KR102093289B1 - Friction stir joining device - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 상하이동이 가능하고, 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하는 원통형의 마찰교반 접합 툴; 상기 마찰교반 접합 툴의 외주면을 둘러싸는 원통 형상의 홀더; 상기 원통 형상의 홀더 외측면에 대향하여 위치하는 한 쌍의 가이드 레일; 상기 한 쌍의 가이드 레일 외면에 위치하고, 상기 가이드 레일을 따라 상하이동이 가능하며, 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 지지부재; 및 상기 접합 대상 소재의 하면을 지지하는 다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치를 제공하여 접합 대상 소재의 처짐 및 비틀림으로 인한 접합부의 들뜸 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.An embodiment of the present invention is possible to move up and down, a cylindrical friction stir welding tool that applies pressure and friction heat to a material to be joined; A cylindrical holder surrounding an outer circumferential surface of the friction stir welding tool; A pair of guide rails facing the outer surface of the cylindrical holder; A support member located on an outer surface of the pair of guide rails, movable up and down along the guide rail, and supporting an upper surface of the material to be joined; And a die supporting a lower surface of the material to be joined, thereby providing a friction stir welding device to reduce the excitation of the joint due to deflection and distortion of the material to be joined.

Description

마찰교반 접합 장치 {Friction stir joining device}Friction stir joining device

본 발명은 마찰교반 접합 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 지지부재를 포함하는 마찰교반 접합 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a friction stir welding device, and more particularly, to a friction stir welding device including a support member for supporting the upper surface of the material to be joined.

지구환경을 보존하기 위하여 자동차 생산 공정에서의 에너지 절감, 이산화탄소 배출량의 감소 등 환경부하 저감과 자동차의 연비향상을 위하여 자동차 차체의 경량화가 요구되고 있다.In order to conserve the global environment, it is required to reduce the weight of the automobile body to reduce the environmental load, such as reducing energy in the automobile production process and reducing carbon dioxide emissions, and improving fuel efficiency of the automobile.

이러한 요구를 만족시키기 위하여 고장력 강판, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등 재료가 다양하게 적용되는 복합 재료화가 추진되고 있으며, 이러한 재료를 접합하는 이종(異種) 접합기술에 대한 필요성이 증가하고 있다.In order to satisfy these demands, composite materialization in which various materials such as high-tensile steel sheets, aluminum alloys, and magnesium alloys are applied is being promoted, and the need for heterogeneous joining techniques for joining these materials is increasing.

이종 재료 간의 접합기술은 주로 알루미늄 합금과 구리, 철강, 스테인리스강, 니켈 및 마그네슘과 같은 이종 재료 간의 접합에 주력하고 있다.The bonding technology between heterogeneous materials mainly focuses on bonding between aluminum alloys and dissimilar materials such as copper, steel, stainless steel, nickel and magnesium.

한편, 자동차 조립 공정은 신뢰성과 생산성의 향상을 위하여 고도의 차체기술에 대응하기 위한 새로운 접합(용접)기술의 개발이 필수적이다.On the other hand, in the automobile assembly process, it is essential to develop a new joining (welding) technology to cope with advanced car body technology in order to improve reliability and productivity.

최근에 적용되고 있는 접합기술로는 레이저 용접과 MIG(Metal Inert Gas arc) 용접, TIG(Tungsten Inert Gas Arc) 용접, 점 용접(Spot welding), 레이저빔 용접, 레이저/아크 하이브리드 용접, 마찰교반 접합, 마찰교반 점 접합(Friction Spot Joining), 브레이징, 전자빔 용접, 초음파 용접 및 리벳팅, 그리고 하이브리드 용접 등이 제시되고 있다.Recently applied welding techniques include laser welding, metal inert gas arc (MIG) welding, Tungsten inert gas arc (TIG) welding, spot welding, laser beam welding, laser / arc hybrid welding, and friction stir welding. , Friction spot joining, brazing, electron beam welding, ultrasonic welding and riveting, and hybrid welding have been proposed.

FSW 기술은 기존 용융접합에 비해 기계적 특성 향상 및 우수한 접합부를 형성하며, 접합용 공구와 시편의 마찰열을 이용하여 기존의 용융 용접에 비해 낮은 입열로 용접이 이루어지기 때문에 작은 잔류응력, 적은 변형 등의 장점을 가지고 있다.FSW technology improves mechanical properties and forms excellent joints compared to conventional melt-joining, and welding is performed with low heat input compared to conventional melt-welding by using frictional heat of the bonding tool and the specimen, resulting in small residual stress, less deformation, etc. It has advantages.

한편, 마찰교반 점 접합은 빠르게 회전하며 강한 압력에 의해 접합, 즉 용접되는 두 소재를 강제로 교반시켜 소성유동을 유발하는 기술로서 많은 장점을 가지는 것으로 알려져 있다.On the other hand, friction stir point joining is known to have many advantages as a technique that causes rapid rotation and rotation of the two materials to be welded by strong pressure, thereby causing plastic flow.

