KR20240010211A - 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치 - Google Patents
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Abstract
내열성 및 내구성이 개선되도록, 본 발명은 접합대상판재의 마찰교반 용접을 위한 회전구동수단에 상부가 연결되되, 하단부에 착탈체결홈이 상향 함몰 형성되는 회전몸체부; 상기 착탈체결홈에 선택적으로 삽입되어 착탈식으로 체결되도록 상부에 착탈결합부가 상향 돌출되고, 하단부로 갈수록 단면이 테이퍼지게 협소화되며 형성되며, 하단부에 툴삽입홈이 상향 함몰 형성되며, 상기 툴삽입홀에 내측단이 수직으로 연통되고 외측단이 외면으로 연통된 핀고정홀이 관통 형성된 착탈홀더부; 및 상기 툴삽입홈에 상부가 관통 삽입되며 상기 핀고정홀에 삽입되는 고정핀을 통해 고정 결합되되, 하단부가 상기 툴삽입홈의 하측으로 돌출되는 마찰용접툴을 포함하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내열성 및 내구성이 개선되는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 용접은 금속 이음 방법의 하나로써 조선, 자동차 분야 등 넓은 영역에서 사용되고 있다.
이때, 마찰교반용접은 금속으로 구비된 판재의 끝단을 다른 판재의 일면에 용접하거나 두판의 끝을 상호 용접하는 버트 접합 혹은 두 판재를 겹치고 겹쳐진 부분을 용접하는 중합 접합으로 분류될 수 있으며, 금속의 접합 부분에 마찰회전도구를 설치하고 마찰회전도구 및 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의해 분할된 금속을 접합하게 된다.
여기서, 마찰교반용접을 위한 마찰교반용접장치는 금속 모재보다 경도가 우수한 재질로 이루어지는 마찰회전도구와, 상기 마찰회전도구를 회전시키는 구동부재를 포함하며, 상기 구동부재는 분할된 금속의 접합부에 배치된 마찰회전도구를 회전시키되, 회전되는 마찰회전도구를 금속 모재의 접합부를 따라 이송하게 된다.
이때, 상기 마찰회전도구와 상기 접합부 사이에 발생된 마찰열과 마찰회전도구가 가하는 회전력에 의해 가소화된 접합부에 소성 유동이 발생되고, 소성 유동을 통한 각 금속 모재간의 교반 작용으로 고상 접합이 이루어지게 된다.
그러나, 종래의 마찰회전도구는 마찰열이 고온으로 지속됨에 따라 마찰회전도구나 용융되거나 마모되는데, 신품의 마찰회전도구 교체시 비용융 및 비마모 영역을 포함하는 마찰회전도구 전체가 교체되어야 하여 교체비용이 증가되며 경제성이 저하되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 내열성 및 내구성이 개선되는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 접합대상판재의 마찰교반 용접을 위한 회전구동수단에 상부가 연결되되, 하단부에 착탈체결홈이 상향 함몰 형성되는 회전몸체부; 상기 착탈체결홈에 선택적으로 삽입되어 착탈식으로 체결되도록 상부에 착탈결합부가 상향 돌출되고, 하단부로 갈수록 단면이 테이퍼지게 협소화되며 형성되며, 하단부에 툴삽입홈이 상향 함몰 형성되며, 상기 툴삽입홀에 내측단이 수직으로 연통되고 외측단이 외면으로 연통된 핀고정홀이 관통 형성된 착탈홀더부; 및 상기 툴삽입홈에 상부가 관통 삽입되며 상기 핀고정홀에 삽입되는 고정핀을 통해 고정 결합되되, 하단부가 상기 툴삽입홈의 하측으로 돌출되는 마찰용접툴을 포함하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 제공한다.
상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 마찰용접툴을 통한 마찰교반 용접시 회전몸체부에 착탈식으로 체결된 착탈홀더부가 열전도에 의해 열변형 또는 용융 및 마모되면 착탈홀더부를 분리하여 새로운 착탈홀더부로의 교체를 통해 비용융 및 비마모 상태로 유지되는 회전몸체부를 반영구적으로 사용가능하므로 경제성이 현저히 개선될 수 있다.
