KR20160120201A

KR20160120201A - 마찰 점 접합장치 및 그 접합방법

Info

Publication number: KR20160120201A
Application number: KR1020160034270A
Authority: KR
Inventors: 이목영; 이흥규; 김흥주
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2016-10-17
Also published as: KR101782613B1

Abstract

접합의 주 작용에 슬리브를 사용하여 접합면적을 확대시킴과 아울러 피접합재를 국부적으로 가열하여 재료의 유동 영역 및 양을 조절함으로써 피접합재의 접합부에서 발생하는 급속한 소성유동을 방지할 수 있고, 알루미늄합금이나 마그네슘합금 등과 같이 융점이 낮은 재료의 경우에도 접합부의 강도가 향상될 수 있도록, 피접합재를 접합하기 위해 피접합재 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 설치된 핀; 상기 핀의 외주면에 설치되어 피접합재 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 작동되는 슬리브; 상기 핀과 슬리브의 축방향 직선이동을 위해 핀 상부에 연결설치되는 축방향 직선이동부; 상기 핀과 슬리브의 회전을 위해 핀과 슬리브에 각각 연결설치되는 핀 회전부 및 슬리브 회전부; 상기 슬리브의 외주면을 감싸도록 설치되어 피접합재 표면에 접촉되도록 고정되는 고정자; 및 상기 고정자의 하단에 설치되어 피접합재 표면에 온도를 가하면서 압착하는 가열부를 포함하는 마찰 점 접합장치 및 이를 이용한 접합방법을 제공한다.

Description

마찰 점 접합장치 및 그 접합방법{APPARATUS FOR FRICTION SPOT JOINING AND THIS METHOD}

두 부재를 접합시키기 위한 마찰 점 접합장치 및 그 접합방법을 개시한다.

일반적으로, 차체 또는 각종 장비의 중량을 줄이기 위해 알루미늄합금이나 마그네슘합금 등이 그 소재로 사용되고 있다.

자동차 차체에 있어서 철강과 같은 판재를 프레스로 성형한 3차원 형상의 부품은 주로 점용접에 의해 제조되는 바, 종래의 저항용접에서는 용접부에 기공 및 균열 등이 발생하고, 전극의 오염속도가 빠르기 때문에 비용이 상승할 뿐만 아니라 품질의 변동이 크다.

또한, 용접되는 소재 자체의 낮은 저항으로 주울발열이 적기 때문에 상대적으로 높은 용접전류를 사용해야 하므로 에너지 소비가 크고, 감전 등의 안전사고 위험이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 미국특허 제6,832,713호에서 마찰교반용접에 의한 방법을 제안하였으나, 접합강도가 2kN 이하로 충분하지 않을 뿐만 아니라 핀의 압흔이 남는 문제가 있었다.

또한, 미국특허 제6,722,556호에서 핀과 슬리브의 2중 작용에 의한 핀 홀 방지 점용접방법을 제안하였으나, 과도한 재료의 유동에 의하여 접합부 강도가 낮은 문제가 있었다.

이외에도 종래의 마찰 점 접합방법을 통한 용접시 접합부 중 상부쪽 양 측면에 과도한 소성유동에 의한 결함이 발생되었다.

접합의 주 작용에 슬리브를 사용하여 접합면적을 확대시킴과 아울러 국부적인 가열을 이용하여 재료의 유동 영역 및 양을 조절함으로써 접합부의 급속한 소성유동을 방지하여 접합부 강도를 향상시킬 수 있도록 된 마찰 점 접합장치 및 그 접합방법을 제공한다.

마찰 점 접합장치는, 피접합재를 접합하기 위해 피접합재 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 설치된 핀; 상기 핀의 외주면에 설치되어 피접합재 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 작동되는 슬리브; 상기 핀과 슬리브의 축방향 직선이동을 위해 핀 상부에 연결설치되는 축방향 직선이동부; 상기 핀과 슬리브의 회전을 위해 핀과 슬리브에 각각 연결설치되는 핀 회전부 및 슬리브 회전부; 상기 슬리브의 외주면을 감싸도록 설치되어 피접합재 표면에 접촉되도록 고정되는 고정자; 및 상기 고정자의 하단에 설치되어 피접합재 표면에 온도를 가하면서 압착하는 가열부를 포함할 수 있다.

상기 슬리브는 하강 높이가 상기 피접합재 중 하부판재 표면을 기준으로 직상으로 하부판재 두께의 10% 이내에서 직하로 하부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 소재를 유동시키고, 상기 핀은 하강 높이가 상기 피접합재 중 상부판재 표면에서 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 접합홀을 채우는 구조일 수 있다.

상기 핀은 하강 높이가 상기 하부판재 표면을 기준으로 직상으로 하부판재 두께의 10% 이내에서 직하로 하부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 소재를 유동시키고, 상기 슬리브는 하강 높이가 상기 상부판재 표면에서 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 접합홀을 채우는 구조일 수 있다.

