KR101683761B1 - 마찰교반접합 및 절단 장치, 이를 이용한 밀봉방법 및 이를 통해 제조된 접합 대상물 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치는 접합 대상물이 안착되는 지그, 상기 지그의 상부 일측에 소정간격 이격되어 승강 가능하게 구비되어 상기 접합 대상물을 마찰교반하는 회전툴, 상기 지그의 일측에 구비되어 상기 회전툴의 하강 및 가압하는 힘을 이용하여 상기 접합대상물을 절단하는 절단부를 포함한다.

Description

마찰교반접합 및 절단 장치, 이를 이용한 밀봉방법 및 이를 통해 제조된 접합 대상물{friction Stir Welding and Cutting Apparatus, Sealing Method and Its Product Thereof}

본 발명은 마찰교반접합 및 절단 장치, 이를 이용한 밀봉방법 및 이를 통해 제조된 접합 대상물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 용접소모품을 사용하지 않는 마찰교반접합을 이용하여 접합 대상물의 압착 변형 및 마찰교반접합이 가능하고, 접합 대상물의 절단까지 단일 공정으로 수행할 수 있는 마찰교반접합 및 절단 장치, 이를 이용한 밀봉방법 및 이를 통해 제조된 접합 대상물에 관한 것이다.

일반적으로 히트파이프는 관의 내부에 열매체를 충진하여 일측에 열을 가하면 열매체가 팽창하여 이동하고, 열교환 후에는 열매체가 응축하여 다시 귀환하는 작용을 반복하면서 신속한 열교환 작용을 하도록 한다.

이러한 히트 파이프 등과 같이 밀봉을 요하는 접합 대상물을 제조할 때는 접합 대상물을 일정한 길이로 절단하고, 양측단부에 마개를 삽입하여 용접한 다음, 양측단부에 구비된 마개에 주입구를 형성하여 열매체를 주입한 후 다시 마개에 형성된 주입구를 용접하여 밀봉시키는 공정을 통해 제조되었다.

그러나 이러한 방법에 의해 제조되는 히트 파이프는 용접이 어렵고, 용접 후 크랙이 발생하는 등 용접불량이 많이 발생함과 아울러 히트 파이프의 수명이 짧아지는 문제점이 있다.

이와 같이, 용접 공정에서 불량이 발생하면 용접부위를 절단하고, 다시 용접 공정을 거쳐야 하기 때문에 많은 양의 재료 손실이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 이를 통해 제품의 생산성이 저하되고, 제품의 생산단가가 상승하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 초음파 용접을 이용한 공정이 개시되어 있다. 이러한 초음파 용접은 전도부를 통해 초음파를 접합 대상물에 가하며 그 진동에너지로 가열하고, 일정 압력으로 가압하여 용접한다. 이러한 초음파 용접은 짧은 공정시간 내에 용접부 형성이 가능하고, 용접계면이 마찰되므로 산화피막과 불순물 제거가 용이한 장점이 있다.

하지만, 접합 대상물의 소재 종류에 따른 제한과 용접 소모품의 가공비용이 높으며, 용접 시 큰 소음이 발생하여 작업환경이 양호하지 않은 문제점이 있다.

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본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 별도의 용접소모품을 사용하지 않는 마찰교반접합을 이용하여 접합 대상물의 압착 변형 및 마찰교반접합이 가능하고, 접합 대상물의 절단까지 단일 공정으로 수행할 수 있는 마찰교반접합 및 절단 장치, 이를 이용한 밀봉방법 및 이를 통해 제조된 접합 대상물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰교반접합 및 절단 장치는 접합 대상물이 안착되는 지그, 상기 지그의 상부 일측에 소정간격 이격되어 승강 가능하게 구비되어 상기 접합 대상물을 마찰교반하는 회전툴, 상기 지그의 일측에 구비되어 상기 회전툴의 하강 및 가압하는 힘을 이용하여 상기 접합대상물을 절단하는 절단부를 포함한다.

이때, 상기 접합 대상물은 파이프일 수 있다.

또한, 상기 회전툴은 상기 접합 대상물의 접합면적보다 상대적으로 넓은 직경을 가질 수 있다.

또한, 상기 절단부는, 상기 접합 대상물의 입고 방향을 기준으로 상기 회전툴의 전단 또는 후단과 대응되는 상기 지그의 상면 일측에 돌출되는 절단 유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 절단 유닛은 상기 접합 대상물의 입고 방향을 기준으로 소정각도 경사지게 구비되고, 상기 지그의 상면에서 상방으로 돌출 형성되는 칼날일 수 있다.

또한, 상기 회전툴과 대응되는 위치에 상기 절단 유닛과 접하도록 구비되어, 상기 회전툴의 승강에 대응되도록 승강하는 지지부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 지지부는, 지지플레이트 및 상기 지지플레이트를 승강시키는 승강부재를 포함할 수 있다.

또한, 상기 승강부재는 상기 회전툴의 승강에 따라 상기 지지플레이트가 승강 되도록 상기 지지플레이트를 상기 지그의 상면으로 탄성 지지하는 탄성부재일 수 있다.

