KR20110075768A - Friction stir welding device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 예시적인 실시예는 마찰 교반 접합 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 맞닿은 모재들의 이음부와 접촉 상태로 회전하면서 발생하는 마찰열과 모재의 내부에서 발생하는 소성 유동을 이용하여 모재들의 이음부를 교반 접합하는 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a friction stir welding device, and more particularly, to joint of the base materials using friction heat generated while rotating in contact with the joints of the base materials in contact with each other and plastic flow generated inside the base material. It relates to a friction stir welding device for stir welding parts.
자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다.Light alloys using light materials such as aluminum or magnesium are widely used in various industrial fields such as transportation devices such as automobiles and aircrafts and construction / civil engineering.
이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.In order to produce / manufacture various devices, structures, etc. using such a light alloy, these light alloys are frequently joined by welding.
따라서 이들 경량합금을 접합하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 접합(Friction Stir Welding; FSW)이 적용되고 있다.Therefore, techniques for joining these lightweight alloys have been widely studied, and recently, friction stir welding (FSW) has been applied.
마찰 교반 접합이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말한다.Friction stir welding means a method of joining a metal divided by the heat of friction generated between the rotating tool and the joining metal by installing a rotary tool at the joining portion of the metal.
상기와 같은 마찰 교반 접합은 고온의 용융 접합 시에 접합 균열과 접합 변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열 감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.The friction stir welding as described above is mainly used for non-ferrous materials such as precipitation hardening aluminum alloys, which are susceptible to cracking and joint deformation during hot melt bonding. It is actively underway.
일반적으로, 마찰 교반 접합 장치는 접합되는 부재보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전도구와 상기 회전도구를 회전시키는 구동부재를 포함한다.In general, the friction stir welding device includes a rotary tool made of a material having a higher hardness than the member to be joined and a driving member for rotating the rotary tool.
그리고 상기 구동부재는 분할된 금속의 접합부에 설치된 회전 부재를 회전시키면서 접합부를 따라 회전 부재를 이송한다.The driving member conveys the rotating member along the joint while rotating the rotating member provided at the joint of the divided metal.
이에 따라 회전 부재와 접합부 사이에는 마찰열이 발생하고 이러한 마찰열과 회전 부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의해 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어진다.Accordingly, frictional heat is generated between the rotating member and the joint, and solid-state bonding is performed while the stirring action of the material is activated by the plastic flow to the joint softened by the frictional heat and the pressure applied by the rotating member.
그런데, 상기한 마찰 교반 접합 기술을 이용하여 경량 합금이나 철계 합금을 접합할 경우에는 접합부의 특성 향상과 접합 툴의 수명 향상을 위한 해결책이 필요하다.However, when joining a light alloy or an iron-based alloy using the friction stir welding technique described above, a solution for improving the characteristics of the joint and improving the life of the joining tool is required.
또한, 이러한 종래의 마찰 교반 접합은 금속의 마찰로 발생하는 열만으로 접합부의 입열을 결정하는 문제가 있다. 특히, 스틸과 같이 경도가 높은 재료를 교반 접합할 경우에는 고출력의 회전과 큰 가압력이 요구되며, 이러한 접합 과정에서 높은 온도 상승으로 인해 접합 툴의 마모가 심하게 발생된다는 문제점을 내포하고 있다.In addition, such conventional friction stir welding has a problem of determining the heat input of the joint only by heat generated by the friction of the metal. In particular, in the case of stirring and joining a material of high hardness, such as steel, high output rotation and a large pressing force are required, and a high temperature rise during the joining process has a problem in that wear of the joining tool is severely generated.
