KR101491121B1 - 2차원 ｔｗｂ 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치 - Google Patents

2차원 ｔｗｂ 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치 Download PDF

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Abstract

2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치에 관한 것이다. 지그 장치는 지그 베이스와, 백킹 플레이트와, 홀더와, 슬라이드 기구, 및 승강 기구를 포함한다. 지그 베이스는 피접합재들의 피접합 부위들이 접합 라인을 따라 상호 맞닿게 피접합재들을 한쪽 상면에 안착시킨다. 백킹 플레이트는 지그 베이스 상에 접합 라인과 대응되게 배치되어 피접합재들의 맞닿은 피접합 부위들을 하측에서 지지한다. 홀더는 지그 베이스의 다른 쪽 상면에 상승해 배치된 상태에서 피접합재들의 상부로 슬라이드 이동하여 하강함에 따라 피접합재들을 지그 베이스에 대해 고정하며, 백킹 플레이트와 대응되는 부위에 용접 홀이 형성된다. 슬라이드 기구는 홀더의 슬라이드 이동을 안내한다. 승강 기구는 홀더를 승강시킨다.

Description

2차원 ＴＷＢ 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치{Jig apparatus for friction stir welding applicable two-dimensional Tailor Welded Blank method}
본 발명은 TWB 제조를 위한 마찰교반용접시 TWB 판재들을 고정하기 위해 사용되는 지그 장치에 관한 것이다.
현재 자동차 산업은 경량화 기술 개발에 매진하고 있다. 그 중, TWB(Tailor Welded Blank) 공법을 적용한 부품은 10% 이상의 경량화 효과뿐만 아니라, 충돌 강성이 우수하여 오래 전부터 각광받아 오고 있다. TWB 공법이란 소재와 두께가 다른 이종 소재 및 이종 두께의 판재들을 성형 전에 맞대기 용접하는 공법을 일컫는다.
현재까지는 1차원 TWB 공법에 한하여 연구 개발이 진행되고 있으며, 일부 차체 부품에만 적용되고 있는 실정이다. 1차원 TWB 공법은 판재들의 피접합 부위가 직선 형태인 경우 용접 시작점부터 용접 끝점까지 용접 기구의 이동 축을 변화 없이 직선 이동시키면서 판재들의 피접합 부위를 용접하는 공법이다.
하지만, 한층 더 업그레이드된 초경량 고강성 부품 개발을 위해서는, 2차원 TWB 공법과 그에 따른 지그 장치 개발이 요구되고 있다. 2차원 TWB 공법은 판재들의 피접합 부위가 굽어진 형태인 경우 용접 기구의 이동 축을 피접합 부위의 형태를 따라 변화시키면서 판재들의 피접합 부위를 용접하는 공법이다. 2차원 TWB 공법에 의하면, 부품 부위별 이종 소재 및 이종 두께의 적용이 가능하게 된다.
한편, TWB 공법에서 레이저 용접과 같은 용융용접을 대체하여 이종 소재를 접합하고자 연구개발 되고 있는 기술 중 하나가 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW)이다. 마찰교반용접이란 비소모성 공구를 고속으로 회전시키면서 피접합재에 접촉시키면, 공구와 피접합재와의 상호마찰에 의해 열이 발생하여 공구 주변의 재료가 연화되며, 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제로 혼합되는 원리로 피접합재가 용접되는 것이다.
이러한 마찰교반용접은 기존의 용융용접에 비해, 낮은 열로 용접이 이루어지기 때문에 작은 잔류응력, 적은 변형 등으로 인해 접합부의 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라, 별도의 열원, 용접봉, 용가제 등이 불필요하며 접합과정에서 유해광선이나 유해물질이 배출되지 않기 때문에 경제적이면서 환경친화적인 접합기술로 평가를 받고 있다. 또한, 마찰교반용접은 자동차, 항공기, 선박 산업 분야 등에서 널리 사용되고 있는 알루미늄이나 마그네슘 합금 등으로 제조된 재료의 용접에 적합한 장점이 있다.
