KR100576213B1

KR100576213B1 - 마찰 교반 용접 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100576213B1
Application number: KR1020047004799A
Authority: KR
Inventors: 왈드론더글러스제이.; 미례카레이몬드; 맥터난카이스알.
Original assignee: 더 보잉 캄파니
Priority date: 2002-04-29
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2006-05-03
Also published as: US20030201307A1; US20050067461A1; KR20040037227A; US7464852B2; AU2003221988A1; US6908690B2; EP1499470B1; EP1499470A1; JP3876264B2; WO2003092951A1; DE60331902D1; JP2005519769A; CN1568241A; CN1301823C; US7461769B2; US20090050672A1; US20050103824A1

Abstract

본 발명은 작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 공구를 제공하는 것이다. 일 실시예에 따르면, 공구는 제1 및 제2 말단을 가지며, 작업편을 마찰 결합시켜 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하는 구조의 교반부가 상기 제1 및 제2 말단 사이에 형성되어 있는 회전가능한 핀을 포함한다. 공구는 핀의 제1 말단을 술라이딩 가능하게 수용하는 구조의 관통 구멍이 형성되어 있는 회전가능한 제1 쇼울더를 포함한다. 또한, 공구는 핀이 제1 쇼울더와 제2 쇼울더 사이에 연장되고 제2 쇼울더는 핀과 회전가능하게 연동되도록 핀의 말단을 수용하는 구조의 구멍이 형성되어 있는 제2 쇼울더를 포함한다. 제1 쇼울더는 핀 및 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조로 되어 있다.

작업편, 마찰 교반 용접 조인트, 마찰 교반 용접 공구, 교반부, 핀, 쇼울더

Description

마찰 교반 용접 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR FRICTION STIR WELDING}

본 발명은 마찰 용접(friction welding), 보다 구체적으로는 마찰 교반 용접(friction stri welding) 도중에 용접 조인트를 백업하는 방법에 관한 것이다.

마찰 교반 용접은 오목한 쇼율더에 부착된 나사산을 가진 핀 또는 프로브를 포함하는 회전 공구를 사용하여 두 개의 작업편(workpiece)을 솔리드 상태로 접합하거나 또는 하나의 작업편 내에 발생된 균열을 보수하는 비교적 새로운 공정이다. 현재까지, 이러한 공정은 직선 용접에 거의 전적으로 적용되고 있다. 예를 들면, 상기 공정은 토머스 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,460,317호에 기재되어 있으며, 이 특허의 내용은 본 명세서에 인용하여 포함된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 마찰 교반 용접 도중에, 회전 공구(12)의 프로브(10)가 마찰 교반 용접기(도시되지 않음)에 의하여 작업편 내 또는 두 개의 작업편(14) 사이로 뚫고 들어가서 가소화된 재료 영역을 형성하기에 충분한 마찰열을 발생시키는데 필요한 저항력을 생성한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 공구(12)는 오목한 쇼울더(16)의 후미 에지가 가소화된 재료 내에 밀어 넣어져서 경화되도록 작업편 또는 작업편들(14)에 대하여 대략 3°기울어지는 것이 일반적이다. 가소화된 재료가 경화될 때, 작업편(14)은 용접 조인트(18)를 따라 접합된다. 마찰 교반 용접 공구(12)에 의하여 가해지는 힘의 크기는 필요한 마찰열을 발생시키도록 최소 규정치 이상으로 유지되어야 한다.

마찰 교반 용접 공구(12)에 의하여 가해지는 힘으로 작업편이 변형되는 것을 방지하고 치수 공차를 유지하기 위하여, 작업편(14)은 용접 조인트 후측에 서포트(15)를 가져야 한다. 또한, 용접 공구에 의하여 발생된 마찰열이 용접 조인트 내의 재료를 가소화시키기 때문에, 가소화된 재료는 용접 조인트로부터 재료가 흘러 나오지 않도록 방지해야 하고, 또한 다공성이 최소화되고 원하는 표면 마무리를 갖는 용접 조인트가 제공되도록 경화되어야 한다. 마찰 교반 용접이 작업편을 비교적 편평하게 할 때, 용접 조인트는 접합될 작업편 하측에 위치된 스틸 플레이트와 같은 연속적인 평면에 의하여 지지될 수 있다.

대형 작업편 또는 곡선 형상을 갖는 작업편을 마찰 교반 용접할 때, 용접 조인트에 적절한 서포트를 제공하는 것은, 필요한 서포트 재료의 양 및/또는 곡선 형상이 용접을 더욱 곤란하게 하고 연속적인 서포트 면을 제공하는데 비용이 많이 들기 때문에, 문제가 있다. 상기와 같은 용접은 군사용 및 상용 항공기와 로켓 연료 탱크를 제작할 때 종종 필요하다. 어떤 경우에는, 일반적으로 "툴링(tooling)"이라고 하는 빌트업 구조를 마찰 교반 용접하기 전에 작업편의 내면에 고정시킬 수 있다. 그러나, 중량 제한 및/또는 디자인 파라미터가 매끈한 내면을 갖는 최종 어셈블리를 요구하는 경우가 종종 있다. 이로써, 툴링을 예를 들면 기계 가공에 의하여 제거해야 하므로, 시간과 인력이 많이 필요하게 되어 최종 어셈블리의 제조 원가를 증가시킨다.

마찰 교반 용접 시 직면하는 다른 문제는, 예를 들면, 솔리두스 온도(solidus temperature), 경도, 및/또는 열 전도성과 같은 상이한 재료 특성을 갖는 상이한 재료로 형성된 작업편을 접합시킬 때 발생한다. 특정 합금의 "솔리두스" 온도는 경화 상태가 안정적으로 존재하는 온도의 상한 온도이다. 상이한 재료 특성은, 마찰 교반 용접 공구가 각각의 작업편 내에서 상이한 회전 속도로 회전하거나 공구가 상이한 속도로 작업편을 통과하는 것을 필요로 하므로, 마찰 교반 용접 공정이 복잡하게 되고 접합될 수 있는 재료의 유형이 제한될 수 있다. 예를 들면, 상이한 솔리두스 온도를 가진 작업편을 마찰 교반 용접할 때, 마찰 교반 용접 공구는 보다 낮은 솔리두스 온도를 갖는 작업편을 먼저 가소화시키고, 이로써 보다 높은 솔리두스 온도를 갖는 작업편는 강한 용접 조인트를 형성하는데 필요한 다른 작업편과의 혼합이 이루어질 정도로 충분하게 가소화되지 않을 수 있다.

따라서, 대형 작업편 또는 곡선 형상을 갖는 작업편 사이에 용접 조인트를 형성하기 위한 개선된 마찰 교반 용접 공구가 필요하다. 이러한 공구는 용접 조인트를 효과적으로 지지할 수 있고, 마찰 교반 용접 도중에 가소화된 재료를 용접 조인트 내에 밀어 넣을 수 있어야 하며, 작업편의 형상 및 치수를 용이하게 변경시킬 수 있어야 한다. 또한, 공구는 상이한 재료 특성을 갖는 작업편을 마찰 교반 용접할 수 있어야 한다.

본 출원은 2002년 4월 29일 출원된 미합중국 가출원 제60/376,758를 우선권 으로 주장한다.

