KR20140042111A - 마찰 교반 용접 장치 - Google Patents

Abstract

마찰 용접 공구를 접합면에 가압 회전시켜 용접을 수행하는 마찰 교반 용접 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접합면의 접합도를 측정하여 각 부분의 용접 조건을 가변적으로 조절함으로써 용접 품질을 향상시킬 수 있는 마찰 교반 용접 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 접합면에 회전 마찰하는 마찰 용접 공구; 상기 마찰 용접 공구를 회전시키는 회전 구동부; 상기 마찰 용접 공구를 승하강 시키는 높이 조절부; 상기 마찰 용접 공구와 피접합소재를 상대 이동시키는 이송부; 상기 마찰 용접 공구에 선행하여 접합면의 형상을 감지하는 심 검출부;및 상기 심 검출부에서 검출된 결과를 전달 받아, 상기 회전 구동부와 상기 높이 조절부와 상기 이송부를 가변하는 제어부;를 포함하는 마찰 교반 용접 장치를 제공한다.

Description

마찰 교반 용접 장치{FRICTION STIR WELDING DEVICE}

본 발명은 마찰 용접 공구를 접합면에 가압 회전시켜 용접을 수행하는 마찰 교반 용접 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접합면의 접합도를 측정하여 각 부분의 용접 조건을 가변적으로 조절함으로써 용접 품질을 향상시킬 수 있는 마찰 교반 용접 장치에 관한 것이다.

마찰 교반 용접이란, 예를 들면, 복수개의 작업편 부재를 솔리드 상태로 접합하거나 또는 작업편 내 균열을 보수하기 위하여 핀 또는 프로브와 같은 회전 공구를 작업편 내로 또는 작업편을 관통하여 가압하는 공정을 말한다.

관련선행기술로는 대한민국 공개특허 제10-2005-0026979호 (공개일자 2005년 3월 17일) '변속 핀을 이용한 마찰 교반 용접용 장치 및 방법'이 있다.

본 발명은 마찰 용접 장치에 있어서 소재 접합면을 추적하여 접합면의 상태에 적합한 용접 조건으로 용접을 수행할 수 있는 마찰 용접 장치를 제공함에 있다.

본 발명은 접합면에 회전 마찰하는 마찰 용접 공구; 상기 마찰 용접 공구를 회전시키는 회전 구동부; 상기 마찰 용접 공구를 승하강 시키는 높이 조절부; 상기 마찰 용접 공구와 피접합소재를 상대 이동시키는 이송부; 상기 마찰 용접 공구에 선행하여 접합면의 형상을 감지하는 심 검출부;및 상기 심 검출부에서 검출된 결과를 전달 받아, 상기 회전 구동부와 상기 높이 조절부와 상기 이송부를 가변하는 제어부;를 포함하는 마찰 교반 용접 장치를 제공한다.

상기 심 검출부는 상기 접합면의 간격과 모양을 검출하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 상기 접합면의 간격과 모양으로부터 접합면의 간격면적을 연산하고, 연산된 간격면적이 기준 간격면적보다 큰 경우 용접 조건을 변경하도록 동작한다.

이 때, 상기 용접 조건의 변경은 상기 회전 구동부를 통한 상기 마찰 용접 공구의 회전속도 증가와, 상기 높이 조절부를 통한 상기 마찰 용접 공구의 수직높이 하강과, 상기 이송부를 통한 상기 마찰 용접 공구와 피용접 소재 사이의 상대속도 증가 중의 하나 또는 둘 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치는 소재의 접합면의 간격과 모양을 검출하여 용접 조건을 변경함으로써, 일부 구간에서 접합면이 불량하더라도 일정 수준 이상의 용접 품질을 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

따라서, 본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치는 불규칙한 형상을 가지는 소재간의 용접이 가능하며, 피접합소재의 접합면의 정밀 면가공이 필요치 않아 작업성을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치의 기본 원리를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치의 블럭 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치를 나타낸 개념도,
도 4는 맞대기 소재의 접합면을 예시적으로 나타낸 평면도,
도 5는 도 4의 각 부분의 접합면을 나타낸 단면도임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치의 기본 원리를 나타낸 도면이다.

