KR101331735B1

KR101331735B1 - 전기저항가열 마찰교반용접

Info

Publication number: KR101331735B1
Application number: KR1020120051737A
Authority: KR
Inventors: 진인태
Original assignee: 진인태
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-20

Abstract

기존의 마찰교반용접은 회전공구를 접합면에 삽입할 때 회전공구와 금속판재사이의 마찰열을 얻기 위하여 일정시간과 일정한 강도이상의 회전공구가 소요되었으나 본 발명은 마찰열대신에 외부로부터 열원을 공급함으로써 상기의 제한요건을 획기적으로 개선할 수 있도록 하였다.
외부열원으로 사용되는 전기저항가열전극은 전기저항이 우수한 가열전극에 전기를 통전함으로써 전기저항발열을 일으키고 이 때 발열된 전기저항열이 접합하고자 하는 접합금속판재의 접합면에 열을 전도시킴으로써 접합판재를 가열함과 동시에 접합면에 삽입된 회전공구를 회전할 때 접합면을 소성유동적으로 교반시켜 두 금속판재를 접합하는 것이 본 발명의 특징이다.

Description

전기저항가열 마찰교반용접{Electric Resistance Heated Friction Stir Welding}

두 장의 금속판재의 단면을 맞대어 접합하는 방법으로서 맞대어진 금속판재의 접합선에 접촉된 전기저항가열전극의 발열로 인한 접촉전도열로써 금속판재의 접합면을 가열하고 접합단면에 회전공구를 삽입하여 접합단면 주위의 금속을 소성유동적으로 교반시키면서 두 금속판재를 접합시키는 소성유동을 이용한 전기저항가열 마찰교반용접.

마찰교반용접은 회전공구를 접합하고자하는 접합면에 삽입하여 빠르게 회전시킬 때 회전공구와 금속면상의 마찰열에 의하여 금속을 소성유동적으로 교반시켜 맞대어진 두 금속판재의 경계면을 따라 이동하면서 맞대어진 두 금속판재를 접합하는 마찰교반용접이 있다.

기존의 마찰교반용접은 회전공구를 접합면에 삽입할 때 회전공구와 금속판재사이의 마찰열을 얻기 위하여 일정시간과 일정한 강도이상의 회전공구가 소요되었으나 마찰열과 함께 외부로부터 열원을 추가로 공급함으로써 상기의 제한요건을 획기적으로 개선할 필요가 있었다.

기존의 마찰교반용접의 회전공구에 의한 접합면을 가열하는 대신에 회전공구의 삽입이전에 미리 외부의 열원으로부터 접합면을 가열함으로써 기존의 마찰교반용접에 필요한 마찰열을 얻기 위한 일정시간의 소요와 회전공구의 강도제한을 개선하고 마찰교반용접의 속도을 개선하는 것이 해결과제이다.

마찰교반용접에 필요한 열을 외부로부터 공급하기 위한 수단으로써 전기저항발열체를 통한 열전도를 이용하기 위하여 전기저항가열전극을 사용한다. 전기저항이 우수한 가열전극에 전기를 통전함으로써 가열전극이 전기저항발열을 일으키고 이 때 발열된 저항열이 접합하고자 하는 판재의 접합면에 열을 전도시킴으로써 접합면을 가열함과 동시에 접합면에 삽입된 회전공구의 회전에 의해서 접합면을 소성유동적으로 교반시켜 두 금속판재를 접합하도록 하는 것이 과제의 해결수단이다.

마찰교반용접에 필요한 열을 외부로부터 공급함으로써 마찰열에의해 열을 얻기위한 시간이 감소되고 기존의 마찰교반용접은 용접초기에 냉간상태의 접합판재의금속소재는 강도가 커서 회전공구의 강도를 일정이상의 강도로 요구하나 본 발명의 마찰교반용접은 열간상태에서의 마찰교반이 이루어 짐으로서 회전공구의 강도제한이 개선되어 회전공구의 파손이 감소하고 또한 회전공구가 접합선을 따라 이동할 때 이동될 금속판의 접합면을 미리 가열함으로써 용접속도가 획기적으로 개선되는 효과를 가지게 된다.

