KR20090066432A

KR20090066432A - 마찰 점 용접장치 및 용접 방법

Info

Publication number: KR20090066432A
Application number: KR1020070133951A
Authority: KR
Inventors: 장웅성; 박서정
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-06-24
Also published as: KR101395794B1

Abstract

접합 자국의 발생을 최소화하면서 재료를 서로 강하게 접합할 수 있도록, 선단부에 핀이 돌출되어 재료의 접합부를 가압 밀착시켜 접합하는 회전툴과, 상기 회전툴과 대향되는 재료의 반대쪽 면에 위치하여 재료를 받쳐 지지하는 하부받침대, 상기 하부받침대에 승하강가능하게 설치되어 상기 회전툴에 가압되어 눌려진 재료의 접합부를 밀어올리기 위한 상승가압부를 포함하는 본 마찰 점 용접장치를 제공한다.

회전툴, 하부받침대, 상승가압부, 핀가압부, 숄더가압부

Description

마찰 점 용접장치 및 용접 방법{FRICTION SPOT JOINT APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 마찰 점 용접에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 마찰 점 용접에 있어서 최대의 난제인 접합 자국을 없애고 양호한 외관을 얻을 수 있도록 된 마찰 점 용접장치 및 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로 마찰 점 용접(FSJ;Friction Sopt Joint)은 독일의 GKSS(GmbH)에서 개발 된 공정으로써 재료가 용융되지 않는 고상 접합(Solid state joint)의 일종이다.

이 공정은 산업계에서 전기 저항 용접(Resistance spot welding)을 대체 할 수 있는 유용한 공정이라고 할 수 있다. 특히 전기 저항 용접을 적용하기 어려운 알루미늄, 마그네슘 합금 등 경금속에 대한 접합과 용융 접합에서 실현이 어려운 높은 접합 강도라는 다수의 장점들을 가지고 있다.

그럼에도 불구하고 현재 산업계에서 이러한 마찰 점 용접이 확산되기 어려운 이유 중에 하나가 바로 접합부의 자국이 남는다는 것이다.

마찰 점 용접의 공정 상 사용되는 툴은 회전에 의해 재료 내부의 소성 유동 을 일으키기 위한 것으로 재료의 접합에 있어서 핵심적인 부품이다. 툴의 형태는 숄더(Shoulder) 와 핀(Pin) 으로 나뉠 수 있는데 재료 내부에 삽입 된 회전하는 핀이 마찰열과 함께 소성 유동을 발생시키고 숄더 부분 역시 재료 표면으로부터 마찰열을 발생시키면서 동시에 가압이 이루어진다. 두 재료의 접합이 이루어지고 난 뒤 재료 내부에 삽입 된 툴이 빠져 나오면서 냉각 과정이 시작된다. 모든 프로세스에서 재료의 온도는 융점 이하 상태이기 때문에 접합 후의 형상은 툴의 형상으로 재료에 남게 되어 숄더 및 핀 홀 자국이 그대로 존재하게 되는 것이다.

이러한 접합부 외관상 이유 때문에 마찰 점 용접 공정은 산업계에서 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다.

이에 접합 자국의 발생을 최소화하면서 재료를 서로 강하게 접합할 수 있는 마찰 점 용접 장치 및 용접 방법을 제공한다.

이를 위해 본 마찰 점 용접장치는 선단부에 핀이 돌출되어 재료의 접합부를 가압 밀착시켜 접합하는 회전툴과, 상기 회전툴과 대향되는 재료의 반대쪽 면에 위치하여 재료를 받쳐 지지하는 하부받침대, 상기 하부받침대에 승하강가능하게 설치되어 상기 회전툴에 가압되어 눌려진 재료의 접합부를 밀어올리기 위한 상승가압부를 포함할 수 있다.

이에 따라 회전툴의 가압에 따라 반대쪽으로 밀려나간 접합부를 상승가압부가 밀어올려줌으로써 회전툴에 의해 접합부에서 발생되는 압점자국이 메워져 양호한 접합부 외관을 형성할 수 있게 된다.