상기 축방향 직선이동부와 핀 회전부 및 슬리브 회전부에 전기적으로 연결되어 이들을 각각 제어하는 제어부를 더 포함한다.

상기 제어부는 상기 가열부와 전기적으로 연결되어 가열부의 온도를 제어하는 온도제어기를 더 포함한다.

상기 핀 회전부는 상기 핀의 상부에 연결설치된 벨트와, 상기 벨트에 연결되어 상기 핀에 회전력을 전달하는 핀 구동모터 및, 상기 핀의 외주면에 설치되어 핀의 회전을 가이드하는 핀 베어링을 포함할 수 있다.

상기 핀 회전부는 상기 핀의 상부에 체인 또는 기어 중 어느 하나가 연결설치된 구조일 수 있다.

상기 슬리브 회전부는 상기 슬리브의 상부에 연결설치된 벨트와, 상기 벨트에 연결되어 상기 슬리브에 회전력을 전달하는 슬리브 구동모터 및, 상기 슬리브의 외주면에 설치되어 슬리브의 회전을 가이드하는 슬리브 베어링을 포함할 수 있다.

상기 슬리브 회전부는 상기 슬리브의 상부에 체인 또는 기어 중 어느 하나가 연결설치된 구조일 수 있다.

상기 고정자는 상기 가열부 사이에 개재되어 가열부를 탄력적으로 설치하는 완충부재를 더 포함할 수 있다.

상기 가열부는 피접합재 표면과 접촉되는 부위에 설치되어 가열부의 열이 상기 고정자 및 접합부를 제외한 피접합재로 전도되는 것을 막아주는 단열층을 더 포함할 수 있다.

상기 단열층은 상기 가열부의 하단을 차지하면서 피접합재에 접촉되는 부위의 면적이 가열부를 기준으로 95% 미만인 구조일 수 있다.

상기 고정자는 플라스틱과 철강, 스테인리스 강, 마그네슘합금, 알루미늄함금 및, 동합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 가열부는 탄소발열체와 니크롬선, 칸탈선 및, 실리콘 발열체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 단열층은 석면과 유리섬유, 실리카, 펄라이트, 규석, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 크롬, 마그네시아 및 돌로마이트 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 가열부는 원주방향으로 배치되어 열을 발생시키는 선상 발열체와, 상기 선상 발열체의 외부를 감싸 가열부의 외측과 절연시키는 절연재 및, 상기 선상 발열체의 단부가 외부로 인출된 단자를 포함할 수 있다.

상기 가열부는 원주방향으로 배치되어 열을 발생시키는 면상 발열체와, 상기 면상 발열체의 외부를 감싸 가열부의 외측과 절연시키는 절연재, 상기 면상 발열체의 내외측에 설치되어 전류를 공급하는 전극 및, 상기 전극의 단부가 외부로 인출된 단자를 포함할 수 있다.

상기 절연재는 운모와 석면, 유리섬유, 에폭시 및 에나멜 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

마찰 점 접합방법은, 피접합재의 재질 및 치수를 선정하고 접합조건을 입력하는 단계; 지지대에 설치되어 상부판재 및 하부판재로 이루어진 피접합재를 고정자의 가열부를 가동시켜 가열하는 단계; 장치의 핀과 슬리브 및 고정자를 하강시켜 고정자가 피접합재의 상부판재에 접촉되어 가압하는 단계; 상기 핀(혹은 슬리브) 및 슬리브(혹은 핀)를 회전시켜 상부판재에 마찰열을 발생시킴으로써 가열하는 단계; 상기 슬리브(혹은 핀)를 삽입하고 핀(혹은 슬리브)을 상승시키는 단계; 상기 슬리브의 삽입 깊이와 설정치를 비교하는 단계; 상기 슬리브(혹은 핀)의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀(혹은 슬리브)을 상기 상부판재 표면 및 상부판재 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내까지 하강시키면서 슬리브(혹은 핀)를 상승시키는 단계; 상기 슬리브와 핀의 높이를 비교하는 단계; 상기 슬리브(혹은 핀)의 높이가 핀(혹은 슬리브) 높이 이상이면 슬리브의 회전을 아이들링 속도로 감속하고 가열부를 오프시키는 단계; 및 상기 핀과 슬리브 및 고정자를 상승시켜 마찰접합을 종료하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 슬리브를 삽입하고 핀을 상승시키는 단계를 대신하여 핀을 상부판재 두께의 80% 이상 및 하부판재의 상부표면까지 삽입하면서 슬리브를 상승시키는 단계로 이루어질 수 있다.

