KR20100073270A - 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 용접 장치 - Google Patents

Abstract

라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에서, 라인 용접을 위해서 우선 제1 및 2 금속 코일들 맞대어 고정시킨다. 그리고 하면이 오목한 숄더 및 상기 하면에 고정되는 핀을 포함하는 툴을 회전시키면서 상기 핀을 상기 제1 및 2 금속 코일들이 맞대어지는 경계부에 삽입한다. 이어서 금속 판재를 생산하기 위해 요구되는 압연 공정을 연속적으로 수행하기 위해서 상기 툴이 상기 경계부를 따라 진행할 때 발생하는 마찰력 및 소성유동현상을 이용해 상기 경계부를 마찰교반용접시킨다. 여기서 툴의 전방 및/또는 후방에서 제1 및 2 금속 코일들을 가열하는 가열한다. 따라서 용접 툴의 부러지거나 마모되는 양을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 용접 속도를 향상시킬 수 있으며 용접부의 강도를 증가시킬 수 있다.

라인 용접, 금속, 금속 코일, 마찰교반용접

Description

라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 용접 장치{LINE WELDING METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING THE SAME}

본 발명은 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 라인 용접 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 금속에 대한 용접을 용이하게 수행할 수 있는 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 용접 장치에 관한 것이다.

탄소강 재료를 용접할 때 용접 부위의 강도 및 용접 부위의 거칠기 등을 개선시키기 위해서 다양한 용접 방법들이 시도되고 있다. 일반적으로 탄소강을 접합시키기 위해서 사용하는 용접 방법으로는 매쉬 심(mash seam) 용접 방법, 레이저 용접 방법 및 플래쉬 버트 용접 방법 등이 있다.

매쉬 심 용접 방법은 접합부의 소재를 겹쳐 놓고 상부에서 힘을 가하여 롤을 회전시켜 소재의 변형을 유도하여 용접하는 방법이며 레이저 용접 방법은 접합부에 레이저를 가함으로써 접합부를 연결하는 용접 방법이다.

플래쉬 버트 용접 방법은 한국 특허 공개 공보 제2001-0010426호, 한국 특허 공개 번호 제2001-0056389호 등에 개시되어 있는 바와 같이 접합부를 맞대어 전류를 통과시켜 발생하는 열을 이용하는 용접 방법이다.

상술한 플래쉬 버트 용접 방법은 전류를 사용하기 때문에 탄소강과 달리 용접 대상의 열전달율이 상대적으로 높은 경우 탄소강의 용접에 사용되는 전류에 비해 매우 높은 전류를 흘려야 한다는 단점이 있다. 그러므로 설비의 단가가 매우 높아질 뿐만 아니라 접합부에 기공이 발생하는 등 접합 품질이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로 마찰교반용접법이 연구되었으나 마찰교반용접법을 수행하는 경우 마찰교반용접 툴의 부러지는 현상과 과도한 툴의 마모가 문제가 되며 최종적으로 형성된 용접부의 강도가 낮은 것도 문제가 되고 있다.

본 발명의 제1 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 라인 용접 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 상기 라인 용접 방법을 수행하기 위한 라인 용접 장치를 제공하는 것이다.

상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 라인 용접 방법은 제1 및 2 금속 코일들 맞대어 고정시키는 단계, 하면이 오목한 숄더 및 상기 하면에 고정되는 핀을 포함하는 툴을 회전시키면서 상기 핀을 상기 제1 및 2 금속 코일들이 맞대어지는 경계부에 삽입하는 단계 및 상기 툴이 삽입된 경계부의 전방을 가열하는 단계, 및 금속 판재를 생산하기 위해 요구되는 압연 공정을 연속적으로 수행하기 위해서 상기 툴이 상기 경계부를 따라 진행할 때 발생하는 마찰력 및 소성유동현상을 이용해 상기 경계부를 마찰교반용접시켜 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 전방을 가열하는 단계는 300도 내지 1400도의 온도로 가열할 수 있다. 상기 툴의 회전수는 1000 rpm 내지 5000 rpm이고, 상기 툴의 진행 속도는 0.5 m/min 내지 1 m/min일 수 있다.

상기 경계부를 마찰교반용접시키는 단계에서 상기 툴의 중심선은 상기 제1 및 2 금속 코일들의 상면들에 대한 법선 방향과 상기 툴의 진행 방향의 반대 방향 으로 2도 내지 4도의 각도를 이룰 수 있다.

라인 용접 방법은 상기 툴의 후방에 위치하게 되는 상기 용접부를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 용접부는 300도 내지 1400도의 온도에서 가열되는 라인 용접 방법.