즉 마찰교반 점 접합은 접합 대상 소재의 용융반응을 수반하지 않으므로 기공(porosity)과 비금속 개재물을 감소시킬 수 있어 접합부의 품질특성을 향상시키는 것으로 알려지고 있다. 이에 따라, 자동차 분야에서 그 적용이 점차 확대되고 있다.That is, since friction stir point bonding does not involve the melting reaction of the material to be joined, it is known to improve the quality characteristics of the joint because porosity and non-metallic inclusions can be reduced. Accordingly, its application is gradually expanding in the automotive field.

그런데, 앞서도 기술한 것처럼 마찰교반 점 접합은 두 소재에 빠른 회전력과 강한 압력을 부여해야 하기 때문에 마찰교반 점 접합의 수행 시 약한 강도로 인한 소재의 처짐과 툴의 회전운동에 의한 비틀림이 발생될 소지가 상당히 높으며, 이로 인해 접합부의 들뜸 등의 불량을 야기시켜 품질불량을 유발시키는 문제점이 있으므로 이를 해결하기 위한 기술개발이 필요한 실정이다.However, as described above, since friction stir point bonding requires fast rotational force and strong pressure to be applied to both materials, deflection of material due to weak strength and distortion due to rotational movement of the tool may occur when performing friction stir point bonding. Is considerably high, and this causes a defect such as excitation of a joint, thereby causing quality defects, and thus it is necessary to develop a technology to solve the problem.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소재의 비틀림으로 인한 접합부의 들뜸 현상을 막을 수 있는 마찰교반 접합 장치를 제공하는 것이다.Technical problem to be achieved by the present invention is to solve the above problems, to provide a friction stir welding device that can prevent the lifting phenomenon of the joint due to the twist of the material.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 상하이동이 가능하고, 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하는 원통형의 마찰교반 접합 툴; 상기 마찰교반 접합 툴의 외주면을 둘러싸는 원통 형상의 홀더; 상기 원통 형상의 홀더 외측면에 대향하여 위치하는 한 쌍의 가이드 레일; 상기 한 쌍의 가이드 레일 외면에 위치하고, 상기 가이드 레일을 따라 상하이동이 가능하며, 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 지지부재; 및 상기 접합 대상 소재의 하면을 지지하는 다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention is possible to move up and down, a cylindrical friction stir welding tool that applies pressure and friction heat to a material to be joined; A cylindrical holder surrounding an outer circumferential surface of the friction stir welding tool; A pair of guide rails facing the outer surface of the cylindrical holder; A support member located on an outer surface of the pair of guide rails, movable up and down along the guide rail, and supporting an upper surface of the material to be joined; And it provides a friction stir welding device comprising a die for supporting the lower surface of the material to be joined.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마찰교반 접합 툴은 상기 접합 대상 소재 표면과 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전하면서 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the friction stir welding tool may be applied with pressure and frictional heat to the material to be joined while rotating with a rotation axis in a direction perpendicular to the surface of the material to be joined.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀더는 상기 마찰교반 접합 툴이 회전할 때 회전하지 않는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the holder may be one that does not rotate when the friction stir welding tool rotates.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 홀더는 상기 마찰교반 접합 툴과의 사이에 베어링을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the holder may include a bearing between the friction stir welding tool.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 베어링은, 구름 이동이 가능하게 하는 베어링 볼; 및 상기 베어링 볼의 배치간격을 유지하게 하는 리테이너를 포함하며, 상기 마찰교반 접합 툴의 외주면과 상기 베어링 볼이 맞닿아 있고 상기 홀더의 내주면과 상기 베어링 볼이 맞닿아 있는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bearing comprises: a bearing ball to enable rolling movement; And it includes a retainer to maintain the arrangement distance of the bearing ball, the outer peripheral surface of the friction stir welding tool and the bearing ball may be in contact with the inner peripheral surface of the holder and the bearing ball may be in contact.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마찰교반 접합 툴이 하강하여 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하기 전에 상기 지지부재가 상기 가이드 레일을 따라 먼저 하강하여 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하고, 상기 마찰교반 접합 툴이 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하여 접합을 끝내고 상승한 후에 상기 지지부재가 상승하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the support member first descends along the guide rail to support the upper surface of the material to be joined before the friction stir welding tool descends and applies pressure and frictional heat to the material to be joined, After the friction stir welding tool applies pressure and friction heat to the material to be joined, the support member may be raised after the bonding is finished and raised.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 장치를 사용하여 한 쌍의 판재를 접합하는 마찰교반 접합 방법으로서, 상기 한 쌍의 판재의 면끼리 맞대는 맞댐 단계; 상기 마찰교반 접합 장치의 지지부재가 하강하여 상기 맞대어진 판재의 상면을 지지하는 단계; 및 상기 면끼리 맞대어 형성된 맞댐부에 회전하는 마찰교반 접합 툴을 하강시켜 상기 면끼리 마찰교반 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention is a friction stir welding method of joining a pair of plate members using the apparatus, butting the surfaces of the pair of plate faces; The support member of the friction stir welding device descends to support the upper surface of the butt plate; And lowering the friction stir welding tool rotating on the abutting portion formed by abutting the faces, thereby providing friction stir welding between the faces.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 맞댐 단계에서 상기 판재의 면은 상기 판재의 모서리면을 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the surface of the plate material in the abutting step may include an edge surface of the plate material.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 판재는 각기 서로 다른 종류의 금속판인 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the pair of plate materials may be metal plates of different types.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 마찰교반 접합하는 단계 이후에 상기 마찰교반 접합 툴이 상승한 후에 상기 마찰교반 접합 장치의 지지부재가 상승하는 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, after the friction stir joining step, after the friction stir joining tool rises, the support member of the friction stir joining device may further include a step of raising.

