KR101471320B1

KR101471320B1 - 회전 툴 유닛, 마찰 교반 접합 방법, 더블 스킨 패널의 조립체 및 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법

Info

Publication number: KR101471320B1
Application number: KR1020137021616A
Authority: KR
Inventors: 조나단 마틴; 히사시 호리; 노부시로 세오
Original assignee: 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤; 더 웰딩 인스티튜트
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-12-09
Also published as: KR20140029390A; CN103934565A; JP2013027921A; CN103894727A; TW201235138A; JP5559214B2; CN103459081A; CN103459081B; CN104002037A; CN103894727B; CN104002037B; TWI494185B; CN103934565B; WO2012098810A1

Abstract

보빈 툴을 사용하여 한 쌍의 금속판을 접합할 때, 접합 결함의 발생을 억제하여 적합하게 접합할 수 있는 접합 방법을 제공한다. 제1 숄더(11)와 제2 숄더(12)와 제1 숄더(11)와 제2 숄더(12) 사이에 형성된 핀(13)으로 구성된 보빈 툴(5)을 갖는 회전 툴 유닛(2)이며, 마찰 교반 장치(1)의 척부(1a)에 고정되는 원통 형상의 홀더(3)와, 홀더(3)의 내부에 삽입 관통되어 홀더(3)와 일체적으로 회전하는 슬라이드 축(4)과, 슬라이드 축(4)의 선단에 제1 숄더(11)가 고정된 보빈 툴(5)과, 홀더(3)에 대해 슬라이드 축(4)이 축 방향으로 미끄럼 이동하도록 홀더(3)와 슬라이드 축(4) 사이에 형성된 슬라이드 수단(6)을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

회전 툴 유닛, 마찰 교반 접합 방법, 더블 스킨 패널의 조립체 및 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법 {ROTARY TOOL UNIT, FRICTION STIR WELDING METHOD, DOUBLE-SKIN PANEL ASSEMBLY, AND FRICTION STIR WELDING METHOD FOR DOUBLE-SKIN PANEL ASSEMBLY}

본 발명은, 보빈 툴을 구비한 회전 툴 유닛, 상기 회전 툴 유닛을 사용하는 마찰 교반 접합 방법, 상기 회전 툴 유닛을 사용하여 접합되는 더블 스킨 패널의 조립체 및 상기 회전 툴 유닛을 사용하는 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다.

종래, 금속판의 단부면끼리를 마찰 교반 접합하는 툴로서 보빈 툴이 알려져 있다(특허문헌 1 참조). 보빈 툴은, 한 쌍의 숄더와 이 숄더의 사이에 형성된 핀을 구비하고 있다. 한 쌍의 금속판을 접합할 때에는, 금속판을 이동 불가능하게 구속한 후, 금속판의 일단부측으로부터 고속 회전시킨 보빈 툴을 삽입하고, 맞댐부를 따라 핀을 이동시킨다. 이에 의해, 단부면끼리의 주위의 금속이 마찰 교반되어 금속판끼리가 접합된다. 보빈 툴에 따르면, 금속판의 이면측에도 숄더를 구비하고 있으므로, 통상, 금속판의 이면측에 배치하는 백킹 부재를 생략할 수 있다. 특히, 중공 형재의 단부끼리를 접합할 때에는, 백킹 부재를 설치하는 작업이 번잡해지므로, 작업 수고를 대폭 생략할 수 있다.

한편, 종래, 2매의 금속판을 겹쳐 구성된 더블 스킨 패널이 알려져 있다. 더블 스킨 패널은, 철도 차량, 항공기, 선박, 토목 건축 구조물 등의 구조체로서 사용되고 있다. 더블 스킨 패널은, 예를 들어 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 외판과, 내판과, 외판과 내판 사이에 개재 설치되는 지지판을 구비하고 있다. 또한, 더블 스킨 패널끼리를 접합할 때에는, 인접하는 더블 스킨 패널의 외판끼리의 단부 및 내판끼리의 단부를 맞대어 더블 스킨 패널의 조립체를 형성한 후, 회전 툴을 사용하여 맞댄 부분을 마찰 교반 접합하는 것이 알려져 있다.

일본 특허 제2712838호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-272768호 공보

그러나, 보빈 툴을 사용한 마찰 교반 접합에 있어서는, 핀의 축 방향의 중심과, 금속판의 높이 방향의 중심을 맞추면서 접합하는 것이 바람직하지만, 금속판이 마찰열에 의해 변형되는 경우가 있다. 마찰열에 의해 금속판이 변형되면, 핀의 중심과 금속판의 중심이 맞지 않게 되어, 접합 불량으로 되는 경우가 있다.

또한, 숄더간의 거리가, 금속판의 두께보다도 크면, 마찰 교반에 의해 소성 유동화된 금속이 숄더의 외부로 넘치기 쉬워지므로 접합 결함이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.

또한, 보빈 툴의 핀의 외주면에 나선 홈을 형성하는 경우가 있지만, 나선 홈의 방향이나 형성하는 범위에 따라 접합 후의 금속판의 장식면에 형성되는 오목 홈이 커지거나, 장식면에 플래시(flash)가 많이 발생한다고 하는 문제가 있다.

또한, 더블 스킨 패널은 얇고 또한 긴 금속 부재이므로, 한 쌍의 더블 스킨 패널의 외판끼리 및 내판끼리를 고정밀도로 맞대는 작업이 곤란해진다. 또한, 더블 스킨 패널의 조립체를 지그에 의해 이동 불가능하게 고정해도, 회전 툴을 이동시켜 접합할 때에 더블 스킨 패널끼리가 이격되어 버린다고 하는 문제가 있다.

이러한 관점에서, 본 발명은, 보빈 툴을 사용하여 한 쌍의 금속판을 접합할 때에, 접합 결함의 발생을 억제하여 적합하게 접합할 수 있는 회전 툴 유닛 및 마찰 교반 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 보빈 툴의 핀의 외주면에 나선 홈을 형성하였을 때에, 금속판의 장식면에 발생하는 플래시를 적게 하는 것, 또는 장식면에 형성되는 오목 홈을 작게 하는 것을 과제로 한다. 또한, 더블 스킨 패널을 적합하게 접합할 수 있는 더블 스킨 패널의 조립체 및 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 마찰 교반 접합에 사용되는 회전 툴 유닛이며, 마찰 교반 장치의 척부에 고정되는 원통 형상의 홀더와, 상기 홀더의 내부에 삽입 관통되어 상기 홀더와 일체적으로 회전하는 슬라이드 축과, 제1 숄더와 제2 숄더와 상기 제1 숄더와 상기 제2 숄더 사이에 형성된 핀으로 구성된 보빈 툴을 갖고, 상기 슬라이드 축의 선단에 상기 제1 숄더가 고정되어 있고, 상기 홀더에 대해 상기 슬라이드 축이 축 방향으로 미끄럼 이동하도록, 상기 홀더와 상기 슬라이드 축 사이에 슬라이드 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 가령, 마찰 교반에 의해 면외 방향으로 금속판이 휘었다고 해도, 보빈 툴이 금속판의 변형에 추종하여 축 방향으로 이동한다. 이에 의해, 접합 개소의 위치의 변위(어긋남)를 방지할 수 있으므로, 접합 불량의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 상기 슬라이드 수단은, 상기 슬라이드 축의 외면 또는 상기 홀더의 내면에 형성된 베어링 홈과 베어링 홈 내를 미끄럼 이동하는 볼 베어링으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 슬라이드 수단을 용이하게 구성할 수 있다.

또한, 상기 홀더 및 상기 슬라이드 축 중 어느 한쪽에 형성된 키 홈과, 다른 쪽에 형성된 키를 갖고, 상기 슬라이드 축의 이동에 수반하여, 상기 키가 상기 키 홈의 내부를 이동하는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 용이한 구성으로 홀더와 슬라이드 축을 일체적으로 회전시킬 수 있는 동시에, 키 홈의 범위에서 슬라이드 축을 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 홀더의 내면 및 상기 슬라이드 축의 외면 중 어느 한쪽의 축 방향을 따라 연장된 돌출조(突條)와, 다른 쪽의 축 방향을 따라 연장된 오목조(凹條)를 갖고, 상기 슬라이드 축의 이동에 수반하여, 상기 돌출조가 상기 오목조의 내부를 이동하는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 용이한 구성으로 홀더와 슬라이드 축을 일체적으로 회전시킬 수 있는 동시에, 넓은 범위에서 슬라이드 축을 축 방향으로 이동시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 청구범위 제1항에 기재된 회전 툴 유닛을 사용하여, 한 쌍의 금속판을 접합하는 마찰 교반 접합 방법이며, 상기 금속판의 단부면끼리를 맞대는 맞댐 공정과, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시켜 상기 단부면끼리를 마찰 교반 접합하는 접합 공정을 포함하고, 상기 접합 공정에서는, 제1 숄더 및 제2 숄더간의 거리를 상기 금속판의 두께 이하로 설정해 두고, 마찰 교반에 의해 상기 금속판이 변형되어 상기 금속판의 위치가 상기 보빈 툴의 축 방향으로 변위하였을 때, 그 변위에 추종하여 상기 보빈 툴이 축 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

이러한 방법에 따르면, 숄더간의 거리를 금속판의 두께 이하로 설정함으로써, 마찰 교반하여 소성 유동화된 금속이 숄더의 외부로 넘치는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 접합 결함의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 상기 단부면끼리의 간극을 1.00㎜ 이하로 설정하는 경우, 상기 금속판의 두께와 상기 숄더간의 거리를, 0.2㎜≤{(금속판의 두께)－(숄더간의 거리)}≤0.8㎜로 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단부면끼리의 간극을 1.00㎜보다 크고 1.75㎜ 이하로 설정하는 경우, 상기 금속판의 두께와 상기 숄더간의 거리를, 0.4㎜≤{(금속판의 두께)－(숄더간의 거리)}≤0.8㎜로 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 단부면끼리에 간극이 있어도 접합 결함의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 상기 숄더의 외경을 제곱한 값을, 상기 핀의 외경을 제곱한 값으로 나눈 값이 2.0보다 커지도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 핀의 외경에 대한 숄더의 외경을 크게 확보할 수 있으므로, 숄더 사이에서 소성 유동화된 금속을 확실하게 압박할 수 있다. 이에 의해, 접합 결함의 발생을 보다 억제할 수 있다. 숄더의 외경을 제곱한 값을, 핀의 외경을 제곱한 값으로 나눈 값이 2.0 이하이면 금속이 넘치기 쉬워져 접합 결함이 발생하기 쉽다.

또한, 상기 핀의 외경을 제곱한 값을, 상기 숄더의 외경을 제곱한 값으로부터 상기 핀의 외경을 제곱한 값을 뺀 값으로 나눈 값이 0.2보다 크고, 또한 상기 핀의 외경을 제곱한 값을, 상기 핀의 외경과 상기 숄더간의 거리의 곱으로 나눈 값이 1.2보다도 커지도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 핀의 외경을 제곱한 값을, 숄더의 외경을 제곱한 값으로부터 핀의 외경을 제곱한 값을 뺀 값으로 나눈 값이 0.2 이하로 되면, 핀이 가늘어지므로 항장력이 부족하여 꺾이기 쉬워지지만, 0.2보다도 크면 핀이 비교적 굵어지므로 꺾이기 어렵다.

또한, 상기 핀의 외경을 제곱한 값을, 상기 핀의 외경과 상기 숄더간의 거리의 곱으로 나눈 값이 1.2보다도 커지도록 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이 값이 1.2 이하로 되면, 핀이 가늘어지므로 항절력이 부족하여 꺾이기 쉬워지지만, 1.2보다도 크면 핀이 비교적 굵어지므로 꺾이기 어렵다.

또한, 상기 접합 공정에 있어서, 맞대어진 부분의 상기 금속판의 두께가 다른 경우에, 상기 금속판의 두께가 큰 쪽의 상기 금속판을 상기 보빈 툴의 진행 방향에 대해 좌측에 배치한 경우에는, 상기 보빈 툴을 우회전시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 접합 공정에 있어서, 맞대어진 부분의 상기 금속판의 두께가 다른 경우에, 상기 금속판의 두께가 큰 쪽의 상기 금속판을 상기 보빈 툴의 진행 방향에 대해 우측에 배치한 경우에는, 상기 보빈 툴을 좌회전시키는 것이 바람직하다.

마찰 교반에 있어서는, 회전 툴을 우회전시킨 경우, 툴의 진행 방향 좌측(시어측 : 회전 툴의 회전 속도에 회전 툴의 이동 속도가 가산되는 측)으로부터 툴의 진행 방향 우측(플로우측 : 회전 툴의 회전 속도에 회전 툴의 이동 속도가 감산되는 측)으로 소성 유동화된 금속이 흐르는 경향이 있으므로, 가령, 금속판끼리의 사이에 간극이 있는 경우에는, 시어측의 금속에 의해 그 간극이 메워진다고 생각된다. 따라서, 금속판의 두께가 작은 금속판을 시어측에 배치하면, 금속이 부족하여 접합 후의 소성화 영역의 중앙부의 두께가 작아지는 경향이 있다.

그러나, 금속판의 단부면끼리의 두께가 다른 경우는, 금속판의 두께가 큰 금속판을 시어측에 배치함으로써 금속 부족을 보충할 수 있으므로, 보다 적합하게 접합할 수 있다.

또한, 상기 접합 공정에서는, 상기 제1 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 우회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시켜, 상기 핀의 외주면의 상기 제1 숄더측에 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 우측 나사의 나선 홈이 상기 제1 숄더 및 상기 제2 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 제1 숄더측의 우측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 우측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴이 슬라이드 축측으로 압박되어, 금속판의 장식면에 보빈 툴이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 장식면에 오목 홈이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈이 형성되었다고 해도 그 오목 홈의 깊이를 작게 할 수 있다.

또한, 상기 외주면 중 상기 우측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제2 숄더까지의 사이에, 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 마찰 교반의 교반 효율을 높일 수 있다.

또한, 상기 접합 공정에서는, 상기 제1 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 좌회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시켜, 상기 핀의 외주면의 상기 제1 숄더측에 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 좌측 나사의 나선 홈이 상기 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 제1 숄더측의 좌측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 좌측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴이 슬라이드 축측으로 압박되어, 금속판의 장식면에 보빈 툴이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 장식면에 오목 홈이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈이 형성되었다고 해도 그 오목 홈의 깊이를 작게 할 수 있다.

또한, 상기 외주면 중 상기 좌측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제2 숄더까지의 사이에, 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 접합 공정에서는, 상기 제2 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 우회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시켜, 상기 핀의 외주면의 상기 제2 숄더측에 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 좌측 나사의 나선 홈이 상기 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 제2 숄더측의 좌측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 좌측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴이 슬라이드 축과는 반대측으로 압박되어, 금속판의 장식면에 보빈 툴이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 장식면에 오목 홈이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈이 형성되었다고 해도 그 오목 홈의 깊이를 작게 할 수 있다.

또한, 상기 외주면 중 상기 좌측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제1 숄더까지의 사이에, 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 접합 공정에서는, 상기 제2 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 좌회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시켜, 상기 핀의 외주면의 상기 제2 숄더측에 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 우측 나사의 나선 홈이 상기 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 제2 숄더측의 우측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 우측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴이 슬라이드 축과는 반대측으로 압박되어, 금속판의 장식면에 보빈 툴이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 장식면에 오목 홈이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈이 형성되었다고 해도 그 오목 홈의 깊이를 작게 할 수 있다.

또한, 상기 외주면 중 상기 우측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제1 숄더까지의 사이에, 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 접합 공정에서는, 상기 금속판의 장식면측을 냉각시키면서 접합하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 유동화된 금속의 온도 상승을 억제함으로써, 오목 홈의 발생을 보다 억제할 수 있다.

