KR100711779B1 - Apparatus for friction stir spot welding - Google Patents

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KR100711779B1 KR1020050129291A KR20050129291A KR100711779B1 KR 100711779 B1 KR100711779 B1 KR 100711779B1 KR 1020050129291 A KR1020050129291 A KR 1020050129291A KR 20050129291 A KR20050129291 A KR 20050129291A KR 100711779 B1 KR100711779 B1 KR 100711779B1
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spot welding
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천창근
장웅성
권영각
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

겹쳐져 있는 피가공재와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공재를 교반하여 용접하는 마찰 교반 점 용접장치의 회전 공구를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구는 회전축의 단부에 구비되는 숄더; 상기 숄더의 단부에 구비되는 핀; 및 연화된 피가공재가 숄더 외측으로 유출되는 것을 방지하도록 상기 숄더에 설치되는 지지대를 포함하며, 상기 지지대는 상기 숄더와 접촉되는 볼 및 이 볼이 설치되는 볼 하우징을 포함하는 베어링으로 구성된다. 상기 볼 하우징은 밑면이 숄더의 단부면과 동일한 높이를 유지하도록 상기 숄더에 결합되며, 상기 숄더에는 볼이 안착되는 시트부가 구비된다.A rotating tool of a friction stir spot welding device for agitating and welding a workpiece by rotating in contact with the overlapping workpiece. The rotary tool according to an embodiment of the present invention is a shoulder provided at the end of the rotating shaft; A pin provided at an end of the shoulder; And a support installed on the shoulder to prevent the softened workpiece from flowing out of the shoulder, wherein the support includes a ball contacting the shoulder and a ball housing in which the ball is installed. The ball housing is coupled to the shoulder so that the bottom surface is the same height as the end surface of the shoulder, the shoulder is provided with a seat portion seated ball.

마찰, 교반, 회전 공구, 툴, 베어링, 버어 Friction, Stirring, Rotary Tools, Tools, Bearings, Burrs

Description

마찰 교반 점 용접장치{APPARATUS FOR FRICTION STIR SPOT WELDING}Friction Stirring Spot Welding Equipment {APPARATUS FOR FRICTION STIR SPOT WELDING}

도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 회전 공구를 사용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 상태를 나타내는 도면으로서,1 to 3 are views showing a state of performing friction stir spot welding using a rotary tool according to the prior art,

도 1은 플런징 단계를 나타내는 도면이고,1 is a view showing a plunging step,

도 2는 스터링 단계를 나타내는 도면이며,2 is a view showing a stirling step,

도 3은 드로잉 아웃 단계를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a drawing out step.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a rotary tool according to an embodiment of the present invention.

도 5는 도 4의 회전 공구를 사용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 상태를 나타내는 개략도이다.FIG. 5 is a schematic view showing a state of performing friction stir spot welding using the rotary tool of FIG. 4. FIG.

본 발명은 마찰 교반 점 용접장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 겹쳐져 있는 피가공재와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공재를 교반하여 용접하는 마찰 교반 점 용접장치의 회전 공구에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a friction stir spot welding device, and more particularly, to a rotary tool of a friction stir spot welding device which stirs and welds a workpiece by rotating in contact with an overlapping workpiece.

자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업 분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다. Light alloys using light materials such as aluminum or magnesium are widely used in various industrial fields such as transportation devices such as automobiles and aircrafts and construction / civil engineering. In order to produce / manufacture various devices, structures, etc. using such a light alloy, these light alloys are frequently joined by welding.

따라서 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)이 소개되어 있고, 이에 관해서는 국제공개문헌(국제공개번호:WO93/10935; 출원인:THE WELDING INSTITUTE)을 참조로 할 수 있다. Therefore, techniques for welding these light alloys have been widely researched, and recently, friction stir welding (FSW) has been introduced, and in this regard, International Publication (WO93 / 10935; Applicant: THE WELDING) INSTITUTE).

