KR20240037447A - Manufacturing methods of tool for friction stir welding by forging and rolling processing, and tool manufactured by the same - Google Patents

Manufacturing methods of tool for friction stir welding by forging and rolling processing, and tool manufactured by the same Download PDF

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강성욱
정윤철
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명에 따른 마찰교반용접용 툴 제조방법은, 기존에 CNC 가공으로 툴을 제조하던 것을 대신하여, 단조 가공으로 툴 형상체를 만들고 이어서 툴 형상체의 툴핀 부분을 전조 가공하여 나사산을 형성한다. 이 제조방법은 기존의 제조 방법에 비해 툴의 제조시간과 단가를 현저하게 줄일 수 있고, 이에 따라 용접시 툴을 충분히 자주 교체할 수 있으므로 제품 품질을 향상시킬 수 있다. The method of manufacturing tools for friction stir welding according to the present invention replaces the existing method of manufacturing tools through CNC machining, by making a tool shape through forging processing, and then forming a thread by rolling the tool pin portion of the tool shape. This manufacturing method can significantly reduce tool manufacturing time and unit cost compared to existing manufacturing methods, and thus improve product quality because tools can be replaced sufficiently frequently during welding.

Description

단조 가공과 전조 가공으로 마찰교반용접용 툴을 제조하는 방법, 및 이 제조방법으로 만들어진 툴 {Manufacturing methods of tool for friction stir welding by forging and rolling processing, and tool manufactured by the same}A method of manufacturing a tool for friction stir welding by forging and rolling processing, and a tool made by this manufacturing method {Manufacturing methods of tool for friction stir welding by forging and rolling processing, and tool manufactured by the same}

본 발명은 마찰교반용접용 툴의 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 기존에 CNC 가공으로 툴을 제조하던 것을 대신하여, 단조 가공으로 툴 형상체를 만들고 이어서 툴 형상체의 툴핀 부분을 전조 가공하여 나사산을 형성하여 툴을 제조하는 툴 제조방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a tool for friction stir welding, and more specifically, instead of manufacturing tools by existing CNC machining, a tool shape is made by forging and then the tool pin portion of the tool shape is rolled. This is about a tool manufacturing method that manufactures tools by processing them to form threads.

아울러, 본 발명은 이러한 제조방법으로 만들어진 툴에 대한 것이기도 하다. In addition, the present invention also relates to a tool made by this manufacturing method.

마찰교반용접(friction stir welding)은 툴 핀(tool pin)과 숄더(shoulder)로 이루어지는 툴(tool)을 고속으로 회전시키면서 용접하고자 하는 재료(모재)에 삽입하여 재료의 표면과 내부에서 발생하는 마찰열을 이용하여 재료를 연화함과 동시에 고온 소성 유동을 일으켜 툴의 좌우에 배치된 재료의 일부를 상호간에 맞은편 영역에 교반 혼입시켜 접합을 실현하는 고상 접합 방법이다. Friction stir welding involves rotating a tool consisting of a tool pin and a shoulder at high speed and inserting it into the material (base metal) to be welded, thereby producing frictional heat generated on the surface and inside of the material. It is a solid-state joining method that realizes joining by softening the material and simultaneously causing high-temperature plastic flow to stir and mix some of the material placed on the left and right sides of the tool into the opposite area.

도 1은 툴을 이용하여 두 개의 금속 판재(모재)를 용접하는 것을 보여주고, 도 2(a)는 사용되기 전의 툴(좌측 도면)을 보여주며 도 2(b)는 사용에 의하여 마모된 툴을 확대하여 보여준다. 마찰교반용접시 툴이 마모되고 모재가 툴핀의 나사산에 끼여서 툴 교체가 필요하거나 툴핀의 나사산에 낀 모재를 제거하는 작업이 필요하다. 이에 따라, 업체마다 툴의 소재, 모재의 소재 등을 고려한 툴 교체 주기를 갖고 있다. Figure 1 shows welding two metal plates (base materials) using a tool, Figure 2(a) shows the tool before use (left view), and Figure 2(b) shows the tool worn out by use. Shows enlarged. During friction stir welding, the tool wears out and the base metal gets caught in the thread of the tool pin, necessitating tool replacement or work to remove the base metal stuck in the thread of the tool pin. Accordingly, each company has a tool replacement cycle that takes into account the material of the tool and the material of the base material.

그런데, 툴의 가격이 비싸기 때문에 교체 주기에 맞춰서 툴을 교체하기에는 비용 부담이 생기고, 이에 따라 작업 시 툴 교체 주기를 놓치는 경우가 있는데, 이 경우에는 제품의 품질이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 정해진 교체 주기에 맞춰서 툴을 교체할 수 있도록 툴의 제조 단가를 낮추는 것이 필요한 실정이다. However, because the price of the tool is high, it is expensive to replace the tool according to the replacement cycle, and as a result, there are cases where the tool replacement cycle is missed during work. In this case, the problem of poor product quality occurs. Therefore, there is a need to lower the manufacturing cost of tools so that tools can be replaced according to a set replacement cycle.

한편, 도 3은 툴 제조 방법의 각 공정을 순차적으로 보여주는 플로우 차트이다. 툴은 설계와, CNC 등을 이용한 가공과, 가공된 툴에 대한 열처리와, 열처리된 툴에 대한 정삭 및 코팅을 순차적으로 거쳐서 제조된다. Meanwhile, Figure 3 is a flow chart sequentially showing each process of the tool manufacturing method. Tools are manufactured sequentially through design, machining using CNC, etc., heat treatment of the machined tool, and finishing and coating of the heat-treated tool.

