KR100668705B1 - 마찰 교반 점 용접장치 - Google Patents

마찰 교반 점 용접장치 Download PDF

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권영각
천창근
조현진
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Abstract

과도한 마찰열에 의한 손상을 방지할 수 있으며, 피가공재의 두께에 따라 핀 길이 조절이 가능한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구는, 회전축에 결합되는 바디; 상기 바디의 단부에 착탈 가능하게 결합되는 숄더; 상기 숄더 단부로부터의 돌출 길이를 조절할 수 있도록 상기 바디 및 숄더를 관통하여 설치되는 핀; 및 상기 바디를 내부에 삽입하며, 숄더 및 핀에서 발생되는 열을 방열하는 방열체를 포함한다. 상기 숄더는 상기 바디에 압입 또는 삽입 고정될 수 있으며, 상기 핀은 상기 바디 및 숄더에 나사 결합될 수 있다. 그리고, 상기 방열체는 방열휜들을 구비하며, 강성 보강재에 의해 지지된다.
마찰, 교반, 회전 공구, 툴, 방열, 길이, 핀

Description

마찰 교반 점 용접장치{APPARATUS FOR FRICTION STIR SPOT WELDING}
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 회전 공구를 사용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 상태를 나타내는 도면으로서,
도 1은 플런징 단계를 나타내는 도면이고,
도 2는 스터링 단계를 나타내는 도면이며,
도 3은 드로잉 아웃 단계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구의 개략적인 구성을 나타내는 분해도이다.
본 발명은 마찰 교반 점 용접장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 겹쳐져 있는 피가공재와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공재를 교반하여 용접하는 마찰 교반 점 용접장치의 회전 공구에 관한 것이다.
자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서 는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.
따라서 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)이 소개되어 있고, 이에 관해서는 국제공개문헌(국제공개번호:WO93/10935; 출원인:THE WELDING INSTITUTE)을 참조로 할 수 있다.
상기 문헌을 참조하여 마찰 교반 용접 기술에 대해 간략히 설명하면, 상기한 마찰 교반 용접 기술은 접합하고자 하는 두 개의 피가공재를 서로 맞대어 접합 계면을 따라 공구(tool)가 진행하면서 발생하는 마찰열과 피가공재 내부에서 발생하는 소성 가공 현상을 이용하여 피가공재를 접합하는 방법이다.
그리고, 최근에는 이러한 마찰 교반 용접 기술을 활용/개선함으로써 더욱 발전시키고자 하는 노력이 더해지고 있다.
일예로, 상기한 마찰 교반 용접 방법에서 파생된 다른 용접 방법의 하나로 마찰 교반 점 용접 방법이 알려져 있다.
상기한 마찰 교반 점 용접 방법은 마찰 교반 용접 현상의 일부분을 이용하여 겹치기 접합에 이용하는 것으로, 회전 공구를 피가공재 쪽으로 이동시켜 한 점(spot)에서 피가공재를 교반하여 용접하는 방법이다.
이러한 마찰 교반 점 용접 방법은 저항 점 용접과 마찰 교반 용접을 혼합한 형태로서, 상기한 마찰 교반 용접과는 다른 용접 방법으로 인식되고 있으며, 스틸(steel)보다 비교적 융점이 낮은 알루미늄이나 마그네슘 등의 비철금속의 접합에 사용되고 있다.
상기한 마찰 교반 점 용접 방법을 수행하는 용접장치에서는 위에서 설명한 바와 같이 회전 공구를 구비한다.
이하, 상기한 회전 공구를 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 방법에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 플런징(plunging) 단계를 나타내고, 도 2는 스터링(stirring) 단계를 나타내며, 도 3은 드로잉 아웃(drawing out) 단계를 나타낸다.
일반적으로 회전 공구(100)는 회전축의 단부에 결합되는 숄더(110)와, 숄더(110)와 일체로 구비되는 핀(120)을 포함하여 이루어진다.
회전 공구(100)를 회전시키면서 핀(120)을 피가공재(130)의 표면에 접촉시키면 핀(120)의 표면과 피가공재(130)의 표면 사이에 마찰열이 발생되고, 발생된 마찰열에 의해 피가공재(130)가 연화된다(플런징 단계).
그리고, 상기 연화가 발생되면 핀(120)에 구비되어 있는 나사 형태의 홈 때문에 소성 유동이 발생된다(스터링 단계).
이때, 상기 소성 유동은 회전 공구(100)의 회전 방향과 수직 방향으로 발생되고, 결과적으로 핀(120) 주위에 존재하는 피가공재(130)는 교반이 발생하여 접합이 이루어진다.
그런데, 상기한 구성의 회전 공구(100)를 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시할 때에는 숄더(110) 및 핀(120)에서 발생하는 열이 회전축에 전달되므로, 상기 회전축을 포함하는 용접 공구(tool)에 손상이 발생될 수 있다.
