KR100544882B1 - 용접 공구, 용접 장치 및 용접 방법 - Google Patents

Abstract

접합부재 맞대기면의 접합부위에 마찰열을 가함과 아울러 자기장변화에 의한 유도전류를 발생시킴으로써 상기 접합부위를 가열함으로써, 접합의 생산성 및 품질을 향상할 수 있다.

마찰교반용접, 전자기장, 유도전류, 회전,

Description

용접 공구, 용접 장치 및 용접 방법{TOOL, APPARATUS AND METHOD FOR WELDING WORKPIECES}

도 1은 마찰교반용접 기술을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 용접 장치 및 이에 의하여 접합될 부재들을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 용접 공구의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 단위자석들의 배열구조를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 용접 공구의 몸체의 구성도이다.

도 6A 및 도 6B는 본 발명의 실시예의 용접 공구의 회전에 의하여 발생되는 전자기장 효과에 관한 이론적 해석결과를 도시한 도면이다.

도 7은 접합부재가 알루미늄인 경우에 대하여, 단위자석의 개수 및 공구의 회전수를 달리하면서 측정한 실험결과를 나타낸 도면이다.

도 8은, 접합부재가 구리인 경우에 대하여, 단위자석의 개수 및 공구의 회전수를 달리하면서 측정한 실험결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 용접에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 마찰력과 전자기력을 활용하여 용접하기 위한 용접 공구, 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것이다.

자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.

따라서 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근간에는 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW)이 소개되었고, 이에 관해서는 국제공개문헌(국제공개번호:WO93/10935; 출원인:THE WELDING INSTITUTE)를 참조로 할 수 있다.

상기 마찰교반용접 기술이 소개되기 전에는 마찰용접(friction welding) 기술이 수십년간 사용되어져 왔다. 마찰용접은 서로 결합할 결합부재에 충분한 마찰열을 발생시켜 결합부재들 첩촉면에 소성영역(plasticized zone)을 형성한 후 외력을 가하여 부재를 접합하는 것이다. 그런데 이러한 마찰용접은, 결합될 부재를 회전시킴으로써 결합부재들의 접촉면을 가열하게 되므로, 용접될 부재 중 하나 이상이 축 대칭이어야 한다는 제약이 따랐다. 일예로 판재의 옆면을 맞대어 용접하는 경우에서는 적용할 수 없게 된다. 따라서 마찰용접기술은 적용될 수 있는 범위에 제약이 컸다.

이에 비해 마찰교반용접 기술은, 용접될 부재들끼리의 마찰보다는, 용접 공구(tool)와 부재들 간의 마찰을 일으키고, 이에 따라 발생되는 마찰열을 이용하는 것이다.

도 1은 마찰교반용접 기술을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 접합할 부재들(130)을 단단히 상호 고정시킨 후, 맞닿은 면(140)(즉, 용접선)에서 두 접합부재(130) 사이에는 회전공구(100)의 일부분(120)(흔히 핀(pin)이라 한다)이 삽입된다. 따라서 핀(120)이 접합면(140)에 삽입된 채로 공구(100)를 회전시키면, 공구(100)와 접합부재(130) 사이의 마찰열에 의해 접합부재(130)의 접합부위가 가열되고, 따라서 접합부재(130)에는 소성영역이 형성되게 된다. 이 때, 기계적 힘을 가하여 공구를 용접선(140)을 따라 이동시키면, 가열된 접합부위가 공구의 앞부분에서 뒤쪽으로 압출되게 되고, 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상접합부가 만들어지게 된다. 이러한 과정에 의해 접합부재들(130)이 서로 용접되게 되는 것이다.

최근에는 이러한 마찰교반용접 기술을 활용/개선함으로써 더욱 발전시키고자 하는 노력이 더해지고 있다. 일예로, 국제공개문헌(국제공개번호:WO95/26254; 출원인: NORSK HYDRO A.S), 또는 미국특허문헌(미국특허번호:US5,829,664; 권리자:Aluminum Company of America)을 들 수 있다.

