KR100492835B1 - 마찰교반용접공구및방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 반경방향 절삭날(32)을 갖는 부착가능 절삭 공구(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 부재를 갖는 마찰 교반 용접 공구에 관한 것이다. 절삭 공구의 제1 실시예는 하부 단부 절삭날을 갖는 하나 이상의 절삭 인서트(42)와, 같은 수의 인서트 결합 홈(44)과, 결합된 인서트와 회전 부재 주위에 밀접하게 결합되는 크기의 칼라(46)와, 절삭 인서트(42)를 부재(38)에 고정하는 칼라 부착 장치와, 절삭 인서트(42)를 부재(38)에 고착하는 다수의 세트 스크루(48)를 포함한다. 절삭 공구의 제2실시예는 하부 단부 절삭날을 갖는 절삭 인서트 홀더(60)와, 회전 부재를 통해 연장되고 회전 부재 회전축(64)으로부터 각도로 이격 지향된 인서트 홀더 구멍(62)과, 회전 부재(38)에 형성된 반경 방향 나사 구멍(66)과, 절삭 인서트 홀더에 대해 가압되도록 반경방향 구멍으로 회전되는 단일 스크루 패스너(68)를 포함한다. 절삭 공구의 제3 실시예는 회전 부재(38)로부터 반경방향으로 연장되는 하나 이상의 탭(80)을 포함한다. 모서리 절삭 인서트(70)가 각 탭의 하부 단부에 제거가능하게 부착된다. 모서리 절삭 인서트(70)는 절삭날로서 작용하는 하나 이상의 모서리(72)를 포함한다. 또한 향상된 마찰 교반 용접 방법이 절삭날을 갖는 절삭 공구를 종래의 마찰 교반 용접 공구에 부착하는 단계와, 재료가 절삭날에 들어붙지 않고 절삭 공구가 과잉 용접 재료를 절삭해내게 허용하도록 절삭 날 표면을 신속히 냉각하기 위해 용접부가 형성될 때 절삭날에 액체를 공급하는 단계를 포함한다.

Description

마찰 교반 용접 공구 및 방법
본 발명은 마찰 용접에 관한 것이고, 더 자세하게는 마찰 교반 용접부를 기계가공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
마찰 교반 용접(friction stir welding, FSW)은 영국 캠브리지의 용접 연구소(The Welding Institute, TWI)에 의해 발명되고 특허된 비교적 새로운 용접 공정이다. 이 공정 및 이 공정을 수행하는 장치에 대한 상세한 설명은 특허 WO93/10935, 미국 특허 제5,460,317호 및 WO 95/26254호에서 찾아볼 수 있다. FSW 공정에서 비소모 회전 공구가 맞대기 접합부(butt joint)를 따라 금속을 "교반(stir)"하기 위해 사용된다. 이는 접합부의 각 측면으로부터 금속의 완전한 상호 혼합(co-mingling)을 초래한다.
용접부를 형성한 후, 용접부의 상부면은 매끄러운 접합부 외부면을 필요로 하는 적용분야(예를 들어 피로 하중 부품, 공기역학적 면, 정밀 접촉 대응부 등)에서 반드시 기계가공되어야 한다. 또한 용접 조인트의 금, 균열 등을 조사하기 위해서는 용접 조인트의 기계가공이 유용하다. FSW가 현재 종래의 밀링 머신 상에서 수행되므로 용접부를 제2 통과 작업(second-pass operation)으로서 기계가공하는 것이 가능하다. 그러나, 기계가공된 면을 필요로 하지 않는 적용분야에 비해 완성된 제품을 생산하는데 2배의 시간과 노력이 요구되므로 이는 공정의 경비를 현저히 증가시킨다.
또한 미래의 FSW 기기는 특정 목적의 용접을 위해 개량되기 때문에 밀링 머신과는 덜 유사하게 될 것으로 예측된다. 이 경우 용접을 수행한 동일한 기기로 용접면을 기계가공하기 어려워진다. 이는 부가적인 공구 경비의 발생을 의미하며, 로드- 언로드 시간이 전체 공정에 추가된다.
그러므로 제2 통과 작업을 수행하지 않고 또는 제2 기계를 사용하지 않고 마찰 교반 용접의 표면을 기계가공하는 장치 및 방법이 요구된다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시키고자 한다.
