WO2016024660A1 - 후판 접합용 마찰교반접합 공구 - Google Patents

후판 접합용 마찰교반접합 공구 Download PDF

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WO2016024660A1
WO2016024660A1 PCT/KR2014/009019 KR2014009019W WO2016024660A1 WO 2016024660 A1 WO2016024660 A1 WO 2016024660A1 KR 2014009019 W KR2014009019 W KR 2014009019W WO 2016024660 A1 WO2016024660 A1 WO 2016024660A1
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WO
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probe
stir welding
shoulder portion
friction stir
joining
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/009019
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English (en)
French (fr)
Inventor
김주호
노중석
김동규
주영환
정윤철
Original Assignee
(주)태광테크
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding

Definitions

  • the present invention relates to a friction stir welding tool for thick plate joining, and more particularly, to a friction stir welding tool for joining thick plates that enables the joining of a thick plate having a thickness of 50 mm or more.
  • FSW friction stir welding
  • friction stir welding when the non-consumable friction stir welding tool, which is a hard material, is brought into contact with the abutting surfaces of the joining members while rotating at a high speed, the friction stir welding tool is heated by mutual friction between the joining members and the joining members. Is generated, the material around the friction stir welding tool is softened, and the joining members are joined on the principle that the materials on both sides of the joint surface are forcibly mixed by the plastic flow of the material by stirring of the friction stir welding tool. Since it does not involve the melting of the joining member, it is possible to prevent welding defects occurring in the conventional melt welding, and it is widely used as an eco-friendly joining technique because no harmful substances are emitted during the joining process.
  • the friction stir welding tool 10 used in the aforementioned friction stir welding is mostly a rotor 20 having a shoulder portion 22, and a probe provided to protrude from the shoulder portion 22, as shown in FIG. 30) is made.
  • the rotor 20 and probe 30 including the shoulder portion 22 may be provided in one piece, or the probe 30 may be detachably provided in the shoulder portion 22. .
  • the probe 30 of most friction stir welding tools 10 is formed such that the diameter ⁇ 1 is smaller than the diameter ⁇ 2 of the rotor 20, and the probe 30 is the rotation axis CL of the rotor 20. And concentrically arranged. And from the tip of the probe 30 to the shoulder 22 of the rotor 20, the length ⁇ 3, that is, the length ⁇ 3 of the probe 30 is smaller than the length ⁇ 4 of the diameter of the shoulder 22 Is formed.
  • the length 22 of the shoulder portion 22 is longer than the length ⁇ 3 of the probe 30 is that in order to supply (heat input) sufficient heat to provide plastic flow of the joining member during friction stir welding, that is, Since the shoulder portion 22 is rubbed with the joining member so that the frictional heat to the extent that the joining member should be sufficiently generated, the length ⁇ 4 of the shoulder portion 22 is formed longer than the length ⁇ 3 of the probe 30. .
  • the heat input generated during friction stir welding is not sufficient, and thus the plastic flow of the joining member is not smooth. Defects occur at the joints. In addition, due to lack of heat input, the plastic flow is not smooth even around the probe 30, so that the probe 30 is worn or cut.
  • the length ⁇ 4 of the diameter of the shoulder portion 22 and the length ⁇ 3 of the probe 30 should also increase for the above-described reasons.
  • the diameter of the shoulder portion 22 is sufficient to supply sufficient heat for plastic flow of the joining member in the form of the shoulder portion 22 and the frictional heat of the joining member.
  • the length ⁇ 4 should also be 50 mm or more. As the length ⁇ 4 of the diameter of the shoulder portion 22 becomes longer, the length ⁇ 2 of the diameter of the rotor 20 also increases, and thus the increased length ( In order to rotate the rotor 20 having ⁇ 2 and ⁇ 4, a motor having a corresponding capacity must be accompanied, thereby causing a relatively large problem due to the size of the friction stir welding device.
  • the conventional friction stir welding is generally used to join a joining member having a thickness within 5 mm.
  • the present invention is to provide a friction stir welding tool for joining a thick plate, which enables to join a thick plate having a thickness of 50 mm or more while minimizing the increase in the area of the shoulder portion by improving the shape of the probe.
  • the probe in the friction stir welding tool having a cylindrical shape and a rotor forming a shoulder portion on the front end surface, and a probe protruding along the rotation axis of the rotor from the center of the shoulder portion, the probe is a shoulder It has a conical shape extending from the center of the portion to the outside of the shoulder portion, the length of the probe satisfies the following relation 1, the diameter of the shoulder portion can satisfy the relation 2 below.
  • T is the thickness of the bonding member
  • L1 is the length from the start end of the probe to the extension end of the probe
  • L2 represents the diameter of the shoulder portion
  • the diameter of the start end of the shoulder and the subsequent probe may satisfy the following Equation 3.
  • L2 represents the diameter of the shoulder portion
  • L3 represents the diameter of the start end of the probe.
  • the angle formed by the hypotenuse from the beginning of the probe to the extension of the probe may be derived by Equation 4 below.
  • L1 represents the length from the beginning of the probe to the extension of the probe and L3 represents the diameter of the beginning of the probe.
