KR102423089B1 - 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치 - Google Patents

마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치 Download PDF

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엠디티 주식회사
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Abstract

마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치에 관한 것으로, 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재의 용접면을 가압해서 고정하는 클램프, 소재의 용접면에 접촉된 상태에서 회전 및 하강 동작에 의해 마찰열을 발생해서 소재의 용접 부위를 교반하는 슬리브 및 상기 슬리브에 의해 용접면에 형성된 공간을 리필해서 평탄화하는 핀을 포함하고, 상기 클램프의 내부에는 상기 슬리브 및 핀에서 발생하는 열을 냉각하는 압축공기가 공급되는 구성을 마련하여, 클램프 내부에 저온의 압축공기를 공급해서 용접용 툴을 냉각하여 용접 과정에서 발생하는 고온의 열에 의한 용접용 툴의 손상을 방지할 수 있다.

Description

마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치{TOOL AND FRICTION SPOT WELDING APPARTUS WITH THE SAME}
본 발명은 마찰 스폿 용접 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재를 용접하는 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치에 관한 것이다.
현대의 고도화된 산업사회에서 용접기술의 발달은 제품의 생산성과 품질을 더욱 향상시키고 있으며, 세계 각국은 수출품의 가격 경쟁력에 직접적인 영향을 미치는 생산성을 증대시키기 위한 새로운 용접기술의 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)은 모재가 녹지 않는 고상 용접법으로서, 1991년 영국의 TWI(The Welding Institutttet)에서 개발된 친환경적이고, 에너지 절약형 생산공정이다.
즉, 마찰 교반 용접은 용접툴을 회전시킨 상태로 소재의 접합 계면에 삽입할 때 발생하는 마찰열을 이용하여 소재를 연화시키고, 연화된 소재는 용접툴의 회전 방향으로 소성 유동을 일으켜 접합계면과 주변부를 교반하여 접합이 이루어진다.
용접툴이 삽입된 상태에서 용접선을 따라 이동한 후 용접툴을 후퇴시키면 마찰교반용접이 되며, 용접툴을 소재에 삽입 후 이동하지 않고 일정시간 머무른 뒤 용접툴을 후퇴하면 마찰 교반 스폿 용접(Friction Stir Spot Welding, FSSW)이 된다.
마찰 교반 용접에 사용되는 용접툴이 소재와 닿는 면은 숄더(Shoulder)와 핀(Pin)으로 구성된다.
상기 숄더는 핀에 비해 넓은 면적을 가지고 있으며, 소재의 표면과 접촉하여 마찰열을 발생시키고, 소재의 유동을 원활히 하는 기능을 한다.
상기 핀은 숄더에서 돌출되어 있는 형태로 소재의 내부에 삽입되어 접합 계면을 직접 교반하여 접합하는 기능을 한다.
이러한 마찰 교반 용접은 고온의 용융 용접 시에 용접균열과 용접변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
즉, 마찰 교반 용접은 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 등의 연성소재뿐만 아니라, 최근에는 철강 및 티타늄 합금과 같은 고온용 강성소재에 대한 용접공정 연구가 증가하고 있는 추세이다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 마찰 교반 스폿 용접 방법 및 장치 구성이 개시되어 있다.
대한민국 특허 등록번호 10-1593405호(2016년 2월 12일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-0790775호(2008년 1월 3일 공고)
한편, 종래기술에 따른 마찰 교반 스폿 용접 장치는 용접툴의 형상적 특징으로 인해, 용접 작업의 마지막 단계인 용접툴이 소재에서 빠져나올 때 소재에 삽입되어 있던 핀이 제거됨에 따라, 소재 내부의 핀이 있던 위치에 키홀(keyhole), 프로브홀(probe hole), 핀홀(pin hole), 엑시트홀(exit hole) 등으로 불리는 빈 공간을 형성한다.
이와 같이, 종래기술에 따른 마찰 교반 스폿 용접 장치는 용접된 소재에 키홀 등이 존재함에 따라, 용접부 외관상의 문제, 키홀 하단부에서의 도장의 불균일성 및 집중적 부식 가능성 등의 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 핀과 슬리브, 클램프를 독립적으로 구동해서 키홀을 리필하는 기술이 개발되었으나, 이와 같은 기술은 핀, 슬리브, 클램프가 독립적으로 구동 가능한 특수한 장비를 사용해야 하며, 용접툴의 형상이 복잡하여 전통적인 용접툴에 비해 제조 비용이 상승하는 문제점이 있었다.
