KR100954190B1 - 가스냉각수단을 구비한 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접작업 시 용접부 주위로 동시에 가스를 분사함으로써 접합부의 온도를 제어하고 산화를 방지할 수 있는 가스냉각수단을 구비한 용접장치에 관한 것이다.

이에 본 발명은, 원통 형상의 숄더(shoulder)와, 상기 숄더의 하단으로부터 돌출되는 프로브(probe)와, 상기 숄더의 둘레를 따라 방사상으로 돌출되도록 설치되는 로킹칼라(locking collar)를 포함하여 이루어지는 용접 툴(tool)이 회전동력 전달구의 하단에 장착되어 사용되는 용접장치에 있어서, 상기 용접툴이 장착된 회전동력 전달구를 내포하도록 그 외측에 상광하협의 형상으로 형성되는 하우징; 및 상기 하우징의 측벽을 따라 상단에서 하단까지 이어지면서, 상단은 외부 가스공급장치와 연결되고 그 일부는 내측으로 상기 하우징의 내부와 연통되며, 하단은 상기 용접툴을 향하도록 분사노즐이 형성되는 측벽가스통로를 포함하여 용접 시 상기 측벽가스통로와 하우징의 내부통로를 통해 용접부로 가스를 분사할 수 있는 용접장치를 제공한다.

분위기 가스, 냉각, 용접장치

Description

가스냉각수단을 구비한 용접장치{WELDING APPARATUS HAVING A GAS COOLING MEANS}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치를 개략적으로 도시한 부분 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치의 용접툴 장착부위를 도시한 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치의 용접툴을 도시한 평면도이다.

도 4는 일반적인 마찰교반 용접의 개념도이다.

도 5는 종래의 마찰교반 용접에 사용되던 용접툴을 도시한 사시도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

7: 용접모재 9: 외부 가스공급장치

10: 용접툴 12: 숄더

14: 프로브 16: 로킹칼라

18: 회전동력 전달구 19: 용접툴 고정수단

20: 하우징 21: 측벽가스통로

23: 압력계 25: 수냉관

본 발명은 마찰교반 용접장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접작업 시 용접부 주위로 동시에 가스를 분사함으로써 접합부의 온도를 제어하고 산화를 방지할 수 있는 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치에 관한 것이다.

일반적으로 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding)기술은, 기존의 마찰용접이 부재를 회전시켜 접합하는데 비해, 도 4에 도시된 바와 같이, 별도의 회전 툴(tool)(60)을 부재의 맞대기면(61)을 따라서 이동함으로써 부재를 소성유동시켜 고체상태에서 접합하는 방법으로, 대형부재의 접합이 가능해져 가스메탈아크용접(GMAW, Gas Metal Arc Welding)기술 개발 이후 Al 및 Al 합금용접에 있어서 기술적 진보로 인정되고 있다.

그리고, 매우 특징적인 것은 접합에 따른 변형이 없거나, 있다 하더라도 용융용접에 비해 무시할 정도로 적다는 점이다. 뿐만 아니라, 접합 중에 흄(fume)의 발생도 없고, 적외선, 자외선 등의 유해광선도 발생하지 않는 환경친화적 접합공정이다.

도 5는 종래의 마찰교반 용접에 사용되던 용접툴을 도시한 사시도이다.

용접툴(70)은 원통 형상의 숄더(shoulder)(72)와, 상기 숄더(72)의 하단으로부터 돌출되는 프로브(probe)(74)와, 상기 숄더(72)의 둘레를 따라 방사상으로 돌출되도록 설치되는 로킹칼라(locking collar)(76)를 포함하여 이루어지며, 이러한 용접툴(70)은 회전동력 전달구(미도시)의 하단에 장착되어 상기 프로브(74)가 용접모재에 맞닿아 회전하면서 마찰교반 용접이 이루어졌다.

