KR20220156383A - 마찰 요소 용접 장치 및 방법 - Google Patents

마찰 요소 용접 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

마찰 요소 용접 장치 및 방법에 관한 것으로, 외형을 형성하는 하우징, 상기 하우징에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되는 용접모듈, 상기 용접모듈에 의해 회전 및 승강 동작해서 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 이종 소재를 접합하는 용접 하드웨어 및 상기 용접모듈을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈을 포함하는 구성을 마련하여, 상기 용접 하드웨어의 회전 및 하강 동작에 의해 서로 겹쳐진 이종 소재를 마찰 교반해서 견고하게 접합할 수 있다.

Description

마찰 요소 용접 장치 및 방법{FRICTION ELEMENT WELDING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 마찰 요소 용접장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 재질로 이루어진 이종 소재를 적층해서 접합하는 마찰 요소 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.
현대의 고도화된 산업사회에서 용접기술의 발달은 제품의 생산성과 품질을 더욱 향상시키고 있으며, 세계 각국은 수출품의 가격 경쟁력에 직접적인 영향을 미치는 생산성을 증대시키기 위한 새로운 용접기술의 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
최근에는 지구환경보호와 에너지절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 자동차, 항공기, 철도차량, 선박 등 각종 수송기기의 경량화를 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이를 위해 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 등 경량합금 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다.
이러한 각종 기기 및 구조물의 조립은 대부분 용접 공정에 의해 이루어지는데, 경량 합금의 용접은 기술적, 경제적 그리고 환경적 측면에서 개선해야 할 많은 문제점을 지니고 있다.
이를 위해, 서로 결합할 부재를 마찰의 원리를 이용하여 충분한 양의 열을 발생시켜 부재 접촉면을 기점으로 소성영역(Plasticized zone)을 생성한 후, 외력을 가하여 부재를 접합하는 마찰 용접이 이용되고 있다.
상기 마찰 용접은 두 개의 부재를 접속시킨 상태에서 그 접촉면에 상대 회전 운동과 압력을 가하여 접합하는 용접 방법으로서, 외부에서 열을 가하여 용융시키지 않으므로 고상 용접으로 분류된다.
이러한 마찰 용접 방법은 접합 강도가 매우 우수하여, 이론적으로는 모재 강도의 100%까지 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 마찰 용접은 이종 금속간 접합이 가능하고, 비용이 매우 저렴할 뿐만 아니라, 접합 조건의 재연성이 좋아 품질 신뢰도가 매우 높다.
이러한 마찰 용접 방법은 회전 운동을 하는 대상이나 압력을 가하는 방법에 따라 다양한 형태로 이루어지고 있다.
그래서 마찰 용접 방법은 부재의 용융을 수반하지 않으므로 기존의 용융용접에서 발생하는 용접결함을 방지할 수 있는 반면, 용접될 부재의 적어도 하나가 축 대칭이어야 함에 따라, 예를 들어 판재의 연속용접을 필요로 하는 구조물에는 활용할 수 없었다.
이러한 경량합금의 용융 용접시 문제를 해결하고자, 새로운 기술로서 비용융 고상접합공정인 마찰교반용접(Friction Stir Welding, 'FSW') 기술이 다양한 산업분야에서 광범위하게 적용되고 있다.
마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)은 모재가 녹지 않는 고상 용접법으로서, 1991년 영국의 TWI(The Welding Institutttet)에서 개발된 친환경적이고, 에너지 절약형 생산공정이다.
즉, 마찰 교반 용접은 용접 툴을 회전시킨 상태로 소재의 접합 계면에 삽입할 때 발생하는 마찰열을 이용하여 소재를 연화시키고, 연화된 소재는 용접 툴의 회전 방향으로 소성 유동을 일으켜 접합계면과 주변부를 교반하여 접합이 이루어진다.
용접 툴이 삽입된 상태에서 용접선을 따라 이동한 후 용접 툴을 후퇴시키면 마찰교반용접이 되며, 용접 툴을 소재에 삽입 후 이동하지 않고 일정시간 머무른 뒤 용접 툴을 후퇴하면 마찰 교반 스폿 용접(Friction Stir Spot Welding, FSSW)이 된다.