또, 종래기술에 따른 마찰 교반 스폿 용접 장치는 하우징의 하부에 하부 프레임이 연결됨에 따라, 용접 가능한 소재의 규격, 즉 소재의 두께 및 폭이 제한되는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 따른 마찰 교반 스폿 용접 장치는 용접하고자 하는 소재와 용접용 툴이 접촉된 상태에서 회전 동작에 의해 발생하는 마찰열을 이용해서 용접함에 따라, 고온의 열에 의한 용접툴의 손상을 방지하도록 냉각시간이 필요함에 따라, 작업시간이 불필요하게 지연되고, 작업성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 따른 마찰 교반 스폿 용접 장치는 용접툴의 교체로 인해 제조 비용이 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전 동작에 의해 발생하는 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 모재를 용접용 툴의 회전 방향으로 소성 유동시켜 교반하여 접합할 수 있는 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마찰 스폿 용접 과정에서 소재의 용접면에 형성되는 키홀을 리필하고, 소재 뒷면의 손상 없이 용접할 수 있으며, 용접용 툴을 냉각해서 교체 주기를 연장할 수 있는 마찰 스폿 용접용 툴 및 마찰 스폿 용접장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 용접용 툴의 구조를 개선해서 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있는 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마찰 스폿 용접용 툴은 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재를 용접하는 마찰 스폿 용접장치에 적용되며, 소재의 용접면을 가압해서 고정하는 클램프, 소재의 용접면에 접촉된 상태에서 회전 및 하강 동작에 의해 마찰열을 발생해서 소재의 용접 부위를 교반하는 슬리브 및 상기 슬리브에 의해 용접면에 형성된 공간을 리필해서 평탄화하는 핀을 포함하고, 상기 클램프의 내부에는 상기 슬리브 및 핀에서 발생하는 열을 냉각하는 압축공기가 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치는 외형을 형성하는 하우징, 상기 하우징에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되고 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재를 용융시켜 접합하는 마찰 스폿 용접용 툴, 상기 마찰 스폿 용접용 툴을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈 및 상기 마찰 스폿 용접용 툴 및 구동모듈의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 마찰 스폿 용접용 툴을 하강시켜 소재의 용접면에 상기 클램프를 접촉시켜 고정시킨 상태에서 상기 슬리브를 하강하도록 회전시켜 마찰열을 발생하며, 상기 핀을 상승하도록 회전시켜 상기 슬리브의 회전에 의해 발생한 마찰열에 의해 용융된 소재의 일부를 끌어올린 후, 상기 슬리브가 하부에 배치된 소재까지 관통되면, 상기 슬리브를 상승하도록 회전시키고, 상기 핀을 하강하도록 회전시켜 끌어올려진 소재의 일부를 상기 슬리브에 의해 형성된 공간에 리필하며, 상기 슬리브와 핀을 각각 선단이 상기 클램프의 선단과 일치되도록 초기 위치로 복귀시킨 후 접합 사이클을 종료하고, 다음 위치로 이동시켜서 접합 사이클을 반복하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치에 의하면, 용접면에 접촉된 용접용 툴을 회전시켜 발생하는 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 모재를 교반하여 접합할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 용접 과정에서 소재의 용접면에 형성되는 키홀을 리필하고, 소재 뒷면의 손상 없이 겹치기 용접할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 용접용 툴 내부에 저온의 압축공기를 공급하여 압축용 툴을 효과적으로 냉각해서 용접용 툴의 교체 주기를 연장할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 용접용 툴의 구조를 개선해서 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 마찰 스폿 용접 장치의 분해 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴의 사시도,
도 5는 도 4에 도시된 마찰 스폿 용접용 툴의 확대 단면도,
도 6은 도 5에 도시된 클램프의 냉각 구조를 설명하는 도면,
도 7는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치를 이용한 마찰 스폿 용접 방법을 단계별로 설명하는 동작 상태도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
먼저, 본 발명에 따른 마찰 스폿 용접용 툴(30)의 구성을 상세하게 설명하기에 앞서, 도 1 내지 도 3을 참조해서 본 발명에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치(10)의 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 마찰 스폿 용접 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴(30)이 적용된 마찰 스폿 용접 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외형을 형성하는 하우징(20), 하우징(20)에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되고 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재를 용융시켜 접합하는 마찰 스폿 용접용 툴(이하 '용접용 툴'이라 함)(30) 및 용접용 툴(30)을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈(40)을 포함한다.