상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 라인 용접 장치는 회전력을 부여하는 스핀들축, 상기 스핀들축에 삽입되고, 바디 및 상기 바디의 하면에 고정되는 핀을 갖는 마찰교반용접용 툴 및 상기 마찰교반용접용 툴의 전방에 위치하여 마찰교반용접 전 용접 대상 부위를 가열하는 제1 가열부를 포함한다.

금속 판재를 생산하기 위해 요구되는 압연 공정을 연속적으로 수행할 목적으로 제1 및 2 금속 코일들이 맞대어진 경계부에 삽입되어 진행하면서 마찰교반용접을 수행하는 상기 툴의 중심축은 상기 제1 및 2 금속 코일들의 상면들에 대한 법선 방향으로부터 상기 툴이 진행하는 방향의 반대 방향으로 기울어질 수 있다.

툴의 상기 중심선은 상기 제1 및 2 금속 코일들의 상기 상면들에 대한 법선 방향과 상기 툴의 진행 방향의 반대 방향으로 2도 내지 4도의 각도를 이룰 수 있다.

상기 제1 가열부는 상기 용접 대상 부위를 300도 내지 1400도로 가열할 수 있다. 상기 마찰교반용접용 툴의 후방에 위치하여 마찰교반용접 전 용접이 완료된 용접부를 가열하는 제2 가열부를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 가열부는 상기 용접부를 300도 내지 1400도로 가열할 수 있다.

본 발명에 따르면, 용융 용접의 품질이 떨어지는 탄소강에 마찰교반 라인 용접을 실시하는 공정을 수행하면서 접합 소재의 온도를 전체적으로 또는 부분적으로 상승시키는 장치를 사용하여 마찰교반용접 툴의 부러지는 현상과 과도한 툴의 마모를 방지할 수 있다. 또한 용접속도를 향상시킬 수 있으며 최종적으로 형성된 용접부의 강도를 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 라인 용접 장치에 대해서 상세하게 살명하겠지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 구성 요소들이 "제1" 및 "제2"로 언급되는 경우 이러한 구성 요소들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 구성요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1" 및 "제2" 구성 요소들에 대하여 각기 선택적 또는 교환적으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 라인 용접 장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 1을 참조하면, 제1 방향으로 연장하는 형상들을 갖고 각각 선행 금속 코일 및 후행 금속 코일에 대응하는 제1 금속 코일(10) 및 제2 금속 코일(20)을 준비 한다.

금속 판재를 생산하기 위해 요구되는 압연 공정을 연속적으로 수행하기 위해서 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)을 서로 연결시키는 라인 용접 방법이 필요하다. 따라서 용접의 전단계로 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)을 서로 맞대어 고정시킨다. 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)을 고정시키기 위해서 라인 용접 장치는 클램프를 구비할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 바와 같이 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)이 맞대어진 경계부(15)는 실질적으로 상기 제1 방향과 실질적으로 수직인 제2 방향으로 연장하는 라인 형태를 이룬다. 그러나 맞대어진 경계부(15)의 형태는 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)의 형상들에 따라서 다양하게 변경될 수도 있음은 물론이다.

이어서, 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)이 맞대어진 경계부(15)를 마찰교반용접용 툴(30)을 사용하여 마찰교반용접한다. 마찰교반용접용 툴(30)은 숄더(31) 및 핀(32)을 포함하고 회전가능한 스핀들축(도시 안됨)에 고정되어 있다. 여기서 툴(30)은 상기 스핀들축과 중심선(33)을 공유한다.

도 2는 도 1에 도시된 라인 용접 장치에 포함되는 툴(30)을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 2를 참조하면, 툴(30)은 바디(31)와 바디(31)의 하부에 연결되며 수직적으로 연장하는 프로브(32)를 포함한다. 바디(31)의 직경은 실질적으로 프로브(32)의 직경보다 크다.

바디(31) 및 프로브(32)는 툴(30)이 고정되며 회전력을 부여하는 스핀들축과 동일한 중심선(33)을 공유하게 된다. 따라서 바디(31) 및 프로브(32)는 마찰교반용접용 툴(30)과 함께 일체로 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전된다.

여기서 프로브(32)는 상대적으로 큰 속도로 회전하기 때문에 고속도 공구강으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 프로브(32)는 SKD계열 또는 SKH계열의 공구강으로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)을 서로 맞대어 고정시킨 후 맞대어진 경계부(15)에 툴(30)을 소정의 회전 속도로 회전시키면서 맞대어진 경계부(15)에 프로브(32)가 삽입되도록 한다. 그리고 툴(30)을 맞대어진 경계부(15)의 라인 형태를 따라 소정의 속도로 진행시키면서 마찰교반용접을 수행한다.

프로브(32)가 회전하면서 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)이 맞대어진 경계부(15)에서 발생되는 마찰열과 소성유동현상을 통해 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)이 맞대어진 경계부(15)에 마찰교반용접이 되게 된다.

