KR101145447B1 - 접합 구조물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 관한 접합 방법은, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)를 맞대서 형성된 피접합 금속 부재(1)에 대하여 회전 도구(G)를 이동시켜서 마찰 교반을 행하는 접합 방법이며, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 맞댐부(J1)에 대하여 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)으로부터 마찰 교반을 행하는 제1 본 접합 공정과, 맞댐부(J1)에 대하여 피접합 금속 부재(1)의 이면(B)으로부터 마찰 교반을 행하는 제2 본 접합 공정과, 피접합 금속 부재(1)의 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 관한 맞댐부(J1)를 따라 오목 홈(K)을 형성하는 오목 홈 형성 공정과, 오목 홈(K)에 조인트 부재(U)를 배치하는 조인트 부재 배치 공정과, 오목 홈(K)과 조인트 부재(U)의 맞댐부에 대하여 마찰 교반을 행하는 조인트 부재 접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

접합 구조물의 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING JOINT STRUCTURE}

본 발명은, 마찰 교반을 이용한 금속 부재의 접합 방법 및 접합 구조물의 제조 방법에 관한 것이다.

금속 부재끼리를 접합하는 방법으로서, 마찰 교반 접합(FSW = Friction Stir Welding)이 알려져 있다. 마찰 교반 접합은, 회전 도구를 회전시키면서 금속 부재끼리의 맞댐부를 따라 이동시키고, 회전 도구와 금속 부재의 마찰열에 의해 맞댐부의 금속을 소성 유동시킴으로써, 금속 부재끼리를 고상 접합시키는 것이다. 또한, 회전 도구는 원기둥 형상을 나타내는 숄더부의 하단부면에 교반 핀(프로브)을 돌출 설치하여 이루어지는 것이 일반적이다.

여기에서 도 33은, 한 쌍의 평판 형상의 금속 부재에 마찰 교반 접합을 한 종래의 접합 방법을 도시한 사시도이다. 도 33에 도시한 바와 같이, 접합해야 할 금속 부재(101, 101)의 두께가 도시하지 않은 회전 도구의 교반 핀의 길이보다도 큰 경우에는, 금속 부재(101)의 표면(102)측으로부터 마찰 교반을 행한 후에, 이면(103)측으로부터도 마찰 교반을 행하는 경우가 있다.

즉, 이러한 접합 방법은 금속 부재(101, 101)의 맞댐부(104)(2점 쇄선)를 따라 표면(102) 및 이면(103)의 양측으로부터 마찰 교반을 행하고, 마찰 교반에 의해 형성된 소성화 영역(105, 106)의 두께 방향의 중앙 부분이 접촉하도록 접합하는 것이다. 이에 의해, 맞댐부(104)에 있어서는 간극 없이 접합할 수 있다. 이러한 접합 방법은, 문헌 1에 개시되어 있다.

또한, 도 34는 조인트 부재를 이용한 종래의 접합 방법을 도시한 단면도이다. 도 34에 도시한 바와 같이, 회전 도구의 교반 핀의 길이에 대하여 금속 부재의 두께가 큰 경우에는, 두께가 다른 단차부를 구비한 한 쌍의 금속 부재 사이에 조인트 부재를 개재하여 단계적으로 마찰 교반을 행하는 접합 방법이 알려져 있다. 즉, 이러한 접합 방법에 이용되는 금속 부재는 제1 금속 부재(120a) 및 제2 금속 부재(120b)의 본체부(121, 121)의 테두리부에, 본체부(121)보다도 두께가 작은 단차부(122, 122)가 형성되어 있다.

그리고 이 접합 방법은, 제1 금속 부재(120a) 및 제2 금속 부재(120b)의 단차부(122, 122)끼리를 맞대는 맞댐 공정과, 단차부(122, 122)끼리의 맞댐부(Jd)에 대하여 마찰 교반을 행하는 단차부 마찰 교반 공정과, 맞댐 공정에서 형성된 오목부(123)에 조인트 부재(U)를 배치하는 조인트 부재 배치 공정과, 제1 금속 부재(120a)와 조인트 부재(U)의 맞댐부(Ja) 및 제2 금속 부재(120b)와 조인트 부재(U)의 맞댐부(Jb)에 대하여 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 구비하고 있다. 이 접합 방법에 따르면, 금속 부재의 두께가 큰 부재라도 금속 부재끼리를 간극 없이 접합할 수 있다. 이러한 접합 방법은, 문헌 2에 기재되어 있다.

[문헌1]일본특허출원공개제2005-131666호공보(도7참조) [문헌2]일본특허출원공개제2004-358535호공보(단락0019,도2참조)

여기서, 도 35는 한 쌍의 두께가 큰 금속 부재에 마찰 교반 접합을 한 접합 방법을 도시한 사시도이다. 도 35에 도시한 바와 같이, 접합해야 할 금속 부재(111, 111)의 두께가 큰 경우, 표면(102) 및 이면(103)으로부터 마찰 교반을 행해도 맞댐부(104)(2점 쇄선)의 중앙부에 미접합부가 발생해 버릴 가능성이 있다. 즉, 도시하지 않은 회전 도구의 교반 핀의 길이에 대하여, 금속 부재(111)의 두께가 매우 큰 경우, 금속 부재(111)의 표면(102) 및 이면(103)으로부터 마찰 교반을 행했다고 해도, 소성화 영역(105, 106)의 두께 방향의 중앙 부분을 접촉시킬 수 없으므로, 맞댐부(104)의 중앙부에 간극(미접합부)(119)이 발생해 버린다. 이와 같이, 한쪽 측면(107)으로부터 다른 쪽 측면(108)으로 연속되는 간극(119)이 발생해 버리면, 측면(107) 및 측면(108) 사이에 있어서의 수밀성 및 기밀성이 저하된다고 하는 문제가 있었다.

여기서, 금속 부재(111)의 두께에 따라서 회전 도구의 교반 핀의 길이를 크게 하면, 표면(102) 및 이면(103)으로부터 마찰 교반을 행함으로써 금속 부재(111)끼리를 간극 없이 접합하는 것은 가능하다. 그러나 회전 도구는, 금속 부재(111) 내에 교반 핀을 매몰시켜서 고속으로 회전하면서 이동하므로, 교반 핀의 길이를 크게 하면, 마찰 교반 장치의 구동 수단 및 교반 핀에 작용하는 부하가 증대하여, 장치의 수명 단축을 초래한다고 하는 문제가 있었다.

또한, 도 33 및 도 35에 도시한 바와 같이, 소성화 영역(105, 106)에 있어서, 한쪽 측면(107)으로부터 다른 쪽 측면(108)으로 연속되는 공동 결함(109)이 발생할 가능성이 있다. 이러한 공동 결함(109)은, 금속 부재(101, 111)의 측면(107) 및 측면(108) 사이에 있어서의 수밀성 및 기밀성을 저하시키는 하나의 원인이 되고 있었다.

한편, 도 34에 도시한 바와 같이, 조인트 부재(U)를 이용하면 금속 부재(120a, 120b)의 두께가 커졌다고 해도 단계적으로 마찰 교반을 행함으로써 수밀성 및 기밀성을 확보할 수 있지만, 금속 부재(120a, 120b)의 두께가 커짐에 따라서, 금속 부재(120a, 120b)에 설치하는 단차부나 조인트 부재를 늘려야만 해 접합 작업이 번잡해져 버린다고 하는 문제가 있다.

이러한 관점에서, 본 발명은 작업이 용이한 동시에, 접합된 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있는 접합 방법 및 접합 구조물의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이와 같은 과제를 해결하는 본 발명에 관한 접합 방법은, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 맞대서 형성된 피접합 금속 부재에 대하여 회전 도구를 이동시켜서 마찰 교반을 행하는 접합 방법이며, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 표면으로부터 마찰 교반을 행하는 제1 본 접합 공정과, 상기 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 이면으로부터 마찰 교반을 행하는 제2 본 접합 공정과, 상기 피접합 금속 부재의 측면에 관한 상기 맞댐부를 따라 오목 홈을 형성하는 오목 홈 형성 공정과, 상기 오목 홈에 조인트 부재를 배치하는 조인트 부재 배치 공정과, 상기 오목 홈과 상기 조인트 부재의 맞댐부에 대하여 마찰 교반을 행하는 조인트 부재 접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 피접합 금속 부재의 측면에 오목 홈을 형성함으로써, 피접합 금속 부재의 측면에 권취할 가능성이 있는 산화 피막을 제거할 수 있다. 또한, 오목 홈과, 오목 홈에 배치된 조인트 부재와의 맞댐부에 대하여 마찰 교반을 행함으로써, 피접합 금속 부재의 측면에 노출될 가능성이 있는 터널 형상 공동 결함이나, 피접합 금속 부재의 측면에 권취할 가능성이 있는 산화 피막을 덮어 밀폐할 수 있다. 이에 의해, 피접합 금속 부재의 양측면 간의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다. 또한, 당해 오목 홈과 조인트 부재의 맞댐부에 대하여 마찰 교반을 행함으로써, 당해 부분의 접합 강도를 높일 수 있다. 또한, 피접합 금속 부재의 측면으로부터 마찰 교반 접합을 행함으로써 비교적 쉽게 작업을 행할 수 있다.

또한, 상기 조인트 부재 접합 공정은, 상기 오목 홈에 있어서, 상기 제1 본 접합 공정에서 형성된 표면측 소성화 영역과, 상기 제2 본 접합 공정에서 형성된 이면측 소성화 영역과의 사이에 노출되는 미소성화 영역을 밀폐하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 당해 측면에 형성된 오목 홈에 노출되는 미소성화 영역에 조인트 부재를 배치하는 동시에, 당해 조인트 부재와 오목 홈의 맞댐부를 마찰 교반함으로써 미소성화 영역을 밀폐할 수 있다. 이에 의해, 피접합 금속 부재의 양측면 간의 기밀성 및 수밀성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 조인트 부재의 양단부면은, 상기 피접합 금속 부재의 상기 표면 및 상기 이면과 동일한 높이의 면인 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 터널 형상 공동 결함, 산화 피막 및 미소성화 영역을 확실하게 밀폐할 수 있는 동시에, 표면 및 이면을 평탄하게 형성할 수 있다.

또한, 상기 조인트 부재 접합 공정에서 형성된 측면측 소성화 영역의 깊이는, 상기 조인트 부재의 두께보다도 큰 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 오목 홈과 조인트 부재의 맞댐부에 있어서, 두께 방향의 전체 길이에 걸쳐 마찰 교반되므로, 피접합 금속 부재의 양측면 간의 기밀성 및 수밀성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 오목 홈 형성 공정 후에, 상기 오목 홈의 저면에 노출된 공동 결함 및 상기 미소성화 영역 중 적어도 한쪽을 용접 금속에 의해 밀폐하는 제1 용접 보수 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 조인트 부재 접합 공정 후에, 상기 조인트 부재 접합 공정에 의해 상기 표면 및 상기 이면에 노출되는 공동 결함 및 상기 조인트 부재 접합 공정에 의해 권취한 산화 피막 중 적어도 한쪽을 용접 금속에 의해 밀폐하는 제2 용접 보수 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 오목 홈 형성 공정 후에, 상기 오목 홈의 저면에 노출되는 공동 결함이나 미소성화 영역을 용접 금속에 의해 밀폐할 수 있다. 또한, 조인트 부재 접합 공정에 의해 형성된 소성화 영역의 공동 결함이나 산화 피막을 용접 금속에 의해 밀폐할 수 있다. 이에 의해, 피접합 금속 부재의 표면 및 이면의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다.

또한, 상기 오목 홈의 폭은, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역의 폭보다도 작은 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 오목 홈을 형성하는 작업의 수고를 줄일 수 있는 동시에, 조인트 부재를 작게 할 수 있으므로, 부재 비용의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 상기 회전 도구의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 회전 도구를 압입할 때의 압입 저항을 줄일 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합의 정밀도를 높이는 동시에, 신속하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 접합 방법은, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 맞대서 형성된 피접합 금속 부재에 대하여 회전 도구를 이동시켜서 마찰 교반을 행하는 접합 방법이며, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 표면으로부터 마찰 교반을 행하는 제1 본 접합 공정과, 상기 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 이면으로부터 마찰 교반을 행하는 제2 본 접합 공정과, 상기 피접합 금속 부재의 측면에 있어서, 상기 제1 본 접합 공정에서 형성된 표면측 소성화 영역 및 상기 제2 본 접합 공정에서 형성된 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함에 공동부 보수 부재를 삽입하는 공동부 보수 부재 삽입 공정과, 상기 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 측면에 마찰 교반을 행하는 측면 본 접합 공정을 포함하고, 상기 측면 본 접합 공정은, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 사이의 미소성화 영역을 마찰 교반하는 동시에, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽과, 상기 공동부 보수 부재와의 맞댐부를 마찰 교반하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 측면 본 접합 공정에서는 피접합 금속 부재의 측면으로부터 마찰 교반 접합을 행함으로써 비교적 쉽게 작업을 행할 수 있는 동시에, 피접합 금속 부재의 측면에 나타나는 미소성화 영역을 마찰 교반함으로써, 피접합 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 피접합 금속 부재의 측면에 형성된 공동 결함에 공동부 보수 부재를 삽입해서 당해 공동 결함을 막는 동시에, 측면 본 접합 공정에서, 공동부 보수 부재와 표면측 소성화 영역 및 이면측 소성화 영역과의 맞댐부를 마찰 교반하므로, 피접합 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 공동부 보수 부재 삽입 공정은, 상기 피접합 금속 부재의 측면에 있어서, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함의 주위를 절삭해서 홈 구멍을 형성하는 홈 구멍 형성 공정을 포함하고, 상기 홈 구멍에 상기 공동부 보수 부재를 삽입하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 공동부 보수 부재를 적절하게 삽입할 수 있다.

또 본 발명은, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 맞대서 형성된 피접합 금속 부재에 대하여 회전 도구를 이동시켜서 마찰 교반을 행하는 접합 방법이며, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 표면으로부터 마찰 교반을 행하는 제1 본 접합 공정과, 상기 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 이면으로부터 마찰 교반을 행하는 제2 본 접합 공정과, 상기 피접합 금속 부재의 측면에 있어서, 상기 제1 본 접합 공정에서 형성된 표면측 소성화 영역 및 상기 제2 본 접합 공정에서 형성된 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함에 용접 금속을 충전하는 용접 금속 충전 공정과, 상기 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 측면에 마찰 교반을 행하는 측면 본 접합 공정을 포함하고, 상기 측면 본 접합 공정은 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 사이의 미소성화 영역을 마찰 교반하는 동시에, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽과, 상기 용접 금속과의 계면을 마찰 교반하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 측면 본 접합 공정에서는, 피접합 금속 부재의 측면으로부터 마찰 교반 접합을 행함으로써 비교적 쉽게 작업을 행할 수 있는 동시에, 피접합 금속 부재의 측면에 나타나는 미소성화 영역을 마찰 교반함으로써, 피접합 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 피접합 금속 부재의 측면에 형성된 공동 결함에 용접 금속을 충전해서 당해 공동 결함을 막는 동시에, 측면 본 접합 공정에서, 상기 용접 금속과 표면측 소성화 영역 및 이면측 소성화 영역과의 계면을 마찰 교반하므로, 피접합 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 용접 금속 충전 공정은, 상기 피접합 금속 부재의 측면에 있어서, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함의 주위를 절삭해서 홈 구멍을 형성하는 홈 구멍 형성 공정을 포함하고, 상기 홈 구멍에 상기 용접 금속을 충전하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 용접 금속 충전 공정을 쉽게 행할 수 있다.

또한, 본 발명은, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 맞대서 형성된 피접합 금속 부재에 대하여 회전 도구를 이동시켜서 마찰 교반을 행하는 접합 방법이며, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 표면으로부터 마찰 교반을 행하는 제1 본 접합 공정과, 상기 맞댐부에 대하여 상기 피접합 금속 부재의 이면으로부터 마찰 교반을 행하는 제2 본 접합 공정과, 상기 피접합 금속 부재의 측면에 있어서, 상기 제1 본 접합 공정에서 형성된 표면측 소성화 영역과 상기 제2 본 접합 공정에서 형성된 이면측 소성화 영역 사이의 미소성화 영역에 오목부를 형성하는 오목부 형성 공정과, 상기 오목부에 오목부 보수 부재를 삽입하는 오목부 보수 부재 삽입 공정과, 상기 오목부 보수 부재와 상기 제1 금속 부재의 맞댐부 및 상기 오목부 보수 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 마찰 교반을 행하는 측면 본 접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 피접합 금속 부재의 측면에 나타나는 미소성화 영역에 형성된 오목부에 오목부 보수 부재를 삽입하여, 당해 오목부 보수 부재와 피접합 금속 부재의 맞댐부를 마찰 교반함으로써, 피접합 금속 부재의 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 측면 본 접합 공정에서는, 피접합 금속 부재의 측면으로부터 마찰 교반 접합을 행함으로써 비교적 쉽게 작업을 행할 수 있다.