여기서 상기 용접장치는 상기 회전툴에 의한 가압면에 위치하여 상기 하부받침대 사이에 재료를 고정하는 상부지지대를 포함할 수 있다.

또한, 상기 상승가압부는 상기 회전툴에 의한 접합부와 대응되는 위치에 설치될 수 있다.

또한, 상기 상승가압부는 상기 회전툴의 핀과 대응되는 중앙에 위치한 중앙가압부와, 중앙부 외측의 숄더가압부로 분리되어 개별 승하강하는 구조일 수 있다.

한편, 본 접합 방법은 접합하고자 하는 재료의 양측을 상부지지대와 하부받 침대로 클램핑하는 단계, 돌출된 핀이 구비된 회전툴을 회전시키고 재료의 접합부로 이동시켜 재료의 전면을 가압 접합하는 단계와, 상기 회전툴 가압시 접합부가 눌려져 밀려난 양만큼 재료의 접합부 후면과 대응되는 하부받침대 일측을 후진시키는 단계, 상기 회전툴에 의한 재료의 가압 접합 후 후진된 상기 하부받침대 일측을 전진시켜 접합부를 밀어올리는 단계를 포함할 수 있다.

여기서 상기 접합부를 밀어올리는 단계는 상기 회전툴의 핀과 대응되는 접합부의 중앙부를 먼저 밀어올리는 단계와, 그 나머지 외주부를 밀어올리는 단계로 이루어질 수 있다.

이와 같이 본 장치에 의하면, 마찰 점 용접에 있어서 최대 난제인 접합 후 압점 자국을 제거할 수 있게 되어 접합부의 양호한 외관이 가능하게 된다.

또한, 저비용으로 장치의 개발이 가능하며 관리가 용이한 잇점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

도 1은 본 실시예에 따른 용접 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.

상기 도 1에 의하면 본 용접 장치는 선단부가 돌출되어 재료(100)의 접합부(P)를 가압 밀착시켜 접합하는 회전툴(10)과, 상기 회전툴(10)을 회전시키고 재료의 접합부(P)로 이동하여 가압하기 위한 회전툴구동부(20), 상기 회전툴(10) 쪽 재료의 상면을 눌러 지지하는 상부지지대(30), 상기 회전툴(10)과 대향되는 재료의 반대쪽 면에 위치하여 재료를 받쳐 지지하는 하부받침대(40), 상기 하부받침대(40)에 승하강가능하게 설치되어 상기 회전툴(10) 가압시 눌려진 재료의 접합부를 밀어올리기 위한 상승가압부(50)를 포함한다.

상기 회전툴(10)은 재료에 밀착되는 숄더(11)와 숄더(11) 중앙에서 외측으로 돌출되는 핀(12)으로 구분된다. 상기 접합부는 재료간에 접합되는 부분으로 핀(12)과 숄더(11)에 의해 눌려지는 부분으로 이해할 수 있다. 또한, 이하 설명에서 '상'이나 '상면' 또는 '상부'는 재료(100)를 기준으로 회전툴(10)이 위치한 쪽을 의미하고, '하'나 '하면' 또는 '하부'는 그 반대쪽을 의미하는 것으로 정의한다. 또한, 상기 회전툴구동부(20)는 통상의 마찰 점 용접장치에서 회전툴(10)을 구동하는 구성부로 예컨대, 구동실린더를 포함하는 것으로 이하 그 설명을 생략하도록 한다.

여기서 상기 상승가압부(50)는 회전툴(10)에 의해 눌려져 접합되는 재료의 접합부(P)와 대응되는 위치에서 상기 하부받침대(40)에 설치된다.