도 1은 전기저항 마찰교반용접기의 단면을 도시하고 있다.
도 2는 회전공구가 삽입되기전의 접합면 가열단계의 단면을 도시하고 있다.
도 3은 회전공구가 삽입된후 이동중의 접합면 연속가열단계의 단면을 도시하고 있다
도 4는 전기저항 마찰교반용접기의 용접이동의 개관을 도시하고 있다.
도 5는 전기저항 가열전극어셈블리 고정판과 절연디스크판을 도시하고 있다.
도 6은 전기저항가열전극 전류인입환상링 및 전류인출환상링의 배치도를 도시하고 있으며 각각의 환상링에 전류인입선 및 전류인출선이 부착되어 있는 것을 도시하고 있다.
도 7은 상부에 가열전극요철부가 있는 전기저항 가열전극을 도시하고 있다.

마찰교반용접은 두 금속판재가 맞대어진 상태에서 접합하기 위하여 접합선상에 회전공구를 삽입하여 회전공구와 금속사이에 상호마찰시킴으로써 그 마찰열에 의하여 열간상태의 금속에 소성유동이 발생하여 접합면이 소실되고 두 금속판재가 접합되도록 되어 있다. 이 때 용접초기에는 금속이 냉간상태로 유지되고 있기 때문에 회전공구가 접합하고자 하는 부위에 삽입하기 위하여 표면부분을 회전에 의한 마찰에 의하여 가열함과 동시에 마찰열에 의해 소성유동이 진행되면 서서히 공구를 압입하여 소성유동영역을 확장한다. 어느정도 소성유동영역이 진행되면 회전공구가 이동하면서 주위의 접합면도 소성유동이 획장되어 회전공구가 이동하면서 용접이 진행하도록 되어 있다.

이와 같이 종래의 마찰교반용접은 마찰자체의 열원을 사용하기 때문에 초기에 일정시간이 소요될 뿐 아니라 과도한 동력이 소요되며 이에 따른 회전공구의 파손이 발생할 소지가 많은 것이 단점으로 지적되고 있다. 또한 회전공구가 이동할 때 마찰에 의하여 이동할 부분에 대한 가열이 필요한데 가열하고자 하는 시간이 소요되어 이동속도에 제한을 받는 것도 단점으로 지적되고 있다.

따라서 마찰교반용접초기에 용접부를 미리 가열함으로써 회전공구의 삽입을 용이하도록 하고 회전공구의 이동시 이동할 부분을 미리 가열함으로써 이동속도를 향상시킬 필요가 있다.

이를 해결하기 위하여 도 1의 그림에서 처럼 마찰교반회전공구(1)를 둘러싸고 있는 전기저항가열전극(5)을 마찰교반용접판재(2)의 용접선에 동시에 배치하고 이 전기저항가열전극(5)을 통하여 접합부에 미리 열을 가한 후 마찰교반회전공구(1)을 회전시키면서 압력을 가하여 마찰교반용접판재(2)에 삽입하게 되면 열간상태의 금속에 바로 소성유동이 발생하여 마찰교반회전공구(1)의 회전과 함께 회전공구주위로 금속이 유동하게 된다. 따라서 과도한 소성변형하중이 줄어들게 되고 회전공구의 삽입과 금속의 교반과 이동이 용이하게 된다.

이와 같이 전기저항가열전극(5)이 접합부의 금속을 가열하기 위한 방법으로써 여러 가지 방법이 있을 수 있으나 본 발명의 실시의 한 예로서 전기저항가열전극(5)의 저항발열에 의한 가열방법을 설명하고자한다.