또한, 청구범위 제1항에 기재된 회전 툴 유닛을 사용하여, 마찰 교반 접합되는 한 쌍의 더블 스킨 패널의 조립체이며, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부와 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부가 결합되고, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부에 형성된 단부면과 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부면이 결합되지 않고 맞대어져 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 외판의 갈고리부끼리를 결합시킴으로써, 접합할 때에 더블 스킨 패널끼리가 이격되는 것을 방지할 수 있다. 내판에도 갈고리부를 설치하면, 더블 스킨 패널끼리를 맞대는 작업이 곤란해지지만, 본 발명에서는 내판에는 갈고리부를 설치하지 않고 단부면끼리를 맞대는 것만으로 충분하다. 이에 의해, 더블 스킨 패널을 맞대는 준비 공정의 작업을 생력화할 수 있다.

또한, 각 상기 갈고리부는, 상기 외판의 후육부로부터 연장된 박육부와, 상기 박육부에 연속되고 판 두께 방향으로 돌출된 돌출부를 갖고, 한 쌍의 상기 돌출부끼리가 결합되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 간이한 구성으로 갈고리부를 설치할 수 있다.

또한, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 상기 돌출부의 측부에는 돌출 경사면이 형성되어 있고, 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 상기 후육부에는 상기 돌출 경사면에 면 접촉하는 후육 경사면이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면, 경사면끼리를 비스듬히 미끄럼 이동시킬 수 있으므로, 더블 스킨 패널끼리를 결합시키기 쉽다.

또한, 상기 외판과 상기 내판 사이에 지지판이 개재 설치되어 있고, 상기 지지판으로부터 상기 단부면까지의 길이를 c(㎜) 및 상기 후육부의 판 두께를 t(㎜)로 하였을 때, c≤7.0×t＋18.5㎜를 만족시키도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.

지지판으로부터 단부면까지의 거리가 크면, 부재의 단부측의 변형이 커질 우가 있지만, 이러한 구성에 따르면 부재의 단부측의 변형이 작아진다.

또한, 청구범위 제1항에 기재된 회전 툴 유닛을 사용하여, 한 쌍의 더블 스킨 패널의 단부끼리를 마찰 교반 접합하는 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법이며, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부와 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부를 결합하면서, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부에 형성된 단부면과 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부면을 결합시키지 않고 맞대는 준비 공정과, 상기 준비 공정에서 결합시킨 결합부 및 맞댄 맞댐부에 대해 마찰 교반 접합을 행하는 접합 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 외판의 갈고리부끼리를 결합시킴으로써, 접합할 때에 더블 스킨 패널끼리가 이격되는 것을 방지할 수 있다. 내판에도 갈고리부를 설치하면, 더블 스킨 패널끼리를 맞대는 작업이 곤란해지지만, 본 발명에서는 내판에는 갈고리부를 설치하지 않고 단부면끼리를 맞대는 것만으로 충분하다. 이에 의해, 더블 스킨 패널을 맞대는 준비 공정의 작업을 생력화할 수 있다.

또한, 상기 접합 공정에서는, 상기 결합부를 접합한 후에, 상기 맞댐부를 접합하는 것이 바람직하다.

결합부 및 맞댐부 중 어느 쪽을 먼저 접합해도 접합 강도의 관점에서는 문제가 없지만, 이러한 방법에 따르면, 접합 후의 금속판끼리의 각변형을 작게 할 수 있다.

본 발명에 관한 회전 툴 유닛 및 마찰 교반 접합 방법에 따르면, 접합 결함의 발생을 억제하여 적합하게 접합할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 더블 스킨 패널의 조립체 및 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법에 따르면, 더블 스킨 패널을 적합하게 접합할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치와 중공 형재를 도시하는 사시도이다.
도 2는 중공 형재의 맞댐 상태를 도시하는 도면이며, (a)는 맞댐 전, (b)는 맞댐 후를 도시한다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치를 도시하는 사시도이며, (a)는 전체도, (b)는 홀더, 슬라이드 축 및 슬라이드 수단을 도시한다.
도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ 단면도이다.
도 5는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 보빈 툴을 도시하는 측면도이다.
도 7은 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법을 도시하는 도면이며, (a)는 측단면도, (b)는 (a)의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이다.
도 8은 제2 실시 형태에 관한 보빈 툴을 도시하는 측면도이다.
도 9는 제2 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법을 도시하는 측단면도이다.
도 10의 (a)는 마찰 교반 접합 방법의 제1 변형예를 도시하고, (b)는 마찰 교반 접합 방법의 제2 변형예를 도시한다.
도 11은 변형예에 관한 회전 툴 유닛을 도시하는 도면이며, (a)는 측단면도, (b)는 (a)의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이다.
도 12는 제3 실시 형태에 관한 더블 스킨 패널을 도시한 사시도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치를 도시한 사시도이다.
도 14는 제3 실시 형태에 관한 회전 툴 유닛을 도시한 사시도이다.
도 15는 제3 실시 형태에 관한 보빈 툴을 도시한 측면도이다.
도 16은 제3 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법의 준비 공정을 도시한 정면도이다.
도 17은 제3 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법의 제1 접합 공정을 도시한 사시도이다.
도 18은 제3 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법의 제2 접합 공정을 도시한 사시도이다.
도 19는 제3 실시 형태에 관한 결합 형태의 변형예를 도시한 정면도이다.
도 20은 실시예 1에 있어서의 시험체의 조합을 나타낸 표이다.
도 21은 실시예 1에 있어서, 시험체 H1의 간극과 접합부의 두께의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 22는 실시예 1에 있어서, 시험체 H3의 간극과 접합부의 두께의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 23은 실시예 1에 있어서, 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께＝Re측의 두께인 경우를 나타낸다.
도 24는 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께를 변화시키고, Re측의 두께를 고정한 경우를 나타낸다.
도 25는 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께를 고정하고, Re측의 두께를 변화시킨 경우를 나타낸다.
도 26은 실시예 1에 있어서, (a)는 간극과 중앙부의 두께의 관계를 나타낸 그래프이고, (b)는 간극과 Ad부의 두께의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 27은 실시예 1에 있어서, (a)는 간극과 Re부의 두께의 관계를 나타낸 그래프이고, (b)는 간극과 평균 두께의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 28은 실시예 2에 있어서, 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께＝Re측의 두께인 경우를 나타낸다.
도 29는 실시예 1에 있어서, 숄더간 거리를 5.8㎜로 고정한 경우의 각 보빈 툴의 치수와 접합 상황을 나타낸 표이다.
도 30은 실시예 2에 있어서, 숄더간 거리를 2.8㎜로 고정한 경우의 각 보빈 툴의 치수와 접합 상황을 나타낸 표이다.
도 31은 참고예에 있어서, 숄더간 거리를 11.5㎜로 고정한 경우의 각 보빈 툴의 치수와 접합 상황을 나타낸 표이다.
도 32는 실시예 3에 있어서, 금속판의 단차에 미치는 나사 비율의 영향(맞댐부의 간극 0㎜)을 나타낸 그래프이다.
도 33은 실시예 3에 있어서, 금속판의 단차에 미치는 나사 비율의 영향(맞댐부의 간극 1.5㎜)을 나타낸 그래프이다.
도 34는 실시예 3에 관한 조건 A의 금속판의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다.
도 35는 실시예 3에 관한 조건 B의 금속판의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다.
도 36은 실시예 3에 관한 조건 C의 금속판의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다.
도 37은 실시예 3에 관한 조건 D의 금속판의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다.
도 38은 실시예 3에 관한 조건 E의 금속판의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다.
도 39는 실시예 3의 결과를 정리한 표이다.
도 40은 보빈 툴을 좌회전시킨 경우의 개념을 정리한 표이다.
도 41은 실시예 4의 결합 형태 또는 맞댐 형태를 도시한 정면도이며, (a)는 타입 I, (b)는 타입 II, (c)는 타입 III를 나타낸다.
도 42는 실시예 4의 타입 I의 각변형의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 43은 실시예 4의 타입 II의 각변형의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 44는 실시예 4의 타입 III의 각변형의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 45는 실시예 4의 보빈 툴의 회전 방향, 나선 홈의 권회 방향, 결합 형태를 정리한 표이다.
도 46은 실시예 6을 나타내기 위한 도면으로, (a)는 공시체를 나타내고, (b)는 각 조건을 정리한 표이다.
도 47은 실시예 6의 판 두께 a와 길이 c의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

[제1 실시 형태]

본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치(1)는, 맞대어진 한 쌍의 금속판의 맞댐부(N)를 마찰 교반 접합하는 장치이다. 마찰 교반 장치(1)의 선단에는 보빈 툴(5)이 장착되어 있다. 우선은, 접합하는 한 쌍의 금속판을 설명한다. 설명에 있어서의 상하 전후 좌우는 도 1의 화살표에 따른다.

<중공 형재>

도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는 중공 형재(100A)와 중공 형재(100B)를 접합하는 경우를 예시한다. 중공 형재(100A)는, 알루미늄 합금제의 압출 형재이며, 단면에서 볼 때 직사각형인 중공부(100a)를 갖는 장척 부재이다. 중공 형재(100A)는, 중공부(100a)를 구비한 본체부(101)와, 본체부(101)의 좌측면의 상하 단부로부터 각각 좌측[중공 형재(100B)측]으로 돌출된 판 형상 단부(102, 103)를 갖는다.

본체부(101)는, 4개의 면재(104, 105, 106, 107)로 구성되고, 단면에서 볼 때 직사각형으로 형성되어 있다. 판 형상 단부(102, 103)는, 판 형상을 나타내고 면재(105)에 대해 수직으로 되어 있다. 판 형상 단부(102, 103)의 좌우 방향의 길이는, 면재(104)의 절반 정도로 되어 있다. 또한, 판 형상 단부(102, 103)는, 면재(104, 105, 106, 107)와 동등한 두께로 되어 있다. 판 형상 단부(102, 103)는, 청구범위의「금속판」에 상당하는 부위이다.

중공 형재(100B)는, 중공 형재(100A)와 동등한 형상을 나타내는 금속 부재이다. 중공 형재(100B)는, 중공 형재(100A)와 동등한 번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

중공 형재(100A)와 중공 형재(100B)를 맞댈 때에는, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(102, 103)와 중공 형재(100B)의 판 형상 단부(102, 103)를 각각 맞댄다. 보다 상세하게는, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(102)의 단부면(102a)과 중공 형재(100B)의 판 형상 단부(102)의 단부면(102a)을 맞대는 동시에, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(103)의 단부면(103a)과 중공 형재(100B)의 판 형상 단부(103)의 단부면(103a)을 각각 맞댄다. 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 중공 형재(100A)와 중공 형재(100B)를 맞대면, 단부면(102a, 102a)의 높이 방향의 중심끼리가 겹치는 동시에, 판 형상 단부(102, 102)의 상면과 하면이 각각 동일 높이의 면으로 된다.

도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 단부면(102a, 102a), 단부면(103a, 103a)이 각각 맞대어진 부분을「맞댐부(N)」라 한다. 맞댐부(N)를 접합할 때에는, 단부면(102a, 102a)이 밀접되어 있는 것이 바람직하지만, 중공 형재(100A, 100B)의 공차나, 접합시에 있어서의 마찰열에 의해 판 형상 단부(102, 102)가 변형되어, 단부면(102a, 102a)과의 사이에 미세한 간극이 생기는 경우가 있다. 맞댐부(N)라 함은, 단부면(102a, 102a)에 미세한 간극이 발생되어 있는 경우도 포함하는 개념이다.

또한, 본 실시 형태에서는 접합하는 대상으로서 중공 형재의 판 형상 단부를 예시하고 있지만, 접합하는 대상은, 마찰 교반 가능한 금속으로 형성되어 있고, 판 형상을 나타내는 부재이면 특별히 제한되는 것은 아니다.

<마찰 교반 장치>

도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 마찰 교반 장치(1)는, 척부(1a)와, 척부(1a)의 내부에 고정되는 회전 툴 유닛(2)으로 주로 구성되어 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 척부(1a)는 플랜지를 구비한 원통 형상의 부재이며, 마찰 교반 장치(1)의 본체(D)에 볼트(B1)에 의해 접속되어 있다. 척부(1a)는, 마찰 교반 장치(1)의 회전 구동에 의해 축 주위로 회전하는 부위이다. 척부(1a)의 내주에는 원통면(1b)이 형성되어 있다.

회전 툴 유닛(2)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 홀더(3)와, 슬라이드 축(4)과, 보빈 툴(5)과, 슬라이드 수단(6)으로 구성되어 있다. 회전 툴 유닛(2)은, 척부(1a)에 대해 착탈 가능하게 되어 있다.

홀더(3)는, 슬라이드 축(4)을 내포하는 동시에, 척부(1a)의 내부에 고정되는 부재이다. 홀더(3)는, 원통 형상을 나타낸다. 홀더(3)의 외면에는, 상하 방향으로 평탄하게 연장된 평탄면(3a)이 형성되어 있으므로, 원통면(1b)과 평탄면(3a) 사이에는 미세한 간극이 형성되어 있다. 볼트(2B, 2B)는, 척부(1a)의 외면으로부터 직경 방향을 향해 체결되어 있고, 그 선단이 평탄면(3a)에 접촉되어 있다. 이에 의해, 척부(1a)와 홀더(3)가 일체적으로 회전한다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 홀더(3)에는, 직경 방향으로 관통되는 긴 구멍 형상의 키 홈(3b)이 형성되어 있다.

슬라이드 축(4)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 원기둥 형상을 나타내고, 홀더(3)의 중공부에 배치되는 부재이다. 슬라이드 축(4)은, 홀더(3)에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 슬라이드 축(4)의 외면에는, 외측을 향해 돌출되는 키(4a)가 형성되어 있다. 키(4a)가, 키 홈(3b)에 결합됨으로써, 홀더(3)와 슬라이드 축(4)이 일체적으로 회전한다.

보빈 툴(5)은, 도 6에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 공구강으로 형성되어 있고 슬라이드 축(4)에 연결되어 있다. 보빈 툴(5)은, 척부(1a), 홀더(3) 및 슬라이드 축(4)과 일체적으로 정역(正逆) 회전한다. 보빈 툴(5)은, 제1 숄더(11)와, 제1 숄더(11)의 하방에 간격을 두고 배치된 제2 숄더(12)와, 제1 숄더(11)와 제2 숄더(12)를 연결하는 핀(13)을 갖는다.

제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)는, 원기둥 형상을 나타내고, 동등한 외경을 구비하고 있다. 핀(13)은, 원기둥 형상을 나타내고, 제1 숄더(11)와 제2 숄더(12)를 연결한다. 핀(13)은, 제2 숄더(12)를 관통하고 있다. 제2 숄더(12)를 관통한 핀(13)은, 제2 숄더(12)의 하단부에 있어서 너트에 의해 체결되어 있다. 핀(13)의 외주면에는, 상부 나선 홈(13a)과 하부 나선 홈(13b)이 형성되어 있다. 상부 나선 홈(13a) 및 하부 나선 홈(13b)의 홈의 방향은 각각 반대 방향으로 권회되도록 형성되어 있다.

상부 나선 홈(13a)은, 제1 숄더(11)의 하단부로부터 핀(13)의 높이 방향의 중간 위치까지 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는 보빈 툴(5)을 우회전시키므로, 상부 나선 홈(13a)은 우측 나사로 형성되어 있다. 즉, 상부 나선 홈(13a)은, 상방으로부터 하방을 향해 우측 방향으로 권회되도록 형성되어 있다.

한편, 하부 나선 홈(13b)은, 제2 숄더(12)의 상단부로부터 핀(13)의 높이 방향의 중간 위치까지 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는 보빈 툴(5)을 우회전시키므로, 하부 나선 홈(13b)은 좌측 나사로 형성되어 있다. 즉, 하부 나선 홈(13b)은, 상방으로부터 하방을 향해 좌측 방향으로 권회되도록 형성되어 있다.

상부 나선 홈(13a) 및 하부 나선 홈(13b)을 이와 같이 형성함으로써, 마찰 교반되어 소성 유동화된 금속이, 판 형상 단부(102)의 높이의 중앙 부분으로부터 상단부 방향 또는 하단부 방향을 향해 약간 이동하도록 되어 있다. 또한, 이들 상하 방향으로의 금속의 이동은, 보빈 툴(5)의 핀(13)의 회전에 의한 주위 방향에서의 금속의 이동에 비해 미량에 그치는 것이다.

