KR100504627B1

KR100504627B1 - 금속제접합부재의마찰교반접합법

Info

Publication number: KR100504627B1
Application number: KR10-1998-0010359A
Authority: KR
Inventors: 마사토시 에노모토; 세이지 다사키; 나오키 니시카와; 이치로 이와이; 다케노리 하시모토
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2005-10-26
Also published as: EP0867254A1; JP3897391B2; DE69802984D1; CN1083314C; CN1198974A; NO981360D0; NO316367B1; NO981360L; KR19980080666A; US5979742A; JPH10263852A; EP0867254B1; DE69802984T2

Abstract

대직경인 원주상 회전자 단면의 회전축 선 상에 소직경 핀 형상의 플로우브가 돌출하여 설치된 접합장치를 이용하여, 맞대어진 2매의 금속제 접합부재의 상기 맞댄부 또는 그 근방에, 회전하는 상기 플로우브를 삽입하고, 플로우부와의 접촉부를 마찰열로 경화시켜 교반함으로써, 양 접합부재를 맞대어 접합한다. 상기 양 접합부재의 맞댄측의 단부에 두꺼운 두께부가 설치되어 있으며, 회전자를 상기 두꺼운 두께부에 압접하여 마찰열로 두꺼운 두께부를 경화함으로써, 경화한 두꺼운 두께부의 소재를 맞댄부의 틈에 충전하여 접합한다.

Description

금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법{METHOD FOR CONNECTING A METALLIC CONNECTION MEMBERS BY FRICTION AGITATION}

본 발명은, 알루미늄 등의 금속이나 그 합금으로 이루어진 접합부재를 맞대어 접합하는데 이용되는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법에 관한 것이다.

고상(固相) 접합법의 하나인 마찰 교반 접합법으로서, 다음과 같은 방법이 제안되어 있다. 즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 대직경인 원주상 회전자(130)의 단면 축선 상에, 접합부재(101)(102)보다도 경질의 소직경인 핀 형상 플로우브(132)가 돌출하여 일체로 설치된 접합장치(103)를 이용하여, 상기 회전자(130)를 회전시키면서, 맞댄 2매의 접합부재(101)(102)의 맞댄부(103)에 상기 플로우브(132)를 삽입한다. 삽입은, 일반적으로는, 회전자(130)의 플로우브가 설치되어 있는 단면(131)이 접합부재(101)(102)에 서로 접촉하기까지 행한다. 그리고, 플로우브 삽입상태로 맞댄부(103)를 따라서 플로우브(132)를 접합부재(101)(102)에 대하여 상대적으로 이동시킨다. 플로우브(132)의 회전에 의해 발생하는 마찰열에 의해, 플로우브(132)와의 접속부분 근방에 있어서 접합부재(101)(102)의 소재는 연화(軟化)하고 또한 플로우브에 의해 교반됨과 동시에, 플로우브(132)의 이동에 따라서, 연화 교반된 소재가 플로우브(132)의 진행압력을 받아 플로우브의 통과홈을 채우도록 플로우브(132)의 진행방향 뒤쪽으로 돌아가는 상태로 소성(塑成) 유동한 후 마찰열을 급속하게 잃어 냉각 고화(固化)된다. 이 현상이 플로우브(132)의 이동에 따라서 순차 반복되어 가며, 최종적으로 접합부재(101)(102)가 맞댄부(103)에 있어서 접합되는 것이다.

이와 같은 마찰 교반 접합법에 의하면, 고상 접합이므로, 접합부재인 금속재의 종류에 제한을 받지 않는다던지, 접합시의 열 비틀림에 의한 변형이 적다는 등의 이점이 있다.

그러나, 긴 길이의 접합부재를 폭방향으로 맞대는 경우 등, 접합부재의 비틀림 등에 의해 맞댄부의 여기저기에 틈이 발생하는 경우가 있지만, 상기 마찰 교반 접합법으로는, TIG용접 등의 용융 용접과 같이 외부에서 용가재(溶加材) 등이 공급되지 않으므로, 틈이 존재하는 부분에서는 접합에 제공되는 소재가 결핍하는 경우가 있어, 이 경우에는 상기 틈을 충전할 수 없고, 접합 결함이 발생하여 신뢰성이 높은 접합상태를 얻는 것이 곤란하였다.

