KR102393251B1 - 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴 - Google Patents

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 형성된 슬리브와, 상기 제2 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부 하측에 상하방향으로 길이를 갖는 공간부가 형성되며, 모재에 접촉되는 하단 중앙부가 하방으로 돌출형성되는 핀부와, 상기 핀부에 연결되어 상기 핀부에 회전력을 제공함과 동시에 상기 핀부를 상하방향으로 진동시키는 진동모터와, 상기 공간부 중 상하부에 각각 배치되고, 일단부가 상기 핀부의 내면에 지지되는 한 쌍의 탄성부재 및 상기 한 쌍의 탄성부재 사이에 개재되고, 상하방향으로 길이를 가지며, 일정 중량을 갖는 해머블럭을 포함하되, 상기 핀부는 하부에 상방으로 일정 깊이를 갖는 제1 홈이 형성된 상부몸체 및 상기 상부몸체보다 작은 길이로 형성되고, 상부에 하방으로 일정 깊이를 갖는 제2 홈이 형성되며, 상부가 상기 상부몸체의 하부에 결합되는 하부몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 일반적인 강도를 갖는 모재 뿐 아니라 강도가 높은 모재 또한 접합영역을 쉽게 유동화할 수 있어 작업효율을 크게 향상시킬 수 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 강도 높은 모재의 접합영역을 쉽게 소성유동 시킬 수 있어 작업효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴을 제공함에 있다.

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 있으며, 최근에는 일반 마찰 교반 점 용접의 단점 중 하나인 용접 후 팁 형상의 홈 발생문제를 해결하여 모재간 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 교반 스폿 용접장치(100)는 6000계열 또는 7000계열의 알루미늄 등 강도 높은 재질의 모재 접합을 시도하는 경우 슬리브(120) 및 핀부(130)가 모재를 파고 들어가기 어려워 모재의 접합영역을 소성유동하는데 상당한 시간이 소요되므로 용접 작업시간이 증대될 뿐 아니라 이에 따라 생산성이 크게 저하되는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제2016-0076702호 '리필마찰교반점용접 장비 일체형 시편 고정지그'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 핀부를 상하방향으로 진동시키는 경우 해당 진동에 해머블럭이 동반 진동되도록 하여 강도 높은 모재의 접합영역을 쉽게 유동화할 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 형성된 슬리브와, 상기 제2 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부 하측에 상하방향으로 길이를 갖는 공간부가 형성되며, 모재에 접촉되는 하단 중앙부가 하방으로 돌출형성되는 핀부와, 상기 핀부에 연결되어 상기 핀부에 회전력을 제공함과 동시에 상기 핀부를 상하방향으로 진동시키는 진동모터와, 상기 공간부 중 상하부에 각각 배치되고, 일단부가 상기 핀부의 내면에 지지되는 한 쌍의 탄성부재 및 상기 한 쌍의 탄성부재 사이에 개재되고, 상하방향으로 길이를 가지며, 일정 중량을 갖는 해머블럭을 포함하되, 상기 핀부는 하부에 상방으로 일정 깊이를 갖는 제1 홈이 형성된 상부몸체 및 상기 상부몸체보다 작은 길이로 형성되고, 상부에 하방으로 일정 깊이를 갖는 제2 홈이 형성되며, 상부가 상기 상부몸체의 하부에 결합되는 하부몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴을 제공한다.

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상기와 같은 본 발명에 따르면, 일반적인 강도를 갖는 모재 뿐 아니라 강도가 높은 모재 또한 접합영역을 쉽게 유동화할 수 있어 작업효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도1a 내지 도1d는 종래의 리필 마찰 스폿 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 고속회전하면서 모재를 파고드는 상태를 도시한 도면,
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 하강한 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,
도9는 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 초기위치로 복귀하는 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, 진동모터(40)와, 한 쌍의 탄성부재(50) 및 해머블럭(60)을 포함하여 구성된다.

플런지(10)는 서로 대향하는 용접건 본체의 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 하단부가 모재의 접합영역을 파고 듬과 아울러 모재에 접촉한 상태로 핀부(30)와 함께 고속 회전하여 모재의 접합영역을 소성유동시키는 역할을 한다.

핀부(30)는 대략 막대 형상으로 형성되고, 제2 중공(21) 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되어 하단부가 모재의 접합영역을 파고 듬과 동시에 고속 회전하여 슬리브(20)와 함께 모재의 접합영역을 소성유동시키는 역할을 한다.

그리고, 본 실시예에 따른 핀부(30)는 상하방향으로 일정 길이를 갖고 하부에 상방으로 소정의 깊이를 갖는 제1 홈(31a)이 형성된 상부몸체(31)와, 상부몸체(31) 보다 작은 길이로 형성되고 상부에 하방으로 소정의 깊이를 갖는 제2 홈(32a)이 형성되며 상부몸체(31)의 하부에 탈착가능하게 결합되는 하부몸체(32)를 포함하여 구성되며, 상부몸체(31)와 하부몸체(32)가 결합되는 경우 제1 홈(31a)과 제2 홈(32a)이 연결되어 내부 하측에 일정 길이를 갖는 공간부(S)가 형성된다.

상기한 공간부(S)는 후술하는 한 쌍의 탄성부재(50) 및 해머블럭(60)의 설치공간을 제공한다.

그리고, 핀부(30)는 위에서 설명한 바와 같이 상부몸체(31)와 하부몸체(32)가 분리 가능한 구조로 형성되므로 내부에 설치되는 해머블럭(60)을 접합하고자 하는 모재의 특성에 따라 중량이 다른 해머블럭(60)으로 쉽게 교체할 수 있다.