또한, 상기 승강부재는 상기 지지플레이트를 승강시키는 리니어 액추에이터로 이루어지고, 상기 승강부재는 상기 회전툴의 승강과 대응되도록 구동될 수 있다.

또한, 상기 지그의 상면에는 상기 지지플레이트가 삽입될 수 있는 삽입홈이 더 형성될 수 있다.

또한, 상기 지지플레이트는 상기 접합대상물이 안착되는 상기 지지플레이트의 상면이 절단 유닛의 상단과 대응되는 높이까지 상승할 수 있다.

다른 카테고리로서 본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법은 전술한 구성으로 이루어진 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법에 있어서, 입고된 상기 접합 대상물의 일측을 상기 회전툴로 압착하여 상기 절단부를 통해 절단하는 접합 대상물 절단 단계, 상기 회전툴을 상기 접합 대상물 절단 단계보다 더 하강시켜 상기 접합 대상물을 마찰교반접합이 가능하도록 상기 접합 대상물의 접합면을 압착하는 변형단계 및 상기 접합 대상물의 압착부분을 상기 회전툴의 회전을 통해 마찰교반접합하여 밀봉하는 접합단계를 포함한다.

이때, 상기 접합 대상물은 파이프일 수 있다.

또한, 상기 접합 대상물 절단 단계 및 상기 변형단계는 단일 공정으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 접합단계는, 상기 압착부분의 일측을 접합하는 제1접합단계 및 상기 회전툴의 위치를 이동시켜 상기 제1접합단계의 용접 영역과 소정간격 중첩되도록 접합하는 제2접합단계를 포함할 수 있다.

또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법은 전술한 구성으로 이루어진 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법에 있어서, 상기 회전툴을 하강시켜 상기 접합 대상물을 마찰교반접합이 가능하도록 상기 접합 대상물의 접합면을 압착하는 변형단계, 상기 접합 대상물의 압착부분을 상기 회전툴의 회전을 통해 마찰교반접합하여 밀봉하는 접합단계 및 상기 회전툴을 상기 변형단계보다 더 하강시켜 상기 절단부를 통해 절단하는 접합 대상물 절단 단계를 포함한다.

이때, 상기 접합단계는, 상기 압착부분의 일측을 접합하는 제1접합단계 및 상기 회전툴의 위치를 이동시켜 상기 제1접합단계의 용접 영역과 소정간격 중첩되도록 접합하는 제2접합단계를 포함할 수 있다.

또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적을 달성하기 위한 접합 대상물은 전술한 마찰교반접합 및 절단 장치 또는 이를 이용한 밀봉방법을 통해 접합되도록 제조된다.

본 발명의 마찰교반접합 및 절단 장치, 이를 이용한 밀봉방법 및 이를 통해 제조된 접합 대상물은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 접합 대상물의 개방된 일단에 마개 등의 밀폐부재를 사용하지 않고, 압착 및 접합하여 밀봉하기 때문에 작업 공정이 신속하고 간편한 효과가 있다.

둘째, 접합 대상물을 별도의 장치를 사용하지 않고, 회전툴의 하강 압력 및 절단부를 이용하여 접합 대상물을 절단하고, 접합부위의 압착 및 마찰교반접합까지 단일 공정으로 이루어지기 때문에 작업 공정이 보다 신속하고 간편한 효과가 있다.

셋째, 마찰교반접합장치의 회전툴의 마찰발열에 의해 재료의 연화현상과 소성유동을 이용하기 때문에 별도의 용접소모품을 사용하지 않아도 되는 효과가 있다.

넷째, 별도의 용접소모품을 사용하지 않기 때문에 접합 대상물의 밀봉 시 가공 비용이 감소되는 효과가 있다.

다섯째, 회전툴에 프로브가 없이 숄더만으로 이루어진 단순한 형상의 회전툴을 사용하기 때문에 접합 후 밀봉부위의 외관이 수려한 효과가 있다.

여섯째, 마찰교반접합의 특징은 회전툴의 고속회전에 의한 마찰열 및 기계적 교반을 통해 접합함으로써 접합 대상물의 저변형과 미세 결정립 조직을 확보할 수 있는 효과가 있다.

일곱째, 접합 불량율이 감소하고, 제품의 절단, 압착 및 마찰교반접합이 단일 기계에서 이루어져 제품의 생산성이 향상되고, 제품의 생산단가를 감소할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 지그 및 절단부의 분해 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치의 측단면도;
도 4는 본 발명에 따른 지지플레이트가 압착된 상태를 나타내는 마찰교반접합 및 절단 장치의 측단면도;
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법을 순차적으로 나타낸 순서도;
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법을 순차적으로 나타내는 측단면도; 및
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법을 순차적으로 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치(10)는 입고되는 접합 대상물(500)을 회전툴(100)의 하강에 의한 압착력을 통해 절단이 가능하고, 접합하고자 하는 접합 대상물(500)의 접합면을 회전툴(100)을 압착하며 고속으로 회전시키면서 발생하는 마찰열을 이용하여 재료를 연화함과 동시에 고온의 소성유동을 일으켜 회전툴(100)의 좌우에 배치된 재료의 일부를 상호 간에 맞은편 영역에 교반작용에 의해 재결정되어 접합하는 장치이다.

