KR20090089855A - 서로 겹쳐진 2개의 이차원 부품의 마찰 용접 조인트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼라를 통해 상측 부품 상에 배치되어 있는 연결체에 의해 결합되는, 서로 겹쳐져 있는 다수의 이차원 부품의 마찰 용접 조인트에 관한 것이다. 이 연결체는 튜브 부품으로서 설계되며, 상측 부품은 회전 및 압력에 의해 전면 환형 절삭날을 가진 연결체에 의해 침투된다. 여기에서 연결체는 그 전면에 의해 상측 부품을 관통 절삭하여 그 중공 공간 속에 상측 부품의 절삭 재료를 수용한 후에 연결체의 회전 및 압력에 의해 생성된 마찰 용접 존을 하부 부품과 함께 형성한다.

Description

서로 겹쳐진 2개의 이차원 부품의 마찰 용접 조인트{FRICTION WELDING JOINT OF TWO TWO-DIMENSIONAL COMPONENTS POSITIONED ON TOP OF EACH OTHER}

본 발명은 칼라(collar)에 의해 상측 부품에 놓여 있는 연결체에 의해 결합되어 있는 서로 겹쳐진 다수의 2차원 부품을 가진 마찰 용접 조인트에 관한 것이다.

이러한 형태의 마찰 용접 조인트는 DE 196 20 814 A1으로부터 공지되어 있다. 서로 겹쳐져 있고 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같이 동일한 종류의 재료로 제조된 2개의 이차원 부품이 이러한 공지된 마찰 용접 조인트에 의해 결합되어 있다. 이러한 목적으로 사용되는 마찰 용접 조인트는 편평한 원추 또는 톱니형 홈을 가진 연결체의 폐쇄된 전면(前面)이 상측 부품 상에 위치하여 가압 회전에 의해 하측 부품을 침투함으로써 제조된다. 상측 부품은 소성 변형되고, 그 결과에 따른 용융 재료가 2개의 부품을 서로 연결시킨다.

이러한 방법에 따르면, 상측 부품의 재료는 상측 부품을 침투하는 연결체의 전체 단면에 걸쳐 용융되거나 기계 가공되어야 하며, 부스러기를 제거할 수 있는 방법이 명확하지 않다. 상측 부품의 관련 영역이 용융되는 경우 이것은 상당한 양의 에너지를 필요로 한다. 따라서 서로 겹쳐진 2개의 부품 사이에 마찰 용접 조인 트를 만들기 위한 공개 문헌으로부터 알려진 방법은 실질적인 기술적 문제점을 안고 있다.

서로 겹쳐진 2개의 박판 사이에 마찰 용접 조인트를 만드는 유사한 방법이 WO 98/04381에 개시되어 있다. 이 방법에서는 둥근 스탬프(stamp)가 가압 회전에 의해 상측 박판을 통해 가압되는 반경방향으로 잘려나간 편평한 전면(前面)을 가진 마찰 요소로서 사용되며, 이러한 가압에 의해 하측 박판이 용융된다. 그때 스탬프가 상대적으로 짧은 길이에 걸쳐 하측 박판을 침투하고, 하측 박판도 용융되며, 그 결과 어느 정도까지 스탬프를 원통형으로 둘러싸는 용융 영역이 생기고, 이에 의해 2개의 박판이 결합된다. 다음에 스탬프는 용융 영역으로부터 철수된다.

이 방법에서도 마찬가지로 하측 박판으로부터 용융 재료가 어디로 유동하는 지, 구체적으로 상측 박판으로부터 비교적으로 훨씬 많은 실질적인 양의 용융 재료가 어디로 유동하는 지가 여전히 명확하지 않다. 어느 경우에도 이 점은 공개 문헌으로부터 도출될 수는 없다.

