KR20140137064A - 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치 및 방법 - Google Patents

전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치 및 방법 Download PDF

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박태순
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Abstract

본 발명은 마찰교반접합시 전류를 인가하여 성형성을 향상시키고, 스프링백 현상을 방지할 수 있게 하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치 및 방법에 관한 것으로서, 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기; 상기 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 1 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 1 부분과 전기적으로 접촉되는 제 1 롤전극; 상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 2 부분과 전기적으로 접촉되는 제 2 롤전극; 및 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 전기 공급부;를 포함할 수 있다.

Description

전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치 및 방법{Electric friction stir welding apparatus and its method}
본 발명은 마찰교반접합 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰교반접합시 피가공재에 전류를 인가하여 성형성을 향상시키는, 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 마찰교반접합 장치는, 이동하는 피가공물과 마찰 접촉되면서 회전되는 교반팁을 회전시키면서 상기 교반팁을 피가공물의 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 접합 라인을 따라 이동시킴으로써 접합부를 발열, 연화시키고 소성유동시켜 고체상으로 접합하는 장치이다.
한편, 금속에 일정 수준 이상의 전류 밀도로 전기를 공급하면 저항열에 의한 변형과는 달리 고온이 아니더라도 금속의 유동응력이 일시적으로 매우 낮아짐에 따라 강도가 감소하고 연신율이 증가하는 현상이 나타난다. 이와 같이 피가공물에 전류를 공급하면서 성형하는 방법을 통전성형이라 하며, 이러한 통전 성형방법에 의할 시 피가공물인 금속소재가 인장력이나 압축력 등의 외력에 대한 성형성이 향상되며, 성형 과정 중에 원형상으로 돌아가려는 스프링백 현상이 줄어드는 경향을 갖는다.
본 발명은 마찰교반접합시 전류를 인가하는 제 1 롤전극과 제 2 롤전극을 이용하여 장치의 성형성능을 좋게 하고, 난성형성을 가지는 고강도 재질의 피가공물을 성형할 수 있게 하며, 가공을 마친 제품의 스프링백 현상을 방지할 수 있게 하고, 별도의 어닐링 공정이 필요 없는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기; 상기 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 1 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 1 부분과 전기적으로 접촉되는 제 1 롤전극; 상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 2 부분과 전기적으로 접촉되는 제 2 롤전극; 및 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 전기 공급부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 마찰교반접합기는 상기 피가공물의 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 접합 라인과 회전 마찰되어 마찰교반접합하는 교반팁을 포함하고, 상기 교반팁은, 원기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극은, 상기 피가공물의 적어도 상면, 하면, 좌측면, 우측면 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 선택하여 접촉되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 상면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 하면에 접촉되고, 상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 하면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 상면에 접촉되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 좌측면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 우측면에 접촉되고, 상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 우측면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 좌측면에 접촉되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극은, 상기 피가공물과 접촉되는 외경면을 갖고, 회전이 가능하게 설치되는 원기둥형상의 몸체부; 및 상기 몸체부의 좌측면 및 우측면에 각각 돌출되어 형성되고, 상기 몸체부의 회전축을 이루는 회전축부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 몸체부는, 상기 외경면에 줄홈이 형성되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 몸체부 및 상기 회전축부는 내부에 형성되는 제 1 재질부; 및 상기 제 1 재질부의 전체 또는 일부분을 둘러싸도록 외표면을 형성하고, 상기 제 1 재질부와는 다른 재질로 형성되는 제 2 재질부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 회전축부는, 상기 제 1 전기 공급부와 전기적으로 연결되는 링형상의 베어링 전극을 관통하여 전기적으로 연결되고, 회전이 자유롭게 설치되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 회전축부는, 상기 제 1 전기 공급부와 전기적으로 연결되는 브러쉬 전극과 전기적으로 연결되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 설치되고, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극을 상기 피가공물 방향으로 가압하도록 상기 피가공물 방향으로 