KR100505376B1 - 마찰교반접합방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 2개의 부재의 맞댐부의 간극이 큰 경우에도 양자 간에 양호한 마찰교반접합 이음매를 형성하는 것이다.

2개의 부재(10, 20)의 맞댐부를 따라, 절삭공구(60)에 의하여 일정한 단면형을 구비하는 홈(41)을 절삭한 후, 대략 동형 단면의 보충재(30)를 상기 홈에 매설하여 실질적으로 맞댐부의 간극을 제거하고, 그 후 돌출부(12, 22) 및 보충재(30)의 3자를 임시 부착하고, 이어서 회전공구(81)를 사용하여 부재(10, 20) 및 보충재 (30) 상호를 전면적으로 마찰교반접합한다.

Description

마찰교반접합방법 및 장치{FRICTION STIR WELDING METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 마찰교반접합방법 및 장치에 관한 것으로, 철도차량, 특히 차체의 제조에 적합한 접합가공방법에 관한 것이다.

마찰교반접합방법은, 부재의 접합부에 삽입한 공구를 회전시키면서 부재에 대하여 상대적으로 이동시켜, 공구에 근접한 영역의 부재를 소성유동시켜 부재를 고상 접합하는 방법이다.

이 경우, 맞댐부재 사이의 간극이 중요하다. 간극이 과대해지면 양호하게 접합할 수 없다. 철도차량의 차체와 같이, 길이가 약 20m이고, 폭이 3m이 되면, 부재의 제작오차가 커지기 쉬워 간극이 과대해지기 쉽다.

일본국 특개2000-233285호 공보에서는 접합해야 할 2개의 부재의 맞댐부의 간극에 보충재를 배치하여 마찰교반접합을 하고 있다.

또 일본국 특허제3014654호 공보(US 6050474)에서는 맞댐부 근방의 각각의 부재에 돌출부를 설치하고, 마찰교반접합시, 돌출부의 금속을 원자재로 하여 간극을 메우도록 하고 있다.

접합해야 할 부재 사이의 간극에 보충재를 넣은 경우, 이 보충재가 마찰교반접합시, 간극으로부터 이탈하지 않도록 강고하게 고정하여 두는 것이 중요하다.

이 경우, 보충재를 접합해야 할 부재에 용접에 의하여 고정하는 것이 생각되나, 용접하면 그 고온의 용접열로 부재의 왜곡이 생각된다. 또 마찰교반접합한 후, 표면을 무도장으로 하는 경우, 용접부가 변색되어 남아 미관을 손상시키는 것이다.

본 발명은 양호한 접합과 미관이 좋은 외관이 얻어지는 마찰교반접합방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 2개의 부재를 맞대어 상기 맞댄 접합선을 따라 절삭가공하고, 이 절삭가공에 의하여 얻어진 홈에 보충재를 배치하고, 2개의 부재의 외면측에 있어서 적어도 한쪽의 부재와 상기 보충재의 상기 외면측을 제 1 회전공구에 의하여 마찰교반접합하고, 다음에 상기 마찰교반접합의 접합깊이보다도 깊고, 상기 2개의 부재와 상기 보충재를 제 2 회전공구에 의하여 마찰교반접합함으로써 달성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예를 도 1 내지 도 10에 따라 설명한다. 단, 본 발명방법의 기술적 범위는 이하에 기재한 실시형태 및 실시예의 수치에 한정되지 않고, 그 기재에 의거하여 그 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자이면 용이하게 실시할 수 있는 범위에 미치는 것이다.

판형상의 2개의 부재(10, 20)를 가대(25)에 탑재하고, 부재(10, 20)의 가장자리가 대향하도록 맞댄다. 이 상태에서 부재를 고정한다. 맞댐부에는 간극이 생기는 일이 많다. 2개의 부재(10, 20)의 대향하는 맞댐부의 상면측에는 부재(10, 20)에 각각 돌출부(12, 22)를 설치하고 있다. 또 부재(20)의 맞댐부의 아래쪽면에는 부재 (10)의 맞댐부의 하면측으로 돌출하는 돌출편(23)을 설치하고 있다.

