KR100426020B1 - 마찰교반용접용 압출프레임부재 - Google Patents

Abstract

접합부에 있어서 접합면 아래의 위치로 연장되는 오목부의 발생을 방지하는 마찰교반용접기술을 개시한다. 접합되는 프레임부재 접합부의 끝단부에, 회전체접합기구로 향하여 돌출한 두꺼운 부분이 구비된다. 접합되는 인접부재인 두 개의 두꺼운 부재를 맞대면 사다리꼴 형상으로 된다. 회전체접합기구는 지름이 작은 선단 부분 및 지름이 큰 부분을 갖는다. 회전체접합기구는 두꺼운 부분으로 삽입된다. 회전체접합기구는 먼저 지름이 작은 선단부분이 삽입되고, 회전체접합기구의 큰 지름 부분이 두꺼운 부분에 겹쳐지나 접합되는 부재의 두껍지 않은 면의 상부면 아래로는 연장되지 않는 위치에서, 회전체가 회전되며 접합부를 따라 이동된다. 두꺼운 부분 사이에 틈이 있더라도, 바람직한 접합이 수행될 수 있다. 접합한 후에, 두꺼운 부분의 나머지 부분은 기계로 절삭되어 평활한 면을 형성한다.

Description

마찰교반용접용 압출프레임부재{EXTRUDED FRAME MEMBER FOR FRICTION STIR WELDING}

본 발명은 예를 들면, 알루미늄 합금 부재 등을 포함하는 여러 물질의 부재를 결합하는데 사용되는 적당한 압출프레임부재에 관한 것이다.

마찰교반용접방법은 두 개의 부재(예를 들면, 알루미늄 몸체와 같은 두 금속 몸체이나 제한은 없음) 사이에 접합부에 삽입되는 원형 로드(회전체)를 회전시키고, 접합선을 따라서 회전체를 이동시킴으로써 접합부에 있는 두 몸체가 가열되고, 연화되고 소성유동되어 두 몸체가 고체상 접합, 예를 들어 접합영역에서 함께 용접되는 방법이다.

회전체는 접합부에 삽입되는 작은 지름 부분과 접합부의 외부에 위치하는 큰 지름 부분을 포함한다. 작은 지름 부분과 큰 지름 부분은 동축이다. 큰 지름 부분측이 회전되어, 큰 지름 부분 및 작은 지름 부분이 둘다 회전된다. 작은 지름 부분과 큰 지름 부분 사이의 경계부분은 접합부로 약간 삽입되어 질 수 있다. 마찰교반용접방법에 의한 접합은 맞댐부 및 중첩부에 적용될수 있다.

상기 공지 기술은, 예를 들면, 일본국 특개평 7-505090호(EP 0615480 B1호); 용접 및 금속 제조(Welding Metal Fabrication)(1995년 1월)의 13, 14, 16페이지에 기재된 Dawes의 "마찰교반용접 및 그 개발"; 및 미합중국 특허출원 제 08/820,231호(1997년 3월 18일 출원)등에 개시되어 있으며, 상기 개시내용은 본 명세서내에 참조용으로 포함된다.

상기 공지 기술은 Welding Associate Japan Lecture Meeting Outline 제 56호(1995년 4월)의 208, 209 페이지의 T.Shinoda Y. Kondoh의 "마찰교반용접을 이용한 판의 324 맞댐 용접, 마찰교반용접의 방법에 관한 연구"라는 논문에 또한 기술된다. 이 논문에는 스테인레스강으로 만들어진 회전체(회전공구), 순수 알루미늄(A1100)으로 만들어진 용접(접합)되는 부재, 및 6 mm 두께 판을 갖는 용접되는 부재를 개시하고 있다. 회전체는 지름 20mm의 큰 지름 부분 및 지름 6 mm의 (원통형) 작은 지름 부분 및 5 mm의 (축방향) 길이를 갖는다. 동작에 있어서, 회전체는 1000 내지 2500 rpm으로 회전하고 1.0 내지 8.0 mm/s 속도로 용접되는 부재를 따라 이동한다.

상기 논문에 있어서, 접합되는 부재는 알루미늄으로 만들어진다. 알루미늄 합금은 마찰교반용접에 의한 용접용으로 또한 적당하다; 마찰교반용접용으로 연구되는 다른 금속으로는 구리, 티타늄, 및 스테인레스강을 포함한다. 상기 EP 0615480B1호에서는 소성물질(예를들면, 열가소성물질) 마찰교반용접을 개시하고 있다. 이러한 모든 물질은 본 발명의 공정에 의해 용접되어질 수 있다.

마찰교반용접방법의 각종 실험에 의하면, 두 부재의 접합부의 상부면 일부 부재는 회전체의 큰 지름 부분의 회전에 의해 칩(chip)과 같은 형태로 기계가공되어 접합부의 상부면에 오목부(dent)가 생긴다. 오목부의 양 측면에는 부재의 소성변형에 의한 두꺼운 부분(thickened part)이 생긴다.

두꺼운 부분을 없애는 것은 쉽다; 그러나 오목부를 바로잡는 데에는 퍼티(putty) 작업등이 필요하고 결과로 제조비용이 증가한다.

더욱이, 접합 작업전에 두 부재의 맞댐면(abutting face)의 단부면 사이에 틈(gap)이 존재하는 경우, 오목부 등과 같은 결함이 접합부에 발생한다. 결과로, 강도의 저하가 발생되고 대형구조물에 있어서는 특히 문제를 초래한다. 부재가 클수록 상기 틈을 제어하기가 더 어렵게 되고(즉, 더 많은 틈이 발생하고); 따라서, 오목부가 커지고 또한, 결함이 쉽게 발생된다.