본 발명의 실시예에 따르면, 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 지지부재를 포함하는 마찰교반 접합 장치를 제공하여 접합 대상 소재의 비틀림으로 인한 접합부의 들뜸 현상을 감소시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing a friction stir welding device including a support member for supporting the upper surface of the material to be joined, it is possible to reduce the lifting phenomenon of the joint due to the twist of the material to be joined.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마찰교반 접합 장치(100)의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마찰교반 접합 장치(100)의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰교반 접합 장치(100)의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마찰교반 접합 툴(110) 및 홀더(120)의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마찰교반 접합 방법을 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마찰교반 접합 결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 다른 마찰교반 접합 결과를 나타낸 사진이다.1 is a front view of a friction stir welding device 100 according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view of a friction stir welding device 100 according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view of a friction stir welding device 100 according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing the structures of the friction stir welding tool 110 and the holder 120 according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a friction stir welding method according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph showing the results of friction stir welding according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing the results of friction stir welding according to a comparative example of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" to another part, this is not only when it is "directly connected", but also "indirectly" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part is said to “include” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding the other component unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 마찰교반 접합 장치(100)에 대하여 설명한다.Hereinafter, the friction stir welding apparatus 100 will be described.

마찰교반 접합은 빠르게 회전하며 강한 압력에 의해 접합되는 두 소재를 강제로 교반시켜 소성유동을 유발하는 기술로서 많은 장점을 가지고 있다.Friction stir welding is a technology that rapidly rotates and forcibly agitates two materials joined by strong pressure to induce plastic flow, and has many advantages.

즉 마찰교반 접합은 접합 대상 소재의 용융반응을 수반하지 않으므로 기공(porosity)과 비금속 개재물을 감소시킬 수 있어 접합부의 품질특성을 향상시키는 것으로 알려지고 있다. 이에 따라, 정밀 접합이 필요한 분야에서 폭넓게 사용되고 있으며 그 적용분야가 점차 확대되고 있다.That is, since friction stir welding does not involve melting reaction of the material to be joined, it is known to improve porosity and non-metallic inclusions, thereby improving the quality characteristics of the joint. Accordingly, it is widely used in fields requiring precision bonding, and its application fields are gradually expanding.

마찰교반 접합은 두 소재에 빠른 회전력과 강한 압력을 부여해야 하기 때문에 마찰교반 접합의 수행 시 약한 강도로 인한 소재의 처짐과 툴의 회전운동에 의한 비틀림이 발생될 소지가 상당히 높으며, 이로 인해 접합부의 들뜸 등의 불량을 야기시켜 품질불량을 유발시키는 문제점이 있다. 특히 마찰교반 접합 툴이 압력을 가하는 부분에서 먼 부분일수록 들뜸이 심해지고 나아가 접합된 소재의 양면이 벌어지는 문제도 발생한다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 마찰교반 접합 장치(100)를 제공한다.Since friction stir welding requires fast rotational force and strong pressure to be applied to the two materials, there is a high possibility of deflection of the material due to weak strength and torsion due to the rotational movement of the tool when performing friction stir welding. There is a problem of causing quality defects by causing defects such as excitation. Particularly, the farther from the part where the friction stir welding tool applies pressure, the more the excitement becomes, and the problem arises that both sides of the joined material open. The present invention provides a friction stir welding device 100 that can solve this problem.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명은 상하이동이 가능하고, 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하는 원통형의 마찰교반 접합 툴(110); 상기 마찰교반 접합 툴의 외주면을 둘러싸는 원통 형상의 홀더(120); 상기 원통 형상의 홀더 외측면에 대향하여 위치하는 한 쌍의 가이드 레일(130); 상기 한 쌍의 가이드 레일 외면에 위치하고, 상기 가이드 레일을 따라 상하이동이 가능하며, 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 지지부재(140); 및 상기 접합 대상 소재의 하면을 지지하는 다이(미도시)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치를 제공한다.1 to 3, the present invention is possible to move up and down, cylindrical friction stir welding tool 110 for applying pressure and friction heat to the material to be joined; A cylindrical holder 120 surrounding the outer circumferential surface of the friction stir welding tool; A pair of guide rails 130 facing the outer surface of the cylindrical holder; A support member 140 located on an outer surface of the pair of guide rails, movable up and down along the guide rail, and supporting an upper surface of the material to be joined; And a die (not shown) supporting a lower surface of the material to be joined.

