KR20140087406A - Friction stir welding tool - Google Patents

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이목영
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Abstract

The present invention relates to a tool for friction stir welding which is improved to prevent defects on the lower side of a welded part welded by a friction stir welding process. The tool for friction stir welding includes a shoulder part arranged to be able to rotate; and a pin part which is arranged under the shoulder part to be inserted into a material to be welded. On the lower surface of the pin part, at least one curved surface is formed.

Description

마찰교반용접용 툴{FRICTION STIR WELDING TOOL}[0001] FRICTION STIR WELDING TOOL [0002]

본 발명은 마찰교반용접용 툴에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰교반 용접시 마찰교반 용접부의 저면에 용접결함이 생기지 않도록 개선한 마찰교반용접용 툴에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a friction stir welding tool, and more particularly, to a friction stir welding tool which is improved so as not to cause welding defects on the bottom surface of a friction stir welding portion during friction stir welding.

일반적으로 마찰교반용접은 툴과 소재의 물리적 마찰에 의하여 발생하는 열을 이용하여 피용접부를 가열하고, 툴의 단부에 형성된 핀부를 이용하여 가열된 소재에 소성유동을 형성하여 접합하는 일종의 고상접합법이다.Generally, friction stir welding is a kind of solid-state bonding method in which a welded portion is heated by using heat generated by physical friction between a tool and a workpiece, and a plastic flow is formed on the heated workpiece by using a fin portion formed at an end portion of the tool .

이러한 기술은 용융온도 이하에서 접합을 하므로, 청결하고 용접부 물성이 우수하여 알루미늄, 마그네슘 등 융점이 낮은 소재에 널리 사용되고 있다.These techniques are widely used for materials having a low melting point such as aluminum and magnesium because they are bonded at a temperature below the melting temperature and are clean and have excellent physical properties of welded parts.

한편, 마찰교반용접은 도 1에 도시된 바와 같이, 피용접재(10)의 이음부를 회전하는 마찰교반용접용 툴(20)을 이용하여 접합하는 방법으로, 이러한 용접방법은 기존의 마찰교반용접에서와 동일하다. As shown in FIG. 1, friction stir welding is a method of joining using a friction stir welding tool 20 that rotates a joint portion of the welded material 10, and this welding method uses conventional friction stir welding .

하지만, 마찰교반용접에서는 고상에서 소성유동에 의하여 접합이 이루어지므로, 마찰교반용접용 툴(20)의 형상 및 접합공정 변수가 적정하지 않은 경우에 결함이 발생한다. 특히, 저면에 발생하는 미용접부는 방지하기가 매우 어렵다.However, in the friction stir welding, since the joining is performed by the plastic flow at the solid phase, a defect occurs when the shape of the friction stir welding tool 20 and the joining process variables are not appropriate. In particular, it is very difficult to prevent undesired welds occurring on the bottom surface.

상기한 바와 같이, 기존에는 마찰교반용접시 용접부 저면에서 용접 결함이 자주발생하며, 건전한 용접부에서조차도 용접 결함이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이러한 저면의 용접결함은 물리적으로 툴이 저면 단부까지 접근이 어려우며, 이때 툴에 형성된 핀부의 저면 단부에서 재료의 소성유동이 부족하여 형성되었다.As described above, it is known that welding defects often occur at the bottom of the welded portion during friction stir welding, and welding defects exist even in a healthy welded portion. This bottom weld defect is physically difficult for the tool to approach to the bottom end, where the plastic flow of material at the bottom end of the fin portion formed in the tool is insufficient.

도 2는 기존의 마찰교반용접용 툴(20)을 사용하여 마찰교반용접부의 단면 사진이다. 도 2에 보이는 바와 같이, 마찰교반용접부 단면의 중앙 하단부에 결함이 형성되어 있음을 알 수 있다.2 is a cross-sectional photograph of a friction stir welding portion using a conventional friction stir welding tool 20. As shown in Fig. As shown in FIG. 2, it can be seen that defects are formed at the lower center of the end face of the friction stir welding part.

