KR101292352B1

KR101292352B1 - 내측 코너 접합용 회전 툴 및 이것을 이용한 내측 코너 접합 방법

Info

Publication number: KR101292352B1
Application number: KR1020127011879A
Authority: KR
Inventors: 히사시 호리; 노부시로 세오
Original assignee: 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2013-07-31
Also published as: JP2011079031A; US8814027B2; TWI461250B; US20120193401A1; CN102574239B; KR20120081190A; TW201113114A; WO2011043127A1; JP5304583B2; CN102574239A

Abstract

경제성이 우수한 내측 코너 접합용 회전 툴을 제공하는 동시에, 당해 내측 코너 접합용 회전 툴을 이용한 내측 코너 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 한 쌍의 금속 부재를 맞대어 형성된 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하는 내측 코너 접합용 회전 툴(1)이며, 내측 코너부에 삽입되는 교반 핀(3)과, 교반 핀(3)을 지지하는 동시에 한 쌍의 금속 부재에 각각 접촉되는 베이스 블록(2)을 갖고, 베이스 블록(2)은, 선단을 향해 폭이 좁아지는 본체부(4)와, 이 본체부(4)의 선단에 착탈 가능하게 형성된 숄더부(5)를 갖고, 교반 핀(3)은, 본체부(4) 및 숄더부(5)를 관통하는 것을 특징으로 한다.

Description

내측 코너 접합용 회전 툴 및 이것을 이용한 내측 코너 접합 방법{ROTATING TOOL FOR WELDING INNER CORNER AND INNER CORNER WELDING METHOD USING SAME}

본 발명은, 한 쌍의 금속 부재를 맞대어 형성된 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하기 위한 내측 코너 접합용 회전 툴 및 이것을 이용한 내측 코너 접합 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 특허 문헌 1에는, 수직으로 맞대어진 한 쌍의 금속 부재의 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에 있어서의 내측 코너 접합용 회전 툴은, 삼각 기둥을 나타내는 베이스 블록과, 이 베이스 블록을 관통하는 교반 핀을 갖고 있다. 이 기술에서는, 베이스 블록의 경사면을 한 쌍의 금속 부재에 각각 접촉시키고, 교반 핀을 내측 코너부에 압입하면서 고속 회전시킴으로써 마찰 교반 접합을 행한다.

일본 특허 제4240579호 공보

종래의 기술에서는, 교반 핀을 고속 회전시키면서 금속 부재에 삽입하기 위해, 베이스 블록의 선단 중, 교반 핀의 주위에 관한 부위가 마모되기 쉽다고 하는 문제가 있었다. 이러한 부위만이 마모된 경우라도, 베이스 블록 전체를 교환하지 않으면 안 되는 경우가 있으므로, 설비 비용이 늘어난다고 하는 문제가 있었다.

이러한 관점으로부터, 본 발명은, 경제성이 우수한 내측 코너 접합용 회전 툴을 제공하는 동시에, 당해 내측 코너 접합용 회전 툴을 이용한 내측 코너 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 한 쌍의 금속 부재를 맞대어 형성된 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하는 내측 코너 접합용 회전 툴이며, 상기 내측 코너부에 삽입되는 교반 핀과, 상기 교반 핀을 지지하는 동시에 한 쌍의 상기 금속 부재에 각각 접촉되는 베이스 블록을 갖고, 상기 베이스 블록은, 선단을 향해 폭이 좁아지는 본체부와, 이 본체부의 선단에 착탈 가능하게 형성된 숄더부를 갖고, 상기 교반 핀은, 상기 본체부 및 상기 숄더부를 관통하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 베이스 블록의 선단에 장착되는 숄더부를 착탈 가능하게 형성하였으므로, 당해 숄더부만을 교환할 수 있다. 이에 의해, 베이스 블록 전체를 교환할 필요가 없으므로, 설비 비용을 저감할 수 있다.

또한, 상기 본체부의 선단에, 상기 내측 코너부에 대향하는 대향면이 형성되어 있고, 상기 숄더부의 선단은, 상기 대향면보다도 상기 교반 핀의 선단측에 돌출되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 상기 본체부의 대향면이 숄더부의 선단보다도 세트백하고 있으므로, 마찰 교반 접합 시에 베이스 블록이 내측 코너부에 걸리는 일이 없다. 이에 의해, 마찰 교반 접합을 원활하게 행할 수 있다.

또한, 상기 본체부의 선단에 있어서, 한쪽의 단부에, 상기 교반 핀의 선단측으로부터 이격하도록 경사지는 절결부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 숄더부의 선단에 있어서, 한쪽의 단부에, 상기 교반 핀의 선단측으로부터 이격하도록 경사지는 절결부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

마찰 교반 접합을 행할 때에, 베이스 블록 및 숄더부의 진행 방향 전방측의 부위는, 내측 코너부에 걸리기 쉽지만, 베이스 블록 및 숄더부에 형성된 각 절결부를 진행 방향측에 배치하여 마찰 교반 접합을 행함으로써, 베이스 블록의 이동을 원활하게 행할 수 있다.