상기 문헌을 참조하여 마찰 교반 용접 기술에 대해 간략히 설명하면, 상기한 마찰 교반 용접 기술은 접합하고자 하는 두 개의 피가공재를 서로 맞대어 접합 계면을 따라 공구(tool)가 진행하면서 발생하는 마찰열과 피가공재 내부에서 발생하는 소성 가공 현상을 이용하여 피가공재를 접합하는 방법이다.Briefly describing the friction stir welding technique with reference to the above document, the friction stir welding technique is a friction heat and the inner part of the workpiece generated as the tool progresses along the joining interface against the two workpieces to be joined together It is a method of joining a workpiece using the plastic working phenomenon which arises in.

그리고, 최근에는 이러한 마찰 교반 용접 기술을 활용/개선함으로써 더욱 발전시키고자 하는 노력이 더해지고 있다.In recent years, efforts to further develop by utilizing / improving such friction stir welding technology have been added.

일예로, 상기한 마찰 교반 용접 방법에서 파생된 다른 용접 방법의 하나로 마찰 교반 점 용접 방법이 알려져 있다.As one example, the friction stir spot welding method is known as one of other welding methods derived from the friction stir welding method described above.

상기한 마찰 교반 점 용접 방법은 마찰 교반 용접 현상의 일부분을 이용하여 겹치기 접합에 이용하는 것으로, 회전 공구를 피가공재 쪽으로 이동시켜 한 점(spot)에서 피가공재를 교반하여 용접하는 방법이다.The friction stir spot welding method described above is used for overlapping joining by using a part of friction stir welding phenomenon, and is a method of stirring and welding a workpiece at a spot by moving a rotary tool toward the workpiece.

이러한 마찰 교반 점 용접 방법은 저항 점 용접과 마찰 교반 용접을 혼합한 형태로서, 상기한 마찰 교반 용접과는 다른 용접 방법으로 인식되고 있으며, 스틸 (steel)보다 비교적 융점이 낮은 알루미늄이나 마그네슘 등의 비철금속의 접합에 사용되고 있다.The friction stir welding method is a mixture of resistance spot welding and friction stir welding, which is recognized as a welding method different from the friction stir welding, and has a lower melting point than aluminum, such as aluminum or magnesium. It is used for joining.

상기한 마찰 교반 점 용접 방법을 수행하는 용접장치에서는 위에서 설명한 바와 같이 회전 공구를 구비한다.In the welding apparatus which performs the above-mentioned friction stir spot welding method, as described above, a welding tool is provided.

이하, 상기한 회전 공구를 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 방법에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of performing friction stir spot welding using the rotary tool will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

도 1은 플런징(plunging) 단계를 나타내고, 도 2는 스터링(stirring) 단계를 나타내며, 도 3은 드로잉 아웃(drawing out) 단계를 나타낸다.1 shows a plunging step, FIG. 2 shows a stirring step, and FIG. 3 shows a drawing out step.

일반적으로 회전 공구(100)는 회전축과 함께 회전하는 바디(body, 110)와, 바디(110)의 숄더부에 설치되는 핀(120)을 포함하여 이루어진다.In general, the rotary tool 100 includes a body 110 that rotates together with a rotating shaft, and a pin 120 installed at a shoulder of the body 110.

이러한 구성의 회전 공구(100)를 회전시키면서 핀(120)을 피가공재(130)의 표면에 접촉시키면 핀(120)의 표면과 피가공재(130)의 표면 사이에 마찰열이 발생되고, 발생된 마찰열에 의해 피가공재(130)가 연화된다(플런징 단계).When the pin 120 is brought into contact with the surface of the workpiece 130 while rotating the rotary tool 100 having such a configuration, frictional heat is generated between the surface of the pin 120 and the surface of the workpiece 130. By this, the workpiece 130 is softened (plunging step).

그리고, 상기 연화가 발생되면 핀(120)에 구비되어 있는 나사 형태의 홈 때문에 소성 유동이 발생된다(스터링 단계).In addition, when the softening occurs, plastic flow occurs due to the threaded groove provided in the pin 120 (stering step).