서로 겹쳐져 있는 2개의 부품 중의 상측 부품에 연결체가 침투할 때 이에 따른 용융된 재료는 교란을 피하기 위해 어떤 방식으로든 수용되어야 한다는 지식은 서로 겹쳐져 있는 2개의 이차원 부품을 위한 마찰 용접 조인트를 설계할 기존의 필요성을 고려하면 EP 1 230 062 B1에 개시된 방법에 분명히 도달하게 되며, 이 문헌에서는 원리적으로 WO 98/04381에 개시된 바와 같이 실시된다. 그러나 공차를 두고 스탬프를 둘러싸고 상측 부품 상에서 가압되는 슬리브가 사용되어 슬리브의 내면과 스탬프 사이의 공간을 추가로 형성하는데, 이들 사이로 상측 및 하측 부품으로부터 재료가 용융되면 유동할 수 있다. 그때 스탬프는 이 재료를 이러한 중공 공간 속으로 어느 정도 가압한다. 이때 이러한 공간으로부터 재료가 상측 및 하측 부품의 영역 속으로 다시 유동하며, 이 재료는 이들 부품으로부터 가압되어 나오며, 그 결과 상측 및 하측 부품 사이를 연결하는 액체 재료로서 상측 및 하측 부품 내의 플런저 침투 영역에 대응하는 상대적으로 큰 영역을 다시 채운다.

이것은 상측 또는 하측 부품의 재료를 단순히 소성 변형하는 것은 용융 재료의 유동을 야기하기에는 불충분하기 때문에, 무엇보다도 다량의 열이 요구된다는 기술적인 측면에서 볼 때 실시하기에 쉽지 아니한 방법이다. 이 대신에 이 재료는 슬리브와 스탬프 사이의 환형 공간 속으로 유동해서 변위 공간 속으로 다시 유동할 수 있도록 상대적으로 높은 점성까지 용융되어야 한다.

본 발명은 서로 겹쳐져 있는 다수의 이차원 부품의 마찰 용접 조인트를 형성하는 데에 목적이 있으며, 이 조인트에서는 연결체 둘레에 공간적으로 좁게 제한된 접촉 존(zone)의 영역 내에 집중된 로터리 마찰 용접 존이 생성되며, 서로 겹쳐져 있는 이차원 부품으로부터 변위하는 데에 필요한 재료가 서로 겹쳐져 있는 다수의 부품과 연결체 사이의 마찰 용접 조인트가 완전하게 조립될 때 교란을 일으키지 않는 방식으로 수집될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 연결체가 튜브 부품으로서 설계되어 있고, 상측 부품이 회전 및 압력에 의해 전면 환상 절삭날을 가진 연결체에 의해 침투되며, 연결체의 전면에 의해 상측 부품을 관통 절단된 후에 연결체의 중공 공간 내에 상측 부품의 절삭 재료를 수용한 후에 하측 부품과 함께 연결체의 회전 및 압력에 의해 생성된 마찰 용접 존을 형성한다.

튜브 부품으로서 연결체를 설계한 덕분에, 연결체 내의 중공 공간은 이차원 부품으로부터 재료를 수용하기 위한 공간이 되며, 이 재료는 관 모양의 연결체의 전면 영역 내에 필요한 마찰 용접 존을 궁극적으로 생성하기 위해 연결체가 압력 하에서 회전될 때 연결체로부터 변위되어야 한다. 연결체를 튜브로서 설계하면, 이 튜브 부품의 전면을 환형 절삭날로서 이용할 수가 있으며, 이러한 절삭날은 이차원 부품과의 상대적으로 좁은 접촉 영역 내에서만 이차원 부품으로부터 상대적으로 적은 양의 재료만을 제거 및 소성 변형하는 데에 필요하며, 이는 재료를 가열하기 위해 필요한 에너지를 공급하는 데에 중요하다. 연결체에 부착된 칼라는 이차원 부품을 결합하는 데에 이용되고, 이러한 연결체는 칼라에 의해 상측 부품 상에 배치되고, 하측 부품에 대해 칼라를 가압하며, 이 하측 부품은 마찰 용접 존에 의해 연결체의 전면과 상측 부분의 하부 가장자리 양자에 연결되며, 그 결과 영구적이고 지속적인 연결이 서로 겹쳐진 이차원 부품을 사이에서 이루어진다. 이는 서로 겹쳐져 있는 2개의 부품과 관련되는 것이 바람직하지만, 많은 수의 이차원 부품도 역시 이러한 방식으로 서로 연결될 수 있다.