본 발명은 작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 공구를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공구는 제1 및 제2 말단을 갖고 적어도 부분적으로 마찰 교반 용접 조인트를 형성하도록 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 상기 제1 및 제2 말단 사이에 형성된 회전가능한 핀을 포함한다. 공구는 핀의 제1 말단을 슬라이드 가능하게 수용하는 관통 구멍을 형성하는 회전가능한 제1 쇼울더를 포함한다. 또한, 공구는 핀이 제1 및 제2 쇼울더 사이에 연장되고 제2 쇼울더가 핀과 함께 회전 가능하도록 핀의 제2 말단을 수용하는 구멍을 형성하는 제2 쇼울더를 포함한다. 제1 쇼울더는 핀 및 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 작업편을 대향하여 지지하는 구조를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 제2 쇼울더는 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 데 적합한 복수의 핀을 형성한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공구는 제1 및 제2 말단을 갖고 작업편을 마찰로 결합시켜 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하는 교반부가 상기 제1 및 제2 말단 사이에 형성된 회전가능한 핀을 포함한다. 공구는 핀의 제1 말단을 슬라이드 가능하게 수용하는 관통 구멍을 형성하는 회전가능한 제1 쇼울더를 포함한다. 또한, 공구는 핀이 제1 및 제2 쇼울더 사이에 연장되고 제2 쇼울더가 핀과 함께 회전 가능하도록 핀의 제2 말단을 수용하는 구멍을 형성하는 제2 쇼울더를 포함한다. 제1 및 제2 쇼울더 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 마찰 교반 용접 조인트를 형성하도록 작업편을 마찰로 결합시키는 적어도 하나의 융기부 를 형성하는 면을 갖는다. 제1 및 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 작업편을 대향하여 지지하는 구조를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 제1 쇼울더는 핀 및 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 제2 쇼울더는 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 데 적합한 복수의 핀을 형성한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공구는 제1 및 제2 말단을 갖고 작업편을 마찰로 결합시켜 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하는 교반부가 상기 제1 및 제2 말단 사이에 형성된 회전가능한 핀을 포함한다. 공구는 핀의 제1 말단을 슬라이드 가능하게 수용하는 관통 구멍을 형성하는 회전가능한 제1 쇼울더를 포함한다. 또한, 공구는 핀이 제1 및 제2 쇼울더 사이에 연장되고 제2 쇼울더가 핀과 함께 회전 가능하도록 핀의 제2 말단을 수용하는 구멍을 형성하는 제2 쇼울더를 포함한다. 제2 쇼울더는 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 데 적합한 복수의 핀을 형성한다. 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 작업편을 대향하여 지지하는 구조를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 제1 쇼울더는 핀 및 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조를 갖는다.

핀의 교반부는 다양한 구조를 포함할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 핀의 교반부는 적어도 하나의 평면을 형성한다. 다른 실시예에 있어서, 핀의 교반부는 적어도 하나의 나사산을 가진 표면 및 적어도 하나의 평면을 형성한다. 또 다른 실시예에 있어서, 핀의 교반부는 제1 방향으로 배향되는 나사산을 갖는 제1 나사산 표면 및 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배향되는 나사산을 갖는 제2 나사산 표면을 포함한다.

제1 및 제2 쇼울더 각각은 적어도 부분적으로 마찰 교반 용접 조인트를 형성하도록 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 쇼울더의 표면 중 적어도 하나의 표면은 나사산을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 표면 중 적어도 하나의 표면은 볼록하다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면 중 적어도 하나의 표면은 오목하다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면 중 적어도 하나의 표면은 작업편을 마찰로 결합시키는 적어도 하나의 융기부를 형성한다.

핀은 다양하게 상이한 방식으로 제2 쇼울더에 연결될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 핀의 제2 말단의 적어도 일부분은 나사산을 갖는다. 유사한, 제2 쇼울더의 구멍의 적어도 일부분은 핀의 제2 말단을 나사로 결합시켜 수용하는 나사산을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 핀의 제2 말단은 다각형 구조를 갖고, 제2 쇼울더의 구멍은 핀의 제2 말단 구조에 대응하는 다각형 구조를 갖는다.

또한, 본 발명은 작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 장치를 제공한다. 일 실시예에 따르면, 장치는 회전가능한 내측부 및 회전가능한 외측부를 형성하는 스핀들을 갖는 기계를 포함한다. 장치는 마찰 교반 용접 공구를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 마찰 교반 용접 공구는 제1 및 제2 말단을 갖고 적어도 부분적으로 마찰 교반 용접 조인트를 형성하도록 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 상기 제1 및 제2 말단 사이에 형성되는 핀을 포함한다. 핀의 제1 말단은 스핀들의 내측부와 함께 회전가능하다. 마찰 교반 용접 공구는 핀의 제1 말단을 슬라이드 가능하게 수용하는 관통 구멍을 형성하는 제1 쇼울더를 포함한다. 제1 쇼 울더는 스핀들의 외측부와 함께 회전가능하다. 마찰 교반 용접 공구는 핀이 제1 및 제2 쇼울더 사이에 연장되고 제2 쇼울더는 핀과 함께 회전가능하도록 핀의 제2 말단을 수용하는 구멍을 형성하는 제2 쇼울더를 또한 포함한다. 제1 쇼울더는 핀 및 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조를 갖는다. 전술한 바와 같이, 마찰 교반 용접 공구 및 제1 쇼울더와 제2 쇼울더는 여러 가지로 변형 및 변경시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 작업편을 마찰 교반 용접하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방법은 제1 및 제2 쇼울더를 작업편에 인접하여 배치시키는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 쇼울더 각각은 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는다. 핀은 제1 및 제2 쇼울더 사이에 연장되도록 이들 제1 및 제2 쇼울더에 연결된다. 핀은 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부를 형성한다. 다음에, 제1 쇼울더는 제1 각속도로 회전하고, 핀 및 제2 쇼울더는 제1 각속도와 상이한 제2 각속도로 회전함으로써 핀, 제1 쇼울더, 및 제2 쇼울더 각각의 적어도 일부분이 작업편과 마찰로 결합되어 마찰 교반 용접 조인트를 형성한다. 핀의 교반부는 소정 경로를 따라 작업편을 통과할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 방법은 제1 및 제2 쇼울더를 작업편에 인접하여 배치시키는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 쇼울더 각각은 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는다. 핀은 제1 및 제2 쇼울더 사이에 연장되도록 이들 제1 및 제2 쇼울더에 연결된다. 핀은 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부를 형성한다. 제1 쇼울더는 회전한다. 제1 회전 단계와 동시에, 핀 및 제2 쇼울더는 제1 쇼울더 와 독립적으로 회전하고, 이로써 핀, 제1 쇼울더, 및 제2 쇼울더 각각의 적어도 일부분이 작업편과 마찰로 결합되어 마찰 교반 용접 조인트를 형성한다. 예를 들면, 제1 및 제2 회전 단계는 제1 쇼울더를 제1 각속도로 회전시키고, 핀 및 제2 쇼울더를 제2 각속도로 회전시키는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 제2 각속도는 제1 각속도와 상이하다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "각속도"는 속도 성분 및 방향 성분 양자 모두를 포함한다. 방향 성분은 "오른손 법칙(right hand rule)"에 따른 동작, 즉 시계 반대방향 동작에는 포지티브이고, 반대 방향, 즉 시계 방향 동작에는 네거티브이다. 핀의 교반부는 소정의 경로를 따라 작업편을 통과할 수 있다.

핀을 제1 및 제2 쇼울더와 연결시키는 방법은 다양할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 연결 단계는 핀의 말단을 제1 쇼울더 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩시키는 단계를 포함한다. 연결 단계는 핀의 말단을 제2 쇼울더에 의하여 형성된 나사산을 가진 구멍 내에 나사로 고정시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 연결 단계는 작업편 내에 구멍을 천공하는 단계를 포함한다. 핀의 말단은 제1 쇼울더 내의 구멍을 관통하여 슬라이드한다. 핀의 말단은 작업편 내의 구멍을 관통하여 삽입되어 제2 쇼울더에 연결된다.

제1 및 제2 쇼울더의 서로에 대한 위치는 쇼울더에 의하여 작업편 상에 가해지는 힘을 조정하도록 변형될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 핀은 제2 쇼울더를 제1 쇼울더를 향하여 가압하도록 제1 쇼울더를 향하여 가압된다. 다른 실시예에 있어서, 제1 쇼울더는 제2 쇼울더를 향하여 가압된다.

또한, 본 발명은 회전형 마찰 교반 용접 공구에 의하여 형성되는 마찰 교반 용접 랩 조인트(lap joint)를 제공한다. 랩 조인트는 제1 구조 부재 및 제2 구조 부재를 포함한다. 제2 구조 부재는 경계면이 사이에 형성되도록 제1 구조 부재와 적어도 부분적으로 중첩된다. 랩 조인트는 제1 및 제2 구조 부재를 적어도 부분적으로 경계면에서 접합시키는 마찰 교반 용접 조인트를 포함한다. 마찰 교반 용접 조인트는 제1 및 제2 부분을 형성한다. 마찰 교반 용접 조인트의 제1 부분은 마찰 교반 용접 공구에 의하여 제1 각속도로 혼합되고, 마찰 교반 용접 조인트의 제2 부분은 마찰 교반 용접 공구에 의하여 제2 각속도로 혼합되어 제1 및 제2 부분 내에 미세도가 상이한 입자 구조를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 구조 부재는 상이한 재료를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 구조 부재는 상이한 솔리두스 온도를 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 구조 부재는 상이한 경도를 갖는다.

