KR101756280B1

KR101756280B1 - 마찰교반용접장치

Info

Publication number: KR101756280B1
Application number: KR1020160021063A
Authority: KR
Inventors: 최진석
Original assignee: 주식회사 영진텍
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-07-10

Abstract

다양한 두께의 접합대상판재를 용접 가능하되, 용접 결합 강도가 개선되도록, 본 발명은 한쌍의 접합대상판재가 접촉되는 접합부를 따라 이송되며 마찰열을 발생시키는 회전용접부와, 상기 회전용접부를 이송하는 이송수단을 포함하는 마찰교반용접장치에 있어서, 상기 회전용접부는 내부에 장착공간이 형성된 하우징; 상기 하우징의 하부에 회전되도록 결합되되 내부에 축관통부가 형성된 숄더몸체부와, 하면부가 상기 각 접합대상판재의 상면부에 접촉되어 회전시 상기 접합부의 상부측이 가소화되도록 상기 숄더몸체부의 하단 테두리를 따라 반경방향 외측으로 돌설된 상부마찰날개부를 포함하는 숄더마찰부; 상기 축관통부를 관통하도록 배치되되 회전시 상기 접합부의 내부가 가소화되도록 상기 상부마찰날개부의 하부로 선택적으로 돌출되는 승강축부; 상기 승강축부를 승강구동하는 승강가압수단; 및 상기 장착공간에 구비되되, 상기 숄더마찰부 및 상기 승강축부를 회전구동하는 회전수단을 포함하는 마찰교반용접장치를 제공한다.

Description

마찰교반용접장치{apparatus for friction stir welding}

본 발명은 마찰교반용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 두께의 접합대상판재를 용접 가능하되, 용접 결합 강도가 개선되는 마찰교반용접장치에 관한 것이다.

일반적으로, 용접은 금속 이음 방법의 하나로써 조선, 자동차 분야 등 넓은 영역에서 사용되고 있다.

이때, 마찰교반용접은 금속으로 구비된 판재의 끝단을 다른 판재의 일면에 용접하거나 두판의 끝을 상호 용접하는 버트 접합(butt joint) 혹은 두 판재를 겹치고 겹쳐진 부분을 용접하는 중합 접합으로 분류될 수 있으며, 금속의 접합 부분에 회전도구를 설치하고 회전도구 및 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의해 분할된 금속을 접합하게 된다.

여기서, 마찰교반용접을 위한 마찰교반용접장치는 금속 모재보다 경도가 우수한 재질로 이루어지는 회전도구와, 상기 회전도구를 회전시키는 구동부재를 포함하며, 상기 구동부재는 분할된 금속의 접합부에 배치된 회전도구를 회전시키되, 회전되는 회전도구를 금속 모재의 접합부를 따라 이송하게 된다.

이때, 상기 회전도구와 상기 접합부 사이에 발생된 마찰열과 회전도구가 가하는 회전력에 의해 가소화된 접합부에 소성 유동이 발생되고, 소성 유동을 통한 각 금속 모재간의 교반 작용으로 고상 접합이 이루어지게 된다.

그러나, 종래의 회전도구는 상기 접합부의 상면부에 접하는 회전도구의 하면의 중앙부에 상기 접합부 사이 공간으로 삽입되도록 회전돌기가 구비되었다. 이에 따라, 용접 공정의 종료 후 회전돌기가 삽입된 부분에 핀홀이 형성되었으며, 핀홀로 인해 용접부의 강도가 저하되고, 핀홀의 제거를 위한 추가적인 보정작업이 요구되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 회전도구는 접합부의 상부 및 접합부의 내부 공간 일부에만 마찰열을 발생시켰다.

이에 따라, 상기 회전도구에 직접 접하여 가소화되고 소성 유동되는 접합부의 상부와 달리, 접합부의 상부로부터 전달된 열에 의해 가소화되는 접합부의 하부로 갈수록 가소화가 힘들었으며, 회전력에 의한 소성 유동의 정도가 적어 맞물림 결합 수가 감소됨에 따라 용접 결합 강도가 저하되는 문제점이 있었다.

한국 공개특허 제10-1997-0701114호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다양한 두께의 접합대상판재를 용접 가능하되, 용접 결합 강도가 개선되는 마찰교반용접장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 한쌍의 접합대상판재가 접촉되는 접합부를 따라 이송되며 마찰열을 발생시키는 회전용접부와, 상기 회전용접부를 이송하는 이송수단을 포함하는 마찰교반용접장치에 있어서, 상기 회전용접부는 내부에 장착공간이 형성된 하우징; 상기 하우징의 하부에 회전되도록 결합되되 내부에 축관통부가 형성된 숄더몸체부와, 하면부가 상기 각 접합대상판재의 상면부에 접촉되어 회전시 상기 접합부의 상부측이 가소화되도록 상기 숄더몸체부의 하단 테두리를 따라 반경방향 외측으로 돌설된 상부마찰날개부를 포함하는 숄더마찰부; 상기 축관통부를 관통하도록 배치되되 회전시 상기 접합부의 내부가 가소화되도록 상기 상부마찰날개부의 하부로 선택적으로 돌출되는 승강축부; 상기 승강축부를 승강구동하는 승강가압수단; 및 상기 장착공간에 구비되되, 상기 숄더마찰부 및 상기 승강축부를 회전구동하는 회전수단을 포함하되, 상기 승강축부의 일측에는 승강시 적어도 일부분이 상기 회전수단의 구동축에 맞물림 결합되도록 기설정된 승강간격에 대응하여 상하방향으로 연장된 세레이션부가 구비되며, 상기 승강축부의 하단 테두리에는 상면부가 상기 각 접합대상판재의 하면부에 접촉되어 회전시 상기 접합부의 하부측이 가소화되도록 반경방향 외측으로 돌설된 하부마찰날개부가 구비되며, 상기 구동축은 상기 승강축부의 측부에 배치되되, 상기 세레이션부는 상기 구동축과 대향되는 상기 승강축부의 외주에 구비되며, 상기 구동축에는 상기 세레이션부와 맞물림되는 제1구동기어와, 상기 숄더몸체부의 상단 테두리면을 따라 돌설된 기어돌기에 맞물림되는 제2구동기어가 상하 다단으로 구비되고, 상기 제1구동기어의 상부 및 상기 세레이션부의 상부에는 냉매가 공급되도록 상기 하우징의 일측에 구비된 냉매주입구에 연결되어 상기 구동축 및 상기 승강축부의 외주를 나선형으로 감싸도록 연장되는 냉각유로부가 구비됨을 특징으로 하는 마찰교반용접장치를 제공한다.

여기서, 상기 승강축부의 상단 외주에는 반경방향 외측으로 승강지지부가 돌설되되, 상기 승강가압수단은 상기 승강지지부의 상면부를 하측으로 가압하는 상부가압부와, 상기 승강지지부의 하면부을 상측으로 가압하는 하부가압부를 포함하며, 상기 각 가압부에서 상기 승강지지부와 대향되는 대향면에는 볼베어링부재가 구비되되, 상기 승강지지부의 상면부 및 하면부에는 상기 각 볼베어링부재의 배치반경을 따라 함몰된 볼가이드홈부가 형성됨이 바람직하다.