상기 슬리브의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀을 상부판재 표면 및 상부판재 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내까지 하강시키면서 슬리브를 상승시키는 단계를 대신하여 핀의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 슬리브를 상부판재 표면 및 상부판재 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내까지 하강시키면서 핀을 상승시키는 단계로 이루어질 수 있다.

상기 피접합재의 재질 및 치수를 선정하고 접합조건을 입력하는 단계에서 피접합재가 하나 이상의 마그네슘합금판재이거나 또는 알루미늄합금판재로 이루어질 수 있다.

상기 슬리브(혹은 핀)를 삽입하고 핀(혹은 슬리브)을 상승시키는 단계에서 핀(혹은 슬리브) 상승량이 슬리브(혹은 핀) 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브와 핀의 축방향 이송속도를 제어할 수 있다.

상기 슬리브(혹은 핀)의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀(혹은 슬리브)을 하강시키고 슬리브(혹은 핀)를 상승시키는 단계에서 슬리브(혹은 핀) 상승량이 핀(혹은 슬리브) 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브와 핀의 축방향 이송속도를 제어할 수 있다.

상기 피접합재를 고정자의 가열부를 가동시켜 가열하는 단계에서 가열부의 가열온도가 30℃ 이상이고, 이 가열온도가 상기 상부판재 융점의 60% 범위일 수 있다.

상기 핀과 슬리브 및 고정자를 상승시키는 단계;에서 슬리브의 회전속도가 1~100rpm 범위일 수 있다.

본 장치에 따르면, 피접합재를 국부적으로 가열하여 재료의 유동 영역 및 양을 조절함으로써 피접합재의 접합부에서 발생하는 급속한 소성유동을 방지할 수 있기 때문에 접합부의 강도가 향상된다.

또한, 알루미늄합금이나 마그네슘합금과 같이 융점이 낮은 재료를 2장 이상 겹치기 이음하는 경우에도 높은 강도의 접합부를 안정적으로 접합할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치의 가열부를 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 절개하여 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 가열부의 또 다른 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 5는 도 4의 B-B선을 따라 절개하여 도시한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치의 슬리브가 재료에 삽입되고 핀이 상승되는 상태를 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치의 핀이 하강하고 슬리브가 상승되는 상태를 도시한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합방법의 과정을 도시한 순서도이다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치를 도시한 개략적인 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 마찰 점 접합장치에 의해 접합되는 피접합재(1)는 지지대(2)에 설치되어 상부판재(1a) 및 하부판재(1b)로 이루어진 것으로, 마찰 점 접합장치가 가압 및 가열함으로써 피접합재(1)를 접합하게 된다.

이를 위해 상기 마찰 점 접합장치는 핀(10)과 슬리브(20), 축방향 직선이동부(30), 핀 회전부(40), 슬리브 회전부(50), 고정자(60) 및, 가열부(70)를 포함하여 이루어진다.

본 실시예에서 상기 핀(10)과 슬리브(20)가 각각 독립적으로 구동되고 상기 가열부(70)에 의해 피접합재(1)의 가열이 가능한 고정자(60)를 구비하여 피접합재(1)를 가압 및 가열하면서 접합한다.

즉, 상기 핀(10)은 피접합재(1)를 접합하기 위해 피접합재(1) 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 설치되고, 상기 슬리브(20)는 상기 핀(10)의 외주면에 설치되어 피접합재(1) 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 작동된다.

또한, 상기 축방향 직선이동부(30)는 상기 핀(10)과 슬리브(20)의 축방향 직선이동을 위해 핀(10) 상부에 연결설치되고, 상기 핀 회전부(40) 및 슬리브 회전부(50)는 상기 핀(10)과 슬리브(20)의 회전을 위해 핀(10)과 슬리브(20)에 각각 연결설치된다.

상기 축방향 직선이동부(30)는 전기모터와 워엄기어 및 랙피니언을 결합하여 회전운동을 직선운동으로 변화시키거나, 공압실린더 또는 유압실린더 등 직선구동방식의 사용이 가능하다.

또한, 상기 고정자(60)는 상기 슬리브(20)의 외주면을 감싸도록 설치되어 피접합재(1) 표면에 접촉되도록 고정되고, 상기 가열부(70)는 상기 고정자(60)의 하단에 설치되어 피접합재(1) 표면에 온도를 가하면서 압착한다.

상기 피접합재(1) 표면에 대한 상기 슬리브(20)의 상하 수직이동은 상기 고정자(60)를 포함하는 접합장치 전체를 가동시켜 피접합재(1)를 접합하게 된다. 상기 고정자(60)의 구동은 6축 다관절로봇 또는 리니어가이드가 부착된 유압 혹은 공압실린더의 사용이 가능하다.

여기서, 상기 피접합재(1)의 상부판재(1a)에 가열되는 상기 고정자(60)를 하강시켜 접촉함으로써 소정의 압력을 가하게 되고, 이와 동시에 회전하는 상기 핀(10)이 하강됨과 아울러 상기 슬리브(20)가 상승된다.

