KR20120073974A - 마찰 교반 용접 장치 - Google Patents

Abstract

마찰 교반 용접 장치가 개시된다. 개시된 마찰 교반 용접 장치는, ⅰ)소정 접합 소재의 용접부를 가압하며 회전 가능하게 구성되어 용접부에 마찰열을 가하는 용접 툴과, ⅱ)용접 툴에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동 단자를 포함하며, 서로 맞닿는 접합 소재의 용접부에 대하여 용접 툴에 의한 맞대기 용접이 이루어진다.

Description

마찰 교반 용접 장치 {FRICTION STIR WELDING DEVICE}

본 발명의 예시적인 실시예는 마찰 교반 용접 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접합 소재들의 용접부와 접촉 상태로 회전하면서 발생하는 마찰열과 접합 소재의 내부에서 발생하는 소성 유동을 이용하여 접합 소재들의 용접부를 마찰 교반 용접할 수 있는 마찰 교반 용접 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말한다.

이러한 마찰 교반 용접은 서로 맞닿은 금속 접합 소재의 계면을 마찰열로서 맞대기 용접 접합하는 방식을 예로 들 수 있다.

상기와 같은 마찰 교반 용접은 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.

상기한 마찰 교반 용접을 위한 마찰 교반 용접 장치는 기본적으로, 접합 소재 보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전부재(당 업계에서는 통상적으로 "용접 툴" 이라고 한다)와 상기 회전부재를 회전시키기 위한 구동부재를 구비하여 이루어진다.

이에 따라 회전부재가 접합 소재의 접합부를 가압하여 회전함에 따라 그 회전부재와 접합부 사이에서는 마찰열이 발생하고 이러한 마찰열과 회전부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의한 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어진다.

그런데, 상기한 마찰 교반 용접 장치는 회전부재와 접합 소재 간의 마찰에 의한 열원과 교반 특성으로 접합 소재를 마찰 교반 용접함으로써 접합부의 특성을 높이는데 한계가 있다.

또한, 이종 금속 재료를 마찰 교반 용접하는 경우, 회전부재의 디자인에 따라 접합부에서의 교반력 및 교반 면적이 결정되므로, 그 접합부의 교반성에 한계가 있다는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 회전부재에 의한 용접부의 마찰 교반력을 상승시켜 서로 다른 이종 접합 소재의 교반성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 마찰 교반 용접 장치를 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치는, ⅰ)소정 접합 소재의 용접부를 가압하며 회전 가능하게 구성되어 상기 용접부에 마찰열을 가하는 용접 툴과, ⅱ)상기 용접 툴에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동 단자를 포함하며, 서로 맞닿는 상기 접합 소재의 용접부에 대하여 상기 용접 툴에 의한 맞대기 용접이 이루어진다.

또한 상기 마찰 교반 용접 장치는, 상기 용접 툴을 회전 가능하게 지지하며 그 용접 툴을 승하강시킬 수 있는 척킹부재를 포함할 수 있다.

또한 상기 마찰 교반 용접 장치에 있어서, 상기 척킹부재에는 상기 초음파 진동 단자가 구성될 수 있다.

또한 상기 마찰 교반 용접 장치에 있어서, 상기 용접 툴은 상기 척킹부재에 회전 가능하게 설치되는 원통 형상의 숄더와, 상기 숄더의 하부에 연결되며 수직적으로 연장하는 핀을 포함하여 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 용접 툴의 마찰열에 의해 접합 소재들의 용접부가 소성 유동되어 접합되는 과정에, 초음파 진동 단자를 통해 초음파 진동에 따른 보조 열원을 용접부에 부가함으로 용접 툴에 의한 용접부의 교반 특성 및 입열을 증대시킬 수 있으며, 용접부의 초 미세립화 등의 특성을 향상시킴으로써 서로 다른 이종 재료의 계면 교반성을 더욱 향상시킬 수 있다.

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 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

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 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치(100)는 경량 합금과 경량 합금(Mg 합금, Al 합금, Cu 합금, Ti 합금 등의 조합), 경량 합금과 철계 합금(GA 강판, 자동차용 강판, STS 판재 등) 등과 같은 이종 재료를 접합하기 위한 것이다.

이러한 마찰 교반 용접 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.

본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 용접 장치(100)는 접합 대상물인 접합 소재들(1) 즉, 서로 맞닿으며 용접부(C)를 형성하는 접합 소재들(1)을 마찰 교반 방식으로서 맞대기 용접하기 위한 것으로서, 기본적으로는 용접 툴(10)과, 척킹부재(30)를 포함하여 구성된다.

상기 용접 툴(10)은 접합 소재들(1)의 용접부(C)를 따라 이동하며 회전 가능하게 구성되는 바, 뒤에서 더욱 설명될 척킹부재(30)에 구성되는 구동수단(도면에 도시되지 않음)에 의해 회전할 수 있는 원통 형상의 숄더(11)를 포함한다.

상기 숄더(11)의 하부에는 수직적으로 연장하는 핀(13)이 형성되는 바, 이 핀(13)은 접합 소재들(1)의 용접부(C)를 가압하며 마찰열을 발생시킬 수 있는 접합 툴로서 구비된다.

