 적용되는 표면의 기하학적인 구조는 초입자가 잘 마모되는가, 쪼개짐을 피할 수 있는가에 많은 관련이 있다. 따라서 본 발명의 중요한 관점은 초입자 코팅에서 가장 좋은 결과를 얻을 도구의 기하학적 모양을 설명하는 것이다. 또 다른 관점은 사용될 수 있는 가능한 초입자 재료를 설명하는 것이다. 어떻게 코팅이 입혀지는지의 한 예가 설명될 것이다.

PCBN은 초고온 및 초고압(UHTP) 프레스(1400℃ 혹은 1673K에서 100만 psi)에 서 헥사고날 보론 니트라이드 분말(hexagonal boron nitride powder)로 만들어진다. 온도 및 시간은 최적의 크기, 형상, 무르기를 갖는 큐빅 보론 니트라이드 크리스탈(cubic boron nitride crystal)을 만들기 위해 조절이 가능하다. 크리스탈은 직경이 1 마이크론에서 약 50 마이크론 사이에 있다.

본 발명의 숄더(32) 및 통합핀(34)을 만들기 위해서, 큐빅 보론 니트라이드(cubic boron nitride-CBN) 크리스탈은 다른 혹은 제 2 상태로 된 물질의 분말과 혼합된다. 제 2 상태의 물질은 세라믹이나 금속을 기반으로 한다. CBN은 기계적인 강도를 나타내고 세라믹은 화학적 마모에 저항을 나타낸다. 그러므로 제 2 상태의 물질에 대한 CBN의 비율은 응용분야를 따르며, 기계적 그리고 화학적 마모저항이 비교 검토된다.

제 2 상태의 물질은 PCBN에 화학적 안정성과 견고성을 추가시킨다. 갈라짐이 진행되지 않도록 하는 제 2 상태로 인해서 부분적으로 견고하다. 자연적으로 부서지는 것을 견디는 무작위 방향으로 분열되는 성향을 갖음에 따라 CBN 또한 도움이된다. 낮은 기계마모 저항 및 좀더 많은 화학마모 저항이 필요한 고온의 경화된 슈퍼합금재를 가공하기 위해 적은 양의 CBN이 사용된다. 마찰마모 저항성에는 많은 양의 CBN이 사용되는데, 제 2 상태는 견고성이 추가된 금속성이다.

CBN 크리스탈이 강성, 열전도성, 열팽창성, 마찰계수, 파괴인성, PCD와 비슷한 횡단파괴성을 갖는다는 것은 중요하다. 이러한 특성들은 특정한 응용분야의 필요조건을 만족시키기 위해 제 2 상태 물질을 이용하여 처리된다.

혼합 분말은 내화금속 용기에 초경 텅스텐 카바이드 혹은 독립형 PCBN 블랭크(free-standing PCBN blank) 같은 기질에 놓인다. 용기는 밀봉되고 분말이 함께 소결되는 UHTP 프레스로 돌아오고 PCBN 도구 블랭크를 형성하기 위해 기질로 오게된다. PCBN 도구 블랭크는 그라인딩(grind), 랩핑(lap), 와이어 EDM 커팅(wire EDM cut) 혹은 레이저 커팅되어 사용되는 분야에 따라 크기 및 형상이 정해진다.

초입자는 고온 및 고압력으로 처리됨에 따라 형성되는 재료이다. 초입자 재료는 PCBN 및 PCD를 포함한다. 이러한 재료들은 주기율표에서 찾아볼 수 있으며 IIIA, IVA, VA, VIA, IIIB, IVB, VB에 있는 요소들을 포함하는 혼합물로 나타난다.

초입자는 단단한 제 1 상태를 갖으며, 제 1 상태의 크리스탈 구성을 쉽게 소결시키고 변형시키는 제 2 촉매상태를 갖는다. 휘스커 강화재(whisker reinforcements)를 이용하여 강화될 수 있다. 이것들은 또한 상승된 온도 및 압력에서 처리되는 동안 고체상태의 변화를 겪는 재료와 접합재가 있든지 없든지 소결처리로 만들어지는 재료로 간주된다.

또 다른 관점은 숄더(32)와 관련된다. 어떻게 제조되느냐에 따라서,숄더(32)의 초입자재료는 비교적 얇을 수가 있다. 이것은 만약 초입자 재료가 원하는 모양으로 완성되면 중요한 사항이 된다. 만약 완성된 형태가 실시예에 도시된 바와 같이 경사지거나, 비스듬하거나, 각도가 생긴 표면 혹은 다른 비슷한 구조를 포함할 경우, 경사면은 초입자재료를 관통하지 않는다는 것은 중요하다. 따라서 초입자의 두께는 기질재료에 이르지 않고 원하는 경사면을 제공하기에 충분해야 한다.

