KR100711780B1 - 마찰 교반 접합 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모재를 용이하게 접합할 수 있도록, 접합 대상인 모재의 접합 부분에 접하여 회전하는 회전 부재와, 상기 회전 부재의 상부에 설치되어 상기 회전 부재를 회전시키는 구동 부재, 및 상기 회전 부재에서 이격 설치되어 상기 회전 부재를 가열하는 레이저 발생 장치를 포함하는 마찰 교반 접합 장치, 및 상기 마찰 접합 장치를 이용한 마찰 교반 접합 방법을 제공한다.

마찰 교반 접합, 레이저, 회전 부재, 단열 부재

Description

마찰 교반 접합 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FRICTION STIR WELDING}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 접합 방법에 의하여 모재가 접합되는 과정을 도시한 개략적인 단면도이다.

본 발명은 마찰 교반 접합 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 마찰 교반 접합에 사용되는 회전 부재를 가열하는 가열부재를 포함하는 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.

마찰 교반 접합이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 삽입하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말하는데, 이러한 마찰 교반 접합은 고온의 용융 용접 시에 용접 균열과 용접변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열 감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있 다.

일반적으로 마찰 교반 접합 장치는 접합되는 부재보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전도구와 상기 회전도구를 회전시키는 구동부재를 포함한다. 그리고 상기 구동부재는 분할된 금속의 접합부에 설치된 회전 부재를 회전시키면서 접합부를 따라 회전 부재를 이송한다. 이에 따라 회전 부재와 접합부 사이에는 마찰열이 발생하고 이러한 마찰열과 회전 부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의해 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어진다.

그러나 이러한 종래의 마찰 교반 접합 장치는 금속의 마찰로 발생하는 열만으로 녹일 수 있는 금속의 종류가 한정되는 문제가 있다, 특히 스틸과 같이 경도가 높은 재료를 교반 접합할 경우에는 고출력의 회전과 큰 가압력이 요구되며, 접합 과정에서 회전 부재에 마모가 심하게 발생하는 문제가 있다.

그리고 두께가 두꺼운 금속의 경우, 마찰열이 금속의 두께방향으로 충분히 전달되지 못하여 접합부가 불량하게 될 수 있으며, 두께가 두꺼운 금속을 충분히 용융시키기 위해서 회전도구를 천천히 이송하게되면, 작업 능률이 저하되고 모재의 기계적 성질이 저하되는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 보조 가열 부재를 구비하여 모재를 용이하게 용융시킬 수 있는 마찰 교반 접합 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마찰 교반 접합 장치는 접합 대상인 모재의 접합 부분에 접하여 회전하는 회전 부재와, 상기 회전 부재의 상부에 설치되어 상기 회전 부재를 회전시키는 구동 부재, 및 상기 회전 부재에서 이격 설치되어 상기 회전 부재를 가열하는 레이저 발생 장치를 포함할 수 있다.

그리고 상기 회전 부재는 레이저가 조사되는 부분의 상부에 설치되는 단열 부재를 포함할 수 있다.

그리고 상기 레이저는 상기 몸통부의 하부에 조사될 수 있다.

상기 회전 부재는 몸통부와 상기 몸통부의 하단에 형성된 돌기부를 포함할 수 있다.

상기 레이저 발생 장치는 반도체 레이저 발생 장치 또는 근적외선 레이저 발생장치로 이루어질 수 있다.

상기 레이저 발생 장치는 상기 레이저의 출력을 조절하는 집광 렌즈를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 마찰 교반 접합 방법은 분할된 모재를 회전 부재의 회전에 의한 마찰열을 이용하여 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서, 분할된 상기 모재를 맞대는 단계와, 상기 회전 부재에 레이저를 조사하여 상기 회전 부재를 가열하는 단계, 및 상기 회전 부재를 회전시키면서 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 도시한 사시도 이다.

본 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치는 접합 대상인 모재(11)의 접합 부분(13)과 접하여 회전하는 회전 부재(20)와, 상기 회전 부재(20)의 상부에 설치되어 상기 회전 부재(20)를 회전시키는 구동 부재(25), 및 상기 회전 부재(20)에서 이격 설치되어 상기 회전 부재를 가열하는 레이저 발생 장치(30)를 포함한다.

상기 회전 부재(20)는 이루어진 몸통부(22)와 상기 몸통부(22)의 아래로 돌출 형성되어 모재(11)와 맞닿는 돌기부(23)를 포함한다. 그리고 상기 몸통부(22)에는 회전 부재의 위쪽으로 열이 전달되는 것을 차단하는 단열 부재(21)가 설치된다.

상기 단열 부재(21)는 레이저(35)에 의하여 발생된 열을 차단할 수 있도록 열전도성이 낮은 소재로 이루어지며, 고온에서도 용융되지 않는 정도로 용융점이 높은 물질로 이루어진다. 다만, 본 실시예에서는 상기 단열 부재(21)를 구성하는 소재에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 통상 고온의 환경에서 적용되는 세라믹 등 다양한 소재로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 몸통부(22)와 돌기부(23)는 마찰에 대한 마모가 적고 높은 마찰열에도 견딜 수 있도록 용융점이 높고 강도가 우수한 공구강 등으로 이루어진다.

그리고 상기 구동 부재(25)는 통상적인 마찰 교반 접합 장치와 마찬가지로 상기 회전 부재(20)를 회전시키는 모터(미도시)와 상기 회전 부재(20)를 이송시키는 이송 부재(미도시)를 포함할 수 있다.