이때, 상기 소성 유동은 회전 공구(100)의 회전 방향과 수직 방향으로 발생되고, 결과적으로 핀(120) 주위에 존재하는 피가공재(130)는 교반이 발생하여 접합이 이루어진다.At this time, the plastic flow is generated in a direction perpendicular to the rotational direction of the rotary tool 100, and as a result, the workpiece 130 existing around the pin 120 is agitated to be joined.

그런데, 상기한 스터링 단계에서는 연화된 피가공재가 바디(110)의 숄더부 외측으로 빠져나오게 되고, 이로 인해 버어(burr)(140)가 발생된다.However, in the stirling step, the softened workpiece is taken out to the outside of the shoulder portion of the body 110, thereby generating a burr 140.

따라서, 드로잉 아웃 단계를 실시한 후에는 버어(140)를 제거하기 위해 후처리 공정을 실시해야 하는 문제점이 있다.Therefore, after the drawing out step, there is a problem that a post-treatment process should be performed to remove the burr 140.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 버어 제거를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있는 마찰 교반 점 용접장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a friction stir spot welding apparatus that can omit the post-treatment process for removing the burr.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,

피가공재를 마찰 교반 점 용접하기 위한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치로서, 상기 회전 공구는,A friction stir spot welding device having a rotation tool for welding a workpiece to friction stir spot welding, the rotation tool comprising:

일정 속도로 회전하는 바디(body);A body rotating at a constant speed;

상기 바디의 숄더부에 구비되는 핀; 및A pin provided at the shoulder of the body; And

연화된 피가공재가 숄더부 외측으로 유출되는 것을 방지하도록 상기 바디에 설치되는 지지대Supports installed on the body to prevent the softened workpiece from flowing out of the shoulder portion

를 포함하는 마찰 교반 점 용접장치를 제공한다.Provides a friction stir welding device comprising a.

본 발명을 실시함에 있어서, 상기 지지대는 상기 바디와 접촉되는 볼 및 이 볼이 설치되는 볼 하우징을 포함하는 베어링으로 구성할 수 있다.In the practice of the present invention, the support may be configured as a bearing including a ball in contact with the body and a ball housing in which the ball is installed.

이 경우, 상기 바디에는 볼이 안착되는 시트부를 형성하는 것도 가능하다.In this case, it is also possible to form a sheet portion on which the ball is seated.

이러한 구성의 지지대에 의하면, 상기 바디가 회전되는 동안 상기 볼 하우징은 비회전 상태로 피가공재에 접촉된다. 따라서, 볼 하우징이 피가공재와 접촉되는 부분에서는 마찰열이 발생하지 않으므로, 상기 접촉부에서는 피가공재가 연화되 지 않으며, 숄더부와 피가공재가 접촉되는 부분에서 연화된 피가공재는 상기 피가공재와 접촉된 볼 하우징에 의해 숄더부 외측으로 유출되는 것이 방지된다.According to the support of this configuration, the ball housing is in contact with the workpiece in a non-rotating state while the body is rotated. Therefore, since the friction heat does not occur at the portion where the ball housing contacts the workpiece, the workpiece is not softened at the contact portion, and the workpiece softened at the portion where the shoulder portion and the workpiece are in contact with the workpiece is contacted with the workpiece. Outflow of the shoulder portion by the ball housing is prevented.

물론, 상기한 베어링은 다양한 형태의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 베어링으로 유체 윤활 베어링을 사용할 수 있다.Of course, the above-described bearing may be used in various forms. For example, a fluid lubricated bearing can be used as the bearing.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접장치의 회전 공구를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 1의 작동 상태도이다.Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing a rotary tool of the friction stir spot welding apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is an operating state of FIG.

먼저, 마찰 교반 점 용접장치의 개략적인 구성에 대해 살펴 보면, 본 실시예에 따른 회전 공구(10)는 상하 방향으로 이동이 가능하도록 설치되는 회전축의 단부에 구비된다.First, looking at the schematic configuration of the friction stir spot welding apparatus, the rotary tool 10 according to the present embodiment is provided at the end of the rotating shaft which is installed to be movable in the vertical direction.