따라서, 대형 작업편 또는 곡선 형상의 작업편을 마찰 교반 용접에 의하여 용접 조인트를 형성하는 마찰 교반 용접 공구, 장치, 및 관련 제작 방법을 제공한다. 공구는 용접 조인트를 효과적으로 지지할 수 있고, 가소화된 재료를 마찰 교반 용접 도중에 용접 조인트에 효과적으로 밀어 넣을 수 있다. 공구는 작업편의 형상 및 치수를 용이하게 변경시킬 수 있다. 또한, 공구는 상이한 재료 특성을 갖는 작업편을 마찰 교반 용접할 수 있다.

본 발명의 전술한 장점과 특징 및 다른 장점과 특징, 및 이들의 실행 방식은 축척에 맞지는 않지만 바람직하고 예시적인 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 기재된 후술하는 상세한 설명으로부터 명백하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1a는 마찰 교반 용접 도중에 쇼울더 및 프로브의 배치 상태를 예시하는, 종래의 마찰 교반 용접 공구의 부분사시도이다.

도 1b는 마찰 교반 용접 도중에 쇼울더 및 프로브의 배치 상태를 예시하는, 종래의 마찰 교반 용접 공구의 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 이전에 경계면이 사이에 형성되도록 두 개의 작업편을 배치한 상태를 예시하는 사시도이다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 2a에 도시된 두 개의 작업편을 마찰 교반 용접하여 형성되는 구조 어셈블리를 예시하는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구를 예시하는 정면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구용 핀을 예시하는 정면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 핀의 한쪽 말단을 예시하는 정면도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구용 핀을 예시하는 정면도이다.

도 7은 도 6에 도시된 핀의 선 7-7을 따라 절취된 단면도이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구용 핀을 예시하는 정면도이다.

도 9는 도 8에 도시된 핀의 선 9-9를 따라 절취된 단면도이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구용 핀을 예시하는 정면도이다.

도 11은 도 10에 도시된 핀의 선 11-11을 따라 절취된 단면도이다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구용 핀을 예시하는 정면도이다.

도 13은 도 12에 도시된 핀의 한쪽 말단을 예시하는 정면도이다.

도 14는 도 12에 도시된 핀의 선 14-14를 따라 절취된 단면도이다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구용 핀을 예시하는 정면도이다.

도 16은 도 15에 도시된 핀의 한쪽 말단을 예시하는 정면도이다.

도 17은 도 15에 도시된 핀의 선 17-17을 따라 절취된 단면도이다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구의 제2 쇼울더를 예시하는 정면도이다.

도 19는 작업편을 마찰로 결합시키는 구조로 된 도 18에 도시된 제2 쇼울더의 말단을 예시하는 평면도이다.

도 20은 도 18에 도시된 제2 쇼울더를 예시하는 저면도이다.

도 21은 도 19에 도시된 제2 쇼울더의 선 21-21을 따라 절취된 단면도이다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 쇼울더를 연결시키는 구조로 된 마찰 교반 용접 공구의 말단 일부분을 예시하는 정면도이다.

도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 공구의 제2 쇼울더 를 예시하는 정면도이다.

도 24는 작업편을 마찰로 결합시키는 구조로 된 도 23에 도시된 제2 쇼울더의 말단을 예시하는 평면도이다.

도 25는 도 23에 도시된 제2 쇼울더를 예시하는 저면도이다.

도 26은 도 23에 도시된 제2 쇼울더의 선 26-26을 따라 절취된 단면도이다.

도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른, 핀을 슬라이드 가능하게 수용하는 구멍을 형성하는 마찰 교반 용접 공구의 제1 쇼울더의 말단을 예시하는 정면도이다.

도 28은 도 27에 도시된 제1 쇼울더의 선 28-28을 따라 절취된 단면도이다.

도 29는 작업편을 마찰로 결합시키는 구조로 된 도 28에 도시된 제1 쇼울더의 선 29-29를 따라 절취된 단면도이다.

도 30은 도 29에 도시된 제1 쇼울더 말단 일부분의 선 30-30을 따라 절취된 단면도이다.

도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 핀을 슬라이드 가능하게 수용하는 구멍을 형성하는 마찰 교반 용접 공구의 제1 쇼울더 말단을 예시하는 정면도이다.

도 32는 도 31에 도시된 제1 쇼울더의 선 32-32를 따라 절취된 단면도이다.

도 33은 작업편을 마찰로 결합시키는 구조로 된 도 32에 도시된 제1 쇼울더 말단의 선 33-33을 따라 절취된 정면도이다.

도 34는 도 33에 도시된 제1 쇼울더 말단 일부분의 선 34-34를 따라 절취된 단면도이다.

도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 랩 조인트의 정면도이 다.

도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 동작 단계를 예시하는 흐름도이다.

도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마찰 교반 용접 동작 단계를 예시하는 흐름도이다.

이하, 본 발명을 본 발명의 일부 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 후술한다. 실제로, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 본 명세서에 개시된 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 이들 실시예는 개시 내용이 본 발명의 범위를 당업자에게 철저하고 완전하게 전달될 수 있도록 제공되는 것이다. 동일 부재에는 동일 도면 부호를 부가하였다.

다음에, 도면, 특히 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 2a에 도시된 작업편(23)과 같은 작업편 또는 작업편들(23)을 마찰 교반 용접하는 마찰 교반 용접 장치 또는 기구(20)가 도시되어 있다. 본 발명의 마찰 교반 용접 장치(20)는 대형 작업편, 및 곡선 형상을 갖는 작업편을 마찰 교반 용접하는데 특히 적합하다. 마찰 교반 용접 장치(20)는 마찰 교반 용접 공구(22), 및 상기 마찰 교반 용접 공구를 회전시키는 구조로 되어 있으며 독립적으로 회전가능하고 축방향으로 이동가능한 외측부 및 내측부(21a, 21b)를 포함하는 것이 바람직한 스핀들(21)을 갖는 밀링 머신 또는 드릴과 같은 장치 또는 기계(도시되지 않음)를 포함한다. 스핀들(21)의 외측부 및 내측부(21a, 21b)는 서로 독립적으로 축방향으로 이동할 수 있다. 마찰 교반 용접 공구(22)를 회전시키는 장치 또는 기계는 수동으로 동작될 수 있지만, 소프트웨어 제어로 동작되는 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등에 의하여 동작되는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 마찰 교반 용접 공구(22)를 회전시키는 장치 또는 기계는 ESAB에 의하여 제조된 55UA 보빈 공구 용접기를 포함한다.

도 3에 예시된 바와 같이, 마찰 교반 용접 공구(22)는 제1 쇼울더(24), 제2 쇼울더(25), 및 이들 쇼울더 사이에 연장되는 핀(26)을 포함한다. 도 27 내지 도 34를 참조하면, 제1 쇼울더(24)는 다양한 구조로 형성될 수 있지만, 원통형 형상이 바람직하다. 제1 쇼울더(24)는 제1 쇼울더의 길이만큼 연장되는 구멍(32)을 형성하는 몸체(29)를 갖는다. 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)는 강도 및 내열성이 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 제한적인 아닌 단지 예시적으로, 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)는 공구 스틸, TZM과 같은 몰리브덴 합금, 및 Rene 41(UNS N07041)과 같은 니켈 합금으로 구성될 수 있다. 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)의 제1 말단(29a)은 제1 쇼울더가 스핀들과 연동하여 회전가능하도록 스핀들(21)의 회전가능한 외측부(21a)와 연동하여 회전가능하도록 구조를 갖는다. 예를 들면, 스핀들(21)의 회전가능한 외측부(21a)는 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)의 외부와 결합되는 종래의 척(chuck) 또는 콜릿(collet)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 제1 쇼울더(24)의 구멍(32)은 스핀들(21)의 회전가능한 외측부(21a)로 부터 연장되거나, 또는 상기 외측부에 의하여 형성된 대응하는 나사산부와 나사로 결합되는 구조를 갖는 나사산부를 제1 말단(29a)에 형성한다. 또 다 른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)의 외부는 스핀들(21)의 회전가능한 외측부(21a)에 의하여 형성된 대응하는 나사산부와 나사로 결합되는 구조를 갖는 나사산부를 제1 말단(29a)에 형성한다.