또한, 상기 본체부의 내부에는, 선단을 향해 끝이 가늘어지는 본체 테이퍼 구멍이 형성되어 있고, 상기 교반 핀에는, 선단을 향해 끝이 가늘어지는 교반 핀 테이퍼부가 형성되어 있고, 상기 교반 핀 테이퍼부는, 상기 본체 테이퍼 구멍의 내주면에 접촉 지지되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 베이스 블록에 대한 교반 핀의 깊이 방향의 위치 결정이 용이해지는 동시에, 베이스 블록과 교반 핀을 용이하게 착탈할 수 있다.

또한, 상기 본체부에는, 냉각 매체를 유통시키는 냉각 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 베이스 블록의 내부의 온도를 저감할 수 있다.

또한, 상기 본체부와 상기 교반 핀 사이에 베어링부가 개재 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 교반 핀의 회전을 원활하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은, 청구의 범위 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 내측 코너 접합용 회전 툴을 이용하여, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 맞대어 형성되는 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하는 것을 특징으로 한다. 이러한 내측 코너 접합 방법에 따르면, 내측 코너부를 용이하게 접합할 수 있는 동시에, 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한, 상기 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하기 전에, 상기 내측 코너부를 미리 용접으로 가고정하는 것이 바람직하다. 이러한 내측 코너 접합 방법에 따르면, 마찰 교반 접합 시에, 한 쌍의 금속 부재가 이격하는 것을 방지할 수 있으므로, 작업성을 높일 수 있다.

또한, 상기 베이스 블록을 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재에 접촉시킨 후에, 상기 베이스 블록에 상기 교반 핀을 삽입하면서, 마찰 교반 접합을 행하는 것이 바람직하다. 이러한 내측 코너 접합 방법에 따르면, 삽입 저항이 큰 마찰 교반의 개시 위치에 있어서, 내측 코너 접합용 회전 툴의 위치 결정을 높은 정밀도로 행할 수 있다.

또한, 상기 마찰 교반 접합을 행한 후에, 또한 상기 내측 코너부에 대하여 용접을 행하여, 용접 금속으로 볼록하게 하여 필릿에 의한 각장을 부여하는 것이 바람직하다. 이러한 내측 코너 접합 방법에 따르면, 마찰 교반 접합에 의해 형성된 소성화 영역을 보수할 수 있다.

본 발명에 관한 내측 코너 접합용 회전 툴 및 이것을 이용한 내측 코너 접합 방법에 따르면, 설비 비용을 저감할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 내측 코너 접합용 회전 툴을 도시한 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 베이스 블록을 도시한 도면이며, (a)는 분해 사시도, (b)는 측단면도, (c)는 정면 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 교반 핀을 도시한 측면도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 내측 코너 접합용 회전 툴을 도시한 정면 단면도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 내측 코너 접합 방법을 도시한 도면이며, (a)는 준비 공정, (b)는 베이스 블록 배치 공정, (c)는 마찰 교반 접합 공정을 도시한다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 내측 코너 접합 방법을 도시한 도면이며, (a)는 사시도, (b)는 도 5의 (c)의 화살표 A방향으로부터 본 모식 단면도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 베이스 블록을 도시한 측단면도이다.
도 8은 내측 코너 접합 방법의 변형예를 도시한 측면도이며, (a)는 제1 변형예, (b)는 제2 변형예, (c), (d)는 제3 변형예, (e), (f)는 제4 변형예를 도시한다.
도 9는 내측 코너 접합 방법의 다른 실시 형태를 도시한 측면도이다.

[제1 실시 형태]

본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 설명에 있어서의 상하 좌우 전후는 도 1의 화살표에 따른다. 본 실시 형태에 관한 내측 코너 접합용 회전 툴(1)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 베이스 블록(2)과, 베이스 블록(2)을 관통하는 교반 핀(3)을 갖는다.

베이스 블록(2)은, 교반 핀(3)을 지지하는 동시에, 접합해야 할 한 쌍의 금속 부재에 각각 접촉하는 부재이다. 베이스 블록(2)은, 본체부(4)와, 본체부(4)의 선단(하측)에 착탈 가능하게 형성된 숄더부(5)를 구비하고 있다.

본체부(4)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 외관으로 보아 대략 사다리꼴 기둥 형상을 나타내고, 하방을 향해 폭이 좁아지도록 형성되어 있다. 본체부(4)는, 후기하는 접합해야 할 한 쌍의 금속 부재에 접촉하는 동시에, 교반 핀(3)을 회전 가능하게 지지하는 부재이다. 본체부(4)는, 본 실시 형태에서는, 경질의 금속 부재로 이루어진다. 본체부(4)는, 천장면(11)과, 본체부 경사면(12, 13)과, 천장면(11)에 평행한 대향면(14)과, 전방측면(15) 및 후방측면(16)을 구비하고 있다.

