KR102324458B1 - 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴 - Google Patents

리필 마찰 교반 스폿 용접 툴 Download PDF

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정철영
김대인
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Abstract

본 발명은 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴에 관한 것으로서, 용접건 본체에 고정설치되고, 내부에 제1 중공이 형성된 플런지와, 상기 제1 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부에 제2 중공이 형성되며, 외면에 회전방향과 반대방향으로 제1 나사산이 형성되고, 상기 제1 나사산 중 적어도 어느 하나의 나사산 일측에 제1 통과홈이 형성되는 슬리브와, 상기 제2 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 외면에 회전방향과 반대방향의 제2 나사산이 형성되며, 상기 제2 나사산 중 적어도 어느 하나의 나사산 일측에 제2 통과홈이 형성되는 핀부와, 상기 용접건 본체 일측에 설치되고, 상기 플런지 및 상기 슬리브 내부로 냉각풍을 분사하되, 상기 플런지의 내주 접선방향과, 상기 슬리브의 내주 접선방향으로 냉각풍을 분사하는 냉각풍 분사부 및 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈에 설치되어 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈을 차폐하고, 열이 전달되는 경우 선단부가 하방으로 절곡되어 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈을 개방하는 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 슬리브와 핀부, 슬리브와 플런저의 사이영역으로 유동화된 모재의 일부가 유입되는 것을 최소화하고, 잔여물로 인한 구성의 동작간섭 문제를 방지할 수 있을 뿐 아니라 핀부 및 슬리브의 과도한 온도상승을 억제하여 용접품질을 크게 향상시킬 수 있는 있는 효과가 있다.

Description

리필 마찰 교반 스폿 용접 툴{Tool for refill friction stir spot weld}
본 발명은 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구성과 구성 사이로 유동화된 모재의 일부가 유입되는 것을 최소화하고, 잔여물로 인한 구성의 동작간섭 문제를 방지할 수 있으며, 핀부 및 슬리브의 과도한 온도상승을 억제하여 용접품질을 크게 향상시킬 수 있는 있는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴에 관한 것이다.
산업계에서는 환경보호와 에너지 절감에 대한 요구가 국내외적으로 높아짐에 따라 경량화에 대한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 경량합금 중 내식성, 연신율, 가공성이 우수하고 재활용성이 좋은 알루미늄 합금이 주목받고 있다.
이러한, 알루미늄 합금의 경우 위와 같은 장점에도 불구하고, 알루미늄 합금과 알루미늄 합금간 접합이 어려운 문제점이 있는데, 최근에는 상기한 알루미늄 합금의 접합 한계성을 해결하기 위해 마찰교반용접(Friction Stir Welding :FSW)기술을 이용하고 있다.
상기한, 마찰교반용접(Friction Stir Welding)기술은 한 쌍의 박판 접합영역 상하부에 각각 용접팁이 접촉되고, 접촉된 한 쌍의 용접팁이 회전함에 따라 발생하는 마찰열을 이용하여 재표, 즉 박판 내 소성유동에 의해 용접하는 고상접합으로서, 아크 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 등의 용융 용접에 비해 블로홀이나 갈라짐이 발생하지 않고 용접에 따른 변형이 적다는 특징을 갖는다.
그리고, 마찰교반용접은 초기 알루미늄 합금에 사용이 국한되었으나, 최근에는 기술의 발달로 인해 다양한 경량소재뿐만 아니라 일반 강재의 용접에까지 확대 사용이 가능하게 되었다.
최근에는 복합재와 세라믹 등의 다양한 소재와의 접합기술을 요구하는 이종재료의 접합에서도 기존 다른 용접기술과 비교하여 상대적으로 좋은 용접성을 나타내고 있는 바 철도 차량, 항공기, 자동차 분야 등에서 널리 사용되고 있다.
특히, 자동차 분야에서는 패널 접합을 위한 마찰 교반 점 용접(Friction Stir Spot Welding : 이하 'FSSW'라 함) 또한 많이 사용되고 있다.