도 28 및 도 32에 예시된 바와 같이, 제1 쇼울더(32)의 구멍(32)의 직경은 몸체의 제2 말단(29b)에서보다 몸체의 제1 말단(29a)에서 더 크다. 보다 구체적으로는, 구멍(32)의 직경은 제1 쇼울더(24)의 제1 말단(29a)으로부터 제1 쇼울더의 제2 말단 바로 앞까지 제1 쇼울더(245)의 제2 말단(29b)으로 점진적으로 테이퍼되고, 상기 제2 말단에서 구멍(32)의 직경은 비교적 급격하게 감소된다. 제1 쇼울더(24)의 구멍(32)의 직경이 급격하게 감소되어 제1 쇼울더의 제2 말단(29b)의 구멍(32)에 근접하고 이 구멍을 둘러싸는 경사진 내면(34)을 형성한다.

도 29, 도 30, 도 33 및 도 34에 예시된 바와 같이, 도 2b의 작업편에 인접하는 제1 쇼울더(24)의 제2 말단(29b)은 작업편과 마찰 결합되는 표면(35)을 가져 적어도 부분적으로 마찰 교반 용접 조인트(19)를 형성한다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 도 29 및 도 33에 예시된 바와 같이, 표면(35)은 나사산(36)을 갖는다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 표면(35)은 볼록한 형상을 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면(35)은, 도 1b에 예시된 쇼울더(16)와 유사한, 용접 조인트(19) 내의 가소화된 재료를 포집 및 경화시키도록 오목한 형상을 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면(35)은 작업편(23)을 마찰로 결합시키는 나사산(36), 범프, 또는 리브와 같은 하나 이상의 융기부 또는 융기면을 형성한다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면(35)은 비교적 평탄하거나 또는 평면인 구성을 갖는다.

도 4 내지 도 17을 참조하면, 핀(26)은 제1 및 제2 말단(30, 31)과, 상기 제1 및 제2 말단 사이의 핀의 길이를 따라 위치되는 교반부(37)를 갖는다. 핀(26)은 강도 및 내열성이 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 제한적인 아닌 단지 예시적으로, 핀(26)은 공구 스틸, TZM과 같은 몰리브덴 합금, 및 Rene 41(UNS N07041)과 같은 니켈 합금으로 구성될 수 있다. 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 제1 말단(30)은 핀이 스핀들과 연동하여 회전하도록 핀(26)으로부터 스핀들(21)의 회전가능한 내측부(21b)로 연장되는 어댑터 또는 샤프트(27) 내의 대응하는 나사산을 가진 구멍(도시되지 않음)과 나사로 결합되는 구조로 된, 도 2b에 예시된 바와 같은, 나사산부(28)를 형성하는 것이 바람직다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 핀(26)의 제1 말단(30)은 나사산 연결 또는 종래의 척 또는 콜릿(도시되지 않음)을 사용하여 스핀들(21)의 회전가능한 내측부(21b)에 직접 연결시키기에 충분한 길이를 갖는다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 핀(26)의 제1 말단(30)은 핀의 나사산부(28)에 인접하여 돌기부(protuberance)(40)를 형성한다. 도 4를 도 28 및 도 32와 비교하면, 돌기부(40)는 몸체(29)의 제2 말단(29b)에 제1 쇼울더(24)의 구멍(32)에 의하여 형성된 경사진 내면(34)과 대체로 상응하는 비교적 직경이 급격하게 감소되는 경사진 외면(40a)을 포함한다. 핀(26) 및 돌기부(40)의 직경은 핀 및 돌기부의 제2 말단(31)이 돌기부의 외면(40a)이 구멍(32)에 의하여 형성된 경사진 외면(34)에 맞대어 위치될 때까지 제1 쇼울더(24)의 구멍(32)을 관통하여 제1 말단(29a)으로부터 제2 말단(29b)으로 슬라이드하는 크기이다. 상기 위치에서, 핀(26)의 제2 말단(31)은 제1 쇼울더(24)의 제2 말단(29b)으로부터 상기 쇼울더 내에 형성된 구멍(32)을 관통하여 연장된다. 핀(26) 및 돌기부(40)는 제1 쇼울더(24)의 구멍(32) 내에서 자유롭게 회전하도록 하는 것이 바람직하다. 제1 쇼울더(24)의 경사진 내면(34)은, 제1 쇼울더의 몸체(29)의 두께와 결합하여, 핀(26)과 제1 쇼울더(24)의 접촉면 사이에서 이들 사이의 마찰을 감소시키는 베어링으로서 작용하는 정교한 완성품으로 기계 가공되는 것이 바람직하다. 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)의 두께는 약 0.375인치 또는 그 이상이 바람직하다.

도 4, 도 6 내지 도 12, 도 14, 도 15, 및 도 17을 참조하면, 핀(26)은 작업편(14)의 치수 및 재료 특성에 따라 다양한 형상으로 구성될 수 있는 교반부(37)를 갖는다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 도 6, 도 7, 도 10 및 도 11에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 교반부(37)는 하나 이상의 평면(52)을 형성한다. 다른 실시예에 있어서, 도 6, 도 7, 도 10, 및 도 11에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 교반부(37)는 적어도 하나의 나사산을 가진 표면(54) 및 적어도 하나의 평면(52)을 형성한다. 다른 실시예에 있어서, 도 4에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 교반부(37)는 제1 방향으로 배향되는 나삿니를 갖는 제1 나사산을 가진 표면(54a) 및 제2 방향으로 배향되는 나삿니를 갖는 제2 나사산을 가진 표면(54b)을 포함하고, 여기서 제1 방향은 제2 방향과 상이하다. 또 다른 실시예에 있어서, 도 8, 도 9, 도 12, 및 도 15에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 교반부(37)는 복수의 오목한 표면(55)을 포함한다.

도 18 내지 도 21 및 도 23 내지 도 26을 참조하면, 제2 쇼울더(25)는 다양 한 구성으로 형성될 수 있지만, 원통형 형상이 바람직하다. 제2 쇼울더(25)는 적어도 자신의 제1 말단(39a)에 구멍(42)을 형성하는 몸체(39)를 갖는다. 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)는 강도 및 내열성이 높고, 열전도성이 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 제한적은 아니고 단지 예시적으로, 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)는 공구 스틸, TZM과 같은 몰리브덴 합금, 및 Rene 41(UNS N07041)과 같은 니켈 합금으로 구성될 수 있다. 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)의 제1 말단(39a)은 핀(26)의 제2 말단(31), 즉 스핀들(21)의 회전가능한 내측부(21b)와 연동하여 회전가능한 구조로 된다. 예를 들면, 도 21 및 도 22에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 제2 말단(31)은 나사산(33)을 가질 수 있고, 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)의 구멍(42)은 핀의 제2 말단이 구멍(42) 내에 나사산으로 수용될 수 있도록 나사산(46)을 가질 수 있다. 또한, 도 26에 예시된 바와 같이, 핀(26)의 제2 말단(31)은 다각형(도시되지 않음)을 형성할 수 있고, 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)의 구멍(42)은 핀(26)의 제2 말단(31)이 구멍(42) 내에 꼭 맞게 수용되도록 대응하는 다각형 구성(43)을 형성할 수 있다. 코터 핀(cotter pin) 또는 세트스크루(setscrew)와 같은 기계적인 파스너(도시되지 않음)를 사용하여 핀(26)의 제2 말단(31)을 제2 쇼울더(25)의 구멍(42) 내에 고정시킬 수 있다. 도 21, 도 22, 및 도 26에 예시된 바와 같이, 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)에 의하여 형성된 구멍(42)은 핀(26)의 제2 말단(31)의 팁(tip)(31a)을 수용하는 구조로 될 수 있다. 도 21 및 도 26에 예시된 바와 같이, 구멍(42)은 제1 말단(39a)으로부터 제2 말단(39b)으로 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)의 길이 전체 또는 단지 일부분을 관통하여 연장될 수 있다.