나선 홈의 권회 방향이나 형성하는 비율에 대해서는, 접합하는 금속판의 장식면과 보빈 툴(5)의 위치 관계나, 보빈 툴의 회전 방향 등에 따라서 적절하게 설정하면 된다. 본 실시 형태에서는, 핀(13)에 대해 우측 나사와 좌측 나사의 양쪽의 나선 홈을 형성하고 있지만, 예를 들어 핀(13)에 대해 모두 우측 나사의 나선 홈을 형성해도 되고, 모두 좌측 나사의 나선 홈을 형성해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 숄더(11)측을 우측 나사, 제2 숄더(12)측을 좌측 나사로 하고 있지만, 제1 숄더(11)측을 좌측 나사, 제2 숄더(12)측을 우측 나사로 해도 된다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 보빈 툴(5)의 숄더간 거리 Z[핀(13)의 길이]는, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(102)의 두께 T와 동등하거나, 그것보다도 작게 되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시 형태에서는, 숄더간 거리 Z는, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(102)의 두께 T보다도 0.2㎜ 작게 되어 있다.

또한, 맞댐부(N)[도 2의 (b) 참조]의 단부면(102a, 102a)의 간극을 0.75㎜ 이하로 설정할 수 있는 경우, 판 형상 단부(102)의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 동등, 즉, T－Z＝0으로 설정해도 접합 상태를 양호하게 할 수 있다.

또한, 맞댐부(N)의 단부면(102a, 102a)의 간극을 1.00㎜ 이하로 설정할 수 있는 경우, 판 형상 단부(102)의 두께 T와 숄더간 거리 Z를, 0.2㎜≤T－Z≤0.8㎜로 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 맞댐부(N)의 단부면(102a, 102a)의 간극을 1.00보다 크고, 1.75㎜ 이하로 설정할 수 있는 경우, 판 형상 단부(102)의 두께 T와 숄더간 거리 Z를, 0.4㎜≤T－Z≤0.8㎜로 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 보빈 툴(5)은, 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)의 외경 X를 제곱한 값을 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값으로 나눈 값이 2.0보다 커지도록 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 보빈 툴(5)에 따르면, 플래시로서 배출되는 재료의 양을 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)에 의해 억제할 수 있으므로, 접합 결함의 발생을 저감할 수 있다.

또한, 보빈 툴(5)은, 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값을, 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)의 외경 X를 제곱한 값으로부터 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값을 뺀 값으로 나눈 값이 0.2보다도 커지도록 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 보빈 툴(5)에 따르면, 접합시에 툴 축 방향으로 발생하는 재료 저항에 대한 핀의 항장력을 충분히 확보할 수 있으므로, 핀(13)의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 보빈 툴(5)은, 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값을 핀(13)의 외경 Y와 숄더간 거리 Z의 곱으로 나눈 값이 1.2보다도 커지도록 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 보빈 툴(5)에 따르면, 접합시에 툴 진행 방향과는 역방향으로 흐르는 재료 저항에 대한 핀의 항절력을 충분히 확보할 수 있으므로, 핀(13)의 파손을 방지할 수 있다. 이들의 근거에 대해서는 실시예에서 기재한다.

슬라이드 수단(6)은, 도 3의 (b) 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 홀더(3)에 대해 슬라이드 축(4)을 상하 방향으로 원활하게 이동시키는 기구이다. 슬라이드 수단(6)은, 홀더(3)의 내면에 형성된 베어링 홈(8)과, 베어링 홈(8) 내를 미끄럼 이동하는 볼 베어링(9)으로 구성되어 있다. 베어링 홈(8)은, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이, 홀더(3)의 내면에 측면에서 보아 긴 원 형상으로 형성되어 있다. 베어링 홈(8)의 깊이는, 볼 베어링(9)의 직경보다도 작게 되어 있다. 볼 베어링(9)은, 베어링 홈(8)의 내부에 복수개 배치된다. 볼 베어링(9)의 일단부가 슬라이드 축(4)의 외면에 미끄럼 접촉하는 동시에 타단부가 베어링 홈(8)의 내면에 미끄럼 접촉한다.

또한, 슬라이드 수단(6)의 구성은, 본 실시 형태의 구성에 한정되는 것은 아니다. 슬라이드 수단(6)은, 홀더(3)와 슬라이드 축(4)이 일체적으로 회전하는 동시에, 홀더(3)에 대해 슬라이드 축(4)이 상하 방향으로 원활하게 이동하도록 구성되어 있으면 된다. 예를 들어, 슬라이드 축(4)측에, 베어링 홈(8)과 볼 베어링(9)을 설치해도 된다.

여기서, 마찰 교반 접합을 행하면, 마찰열에 의해 판 형상 단부(102, 102)의 온도가 상승하여, 판 형상 단부(102, 102)가 상방 또는 하방으로 휘어 버리는 경우가 있다. 본 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치(1)는, 슬라이드 축(4)이 홀더(3)에 대해 이동 가능하게 형성되어 있으므로, 판 형상 단부(102)가 예를 들어 상방으로 휘었을 때에, 그 휨에 추종하여 보빈 툴(5)이 소정의 거리만큼 상방으로 이동하도록 구성되어 있다. 한편, 판 형상 단부(102)가 하방으로 휘었을 때에는, 그 휨에 추종하여 보빈 툴(5)이 소정의 거리만큼 하방으로 이동하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합 중에 있어서의 금속판에 대한 보빈 툴(5)의 위치 어긋남을 억제할 수 있도록 되어 있다.

다음에, 제1 실시 형태의 보빈 툴(5)을 사용한 접합 방법에 대해 설명한다.

제1 실시 형태의 접합 방법에서는, 보빈 툴(5)을 우회전시켜 접합을 행한다. 구체적으로는, 이 접합 방법에서는, 중공 형재끼리를 맞대는 맞댐 공정과, 맞댐부(N)에 보빈 툴(5)을 삽입하는 접합 공정을 행한다. 여기서는, 표면(Sa)을 장식면으로서 설정한다.

맞댐 공정에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 중공 형재(100A)와 중공 형재(100B)를 판 형상 단부(102)끼리 대향시키고, 단부면(102a, 102a)끼리 및 단부면(103a, 103a)끼리를 면 접촉시킨다. 보다 상세하게는, 한쪽 단부면(102a)의 중점과, 다른 쪽 단부면(102a)의 중점이 겹치도록 면 접촉시킨다. 또한, 맞댄 후에는, 중공 형재(100A, 100B)가 이격되지 않도록, 맞댐부(N)를 따라 용접 등에 의해 가부착을 행해도 된다. 중공 형재(100A)와 중공 형재(100B)를 맞대면, 양자를 이동 불가능하게 구속한다.

접합 공정에서는, 우선, 맞댐부(N)의 외부에 있어서, 핀(13)의 중심(13c)이, 맞댐부(N)의 중심(Nc)과 겹치도록 위치시킨다. 그리고, 도 7에 도시하는 바와 같이, 우회전시킨 보빈 툴(5)을 맞댐부(N)를 따라 이동시킨다. 보빈 툴(5)이 맞댐부(N)에 삽입되면, 고속 회전하는 핀(13)에 의해 핀(13)의 주위의 금속이 마찰 교반되어 판 형상 단부(102)끼리가 일체화된다. 핀(13)의 궤적에는 소성화 영역(W)이 형성된다.

이상 설명한 본 실시 형태에 관한 접합 방법에 따르면, 마찰 교반 접합의 마찰열에 의해 판 형상 단부(금속판)(102, 102)가 휘었다고 해도, 그 휨에 추종하여 보빈 툴(5)이 상하 방향으로 원활하게 이동 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 핀(13)의 중심(13c)과 맞댐부(N)의 중심(Nc)의 높이 위치가 어긋나는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 접합 위치가 어긋나는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시 형태와 같이, 보빈 툴(5)의 숄더간 거리 Z를 판 형상 단부(102)의 두께 T 이하로 설정함으로써, 소성 유동화된 금속을 압박할 수 있어, 마찰 교반에 의해 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)의 외부로 넘치는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 접합 결함의 발생을 억제할 수 있다. 또한, T－Z의 값이 0.8을 초과하면 마찰 교반 장치(1)에의 부하가 커지므로 부적절하다.

또한, 접합 방법에 따르면, 마찰 교반되어 유동화된 금속은, 핀(13)의 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과, 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)으로 유도되어 판 형상 단부(102)의 중심(Nc)으로부터 표면(Sa)측 및 이면(Sb)측으로 각각 이동한다. 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)은 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 이 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴(5)이 판 형상 단부(102)에 대해 슬라이드 축(4)측(상방)으로 압박되어, 표면(장식면)(Sa)에 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 장식면에 오목 홈(V)이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈(V)이 형성되었다고 해도 그 오목 홈(V)의 깊이를 작게 할 수 있다. 오목 홈(V)의 발생을 방지하거나 또는 오목 홈(V)을 작게 함으로써, 표면(장식면)(Sa)을 평활하게 하는 마무리 처리가 용이해진다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상부 나선 홈(13a)과 하부 나선 홈(13b)의 비율이 50:50이므로, 도 7의 (a)에 도시하는 바와 같이, 상측과 하측에서 이동하는 금속량을 균등하게 할 수 있다. 이에 의해, 핀(13)의 중심(13c)과 맞댐부(N)의 중심(Nc)의 위치 어긋남을 보다 방지할 수 있다. 또한, 상부 나선 홈(13a) 및 하부 나선 홈(13b)이 형성되어 있으므로, 마찰 교반의 교반 효율을 높일 수 있다.

접합 공정을 행할 때에는, 판 형상 단부(102)의 표면(장식면)(Sa)에 대해, 예를 들어 냉각된 기체나 액체 등을 공급 가능한 냉각 장치에 의해 냉각시키면서 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 판 형상 단부(102)의 변형을 억제하여 접합 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 판 형상 단부(102)의 이면(Sb)측을 냉각시키면서 접합을 행해도 된다.

[제2 실시 형태]

제2 실시 형태에 관한 접합 방법에서는, 보빈 툴의 나선 홈의 구성 및 회전 방향이 제1 실시 형태와 다르다. 제2 실시 형태의 설명에 있어서는, 제1 실시 형태와 공통되는 점에 대해서는, 상세한 설명을 생략한다.

도 8은 제2 실시 형태에 관한 보빈 툴을 도시하는 측면도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 제2 실시 형태에 관한 보빈 툴(5A)의 핀(13)의 외주면에는, 상반부에 형성된 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과, 하반부에 형성된 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)이 형성되어 있다. 즉, 상부 나선 홈(13a)은 상방으로부터 하방을 향해 좌측 방향으로 권회되도록 형성되어 있고, 하부 나선 홈(13b)은 상방으로부터 하방을 향해 우측 방향으로 권회되도록 형성되어 있다.

보빈 툴(5A)의 숄더간 거리[핀(13)의 길이] Z는, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(102)의 판 두께 T 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시 형태에서는, 숄더간 거리 Z는, 중공 형재(100A)의 판 형상 단부(102)의 판 두께 T보다도 0.4㎜ 작게 되어 있다.

다음에, 제2 실시 형태의 보빈 툴(5A)을 사용한 접합 방법에 대해 설명한다.

제2 실시 형태의 접합 방법에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 보빈 툴(5A)을 좌회전시켜 접합을 행한다. 구체적으로는, 이 접합 방법에서는, 중공 형재끼리를 맞대는 맞댐 공정과, 맞댐부(N)에 보빈 툴(5A)을 삽입하는 접합 공정을 행한다. 여기서는, 표면(Sa)을 장식면으로서 설정한다. 맞댐 공정은, 제1 실시 형태와 동등하므로, 설명을 생략한다.

접합 공정에서는, 맞댐부(N)의 외부에 있어서, 핀(13)의 중심(13c)이, 맞댐부(N)의 중심(Nc)과 겹치도록 위치시킨다. 그리고, 도 9에 도시하는 바와 같이, 좌회전시킨 보빈 툴(5A)을 맞댐부(N)를 따라 이동시킨다. 보빈 툴(5A)이 맞댐부(N)에 삽입되면, 고속 회전하는 핀(13)에 의해 핀(13)의 주위의 금속이 마찰 교반되어 판 형상 단부(102)끼리가 일체화된다. 핀(13)의 궤적에는 소성화 영역(W)이 형성된다.

이 접합 방법에 따르면, 마찰 교반되어 유동화된 금속은, 핀(13)의 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과, 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)으로 유도되어 판 형상 단부(102)의 중심(Nc)으로부터 표면(Sa)측 및 이면(Sb)측으로 각각 이동한다. 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)은 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 이 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴(5A)이 판 형상 단부(102)에 대해 슬라이드 축(4)측(상방)으로 압박되어, 표면(장식면)(Sa)에 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 표면(장식면)(Sa)에 오목 홈(V)이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈(V)이 형성되었다고 해도 그 오목 홈(V)의 깊이를 작게 할 수 있다.

또한, 제2 실시 형태에서는, 상부 나선 홈(13a)과 하부 나선 홈(13b)의 비율이 50:50이므로, 이동하는 금속량을 균등하게 할 수 있다. 이에 의해, 핀(13)의 중심(13c)과 맞댐부(N)의 중심(Nc)의 위치 어긋남을 보다 방지할 수 있다. 또한, 상부 나선 홈(13a) 및 하부 나선 홈(13b)이 형성되어 있으므로, 마찰 교반의 교반 효율을 높일 수 있다.

<제1 변형예>

제1 변형예에서는, 도 10의 (a)에 도시하는 바와 같이, 판 형상 단부(102A)와 판 형상 단부(102B)의 두께가 다른 점에서 상기한 실시 형태와 다르다. 판 형상 단부(102B)의 두께 T1은, 판 형상 단부(102A)의 두께 T2보다도 크게 되어 있다. 제1 변형예에서는, 판 형상 단부(102A)의 높이 방향의 중점과, 판 형상 단부(102B)의 높이 방향의 중점이 겹치도록 맞대어져 있다.

제1 변형예에 관한 접합 공정에서는, 보빈 툴(5)을 우회전시켜, 판 형상 단부(102B)의 맞댐부(N)의 두께가 큰 쪽인 판 형상 단부(102B)(금속판)를 진행 방향에 대해 좌측에 배치한다.

마찰 교반에 있어서는, 회전 툴을 우회전시킨 경우, 툴의 진행 방향 좌측(시어측 : 회전 툴의 회전 속도에 회전 툴의 이동 속도가 가산되는 측)으로부터 툴의 진행 방향 우측(플로우측 : 회전 툴의 회전 속도에 회전 툴의 이동 속도가 감산되는 측)으로 소성 유동화된 금속이 흐르는 경향이 있으므로, 가령, 금속판끼리의 사이에 간극이 있는 경우에는, 시어측의 금속에 의해 그 간극이 메워진다고 생각된다. 따라서, 시어측의 금속판의 두께가 작으면, 금속이 부족하여 접합 후의 소성화 영역의 중앙부의 두께가 작아지는 경향이 있다. 덧붙여 말하면, 회전 툴을 좌회전시킨 경우, 툴의 진행 방향 우측이 시어측, 좌측이 플로우측으로 된다.

제1 변형예에서는, 시어측에 해당되는 판 형상 단부(102B)의 두께 T1을 판 형상 단부(102A)의 두께 T2보다도 크게 함으로써, 소성화 영역(W)의 중앙부의 금속의 부족을 해소하여 보다 적합하게 접합할 수 있다.

<제2 변형예>

제2 변형예에서는, 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이, 판 형상 단부(102C)와 판 형상 단부(102D)의 두께가 다른 점에서 상기한 실시 형태와 다르다. 판 형상 단부(102C)의 두께 T1은, 판 형상 단부(102D)의 두께 T2보다도 크게 되어 있다. 제2 변형예에서는, 판 형상 단부(102C)의 높이 방향의 중점과, 판 형상 단부(102D)의 높이 방향의 중점이 겹치도록 맞대어져 있다.

제2 변형예에 관한 접합 공정에서는, 보빈 툴(5)을 좌회전시켜, 판 형상 단부(102C)의 맞댐부(N)의 두께가 큰 쪽인 판 형상 단부(102C)(금속판)를 진행 방향에 대해 우측에 배치한다.