예를 들어, 접합부가 다른 부재에 의해 덮여지는 경우에, 오목부의 존재는 강도 문제(물론 그 자체가 심각한 문제가 될 수도 있다)를 제외하고는 큰 문제가 되지는 않는다. 그러나 차량 몸체(예를 들면 철도 차량)의 측면에 있어서, 외부 외관상 오목부를 제거할 필요가 있다. 또한, 오목부가 보이지 않는 경우에 있어서도 오목부는 성능상(예를 들면, 용접 강도) 문제가 된다.

본 발명의 목적은 마찰교반용접방법에 의해 두 부재(예를 들면, 알루미늄 합금과 같은 두 금속 부재, 단, 이에 제한된 것은 아님)를 접합할 때, 접합부에 오목부의 발생을 막는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 마찰교반용접에 의해 접합되는 접합 부재 사이의 접합부 내의 오목부를 발생하지 않는 부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 접합될 부재가 접합되기 전에 맞대지거나 또는 접합되기 전에 부재 사이에 작은 틈(그러나, 부재는 서로 인접하여 있다)이 있는 경우에 있어서도, 접합된 부재 사이의 접합부에 오목부가 발생하는 것을 피할 수 있는 마찰교반용접방법 및 그것에 의해 제조된 물품을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 접합될 부재들의 적어도 하나가 다른 부재와의 접합부에서 단면상 두꺼운 부분을 가지며, 회전체를 향하여 돌출하는 상기 두꺼운 부분이 마찰교반용접을 실행하는 데 사용됨으로써 달성된다.

회전체는 예를 들면, 용접될 부재의 물질보다 더 고경도의 물질로 이루어진 큰 지름 부분(대직경부)과 작은 지름 부분(소직경부)을 구비하며, 작은 지름 부분은 접합되는 동안 접합될 부재의 접합부로 삽입된다. 접합될 부재는 서로 인접하게 위치되며, 하나의 부재의 두꺼운 부분이 용접에 의하여 접합될 다른 부재에 인접하게 위치된다. 양부재 모두 두꺼운 부분을 갖는 경우에, 두꺼운 부분들이 접합부(또는 접합-형성부)에 서로 인접하게 위치될 수 있고, 또는 단지 하나의 두꺼운 부분만이 접합-형성부내에 위치되어도 된다. 회전체가 두 부재 사이의 접합부로 진입하게 되며, 회전체의 작은 지름 부분이 두 부재의 접합-형성부로 삽입되고, 회전체의 큰지름 부분이 두꺼운 부분내로 연장된다(그러나, 두꺼운 부분 아래로는 연장되지 않는다).

회전체가 마찰교반용접을 수행하기 위해 상기에 기술한 바와 같이 삽입된 채로 접합부내에서 용접될 부재를 따라 이동된다. 두꺼운 부분을 제공함으로 인하여, 접합된 부재의 접합-형성부의 오목부(또는 만입부)의 발생을 피할 수 있다. 큰 지름 부분이 두꺼운 부분내로 삽입되도록 또는 두꺼운 부분과 중첩되도록 회전체를 위치시킴으로써, 용접되는 접합부내의 오목부의 발생을 막으면서 양호한 용접을 얻을 수 있다. 마찰교반용접을 수행하기 위해 회전체를 이동시킬 때, 회전체의 큰 지름 부분이 두꺼운 부분(즉, 돌출부; protruding portion) 아래로 연장되지 않는 것이 유리하다.

부재의 두꺼운 부분은 그 부재와 일체로 형성될 수 있으며, 예를 들면, 부재가 용접되는 다른 부재와 인접하게 위치되는 부재의 가장자리까지 연장한다.

바람직하게는, 상기 두꺼운 부분 즉, 돌출부는 용접위치로부터 가장 멀리 떨어진 곳에, 단면이 경사진 측면을 갖는다[예를 들면, (돌출부가 아닌) 부재 표면의 평면에 대해 90°보다 작은 각을 갖는다; 도 4에 있어서 θ참조]. 바람직하게는, 용접 위치로부터 멀리 떨어진 측면은 부재표면의 평면에 대해 15° 내지 60°, 바람직하게는 30°각도를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따르는 실시예를 부분적으로 도시한 종단면도;

도 2는 도 1 구조물의 마찰교반용접후의 상태를 도시한 종단면도;

도 3은 도 1의 구조물을 마찰교반용접한 후에 마무리 공정을 한 측면상에 수행한 상태를 도시한 종단면도;

도 4는 치수를 설명하기 위한 도면;

도 5는 철도 차량의 차량 몸체를 도시한 사시도;

도 6은 본 발명에 따르는 다른 실시예를 부분적으로 도시한 종단면도;

도 7은 본 발명에 따르는 다른 실시예의 접합부를 도시한 측단면도;

도 8A는 본 발명에 따르는 일 실시예의 접합 기구를 도시한 종단면도;

도 8B는 본 발명에 따르는 다른 실시예의 접합 기구를 도시한 종단면도;

도 8C는 도 8B의 왼쪽 측면도면;

도 8D는 본 발명에 따르는 또 다른 실시예를 부분적으로 도시한 종단면도;

도 9는 본 발명에 따르는 또 다른 실시예의 접합부를 도시한 종단면도;

도 10은 도 9의 구조물을 마찰교반용접한 후의 결과 구조물을 도시한 종단면도;

도 11은 도 10에 있어서 구조물의 두꺼운 부분이 평활하게 마무리된 후의 결과 구조물을 도시한 종단면도;