즉, 접합 대상물(500)을 적정 길이로 절단하기 위한 별도의 절단 장치(10)를 구비하지 않고, 마찰교반접합장치의 구조를 변경하여 회전툴(100)의 하강에 의한 압착력을 이용하여 접합 대상물(500)을 절단 후 바로 마찰교반접합이 가능한 장치이다. 이러한 마찰교반접합 및 절단 장치(10)의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

마찰교반접합 및 절단 장치의 구성

도 1은 본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치의 사시도이다. 본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 지그(200), 회전툴(100) 및 절단부(300)를 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 지그 및 절단부의 분해 사시도이다. 지그(200)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 입고되는 접합 대상물(500)이 절단 및 접합되는 동안 접합 대상물(500)의 흔들림을 억제하고, 회전툴(100)의 하강 압력을 충분히 전달받을 수 있도록 접합 대상물(500)을 지지하는 장치이다. 이러한 지그(200)는 접합 대상물(500)을 안정적으로 지지할 수 있다면 어떠한 형상 및 크기로 이루어져도 무방하다. 하지만, 지그(200)의 면적은 접합 대상물(500)의 면적보다 상대적으로 크게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 지그(200)의 재질은 접합과정에서 발생하는 열과 압력을 견딜 수 있는 강도를 지니고 있다면 어떠한 재질로 이루어져도 무방하지만, 바람직하게는 스테인리스강으로 이루어지는 것이 좋다.

또한, 지그(200)의 중심 일측, 바람직하게는 회전툴(100)이 구비되는 위치와 대응되는 위치에는 절단부(300)의 지지플레이트(321)가 삽탈 가능하게 구비될 수 있는 삽입홈(210)이 형성된다. 이러한 삽입홈(210)의 크기는 후술하는 지지플레이트(321)의 면적과 대응되고, 그 깊이는 지지플레이트(321)의 하단에서부터 접합 대상물(500)이 안착되는 상단까지의 높이와 대응되는 깊이로 이루어지는 것이 좋다. 이때, 삽입홈(210)의 바닥면 일측에는 지지플레이트(321)를 승강시키기 위한 승강부재(322)가 삽입될 수 있는 승강부재 삽입홈(211)이 더 형성될 수 있다. 이러한 승강부재 삽입홈(211)은 승강부재(322)의 종류 및 형상에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 그 개수 역시 지지플레이트(321)의 크기 등을 고려하여 다양하게 형성될 수 있다.

지그(200)의 상면 일측, 바람직하게는 후술하는 절단 유닛(310)을 기준으로 삽입홈(210)과 대향되는 일측에는 절단 유닛(310)의 높이와 대응되는 높이로 돌출 형성되는 돌출부(미도시)가 더 형성될 수 있다. 이러한 돌출부는 절단 유닛(310)의 높이에 의해 접합 대상물(500)의 입고가 용이하지 않을 수 있기 때문에 절단 유닛(310)의 높이와 대응되도록 돌출 형성되어 입고되는 접합 대상물(500)을 지지하는 장치이다.

이러한 돌출부는 절단 유닛(310)을 기준으로 삽입홈(210)이 형성된 일측과 대향되는 지그(200)의 일단에서 절단 유닛(310)과 접하는 일측까지 형성되고, 그 폭은 지그(200)의 폭과 대응되거나, 접합 대상물(500)의 폭보다 상대적으로 크고 지그(200)의 폭보다는 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

회전툴(100)은 접합 대상물(500)에 압력 및 회전력을 가하여 발생하는 마찰열을 이용하여 접합 대상물(500)의 접합면을 연화함과 동시에 고온의 소성유동을 통해 접합면 간의 교반에 의해 접합시키는 장치이다. 일반적인 마찰교반접합 장치의 회전툴(100)은 프로브(Probe) 및 숄더(Shoulder)로 구성되지만, 본 발명에 따른 회전툴(100)은 프로브 없이 숄더로만 구성될 수 있다. 또한, 회전툴(100), 바람직하게는 숄더의 직경은 접합 대상물(500)의 접합면적보다 상대적으로 넓은 직경을 갖는 것이 좋다.

이때, 회전툴(100)은 접합 대상물(500)을 압착할 수 있도록 승강 가능하게 구비되며, 이와 동시에 회전력을 통해 마찰열을 발생하여야 하기 때문에 회전 가능하게 구비된다. 이러한 회전툴(100)은 승강의 종방향 구동 외에 사용양태에 따라서는 전, 후 또는 좌, 우 중 적어도 어느 일방향의 횡방향 이동 역시 가능하도록 구비될 수 있다.

