KR100486369B1 - 마찰교반접합방법및마찰교반접합장치 - Google Patents

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Abstract

MIG용접에서는 용접 전 처리의 벌림끝(beveling) 표면의 청정, 용접시의 왜곡 발생 방지의 압착, 용접후의 비드 마무리작업을 행하고 있다. 이들 작업은 각각의 다른 장소에서 행하고 있어, 넓은 장소와 많은 공정수를 필요로 하고 있다. 이 문제의 합리화를 행하는 것을 과제로 하고 있다.
자동 용접기의 용접 헤드(30)에 벌림끝(beveling) 표면의 청정 장치(40), 벌림끝(beveling) 위치를 검출하는 센서(50), 용접시에 워크(10)를 압착하는 장치(60), 용접 토치(55), 워크를 압착하는 장치(80), 용접 비드의 절삭 장치(90)를 용접 방향의 앞쪽에서부터 순서대로 설치한다. 압압 장치(60, 80)는 압착용 롤(62, 82)을 지지체에 접촉시켜 냉각하고 있다. 이에 의하면 용접부의 연마, 용접, 용접후의 비드 마무리를 1스트로크로 행할 수 있다.

Description

용접 방법 및 용접 장치
본 발명은 아크 용접이나 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)에 가장 적합한 용접 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
철도 차량의 차체와 같은 대형 구조물의 용접에는 워크 용접선의 양측을 압압하는 고정구로 꽉 눌러 용접하고 있다. 고정구의 가압 기구로서는 볼트 체결, 에어실린더, 에어호스에 고압 에어를 불어 넣는 방법 등이 있다. 이와 같은 것은 다음 문헌에 나타나 있다. 「현대 용접기술 대계《제 36권》쉬운 자동·반자동 용접·티그용접」산보 소화 55년 1월 23일 pp.248 ~ 249.
또한 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)이란 회전하는 접합용 공구를 사용하여 워크를 접합하는 것이다. 접합용의 공구는 대경(大徑)의 둥근 봉(丸棒)의 선단에 소경(小徑)의 둥근 봉을 가지고, 소경부를 워크에 삽입하여 공구를 회전시키고, 회전시키면서 접합선을 따라 이동시켜 고상 접합하는 것이다. 이것은 일본국 특개평 7-505090호 공보(WO 93/10935), Welding & metal Fabrication, January 1995 pp.13-16, 특원평 8-322490호에 나타나 있다.
알루미늄 합금 등의 용접은 벌림끝(beveling) 표면의 청정도가 용접 품질에 큰 영향을 미치기 때문에 스테인레스강제의 와이어 휠 등으로 연마하여 청정하게 하고 있다. 또 용접 비드의 덧살을 제거할 필요가 있는 경우는 그라인더 등으로 삭제하고 있다. 이와 같은 용접의 부대 작업이 있기 때문에 넓은 작업 장소와 많을 작업 공정수를 필요로 하고 있다.
또 용접 아크열에 의해 워크가 가열되고 팽창하여 변형되어 벌림끝(beveling)에 오차가 생기는 것을 방지하기 위하여 고정구로 워크를 압착하여 구속하고, 용접하고 있다(상기 최초의 문헌과 같음). 워크가 큰 경우에는 대규모의 설비가 되어 다액의 설비비가 필요하다.
또 용접 입열에 의하여 왜곡이 발생한다. 왜곡의 발생량이 허용량을 초과한 경우는 후행정에서 왜곡 수정을 행하고 있다.
본 발명은 저렴하게 용접을 행할 수 있게 하는 데 있다.
상기 목적은 적어도 벌림끝부(beveling)의 연마와 용접, 용접과 덧살의 절삭을 실질적으로 동시에 행하도록 함으로써 달성할 수 있다.