상기 핀(10)의 하강량이 설정치에 도달하면 상기 슬리브(20)를 하강시키고, 상기 핀(10)은 상승시키며, 상기 핀(10)과 슬리브(20)의 단면이 일치하여 상기 상부판재(1a)의 표면에 도달하면, 핀(10)과 슬리브(20)는 동시에 상승함으로써 접합작업을 마무리한다.

접합성을 향상시키기 위하여 상기 슬리브(20)는 상부판재(1a)의 표면에서 직하로 상부판재(1a) 두께의 10% 이내로 하강하는 것도 가능하다. 슬리브(20)의 하강위치를 상부판재(1a)의 직하로 상부판재(1a) 두께의 10% 이내로 제한하는 것은 10%를 초과하는 경우 압흔이 과대해지고 표면에 버(burr)가 형성되기 때문이다.

접합면적을 확대시켜 접합강도를 증가하기 위하여, 상기 피접합재(1)의 상부판재(1a)에 가열되는 상기 고정자(60)를 하강시켜 접촉함으로써 소정의 압력을 가하게 되고, 이와 동시에 회전하는 상기 슬리브(20)가 하강됨과 아울러 상기 핀(10)이 상승된다.

상기 슬리브(20)의 하강량이 설정치에 도달하면 상기 핀(10)을 하강시키고, 상기 슬리브(20)는 상승시키며, 상기 핀(10)과 슬리브(20)의 단면이 일치하여 상기 상부판재(1a)의 표면에 도달하면, 핀(10)과 슬리브(20)는 동시에 상승함으로써 접합작업을 마무리한다.

접합성을 향상시키기 위하여 상기 핀(10)은 상부판재(1a)의 표면에서 직하로 상부판재(1a) 두께의 10% 이내로 하강하는 것도 가능하다. 핀(10)의 하강위치를 상부판재(1a)의 직하로 상부판재(1a) 두께의 10% 이내로 제한하는 것은 10%를 초과하는 경우 압흔이 과대해지고 표면에 버(burr)가 형성되기 때문이다.

한편, 상기 축방향 직선이동부(30)와 핀 회전부(40) 및 슬리브 회전부(50)에 전기적으로 연결되어 이들을 각각 제어하는 제어부(80)가 설치된다. 상기 제어부(80)는 상기 가열부(70)와 전기적으로 연결되어 가열부(70)의 온도를 제어하는 온도제어기(81)를 더 포함할 수 있다.

즉, 상기 제어부(80)를 통해 상기 핀(10)과 슬리브(20)의 축방향 직선이동을 작동시키는 축방향 직선이동부(30)를 제어할 수 있고, 상기 제어부(80)를 통해 핀 회전부(40)와 슬리브 회전부(50)를 각각 제어하여 핀(10)과 슬리브(20)의 회전을 제어할 수 있으며, 상기 제어부(80)가 상기 온도제어기(81)와 전기적으로 연결되어 상기 가열부(70)의 온도를 제어할 수 있다.

여기서, 상기 핀 회전부(40)는 상기 핀(10)의 상부에 연결설치된 벨트(41)와, 상기 벨트(41)에 연결되어 상기 핀(10)에 회전력을 전달하는 핀 구동모터(42) 및, 상기 핀(10)의 외주면에 설치되어 핀(10)의 회전을 가이드하는 핀 베어링(43)을 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 핀 회전부(40)는 상기 핀(10)의 상부에 체인 또는 기어 중 어느 하나가 연결설치된 구조일 수 있다.

상기 핀 구동모터(42)의 작동으로 상기 벨트(41)에 동력을 전달하여 상기 핀(10)을 회전시키고, 핀(10)의 원활한 회전을 위하여 핀(10) 외주면에 상기 핀 베어링(43)이 설치된다.

또한, 상기 슬리브 회전부(50)는 상기 슬리브(20)의 상부에 연결설치된 벨트(51)와, 상기 벨트(51)에 연결되어 상기 슬리브(20)에 회전력을 전달하는 슬리브 구동모터(52) 및, 상기 슬리브(20)의 외주면에 설치되어 슬리브(20)의 회전을 가이드하는 슬리브 베어링(53)을 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 슬리브 회전부(50)는 상기 슬리브(20)의 상부에 체인 또는 기어 중 어느 하나가 연결설치된 구조일 수 있다.

상기 슬리브 구동모터(52)의 작동으로 상기 벨트(51)에 동력을 전달하여 상기 슬리브(20)를 회전시키고, 슬리브(20)의 원할한 회전을 위하여 슬리브(20) 외주면에 상기 슬리브 베어링(53)이 설치된다.

