KR20090069613A - 마찰 교반 용접기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마찰열이 가해지는 용접부위의 비대칭성을 해소하도록 개선된 마찰 교반 용접기에 관한 것이다. 본 발명의 마찰 교반 용접기는 접합부재에 마찰 접촉하도록 회전 구동되는 용접용 툴, 용접용 툴에 연동되게 회전하면서 그 외면에 기어 치형이 형성되는 회전부재, 회전부재가 내부 관통홀에 위치하면서 회전부재의 기어 치형에 맞물리는 기어 치형이 내부 관통홀의 내면에 형성되는 지지부재, 및 지지부재의 회전 중심축 역할을 수행하면서 회전부재를 지지하도록 연결되는 회전축 부재를 포함한다.

용접, 마찰 교반, 회전, 툴, 비대칭, 접합

Description

마찰 교반 용접기{Friction Stir Welder}

본 발명은 마찰열로 접합부재를 용접시키는 마찰 교반 용접기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 마찰열이 가해지는 용접부위의 비대칭성을 해소하도록 개선된 마찰 교반 용접기에 관한 것이다.

최근 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg)과 같은 경량 합금은 금속 소재 특성이 우수하여, 산업 현장에서 널리 사용되고 있다. 하지만, 경량 합금은 용접하는 과정에서 고 에너지로 인한 용융 현상이 수반되어, 접합 품질이 저하되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 종래에는 새로운 기술로서 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding) 기술이 적용되어, 다양한 산업분야에서 광범위하게 확대되고 있다.

마찰 교반 용접은 접합부재보다 경도가 높은 용접용 툴(tool)이 사용된다. 마찰 교반 용접은 용접용 툴을 접합부재에 접촉시키고, 용접용 툴이 회전하면서 주기적인 운동을 실시한다. 그러면, 마찰 교반 용접은 용접용 툴과 접합부재 사이에 마찰열이 발생되고, 이러한 마찰열로 인해 접합부재에 소성화된 영역이 생성된다. 마찰 교반 용접은 용접용 툴의 상대적인 주기운동이 정지된 후에 접합부재의 소성화된 영역이 경화되어, 접합부재의 품질이 크게 저하되지 않고서도 용접될 수 있 다.

도 3은 종래의 마찰 교반 용접방식으로 접합부재를 용접하는 공정을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 종래의 마찰 교반 용접방식으로 접합부재를 용접하는 공정을 나타낸 평면도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 마찰 교반 용접은 상호 접합시킬 한 쌍의 접합부재(1, 2)들을 고정시키고, 한 쌍의 접합부재(1, 2)들의 이음면을 상호 맞접시킨다. 마찰 교반 용접은 비소모식 용접용 툴(10)을 회전시켜서, 용접용 툴(10)과 접합부재(1, 2) 사이의 상대적인 운동에 의해 마찰열을 발생시킨다. 이러한 마찰열은 모재의 변형저항을 최소화하면서도, 접합부재(1, 2)를 연화시킨다. 그리고, 마찰 교반 용접은 용접용 툴(10)에 외력을 가하여, 용접선을 따라 용접용 툴(10)을 어느 일 방향(4)으로 이동시킨다.

마찰열에 의한 접합부재(1, 2)의 연화된 영역은 용접용 툴(10)이 어느 일 방향(4)으로 거동함에 따라 그 후방으로 압출되고, 점진적으로 소성되면서 하나의 부재로 접합된다. 이와 같이 마찰 교반 용접은 접합부재(1, 2)를 액체로 용융시키지 않아서, 액상에서 고상으로 변태됨에 따른 기공, 응고균열, 잔류응력 과 같은 접합부재의 품질저하도 발생되지 않는다.

