KR101631557B1

KR101631557B1 - 마찰 교반 접합 장치

Info

Publication number: KR101631557B1
Application number: KR1020140155805A
Authority: KR
Inventors: 정성욱; 이희근; 유재석; 송우영; 조한진; 정하택
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-06-27
Also published as: KR20160056414A

Abstract

본 발명은 배관 겹치기 이음매 접합을 위한 마찰 교반 접합 장치에 관한 것으로서, 종래에는 용융접합 방식을 사용함으로써 기공, 융합불량, 균열등의 각종 용접 결함이 발생될 수 있고, 숙련 용접사가 아니면 기초품질 유지가 어렵다는 문제점이 있었다. 본 발명은 커플링에 배관을 결합하고, 그 외표면에 클램프 타입으로 가이드 궤도를 결합 장착하며, 가이드 궤도 속에는, 원주방향을 따라 주행가능하게 용접장치부를 설치하며, 용접장치부는 이동가이드, 주행장치 및 용접툴부(40)를 설치하고, 용접툴부(40)는 용접툴을 상하 좌우 이동이 가능한 수단을 설치하여 배관의 겹치기 이음매를 궤도 타입으로 마찰 교반 접합 용접을 수행함으로써 결함율을 줄이고, 기초품질을 높이며, 작업자의 기량이 크게 좌우되지 않는 품질을 얻을 수 있다.

Description

마찰 교반 접합 장치{FRICTION STIR WELDING DEVICE}

본 발명은 마찰 교반 접합장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배관 겹치기 이음매의 접합을 궤도형 마찰 교반 접합장치를 이용하여 결함율을 줄이고 기초 품질을 높이며 작업자의 기량에 크게 좌우되지 않는 품질을 얻을 수 있도록 한 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.

일반적으로 배관(파이프)의 접합 방법으로, 배관 겹치기 이음매(Lap Joint) 접합은 용융접합(용접, 브레이징)을 사용하고, 맞대기 이음매(Butt Joint)는 대부분 GTAW 용접을 적용한다.

그런데 배관 겹치기 이음매의 접합은 용융접합을 사용하기 때문에 녹는점 근처의 고온에서 발생하는 각종 용접 결함 즉, 기공, 융합물량, 균열 등이 발생하고, 고온에 오래 노출되면서 모재의 기본 물성 저하(소재 열화)도 생길 수 있다. 또한 용접 품질이 용접사의 기량에 크게 좌우되므로 경험 많은 용접사의 확보가 안되면 기초품질 확보가 곤란하다.

한편, 마찰 교반 접합(FSW)을 이용한 배관 용접(Oak Ridge National Laboratory)은, 프레임, 구동부가 있어서 파이프 원주를 돌면서 마찰 교반 접합을 시행한다.

도 1 및 도 2는 종래 배관 이음매 접합 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

두개의 배관(1a)(1b)을 연결 접합하기 위해서 종래에는 배관(1a)(1b) 속에 백킹플레이트 역할을 하는 지그(2)가 삽입 설치되고, 지그(2) 속의 유압장치(2a)를 이용하여 지그(2)를 배관(1a)(1b)의 내주면에 밀착시켜 지지하여 접합 준비를 한다. 이후 도 2에 도시된 바와 같이, 접합부의 외주면에 레일(3)을 설치하고, 레일(3)에 용접장치(4)를 설치하여 둘레를 돌면서 용접을 수행하면서 풀링홀(pulling hole) 제거를 위한 더미지그(5)를 부착하고, 용접 완료 후 더미지그를 그라인더로 제거하여 배관 접합을 완료한다.

따라서, 상기와 같이 마찰 교반 접합 방식으로 배관 이음매를 접합시키는 방식은, 지그를 구비하여 유압장치를 구비한 지그를 배관 내부에 삽입 설치하여야하고, 외주면에 레일을 설치하여 용접장치가 돌면서 용접을 수행하되 더미지그의 부착 및 그라인더로 제거하는 작업을 수행하는 문제점이 있다.

또한 배관의 맞대기 이음매는 대부분 GTAW 용접을 적용하고, 겹치기 이음매 용접은 브레이징 또는 필렛(Fillet)부 GTAW를 적용하고 있으며, 동파이프등 비철배관의 마찰 교반 접합(FSW)에 대해서는 아직 알려진바 없다.