도 18, 도 21, 도 23, 및 도 26에 예시된 바와 같이, 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)는 용접 조인트(19)로부터 열을 제거하는 구조로 된 하나 이상의 핀(fin)(50)을 형성하는 것이 바람직하다. 핀(50)은 하나의 작업편이 다른 하나의 작업편보다 솔리두스 온도가 더 낮은 상이한 재료로 형성된 작업편(23)을 마찰 교반 용접할 때 특히 바람직할 수 있다. 핀(50)은 솔리두스 온도가 더 낮은, 제2 쇼울더(25)에 인접한 작업편으로부터 열을 제거함으로써 작업편의 온도를 솔리두스 온도가 더 높은, 제1 쇼울더(24)에 인접한 작업편의 온도 이하로 하강시킨다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 핀(50)은 제2 쇼울더(26) 대신에 제1 쇼울더(24) 상에 형성되고, 솔리두스 온도가 더 낮은 작업편은 제1 쇼울더에 인접하여 배치된다.

도 19, 도 21, 도 24, 및 도 26에 예시된 바와 같이, 도 2b의 작업편(23)에 인접한, 제2 쇼울더(25)의 몸체(39)의 제1 말단(39a)은 작업편과 마찰로 결합되는 표면(45)을 가져 마찰 교반 용접 조인트(19)를 적어도 부분적으로 형성한다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 도 19 및 도 24에 예시된 바와 같이, 표면(45)은 나사산(48)을 갖는다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 표면(45)은 오목한 형상을 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면(45)은 가소화된 재료를 용접 조인트(19) 내에 포집 및 경화시키도록, 도 1b에 예시된 쇼울더(16)와 유사한, 오목한 형상을 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면(45)은 작업편(23)을 마찰로 결합시키는, 나사산(48), 범프, 또는 리브와 같은 하나 이상의 융기부 또는 융기면을 형성한다. 또 다른 실시예에 있어서, 표면(45)은 비교적 평탄하거나 또는 평면 구성을 가질 수 있다.

마찰 교반 용접 장치(20)를 동작시키기 전에, 마찰 교반 용접 공구(22)는 스핀들(21)에 고정된다. 일 실시예에 따르면, 핀(26)의 제1 말단(30)은 스핀들(21)의 내측부(21b)에 먼저 부착된다. 예를 들면, 핀(26)의 제1 말단(30) 및 스핀들(21)의 내측부(21b)는 결합되는 나사산을 포함할 수 있거나, 또는 스핀들의 내측부(21b)는 종래의 척 또는 콜릿을 포함할 수 있다. 핀(26)의 제2 말단(31)은 핀의 제2 말단(31)이 제1 쇼울더의 몸체(29)의 제2 말단(29b)에 있는 구멍(32)을 관통하여 연장되도록 제1 쇼울더(24)의 몸체(29)의 제1 말단(29a)에 의하여 형성된 구멍(32)을 관통하여 삽입된다. 제1 쇼울더(24)는 스핀들(21)의 외측부(21a)에 부착된다. 예를 들면, 제1 쇼울더(24) 및 스핀들(21)의 외측부(21a)는 결합되는 나사산을 포함할 수 있거나, 또는 스핀들의 외측부(21a)는 종래의 척 또는 콜릿을 포함할 수 있다. 핀(26)의 제2 말단(32)은 제2 쇼울더(25)에 의하여 형성된 구멍(42) 내에 삽입되거나, 또는 상기 구멍 내에 고정된다. 예를 들면, 핀(26)의 제2 말단(32) 및 제2 쇼울더(25)의 구멍(42)은 결합되는 나사산을 가질 수 있고, 또는 핀의 제2 말단(32) 및 제2 쇼울더의 구멍(42)은 대응하는 암수의 다각형 구성을 형성할 수 있다. 종래의 코터 핀 또는 세트스크루와 같은 기계적인 파스너(도시되지 않음)를 제2 쇼울더(25) 내에 삽입하여 핀(26)의 제2 말단(32)을 구멍(42) 내에 고정시킬 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 핀(26)의 제2 말단(32)을 수용하는 구조로 된 구멍(도시되지 않음)은 작업편 또는 작업편들(23) 내에 미리 기계 가공될 있고, 이 경우 핀의 제2 말단(32)은 구멍을 관통하여 삽입된 다음 제2 쇼울더(25)에 부착된다.

마찰 교반 용접 공구(22)가 스핀들(21)에 부착되면, 마찰 교반 용접 조인트(19)가 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스핀들(21)의 외측부(21a)가 회전함으로써 제1 쇼울더(24)가 회전하고, 스핀들의 내측부(21b)가 회전함으로써 핀(26) 및 제2 쇼울더(26)가 회전한다. 스핀들(21)은 회전 속도 및 방향, 즉 외측부(21a) 및 내측부(21b)의 "각속도"가 서로 독립적으로 변할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 에를 들면, 스핀들(21)의 외측부(21a)는 스핀들(21)의 내측부(21b)가 핀(26) 및 제2 쇼울더(25)를 회전시키는 방향 및 속도와 동일한 방향 및 속도로 제1 쇼울더(24)를 회전시킬 수 있다. 또한, 스핀들(21)의 외측부(21a)는 스핀들(21)의 내측부(21b)가 핀(26) 및 제2 쇼울더(25)를 회전시키는 속도 및 방향과 상이한 방향 및 속도로 제1 쇼울더(24)를 회전시킬 수 있다.

마찰 교반 용접 조인트(19)를 형성하기 위하여, 회전형 마찰 교반 용접 공구(22)를 제1 및 제2 쇼울더(24, 25)의 회전면(35, 45) 및 핀(26)의 교반부(37)가 작업편 또는 작업편들을 마찰로 결합시키도록 작업편 또는 작업편들을 접촉 상태가 되도록 이동시킨다. 회전형 마찰 교반 용접 공구(22)는 소정의 경로를 따라 작업편 또는 작업편들을 관통하여 이동하여 기다란 용접 조인트를 형성한다. 마찰 교반 용접 도중에, 핀(26)에 근접한 작업편 또는 작업편들(23)은 제1 쇼울더(24)와 제2 쇼울더(25) 사이에 "샌드위치"된다. 제1 및 제2 쇼울더(24, 25)의 표면(35, 45)에 의하여 가해진 힘이 핀(26) 둘레의 작업편 또는 작업편들(23)을 압착하여 가소화된 재료가 방출되는 것을 방지하는 밀봉부를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예(도시되지 않음)에 따라서, 마찰 교반 용접 공구(22)를 회전시키는 구조로 된 장치 또는 기계는 제1 쇼울더(24) 또는 결합된 핀(26) 및 제2 쇼울더(25), 혹은 양자 모두를 제1 쇼울더 및/또는 제2 쇼울더에 의하여 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상에 가해진 힘의 크기 변화에 응답하여 서로에 대하여 회전 및 축방향으로 이동시키는 구조로 될 수 있다. 예를 들면, 마찰 교반 용접 장치(20)는 제1 쇼울더 및/또는 제2 쇼울더(24, 25)에 의하여 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상에 가해지는 힘의 크기를 측정하는 수단을 포함할 수 있다. 힘의 크기를 측정하는 수단은, 적어도 하나의 센서와 전기적으로 접속되며, 소프트웨어 소프트웨어의 제어로 동작하는 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등을 포함할 수 있다. 센서는 작업편(23), 제1 쇼울더(24), 및/또는 제2 쇼울더(25) 상에 배치되는 스트레인-게이지 로드 셀, 압전형 로드 셀, 다이너모미터, 공압식 로드 셀, 또는 유압식 로드 셀을 포함할 수 있다.

동작 도중에, 측정치가 적어도 하나의 센서로부터 적합한 전기 배선 또는 광 배선을 통해 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 마이크로컨트롤러에 주기적으로 전송되거나 또는 전달된다. 다음에, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 마이크로컨트롤러는 센서에 의하여 측정된 힘의 크기를 소정의 값과 비교한다. 센서로부터 전달된 힘의 크기가 소정의 값과 상이한 경우, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 마이크로컨트롤러는 마찰 교반 용접 공구(22)를 회전시키는 구조로 된 장치 또는 기계에 신호를 전송하여 제1 쇼울더(24) 및 제2 쇼울더(25)에 의하여 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상에 가해지는 힘을 변형시키도록 상기 장치 및 기계에 지시한다. 상 기 과정은 힘의 크기가 소정의 값과 동일하거나 또는 비슷할 때까지 센서에 의하여 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 마이크로컨트롤러에 전송된 후속하는 측정치에 따라 반복될 수 있다.