본 발명의 청구범위 제1항에 의하면, 하나 이상의 반경방향의 절삭날을 갖는 절삭 공구를 포함하는 마찰 교반 용접 공구가 제공된다. 절삭 공구는 용접부가 발생될 때 향상된 용접 공구가 용접부를 기계가공하도록 하나 이상의 지지기구를 통해 종래의 병진 이동 마찰 교반 용접 공구에 부착된다. 양호한 절삭 공구는 마찰 교반 용접 회전 부재에 부착된 절삭 인서트와 같은 하나 이상의 탈착가능한 지지 기구를 포함한다. 각 지지 기구는 그에 일체로 또는 부착가능하게 형성된 절삭날을 갖는 하부 단부를 포함한다. 양호한 절삭날은 회전 부재로부터 해제 가능하다. 부재가 회전함에 따라 절삭날도 또한 회전하여 탐침과 회전 부재로부터 교란된 재료를 제거한다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 절삭 공구의 제1 실시예가 일체로 형성된 하부 단부 절삭날을 갖는 하나 이상의 절삭날과, 회전 부재에 형성된 같은 수의 수직 지향 인서트 결함 홈과, 결합된 인서트에 의해 회전 부재 위로 밀접하게 결합하는 크기의 칼라와, 절삭 인서트를 회전 부재에 고정하는 다수의 세트 스크류를 포함한다. 칼라는 절삭 인서트 및 홈의 장소들에 대응하는 장소에 위치된 다양한 반경 방향의 나사 구멍들을 포함할 수 있다. 구멍들은 절삭 인서트를 가압하는 세트 스크류의 결합을 위한 것이고 사용중 절삭 인서트가 이동하는 것을 방지한다. 양호한 칼라는 각 절삭 인서트에 인접 위치된 내부 절취부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 절삭 공구의 제2 실시예는 부재 회전축으로부터 각도로 멀리 지향된 방향으로 회전 부재를 통해 연장되는 인서트 홀더 구멍과, 인서트 홀더 구멍 내로 삽입가능한 절삭 인서트 홀더와, 회전 부재에 형성된 반경 방향의 나사 구멍과, 절삭 인서트 홀더를 가압하여 이를 제 위치에 보유하도록 반경 방향의 구멍 내로 나사 체결되는 단일 스크류를 포함한다. 절삭 인서트 홀더는 그 하부 단부에 제거가능하게 부착된 모를 이룬 절삭 인서트를 포함한다. 모를 이룬 절삭 인서트는 절삭날의 기능을 갖는 하나 이상의 연장된 모서리를 갖는다. 한 모서리가 무디어지면, 모를 이룬 절삭 인서트는 회전되어 새 모서리가 절삭날로 사용될 수 있게 한다. 모를 이룬 절삭 인서트를 절삭 인서트 홀더에 고정하는 수단이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 절삭 공구의 제3 실시예가 회전 부재의 하부 단부로부터 반경 방향으로 연장되는 하나 이상의 탭을 포함한다. 탭은 종래의 방법 예를 들어 용접, 주조 등에 의해 회전 부재에 일체로 부착될 수 있다. 모를 이룬 절삭 인서트가 모서리가 탭의 최하지점보다 낮게 연장되도록 각 탭에 제거가능하게 부착된다. 모서리는 회전 부재와 함께 회전할 때 용접부 표면으로부터 부스러기를 제거한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 절삭날은 바람직하게는 회전 부재 견부에 대해 대략 0.051 내지 0.25 mm (0.002 내지 0.010 inch)의 깊이로 회전 부재의 외주연 가까이에 그리고 회전 부재 및 또는 부재의 하부면의 외측으로 약 1.27 내지 2.54 mm (0.050 내지 0.100 inch)의 거리로 위치된다. 가능한 경우 각 절삭날은 회전 부재의 회전 이동에 대해 각 지지부의 선행날에 위치된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 본원 청구범위 제14항에 따른 마찰 교반 용접 방법이 개시되어 있으며, 절삭날을 갖는 절삭 공구를 종래의 마찰 교반 용접 공구에 부착하는 단계와, 용접 재료가 절삭 공구에 들어붙는 것을 방지하기 위해 절삭 공구를 신속히 냉각하도록 용접부가 형성될 때 절삭날에 물을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 양호한 방법은 물을 대략 상온(예를 들어 10 내지 30。 C)에서 물-공기 분무 혼합물의 형태로 분당 약 0.04 내지 0.4 1 (0.01 내지 0.10 gallon)의 양으로 제공하는 단계를 포함한다. 물은 가압되어 공급될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 회전 부재는 그 대응 절삭 공구 및 탐침과 함께 선형 탐침 이동의 방향에 대해 약간 후방으로(aftward) 각도를 이룬다.
본 발명의 전술한 양태 및 많은 부수적 장점은 첨부 도면과 관련된 이하의 상세한 설명으로부터 잘 이해될 수 있다.
이하의 설명은 처음에 전술한 특허에 개시된 마찰 교반 용접 방법과 장치를 설명한다. 마찰 교반 용접 공구 및 기법이 특허 WO93/10935, 미국 특허 제 5,460,317호 및 WO 95/26254호에 개시되어 있다. 본 발명의 개선된 절삭 공구 장치 및 방법의 설명이 이어진다.
마찰 교반 용접
공작물들을 함께 접합하기 위한 마찰 교반 용접 기법은 그 사이에 접합 영역을 발생시키고, 공작물 재료보다 경질의 재료인 탐침을 접합 영역 및 접합 영역의 어느 한쪽에서 공작물의 하나 또는 양 대향부에 진입하게 하는 동시에 탐침 및 공작물 사이의 상대적 주기적 운동을 일으켜 마찰열이 발생되어져 대향 부분들이 소성화된 상태를 취하게 하는 단계와, 탐침을 접합 영역을 따라 병진이동시킴 등에 의해 탐침을 제거하는 단계와, 소성화된 부분들이 고화되어 공작물들을 함께 접합시키도록 허용하는 단계를 포함한다. 이 기법은 다양한 공작물들이 접합될 수 있게 한다. 공작물 재료는 금속, 합금 또는 금속 매트릭스 복합물(metal matrix composite, MMC)과 같은 복합 재료 또는 열가소성 플라스틱과 같은 적절한 플라스틱 재료를 포함한다.
본 발명의 절삭 공구는 회전 비소모성 탐침을 포함하는 사실상 어느 마찰 교반 용접 공구에나 사용가능하다. 도1을 보면, 이같은 공구가 사시도로 도시되어 있다. 한쌍의 공작물 또는 판(1A, 1B)(예를 들어, 알루미늄 합금판)이 접합부(2)를 따라 함께 맞대어진다. 상부 및 하부 회전 부재(5, 6) 사이에 위치된 좁은 중심 원통형 첨단부(4)를 갖는 비소모성 탐침(3)(예를 들어, 강 탐침)이 접합부(2)의 일단부의 시작 지점에 위치된다. 각 부재의 근접 단부는 견부(10)과 면(11)을 포함한다. 공작물들은 용접중 서로를 향해 수직으로 가압되는 것이 아니고, 탐침의 통과중 접합 영역으로부터 멀어지는 이동에 대해서만 단순히 제한을 받는다.