제2 변형예에서는, 제1 변형예와 마찬가지의 원리에 의해, 시어측에 해당되는 판 형상 단부(102C)의 두께 T1을 판 형상 단부(102D)의 두께 T2보다도 크게 함으로써, 소성화 영역(W)의 중앙부의 금속의 부족을 해소하여 보다 적합하게 접합할 수 있다.

<제3 변형예>

제3 변형예의 회전 툴 유닛은, 도 11의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 홀더(50)와, 슬라이드 축(51)과, 슬라이드 수단(52)과, 보빈 툴(5)을 구비하고 있다. 주로, 홀더(50)와 슬라이드 축(51)의 구조가 제1 실시 형태와 다르다.

홀더(50)는, 본체 통부(53)와, 본체 통부(53)의 하단부에 형성된 컬러부(54)로 구성되어 있다. 본체 통부(53)는, 원통 형상을 나타낸다. 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 본체 통부(53)의 내면에는, 내측을 향해 돌출되는 돌출조(53a, 53a)가 형성되어 있다. 돌출조(53a, 53a)는 대향하는 위치에 형성되어 있다. 돌출조(53a)는, 단면에서 볼 때 대략 반원 형상을 나타내고, 본체 통부(53)의 높이 방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있다.

컬러부(54)는, 단면에서 볼 때 L자 형상, 평면에서 볼 때 링 형상을 나타내고, 본체 통부(53)의 하단부에 접합되어 있다. 컬러부(54)는, 본체 통부(53)의 내면보다도 내측으로 돌출되는 스토퍼부(54a)를 구비하고 있다.

슬라이드 축(52)은, 대직경부(55)와, 대직경부(55)의 하부에 설치된 소직경부(56)와, 대직경부(55)와 소직경부(56)에 의해 형성된 단차부(57)를 구비하고 있다. 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 대직경부(55)의 외면에는, 돌출조(53a)에 대응하는 오목조(55a, 55a)가 형성되어 있다. 오목조(55a)는, 돌출조(53a)와 대략 동등한 형상을 나타내고, 대직경부(55)의 높이 방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있다.

슬라이드 수단(52)은, 제1 실시 형태와 대략 동등한 구성이며, 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 베어링 홈(52a)과 볼 베어링(52b)을 갖는다. 슬라이드 수단(52)은, 홀더(50)에 대해 슬라이드 축(51)의 축 방향의 이동을 원활하게 한다.

홀더(51)의 돌출조(53a)와 슬라이드 축(52)의 오목조(55a)가 결합됨으로써, 축 방향의 이동을 허용하면서, 홀더(51)와 슬라이드 축(52)이 일체적으로 회전한다. 돌출조(53a)는 홀더(51)의 높이 방향의 전체 길이에 형성되어 있으므로, 슬라이드 축(51)의 이동 거리를 길게 할 수 있다. 또한, 돌출조(53a)의 전체 길이가 오목조(55a)와 결합되므로, 슬라이드 축(52)을 안정적으로 이동시킬 수 있다. 또한, 돌출조(53a)와 오목조(55a)는 회전축을 사이에 두고 양측에 설치되어 있으므로, 보다 안정적으로 이동시킬 수 있다. 또한, 스토퍼부(54a)와 슬라이드 축(51)의 단차부(57)가 접촉함으로써, 슬라이드 축(51)의 하방으로의 이동을 규제할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태, 제2 실시 형태, 제1 변형예∼제3 변형예에서는 상기한 바와 같이 회전 툴 유닛을 구성하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 홀더 및 슬라이드 축의 수평 단면 형상이 다각형으로 되도록 해도 된다.

[제3 실시 형태]

본 발명의 제3 실시 형태에 대해 설명한다. 제3 실시 형태에서는 더블 스킨 패널을 접합하는 경우를 예시한다. 본 실시 형태의 설명에 있어서의 상하 좌우 전후는, 도 12의 화살표에 따른다.

더블 스킨 패널(201)은, 도 12에 도시하는 바와 같이, 금속제의 얇은 장척 부재이며, 외판(202)과, 내판(203)과, 지지판(204, 204)으로 주로 구성되어 있다. 각 지지판(204)은, 외판(202) 및 내판(203)에 대해 수직으로 되어 있다. 더블 스킨 패널(201)은, 좌우 방향으로 복수매 접합됨으로써, 예를 들어 철도 차량, 항공기, 선박 및 토목 건축 구조물 등의 구조체로서 사용된다. 더블 스킨 패널(201)의 제조 방법은 특별히 제한되지 않지만, 본 실시 형태에서는 압출 성형에 의해 성형되어 있다. 더블 스킨 패널(201)의 재료는, 마찰 교반 가능한 금속이면 특별히 제한되지 않지만, 본 실시 형태에서는 알루미늄 합금을 사용하고 있다.

외판(202)은, 중앙부(205)와, 중앙부(205)로부터 우측으로 연장된 우측 판 형상 단부(210)와, 중앙부(205)로부터 좌측으로 연장된 좌측 판 형상 단부(220)로 구성되어 있다.

우측 판 형상 단부(210)는, 제1 외판 후육부(211)와, 제1 갈고리부(212)와, 제1 육성부(肉盛部)(213)로 구성되어 있다. 제1 외판 후육부(211)는, 지지판(204)에 대해 수직으로 되어 있고, 우측으로 연장되어 있다. 제1 갈고리부(212)는, 갈고리 형상으로 되어 있고, 우측으로 연장된 제1 박육부(214)와, 제1 박육부(214)로부터 수직으로 돌출된 제1 돌출부(215)로 구성되어 있다. 제1 박육부(214)는, 제1 외판 후육부(211)의 3분의 1 정도의 두께로 되어 있다.

제1 돌출부(215)는, 제1 박육부(214)의 선단으로부터 내판(203)측을 향해 돌출되어 있다. 제1 돌출부(215)의 측부에는, 내판(203)측을 향함에 따라 지지판(204)에 근접하도록 경사지는 제1 돌출 경사면(216)이 형성되어 있다. 제1 육성부(213)는, 제1 외판 후육부(211), 제1 박육부(214) 및 제1 돌출부(215)의 상면으로부터 일정한 두께로 상방으로 돌출되어, 두껍게 형성된 부위이다.

좌측 판 형상 단부(220)는, 제2 외판 후육부(221)와, 제2 갈고리부(222)와, 제2 육성부(223)로 주로 구성되어 있다. 제2 외판 후육부(221)는, 지지판(204)에 대해 수직으로 되어 있고, 좌측으로 연장되어 있다. 제2 갈고리부(222)는, 갈고리 형상으로 되어 있고, 좌측으로 연장된 제2 박육부(224)와, 제2 박육부(224)에 대해 수직으로 돌출된 제2 돌출부(225)로 구성되어 있다. 제2 박육부(224)는, 제2 외판 후육부(221)의 3분의 1 정도의 두께로 되어 있다.

제2 돌출부(225)는, 제2 박육부(224)의 선단으로부터 내판(203)과는 반대측을 향해 돌출되어 있다. 제2 외판 후육부(221)의 좌측 단부에는, 내판(203)측을 향함에 따라 지지판(204)으로부터 이격되도록 경사지는 제2 후육부 경사면(226)이 형성되어 있다. 제2 후육부 경사면(226)은, 제1 돌출 경사면(216)과 동일한 경사 각도로 되어 있다. 제2 육성부(223)는, 제2 외판 후육부(221)의 상면으로부터 일정한 두께로 상방으로 돌출되어, 두껍게 형성된 부위이다.

내판(203)은, 중앙부(206)와, 중앙부(206)로부터 우측으로 연장된 우측 판 형상 단부(230)와, 중앙부(206)로부터 좌측으로 연장된 좌측 판 형상 단부(240)로 구성되어 있다.

우측 판 형상 단부(230)는, 제1 내판 두께부(231)와, 제1 육성부(232)와, 제1 단부면(233)으로 구성되어 있다. 제1 내판 두께부(231)는, 지지판(204)에 대해 수직으로 되어 있고, 우측으로 연장되어 있다. 제1 육성부(232)는, 제1 내판 두께부(231)의 선단측의 하면으로부터 하방으로 돌출되어, 두껍게 되어 있는 부위이다.

좌측 판 형상 단부(240)는, 제2 내판 두께부(241)와, 제2 육성부(242)와, 제2 단부면(243)으로 구성되어 있다. 제2 내판 두께부(241)는, 지지판(204)에 대해 수직으로 되어 있고, 좌측으로 연장되어 있다. 제2 육성부(242)는, 제2 내판 두께부(241)의 선단측의 하면으로부터 하방으로 돌출되어, 두껍게 되어 있는 부위이다.

다음에, 본 실시 형태에서 사용하는 마찰 교반 장치에 대해 설명한다. 도 13, 도 14에 도시하는 바와 같이, 마찰 교반 장치(261)는, 척부(261a)와, 척부(261a)에 고정된 회전 툴 유닛(262)으로 구성되어 있다. 척부(261a)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 마찰 교반 장치(261)의 본체(도시 생략)에 볼트에 의해 접합되어 있다.

회전 툴 유닛(262)은, 홀더(263)와, 슬라이드 축(264)과, 보빈 툴(265)과, 도시하지 않은 슬라이드 수단으로 구성되어 있다.

홀더(263)는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 슬라이드 축(264)을 내포하는 동시에, 척부(261a)의 내부에 장착되는 부재이다. 홀더(263)는, 원통 형상을 나타낸다. 홀더(263)에는, 반경 방향으로 관통되는 긴 구멍 형상의 키 홈(263b)이 형성되어 있다.

슬라이드 축(264)은, 도 14에 도시하는 바와 같이, 원기둥 형상을 나타내고, 홀더(263)의 중공부에 삽입되는 부재이다. 슬라이드 축(264)은, 홀더(263)에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 슬라이드 축(264)의 외면에는, 외측을 향해 돌출되는 키(264a)가 형성되어 있다. 키(264a)가, 키 홈(263b)에 결합됨으로써, 홀더(263)와 슬라이드 축(264)이 일체적으로 회전한다.

보빈 툴(265)은, 도 15에 도시하는 바와 같이, 제1 숄더(252)와, 제2 숄더(253)와, 제1 숄더(252)와 제2 숄더(253) 사이에 개재 설치된 핀(254)으로 구성되어 있다. 제1 숄더(252), 제2 숄더(253), 핀(254)은 모두 대략 원기둥 형상을 나타내고 동축으로 되어 있다. 보빈 툴(265)은, 핀(254)이 접합 부분을 고속 회전하면서 이동함으로써 마찰 교반 접합하는 툴이다.

제1 숄더(252)는, 대직경부(252a)와, 테이퍼부(252b)와, 하단부면(252c)을 구비하고 있다. 테이퍼부(252b)는, 하방을 향해 서서히 직경 축소되어 있다. 제1 숄더(252)의 하단부면(252c)에는, 도시는 생략하지만 핀(254) 주위를 따라 평면에서 볼 때 소용돌이 형상인 오목부가 형성되어 있다.

제2 숄더(253)는, 외면에 홈을 구비한 구성으로 되어 있다. 제2 숄더(253)는, 대직경부(253a)와, 테이퍼부(253b)와, 상단부면(253c)을 구비하고 있다. 테이퍼부(253b)는, 상방을 향해 서서히 직경 축소되어 있다. 대직경부(253a)의 외경 Y1은, 대직경부(252a)의 외경 X1보다도 작게 되어 있다. 또한, 상단부면(253c)의 직경 Y2는, 하단부면(252c)의 직경 X2와 동등하게 되어 있다.

핀(254)의 외면에는, 좌측 나사에 의해 형성된 나선 홈(255)이 형성되어 있다. 즉, 나선 홈(255)은, 상방으로부터 하방을 향해 좌측 방향으로 되도록 권회되어 있다. 핀(254)의 외경 U는, 직경 X2 및 직경 Y2보다도 작게 되어 있다. 제1 숄더(252)는, 너트를 통해 슬라이드 축(264)에 접속되어 있다.

보빈 툴(265)의 숄더간 거리[핀(254)의 길이]는, 접합하는 부분의 판 두께[본 실시 형태에서는, 제1 외판 후육부(211)와 제1 육성부(213)의 두께의 합계] 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 나선 홈(255)의 홈의 깊이나, 피치 등은 마찰 교반하는 금속판의 재료나 접합하는 부분의 판 두께, 숄더간 거리 등에 따라서 적절하게 설정하면 된다.

슬라이드 수단(도시 생략)은, 홀더(263)와 슬라이드 축(264) 사이에 형성되고, 홀더(263)에 대해 슬라이드 축(264)을 원활하게 상하 이동시키는 것이다. 슬라이드 수단은, 제1 실시 형태와 동등하므로, 상세한 설명을 생략한다.

마찰 교반 장치(261)는, 슬라이드 축(264)이 홀더(263)에 대해 이동 가능하게 형성되어 있으므로, 접합하는 금속판이 예를 들어 상방으로 휘었을 때에, 그 휨에 추종하여 보빈 툴(265)이 소정의 거리만큼 상방으로 이동하도록 구성되어 있다. 한편, 접합하는 금속판이 하방으로 휘었을 때에는, 그 휨에 추종하여 보빈 툴(265)이 소정의 거리만큼 하방으로 이동하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합 중에 있어서의 금속판에 대한 보빈 툴(265)의 위치 어긋남을 억제할 수 있도록 되어 있다.

다음에, 본 실시 형태에 관한 더블 스킨 패널의 접합 방법에 대해 설명한다. 여기서는 동일 형상의 더블 스킨 패널(201)을 2개 병설하여 접합하는 경우를 예시한다. 이 접합 방법에서는, 준비 공정과, 접합 공정을 행한다.

준비 공정에서는, 도 16에 도시하는 바와 같이, 더블 스킨 패널(201, 201)을 맞대어 더블 스킨 패널의 조립체를 형성하고, 그 조립체를 이동 불가능하게 구속한다. 또한, 설명에 있어서는, 한쪽의 더블 스킨 패널을「201A」라 부여하고, 다른 쪽의 더블 스킨 패널을「201B」라 부여하여, 각각에 대응하는 요소에「A」,「B」라고 부호를 부가하여 구별한다.

준비 공정에서는, 구체적으로는, 더블 스킨 패널(201A)의 제1 갈고리부(212A)와 더블 스킨 패널(201B)의 제2 갈고리부(222B)를 결합시키는 동시에, 제1 단부면(233A)과 제2 단부면(243B)을 맞댄다. 이에 의해, 제1 갈고리부(212A)와 제2 갈고리부(222B)가 간극 없이 결합되어 결합부(M)가 형성된다. 한편, 제1 단부면(233A)과 제2 단부면(243B)이 맞대어져 맞댐부(N)가 형성된다. 돌출부(215A)와 돌출부(225B)가 결합되는 개소 및 제1 단부면(233A)과 제2 단부면(243B)이 맞대어지는 개소의 연장선을「센터선(C)」이라 한다.

준비 공정을 행하면, 제1 육성부(213A)의 상면과 제2 육성부(223B)의 상면은 동일 높이의 면으로 되는 동시에, 제1 외판 후육부(211A)의 하면과 제2 외판 후육부(221B)의 하면은 동일 높이의 면으로 된다. 또한, 제1 내판 두께부(231A)의 상면과 제2 내판 두께부(241B)의 상면은 동일 높이의 면으로 되는 동시에, 제1 육성부(232A)의 하면과 제2 육성부(242B)의 하면은 동일 높이의 면으로 되어 있다. 더블 스킨 패널의 조립체를 형성하면, 이 조립체를 지그에 의해 이동 불가능하게 구속한다.

접합 공정에서는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 보빈 툴(265)을 사용하여 결합부(M)를 접합하는 제1 접합 공정과, 맞댐부(N)를 접합하는 제2 접합 공정을 행한다.