그리고 마찰 스폿 용접 장치(10)는 하우징(20)의 일측에서 용접용 툴(30)의 하부까지 연장되는 연장 프레임(21) 및 구동모듈(30)의 구동을 제어하는 제어부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예에서는 한 쌍의 소재, 즉 서로 겹쳐진 상부 소재와 하부 소재를 용접하는 것으로 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상의 소재를 겹치기 용접할 수 있다.
여기서, 각 소재는 알루미늄 재질, 또는 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 등의 연성소재, 철강 및 티타늄 합금과 같은 강성소재 등 다양한 소재로 마련될 수 있다.
본 실시 예에서 상부 소재와 하부 소재는 각각 알루미늄 소재와 도금강판으로 마련되어 겹치기 용접하는 구성을 설명하기로 한다.
하우징(20)은 대략 원통 형상으로 형성되고, 하우징(20)의 하부에는 용접용 툴(30)이 설치되며, 하우징(20)의 내부 및 상부에는 구동모듈(30)이 마련되고, 하우징(20)의 상단에는 커버(22)가 결합될 수 있다.
이러한 하우징(20)은 캐비닛이나 로봇의 암에 설치될 수 있다.
즉, 본 발명은 하우징을 캐비닛에 설치해서 마찰 스폿 용접 장치를 일정 위치에 배치하고, 용접하고자 하는 소재를 마찰 스폿 용접 장치에 공급해서 용접하도록 구성될 수 있다.
또는, 본 발명은 하우징을 로봇의 암 선단에 설치해서 마찰 스폿 용접 장치를 상하, 전후 및 좌우 방향 등으로 자유롭게 이동 및 회전시키면서 고정된 소재를 용접하도록 구성될 수도 있다.
연장 프레임(21)은 하우징(20)의 일측에서 연결되고, 하방 및 전방으로 절곡 형성될 수 있다. 연장 프레임(21)의 선단에는 용접용 툴(30)에 대응되는 백 플레이트(23)가 설치될 수 있다.
하우징(20)의 하단과 상단에는 각각 아래에서 설명할 구동모듈(40)의 제1 및 제2 승강부(46,47)를 가이드하는 제1 및 제2 가이드 통체(24,25)가 결합될 수 있다.
제1 및 제2 가이드 통체(24,25)는 각각 상면과 하면이 개구된 원통 형상으로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 가이드 통체(24,25)의 상단에는 대략 링 형상의 플랜지가 외측으로 돌출 형성될 수 있다.
그리고 제1 및 제2 가이드 통체(24,25)의 내주면에는 내부에 결합되는 제1 및 제2 승강부(46,47)와 나사 결합되도록 나사산이 형성될 수 있다.
제2 가이드 통체(25)의 상단에는 아래에서 설명할 구동모듈(40)의 제1 내지 제3 구동모터(41 내지 43)가 설치되는 설치블록(26)이 결합되고, 제1 가이드 통체(24)의 하단에는 상면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성된 하부 커버(27)가 결합될 수 있다.
하우징(20)과 제1 및 제2 가이드 통체(24,25), 하부 커버(27)는 상하 방향으로 관통 결합되는 복수의 결합부재에 의해 서로 조립된 상태를 유지할 수 있다.
용접용 툴(30)의 구성은 아래에서 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
구동모듈(40)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 용접용 툴(30)에 마련된 슬리브(32)와 핀(33)을 회전시키도록 구동력을 발생하는 제1 구동모터(41), 슬리브(32)와 핀(33)을 각각 개별적으로 승강 동작시키는 제2 및 제3 구동모터(42,43) 그리고 제1 내지 제3 구동모터(41 내지 43)에서 발생한 구동력을 슬리브(32)와 핀(33)으로 전달해서 구동하는 구동부(44)를 포함할 수 있다.
구동부(44)는 제1 구동모터(41)에서 발생한 회전력을 용접용 툴(30)로 전달해서 슬리브(32)와 핀(33)을 회전시키는 회전축부(45), 제2 구동모터(42)에서 발생한 회전력을 이용해서 슬리브(32)를 승강 동작시키는 제1 승강부(46) 및 제3 구동모터(43)에서 발생한 회전력을 이용해서 핀(33)를 승강 동작시키는 제2 승강부(47)를 포함할 수 있다.
제1 구동모터(41)는 하우징(20)의 일측에 배치되고, 제1 구동모터(41)의 출력축에 설치되는 벨트(411)를 이용해서 회전축부(45)와 연결될 수 있다.
