KR101820778B1 - 마찰교반접합 장치 - Google Patents

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Abstract

저장용량이 최소 8000㎥(20m×20m×20m)인 초대형 알루미늄 LNG 탱크의 제작이 가능한 마찰교반접합 장치가 개시된다. 마찰교반접합 장치는 접합측 암 지지대; 상기 접합측 암 지지대에 대해 나란하게 배치되고 접합측 암 지지대에 대해 각도 조정 가능하게 구비되는 피접합측 암 지지대; 상기 접합측 암 지지대에 직선 이동 가능하게 구비되는 접합 툴; 및 상기 피접합측 암 지지대에 직선 이동 가능하게 구비되고 상기 접합 툴(120)과 마주하는 백킹 플레이트를 포함한다.

Description

마찰교반접합 장치{FRICTION STIR WELDING DEVICE}
본 발명은 마찰교반접합 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초대형 알루미늄 LNG 탱크 제작을 위해 소조, 중조 및 대조의 각 단계에 모두 적용할 수 있는 마찰교반접합 장치에 관한 것이다.
일반적으로, LNG(액화천연가스, Liquid Natural Gas)는 -162℃의 액체상태에서 저장 및 운반을 하므로, LNG 저장용 탱크의 소재 및 용접부는 극저온에서 구조적으로 안정되어야 한다. LNG 탱크용 소재는 Ni계 철합금(36% Ni steel), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 또는 알루미늄(Aluminum) 등으로 이루어지고, 플라즈마 아크 용접(plasma arc welding, GTAW, GMAW) 등이 상용화되어 있다. 그중 알루미늄 소재로 제작된 LNG 탱크의 경우, 두꺼운 Al 후판을 GMAW 용접으로 용접한 구 형상 (type C) 또는 다각기둥 형상(type B)이 일반적이다.
기존의 아크 용접(GMAW, GTAW 등)은 저융점 알루미늄 합금의 특성상, 고난이도 용접이면서 용접부 기공이 발생하기 쉬워서 제작 비용 및 기간이 길게 되는 문제가 있다. 이에 반해, 마찰교반용접(FSW)은 최근 알루미늄의 고상 용접으로 주목받고 있으며, 철도, 항공기, 자동차 등 차체경량화의 새로운 기술로써 상용화가 가속화되고 있다.
따라서, 저장용량이 큰 다각기둥형(독립형 LNG tank type-B)을 알루미늄 용접에 특화된 마찰교반용접(FSW)으로 제작하여, 생산 효율도 높이고 용접결함을 줄이는 고유의 신기술 개발 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0056414호(2016.05.20)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 저장용량이 최소 8000㎥(20m×20m×20m)인 초대형 알루미늄 LNG 탱크의 제작이 가능한 마찰교반접합 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 마찰교반접합 장치는 접합측 암 지지대; 상기 접합측 암 지지대에 대해 나란하게 배치되고 접합측 암 지지대에 대해 각도 조정 가능하게 구비되는 피접합측 암 지지대; 상기 접합측 암 지지대에 직선 이동 가능하게 구비되는 접합 툴; 및 상기 피접합측 암 지지대에 직선 이동 가능하게 구비되고 상기 접합 툴(120)과 마주하는 백킹 플레이트를 포함한다.
본 발명에 따른 마찰교반접합 장치는 한변의 길이가 최소 20m인 대형 정방형 알루미늄 LNG 탱크의 제작에 있어서 용접부 결함을 줄일 수 있고, 탱크의 초기 조립 단계부터 최종 대형 탱크 조립 단계까지 적용 가능하며, 아크 용접에 비해 결함이 적을 뿐 아니라, 생산속도가 빠르며 생산 효율이 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치를 도시한 측면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치를 도시한 정면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치의 지지대 간의 각도 변화 상태를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치의 고정 지그를 도시한 측면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치와 고정 지그의 분리 상태를 도시한 측면도이고,
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치의 서로 다른 적용 예를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 마찰교반접합 장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치를 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치를 도시한 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치의 지지대 간의 각도 변화 상태를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치의 고정 지그를 도시한 측면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치와 고정 지그의 분리 상태를 도시한 측면도이고, 도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치의 서로 다른 적용 예를 도시한 것이다.
이하에서, 편의를 위해 X축, Y축 및 Z축 방향을 구분하여 설명하기로 한다. X축 방향은 작업 툴 및 백킹 플레이트의 직선 이동 방향이고, Z축 방향이 작업 툴 및 백킹 플레이트 간의 이격 방향이다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치(100)는 접합측 암 지지대(101)와, 피접합측 암 지지대(102)와, 접합 툴(120) 및 백킹 플레이트(130)를 포함하여 이루어진다.
접합측 암 지지대(101)는 X축 방향으로 소정의 길이를 갖는 바(Bar) 형태로 이루어진다. 피접합측 암 지지대(102)는 접합측 암 지지대(101)에 대해 나란하게 배치되고, 접합측 암 지지대(101)에 대해 각도 조정 가능하게 구비된다. 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)는 단부에 조인트(103)를 통해 회전 가능하게 연결된다.
상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)는 일단에 회전운동이 가능하도록 구성되어, 2개의 지지대 간의 각도 변화가 가능한 마치 컴퍼스(Compass)와 유사한 형태를 취한다.
접합 툴(120)은 접합측 암 지지대(101)에 직선 이동 가능하게 구비된다. 접합 툴(120)은 마찰 교반 용접{Friction Stir Welding:FSW) 수단을 구비하여 피접합재(201)에 용접을 수행하는 용접 툴로 구성된다.