탐침(3)을 갖는 회전 부재(5)는 모터(7)에 의해 회전되는 동시에, 탐침 및 회전 부재의 조합이 접합부(2)를 따라 방향(8)으로 횡단되고, 판들은 탐침(3)으로부터 멀어지는 횡방향 이동에 대해 고정된다. 회전하는 탐침(3)은 부재(5, 6)에 의해 상부 및 하부 제한이 제공되는 동안 마찰열과, 강 첨단부(4) 주위로 고도로 소성화된 재료의 국소 영역을 발생시킨다. 탐침의 이동 또는 완전 통과시 이 소성화된 교반 구역은 즉시 합체되고 고화된다. 냉각시 소성화된 재료는 공작물(1A, 1B)을 함께 결합시킨다. 본 방법은 종종 접합되는 재료의 통상적 용융점 아래의 혼합 온도에서 일반적으로 2개의 맞대어진 면들의 혼합을 초래한다. 회전 부재(5)를 탐침 이동의 선형 방향에 대해 약간 후방으로 기울이는 것이 바람직하다. 탐침의 경사는 견부와 면의 일부분을 접합면과 접촉하게 하는 데 조력하고, 이는 영역을 소성화하는 것에 부가적으로 조력한다. 또한 부재(5, 6)는 면과 견부가 소성화 구역으로부터 재료의 손실 방지에 조력하도록 접합부에 밀착 조립된다.
대신에, 상부 및 하부 부재(5, 6) 및 탐침(3)은 도2A에 도시된 바와 같이, 단일 회전 부재 또는 보빈(bobbin)으로 제조될 수 있다. 통상적으로 약 3.3 mm의 양호한 사전 설정 틈이 면(5A 및 6A) 사이에 제공된다. 도2B에 도시된 바와 같이, 보빈은 예를 들어 코터 핀(9)에 의해 함께 고정되는 2개의 부재(5, 6')로 탈착가능하게 될 수 있다. 이 배열에서 접합될 맞대기 판에 내부 부재(6')의 직경에 대응하는 구멍을 천공하고, 보빈의 2개 부재(5, 6')가 회전하기 전에 판에 견고하게 함께 위치되는 것이 편리하다. 또한 틈은 접합될 시트의 두께의 공칭값으로부터의 변동을 허용하기 위해 (도시되지 않은) 적절한 캠 레버 또는 편심부에 의해 짧은 거리로 조정가능하게 만들어질 수 있다. 다시 보빈의 구성 부재들은 적절하게 스프링 로드되어 서로를 향해 편의되어 시트 두께의 작은 변동에도 불구하고 밀착 맞춤이 유지되게 할 수 있다.
전술한 각 방법에서 접합될 맞대기 시트에서 구멍을 미리 천공하는 것을 피하기 위해 적절한 런온(run-on, 12) 및 런오프(run-off, 14) 연장부가 사용될 수 있다. 이 연장부 또는 단부 탭은 나중에 잘라낼 수 있는 용접 시임을 따른 시작 및 정지 지점을 제공한다. 유사하게 접합될 판들의 조성과 유사한 재료의 워셔형 부품의 조각이 회전 부재의 핀 주위에 고정되고 접합될 시트의 시작 모서리에 대해 가압될 수 있다. 소성화 재료가 형성됨에 따라, 재료가 빠져나갈 최소 공간이 있으며, 균일한 구역이 접합될 시임의 길이 전체에 걸쳐 형성된다.
보빈의 맞대기면(5A, 6A)의 견부는 사실상 정사각형으로 기계가공될 수 있으나, 바람직하게는 모따기가 제공된다(도2A 참조). 사용시 상부 및 하부 면들이 접합될 재료와 양호한 접촉 상태인지 여부는 면의 직경에 폭으로 대응하는 가시적인 교반 구역에 의해 관찰될 수 있다. 대안으로서, 특히 스프링 로드 형태에서, 면들은 0.1 m 또는 그 이상의 크기의 반경으로 약간 반구형으로 형성되어 인가된 스프링 로드에 대응하는 접촉 구역이 충분한 폭으로 발생되게 할 수 있다. 바람직하게는 이 접촉 구역의 폭은 탐침에 의해 발생되는 소성화 재료의 직경보다 적어도 50% 이상 커야 한다.
전술한 적절한 보빈으로, 회전 부재는 (도시되지 않은) 스플라인을 통해 접합부(2)를 따라 당겨질 수 있어 접합되어질 재료의 표면 형상에 따라 부재가 부유하게 한다. 적절한 지그에 지지된 미리 가공된 공작물로 인해 부유 부재는 필요치 않으며 미리 설정된 보빈이 사용가능하다.
한 예에서 전술한 2개의 부재의 보빈을 사용하여 마찰 교반 용접 기법이 공칭 두께 3.2 mm의 알루미늄 실리콘 마그네슘 합금(BS6082)을 성공적으로 접합하는데 사용되었다. 열영향 구역의 전체 폭은 사용된 모따기된 보빈의 접촉 구역에 대응하여 약 9 mm이었다. 이러한 예에서, 6 mm 직경의 탐침이 1500 rpm(약 0.47m/sec의 주연 속도)으로 회전되고 분당 370 mm로 접합부를 따라 이동되었다. 보빈의 접촉면들이 회전 핀과 대응소성화 구역에 의해 제공된 열과 열입력에 기여하였음을 알 것이다. 낮은 회전률에서 이동률은 바람직하게는 예를 들어 약 800 rpm으로 감소되고, 적절한 이동 속도는 분당 약 190 mm이다. 과도한 이동 속도는 틈의 발생 또는 소성화 재료의 합체의 부족을 초래한다.