상기 상승가압부(50)는 대략 회전툴(10)에 의해 눌려지는 재료(100)의 접합부(P)와 대응되는 크기와 형태로 이루어진다. 상기 상승가압부(50)는 상기 회전툴(10)의 핀(12)과 대응되는 중앙에 위치한 핀가압부(51)와, 상기 핀가압부(51)와 분리되어 핀가압부(51) 외측에 위치하는 숄더가압부(52), 상기 핀가압부(51)와 숄더가압부(52)를 개별 승하강시키는 가압구동부(53)를 포함한다.

상기 핀가압부(51)는 대략 회전툴(10)의 핀(12)의 크기와 대응되는 크기로 이루어질 수 있으며, 상기 숄더가압부(52)는 대략 회전툴(10)의 숄더(11)와 대응되는 크기로 이루어질 수 있다.

또한, 본 실시예에서 상기 핀가압부(51)와 숄더가압부(52)에 연결되는 가압구동부(53)는 공압 또는 유압에 의해 작동되는 구동실린더를 포함할 수 있다. 상기 가압구동부(53)는 소정의 압력으로 연결된 부재를 직선왕복이동시킬 수 있는 구조면 특별히 한정되지 않는다.

이에 상기 회전툴(10)에 의해 재료(100)의 접합(P)부가 하부받침대(40)쪽으로 눌려지게 되면 접합부의 하부 이동량 만큼 핀가압부(51)와 숄더가압부(52)가 밀려나고, 접합이 완료되면 가압구동부(53)가 구동되면서 핀가압부(51)와 숄더가압부(52)가 상승하여 밀려난 접합부를 가압하게 된다. 따라서 회전툴(10)에 의해 눌려진 접합부가 원 상태로 밀려올라가 숄더(11) 및 핀(12)에 의한 압점 자국이 메워지게 되는 것이다.

여기서 상기 핀가압부(51)와 숄더가압부(52)는 서로 개별적으로 승하강하는 구조로 되어 있는 데, 이는 회전툴(10)의 숄더(11)보다 핀(12)이 외측으로 돌출되 어 있기 때문으로 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.

이하, 도 1과 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 마찰 점 용접과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 접합하고자 하는 재료(100)들을 중첩시키고 상부지지대(30)와 하부받침대(40) 사이에 위치시킨 상태에서 상기 상부지지대(30)와 하부받침대(40)를 이용하여 클램핑한다.

재료가 클램핑되면 회전툴(10)을 회전시키고 재료쪽으로 이동시켜 재료의 접합부(P)를 가압한다.

이와같이 회전툴(10)이 일정 회전속도와 압력으로 재료에 가압되어 밀려들어가면 재료 내부에서의 소성 유동과 합께 중첩된 재료간에 비용융 상태에서 마찰에 의한 접합이 이루어지게 된다.

여기서 회전툴(10)의 숄더(11)와 핀(12)이 재료에 가압되어 접합부가 밀려들어감에 따라 하부받침대(40)쪽으로 재료의 접합부가 밀려나가게 된다.

이때 상기 하부받침대(40)에 설치되어 있는 상승가압부(50)는 가압구동부(53)의 구동에 따라 재료 상부에서 가해지는 회전툴(10)의 압력과 삽입 깊이에 상응하여 하측 방향으로 이동하게 된다.

이와같이 회전툴(10)의 가압에 따라 재료의 접합부의 하부 역시 하부받침대(40)쪽으로 밀려나감에 따라 종래와 같이 접합부 상부로 재료가 돌출되어 버(burr)가 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기와 같이 회전툴(10)이 가압되면서 재료의 상부는 회전툴(10)의 숄더(11) 와 핀(12)에 의해 눌려지고, 회전툴(10)에 의해 눌려진 만큼 재료의 하부는 상승가압부(50)가 이동되면서 밀려나간 상태가 된다.

여기서 상기 상승가압부(50)는 중앙의 핀가압부(51)와 외측의 숄더가압부(52)가 개별적으로 승하강되는 데, 이는 회전툴(10)의 숄더(11)에 대해 핀(12)이 외측으로 돌출되어 있기 때문으로, 핀(12)의 돌출량 만큼 재료의 접합부도 더욱 하방향으로 밀려나게 되고 이에 핀(12)과 대응되는 위치의 핀가압부(51)도 숄더가압부(52)에 대해 더 하방향으로 밀려나가게 된다.