마찰 교반 용접에 사용되는 용접 툴이 소재와 닿는 면은 숄더(Shoulder)와 핀(Pin)으로 구성된다.
상기 숄더는 핀에 비해 넓은 면적을 가지고 있으며, 소재의 표면과 접촉하여 마찰열을 발생시키고, 소재의 유동을 원활히 하는 기능을 한다.
상기 핀은 숄더에서 돌출되어 있는 형태로 소재의 내부에 삽입되어 접합 계면을 직접 교반하여 접합하는 기능을 한다.
이러한 마찰 교반 용접은 고온의 용융 용접 시에 용접균열과 용접변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
즉, 마찰 교반 용접은 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 등의 연성소재뿐만 아니라, 최근에는 철강 및 티타늄 합금과 같은 고온용 강성소재에 대한 용접공정 연구가 증가하고 있는 추세이다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 이종 재질의 마찰 용접 방법 및 장치 구성이 개시되어 있다.
대한민국 특허 공개번호 10-2011-0078518호(2011년 7월 7일 공개) 대한민국 특허 공개번호 10-2013-0027346호(2013년 3월 15일 공개)
그러나 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함하는 종래기술에 따른 마찰 용접은 실제 용접부위에서 이론적으로 계산되는 강성을 얻기에는 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 저항 요소 용접(Resitance Element Welding, REW), 플로우 드릴 스크류(Flow Drill Screw, FDS), 블라인드 리벳(blind revet), 마찰 요소 용접(Friction Element Welding, FEW), 셀프 피어싱 리벳팅(Self-Piercing Riveting, SPR) 등의 방식으로 이종 재질을 접합하는 기술이 사용되고 있다.
상기 저항 요소 용접은 용접 툴을 용접하고자 하는 부위에 미리 홀을 가공하고, 저항 용접을 통해 상판 소재와 하판 소재를 접합함에 따라, 용접을 위한 홀 가공 공정 및 저항 용접 장비가 필수적으로 요구된다.
상기 마찰 요소 용접은 상판 소재에 리벳을 회전시켜 관통시킨 후, 하판 소재와 마찰교반을 통해 상판 소재와 하판 소재를 체결해서 접합하는 용접 방식이다.
예를 들어, 마찰 요소 용접은 알루미늄 재질의 상판 소재와, 950℃의 고온으로 가열된 철강소재를 금형에 넣고 프레스로 성형한 뒤 금형 내에서 급속 냉각시키는 핫스탬핑(hot stamping) 공법으로 제조된 하판 소재를 접합할 수 있다.
이에 따라, 마찰 요소 용접 방법을 이용해서 이종 소재를 접합하고, 용접 부위의 강성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 용접 하드웨어를 회전시켜 발생하는 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 이송 소재를 접합할 수 있는 마찰 요소 용접 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마찰 용접 과정에서 소재 뒷면의 손상없이 용접이 가능하고, 용접 부위의 강성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있는 마찰 요소 용접 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 용접 하드웨어를 구동하는 구동모듈의 구성을 간단하게 하고, 용접 장치의 자유도를 높여 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있는 마찰 요소 용접 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마찰 요소 용접 장치는 외형을 형성하는 하우징, 상기 하우징에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되는 용접모듈, 상기 용접모듈에 의해 회전 및 승강 동작해서 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 이종 소재를 접합하는 용접 하드웨어 및 상기 용접모듈을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈을 포함하고, 상기 용접 하드웨어의 회전 및 하강 동작에 의해 서로 겹쳐진 이종 소재를 마찰 교반해서 접합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마찰 요소 용접 방법은 (a) 용접모듈을 하강 동작시켜 서로 겹쳐진 이종 소재의 용접면에 클램프를 접촉시키고 소재를 하방으로 가압해서 고정하는 단계, (b) 하단부에 용접 하드웨어가 결합된 슬리브를 하강 동작시켜 상기 용접 하드웨어를 소재의 용접면에 접촉시킨 상태에서 상기 슬리브와 용접 하드웨어를 회전 및 하강 동작시켜 상부 소재를 관통하는 단계, (c) 