도 12는 본 발명에 따르는 다른 실시예의 접합부를 도시한 종단면도;

도 13은 도 12에 도시된 구조물을 마찰교반용접한 후의 결과 구조물을 도시한 종단면도;

도 14는 도 13에 도시된 구조물의 두꺼운 부분을 평활하게 마무리한 후의 결과 구조물을 도시한 종단면도;

도 15는 본 발명에 따르는 다른 실시예의 접합부를 도시한 종단면도;

도 16은 도 15에 도시된 구조물을 마찰교반용접한 후의 결과 구조물을 도시한 종단면도;

도 17은 철도차량의 측면 구조물 몸체의 정면도;

도 18은 도 17의 XVIII-XVIII 선을 따라 잘라 도시한 단면도;

도 19는 도 18의 오른쪽 측면도면;

도 20은 본 발명에 따르는 또 다른 부분 실시예를 도시한 종단면도.

철도 차량의 차량 몸체에 본 발명을 적용한 실시예를 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5에 있어서, 철도 차량의 차량 몸체는 측면구조체(41), 천정구조체(42), 바닥구조체(43) 및 길이 방향의 단부구조체(44)를 포함한다. 상기 측면구조체(41)는 다수의 중공 압출프레임부재(50, 60)를 배열하고 서로 접촉하는 부분을 접합함으로써 구성되어진다. 상기 접합은 도 1에서 도시한 바와 같이 이루어진다.

상기 각각의 천정구조체(42) 및 상기 바닥구조체(43)는 유사하게 구성된다. 상기 측면구조체(42)와 상기 천정구조체(41)와 상기 바닥구조체(43) 사이의 연결은 MIG(metal electrode inert gas) 용접 등을 사용하여 이루어진다.

도 1은 상기 측면구조체(41)를 구성하는 중공프레임부재의 접합부를 도시한다. 상기 중공프레임부재(50, 60)는 예를 들면, 알루미늄 합금으로 만들어진 압출프레임부재이다. 중공프레임부재(50, 60)는 두 개의 판(51, 52 및 61, 62)을 각각 포함하고, 상기 판에 연결되는 대각판(리브)(53, 63)을 포함한다. 상기 복수개의 대각판(53, 63)은 트러스 모양으로 배열된다. 상기 판(53, 63)의 경사방향은 교대이다.

중공프레임부재(50)의 단부는 다른 중공프레임부재(60)의 단부로 들어간다. 판(51) 및 판(52)을 접합하기 위한 수직판(54)은 중공프레임부재(50)의 단부의 근방에 구비된다. 참조 번호(54)는 중공프레임부재(50)의 단부를 지지하는 압출 부재이다.

상기 수직판(54)의 두께 방향(도 1에 있어서, 오른쪽 및 왼쪽 방향)의 중앙 연장선상에, 접합될 부재의 단부는 두 개의 중공프레임부재(50, 60)의 두꺼운 부분(즉, 돌출부)을 가진다. 즉, 결합이 이루어지는 중공프레임부재(50, 60)의 단부(용접부W의 중앙) 각각은 돌출부를 형성하도록 두껍게 된다.

상기 판(51, 52 및 61, 62)은 상기 용접부(W)(예를 들면, 도 2참조)에 근접하여 위치하고, 전방면(상기 중공프레임부재의 두께 방향의 외측, 또는 접합작업(용접)을 수행하는 기구에 마주 보는 측면, 즉, 마찰교반용접용 기구인 상기 회전체(70)에 마주보는 측면)측에 두꺼운 부분을 형성한다.

상기 두꺼운 부분(56, 66)은 판(51, 52 및 61, 62)의 단부에 각각 형성된다. 두꺼운 부분(56, 66)의 전방면(외부면)은 평활하게 연결되고, 판(평면일 수 있는 두껍지 않은 부분; 51, 52 및 61, 62)의 전방면(외부면)을 향하여 경사져 있다. 두 개의 두꺼운 부분(56, 66)은 정렬된 후에 도 1에서 도시된 사다리꼴 모양을 형성하지만, 본 발명은 상기 정렬된 두꺼운 부분(56, 66)이 사다리꼴 모양을 형성하는 것에 한정되지는 않는다.

마찰교반용접용 접합 기구인 회전체(70, 70)는 중공프레임부재의 접합부의 상부 부분 및 하부 부분에 각각 배열된다. 각각의 회전체(70)는 기저부 역할을 하는 큰 지름의 원형 로드(큰 지름 부분)(71)의 끝단부에 작은 지름의 원형 로드(작은 지름 부분)(72)를 가진다. 큰 지름 부분(71) 및 작은 지름 부분(72)은 동일축상에 있다.

상기 하부측 회전체(70)는 상기 상부측 회전체(70)의 아래에 실질적으로 수직으로 아래쪽에 위치된다. 회전체(70, 70)는 접합선을 따라 분리될 수 있다; 그러나 중공프레임부재(50, 60)의 휘어짐을 막기 위해, 접합선을 따르는 방향으로 상부 및 하부 회전체를 멀리 떨어지게 분리하지 않는 것이 바람직하다. 회전체(70)의 물질은 중공프레임부재(50, 60)의 물질보다 더 단단하다.

두 개의 회전체(70, 70)를 회전시킴으로써, 상기 작은 지름부분(72)은 중공프레임부재(50, 60)의 접합부로 삽입되어진다. 그후에, 두 개의 회전체(70, 70)는 중공프레임부재(50, 60)의 접합부의 길이 방향을 따라 수평 방향으로 이동된다. 상기 두 개의 회전체(70, 70)는 동시에 이동된다.