상술한 바와 같이 프로브(32)가 회전하면서 삽입된 후 마찰용접이 진행되게 되는데, 이 때 툴(30)의 프로브(32)는 제1 및 2 금속 코일(10, 20)들의 두께를 기준으로 일정 깊이까지 삽입된다.

마찰교반용접시 툴(30)의 회전수 및 툴(30)의 진행 속도는 용접의 신뢰도에 상대적으로 중요한 영향을 미친다. 구체적으로 툴(30)의 회전수가 약 1000 rpm 미만인 경우, 발생되는 마찰력이 상대적으로 작아서 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)의 맞대어진 경계부(15)에서 소송유동이 용이하게 일어나지 않는다는 문제점이 있다. 반면에 툴(30)의 회전수가 약 5000 rpm을 초과하는 경우 마찰력이 상대적으로 커져 서 용접 부위의 범위가 과도하게 넓어질 수 있으며 툴(30)이 맞대어진 경계부(15)의 라인 형태를 따라서 용이하게 진행할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 툴(30)의 회전수는 약 1000 rpm 내지 약 5000 rpm인 것이 바람직하다.

또한, 전술한 바와 같이 툴(30)은 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)이 맞대어진 경계부(15)의 라인 형태를 따라서 진행하면서 마찰교반용접을 수행하게 되는데 마찰교반용접용 툴(30)의 진행 속도가 약 0.5 m/min 미만인 경우 최종적으로 용접되는 경계부의 범위가 과도하게 넓어질 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 마찰교반용접용 툴(30)의 진행 속도가 약 1 m/min를 초과하는 경우, 프로브(32)에 과도한 무리가 가기 때문에 프로브(32)가 손상을 초래할 수 있으며 용접이 제1 및 2 금속 코일들(10, 20)의 표면부에서만 국소적으로 이루어질 수 있어 용접의 강도가 떨어진다는 문제점이 있다. 따라서 마찰교반용접시 마찰교반용접용 툴(30)의 진행 속도는 약 0.5 m/min 내지 약 1 m/min인 것이 바람직하다.

상기에서 기술된 마찰교반용접용 툴(30)의 회전수 및 마찰교반용접용 툴(30)의 진행 속도는 서로 실질적인 비례관계에 있다. 즉, 회전수가 높은 경우 마찰력에 의한 용융 정도가 크기 때문에 상대적으로 진행 속도를 높일 수 있으며 반면에 회전수가 낮은 경우 용융 정도가 작기 때문에 용접의 신뢰도를 높이기 위해서는 진행 속도를 낮추는 것이 바람직하다.

마찰교반용접시 때 마찰교반용접용 툴(30)의 회전수 및 마찰용접 툴(30)의 진행 속도뿐만 아니라 마찰교반용접용 툴(30)의 기울기 역시 용접의 신뢰도에 상대적으로 중요한 영향을 미치는 요소이다.

도 1을 다시 참조하면, 라인용접장치는 마찰교반용접용 툴(30)의 전방에 위치하는 제1 가열 부재(41) 및 마찰교반용접용 툴(30)의 후방에 위치하는 제2 가열 부재(42)를 포함한다.

제1 가열 부재(41)는 마찰교반용접이 아직 이루어지지 않은 경계부를 가열하는 역할을 한다. 탄소강의 경우 온도가 증가하면 강도가 저하되기 때문에 제1 가열 부재(41)를 통해 경계부를 가열함으로써 마찰교반용접 툴(30)이 부러지는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 마찰교반용접 툴(30)의 마모량을 현저히 줄일 수 있으며 가열시 용접속도가 증가하는 바 용접 시간을 단축시킬 수 있다.

제1 가열 부재(41)는 경계부의 온도가 약 300도 내지 약 1400도의 온도 범위에서 가열하는데 온도가 약 300도 미만인 경우는 마찰교반용접 툴(30)의 부러짐이 용이하게 방지되지 않으며 온도가 약 1400도를 초과하는 경우 마찰교반용접시 용접부위가 과도하게 녹아 후속하여 용접부의 형상이 불균일해지기 때문이다.

제2 가열 부재(42)는 마찰교반용접이 이루어진 용접부를 추가로 가열하는 역할을 한다. 제2 가열 부재(42)에 의해서 용접부는 약 300도 내지 약 1400도로 가열되는데 이는 약 300도 미만인 경우 제2 가열 부재(42)를 사용한 가열로 인해 강도 증가 효과가 미비하며 약 1400도를 초과하는 경우 제2 가열 부재(42)의 가열로 인해 용접부의 형상이 의도하지 않은 형상으로 변형될 수 있기 때문이다.

도 3은 본 발명의 툴을 기울이는 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 구체적으로 도 3에는 제1 및 2 금속 코일(10, 20)에 마찰교반용접을 수행할 때 장치적으로 요구되는 마찰교반용접용 툴(30)의 기울어짐을 설명한다.

