KR102665245B1 - 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마찰교반용접 툴에 부착(소착)된 모재(이물질)을 제거하는 장치와 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 숏피닝(샌딩) 효과로 툴 핀과 숄더의 경도가 증가되므로 수명이 향상되고 샌딩 효과로 인해 숄더의 마찰계수가 증가되므로 마찰교반용접의 안정성이 극대화되며, 진동자를 이용하여 샌드와 분말의 유동과 배출이 원활하게 이루어지고 배출구의 막힘이 방지되며, 마찰교반용접 장치에 장착되어 사용 가능하므로 툴을 마찰교반용접 장치로부터 분리할 필요가 없다는 장점을 갖는, 툴 클리닝 장치와 방법에 대한 것이다.

Description

마찰교반용접 툴의 클리닝 장치 및 방법 {Cleaning apparatus and method for tool of friction stir welding}
본 발명은 마찰교반용접 툴에 부착(소착)된 모재(이물질)를 제거하는 장치와 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 숏피닝(샌딩) 효과로 툴 핀과 숄더의 경도가 증가되므로 수명이 향상되고 샌딩 효과로 인해 숄더의 마찰계수가 증가되므로 마찰교반용접의 안정성이 극대화되며, 진동자를 이용하여 샌드와 분말의 유동과 배출이 원활하게 이루어지고 배출구의 막힘이 방지되며, 마찰교반용접 장치에 장착되어 사용 가능하므로 툴을 마찰교반용접 장치로부터 분리할 필요가 없다는 장점을 갖는, 툴 클리닝 장치와 방법에 대한 것이다.
마찰교반용접(friction stir welding)은 툴 핀(tool pin)과 숄더(shoulder)로 이루어지는 툴(tool)을 고속으로 회전시키면서 용접하고자 하는 재료(모재)에 삽입하여 재료의 표면과 내부에서 발생하는 마찰열을 이용하여 재료를 연화함과 동시에 고온 소성 유동을 일으켜 툴의 좌우에 배치된 재료의 일부를 상호간에 맞은편 영역에 교반 혼입시켜 접합을 실현하는 고상 접합 방법이다.
도 1은 툴을 이용하여 두 개의 금속 판재(모재)를 용접하는 것을 보여준다. 마찰교반용접 시 툴을 반복해서 사용하면 툴 핀과 숄더 하단에 모재가 소착(부착)되는 현상이 발생한다. 이 현상은 툴 핀 본연의 목적인 교반을 저해함으로써 전체적으로 마찰교반용접된 제품의 품질을 저하시키는 요인이 된다.
이 문제는 툴을 교체하면 해결할 수 있지만 툴 교체 비용은 원가를 상승시키는 요인이 된다. 따라서, 툴 핀과 숄더 하단에 소착(부착)된 모재(이물질)를 효과적이고 경제적으로 제거할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 툴에 소착(부착)된 모재(이물질)를 단순하면서도 경제적으로 제거할 수 있는 클리닝 장치와 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 숏피닝(샌딩) 효과로 툴 핀과 숄더의 경도가 증가되므로 수명이 향상되고 샌딩 효과로 인해 숄더의 마찰계수가 증가되므로 마찰교반용접의 안정성이 극대화되며, 진동자를 이용하여 샌드와 분말의 유동과 배출이 원활하게 이루어지고 배출구의 막힘이 방지되며, 마찰교반용접 장치에 장착되어 사용 가능하므로 툴을 마찰교반용접 장치로부터 분리할 필요가 없는 클리닝 장치와 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰교반용접 툴 클리닝 장치(100)는, 내부의 빈 공간을 갖는 용기(10); 압축공기를 용기(10)의 내부에 공급하는 제1 공급부; 샌드 또는 분말을 공급하는 제2 공급부; 및, 용기(10)의 상부에 형성된 툴 고정부(20);를 포함할 수 있다.
툴 고정부(20)에는 마찰교반용접 툴(1)이 고정되되, 적어도 툴(1)의 툴 핀과 숄더의 하단(숄더의 아랫면)이 용기(10) 내부에 노출되도록 설치될 수 있다. 용기(10)에 공급된 압축공기와 샌드 또는 분말이 툴 핀과 숄더에 고속으로 충돌하면서 툴 핀과 숄더에 부착된 이물질을 제거할 수 있다.