상기 용접 하드웨어와 하부 소재의 마찰에 의해 마찰열을 발생시켜 마찰 교반에 의해 상기 용접 하드웨어와 상기 상부 소재 및 하부 소재를 접합하는 단계 및 (d) 상기 슬리브와 클램프를 상방으로 이동시켜 초기 위치로 복귀시킨 후 접합 사이클을 종료하는 단계를 포함하고, 상기 용접 하드웨어의 회전 및 하강 동작에 의해 서로 겹쳐진 이종 소재를 마찰 교반해서 접합하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰 요소 용접 장치 및 방법에 의하면, 용접모듈을 구동해서 용접 하드웨어를 회전 및 하강 동작시켜 마찰 교반을 통해 서로 겹쳐진 이종 소재를 견고하게 접합할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 용접 과정에서 소재의 용접부위를 부분적으로 마찰 교반함에 따라, 서로 겹쳐진 이종 소재 뒷면의 손상 없이 접합할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 용접 하드웨어를 이용해서 이종 소재를 접함함에 따라, 용접 부위의 강성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 하우징의 일측에 마련되는 연장 프레임을 제거하고, 로봇의 암에 하우징을 연결해서 자유도를 높임으로써, 소재를 용접할 수 있는 규격 제한을 없앨 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 용접 하드웨어를 구동하는 구동모듈의 구성을 간단하게 하고, 구동모듈의 자유도를 높여 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치의 구성도,
도 2와 도 3은 각각 도 1에 도시된 마찰 요소 용접 장치의 하우징과 용접모듈을 확대한 측면도와 정면도,
도 4 및 도 5는 각각 용접모듈의 분해도와 단면도,
도 6은 도 4에 도시된 슬리브와 용접 하드웨어를 다른 각도에서 보인 사시도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 방법을 단계별로 설명하는 동작 상태도,
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치의 구성도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치의 구성도이고, 도 2와 도 3은 각각 도 1에 도시된 마찰 요소 용접 장치의 하우징과 용접모듈을 확대한 측면도와 정면도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 외형을 형성하는 하우징(20), 하우징(20)에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되는 용접모듈(30), 용접모듈(30)에 의해 회전 및 승강 동작해서 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 이종 소재를 접합하는 용접 하드웨어(40) 및 용접모듈(30)을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈(50)을 포함한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치(10)는 용접모듈(30)에 용접 하드웨어(40)를 하나씩 순차적으로 공급하는 공급하는 공급모듈(60) 및 구동모듈(30)과 공급모듈(60)의 구동을 제어하는 제어부(70)를 더 포함할 수 있다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치(10)는 긴급 상황 발생시 각 장치의 구동을 중지시킬 수 있도록, 작업자로부터 비상 정지 조작을 입력받는 비상 정지 모듈(80)을 더 포함할 수 있다.
비상 정지 모듈(80)은 작업자가 발로 밟아서 조작할 수 있도록, 페달 형태로 마련되고, 작업자의 비상 정지 조작이 입력되면, 비상 정지 신호를 제어부(70)로 전달할 수 있다.
본 실시 예에서는 한 쌍의 소재(11), 즉 서로 겹쳐진 상부 소재(12)와 하부 소재(13)를 접합하는 것으로 설명하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상의 소재를 겹치기 용접할 수 있다.
여기서, 각 소재(11)는 알루미늄 재질, 또는 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 등의 연성소재, 철강 및 티타늄 합금과 같은 강성소재 등 다양한 소재로 마련될 수 있다.
본 실시 예에서 상부 소재(12)와 하부 소재(13)는 각각 알루미늄 소재와 도금강판으로 마련되어 겹치기 용접하는 구성을 설명하기로 한다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, AHSS(Advanced High-Strength Steel)이나 UHSS(Ultra High Tensile Steel)과 같은 초고장력강판도 겹치기 용접하도록 변경될 수도 있다.
