KR102529140B1 - 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구에 관한 것으로서, 특히 숄더부와 핀부가 일체형으로 형성되고, 숄더부의 테이퍼진 외주면을 따라 형성된 회오리 형상의 홈과 나사산이 형성된 핀부를 통해 마찰열과 교반력을 증대시켜 작업의 품질을 향상되도록 장치에 장착되는 몸체부에 일단이 일체를 이루는 숄더부; 및 상기 숄더부의 타단에 일체로 형성되어 상기 숄더부가 회전함에 따라 같이 회전하여 한 쌍의 금속 부재가 맞닿아 형성된 필렛부분으로 삽입되는 핀부;를 포함할 수 있다.

Description

필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구{Apparatus for Fillet Friction Stir Welding}

본 발명은 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구에 관한 것으로서, 특히 숄더부와 핀부가 일체형으로 형성되고, 숄더부의 테이퍼진 외주면을 따라 형성된 회오리 형상의 홈과 나사산이 형성된 핀부를 갖는 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구에 관한 것이다.

일반적으로 마찰교반용접(FSW; Friction Stir Welding)은 나사산 형태의 돌기(probe)를 가지는 비소모성 공구(tool)를 고속으로 회전시키면서 피접합재에 삽입하면 공구와 피접합재와의 상호 마찰에 의해 열이 발생하며, 이러한 마찰열에 의해 공구 주변의 재료는 연화되며, 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제적으로 혼합되는 원리로 피접합재의 용접이 이루어지는 것을 의미한다.

마찰 교반 용접은 기존 용융용접에 비해 기계적 특성 향상 및 우수한 접합부를 형성하여, 접합용 공구와 시편의 마찰열을 이용하여 기존의 용융 용접에 비해 낮은 입열로 용접이 이루어지기 때문에 작은 잔류응력, 적은 변형 등의 장점을 더욱 부각시킨 용접방법이다. 또한, 기존의 용융용접과 달리 별도의 열원, 용접봉, 용가제 등이 불필요하며 접합과정에서 유해광선이나 유해물질이 배출되지 않기 때문에 경제적이면서도 환경 친화적인 접합기술이다.

마찰 교반 용접은 접합하고자 하는 편평한 복수의 판형 부재의 측면을 접촉시키고, 복수의 판형 부재의 접촉되는 부분의 상면과 하면을 접합용 공구와 시편의 마찰열을 이용하여 용접하는 방식으로, 복수의 판형 부재가 수직으로 맞닿아 형성된 코너 또는 필렛부분을 접합하고자 할 때는 일반적인 마찰 교반 용접 방식으로는 접합을 수행할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 대한민국 등록특허 제 10-2012-0081190호(이하 '인용발명'이라 함)에는 금속부재를 맞대어 형성된 내측 코너부에 마찰 교반 접합을 행하는 교반 핀과 교반 핀을 지지하고, 금속부재에 각각 접촉되는 베이스 블록 및 착탈 가능하게 형성된 숄더부를 통하여, 금속부재가 맞닿아 형성된 내측 코너를 마찰 교반 접합을 수행하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 인용발명은 교반 핀, 베이스 블록, 숄더부가 각각 독립된 부품형태로 나뉘어 지기 때문에 부품의 형상이 복잡할 뿐만 아니라, 베이스 블록의 경사면은 90도로 한정되어 있기 때문에 일정 각도에서만 마찰 교반 용접이 가능하며, 가공할 수 있는 부품의 형상이 한정되는 문제가 있다.

1. 대한민국 등록특허 제 10-2012-0081190호 '내측 코너 접합용 회전 툴 및 이것을 이용한 내측 코너 접합 방법'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 숄더부와 핀부가 일체형으로 형성되고, 숄더부와 핀부의 형상을 통하여 필렛부 마찰 교반 접합을 수행할 때 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구와 접합 부재간의 마찰력과 교반력이 증가되어 접합체의 작업 품질을 높이면서 단순한 형상을 갖는 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명인 필렛 용접을 위한 마찰 교반 용접기구는, 마찰교반용접을 위한 장치에 장착되는 몸체부에 일단이 일체를 이루는 숄더부; 및 상기 숄더부의 타단에 연장형성되어 상기 몸체부의 회전에 따라 숄더부와 함께 회전하여 한 쌍의 금속 부재가 맞닿아 형성된 필렛부분으로 삽입되는 핀부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 숄더부는 타단이 일단보다 폭이 좁게끔 테이퍼질 수 있다.

또한, 상기 숄더부는 마주하는 경사가 상기 핀부를 중심으로 60도 내지 120도의 각도로 형성될 수 있다.

