KR20240098449A

KR20240098449A - 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴

Info

Publication number: KR20240098449A
Application number: KR1020220180203A
Authority: KR
Inventors: 박병호
Original assignee: 재단법인 포항금속소재산업진흥원
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-06-28

Abstract

본 발명은 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴에 관한 것으로서, 용접장치 본체에 고정설치되는 외통과, 상기 외통 일측에 회전가능하게 설치되는 툴몸체와, 상기 툴몸체의 하부에 상기 툴몸체의 내외측방향으로 인입,인출 가능하게 설치되는 팁부를 포함하되, 상기 팁부는 적어도 하부 일측이 상기 툴몸체의 하방으로 돌출되어 용접하고자 하는 소재의 일측에 삽입되어 홀 가공을 수행한 후 상기 툴몸체의 내부로 인입되어 저면이 상기 툴몸체 저면과 동일면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 마찰용접 후 용접흔을 최소화하여 제품의 외관을 미려하게 형성할 수 있을 뿐 아니라 용접흔으로 인한 후공정의 불량을 미연에 방지하여 제품 특성을 크게 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

Description

용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴{Tool for friction stir spot weld with minimal welding marks}

본 발명은 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰용접 후 용접흔을 최소화하여 제품의 외관을 미려하게 형성할 수 있을 뿐 아니라 용접흔으로 인한 후공정의 불량을 미연에 방지하여 제품 특성을 크게 향상시킬 수 있는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴에 관한 것이다.

산업계에서는 에너지 효율성을 높이기 위한 일환으로 경량화에 대한 요구가 높아지고 있다.

특히 자동차 산업분야에서는 차량용 부재 등의 고강도 경량화 요구에 따라 알루미늄 등의 비철소재와 고강도 판재의 사용량이 증가하고 있으며, 이와 더불어 다수의 소재를 접합하기 위한 기술에 대한 수요가 크게 증대되고 있다.

그러나, 각 소재의 특성 차이로 인해 접합이 어려운 문제점이 있는데, 이를 해결하기 위한 방법 중 하나로 마찰교반용접이 사용되고 있다.

상기한, 마찰교반용접(Friction Stir Welding)기술은 다수의 소재 일측이 겹쳐진 용접대상영역 상부에 용접툴의 팁이 삽입되어 접촉되고, 접촉된 용접툴이 회전함에 따라 발생하는 마찰열을 이용하여 재표, 즉 소재 내 소성유동에 의해 용접하는 고상접합으로서, 아크 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 등의 용융 용접에 비해 블로홀이나 갈라짐이 발생하지 않고 용접에 따른 변형이 적다는 특징을 갖는다.

그러나, 이러한 마찰교반용접은 용접팁 하부에 형성된 팁이 소재 일측에 삽입된 후 용접툴이 회전하면서 용접이 실시됨에 따라 용접 후 팁 형상의 흔적(홈)이 발생된다.

이러한 팁의 흔적인 홈은 외부로 노출되어 제품의 외관을 해칠 뿐 아니라 홈에 의해 외표면에 형성되는 굴곡진 형상으로 인해 후공정, 특히 도장 공정에서는 도장면이 고르지 못하여 도장불량을 야기하는 문제점이 있었다.

한국등록특허 제2384697호 '커터가 구비된 마찰 교반 용접 장치'

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 마찰용접 후 용접흔을 최소화하여 제품의 외관을 미려하게 형성할 수 있을 뿐 아니라 용접흔으로 인한 후공정의 불량을 미연에 방지하여 제품 특성을 크게 향상시킬 수 있는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 제공함에 있다.

또한, 소재와의 마찰영역에 내마모 코팅층을 형성함으로써 수명을 현저하게 증대시킬 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 용접장치 본체에 고정설치되는 외통과, 상기 외통 일측에 회전가능하게 설치되는 툴몸체와, 상기 툴몸체의 하부에 상기 툴몸체의 내외측방향으로 인입,인출 가능하게 설치되는 팁부를 포함하되, 상기 팁부는 적어도 하부 일측이 상기 툴몸체의 하방으로 돌출되어 용접하고자 하는 소재의 일측에 삽입되어 홀 가공을 수행한 후 상기 툴몸체의 내부로 인입되어 저면이 상기 툴몸체 저면과 동일면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 제공한다.

그리고, 상기 팁부는 실린더 또는 모터 중 어느 하나에 의해 상하방향으로 이동되는 것이 바람직하다.

또한, 적어도 상기 툴몸체의 하부 및 상기 팁부의 외면에 형성되는 세라믹 코팅부를 더 포함할 수 있다.

아울러, 상기 세라믹 코팅부는 크롬 탄화물(Cr₃C₂)와 NiCr으로 적어도 상기 툴몸체의 하부 및 상기 팁부의 외면에 코팅되는 용사코팅층과, 상기 용사코팅층 상부에 형성되는 PVD 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 PVD 코팅층은 AlTiCrN으로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 마찰용접 후 용접흔을 최소화하여 제품의 외관을 미려하게 형성할 수 있을 뿐 아니라 용접흔으로 인한 후공정의 불량을 미연에 방지하여 제품 특성을 크게 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

그리고, 본 발명은 소재와의 마찰영역에 내마모 코팅층을 형성함으로써 수명을 현저하게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 개략적으로 도시한 사시도,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 개략적으로 도시한 단면도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 팁부가 소재 일측에 홀을 가공하는 상태를 도시한 도면,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 팁부가 툴몸체 내부로 인입된 상태에서 툴몸체가 회전하여 마찰교반용접을 실시하는 상태를 도시한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도1 및 도2에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴(1)은 외통(10)과, 툴몸체(20)와, 팁부(30)와, 구동부(40) 및 세라믹 코팅부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

외통(10)은 대략 원통형상으로 형성되어 용접건의 단부에 고정설치되어 후술하는 툴몸체(20)의 설치영역을 제공함과 아울러 이를 지지하는 역할을 한다.

