KR20210039173A - 소형 접합 및 피복 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마찰 고상을 통해 접합 및 피복하는 장치에 관한 것으로, 소정의 필러를 회전 및 가압하여 모재에 마찰열로 필러를 접합하여 피복하는 접합 및 피복 장치에 있어서, 상기 모재에 대응하여 상기 필러를 법선 방향으로 위치시킴과 동시에 상기 필러를 관통 구비하여 회전시킬 수 있도록 구동모터를 갖는 필러회전부와; 상기 필러회전부에 의해 회전되는 상기 필러를 상기 모재에 가압 밀착시키는 필러가압부를 포함하되, 상기 필러회전부 및 필러가압부는 상기 필러의 길이 방향을 따라 순차적으로 연결된 한 몸으로 이루어져 부피 축소를 통해 휴대 및 이동이 용이하고, 모재의 접합 및 피복을 위한 작업환경 개선 및 소요시간 단축의 효과가 있으며, 기존 공작기계나 로봇암에 부착하여 활용도를 극대화할 수 있는 소형 접합 및 피복 장치에 관한 것이다.

Description

소형 접합 및 피복 장치{Small type of Friction Solid State Bonding and cladding device}
본 발명은 금속재료에 마찰에너지와 열에너지를 가해 고상 상태에서 접합 및 피복하는 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부피 및 중량 축소를 통해 휴대 및 이동이 용이하고, 모재의 접합 및 피복을 위한 작업환경 개선 및 소요시간 단축의 효과가 있으며, 기존 공작기계나 로봇암에 부착하여 활용도를 극대화할 수 있는 소형 접합 및 피복 장치에 관한 것이다.
일반적으로 마찰 고상 접합은 1991년 영국에서 개발된 방법으로 마찰열을 이용하여 재료내의 역성 유동을 생성한 후 고상이 되도록 하여 용착(deposing), 코팅(coating), 용접(welding), 표면 개질(modifying surface) 등의 작업을 수행할 수 있다.
이러한, 마찰 고상 접합은 아크 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 등의 용융 용접에 비해 블로홀이나 갈라짐이 발생하지 않고 용접에 따른 변형이 적다는 특징으로 현재 철도 차량, 함정, 항공기, 자동차 등의 분야에 널리 응용되고 있다.
더불어, 마찰 고상 접합은 서로 맞닿은 금속 접합 소재의 계면을 마찰열로서 맞대기 접합하는 방식을 예로 들 수 있다.
상기와 같은 마찰 고상 접합은 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 고상 접합을 위한 장치는 기본적으로, 접합 소재 보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전부재와 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 고상 접합 장치는 회전부재와 접합 소재 간의 마찰에 의한 열원과 교반 특성으로 접합소재를 고상 접합 접합함으로써 접합부의 특성을 높이는데 한계가 있다.
또한, 이종 금속 재료를 마찰 고상 접합하는 경우, 회전부재의 디자인에 따라 접합부에서의 교반력 및 교반면적이 결정되므로, 그 접합부의 교반성에 한계가 있다는 문제점을 내포하고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 특허문헌 1은 소정 접합 소재의 용접부를 가압하며 회전 가능하게 구성되어 용접부에 마찰열을 가하는 용접을 수직방향으로 하여 모재에 맞닿게 하여 구조를 가지고 있다.
그러나, 접합 소재인 필러를 수직으로 하여 마찰열을 가하기 위해 필러의 회전을 위해 그 상부에 회전구동수단의 구비되어야 하고, 그 중량을 극복하면서 필러를 모재에 가압하기 위해 유압 방식의 승강수단을 포함해야 하므로 장치에 대한 제작 비용이 증가되는 문제가 있으며, 필러의 보충 및 교체를 위해 회전 부분에서 탈거하는 등의 작업이 번거로운 문제점이 있다.
또한, 온도의 균일성과 교반에너지로 고상 접합에 필요한 온도를 얻는데 소요되는 시간이 증가되므로 이에 따를 작업 시간이 지연되는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2는 광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서, 상기 광학 시스템이, 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 적층 대상의 표면에 조사되는 제1 레이저광; 및 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 가지며, 상기 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상으로 조사되는 제2 레이저 광을 생성하도록 구성된 3차원 레이저 프린팅 장치가 제공되었다.
그런, 특허문헌 2에 의한 금속 3D 프린팅 제품의 실용화에 가장 큰 걸림돌인 내구성능의 근원적 문제점이 있다.
