KR100711779B1 - 마찰 교반 점 용접장치 - Google Patents

Abstract

겹쳐져 있는 피가공재와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공재를 교반하여 용접하는 마찰 교반 점 용접장치의 회전 공구를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구는 회전축의 단부에 구비되는 숄더; 상기 숄더의 단부에 구비되는 핀; 및 연화된 피가공재가 숄더 외측으로 유출되는 것을 방지하도록 상기 숄더에 설치되는 지지대를 포함하며, 상기 지지대는 상기 숄더와 접촉되는 볼 및 이 볼이 설치되는 볼 하우징을 포함하는 베어링으로 구성된다. 상기 볼 하우징은 밑면이 숄더의 단부면과 동일한 높이를 유지하도록 상기 숄더에 결합되며, 상기 숄더에는 볼이 안착되는 시트부가 구비된다.

마찰, 교반, 회전 공구, 툴, 베어링, 버어

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 단면도이다.

도 5는 도 4의 회전 공구를 사용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 상태를 나타내는 개략도이다.

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 산업 분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 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 회전축과 함께 회전하는 바디(body, 110)와, 바디(110)의 숄더부에 설치되는 핀(120)을 포함하여 이루어진다.

이러한 구성의 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 스터링 단계에서는 연화된 피가공재가 바디(110)의 숄더부 외측으로 빠져나오게 되고, 이로 인해 버어(burr)(140)가 발생된다.

따라서, 드로잉 아웃 단계를 실시한 후에는 버어(140)를 제거하기 위해 후처리 공정을 실시해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 버어 제거를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있는 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,

일정 속도로 회전하는 바디(body);

상기 바디의 숄더부에 구비되는 핀; 및

연화된 피가공재가 숄더부 외측으로 유출되는 것을 방지하도록 상기 바디에 설치되는 지지대

를 포함하는 마찰 교반 점 용접장치를 제공한다.

본 발명을 실시함에 있어서, 상기 지지대는 상기 바디와 접촉되는 볼 및 이 볼이 설치되는 볼 하우징을 포함하는 베어링으로 구성할 수 있다.

이 경우, 상기 바디에는 볼이 안착되는 시트부를 형성하는 것도 가능하다.

이러한 구성의 지지대에 의하면, 상기 바디가 회전되는 동안 상기 볼 하우징은 비회전 상태로 피가공재에 접촉된다. 따라서, 볼 하우징이 피가공재와 접촉되는 부분에서는 마찰열이 발생하지 않으므로, 상기 접촉부에서는 피가공재가 연화되 지 않으며, 숄더부와 피가공재가 접촉되는 부분에서 연화된 피가공재는 상기 피가공재와 접촉된 볼 하우징에 의해 숄더부 외측으로 유출되는 것이 방지된다.

물론, 상기한 베어링은 다양한 형태의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 베어링으로 유체 윤활 베어링을 사용할 수 있다.

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 단면도이고, 도 5는 도 1의 작동 상태도이다.

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(20)의 표면에 소정의 힘을 가하면서 회전되어 피가공재 (20)를 접합하기 위한 것으로, 회전축과 함께 회전하는 바디(12)와, 바디(12)의 숄더부에 구비되는 핀(14)과, 바디(12)에 설치되는 베어링(16)을 포함한다.

상기 핀(14)에는 소성 유동을 효과적으로 발생시키기 위해 나사 형태의 홈들이 형성되어 있으며, 상기 베어링(16)은 볼 베어링으로 이루어진다.

물론, 상기 베어링(16)이 다른 형태의 것, 예를 들어 유체 윤활 베어링으로 이루어질 수도 있지만, 이하에서는 볼 베어링을 예로 들어 설명한다.

베어링(16)은 볼(16a)과, 볼(16a)을 둘러싸는 볼 하우징(16b)을 포함한다.

볼 하우징(16b)에는 볼(16a)이 안착되는 시트부(16b')가 구비되며, 바디(12)에도 볼(16a)이 안착되는 시트부(12')가 구비된다.

상기 볼 하우징(16b)은 밑면이 바디(12)의 단부면과 동일한 높이를 유지하도록 상기 바디(12)에 결합되며, 볼 하우징(16b)의 시트부(16b')와 바디(12)의 시트부(12')에는 볼(16a)이 안착된다.

따라서, 상기 볼 하우징(16b)이 피가공재(20)와 일정한 압력으로 접촉하는 상태에서는 바디(12) 및 핀(14)이 회전하더라도 볼 하우징(16b)이 비회전 상태로 유지될 수 있다.

이와 같이 볼 하우징(16b)을 비회전 상태로 유지하는 것은 피가공재(20)와의 사이에 마찰열이 발생되지 않도록 하기 위한 것으로, 피가공재(20)의 연화는 상기한 마찰열로 인해 발생되기 때문이다.

따라서, 상기한 구성의 회전 공구(10)를 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시할 때, 볼 하우징(16b)이 접촉되는 부분의 피가공재(20)는 연화되지 않으며, 볼 하 우징(16b)의 내측 영역, 즉 바디(12)의 숄더부가 피가공재(20)와 접촉되는 영역에서만 피가공재(20)의 연화가 발생되고, 또한 이 영역에서만 상기 핀(14)의 나사 형태의 홈에 의해 소성 유동이 발생된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구(10)는 피가공재(20)의 연화 및 소성 유동이 발생되는 영역의 외측에 볼 하우징(16b)이 비회전 상태로 접촉되고 있으므로, 상기 연화된 피가공재가 바디(12)의 숄더부 외측으로 유출되는 것이 방지된다.

상기 실시예에서는 베어링 하우징의 폭이 바디 폭보다 크게 형성되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 베어링 하우징 상측의 바디 폭을 베어링 하우징과 동일한 폭으로 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이, 본 발명은 상기 실시예에 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 버어가 발생되는 것을 방지할 수 있으므로, 버어 제거를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 피가공재를 마찰 교반 점 용접하기 위한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치로서, 상기 회전 공구는,

   설정 속도로 회전하는 바디;

   상기 바디의 숄더부에 구비되는 핀; 및

   연화된 피가공재가 숄더부 외측으로 유출되는 것을 방지하도록 상기 바디에 설치되며, 상기 바디의 회전시에 비회전 상태로 유지되는 지지대

   를 포함하는 마찰 교반 점 용접장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 지지대는 상기 바디와 접촉되는 볼 및 이 볼이 설치되는 볼 하우징을 포함하는 베어링으로 구성되는 마찰 교반 점 용접장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 볼 하우징은 밑면이 바디의 단부면과 동일한 높이를 유지하도록 상기 바디에 결합되는 마찰 교반 점 용접장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 바디에는 볼이 안착되는 시트부가 구비되는 마찰 교반 점 용접장치.

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