위 국제공개문헌(WO95/26254)에서는, 공구를 용접선에 대하여 기울이거나, 공구의 바닥면 형상을 개선하거나, 핀 형상을 개선함으로써 마찰교반용접의 적용범위와 특성을 개선하고자 하고 있다.

위 미국특허문헌(US5,829,664)에서는, 마찰열에 더하여 별도의 전원장치(power supply)에 의한 전기 통전에 의하여 접합부재의 전기발열을 일으켜 접합부위를 보다 효율적으로 가열함으로써 마찰교반용접의 생산성 및 품질을 향상하고자 시도하고 있다.

그러나, 아직까지의 마찰교반용접 기술에서는 접합부재의 접합부위의 가열이 보다 효율적이도록 개선될 여지가 많다.

일예로, 외부전류를 통전시킴으로써 접합부위를 추가발열하고자 한 위 미국특허문헌에 따르면, 접합부재를 충분히 가열하기 위해서는 외부에서 인가되는 전류는 매우 커야 하는데, 이를 위해서는 큰 용량의 전원장치가 필요하게 되는 단점이 있다. 또한, 전원장치로부터 공급되는 전류가 접합부재를 통전할 수 있도록 하기 위해서는 별도의 장치(위 미국특허문헌에서는 도체테이블을 사용하고 있다)가 필요하다. 뿐만 아니라, 외부로부터 공급된 전류는 접합부재의 접합부위에 국부적으로 흐르는 것이 아니라 접지된 것과 같이 내버려지게 되는 등, 기술적 효과가 그리 크지 않을 뿐 아니라, 불이익 또한 상당하게 수반되는 것이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 접합부재의 접합부위를 가열하기 위한 구성으로 자기장 변화에 따른 유도전류를 이용함으로써 보다 효율적인 용접 기술을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 용접 공구는, 회전축을 가진 설정된 형상으로서, 접합될 부재들 중 하나 이상의 부재에 접촉하여 마찰을 일으키기 위한 돌기가 형성된 몸체; 및 상기 몸체에 부착되고 상기 보디 외측으로 자기장 을 형성하는 자기장 형성 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 형성 유닛은, 영구자석 또는 전자석으로 구성된 단위자석을 복수개 포함하는 것이 바람직하다. 상기 영구자석은 ALNICO자석(Al-Ni-Co계), Nd자석(Nd-Fe-B계), 또는 사마륨자석(Sm-Co계) 등이 바람직하다.

복수개의 단위자석은, 상기 회전축 둘레로 배열되는 것이 바람직하다.

또한, 복수개의 단위자석은, 인접한 단위자석들이 N극 및 S극이 교번되도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 각 단위자석은, 그 N극 및 S극이 상기 몸체의 회전축과 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 몸체는, 상기 복수개의 단위자석 사이를 자기적으로 차폐하는 격벽을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 단위자석들 주위에는 공기의 유로가 형성된 것이 바람직하다.

상기 돌기 또는 몸체는, 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인레스 강을 포함하는 소재로 형성되는 것이 바람직하고, 특히 상기 고망간강은 약 15%의 망간함유율을 가지는 것이 바람직하다.

상기 용접 공구의 상기 돌기측 면은 평면적으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 용접 장치는, 전술한 본 발명에 의한 용접 공구와, 상기 용접 공구를 회전시키기 위한 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 용접 방법은, 접합부재 맞대기면의 접합부위에 마찰열을 가함과 아울러 자기장변화에 의한 유도전류를 발생시킴으로써 상기 접합부위를 가열 하고, 상기 접합부위를 상기 맞대기면을 따라 이동하는 것을 특징으로 한다.

상기 접합부위를 가열함에 있어서, 전술한 본 발명의 용접 공구를 상기 접합부위에 접촉시킨 상태에서 회전시킴으로써 가열하는 것이 바람직하다.