삭제

상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명의 마찰교반용접장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상기 숄더마찰부를 관통하여 승강되는 승강축부가 용접 공정시 발열 면적 및 회전력 전달 면적이 증가되도록 접합대상판재의 두께에 따라 하강되되 용접 공정 종료시 숄더마찰부의 하면부와 평면을 이루도록 상승되어 핀홀의 형성이 예방될 수 있으므로 제품의 용접 품질 및 용접 생산성이 향상될 수 있다.

둘째, 각 마찰날개부의 하면부 및 상면부, 승강축부의 외면이 접합대상판재에 동시에 접촉되어 회전됨에 따라 발열 면적 및 회전력 전달 면적이 증가되되, 회전시 승강축부가 상측으로 당겨져 접합대상판재에 가압하중이 부하되므로 마찰발열량 및 가소화 영역에 대한 소성 유동량이 증가될 수 있어 제품의 용접 속도 및 용접 강도가 개선될 수 있다.

셋째, 종래에 접합부가 상부의 회전도구로부터 하측으로 가압되는 것과 달리, 상기 하부마찰날개부가 상측으로 인장되어 마찰날개부 사이의 접합부를 압착 가압하므로 별도의 지그 없이도 접합부 하부에서의 처짐 현상이 제거될 수 있으며, 지그의 배치가 힘든 다양한 부분의 용접에 적용될 수 있어 제품의 호환성이 향상될 수 있다.

넷째, 상기 회전수단 및 승강축부가 세레이션부를 통해 연결되므로 승강축부의 승강시에도 하부마찰날개부에 회전력이 원활하게 공급될 수 있으며, 높이가 고정된 숄더마찰부 및 높이가 변화되는 승강축부가 하나의 회전수단을 통해 회전될 수 있어 간소한 구조를 통해 장치의 제조비용이 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 나타낸 정면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 나타낸 부분사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부를 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부에서 승강지지부를 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 이용한 용접공정을 나타낸 예시도.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 이용한 용접공정에서 승강축부의 승강을 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부를 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치를 이용한 용접공정을 나타낸 예시도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부에서 하부마찰날개부를 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부를 나타낸 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰교반용접장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 나타낸 정면도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 나타낸 부분사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부를 나타낸 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부에서 승강지지부를 나타낸 평면도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 이용한 용접공정을 나타낸 예시도이며, 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반용접장치를 이용한 용접공정에서 승강축부의 승강을 나타낸 예시도이다.

여기서, 마찰교반용접은 두 접합대상판재(s1,s2)가 접촉되는 접합부(1)에 접하여 회전되는 회전도구의 마찰열을 통해 두 판재(s1,s2)를 접합하는 방법을 의미하며, 상기 회전도구가 상기 접합부(1)의 범위를 따라 이송되며 연속적인 접합공정이 이루어질 수 있다.

상세히, 상기 회전도구는 마찰열을 통해 각 판재(s1,s2)와의 접촉부분을 가소화시키고, 가소화된 부분은 회전력을 통한 소성 유동에 따른 교반 작용으로 서로 엉켜 맞물림 결합을 형성할 수 있다.

이때, 상기 회전도구는 후술될 마찰교반용접장치(100)에서 상부마찰날개부(220b) 및 승강축부(230), 그리고 하부마찰날개부(도 7의 230b 참조)을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.

도 1 내지 도 6c에서 보는 바와 같이, 상기 마찰교반용접장치(100)는 한쌍의 접합대상판재(s1,s2)가 접촉되는 접합부(1)를 따라 이송되며 마찰열을 발생시키는 회전용접부(20)와, 상기 회전용접부(20)를 이송하는 이송수단(10)을 포함한다.

여기서, 상기 접합부(1)는 하나의 접합대상판재(s1) 및 다른 하나의 접합대상판재(s2)가 상호 대향/밀착/접촉되는 접합면과, 상기 접합면에 인접하게 연결된 부분을 의미한다.

그리고, 상기 접합대상판재(s1,s2)는 선박이나 항공, 우주선의 구조재인 T자형의 곡선형 내지 직선형 판재, 요철면이 형성된 곡선형 내지 직선형 판재를 포괄하는 의미로 이해함이 바람직하다.

한편, 도 1을 참조하면, 상기 이송수단(10)은 주행프레임(11), 이송프레임(12), 승강프레임(13), 그리고 회전프레임(14)을 포함함이 바람직하다.

여기서, 상기 주행프레임(11)은 내부에 상기 각 접합대상판재(s1,s2)가 배치되는 작업공간(k)이 형성되되, 하부가 상기 작업공간(k)의 양측을 따라 길이 방향으로 형성된 주행레일부(11b)에 결합되어 전진 및 후진 이동될 수 있다.

이때, 상기 작업공간(k)에는 상기 각 접합대상판재(s1,s2)가 안착되는 작업테이블(16) 등이 구비될 수 있다.

즉, 상기 각 접합대상판재(s1,s2)는 마찰교반용접에 의해 접합될 부분이 상호 접하도록 정렬되어 상기 작업테이블(16)에 안착되고, 상기 작업테이블(16)에 구비된 고정수단 등을 통해 마찰교반용접시 유동되지 않도록 고정된다.

또한, 상기 주행프레임(11)은 뒤집어진 "U"자 형상으로 구비될 수 있으며, 지면과 접하는 양측 하단부가 주행레일부(11b)에 결합되어 이동된다. 이때, 상기 주행레일부(11b)와 접하는 부분에는 동력원에 의해 회전되는 구동롤러부 내지는 동력원에 연결되지 않고 자유회전되는 가이드롤러부 등이 구비될 수 있다.

그리고, 상기 주행프레임(11)의 전진 및 후진에 따라, 상기 주행프레임(11)에 설치된 이송프레임(12), 승강프레임(13), 회전프레임(14), 그리고 회전용접부(20)가 전진 및 후진될 수 있다.

또한, 상기 이송프레임(12)은 상기 주행프레임(11)의 상부를 따라 폭방향으로 형성된 이송레일부(11a)에 결합되어 이동될 수 있다.

여기서, 상기 이송레일부(11a)는 상기 주행프레임(11)에서 상기 작업공간(k)의 상부에 대응되는 부분을 따라 형성되며, 상기 이송프레임(12)은 상기 이송레일부(11a)를 따라 이동되며 상기 작업공간(k)의 좌측 및 우측으로 이동될 수 있다.

이때, 상기 이송프레임(12)의 폭방향 이동에 따라 상기 승강프레임(13), 회전프레임(14), 그리고 회전용접부(20)가 폭방향 이동될 수 있다.

그리고, 상기 승강프레임(13)은 상기 이송프레임(12)에 결합되어 승강됨이 바람직하다. 이때, 상기 승강프레임(13)은 랙피니언 기어, 볼스크류 기어, 유압장치 등을 통해 상기 이송프레임(12)에 결합된 상태에서 상하로 승강될 수 있다.

여기서, 상기 승강프레임(13)의 승강과 함께 상기 회전프레임(14) 및 회전용접부(20)가 상하로 승강될 수 있다.

또한, 상기 회전프레임(14)은 상기 승강프레임(13)의 하부에 원주방향으로 회전되도록 결합되되, 내부에 상기 회전용접부(20)가 상하방향으로 회전되도록 결합됨이 바람직하다.

