KR102392353B1 - 마찰 교반 용접장치 - Google Patents

Abstract

마찰 교반 용접장치가 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치는 마찰 교반 용접용 회전툴의 내부에 원심력에 의해 작동하는 버링툴을 구성하여 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하면서 마찰 교반 용접을 진행하도록, 금속판재의 상호 맞대기 용접선을 따라 회전핀을 갖는 회전툴을 회전 및 가압하면서 진행시켜 마찰열을 이용하여 상호 교반 용접하는 마찰 교반 용접장치에 있어서, 상기 회전툴의 내부에는 회전툴의 원심력에 의해 상기 회전툴의 외주 측으로 돌출하여 상기 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하는 복수개의 버링툴 유닛이 구성된다.

Description

마찰 교반 용접장치{FRICTION STIR WELDING DEVICE}

본 발명은 마찰 교반 용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하면서 마찰 교반 용접을 진행하는 마찰 교반 용접장치에 관한 것이다.

최근, 산업분야에서 금속 소재의 절단, 용접 및 열처리 등은 원가절감, 공장 자동화 및 품질향상의 측면에서 우수한 효과를 갖는 레이저빔이 적용되고 있는 추세이다.

상기 레이저빔을 이용하여 스틸 또는 알루미늄합금 등의 금속판재 등의 소재를 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 시스템은 로봇의 아암 선단에 설치되는 레이저 헤드가 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔을 금속판재의 용접선을 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 레이저 용접은 스틸과 알루미늄합금 같은 물리, 화학, 기계적 특성이 상이한 이종 금속판재를 상호 접합하기에는 어려움이 있으며, 용접이 되더라도, 그 용접부의 접합강도가 현저히 떨어지는 단점이 있다.

한편, 상기 알루미늄 혹은 알루미늄합금의 판재의 경우, 항복응력이 낮아 소성유동성이 원활한 특성을 갖는 바, 일반적인 스틸판재와는 다르게 열전도도와 전기 전도도의 차이로 높은 전류를 이용하여 빠른 시간에 용접해야함으로 스폿 용접기술의 적용 또한 쉽지 않다.

이에, 상기 알루미늄 판재의 경우는 소재 특성상, 경량소재의 접합기술로 각광을 받고 있는 마찰 교반 용접을 이용하고 있는 추세이다.

도 1은 일반적인 마찰 교반 용접의 단계별 접합 상태도이고, 도 2는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 마찰 교반 용접에 의한 맞대기 접합 공정도이다.

도 1을 참조하면, 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)은 회전하는 회전툴(13)에 형성되어 회전핀(11)을 금속판재(P1)(P2)에 가압하여 금속판재(P1)(P2)와 회전핀(11)의 마찰열과 기계적 힘에 의한 소성유동을 유발하여 용융점 이하의 온도에서 접합시키는 기술로, 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 모터(미도시)의 구동으로 회전툴(13)이 회전핀(11)과 함께 회전(S10)하면서, 상기 금속판재(P1)(P2)의 용접부에 대응하여 상기 회전핀(11)이 접촉 가압된다.(S20)

이어서, 상기 회전핀(11)의 회전 및 접촉 가압작동으로 상기 금속판재(P1)(P2)에는 회전핀(11)의 마찰열에 의하여 용접부(W)를 형성하며, 연화 및 교반에 의한 접합이 이루어지며,(S30) 모터가 정지한 이후, 상기 회전핀(11)은 회전툴(13)와 함께 최초 위치로 복원된다.(S40)

그러나 상기한 바와 같은 마찰 교반 용접은 도 2를 참조하면, 금속판재(P1)(P2)의 상호 맞대기 접합 시, 용접부 가장자리에 버(burr)가 발생하여 후공정에서 상기 버(burr)를 제거하는 작업을 별도로 진행해야 하는 단점이 있다.

본 발명의 실시 예는 마찰 교반 용접용 회전툴의 내부에 원심력에 의해 작동하는 버링툴을 구성하여 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하면서 마찰 교반 용접을 진행하는 마찰 교반 용접장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 금속판재의 상호 맞대기 용접선을 따라 회전핀을 갖는 회전툴을 회전 및 가압하면서 진행시켜 마찰열을 이용하여 상호 교반 용접하는 마찰 교반 용접장치에 있어서, 상기 회전툴의 내부에는 회전툴의 원심력에 의해 상기 회전툴의 외주 측으로 돌출하여 상기 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하는 복수개의 버링툴 유닛이 구성되는 마찰 교반 용접장치가 제공될 수 있다.