전술한 바와 같이, 마찰 교반 용접 공구(22)를 회전시키는 구조로 된 장치 또는 기계는 ESAB에 의하여 제작된 55UA 보빈 공구 용접기를 포함할 수 있고, 상기 용접기는 제1 쇼울더(24)를 회전 및 축방향으로 이동시키는 구조로 된 외측부(21a), 및 핀(26) 및 제2 쇼울더(25)를 회전 및 축방향으로 회전시키는 구조로 된 내측부(21b)를 갖는 스핀들(21)을 포함한다. 장치 또는 기계는 수동으로 동작될 수 있고 또는 장치 또는 기계를 적합한 전기 배선 또는 광 배선(도시되지 않음)을 사용하여 소프트웨어 제어로 동작되는 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등에 연결되어 자동으로 동작될 수 있다.

센서로부터 전달된 힘의 크기가 소정의 값 이하인 경우, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 마이크로컨트롤러는 마찰 교반 용접 공구를 회전시키는 구조로 된 장치 또는 기계에 신호를 전송하여 상기 장치 또는 기계가 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상의 제1 및 제2 쇼울더(24, 25)에 의하여 가해지는 힘을 증가시키도록 지시한다. 예를 들면, 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상의 힘은 스핀들(21)의 내측부(21b)를 제1 쇼울더의 몸체(29)의 제1 말단(29a)으로부터 멀어지는 방향으로 축방향으로 이동시켜 핀(26) 및 제2 쇼울더(25)를 제1 쇼울더(24)를 향하여 가압함으로써 증가될 수 있다. 대안으로서 또는 동시에, 작업편(23) 상의 힘은 스핀들(21)의 외측부(21a)를 제2 쇼울더를 향하여 축방향으로 이동시켜 제1 쇼울더(24)를 제2 쇼울더(25)를 향하여 가압함으로써 증가될 수 있다.

센서로부터 전달된 힘의 크기가 소정의 값 이상인 경우, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러는 마찰 교반 용접 공구를 회전시키는 장치 또는 기계에 신호를 전송하여 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상의 제1 및 제2 쇼울더(24, 25)에 의하여 가해진 힘을 감소시키도록 지시한다. 예를 들면, 작업편(23) 및 용접 조인트(19) 상의 힘은 스핀들(21)의 내측부(21b)를 제1 쇼울더의 몸체(29)의 제1 말단(29a)을 향하여 축방향으로 이동시켜 핀(26) 및 제2 쇼울더(25)를 제1 쇼울더(24)로부터 멀어지도록 가압함으로써 감소될 수 있다. 대안으로서 또는 동시에, 작업편(23) 또는 용접 조인트(19) 상의 힘은 스핀들(21)의 외측부(21a)를 제2 쇼울더로부터 멀어지는 방향으로 축방향으로 이동시켜 제1 쇼울더(24)를 제2 쇼울더(25)로부터 멀어지도록 가압함으로써 감소될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 마찰 교반 용접 장치(20)는, 측정 수단에 응답하여, 제1 및 제2 쇼울더(24, 25)에 의하여 작업편 및 용접 조인트(19) 상에 가해진 힘을 변경시키기 위하여 제2 쇼울더(25)를 작업편(23)을 향하거나 또는 작업편으로부터 멀리 축방향으로 이동시키도록 핀(26)을 제1 쇼울더(24)의 제2 말단(29b)에 대하여 축방향으로 이동시키는 수단을 포함한다. 측정 수단에 응답하는 수단은 캠 및 종동부, 파워 스크루, 또는 하나 이상의 공압식 또는 유압식 암과 같은 액추에이터 어셈블리를 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 출원의 양수인은 1998년 5월 29일 발명의 명칭 "Method and Apparatus for Controlling Downforce During Friction Stir Welding"으로 출원된 공동 소유권을 갖는 미합중국 특허출원 제09/087,416호에 기재된 바와 같은 마찰 교반 용접 프로브의 위치를 제어하는 방법 및 장치를 개발하였고, 이들 기재 내용을 참조하여 본 명세서에 포함시켰다.

접합 또는 용접된 작업편(23)은, 본 발명에 따라서, 유사하거나 또는 유사하지 않은 금속 어느 한 가지로 형성될 수 있다. 작업편(23)은 마찰 교반 용접에 의하여 접합되기 때문에, 작업편(23)은 종래의 융접 기술(fusion welding techniques)에 의하여 용접되지 않거나 또는 비경제적일 수 있는 유사하지 않은 금속으로 형성될 수 있다는 게 장점이다. 종래의 융접 기술로 접합할 때, 용접가능하지 않은 재료는 용접 경화 도중에 균열되기 쉬운 비교적 약한 용접 조인트를 형성한다. 이러한 재료에는 알루미늄 및 일부 알루미늄 합금, 특히 AA 시리즈 2000 및 7000 합금이 포함된다. 마찰 교반 용접을 사용함으로써 용접가능하지 않은 작업편(23)가 견고하게 접합될 수 있다. 마찰 교반 용접은 용접가능한 재료를 용접가능하거나 또는 용접가능하지 않은 다른 재료에 견고하게 접합시키는데 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 작업편(23) 중 한 가지 또는 양자 모두는 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 또는 티타늄 합금으로 형성될 수 있다. 따라서, 작업편(23)을 형성하는 재료는 다양한 종류의 경량이며 고강도 금속 및 합금으로부터 선택될 수 있으므로, 항공 산업 분야에서 중요한 과제인 얻어지는 구조 어셈블리의 전체 중량이 용이하게 감소될 수 있다.

도 35를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 마찰 교반 용접 공구(22)를 사용하여 형성된 랩 조인트(56)가 예시되어 있다. 마찰 교반 용접 공구(22)는 한정되는 것은 아니지만 버트 조인트(butt joint), 에지 조인트(edge joint) 및 랩 조인트(lap joint)를 포함하는 상이한 유형의 다양한 용접 조인트를 형성하는데 사용될 수 있지만, 본 발명은 상이한 솔리두스 온도를 갖는 두 개 이상의 작업편 또는 구조 부재(23a, 23b)로 형성되는 랩 조인트 및 에지 조인트를 형성하는데 특히 유용하다. 도 35에 예시된 바와 같이, 제2 구조 부재(23b)는 경계면(57)을 사이에 형성하도록 제1 구조 부재(23a)와 적어도 부분적으로 중첩된다. 랩 조인트(56)는 제1 및 제2 구조 부재(23a, 23b)를 경계면(57)에서 적어도 부분적으로 접합시키는 마찰 교반 용접 조인트(58)를 포함한다. 마찰 교반 용접 조인트(58)는 제1 및 제2 부분(58a, 58b)을 형성한다. 마찰 교반 용접 조인트(58)의 제1 부분(58a)은 제1 마찰 교반 용접 공구(22), 및 보다 구체적으로는 제2 쇼울더(25)의 표면(45)에 의하여 제1 각속도로 혼합되고, 마찰 교반 용접 조인트(58)의 제2 부분(58b)은 마찰 교반 용접 공구(22), 및 보다 구체적으로는 제1 쇼울더(24)의 표면(35)에 의하여 제2 각속도로 혼합되어 제1 및 제2 부분(58a, 58b)에 미세도가 상이한 입자 구조를 형성한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "각속도"는 속도 성분 및 방향 성분 양자 모두를 포함한다. 방향 성분은 "오른손의 법칙", 즉 시계 반대방향 동작에 대하여 포지티브이고, 반대방향, 즉 시계방향 동작에는 네거티브이다.

제1 및 제2 쇼울더(24, 25)의 표면(35, 45)은 용접 조인트(19)를 형성할 때 상이한 각속도로 회전될 수 있기 때문에, 제1 및 제2 구조 부재(23a, 23b)를 구성하는데 사용되는 재료는 상이한 금속은 물론, 상이한 솔리두스 온도 및 상이한 경도를 갖는 재료로 형성될 수 있으므로, 얻어지는 구조 어셈블리를 구성하는데 사용 될 수 있는 재료의 범위가 더 다양해진다.