마찰교반용접을 하는 동안, 상기 상부측 회전체(70)에서는, 회전체(70)의 큰 지름 부분(71)과 작은 지름 부분(72)사이에 있는 경계 부분(73)(실질적으로 평평한 모양 부분)이, 두꺼운 부분(56, 66)의 꼭대기(정점; apex) 측에서 두꺼운 부분(56,66) 내부쪽에 있는 위치(73a)에, 판(51, 61)의 일반적인 부분(돌출하지 않은 부분)의 상부면의 연장선으로부터 약간 위로 이격되어 위치되도록 한다. 즉, 상부 회전체(70)의 큰 지름 부분(71)이 (예를 들면, 두꺼운 부분내로 삽입되는) 두꺼운 부분의 꼭대기면 아래로 연장되는 반면, 상기 판(51, 61)의 비돌출부의 높이 아래로 연장되지는 않는다.

상기 하부측 회전체(70)에서는, 큰 지름 부분(71)과 작은 지름 부분(72) 사이의 경계 부분(73)은 (상기 두꺼운 부분(56, 66)의 꼭대기 측에서 두꺼운 부분(56, 66)의 내부 쪽에 있는) 상기 판(52, 62)의 하부면의 일반적인 부분(비돌출부)의 연장선 약간 아래로 위치한다.

즉, 큰 지름 부분(71)과 작은 지름 부분 사이의 경계 부분(73)이 판(51, 52)의 비돌출부의 외측면의 연장선 외측에 위치하며, 또한 두꺼운 부분(56, 66)의 내부에 위치된다. 도 1에서, 선(73a)은 경계 부분(73)의 위치를 가리킨다. 즉, 상기 상부측 회전체에 있어서, 큰 지름 부분은 두꺼운 부분의 꼭대기의 아래로 그리고 판(51, 52)의 비돌출부의 연장선의 아래가 아닌 위치로 삽입되어 진다; 하부 회전체의 큰 지름 부분은 상응하여 삽입되어진다.

용접을 수행하는 경우에 있어서, 상기 프레임부재(50, 60)는 받침대 상에 장착되고 고정되어진다. 하부면의 두꺼운 부분을 둘러싸는 부분에는 받침대가 존재하지 않는다. 회전체(70)의 회전 중심은 접합부의 중심이다; 즉, 이러한 중심은 수직판(54)의 두께 중심이기도 하다.

도 4에 있어서, 각 부분의 치수에 대한 관계가 설명되어 질 것이다. 두개의 두꺼운 부분(56, 66)(두 용접 부분(56, 66))이 접해있는 경우에 있어서, 두꺼운 부분(56, 66)(두 용접 부분(56, 66))의 꼭대기의 폭(W1)은 작은 지름 부분(72)의 지름 d 보다 크나 큰 지름 부분(71)의 지름 D보다 작다.

두 개의 두꺼운 부분(56, 66)(두 용접 부분(56, 66))의 기저부의 폭(W2)은 큰 지름 부분(71)의 지름(D)보다 크다. 두 개의 두꺼운 부분(56, 66)(두 용접 부분(56, 66)의 높이(H1)는 작은 지름 부분(72)의 길이보다 길다.

큰 지름 부분(71)의 하부 단부가 상기 두 개의 두꺼운 부분(56, 66)(두 용접 부분(56, 66))의 위치(73a)에 위치될 때, 작은 지름 부분(72)의 끝단부는 부재(55)로 뻗거나 부재(55)의 근접부에 위치된다.

도 2는 마찰교반용접이 완전히 끝났을 때의 상태를 도시한다. 도 2는 도 1의 상부측에 있는 접합부(용접부;W)를 도시한다. 하부측에 있는 접합부는 상부측 접합부와 대칭된다. 접합부(W)의 외부면 측에는 중공프레임부재의 내부측을 향하여 만입부(dent; K)가 발생된다. 만입부(K)의 양측에는 두꺼운 부분(56T, 66T)이 있다.

상기 두꺼운 부분(56T, 66T)은 두꺼운 부분(56, 66)의 나머지이다. 두꺼운 부분(56T, 66T)은 소성변형된 물질을 포함한다. 만입부(K)의 바닥면은 판(51, 61)의 비돌출부의 연장선 보다 위쪽에 이격된 위치(73a)에 위치한다.

도 1의 상부측이 철도 차량의 차체의 외부측인 경우에 있어서, 상부면 접합부의 초과 부분[판(51, 61)의 일반적인 부분(두껍지 않은 부분; 비돌출부)의 면으로부터 바깥쪽으로 연장되는 부분]이, 예를 들면 그라인딩 기계(grinding machine)에 의해서 절삭되고, 판(51, 61)의 일반적인 부분의 상부면과 동일 평면의 높이를 갖도록 한다. 상부면이 기계로 절삭되기 때문에, 절삭 작업이 쉽게 이루어질 수 있다.

상기와 유사하게, 하부면 측에 만입부(K) 및 두꺼운 부분(56T, 66T)이 존재한다; 그러나 그것들이 차량 몸체의 내부면 측에 존재할 때, 그것들이 구성판(make-up plate)에 의해 덮이기 때문에 그것들을 기계로 절삭하는 것이 불필요하게 된다.

도 3은 받침대(111)상에 장착된 프레임부재(50, 60)가 상부면측 및 하부면측을 통해 접합되고, 그 다음 그것들이 받침대(111)에 장착된 상태하에서 상부면측 두꺼운 부분(56T, 66T)이 절삭되는 것을 도시한다.