이때, 상기 회전프레임(14)은 뒤집어진 'U'자 형으로 구비되되, 상면부가 상기 승강프레임(13)의 하면부에 회전축을 통해 연결되어 원주방향으로 회전될 수 있다.

그리고, 상기 회전프레임(14)의 양측면에서 상호 대향되는 내면부 및 상기 회전용접부(20)의 측면부가 회전축을 통해 연결됨에 따라 상기 회전용접부(20)가 상하방향으로 회전될 수 있다.

이에 따라, 상기 회전용접부(20)의 용접작업부인 상부마찰날개부(220b) 및 승강축부(230), 하부마찰날개부(도 7의 230b 참조)가 다양한 형상 및 크기로 구비된 접합대상판재(s1,s2)의 표면을 따라 정밀하게 이송될 수 있으며, 마찰교반용접의 작업 반경이 확장되어 장치의 호환성이 향상될 수 있다.

이때, 도 2 내지 도 3을 참조하면, 상기 회전프레임(14)의 측면부에는 상기 회전용접부(20)의 구동을 위한 전력, 냉각가스 내지는 냉각수 등의 냉매, 불활성가스, 작동유 등을 공급하기 위한 공급관부(14b)가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 공급관부(14b)는 상기 회전용접부(20) 및 상기 회전프레임(14)을 연결하는 회전축(14a)의 중앙부를 관통하여 상기 회전용접부(20)의 하우징(210)에 연결됨이 바람직하다.

한편, 상기 회전용접부(20)는 하우징(210), 숄더마찰부(220), 승강축부(230), 승강가압수단(240), 그리고 회전수단(250)을 포함한다.

여기서, 상기 하우징(210)은 상기 회전용접부(20)의 외관을 형성하되, 상기 이송수단(10)의 회전프레임(14)과 연결되는 부분으로 내부에 장착공간(t)이 형성된다.

이때, 상기 하우징(210)은 높은 강성을 갖되 열변형율이 낮은 금속 재질로 구비됨이 바람직하며, 원통형상 내지는 다각기둥형상으로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 하우징(210)의 내부에는 상기 장착공간(t)을 구획하는 복수개의 구획부(m1,m2)가 구비될 수 있으며, 상기 구획부(m1,m2)를 통해 상기 승강가압수단(240) 내지는 회전수단(250)이 설치될 수 있다.

여기서, 상기 숄더마찰부(220) 및 상기 승강축부(230)는 상기 접합대상판재(s1,s2)에 접촉되며, 회전수단(250)에 의해 고속 회전되어 마찰열을 발생시킬 수 있으며, 상기 숄더마찰부(220) 및 상기 승강축부(230)는 동일한 회전방향(R) 및 동일한 회전속도로 회전됨이 바람직하다.

이때, 상기 숄더마찰부(220) 및 상기 승강축부(230)는 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄-마그네슘 합금, 철강, 공구강, 텅스텐, PCBN 초경 등으로 구비될 수 있으며, 상기 접합대상판재보다 높은 경도를 갖는 소재로 구비됨이 바람직하다.

그리고, 상기 숄더마찰부(220)는 숄더몸체부(220a) 및 상부마찰날개부(220b)를 포함한다. 여기서, 상기 숄더몸체부(220a) 및 상기 상부마찰날개부(220b)는 상기 숄더마찰부(220)의 각 부분을 기능에 따라 구분하여 지칭하는 것으로 상기 숄더몸체부(220a) 및 상기 상부마찰날개부(220b)는 일체로 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 숄더몸체부(220a)는 상기 하우징(210)의 하부에 회전되도록 결합되되 내부에 축관통부(222)가 형성된다. 상세히, 상기 숄더몸체부(220a)는 외주 중앙부에 원주방향을 따라 함몰된 링형단턱부(221)가 형성되며 상기 링형단턱부(221)는 상기 하우징(210)의 하면부에 형성된 관통공(211)의 테두리에 결합된다.

그리고, 상기 관통공(211)의 테두리 및 상기 링형단턱부(221) 사이에는 베어링(211a)이 개재되어 상기 숄더몸체부(220a)가 상기 하우징(210)의 하부에 결합된 상태에서 회전될 수 있다.

또한, 상기 상부마찰날개부(220b)는 상기 하우징(210)의 하부로 노출된 상기 숄더몸체부(220a)의 하단 테두리를 따라 반경방향 외측으로 돌설된다. 이때, 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)는 상기 각 접합대상판재(s1,s2)의 상면부에 접촉되어 회전시 발생되는 마찰열을 통해 상기 접합부(1)의 상부측을 가소화시킬 수 있다.

한편, 상기 승강축부(230)는 상기 축관통부(222)를 관통하도록 배치된다. 이때, 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)는 평탄하게 구비되되, 상기 승강축부(230)는 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)와 수직을 이루도록 구비됨이 바람직하다.

상세히, 상기 축관통부(222)는 상기 숄더마찰부(220)를 상하 방향으로 관통하도록 형성되되, 상기 축관통부(222) 및 상기 승강축부(230)는 파단이 방지되도록 1cm 이상의 직경으로 구비되되 상호 대응되는 면적의 원형 단면으로 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 승강축부(230)의 상부는 상기 하우징(210)의 장착공간(t) 상부에 구비된 승강가압수단(240)에 연결되어 상기 승강축부(230)가 상하로 승강될 수 있다.

그리고, 상기 승강축부(230)는 상기 상부마찰날개부(220b)의 하부로 선택적으로 돌출된다.

여기서, 상기 선택적으로 돌출된다는 말은 상기 승강축부(230)의 하강시 그의 하단부가 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)로부터 하향 돌출되도록 배치될 수 있으며, 상기 승강축부(230)의 상승시에는 그의 하단부가 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)와 연속된 평면을 이루도록 배치될 수 있다는 말로 이해함이 바람직하다.

이때, 상기 승강가압수단(240)은 상기 승강축부(230)를 승강구동한다. 여기서, 상기 승강가압수단(240)은 상기 승강축부(230)의 상부에 연결되며, 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께에 대응되도록 상기 승강축부(230)의 하단부가 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)로부터 돌출된 높이를 조절할 수 있다.

상세히, 도 5를 참조하면, 한쌍의 접합대상판재(s1,s2)는 상기 작업테이블(16)에 안착되어 각각의 단부가 접촉되도록 정렬 및 고정된다. 그리고, 상기 접합대상판재(s1,s2)가 정렬되면, 상기 이송수단(10)을 통해 상기 회전용접부(20)가 용접 시작점(1a)으로 이동된다.

이때, 도 6b를 참조하면, 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)가 상기 접합대상판재(s1,s2)의 상면부에 접촉된 상태에서, 승강가압수단(240)에 의해 상기 승강축부(230)가 하강되어 각 접합대상판재(s1,s2)의 단부가 접촉된 부분의 길이방향 전방측 단부에 상기 승강축부(230)의 외면이 밀착될 수 있다.

이때, 상기 숄더마찰부(220) 및 상기 승강축부(230)가 회전수단(250)에 의해 고속 회전되면, 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225) 및 접합대상판재(s1,s2)의 상면부 사이, 승강축부(230)의 외면 및 접합부(1) 사이에 마찰열이 발생된다.