상기 부재(10, 20) 사이의 간극(40)은 가능한 한 좁게 하도록, 가능하면 간극이 없도록, 간극(40)이 있더라도 소정 간극보다도 작아지도록, 2개 부재(10, 20)끼리를 눌러붙여서 가대(25)에 고정하고 있다. 상기 소정 간극은 뒤에서 설명하는 홈(41)과 동일하거나 그것보다도 실질적으로 작다.

부재(10, 20)는 알루미늄합금의 압출형재이다. 2개의 부재(10, 20)의 맞댐부(면)를 접합선이라 한다. 뒤에서 설명하는 보충재(30)의 재질은 부재(10, 20)의 재질과 동일하다.

마찰교반접합장치는 도 1 및 도 2의 기기[부재(10, 20) 및 가대(25)를 제외한다. 보충재(30)의 공급장치를 포함함]로 이루어지고, 주행체가 설치되어 있고, 부재(10, 20)를 고정한 가대(25)에 대하여 소정의 속도로 이동한다. 도 1에 있어서 우측으로부터 좌측으로 이동한다(속이 빈 대형 화살표로 나타내는 방향). 도 2에서는 우측으로부터 좌측으로 이동한다. 부재(10, 20)에 대하여 좌측에 나타내는 절삭공구(60)의 가공부터 시작하여 우측의 마찰교반접합공구(81)의 가공방향으로 진행한다.

부재(10, 20)를 가대(25)에 고정하였으면, 접합선[간극(40)의 위치]을 위쪽으로부터 절삭공구(60)를 사용하여 소정의 홈(41)에 절삭한다. 홈(41)은 장방형이다. 홈(41)의 대향변[부재(10, 20)의 끝부]은 평행하다.

이 절삭폭은 적어도 간극(40)을 형성하는 양측 벽면이 남지 않을 정도로 크게한다. 절삭깊이는 돌출편(23)의 상면까지로 한다. 절삭은 건식 절삭에 의하여 행한다.

상기에서는 절삭공구(60)를 둥근 톱으로 나타내었으나, 홈 밀링커터 또는 엔드밀이어도 효과는 같다. 요컨대, 절삭의 폭과 깊이가 일정한 것이 요구되고 있다.

다음에 절삭공구(60)에 의한 칩을 칩제거 노즐(50)로부터의 압축공기로 불어 날리거나, 집진기로 흡인하여 제거한다.

칩제거 노즐(50)의 뒤쪽에는 돌출부(12, 22)의 상면, 그 외측 부재(10, 20)의 상면, 다시 홈(41)내의 돌출편(23)에 접하는 고무판(95)을 배치하고 있다. 이에 의하여 칩이 뒤쪽으로 이동하지 않도록 가로막고 있다.

홈(41)을 제작하였으면, 홈(41)에 보충재(30)를 삽입한다. 이것은 릴(90)의 보충재(30)를 신장시켜 홈(41)으로 유도하여 가압롤러(70)로 보충재(30)를 아래쪽으로 눌러, 삽입한다. 가압롤러(70)는 공기실린더장치(71)(또는 압축스프링)에 의하여 보충재(30)의 상면을 홈(41)의 밑바닥면을 향하여 눌러붙이고 있다.

보충재(30)의 하면을 돌출편(23)의 상면에 접촉시켰을 때에, 보충재(30)의 상면이 돌출부(12, 22)의 상면보다도 약간 높은 위치를 차지하도록 보충재(30)의 높이 치수를 정하고 있다.

보충재(30)의 단면형상은 대략 홈(41)의 그것과 동일 형이다. 보충재(30)의 폭은 홈(41)의 폭과 대략 동일하다. 단 보충재(30)는 가압롤러(70)에 의하여 비교적 용이하게 홈(41)으로 들어 가나, 부재[10 (20)]와 보충재(30) 사이에 과대한 간극이 비지 않도록 하고 있다. 보충재(30)의 폭과 홈(41)의 폭과의 차는, 1mm 미만의 크기로 한다.