진동모터(40)는 하부에 핀부(30)에 결합되어 핀부(30)에 회전력을 제공함과 동시에 핀부(30)를 상하방향으로 진동시키는 역할을 하는 것으로서, 일반적인 진동모터(40)가 사용될 수 있다.

한편, 상기한 진동모터(40)는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게는 상용적으로 공급되는 것을 구입하여 사용할 수 있을 정도로 공지된 것임이 자명하므로 이에 대한 자세한 구조 설명은 생략하도록 한다.

한 쌍의 탄성부재(50)는 일반적인 코일스프링이 사용될 수 있으며, 공간부(S) 중 상하부에 각각 배치되며, 일단부가 핀부(30)의 내면에 지지된다.

해머블럭(60)은 대략 블럭형상으로 형성되고, 한 쌍의 탄성부재(50) 사이에 개재되어 핀부(30)가 진동하는 경우 한 쌍의 탄성부재(50)에 의해 동반 진동한다. 이에 핀부(30) 진동 파형의 최저점 순간과, 하방으로 이동되는 동작이 중복되는 시점에서 이들의 합력(合力)이 발생되어 핀부(30)가 보다 강한 힘으로 모재를 파고 들수 있도록 한다.

아울러, 해머블럭(60)은 하방으로 이동되는 힘이 보다 증대될 수 있도록 상하방향으로 길이를 갖는 막대형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 고속회전하면서 모재를 파고드는 상태를 도시한 도면이고, 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 하강한 상태를 도시한 도면이며, 도7은 본 발명의 일실시예에 따른 핀부가 상승하는 상태를 도시한 도면이고, 도8은 본 발명의 일실시예에 따른 슬리브가 상승하고 핀부가 하강하는 상태를 도시한 도면이며, 도9는 본 발명의 일실시예에 따른 핀부 및 슬리브가 초기위치로 복귀하는 상태를 도시한 도면이다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴(1)의 동작을 첨부된 도5 내지 도9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용접건 본체를 이동하여 서로 대향하는 용접건 본체의 양단부 사이에 접합하고자 하는 양 모재(T)의 접합영역이 배치되도록 한다.

그리고, 슬리브(20) 및 핀부(30)가 하강하여 상부에 배치된 모재(T) 표면을 파고 들면서 고속회전하여 접합하고자 하는 모재(T)의 일측을 소성 유동시킨다.

이때, 도5에서 보는 바와 같이 핀부(30)가 하강하면서 진동모터(40)에 의해 상하진동하며, 핀부(30)가 진동함에 따라 그 내부의 해머블럭(60)이 동반 진동한다. 그 과정에서 핀부(30) 진동 파형의 최저점 순간과, 하방으로 이동되는 해머블럭(60)의 동작이 중복되는 시점에서 이들의 합력(合力)이 발생되어 핀부(30)가 보다 강한 힘으로 모재(T)를 가압함으로써 핀부(30)가 모재(T)의 접합영역을 쉽게 파고 들수 있게 된다.

즉, 본 실시예에서는 핀부(30)가 강한 힘으로 모재(T)의 접합영역을 파고 듬과 동시에 핀부(30)와 슬리브(20)가 고속회전하므로 모재(T)의 접합영역을 매우 용이하게 소성유동 시킬 수 있다.

이후, 도6에서 보는 바와 같이 슬리브(20) 및 핀부(30)의 하강 동작이 완료되면, 도7과 같이 핀부(30)가 회전하면서 상승하고, 핀부(30)의 상승동작에 따라 유동화된 모재(T)의 일부가 딸려 올라도록 함으로써 유동화된 양 모재(T)의 일부를 상호 교반한다.

다음, 도8에서 보는 바와 같이 슬리브(20)가 모재(T)의 표면과 대응되는 위치까지 상승하고, 핀부(30) 또한 모재(T)의 표면과 대응되는 위치까지 하강하여 핀부(30)가 삽입된 홈을 메우게 된다.

그리고, 핀부(30)가 회전함과 동시에 진동하여 용접부위를 다진 후 도9에서 보는 바와 같이 슬리브(20)와 핀부(30)가 초기위치로 상승하여 용접 작업을 완료한다.

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.

Claims (2)

1. 용접건 본체에 고정설치되고, 내부에 제1 중공이 형성된 플런지와;
   상기 제1 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부에 제2 중공이 형성된 슬리브와;
   상기 제2 중공 내에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되고, 내부 하측에 상하방향으로 길이를 갖는 공간부가 형성되며, 모재에 접촉되는 하단 중앙부가 하방으로 돌출형성되는 핀부와;
   상기 핀부에 연결되어 상기 핀부에 회전력을 제공함과 동시에 상기 핀부를 상하방향으로 진동시키는 진동모터와;
   상기 공간부 중 상하부에 각각 배치되고, 일단부가 상기 핀부의 내면에 지지되는 한 쌍의 탄성부재; 및
   상기 한 쌍의 탄성부재 사이에 개재되고, 상하방향으로 길이를 가지며, 일정 중량을 갖는 해머블럭을 포함하되,
   상기 핀부는
   하부에 상방으로 일정 깊이를 갖는 제1 홈이 형성된 상부몸체; 및
   상기 상부몸체보다 작은 길이로 형성되고, 상부에 하방으로 일정 깊이를 갖는 제2 홈이 형성되며, 상부가 상기 상부몸체의 하부에 결합되는 하부몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리필 마찰 교반 스폿 용접 툴.
2. 삭제

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