도 1은 전기저항 마찰교반용접기의 단면을 도시하고 있으며 마찰교반회전공구(1)의 원주상으로 전기저항이 우수한 텅스텐게열의 재질로 만들어진 전기저항가열전극(5)이 배치되어 이 가열전극이 전기전도성이 좋은 구리재질로 만들어진 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)에 연결되어 있다. 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)은 상호 직접연결되지않은 상태에서 전류가 전류인입환상링(3)으로 유입되어 전기저항가열전극(5)을 지나면서 전류인출환상링(4)으로 전류가 인출되도록 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)이 동심원으로 구성되어 있기 때문에 전기저항가열전극(5)은 전류의 통전과 전기저항에 의해서 발열되도록 되어 있다.

그리고 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)은 상호 직접연결되지않은 상태에서 전류가 전류인입환상링(3)으로부터 전기저항가열전극(5)을 통하여 전류인출환상링(4)으로 유입되기위해서 상부에 절연디스크판(10)을 사이에 두고 가열전극어셈블리 고정판(11)에 의해 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4) 그리고 전기저항가열전극(5)을 일체형으로 고정하도록 하여 가열전극어셈블리를 구성하고 있다. 이 가열전극어셈블리는 가열전극어셈블리 연결실린더(12) 내부에 삽입되어 압축코일스프링(13)에 의해 탄성적으로 움직이도록 되어 있다.

그리고 이 가열전극어셈블리 연결실린더(12)는 가열전극부착지지부(14)에 나사로 연결되어 있어 탈부착이 가능하도록 나사결합되어 있으며 마찰교반회전공구(1)는 회전공구부착지지부(15)에 탈부착가능하도록 나사결합으로 되어 있다.

도 2는 마찰교반용접의 초기단계를 도시한 그림으로서 마찰교반회전공구(1)와 전기저항가열전극(5)이 접합하고자하는 마찰교반용접판재(2)의 접합선상에 동시에 배치한 후 압축코일스프링(13)에 의한 일정압력을 가한 다음 전류의 통전에 의하여 전기저항가열전극(5)이 발열되도록 한다. 순간적으로 발열된 전기저항가열전극(5)으로 부터 접합하고자하는 마찰교반용접판재(2)상의 접합부에 열이 전도되면서 접합부가 가열되도록 하는 단계를 도시하고 있다. 이 때 마찰교반용접판재(2)가 충분히 단시간에 가열될수 있도록 전기저항가열전극(5)의 전기저항발열값과 압축코일스프링(13)의 스프링탄성계수을 마찰교반용접판재(2)의 재질과 두께에 따라 조절할 수 있도록 되어 있다.

도 3은 마찰교반용접의 마찰교반용접단계를 도시한 그림으로서 전기저항가열전극(5)이 접합하고자하는 금속판재에 일정압력을 가한 상태에서 전류의 통전에 의하여 발열된 전기저항가열전극(5)으로 부터 접합하고자하는 마찰교반용접판재(2)상의 접합부에 열이 연속적으로 전도된 상태에서 마찰교반회전공구(1)가 마찰교반용접판재(2)에 삽입되어 회전하는 상태를 도시하고 있다. 이 때 마찰교반회전공구(1)가 마찰교반용접판재(2)에 삽입될 때 가열전극어셈블리 연결실린더(12)에 삽입되어 있는 가열전극어셈블리가 압축코일스프링(13)에 의해서 탄성적으로 지지되어 있으므로 용접부에 일정압력으로 접촉되도록 하여 접합부에 균일한 발열전도를 유지하도록 한다.

도 4는 마찰교반용접의 마찰교반용접단계를 도시한 그림으로서 전기저항가열전극(5)이 접합하고자하는 금속판재에 일정압력을 가한 상태에서 마찰교반회전공구(1)가 마찰교반용접판재(2)에 삽입되어 회전과 동시에 이동하면서 마찰교반용접하는 과정를 도시하고 있다.

도 5는 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)이 상호 직접연결되지않은 상태에서 전류가 전류인입환상링(3)으로부터 전기저항가열전극(5)을 통하여 전류인출환상링(4)으로 흐르기 위해서 상부에 절연디스크판(10)을 사이에 두고 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4) 그리고 전기저항가열전극(5)을 고정하도록 하는 가열전극어셈블리 고정판(11)과 절연디스크판(10)을 도시하고 있다.