상기 제1 공급부는 압축공기 공급부로부터 용기(10)까지 연장된 제1 공급관(30)을 포함할 수 있다. 제2 공급부는 샌드 또는 분말의 저장부(40)에서부터 제1 공급관(30)까지 연장된 제2 공급관(42)을 포함할 수 있다. 제2 공급관(42)은 제1 공급관(30)에 연결되어 통하고, 제2 공급관(42)을 통해서 제1 공급관(30)에 공급된 샌드 또는 분말이 압축공기에 의해 용기(10) 내부에 공급된 후 툴(1)을 향해 빠르게 분사(블라스트)된다.
용기(10)의 하단에는 배출구(12)가 형성되고, 용기(10)의 하부는 배출구(12)를 향하여 경사지도록 형성될 수 있다.
툴 고정부(20)는 용기(10)의 상단에 형성된 삽입구를 포함하고, 용기(10)의 상부는 툴 고정부(20)를 향하여 경사지도록 형성될 수 있다.
툴(1)로부터 제거된 이물질과 공기가 배출구(12)를 통해 배출될 수 있다.
용기(10)에는 진동자(50)가 설치될 수 있다. 진동자(50)의 진동에 의해 배출구(12)를 통한 이물질의 배출이 촉진될 수 있다.
툴 고정부(20)의 둘레에는 필터(14)가 설치될 수 있다. 공기는 필터(14)를 통과하여 외부로 배출되지만 샌드와 분말 및 이물질은 필터(14)를 통과하지 못한다. 제1 공급관(30)으로부터 위로 분사된 압축공기의 일부가 필터(14)를 통해 외부로 배출되는 것에 의해서 샌드 또는 분말의 상승 속도가 향상될 수 있다.
상기 분말은 세라믹 분말 또는 금속 분말일 수 있다.
본 발명의 다른 측면인 마찰교반용접 툴의 클리닝 방법, (a) 용기(10)의 툴 고정부(20)에 툴(1)을 고정하되, 툴 핀과 숄더가 용기(10) 내부에 노출되도록 설치하는 단계; 및, (b) 압축공기와 샌드 또는 분말이 용기(10) 내부에서 툴(1)을 향해 분사되도록 하여 툴 핀과 숄더에 부착된 이물질을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
압축공기가 제1 공급관(30)을 통해 빠르게 이동하는 동안에 샌드 또는 분말이 제1 공급관(30)에 유입 또는 흡입된 후 압축공기와 샌드 또는 분말이 함께 용기(10) 내부에서 분사되어 툴 핀과 숄더에 충돌된다.
용기(10)는 작업자에 의해 이동 가능하다. 따라서, 상기 (a) 단계는 툴(1)이 마찰교반용접 장치에 설치된 상태로 이루어지되, 용기(10)를 이동시켜서 툴(1)이 툴 고정부(20)에 고정되도록 할 수 있다.
용기(10)의 이동이 가능하도록, 압축공기를 공급하는 제1 공급관(30)의 적어도 일부는 자유롭게 휘어지는 관으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖고 있다.
첫째, 단순하고 경제적으로 툴에 소착(부착)된 모재(이물질)를 제거할 수 있다.
둘째, 숏피닝(샌딩) 효과로 툴 핀과 숄더의 경도가 증가되므로 수명이 향상되고 샌딩 효과로 인해 숄더의 마찰계수가 증가되므로 마찰교반용접의 안정성이 극대화되며, 진동자를 이용하여 샌드와 분말의 유동과 배출이 원활하게 이루어지고 배출구의 막힘이 방지되며, 마찰교반용접 장치에 장착되어 사용 가능하므로 툴을 마찰교반용접 장치로부터 분리할 필요가 없다.
도 1은 마찰교반용접 툴이 두 금속판재(모재)를 용접하는 것을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 클리닝 장치를 보여주는 정면도.
도 3은 도 2의 클리닝 장치에 툴이 설치된 것을 보여주는 사시도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 클리닝 장치를 보여주는 정면도.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 클리닝 장치를 보여주는 정면도이고, 도 3은 상기 클리닝 장치에 툴이 설치된 것을 보여주는 사시도이다.
도면에 나타난 바와 같이, 클리닝 장치(100)는 용기(10)와, 용기(10)의 내부에 압축공기를 공급하는 제1 공급부와, 샌드(또는 분말)을 공급하는 제2 공급부와, 용기(10)의 상부에 구비된 툴 고정부(20) 및, 용기(10)에 설치된 진동자(50)를 포함할 수 있다.
