KR20110075774A - 마찰 교반 접합 장치 - Google Patents

Abstract

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 회전부재에 실질적으로 연결되게 설치되며, 상기 접합 툴의 내부로 예열 가스 또는 냉각 공기를 공급할 수 있는 볼텍스 튜브(vortex tube)와, ⅲ)상기 볼텍스 튜브와 연결되게 구성되어 상기 볼텍스 튜브로 상기 예열 가스를 공급하는 예열 가스 공급부와, ⅳ)상기 볼텍스 튜브와 연결되게 구성되어 상기 볼텍스 튜브로 냉각 공기를 공급하는 냉각 공기 공급부를 포함한다.

마찰, 교반, 접합, 회전부재, 접합툴, 예열, 냉각

Description

마찰 교반 접합 장치 {FRICTION STIR WELDING DEVICE}

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.

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 접합하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 접합(Friction Stir Welding; FSW)이 적용되고 있다.

마찰 교반 접합이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말한다.

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.

일반적으로, 마찰 교반 접합 장치는 접합되는 부재보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전도구와 상기 회전도구를 회전시키는 구동부재를 포함한다.

그리고 상기 구동부재는 분할된 금속의 접합부에 설치된 회전 부재를 회전시키면서 접합부를 따라 회전 부재를 이송한다.

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.

그런데, 상기한 마찰 교반 접합 기술을 이용하여 경량 합금이나 철계 합금을 접합할 경우에는 접합부의 특성 향상과 접합 툴의 수명 향상을 위한 해결책이 필요하다.

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.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 예열 가스 또는 냉각 공기를 필요에 따라 접합 툴로 공급하여 접합 툴을 예열 또는 냉각시킬 수 있도록 한 마찰 교반 접합 장치를 제공한다.

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 회전부재에 실질적으로 연결되게 설치되며, 상기 접합 툴의 내부로 예열 가스 또는 냉각 공기를 공급할 수 있는 볼텍스 튜브(vortex tube)와, ⅲ)상기 볼텍스 튜브와 연결되게 구성되어 상기 볼텍스 튜브로 상기 예열 가스를 공급하는 예열 가스 공급부와, ⅳ)상기 볼텍스 튜브와 연결되게 구성되어 상기 볼텍스 튜브로 냉각 공기를 공급하는 냉각 공기 공급부를 포함한다.

상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 회전부재는 구동 부재에 의해 회전 가능하게 구비되는 바디와, 상기 바디의 내부에서 상기 볼텍스 튜브와 실질적으로 연결되고, 상기 접합 툴이 고정되게 설치되는 공급 관로를 포함할 수 있다.

상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 공급 관로는 상기 예열 가스 공급부 및 냉각 공기 공급부로부터 선택적으로 공급되는 예열 가스 또는 냉각 공기를 상기 접합 툴로 공급할 수 있다.

상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 접합 툴은 내부에 상기 공급 관로와 연결되는 공간을 형성하며 상기 공급 관로에 고정되게 설치될 수 있다.

상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 접합 툴은 상기 예열 가스 또는 냉각 가스를 상기 모재들의 이음부 측으로 배출하기 위한 다수의 제1 배출공들이 형성될 수 있다.

상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 회전부재는 구동 부재에 의해 회전될 수 있는 바디가 구비되고, 상기 바디에 상기 접합 툴이 일체로 형성될 수 있다.

상기 마찰 교반 접합 장치에 있어서, 상기 회전부재는 상기 볼텍스 튜브와 실질적으로 연결되는 연결 통로가 상기 바디의 내부에서 접합 툴 쪽으로 형성되고, 상기 연결 통로와 연결되는 제2 배출공이 상기 바디에 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 모재들의 마찰 교반 접합 시, 필요에 따라 예열 기체 또는 냉각 공기를 접합 툴의 내부 및/또는 모재들의 접합부로 공급함으로써 접합 툴 및/또는 모재들의 접합부를 예열 또는 냉각시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 예열 가스 및 냉각 공기를 통해 접합 툴의 예열 및 냉각이 선택적으로 이루어지므로, 접합 툴의 마모를 방지할 수 있고, 접합부의 특성을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 접합 툴의 수명 연장 및 구조 변형을 방지함으로써 접합부의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 개략적인 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)는 알루미늄 또는 마그네슘 등과 같은 경량 합금을 접합하거나 스틸과 같이 경도가 높은 금속 재료를 접합하기 위한 것이다.

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.

여기서, 본 실시예에 의한 상기 마찰 교반 접합 장치(100)는 경량 합금 또는 경도가 높은 스틸 등과 같이 서로 다른 소재로 이루어진 모재들(1)을 마찰 교반 접합하기 위한 것이다.

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 구동부재(30)에 의해 회전하는 회전부재(10)를 포함하여 구성된다.

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.

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.

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.