상기 구조물에 따라서, 판(51, 61)의 일반적인 부분(두껍지 않은 부분)의 면의 높이 아래의 높이로 연장된 만입부(K)의 발생은 실질적으로 막을 수 있다. 결과로, 퍼티(putty) 부재를 사용하여 패딩(padding) 용접 및 맨딩(mending)을 수행하는 것이 필요 없게 된다.

더욱이, 상기 언급한 실시예에 있어서, 두꺼운 부분(56, 66)의 단부(56a, 66a)는 각각 서로 접촉한다; 그러나 틈이 두꺼운 부분 사이에 존재하는 경우에 있어서, 마찰교반용접하에 유체화되는 두꺼운 부분(56, 66)의 기저 금속(base metal)은 틈으로 밀어 넣어진다. 결과로, 틈이 존재하더라도, 접합부에 결함이 발생되지는 않는다.

결과적으로, 두꺼운 부분(도 4에 있어서, H1)의 높이가 1 mm일 때, 그 사이에 1 mm의 틈을 갖는 두 부재는 결함 없이 접합될 수 있다. 또한, 판 (51, 52 및 61, 62)의 외부면의 연장선의 외측에 만곡부(K)를 위치시키는 것이 가능하다. 즉, 판 (51, 52 및 61, 62)의 면을 넘어 연장된 만입부의 발생을 실질적으로 쉽게 막을 수 있다.

상기에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 결합될 두 부재는 서로 접촉될 수 있으나, 반드시 접촉될 필요는 없다; 결합될 두 부재의 단부 사이에 틈이 있을 수 있다. 본 발명의 개시를 통해, 결합될 두 부재는 각각 서로 인접(또는 접촉)되는 것이 기술되었는 바, 두 부재는 접촉될 수 있고 또는 그 사이에 작은 틈을 가질 수도 있다.

예를 들어, 두꺼운 부분(56, 66)의 기저부의 폭(W2)은 큰 지름 부분(71)의 지름(D)보다 크다. 두꺼운 부분(56, 66)의 꼭대기의 폭(W1)은 작은 지름 부분(72)의 지름(d)보다 크다. 회전체(70)의 중앙이 두꺼운 부분(56, 66)의 중앙으로부터 벗어나면, 상기 언급한 치수는 두 개의 프레임부재의 틈을 고려하여 결정된다.

더욱이, 접합부의 두꺼운 부분(56, 66)이 접합될 때, 이것은 사다리꼴 모양을 가질 수 있다; 두꺼운 부분(56, 66)이 사각 모양으로 돌출하는 경우와 비교하여, 본 발명에 있어서, 초과 부분이 존재하지 않는다. 결과로, 본 발명은 중공프레임부재의 재료량을 줄일 수 있고, 또한 생산비용을 줄이는 것이 가능하다.

더욱이, 예를 들면, 단지 두꺼운 부분의 나머지 부분만 기계로 절삭되는 것이 필요하기 때문에, 그라인딩 기계에 의해 기계로 절삭되는 양을 줄이는 것이 가능하다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 두꺼운 부분(56, 66)의 측면(51a, 61a)이 판(51, 61)의 두껍지 않은 부분의 외부면으로부터 약간 떨어져 세웨지도록 하여, 두꺼운 부분(56, 66)을 사다리꼴 모양으로 제공하는 것도 가능하다.

판(54)은 판(51, 61)이 회전체(70, 70)에 의한 압축력에 의해, 두꺼운 부분(56, 66)이 내부측을 향하여 휘어지는 것을 막는다.

도 1에 있어서, 중공프레임부재(50)의 오른쪽 단부 구조물모양은 상기 중공프레임부재의 왼쪽 단부 구조물모양을 사용한 것일 수도 있고, 중공프레임부재(60)의 오른쪽 단부 구조물모양을 사용한 것일 수도 있다. 중공프레임부재(60)의 구조물의 형상도 이와 유사한 구조를 채용할 수 있다. 한마디로, 두개의 중공프레임부재를 접합할 수 있으면 된다.

회전체(70)는 광학검출기를 사용하여 맞댐부를 찾아 이동할 수 있다. 두꺼운 부분(56, 66)의 경사면(56c, 66c)을 찾음으로써, 회전체(70)의 폭 방향의 위치는 결정된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 두꺼운 부분(56m, 66m)이 대향하는 부분에 검출용 경사면(56n, 66n)이 제공될 수 있다. 상기 경사면(56n, 66n)은 두꺼운 부분(56m, 66m) 둘 다에 각각 구비될 수 있으며, 또는 두꺼운 부분(56m, 66m)의 하나에 구비될 수 있다.

상기 언급한 각각의 실시예에 있어서, 두 접합부의 두 단부면(56a, 66a)은 회전체(70)의 축 중심에 평행하다; 그러나 두 단부면(56a, 66a)은 회전체(70)의 축중심에 대하여 경사져 있어도 된다. 예를 들면, 부재(50)의 단부면(56a)은 경사지고, 이 단부면(56a)에 대하여 다른 부재(60)의 단부면(66a)은 상부측에 겹쳐질 수 있다.

이러한 구조물에 의하면, 두 단부면 사이의 틈이 커지더라도, 회전체(70)의 회전에 따라 압출 부재(55)로부터 유체금속의 유출을 막을 수 있다. 이 구조는 파이프끼리의 접속에 적당하다.

접합 장치는 도 8A와 관련하여 설명되어질 것이다. 중공프레임부재(50, 60)는 받침대(111, 111)상에 장착되고 조임쇠(cramp)(113)에 의해 고정된다. 두 중공프레임부재(50, 60)의 맞댐부는 일시적으로 적당하게 용접(가고정 용접)된다.