제1 접합 공정에서는, 진행 방향의 좌측에 더블 스킨 패널(201A)이 배치되도록 한다. 그리고, 우회전시킨 보빈 툴(265)의 핀(254)의 중심을, 센터선(C) 상에 있어서의 결합부(M)의 높이 방향의 중심에 맞추어, 결합부(M)에 돌입시킨다. 그리고, 전방측으로부터 후방측을 향해 결합부(M)를 따라 마찰 교반 접합을 행한다. 또한, 결합부(M)에는 보빈 툴(265)이 이동한 궤적을 따라 소성화 영역(W1)이 형성된다(도 18 참조).

제2 접합 공정에서는, 도 18에 도시하는 바와 같이, 제1 접합 공정이 종료되면, 더블 스킨 패널의 조립체를 뒤집어, 다시 더블 스킨 패널의 조립체를 이동 불가능하게 구속한다. 그리고, 우회전시킨 보빈 툴(265)의 핀(254)의 중심을, 센터선(C) 상에 있어서의 맞댐부(N)의 높이 방향의 중심에 맞추어, 맞댐부(N)에 돌입시킨다. 그리고, 전방측으로부터 후방측을 향해 맞댐부(N)를 따라 마찰 교반 접합을 행한다. 맞댐부(N)에는 보빈 툴(265)이 이동한 궤적을 따라 소성화 영역(도시 생략)이 형성된다. 이상의 공정에 의해, 외판(202A)과 외판(202B)이 접합되는 동시에, 내판(203A)과 내판(203B)이 접합된다.

이상 설명한 본 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법에 따르면, 외판(202A)의 제1 갈고리부(212A)와 외판(202B)의 제2 갈고리부(222B)를 결합시킴으로써, 마찰 교반 접합할 때에 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격되는 것을 간이하게 방지할 수 있다. 한편, 내판(203A) 및 내판(203B)에는 갈고리부를 설치하지 않고 제1 단부면(233A) 및 제2 단부면(243B)을 맞댐으로써, 준비 공정의 작업이나 더블 스킨 패널의 제조를 생력화할 수 있다. 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 긴 경우, 내판(203A) 및 내판(203B)에도 갈고리부를 설치하면 결합하는 작업이 곤란해지지만, 본 실시 형태에 따르면 결합 작업이 용이해진다.

또한, 준비 공정에서는, 제1 갈고리부(212A)와 제2 갈고리부(222B)를 결합시킬 때, 제1 돌출 경사면(216A)과 제2 본체 경사면(226B)을 미끄럼 이동시키면서 결합시킬 수 있으므로, 결합 작업이 용이해진다. 구체적으로는, 적재된 더블 스킨 패널(201B)의 상방으로부터, 더블 스킨 패널(201A)을 내릴 때, 제1 돌출 경사면(216A)과 제2 본체 경사면(226B)을 미끄럼 이동시키는 것만으로, 결합시킬 수 있다.

또한, 제1 돌출부(215A)와 제2 돌출부(225B)를 설치함으로써 간이한 구성으로 결합시킬 수 있다. 또한, 육성부(213A, 223B, 232A, 242B)를 형성함으로써, 마찰 교반 접합시에, 금속이 부족한 것을 방지할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 핀(254)에 좌측 나사의 나선 홈(255)이 형성되어 있고, 보빈 툴(265)을 우회전시키면서 전방측으로부터 후방측으로 이동시키므로, 소성 유동화된 금속이 나선 홈(255)으로 유도되어 제2 숄더(253)측으로 이동하는 경향이 있다. 따라서, 육성부(213A, 223B, 232A, 242B)를, 외판(202A, 202B) 및 내판(203A, 203B) 중, 제1 숄더(252)와 대향하는 측에 형성함으로써, 제1 숄더(252)측에 있어서의 금속 부족을 회피할 수 있다.

또한, 맞댐부(N)를 먼저 접합하면, 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격되어 버릴 우려가 있지만, 본 실시 형태에 관한 접합 공정에서는, 결합부(M)를 먼저 접합함으로써, 맞댐부(N)를 접합할 때, 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 더블 스킨 패널(201A, 201B)의 형상이나 결합 형태는 양자가 이격되지 않는 형태이면 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 실시 형태와 같이, 더블 스킨 패널(201A, 201B)의 단부가 동일한 높이로 되고, 또한 간극이 없어지도록 결합하는 것이 바람직하다. 또한, 하나의 더블 스킨 패널의 외판(202)의 양단부에, 제1 갈고리부(212, 212)를 설치한 것을 형성하고, 다른 더블 스킨 패널의 외판(202)의 양단부에, 제2 갈고리부(222, 222)를 설치한 것을 형성하여, 이들 더블 스킨 패널을 교대로 병설하여 결합 및 접합해도 된다. 또한, 예를 들어, 도 19에 도시하는 바와 같이, 제1 돌출부(215A) 및 제2 돌출부(225B)의 측부에 경사를 형성하지 않는 형상으로 해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 지지판(204)은 외판(202) 및 내판(203)에 대해 수직으로 형성하였지만, 비스듬해도 된다.

실시예

<실시예 1>

제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치(1)[보빈 툴(5)]를 사용하여, 마찰 교반 접합되는 금속판(판 형상 단부)의 두께 및 금속판끼리의 간극이 접합 상태에 어떤 영향을 미치는지를 조사하기 위한 시험을 행하였다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 마찰 교반 접합되는 한 쌍의 금속판의 시험체(A6063-T5재)에 대해서는, 각각 두께를 변화시켜 시험체 H1∼H19까지 준비하였다. 「Ad측」이라 함은, 보빈 툴의 회전 방향과 진행 방향이 일치하는 측을 의미한다. 즉, 보빈 툴이 우회전인 경우는 진행 방향 좌측을 의미한다. 「Re측」이라 함은, 보빈 툴의 회전 방향과 진행 방향이 다른 측을 의미한다. 즉, 보빈 툴이 우회전인 경우는 진행 방향 우측을 의미한다.

시험체 H1∼H7은, 금속판의 두께를 Ad측과 Re측에서 동일하게 하고 있다. 시험체 H8∼H13은, Ad측의 금속판을 6.0㎜로 고정하고, Re측의 금속판의 두께를 변화시키고 있다. 한편, 시험체 H14∼H19는, Re측의 금속판을 6.0㎜로 고정하고, Re측의 금속판의 두께를 변화시키고 있다.

금속판끼리의 간극은 0∼2.0㎜까지 0.25㎜씩 변화시켰다. 시험에 사용한 보빈 툴은, 숄더 외경 20㎜, 핀 외경 12㎜, 숄더간 거리 5.8㎜로 설정하였다. 보빈 툴의 회전수는 800rpm, 이동 속도는 600/min, 회전 방향은 우회전으로 설정하였다. 또한, 이 보빈 툴은, 제1 실시 형태에서 기재한 바와 같이, 금속판의 휨에 추종하여 보빈 툴의 높이 위치가 변화되는 형태이다. 마찰 교반 접합 후, X선 투과 시험과 단면 마이크로 조직으로부터 품질을 판정하였다.

도 21은 실시예 1에 있어서, 시험체 H1의 간극과 접합부의 두께의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 22는 실시예 1에 있어서, 시험체 H3의 간극과 접합부의 두께의 관계를 나타낸 그래프이다. 실시예 1의 접합부라 함은, 실시 형태에 있어서의 소성화 영역(W)과 동일한 의미이다. 또한, 실시예 1의 접합부의「Ad부」,「중앙부」,「Re부」라 함은, 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, 접합부[소성화 영역(W)]의 Ad, 중앙, Re의 각 위치를 나타내고 있다.

도 21에 나타내는 바와 같이, 금속판의 두께를 6.0㎜끼리로 설정하여 접합한 경우, 간극 0.75㎜ 미만에서는 Ad부, 중앙부, Re부 모두 두께의 감소는 작지만, 간극 0.75 이상에서는 간극이 증가함에 따라서 Ad부, 중앙부, Re부 모두 두께가 감소하였다. 간극이 1.2㎜를 초과하면 접합부의 두께는 5.8㎜ 미만으로 되어 접합 결함이 발생하였다.

도 22에 나타내는 바와 같이, 금속판의 두께를 6.4㎜끼리로 설정하여 접합한 경우, 간극 0.75㎜ 미만에서는 Ad부, 중앙부, Re부 모두 두께의 감소는 작았다. 간극 0.75∼1.75까지는, Ad부, 중앙부, Re부 모두 두께의 감소는 있지만, 접합 결함은 발생하지 않았다. 간극 2.0으로 되면 현저하게 접합부의 두께가 감소하여 접합 결함이 발생하였다.

도 21 및 도 22로부터는, 접합부의 중앙부의 두께가 5.8㎜ 이하로 되면 접합 결함이 발생하는 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판끼리의 사이에 간극이 있어도, 소성 유동에 의해 금속이 공급되어, 접합부의 중앙부의 두께가, 숄더간 거리와 동등한 5.8㎜ 미만으로 되지 않으면 건전하게 접합되는 것을 알 수 있었다. 이상의 점으로부터, 접합부(소성화 영역)의 두께가 숄더간 거리 이상으로 되도록 접합 조건을 설정할 필요가 있다.

도 23은 실시예 1에 있어서, 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께＝Re측의 두께인 경우를 나타낸다. 도면 중,「○」은 접합 상황이 양호,「×」는 접합 상황이 불량인 경우를 나타낸다.

도 23에 따르면, 간극이 커졌다고 해도, 금속판의 두께가 커지면, 접합 상황이 양호해지는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 단, 금속판의 두께와 숄더간 거리의 차가 0.8㎜를 초과하면(본 실시예에서는 금속판의 두께를 6.6㎜보다 크게 하면), 숄더간에 발생하는 내압이 커져, 툴 수명이 현저하게 저하되는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 23에 따르면, 숄더간 거리 5.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 0∼0.75㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 5.8∼6.6㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 0≤T－Z≤0.8㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다.

T－Z의 값이 0보다도 작아지는, 즉, 판 형상 단부(102)의 두께 T보다도 숄더간 거리 Z가 커지면, 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)[도 7의 (a) 참조]로부터 넘치기 쉬워지므로, 접합부[소성화 영역(W)]의 밀도가 저하된다. 이에 의해 접합 결함이 발생할 가능성이 높아진다. 금속판끼리의 간극이 0∼0.75㎜이면, 마찰 교반 접합의 마찰열에 의해 금속판의 온도가 상승하여, 금속판이 팽창함으로써 간극이 없어지므로, 접합 상황이 대체로 양호하다고 생각된다.

또한, 도 23에 따르면, 숄더간 거리 5.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 0∼1.0㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 6.0∼6.6㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 0.2≤T－Z≤0.8㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. T－Z의 값이 0.2㎜보다도 작아지면, 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)로부터 넘치기 쉬워지므로, 접합부의 밀도가 저하된다. 이에 의해 접합 결함이 발생할 가능성이 높아진다.

또한, 도 23에 따르면, 숄더간 거리 5.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 1.0㎜보다 크고 1.75㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 6.2㎜∼6.6㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 0.4≤T－Z≤0.8㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. T－Z의 값이 0.4㎜보다도 작아지면, 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)로부터 넘치기 쉬워지므로, 접합부의 밀도가 저하된다. 이에 의해 접합 결함이 발생할 가능성이 높아진다.

또한, 도 23에 따르면, 숄더간 거리 5.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 1.75㎜보다 크고 2.00㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 6.6㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 T－Z＝0.8㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. T－Z의 값이 0.8㎜보다도 작아지면, 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)로부터 넘치기 쉬워지므로, 접합부의 밀도가 저하된다. 이에 의해 접합 결함이 발생할 가능성이 높아진다.

도 24는 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께를 변화시키고, Re측의 두께를 고정한 경우를 나타낸다. 도 25는 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측의 두께를 고정하고, Re측의 두께를 변화시킨 경우를 나타낸다.

도 24에 관한 시험에서는 Re측의 두께를 6.0㎜로 고정하고, Ad측의 두께를 적절하게 변화시켜 마찰 교반 접합을 행하였다. 도 25에 관한 시험에서는 Ad측의 두께를 6.2㎜로 고정하고, Re측의 두께를 적절하게 변화시켜 마찰 교반 접합을 행하였다. 즉, 도 24 및 도 25에 관한 시험에서는, 맞대는 금속판의 좌우의 두께를 변화시키면서, 간극마다의 접합 품질에 대해 관찰하였다.

도 24 및 도 25를 대비하면, 도 24의 쪽이 양호한 조건이 많다. 바꾸어 말하면, 도 24에 나타내는 바와 같이, Re측의 금속판을 6.0㎜로 고정하고, Ad측의 금속판을 6.2㎜ 이상으로 변화시킨 경우에 접합 상황이 양호해지는 경우가 많다. 이것은, 실시예 1에서는 보빈 툴을 우회전시키고 있으므로, 소성 유동화된 금속은, 진행 방향 좌측(Ad측)으로부터 우측(Re측)으로 이동하기 쉬워져, 금속판끼리의 사이에 간극이 있는 경우에는, Ad측의 금속에 의해 그 간극이 메워진다고 생각된다. 따라서, 도 25의 조건과 같이, 진행 방향 좌측의 금속판의 두께가 진행 방향 우측의 금속판의 두께보다도 작으면, 접합부의 중앙의 금속이 부족하여 접합 불량으로 될 가능성이 높다. 그러나, 도 24의 조건과 같이, 진행 방향 좌측의 금속판의 두께가 진행 방향 우측의 금속판의 두께보다도 크면, 접합부의 중앙의 금속 부족을 보충할 수 있으므로, 접합 상태를 양호하게 할 수 있다.

이것은, 도 26, 도 27의 그래프로부터도 확인할 수 있다. 플롯점「◆」은, 시험체 H4(Ad측의 두께＝6.6㎜, Re측의 두께＝6.6㎜)를 나타내고 있다. 플롯점「■」는 시험체 H10(Ad측의 두께＝6.0㎜, Re측의 두께＝6.6㎜)을 나타내고, 플롯점「●」는 시험체 H16(Ad측의 두께＝6.6㎜, Re측의 두께＝6.0㎜)을 나타내고 있다.

도 26의 (a)에 나타내는 바와 같이, 접합부의 중앙부의 두께에 있어서는, 시험체 H4, H16, H10의 순으로 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, Ad측의 금속판이 Re측보다도 얇으면, 접합부의 중앙부의 두께가 작아지는 것을 알 수 있었다.

도 26의 (b)에 나타내는 바와 같이, 접합부의 Ad부의 두께에 있어서는, 시험체 H4, H10, H16 모두 5.8㎜ 전후로 되어 있어, 접합 전의 두께보다도 감소되어 있는 것을 알 수 있었다. 특히, 시험체 H4, H16을 보면 두께가 상당히 감소되어 있는 것을 알 수 있었다.

도 27의 (a)에 나타내는 바와 같이, 접합부의 Re부의 두께에 있어서는, 시험체 H10, H16의 두께는 그다지 차이 없지만, H4의 두께는 대체로 큰 것을 알 수 있었다. 또한, 도 26의 (b)와 도 27의 (a)를 전체적으로 대비하면, Ad부보다도 Re부의 두께의 쪽이 대체로 큰 것을 알 수 있었다.

도 27의 (b)에 나타내는 바와 같이, 접합부의 평균 두께는, 시험체 H10, H16, H4의 순으로 커지는 것을 알 수 있었다.

도 26, 도 27에 나타내는 바와 같이, 시험체 H4, H16에 따르면, 시험체 H10보다도 중앙부의 두께를 크게 할 수 있다. 단, 시험체 H4에 따르면, 접합부의 두께를 크게 할 수 있지만, 그만큼 숄더간의 내압이 커져 툴의 수명이 저하될 가능성이 높다. 따라서, 시험체 H16과 같이, Re측보다도 Ad측의 금속판의 두께를 커지도록 설정함으로써, 숄더간의 내압을 저하시키면서, 접합부의 중앙부의 두께를 크게 할 수 있다.