제2 및 제3 구동모터(42,43)은 하우징(20)의 상단에 설치되고, 제2 및 제3 구동모터(42,43)의 출력축에 설치되는 각 구동기어는 제1 및 제2 승강부(46,47)를 통해 용접용 툴(30)의 슬리브(32) 및 핀(33)과 연결될 수 있다.
회전축부(45)는 벨트(411)를 통해 제1 구동모터(41)의 회전력을 전달받는 제1 샤프트(451), 제1 샤프트(451)의 하단에 상방 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 제2 샤프트(452) 및 제2 샤프트(452)의 중앙부에 상하 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 제3 샤프트(453)를 포함할 수 있다.
제1 샤프트(451)에 설치된 종동기어는 제1 구동모터(41)의 출력축에 설치된 구동기어와 벨트(411)로 연결되어 구동력을 전달받을 수 있다.
제1 샤프트(451)와 제2 샤프트(452)는 제2 샤프트(452)가 상하 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하고, 제1 샤프트(451)의 회전에 의해 제2 샤프트(452)가 회전 가능하도록 세레이션 구조로 결합될 수 있다.
즉, 제1 샤프트(451)의 하단부 외주면과 제2 샤프트(452)의 상단부 내주면에는 각각 상하 방향을 따라 복수의 이가 서로 맞물리게 형성될 수 있다.
제2 샤프트(452)와 제3 샤프트(453)는 제3 샤프트(453)가 상하 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하고, 제2 샤프트(452)의 회전에 의해 제3 샤프트(453)가 회전 가능하도록 세레이션 구조로 결합될 수 있다.
즉, 제3 샤프트(453)는 제2 샤프트(452)의 대략 중앙부에서 하단부 외측에 결합되어 이중관 구조를 이룰 수 있다.
그리고 제2 샤프트(452)의 중앙부 외주면과 제3 샤프트(453)의 상단부 내주면에는 각각 상하 방향을 따라 복수의 이가 서로 맞물리게 형성될 수 있다.
따라서 제3 샤프트(453)는 제2 샤프트(452)의 외측에서 상하 방향으로 슬라이딩 이동할 수 있고, 이동된 위치와 무관하게 제2 샤프트(452)가 회전하면 함께 회전할 수 있다.
슬리브(32)는 제3 샤프트(453)의 하단부에 결합되고, 핀(33)은 제2 샤프트(452)의 하단부에 결합될 수 있다. 그래서 슬리브(32)와 핀(33)은 각각 회전축부(45)의 회전시 함께 회전할 수 있다.
그리고 슬리브(32)는 제3 샤프트(453)와 결합되는 제1 승강부(46)의 승강 동작에 의해 승강 동작하고, 핀(33)은 제2 샤프트(452)와 결합된 제2 승강부(47)의 승강 동작에 의해 승강 동작할 수 있다.
제1 승강부(46)는 제2 구동모터(42)의 출력축과 연결되는 구동기어와 맞물리는 제1 기어(461) 및 제1 기어(461)의 하부에 결합되는 제1 회전통체(462)를 포함하고, 제1 기어(461)와 제1 회전통체(462)는 각각 제3 샤프트(453) 상단에 결합될 수 있다.
제1 회전통체(462)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 제1 회전통체(462)의 외주면에는 제1 가이드 통체(24)의 내주면에 형성된 나사산과 맞물리도록 나사산이 형성될 수 있다.
그리고 제1 회전통체(462)의 내부에는 용접 작업시 제3 샤프트(453)가 원활하게 회전 가능하도록 지지하는 제1 베어링(463)이 설치될 수 있다.
제1 기어(461)는 제2 구동모터(42)와 연결된 구동기어와 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 서로 맞물릴 수 있다.
따라서 제1 기어(461)는 제2 구동모터(462)에서 구동력을 전달받아 회전할 수 있다. 이때, 제1 회전통체(462)가 제1 가이드 통체(24)와 나사 결합됨에 따라, 제1 기어(461)와 제1 회전통체(462)의 회전 및 승강 동작에 의해 제3 샤프트(453)가 승강 동작해서 슬리브(32)의 높이를 조절할 수 있다.
제2 승강부(47)는 제3 구동모터(43)의 출력축과 연결되는 구동기어와 맞물리는 제2 기어(471) 및 제2 기어(471)의 하부에 결합되는 제2 회전통체(472)를 포함하고, 제2 기어(471)와 제2 회전통체(472)는 각각 제2 샤프트(452) 상단에 결합될 수 있다.