보충재(30)는 회전 자유로운 릴(90)에 감겨져 있고, 교정롤러(91a, 91b, 91c), 송급롤러(92a, 92b, 92c, 92d, 92e, 92f)를 순차 경유하여 가압롤러(70)에 이른다. 이들 롤러는 보충재(30)에 접촉하고 있다.

교정롤러(91a, 91b, 91c)는 릴(90)에 감겨져 있던 보충재(30)를 끼우고, 보충재(30)의 감김성을 따라 직선형상으로 하기 위한 것이다. 교정롤러(91a, 91b)는 주로 릴(90)에 감겨 있는 보충재(30)의 내측면에 접한다. 교정롤러(91c)는 주로 릴(90)에 감겨 있던 보충재(30)의 외측면에 접한다. 교정롤러(91a, 91b, 91c)는 보충재(30)에의 접촉부(롤러의 바깥 둘레부)는 오목형상이다. 이 오목부에 보충재 (30)가 들어 간다.

송급롤러(92a, 92b, 92c, 92d)는 보충재(30)를 릴(90)로부터 되감아 홈(30)에 공급하기 위한 롤러이다. 이 송급롤러는 보충재(30)의 높이방향의 면[홈(41)의 높이 방향을 따른 면]에 접촉한다. 이 송급롤러는 보충재(30)에의 접촉부는 오목형상이다. 이 오목부에 보충재(30)가 들어 간다. 송급롤러(92a, 92c)는 토오크리미터를 거쳐 모터로 구동된다. 이에 의하여 소정의 힘으로 보충재(30)를 길이방향으로 보낸다. 송급롤러(92a, 92c)는 송급롤러(92b, 92d)에 각각 연결되어 있다. 예를 들면 송급롤러(92a, 92c, 92b, 92d)의 바깥 둘레부에는 기어가 있고, 송급롤러 (92a, 92c)의 기어는 송급롤러(92b, 92d)의 기어에 맞물려 있다.

송급롤러(92a, 92b, 92c, 92d, 92e, 92f)는 보충재(30)의 안내롤러이다. 송급롤러(92e, 92f)에는 모터가 없다. 송급롤러(92e, 92f)는 보충재(30)의 높이방향의 면[홈(41)의 높이방향을 따른 면]에 접촉한다. 이 송급롤러는 보충재(30)에의 접촉부는 오목형상이다. 이 오목부에 보충재(30)가 들어 간다.

보충재(30)를 홈(41)에 삽입하였으면 가압롤러(70)의 뒤쪽에 있어서, 회전공구 (80)에 의하여 보충재(30)를 부재(10, 20)에 임시 부착하여 접합한다. 이 접합은 회전공구(80)에 의한 마찰교반접합이다.

통상, 마찰교반접합의 회전공구는 큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지나, 이 회전공구(80)는 작은 지름부를 가지고 있지 않다. 회전공구(80)의 선단은 평편하다. 회전공구(80)는 위쪽으로부터 부재(10, 20) 및 보충재(30)에 삽입한다. 회전공구(80)의 축심은 통상의 회전공구와 마찬가지로 경사져 있다. 경사방향은 동일하다. 회전공구(80)는 회전하고 있다.

회전공구(80)의 지름은 홈(41)의 폭보다도 약간 큰 정도이다. 예를 들면 홈(41)의 폭이 3mm일 때, 회전공구(80)의 지름은 6mm 이다. 돌출부(12, 22)에의 회전공구(80)의 삽입깊이는 임시 부착이므로, 조금이다. 예를 들면 돌출부(12, 22)의 상면으로부터 1.0mm 이다. 이 임시 부착 접합은 뒤에서 설명하는 회전공구(81)에 의한 마찰교반접합시에 보충재(30)가 홈(41)으로부터 이탈하지 않는 접합강도로 한다. 즉, 이 접합강도가 얻어지는 삽입깊이로 한다.