본체부 경사면(12, 13)은, 한 쌍의 금속 부재에 각각 접촉하는 부위이다. 본 실시 형태에서는, 후기하는 한 쌍의 금속 부재의 개방 각도(내측 코너부의 각도)를 90°로 설정하고 있으므로, 본체부 경사면(12, 13)의 개방 각도는 90°로 형성하고 있다. 본체부 경사면(12, 13)의 개방 각도는, 한 쌍의 금속 부재의 내측 코너부의 개방 각도에 따라 적절하게 설정하면 된다. 본체부 경사면(12, 13)에는, 각각 연통 구멍(12a, 13a)[도 2의 (c) 참조]이 형성되어 있다. 연통 구멍(12a, 13a)은, 본체부(4)의 내부에 형성되는 본체 중공부(21)에 연통되어 있다. 연통 구멍(12a, 13a)은, 마찰 교반 접합을 행할 때에, 본체부(4) 내의 열을 외부에 방출하기 위한 구멍이다.

대향면(14)은, 본체부(4)의 하단부에 있어서 천장면(11)과 평행하게 형성되어 있다. 대향면(14)의 중앙에는, 대향면(14)보다도 상방에 세트백한 설치면(14a)이 형성되어 있다. 설치면(14a)의 중앙에는, 본체부(4)의 내부에 형성된 본체 중공부(21)에 연통되는 개구가 형성되어 있다. 또한, 설치면(14a)에 있어서, 본체 중공부(21)의 개구의 양측에는, 홈 구멍(14c, 14c)이 형성되어 있다. 또한, 대향면(14)은, 평탄하게 형성되어 있지만, 다른 형상이어도 된다. 대향면(14)은, 예를 들어, 볼록 형상의 곡면으로 해도 된다.

본체부(4)에는, 전방측면(15)으로부터 후방측면(16)에 관통하는 냉각 구멍(17, 17)이 형성되어 있다. 냉각 구멍(17)은, 본 실시 형태에서는, 본체 중공부(21)를 끼우도록 좌우 방향으로 이격하여 2군데에 형성되어 있다. 구체적인 도시는 생략하지만, 냉각 구멍(17)에, 예를 들어 연결 브래킷을 통해 파이프 등을 연결함으로써, 냉각 구멍(17)에 냉각 매체를 유통시킬 수 있다. 냉각 매체는, 특별히 제한되지 않지만, 본 실시 형태에서는 냉수를 이용한다. 냉각 구멍(17)에 냉수를 통과시킴으로써 본체부(4) 내의 온도 상승을 억제할 수 있다.

본체부(4)의 전방측면(15) 및 후방측면(16)의 상측 중앙에는, 도시하지 않은 마찰 교반 장치의 고정 지그에 본체부(4)를 고정하기 위한 장착 구멍(18, 18)이 형성되어 있다.

도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 본체부(4)에는, 교반 핀(3)을 관통시키기 위한 본체 중공부(21)가 형성되어 있다. 본체 중공부(21)는, 본체부(4)의 내부에 있어서, 상측에 형성된 본체 원통 형상 구멍(22)과, 하측에 테이퍼 형상으로 형성된 본체 테이퍼 구멍(23)으로 구성되어 있다.

본체 원통 형상 구멍(22)은, 후기하는 교반 핀(3)의 기본 축부(51)(도 3 참조)가 배치되는 부위이며, 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 본체 테이퍼 구멍(23)은, 하측을 향해 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 본체 테이퍼 구멍(23)은, 역 원추 사다리꼴 형상을 나타낸다. 본체 테이퍼 구멍(23)은, 후기하는 교반 핀(3)의 교반 핀 테이퍼부(52)(도 3 참조)가 배치되는 부위이다. 본체 테이퍼 구멍(23)의 연직선으로부터의 경사 각도는, 후기하는 교반 핀 테이퍼부(52)의 경사 각도와 동등하게 형성하면 되지만, 본 실시 형태에서는 약 35°로 형성되어 있다.

본체 테이퍼 구멍(23)의 내주면에는, 도 2의 (b), (c)에 도시하는 바와 같이, 베어링부(24)가 배치되어 있다. 베어링부(24)는, 본체부(4)와 교반 핀(3) 사이에 개재 설치되고, 본체부(4)에 대하여 교반 핀(3)을 원활하게 회전시킨다. 베어링부(24)의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 본 실시 형태에서는 테이퍼 롤러 베어링을 이용한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 본체 테이퍼 구멍(23)의 내주면에 베어링부(24)를 설치하고 있지만, 본체 원통 형상 구멍(22)의 내주면에 설치해도 된다. 본체 중공부(21)는, 본 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 형성하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본체 중공부(21)는, 교반 핀(3)을 지지하는 동시에, 교반 핀(3)을 축 주위에 회전 가능하게 형성하면 된다. 또한, 베어링부(24)는, 필요에 따라 적절하게 설치하면 된다.

숄더부(5)는, 도 2의 (a) 내지 (c)에 도시하는 바와 같이, 기판부(31)와, 기판부(31)의 하면에 설치된 돌출부(32)를 갖는다. 숄더부(5)는, 본체부(4)의 설치면(14a)에 착탈 가능하게 장착되는 부재이다. 숄더부(5)의 내부의 중앙에는, 교반 핀(3)이 삽입 관통되는 숄더 중공부(41)가 형성되어 있다. 숄더부(5)의 조성은 특별히 제한되지 않지만, 본 실시 형태에서는, 본체부(4)와 동일한 조성의 금속으로 이루어진다.