복원력이 작용하는 탄성 부재;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 설치되고, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극의 표면과 접촉되어 이물질을 분리하는 스커트 부재;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 설치되고, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 전도성 오일을 공급하는 전도성 오일 공급관;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 제 1 롤전극은, 상기 피가공물의 전방 우측에 접촉되는 전방 우측 롤전극; 및 상기 피가공물의 전방 좌측에 접촉되는 전방 좌측 롤전극을 포함하고, 상기 제 2 롤전극은, 상기 피가공물의 후방 우측에 접촉되는 후방 우측 롤전극; 및 상기 피가공물의 후방 좌측에 접촉되는 후방 좌측 롤전극을 포함하며, 상기 전기 공급부는, 상기 전방 우측 롤전극과, 상기 후방 좌측 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 제 1 전기 공급부; 및 상기 전방 좌측 롤전극과, 상기 후방 우측 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 제 2 전기 공급부;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기; 상기 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 1 부분과 전기적으로 접촉되는 제 1 단자; 상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 2 부분과 전기적으로 접촉되는 롤전극; 및 상기 제 1 단자와 상기 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 단자와 상기 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 전기 공급부;를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 방법은, 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되어 피가공물의 제 1 부분과 구름 접촉되는 제 1 롤전극과, 상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되어 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되는 제 2 롤전극을 이용하여 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이에 전위차를 발생시켜서 상기 피가공물을 마찰교반접합할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 가공이 어려운 피가공물을 용이하게 가공할 수 있으며, 작은 힘으로도 성형이 가능하고 어닐링이 불필요하여 장치 용량 및 장비 설치 비용은 줄이고, 생산성을 크게 향상시킬 수 있으며, 스프링백 현상을 줄여서 양질의 제품을 생산할 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 개념적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 제 1 롤전극을 나타내는 부분 정단면도이다.
도 3은 도 2의 제 1 롤전극의 다른 실시예를 나타내는 부분 정단면도이다.
도 4는 도 2의 제 1 롤전극의 또 다른 실시예를 나타내는 부분 정단면도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 개념적으로 나타내는 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 1의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극을 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 11은 도 9의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 1의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 베어링 전극을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 1의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 브러쉬 전극을 나타내는 사시도이다.
도 14는 도 1의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 1의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 16은 도 1의 제 1 롤전극 또는 제 2 롤전극의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 개념적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(100)를 개념적으로 나타내는 사시도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(100)는, 크게 마찰교반접합기(11)와, 제 1 롤전극(RR)와, 제 2 롤전극(LR) 및 제 1 전기 공급부(C1)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피가공물(1)은 서로 접합시키고자 하는 제 1 부분(1A) 및 제 2 부분(1B)으로 이루어질 수 있는 것으로서, 전도성을 가지는 금속을 포함하며, 예를 들어 알루미늄 소재, 마그네슘 소재, 티타늄 소재, 스틸 소재, 구리 소재 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 마찰교반접합기(11)는, 이동하는 피가공물(1)과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물(1)을 마찰교반접합하는 것으로서, 상기 마찰교반접합기(11)은 상기 피가공물(1)의 제 1 부분(1A)과 제 2 부분(1B) 사이의 접합 라인(L)과 회전 마찰되어 마찰교반접합하는 교반팁(11-1)을 포함하고, 상기 교반팁(11-1)은, 회전이 가능한 원기둥 형상일 수 있다.
여기서, 상기 마찰교반접합기(11)는, 상기 피가공물(1)의 접합 라인(L)을 따라 마찰교반접합하는 교반팁(11-1)을 예시하였으나, 이외에도 각종 판재, 관재, 선재 등을 마찰교반접합하는 모든 종류의 성형기가 적용될 수 있다.
또한, 상기 제 1 롤전극(RR)는 상기 마찰교반접합기(11)의 우측 방향에 설치되며, 상기 피가공물(1)의 제 1 부분(1A)과 구름 접촉되고, 상기 피가공물(1)의 제 1 부분(1A)과 전기적으로 접촉되는 단자일 수 있다.
또한, 상기 제 2 롤전극(LR)는 상기 마찰교반접합기(11)의 좌측 방향에 설치되며, 상기 피가공물(1)의 제 2 부분(1B)과 구름 접촉되고, 상기 피가공물(1)의 제 2 부분(1B)과 전기적으로 접촉되는 단자일 수 있다.