한국공개특허 10-2011-0075774(2011. 07. 06)

본 발명은 마찰 교반 접합 방식을 이용하여 비철 배관의 겹치기 이음매 용접이 가능하도록 한 마찰 교반 접합 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 배관 겹치기 이음매의 접합을 궤도형 마찰 교반 접합 장치를 이용하여 접합시킴으로써, 결함율을 줄이고 기초 품질을 높이며 작업자의 기량에 크게 좌우되지 않는 비철 금속 배관 겹치기 이음매 용접이 가능하도록 하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치는,

접합하고자하는 배관이 양단에서 삽입되고 중간부에 양측 배관이 걸리는 협지부가 형성된 커플링과;

상기 커플링을 포함하는 배관 이음매 부분의 둘레를 감싸고서 장착되고, 내측에 요홈부가 형성되어 용접장치부를 장착하여 이동시키기 위한 가이드 궤도와;

상기 가이드 궤도의 요홈부 내부에 장착되어 이동되면서 상기 커플링의 외표면에 마찰 교반 접합 용접을 수행하는 용접장치부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 가이드 궤도는,

둘로 분리 구성되어 일단부가 회동가능한 힌지 결합되고, 개방된 타단부가 배관 외주면에 장착되어 서로 결합되는 클램프 타입인 것을 특징으로 한다.

상기 가이드 궤도는,

요홈부 내측면에 이동가이드 수단과, 용접장치부의 이탈방지 수단이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 용접장치부는,

상기 커플링의 상면에 마찰 교반 접합 용접을 수행하는 용접툴이 설치된 용접툴부와;

상기 용접툴부를 상기 가이드 궤도의 내주면을 타고 이동시키기 위한 주행수단과;

상기 용접툴을 상기 가이드 궤도 내부에서 상하 좌우 이동시키는 툴 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 주행수단은,

주행 모터와, 주행모터에 의해 회전되어 상기 가이드 궤도의 내측벽에 형성된 궤도부에 맞물려 용접장치부를 주행시키는 기어부로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 주행수단은,

상기 용접툴부의 전단에 설치되어 동력에 의해 구동되는 전동 주행장치가 설치되고, 용접툴부의 후단에는 동력 없이 주행가이드를 하는 아이들 주행장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 주행수단의 전단부에 설치되어 상기 가이드 궤도의 요홈부 내주면을 타고 용접장치부가 이동되도록 가이드하는 이동가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이동가이드는,

용접장치부의 앞뒤에 각각 설치되어 피동 회전되는 롤러에 의해 가이드 궤도의 상면과 회전접촉되어 용접 장치부의 전진 및 후진 이동을 가이드 하는 제1,제2 이동가이드부로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 툴 이동수단은,

상기 가이드 궤도의 요홈부 속에 이동가능하게 장착되고, 하면이 개방된 하우징과;

상기 하우징의 내측 상면에 설치되어 상하이동력을 발생하는 상하이동수단과,

상기 상하이동수단의 작동로드에 고정설치되어 상기 하우징 내측에서 상하 이동가능하게 설치되는 툴박스와,

상기 툴박스 내부에 설치되는 상기 용접툴을 툴박스 내부에서 좌우 이동시키는 좌우이동수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 좌우이동수단은,

툴박스의 내부 좌우측에 설치되는 유압실린더와, 좌우측 유압실린더를 연통시키는 유압배관에 설치되어 좌우 유압을 조절하여 상기 용접툴의 좌우 이동을 제어하는 유압제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 좌우이동수단은,

상기 툴박스의 내측 좌우를 가로질러 설치되고, 중간에 나사결합으로 상기 용접툴이 결합된 이동스크류와, 상기 이동스크류를 정역방향 회전시키기 위한 모터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 배관 겹치기 이음매의 접합을 궤도형 마찰교반접합장치를 이용하여 접합시킬 수 있어서, 결함율을 줄이고, 기초 품질을 높이며, 작업자의 기량에 크게 좌우되지 않는 마찰 교반 접합 장치를 제공하는 효과가 있다. 또한 본 발명은 원주방향(주행)뿐 아니라 배관 길이 방향(좌우)으로 용접툴을 이동시킬 수 있어서, 나선형으로 접합 용접을 수행할 수 있다. 또한 본 발명은 단일 툴 또는 다중 툴에 의해 폐쇄 곡선 접합 경로로 접합 용접 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 배관 이음매 용접 방법 설명을 위한 분리 개념도.
도 2는 종래 기술에 의한 배관 이음매 용접 방법 설명을 위한 결합 개념도.
도 3은 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치의 가이드 궤도 구성 개요도.
도 4는 도 3의 요부 단면 개요도.
도 5는 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치의 용접장치부 구성 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 가이드부의 개요도.
도 7은 본 발명에 의한 전동 주행장치의 개요도.
도 8은 본 발명에 의한 아이들 주행장치의 개요도.
도 9는 본 발명에 의한 용접툴부의 개요도.
도 10은 본 발명의 마찰 교반 접합 장치를 배관 이음매에 설치한 개요도.
도 11의 (가) 및 (나)는 커플링의 구성과 커플링 설치 예시도.
도 12는 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치를 배관 이음매에 설치한 단면 예시도.
도 13 및 도 14는 본 발명에 의한 배관 겹치기 이음매 마찰 교반 접합 방법 설명도.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치의 가이드 궤도 구성 개요도이고, 도 4는 도 3의 요부 단면 개요도이며, 도 5는 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치의 용접장치부 구성 개념도이다.