상부측 회전체(70)는 폭 방향으로 주행하는 주행체(121)로부터 아래로 매달려 있다. 상기 주행체(121)는 문 형태 주행체(122)의 상부 프레임을 따라 이동한다. 주행체(122)는 길이 방향으로 중공프레임부재(50, 60)의 양측에 배열된 레일(123)을 따라 주행한다.

하부측 회전체(70)는 두 개의 받침대(111, 111)사이에 배열된 주행체(131)상에 구비된다. 주행체(131)는 주행체(132)상에 장착되어 폭 방향으로 이동된다.

주행체(132)는 레일(133)을 따라 그리고 또한 중공프레임부재(50, 60)의 길이 방향을 따라 주행한다. 하부측 회전체(70)는 상부측 회전체(70)의 하부상에 구비된다. 또한, 주행체(121, 131)는 회전체(70, 70)를 수직방향으로 이동시킨다.

중공프레임부재(50, 60)를 누르는 복수의 롤러(124, 134)는 주행체(121, 131)상에 구비된다. 상기 롤러(124, 134)는 회전체(70, 70)의 전방과 두꺼운 부분(56, 66)의 양측상에 배열된다. 롤러(124, 134)는 경우에 따라 주행 방향으로 복수의 열로 구비된다. 롤러는 회전체(70)의 전방과 후방에 추가될 수 있다.

주행체(121, 131)는 접합될 위치를 찾아낼 수 있는 검출기(도시되지 않음)를 가진다. 주행체(121, 131)는 검출기에 의해 폭 방향으로 이동된다. 레이저를 검출기로서 이용하여, 경사면(56c, 56c 및 66c, 66c)을 구하고 접합될 중앙부를 검출한다.

회전체(70)를 사용하여 중공프레임부재(50, 60)의 상부면과 하부면을 접합한 후, 중공프레임부재(50, 60)가 받침대(111, 111)상에 장착된 상태에서 중공프레임부재(50, 60)는 상부면의 두꺼운 부분을 기계로 절삭하여 평활하게 마무리한다.

그라인딩 가공작업을 수작업에 의해 수행하면, 보다 더 평활하게 마무리할 수 있다. 이러한 이유로, 그라인딩 작업 수행을 위한 두꺼운 부분을 상부면상에 남겨 놓아도 좋다.

더욱이, 무엇보다도, 두꺼운 부분이 기계로 절삭되고 약간의 부분만을 남기면, 남아있는 두꺼운 부분이 수작업에 의해 절삭가공되기 때문에, 절삭 작업이 짧아질 수 있다. 회전체(70)가 주행체(121)의 후방 부분을 차지하지 않는 경우, 절삭 기구가 주행체(121)상에 구비될 수 있다. 그리고 회전체(70)가 회전할 때, 절삭 기구는 절삭 작업을 수행한다.

예를 들면, 도 8B 및 도 8C에 도시된 바와 같이, 상부측 회전체(70)의 후방면에, 엔드밀링기계(end milling machine; 126)가 상부측 주행체(121)상에 구비된다. 상기 엔드밀링기계(126)는 두꺼운 부분(56T, 66T)을 잘라낸다. 엔드밀링기계(126)의 하단부는 중공프레임부재(50, 60)의 상부면의 판(51, 61)의 상부면으로부터 약간 상부 위치에 위치된다. 엔드밀링기계(126)의 지름은 상기 언급된 위치에 위치하는 두꺼운 부분(56T, 66T)의 폭보다 충분히 크다. 롤러(124, 134)는 상단부 및 하단부로부터 엔드밀링기계(126)의 인접부를 가압하여 엔드밀링 기계(126)에 의한 절삭량이 균일하게 된다.

상기 언급된 실시예에 있어서, 중공프레임부재의 한 쌍은 각각 단부에 두꺼운 부분을 갖는다; 그러나, 도 8D에서 도시된 바와 같이, 단지 하나의 중공프레임부재만이 두꺼운 부분을 갖는 경우를 구성할 수 있다. 두꺼운 부분(66)의 금속은 중공프레임부재(50, 60)의 사이의 틈과 중공프레임부재(50)의 판의 상부면으로 이동된다. 또한, 이와 유사하게, 중공프레임부재(60)에 있어서 두꺼운 부분이 상부면의 판(61)에 형성되고, 다른 중공프레임부재(50)에 있어서 하부면(52)이 두꺼운 부분을 갖도록 구성할 수도 있다.

상기 언급된 실시예에 있어서, 프레임부재(예를 들면, 압출프레임부재)는 중공프레임부재로 예시되어진다; 그러나 본 발명은 예를 들면, 비중공 압출프레임부재에도 적용할 수 있다. 이하에 이러한 실시예가 설명되어질 것이다.

도 9는 평판모양 압출프레임부재(31, 32)의 단부에 두꺼운 부분(34, 35)을 갖고 두꺼운 부분(34, 35)끼리 각각 서로 맞대어 접합되는 접합구조의 일 예를 나타낸다. 용접할 때, 압출프레임부재(31, 32)는 지지기구(받침대)(36)상에 배치된다. 지지기구가 접합부(W)와 접합되는 것을 막기 위해, 이들 지지기구(36)는 압출프레임부재(31, 32)보다 더 단단한 물질로 만들어진다.

이 접합의 맞댐부를 따라 회전체(70)를 회전시켜 이동시킴으로써 접합부(W)를 도 10에 도시된 바와 같이 얻을 수 있다. 두꺼운 부분(34, 35)에 대한 회전체(70)의 조건은 상기 실시예와 유사하다.

그런 다음, 도 11에 도시된 바와 같이, 만입부(K) 및 두꺼운 부분을 그라인더 등으로 평활하게 제거한다. 접합장치의 롤러(124) 등은 상기 실시예에서와 같이 유사하다.