  • the stirring protrusion having a triangular cross section protruding outside the outer circumferential surface of the probe on the outer circumferential surface of the probe is formed, the stirring protrusion is formed of a spiral surrounding the outer circumferential surface of the probe from the extended end of the probe to the shoulder It may be provided in the form, or may be provided in a parallel form to horizontally wrap the outer peripheral surface of the probe from the extended end of the probe to the shoulder end and the beginning of the probe that follows.
  • the distance between the center of any one stirring projection and the center of another neighboring stirring projection may be 0.5 to 15 mm.
  • the height of the stirring protrusion may be 0.2 to 5 mm.
  • flank surface of any one of the stirring protrusion and the adjacent flank of the stirring protrusion may have an angle between 8 ° and 120 °.
  • the stirring protrusion extending in the form of a spiral may have a torsion angle of 30 ⁇ 180 °.
  • the shoulder portion may be formed with one or more spiral protrusions that extend from the outer diameter side of the start end of the probe to the outer diameter side of the shoulder portion and further extend toward the outer diameter side of the shoulder portion and are provided with the curvature of the spiral gradually away from the probe.
  • the spiral protrusion may have a length of 1 to 5 mm in width.
  • the spiral protrusion may have a protruding length of 0.1-5 mm.
  • the friction stir welding tool for joining the thick plate according to the present invention allows the correlation between the joining member, the probe, and the shoulder portion to be complexly realized, and by improving the shape of the stirring protrusion, while minimizing the increase in the area of the shoulder portion.
  • 1 is a view schematically showing a general friction stir welding tool
  • Figure 2 is a photograph of various conventional friction stir welding tools
  • FIG. 3 is a view schematically showing a friction stir welding tool for joining a thick plate according to the present invention
  • FIG. 4 is a view of the friction stir welding tool for thick plate joining according to the present invention in the "B" portion of Figure 3,
  • FIG. 5 is an enlarged view of “A” of FIG. 3,
  • FIG. 6 is a view showing another embodiment of the stirring projection shown in FIG. 3, and
  • FIG. 7 and 8 illustrate another embodiment of the probe shown in FIG. 3.
  • FIG 3 is a view schematically showing a friction stir welding tool for joining a thick plate according to the present invention
  • the friction stir welding tool 100 for joining a thick plate according to the present invention has a cylindrical shape and has a shoulder portion 112 on a front end surface thereof.
  • the probe 120 has a conical shape as shown. In other words, the probe 120 extends from the center of the shoulder portion 112 to the outside of the shoulder portion 112 in a progressively smaller diameter.
  • the protruding length L1 of the probe 120 that is, the length L1 from the start end of the shoulder portion 112 and the subsequent probe 120 to the extension end of the probe 120 is determined by the joining members W1 and W2. It is limited by the thickness T. And the protruding length (L1) of the probe 120 preferably satisfies the following relation (1).
  • the probe 120 when the length L1 of the probe 120 is equal to or exceeds the thickness T of the joining members W1 and W2, the probe 120 is inserted into the joining members W1 and W2 during friction stir welding. Since the depth is relatively deep, the probe 120 may not only penetrate the bonding members W1 and W2, but also cause a decrease in the friction stir welding speed. In addition, when the length L1 of the probe 120 is less than 0.75T, the friction force generated during the friction stir welding is relatively small, thereby effectively generating the plastic flow phenomenon of the softened joining members W1 and W2 (hereinafter referred to as "melt material"). You can't.
  • the diameter (L2) of the shoulder portion 112 and the start end of the probe 120 is defined by the length (L1) of the probe 120, the shoulder portion 112 and the start of the starting end of the probe 120
  • the diameter L3 is defined by the diameter L2 of the shoulder portion 112. That is, the diameter L2 of the shoulder part 112 preferably satisfies the following relational expression 2, and the diameter L3 of the start end of the probe 120 preferably satisfies the following relational expression 3.
  • the diameter (L3) of the start end of the probe 120 exceeds 3 / 8L2, the friction stir welding is not made because the flow of the molten material is out of the joint portion, the diameter of the start end of the probe 120 ( If L3) is less than 1 / 8L2, the probe 120 may be damaged during friction stir because it is weak in strength.
  • hypotenuse angle ⁇ formed by the outer circumferential surface of the probe 120 that is, the angle ⁇ formed by the hypotenuse from the start end of the probe 120 to the extended end of the probe 120, is derived by Equation 4 below.
  • a stirring protrusion 122 is formed on the outer circumferential surface of the probe 120 to allow the molten material to be stirred with plastic flow around the probe 120 when the probe 120 is rotated.
  • a spiral protrusion 114 is formed at 112 to prevent the molten material from flowing out of the shoulder portion 112 during friction stir welding.
  • the spiral protrusion 114 has a spiral shape surrounding the probe 120 and is formed to protrude out of the shoulder portion 112 on the surface of the shoulder portion 112.
  • the spiral protrusion 114 extends to the outer diameter side of the shoulder portion 112 while surrounding the probe 120 from the outer diameter side of the start end of the probe 120 as shown in FIG. 3, wherein the spiral protrusion 114 is a shoulder. As it extends toward the outer diameter side of the unit 112, the shape of the spiral of the spiral away from the probe 120 gradually.