한편, 이러한 마찰교반 용접방법은 용융용접에 비해 접합 전후 처리공정이 단순하고 용가재(Filler Metal)를 필요로 하지 않는다는 장점이 있으나, Al의 경우 차폐가스가 필요하지 않지만 일반강이나 Ti 및 Ti합금의 경우 대기로부터의 차폐가 매우 중요하다. 왜냐하면 이러한 일반강이나 Ti 및 Ti합금은 대기중의 산소와 고온에서 반응을 일으켜 접합부 기계적 성질을 저하시킬 뿐만 아니라 툴의 수명을 단축시키기 때문이다.

따라서 상기한 바와 같은 여러 가지 장점을 가지고 있는 마찰교반 용접기술을 일반강이나 고장력강 및 Ti합금 등으로 적용분야를 확대하기 위하여 반드시 해결해야할 분야가 마찰교반 용접시 적용되는 툴의 소재와 냉각을 어떻게 최적화하느냐 하는 것이며, 이러한 부분이 마찰교반용접 적용시 성패를 좌우하게 되는 중요한 인자가 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 불활성 가스 또는 환원성 가스를 용접작업시 용접부에 분사함으로써 접합부뿐만 아니라 용접툴의 산화를 최소화하고 용접툴의 수명연장과 접합부 특성을 향상시킬 수 있는 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원통 형상의 숄더(shoulder)와, 상기 숄더의 하단으로부터 돌출되는 프로브(probe)와, 상기 숄더의 둘레를 따라 방사상으로 돌출되도록 설치되는 로킹칼라(locking collar)를 포함하여 이루어지는 용접 툴(tool)이 회전동력 전달구의 하단에 장착되어 사용되는 마찰교반 용접장치에 있어서, 상기 용접툴이 장착된 회전동력 전달구를 내포하도록 그 외측에 상광하협의 형상으로 형성되는 하우징; 및 상기 하우징의 측벽을 따라 상단에서 하단까지 이어지면서, 상단은 외부 가스공급장치와 연결되고 그 일부는 내측으로 상기 하우징의 내부와 연통되며, 하단은 상기 용접툴을 향하도록 분사노즐이 형성되는 측벽가스통로를 포함하여 용접 시 상기 측벽가스통로와 하우징의 내부통로를 통해 용접부로 가스를 분사할 수 있는 마찰교반 용접장치를 제공한다.

여기서, 상기 하우징은 그 내부의 가스압력을 측정할 수 있는 압력계를 더욱 포함할 수 있으며, 상기 하우징의 내부에 상기 측벽가스통로와 인접하도록 상단에서부터 하단까지 나선형으로 연장되는 수냉관을 더욱 포함하여, 이를 통하여 냉각수를 흘려 보냄으로써 상기 측벽가스통로 및 상기 하우징의 내부통로를 통해 공급되는 가스를 냉각시킬 수 있다.

본 발명에 따른 마찰교반 용접장치에 있어서, 공급되는 가스로 불활성 가스 또는 환원성 가스가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 용접툴의 로킹칼라의 측면에는 복수의 냉각핀이 상단에서 하단까지 나선형으로 형성되고, 상기 용접툴의 숄더가 끼워지는 회전동력 전달구의 하단 홈의 측면에는 용접툴 고정수단이 더욱 구비될 수 있다.

한편, 상기 용접툴의 프로브의 반지름을 r_p, 상기 프로브 측면으로부터의 상기 숄더의 두께를 d_s, 상기 숄더 측면으로부터의 상기 로킹칼라의 두께를 d_c, 상기 냉각핀의 두께를 d_n이라 할 때, r_p:d_s:d_c:d_n = 1:1:1:0.5 를 만족하도록 용접툴을 제작하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치를 개략적으로 도시한 부분 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 마찰교반 용접장치는 용접툴(10)과 이 용접툴(10)이 하단에 장착된 회전동력 전달구(18)를 내포하도록 그 외측에 형성되는 하우징(20)을 포함하여 이루어진다.