절단부(300)는 지그(200)의 일측에 구비되어 회전툴(100)의 하강에 의해 접합 대상물(500)을 절단하기 위한 것으로서, 회전툴(100)의 하강 압력을 이용하여 접합 대상물(500)을 사용양태에 따라 적절한 길이로 절단할 수 있는 장치라면 어떠한 장치를 이용하여도 무방하다. 이러한 절단부(300)의 구성을 일실시예를 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치의 측단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 지지플레이트(321)가 압착된 상태를 나타내는 마찰교반접합 및 절단 장치의 측단면도이다. 절단부(300)는 일실시예로서 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 크게 절단 유닛(310) 및 지지부(320)로 구성될 수 있다.

절단 유닛(310)은 지그(200)의 일측에 구비되어 회전툴(100)의 하강 압력을 이용하여 접합 대상물(500)을 절단하기 위한 장치이다. 이러한 절단 유닛(310)은 회전툴(100)의 하강 압력을 이용하여 접합 대상물(500)을 절단할 수 있는 것이라면 어떠한 장치로 이루어져도 무방하다. 하지만, 바람직하게는 지그(200)의 상방으로 돌출되도록 형성된 칼날로 이루어지는 것이 좋다.

이때, 절단 유닛(310)은 지그(200)의 상면 일측, 바람직하게는 접합 대상물(500)의 입고 방향을 기준으로 회전툴(100)의 전단 또는 후단과 대응되는 위치, 전술한 지그(200)의 삽입홈(210)의 일단과 접하거나, 근접한 위치에 구비되는 것이 좋다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 절단 유닛(310)이 회전툴(100)과 최대한 근접한 위치에 구비되면 접합 대상물(500)의 절단 시 접합 대상물(500)이 휘어지는 등의 변형이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 만약, 절단 유닛(310)이 회전툴(100)과 멀리 떨어진 위치에 형성되는 경우에는 접합 대상물(500)을 절단하기 위하여 회전툴(100)이 접합 대상물(500)을 압착하는 경우에는 접합 대상물(500)이 휘어지며 변형이 발생할 수 있고, 접합 대상물(500)의 휨 변형 등으로 인해 절단이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 절단 유닛(310)은 회전툴(100)과 최대한 근접한 위치에 구비되는 것이 바람직하다.

만일, 전술한 회전툴(100)의 구성과 같이, 회전툴(100)이 횡 이동이 가능하도록 구비되는 경우에는 회전툴(100)을 절단 유닛(310)과 최대한 인접한 위치에 배치한 후 하강시켜 접합 대상물(500)을 절단하는 것이 바람직하다.

또한, 절단 유닛(310)은 소정의 폭을 갖는 칼날 형상으로 지그(200)의 상면에서 돌출 형성 되도록 구비된다. 이때, 절단 유닛(310)은 지그(200)와 일체로 형성되거나, 교체를 위하여 착탈 가능하게 구비될 수 있으나, 바람직하게는 칼날의 마모 또는 사용양태 등에 따라 칼날의 높이, 폭, 결합 각도 등을 변경할 수 있도록 착탈 가능하게 구비되는 것이 좋다. 그리고 절단 유닛(310)은 접합 대상물(500)의 입고 방향과 수직하게 구비되는 것이 바람직하지만, 사용양태에 따라서는 접합 대상물(500)의 입고 방향을 기준으로 소정각도 경사지도록 구비될 수 있다. 또한, 절단 유닛(310)의 길이는 접합 대상물(500)의 폭보다 상대적으로 길게 형성되는 것이 좋다. 일예로, 접합 대상물(500)이 파이프(500)인 경우, 절단 유닛(310)의 폭 방향 길이는 파이프(500)의 직경보다 상대적으로 길게 형성되어 접합 대상물(500)이 한번에 절단될 수 있도록 한다.

지지부(320)는 회전툴(100) 및 절단 유닛(310)과 대응되는 위치에 구비되어 입고되는 접합 대상물(500)이 하중에 의해 쳐지는 것을 방지하고, 절단공정 및 접합 고정 시 접합 대상물(500)이 흔들리지 않도록 지지하는 장치이다. 이러한 지지부(320)는 회전툴(100)의 승강에 대응되도록 승강 가능하게 구비되며, 크게 지지플레이트(321) 및 승강부재(322)로 구성된다.

지지플레이트(321)는 지그(200)의 삽입홈(210)에 승강 가능하도록 삽입되어 승강부재(322)의 구동에 의해 삽입홈(210)의 내부에 삽입되거나, 삽입홈(210)의 상부로 돌출되도록 승강된다. 이러한 지지플레이트(321)는 상면에 접합 대상물(500)이 안착될 수 있도록 평판 형상으로 이루어지되, 접합 대상물(500)의 입고 방향을 기준으로 접합 대상물(500)의 양측면을 지지할 수 있는 지지벽이 상면에 돌출 형성된다.