도4에 도시된 바와 같이, 소성화 재료는 회전 탐침 주위로 휩쓸어져 틈이 발생한다 해도 회전 면이 접합부(선행 모서리)를 따른 이동과 동일한 방향으로 이동하는 쪽에서 형성되는 경향을 갖도록 한다. 다른 영역의 접합 구역을 소성화 재료로 채우는 완전 합체를, 특히 회전면이 재료를 통한 보빈의 이동 방향에 대항하는 곳(종단 모서리)에서 얻는 것에 어려움이 거의 없는 것으로 보인다.
도5A 및 도5B에 도시된 마찰 교반 용접의 제2 방법에서, 비소모성 부재는 판(1A, 1B)들에 대해 가압되고 그 사이에 삽입되나 접합되는 재료의 두께를 통해 완전히 연장되지는 않는 약간 테이퍼형의 원통형 탐침(18)을 그 선행 단부에 갖는다. 하부 부재는 필요치 않으며, 이는 탐침이 실제로 판의 전체 두께를 통해 연장하지 않기 때문이다. 회전 부재를 탐침과 함께 선형 탐침 이동 방향에 대해 약간 후방으로 기울이는 것이 바람직하다. 맞대기 용접 작업후의 판들의 상부면의 외관이 도5A 및 도5C에 도시되어 있다.
모든 경우에 탐침의 형상이 중요하다. (도6A의) 원추형의 뾰족한 탐침은 탐침이 판에 진입하는 것을 비교적 용이하게 하나 탐침의 정점 가까이의 소성화 구역을 좁게 한다. 도6B의 절두 원추형의 탐침은 미리-천공된 만입부가 접합될 맞대기 시트에 형성될 때 가장 잘 작용한다. 바람직하게는, 탐침은 도6C에 도시된 바와 같이 무딘 코를 갖는 약간 테이퍼형의 원통형이다. 이 형상은 탐침이 시트에 대해 가압될 수 있게 하여 탐침이 그 자체를 판 내로 삽입되게 하여 전술한 바와 같이 접합 시임을 따라 이동하는 탐침 주위에 소성화 구역을 형성하게 한다.
도5A 내지 도5C에 도시된 방법에 의해 만들어진 6 mm 두께의 알루미늄 합금 판들 사이의 접합에서, 탐침은 850 rpm으로 회전되고 분당 240 mm로 접합부를 따라 이동될 수 있다. 1000 rpm과 같은 더 높은 회전 속도는 초당 약 300 mm까지의 더 큰 이동률이 사용될 수 있게 하나, 이동률의 과도한 증가는 도1의 평행측면 배열에서 발견된 한 측면을 따라 공극의 형성을 초래한다. 대안으로서, 회전 속도는 이동율의 대응 감소로 300 rpm으로 감소될 수 있다. 주어진 소정의 이동 속도에 대해 허용가능 회전속도에 적절한 공차가 있다. 예를 들어 알루미늄 실리콘 마그네슘 합금(BS6082)에 대해 초당 4 mm(분당 240 mm)에서 만족스러운 결과가 440 내지 850 rpm 사이의 회전 속도에 대해 얻어졌다.
도7은 탐침(18)과 유사한 한쌍의 비소모성 탐침(20,21)이 판(1A, 1B)등의 대향 측면상에 제공되는 예시적인 마찰 교반 용접 방법을 도시한다. 탐침(20, 21)들은 서로를 향해 가압되나, 판의 외향면 및 비소모성 부재들 사이의 경계면에서 과도한 가열을 초래할 정도로 충분하지는 않게 판들이 제위치에 클램프되도록 이동 방향으로 변위된다. 일반적인 마찰 교반 용접에서와 같이, 용접을 수행하는 데 필요한 열을 발생시키기 위해 필요한 열을 발생시키도록 부재를 판 내로 약간 가압하는 것이 바람직하다. 그러나, 과도한 가압은 바람직하지 못하다. 판들은 짓이겨질 정도로 심하게 가압되어서는 안된다. 대안으로서, 도5A 내지 도5C의 방법이 접합되는 판들의 각 측면에서 별개의 작업으로서 수행가능하다. 전술한 것에 따른 성공적인 양측면 용접의 예가 각 측면에 대해 850 rpm에서 분당 240 mm 이동의 작업 조건에서 알루미늄 실리콘 마그네슘 합금에 대해 수행되었다.
각 부재(23, 24)의 접촉면(22)은 대체로 정사각형이거나, 그 외부 모서리를 경감시키도록 바람직하게는 약간 모따기될 수 있다. 회전 탐침의 적절한 부하 또는 위치 설정은 각 부재의 접촉면이 판들과 접촉함으로써 형성되는 교반되는 판의 표면 재료의 얇은 층의 넓이를 관찰함으로써 결정된다. 또는 회전 부재의 면은 도2A 및 도2B의 보빈의 면과 유사하게 약간 반구형으로 되어 소정의 부하에서 면접촉 면적이 탐침 자체의 직경보다 적어도 50%까지 커지게 된다. 탐침 직경의 3배까지의 접촉 구역이 만족스러운 것을 알게 되었다. 얇은 재료에 대해서는 탐침을 예를 들어 4 또는 3 mm로 감소하도록 치수를 정하는 것이 바람직하다. 예기치 않게 양호한 회전 속도도 또한 더 작은 직경의 탐침에 대해 이동률과 함께 감소되었다. 예를 들어 3.3 mm 직경의 탐침에 대해 약 440 rpm의 회전 속도와 분당 120 mm의 이동이 만족스럽다. 이 모든 경우 탐침면(22)의 약간의 테이퍼는 약 2˚에 이른다.