여기서, 상기 제 1 롤전극(RR) 및 상기 제 2 롤전극(LR)은, 전부 또는 일부에 전류가 인가되지 않고, 단지 아이들링하면서 상기 피가공물(1)을 회전 지지하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제 1 전기 공급부(C1)는, 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR) 사이의 상기 피가공물(1)에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR) 사이에 전위차를 발생시키는 것이다.
여기서, 상기 제 1 전기 공급부(C1)는, 적어도 교류, 직류, 펄스파 및 이들을 조합 중 어느 하나 이상을 선택하여 공급하는 것이 모두 가능하다. 예를 들면, 이러한 상기 제 1 전기 공급부(C1)는 피가공물(1)의 종류에 따라 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR) 사이의 상기 피가공물(1)에 흐르는 전류의 밀도가 대략 20 내지 100 A/mm2를 갖도록 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR)에 전류를 공급할 수 있다. 이러한 전류 밀도는 상기 피가공물(1)의 내부조직을 변화시켜 강도가 감소하면서 연신율이 향상되도록 하여 통전성형이 가능하게 하는 전류 밀도일 수 있다. 따라서, 상기 피가공물(1)이 이동되는 동안, 상기 제 1 전기 공급부(C1)가 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR)을 이용하여 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR) 사이의 상기 피가공물(1)에 통전성형이 가능한 전류 밀도의 전류를 연속적으로 흐르게 함으로써, 낮은 성형력을 이용하여 피가공물(1)을 성형할 수 있다. 아울러 상기 피가공물(1)은 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR) 사이를 통과하면서 높은 전류 밀도로 인해 금속 내부의 스트레스가 감소되는 어닐링 효과가 나타날 수 있게 된다.
이 때, 상기 제 1 롤전극(RR)와 상기 제 2 롤전극(LR)는 상기 피가공물(1)과 구름 접촉되어 마찰을 최소화하는 동시에 점접촉이 아닌 면접촉이 이루어지게 함으로써 대전류를 공급하더라도 전기 공급 효율을 크게 높일 수 있고, 상기 피가공물(1)에 상처를 주지 않는 등 상기 피가공물(1)을 보호할 수 있다.
도 2는 도 1의 제 1 롤전극(RR)을 나타내는 부분 정단면도이고, 도 3은 도 2의 제 1 롤전극(RR)의 다른 실시예를 나타내는 부분 정단면도이고, 도 4는 도 2의 제 1 롤전극(RR)의 또 다른 실시예를 나타내는 부분 정단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)는, 상기 피가공물(1)의 상면(1-1)에 접촉될 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 하면(1-2)에 접촉될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 좌측면(1-3) 및 우측면(1-4)에 접촉될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(200)를 개념적으로 나타내는 측단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 롤전극(RR)가 상기 피가공물(1)의 상면(1-1)에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극(LR)는 상기 피가공물(1)의 하면(1-2)에 접촉될 수 있다. 따라서, 상기 피가공물(1)의 두께가 두꺼울 경우, 보다 넓은 면적으로 전류가 골고루 흐를 수 있도록 전류의 방향은 전방 상부에서 후방 하부로 대각선 방향으로 흐를 수 있다.
역으로, 도시하지 않았지만, 상기 제 1 롤전극(RR)가 상기 피가공물(1)의 하면(1-2)에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극(LR)는 상기 피가공물(1)의 상면(1-1)에 접촉되는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(300)를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 롤전극(RR)가 상기 피가공물(1)의 좌측면(1-3)에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극(LR)는 상기 피가공물(1)의 우측면(1-4)에 접촉될 수 있다. 따라서, 상기 피가공물(1)의 폭이 넓을 경우, 보다 넓은 면적으로 전류가 골고루 흐를 수 있도록 전류의 방향은 전방 좌측에서 후방 우측으로 대각선 방향으로 흐를 수 있다.