이때, 지지플레이트(321)의 면적은 지지벽을 제외한 접합 대상물(500)이 안착되는 상면의 폭이 접합 대상물(500)의 폭과 대응되도록 이루어지고, 그 높이는 삽입홈(210)에 완전히 삽입되는 경우 접합 대상물(500)이 안착되는 상면이 지그(200)의 상면과 대응되는 높이로 이루어지는 것이 좋다. 만약, 지지플레이트(321)가 삽입홈(210)에 완전히 삽입된 상태의 높이가 삽입홈(210)의 깊이보다 높거나 낮은 경우 접합 대상물(500)의 접합을 위하여 회전툴(100)이 접합 대상물(500)을 압착하는 경우 지지플레이트(321)와 지그(200)의 상면의 높이 차로 인하여 접합 대상물(500)에 휨 변형 등의 변형을 유발할 수 있기 때문에 상호 높이가 동일하도록 형성되는 것이 좋다.

또한, 지지플레이트(321)의 일측에는 접합 대상물(500)을 안정적으로 지지하기 위한 고정부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이러한 고정부재의 구성은 사용양태에 따라 다양한 형태로 이루어질 수 잇다. 일예로, 고정부재는 지지벽을 지지플레이트(321)의 폭 방향을 따라서 이동 가능하게 구비되어 지지벽을 통해 접합 대상물(500)의 양측면을 압착하여 고정할 수 있다. 다른 실시예로는 지지벽을 관통하는 고정나사 등과 같이 지지벽과 별도의 부재를 이용하여 접합 대상물(500)을 고정시키는 고정부재가 구비될 수도 있다.

승강부재(322)는 지그(200)의 삽입홈(210)의 바닥면 및 지지플레이트(321) 하면 사이에 구비되어 지지플레이트(321)를 승강시키는 장치이다. 이러한 승강부재(322)는 회전툴(100)의 승강에 대응되도록 지지플레이트(321)를 승강시킬 수 있는 장치라면 어떠한 장치를 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 탄성부재 또는 리니어 액추에이터로 이루어지는 것이 좋다.

일예로, 승강부재(322)가 코일스프링 등과 같은 탄성부재로 이루어지는 경우에는 도 2에 도시된 승강부재 삽입홈(211)에 코일 스프링의 하단부가 삽입되어 코일 스프링의 탄성에 의해 별도의 외력이 발생하지 않는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 지지플레이트(321)가 삽입홈(210)의 외부로 소정 간격 돌출되도록 탄성 지지한다. 이와 같이, 대기 상태를 유지하는 상태에서 도 4에 도시된 바와 같이, 회전툴(100)의 하강에 따른 외력이 발생하는 경우에는 회전툴(100)의 압착력에 의해 코일 스프링이 수축하며 지지플레이트(321)는 삽입홈(210)의 내부로 삽입되도록 하강하게 된다. 전술한 대기 상태의 경우에는 지지플레이트(321)의 상면이 절단 유닛(310)의 높이와 대응되는 높이까지 돌출되도록 이에 대응되는 탄성 및 높이를 갖는 코일 스프링을 사용하는 것이 바람직하다.

만약, 탄성부재가 코일 스프링 외에 판 스프링 또는 접시 스프링으로 이루어지는 경우에는 삽입홈(210)에 별도의 승강부재 삽입홈(211)이 형성되지 않을 수 있으며, 탄성부재는 지지플레이트(321)와 삽입홈(210) 사이에 구비될 수 있다.

다른 실시예로서, 승강부재(322)가 리니어 액추에이터로 구비되는 경우에는 리니어 액추에이터가 회전툴(100)과 대응되어 승강할 수 있도록 프로그래밍하여 사용할 수 있다. 이러한 리니어 액추에이터가 사용된 승강부재(322)의 사용양태는 후술하는 밀봉방법의 제2실시예에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법

전술한 구성으로 이루어진 마찰교반접합 및 절단 장치(10)를 이용한 접합 대상물(500)을 마찰교반하여 밀봉하는 방법을 실시예를 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1실시예

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법을 순차적으로 나타내는 측단면도이다. 먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 파이프(500)와 같이 접합부위가 소정간격 이격된 접합 대상물(500)을 준비한다. 본 발명의 도면에서는 측면은 밀폐되고, 길이방향 양단 중 적어도 어느 일단이 개방된 파이프(500)를 위주로 도시하고 있으나, 사용양태에 따라서는 파이프(500) 외에 한 쌍의 평판형상 부재 또는 측면 중 적어도 어느 하나가 개방된 ㄷ자 또는 ㄴ자 형상의 파이프(500) 등 접합면이 상호 접하도록 구비될 수 있는 어떠한 접합 대상물(500)에도 적용 가능한 것은 자명하다.

일실시예로, 접합 대상물(500)은 파이프(500)를 기준으로 설명하며 이하에서는 접합 대상물(500)을 파이프(500)로 명명하고, 파이프(500)는 접합 대상물(500)과 동일한 도면 부호를 사용하여 설명하기로 한다.