여기서, FSSW는 용접 건의 하부에 하방으로 일정길이 돌출된 용접 팁이 모재에 일정깊이 삽입된 상태로 고속 회전하면, 용접팁과 모재간 마찰력으로 가소화된 모재의 접합영역에 소성 유동이 발생되고, 소성 유동으로 통한 양 모재간 교반 작용으로 고상접합이 이루어진다.
그러나, 용접이 완료된 시점에서 용접 팁이 삽입된 모재 일측에 용접팁의 형상과 대응되는 형상의 홈이 발생되어 모재간 결합력에 영향을 미칠 뿐 아니라 미관상으로도 좋지 않은 문제점이 있었다.
이에 최근에는 용접과정에서 해당 홈을 메워 모재간 결합력을 보다 향상시킬 수 있고, 미관이 우수한 리필 마찰 스폿 용접장치(Refill Friction Stir Spot Weld)가 개발된 바 있으며, 그 일예가 도1에 도시되어 있다.
도1a 내지 도1d는 종래의 리필 마찰 스폿 용접장치의 동작을 도시한 도면이다.
종래의 리필 마찰 교반 스폿 용접장치(100)는 용접건 본체(C)에 결합된 플런지(110)와, 플런지(110) 내부에 회전가능하게 설치됨과 아울러 상하이동가능하게 설치되는 슬리브(120)와, 슬리브(120) 내부에 회전가능하게 설치됨과 아울러 상하이동가능하게 설치되는 핀부(130)로 구성된다.
이러한 종래의 리필 마찰 교반 스폿 용접장치(100)는 슬리브(120)와 핀부(130)가 하강하여 모재 표면에 접촉되고, 고속회전하여 접합하고자 하는 모재들의 일측을 소성유동시킨 후(a) 핀부(130)가 상승하여 유동화된 모재 일부가 딸려 올라가 상호 교반된다.(b)
핀부(130) 상승이 완료되면 슬리브(120)는 상승하고, 핀부(130)는 모재의 표면과 대응되는 위치까지 하강하여 핀부(130)가 삽입된 홈을 메운 후(c) 다시 상승하여 용접작업을 완료한다.(d)
즉, 종래의 리필 마찰 교반 스폿 용접장치(100)는 핀부(130)가 유동화된 모재 일부를 끌어올린 후 하강하여 모재의 표면과 대응되는 위치에 배치되면서 홈을 메꾸므로 용접 작업 후 홈이 발생되지 않는 장점이 있다.
그러나, 종래의 리필 마찰 스폿 용접장치(100)는 일반적인 마찰 스폿 용접과는 달리 홈을 메꾸기 위해 핀부(130)가 상하이동하는 과정에서 딸려 올라간 모재의 일부가 핀부(130)와 슬리브(120) 사이 또는 슬리브(120)와 플런지(110) 사이로 인입되어 잔존하고, 잔존한 모재 일부가 경화되어 발생되는 잔여물이 추후 핀부(130)와 슬리브(120)의 회전동작에 간섭되는 문제점이 있었다.
나아가, 핀부(130)와 슬리브(120)가 회전하는 경우 이에 접촉되는 잔여물과 마찰되어 핀부(130)와 슬리브(120)의 온도가 예상치 보다 크게 상승하고, 이에 따라 유동화된 모재가 열경화되거나 불필요하게 높은 온도로 가열하게 되어 모재의 유동량이 예상보다 커지면서 용접 품질이 크게 저하되는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제2016-0076702호 '리필마찰교반점용접 장비 일체형 시편 고정지그'
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 리필 마찰 용접 과정에서 유동화된 모재의 일부가 슬리브와 핀부, 슬리브와 플런저 사이로 인입되는 것을 최소화하여 잔여물로 인한 핀부와 슬리브의 회전동작 간섭문제를 미연에 방지할 수 있고, 슬리브 및 핀부를 냉각하여 용접품질을 크게 향상시킬 수 있는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 용접건 본체에 고정설치되고, 내부에 제1 중공이 형성된 플런지와, 상기 제1 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부에 제2 중공이 형성되며, 외면에 회전방향과 반대방향으로 제1 나사산이 형성되고, 상기 제1 나사산 중 적어도 어느 하나의 나사산 일측에 제1 통과홈이 형성되는 슬리브와, 상기 제2 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 외면에 회전방향과 반대방향의 제2 나사산이 형성되며, 상기 제2 나사산 중 적어도 어느 하나의 나사산 일측에 제2 통과홈이 형성되는 핀부와, 상기 용접건 본체 일측에 설치되고, 상기 플런지 및 상기 슬리브 내부로 냉각풍을 분사하되, 상기 플런지의 내주 접선방향과, 상기 슬리브의 내주 접선방향으로 냉각풍을 분사하는 냉각풍 분사부 및 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈에 설치되어 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈을 차폐하고, 열이 전달되는 경우 선단부가 하방으로 절곡되어 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈을 개방하는 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴을 제공한다.
