KR101657014B1 - 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치 - Google Patents

Abstract

접합 툴의 숄더와 핀이 분리되어 구동되며 숄더는 회전하지 않고 압축 하중만 작용하고 핀이 회전하여 마찰열의 발생 및 재료의 교반을 수행하는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치가 제공된다. 상기 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치는 고정 부위인 본체; 상기 본체의 아래에 회전가능하게 위치하는 툴 홀더; 상기 본체에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들; 상기 툴 홀더의 하부에 연결되어 접합 가공시 발생하는 피 용접물의 비산을 방지하고 피가공 부위를 클램핑하여 접합 가공이 용이하도록 하는 숄더; 상기 스핀들의 하부에 연결되어 상기 숄더와 분리되어 상기 스핀들의 회전과 동시에 회전하는 핀; 및상기 숄더가 회전하지 않도록 상기 숄더를 상기 본체에 연결하는 브라켓을 포함한다.

Description

숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치{Stationary shoulder friction stir welding apparatus}

본 발명은 마찰 교반 접합(Friction Stir Welding, 이하 'FSW'라 함)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접합 툴의 숄더와 핀이 분리되어 구동되는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치(Stationary Shoulder Friction Stir Welding, 이하 'SSFSW'라 함)에 관한 것이다.

FSW는 고속 회전하는 툴을 물질 내부로 삽입하여 마찰 열로 온도를 승온 시킨 후 소성 유동을 통해 접합하는 방법으로서 금속을 용융시키지 않음으로 인하여 접합부의 기계적 특성이 매우 우수하며, 결함 발생률, 변형등이 우수한 첨단 접합 기술이다. FSW는 1991년 영국의 TWI(The Welding Institute)에 의해 개발되어 전세계에 원천기술 특허가 출원되었으며, 관련된 후속 특허들이 출원되고 있다.

FSW의 개발 초창기에는 주로 저융점 합금의 접합에 사용되었으나 현재는 티타늄, 인코넬 등의 고융점 합금 뿐만 아니라 이종 접합 등에도 폭넓게 적용되고 있다. 특히, 알루미늄, 동 합금의 경우 용융 용접을 이용하여 접합할 경우보다 접합부에서 기공 등의 결함 발생률이 현저히 감소하며, 기계적 특성 또한 매우 우수하므로 높은 품질이 요구되는 항공 우주 분야에 사용되기 시작하여, 철도 차량, 선박등에도 적용되고 있다. 하지만 FSW는 다른 일반적인 접합 방법과 달리 용가재가 추가되지 않아서 형상 공차에 민감하고, 접합 툴의 삽입 및 진행 하중에 견딜수 있는 견고한 구속 장치가 필요하다는 어려움이 있으며 이러한 어려움에도 불구하고 높은 품질로 인하여 최근에 그 적용 사례가 증가하고 있다.

공정 조건으로는 접합 툴의 형상, 회전 속도, 이송 속도, 툴의 누름 하중 등이 있으며, 그 원리가 일반 공작 기계(MCT)와 유사하여 국내 산업계에서는 머시닝 센터를 사용 또는 보강하여 FSW에 적용하고 있다.

도 1은 핀과 숄더가 일체로 형성된 종래의 FSW 접합 툴을 나타낸 도면이다.

특허 등록 번호 제 10-0867020 호에는 접합 툴의 내구성을 향상시키고 접합 툴의 고속 회전에 의한 피 접합물의 접합 시간의 단축을 꾀하고 피 접합물의 접합 부의 강도 저하를 방지할 수 있는 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 툴이 개시되어 있다. 하지만, 특허 등록 번호 제 10-0867020 호는 접합 툴의 숄더와 핀이 일체로 구동되므로 피용접물에 입열되는 폭이 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 접합 툴의 숄더와 핀이 분리되어 구동되며 숄더는 회전하지 않고 압축 하중만 작용하고 핀이 회전하여 마찰열의 발생 및 재료의 교반을 수행하는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치를 제공하는데 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치는 고정 부위인 본체; 상기 본체의 아래에 회전가능하게 위치하는 툴 홀더; 상기 본체에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들; 상기 툴 홀더의 하부에 연결되어 접합 가공시 발생하는 피 용접물의 비산을 방지하고 피가공 부위를 클램핑하여 접합 가공이 용이하도록 하는 숄더; 상기 스핀들의 하부에 연결되어 상기 숄더와 분리되어 상기 스핀들의 회전과 동시에 회전하는 핀; 및상기 숄더가 회전하지 않도록 상기 숄더를 상기 본체에 연결하는 브라켓을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 숄더는 링 형상을 갖는 것이 바람직하다. 상기 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치는 상기 브라켓의 중간에 위치하여 상기 브라켓의 높이를 조절함으로써 상기 숄더의 높이를 조절하는 높이 조절 부재를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치는 고정 부위인 본체; 상기 본체의 아래에 회전가능하게 위치하는 툴 홀더; 상기 본체에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들; 상기 툴 홀더의 하부에 연결되어 접합 가공시 발생하는 피 용접물의 비산을 방지하고 피가공 부위를 클램핑하여 접합 가공이 용이하도록 하는 링 형상을 갖는 숄더; 상기 스핀들의 하부에 연결되어 상기 숄더와 분리되어 상기 스핀들의 회전과 동시에 회전하는 핀; 상기 숄더가 회전하지 않도록 상기 숄더를 상기 본체에 연결하는 브라켓; 및 상기 브라켓의 중간에 위치하여 상기 브라켓의 높이를 조절함으로써 상기 숄더의 높이를 조절하는 높이 조절 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 SSFSW는 접합 툴의 숄더와 핀이 분리되어 구동되며 숄더는 회전하지 않고 압축 하중만 작용하고 핀이 회전하여 마찰열의 발생 및 재료의 교반을 수행함으로써 피용접물에 입열되는 폭을 최소화 할 수 있으며, 피용접물의 구속을 별도 장치가 아닌 접합 툴에서 한번에 할 수 있다는 장점이 있다. 숄더 및 핀을 각각 회전-고정 할 수 있도록 접합 장비가 구성되어야 한다. 일반적으로 이는 장비에서 두 개의 스핀들이 동심을 이루도록 구성되어 한 개는 핀 부분을 나머지 한 개는 숄더를 고정하는 방법으로 구현된다. 본 발명에서는 일반 머시닝 센터를 이용하여 마찰 교반 용접을 진행함에 있어서 SSFSW를 구현할 수 있도록 해주는 장치이다.