제2 회전통체(472)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 제2 회전통체(472)의 외주면에는 제2 가이드 통체(25)의 내주면에 형성된 나사산과 맞물리도록 나사산이 형성될 수 있다.
그리고 제2 회전통체(472)의 내부에는 용접 작업시 제2 샤프트(452)가 원활하게 회전 가능하도록 지지하는 제2 베어링(473)이 설치될 수 있다.
제2 기어(471)는 제3 구동모터(43)와 연결된 구동기어와 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 서로 맞물릴 수 있다.
따라서 제2 기어(471)는 제3 구동모터(43)에서 구동력을 전달받아 회전할 수 있다. 이때, 제2 회전통체(472)가 제2 가이드 통체(25)와 나사 결합됨에 따라, 제2 기어(471)와 제2 회전통체(472)의 회전 및 승강 동작에 의해 제2 샤프트(452)가 승강 동작해서 핀(33)의 높이를 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 구동모듈을 모듈을 이용해서 핀과 슬리브의 높이를 개별적으로 조절하고, 핀과 슬리브를 고속으로 스폿 용접을 수행할 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 되는 것은 아니며, 다양한 구성의 마찰 교반 용접장치에 적용 가능하도록 변경될 수 있다.
다음, 도 4 내지 도 6을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴의 구성을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 마찰 스폿 용접용 툴의 확대 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 클램프의 냉각 구조를 설명하는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴(30)은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 소재(11)의 용접면을 가압해서 고정하는 클램프(31), 소재(11)의 용접면에 접촉된 상태에서 회전 및 하강 동작에 의해 마찰열을 발생해서 소재(11)의 용접 부위를 소성화(plastification)하여 교반하는 슬리브(32) 및 용접면에 형성된 공간을 리필해서 용접면을 평탄화하는 핀(33)을 포함한다.
클램프(31)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 클램프(31)의 내부에는 슬리브(32) 및 핀(31)이 회전 및 승강 동작 가능하게 설치되는 공간이 마련되며, 클램프(31)의 상단에는 하우징(20)의 하단에 결합된 하부 커버(27)에 결합되는 플랜지(311)가 대략 원판 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 클램프(31)의 내부는 용접용 툴(30)을 냉각하기 위해 공급되는 저온의 압축공기에 의해 냉각될 수 있다.
상기 압축공기는 도 6에 도시된 바와 같이, 저온의 압축공기와 고온의 압축공기로 분류하는 볼텍스튜브(60)를 거쳐 클램프(31) 내부로 공급될 수 있다.
즉, 볼텍스튜브(60)는 일측에 형성된 공급구를 통해 공급되는 압축공기를 내부 공간에서 회전시켜 미리 설정된 온도, 예컨대 -15 ℃ 이하의 저온으로 미리 설정된 압력, 예컨대 약 4bar의 압축공기를 토출하는 제1 토출구(61)와, 약 40℃ 이상 고온의 압축공기를 토출하는 제2 토출구(62)를 포함할 수 있다.
그래서 클램프(31)의 상단에는 제1 토출구(61)에서 토출되는 저온의 압축공기를 공급받는 공급구(312)가 형성되고, 클램프(31)의 내부에는 공급구(312)를 통해 공급된 저온의 압축공기가 하방으로 이동하는 이동유로(313)가 형성되며, 클램프(31)의 하단에는 이동유로(313)를 통해 이동하는 과정에서 슬리브(32 및 핀(33)과 열교환을 수행한 고온의 압축공기를 배출하는 복수의 배출구(314)가 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 클램프 내부에 저온의 압축공기를 공급해서 용접용 툴을 냉각함으로써, 용접 과정에서 발생하는 고온의 열에 의한 용접용 툴의 손상을 방지할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 용접용 툴의 교체 주기를 연장하고, 작업 시간을 단축하여 작업성을 향상시킬 수 있다.
슬리브(32)는 클램프(31)의 내경보다 작은 외경을 갖는 대략 원통 형상으로 형성되고, 클램프(31) 내부에서 회전 및 승강 동작 가능하게 설치될 수 있다.
본 실시 예에서 슬리브(32)는 용접하고자 하는 지점에 정확하게 위치시킬 수 잇도록, 최소화된 직경으로 형성되고, 슬리브(32)의 중앙부 외주면에는 클램프(31)의 내주면에 형성된 가이드홈에 대응되도록 복수의 가이드 돌부가 돌출 형성될 수 있다.