둘째, 착탈홀더부는 마찰용접툴보다 낮은 경도를 갖되 높은 내충격성을 갖는 재질로 형성되되, 착탈홀더부 및 마찰용접툴이 이종의 금속 분말이 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비됨에 따라 마찰교반 회전시 착탈홀더부 및 마찰용접툴 사이에서 발생하는 응력이 흡수되어 저감되므로 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
셋째, 착탈홀더부는 코발트 10~22중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성되고, 마찰용접툴은 코발트 6~18중량%, 크롬 카바이드 0.05~1.0중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성되므로 용접 입열에 의한 열변형 속도가 낮아져 내열성이 현저히 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 내부가 투영된 측면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 나타낸 분해도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 응력 분포를 나타낸 예시도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 응력 분포를 나타낸 예시도.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 착탈홀더부의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 마찰용접툴의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 마찰용접툴의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 마찰계수를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 온도에 따른 경도를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 나타낸 분해도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 응력 분포를 나타낸 예시도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 응력 분포를 나타낸 예시도.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 착탈홀더부의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 마찰용접툴의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 마찰용접툴의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 마찰계수를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 온도에 따른 경도를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 내부가 투영된 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치를 나타낸 분해도이다.
도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치(100)는 회전몸체부(10), 핀홀더부(20) 및 마찰용접툴(30)을 포함한다.
여기서, 상기 회전몸체부(10)는 한쌍의 접합대상판재(미도시)의 마찰교반 용접을 위한 회전구동수단(1)에 상부가 연결되어 구비되되, 하단부 중앙에 착탈체결홈(11)이 상향 함몰 형성됨이 바람직하다.
이때, 상기 회전구동수단(1)은 상기 회전몸체부(10), 상기 핀홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)이 상기 접합대상판재(미도시)와의 정렬을 위해 이동되도록 구동되거나, 상기 회전몸체부(10), 상기 핀홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)이 상기 접합대상판재(미도시)에 마찰교반 용접되도록 회전 구동되는 장치를 의미한다.
그리고, 상기 회전몸체부(10)는 상부에 상기 회전구동수단(1)과의 결합을 위한 장착부가 형성될 수 있다. 또한, 상기 회전몸체부(10)는 하부가 하단부로 갈수록 단면이 테이퍼지게 협소화되며 형성될 수 있으며, 하단부가 평면으로 형성되되 상기 회전몸체부(10)의 하단부 중앙에 상기 착탈체결홈(11)이 상향 함몰 형성됨이 바람직하다. 이때, 상기 착탈체결홈(11)의 내주에 나사산이 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 회전몸체부(10)에는 하부 외면에 원주방향을 따라 반경방향 내측으로 적어도 하나 이상의 제1방열홈(12)이 함몰 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1방열홈(12)이 복수개 형성되는 경우 각 상기 제1방열홈(12)이 상기 회전몸체부(10)의 하부 외면에 상기 회전몸체부(10)의 길이방향, 즉 상하방향을 따라 상호 이격되며 형성될 수 있다.
또한, 각 상기 제1방열홈(12)은 기설정된 곡률반경을 갖도록 'U'자 형상으로 오목한 형태로 라운드지게 함몰 형성될 수 있으며, 라운드지게 함몰 형성되어 표면적이 증가됨에 따라 마찰교반 용접시 상기 회전몸체부(10)에 발생하는 발열의 냉각속도가 개선될 수 있다.
한편, 상기 착탈홀더부(20)는 상기 착탈체결홈(11)에 선택적으로 삽입되어 착탈식으로 체결되도록 상면이 평탄면으로 형성되되 상부 중앙에 착탈결합부(21)가 상향 돌출되고, 하단부로 갈수록 단면이 테이퍼지게 협소화되며 형성됨이 바람직하다.
이때, 상기 착탈결합부(21)는 상기 착탈체결홈(11)의 윤곽에 대응되는 외면 윤곽을 갖도록 형성될 수 있으며, 외주에 나사산이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 착탈결합부(21)가 상기 착탈체결홈(11)에 삽입되어 나사 체결됨에 따라 상기 착탈홀더부(20)가 상기 회전몸체부(10)에 결합될 수 있다.