한편, 마찰교반용접의 경우, 공구를 회전시켜 고정 상태의 피접합재와 상호마찰을 시키기 때문에, 공구의 회전력이 피접합재에 전달된다. 이로 인해, 피접합재의 고정이 기존 용접법에 비해 어려운 문제가 있다. 따라서, 마찰교반용접시 피접합재의 치수 및 형상 정밀도를 높이기 위해서는 우수한 구속력이 필요하다.
공개특허공보 제2011-0100099(2011.09.09 공개)
본 발명의 과제는 2차원 TWB 공법에 의해 TWB를 제조하는 과정 중 마찰교반용접 수행시 피접합재들을 우수한 구속력으로 고정할 수 있는 마찰교반용접용 지그 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치는 지그 베이스와, 백킹 플레이트와, 홀더와, 슬라이드 기구, 및 승강 기구를 포함한다. 지그 베이스는 피접합재들의 피접합 부위들이 접합 라인을 따라 상호 맞닿게 피접합재들을 한쪽 상면에 안착시킨다. 백킹 플레이트는 지그 베이스 상에 접합 라인과 대응되게 배치되어 피접합재들의 맞닿은 피접합 부위들을 하측에서 지지한다. 홀더는 지그 베이스의 다른 쪽 상면에 상승해 배치된 상태에서 피접합재들의 상부로 슬라이드 이동하여 하강함에 따라 피접합재들을 지그 베이스에 대해 고정하며, 백킹 플레이트와 대응되는 부위에 용접 홀이 형성된다. 슬라이드 기구는 홀더의 슬라이드 이동을 안내한다. 승강 기구는 홀더를 승강시킨다.
본 발명에 따르면, 소재와 두께가 다른 이종 소재 및 이종 두께의 판재로 구성된 피접합재들을 우수한 구속력으로 고정할 수 있으므로, 2차원 TWB 공법에 의해 TWB를 제조하는 과정 중 마찰교반용접 수행시 피접합재들의 용접 성능과 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 피접합재들이 지그 장치에 안착된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 피접합재들이 홀더에 의해 고정된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 1에 있어서, 승강 기구에 의한 홀더의 승강 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1에 있어서, 보조 클램프 기구의 작용 예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 8은 도 1에 있어서, 백킹 플레이트들이 지그 베이스로부터 분리된 상태를 도시한 사시도이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1에 있어서, 피접합재들이 지그 장치에 안착된 상태를 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2에 있어서, 피접합재들이 홀더에 의해 고정된 상태를 도시한 사시도이다. 도 4는 도 3의 A-A 선을 따라 절취한 단면도이다. 도 5 및 도 6은 도 1에 있어서, 승강 기구에 의한 홀더의 승강 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 마찰교반용접용 지그 장치(100)는 지그 베이스(110)와, 백킹 플레이트(backing plate, 120)와, 홀더(130)와, 슬라이드 기구(140), 및 승강 기구(150)를 포함한다.
지그 베이스(110)는 피접합재들의 피접합 부위들이 접합 라인(WL)을 따라 상호 맞닿게 피접합재들을 한쪽 상면에 안착시킨다. 예컨대, 피접합재들은 소재와 두께가 다른 이종 소재 및 이종 두께의 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)로 각각 구성될 수 있다. 이 경우, 접합 라인(WL)은 제1 피접합재(1)와 제2 피접합재(2)가 접합되는 제1 접합 라인(WL1)과 제2 피접합재(2)와 제3 피접합재(3)가 접합되는 제2 접합 라인(WL2)으로 나뉠 수 있다. 제1,2 접합 라인(WL1)(WL2)은 굽어진 형태로 각각 이루어질 수 있다.
제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)는 TWB로 제조되어 차량의 차체부품, 예컨대 파티션 패널 등으로 가공될 수 있다. 파티션 패널은 차량의 내부 승객실과 트렁크 룸(Trunk room)을 갈라놓는 파티션 부품이다. 파티션 패널은 승객실의 시트 뒷부분에 장착되어 차량의 바닥과 사이드 부분을 연결하는 역할을 함과 아울러, 차량의 비틀림 방지와 승객의 안전성을 보장하는 역할을 한다. 지그 베이스(110)는 받침대들에 의해 지지될 수 있다.