이러한 소재(11)는 별도의 고정지그 등에 의해 고정되거나, 자동차 프레임과 같이 컨베이어 벨트 등의 이송모듈에 의해 용접위치로 이송될 수 있다.
하우징(20)은 대략 다각통이나 원통 형상으로 형성되고, 하우징(20)의 전측에는 용접모듈(30)이 승강 동작 가능하게 설치되며, 하우징(20)의 내부 및 상부에는 구동모듈(50)이 마련될 수 있다.
하우징(20)의 일측에는 용접모듈(30)의 하부까지 연장되는 연장 프레임(21)이 연결될 수 있다.
이러한 하우징(20)은 도 1에 도시된 바와 같이, 고정 지그나 캐비닛, 또는 로봇의 암에 설치될 수 있다.
즉, 본 발명은 하우징(20)을 고정 지그나 캐비닛에 설치해서 마찰 요소 용접 장치(10)를 일정 위치에 배치하고, 용접하고자 하는 소재(11)를 마찰 요소 용접 장치(10)를 이용한 용접 위치로 공급해서 용접하도록 구성될 수 있다.
또는, 본 발명은 하우징(20)을 로봇의 암 선단에 설치해서 마찰 요소 용접 장치를 상하, 전후 및 좌우 방향 등으로 자유롭게 이동 및 회전시키면서 고정된 소재(11)를 용접하도록 구성될 수도 있다.
연장 프레임(21)은 하우징(20)의 일측에서 연결되고, 하방 및 전방으로 절곡 형성될 수 있다. 연장 프레임(21)의 선단에는 용접모듈(30)에 대응되는 백 플레이트(22)가 설치될 수 있다.
구동모듈(50)은 하우징(20)의 전측에 설치된 용접모듈(30)을 승강 동작시키고, 아래에서 설명할 용접모듈(30)의 슬리브(33)를 승강 동작 및 회전 동작시키는 기능을 한다.
이를 위해, 구동모듈(50)은 용접모듈(30)을 승강 동작시키도록 구동력을 발생하는 제1 구동모터, 슬리브(33)를 승강 동작시키도록 구동력을 발생하는 제2 구동모터 및 슬리브(33)와 용접 하드웨어(40)를 회전 동작시키도록 구동력을 발생하는 제3 구동모터를 포함할 수 있다.
다음, 도 4 내지 도 6을 참조해서 용접모듈 및 용접 하드웨어의 구성을 상세하게 설명한다.
도 4 및 도 5는 각각 용접모듈의 분해도와 단면도이고, 도 6은 도 4에 도시된 슬리브와 용접 하드웨어를 다른 각도에서 보인 사시도이다.
용접모듈(30)은 하우징(20)의 전단에 승강 동작 가능하게 설치되는 바디(31), 바디(31)의 하단부에 설치되는 클램프(32) 및 클램프(32)를 관통해서 승강 동작 및 회전 동작 가능하게 마련되는 슬리브(33)를 포함할 수 있다.
바디(31)는 하우징(20)의 전단에 설치된 레일을 따라 승강 동작 가능하게 결합될 수 있다. 상기 제1 구동모터와 바디(31) 사이에는 제1 구동모터에서 발생한 구동력을 이용해서 바디(31)를 승강 동작시키도록 동력을 전달하는 동력전달유닛이 마련될 수 있다.
예를 들어, 상기 동력전달유닛은 제1 구동모터에서 발생한 회전력을 바디(31)로 전달하는 회전축과 샤프트, 기어나 풀리, 벨트 등을 포함할 수 있다.
클램프(32)는 바디(31)의 하단부에 고정 설치되고, 클램프(32)를 관통해서 승강 동작 및 회전 동작하는 슬리브(33)를 가이드하는 기능을 한다.
이를 위해, 클램프(32)는 상면과 하면이 개구된 대략 원통 형상으로 형성되고, 클램프(32)의 외주면에는 바디(31)의 하단부에 고정되도록 플랜지(321)가 형성될 수 있다.