또한, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함의 주위를 절제해서 홈 구멍을 형성하는 홈 구멍 형성 공정과, 상기 홈 구멍에 공동부 보수 부재를 삽입하는 공동부 보수 부재 삽입 공정을 포함하고, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽과, 상기 공동부 보수 부재와의 맞댐부에 대하여 마찰 교반을 행하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함에 대하여 공동부 보수 부재를 삽입해서 당해 공동 결함을 막는 동시에, 공동부 보수 부재와 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역과의 맞댐부를 마찰 교반하므로, 피접합 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함의 주위를 절제해서 홈 구멍을 형성하는 홈 구멍 형성 공정과, 상기 홈 구멍에 공동부 보수 부재를 삽입하는 공동부 보수 부재 삽입 공정을 포함하고, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽과, 상기 공동부 보수 부재와의 맞댐부의 전체면에 걸쳐 마찰 교반을 행하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역 중 적어도 어느 한쪽에 형성된 공동 결함에 대하여 공동부 보수 부재를 삽입해서 당해 공동 결함을 막는 동시에, 상기 공동부 보수 부재와 상기 표면측 소성화 영역 및 상기 이면측 소성화 영역과의 맞댐부의 전체면을 마찰 교반하므로, 피접합 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 측면 본 접합 공정은, 상기 회전 도구를 한 붓 그리기 요령으로 이동시키는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 마찰 교반의 작업성을 높일 수 있다.

또한, 상기 측면 본 접합 공정에서 사용하는 상기 회전 도구는, 상기 제1 본 접합 공정 및 상기 제2 본 접합 공정에서 사용하는 회전 도구보다도 작은 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 작은 회전 도구는 비교적 소회전에 효과적이므로, 회전 도구의 조작성을 높일 수 있다.

또한, 상기 제1 본 접합 공정, 상기 제2 본 접합 공정 및 측면 본 접합 공정 중 적어도 하나의 공정을 행하기 전에, 상기 맞댐부를 가접합하는 가접합 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 마찰 교반을 행할 때의 금속 부재끼리의 벌어짐을 방지할 수 있다.

또한, 상기 맞댐부의 양측에 한 쌍의 탭재를 배치하고, 상기 탭재와 상기 피접합 금속 부재의 맞댐부를 접합하는 탭재 접합 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 마찰 교반을 할 때의 탭재와 피접합 금속 부재의 벌어짐을 방지할 수 있다.

또한, 상기 제1 본 접합 공정, 상기 제2 본 접합 공정 및 상기 측면 본 접합 공정에서 사용하는 상기 회전 도구의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 회전 도구를 압입할 때의 압입 저항을 줄일 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합의 정밀도를 높이는 동시에, 신속하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 본 발명은 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 단부면끼리를 맞대서 형성된 접합 구조물의 제조 방법이며, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 접합 구조물의 표면으로부터 회전 도구를 이용해서 마찰 교반을 행하는 제1 본 접합 공정과, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 접합 구조물의 이면으로부터 회전 도구를 이용해서 마찰 교반을 행하는 제2 본 접합 공정과, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여 상기 접합 구조물의 측면으로부터 회전 도구를 이용해서 마찰 교반을 행하는 제3 본 접합 공정을 포함하고, 상기 제3 본 접합 공정에 있어서 회전 도구를 이탈했을 때에 형성된 빈 구멍에 충전용 금속 부재를 충전하고, 상기 접합 구조물과 상기 충전용 금속 부재의 맞댐부에 대하여, 회전 도구를 이용해서 마찰 교반을 행하는 보수 공정을 행하는 것을 특징으로 한다.

이러한 제조 방법에 따르면, 제3 본 접합 공정에서는, 접합 구조물의 측면으로부터 마찰 교반 접합을 행함으로써 비교적 쉽게 작업을 행할 수 있는 동시에, 접합 구조물의 측면에 나타나는 미소성화 영역을 마찰 교반함으로써, 접합 구조물의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 보수 공정에 있어서 회전 도구의 빈 구멍에 충전용 금속 부재를 충전함으로써, 제3 본 접합 공정에 있어서 마찰 교반의 종료 위치에 형성된 빈 구멍이 메워지므로, 빈 구멍에 의한 접합 부위의 강도 저하를 방지할 수 있다. 즉, 제3 본 접합 공정에서는 접합 구조물에 마찰 교반의 종료 위치를 마련할 수 있다. 이에 의해, 제3 본 접합 공정에서는 마찰 교반의 종료 위치를 설정하기 위한 탭재를 생략할 수 있으므로, 접합 작업에 있어서의 공정수를 적게 할 수 있다.

또한, 상기 보수 공정에 있어서 회전 도구를 이탈했을 때에 형성된 빈 구멍에 용접 금속을 충전하는 것이 바람직하다. 이러한 제조 방법에 따르면, 보수 공정에 있어서 회전 도구를 이탈했을 때에 형성된 빈 구멍에 용접 금속을 충전해서 메우는 것으로, 빈 구멍에 의한 접합 부위의 강도 저하를 방지할 수 있는 동시에, 접합 부위를 평탄하게 마무리할 수 있다.

또한, 상기 제3 본 접합 공정에서는, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 형성되는 소성화 영역의 일부를, 상기 제1 본 접합 공정 및 상기 제2 본 접합 공정에서 형성된 소성화 영역에 중복시키는 것이 바람직하다.

이러한 제조 방법에 따르면, 접합 구조물의 측면에 있어서 제1 금속 부재와 제2 금속 부재의 맞댐부에 형성되는 소성화 영역의 일부를, 제1 본 접합 공정 및 제2 본 접합 공정에서 형성된 소성화 영역에 중복시킴으로써, 접합 구조물의 측면에 있어서 제1 금속 부재와 제2 금속 부재의 이음매가 확실하게 폐색되므로, 금속 부재끼리의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제3 본 접합 공정에서는, 상기 접합 구조물의 한쪽 측면에 형성된 소성화 영역의 일부와, 상기 접합 구조물의 다른 쪽 측면에 형성된 소성화 영역의 일부를 중복시키는 것이 바람직하다.

이러한 제조 방법에서는, 제3 본 접합 공정에 있어서 접합 구조물의 양측면에 형성된 소성화 영역의 일부를 중복시킴으로써, 접합 구조물의 안쪽까지 소성화되므로, 금속 부재끼리의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 본 접합 공정 및 상기 제2 본 접합 공정 전에, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여, 상기 접합 구조물의 표면 및 이면으로부터 가접합을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제3 본 접합 공정 전에, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여, 상기 접합 구조물의 측면으로부터 가접합을 행하는 것이 바람직하다.

여기서, 각 접합 공정을 행할 때에는, 접합되는 각 금속 부재의 맞댐부에 회전 도구를 압입하므로, 금속 부재끼리를 분리하려고 하는 힘이 작용하여, 맞댐부에 벌어짐이 발생하는 경우가 있다. 그러나 상기한 제조 방법에 따르면, 각 접합 공정을 행하기 전에 맞댐부를 가접합하는 것으로, 각 접합 공정을 적절하게 행할 수 있다.

또한, 상기 제1 본 접합 공정 및 상기 제2 본 접합 공정에서는, 회전 도구의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제3 본 접합 공정에서는, 회전 도구의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 제조 방법에 따르면, 본 구성에서는 회전 도구를 접합 구조물에 압입할 때의 압입 저항을 줄일 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합의 정밀도를 높일 수 있는 동시에, 신속하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 상기 제3 본 접합 공정에서는, 마찰 교반의 개시 위치 및 종료 위치가 상기 제1 금속 부재 또는 상기 제2 금속 부재의 측면에 설정되어 있으며, 회전 도구를 개시 위치로부터 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부를 통과해서 종료 위치까지 각진 U자 형상의 궤적으로 이동시킬 때에, 회전 도구가 우회전이면 회전 도구의 진행 방향 좌측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정하고, 상기 회전 도구가 좌회전이면 회전 도구의 진행 방향 우측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정하는 것이 바람직하다.

여기서, 회전 도구를 이동시킴으로써 접합 구조물에 형성된 소성화 영역 내에는, 회전 도구의 진행 방향을 따라서 공동 결함이 발생하는 경우가 있다. 이 공동 결함은 금속 부재끼리의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 저하시키는 하나의 원인이 되고 있다. 회전 도구를 우회전시킨 경우에는, 공동 결함은 진행 방향 좌측에 형성되고, 회전 도구를 좌회전시킨 경우에는, 공동 결함은 진행 방향 우측에 형성된다. 따라서, 상기한 구성에서는 각진 U자 형상으로 형성된 소성화 영역의 홈 내측에 공동 결함이 형성되게 되어, 각진 U자 형상의 소성화 영역의 외측에 공동 결함이 형성된 경우와 비교하여 공동 결함의 거리가 짧아지므로, 금속 부재끼리의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 관한 접합 방법 및 제조 구조물의 제조 방법에 따르면, 작업이 용이한 동시에, 접합된 금속 부재의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 접합 방법을 도시한 도면이며, (a)는 사시도, (b)는 (a)의 N 부분에 있어서의 확대 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 제1 준비 공정을 도시한 도면이며, (a)는 사시도, (b)는 평면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 제1 준비 공정을 도시한 도면이며, (a)는 도 2의 (b)의 I-I선 단면도, (b)는 도 2의 (b)의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 회전 도구를 도시한 도면이며, (a)는 가접합용 회전 도구의 측면도, (b)는 본 접합용 회전 도구의 측면도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 가접합용 회전 도구의 사용 상태를 도시한 도면이며, (a)는 가접합용 회전 도구를 제1 탭재에 접촉시킨 도면이며, (b)는 가접합용 회전 도구를 제1 탭재에 압입한 도면이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 제1 예비 공정의 제1 탭재 접합 공정, 가접합 공정 및 제2 탭재 접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 7은 제1 실시 형태에 관한 제1 본 접합 공정을 도 6의 Ⅲ-Ⅲ 화살표 방향으로 도시한 단면도이며, (a)는 개시 위치 부분, (b)는 중간 부분, (c)는 종료 위치 부분의 마찰 교반 접합을 도시한 도면이다.
도 8의 (a)는 제1 실시 형태에 관한 제2 준비 공정 후에 있어서, 맞댐부(J1)로부터 제1 금속 부재(1a)측을 향하는 단면도이다. 도 8의 (b)는 제1 실시 형태에 관한 제2 준비 공정의 제2 탭재 접합 공정, 가접합 공정 및 제1 탭재 접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관한 제2 본 접합 공정을 도시한 도 8의 (b)의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이며, (a)는 개시 위치 부분, (b)는 중간 부분의 마찰 교반 접합을 도시한 도면이다.
도 10은 제1 실시 형태에 관한 탭재 절제 공정 후의 피접합 금속 부재를 도시한 사시도이다.
도 11은 제1 실시 형태에 관한 오목 홈 형성 공정을 도시한 사시도이다.
도 12는 제1 실시 형태에 관한 제1 용접 보수 공정을 도시한 도면이며, 제1 측면(C)의 평면도이다.
도 13은 제1 실시 형태에 관한 제1 조인트 부재 배치 공정을 도시한 사시도이다.
도 14는 제1 실시 형태에 관한 제1 조인트 부재 배치 공정을 표면(A)측으로부터 본 측면도이며, (a)는 배치 전, (b)는 배치 후를 도시한다.
도 15는 제1 실시 형태에 관한 제1 조인트 부재 접합 공정을 도시한 도면이며, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다.
도 16은 제1 실시 형태에 관한 제1 조인트 부재 접합 공정 후를 도시한 평면도이다.
도 17은 제1 실시 형태에 관한 제2 조인트 부재 접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 18은 제1 실시 형태에 관한 제2 용접 보수 공정을 도시한 도면이며, 도 1의 N 부분의 확대 사시도이다.
도 19는 제1 실시 형태에 관한 변형예를 도시한 도면이며, 조인트 부재 접합 공정을 도시한 단면도이다.
도 20은 제2 실시 형태에 관한 피접합 금속 부재를 도시한 사시도이다.
도 21은 제2 실시 형태에 관한 탭재 절제 공정 후의 피접합 금속 부재를 도시한 사시도이다.
도 22의 (a)는 제2 실시 형태에 관한 홈 구멍 형성 공정, 오목부 형성 공정 및 보수 부재 삽입 공정을 도시한 사시도이며, 도 22의 (b)는 도 22의 (a)의 표면측 소성화 영역 주변의 확대 정면도이다.
도 23은 제2 실시 형태에 관한 제1 측면 본 접합 공정을 도시한 도면이며, (a)는 중간 부분을 도시한 평면도, (b)는 (a)의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도, (c)는 종료 위치 부분을 도시한 평면도이다.
도 24는 제4 실시 형태의 제조 방법에 의해 접합된 접합 구조물을 도시한 사시도이다.
도 25는 제4 실시 형태의 제2 본 접합 공정을 끝낸 후에, 탭재를 제거한 상태의 접합 구조물을 도시한 사시도이다.
도 26은 제4 실시 형태의 제3 본 접합 공정에 있어서의 가접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 27은 제4 실시 형태의 제3 본 접합 공정에 있어서의 본 접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 28은 제4 실시 형태의 각 공정을 도시한 도면으로, (a)는 제3 본 접합 공정에 있어서의 본 접합 공정을 도시한 도 26의 I-I 단면도, (b)는 제1 보수 공정에 있어서의 충전용 금속 부재 삽입 공정을 도시한 단면도이다.
도 29는 제4 실시 형태의 제1 보수 공정에 있어서의 보수 접합 공정 및 보수 용접 공정을 도시한 평면도이다.
도 30은 제4 실시 형태의 제1 보수 공정에 있어서의 보수 접합 공정 및 보수 용접 공정을 도시한 도 29의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 31은 제4 실시 형태의 제4 본 접합 공정 및 제2 보수 공정을 도시한 평면도이다.
도 32는 제4 실시 형태에 관한 제3 본 접합 공정의 변형예를 도시한 도면으로, 제1 회전 도구를 좌회전시킨 경우의 평면도이다.
도 33은 한 쌍의 평판 형상의 금속 부재에 마찰 교반 접합을 한 종래의 접합 방법을 도시한 사시도이다.
도 34는 조인트 부재를 이용한 종래의 접합 방법을 도시한 단면도이다.
도 35는 한 쌍의 두께가 큰 금속 부재에 마찰 교반 접합을 한 접합 방법을 도시한 사시도이다.

[제1 실시 형태]

제1 실시 형태에 관한 접합 방법은, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)를 맞대서 이루어지는 피접합 금속 부재(1)의 표면(A) 및 이면(B)을 마찰 교반에 의해 접합하는 동시에, 피접합 금속 부재(1)의 양측면에 관해서는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 오목 홈(K)을 형성한 다음, 당해 오목 홈(K)에 조인트 부재(U)를 배치하는 동시에, 오목 홈(K)과 조인트 부재(U)의 맞댐부를 마찰 교반에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 것이다.

우선, 본 실시 형태에 관한 접합 방법의 피접합 금속 부재(1)를 상세하게 설명하는 동시에, 이 피접합 금속 부재(1)를 접합할 때에 이용되는 제1 탭재(2)와 제2 탭재(3)를 상세하게 설명한다.

피접합 금속 부재(1)는, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 단면에서 보아 직사각형의 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)로 이루어지며, 각각의 단부면을 맞댐으로써 맞댐부(J1)가 형성되어 있다. 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)는, 본 실시 형태에서는 동일한 조성의 금속 재료이며, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료로 이루어진다. 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)의 형상?치수에 특별히 제한은 없지만, 적어도 맞댐부(J1)에 있어서의 두께 치수를 동일하게 하는 것이 바람직하다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 피접합 금속 부재(1)의 표면을 표면(A), 이면을 이면(B), 한쪽 측면을 제1 측면(C), 다른 쪽 측면을 제2 측면(D)이라 한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 상하 좌우 전후는, 도 1의 화살표를 따른다.

제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)는, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)를 사이에 두도록 배치되는 것이며, 각각 피접합 금속 부재(1)에 첨설되고, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 나타나는 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 이음매(경계선)를 덮어서 가린다. 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)의 재질에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 피접합 금속 부재(1)와 동일한 조성의 금속 재료로 형성되어 있다. 또한, 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)의 형상?치수에도 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 그 두께 치수를 맞댐부(J1)에 있어서의 피접합 금속 부재(1)의 두께 치수와 동일하게 하고 있다.

다음에, 도 4를 참조하여, 가접합 공정에 사용하는 회전 도구(F)(이하,「가접합용 회전 도구(F)」라고 함) 및 본 접합 공정에 사용하는 회전 도구(G)(이하,「본 접합용 회전 도구(G)」라고 함)를 상세하게 설명한다.

도 4의 (a)에 도시하는 가접합용 회전 도구(F)는, 공구강 등 피접합 금속 부재(1)보다도 경질의 금속 재료로 이루어지며, 원기둥 형상을 나타내는 숄더부(F1)와, 이 숄더부(F1)의 하단부면(F11)에 돌출 설치된 교반 핀(프로브)(F2)을 구비하여 구성되어 있다. 가접합용 회전 도구(F)의 치수?형상은, 피접합 금속 부재(1)의 재질이나 두께 등에 따라서 설정하면 좋지만, 적어도 이후에 설명하는 제1 본 접합 공정에서 사용하는 본 접합용 회전 도구(G)[도 4의 (b) 참조]보다도 소형으로 한다. 이렇게 하면, 본 접합보다도 작은 부하로 가접합을 행하는 것이 가능해지므로, 가접합 시에 마찰 교반 장치에 걸리는 부하를 줄이는 것이 가능해지고, 또한 가접합용 회전 도구(F)의 이동 속도(이송 속도)를 본 접합용 회전 도구(G)의 이동 속도보다도 고속으로 하는 것도 가능해지므로, 가접합에 요하는 작업 시간이나 비용을 줄일 수 있게 된다.