백킹 플레이트(120)는 지그 베이스(110) 상에 접합 라인(WL)과 대응되게 배치되어 피접합재들의 맞닿은 피접합 부위들을 하측에서 지지한다. 예컨대, 백킹 플레이트(120)는 제1 접합 라인(WL1)을 따라 길게 연장된 형태의 제1 백킹 플레이트(121)와, 제2 접합 라인(WL2)을 따라 길게 연장된 형태의 제2 백킹 플레이트(122)로 나뉠 수 있다. 제1 백킹 플레이트(121)는 제1,2 피접합재(1)(2)에 대한 마찰교반용접시 상부에서 하부로 가해지는 교반 하중을 받쳐줌으로써, 접합하고자 하는 제1,2 피접합재(1)(2)가 하측으로 밀리는 것을 방지한다. 제2 백킹 플레이트(122)는 제2,3 피접합재(2)(3)에 대한 마찰교반용접시 상부에서 하부로 가해지는 교반 하중을 받쳐줌으로써, 접합하고자 하는 제2,3 피접합재(2)(3)가 하측으로 밀리는 것을 방지한다.
홀더(130)는 지그 베이스(110)의 다른 쪽 상면에 상승해 배치된 상태에서 피접합재들의 상부로 슬라이드 이동하여 하강함에 따라 피접합재들을 지그 베이스(110)에 대해 고정한다. 홀더(130)는 백킹 플레이트(120)와 대응되는 부위에 용접 홀(131)이 형성된다. 용접 홀(131)은 제1 백킹 플레이트(121)와 대응되는 제1 용접 홀(132)과, 제2 백킹 플레이트(122)와 대응되는 제2 용접 홀(133)로 나뉠 수 있다.
제1 용접 홀(132)은 제1,2 피접합재(1)(2)의 제1 접합 라인(WL1)을 따라 연장된 형태로 이루어질 수 있다. 제2 용접 홀(133)은 제2,3 피접합재(2)(3)의 제2 접합 라인(WL2)을 따라 연장된 형태로 이루어질 수 있다. 제1,2 용접 홀(132)(133)은 마찰교반용접 기구의 회전 핀을 통과시켜 제1,2 접합 라인(WL1)(WL2)을 따라 이동할 수 있게 한다. 따라서, 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)는 마찰교반용접 기구에 의해 제1,2 접합 라인(WL1)(WL2)을 따라 용접될 수 있다.
이러한 홀더(130)는 접합 부위들을 제외한 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 전면을 보다 견고한 구속력으로 고정할 수 있게 한다. 홀더(130)는 하면 부위가 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3) 간의 두께 차이에 의한 단차 형태와 반대되는 단차 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 홀더(130)는 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 전면을 더욱 견고한 구속력으로 고정할 수 있다. 홀더(130)는 상면에 작업자가 잡아서 수동으로 슬라이드 이동시킬 수 있게 손잡이(136)가 형성될 수 있다. 물론, 홀더(130)는 구동기구에 의해 자동으로 슬라이드 이동되는 것도 가능하다.
슬라이드 기구(140)는 홀더(130)의 슬라이드 이동을 안내한다. 일 예로, 슬라이드 기구(140)는 한 쌍의 슬라이더(141)들 및 한 쌍의 가이드 레일(146)들을 포함할 수 있다. 슬라이더(141)들은 홀더(130)의 슬라이드 방향을 기준으로 홀더(130)의 양쪽 가장자리 부위에 각각 고정된다. 슬라이더(141)들은 홀더(130)에 분리 가능하게 볼트 등과 같은 체결부재에 의해 결합됨으로써, 홀더(130)의 교체를 용이하게 할 수 있다. 가이드 레일(146)들은 슬라이더(141)들과 각각 결합되어 슬라이더(141)들의 슬라이드 이동을 안내함에 따라 홀더(130)의 슬라이드 이동을 안내한다. 가이드 레일(146)들은 슬라이더(141)들의 슬라이드 방향을 따라 각각 연장되며 상호 이격되어 나란히 배치된다.