핀(33)은 슬리브(32) 내부에서 회전 및 승강 동작 가능하도록, 슬리브(32)의 내경보다 작은 외경을 갖는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 클램프(31)의 하단부 내주면과 슬리브(32)의 하단부 외주면 그리고 슬리브(32)의 하단부 내주면과 핀(33)의 하단부 외주면에는 각각 서로 맞물리도록 나사산이 형성될 수 있다.
본 실시 예에서 핀(33)은 용접하고자 하는 지점에 정확하게 위치시킬 수 있도록, 최소화된 직경으로 형성될 수 있다.
그리고 슬리브(32) 내부에는 핀(33)이 원활하게 승강 및 회전 동작할 수 있도록, 윤활유가 충진되고, 핀(33)과 슬리브(32)는 상기 윤활유에 의해 냉각될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 압축공기를 이용한 냉각을 통해 냉각 효율을 향상시키고, 콤팩트한 구조로 개선됨에 따라 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있다.
한편, 용접용 툴(30)은 클램프(31)와 슬리브(32) 사이에 배치되는 열전도쉘(34)을 더 포함할 수 있다.
열전도쉘(34)은 상면과 하면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 내부에는 슬리브(32)와 핀(31)이 설치되는 공간이 마련될 수 있다.
이러한 열전도쉘(34)은 구리와 같이 열전도성을 갖는 재질의 재료를 이용해서 제조되고, 내부에 설치된 슬리브(32)와 핀(33)에서 열을 전달받아 클램프(31)의 외측으로 발산시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 용접용 툴에 열전도쉘을 적용해서 과도한 열 발생으로 인한 용접용 툴의 손상이나 파손을 방지하고, 용접용 툴의 오염을 감소시킬 수 있다.
다음, 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치를 이용한 마찰 스폿 용접방법을 설명한다.
도 7는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접장치를 이용한 마찰 스폿 용접 방법을 단계별로 설명하는 동작 상태도이다.
도 7의 (a) 내지 (d)에는 각각 용접용 툴의 각 공정별 동작 상태가 예시되어 있고, 도 7의 (e) 내지 (h)에는 각 공정별 소재의 상태가 예시되어 있다.
마찰 스폿 용접 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, (a) 용접모듈(30)을 하강 동작시키고 소재(11)의 용접면에 클램프(31)를 접촉시켜 견고하게 고정한 후, 슬리브(32)를 하강하도록 회전시켜 마찰열을 발생하는 단계, (b) 핀(33)을 상승하도록 회전시켜 슬리브(32)의 회전에 의해 발생한 마찰열에 의해 용융된 소재(11)의 일부를 끌어올리는 단계, (c) 슬리브(32)가 하부에 배치된 소재(13)까지 관통되면, 슬리브(32)를 상승하도록 회전시키고, 핀(33)을 하강하도록 회전시켜 끌어올려진 소재(11)의 일부를 슬리브(32)에 의해 형성된 공간에 리필하는 단계 및 (d) 슬리브(32)와 핀(33)을 각각 선단이 클램프(31)의 선단과 일치되도록 초기 위치로 복귀시킨 후 접합 사이클을 종료하는 단계를 포함한다.
상세하게 설명하면, (a)단계에서 용접용 툴(30)의 클램프(31)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 하강 동작해서 소재(11)의 용접면에 접촉되고, 서로 겹쳐진 복수의 소재(12,13)는 클램프(31)와 연장 프레임(21)의 백 플레이트(23) 사이에 고정된다.
이때, 슬리브(32)는 회전하면서 마찰열을 발생시키고, 상부에 배치된 소재(12)는 도 7의 (e)에 도시된 바와 같이, 슬리브(32)의 회전 및 하강 동작에 의해 용용된다.
상기 (b)단계에서 핀(33)은 회전하면서 상승 동작하고, 마찰열에 의해 용융된 소재(11)는 도 7의 (f)에 도시된 바와 같이, 핀(33)이 상승하면서 형성되는 슬리브(32) 내부의 공간을 따라 끌어올려진다.
상기 (c)단계에서 슬리브(32)는 하부에 배치된 소재까지 관통하도록 하강한 후, 다시 상승하도록 회전한다. 이때, 핀(33)은 역방향으로 회전해서 하강 동작한다.
