KR102265585B1

KR102265585B1 - 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴

Info

Publication number: KR102265585B1
Application number: KR1020200079697A
Authority: KR
Inventors: 최성종; 김호찬
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-06-15
Also published as: US20210402505A1; US11453083B2; CN113857642A; CN113857642B

Abstract

본 발명은 마찰교반용접 과정에서 교반부 소성 유동성을 촉진시킬 수 있고, 프로브 및 숄더의 마모에 따른 보정과 교체를 신속하게 할 수 있도록 한 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴에 관한 것으로서, 상부록킹부재의 중심에 프로브와 생크 사이에 열전도를 방해할 수 있게 열전도가 낮은 재질로 구성된 지지축이 생크와 함께 결합되며, 상기 상부록킹부재의 하부에는 가운데 프로브와 인ㆍ아웃숄더가 각각 결합되며, 상기 프로브와 인ㆍ아웃숄더가 이탈하지 않게 상부록킹부재의 하부에 하부록킹부재가 체결고정되며, 상기 하부록킹부재는 툴이 회전시 하부록킹부재에서 이완되지 않게 와셔 및 록킹너트를 하부록킹부재의 상부에서 체결하여 록킹너트가 하부록킹부재를 와셔를 통해 가압하도록 구성된 것이 특징이다.

Description

프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴{Friction Stir Welding(FSW) Tool with Adjustable Probe Length and Depth of Shoulder Groove}

본 발명은 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마찰교반용접 과정에서 교반부 소성 유동성을 촉진시킬 수 있고, 프로브 및 숄더의 마모에 따른 보정과 교체를 신속하게 할 수 있도록 한 것이다.

주지하는 바와 같이 용접은 두 개 이상의 소재를 접합하기 위한 수단으로서, 아크용접, 산소용접, 스폿용접, 마찰용접, 마찰교반용접 등이 있다.

상기한 용접 수단들 중에 마찰교반용접은 숄더 및 프로브로 구성된 툴에 의해서 용접하는 것이 특징이며, 접합하고자 하는 두 개의 소재를 맞대거나 겹쳐서 놓고 접합라인에 툴을 구성하는 프로브를 밀착하여 충분한 열이 발생할 때까지 회전시켜 마찰열에 의해서 소재가 용융온도에 가까워지면서 소성 유동성을 확보함으로서, 소재가 접합되는 일종의 고상접합 용접이다.

상기한 바와 같은 마찰교반용접을 하기 위한 툴의 형태는 다양하지만, 원가 절감을 위하여 숄더와 프로브를 일체형으로 제작하며, 툴의 소재는 열간 공구강으로 제작되고 구조는 숄더 표면에 나선형 홈을 기계적으로 가공하여 구성된 것으로서, 이러한 툴은 고온 내마모성에 취약해서 마찰교반용접 대상인 알루미늄 등 비교적 저용융점 금속소재로 제한하여 사용할 수밖에 없는 단점과, 마찰교반용접시 발생하는 마찰에 의해서 필연적으로 숄더와 프로브가 마모될 수밖에 없기 때문에 용접 품질유지를 위하여 툴을 수시로 교체해야 하는 단점이 있다.

그리고, 마찰교반용접 대상인 소재가 철강합금, 스텐레스강, 공구강, 티타늄합금 등과 같이 고온 강도, 고용융점 소재일 경우에는 툴의 소재가 열간 공구강으로 는 불가능하여, 프로브 및 숄더 소재는 대상소재보다는 고온강도/경도, 고온 내마모성 등이 우수한 소재, 즉 Co합금, W기반 초경합금, 세라믹 소재, PCBN(Poly-Crystalline Cubic Boron Nitride)등이 사용되고 있다.

상기한 소재들 중에서 PCBN이 가장 우수하다고 알려져 있으나, 매우 고가여서 교체비용이 많이 소요되는 결과로 경제성이 낮아 양산에 적용하기에는 불가능한 등의 문제가 있다.

공개특허: 제10-2008-0057965호(2008년06월25일.공개) 공개특허: 제10-2014-0087406호(2014년07월09일.공개)

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 프로브의 길이, 즉 숄더와의 상대길이를 수시로 신속하게 조절할 수 있도록 하여 균질한 마찰교반용접 및 마찰교반처리가 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.

또, 숄더의 홈 깊이를 수시로 조절 가능하여 최적의 마찰교반용접 및 마찰교반처리 작업조건 도출이 가능하여 용접품질을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

그리고, 연속작업으로 인하여 숄더 및 프로브에 마모손상 발생으로 중요 치수가 과대하게 변하였을 경우에 독립적으로 교환이 가능도록 구성된 툴을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 숄더 및 프로브의 조립/체결 구조를 나사체결 방식이 아닌 셀프락킹(Self-Locking)구조로 개선하여 Co합금, W기반 초경합금, 세라믹 소재, PCBN 등 고경도 소재로 숄더 및 프로브를 제공할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마찰교반용접 툴은 생크에 형성된 수나사는 상부록킹부재의 중심에 형성된 암나사부에 체결되어 있고, 상기 상부록킹부재에 형성된 취부홈에는 프로브헤드와 인숄더헤드가 각각 셀프락킹구조에 의해서 결합되어 있다.

