KR20130098029A - 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구 및 이를 이용한 내부관로 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구 및 이를 이용한 내부관로 형성방법에 관한 것으로서, 기둥형상의 몸체부와, 이 몸체부의 하부에 형성된 숄더부와, 이 숄더부의 중앙에 돌출형성된 프로브부와, 이 프로브부에 관통형성된 내부관로 형성부를 포함하는 것을 특징으로 한다, 따라서 본 발명은 마찰교반용접 공구의 프로브부에 내부관로 형성부를 관통형성함으로써, 피가공물의 분리된 내피와 외피를 조립하여 그 사이에 내부관로를 형성하지 않고서 일체로 성형된 피가공물의 외면에 마찰교반에 의한 표면개질을 통해 내부관로를 형성하여 내부관로의 기밀성을 향상시킬 뿐만 아니라 제작비용 및 제작시간을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

내부관로 형성용 마찰교반용접 공구 및 이를 이용한 내부관로 형성방법{Friction stir welding tool for forming inner pipeline and method for forming inner pipeline using the same}

본 발명은 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구 및 이를 이용한 내부관로 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피가공물와 접촉 상태로 회전함으로써 피가공물를 교반하여 내부관로를 형성하는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구 및 이를 이용한 내부관로 형성방법에 관한 것이다.

자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축 및 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. 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW)이 소개되어 있다.

일반적으로 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 두 개의 금속 부재를 꽉 붙여 고정시킨 후 두 금속 부재의 접합부에 금속 부재에 비해 견고한 재질로 이루어진 비소모식 프로브의 일부분을 회전하면서 삽입하여 상기 프로브와 금속 부재의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 연화시키기에 충분한 온도로 인접한 금속 부재의 접합부를 가열시키게 된다.

이로 인하여 프로브가 삽입된 부분 주위로 연화된 소위“서드바디(Third-body)”라고 불리는 영역이 생성되며, 이러한 서드바디에 기계적 힘을 가하여 프로브가 접합선을 따라 이동하도록 함으로써 가열 부위가 프로브의 앞부분(Advancing side)에서 뒤쪽(Retreating side)으로 압출되고, 상기와 같은 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상접합부가 형성된다.

상기와 같은 접합공정을 위한 프로브는 회전체의 몸체부 바닥면에 마찰핀이 결합되어서 구성된다. 회전체는 금속 부재의 접합부 표면에 대하여 수직으로 회전되고, 이에 의해 마찰핀은 회전운동하며 금속 부재의 접합부에 삽입되어져 금속 부재를 가열시키고, 회전체의 몸체부 바닥면은 평평하게 형성되어 마찰핀에 의해 가열된 금속부재의 부위를 확장함과 동시에 금속 부재의 연화된 부분을 가압하여 매끈한 용접면을 형성하게 한다.

그러나, 상기와 같은 프로브는 용접을 하는 과정에서 마찰핀에서 나선형 형상에 의하여 발생하는 금속 유동을 끌어올리는 힘이 회전방향으로 발생하는 원심력과 동조하여 금속 유동을 밖으로 튕겨나가게 하는 힘이 발생하게 되고, 이로인해 금속 부재 표면부의 금속 유동성이 저하되고, 금속 부재 표면부의 버(burr) 및 용접결함을 일으키며, 용접속도를 저하시키는 문제점이 있었다.

또한, 내부에 연속적인 관로가 형성된 금속체를 제조하기 위해서는, 각각에 관로를 구성하는 홈이 형성된 내피 금속체 및 외피 금속체를 별도로 준비한 후에, 이들 내피 및 외피 금속체를 조립해야 한다. 이렇게 함으로써, 내피 및 외피 금속체에 형성된 홈들이 하나의 연속적인 관로를 구성하도록 한다.