  • One or more spiral protrusions 114 formed in the shoulder portion 112 are formed, and the spiral protrusion 114 prevents the molten material from flowing out of the shoulder portion 112 during friction stir welding to probe the molten material 120. ) To guide to the side.
  • the spiral protrusion 114 has a length L4 of a width of 1 to 5 mm, and the spiral protrusion 114 preferably has a protruding length L5 of 0.1 to 5 * mm.
  • the length L4 of the width of the protrusion 114 is less than 1 mm, since frictional heat generated from the shoulder 112 is considerably lowered, the flow amount of the molten material is not smooth and friction stir welding is not performed, and the spiral protrusion 114 is formed.
  • the length L4 of the width exceeds 5 mm, the inner space of the spiral protrusion 114 is narrow, so that the molten material is not accommodated and the softened joining members W1 and W2 are moved out of the shoulder portion 112. Will leak.
  • the protruding length (L5) of the spiral protrusion 114 is less than 0.1mm, the material flow phenomenon in the shoulder portion 112 is reduced and the flow amount is not smooth, friction stir welding is not made, the spiral protrusion 114 of If the protruding length (L5) exceeds 5mm, the phenomenon that the material to be flowed is present as it is, the friction stir welding is not made, and the insertion depth of the tool is deepened by the protruding length (L5), resulting in loss of material. This happens.
  • the stirring protrusion 122 has a triangular cross section protruding outside the outer circumferential surface of the probe 120 on the outer circumferential surface of the probe 120 as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the stirring protrusion 122 is provided in the form of a spiral surrounding the outer circumferential surface of the probe 120 from the extended end of the probe 120 to the start end of the shoulder portion 112 and the probe 120 (see FIG. 3),
  • the probe 120 may be provided in a parallel form to horizontally surround the outer circumferential surface of the probe 120 from the extended end of the probe 120 to the start of the shoulder 112 and the probe 120 that follows (see FIG. 5).
  • the angle ⁇ between the flank of one of the stirring protrusions 122 and the flank of another stirring protrusion 122 is preferably 5 to 120 °, and has a spiral shape as shown in FIG. 3. It is preferable that the inclination angle (torsion angle; ⁇ ) of the spiral of the stirring protrusion 122 extending to be 30 to 180 degrees.
  • the pitch P of the stirring protrusion 122 is less than 0.5 mm, the height of the stirring protrusion 122 is too low so that the flow of the molten material is not smooth when friction stirring, and thus the stirring protrusion 122 is not made.
  • the pitch P of the () exceeds 15 mm, there is a portion where the flow of the molten material does not occur, and a defect occurs inside the joint portion.
  • the height H of the stirring protrusion 122 is less than 0.2 mm, the frictional heat generated from the probe 120 is considerably lowered, so that the flow amount of the molten material is not smooth, so that the friction stir welding is not performed, and the stirring protrusion is
  • the height H of the 122 exceeds 5 mm, defects may occur when the flow of the molten material does not act greatly during friction stir welding, and the end of the stirring protrusion 122 may be damaged.
  • the angle between the stirring protrusions 122 is less than 5 °, defects occur at the joints due to a decrease in the flow amount of the molten material during friction stir welding, and the angle between the stirring protrusions 122 is 120.
  • the temperature exceeds ⁇ , the amount of molten material to flow through the probe 120 increases, so that the molten material does not flow smoothly, so that defects may occur at the joint, and the friction stir welding tool 100 for thick plate joining may be used. As the load generated increases, the friction stir welding tool 100 for joining the thick plate may be damaged.
  • the torsion angle ⁇ of the stirring protrusion 122 extending in a spiral form is less than 30 °, the planar shape between the shoulder 112 and the stirring protrusion 122 is widened, so that the surface flow of the material is not smoothly made.
  • a defect occurs in the joint portion and the spirals forming the stirring protrusion 122 are too many, so that the surface portion of the material does not flow smoothly, so that a defect occurs in the joint portion, and the stirring protrusion 122 extends in a spiral shape.
  • the torsion angle of ⁇ exceeds 180 °, the spiral shape does not appear easily, which may affect the surface flow of the molten material during friction stir.
  • FIGS. 7 and 8 illustrates a state in which a flat portion 124 is provided to the probe 120 having a spiral stirring protrusion 122
  • FIG. 8 illustrates a plane portion 124 in the probe 120 having parallel stirring protrusions 122.
  • planar portion 124 may be formed in the form of a spiral along the outer circumferential surface of the probe 120.
  • the friction stir welding tool 100 for joining the thick plate according to the present invention formed as described above has a correlation between the joining members W1 and W2 and the length L1 of the probe 120, the length L1 and the shoulder of the probe 120.
  • the correlation between the diameter L2 of the part 112 and the correlation between the diameter L2 of the shoulder part 112 and the diameter L3 of the start end of the probe 120 is a technical feature.
