KR100780019B1

KR100780019B1 - 마찰교반접합방법

Info

Publication number: KR100780019B1
Application number: KR1020050078613A
Authority: KR
Inventors: 마사쿠니 에즈미; 노리히사 오카다
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-11-27
Also published as: EP1688206B1; EP1688206A1; ATE438477T1; CN100548563C; KR20060088465A; US20060169748A1; DE602005015818D1; CN1814389A

Abstract

본 발명의 과제는, 제 1 부재와 제 2 부재의 맞댐부를 마찰교반접합하는 경우에, 결함을 억제하는 마찰교반접합방법을 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 제 1 부재(10)와 제 2 부재(20)를 맞대고, 다음에 맞댐부의 상면측, 둥근 로드의 패딩재(30)를 접촉시키고 회전시켜, 패딩 비드(35)를 접합한다. 패딩 비드는 종래의 볼록부에 상당한다. 다음에 맞댐부에 회전공구(50)의 핀(51)을 삽입하여 마찰교반접합을 행한다. 이것에 의하면, 패딩 비드(35)가 볼록부에 상당하여, 맞댐부의 간극을 보충하기 때문에, 양호하게 접합할 수 있어 결함의 발생을 억제할 수 있다.

Description

마찰교반접합방법{FRICTION STIR WELDING METHOD}

도 1은 본 발명의 실시예 1의 사시도로서, 패딩 비드를 접합하는 도,

도 2는 도 1의 A-A 단면도,

도 3은 도 1의 B-B 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예 1의 도면으로서, 패딩 비드와 마찰교반접합하는 도,

도 5는 도 4의 C-C 단면도,

도 6은 도 4의 D-D 단면도,

도 7은 본 발명의 실시예 2의 단면도로서, 마찰교반접합 단계를 설명하는 도,

도 8은 본 발명의 실시예 3의 종단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20, 50, 60, 70 : 부재 21, 71, 72 : 돌출편

30 : 둥근로드의 패딩재 35 : 패딩 비드

50 : 회전공구 51 : 핀

53 : 큰 지름부의 바닥면[큰 지름부와 중심핀(41)과의 경계]

55 : 마찰교반접합 비드 61, 62 : 면판

73 : 볼록부 80 : 출입구

90 : 가대

본 발명은 2개의 부재의 마찰교반접합하는 방법에 관한 것이다. 특히 2개의 부재를 맞대어 마찰교반접합하는 방법에 관한 것이다.

마찰교반접합방법은, 특허문헌 1에 나타나 있다. 특허문헌 1에 나타나 있는 바와 같이, 마찰교반접합방법은, 2개의 부재의 맞댐부에 회전공구를 삽입하여 회전시키고, 부재를 연화시켜 부재를 고정 접합하는 방법이다.

일반적으로 마찰교반접합방법은, 동일한 판두께의 부재를 맞대어, 이 맞댐부를 접합하도록 하고 있다.

또, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 2개의 부재의 맞댐부에 간극이 있으면 양호한 접합을 할 수 없기 때문에, 맞댐부에 볼록부를 가지는 압출형재를 맞대어, 볼록부의 금속을 간극에 보충시키면서, 마찰교반접합하고 있다. 마찰교반접합후, 불필요부의 볼록부를 잘라내고 있다.

두께가 다른 2개의 부재를 마찰교반접합하는 경우는, 특허문헌 2의 도 4에 나타내는 바와 같이 맞댄 후, 판두께가 작은 부재의 표면에 덧살용접을 행하고, 다음에 마찰교반접합하도록 하고 있다. 그후 필요에 따라 불필요부를 잘라내어 제거한다.

그러나 이 경우, 덧살용접은 수동으로 행하여지기 때문에, 번거로운 작업이 된다. 또 용접시의 검은 마크가 부재의 표면에 부착되어 외관을 나쁘게 하는, 또 용접열로 판(부재)을 변형시킨다.

또, 특허문헌 2에 나타내는 바와 같이, 맞댐부는 판두께가 두꺼운 부재는 판두께가 얇은 부재를 받는 돌출편을 가지고 있는 것이 많다. 이 경우, 마찰교반접합 비드 중에 결함이 생기기 쉽다. 이 결함을 제거한 마찰교반접합도 가능하나, 그와 같은 마찰교반접합의 조건범위가 작아, 마찰교반접합이 매우 곤란하다.