다음으로, 파이프(500)를 지그(200)에 입고시킨다. 이때, 파이프(500)의 입고 길이는 절단부(300)를 기준으로 사용하고자 하는 파이프(500)의 길이를 고려하여 입고 길이를 조절한다. 이때, 입고된 파이프(500)는 후속 공정 시 파이프(500)의 흔들림을 최소화하기 위하여 고정부재(미도시)를 이용하여 지지플레이트(321)에 안정적으로 고정하는 것이 좋다. 또한, 지지플레이트(321)에 고정된 파이프(500) 일단부와 절단부(300)를 기준으로 대향되는 타단부는 지그(200)의 돌출부(미도시)에 의해 지지되기 때문에 파이프(500)는 휘어짐 없이 안정적으로 입고될 수 있다.

다음으로, 접합 대상물(500)의 일측, 바람직하게는 절단부(300)와 근접한 지지플레이트(321)의 일단과 대응되는 접합 대상물(500)의 일측을 회전툴(100)의 하강을 통해 압착하여 절단부(300)를 통해 접합 대상물(500)이 절단되도록 한다(S100). 이러한 공정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

회전툴(100)이 하강하며 접합 대상물(500)의 상면을 압착하게 되면, 접합 대상물(500)을 지지하는 지지플레이트(321)가 삽입홈(210) 내부로 삽입되도록 승강부재(322)가 구동하게 되며, 이에 따라 접합 대상물(500) 및 지지플레이트(321)가 회전툴(100)의 하강 길이에 대응되도록 하강한다. 이때, 절단부(300)의 절단 유닛(310)과 접한 파이프(500)의 절단 부위는 지지플레이트(321)의 하강에 의한 절단 유닛(310)과 지지플레이트(321) 상면의 높이 차 및 회전툴(100)의 압착력에 의해 절단 유닛(310)의 칼날에 의해 절단 유닛(310)과 접한 파이프(500)의 일측에 크랙이 발생하며 파이프(500)가 절단된다.

만약, 승강부재(322)가 스프링 등의 탄성부재로 이루어지는 경우에는 회전툴(100)의 압착에 대응되도록 탄성부재가 압착되며 지지플레이트(321)를 하강시킬 수 있다. 하지만, 승강부재(322)가 리니어 액추에이터로 이루어지는 경우에는 회전툴(100)이 파이프(500)의 상단과 접하는 시점 또는 그보다 상대적으로 지연된 시점에서 회전툴(100)과 동일한 속도로 하강하도록 제어하여 지지플레이트(321)를 하강시킬 수 있다.

다음으로, 절단이 완료된 파이프(500)의 일단을 회전툴(100)을 이용하여 지속적으로 압착하여 접합 대상물(500)의 접합면이 마찰교반접합이 가능하도록 접합 대상물(500)을 압착한다(S200). 이때, 회전툴(100)은 파이프(500)의 접합면적, 즉, 압착되어 최종적으로 확장된 파이프(500)의 폭보다 상대적으로 넓은 직경으로 이루어지는 것이 바람직하다. 만약, 회전툴(100)이 확장된 파이프(500)의 폭보다 상대적으로 작은 경우에는 회전툴(100)의 위치를 변경시키며 반복적으로 파이프(500)를 압착하여야 하는데, 이러한 경우 압착하는 힘이 균일하지 않을 시 균일한 접합면을 얻기 어려울 수 있기 때문이다.

전술한 파이프(500) 절단공정(S100) 및 접착면 압착공정(200)은 회전툴(100)의 회전중심과 파이프(500)의 길이방향 중심축이 동일선상에 위치한 상태에서 파이프(500)를 압착하는 것이 좋다.

또한, 설명의 편의를 위하여 파이프(500) 절단공정(S100) 및 접착면 압착공정(S200)을 별도의 공정으로 설명하고 있으나, 두 공정(S100 및 S200)은 단일 공정으로 이루어질 수 있다. 즉, 회전툴(100)은 절단공정(S100) 후 하강 동작을 일시 정지한 후 다시 하강하여 접착면 압착공정(S200)을 수행할 수도 있지만, 한 번의 하강 동작을 통해 절단공정(S100) 및 접착면 압착공정(S200)을 모두 수행할 수도 있다. 전술한 공정(S100 및 S200)을 개별적으로 수행하거나, 단일 공정으로 수행하는 것은 파이프(500)의 직경, 두께 등 시공 상황 등에 따라 선택적으로 수행할 수 있다.