  • the friction stir welding tool 100 for joining the thick plate according to the present invention is characterized by an improved shape of the stirring protrusion 122 formed on the outer circumferential surface of the probe 120.
  • the friction stir welding tool 100 for joining the thick plate according to the present invention implements a complex correlation between the joining members W1 and W2, the probe 120, and the shoulder 112, and the stirring protrusion 122 By improving the shape of), it is possible to join the joining members (W1, W2) having a thickness of 50 mm or more while minimizing the increase in the area of the shoulder portion (112).
  • the friction stir welding tool 100 for joining the thick plate is not limited to the configuration and operation of the embodiments described above.
  • the above embodiments may be configured such that various modifications may be made by selectively combining all or part of the embodiments.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

본 발명은 숄더부의 면적 증대를 최소화하면서 두께가 100㎜ 이상인 후판을 접합할 수 있게 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구에 관한 것으로, 본 발명은 원통형상을 가지며 선단면 상에 숄더부를 형성하는 로터, 및 숄더부의 중심부에서부터 로터의 회전축선을 따라 돌출되는 프로브를 가지는 마찰교반접합 공구에 있어서, 프로브는 숄더부의 중심부에서부터 숄더부의 외측으로 연장되는 원뿔형상을 가지고, 프로브의 길이는 하기 관계식 1을 만족시키며, 숄더부의 직경은 하기 관계식 2를 만족시킨다. [관계식 1] 0.75T ≤ L1 ＜ T [관계식 2] L2 ≤ L1 여기서, T는 접합부재의 두께, L1은 프로브의 시작단에서부터 프로브의 연장단까지의 길이이며, L2는 숄더부의 직경을 나타냄.

Description

후판 접합용 마찰교반접합 공구
본 발명은 후판 접합용 마찰교반접합 공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두께가 50㎜ 이상인 후판을 접합할 수 있게 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구에 관한 것이다.
최근 경량합금을 접합하는 기술로는 마찰교반접합(FSW; Friction Stir Welding)이 개발되어 적용되고 있다.
마찰교반접합은, 접합하고자 하는 접합부재에 비하여 경질재료인 비소모성 마찰교반접합 공구를 고속으로 회전시키면서 접합부재들의 맞닿은 면에 접촉시키면, 마찰교반접합 공구와 접합부재와의 상호마찰에 의해 열이 발생하여 마찰교반접합 공구 주변의 재료가 연화되고, 마찰교반접합 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제로 혼합되는 원리로 접합부재들이 접합되는 것으로, 이러한 마찰교반접합은 접합부재의 용융을 수반하지 않기 때문에 기존의 용융용접에서 발생하는 용접결함을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 접합과정에서 유해물질이 배출되지 않아 친환경적인 접합기술로 널리 이용되고 있는 실정이다.
전술한 마찰교반접합에 사용되는 마찰교반접합 공구(10)는 대부분 도 1에 도시된 바와 같이 숄더부(22)를 갖는 로터(20), 및 숄더부(22)로부터 돌출하도록 마련된 프로브(probe;30)를 포함하여 이루어진다.
여기서 숄더부(22)를 포함하는 로터(20) 및 프로브(30)는 한 피스로 제공되거나, 또는 프로브(30)는 숄더부(22)에 분리 가능하게 제공될 수 있음을 누구나 알 수 있을 것이다.
그리고 대부분의 마찰교반접합 공구(10)의 프로브(30)는 직경(ι1)이 로터(20)의 직경(ι2)보다 작도록 형성되고, 프로브(30)는 로터(20)의 회전축(CL)과 동심(同心)으로 배치된다. 그리고 프로브(30)의 선단부로부터 로터(20)의 숄더부(22)까지 길이(ι3), 즉 프로브(30)의 길이(ι3)는 숄더부(22)의 직경의 길이(ι4)보다 작도록 형성된다.
이렇게 숄더부(22)의 길이(ι4)가 프로브(30)의 길이(ι3)보다 긴 이유로는 마찰교반접합 시 접합부재의 소성유동을 제공하기에 충분한 열을 공급(입열)하기 위해서, 다시 말해 숄더부(22)가 접합부재와 마찰되어 접합부재가 충분히 접합될 수 있을 정도의 마찰열이 발생되어야하기 때문에 숄더부(22)의 길이(ι4)는 프로브(30)의 길이(ι3)보다 길게 형성된다.
여기서 숄더부(22)의 직경의 길이(ι4)로 인해 숄더부(22)의 면적이 충분하게 제공되지 않을 경우에는 마찰교반접합 시 발생하는 입열이 충분하지 못해 접합부재의 소성유동이 원활하지 않아 접합부위에 결함이 발생하게 된다. 또한 입열 부족으로 인하여 프로브(30) 주변에서도 소성유동이 원활하지 않아 프로브(30)가 마모되거나 절단된다.
한편, 마찰교반접합 할 접합부재의 두께가 증가하면 전술한 이유에 의해 숄더부(22)의 직경의 길이(ι4) 및 프로브(30)의 길이(ι3)도 증가하여야 한다.