연결체의 적절한 디자인은 중공 볼트로서 설계될 때 이루어진다. 그러나 연결체를 너트로서 설계하는 것도 가능하다.

상측 부품은 경금속으로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나 상측 부품을 플라스틱으로 설계하는 것도 역시 가능하다.

유사한 선택이 하측 부품에 대해서도 존재하며, 예컨대 하측 부품은 금속 또는 플라스틱으로 제조될 수 있다.

또한 사용되는 재료에 대한 다양한 선택이 연결체에 대해 존재한다. 유리한 실시 형태는 연결체를 금속으로 제조하는 것이다. 그러나 연결체를 플라스틱으로 설계하는 것도 역시 가능하다.

회전 및 압력에 의해 서로 겹쳐진 이차원 부품을 침투하는 연결체의 환형 절삭날을 유리하게 설계하기 위해, 환형 절삭날의 기능과 관련하여 이 절삭날은 튜브로서 설계된 연결체에 날카로운 외측 가장자리에 제공되는 것이 유리하며, 튜브의 전면은 깔대기 모양으로 중공 공간과 병합되며, 이는 이차원 부품으로부터 용융 재료를 수용하는 것을 더욱 용이하게 해준다.

외측 가장자리는 칼날의 형태로 폐쇄된 원주를 가지며, 이에 반해 톱니를 가진 외측 가장자리를 제공하는 것도 가능하다.

상측 부품의 방향으로 원하는 연속적인 예비 장력을 칼라에 제공하기 위해, 상측 부품 쪽으로 가압하는 스프링 요소는 칼라와 상측 부품 사이에 제공되는 것이 바람직하다. 스프링 요소에 원하는 예비 장력을 제공하기 위해 칼라는 로터리 마찰 용접 존을 형성한 후에 정지하고 있는 동안 상측 부품 쪽으로 가압된다. 이것은 연결체가 정지하고 있을 때 칼라에 작용하는 축방향 압축력에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

이차원 부품으로부터 플랜지의 방향으로 멀리, 그리고 튜브 둘레의 외측으로 용융 재료가 유동하는 것을 방지하기 위해, 칼라는 상측 부품과 대향하는 쪽에 환형 마루를 가지는 것이 바람직하며, 이 환형 마루는 반경 방향으로 외측에 대해 시일로서 어느 정도까지 역할을 한다. 이에 따른 높은 표면 압력으로 인해, 환형 마루는 상측 부품 속으로 가압된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태들이 도면에 예시되어 있으며, 이들 도면에서

도 1은 중공 볼트로서 설계된 연결체를 보여주며,

도 2는 도 1에 따른 연결체에 의해 결합되어 있는 2개의 이차원 부품 사이의 마찰 용접 조인트를 보여주며,

도 3은 수나사를 가진 볼트를 구비한, 도 1에 따른 연결체의 변형 형태를 보여주며,

도 4는 너트로서 설계된 연결체를 보여주며,

도 5는 스프링 요소를 가진 연결체를 보여주며,

도 6은 칼라에 환형 마루(ridge)를 가진 연결체를 보여주고 있다.

도 1은 관 모양의 중공 볼트로서 설계된 연결체(1)를 보여주며, 이 연결체는 튜브 부품(2)을 가지고 있으며, 이 관 부분의 전면(前面)(3)은 환형 절삭날(4)을 가지고 있다. 튜브 부품(2)의 재료는 환형 절삭날(4)에서 시작해서 깔대기(5)의 형태로 연결체(1)의 중공 공간(6)과 병합된다.

연결체(1)는 전면(3)과 대향하는 쪽에 칼라(7)를 가지고 있다. 이 칼라는 부분 단면도로 도시되어 있으며, 전면(3)으로부터 멀리 마주보는 쪽에 육각형(8)과 병합된다. 이 육각형(8)은 로터리 머신의 척에 끼워맞춤을 위해 사용된다.