클램프(32)에는 슬리브(32)가 클램프(32)를 관통해서 승강 동작 및 회전 동작 가능하게 설치되는 공간이 형성되고, 상기 공간은 적어도 일부분이 슬리브(32)의 외경에 대응되거나 약간 큰 내경을 갖도록 형성될 수 있다.
이러한 클램프(32)는 바디(31)의 하강 동작에 의해 소재(11)의 용접면과 접촉되고, 소재(11)의 용접면을 가압해서 고정할 수 있다.
슬리브(33)는 하강 동작에 의해 바디(31) 내부로 공급된 용접 하드웨어(40)와 결합되고, 용접 하드웨어(40)가 소재(11)의 용접면에 접촉된 상태에서 회전 동작 및 하강 동작에 의해 용접 하드웨어(40)를 하방으로 가압하고 회전시키는 기능을 한다.
이를 위해, 슬리브(33)는 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 슬리브(33)의 하면에는 용접 하드웨어(40)의 결합부(42)가 결합되는 결합공간이 형성될 수 있다.
여기서, 슬리브(33)의 결합공간에는 용접 하드웨어(40)의 결합부(42) 상면에 형성된 복수의 결합홈(43)에 결합되도록, 복수의 결합돌부(331)가 하방을 향해 돌출 형성될 수 있다.
이러한 슬리브(33)는 상기 제2 구동모터에서 발생한 구동력을 전달받아 승강 동작하고, 상기 제3 구동모터에서 발생한 구동력에 의해 회전 동작할 수 있다.
이를 위해, 제2 구동모터와 슬리브(33) 사이에는 제2 구동모터에서 발생한 구동력을 이용해서 슬리브(33)를 승강 동작시키도록 동력을 전달하는 동력전달유닛이 마련될 수 있다.
그리고 제3 구동모터와 슬리브(33) 사이에는 제3 구동모터에서 발생한 구동력을 이용해서 슬리브(33)를 회전 동작시키도록 동력을 전달하는 동력전달유닛이 마련될 수 있다.
용접 하드웨어(40)는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 볼트 형상과 유사하게 바디부(41)와 바디부(41)의 상단에 마련되고 슬리브(33)의 하단에 결합되는 결합부(42)를 포함할 수 있다.
바디부(41)는 소재(11)의 접합면에 접촉된 상태에서 슬리브(33)의 회전 및 하강 동작에 의해 상부 소재(12)를 관통하고, 마찰열을 발생해서 소재의 용접 부위를 소성화(plastification)하여 교반시킴으로써, 상부(12) 및 하부 소재(13)와 접합될 수 있다.
이러한 바디부(41)는 대략 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
바디부(41)는 소재(11)와의 마찰에 의해 마찰열을 발생하는 부분으로, 바디부(41)의 하단부 또는 하면은 하방을 향해 볼록하게 형성되고, 열처리 및 코팅 처리를 통해 높은 강성, 내구성, 내열성을 갖도록 제조될 수 있다.
결합부(42)는 바디부(41)의 상단에 대략 반구 형상이나 원판, 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 결합부(42)의 상면에는 슬리브(331)로부터 회전력을 전달받을 수 있도록, 슬리브(33)의 결합돌부(331)가 결합되어 결합홈(421)이 형성될 수 있다.
결합홈(421)은 결합부(42)의 상면 중앙에서 방사상으로 복수 개가 형성될 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 결합홈(421)의 형상이나 개수, 배치되는 위치 등은 다양하게 변경할 수 있다.
다시 도 1 내지 도 3에서, 공급모듈(60)은 내부에 복수의 용접 하드웨어(40)가 저장되는 공간이 마련되고, 공기압이나 유압 등을 이용해서 용접 하드웨어(40)를 하나씩 순차적으로 용접모듈(30) 측으로 공급할 수 있다.
여기서, 용접모듈(30)의 바디(31) 일측에는 용접 하드웨어(40)가 공급되는 공급파이프(61)의 일단이 연결될 수 있다. 바디(31) 내부로 공급된 용접 하드웨어(40)는 클램프(32) 상부에 안착된 상태에서 슬리브(33)의 하강 동작에 의해 슬리브(33) 하단에 결합될 수 있다.