그리고, 상기 접합대상판재(s1,s2)에는 마찰열에 의해 가소화된 열가소영역이 형성된다. 이때, 열가소영역은 마찰날개부(220b) 및 승강축부(230)와 직접 접촉되어 마찰열이 발생되는 부분에 먼저 형성되고, 마찰열의 전도에 따라 인접한 부분으로 확장될 수 있다.

이후, 가소화된 판재(s1,s2)는 마찰날개부(220b) 및 승강축부(230)의 회전력에 의해 소성 유동되며, 소성 유동에 따른 교반 작용으로 서로 엉켜 맞물림되며 결합된다. 그리고, 상기 승강축부(230)가 마찰열에 의해 가소화된 부분을 통과하도록 상기 이송수단(10)에 의해 이동됨에 따라 전체 접합부(1)가 일체로 결합될 수 있다.

이처럼, 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께변화에 따라 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)로부터 상기 승강축부(230)의 돌출 길이가 조절될 수 있으므로 하나의 장치를 통해 여러가지 두께를 갖는 한쌍의 판재 내지 상이한 두께를 갖는 여러쌍의 판재가 용접될 수 있어 제품의 호환성이 향상될 수 있다.

또한, 판재(s1,s2)의 두께에 대응하여 최대한의 발열면적 및 회전력 전달면적이 보장될 수 있으므로 신속한 가소화가 가능하고 교반 작용이 활성화될 수 있어 신속하고 견고한 용접 결합이 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 승강축부(230)가 가소화된 부분을 통과함에 따라 상기 승강축부(230)로부터 상기 축관통부(222)의 내주를 향하는 측방향 가압력이 발생될 수 있다. 이때, 상기 축관통부(222)의 내주에는 상기 승강축부(230)의 외주를 지지하는 베어링이 개재되어 측방향 가압력에 의한 승강축부(230) 및 축관통부(222)의 파단 파괴 현상이 예방될 수 있다.

한편, 도 6a를 참조하면, 상기 승강축부(230)는 용접시작점에서 하단면이 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)와 연속된 평면을 이루도록 상승될 수 있다.

이때, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 승강축부(230)는 상승된 상태에서, 상기 상부마찰날개부(220b)와 함께 상기 접합대상판재(s1,s2)의 상면부에 접하여 회전되며 마찰열을 발생시키고, 상기 접합부(1)의 상부측이 가소화되면 하강하여 상기 접합부(1)의 내부로 삽입될 수 있다.

이에 따라, 접합면에 단부가 존재하지 않는 연속된 형태로 구비된 파이프부재 등이 접합대상판재(s1,s2)인 경우에도 마찰교반용접이 수행될 수 있어 제품의 호환성이 더욱 향상될 수 있다.

그리고, 도 6b 및 도 6c를 참조하면, 상기 승강축부(230)는 하강된 상태에서 상기 접합부(1)의 내부를 따라 이동되며, 용접종료지점에서 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)와 평면을 이루도록 상승된다.

이때, 상기 승강축부(230)의 하면부와 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)가 평면을 이룬 상태에서 소정의 시간동안 회전되면, 상기 접합부(1)의 상부측이 가소화된 상태에서 소성 유동될 수 있으며, 승강축부(230)의 삽입에 따라 발생된 핀홀 부분이 제거될 수 있다.

이에 따라, 용접 종료 후 핀홀 부분으로 인한 용접 결합 강도 저하가 예방될 수 있으며, 핀홀 부분을 제거하기 위한 별도의 추가 공정이 요구되지 않아 제품의 용접 품질 및 용접 생산성이 개선될 수 있다.

이처럼, 상기 숄더마찰부(220)를 관통하여 승강되도록 구비된 승강축부(230)가 용접 공정시 발열 면적 및 회전력 전달 면적이 증가되도록 접합대상판재(s1,s2)의 두께에 따라 하강되되, 용접 공정 종료시 숄더마찰부(220)의 하면부(225)와 평면을 이루도록 상승되어 핀홀의 형성이 예방될 수 있으므로 제품의 용접 품질 및 용접 생산성이 향상될 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 상기 승강축부(230)의 일측에는 승강시 적어도 일부분이 상기 회전수단(250)의 구동축(251)에 맞물림 결합되도록 기설정된 승강간격에 대응하여 상하방향으로 연장된 세레이션부(231)가 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 승강간격은 마찰교반용접장치(100)의 용도에 따라 설정됨이 바람직하며, 상기 승강축부(230)의 하단면이 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)와 평면을 이루는 높이로부터 사용될 접합대상판재(s1,s2)의 두께 범위 및 재질을 고려하여 설정될 수 있다.

상세히, 상기 세레이션부(231)는 상기 승강축부(230)가 최대 하강된 상태에서 숄더몸체부(220a)의 상단부 이상의 높이에 대응되는 부분의 상부측 외주를 따라 형성됨이 바람직하며, 상기 승강간격에 소정의 여유 길이를 더한 길이로 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 세레이션부(231)는 삼각단면을 갖도록 상기 승강축부(230)의 외주로부터 반경방향 외측으로 돌설되되, 상기 승강축부(230)의 외주를 따라 원주방향으로 배치된 복수개 돌설된 기엇니로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 세레이션부(231)에는 상기 회전수단(250)의 구동축(251)이 맞물림 결합되며, 상기 회전수단(250)의 회전력은 상기 세레이션부(231)를 통해 상기 승강축부(230)로 전달될 수 있다.

한편, 상기 구동축(251)은 상기 승강축부(230)의 측부에 평행하게 배치되되, 상기 세레이션부(231)는 상기 구동축(251)과 대향되는 상기 승강축부(230)의 외주를 따라 구비될 수 있다.

여기서, 상기 회전수단(250)은 전기 모터 내지는 유압식 모터로 구비될 수 있으며, 상기 하우징(210)의 하부 구획부(m1)의 상부에 장착될 수 있다. 이때, 상기 구동축(251)은 상기 하부 구획부(m1)를 관통하여 상기 하우징(210)의 하부에 회전 지지된다.

그리고, 상기 구동축(251)에는 상기 세레이션부(231)와 맞물림되는 제1구동기어(252)와, 상기 숄더몸체부(220a)의 상단 테두리면을 따라 돌설된 기어돌기(223)에 맞물림되는 제2구동기어(253)가 상하 다단으로 구비됨이 바람직하다. 즉, 상기 제1구동기어(252)는 상기 제2구동기어(253)의 상부에 구비된다.

이때, 상기 세레이션부(231) 및 상기 제1구동기어(252)의 기어비는 상기 숄더몸체부(220a)의 기어돌기(233) 및 제2구동기어(253)의 기어비와 동일하게 구비됨이 바람직하며, 상기 숄더마찰부(220) 및 상기 승강축부(230)가 동일한 회전속도로 회전될 수 있다. 물론, 경우에 따라서는 각각의 기어비를 상이하게 조절하는 것도 가능하다.

이처럼, 상기 세레이션부(231)를 통해 승강간격 내에서 상기 승강축부(230) 및 회전수단(250)의 구동축이 맞물림된 상태를 유지할 수 있으므로 상기 승강축부(230)의 승강시에도 회전력이 원활하게 전달될 수 있다.