상기 버링툴 유닛은 상기 회전툴의 선단부 내부 양측에 대칭으로 형성될 수 있다.

상기 버링툴 유닛은 상기 회전툴의 내부에서 외주면까지 개방되어 형성되는 툴 삽입홀; 길이방향을 따라 양 측면을 관통하는 슬롯이 형성되고, 상기 툴 삽입홀에 삽입되는 버링툴; 상기 회전툴의 외주면에서 내부로 삽입되어 상기 버링툴 상의 슬롯을 관통하여 구성되는 고정핀; 상기 회전툴의 슬롯 내부에서 일단이 상기 고정핀에 지지되고, 타단이 상기 슬롯의 내면에 지지되어 상기 버링툴에 복원력을 제공하는 리턴 스프링을 포함할 수 있다

또한, 상기 버링툴은 상기 툴 삽입홀에 삽입된 상태로, 선단면이 상기 회전툴의 외주면과 동일면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 버링툴은 상기 툴 삽입홀과 함께 사각단면 형상으로 형성되어 상기 툴 삽입홀에 슬라이드 이동 가능하게 삽입될 수 있다.

또한, 상기 고정핀은 원형의 핀으로 형성되어 상기 회전툴 상에 억지끼움될 수 있다.

또한, 상기 복원 스프링은 원형의 코일 스프링으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시 예는 마찰 교반 용접용 회전툴의 내부에 원심력에 의해 작동하는 버링툴을 별도로 구성하여 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 실시간 제거하면서 마찰 교반 용접을 진행하여 마찰 교반 용접품질을 향상시키게 된다.

도 1은 일반적인 마찰 교반 용접의 단계별 접합 상태도이다.
도 2는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 마찰 교반 용접에 의한 맞대기 접합 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치에 따른 공정도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치의 부분 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치에 따른 공정도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치는 물리, 화학, 기계적 특성, 특히, 항복응력과 소성유동성이 다른 2장의 금속판재를 상호 맞대기 용접을 통하여 접합할 수 있다.

도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치는 금속판재의 상호 맞대기 용접선을 따라 회전핀(11)이 형성된 회전툴(13)을 회전 및 가압하면서 진행시켜 마찰열을 이용하여 상호 교반 용접한다.

본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치는 상기 회전툴(13)의 내부에는 회전툴(13)의 원심력에 의해 상기 회전툴(13)의 외주면으로부터 일정 길이로 돌출하여 상기 금속판재(P1)(P2)의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하는 2개의 버링툴 유닛(20)이 구성된다.

이러한 버링툴 유닛(20)은 상기 회전툴(13)의 선단부 내부 양측에 회전 편심이 발생하지 않도록 대칭으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 버링툴 유닛(200은 상기 회전툴(13)의 선단부 내부 양측에 형성되는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 회전툴(13)에 회전 편심이 발생하지 않으면서 수용 가능한 범위 내에서 원주방향을 따라 120도 간격으로 3개, 또는 90도 간격으로 4개의 버링툴 유닛이 적용될 수 있다.

이러한 버링툴 유닛(20)은 상기 회전툴(13)의 내부에서 외주면까지 개방되어 툴 삽입홀(H)이 형성되고, 상기 툴 삽입홀(H) 내부에 구성되는 버링툴(21), 고정핀(23), 리턴 스프링(25)으로 구성된다.

상기 버링툴(21)은 길이방향을 따라 양 측면을 관통하는 슬롯(S)이 형성되어 상기 툴 삽입홀(H)에 삽입된다.

이때, 상기 버링툴(21)은 상기 툴 삽입홀(H)에 삽입된 상태로 선단면이 상기 회전툴(13)의 외주면과 동일면으로 형성된다.

또한, 상기 버링툴(21)은 상기 툴 삽입홀(H)과 함께 사각단면 형상으로 형성되어 상기 툴 삽입홀(H)에 슬라이드 이동 가능하게 삽입된다.

그리고 상기 고정핀(23)은 상기 회전툴(13)의 외주면에서 내부로 삽입되어 상기 버링툴(21) 상의 슬롯(S)을 관통하여 구성된다.

이러한 고정핀(23)은 원형의 핀으로 형성되어 상기 회전툴(13) 상에 억지끼움되어 고정된다.