본 발명은, 상기 문제에 비추어 이루어진 것이며, 접합부재의 맞댄부에 틈이 있어도 접합결함을 발생시키는 일 없이 신뢰성이 높은 접합상태를 얻을 수 있는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법의 제공을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법은, 대직경의 원주상 회전자의 단면 회전축선 상에 소직경 핀 형상의 플로우브가 돌출하여 설치된 접합장치를 이용하여, 맞대어진 2매의 금속제 접합부재의 상기 맞댄부 또는 그 근방에, 회전하는 상기 플로우브를 삽입하여, 플로우브와의 접촉부를 마찰열로 연화시켜 교반함으로써, 양 접합부재를 맞대어 접합할 즈음하여, 상기 양 접합부재의 맞댄측의 단부에 두꺼운 두께부가 설치되어 있으며, 회전자를 상기 두꺼운 두께부에 압접하여 마찰열로 두꺼운 두께부를 연화함으로써, 연화한 두꺼운 두께부의 소재를 맞댄부의 틈에 충전하여 접합하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 방법을 채용함으로써, 회전자와의 강력한 미끄럼 마찰에 의한 마찰열에 의해 연화된 두꺼운 두께부의 소재가 플로우브의 회전에 말려 들어가므로, 해당 소재가 플로우브와의 마찰열에 의해 연화한 소재와 함께 교반되어 접합에 제공된다. 따라서, 맞댄부에 틈이 존재해도, 접합에 제공되는 소재가 결핍하는 일이 없고, 틈을 거의 완전하여 충전한 상태로 접합부재를 접합할 수 있으며, 접합결함이 없는 신뢰성이 높은 접합상태를 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적과 특징과 이익은, 다음 해설에 의해 더욱 충분하게 알 수 있을 것이다.

다음에, 본 발명에 관한 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법의 실시형태에 관하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1a ∼ 도 1c는, 본 발명의 실시형태를 도시하는 도면으로, 도 1a는 접합부재(1)(2)가 맞대어진 상태에 있어서, 틈이 발생하여 있는 부분의 단면을 도시한 것이다. 동 도면에 있어서 (3)은 마찰 교반 접합용의 접합장치이다.

상기 접합부재(1)(2)는 알루미늄제인 판 형상 압출재이며, 폭방향으로 맞대어져 길이방향 전체에 걸쳐서 접합되는 것으로 이루어져 있다. 또, 맞댄측의 단부에는, 표면측에 돌출하는 상태로 두꺼운 두께부로 이루어진 단면 직사각형의 두꺼운 두께부(10)(20)가 일체로 설치되어 있다.

접합장치(3)는, 대직경인 원주형상 회전자(30)의 단면(31) 축선 상에 소직경인 핀 형상 플로우브(32)가 돌출하여 일체로 설치되며, 회전자(30)를 회전시킴으로써 플로우브(32)도 회전시킬 수 있는 것으로 되어 있다. 또한, 플로우브(32) 및 회전자(30)는, 접합부재(1)(2)보다도 경질이며 또한 접합시에 발생하는 마찰열에 견딜 수 있는 내열재료에 의해 형성되어 있다. 또한, 상기 회전자(30)의 표면에는, 접합부재(1)(2)의 소재와의 마찰 교반을 용이하게 하기 위해서, 나사형상 그밖에 凹凸이 형성되어 있다.

그리고, 이 실시형태에서는, 이하와 같이 하여 접합부재(1)(2)를 접합한다.

즉, 도 1a에 도시하는 바와 같이, 접합부재(1)(2)의 두꺼운 두께부(10)(20)를 맞댄상태로 고정한다. 이 상태에서 맞댄부에는 틈(4)이 여기저기에 불가피적으로 존재한다.

다음에, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 상기 접합장치(3)의 회전자(30)를 회전시키면서, 두꺼운 두께부(10)(20)가 돌출한 측으로부터 맞댄면에 플로우브(32)를 삽입해 간다. 그리고, 회전자(30)의 단면(31)이 두꺼운 두께부(10)(20)의 표면에 서로 접촉한 상태로부터 또한 회전자(30)를 꽉 누르고, 플로우브(32)와 함께 회전자(30)를 두꺼운 두께부(10)(20)의 내부에 삽입한다. 플로우브(32)와 두꺼운 두께부(10)(20)의 미끄럼 마찰에 의해 발생하는 마찰열, 또한 회전자(30)의 단면과 두꺼운 두께부(10)(20)와의 미끄럼 마찰에 의해 발생하는 마찰열에 의해, 플로우브(32)와의 접촉부분 근방에 있어서의 두꺼운 두께부(10)(20)의 소재가 연화하고, 또한 플로우브(32)의 회전에 말려 들어가 교반된다.