보충재(30)의 상단은 돌출부(12, 22)의 정상보다도 높은 위치에 있다. 보충재 (30)는 돌출부(12, 22)보다도 돌출부로 되어 있다. 이 때문에 보충재(30)와 홈 (41)의 제작오차에 의하여 양자 사이에 간극이 있어도 보충재(30)의 돌출부에 의하여 이 간극을 메울 수 있다. 따라서 보충재(30)를 부재(10, 20)에 강고하게 고정할 수 있다. 또 보충재(30)를 가압롤러(70)로 눌러 삽입할 때, 보충재(30)를 돌출편 (23)에 밀착시킬 수 있어, 강고한 접합으로 연결할 수 있다.

회전공구(80)에 의하여 접합하였을 때, 접합부의 상면측은 약간 오목해진다. 도 7, 도 8에서는 접합부의 상면을 평편하게 나타내고 있다.

회전공구(80)의 큰 지름부의 바깥 둘레면에는 나사를 설치하고 있지 않으므로, 마찰교반접합시에 보충재(30), 돌출부(12, 22)를 회전공구(80)의 축방향으로 밀어낼 염려가 없다.

회전공구(80)의 위치는 가능한 한 가압롤러(70)의 위치에 근접시키는 것이 바람직하다.

다음에 회전공구(81)로 돌출부(12, 22) 및 보충재(30)의 3자를 마찰교반접합 한다. 이 접합은 부재(10, 20)를 본격적으로 접합하기 위한 것이다.

회전공구(81)는 큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지는 것이다. 작은 지름부의 지름은 보충재(30)의 폭 및 홈(41)의 폭보다도 약간 크다. 마찰교반접합시, 회전공구(81)의 큰 지름부와 작은 지름부의 경계의 하단은 돌출부(12, 22)를 제외하는 부재(10, 20)의 상면보다도 위쪽에 있어서, 돌출부(12, 22)의 정상보다도 아래쪽에 위치한다. 마찬가지로 회전공구(81)의 작은 지름부의 선단은 돌출편(23) 상면의 근방이나 또는 돌출편(23)의 내부에 위치한다.

상기한 바와 같이 보충재(30)와 부재(10, 20) 사이에 간극이 있었을 때, 돌출부(12, 22)를 제외하는 부재(10, 20)의 상면보다도 위쪽의 돌출부(12, 22) 및 보충재(30)를 원자재로 하여 상기 간극을 메운다. 접합부의 상면측은 약간 오목해진다.

다음에 필요하면 돌출부(12, 22)를 제외하는 부재(10, 20)의 상면보다도 위쪽의 돌출부(12, 22) 및 보충재(30)(접합부로 되어 있음)를 절삭가공하여 평활하게 한다.

도 9는 마찰교반접합부 중, 부재(10, 20)의 표평면보다도 위의 돌출부(12, 22) 및 접합부를 절제하여 평활하게 한 마찰교반접합부의 단면을 나타낸다. 43은 마찰교반접합부이다.

절삭공구(60), 회전공구(80, 81)는 각각 접합선의 직각방향, 즉 간극(40) [홈(41)]의 폭방향으로 단독으로 이동할 수 있도록 하고 있다. 이것은 접합선[간극 (40), 홈(41)]의 위치를 검출하여 그 중심에 절삭공구(60), 회전공구(80, 81)를 위치시키기 위해서이다. 또 절삭공구(60), 회전공구(80, 81)는 각각 단독으로 상하운동할 수 있다. 이것은 절삭공구(60)에 의한 절삭깊이[홈(41)의 깊이], 회전공구 (80, 81)에 의한 접합깊이를 소정으로 하기 위해서이다.

