KR102120389B1 - 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치에 관한 것으로서, 본체와, 상기 본체의 일측에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되는 주축과, 상기 주축의 하부에 결합되어 상기 주축이 회전하는 경우 동반회전하고, 하단부에 용접팁이 형성된 용접부 및 상기 본체 또는 상기 용접부 중 어느 하나에 설치되고, 일측이 상기 용접팁 부근에 설치되며, 상기 용접팁의 후단에서 상기 모재 일측에 접촉되는 숄더부를 포함하는 것을 특징으로 하는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치를 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 마찰교반 용접시 숄더부를 통해 모재의 상면을 가압하여 모재와 모재간 들뜸현상을 방지하영 용접품질을 향상시킬 수 있으면서도 마찰용접 과정에서 발생하는 버를 제거함으로써 별도로 버 제거작업을 수행하기 위한 시간과 인건비를 절감할 수 있고, 이에 작업시간 및 작업비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치{Friction stir welding apparatus having shoulder unit}

본 발명은 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰교반 용접시 숄더부를 통해 모재의 상면을 가압하여 모재와 모재간 들뜸현상을 방지하영 용접품질을 향상시킬 수 있으면서도 마찰용접 과정에서 발생하는 버를 제거함으로써 별도로 버 제거작업을 수행하기 위한 시간과 인건비를 절감할 수 있고, 이에 작업시간 및 작업비용을 크게 절감할 수 있는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치에 관한 것이다.

산업계에서는 환경보호와 에너지 절감에 대한 요구가 국내외적으로 높아짐에 따라 경량화에 대한 기술개발이 활발하게 진행되고 있으며, 경량합금 중 내식성, 연신율, 가공성이 우수하고 재활용성이 좋은 알루미늄 합금이 주목받고 있다.

이러한, 알루미늄 합금의 경우 위와 같은 장점에도 불구하고, 알루미늄 합금과 알루미늄 합금간 접합이 어려운 문제점이 있는데, 최근에는 상기한 알루미늄 합금의 접합 한계성을 해결하기 위해 마찰교반용접(Friction Stir Welding :FSW)기술을 이용하고 있다.

상기한, 마찰교반용접(Friction Stir Welding)기술은 한 쌍의 박판 접합영역 상하부에 각각 용접팁이 접촉되고, 접촉된 한 쌍의 용접팁이 회전함에 따라 발생하는 마찰열을 이용하여 재표, 즉 박판 내 역성유동에 의해 용접하는 고상 접합으로서, 아크 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 등의 용융 용접에 비해 블로홀이나 갈라짐이 발생하지 않고 용접에 따른 변형이 적다는 특징을 갖는다.

그리고, 마찰교반용접은 초기 알루미늄 합금에 사용이 국한되었으나, 최근에는 기술의 발달로 인해 다양한 경량소재뿐만 아니라 일반 강재의 용접에까지 확대 사용이 가능하게 되었다.

뿐만 아니라 최근에는 복합재와 세라믹 등의 다양한 소재와의 접합기술을 요구하는 이종재료의 접합에서도 기존 다른 용접기술과 비교하여 상대적으로 좋은 용접성을 나타내고 있는 바 철도 차량, 항공기, 자동차 분양등으로 그 적용분야가 증대되고 있다.

도1은 종래의 마찰교반 용접장치를 도시한 도면이다.

도1에서 보는 바와 같이 종래의 마찰교반 용접장치(100)는 접합하고자 하는 복수의 모재(M) 상부에 회전가능하게 설치되는 주축(110)과, 주축(110)의 단부에 결합되고 모재(M)의 일측 중 용접대상영역에 접하는 용접팁(121)이 형성된 용접부(120)와, 주축(110)을 회전시키는 구동부재(미도시)로 구성되며, 구동부재(미도시)가 모재(M)의 접합부 상부에 배치된 주축(110)를 회전시킴과 아울러 모재(M)의 접합영역을 따라 이송한다.

이에 용접팁(121)과 모재(M)의 접합영역 사이에 발생된 마찰력과, 주축(110)이 가하는 회전력에 의해 가소화된 모재(M)의 접합영역에 소성 유동이 발생되고, 소성 유동을 통한 각 모재(M)간 교반 작용으로 고상접합이 이루어진다.