기판부(31)는, 판 형상의 부위이며, 돌출부(32)의 양쪽에 장착 구멍(31a, 31a)이 형성되어 있다. 기판부(31)를 설치면(14a)에 설치하면, 장착 구멍(31a, 31a)은, 본체부(4)의 홈 구멍(14c, 14c)과 연통된다.

돌출부(32)는, 원통면을 구비한 동체부(33)를 갖고, 이 동체부(33)에는 선단을 향해 폭이 좁아지도록 숄더부 경사면(34, 35)이 형성되어 있다. 숄더부 경사면(34, 35)의 개방 각도는 90°로 형성되어 있다. 숄더부 경사면(34, 35)이 교차하는 부분에는, 능선부(36)가 형성되어 있다. 능선부(36)는, 마찰 교반 접합 시에, 내측 코너부에 접촉하거나 또는 내측 코너부와 미세한 간극을 두고 대향한다. 능선부(36)에는, 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 능선부(36)로부터 이격하는 방향으로 경사지는 절결부(37, 37)가 형성되어 있다. 절결부(37)는, 본 실시 형태에서는, 능선부(36)의 양 단부측에 설치하고 있지만, 적어도, 어느 일 단부측에 설치되어 있으면 된다.

돌출부(32)의 내부에는, 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 숄더 중공부(41)가 형성되어 있다. 숄더 중공부(41)는, 교반 핀(3)이 삽입 관통되는 부위이다. 숄더 중공부(41)는, 상측에 형성되는 숄더 테이퍼 구멍(42)과, 숄더 테이퍼 구멍(42)의 하측에 형성되는 선단 원통 구멍(43)으로 구성되어 있다. 숄더 테이퍼 구멍(42)은, 하측을 향해 폭이 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 숄더 테이퍼 구멍(42)은, 역 원추 사다리꼴 형상을 나타낸다. 숄더 테이퍼 구멍(42)의 연직선으로부터의 경사 각도는, 상기한 본체부(4)의 본체 테이퍼 구멍(23)의 경사 각도와 동등하게 형성되어 있다. 숄더 테이퍼 구멍(42)은, 후기하는 교반 핀(3)의 교반 핀 테이퍼부(52)(도 3 참조)에 접촉하거나 또는 교반 핀 테이퍼부(52)로부터 미세한 간극을 두고 대향하는 부위이다.

선단 원통 구멍(43)은, 숄더 테이퍼 구멍(42)의 하측에 연속하여 형성되어 있고, 원통 형상을 나타낸다. 선단 원통 구멍(43)의 외경은, 후기하는 교반 핀(3)의 선단부(53)(도 3 참조)의 외경보다도 다소 크게 형성되어 있다.

다음으로, 본체부(4)에 숄더부(5)를 장착한 상태에 대해 설명한다. 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 숄더부(5)는, 체결구(31b, 31b)를 통해 본체부(4)에 착탈 가능하게 형성되어 있다. 숄더부(5)의 능선부(36)는, 본체부(4)의 대향면(14)보다도 하방으로 돌출되어 있다.

도 2의 (c)에 도시하는 바와 같이, 본체부(4)의 본체부 경사면(13)은, 숄더부(5)의 숄더부 경사면(34)과 동일 평면 상에 형성되어 있다. 또한, 본체부(4)의 본체부 경사면(12)은, 숄더부(5)의 숄더부 경사면(35)과 동일 평면 상에 형성되어 있다.

또한, 상기한 바와 같이, 베이스 블록(2)의 경사면은, 각각 동일 높이의 면으로 되도록 형성하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본체부(4)의 본체부 경사면(12, 13)보다도, 숄더부(5)의 숄더부 경사면(34, 35)이 하방(내측 코너부)측에 돌출되도록 형성해도 된다.

교반 핀(3)은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 기본 축부(51)와, 교반 핀 테이퍼부(52)와, 선단부(53)를 갖는다. 기본 축부(51), 교반 핀 테이퍼부(52) 및 선단부(53)는, 각각 동축에 형성되어 있다. 교반 핀(3)은, 베이스 블록(2)에 접촉 지지되는 동시에, 한 쌍의 금속 부재의 내측 코너부 내에서 회전하는 부재이다.

기본 축부(51)는, 원기둥 형상을 나타내는 부재이며, 도시하지 않은 마찰 교반 장치의 구동 수단에 연결된다. 기본 축부(51)는, 본체부(4)의 본체 원통 형상 구멍(22)(도 4 참조) 내에 배치된다. 교반 핀 테이퍼부(52)는, 선단을 향해 폭이 좁게 형성되어 있다. 교반 핀 테이퍼부(52)의 연직 단면은, 역 원추 사다리꼴 형상을 나타낸다. 교반 핀 테이퍼부(52)는, 본체부(4)의 본체 테이퍼 구멍(23) 내 및 숄더부(5)의 숄더 테이퍼 구멍(42) 내에 배치된다.