용기(10)는 그 내부에 빈 공간을 갖는다. 용기(10)의 하단에는 배출구(12)가 형성된다. 배출구(12)를 통해서 모재(이물질)와 샌드(또는 분말) 및 공기가 배출될 수 있다.
그리고, 용기(10)의 하부는 배출구(12)를 향해서 아래로 경사진 것이 바람직한데, 이것은 툴(1)로부터 제거된 모재(이물질)와 샌드(또는 분말)를 원활히 배출하기 위함이다.
용기(10)의 상단에는 툴 고정부(20)가 형성된다. 툴 고정부(20)는 용기(10)의 상단에 형성된 삽입구일 수 있다. 즉, 툴(1)을 툴 고정부(20, 삽입구)에 삽입하되, 툴 핀과 숄더가 용기(10)의 내부에 노출되도록 한다. 즉, 툴(1) 중에서 적어도 툴 핀과 숄더의 하단(숄더의 아랫면)이 용기(10)의 내부에 위치하도록 툴(1)을 삽입구에 설치한다.
그리고, 용기(10)의 아래에는 용기(10)를 지지하기 위한 지지대(도면에 미도시)가 설치될 수도 있다. 이 지지대는 진동자(50)에 의해 용기(10)가 진동될 때에도 용기(10)를 견고하게 지지할 수 있는 것이 바람직하다.
용기(10)의 상부는 툴 고정부(20)를 향해서 위로 경사진 것이 바람직하다. 이것은 분사구(32)로부터 분사된 압축공기와 샌드(또는 분말)가 툴(1)에 집중되도록 하기 위함이다.
한편, 용기(10)를 자유롭게 이동하면서 툴 클리닝 작업을 할 수도 있는데, 이를 위해서는 제1,2 공급관(30)(42)을 자유롭게 벤딩되는 소재로 만드는 것이 바람직하다. 예를 들어, 용기(10)를 마찰교반용접 장치(도면에 미도시)의 아래에 배치하고 툴(1)이 툴 고정부(20)에 고정되도록 할 수 있는데, 이와 같이 하면 툴(1)을 마찰교반용접 장치로부터 분리하지 않은 상태에서 툴(1)을 클리닝 할 수 있다.
제1 공급부는 압축공기 공급부(도면에 미도시)와 제1 공급관(30)을 포함할 수 있다.
압축공기 공급부는 압축공기를 저장하는 탱크(도면에 미도시)이거나 압축공기를 발생 및 공급하는 펌프(도면에 미도시)일 수 있다. 압축공기는 샌드(또는 분말)를 빠른 속도로 분사(블라스트, blast)하여 툴에 부착(소착)된 모재(이물질)를 제거할 수 있는 정도의 압력과 풍량을 갖는 것이 바람직하다.
툴 핀과 숄더의 하단에 부딪친 샌드(또는 분말)는, 숏피닝(샌딩) 효과로 인해, 툴 핀이나 숄더의 경도를 증가시켜 수명을 향상시킨다. 그리고, 샌딩 효과로 인해서 숄더의 마찰계수가 증가하므로 마찰교반용접의 안정성 효과가 극대화될 수 있다.
분말로는 세라믹 분말(파우더) 또는 금속 분말(파우더)이 사용될 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 금속제품의 샌드 블라스트에 사용되는 분말이 사용될 수도 있다.
제1 공급관(30)은 압축공기 공급부와 용기(10)를 연결한다. 바람직하게, 제1 공급관(30)은 용기(10)의 하부를 관통한 후, 툴 쪽을 향하도록 위로 벤딩된다. 그리고, 제1 공급관(30)의 끝단은 분사구(32)를 형성할 수 있다. 분사구(32)의 일 예는 제1 공급관(30)의 끝단에서 직경이 작아지는 것에 의해 압축공기의 속도를 빠르게 하는 것이다.
제2 공급부는 샌드(또는 분말)를 제1 공급관(30)에 공급한다. 제2 공급부는 저장부(40)와 제2 공급관(42)을 포함할 수 있다.
저장부(40)는 빈 내부 공간을 갖는 탱크이거나 호퍼 또는 사일로(silo) 일 수 있다. 저장부(40)의 바닥은 제2 공급관(42)을 향해서 아래로 경사진 것이 바람직하다.