도 6은 전기전도성이 우수한 구리재질로 만들어진 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)의 상호배치도와 전류인입출선을 도시한 그림으로서 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)은 상호 직접연결되지않은 상태에서 전류가 전류인입환상링(3)으로 유입되어 전기저항이 우수한 텅스텐게열의 재질로 만들어진 전기저항가열전극(5)을 지나면서 전류인출환상링(4)으로 전류가 인출되도록 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)이 동심원으로 구성되어 있기 때문에 전기저항가열전극(5)은 전류의 통전에 의해서 발열되도록 되어 있다. 이 때 각각의 링에 연결되어 있는 구리재질로 만들어진 전류인입선(6)과 전류인출선(7)에 의해 전류가 공급되도록 할 때 전류인출선(7)은 전류인입환상링(3)과 접촉하지 않도록 전류인입환상링(3)에 오목하게 요철되어 상호 간섭되지 않도록 되어 있다. 그리고 전류인입선(6)에는 전류인입어댑터(8)가 부착되어 있고 전류인출선(7)에는 전류인출어댑터(9)가 부착되어 있어 외부로부터 전기선과 간단하게 연결할 수 있도록 하였다.

도 7은 전기저항 가열전극을 도시한 그림으로서 전기저항이 우수한 텅스텐계열의 재질로 만들어진 원통형 디스크형으로 되어 있으며 하부는 이동하기 쉽도록 모서리가 라운딩처리되어 되어 있으며 마찰교반용접판재(2)에 접촉되어 전기저항에 의한 발열된 열을 마찰교반용접판재(2)에 전도할 수 있도록 평판형으로 되어 있고 중심부에는 마찰교반회전공구(1)가 관통될 수 있도록 구멍이 나와 있다. 그리고 상부에는 구리재질로 만들어진 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)이 동심원으로 구성되어 전기저항가열전극(5)에 끼울수 있도록 두 개의 요철부로 형성된 가열전극요철부(16)를 가지고 있다.

기존의 마찰교반용접기는 접합부 가열장치가 없으므로 전기저항가열전극어셈블리를 가열전극어셈블리 연결실린더(12) 내부에 삽입하여 압축코일스프링(13)에 의해 탄성적으로 움직이도록 한 상태에서 가열전극어셈블리 연결실린더(12)를 기존의 마찰교반용접기의 가열전극부착지지부(14)에 나사로 연결하여 기존의 마찰용접기에 탈부착이 가능하도록 되어 있으며 마찰교반회전공구(1)는 회전공구부착지지부(15)에 탈부착가능하도록 나사결합으로 되어 있어 종래의 마찰교반용접기에 비교적 간단하게 장착할 수 있는 구조로 되어 있는 것이 특징이다.

본 발명은 가열장치를 부착한 마찰교반용접기에 대한 내용으로서 가열방법의 한 예를 들어 설명하고 있으나 가열방법으로서 마찰교반용접판재(2)가 충분히 단시간에 가열될수 있도록 전기저항가열전극(5)의 전기저항발열에 의한 마찰교반용접판재(2)의 가열과 동시에 마찰교반회전공구(1)에 접촉되어 있는 전기저항가열전극(5)의 전기저항발열로부터의 전도열에의해 가열된 마찰교반회전공구(1)에의해서도 마찰교반용접판재(2)를 가열하면서 교반하는 것을 포함한다.

그리고 마찰교반용접판재(2)가 충분히 단시간에 가열될수 있는 또 하나의 가열방법으로서 마찰교반용접판재(2)의 상하면에 두 개의 전기저항가열전극어셈블리를 배치하여 접합부 상하면을 가열하면서 마찰교반용접하는 것을 포함한다.

또한 본 발명은 가열장치를 부착한 마찰교반용접기의 가열장치의 한 예를 들어 설명하고 있으나 가열장치로서 마찰교반회전공구(1)의 원주바깥면에 원통형 코일형태의 고주파유도가열전극을 배치하여 접합부를 가열하면서 마찰교반용접하는 것을 포함한다.