본 발명이 개발됨에 따라서 알루미늄을 마찰교반용접하도록 설계된 도구가 철합금재에 사용되었다. 도구는 핀에서 고장났다. 왜냐하면 용융점이 높은 더 단단한 재료를 마찰교반용접하고 초입자재료로 코팅된 숄더 및 핀을 이용할 때 기하학적인 모양이 고려되어야 하기 때문이다. 그러므로 다른 본 발명의 신규한 특징은 1) 응력 상승요소 제거, 2) 큰 반지름 혹은 테이퍼부(chamfer) 이용, 3) 응력의 좀더 균일한 분배, 4) 핀의 직경 증가로 구성된다.

응력 상승요소에 대해서, 종래의 많은 특허가 색다른 핀의 설계를 나타내는데, 나사형핀, 끝이 날카롭고 기울어진 핀 등을 포함한다. 핀에 있는 나사산이 있는 것이 바람직한데, 소재의 재료를 소재쪽으로 밀어서 교반작용 및 더 좋은 용접을 할수 있도록 하기 때문이다. 그러나 이러한 형상은 본 발명에서는 바람직하지 않은데, 초입자 코팅을 갈라지게 하지만, 응력 상승요소를 최소화하도록 변형될 수 있다. 그러므로 숄더(32) 및 핀(34)의 반지름이나 테이퍼부(chamfer)가 큰 것이 바람직하다. 이러한 큰 반지름은 도 2A에 도시되었다.

핀 직경에 대해서, 선호되는 실시예의 핀(34)은 종래의 도구보다 직경이 크다. 이것은 MMC, 철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 때 핀(34)이 겪을 더 큰 응력으로 인한 것이다. 핀 직경은 핀 길이에 대한 핀의 직경 비율로 가장 잘 설명된다. 선호되는 실시예에서 그 비율의 범위는 0.2:1에서 30:1까지이다.

또한 소재(32)는 소재에 대해서 평평한 표면으로 도시되지 않았다. 숄더(32)는 실제로 오목하다. 이러한 모양으로 인해서 가소화된 소재의 재료가 좀더 쉽게 제거될수 있도록 핀(34) 주위로 유동할 수 있도록 한다. 오목한 형상은 또한 가소화된 소재의 재료가 소재로 되돌아가도록 한다.

비교적 평평한 영역(44)이 숄더(32)의 외부 및 내부 반지름 사이에 도시되었지만, 상기 영역(44)은 오목하거나 볼록한 표면을 형성하도록 만곡될 수 있다. 선택적으로 숄더(32)는 소재에 대해서 평평하거나 오목할 수 있다.

마찰교반용접 공정에서 도구홀더는 도구(28)를 아래쪽으로 누를 필요가 있다. 이러한 축방향 압력은 부품(30,32,34)들을 축방향으로 함께 유지시키기에 충분하다. 그러나 도구(28)가 소재에 대해서 가로횡단으로 이동함에 따라서 회전력으로 인해서 몸체(30)가 숄더(32)에 대해 이동하게 된다. 요소들이 서로에 대해서 회전하지 않는 것이 중요하다. 상대적인 회전운동은 핀이 소재의 용접부위에 대해서 충분한 마찰열을 발생시키지 않도록 한다.

그러므로 본 발명의 신규한 요소는 요소들이 기계적으로 고정되도록 한다. 기계적인 고정은 필요한 것인데 부품을 함께 브레이징(brazing)하는 것은 도구(28)의 약한부분이 될 것이기 때문이다. 이것은 브레이징 재료가 마찰교반용접이 수행되는 온도에 가장 가까운 용융점을 갖기 때문이다.

기계적인 고정은 이전의 실험에서와 같이 도브테일(dovetail)을 통해 우선적으로 실시되었다. 그러나 도브테일은 도구(28)에 점진적으로 크랙을 발생시켰다. 그러므로 도 2B에 도시된 플랫을 이용하는 것이 선호적이다. 플랫(46)은 도구(28)의 부품(30,32,34)이 고정 칼라와 조합되어 서로에 대해서 미끄러지지 않도록 한다. 도면은 두 개의 플랫을 도시했지만 도구(28)의 원주방향으로 1개에서 여러개가 배열될 수 있다.

선택적으로 플랫(46)은 도구 부품(30,32,34)이 서로 움직이지 않도록 하난 위치로 기계적으로 고정되도록 하는 다른 표면특징으로 대체될 수 있다. 다른 표면특징은 스플라인(spline), 마찰용접, 확산용접, 후방쪽의 락(lock), 몸체 외부 직경의 락을 포함한다.

이렇게 선호되는 실시예의 최종부품은 칼라(36) 및 열유동 장벽(40)이다. 실험에 사용되었던 제 1 칼라재료들 중 하나는 티타늄합금이다. 티타늄 합금은 열을흡수할 수 있어서 고운에서 휘어진다. 티타늄 칼라의 초기상태는 티타늄 합금 칼라가 숄더 및 핀으로 떨어졌고 도구가 용접을 함에 따라 소재로 떨어졌다는 것을 보였다.

따라서 또 다른 재료는 서로 기계적으로 고정하기 위해 숄더(32) 및 몸체(30) 주위에 고정되었다. 또한 티타늄 합금은 숄더(32) 및 핀(34)의 높은 온도로부터 새로운 칼라재료를 절연하기 위해 여전히 존재한다. 이러한 절연은 열관리에 조력하여 소재의 용접부위의 원하는 온도를 유지시킨다. 선호되는 실시예는 칼라(36)의 재료에 대해서 슈퍼합금을 이용한다. 예를 들어, 니켈-코발트 혹은 코발트-크롬이 적합한 슈퍼합금 재료이다.