그리고, 상기 개폐부는 열팽창율이 다른 한 쌍의 플레이트가 적층형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 슬리브와 핀부, 슬리브와 플런저의 사이영역으로 유동화된 모재의 일부가 유입되는 것을 최소화하고, 잔여물로 인한 구성의 동작간섭 문제를 방지할 수 있을 뿐 아니라 핀부 및 슬리브의 과도한 온도상승을 억제하여 용접품질을 크게 향상시킬 수 있는 있는 효과가 있다.
도1은 종래의 리필 마찰 점 용접장치의 동작을 도시한 도면,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴의 사시도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴의 분해 사시도,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴의 단면도,
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 고속회전하는 상태를 도시한 도면,
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 개폐부의 선단부가 하방으로 휘어진 상태를 도시한 도면,
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 핀부가 상승하는 상태를 도시한 도면,
도8은 본 발명의 일실시예에 따른 슬리브가 상승하고 핀부가 하강하는 상태를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴의 사시도이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴의 분해 사시도이며, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴의 단면도이다.
도2 내지 도4에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴(1)은 플런지(10)와, 슬리브(20)와, 핀부(30)와, 냉각풍 분사부(40) 및 개폐부(50)를 포함하여 구성된다.
플런지(10)는 서로 대향하는 용접건 본체(C)의 단부 중 상측에 위치한 단부에 고정설치되며, 대략 제1 중공(11)이 형성된 원통형상으로 형성된다.
슬리브(20)는 대략 제2 중공(21)이 형성된 원통형상으로 형성되고, 제1 중공(11) 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치된다.
이러한 슬리브(20)는 후술하는 하단부가 모재에 접촉한 상태로 핀부(30)와 함께 고속 회전하여 마찰열을 발생함으로써 모재 일측을 유동화하는 역할을 한다.
아울러, 본 실시예에 따른 슬리브(20)는 도2에서 보는 바와 같이 외면에 회전방향의 반대방향으로 형성되는 제1 나사산(22)이 형성된다.
제1 나사산(22)은 슬리브(20)가 회전하면서 상승하는 과정에서 슬리브(20)와 플런지(10) 사이로 유동화된 모재 일부가 인입되려는 경우 슬리브(20)의 회전방향과 반대방향으로 형성된 나사산을 통해 인입되려는 모재를 하방으로 밀어낸다.
그리고, 슬리브(20)의 외면과 플런지(10) 내면 사이로 모재의 일부가 인입되더라도 인입된 모재의 일부가 나사산을 따라 하부로 이동되도록 하여 슬리브(20)의 외면과 플런지(10) 내면 사이에서 잔여물이 형성되는 것을 방지한다.
그리고, 제1 나사산(22)은 일측이 절개되어 제1 통과홈(22a)이 형성되는데, 상부에 위치하는 나사산들에 제1 통과홈(22a)이 형성되는 것이 바람직하다.
핀부(30)는 대략 막대 형상으로 형성되고, 제2 중공(21) 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되어 모재 일측에 접촉되는 경우 고속 회전하여 마찰열을 발생함으로써 슬리브(20)와 함께 모재 일측을 유동화하는 역할을 한다.
그리고, 핀부(30)는 도3에서 보는 바와 같이 외면에 회전방향의 반대방향으로 제2 나사산(31)이 형성된다.