상기 마찰교반 접합 툴(110)은 상기 접합 대상 소재 표면과 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전하면서 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가한다.The friction stir welding tool 110 applies pressure and friction heat to the material to be joined while rotating with a rotation axis in a direction perpendicular to the surface of the material to be joined.

마찰교반 접합은 빠르게 회전하며 강한 압력에 의해 접합되는 두 개의 접합 대상 소재를 강제로 교반시켜 소성유동을 유발하는 기술이기 때문에 마찰교반 접합 툴(110)은 회전운동을 한다. 회전운동을 위해 마찰교반 접합 툴(110) 내부 또는 외부에 회전수단을 포함할 수 있으며, 외부에 회전수단이 위치하는 경우 그 회전력을 마찰교반 접합 툴(110)로 전달해 줄 별도의 수단이 필요하게 된다.Friction stir welding is a technique that rotates rapidly and is a technique that induces plastic flow by forcibly agitating two materials to be joined by strong pressure, so the friction stir welding tool 110 rotates. For rotational movement, the friction stir welding tool 110 may include a rotating means inside or outside, and when the rotating means is located outside, a separate means for transmitting the rotational force to the friction stir welding tool 110 is required. do.

상기 마찰교반 접합 툴(110) 외면에 원통 형상의 홀더(120)를 포함할 수 있다. 원통 형상의 홀더(120)는 상기 마찰교반 접합 툴(110)의 외주면을 둘러싸면서 마찰교반 접합 툴(110)의 회전운동을 방해하지 않는 것이어야 한다. 또한 마찰교반 접합 툴(110)의 상하이동을 방해해서는 안되므로 원통 형상의 홀더(120)는 마찰교반 접합 툴(110)의 최대 지름과 동일하거나 그보다 약간 큰 지름을 가질 수 있다. 또한 마찰교반 접합 툴(110)과 원통 형상의 홀더(120) 사이에 마찰을 줄이기 위해 윤활유, 구리스 등을 추가로 주입할 수 있다.A cylindrical holder 120 may be included on the outer surface of the friction stir welding tool 110. The cylindrical holder 120 should surround the outer circumferential surface of the friction stir welding tool 110 and not interfere with the rotational movement of the friction stir welding tool 110. In addition, since the friction stir welding tool 110 should not be disturbed, the cylindrical holder 120 may have a diameter equal to or slightly larger than the maximum diameter of the friction stir welding tool 110. Also, to reduce friction between the friction stir welding tool 110 and the cylindrical holder 120, lubricant, grease, etc. may be additionally injected.

상기 원통 형상의 홀더(120) 외측면에 대향하여 위치하는 한 쌍의 가이드 레일(130)이 위치한다. 상기 가이드 레일(130)은 상기 지지부재(140)가 상하이동이 가능하게 하고 홀더(120)와 지지부재(140) 사이를 연결한다. 상기 가이드 레일(130)의 형태는 지지부재(140)를 슬라이드 하여 상하이동 시킬 수 있는 것이면 제한되지 않으며, 상하이동을 위한 승강수단을 추가로 구비할 수 있다. A pair of guide rails 130 positioned opposite to the outer surface of the cylindrical holder 120 are positioned. The guide rail 130 enables the support member 140 to move up and down and connects between the holder 120 and the support member 140. The shape of the guide rail 130 is not limited as long as it can slide the support member 140 to move up and down, and may further include a lifting means for moving up and down.

상기 가이드 레일(130) 외면에는 상기 지지부재(140)가 위치한다. 지지부재(140)는 원통 형상의 홀더(120)에 밀착될 수 있게 단면이 원호인 형상을 가질 수 있으며, 접합 대상 소재의 상면을 충분히 지지할 수 있도록 단면이 밑면으로 갈수록 넓어지는 형태일 수 있다.The support member 140 is located on the outer surface of the guide rail 130. The support member 140 may have a circular cross-section to be in close contact with the cylindrical holder 120, and the cross-section may be widened toward the bottom to sufficiently support the upper surface of the material to be joined. .

상기 가이드 레일(130)의 두께와 지지부재(140)의 두께를 조절하여 마찰교반 접합 시 접합 대상 소재를 지지하는 부위를 조절할 수 있다.The thickness of the guide rail 130 and the thickness of the support member 140 may be adjusted to control a portion supporting the material to be joined during friction stir welding.