도 2B는 도구(28)의 저면도이다. 도면에 도시된 재료는 핀(34), 숄더(32), 티타늄 합금 열유동 장벽(40) 및 칼라(36)이다.

선호되는 실시예는 숄더(32) 및 핀(34)에 대한 초입자 코팅으로써 CBN을 이용하는 것을 나타내지만, 이것이 사용될 수 있는 유일한 초입자 재료는 아니다. 예를 들어, CBN에 대한 최선의 대안은 폴리크리스탈라인 다이아몬드(polycrystalline diamons-PCD)이다. PCD는 많은 CBN 성능특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.

선호되는 실시예의 크기는 예를 드는 데만 유용하지만 그래도 제공될 것이다. 핀의 직경은 0.37"이다. 숄더의 직경은 1"이다. 티타늄 합금 열장벽(38,40)의 두께는 0.060"이며, 칼라(36)의 직경은 1.63"이다. 칼라(36)의 각도는 15도이며, 숄더의 각도는 6도이다. 이러한 것들은 설명을 위한 것으로써 제한적이지는 않다. 또한 이러한 치수가 모두에 적용되는 것은 아니다.

본 발명의모든 이점 및 필요조건을 이해하고 어떻게 선호되는 실시예가 개발되었는지를 이해하기 위한 여러 가지 사항들이 있다.

도구(28)에 대한 한 가지 중요하게 고려되는 사항은 CBN이 마찰교반용접을 하기에 좋은 재료라는 것인데, 다른 재료에는 좋지 않을 수 있다. 그러므로 숄더 및 핀을 일치시키고 혼합시킬 수 있도록 하는 본 발명의 한 가지 요소인데, 선택적인 실시예에서 설명될 것이다.

또 다른 고려사항은 어느 정도의 초입자가 특정한 재료에서 용해된다는 것이다. 예를 들어 PCD는 마찰교반용접 온도에서 티타늄 합금과 화학반응을 일으킨다.그러므로 다이아몬드는 가장 높은 온도가 용해점 이하가 아니면 카바이드 형성재(carbide former)인 재료를 용접하기 위해 사용될 수 없다.

본 발명의 핀(34)과 숄더(32)에서 초입자를 이용하는 두 가지 구별되는 이점이 있다. 우선, 다이아몬드 및 CBN의 마찰계수는 매우 낮다(0.05에서 0.1). 반대로, 강철의 마찰계수는 0.8이다. 이렇게 낮은 마찰계수는 소재의 재료가 도구(28)에 달라붙지 않고 미끄러질 수 있도록 한다. 이로 인해서 많은 마무리 작업이 필요없는 더 깨끗한 마무리가 가능하게 된다. 완성에 드는 비용은 높은데, 특히 철합금재 및 슈퍼합금재에 있어서 그렇다. 낮은 마찰계수는 또한 도구의 마모를 감소시킨다.

둘째로, CBN 및 PCD의 열전도성은 높은데 48Watt/meter-K인 강철에 비교해 볼 때 100 내지 500 Watt/meter-K이다. 그래서 용접은 더 온도가 낮다. 온도가 낮은 용접이 바람직한데 용융점으로부터 멀어져서 액상의 용접에 대한 모든 문제점을 피할 수가 있다. 테스트에서 밝혀진 바와 같이 본 발명의 한 가지 이점은 종래의 아크용접을 이용했을 때와 비교해 볼 때 인장강도가 크다는 것이다. 물론 CBN의 높은 열전도성이 소재의 용접부위에서 나오는 열을 유지하기 위해 사용되는 열유동 장벽(38,40)의 사용에 대한 이유이다.

숄더 및 핀에 대한 기질은 초입자로 코팅되었다. 본 발명의 또 다른 신규한 요소는 다중 코팅을 가능하게 한다는 것이다. 이러한 코팅은 CVD, 이온주입(ion-implantation) 혹은 PCD 공정에 적용될 수 있다. 코팅의 목적은 여러 가지 형태의 마모를 견딜 수 있도록 초입자를 돕는 것이다. 예를 들어 제 2 코팅은 화학마모에대한 저항성을 향상시킬 수 있다.

기질 혹은 초입자 맨 위에 적용된 코팅은 두께가 변할 수 있다. 연마도구 산업에서 0.03" 내지 0.050"의 코팅은 두꺼운 코팅으로 여겨지며, 0.001 이하의 코팅은 얇은 코팅으로 여겨지지만, 본 발명의 한 관점을 따라 다른 두께가 코팅 재료에 대한 최적의 성능을 위해 필요하다. 고체 CBN은 코팅되지 않도록 눌려질 수 있다. 상기 CBN은 UHTP 공정이 최고 길이가 4인치 직경이 4인치가 되도록 큰 직경으로 눌릴수가 있다. 그러나 이러한 고체 CBN은 강도 및 견고성에 대한 이점은 없다.