이러한 방식은 전기자동차 등에 사용되는 모터케이스를 제조할 때 적용될 수 있다. 즉, 모터 동작시 발생하는 열을 냉각시키기 위해서 케이스 내부를 수냉 방식으로 냉각하기 위한 수냉용 관로가 형성된 모터케이스를 제조하기 위하여 상술한 방식이 주로 사용된다.

다시 말해서, 수냉 방식의 모터케이스를 제작하기 위한 방법으로, 상호 조립에 의해 내부에 수냉용 관로가 형성되는 내부 케이스 및 외부 케이스를 별도로 다이캐스팅하여 제작한 후, 이를 서로 조립한 다음 그 양 단부를 아크 용접에 의해 용접하는 방법이 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 다이캐스팅 공법에 의해 제조된 모터케이스의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 모터케이스의 내부 구조를 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 모터케이스(100)는 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)를 서로 조립하여 형성된다. 여기서, 내부 케이스(110)의 외면 및 외부 케이스(120)의 내면에는 각각 관로홈(131, 132)이 형성되어 있으며, 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)를 조립하게 되면, 이 관로홈들(131, 132)이 관로(130)를 형성하게 된다.

이와 같이 형성된 관로(130)는 외부 케이스(120)에 형성된 인렛(121; Inlet) 및 아웃렛(122; Outlet)에 연결되며, 모터 동작시 인렛(121)을 통해 주입된 냉각수가 관로(130)를 거쳐 아웃렛(122)으로 배출됨으로써, 냉각수의 순환에 의해 모터 동작시 발생하는 열을 냉각시키게 된다.

한편, 냉각을 위해 순환되는 냉각수가 유출되지 않도록 모터케이스(100)의 단부(A)를 밀봉해야 하는데, 종래에는 이를 위해 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)의 양 단부를 아크 용접을 통해 밀봉하였다.

그러나, 종래의 아크 용접 방식은 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)의 재질 내부에 다량의 기공을 형성하기 때문에, 냉각수의 효과적인 밀봉이 어렵다는 문제가 있다.

즉, 아크 용접된 내부 케이스(110) 및 외부 케이스(120)의 용접부에 기공이 형성되면, 냉각수의 수압을 견디기 어려워 모터 동작시 냉각수의 누수가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 피가공물의 분리된 내피와 외피를 조립하여 그 사이에 내부관로를 형성하지 않고서 일체로 성형된 피가공물의 외면에 마찰교반에 의한 표면개질을 통해 내부관로를 형성하여 내부관로의 기밀성을 향상시킬 뿐만 아니라 제작비용 및 제작시간을 절감할 수 있고, 피가공물에서 비산되는 칩의 확산을 방지할 수 있고, 피가공물과의 접촉면적을 증가시켜 프로브부의 마찰교반에 의한 표면개질을 용이하게 하며, 프로브부의 진행방향에 따라 내부관로를 형성할 수 있는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구 및 이를 이용한 내부관로 형성방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기둥형상의 몸체부; 상기 몸체부의 하부에 형성된 숄더부; 상기 숄더부의 중앙에 돌출형성된 프로브부; 및 상기 프로브부에 관통형성된 내부관로 형성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 숄더부는, 상기 몸체부의 하면 외곽에서 내향으로 경사지게 형성되어 있다. 본 발명의 상기 프로브부는, 하부의 사이즈가 작아지도록 테이퍼 형상으로 형성되며, 외부 둘레에 나선홈이나 나선돌기가 형성되어 있다. 본 발명의 상기 내부관로 형성부는, 상기 프로브부의 회전축 방향에 대해 수직으로 관통형성되어 있다.

또한, 본 발명은 상기 기재된 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용한 내부관로 형성방법으로서, 일체로 형성된 통형상 피가공물의 외면에 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구로 마찰교반하여, 상기 피가공물의 외면의 내부에 나선형상의 내부관로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 마찰교반용접 공구의 프로브부에 내부관로 형성부를 관통형성함으로써, 피가공물의 분리된 내피와 외피를 조립하여 그 사이에 내부관로를 형성하지 않고서 일체로 성형된 피가공물의 외면에 마찰교반에 의한 표면개질을 통해 내부관로를 형성하여 내부관로의 기밀성을 향상시킬 뿐만 아니라 제작비용 및 제작시간을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

숄더부를 상방으로 오목하도록 경사지게 형성함으로써, 피가공물에서 비산되는 칩의 확산을 방지할 수 있게 된다.

