KR101864233B1 - 둘 이상의 판재를 연결하는 마찰용접 체결용 체결 요소 - Google Patents

Abstract

적어도 두 개의 판재(8, 9)의 마찰용접 체결을 위한 체결 요소(1)에 있어서, 이 체결 요소는, 상부 판재(들)(7, 8)를 관통하도록 이 상부 판재(들)의 두께에 맞게 길이가 정해지고, 둥글게 가공된 모서리 영역(5a, 5b)을 갖는 다각형의 비원형 단면을 포함하는 회전 및 피가압 맨드릴(2, 13)을 포함한다. 상기 비원형 단면은 나사형으로 설계되며, 나사 1회전보다 짧은 피치를 갖는다.

Description

둘 이상의 판재를 연결하는 마찰용접 체결용 체결 요소 {CONNECTING ELEMENT FOR A FRICTION-WELDED CONNECTION FOR CONNECTING AT LEAST TWO PANEL-LIKE COMPONENTS}

본 발명은 적어도 두 개의 판재를 마찰용접 체결(friction-welded connection)하기 위한 체결 요소에 관한 것이다. 상기 체결 요소는, 회전 및 피가압 맨드릴(rotating and pressurized mandrel)를 포함하는바, 이 맨드릴의 길이는, 맨드릴이 상부 판재(들)을 관통할 수 있도록 이 상부 판재(들)의 두께에 맞게 정해지며, 이 맨드릴은 둥글게 가공된 모서리 영역을 갖는 다각형의 비원형 단면을 갖는다.

이러한 형태의 체결 요소는 독일특허공보 DE 10 2009 006 775A1의 도면 5A 및 5B에 도시되어 있다. 이에 관련된 설명에 따르면, 비원형 단면(noncircular profile)에 의해서 부스러기와 절삭된 입자들을 제거하기 위한 자유 공간이 형성된다.

또한, 영국특허명세서 7 32 203에는, 금속 내로 삽입되는 결합용 돌출물(anchoring projectile)이 개시되어 있다. 이 돌출물은 소정의 금속으로 삽입되며 비교적 짧고 약간 기울어진 리브들이 서로 인접해서 가까이 위치하고 있으며 돌출물을 매우 안전하게 금속 내에 결합시키기 위한 맨드릴을 갖는다.

본 발명은 적어도 두 개의 판재의 마찰용접 체결을 위한 체결 요소를 제공한다. 본 발명의 목적은 특히, 마찰용접 과정(이 과정의 목적을 위해서 압력이 또한 가해짐)에서 제거 물질이 배출될 수 있는 공간을 형성하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은, 상기 비원형 단면을 나사형으로 설계하고, 상기 맨드릴을 따라 형성되는 모서리 영역들이 나사 1회전(entire thread turn)보다 짧은 길이의 피치를 갖도록 함으로써 달성된다.

비원형 단면의 나사형 구조를 통해서 모서리 영역과 모서리 영역 사이에 공간이 길게 형성됨으로써, 나사형 구조에 의해서 특히, 마찰용접부로부터 제거 물질이 이 공간으로 유도된다. 동시에, 체결 요소의 회전 중에 이 공간의 나사식 안내 작용에 의하여, 제거 물질이 용접부로부터 이 공간으로 어느 정도 빨려들어간게 된다. 이로써, 용융된 재료가 과도하게 축적 및/또는 밀집하게 되는 것을 막아서, 체결 요소와 하부 판재 사이의 체결이 특히 신뢰성있게 수행될 수 있도록 한다.

비원형 단면의 피치는 오른나사형 또는 왼나사형으로 설계할 수 있다. 이는, 마찰용접시에 체결 요소가 회전하는 방향에 따라 달라진다. 피치의 방향은 마찰용접 시의 회전 방향에 따라 선택되는 것이 바람직하다.

