KR20120073975A - Friction stir spot welding device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 예시적인 실시예는 마찰 교반 점 용접 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접합 소재들의 용접부와 접촉 상태로 회전하면서 발생하는 마찰열과 접합 소재의 내부에서 발생하는 소성 유동을 이용하여 접합 소재들의 용접부를 점 용접할 수 있는 마찰 교반 점 용접 장치에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a friction stir spot welding apparatus, and more particularly, to a friction stir welding device using frictional heat generated while rotating in contact with a welded portion of the joining materials and a plastic flow generated inside the joining material. A friction stir spot welding device capable of spot welding a weld.
일반적으로, 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말한다.In general, friction stir welding (FSW) refers to a method of joining a metal divided by frictional heat generated between the rotating tool and the joining metal by installing a rotary tool at a joining portion of the metal.
이러한 마찰 교반 용접은 서로 일부 겹쳐진 접합 소재의 겹침 부위를 마찰열로서 점 용접하는 방식을 예로 들 수 있다.Such friction stir welding may include, for example, a method of spot welding the overlapping portions of the joint materials partially overlapped with each other as friction heat.
상기와 같은 마찰 교반 점 용접 방식은 고온의 용융 접합 시에 접합 균열과 접합 변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열 감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.The friction stir welding method as described above is mainly used for non-ferrous materials such as precipitation hardening aluminum alloys, which are susceptible to joint cracking and deformation at high temperatures. Research is actively underway.
상기한 마찰 교반 점 용접을 위한 장치는 기본적으로, 접합 소재 보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전부재(당 업계에서는 통상적으로 "용접 툴" 이라고 한다)와 상기 회전부재를 승하강시키며 회전시킬 수 있는 구동부재를 구비하여 이루어진다.The apparatus for friction stir spot welding described above is basically a driving member capable of raising and lowering a rotating member (commonly referred to in the art as a “welding tool”) and a rotating member made of a material having a higher hardness than a joining material. It is provided with a member.
이에 따라 회전부재가 접합 소재의 접합부를 가압하여 회전함에 따라 그 회전부재와 접합부 사이에서는 마찰열이 발생하고 이러한 마찰열과 회전부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의한 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어진다.Accordingly, as the rotating member presses and rotates the joint of the bonding material, frictional heat is generated between the rotating member and the joint, and the stirring action of the material by plastic flow is activated at the joint softened by the frictional heat and the pressure applied by the rotating member. Solid phase bonding is achieved.
그런데, 상기한 마찰 교반 점 용접 장치는 회전부재와 접합 소재 간의 마찰에 의한 열원과 교반 특성으로 접합 소재를 마찰 교반 점 용접함으로써 접합부의 특성을 높이는데 한계가 있다.By the way, the friction stir spot welding apparatus described above has a limitation in improving the properties of the joint by friction stir spot welding the joining material by heat source and agitation characteristics due to friction between the rotating member and the joining material.
또한, 이종 금속 재료를 마찰 교반 점 용접하는 경우, 회전부재의 디자인에 따라 접합부에서의 교반력 및 교반 면적이 결정되므로, 그 접합부의 교반성에 한계가 있다는 문제점을 내포하고 있다.In addition, in the case of friction stir welding of dissimilar metal materials, since the stirring force and the stirring area at the joint are determined by the design of the rotating member, there is a problem in that there is a limit in the stirring property of the joint.
본 발명의 예시적인 실시예들은 회전부재에 의한 용접부의 마찰 교반력을 상승시켜 서로 다른 이종 접합 소재의 교반성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 마찰 교반 점 용접 장치를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention provide a friction stir spot welding apparatus capable of increasing the friction stir force of the welded portion by the rotating member to further improve the stirring property of different heterojunction materials.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치는, ⅰ)소정 접합 소재의 용접부를 가압하며 회전 가능하게 구성되어 상기 용접부에 마찰열을 가하는 용접 툴과, ⅱ)상기 용접 툴에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동 단자를 포함하며, 상기 접합 소재를 부분적으로 겹친 용접부에 대하여 용접 툴에 의한 점 용접이 이루어진다.The friction stir spot welding device according to an exemplary embodiment of the present invention includes: (i) a welding tool configured to be rotatable while pressing a welded portion of a predetermined bonding material, and ii) ultrasonic vibration to the welded tool. The application includes an ultrasonic vibration terminal, and a spot welding is performed by a welding tool on a welding portion partially overlapping the joining material.
또한 상기 마찰 교반 점 용접 장치는, 상기 용접 툴을 회전 가능하게 지지하며 그 용접 툴을 승하강시킬 수 있는 척킹부재를 포함할 수 있다.In addition, the friction stir spot welding apparatus may include a chucking member rotatably supporting the welding tool and capable of raising and lowering the welding tool.