프로브부를 테이퍼로 형성하고 외부에 나선돌기나 홈을 형성함으로써, 피가공물과의 접촉면적을 증가시켜 프로브부의 마찰교반에 의한 표면개질을 용이하게 한다.

내부관로 형성부를 프로브부의 회전축에 수직하도록 관통형성함으로써, 프로브부의 진행방향에 따라 내부관로를 형성할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 일반적인 다이캐스팅 공법에 의해 제조된 모터케이스의 사시도.
도 2는 도 1에 도시한 모터케이스의 내부 구조를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구의 사용상태를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용한 내부관로 형성을 나타내는 상태도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용하여 형성된 내부관로를 나타내는 구성도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용하여 형성된 내부관로를 구비한 모터케이스를 나타내는 구성도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구의 사용상태를 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용한 내부관로 형성을 나타내는 상태도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용하여 형성된 내부관로를 나타내는 구성도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용하여 형성된 내부관로를 구비한 모터케이스를 나타내는 구성도이다.

도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구(200)는 몸체부(210), 숄더부(220), 프로브부(230), 내부관로 형성부(240)로 이루어져 있다.

몸체부(210)는, 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구(200)의 상부를 구성하며 기둥형상으로 형성되어, 마찰교반장치의 회전 스핀들에 직접 장착되거나 아버(arbor) 등의 보조기구를 결합하여 장착된다.

숄더부(220)는, 몸체부(210)의 하부에 형성되며, 몸체부(210)의 하면 외곽에서 내향으로 경사지도록 상방으로 오목하게 형성되어 있다. 이러한 숄더부(220)의 경사각(α)은 몸체부(210)의 하면을 기준해서 상방으로 2∼5°로 이루어져, 피가공물에서 비산되는 칩의 확산을 방지하는 것이 바람직하다.

프로브부(230)는, 피가공물과 접촉하여 마찰교반하는 가공부위로서, 숄더부(220)의 중앙에 돌출형성되며, 하부의 사이즈가 작아지도록 테이퍼 형상으로 형성되어 있다.

또한, 이러한 프로브부(230)의 외부 둘레에 피가공물과의 회전 마찰력을 향상시키는 동시에 이송이 용이하도록 나선돌기(231)가 형성되어 있으며, 여기에 나선홈이 형성되는 것도 가능함은 물론이다.

내부관로 형성부(240)는, 프로브부(230)에 수평방향으로 관통형성된 관통홀로 이루어져, 프로브부(230)의 고속회전에 의해 피가공물의 마찰교반시 내부에 냉각수 등이 유동하는 내부관로를 형성하게 된다.

즉, 이러한 내부관로 형성부(240)는, 프로브부(230)의 회전축 방향에 대해 수직으로 관통형성되어 프로브부(230)의 마찰교반시 프로브부(230)의 진행방향을 따라 피가공물의 내부에 내부관로를 형성하게 된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 실시예의 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용한 내부관로 형성방법을 구체적으로 설명한다.

도 3, 도 6 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 일체로 형성된 통형상 피가공물인 모터케이스(100)의 외면에 본 실시예의 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구(200)로 마찰교반하여, 피가공물의 외면의 내부에 나선형상의 내부관로(140)를 형성하게 된다.

구체적으로, 프로브부(230)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 피가공물인 모터케이스(100)의 외면에 접촉하여 고속회전에 의해 마찰열을 발생시켜 표면개질하여, 모터케이스(100)의 표면 영역을 소성 가공하게 된다. 이때, 프로브부(230)는 대략 500∼3,000rpm의 회전속도로 회전되면서 모터케이스(100)의 표면 영역을 소성 가공하게 된다.