또한, 하나의 회전수단(250)을 통해 높이가 고정된 숄더마찰부(220) 및 높이가 변화되는 승강축부(230)에 동시에 회전력이 공급될 수 있으므로 장치의 구조가 간소화될 수 있어 제조비용이 절감될 수 있다.

여기서, 상기 회전수단(250)은 상기 승강축부(230) 및 상기 숄더마찰부(220)의 마찰발열에 따라 전도된 열로 과열/파손될 수 있으므로 회전수단(250)과 상기 승강축부(230)/상기 구동축(251)이 연결되는 부분에는 냉각수단(260)이 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 냉각수단(260)은 냉매가 공급되는 냉매주입구(261)와 냉각유로부(262)를 포함할 수 있다.

상세히, 상기 냉각유로부(262)는 상기 제1구동기어(252)의 상부 및 상기 세레이션부(231)의 상부에 구비되되, 상기 하우징(210)의 일측에 구비된 냉매주입구(261)에 연결되어 상기 구동축(251) 및 상기 승강축부(230)의 외주를 나선형으로 감싸도록 연장되어 구비될 수 있다.

이때, 상기 냉각수단(260)은 상기 구동축(251) 및 상기 승강축부(230)에 각각 구비되는 것도 가능하며, 상기 구동축(251) 및 상기 승강축부(230)를 경유하여 연장되도록 하나로 구비되는 것도 가능하다.

여기서, 상기 냉각유로부(262)는 상기 하우징(210)이 각 구동축(251) 및 승강축부(230)를 감싸는 블록형으로 구비된 경우에는 상기 하우징(210)에 일체로 구비된 유로형 홀로 구비될 수 있으며, 상기 구동축(251) 및 승강축부(230)의 외부공간이 비어 있는 경우에는 중공형의 관부재로 별도로 구비되는 것도 가능하다.

한편, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 승강축부(230)의 상단 외주에는 반경방향 외측으로 승강지지부(232)가 돌설된다.

그리고, 상기 승강가압수단(240)은 상기 승강지지부(232)의 상면부를 하측으로 가압하는 상부가압부(240a)와, 상기 승강지지부(232)의 하면부를 상측으로 가압하는 하부가압부(240b,240c)를 포함함이 바람직하다.

여기서, 상기 각 가압부(240a,240b,240c)는 유압실린더, 공압실린더, 솔레노이드 등으로 구비될 수 있으며, 내부에 유압, 공압, 전자기력에 의해 신축되는 작동로드가 구비됨이 바람직하다.

상세히, 상기 승강지지부(232)는 상기 하우징(210)의 상부 구획부(m2) 및 하부 구획부(m1) 사이에 배치되며, 상기 상부가압부(240a)는 상기 상부 구획부(m2)의 상부에 설치되어 작동로드가 상기 승강지지부(232)의 상면부를 향하도록 배치된다.

그리고, 상기 하부가압부(240b,240c)는 상기 하부 구획부(m1)의 상부에 설치되어 작동로드가 상기 승강지지부(232)의 하면부를 향하도록 배치된다.

이때, 상기 상부가압부(240a) 및 상기 하부가압부(240b,240c)는 동일한 행정량을 갖도록 제어됨이 바람직하다. 즉, 상기 상부가압부(240a)의 작동로드가 신장되는 간격에 대응하여 상기 하부가압부(240b,240c)의 작동로드가 축소되도록 제어되고, 상기 상부가압부(240a)의 작동로드가 축소되는 간격에 대응하여 상기 하부가압부(240b,240c)의 작동로드가 신장되도록 제어됨이 바람직하다.

또한, 상기 가압부(240a,240b,240c)에서 상기 승강지지부(232)와 대향되는 대향면에는 볼베어링부재(241,242,243)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 볼베어링부재(241,242,243)은 상부가압부(240a)의 작동로드 하단면 내지 하부가압부(240b,240c)의 작동로드 상단면을 따라 구비될 수 있다.

이때, 상기 승강지지부(232)의 상면부 및 하면부에는 상기 각 볼베어링부재(241,242,243)의 배치반경을 따라 함몰된 볼가이드홈부(232a,232b)가 형성됨이 바람직하다.

즉, 상기 승강지지부(232)의 상면부에 형성된 볼가이드홈부(232a)는 상기 승강지지부(232)의 회전시 상기 상부가압부(240a)의 볼베어링부재에 대응되는 반경을 따라 형성되며, 상기 승강지지부(232)의 하면부에 형성된 볼가이드홈부(232b)는 상기 승강지지부(232)의 회전시 상기 하부가압부(240b,240c)의 볼베어링부재에 대응되는 반경을 따라 형성됨이 바람직하다.

이때, 상기 각 가압부(240a,240b,240c)의 볼베어링부재(241,242,243)은 상부 내지 하부의 일부분이 상기 볼가이드홈부(232a,232b)에 삽입될 수 있으며, 상기 승강지지부(232)는 상기 볼가이드홈부(232a,232b)의 내부에 볼베어링부재(241,242,243)가 삽입된 상태에서 회전될 수 있다. 이에 따라, 상기 승강축부(230)가 고속회전되면서도 안정적으로 승강될 수 있다.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부를 나타낸 예시도이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치를 이용한 용접공정을 나타낸 예시도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부에서 하부마찰날개부를 나타낸 평면도이다.

본 실시예에서는 상기 승강축부(230)의 하단 테두리에 구비된 하부마찰날개부(230b)를 제외한 기본적인 구성은 상술한 일실시예와 동일하므로 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 번호를 사용하여 도시한다.

도 7 내지 도 9에서 보는 바와 같이, 상기 승강축부(230)의 하단 테두리에는 반경방향 외측으로 돌설된 하부마찰날개부(230b)가 구비됨이 바람직하다. 즉, 상기 하부마찰날개부(230b)는 상기 숄더마찰부(220)의 하면부(225)로부터 하부로 노출된 상기 승강축부(230)의 하단부 외주를 따라 형성된다.

이때, 상기 승강간격은 상기 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235)와 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)가 접촉되는 높이로부터 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께 범위/재질 등을 고려하여 설정됨이 바람직하다.

여기서, 상기 하부마찰날개부(230b)는 상기 승강축부(230)와 동일한 고경도의 소재로 구비되며, 상기 승강축부(230)와 일체로 형성됨이 바람직하다.

그리고, 상기 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235)는 상기 승강축부(230)와 수직을 이루도록 평탄하게 구비되되, 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)와 평행하게 배치됨이 바람직하다.

여기서, 상기 상부마찰날개부(220b) 및 상기 하부마찰날개부(230b)는 상호 동일한 면적을 갖는 원형으로 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235)는 상기 각 접합대상판재(s1,s2)의 하면부에 접촉되어 회전시 발생되는 마찰열을 통해 상기 접합부의 하부측을 가소화시킬 수 있다.

한편, 상기 승강가압수단(240)은 상기 승강축부(230)의 상부에 연결되되, 상기 접합부가 상하 방향으로 가압되도록 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께에 대응하여 상기 승강축부(230)를 승강구동한다.