(실시예)
본 발명의 일실시예를 도 1 내지 도 5에 의하여 설명한다. 이 실시예는 철도 차량의 차체의 지붕 구조체의 용접장치이다. 워크(10)는 알루미늄 합금의 압출형 재이며, 차체의 길이 방향을 향하여 배치되고, 복수개를 병렬로 배치하고 있다. 워크(10)끼리는 맞대기 용접할 수 있도록 맞대어지고, 벌림끝(beveling)이 있다. 워크는 가대의 뒷받침 시이트(15)에 고정되어 있다. 또 워크(10)끼리는 용접부(13)를 적절히 가고정 용접되어 있다. 워크(10, 10)를 걸터 탄 문형 형상의 용접 장치(20)가 길이 방향으로 부설한 주행 레일(29) 상을 주행하여 용접 헤드(30)로 벌림끝(beveling) 표면의 연마 청정, 아크 용접 및 용접 비드의 덧살 삭제를 용접 장치(20)의 1행정으로 시공한다. 용접 헤드(30)는 용접선의 수만큼 있다. 뒷받침 시이트(15)는 워크(10, 10…)가 정규의 마무리상태가 되도록 구성하고 있다.
용접 헤드(30)는 용접 장치(20)의 거어더(21)를 거어더 길이방향으로 이동할 수 있음과 동시에 승강할 수 있다. 용접 헤드(30)는 각각 단독으로 상기 이동, 승강이 가능하다.
용접 헤드(30)는 용접 진행 방향의 앞쪽으로부터 순서대로 벌림끝(beveling) 표면의 피막이나 오염을 연마 제거하여 청정하게 하기 위한 연마 장치(40), 연마에 의하여 발생한 찌꺼기를 흡인하여 제거하기 위한 흡인구(47), 벌림끝(beveling)의 위치를 검출하는 센서(50), 용접부의 압압장치(60), 용접 토치(55), 용접부의 압착 장치(80), 용접 비드의 덧살을 절삭하는 절삭장치(90), 절삭 찌꺼기를 흡인하기 위한 흡인구(97)를 설치하고 있다.
이들은 시이트(31)에 설치되어 있다. 기둥(32)을 승강시켜 워크(10)에 대한 위치를 결정한다. 센서(50)에 의하여 워크의 벌림끝(beveling)을 검출하여 토치(70)가 소정위치에 위치하도록 시이트(31)를 워크(10)의 폭방향으로 이동시킨다.
연마 장치(40)는 와이어휠(42), 그것을 회전시키는 공기 모터 등으로 이루어진다. 공기모터(43)의 회전에 의하여 베벨기어(44), 평기어(45, 46)가 회전하여 와이어휠(42)이 회전한다. 연마 장치(40)의 시이트(41)는 승강 장치(48)에 의하여 승강한다. 승강 장치(48)는 나사봉과 너트로 이루어지고, 핸들(48a)을 회전시킴으로써 승강한다.
와이어휠(8)은 와이어선 지름 0.15 ~ 0.25mm의 스테인레스강선을 방사상으로 심어 넣은 것이다. 벌림끝(beveling) 표면을 연마하여 발생한 표면의 피막 찌꺼기나 오염의 연마 찌꺼기는 와이어휠(42)의 후부에 설치한 흡인구(47)에서 흡인된다.
센서(50)는 레이저광을 벌림끝(beveling)에 조사하고, 그 화상을 CCD카메라로 촬영하여 용접 토치(55)와 벌림끝(beveling)의 위치를 항상 일정 거리로 자동 추종시키는 것이다.
압착장치(60, 80)는 워크(10)를 뒷받침 시이트(15)에 압착하는(가압) 것이다. 압착 장치(60)는 용접 토치(55)의 아크로 가열된 워크(10)가 팽창하여 변형되어 벌림끝(beveling)에 오차를 일으키는 것을 방지한다. 압착 장치(60, 80)에 의한 가압은 에어 실린더(61, 81)로 행한다. 워크(10)에의 용접은 압착 장치(60, 80)의 롤(62, 82)이다.
워크의 압압효과는 용접의 용융지에 접근할수록 크다. 그러나 롤을 용융지에 접근시키면, 아크열로 롤(62, 82)이 고온으로 과열되어 단시간에 열화하기 때문에 롤(62, 82)의 냉각 기구를 설치하고 있다.