상기 원통 형상의 홀더(120)는 상기 마찰교반 접합 툴(110) 또는 상기 지지부재(140)가 상하이동할 때 위치가 고정되어 있는 것일 수 있다. 특히 상기 홀더는 상기 마찰교반 접합 툴이 회전할 때 회전하지 않는 것일 수 있다. 고정되어 있는 원통 형상의 홀더(120)를 중심으로 내부에서는 마찰교반 접합 툴(110)이 회전 또는 상하이동을 하면서 마찰교반 접합을 하고, 원통 형상의 홀더(120) 외부에서는 지지부재(140)가 상하이동을 하면서 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 것이다.The cylindrical holder 120 may have a fixed position when the friction stir welding tool 110 or the support member 140 moves up and down. Particularly, the holder may not rotate when the friction stir welding tool rotates. The friction stir welding tool 110 rotates or moves up and down while the fixed cylindrical holder 120 is centered, and the support member 140 is provided outside the cylindrical holder 120. It is to support the upper surface of the material to be joined while moving in Shanghai.

접합 대상 소재의 지지는 지지부재(140)와 다이에 의해서 수행된다. 접합 대상 소재가 놓여지게 되는 다이는 접합 대상 소재의 하면을 지지하고, 지지부재(140)는 접합 대상 소재의 상면을 지지한다. 특히 지지부재(140)는 마찰교반 접합 툴(110)이 압력을 가하는 부분 주변에서 접합 대상 소재의 상면을 지지하여 마찰교반 접합 툴(110)이 가하는 압력에 의해 접합 대상 소재가 들뜨지 않도록 해준다.Support of the material to be joined is performed by the support member 140 and the die. The die on which the bonding material is placed supports the lower surface of the bonding material, and the supporting member 140 supports the upper surface of the bonding material. In particular, the support member 140 supports the upper surface of the material to be joined around the portion where the friction stir welding tool 110 applies pressure, so that the material to be joined is not lifted by the pressure applied by the friction stir welding tool 110.

상기 마찰교반 접합 툴(110)이 하강하여 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하기 전에 상기 지지부재(140)가 상기 가이드 레일(130)을 따라 먼저 하강하여 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하고, 상기 마찰교반 접합 툴(110)이 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하여 접합을 끝내고 상승한 후에 상기 지지부재(140)가 상승하는 것일 수 있다.Before the friction stir welding tool 110 descends and applies pressure and frictional heat to the material to be joined, the support member 140 descends first along the guide rail 130 to support the upper surface of the material to be joined, The support member 140 may be raised after the friction stir welding tool 110 applies pressure and friction heat to the material to be joined to finish bonding and then rise.

마찰교반 접합 툴(110)이 마찰교반 접합을 시작하기 전에 지지부재(140)가 하강하여 접합 대상 소재를 지지함으로써 마찰교반 접합 시작과 동시에 접합 대상 소재에 가해지는 압력에 의해 접합 대상 소재가 들뜨거나 휘어지는 것을 막아주는 것이다. 마찰교반 접합이 끝난 후에도 마찰교반 접합 툴(110)이 먼저 상승하도록 하여 접합 대상 소재에 가해지는 압력을 제거하고, 그 뒤에 지지부재(140)가 상승하도록 함으로써 접합 대상 소재가 들뜨는 것을 완전히 막아준다.Before the friction stir welding tool 110 starts friction stir welding, the support member 140 descends to support the material to be joined, so that the material to be joined is lifted by pressure applied to the material to be joined at the same time as the friction stir welding starts. It is to prevent bending. Even after the friction stir joining is completed, the friction stir joining tool 110 is first raised to remove pressure applied to the material to be joined, and then the support member 140 is raised to completely prevent the material to be joined from being lifted.

본 발명은 지지부재(140)가 접합 대상 소재의 상면을 지지하면서 마찰교반 접합을 수행하게 하므로, 지그 등의 별도의 수단 없이 접합 대상 소재가 마찰교반 접합 과정에서 들뜨는 것을 방지할 수 있다. 이로 인하여 마찰교반 접합 결과물의 품질도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In the present invention, since the support member 140 performs friction stir welding while supporting the upper surface of the material to be joined, it is possible to prevent the material to be joined from being lifted in the process of friction stir welding without a separate means such as a jig. Due to this, it is possible to improve the quality of the result of friction stir welding.

도 4를 참고하면, 상기 홀더(120)는 상기 마찰교반 접합 툴(110)과의 사이에 베어링을 포함하는 것일 수 있다. 도 4는 마찰교반 접합 틀(110)과 홀더(120)의 단면을 예시적으로 나타낸 것으로서 다른 도면에서는 이 구조를 생략하였다. 도 4에는 예시적으로 하나의 베어링만을 나타내었으나 필요에 따라 둘 이상의 베어링을 포함할 수 있다. 베어링 수가 늘어나면 마찰교반 접합 툴(110)의 회전 및 상하이동에 마찰을 더욱 줄일 수 있다.Referring to FIG. 4, the holder 120 may include a bearing between the friction stir welding tool 110. 4 is a cross-sectional view of the friction stir welding frame 110 and the holder 120 as an example, and in other drawings, this structure is omitted. Although only one bearing is illustrated in FIG. 4, two or more bearings may be included as necessary. When the number of bearings increases, friction in rotation and vertical movement of the friction stir welding tool 110 can be further reduced.