이와 같이 회전부재(10)를 회전시키거나 이동시킬 수 있는 구동수단은 당 업계에서 널리 사용되는 공지 기술의 구동장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)는 경량 합금이나 철계 합금 등 서로 다른 소재로 이루어진 모재들(1)의 마찰 교반 접합 시, 필요에 따라 예열 기체 또는 냉각 공기를 접합 툴(15)의 내부 및 모재들(1)의 접합부로 공급함으로써 접합 툴(15)의 마모 등을 방지하고, 모재들(1)의 접합부 특성을 향상시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 접합 장치(100)는 접합 툴(15)의 내부로 예열 가스 또는 냉각 공기를 공급할 수 있는 볼텍스 튜브(50: vortex tube)와, 볼텍스 튜브(50)로 예열 가스를 공급하기 위한 예열 가스 공급부(70)와, 볼텍스 튜브(50)로 냉각 공기를 공급하기 위한 냉각 공기 공급부(90)를 포함하고 있다.

본 실시예에서, 상기 볼텍스 튜브(50)는 기계적 구동부가 전혀 없이 냉각 공기와 예열 기체의 흐름을 동시에 만들어 내며 접합 툴(15)에 와류 현상을 일으킬 수 있는 구조로서 이루어진다.

상기 볼텍스 튜브(50)는 회전부재(10)와 연결되게 구성되는 바, 그 회전부재(10)의 회전 및 구동부재(30)의 동력을 간섭하지 않으면서 예열 기체 또는 냉각 공기를 접합 툴(15)의 내부로 공급할 수 있다.

여기서, 상기 볼텍스 튜브(50)는 예열 기체를 접합 툴(15)로 흘려 보내기 위한 제1 주입구(51), 및 냉각 공기를 접합 툴(15)로 흘려 보내기 위한 제2 주입구(52)를 형성하고 있다.

이러한 볼텍스 튜브(50)는 당 업계에서 널리 사용되는 공지 기술이므로, 본 실시예에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에서, 상기 예열 가스 공급부(70)는 일정 온도로 예열된 기체, 예컨대 아르곤, 헬륨, 및 이들을 포함하는 혼합 기체를 볼텍스 튜브(50)로 공급하는 기능을 하게 된다.

이 경우, 상기 예열 가스 공급부(70)는 예열 가스를 저장하며 그 예열 가스를 소정의 압력으로서 배출시킬 수 있는 구조로 이루어지며, 제1 공급 라인(71)을 통해 볼텍스 튜브(50)의 제1 주입구(51)와 연결된다.

그리고, 상기 냉각 공기 공급부(90)는 냉각 공기를 볼텍스 튜브(50)로 공급하기 위한 것으로서, 공기를 압축 저장하는 에어 탱크로서 구비되며, 제2 공급 라인(91)을 통해 볼텍스 튜브(50)의 제2 주입구(52)와 연결된다.

한편, 본 실시예에 의한 상기 회전부재(10)는 예열 가스 공급부(70) 및 냉각 공기 공급부(90)로부터 볼텍스 튜브(50)를 통해 선택적으로 제공되는 예열 가스 또는 냉각 공기를 접합 툴(15)로 공급하기 위한 공급 관로(21)를 포함하고 있다.

상기 공급 관로(21)는 회전부재(10)의 바디(11) 내부에 설치되는 파이프 형태로서 구성되는 바, 볼텍스 튜브(50)와 실질적으로 연결되고, 언급한 바 있는 접합 툴(15)이 고정되게 설치된다.

여기서, 상기 접합 툴(15)은 공급 관로(21)의 단부에 나사 결합식으로 고정되게 설치되고, 그 공급 관로(21)와 연결되는 내부 공간을 형성하고 있다.

그리고, 상기 접합 툴(15)은 공급 관로(21)를 통해 상기한 내부 공간으로 유 입되는 예열 가스 또는 냉각 공기를 모재들(1)의 이음부(C) 측으로 배출시키기 위한 다수의 제1 배출공들(19)을 형성하고 있다. 이 경우, 상기 제1 배출공들(19)은 원형, 삼각형, 사각형 등 다양한 형태의 단면으로 형성될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)의 작동을 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(100)의 작동을 설명하기 위한 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 우선 본 실시예에서는 접합의 대상이 되는 분할된 모재들(1)을 서로 맞닿도록 설치하고, 회전부재(10)를 모재들(1)의 이음부(C) 위로 위치시킨다.

이 상태에서, 상기 회전부재(10)의 접합 툴(15)을 모재들(1)의 이음부(C)에 밀착 가압시킨 후, 구동부재(30)를 통해 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.

한편, 상기한 과정에서 본 실시예에서는 접합 툴(15)의 내부로 예열 기체를 공급하여 그 접합 툴(15)을 예열할 수 있다.

이 경우, 예열 기체는 예열 가스 공급부(70)로부터 볼텍스 튜브(50)로 공급되고, 도면에 실선 화살표로 표시한 바와 같이 공급 관로(21)를 통해 접합 툴(15)의 내부로 공급되는 바, 그 접합 툴(15)의 제1 배출공들(19)을 통해 모재들(1)의 이음부(C) 측으로 배출된다.