다음으로, 회전툴(100)의 회전에 의한 마찰력을 이용하여 마찰교반접합을 통해 접착면 압착공정(S200)에서 압착되어 상호 밀착된 압착부위를 접합하여 파이프(500)를 밀봉한다(S300). 도 5에 도시된 바와 같이, 전술한 공정을 통해 파이프(500)를 마찰교반하면 접합부위의 두께가 파이프(500)의 길이방향 중심보다 폭 방향 양단이 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 따라서, 파이프(500)의 종단으로부터 내측으로 형성되는 접합부위의 두께를 최대한 균일하게 하기 위하여 마찰교반접합 공정(S300)을 반복 수행할 수 있다. 이러한 마찰교반접합 공정(S300)을 반복 수행하는 것을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

일예로, 최초 용접은 파이프(500)의 길이방향 중심에서 일측으로 편향되도록 회전툴(100)을 배치시킨 상태에서 마찰교반접합을 수행하여 제1접합부위를 형성시킨다(S310). 이후, 회전툴(100)을 소정 높이 상승 시킨 후, 파이프(500)의 폭 방향을 따라 회전툴(100)을 파이프(500)의 길이방향 중심에서 제1접합부위와 대응되는 위치로 이동시켜 2차 마찰교반접합을 수행하여 제2접합부위를 형성한다(S200). 이때, 제2접합부위는 제1접합부위와 소정간격 중첩되도록 형성시키는 것이 좋다.

전술한 바와 같이, 2차 공정을 통해 마찰교반접합을 하는 경우에도 접합부위의 파이프(500) 종단으로부터의 접합부위 끝단까지의 두께가 균일하지 않을 수 있기 때문에 접합공정을 3차 이상 반복 수행하여 복수의 접합부위를 형성할 수 있다. 이처럼 회전툴(100)을 파이프(500)의 폭 방향을 따라 이동시키며 용접공정의 반복 회수가 증가할수록 파이프(500)의 종단에서 접합부위의 끝단까지의 두께는 균일해질 수 있다. 이러한 접합공정의 반복회수는 파이프(500)의 사용양태, 파이프(500)의 재질, 직경 및 두께 등을 고려하여 사용자가 선택적으로 결정할 수 있다.

제2실시예

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법을 순차적으로 나타내는 순서도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치(10)를 이용한 밀봉방법은 전체적으로는 전술한 제1실시예와 유사한 공정으로 이루어진다. 하지만, 전술한 제1실시예는 파이프(500)를 먼저 절단한 후에 절단된 파이프(500)의 일단을 압착 및 마찰교반접합을 수행하는 반면, 제2실시예는 파이프(500)를 압착 및 마찰교반접합 후 절단하는 공정으로 이루어진다. 이러한 공정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

파이프(500)의 입고 및 고정하는 전처리 단계는 전술한 제1실시예와 동일한 공정으로 이루어지기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.

파이프(500)의 입고 및 고정하는 전처리 단계 후 회전툴(100)을 하강시켜 접합 대상물(500)을 마찰교반접합이 가능하도록 파이프(500)의 중심 일측을 압착한다(S100). 이때, 파이프(500)라 안착되는 지지플레이트(321)를 지지하는 승강부재(322)는 탄성부재보다는 리니어 액추에이터로 구성되는 것이 바람직하다. 만약, 파이프(500)의 일측을 압착하기 위하여 회전툴(100)이 하강 시 승강부재(322)가 탄성부재로 이루어지는 경우에는 탄성부재가 회전툴(100)의 압축력을 버티지 못하고 압축되기 때문에 절단 공정이 먼저 수행될 수 있기 때문이다. 따라서, 승강부재(322)를 리니어 액추에이터로 구성하고, 파이프(500)를 압착하는 압착공정(S100) 시에는 리니어 액추에이터를 통해 지지플레이트(321)가 회전툴(100)의 하강에 따라 하강하지 않고 지지할 수 있도록 한다.

다음으로, 회전툴(100)을 회전시켜 파이프(500)의 압착된 접합면을 마찰교반접합한다(S200). 이러한 마찰교반접합 공정(S200)은 전술한 제1실시예의 마찰교반접합과 동일한 방법으로 이루어지기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. 제2실시예에 따른 마찰교반접합 공정(S200) 역시 전술한 제1실시예와 같이 1차 공정, 2차 공정 또는 3차 이상의 공정으로 이루어질 수 있다.

다음으로, 마찰교반접합 공정(S200)을 통해 밀봉이 완료된 파이프(500)의 절단을 위하여 회전툴(100)을 보다 하강시켜 파이프(500)를 절단한다(S300). 이때, 승강부재(322)는 회전툴(100)의 하강속도와 동일한 속도로 하강하며 지지플레이트(321)가 회전툴(100)의 하강과 대응되도록 하강시킨다. 이처럼, 회전툴(100) 및 지지플레이트(321)가 하강하면 지지플레이트(321)의 상면과 절단 유닛(310)의 칼날과의 높이차이 및 회전툴(100)의 압착력에 의해 칼날과 접한 파이프(500) 부분에서 크랙이 발생하며 절단이 이루어진다.