본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치는,

배관(1a)(1b) 이음매 부분의 둘레를 감싸고서 장착되고, 내면을 따라 형성된 요홈부(11)에 용접장치부를 장착하여 용접장치부를 이동시키기 위한 가이드 궤도(10)와;

상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 내부에 장착되어 요홈부(11) 내주면을 타고 이동되면서 마찰 교반 접합 용접을 수행하는 용접장치부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명은 배관의 겹치기 이음매를 마찰 교반 접합(FSW) 용접을 수행하기 위한 것으로서, 일측 배관(1a) 또는 타측 배관(1b)의 선단부에 타측 또는 일측 배관의 선단부를 삽입하는 확장 결합부가 형성되어 겹치기 이음매가 형성된 경우, 또는 일측 및 타측배관(1a)(1b)의 이음매의 외부를 감싸는 커플링관을 결합한 경우에 배관 겹치기 부분의 외주면에서 마찰교반접합으로 겹치기 부분을 용접하기 위한 것이다.

상기 가이드 궤도(10)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이,

둘로 분리 구성되어 일단부가 회동가능한 힌지 결합되고, 개방된 타단부가 배관 외주면에 장착되어 서로 결합되는 클램프 타입인 것을 특징으로 한다. 이에 한정되는 것은 아니고, 둘로 분리된 가이드 궤도(10)를 배관 겹치기 이음매 부분을 감싸도록 설치하여 고정시킬 수 있는 구조로 구성하면 된다.

상기 가이드 궤도(10)는,

요홈부(11) 내측면에 주행가이드 수단과, 용접장치부의 이탈방지 수단이 형성된 것을 특징으로 한다.

주행 가이드 수단은,

가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 내부 양측 선단부에 나사산이 연속 형성된 궤도부(13)를 형성하고, 상기 이탈방지수단은 이탈방지 홈(12)으로 형성할 수 있다. 이는 용접장치부의 주행장치의 회전수단으로 궤도의 나사산을 타고 이동력을 발생시키는 기어부를 구비한 구성에 적용되며, 요홈부 내측에 가이드 레일을 구성하고, 주행장치에 상기 가이드레일에 결합되어 이동력을 발생하는 주행수단을 설치하여 구성할 수도 있다.

상기 용접장치부는, 도 5에 도시된 바와 같이,

배관 겹치기 이음매 부분의 상면에 마찰 교반 접합 용접을 수행하는 용접툴이 설치된 용접툴부(40)와;

상기 용접툴부(40)를 상기 가이드 궤도(10)의 내주면을 타고 이동시키기 위한 주행수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에서는 상기 용접툴(50)을 상기 가이드 궤도(10) 내부에서 상하 좌우 이동시키는 툴 이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 용접툴부(40)는, 단일 또는 다중으로 설치된 것을 특징으로 한다. 이는 두꺼운 모재에서 접합시키는 경우 다중 용접툴을 사용하여 빠른 시간내에 고품질의 접합 용접을 수행하기 위한 것이다.

상기 용접툴은, 전동기(모터)에 의해 회전되는 회전툴이 구비되며, 회전툴의 하면인 솔더부의 중앙에 돌출된 프로브(돌기)가 형성되어 구성된다.