숄더부(F1)의 하단부면(F11)은, 소성 유동화한 금속을 눌러서 주위로의 비산을 방지하는 역할을 담당하는 부위이며, 본 실시 형태에서는 오목면 형상으로 성형되어 있다. 숄더부(F1)의 외경(X₁)의 크기에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 본 접합용 회전 도구(G)의 숄더부(G1)의 외경(Y₁)보다도 작아져 있다.

교반 핀(F2)은, 숄더부(F1)의 하단부면(F11) 중앙으로부터 늘어져 있으며, 본 실시 형태에서는 끝이 가늘어진 원뿔대 형상으로 성형되어 있다. 또한, 교반 핀(F2)의 주위면에는, 나선 형상으로 새겨 넣어진 교반 날개가 형성되어 있다. 교반 핀(F2)의 외경의 크기에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 최대 외경(상단부 지름)(X₂)이 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 최대 외경(상단부 지름)(Y₂)보다도 작으며, 또한 최소 외경(하단부 지름)(X₃)이 교반 핀(G2)의 최소 외경(하단부 지름)(Y₃)보다도 작다. 교반 핀(F2)의 길이(L₂)는, 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 길이(L₁)[도 4의 (b) 참조]보다도 작게 하는 것이 바람직하다.

도 4의 (b)에 도시하는 본 접합용 회전 도구(G)는, 공구강 등 피접합 금속 부재(1)보다도 경질의 금속 재료로 이루어지며, 원기둥 형상을 나타내는 숄더부(G1)와, 이 숄더부(G1)의 하단부면(G11)에 돌출 설치된 교반 핀(프로브)(G2)을 구비하여 구성되어 있다.

숄더부(G1)의 하단부면(G11)은, 가접합용 회전 도구(F)와 마찬가지로, 오목면 형상으로 성형되어 있다. 교반 핀(G2)은 숄더부(G1)의 하단부면(G11)의 중앙으로부터 늘어져 있으며, 본 실시 형태에서는 끝이 가늘어진 원뿔대 형상으로 성형되어 있다. 또한, 교반 핀(G2)의 주위면에는 나선 형상으로 새겨 넣어진 교반 날개가 형성되어 있다.

이하, 본 실시 형태에 관한 접합 방법을 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 관한 접합 방법은, (1) 제1 준비 공정, (2) 제1 예비 공정, (3) 제1 본 접합 공정, (4) 제2 준비 공정, (5) 제2 예비 공정, (6) 제2 본 접합 공정, (7) 탭재 절제 공정, (8) 오목 홈 형성 공정, (9) 제1 용접 보수 공정, (10) 제3 준비 공정, (11) 제1 조인트 부재 접합 공정, (12) 제4 준비 공정, (13) 제2 조인트 부재 접합 공정, (14) 탭재 절제 공정, (15) 제2 용접 보수 공정을 포함하는 것이다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, (2) 제1 예비 공정 및 (3) 제1 본 접합 공정은, 표면(A)에 있어서 실행되는 공정이며, (5) 제2 예비 공정 및 (6) 제2 본 접합 공정은, 이면(B)에 있어서 실행되는 공정이다. 또한, (8) 오목 홈 형성 공정 및 (9) 제1 용접 보수 공정은 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 있어서 실행되는 공정이다. 또한, (11) 제1 조인트 부재 접합 공정은 제1 측면(C)에 있어서 실행되는 공정이며, (13) 제2 조인트 부재 접합 공정은 제2 측면(D)에 있어서 실행되는 공정이다. 또한, (15) 제2 용접 보수 공정은 표면(A) 및 이면(B)에 있어서 실행되는 공정이다.

(1) 제1 준비 공정

도 2 및 도 3을 참조해서 제1 준비 공정을 설명한다. 제1 준비 공정은 피접합 금속 부재(1)의 마찰 교반의 개시 위치나 종료 위치가 마련되는 예측 부재[제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)]를 준비하는 공정이다. 제1 준비 공정은, 본 실시 형태에서는 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)를 맞대는 맞댐 공정과, 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)의 양측에 제1 탭재(2)와 제2 탭재(3)를 배치하는 탭재 배치 공정과, 제1 탭재(2)와 제2 탭재(3)를 용접에 의해 피접합 금속 부재(1)에 가접합하는 가용접 공정을 구비하고 있다.

(1-1) 맞댐 공정

맞댐 공정에서는, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)의 단부면(11a)에 제2 금속 부재(1b)의 단부면(11b)을 밀착시킨다. 또한, 도 3 등에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)의 표면(12a)과 제2 금속 부재(1b)의 표면(12b)을 동일한 높이의 면으로 하고, 또한 제1 금속 부재(1a)의 이면(13a)과 제2 금속 부재(1b)의 이면(13b)을 동일한 높이의 면으로 한다. 또한, 마찬가지로, 제1 금속 부재(1a)의 제1 측면(14a)과 제2 금속 부재(1b)의 제1 측면(14b)을 동일한 높이의 면으로 하고, 제1 금속 부재(1a)의 제2 측면(15a)과 제2 금속 부재(1b)의 제2 측면(15b)을 동일한 높이의 면으로 한다.

즉, 표면(A)은 제1 금속 부재(1a)의 표면(12a)과 제2 금속 부재(1b)의 표면(12b)으로 형성되고, 이면(B)은 제1 금속 부재(1a)의 이면(13a)과 제2 금속 부재(1b)의 이면(13b)으로 형성되고, 제1 측면(C)은 제1 금속 부재(1a)의 제1 측면(14a)과 제2 금속 부재(1b)의 제1 측면(14b)으로 형성되고, 제2 측면(D)은 제1 금속 부재(1a)의 제2 측면(15a)과 제2 금속 부재(1b)의 제2 측면(15b)으로 형성된다.

(1-2) 탭재 배치 공정

탭재 배치 공정에서는, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 맞댐부(J1)의 제2 측면(D)측에 제1 탭재(2)를 배치하여, 그 접촉면(21)을 제2 측면(D)에 접촉시킨다. 또한, 맞댐부(J1)의 제1 측면(C)에 제2 탭재(3)를 배치하여, 그 접촉면(31)을 제1 측면(C)에 접촉시킨다. 이때, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 탭재(2)의 표면(22)과 제2 탭재(3)의 표면(32)을 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)과 동일한 높이의 면으로 하는 동시에, 제1 탭재(2)의 이면(23)과 제2 탭재(3)의 이면(33)을 피접합 금속 부재(1)의 이면(B)과 동일한 높이의 면으로 한다.

(1-3) 가용접 공정

가용접 공정에서는, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)에 의해 형성된 들어간 구석부(2a, 2b)를 용접해서 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)를 가접합한다. 또한, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)에 의해 형성된 들어간 구석부(3a, 3b)를 용접해서 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)를 가접합한다.

또한, 들어간 구석부(2a, 2b 및 3a, 3b)의 전체 길이에 걸쳐 연속해서 용접을 해도 좋고, 단속(斷續)해서 용접을 해도 좋다. 또한, 제1 준비 공정에 있어서, 가용접 공정을 생략할 경우에는, 도시하지 않은 마찰 교반 장치의 가대 위에서, 맞댐 공정과 탭재 배치 공정을 실행해도 좋다.

(2) 제1 예비 공정

제1 예비 공정은, 제1 본 접합 공정에 앞서 행해지는 공정이며, 본 실시 형태에서는 표면(A)측에 있어서, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)의 맞댐부(J2)를 접합하는 (2-1) 제1 탭재 접합 공정과, 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)를 가접합하는 (2-2) 가접합 공정과, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)의 맞댐부(J3)를 접합하는 (2-3) 제2 탭재 접합 공정과, 제1 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치에 예비 구멍을 형성하는 (2-4) 예비 구멍 형성 공정을 구비하고 있다.

제1 예비 공정에서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 하나의 가접합용 회전 도구(F)를 한 붓 그리기의 이동 궤적(비드)을 형성하도록 이동시켜, 맞댐부(J2, J1, J3)에 대하여 연속해서 마찰 교반을 행한다. 즉, 마찰 교반의 개시 위치(S_P1)에 삽입한 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)[도 4의 (a) 참조]을 도중에 이탈시키는 일 없이 종료 위치(E_P1)까지 이동시킨다. 또한, 본 실시 형태에서는 제1 탭재(2)에 마찰 교반의 개시 위치(S_P1)를 마련하고, 제2 탭재(3)에 종료 위치(E_P1)를 마련하고 있지만, 개시 위치(S_P1)와 종료 위치(E_P1)의 위치를 한정하는 취지는 아니다. 또한, 본 실시 형태에서는 가접합용 회전 도구(F) 및 본 접합용 회전 도구(G)의 회전 방향은, 모두 우회전으로 행하는 것으로 한다. 이와 같이, 가접합용 회전 도구(F) 및 본 접합용 회전 도구(G)의 회전 방향을 통일함으로써, 작업의 수고를 줄일 수 있다.

본 실시 형태의 제1 예비 공정에 있어서의 마찰 교반의 순서를 도 5 및 도 6을 참조해서 더욱 상세하게 설명한다.

우선, 가용접 공정을 행한 피접합 금속 부재(1)를 도시하지 않은 마찰 교반 장치의 가대에 고정한다. 그리고 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 탭재(2)의 적소에 마련한 개시 위치(S_P1)의 바로 위에 가접합용 회전 도구(F)를 위치시키고, 계속해서 가접합용 회전 도구(F)를 우회전시키면서 하강시켜 교반 핀(F2)을 개시 위치(S_P1)에 압박한다. 가접합용 회전 도구(F)의 회전 속도는, 교반 핀(F2)의 치수?형상, 마찰 교반되는 피접합 금속 부재(1) 등의 재질이나 두께 등에 따라서 설정되는 것이지만, 대부분은 500 내지 2000(rpm)의 범위 내에 있어서 설정된다.

교반 핀(F2)이 제1 탭재(2)의 표면(22)에 접촉하면, 마찰열에 의해 교반 핀(F2)의 주위에 있는 금속이 소성 유동화하고, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 교반 핀(F2)이 제1 탭재(2)에 삽입된다.

교반 핀(F2)의 전체가 제1 탭재(2)에 들어가고, 또한 숄더부(F1)의 하단부면(F11)의 전체면이 제1 탭재(2)의 표면(22)에 접촉하면, 도 6에 도시한 바와 같이 가접합용 회전 도구(F)를 회전시키면서 제1 탭재 접합 공정의 시작점(s2)을 향해 상대 이동시킨다.

가접합용 회전 도구(F)의 이동 속도(이송 속도)는, 교반 핀(F2)의 치수?형상, 마찰 교반되는 피접합 금속 부재(1) 등의 재질이나 두께 등에 따라서 설정되는 것이지만, 대부분은 100 내지 1000(㎜/분)의 범위 내에 있어서 설정된다. 가접합용 회전 도구(F)의 이동 시의 회전 속도는 삽입 시의 회전 속도와 동일하거나, 그것보다도 저속으로 한다. 또한, 가접합용 회전 도구(F)를 이동시킬 때에는, 숄더부(F1)의 축선을 연직선에 대하여 진행 방향의 후방측으로 약간 경사지게 해도 좋지만, 경사지게 하지 않고 연직으로 하면, 가접합용 회전 도구(F)의 방향 전환이 쉬워져, 복잡한 움직임이 가능해진다. 가접합용 회전 도구(F)를 이동시키면, 그 교반 핀(F2)의 주위에 있는 금속이 차례로 소성 유동화하는 동시에, 교반 핀(F2)으로부터 떨어진 위치에서는, 소성 유동화하고 있던 금속이 다시 경화된다.

가접합용 회전 도구(F)를 상대 이동시켜서 제1 탭재 접합 공정의 시작점(s2)까지 연속해서 마찰 교반을 행하면, 시작점(s2)에서 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키지 않고 그대로 제1 탭재 접합 공정으로 이행한다.

(2-1) 제1 탭재 접합 공정

제1 탭재 접합 공정에서는, 제1 탭재(2)와 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J2)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 구체적으로는, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)의 이음매(경계선) 위에 마찰 교반의 루트를 설정하고, 당해 루트를 따라 가접합용 회전 도구(F)를 상대 이동시킴으로써, 맞댐부(J2)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는 가접합용 회전 도구(F)를 도중에 이탈시키는 일 없이 제1 탭재 접합 공정의 시작점(s2)으로부터 종점(e2)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다.

또한, 가접합용 회전 도구(F)를 우회전시킨 경우에는, 가접합용 회전 도구(F)의 진행 방향의 좌측에 미세한 공동 결함이 발생할 우려가 있으므로, 가접합용 회전 도구(F)의 진행 방향의 우측에 피접합 금속 부재(1)가 위치하도록 제1 탭재 접합 공정의 시작점(s2)과 종점(e2)의 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 피접합 금속 부재(1)측에 공동 결함이 발생하기 어려워지므로, 고품질의 접합체를 얻을 수 있다.

덧붙여서 말하면, 가접합용 회전 도구(F)를 좌회전시킨 경우에는, 가접합용 회전 도구(F)의 진행 방향의 우측에 미세한 공동 결함이 발생할 우려가 있으므로, 가접합용 회전 도구(F)의 진행 방향의 좌측에 피접합 금속 부재(1)가 위치하도록 제1 탭재 접합 공정의 시작점과 종점의 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도시는 생략하지만, 가접합용 회전 도구(F)를 우회전시킨 경우의 종점(e2)의 위치에 시작점을 마련하고, 가접합용 회전 도구(F)를 우회전시킨 경우의 시작점(s2)의 위치에 종점을 마련하면 좋다.

또한, 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)이 맞댐부(J2)에 들어가면, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)를 분리하려고 하는 힘이 작용하지만, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)에 의해 형성된 들어간 구석부(2a, 2b)(도 2 참조)를 용접에 의해 가접합하고 있으므로, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2) 사이에 벌어짐이 발생하는 일이 없다.

(2-2) 가접합 공정

가접합용 회전 도구(F)가 제2 탭재 접합 공정의 종점(e2)에 도달하면, 종점(e2)에서 마찰 교반을 종료시키지 않고 가접합 공정의 시작점(s1)까지 연속해서 마찰 교반을 행하고, 그대로 가접합 공정으로 이행한다. 즉, 제1 탭재 접합 공정의 종점(e2)으로부터 가접합 공정의 시작점(s1)까지 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키지 않고 마찰 교반을 계속하고, 또한 시작점(s1)에서 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키는 일 없이 가접합 공정으로 이행한다. 이와 같이 하면, 제1 탭재 접합 공정의 종점(e2)에서의 가접합용 회전 도구(F)의 이탈 작업이 불필요해지고, 또한 가접합 공정의 시작점(s1)에서의 가접합용 회전 도구(F)의 삽입 작업이 불필요해지므로, 예비적인 접합 작업의 효율화?신속화를 도모하는 것이 가능해진다.

본 실시 형태에서는, 제1 탭재 접합 공정의 종점(e2)으로부터 가접합 공정의 시작점(s1)에 이르는 마찰 교반의 루트를 제1 탭재(2)에 설정하고, 가접합용 회전 도구(F)를 제1 탭재 접합 공정의 종점(e2)으로부터 가접합 공정의 시작점(s1)으로 이동시킬 때의 이동 궤적을 제1 탭재(2)에 형성한다. 이와 같이 하면, 제1 탭재 접합 공정의 종점(e2)으로부터 가접합 공정의 시작점(s1)에 이르는 공정 중에 있어서, 피접합 금속 부재(1)에 공동 결함이 발생하기 어려워지므로, 고품질의 접합체를 얻을 수 있다.

가접합 공정에서는, 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)(도 6 참조)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 구체적으로는, 피접합 금속 부재(1)의 이음매(경계선) 위에 마찰 교반의 루트를 설정하고, 당해 루트를 따라 가접합용 회전 도구(F)를 상대 이동시킴으로써, 맞댐부(J1)의 전체 길이에 걸쳐 연속해서 마찰 교반을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는 가접합용 회전 도구(F)를 도중에 이탈시키는 일 없이 가접합 공정의 시작점(s1)으로부터 종점(e1)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다.

가접합용 회전 도구(F)가 가접합 공정의 종점(e1)에 도달하면, 종점(e1)에서 마찰 교반을 종료시키지 않고 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)까지 연속해서 마찰 교반을 행하고, 그대로 제2 탭재 접합 공정으로 이행한다. 즉, 가접합 공정의 종점(e1)으로부터 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)까지 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키지 않고 마찰 교반을 계속하고, 또한 시작점(s3)에서 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키는 일 없이 제2 탭재 접합 공정으로 이행한다.

본 실시 형태에서는, 가접합 공정의 종점(e1)으로부터 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)에 이르는 마찰 교반의 루트를 제2 탭재(3)에 설정하고, 가접합용 회전 도구(F)를 가접합 공정의 종점(e1)으로부터 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)으로 이동시킬 때의 이동 궤적을 제2 탭재(3)에 형성한다. 이렇게 하면, 가접합 공정의 종점(e1)으로부터 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)에 이르는 공정 중에 있어서, 피접합 금속 부재(1)에 공동 결함이 발생하기 어려워지므로, 고품질의 접합체를 얻을 수 있다.