열관리는 선호되는 실시예의 신규한 요소인데, 도구를 냉각시키는 것 또한 중요하지만 다른 이유에서이다. 열관리는 충분한 열이 흘러나가지 않도록 하여 용접부위를 향하도록 하기 위해 사용된다. 하지만 숄더 및 핀에서 떠나갈 수 있는 열에 대해서 어떠한 종류의 능동적인 냉각을 제공하는 것이 종종 필요하다. 냉각은 도구의 외부를 향하는 안개형태나 혹은 공기의 형태가 될 수 있다. 그러나 냉각은 내부에서 일어나는 과정이 될 수도 있다. 그러므로, 어떠한 재료로 몸체의 한부분을 통해 냉각채널을 제공하여 내부를 냉각하는 것이 필요하다. 또한 도구 홀더를 냉각시키는 것이 가능하다. 냉각은 소재 자체에까지 미칠수가 있다. 용접하는데 열이 필요한데 냉각용접은 본래부터 강하고, 마찰교반용접은 고체상태에서 발생되는 공정이다.

성능에 관해서 이해하기 위해 고려되어야 할 여러 가지 선택적인 실시예가 있다. 현재 선호되는 실시예는 두 개의 부품, 즉 통합핀(34)을 갖는 숄더(32) 및 몸체(30)를 나타낸다. 그러나 실험에서 핀(34)은 숄더(32)보다 앞서 마모될 것이라는 것이 밝혀졌다. 만약 이것들이 일체형이라면, 전체 숄더(32) 및 핀(34)의 조합은 함께 교체되어야 한다. 이것은 자원낭비이다.

그러므로 도 3은 숄더(50)가 핀(52)과 일체형이 아닌 선택적인 실시예의 횡단면을 도시한다. 대신에 이러한 부품들은 따로따로 제조되고 몸체(48)에 결합된다. 도 3에 도시된 바와 같이 핀(52)은 몸체(48)의 단부에 드릴링된 보어구멍(bore hole)(54) 내에 안착된다. 핀(52)이 몸체(48) 안으로 연장되는 것을 제외하고는 열유동 장벽(38,40)은 여전히 제 위치에 있게 된다. 하지만, 만약 핀(52)이 보어구멍(54)의 외측인 영역에 초입자 코팅을 갖는다면, 핀의 초경 텅스텐 카바이드(혹은 다른 적합한) 기질은 몸체에(48)에 대해서 열전도성이 좋지 않는다. 그럼에도 불구하고 선택적인 실시예에서, 열장벽은 보어구멍(54) 안으로 연장될 수 있다.

몸체(48)에 핀(52)을 결합시키는 것 또한 사소만 문제가 아니다. 선호적으로 핀(52)은 압입끼워맞춤을 이용해 보어구멍(54) 안에 배열된다. 그러나 6각형 혹은 정사각형 구멍이 바람직할 수도 있다. 잔여 압축응력이 주어질 경우 핀(52)에 강도를 추가시키는 것이 가능하다.

핀(52)의 형상은 변할 수가 있다. 둥글지 않은 횡단면을 갖는 핀을 제공하는 이점이 있다. 예를 들어 핀은 육각형 혹은 정사각형이 될 수 있다. 그러므로 핀은 타원형 혹은 모든 측면이 직선형이거나 만곡된 측면과 곧은 측면의 조합형이 될 수 있다.

잔여 압축응력이 도구를 가열하여 발생될 수 있다. 도구가 가열됨에 따라서팽창하게 된다. 핀의 직경은 도구가 냉각될 때 핀에 기계적인 압력을 발생시키도록 선택된다.

연결하는 또 다른 방법은 핀(52) 안에 나사를 배치하는 것이다. 나사는 핀을 도구의 후방단부를 통해 잡아당겨 압축하도록 사용된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 선택적인 실시예를 도시한다. 도 3과의 차이점은 구멍(62)이 몸체(60)를 통해 전체 연장된 것이다. 이러한 실시예의 주요 이점 중에 하나는 핀(64)을 교체하는 것이 단순히 구멍(62)을 통해 도구를 삽입하여 몸체(60) 밖으로 핀(64)을 밀어내는 것이다. 이러한 설계는 비용을 줄이고, 도구가 여러분야에서 재사용될 수 있도록 한다. 그러므로 적합한 길이로 된 핀(64)을 삽입하는 것만이 필요하다.

언급되지 않은 본 발명의 한 가지 관점은 교체 가능한 품목일 때 핀의 구성이다. 선호적으로 핀은 초경 텅스텐 카바이드로 만들어지고 적합한 초입자로 코팅된다. 그러나 핀은 고체 초입자 재료로 제조될 수 있거나 원하는 코팅이 된 카바이드가 될 수 있다.

핀의 또 다른 관점은 강화될 수 있다는 것이다. 핀을 강화하는 것은 핀의 길이가 소재 재료의 두께 때문에 현저하게 길 경우 바람직하다. 핀의 재료가 본래부터 텅스텐 같은 강도를 갖지 않을 때 필요하다.