제2 공급관(42)은 저장부(40)와 제1 공급관(30)을 연결한다. 제2 공급관(42) 내부의 샌드(또는 분말)는 제1 공급관(30)의 내부에서 빠르게 이동하는 압축공기에 빨려 들어간 후 분사구(32)를 통해 위로 분사(블라스트)된다. 이를 위해, 저장부(40)는 제1 공급관(30)의 위에 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 도면에는 제1 공급관(30)과 제2 공급관(42)이 용기(10)의 바깥에서 연결(연통)되는 것으로 도시되어 있으나, 제1 공급관(30)과 제2 공급관(42)은 용기(10)의 내부에서 연결(연통)될 수도 있다.
진동자(50)는 용기(10)에 부착(설치)되어 용기(10)를 진동시킨다. 효과적인 진동 발생을 위해, 진동자(50)는 용기(10)의 중간 부분(벽)이나 하부에 부착될 수 있다.
진동자(50)가 발생시키는 진동에 의해서 모재(이물질)와 샌드(또는 분말) 및 이물질(모재)가 배출구(12)를 통해서 원활하게 배출되고 배출구(12)의 막힘이 방지된다. 그리고, 이 진동에 의해서 샌드(또는 분말)가 원활하게 유동될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 클리닝 장치를 보여주는 정면도이다.
상기 클리닝 장치(100)는 이동식으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 클리닝 장치(100)는 프레임(70)과, 프레임(70)에 설치된 용기(10)와, 제1,2 공급부 및, 용기(10)의 하단에 설치된 수납함(60)을 포함할 수 있다.
프레임(70)은 용기(10) 등이 설치되기 위한 공간을 제공하고 용기(10)를 지지한다. 프레임(70)은 작업자에 의해 이동이 가능한 크기와 무게를 갖는다. 프레임(70) 중에서 적어도 툴 고정부(20)와 대응되는 부분은 개방되어 있고, 이 개방된 부분을 통해서 툴(1)이 툴 고정부(20)에 설치될 수 있다.
용기(10)는 제1 실시예의 용기(10)와 동일한 구성을 갖는다. 그리고, 용기(10)의 하단에는 수납함(60)이 설치될 수 있다. 수납함(60)은 배출구(12)를 통해 배출되는 샌드(또는 분말)와 모재(이물질)를 저장한다.
용기(10)의 상부, 바람직하게는 툴 고정부(20)의 둘레에는 필터(14)가 설치될 수 있다. 필터(14)는 공기만 통과시키고 샌드(또는 분말)와 모재(이물질)는 통과시키지 않는다. 따라서, 분사구(32)를 통해 위로 배출된 압축공기만을 외부로 배출함으로써 샌드(또는 분말)가 더욱 빠른 속도로 툴(1)에 충돌할 수 있도록 한다.
제1 공급부는 압축공기 공급부와 제1 공급관(30)을 포함할 수 있다. 이동의 편의를 위해, 압축공기 공급부는 프레임(70)의 외부에 설치될 수 있다. 하지만, 압축공기 공급부가 프레임(70)의 내부에 설치될 수도 있다.
제1 공급관(30)은, 프레임(70)의 자유로운 이동을 위해, 적어도 일부분이 자유롭게 휘어질 수 있다. 예를 들어, 제1 공급관(30) 중에서 프레임(70)의 바깥 부분은 벤딩이 자유로운 수지관이나 고무관 등으로 이루어질 수 있다.
제2 공급부는 저장부(40)와 제2 공급관(42)을 포함할 수 있다. 저장부(40)는 프레임(70) 내부에 설치될 수 있지만 프레임(70)의 바깥에 설치될 수도 있다. 저장부(40)가 프레임(70)의 바깥에 설치된 경우에는 프레임(70)의 이동을 위해 제2 공급관(42)의 적어도 일부는 자유롭게 휘어지는 관으로 이루어질 수 있다.
위와 같이, 클리닝 장치(100)는 이동식으로 사용될 수 있으므로, 마찰교반용접 장치(3)의 아래에 클리닝 장치(100)가 설치되어 클리닝 작업을 할 수 있다. 따라서, 툴(1)을 마찰교반용접 장치(3)로부터 분리하지 않아도 클리닝 작업을 할 수 있으므로 공정 중단 시간을 줄이고 툴 교체 비용을 줄일 수 있다.