여기서, 상기 착탈홀더부(20)가 마찰교반 용접 후 열전도에 의해 용융, 마모 및 손상되는 경우 상기 회전몸체부(10)로부터 상기 착탈홀더부(20)를 분리하여 새로운 착탈홀더부(20)로 교체할 수 있어 상기 회전몸체부(10)의 교체 없이 상기 회전몸체부(10)를 반영구적으로 사용가능하므로 경제성이 개선될 수 있다. 즉, 상기 회전몸체부(10)가 비용융 및 비마모 상태로 유지될 수 있다.
그리고, 상기 착탈홀더부(20)는 상면이 평탄면으로 형성되되 하단부로 갈수록 단면이 테이퍼지게 협소화되며 형성됨이 바람직하며, 상단부 외경이 상기 회전몸체부(10)의 하단부 외경에 대응되어 설정될 수 있다. 즉, 상기 착탈홀더부(20)가 상기 회전몸체부(10)에 결합되면 상기 회전몸체부(10)의 하단부의 외면과 상기 착탈홀더부(20)의 상단부 외면이 연속적인 외면 윤곽으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 착탈홀더부(20)는 상기 상기 회전몸체부(10)보다 높은 경도를 갖는 재질로 구비될 수 있다. 상세한 설명은 후술된다.
한편, 상기 착탈홀더부(20)는 하면이 평탄면으로 형성되되 상기 마찰용접툴(30)이 삽입되도록 상기 마찰용접툴(30)의 외경에 대응되는 내경을 갖도록 상기 착탈홀더부(20)의 하단부 중앙으로부터 툴삽입홈(22)이 상향 함몰 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 착탈홀더부(20)에는 상기 툴삽입홈(22)에 내측단이 수직으로 연통되고 외측단이 외면으로 연통된 핀고정홀(23)이 관통 형성됨이 바람직하다. 이때, 본 발명의 일실시예에서 상기 핀고정홀(23)은 외측단이 상기 착탈홀더부(20)의 상부 외면에 연통되어 상기 툴삽입홈(22)의 함몰 방향과 수직인 방향으로 관통되어 내측단이 상기 툴삽입홈(22)의 내주면 일측에 연통되는 경우를 예로써 도시 및 설명한다.
더욱이, 상기 착탈홀더부(20)에는 상기 핀고정홀(23)으로부터 이격된 하부 외면에 원주방향을 따라 반경방향 내측으로 적어도 하나 이상의 제2방열홈(24)이 함몰 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제2방열홈(24)이 복수개 형성되는 경우 각 상기 제2방열홈(24)이 상기 착탈홀더부(20)의 하부 외면에 상기 착탈홀더부(20)의 길이방향, 즉 상하방향을 따라 상호 이격되며 형성될 수 있다.
또한, 각 상기 제2방열홈(24)은 기설정된 곡률반경을 갖도록 'U'자 형상으로 오목한 형태로 라운드지게 함몰 형성될 수 있으며, 라운드지게 함몰 형성되어 표면적이 증가됨에 따라 마찰교반 용접시 상기 착탈홀더부(20)에 발생하는 발열의 냉각속도가 개선될 수 있다.
한편, 상기 마찰용접툴(30)은 상기 툴삽입홈(22)의 함몰깊이를 초과하는 길이를 갖도록 연장 형성되되, 상기 툴삽입홈(22)에 상부가 관통 삽입되며 상기 핀고정홀(23)에 삽입되는 고정핀(40)을 통해 고정 결합됨이 바람직하다. 이때, 상기 마찰용접툴(30)은 원형 단면이 길이방향으로 연장되는 형태로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 마찰용접툴(30)의 상부 외주에는 상기 고정핀(40)의 단부가 가압 접촉되도록 평평하게 절삭된 디컷면(31)이 형성되어 상기 마찰용접툴(30)의 길이방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 디컷면(31)이 상기 핀고정홀(23)에 대향된 상태에서 상기 고정핀(40)이 상기 핀고정홀(23)의 외측에서 관통 삽입되고, 상기 고정핀(40)의 단부가 상기 디컷면(31)을 가압함에 따라 상기 마찰용접툴(30)이 상기 착탈홀더부(20)에 고정될 수 있다.