또한, 압출프레임부재 등이 하나의 접합부를 갖는 경우에 있어서, 도 8A의 실시예에서와 같이 하부측 회전체(70)를 대신하여 압출프레임부재를 지지하는 롤러를 배치할 수 있다. 이 구조에 의하면, 프레임부재(31, 32)의 모든 면을 지지할 필요가 없게 되어, 결과로 받침대 구조를 간단하게 할 수 있다.

도 12 내지 도 14에서 도시된 실시예는 프레임부재(37, 38)의 각각의 한 면이 복수의 리브(39)를 가지고 반대면에 두꺼운 부분(34b, 35b)을 가진 압출프레임부재(37, 38)를 마찰교반용접을 하는 경우이다. 받침대(36B)는 리브(39)의 하단부와 두꺼운 부분(34, 35)의 하부면에 장착한다. 마찰교반용접은 상기 실시예에서와 유사하다.

도 15 내지 도 16에서 도시된 실시예는 압출프레임부재(37c, 38c)가 리브(39) 측에 두꺼운 부분(34b, 35b)을 구비한 경우이다. 이 구조에 의하면, 받침대(36C)의 측면은 평평하게 된다.

이 결과로, 리브(39)의 반대 측면이 약간의 요철이 허용되는 경우에서는 접합부를 평활하게하는 마무리 공정을 생략할 수 있어서 생산비용을 절감할 수 있다. 접합부 W는 양호한 접합부가 되어 소정의 두께를 얻을 수 있다.

도 17 내지 도 19에서 도시된 실시예가 설명될 것이다. 도 17에 있어서, 철도차량의 측면구조체(416)는 복수의 압출프레임부재(150, 160)로 구성된다. 입출구부(171)와 창문(172)사이 및 창문(172, 172) 사이의 각각의 압출프레임부재(150, 150)는 도 17에 도시된 바와 같이, 세로 방향으로 연장된다(즉, 길이가 긴 쪽이 세로 방향으로 연장된다). 창문(172)의 하부와 창문(172)의 상부에 있는 각각의 압출프레임부재(160, 160)는 도 17에 도시된 바와 같이 측면 방향으로 연장된다(즉, 길이가 긴쪽이 측면 방향으로 연장된다). 즉, 압출프레임부재(150)와 압출프레임부재(160)는 서로 직교하는 방향으로 연장된다(즉, 그것들의 길이가 긴쪽이 서로 직교한다).

전술한 실시예와 유사하게 두꺼운 부분을 제공함으로써, 길이가 같은 방향으로 연장된 압출프레임부재(150, 150)는 서로 접합되며, 길이가 같은 방향으로 연장된 압출프레임부재(160, 160)는 서로 접합된다.

프레임부재(150, 160)가 연장되는 방향의 교차부가 도 18에 도시된다. 도 18은 마찰교반용접전의 상태를 도시한다. 압출프레임부재(150, 160)는 판의 한 측면에 리브(153) 및 리브(163)를 가진다. 압출프레임부재(150, 160)는 중공프레임부재가 아니다. 압출프레임부재(150, 160)의 판(151) 및 판(161)은 받침대(36C)상에 놓여진다. 리브(153, 163)는 상단부로 향한다. 리브(153, 163)의 측은 차량의 내측면이고, 판(151, 161)의 측은 차량의 외측면이다.

압출프레임부재(150)의 단부는 리브(153) 측으로 돌출되는 두꺼운 부분(156)을 구비한다. 두꺼운 부분(156)은 용접될 압출프레임부재(160)를 향하여 압출되어 압출 부분(extruded part; 157)을 구성한다. 압출 부분(157)은 압출프레임부재(160)의 판(161)의 내측(리브(163)의 측면)과 겹쳐진다. 압출 부분(157)에 상응하는 부분의 리브(163)는 절삭되어 제거된다. 예로, 압출 부분(157)의 압출량(L2)은 두꺼운 부분(156)의 폭(L1)과 같다. 즉, 압출 부분(157)은 두꺼운 부분(156)에 상응한다. 압출 부분(157)의 끝부분은 두꺼운 부분(156)의 끝부분과 유사한 비스듬한 측면을 가진다. 상부로부터 회전체(70)를 삽입함으로써 마찰교반용접이 수행될 때, 압출 부분(157)이 두 개의 압출프레임부재(150, 160)의 단부(150b, 160b)사이의 간극(150c) 위에 중첩하여 있기 때문에 압출 부분(157)의 금속 등이 간극(150c)에 공급된다. 또한, 금속은 압출프레임부재(160)의 상부에 공급된다. 결과로, 두꺼운 부분(156) 및 압출 부분(157)을 갖지 않는 구조의 경우 및 단지 압출 부분(157)을 갖지 않는 구조의 경우에 비하여 양호한 용접을 얻을 수 있다.

압출프레임부재(160)의 리브(163)를 절삭하여 압출프레임부재(160)는 압출 부분(157)에 의해 중첩되므로, 압출 부분(157)에 인접한 판(161)은 가압될 수 있으며 양호한 용접을 얻을 수 있다.

삼각형홈(158)은 압출프레임부재(150)의 단부(150b)와 압출프레임부재(160)의 단부(160b) 사이에 위치하는 두꺼운 부분(156)의 외부면에 제공된다. 이 홈(158)은 초기에 회전체(70)의 위치를 결정하는 위치 표시로서 작용한다. 또한, 이 홈(158)은 검출용 표시로서도 작용한다.