또한 상기 마찰 교반 점 용접 장치에 있어서, 상기 척킹부재에는 상기 초음파 진동 단자가 구성될 수 있다.In the friction stir spot welding apparatus, the chucking member may be configured with the ultrasonic vibration terminal.
또한 상기 마찰 교반 점 용접 장치에 있어서, 상기 용접 툴은 상기 척킹부재에 회전 가능하게 설치되는 원통 형상의 숄더와, 상기 숄더의 하부에 연결되며 수직적으로 연장하는 핀을 포함하여 이루어질 수 있다.In the friction stir spot welding apparatus, the welding tool may include a cylindrical shoulder rotatably installed at the chucking member, and a pin connected to a lower portion of the shoulder and extending vertically.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치에 따르면, 용접 툴의 마찰열에 의해 접합 소재들의 용접부가 소성 유동되어 접합되는 과정에, 초음파 진동 단자를 통해 초음파 진동에 따른 보조 열원을 용접부에 부가함으로 용접 툴에 의한 용접부의 교반 특성 및 입열을 증대시킬 수 있으며, 용접부의 초 미세립화 등의 특성을 향상시킴으로써 서로 다른 이종 재료의 계면 교반성을 더욱 향상시킬 수 있다.According to the friction stir spot welding apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention as described above, in the process in which the welded portions of the joining materials are plastically flown and joined by the frictional heat of the welding tool, the auxiliary according to the ultrasonic vibration through the ultrasonic vibration terminal By adding a heat source to the weld, the stirring property and heat input of the weld by the welding tool can be increased, and the interfacial agitation of different dissimilar materials can be further improved by improving characteristics such as ultra-fine granulation of the weld.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a view schematically showing a friction stir spot welding apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings, and is shown by enlarging the thickness in order to clearly express various parts and regions. It was.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a friction stir spot welding apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 경량 합금과 경량 합금(Mg 합금, Al 합금, Cu 합금, Ti 합금 등의 조합), 경량 합금과 철계 합금(GA 강판, 자동차용 강판, STS 판재 등) 등과 같은 이종 재료를 접합하기 위한 것이다.Referring to the drawings, friction stir
이러한 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 상기와 같은 금속의 접합 부위에 점 용접을 위한 회전 도구를 설치하여 그 회전 도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열을 이용하여 분할된 금속을 점 용접할 수 있는 구조로 이루어진다.The friction stir
본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 접합 대상물인 접합 소재들(1) 즉, 접합 소재(1)를 부분적으로 겹친 용접부(C)를 형성하는 접합 소재들(1)을 마찰 교반 방식으로 점 용접하기 위한 것으로서, 기본적으로는 용접 툴(110)과, 척킹부재(130)를 포함하여 구성된다.The friction stir
상기 용접 툴(110)은 접합 소재들(1)의 용접부(C)에 접촉하며 회전 가능하게 구성되는 바, 뒤에서 더욱 설명될 척킹부재(130)에 구성되는 구동수단(도면에 도시되지 않음)에 의해 회전할 수 있는 원통 형상의 숄더(111)를 포함한다.The
상기 숄더(111)의 하부에는 수직적으로 연장하는 핀(113)이 형성되는 바, 이 핀(113)은 접합 소재들(1)의 용접부(C)를 가압하며 마찰열을 발생시킬 수 있는 접합 툴로서 구비된다.A
그리고, 상기 척킹부재(130)는 용접 툴(110)을 회전 가능하게 지지하는 것으로서, 그 용접 툴(110)을 회전시킬 수 있는 구동 수단(도면에 도시되지 않음)을 구비하고 있다.The
여기서, 상기 구동 수단은 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식으로서 회전 동력을 용접 툴(110)에 전달하는 것으로서, 이러한 구동 수단은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Here, the driving means is a direct drive method or an indirect drive method using a power transmission member such as a belt to transmit the rotational power to the
그리고, 상기 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 용접 툴(110)을 상하 방향으로 승하강 이동시키고, 그 용접 툴(110)을 접합 소재들(1)의 용접부(C)를 따라 이동시킬 수 있는 별도의 구동수단(도면에 도시되지 않음)를 구비하고 있음은 자명한 사실이다.In addition, the friction stir
상기와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 용접 툴(110)에 의한 마찰 교반 특성을 촉진시키고, 접합 소재(1)에 마찰열을 부가할 수 있으며, 용접부(C) 조직의 초 미세립화를 구현할 수 있는 구조로서 이루어진다.The friction stir