이 때 용접 공구의 돌기는 상기 접합부위의 맞대기면에 삽입되어 회전하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 용접 장치 및 이에 의하여 접합될 부재들을 도시한 도면이다. 이해를 돕기 위하여 도 2에서는 본 발명의 실시예에 의한 용접 장치에 관하여는 평면적으로, 접합될 부재들에 관하여는 입체적으로 도시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 용접 장치는, 용접 공구(200) 및 상기 용접 공구(200)를 회전시키기 위한 모터(290)를 포함한다.

상기 모터(290)의 회전축(292)에는 상기 공구를 고정하기 위한 고정기구(294)가 구비되고, 따라서, 용접 공구(200)는 그 회전축(210)이 상기 고정기구(294)에 의해 모터(290)에 고정되어 모터(290)의 회전에 따라 회전하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 용접 공구(200)의 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 용접 공구(200)는, 회전축(210)을 가진 설정된 형상으로서, 접합될 부재들(251,252) 중 하나 이상의 부재에 접촉하기 위한 돌기(205)(도 2 참조)(핀이라고도 한다)가 형성된 비자성 몸체(300), 그리고 상기 몸체(300)에 부착되고 상기 몸체 외측으로 자기장을 형성하는 자기장 형성 유닛(390)을 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 자기장 형성 유닛(390)은, 복수개의 단위자석(380; 즉 381 내지 388)을 포함하는데, 이들 단위자석들(380)은 영구자석 또는 전자석 어느 것이라도 무방하다. 단위자석(380)으로서 영구자석을 사용할 것인가 전자석을 사용할 것인가에 따라 나뉠 수 있는 장단점은 당업자에게 자명하고, 어느 것을 사용하는 경우라도 본 발명의 보호범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

다만, 이하의 설명에서는 단위자석(380)으로서 영구자석을 사용하는 경우를 참조로 설명하기로 한다. 이하의 설명으로부터, 영구자석 대신 전자석을 사용하는 실시 변경은 당업자에게 자명하다.

상기 영구자석은 ALNICO자석(Al-Ni-Co계), Nd자석(Nd-Fe-B계), 또는 사마륨자석(Sm-Co계) 등이 바람직하다.

본 발명의 기술적 사상은 상기 단위자석들(380)의 개수에 의해 제한되는 것은 아니다. 다만, 이하의 설명과 첨부된 도면에서는, 설명의 편의를 위하여 8개의 단위자석들을 사용하는 경우를 기초로 설명 및 도시된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 복수개의 단위자석들(380)은 용접 공구(200)의 회전축(210) 둘레로 배열된다. 각 단위자석(380)에 관하여는, 그 N극 및 S극이 상기 몸체의 회전축(210)과 평행하도록 배치된다. 인접한 단위자석들(380)은 N극 및 S극이 서로 교번되도록 배치된다.

이러한 단위자석들(380)의 배열구조는 도 4에 상세히 도시하였다. 즉, 한 단위자석(일예로 381)의 N극이 위쪽으로 향하도록 배치된다면, 이에 인접한 단위자석(382 및 388)의 N극은 아래쪽으로 향하도록 배치되는 것이다.

이러한 배치에 의하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 단위자석들(380)에 의한 자기장(410)은 외부로 멀리 퍼져나가지 않고 용접 공구(200) 주위에 국부적으로 형성될 수 있고, 또한 자기장의 세기도 커질 수 있다. 즉, 인접한 단위자석들(380)의 극성이 교번됨으로써 자기장의 국부화가 향상되고 회전시 접합부재들(251,252)에서의 유도전류 발생이 향상된다. 또한, 단위자석들(380)이 회전축(210) 둘레로 그리고 평행하게 배치됨으로써, 강한 자기장이 접합부재들(251,252)에 인가될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같은 배열 구조로 단위자석들(380)이 몸체(300)의 내부에 삽입되어 있다(도 3 참조).

상기 몸체(300), 특히 마찰을 일으키는 돌기(205)는, 고온 내마모성을 보이고 내산화성이 우수한 비자성 재료로 형성된다. 이러한 재료는 접합하려는 접합부재들(251,252)의 소재에 따라 여러 가지로 달라질 수 있다.