상기 베어링은 구름 이동이 가능하게 하는 베어링 볼(150); 및 상기 베어링 볼의 배치간격을 유지하게 하는 리테이너(160)를 포함하며, 상기 마찰교반 접합 툴(110)의 외주면과 상기 베어링 볼(150)이 맞닿아 있고 상기 홀더(120)의 내주면과 상기 베어링 볼(150)이 맞닿아 있는 것일 수 있다.The bearing includes a bearing ball 150 that enables rolling movement; And a retainer 160 to maintain the arrangement interval of the bearing ball, wherein the outer circumferential surface of the friction stir welding tool 110 and the bearing ball 150 are in contact with the inner circumferential surface of the holder 120 and the bearing. The ball 150 may be in contact.

상기 홀더(120)는 상기 마찰교반 접합 툴(110)의 회전 또는 상하이동에도 불구하고 회전하지 않거나 상하이동하지 않고, 마찰교반 접합 툴(110)의 회전 또는 상하이동을 방해해서는 안 된다. 따라서 상기 홀더(120)와 마찰교반 접합 툴(110) 사이에 베어링을 포함하여 마찰을 줄여주는 것이다. 상기 베어링은 볼 베어링에서 내륜과 외륜의 역할을 각각 마찰교반 접합 툴(110)의 외주면과 홀더(120)의 내주면이 수행하게 함으로써 마찰교반 접합 툴(110)의 회전 또는 상하이동 모두에 마찰을 줄일 수 있다.The holder 120 does not rotate or move in spite of rotation or fluctuation of the friction stir welding tool 110 and should not interfere with rotation or fluctuation of the friction stir welding tool 110. Accordingly, friction is reduced by including a bearing between the holder 120 and the friction stir welding tool 110. The bearings reduce friction in both rotation and vertical movement of the friction stir welding tool 110 by allowing the outer circumferential surface of the friction stir welding tool 110 and the inner circumferential surface of the holder 120 to perform the roles of the inner ring and the outer ring in the ball bearing, respectively. You can.

상기 홀더(120)는 베어링이 밑으로 빠지는 것을 방지하기 위하여 하부의 개구부에 만입부를 형성할 수 있다.The holder 120 may form an indentation in the lower opening to prevent the bearing from falling downward.

이하, 마찰교반 접합 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, the friction stir welding method will be described.

본 발명의 다른 실시예는 상기 장치를 사용하여 한 쌍의 판재를 접합하는 마찰교반 접합 방법으로서, 상기 한 쌍의 판재의 면끼리 맞대는 맞댐 단계; 상기 마찰교반 접합 장치(100)의 지지부재(140)가 하강하여 상기 맞대어진 판재의 상면을 지지하는 단계; 및 상기 면끼리 맞대어 형성된 맞댐부에 회전하는 마찰교반 접합 툴(110)을 하강시켜 상기 면끼리 마찰교반 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention is a friction stir welding method of joining a pair of plate members using the above device, butt-to-face abutting the pair of plate members; The support member 140 of the friction stir welding device 100 descends to support the upper surface of the butt plate; And it provides a friction stir welding method comprising the step of lowering the friction stir welding tool 110 that rotates on the butt formed between the faces to face and friction stir between the faces.

상기 맞댐 단계에서 맞댐은 두 판재의 넓은 면을 포개는 것일 수 있다. 따라서 상기 맞댐부는 포갬부일 수 있다.In the abutting step, the abutting may be to superimpose a wide surface of two plates. Therefore, the abutting portion may be a forcing portion.

상기 맞댐 단계에서 상기 판재의 면은 상기 판재의 모서리면을 포함할 수 있다. 마찰교반 접합에서 접합 대상 소재가 변형되거나 들뜨는 문제는 주로 한 쌍의 판재를 겹쳐서 마찰교반 접합하는 경우에 발생하나, 한 쌍의 판재를 모서리를 맞대어 접합하는 경우에도 발생할 수 있다. 본 발명의 마찰교반 접합 장치(100) 및 방법에 따라 접합하는 경우 지지부재(140)로 접합 대상 소재의 상면을 지지하여 모서리를 맞대어 접합하는 경우에도 소재의 변형 및 들뜨는 현상을 방지할 수 있다.In the abutting step, the surface of the plate material may include an edge surface of the plate material. In the friction stir welding, the problem of deformation or excitation of the material to be joined occurs mainly when the friction stir welding is performed by overlapping a pair of plates, but may also occur when joining the pair of plate plates against each other. In the case of joining according to the friction stir welding apparatus 100 and the method of the present invention, the support member 140 supports the upper surface of the material to be joined, and even when the edges are joined to each other, deformation and excitation of the material can be prevented.