다시 말해, DED(Directed Energy Deposition) 방식과　PBF(Powder Bed Fusion) 방식의 금속 프린팅 공정으로 얻게 되는 금속조직은 용접조직으로 용접조직이 내재적으로 갖고 있는 결함인 기공 등의 문제로 충격강도와 피로내구성능이 기존 일반 소재에 크게 미치지 못하게 된다
따라서, 금속을 융접의 80% 전후로 가열한 상태에서 압착을 하여 적층한다면 용접조직이 갖고 있는 내재적 결함은 제거되고 기존 소재와 유사한 충격강도와 피로내구성능을 갖는 것이 가능한 기술이 요구된다.
KR 10-2012-0073974 A KR 10-1787718 B1
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 필러를 관통하여 회전시키는 모터를 포함하는 필러회전부와, 상기 필러를 모재에 가압 밀착시키는 필러가압부와 가열장치가 순차적으로 연결된 한 몸으로 구성되어 부피 축소를 통해 휴대 및 이동이 용이하고, 모재의 접합 및 피복을 위한 작업환경 개선 및 소요시간 단축의 효과가 있으며, 기존 공작기계나 로봇암에 부착하여 활용도를 극대화할 수 있는 소형 접합 및 피복 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정의 필러(10)를 회전 및 가압하여 모재에 마찰열로 필러(10)를 접합하여 피복하는 접합 및 피복 장치(100)에 있어서, 상기 모재에 대응하여 상기 필러(10)를 법선 방향으로 위치시킴과 동시에 상기 필러(10)를 관통 구비하여 회전시킬 수 있도록 구동모터(131)를 갖는 필러회전부(130)와; 상기 필러회전부(130)에 의해 회전되는 상기 필러(10)를 상기 모재에 가압 밀착시키는 필러가압부(140)를 포함하되, 상기 필러회전부(130) 및 필러가압부(140)는 상기 필러(10)의 길이 방향을 따라 순차적으로 연결된 한 몸으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소형 접합 및 피복 장치를 제공한다.
여기서, 상기 필러가압부(140)는 상기 필러(10)를 롤링 밀착과 함께 상기 모재 방향으로 가압 이동시키는 가압롤러(141)와; 상기 가압롤러(141)를 감싸며 상기 필러(10)가 관통되는 롤하우징(143)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 필러의 끝 단부에 가열장치가 부착된다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 부피 축소를 통해 휴대 및 이동이 용이하고, 모재의 접합 및 피복을 위한 작업환경 개선 및 소요시간 단축의 효과가 있으며, 기성의 로봇암에 호환성 면에서 접합 및 피복의 활용도를 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한 필러의 끝 단부에 부착된 가열장치가 고상 접합이나 클래딩에 필요한 온도로 필러를 빠른 시간에 가열하고, 모재부문에도 가열되어 접합강도가 강화되면서도, 보다 균일한 가열과 냉각으로 생성되는 잔류응력구배도 적어져 변형 도 적어진다. 도한 기존 공작기계나 로봇암에 부착하여 활용도를 극대화한다.
도 1은 본 발명에 따른 소형 접합 및 피복 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 소형 접합 및 피복 장치의 작동구조를 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 소형 접합 및 피복 장치가 로봇암에 적용된 상태도.
이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 소형 접합 및 피복 장치(100)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 필러(10)를 회전 및 가압하여 모재에 마찰열로 필러(10)를 접합하여 피복할 수 있는 장치이다.
우선, 모재를 수직으로 구속시켜 상/하/좌/우로 이동 가능하게 기 설치된 모재설치부(120)에 대응하여 상기 필러회전부(130)의 일측에는 금속프린터에 연결 설치할 수 있는 설치브라켓(110)이 더 구비될 수 있다.
이때, 상기 모재설치부(120)는 도면에 도시되어 있지 않지만, 상/하/좌/우 이동, 경사, 회전과 모재의 구속을 위해 이송수단 및 고정수단이 기본적으로 제공되어야 하며, 본 발명의 권리와 상관없는 부분으로 설명을 생략하도록 한다.
여기서, 상기 모재에 대응하여 상기 필러(10)를 법선 방향으로 위치시킴과 동시에 상기 필러(10)를 관통 구비하여 회전시킬 수 있도록 구동모터(131)를 갖는 필러회전부(130)가 구성될 수 있다.
그리고, 상기 필러회전부(130)에 의해 회전되는 상기 필러(10)를 상기 모재에 가압 밀착시키는 필러가압부(140)를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 필러회전부(130) 및 필러가압부(140)는 상기 필러(10)의 길이 방향을 따라 순차적으로 연결된 한 몸으로 이루어져 소형화 구성된다.