그리고, 상기 척킹부재(30)는 용접 툴(10)을 회전 가능하게 지지하는 것으로서, 그 용접 툴(10)을 회전시킬 수 있는 구동 수단(도면에 도시되지 않음)을 구비하고 있다.

여기서, 상기 구동 수단은 직결 구동 방식 또는 벨트 등의 동력 전달 부재를 이용한 간접 구동 방식으로서 회전 동력을 용접 툴(10)에 전달하는 것으로서, 이러한 구동 수단은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 상기 마찰 교반 용접 장치(100)는 용접 툴(10)을 상하 방향으로 이동시키고, 그 용접 툴(10)을 접합 소재들(1)의 용접부(C)를 따라 이동시키기 위한 별도의 구동수단(도면에 도시되지 않음)를 구비하고 있음은 자명한 사실이다.

상기와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치(100)는 용접 툴(10)에 의한 마찰 교반 특성을 촉진시키고, 접합 소재(1)에 마찰열을 부가할 수 있으며, 용접부(C) 조직의 초 미세립화를 구현할 수 있는 구조로서 이루어진다.

즉, 상기 마찰 교반 용접 장치(100)는 용접 툴(10)에 의한 용접부(C)의 마찰 교반력을 상승시켜 서로 다른 이종 접합 소재(1)의 교반성을 더욱 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 실시예에 따른 상기 마찰 교반 용접 장치(100)는 용접 툴(10)에 대하여 초음파 진동을 가함으로써 접합 소재들(1)의 용접부(C)에 보조 열원을 제공할 수 있는 초음파 진동 단자(50)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 초음파 진동 단자(50)는 초음파를 발생시키는 초음파 발진기를 포함하며, 초음파 진동을 용접 툴(10)로 전파할 수 있는 구성으로 이루어진다.

상기 초음파 진동 단자(50)는 위에서 언급한 바 있는 척킹부재(30)에 구성되는 바, 용접 툴(10)의 근처에 배치되며 용접 툴(10)에 의해 마찰 교반 용접이 이루어지는 동안 초음파 진동을 용접 툴(10)에 전파할 수 있다.

이러한 초음파 진동 단자(50)는 당 업계에서 널리 알려진 공기 기술의 초음파 가진기로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치(100)에 의하면, 우선, 접합의 대상이 되는 분할된 접합 소재들(1)이 서로 맞닿도록 설치하고, 용접 툴(10)을 접합 소재들(1)의 경계면인 용접부(C) 위로 위치시킨다.

이 상태에서, 숄더(11)의 핀(13)을 접합 소재들(1)의 용접부(C)에 밀착 가압시킨 후, 그 숄더(11)를 회전시키며 용접부(C)를 따라 이동시키게 되면, 핀(13)과 용접부(C) 사이에서는 마찰열이 발생하고, 이러한 마찰열과 숄더(11)가 가하는 압력으로서 연화된 용접부(C)에 소성 유동에 의한 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고성 접합이 이루어진다.

상기와 같이 접합 소재들(1)을 마찰 교반 용접하는 과정에서, 본 실시예에서는 초음파 진동 단자(50)를 통해 용접 툴(10)의 숄더(11)에 초음파 진동을 가할 수 있다.

그러면, 본 실시예에서는 초음파 진동 단자(50)에 의해 초음파 진동이 용접 툴(10)에 전파됨으로써 그 초음파 진동에 의한 열원이 접합 소재들(1)의 용접부(C)에 추가적으로 제공될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 용접 툴(10)의 마찰열에 의해 접합 소재들(1)의 용접부(C)가 소성 유동되어 접합되는 과정에, 초음파 진동 단자(50)를 통해 초음파 진동에 따른 보조 열원을 용접부(C)에 부가함으로 용접 툴(10)에 의한 용접부(C)의 교반 특성 및 입열을 증대시킬 수 있으며, 용접부(C)의 초 미세립화 등의 특성을 향상시킴으로써 서로 다른 이종 재료의 계면 교반성을 더욱 향상시킬 수 있다.

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.

1... 접합 소재 C... 용접부
10... 용접 툴 11... 숄더
13... 핀 30... 척킹부재
50... 초음파 진동 단자

Claims (3)

1. 소정 접합 소재의 용접부를 가압하며 회전 가능하게 구성되어 상기 용접부에 마찰열을 가하는 용접 툴; 및
   상기 용접 툴에 초음파 진동을 가하는 초음파 진동 단자를 포함하며,
   서로 맞닿는 상기 접합 소재의 용접부에 대하여 상기 용접 툴에 의한 맞대기 용접이 이루어지는 마찰 교반 용접 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 용접 툴을 회전 가능하게 지지하며 그 용접 툴을 승하강시킬 수 있는 척킹부재를 포함하며,
   상기 척킹부재에는 상기 초음파 진동 단자가 구성되는 마찰 교반 용접 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 용접 툴은,
   상기 척킹부재에 회전 가능하게 설치되는 원통 형상의 숄더와, 상기 숄더의 하부에 연결되며 수직적으로 연장하는 핀을 포함하여 이루어지는 마찰 교반 용접 장치.

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