압착 장치(60)의 롤(62)은 복수개 있으며, 모든 롤(62, 62)의 양측을 이음판(63)으로 핀(64)을 개재하여 연결하고, 무한벨트로 구성하고 있다. 이 무한벨트는 지지 시이트(65)에 지지되어 있다. 지지 시이트(65)는 롤(62)의 축방향으로 2분할 되어 있다. 링형상의 무한벨트의 내부에 접촉하는 볼록부(65a)를 가진다. 롤(62)을 워크(10)에 압착함으로써 아래쪽 롤(62)의 상면이 볼록부(65a)에 접촉한다. 볼록부(65a)보다도 위쪽 롤(62)의 하면은 볼록부(65a)의 상면에 접촉한다. 지지 시이트(65)에는 냉각수의 통로(66)를 마련하고 있다. 볼록부(65a)에도 냉각수 통로(66)를 마련하면 좋다.
롤(62)은 좌우의 워크(10, 10)를 압착한다. 롤(62)은 복수개 있고, 항상 복수의 롤(62)이 워크(10)에 접촉하고 있도록 하고 있다. 롤(62), 지지 시이트(65), 간막이판(69)의 재질은 열전도가 크고 경도도 높은 동합금이다.
용접 헤드(30)를 워크(10)를 따라 이동시키면, 롤(62)의 무한벨트가 회전한다. 이때, 롤(62)은 냉각된 지지 시이트(65)에 접촉하여 냉각된다.
볼록부(65a)와 볼록부(65a) 간에는 간막이판(69)을 배치하고 있다. 간막이판(66)의 바깥 둘레 가장자리가 롤(62) 중앙부의 오목부에 들어가 있다. 이로써 롤(62)의 위치 결정을 행한다. 두 개의 지지 시이트(65, 65)는 복수의 볼트·너트(68)에 의하여 일체로 체결하고 있다.
롤(62)에 의한 워크(10)의 가압력의 조정은 에어실린더(61)의 에어압력을 가감하여 행한다.
용접 토치(55)의 뒤쪽의 압착 장치(80)는 워크(10) 전체가 뒷받침 시이트(15)로부터 부상하는 것을 방지하는 것이다. 이를 위하여 용접 토치(55)의 앞쪽의 압착 장치(60)만큼 용접 토치(55)에 접근하여 설치할 필요는 없다. 그러나 이 경우에도 롤(82)이 고온으로 가열되기 때문에 냉각할 필요가 있다. 롤(82)은 그 축방향의 중앙부에 용접 비드와의 접촉을 방지하기 위한 오목부를 마련하고 있다. 롤(82)은 좌우의 워크(10, 10)를 압착한다. 롤(82)은 통부의 끝부에 플랜지를 가지는 열전도체(83)를 개재하여 핀(84)을 지지 시이트(85)의 플랜지(85a)에 회전 자유롭게 설치되어 있다. 핀(84)은 나사(87)로 플랜지(85a)에 고정하고 있다. 지지 시이트(85)는 냉각수의 통로(86)에 물을 통과시킴으로써 냉각되고 있다. 열전도체(83)는 좌우로 이분할되고, 그 플랜지는 롤(82) 및 지지 시이트(85)의 플랜지에 접촉하고 있다. 롤(82), 열전도체(83), 지지 시이트(85), 핀(84)의 재질은 열전도가 크고 경도도 높은 동합금이다.
롤(82)에 의한 워크(10)의 가압력의 조정은 에어 실린더(81)의 에어 압력을 가감하여 행한다.
절삭 장치(90)는 엔드밀(92), 이것을 회전시키는 전동기(93)로 이루어진다. 절삭 장치(90)는 에어 실린더(81)에 의하여 승강한다. 이 때문에 절삭 장치(90)는 압압 장치(80)의 근방에 설치하고 있다.