도1, 도5A 및 도7에 대해 설명된 방법은 소정의 재료 또는 기층에 존재하는 균열의 맞대기면들을 균열을 보수하기 위해 함께 접합하는 데 응용될 수 있다. 균열은 전체 두께를 통해 연장되거나, 재료의 두께를 단지 부분적으로 침투하거나, 모 재료내에, 또는 용접부에 인접하거나 용접부 자체와 같이 재료내의 열영향 구역에 위치할 수 있다. 도5A의 방법은, 원리적으로는 완전 관통 방법도 부분적 침투 균열에 대해 사용될 수 있지만, 부분적 침투 균열에 특히 적합하다. 이 기법은 앞서 기술한 것과 기본적으로 동일하며, 바람직하게는 균열 경계면을 따라 이동하기 전에 탐침이 (적어도 균열의 깊이까지) 모재료 내로 삽입되어 마찰 가열에 의해 소성화된 재료를 발생시키고, 이는 냉각시 균열이 이전에 존재했던 재료를 합체시킨다. 이동 방향으로의 균열의 단부는 다양한 방식으로 합체될 수 있다. 예를 들어 탐침은 그 자리에 남아있거나, 또는 역방향으로 통과가 이루어져 처음의 통과와 중첩될 수 있어 역 통로의 종료가 원래의 균열 장소로부터 이격된 영역에 위치하게 한다.
본 발명에 의한 향상된 절삭 공구
판이 전술한 마찰 교반 용접 방법에 따라 용접될 때, 여분의 거칠어진 재료가 판의 외부면상에 축적되는 경향이 있다. 여분의 재료의 양은 통상적으로 소량이기는 하지만, 매끈한 외부면을 필요로 하는 응용 분야의 경우 여분의 재료는 반드시 제거되어야 한다. 도8 내지 도16에 도시된 바와 같이, 본 발명은 하나 이상의 절삭날(32)을 종래의 병진 이동 마찰 교반 용접 공구에 부가 조립하여 수정된 공구가 용접부가 발생될 때 그 용접부를 기계가공하게 하는 절삭 공구(30)를 포함한다. 본 발명의 절삭 공구 기계가공 방법은 재료가 그에 들어붙는 것을 방지하기 위해 절삭날을 신속히 냉각시키도록 접합부가 용접될 때 절삭 공구와 접합부에 물 또는 물분무를 뿌리는 단계를 포함한다. FSW 공구에 절삭날을 부가하고 냉각수를 FSW 공정에 뿌리는 것의 결과 용접부의 발생과 동시에 마무리된 기계가공 용접면이 발생된다. 그러므로 본 발명의 절삭 공구 및 방법은 적당하게 기계가공된 마찰 교반 용접부의 생산에 필요한 단계의 수를 감소시킨다.
절삭 공구(30)는 기본적으로 종래의 회전 부재(38)로의 절삭날(32)의 부착을 포함한다. 하나 이상의 지지 기구가 절삭날을 회전 부재의 외부 하부 주연 가까이에 부착하는 데 사용된다. 각 지지 기구는 그와 일체로 형성되거나 그에 부착된 절삭날을 갖는 하부 단부를 포함한다. 절삭날은 바람직하게는 용접 시임에서 표면 혼란(surface disturbance)을 일으키는 종래의 마찰 교반 용접 공구의 회전 부재상에 사용된다. 예를 들어 도2B의 보빈 배열은 바람직하게는 회전 부재(5)와 회전 부재(6') 모두에 위치한 절삭 공구를 포함한다. 또한 바람직하게는 각 절삭날은 어떤 방식에서 그 회전 부재와 결합분리가능하여 마모된 절삭날이 용이하게 새것으로 대체될 수 있게 한다. 본 발명의 절삭 공구는 회전 부재와 일체인 절삭날의 사용을 포함하나 이 배열은 바람직하지는 않다.
지지 기구는 각 절삭날이 용접부가 만들어질 때 발생되는 예측되는 표면 혼란의 최대 폭과 같거나 그 이상의 회전 부재의 중심으로부터 반경 방향 거리에 위치된다. 이는 일반적으로 절삭날이 면(10) 및/또는 견부(11) 영역의 바로 외측에 위치되어야 한다는 것을 의미한다. 절삭날은 완성된 시임 표면의 원하는 높이와 같은 높이에 위치한다. 부재(38)가 회전함에 따라 절삭날(32)이 또한 회전하여 회전 부재 탐침(40)에 의해 교란된 재료를 제거한다. 전체 탐침이 접합부(2)를 따라 병진이동함에 따라 절삭날에 의해 한정되는 원도 또한 병진이동하여 전체 용접 면적에서 부스러기가 제거되게 한다. 그 결과 매끄럽고 광택있는 기계가공된 용접부가 얻어진다.
본 발명을 사용하는 기본적 방법은 회전 부재(38)에 절삭 공구(30)를 장착하는 단계와, 탐침(40)을 접합부를 따라 회전시키고 병진이동시키는 동안 액체 공급원(82)으로부터 용접 접합부(2)에 연속적으로 물을 공급하는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 물은 물과 공기 분무 혼합물(84)의 형태이다. 바람직한 물의 온도는 대략 상온, 즉 약 20℃이고, 유동 체적은 분당 약 0.04 내지 0.4 1 (0.01 내지 0.10 gallon)이다. 물은 가압되어 공급되고, 절삭날이 재료와 만나는 접합부 또는 영역에 바로 뿌려질 수 있다. 물을 사용하는 중요한 측면은 절삭날의 외부면을 냉각하는데 충분히 가용하다는 것이다. 물이 저가로 풍부히 얻을 수 있으므로 바람직하다는 것을 알 것이다. 용접 형성부와 간섭하지 않는 한 다른 액체 냉각제가 사용될 수 있다. 이 공정으로부터의 배출되는 물은 용접부의 기계가공으로부터 축적된 금속 입자들을 제거함으로써 재순환될 수 있다.