즉, 상기 승강가압수단(240)은 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께보다 상부마찰날개부(220b)의 하면부 및 하부마찰날개부(230b)의 상면부 사이의 간격이 넓어지도록 상기 승강축부(230)를 하강시키되, 상부마찰날개부(220b)의 하면부 및 하부마찰날개부(230b)의 상면부 사이에 접합대상판재(s1,s2)가 삽입되면 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께보다 상부마찰날개부(220b)의 하면부 및 하부마찰날개부(230b)의 상면부 사이의 간격이 좁아지도록 상기 승강축부(230)를 상승시켜 상기 접합부에 상하 방향의 가압력을 가할 수 있다.

상세히, 도 7 내지 도 8을 참조하면, 한쌍의 접합대상판재(s1,s2)는 상기 작업테이블에 안착되어 각각의 단부가 접촉되도록 정렬 및 고정된다. 그리고, 상기 접합대상판재(s1,s2)가 정렬되면, 상기 이송수단을 통해 상기 회전용접부(20)가 용접 시작점으로 이동된다.

이때, 상기 상부마찰날개부(220b) 및 상기 하부마찰날개부(230b) 사이의 간격이 증가되도록 승강가압수단(240)에 의해 승강축부(230)가 하강되면, 각 접합대상판재(s1,s2)의 단부가 접촉된 부분의 길이방향 전방측 단부에 상기 상부마찰날개부(220b) 및 상기 하부마찰날개부(230b) 사이에 대응되는 승강축부(230)의 외면이 밀착되도록 배치될 수 있다.

그리고, 상기 상부마찰날개부(220b) 및 상기 하부마찰날개부(230b) 사이의 간격이 감소되도록 승강가압수단(240)에 의해 승강축부(230)가 상승되면, 상부 마찰날개부(220b)의 하면부(225) 및 상기 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235)가 상기 각 접합대상판재(s1,s2)의 상면부 및 하면부에 각각 접촉될 수 있다.

이때, 상기 숄더마찰부(220) 및 상기 승강축부(230)가 회전수단(250)에 의해 고속 회전되면, 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225) 및 접합대상판재(s1,s2)의 상면부 사이, 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235) 및 접합대상판재(s1,s2)의 하면부 사이, 그리고 승강축부(230)의 외면 및 접합부 사이에 마찰열이 발생된다.

여기서, 상기 접합대상판재(s1,s2)에는 마찰열에 의해 가소화된 열가소영역이 형성된다. 이때, 열가소영역은 각 마찰날개부(220b,230b) 및 승강축부(230)와 직접 접촉되어 마찰열이 발생되는 부분에 먼저 형성되고, 마찰열의 전도에 따라 인접한 부분으로 확장될 수 있다.

그리고, 상기 열가소영역 내의 가소화된 판재(s1,s2)는 각 마찰날개부(220b,230b) 및 승강축부(230)의 회전력에 의해 소성 유동됨에 따라 서로 엉켜 맞물림되며 결합된다.

이때, 상기 승강축부(230)는 마찰열에 의해 가소화된 부분을 통과하도록 상기 이송수단에 의해 이동되며, 전체 접합부를 일체로 결합시킬 수 있다.

이처럼, 종래에 상기 접합부의 상면측 일부분에만 마찰열이 발생되는 것과 달리, 상부마찰날개부(220b)의 하면부, 하부마찰날개부(230b)의 상면부, 승강축부(230)의 외면이 접합대상판재(s1,s2)에 동시에 접촉되어 회전되므로 발열 면적과 회전력 전달면적이 증대될 수 있다.

이에 따라, 접합부(1)의 신속한 가소화가 가능할 뿐만 아니라, 가소화된 영역에 원활한 회전력이 공급될 수 있어 소성 유동이 촉진되고, 가소화된 부분 간의 교반 작용이 활성화되어 다수의 맞물림 결합이 형성될 수 있다. 이로 인해, 제품의 용접 속도 및 용접 강도가 개선될 수 있다.

또한, 상기 승강축부(230)가 승강가압수단(240)에 연결되어 승강되도록 구비되므로 접합대상판재(s1,s2)의 두께 변화에 따라 상부마찰날개부(220b) 및 하부마찰날개부(230b) 사이의 간격이 조절될 수 있으므로 제품의 호환성이 향상될 수 있다. 즉, 하나의 장치를 통해 여러가지 두께를 갖는 한쌍의 판재 내지는 상이한 두께를 갖는 여러쌍의 판재가 용접될 수 있다.

상기 하부마찰날개부(230b) 및 상기 상부마찰날개부(220b)의 간격만 조절되는 경우에는 두꺼운 접합대상판재(s1,s2)의 접합시 상하 동시에 마찰열이 가해지더라도 표면 및 표면과 인접한 일부분에만 열가소영역이 형성되고 접합부 내부는 실질적인 접합이 이루어지지 않는 경우가 많았으나, 일정한 상하 방향의 압력을 가한 경우에는 열가소영역이 접합부 전체로 신속하게 확대되고 소성 유동의 전파가 활성화됨에 따라 용접 강도 및 속도가 개선되는 것이 실험적으로 확인되었다.

이처럼, 마찰교반용접시 상기 접합대상판재(s1,s2) 및 마찰날개부(220b,230b) 간의 원활한 마찰열 발생과, 마찰열에 의해 가소화된 접합대상판재(s1,s2)의 원활한 소성 유동을 위해서는 상기 마찰날개부(220b,230b)를 상기 접합대상판재(s1,s2)측으로 가압하는 1톤 내외의 가압하중이 요구된다.

이때, 상기 승강가압수단(240)은 상기 승강축부(230) 및 상기 숄더마찰부(220)의 회전시 상기 접합대상판재(s1,s2)의 두께보다 상부마찰날개부(220b)의 하면부 및 하부마찰날개부(230b)의 상면부 사이의 간격이 좁아지도록 상기 승강축부(230)를 상승시킨다.

이처럼, 상기 접합대상판재(s1,s2)의 상하면에 상기 각 마찰날개부(220b,230b)가 동시 접촉되어 회전되되, 승강가압수단(240)에 연결된 승강축부(230)가 상측으로 당겨짐에 따라 접합대상판재(s1,s2)에 상하로 압축되는 방향의 가압 하중이 부하될 수 있다.

즉, 상기 각 마찰날개부(220b,230b)가 접합대상판재(s1,s2)에 가압 하중을 가하는 상태에서 회전되므로 마찰 발열량이 증가될 수 있으며, 마찰열로 가소화된 영역 내부의 소성 유동이 가압 하중으로 인해 더욱 활성화될 수 있으므로 신속한 가소화에 따른 용접 속도 개선과 더불어 교반 작용의 촉진에 따른 용접 강도 개선이 이루어질 수 있다.

또한, 종래에 접합부가 상부의 회전도구로부터 하측으로만 가압되는 것과 달리, 상기 하부마찰날개부(230b)가 상측으로 인장되어 마찰날개부(220b,230b) 사이의 접합부를 압착 가압할 수 있으므로 별도의 지그 없이도 접합부 하부에서의 처짐 현상이 제거될 수 있다.