흡인구(47, 97)는 호스를 개재하여 진공장치에 연결되어 있다. 압착 장치(60, 80)의 물통로(66, 86)에는 왕복의 물 호스가 접속되어 있다. 이들 호스는 위쪽의 거어더 등으로 지탱되고 있다.
이와 같은 구성에 있어서, 워크(10, 10)를 뒷받침 시이트(15)에 고정한 후, 연마 장치(40), 압착 장치(60, 80), 절삭 장치(90)의 높이를 세트하고, 각각을 구동 상태로 용접선을 따라 상류로부터 하류를 향하여 용접 헤드(30)를 이동시킨다.
연마 장치(40)의 와이어휠(42)은 벌림끝(beveling)을 연마하고, 그 연마 찌꺼기는 노즐(47)로부터 빨아 들인다. 압착 장치(60, 80)의 롤러(62, 82)는 벌림끝(beveling)의 근처를 압착한다. 입열한 열은 지지 시이트(65, 85)에 롤(62, 82)이 접촉함으로써 빼앗긴다. 용접 비드(덧살)는 절삭 장치(90)의 엔드밀(92)의 하단부에서 절삭된다. 그 절삭 찌꺼기는 노즐(97)로 흡인된다.
이와 같이 용접 헤드(30)의 1행정의 이동으로 연마, 용접, 절삭을 행할 수 있는 것이다. 또 장치를 작게 할 수 있어, 필요한 장소를 작게 할 수 있는 것이다.
압착 장치(60, 80)의 롤(62, 82)은 그 지지 시이트(65, 85)에의 접촉에 의하여 강제적으로 냉각된다. 이 때문에 종래와 같은 롤러의 회전 불능에 의하여 압착이 불충분하게 되는 일이 없고, 용접부의 워크(10, 10)의 단차(층차)가 발생하는 일이 없는 것이다. 또 엔드밀(92)의 하단 위치도 일정하게 되는 것이다.
용접 토치(55)는 용접 헤드(30)의 이동 방향의 앞쪽을 향하고 있기 때문에 앞쪽의 압착 장치(60)의 쪽이 고온이 된다. 이 압착 장치(60)의 롤(62)은 무한벨트로 설치함으로써 지지 시이트(65)와의 접촉 시간을 길게 하고 있다. 이 때문에 압착 장치(80)에 비하여 롤(62)은 잘 냉각되게 된다.
센서(50)는 벌림끝(beveling)의 높이 위치를 검출하여 기둥(32)을 승강시킨다. 또 압착 장치(60, 80), 절삭 장치(90)를 승강시키는 에어 실린더(61, 81)는 소정압으로 밀어 내리도록 되어 있어, 워크측으로부터의 반력에 의하여 약간 상하 이동할 수 있다.
절삭 장치(90)의 절삭 수단은 엔드밀(92)이다. 이 때문에 절삭 장치를 소형으로 매우 저렴하게 할 수 있는 것이다. 또한 절삭 장치(90)에 의한 기계 절삭에서는 지나친 절삭을 방지하기 위하여 워크(10)의 상면보다도 약간 위쪽을 절삭한다. 용접헤드(30)에 의한 절삭후, 그라인더에 의한 수작업으로 워크의 상면과 면이 동일하게 마무리한다. 절삭 장치(90)에 의한 절삭이 불필요한 경우는 엔드밀(92)을 제거한다.
아크 용접에 의한 용접 왜곡의 발생이 용접 직후에 덧살을 삭제함으로써 경감할 수 있다. 용접후 완전하게 냉각(실온 상태)한 후에 덧살을 그라인더로 삭제했을 경우와, 용접 직후에 고온에서 덧살을 엔드밀(92)로 삭제한 경우의 왜곡 발생량을 도 6의 워크의 예에서 나타낸다. 재질 : A5083P-0, 판두께 : 4mm, 폭 : 150mm, 길이 : 1000mm의 워크를 MIG용접으로 용접 전류 : 180A, 아크 전압 : 22V, 용접 속도 : 50cm/분, 용접 와이어 지름 : 1.2mm로 자동 용접을 행하였다. 왜곡량(δ)은 전자가 약 9mm이고, 후자가 약 7mm가 되었다. 또한 엔드밀(92)의 위치는 약 300℃의 위치이다.