본 발명은, 배관 겹치기 이음매 접합을 위한 것이므로, 상기 회전툴에 돌출된 프로브의 길이는, 상부부재(커플링부재)와 하부부재(배관)의 접합 경계면까지 프로브가 삽입될 수 있는 길이가 된다. 즉, 본 발명에 의해 마찰교반접합 용접을 실시하게되면, 회전툴의 프로브가 회전되면서 상부부재인 커플링을 파고들어 배관의 경계면까지 접촉되면서 회전되고, 이때 회전툴의 하면인 솔더부는 상부부재의 표면과 접하면서 회전된다. 이에 따라 회전툴의 회전이동에 의해 마찰열이 발생되면서 상부부재인 커플링과 하부부재인 배관이 접합 용접되어 비드라인이 형성된다. 본 발명은 비드라인을 1회전 이상 회전되는 나선형으로 형성되게 마찰교반접합 용접을 수행한다.

그리고, 상기 커플링(100)의 협지부(101)는, 상기 회전툴의 프로브 길이보다 두꺼운 두께로 형성된다. 이는 커플링과 배관의 겹치기 이음매 부분에서 마찰교반접합 용접을 시작하여 현지부(101)에서 종료하게 될때 협지부(101)가 구멍이 생기지 않아야 되므로 협지부(101)의 두께는 회전툴의 프로브 길이보다 두꺼운 두께로 형성되며, 협지부(101) 내경은 양측 배관의 내경과 동일한 내경이 되게 구성하는 것이 바람직하다.

도 6 내지 도 9는, 본 발명에 의한 용접장치부의 각부 구성 개요도로서, 도 6은 이동 가이드를, 도 7은 전동 주행장치를, 도 8은 아이들 주행장치를, 도 9는 용접툴부(40)의 구성을 설명하기 위한 개요도이다.

상기 주행수단은, 도 7에 도시된 바와 같이,

가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 속이 이동가능하게 설치되는 주행장치 하우징(31)과, 상기 주행장치 하우징(31) 속에 고정설치되는 주행 모터(32)와, 주행모터(32)에 의해 회전되어 상기 가이드 궤도(10)의 내측벽에 형성된 궤도부(13)에 맞물려 용접장치부를 주행시키는 기어부(33)로 구성됨을 특징으로 한다. 상기 궤도부(13)는 배관의 원주방향으로 형성된다.

주행수단으로 전동 주행장치(30)를 설치하여 모터(32)의 구동에 의해 기어부(33)를 회전시키고, 기어부(33)가 가이드 궤도(10)에 형성된 궤도부(13)에 맞물려 주행할 수 있게 된다.

상기 주행수단은, 도 5에 도시된 바와 같이,

상기 용접툴부(40)의 전단에 설치되어 동력에 의해 구동되는 전동 주행장치(30)가 설치되고, 용접툴부(40)의 후단에는 동력 없이 아이들 기어(33a)에 의해 주행가이드를 하는 아이들 주행장치(30a)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

주행수단을 전동주행수단(30)과 아이들 주행장치(30a)으로 설치함으로써, 용접툴(50)의 앞뒤에서 궤도부(13)에 기어부(33)(33a)가 맞물려 주행하기 때문에 용접툴(50)의 안정된 자세 유지 및 하강에 따른 마찰력을 유지시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의한 용접장치부는,

상기 주행수단의 전단부에 설치되어 상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 내주면을 타고 용접장치부가 이동되도록 가이드하는 이동가이드 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이동가이드 수단은, 도 6에 도시된 바와 같이, 브라켓(22)의 외측부에 상기 가이드 궤도(10)의 이탈방지홈(12) 속에 삽입되는 이탈방지돌기(23)가 양측으로 돌설되고, 브라켓(22)의 상단에 회전가능하게 롤러(21)가 설치되어 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 상면에 회전 접촉되게 구성된다.

이와 같은 이동 가이드 수단은, 도 5에 도시된 바와 같이 용접장치부의 앞뒤에 각각 설치되어 피동 회전되는 롤러에 의해 가이드 궤도의 상면과 회전접촉되어 용접 장치부의 전진 및 후진 이동을 가이드 하는 두 개의 이동가이드(20)(20a)로 구성됨을 특징으로 한다.

앞뒤에 이동가이드를 설치하게 되면, 주행장치(30)를 임의의 방향 또는 반대방향으로 주행시킬때 각각의 이동 가이드가 앞뒤에서 요홈부(11)의 상면과 롤러가 회전접촉되어 원형의 내주면을 부드럽게 타고 주행할 수 있도록 가이드 하게 된다.