본 실시예에서 상기 고정자(60)는 상기 가열부(70) 사이에 개재되어 가열부(70)를 탄력적으로 설치하는 완충부재(61)를 더 포함할 수 있다.

상기 고정자(60)는 원통형으로 이루어져 장치의 케이스와 일체로 되고, 상기 가열부(70)는 상기 완충부재(61)를 매개로 상기 고정자(60)의 하단에 설치된다.

상기 완충부재(61)에 의하여 상기 가열부(70)가 피접합재(1) 표면에 일정한 압력을 가하면서 접촉되는 바, 상기 완충부재(61)는 스프링으로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 가열부(70)는 피접합재(1) 표면과 접촉되는 부위에 설치되어 가열부(70)의 열이 상기 고정자(60) 및 접합부를 제외한 피접합재(1)로 전도되는 것을 막아주는 단열층(90)을 더 포함할 수 있다.

상기 고정자(60)와 완충부재(61)의 결합 또는, 상기 완충부재(61)와 가열부(70)의 결합 및, 상기 가열부(70)와 단열층(90)의 결합은 접착제나 볼트 및 요철형성을 통한 체결이 가능하다.

상기 단열층(90)은 상기 가열부(70)의 하단을 차지하면서 피접합재(1)에 접촉되는 부위의 면적이 가열부(70)를 기준으로 95% 미만인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 고정자(60)의 단부에 상기 단열층(90)이 설치되어 상기 가열부(70)의 용량을 줄이고, 접합부의 과도한 입열을 방지한다. 상기 단열층(90)의 재질은 충격특성이 우수한 것이 적당한데, 세라믹이나 러버 등의 라이너 형태를 사용해도 되고, 상기 가열부(70)의 일부를 코팅하는 것도 가능하다.

상기 상부판재(1a)의 표면과 접촉하는 상기 고정자(60)의 단부에서 상기 단열층(90)의 면적은 95% 미만인 것이 바람직한 바, 상기 단열층(90)을 생략하는 것은 가능하지만 95%를 초과하면 상부판재의 가열에 급격한 소성유동을 감소하기 어렵다.

한편, 본 실시예에서 상기 고정자(60)와 가열부(70) 및 단열층(90)의 재료를 설명하면 다음과 같다.

상기 고정자(60)는 플라스틱과 철강, 스테인리스 강, 마그네슘합금, 알루미늄함금 및, 동합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 가열부(70)는 탄소발열체와 니크롬선, 칸탈선 및, 실리콘 발열체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 단열층(90)은 석면과 유리섬유, 실리카, 펄라이트, 규석, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 크롬, 마그네시아 및 돌로마이트 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

특히, 상기 단열층(90)은 상기 가열부(70)의 열이 고정자(60) 혹은 접합부를 제외한 피접합재(1)로 전도되어 손실되는 것을 줄이고, 접합장치 및 접합부의 열영향 또는 변형 등을 방지하기 위해 설치된다.

도 2는 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치의 가열부를 도시한 개략적인 도면이다.

도 3은 도 2의 A-A선을 따라 절개하여 도시한 개략적인 단면도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가열부(70)는 원주방향으로 배치되어 열을 발생시키는 선상 발열체(71)와, 상기 선상 발열체(71)의 외부를 감싸 가열부(70)의 외측과 절연시키는 절연재(72) 및, 상기 선상 발열체(71)의 단부가 외부로 인출된 단자(73)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 가열부(70)는 선상 발열체(71)를 원형으로 형성하고, 상기 절연재(72)로 가열부(70)의 외피와 절연시키는 구조이고, 상기 단자(73)는 전원을 인가해 주기위해 설치된다.

도 4는 본 실시예에 따른 가열부의 또 다른 구조를 도시한 개략적인 도면이다.

도 5는 도 4의 B-B선을 따라 절개하여 도시한 개략적인 단면도이다.

도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 가열부(70)는 원주방향으로 배치되어 열을 발생시키는 면상 발열체(74)와, 상기 면상 발열체(74)의 외부를 감싸 가열부(70)의 외측과 절연시키는 절연재(72), 상기 면상 발열체(74)의 내외측에 설치되어 전류를 공급하는 전극(75) 및, 상기 전극(75)의 단부가 외부로 인출된 단자(75a)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 면상 발열체(74)를 이용하는 경우 전류를 공급하기 위한 상기 전극(75)이 설치된다.

상기 절연재(72)는 운모와 석면, 유리섬유, 에폭시 및 에나멜 등의 사용이 가능하다.

도 6은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치의 슬리브가 재료에 삽입되고 핀이 상승되는 상태를 도시한 개략적인 도면이다.