예를 들어, 접합할 접합부재의 두께가 50㎜일 경우 접합부재의 소성유동을 위한 충분한 열이 숄더부(22)와 접합부재의 마찰열의 형태로 공급되기 위해서는 적어도 숄더부(22)의 직경의 길이(ι4)도 50㎜ 이상은 되어야 하는데, 이렇게 숄더부(22)의 직경의 길이(ι4)가 길어짐에 따라 로터(20)의 직경의 길이(ι2) 또한 증가하게 되고, 이렇게 증가된 길이(ι2, ι4)를 가지는 로터(20)를 회전시키기 위해서는 이에 대응되는 용량의 모터가 수반되어야 하기 때문에, 이로 인해 마찰교반접합 장치의 크기로 상대적으로 커지는 문제점이 있었다.
이러한 문제점으로 인해 종래의 마찰교반접합은 통상적으로 5㎜ 이내의 두께를 가지는 접합부재를 접합하는데 사용되고 있는 실정이다.
한편, 도 2에는 다양한 종래 마찰교반접합 공구가 개시되어 있다.
관련 선행기술로는 대한민국공개특허 제 2003-0010463 호(공개일자: 2003. 02. 05, 명칭"마찰교반접합방법 및 회전공구")가 있다.
본 발명은 프로브를 형상을 개선함으로써, 숄더부의 면적 증대를 최소화하면서 두께가 50㎜ 이상인 후판을 접합할 수 있게 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 원통형상을 가지며 선단면 상에 숄더부를 형성하는 로터, 및 숄더부의 중심부에서부터 로터의 회전축선을 따라 돌출되는 프로브를 가지는 마찰교반접합 공구에 있어서, 프로브는 숄더부의 중심부에서부터 숄더부의 외측으로 연장되는 원뿔형상을 가지고, 프로브의 길이는 하기 관계식 1을 만족시키며, 숄더부의 직경은 하기 관계식 2를 만족시킬 수 있다.
[관계식 1] 0.75T ≤ L1 ＜ T
[관계식 2] L2 ≤ L1
여기서, T는 접합부재의 두께, L1은 프로브의 시작단에서부터 프로브의 연장단까지의 길이이며, L2는 숄더부의 직경을 나타냄.
구체적으로 숄더부와 이어지는 프로브의 시작단의 직경은 하기 관계식 3을 만족시킬 수 있다.
[관계식 3] 1/4L2 ≤ L3 ＜ 3/4L2
여기서, L2는 숄더부의 직경을, L3는 프로브의 시작단의 직경을 나타냄.
구체적으로 프로브의 시작단에서부터 프로브의 연장단까지의 빗변이 이루는 각은 하기의 관계식 4에 의해 도출될 수 있다.
[관계식 4]
Figure PCTKR2014009019-appb-I000001
여기서, L1은 프로브의 시작단에서부터 프로브의 연장단까지의 길이를, L3는 프로브의 시작단의 직경을 나타냄.
더 구체적으로 프로브의 외주면 상에는 프로브의 외주면 외측으로 돌출된 삼각형의 단면을 가지는 교반 돌출부;가 형성되며, 교반 돌출부는 프로브의 연장단에서부터 숄더부와 이어지는 프로브의 시작단까지 프로브의 외주면을 감싸는 나선형의 형태로 제공되거나, 또는 프로브의 연장단에서부터 숄더부와 이어지는 프로브의 시작단까지 프로브의 외주면을 수평하게 감싸는 평행한 형태로 제공될 수 있다.
구체적으로 어느 하나의 교반 돌출부의 중심과 이웃한 또 다른 교반 돌출부의 중심간 거리는 0.5~15㎜일 수 있다.
구체적으로 교반 돌출부의 높이는 0.2~5㎜일 수 있다.
구체적으로 어느 하나의 상기 교반 돌출부의 플랭크면과 이웃한 또 다른 상기 교반 돌출부의 플랭크면은 8~120˚의 사이각을 가질 수 있다.
구체적으로 나선형의 형태로 연장되는 상기 교반 돌출부는 30~180˚의 비틀림각을 가질 수 있다.
그리고 숄더부에는 프로브의 시작단 외경 측에서부터 프로브를 감싸면서 숄더부의 외경 측으로 연장됨과 아울러 숄더부의 외경 측으로 연장될수록 프로브에서 점층적으로 멀어지는 나선의 곡률로 제공되는 하나 이상의 나선형 돌기가 형성될 수 있다.
구체적으로 나선형 돌기는 1~5㎜의 폭의 길이를 가질 수 있다.
구체적으로 나선형 돌기는 0.1~5㎜의 돌출길이를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구는, 접합부재, 프로브, 및 숄더부의 상관관계가 복합적으로 구현되게 하고, 교반 돌출부의 형상을 개선함으로써, 숄더부의 면적 증대를 최소화하면서 두께가 50㎜ 이상인 접합부재를 접합할 수 있게 하는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 마찰교반접합 공구를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 다양한 종래 마찰교반접합 공구를 촬영한 사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 "B"부분에서 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구를 바라 본 도면이며,
도 5 도 3의 "A"를 확대하여 나타낸 도면이고,
도 6는 도 3에 도시된 교반 돌출부의 다른 실시예를 나타낸 도면이며, 그리고
도 7 및 도 8은 도 3에 도시된 프로브의 다른 실시예를 나나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구를 개략적으로 나타낸 도면으로써, 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)는 원통형상을 가지며 선단면 상에 숄더부(112)를 형성하는 로터(110), 및 숄더부(112)의 중심부에서부터 로터(110)의 회전축선(CL)을 따라 돌출되는 프로브(120)를 포함한다.