(2-3) 제2 탭재 접합 공정

제2 탭재 접합 공정에서는, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)의 맞댐부(J3)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 구체적으로는, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)의 이음매(경계선) 위에 마찰 교반의 루트를 설정하고, 당해 루트를 따라 가접합용 회전 도구(F)를 상대 이동시킴으로써, 맞댐부(J3)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는 가접합용 회전 도구(F)를 도중에 이탈시키는 일 없이 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)으로부터 종점(e3)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다.

또한, 가접합용 회전 도구(F)를 우회전시키고 있으므로, 가접합용 회전 도구(F)의 진행 방향의 우측에 피접합 금속 부재(1)가 위치하도록 제2 탭재 접합 공정의 시작점(s3)과 종점(e3)의 위치를 설정한다.

또한, 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)이 맞댐부(J3)에 들어가면, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)를 분리하려고 하는 힘이 작용하지만, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)의 들어간 구석부(3a, 3b)(도 2 참조)를 용접에 의해 가접합하고 있으므로, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3) 사이에 벌어짐이 발생하는 일이 없다.

가접합용 회전 도구(F)가 제2 탭재 접합 공정의 종점(e3)에 도달하면, 종점(e3)에서 마찰 교반을 종료시키지 않고, 제2 탭재(3)에 마련한 종료 위치(E_P1)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)측에 나타나는 이음매(경계선)의 연장선 상에 종료 위치(E_P1)를 마련하고 있다. 덧붙여서 말하면, 종료 위치(E_P1)는 이후에 설명하는 제1 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치(S_M1)이기도 하다.

가접합용 회전 도구(F)가 종료 위치(E_P1)에 도달하면, 가접합용 회전 도구(F)를 회전시키면서 상승시켜 교반 핀(F2)을 종료 위치(E_P1)로부터 이탈시킨다.

이상, 제1 탭재 접합 공정, 가접합 공정 및 제2 탭재 접합 공정에 대해서 설명했지만, 각 접합 공정에 있어서의 궤적은 어디까지나 예시이며, 다른 형태라도 좋다. 또한, 제1 탭재 접합 공정 및 제2 탭재 접합 공정을 생략하고, 가접합 공정만 행해도 된다.

(2-4) 예비 구멍 형성 공정

계속해서, 예비 구멍 형성 공정을 실행한다. 예비 구멍 형성 공정은, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치에 예비 구멍(P1)을 형성하는 공정이다. 제1 예비 공정에 관한 예비 구멍 형성 공정에 있어서는, 제2 탭재(3)의 표면(32)에 설정된 개시 위치(S_M1)에 예비 구멍(P1)을 형성한다.

예비 구멍(P1)은, 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 삽입 저항(압입 저항)을 줄일 목적으로 마련되는 것이며, 본 실시 형태에서는, 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)[도 4의 (a) 참조]을 이탈시켰을 때에 형성되는 빈 구멍(H1)을 도시하지 않은 드릴 등으로 지름을 확장함으로써 형성된다. 빈 구멍(H1)을 이용하면, 예비 구멍(P1)의 형성 공정을 간략화하는 것이 가능해지므로, 작업 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 예비 구멍(P1)의 형태에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 원통 형상으로 하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 제2 탭재(3)에 예비 구멍(P1)을 형성하고 있지만, 예비 구멍(P1)의 위치에 특별히 제한은 없으며, 제1 탭재(2)에 형성해도 좋고, 맞댐부(J2, J3)에 형성해도 좋지만, 적합하게는 본 실시 형태와 같이 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)측에 나타나는 피접합 금속 부재(1)의 이음매(경계선)의 연장선 상에 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에서는, 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)[도 4의 (a) 참조]의 빈 구멍(H1)의 지름을 확장해서 예비 구멍(P1)으로 하는 경우를 예시했지만, 교반 핀(F2)의 최대 외경(X₂)이 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 최소 외경(Y₃)보다도 크고, 또한 교반 핀(F2)의 최대 외경(X₂)이 교반 핀(G2)의 최대 외경(Y₂)보다도 작은 (Y₃ < X₂ < Y₂) 경우 등에 있어서는, 교반 핀(F2)의 빈 구멍(H1)을 그대로 예비 구멍(P1)으로 해도 좋다.

(3) 제1 본 접합 공정

제1 본 접합 공정은, 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)측에 있어서의 맞댐부(J1)를 본격적으로 접합하는 공정이다. 본 실시 형태에 관한 제1 본 접합 공정에서는, 도 4의 (b)에 도시하는 본 접합용 회전 도구(G)를 사용하고, 가접합된 상태의 맞댐부(J1)에 대하여 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)측으로부터 마찰 교반을 행한다.

제1 본 접합 공정에서는, 도 7의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 개시 위치(S_M1)에 형성한 예비 구멍(P1)에 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)을 삽입(압입)하고, 삽입한 교반 핀(G2)을 도중에 이탈시키는 일 없이 종료 위치(E_M1)까지 이동시킨다. 즉, 제1 본 접합 공정에서는 예비 구멍(P1)으로부터 마찰 교반을 개시하고, 종료 위치(E_M1)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다.

여기서, 상기한 제1 예비 공정을 끝낸 시점에서는, 가접합용 회전 도구(F)를 구비한 마찰 교반 장치는, 제2 탭재(3)의 종료 위치(E_P1)의 바로 위(도 6 참조)에 위치하고 있으므로, 제1 본 접합 공정의 개시 위치를 S_M1로 하면, 본 접합용 회전 도구(G)를 구비한 마찰 교반 장치를 이동시키는 일 없이 제1 본 접합 공정을 행할 수 있어, 작업을 생략할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제2 탭재(3)에 마찰 교반의 개시 위치(S_M1)를 마련하고, 제1 탭재(2)에 종료 위치(E_M1)를 마련하고 있지만, 개시 위치(S_M1)와 종료 위치(E_M1)의 위치를 한정하는 취지는 아니다.

도 7의 (a) 내지 (c)를 참조해서 제1 본 접합 공정을 더욱 상세하게 설명한다.

우선, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 예비 구멍(P1)[개시 위치(S_M1)]의 바로 위에 본 접합용 회전 도구(G)를 위치시키고, 계속해서 본 접합용 회전 도구(G)를 우회전시키면서 하강시켜 교반 핀(G2)의 선단부를 예비 구멍(P1)에 삽입한다. 교반 핀(G2)을 예비 구멍(P1)에 들어가게 하면, 교반 핀(G2)의 주위면(측면)이 예비 구멍(P1)의 구멍 벽에 접촉하고, 구멍 벽으로부터 금속이 소성 유동화한다. 이러한 상태가 되면, 소성 유동화한 금속을 교반 핀(G2)의 주위면에서 밀어 젖히면서, 교반 핀(G2)이 압입되게 되므로, 압입 초기 단계에 있어서의 압입 저항을 줄일 수 있게 된다. 또한, 본 접합용 회전 도구(G)의 숄더부(G1)가 제2 탭재(3)의 표면(32)에 접촉하기 전에 교반 핀(G2)이 예비 구멍(P1)의 구멍 벽에 접촉해서 마찰열이 발생하므로, 소성 유동화할 때까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 즉, 마찰 교반 장치의 부하를 줄이는 것이 가능해지고, 게다가 본 접합에 요하는 작업 시간을 단축하는 것이 가능해진다.

교반 핀(G2)의 전체가 제2 탭재(3)에 들어가고, 또한 숄더부(G1)의 하단부면(G11)의 전체면이 제2 탭재(3)의 표면(32)에 접촉하면, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 마찰 교반을 행하면서 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)의 일단부를 향해 본 접합용 회전 도구(G)를 상대 이동시키고, 또한 맞댐부(J3)를 가로지르게 해서 맞댐부(J1)에 돌입시킨다. 본 접합용 회전 도구(G)를 이동시키면, 그 교반 핀(G2)의 주위에 있는 금속이 차례로 소성 유동화하는 동시에, 교반 핀(G2)으로부터 떨어진 위치에서는, 소성 유동화하고 있던 금속이 다시 경화해서 소성화 영역(이하,「표면측 소성화 영역(W1)」이라고 함)이 형성된다. 또한, 소성화 영역이라 함은, 회전 도구의 마찰열에 의해 가열되어 실제로 소성화되어 있는 상태와, 회전 도구가 지나치게 통과해서 상온으로 복귀된 상태의 양쪽을 포함하는 것으로 한다.

본 접합용 회전 도구(G)의 이동 속도(이송 속도)는, 교반 핀(G2)의 치수?형상, 마찰 교반되는 피접합 금속 부재(1) 등의 재질이나 두께 등에 따라서 설정되는 것이지만, 대부분은 30 내지 300(㎜/분)의 범위 내에 있어서 설정된다.

피접합 금속 부재(1)로의 입열량이 과대해질 우려가 있는 경우에는, 본 접합용 회전 도구(G)의 주위에 표면(A)측으로부터 물을 공급하는 등을 하여 냉각하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b) 사이로 냉각수가 들어가면, 접합면[단부면(11a, 11b), 도 2의 (b) 참조]에 산화 피막을 발생시킬 우려가 있지만, 본 실시 형태에 있어서는 가접합 공정을 실행해서 피접합 금속 부재(1) 사이의 줄눈을 폐색하고 있으므로, 피접합 금속 부재(1) 사이로 냉각수가 들어가기 어려워, 접합부의 품질을 열화시킬 우려가 없다.

피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)에서는, 피접합 금속 부재(1)의 이음매 위 (가접합 공정에 있어서의 이동 궤적 위)에 마찰 교반의 루트를 설정하고, 당해 루트를 따라 본 접합용 회전 도구(G)를 상대 이동시킴으로써, 맞댐부(J1)의 일단부로부터 타단부까지 연속해서 마찰 교반을 행한다. 맞댐부(J1)의 타단부까지 본 접합용 회전 도구(G)를 상대 이동시키면, 마찰 교반을 행하면서 맞댐부(J2)를 가로지르게 해, 그대로 종료 위치(E_M1)를 향해 상대 이동시킨다.

또한, 본 실시 형태에서는, 피접합 금속 부재(1)의 표면(A)측에 나타나는 피접합 금속 부재(1)의 이음매(경계선)의 연장선 상에 마찰 교반의 개시 위치(S_M1)를 설정하고 있으므로, 제1 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 루트를 일직선으로 할 수 있다. 마찰 교반의 루트를 일직선으로 하면, 본 접합용 회전 도구(G)의 이동 거리를 최소한으로 억제할 수 있으므로, 제1 본 접합 공정을 효율적으로 행할 수 있게 되고, 또한 본 접합용 회전 도구(G)의 마모량을 줄일 수 있게 된다.

본 접합용 회전 도구(G)가 종료 위치(E_M1)에 도달하면, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 본 접합용 회전 도구(G)를 회전시키면서 상승시켜 교반 핀(G2)을 종료 위치(E_M1)[도 7의 (b) 참조]로부터 이탈시킨다. 또한, 종료 위치(E_M1)에 있어서 교반 핀(G2)을 상방으로 이탈시키면, 교반 핀(G2)과 거의 같은 형태의 빈 구멍(Q1)이 불가피하게 형성되게 되지만, 본 실시 형태에서는 그대로 남겨 놓는다.

본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)을 종료 위치(E_M1)로부터 이탈시킬 때의 본 접합용 회전 도구(G)의 회전 속도(이탈 시의 회전 속도)는, 이동 시의 회전 속도보다도 고속으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 이탈 시의 회전 속도를 이동 시의 회전 속도와 동일하게 한 경우에 비해, 교반 핀(G2)의 이탈 저항이 작아지므로, 종료 위치(E_M1)에 있어서의 교반 핀(G2)의 이탈 작업을 신속하게 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 본 접합 공정 전에, 제1 예비 공정을 행했지만, 제1 예비 공정을 생략하고, 제1 준비 공정의 직후에 제1 본 접합 공정을 행해도 된다.

(4) 제2 준비 공정

제2 준비 공정은, 제2 예비 공정에 앞서 행해지는 준비 공정이다. 본 실시 형태에서는, 피접합 금속 부재(1)의 이면(B)측을 상방으로 향하게 하여, 도시하지 않은 마찰 교반 장치에 다시 설치하는 피접합 부재 설치 공정을 구비하는 것이다.

(4-1) 피접합 부재 설치 공정

피접합 부재 설치 공정에서는, 제1 본 접합 공정을 끝낸 피접합 금속 부재(1)의 구속을 해제한 후, 피접합 금속 부재(1)의 앞뒤를 반대로 하여, 이면(B)측을 상방으로 향하게 해 마찰 교반 장치의 가대에 다시 설치한다. 본 실시 형태에서는, 도 1에 도시하는 전후 축 주위로 피접합 금속 부재(1)를 반회전시켜, 피접합 금속 부재(1)의 앞뒤를 반대로 한다.

여기서, 도 8의 (a)는 본 실시 형태에 관한 제2 준비 공정의 피접합 부재 설치 공정 후에 있어서, 맞댐부(J1)로부터 제1 금속 부재(1a)측을 향하는 단면도이다. 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 피접합 부재 설치 공정에서는 피접합 금속 부재(1)의 상면이 이면(B)이 되는 동시에, 맞댐부(J1)측으로부터 제1 금속 부재(1a)를 향하면, 피접합 금속 부재(1)의 좌측에 제2 탭재(3), 우측에 제1 탭재(2)가 위치한다.

또한, 마찰 교반 장치에 따라서는, 피접합 금속 부재(1)의 구속을 해제하지 않고 앞뒤를 회전시켜도 좋다.

(5) 제2 예비 공정

제2 예비 공정은, 제2 본 접합 공정에 앞서 행해지는 공정이며, 이면(B)측에 있어서, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)의 맞댐부(J3)를 접합하는 (5-1) 제2 탭재 접합 공정과, 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J1)를 가접합하는 (5-2) 가접합 공정과, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)의 맞댐부(J2)를 접합하는 (5-3) 제1 탭재 접합 공정과, 제2 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치에 예비 구멍을 형성하는 (5-4) 예비 구멍 형성 공정을 구비하고 있다. 또한, (5-1) 제2 탭재 접합 공정, (5-2) 가접합 공정 및 (5-3) 제1 탭재 접합 공정에 있어서는, 가접합용 회전 도구(F)를 사용한다.

(5-1) 제2 탭재 접합 공정, (5-2) 가접합 공정 및 (5-3) 제1 탭재 접합 공정

(5-1) 제2 탭재 접합 공정, (5-2) 가접합 공정 및 (5-3) 제1 탭재 접합 공정은, 상기한 제1 예비 공정에 관한 (2-3) 제2 탭재 접합 공정, (2-2) 가접합 공정 및 (2-1) 제1 탭재 접합 공정과 거의 동등한 공정이다. 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 하나의 가접합용 회전 도구(F)를 한 붓 그리기의 이동 궤적(비드)을 형성하도록 이동시키고, 맞댐부(J3, J1, J2)의 순으로 연속해서 마찰 교반을 행한다. 즉, 마찰 교반의 개시 위치(S_P2)에 삽입한 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)[도 4의 (a) 참조]을 도중에 이탈시키는 일 없이 종료 위치(E_P2)까지 이동시켜, (5-1) 제2 탭재 접합 공정, (5-2) 가접합 공정 및 (5-3) 제1 탭재 접합 공정을 연속해서 실행한다. 또한, 종료 위치(E_P2)는, 이후에 행하는 제2 본 접합 공정의 개시 위치(S_M2)가 된다.

여기서, 제1 예비 공정에서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 탭재(2)측으로부터, (2-1) 제1 탭재 접합 공정, (2-2) 가접합 공정 및 (2-3) 제2 탭재 접합 공정을 차례로 행했다. 한편, 제2 예비 공정에서는 맞댐부(J1)로부터 제1 금속 부재(1a)측을 향하면, 제2 탭재(3)가 피접합 금속 부재(1)의 좌측에 위치하는 동시에, 제1 본 접합 공정을 끝낸 시점에서, 본 접합용 회전 도구(G)를 구비한 마찰 교반 장치가 제2 탭재(3)의 상방에 위치하고 있으므로, 제2 탭재(3)측으로부터 (5-1) 제2 탭재 접합 공정, (5-2) 가접합 공정 및 (5-3) 제1 탭재 접합 공정을 차례로 행한다. 이렇게 하면, 가접합용 회전 도구(F)를 구비한 마찰 교반 장치의 이동 거리가 작아져 버리므로, 작업의 수고를 덜 수 있다.

또한, (5-1) 제2 탭재 접합 공정, (5-2) 가접합 공정 및 (5-3) 제1 탭재 접합 공정의 상세한 설명은, 제1 예비 공정과 거의 동등하므로 생략한다.

(5-4) 예비 구멍 형성 공정

예비 구멍 형성 공정은, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치(S_M2)에 예비 구멍(P2)을 형성하는 공정이다. 즉, 예비 구멍 형성 공정은 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 삽입 예정 위치에 예비 구멍(P2)을 형성하는 공정이다. 이에 의해, 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 삽입 저항(압입 저항)을 줄일 수 있다.

또한, (5-4) 예비 구멍 형성 공정은, 제1 예비 공정에 관한 (2-4) 예비 구멍 형성 공정과 거의 동등하므로, 상세한 설명은 생략한다.

(6) 제2 본 접합 공정

제2 본 접합 공정은, 피접합 금속 부재(1)의 이면(B)측에 있어서의 맞댐부(J1)를 본격적으로 접합하는 공정이다. 본 실시 형태에 관한 제2 본 접합 공정에서는, 본 접합용 회전 도구(G)를 사용하고, 가접합된 상태의 맞댐부(J1)에 대하여 피접합 금속 부재(1)의 이면(B)측으로부터 마찰 교반을 행한다.