한편, 상기 회전툴(10)의 가압에 의한 용접이 완료되면, 상기 회전툴(10)은 원위치로 상승하게 된다.

그리고 상기 회전툴(10)의 상승작동에 맞춰 상기 상승가압부(50)가 상승되면서 하부로 밀려나있던 접합부를 가압하여 밀어올리게 된다.

이 때, 상기 상승가압부(50)를 이루는 핀가압부(51)와 숄더가압부(52) 중 먼저 중앙의 핀가압부(51)가 상승하면서 접합부의 중앙부를 밀어올리게 된다. 이는 핀(12)과 대응되는 부분을 먼저 상승시킴으로써 즉, 핀(12)에 의해 형성된 압점 부분을 먼저 메우기 위함이다.

상기 핀가압부(51)가 상승되면 뒤따라 숄더가압부(52)가 상승하면서 접합부의 나머지부분을 연이어 밀어올리게 된다.

이와같이 상승가압부(50)가 상승되면서 밀려나와 있던 접합부의 하면을 가압하여 밀어올림에 따라, 최종적으로 상승가압부(50)가 하부받침대(40)와 대응되는 높이까지 상승하게 되면 재료의 접합부 하면은 재료와 평행하게 된다. 그리고 재료 의 상부 접합부는 회전툴(10)의 숄더(11)와 핀(12)에 의해 눌려졌던 부분이 밀려올라오면서 메워져 양호한 접합부 외관을 이루게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용접 장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용접 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 회전툴 11 : 숄더

12 : 핀 30 : 상부지지대

40 : 하부받침대 50 : 상승가압부

51 : 핀가압부 52 : 숄더가압부

53 : 가압구동부

Claims

선단부에 핀이 돌출되어 재료의 접합부를 가압 밀착시켜 접합하는 회전툴과,

상기 회전툴과 대향되는 재료의 반대쪽 면에 위치하여 재료를 받쳐 지지하는 하부받침대,

상기 하부받침대에 승하강가능하게 설치되어 상기 회전툴에 가압되어 눌려진 재료의 접합부를 밀어올리기 위한 상승가압부

를 포함하는 마찰 점 용접장치.
제 1 항에 있어서,

상기 상승가압부는 상기 회전툴에 의한 접합부와 대응되는 위치에 설치되는 마찰 점 용접장치.
제 1 항에 있어서,

상기 상승가압부는 상기 회전툴의 핀과 대응되는 중앙에 위치한 중앙가압부와, 중앙부 외측의 숄더가압부를 포함하고, 상기 중앙가압부와 숄더가압부는 개별 승하강하는 마찰 점 용접장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전툴에 의한 가압면에 위치하여 상기 하부받침대 사이에 재료를 고정 하는 상부지지대를 더욱 포함하는 마찰 점 용접장치.
접합하고자 하는 재료의 양측을 상부지지대와 하부받침대로 클램핑하는 단계,

돌출된 핀이 구비된 회전툴을 회전시키고 재료의 접합부로 이동시켜 재료의 전면을 가압 접합하는 단계와,

상기 회전툴 가압시 접합부가 눌려져 밀려난 양만큼 재료의 접합부 후면과 대응되는 하부받침대 일측을 후진시키는 단계,

상기 회전툴에 의한 재료의 가압 접합 후 후진된 상기 하부받침대 일측을 전진시켜 접합부를 밀어올리는 단계

를 포함하는 마찰 점 용접방법.
제 5 항에 있어서,

상기 접합부를 밀어올리는 단계는 상기 회전툴의 핀과 대응되는 접합부의 중앙부를 먼저 밀어올리는 단계와, 그 나머지 외주부를 밀어올리는 단계로 이루어지는 마찰 점 용접방법.