KR20100073269A - 용접 툴 및 이 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법 - Google Patents

용접 툴 및 이 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법 Download PDF

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Abstract

용접 툴 및 이 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법에서, 용접 툴은 기둥 형상의 툴 본체 및 상기 툴 본체의 끝단면의 중앙부로부터 부분적으로 돌출되도록 형성되어 피가공재의 표면에 마찰열을 발생시키고 나선형의 평면 형상으로 형성되는 마찰부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 접합에 필요한 접합 시간이 일반적인 마찰 교반 점 용접 시간과 비슷함과 동시에 접합 후 핀 홀이 남지 않는 장점이 있으면서 생산성을 향상시킬 수 있다.
마찰, 교반, 점 용접, 툴, 클램핑

Description

용접 툴 및 이 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법{WELDING TOOL AND METHOD FOR FRICTION STIR SPOT WELDING USING THE SAME}
본 발명은 겹쳐져 있는 피가공재와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공재를 교반하여 용접하는 마찰 교반 점 용접장치의 용접 툴 및 이 툴을 이용한 용접 방법에 관한 것이다.
본 발명은 겹쳐져 있는 피가공재와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공재를 교반하여 용접하는 마찰 교반 점 용접장치의 용접 툴 및 이 툴을 이용한 용접 방법에 관한 것이다.
자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.
따라서 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)이 소개되어 있고, 이에 관해서는 국제공개문헌(국제공개번호:WO93/10935; 출원인:THE WELDING INSTITUTE)을 참조로 할 수 있다.
상기 문헌을 참조하여 마찰 교반 용접 기술에 대해 간략히 설명하면, 상기한 마찰 교반 용접 기술은 접합하고자 하는 두 개의 피가공재를 서로 맞대어 접합 계면을 따라 공구(tool)가 진행하면서 발생하는 마찰열과 피가공재 내부에서 발생하는 소성 가공 현상을 이용하여 피가공재를 접합하는 방법이다.
그리고, 최근에는 이러한 마찰 교반 용접 기술을 활용/개선함으로써 더욱 발전시키고자 하는 노력이 더해지고 있다.
일예로, 상기한 마찰 교반 용접 방법에서 파생된 다른 용접 방법의 하나로 마찰 교반 점 용접 방법이 알려져 있다.
상기한 마찰 교반 점 용접 방법은 마찰 교반 용접 현상의 일부분을 이용하여 겹치기 접합에 이용하는 것으로, 용접 툴을 피가공재 쪽으로 이동시켜 한 점(spot)에서 피가공재를 교반하여 용접하는 방법이다.
이러한 마찰 교반 점 용접 방법은 저항 점 용접과 마찰 교반 용접을 혼합한 형태로서, 상기한 마찰 교반 용접과는 다른 용접 방법으로 인식되고 있으며, 스틸(steel)보다 비교적 융점이 낮은 알루미늄이나 마그네슘 등의 비철금속의 접합에 사용되고 있다.
상기한 마찰 교반 점 용접 방법을 수행하는 용접장치에서는 위에서 설명한 바와 같이 용접 툴을 구비한다.
이하, 상기한 용접 툴을 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 방법에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 플런징(plunging) 단계를 나타내고, 도 2는 스터링(stirring) 단계를 나타내며, 도 3은 드로잉 아웃(drawing out) 단계를 나타낸다.
일반적으로 용접 툴(100)은 회전축의 단부에 결합되는 숄더(110)와, 숄더(110)와 일체로 구비되는 핀(120)을 포함하여 이루어진다.
용접 툴(100)을 회전시키면서 핀(120)을 피가공재(130)의 표면에 접촉시키면 핀(120)의 표면과 피가공재(130)의 표면 사이에 마찰열이 발생되고, 발생된 마찰열에 의해 피가공재(130)가 연화된다(플런징 단계).
그리고, 상기 연화가 발생되면 핀(120)에 구비되어 있는 나사 형태의 홈 때문에 소성 유동이 발생된다(스터링 단계).
이때, 상기 소성 유동은 용접 툴(100)의 회전 방향과 수직 방향으로 발생되고, 결과적으로 핀(120) 주위에 존재하는 피가공재(130)는 교반이 발생하여 접합이 이루어진다.
그런데, 상기한 구성의 용접 툴(100)을 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시할 때에는 연화된 소재가 숄더(110) 외부로 빠져 나와 버어(burr)(140)가 발생되고, 핀(120)의 직경과 동일한 크기의 핀 홀(pin hole)(150)이 남게 되므로, 버어(140) 및 핀 홀(150) 제거를 위한 후처리 공정이 필요한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 미국 특허번호 US 6,722,556호는 핀이 독립적으로 상하 이동을 할 수 있도록 설계하고, 숄더 외곽에 클램핑 장치를 구비한 용접 툴을 개시하고 있다.