현재의 FSW 공정에서와 같이, 본 발명의 절삭 공구를 갖는 탐침의 방법의 바람직한 실시예는 회전 부재를 탐침과 함께 직선 탐침 이동의 방향에 대해 약간 후방으로 기울이는 단계를 포함한다. 절삭날이 부가되면 이들은 회전 부재의 견인 견부의 뒤로부터 주로 표면 재료를 기계가공해서 제거한다. 그 결과 용접부로부터 최소량의 재료가 제거되고, 매끄러운 공작물 용접면이 남는다. 실제적인 곳에서 런온(12)와 런오프(14) 연장부가 바람직하게는 접합부의 시작 지점 및 정지 지점을 제공하도록 사용되어야 한다. 도3 참조. 연장부는 별개의 부품으로 용접부에 부가되거나 접합될 판 중의 하나 또는 모두와 일체로 만들어질 수 있다. 일단 용접이 수행되면 연장부는 제거되고, 용접부의 전체 길이로 연장되는 적절히 기계가공된 연속면을 남기게 된다.
3개의 바람직한 절삭 공구 실시예가 설명된다. 도8 내지 도10은 제1 실시예에, 도11 내지 도13은 제2 실시예에, 도14 내지 도16은 제3 실시예에 관한 것이다.
처음에 도8을 보면, 본 발명에 의해 만들어진 절삭 공구의 제1 실시예가 사시도로 도시되어 있다 지지 기구는 하부 단부 절삭날을 각각 갖는 하나 이상의 절삭 인서트(42)와, 회전 부재(38)의 외주연에 형성되는 유사 수의 수직 지향 인서트 결합 홈 또는 키웨이(44)와, 결합된 인서트로 회전 부재를 밀접하게 둘러싸는 크기의 칼라(46)와, 칼라를 회전 부재에 고정하는 칼라 부착 장치와, 인서트(42)를 회전 부재(38)에 고정하는 다수의 세트 스크류(48)를 포함한다.
절삭 인서트(42)는 일반적으로 둥근 하부 단부 절삭날을 갖는 직사각형 단면을 갖는다. 절삭날은 상이한 형상으로 성형될 수 있으나 이는 빨리 마모되는 경향이 있으므로 날을 너무 좁지 않게 하는 것이 좋다. 절삭날은 바람직하게는 고속강 또는 코발트 합금 고속강으로 만들어진다. 각 절삭 인서트에는 그안에 지지부가 결합될 수 있는 회전 부재의 외부면에 형성된 대응 홈이 있다. 홈은 부재의 회전축에 대체로 평행하게 지향된다. 각 홈의 깊이는 바람직하게는 인서트 단면 두께의 약 절반이다. 이 크기는 절삭날이 통상적으로 판 표면 교란의 최외부 영역을 한정하는 회전 부재 견부의 바로 외측에 위치되게 허용한다. 홈들은 본 발명에 절대적으로 필요한 것은 아니다. 그러나 이들은 바람직하며 이는 절삭 인서트를 제한하는 데 조력하고 절삭 인서트가 회전중 비틀리거나 또는 다른 방식으로 이동하는 것을 방지하기 때문이다.
칼라(46)는 절삭 인서트 및 홈의 위치에 대응하는 위치에 놓여진 치형의 다양한 반경방향의 구멍(50)을 갖는 연속 링의 형태이다. 칼라는 바람직하게는 강으로 만들어진다. 절삭 인서트는 각 홈내에 배치되고 칼라는 부재 및 인서트 주위로 미끄러진다. 양호한 칼라(46)는 인서트의 일부분이 회전 부재의 외부 반경을 넘어 연장하게 허용하도록 각 인서트에서 칼라의 내부면에 위치한 호형 절취부(52)를 포함한다. 이는 절삭날을 회전 부재 하부 표면의 외부 반경 바로 외측에 위치시키기 때문에 바람직하다. 칼라(46)가 정위치한 후 반경 방향의 구멍(50)에 끼워지는 크기의 세트 스크류(48)가 각 절삭 인서트를 향해 반경방향의 구멍을 통해 나사체결된다. 절삭 인서트(42)는 이와 같이 그 홈(44)에 세트 스크류(48)의 클램핑력에 의해 한정된다. 칼라 부착 배열은 칼라(46)를 회전 부재(38)에 고정하는 개별 홈(54)과 세트 스크류(56)을 포함할 수 있다.
제1 실시예의 절삭 공구를 사용하는 작업의 준비시, 절삭 인서트(42)는 회전 부재 홈(44)에 위치되고, 칼라(46)는 부재(38)와 절삭 인서트(42)위로 미끄러지고, 세트 스크류(48)가 체결된다. 작동시 절삭날을 갖는 FSW 공구는 물이 절삭날의 영역에 뿌려지는 동안 회전된다. 물은 절삭날(32)을 차게 유지함으로써, 고온의 교반된 금속이 절삭날에 축적되는 것을 방지한다. 절삭날을 갖는 FSW 공구(30)의 선형 병진이동은 절삭날이 절삭날 주연에 의해 한정되는 영역을 기계가공하게 한다.
도11 내지 도13을 보면, 본 발명에 의해 형성된 절삭 공구의 제2 실시예가 도시되어 있다. 제2 실시예의 절삭 공구 지지 기구는 하부 단부 절삭날을 갖는 절삭 인서트 홀더(60)와, 회전 부재(38)를 통해 횡방향으로 연장되고 부재 회전축(64)로부터 멀리 각도로 이격 지향된 인서트 홀더 구멍(62)과, 회전 부재(38)에 형성된 반경방향의 나사 구멍(66)과, 절삭 인서트 홀더(60)를 가압하도록 반경방향의 구멍(66) 내로 결합되는 스크류(68)를 포함한다.
