KR100555865B1 - 복사에 의한 마찰 용접 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조 부재를 마찰 용접하는 장치 및 방법을 제공한다. 상기 장치는 연결된 섕크 및 프로브를 포함한다. 상기 프로브는 흡수면 및 상기 흡수면으로 연장되는 캐버티를 형성한다. 상기 흡수면은 광원 즉 RF 발생 장치와 같은 전자기 복사 소스로부터 전자기 복사를 수신하도록 구성된다. 상기 발광은 프로브를 가열시키고, 프로브와 구조 부재 사이의 마찰에 의하여 발생된 열을 보조함으로써, 프로브를 사용하여 구조 부재를 마찰로 용접시키는 속도가 증가된다.
구조 부재, 섕크, 프로브, 흡수면, 캐버티, 광원, 전자기 복사 소스

Description

복사에 의한 마찰 용접 {RADIATION ASSISTED FRICTION WELDING}
본 발명은 마찰 용접에 관한 것으로서, 특히 마찰 용접 도중에 전자기 방사선을 사용하여 열을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
마찰 용접이란, 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 하나 이상의 구조 부재를 포함하는 제품과 공구 사이에 마찰력을 발생시켜 구조 부재의 가소성 영역을 형성하는 것으로서, 구조 부재의 재료는 가소화되고, 혼합된 다음, 냉각되어 마찰 용접 조인트를 형성한다. 한 가지 종래의 방법에 있어서, 공구는 회전 가능한 섕크 및 핀을 포함하는, 마찰 휘젓기 용접 공구와 같은 회전 공구이다. 섕크 및 핀이 회전하고, 핀은 하나의 구조 부재 또는 인접하는 구조 부재 사이의 경계면 내로 가압된다. 핀이 회전할 때, 핀과 구조 부재 사이의 마찰이 구조 부재를 가열시켜 가소화 영역을 형성하고, 여기에서 구조 부재의 재료는 가소화되지만 용융되지는 않는게 일반적이다. 핀의 회전 동작으로 인하여 가소화 영역에서 구조 부재의 재료가 또한 혼합된다. 직선 마찰 휘젓기 용접 조인트를 형성하도록 핀을 구조 부재를 통과시키거나 또는 경계면을 따라 이동시킨다. 다른 종래의 방법에 있어서, 마찰 용접 공구는 회전하는 대신 왕복운동한다.
마찰 용접은 강력하고 확실한 용접 조인트를 제공할 수 있고, 스틸, 티타늄, 알루미늄, 및 이들의 합금과 같은 다양한 재료에 사용할 수 있으며, 상기 금속 중 일부는 아크 용접과 같은 다른 용접 방법으로는 접합시키는 것이 곤란하다. 따라서, 마찰 용접은 다른 유형의 용접 뿐만 아니라 나사, 볼트, 못 등과 같은 파스너에 대한 대안을 제공한다. 그러나, 속도, 즉 마찰 용접의 비용 효율성은 공구가 구조 부재를 통과하여 이동하는 속도에 의하여 제한된다. 공구가 지나치게 빨리 이동하는 경우, 공구와 구조 부재 사이에 발생된 마찰열이 구조 부재를 가소화시키기에 충분하지 않으므로 얻어진 용접 조인트의 품질이 열화된다. 따라서, 공구의 이동 속도는 공구와 구조 부재 사이에 발생된 마찰열의 비율에 의하여 제한된다.
제안하는 한 가지 마찰 용접 방법은 마찰 용접 공구에 의한 마찰 가열을 보조하기 위하여 구조 부재에 추가의 열을 제공하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 구조 부재에 전류를 통과시킴으로써 구조 부재에 내열성을 갖게 할 수 있다. 또한, 유도 히터 또는 레이저를 사용하여 구조 부재를 가열시킬 수 있다. 그러나, 구조 부재에 미치는 효과적인 가열은 개별적인 구조 부재의 특징에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 구조 부재의 내성, 인덕턴스, 및 표면 반사율은 저항 가열, 유도 가열, 및 레이저 가열로부터 각각 일어나는 가열량에 영향을 줄 수 있다. 또한, 가열은 용접 조인트의 바로 인접 영역에만 한정되는 것이 아니라, 가열로 인한 취성(brittleness)의 증가와 같은 재료의 바람직하지 못한 성질을 특징으로 하는 "열의 영향을 받는 영역"이라고 하는 구조 부재의 보다 넓은 영역에 영향을 줄 수 있다. 추가의 가열로 인하여 열 영향을 크게 받는 영역은 용접 조인트의 품질을 떨어뜨리고, 본래의 재료 성질로 복귀시키기 위하여는 추가적인 처리를 필요로 할 수 있다.