상기 용접툴부(40)의 툴 이동수단은,

상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 속에 이동 가능하게 장착되고, 하면이 개방된 하우징(41)과;

상기 하우징(41)의 내측 상면에 설치되어 상하이동력을 발생하는 상하이동수단(42)과,

상기 상하이동수단(42)의 작동로드에 고정설치되어 상기 하우징(41) 내측에서 상하 이동가능하게 설치되는 툴박스(44)와,

상기 툴박스(44) 내부에 설치되는 상기 용접툴(50)을 툴박스(44) 내부에서 좌우 이동시키는 좌우이동수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상하이동수단(42)을 제어하게 되면, 툴박스(44)를 상하 이동시킬 수 있고, 툴박스(44) 내에 설치된 용접툴(50)을 상하 이동시킬 수 있으며, 용접툴(50)을 하강시켜 용접을 시작하고, 종료 시점에 상승시킨다. 그리고 좌우 이동수단에 의해서 용접툴(50)은 툴박스(44) 내부에서 좌우로 이동시킬 수 있게 된다.

상기 좌우이동수단은,

툴박스(44)의 내부 좌우측에 설치되는 유압실린더와, 좌우측 유압실린더를 연통시키는 유압배관에 설치되어 좌우 유압을 조절하여 상기 용접툴(50)의 좌우 이동을 제어하는 유압제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는 좌우 유압을 조절하는 것에 의해 용접툴(50)의 좌우 이동을 제어할 수 있다. 상기 좌우이동수단은 배관의 길이방향으로 용접툴을 이동시키도록 구성된다.

상기 좌우이동수단은, 도 9에 도시된 바와 같이,

상기 툴박스(44)의 내측 좌우를 가로질러 설치되고, 중간에 나사결합으로 상기 용접툴(50)이 결합된 이동스크류(43a)와, 상기 이동스크류(43a)를 정역방향 회전시키기 위한 모터(43)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이는 모터(43)의 정역방향 구동에 의해 이동스크류(43a)가 회전되면서 용접툴(50)을 좌우 이동시킬 수 있다. 용접 툴(50)의 이동은, 주행장치(30)와 동기시켜 이동을 제어한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치는,

가이드 궤도(10)의 내부 요홈부(11) 속에 용접장치부가 이동가능하게 삽입 장착된다. 용접 장치부는, 마찰 교반 용접(FSW)을 수행하는 용접툴(50)과, 용접툴(50)을 가이드 궤도(10)의 요홈부(11)를 타고 주행시키기 위한 주행수단을 포함하여 구성된다. 기본적으로 주행수단과, 용접툴(50)을 구비하여 구성하게 되면, 좌우 이동 없이 겹치기 이음매의 외주면을 따라 원형으로 이동되면서 마찰 교반 접합이 가능해진다.

그런데, 원형 이동만으로 마찰 교반 접합을 수행하게 되면, 원형의 한 라인으로 접합되는 것이기 때문에 품질 문제가 발생 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 원주면을 따라 나선형으로 마찰 교반 접합이 가능해지도록 상기 용접툴을 상하 좌우 이동시킬 수 있는 툴 이동수단을 더 포함하여 구성한다.

툴 이동수단은, 용접툴의 상하 이동을 제어하는 상하이동수단(42), 좌우 이동을 제어하는 좌우 이동수단(43)을 포함하여 구성하며, 상하 좌우 이동제어를 위하여 툴 박스(44) 속에 좌우 이동수단에 의해 좌우 이동이 가능하도록 용접툴(50)을 설치하며, 툴박스(44)를 상하이동시키도록 상하 이동수단(42)을 하우징(41)의 상단하면에 설치하여 상하 이동을 제어하도록 구성한다. 즉, 상하이동수단(42)을 제어하여 하부로 용접툴(50)을 내려서 마찰 교반 접합을 시작하고, 상부로 들어올려 용접을 종료한다.

즉, 여기서, 상기 궤도부(13)는 배관의 원주방향으로 형성되고, 좌우 이동수단(43)은 배관의 길이방향으로 용접툴을 이동시키도록 구성함으로써, 나선 용접이 가능해진다.

도 10은 본 발명의 마찰 교반 접합 장치를 배관 이음매에 설치한 개요도이고, 도 11의 (가) 및 (나)는 커플링의 구성과 커플링 설치 예시도이며, 도 12는 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치를 배관 이음매에 설치한 단면 예시도이다.

본 발명은 배관(1a)(1b)을 접합하기 위하여 커플링(100)에 일측 및 타측 배관(1a)(1b)을 양측에서 삽입 결합하고, 그 커플링(100)의 둘레에 본 발명에 의한 마찰 교반 접합장치를 결합 설치한다.