<실시예 2>

제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 장치(1)[보빈 툴(5)]를 사용하여, 마찰 교반 접합되는 금속판(판 형상 단부)의 두께 및 금속판끼리의 간극이 접합 상태에 어떤 영향을 미치는지를 조사하기 위한 시험을 행하였다. 금속판끼리의 간극은 0∼2.0㎜까지 0.25㎜씩 변화시켰다. 시험에 사용한 보빈 툴은, 숄더 외경 10㎜, 핀 외경 6㎜, 숄더간 거리 2.8㎜로 설정하였다. 보빈 툴의 회전수는 2000rpm, 이동 속도는 1000㎜/min, 회전 방향은 우회전으로 설정하였다. 또한, 이 보빈 툴은, 제1 실시 형태에서 기재한 바와 같이, 금속판의 휨에 추종하여 보빈 툴의 높이 위치가 변화되는 형태이다. 마찰 교반 접합 후, X선 투과 시험과 단면 마이크로 조직으로부터 품질을 판정하였다.

마찰 교반 접합되는 금속판의 시험체(A6063-T5재)에 대해서는, Ad측과 Re측의 금속판의 두께를 동등한 것으로 하면서, 3.0㎜, 3.2㎜, 3.4㎜로 두께를 변화시켜 시험체를 제작하였다.

도 28은 실시예 2에 있어서, 접합 품질에 미치는 금속판의 두께와 간극의 관계를 나타내는 표이며, Ad측＝Re측인 경우를 나타낸다. 도면 중,「○」는 접합 상황이 양호,「×」는 접합 상황이 불량인 경우를 나타낸다.

도 28에 따르면, 간극이 커졌다고 해도, 숄더간 거리 Z에 대한 금속판의 두께가 커지면, 접합 상황이 양호해지는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 단, 금속판의 두께와 숄더간 거리 Z의 차가 0.6㎜를 초과하면(본 실시예에서는 금속판의 두께를 3.4㎜보다 크게 하면), 숄더간에 발생하는 내압이 커져, 툴 수명이 현저하게 저하되는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 28에 따르면, 숄더간 거리 Z가 2.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 0.75㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 3.0㎜∼3.4㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 0.2≤T－Z≤0.6㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. T－Z의 값이 0.2㎜보다도 작아지면, 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)로부터 넘치기 쉬워지므로, 접합부의 밀도가 저하된다. 이에 의해 접합 결함이 발생할 가능성이 높아진다. 금속판끼리의 간극이 0.75㎜ 이하이면, 마찰 교반 접합의 마찰열에 의해 금속판의 온도가 상승하여, 금속판이 팽창됨으로써 간극이 없어지므로, 접합 상황이 대체로 양호하다고 생각된다.

또한, 도 28에 따르면, 숄더간 거리 2.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 0.75㎜보다 크고 1.50㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 3.2∼3.4㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 0.4≤T－Z≤0.6㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. T－Z의 값이 0.4㎜보다도 작아지면, 소성 유동화된 금속이 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)로부터 넘치기 쉬워지므로, 접합부의 밀도가 저하된다. 이에 의해 접합 결함이 발생할 가능성이 높아진다.

또한, 도 28에 따르면, 숄더간 거리 2.8㎜이고, 금속판끼리의 간극이 1.50㎜보다 크고 1.75㎜ 이하인 경우, 금속판의 두께가 3.4㎜이면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다. 즉, 금속판의 두께 T와 숄더간 거리 Z를 T－Z＝0.6㎜로 되도록 설정하면 접합 상황은 양호한 것을 알 수 있었다.

또한, 도 28에 따르면, 간극이 2.0㎜이면, 금속판의 두께를 3.4㎜로 해도 접합 불량으로 되는 것을 알 수 있었다.

<툴 형상>

도 29는 실시예 1에 있어서, 숄더간 거리를 5.8㎜로 고정한 경우의 각 보빈 툴의 치수와 접합 상황을 나타낸 표이다. 도 30은 실시예 2에 있어서, 숄더간 거리를 2.8㎜로 고정한 경우의 각 보빈 툴의 치수와 접합 상황을 나타낸 표이다. 도 31은 참고예에 있어서, 숄더간 거리를 11.5㎜로 고정한 경우의 각 보빈 툴의 치수와 접합 상황을 나타낸 표이다. 도 29, 도 30, 도 31에는, 항장력/재료 저항, 항절력/재료 저항, 재료 보유 지지 경향을 나타냈다.

항장력/재료 저항은, Y²/(X²―Y²)로 나타내어진다. 즉, 제1 숄더(11)의 하면 및 제2 숄더(12)의 상면은, 마찰 교반시에 소성 유동화된 금속에 의해 압박되므로, 핀(13)에는 인장 응력이 작용한다. 따라서, 항장력/재료 저항은, 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값을, 제1 숄더(11)의 하면[제2 숄더(12)의 상면의 면적:(X²―Y²)]으로 나눈 값으로 나타내어진다.

항절력/재료 저항은, Y²/YZ로 나타내어진다. 즉, 보빈 툴(5)이 맞댐부(N)를 이동할 때에는, 핀(13)의 축 방향에 대해 수직 방향의 힘이 작용한다. 따라서, 항절력/재료 저항은, 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값을, 핀(13)의 축을 포함하는 단면의 단면적으로 나눈 값으로 나타내어진다.

재료 보유 지지 경향은, X²/Y²로 나타내어진다. 즉, 마찰 교반시에 소성 유동화된 금속은 제1 숄더(11)의 하면 및 제2 숄더(12)의 상면에 의해 보유 지지된다. 따라서, 재료 보유 지지 경향은, 제1 숄더(11)[제2 숄더(12)]의 외경 X를 제곱한 값을, 핀(13)의 외경 Y를 제곱한 값으로 나누어 나타내어진다.

도 29, 도 30, 도 31을 감안하면, 재료 보유 지지 경향(X²/Y²)이 2.0 이하이면 접합 결함이 발생하기 쉽고, 2.0보다도 커지면 접합 결함이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 재료 보유 지지 경향(X²/Y²)이 2.0 이하이면, 제1 숄더(11)[제2 숄더(12)]의 외경 X에 대한 핀(13)의 외경 Y가 굵기 때문에, 금속을 압박하는 숄더의 면적이 작아져, 마찰 교반된 금속을 충분히 압박할 수 없어, 금속이 플래시로 되어 숄더의 외부로부터 넘쳐 나와 버리기 때문이라고 생각된다. 한편, 재료 보유 지지 경향(X²/Y²)이 2.0보다 크면, 핀(13)의 외경 Y에 대해, 제1 숄더(11)[제2 숄더(12)]의 외경 X가 크기 때문에, 소성 유동화된 금속을 양 숄더에 의해 충분히 압박할 수 있다. 이에 의해, 접합 결함이 발생하기 어렵다고 생각된다.

또한, 도 29, 도 30, 도 31을 감안하면, 항장력/재료 저항[Y²/(X²-Y²)]이 0.2 이하이면 핀이 파손되기 쉬운 것을 알 수 있었다. 이것은, 항장력/재료 저항[Y²/(X²-Y²)]이 0.2 이하이면, 숄더 외경 X에 대한 핀 외경 Y가 작아지므로, 접합시에 툴 축 방향으로 발생하는 재료 저항에 대한 핀의 항장력이 불충분해져, 핀(13)이 꺾이기 쉬워진다고 생각된다. 항장력/재료 저항[Y²/(X²-Y²)]이 0.2보다 크면, 숄더 외경 X에 대한 핀 외경 Y가 커지므로, 핀(13)이 꺾이기 어려워진다고 생각된다.

또한, 도 29, 도 30, 도 31을 감안하면, 항절력/재료 저항(Y²/YZ)이 1.2 이하이면 핀(13)이 파손되기 쉬운 것을 알 수 있었다. 이것은, 항절력/재료 저항(Y²/YZ)이 1.2 이하이면, 숄더간 거리(핀의 길이) Z에 대한 핀 외경 Y가 작아지므로, 접합시에 툴 진행 방향과는 역방향으로 흐르는 재료의 저항에 대한 핀의 항절력이 불충분해져, 핀(13)이 꺾이기 쉬워진다고 생각된다. 항절력/재료 저항(Y²/YZ)이 1.2보다 크면, 숄더간 거리(핀의 길이) Z에 대한 핀 외경 Y가 커지므로, 핀(13)이 꺾이기 어려워진다고 생각된다.

또한, 도 29, 도 30, 도 31을 감안하면, 항장력/재료 저항[Y²/(X²-Y²)]이 0.2 이하이거나, 또는 항절력/재료 저항(Y²/YZ)이 1.2 이하인 경우, 핀의 파손이 발생하였다. 그러나, 항장력/재료 저항[Y²/(X²-Y²)]이 0.2보다 크고, 또한 항절력/재료 저항(Y²/YZ)이 1.2보다 큰 경우, 핀의 파손은 발생하지 않았다. 따라서, 접합시의 보빈 툴의 핀의 파손을 방지하기 위해서는, 숄더 외경 X, 핀 외경 Y 및 숄더간 거리(핀의 길이) Z에 대해, 이하의 식 (1), (2)의 양쪽을 만족시키도록 보빈 툴의 형상을 설계하는 것이 바람직하다고 결론지을 수 있다.

<실시예 3>

실시예 3에서는, 보빈 툴의 핀에 형성된 나선 홈의 비율 및 나선 홈의 권회 방향이 접합 후의 금속판에 어떤 영향을 미치는지 조사하였다. 도 7의 (a)를 참조하는 바와 같이, 보빈 툴의 회전 방향을 슬라이드 축측에서 보아 우회전으로 설정하였다. 또한, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 변화시켜 5종류의 조건 A∼E를 설정하여 마찰 교반 접합을 행하였다.

조건 A에서는, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 0:100으로 설정하였다(우측 나사 없음).

조건 B에서는, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 25:75로 설정하였다.

조건 C에서는, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 50:50으로 설정하였다.

조건 D에서는, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 75:25로 설정하였다.

조건 E에서는, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 100:0으로 설정하였다(좌측 나사 없음).

실시예 3에서는, 판 두께 T가 6.2㎜인 알루미늄 합금의 금속판(A6063-T5)을 2매 준비하여 이들을 접합하였다. 보빈 툴(5)의 제1 숄더(11) 및 제2 숄더(12)의 외경 X는 20㎜, 핀(13)의 외경 Y는 12㎜, 숄더간 거리 Z는 5.8㎜로 설정하였다. 나선 홈의 깊이는 0.81㎜로 설정하였다. 보빈 툴(5)의 회전수는 800rpm, 접합 속도는 600㎜/min으로 설정하였다. 또한, 각 조건에 있어서, 맞댐부(N)의 간극과의 관계를 조사하기 위해, 간극을 0㎜, 1.25㎜, 1.50㎜, 1.75㎜, 2.00㎜로 변화시켜 시험을 행하였다.

도 32는 실시예 3에 있어서, 금속판의 단차에 미치는 나사 비율의 영향(맞댐부의 간극 0㎜)을 나타낸 그래프이다. 도 33은 실시예 3에 있어서, 금속판의 단차에 미치는 나사 비율의 영향(맞댐부의 간극 1.5㎜)을 나타낸 그래프이다. 단차는, 접합 전의 금속판의 표면을 기준(기준＝0)으로 하여, 접합 후의 각 부분의 높이 위치를 나타내고 있다. 단차가 플러스 값인 경우는 볼록 형상으로 되어 있고, 마이너스 값인 경우는 오목 형상(오목 홈)으로 되어 있는 것을 나타내고 있다.

도 32에 나타내는 바와 같이,「▲」로 나타내는 표면(Sa)의 Re측은, 조건 A∼E에 있어서, 플러스의 값을 나타내고 있다. 즉, 표면(Sa)의 Re측은, 항상 볼록 형상으로 되어 있다.

한편,「◆」로 나타내는 표면(Sa)의 Ad측은, 조건 A에 있어서, 큰 마이너스 값을 나타내고 있다. 즉, 조건 A에 있어서, 표면(Sa)의 Ad측은, 크게 오목 형상으로 되어 있다. 그리고,「◆」로 나타내는 표면(Sa)의 Ad측은, 우측 나사의 비율이 커짐에 따라, 표면(Sa)의 Ad측의 오목부가 서서히 작아져, 조건 E에서는 볼록 형상으로 되어 있다.

한편,「■」로 나타내는 이면(Sb)의 Ad측은, 조건 A에 있어서, 큰 플러스 값을 나타내고 있다. 즉, 조건 A에 있어서, 이면(Sb)의 Ad측은, 크게 볼록 형상으로 되어 있다. 그리고,「■」로 나타내는 이면(Sb)의 Ad측은, 우측 나사의 비율이 커짐에 따라, 이면(Sb)의 Ad측의 오목부가 서서히 커져, 조건 D, 조건 E에서는 오목 형상으로 되어 있다. 즉,「◆」로 나타내는 표면(Sa)의 Ad측과,「■」로 나타내는 이면(Sb)의 Ad측은, 우측 나사의 비율에 따라서 상반되는 관계에 있다. 또한,「◆」로 나타내는 표면(Sa)의 Ad측과,「■」로 나타내는 이면(Sb)의 Ad측은, 조건 C(50:50)에서도 약간 오목 형상으로 되어 있다.

도 32와 도 33을 대비하면, 맞댐부의 간극을 1.5㎜로 해도, 맞댐부의 간극이 0㎜인 경우와 단차의 경향은 그다지 바뀌지 않는 것을 알 수 있다. 도 33의「▲」로 나타내는 표면(Sa)의 Re측의 값 및「●」로 나타내는 이면(Sb)의 Re측의 값은, 도 32와 비교하면 전체적으로 작게 되어 있는 것을 알 수 있다.

도 34는 실시예 3에 관한 조건 A의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다. 도 35는 실시예 3에 관한 조건 B의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다. 도 36은 실시예 3에 관한 조건 C의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다. 도 37은 실시예 3에 관한 조건 D의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다. 도 38은 실시예 3에 관한 조건 E의 소성화 영역을 맞댐부의 간극별로 나타내는 도면이다. 도 34∼도 38에 있어서의 각 도면의 좌측란은 소성화 영역(W)의 매크로 조직 관찰을 행한 단면도를 나타내고, 중간란은 소성화 영역(W)의 표면(장식면)(Sa)측의 평면도를 나타내고, 우측란은 소성화 영역(W)의 이면(Sb)측의 평면도를 나타낸다.

도 34의 좌측란에 나타내는 바와 같이, 조건 A의 경우, 표면(장식면)(Sa)측에는 큰 오목 홈(V)이 형성되어 있지만, 이면(Sb)측에는 오목 홈(V)이 없다. 맞댐부의 간극이 1.75㎜, 2.00㎜에서는 표면(Sa)측에 접합 결함(Q)이 형성되어 있다. 소성화 영역(W)은 이면(Sb)을 향해 서서히 광폭으로 된다. 소성화 영역(W)의 줄무늬 모양은, 좌우 비대칭으로 되어 있다. 소성화 영역(W)의 Re측보다도 Ad측의 쪽이 줄무늬 모양이 짙게 되어 있다. 또한, 도 34에서는, 금속판의 표면(Sa)측에 비해 이면(Sb)측의 쪽이 플래시(P)가 적다.

도 35의 좌측란에 나타내는 바와 같이, 조건 B의 경우, 표면(장식면)(Sa)측에는 조건 A에 비해 작은 오목 홈(V)이 형성되어 있지만, 이면(Sb)측에는 오목 홈(V)이 없다. 맞댐부의 간극이 2.00㎜에서는 금속판의 내부에 접합 결함(Q)이 형성되어 있다. 소성화 영역(W)의 줄무늬 모양은, 좌우 비대칭으로 되어 있다. 소성화 영역(W)의 Re측보다도 Ad측의 쪽이 줄무늬 모양이 짙게 되어 있다. 도 35의 조건 B의 이면(Sb)과 도 34의 조건 A의 이면(Sb)을 대비하면, 조건 B의 쪽이 플래시(P)가 많이 발생하여 면이 거칠게 되어 있다.

도 36의 좌측란에 나타내는 바와 같이, 조건 C의 경우, 표면(장식면)(Sa)측에는 작은 오목 홈(V)이 형성되어 있고, 이면(Sb)측에도 작은 오목 홈(V)이 형성되어 있다. 맞댐부의 간극이 2.0㎜에서는 금속판의 내부에 접합 결함(Q)이 형성되어 있다. 소성화 영역(W)의 상하의 줄무늬 모양 및 좌우의 줄무늬 모양은 각각 대략 대칭으로 되어 있다. 도 36의 조건 C의 표면(Sa)과 도 35의 조건 B의 표면(Sa)을 대비하면, 조건 C의 표면(Sa)의 쪽이 오목 홈(V)의 깊이가 약간 작다. 또한, 조건 C의 표면(Sa)에는, 플래시(P)가 거의 없다. 또한, 조건 C의 이면(Sb)에는, Ad측보다도 Re측의 쪽이 플래시(P)가 많이 발생되어 있다.