프로브(120)는 도시된 바와 같이 원뿔 형상을 가진다. 다시 말해 프로브(120)는 숄더부(112)의 중심부에서부터 숄더부(112)의 외측으로 직경이 점층적으로 작아지게 연장된다.
프로브(120)의 돌출된 길이(L1), 즉 숄더부(112)와 이어지는 프로브(120)의 시작단에서부터 프로브(120)의 연장단까지의 길이(L1)는 접합부재(W1, W2)의 두께(T)에 의해 한정된다. 그리고 프로브(120)의 돌출 길이(L1)는 하기의 관계식 1을 만족시키는 것이 바람직하다.
[관계식 1]
0.75T ≤ L1 ＜ T
여기서, 프로브(120)의 길이(L1)가 접합부재(W1, W2)의 두께(T)와 같거나 초과하게 되면 마찰교반접합 시 접합부재(W1, W2) 내부로 삽입되는 프로브(120)의 깊이가 상대적으로 깊어 프로브(120)가 접합부재(W1, W2)를 관통할 수 있을 뿐만 아니라 마찰교반접합 속도의 저하를 가져온다. 그리고 프로브(120)의 길이(L1)가 0.75T 미만이면 마찰교반접합 시 발생되는 마찰력이 상대적으로 작아 연화된 접합부재(W1, W2; 이하 "용융소재"라 한다)의 소성유동 현상을 효과적으로 발생시킬 수 없다.
한편, 프로브(120)의 시작단과 이어지는 숄더부(112)의 직경(L2)은 프로브(120)의 길이(L1)에 의해 한정되며, 숄더부(112)와 이어지는 프로브(120)의 시작단의 직경(L3)은 숄더부(112)의 직경(L2)에 의해 한정된다. 즉 숄더부(112)의 직경(L2)은 하기의 관계식 2를 만족시키는 것이 바람직하며, 프로브(120)의 시작단의 직경(L3)은 하기의 관계식 3을 만족시키는 것이 바람직하다.
[관계식 2]
L2 ≤ L1
[관계식 3]
1/4L2 ≤ L3 ＜ 3/4L2
여기서 숄더부(112)의 직경(L2)이 프로브(120)의 길이(L1)를 초과하게 되면 숄더부(112)와 접합부재(W1, W2) 사이의 마찰열이 과다하게 높아지기 때문에 접합부위에 결함이 발생하게 된다.
또한 프로브(120)의 시작단의 직경(L3)가 3/8L2를 초과하게 되면, 용융소재의 유동이 접합부 밖으로 이탈되기 때문에 마찰교반접합이 이루어지지 않으며, 프로브(120)의 시작단의 직경(L3)가 1/8L2 미만이면 강도적인 면에서 취약하기 때문에 마찰교반 시 프로브(120)가 파손될 수 있다.
그리고 프로브(120)의 외주면이 이루는 빗변각(θ), 즉 프로브(120)의 시작단에서부터 프로브(120)의 연장단까지의 빗변이 이루는 각(θ)은 하기의 관계식 4에 의해 도출된다.
[관계식 4]
Figure PCTKR2014009019-appb-I000002
한편, 도 3 및 도 6을 참조하면, 프로브(120)의 외주면 상에는 프로브(120) 회전 시 용융소재가 프로브(120) 주변에서 소성유동으로 교반되도록 하는 교반 돌출부(122)가 형성되며, 숄더부(112)에는 마찰교반접합 시 용융소재가 숄더부(112)의 외부로 유출되는 것을 방지하는 나선형 돌기(114)가 형성된다.
나선형 돌기(114)는 프로브(120)를 둘러싸는 나선의 형상을 가지며 숄더부(112)의 면상에서 숄더부(112)의 외측으로 돌출되게 형성된다.
즉 나선형 돌기(114)는 도 3에 도시된 바와 같이 프로브(120)의 시작단 외경 측에서부터 프로브(120)를 감싸면서 숄더부(112)의 외경 측으로 연장되는데, 이때 나선형 돌기(114)는 숄더부(112)의 외경 측으로 연장될수록 프로브(120)에서 점층적으로 멀어지는 나선의 곡률 형상을 가진다. 이렇게 형성된 나선형 돌기(114)는 숄더부(112)에 하나 이상 형성되며, 나선형 돌기(114)는 마찰교반접합 시 용융소재가 숄더부(112)의 외부로 유출되지 않게 하면서 용융소재를 프로브(120) 측으로 안내하는 기능을 수행한다.