그 다음에 모터케이스(100)를 회전시키면서 본 실시예의 마찰교반용접 공구(200)에 대해 상대적으로 변위시키게 되면, 모터케이스(100)의 외면을 따라 표면이 개질된 비드(150; Bead)가 형성된다. 이때, 비드(150)의 형성속도 즉, 마찰교반의 진행속도는 분당 1∼30mm 범위로 조절되는 것이 바람직하다.

이와 같은 마찰교반에 의한 표면개질은, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이,비드(150)를 형성하면서, 소성가공된 비드(150)의 내부에 홀형상의 내부공간을 형성하게 된다.

이러한 홀형상의 내부공간은 프로브부(230)가 모터케이스(100)의 외주를 따라 진행되면서 연속적으로 형성되며, 따라서 도 3 및 도 8에 나타낸 바와 같이 비드(150)가 형성된 영역의 내부에 연속적인 홀형상의 내부공간이 형성되어 내부관로(140)를 구성하게 된다.

이와 같이 홀형상의 내부공간이 연속적으로 형성된 내부관로(140)는, 도 8에 나타낸 바와 같이 대략 원통형의 모터케이스(100)의 내부에 형성된 냉각수 관로로 사용될 수 있다. 또한, 모터케이스(100)에 형성된 내부관로(140)의 일단에 냉각수 주입구(141)가 형성되고, 내부관로(140)의 타단에 냉각수 배출구(142)가 형성된다.

따라서, 냉각수 주입구(141)를 통해 주입된 냉각수가 내부관로(140)를 따라 흐른 뒤 냉각수 배출구(142)를 통해 배출될 수 있으므로, 이러한 순환경로를 통해 냉각수를 순환시켜, 모터 동작시 모터케이스(100)에 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 마찰교반용접 공구의 프로브부에 내부관로 형성부를 관통형성함으로써, 피가공물의 분리된 내피와 외피를 조립하여 그 사이에 내부관로를 형성하지 않고서 일체로 성형된 피가공물의 외면에 마찰교반에 의한 표면개질을 통해 내부관로를 형성하여 내부관로의 기밀성을 향상시킬 뿐만 아니라 제작비용 및 제작시간을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 숄더부를 상방으로 오목하도록 경사지게 형성함으로써, 피가공물에서 비산되는 칩의 확산을 방지할 수 있고, 프로브부를 테이퍼로 형성하고 외부에 나선돌기나 홈을 형성함으로써, 피가공물과의 접촉면적을 증가시켜 프로브부의 마찰교반에 의한 표면개질을 용이하게 하며, 내부관로 형성부를 프로브부의 회전축에 수직하도록 관통형성함으로써, 프로브부의 진행방향에 따라 내부관로를 형성할 수 있는 효과를 제공한다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

210: 몸체부 220: 숄더부
230: 프로브부 240: 내부관로 형성부

Claims (5)

1. 기둥형상의 몸체부;
   상기 몸체부의 하부에 형성된 숄더부;
   상기 숄더부의 중앙에 돌출형성된 프로브부; 및
   상기 프로브부에 관통형성된 내부관로 형성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 숄더부는, 상기 몸체부의 하면 외곽에서 내향으로 경사지게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로브부는, 하부의 사이즈가 작아지도록 테이퍼 형상으로 형성되며, 외부 둘레에 나선홈이나 나선돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부관로 형성부는, 상기 프로브부의 회전축 방향에 대해 수직으로 관통형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구.
5. 제 1 항에 기재된 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용한 내부관로 형성방법으로서,
   일체로 형성된 통형상 피가공물의 외면에 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구로 마찰교반하여, 상기 피가공물의 외면의 내부에 나선형상의 내부관로를 형성하는 것을 특징으로 하는 내부관로 형성용 마찰교반용접 공구를 이용한 내부관로 형성방법.

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