선단부(53)는, 교반 핀 테이퍼부(52)의 하부로부터 수직 하강하고 있고, 대략 원기둥 형상을 나타낸다. 선단부(53)의 외주면에는 나선 형상의 홈이 형성되어 있다. 선단부(53)의 길이는, 교반 핀(3)을 베이스 블록(2)에 접촉 지지시킨 경우에, 그 선단이 베이스 블록(2)의 선단보다도 하방으로 돌출되도록 설정하는 것이 바람직하다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 베이스 블록(2)과 교반 핀(3)을 일체화시키는 경우에는, 베이스 블록(2)의 중공부에 교반 핀(3)을 삽입하고, 교반 핀(3)의 교반 핀 테이퍼부(52)를 본체 테이퍼 구멍(23)의 내주면에 접촉 지지시킨다. 본 실시 형태에서는, 본체 테이퍼 구멍(23)의 내주면에 베어링부(24)를 배치하고 있으므로, 교반 핀 테이퍼부(52)는, 베어링부(24)와 접촉한다. 교반 핀(3)의 선단부(53)는, 숄더부(5)의 선단 원통 구멍(43) 내를 삽입 관통하여 숄더부(5)의 능선부(36)[도 2의 (b) 참조]보다도 하방으로 돌출되도록 배치된다.

또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 본체부(4)의 내부에 대략 원통 형상의 개재 설치 부재(55)가 고정 설치되어 있다. 개재 설치 부재(55)는, 본체부(4)에 대하여 교반 핀(3)을 안정적으로 회전시키기 위해 설치되는 부재이다. 개재 설치 부재(55)는, 필요에 따라 적절하게 설치하면 된다.

또한, 베어링부(24)를 설치하지 않고, 본체 테이퍼 구멍(23)과 숄더 테이퍼 구멍(42)을 동일 높이로 형성하고 있는 경우에는, 교반 핀(3)의 교반 핀 테이퍼부(52)를 본체 테이퍼 구멍(23)의 내주면 및 숄더 테이퍼 구멍(42)의 내주면에 접촉시켜도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 본체부(4) 및 교반 핀(3)에 테이퍼 부분을 형성하여, 이들 테이퍼 부분끼리가 베어링구(24)를 통해 대향하도록 하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본체부(4)의 내부 및 교반 핀(3)의 외주에, 대향하는 수평면을 형성하고, 이 대향하는 수평면의 사이에 스러스트 베어링을 개재 설치해도 된다. 본체부(4) 및 교반 핀(3)을 이와 같이 구성해도, 본체부(4)에 대하여 교반 핀(3)을 원활하게 회전시킬 수 있다.

다음으로, 내측 코너 접합용 회전 툴(1)을 이용한 내측 코너 접합 방법에 대해 설명한다. 내측 코너 접합 방법은, (1) 준비 공정과, (2) 베이스 블록 배치 공정과, (3) 마찰 교반 접합 공정을 포함한다.

(1) 준비 공정

준비 공정에서는, 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(101)와 제2 금속 부재(102)를 맞대는 동시에, 백킹 부재(T)를 배치한다. 제1 금속 부재(101) 및 제2 금속 부재(102)는, 판 형상의 부재이며, 제1 금속 부재(101)의 내측면(101b)에, 제2 금속 부재(102)의 단부면(102c)을 맞댄다. 제1 금속 부재(101)의 단부면(101c)과 제2 금속 부재(102)의 외측면(102a)은 동일 높이의 면으로 되어 있다. 제1 금속 부재(101)와 제2 금속 부재(102)의 개방 각도는 90°로 되어 있다. 제1 금속 부재(101) 및 제2 금속 부재(102)는 마찰 교반 가능한 금속으로 이루어진다.

제1 금속 부재(101)의 내측면(101b)과 제2 금속 부재(102)의 내측면(102b)으로 구성되는 코너부를 내측 코너부(Z)로 한다. 또한, 제1 금속 부재(101)의 내측면(101b)과 제2 금속 부재(102)의 단부면(102c)이 맞대어진 부분을 맞댐부(J)로 한다.

백킹 부재(T)는, 제1 금속 부재(101)의 외측면(101a) 및 제2 금속 부재(102)의 외측면(102a)에 접촉하도록 배치된다.

또한, 준비 공정에서는, 구체적인 도시는 하지 않지만, 내측 코너부(Z)에 미리 하부 구멍을 형성해도 된다. 하부 구멍은, 교반 핀(3)을 내측 코너부(Z)에 삽입할 때의 압입 저항을 저감시키기 위해 형성한다. 하부 구멍의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 원기둥 형상으로 형성하고, 교반 핀(3)의 선단부(53)의 외경보다도 약간 작은 직경으로 설정한다.

또한, 준비 공정에서는, 내측 코너부(Z)를 따라, 용접을 행하여 제1 금속 부재(101)와 제2 금속 부재(102)를 미리 가고정해도 된다. 가고정함으로써, 내측 코너부(Z)에 교반 핀(3)을 삽입하였을 때에 제1 금속 부재(101)와 제2 금속 부재(102)가 이격하는 것을 방지할 수 있다.