다른 한편으로, 본 발명과 관련한 기존의 특허 기술을 살펴보면, 우선, 미국 공개특허공보 2004/0195291 A1(2004. 10. 07. 공개)에서는 용접부에서 가열된 소재의 유동을 개선하기 위하여 툴 단부에 나선형의 홈이 형성된 핀부를 구비하는 방안을 제안하였다.On the other hand, according to the existing patent technology related to the present invention, first of all, US Patent Publication No. 2004/0195291 A1 (published on October 10, 2004) discloses a method for improving the flow of a heated material in a welded portion, And a groove formed in the fin portion.

그런데, 상기한 미국 공개특허의 기술은 핀부 주위 소재의 소성 유동성은 개선하였으나, 저면 미접합부는 개선의 효과가 미미하다.However, the technique disclosed in the above-mentioned U.S. Provisional Patent Publication improves the plastic flow property of the material around the fin portion, but the bottom unbonded portion has little improvement.

그리고 기존 특허 기술의 다른 예로, 일본 공개특허공보 특개2003-39181(2003. 02. 12. 공개)에서는 툴의 어깨(shoulder) 부분에 나선형의 홈을 형성하는 방안을 제안하였다.As another example of the existing patented technology, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2003-39181 (published on Mar. 12, 2003) discloses a method of forming a spiral groove in a shoulder portion of a tool.

그러나, 상기한 일본 공개특허의 기술은 용접부 상부의 소재의 유동성은 개선하였으나, 저면의 미접합부에 대한 효과는 미미하다.However, the technique disclosed in the above Japanese Patent Laid-Open No. 2001-325819 improves the fluidity of the material on the upper part of the weld, but the effect on the unbonded part of the lower part is insignificant.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 마찰교반용접시 마찰교반 용접부의 저면에 용접결함이 생기지 않도록 한 마찰교반용접용 툴을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a tool for friction stir welding that prevents welding defects on the bottom surface of a friction stir welding part during friction stir welding.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마찰교반용접용 툴은, 회전 가능하게 구비된 어깨부와, 상기 어깨부의 하부에 구비되어 용접되는 재료에 삽입되는 핀부를 포함하여 된 마찰교반용접용 툴에 있어서, 상기 핀부 저면에는 적어도 하나의 곡면이 형성된다.In order to achieve the above object, a friction stir welding tool according to the present invention comprises a rotatably provided shoulder portion, and a pin portion inserted into a material to be welded provided at a lower portion of the shoulder portion, , At least one curved surface is formed on the bottom surface of the fin portion.

본 발명에 있어서, 상기 곡면은 소정 각도로 경사지며 형성된다.In the present invention, the curved surface is inclined at a predetermined angle.

그리고 상기 핀부의 외주면에는 나선형 홈 및 나선형 돌기가 교호적으로 반복 형성된다.Spiral grooves and spiral protrusions are alternately and repeatedly formed on the outer peripheral surface of the fin portion.

또한 상기 어깨부의 저면에는 나선형 홈이 적어도 하나 형성되거나, 나선형 돌기가 적어도 하나 형성된다.At least one spiral groove may be formed on the bottom surface of the shoulder, or at least one spiral protrusion may be formed.

그리고 상기 어깨부 및 상기 핀부는 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄-마그네슘 합금, 철강, 공구강, 텅스텐, PCBN 초경 중 어느 하나로 이루어진다.The shoulder portion and the fin portion are made of any one of aluminum, magnesium, aluminum-magnesium alloy, steel, tool steel, tungsten, and PCBN carbide.

또한 상기 어깨부의 저면에 적어도 1주기 이상의 곡면이 형성된다.At least one or more curved surfaces are formed on the bottom surface of the shoulder portion.