비슷한 방식으로 몸체는 초입자로 제조될 수 있거나 초입자로 코팅된 카바이드가 될 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 선택적인 실시예이며, 독립된 부품을 갖는 대신에도구(70)는 모놀리식 유닛(monolithic unit)이다. 그러나 단일체로써 전체 도구의 제조비용은 엄청나게 비싸다. 다른 실시예의 이점에 대해서 이러한 실시예는 광범위하게 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 숄더(72) 및 핀(74) 영역에 적용된 초입자 코팅과 함께 초경 텅스텐 카바이드로 형성되는 것이 선택적이다. 사용상의 어려움은 초입자 사용시 중요하게 여겨지는 열관리가 될 수 있다. 그러므로 열장벽의 삽입은 중요하지만 모놀리식 설계의 목적을 무의미하게 한다.

본 발명의 선택적인 실시예는 도구에 삽입된 핀 형태이다. 도 6A는 헬리컬 엔드밀 브랭크(80)의 측면 사시도이다. 블랭크(80)의 기질은 선호적으로 PCBN이나 헬리컬 채널(82)에 있는 다른 초입자와 함께 초경 텅스텐 카바이드이다. 도 6B는 블랭크(80)의 저면도인데 초입자 재료가 있는 헬리컬 채널(82)을 도시한다.

PCBN 숄더나 코팅된 숄더를 몸체가 연결하기 위한 다른 수단을 고려할 수 있다. 도 7A는 본 발명의 원하는 모든 특성을 나타내지만 독립적인 고정칼라를 사용하지 않는 또 다른 도구의 실시예에 대한 횡단면도이다. 상기 도면에서 고정 칼라는 몸체 자체에 통합되도록 몸체의 한 부분에 의해 교체된다.

특히 몸체(90)는 몸체의 작동단부(94)에 부분적으로 배열된 보어구멍(92)을 갖는 것으로 도시되었다. 보어구멍(92)의 깊이는 핀(96)과 숄더의 깊이에 따라 선택된다. 상기 실시예에서, 숄더 및 핀(96)은 일체형이다. 그러나 숄더 및 핀(96)은 이전의 실시예에 도시된 독립적인 부품이 될 수 있다. 이러한 실시예에 대해서 중요한 사항은 보어구멍(92) 주위의 벽(98)이 고정 칼라 역할을 해서, 몸체(90)에 대해서 핀(96)과 숄더가 회전하지 않도록 하는데 조력한다는 것이다. 예를 들어 상기사항은 보어구멍(92)에 핀(96)과 숄더를 압입끼워맞춤하여 달성될 수 있다. 열유동 장벽(100)은 또한 제자리에서 숄더 및 핀(96)에서 나오는 열을 몸체(90)로 가게 한다.

그러나 어느 정도의 하중이 가해졌을 때, 솔더 및 핀(96)이 압입끼워맞춤에도 불구하고 미끄러질 수 있다. 그러므로 이러한 실시예는 숄더 및 핀(96)의 후방표면(102)을 몸체(90)에 기계적으로 고정하기 위한 다른 수단들을 이용하는 것을 포함한다. 이러한 것은 전술된 기술들을 이용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 보조적인 톱니, 스플라인 혹은 보조적인 맞물림 연결을 통해 회전운동을 방지하는 보어구멍(92)의 하단표면(104) 및 후방표면(102)의 다른 물리적 특성으로 기계적인 고정될 수 있다.

도면(7B,7C)은 숄더 및 핀(96)의 후방표면(102)이 몸체(90)의 보어구멍(92)의 하측표면(104)에 어떻게 기계적으로 고정될 수 있는지에 대한 두 가지 예를 도시한다. 상기 도면에서 보어구멍 스플라인(106)은 보어구멍(92)의 하측표면에 형성되고, 보조적인 스플라인(108)은 숄더 및 핀(96)의 후방표면(102)에 형성된다.

본 발명의 중요하고 신규한 관점은 도구 핀 주위에 소재 재료가 유동하는 거을 포함한다. 마찰교반용접이 고체상태에서 이루어짐에도 불구하고 소재의 재료는 여전히 유체같이 유동될 수 있다. 가장 좋은 용접을 얻기 원할 때 핀 주변에 소재의 재료가 유동하는 비율을 증가시킬 수 있는 것이 중요하다.

층류는 비난류형 유체유동으로 형성된다. 불행하게도, 소재의 층류는 가장 느리다. 그러므로 핀 주변에 유동하는 소재의 유동비율을 증가시킬 핀의 기하학적인 모양은 개선된 용접특성을 갖는 용접부위를 만든다. 따라서 소재의 재료가 난류나 되거나 난류의 특성을 갖는 유동으로 형성된 천이유동이 되는 것이 바람직하다. 그러므로 층류에서 천이 혹은 난류형식으로 유동으로 경계층을 이동하는 것이 바람직하다. 또한 도구의 기하학적인 형상이 가장 간단하고 도구의 가능한 낮은 회전속력에서 천이 혹은 난류를 얻는 것이 바람직하다.