상기 회전축 및 회전 공구(10)를 회전 구동하기 위해 상기 용접장치는 제1 구동기를 구비하며, 제1 구동기의 동력은 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식에 의해 회전축에 전달할 수 있다.The welding apparatus includes a first driver for rotationally driving the rotary shaft and the rotary tool 10, and the power of the first driver may be transmitted to the rotary shaft by an indirect drive method using a direct transmission method or a power transmission member such as a belt. Can be.

그리고, 회전축 및 회전 공구(10)를 상하 방향으로 이동시키기 위해 상기 용접장치는 제2 구동기를 구비하며, 제2 구동기의 동력 또한 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식에 의해 회전축에 전달할 수 있다.In addition, the welding apparatus includes a second driver in order to move the rotary shaft and the rotary tool 10 in the vertical direction, and the power of the second driver is also driven by a direct drive method or an indirect drive method using a power transmission member such as a belt. Can be transmitted to the axis of rotation.

이러한 구성의 마찰 교반 점 용접장치에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구(10)는 피가공재(20)의 표면에 소정의 힘을 가하면서 회전되어 피가공재 (20)를 접합하기 위한 것으로, 회전축과 함께 회전하는 바디(12)와, 바디(12)의 숄더부에 구비되는 핀(14)과, 바디(12)에 설치되는 베어링(16)을 포함한다.In the friction stir spot welding device having such a configuration, the rotary tool 10 according to the embodiment of the present invention is rotated while applying a predetermined force to the surface of the workpiece 20 to join the workpiece 20. , A body 12 rotating together with the rotation shaft, a pin 14 provided on the shoulder portion of the body 12, and a bearing 16 installed on the body 12.

상기 핀(14)에는 소성 유동을 효과적으로 발생시키기 위해 나사 형태의 홈들이 형성되어 있으며, 상기 베어링(16)은 볼 베어링으로 이루어진다.The pin 14 is formed with threaded grooves for effectively generating plastic flow, and the bearing 16 is formed of a ball bearing.

물론, 상기 베어링(16)이 다른 형태의 것, 예를 들어 유체 윤활 베어링으로 이루어질 수도 있지만, 이하에서는 볼 베어링을 예로 들어 설명한다.Of course, the bearing 16 may be of another type, for example, a fluid lubricated bearing, but the following description will be given using a ball bearing as an example.

베어링(16)은 볼(16a)과, 볼(16a)을 둘러싸는 볼 하우징(16b)을 포함한다.The bearing 16 includes a ball 16a and a ball housing 16b surrounding the ball 16a.

볼 하우징(16b)에는 볼(16a)이 안착되는 시트부(16b')가 구비되며, 바디(12)에도 볼(16a)이 안착되는 시트부(12')가 구비된다.The ball housing 16b is provided with a seat portion 16b 'on which the ball 16a is seated, and the body 12 is also provided with a seat portion 12' on which the ball 16a is seated.

상기 볼 하우징(16b)은 밑면이 바디(12)의 단부면과 동일한 높이를 유지하도록 상기 바디(12)에 결합되며, 볼 하우징(16b)의 시트부(16b')와 바디(12)의 시트부(12')에는 볼(16a)이 안착된다.The ball housing 16b is coupled to the body 12 so that the bottom surface is the same height as the end surface of the body 12, the seat portion 16b 'of the ball housing 16b and the seat of the body 12 The ball 16a is seated in the portion 12 '.

따라서, 상기 볼 하우징(16b)이 피가공재(20)와 일정한 압력으로 접촉하는 상태에서는 바디(12) 및 핀(14)이 회전하더라도 볼 하우징(16b)이 비회전 상태로 유지될 수 있다.Therefore, in the state where the ball housing 16b is in contact with the workpiece 20 at a constant pressure, the ball housing 16b may be maintained in a non-rotating state even if the body 12 and the pin 14 rotate.