즉, 가소화된 접합부가 하측 방향의 가압하중에 의해 판재(s1,s2)의 하부로 돌출되는 처짐 현상이 예방될 수 있으므로 지그의 배치가 힘든 다양한 부분의 용접에 적용될 수 있어 제품의 호환성이 향상될 수 있다.

여기서, 도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225)에는 상기 숄더마찰부(220)의 회전방향(R)을 따라 상기 상부마찰날개부(220b)의 하면부(225) 중심을 향하는 나선형의 제1유동촉진홈부(미도시)가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235)에는 승강축부(230)의 회전반대방향을 따라 상기 하부마찰날개부(230b)의 상면부(235) 중앙을 향하는 나선형의 제2유동촉진홈부(235a)가 형성됨이 바람직하다.

이때, 상기 제1유동촉진홈부 및 상기 제2유동촉진홈부(235a)는 가소화된 접합대상판재(s1,s2)와의 접촉면적을 증가시켜 회전력의 전달을 촉진시킬 수 있다.

즉, 각 유동촉진홈부의 내부 공간을 따라 가소화된 접합대상판재(s1,s2)가 클램핑되어 회전될 수 있으며, 소성 유동 촉진에 따라 교반 작용이 활성화되고 접합부(1)에 다량의 맞물림 결합이 형성되므로 판재(s1,s2) 간의 용접 결합 강도가 개선될 수 있다.

한편, 상기 승강축부(230)의 하부 외주에는 마찰열에 의해 가소화된 상기 접합대상판재(s1,s2)가 상하 방향으로 압축되도록 회전방향(R)을 따라 하향하는 제1나선홈부(233) 및 회전방향(R)을 따라 상향하는 제2나선홈부(234)가 상하 방향으로 순차 형성됨이 바람직하다.

여기서, 상기 승강축부(230)의 하부 외주는 상기 상부마찰날개부(220b)의 하부 및 상기 하부마찰날개부(230b)의 상부 사이에 대응되는 부분을 의미하며, 회전시 상기 접합대상판재(s1,s2)에 접촉되는 부분을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.

상세히, 가소화된 접합대상판재(s1,s2)는 상기 승강축부(230)의 회전 방향을 따라 소성 유동되며, 상기 각 나선홈부(233,234)를 따라 상측 내지 하측 방향으로 소성 유동될 수 있다.

이에 따라, 상기 가소화된 접합대상판재(s1,s2)에 상하 방향과 회전 방향의 소성 유동이 동시에 발생될 수 있으므로 복잡한 형태로 엉킨 다량의 맞물림 결합이 형성되어 용접 결합 강도가 개선될 수 있다.

이때, 상기 제1나선홈부(233)는 상기 제2나선홈부(234)의 상부에 형성됨이 바람직하다.

상세히, 가소화된 접합대상판재(s1,s2)는 회전력에 의해 접합부(1)의 외부로 토출될 수 있다. 이때, 토출된 접합대상판재(s1,s2)는 용접대상부의 표면에 울퉁불퉁한 형태의 버(burr)가 형성하고, 상기 버 등의 용접결함은 용접부의 외관을 훼손할 뿐만 아니라, 용접 후처리 과정의 난이도를 증가시켜 작업성을 저해한다. 더욱이, 다량의 버는 접합부(1)의 밀도를 감소시켜 용접 강도를 저하시키는 원인이 된다.

여기서, 상부측에 형성된 상기 제1나선홈부(233)가 접합부(1) 상부의 가소화된 접합대상판재를 하측으로 밀어주고, 하부측에 형성된 제2나선홈부(234)가 접합부(1) 하부의 가소화된 접합대상판재를 상측으로 밀어줄 수 있다.

이에 따라, 상기 승강축부(230)의 외주 주변에서 상기 접합부(1)의 상부 내지 하부 표면으로부터 상기 접합부(1)의 내부를 향하는 소성 유동이 발생될 수 있으므로 가소화된 판재(s1,s2)에 대한 외부 토출 및 소실이 최소화되어 용접 품질이 개선될 수 있다.

이때, 상기 접합대상판재(s1,s2)가 Al-Mg₂Si 계열의 열처리형 합금인 경우에 상기 숄더몸체부(220) 및 승강몸체부(230)의 회전속도는 400rpm~1000rpm, 이송속도는 100mm/min으로 설정됨이 바람직하고, Al-Mg 계열의 비열처리 합금인 경우 회전속도는 300rpm~400rpm, 이송속도는 10mm/min으로 설정됨이 바람직하며, 전술된 조건에서 용접 품질이 개선되는 것을 실험적으로 알 수 있었다. 이를 통해, 입열에 따른 화합/융착 결합보다 소성 유동을 통한 기계적인 결합이 용접 품질에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.

한편, 도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 마찰교반용접장치의 회전용접부를 나타낸 예시도이다.

본 실시예에서는 상기 숄더마찰부(420)가 상기 승강축부(430)에 연결되어 회전력을 전달받는 것을 제외한 기본적인 구성은 상술한 다른 실시예와 동일하므로 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 10에서 보는 바와 같이, 상기 구동축(451)은 상기 승강축부(430)의 상부에 연속되도록 배치되되, 상기 세레이션부(431)는 상기 구동축(451)의 하단부와 대향되는 상기 승강축부(430)의 상단부에 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 구동축(451) 및 상기 승강축부(430)는 동일한 축선상에 배치되며, 상기 세레이션부(431)는 상기 승강축부(430)의 상면부 중앙을 따라 함몰 형성되되 함몰된 부분의 내주를 따라 원주방향으로 복수개의 기엇니가 구비된 홈 형상으로 구비될 수 있다.

이때, 상기 구동축(451)의 하단부에는 상기 세레이션부(431)에 삽입되되 상기 기엇니와 맞물림되는 구동기어(452)가 구비될 수 있으며, 상기 세레이션부(431) 및 상기 구동기어(452)는 상기 승강축부(430)의 승강시 적어도 일부분이 맞물림되도록 기설정된 승강간격에 대응되도록 상하 방향으로 연장되어 형성된다.

그리고, 상기 숄더마찰부(420)는 상기 승강축부(430)를 연계하여 상기 회전수단(450)의 회전력을 전달받을 수 있다.

이때, 상기 승강축부(430)의 타측에는 승강시 적어도 일부분이 상기 축관통부(422)의 내주에 구비된 기어홈부(422a)에 맞물림 결합되도록 상기 하부마찰날개부(430b)의 승강간격에 대응하여 상하방향으로 연장된 연동세레이션부(436)가 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 승강축부(430)의 타측은 상기 승강축부(430)에서 상기 축관통부(422)와 중첩되는 부분을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다. 이때, 상기 연동세레이션부(436)는 삼각단면을 갖도록 상기 승강축부(430)의 외주로부터 반경방향 외측으로 돌설되되, 상기 승강축부(430)의 외주를 따라 원주방향으로 복수개 돌설된 기엇니로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 축관통부(422)의 내주에는 상기 연동세레이션부(436)의 기엇니와 맞물림되는 기어홈부(422a)가 형성되되, 상기 연동세레이션부(436) 및 상기 기어홈부(422a)는 상기 하부마찰날개부(430b)의 승강간격에 대응되도록 상하방향으로 연장되어 형성됨이 바람직하다.