이하의 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 세부적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 칼라(collar)와, 이와 연결된 마찰용접 체결을 위한 맨드릴(mandrel)을 포함하는 체결 요소의 모습을 도시하고 있으며, 여기서, 상기 맨드릴은 실선으로 표시한 둥글게 가공한 모서리 영역을 갖는다.
도 2는 두 개의 상부 판재 및 하나의 하부 판재와 함께 있는 도 1의 체결 요소를 도시한 것으로서, 체결 요소가 용융 과정에 의해서 두 개의 상부 판재를 이미 관통하였음을 나타낸다.
도 3은 상기와 동일한 체결 요소에 있어서, 맨드릴이 이미 두 개의 상부 판재를 완전히 관통하고 하부 판재에는 부분적으로 관통하여 마찰용접에 의한 체결이 이루어진 것을 나타낸다.
도 4는 도 1의 선 IV-IV의 단면도로서, 맨드릴 재료의 단면을 나타내면서, 가상의 원주 선에 대향하여 형성되는 공간을 나타내고 있다.
도 5는 본질적으로는 도 1과 동일한 형상이지만, 모서리 영역의 피치가 반대 방향으로 형성되는 체결 요소를 나타낸다.

도 1은 맨드릴(mandrel)(2)과 이에 연결된 칼라(collar)(3)로 구성되는 체결 요소(1)를 보여준다. 칼라(3)로부터 멀리 떨어져 있는 쪽의 맨드릴(2) 종단은 원뿔대(truncated cone)로 끝나는데, 이는 마찰용접 과정 중에 소정의 중심잡기 효과(centering effect)를 주기 위한 것이다. 그러나, 평평한 단부 면을 갖는 맨드릴(2)을 사용할 수도 있다. 맨드릴(2)을 따라 비스듬히 뻗어있는 두 선(5a, 5b)은 둥글게 가공된 모서리 영역을 나타내며, 이들 사이에는 자유 공간이 형성되어 있고, 이에 따른 효과 및 구조는 도 4를 참조하여 보다 더 상세하게 설명할 것이다. 모서리 영역(5a, 5b)은 체결 요소(1)의 길이방향 축을 기준으로 비스듬하게 뻗어나가는데, 이는 나사산 형태(thread)의 구조를 나타내고 이 경우 약간의 이격된 간격(offset)을 갖도록 형성되어 있다. 구체적으로, 맨드릴(2)의 길이방향에 따른 모서리 영역(5a, 5b)의 간격은 나사 1회전(complete thread turn)보다 짧다. 따라서, 모서리 영역(5a, 5b)의 나사 회전(thread turn)의 피치는 나사 1회전시의 경우보다 더 짧다.

도 1은 모서리 영역의 간격(offset)을 개략적으로 표시하고 있으며, 즉 모서리 영역(5a, 5b)의 단부로부터 뻗어나가는 점선을 통해서 거리(6)로 표시하고 있는데, 이 거리는 직접적으로 실제 간격을 나타내는 것이다.

도 2에 도시된 것은 두 개의 상부 판재(7, 8) 및 기초 판재(9)와 함께 있는 체결 요소(1)이다. 이 경우에 예를 들어, 기초 판재(9)는 철판을, 상부 판재(7, 8)는 알루미늄 판을 사용할 수 있다. 이 도면에서 체결 요소(1)의 맨드릴(2)이 압력 및 회전에 의해 두 판재(7, 8)를 완전히 관통하였고, 이로 인해 판재의 재료가 녹게 된다. 도 2는 맨드릴(2)의 원뿔대(4) 부분이 기초 판재(9)를 밀고 있으며 이 지점에서 회전 및 압력의 영향에 따라 원뿔대의 재료를 녹이는 위치에 있는 것을 나타내고 있다. 선택된 판재(9)의 재료에 따라서 재료가 소정 량 녹게 될 것이며, 이에 마찰용접에 의한 체결이 이루어지게 된다.