도 37의 좌측란에 나타내는 바와 같이, 조건 D의 경우, 표면(장식면)(Sa)측에는 오목 홈(V)이 형성되어 있지 않고, 이면(Sb)측에는 작은 오목 홈(V)이 형성되어 있다. 맞댐부의 간극 2.00㎜에서는, 금속판의 내부에 접합 결함(Q)이 형성되어 있다. 또한, 표면(Sa)보다도 이면(Sb)의 쪽이 플래시(P)가 많이 발생되어 있다.

도 38의 좌측란에 나타내는 바와 같이, 조건 E의 경우, 표면(장식면)(Sa)측에는 오목 홈(V)이 형성되어 있지 않고, Sb측에는 큰 오목 홈(V)이 형성되어 있다. 맞댐부의 간극 1.75㎜, 간극 2.00㎜에서는, 금속판의 내부에 접합 결함(Q)이 형성되어 있다. 소성화 영역(W)은 이면(Sb)을 향해 서서히 폭이 좁아지도록 되어 있다. 이면(Sb)에는 플래시(P)가 많이 발생되어 있는 것에 반해, 표면(Sa)에는 플래시(P)가 발생되어 있지 않다.

도 39는 실시예 3의 결과를 정리한 표이다. 각 요소의 부호는, 제1 실시 형태의 부호를 그대로 참조하는 것으로 한다. 도 39의 조건 A의 개념도로 나타내는 바와 같이, 우회전으로 좌측 나사를 100％의 범위에서 설치하면, 유동화된 금속은 나선 홈으로 유도되어 이면(Sb)측으로 이동한다. 이 금속의 이동에 의해, 보빈 툴(5)의 제2 숄더(12)가 압박되어, 금속판에 대해 보빈 툴(5)이 슬라이드 축(4)과는 반대측[이면(Sb)측]으로 이동한다. 이에 의해, 보빈 툴(5)이 표면(장식면)(Sa)측에 깊게 들어가므로 표면(Sa)측에는 큰 오목 홈(V)이 형성된다.

한편, 도 39의 조건 B∼E에 나타내는 바와 같이, 상부 나선 홈(13a)으로서 우측 나사 부분을 25％ 이상 설치하는 경우에는, 우측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴(5)이 슬라이드 축(4)측(상방)으로 압박되어, 금속판의 표면(Sa)(장식면)에 보빈 툴(5)이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 표면(Sa)(장식면)에 오목 홈(V)이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈(V)이 형성되었다고 해도 그 오목 홈(V)의 깊이를 작게 할 수 있다. 이에 의해, 접합 후의 금속판의 표면(Sa)을 평활하게 하기 위한 마무리 처리의 수고를 적게 할 수 있다. 단, 조건 B, 조건 C에 있어서는 맞댐부의 간극 2.00㎜인 경우, 조건 D, 조건 E에 있어서는 맞댐부의 간극 1.75㎜, 간극 2.00㎜인 경우는 접합 결함(Q)이 발생하므로 부적절하다. 이것은, 맞댐부의 간극이 크면 접합 부분의 금속 재료가 감소하기 때문이라고 생각된다.

또한, 예를 들어 조건 E와 같이, 우회전으로 우측 나사가 100％ 형성되어 있는 경우에 있어서, 보빈 툴(5)이 판 형상 단부(102)에 대해 상방으로 이동하여 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치가 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(장식면)(Sa)보다도 상방에 위치하고, 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치와 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(Sa)의 간극이 큰 경우는 금속의 압박이 불충분해지지만, 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치와 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(Sa)의 간극이 미소한 경우는, 금속을 충분히 압박할 수 있다.

또한, 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치와 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(Sa)의 간극이 미소한 경우는, 소성화 영역(W)이 마찰 교반 전의 표면(Sa)보다도 약간 돌출되게 된다. 그러나, 판 형상 단부(102)의 표면(Sa)을 평활하게 하는 처리는 마찰 교반 전의 표면(Sa)의 높이에 맞추어 그 돌출된 부분을 절삭하면 되므로 마무리 처리가 용이해진다.

상기한 제1 실시 형태에서는, 상부 나선 홈(13a)과 하부 나선 홈(13b)은 숄더간 거리 Z에 대해 50:50의 비율로 형성되어 있지만, 장식면을 표면(Sa)으로 설정하고, 보빈 툴(5)을 우회전하는 경우, 제1 숄더(11)측의 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 제2 숄더(12)측의 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)이 숄더간 거리 Z에 대해 25:75∼100:0의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 우측 나사의 상부 나선 홈(13a)은, 제1 숄더(11)측에 있어서, 숄더간 거리 Z에 대해 25％ 이상의 부분에 형성되고, 상부 나선 홈(13a) 이외의 부분 전부가 좌측 나사의 하부 나선 홈(13b)으로 되도록 형성되어 있어도 된다. 보빈 툴(5)을 우회전시키는 경우는, 좌측 나사를 설치하지 않고, 핀(13)의 축 방향의 전체 길이에 걸쳐 우측 나사를 설치해도 된다.

또한, 실시예 3에서는, 표면(Sa)측을 장식면으로서 설정하였지만, 이면(Sb)측을 장식면으로서 설정해도 된다. 이 경우는, 도 39를 참조하는 바와 같이, 보빈 툴(5)의 회전 방향, 나선 홈의 권회 방향을 조건 A, B, C, D와 같이 설정함으로써, 이면(Sb)(장식면)측의 오목 홈(V)이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈(V)이 형성되었다고 해도 그 오목 홈(V)의 깊이를 작게 할 수 있다.

즉, 보빈 툴(5)을 우회전시키면서 이면(Sb)측을 장식면으로서 설정하는 경우는, 금속판의 단부면끼리를 맞대는 맞댐 공정과, 제2 숄더(12)와 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 핀(13)의 축 방향의 중심과 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 맞댐부(N)에 우회전시킨 보빈 툴(5)의 핀(13)을 이동시켜 마찰 교반 접합하는 접합 공정을 포함하고, 숄더간의 거리 Z를 금속판의 판 두께 이하로 설정하는 동시에, 핀(13)의 외주면의 제2 숄더(12)측에 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 좌측 나사의 나선 홈이 숄더간 거리 Z에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 제2 숄더(12)측의 좌측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 좌측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴(5)이 슬라이드 축(4)과는 반대측(하방)으로 압박되어, 금속판의 이면(장식면)(Sb)에 보빈 툴이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 장식면에 오목 홈이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈이 형성되었다고 해도 그 오목 홈의 깊이를 작게 할 수 있다.

도 40은 보빈 툴을 좌회전시키는 경우의 개념을 정리한 표이다.

조건 F에서는, 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 0:100으로 설정하였다(좌측 나사 없음).

조건 G에서는, 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 25:75로 설정하였다.

조건 H에서는, 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 50:50으로 설정하였다.

조건 I에서는, 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 75:25로 설정하였다.

조건 J에서는, 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)의 비율을 100:0으로 설정하였다(우측 나사 없음).

제2 실시 형태에서 나타낸 바와 같이, 좌회전시키는 경우는, 상부 나선 홈(13a)에 좌측 나사를 설치하고, 하부 나선 홈(13b)에 우측 나사를 설치한 보빈 툴(5A)을 사용한다. 보빈 툴(5A)을 좌회전시키는 경우는, 제1 실시 형태의 보빈 툴(5)과는 나사의 권회 방향이 다르므로, 결과적으로 실시예 3과 동등한 작용 효과를 나타낸다. 즉, 조건 G∼조건 J에 나타내는 바와 같이, 마찰 교반되어 유동화된 금속은, 핀(13)의 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)으로 유도되어 제1 숄더(11)측으로 이동하고, 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)으로 유도되어 제2 숄더(12)측으로 이동한다. 좌측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 좌측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴(5A)이 슬라이드 축(4)측(상방)으로 압박되어, 금속판의 표면(장식면)(Sa)에 보빈 툴(5A)이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 표면(장식면)(Sa)에 오목 홈(V)이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈(V)이 형성되었다고 해도 그 오목 홈(V)의 깊이를 작게 할 수 있다. 이에 의해, 접합 후의 금속판의 표면(Sa)을 평활하게 하기 위한 마무리 처리의 수고를 적게 할 수 있다.

또한, 예를 들어 조건 J와 같이, 좌회전으로 좌측 나사가 100％ 형성되어 있는 경우에 있어서, 보빈 툴(5)이 판 형상 단부(102)에 대해 상방으로 이동하여 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치가 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(Sa)보다도 상방에 위치하고, 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치와 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(Sa)의 간극이 큰 경우는 금속의 압박이 불충분해지지만, 제1 숄더(11)의 하면의 높이 위치와 판 형상 단부(102)의 마찰 교반 전의 표면(Sa)의 간극이 미소한 경우는, 금속을 충분히 압박할 수 있다.

상기한 제2 실시 형태에서는, 상부 나선 홈(13a)과 하부 나선 홈(13b)은 숄더간 거리 Z에 대해 50:50의 비율로 형성되어 있지만, 장식면을 표면(Sa)으로 설정하고, 보빈 툴(5A)을 좌회전시키는 경우, 제1 숄더(11)측의 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)과 제2 숄더(12)측의 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)이 숄더간 거리 Z에 대해 25:75∼100:0의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 좌측 나사의 상부 나선 홈(13a)은, 제1 숄더(11)측에 있어서, 숄더간 거리 Z에 대해 25％ 이상의 부분에 형성되고, 상부 나선 홈(13a) 이외의 부분 전부가 우측 나사의 하부 나선 홈(13b)으로 되도록 형성되어 있어도 된다. 보빈 툴(5A)을 좌회전시키는 경우는, 우측 나사를 설치하지 않고, 핀(13)의 축 방향의 전체 길이에 걸쳐 좌측 나사를 설치해도 된다.

또한, 표면(Sa)측을 장식면으로서 설정하였지만, 이면(Sb)측을 장식면으로서 설정해도 된다. 이 경우는, 도 40을 참조하는 바와 같이, 보빈 툴(5)의 회전 방향, 나선 홈의 권회 방향을 조건 F, G, H, I와 같이 설정함으로써, 이면(Sb)(장식면)측의 오목 홈(V)이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈(V)이 형성되었다고 해도 그 오목 홈(V)의 깊이를 작게 할 수 있다.

즉, 보빈 툴(5A)을 좌회전시키면서 이면(Sb)측을 장식면으로서 설정하는 경우는, 금속판의 단부면끼리를 맞대는 맞댐 공정과, 제2 숄더(12)와 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 핀(13)의 축 방향의 중심과 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 맞댐부(N)에 좌회전시킨 보빈 툴(5A)의 핀(13)을 이동시켜 마찰 교반 접합하는 접합 공정을 포함하고, 숄더간의 거리 Z를 금속판의 판 두께 이하로 설정하는 동시에, 핀(13)의 외주면의 제2 숄더(12)측에 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 우측 나사의 나선 홈이 숄더간 거리 Z에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 제2 숄더(12)측의 우측 나사는 25％ 이상의 비율로 형성되어 있으므로, 우측 나사의 나선 홈에 의한 금속의 이동에 의해 보빈 툴(5A)이 슬라이드 축(4)과는 반대측(하방)으로 압박되어, 금속판의 이면(장식면)(Sb)에 보빈 툴이 깊게 들어가는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 이면(장식면)에 오목 홈이 발생하는 것을 방지하거나, 또는 오목 홈이 형성되었다고 해도 그 오목 홈의 깊이를 작게 할 수 있다.

<실시예 4>

다음에, 본 발명의 실시예 4에 대해 설명한다. 도 41은 실시예 4의 결합 형태 또는 맞댐 형태를 도시한 정면도이며, (a)는 타입 I, (b)는 타입 II, (c)는 타입 III를 도시한다. 실시예 4에서는, 3종류의 공시체를 준비하여, 타입 I, 타입 II 및 타입 III의 부분에만 각각 마찰 교반 접합을 행하고, 접합 후의 각각의 각변형을 조사하였다.

타입 I∼III는, 알루미늄 합금(6N01-T5재)으로 이루어지는 더블 스킨 패널(201A, 201B)이며, 도 12 및 도 41을 참조하는 바와 같이, 외판 후육부[제1 외판 후육부(211), 제2 외판 후육부(221)]의 판 두께 a＝3㎜, 육성부[육성부(213, 223, 232, 242)]의 두께 치수 b＝0.5㎜, 지지판(204)으로부터 제1 단부면(33)까지의 길이 c 및 지지판(204)으로부터 제2 단부면(43)까지의 길이 c＝15㎜, 외판(202)의 상면으로부터 내판(203)의 하면까지의 길이 d＝30㎜, 좌우 폭 치수 e＝200㎜, 연장 치수 5000㎜로 설정되어 있다.

보빈 툴(265)은, 도 15를 참조하는 바와 같이, 제1 숄더(252)의 하단부면(252c)의 직경 X2 및 제2 숄더(253)의 상단부면(253c)의 직경 Y2＝10㎜, 제2 숄더(253)의 외경 Y1＝15㎜, 핀(254)의 외경 U＝6㎜로 설정되어 있다. 제1 숄더(252)로부터 제2 숄더(253)까지의 길이[핀(254)의 길이]는 2.9㎜로 설정되어 있다. 제1 숄더(252)의 하단부면(252c)에 형성된 오목부(도시 생략)의 형상은 평면에서 볼 때 소용돌이 형상이며, 오목부의 깊이는 0.3㎜, 오목부의 피치는 1.2㎜로 설정되어 있다. 보빈 툴(265)은, 우회전으로 설정하고, 타입 I∼III 모두 도 41의 (a)∼(c)의 지면(紙面) 표면측으로부터 이면측을 향해 이동시킨다. 보빈 툴(265)의 회전 속도는 2000rpm, 이동 속도는 1000㎜/min으로 설정하였다.

타입 I는, 도 41의 (a)에 도시하는 바와 같이, 보빈 툴(265)의 진행 방향의 좌측에 더블 스킨 패널(201A)을, 우측에 더블 스킨 패널(201B)을 배치하고, 제1 갈고리부(212A)와 제2 갈고리부(222B)를 결합시키고 있다.

타입 II는, 도 41의 (b)에 도시하는 바와 같이, 보빈 툴(265)의 진행 방향의 우측에 더블 스킨 패널(201A)을, 좌측에 더블 스킨 패널(201B)을 배치하고, 제1 갈고리부(212A)와 제2 갈고리부(222B)를 결합시키고 있다.

타입 III는, 도 41의 (c)에 도시하는 바와 같이, 보빈 툴(265)의 진행 방향의 좌측에 더블 스킨 패널(201A)을 배치하고, 우측에 더블 스킨 패널(201B)을 배치하고, 제1 단부면(233A)과 제2 단부면(243B)을 맞대고 있다.

도 42는 타입 I의 각변형 결과를 나타낸 그래프이다. 도 43은 타입 II의 각변형 결과를 나타낸 그래프이다. 도 44는 타입 III의 각변형 결과를 나타낸 그래프이다. 횡축은, 접합된 각 공시체의 좌측 단부로부터의 폭 방향의 길이를 나타내고 있다. 폭 방향＝200㎜라 함은, 센터선(C)의 위치를 나타내고 있다. 종축은, 각 공시체에 있어서의 임의의 기준점으로부터의 접합 후의 높이를 나타내고 있다. 각 공시체의 전단부로부터 연장 방향의 거리 50㎜, 200㎜, 400㎜, 600㎜, 800㎜, 950㎜에 있어서의 각 지점의 높이를 계측하였다.