이 때문에 돌출부(12, 22)를 검출하는 광학센서(도시 생략)를 각각 구비하고 있다. 광학센서는 2개의 돌출부(12, 22)의 폭의 위치를 검출하고, 이 폭의 중심의 위치에 절삭공구(60), 회전공구(80, 81)를 위치시킨다. 또 돌출부(12, 22)의 정상의 위치를 검출하여 절삭공구(60), 회전공구(80, 81)의 삽입깊이를 소정으로 한다.

송급롤러(92a, 92b, 92c, 92d)에 의한 보충재(30)의 구동력은 회전공구(81)로 마찰교반접합 할 때 보충재(30)를 리턴시키는 힘이 발생하기 때문에 이 리턴력에 대향하는 힘이 아니면 안된다.

송급롤러(92e, 92f)로부터 가압롤러(70)까지의 거리, 가압롤러(70)로부터 회전공구(80)까지의 거리, 회전공구(80)로부터 회전공구(81)까지의 거리는 상기 보충재(30)를 리턴력에 의하여 각각의 개소에서 보충재(30)가 좌굴을 발생하지 않는 거리가 아니면 안된다.

이 실시예에 의하면 2개의 부재를 맞대어 접합하는 경우, 접합선을 따라 약간의 간극이 존재하는 일이 있어도 접합선을 절삭하여 소정의 간극으로 성형하고, 다음에 보충재를 삽입하여 접합선의 간극을 실질적으로 제거하여 마찰교반접합을 실시하기 때문에 양호한 접합을 행할 수 있다.

마찰교반접합후, 접합부를 평활하게 하고, 헤어라인 가공마무리를 실시하는 경우, 보충재(30)의 재질은 모재[부재(10, 20)]와 동일재질이므로, 접합부의 변색이 적어 외관이 나빠지지 않는다.

또한 회전공구(80)는 회전공구(81)와 마찬가지로 큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지는 것이어도 좋다.

도 11의 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 상기 도면에 있어서의 부호에서 도 1 내지 도 10과 동일부호는 실질적으로 동일부재이다. 이 실시예는 주로 임시 접합을 폐지한 것이다.

송급롤러(93a, 93b, 93c, 93d)는 도 2의 경우에 비하여 90도 방향을 바꾸어 설치하고 있다. 교정롤러(91a∼91b)로부터 송급롤러(93a∼93d)까지의 사이에 가이드롤러가 있어도 좋으나, 여기서는 제외하고, 대신에 가이드튜브(94)를 설치하고 있다. 가이드튜브(94)는 대마모성으로, 강성이 있고, 또한 가요성이 있는 것이다. 예를 들면 테프론(등록상표)튜브이다. 가이드튜브(94)의 내경과 보충재(30) 사이에는 적당한 간극이 있다. 가이드튜브(94)의 양쪽 끝은 이 마찰교반접합장치를 설치한 주행체(도시 생략)에 고정하고 있다. 도 11에 있어서 가이드튜브(94)내의 보충재(30)를 실선으로 나타내고 있다. 가압롤러(70)는 있어도 좋으나, 여기서는 제외하고 있다. 임시 접합용 회전공구(80)는 제외하고 있다.

송급롤러(93a∼93d)의 송급력은, 회전공구(81)에 의한 상기 리턴력에 대하여 보충재(30)를 공급할 수 있는 힘이다. 송급롤러(93a∼93d)로부터 회전공구(81)까지의 거리는 상기 리턴력에 의하여 보충재(30)가 좌굴하지 않는 거리이다. 이에 의하여 회전공구(80)의 임시 접합을 생략할 수 있다.

송급롤러(93a∼93d)를 사용하는 경우, 이들을 주행체에 대하여 이동 자유롭게 설치하지 않으면 안되나, 대신에 가이드튜브(94)를 사용하면 구성을 간단하게 할 수 있는 것이다.

상기 본 발명 방법을 실시할 때에 사용되는 각 부의 크기의 일례에 대하여 이하에 설명한다.