가이드 레일(146)들은 지그 베이스(110) 상에 승강 가능하게 지지된다. 가이드 레일(146)의 양쪽 가장자리에 승강 바(147)가 각각 고정될 수 있다. 승강 바(147)는 하단 부위가 지그 베이스(110)를 관통해 가이드 레일(146)의 승강을 안내할 수 있다. 지그 베이스(110)에는 승강 바(147)의 승강을 안내하는 중공 형태의 승강 가이드(148)가 장착될 수 있다.
승강 기구(150)는 홀더(130)를 승강시킨다. 예컨대, 승강 기구(150)는 가이드 레일(146)들을 승강시킴에 따라 홀더(130)를 승강시킬 수 있다. 이 경우, 승강 기구(150)는 실린더를 포함할 수 있다. 실린더는 실린더 로드가 공압 또는 유압에 의해 실린더 몸체에 대해 인입 동작 또는 인출 동작할 수 있다. 실린더 로드가 승강 바(147)에 결합되어 실린더 몸체에 대해 인입 동작 또는 인출 동작함에 따라 가이드 레일(146)을 승강시킬 수 있다. 따라서, 홀더(130)는 승강 기구(150)에 의해 지그 베이스(110)의 다른 쪽 상면에 상승해 배치된 상태에서 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 상부로 슬라이드 이동하여 하강함에 따라 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)를 지그 베이스(110)에 대해 고정할 수 있다.
마찰교반용접용 지그 장치(100)는 보조 클램프 기구(160)들을 포함할 수 있다. 보조 클램프 기구(160)들은 지그 베이스(110) 상에 장착되어 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 각 외곽을 고정한다. 일 예로, 도 7을 참조하면, 보조 클램프 기구(160)는 이동 블록(161)과, 고정 볼트(162)를 포함할 수 있다.
이동 블록(161)은 제1 피접합재(1)의 외곽에 대해 전진 또는 후진하도록 선형 이동함에 따라 제1 피접합재(1)를 고정 또는 해제한다. 이동 블록(161)에는 이동 방향에 따라 길게 형성된 장홀(161a)이 한 쌍으로 형성된다. 고정 볼트(162)는 이동 블록(161)이 제1 피접합재(1)의 외곽에 밀착된 상태에서 장홀(161a)을 통해 지그 베이스(110)에 나사 결합됨으로써, 이동 블록(161)을 지그 베이스(110)에 고정시킬 수 있다. 제2,3 피접합재(2)(3)도 각 외곽이 전술한 보조 클램프 기구(160)들에 의해 각각 고정될 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 백킹 플레이트(120)는 지그 베이스(110)의 장착 홀(111)에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 장착 홀(111)은 제1,2 장착 홀(112)(113)로 나뉠 수 있다. 제1 백킹 플레이트(121)는 제1 장착 홀(112)에 끼움 결합되거나 분리될 수 있다. 제2 백킹 플레이트(122)는 제2 장착 홀(113)에 끼움 결합되거나 분리될 수 있다. 따라서, 제1,2 백킹 플레이트(121)(122)는 제1,2 장착 홀(112)(113)에 장착과 분리가 용이하므로, 마찰교반용접 후 제1,2 백킹 플레이트(121)(122)에 마모가 생긴 경우 제1,2 백킹 플레이트(121)(122)의 교체가 용이할 수 있다.
제1 백킹 플레이트(121)은 제1 장착 홀(112)에 끼워지는 몸체부의 둘레에 플랜지가 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 제1 백킹 플레이트(121)는 제1 장착 홀(112)의 하부로부터 몸체부가 끼워진 상태에서 플랜지가 지그 베이스(110)에 분리 가능하게 볼트 등과 같은 체결부재에 의해 결합될 수 있다. 따라서, 제1 백킹 플레이트(121)의 교체가 용이할 수 있다. 제2 백킹 플레이트(122)도 제2 장착 홀(113)에 끼워지는 몸체부의 둘레에 플랜지가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
전술한 마찰교반용접용 지그 장치(100)의 작용 예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1,2 피접합재(1)(2)의 피접합 부위들이 제1 백킹 플레이트(121) 상에서 상호 맞닿게 제1,2 피접합재(1)(2)를 지그 베이스(110) 상에 안착시킨다. 그리고, 제3 피접합재(3)의 피접합 부위가 제2 피접합재(2)의 피접합 부위와 제2 백킹 플레이트(122) 상에서 맞닿게 제3 피접합재(3)를 지그 베이스(110) 상에 안착시킨다.