이를 위해, 바디(31)에는 내부로 공급된 용접 하드웨어(40)를 일시적으로 고정해서 클램프(32)를 통해 하방으로 낙하하는 것을 방지하도록, 고정부재(도면 미도시)가 신축 동작 가능하게 마련될 수 있다.
예를 들어, 상기 고정부재는 바디(31) 내부에서 신장 동작에 의해 바디(31) 내부로 공급된 용접 하드웨어(40)를 일시적으로 고정하고, 슬리브(33)와 용접 하드웨어(40)가 결합되면 슬리브(33)와 용접 하드웨어(40)가 클램프(32)를 관통해서 하방으로 이동 가능하도록, 수축 동작할 수 있다.
제어부(70)는 마찰 요소 용접 장치(10)에 마련된 각 장치의 구동을 제어하는 중앙제어유닛으로 마련될 수 있다.
즉, 제어부(70)는 전원공급부(도면 미도시)를 통해 전원을 공급받아 구동되고, 구동모듈(50)에 마련된 제1 내지 제3 구동모터 및 공급모듈(60)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생할 수 있다.
이를 위해, 제어부(70)는 서로 겹쳐진 이종 소재(11)를 접합하기 위한 각각의 공정을 순차적으로 제어하도록, 내부에 마련된 메모리(도면 미도시)에 구동 프로그램을 저장하고, 전원 스위치가 온 조작되면 상기 구동 프로그램을 로딩해서 실행시켜 각 공정을 수행하도록 제어할 수 있다.
그리고 제어부(70)는 비상 정지 모듈(80)로부터 상기 비상 정지 신호가 수신되면, 각 장치의 구동을 비상 정지시키도록 제어할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 용접모듈을 구동해서 용접 하드웨어를 회전 및 하강 동작시켜 마찰 요소 용접을 수행하여 마찰 교반을 통해 서로 겹쳐진 이종 소재를 견고하게 접합할 수 있다.
다음, 도 7을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치의 용접 방법을 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 방법을 단계별로 설명하는 동작 상태도이다.
도 7의 (a) 내지 (d)에는 각각 용접모듈 및 용접 하드웨어의 각 공정별 동작 상태가 도시되어 있고, 도 7의 (e) 및 (f)에는 용접 하드웨어와 소재가 접합된 상태가 예시되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, (a) 용접모듈(30)을 하강 동작시켜 소재(11)의 용접면에 클램프(32)를 접촉시키고 소재(11)를 하방으로 가압해서 고정하는 단계, (b) 하단부에 용접 하드웨어(40)가 결합된 슬리브(33)를 하강 동작시켜 용접 하드웨어(40)를 소재(11)의 용접면에 접촉시킨 상태에서 슬리브(33)와 용접 하드웨어(40)를 회전 및 하강 동작시켜 상부 소재(12)를 관통하는 단계, (c) 용접 하드웨어(40)와 하부 소재(13)의 마찰에 의해 마찰열을 발생시켜 마찰 교반에 의해 용접 하드웨어(40)와 상부 및 하부 소재(12,13)를 접합하는 단계 및 (d) 슬리브(33)와 클램프(32)를 상방으로 이동시켜 초기 위치로 복귀시킨 후 접합 사이클을 종료하는 단계를 포함한다.
상세하게 설명하면, 상기 (a)단계에서 용접모듈(30)의 바디(31)는 구동모듈(50)에 마련된 제1 구동모터의 구동력을 전달받아 하강 동작한다. 그러면, 바디(31)의 하단에 결합된 클램프(32)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 소재(11)의 용접면에 접촉되고, 서로 겹쳐진 복수의 소재(12,13)는 클램프(32)와 연장 프레임(21)의 백 플레이트(22) 사이에 고정된다.
이때, 공급모듈(60)은 공급파이프(61)를 통해 하나의 용접 하드웨어(40)를 바디(31)로 공급하고, 바디(31) 내부로 공급된 용접 하드웨어(40)는 슬리브(33)의 하부에 배치된다.