이러한 구성의 용접 툴은 먼저 클램핑 장치를 피가공재에 접촉시킨 상태에서 숄더와 핀을 이용하여 피가공재를 연화시키고, 핀을 상측으로 이동시켜 숄더를 이용한 리필(re-fill) 작업을 실시한 후 드로잉 아웃함으로써, 버어 및 핀 홀 형성을 억제할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 상기한 미국 특허는 장치 구성이 복잡하여 이를 구현하기 위한 시스템 비용이 상승할 뿐만 아니라 용접 방법이 복잡한 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 툴의 형상을 변경하는 방법들이 제안되었으나 이러한 방법들은 접합부의 단면 폭이 넓어지거나 용접에 소요되는 시간이 과도하다는 문제점이 있었다.
본 발명의 제1 목적은 버어 및 핀 홀 발생을 억제할 수 있으며 간단한 구성의 용접 툴로서 접합부의 단면 폭을 축소시키며 용접에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 용접 툴을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 상기한 용접 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 용접 툴은 기둥 형상의 툴 본체 및 상기 툴 본체의 끝단면의 중앙부로부터 부분적으로 돌출되도록 형성되어 피가공재의 표면에 마찰열을 발생시키는 마찰부를 포함한다. 그리고 마찰부는 상기 나선형의 평면 형상으로 형성된다.
여기서 상기 나선형 마찰부는 피가공재의 표면과 접촉하는 마찰면과, 마찰면 사이에 구비되는 나선형 홈을 포함한다. 그리고 상기한 마찰면이 연속적으로 형성된다.
상기 끝단면 및 마찰부의 직경이 각각 "R1" 및 "R2"인 경우, 상기 "R2"는 "¼R1" 내지 "⅞R1"인 것이 바람직하다. 그리고 각각의 마찰면은 0.1 내지 0.3㎜의 폭으로 형성될 수 있다. 그리고 마찰부는 상기 마찰부의 중심부로 갈수록 높이가 높아지는 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 목적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제1 목적의 실시예들에서 설명된 용접 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법으로서, 상기 나선형 마찰부가 형성된 방향과 동일한 방향으로 용접 툴을 회전시키면서 용접을 실시한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 용접 툴의 회전 방향과 상하 방향으로 발생하는 유동의 양이 종래의 마찰 교반 점 용접 방법에 비해 매우 크므로 우수한 점 용접이 가능하게 되고, 이에 따라, 접합 강도가 적은 일부 경량 금속의 경우에도 큰 접합 강도로 접합할 수 있다.
그리고, 핀이 존재하지 않기 때문에 핀의 삽입에 의해 발생하는 마찰 반발력이 발생하지 않게 되고, 이로 인해 공정 속도를 향상시킬 수 있으며, 핀 홀 발생을 억제할 수 있다.
또한, 마찰면이 피가공재의 표면과 접촉함에 따라 발생되는 마찰열에 의해 피가공재가 연화될 때, 연화된 소재가 상기 나선형 홈의 내부 공간에 클램핑되므로, 버어 발생을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라 용접 툴의 구성이 매우 간단하므로, 용접장치의 장치비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 용접 방법을 단순화할 수 있다.
그리고 마찰을 이용한 점 용접을 수행하는 공정에서 비교적 짧은 시간에 접합을 수행함과 동시에 핀 홀이 남지 않는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 여기서 i) 첨부된 도면들에 도시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수, 동작 등은 개략적인 것으 로 다소 변경될 수 있다. ii) 도면은 관찰자의 시선으로 도시되기 때문에 도면을 설명하는 방향이나 위치는 관찰자의 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다. iii) 도면 번호가 다르더라도 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용될 수 있다. iv) '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. v) 단수로 설명되는 경우 다수로도 해석될 수 있다. vi) 수치, 형상, 크기의 비교, 위치 관계 등이 '약', '실질적' 등으로 설명되지 않아도 통상의 오차 범위가 포함되도록 해석된다. vii) '~후', '~전', '이어서', '그리고', '여기서', '후속하여' 등의 용어가 사용되더라도 시간적 위치를 한정하는 의미로 사용되지는 않는다. viii) '제1', '제2' 등의 용어는 단순히 구분의 편의를 위해 선택적, 교환적 또는 반복적으로 사용되며 한정적 의미로 해석되지 않는다. ix) '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우 '바로'가 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 개재될 수도 있다. xi) 부분들이 '~또는'으로 연결되는 경우 부분들 단독 뿐만 아니라 조합도 포함되게 해석되나 '~또는 ~중 하나'로 연결되는 경우 부분들 단독으로만 해석된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접장치의 용접 툴을 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 5는 도 4에 도시된 용접 툴의 평면도이다. 도 6은 도 4에 도시된 용접 툴의 I-I' 라인을 따라 자른 단면도이다.