이 결함은, 박판은 후판(厚板)의 돌출편 위에 겹치나, 돌출편의 상면과 박판의 하면과의 사이에 간극이 있으면, 마찰교반접합 비드 중에 결함을 일으키기 쉽다. 결함방지에는 돌출편이 되는 판의 상면과 탑재판(박판)의 하면을 접촉시켜, 간극을 발생하지 않는 것이 중요한 것을 알았다.

[특허문헌 1]

일본국 특허03014654호 공보(USP06581819)

[특허문헌 2]

일본국 특개2003-062680호 공보(USP06779705)

[비특허문헌 1]

용접학회지 2004년 6호 p. 36∼40「마찰접합을 응용한 표면개질」

본 발명의 제 1 목적은, 맞댐부의 2개의 부재를 마찰교반접합하는 경우, 양호한 마찰교반접합이 얻어지도록 한 것을 목적으로 한다.

또, 제 2 목적은, 두께가 다른 부재의 맞댐부를 양호하게 마찰교반접합하는 것에 있다.

상기 제 1 목적은, 제 1 부재와 제 2 부재를 맞대고, 상기 맞댄 근방의 적어도 판두께가 얇은 쪽의 상기 제 1 부재 또는 제 2 부재의 한쪽측에, 패딩재를 접촉시킨 상태에서 회전시키고, 또 상기 패딩재를 상기 맞댄 부분을 따라 상대적으로 이동시켜 패딩 비드를 접합시키고, 다음에 상기 패딩 비드측으로부터 회전공구를, 상기 패딩 비드, 상기 제 1 부재, 상기 제 2 부재에 삽입하여 마찰교반접합하는 것에 의하여 달성할 수 있다.

또, 상기 제 2 목적의 두께가 다른 2개의 부재를 마찰교반접합하는 경우는, 상기 제 2 부재는 상기 맞댄 부분의 측에, 상기 제 1 부재를 탑재하기 위한 돌출편을 가지고, 상기 돌출편으로부터 상기 제 2 부재의 상면까지의 두께는, 상기 제 1 부재의 두께보다도 두껍게, 상기 돌출편에 상기 제 2 부재를 겹치게 한 상태에서 상기 제 2 부재의 선단과 상기 제 1 부재를 맞대고, 상기 패딩재를 상기 제 2 부재에 가까운 위치의 상기 제 1 부재의 상면측에, 패딩재를 접촉 회전시켜 패딩 비드를 접합시키고, 다음에 상기 패딩 비드측으로부터 회전공구를 삽입하여 상기 제 2 부재와 상기 제 1 부재를 마찰교반접합하는 것에 의하여 달성할 수 있다.

여기서, 박판, 후판이란, 맞댐부의 상면이 높이방향으로 위치가 다른 것을 말한다. 상면이 높은 위치에 있는 판을 후판이라 하고, 아래쪽에 위치하는 판을 박판이라 한다. 또 판이란 압출형재를 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예 1]

이하 본 발명을 도 1 내지 도 3에 의하여 설명한다. 도 1에 있어서, 판(10, 20)은 맞대어져 있다. 판(10, 20)의 재질은, 알루미늄합금이다. 판(10, 20)의 이면은 가대(架臺)(도시 생략)에 얹혀져 있다. 이 상태에서 먼저 맞댐부의 상면에, 윗쪽으로부터 패딩재(30)를 접촉시킨 상태로 가압하여 회전시키면서 맞댐부를 따라 상대적으로 이동시킨다. 패딩재(30)는, 판(10, 20)과 동일한 둥근 로드이고, 알루미늄합금재이다. 이것에 의하여 패딩재(30)의 이동에 따라 맞댐부의 상면에 패딩 비드(35)가 접합된다.

패딩재(30)가 패딩 비드(35)가 됨으로써, 패딩재(30)가 짧아지면, 그 시점에서 회전 및 이동을 정지시켜, 소정 길이의 패딩재의 신품과 교환한다.

이 패딩 비드(35)는, 판(10)의 상면에 접합된다. 패딩 비드(35)는, 패딩재(30)의 회전에 따라 비드두께가 두꺼워진다. 패딩 비드(35)는, 판(10, 20)의 상면에 접합된다.