따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 경량 합금이나 철계 합금으로 이루어진 모재들의 마찰 교반 접합 시, 회전부재의 접합 툴을 적절하게 냉각시킴으로써 그 접합 툴의 수명 연장 및 접합부 특성을 향상시킬 수 있도록 한 마찰 교반 접합 장치를 제공한다.Therefore, an exemplary embodiment of the present invention has been created to improve the problems as described above, and when the friction stir welding of the base material made of a light alloy or iron alloy, by appropriately cooling the joining tool of the rotating member of the joining tool Provided is a friction stir welding device capable of extending life and improving joint characteristics.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치는, ⅰ)서로 맞닿은 모재들의 이음부를 따라 이동하며 회전 가능하게 구성되고, 상기 모재들의 이음부를 가압하며 마찰열을 발생시킬 수 있는 접합 툴이 구비된 회전부재와, ⅱ)상기 회전부재의 내부에 충진되어 상기 접합 툴에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 열전달매체를 포함한다.To this end, the friction stir welding device according to the exemplary embodiment of the present invention is configured to be rotatable and move along the joints of the base materials in contact with each other, and a joining tool capable of pressing the joints of the base materials and generating frictional heat. And a heat transfer medium filled with the rotating member and ii) the inside of the rotating member to cool the heat generated by the bonding tool.
상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 열전달매체는 물질의 상 변화를 통해 열을 방출하는 상 변화 물질(PCM: Phase Change Material)을 포함할 수 있다.In the friction stir welding device, the heat transfer medium may include a phase change material (PCM) that releases heat through a phase change of the material.
상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 회전부재는 구동부재에 의해 회전되는 바디를 포함할 수 있다.In the friction stir welding device, the rotating member may include a body that is rotated by the drive member.
상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 회전부재는 상기 바디의 내부에 진공 상태로 밀폐된 공간부를 형성할 수 있다.In the friction stir welding device, the rotating member may form a space part sealed in a vacuum state inside the body.
상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 상 변화 물질은 상기 바디의 공간부 내에 충진될 수 있다.In the friction stir welding device, the phase change material may be filled in the space portion of the body.
상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 상 변화 물질은 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸, 및 무기물질로서 6개의 물분자가 결합된 수화물 형태의 염화칼슘 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.In the friction stir welding device, the phase change material is any selected from the group of calcium chlorides in the form of hydrates such as tetradecane, octadecane, nonadecane of carbon and hydrogen, and hydrate form in which six water molecules are combined as an inorganic material. It can be made of one material.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 경량 합금이나 철계 합금으로 이루어진 모재들의 마찰 교반 접합 시, 회전부재의 내부에 충진 및 내재된 상 변화 물질을 통해 접합 툴을 적절하게 냉각시킴으로써 접합 툴의 수명 연장 및 접합부의 특성을 향상시킬 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, in the friction stir welding of the base material made of a light alloy or iron-based alloy, the bonding by appropriately cooling the bonding tool through the phase change material filled and embedded in the rotating member Extend the life of the tool and improve the properties of the joint.
따라서, 본 실시예에서는 상 변화 물질을 통해 접합 툴을 신속하고 균일하게 냉각시킬 수 있으므로, 접합 툴의 마모 및 구조 변형 등을 방지함으로써 접합부의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.Therefore, in the present embodiment, it is expected that the bonding tool can be cooled quickly and uniformly through the phase change material, thereby improving the quality and productivity of the joint by preventing wear and structural deformation of the bonding tool.
그리고, 본 실시예에서는 외부 전원의 공급 없이 접합 툴의 냉각 효과를 높일 수 있는 상 변화 물질을 채용하므로, 에너지의 효율성이 뛰어나고, 열전달 효율이 향상되며, 반 영구적으로 사용이 가능하다는 잇점이 있다.In addition, the present embodiment employs a phase change material capable of increasing the cooling effect of the bonding tool without supplying an external power source, and thus has an advantage of excellent energy efficiency, improved heat transfer efficiency, and semi-permanent use.