1 : 툴
3 : 마찰교반용접 장치
10 : 용기
12 : 배출구
14 : 필터
20 : 툴 고정부
30 : 제1 공급관
32 : 분사구
40 : 저장부
42 : 제2 공급관
50 : 진동자
60 : 수납함
70 : 프레임
100 : 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치

Claims (9)

  1. 작업자에 의해서 이동될 수 있는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치이고,
    내부의 빈 공간을 갖는 용기(10);
    압축공기를 용기(10)의 내부에 공급하는 제1 공급부;
    샌드 또는 분말을 공급하는 제2 공급부;
    용기(10)의 상부에 형성된 툴 고정부(20); 및,
    용기(10)와 수납함(60)이 설치되는 내부공간을 갖는 프레임(70);을 포함하고,
    툴 고정부(20)에는 마찰교반용접 툴(1)이 고정되되, 적어도 툴(1)의 툴 핀과 숄더의 하단이 용기(10) 내부에 노출되도록 설치되고,
    용기(10)에 공급된 압축공기와 샌드 또는 분말이 툴 핀과 숄더에 고속으로 충돌하면서 툴 핀과 숄더에 부착된 이물질을 제거하고,
    숏피닝 효과로 툴 핀과 숄더의 경도가 증가되고 샌딩 효과로 인해 숄더의 마찰계수가 증가되며, 용기(10)의 하단에는 배출구(12)가 형성되고 용기(10)의 하부는 배출구(12)를 향하여 아래로 경사지도록 형성되며,
    툴로부터 제거된 이물질과 공기가 배출구(12)를 통해 수납함(60)으로 배출되는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 공급부는 압축공기 공급부로부터 용기(10)까지 연장된 제1 공급관(30)을 포함하고,
    제2 공급부는 샌드 또는 분말의 저장부(40)에서부터 제1 공급관(30)까지 연장된 제2 공급관(42)을 포함하며, 제2 공급관(42)은 제1 공급관(30)에 연결되어 통하고,
    제2 공급관(42)을 통해서 제1 공급관(30)에 공급된 샌드 또는 분말이 압축공기에 의해 용기(10) 내부에 공급된 후 툴(1)을 향해 분사되는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    툴 고정부(20)는 용기(10)의 상단에 형성된 삽입구를 포함하고, 용기(10)의 상부는 툴 고정부(20)를 향하여 위로 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    용기(10)에는 진동자(50)가 설치되고, 진동자(50)의 진동에 의해 배출구(12)를 통한 이물질의 배출이 촉진되는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    툴 고정부(20)의 둘레에는 필터(14)가 설치되고, 공기는 필터(14)를 통과하여 외부로 배출되지만 샌드와 분말 및 이물질은 필터(14)를 통과하지 못하며,
    제1 공급관(30)에서 위로 분사된 압축공기의 일부가 필터(14)를 통해 외부로 배출되는 것에 의해서 샌드 또는 분말의 상승 속도가 향상되는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분말은 세라믹 분말 또는 금속 분말인 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 장치.
  7. 마찰 교반용접 툴의 클리닝 장치를 이용한 툴 클리닝 방법에 있어서,
    (a) 용기(10)의 툴 고정부(20)에 툴(1)을 고정하되, 툴 핀과 숄더가 용기(10) 내부에 노출되도록 설치하는 단계; 및,
    (b) 압축공기와 샌드 또는 분말이 용기(10) 내부에서 툴(1)을 향해 분사되도록 하여 툴 핀과 숄더에 부착된 이물질을 제거하는 단계;를 포함하고,
    용기(10)와 수납함(60)이 프레임(70)의 내부 공간에 설치되며,
    숏피닝 효과로 툴 핀과 숄더의 경도가 증가되고 샌딩 효과로 인해 숄더의 마찰계수가 증가되고,
    용기(10)와 수납함(60)이 내부에 설치된 프레임(70)이 작업자에 의해 이동 가능하며,
    용기(10)의 하단에는 배출구(12)가 형성되고, 용기(10)의 하부는 배출구(12)를 향하여 아래로 경사지도록 형성되며, 툴(1)로부터 제거된 이물질과 공기가 배출구(12)를 통해 수납함(60)으로 배출되는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    압축공기가 제1 공급관(30)을 통해 빠르게 이동하는 동안에 샌드 또는 분말이 제1 공급관(30)에 유입 또는 흡입된 후 압축공기와 샌드 또는 분말이 함께 용기(10) 내부에서 분사되어 툴 핀과 숄더에 충돌되는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 툴(1)이 마찰교반용접 장치에 설치된 상태로 이루어지되, 프레임(70)을 이동시켜서 툴(1)이 툴 고정부(20)에 고정되도록 하고,
    프레임(70)의 이동이 가능하도록, 압축공기를 공급하는 제1 공급관(30)의 적어도 일부는 자유롭게 휘어지는 관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 마찰교반용접 툴의 클리닝 방법.
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