또한, 상기 숄더부의 외주면에는 상기 핀부를 중심으로 회오리 형상을 갖는 홈이 형성되고, 상기 핀부의 외주면에는 나사산이 형성되되, 상기 홈과 상기 나사산은 같은 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 숄더부의 외주면은 내측을 향해 오목한 곡률을 이루도록 형성될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 몸체부에 일단이 일체를 이루는 숄더부와 상기 숄더부의 타단에 일체로 형성되어 상기 숄더부가 회전함에 따라 같이 회전하여 한 쌍의 금속 부재가 수직으로 맞닿아 형성된 필렛부분으로 삽입되는 핀부를 통하여, 단순해진 형상으로 필렛부 마찰 교반 접합을 수행함에 있어 마찰력과 교반력이 증가되어 작업의 품질이 증대될 수 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필렛 용접을 위한 마찰교반용접 기구의 정면 구조를 확인할 수 있는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필렛 용접을 위한 마찰교반용접 기구의 저면 구조를 확인할 수 있는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필렛 용접을 위한 마찰교반용접 기구의 사용을 보여주는 예시도이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필렛 용접을 위한 마찰교반용접 기구의 마찰 교반 접합 방법을 보여주는 예시도이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 필렛 용접을 위한 마찰교반 용접기구의 활용 예시도이다.

본 발명은 필렛부 마찰 교반 용접을 수행함에 있어 마찰력이 증가함에 따라 교반력이 증가되어 작업의 품질이 증대되도록, 마찰교반용접을 위한 장치에 장착되는 몸체부에 일단이 일체를 이루는 숄더부(120); 및 상기 숄더부(120)의 타단에 일체로 형성되어 상기 숄더부(120)가 회전함에 따라 같이 회전하여 한 쌍의 금속 부재가 맞닿아 형성된 필렛부분으로 삽입되는 핀부(110);를 포함하는 필렛 마찰 교반 용접기구(100)를 제안한다.

본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.

이하, 본 발명인 필렛 마찰 교반 용접기구(100)에 대하여 도 1 내지 도 8을 참고로 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명인 필렛 마찰 교반 용접기구(100)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 마찰교반용접을 위한 장치의 스핀들과 같은 고정구에 고정되고 회전하며, 제1 접합부재(300)와 제2 접합부재(400)가 수직으로 맞닿아 형성되는 필렛부에 접촉하는 필렛 마찰 교반 용접기구(100) 사이에 발생하는 마찰열을 이용하여 필렛부를 접합할 수 있다.

이 때, 제1 접합부재(300) 및 제2 접합부재(400)는 동종의 재료로 이루어질 수 있음은 물론, 서로 다른 종류의 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 접합부재(300) 및 제2 접합부재(400)는 각각 금속, 플라스틱, 알루미늄 소재 등으로 이루어질 수 있다.

필렛 마찰 교반 용접기구(100)는 마찰교반용접을 위한 장치의 스핀들과 같은 고정구에 고정되는 몸체부; 일단이 몸체부와 일체를 이루는 숄더부(120) 및 숄더부(120)의 타단에 일체로 형성되는 핀부(110)로 형성될 수 있다.

몸체부는 도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성되며, 일단이 마찰교반용접을 위한 장치에 장착되는 고정구에 고정되도록 특정 크기로 형성될 수 있다. 이 때, 몸체부의 일단은 콜렛 척, 스트레이트 콜렛 척을 포함하는 고정구에 삽입되어 회전 작동부에 고정되는 형태로 몸체부가 고정될 수 있다.

이 때, 마찰 교반 접합 방법에 있어 공구의 역할을 하는 필렛 마찰 교반 용접기구(100)는 높은 마찰열과 전단응력이 가해지기 때문에 회전하며 접합 부재와 접촉하는 핀부(110) 및 숄더부(120)와 일체형으로 형성되어 있는 몸체부의 재질은 마찰 교반 접합을 수행하기 위해 내마모성 및 인성과 함께 고온 전단 강도가 우수한 재질로 형성될 수 있다.

숄더부(120)는 도 1 내지 도 3 및 도 5 내지 도 6을 참고하여 상세하게 설명하면, 숄더부(120)는 타단은 몸체부와 일체로 형성되며, 핀부(110) 방향으로 타단이 일단보다 폭이 좁아지는 형상의 테이퍼가 형성되어 숄더부(120)에 형성된 핀부(110) 방향으로 좁아지는 형상의 테이퍼를 통하여 복수의 접합 부재가 수직으로 맞닿아 형성된 필렛부에 핀부(110)가 위치될 수 있다. 또한, 숄더부(120)는 몸체부가 회전함에 따라 일체로 형성된 핀부(110)가 회전하여 필렛부에 삽입될 때 주변의 접합 부재와 마찰하여 열을 발생시키고 소성유동하는 재료에 교반력을 전달할 수 있다.