이때, 상기 고정핀(40)은 내열성이 우수한 금속 재질로서 구비될 수 있으며, 상기 착탈홀더부(20)와 동종재질로서 구비되거나, 상기 마찰용접툴(30)과 동종재질로서 구비될 수도 있다. 또한, 상기 고정핀(40)의 길이는 상기 핀고정홀(23)의 관통 길이에 대응되어 설정될 수 있다.
그리고, 상기 마찰용접툴(30)의 하단부는 상기 툴삽입홈(22)의 하측으로 돌출되어 노출 배치될 수 있으며, 상기 마찰용접툴(30)의 하단부에는 상기 접합대상판재(미도시)에 마찰교반 용접시 접촉되도록 접촉팁(32)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 회전몸체부(10)는 탄소(C) 1.40~1.60중량%, 규소(Si) 0.00~0.40중량%, 망간(Mn) 0.00~0.60중량%, 인(P) 0.00~0.03중량%, 황(S) 0.00~0.03중량%, 크롬(Cr) 11.00~13.00중량%, 몰리브데넘(Mo) 11.00~13.00중량%, 니켈(Ni) 0.80~1.20중량%, 바나듐(V) 0.20~0.50중량%를 포함하는 SKD11 재질로 구비될 수 있다.
| 탄소(C) | 규소(Si) | 망간(Mn) | 인(P) | 황(S) | 크롬(Cr) | 몰리브데넘(Mo) | 니켈(Ni) | 바나듐(V) |
| 1.40~1.60 | 0.00~0.40 | 0.00~0.60 | 0.00~0.03 | 0.00~0.03 | 11.00~13.00 | 11.00~13.00 | 0.80~1.20 | 0.20~0.50 |
표 1은 본 발명에 따른 회전몸체부(10)의 조성비를 나타낸 표이다. 이때, 상기 회전몸체부(10)는 SKD11 재질로 구비될 수 있으며, SKD11 재질이란 13 크롬의 스텐인리스강에 탄소가 첨가된 고탄소크롬 강으로, 내부식성 및 내마모성이 우수한 특성이 있다.
그리고, 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)은 이종의 금속 분말이 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비되되, 상기 착탈홀더부(20)는 상기 마찰용접툴(30)보다 낮은 경도를 갖되 높은 내충격성을 갖는 재질로 형성됨이 바람직하다.
이때, 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)은 이종의 금속 분말이 혼합 및 재분쇄되도록 알코올을 기반으로 볼밀 처리되어 몰드에 장입 및 진공 처리된 후 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일실시예에서 상기 착탈홀더부(20)는 텅스텐 카바이드(WC) 분말과 코발트 분말이 혼합 및 재분쇄되도록 알코올을 기반으로 볼밀 처리되어 몰드에 장입 및 진공 처리된 후 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 상기 마찰용접툴(30)은 텅스텐 카바이드 분말, 코발트 분말 및 크롬 카바이드(Cr3C2) 분말이 혼합 및 재분쇄되도록 알코올을 기반으로 볼밀 처리되어 몰드에 장입 및 진공 처리된 후 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비될 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 마찰용접툴(30)은 철 분말, 니켈 분말, 코발트 분말 및 탄질화티타늄(TiCN) 분말이 혼합 및 재분쇄되도록 알코올을 기반으로 볼밀 처리되어 몰드에 장입 및 진공 처리된 후 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비될 수 있다.
이때, 상기 이종의 금속분말은 텅스텐 카바이드 분말, 코발트 분말, 크롬 카바이드 분말, 철 분말, 니켈 분말 및 탄질화티타늄 분말을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)은 이종의 금속 분말이 혼합기를 통해 혼합 및 재분쇄되고, 알코올을 기반으로 볼밀 처리되어 몰드에 장입 및 진공 처리될 수 있다. 이어서, 고온, 예컨대 500~1500℃의 온도에서 가열 및 고속 소결됨에 따라 제조될 수 있다.
여기서, 텅스텐 카바이드 결정입자의 크기가 작을수록 경도와 강도가 증가되며, 텅스텐 카바이드 결정입자의 크기가 클수록 경도와 강도가 감소될 수 있다. 또한, 소결 후에도 미세한 텅스텐 카바이드 결정입자를 얻기 위해 결정입자 성장억제제로서 크롬 카바이드가 사용될 수 있다.