다른 한편으로, 상기한 과정에서 경량 합금 및 철계 합금 등과 같이 서로 다른 소재로 이루어진 모재들(1)을 교반 접합하는 경우, 회전부재(10)의 고출력 회전과 큰 가압력으로서 접합 툴(15)의 온도가 급격하게 상승하는 바, 본 실시예에서는 접합 툴(15)의 내부 및 모재들(1)의 접합부로 냉각 공기를 공급함으로써 접합 툴(15) 및 모재들(1)의 접합부까지 냉각시킬 수 있게 된다.

여기서, 냉각 공기는 냉각 공기 공급부(90)로부터 볼텍스 튜브(50)로 공급되고, 도면에 점선 화살표로 표시한 바와 같이 공급 관로(21)를 통해 접합 툴(15)의 내부로 공급되는 바, 그 접합 툴(15)의 제1 배출공들(19)을 통해 모재들(1)의 이음부(C) 측으로 배출된다.

따라서, 본 실시예에서는 모재들(1)의 마찰 교반 접합 시, 필요에 따라 예열 기체 또는 냉각 공기를 접합 툴(15)의 내부 및 모재들(1)의 접합부로 공급함으로써 접합 툴(15) 및 모재들(1)의 접합부를 예열 또는 냉각시킬 수 있게 된다.

이로써, 본 실시예에서는 상술한 바와 같은 일련의 과정으로 접합 툴(15)의 예열 및 냉각이 이루어지므로, 접합 툴(15)의 마모를 방지할 수 있고, 접합부의 특성을 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 접합 툴(15)의 수명 연장 및 구조 변형을 방지함으로써 접합부의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다. 여기서, 앞서 개시한 도면에서의 동일한 구성 요소는 동일한 도면 참조 부호를 부여한다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 마찰 교반 접합 장치(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 회전부재(110)의 바디(111)에 접합 툴(115)이 일체로 형성되고, 그 접합 툴(115)의 내부로 예열 기체 및 냉각 공기를 선택적으로 공급할 수 있는 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 실시예에서는 볼텍스 튜브(50)와 실질적으로 연결되는 연결 통로(121)를 바디(111)의 내부에서 접합 툴(115) 쪽으로 형성하고, 그 연결 통로(121)와 연결되는 제2 배출공(123)을 바디(111)에 형성하고 있다.

따라서, 본 실시예에서는 예열 가스 공급부(70) 및 냉각 공기 공급부(90)를 통해 접합 툴(115)의 연결 통로(121)로 예열 가스 또는 냉각 공기를 선택적으로 공급하고 바디(111)의 제2 배출공(123)을 통해 배출시키면서 상기 접합 툴(115)을 예열 또는 냉각시킬 수 있게 된다.

상기에서와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

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.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 개략적인 단면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치의 작동을 설명하기 위한 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 마찰 교반 접합 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>

1... 모재 C... 이음부

10... 회전부재 11... 바디

15... 접합 툴 19... 제1 배출공

21... 공급 관로 30... 구동부제

50... 볼텍스 튜브 51... 제1 주입구

52... 제2 주입구 70... 예열 가스 공급부

71... 제1 공급 라인 90... 냉각 공기 공급부

91... 제2 공급 라인

Claims (4)

1. 서로 맞닿은 모재들의 이음부를 따라 이동하며 회전 가능하게 구성되고, 상기 모재들의 이음부를 가압하며 마찰열을 발생시킬 수 있는 접합 툴이 구비된 회전부재;

   상기 회전부재에 실질적으로 연결되게 설치되며, 상기 접합 툴의 내부로 예열 가스 또는 냉각 공기를 공급할 수 있는 볼텍스 튜브(vortex tube);

   상기 볼텍스 튜브와 연결되게 구성되어 상기 볼텍스 튜브로 상기 예열 가스를 공급하는 예열 가스 공급부; 및

   상기 볼텍스 튜브와 연결되게 구성되어 상기 볼텍스 튜브로 냉각 공기를 공급하는 냉각 공기 공급부

   를 포함하는 마찰 교반 접합 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 회전부재는,

   구동 부재에 의해 회전 가능하게 구비되는 바디; 및

   상기 바디의 내부에서 상기 볼텍스 튜브와 실질적으로 연결되고, 상기 접합 툴이 고정되게 설치되는 공급 관로

   를 포함하며,

   상기 공급 관로는 상기 예열 가스 공급부 및 냉각 공기 공급부로부터 선택적 으로 공급되는 예열 가스 또는 냉각 공기를 상기 접합 툴로 공급하는 마찰 교반 접합 장치.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 접합 툴은,

   내부에 상기 공급 관로와 연결되는 공간을 형성하며 상기 공급 관로에 고정되게 설치되고,

   상기 예열 가스 또는 냉각 가스를 상기 모재들의 이음부 측으로 배출하기 위한 다수의 제1 배출공들이 형성되는 마찰 교반 접합 장치.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 회전부재는,

   구동 부재에 의해 회전될 수 있는 바디가 구비되고, 상기 바디에 상기 접합 툴이 일체로 형성되며,

   상기 볼텍스 튜브와 실질적으로 연결되는 연결 통로가 상기 바디의 내부에서 접합 툴 쪽으로 형성되고, 상기 연결 통로와 연결되는 제2 배출공이 상기 바디에 형성되는 마찰 교반 접합 장치.

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