여기서, 나선형 돌기(114)는 1~5㎜의 폭의 길이(L4)를 가지는 것이 바람직하며, 그리고 나선형 돌기(114)는 0.1~5*㎜의 돌출 길이(L5)를 가지는 것이 바람직한데, 나선형 돌기(114)의 폭의 길이(L4)가 1㎜ 미만이면 숄더부(112)에서 발생하는 마찰열이 상당히 낮아지기 때문에 용융소재의 유동량이 원활하지 않아 마찰교반접합이 이루어지지 않으며, 나선형 돌기(114)의 폭의 길이(L4)가 5㎜를 초과하게 되면, 나선형 돌기(114)의 내부 공간이 좁기 때문에 용융소재가 수용되지 않아 연화된 접합부재(W1, W2)가 숄더부(112)의 외부로 유출되게 된다.
그리고 나선형 돌기(114)의 돌출길이(L5)가 0.1㎜미만이면, 숄더부(112)에서의 소재 유동 현상이 감소하며 유동량이 원활하지 않아 마찰교반접합이 이루어지지 않으며, 나선형 돌기(114)의 돌출길이(L5)가 5㎜를 초과하면 유동되어야 할 소재가 돌기부의 그대로 존재하는 현상이 발생되어 마찰교반접합이 이루어지지 않으며, 툴의 삽입깊이가 돌출 길이(L5) 만큼 깊어지므로 인해 소재의 유실이 발생한다.
한편, 교반 돌출부(122)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 프로브(120)의 외주면 상에서 프로브(120)의 외주면 외측으로 돌출된 삼각형의 단면을 가진다. 이러한 교반 돌출부(122)는 프로브(120)의 연장단에서부터 숄더부(112)와 이어지는 프로브(120)의 시작단까지 프로브(120)의 외주면을 감싸는 나선형의 형태로 제공되거나(도 3 참조), 또는 프로브(120)의 연장단에서부터 숄더부(112)와 이어지는 프로브(120)의 시작단까지 프로브(120)의 외주면을 수평하게 감싸는 평행한 형태로 제공될 수 있다(도 5 참조).
이렇게 형성되는 교반 돌출부(122)를 측면에서 봤을 때 어느 하나의 교반 돌출부(122)의 중심과 이웃한 또 다른 교반 돌출부(122)의 중심간 거리, 즉 교반 돌출부(122)의 피치(P)는 0.5~15㎜를 가지는 것이 바람직하며, 교반 돌출부(122)의 높이(H)는 0.2~5㎜를 가지는 것이 바람직하다.
그리고 어느 하나의 교반 돌출부(122)의 플랭크면과 이웃한 또 다른 교반 돌출부(122)의 플랭크면이 이루는 사이각(α)은 5~120˚를 가지는 것이 바람직하며, 도 3과 같이 나선형의 형태로 연장되는 교반 돌출부(122)의 나선의 경사각(비틀림각;β)은 30~180˚를 가지는 것이 바람직하다.
여기서 교반 돌출부(122)의 피치(P)가 0.5㎜ 미만이면, 교반 돌출부(122)의 높이를 너무 낮아 마찰교반 시 용융소재의 유동이 원활하지 않아 마찰교반접합이 이루어지지 않고, 교반 돌출부(122)의 피치(P)가 15㎜를 초과하게 되면, 용융소재의 유동이 발생하지 않는 부분이 존재하여 접합부위의 내부에 결함이 발생하게 된다.
또한 교반 돌출부(122)의 높이(H)가 0.2㎜ 미만이면, 프로브(120)에서 발생하는 마찰열이 상당히 낮아지고, 그로 인해 용융소재의 유동량이 원활하지 않아 마찰교반접합이 이루어지지 않으며, 교반 돌출부(122)의 높이(H)가 5㎜를 초과하게 되면, 마찰교반접합 시 용융소재의 유동이 크게 작용하지 않을 경우 결함이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 교반 돌출부(122)의 끝단이 파손될 수 있다.
그리고 교반 돌출부(122) 사이의 사잇각(α)이 5˚미만이면, 마찰교반접합 시 용융소재의 유동량 저하로 인해 접합부위에 결함이 발생하게 되고, 교반 돌출부(122) 사이의 사잇각(α)이 120˚를 초과하게 되면, 프로브(120)가 유동할 용융소재의 양이 많아지면서 용융소재의 유동이 원활하게 이루어지지 않아 접합부위에 결함이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)에 발생하는 부하량이 커져 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)가 파손될 수 있다.
또한 나선형의 형태로 연장되는 교반 돌출부(122)의 비틀림각(β)이 30˚미만이면 숄더부(112)와 교반 돌출부(122)사이의 평면형상이 넓어지므로 소재의 표면유동이 원활하게 이루어지지 않아 접합부위에 결함이 발생함과 아울러 교반 돌출부(122)를 이루는 나선이 너무 많아 소재의 표면부 유동이 원활하게 이루어지지 않아 접합부위에 결함이 발생하게 되고, 나선형의 형태로 연장되는 교반 돌출부(122)의 비틀림각(β)이 180˚를 초과하게 되면, 나선 형상이 용이하게 나타나지 않아 마찰교반 시 용융 소재의 표면유동에 영향을 줄 수 있다.