도 3은 공지의 방식으로 체결 요소(1)가 기초 판재(9)에 마찰용접에 의해 체결(10)이 완료된 것을 나타내는, 도 2에 도시한 과정의 최종 단계를 보여준다. 따라서, 세 판재(7, 8, 9)가 현재 서로, 즉, 기초 판재(9)로부터 체결 요소(1)의 전체 길이를 따라 칼라(3)에까지, 견고하게 체결되어 있다. 즉, 모든 요소의 견고한 체결이 이루어졌다. 체결할 판재에 대해 의도된 최종 형태에 따라서는, 두 개의 상부 판재(7 및 8) 대신에 하나의 판재 만을 사용하는 것도 가능함을 주목해야 한다.

도 4는 도 1의 IV-IV 선에 따라 취한 단면도로서, 맨드릴(2)의 형상을 보여준다. 비원형 단면의 구현을 더 명확하게 도시하기 위해, 일점쇄선 원(14)을 도 4에 그려넣었다. 이 원(14) 내에 포함되어 있는 것이, 맨드릴(2)의 외부 형상을 나타내는 도 1의 IV-IV 단면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 맨드릴(2)은 5개의 곡면 가공된 모서리 영역을 갖고 있는데, 이들 중 두 개를 5a 및 5b로 표시하였다. 이들 모서리 영역과 모서리 영역 사이에서, 도 4의 비원형 구현 형태에서는, 도 2에 도시한 판재(7, 8)의 재료를 맨드릴(2)이 관통할 때 생기는 공간(15)이 있게 된다. 이들 공간(15)은 판재(7, 8)로부터 그리고 마찰용접 체결부(10)로부터 제거 물질을 배출하는 데 이용될 수 있다.

도 5는 도 1의 체결 요소(1)와 유사한 체결 요소(11)의 개략도로서, 칼라(12)와, 외면에 모서리 영역(14a 및 14b)을 갖는 맨드릴(13)을 포함한다. 도 5에 명확하게 도시된 바와 같이, 모서리 영역(14a 및 14b)은 도 1의 모서리 영역(5a, 5b)의 피치와 반대로 형성된 피치를 갖는다. 피치의 각 방향은 마찰용접 과정에서의 각 체결 요소의 회전 방향을 기준으로 선택된다. 즉, 피치의 방향은 나선형 드릴의 경우에서처럼 각 맨드릴(2 또는 13)의 회전 방향과 일치한다. 이것이 의미하는 것은, 도 1에 따른 체결 요소에 있어서는, 그 회전 방향은 오른나사식 회전에 해당될 것이고, 반면에 도 5에 도시된 유형의 체결 요소(11)를 사용할 때에는, 마찰용접 과정 중의 회전 방향은 그 반대 방향, 즉, 왼나사식 회전에 해당되게 될 것이다.

1 체결 요소
2 맨드릴
3 연결된 칼라
4 원뿔대
5 둥글게 가공된 모서리 영역(5a, 5b)
6 거리
7 상부 판재
8 상부 판재
9 기초 판재
10 마찰용접 체결부
11 체결 요소
12 칼라
13 맨드릴
14 둥근 모서리 영역(14a 및 14b)
15 공간

Claims (3)

1. 둘 이상의 판재(8, 9)를 체결하기 위한 마찰용접 체결용 체결 요소(1)로서, 상기 체결 요소는 회전 및 피가압 맨드릴(2, 13)을 포함하고, 상기 맨드릴이 상부 판재(7, 8)를 관통하도록 상기 맨드릴의 길이는 상부 판재(7, 8)의 두께에 맞게 정해지고, 상기 맨드릴은 둥글게 가공된 모서리 영역(5a, 5b)을 갖는 다각형의 비원형 단면을 포함하는, 체결 요소에 있어서,
   상기 비원형 단면은, 상기 맨드릴(2)을 따라 형성되는 모서리 영역이 이격된 간격(offset)을 갖도록 나사산 구조로 되어 있고, 상기 맨드릴(2)의 길이를 따라 형성되는 모서리 영역(5a, 5b)의 간격은 나사 1회전보다 짧은 것을 특징으로 하는 체결 요소.
2. 제1항에 있어서,
   상기 모서리 영역은 오른나사 방식의 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 체결 요소.
3. 제1항에 있어서,
   상기 모서리 영역은 왼나사 방식의 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 체결 요소.

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