본 발명은 두 장의 금속판재을 맞대어 그 경계면을 접합하는 맞대기용접에 전기저항가열 마찰교반용접에 적용한 사례를 한 예를 들어 설명하였으나 두 장이상의 금속판재를 중첩한 상태에서도 접합할 수 있는 전기저항가열 마찰교반용접을 포함한다.

두장의 금속판재를 마찰교반용접할 때 용접하고자하는 금속판의 용접부 주위에 전기저항가열전극으로써 미리 가열함으로써 회전공구의 파손을 줄일 뿐 아니라 회전공구의 이동시 용접부의 소성유동영역이 우수한 열간상태로 유지됨으로써 용접이동속도가 획기적으로 증가되기 때문에 마찰교반용접의 생산성이 향상된다. 그리고 마찰교반회전공구의 회전동력을 줄일 수 있기 때문에 마찰교반용접기의 과도한 용량을 줄일 수 있다.

1:마찰교반회전공구 2:마찰교반용접판재 3:전류인입환상링 4:전류인출환상링 5:전기저항가열전극 6:전류인입선 7:전류인출선 8:전류인입어댑터 9:전류인출어댑터 10:절연디스크판 11:가열전극어셈블리 고정판 12:가열전극어셈블리 연결실린더 13:압축코일스프링 14:가열전극부착지지부 15:회전공구부착지지부 16:가열전극요철부

Claims

(삭제)
마찰교반용접기에 있어서 마찰교반회전공구(1)의 바깥원주상에 배치되어 접합면금속을 가열하는 전기저항 가열전극어셈블리를 구성하는 전기저항가열전극(5)과; 전기저항가열전극(5)에 전류를 공급하는 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4); 전류가 전류인입환상링(3)으로부터 전류인출환상링(4)으로 직접 흐르지 못하게 하는 절연디스크판(10)과; 전기저항가열전극(5) 및 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4) 그리고절연디스판(10)을 고정하는 가열전극어셈블리 고정판(11);과 가열전극어셈블리를 마찰교반용접기에 부착하기 위한 가열전극어셈블리연결실린더(12);로써 구성되어 맞대어진 금속판재의 접합면에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 전기저항가열 마찰교반용접기.
제 2항에서 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)은 전류가 전류인입환상링(3)으로 유입되어 전기저항가열전극(5)을 지나면서 전류인출환상링(4)으로 전류가 인출될 때 전기저항이 우수한 텅스텐계열의 재질로 만들어진 전기저항가열전극(5)이 전기저항에 의하여 발열되도록 전기전도성이 우수한 구리재질로 만들어진전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)이 동심원으로 배치된 것을 특징으로 하는 전기저항가열 마찰교반용접기.
제 2항에 있어서 전기저항가열전극(5)은 전기저항이 우수한 텅스텐계열의 재질로 만들어진 원통형디스크형으로 되어 있으며 하부는 이동하기 쉽도록 모서리가 라운딩처리되어 되어 있으며 마찰교반용접판재(2)에 접촉되어 전기저항에 의한 발열된 열을 마찰교반용접판재(2)에 전도할 수 있도록 평판형으로 되어 있고 중심부에는 마찰교반회전공구(1)가 관통될 수 있도록 구멍이 나와 있다. 그리고 상부에는 구리재질로 만들어진 전류인입환상링(3)과 전류인출환상링(4)이 동심원으로 구성되어 전기저항가열전극(5)에 끼울수 있도록 두 개의 가열전극요철부(16)를 가지고 있는 전기저항가열전극(5)을 특징으로 하는 전기저항가열 마찰교반용접기.
제 2항에서 가열전극어셈블리 연결실린더(12)는 그 내부에 가열전극어셈블리와 압축코일스프링(13)을 삽입하여 그 스프링에 의해 가열전극어셈블리가 탄성적으로 움직이도록 되어 있으며 상부에는 가열전극부착지지부(14)에 나사로 연결되어 있어 마찰교반용접기에 탈부착이 가능하도록 나사결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전기저항가열 마찰교반용접기.
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