툴몸체(20)는 대략 중공(21)이 형성된 원통형상으로 형성되고, 외통(10) 일측에 회전가능하게 설치될 수 있다. 이러한 툴몸체(20)는 하단부가 모재의 접합영역에 접촉된 상태로 고속 회전하여 소재의 접합영역을 소성유동시킴으로써 다수의 소재간을 서로 접합하는 역할을 한다.

팁부(30)는 대략 막대 형상으로 형성되고, 중공(21) 내에 상하방향, 즉 툴몸체(20)의 내외측방향으로 이동가능하게 설치되며, 하단부가 소재의 접합영역을 파고 들어 홈을 가공한 후 팁부(30) 내부로 인입되는데, 이러한 팁부(30)의 동작은 아래에서 도3을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

구동부(40)는 일측이 팁부(30)에 연결되어 팁부(30)에 상하방향으로 이동력을 제공하는 것으로서, 모터 또는 실린더가 사용될 수 있다. 이러한 구동부(40)는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게는 상용적으로 공급되는 것을 구입하여 사용할 수 있을 정도로 공지된 것임이 자명한 것으로서, 구체적인 구성설명은 생략하도록 한다.

세라믹 코팅부(50)는 적어도 소재에 접촉되는 툴몸체(20)의 하부영역과 팁부의 외면에 코팅되어 이들의 마모속도를 최소화하고, 이를 통해 툴의 수명을 크게 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 밀착력을 향상시키기 위해 이중 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.

이중 코팅층을 형성하는 경우에는 크롬 탄화물(Cr3C2)와 NiCr으로 형성되는 용사코팅층(51)과, 용사코팅층(51) 상부에 형성되는 PVD 코팅층(52)을 포함할 수 있으며, 여기서, PVD 코팅층은 AlTiCrN으로 이루어질 수 있다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 팁부가 소재 일측에 홀을 가공하는 상태를 도시한 도면이며, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 팁부가 툴몸체 내부로 인입된 상태에서 툴몸체가 회전하여 마찰교반용접을 실시하는 상태를 도시한 도면이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴(1)의 동작을 첨부된 도3 및 도4를 참조하여 설명하면 다음과 타다.

먼저, 용접건이 소재 접합영역과 대응되는 영역으로 이동됨에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴(1)이 소재 일측 중 접합영역에 접촉된다.

이와 동시에 툴몸체(20)가 회전하고, 툴몸체(20)의 하방으로 돌출된 팁부(30)가 소재의 일측을 파고 들면서 홀 가공을 수행한다.

홀 가공이 완료되면, 팁부(30)는 구동부(40)에 의해 상방으로 이동하여 툴몸체(20)의 내부로 인입되는데, 이때, 툴몸체(20)의 내부로 인입되는 팁부(30)의 저면은 툴몸체(20)의 저면과 동일면상에 위치하게 된다.

이렇게 툴몸체(20)의 저면이 평탄하게 형성된 상태에서 툴몸체(20)가 회전하여 마찰 교반 용접을 수행한다.

이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴(1)은 마찰용접 후 용접흔을 최소화하여 제품의 외관을 미려하게 형성할 수 있을 뿐 아니라 용접흔으로 인한 후공정의 불량을 미연에 방지하여 제품 특성을 크게 향상시킬 수 있는 특징을 갖는다.

뿐만 아니라 소재와의 마찰영역에 세라믹 코팅부(50)를 형성하여 내마모성을 크게 향상시킴으로써 툴의 수명을 현저하게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 외통 20 : 툴몸체
21 : 중공 30 : 팁부
40 : 구동부 50 : 세라믹 코팅부

Claims

용접장치 본체에 고정설치되는 외통과;
상기 외통 일측에 회전가능하게 설치되는 툴몸체와;
상기 툴몸체의 하부에 상기 툴몸체의 내외측방향으로 인입,인출 가능하게 설치되는 팁부를 포함하되,
상기 팁부는 적어도 하부 일측이 상기 툴몸체의 하방으로 돌출되어 용접하고자 하는 소재의 일측에 삽입되어 홀 가공을 수행한 후 상기 툴몸체의 내부로 인입되어 저면이 상기 툴몸체 저면과 동일면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴.
제1항에 있어서,
상기 팁부는 실린더 또는 모터 중 어느 하나에 의해 상하방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴.
제1항에 있어서,
적어도 상기 툴몸체의 하부 및 상기 팁부의 외면에 형성되는 세라믹 코팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴.
제3항에 있어서,
상기 세라믹 코팅부는
크롬 탄화물(Cr₃C₂)와 NiCr으로 적어도 상기 툴몸체의 하부 및 상기 팁부의 외면에 코팅되는 용사코팅층과;
상기 용사코팅층 상부에 형성되는 PVD 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴.
제4항에 있어서,
상기 PVD 코팅층은 AlTiCrN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접흔을 최소화할 수 있는 마찰 교반 용접 툴.