도 7은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합장치의 핀이 하강하고 슬리브가 상승되는 상태를 도시한 개략적인 도면이다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 지지대(2)에 설치되어 상부판재(1a) 및 하부판재(1b)로 이루어진 피접합재(1)를 고정자(60)의 가열부(70)를 가동시켜 가열하고, 이 때 장치의 핀(10)과 슬리브(20) 및 고정자(60)를 하강시켜 고정자(60)가 피접합재(1)의 상부판재(1a)에 접촉되어 가압하며, 상기 핀(10) 및 슬리브(20)를 회전시켜 상부판재(1a)에 마찰열을 발생시킴으로써 가열하고, 상기 슬리브(20)를 삽입하고 핀(10)을 상승시키며, 다시 상기 핀(10)을 하강시키고 슬리브(20)를 상승시키고, 상기 핀(10)과 슬리브(20) 및 고정자(60)를 상승시킨다.

즉, 상기 고정자(60)를 하강하여 상부판재(1a)에 소정의 압력을 가한 상태에서 회전하는 상기 슬리브(20)를 하강시키면, 상기 슬리브(20) 표면과 상부판재(1a) 사이의 마찰열에 의하여 소재가 가열되고, 상기 소재의 온도가 일정 온도 이상(예컨대, 소재 용융온도의 80% 이상)이 되면 슬리브(20)의 압력이 접합부에 가해진다. 이 때 상기 핀(10)을 상승시키면 접합부는 핀(10)의 상승에 의하여 형성된 공간으로 밀려올라간다.

도 8은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합방법의 과정을 도시한 순서도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 마찰 점 접합방법은, 피접합재(1)의 재질 및 치수를 선정하고 접합조건을 입력하는 단계(S1); 지지대(2)에 설치되어 상부판재(1a) 및 하부판재(1b)로 이루어진 피접합재(1)를 고정자(60)의 가열부(70)를 가동시켜 가열하는 단계(S2); 장치의 핀(10)과 슬리브(20) 및 고정자(60)를 하강시켜 고정자(60)가 피접합재(1)의 상부판재(1a)에 접촉되어 가압하는 단계(S3); 상기 핀(10) 및 슬리브(20)를 회전시켜 상부판재(1a)에 마찰열을 발생시킴으로써 가열하는 단계(S4); 상기 슬리브(20)를 삽입하고 핀(10)을 상승시키는 단계(S5); 상기 슬리브(20)의 삽입 깊이와 설정치를 비교하는 단계(S6); 상기 슬리브(20)의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀(10)을 하강시키고 슬리브(20)를 상승시키는 단계(S7);

상기 슬리브(20)와 핀(10)의 높이를 비교하는 단계(S8); 상기 슬리브(20)의 높이가 핀(10) 높이 이상이면 슬리브(20)의 회전을 아이들링 속도로 감속하고 가열부(70)를 오프시키는 단계(S9); 및 상기 핀(10)과 슬리브(20) 및 고정자(60)를 상승시켜 마찰접합을 종료하는 단계(S10)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 피접합재(1)의 재질 및 치수를 선정하고 접합조건을 입력하는 단계(S1);에서 피접합재(1)가 하나 이상의 마그네슘합금판재이거나 또는 알루미늄합금판재로 이루어진다.

또한, 상기 슬리브(20)를 삽입하고 핀(10)을 상승시키는 단계(S5);에서 핀 상승량이 슬리브 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브(20)와 핀(10)의 축방향 이송속도를 제어하는 것이다.

상기 피접합재(1)의 접합부에 정압이 작용하여 접합부 자체의 마찰열이 발생하도록 핀 상승량이 슬리브 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브(20)와 핀(10)의 이송속도를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 슬리브의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀을 하강시키고 슬리브를 상승시키는 단계(S7);에서 슬리브 상승량이 핀 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브(20)와 핀(10)의 축방향 이송속도를 제어하는 것이다.

상기 핀 상승량의 체적과 슬리브 하강량의 체적의 차이를 제한하는 이유는 체적의 차이가 1% 미만이면 핀(10) 및 슬리브(20) 이송제어장치의 정밀도, 소재 표면의 조도 및 상부판재(1a)와 하부판재(1b)의 간극 등에 따라 접합부에 정압이 작용하지 않을 수 있기 때문이며, 반대로 체적의 차이가 10%를 초과하면 과도한 접합부 압력으로 핀(10) 및 슬리브(20)의 마모가 과대하여 수명이 짧아지거나 이송 제어기의 고장이 발생하거나 접합부의 외관 불량이 발생하기 때문이다.

한편, 상기 피접합재(1)를 고정자(60)의 가열부(70)를 가동시켜 가열하는 단계(S2);에서 가열부(70)의 가열온도가 30℃ 이상이고, 이 가열온도가 상기 상부판재 융점의 60% 범위인 것이다.