마찰 교반 용접(FSW : Friction Stir Welding)은 맞대어진 피접합소재(10,12) 사이에 내열 강도가 우수한 재료로 만들어진 마찰 용접 공구(20)를 가압하고 회전시키며 접합면(15)을 따라 이동시킴으로써 마찰열에 의하여 발생하는 열과 마찰 용접 공구(20)의 교반에 의하여 두 소재를 접합시키는 용접 방법이다. 마찰 용접 공구(20)는 모터 등의 회전 구동부(22)에 의하여 회전하게 된다.

마찰 교반 용접 수행시에 피접합소재(10,12)는 용융되지 않고 고체 상태에서 접합이 이루어짐으로써 용접부의 특성이 용융용접에 비하여 우수하다는 장점을 가지고 있다.

그런데, 마찰 교반 용접은 피접합소재(10,12)가 맞대어진 접합면(15)의 정도가 매우 정밀해야만 좋은 용접부를 얻을 수 있고, 접합면(15) 사이에 간격이 커지게 되면 미용접 구간이 발생하는 문제점을 가지고 있었다.

이로 인해, 우수한 용접부를 얻기 위해서 피접합소재(10,12)의 접합면을 용접전에 정밀하게 면가공을 수행하였다.

본 발명은 피접합소재(10,12) 사이의 접합면이 불균일한 경우에도 전체적으로 일정한 품질 이상의 용접부를 형성할 수 있는 마찰 교반 용접 장치를 제공한다.

도 2는 본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치의 블럭 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰 교반 용접 장치를 나타낸 개념도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰 교반 용접 장치는 접합면의 형상을 감지하는 심 검출부(110)와, 심 검출부(110)에서 검출된 결과를 전달 받아 용접 변수를 조절하는 제어부(150)와, 마찰 용접 공구(125)를 회전시키는 회전 구동부(120)와, 상기 마찰 용접 공구를 승하강 시키는 높이 조절부(130)와, 상기 마찰 용접 공구와 피접합소재를 상대 이동시키는 이송부(140)를 포함한다.

심 검출부(110)는 접합면(15)의 형상을 측정한다. 심 검출부(110)는 레이저나 초음파를 이용하여 피접합소재(10,12)가 차지하는 영역과 피접합소재 사이에 발생하는 간격을 식별한다.

심 검출부(110)는 접합면(15)의 형상을 2차원 또는 3차원으로 검출하여, 접합면의 간격(피접합소재 사이의 간격)과 모양(피접합소재 사이의 간극의 모양)을 검출하는 것이 바람직하다.

심 검출부(110)에서 검출된 접합면(15)에 관한 정보는 제어부(150)로 전달된다.

심 검출부(110)는 도 3에 도시한 바와 같이 마찰 용접 공구(125)에 선행하여 접합면의 형상을 감지할 수 있도록 형성된다.

제어부(150)는 심 검출부(110)에서 전달 받은 접합면(15)에 관한 정보를 가공하여 기준값과 비교하고, 기준값과의 비교 결과에 따라 용접 조건를 변경하도록 회전 구동부(120), 높이 조절부(130), 이송부(140)를 제어한다.

이 때 기준값으로 사용되는 것은 접합면(15) 사이의 간격과, 접합면(15) 모양으로 부터 연산된 접합면의 면적일 수 있다.

접합면(15)에서 발생한 간격면적을 적분하면, 접합면(15)에서 발생하는 소재의 부족량을 도출할 수 있다.

이러한 소재의 부족량이 미리 설정된 기준값 보다 커지게 되면 용접 변수를 변경하여 소재 부족이 채워질 수 있도록 하는 것이다.

마찰 교반 용접에 있어서 용접 변수로는 마찰 용접 공구의 회전속도, 마찰 용접 공구와 소재 사이의 수직방향 압력, 마찰 용접 공구와 피용접소재간의 상대 속도이다.

마찰 용접 공구(125)의 회전속도가 증가하면 마찰열이 증가하게 되며, 마찰 용접 공구(125)와 피용접소재(10,12)의 사이의 수직방향 압력이 증가해도 마찰열이 증가하게 되고, 마찰 용접 공구(125)와 피용접소재(10,12)간의 상대속도가 증가하게 되면 마찰열이 피용접소재로 전달되는 양이 감소하게 된다.