그러나, 종래의 마찰교반 용접장치(100)는 모재(M)를 마찰용접하는 과정에서 용접팁(121)과 모재(M)의 접합영역 사이에 발생되는 마찰력에 의해 모재(M)의 표면이 일어남에 따라 버(bur)가 발생되며, 이는 모재(M)의 용접작업을 완료한 후 모재(M) 표면에 발생한 버(bur)를 제거하기 위한 별도의 버 제거작업이 수행되는데, 버 제거작업에 상당한 시간과 별도의 인력이 요구되는 바 모재(M)의 용접작업시간이 크게 증가하고, 버 제거작업에 따른 인력비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 마찰교반 용접장치(100)는 각 모재의 형상, 환경요인으로 인한 비틀림등으로 인하여 모재와 모재간 들뜸현상이 발생하는 바 마찰교반 용접작업시 모재와 모재간 들뜸현상으로 용접대상영역에 유동이 발생함에 따라 용접품질이 현저하게 저하되고, 이에 작업신뢰도가 크게 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마찰교반 용접시 숄더부를 통해 모재의 상면을 가압하여 모재와 모재간 들뜸현상을 방지하영 용접품질을 향상시킬 수 있으면서도 마찰용접 과정에서 발생하는 버를 제거함으로써 별도로 버 제거작업을 수행하기 위한 시간과 인건비를 절감할 수 있고, 이에 작업시간 및 작업비용을 크게 절감할 수 있는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 모재의 접촉면에 발생되는 마찰열을 이용하여 용접시키는 마찰교반 용접장치에 있어서, 본체와, 상기 본체의 일측에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되는 주축과, 상기 주축의 하부에 결합되어 상기 주축이 회전하는 경우 동반회전하고, 하단부에 용접팁이 형성된 용접부 및 상기 주축의 외면 일측에 자유회전가능하게 설치되고, 일측이 상기 용접팁 부근에 배치되며, 상기 용접팁의 후단에서 상기 모재 일측에 접촉되는 숄더부를 포함하는 것을 특징으로 하는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치를 제공한다.

그리고, 상기 숄더부는 하단 일측으로부터 외측방향으로 상향경사지게 경사부가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 숄더부는 상기 주축의 외면 일측에 설치되고, 상기 용접팁을 둘러싸도록 형성될 수 있다.

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상기와 같은 본 발명에 따르면, 마찰교반 용접시 숄더부를 통해 모재의 상면을 가압하여 모재와 모재간 들뜸현상을 방지하영 용접품질을 향상시킬 수 있으면서도 마찰용접 과정에서 발생하는 버를 제거함으로써 별도로 버 제거작업을 수행하기 위한 시간과 인건비를 절감할 수 있고, 이에 작업시간 및 작업비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래의 마찰교반 용접장치를 도시한 도면,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 사시도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 단면도,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 모재를 마찰교반용접하면서 버를 제거하는 상태를 도시한 도면,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 단면도.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 사시도이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 단면도이다.

도2 및 도3에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치(1)는 본체(10)와, 주축(20)과, 용접부(30) 및 숄더부(40)를 포함하여 구성된다.

본체(10)는 설치대상영역 고정설치되어 후술하는 주축(20) 및 회전력제공수단(미도시)의 설치영역을 제공함과 아울러 주축(20)을 지지하여 주축(20)이 안정적으로 회전할 수 있도록 하는 역할을 한다.

주축(20)은 본체(10)의 일측 중 접합하고자 하는 복수의 모재 상부와 대응되는 일측에 회전가능하게 설치되고, 회전력제공수단(미도시)으로부터 회전력을 제공받아 회전하는 경우 그 회전력을 후술하는 용접부(30)에 전달하는 역할을 한다.

용접부(30)는 주축(20)의 하부에 결합되는 몸체부(31)와, 몸체부(31)의 하단부에 설치되는 용접팁(32)을 포함하여 구성되며, 용접하고자 하는 복수개의 모재를 상호 마찰교반용접하는 역할을 한다.

몸체부(31)는 대략 원기둥형상으로 형성되고, 주축(20)의 하부에 결합되어 주축(20)이 회전하는 경우 동반 회전함으로써 하부에 결합되는 용접팁(32)에 회전력을 제공함과 아울러 용접팁(32)을 지지하여 용접팁(32)이 안정적으로 회전할 수 있도록 하는 역할을 한다.

용접팁(32)은 몸체부(31)의 하부에 설치되고, 용접하고자 하는 모재의 표면에 접촉되는 바 주축(20)이 회전하는 경우 동반 회전하여 마찰열에 의해 용접하고자 하는 복수개의 모재를 상호 접합하는 역할을 한다.