상기 한 쌍의 판재는 동종 또는 이종의 금속판인 것일 수 있다. 또는 상기 한 쌍의 판재는 하나는 금속판이고 다른 하나는 컴포지트, 컴포지트 FRP 및 글래스 FRP 중 어느 하나일 수 있다.The pair of plate materials may be the same or different metal plates. Alternatively, the pair of plate materials may be one of a metal plate and the other may be any one of composite, composite FRP, and glass FRP.

특히 상기 한 쌍의 판재는 각기 서로 다른 종류의 금속판인 것일 수 있다. 마찰교반 접합은 이종 소재의 접합에 효과적일 수 있다. 각기 서로 다른 종류의 금속판을 강제로 교반하여 소성유동을 유발하고 이를 통해 이종 소재간 접합이 가능해지는 것이다. 금속판의 종류는 제한적이지 않다.In particular, the pair of plates may be metal plates of different types. Friction stir joining can be effective for joining dissimilar materials. The different types of metal plates are forcibly stirred to induce plastic flow and through this, bonding between dissimilar materials is possible. The type of the metal plate is not limited.

상기 마찰교반 접합하는 단계 이후에 상기 마찰교반 접합 툴(110)이 상승한 후에 상기 마찰교반 접합 장치(100)의 지지부재(140)가 상승하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.After the friction stir joining step, after the friction stir joining tool 110 rises, the support member 140 of the friction stir joining device 100 may further include a step of rising.

도 5를 참고하면, (a)에서 지지부재(140)가 먼저 하강하여 접합 대상 소재의 상면을 지지하고, (b)에서 마찰교반 접합 툴(110)이 하강하여 마찰교반 접합을 수행 후, (c)에서 마찰교반 접합 툴(110)이 먼저 상승하고 (d)에서 지지부재(140)가 상승하여 마찰교반 접합이 종료된다. 도 5의 (b), (c), (d)에서 접합 대상 소재에 나타낸 원형 표시는 마찰교반 접합 툴(110)에 의하여 소성유동이 유발되는 영역을 표시한 것이다.Referring to FIG. 5, in (a), the support member 140 descends first to support the upper surface of the material to be joined, and in (b) the friction stir welding tool 110 descends to perform friction stir welding, ( In c), the friction stir welding tool 110 first rises, and in (d) the support member 140 rises, thereby ending the friction stir welding. The circular marks shown on the materials to be joined in (b), (c), and (d) of FIG. 5 indicate areas where plastic flow is caused by the friction stir welding tool 110.

마찰교반 접합 툴(110)이 마찰교반 접합을 시작하기 전에 지지부재(140)가 하강하여 접합 대상 소재를 지지함으로써 마찰교반 접합 시작과 동시에 접합 대상 소재에 가해지는 압력에 의해 접합 대상 소재가 들뜨거나 휘어지는 것을 막아주는 것이다. 마찰교반 접합이 끝난 후에도 마찰교반 접합 툴(110)이 먼저 상승하여 접합 대상 소재에 가해지는 압력을 제거하고, 그 뒤에 지지부재(140)가 상승하도록 함으로써 접합 대상 소재가 들뜨는 것을 완전히 막아준다.Before the friction stir welding tool 110 starts the friction stir welding, the support member 140 descends to support the material to be joined, and the material to be joined is lifted by the pressure applied to the material to be joined at the same time as the friction stir welding starts. It is to prevent bending. Even after the friction stir welding is finished, the friction stir welding tool 110 first rises to remove the pressure applied to the material to be joined, and then the support member 140 is raised to completely prevent the material to be joined from being lifted.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.

<실시예><Example>

접합 대상 소재로서 각각 알루미늄 합금 판으로 된 두 개의 부품의 면을 맞대어 다이 위에 위치시키고 지지부재(140)를 하강시켜 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하게 하였다. 이후 마찰교반 접합 툴(110)을 하강하여 접합 대상 소재의 맞댐면을 따라 마찰교반 접합시키고 마찰교반 접합 툴(110)을 상승시킨 다음 지지부재(140)를 상승시켜 마찰교반 접합을 종료하였다.As the material to be joined, the surfaces of the two parts each made of aluminum alloy plate were placed on the die, and the support member 140 was lowered to support the upper surface of the material to be joined. Thereafter, the friction stir welding tool 110 was lowered to friction stir welding along the abutting surface of the material to be joined, the friction stir welding tool 110 was raised, and then the support member 140 was raised to end the friction stir welding.

<비교예><Comparative Example>

지지부재(140)를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 마찰교반 접합을 수행하였다.A friction stir welding was performed in the same manner as in the above embodiment, except that the support member 140 was not used.