그리고, 합금에서 코발트의 함량이 낮을수록 경도, 내마모성이 증가되며, 합금에서 코발트의 함량이 높을수록 경도, 내마모성 감소될 수 있다. 또한, 코발트의 함량이 높을수록 인성이 증가되며, 코발트의 함량이 낮을수록 인성이 감소될 수 있다.
또한, 코발트 분말, 크롬 카바이드 분말, 철 분말, 니켈 분말은 텅스텐 카바이드 분말 및/또는 탄질화티타늄 분말과의 혼합시 바인더(binder)로서 혼합될 수 있다.
상세히, 본 발명의 일실시예에서 상기 착탈홀더부(20)는 1.5~3.5㎛의 입도를 갖는 코발트 10~22중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJUD50 합금으로 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 착탈홀더부(20)는 2.5~3.3㎛의 입도를 갖는 코발트 13~19중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJUD50 합금으로 구비될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 착탈홀더부(20)는 2.8~3.2㎛의 입도를 갖는 코발트 15~17중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJUD50 합금으로 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 마찰용접툴(30)은 0.5~2.5㎛의 입도를 갖는 코발트 6~18중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.05~1.0중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJUD20 합금으로 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 마찰용접툴(30)은 0.7~2.3㎛의 입도를 갖는 코발트 8~16중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.20~0.80중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJUD20 합금으로 구비될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 마찰용접툴(30)은 0.9~2.1㎛의 입도를 갖는 코발트 10~14중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.40~0.60중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJUD20 합금으로 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 마찰용접툴(30)은 1.5~4.0㎛의 입도를 갖는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 0.1~1.9중량%, 코발트 5~17중량%, 잔부가 탄질화티타늄(TiCN) 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJCT100 합금으로 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 마찰용접툴(30)은 1.8~3.7㎛의 입도를 갖는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 0.5~1.5중량%, 코발트 7~15중량%, 잔부가 탄질화티타늄(TiCN) 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJCT100 합금으로 구비될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 마찰용접툴(30)은 2.0~3.5㎛의 입도를 갖는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 0.8~1.2중량%, 코발트 9~13중량%, 잔부가 탄질화티타늄(TiCN) 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 YJCT100 합금으로 구비될 수 있다.
| 재종 | 입도(㎛) | 텅스텐 카바이드(WC,중량%) | 코발트(Co,중량%) | 크롬 카바이드(Cr3C2,중량%) | 탄질화티타늄(TiCN,중량%) | 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이들의 혼합물(중량%) |
| YJUD50 | 3.0 | 84 | 16 | |||
| YJUD20 | 2.0 | 87.5 | 12 | 0.5 | ||
| YJCT100 | 2.0 | 11 | 88 | 1.0 |
표 2는 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따라 제조된 착탈홀더부(20) 및 마찰용접툴(30)의 조성비를 나타낸 예시표이다.
예컨대, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 착탈홀더부(20)는 3.0㎛의 입도를 갖는 코발트 16중량%, 텅스텐 카바이드 84중량%로 구성된 YJUD50 합금으로 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 마찰용접툴(30)은 2.0㎛의 입도를 갖는 코발트 12중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.50중량%, 텅스텐 카바이드 87.5중량%로 구성된 YJUD20 합금으로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 마찰용접툴(30)은 2.0㎛의 입도를 갖는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 1.0중량%, 코발트 11중량%, 탄질화티타늄(TiCN) 88중량%로 구성된 YJCT100 합금으로 구비될 수 있다.
| 재종 | 비중(g/cm2) | 경도(HRA) | 경도(Hv) | 항절력(Kgf/mm2) | 내마모성(g) |
| JUD50 | 13.903 | 86.9 | 1148 | 284 | 0.0028 |
| JUD20 | 14.205 | 89.9 | 1489 | 237 | 0.0022 |
| JCT100 | 5.8 | 85.6 | 940 | 220 | - |
표 3은 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따라 제조된 착탈홀더부(20) 및 마찰용접툴(30)의 물성치를 나타낸 예시표이다.
예컨대, 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD50 합금으로 구비된 상기 착탈홀더부(20)는 비중 13.903g/cm2, 경도 86.9HRA 및 1148Hv, 항절력 284Kgf/mm2, 내마모성 0.028g을 갖도록 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD20 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30)은 비중 14.205g/cm2, 경도 89.9HRA 및 1489Hv, 항절력 237Kgf/mm2, 내마모성 0.0022g을 갖도록 제조될 수 있다.