본 발명의 실시예에 따르면, 마찰교반용접용 툴의 핀부 저면에 곡면을 형성함으로써, 마찰교반용접부의 저면(또는 하부) 결함을 방지할 수 있어, 용접부의 강도가 우수하며, 용접 품질을 향상시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the bottom (or bottom) defect of the friction stir welding portion by forming a curved surface on the bottom surface of the pin portion of the tool for friction stir welding, .

도 1은 일반적인 마찰교반용접용 툴의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도 2는 기존의 마찰교반용접용 툴을 사용한 마찰교반용접부의 사진이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴의 각 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴을 사용한 마찰교반용접부의 사진이다.1 is a schematic view showing the construction of a general friction stir welding tool.
2 is a photograph of a friction stir welding portion using a conventional friction stir welding tool.
3 to 6 are perspective views showing respective embodiments of a tool for friction stir welding according to the present invention.
7 is a photograph of a friction stir welding part using a tool for friction stir welding according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3에는 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴의 구성을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.3 is a perspective view showing the construction of a tool for friction stir welding according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴(30)은, 회전 가능하게 구비된 어깨부(31)와, 이 어깨부(31)의 저면에 구비되어 용접되는 재료에 삽입되는 핀부(32)를 포함하여 구성된다.3, the friction stir welding tool 30 according to the present invention includes a rotatably provided shoulder portion 31, a fin portion 31 provided on the bottom surface of the shoulder portion 31, (32).

이렇게 구성된 마찰교반용접용 툴(30) 중 핀부(32) 저면에는 핀부(32)의 축 방향으로 재료의 소성유동을 형성하기 위해 적어도 하나의 곡면(32a)이 형성된다.At least one curved surface 32a is formed on the bottom surface of the fin portion 32 of the friction stir welding tool 30 so as to form the plastic flow of the material in the axial direction of the fin portion 32. [

상기한 곡면(32a)은 적어도 하나가 형성될 수도 있으나, 2회 이상 형성시킬 경우 핀부(32)의 대칭성을 확보할 수 있다.At least one curved surface 32a may be formed, but if the curved surface 32a is formed more than twice, the symmetry of the fin portion 32 can be secured.

이러한 핀부(32)는 전체적으로 직경이 일정한 원통형으로 이루어지고, 이 핀부(32)의 외주면에는 나선형 홈(32c) 및 나선형 돌기(32b)가 교호적으로 반복 형성된다. 하지만, 상기 나선형 홈(32c) 및 나선형 돌기(32b)는 반드시 형성될 필요는 없다.The fin portion 32 is formed in a cylindrical shape having a constant diameter as a whole. On the outer peripheral surface of the fin portion 32, a spiral groove 32c and a spiral protrusion 32b are alternately and repeatedly formed. However, the helical groove 32c and the helical projection 32b do not necessarily have to be formed.

또한 상기 어깨부(31)의 저면(31a)에는 용접부 상부의 재료 유동성을 개선하기 위해 나선형 홈(31b)이나, 도 4에 도시된 바와 같은 나선형 돌기(31c)가 형성된다.A helical groove 31b or a helical protrusion 31c as shown in Fig. 4 is formed on the bottom surface 31a of the shoulder 31 to improve fluidity of the material above the weld.

또한 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 어깨부(31)의 저면에 적어도 1주기 이상의 곡면(31f)이 형성된다.As shown in FIG. 5, at least one curved surface 31f is formed on the bottom surface of the shoulder 31.

그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 핀부(52)의 저면에 형성된 곡면(52a)이 단일 곡면이면서, 일 방향으로 소정 각도로 경사져 있다. 이에 따라 핀부(52)의 좌측 단부와 우측 단부의 높이가 달라지게 된다.As shown in Fig. 6, the curved surface 52a formed on the bottom surface of the fin portion 52 is inclined at a predetermined angle in one direction while being a single curved surface. The height of the left end portion and the right end portion of the fin portion 52 are different.