제2 본 접합 공정은, 도 9의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 탭재(2)의 이면(23)에 설정된 개시 위치(S_M2)에 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)을 삽입(압입)하고, 삽입한 교반 핀(G2)을 도중에 이탈시키는 일 없이 종료 위치(E_M2)까지 이동시킨다. 제2 본 접합 공정에서는 예비 구멍(P2)으로부터 마찰 교반을 개시하고, 종료 위치(E_M2)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다. 본 접합용 회전 도구(G)를 이동시키면, 그 교반 핀(G2)의 주위에 있는 금속이 차례로 소성 유동화하는 동시에, 교반 핀(G2)으로부터 떨어진 위치에서는, 소성 유동화하고 있던 금속이 다시 경화해서 소성화 영역(이하,「이면측 소성화 영역(W2)」이라고 함)이 형성된다.

여기서, 제2 예비 공정을 끝낸 시점에서는, 가접합용 회전 도구(F)를 구비한 마찰 교반 장치는, 제1 탭재(2)의 종료 위치(E_P2)의 바로 위[도 8의 (b) 참조]에 위치하고 있으므로, 제2 본 접합 공정의 개시 위치(S_M2)를 제1 탭재(2)의 상방에 설정하면, 본 접합용 회전 도구(G)를 구비한 마찰 교반 장치를 이동시키는 일 없이 제2 본 접합 공정을 행할 수 있어, 작업을 생략할 수 있다.

또한, 제2 본 접합 공정에 대해서는, 제1 본 접합 공정과 거의 동등하므로, 상세한 설명은 생략한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제2 예비 공정을 행했지만, 제2 예비 공정을 생략하여 제1 본 접합 공정의 직후에 제2 본 접합 공정을 행해도 된다.

(7) 탭재 절제 공정

탭재 절제 공정에서는, 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 피접합 금속 부재(1)로부터 절제하는 공정이다. 본 실시 형태에서는, 제2 본 접합 공정을 끝낸 피접합 금속 부재(1)를 마찰 교반 장치의 가대로부터 일단 제거하고, 도시하지 않은 절삭 기구를 이용해서 맞댐부(J2, J3)를 따라 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 절제한다.

도 10은, 탭재 절제 공정을 행한 후의 피접합 금속 부재(1)를 도시한 사시도이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)은, 제1 측면(C)측으로부터 제2 측면(D)측에 걸쳐 연속해서 형성되어 있다. 한편, 대향하는 표면측 소성화 영역(W1)과 이면측 소성화 영역(W2) 사이에는, 제1 측면(C)측으로부터 제2 측면(D)측에 걸쳐 연속되는 미세한 미소성화 영역(j)이 형성되어 있다.

여기서, 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)에는, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향(화살표 V₁, V₂ 참조) 좌측, 즉 제2 금속 부재(1b)에, 제1 측면(C)측으로부터 제2 측면(D)측에 걸쳐 연속되는 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)이 발생하고 있는 것으로 한다. 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)은, 마찰 교반 접합을 행하면 버어가 발생해서 메탈이 부족함으로써 형성되는 터널 형상의 공동 결함이다.

또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)의 양단부에는, 산화 피막(Z₁ 내지 Z₄)이 권취되어 있는 것으로 한다. 산화 피막(Z₁ 내지 Z₄)은 제1 측면(C), 제2 측면(D), 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)에 형성된 산화 피막을 피접합 금속 부재(1)의 내부에 권취함으로써 형성되는 것이다. 예를 들어, 산화 피막(Z₁)은 본 접합용 회전 도구(G)를 우회전시키고 있으므로, 제2 측면(D) 및 제1 탭재(2)에 형성된 산화 피막을 권취함으로써, 이면측 소성화 영역(W2)에 관한 제2 금속 부재(1b)측에 형성되기 쉽다.

(8) 오목 홈 형성 공정

오목 홈 형성 공정은, 도 11에 도시한 바와 같이 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 있어서, 맞댐부(J1)를 따라 오목 홈(K)을 형성하는 공정이다. 오목 홈(K)은, 이후에 설명하는 조인트 부재 배치 공정에 있어서, 조인트 부재(U)를 배치시키기 위한 오목 형상의 홈이다. 오목 홈(K)은, 본 실시 형태에 있어서는 공지의 엔드밀 등을 이용하여, 일정한 폭(k₁), 깊이(k₂)로 이면(B)으로부터 표면(A)에 걸쳐 연속해서 형성되어 있다.

오목 홈(K)을 마련함으로써, 이후에 설명하는 조인트 부재 접합 공정을 행할 때에, 조인트 부재(U)를 배치시킬 수 있는 동시에, 산화 피막(Z₁ 내지 Z₄)(도 10 참조)을 제거할 수 있다. 즉, 오목 홈(K)의 폭(k₁) 및 깊이(k₂)는, 산화 피막(Z₁ 내지 Z₄)의 크기(범위)에 따라서 적절하게 설정하면 좋다. 오목 홈(K)은, 본 실시 형태에 있어서는 단면에서 보아 직사각형으로 형성했지만 이것에 한정되는 것은 아니며 다른 형상이라도 좋다. 오목 홈(K)의 단면 형상은, 조인트 부재(U)가 거의 간극 없이 끼워 맞추도록, 조인트 부재(U)의 단면 형상과 거의 동등한 것이 바람직하다.

(9) 제1 용접 보수 공정

도 12는, 오목 홈 형성 공정 후의 제1 측면(C)측의 평면도이다. 제1 용접 보수 공정은, 도 12에 도시한 바와 같이 오목 홈(K)의 저면(kb)에 노출되는 미소성화 영역(j)을 용접에 의해 보수를 행하는 공정이다. 또한, 본 실시 형태와 같이, 저면(kb)에 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)이 노출되는 경우에는, 당해 터널 형상 공동 결함의 보수를 행하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는 오목 홈(K)의 저면(kb)에는 표면측 소성화 영역(W1)과 이면측 소성화 영역(W2) 사이에 미소성화 영역(j)이 노출되어 있다. 또한, 저면(kb)에는 표면측 소성화 영역(W1)에 터널 형상 공동 결함(R₁)이, 이면측 소성화 영역(W2)에 터널 형상 공동 결함(R₂)이 각각 노출되어 있다.

그로 인해, 미소성화 영역(j)의 전체 길이에 걸쳐 용접을 행하는 용접 금속(T₁)에 의해 간극을 밀폐한다. 또한, 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)에 용접을 행하고, 용접 금속(T₂)에 의해 공극을 밀폐한다. 이와 같이, 저면(kb)에 노출되는 간극(공극)을 미리 메움으로써, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D) 간의 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

제1 용접 보수 공정에 있어서의 용접의 종류는 상관없지만, 예를 들어 MIG 용접, TIG 용접 등에 의해 패딩 용접을 행한 후에, 오목 홈(K)의 저면(kb)으로부터 돌출한 패딩부를 절제하여, 저면(kb)을 평활하게 하는 것이 바람직하다. 저면(kb)을 평활하게 함으로써, 이후에 설명하는 조인트 부재(U)를 오목 홈(K)에 배치했을 때에, 조인트 부재(U)와 오목 홈(K)의 저면(kb)과의 간극을 작게 할 수 있다.

또한, 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)의 내부에는, 저면(kb)에 노출되지 않은 공동 결함이 형성되어 있을 가능성이 있으므로, 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)의 전체면에 예비적으로 용접 보수를 행해도 된다.

(10) 제3 준비 공정

제3 준비 공정은, 제1 조인트 부재 접합 공정에 앞서 행해지는 공정이다. 제3 준비 공정은, 본 실시 형태에서는 오목 홈(K)에 제1 조인트 부재[U(U1)]를 배치하는 (10-1) 제1 조인트 부재 배치 공정과, 피접합 금속 부재(1)의 양측면에 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 배치하는 (10-2) 탭재 배치 공정과, 제1 탭재(2)와 제2 탭재(3)를 용접에 의해 피접합 금속 부재(1)에 가접합하는 (10-3) 가용접 공정과, 탭재를 배치한 피접합 금속 부재(1)를 마찰 교반 장치의 가대에 설치하는 (10-4) 피접합 금속 부재 설치 공정을 구비하는 것이다.

(10-1) 제1 조인트 부재 배치 공정

제1 조인트 부재 배치 공정은, 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 제1 측면(C)에 형성된 오목 홈(K)에 제1 조인트 부재(U1)를 배치하는 공정이다. 이하, 제1 조인트 부재(U1)의 구성에 대해서 상세하게 설명한다.

도 13에 도시한 바와 같이, 제1 조인트 부재(U1)는 단면에서 보아 직사각형으로 이루어지는 판 형상 부재이며, 길이 방향에 관한 양단부면은 표면(A) 및 이면(B)과 동일한 높이의 면이 되도록 형성되어 있다. 도 14의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 조인트 부재(U1)의 폭(u₁)은, 오목 홈(K)의 폭(k₁)과 거의 동등하게 형성되어 있고, 제1 조인트 부재(U1)의 두께(u₂)는, 오목 홈(K)의 두께(k₂)와 거의 동등하게 형성되어 있다. 또한, 제1 조인트 부재(U1)의 측면(uc, ud)은 오목 홈(K)의 벽면(kc, kd)과 맞대서 배치되어 있다.

즉, 도 14의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 조인트 부재(U1)의 상면(ua)은, 제1 측면(C)과 동일한 높이의 면으로 형성되는 동시에, 제1 조인트 부재(U1)의 측면(uc)과 오목 홈(K)의 벽면(kc)에 의해 제1 맞댐부(J4)가 형성되어 있다. 또한, 제1 조인트 부재(U1)의 측면(ud)과 오목 홈(K)의 벽면(kd)에 의해 제2 맞댐부(J5)가 형성되어 있다. 즉, 제1 맞댐부(J4)는 제1 조인트 부재(U1)와 제1 금속 부재(1a)에 의해 형성되는 부분을 말한다. 또한, 제2 맞댐부(J5)는 제1 조인트 부재(U1)와 제2 금속 부재(1b)에 의해 형성되는 부분을 말한다. 또한, 제1 조인트 부재(U1)의 하면(ub)과 오목 홈(K)의 저면(kb)에 의해 경계부(J6)가 형성되어 있다. 또한, 제1 조인트 부재(U1)의 상면(ua)에 있어서, 길이 방향의 중심선을 포함하는 부분을 중앙부(J7)라 한다.

또한, 제1 조인트 부재(U1)는, 본 실시 형태에서는 피접합 금속 부재(1)와 동등한 금속 부재로 이루어지지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료라도 좋다.

(10-2) 탭재 배치 공정

탭재 배치 공정에서는, 도 15의 (a)에 도시한 바와 같이, 표면(A)에 있어서의 표면측 소성화 영역(W1)을 따라 제1 탭재(2)를 배치하여, 그 접촉면(21)을 표면(A)에 접촉시킨다. 또한, 이면(B)에 있어서의 이면측 소성화 영역(W2)을 따라 제2 탭재(3)를 배치하여, 그 접촉면(31)을 이면(B)에 접촉시킨다.

또한, 구체적인 도시는 하지 않지만, 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)의 표면과 피접합 금속 부재(1)의 제1 측면(C)은 동일한 높이의 면으로 형성되어 있다. 또한, 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)의 이면과 피접합 금속 부재(1)의 제2 측면(D)은 동일한 높이의 면으로 형성되어 있다. 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 피접합 금속 부재(1)에 첨설시킴으로써, 회전 도구의 개시 위치(삽입 위치)를 쉽게 설정할 수 있어, 신속하게 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.

(10-3) 가용접 공정

가용접 공정은, 도 15의 (a)에 도시한 바와 같이, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)에 의해 형성된 들어간 구석부(2a, 2b)를 용접해서 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(2)를 가접합한다. 또한, 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)에 의해 형성된 들어간 구석부(3a, 3b)를 용접해서 피접합 금속 부재(1)와 제2 탭재(3)를 가접합한다.

(10-4) 피접합 금속 부재 설치 공정

피접합 금속 부재 설치 공정에 있어서는, 도 15의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 측면(C)이 상면에 위치하고, 또한 평면에서 보아 제1 탭재(2)가 좌측에 위치하도록, 도시하지 않은 마찰 교반 장치의 가대에 설치한다.

또한, 제3 준비 공정에 있어서, 본 실시 형태에 있어서는, 상기한 바와 같이 행했지만, 예를 들어 피접합 금속 부재 설치 공정 후에, 제1 조인트 부재 배치 공정을 행해도 된다.

(11) 제1 조인트 부재 접합 공정

제1 조인트 부재 접합 공정은, 도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이, 제1 측면(C)에 배치된 제1 조인트 부재(U1)에, 마찰 교반 접합을 행하는 공정이다. 제1 조인트 부재 접합 공정은, 본 실시 형태에 있어서는 제1 맞댐부(J4)를 따라 마찰 교반 접합을 행하는 (11-1) 제1 맞댐부 접합 공정과, 중앙부(J7)를 따라 마찰 교반 접합을 행하는 (11-2) 중앙부 접합 공정과, 제2 맞댐부(J5)를 따라 마찰 교반 접합을 행하는 (11-3) 제2 맞댐부 접합 공정을 구비하는 것이다.

제1 조인트 부재 접합 공정은, 개시 위치로부터 종료 위치까지 회전 도구를 이탈시키는 일 없이, 한 붓 그리기의 요령으로 마찰 교반 접합을 행하는 것이다. 또한, 제1 조인트 부재 접합 공정에 있어서는, 비교적 소회전에 효과적인 가접합용 회전 도구(F)를 사용한다. 본 실시 형태에 있어서는, 가접합용 회전 도구(F)를 우회전시켜서 마찰 교반 접합을 행하는 것으로 한다.

(11-1) 제1 맞댐부 접합 공정

제1 맞댐부 접합 공정은, 제1 탭재(2)의 표면에 형성된 개시 위치(S_M3)로부터 제1 맞댐부(J4)를 따라 반환점(f₂)까지 연속해서 마찰 교반 접합을 행하는 것이다. 개시 위치(S_M3)에 가접합용 회전 도구(F)를 압박한 후, 제1 맞댐부 접합 공정의 시작점(f₁)을 향해 가접합용 회전 도구(F)를 상대 이동시킨다. 그리고 시작점(f₁)에서 이탈시키는 일 없이 그대로 맞댐부(J8)를 횡단하여, 반환 지점(f₂)까지 이동시킨다. 제1 맞댐부 접합 공정에 있어서 형성된 소성화 영역을, 제1 측면측 소성화 영역(w₁)이라 한다.

여기서, 도 15의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 측면측 소성화 영역(w₁)의 깊이(wa)와, 제1 조인트 부재(U1)의 두께(u₂)는, wa > u₂가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 맞댐부(J4)의 두께 방향의 전체 길이에 걸쳐 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.

또한, 가접합용 회전 도구(F)의 매설 깊이(p)는, 교반 핀(F2)의 길이(L₂)와, 가접합용 회전 도구(F)의 압입량(q)[제1 측면(C)으로부터 숄더부(F1)의 하면까지의 거리]을 이용해서 p = L₂ ＋ q로 나타낸다. 예를 들어, 매설 깊이(p)와, 제1 조인트 부재(U1)의 두께(u₂)와의 관계가 p ≥ u₂가 되도록 설정하면, 더욱 확실하게 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.

또한, 도 15의 (b)에 도시한 바와 같이, 가접합용 회전 도구(F)의 숄더부(F1)의 외경(X₁)과, 제1 조인트 부재(U1)의 폭(u₁)과의 관계는, 3 × X₁ > u₁가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 이렇게 설정함으로써, 제1 조인트 부재(U1)의 상면(ua)의 전체면을 마찰 교반 접합할 수 있다.

반환 지점(f₂)은, 본 실시 형태에 있어서는 제1 조인트 부재(U1) 내에 설정한다. 즉, 반환 지점(f₂)은 평면에서 보아 이면측 소성화 영역(W2) 내에 위치하는 동시에, 이면(B)으로부터 반환 지점(f₂)까지의 거리(d₁)와, 가접합용 회전 도구(F)의 숄더부(F1)의 외경(X₁)[도 4의 (a) 참조]의 관계가 X₁/2 < d₁가 되는 위치에 설정하는 것이 바람직하다. 반환 지점(f₂)을 이와 같이 설정함으로써, 가접합용 회전 도구(F)가 이면(B)에 걸리지 않도록 할 수 있다. 이에 의해, 이면(B)에 형성되어 있는 산화 피막을 제1 조인트 부재(U1)측에 권취되지 않으므로, 기밀성 및 수밀성이 높은 피접합 금속 부재(1)를 형성할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 반환 지점(f₂)을 피접합 금속 부재(1) 내에 마련했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 제2 탭재(3)에 마련해도 좋다.

(11-2) 중앙부 접합 공정

중앙부 접합 공정은, 중앙부 접합 공정의 시작점(f₃)으로부터 중앙부(J7)를 따라 중앙부 접합 공정의 반환 지점(f₄)까지 연속해서 마찰 교반 접합을 행하는 것이다. 즉, 제1 맞댐부 접합 공정 종료 후, 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키는 일 없이 이면(B)과 대략 평행하게 이동시켜, 반환 지점(f₂)으로부터 시작점(f₃)까지 마찰 교반 접합을 행한다. 그리고 시작점(f₃)에 도달하면, 중앙부(J7)[맞댐부(J1)]를 따라 마찰 교반 접합을 행한다. 이에 의해, 제1 조인트 부재(U1) 중앙 부분에 있어서, 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.