그러므로 본 발명의 한 관점은 소재의 재료가 천이 혹은 난류를 발생될 핀의 기하학적인 모양을 나타낸다. 도 8은 소재의 재료가 핀 주위에서 천이 혹은 난류가 되도록 설계되고 물리적은 변형을 갖는 핀의 측면도이다. 도시된 바와 같이 핀(120)은 골프공의 홈 같이 생긴 여러개의 움푹한부분(122)으로 덮혀있다. 움푹한부분(122)의 개수, 크기, 깊이는 원하는 유동특성을 얻기 위해 변해야 할 필요가 있다.

유사하게 도 9A는 핀 주변에 천이 혹은 난류를 발생시키도록 설계된 숄더(128) 및 핀(126)의 저면도이다. 핀(126)은 측면에 단일형 플랫(130)을 갖는 것으로 도시되었다. 플랫(103)의 총 개수 및 폭은 원하는 유동특성을 얻기 위해 조절될 수 있다. 또한 플랫표면 대신에 표면의 불규칙성은 핀의 길이에 걸쳐 연장될 것이며, 균일한 표면은 아니다. 예를 들어 도 9B는 숄더(134) 및 핀(132)의 또 다른 저면도인데, 표면의 불규칙성(136)은 플랫이 아니다.

핀 주변의 천이 혹은 난류를 얻기 위해 관련된 본 발명의 또다른 관점은 도 10에 도시되었다. 도 10은 도구(140)의 측면도인데, 핀(142)이 평행하게 배열되었지만 도구의 세로축(144)과는 더 이상 중심이 같지 않다. 핀(142)은 오프셋되어 소재에 천이 및 난류를 발생시키도록 설계된 캠구조를 만든다. 오프셋의 정도는 설명을 목적으로 과장되었다. 실제 오프셋은 도구 및 소재의 특성에 좌우된다.

많은 유용한 핀 기하학적 형상 및 도구는 본 발명이 원리를 따라 적용될 수 있다. 예를 들어 조절 가능한 길이로 된 핀을 갖는 도구는 여러 가지 이점을 제공할 수 있다. 도구는 응력 상승요소를 감소시키기 위해 변형되거나 초입자 재료로 된 핀과 숄더에 코팅되거나 고체 초입자 재료로 제조되거나 본 발명에서 나타난 바와 같이 열관리 기술을 이용한다.

본 발명의 마지막 관점은 도구를 거의 최종적인 형태로 누르는데 관련된다. 거의 최종적인라는 것은 눌려진 후에 완성된 제품을 얻기 위해 약간의 마무리가 필요한 도구를 의미한다. 현재 선호되는 실시예에서, 핀,숄더, 통합 핀 및 숄더, 강화핀이 거의 최종적인 형상으로 눌려진다.

전술된 장치는 본 발명의 원리를 응용하는 것만을 설명하기 위함이다. 여러 가지 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 청구항은 이러한 변형을 포함한다.

Claims (52)

1. 금속 매트릭스 복합물(MMC), 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 수 있는 마찰교반용접 도구에서, 상기 마찰교반용접 도구는