상기 용접툴(10)은 원통 형상의 숄더(12)와, 상기 숄더(12)의 하단으로부터 돌출되는 프로브(14)와, 상기 숄더의 둘레를 따라 방사상으로 돌출되도록 설치되는 로킹칼라(16)를 포함하여 이루어진다.

상기 하우징(20)은 상광하협(上廣下狹)의 형상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이러한 하우징(20)의 측벽을 따라 상단에서 하단까지 이어지는 측벽가스통로(21)가 형성된다.

이러한 측벽가스통로(21)의 상단은 외부 가스공급장치(9)와 연결되고 그 일부는 내측으로 하우징(20)의 내부와 연통된다. 하단에는 용접툴(10)을 향하도록 분사노즐이 형성되며, 용접작업 시 측벽가스통로(21)와 하우징(20)의 내부통로를 통해 용접부로 가스를 분사할 수 있게 된다.

또한 하우징(20)의 내부에는 측벽가스통로(21)와 인접하도록 상단에서부터 하단까지 나선형으로 연장되는 수냉관(25)이 형성된다. 이 수냉관(25)을 통하여 냉각수를 흘려 보냄으로써, 측벽가스통로(21)를 통해 공급되는 가스뿐만 아니라 하우징(20)의 내부통로를 통해 공급되는 가스의 온도를 적절하게 제어할 수 있다. 이러한 수냉관(25)은 하우징(20)의 내부통로를 통해 공급되는 가스의 이동 가이드 역할을 하기도 한다.

상기 하우징(20)에는 그 내부의 가스압력을 측정할 수 있는 압력계(23)가 구비된다.

상기한 바와 같이 구비되는 마찰교반 용접장치에서 사용되는 가스로는 불활성 가스 또는 환원성 가스가 바람직하며, 일례로 질소(N₂)가스 또는 아르곤(Ar) 가스가 사용될 수 있다.

이러한 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치로 일정한 온도의 불활성 가스 또는 환원성가스를 용접툴(10) 및 접합부에 공급함으로써 용접모재(7)의 접합부를 대기로부터 차폐할 수 있고, 불활성 또는 환원성 분위기 중에서 용접이 실시되고 가스압력을 조절하여 용접툴(10)의 냉각능을 제어함으로써 용접툴(10)의 산화방지 및 수명연장뿐만 아니라 접합부의 산화를 방지하여 성능을 향상시킬 수 있다.

특히 산화성이 강한 Ti등과 같은 소재를 접합시 대기중의 산소와 반응하지 못하도록 완전하게 차폐하지 않으면 안되는 경우에 아주 효과적이다. 이러한 경우에 효율적으로 대기와 소재를 차단시키기 위하여 상기 하우징(20) 내부의 분위기 가스만으로는 부족하기 때문에 측벽가스통로(21)를 통하여 분사노즐로 강하게 분사시켜주는 이중구조의 차폐시스템을 구성하는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치의 용접툴 장착부위를 도시한 부분 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치의 용접툴을 도시한 평면도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 마찰교반 용접장치의 용접툴(10)은 회전동력 전달구(18)의 하단 홈에 숄더(12)의 상단이 열박음으로 끼워지며, 보다 견고하게 고정하기 위해 용접툴 고정수단(19)을 이용한다.

한편, 용접툴(10)의 로킹칼라(16)의 외주 측면에는 복수의 냉각핀(17)이 소정의 간격을 두고 상단에서 하단까지 나선형으로 형성되어 있다. 이러한 냉각핀(17)은 용접툴(10)의 비표면적을 극대화함으로서 냉각능을 향상시켜 용접툴(10)의 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라 하우징(20)으로부터 분출되는 가스의 압력을 증가시켜 대기의 차단효과를 높이는 역할을 한다.