따라서, 다양한 재료에 강력하고 확실한 용접 조인트를 형성하기 위한 마찰 용접 장치 및 방법이 필요하다. 상기 장치 및 방법은 마찰 용접 공구와 구조 부재 사이에 발생된 마찰열을 보충하도록 구조 부재에 열을 제공해야 하므로 최대 용접 속도를 상승시킨다. 또한 상기 장치 및 방법은 상이한 구조 부재를 일정하게 가열해야 하고, 구조 부재의 특정 영역에만 한정되어 가열시킬 수 있다.
본 발명은 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 용접하는 장치를 제공한다. 장치는 섕크 및 상기 섕크에 연결된 프로브를 포함한다. 프로브는 적어도 하나의 구조 부재의 마찰 용접을 위하여 섕크에 의하여 작동되도록 구성된다. 섕크 및 프로브 중 적어도 하나는 흡수면 및 상기 흡수면으로 연장되는 캐버티를 형성한다. 흡수면은 프로브 가열을 위하여 전자기 복사 소스로부터 전자기 복사를 수신하도록 구성된다. 흡수면은 전자기 복사 소스로부터 수신된 전자기 복사 방향 내에 있거나 또는 복사 방향에 대하여 경사질 수 있다. 또한, 흡수면은 만곡되거나 원뿔형으로 될 수 있다. 본 발명의 일 양태에 있어서, 프로브는 흡수면을 관통하여 연장되는 적어도 하나의 애퍼춰를 형성함으로써 전자기 복사가 캐버티로부터 애퍼춰를 통과하여 전파되어 구조 부재 상에 부딪칠 수 있다.
또한, 상기 장치는 흡수면을 조사, 즉 프로브 및 구조 부재를 가열하도록 구성된 전자기 복사 소스를 포함할 수 있다. 전자기 복사 소스는 광원 또는 무선 주파수 발생 장치일 수 있고, 복사를 흡수면으로 향하도록 하기 위하여 광섬유 케이 블 또는 도파관이 제공될 수 있다. 캐버티는 프로브의 길이방향으로 연장되고, 전자기 복사 소스는 프로브의 길이방향으로 전자기 복사를 방사하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 프로브는 마찰 휘젓기 용접 핀이고, 장치는 섕크와 함께 회전하는 회전가능한 액추에이터를 포함함으로써 상기 회전가능한 액추에이터가 프로브의 길이방향 축을 중심으로 섕크를 회전시킬 수 있다. 다른 양태에 있어서, 프로브는 마찰 휘젓기 용접 블레이드이고, 장치는 섕크와 함께 왕복운동하는 왕복운동 가능한 액추에이터를 포함한다.
본 발명은 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 용접하는 방법을 또한 제공한다. 상기 방법은 적어도 800℃의 온도에서 가소화되는 재료로 형성될 수 있는 적어도 하나의 구조 부재를 제공하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 구조 부재 내로 마찰 용접 프로브를 가압하여 적어도 하나의 구조 부재가 마찰로 용접되도록 작동시킨다. 프로브와 열이 통하는 상태에 있는 섕크의 흡수면에 빛 또는 무선 주파수 복사와 같은 전자기 복사가 조사되어 프로브를 가열시킨다. 예를 들면, 빛은 흡수면에 대하여 경사진 방향으로 향할 수 있다. 적어도 하나의 구조 부재는 적어도 800℃의 온도까지 가열될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 프로브는 길이방향 축을 중심으로 회전하는 마찰 휘젓기 용접 핀이고, 전자기 복사는 핀의 길이방향으로 핀을 향한다. 다른 양태에 있어서, 프로브는 적어도 하나의 구조 부재에 의하여 형성된 경계면에서 왕복운동하는 마찰 용접 블레이드이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 용접 공구의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 구조 부재를 접합시키는 마찰 휘젓기 용접 조인트를 형성하도록 구성된 도 1에 예시된 마찰 용접 공구의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 개의 구조 부재를 접합시키는 마찰 용접 조인트를 형성하도록 구성된 왕복운동 가능한 마찰 용접 공구의 사시도이다.