그리고, 상기 설치브라켓(110)의 상부에는 상기 모재설치부(120)에 대응하여 상기 필러(10)를 수평 방향으로 위치시켜 상기 필러(10)를 회전시키는 필러회전부(130)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 필러회전부(130)에 대응하여 상기 필러(10)를 밀착하여 상기 필러회전부(130)에 의해 회전되는 필러(10)를 상기 모재에 가압시키는 필러가압부(140)를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 모재의 표면에 필러(10)의 단부가 맞대기 되도록 상기 필러회전부(130) 및 필러가압부(140)의 각 롤러에 의해 롤링으로 구속되어 상기 필러(10)가 수평으로 구비되어 상기 필러회전부(130)에 의해 상기 필러(10)를 동심으로 회전시키게 되고, 상기 필러가압부(140)에 의해 상기 필러(10)를 상기 모재에 측으로 밀착 가압하여 회전 마찰로 인해 상기 모재에 상기 필러(10)가 마찰 접합되는 것을 알 수 있다
상기 필러가압부(140)는 상기 필러(10)를 롤링 밀착과 함께 상기 모재 방향으로 가압 이동시키는 가압롤러(141)와; 상기 가압롤러(141)를 감싸며 상기 필러(10)가 관통되는 롤하우징(143)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 필러회전부(130)는 상기 설치브라켓(110)의 상부에 구비되는 구동모터(131)와, 이 구동모터(131)에 의해 회전 작동하는 구동롤러(135)와, 이 구동롤러(135)에 대응하여 상기 필러(10)를 롤링으로 파지하는 피동롤러(136)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 구동롤러(135)는 상기 필러(10)의 표면에 롤링 접촉을 통해 상기 필러(10)를 회전시킬 수 있도록 상기 설치브라켓(110)의 어느 한 부분에 설치된 구동모터(131)에 의해 회전 작동되며, 가로 방향을 상기 모재에 맞대는 상기 필러(10)의 둘레 면에 대응하여 상부에 위치된다.
그리고, 상기 피동롤러(136)는 상기 구동롤러(135)에 의한 상기 필러(10)의 회전시 이탈 방지를 위해 상기 필러(10)의 표면에 롤링 접촉되도록 상기 필러(10)에 대응하여 하부에 위치된다.
더불어, 상기 구동롤러(135) 및 피동롤러(136)의 회전을 지지하는 롤러브라켓(137)이 상기 구동롤러(135) 및 피동롤러(136)의 양측에 구비되는 것을 포함한다.
또한, 상기 필러가압부(140)는 상기 필러회전부(130)에 위치되는 필러(10)를 롤링 밀착과 함께 회전 반경 차로 인해 상기 모재 방향으로 상기 필러(10)를 이동시키는 가압롤러(141)가 구비된다.
이때, 상기 가압롤러(141)는 상기 모재 측의 단부는 최소 반경을 가지고 있고, 반대 측에 단부는 최대 반경으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 모재에 인접되는 필러(10)의 단부에는 상기 필러(10)가 모재에 고상 접합 시 부족한 마찰열을 보충하는 가열부(160)가 더 구비될 수 있다.
이는 상기 모재에 직접 고상 접합하는 필러(10)의 부족한 마찰열을 보완하여 적절한 온도의 상승에 필요한 시간을 단축시키고 필러(10)와 모재 접촉부의 온도차이를 줄여주기 위해 가열부(160)를 구비하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 가열부(160)에는 상기 필러(10)의 온도, 회전속도, 압력을 감지하는 센서모듈(171)이 더 구비되고, 상기 구동모터(131)와 가열부(160)의 사이에 구비되는 컨트롤러(170)에 의해 상기 구동모터(131)와 가열부(160)를 제어하여 상기 필러(10)의 가열 온도 조절 및 회전 속도를 제어할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한 필러와 모재 접촉부의 압력을 측정하는 센서도 적절한 위치에 설치하도록 구성할 수 있다.
따라서, 상기 컨트롤러(170)의 제어를 통해 상기 구동모터(131)의 구동 회전을 조절함으로써, 상기 필러회전부(130)의 회전을 통해 상기 필러(10)의 회전 속도를 조절할 수 있고, 상기 센서모듈(171)의 신호를 받은 컨트롤러(170)를 통해 상기 가열부(160)의 가열량을 조절하여 마찰열에 부족한 열을 보충할 수 있다. 또한 롤의 각도와 가압실리더의 압력을 조절하여 접합이나 적층에 적절한 압력을 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 모재의 표면 상태에 상관없이 필러(10)와 모재 사이의 접촉 불량을 방지하고, 고상 접합/적층 작업 결과물의 품질을 현저히 향상시킬 수 있고, 장치의 제작 원가를 절감할 수 있다.