롤(62, 82)이 워크(10)의 상면을 전동함으로써 에어 실린더(61. 82)는 굽힘력을 받는다. 이 때문에 에어 실린더(62, 82)와 지지 시이트(65, 85) 간에 직선형상의 안내 장치를 마련하면 좋다.
상기 실시예는 아크 용접의 경우였으나, 마찰 교반 용접에도 적용할 수 있는 것이다. 이 경우는 고상 접합이기 때문에 아크 용접 정도로는 고온이 되지 않는다. 압착 장치(60, 80)의 강제 냉각 수단은 필요에 따라 설치한다. 연마 장치(40), 절삭 장치(90)는 동일하게 적용할 수 있다.
또한 마찰 교반 용접을 도 7에 의하여 설명한다. 워크(11)의 끝부에는 외면측(즉 마찰 교반 용접의 공구(100)측)으로 돌출하는 돌출부(11a)를 가지고 있다.
두께가 두꺼운 부(11a)는 워크(11)의 내측으로 감에 따라 경사져 있다. 워크(11)의 끝부는 수직이다. 이 두 개의 워크(11, 11)를 맞대고 있다. 공구(100)는 대경의 둥근 봉(101)과 그 선단의 소경의 둥근 봉(102)으로 이루어진다. 공구를 회전시키면서 소경부(102)를 맞댐부에 넣고, 접합선을 따라 이동시킨다. 대경부의 하단, 즉 소경부(102)와 대경부(101)의 경계는 워크(11)의 판부(11b, 11b)의 상면보다도 외측에 있고 돌출부(11a, 11a)의 내부에 위치하고 있다.
예를 들어 두 개의 워크(11, 11) 간에 간극이 있으면, 마찰 교반 용접시에, 이 간극을 메운다. 이 때문에 오목부가 생긴다. 또 상기 경계에 의하여 워크(11, 11)의 일부는 잘라 내어진다. 이로써 워크(11)의 면을 평활하게 마무리하기 위해서는 덧살의 상태[돌출부(11a) 부착]에서 용접(접합)을 행하고, 그후 상기 덧살을 절삭하면 된다.
본 발명에 의하면, 저렴하게 용접을 행할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 용접 헤드의 측면도,
도 2는 도 1의 용접 헤드를 구비한 용접 장치의 전체 사시도,
도 3은 도 1의 용접 헤드의 용접부 압착장치의 확대 측면도,
도 4는 도 3의 종단면도,
도 5는 도 1의 용접 헤드의 압착 장치의 종단면도,
도 6는 용접 왜곡을 설명하기 위한 워크의 전체도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 용접부의 종단면도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 11 : 워크 15 : 뒷받침 시이트
20 : 용접 장치 30 : 용접 헤드
40 : 연마 장치 42 : 와이어 휠
47, 97 : 흡인구 50 : 센서
55 : 용접 토치 60, 80 : 압착 장치
62, 82 : 롤 92 : 엔드밀
100 : 회전 공구

Claims (2)

  1. 한쌍의 워크의 끝부를 맞대고, 상기 맞댄 끝부의 각각은 상기 워크의 두께방향으로 돌출하는 돌출부를 가지고 있고,
    상기 돌출부쪽으로부터 상기 맞댄 부분에 회전공구를 삽입하여 마찰교반용접을 행하며,
    상기 마찰교반용접을 행하면서, 각각의 상기 돌출부를 엔드밀로 절삭하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접방법.
  2. 주행하는 장치에, 이동방향의 전단측으로부터 순차적으로, 한쌍의 워크의 맞댐부에 삽입하여 마찰교반용접을 행하기 위한 회전공구, 상기 맞댐부의 돌출부를 절삭하는 엔드밀을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접장치.
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