다음에, 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있고 개시된 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 이들 실시예는 상기 상세한 설명이 철저하고 완전하며, 본 발명의 범위를 당업자에게 충분히 전달하도록 제공된다. 설명 전체에 걸쳐 동일 도면부호를 동일 부재에 사용하였다.
다음에 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 용접 공구(10)가 예시되어 있다. 마찰 용접 공구(10)는 섕크(20), 및 상기 섕크에 부착된 마찰 휘젓기 용접 핀과 같은 프로브(22)를 포함한다. 후술하는 바와 같이, 프로브(22)는 적어도 섕크(20)를 관통하여 연장되는 캐버티(26) 일부를 형성하는 내부 흡수면(32)을 형성한다. 흡수면(32)은 도시된 바와 같은 전달 방향(54)으로 빔 경로(52)를 따라 광섬유 케이블(56)을 통과하는 빛과 같은 전자기 복사를 수신하도록 구성된다.
도 2에는, 두 개의 구조 부재를 접합시키도록 구성된 마찰 용접 공구(10)가 도시되어 있다. 구조 부재(60, 62)는 이들 사이에 경계면(64)을 형성하도록 서로 맞대어 위치된다. 예시된 실시예에서, 구조 부재(60, 62) 사이의 경계면(64)은 프로브(22)의 길이방향 축과 평행이지만, 구조 부재(60, 62)는 다른 구성으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 구조 부재(60, 62)는 경계면(64)이 프로브(22)의 길이방향 축과 대체로 직각으로 연장되고, 프로브(22)는 제1 구조 부재(60)를 통과하고, 경계면(64)을 통과하며, 적어도 일부분이 제2 구조 부재(62) 내로 연장되도록 겹쳐서 배치될 수 있다.
본 발명의 마찰 용접 공구(10)는 임의 갯수의 구조 부재(60, 62)를 접합시키는데 사용될 수 있고, 상기 구조 부재(60, 62) 각각은 한정되지는 않지만 스틸, 티타늄, 알루미늄, 및 이들의 합금을 포함하는 다양한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 구조 부재(60, 62) 각각은 상이한 재료로 형성될 수 있으며, 재료의 조합체는 종래의 비마찰 용접 기술을 사용하여 접합시키는 것이 곤란하거나 또는 불가능한 조합체일 수 있다. 구조 부재(60, 62)는 고온에서 가소화되는 재료로 또한 형성될 수 있으므로, 종래의 마찰 용접을 사용할 때 일반적으로 제한된 속도로 용접된다. 예를 들면, 구조 부재(60, 62) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 티타늄 및 일부 유형의 스틸과 같이 적어도 800℃의 온도에서 가소화되기 시작하는 재료로 형성될 수 있다.