그런데, 이 제조 방법은 제조 시간이 많이 걸리고 제조 단가가 비싸다는 문제점이 있다. 예를 들어, 5mm 두께의 시편을 접합하는 툴을 이 제조 방법으로 제조할 경우에는 3일에 대략 20~25개를 생산할 수 있으며 그 단가는 약 10만원이다. 이와 같이, 이 제조 방법은 툴을 대량 생산할 수 없고 제조 단가도 높다는 문제점이 있다. However, this manufacturing method has the problem that it takes a lot of manufacturing time and the manufacturing cost is high. For example, when a tool for joining 5 mm thick specimens is manufactured using this manufacturing method, approximately 20 to 25 pieces can be produced in 3 days, and the unit price is approximately 100,000 won. As such, this manufacturing method has the problem that tools cannot be mass-produced and the manufacturing cost is also high.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기존에 CNC 가공으로 툴을 제조하던 것을 대신하여, 단조 가공과 전조 가공으로 툴을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention was proposed to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a method of manufacturing tools through forging and rolling processing instead of the existing tool manufacturing through CNC machining.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 제조 방법에 비해 툴의 생산량을 현저하게 늘릴 수 있고 제조 단가를 낮출 수 있는 툴 제조방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a tool manufacturing method that can significantly increase tool production and reduce manufacturing costs compared to existing manufacturing methods.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법으로 만들어진 툴을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a tool made by the above manufacturing method.

본 발명의 또 다른 목적은 1회용 제품처럼 사용 후 교체가 가능하도록 가격이 저렴한 툴을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide an inexpensive tool that can be replaced after use like a disposable product.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰교반용접용 툴 제조방법은, (a) 피가공 소재(3)를 단조 가공하여 툴 형상체(30a)를 제조하는 단계;를 포함한다. 상기 (a) 단계의 단조 가공은 단조 금형(100)에 피가공 소재(3)를 넣은 후 타격 또는 가압하여 이루어질 수 있다. 툴 형상체(30a)는 툴핀 부분(10a)과 숄더 부분(20a)이 일체형으로 형성되어 이루어질 수 있다. A method of manufacturing a tool for friction stir welding according to a preferred embodiment of the present invention includes the step of (a) manufacturing a tool shape (30a) by forging the workpiece (3). The forging process in step (a) may be performed by placing the workpiece 3 in the forging mold 100 and then hitting or pressing it. The tool-shaped body 30a may be formed by integrally forming the tool pin portion 10a and the shoulder portion 20a.

상기 툴 제조방법은 상기 (a) 단계의 이후에, (b) 툴 형상체(30a)의 툴핀 부분(10a)을 전조 가공하여 나사산(12)을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. The tool manufacturing method may further include, after step (a), (b) forming the screw thread 12 by rolling processing the tool pin portion 10a of the tool shape body 30a.

상기 (a) 단계에서 숄더 부분(20a)의 상단(윗면)에는 칼라(1, Collar)의 하단과 결합되기 위한 홈(22) 또는 돌기가 형성될 수 있다. 칼라(1)의 하단에 형성된 돌기가 홈(22)에 삽입되거나 돌기가 칼라(1)의 하단에 형성된 홈에 삽입되는 것에 의해 숄더(20)와 칼라(1)가 결합될 수 있다. In step (a), a groove 22 or a protrusion may be formed on the upper surface of the shoulder portion 20a to engage the lower end of the collar 1. The shoulder 20 and the collar 1 may be coupled by inserting the protrusion formed at the bottom of the collar 1 into the groove 22 or inserting the protrusion into the groove formed at the bottom of the collar 1.

용접대상인 제품의 두께(T)와 툴 핀의 높이(H)는 아래 식 1을 만족하고, 숄더(20)의 너비(W)는 아래 식 2를 만족하는 것이 바람직하다.It is desirable that the thickness (T) of the product to be welded and the height (H) of the tool pin satisfy Equation 1 below, and the width (W) of the shoulder 20 satisfies Equation 2 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[식 2][Equation 2]

2T ≤ W2T ≤ W

툴 핀(10)의 높이(H)와 숄더의 너비(W)가 결정되면, 상기 높이(H)와 너비(W)를 가진 시험용 툴을 제조하여 테스트한 후, 상기 테스트의 결과를 반영하여 툴핀(10)의 최종 높이와 숄더(20)의 최종 너비를 결정하고, 상기 최종 높이와 상기 최종 너비를 가진 툴(30)을 제조하는 단조 금형(10)을 제조할 수 있다. 상기 시험용 툴은 CNC 가공으로 제조된 것일 수 있다.Once the height (H) of the tool pin 10 and the width (W) of the shoulder are determined, a test tool with the height (H) and width (W) is manufactured and tested, and then the tool pin is manufactured by reflecting the results of the test. The final height of (10) and the final width of the shoulder (20) can be determined, and a forging mold (10) for manufacturing the tool (30) having the final height and the final width can be manufactured. The test tool may be manufactured through CNC machining.

본 발명에 따른 제조방법에 이용되는 단조 금형(100)은 상부금형(110)과 하부금형(120)을 포함할 수 있다. 상부금형(110)이 하부금형(120)에 대해 상하로 왕복 이동하면서 피가공 소재(3)를 타격 또는 가압할 수 있다. The forging mold 100 used in the manufacturing method according to the present invention may include an upper mold 110 and a lower mold 120. The upper mold 110 may reciprocate up and down with respect to the lower mold 120 to hit or press the material to be processed (3).