그리고, 피가공재(130)의 두께가 변화할 경우에는 실제 접합에 중요한 부분 인 핀(120)의 길이도 달라져야 하지만, 종래의 회전 공구(100)는 핀(120)이 숄더(110)와 일체로 제조되거나 또는 상기 숄더(120)에 일체로 부착되어 있으므로, 핀의 길이를 조절할 수 없어 회전 공구를 교환해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 과도한 마찰열에 의한 손상을 방지할 수 있으며, 피가공재의 두께에 따라 핀 길이 조절이 가능한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
피가공재를 마찰 교반 점 용접하기 위한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치로서, 상기 회전 공구는,
회전축에 결합되는 바디;
상기 바디의 단부에 착탈 가능하게 결합되는 숄더;
상기 숄더 단부로부터의 돌출 길이를 조절할 수 있도록 상기 바디 및 숄더를 관통하여 설치되는 핀; 및
상기 바디를 내부에 삽입하며, 숄더 및 핀에서 발생되는 열을 방열하는 방열체
를 포함하는 마찰 교반 점 용접장치를 제공한다.
본 발명을 실시함에 있어서, 상기 숄더는 상기 바디에 압입 고정되며, 핀은 상기 바디 및 숄더에 나사 결합된다.
그리고, 상기 방열체는 강성 보강재에 의해 지지된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접장치의 회전 공구를 개략적으로 도시한 분해도이다.
먼저, 마찰 교반 점 용접장치의 개략적인 구성에 대해 살펴 보면, 본 실시예에 따른 회전 공구(10)는 상하 방향으로 이동이 가능하도록 설치되는 회전축의 단부에 구비된다.
상기 회전축 및 회전 공구(10)를 회전 구동하기 위해 상기 용접장치는 제1 구동기를 구비하며, 제1 구동기의 동력은 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식에 의해 회전축에 전달할 수 있다.
그리고, 회전축 및 회전 공구(10)를 상하 방향으로 이동시키기 위해 상기 용접장치는 제2 구동기를 구비하며, 제2 구동기의 동력 또한 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식에 의해 회전축에 전달할 수 있다.
이러한 구성의 마찰 교반 점 용접장치에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구(10)는 피가공재(도 1 내지 도 3의 도면부호 130 참조)의 표면에 소정의 힘을 가하면서 회전되어 피가공재를 접합하기 위한 것으로, 회전축에 결합되는 바디(12)를 구비한다.
상기 바디(12)의 단부에는 숄더(14)가 착탈 가능하게 결합된다. 일례로, 상 기 숄더(14)는 바디(12)에 구비된 숄더 압입부(12a)에 압입 또는 삽입 고정될 수 있다.
그리고, 상기 바디(12)와 숄더(14)에는 핀 삽입부(12b,14a)가 형성되는데, 이 핀 삽입부(12b,14a)에는 암나사부가 형성되어 있다.
한편, 상기 바디(12)와 숄더(14)를 관통하여 설치되는 핀(16)에는 상기 암나사부에 대응하는 수나사부가 형성되어 있다. 따라서, 바디(12) 및 숄더(14)와 핀(16)의 나사 결합 정도를 조절함으로써, 숄더(14)의 단부로부터 돌출되는 핀(16)의 돌출 길이를 조절할 수 있다.
여기에서, 상기 핀(16)의 수나사부는 소성 유동을 효과적으로 발생시키는 작용도 한다.
그리고, 상기 바디(12)의 외주면에는 마찰 교반 점 용접시에 숄더(14) 및 핀(16)에서 발생되는 열을 방열하기 위한 방열체(18)가 고정되며, 방열체(18)와 회전축(미도시함) 사이에는 방열체(18)의 강성을 보강하기 위한 강성 보강재(20)가 더욱 설치된다.
여기에서, 상기 방열체(18)는 열 전도성이 우수한 구리 소재로 제조할 수 있으며, 또한 방열 면적을 확대시키기 위한 방열 휜(fin)들(18a)을 구비할 수 있다.
이러한 구성의 회전 공구(10)에 의하면, 마찰 교반 점 용접을 실시하여 피가공재를 접합할 때 발생되는 열을 방열체(18)를 통해 방열시킴으로써, 상기 열로 인해 용접 공구(tool)에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 피가공재의 두께에 따라 핀(16)의 돌출 길이를 조절할 수 있으므로, 공구 교환 없이도 마찰 교반 점 용접이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 마찰 교반 점 용접시에 발생되는 열을 효과적으로 방열할 수 있어 상기 열로 인한 공구 손상을 방지할 수 있다.
또한, 피가공재의 두께에 따라 회전 공구를 교환해야 하는 불편함을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 피가공재를 마찰 교반 점 용접하기 위한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치로서, 상기 회전 공구는,
    회전축에 결합되는 바디;
    상기 바디의 단부에 착탈 가능하게 결합되는 숄더;
    상기 숄더 단부로부터의 돌출 길이를 조절할 수 있도록 상기 바디 및 숄더를 관통하여 설치되는 핀; 및
    상기 바디를 내부에 삽입하며, 숄더 및 핀에서 발생되는 열을 방열하는 방열체
    를 포함하는 마찰 교반 점 용접장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 숄더는 상기 바디에 압입 또는 삽입 고정되는 마찰 교반 점 용접장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 핀은 상기 바디 및 숄더에 나사 결합되는 마찰 교반 점 용접장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 방열체는 방열휜들을 구비하는 마찰 교반 점 용접장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 방열체는 강성 보강재에 의해 지지되는 마찰 교반 점 용접장치.
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