접합면(15)의 간격이 증가하게 되는 경우, 용접부의 품질 향상을 위해서는 마찰열을 증가시켜 접합면 간격으로 유입되는 소재의 양을 증가시켜야 하고, 이를 위해서 마찰 용접 공구(125)의 회전속도를 증가시키거나, 수직방향 압력을 증가시키거나, 상대속도를 감소시켜야 한다.

수직방향 압력의 증가를 위해서는 마찰 용접 공구(125)를 하강시켜야 하는데, 이는 높이 조절부(130)에 의하여 이루어진다. 높이 조절부(130)는 회전 구동부(120)의 높이를 조절함으로써 마찰 용접 공구(125)의 높이를 조절 할 수도 있고, 마찰 용접 공구(125)만의 높이를 조절하는 형태일 수도 있으며, 피용접소재(10,12)를 승하강시키는 형태일 수도 있다.

본 발명은 심 검출부(110)에서 검출된 접합면(15)의 정보로부터 접합면의 간격과, 접합면의 간격면적을 미리 설정된 값과 비교하여 그 결과에 따라 용접 변수를 변경한다.

다시말해, 간격이 과다한 경우에 용접 조건을 변경하여 충분한 마찰열이 발생하도록 하고, 그로부터 소재의 유입량을 증가시킴으로써 용접 품질을 확보하는 것이다.

한편, 이송부(140)는 마찰 용접 공구를 이송시키는 형태일 수도 있고, 피용접소재(10,12)를 이송시키는 형태일 수도 있다.

도 4는 맞대기 소재의 접합면을 예시적으로 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 4의 각 부분의 접합면의 단면을 나타낸 것이다.

도 5의 A와 B의 경우 접합면이 균일한 간격을 가지고 있어서, 기본 설정된 용접 조건으로 용접이 수행되거, B나 C의 경우 간격과 간격면적이 커져서 용접 조건이 변경되어야 한다.

B와 C의 경우를 살펴보면, C가 더 큰 간격과 간격면적을 가지고 있다.

예를 들어 B와 같은 경우에 마찰 용접 공구의 회전속도를 증가시키는 것만으로 용접 품질 확보가 가능할 수 있고, C와 같은 경우에는 마찰 용접 공구의 회전 속도와 더불어, 마찰 용접 공구의 수직 방향 압력을 증가시켜야 용접 품질을 확보할 수 있게 된다.

이러한 용접 조건의 변경은 미리 설정된 기준값들과의 비교에 의하여 이루어진다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰 용접 장치는 심 검출부를 이용하여 접합면의 형상을 검출하고, 이로부터 마찰 용접 공구의 회전속도, 높이(수직방향 압력), 이동속도를 변경함으로써 접합면이 불균일한 경우에도 일정한 용접 품질을 확보할 수 있다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110 : 심 검출부
120 : 회전 구동부
125 : 마찰 용접 공구
130 : 높이 조절부
140 : 이송부
150 : 제어부

Claims (4)

1. 접합면에 회전 마찰하는 마찰 용접 공구;
   상기 마찰 용접 공구를 회전시키는 회전 구동부;
   상기 마찰 용접 공구를 승하강 시키는 높이 조절부;
   상기 마찰 용접 공구와 피접합소재를 상대 이동시키는 이송부;
   상기 마찰 용접 공구에 선행하여 접합면의 형상을 감지하는 심 검출부;및
   상기 심 검출부에서 검출된 결과를 전달 받아, 상기 회전 구동부와 상기 높이 조절부와 상기 이송부를 가변하는 제어부;를 포함하는 마찰 교반 용접 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 심 검출부는
   상기 접합면의 간격과 모양을 검출하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 접합면의 간격과 모양으로부터 접합면의 간격면적을 연산하고, 연산된 간격면적이 기준 간격면적보다 큰 경우 용접 조건을 변경하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 용접 조건의 변경은
   상기 회전 구동부를 통한 상기 마찰 용접 공구의 회전속도 증가와, 상기 높이 조절부를 통한 상기 마찰 용접 공구의 수직높이 하강과, 상기 이송부를 통한 상기 마찰 용접 공구와 피용접 소재 사이의 상대속도 증가 중의 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 장치.

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