부재(10, 20) 및 보충재(30)의 재질 : 알루미늄합금,

부재(10, 20)의 판두께[돌출부(12, 22)의 두께를 제외함] : 4mm,

돌출부(12, 22)의 폭 : 8mm,

돌출부(12, 22)의 높이[부재(10, 20)의 판두께를 제외함] : 2mm,

홈(41)의 폭 : 3mm,

홈(41)의 깊이 : 6mm,

보충재(30)의 폭 : 3mm,

보충재(30)높이 : 6.5mm,

회전공구(80)의 지름 : 6mm,

회전공구(80)의 마찰교반접합깊이 : 돌출부(12, 22)의 표면으로부터 1.0mm.

본 발명방법에 의하면, 2개의 부재의 맞댐부의 간극을 절삭하여 간극을 메우는 부재를 매설하여 실질적으로 맞댐부재 사이의 간극을 제거한 다음에 마찰교반접합을 실시하기 때문에 양호한 마찰교반접합을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 공정을 나타내는 모식사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예의 공정, 특히 보충재의 공급장치의 측면 약도,

도 3은 도 1에 있어서의 III-III 단면도,

도 4는 도 1, 도 2에 있어서의 IV-IV 단면도,

도 5는 도 1, 도 2에 있어서의 V-V 단면도,

도 6은 도 1, 도 2에 있어서의 VI-VI 단면도,

도 7은 도 1, 도 2에 있어서의 VII-VII 단면도,

도 8은 도 1에 있어서의 VIII-VIII 단면도,

도 9는 맞댐 마찰교반접합부를 평활 가공한 부재의 접합부 단면도,

도 10은 도 2에 있어서의 X 화살표에서 본 도면,

도 11은 본 발명의 다른 실시예의 공정, 특히 보충재의 공급장치의 측면 약도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 부재 12, 22 : 돌출부

23 : 돌출편 25 : 가대

30 : 보충재 40 : 간극

41 : 홈 43 : 마찰교반접합부

50 : 칩제거 노즐 60 : 절삭공구

70 : 가압롤러 71 : 공기실린더장치

80, 81 : 회전공구 83 : 회전공구의 작은 지름부

90 : 릴 91a ~ 91c : 교정롤러

92a ~ 92f : 송급롤러 93a ~ 93d : 송급롤러

94 : 가이드튜브 95 : 칩 배제판

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 2개의 부재를 맞대고,

   상기 맞댄 접합선을 따라 절삭가공하고,

   릴에 감겨긴 보충재를 되감으면서 상기 보충재를 한 쌍의 교정롤러를 통과시켜 직선형상으로 하면서 상기 절삭가공에 의하여 얻어진 홈에 상기 보충재를 배치하고,

   다음에 상기 2개의 부재와 상기 보충재를 회전공구에 의하여 마찰교반접합하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
4. 2개의 부재를 맞대고,

   상기 맞댄 접합선을 따라 절삭가공하고,

   릴에 감겨긴 보충재를 되감으면서 상기 보충재를 한 쌍의 송급롤러로 끼워 보내고, 상기 절삭가공에 의하여 얻어진 홈에 상기 보충재를 배치하고,

   다음에 상기 2개의 부재와 상기 보충재를 회전공구에 의하여 마찰교반접합하고,

   상기 한 쌍의 송급롤러에 의한 압출력은 상기 회전공구에 의한 마찰교반접합시에 상기 보충재를 리턴하는 힘보다도 크고,

   상기 송급롤러로부터 상기 회전공구까지의 거리는 상기 리턴력에 의하여 상기 보충재가 좌굴하는 거리보다도 작은 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
5. 보충재를 감은 릴과;

   2개의 부재를 맞댄 접합선을 따라 절삭하는 절삭공구와;

   상기 릴로부터 상기 절삭가공에 의하여 얻어진 홈과의 사이까지 가이드하는 것으로서, 상기 보충재를 내부에 통과시키는 가이드튜브와;

   상기 홈에 삽입한 상기 보충재와 상기 2개의 부재를 마찰교반접합하는 회전공구로 이루어지는 마찰교반접합장치.