   몸체에 대해서 숄더가 회전되지 않도록 몸체에 기계적으로 고정되는 숄더, 핀 및 몸체를 갖는 마찰교반용접 도구,

   숄더 및 핀의 한 부분에 있는 초입자 재료로 구성되는데, 초입자 재료는 제 1,2 상태를 갖으며, 초입자 재료는 초고온 초고압으로 제조되고, 마찰교반용접 도구는 MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 수 있는 것을 특징으로 하는 도구.
2. 제 1 항에 있어서, 도구는 주기율표 IIIA, IVA,VA,VIA,IIIB,IVB,VB의 요소로 된 혼합물로 된 재료들 중에서 선택된 초입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
3. 제 2 항에 있어서, 도구는 초입자 재료로써 PCBN이나 PCD를 선택하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
4. 제 2 항에 있어서, 초입자 재료가 부서지는 것을 방지하기 위해 휘스커 강화 초입자 재료를 이용하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
5. 제 2 항에 있어서, 도구는 마찰교반용접의 화학적 마모 및 기계적 마모의 바람직한 균형을 얻기 위해 초입자 재료를 선택하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
6. 제 2 항에 있어서, 도구는 몸체로 구성되는데, 몸체에 대한 재료는 초경 텅스텐 카바이드, 강철, 초입자 재료로 구성된 재료들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도구.
7. 제 2 항에 있어서, 도구는 마찰교반용접 도구를 냉각시키기 위한 내부 냉각 시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
8. 제 1 항에 있어서, 도구는 초입자 코팅에 대해 배열된 제 2 재료로 구성되어, 제 2 재료의 특성이 초입자 코팅에 영향을 주는 것을 특징으로 하는 도구.
9. 제 2 항에 있어서, 도구는 몸체 및 숄더 사이에 배열된 제 1 열유동 장벽으로 구성되어 숄더에서 몸체로 이동하는 열을 조절하는 것을 특징으로 하는 도구.
10. 제 9 항에 있어서, 도구는 고정 칼라로 구성되는데 고정 칼라는 숄더를 몸체에 기계적으로 고정시키는 역할을 하여 몸체에 대해서 숄더가 회전하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 도구.
11. 제 10 항에 있어서, 도구는 몸체 및 숄더 부분과 고정칼라 사이에 배열된 제 1 열유동 장벽으로 구성되어, 숄더 및 몸체로부터 고정칼라에 열이 이동하는 것을 조절하는 것을 특징으로 하는 도구.
12. 제 11 항에 있어서, 제 1 열유동 장벽 및 제 2 열유동 장벽은 티타늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
13. 제 12 항에 있어서, 몸체는 숄더, 핀 및 고정칼라 보다 열전도성이 낮은 것으로 선택된 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
14. 제 13 항에 있어서, 몸체는 초경 텅스텐 카바이드, 텅스텐 합금, 강철, 몰리브덴 합금, 슈퍼합금재로 구성된 재료들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도구.
15. 제 14 항에 있어서, 도구는 도구의 세로방향 축을 따라 배열된 최소한 하나의 표면 특성으로 구성되는데, 표면 특성은 고정칼라를 숄더 및 몸체를 동일한 상대적인 위치에 단단히 고정시키는 것을 특징으로 하는 도구.
16. 제 15 항에 있어서, 도구는 플랫, 스플라인, 키웨이 및 키, 고정핀, 도브테일, 움푹한부분을 구성된 표면 특성들 중에서 최소한 하나의 표면특성을 선택하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도구.
17. 제 16 항에 있어서, 도구는 숄더부착단부 및 몸체작업단부 사이의 기계적 고정부로 구성되고, 기계적 고정부는 도브테일, 스플라인, 움푹한부분으로 구성된 기계적인 잠금부들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도구.
18. 제 17 항에 있어서, 숄더는 작업엣지에 대해서 배열된 숄더 반지름으로 구성되며, 숄더 반지름은 초입자 재료에 갈라짐이 발생되는 것을 방지하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 도구.
19. 제 18 항에 있어서, 몸체에 숄더를 스플라인, 고정핀, 도브테일 및 움푹한부분으로 기계적 고정수단들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도구.
20. 제 19 항에 있어서, 도구는 고정칼라로 구성되며 고정칼라를 위해 선택된 재료는 슈퍼합금재인 것을 특징으로 하는 도구.
21. 제 20 항에 있어서, 도구는 고정칼라로 구성되며, 고정칼라를 위해 선택된 재료는 니켈-코발트 및 코발트-크롬으로 된 재료들 중에서 선택되는 것을 특징으로하는 도구.
22. MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 수 있는 마찰교반용접 도구는 모놀리식장치인데, 상기 도구는

    샤프트부착단부 및 샤프트작업단부를 갖는 몸체,

    샤프트작업단부에 형성된 숄더로 구성되는데, 숄더는 숄더작업엣지를 갖고, 숄더작업엣지는 반지름으로 형성되며,

    상기 도구는 또한 숄더에 형성된 핀으로 구성되는데, 핀은 외부를 향해 연장된 숄더의 세로축에 평행하고 중심축이 같으며, 제 1 핀 반지름은 핀과 숄더 사이의 접합부에 형성되고, 제 2 핀 반지름은 핀작업엣지에 형성되며,

    상기 도구는 또한 숄더 및 핀의 한 영역에 배열된 초입자 재료로 구성되는데, 마찰교반용접 도구는 MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 수 있는 것을 특징으로 하는 도구.
23. MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접하기 위한 방법은