상기 커플링(100)은, 도 11의 (가) 및 (나)에 도시된 바와 같이, 커플링(100)의 양측부의 내경은 배관(1a)(1b)의 외경과 같고, 커플링(100)의 중간부에는 내경이 배관(1a)(1b)의 내경과 같은 협지부(101)가 형성된다. 이와 같이 중간부에 협지부(101)가 형성된 커플링(100)에 접합하고자 하는 배관(1a)(1b)을 양측에서 삽입시켜 결합한다.

배관(1a)(1b)을 커플링(100)에 결합한 후, 커플링(100)의 둘레를 감싸도록 가이드 궤도(10)을 결합하여 장착한다. 가이드 궤도(10) 속에는 용접장치부가 이동가능하게 설치되어 있고, 용접장치부의 용접툴(50)에 의해 커플링(100)의 외표면에 마찰 교반 접합 용접을 수행함으로써, 커플링(100)과 내부의 배관(1a)(1b)이 접합 용접된다.

용접툴(50)의 회전툴 하면에 형성된 프로브가 회전되면서 상부부재인 커플링(100)을 파고들어가서 하부부재인 배관의 표면까지 파고들어간다. 고속회전에 의해 상부부재를 뚫고 들어가서 하부부재와의 경계면까지 삽입된 상태로 회전되고, 이때 회전툴의 하면 솔더부가 상부부재 표면과 회전 접촉마찰이 이루어져 발생되는 열에 의해 접합 용접되는 비드라인이 형성된다.

본 발명에 의한 배관 겹치기 이음매 접합 용접 방법은, 커플링(100)의 선단부 일정간격 내측에서 중간 협지부(101) 까지 나선형으로 외주면을 돌아가면서 마찰 교반 접합 용접을 수행한다.

도 13은 본 발명에 의한 마찰 교반 용접 방법을 설명하기 위한 설명도이고, 도 14는 본 발명에 의한 마찰 교반 용접 방법 예시도이다.

도 13에는 커플링(100)을 1/2만 보인 것이다. 커플링(100)의 선단부에서 일정간격 내측의 임의의 시작위치(A)에서 커플링(100)의 협지부(101)의 임의의 종료위치(B)까지 나선형으로 커플링 외표면을 돌아서 마찰교반 용접을 수행한다.

여기서, 상기 시작위치(A)와 종료위치(B)는 적어도 180°이상의 위상차를 가진다. 바람직하게는 360°위상차를 가지도록 나선형 마찰 교반 접합을 수행한다. 즉, 최소 반바퀴 이상 돌면서 접합 용접을 하되, 바람직하게는 한바퀴를 돌면서 접합 용접을 수행한다. 배관의 크기에 따라 한바퀴 이상으로 돌면서 접합 용접을 수행할 수도 있다.

따라서, 일측 배관(1a)과 겹쳐진 커플링(100)의 일측 선단부 내측의 임의의 시작위치(A)에서부터 중간의 협지부(101)의 종료위치(B)까지 나선형으로 한바퀴 돌면서 마찰 교반 접합 용접을 수행하고, 동일하게 반대쪽 배관(1b)과 겹쳐진 커플링(100)의 타측 선단부 내측의 임의의 시작위치에서 중간의 협지부(101)의 종료 위치까지 나선형으로 한바퀴 돌면서 마찰 교반 접합 용접을 수행한다.

한편, 상기와 같이 한바퀴만 접합 용접을 하는 경우 품질 저하가 우려되므로, 본 발명에서는 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 임의의 시작위치(A)와는 다른 시작위치(C)에서 반대방향으로 돌면서 상기 협지부(101) 외표면의 임의의 종료위치(D)까지 나선형으로 접합 용접을 수행한다.

이에 따라 시작위치(A)에서 종료위치(B)로 나선형으로 돌면서 접합 용접한 제1용접라인과, 다른 시작위치(C)에서 종료위치(D)로 상기 제1용접라인과는 반대방향으로 돌면서 접합 용접한 제2용접라인은 적어도 2개의 교차점(E)(F)을 갖게 된다. 결국, 제1용접라인과는 반대방향으로 돌면서 용접한 제2용접라인은 2지점(E)(F)에서 교차되므로, 용접 품질의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

상기와 같이 나선형으로 돌면서 접합 용접하기 위해서는, 용접툴(50)을 좌우 이동 가능하도록 구성해야하며, 용접툴(50)을 시작위치(A)에서 하강시켜 접합 용접을 시작하고, 주행장치(30)를 구동시켜 주행을 시작하고, 주행 속도와 동기시켜 상기 용접툴(50)을 커플링(100)의 중간 협지부(101) 상의 종료위치(B)로 이동시킨다. 즉, 주행장치(30)에 의해 가이드 궤도(10) 내부에서 1회전이 이루어질때 이에 동기되어 용접툴(50)도 시작위치에서 종료위치까지 이동시키면 나선형 1회전 접합 용접을 수행할 수 있다.