하부금형(120)은, 숄더 부분(20a)과 형합하는 공간(122)을 가진 제1 부분(121); 및, 툴핀 부분(10a)과 형합하는 공간(124)을 가진 제2 부분(123);을 포함할 수 있다. 제1,2 부분(121)(123)은 일체로 형성되고 공간(122)(124)은 서로 연결되어 통한다. The lower mold 120 includes a first part 121 having a space 122 in contact with the shoulder portion 20a; And, it may include a second part 123 having a space 124 that matches the tool pin part 10a. The first and second parts 121 and 123 are formed as one body, and the spaces 122 and 124 are connected to each other.

상부금형(110)은 공간(122)에 삽입되어 피가공 소재(3)를 타격 또는 가압하는 제1 돌출부(111); 및, 제1 돌출부(111)에서 아래로 돌출되도록 형성된 제2 돌출부(112);를 포함할 수 있다.The upper mold 110 includes a first protrusion 111 that is inserted into the space 122 and hits or presses the material to be processed (3); And, it may include a second protrusion 112 formed to protrude downward from the first protrusion 111.

본 발명의 또 다른 측면인 툴(30)은 툴핀(10)과 숄더(20)를 포함하되, 툴핀(10)과 숄더(20)는 단조 가공에 의해 일체형으로 만들어지고 툴핀(10)의 외주면에는 전조 가공에 의해 나사산(12)이 형성된다. The tool 30, which is another aspect of the present invention, includes a tool pin 10 and a shoulder 20. The tool pin 10 and the shoulder 20 are made as one piece by forging, and the outer peripheral surface of the tool pin 10 is The screw thread 12 is formed by rolling processing.

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖고 있다.The present invention has the following effects.

첫째, 기존의 제조 방법에 비해 툴의 생산량을 현저하게 늘릴 수 있고 제조 단가를 낮출 수 있는 툴 제조방법을 제공한다. 예를 들어, 기존에는 환봉 합금을 구매하여 CNC 가공을 하여 툴을 제조하였는데, 총 3일에 5T 툴(5mm 두께의 시편을 접합하는 툴)을 약 20~25개를 생산할 수 있었고 이 툴의 단가는 약 10만원이었으나, 본 발명에 따른 제조방법은 동일한 툴을 3일에 약 75,000개를 생산할 수 있고 단가는 기존의 1/100 수준이 된다. First, it provides a tool manufacturing method that can significantly increase tool production and lower manufacturing costs compared to existing manufacturing methods. For example, in the past, tools were manufactured by purchasing round bar alloy and performing CNC processing. Approximately 20 to 25 5T tools (tools for joining 5 mm thick specimens) could be produced in a total of 3 days, and the unit price of these tools was was about 100,000 won, but the manufacturing method according to the present invention can produce about 75,000 pieces of the same tool in 3 days, and the unit price is 1/100 of the existing tool.

둘째, 상기 제조방법으로 만들어진 툴을 제공한다. 특히, 1회용 제품처럼 사용 후 교체가 가능하므로 제품 품질을 향상시킬 수 있다. Second, tools made using the above manufacturing method are provided. In particular, product quality can be improved because it can be replaced after use like a disposable product.

도 1은 마찰교반용접용 툴이 두 금속판재(모재)를 용접하는 것을 보여주는 도면.
도 2(a)는 사용하기 전의 툴을 보여주는 도면이고, 도 2(b)는 사용에 의해 마모된 툴을 확대하여 보여주는 도면.
도 3은 종래 기술에 따른 툴 제조방법을 보여주는 플로우 차트.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 툴 제조방법을 보여주는 플로우 차트.
도 5는 도 4의 툴 제조방법에 의해 제조된 툴을 보여주는 정면도와 저면도.
도 6은 단조 금형을 이용하여 툴 형상체를 만드는 것을 보여주는 도면.
Figure 1 is a diagram showing a friction stir welding tool welding two metal plates (base materials).
Figure 2(a) is a view showing a tool before use, and Figure 2(b) is an enlarged view showing a tool worn out by use.
Figure 3 is a flow chart showing a tool manufacturing method according to the prior art.
Figure 4 is a flow chart showing a tool manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 5 is a front view and a bottom view showing a tool manufactured by the tool manufacturing method of Figure 4.
Figure 6 is a view showing making a tool shape using a forging mold.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately use the concept of terms to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle of definability. Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only embodiments of the present invention and do not represent the entire technical idea of the present invention, so various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. It should be understood that there may be variations.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 툴 제조방법을 보여주는 플로우 차트이고, 도 5는 상기 툴 제조방법에 의해 제조된 툴을 보여주는 정면도와 저면도이며, 도 6은 단조 금형을 이용하여 툴 형상체를 만드는 것을 보여주는 도면이다. Figure 4 is a flow chart showing a tool manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 5 is a front view and a bottom view showing a tool manufactured by the tool manufacturing method, and Figure 6 is a tool mold using a forging mold. This is a drawing showing how to build the upper body.

도면에 나타난 바와 같이, 툴 제조방법은 단조 금형(100)과 툴(30)을 설계하는 단계(S10)와, 설계된 단조 금형(100)을 제조하는 단계(S20)와, 단조 금형(100)을 이용하여 툴 형상체(30a)를 제조하는 단계(S30)와, 툴 형상체(30a)의 툴핀 부분(10a)을 전조 가공하는 단계(S40)와, 열처리하는 단계(S50) 및, 코팅 단계(S60)를 포함할 수 있다.As shown in the drawing, the tool manufacturing method includes a step of designing the forging mold 100 and the tool 30 (S10), a step of manufacturing the designed forging mold 100 (S20), and a forging mold 100. A step of manufacturing the tool shape 30a (S30), a step of roll processing the tool pin portion 10a of the tool shape 30a (S40), a heat treatment step (S50), and a coating step ( S60) may be included.