역으로, 도시하지 않았지만, 상기 제 1 롤전극(RR)가 상기 피가공물(1)의 우측면(1-4)에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극(LR)는 상기 피가공물(1)의 좌측면(1-3)에 접촉되는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(400)를 개념적으로 나타내는 측단면도이고, 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(500)를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전류의 방향이 X자 형태로 교차될 수 있도록 제 1 롤전극(RR1)와 제 2 롤전극(LR1)에 전기를 공급하는 제 1-1 전기 공급부(C1-1) 및 제 1 롤전극(RR2)와 제 2 롤전극(LR2)에 전기를 공급하는 제 1-2 전기 공급부(C1-2)를 이용하여 보다 넓은 면적으로 전류가 골고루 흐를 수 있게 하는 것도 가능하다.
즉, 도 7은 전류의 방향이 상기 마찰교반접합기(11)의 접합라인(L)을 기준으로 서로 교차각(A2)을 이루면서 경사각(A1)을 이루는 배치선(K2) 및 배치선(K3) 상에 상기 제 1 롤전극(RR1)와 제 2 롤전극(LR1) 및 제 1 롤전극(RR2)와 제 2 롤전극(LR2)가 설치될 수 있다. 여기서, 상기 교차각(A2)는 직각일 수 있고, 경사각(A1)은 45도일 수 있다. 이외에도 다양한 각도로 설치될 수 있다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 전류의 형태가 전방 우측에서 후방 좌측 및 전방 좌측에서 후방 우측으로 X자 형태로 교차할 수 있고, 도 8은 이러한 교차 전류를 위해서, 상기 제 1 롤전극(RR1)와 제 2 롤전극(LR1) 및 제 1 롤전극(RR2)와 제 2 롤전극(LR2)가 상기 피가공물(1)의 좌측면(1-3) 및 우측면(1-4)에 각각 접촉될 수 있다.
도 9는 도 1의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)을 나타내는 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)는, 상기 피가공물(1)과 접촉되는 외경면(20a)을 갖고, 회전이 가능하게 설치되는 원기둥형상의 몸체부(20) 및 상기 몸체부(20)의 좌측면(20b) 및 우측면(20c)에 각각 돌출되어 형성되고, 상기 몸체부(10)의 회전축(21a)을 이루는 회전축부(21)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 몸체부(10)는 상기 회전축부(21)를 기준으로 상기 피가공물(1)과 구름 접촉되어 회전될 수 있다.
도 10은 도 9의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 몸체부(20)는, 상기 외경면(20a)에 줄홈(22)이 형성되어 줄홈(22) 사이로 이물질들을 분리할 수 있고, 상기 몸체부(20)를 경량화하거나, 도시하지 않았지만 나사홈 등을 이용하여 줄홈(22)의 간격을 조정하여 다양한 피가공물(1)에 능동적으로 대응하는 것이 가능하다.
도 11은 도 9의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 몸체부(20) 및 상기 회전축부(21)는, 경제성이나 전도도 등을 고려하여 내부에 형성되는 제 1 재질부(20-1) 및 상기 제 1 재질부(20-1)의 전체 또는 일부분을 둘러싸도록 외표면을 형성하고, 상기 제 1 재질부(20-1)와는 다른 재질로 형성되는 제 2 재질부(20-2)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 재질부(20-1)는 마찰에 대한 저항성이 높거나 낮은 마찰계수를 가지는 재질, 예를 들어, 탄소 코팅 소재가 사용될 수 있고, 상기 제 2 재질부(20-2)는 강도가 높은 재질, 예를 들어, 각종 강재 등이 이용될 수 있다.
도 12는 도 1의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 베어링 전극(30)을 나타내는 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 회전축부(21)는, 안정적인 통전이 가능하도록 상기 제 1 전기 공급부(C1)과 전기적으로 연결되는 링형상의 베어링 전극(30)을 관통하여 전기적으로 연결되고, 회전이 자유롭게 설치될 수 있다.