일예로, 비교적 강도가 낮은 알루미늄, 마그네슘, 구리 등의 비철합금 접합을 위해서는 고망간강이나 오스테나이트계 스테인레스강을 재료로 하여 돌기(205)를 형성하는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 상기 고망간강으로서 망간함유율이 15% 정도인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 따라서 이하 본 발명의 실시예는 이러한 15% 함유율의 고망간강 재료로 형성된 돌기(205)를 참조로 설명된다. 다만, 상기 돌기(205) 뿐만 아니라 몸체(300) 자체가 이러한 재료로 형성되는 것도 무방하다.

도 3에 도시된 바와 같이 몸체(300)는 일예로, 단위자석들(380)을 담기 위한 케이스(320)와 상기 케이스(320)를 덮기 위한 두껑(310)을 포함한다.

상기 두껑(310)은, 케이스(320) 내에 단위자석들(380)이 담긴 후 케이스(320)에 결합함으로써, 전체 용접 공구(200)가 완성된다. 이 때 회전축(210)이 두껑(310) 중심을 관통하는 것으로 할 수 있다. 추후 단위자석들(380)의 교체 등 정비가 필요한 경우에는 두껑(310)을 케이스(320)로부터 분리하는 것으로 할 수 있도록, 두껑(310)과 케이스(320)에는 나사홈(315,325)이 형성되어 서로 나사결합하는 것으로 할 수 있다.

케이스(320) 내부에 담긴 단위자석들(380) 사이에는, 이들 인접한 단위자석들의 옆면 사이의 자기장을 차폐하는 격벽들(330)이 설치된다. 이러한 격벽들에 의하여, 단위자석(일예로 381)의 옆면에서 인접한 단위자석(일예로 382)의 옆면으로 흐르는 자기장을 차단할 수 있다. 이는 결과적으로, 단위자석들(380)의 아래위 종단으로 형성되는 자기장의 세기를 크게 할 수 있는 것이다. 이러한 기능을 위한 상기 격벽들(330)은 비자성체 소재, 일예로 알루미늄으로 형성된다.

케이스(320)의 바닥면(340)은, 보다 많은 자기장이 아래쪽(즉, 접합부재들쪽)으로 인가되도록, 개방되는 것이 바람직하다. 따라서, 삽입된 단위자석들(380)이 아래쪽으로 이탈되는 것을 막도록 걸림턱(345)이 형성되고 나머지 바닥면은 개방되는 구조를 도시하였다.

이 경우, 단위자석들(380)의 아래면이 상기 걸림턱(345)에 대응되도록 요철지게 형성되어 결과적으로 단위자석들(380)과 바닥면(340)이 결합된 경우 몸체(300)를 아래쪽에서 보면 평평한 면이 되도록 한다.

즉, 일예로, 도 3에서 걸림턱(345)이 끼워맞춰지는 홈(도시하지 않음)이 단위자석들(380)의 아래쪽에 형성되어, 상기 홈(도시하지 않음)에 걸림턱(345)이 끼워맞춰짐으로써, 단위자석들(380)의 아래면이 바닥면(340)의 아래면과 동일평면을 이루도록 하는 것이다. 이러한 구성에 의하여, 접합부재(251,252)로부터 발생될 수 있는 조각들과 용접 공구(200)와의 간섭을 줄일 수 있고, 따라서 용접효과를 보다 확실히 할 수 있다.

그러나, 본 발명은 이러한 바닥면 구조에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 자기투과율(magnetic permeability)이 뛰어난 소재로 거의 전면을 막는 것도 물론 가능한 등, 당업자에게 용이한 다양한 실시예의 변경이 있을 수 있기 때문이다.

도 3에서는 이해를 돕기 위해 케이스(320)와 바닥면(340)을 분리하여 도시하였으나, 이들이 일체로 형성될 수 있음은 물론이다.