섕크(20)는 전동기와 같은 액추에이터(도시되지 않음)에 의하여 작동되도록 구성된 구동 샤프트(도시되지 않음)에 연결된다. 구동 샤프트는 프로브(22)가 경 계면(64) 내로 가압되도록 섕크(20)를 프로브의 길이방향으로 가압하도록 구성된다. 앤빌(anvil)(40)과 같은 배킹 부재(backing member)를 프로브(22) 및 섕크(20)가 구조 부재(60, 62)에 맞대어 가압되지 않도록 구조 부재(60, 62)와 대향하여 배치시킬 수 있으므로, 구조 부재(60, 62)가 가압력에 의하여 변형되지 않는다. 구동 샤프트는 섕크(20) 및 프로브(22)를 회전시키고, 섕크(20) 및 프로브(22)를 경계면(64)을 따라, 예를 들면, 방향(46, 44)으로 표시된 바와 같이 각각 이동시키도록 또한 구성된다. 프로브(22)가 회전하고 경계면(64)을 따라 이동할 때, 프로브(22)와 구조 부재(60, 62) 사이의 마찰로 열이 발생하고, 상기 열이 경계면(64)에 근접한 구조 부재(60, 62) 재료를 가소화시켜 프로브(22)에 의하여 혼합된 가소화 재료 영역을 형성한다. 가소화된 재료가 냉각되고 경화되었을 때, 구조 부재(60, 62)를 접합시키는 마찰 용접 조인트(66)가 형성된다. 종래의 마찰 용접은 토머스 외에 허여된 미합중국 특허 제5,460,317호에 기재되어 있으며, 이들 기재 내용 전부를 참조하여 본 명세서에 결합시켰다.
섕크(20) 및 프로브(22)는 연결된 각기 다른 부재로서 형성될 수 있고, 또는 섕크(20) 및 프로브(22)는 하나의 단일 부재를 포함할 수 있다. 또한, 섕크(20) 및 프로브(22)는 다양한 재료로 형성될 수 있다. 바람직하기로는, 적어도 프로브(22)는 내화재, 즉 고온 마찰 용접 도중에 용융되지 않는 재료를 포함한다. 또한, 프로브는 단단하고 내마모성을 갖는 재료가 바람직하다. 예를 들면, 프로브(22) 및/또는 섕크(20)는 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 니켈, 스틸, 이들의 합금, 단결정 또는 다결정 다이아몬드, 혹은 니켈계 초합금으로 형성될 수 있고, 고온의 동작 온도에 강한 것이 바람직하다. 프로브(22)는, 예를 들면, 프로브(22)의 내마모성을 증가시키거나 마찰 특징에 영향을 미치도록 증기상 퇴적(vapor phase deposition)에 의하여 형성된 다이아몬드막과 같은 코팅을 또한 포함할 수 있다. 프로브(22)의 외부는 용접 도중에 프로브(22)와 구조 부재(60, 62) 사이에 필요한 마찰을 발생시키도록 요구되는 대로 거칠거나 또는 매끈하게 될 수 있다.
도 2에 도시된 고광도 광원(50)과 같은 전자기 복사 소스는 전자기 복사를 캐버티(26) 내에 전달하도록 구성된다. 고광도 광원(50)은 레이저, 고휘도 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 어레이, 아크 램프, 또는 고성능 광빔을 전달하는 다른 소자를 포함할 수 있다. 특히, 광원(50)은 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저, 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 석류석(Nd:YAG) 레이저, 또는 고성능 반도체 다이오드와 같은 종래의 산업용 레이저를 포함할 수 있다. 또한, 전자기 복사 소스는 무선 주파수 복사(RF)와 같은 다른 유형의 복사를 전달하는 소스를 포함할 수 있다. 복사 소스에 의하여 발생된 복사량은, 예를 들면, 구조 부재(60, 62)의 두께 및 가소화 온도에 좌우될 수 있다. 예를 들면, 광원(50)은 약 100 ~ 100,000와트의 복사를 발생할 수 있다. 바람직하기로는, 광원(50)은 섕크(20) 및 구동 샤프트로부터 멀리 떨어져 위치되고, 광원(50)으로부터의 빛은 하나 이상의 미러 또는 다른 반사면, 중공 튜브, 렌즈, 광섬유 케이블, 광 덕트, 혹은 다른 광 지향 부품에 의하여 캐버티(26) 내로 향한다. 그러나, 광원(50) 또는 다른 전자기 복사 소스는 원한다면 섕크(20) 및/또는 구동 샤프트와 일체로 구성될 수 있다.