도 13은 도 1의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 브러쉬 전극(40)을 나타내는 사시도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 회전축부(21)는, 안정적인 통전이 가능하도록 상기 제 1 전기 공급부(C1)과 전기적으로 연결되는 브러쉬 전극(40)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 14은 도 1의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)에 설치되고, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)을 상기 피가공물(1) 방향으로 가압하도록 상기 피가공물(1) 방향으로 복원력이 작용하는 탄성 부재(50)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 피가공물(1)에 요철이 있거나 다양한 표면이 존재하거나 이물질이 존재한다 하더라도 상기 탄성 부재(50)의 복원력을 이용하여 단자 접촉성을 높일 수 있다.
도 15은 도 1의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)에 설치되고, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)의 표면과 접촉되어 이물질(2)을 분리하는 스커트 부재(60)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 이물질(2)을 비롯하여 단자 표면의 녹 찌꺼기를 제거하여 전기 접촉 효율을 향상시킬 수 있다.
도 16은 도 1의 제 1 롤전극(RR) 또는 제 2 롤전극(LR)의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치는, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)에 설치되고, 상기 제 1 롤전극(RR) 또는 상기 제 2 롤전극(LR)에 전도성 오일(3)을 공급하는 전도성 오일 공급관(70)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 전도성 오일(3)을 이용하여 전기 접촉 효율을 향상시킬 수 있다.
도 17은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(600)를 개념적으로 나타내는 사시도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치(600)는, 이동하는 피가공물(1)과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물(1)을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기(11)와, 상기 마찰교반접합기(11)의 일측 방향에 설치되며, 상기 피가공물(1)의 제 1 부분(1A)과 전기적으로 접촉되는 제 1 단자(80)와, 상기 마찰교반접합기(11)의 타측 방향에 설치되며, 상기 피가공물(1)의 제 2 부분(1B)과 구름 접촉되고, 상기 피가공물(1)의 제 2 부분(1B)과 전기적으로 접촉되는 롤전극(LR) 및 상기 제 1 단자(80)와 상기 롤전극(LR) 사이의 상기 피가공물(1)에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 단자(80)와 상기 롤전극(LR) 사이에 전위차를 발생시키는 전기 공급부(C1)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 단자(80)는, 클램프나, 용접부나 커넥터 등 상기 피가공물(1)의 제 1 부분(1A)과 전기적으로 접촉되는 모든 형태의 단자가 적용될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 단자(80)는 상기 피가공물(1)의 제 1 부분(1A)에 고정되고, 상기 롤전극(LR)는 상기 피가공물(1)의 제 2 부분(1B)에 구름 접촉되면서 전류를 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 사상에 따른 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치를 이용한 전기 통전 방식의 마찰교반접합 방법은, 이동하는 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되어 피가공물의 제 1 부분과 구름 접촉되는 제 1 롤전극과, 상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되어 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되는 제 2 롤전극을 이용하여 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이에 전위차를 발생시켜서 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 방법일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 피가공물
1-1: 상면
1-2: 하면
1-3: 좌측면
1-4: 우측면
2: 이물질
3: 전도성 오일
11: 마찰교반접합기
11-1: 교반팁
RR, RR1, RR2: 제 1 롤전극
LR, LR1, LR2: 제 2 롤전극
C1: 제 1 전기 공급부
C1-1: 제 1-1 전기 공급부
C1-2: 제 1-2 전기 공급부
100, 200, 300, 400, 500, 600: 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치
20: 몸체부
20a: 외경면
20b: 좌측면
20c: 우측면
21: 회전축부
21a: 회전축
22: 줄홈
20-1: 제 1 재질부
20-2: 제 2 재질부
30: 베어링 전극
40: 브러쉬 전극
50: 탄성 부재
60: 스커트 부재
70: 전도성 오일 공급관
80: 제 1 단자

Claims (16)

  1. 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기;
    상기 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 1 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 1 부분과 전기적으로 접촉되는 제 1 롤전극;
    상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 2 부분과 전기적으로 접촉되는 제 2 롤전극; 및
    상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 전기 공급부;
    를 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰교반접합기는 상기 피가공물의 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 접합 라인과 회전 마찰되어 마찰교반접합하는 교반팁을 포함하고,