또한 상기 어깨부(31) 및 핀부(32,52)로 이루어진 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴(30)은, 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄-마그네슘 합금, 철강, 공구강, 텅스텐, PCBN 초경 중 어느 하나로 이루어진다. The friction stir welding tool 30 according to the present invention comprising the shoulder 31 and the fin portions 32 and 52 may be made of any one of aluminum, magnesium, aluminum-magnesium alloy, steel, tool steel, tungsten, .

그러나, 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴(30)로 상기한 소재 이외의 소재도 사용 가능한 것은 물론이고, 일반적으로 마찰교반용접용 툴(30)로 사용 가능한 소재는 모두 적용 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴(30)의 소재로도 적용 가능하다.However, the friction stir welding tool 30 according to the present invention can be used for materials other than the materials described above, and in general, all the materials usable as the friction stir welding tool 30 are applicable. It is also applicable to the material of the stirring tool 30.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴의 작용을 설명하면 다음과 같다.The operation of the friction stir welding tool according to the present invention will now be described.

도면을 다시 참조하면, 회전하는 툴(30)이 고정된 소재에 압력을 가하면서 핀부(32)는 소재에 삽입되고, 어깨부(31)와의 마찰에 의하여 열을 발생시켜 소재에 소성유동을 발생시킨다. Referring to the drawing again, the pin portion 32 is inserted into the work while the rotating tool 30 presses the fixed workpiece, and generates heat by friction with the shoulder portion 31 to generate a plastic flow .

특히, 본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴(30)의 경우에는, 핀부(32)의 저면에 적어도 하나의 곡면(32a)을 형성시킴으로써, 핀부(32)의 축 방향으로 재료의 소성유동을 형성한다. Particularly, in the case of the friction stir welding tool 30 according to the present invention, at least one curved surface 32a is formed on the bottom surface of the fin portion 32 to form a plastic flow of the material in the axial direction of the fin portion 32 do.

그리고 도 6과 같이 핀부(52)의 곡면(52a)은 1회만 형성할 수도 있고, 도 3과 같이 2회 이상의 곡면(32a)을 형성시킬 수도 있다. 특히, 곡면이 2회 이상이면 핀부(32)의 대칭성을 확보하여 툴(30)의 축에 인가되는 부하를 줄일 수 있다.As shown in FIG. 6, the curved surface 52a of the fin portion 52 may be formed only once, or may be formed twice or more as shown in FIG. In particular, if the curved surface is two or more times, the symmetry of the pin portion 32 can be ensured and the load applied to the shaft of the tool 30 can be reduced.

그 외에도 재료에 상기한 소성유동을 형성하기 위해, 상기 핀부(32)의 외주면에 나선형의 홈(32c) 및 나선형의 돌기(32b)를 반복 형성하고, 또한 상기 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 어깨부(31)의 저면(31a)에도 나선형 홈(31b)이나 나선형 돌기(31c)를 적어도 하나 형성하며, 또는 적어도 1주기 이상의 곡면(31f)을 형성한다.In addition, in order to form the above plastic flow in the material, a spiral groove 32c and a spiral protrusion 32b are repeatedly formed on the outer peripheral surface of the fin portion 32, and as shown in Figs. 3 and 4 At least one spiral groove 31b or spiral protrusion 31c is formed on the bottom surface 31a of the shoulder 31 or at least one curved surface 31f is formed.

이와 같이 상기 핀부(32)의 저면에 곡면(32a)을 형성함으로써, 재료에 소성유동을 형성하게 하여, 마찰교반 용접부의 저면 결함을 방지할 수 있다.By forming the curved surface 32a on the bottom surface of the fin portion 32 as described above, it is possible to prevent the bottom surface defect of the friction stir welding portion by forming a plastic flow in the material.