도 20은 두꺼운 부분(156) 및 압출 부분(157)이 리브(153)측에 제공되지 않는 경우를 나타낸다. 리브(153, 163)는 받침대(36B)상에 놓여진다. 두꺼운 부분(156), 압출 부분(157) 및 상기 부분들을 둘러싸는 판(151, 161)은 상부로 향하여 돌출한 받침대(36B)상에 놓여진다. 압출프레임부재(160)의 단부의 인접부에 있는 리브(163)는 절삭된다. 압출프레임부재(150)의 두꺼운 부분(156) 및 압출 부분(157)은 판(151)측(차량의 외부면 측)에 위치된다.

압출 방향이 직교하는 압출프레임부재를 용접하는 경우에, 단지 두꺼운 부분(156)만을 가지고 압출 부분(157)을 갖지 않는 구조를 사용하는 것도 가능하다. 또한 압출 부분의 구성은 중공 압출프레임부재에 채택될 수 있다. 또한, 직교하지 않는 두 압출프레임부재, 즉 두 개의 평행 부재를 용접하는데 상술한 압출 부분의 구성을 채택할 수 있다.

상기 방법은 하니컴 패널끼리의 접합에 적용할 수 있다. 각 하니컴 패널은 두 개의 면판과, 두 개의 면판 사이의 하니컴 코어부재와, 코어부재의 주위에 배치된 플랜지부재로 이루어진다.

접합될 대상 물체는 파이프 등이 될 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기예의 판은 실린더로 적당히 대체될 수 있다.

본 발명의 사용을 통해, 접합 부재의 표면 아래로 연장되는 오목부를 피할 수 있다. 따라서, 접합 부재 사이의 접합부를 가로질러 연장하는 평활한 표면을 제공하기 위한 접합 부재의 마무리는 간단히 될 수 있다.

더욱이, 마찰교반용접으로 접합될 부재사이에 틈(또는 틈들)이 있고, 이 틈이 큰 경우라도, 접합 부재의 표면 아래로 연장된 오목부는 피해질 수 있으며, 접합부를 가로질러 연장된 평활한 표면을 제공하기 위한 마무리작업을 간단히 할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 본질적인 특징 또는 기술사상에서 이탈함이 없이 다른 특정 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 기술적 범위는 특허청구의 범위의 각 청구항에 기재된 문언 또는 과제를 해결하기 위한 수단에 기재된 문언에 한정되지 않고 당업자가 그것에서 용이하게 치환할 수 있는 범위에도 미치는 것이다.

본 발명에 따르면, 마찰교반용접방법에 의해 두 부재(예를 들면, 알루미늄합금과 같은 두 금속 부재, 단, 제한은 없음)를 접합할 때, 접합부의 오목부의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 마찰교반용접에 의해 접합되는 접합 부재 사이의 접합부 내의 오목부를 발생하지 않는 부재를 제공할 수 있다. 또한, 접합될 부재가 접합되기 전에 맞대지거나 또는 접합되기 전에 부재 사이에 작은 틈(그러나, 부재는 서로 인접하여 있다)이 있는 경우에 있어서도, 접합된 부재 사이의 접합부에 오목부가 발생하는 것을 피할 수 있는 마찰교반용접방법 및 그것에 의해 제조된 물품을 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. 알루미늄 또는 알루미늄합금에서 선택된 재료의 상호간을 마찰교반용접하기 위하여, 일면에만 복수의 리브(rib)를 가지는 판(plate)을 구비한 마찰교반용접용 압출프레임부재에 있어서,

   폭 방향으로 상기 압출프레임부재의 적어도 일단부가, 상기 판의 상기 일면이나 다른 면으로부터, 상기 압출프레임부재의 두께 방향으로 돌출된 돌출부를 구비하며;

   상기 돌출부의 상기 두께방향의 선단측이 상기 압출프레임부재의 상기 단부와 실질적으로 평행한 방향으로 연장되며,

   상기 돌출부가 회전공구의 삽입에 의하여 마찰교반접합되는 부분인 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 압출프레임부재.
2. 알루미늄 또는 알루미늄합금에서 선택된 재료의 상호간을 마찰교반용접하기 위하여, 두 개의 판과 이 두 개의 판을 접속하는 하나의 판부재를 구비한 마찰교반용접용 압출프레임부재에 있어서,

   폭 방향으로 상기 두개의 판 중 적어도 하나의 적어도 일단부가 상기 압출프레임부재의 두께방향으로 돌출된 돌출부를 가지며;

   상기 돌출부의 상기 두께방향의 선단측이 상기 일단부와 실질적으로 평행한 방향으로 연장되며,

   상기 돌출부가 회전공구의 삽입에 의하여 마찰교반접합되는 부분인 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 압출프레임부재.
3. 제 2 항에 있어서,

   두 판의 각 단부들이 상기 압출프레임부재의 두께 방향으로 외측으로 돌출된 각각의 돌출부를 가지고, 각각의 돌출부가 각 단부들과 실질적으로 평행한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 압출프레임부재.
4. 제 2 항에 있어서,

   두 판의 각 단부들이, 압출프레임부재의 두께 방향으로 직선으로 돌출부를 가지고, 상기 두 판을 접속하는 상기 판부재가 압출프레임부재의 두께 방향으로 직선으로 돌출부를 가지는 단부들 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 압출프레임부재.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 판부재는, 단부로부터 돌출된 돌출부를 갖는 상기 두 판 중 적어도 하나에 부착되어 있고, 단부에서 돌출된 돌출부를 가지며;

   상기 판부재가 돌출부를 갖는 단부와 다른 판 사이에서 압출 프레임부재의 두께 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접용 압출프레임부재.