그러면, 슬리브(33)는 제2 구동모터의 구동력을 전달받아 하강 동작하고, 용접 하드웨어(40)는 슬리브(33)의 하단부에 결합된다.
상기 (b)단계에서 슬리브(33)와 용접 하드웨어(40)는 클램프(32)를 관통해서 하강 동작하고, 용접 하드웨어(40)는 바디부(41)의 하단이 소재(11)의 용접면에 접촉된 상태에서 제2 및 제3 구동모터의 구동력을 전달받은 슬리브(33)의 하강 및 회전 동작에 의해 회전 및 하강해서 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상부 소재(12)를 관통한다.
상기 (c)단계에서 용접 하드웨어(40)는 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 하부 소재(13)와의 마찰에 의해 마찰열을 발생시켜 마찰 교반에 의해 상부 및 하부 소재(12,13)와 접합된다.
즉, 상부 및 하부 소재(12,13)와 용접 하드웨어(40)에서 발생한 마찰열에 의해 마찰 교반된 일부 소재(11)는 도 7의 (e) 및 (f)에 도시된 바와 같이, 용접 하드웨어(40)와 상부 및 하부 소재(12,13)를 견고하게 접합된다.
상기 (d)단계에서 구동모듈(50)은 슬리브(33)와 클램프(32)를 각각 상방을 향해 순차적으로 이동시켜 미리 설정된 초기 위치로 복귀시키고, 1개의 용접 하드웨어(40)를 이용한 접합 사이클이 종료된다.
이후, 제어부(70)는 용접모듈(30)을 용접하고자 하는 다음 용접위치로 이동시키거나 소재(11)를 이동시킨 후, 다음 상기한 (a) 내지 (d)단계를 순차적으로 반복 수행하도록 구동모듈(50) 및 공급모듈(60)의 구동을 제어한다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 용접모듈을 구동해서 용접 하드웨어를 회전 및 하강 동작시켜 마찰 교반을 통해 서로 겹쳐진 이종 소재를 견고하게 접합할 수 있다.
그리고 본 발명은 용접 과정에서 소재의 용접부위를 부분적으로 마찰 교반함에 따라, 서로 겹쳐진 이종 소재 뒷면의 손상 없이 접합할 수 있다.
또, 본 발명은 용접 하드웨어를 이용해서 이종 소재를 접함함에 따라, 용접 부위의 강성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기의 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치(10)는 용접 가능한 소재(11)의 규격, 즉 두께와 폭이 용접모듈(30)과 백 플레이트(22) 사이의 높이와 연장 프레임(21) 하단부의 길이로 제한될 수 있다.
따라서 본 발명은 하우징(20)의 일측에 마련되는 연장 프레임(21)을 제거하고, 로봇의 암에 하우징(20)을 연결해서 다양한 규격의 소재(11)를 용접하도록 변경될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치의 구성도이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 마찰 요소 용접 장치(10)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기의 도 1을 참조해서 설명한 구성과 동일하고, 다만 연장 프레임(21)을 제거한 상태에서 하우징(20)을 로봇(90)의 암(91)에 연결해서 다양한 방향 및 위치로 이동 가능하게 마련된다.
이와 같이, 본 발명은 하우징의 일측에 마련되는 연장 프레임을 제거하고, 로봇의 암에 하우징을 연결해서 자유도를 높임으로써, 소재를 용접할 수 있는 규격 제한을 없앨 수 있다.
또한, 본 발명은 용접 하드웨어를 구동하는 구동모듈의 구성을 간단하게 하고, 구동모듈의 자유도를 높여 다양한 형상 및 크기의 소재를 정밀하게 접합할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 소재와 접촉된 용접 하드웨어를 회전시켜 발생하는 열을 이용해서 서로 겹쳐진 이종 소재를 교반하여 접합하는 마찰 요소 용접 장치 및 방법 기술에 적용된다.