또한, 본 실시예에서는 접합 툴에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치를 장착하지 않고, 상 변화 물질을 회전부재의 내부에 충진하므로, 전체 장치의 구성을 단순화시킬 수 있다는 잇점이 있다.In addition, in the present embodiment, since the phase change material is filled inside the rotating member without mounting a separate cooling device for cooling the heat generated by the bonding tool, the configuration of the entire apparatus can be simplified.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to the illustrated.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치에 적용되는 회전부재 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.1 is a perspective view schematically showing a friction stir welding device according to an exemplary embodiment of the present invention, Figure 2 schematically shows a rotating member portion applied to the friction stir welding device according to an exemplary embodiment of the present invention One cross-sectional configuration diagram.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)는 알루미늄이나 마그네슘 등과 같은 경량 합금을 접합하거나 스틸과 같이 경도가 높은 금속 재료를 접합하기 위한 것이다.Referring to the drawings, the friction
이러한 마찰 교반 접합 장치(100)는 상기와 같은 금속의 접합 부위에 회전 도구를 설치하여 그 회전 도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열을 이용하여 분할된 금속을 접합할 수 있는 구조로서 이루어진다.The friction
본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 접합 장치(100)는 접합 대상물인 모재들(1) 즉, 서로 맞닿으며 이음부(C)를 형성하는 모재들(1)을 마찰 교반 방식으로서 접합하기 위한 것으로서, 기본적으로는 회전부재(10)와, 구동부재(30)를 포함하여 구성된다. The friction
상기에서, 회전부재(10)는 모재들(1)의 이음부(C)를 따라 이동하며 회전 가능하게 구성되는 바, 구동부재(30)에 의해 회전되는 바디(11)를 포함하며, 그 바디(11)에는 모재들(1)의 이음부(C)를 가압하며 마찰열을 발생시킬 수 있는 접합 툴(15)이 구비되어 있다.In the above, the rotating
그리고, 상기 구동부재(30)는 회전부재(10)를 회전시키기 위한 것으로서, 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식으로서 회전 동력을 회전부재(10)에 전달할 수 있다.In addition, the driving
여기서, 상기 마찰 교반 접합 장치(100)는 회전부재(10)를 상하 방향으로 이동시키고, 그 회전부재(10)를 모재들(1)의 이음부(C)를 따라 이동시키기 위한 별도의 구동부재(도면에 도시되지 않음)를 구비하고 있음은 자명한 사실이다.Here, the friction
상기와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)는 경량 합금이나 철계 합금으로 이루어진 모재들(1)의 마찰 교반 접합 시, 회전부재(10)의 접합 툴(15)을 적절하게 냉각시킴으로써 그 접합 툴(15)의 수명 연장 및 접합부 특성을 향상시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.Friction
이를 위해 본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 접합 장치(100)는 회전부재(10)의 내부에 충진 및 내재되어 접합 툴(15)에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있는 열 전달매체(50)를 포함하고 있다.To this end, the friction
본 실시예에서, 상기 열전달매체(50)는 물질의 상 변화를 통해 열을 방출할 수 있는 상 변화 물질(51)(PCM: Phase Change Material)로서 이루어진다. 이 경우, 상기 상 변화 물질(51)은 회전부재(10)에 있어 바디(11)의 내부에 진공 상태로 밀폐된 공간부(17)에 충진된다.In the present embodiment, the
상기한 상 변화 물질(51)은 일정 온도 범위에서 상전이, 예컨대 고체에서 액체, 액체에서 고체, 액체에서 기체, 기체에서 액체 상태 등 어느 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 물질을 포함한다.The
즉, 상기 상 변화 물질(51)은 회전부재(10)의 접합 툴(15)에서 발생하는 열에 의해 일종의 물리적 변화 과정인 상전이를 거치면서 열을 축적하고 그 축적된 열을 방출하는 기능을 하게 된다.That is, the
이와 같은 상 변화 물질(51)은 일 예로서 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 및 노나데칸 등의 물질이 있으며, 무기 물질의 예로는 6개의 물분자가 결합된 수화물 형태의 염화칼슘 등이 있다.The
그러나, 본 발명에서는 상 변화 물질(51)이 상기에서와 같은 물질을 포함하는 것에 반드시 한정되지 않고, 파라핀(paraffin) 계열 또는 공융염류(eutectic salts) 계열의 물질과 같이 상전이 시에 열을 흡수할 수 있는 다양한 유기 또는 무기 잠열저장물질을 포함할 수도 있다.However, in the present invention, the
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)에 의하면, 우선 접합의 대상이 되는 분할된 모재들(1)이 서로 맞닿 도록 설치하고, 회전부재(10)를 모재들(1)의 이음부(C) 위로 위치시킨다.Therefore, according to the friction