또한, 상기 리턴 스프링(25)은 상기 회전툴(13)의 슬롯(S) 내부에서 일단이 상기 고정핀(23)에 지지되고, 타단이 상기 슬롯(S)의 내면에 지지되어 상기 버링툴(21)에 복원력을 제공한다.

이러한 복원 스프링(25)은 원형의 코일 스프링으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄성력을 이용하여 상기 버링툴(21)에 복원력을 제공할 수 있는 탄성부재이면 적용이 가능하다.

또한, 상기 고정핀(23)은 버링툴(21)의 슬롯(S) 내부에서 상기 리턴 스프링(25)의 일단을 지지하면서, 상기 버링툴(21)의 복원 또는 초기 상태에서, 상기 리턴 스프링(25)의 탄성력에 의해 툴 삽입홀(H)의 내부로 삽입되는 위치를 제한하도록 하는 스토퍼의 기능을 동시에 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 마찰 교반 용접장치에 의한 2장의 금속판재(P1)(P2)의 상호 맞대기 용접은 상기 2장의 금속판재(P1)(P2)의 맞대기 용접선(L)을 따라 상기 회전툴(13)을 회전핀(11)과 함께 회전 및 가압하면서 진행시켜 마찰열을 이용하여 2장의 금속판재(P1)(P2)의 상호 마찰 교반 용접이 이루어지도록 하여 금속판재(P1)(P2)의 맞대기 접합을 이루게 된다.

이때, 상기 회전툴(13)의 회전력에 의해 발생되는 원심력에 상기 버링툴 유닛(20)의 버링툴(21)이 리턴 스프링(25)의 탄성력을 극복하여 회전툴(13)의 외주면으로부터 돌출되어 상기 금속판재(P1)(P2)의 용접부(W) 주위에 발생되는 버(burr)를 잘라내어 실시간 제거하면서 마찰 교반 용접을 진행한다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 마찰 교반 용접장치는 마찰 교반 용접용 회전툴(13)의 내부에 원심력에 의해 작동하는 버링툴(21)이 용접부(W) 주위에 발생되는 버(burr)를 실시간 제거하여 용접품질을 향상시킨다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

11: 회전핀
13: 회전툴
P1,P2: 금속판재
20: 버링툴 유닛
21: 버링툴
23: 고정핀
25: 리턴 스프링
burr: 버
W: 용접부

Claims (7)

1. 금속판재의 상호 맞대기 용접선을 따라 회전핀이 형성된 회전툴을 회전 및 가압하면서 진행시켜 마찰열을 이용하여 상호 교반 용접하는 마찰 교반 용접장치에 있어서,
   상기 회전툴의 내부에는 회전툴의 원심력에 의해 상기 회전툴의 외주 측으로 돌출하여 상기 금속판재의 용접부 주위에 발생되는 버(burr)를 제거하는 복수개의 버링툴 유닛이 구성되고,
   상기 버링툴 유닛은
   상기 회전툴의 내부에서 외주면까지 개방되어 형성되는 툴 삽입홀;
   길이방향을 따라 양 측면을 관통하는 슬롯이 형성되고, 상기 툴 삽입홀에 삽입되는 버링툴;
   상기 회전툴의 외주면에서 내부로 삽입되어 상기 버링툴 상의 슬롯을 관통하여 구성되는 고정핀; 및
   상기 회전툴의 슬롯 내부에서 일단이 상기 고정핀에 지지되고, 타단이 상기 슬롯의 내면에 지지되어 상기 버링툴에 복원력을 제공하는 리턴 스프링;
   을 포함하는 마찰 교반 용접장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 버링툴 유닛은
   상기 회전툴의 선단부 내부 양측에 대칭으로 형성되는 마찰 교반 용접장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 버링툴은
   상기 툴 삽입홀에 삽입된 상태로, 선단면이 상기 회전툴의 외주면과 동일면으로 형성되는 마찰 교반 용접장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 버링툴은
   상기 툴 삽입홀과 함께 사각단면 형상으로 형성되어 상기 툴 삽입홀에 슬라이드 이동 가능하게 삽입되는 마찰 교반 용접장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 고정핀은
   원형의 핀으로 형성되어 상기 회전툴 상에 억지끼움되는 마찰 교반 용접장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 리턴 스프링은
   원형의 코일 스프링으로 이루어지는 마찰 교반 용접장치.

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