단위자석(380)이 영구자석인 경우에는, 접합부재(380)에서 발생되는 열에 의해 가열됨으로써 그 자성이 약화될 수 있으므로, 방열을 위한 대책이 마련되는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 이러한 경우를 대비하여, 단위자석들 주위에는 공기의 유로(350)가 형성된다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 단위자석(380)과 중심축(210)사이가 이격되어 있고, 두껑(310)에는 다수의 통기구(318)가 형성되어 있다. 따라서 개방된 바닥면(340)으로부터 두껑(310)의 통기구(318)까지 공기 유로(350)가 형성되는 것이다.

본 발명에 의한 공기 유로가 본 발명의 제1실시예에 관하여 상술한 유로(350)로 한정된 것으로 해석되어서는 안된다. 즉, 도 3에서 몸체(300)의 외주면에 많은 통기홀이 형성될 수 있으며, 격벽(330)과 단위자석들(380) 사이에 틈이 형성될 수 있도록 격벽(330)에 요철을 형성하는 등, 본 발명의 제1실시예에 관하여 전술한 설명으로부터 당업자에 의한 다양한 변경실시가 가능하기 때문이다.

단위자석(380) 주위의 통기구조를 더욱 좋게 하기 위한 몸체의 다른 실시예(이하 제2실시예라 한다)를 도 5에 도시하였다.

전술한 실시예(이하 제1실시예라 한다)에 의한 몸체(300)에는 케이스(320)가 포함되고, 케이스(320)에 의하여 내외부가 차단된 상태이었으나, 제2실시예에 따른 몸체(500)는 내외부가 개방된다. 즉, 회전축(210)의 아래위로 아래판(540)과 윗판(510)이 형성되고, 아래위판(540,510) 사이에는 도 4에 도시된 바와 같은 배열 상태로 단위자석들(380)이 배치된다.

단위자석들(380)은 단열내화부재들(520)에 회전축(210) 및 아래위판(540,510)에 부착된다. 이러한 단열내화부재들(520)은 공구(200)의 회전시 단위자석들(380)이 이탈되지 않을 정도의 부착력을 제공하기만 하면 되므로, 그 면적이 그리 크지 않아도 무방하고, 따라서 단위자석들(380)과 몸체(500) 사이에는 많은 공간, 즉, 큰 공기유로가 형성되게 된다. 제1실시예에서와 마찬가지로, 단위자석들(380) 사이에는 비자성 격벽(도시하지 않음)이 구비된다.

이러한 실시예들에서, 용접 공구(200)의 아래쪽에는 돌기(205)가 구비됨을 전술한 바 있다. 이 돌기(205)는 목적하는 접합부재들(251,252)의 크기, 재료 등과 같은 특성에 따라 달라질 수 있다. 일예로, 직경10mm, 길이9.5mm로 할 수 있다.

이러한 실시예들에 의한 용접 공구(200)를 접합부재들(251,252)에 접촉하여 단위자석들(380)이 접합부재들(251,252)에 근접한 상태에서, 단위자석들(380)에 의한 자기장은 접합부재들(251,252)의 투과깊이(skin depth) 정도의 깊이로 부재들(251,252)에 침투하게 된다. 이 때, 모터(290)에 의해 공구(200)를 회전시키면, 형성된 자기장이 회전하게 되고, 따라서 부재들(251,252)의 각 지점들은 자기장 변화를 겪게 되며, 결국 부재들에는 유도전류가 형성되게 된다.

본 발명의 실시예의 공구(200)의 회전에 의하여 발생되는 전자기장 효과에 관한 이론적 해석결과를 도 6A 및 도 6B에 도시하였다. 도 6B는 도6A의 주요부분의 확대도이다.

이 해석에는 OPERA3D ELECTRA VL option 소프트웨어가 사용되었다. 두 개의 단위자석(380)이 사용되고, 접합부재(610)로서 알루미늄이 사용되는 것으로 가정하였으며, 접합부재(610)의 두께가 10mm, 단위자석들(380)과 접합부재(610) 사이의 간극(gap)이 1mm, 공구(200)의 회전수가 400 rpm인 것으로 설정하였다.