(2) 베이스 블록 배치 공정

베이스 블록 배치 공정에서는, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 내측 코너부(Z)에 베이스 블록(2)만을 배치한다. 베이스 블록(2)의 숄더부(5)의 능선부(36)를, 내측 코너부(Z)에 접촉시키거나, 또는, 미세한 간극을 두고 배치한다. 그리고 본체부(4)의 본체부 경사면(12) 및 숄더부(5)의 숄더부 경사면(35)을 제2 금속 부재(102)의 내측면(102b)에 접촉시킨다. 또한, 본체부(4)의 본체부 경사면(13) 및 숄더부(5)의 숄더부 경사면(34)을 제1 금속 부재(101)의 내측면(101b)에 접촉시킨다. 이와 같이, 베이스 블록(2)은, 내측 코너부(Z)의 길이 방향으로는 이동 가능하게 되지만, 베이스 블록(2)을 구성하는 한 쌍의 경사면이, 제1 금속 부재(101) 및 제2 금속 부재(102)에 각각 접촉하므로, 마찰 교반 접합을 행할 때에 베이스 블록(2)이 연직축 주위에 회전하는 것을 저지할 수 있다.

(3) 마찰 교반 접합 공정

마찰 교반 접합 공정에서는, 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이, 교반 핀(3)을 베이스 블록(2)에 삽입하면서, 마찰 교반 접합을 행한다. 마찰 교반 접합 공정에서는, 교반 핀(3)이 내측 코너부(Z)(또는 하부 구멍)에 접촉할 때까지, 베이스 블록(2)의 중공부에 교반 핀(3)을 삽입한다. 그리고 교반 핀(3)을 회전시키면서, 교반 핀(3)의 교반 핀 테이퍼부(52)(도 4 참조)가, 베어링부(24)에 접촉할 때까지 압입한다.

다음으로, 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 교반 핀(3)을 회전시키면서, 베이스 블록(2) 및 교반 핀(3)을 내측 코너부(Z)를 따라 이동시킨다. 마찰 교반 접합에 의해, 맞댐부(J)의 주위의 금속이 소성 유동화되어 일체화하므로, 제1 금속 부재(101)와 제2 금속 부재(102)가 접합된다. 내측 코너 접합용 회전 툴(1)의 이동 궤적에는, 소성화 영역(W)이 형성된다.

이상 설명한 본 실시 형태에 관한 내측 코너 접합용 회전 툴(1)에 따르면, 베이스 블록(2) 중, 내측 코너부(Z)에 면하는 숄더부(5)를 착탈 가능하게 형성하였으므로, 숄더부(5)가 마모되면 숄더부(5)만을 새것으로 교체하면 된다. 따라서, 베이스 블록(2) 전체를 교환할 필요가 없어지므로, 설비 비용을 저감할 수 있다.

도 6의 (b)는 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 공정에 있어서, 도 5의 (c)의 화살표 A방향으로부터 본 모식도이다. 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 본체부(4)의 대향면(14)은, 숄더부(5)의 선단[능선부(36)]보다도 내측 코너부(Z)로부터 이격하는 방향으로 세트백하고 있으므로, 마찰 교반 접합 시에, 베이스 블록(2)이 내측 코너부(Z)에 걸리는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 숄더부(5)의 능선부(36) 중, 진행 방향 전방측에, 절결부(37)를 형성하고 있으므로, 마찰 교반 접합 시에, 숄더부(5)를 원활하게 이동시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 절결부(37)를 진행 방향 후방측에도 형성하고 있으므로, 내측 코너 접합용 회전 툴(1)을 왕복 이동할 때에도 숄더부(5)를 원활하게 이동시킬 수 있다.

또한, 본체부(4)에는, 교반 핀(3)의 교반 핀 테이퍼부(52)와 본체 테이퍼 구멍(23)[베어링부(24)]이 형성되어 있으므로, 당해 테이퍼부끼리를 접촉 또는 이탈시키는 것만으로, 베이스 블록(2)과 교반 핀(3)을 용이하게 착탈할 수 있다. 또한, 당해 테이퍼끼리를 접촉시키는 것만으로, 베이스 블록(2)에 대한 교반 핀(3)의 깊이 방향의 위치 결정을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관한 내측 코너 접합 방법에 따르면, 마찰 교반 접합에 앞서, 베이스 블록(2)만을 내측 코너부(Z)에 배치한 후에, 교반 핀(3)을 베이스 블록(2)에 삽입시키도록 하였으므로, 삽입 저항이 큰 마찰 교반의 개시 위치에 있어서, 내측 코너 접합용 회전 툴(1)의 위치 결정을 높은 정밀도로 행할 수 있다.

[제2 실시 형태]

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 제2 실시 형태에 관한 내측 코너 접합용 회전 툴은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 본체부(4)의 대향면(14)에 절결부(61)가 형성되어 있는 점에서 제1 실시 형태와 상이하다. 본체부(4)[베이스 블록(2)] 이외의 구성은, 제1 실시 형태와 대략 동등하므로, 중복되는 설명은 생략한다.