10: 마찰 요소 용접 장치
11: 소재 12,13: 상부, 하부 소재
20: 하우징 21: 연장 프레임
22: 백 플레이트
30: 용접모듈 31: 바디
32: 클램프 321: 플랜지
33: 슬리브 331: 결합돌부
40: 용접 하드웨어
41: 바디부 42: 결합부
43: 결합홈
50: 구동모듈
60: 공급모듈 61: 공급파이프
70: 제어부
80: 비상 정지 모듈
90: 로봇 91: 암

Claims (6)

  1. 외형을 형성하는 하우징,
    상기 하우징에 회전 및 승강 동작 가능하게 마련되는 용접모듈,
    상기 용접모듈에 의해 회전 및 승강 동작해서 마찰열을 이용해서 서로 겹쳐진 이종 소재를 접합하는 용접 하드웨어 및
    상기 용접모듈을 승강 동작 및 회전 동작하도록 구동하는 구동모듈을 포함하고,
    상기 용접 하드웨어의 회전 및 하강 동작에 의해 서로 겹쳐진 이종 소재를 마찰 교반해서 접합하는 것을 특징으로 하는 마찰 요소 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접모듈에 상기 용접 하드웨어를 하나씩 순차적으로 공급하는 공급하는 공급모듈,
    상기 구동모듈과 공급모듈의 구동을 제어하는 제어부 및
    작업자로부터 비상 정지 조작을 입력받는 비상 정지 모듈을 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 비상 정지 모듈로부터 비상 정지 신호가 수신되면, 각 장치의 구동을 비상 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰 요소 용접 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용접모듈은 상기 하우징의 전단에 승강 동작 가능하게 설치되는 바디,
    상기 바디의 하단부에 설치되는 클램프 및
    상기 클램프를 관통해서 승강 동작 및 회전 동작 가능하게 마련되는 슬리브를 포함하고,
    상기 용접 하드웨어는 상기 슬리브의 하단부에 결합되어 상기 슬리브의 하강 동작 및 회전 동작에 의해 소재를 마찰 교반하여 접합되는 것을 특징으로 하는 마찰 요소 용접 장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바디의 일측에는 상기 공급모듈과 연결된 공급파이프의 일단이 연결되고,
    상기 바디에는 내부로 공급된 상기 용접 하드웨어를 일시적으로 고정해서 상기 클램프를 통해 하방으로 낙하하는 것을 방지하도록, 신축 동작 가능하게 고정부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 마찰 요소 용접 장치.
  5. 제항3에 있어서,
    상기 용접 하드웨어는 소재와 접촉된 상태에서 회전 및 하강 동작에 의해 소재를 마찰 교반하여 접합되는 바디부와,
    상기 바디부의 상단에 마련되고 상기 슬리브의 하단에 결합되는 결합부를 포함하고,
    상기 결합부의 상면에는 상기 슬리브의 하단에 형성된 결합돌부가 결합되는 결합홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 요소 용접 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 마찰 요소 용접 장치를 이용한 마찰 요소 용접 방법에 있어서,
    (a) 용접모듈을 하강 동작시켜 서로 겹쳐진 이종 소재의 용접면에 클램프를 접촉시키고 소재를 하방으로 가압해서 고정하는 단계,
    (b) 하단부에 용접 하드웨어가 결합된 슬리브를 하강 동작시켜 상기 용접 하드웨어를 소재의 용접면에 접촉시킨 상태에서 상기 슬리브와 용접 하드웨어를 회전 및 하강 동작시켜 상부 소재를 관통하는 단계,
    (c) 상기 용접 하드웨어와 하부 소재의 마찰에 의해 마찰열을 발생시켜 마찰 교반에 의해 상기 용접 하드웨어와 상기 상부 소재 및 하부 소재를 접합하는 단계 및
    (d) 상기 슬리브와 클램프를 상방으로 이동시켜 초기 위치로 복귀시킨 후 접합 사이클을 종료하는 단계를 포함하고,
    상기 용접 하드웨어의 회전 및 하강 동작에 의해 서로 겹쳐진 이종 소재를 마찰 교반해서 접합하는 것을 특징으로 하는 마찰 요소 용접 방법.
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