이어서, 홀더(130)를 승강 기구(150)에 의해 상승시킨다. 이때, 승강 기구(150)에 의해 가이드 레일(146)들을 지그 베이스(110)의 상면으로부터 상승시킴에 따라 홀더(130)를 상승시킬 수 있다. 이 상태에서, 작업자가 홀더(130)를 잡아서 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 상부로 이동시킨다. 이때, 홀더(130)는 슬라이더(141)들이 가이드 레일(146)들을 따라 슬라이드 이동함에 따라 슬라이더(141)들과 함께 슬라이드 이동할 수 있다.
이후, 홀더(130)의 제1,2 용접 홀(132)(133)이 제1,2 피접합재(1)(2) 간의 제1 접합 라인(WL1)과 제2,3 피접합재(2)(3)의 제2 접합 라인(WL2)에 각각 대응되게 위치되면, 승강 기구(150)에 의해 가이드 레일(146)들을 하강시킨다. 이에 따라, 홀더(130)는 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 피접합 부위들을 제외한 상면을 가압함으로써, 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)를 지그 베이스(110)에 대해 고정시킬 수 있다.
이어서, 보조 클램프 기구(160)들의 각 이동 블록(161)을 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 외곽에 밀착시킨 상태에서 고정 볼트(162)들에 의해 이동 블록(161)들을 지그 베이스(110)에 고정한다. 이러한 과정을 거쳐 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)가 지그 베이스(110) 상에 견고하게 고정된 상태에서, 마찰교반용접 기구를 제1,2 접합 라인(WL1)(WL2)을 따라 이동시켜가며 마찰교반용접을 수행함으로써, 제1,2,3 피접합재(1)(2)(3)의 용접 성능과 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..지그 베이스 120..백킹 플레이트
121..제1 백킹 플레이트 122..제2 백킹플레이트
130..홀더 131..용접 홀
140..슬라이드 기구 141..슬라이더
146..가이드 레일 150..승강 기구
160..보조 클램프 기구

Claims (5)

  1. 피접합재들의 피접합 부위들이 접합 라인을 따라 상호 맞닿게 상기 피접합재들을 한쪽 상면에 안착시키는 지그 베이스;
    상기 지그 베이스 상에 상기 접합 라인과 대응되게 배치되어 상기 피접합재들의 맞닿은 피접합 부위들을 하측에서 지지하는 백킹 플레이트;
    상기 지그 베이스의 다른 쪽 상면에 상승해 배치된 상태에서 상기 피접합재들의 상부로 슬라이드 이동하여 하강함에 따라 상기 피접합재들을 상기 지그 베이스에 대해 고정하며, 상기 백킹 플레이트와 대응되는 부위에 용접 홀이 형성된 홀더;
    상기 홀더의 슬라이드 이동을 안내하는 슬라이드 기구; 및
    상기 홀더를 승강시키는 승강 기구;
    를 포함하는 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이드 기구는,
    상기 홀더의 슬라이드 방향을 기준으로 상기 홀더의 양쪽 가장자리 부위에 각각 고정되는 한 쌍의 슬라이더들, 및
    상기 슬라이더들과 각각 결합되어 상기 슬라이더들의 슬라이드 이동을 안내함에 따라 상기 홀더의 슬라이드 이동을 안내하며 상기 지그 베이스 상에 승강 가능하게 지지되는 한 쌍의 가이드 레일들을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 승강 기구는 상기 가이드 레일들을 승강시킴에 따라 상기 홀더를 승강시키는 것을 특징으로 하는 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지그 베이스 상에 장착되어 상기 피접합재들의 각 외곽을 고정하는 보조 클램프 기구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 백킹 플레이트는 상기 지그 베이스의 장착 홀에 분리 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 2차원 TWB 공법에 적용 가능한 마찰교반용접용 지그 장치.
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