하지만, 종래의 마찰 교반 용접은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 용접부위(7)가 비대칭성을 갖는다. 즉, 접합부재(1, 2)의 용접부위(7)는 툴 진행방향 영역(5 ; Advancing side)과 툴 재가열 영역(6 ; Retreating side)으로 나누어질 수 있다. 용접용 툴(10)은 회전과 함께 어느 일 방향(4)으로 진행하기 때문에, 마찰 열은 툴 진행방향 영역(5)에 비해 툴 재가열 영역(6)에서 더 높게 발생된다. 따라서, 용접부위(7)는 툴 진행방향 영역(5)과 툴 재가열 영역(6) 사이의 온도 차이로 인해 소성 정도가 달라지고, 툴 진행방향 영역(5)과 툴 재가열 영역(6)이 상호 비대칭된다. 툴 진행방향 영역(5)과 툴 재가열 영역(6)은 도 5에 도시된 조직 모식도를 통해 보다 확연하게 확인된다. 이와 같이 종래의 마찰 교반 용접은 접합선을 경계로 용접부위(7)가 좌우 비대칭되어, 접합부재(1, 2) 사이의 용접이 불안정해지는 원인이 된다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 마찰 교반 용접에 의해 접합부재들을 상호 용접시키면서도 용접부위의 비대칭성이 해소되도록 개선된 마찰 교반 용접기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접기는 접합부재에 마찰 접촉하도록 회전 구동되는 용접용 툴, 상기 용접용 툴에 연동되게 회전하면서 그 외면에 기어 치형이 형성되는 회전부재, 상기 회전부재가 내부 관통홀에 위치하면서 상기 회전부재의 기어 치형에 맞물리는 기어 치형이 상기 내부 관통홀의 내면에 형성되는 지지부재, 및 상기 지지부재의 회전 중심축 역할을 수행하면서 상기 회전부재를 지지하도록 연결되는 회전축 부재를 포함한다.

마찰 교반 용접기는 상기 용접용 툴의 회전축 역할을 수행하면서 상기 회전부재와 일체로 결합되는 툴축 부재를 더 포함한다. 그리고, 상기 회전축 부재와 상기 툴축 부재는 연결부재에 의해 지지 연결된다.

상기 회전부재는 복수 개의 회전부재들로 이루어지고, 상기 복수 개의 회전부재들은 기 설정된 간격으로 상기 내부 관통홀에 각각 위치하며, 상기 복수 개의 회전부재들은 각각 대응하는 용접용 툴에 연동한다.

상기 회전축 부재는 그 외면에 기어 치형이 형성되어, 상기 회전부재의 기어 치형에 맞물린다.

본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접기는 용접용 툴의 회전 구조를 개선함으로써, 종래의 마찰 교반 용접기와 다르게 접합선을 경계로 용접부위의 좌우 영역에 가해지는 마찰열의 정도를 균일하게 할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접기는 용접부위의 접합 특성이 종래에 비해 보다 향상되는 장점이 있다.

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

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접기(100)는 용접용 툴(110)의 회전 구조가 다음과 같이 형성됨으로써, 용접부위의 좌우 영역에 가해지는 마찰열이 비교적 균일해진다.

용접용 툴(110)은 접합부재에 마찰 접촉하도록 회전 구동된다. 용접용 툴(110)은 접합부재에 접하는 단부가 돌출된 핀 형상으로서, 접합부재에 비해 상대적으로 경도가 높은 비소모식 재질로 제작된다. 용접용 툴(110)은 회전 구동되는 과정에서 이러한 핀 형상이 접합부재에 일부 삽입되어, 접합부재와의 회전 마찰열로 접합부재를 상호 용접한다.

툴(tool)축 부재(111)는 용접용 툴(110)의 회전축 역할을 수행한다. 이런 툴축 부재(111)는 외부로부터 전달되는 동력에 의해 회전함으로써, 용접용 툴(110)도 함께 동일한 회전 속도로 회전한다. 그리고, 툴축 부재(111)는 아래에서 설명할 회전부재(112)와 일체로 결합되어, 이러한 회전부재(112)도 툴축 부재(111)의 회전에 따라 연동 회전한다.

회전부재(112)는 툴축 부재(111)가 일체로 결합되며, 그 외면에 기어 치형이 형성된다.

지지부재(120)는 내부 관통홀이 형성되어, 이런 내부 관통홀에 회전부재(112)가 위치한다. 지지부재(120)는 내부 관통홀의 내면에 회전부재(112)의 기어 치형에 맞물리는 기어 치형이 형성된다.

회전축 부재(121)는 지지부재(120)의 내부 관통홀 중심에 위치하여, 지지부재(120)의 중심축 역할을 수행한다. 회전축 부재(121)는 연결부재(130)에 의해 툴축 부재(111)에 연결되어, 툴축 부재(111)가 회전하는 과정에서 지지하는 역할을 한다.