여기서, YJUD50 합금으로 구비된 상기 착탈홀더부(20)의 항절력 및 내마모성이 YJUD20 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30) 보다 높은 것으로 나타났다. 또한, YJUD50 합금으로 구비된 상기 착탈홀더부(20)의 인성이 YJUD20 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30) 보다 더 높은 특성을 가진다. 그리고, YJUD20 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30)의 비중 및 경도가 YJUD50 합금으로 구비된 상기 착탈홀더부(20) 보다 높은 것으로 나타났다. 즉, 본 발명의 일실시예에서 상기 착탈홀더부(20)는 상기 마찰용접툴(30)보다 낮은 경도를 갖되 높은 항절력 및 내충격성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
이때, 합금에 크롬 카바이드가 첨가됨에 따라 비중 및 경도가 상대적으로 증가되며, 크롬 카바이드의 미첨가시 비중 및 경도가 상대적으로 감소되되 항절력 및 내충격성이 개선될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD50 합금으로 구비된 상기 착탈홀더부(20) 및 YJUD20 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30)은 SKD11 재질로 구비된 상기 회전몸체부(10)보다 공통적으로 내열성이 우수한 특징을 가진다.
더불어, 본 발명의 다른 실시예에 따라 YJCT100 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30)은 비중 5.8g/cm2, 경도 85.6HRA 및 940Hv, 항절력 220Kgf/mm2을 갖도록 제조될 수 있다. 이를 통해, 상기 마찰용접툴(30)이 탄질화티탄 계열로 구비되어 경제적인 비용으로 제조되되 우수한 내열성 및 내충격성을 갖는 제품으로 제공될 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 응력 분포를 나타낸 예시도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 응력 분포를 나타낸 예시도이다.
이때, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 착탈홀더부(20)는 3.0㎛의 입도를 갖는 코발트 16중량%, 텅스텐 카바이드 84중량%로 구성된 YJUD50 합금으로 구비되며, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 마찰용접툴(30)은 2.0㎛의 입도를 갖는 코발트 12중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.50중량%, 텅스텐 카바이드 87.5중량%로 구성된 YJUD20 합금으로 구비된 경우를 예로써 설명한다.
그리고, 본 발명의 비교예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서, 착탈홀더부(20A) 및 마찰용접툴(30A)은 상호 동종재질로 구비되되, 3.0㎛의 입도를 갖는 코발트 16중량%, 텅스텐 카바이드 84중량%로 구성된 YJUD50 합금으로 구비된 경우를 예로써 설명한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)은 상호간 이종재질로 구비되며, 비교예에 따른 착탈홀더부 및 마찰용접툴은 상호간 동종재질로 구비됨으로 이해함이 바람직하다.
먼저, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)가 각각 YJUD50 및 YJUD20의 이종재질로 구비되는 경우, 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)에 응력을 가하는 응력테스트 결과, 최대 변위(3.5mm)에 도달했을 때 도 3a 및 도 3b와 같은 형태의 응력(von mises) 분포가 얻어졌으며, 이때 최대 응력은 0.322GPa으로 나타났다.
반면에, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서, 착탈홀더부(20A) 및 마찰용접툴(30A)이 YJUD50의 동종재질로 구비되는 경우, 착탈홀더부 및 마찰용접툴에 응력을 가하는 응력테스트 결과, 최대 변위(3.5mm)에 도달했을 때 도 4a 및 도 4b와 같은 형태의 응력 분포가 얻어졌으며, 이때 최대 응력은 0.854GPa으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)가 각각 YJUD50 및 YJUD20의 이종재질로 구비됨에 따라 동종재질로 구비된 경우에 비해 상대적으로 최대 응력이 낮아진다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에서 상기 착탈홀더부(20)는 상기 마찰용접툴(30)보다 낮은 경도를 갖되 높은 항절력 및 내충격성을 갖는 재질로 형성됨에 따라 상호 동종재질로 구비된 경우에 비해 가해지는 응력이 흡수됨에 따라 감소되어 구조적 안전성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 착탈홀더부의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 마찰용접툴의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도이며, 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치에서 마찰용접툴의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도이다.