전자기 복사 소스로부터 전자기 복사를 수신하도록 구성된 캐버티(26)는 프 로브(22)의 흡수면(32)에 의하여 적어도 부분적으로 형성된다. 바람직하기로는, 마찰 용접 공구(10)는 프로브(22)의 길이방향 축이 캐버티(26)를 관통하여 연장되도록 구성되고, 일 실시예에서, 캐버티(26)는 길이방향 축이 캐버티(26)의 중심을 관통하여 연장됨으로써 캐버티(26)가 프로브(22)의 길이방향 축에 대하여 대칭이 되도록 배치된다. 캐버티(26)는 섕크(20)를 관통하여 연장될 수 있고, 흡수면(32)이 섕크(20)와 대면하는 프로브(22)의 가까운 쪽의 말단에 의하여 형성되지만, 하나의 캐버티(26)는 섕크(20)를 관통하고 프로브(22)의 적어도 일부분을 관통하여 연장되는 것이 일반적이다. 따라서, 상기의 보다 일반적인 실시예에서는, 흡수면(32)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 프로브(22)의 내면에 의하여 형성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 캐버티(26)는 프로브(22)로부터 프로브 애퍼춰(30)를 통과하여 섕크(20) 내로 연장되고, 섕크(20)를 통과하여 섕크 애퍼춰(28)로 연장된다. 캐버티(26)의 단면 치수는, 전체 캐버티(26)의 단면 치수가 동일할 수 있지만, 원하는 경우 프로브(22) 내에서 보다 섕크(20) 내에서 더 넓은 것이 일반적이다. 캐버티(26)의 내면은 전자기 복사를 흡수하고, 캐버티(26)는 흡수를 제어하도록 형성 또는 처리될 수 있다. 예를 들면, 흡수면(32)은 탄소계 코팅, 페인트, 또는 세라믹과 같은 고흡수성 재료로 코팅되어 흡수면(32)의 흡수력이 캐버티(26)의 다른 면보다 더 잘 흡수하도록 할 수 있다.
광원(50)은 적어도 흡수면(32)을 조사, 즉 흡수면(32)을 가열시키도록 구성됨으로써 프로브(22) 및 구조 부재(60, 62)가 가열된다. 바람직하기로는, 흡수면(32)은 광원(50)으로부터 수광된 빛의 방향에 대하여 경사지도록 구성된다. 예를 들면, 흡수면(32)은 도 1에 도시된 바와 같은 원뿔형 및 오목형 또는 원뿔형 및 오목형 일 수 있다. 다른 실시예에서, 흡수면(32)은 포물선 형상과 같은 만곡면, 빛에 대하여 비스듬하게 경사진 하나 이상의 평탄면, 또는 옴폭하거나 또는 울퉁불퉁한 면과 같은 불균등한면을 형성한다. 흡수면(32)을 경사지게 구성함으로써 흡수면(32)으로부터 광원(50)으로 바로 되돌아가는 빛의 반사를 감소시키는 것이 바람직하다. 대신에, 흡수면(32)으로부터의 반사광은 캐버티(26)의 다른 부분으로 향한다. 예를 들면, 도 1의 방향(54)으로 향하고 원뿔형 흡수면(32)에 의하여 부분적으로 반사되는 빛은 흡수면(32)의 다른 부분을 향하여 주로 반사되고, 상기 흡수면의 다른 부분에서 빛은 부분적으로 흡수되며 다시 부분적으로 반사된다. 이어서 일부의 빛은 광원(50)을 향하여 다시 반사될 수 있고, 초기에 흡수면(32)으로부터 직접 광원(50)으로 반사되지 않도록 함으로써 광원(50)에 반사된 광량이 감소되어 광원(50)의 가열 및 마모가 감소된다. 또한, 빛이 광원(50)을 향하여 반사되기 전에 캐버티(26) 내에 일어나는 반사 횟수를 증가시킴으로써, 흡수면(32) 상의 빛의 가열 효과가 증가된다. 또한, 흡수면(32)은 광원(50)에 의하여 방사된 빛의 방향과 직각이 아니기 때문에, 빛이 빔 경로(52)의 단면 영역보다 더 큰 영역에 걸쳐 수광되어 흡수면(32)에 가까운 쪽의 프로브(22) 상에 열 응력이 감소된다. 광원(50)은 흡수성이 높은 면을 흡수면(32) 상에 제공하고, 보호 렌즈로 광원(50)를 보호하고, 또는 흡수면(32)으로 방사된 빛을 분산시킴으로써 빛이 과다하게 반사되지 않도록 또한 보호될 수 있다. 또한, 빛이 캐버티(26)로부터 새어나가는 것을 방지하기 위하여 섕크 애퍼춰(28) 및/또는 프로브 애퍼춰(30)는 캐버티(26) 나 머지 부분의 단면 치수보다 더 작게 될 수 있다. 미러, 렌즈, 필터 등과 같은 한 가지 이상의 광학 장치를 사용하여 초점, 방사 각도의 폭, 분산, 및 흡수면(32)에 의하여 수신된 빛의 간섭성을 조정할 수 있다.