본체부(4)의 하단부에는, 대향면(14)으로부터 전방측면(15), 후방측면(16)에 걸쳐 각각 경사지는 절결부(61, 61)가 형성되어 있다. 절결부(61)는, 대향면(14)을 기단부로 하여 소정의 각도로 내측 코너부로부터 이격하도록 경사지고 있다. 본체부(4)에 절결부(61)를 형성함으로써, 마찰 교반 접합 시에, 내측 코너부(Z)에 베이스 블록(2)이 걸리는 것을 방지하여 원활하게 이동시킬 수 있다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 숄더부(5)의 능선부(36)와 본체부(4)의 대향면(14)까지의 거리 H가 짧은 경우에는, 제2 실시 형태와 같이 본체부(4)에도 절결부(61)를 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 내측 코너 접합용 회전 툴은, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태의 구성에 한정되지 않고, 적절하게 설계 변경이 가능하다. 예를 들어, 구체적인 도시는 하지 않지만, 도 7을 참조하는 바와 같이, 제1 실시 형태에서는, 숄더부(5)의 능선부(36)를 본체부(4)의 대향면(14)보다도 돌출시키고 있지만, 본체부(4)의 대향면(14)과 숄더부(5)의 능선부(36)가 동일 평면 상으로 되도록 형성해도 된다. 또한, 제1 실시 형태에서는, 체결구(31b, 31b)를 통해, 본체부(4)와 숄더부(5)를 착탈하였지만, 본체부(4)와 숄더부(5)가 착탈 가능하게 형성되면 다른 형태여도 된다.

[변형예]

다음으로, 내측 코너 접합 방법의 변형예에 대해 설명한다. 제1 실시 형태에서는, 제1 금속 부재의 내측면과, 제2 금속 부재의 단부면을 접촉시켰지만, 금속 부재의 조인트 방법은 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 8에 도시하는 제1 변형예 내지 제4 변형예와 같이 맞대어도 된다.

(제1 변형예)

도 8의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제1 변형예에서는, 제1 금속 부재(201) 및 제2 금속 부재(202)의 단부를 각각 45°로 절삭하여, 양 단부면(201c, 202c)끼리를 맞댄다(필렛 조인트). 제1 금속 부재(201)의 내측면(201b)과 제2 금속 부재(202)의 내측면(202b)으로 내측 코너부(Z1)가 형성된다. 내측 코너 접합 방법에서는, 당해 내측 코너부(Z1)에 내측 코너 접합용 회전 툴(1)을 이용하여 마찰 교반 접합을 행해도 된다.

(제2 변형예)

도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 제2 변형예에서는, 제1 금속 부재(211)의 내측면(211b)과, 제2 금속 부재(212)의 단부면(212c)을 맞대어 한 쌍의 금속 부재를 T자 형상으로 형성한다. 제1 금속 부재(211)의 내측면(211b)과 제2 금속 부재(212)의 내측면(212b)으로 내측 코너부(Z2)가 형성된다. 또한, 제1 금속 부재(211)의 내측면(211b)과 제2 금속 부재(212)의 외측면(212a)으로 내측 코너부(Z2')가 형성된다. 내측 코너 접합 방법에서는, 당해 내측 코너부(Z2, Z2')에 내측 코너 접합용 회전 툴(1)을 이용하여 마찰 교반 접합을 행해도 된다.

(제3 변형예)

도 8의 (c)에 도시하는 바와 같이, 제3 변형예에서는, 제1 금속 부재(221)의 단부에 형성된 단차부(223)와, 제2 금속 부재(222)의 단부면(222c)을 맞댄다. 단차부(223)는, 저면(223a)과, 저면(223a)으로부터 상승되는 벽부(223b)를 갖는다. 저면(223a)은, 제2 금속 부재(222)의 단부면(222c)과 접촉하고, 벽부(223b)는, 제2 금속 부재(222)의 내측면(222b)과 접촉한다. 도 8의 (d)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(221)의 내측면(221b)과 제2 금속 부재(222)의 내측면(222b)으로 내측 코너부(Z3)가 형성된다. 단차부(223)를 형성함으로써, 제1 금속 부재(221)와 제2 금속 부재(222)를 안정적으로 맞댈 수 있다. 내측 코너 접합 방법에서는, 당해 내측 코너부(Z3)에 내측 코너 접합용 회전 툴(1)을 이용하여 마찰 교반 접합을 행해도 된다.