마찰 교반 점 용접장치의 개략적인 구성에 대해 살펴보면, 본 실시예에 따른 용접 툴(10)은 상하 방향으로 이동이 가능하도록 설치되는 회전축의 단부에 설치된 다.
상기 회전축 및 용접 툴(10)을 회전 구동하기 위해 상기 용접장치는 제1 구동기를 구비하며, 제1 구동기의 동력은 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식에 의해 회전축에 전달할 수 있다.
그리고, 회전축 및 용접 툴(10)을 상하 방향으로 이동시키기 위해 상기 용접장치는 제2 구동기를 구비하며, 제2 구동기의 동력 또한 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식에 의해 회전축에 전달할 수 있다.
도 4 내지 6을 참조하면, 구성의 마찰 교반 점 용접장치에 있어서 본 발명의 실시예에 따른 용접 툴(10)은 피가공재의 표면에 소정의 힘을 가하면서 회전되어 피가공재를 점 용접하기 위한 것으로, 구동 유닛, 예컨대 모터에 의해 회전 구동되는 툴 본체(12)와 툴 본체(12)의 끝단면(12a)의 중앙부로부터 돌출되는 마찰부(14)를 구비한다.
여기서, 마찰부(14)는 툴 본체(12)의 끝단면(12a)의 중앙에 부분적으로 형성된다. 즉, 끝단면(12a)의 직경이 "R1"인 경우, 마찰부(14)의 직경인 "R2"는 "¼R1" 내지 "⅞R1"일 수 있다. 이는 "R2"가 "¼R1" 미만인 경우, 마찰 교반 점 용접이 이루어지지 않으며 "R2"가 "⅞R1"을 초과하는 경우 용접부의 직경이 과도하게 높아지기 때문이다.
마찰부(14)는 실질적으로 나선 형태를 가질 수 있다. 나선형의 마찰부(14)는 피가공재의 표면과 접촉하는 마찰면(14a)과, 마찰면(14a) 사이에 구비되는 나선형 홈(14b)을 포함한다. 도 6에는 연속적으로 형성된 마찰면(14a)을 도시하고 있지만, 상기한 마찰면(14a)을 비연속적으로 형성하는 것도 가능하다. 그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 마찰부(14)는 중심부로 갈수록 높이가 높아지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 마찰부(14)의 마찰면(14a)의 높이는 높아지며, 나선형홈(14b)의 깊이는 깊어질 수 있다.
상기한 마찰면(14a)의 마찰면(14a)은 0.1 내지 0.3㎜의 폭(w)으로 형성될 수 있다. 물론, 상기 마찰면(14a)의 폭(w)은 피가공재의 재질에 따라 변경될 수 있다.
한편, 상기한 구성의 용접 툴(10)을 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시할 때에는 나선형 마찰부(14)가 형성된 방향과 동일한 방향으로 툴 본체를 회전시키는 것이 바람직하다.
즉, 도 5에 도시한 화살표 방향으로 용접 툴(10)을 회전시키는 것이 바람직한데, 그 이유는 연화된 소재가 나선형 홈(14b)의 내부 공간에 효과적으로 클램핑되도록 하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 용접 툴을 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시한 피가공재의 단면 사진을 도시한 것이다.
구체적으로 15㎜의 직경을 갖는 용접 툴을 1500rpm으로 회전시키면서 2.0㎜ 두께의 피가공재들을 2.2㎜의 깊이로 약 25초간 마찰 교반 점 용접하여 용접부를 형성하였다.
상기 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 용접 툴을 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시한 경우에는 용접 툴의 회전 방향과 상하 방향으로 발생하는 유동의 양이 종래의 마찰 교반 점 용접 방법에 비해 매우 크므로 우수한 점 용접이 가능하게 된다.
또한, 접합에 필요한 접합 시간이 일반적인 마찰 교반 점 용접 시간과 비슷함과 동시에 접합 후 핀 홀이 남지 않는 장점이 있으면서 생산성을 향상시킬 수 있음이 증명되었다.
이상, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만 실시예들은 단지 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 보호범위를 설명하기 위한 '예'들이며 본 발명의 보호범위를 한정하지 않는다. 또한, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위와 기술적으로 균등한 범위까지 확대될 수 있다.
도 1 내지 3은 용접 툴을 이용하여 마찰 교반 점 용접을 실시하는 방법을 설명하는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접장치의 용접 툴을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 용접 툴의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 용접 툴의 I-I' 라인을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 점 용접장치의 용접 툴로 용접을 수행한 결과 촬영된 용접부의 사진이다.