이에 따라, 승강축부(430)의 승강시에도 상기 회전수단(450)으로부터 상기 하부마찰날개부(430b) 및 상기 상부마찰날개부(420b)를 향한 원활한 회전력의 전달이 이루어질 수 있다.

또한, 상기 회전수단(450)의 회전중심과, 승강축부(430) 및 숄더마찰부(420)의 회전중심이 일치됨에 따라 회전시 진동 등으로 인한 회전력 소실이 최소화될 수 있다.

그리고, 상기 연동세레이션부(436)의 상부에는 상기 냉매주입구(461)에 연결되어 상기 승강축부(430)의 외주를 나선형으로 감싸도록 연장되는 냉각유로부(462)가 구비됨이 바람직하다.

상세히, 상기 회전수단(450)은 상기 하우징(410)의 상부 구획부(m2) 상면부에 설치되며, 상기 상부 구획부(m2) 하부의 장착공간(t)을 따라 승강지지부(432) 및 승강가압수단(440)이 배치된다.

이때, 상기 승강지지부(432)의 중앙부에 형성된 세레이션부(431)를 통해 상기 회전수단(450)의 구동축(451)과 상기 승강축부(430)가 연결될 수 있다. 여기서, 상기 냉각유로부(462)는 상기 연동세레이션부(436)의 상부 및 상기 세레이션부(431)의 하부에 대응되는 승강축부(430)의 외주를 따라 구비된다.

이에 따라, 상기 상부마찰날개부(420b) 및 상기 하부마찰날개부(430b)에서 발생된 마찰열이 상기 연동세레이션부(436)의 상부에 구비된 냉각수단(460)을 통해 일차 냉각되되, 상기 장착공간(t)의 공기에 의해 차단될 수 있으므로 회전수단(450)의 과열이 최소화될 수 있다. 이와 함께, 냉각유로부(462)의 구조가 간소화될 수 있어 제품의 생산 경제성이 향상될 수 있다.

한편, 상기 하우징(410)에는 쉴딩수단이 구비됨이 바람직하다. 여기서, 상기 쉴딩수단은 용접 가공부를 따라 불활성가스를 분사하는 부분으로, 마찰열을 통한 용접 가공시 용접부의 변형 및 산화를 최소화하고, 신속한 냉각을 통해 재결정화로 인한 용접부의 강도 저하는 줄이기 위한 수단을 의미한다.

상세히, 상기 쉴딩수단은 분사가이드부(412)와 가스유로(412a)를 포함하여 구비될 수 있다. 여기서, 상기 분사가이드부(412)는 상기 상부마찰날개부(420b)의 테두리면부를 감싸도록 상기 하우징(410)의 하단부 테두리를 따라 하향 돌설되며 협소화되도록 구비된다.

즉, 상기 분사가이드부(412)의 하단부는 상기 상부마찰날개부(420b)의 테두리면부와 대향 배치되되, 상기 상부마찰날개부(420b)의 테두리면으로부터 이격되도록 구비된다.

이때, 상기 가스유로(412a)는 불활성가스가 공급되도록 상기 하우징(410)의 일측에 구비된 가스주입구(412b)로부터 상기 분사가이드부(412)의 내부로 연결된다.

이에 따라, 상기 가스주입구(412b)를 통해 공급된 불활성가스는 상기 가스유로(412a)를 따라 상기 분사가이드부(412)의 내부로 유동되며, 상기 분사가이드부(412)의 내면을 따라 상기 상부마찰날개부(420b)의 테두리면부를 향해 분사될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구한 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

100: 마찰교반용접장치 10: 이송수단
20,320: 회전용접부 210,410: 하우징
220,420: 숄더마찰부 220a,420a: 숄더몸체부
220b,420b: 상부마찰날개부 221,421: 링형단턱부
222,422: 축관통부 230,430: 승강축부
230b,430b: 하부마찰날개부 231,431: 세레이션부
232,432: 상부지지부 232a,232b,432a: 볼가이드홈부
240,440: 승강가압수단 240a,440a: 상부가압부
240b,240c: 하부가압부 241,242,243,441: 볼베어링부재
250,450: 회전수단 251,451: 구동축
260,460: 냉각수단 261,461: 냉매주입구
262,462: 냉각유로부 436: 연동세레이션부
s1,s2: 접합대상판재 1: 접합부

Claims

한쌍의 접합대상판재가 접촉되는 접합부를 따라 이송되며 마찰열을 발생시키는 회전용접부와, 상기 회전용접부를 이송하는 이송수단을 포함하는 마찰교반용접장치에 있어서, 상기 회전용접부는
내부에 장착공간이 형성된 하우징;
상기 하우징의 하부에 회전되도록 결합되되 내부에 축관통부가 형성된 숄더몸체부와, 하면부가 상기 각 접합대상판재의 상면부에 접촉되어 회전시 상기 접합부의 상부측이 가소화되도록 상기 숄더몸체부의 하단 테두리를 따라 반경방향 외측으로 돌설된 상부마찰날개부를 포함하는 숄더마찰부;
상기 축관통부를 관통하도록 배치되되 회전시 상기 접합부의 내부가 가소화되도록 상기 상부마찰날개부의 하부로 선택적으로 돌출되는 승강축부;
상기 승강축부를 승강구동하는 승강가압수단; 및
상기 장착공간에 구비되되, 상기 숄더마찰부 및 상기 승강축부를 회전구동하는 회전수단을 포함하되,
상기 승강축부의 일측에는 승강시 적어도 일부분이 상기 회전수단의 구동축에 맞물림 결합되도록 기설정된 승강간격에 대응하여 상하방향으로 연장된 세레이션부가 구비되며, 상기 승강축부의 하단 테두리에는 상면부가 상기 각 접합대상판재의 하면부에 접촉되어 회전시 상기 접합부의 하부측이 가소화되도록 반경방향 외측으로 돌설된 하부마찰날개부가 구비되며,
상기 구동축은 상기 승강축부의 측부에 배치되되, 상기 세레이션부는 상기 구동축과 대향되는 상기 승강축부의 외주에 구비되며, 상기 구동축에는 상기 세레이션부와 맞물림되는 제1구동기어와, 상기 숄더몸체부의 상단 테두리면을 따라 돌설된 기어돌기에 맞물림되는 제2구동기어가 상하 다단으로 구비되고,
상기 제1구동기어의 상부 및 상기 세레이션부의 상부에는 냉매가 공급되도록 상기 하우징의 일측에 구비된 냉매주입구에 연결되어 상기 구동축 및 상기 승강축부의 외주를 나선형으로 감싸도록 연장되는 냉각유로부가 구비됨을 특징으로 하는 마찰교반용접장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 승강축부의 상단 외주에는 반경방향 외측으로 승강지지부가 돌설되되,
상기 승강가압수단은 상기 승강지지부의 상면부를 하측으로 가압하는 상부가압부와, 상기 승강지지부의 하면부을 상측으로 가압하는 하부가압부를 포함하며,
상기 각 가압부에서 상기 승강지지부와 대향되는 대향면에는 볼베어링부재가 구비되되, 상기 승강지지부의 상면부 및 하면부에는 상기 각 볼베어링부재의 배치반경을 따라 함몰된 볼가이드홈부가 형성됨을 특징으로 하는 마찰교반용접장치.