이와 같이 볼 하우징(16b)을 비회전 상태로 유지하는 것은 피가공재(20)와의 사이에 마찰열이 발생되지 않도록 하기 위한 것으로, 피가공재(20)의 연화는 상기한 마찰열로 인해 발생되기 때문이다.The ball housing 16b is maintained in a non-rotating state as described above in order to prevent frictional heat from being generated between the workpiece 20 and the softening of the workpiece 20 due to the frictional heat described above.

따라서, 상기한 구성의 회전 공구(10)를 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시할 때, 볼 하우징(16b)이 접촉되는 부분의 피가공재(20)는 연화되지 않으며, 볼 하 우징(16b)의 내측 영역, 즉 바디(12)의 숄더부가 피가공재(20)와 접촉되는 영역에서만 피가공재(20)의 연화가 발생되고, 또한 이 영역에서만 상기 핀(14)의 나사 형태의 홈에 의해 소성 유동이 발생된다.Therefore, when friction stir spot welding is performed using the rotary tool 10 having the above-described configuration, the workpiece 20 at the portion where the ball housing 16b contacts is not softened, and the ball housing 16b is Softening of the workpiece 20 occurs only in the inner region, that is, the region where the shoulder portion of the body 12 is in contact with the workpiece 20, and only in this region is the plastic flow by the threaded groove of the pin 14. Is generated.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 회전 공구(10)는 피가공재(20)의 연화 및 소성 유동이 발생되는 영역의 외측에 볼 하우징(16b)이 비회전 상태로 접촉되고 있으므로, 상기 연화된 피가공재가 바디(12)의 숄더부 외측으로 유출되는 것이 방지된다.As described above, in the rotary tool 10 according to the exemplary embodiment of the present invention, since the ball housing 16b is in a non-rotating state, the ball housing 16b is in contact with the outside of the area where the softening and plastic flow of the workpiece 20 occur. The work piece is prevented from flowing out of the shoulder portion of the body 12.

상기 실시예에서는 베어링 하우징의 폭이 바디 폭보다 크게 형성되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 베어링 하우징 상측의 바디 폭을 베어링 하우징과 동일한 폭으로 형성하는 것도 가능하다.In the above embodiment, the width of the bearing housing is larger than the body width, for example, but the body width of the upper side of the bearing housing may be formed to be the same width as that of the bearing housing.

이와 같이, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. As such, the present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that modifications and improvements can be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 마찰 교반 점 용접시에 버어가 발생되는 것을 방지할 수 있으므로, 버어 제거를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, since the burr may be prevented from occurring during the friction stir welding, the post-treatment process for removing the burr may be omitted.

Claims (4)

피가공재를 마찰 교반 점 용접하기 위한 회전 공구를 구비하는 마찰 교반 점 용접장치로서, 상기 회전 공구는,A friction stir spot welding device having a rotation tool for welding a workpiece to friction stir spot welding, the rotation tool comprising: 설정 속도로 회전하는 바디;A body rotating at a set speed; 상기 바디의 숄더부에 구비되는 핀; 및A pin provided at the shoulder of the body; And 연화된 피가공재가 숄더부 외측으로 유출되는 것을 방지하도록 상기 바디에 설치되며, 상기 바디의 회전시에 비회전 상태로 유지되는 지지대Supports are installed on the body to prevent the softened workpiece from flowing out of the shoulder portion, the support is maintained in a non-rotating state when the body is rotated 를 포함하는 마찰 교반 점 용접장치.Friction stirring point welding device comprising a. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 지지대는 상기 바디와 접촉되는 볼 및 이 볼이 설치되는 볼 하우징을 포함하는 베어링으로 구성되는 마찰 교반 점 용접장치.The support is friction stir welding device consisting of a bearing comprising a ball in contact with the body and the ball housing is installed. 제 2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 볼 하우징은 밑면이 바디의 단부면과 동일한 높이를 유지하도록 상기 바디에 결합되는 마찰 교반 점 용접장치.And the ball housing is coupled to the body so that the bottom surface is flush with the end surface of the body. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 바디에는 볼이 안착되는 시트부가 구비되는 마찰 교반 점 용접장치.Friction stir welding device that the body is provided with a seat portion seated ball.
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