다음에, 상기 상태로 맞댄부를 따라서 회전자(30) 및 플로우브(32)를 접합부재(1)(2)의 길이 방향으로 이동시킨다. 이동은, 회전자(30) 및 플로우브(32)를 그들의 이동방향의 뒤쪽 측으로 약간 기운 상태로 행하는 것이 좋다. 이 이유는, 회전자(30)의 이동방향의 가장자리 둘레가 접합부재의 이면으로부터 약간 부상(浮上)하므로, 이 가장자리 둘레가 접합부재의 표면에 걸리는 것이 방지되어, 매끄럽게 이동시킬 수 있기 때문이다.

이와 같은 플로우브(32)의 이동에 따라서, 상기 연화한 소재가, 플로우브(32)의 진행압력을 받아 플로우브(32)의 통과홈 및 접합부재(1)(2)간의 틈(4)을 채우도록 플로우브(32)의 진행방향 뒤쪽으로 돌아서 들어가는 상태로 소성 유동한 후 마찰열을 급속하게 잃어 냉각 고화된다. 이 현상이 플로우브(32)의 이동에 따라서 순차 반복되어 가고, 최종적으로, 도 1c에 도시하는 바와 같이 접합부재(1)(2)의 맞댄부가 길이 방향 전체에 걸쳐서 마찰 교반 접합된다.

상기 접합방법을 채용하면, 맞댄부에 틈이 존재할 경우에도, 회전자(30)에 의해 연화한 두꺼운 두께부(10)(20)의 소재가 접합부분에 제공되므로, 연화한 소재가 결핍하는 일없이 상기 틈을 채울 수 있어, 접합 결함이 없는 신뢰성이 높은 접합상태로 할 수 있다.

다음에, 두꺼운 두께부(10)(20)의 형상의 변형 예를 설명한다.

도 2a에 도시하는 두꺼운 두께부(10)(20)는, 맞댄방향을 향하여 두께가 연속적으로 증가한 단면 삼각형상으로 형성되어 있다. 두꺼운 두께부가 이와 같은 단면 삼각형상으로 형성되어 있음으로써, 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 접합시에 회전자(30)를 두꺼운 두께부(10)(20)에 꽉 누른 경우에, 두꺼운 두께부의 예리한 정수리부가 회전자(30)에 의해 평탄화되는 결과, 두꺼운 두께부가 단면 직사각형인 경우에 비하여(도 1c 참조), 접합후에 있어서의 접합부 표면의 凹凸을 억제할 수 있어, 표면품질이 좋은 접합상태를 실현할 수 있다.

또, 도 2c에 도시하는 두꺼운 두께부(10)(20)는, 맞댄면에 있어서, 플로우브 삽입측과 반대측의 단부에, 맞댄 방향으로 돌출하여 서로 맞물리도록 이루어진 단면 상향 L자 형상 및 단면 하향 L자 형상의 돌출부(12)(22)를 가지고 있다. 또, 두꺼운 두께부(10)(20)의 폭은, 맞대어진 상태로 회전자(30)의 외부지름보다도 작게 설정되어 있다. 물론 크게 설정해도 상관없다. 두꺼운 두께부(10)(20)의 형상을, 도 2c와 같이 서로 맞물리는 형상으로 설정함으로써, 접합부재(1)(2)가 떼어놓는 방향의 힘에 대하여 상기 돌출부의 맞물림이 이것을 저지하는 방향으로 작용하고, 한층더 나아가서는 접합 효율이 한충 높은 접합상태를 얻을 수 있다.

또한, 두꺼운 두께부(10)(20)의 형상은 도시한 실시형태에 한정되는 일없이, 임의의 형상으로 설정할 수 있다. 예를 들면, 도 2a에 도시한 단면 삼각형상의 두꺼운 두께부에, 도 2c에 도시한 단면 L자 형상의 돌출부(12)(22)를 형성하고, 이 돌출부가 서로 맞물린 상태로 접합하는 것으로 해도 된다.

또한, 본 발명에 적용되는 접합부재는, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 형상은 판 형상에 한하지 않고 임의의 형상으로 할 수 있으며, 그 재질은 강, 구리, 황동 등의 알루미늄 이외의 금속이라도 관계없다. 이 제조방법도 전신(展申)가공 외 주조나 다이캐스트 등이라도 관계없다.