이러한 제2 나사산(31)은 위에서 설명한 제1 나사산(22)과 동일한 기능을 수행하는데, 핀부(30)가 회전하면서 상승하는 과정에서 핀부(30)의 외면과 슬리브(20) 내면 사이로 모재의 일부가 인입되려는 경우 모재를 하방으로 밀어내 모재의 인입을 최소화하며, 핀부(30)와 슬리브(20) 사이에 인입된 모재가 나사산을 따라 하방으로 이동되도록 하여 핀부(30)와 슬리브(20) 사이에 잔여물이 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다.
여기서, 제2 나사산(31)은 제1 나사산(22)과 같이 어느 일측이 절개되어 제2 통과홈(31a)이 형성되는데, 상부에 위치하는 나사산들에 제2 통과홈(31a)이 형성되는 것이 바람직하다.
냉각풍 분사부(40)는 일반적인 공기분사장치가 사용될 수 있으며, 플린지 및 슬리브(20) 내부, 즉 플런지(10)와 슬리브(20) 사이영역, 슬리브(20)와 핀부(30) 사이영역으로 냉각풍을 분사하여 각 구성을 냉각함과 아울러 각 구성 사이에 잔존하는 잔여물이 나사산을 따라 하방으로 이동하여 외부로 배출되도록 한다.
개폐부(50)는 제1 통과홈(22a) 및 제2 통과홈(31a)과 대응되는 위치에 배치되어 제1 통과홈(22a) 및 제2 통과홈(31a)을 차폐하며, 그 일단부가 슬리브(20) 또는 핀부(30)의 외면에 연결되어 그 위치가 고정설치된다.
이러한 개폐부(50)는 서로 다른 열팽창계수를 갖는 이종의 플레이트가 상호 적층형성되어 슬리브(20) 또는 핀부(30)를 통해 열이 전달되는 경우 선단부가 하방으로 휘어지면서 제1 통과홈(22a)과 제2 통과홈(31a)을 개방한다. 즉, 모재와 접촉되어 마찰하면서 핀부(30) 및 슬리브(20)의 하부영역에서 가장 많은 열이 발생하는데, 상부에서 제공된 냉각풍이 제1 통과홈(22a) 및 제2 통과홈(31a)을 통해 신속하게 하부로 공급되도록 하여 핀부(30) 및 슬리브(20)의 냉각효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 평상시에는 제1 나사산(22) 및 제2 나사산(31)과 함께 나사산 형태를 이루어 제1 나사산(22) 및 제2 나사산(31)에 의한 모재 인입을 방지한다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 고속회전하는 상태를 도시한 도면이고, 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 개폐부의 선단부가 하방으로 휘어진 상태를 도시한 도면이며, 도7은 본 발명의 일실시예에 따른 핀부가 상승하는 상태를 도시한 도면이고, 도8은 본 발명의 일실시예에 따른 슬리브가 상승하고 핀부가 하강하는 상태를 도시한 도면이다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴(1)의 동작을 첨부된 도5 내지 도8를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 용접건 본체(C)를 이동하여 서로 대향하는 용접건 본체(C)의 양단부 사이에 접합하고자 하는 양 모재(T)의 접합영역이 배치되도록 한다.
그리고, 도5에서 보는 바와 같이 슬리브(20) 및 핀부(30)가 하강하여 상부에 배치된 모재(T) 표면에 접촉하고, 고속회전하면서 발생되는 마찰열을 통해 접합하고자 하는 모재(T)의 일측을 유동화한다.
이때, 핀부(30)와 슬리브(20) 사이 또는 슬리브(20)와 플런지(10) 사이로 유동화된 모재(T)의 일부가 인입되려는 경우 핀부(30)와 슬리브(20) 외면에 각각 형성된 제1 나사산(22) 및 제2 나사산(31)이 인입되려는 모재(T) 일부를 하방으로 밀어낸다.