상기 설계 단계(S10)는 제조하고자 하는 툴(30)을 설계하는 것과, 이 툴(300)을 만들기 위한 단조 금형(100)을 설계하는 것을 포함할 수 있다. The design step (S10) may include designing a tool 30 to be manufactured and designing a forging mold 100 to manufacture the tool 300.

예를 들어, 피접합 소재(용접대상인 제품)의 두께가 T인 경우, 툴핀(10)의 높이(H)와 숄더(20)의 너비(W)는 아래 식 1, 2를 만족하는 것이 바람직하다. For example, when the thickness of the material to be joined (the product to be welded) is T, it is desirable that the height (H) of the tool pin 10 and the width (W) of the shoulder 20 satisfy the equations 1 and 2 below. .

[식 1] [Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

[식 2] [Equation 2]

2T ≤ W2T ≤ W

툴핀(10)의 높이(H)가 T-0.5mm 보다 작으면 피접합 소재의 두께방향 하단의 접합이 충분하지 못할 가능성이 크고 툴핀(10)의 높이(H)가 T+0.5mm 보다 크면 피접합 소재 아래에 배치된 Backing plate(anvil)로 인해 툴이 파손될 수 있으며 Backing plate와 피접합 소재가 붙을 수 있다는 문제점이 있다.If the height (H) of the tool pin (10) is less than T-0.5mm, there is a possibility that the joint at the bottom in the thickness direction of the material to be joined is insufficient, and if the height (H) of the tool pin (10) is greater than T+0.5mm, the joint is likely to be insufficient. There is a problem that the tool may be damaged due to the backing plate (anvil) placed under the joint material, and the backing plate and the material to be joined may become stuck.

그리고, 숄더(20)의 너비(W)가 2T 보다 작으면 숄더(20)와 피접합 소재의 마찰로 발생하는 마찰열이 충분하지 못하여 접합이 제대로 이루어지지 못할 수 있으므로 바람직하지 못하다. In addition, if the width (W) of the shoulder 20 is less than 2T, it is not desirable because the frictional heat generated by friction between the shoulder 20 and the material to be joined may not be sufficient, and proper bonding may not be achieved.

한편, 피접합 소재의 두께(T)가 20mm 이하인 경우에는 숄더(20)의 너비(W)가 툴핀(10)의 높이(H)의 3배 이하가 바람직하고, 피접합 소재의 두께(T)가 20mm를 초과하는 경우(즉, 피접합 소재가 두꺼운 경우)에는 숄더(20)의 너비(W)가 툴핀(10)의 높이(H) 보다 작아도 무방할 수 있다. On the other hand, when the thickness (T) of the material to be joined is 20 mm or less, the width (W) of the shoulder 20 is preferably 3 times or less than the height (H) of the tool pin 10, and the thickness (T) of the material to be joined is When exceeds 20 mm (i.e., when the material to be joined is thick), the width (W) of the shoulder 20 may be smaller than the height (H) of the tool pin 10.

단조 금형(100)은 식 1, 2와 위 내용을 만족하는 툴(30)을 제조할 수 있도록 설계된다. 바람직하게, 식 1, 2와 위 내용을 만족하는 툴(30)을 CNC 가공으로 제조하여 피접합 소재에 대해 사용하여 숄더(20)의 너비(W)와 툴핀(10)의 높이(H) 및 피접합 소재 등에 따른 접합(용접) 성능을 평가한 후, 접합(용접) 성능이 가장 우수한 숄더(20)의 최종 너비와 툴핀(10)의 최종 높이를 결정한다. 그리고, 이 최종 너비와 최종 높이를 만들 수 있는 단조 금형(100)을 설계 및 제작한다(S20). The forging mold 100 is designed to manufacture the tool 30 that satisfies Equations 1 and 2 and the above. Preferably, the tool 30 that satisfies Equations 1 and 2 and the above is manufactured by CNC machining and used for the material to be joined to obtain the width (W) of the shoulder 20, the height (H) of the tool pin 10, and After evaluating the joining (welding) performance according to the material to be joined, etc., the final width of the shoulder 20 and the final height of the tool pin 10, which have the best joining (welding) performance, are determined. Then, a forging mold 100 capable of creating this final width and final height is designed and manufactured (S20).

도 6(a)(b)에 나타난 바와 같이, 단조 금형(100)은 상부금형(110)과 하부금형(120)을 포함할 수 있다. 상부금형(110)이 하부금형(120)에 대해 상하로 왕복 이동하면서 피가공 소재를 타격 또는 가압하여 툴 형상체(30a)를 제조한다. As shown in Figure 6(a)(b), the forging mold 100 may include an upper mold 110 and a lower mold 120. The upper mold 110 reciprocates up and down with respect to the lower mold 120 and strikes or presses the workpiece to manufacture the tool shape 30a.

참고로, 본 명세서에서 '툴 형상체'는 피가공 소재를 단조 가공하여 만들어진 것으로서 전조 가공(S40)을 하기 전의 제품을 의미한다. 툴 형상체(30a)는 툴핀 부분(10a)과 숄더 부분(20a)을 갖는다. 툴핀 부분(10a)은 추후에 툴핀(10)이 되고 숄더 부분(20a)은 추후에 숄더(20)가 된다. For reference, in this specification, 'tool shape' refers to a product made by forging a material to be processed and before rolling processing (S40). The tool shape 30a has a tool pin portion 10a and a shoulder portion 20a. The tool pin portion 10a later becomes the tool pin 10 and the shoulder portion 20a later becomes the shoulder 20.