마찰교반접합 및 절단 장치 또는 이를 이용한 밀봉방법을 이용하여 밀봉한 접합 대상물의 구성

전술한 마찰교반접합 및 절단 장치(10) 또는 이를 이용한 밀봉방법을 통해 제조된 접합 대상물(500)은 일단이 절단부(300)를 통해 절단되고, 절단된 일단부가 마찰교반접합을 통해 재료의 연화현상 및 소성유동으로 인해 형성된 접합 부위가 형성된다. 이때, 접합 대상물(500)의 재질은 한정되지 않으나, 마찰발열에 의해 재료의 연화현상 및 소성유동이 용이한 비철소재, 특히 인탈산동(Phosphorus Deoxidized Copper) 재질로 이루어진 접합 대상물(500)을 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 마찰교반접합 및 절단 장치
100 : 회전툴
200 : 지그
210 : 삽입홈
211 : 승강부재 삽입홈
300 : 절단부
310 : 절단 유닛
320 : 지지부
321 : 지지플레이트
322 : 승강부재
500 : 접합 대상물(파이프)

Claims (18)

1. 접합 대상물이 안착되는 지그;
   상기 지그의 상부 일측에 소정간격 이격되어 승강 가능하게 구비되어 상기 접합 대상물을 마찰교반하는 회전툴;
   상기 지그의 일측에 구비되어 상기 회전툴의 하강 및 가압하는 힘을 이용하여 상기 접합대상물을 절단하는 절단부;
   를 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 접합 대상물은 파이프인 마찰교반접합 및 절단 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 회전툴은 상기 접합 대상물의 접합면적보다 상대적으로 넓은 직경을 갖는 마찰교반접합 및 절단 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 절단부는,
   상기 접합 대상물의 입고 방향을 기준으로 상기 회전툴의 전단 또는 후단과 대응되는 상기 지그의 상면 일측에 돌출되는 절단 유닛을 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 절단 유닛은 상기 접합 대상물의 입고 방향을 기준으로 소정각도 경사지게 구비되고, 상기 지그의 상면에서 상방으로 돌출 형성되는 칼날인 마찰교반접합 및 절단 장치.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 회전툴과 대응되는 위치에 상기 절단 유닛과 접하도록 구비되어, 상기 회전툴의 승강에 대응되도록 승강하는 지지부를 더 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 지지부는,
   지지플레이트; 및
   상기 지지플레이트를 승강시키는 승강부재;
   를 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 승강부재는 상기 회전툴의 승강에 따라 상기 지지플레이트가 승강 되도록 상기 지지플레이트를 상기 지그의 상면으로 탄성 지지하는 탄성부재인 마찰교반접합 및 절단 장치.
9. 제 7항에 있어서,
   상기 승강부재는 상기 지지플레이트를 승강시키는 리니어 액추에이터로 이루어지고,
   상기 승강부재는 상기 회전툴의 승강과 대응되도록 구동되는 마찰교반접합 및 절단 장치.
10. 제 7항에 있어서,
    상기 지그의 상면에는 상기 지지플레이트가 삽입될 수 있는 삽입홈이 더 형성되는 마찰교반접합 및 절단 장치.
11. 제 7항에 있어서,
    상기 지지플레이트는 상기 접합대상물이 안착되는 상기 지지플레이트의 상면이 절단 유닛의 상단과 대응되는 높이까지 상승하는 마찰교반접합 및 절단 장치.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법에 있어서,
    입고된 상기 접합 대상물의 일측을 상기 회전툴로 압착하여 상기 절단부를 통해 절단하는 접합 대상물 절단 단계;
    상기 회전툴을 상기 접합 대상물 절단 단계보다 더 하강시켜 상기 접합 대상물을 마찰교반접합이 가능하도록 상기 접합 대상물의 접합면을 압착하는 변형단계; 및
    상기 접합 대상물의 압착부분을 상기 회전툴의 회전을 통해 마찰교반접합하여 밀봉하는 접합단계;
    를 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 접합 대상물은 파이프인 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법.
14. 제 12항에 있어서,
    상기 접합 대상물 절단 단계 및 상기 변형단계는 단일 공정으로 이루어지는 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법.
15. 제 12항에 있어서,
    상기 접합단계는,
    상기 압착부분의 일측을 접합하는 제1접합단계; 및
    상기 회전툴의 위치를 이동시켜 상기 제1접합단계의 용접 영역과 소정간격 중첩되도록 접합하는 제2접합단계;
    를 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법.
16. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법에 있어서,
    상기 회전툴을 하강시켜 상기 접합 대상물을 마찰교반접합이 가능하도록 상기 접합 대상물의 접합면을 압착하는 변형단계;
    상기 접합 대상물의 압착부분을 상기 회전툴의 회전을 통해 마찰교반접합하여 밀봉하는 접합단계; 및
    상기 회전툴을 상기 변형단계보다 더 하강시켜 상기 절단부를 통해 절단하는 접합 대상물 절단 단계;
    를 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법.
17. 제 16항에 있어서,
    상기 접합단계는,
    상기 압착부분의 일측을 접합하는 제1접합단계; 및
    상기 회전툴의 위치를 이동시켜 상기 제1접합단계의 용접 영역과 소정간격 중첩되도록 접합하는 제2접합단계;
    를 포함하는 마찰교반접합 및 절단 장치를 이용한 밀봉방법.
18. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 마찰교반접합 및 절단 장치를 통해 제조된 접합 대상물.

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