즉, 상기 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 용접 툴(110)에 의한 용접부(C)의 마찰 교반력을 상승시켜 서로 다른 이종 접합 소재(1)의 교반성을 더욱 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.That is, the friction
이를 위해 본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 점 용접 장치(100)는 용접 툴(110)에 대하여 초음파 진동을 가함으로써 접합 소재들(1)의 용접부(C)에 보조 열원을 제공할 수 있는 초음파 진동 단자(150)를 포함한다.To this end, the friction stir
본 실시예에서, 상기 초음파 진동 단자(150)는 초음파를 발생시키는 초음파 발진기를 포함하며, 초음파 진동을 용접 툴(110)로 전파할 수 있는 구성으로 이루어진다.In the present embodiment, the
상기 초음파 진동 단자(150)는 위에서 언급한 바 있는 척킹부재(130)에 구성되는 바, 용접 툴(110)의 근처에 배치되며 용접 툴(110)에 의해 마찰 교반 점 용접이 이루어지는 동안 초음파 진동을 용접 툴(110)에 전파할 수 있다.The
이러한 초음파 진동 단자(150)는 당 업계에서 널리 알려진 공기 기술의 초음파 가진기로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접 장치(100)에 의하면, 우선, 접합의 대상이 되는 판 형의 두 접합 소재(1)를 부분적으로 겹쳐서 용접부(C)를 형성한다. 이 용접부(C)는 후속하여 마찰 교반 점 용접이 이루어질 부분이다.Therefore, according to the friction stir
이어서, 용접 툴(110)을 회전시키면서 용접부(C)로 수직 하강시켜 그 용접부(C)에 대하여 용접 툴(110)의 핀(113)을 통해 마찰 교반 점 용접을 수행하고 용접 툴(110)을 수직 상승시킨다.Subsequently, while rotating the
그 후 용접부(C)의 다른 부분으로 용접 툴(110)을 이동시킨 후, 그 용접 툴(110)을 회전시키면서 수직 하강시켜 마찰 교반 점 용접을 수행하고 다시 수직 상승시킨다.Thereafter, the
상기한 과정을 반복하여 용접 툴(110)을 통해 마찰 교반 점 용접을 수행하는 경우, 용접을 수행한 부분에는 접합부 비드(B)와 접합홀(H)이 형성된다.When the friction stir spot welding is performed through the
이러는 과정을 거치는 동안 본 실시예에서도 초음파 진동 단자(150)를 통해 용접 툴(110)에 초음파 진동을 가할 수 있다.In this embodiment, the ultrasonic vibration may be applied to the
그러면, 본 실시예에서는 초음파 진동 단자(150)에 의해 초음파 진동이 용접 툴(110)에 전파됨으로써 그 초음파 진동에 의한 열원이 접합 소재들(1)의 용접부(C)에 추가적으로 제공될 수 있다.Then, in the present embodiment, the ultrasonic vibration is propagated by the
따라서, 본 실시예에서는 용접 툴(110)의 마찰열에 의해 접합 소재들(1)의 용접부(C)가 소성 유동되어 접합되는 과정에, 초음파 진동 단자(150)를 통해 초음파 진동에 따른 보조 열원을 용접부(C)에 부가함으로 용접 툴(110)에 의한 용접부(C)의 교반 특성 및 입열을 증대시킬 수 있으며, 용접부(C)의 초 미세립화 등의 특성을 향상시킴으로써 서로 다른 이종 재료의 계면 교반성을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, the auxiliary heat source according to the ultrasonic vibration is supplied through the
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.
1... 접합 소재 B... 비드
C... 용접부 H... 접합홀
110... 용접 툴 111... 숄더
113... 핀 130... 척킹부재
150... 초음파 진동 단자1 ... bonding material B ... bead
C ... weld H ... weld hole
110
113
150 ... Ultrasonic Vibration Terminal
Claims (3)
상기 용접 툴에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동 단자를 포함하며,
상기 접합 소재를 부분적으로 겹친 용접부에 대하여 상기 용접 툴에 의한 점 용접이 이루어지는 마찰 교반 점 용접 장치.A welding tool configured to be rotatable and pressurize a weld of a predetermined joining material to apply frictional heat to the weld; And
An ultrasonic vibration terminal for applying ultrasonic vibration to the welding tool,
A friction stir spot welding device in which spot welding is performed by the welding tool with respect to a weld part partially overlapping the joining material.
상기 용접 툴을 회전 가능하게 지지하며 그 용접 툴을 승하강시킬 수 있는 척킹부재를 포함하며,
상기 척킹부재에는 상기 초음파 진동 단자가 구성되는 마찰 교반 점 용접 장치.The method according to claim 1,
A chucking member rotatably supporting the welding tool and capable of raising and lowering the welding tool;
The chucking member is friction stir welding device that the ultrasonic vibration terminal is configured.
상기 용접 툴은,
상기 척킹부재에 회전 가능하게 설치되는 원통 형상의 숄더와, 상기 숄더의 하부에 연결되며 수직적으로 연장하는 핀을 포함하여 이루어지는 마찰 교반 점 용접 장치.The method of claim 2,
The welding tool,
And a cylindrical shoulder rotatably mounted to the chucking member, and a pin connected to a lower portion of the shoulder and extending vertically.
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