또, 접합장치의 이동방법으로서는, 이 실시형태와 같이 회전자를 두꺼운 두께부에 삽입한 상태로 이동시키는 방법에 한정되는 일없이, 예를 들면, 삽입한 회전자를 두꺼운 두께부로부터 일단 이탈시킨 후, 접합장치를 이동시키고, 다시 두꺼운 두께부에 삽입하는 것을 반복해도 된다.

다음에, 본 발명의 구체적 실시예를 설명한다.

마찰 교반 접합에 제공되는 접합부재를 이하의 요령으로 제조했다.

(실시예1)

단면형상

두꺼운 두께부 두께4mm× 폭15mm

본체부 두께3mm× 폭130mm

길이 1000mm

재질 JIS6N01알루미늄합금(T5 열적 제련)

제법 압출가공

(실시예2)

단면형상

두꺼운 두께부 두께4mm× 폭20mm(도 2c에 도시하는 서로 체결가능한

L자형상 돌출부를 가지는 형상을 각각 제조한다)

본체부 두께3mm× 폭125mm

기타는 (실시예1)과 같음

(비교예3)

단면형상 두께3mm× 폭200mm

기타는 (실시예1)과 같음

이상의 접합부재를, 실시예1에 있어서는 두꺼운 두께부측의 단면이 서로 접촉하도록 폭방향으로 맞대고, 실시예2에 있어서는, 도 2c에 도시하는 바와 같이, 두꺼운 두께부를 체결상태로 맞대고, 비교예3에 있어서는, 단순하게 폭방향으로 맞대어 고정하고, 이하에 도시하는 마찰 교반 접합의 조건으로 맞댄부를 길이방향 전체에 걸쳐서 접합했다. 또한, 상기 어느 경우도, 맞댄상태로 폭 약 0.5mm의 틈을 길이 방향에 형성했다.

마찰 교반 접합조건

회전속도 : 1500rpm

플로우브 : 직경4mm× 길이4mm

회전자 : 직경20mm

실시예1 및 실시예2에 있어서는, 플로우브를 삽입하는 초기 단계에 있어서, 회전자의 단면이 두꺼운 두께부의 표면에 서로 접촉한 상태로부터 또한 1mm 삽입하고, 이 상태에서 플로우브 및 회전자를 맞댄부를 따라서 이동시키고, 두꺼운 두께부의 소재를 연화하면서 접합을 행하였다. 한편, 비교예3에 있어서는, 회전자의 단면은 접합부재의 표면에 서로 접촉한 상태로 플로우브 및 회전자를 맞댄부를 따라서 이동시켜 접합을 행하였다.

이상에 의해서 얻어진 접합체의 접합부를 관찰하고, 접합률은 모재(母材) 강도에 대한 이음매 인장강도의 비율에 의해 구했다. 그 결과를 표1에 기술한다.

표1

이상, 표1로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 관한 실시예1 및 2는 비교예3보다도 접합률이 높고, 신뢰성이 높은 접합상태로 이루어져 있다.

본 발명은, 상술한 차례대로, 맞대어 접합하는 마찰 교반 접합법으로서, 회전자와의 마찰열에 의해 연화된 두꺼운 두께부의 소재를, 틈 충전용에 이용하는 접합방법이다. 따라서, 맞댄부에 틈이 존재해도, 접합에 제공되는 소재가 결핍하는 일없이 틈을 충전하여 접합할 수 있으며, 접합결함이 적은 신뢰성이 높은 접합상태로 할 수 있는 것이다.

도 1a∼도 1c는, 본 발명의 일 실시형태를 순서를 따라 도시하는 도면이며, 도 1a는 접합장치 삽입전의 상태, 도 1b는 회전자가 두꺼운 두께부에 삽입된 상태, 도 1c는 접합후의 상태를 각각 도시하는 단면도,

도 2a, 도 2b는 두꺼운 두께부의 변형예를 도시하는 단면도로, 도 2a는 접합장치 삽입전의 상태를 도시하는 도면, 도 2b는 같게 삽입한 후의 상태를 도시하는 도면, 도 2c는 두꺼운 두께부의 또 다른 변형예를 도시하는 단면도,

도 3은 관련기술을 도시하는 사시도이다.