이때, 도 5a는 코발트 16중량%, 텅스텐 카바이드 84중량%로 구성된 YJUD50 합금으로 구비된 상기 착탈홀더부(20)의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도로 이해함이 바람직하다.
그리고, 도 5b는 코발트 12중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.50중량%, 텅스텐 카바이드 87.5중량%로 구성된 YJUD20 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30)의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도로 이해함이 바람직하다.
또한, 도 5c는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 1.0중량%, 코발트 11중량%, 탄질화티타늄(TiCN) 88중량%로 구성된 YJCT100 합금으로 구비된 상기 마찰용접툴(30)의 미세조직 및 결정구조를 나타낸 예시도로 이해함이 바람직하다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 마찰계수를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치의 온도에 따른 경도를 나타낸 그래프이다.
여기서, YJCT100 합금은 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 1.0중량%, 코발트 11중량%, 탄질화티타늄(TiCN) 88중량%로 구성되며, YJUD20 합금은 코발트 12중량%, 크롬 카바이드(Cr3C2) 0.50중량%, 텅스텐 카바이드 87.5중량%로 구성되고, YJUD50 합금은 코발트 16중량%, 텅스텐 카바이드 84중량%로 구성되며, SKD11 합금은 탄소(C) 1.50중량%, 규소(Si) 0.20중량%, 망간(Mn) 0.30중량%, 인(P) 0.15중량%, 황(S) 0.15중량%, 크롬(Cr) 12.00중량%, 몰리브데넘(Mo) 12중량%, 니켈(Ni) 1.00중량%, 바나듐(V) 0.35중량%를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 도 6에서 보는 바와 같이, YJCT100 합금의 마찰계수는 0.5μ로 나타났으며, YJUD20 합금 및 YJUD50 합금의 마찰계수는 0.9μ로 나타났으며, SKD11 합금의 마찰계수는 1.8μ로 나타났다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD50 합금으로 제조된 상기 착탈홀더부(20) 및 YJUD20 합금으로 제조된 상기 마찰용접툴(30)의 마찰계수가 SKD11 합금으로 제조된 상기 회전몸체부(10)의 마찰계수보다 낮게 나타나 내열성이 상대적으로 더 우수한 것으로 나타났다.
더욱이, 본 발명의 다른 실시예에 따라 YJCT100 합금으로 제조된 상기 마찰용접툴(30)의 마찰계수가 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD50 합금으로 제조된 상기 착탈홀더부(20) 및 YJUD20 합금으로 제조된 상기 마찰용접툴(30)의 마찰계수보다 낮게 나타나 내열성이 상대적으로 더욱 우수한 것으로 나타났다.
한편, 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD50 합금으로 제조된 상기 착탈홀더부(20) 및 YJUD20 합금으로 제조된 상기 마찰용접툴(30)의 온도 변화에 따른 비커스 경도(Hv)값이 SKD11 합금으로 제조된 상기 회전몸체부(10)의 온도 변화에 따른 비커스 경도(Hv)값 보다 높게 나타났다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따라 YJCT100 합금으로 제조된 상기 마찰용접툴(30)의 온도 변화에 따른 비커스 경도(Hv)값이 SKD11 합금으로 제조된 상기 회전몸체부(10)의 온도 변화에 따른 비커스 경도(Hv)값 보다 높게 나타났으며, 본 발명의 일실시예에 따라 YJUD50 합금으로 제조된 상기 착탈홀더부(20) 및 YJUD20 합금으로 제조된 상기 마찰용접툴(30)의 온도 변화에 따른 비커스 경도(Hv)값 보다는 낮게 나타났다.
이처럼, 본 발명은 상기 마찰용접툴(30)을 통한 마찰교반 용접시 상기 회전몸체부(10)에 착탈식으로 체결된 상기 착탈홀더부(20)가 열전도에 의해 열변형 또는 용융 및 마모되면 분리하여 새로운 착탈홀더부(20)로 교체할 수 있어 상기 회전몸체부(10)의 교체 없이 비용융 및 비마모 상태로 유지되는 상기 회전몸체부(10)를 반영구적으로 사용가능하므로 경제성이 현저히 개선될 수 있다.