    (1) 몸체, 숄더 및 핀을 갖는 마찰교반용접 도구를 제공하고,

    (2) 몸체에 대해서 숄더가 회전하는 것을 방지하기 위해 몸체에 숄더를 기계적으로 고정시키고,

    (3) 숄더 및 핀의 한 영역에 초입자 재료를 배열하는 것으로 구성되는데, 초입자 재료는 제 1,2 상태를 갖고, 초입자 재료는 초고온 및 초고압으로 제조되고,마찰교반용접 도구는 MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반용접할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 방법은 주기율표에서 IIIA, IVA, VA, VIA, IIIB, IVB, VB의 요소들로 된 혼합물로 구성된 재료들 중에서 초입자 재료를 선택하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은 초입자 재료로써 PCBN 혹은 PCD를 선택하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 25 항에 있어서, 상기 방법은 휘스커 강화 초입자 재료를 이용하여 초입자 재료가 부서지는 것을 막는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 방법은 제 1 상태의 재료와 제 2 상태의 재료를 비율적으로 갖는 초입자 재료를 선택하여 마찰교반용접 도구의 화학적 마모 및 기계적 마모 사이의 균형을 맞추는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 방법은 몸체에 대해서 경화된 재료를 선택하는 단계로 구성되는데, 몸체의 재료는 초경 텅스텐 카바이드, 강철, 초입자 재료로 된 재료들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은 제 2 재료의 특성을 초입자 코팅에 적용하기 위해 초입자 코팅에 대해서 제 2 재료를 배치하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 29 항에 있어서, CVD, 이온주입, PVD로 구성된 방법을 중에서 선택하여 초입자 코팅에 대해서 제 2 재료를 적용하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 방법은 몸체 및 숄더 사이에 제 1 열유동 장벽을 배열하여 몸체 및 숄더 사이에서 열이 이동하는 것을 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 31 항에 있어서, 상기 방법은 몸체에 대해서 숄더를 기계적으로 고정시키기 위해 고정칼라를 제공하여 몸체에 대해서 숄더가 회전운동하지 못하도록 하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제 32 항에 있어서, 상기 방법은 숄더 및 몸체 영역 및 고정칼라 사이에 제 2 열유동 장벽을 제공하여 몸체 및 숄더로부터 고정칼라까지 열이 이동하는 것을 조절하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제 33 항에 있어서, 상기 방법은 제 1 열유동 장벽 및 제 2 열유동 장벽으로써 티타늄 합금을 제공하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
35. 제 34 항에 있어서, 상기 방법은 숄더, 핀, 고정칼라 보다 열 전도성이 낮은 몸체에 대한 재료를 선택하여 마찰교반도구 내에서 열이 이동하는 것을 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 제 35 항에 있어서, 상기 방법은 초경 텅스텐 카바이드, 텅스텐 합금, 강철, 몰리브덴 합금, 슈퍼합금재로 된 재료들 중에서 몸체에 대한 재료를 선택하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
37. 제 36 항에 있어서, 작업단부에 배열된 숄더 반지름을 제공하여 숄더의 초입자 재료에 갈라짐이 점점 발생되는 것을 막는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 방법은 몸체에 대해서 숄더가 이동하지 못하도록 하기 위해 고정칼라에 대해서 슈퍼합금을 선택하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
39. 제 38 항에 있어서, 상기 방법은 니켈-코발트 및 코발트-크롬으로 된 슈퍼합금들 중에서 고정칼라에 대한 슈퍼합금을 선택하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
40. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은 초입자 재료에 점진적으로 갈라짐이 발행하지 않도록 하기 위해 핀과 숄더에 응력 상승요소를 감소시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
41. 제 40 항에 있어서, 상기 방법은

    (1) 실린더형으로 몸체를 형성하고,

    (2) 디스크 형태의 숄더를 제공하는 단계로 구성되는데,

    핀은 숄더의 통합요소이며, 핀은 일반적으로 실린더형이고, 핀은 숄더 및 세로축에 평행하고 중심축이 같은 것을 특징으로 하는 방법.
42. 제 41 항에 있어서, 몸체에 대해서 숄더가 회전하지 못하도록 하기 위해 몸체에 대해서 숄더를 기계적으로 고정시키는 고정칼라를 제공하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
43. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은 낮은 마찰계수를 갖는 초입자 재료를 이용하여 용접을 하는 동안 마찰교반용접 도구에 재료가 붙지 않도록 하는 마찰교반용접 도구를 제공하여서 개선된 마찰교반용접을 하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
44. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은 용접 특성을 제어하기 위해 핀의 길이에 대한 핀의 직경 비율을 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
45. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은

    (1) 샤프트작업단부 및 샤프트부착단부를 갖는 몸체를 제공하는 단계로 구성되는데, 몸체보어구멍은 샤프트작업단부에서 샤프트부착단부까지 배열되고, 몸체보어구멍은 세로축에 대해서 중심축이 같으며,

    (2) 상기 방법은 디스크 형태의 숄더를 제공하는 단계로 구성되는데, 숄더구멍은 몸체보어구멍과 정렬되며, 숄더는 몸체에 연결되고, 숄더는 몸체에 기계적으로 고정되어서 몸체에 대해서 숄더가 회전하지 못하도록 하며,

    (3) 상기 방법은 몸체보어구멍에 부분적으로 배열되고 숄더구멍을 통해 배열된 핀을 제공하는 단계로 구성되는데, 핀의 한 영역은 숄더구멍 밖에 배열되고, 핀은 몸체에 기계적으로 고정되어서 몸체에 대해서 핀이 회전하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 방법.
46. 제 24 항에 있어서, 상기 방법은 용접을 특성을 개선시키기 위해 마찰교반용접을 하는 동안 핀 주변의 재료 유동율을 증가시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
47. 제 46 항에 있어서, 핀 주변의 재료의 천이 혹은 난류를 발생시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
48. 제 24 항에 있어서, 낮은 마찰계수를 갖는 초입자 재료를 이용하여 마찰교반용접 도구의 마모를 감소시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
49. 제 24 항에 있어서, MMC, 철합금재, 비철합금재, 슈퍼합금재를 마찰교반하는 방법은 마찰교반용접 도구의 열적 마모를 조절하기 위해 열관리를 이용하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
50. 제 49 항에 있어서, 상기 방법은 마찰교반용접 도구의 기계적 마모 및 화학적 마모를 줄이기 위해 초입자를 이용하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
51. 제 51 항에 있어서, 상기 방법은 마찰교반도구 내에서 열이 이동하는 것을 조절하기 위해 열유동장벽을 제공하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
52. 제 51 항에 있어서, 상기 방법은 초입자를 이용하기 위해 마찰교반용접 도구의 기하학적인 모양을 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.