도 3에 도시된 마찰 용접 공구(10)는 RF 발생 장치(50a)인 전자기 복사 소스 및 마찰 용접 블레이드인 프로브(22a)를 포함한다. 도 2의 커팅 공구(10)와 관련하여 전술한 바와 같이, RF 발생 장치(50a)는 흡수면(32)을 조사하여 추가의 열을 프로브(22a)에 제공하도록 구성된다. 동축 케이블 또는 중공 파이프를 포함할 수 있는 도파관(56a)은 RF 발생 장치(50a)로부터 캐버티(26)로, 및 프로브(22a)의 흡수면(32)을 향하여 RF가 발광하도록 하고, RF 렌즈(58a)는 직사각형 프로브 애퍼춰(30)를 통하여 집속한다. 프로브(22a)는 구조 부재(60, 62) 사이의 경계면(64) 내에 삽입 또는 가압되고, 프로브(22a)와 구조 부재(60, 62) 사이에 마찰을 발생시키도록 왕복운동하도록 작동하여 구조 부재(60, 62)의 재료를 가소화시키고, 가소화 재료를 혼합시켜 구조 부재(60, 62)를 접합시키는 용접 조인트(66)를 형성할 수 있다. 공구(10)의 구동 샤프트는 왕복운동 가능한 액추에이터(도시되지 않음)에 연결되고, 프로브(22a)를 경계면(64) 내에 가압시키고, 프로브(22a)를 방향(48)으로 왕복운동시키며, 프로브(22a)를 방향(44)으로 이동시키도록 구성된다. 공구(10)의 길이방향 축이 프로브(22a) 및 경계면(64)과 평행으로 도시되어 있지만, 섕크(20), 구동 샤프트, 및 광원(50) 중 한 가지 이상은 프로브(22a)에 대하여 경사지게, 예를 들면 프로브와 직각으로 위치될 수 있다. 또한, 프로브(22a)는 당해 기술에 공지된 바와 같이 경계면(64)에 대하여 경사지게 위치될 수 있다.
한 가지 일반적인 동작 방법에 있어서, 마찰 용접 공구(10)는 마찰 용접 조인트(66)를 형성하여 두 개의 구조 부재(60, 62)를 접합시키는데 사용된다. 구조 부재(60, 62)는 이들 구조 부재 사이에 경계면(64)을 형성하도록 위치되어 함께 가압된다. 마찰 용접 프로브(22, 22a)는, 예를 들면, 프로브(22, 22a)를 프로브(22, 22a)의 길이방향으로 경계면(64) 내에 가압시킴으로써 구조 부재(60, 62) 내로 가압된다. 마찰 용접 프로브(22, 22a)는, 예를 들면, 섕크(20) 및 프로브(22, 22a)를 회전 또는 왕복 운동시키고, 섕크(20) 및 프로브(22, 22a)를 경계면(64)을 따라 이동시키는 액추에이터를 사용하여 작동된다. 전자기 복사 소스(50, 50a)는 흡수면(32)을 향하여 복사하여 흡수면에 조사된다. 전자기 복사 소스(50, 50a)로부터 흡수면(32)에 수신된 빛이 흡수면(32)을 가열시키고, 예를 들면, 흡수면(32)과 프로브(22, 22a) 사이에 전도됨으로써 프로브(22, 22a) 전체에 열이 전도된다. 전자기 복사 소스로부터 프로브(22, 22a)에 수신된 열 에너지가 프로브(22, 22a)에 의하여 발생된 마찰열을 보조함으로써 프로브(22, 22a) 및 구조 부재(60, 62)는 마찰열 한 가지에 의해서만 가열되는 속도보다 더 빠르게 가열된다. 따라서, 가소화 영역이 더 빠른 속도로 구조 부재(60, 62) 내에 형성되고, 프로브(22, 22a)는 더욱 용이하고, 프로브(22, 22a)가 단지 마찰열에 의해서만 가열되는 경우의 속도보다 더 빠른 속도로 구조 부재(60, 62)를 통과하여 이동할 수 있다.