도 3을 참조하면, 툴(30)의 중심선(33)은 제1 및 2 금속 코일(10, 20)들의 상면들에 대한 법선 방향과 툴(30)의 진행 방향의 반대 방향으로 소정의 각도(θ)를 이룰 수 있다.

여기서 상기 각도(θ)가 약 2도 미만인 경우에는 제1 및 2 금속 코일(10, 20)들이 맞대어진 경계부(15)에 삽입되는 프로브(32)에 물리적 스트레스가 과도하게 가해질 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 상기 각도(θ)가 약 4도를 초과하는 경우에는 용접 후 버와 같은 용접 표면의 거칠기를 악화시키는 결함들이 상대적으로 과도하게 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 제1 및 2 금속 코일(10, 20)에 마찰교반용접을 수행할 때 툴(30)의 중심선(33)은 제1 및 2 금속 코일(10, 20)들의 상면들에 대한 법선 방향과 툴(30)의 진행 방향의 반대 방향으로 약 2도 내지 약 4도의 각도를 이루는 것이 바람직하다.

또한, 도 1 및 2에서 설명된 마찰교반용접 방법과 같이 제1 가열부(41) 및 제2 가열부(42)를 통해 마찰교반용접 툴(30)이 부러지는 현상을 방지할 수 있으며 찰교반용접 툴(30)의 마모량을 현저히 줄일 수 있고 가열시 용접속도가 증가하는 바 용접 시간을 단축시킬 수 있다. 그리고 최종 용접부의 강도를 증가시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 라인 용접 장치에 대해서 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부 터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 라인 용접 장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 라인 용접 장치에 포함되는 툴을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 툴을 기울이는 라인 용접 방법 및 이를 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

Claims (12)

1. 제1 및 2 금속 코일들 맞대어 고정시키는 단계;

   하면이 오목한 숄더 및 상기 하면에 고정되는 핀을 포함하는 툴을 회전시키면서 상기 핀을 상기 제1 및 2 금속 코일들이 맞대어지는 경계부에 삽입하는 단계; 및

   상기 툴이 삽입된 경계부의 전방을 가열하는 단계;

   금속 판재를 생산하기 위해 요구되는 압연 공정을 연속적으로 수행하기 위해서 상기 툴이 상기 경계부를 따라 진행할 때 발생하는 마찰력 및 소성유동현상을 이용해 상기 경계부를 마찰교반용접시켜 용접부를 형성하는 단계를 포함하는 라인 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전방을 가열하는 단계는 300도 내지 1400도의 온도로 가열하는 라인 용접 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 툴의 회전수는 1000 rpm 내지 5000 rpm이고, 상기 툴의 진행 속도는 0.5 m/min 내지 1 m/min인 라인 용접 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 경계부를 마찰교반용접시키는 단계에서 상기 툴의 중심선은 상기 제1 및 2 금속 코일들의 상면들에 대한 법선 방향과 상기 툴의 진행 방향의 반대 방향으로 2도 내지 4도의 각도를 이루는 라인 용접 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 툴의 후방에 위치하게 되는 상기 용접부를 가열하는 단계를 더 포함하는 라인 용접 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 용접부는 300도 내지 1400도의 온도에서 가열되는 라인 용접 방법.
7. 회전력을 부여하는 스핀들축;

   상기 스핀들축에 삽입되고, 바디 및 상기 바디의 하면에 고정되는 핀을 갖는 마찰교반용접용 툴; 및

   상기 마찰교반용접용 툴의 전방에 위치하여 마찰교반용접 전 용접 대상 부위를 가열하는 제1 가열부를 포함하는 라인 용접 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 금속 판재를 생산하기 위해 요구되는 압연 공정을 연속적으로 수행할 목적으로 제1 및 2 금속 코일들이 맞대어진 경계부에 삽입되어 진행하면서 마찰교반용접을 수행하는 상기 툴의 중심축은 상기 제1 및 2 금속 코일들의 상면들에 대한 법선 방향으로부터 상기 툴이 진행하는 방향의 반대 방향으로 기울어지는 라인 용접 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 툴의 상기 중심선은 상기 제1 및 2 금속 코일들의 상기 상면들에 대한 법선 방향과 상기 툴의 진행 방향의 반대 방향으로 2도 내지 4도의 각도를 이루는 라인 용접 장치.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 가열부는 상기 용접 대상 부위를 300도 내지 1400도로 가열하는 라인 용접 장치.
11. 제 7 항에 있어서, 상기 마찰교반용접용 툴의 후방에 위치하여 마찰교반용접 전 용접이 완료된 용접부를 가열하는 제2 가열부를 더 포함하는 라인 용접 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 제2 가열부는 상기 용접부를 300도 내지 1400도로 가열하는 라인 용접 장치.

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