또한, 도 15의 (b)에 도시한 바와 같이, 중앙부 접합 공정에 있어서 형성되는 제1 측면측 소성화 영역(w₂)의 깊이(wa)는, 제1 조인트 부재(U)의 두께(u₂)보다도 커지도록 설정한다. 또한, 중앙부 접합 공정의 시작점(f₃)을, 평면에서 보아 이면측 소성화 영역(W2) 내에, 반환점(f₄)을, 평면에서 보아 표면측 소성화 영역(W1) 내에 설정한다. 이에 의해, 미소성화 영역(j)의 전체 길이에 걸쳐 마찰 교반 접합을 행할 수 있으므로, 더욱 확실하게 간극을 밀폐할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 중앙부 접합 공정의 반환 지점(f₄)은 제1 조인트 부재(U1) 내에 설정한다. 즉, 반환 지점(f₄)은 평면에서 보아 표면측 소성화 영역(W1) 내에 설정하는 동시에, 표면(A)으로부터 반환점(f₄)까지의 거리(d₂)와, 가접합용 회전 도구(F)의 숄더부(F1)의 외경(X₁)[도 4의 (a) 참조]과의 관계가 X₁/2 < d₂가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 반환 지점(f₄)을 이렇게 설정함으로써, 가접합용 회전 도구(F)가 표면(A)에 걸리지 않도록 할 수 있다. 이에 의해, 표면(A)에 형성되어 있는 산화 피막이 제1 조인트 부재(U1)측에 권취되지 않으므로, 기밀성 및 수밀성이 높은 피접합 금속 부재(1)를 형성할 수 있다.

(11-3) 제2 맞댐부 접합 공정

제2 맞댐부 접합 공정은, 제2 맞댐부의 시작점(f₅)으로부터 제2 맞댐부(J5)를 따라 종료 위치(E_M3)까지 연속해서 마찰 교반 접합을 행하는 것이다. 즉, 중앙부 접합 공정 종료 후, 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키는 일 없이 표면(A)과 대략 평행하게 이동해서 반환 지점(f₄)으로부터 시작점(f₅)까지 마찰 교반 접합을 행하는 것이다. 시작점(f₅)에 도달하면 제2 맞댐부(J5)를 따라 마찰 교반 접합을 행한다. 그리고 제2 맞댐부 접합 공정의 종점(f₆)에 도달하면, 그대로 맞댐부(J9)를 횡단해서 종료 위치(E_M3)까지 이동시켜, 가접합용 회전 도구(F)를 제2 탭재(3)로부터 이탈시킨다.

도 15의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 맞댐부 접합 공정에 있어서 형성되는 제1 측면측 소성화 영역(w₃)의 깊이(wa)는, 제1 조인트 부재의 두께(u₂)보다도 커지도록 형성되어 있다. 이에 의해, 제2 맞댐부(J5)의 두께 방향의 전체 길이에 걸쳐 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.

상기한 제1 조인트 부재 접합 공정은, 평면에서 보면 도 16과 같은 비드가 형성된다. 즉, 제1 조인트 부재(U1)는 제1 조인트 부재(U1)의 양단부의 일부를 남기고 제1 측면측 소성화 영역(w₁ 내지 w₃)에 의해 덮혀져 있다. 또한, 도 15의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 조인트 부재(U1)의 전(全)단면이 제1 측면측 소성화 영역(w₁ 내지 w₃)에서 마찰 교반되어 있다.

제1 조인트 부재 접합 공정에서는, 본 실시 형태와 같이, 오목 홈(K)의 저면(kb)과 제1 조인트 부재(U)의 하면(ub)에 의해 형성되는 경계부(J6)가, 전체면에 걸쳐 마찰 교반 접합되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 오목 홈(K)의 저면(kb)은, 표면측 소성화 영역(W1), 이면측 소성화 영역(W2) 및 제1 측면측 소성화 영역(w₁ 내지 w₃)에 의해 마찰 교반되므로, 맞댐부(J1)를 간극 없이 확실하게 밀폐할 수 있다.

또한, 도 14의 (b)에 도시한 바와 같이, 오목 홈(K)의 폭(k₁)과, 이면측 소성화 영역(W2)의 폭(n)은 k₁ < n가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 조인트 부재(U1)의 폭(u₁)을 작게 설정할 수 있으므로, 작업 효율을 높일 수 있다.

즉, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 조인트 부재(U1)의 폭(u₁)과 가접합용 회전 도구(F)의 숄더부(F1)의 외경(X₁)의 관계로부터, 3 패스(1왕복반)로 마찰 교반 접합을 행했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 제1 조인트 부재(U)의 폭(u₁)과 숄더부의 외경(X₁)과의 길이를 근접시킨 경우에는, 1 패스(pass) 또는 2 패스라도 좋다.

한편, 제1 조인트 부재(U)의 폭(u₁)과 숄더부의 외경(X₁)과의 길이의 차를 크게 한 경우에는, 4 패스 이상이라도 좋다. 또한, 반드시 직선 형상의 비드가 아니어도 좋고, 지그재그로 마찰 교반 접합을 행해도 좋다.

(12) 제4 준비 공정

제4 준비 공정은, 제2 조인트 부재 접합 공정에 앞서 행해지는 공정이다. 제4 준비 공정은, 본 실시 형태에서는 오목 홈(K)에 제2 조인트 부재[U(U2)]를 배치하는 (12-1) 제2 조인트 부재 배치 공정과, 제2 조인트 부재(U2)가 배치된 피접합 금속 부재(1)를 마찰 교반 장치에 설치하는 (12-2) 피접합 금속 부재 설치 공정을 구비하는 것이다. 제4 준비 공정은, 제3 준비 공정과 대략 동등하므로, 간단하게 설명한다.

(12-1) 제2 조인트 부재 배치 공정

우선, 제1 조인트 부재 접합 공정이 종료되면, 도시하지 않은 마찰 교반 장치의 가대에 고정된 피접합 금속 부재(1)를 제거하고, 제2 측면(D)측을 상방으로 향하게 하여, 제2 측면(D)에 형성된 오목 홈(K)에 제2 조인트 부재(U2)를 배치한다.

(12-2) 피접합 금속 부재 설치 공정

그리고 도 17에 도시한 바와 같이, 피접합 금속 부재(1)를 평면에서 본 경우에, 좌측에 제2 탭재(3)가 배치되고, 우측에 제1 탭재(2)가 배치되도록 피접합 금속 부재(1)를 도시하지 않은 마찰 교반 장치에 설치한다.

또한, (12-2) 피접합 금속 부재 설치 공정을 행한 후에, (12-1) 제2 조인트 부재 배치 공정을 행해도 된다.

(13) 제2 조인트 부재 접합 공정

제2 조인트 부재 접합 공정은, 도 17에 도시한 바와 같이, 제2 측면(D)에 배치된 제2 조인트 부재(U2)에, 마찰 교반 접합을 행하는 공정이다. 제2 조인트 부재 접합 공정은, 본 실시 형태에 있어서는 제2 맞댐부(J5')에 마찰 교반 접합을 행하는 (13-1) 제2 맞댐부 접합 공정과, 중앙부(J7')에 마찰 교반 접합을 행하는 (13-2) 중앙부 접합 공정과, 제1 맞댐부(J4')에 마찰 교반 접합을 행하는 (13-3) 제1 맞댐부 접합 공정을 구비하는 것이다.

제2 조인트 부재 접합 공정은, 도 17에 도시한 바와 같이 제1 탭재(2)의 표면에 설정된 개시 위치(S_M4)로부터, 제2 탭재(3)의 표면에 설정된 종료 위치(E_M4)까지 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키는 일 없이, 한 붓 그리기의 요령으로 마찰 교반 접합을 행하는 것이다.

제1 조인트 부재 접합 공정이 종료된 시점에 있어서, 도시하지 않은 마찰 교반 장치는 피접합 금속 부재(1)를 평면에서 본 경우에, 피접합 금속 부재(1)의 우측에 배치된다. 그로 인해, 제2 조인트 부재 접합 공정의 개시 위치(S_M4)는, 제2 탭재(3)의 표면에 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 마찰 교반 장치의 움직임을 생략해서 작업 효율을 높일 수 있다.

(13-1) 제2 맞댐부 접합 공정, (13-2) 중앙부 접합 공정 및 (13-3) 제1 맞댐부 접합 공정은, 각각 상기한 (11-3) 제2 맞댐부 접합 공정, (11-2) 중앙부 접합 공정 및 (11-1) 제1 맞댐부 접합 공정을 반대측으로부터 마찰 교반한 것이므로, 상세한 설명을 생략한다. 또한, 제2 조인트 부재 접합 공정에 의해 형성되는 소성화 영역을 각각 제2 측면측 소성화 영역(w₁' 내지 w₃')이라 한다.

(14) 탭재 절제 공정

탭재 절제 공정에서는, 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 피접합 금속 부재(1)로부터 절제하는 공정이다. 본 실시 형태에서는, 제2 조인트 부재 접합 공정을 끝낸 피접합 금속 부재(1)를 마찰 교반 장치의 가대로부터 제거하고, 도시하지 않은 절삭 기구를 이용해서 제1 탭재(2)와 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J8) 및 제2 탭재(3)와 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J9)를 따라 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 절제한다.

(14) 제2 용접 보수 공정

제2 용접 보수 공정은, 제1 조인트 부재 접합 공정 및 제2 조인트 부재 접합 공정에서 형성된 제1 측면측 소성화 영역(w₁ 및 w₃) 및 제2 측면측 소성화 영역(w₁' 및 w₃')에 있어서 형성되는 터널 형상 공동 결함 및 산화 피막에 대하여, 용접에 의해 보수를 행하는 공정이다.

즉, 도 18에 도시한 바와 같이, 제1 측면측 소성화 영역(w₁)의 표면(A)에는, 표면(A)으로부터 이면(B)측으로 연속되는 터널 형상 공동 결함(r₁)이 형성될 우려가 있다. 따라서, 터널 형상 공동 결함(r₁)에 용접을 행함으로써, 터널 형상 공동 결함(r₁)을 용접 금속(T₃)으로 밀폐해서 표면(A) 및 이면(B) 사이를 분단할 수 있다.

또한, 표면(A)에 관한 제1 측면측 소성화 영역(w₁)에는, 가접합용 회전 도구(F)가 표면(A)을 횡단함으로써 산화 피막(z₁)이 형성될 우려가 있다. 따라서, 산화 피막(z₁)에 용접을 행함으로써, 산화 피막(z₁)의 공극을 용접 금속(T₄)으로 밀폐한다.

이와 같이, 제1 측면측 소성화 영역(w₁)에 의해, 표면(A)에 노출되는 터널 형상 공동 결함(r₁) 및 산화 피막(z₁)을 용접에 의해 밀폐함으로써, 보다 기밀성 및 수밀성이 높은 피접합 금속 부재(1)를 형성할 수 있다. 또한, 제1 측면측 소성화 영역(w₃), 제2 측면측 소성화 영역(w₁'), 제2 측면측 소성화 영역(w₃')에 있어서도, 터널 형상 공동 결함이나 산화 피막이 형성될 가능성이 있다. 이러한 경우에는, 각각 제1 측면측 소성화 영역(w₁)과 마찬가지로 제2 용접 보수 공정을 행한다.

또한, 도 18에 도시한 바와 같이, 제1 조인트 부재(U1) 중, 맞댐부(J5) 및 경계부(J6)에 용접을 행하여, 제2 맞댐부(J5) 및 경계부(J6)의 간극을 밀폐해도 좋다. 이에 의해, 한층 더 기밀성 및 수밀성이 높은 피접합 금속 부재(1)를 형성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 접합 방법에 따르면, 피접합 금속 부재(1)의 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 오목 홈(K)을 형성함으로써, 피접합 금속 부재(1)의 측면에 권취할 가능성이 있는 산화 피막(Z₁ 내지 Z₄)을 제거할 수 있다. 또한, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 형성된 오목 홈(K)에 노출되는 미소성화 영역(j), 공동 결함(R₁ 및 R₂)에 조인트 부재(U)를 배치하는 동시에, 조인트 부재(U)와 오목 홈(K)의 제1 맞댐부(J4), 중앙부(J7) 및 제2 맞댐부(J5)를 마찰 교반 접합함으로써, 미소성화 영역(j), 공동 결함(R₁ 및 R₂)을 밀폐할 수 있다. 이에 의해, 피접합 금속 부재(1)의 양 측면 간의 기밀성 및 수밀성을 향상시켜서 질이 높은 제품을 제조할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 조인트 부재(U)의 양단부면과 표면(A) 및 이면(B)을 동일한 높이의 면으로 하고 있으므로, 오목 홈(K)의 저면(kb)에 노출되는 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)을 확실하게 분단할 수 있는 동시에, 피접합 금속 부재(1)의 표면(A) 및 이면(B)을 평탄하게 형성할 수 있다. 또한, 조인트 부재(U)를 개재하여 마찰 교반 접합을 행함으로써, 맞댐부(J1)의 접합 강도를 높일 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기한 형태에 한정되는 것은 아니며 적절하게 변경이 가능하다. 예를 들어, 본 실시 형태에 있어서는 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)의 양측면에 조인트 부재 접합 공정을 행했지만, 어느 한쪽의 측면에 조인트 부재 접합 공정을 행하는 것만이라도 좋다. 또한, 공정 순서는 어디까지나 예시이며, 적절하게 순서를 변경해서 접합을 행해도 된다.

또한, 예를 들어 도 19에 도시한 바와 같이, 조인트 부재(U')의 폭(u₁)과 가접합용 회전 도구(F)의 숄더부(F1)의 외경(X₁)과의 관계에 따라서는, 제1 맞댐부(J4) 및 제2 맞댐부(J5)의 2 패스만 마찰 교반 접합을 행해도 된다. 이에 의해, 공정을 줄일 수 있으므로, 더욱 신속하게 접합할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)를 사용했지만, 이들의 예측 부재를 사용하지 않고 마찰 교반 접합을 행해도 된다.

[제2 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.

제2 실시 형태에 관한 접합 방법은, 도 20에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)를 맞대서 이루어지는 피접합 금속 부재(1)의 표면(A) 및 이면(B)을 마찰 교반에 의해 접합하는 동시에, 피접합 금속 부재(1)의 양측면에 관해서는, 보수 부재(201 내지 203)를 삽입한 후, 당해 보수 부재(201 내지 203)를 따라 마찰 교반에 의해 접합하는 것을 특징으로 한다.

제2 실시 형태에 관한 접합 방법의 제1 금속 부재(1a), 제2 금속 부재(1b), 피접합 금속 부재(1), 제1 탭재(2) 및 제2 탭재(3)는, 제1 실시 형태와 거의 동등하므로, 설명을 생략한다.

이하, 본 실시 형태에 관한 접합 방법을 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 관한 접합 방법은, (1) 제1 준비 공정, (2) 제1 예비 공정, (3) 제1 본 접합 공정, (4) 제2 준비 공정, (5) 제2 예비 공정, (6) 제2 본 접합 공정, (7) 탭재 절제 공정, (8) 보수 부재 삽입 공정, (9) 제1 측면 본 접합 공정, (10) 제2 측면 본 접합 공정을 포함하는 것이다. 또한, (1) 제1 준비 공정으로부터 (7) 탭재 절제 공정까지는 제1 실시 형태와 거의 동등하므로, 상세한 설명을 생략한다.

(8) 보수 부재 삽입 공정

보수 부재 삽입 공정은, 도 21에 도시한 바와 같이, 피접합 금속 부재(1)의 측면에 대하여 각 보수 부재를 삽입하는 공정이다. 보수 부재 삽입 공정은, 본 실시 형태에 있어서는, 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)에 대하여 홈 구멍(212, 213)을 형성하는 홈 구멍 형성 공정과, 미소성화 영역(j)에 대하여 오목부(211)를 형성하는 오목부 형성 공정과, 홈 구멍(212, 213) 및 오목부(211)에 각 보수 부재를 삽입하는 보수 부재 삽입 공정을 포함한다.

홈 구멍 형성 공정에서는, 도 22에 도시한 바와 같이, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)(도시 생략)에 나타나는 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)의 주위를, 공지의 엔드밀 등으로 절삭해서 소정의 깊이로 홈 구멍(212, 213)을 형성한다. 홈 구멍(212, 213)은, 본 실시 형태에 있어서는 대략 동등한 크기로 이루어진다. 홈 구멍(212, 213)은, 원기둥 형상으로 형성되어 있지만, 그 형상이 한정되는 것은 아니다.

또한, 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)이 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 나타나 있지 않은(노출되어 있지 않은) 경우라도, 공동 결함이 내재되어 있는 경우가 있으므로, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 관한 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)의 제2 금속 부재(1b)측의 적소에 홈 구멍(212, 213)을 형성해도 좋다.

오목부 형성 공정은, 도 21 및 도 22에 도시한 바와 같이, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 나타나는 미소성화 영역(j)의 주위를 공지의 엔드밀 등으로 절삭해서 오목부(211)를 형성하는 공정이다. 오목부(211)는, 본 실시 형태에 있어서는 평면에서 보아 타원 형상을 이루고, 소정의 깊이로 형성되어 있다. 오목부(211)의 형상에 대해서는 한정되는 것은 아니지만, 미소성화 영역(j)의 전체 길이에 연속해서 형성되는 동시에, 오목부(211)와 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)이 중복되도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 오목부(211)의 깊이와, 홈 구멍(212, 213)의 깊이는 동등하게 형성되어 있다.