패딩 비드(35)의 두께는 약 1mm 이면 좋다. 바람직하게는 두께 0.5mm 이상이 바람직하다. 패딩 비드(35)는 종래의 볼록부에 상당한다. 종래의 볼록부에 상당할 뿐만 아니라, 판(10, 20)의 간극이 큰 경우, 그 간극에도 패딩재가 들어가, 간극을 작게 하고 있다고 할 수 있다. 이 때문에 마찰교반접합하였을 때, 결함이 생기기 어렵다.

특허문헌 1과 같이, 2개의 부재의 맞댐면에 간극이 있는 경우, 마찰교반접합 에 의하여 결함이 생기는 경우가 있으나, 마찰접합 비드(35)의 금속이 간극을 메우는 원자재가 되기 때문에, 간극에 의한 결함을 억제할 수 있다. 또 마찰접합 비드(35)가 없는 경우, 회전공구(50)의 큰 지름부와 중심축을 따른 중심핀(51)과의 경계(53)가 판(10, 20)에 접하기 때문에, 경계(53)가 판(10, 20)에 접하여 판이 오목형상의 홈이 되어, 실질적인 판두께가 감소하나, 본 발명에서는 경계(53)는 마찰접합 비드에 접하기 때문에, 이 오목형상 홈의 발생이 없어, 외관이 좋은 맞댐 교반접합을 할 수 있다.

또, 볼록부에 상당하는 마찰접합 비드(35)는 맞대고 나서 접합하기 때문에, 판(10, 20)은 압연판을 이용할 수 있고, 압출 형재를 사용할 필요가 없기 때문에, 마찰교반접합방법를 널리 이용할 수 있다. 또 마찰접합 비드(35)는 맞댄 후, 양쪽의 판(10, 20)에 걸어 마찰접합하고 있기 때문에, 한번의 마찰접합으로, 양쪽 판에 마찰접합 비드(35)를 접합할 수 있다.

패딩재(30)는, 상기 패딩재(30)를 회전시키는 전동기와 함께, 소정압력으로 아래쪽으로 가압되어 있다. 또 패딩재(30) 및 전동기는 마찰부의 맞댐부에 대하여, 소정속도로 이동한다. 마찰에 의하여 마찰열이 발생하고, 마찰재(30)의 금속은 부재(10, 20)에 접합된다. 접합량(두께)은, 마찰열에 의하여 정해진다.

이 둥근로드의 패딩재(30)를 상대의 금속에 접촉시킨 상태에서 회전, 이동시켜, 그 회전에 의한 접촉열로 금속로드의 금속을 상대의 금속판에 고정 접합하는 것은 비특허문헌 1에 나타내는 바와 같이 공지이다.

패딩재를 상대의 금속에 마찰접합하고, 표면을 개질하는 것은, 상기 비특허 문헌 1의 「3. 마찰패딩」의 항에 기재되어 있다.

다음에 도 4 내지 도 6에 나타내는 바와 같이, 패딩 비드(35) 윗쪽으로부터 회전공구(50)의 중심핀(51)을 삽입하여 부재(10, 20)를 마찰교반접합한다. 마찰교반접합시, 회전공구의 중심핀(51) 상부의 큰 지름부의 바닥면(53)은 패딩 비드(35)에 접촉한다.

도 1의 패딩재(30)의 외형은 20 mm, 도 3의 패딩 비드(35)의 폭[패딩재(30)가 이동하는 방향에 대하여 직각방향의 폭]은 패딩재(30)의 지름보다도 약간 큰 20수 mm의 접합 비드(35)가 얻어진다. 그리고 마찰교반접합하는 회전공구(50)의 패딩 비드 속으로 들어 가는 큰 지름부의 지름은 15 mm 이다. 큰 지름부의 지름이 종래의 볼록부에 상당하는 접합 비드(35)의 폭보다도 작기 때문에, 접합 비드(35)는 볼록부에 상당한다.

다음에, 필요에 의하여 (상면이 기기의 외면이 되는 경우, 또는 표면이 평활한 면이 필요한 경우), 마찰교반 비드(55)를 부재(10, 20)의 표면으로부터 절삭에 의하여 제거한다.

이것에 의하면, 패딩 비드(35)는 종래의 볼록부에 상당하고, 부재(10, 20)를 마찰교반접합하여도 결함이 생기기 어렵다.