그리고, 상부록킹부재에 체결하기 위한 암나사부가 형성된 하부록킹부재의 취부홈에 아웃숄더헤드를 결합하고 아웃숄더를 노출하기 위한 구멍으로 노출시켜 암나사부가 상부록킹부재의 오른나사부에 체결되어 있다.

이렇게 체결된 하부록킹부재가 풀리는 것을 방지하기 위하여 암나사부가 구비된 두 개의 록킹너트와 와셔를 함께 상부록킹부재의 왼나사부에 체결되어 구성된다.

본 발명에 의하면, 프로브의 길이, 즉 숄더와의 상대길이를 수시로 신속하게 조절할 수 있기 때문에 균질한 마찰교반용접 및 마찰교반처리가 가능하여 용접품질을 향상시킬 수 있다.

또, 숄더 홈 깊이를 수시로 조절 가능하여 최적의 마찰교반용접 및 마찰교반처리 작업조건 도출이 가능하여 용접품질을 크게 향상시킬 수 있다.

연속작업으로 인하여 숄더 및 프로브에 마모손상 발생으로 중요 치수가 과대하게 변하였을 경우에도 각 부품을 독립적으로 교환이 가능하여 경제적인 이득을 얻을 수 있다.

숄더 및 프로브의 형상 및 조립/체결 방식에 있어서, 일반적인 나사체결 등을 회피하고(고경도 소재는 가공이 어려움) 셀프락킹(Self-Locking)이 가능한 구조로 되어 있기 때문에 숄더 및 프로브 소재를 W기반 초경합금, Co합금 등에 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 마찰교반용접 툴의 사시도
도 2는 본 발명에 의한 마찰교반용접 툴의 저면 사시도
도 3은 본 발명에 의한 마찰교반용접 툴의 분해 사시도
도 4는 본 발명에 의한 마찰교반용접 툴을 분해한 정면도
도 5는 본 발명에 의한 마찰교반용접 툴의 조립된 단면도

이하, 본 발명에 의한 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴에 관한 구성을 첨부된 도면과 관련하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 마찰교반용접 툴(20)의 부품 구성은 상부록킹부재(5)에 체결하기 위한 수나사부(7-1)가 형성된 생크(7)와, 상기 상부록킹부재(5)에 결합되어 프로브(1)와 생크(7) 사이에 프로브를 가압하고 열전도를 방해할 수 있게 열전도가 낮은 재질로 구성된 지지축(8)과,

상기 생크(7)에 형성된 수나사부(7-1)가 체결되는 암나사부(5-1)와 프로브헤드(1-1)와 인숄더헤드(2-1)를 결합하기 위한 취부홈(5-2)(5-3)이 가운데 형성되고 외부에는 록킹너트(6)와 하부록킹부재(4)를 체결하기 위한 왼나사부(5-4)와 오른나사부(5-5)가 형성된 상부록킹부재(5)와,

프로브헤드(1)가 형성된 프로브(1)와 인숄더헤드(2-1)가 형성된 인숄더(2)와, 아웃숄더헤드(3-1)와 마찰교반용접 작업시 지속적으로 소재가 유입되고 가압되도록 하기 위하여 표면에 다수의 홈(3-2)이 형성된 아웃숄더헤드(3-1)와,

상기 프로브(1)와 인숄더(2)는 분리 구성되어 독립적으로 길이 조절 가능하도록 두께 1mm 이하의 다양한 두께를 가지는 플레이트(10)와, 아웃숄더(3)를 가압하기 위한 플레이트(3-3)와,

아웃숄더헤드(3-1)를 취부하기 위한 취부홈(4-1)과 아웃숄더(3)를 노출시키기 위한 구멍(4-2)과 상부록킹부재(5)에 체결하기 위한 암나사부(4-3)가 형성된 하부록킹부재(4)와,

상기 하부록킹부재(4)가 풀리는 것을 방지하기 위하여 상부록킹부재(5)에 체결하기 위한 암나사부(6-1)가 구비된 두 개의 록킹너트(6)와 와셔(9)를 포함하여 구성된다.

상기한 마찰교반용접 툴의 부품에 의해서 조립된 마찰교반용접 툴은 생크(7)에 형성된 수나사(7-1)는 상부록킹부재(5)의 중심에 지지축(8)을 결합한 후, 암나사부(5-1)에 체결되어 지지축(8)을 가압하도록 되어있고, 상기 상부록킹부재(5)에 형성된 취부홈(5-2)(5-3)에는 프로브헤드(1-1)와 인숄더헤드(2-1)가 각각 셀프락킹구조(볼트머리와 렌치홈)에 의해서 결합되어 있다.

즉, 상부록킹부재(5)와 하부록킹부재(4)에 형성된 취부홈의 형상은 렌치홈이고, 프로브헤드와 인숄더헤드 및 아웃숄더헤드 형상을 상기 렌치홈에 유격없이 끼워지는 볼트머리로 형성되어 상부록킹부재(5)와 함께 회전하도록 구성되어 있다.