하부금형(120)은 숄더 부분(20a)과 형합하는 공간(122)을 가진 제1 부분(121) 및, 툴핀 부분(10a)과 형합하는 공간(124)을 가진 제2 부분(123)을 포함한다. 제1,2 부분(121)(123)은 일체로 형성되고 공간(122)(124)은 서로 연결되어 통한다. The lower mold 120 includes a first part 121 having a space 122 that mates with the shoulder portion 20a, and a second part 123 with a space 124 that mates with the tool pin portion 10a. do. The first and second parts 121 and 123 are formed as one body, and the spaces 122 and 124 are connected to each other.

공간(122)은 단조 가공에 의해 숄더 부분(20a)을 형성할 수 있는 공간이다. 공간(122)은 숄더 부분(20a)과 형합하는 형상을 가진다. 예를 들어, 숄더 부분(20a)이 원형의 횡단면을 갖는 경우에는 공간(122)도 원형의 횡단면을 갖고 숄더 부분(20a)이 정사각의 횡단면이나 타원 횡단면을 가지는 경우에는 공간(122)도 정사각 횡단면이나 타원 횡단면을 가질 수 있다.The space 122 is a space in which the shoulder portion 20a can be formed by forging. The space 122 has a shape that matches the shoulder portion 20a. For example, when the shoulder portion 20a has a circular cross-section, the space 122 also has a circular cross-section, and when the shoulder portion 20a has a square or elliptical cross-section, the space 122 also has a square cross-section. or may have an elliptical cross-section.

제2 부분(123)은 제1 부분(121)의 아래에 제1 부분(121)과 일체로 형성된다. 제2 부분(123)의 내부에는 공간(124)이 형성되는데, 공간(124)은 공간(123)과 연결되어 통한다.The second part 123 is formed integrally with the first part 121 below the first part 121 . A space 124 is formed inside the second part 123, and the space 124 is connected to the space 123.

공간(124)은 단조 가공에 의해 툴핀 부분(10a)을 형성할 수 있는 공간이다. 공간(124)은 툴핀 부분(10a)과 형합하는 형상을 갖는다. 예를 들어, 툴핀 부분(10a)이 원기둥 형상을 갖는 경우에는 공간(124)도 원기둥 형상을 갖고, 툴핀 부분(10a)이 테이퍼진 원기둥 형상을 갖는 경우에는 공간(124)도 테이퍼진 원기둥 형상을 가지며, 툴핀 부분(10a)이 정사각 형상을 가진 경우에는 공간(124)도 정사각 형상을 가질 수 있다.The space 124 is a space where the tool pin portion 10a can be formed by forging. The space 124 has a shape that matches the tool pin portion 10a. For example, when the tool pin portion 10a has a cylindrical shape, the space 124 also has a cylindrical shape, and when the tool pin portion 10a has a tapered cylindrical shape, the space 124 also has a tapered cylindrical shape. And, when the tool pin portion 10a has a square shape, the space 124 may also have a square shape.

제1 부분(121)의 아랫면과 제2 부분(123)의 수직면은 곡면(125)으로 연결될 수 있다. 툴핀 부분(10a)과 숄더 부분(20a)의 연결 부분은 곡면(125)과 형합하는 곡면으로 형성된다. 상기 곡면(125)은 단조 가공이 용이하도록 하고, 이 곡면(125)에 의해 형성된 상기 연결 부분은 용접시 툴핀(10)을 지지하는 역할을 할 수 있다. The lower surface of the first part 121 and the vertical surface of the second part 123 may be connected by a curved surface 125. The connection portion between the tool pin portion 10a and the shoulder portion 20a is formed as a curved surface that conforms to the curved surface 125. The curved surface 125 facilitates forging, and the connection portion formed by the curved surface 125 can serve to support the tool pin 10 during welding.

상부 금형(110)은 공간(122)에 삽입되는 제1 돌출부(111)를 포함할 수 있다. 제1 돌출부(111)는 공간(122)의 횡단면과 형합하는 횡단면을 갖는다. 제1 돌출부(111)가 공간(122)에 삽입되면서 피가공 소재(3)를 타격 또는 가압하는 것에 의해서 툴 형상체(30a)가 만들어진다. The upper mold 110 may include a first protrusion 111 inserted into the space 122. The first protrusion 111 has a cross section that matches the cross section of the space 122. The tool-shaped body 30a is created by striking or pressing the workpiece 3 while the first protrusion 111 is inserted into the space 122.

바람직하게, 상부 금형(110)은 제2 돌출부(112)를 더 포함할 수 있다. 제2 돌출부(122)는 제1 돌출부(111)의 하단(아랫면)에서 아래로 돌출되도록 형성된 부분으로서, 홈(22)을 형성하기 위한 것이다. 홈(22)은 숄더(20)의 윗면에 오목하게 형성된 부분으로서, 칼라(collar, 1)의 하단과 결합되기 위한 부분이다. 칼라(1)의 하단에는 돌기가 형성되고, 이 돌기가 홈(22)에 삽입 및 결합되는 것에 의해서 칼라(1)와 툴(30)이 결합될 수 있다. 한편, 칼라(1)와 툴(30)의 결합을 위해, 대한민국 특허등록 10-1816050에 개시된 인서트 금속이 상기 홈(22) 및 돌기와 함께 또는 홈(22) 및 돌기를 대신하여 사용될 수 있다. Preferably, the upper mold 110 may further include a second protrusion 112. The second protrusion 122 is a portion formed to protrude downward from the lower end (lower surface) of the first protrusion 111 and is used to form the groove 22. The groove 22 is a concave portion formed on the upper surface of the shoulder 20, and is a portion for engaging the lower end of the collar 1. A protrusion is formed at the bottom of the collar 1, and the collar 1 and the tool 30 can be coupled by inserting and combining the protrusion into the groove 22. Meanwhile, for combining the collar 1 and the tool 30, the insert metal disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1816050 may be used together with the groove 22 and the protrusion or instead of the groove 22 and the protrusion.