숄더부(120)에 형성된 테이퍼는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 핀부(110)를 중심으로 마주보는 경사가 60도 내지 120도의 각도로 형성될 수 있으며, 제1 접합부재(300)와 제2 접합부재(400)가 맞닿아 형성된 필렛부의 각도가 90도 인경우, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 90도 각도의 테이퍼가 형성된 숄더부(120)를 통하여 필렛부 마찰 교반 용접을 통하여 접합 할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 접합부재(300)와 제2 접합부재(400)가 맞닿아 형성된 필렛부의 각도가 60도 이상 90도 미만인 경우, 숄더부(120)에 형성된 테이퍼의 각도는 필렛부의 각도에 대응하는 각도로 형성되어 필렛부 마찰 교반 용접을 통하여 접합이 가능 하며, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 접합부재(300)와 제2 접합부재(400)가 맞닿아 형성된 필렛부의 각도가 90도 초과 120도 이하인 경우 숄더부(120)에 형성된 테이퍼의 각도는 필렛부의 각도에 대응하는 각도로 형성되어 필렛부 마찰 교반 용접을 통하여 접합 할 수 있다.

또한, 숄더부(120)의 타단에 형성된 테이퍼는 타단 방향으로 핀부(110)가 오목한 형상을 가지도록 곡률이 형성될 수 있다. 숄더부(120)의 테이퍼에 형성된 곡률을 통하여, 제1 접합부재(300)에 수직으로 맞닿아 필렛부를 형성하는 제2 접합부재(400)가 라운드 가공 또는 모따기 가공이 된 경우에도 곡률이 형성되어 있는 숄더부(120)가 접촉하여 마찰될 수 있어 필렛부에 마찰 교반 용접을 수행이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 숄더부(120)의 외주면은 타단 방향으로 핀부(110)를 중심으로 형성되는 회오리 형상의 홈이 형성될 수 있다. 회오리 형상의 홈은 나선 형태로 특정 각도를 갖는 홈의 형상으로 형성될 수 있으며, 회오리 형상의 홈을 통하여 숄더부(120)가 마찰 교반 용접을 수행함에 있어서 접합 부재들과 접촉하여 마찰열을 증가시킬 수 있으며, 회오리 형상의 홈이 마찰열에 의하여 재료가 소성유동할 때 교반력을 증가시킬 수 있다. 이러한 회오리 형상의 홈은 핀부(110)가 형성된 숄더부(120)의 타단으로부터 일단까지 형성된다.

핀부(110)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 핀부(110)의 일단은 숄더부(120)의 타단과 일체로 형성되고, 접합 부재와의 접촉하는 핀부(110)의 타단은 뾰족한 형상 또는 끝 부부분이 둥근 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 핀부(110)는 외주연에 나사산이 형성되어 있어 마찰 교반 용접을 수행할 때, 제1 접합부재(300) 및 제2 접합부재(400)가 수직으로 맞닿아 형성된 필렛부에 빠르게 회전하여 삽입될 때, 나사산의 형상을 통하여 재료가 소성유동을 함에 있어서 교반력이 증가될 수 있다.

이 때, 핀부(110)에 형성된 나사산은 숄더부(120) 외주면에 형성되어 있는 회오리 형상의 홈과 같은 방향으로 형성되고 숄더부(120)에 형성된 홈보다 촘촘히 형성되어, 마찰 교반 용접을 수행할 때, 필렛부에 핀부(110)가 회전하며 삽입되고 숄더부(120)는 소성유동하는 재료에 접촉하여 같은 방향으로 형성된 핀부(110)의 나사산 및 숄더부(120)의 회오리 형상의 홈의 회전을 통해 소성유동 하는 재료에 대한 교반력이 증가될 수 있다.

100: 필렛 마찰 교반 용접기구
110: 핀부
120: 숄더 부
300: 제1 접합부재
400: 제2 접합부재

Claims (5)

1. 마찰교반용접을 위한 장치에 장착되는 몸체부; 일단이 상기 몸체부와 일체를 이루는 숄더부(120); 및 상기 숄더부(120)의 타단에 연장형성되어 상기 몸체부의 회전에 따라 숄더부(120)와 함께 회전하며 한 쌍의 금속 부재가 맞닿아 형성된 필렛부분으로 삽입되는 핀부(110);를 포함하며,
   상기 숄더부(120)는 타단이 일단보다 폭이 좁게끔 테이퍼져 마주하는 경사가 상기 핀부(110)를 중심으로 60도 내지 120도의 각도를 이루되,
   상기 핀부(110)의 외주면에는 나사산이 형성되고,
   상기 숄더부(120)의 외주면은 내측을 향해 오목한 곡률을 이루며, 핀부(110)를 중심으로 나사산과 같은 방향으로 회오리 형상을 갖는 홈이 핀부(110)가 형성된 타단으로부터 일단까지 형성되고,
   상기 나사산은 홈보다 촘촘히 형성되는 것을 특징으로 하는 필렛 마찰 교반 용접기구.
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