그리고, 상부록킹부재(5)에 체결하기 위한 암나사부(4-3)가 형성된 하부록킹부재(4)의 취부홈(4-1)에 아웃숄더헤드(3-1)를 결합하고 아웃숄더(3)를 노출시키기 위한 구멍(4-2)으로 노출시켜 암나사부(4-3)가 상부록킹부재(5)에 오른나사부(5-5)에 체결되어 있다.

이렇게 체결된 하부록킹부재(4)가 풀리는 것을 방지하기 위하여 암나사부(6-1)가 구비된 두 개의 록킹너트(6)와 와셔(9)를 함께 상부록킹부재(5)의 왼나사부(5-4)에 체결되어 구성된다.

미설명부호 50은 렌치 결합부, 51은 홈을 의미하는 것이다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴에 대한 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 마찰교반용접 툴을 구성하는 인숄더 및 프로브, 아웃숄더를 상부록킹부재(5)와 하부록킹부재(4)에 조립구조를 나사체결 방식이 아닌 셀프락킹(Self-Locking)구조로 개선하였기 때문에 Co합금, W기반 초경합금, 세라믹 소재, PCBN 등 고경도 소재로 인숄더 및 프로브, 아웃숄더를 제공할 수 있어 마찰교반용접 대상인 소재가 철강합금, 스텐레스강, 공구강, 티타늄합금 등과 같이 고온 강도, 고 융점 소재를 마찰교반용접 및 마찰교반처리 작업조건 도출이 가능하여 용접품질을 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 마찰교반용접 및 마찰교반처리 작업을 연속적으로 하여 프로브(1)와 인숄더(2)가 마모되어 길이를 조절할 필요가 있을 경우에는 상부록킹부재(5)에 체결된 두 개의 록킹너트(6)와 와셔(9)를 풀어서 이완시키고, 하부록킹부재(4)를 풀어서 두께 1mm 이하의 다양한 두께를 가지는 플레이트(10)를 1개 또는 2개를 제거한 후, 하부록킹부재(4)를 체결하고, 상기 하부록킹부재(4)가 풀리는 것을 방지하기 위하여 두 개의 록킹너트(6)를 상부록킹부재(5)에 체결하여 사용하면된다.

상기와 같이 하여 인숄더(2)와의 단차를 허용하여 프로브와의 사이에 홈(51)을 형성시킴으로서, 마찰교반용접시 소재 상하방향 소성 유동성에 있어 가압력을 높일 수 있게 되어 용접 품질을 향상시키는데 기여할 수 있다.

또한, 아웃숄더(3)의 표면에 형성된 다수의 홈(3-2)에 의해서 마찰교반용접시 지속적으로 소재가 유입되고 가압되기 때문에 용접 품질을 향상시키는데 기여할 수 있다.

그리고, 프로브(1)와 인숄더(2)를 교환할 경우에 상부록킹부재(5)에 체결된 두 개의 록킹너트(6)와 와셔(9)를 풀어서 이완시키고, 하부록킹부재(4)를 풀어서 마모된 프로브(1)와 인숄더(2)를 제거한 후, 마모되지 않은 프로브(1)와 인숄더(2)를 조립한 후, 하부록킹부재(4)를 체결하고, 상기 하부록킹부재(4)가 풀리는 것을 방지하기 위하여 두 개의 록킹너트(6)를 상부록킹부재(5)에 체결하면 조립이 완료되는 것이다.

1: 프로브
1-1: 프로브헤드
2: 인숄더
2-1: 인숄더헤드
3: 아웃숄더
3-1: 아웃숄더헤드
4: 하부록킹부재
5: 상부록킹부재
6: 록킹너트
7: 생크

Claims

상부록킹부재의 중심에 프로브와 생크 사이에 열전도를 방해할 수 있게 열전도가 낮은 재질로 구성된 지지축이 생크와 함께 결합되며,
상기 상부록킹부재의 하부에는 가운데 프로브와 인,아웃숄더가 각각 결합되며, 상기 프로브와 인,아웃숄더가 이탈하지 않게 상부록킹부재의 하부에 하부록킹부재가 체결고정되며,
상기 하부록킹부재는 툴이 회전시 하부록킹부재에서 이완되지 않게 와셔 및 록킹너트를 하부록킹부재의 상부에서 체결하여 록킹너트가 하부록킹부재를 와셔를 통해 가압하도록 구성된 것을 특징으로 하는 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴.
제1항에 있어서, 프로브와 인숄더의 길이를 각각 조절하기 위하여 두께 1mm 이하의 두께를 갖는 플레이트를 프로브헤드와 인숄더헤드 상부에 각각 개재하는 것을 특징으로 하는 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴.
제1항에 있어서, 마찰교반용접 작업시 지속적으로 소재가 유입되고 상하방향 소성 유동성에 가압력을 높이도록 하기 위하여 아웃숄더의 표면에 다수의 홈과 인숄더와 프로브 사이에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴.
제1항에 있어서, 프로브와 인,아웃숄더는 상부록킹부재에 조립하기 위하여 셀프락킹구조로 가공되어 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 프로브 길이와 숄더 홈 깊이 조절이 가능한 마찰교반용접 툴.