Claims

대직경인 원주상 회전자의 단면 회전축 상에 소직경인 핀 형상의 플로우브가 돌출하여 설치된 접합장치를 이용하여, 맞대어진 2매의 금속제 접합부재의 상기 맞댄부 또는 그 근방에, 회전하는 상기 플로우브를 삽입하고, 플로우브와의 접촉부를 마찰열로 연화시켜 교반함으로써, 양 접합부재를 맞대어 접합할 때에,

상기 양 접합부재의 맞댄측의 단부에 맞댄방향을 향하여 두께부가 증가하도록 경사진 단면 삼각형상으로 형성된 두꺼운 두께부가 설치되어 있으며,

회전자를 상기 두꺼운 두께부에 압접하여 마찰열로 두꺼운 두께부를 연화함으로써, 연화한 두꺼운 두께부의 소재를 맞댄부의 틈에 충전하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
대직경인 원주상 회전자의 단면 회전축 상에 소직경인 핀 형상의 플로우브가 돌출하여 설치된 접합장치를 이용하여, 맞대어진 2매의 금속제 접합부재의 상기 맞댄부 또는 그 근방에, 회전하는 상기 플로우브를 삽입하고, 플로우브와의 접촉부를 마찰열로 연화시켜 교반함으로써, 양 접합부재를 맞대어 접합할 때에,

상기 양 접합부재의 맞댄측의 단부에 맞댄방향을 향하여 돌출하고, 서로 맞물리도록 이루어진 단면 L자형상의 돌출부를 가지고 있는 두꺼운 두께부가 설치되어 있으며,

회전자를 상기 두꺼운 두께부에 압접하여 마찰열로 두꺼운 두께부를 연화함으로써, 연화한 두꺼운 두깨부의 소재를 맞댄부의 틈에 충전하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

회전자 및 플로우브를 맞댄부를 따라서 접합부재에 대하여 상대적으로 이동시키면서 접합을 행하는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

회전자의 단면이 두꺼운 두께부에 서로 접촉하기까지 플로우브를 삽입하는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
제3항에 있어서,

회전자 및 플로우브를 그들의 이동방향의 뒤쪽 측으로 약간 기운 상태로, 회전자 및 플로우브를 이동시키는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

접합부재가 알루미늄 또는 그 합금의 압출재로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
대직경인 원주상 회전자의 단면 회전축선 상에 소직경 핀 형상의 플로우브가 돌출하여 설치된 접합장치를 이용하고, 맞대어진 2매의 금속제 접합부재의 상기 맞댄부 또는 그 근방에, 회전하는 상기 플로우브를 삽입하고, 플로우브와의 접촉부를 마찰열로 연화시켜 교반하면서, 회전자 및 플로우브를 맞댄부를 따라서 접합부재에 대하여 상대적으로 이동시킴으로써, 양 접합부재를 맞대어 접합할 때에,

상기 양 접합부재의 맞댄측의 단부에 맞댄방향을 향하여 두께가 증가하도록 경사한 단면 삼각형성으로 형성되어 있는 두꺼운 두께부가 설치되어 있으며,

상기 회전자의 단면이 두꺼운 두께부에 서로 접촉하기까지 플로우스를 삽입하고,

회전자를 상기 두꺼운 두께부에 압접하여 마찰열로 두꺼운 두께부를 연화함으로써, 연화한 두꺼운 두께부의 소재를 맞댄부의 틈에 충전하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.
대직경인 원주상 회전자의 단면 회전축선 상에 소직경 핀 형상의 플로우브가 돌출하여 설치된 접합장치를 이용하고, 맞대어진 2매의 금속제 접합부재의 상기 맞댄부 또는 그 근방에, 회전하는 상기 플로우브를 삽입하고, 플로우브와의 접촉부를 마찰열로 연화시켜 교반하면서, 회전자 및 플로우브를 맞댄부를 따라서 접합부재에 대하여 상대적으로 이동시킴으로써, 양 접합부재를 맞대어 접합할 때에,

상기 양 접합부재의 맞댄측의 단부에 맞댄방향을 향하여 돌출하고, 서로 맞물리도록 이루어진 단면 L자 형상의 돌출부를 가지고 있는 두꺼운 두께부가 설치되어 있으며,

상기 회전자의 단면이 두꺼운 두께부에 서로 접촉하기까지 플로우브를 삽입하고, 회전자를 상기 두꺼운 두께부에 압접하여 마찰열로 두꺼운 두께부를 연화함으로써,

연화한 두꺼운 두께부의 소재를 맞댄부의 틈에 충전하여 접합하는 것을 특징으로 하는 금속제 접합부재의 마찰 교반 접합법.