마찰 용접 완벽 가이드: 원리, 장점 및 응용 분야

마찰 용접이란 무엇인가?

마찰 용접은 공작물 간의 상대 운동으로 기계적 마찰을 통해 열을 발생시키고, "업셋"이라고 하는 측면 힘을 추가하여 재료를 소성 변위시키고 융합시키는 고상 용접 기술입니다.

용융이 발생하지 않으므로 마찰 용접은 융합 용접 공정이 아니라 단조 용접과 더 유사한 고상 용접 기술입니다. 마찰 용접은 금속과 열가소성 수지에 사용되며 항공 및 자동차 분야에서 광범위하게 적용됩니다.

실제로 매끄럽게 보이는 표면은 미세한 돌기인 아스페리티로 구성됩니다. 한 표면이 다른 표면과 상대적으로 움직일 때 이 아스페리티가 상호작용하여 두 개 이상의 상호작용 표면 사이의 운동을 저항하는 마찰력을 생성합니다.

이 아스페리티의 탄성 및 소성 항복을 통한 상호작용으로 열이 발생합니다. 마찰 용접은 이 현상을 접합 응용에 활용합니다. 마찰 용접의 유도된 기계적 운동은 열을 생성하여 접합할 재료를 연화시키고 점성 상태로 만듭니다. 연화된 상태에서 공정의 기계적 운동이 재료를 혼합하여 결합을 만듭니다.

마찰열과 재료 혼합이 발생하는 방식은 사용된 마찰 용접 공정에 따라 크게 달라지며, 주요 4가지 공정이 있습니다: 마찰 교반 용접(FSW), 마찰 교반 스팟 용접(FSSW), 선형 마찰 용접(LFW), 회전 마찰 용접(RFW).

마찰 용접은 어떻게 작동하는가?

FSW는 비소모성 공구를 사용하여 회전시키고 두 공작물의 계면에 삽입합니다. 공구는 계면을 따라 이동하고 마찰열로 재료를 가열하고 연화시킵니다.

회전하는 공구가 연화된 재료를 기계적으로 혼합하여 결합을 생성합니다. FSSW는 FSW의 변형으로, 랩 조인트 구성의 두 공작물에 비소모성 공구를 회전, 삽입, 후퇴시켜 "스팟" 용접을 만듭니다. FSSW 중에는 공구가 공작물을 관통하지 않습니다.

LFW와 RFW는 비소모성 공구가 필요하지 않습니다. 즉, 접합할 개별 공작물이 마찰열과 기계적 혼합을 생성하는 데 사용됩니다. LFW는 압축력 하에서 한 공작물을 다른 공작물에 대해 선형 진동시킵니다.

진동 표면 사이의 마찰이 열을 발생시켜 계면 재료를 연화시키고 기계적으로 혼합시킵니다. RFW는 LFW와 유사하지만 공작물이 종종 원형이며 서로 상대적으로 회전합니다. LFW와 RFW 중 공작물은 압축력 방향으로 짧아지거나("번오프") 플래시를 형성합니다.

번오프 중 산화물 및 이물질 같은 계면 오염 물질이 플래시로 배출됩니다. 오염 물질이 제거되면 순수한 금속 대 금속 혼합이 일어나 통합된 결합이 생성됩니다. 마찰 용접 중 생성 온도가 매우 높지만 재료는 고상 상태를 유지합니다(즉, 용융이 발생하지 않음).

응용 분야

마찰 용접은 더 나은 산업용 롤러, 튜브, 샤프트를 제작하는 데 사용될 수 있습니다. 이 공정은 산업용 프린터, 자재 취급 장비, 자동차, 항공우주, 해양, 석유 응용 분야의 이러한 서브어셈블리 제조에 자주 사용됩니다.

기타 부품 예시로는 기어, 액슬 튜브, 드라이브라인, 밸브, 유압 피스톤 로드, 트럭 롤러 부시, 펌프 샤프트, 드릴 비트, 연결봉 등이 있습니다.

마찰 용접의 장점

• 다른 접합 방법으로는 용접이 불가능한 이종 재료 접합 가능
좁은 열 영향부 생성
• 완전한 금속 융합의 일관되고 반복 가능한 공정
• 이음부 준비 최소화 - 톱 절단 면이 가장 일반적으로 사용
• 단조 대비 빠른 처리 시간 - 현재 단조 리드 타임은 6개월 이상
• 설계 유연성 크게 향상 - 블랭크의 각 영역에 적합한 재료 선택 가능
• 단일 시제품부터 대량 생산까지 다양한 수량에 적합
• 플럭스, 필러 재료, 가스 불필요
• 친환경 공정 - 흄, 가스, 연기 발생 없음
• 고상 공정 - 기공이나 슬래그 포함 가능성 없음
• 비싼 툴링이나 최소 수량 요구 없이 주조 또는 단조 같은 블랭크 생성
• 가공 노동력 감소로 소모성 툴링 비용 절감 및 생산 능력 증가
• 전면 용접으로 중요 영역에서 우수한 강도 제공
• 이중 금속 응용에서 원자재 비용 절감. 비싼 재료는 블랭크에서 필요한 부분에만 사용

마찰 용접의 단점

• 동일 단면의 원형 봉에만 사용 가능
• 각진 맞대기 이음과 평평한 맞대기 이음으로 제한
• 설정 비용이 매우 높음
• 공작물 준비가 어려움
• 단조 불가능한 재료 용접 불가
• 기계의 작은 부품만 사용 가능, 큰 부품은 호환 안 됨

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