숄더부(40)는 대략 원통형상으로 형성되고, 본체(10)의 하부 일측에 결합되되, 주축(20)의 일측 및 용접팁(32)을 둘러싸도록 형성되며, 하단 일측으로부터 외측방향으로 상향경사지게 경사부(41)가 형성되는데, 여기서, 경사부(41)를 형성하는 이유는 숄더부(40)와, 모재간 접촉하는 경우 그 접촉면적이 과도하게 넓어지는 것을 방지함으로써 숄더부(40)와 모재간 마찰에 의한 숄더부(40) 또는 모재의 손상을 최소화하기 위함이다.

이러한, 숄더부(40)는 마찰교반용접시 본체(10)의 일측 중 용접팁(32) 후측에 고정결합된 상태에서 하단 일측이 모재에 접촉된 상태로 용접팁(32)이 이동함에 따라 일방향으로 동반이동함으로써 모재의 상면을 가압하여 모재와 모재간 들뜸현상을 방지함과 아울러 마찰교반용접 과정에서 발생하는 버를 제거하는 역할을 한다.

또한, 숄더부(40)는 마찰교반용접시 회전하지 않는 바 모재와의 마찰력에 의해 발생하는 마찰열을 최소화하기 위해 그 내부에 냉각수가 공급될 수 있도록 냉각수 유로(Y)가 형성되는 것이 바람직하다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 모재를 마찰교반용접하면서 버를 제거하는 상태를 도시한 도면이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 동작을 첨부된 도4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 접합하고자 하는 복수개의 모재를 용접부(30)의 하부에 배치하되, 모재의 접합영역이 용접팁(32)이 접촉되도록 함과 아울러 숄더부(40)의 하단부가 용접팁 후측에서 모재의 상면 일측에 접촉되도록 한다.

다음, 주축(20)이 회전하고, 주축(20)이 회전함에 따라 용접팁(32)이 동반 회전하며, 용접팁(32)의 회전력에 의해 용접팁(32)과 모재간 마찰력이 발생함과 아울러 주축(20)이 가하는 회전력에 의해 가소화된 모재의 접합영역에 소성 유동이 발생되고, 소성 유동을 통한 각 모재간 교반 작용으로 고상접합이 이루어진다.

이때, 숄더부(40)는 용접팁(32)이 일방향으로 이동하는 경우 동반 이동하면서 모재의 상면 일측을 가압함과 동시에 마찰교반용접시 발생한 버를 긁어냄과 동시에 하방으로 가압함으로써 버를 제거한다.

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치의 단면도이다.

도5 실시예의 기본적인 구성은 도2 내지 도4의 실시예와 동일하나, 숄더부(40)가 모재 일측에 접촉된 상태에서 용접팁(32)의 이동동작에 따라 동반 이동하면서 버를 제거하는 경우 모재와의 마찰력에 의한 손상을 보다 최소화할 수 있는 구조로 형성된다.

보다 상술하면, 도5에서 보는 바와 같이 본 실시예는 전 실시예와 달리 숄더부(40)가 주축의 일측에 자유회전가능하게 설치된다.

이에 숄더부(40)는 마찰교반용접시 모재에 접촉된 접촉압력에 대응하여 자유회전함으로써 을 뿐 아니라 모재를 안정적으로 가압하고, 버를 쉽게 제거하면서도 모재와의 마찰력으로 인한 손상을 보다 저감시킬 수 있는 특징을 갖는다.

그 외의 구조는 전술한 기본 실시예와 동일하므로 나머지 설명은 생략하기로 한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 본체 20 : 주축
30 : 용접부 31 : 몸체부
32 : 용접팁 40 : 숄더부
41 : 경사부

Claims (5)

1. 모재의 접촉면에 발생되는 마찰열을 이용하여 용접시키는 마찰교반 용접장치에 있어서,
   본체와;
   상기 본체의 일측에 상하방향으로 이동가능하게 설치됨과 아울러 회전가능하게 설치되는 주축과;
   상기 주축의 하부에 결합되어 상기 주축이 회전하는 경우 동반회전하고, 하단부에 용접팁이 형성된 용접부; 및
   상기 주축의 외면 일측에 자유회전가능하게 설치되고, 일측이 상기 용접팁 부근에 배치되며, 상기 용접팁의 후단에서 상기 모재 일측에 접촉되는 숄더부를 포함하는 것을 특징으로 하는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 숄더부는 하단 일측으로부터 외측방향으로 상향경사지게 경사부가 형성되는 것을 특징으로 하는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 숄더부는 상기 주축의 외면 일측에 설치되고, 상기 용접팁을 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 숄더부가 구비된 마찰교반 용접장치.
   
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