종래에서는 볼록부가 필요하였기 때문에, 압출형재로 되어 있었으나, 판(10, 20)은 압연판이어도 이용할 수 있다.

남은 패딩 비드는 절삭에 의하여 제외하고 있으나, 패딩 비드는 얇기 때문에 그 절삭은 용이하다.

패딩재(30)로 비드(35)를 접합할 때, 패딩재(30)는 부재(10, 20)에 대하여 수직으로 세워 설치되어 있으면 비드(35)의 두께가 일정하게 되지 않았으나, 경사져 부재(10, 20)에 접촉하고 있으면, 일정한 두께의 비드(35)를 형성할 수 있다. 경사방향은 회전공구(50)의 경사방향과 동일하다. 즉, 패딩재(30)의 선단(도 1에 서 하단)을 그 반대측(상단)보다도 이동방향의 앞쪽에 위치시켜(반대측이 선단보다도 뒤쪽에 위치) 이동시키면 좋다. 이 경사각도는 약 2°이다.

도 3과 같이, 패딩재(30)로 패딩 비드(35)를 제작하면서, 패딩재(30)의 이동방향의 뒤쪽에 있어서 회전공구(50)를 삽입하고, 마찰교반접합하여 마찰교반접합 비드(55)가 형성된다.

패딩재(30)와 회전공구(50)의 위치는, 패딩 비드(35)가 상온으로 저하되는 위치보다도 전에 마찰교반접합하도록 하여도 좋다. 상온정도로 저하된 후 마찰교반접합하도록 하여도 좋다.

또, 상기 실시예에서는 패딩재(30)를 이동시켜 패딩 비드(35)를 접합하고 있으나, 부재(10, 20)를 패딩재(30)에 대하여 이동시켜도 좋다.

또, 회전공구(50)는, 판(10, 20)에 대하여 이동시켜도 판(10, 20)을 회전공구(50)에 대하여 이동시켜도 좋다.

또, 패딩재(30)를 접합하면서 마찰교반접합하도록 하고 있으나, 양자를 분리하여도 좋다.

[실시예 2]

실시예 2를 도 7에 의하여 설명한다. 도 7의 (a), (b), (c), (d)의 순서로 마찰교반접합된다. 부재(70)는 부재(60)를 얹는 돌출편(71)을 가지는 압출형재이다. 부재(60)도 압출 형재로 좋다. 부재(60)는 부재(70)의 돌출편(71)위에 얹혀져 부재(60, 70)는 맞대어져 있다. 맞댐부 근방의 부재(70)의 상면은 부재(60)의 상면보다도 높다. 부재(60)의 판두께는 부재(70)의 판두께보다도 얇다. 부재(70)는 가대(도시 생략)에 얹혀져 있다.

상기한 바와 같이 조합시킨 후, 먼저 부재(60)의 상면측을 패딩재(30)로 패딩 비드(35)를 접합한다. 이것에 의하여 부재(60)의 상면측에 패딩 비드(35)가 접합된다. 패딩 비드(35)는 부재(60)의 상면 및 부재(60)측의 부재(70)의 끝면에 접합한다. 패딩 비드(35)를 접합할 때, 패딩재(30)로 부재(60)를 가압하고 있기 때문에, 부재(60)를 돌출편(75)에 얹었을 때, 양자 사이에 간극(S)이 있어도, 이 간극(S)이 없도록 눌러진다. 34는 가압력을 나타낸다.

다음에, 부재(60)와 부재(70)의 맞댐부를 회전공구(50)로 마찰교반접합한다. 회전공구(50)의 큰 지름부(52)의 바닥면(53)을 패딩 비드(35)속으로 넣어 마찰교반접합한다. 회전공구(50)의 회전중심은 부재(60와 70)의 맞댐부에 위치하게 한다. 이 때는 부재(60)의 바닥면과 돌출편 상면과의 사이에는 간극(S)이 없기 때문에, 양자는 양호하게 접합된다.

마찰교반접합으로 형성된 마찰교반 비드(55) 중, 부재(60, 70)의 상면으로부터 돌출되어 있는 부분은 삭제한다.