한편, 상기 레이저 발생 장치(30)는 반도체 레이저 및 근적외선 레이저 등으 로 이루어진다. 그리고 상기 레이저 발생 장치(30)에서 방출된 레이저(25)는 상기 회전 부재에 도달할 때, 한 점으로 집광된 상태가 아니라, 넓이를 갖는 면에 분산되어 입사된다. 이는 레이저(35)가 집광되어 회전 부재(20)의 한 점을 가열하여 회전 부재(20)에 열이 집중되는 것을 방지하고, 보다 레이저(35)가 회전 부재를 고르게 가열하여 회전 부재(20)에서 발생된 열이 접합부()로 용이하게 전달될 수 있도록 하기 위함이다.

한편 상기 레이저(35)는 상기 몸통부(22)의 하부에 조사된다. 이는 상기 레이저(35)가 상기 몸통부(22)에 설치된 단열 부재(24)의 하부에 조사되어 레이저(35)에 의하여 발생된 열이 위로 전달되는 것을 방지하고 상기 몸통부(22)의 아래로만 전달될 수 있도록 하기 위함이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 접합 방법에 의하여 모재가 접합되는 과정을 도시한 개략적인 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치에 의하여 진행되는 마찰 교반 접합 방법을 설명하면, 먼저 접합의 대상이 되는 분할된 모재(11)가 서로 맞닿도록 설치하고, 상기 회전 부재(20)를 모재의 위에 설치한다.

그리고 회전 부재(20)에 레이저(35)를 조사하여 회전 부재(20)를 가열하고, 상기 회전 부재(20)를 회전시키면서 회전 부재가 접합부(13)를 따라 이송하여 모재(11)를 접합하게 된다.

상기 회전 부재(20)가 회전하는 동안 회전 부재(20)에 레이저(35)가 조사되어 상기 레이저(35)는 회전 부재(20)의 둘레를 따라 회전 부재(20)를 고르게 가열 하게 된다.

그리고 회전 부재(20)에서 발생된 열은 몸통부(22)에 설치된 단열 부재(21)에 의하여 위쪽으로는 이동하지 못하고 아래로 이동하여 회전 부재(20)와 맞닿은 모재(11)의 접합부(13)로 이동한다. 이러한 방식으로 모재(11)는 회전 부재(20)와 모재(11)가 마찰하여 발생되는 마찰열과 회전 부재로부터 전달되는 열에 의하여 연화되고 연화된 모재(11)가 회전력과 압력에 의하여 교반되어 접합될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 회전 부재가 레이저에 의하여 가열되어 많은 열을 모재에 전달할 수 있다.

또한, 회전 부재에는 단열 부재가 설치되어 회전 부재에서 발생된 열을 모재로 용이하게 전달할 수 있다.

또한, 마찰에 의한 열과 레이저에 의해 발생된 열이 모재에 전달되어 모재를 용이하게 연화할 수 있어서, 강도가 큰 소재나 두께가 두꺼운 소재를 용이하게 접합할 수 있다.

Claims (12)

1. 접합 대상인 모재의 접합 부분에 접하여 회전하는 회전 부재;

   상기 회전 부재의 상부에 설치되어 상기 회전 부재를 회전시키는 구동 부재; 및

   상기 회전 부재에서 이격 설치되어 상기 회전 부재를 가열하는 레이저 발생 장치;

   를 포함하고,

   상기 회전 부재는 레이저가 조사되는 부분의 상부에 설치되는 단열 부재를 포함하는 마찰 교반 접합 장치.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,

   상기 회전 부재는 몸통부와 상기 몸통부의 하단에 형성된 돌기부를 포함하는 마찰 교반 접합 장치.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 레이저는 상기 몸통부의 하부에 조사되는 마찰 교반 접합 장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 레이저 발생 장치는 반도체 레이저 발생 장치 또는 근적외선 레이저 발생장치로 이루어지는 마찰 교반 접합 장치.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 레이저 발생 장치는 상기 레이저의 출력을 조절하는 집광 렌즈를 포함하는 마찰 교반 접합 장치.
7. 분할된 모재를 회전 부재의 회전에 의한 마찰열을 이용하여 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서,

   분할된 상기 모재를 맞대는 단계;

   상기 회전 부재에 레이저를 조사하여 상기 회전 부재를 가열하는 단계;

   상기 회전 부재에 설치된 단열 부재를 이용하여 레이저에 의하여 발생된 열을 상기 모재가 위치하는 쪽으로만 전달하는 단계; 및

   상기 회전 부재를 회전시키면서 이송하는 단계;

   를 포함하는 마찰 교반 접합 방법.
8. 제7 항에 있어서,

   상기 레이저는 상기 회전 부재의 하부에 조사되는 마찰 교반 접합 방법.
9. 제7 항에 있어서,

   상기 레이저를 조사하는 단계는 집광부재에 의하여 레이저의 출력을 조절하 는 단계를 포함하는 마찰 교반 접합 방법.
10. 제7 항에 있어서,

    상기 레이저를 조사하는 단계는 전압의 조절에 의하여 레이저의 출력을 조절하는 단계를 포함하는 마찰 교반 접합 방법.
11. 제7 항에 있어서,

    상기 레이저는 반도체 레이저 발생 장치 또는 근적외선 레이저 발생장치에 의하여 발생되는 마찰 교반 접합 방법
12. 삭제

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