절삭 인서트 홀더(60)는 직사각형 단면과, 모를 이룬 절삭 인서트(70)가 제거 가능하게 부착될 수 있는 하부 단부를 갖는다. 양호한 절삭 인서트(70)는 정사각형 또는 삼각형 부품에 제공되는 바와 같은 다수의 연장 모서리(72)를 포함한다. 모서리는 절삭날의 역할을 하고, 회전 부재(38)의 견부(10) 가까이 견부(10) 아래에 약 0.05 내지 0.25 mm (0.002 내지 0.010 inch)의 깊이로 위치된다. 모를 이룬 절삭 인서트(70)는 절삭 인서트 홀더의 선행 모서리측, 즉 탐침 회전 방향에 대한 최전방측면에 부착되어야 한다. 모를 이룬 절삭 인서트는 바람직하게는 고속강 또는 코발트 합금 고속강으로 만들어진다. 모를 이룬 절삭 인서트의 절삭 인서트 홀더로의 부착은 종래의 수단, 즉 절삭 인서트를 관통하는 스크류, 절삭 인서트 홀더를 볼팅하는 인서트 리테이닝 클립 등에 의해 달성될 수 있다.
인서트 홀더 구멍(62)은 회전 부재를 통해 대각선으로 연장된다. 절삭 인서트 홀더(60)는 구멍(62)에 삽입되고 회전 부재 반경방향의 구멍(66)과 결합하는 스크류(68)에 의해 제 위치에 유지된다. 절삭 인서트 홀더는 그와 같이 스크류의 십자형 힘에 의해 인서트 홀더 구멍에 한정된다. 절삭 인서트 홀더는 절삭날이 견부의 외주연으로부터 그리고 견부의 깊이 가까운 깊이에서 약간 돌출하도록 구멍에 위치된다. 절삭날이 견부(10) 아래로 대략 0.05 내지 0.25 mm (0.002 내지 0.010 inch), 탐침에 대해 약 1.27 내지 0.25 mm (0.050 내지 0.010 inch)의 반경방향의 외측으로 위치되는 것이 바람직하다.
제2 실시예에 의해 형성된 절삭 공구를 사용한 작업중, 물이 재료의 절삭날 영역에 뿌려지는 동안 절삭날을 갖는 FSW 공구(30)가 회전되고 동시에 접합부를 따라 진행한다. 물은 절삭날을 차게 유지함으로써 고온의 교반된 금속이 절삭날 표면에 축적되는 것을 방지한다. 절삭날을 갖는 FSW 공구의 직선 이동은 절삭날이 그 주연에 의해 한정된 영역을 기계가공하게 한다. 절삭날이 무디게 되면, 모를 이룬 절삭 인서트가 재지향되어 그 다음 모서리가 신선한 새 절삭날로 작용하게 할 수 있다.
도14 내지 도16을 보면 본 발명에 의한 절삭 공구의 제3 실시예가 도시되어 있다. 제3 실시예의 공구는 절삭 인서트 홀더의 사용 대신에 견부 가까이의 회전부재의 주연으로부터 반경방향으로 연장되는 하나 이상의 일체형 탭(80)을 갖는다는 점을 제외하고는 제2 공구 실시예와 유사하다. 탭은 반경방향의 핀과 근사한 방식으로 회전 부재에 대해 지향된다. 도15 및 도16에는 2개의 탭이 도시되어 있다. 탭은 종래의 방법, 즉 용접, 주조, 회전 부재와 동일한 부품으로부터 기계가공하는 등에 의해 회전 부재(38)에 부착될 수 있다. 각 탭은 절삭날로서 작용하도록 하나 이상의 모서리(72)를 갖는 관련된 모를 이룬 절삭 인서트(70)를 갖는다. 모를 이룬 절삭 인서트(70)의 작동은 제2 실시예의 공구에 대해 전술한 것과 기본적으로 동일하므로 반복하지 않는다.
본 발명의 양호한 실시예가 도시되고 설명되었지만 본원 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능함이 이해되어야 한다. 예를 들어 제1 양호한 실시예의 신장형 절삭 인서트 대신에 제2 및 제3 양호한 공구 실시예의 절삭 인서트 홀더 및 작은 모를 이룬 절삭 인서트의 사용을 포함하는 변경이 이루어질 수 있다. 다양한 노치 형상이 사용자가 지지부, 칼라 또는 절삭날 중 어느 것을 위치시킬 때 사용자를 조력하는 데 사용될 수 있다. 절삭날을 회전 부재에 부착하는 다양한 방법이 상술한 3개 양호한 실시예 대신에 사용될 수 있다.
상기 구성에 따라, 제2 통과 작업을 수행하지 않고 또는 제2 기계를 사용하지 않고 마찰 교반 용접의 표면을 기계가공하는 것이 가능하다.
도1은 마찰 교반 용접의 제1 방법을 도시한 사시도.
도2A 및 도2B는 2개의 상이한 회전 부재의 측면도.
도3은 런온 및 런오프 탭을 도시한 사시도.
도4는 가소화된 재료의 유동과 접합부에 대한 결과적 표면 마킹을 도시한 평면도.
도5A, 도5B 및 도5C는 마찰 교반 용접의 제2 예시적 방법을 도시한 사시도, 측면도 및 평면도.
도6A, 도6B 및 도6C는 도5A 내지 도5C의 방법과 함께 사용하는 탐침 형상의 다양한 형태를 도시한 도면.
도7은 용접되는 판의 위 및 아래 모두에 통로가 만들어지는 부가적 공정의 개략도.
도8은 본 발명에 의해 형성된 절삭 공구의 제1 실시예의 사시도.
도9는 도8의 절삭 공구의 측면도.