한편, 홈(22)을 대신하여 돌기(도면에 미도시)가 숄더(20)의 윗면에 돌출 형성되는 경우에는 제2 돌출부(112)를 대신하여 삽입홈(도면에 미도시)이 형성될 수 있다. 그리고, 숄더(20) 윗면의 홈(22) 또는 돌기는 두 개 이상 형성될 수도 있다.On the other hand, when a protrusion (not shown in the drawing) is formed to protrude from the upper surface of the shoulder 20 in place of the groove 22, an insertion groove (not shown in the drawing) may be formed in place of the second protrusion 112. there is. Additionally, two or more grooves 22 or protrusions may be formed on the upper surface of the shoulder 20.

단조 금형(100)의 제조가 완료되면, 피가공 소재(3)를 공간(122)에 넣고 상부 금형(110)으로 타격 또는 가압하여 툴 형상체(30a)를 제조한다(S30). 피가공 소재(3)는 그 재료에 따라 고온으로 가열된 상태에서 타격 또는 가압되거나 상온 상태에서 타격 또는 가압될 수 있다. 툴핀을 만들기 위해 사용되는 공지의 소재가 피가공 소재(3)로 사용될 수 있다. 예를 들어, 텅스텐카바이드(WC), 텅스텐 카바이드-코발트 소결체, Al2O3, SiC, Si3N4, B4C 등이 사용될 수 있다. When the manufacturing of the forging mold 100 is completed, the material to be processed 3 is placed in the space 122 and struck or pressed with the upper mold 110 to manufacture the tool shape 30a (S30). The material to be processed 3 may be struck or pressed while heated to a high temperature, or may be struck or pressed at room temperature, depending on the material. Known materials used to make tool pins can be used as the material to be processed (3). For example, tungsten carbide (WC), tungsten carbide-cobalt sintered body, Al 2 O 3 , SiC, Si 3 N 4 , B 4 C, etc. may be used.

피가공 소재(3)는 공간(122)의 형상과 형합하되 공간(122)에 삽입될 수 있는 사이즈를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 공간(122)이 원기둥 형상이면 피가공 소재(122)도 원기둥 형상을 갖는 것이 바람직하다. The material to be processed (3) preferably matches the shape of the space (122) but has a size that can be inserted into the space (122). For example, if the space 122 has a cylindrical shape, it is preferable that the workpiece 122 also has a cylindrical shape.

한편, 피가공 소재(3)는 공간(122)과 공간(124)의 형상에 형합하는 형상을 가질 수도 있다. 이 경우에는 공간(124)의 형상에 형합하면서 공간(124)에 삽입될 수 있는 원기둥 형상의 돌출부가 피가공 소재(3)의 하단에 형성될 수 있는데, 이 원기둥 형상의 돌출부가 공간(124)에 삽입된 상태에서 상부 금형(110)에 의한 타격 또는 가압이 이루어질 수 있다. 피가공 소재(3)는 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말로 이루어진 혼합 분말이 금형 내에서 일체로 소결 성형되어 만들어질 수 있다. 그리고, 상기 원기둥 형상의 돌출부에서부터 상측으로 갈수록 텅스텐 카바이드 분말의 함량은 줄어들고 코발트 분말의 함량은 증가할 수 있다. 예를 들어, 상기 원기둥 형상의 돌출부는 텅스텐 카바이드 분말 95 내지 97wt%와 코발트 분말 3 내지 5wt%로 이루어질 수 있다. Meanwhile, the material to be processed 3 may have a shape that matches the shapes of the space 122 and the space 124. In this case, a cylindrical protrusion that conforms to the shape of the space 124 and can be inserted into the space 124 may be formed at the bottom of the workpiece 3, and this cylindrical protrusion is formed in the space 124. A blow or pressure may be performed by the upper mold 110 while inserted into the . The material to be processed (3) can be made by sintering and molding a mixed powder consisting of tungsten carbide powder and cobalt powder integrally in a mold. Additionally, the content of tungsten carbide powder may decrease and the content of cobalt powder may increase as it moves upward from the cylindrical protrusion. For example, the cylindrical protrusion may be made of 95 to 97 wt% of tungsten carbide powder and 3 to 5 wt% of cobalt powder.

툴 형상체(30a)의 제조가 완료되면, 툴핀 부분(10a)에 전조 가공을 하여 나사산(12)을 형성한다(S40). 이 단계(S40)는 본 발명에서 필수적인 단계는 아니며, 툴핀(10)이 나사산을 갖지 않는 경우에는 이 단계(S40)가 생략될 수 있다. When manufacturing of the tool-shaped body 30a is completed, roll processing is performed on the tool pin portion 10a to form a screw thread 12 (S40). This step (S40) is not an essential step in the present invention, and if the tool pin 10 does not have threads, this step (S40) can be omitted.