본 발명은 전술한 상세한 설명 및 첨부 도면에 예시된 지침 중 장점을 갖는 여러 가지 변형 및 실시예로 구현될 수 있다는 점을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정의 실시예에만 한정되지 않고 이의 변형 및 다 른 실시예도 특허청구범위의 취지 및 범위 내에 포함되는 것으로 이해해야 한다. 본 명세서에서는 특정의 용어가 사용되었지만, 이들 용어는 일반적인 개념으로서 단지 설명을 위한 것이지 한정하는 것은 아니다.

Claims (32)

  1. 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 용접하는 장치에 있어서,
    섕크(shank), 및
    상기 섕크에 연결되며, 상기 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 용접하기 위하여 상기 섕크에 의하여 작동되는 프로브(probe)
    를 포함하고,
    상기 프로브는 흡수면 및 상기 흡수면으로 연장되는 캐버티를 형성하며, 상기 흡수면은 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 받아 상기 프로브를 가열시키는
    마찰 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섕크와 회전가능하게 연결되는 회전가능 액추에이터를 더 포함하고,
    상기 회전가능 액추에이터는 상기 프로브의 길이방향 축을 중심으로 상기 섕크를 회전시킬 수 있으며,
    상기 프로브는 마찰 휘젓기 용접 핀(friction stir welding pin)을 포함하는
    마찰 용접 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섕크와 왕복운동가능하게 연결되는 왕복운동가능 액추에이터를 더 포함하고,
    상기 프로브는 마찰 휘젓기 용접 블레이드(friction stir welding blade)를 포함하는
    마찰 용접 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡수면을 조사하여 상기 프로브를 가열시키도록 구성되는 전자기 복사 소스(electromagnetic radiation source)를 더 포함하는 마찰 용접 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자기 복사 소스는 빛을 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 광원인 마찰 용접 장치.
  6. 상기 광원에 의하여 방사된 빛을 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 광섬유 케이블을 더 포함하는 마찰 용접 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전자기 복사 소스는 무선 주파수 복사를 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 무선 주파수 발생 장치인 마찰 용접 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무선 주파수 발생 장치에 의하여 방사된 전자기 복사를 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 도파관을 더 포함하는 마찰 용접 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 캐버티는 상기 프로브의 적어도 일부분을 관통하여 길이방향으로 연장되고, 상기 전자기 복사 소스는 전자기 복사를 상기 프로브의 길이방향으로 방사시키도록 구성되는 마찰 용접 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캐버티는 상기 섕크를 관통하여 연장되는 마찰 용접 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 캐버티는 상기 프로브보다 상기 섕크에서 단면 치수가 더 크게 형성되는 마찰 용접 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 흡수면은 상기 전자기 복사 소스로부터 받는 상기 전자기 복사의 전파 방향에 대하여 경사지는 마찰 용접 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 흡수면은 만곡된 마찰 용접 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 흡수면은 원뿔형인 마찰 용접 장치.