상기 실시예에서는 부재(60, 70)는 평판형상이었으나, 중공형재이어도 좋다. 이것을 도 8에 의하여 설명한다. 이 도 8은 철도차량의 출입구이다. 부재(80)는 철도차량 측면의 측면 구조체를 구성하는 중공형재이다. 90은 측면 구조체의 출입구의 프레임부재이다. 부재(90)는 중공형재가 아니라, 측면이 개구되어 있으나[즉, 돌출편(91)과 돌출편(92)이 접합되지 않아, 중공부가 없다.], 여기에서는 중공형재라 한다. 부재(80)의 압출형재의 압출 방향은 좌우방향이다. 부재(90)의 압출 방향은 도 2의 지면에 직교하는 방향이다.

부재(80)의 상면의 면판(81)의 압출 방향의 오른쪽 끝측은 부재(90)의 돌출편(91)의 상면에 겹쳐져 있다. 상하의 면판(81, 82)은 접속판(83)으로 접합되어 있다. 이 3자는 일체로 압출형재로 구성되어 있다. 부재(80)의 하면의 면판(82), 접속판(83)의 압출 방향의 오른쪽 끝부는, 상면의 면판(81)의 오른쪽 끝부보다도 왼쪽으로 후퇴한 위치에 있다. 부재(80)의 중공형재를 이와 같이 절삭하고 있다.

부재(80)의 상면의 면판(81)은, 돌출편(91)의 상면에 겹쳐져 있다. 부재(80)의 하면의 면판(82)은 부재(90)의 하면의 돌출편(92)에 얹혀져 있다[돌출편(92)과 면판(82)은 겹쳐져 있다.]. 상면의 면판(81)을 따라, 부재(90)에 윗쪽으로 돌출하는 볼록부(93)가 있다. 볼록부(93)의 상면은 면판(81)의 상면보다도 높은 위치에 있다.

부재(80, 90)를 도 8과 같이 조합시켜, 돌출편(92)과 면판(82)을 필릿용접(49)을 실시한다.

다음에 면판(81), 볼록부(93)측을 상면측으로 하여, 가대(48)에 얹고, 면판(81)에 패딩재(30)로 패딩 비드(35)를 접합한다.

다음에 면판(81)과 부재(90)의 맞댐부를 회전공구(50)로 마찰교반접합한다.

다음에 마찰교반접합후, 면판(81)으로부터 상면의 마찰교반접합부 및 볼록부(93)를 절삭하여 제거한다[면판의 상면으로부터 윗쪽의 패딩접합 비드(35), 마찰교반접합부 및 볼록부(93)를 제거한다.].

즉, 이 실시예(도 8)는, 도 7(제 2 실시예)의 실시예와 동일하다.

지금까지의 실시예에서는 2개의 부재의 맞댐 마찰교반접합에 대하여 설명하여 왔으나, 맞댐 접합뿐만 아니라, 2매의 부재(판)의 겹침 마찰교반접합에 대해서도 이용할 수 있다. 즉, 상면측(마찰교반접합공구측) 부재의 표면에 패딩 비드를 접합하고, 회전공구로 마찰교반접합하면, 회전공구의 바닥면은 패딩 비드 속에 있기 때문에, 패딩 비드가 없는 경우, 회전공구의 바닥면이 부재의 표면에 접촉하여, 그 부의 원호형상의 홈이 생기나, 패딩 비드가 있으면, 패딩 비드에 원호형상의 홈은 생기나, 마찰교반종료후, 남은 패딩 비드를 절삭하여 제거하면, 원호형상의 홈은 없어진다.

본 발명에 의하면, 맞댐부의 2개의 부재를 마찰교반접합하는 경우, 양호한 마찰교반접합이 얻어지고, 또한 두께가 다른 부재의 맞댐부를 양호하게 마찰교반접합할 수 있다.

Claims

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제 1 부재와 제 2 부재를 맞대고,

상기 맞댄 부분의 상기 제 1 부재의 판두께와 상기 제 2 부재의 판두께는 동일하고, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재는 동종의 금속이며,

상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재와 동종의 금속의 패딩재를 상기 맞댄 부분을 따라 상대적으로 이동시켜 패딩 비드를 접합시키고,

다음에, 상기 패딩 비드측으로부터 회전공구를, 상기 패딩 비드, 상기 제 1 부재, 상기 제 2 부재에 삽입하여 마찰교반접합하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
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