도 6A 및 도 6B에서 단위자석들(380)의 아래쪽에 표시된 다수의 화살표는 공구(200)의 회전에 의해 접합부재(610)에서 발생되는 유도전류를 표시한 것이다. 도 6A 및 도 6B에 도시된 바와 같이, 회전하고 있는 단위자석(380)의 아래쪽 표면에서 유도전류가 집중적으로 발생한다. 이러한 유도전류에 의하여 접합부재(610)가 가열될 수 있음은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 7 및 도 8에는, 접합부재가 각각 알루미늄 및 구리인 경우에 대하여, 단 위자석의 개수 및 공구의 회전수를 달리하면서 측정한 실험결과를 나타내었다. 도 7 및 도 8에서, 4p, 6p, 등의 표시는 단위자석의 개수를 나타낸 것으로서, 4개 및 6개의 단위자석들이 채용된 용접 공구를 사용한 결과를 나타낸다. 구리의 경우(도 7 참조)에는 단위자석과 접합부재 사이의 간극을 1.6mm로 하였고, 알루미늄(Al1000)의 경우(도 8 참조)에는 간극을 1.0mm로 하여 실험하였다.

도 7 및 도 8로부터, 공구의 회전수가 증가할수록, 회전시간이 길어질수록, 그리고 채용된 단위자석의 수가 클수록 발열효과가 큰 것을 알 수 있다. 이러한 유도전류에 의한 발열효과는 용접 공구와 접합부재간의 마찰열에 더하여져, 접합부재의 접합부위의 소성화를 촉진하게 된다. 따라서 접합의 생산성이 높아지게 된다. 뿐만 아니라, 접합부위의 소성화에 기여하는 마찰력의 크기를 줄일 수 있으므로, 접합부의 비대칭성 및 조직 불균일화를 해소하고, 접합부위 조직의 균일화를 촉진함으로써 접합 품질이 향상되게 된다.

이러한 원리를 이용한 본 발명의 실시예에 의한 용접 방법은, (1) 접합부재(251,252)가 맞대고 있는 맞대기면(260)의 접합부위에 마찰열을 가함과 아울러 자기장변화에 의한 유도전류를 발생시킴으로써 상기 접합부위를 가열하고, (2) 상기 접합부위를 상기 맞대기면(260)을 따라 이동하는 것이다.

위 접합부위가열단계에서는, 본 발명의 실시예에 의한 용접 공구(200)를 상기 접합부재(251,252)의 접합부위에 접촉시킨 상태에서 회전시킴으로써 가열하게 된다.

이 때, 본 발명의 실시예에 의한 용접 공구(200)의 돌기(205)는 상기 접합부 위의 맞대기면(260)에 삽입되어 회전하게 된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 돌기(즉, 핀)에 의하여 마찰을 일으킴과 아울러 자기장에 의한 유도전류를 발생함으로써 접합부위를 손쉽게 가열할 수 있다. 자기장의 형성하기 위하여 단위자석을 복수개 사용함으로써 보다 강한 유도전류를 형성할 수 있다.

인접한 단위자석들의 극성이 교번됨으로써 자기장의 국부화가 향상되고 회전시 접합부재들에서의 유도전류가 강화된다. 또한, 단위자석들이 공구의 회전축 둘레로 그리고 평행하게 배치됨으로써, 강한 자기장이 접합부재들에 인가될 수 있다.

단위자석들 사이는 격벽으로 차폐함으로써, 접합부재에 인가되는 자기장을 강화할 수 있다. 상기 단위자석 주위에 공기의 유로를 형성함으로써 냉각효과를 향상할 수 있다.

고망간강 또는 오스테나이트계 스테인레스 강을 포함하는 소재로 돌기를 형성함으로써, 비교적 강도가 낮은 알루미늄, 마그네슘, 구리 등의 비철합금 접합에 유리하다. 상기 고망간강은 약 15%의 망간함유율을 가짐으로써 최적화된다.