한편, 냉각풍 분사부(40)에서 플런지(10)와, 슬리브(20) 내부로 냉각풍을 공급하는데, 개폐부(50)가 제1 및 제2 통과홈(31a)을 차폐하고 있으므로 공급된 냉각풍이 제1 나사산(22) 및 제2 나사산(31)을 따라 이동하면서 핀부(30) 및 슬리브(20)의 외면을 냉각한다.
이후, 핀부(30) 및 슬리브(20)가 모재(T)를 유동화하면서 열이 발생하면, 핀부(30) 및 슬리브(20)를 통해 개폐부(50)로 열이 전달되며, 전달된 열에 의해 도6과 같이 개폐부(50)의 선단부가 하방으로 휘어지면서 제1 및 제2 통과홈(31a)을 개방한다.
이에 냉각풍 일부가 제1 및 제2 통과홈(31a)을 통해 핀부(30) 및 슬리브(20)의 하부 영역을 신속하게 공급되어 핀부(30) 및 슬리브(20)의 하부영역을 냉각하며, 그 외 냉각풍 일부가 제1 나사산(22) 및 제2 나사산(31)을 따라 이동하면서 핀부(30) 및 슬리브(20)의 외면을 냉각하여 핀부(30) 및 슬리브(20)를 매우 효율적으로 냉각하게 된다.
계속하여 도7을 참조하여 다음 단계를 살펴보면, 핀부(30)가 회전하면서 상승하고, 핀부(30)의 상승동작으로 유동화된 모재(T)의 일부가 딸려 올라가도록 함으로써 유동화된 양 모재(T)의 일부를 상호 교반한다.
여기서, 핀부(30)가 상승하는 과정에서 핀부(30)와 슬리브(20) 사이로 유동화된 모재(T)의 일부가 인입된 경우 핀부(30)의 회전방향과 반대방향으로 형성된 제1 나사산(22)에 의해 인입된 모재(T) 일부가 하방으로 이동되어 외부로 배출된다.
이후, 도8에서 보는 바와 같이 슬리브(20)가 회전하면서 모재(T)의 표면과 대응되는 위치까지 상승하고, 핀부(30) 또한 모재(T)의 표면과 대응되는 위치까지 하강하여 핀부(30)가 삽입된 홈을 메우게 된다.
아울러, 슬리브(20)가 상승하는 과정에서 슬리브(20)와 플런지(10) 사이로 유동화된 모재(T) 일부가 인입된 경우 슬리브(20)의 회전방향과 반대방향으로 형성된 제2 나사산(31)에 의해 인입된 모재(T) 일부가 하방으로 이동되어 외부로 배출된다.
다음, 슬리브(20)와 핀부(30)가 초기위치로 상승하여 용접 작업이 완료된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 플런지 11 : 제1 중공
20 : 슬리브 21 ： 중공
22 : 제1 나사산 22a : 제1 통과홈
30 : 핀부 31 : 제2 나사산
31a : 제2 통과홈 40 : 냉각풍 분사부
50 : 개폐부

Claims (2)

  1. 용접건 본체에 고정설치되고, 내부에 제1 중공이 형성된 플런지와;
    상기 제1 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부에 제2 중공이 형성되며, 외면에 회전방향과 반대방향으로 제1 나사산이 형성되고, 상기 제1 나사산 중 적어도 어느 하나의 나사산 일측에 제1 통과홈이 형성되는 슬리브와;
    상기 제2 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 외면에 회전방향과 반대방향의 제2 나사산이 형성되며, 상기 제2 나사산 중 적어도 어느 하나의 나사산 일측에 제2 통과홈이 형성되는 핀부;
    상기 용접건 본체 일측에 설치되고, 상기 플런지 및 상기 슬리브 내부로 냉각풍을 분사하되, 상기 플런지의 내주 접선방향과, 상기 슬리브의 내주 접선방향으로 냉각풍을 분사하는 냉각풍 분사부; 및
    상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈에 설치되어 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈을 차폐하고, 열이 전달되는 경우 선단부가 하방으로 절곡되어 상기 제1 통과홈 및 상기 제2 통과홈을 개방하는 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개폐부는 열팽창율이 다른 한 쌍의 플레이트가 적층형성되는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴.
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