도 36을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 마찰 교반 용접 장치(20)를 사용하여 작업편 또는 작업편들(23)을 마찰 교반 용접하는 동작이 예시되어 있다. 방법은 제1 및 제2 쇼울더를 작업편에 인접하여 배치시키는 단계를 포함한다. 블록(60)을 참조한다. 제1 및 제2 쇼울더 각각은 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는다. 핀을 제1 및 제2 쇼울더에 연결시켜 핀이 이들 쇼울더 사이에 연장되도록 한다. 블록(61)을 참조한다. 핀은 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부를 형성한다. 다음에, 제1 쇼울더는 제1 각속도로 회전시키고, 핀 및 제2 쇼울더는 제1 각속도와 상이한 제2 각속도로 회전시켜, 핀, 제1 쇼울더, 및 제2 쇼울더 각각의 적어도 일부분이 작업편을 마찰로 결합시키게 하여 마찰 교반 용접 조인트를 형성한다. 블록(68)을 참조한다. 핀의 교반부는 소정의 경로를 따라 작업편을 관통할 수 있다. 블록(72)을 참조한다.

도 37을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 마찰 교반 용접 장치(20)를 사용하여 작업편 또는 작업편들(23)을 마찰 교반 용접하는 동작이 예시되어 있다. 방법은 제1 및 제2 쇼울더를 작업편에 인접하여 배치시키는 단계를 포함한다. 블록(80)을 참조한다. 제1 및 제2 쇼울더 각각은 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는다. 핀을 제1 및 제2 쇼울더에 연결시켜 핀이 이들 쇼울더 사이에 연장되도록 한다. 블록(81)을 참조한다. 핀은 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부를 형성한다. 제1 쇼울더를 회전시킨다. 블록(88)을 참조한다. 제1 회전 단계와 동시에, 핀 및 제2 쇼울더를 제1 쇼울더와 독립적으로 회전시켜, 핀, 제1 쇼울더, 및 제2 쇼울더 각각의 적어도 일부분이 작업편을 마찰로 결합시키게 하여 마찰 교반 용접 조인트를 형성한다. 블록(89)를 참조한다. 예를 들면, 제1 및 제2 회전 단계는 제1 및 제2 쇼울더를 동일한 각속도로 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 및 제2 회전 단계는 제1 쇼울더는 제1 각속도로 회전시키고, 핀 및 제2 쇼울더는 제 1 각속도와 상이한 제2 각속도로 회전시키는 단계를 포함한다. 블록(90)을 참조한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "각속도"는 속도 성분 및 방향 성분 양자 모두를 포함한다. 방향 성분은 "오른손의 법칙", 즉 시계 반대방향 동작에 대하여 포지티브이고, 반대방향, 즉 시계방향 동작에는 네거티브이다. 핀의 교반부는 소정의 경로를 따라 작업편을 관통할 수 있다. 블록(94)을 참조한다.

도 36 및 도 37에 예시된 바와 같이, 핀을 제1 및 제2 쇼울더에 연결시키는 방법은 변형될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 연결 단계는 핀의 말단을 제1 쇼울도 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩시키는 단계를 포함한다. 블록(62, 82)을 참조한다. 연결 단계는 핀의 말단을 제2 쇼울더에 의하여 형성된 나사산을 가진 구멍 내에 나사로 결합시키는 단계를 포함할 수 있다. 블록(63, 83)을 참조한다. 다른 실시예에 있어서, 연결 단계는 작업편 내에 구멍을 천공하는 단계를 포함한다. 블록(64, 84)을 참조한다. 핀의 말단은 제1 쇼울더 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩한다. 블록(65, 85)을 참조한다. 핀의 말단은 작업편 내의 구멍을 관통하여 삽입되어 제2 쇼울더에 연결된다. 블록(66, 86)을 참조한다. 핀의 말단은 제2 쇼울더에 연결된다. 블록(67, 87)을 참조한다.

도 36 및 도 37에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 쇼울더의 서로에 대한 위치는 쇼울더에 의하여 작업편 상에 가해진 힘을 조정하도록 변경될 수 있다. 블록(69, 91)을 참조한다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 핀은 제2 쇼울더를 제1 쇼울더를 향하여 가압하도록 제1 쇼울더를 향하여 가압된다. 블록(70, 92)을 참조한다. 다른 실시예에 있어서, 제1 쇼울더는 제2 쇼울더를 향하여 가압된다. 블록(71, 93)을 참조한다.

따라서, 마찰 교반 용접 공구, 장치 및 대형 작업편 또는 곡선 형상을 갖는 작업편을 마찰 교반 용접에 의하여 용접 조인트를 형성하는 관련 제작 방법을 제공한다. 공구는 용접 조인트를 효과적으로 지지할 수 있고 마찰 교반 용접 도중에 가소화된 재료를 용접 조인트 내에 밀어 넣을 수 있다. 공구는 작업편의 형상 및 치수를 용이하게 변경시킬 수 있다. 또한, 공구는 상이한 재료 특성을 갖는 작업편을 마찰 교반 용접할 수 있다.

본 발명의 여러 가지 변형예 및 다른 실시예는 전술한 상세한 설명 및 첨부 도면에 기재된 지침의 장점을 갖는다는 점을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 기재된 특정의 실시예에만 한정되지 않고, 변형예 및 다른 실시예도 특허청구범위 내에 포함되는 것이다. 본 명세서에는 특정의 용어를 사용하였지만, 이들 용어는 일반적인 용어로서 사용된 것으로서 한정하는 것이 아니라 단지 설명을 하기 위한 것이다.

Claims

작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 공구에 있어서,

제1 및 제2 말단을 가지며, 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이에 형성되어 있는 회전가능한 핀,

상기 핀의 상기 제1 말단을 슬라이딩 가능하게 수용하는 관통 구멍이 형성되어 있는 회전가능한 제1 쇼울더, 및

상기 핀이 상기 제1 쇼울더와 상기 제2 쇼울더 사이에 연장되도록 상기 핀의 상기 제2 말단을 수용하는 구멍이 형성되어 있는 제2 쇼울더

를 포함하고,

상기 제2 쇼울더는 상기 핀과 회전가능하게 연동되며,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더 각각은 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖고,

상기 제1 쇼울더는 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는

공구.
제1항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더의 상기 표면 중 적어도 하나는 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 나사산을 갖는 표면 및 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 제1 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제1 나사산 표면 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제2 나사산 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 제2 쇼울더에는 상기 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 복수개의 핀(fin)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단 중 적어도 일부분은 나사산을 갖고, 상기 제1 쇼울 더의 상기 구멍 중 적어도 일부분은 상기 핀의 상기 제2 말단을 나사 결합 방식으로 수용하도록 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단은 다각형 구조를 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍은 상기 핀의 상기 제2 말단의 구조에 대응하는 다각형 구조인 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 상기 작업편을 대향하여 지지하는 것을 특징으로 하는 공구.
작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 공구에 있어서,

제1 및 제2 말단을 가지며, 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이에 형성되어 있는 회전가능한 핀,

상기 핀의 상기 제1 말단을 슬라이딩 가능하게 수용하는 관통 구멍이 형성되어 있는 회전가능한 제1 쇼울더, 및

상기 핀이 상기 제1 쇼울더와 상기 제2 쇼울더 사이에 연장되도록 상기 핀의 상기 제2 말단을 수용하는 구멍이 형성되어 있는 제2 쇼울더

를 포함하고,

상기 제2 쇼울더는 상기 핀과 회전가능하게 연동되며,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더 중 적어도 하나는 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 적어도 하나의 융기부가 형성되어 있는 표면을 갖고,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 상기 작업편을 대향하여 지지하는

공구.
제10항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더의 상기 표면 중 적어도 하나는 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 나사산을 갖는 표면 및 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 제1 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제1 나사산 표면 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제2 나사산 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 제2 쇼울더는 상기 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 복수개의 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단 중 적어도 일부분은 나사산을 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍 중 적어도 일부분은 상기 핀의 상기 제2 말단을 나사 결합 방식으로 수용하도록 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단은 다각형 구조를 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍은 상기 핀의 상기 제2 말단의 구조에 대응하는 다각형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제10항에 있어서,

상기 제1 쇼울더는 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조인 것을 특징으로 하는 공구.
작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 공구에 있어서,

제1 및 제2 말단을 가지며, 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이에 형성되어 있는 회전가능한 핀,

상기 핀의 상기 제1 말단을 슬라이딩 가능하게 수용하는 관통 구멍이 형성되어 있는 회전가능한 제1 쇼울더, 및

상기 핀이 상기 제1 쇼울더와 상기 제2 쇼울더 사이에 연장되도록 상기 핀의 상기 제2 말단을 수용하는 구멍이 형성되어 있는 제2 쇼울더

를 포함하고,

상기 제2 쇼울더는 상기 핀과 회전가능하게 연동되며,

상기 제2 쇼울더에는 상기 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 복수개의 핀이 형성되어 있는