이후 용접툴(50)을 상승시킨 후, 시작위치로 복귀시키고, 주행장치(30)를 구동하여 상기 시작위치(A)와는 다른 시작위치(C)로 용접툴(50)을 정렬하고, 주행장치(30)를 역방향 주행시키면서 상기 용접툴(50)은 시작위치에서 종료위치까지 이동시키면, 반대방향으로 회전되는 나선형 접합 용접을 수행할 수 있게 된다.

결국, 배관과 커플링(100) 사이의 마찰 교반 접합 용접은, 서로 다른 방향으로 회전되면서 나선형으로 접합 용접한 2개의 접합 용접라인이 형성되고, 2개의 교차점이 형성되어 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 하나의 용접툴부(40)를 구성한 것을 예시 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다중 용접툴부(40)를 설치하여 구성될 수 있다. 예컨데, 가이드 궤도(10)의 내부에서 용접툴부(40)를 좌우 방향으로 다중 배열 설치한다. 이를 이용하게 되면, 커플링(100)의 양단부측에서 각 용접툴부(40)의 용접툴을 제어하여 커플링의 양단부측에서 중간부측으로 동시에 나선형 마찰교반접합 용접을 수행할 수 있게 된다. 이에 따라 하나의 용접툴부(40)만 설치한 경우는 커플링의 일측단부에서 중간부 방향으로 접합공정을 수행한 후, 커플링의 타단부측으로 이동설치하여 다시 동일 작업을 수행해야 한다. 그렇지만 다중 용접툴부(40)로 구성하게 되면, 동시에 양측의 접합을 실시할 수 있다.

상기와 같이 가이드 궤도(10) 내부의 폭방향으로 다중 용접툴부(40)를 설치하는 것 이외에되, 가이드 궤도(10)의 내부 길이방향으로도 다중 용접툴부(40)를 설치할 수 있다. 이는 바람직하게는 2개의 용접툴부(40)를 180도 위상차를 가지는 위치에 설치하여 동시에 180도 위상차를 가지는 두 개의 시작점에서 접합 용접을 시작할 수 있게 한다. 꼭 두 개로 한정하는 것은 아니며, 복수의 용접툴부(40)를 배열 설치하여 동시에 복수의 시작점에서 동시에 접합 용접을 시작할 수 있는 것이다.

이와 같이 일측 배관(1a)과 커플링(100) 사이의 접합 용접을 서로 반대방향으로 회전되는 2번의 접합 용접을 수행하여 완료하고, 용접 툴(50)을 이동시켜 반대측 배관(1b)과 커플링(100) 사이의 겹치기 이음매에 대한 마찰 교반 접합 용접을 수행한다. 반대측 배관(1b)과 커플링(100)도 동일하게 커플링(100)의 타측 선단부에서 내측으로 일정간격 이격된 임의의 시작위치에서 접합 용접을 시작하면서, 주행장치(30)를 주행시킴과 동시에 이와 동기되게 용접툴(50)을 중간부의 협지부 표면의 종료위치까지 이동시켜 용접라인이 1회전이 이루어지도록 하며, 다시 초기위치로 이동하여 다른 시작위치에서 반대방향으로 주행하면서 종료위치까지 접합 용접을 수행하여 종료한다.

1a, 1b : 배관 10 : 가이드 궤도
11 : 요홈부 12 : 이탈방지홈
13 : 궤도부 20, 20a : 이동가이드
21 : 롤러 22 : 브라켓
30 : 전동 주행장치 31 : 주행장치 하우징
32 : 모터 33 : 기어부
30a : 아이들 주행장치 33a : 아이들 기어부
40 : 용접툴부(40) 41 : 하우징
42 : 상하 이동수단 43 : 좌우 이동수단
43a : 이동스크류 44 : 툴박스
50 : 용접툴