도10은 도8의 절삭 공구의 저면도.
도11은 본 발명에 의해 형성된 절삭 공구의 제2 실시예의 사시도.
도12는 도11의 절삭 공구의 측면도.
도13은 도11의 절삭 공구의 저면도.
도14는 본 발명에 의해 성형된 절삭 공구의 제3 실시예의 사시도.
도15는 도14의 절삭 공구의 측면도.
도16은 도14의 절삭 공구의 저면도.
3 : 탐침
5 : 회전 부재
30 : 절삭 공구
32 : 절삭날
42 : 절삭 인서트
44 : 홈
46 : 칼라
48 : 세트 스크류
60 : 절삭 인서트 홀더
62 : 구멍
70 : 모를 이룬 절삭 인서트
72 : 모서리
80 : 탭

Claims (17)

  1. 비소모성 탐침(40)을 구비한 비소모성 회전 부재(38)를 갖는 마찰 교반 용접 공구에 있어서,
    (a) 하나 이상의 절삭날(32)과,
    (b) 상기 절삭날(32)을 상기 회전 부재(38)에 장착하기 위한 하나 이상의 지지 기구를 포함하고,
    상기 회전 부재(38) 및 상기 비소모성 탐침(40)의 회전은 하나 이상의 절삭날(32)의 같은 회전을 일으켜서, 하나 이상의 절삭날(32)이 마찰 교반 용접부의 외부 표면을 기계가공하게 하도록 하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절삭날(32)을 장착하기 위한 하나 이상의 지지 기구는 회전 부재의 수준 아래로 대략 0.05 내지 0.25 mm (0.002 내지 0.010 inch)의 깊이에서 회전 부재(38)의 외주연 부근에 절삭날을 위치시키는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절삭날(32)을 장착하기 위한 하나 이상의 지지 기구는
    (a) 하부 단부에서 절삭날(32)을 각각 갖는 하나 이상의 절삭 인서트(42)와,
    (b) 상기 절삭 인서트를 회전 부재의 외주연에 탈착가능하게 장착하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  4. 제3항에 있어서, 절삭 인서트를 탈착가능하게 장착하는 수단은
    (a) 회전 부재(38)에 형성되고 절삭 인서트가 각각 결합가능한 하나 이상의 홈(44)과,
    (b) 각 절삭 인서트를 회전 부재에 고정하기 위한 것으로서, 회전 부재(38)의 외주연에 부착가능한 칼라(46)와,
    (c) 원하는 장소에서 홈내에 절삭 인서트를 고정하는 수단(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  5. 제4항에 있어서, 상기 칼라(46)는 상이한 치수를 갖는 절삭 인서트(42)의 사용을 허용하도록 각 절삭 인서트 장소에서 내부 절취부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  6. 제4항에 있어서, 절삭 인서트(42)를 고정하기 위한 수단은 칼라(46)에 형성된 반경 방향 구멍(50)들을 통해 나사체결되는 세트 스크류(48)들을 포함하고, 상기 세트 스크류들은 절삭 인서트를 홈(44) 내로 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  7. 제2항에 있어서, 하나 이상의 절삭날은 하나 이상의 모를 이룬 절삭인서트(70)에 의해 제공되고, 상기 모를 이룬 절삭 인서트를 장착하는 수단은
    (a) 하부 단부를 갖는 절삭 인서트 홀더(60)와,
    (b) 회전 부재(38)내에 형성되고 절삭 인서트 홀더가 결합가능한 인서트 홀더 구멍(62)과,
    (c) 절삭 인서트 홀더를 원하는 장소에서 인서트 홀더 구멍 내에 고정하기 위한 수단(68)과,
    (d) 모를 이룬 절삭 인서트(70)를 절삭 인서트 홀더 하부 단부에 부착하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  8. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 모를 이룬 절삭 인서트(70)를 장착하는 수단은
    (a) 회전 부재(38)의 하부 단부로부터 반경 방향으로 연장하는 하나 이상의 탭(80)과,
    (b) 각각의 모를 이룬 절삭 인서트를 탭에 고정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  9. 제7항에 있어서, 상기 모를 이룬 절삭 인서트(70)는 하나 이상의 절삭날로서 작용하도록 하나 이상의 모서리를 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  10. 제7항에 있어서, 상기 모를 이룬 절삭 인서트(70)는 중심 스크류 장치에 의해 개별 탭(80)에 제거가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  11. 제7항에 있어서, 상기 절삭날은 회전 부재(38)의 수준에 대해 대략 0.05 내지 0.25 mm (0.002 내지 0.010 inch)의 깊이와, 회전 부재의 측면에 대해 약 1.3 내지 2.5 mm (0.050 내지 0.100 inch)의 외측 거리로 위치되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  12. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 탭(80)은 상기 회전 부재(38)와 일체식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  13. 제8항에 있어서, 상기 절삭날은 각 탭(80)의 선행 날 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 공구.
  14. 비소모성 탐침(40)을 갖는 회전 부재에 의한 마찰 교반 용접 방법이며,
    (a) 하나 이상의 절삭날(32)을 회전 부재(38)에 부착하는 단계와,
    (b) 용접중에 절삭날(32)로 지향되는 물을 제공하는 단계와,
    (c) 하나 이상의 절삭날(32)의 회전으로 마찰 교반 용접부의 외부 표면을 기계가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 방법.
  15. 제14항에 있어서, 물의 온도가 약 10 내지 30。 C인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 물은 공기 물 분무 혼합물의 형태로 분당 약 0.04 내지 0.4 1 (0.01 내지 0.10 gallon)의 양으로 제공되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 방법.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 부재(38)와 탐침(40)의 회전은 탐침 이동의 선형 방향에 대해 약간 후방 각도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 방법.
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