공구.
제19항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더 각각은 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제20항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더의 상기 표면 중 적어도 하나는 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 나사산 표면 및 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 제1 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제1 나사산 표면 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제2 나사산 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단 중 적어도 일부분은 나사산을 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍 중 적어도 일부분은 상기 핀의 상기 제2 말단을 나사 결합 방식으로 수용하도록 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단은 다각형 구조를 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍은 상기 핀의 상기 제2 말단의 구조에 대응하는 다각형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 상기 작업편을 대향하여 지지하는 구조인 것을 특징으로 하는 공구.
제19항에 있어서,

상기 제1 쇼울더는 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는 구조인 것을 특징으로 하는 공구.
작업편 내에 마찰 교반 용접 조인트를 형성하는 장치에 있어서,

회전가능한 내측부 및 회전가능한 외측부가 형성되어 있는 스핀들을 갖는 기 계, 및

마찰 교반 용접 공구

를 포함하고, 상기 마찰 교반 용접 공구는

제1 및 제2 말단을 가지며, 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이에 형성되어 있는 핀,

상기 핀의 상기 제1 말단을 슬라이딩 가능하게 수용하는 관통 구멍이 형성되어 있는 회전가능한 제1 쇼울더, 및

상기 핀이 상기 제1 쇼울더와 상기 제2 쇼울더 사이에 연장되도록 상기 핀의 상기 제2 말단을 수용하는 구멍이 형성되어 있는 제2 쇼울더

를 포함하고,

상기 핀의 상기 제1 말단은 상기 스핀들의 상기 내측부와 회전가능하게 연동되며,

상기 제1 쇼울더는 상기 스핀들의 상기 외측부와 회전가능하게 연동되고,

상기 제2 쇼울더는 상기 핀과 회전가능하게 연동되며,

상기 제1 쇼울더는 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더와 독립적으로 회전하는

장치.
제29항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더는 상기 마찰 교반 용접 조인트를 적어 도 부분적으로 형성하도록 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제30항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더의 상기 표면 중 적어도 하나는 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 적어도 하나의 나사산 표면 및 적어도 하나의 평면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부에는 제1 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제1 나사산 표면 및 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배향된 나사산을 갖는 제2 나사산 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 제2 쇼울더에는 상기 용접 조인트로부터 열을 제거시키는 복수의 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단 중 적어도 일부분은 나사산을 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍 중 적어도 일부분은 상기 핀의 상기 제2 말단을 나사 결합 방식으로 수용하도록 나사산을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 핀의 상기 제2 말단은 다각형 구조를 갖고, 상기 제2 쇼울더의 상기 구멍은 상기 핀의 상기 제2 말단의 구조에 대응하는 다각형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제29항에 있어서,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더는 마찰 교반 용접 도중에 상기 작업편을 대향하여 지지하는 구조인 것을 특징으로 하는 공구.
작업편을 마찰 교반 용접하는 방법에 있어서,

제1 쇼울더 및 제2 쇼울더를 상기 작업편에 인접하여 배치시키는 단계,

핀을 제1 쇼울더 및 제2 쇼울더에 연결시켜 상기 핀이 상기 쇼울더 사이에 연장되도록 하는 단계, 및

상기 핀, 상기 제1 쇼울더, 및 상기 제2 쇼울더 각각의 적어도 일부분이 상기 작업편을 마찰로 결합시켜 마찰 교반 용접 조인트를 형성하도록 상기 제1 쇼울더는 제1 각속도로 회전시키고, 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더는 상기 제1 각속도와 상이한 제2 각속도로 회전시키는 단계

를 포함하고,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더 각각은 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 가지며,

상기 핀에는 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 형성되어 있는

마찰 교반 용접 방법.
제39항에 있어서,

상기 연결 단계는 상기 핀의 말단을 상기 제1 쇼울더 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제39항에 있어서,

상기 연결 단계는 상기 핀을 상기 제2 쇼울더에 의하여 형성된 나사산을 가진 구멍 내에 나사 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제39항에 있어서,

상기 연결 단계는

상기 작업편 내에 구멍을 천공하는 단계,

상기 핀의 말단을 상기 제1 쇼율더 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩 시키는 단계,

상기 핀의 말단을 상기 작업편 내의 구멍을 관통하여 삽입하는 단계, 및

상기 핀의 말단을 상기 제2 쇼울더에 연결하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계.
제39항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부를 소정의 경로를 따라 상기 작업편을 관통하여 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제39항에 있어서,

상기 제2 쇼울더가 상기 제1 쇼울더를 향하여 가압되도록 상기 핀을 상기 제1 쇼울더를 향하여 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
작업편을 마찰 교반 용접하는 방법에 있어서,

제1 쇼울더 및 제2 쇼울더를 상기 작업편에 인접하여 배치시키는 단계,

상기 핀을 상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더에 연결시켜 상기 핀이 상기 쇼울더 사이에 연장되도록 하는 단계,

상기 제1 쇼울더를 회전시키는 제1 회전 단계, 및

상기 제1 회전 단계와 동시에, 상기 핀, 상기 제1 쇼울더, 및 상기 제2 쇼울더 각각의 적어도 일부분이 상기 작업편을 마찰로 결합시켜 마찰 교반 용접 조인트를 형성하도록 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더를 상기 제1 쇼울더와 독립적으로 회전시키는 제2 회전 단계

를 포함하고,

상기 제1 쇼울더 및 상기 제2 쇼울더 각각은 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 표면을 가지며,

상기 핀은 상기 작업편을 마찰로 결합시키는 교반부가 형성되어 있는

것을 특징으로 하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 연결 단계는 상기 핀의 말단을 상기 제1 쇼울더 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 연결 단계는 상기 핀의 말단을 상기 제2 쇼울더에 의하여 형성된 나사산을 가진 구멍 내에 나사 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 연결 단계는

상기 작업편 내에 구멍을 천공하는 단계,

상기 핀의 말단을 상기 제1 쇼울더 내의 구멍을 관통하여 슬라이딩 시키는 단계,

상기 핀의 말단을 상기 작업편 내의 구멍을 관통하여 삽입하는 단계, 및

상기 핀의 말단을 상기 제2 쇼울더에 연결하는 단계

를 포함하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 핀의 상기 교반부를 소정의 경로를 따라 상기 작업편을 관통하여 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 제2 쇼울더가 상기 제1 쇼울더를 향하여 가압되도록 상기 핀을 상기 제1 쇼울더를 향하여 가압시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 제1 및 제2 회전 단계는 상기 제1 쇼울더는 제1 각속도로 회전시키고 상기 핀 및 상기 제2 쇼울더는 상기 제1 각속도와 상이한 제2 각속도로 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
회전형 마찰 교반 용접 공구에 의하여 형성되는 마찰 교반 용접 랩 조인트에 있어서,

제1 구조 부재,

상기 제1 구조 부재와의 사이에 경계면이 형성되도록 상기 제1 구조 부재와 적어도 부분적으로 중첩되는 제2 구조 부재, 및

상기 제1 구조 부재 및 상기 제2 구조 부재를 상기 경계면에서 적어도 부분적으로 접합시키는 마찰 교반 용접 조인트

를 포함하고,

상기 마찰 교반 용접 조인트는 제1 부분 및 제2 부분을 형성하며,

상기 제1 부분은 상기 경계면의 반대쪽에 위치하는 제1 구조 부재의 면을 포함하며,

상기 제1 부분은 상기 마찰 교반 용접 공구에 의하여 제1 각속도로 혼합되고,

상기 제2 부분은 상기 경계면 부근에 위치하는 상기 제1 구조 부재의 적어도 일부분 및 상기 제2 구조 부재의 적어도 일부분을 포함하며,

상기 제2 부분은 상기 마찰 교반 용접 공구에 의하여 제2 각속도로 혼합되어 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분에 미세도가 상이한 입자 구조를 형성하는

것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 랩 조인트.
제52항에 있어서,

상기 제1 구조 부재 및 상기 제2 구조 부재는 상이한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 랩 조인트.
제52항에 있어서,

상기 제1 구조 부재 및 상기 제2 구조 부재는 상이한 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 랩 조인트.
제52항에 있어서,

상기 제1 구조 부재 및 상기 제2 구조 부재는 상이한 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접 랩 조인트.