도 2는 도 1에 따른 연결체를 포함한 마찰 용접 조인트를 보여주고 있다. 이 도면에는 서로 겹쳐져 있는 2개의 이차원 부품, 즉 상측 부품(9)과 하측 부품(10)을 보여주고 있으며, 이들 부품은 서로에 대해 편안하게 놓여 있다. 튜브 부품(2)은 연결체(1)의 회전과 압력에 의해 하측 부품(10)에 도달할 때까지 상측 부품(9)을 침투하며, 이러한 연결체(1)의 회전과 압력에 의해 변위된 재료(11)가 상측 부품(9)으로부터 튜브 부품(2)의 중공 공간(6) 속으로 가압된다. 이에 따라 최종 마찰 용접 조인트에서는 변위된 재료(11)가 튜브 부품(2) 속에 안전하게 수용되고, 튜브 부품(2)으로부터 탈출할 수 없는데, 이는 마찰 용접 존(12)이 튜브 부품(2)의 전면에 형성되고 하측 부품(10)을 연결체(1)에 확실하게 지지하기 때문이다. 이러한 마찰 용접 존(12)은 적어도 표면 상에서 변위된 재료(11)와 병합되고, 이에 의해 변위된 재료를 제위치에 유지시킨다. 연결체(1)의 반대쪽에서는 연결체(1)가 상측 부품(9)에 대해 칼라(7)를 가압하며, 이에 따라 상측 부품은 칼라(7)와 하측 부품(10) 사이에 어느 정도 클램핑된다. 2개의 부품(9, 10) 대신에 3개 이상의 이차원 부품에도 연결체가 제공될 수 있다.

도 1에 따른 연결체 대신에, 중공 볼트(13)에 의해 케이스에 내장된, 도 3에 도시된 연결체를 사용하는 것도 가능하다. 또 다른 부품을 임의의 너트로써 중공 볼트(13)에 부착하는 것을 가능하게 해주는 나사산(14)이 중공 볼트(13) 속에 절삭 가공된다. 중공 볼트(13)는 관통 구멍(15)을 가지며, 이 관통 구멍은 전면(3)[도 1에 따른 전면(3)에 대응함] 영역 내에 중공 공간(6)과 유사하게 설계되어 있고, 나 사산(14)의 영역 내에 좁은 관통 구멍(15)을 가진다. 이러한 좁은 관통 구멍(15)의 끝은 전면(3)으로부터 떨어져서 대향하는 중공체(13) 쪽에 육각형 소켓(16)으로 형성된다. 이 육각형 소켓(16)은 로터리 머신의 공구를 수용하는 데에 사용되며, 이러한 공구에 의해 연결체(13)는 회전될 수 있을 뿐만 아니라 서로 겹쳐진 이차원 부품에 대해 가압될 수 있다. 연결체(13)의 기능에 대한 추가의 세부 사항은 도 1 및 도 2에 대한 설명을 참조하라.

도 4는 연결체에 대한 다른 변형 형태를 보여주며, 여기에서 연결체는 너트(17)이다. 이 너트(17)는 관 형태의 디자인을 가지는데, 이는 상측 부품으로부터 절삭된 재료를 수용하기 위한 중공 관통 공간(18)을 가지고 있다는 것을 의미한다. 통상적으로 케이스가 너트를 가지고 있기 때문에, 연결체(17)에는 추진 공구 속으로 확실하게 클램핑되도록 육각형으로 형성된다.

이러한 연결체의 전면(3)의 기능에 대해서는 도 1 및 도 2를 다시 참조하라. 여기에서는 연결체(1, 13)가 그 전면(3)에 절삭날(4)을 가지고 있으며, 이 절삭날은 전면(3)의 외측 가장자리를 따라 환형 모양으로 연장하며, 내측을 향해 깔대기(5)를 형성하며, 이를 통해 상측 이차원 부품(9)으로부터 절삭된 재료가 중공 공간(6) 속으로 옮겨질 수 있다.

도 4에 따른 너트로서의 연결체(17)의 실시 형태에서는 전면(20)에는 그 외측 가장자리(21)를 따라 톱니(22)가 형성되어 있으며, 이에 의해 톱니는 상측 부품 상에 배치되었을 때 밀링 커터의 형태로 상측 부품으로부터 재료를 밀링 가공한다. 그때 재료는 전술한 형태로 관련 연결체의 중공 공간(18, 6)으로 옮겨진다.