(제4 변형예)

도 8의 (e)에 도시하는 바와 같이, 제4 변형예에서는, 제1 금속 부재(231)에 형성된 오목 홈(233)과, 제2 금속 부재(232)의 단부면(232c)을 맞대어 한 쌍의 금속 부재를 T자 형상으로 형성한다. 오목 홈(233)은, 저면(233a)과, 저면(233a)으로부터 상승되는 벽부(233b, 233c)를 갖는다. 저면(233a)은, 제2 금속 부재(232)의 단부면(232c)과 접촉하고, 벽부(233b)는, 제2 금속 부재(232)의 외측면(232a)에 접촉하고, 벽부(233c)는, 제2 금속 부재(232)의 내측면(232b)에 접촉한다. 도 8의 (f)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(231)의 내측면(231b)과 제2 금속 부재(232)의 내측면(232b)으로 내측 코너부(Z4)가 형성된다. 또한, 제1 금속 부재(231)의 내측면(231b)과 제2 금속 부재(232)의 외측면(232a)으로 내측 코너부(Z4')가 형성된다. 오목 홈(233)을 형성함으로써, 제1 금속 부재(231)와 제2 금속 부재(232)를 안정적으로 맞댈 수 있다. 내측 코너 접합 방법에서는, 당해 내측 코너부(Z4, Z4')에 내측 코너 접합용 회전 툴(1)을 이용하여 마찰 교반 접합을 행해도 된다.

(다른 실시 형태)

도 9에 도시하는 바와 같이, 내측 코너 접합 방법의 다른 실시 형태에서는, 상기한 내측 코너 접합 방법의 마찰 교반 접합 공정이 종료되면, 소성화 영역(W)에 대하여 용접을 행하여 보수 공정을 행한다. 보수 공정에서는, 필릿 용접을 행하여 소성화 영역(W)의 표면을 용접 금속(F)으로 덮는다. 즉, 내측 코너부(Z)에 대하여 필릿에 의한 각장을 부여한다. 이에 의해, 마찰 교반 접합에 의해, 소성화 영역(W)의 표면이 요철로 되어 있었다고 해도 평탄하게 할 수 있다.

1 : 내측 코너 접합용 회전 툴
2 : 베이스 블록
3 : 교반 핀
4 : 본체부
5 : 숄더부
12 : 본체부 경사면
13 : 본체부 경사면
14 : 대향면
17 : 냉각 구멍
21 : 본체 중공부
22 : 본체 원통 형상 구멍
23 : 본체 테이퍼 구멍
24 : 베어링부
34 : 숄더부 경사면
35 : 숄더부 경사면
36 : 능선부
37 : 절결부
41 : 숄더 중공부
42 : 숄더 테이퍼 구멍
43 : 선단 원통 구멍
51 : 기본 축부
52 : 교반 핀 테이퍼부
53 : 선단부
61 : 절결부

Claims

한 쌍의 금속 부재를 맞대어 형성된 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하는 내측 코너 접합용 회전 툴이며,
상기 내측 코너부에 삽입되는 교반 핀과,
상기 교반 핀을 지지하는 동시에 한 쌍의 상기 금속 부재에 각각 접촉되는 베이스 블록을 갖고,
상기 베이스 블록은,
선단을 향해 폭이 좁아지는 본체부와, 이 본체부의 선단에 착탈 가능하게 형성된 숄더부를 갖고,
상기 본체부의 선단에, 상기 내측 코너부에 대향하는 대향면이 형성되어 있고,
상기 숄더부의 선단은, 상기 대향면보다도 상기 교반 핀의 선단측에 돌출되어 있고,
상기 교반 핀은, 상기 본체부 및 상기 숄더부를 관통하는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합용 회전 툴.
제1항에 있어서, 상기 본체부의 선단에 있어서, 한쪽의 단부에, 상기 교반 핀의 선단측으로부터 이격하도록 경사지는 절결부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합용 회전 툴.
제1항에 있어서, 상기 숄더부의 선단에 있어서, 한쪽의 단부에, 상기 교반 핀의 선단측으로부터 이격하도록 경사지는 절결부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합용 회전 툴.
제1항에 있어서, 상기 본체부의 내부에는, 선단을 향해 끝이 가늘어지는 본체 테이퍼 구멍이 형성되어 있고,
상기 교반 핀에는, 선단을 향해 끝이 가늘어지는 교반 핀 테이퍼부가 형성되어 있고,
상기 교반 핀 테이퍼부는, 상기 본체 테이퍼 구멍의 내주면에 접촉 지지되어 있는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합용 회전 툴.
제1항에 있어서, 상기 본체부에는, 냉각 매체를 유통시키는 냉각 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합용 회전 툴.
제1항에 있어서, 상기 본체부와 상기 교반 핀 사이에 베어링부가 개재 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합용 회전 툴.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 내측 코너 접합용 회전 툴을 이용하여,
제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 맞대어 형성되는 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합 방법.
제7항에 있어서, 상기 내측 코너부에 대하여 마찰 교반 접합을 행하기 전에, 상기 내측 코너부를 미리 용접으로 가고정하는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합 방법.
제7항에 있어서, 상기 베이스 블록을 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재에 접촉시킨 후에,
상기 베이스 블록에 상기 교반 핀을 삽입하면서, 마찰 교반 접합을 행하는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합 방법.
제7항에 있어서, 상기 마찰 교반 접합을 행한 후에, 또한 상기 내측 코너부에 대하여 용접을 행하여, 용접 금속으로 볼록하게 하여 필릿에 의한 각장을 부여하는 것을 특징으로 하는, 내측 코너 접합 방법.
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