이 상태에서, 상기 회전부재(10)의 접합 툴(15)을 모재들(1)의 이음부(C)에 밀착 가압시킨 후, 그 회전부재(10)를 회전시키며 이음부(C)를 따라 이동시키게 되면, 접합 툴(15)과 이음부(C) 사이에서는 마찰열이 발생하고, 이러한 마찰열과 회전부재(10)가 가하는 압력으로서 연화된 이음부(C)에 소성 유동에 의한 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고성 접합이 이루어진다.In this state, the
한편, 상기와 같은 과정으로서 철계 합금과 같은 모재들(1)을 교반 접합하는 경우, 회전부재(10)의 고출력 회전과 큰 가압력으로서 접합 툴(15)의 온도가 급격하게 상승하는 바, 본 실시예에서는 회전부재(10)의 내부에 열전달매체(50)로서 상 변화 물질(51)을 충진함에 따라 그 상 변화 물질(51)이 접합 툴(15)의 열에 의해서 상전이를 일으키는 과정에 그 열을 외부로 방출시킬 수 있게 된다.On the other hand, when the
즉, 본 실시예에서는 회전부재(10)의 접합 툴(15)에서 발생하는 열에 의해 상 변화 물질(51)이 고체에서 액체, 액체에서 고체, 액체에서 기체, 기체에서 액체 상태 등 어느 하나 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 상전이를 거치면서 열을 축적하고 그 축적된 열을 방출함으로써 접합 툴(15)을 냉각시킬 수 있게 되는 것이다.That is, in the present embodiment, the
따라서, 본 실시예에서는 경량 합금이나 철계 합금으로 이루어진 모재들(1)의 마찰 교반 접합 시, 회전부재(10)의 내부에 충진 및 내재된 상 변화 물질(51)을 통해 접합 툴(15)을 적절하게 냉각시킴으로써 접합 툴(15)의 수명 연장 및 접합부의 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, when the friction stir welding of the
이로써, 본 실시예에서는 상 변화 물질(51)을 통해 접합 툴(15)을 신속하고 균일하게 냉각시킬 수 있으므로, 접합 툴(15)의 마모 및 구조 변형 등을 방지함으로써 접합부의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.Thus, in this embodiment, the
그리고, 본 실시예에서는 외부 전원의 공급 없이 접합 툴(15)의 냉각 효과를 높일 수 있는 상 변화 물질(51)을 채용하므로, 에너지의 효율성이 뛰어나고, 열전달 효율이 향상되며, 반 영구적으로 사용이 가능하다는 잇점이 있다.In addition, in the present embodiment, since the
또한, 본 실시예에서는 접합 툴(15)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치를 장착하지 않고, 상 변화 물질(51)을 회전부재(10)의 내부에 충진하므로, 전체 장치(100)의 구성을 단순화시킬 수 있다는 잇점이 있다.In addition, in the present embodiment, since the
이상을 통해 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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.Since these drawings are for reference in describing exemplary embodiments of the present invention, the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing a friction stir welding device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치에 적용되는 회전부재 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing a portion of the rotating member applied to the friction stir welding device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명><Description of reference numerals for the main parts of the drawings>
1... 모재 C... 이음부1 ... Base material C ... Joint
10... 회전부재 11... 바디10 ... rotating
17... 공간부 30... 구동부재17 ...
50... 열전달매체 51... 상 변화 물질(PCM)50 ...
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090132313A KR20110075768A (en) | 2009-12-29 | 2009-12-29 | Friction stir welding device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090132313A KR20110075768A (en) | 2009-12-29 | 2009-12-29 | Friction stir welding device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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KR20110075768A true KR20110075768A (en) | 2011-07-06 |
Family
ID=44915723
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020090132313A KR20110075768A (en) | 2009-12-29 | 2009-12-29 | Friction stir welding device |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR20110075768A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105108310A (en) * | 2015-09-10 | 2015-12-02 | 昆山斯格威电子科技有限公司 | Stirring friction point welding machine |
-
2009
- 2009-12-29 KR KR1020090132313A patent/KR20110075768A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN105108310A (en) * | 2015-09-10 | 2015-12-02 | 昆山斯格威电子科技有限公司 | Stirring friction point welding machine |
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