도 6은 실시예에 따른 마찰교반 접합 결과를 나타낸 사진이고, 도 7은 비교예에 따른 마찰교반 접합 결과를 나타낸 사진이다. 도 6 및 도 7을 종합하여 보면 비교예에서는 접합면에 들뜸이 발생하나, 본 발명에 따른 실시예에서는 접합면에서 들뜸이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.6 is a photograph showing the results of friction stir welding according to an embodiment, and FIG. 7 is a photograph showing the results of friction stir welding according to a comparative example. 6 and 7, it can be seen that in the comparative example, excitation occurs on the bonding surface, but in the embodiment according to the present invention, excitation does not occur on the bonding surface.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

100 : 마찰교반 접합 장치
110 : 마찰교반 접합 툴
120 : 홀더
130 : 가이드 레일
140 : 지지부재
150 : 베어링 볼
160 : 리테이너100: friction stir welding device
110: friction stir welding tool
120: holder
130: guide rail
140: support member
150: bearing ball
160: retainer

Claims (10)

상하이동이 가능하고, 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하는 원통형의 마찰교반 접합 툴;
상기 마찰교반 접합 툴과의 사이에 베어링을 포함하고, 상기 베어링이 밑으로 빠지는 것을 방지하기 위해 하부의 개구부에 만입부가 형성되어, 상기 마찰교반 접합 툴의 외주면을 둘러싸는 원통 형상의 홀더;
상기 원통 형상의 홀더 외측면에 대향하여 위치하는 한 쌍의 가이드 레일;
단면이 밑면으로 갈수록 넓어지는 형태로 형성되어, 상기 한 쌍의 가이드 레일 외면에 위치하고, 상기 가이드 레일을 따라 상하이동이 가능하며, 상기 마찰교반 접합 툴이 가하는 압력에 의해 상기 접합 대상 소재가 들뜨지 않도록 상기 마찰교반 접합 툴이 압력을 가하는 부분 주변에서, 상기 한 쌍의 홀더 및 한 쌍의 가이드레일에 의해 상기 마찰교반 접합 툴의 외주면과 일정 간격 이격되어 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하는 지지부재; 및
상기 접합 대상 소재의 하면을 지지하는 다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치.A cylindrical friction stir welding tool capable of moving up and down and applying pressure and friction heat to a material to be joined;
A cylindrical holder including a bearing between the friction stir welding tool and an indentation formed in an opening in the lower portion to prevent the bearing from falling downward, and surrounding the outer circumferential surface of the friction stir welding tool;
A pair of guide rails facing the outer surface of the cylindrical holder;
The cross-section is formed in a shape that becomes wider toward the bottom, is located on the outer surface of the pair of guide rails, is movable up and down along the guide rail, and prevents the material to be joined from being lifted by the pressure applied by the friction stir welding tool. A support member for supporting the upper surface of the material to be joined by being spaced apart from the outer circumferential surface of the friction stir welding tool by a pair of holders and a pair of guide rails around a portion where the friction stir welding tool applies pressure; And
And a die supporting the lower surface of the material to be joined. 제1항에 있어서,
상기 마찰교반 접합 툴은 상기 접합 대상 소재 표면과 수직인 방향을 회전축으로 하여 회전하면서 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치.According to claim 1,
The friction stir welding tool is a friction stir welding device, characterized in that applying pressure and friction heat to the material to be joined while rotating with a rotation axis in a direction perpendicular to the surface of the material to be joined. 제2항에 있어서,
상기 홀더는 상기 마찰교반 접합 툴이 회전할 때 회전하지 않는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치.According to claim 2,
The holder is a friction stir welding device, characterized in that when the friction stir welding tool does not rotate. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 베어링은,
구름 이동이 가능하게 하는 베어링 볼; 및
상기 베어링 볼의 배치간격을 유지하게 하는 리테이너를 포함하며,
상기 마찰교반 접합 툴의 외주면과 상기 베어링 볼이 맞닿아 있고 상기 홀더의 내주면과 상기 베어링 볼이 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치.According to claim 1,
The bearing,
A bearing ball enabling rolling movement; And
It includes a retainer to maintain the arrangement distance of the bearing ball,
A friction stir welding device, characterized in that the outer circumferential surface of the friction stir welding tool is in contact with the bearing ball and the inner circumferential surface of the holder is in contact with the bearing ball. 제1항에 있어서,
상기 마찰교반 접합 툴이 하강하여 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하기 전에 상기 지지부재가 상기 가이드 레일을 따라 먼저 하강하여 상기 접합 대상 소재의 상면을 지지하고,
상기 마찰교반 접합 툴이 상기 접합 대상 소재에 압력과 마찰열을 가하여 접합을 끝내고 상승한 후에 상기 지지부재가 상승하는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치.According to claim 1,
Before the friction stir welding tool descends and applies pressure and frictional heat to the material to be joined, the support member first descends along the guide rail to support the upper surface of the material to be joined,
A friction stir welding device characterized in that the support member rises after the friction stir joining tool finishes joining by applying pressure and friction heat to the material to be joined and rises. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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