툴핀 부분(10a)은 이 전조가공 단계(S40)를 거치면서 툴핀(10)이 된다. 나사산(12)은 나사산(12)은 피접합 소재와의 마찰에 의해 발생된 열을 확산하고 소재의 유동을 원활하게 하여 피접합 소재가 잘 접합될 수 있도록 한다.The tool pin portion 10a becomes the tool pin 10 through this rolling processing step (S40). The screw thread 12 diffuses heat generated by friction with the material to be joined and facilitates the flow of the material so that the material to be joined can be well joined.

알려진 바와 같이, 전조 가공은 소재와 공구를 함께 회전시켜 소재의 외부면 또는 내부면에 공구의 표면 형상을 새기는 특수 압연법이다. 본 발명에서 툴핀 부분(10a)에 나사산(12)을 형성하기 위해, 원형 다이 전조기, 차동식 전조기 등이 이용될 수 있다. 원형 다이 전조기는 롤의 외주면에 나사산이 형성된 전조 다이를 사용하는 것으로서, 2개의 롤을 사용하는 2원형 다이식과, 3개의 롤을 사용하는 3원형 다이식이 있다. As is known, rolling processing is a special rolling method that engraves the surface shape of the tool on the outer or inner surface of the material by rotating the material and the tool together. In the present invention, a circular die rolling machine, a differential rolling machine, etc. may be used to form the thread 12 in the tool pin portion 10a. The circular die rolling machine uses a rolling die with threads formed on the outer circumferential surface of the roll, and includes a two-circle die type using two rolls and a three-circle die type using three rolls.

2원형 다이식은 두 개의 롤 중에서 어느 하나는 그 위치가 고정되고 회전만 가능하며 나머지 하나는 이동 및 회전이 가능하다. 따라서, 두 개의 롤 사이에 툴핀 부분(10a)을 삽입하고 두 개의 롤을 동일한 방향으로 회전시키면서 롤을 이동 및 가압하여 나사산(12)을 툴핀 부분(10a)의 외주면에 형성한다. In the two-circle die type, one of the two rolls is fixed in position and can only rotate, and the other can move and rotate. Accordingly, the tool pin portion 10a is inserted between the two rolls, and the rolls are moved and pressed while rotating the two rolls in the same direction to form threads 12 on the outer peripheral surface of the tool pin portion 10a.

3원형 다이식은 세 개의 롤을 이용하는데 툴핀 부분(10a)을 안정적으로 위치시킬 수 있지만 그 정밀도는 2원형 다이식 보다 떨어진다. 툴핀 부분(10a)을 세 개의 롤 사이에 삽입한 후, 세 개의 롤을 동일한 방향으로 회전시키면서 가압하면 툴핀 부분(10a)의 외주면에 나사산이 형성된다. The three-circle die uses three rolls and can stably position the tool pin portion (10a), but its precision is lower than that of the two-circle die. After inserting the tool pin portion (10a) between the three rolls and pressing the three rolls while rotating them in the same direction, a thread is formed on the outer peripheral surface of the tool pin portion (10a).

차동식 전조기는 두 개의 원형 다이(롤)를 동일한 방향으로 회전시키면서 툴핀 부분(10a)을 다이(롤)의 원주 속도차의 1/2의 속도로 접선 방향에서 공급하여 롤 사이의 최소 간격을 통과할 때 나사산 가공이 완성되도록 한다. The differential rolling machine rotates two circular dies (rolls) in the same direction and feeds the tool pin portion (10a) in the tangential direction at a speed of 1/2 of the circumferential speed difference of the dies (rolls) to pass the minimum gap between the rolls. When doing so, ensure that the thread processing is complete.

상기 전조 가공 단계(S40)가 완료되면 툴(30)을 열처리한다(S50). 열처리는 기존 제조방법의 열처리(도 3의 열처리 단계)와 동일한 방법으로 이루어질 수 있다. When the rolling processing step (S40) is completed, the tool 30 is heat treated (S50). Heat treatment can be performed in the same manner as the heat treatment (heat treatment step in FIG. 3) of the existing manufacturing method.

이어서, 열처리가 완료되면, 툴(30)에 코팅을 실시한다. 이 코팅도 기존 제조방법의 코팅(도 3의 코팅 단계)과 동일한 방법으로 이루어질 수 있다. Subsequently, when the heat treatment is completed, the tool 30 is coated. This coating can also be done in the same way as the coating in the existing manufacturing method (coating step in FIG. 3).

1 : 칼라(Collar) 3 : 피가공 소재
10 : 툴핀 10a : 툴핀 부분
12 : 나사산 20 : 숄더
20a : 숄더 부분 22 : 홈
30 : 툴 30a : 툴 형상체
100 : 단조 금형
110 : 상부 금형 111 : 제1 돌출부
112 : 제2 돌출부 120 : 하부 금형
121 : 제1 부분 122 : 공간
123 : 제2 부분 124 : 공간
125 : 연결 부분
H : 툴 핀의 높이 W : 숄더의 너비
1: Collar 3: Material to be processed
10: tool pin 10a: tool pin part
12: thread 20: shoulder
20a: shoulder portion 22: groove
30: Tool 30a: Tool shape body
100: Forging mold
110: upper mold 111: first protrusion
112: second protrusion 120: lower mold
121: first part 122: space
123: second part 124: space
125: connection part
H: Height of tool pin W: Width of shoulder

Claims (8)