Claims (7)

  1. 기둥 형상의 툴 본체; 및
    상기 툴 본체의 끝단면의 중앙부로부터 부분적으로 돌출되도록 형성되어 피가공재의 표면에 마찰열을 발생시키는 마찰부를 포함하며,
    상기 마찰부는 상기 나선형의 평면 형상으로 형성되는 용접 툴.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나선형 마찰부는 피가공재의 표면과 접촉하는 마찰면과, 마찰면 사이에 구비되는 나선형 홈을 포함하는 용접 툴.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기한 마찰면이 연속적으로 형성되는 용접 툴.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 끝단면 및 마찰부의 직경이 각각 "R1" 및 "R2"인 경우,
    상기 "R2"는 "¼R1" 내지 "⅞R1"인 용접 툴.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 각각의 마찰면은 0.1 내지 0.3㎜의 폭으로 형성되는 용접 툴.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 마찰부는 상기 마찰부의 중심부로 갈수록 높이가 높아지는 형상을 갖는 용접 툴.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 용접 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법으로서,
    상기 나선형 마찰부가 형성된 방향과 동일한 방향으로 용접 툴을 회전시키면서 용접을 실시하는 마찰 교반 점 용접 방법.
KR1020080131899A 2008-12-23 2008-12-23 용접 툴 및 이 툴을 이용한 마찰 교반 점 용접 방법 KR20100073269A (ko)

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