도 1은 핀과 숄더가 일체로 형성된 종래의 FSW 접합 툴을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SSFSW의 동작 원리를 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 SSFSW의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 핀과 숄더가 분리된 접합툴을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 브라켓에 의해 숄더를 본체에 연결한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 SSFSW가 실제 공작 기계 장비에 부착되어 FSW가 진행되는 것을 나타낸 사진이다.
도 7은 도 6에 도시된 SSFSW의 용접 작업에 대한 대략적인 개념을 나타낸 사진이다.

이하, 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 SSFSW에 대해 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SSFSW의 동작 원리를 개념도이다. 도 3은 도 2에 도시된 SSFSW의 단면도이다. 도 4는 도 3에 도시된 핀과 숄더가 분리된 접합툴을 나타낸 도면이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치는 고정 부위인 본체(210), 툴 홀더(220), 스핀들(230), 숄더(240), 핀(250), 브라켓(260),및 높이 조절 부재(270)를 포함한다.

툴 홀더(220)는 상기 본체(210)의 아래에 회전가능하게 위치한다. 스핀들(230)은 상기 본체(210)에 회전 가능하게 축 삽입된다. 숄더(240)는 상기 툴 홀더(230)의 하부에 연결되어 접합 가공시 발생하는 피 용접물의 비산을 방지하고 피가공 부위를 클램핑하여 접합 가공이 용이하도록 한다. 상기 숄더(240)는 링 형상을 갖는 것이 바람직하다. 도 4를 참조하면, 핀(250)는 상기 숄더(240)와 분리 구동되며 상기 스핀들(230)의 하부에 연결되어 상기 스핀들(230)의 회전과 동시에 회전한다. 상기 숄더(240)는 회전하지 않고 압축 하중만 작용하고, 상기 핀(250)이 회전하여 마찰열의 발생 및 재료의 교반을 담당하게 되는 특징을 가진다.

도 5는 도 2에 도시된 브라켓에 의해 숄더를 본체에 연결한 상태를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 브라켓(260)은 상기 숄더가 회전하지 않도록 상기 숄더(240)를 상기 본체(210)에 연결한다.

높이 조절 부재(270)는 상기 브라켓(260)의 중간에 위치하여 상기 브라켓(260)의 높이를 조절함으로써 상기 숄더(240)의 높이를 조절한다. 접합 특성상 적절한 누름 양이 필요하므로 높이 조절 부재(270)가 필요하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 SSFSW가 실제 공작 기계 장비에 부착되어 FSW가 진행되는 것을 나타낸 사진이다. 도 7은 도 6에 도시된 SSFSW의 용접 작업에 대한 대략적인 개념을 나타낸 사진이다. 이러한 개념이 도입되면 간단히 SSFSW의 구현이 가능하며, 이와 별도로 숄더(240) 부분이 평면이 아닌 각도를 가지도록(전진각) 구성이 가능하다. 또한 숄더(240) 부분에 열선 등을 이용한 예열 기능을 추가한다면 마찰열 + 기타 열원에 의한 좀더 원활한 접합이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

210 : 본체 220 : 툴 홀더
230 : 스핀들 240 : 숄더
250 : 핀 260 : 브라켓
270 : 높이 조절 부재

Claims (4)

1. 고정 부위인 본체;
   상기 본체의 아래에 회전가능하게 위치하는 툴 홀더;
   상기 본체에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들;
   상기 툴 홀더의 하부에 연결되어 접합 가공시 발생하는 피 용접물의 비산을 방지하고 피가공 부위를 클램핑하여 접합 가공이 용이하도록 하는 숄더;
   상기 스핀들의 하부에 연결되어 상기 숄더와 분리되어 상기 스핀들의 회전과 동시에 회전하는 핀; 및
   상기 숄더가 회전하지 않도록 상기 숄더를 상기 본체에 연결하는 브라켓을 포함하는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 숄더는 링 형상을 갖는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 브라켓의 중간에 위치하여 상기 브라켓의 높이를 조절함으로써 상기 숄더의 높이를 조절하는 높이 조절 부재를 더 포함하는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치.
4. 고정 부위인 본체;
   상기 본체의 아래에 회전가능하게 위치하는 툴 홀더;
   상기 본체에 회전 가능하게 축 삽입되는 스핀들;
   상기 툴 홀더의 하부에 연결되어 접합 가공시 발생하는 피 용접물의 비산을 방지하고 피가공 부위를 클램핑하여 접합 가공이 용이하도록 하는 링 형상을 갖는 숄더;
   상기 스핀들의 하부에 연결되어 상기 숄더와 분리되어 상기 스핀들의 회전과 동시에 회전하는 핀; 및
   상기 숄더가 회전하지 않도록 상기 숄더를 상기 본체에 연결하는 브라켓;
   상기 브라켓의 중간에 위치하여 상기 브라켓의 높이를 조절함으로써 상기 숄더의 높이를 조절하는 높이 조절 부재를 포함하는 숄더 고정식 마찰 교반 접합 장치.

Images