또한, 냉각능을 효과적으로 발휘하면서 접합의 능률을 향상시키기 위한 조건으로서, 용접툴의 프로브(14)의 반지름을 r_p, 상기 프로브(14) 측면으로부터의 상기 숄더(12)의 두께를 d_s, 상기 숄더(12) 측면으로부터의 상기 로킹칼라(16)의 두께를 d_c, 상기 냉각핀(17)의 두께를 d_n이라 할 때, 용접툴(10)은 r_p:d _s:d_c:d_n = 1:1:1:0.5 를 만족하도록 제작되는 것이 바람직하다. d_c,d_n 가 이 크기 이상이 되면 냉각능이 너무 커서 접합시 열량이 불충분하여 용접부 불량이 발생할 수 있고, d_c,d_n 가 이 보다 작으면 충분한 열량을 흡수하지 못하고 과열됨으로서 용접툴(10)의 수명을 단축시킬 우려가 있다. 특히 냉각핀의 두께(d_n)는 냉각능 뿐만아니라 가스 차폐장치의 압축된 분위기 가스를 접합재가 산화하지 않도록 충분한 압력으로 분사시키지 않으면 안되기 때문에 매우 중요하다.

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

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가스냉각수단을 구비한 마찰교반 용접장치에 의하면, 마찰교반 용접 시 고압의 분위기 가스를 일정한 온도로 균일하게 접합부로 분사시킴으로서 용접툴의 산화방지로 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 접합부를 대기로부터 완전히 격리시켜 건전한 접합부를 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 소재나 접합조건에 따라 분위기 가스를 다양하게 적용시킬 수 있을 뿐만 아니라 일정한 온도의 분위기 가스를 일정한 압력으로 제어하여 분사시킬 수 있고, 로킹칼라의 표면에 나선형의 냉각핀을 구비함으로써 고열로부터 용접툴을 보호 하고 냉각능을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 원통 형상의 숄더(shoulder)와, 상기 숄더의 하단으로부터 돌출되는 프로브(probe)와, 상기 숄더의 둘레를 따라 방사상으로 돌출되도록 설치되는 로킹칼라(locking collar)를 포함하여 이루어지는 용접 툴(tool)이 회전동력 전달구의 하단에 장착되어 사용되는 마찰교반 용접장치에 있어서,

   상기 용접툴이 장착된 회전동력 전달구를 내포하도록 그 외측에 상광하협의 형상으로 형성되는 하우징; 및

   상기 하우징의 측벽을 따라 상단에서 하단까지 이어지면서, 상단은 외부 가스공급장치와 연결되고 그 일부는 내측으로 상기 하우징의 내부와 연통되며, 하단은 상기 용접툴을 향하도록 분사노즐이 형성되는 측벽가스통로

   를 포함하여 용접 시 상기 측벽가스통로와 하우징의 내부통로를 통해 용접부로 가스를 분사할 수 있고,

   상기 하우징은 그 내부의 가스압력을 측정할 수 있는 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 용접장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징의 내부에 상기 측벽가스통로와 인접하도록 상단에서부터 하단까지 나선형으로 연장되는 수냉관을 더욱 포함하며, 상기 수냉관을 통하여 냉각수를 흘려 보냄으로써 상기 측벽가스통로 및 상기 하우징의 내부통로를 통해 공급되는 가스를 냉각시킬 수 있는 마찰교반 용접장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스는 불활성 가스 또는 환원성 가스인 것을 특징으로 하는 마찰교반 용접장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접툴의 로킹칼라의 측면에는 복수의 냉각핀이 상단에서 하단까지 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 용접장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접툴의 숄더가 끼워지는 회전동력 전달구의 하단 홈의 측면에 용접툴 고정수단이 더욱 구비되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 용접장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 용접툴의 프로브의 반지름을 r_p, 상기 프로브 측면으로부터의 상기 숄더의 두께를 d_s, 상기 숄더 측면으로부터의 상기 로킹칼라의 두께를 d_c, 상기 냉각핀의 두께를 d_n이라 할 때,

   r_p:d_s:d_c:d_n = 1:1:1:0.5 를 만족하는 용접툴이 구비되는 마찰교반 용접장치.

Images