즉, 상기 가열부(70)의 가열온도가 30℃ 보다 작은 경우 급격한 소성유동의 완화효과가 없으며, 융점의 60%를 초과하는 경우 과도한 가열에 의한 재결정화, 접합부 변형, 핀(10) 혹은 슬리브(20)의 손상을 초래하기 때문이다.

또한, 상기 핀(10)과 슬리브(20) 및 고정자(60)를 상승시키는 단계(S10);에서 슬리브(20)의 회전속도가 1~100rpm 범위인 것이다.

상기 슬리브(20)의 회전속도가 1~100rpm 범위인 것이 바람직한 이유는, 아이들링 속도가 1rpm 미만이면 상기 슬리브(20), 핀(10) 혹은 고정자(60) 간에 소착이 발생할 수 있기 때문이며, 반대로 아이들링 속도가 100rpm을 초과하면 불필요한 에너지 소모 및 마모에 따른 기구의 수명이 단축되기 때문이다.

따라서, 접합의 주 작용에 슬리브를 사용하여 접합면적을 확대시킴과 아울러 피접합재를 국부적으로 가열하여 재료의 유동 영역 및 양을 조절함으로써 피접합재의 접합부에서 발생하는 급속한 소성유동을 방지할 수 있기 때문에 접합부의 강도가 향상된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

1 : 피접합재 1a : 상부판재
1b : 하부판재 2 : 지지대
10 : 핀 20 : 슬리브
30 : 축방향 직선이동부 40 : 핀 회전부
41 : 벨트 42 : 핀 구동모터
43 : 핀 베어링 50 : 슬리브 회전부
51 : 벨트 52 : 슬리브 구동모터
53 : 슬리브 베어링 60 : 고정자
61 : 완충부재 70 : 가열부
71 : 선상 발열체 72 : 절연재
73 : 단자 74 : 면상 발열체
75 : 전극 75a : 단자
80 : 제어부 81 : 온도제어기
90 : 단열층