그리고, 모재의 접합부에 필러를 고상 융착하도록 상대운동을 하게 하거나, 모재에 필요한 형상과 칫수에 맞추어 피복층을 형성할 수 있고, 모재와 필러의 고체융착에 필요한 마찰에너지에 의한 가열시간 단축과 온도 뷸균일성을 줄이기 위한 가열장치를 필러와 모재 사이에 추가하는 장비를 같이 제공하여 공정의 생산성과 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 교반공구를 사용하는 기존장치와 비교하여서는 교반 공구를 필러(10)로 대신하고, 필러(10)를 교반 공구로 사용하는 기존장치에서 필요한 축방향 압축력을 부가하는 별도의 장치를 추가할 필요 없어 제작 비용을 절감할 수 있다.
더불어, 모재 및 필러(10)의 온도 측정 센서와 모재와 필러(10)의 융착압력을 측정하는 센서가 부가되고 이 값을 이용하여 좋은 품질을 얻는데 필요한 온도와 압력을 제어하는 방법도 같이 구현될 수 있다.
또한, 상기 모재설치부(120)는 모재를 고정하는 테이블이나 척부위와 모재와 필러의 상대운동을 가능하게 하는 이송장치부가 설치되어 2차원 원형물부터 3차원 형상 작업에 필요한 2~ 5축까지의 제어가 가능하게 구성한다. 이러한 모재의 설치와 이동은 선반, 밀링, 로봇의 핸드의 구조와 기능을 그대로 사용할 수도 있어 실용성을 좋게 한다.
도 3에 도시와 같이 , 상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 부피 축소를 통해 휴대 및 이동이 용이하고, 모재의 접합 및 피복을 위한 작업환경 개선 및 소요시간 단축의 효과가 있으며, 기성의 로봇암(20)에 호환성 면에서 접합 및 피복의 활용도를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 필러
20: 로봇암
100: 접합 및 피복 장치
130: 필러회전부
131: 구동모터
140: 필러가압부
141: 가압롤러
143: 롤하우징
110: 설치브라켓
160: 가열부
170: 컨트롤러
171: 센서모듈

Claims (5)

  1. 소정의 필러(10)를 회전 및 가압하여 모재에 마찰열로 필러(10)를 접합하여 피복하는 접합 및 피복 장치(100)에 있어서,
    상기 모재에 대응하여 상기 필러(10)를 법선 방향으로 위치시킴과 동시에 상기 필러(10)를 관통 구비하여 회전시킬 수 있도록 구동모터(131)를 갖는 필러회전부(130)와;
    상기 필러회전부(130)에 의해 회전되는 상기 필러(10)를 상기 모재에 가압 밀착시키는 필러가압부(140)를 포함하되,
    상기 필러회전부(130) 및 필러가압부(140)는 상기 필러(10)의 길이 방향을 따라 순차적으로 연결된 한 몸으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소형 접합 및 피복 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러가압부(140)는,
    상기 필러(10)를 롤링 밀착과 함께 모재 방향으로 가압 이동시키는 가압롤러(141)와;
    상기 가압롤러(141)를 감싸며 상기 필러(10)가 관통되는 롤하우징(143)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 접합 및 피복 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러회전부(130)의 일측에는,
    금속프린터에 연결 설치할 수 있는 설치브라켓(110)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 접합 및 피복 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재에 인접되는 필러(10)의 단부에는,
    상기 필러(10)가 모재에 고상 접합 시 부족한 마찰열을 보충하는 가열부(160)가 더 구비되는 특징으로 하는 소형 접합 및 피복 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가열부(160)에는,
    상기 구동모터(131)와 가열부(160)의 사이에 연결되는 컨트롤러(170)에 의해 상기 구동모터(131)와 가열부(160)를 제어하여 상기 필러(10)의 가열 온도 조절 및 회전 속도를 제어하고, 필러와 모재 접촉부의 압력을 감지하여 접합이나 적층에 적절한 압력을 제어할 수 있도록 상기 필러(10)의 온도, 회전속도 및 압력를 감지하여 컨트롤러에 전달하는 센서모듈(171)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 접합 및 피복 장치.
KR1020190121686A 2019-10-01 2019-10-01 소형 접합 및 피복 장치 KR102267494B1 (ko)

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