또한 상기 어깨부(31)의 저면(31a)에도 곡면(31f), 나선형 홈(31c), 또는 나선형 돌기(31b)를 형성함으로써, 재료의 소성유동을 개선한다.
The curved surface 31f, the spiral groove 31c, or the spiral protrusion 31b is also formed on the bottom surface 31a of the shoulder 31 to improve the plastic flow of the material.

실시 예Example

여기에서는 스핀들 회전속도 1200rpm, 용접속도 300mm/min의 조건에서 두께 2.0mm의 마그네슘합금을 용접 한 용접부 단면을 나타내었다. Here, a cross section of a welded portion is shown in which a magnesium alloy having a thickness of 2.0 mm is welded under the conditions of a spindle rotational speed of 1200 rpm and a welding speed of 300 mm / min.

도 2를 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 기존의 툴에 의한 마찰교반용접부의 하단부에는 결함이 발생하였다.As described above with reference to Fig. 2, defects were generated in the lower end portion of the friction stir welding portion by the conventional tool.

그러나, 본 발명에 따른 툴에 의해 용접된 마찰교반용접부를 나타내 보인 도 7의 사진에서 보는 바와 같이, 도 3의 핀부(32) 저면에 형성된 곡면(32a)이나 도 6의 곡면(52a)에 의해 용접시 소재에 소성유동을 발생시켜 용접결함이 생기지 않았음을 알 수 있다.However, as shown in the photograph of FIG. 7 showing the friction stir welding portion welded by the tool according to the present invention, the curved surface 32a formed on the bottom surface of the fin portion 32 of FIG. 3 or the curved surface 52a of FIG. 6 It can be seen that plastic flow is generated in the material during welding and welding defect does not occur.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. . Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.

30 : 툴
31 : 어깨부
31f,32a,52a : 곡면
32,52 : 핀부
32b : 나선형 돌기
32c : 나선형 홈30: Tools
31: Shoulder portion
31f, 32a, 52a:
32, 52:
32b: Spiral projection
32c: Spiral groove

Claims (7)

회전 가능하게 구비된 어깨부와, 상기 어깨부의 하부에 구비되어 용접되는 재료에 삽입되는 핀부를 포함하여 된 마찰교반용접용 툴에 있어서,
상기 핀부 저면에는 적어도 하나의 곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.A tool for friction stir welding comprising a shoulder portion provided rotatably and a fin portion provided at a lower portion of the shoulder portion and inserted into a material to be welded,
Wherein at least one curved surface is formed on the bottom surface of the fin portion. 제1항에 있어서,
상기 곡면은 소정 각도로 경사지며 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.The method according to claim 1,
Wherein the curved surface is formed to be inclined at a predetermined angle. 제1항에 있어서,
상기 핀부의 외주면에는 나선형 홈 및 나선형 돌기가 교호적으로 반복 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.The method according to claim 1,
And a spiral groove and a spiral protrusion are alternately and repeatedly formed on an outer circumferential surface of the pin portion. 제1항에 있어서,
상기 어깨부의 저면에는 나선형 홈이 적어도 하나 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.The method according to claim 1,
And at least one spiral groove is formed on the bottom surface of the shoulder portion. 제1항에 있어서,
상기 어깨부의 저면에는 나선형 돌기가 적어도 하나 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.The method according to claim 1,
And at least one spiral protrusion is formed on the bottom surface of the shoulder portion. 제1항에 있어서,
상기 어깨부 및 상기 핀부는 알루미늄, 마그네슘, 알루미늄-마그네슘 합금, 철강, 공구강, 텅스텐, PCBN 초경 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.The method according to claim 1,
Wherein the shoulder portion and the fin portion are made of one of aluminum, magnesium, aluminum-magnesium alloy, steel, tool steel, tungsten, and PCBN carbide. 제1항에 있어서,
상기 어깨부의 저면에 적어도 1주기 이상의 곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.The method according to claim 1,
Wherein at least one curved surface is formed on the bottom surface of the shoulder portion.
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