  15. 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 용접하는 공구에 있어서,
    섕크,
    상기 섕크에 연결되며, 내부 흡수면을 형성하고 상기 섕크와 협동하여 상기 흡수면까지 연장되는 캐버티를 형성하는 프로브,
    상기 섕크 및 상기 프로브를 작동시켜 적어도 하나의 구조 부재를 용접하도록 구성되는 액추에이터, 및
    상기 흡수면을 조사하여 상기 프로브를 가열시키도록 구성되는 전자기 복사 소스
    를 포함하고,
    상기 캐버티는 상기 프로브의 일부분을 관통하여 길이방향으로 연장되며, 상기 전자기 복사 소스는 상기 프로브의 길이방향으로 전자기 복사를 방사하도록 구성되는
    마찰 용접 공구.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 프로브는 마찰 휘젓기 용접 핀을 포함하며,
    상기 액추에이터는 상기 섕크와 회전가능하게 연결되는 회전가능 액추에이터이고,
    상기 회전가능 액추에이터는 상기 핀을 상기 핀의 길이방향 축을 중심으로 회전시킬 수 있는
    마찰 용접 공구.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 프로브는 마찰 휘젓기 용접 블레이드이며,
    상기 액추에이터는 상기 섕크와 왕복운동가능하게 연결되는 왕복운동가능 액추에이터이고,
    상기 액추에이터는 상기 블레이드를 상기 블레이드와 평행인 방향으로 왕복운동시킬 수 있는
    마찰 용접 공구.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 전자기 복사 소스는 빛을 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 광원인 마찰 용접 공구.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 광원에 의하여 방사된 빛을 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 광섬유 케이블을 더 포함하는 마찰 용접 공구.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 전자기 복사 소스는 무선 주파수 복사를 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 무선 주파수 발생 장치인 마찰 용접 공구.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 무선 주파수 발생 장치에 의하여 방사된 전자기 복사를 상기 흡수면 쪽으로 지향시키도록 구성되는 도파관을 더 포함하는 마찰 용접 공구.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 흡수면은 상기 전자기 복사 소스로부터 방사된 전자기 복사의 전파 방향에 대하여 경사지는 마찰 용접 공구.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 흡수면은 만곡된 마찰 용접 공구.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 흡수면은 원뿔형인 마찰 용접 공구.
  25. 적어도 하나의 구조 부재를 마찰 용접하는 방법에 있어서,
    마찰 용접 프로브를 상기 적어도 하나의 구조 부재 내로 가압하는 단계,
    상기 적어도 하나의 구조 부재가 마찰 용접되도록 마찰 용접 프로브를 작동시키는 단계, 및
    상기 프로브를 가열시키도록 상기 프로브의 흡수면을 전자기 복사로 조사하는(irradiating) 단계
    를 포함하는 마찰 용접 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    적어도 800℃의 온도에서 가소화되는 재료로 형성되는 적어도 하나의 구조 부재를 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 조사 단계는 적어도 하나의 구조 부재 중 적어도 일부분을 적어도 800℃의 온도까지 가열시키는 단계를 포함하는
    마찰 용접 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 프로브는 마찰 휘젓기 용접 핀이고,
    상기 작동 단계는 상기 핀을 길이방향 축을 중심으로 회전시키는 단계를 포함하며,
    상기 조사 단계는 전자기 복사를 상기 핀의 길이방향 중 상기 핀 쪽으로 지향시키는 단계를 포함하는
    마찰 용접 방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 프로브는 마찰 용접 블레이드이고,
    상기 작동 단계는 상기 블레이드를 상기 적어도 하나의 구조 부재에 의하여 형성된 경계면 내에서 왕복운동시키는 단계를 포함하는 마찰 용접 방법.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 조사 단계는 상기 프로브를 상기 프로브에 의하여 형성된 캐버티를 관통하여 조사하는 단계를 포함하고,
    상기 흡수면은 캐버티를 적어도 부분적으로 형성하는 내면인
    마찰 용접 방법.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 조사 단계는 상기 전자기 복사를 상기 흡수면에 대하여 경사진 방향으로 지향시키는 단계를 포함하는 마찰 용접 방법.
  31. 제25항에 있어서,
    상기 조사 단계는 상기 흡수면을 빛으로 조사하는 단계를 포함하는 마찰 용접 방법.
  32. 제25항에 있어서,
    상기 조사 단계는 상기 흡수면을 무선 주파수 복사로 조사하는 단계를 포함하는 마찰 용접 방법.
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