마찰교반용접에 이용되는 툴의 제조 방법에 있어서,
(a) 피가공 소재(3)를 단조 가공하여 툴 형상체(30a)를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 (a) 단계의 단조 가공은 단조 금형(100)에 피가공 소재(3)를 넣은 후 타격 또는 가압하여 이루어지며,
툴 형상체(30a)는 툴핀 부분(10a)과 숄더 부분(20a)이 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴 제조방법.
In the method of manufacturing tools used for friction stir welding,
(a) manufacturing the tool shape (30a) by forging the workpiece (3),
The forging process in step (a) is performed by placing the material to be processed (3) into the forging mold (100) and then striking or pressing it,
A method of manufacturing a tool for friction stir welding, wherein the tool shape body (30a) is formed of a tool pin portion (10a) and a shoulder portion (20a) integrally.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 이후에,
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 툴 형상체(30a)의 툴핀 부분(10a)을 전조 가공하여 나사산(12)을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴 제조방법.
According to paragraph 1,
After step (a) above,
(b) forming a screw thread 12 by rolling processing the tool pin portion 10a of the tool shape 30a manufactured in step (a); manufacturing a tool for friction stir welding, characterized in that it further comprises a. method.
제2항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 숄더 부분(20a)의 상단에는 칼라(1, Collar)의 하단과 결합되기 위한 홈(22) 또는 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴 제조방법.
According to paragraph 2,
A method of manufacturing a tool for friction stir welding, characterized in that in step (a), a groove 22 or a protrusion is formed on the upper end of the shoulder portion 20a for engaging the lower end of the collar 1.
제2항에 있어서,
용접대상인 제품의 두께(T)와 툴 핀의 높이(H)는 아래 식을 만족하고,
숄더(20)의 너비(W)는 상기 두께(T)의 2배 이상이 되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴 제조방법.
[식]
Figure pat00003
According to paragraph 2,
The thickness (T) of the product to be welded and the height (H) of the tool pin satisfy the equations below,
A method of manufacturing a tool for friction stir welding, characterized in that the width (W) of the shoulder (20) is more than twice the thickness (T).
[ceremony]
Figure pat00003
제4항에 있어서,
상기 (a) 단계의 이전에 단조 금형(100)을 준비 또는 제조하는 단계;를 더 포함하고,
상기 단조 금형(100)은 상부금형(110)과 하부금형(120)을 포함하고, 상부금형(110)이 하부금형(120)에 대해 상하로 왕복 이동하면서 피가공 소재(3)를 타격 또는 가압하고,
하부금형(120)은,
숄더 부분(20a)과 형합하는 공간(122)을 가진 제1 부분(121); 및,
툴핀 부분(10a)과 형합하는 공간(124)을 가진 제2 부분(123);을 포함하고,
제1,2 부분(121)(123)은 일체로 형성되고 공간(122)(124)은 서로 연결되어 통하며,
상부금형(110)은,
공간(122)에 삽입되어 피가공 소재(3)를 타격 또는 가압하는 제1 돌출부(111);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴 제조방법.
According to paragraph 4,
It further includes preparing or manufacturing a forging mold 100 before step (a),
The forging mold 100 includes an upper mold 110 and a lower mold 120, and the upper mold 110 reciprocates up and down with respect to the lower mold 120 while hitting or pressing the workpiece 3. do,
The lower mold 120 is,
a first portion (121) having a space (122) conforming to the shoulder portion (20a); and,
It includes a second part (123) having a space (124) in conformity with the tool pin part (10a),
The first and second parts 121 and 123 are formed as one body, and the spaces 122 and 124 are connected to each other,
The upper mold 110 is,
A method of manufacturing a tool for friction stir welding, comprising a first protrusion 111 that is inserted into the space 122 and hits or presses the material to be processed (3).
제5항에 있어서,
툴 핀(10)의 높이(H)와 숄더의 너비(W)가 결정되면, 상기 높이(H)와 너비(W)를 가진 시험용 툴을 제조하여 테스트한 후, 상기 테스트의 결과를 반영하여 툴핀(10)의 최종 높이와 숄더(20)의 최종 너비를 결정하고, 상기 최종 높이와 상기 최종 너비를 가진 툴(30)을 제조하는 단조 금형(10)을 제조하며,
상기 시험용 툴은 CNC 가공으로 제조된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴 제조방법.
According to clause 5,
Once the height (H) of the tool pin 10 and the width (W) of the shoulder are determined, a test tool with the height (H) and width (W) is manufactured and tested, and then the tool pin is manufactured by reflecting the results of the test. Determine the final height of (10) and the final width of the shoulder (20), and manufacture a forging mold (10) for manufacturing a tool (30) having the final height and the final width,
A method of manufacturing a tool for friction stir welding, characterized in that the test tool is manufactured by CNC machining.
마찰교반용접에서 용접하기 위해 사용되는 툴(30)이고,
상기 툴(30)은 툴핀(10)과 숄더(20)를 포함하며,
툴핀(10)과 숄더(20)는 단조 가공에 의해 일체형으로 만들어지되 툴핀(10)의 외주면에는 전조 가공에 의해 나사산(12)이 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.
It is a tool 30 used for welding in friction stir welding,
The tool 30 includes a tool pin 10 and a shoulder 20,
A tool for friction stir welding, wherein the tool pin (10) and the shoulder (20) are made as one piece by forging, and a screw thread (12) is formed on the outer peripheral surface of the tool pin (10) by rolling processing.
제7항에 있어서,
용접대상인 제품의 두께(T)와 툴 핀의 높이(H)는 아래 식을 만족하고,
숄더(20)의 너비(W)는 상기 두께(T)의 2배 이상이 되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 툴.
[식]
Figure pat00004
In clause 7,
The thickness (T) of the product to be welded and the height (H) of the tool pin satisfy the equations below,
A tool for friction stir welding, characterized in that the width (W) of the shoulder (20) is more than twice the thickness (T).
[ceremony]
Figure pat00004
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