그래서 슬리브(32) 내부의 공간을 따라 끌어올려진 소재(11)는 도 7의 (g)에 도시된 슬리브(32)에 의해 형성된 빈 공간에 리필된다.
상기 (d)단계에서 용접용 툴(30)은 슬리브(32)와 핀(33) 및 클램프(31)의 선단이 일치되는 초기 위치로 복귀된 상태에서 상승 동작하고, 1개의 스폿에 대한 접합 사이클이 종료된다.
이와 같이, 용접용 툴을 이용해서 용접하는 과정에서 용접용 툴의 클램프 내부에는 클램프 상단의 공급구를 통해 저온의 압축공기가 공급되고, 압축공기는 클램프 내부에 마련된 이동유로를 통해 하방으로 이동하면서 슬리브(32) 및 핀(33)과 열교환을 수행하며, 클램프 하단에 형성된 복수의 배출구(314)를 통해 배출된다.
이와 같이, 본 발명은 클램프 내부에 저온의 압축공기를 공급해서 용접용 툴을 냉각함으로써, 용접 과정에서 발생하는 고온의 열에 의한 용접용 툴의 손상을 방지할 수 있다.
이후, 상기 제어부는 용접용 툴(30)을 용접하고자 하는 다음 위치의 스폿으로 이동시킨 후, 다음 상기한 (a) 내지 (d)단계를 순차적으로 반복 수행하도록 구동모듈의 구동을 제어한다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 용접용 툴을 회전시켜 발생하는 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 모재를 교반하여 접합할 수 있다.
그리고 본 발명은 용접 과정에서 소재의 용접면에 형성되는 키홀을 리필하고, 소재 뒷면의 손상 없이 겹치기 용접할 수 있다.
또한, 본 발명은 클램프 내부에 저온의 압축공기를 공급해서 용접용 툴을 냉각하여 용접 과정에서 발생하는 고온의 열에 의한 용접용 툴의 손상을 방지함으로'써, 용접용 툴의 교체 주기를 연장하고, 작업 시간을 단축하여 작업성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 마찰 스폿 용접 장치는 용접 가능한 소재의 규격, 즉 두께와 폭이 용접용 툴과 백 플레이트 사이의 높이와 연장 프레임의 폭으로 제한될 수 있다.
따라서 본 발명은 하우징의 일측에 마련되는 연장 프레임을 제거하고, 로봇의 암에 하우징을 연결해서 다양한 규격의 소재를 용접하도록 변경될 수 있다.
즉, 본 발명은 연장 프레임(21)을 제거한 상태에서 설치 블록(26)을 로봇의 암에 연결해서 다양한 방향 및 위치로 이동 가능하게 마련된다.
이와 같이, 본 발명은 하우징의 일측에 마련되는 연장 프레임을 제거하고, 로봇의 암에 설치 블록을 연결해서 자유도를 높임으로써, 소재를 용접할 수 있는 규격 제한을 없앨 수 있다.
또한, 본 발명은 용접툴을 구동하는 구동모듈의 구성을 간단하게 하고, 용접툴의 자유도를 높여 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 클램프 내부에 저온의 압축공기를 공급해서 용접용 툴을 냉각하여 용접 과정에서 발생하는 고온의 열에 의한 용접용 툴의 손상을 방지할 수 있는 마찰 스폿 용접용 툴 및 그가 적용된 마찰 스폿 용접장치 기술에 적용된다.