또한, 도 22의 (b)에 도시한 바와 같이, 맞댐부(J1)로부터 터널 형상 공동 결함(R₁)의 중심까지의 거리와, 맞댐부(J1)로부터 오목부(211)의 1변인 긴 변(211a)까지의 거리는 대략 동등해지도록 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 이후에 설명하는 측면 본 접합 공정에 있어서, 마찰 교반의 루트를 일직선 상에 형성할 수 있다.

보수 부재 삽입 공정에서는, 도 22에 도시한 바와 같이, 홈 구멍(212, 213)에 제1 공동부 보수 부재(202), 제2 공동부 보수 부재(203)를 삽입하는 동시에, 오목부(211)에 오목부 보수 부재(201)를 삽입한다. 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)는, 피접합 금속 부재(1)와 동등한 조성으로 이루어지고, 홈 구멍(212, 213)의 형상과 대략 동등한 형상으로 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 공동부 보수 부재(202), 제2 공동부 보수 부재(203)는, 홈 구멍(212, 213)에 거의 간극 없이 배치된다.

또한, 오목부 보수 부재(201)는 피접합 금속 부재(1)와 동등한 조성으로 이루어지고, 오목부(211)의 형상과 거의 동등하게 형성되어 있다. 이에 의해, 오목부 보수 부재(201)는 오목부(211)에 거의 간극 없이 배치된다.

또한, 오목부 보수 부재(201), 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)는, 그 표면과 제1 측면(C)이 동일한 높이의 면이 되도록 형성하고 있지만, 이것에 한정되지 않으며, 각 부재의 두께를 크게 하여, 각 부재가 제1 측면(C)으로부터 돌출되도록 형성해도 좋다. 또한, 설명에 있어서는 제1 측면(C)을 예로 들었지만, 제2 측면(D)에 있어서도 마찬가지로 홈 구멍 형성 공정, 오목부 형성 공정 및 보수 부재 삽입 공정을 행한다.

(9) 제1 측면 본 접합 공정

제1 측면 본 접합 공정에서는, 도 23에 도시한 바와 같이, 제1 측면(C)에 대하여 가접합용 회전 도구(F)를 사용해서 마찰 교반을 행한다. 제1 측면 본 접합 공정은, 피접합 금속 부재(1)에 한 쌍의 탭재를 배치하는 탭재 배치 공정과, 제2 공동부 보수 부재(203)에 대하여 마찰 교반을 행하는 제2 공동부 보수 부재 마찰 교반 공정과, 오목부 보수 부재(201)와 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부(J2)에 대하여 마찰 교반을 행하는 오목부 보수 부재 마찰 교반 공정과, 제1 공동부 보수 부재(202)에 대하여 마찰 교반을 행하는 제1 공동부 보수 부재 마찰 교반 공정을 포함한다.

탭재 배치 공정에서는, 피접합 금속 부재(1)의 이면(B)에 제1 탭재(4)를 배치하고, 표면(A)에 제2 탭재(5)를 배치한다. 제1 탭재(4) 및 제2 탭재(5)의 양단부면은, 피접합 금속 부재(1)의 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)(도시 생략)과 동일한 높이의 면으로 형성되어 있다. 또한, 피접합 금속 부재(1)와 제1 탭재(4) 및 제2 탭재(5)를 용접에 의해 가접합한다.

제2 공동부 보수 부재 마찰 교반 공정은, 도 23의 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 공동부 보수 부재(203)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 본 실시 형태에 있어서는, 제1 탭재(4)에 설정된 개시 위치(S_M3)에 가접합용 회전 도구(F)를 삽입하고, 교반 핀(F2)의 전체가 제1 탭재(4)에 들어가고, 또한 숄더부(F1)의 하단부면(F11)의 전체면이 제1 탭재(4)의 표면에 접촉하면, 피접합 금속 부재(1)측을 향해 상대 이동시키고, 또한 맞댐부(J4)를 가로지르게 해서 제2 공동부 보수 부재(203) 위를 이동시킨다.

여기서, 도 23의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 측면 본 접합 공정에서 형성되는 제1 측면측 소성화 영역(W3)은, 제2 공동부 보수 부재(203)가 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 내부에 모두 포함되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제2 공동부 보수 부재(203)와 홈 구멍(213)의 저면 및 측면과의 맞댐부(맞댐면)가 모두 마찰 교반되어, 터널 형상 공동 결함(R₂)을 확실하게 밀폐할 수 있다.

가접합용 회전 도구(F)가, 제2 공동부 보수 부재(203)를 통과하면, 그대로 오목부 보수 부재 마찰 교반 공정으로 이행한다. 오목부 보수 부재 마찰 교반 공정은, 오목부 보수 부재(201)의 외주를 따라서 연속적으로 마찰 교반을 행한다. 즉, 제2 금속 부재(1b)와 오목부 보수 부재(201)의 맞댐부(J20a), 제1 금속 부재(1a)와 오목부 보수 부재(201)의 맞댐부(J20b)를 따라 가접합용 회전 도구(F)를 상대 이동시켜서 마찰 교반을 행한다. 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 깊이는, 오목부(211)의 깊이보다도 크게 형성되어 있으므로, 맞댐부(J20)의 깊이 방향의 전체 길이를 마찰 교반할 수 있다.

도 23의 (c)에 도시한 바와 같이, 가접합용 회전 도구(F)를 오목부 보수 부재(201)의 외주를 따라서 일주시켜, 맞댐부(J20a) 및 맞댐부(J20b)에 대한 마찰 교반을 종료하면, 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시키지 않고, 그대로 다시 맞댐부(J20a)를 따라 마찰 교반을 행하고, 제1 공동부 보수 부재(202) 위를 이동시켜서 제1 공동부 보수 부재 마찰 교반 공정으로 이행한다. 구체적인 도시는 하지 않지만, 제1 측면 본 접합 공정에서 형성되는 제1 측면측 소성화 영역(W3)은, 제1 공동부 보수 부재(202)가 모두 포함하도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 제1 공동부 보수 부재(202)와 홈 구멍(212)의 저면 및 측면과의 맞댐부가 마찰 교반되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 터널 형상 공동 결함(R₁)의 단부를 확실하게 밀폐할 수 있다.

그리고 가접합용 회전 도구(F)가 제1 공동부 보수 부재(202) 위를 통과하면, 그대로 맞댐부(J5)를 가로질러 제2 탭재(5)에 설정된 종료 위치(E_M3)에서 가접합용 회전 도구(F)를 이탈시킨다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 오목부 보수 부재(201)의 외주에만 마찰 교반을 행했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 오목부 보수 부재(201)의 전체면에 마찰 교반을 행해도 된다. 이때, 오목부(211)의 저면과 오목부 보수 부재(201)의 맞댐부가 모두 마찰 교반되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 수밀성 및 기밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 제1 공동부 보수 부재 마찰 교반 공정, 제2 공동부 보수 부재 마찰 교반 공정에서는, 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)의 지름을, 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 폭[가접합용 회전 도구(F)의 숄더부(F1)의 외경(X₁)과 거의 동등]보다도 작게 형성하였으므로, 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203) 위를 가접합용 회전 도구(F)로 통과시켜서 마찰 교반을 행했다. 그러나 회전 도구의 숄더의 외경보다도, 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)의 지름이 큰 경우에는, 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)의 외주를 따라서 회전 도구를 이동시켜서 마찰 교반을 행해도 된다. 또한, 이러한 경우에는, 회전 도구를 왕복시키는 등을 하여 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)의 전체면에 걸쳐 마찰 교반을 행해도 된다.

(9) 제2 측면 본 접합 공정

제2 측면 본 접합 공정에서는, 구체적인 도시는 하지 않지만, 제2 측면(D)에 대하여 가접합용 회전 도구(F)를 사용해서 마찰 교반을 행한다. 제2 측면 본 접합 공정에서 형성된 소성화 영역을 이하, 제2 측면측 소성화 영역(도시 생략)이라 한다. 제2 측면 본 접합 공정은, 제2 측면(D)에 마찰 교반을 행하는 것을 제외하고는 제1 측면 본 접합 공정과 거의 동등하므로, 상세한 설명은 생략한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 측면 본 접합 공정으로서, 피접합 금속 부재(1)의 양측면으로부터 제1 측면 본 접합 공정 및 제2 측면 본 접합 공정을 행했지만, 어느 한쪽에만 행하는 것만이라도 좋다. 또한, 본 실시 형태에 관한 측면 본 접합 공정에 있어서는, 가접합용 회전 도구(F)를 이용했지만, 다른 크기의 회전 도구를 이용해도 상관없다.

이상 설명한 접합 방법에 따르면, 피접합 금속 부재(1)의 측면에 형성된 오목부(211)에 오목부 보수 부재(201)를 삽입하므로, 미소성화 영역(j)을 막을 수 있다. 또한, 홈 구멍(212, 213)에 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)를 각각 삽입하므로, 공동 결함(R₁, R₂)의 단부를 막을 수 있다. 그리고 측면 본 접합 공정에서 오목부 보수 부재(201), 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)와 피접합 금속 부재(1)와의 맞댐부를 마찰 교반하므로, 피접합 금속 부재(1)의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 오목부(211)는 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)과 중복되고 있으므로, 제1 측면측 소성화 영역(W3)과 표면측 소성화 영역(W1) 및 이면측 소성화 영역(W2)과 중복시킬 수 있다. 이에 의해, 미소성화 영역(j)(도 8 참조)이 모두 밀폐되므로, 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 제1 측면 본 접합 공정 및 제2 측면 본 접합 공정에 있어서는, 일단 삽입한 가접합용 회전 도구(F)를 도중에 이탈시키는 일 없이, 한 붓 그리기의 요령으로 마찰 교반을 행하므로, 작업성을 높일 수 있다.

여기서, 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)을 마찰 교반할 때에, 가령 각 보수 부재를 사용하지 않으면, 터널 형상 공동 결함(R₁, R₂)에 충전하기 위한 메탈이 부족하므로, 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 표면에 불가피하게 형성되는 홈이 커질 우려가 있었다. 그러나 본 실시 형태와 같이 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)를 삽입함으로써, 메탈 부족을 보충할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 적절하게 변경이 가능하다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 제2 실시 형태와 동일한 설명은 생략한다.

[제3 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서 설명한다.

제2 실시 형태에 있어서는, 오목부(211), 홈 구멍(212) 및 홈 구멍(213)에 오목부 보수 부재(201), 제1 공동부 보수 부재(202) 및 제2 공동부 보수 부재(203)를 삽입했지만, 제3 실시 형태와 같이 오목부(211), 홈 구멍(212, 213)에 예를 들어 용접을 행하는 용접 금속 충전 공정을 행해도 된다.

용접 금속 충전 공정은, 구체적인 도시는 하지 않지만, 제3 실시 형태에 있어서는, 터널 형상 공동 결함에 대하여 홈 구멍을 형성하는 홈 구멍 형성 공정과, 미소성화 영역에 대하여 오목부를 형성하는 오목부 형성 공정과, 홈 구멍 및 오목부에 용접 금속을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함한다. 홈 구멍 형성 공정 및 오목부 형성 공정은, 제2 실시 형태와 거의 동등하므로, 설명을 생략한다.

용접 금속 충전 공정에서는, 예를 들어 TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 패딩 용접을 행하고, 오목부(211), 홈 구멍(212, 213)(도 22 참조)에 용접 금속을 충전하면 좋다. 또한, 측면 본 접합 공정에서, 오목부(211), 홈 구멍(212, 213)과 상기 용접 금속과의 계면을 모두 마찰 교반함으로써, 피접합 금속 부재(1)의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 용접 금속을 압입하면서 마찰 교반하므로, 기밀성 및 수밀성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 제2 실시 형태의 경우, 패딩 용접을 행하고, 제1 측면(C)[제2 측면(D)]보다도 돌출된 용접 금속을 절삭해서 제1 측면(C)[제2 측면(D)]을 평활하게 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 실시 형태에 관한 보수 부재 삽입 공정과 제3 실시 형태에 관한 용접 금속 충전 공정을 조합해서 접합을 행해도 된다.

또한, 예를 들어 오목부 형성 공정 전에, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)에 있어서, 가접합용 회전 도구(F)를 사용해서 맞댐부(J1)나 탭재와 피접합 금속 부재(1)의 맞댐부에 대하여 가접합을 행해도 된다. 또한, 피접합 금속 부재(1)의 두께가 얇고, 표면측 소성화 영역(W1)과 이면측 소성화 영역(W2)이 중복되는 경우에는, 오목부(211) 및 오목부 보수 부재(201)는 사용하지 않아도 좋다.

또한, 표면측 소성화 영역(W1)과 이면측 소성화 영역(W2)에 산화 피막이 형성되어 있는 경우에는, 용접에 의해 당해 산화 피막을 밀폐하는 등을 하여 피접합 금속 부재(1)의 수밀성 및 기밀성을 높이는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 회전 도구를 우회전시킨 경우를 예로 들어 설명했지만, 회전 도구를 좌회전시킨 경우에는, 회전 도구의 진행 방향 우측에 터널 형상 공동 결함이 형성될 가능성이 있다. 즉, 회전 도구의 회전 방향 및 진행 방향에 의해 마찰 교반을 행하는 영역을 적절하게 설정하면 좋다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 터널 형상 공동 결함의 주변을 절삭해서 홈 구멍을 형성했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 터널 형상 공동 결함에 그대로 공동부 보수 부재를 삽입해도 좋다.

[제4 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해서 설명한다.

제4 실시 형태의 접합 구조물의 제조 방법은, 도 24에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)의 단부면과 제2 금속 부재(1b)의 단부면을 맞대서 이루어지는 접합 구조물(1A)의 제조 방법이며, 접합 구조물(1A)의 표면(A) 및 이면(B)으로부터 마찰 교반 접합을 행한 후에, 제1 측면(C) 및 제2 측면(D)으로부터 마찰 교반 접합을 행하는 것이다.

본 실시 형태의 접합 구조물의 제조 방법은, (1) 제1 준비 공정, (2) 제1 예비 공정, (3) 제1 본 접합 공정, (4) 제2 준비 공정, (5) 제2 예비 공정, (6) 제2 본 접합 공정, (7) 탭재 절제 공정, (8) 제3 본 접합 공정, (9) 제1 보수 공정, (10) 제4 본 접합 공정, (11) 제2 보수 공정을 포함하는 것이다.

또한, (1) 제1 준비 공정으로부터 (7) 탭재 절제 공정까지는, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 배치 위치 이외는 제1 실시 형태와 거의 동등하므로, 상세한 설명을 생략한다. 즉, 제4 실시 형태에 있어서는, 도 24에 도시한 바와 같이 전방측에 제2 금속 부재(1b)를 배치하고, 후방측에 제1 금속 부재(1a)를 배치하고 있다.

여기서, 도 25는 제4 실시 형태의 제2 본 접합 공정을 끝낸 후에, 탭재를 제거한 상태의 접합 구조물을 도시한 사시도이다. 도 25에 도시한 바와 같이, 제4 실시 형태에 관한 (7) 탭재 절제 공정 종료 후에는, 표면(A)측에 형성된 표면측 소성화 영역(W1)과, 이면(B)측에 형성된 이면측 소성화 영역(W2)에, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향(V1, V2)을 따라, 제1 측면(C)으로부터 제2 측면(D)에 걸쳐 연속되는 터널 형상의 공동 결함(R₁, R₂)이 발생하고 있는 것으로 한다. 이 공동 결함(R1, R2)은, 마찰 교반 접합을 행하면, 버어의 다발에 의해 맞댐부(J1)의 간극을 메우기 위한 충전 메탈이 부족함으로써 형성되는 것이다.

또한, 제2 본 접합 공정이 종료된 후에, 접합 구조물(1A)의 양측면(C, D)에 노출되어 있는 각 공동 결함(R1, R2)의 개구 단부에, TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 패딩 용접을 행함으로써, 각 공동 결함(R1, R2)의 개구 단부를 폐색해서 기밀성 및 수밀성을 향상시키는 것이 바람직하다.

(8) 제3 본 접합 공정

제3 본 접합 공정은, 도 27에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 맞댐부(J1)에 대하여, 접합 구조물(1A)의 제1 측면(C)으로부터 마찰 교반 접합을 행하는 공정이다.

제3 본 접합 공정은, 맞댐부(J1)를 가접합하는 가접합 공정과, 제1 회전 도구의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정과, 맞댐부(J1)에 대하여 제1 측면(C)으로부터 마찰 교반을 행하는 본 접합 공정을 포함하는 것이다.

제3 본 접합 공정에서는, 제2 본 접합 공정이 종료되면, 접합 구조물(1A)을 도시하지 않은 마찰 교반 장치로부터 일단 제거하여, 제1 측면(C)을 상방을 향하게 하여 다시 고정한 상태에서, 가접합 공정, 예비 구멍 형성 공정, 본 접합 공정을 행한다.

가접합 공정에서는, 도 26에 도시한 바와 같이, 가접합용 회전 도구(F)를, 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)에 설정된 마찰 교반의 개시 위치(P5)로부터 종료 위치(P6)까지, 각진 U자 형상의 이동 궤적을 형성하도록 이동시켜, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 맞댐부(J1)에 대하여 마찰 교반을 행한다. 구체적으로는, 개시 위치(P5)로부터 표면측 소성화 영역(W1)의 일부, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 이음매, 이면측 소성화 영역(W2)의 일부를 통과하여, 종료 위치(P6)까지 이동시킨다.