마찰 교반 용접기(100)는 이와 같은 구성으로 인해 외부로부터 전달되는 동력에 의해 용접용 툴(110)이 반시계 방향으로 회전한다면, 회전부재(112)도 반시계 방향으로 회전한다. 그러면, 회전부재(112)는 지지부재(120)의 내부에서 회전축 부재(121)를 중심으로 시계방향으로 회전한다.

이와 같이 마찰 교반 용접기(100)는 어느 접합선을 따라 일 방향으로 거동하더라도, 종래와 같이 접합선을 기준으로 용접부위가 툴 진행방향 영역과 툴 재가열 영역으로 구분되지 않는다. 오히려 마찰 교반 용접기(100)는 회전축 부재(121)가 접합선을 따라 거동하는 기준이라면, 용접용 툴(110)이 회전축 부재(121)를 중심으로 좌우 영역에 비교적 균일한 마찰열을 가할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마찰 교반 용접기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마찰 교반 용접기(200)는 도 1에 도시된 마찰 교반 용접기(100)와 비교할 때 복수 개의 용접용 툴(210, 240)들을 더 구비한 특징이 있다. 회전부재(212, 242)도 복수 개의 용접용 툴(210, 240)들에 각각 대응하여 복수 개의 회전부재(212, 242)들로 이루어진다. 그리고, 복수 개의 회전부재(212, 242)들은 툴축 부재(211, 241)에 의해 각각의 용접용 틀(210, 240)들과 연동 회전하며, 지지부재(220)의 내부 관통홀에서 기 설정된 간격으로 각각 위치한다.

다만, 도 1에 도시된 회전축 부재(121)는 연결부재(130)에 의해 회전부재(112)에 연결되지만, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마찰 교반 용접기(200)는 회전축 부재(221)가 복수 개의 회전부재(212, 242)들에 연결되도록 다음과 같이 형성된다. 즉, 회전축 부재(221)는 그 외면에 기어 치형이 형성되어, 복수 개의 회전부재(212, 242)의 기어 치형에 맞물린다.

마찰 교반 용접기(200)는 이와 같은 구성으로 인해 외부로부터 전달되는 동 력에 의해 복수 개의 용접용 툴(210, 240)들을 구비하고, 이 또한 접합선을 따라 일 방향으로 거동하더라도, 종래와 같이 접합선을 기준으로 용접부위가 툴 진행방향 영역과 툴 재가열 영역으로 구분되지 않는다. 그리고, 마찰 교반 용접기(200)는 회전축 부재(221)가 접합선을 따라 거동하는 기준이라면, 용접용 툴(210, 240)이 회전축 부재(221)를 중심으로 좌우 영역에 비교적 균일한 마찰열을 가할 수 있다.

즉, 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 것이 당연하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마찰 교반 용접기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마찰 교반 용접기를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 3은 종래의 마찰 교반 용접방식으로 접합부재를 용접하는 공정을 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시된 종래의 마찰 교반 용접방식으로 접합부재를 용접하는 공정을 나타낸 평면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 절단하여 접합부재 내부의 용접부위를 도시화하여 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 200 : 마찰 교반 용접기 110, 210, 240 : 용접용 툴

111, 211, 241 : 툴축 부재 112, 212, 242 : 회전부재

120, 220 : 지지부재 121, 221 : 회전축 부재

Claims (4)

1. 접합부재에 마찰 접촉하도록 회전 구동되는 용접용 툴;

   상기 용접용 툴에 연동되게 회전하면서, 그 외면에 기어 치형이 형성되는 회전부재;

   상기 회전부재가 내부 관통홀에 위치하면서, 상기 회전부재의 기어 치형에 맞물리는 기어 치형이 상기 내부 관통홀의 내면에 형성되는 지지부재; 및

   상기 지지부재의 회전 중심축 역할을 수행하면서 상기 회전부재를 지지하도록 연결되는 회전축 부재;를 포함하는 마찰 교반 용접기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접용 툴의 회전축 역할을 수행하면서 상기 회전부재와 일체로 결합되는 툴축 부재를 더 포함하고,

   상기 회전축 부재와 상기 툴축 부재는 연결부재에 의해 지지 연결되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전부재는 복수 개의 회전부재들로 이루어지고, 상기 복수 개의 회전부재들은 기 설정된 간격으로 상기 내부 관통홀에 각각 위치하며, 상기 복수 개의 회전부재들은 각각 대응하는 용접용 툴에 연동하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전축 부재는 그 외면에 기어 치형이 형성되어, 상기 회전부재의 기어 치형에 맞물리는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접기.

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