본 발명의 실시예에 따른 유도전류에 의한 발열효과는 용접 공구와 접합부재 간의 마찰열에 더하여져, 접합부재의 접합부위의 소성화를 촉진하게 된다. 따라서 접합의 생산성이 높아지게 된다. 뿐만 아니라, 접합부위의 소성화에 기여하는 마찰력의 크기를 줄일 수 있으므로, 접합부의 비대칭성 및 조직 불균일화를 해소하고, 접합부위 조직의 균일화를 촉진함으로써 접합 품질이 향상되게 된다.

Claims (23)

1. 삭제
2. 삭제
3. 회전축을 가진 설정된 형상으로서, 접합될 부재들 중 하나 이상의 부재와 접촉하여 마찰을 일으키기 위한 돌기가 형성된 몸체; 및

   상기 몸체에 부착되고 상기 돌기쪽 방향의 상기 몸체 외측으로 자기장을 형성하는 자기장 형성 유닛을 포함하는 용접 공구로서,

   상기 자기장 형성 유닛은, 영구자석 또는 전자석으로 구성되고, 상기 회전축 둘레로 배열된 복수개의 단위자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 공구.
4. 삭제
5. 제3항에서,

   상기 복수개의 단위자석은, 인접한 단위자석들이 N극 및 S극이 교번되도록 배치된 것을 특징으로 하는 용접 공구.
6. 제3항 또는 제5항에서,

   상기 각 단위자석은, 그 N극 및 S극이 상기 몸체의 회전축과 평행하도록 배치된 것을 특징으로 하는 용접 공구.
7. 제3항 또는 제5항에서,

   상기 몸체는, 상기 복수개의 단위자석 사이를 자기적으로 차폐하는 격벽을 포함하는 용접 공구.
8. 제3항 또는 제5항에서,

   상기 단위자석 주위에는 공기의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 용접 공구.
9. 제7항에서,

   상기 단위자석 주위에는 공기의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 용접 공구.
10. 제3항에서,

    상기 돌기 또는 몸체는, 고망간강 또는 오스테나이트계 스테인레스 강을 포함하는 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 용접 공구.
11. 제10항에서,

    상기 고망간강은 약 15%의 망간함유율을 가지는 것을 특징으로 하는 용접 공구.
12. 제3항에서,

    상기 영구자석은 ALNICO자석(Al-Ni-Co계), Nd자석(Nd-Fe-B계), 또는 사마륨자석(Sm-Co계)인 것을 특징으로 하는 용접 공구.
13. 제3항에서,

    상기 용접 공구의 상기 돌기측 면은 평면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 용접 공구.
14. 제3항, 제5항, 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항의 용접 공구; 및

    상기 용접 공구를 회전시키기 위한 모터를 포함하는 용접 장치.
15. 제14항에서,

    상기 각 단위자석은, 그 N극 및 S극이 상기 몸체의 회전축과 평행하도록 배치된 것을 특징으로 하는 용접 장치.
16. 제14항에서,

    상기 몸체는, 상기 복수개의 단위자석 사이를 자기적으로 차폐하는 격벽을 포함하는 용접 장치.
17. 제14항에서,

    상기 단위자석 주위에는 공기의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.
18. 삭제
19. 접합부재 맞대기면의 접합부위에 마찰열을 가함과 아울러 자기장변화에 의한 유도전류를 발생시킴으로써 상기 접합부위를 가열하는 접합부위가열단계; 및

    상기 접합부위를 상기 맞대기면을 따라 이동하는 이동접합단계;를 포함하되,

    상기 접합부위가열단계는,

    제3항, 제5항, 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항의 용접 공구를 상기 접합부위에 접촉시킨 상태에서 회전시킴으로써 가열하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
20. 제19항에서,

    상기 돌기는 상기 접합부위의 맞대기면에 삽입되어 회전하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
21. 제20항에서,

    상기 각 단위자석은, 그 N극 및 S극이 상기 몸체의 회전축과 평행하도록 배치된 것을 특징으로 하는 용접 방법.
22. 제20항에서,

    상기 몸체는, 상기 복수개의 단위자석 사이를 자기적으로 차폐하는 격벽을 포함하는 용접 방법.
23. 제20항에서,

    상기 단위자석 주위에는 공기의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 용접 방법.

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