백킹 플레이트(130)는 접합 툴(120)과 마주하는 것으로서, 피접합측 암 지지대(102)에 직선 이동 가능하게 구비된다. 백킹 플레이트(130)는 접합 툴(120)이 맞대기 이음매(Butt joint) 또는 겹치기 이음매(Lap joint)를 고상접합할 때 피접합재 이면으로 작용하는 하중을 지지한다.
상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)에는 길이 방향인 X축 방향으로 가이드 레일(170)이 연장 형성된다. 접합 툴(120)과 백킹 플레이트(130)는 Z축 방향으로 마주하며 이격 배치되어 있다.
가이드 레일(170)은 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)에 각각 구비되며, 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)의 길이 방향으로 길게 연장 형성된다.
상기 가이드 레일(170)은 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)의 서로 마주하는 면에 각각 구비된다. 가이드 레일(170)에는 작업대가 슬라이딩 가능하게 연결되며, 상기 작업대(도시되지 않음)에 각각 접합 툴(120)과 백킹 플레이트(130)가 설치된다. 상기 작업대는 마찰교반접합시 발생하는 고하중을 견디면서 일방향(X축 방향)으로 직선 운동해야 한다.
상기 백킹 플레이트(130)는 작업 툴(120)에 대해 X축 방향으로 연동하여 함께 직선 이동하도록 구성된다. 즉, 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)에 각각 구비되어 직선 주행하는 작업대는 전기신호로 동조되어 가이드 레일(170)을 따라 각 지지대를 직선 이동 가능하다.
상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)에는 X축, Y축 및 Z축 방향으로 복수의 고정 돌기(110)가 돌출 형성된다. 고정 돌기(110)는 각 지지대의 표면으로부터 돌출 형성되며, 각 지지대의 각 면에 X축, Y축 및 Z축 방향으로 돌출 형성된다. 상기 고정 돌기(110)는 정반(203)에 형성된 고정 홈(204)에 삽입 가능하게 구성된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치(100)는 고정 지그(150)를 더 구비할 수 있다. 고정 지그(150)는 일 측에 체결 홈(151)이 형성된다. 체결 홈(151)은 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)의 단부에 형성된 고정 돌기(110)를 삽입시킨다. 체결 홈(151)은 Z축 방향으로 일정 거리 이격 형성되며, 접합측 암 지지대(101)에 형성된 고정 돌기(110)와 피접합측 암 지지대(102)에 형성된 고정 돌기(110)가 각각 체결 홈(151)에 삽입된다.
고정 지그(150)는 고정 돌기(110)가 체결 홈(151)에 삽입 시, 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102) 간의 회전을 구속한다. 아울러, 고정 지그(150)에는 정반(203)의 고정 홈(204)에 삽입 가능한 고정 돌기(110)가 돌출 형성된다.
피접합측 암 지지대(102)의 작업대에는 회전부(140)가 구비되고, 회전부(140)에 백킹 플레이트(130)가 결합된다. 회전부(140)는 백킹 플레이트(130)를 +90° 또는 -90°회전시켜 피접합재(201)의 용접선 방향에 따라 적절히 대응될 수 있도록 한다.
상기 백킹 플레이트(130)는 고하중에도 견딜 수 있도록 무한궤도로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 통해, 작업 툴(120)과 함께 연동하여 이동하는 백킹 플레이트(130)는 동일 위치에서 판재 형태의 피접합재(201)에 구속 하중을 부하하면서 직선 이동이 가능하도록 한다.
또한, 겹치기 이음매(Lap joint)의 피접합재의 경우, 지지 측 모재의 마찰교반접합하는 부분은 작업 툴(120)에 인접한 판재보다 국부적으로 4배 이상 두꺼워지도록 압출 프로파일을 사용하여, 지지 측 모재가 백킹 플레이트를 대신하도록 할 수 있다.
아울러, 백킹 플레이트(130)는 2중으로 되어있고 무한궤도의 진행 방향과 90° 방향으로 진행하게 구성된 2단 구조의 무한궤도로 구현함으로써, 일 방향으로 긴 판재의 마찰교반접합이 가능하다. 이 경우, 본 발명의 마찰교반접합 장치는 고정되어 있고 피접합용 판재가 이송이 되어야 하므로, 2단 무한궤도형 백킹 플레이트 외에, 장치 외부에서 장방형 피접합 부재의 장입 접합 완료된 부재의 이송을 위한 별도의 가이드 롤러를 구성할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 피접합재(201)의 접합선(202)이 정반(203)에 대해 평행하게 형성될 때 적용 예의 경우, 피접합측 암 지지대(102)에 형성된 고정 돌기(110)를 정반(203)의 고정 홈(204)에 삽입하며, 마찰교반접합 장치(100)는 정반(203)에 횡 방향으로 설치된다. 마찰교반접합 장치(100)의 길이 방향은 X축 방향과 나란하게 배치되며, 고정 지그(150)에 의해 회전이 구속된 상태로 고정된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 피접합재(201)의 접합선(202)이 정반(203)에 대해 수직하게 형성될 때 적용 예의 경우, 접합측 암 지지대(101) 및 피접합측 암 지지대(102)에 형성된 고정 돌기(110)를 정반(203)의 고정 홈(204)에 삽입하며, 마찰교반접합 장치(100)는 정반(203)에 종 방향으로 설치된다. 마찰교반접합 장치(100)의 길이 방향은 X축 방향과 나란하게 배치된다.
도 10을 참조하면, 피접합재(201)가 거대 구조물에 속해 있으면서 경사가 있는 경우, 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102) 간에 각도를 주어 대응할 수 있다. 이 경우, 피접합측 암 지지대(102)에 형성된 고정 돌기(110)를 정반(203)의 고정 홈(204)에 삽입한다. 전술한 모든 적용 예에서, 정반(203)에는 고정 홈(204)이 바둑판형으로 복수개 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마찰교반접합 장치는 한변의 길이가 최소 20m인 대형 정방형 알루미늄 LNG 탱크의 제작에 있어서, 용접부 결함을 줄일 수 있고 탱크의 초기 조립 단계부터 최종 대형 탱크 조립 단계까지 적용 가능하다. 아울러, 아크용접에 비해 결함이 적고 생산속도가 빠르며 생산 효율이 크게 향상된다.
지금까지 본 발명에 따른 마찰교반접합 장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 마찰교반접합 장치
101: 접합측 암 지지대 102: 피접합측 암 지지대
103: 조인트 110: 고정 돌기
120: 작업 툴 130: 백킹 플레이트
140: 회전부 150: 고정 지그
151: 체결 홈 170: 가이드 레일
201: 피접합재 202: 접합선
203: 정반 204: 고정 홈