    상기 교반팁은, 원기둥 형상인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극은,
    상기 피가공물의 적어도 상면, 하면, 좌측면, 우측면 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 선택하여 접촉되는 것인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 상면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 하면에 접촉되고, 상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 하면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 상면에 접촉되는 것인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 좌측면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 우측면에 접촉되고, 상기 제 1 롤전극이 상기 피가공물의 우측면에 접촉되면, 상기 제 2 롤전극은 상기 피가공물의 좌측면에 접촉되는 것인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극은,
    상기 피가공물과 접촉되는 외경면을 갖고, 회전이 가능하게 설치되는 원기둥형상의 몸체부; 및
    상기 몸체부의 좌측면 및 우측면에 각각 돌출되어 형성되고, 상기 몸체부의 회전축을 이루는 회전축부;
    를 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 몸체부는, 상기 외경면에 줄홈이 형성되는 것인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 몸체부 및 상기 회전축부는
    내부에 형성되는 제 1 재질부; 및
    상기 제 1 재질부의 전체 또는 일부분을 둘러싸도록 외표면을 형성하고, 상기 제 1 재질부와는 다른 재질로 형성되는 제 2 재질부;
    를 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전축부는, 상기 제 1 전기 공급부와 전기적으로 연결되는 링형상의 베어링 전극을 관통하여 전기적으로 연결되고, 회전이 자유롭게 설치되는 것인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전축부는, 상기 제 1 전기 공급부와 전기적으로 연결되는 브러쉬 전극과 전기적으로 연결되는 것인 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 설치되고, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극을 상기 피가공물 방향으로 가압하도록 상기 피가공물 방향으로 복원력이 작용하는 탄성 부재;
    를 더 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 설치되고, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극의 표면과 접촉되어 이물질을 분리하는 스커트 부재;
    를 더 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 설치되고, 상기 제 1 롤전극 또는 상기 제 2 롤전극에 전도성 오일을 공급하는 전도성 오일 공급관;
    를 더 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 롤전극은, 상기 피가공물의 전방 우측에 접촉되는 전방 우측 롤전극; 및 상기 피가공물의 전방 좌측에 접촉되는 전방 좌측 롤전극을 포함하고,
    상기 제 2 롤전극은, 상기 피가공물의 후방 우측에 접촉되는 후방 우측 롤전극; 및 상기 피가공물의 후방 좌측에 접촉되는 후방 좌측 롤전극을 포함하며,
    상기 전기 공급부는, 상기 전방 우측 롤전극과, 상기 후방 좌측 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 제 1 전기 공급부; 및 상기 전방 좌측 롤전극과, 상기 후방 우측 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 제 2 전기 공급부;를 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  15. 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기;
    상기 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 1 부분과 전기적으로 접촉되는 제 1 단자;
    상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되며, 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되고, 상기 피가공물의 제 2 부분과 전기적으로 접촉되는 롤전극; 및
    상기 제 1 단자와 상기 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 단자와 상기 롤전극 사이에 전위차를 발생시키는 전기 공급부;
    를 포함하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 장치.
  16. 피가공물과 마찰 접촉되고, 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 마찰교반접합기의 일측 방향에 설치되어 피가공물의 제 1 부분과 구름 접촉되는 제 1 롤전극과, 상기 마찰교반접합기의 타측 방향에 설치되어 상기 피가공물의 제 2 부분과 구름 접촉되는 제 2 롤전극을 이용하여 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이의 상기 피가공물에 전류가 흐를 수 있도록 상기 제 1 롤전극과 상기 제 2 롤전극 사이에 전위차를 발생시켜서 상기 피가공물을 마찰교반접합하는 전기 통전 방식의 마찰교반접합 방법.
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WO2017217795A1 (ko) * 2016-06-16 2017-12-21 한국생산기술연구원 마찰 교반 용접에 의한 핀홀 리페어 방법 및 시스템
KR20180057140A (ko) * 2016-11-22 2018-05-30 현대자동차주식회사 연료전지의 엔드 플레이트용 인서트 접합 장치 및 방법
CN110560881A (zh) * 2019-09-02 2019-12-13 南京航空航天大学 一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法和装置

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