Claims

피접합재를 접합하기 위해 피접합재 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 설치된 핀;
상기 핀의 외주면에 설치되어 피접합재 표면에 접촉되도록 축방향으로 직선이동 및 회전가능하게 작동되는 슬리브;
상기 핀과 슬리브의 축방향 직선이동을 위해 핀 상부에 연결설치되는 축방향 직선이동부;
상기 핀과 슬리브의 회전을 위해 핀과 슬리브에 각각 연결설치되는 핀 회전부 및 슬리브 회전부;
상기 슬리브의 외주면을 감싸도록 설치되어 피접합재 표면에 접촉되도록 고정되는 고정자; 및
상기 고정자의 하단에 설치되어 피접합재 표면에 온도를 가하면서 압착하는 가열부를
포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 슬리브는 하강 높이가 상기 피접합재 중 하부판재 표면을 기준으로 직상으로 하부판재 두께의 10% 이내에서 직하로 하부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 소재를 유동시키고, 상기 핀은 하강 높이가 상기 피접합재 중 상부판재 표면에서 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 접합홀을 채우는 구조의 마찰 점 접합장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 핀은 하강 높이가 상기 하부판재 표면을 기준으로 직상으로 하부판재 두께의 10% 이내에서 직하로 하부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 소재를 유동시키고, 상기 슬리브는 하강 높이가 상기 상부판재 표면에서 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내의 범위로 제어되어 접합홀을 채우는 구조의 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 축방향 직선이동부와 핀 회전부 및 슬리브 회전부에 전기적으로 연결되어 이들을 각각 제어하는 제어부를 더 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 가열부와 전기적으로 연결되어 가열부의 온도를 제어하는 온도제어기를 더 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 핀 회전부는 상기 핀의 상부에 연결설치된 벨트와, 상기 벨트에 연결되어 상기 핀에 회전력을 전달하는 핀 구동모터 및, 상기 핀의 외주면에 설치되어 핀의 회전을 가이드하는 핀 베어링을 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 6 항에 있어서,
상기 핀 회전부는 상기 핀의 상부에 체인 또는 기어 중 어느 하나가 연결설치된 구조의 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 슬리브 회전부는 상기 슬리브의 상부에 연결설치된 벨트와, 상기 벨트에 연결되어 상기 슬리브에 회전력을 전달하는 슬리브 구동모터 및, 상기 슬리브의 외주면에 설치되어 슬리브의 회전을 가이드하는 슬리브 베어링을 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 8 항에 있어서,
상기 슬리브 회전부는 상기 슬리브의 상부에 체인 또는 기어 중 어느 하나가 연결설치된 구조의 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자는 상기 가열부 사이에 개재되어 가열부를 탄력적으로 설치하는 완충부재를 더 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가열부는 피접합재 표면과 접촉되는 부위에 설치되어 가열부의 열이 상기 고정자 및 접합부를 제외한 피접합재로 전도되는 것을 막아주는 단열층을 더 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 11 항에 있어서,
상기 단열층은 상기 가열부의 하단을 차지하면서 피접합재에 접촉되는 부위의 면적이 가열부를 기준으로 95% 미만인 구조의 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자는 플라스틱과 철강, 스테인리스 강, 마그네슘합금, 알루미늄함금 및, 동합금 중 어느 하나를 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가열부는 탄소발열체와 니크롬선, 칸탈선 및, 실리콘 발열체 중 어느 하나를 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 11 항에 있어서,
상기 단열층은 석면과 유리섬유, 실리카, 펄라이트, 규석, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 크롬, 마그네시아 및 돌로마이트 중 어느 하나를 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가열부는 원주방향으로 배치되어 열을 발생시키는 선상 발열체와, 상기 선상 발열체의 외부를 감싸 가열부의 외측과 절연시키는 절연재 및, 상기 선상 발열체의 단부가 외부로 인출된 단자를 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가열부는 원주방향으로 배치되어 열을 발생시키는 면상 발열체와, 상기 면상 발열체의 외부를 감싸 가열부의 외측과 절연시키는 절연재, 상기 면상 발열체의 내외측에 설치되어 전류를 공급하는 전극 및, 상기 전극의 단부가 외부로 인출된 단자를 포함하는 마찰 점 접합장치.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 절연재는 운모와 석면, 유리섬유, 에폭시 및 에나멜 중 어느 하나를 포함하는 마찰 점 접합장치.
피접합재의 재질 및 치수를 선정하고 접합조건을 입력하는 단계(S1);
지지대에 설치되어 상부판재 및 하부판재로 이루어진 피접합재를 고정자의 가열부를 가동시켜 가열하는 단계(S2);
장치의 핀과 슬리브 및 고정자를 하강시켜 고정자가 피접합재의 상부판재에 접촉되어 가압하는 단계(S3);
상기 핀(혹은 슬리브) 및 슬리브(혹은 핀)를 회전시켜 상부판재에 마찰열을 발생시킴으로써 가열하는 단계(S4);
상기 슬리브(혹은 핀)를 삽입하고 핀(혹은 슬리브)을 상승시키는 단계(S5);
상기 슬리브의 삽입 깊이와 설정치를 비교하는 단계(S6);
상기 슬리브(혹은 핀)의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀(혹은 슬리브)을 상기 상부판재 표면 및 상부판재 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내까지 하강시키면서 슬리브(혹은 핀)를 상승시키는 단계(S7);
상기 슬리브와 핀의 높이를 비교하는 단계(S8);
상기 슬리브(혹은 핀)의 높이가 핀(혹은 슬리브) 높이 이상이면 슬리브의 회전을 아이들링 속도로 감속하고 가열부를 오프시키는 단계(S9); 및
상기 핀과 슬리브 및 고정자를 상승시켜 마찰접합을 종료하는 단계(S10)
를 포함하는 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 슬리브를 삽입하고 핀을 상승시키는 단계(S5)를 대신하여 핀을 상부판재 두께의 80% 이상 및 하부판재의 상부표면까지 삽입하면서 슬리브를 상승시키는 단계로 이루어지는 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 슬리브의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀을 상부판재 표면 및 상부판재 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내까지 하강시키면서 슬리브를 상승시키는 단계(S7)를 대신하여 핀의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 슬리브를 상부판재 표면 및 상부판재 표면 직하로 상부판재 두께의 10% 이내까지 하강시키면서 핀을 상승시키는 단계로 이루어지는 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 피접합재의 재질 및 치수를 선정하고 접합조건을 입력하는 단계(S1)에서 피접합재가 하나 이상의 마그네슘합금판재이거나 또는 알루미늄합금판재로 이루어진 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 슬리브(혹은 핀)를 삽입하고 핀(혹은 슬리브)을 상승시키는 단계(S5)에서 핀(혹은 슬리브) 상승량이 슬리브(혹은 핀) 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브와 핀의 축방향 이송속도를 제어하는 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 슬리브(혹은 핀)의 삽입 깊이가 설정치 이상이면 핀(혹은 슬리브)을 하강시키고 슬리브(혹은 핀)를 상승시키는 단계(S7)에서 슬리브(혹은 핀) 상승량이 핀(혹은 슬리브) 하강량 보다 1~10% 작게 유지되도록 슬리브와 핀의 축방향 이송속도를 제어하는 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 피접합재를 고정자의 가열부를 가동시켜 가열하는 단계(S2)에서 가열부의 가열온도가 30℃ 이상이고, 이 가열온도가 상기 상부판재 융점의 60% 범위인 마찰 점 접합방법.
제 19 항에 있어서,
상기 핀과 슬리브 및 고정자를 상승시키는 단계(S10)에서 슬리브의 회전속도가 1~100rpm 범위인 마찰 점 접합방법.