Claims

배관의 겹치기 이음매 접합을 위한 마찰 교반 접합 장치에 있어서,
배관의 겹치기 이음매 부분의 둘레를 감싸며, 내면에 요홈부(11)가 형성된 가이드 궤도(10)와;
상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11)에 장착되어 요홈부(11) 내주면을 타고 이동하면서 용접툴(50)에 의해 마찰 교반 접합 용접을 수행하는 용접장치부를 포함하여 이루어지되,
상기 용접장치부는,
배관 겹치기 이음매 부분의 상면에 마찰 교반 접합 용접을 수행하는 용접툴(50)이 설치된 용접툴부(40)와;
상기 용접툴부(40)를 상기 가이드 궤도(10)의 내주면을 타고 이동시키기 위한 주행수단과;
상기 용접툴(50)을 상기 가이드 궤도(10) 내부에서 상하 좌우 이동시키는 툴 이동수단을 포함하며,
상기 툴 이동수단은,
상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 속에 이동 가능하게 장착되고, 하면이 개방된 하우징(41)과;
상기 하우징(41)의 내측 상면에 설치되어 상하이동력을 발생하는 상하이동수단(42)과,
상기 상하이동수단(42)의 작동로드에 고정설치되어 상기 하우징(41) 내측에서 상하 이동가능하게 설치되는 툴박스(44)와,
상기 툴박스(44) 내부에 설치되는 상기 용접툴(50)을 툴박스(44) 내부에서 좌우 이동시키는 좌우이동수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 배관의 겹치기 이음매 부분은, 일측 및 타측 배관(1a)(1b)을 양측에서 삽입 결합하는 커플링(100)을 포함하여 이루어지고, 가이드 궤도(10)는 상기 커플링(100)의 둘레를 감싸는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 커플링(100)은,
양단부에 배관(1a)(1b)의 외경과 같은 내경이 형성되고, 중간부에 상기 용접툴(50)의 프로브 길이보다 큰 두께를 갖는 협지부(101)가 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가이드 궤도(10)는,
둘로 분리된 가이드 궤도(10)를 배관 겹치기 이음매 부분을 감싸도록 설치하여 고정시킬 수 있는 클램프 타입인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가이드 궤도(10)는,
요홈부(11) 내측면에 주행 수단과, 용접장치부의 이탈방지 수단이 형성된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 주행수단은,
가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 내에 이동가능하게 설치되는 주행장치 하우징(31)과, 상기 주행장치 하우징(31) 속에 고정설치되는 주행 모터(32)와, 주행모터(32)에 의해 회전되어 상기 가이드 궤도(10)의 내측벽에 형성된 궤도부(13)에 맞물려 용접장치부를 주행시키는 기어부(33)로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 주행수단은,
상기 용접툴부(40)의 전단에, 동력에 의해 구동되는 전동 주행장치(30)가 설치되고, 용접툴부(40)의 후단에는 동력 없이 아이들 기어(33a)에 의해 주행가이드를 하는 아이들 주행장치(30a)가 설치되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 용접장치부는,
상기 주행수단의 전단부에 설치되어 상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 내주면을 타고 용접장치부가 이동되도록 가이드하는 이동가이드 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 이동가이드 수단은,
상기 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 양측에 이탈방지홈(12)이 형성되고, 브라켓(22)의 외측부에 상기 이탈방지홈(12) 속에 삽입되는 이탈방지돌기(23)가 양측으로 돌출되며, 상기 브라켓(22)의 상단에 회전가능하게 롤러(21)가 설치되어 가이드 궤도(10)의 요홈부(11) 상면에 회전 접촉되게 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 이동 가이드 수단은,
용접장치부의 앞뒤에 각각 설치되어 피동 회전되는 롤러에 의해 가이드 궤도(10)의 상면과 회전접촉되어 용접 장치부의 전진 및 후진 이동을 가이드 하는 두 개의 이동가이드(20)(20a)로 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 좌우이동수단은,
툴박스(44)의 내부 좌우측에 설치되는 유압실린더와, 좌우측 유압실린더를 연통시키는 유압배관에 설치되어 좌우 유압을 조절하여 상기 용접툴(50)의 좌우 이동을 제어하는 유압제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 좌우이동수단은,
상기 툴박스(44)의 내측 좌우를 가로질러 설치되고, 중간에 나사결합으로 상기 용접툴(50)이 결합된 이동스크류(43a)와, 상기 이동스크류(43a)를 정역방향 회전시키기 위한 모터(43)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 용접장치부는,
적어도 하나 이상 복수의 용접툴부(40)가 배열 설치된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.