10: 마찰 스폿 용접 장치
11: 소재 12,13: 상부, 하부 소재
20: 하우징 21: 연장 프레임
22: 커버 23: 백 플레이트
24,25: 제1, 제2 가이드 통체
26: 설치블록 27: 하부 커버
30: 마찰 스폿 용접용 툴 31: 클램프
311: 플랜지 312: 공급구
313: 이동유로 314: 배출구
32: 슬리브 33: 핀
34: 열전도쉘
40: 구동모듈
41 내지 43: 제1 내지 제3 구동모터 411: 벨트
44: 구동부 45: 회전축부
451 내지 453: 제1 내지 제3 샤프트
46,47: 제1, 제2 승강부 461,471: 제1, 제2 기어
462,472: 제1, 제2 회전통체 463,473: 제1, 제2 베어링
60: 볼텍스 튜브 61: 제1 토출구
62: 제2 토출구

Claims (5)

  1. 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재를 용접하는 마찰 스폿 용접장치에 적용되는 마찰 스폿 용접용 툴에 있어서,
    소재의 용접면을 가압해서 고정하는 클램프,
    소재의 용접면에 접촉된 상태에서 회전 및 하강 동작에 의해 마찰열을 발생해서 소재의 용접 부위를 교반하는 슬리브 및
    상기 슬리브에 의해 용접면에 형성된 공간을 리필해서 평탄화하는 핀을 포함하고,
    상기 클램프의 상단에는 볼텍스튜브에서 토출되는 미리 설정된 온도 및 압력을 갖는 저온의 압축공기를 공급받는 공급구가 형성되고,
    상기 클램프의 내부에는 상기 공급구를 통해 공급된 저온의 압축공기가 하방으로 이동하는 이동유로가 형성되며,
    상기 클램프의 하단에는 상기 이동유로를 통해 이동하는 과정에서 상기 슬리브 및 핀과 열교환을 수행한 고온의 압축공기를 배출하는 복수의 배출구가 형성되고,
    상기 클램프의 내부에는 상기 클램프의 내부에는 상기 슬리브 및 핀에서 발생하는 열을 냉각하는 압축공기가 공급되며,
    상기 슬리브의 내부에는 상기 핀이 승강 및 회전 동작 가능하도록, 윤활유가 충진되고,
    상기 핀과 슬리브는 상기 용접용 툴의 교체 주기를 연장하도록, 상기 저온의 압축공기와 상기 윤활유에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 마찰 스폿 용접용 툴.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클램프와 슬리브 사이에 배치되고, 상기 슬리브와 핀에서 열을 전달받아 상기 클램프의 외측으로 발산시키는 열전도쉘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 스폿 용접용 툴.
  5. 제1항 또는 제4항에 기재된 마찰 스폿 용접용 툴이 적용된 마찰 스폿 용접 장치에 있어서,
    외형을 형성하는 하우징,
    상기 하우징에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되고 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 소재를 용융시켜 접합하는 마찰 스폿 용접용 툴,
    상기 마찰 스폿 용접용 툴을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈 및
    상기 마찰 스폿 용접용 툴 및 구동모듈의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 마찰 스폿 용접용 툴은 소재의 용접면을 가압해서 고정하는 클램프,
    소재의 용접면에 접촉된 상태에서 회전 및 하강 동작에 의해 마찰열을 발생해서 소재의 용접 부위를 교반하는 슬리브 및
    상기 슬리브에 의해 용접면에 형성된 공간을 리필해서 평탄화하는 핀을 포함하고,
    상기 클램프의 상단에는 볼텍스튜브에서 토출되는 미리 설정된 온도 및 압력을 갖는 저온의 압축공기를 공급받는 공급구가 형성되고,
    상기 클램프의 내부에는 상기 공급구를 통해 공급된 저온의 압축공기가 하방으로 이동하는 이동유로가 형성되며,
    상기 클램프의 하단에는 상기 이동유로를 통해 이동하는 과정에서 상기 슬리브 및 핀과 열교환을 수행한 고온의 압축공기를 배출하는 복수의 배출구가 형성되고,
    상기 클램프의 내부에는 상기 클램프의 내부에는 상기 슬리브 및 핀에서 발생하는 열을 냉각하는 압축공기가 공급되며,
    상기 슬리브의 내부에는 상기 핀이 승강 및 회전 동작 가능하도록, 윤활유가 충진되고,
    상기 핀과 슬리브는 상기 용접용 툴의 교체 주기를 연장하도록, 상기 저온의 압축공기와 상기 윤활유에 의해 냉각되며,
    상기 제어부는 상기 마찰 스폿 용접용 툴을 하강시켜 소재의 용접면에 상기 클램프를 접촉시켜 고정시킨 상태에서 상기 슬리브를 하강하도록 회전시켜 마찰열을 발생하며, 상기 핀을 상승하도록 회전시켜 상기 슬리브의 회전에 의해 발생한 마찰열에 의해 용융된 소재의 일부를 끌어올린 후, 상기 슬리브가 하부에 배치된 소재까지 관통되면, 상기 슬리브를 상승하도록 회전시키고, 상기 핀을 하강하도록 회전시켜 끌어올려진 소재의 일부를 상기 슬리브에 의해 형성된 공간에 리필하며, 상기 슬리브와 핀을 각각 선단이 상기 클램프의 선단과 일치되도록 초기 위치로 복귀시킨 후 접합 사이클을 종료하고, 다음 위치로 이동시켜서 접합 사이클을 반복하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰 스폿 용접 장치.
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