도 5는 도 1에 따른 연결체(1)를 보여주며, 도 5에 따르면 이 연결체에는 디스크 스프링(23)이 추가로 제공된다. 이 디스크 스프링(23)은 칼라(7) 아래의 튜브 부품(2) 쪽으로 밀리고, 도 2에 도시된 바와 같은 활동 상태에서는 특정의 스프링 압력 하에서 상측 부품(9)에 대해 가압하는 데에 사용된다. 이에 의해 로터리 마찰 용접 존(12)(도 2 참조)이 연결체(1)를 상측 부품(9)에 대해 꼭 맞추지 못하더라도, 현재 장력을 받고 있는 디스크 스프링(23)으로 인해 상측 부품은 칼라(7)에 의해 가압된다.

도 6은 연결체의 디자인의 변형 형태를 보여주며, 이 경우에도 연결체는 상측 부품(9)과 대향하는 쪽에 칼라(7)의 영역 내에 환형 마루(24)를 구비한다. 이 환형 마루(24)는 칼라(7)의 외측 가장자리를 따라 연장하고, 어느 정도까지는 상측 부품(9)의 표면에 접촉될 때 시일(seal)을 형성하며, 그 결과 마찰 용접 존(12)을 생성한 결과에 따라 액상으로 바뀐 재료가 튜브 부품(2)의 외측에서 칼라(7) 쪽으로 양자의 부품(9, 10)으로부터 가압된다. 이 재료도 역시 칼라(7) 아래에서 유동해야 하며, 이 경우 환형 마루(24)에 의해 외측으로 빠져나가지 못하게 된다.

도 6에 따른 연결체(1)는 환형 마루(24)에 의해 전술한 고정 시일을 생성하기 위해 상측 부품(9)에 대해 가압된다는 점에 대해 추가로 설명된다. 이러한 가압 작용은 연결체 회전 말기에, 즉 정지하고 있을 때 로터리 공구로부터 연결체(1)로 압력을 인가함으로써 별도의 공정으로서 발생하는 것이 바람직하며, 이러한 압력의 인가로 인해 연결체(1)는 상측 부품 속으로 가압된다.

Claims (15)

1. 칼라(7)를 통해 상측 부품(9) 상에 배치되어 있는 연결체(1, 17)에 의해 결합되는, 서로 겹쳐져 있는 다수의 이차원 부품(9, 10)의 마찰 용접 조인트에 있어서, 상기 연결체(1, 17)는 튜브 부품(2)으로서 설계되며, 상측 부품(9)은 회전 및 압력에 의해 전면 환형 절삭날(4)을 가진 연결체(1, 17)에 의해 침투되며, 상기 연결체는 그 전면(3)에 의해 상측 부품(9)을 관통 절삭되어 그 중공 공간(6) 속에 상측 부품(9)의 절삭 재료를 수용한 후에 연결체(1, 17)의 회전 및 압력에 의해 생성된 마찰 용접 존(12)을 하부 부품(1)과 함께 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연결체(1)는 중공 볼트로서 설계되는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 연결체(17)는 너트로서 설계되는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 상측 부품(9)은 경금속으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 상측 부품(9)은 플라스틱으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하측 부품(10)은 금속으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하측 부품(10)은 플라스틱으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연결체(1, 17)는 금속으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연결체(1, 17)는 플라스틱으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 환형 절삭날(4)은 상기 튜브(2)의 날카로운 외측 가장자리에 의해 형성되며, 이 가장자리로부터 튜브 부품(2)의 전면(3)이 깔대기의 형상으로 중공 공간(6)과 병합되는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 외측 가장자리는 폐쇄된 원주 형태로 연장하는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 외측 가장자리는 톱니(22)를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 칼라(7)는 스프링 요소(23)를 통해 상기 상측 부품(9) 쪽으로 가압되는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 칼라(7)는 상기 마찰 용접 존(12)이 형성된 후에 정지하고 있는 동안에 상기 상측 부품(9) 쪽으로 가압되는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 칼라(7)는 상기 상측 부품(9)과 대향하는 쪽에 환형 마루(24)를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰 용접 조인트.

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