또한, 상기 착탈홀더부(20)는 상기 마찰용접툴(30)보다 낮은 경도를 갖되 높은 내충격성을 갖는 재질로 형성되되, 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30)이 이종의 금속 분말이 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비됨에 따라 마찰교반 회전시 상기 착탈홀더부(20) 및 상기 마찰용접툴(30) 사이에서 발생하는 응력 및 진동이 저감되어 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
그리고, 상기 착탈홀더부(20)는 1.5~3.5㎛의 입도를 갖는 코발트 10~22중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금으로 구비되고, 상기 마찰용접툴(30)은 0.5~2.5㎛의 입도를 갖는 코발트 6~18중량%, 크롬 카바이드 0.05~1.0중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금으로 구비됨에 따라 용접 입열에 의한 열변형 속도가 낮아져 내열성이 현저히 개선될 수 있다.
또한, 경우에 따라, 상기 마찰용접툴(30)은 1.5~4.0㎛의 입도를 갖는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 0.1~1.9중량%, 코발트 5~17중량%, 잔부가 탄질화티타늄 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금으로 구비됨에 따라 경제적인 비용으로 우수한 내열성을 갖는 제품을 제공할 수 있다.
이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.
10: 회전몸체부
11: 착탈체결홈
12: 제1방열홈 20: 핀홀더부
21: 착탈결합부 22: 툴삽입홈
23: 핀고정홀 24: 제2방열홈
30: 마찰용접툴 31: 디컷면
32: 접촉팁 40: 고정핀
100: 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치
12: 제1방열홈 20: 핀홀더부
21: 착탈결합부 22: 툴삽입홈
23: 핀고정홀 24: 제2방열홈
30: 마찰용접툴 31: 디컷면
32: 접촉팁 40: 고정핀
100: 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치
Claims (5)
- 접합대상판재의 마찰교반 용접을 위한 회전구동수단에 상부가 연결되되, 하단부에 착탈체결홈이 상향 함몰 형성되는 회전몸체부;
상기 착탈체결홈에 선택적으로 삽입되어 착탈식으로 체결되도록 상부에 착탈결합부가 상향 돌출되고, 하단부로 갈수록 단면이 테이퍼지게 협소화되며 형성되며, 하단부에 툴삽입홈이 상향 함몰 형성되며, 상기 툴삽입홀에 내측단이 수직으로 연통되고 외측단이 외면으로 연통된 핀고정홀이 관통 형성된 착탈홀더부; 및
상기 툴삽입홈에 상부가 관통 삽입되며 상기 핀고정홀에 삽입되는 고정핀을 통해 고정 결합되되, 하단부가 상기 툴삽입홈의 하측으로 돌출되는 마찰용접툴을 포함하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 착탈홀더부 및 상기 마찰용접툴은 이종의 금속 분말이 가열 및 고속 소결된 합금 재질로서 구비되되,
상기 착탈홀더부는 상기 마찰용접툴보다 낮은 경도를 갖되 높은 내충격성을 갖는 재질로 형성됨을 특징으로 하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 착탈홀더부는 1.5~3.5㎛의 입도를 갖는 코발트 10~22중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금으로 구비됨을 특징으로 하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 마찰용접툴은 0.5~2.5㎛의 입도를 갖는 코발트 6~18중량%, 크롬 카바이드 0.05~1.0중량%, 잔부가 텅스텐 카바이드 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금으로 구비됨을 특징으로 하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 마찰용접툴은 1.5~4.0㎛의 입도를 갖는 철, 니켈 및 이들의 혼합물에서 선택된 군 0.1~1.9중량%, 코발트 5~17중량%, 잔부가 탄질화티타늄 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 합금으로 구비됨을 특징으로 하는 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220087451A KR20240010211A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220087451A KR20240010211A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240010211A true KR20240010211A (ko) | 2024-01-23 |
Family
ID=89713970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220087451A KR20240010211A (ko) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 마찰교반 용접용 툴 및 홀더 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240010211A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101756280B1 (ko) | 2016-02-23 | 2017-07-10 | 주식회사 영진텍 | 마찰교반용접장치 |
-
2022
- 2022-07-15 KR KR1020220087451A patent/KR20240010211A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| KR101756280B1 (ko) | 2016-02-23 | 2017-07-10 | 주식회사 영진텍 | 마찰교반용접장치 |
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