Claims (7)

  1. 접합측 암 지지대(101);
    상기 접합측 암 지지대(101)에 대해 나란하게 배치되고 접합측 암 지지대(101)에 대해 각도 조정 가능하게 구비되는 피접합측 암 지지대(102);
    상기 접합측 암 지지대(101)에 직선 이동 가능하게 구비되는 접합 툴(120); 및
    상기 피접합측 암 지지대(102)에 직선 이동 가능하게 구비되고 상기 접합 툴(120)과 마주하는 백킹 플레이트(130)를 포함하고,
    상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)는 단부에 조인트(103)를 통해 회전 가능하게 연결되며,
    상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)에는 X축, Y축 및 Z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 하나 이상의 고정 돌기(110)가 돌출 형성되며, 상기 고정 돌기(110)는 정반(203)에 형성된 고정 홈(204)에 삽입 가능한 것을 특징으로 하는 마찰교반접합 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)에는 길이 방향인 X축 방향으로 가이드 레일(170)이 연장 형성되고,
    상기 접합 툴(120)과 백킹 플레이트(130)는 Z축 방향으로 마주하며 이격 배치된 것을 특징으로 하는 마찰교반접합 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 백킹 플레이트(130)는 작업 툴(120)에 대해 X축 방향으로 연동하여 함께 직선 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합 장치.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    일 측에 상기 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102)의 단부에 형성된 고정 돌기(110)를 삽입시키는 체결 홈(151)이 형성되어, 고정 돌기(110)가 체결 홈(151)에 삽입 시 접합측 암 지지대(101)와 피접합측 암 지지대(102) 간의 회전을 구속하는 고정 지그(150)를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 고정 지그(150)에는 정반(203)의 고정 홈(204)에 삽입 가능한 고정 돌기(110)가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반접합 장치.
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