그 후, 가접합용 회전 도구(F)가 종료 위치(P6)에 도달하면, 가접합용 회전 도구(F)를 회전시키면서 상승시켜 교반 핀(F2)을 종료 위치(P6)로부터 이탈시킨다.

예비 구멍 형성 공정은, 도 28의 (a)에 도시한 바와 같이, 본 접합용 회전 도구(G)의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍(Q3)을 형성하는 공정이다. 예비 구멍 형성 공정에서는, 가접합용 회전 도구(F)의 교반 핀(F2)을 종료 위치(P6)로부터 이탈했을 때에 형성되는 빈 구멍을 드릴 등으로 지름을 확장함으로써, 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)에 설정된 종료 위치(P6)에 예비 구멍(Q3)을 형성한다. 이 예비 구멍(Q3)은, 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 압입 저항을 줄일 목적으로 마련되는 것이다. 또한, 본 실시 형태의 가접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 종료 위치(P6)는, 이후에 설명하는 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치(P7)가 된다.

본 접합 공정은, 도 27에 도시한 바와 같이, 접합 구조물(1A)의 제1 측면(C)에 노출되는 맞댐부(J1)에 마찰 교반을 행하는 공정이다.

우선, 도 28의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)의 개시 위치(P7)에 형성된 예비 구멍(Q3) 내에 본 접합용 회전 도구(G)의 교반 핀(G2)의 선단부를 삽입하여, 본 접합용 회전 도구(G)에 의해 마찰 교반을 행한다. 그리고 도 27에 도시한 바와 같이, 본 접합용 회전 도구(G)를, 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)에 설정된 개시 위치(P7)로부터 종료 위치(P8)까지, 각진 U자 형상의 이동 궤적을 형성하도록 이동시켜, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 맞댐부(J1)에 대하여 마찰 교반을 행한다.

구체적으로는, 개시 위치(P7)로부터 이면(B)측의 이면측 소성화 영역(W2)의 단부, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 이음매, 표면(A)측의 표면측 소성화 영역(W1)의 단부를 통과하여, 종료 위치(P8)까지 이동시킴으로써, 각진 U자 형상의 제1 측면측 소성화 영역(W3)이 제1 측면(C)에 형성된다. 이 제1 측면측 소성화 영역(W3)에 의해 표면(A)측의 표면측 소성화 영역(W1)과 이면(B)측의 이면측 소성화 영역(W2) 사이의 미소성화 영역이 폐색된다.

여기서, 제1 측면(C)에 형성된 제1 측면측 소성화 영역(W3)에서는, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향(V3)을 따라 터널 형상의 공동 결함(R3)이 발생하고 있는 것으로 한다. 본 실시 형태와 같이, 본 접합용 회전 도구(G)를 우회전시킨 경우에는, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향(V3)의 좌측에 공동 결함(R3)이 형성된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 공동 결함(R3)이 대응하도록 설정되어 있으며, 각진 U자 형상으로 형성된 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 홈 내측에 공동 결함(R3)이 형성되어 있다.

본 접합용 회전 도구(G)가 종료 위치(P8)에 도달하면, 본 접합용 회전 도구(G)를 회전시키면서 상승시켜 교반 핀(G2)을 종료 위치(P8)로부터 이탈시킨다. 이와 같이, 종료 위치(P8)에서 교반 핀(G2)을 상방으로 이탈시키면, 도 28의 (b)에 도시한 바와 같이, 종료 위치(P8)에 교반 핀(G2)과 거의 같은 형태의 빈 구멍(Q4)이 형성된다.

(9) 제1 보수 공정

제1 보수 공정은, 제3 본 접합 공정에 있어서 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)에 형성된 빈 구멍(Q4)에 충전용 금속 부재(h)를 충전하는 충전용 금속 부재 삽입 공정과[도 28의 (b) 참조], 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 맞댐부(J4)에 대하여 제1 측면(C)으로부터 마찰 교반을 행하는 보수 접합 공정과(도 29 참조), 보수 접합 공정에 있어서 충전용 금속 부재(h)의 표면에 형성된 빈 구멍(Q5)에 용접 금속(T)을 충전하는 보수 용접 공정(도 30 참조)을 포함하는 것이다.

충전용 금속 부재 삽입 공정은, 도 28의 (b)에 도시한 바와 같이, 제3 본 접합 공정에 있어서 본 접합용 회전 도구(G)[도 28의 (a) 참조]를 이탈했을 때에, 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)에 형성된 빈 구멍(Q4)에, 빈 구멍(Q4)과 같은 형태의 충전용 금속 부재(h)를 삽입하여, 빈 구멍(Q4)을 메우는 공정이다. 본 실시 형태에서는, 접합 구조물(1A)과 동일한 조성의 금속 재료로 충전용 금속 부재(h)를 형성하고 있지만, 마찰 교반 가능한 금속 재료이면 된다.

보수 접합 공정은, 도 29에 도시한 바와 같이 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 맞댐부(J4)에 대하여, 가접합용 회전 도구(F)[도 4의 (a) 참조]를 사용해서 마찰 교반을 행하는 것이다.

보수 접합 공정에서는, 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 이음매 위에 설정된 마찰 교반의 개시 위치(P9)에, 가접합용 회전 도구(F)[도 4의 (a) 참조]의 교반 핀(F2)을 들어가게 해, 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 이음매를 따라, 가접합용 회전 도구(F)를 이동시킴으로써, 맞댐부(J4)의 전체 둘레에 걸쳐 마찰 교반을 행한다.

또한, 보수 접합 공정에 있어서의 마찰 교반 접합은, 상기한 각 접합 공정에서 행해진 마찰 교반 접합과 거의 동등하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에서는, 맞댐부(J4)의 전체 둘레에 걸쳐 마찰 교반을 행한 후에, 가접합용 회전 도구(F)[도 4의 (a) 참조]를, 충전용 금속 부재(h)의 표면 중심 위치에 설정된 마찰 교반의 종료 위치(P10)[제3 본 접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 종료 위치(P8)]까지 이동시켜, 가접합용 회전 도구(F)를 종료 위치(P10)로부터 이탈시킨다. 이와 같이, 종료 위치(P10)에서 교반 핀(F2)을 상방으로 이탈시키면, 종료 위치(P10)에 교반 핀(F2)과 거의 같은 형태의 빈 구멍(Q5)이 형성된다 (도 30 참조).

여기서, 본 실시 형태에서는 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 맞댐부(J4)를 마찰 교반하기 위해, 가접합 공정에서 사용한 가접합용 회전 도구(F)를 사용하고 있지만, 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 이음매를 따라, 원주 형상으로 교반 핀을 이동시킬 수 있는 크기이면, 다른 회전 도구를 사용해도 된다.

보수 용접 공정에서는, 도 30에 도시한 바와 같이, 충전 금속 부재(h)의 표면에 형성된 빈 구멍(Q5) 내에 MIG 용접 등의 패딩 용접을 행함으로써, 빈 구멍(Q5) 내에 용접 금속(T)을 충전한다.

또한, 보수 용접 공정은 MIG 용접에 한정되는 것은 아니며, 다른 공지의 용접을 행해도 된다. 또한, 용접 재료는 접합 구조물(1A)과 달라도 좋지만, 본 실시 형태에서는 동일한 재료를 사용하고 있다.

또한, 보수 용접 공정에서는 빈 구멍(Q5)에 용접 금속(T)을 충전한 후에, 제1 금속 부재(1a)의 측면(14a)보다도 융기되어 있는 부분의 용접 금속(T)을 절제하는 것이 바람직하다.

(10) 제4 본 접합 공정

제4 본 접합 공정은, 도 31에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 맞댐부(J1)에 대하여, 접합 구조물(1A)의 제2 측면(D)으로부터 마찰 교반 접합을 행하는 공정이다.

제4 본 접합 공정은, 맞댐부(J1)를 가접합하는 가접합 공정과, 본 접합용 회전 도구(G)[도 4의 (b) 참조]의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정과, 맞댐부(J1)에 대하여 마찰 교반을 행하는 본 접합 공정을 포함하는 것이다.

제4 본 접합 공정에서는, 제1 보수 공정이 종료되면, 접합 구조물(1A)을 도시하지 않은 마찰 교반 장치로부터 일단 제거하고, 제2 측면(D)을 상방을 향하게 하여 다시 고정한 상태에서, 가접합 공정, 예비 구멍 형성 공정, 본 접합 공정을 행한다. 제4 본 접합 공정에 있어서의 각 공정은, 제3 본 접합 공정의 각 공정과 동등하므로, 그 설명은 생략한다. 또한, 제4 본 접합 공정에서 형성된 소성화 영역을 제2 측면측 소성화 영역(W4)이라 한다.

(11) 제2 보수 공정

제2 보수 공정은, 도 31에 도시한 바와 같이, 제4 본 접합 공정에 있어서 제1 금속 부재(1a)의 측면(15a)에 형성된 빈 구멍(Q6)에 충전용 금속 부재(h)를 충전하는 충전용 금속 부재 삽입 공정과, 접합 구조물(1A)과 충전용 금속 부재(h)의 맞댐부(J5)에 대하여 마찰 교반을 행하는 보수 접합 공정과, 보수 접합 공정에 있어서 충전용 금속 부재(h)의 표면에 형성된 빈 구멍(Q7)에 용접 금속(T)을 충전하는 보수 용접 공정을 포함하는 것이다. 또한, 제2 보수 공정에 있어서의 각 공정은, 제1 보수 공정의 각 공정과 동등하므로, 그 설명은 생략한다.

이상과 같은 각 공정에 의해, 도 24에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(1a)의 단부면과 제2 금속 부재(1b)의 단부면이 접합된 접합 구조물(1A)이 형성된다.

본 실시 형태의 접합 구조물의 제조 방법에 따르면, 도 30에 도시한 바와 같이, 제1 보수 공정 및 제2 보수 공정에 있어서 가접합용 회전 도구(F)의 빈 구멍(Q4, Q6)에 충전용 금속 부재(h)를 충전함으로써, 제3 본 접합 공정 및 제4 본 접합 공정에 있어서 마찰 교반의 종료 위치에 형성된 빈 구멍(Q4, Q6)이 메워지므로, 빈 구멍(Q4, Q6)에 의한 접합 부위의 강도 저하를 방지할 수 있다. 즉, 제3 본 접합 공정 및 제4 본 접합 공정에서는 접합 구조물(1A)에 마찰 교반의 종료 위치를 마련할 수 있다. 이에 의해, 제3 본 접합 공정 및 제4 본 접합 공정에서는 마찰 교반의 종료 위치를 설정하기 위한 탭재를 생략할 수 있으므로, 접합 작업에 있어서의 공정수를 적게 할 수 있다.

또한, 제1 보수 공정 및 제2 보수 공정에 있어서 가접합용 회전 도구(F)를 이탈했을 때에 형성되는 빈 구멍(Q5, Q7)에 용접 금속(T)을 충전해서 메우는 것으로, 빈 구멍(Q5, Q7)에 의한 접합 부위의 강도 저하를 방지할 수 있는 동시에, 접합 부위를 평탄하게 마무리할 수 있다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 접합 구조물(1A)의 양측면(C, D)에 있어서 맞댐부(J1)에 형성되는 제1 측면측 소성화 영역(W3), 제2 측면측 소성화 영역(W4)의 일부를, 제1 본 접합 공정 및 제2 본 접합 공정에서 형성된 표면측 소성화 영역(W1), 이면측 소성화 영역(W2)에 중복시킴으로써, 접합 구조물(1A)의 양측면(C, D)에 있어서 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 이음매가 확실하게 폐색되므로, 금속 부재(1a, 1b)끼리의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

또한, 각 접합 공정 전에, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 맞댐부(J1)에 대하여 가접합을 행함으로써, 맞댐부(J1)에 회전 도구(G)를 압입하는 것에 의한 맞댐부(J1)의 벌어짐을 방지할 수 있어, 각 접합 공정을 적절하게 행할 수 있다.

또한, 각 접합 공정에서는, 본 접합용 회전 도구(G)의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성함으로써, 회전 도구(G)를 접합 구조물(1A)에 압입할 때의 압입 저항을 줄일 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합의 정밀도를 높일 수 있는 동시에, 신속하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 도 27 및 도 31에 도시한 바와 같이, 제3 본 접합 공정 및 제4 본 접합 공정에서는, 본 접합용 회전 도구(G)를 마찰 교반의 개시 위치로부터 맞댐부(J1)를 통과해서 종료 위치까지 각진 U자 형상의 궤적으로 이동시킬 때에, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향 좌측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정하고 있다. 이 구성에서는, 각진 U자 형상으로 형성된 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 홈 내측에 공동 결함이 형성되게 되어, 각진 U자 형상의 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 외측에 공동 결함이 형성된 경우와 비교하여, 공동 결함의 거리가 짧아지므로, 금속 부재(1a, 1b)끼리의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 일 없이, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절하게 설계 변경이 가능하다.

예를 들어, 본 실시 형태의 제조 방법에 있어서, 제1 본 접합 공정에서 표면(A)에 형성된 표면측 소성화 영역(W1)과, 제2 본 접합 공정에서 이면(B)에 형성된 이면측 소성화 영역(W2)을 중복시켜도 좋다. 이 구성에서는, 접합 구조물(1A)의 안쪽까지 소성화되므로, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

또한, 제3 본 접합 공정에서는 접합 구조물(1A)의 제1 측면(C)에 형성된 제1 측면측 소성화 영역(W3)과, 접합 구조물(1A)의 제2 측면(D)에 형성된 제2 측면측 소성화 영역(W4)을 중복시켜도 좋다. 본 구성에서는, 접합 구조물(1A)의 안쪽까지 소성화되므로, 제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 접합부에 있어서의 기밀성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 27에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 본 접합용 회전 도구(G)를 우회전시키고 있으므로, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향 좌측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정하고 있지만, 도 32에 도시한 바와 같이, 본 접합용 회전 도구(G)를 좌회전시킨 경우에는, 공동 결함(R4)은 진행 방향(V4)의 우측에 형성되므로, 본 접합용 회전 도구(G)의 진행 방향 우측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정한다. 이와 같이, 본 접합용 회전 도구(G)를 좌회전시킨 경우라도, 각진 U자 형상으로 형성된 제1 측면측 소성화 영역(W3)의 홈 내측에 공동 결함(R4)을 형성할 수 있다.

1 : 피접합 금속 부재
1a : 제1 금속 부재
1b : 제2 금속 부재
2 : 제1 탭재
3 : 제2 탭재
211 : 오목부
212 : 홈 구멍
213 : 홈 구멍
201 : 오목부 보수 부재
202 : 제1 공동부 보수 부재
203 : 제2 공동부 보수 부재
A : 표면
B : 이면
C : 제1 측면
D : 제2 측면
F : 가접합용 회전 도구
G : 본 접합용 회전 도구
h : 충전용 금속 부재
j : 미소성화 영역
J : 맞댐부
K : 오목 홈
P : 예비 구멍
Q : 빈 구멍
R : 터널 형상 공동 결함
T : 용접 금속
U : 조인트 부재
W1 : 표면측 소성화 영역
W2 : 이면측 소성화 영역
w : 측면측 소성화 영역
Z : 산화 피막

Claims (6)

1. 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 단부면끼리를 맞대서 형성된 접합 구조물의 제조 방법이며,
   상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여, 상기 접합 구조물의 측면으로부터 회전 툴을 이용해서 마찰 교반을 행하는 본 접합 공정을 포함하고,
   상기 본 접합 공정에 있어서 회전 툴을 이탈했을 때에 형성된 빈 구멍에 충전용 금속 부재를 충전하고, 상기 접합 구조물과 상기 충전용 금속 부재의 맞댐부에 대하여, 회전 툴을 이용해서 마찰 교반을 행하는 보수 공정을 행하는 것을 특징으로 하는, 접합 구조물의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 보수 공정에 있어서 회전 툴을 이탈했을 때에 형성된 빈 구멍에 용접 금속을 충전하는 것을 특징으로 하는, 접합 구조물의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 본 접합 공정에서는, 상기 접합 구조물의 한쪽 측면에 형성된 소성화 영역의 일부와, 상기 접합 구조물의 다른 쪽 측면에 형성된 소성화 영역의 일부를 중복시키는 것을 특징으로 하는, 접합 구조물의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 본 접합 공정 전에, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부에 대하여, 상기 접합 구조물의 측면으로부터 가접합을 행하는 것을 특징으로 하는, 접합 구조물의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 본 접합 공정에서는, 회전 툴의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는, 접합 구조물의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 본 접합 공정에서는, 마찰 교반의 개시 위치 및 종료 위치가 상기 제1 금속 부재 또는 상기 제2 금속 부재의 측면에 설정되어 있으며,
   회전 툴을 개시 위치로부터 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재의 맞댐부를 통과해서 종료 위치까지 각진 U자 형상의 궤적으로 이동시킬 때에,
   회전 툴이 우회전이면, 회전 툴의 진행 방향 좌측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정하고,
   상기 회전 툴이 좌회전이면, 회전 툴의 진행 방향 우측이 각진 U자 형상의 이동 궤적의 홈 내측에 대응하도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 접합 구조물의 제조 방법.
   

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