한편, 교반 돌출부(122)가 형성된 프로브(120)의 외주면 상에는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 프로브(120)의 길이방향을 따라 2~5개의 평면부(124)가 제공될 수 있는데, 도 7은 나선형의 교반 돌출부(122)를 가지는 프로브(120)에 평면부(124)가 제공된 상태를 나타낸 것이며, 도 8은 평행한 교반 돌출부(122)를 가지는 프로브(120)에 평면부(124)가 제공된 상태를 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8에서는 프로브(120)의 길이방향을 따라 연장되는 평면부(124)만이 도시되어 있지만, 평면부(124)는 프로브(120)의 외주면을 따라 나선의 형태로 형성할 수 있음을 누구나 알 수 있을 것이다.
이와 같이 형성된 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)는 접합부재(W1,W2)와 프로브(120)의 길이(L1)의 상관관계, 프로브(120)의 길이(L1)와 숄더부(112)의 직경(L2)의 상관관계, 및 숄더부(112)의 직경(L2)과 프로브(120)의 시작단의 직경(L3)의 상관관계를 기술적 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)는 프로브(120)의 외주면 상에 형성된 교반 돌출부(122)의 개선된 형상을 기술적 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)는 접합부재(W1, W2), 프로브(120), 및 숄더부(112)의 상관관계가 복합적으로 구현하고, 그리고 교반 돌출부(122)의 형상을 개선함으로써, 숄더부(112)의 면적 증대를 최소화하면서 두께가 50㎜ 이상인 접합부재(W1, W2)를 접합할 수 있게 한다.
상기와 같은 후판 접합용 마찰교반접합 공구(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
<부호의 설명>
100 : 후판 접합용 마찰교반접합 공구
110 : 로터 112 : 숄더부
120 : 프로브 122 : 교반 돌출부

Claims (11)

  1. 원통형상을 가지며 선단면 상에 숄더부를 형성하는 로터, 및 상기 숄더부의 중심부에서부터 상기 로터의 회전축선을 따라 돌출되는 프로브를 가지는 마찰교반접합 공구에 있어서,
    상기 프로브는 상기 숄더부의 중심부에서부터 상기 숄더부의 외측으로 연장되는 원뿔형상을 가지고,
    상기 프로브의 길이는 하기 관계식 1을 만족시키며,
    상기 숄더부의 직경은 하기 관계식 2를 만족시키는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
    [관계식 1] 0.75T ≤ L1 ＜ T
    [관계식 2] L2 ≤ L1
    여기서, T는 접합부재의 두께, L1은 프로브의 시작단에서부터 프로브의 연장단까지의 길이이며, L2는 숄더부의 직경을 나타냄.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 숄더부와 이어지는 상기 프로브의 시작단의 직경은 하기 관계식 3을 만족시키는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
    [관계식 3] 1/4L2 ≤ L3 ＜ 4/3L2
    여기서, L2는 숄더부의 직경을, L3는 프로브의 시작단의 직경을 나타냄.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로브의 시작단에서부터 상기 프로브의 연장단까지의 빗변이 이루는 각은 하기의 관계식 4에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
    [관계식 4]
    Figure PCTKR2014009019-appb-I000003
    여기서, L1은 프로브의 시작단에서부터 프로브의 연장단까지의 길이를, L3는 프로브의 시작단의 직경을 나타냄.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로브의 외주면 상에는 상기 프로브의 외주면 외측으로 돌출된 삼각형의 단면을 가지는 교반 돌출부;가 형성되며,
    상기 교반 돌출부는 상기 프로브의 연장단에서부터 상기 숄더부와 이어지는 상기 프로브의 시작단까지 상기 프로브의 외주면을 감싸는 나선형의 형태로 제공되거나, 또는 상기 프로브의 연장단에서부터 상기 숄더부와 이어지는 상기 프로브의 시작단까지 상기 프로브의 외주면을 수평하게 감싸는 평행한 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
  5. 청구항 4에 있어서,
    어느 하나의 상기 교반 돌출부의 중심과 이웃한 또 다른 상기 교반 돌출부의 중심간 거리는 0.5~15㎜를 가지는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 교반 돌출부의 높이는 0.2~5㎜를 가지는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
  7. 청구항 4에 있어서,
    어느 하나의 상기 교반 돌출부의 플랭크면과 이웃한 또 다른 상기 교반 돌출부의 플랭크면은 5~120˚의 사이각을 가지는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합 공구.
  8. 청구항 4에 있어서,
    나선형의 형태로 연장되는 상기 교반 돌출부는 30~180˚의 비틀림각을 가지는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합공구.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 숄더부에는 상기 프로브의 시작단 외경 측에서부터 상기 프로브를 감싸면서 상기 숄더부의 외경 측으로 연장됨과 아울러 상기 숄더부의 외경 측으로 연장될수록 상기 프로브에서 점층적으로 멀어지는 나선의 곡률로 제공되는 하나 이상의 나선형 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합공구.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 나선형 돌기는 1~5㎜의 폭의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합공구.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 나선형 돌기는 0.1~5㎜의 돌출길이를 가지는 것을 특징으로 하는 후판 접합용 마찰교반접합공구.
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