도 42, 도 43에 나타내는 바와 같이, 타입 I 및 타입 II에서는, 폭 방향＝180㎜의 위치에서의 높이가 가장 높고, 폭 방향＝210㎜의 위치에서의 높이가 가장 낮게 되어 있다. 즉, 접합 부분에 작게 어긋남이 발생한 형상으로 되어 있다. 또한, 폭 방향＝180㎜∼210㎜의 위치에서의 고저차는, 타입 I에 비해 타입 II의 쪽이 컸다. 또한, 폭 방향＝210㎜의 위치로부터 공시체의 우측 단부까지의 고저차도, 타입 I에 비해 타입 II의 쪽이 컸다. 즉, 타입 I에 비해 타입 II의 쪽이, 각변형이 전체적으로 큰 것을 알 수 있었다.

이것은, 도 41의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 보빈 툴(265)로부터 받는 힘의 방향과, 더블 스킨 패널(201A, 201B)의 결합 형태의 차이에 기인하는 것이라고 생각된다. 본 실시 형태에 관한 보빈 툴(265)[핀(254)의 나선 홈(255)이 좌측 나사]을 우회전시켜, 도 41의 지면의 표면측으로부터 이면측을 향해 이동시키면, 응력 F1이 작용한다고 생각된다.

따라서, 도 41의 (b)에 도시하는 타입 II이면, 결합부(M)의 경사면(Ma)의 경사 방향이 응력 F1의 작용 방향과 대략 평행한 동시에, 센터선(C)에 대해 응력 F1의 입력 위치와 경사면(Ma)이 동일한 측에 있으므로, 더블 스킨 패널(201B)이 우측 경사 하측으로 이동하기 쉬워져, 접합 중에 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격될 가능성이 높아진다.

한편, 도 41의 (a)에 도시하는 타입 I이면, 결합부(M)의 경사면(Ma)의 경사 방향이 응력 F1의 작용 방향과 교차하는 동시에, 센터선(C)에 대해 응력 F1의 입력 위치와 경사면(Ma)이 반대측에 있으므로, 접합 중에 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 도 44에 도시하는 바와 같이, 타입 III에서는, 폭 방향이 180㎜인 위치 및 폭 방향이 210㎜의 위치에 있어서의 높이가 동일한 정도였다. 즉, 좌우 단부에 비해 접합 부분의 높이가 가장 높아, 정면에서 볼 때 산형으로 되어 있다. 또한, 타입 III의 고저차는, 타입 I, II의 고저차보다도 크게 되어 있다. 가령, 더블 스킨 패널을 복수매(예를 들어, 5매) 배치하고, 타입 III과 같이 맞댐부(N)측으로부터 마찰 교반 접합하면, 접합된 더블 스킨 패널의 전체의 각변형량이 증대된다고 생각된다. 따라서, 결합부(M) 및 맞댐부(N) 중 어느 쪽을 먼저 접합해도 접합 강도의 관점에서는 문제가 없지만, 각변형량을 고려하면, 먼저 결합부(M)측으로부터 마찰 교반 접합하는 것이 바람직하다.

도 45는 보빈 툴의 회전 방향, 나선 홈의 권회 방향, 결합 형태를 정리한 표이다. 도 45에서는, 4패턴의 바람직한 조건 1∼4를 나타내고 있다. 조건 1(본 실시 형태와 마찬가지임)에 나타내는 바와 같이, 나선 홈이 좌측 나사의 보빈 툴(265)을 우회전시켜, 도 45의 지면 표면측으로부터 이면측 방향으로 이동시키는 경우, 결합 형태를 타입 I로 하는 것이 바람직하다.

즉, 조건 1에서는 보빈 툴(265)을 우회전시키므로, 센터선(C)에 대해 좌측으로부터 우측 방향 성분의 힘이 작용하는 동시에, 소성 유동화된 금속이 나선 홈으로 유도되어 상방으로부터 하방으로 이동한다. 따라서, 조건 1에서는, 결합 형태에 나타내는 바와 같이 응력 F1이 작용한다. 따라서, 타입 I에서는 응력 F1에 대향하도록, 제2 갈고리부(212B) 및 결합부(M)의 경사면(Ma)을 설정함으로써, 접합 중에 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 조건 2에 나타내는 바와 같이, 나선 홈이 우측 나사의 보빈 툴(265)을 좌회전시켜, 도 45의 지면 표면측으로부터 이면측 방향으로 이동시키는 경우, 결합 형태를 타입 II로 하는 것이 바람직하다.

즉, 조건 2에서는 보빈 툴(265)을 좌회전시키므로, 센터선(C)에 대해 우측으로부터 좌측 방향 성분의 힘이 작용하는 동시에, 소성 유동화된 금속이 나선 홈으로 유도되어 상방으로부터 하방으로 이동한다. 따라서, 조건 2에서는, 결합 형태에 나타내는 바와 같이 응력 F2가 작용한다. 따라서, 타입 II에서는 응력 F2에 대향하도록, 제2 갈고리부(212B) 및 결합부(M)의 경사면(Ma)을 설정함으로써, 더블 스킨 패널(201A, 201B)이 이격되는 것을 방지할 수 있다.

마찬가지로, 조건 3에 나타내는 바와 같이, 나선 홈이 우측 나사의 보빈 툴(265)을 우회전시켜, 도 45의 지면 표면측으로부터 이면측 방향으로 이동시키는 경우, 결합 형태를 타입 IV로 하는 것이 바람직하다.

또한, 마찬가지로, 조건 4에 나타내는 바와 같이, 나선 홈이 좌측 나사의 보빈 툴(265)을 좌회전시켜, 도 45의 지면 표면측으로부터 이면측 방향으로 이동시키는 경우, 결합 형태를 타입 V로 하는 것이 바람직하다.

조건 3, 4의 경우라도, 결합부(M)의 경사면(Ma') 및 제2 갈고리부(212B')를 응력 F3, F4에 대향하도록 설정함으로써, 접합 중에 더블 스킨 패널(201A', 201B')이 이격되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 조건 1, 2에서는 제1 숄더(252)측, 조건 3, 4에서는 제2 숄더(253)측에 육성부를 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 마찰 교반에 의해 금속이 부족한 측에 금속을 보충할 수 있으므로, 금속 부족으로 되는 것을 보충할 수 있다.

<실시예 5>

실시예 5에서는, 실시예 4와는 다른 사이즈의 더블 스킨 패널을 5매 사용하여 마찰 교반 접합을 행하였다. 도 12를 참조하면, 실시예 5의 더블 스킨 패널은, 외판 후육부의 판 두께 a＝4.0㎜, 육성부의 두께 치수 b＝0.5㎜, 좌우 폭 치수 e＝400㎜, 연장 치수 12500㎜로 설정되어 있다.

보빈 툴은, 도 15를 참조하면, 제1 숄더(252)의 하단부면(252c)의 직경 X2＝15㎜, 제2 숄더(253)의 외경 Y1＝18㎜, 제2 숄더(253)의 상단부면(253c)의 직경 Y2＝15㎜, 핀(54)의 외경 U＝9㎜로 설정하였다. 제1 숄더(252)로부터 제2 숄더(253)까지의 길이[핀(54)의 길이]는 3.7㎜로 설정되어 있다. 또한, 보빈 툴의 회전 속도를 1000rpm으로 설정하였다. 또한, 보빈 툴 이동 속도는, 결합부(M)측을 1000㎜/min, 맞댐부(N)측을 1500㎜/min으로 설정하였다.

실시예 5에서는, 한쪽의 더블 스킨 패널을 테이블 상에 세트하고, 다른 쪽의 더블 스킨 패널을 상방으로부터 내려 결합 및 맞대었다. 마찬가지의 작업으로 5매의 더블 스킨 패널을 간극 없이 결합한 후, 조립체를 이동 불가능하게 구속하였다. 조립체가 뜨지 않도록, 연장 방향으로 1.5m 피치로 배치된 횡방향 압박 클램프로 압박하였다. 또한, 조립체의 4 코너부를 간단히 클램프하였다. 그리고, 단부로부터 차례로 마찰 교반 접합을 행하였다.

실시예 5의 조건이라도, 접합 불량이 없는 면재를 제조할 수 있었다. 여기서, 일반적으로, 금속 부재에 대해 마찰 교반 접합을 행하면 열수축이 발생하므로, 접합 후의 금속 부재가 휘어 버리는 경우가 있다. 가령, 금속 부재의 표리면에 있어서 마찰 교반 접합을 하는 경우, 회전 툴의 회전 속도, 이동 속도 및 이동 길이를 동일한 조건으로 하여, 금속 부재의 표면측에 마찰 교반 접합을 행한 후, 이면측에 마찰 교반 접합을 행하면 이면측이 오목 형상으로 되는 것과 같이 휘어 버릴 우려가 있다.

이것은, 표면측을 마찰 교반 접합한 후에는, 열수축에 의해 금속 부재가 표면측으로 오목 형상으로 되는 것과 같이 휘어 버리므로, 휜 금속 부재를 뒤집어 평탄한 테이블 상에 두면 테이블과 금속 부재 사이의 간극이 커진다. 이 상태에서, 이면측을 마찰 교반 접합하면, 마찰 교반에 의한 열이 테이블로 빠져나가기 어렵기 때문에, 금속 부재에 남는 열량이 커진다. 그 결과, 금속 부재에 남은 열과 함께 이면측이 오목 형상으로 되도록 크게 휘어 버린다.

따라서, 실시예 5와 같이, 결합부(M)측보다도 맞댐부(N)측에 있어서의 보빈 툴의 이동 속도를 빠르게 설정하면, 맞댐부(N)에의 접합시의 입열을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 접합 후의 더블 스킨 패널이 휘는 것을 방지할 수 있다.

<실시예 6>

실시예 6에서는, 판 형상 단부의 판 두께와 길이의 관계를 조사하기 위해 시험을 행하였다. 도 46의 (a)에 도시하는 바와 같이, 단면에서 볼 때 ㄷ자 형상을 나타내고, 동일 형상으로 이루어지는 공시체(301, 301)의 단부끼리를 맞대고, 맞댐부(N)에 대해 마찰 교반 접합을 행하였다. 각 공시체(301)는, 지지 부재(302)와, 지지 부재(302)로부터 수직으로 연장된 판 형상 단부(303)를 구비하고 있다.

공시체(301)의 높이는 30㎜, 연장 치수는 500㎜로 설정하였다. 도 46의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 판 형상 단부(303)의 판 두께 a 및 지지 부재(302)로부터 판 형상 단부(303)의 선단까지의 길이 c를 파라미터로 하여 각 조건에 있어서 마찰 교반 접합을 행하였다. 도 46의 (b)에 실시예 6의 각 조건과 접합의 품질에 대해 표로 정리하였다. 보빈 툴의 치수에 대해서는, 도 46의 (b)의 표에 나타내는 바와 같다.

도 46의 (b)에 나타내는 바와 같이, 판 두께 a＝3㎜, 지지 부재(302)로부터 판 형상 단부(303)의 선단까지의 길이 c＝50㎜인 경우, 접합 불량으로 되었다. 또한, 판 두께 a＝6㎜인 경우는, 길이 c＝70㎜, 80㎜일 때에 접합 불량으로 되었다. 또한, 판 두께 a＝12㎜인 경우는, 길이 c＝120㎜일 때에 접합 불량으로 되었다. 즉, 지지 부재(302)에 대해 판 형상 단부(303)의 길이가 지나치게 길면, 판 형상 단부(303)의 선단측이 변형되기 쉬워지므로 접합 불량으로 되기 쉽다.

도 47은 실시예 6의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 도 47의 횡축은 판 두께 a를 나타내고, 종축은 지지 부재(302)로부터 판 형상 단부(303)의 선단까지의 길이 c를 나타내고 있다. 이 그래프로부터, 지지 부재로부터 선단까지의 길이 c는, 길이 c≤7.0×판 두께 a＋18.5㎜를 만족시키도록 설정하는 것이 바람직하다. 이 조건이면, 판 형상 단부(303)의 변형을 억제할 수 있으므로, 접합 불량으로 되기 어렵다.

1 : 마찰 교반 장치
1a : 척부
2 : 회전 툴 유닛
3 : 홀더
4 : 슬라이드 축
5 : 보빈 툴
6 : 슬라이드 수단
11 : 제1 숄더
12 : 제2 숄더
13 : 핀
13a : 상부 나선 홈
13b : 하부 나선 홈
100A : 중공 형재
100B : 중공 형재
N : 맞댐부
T : 금속판의 두께
W : 소성화 영역(접합부)
X : 숄더의 외경
Y : 핀의 외경
Z : 숄더간 거리(핀의 길이)

Claims

마찰 교반 접합에 사용되는 회전 툴 유닛이며,
마찰 교반 장치의 척부에 고정되는 원통 형상의 홀더와,
상기 홀더의 내부에 삽입 관통되어 상기 홀더와 일체적으로 회전하는 슬라이드 축과,
제1 숄더와 제2 숄더와 상기 제1 숄더와 상기 제2 숄더 사이에 형성된 핀으로 구성된 보빈 툴을 갖고,
상기 슬라이드 축의 선단에 상기 제1 숄더가 고정되어 있고,
상기 홀더에 대해 상기 슬라이드 축이 축 방향으로 미끄럼 이동하도록 상기 홀더와 상기 슬라이드 축 사이에 슬라이드 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 회전 툴 유닛.
제1항에 있어서, 상기 슬라이드 수단은, 상기 슬라이드 축의 외면 또는 상기 홀더의 내면에 형성된 베어링 홈과 베어링 홈 내를 미끄럼 이동하는 볼 베어링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 회전 툴 유닛.
제1항에 있어서, 상기 홀더 및 상기 슬라이드 축 중 어느 한쪽에 형성된 키 홈과, 다른 쪽에 형성된 키를 갖고,
상기 슬라이드 축의 이동에 수반하여, 상기 키가 상기 키 홈의 내부를 이동하는 것을 특징으로 하는, 회전 툴 유닛.
제1항에 있어서, 상기 홀더의 내면 및 상기 슬라이드 축의 외면 중 어느 한쪽의 축 방향을 따라 연장된 돌출조와, 다른 쪽의 축 방향을 따라 연장된 오목조를 갖고,
상기 슬라이드 축의 이동에 수반하여, 상기 돌출조가 상기 오목조의 내부를 이동하는 것을 특징으로 하는, 회전 툴 유닛.
제1항에 기재된 회전 툴 유닛을 사용하여, 한 쌍의 금속판을 접합하는 마찰 교반 접합 방법이며,
상기 금속판의 단부면끼리를 맞대는 맞댐 공정과,
상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시켜 상기 단부면끼리를 마찰 교반 접합하는 접합 공정을 포함하고,
상기 접합 공정에서는, 제1 숄더 및 제2 숄더간의 거리를 상기 금속판의 두께 이하로 설정해 두고, 마찰 교반에 의해 상기 금속판이 변형되어 상기 금속판의 위치가 상기 보빈 툴의 축 방향으로 변위하였을 때, 그 변위에 추종하여 상기 보빈 툴이 축 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 단부면끼리의 간극을 1.00㎜ 이하로 설정하는 경우,
상기 금속판의 두께와 상기 숄더간의 거리를, 0.2㎜≤{(금속판의 두께)－(숄더간의 거리)}≤0.8㎜로 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 단부면끼리의 간극을 1.00㎜보다 크고 1.75㎜ 이하로 설정하는 경우,
상기 금속판의 두께와 상기 숄더간의 거리를, 0.4㎜≤{(금속판의 두께)－(숄더간의 거리)}≤0.8㎜로 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 숄더의 외경을 제곱한 값을, 상기 핀의 외경을 제곱한 값으로 나눈 값이 2.0보다 커지도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 핀의 외경을 제곱한 값을, 상기 숄더의 외경을 제곱한 값으로부터 상기 핀의 외경을 제곱한 값을 뺀 값으로 나눈 값이 0.2보다 크고, 또한 상기 핀의 외경을 제곱한 값을, 상기 핀의 외경과 상기 숄더간의 거리의 곱으로 나눈 값이 1.2보다도 커지도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 접합 공정에 있어서, 맞대어진 부분의 상기 금속판의 두께가 다른 경우에, 상기 금속판의 두께가 큰 쪽의 상기 금속판을 상기 보빈 툴의 진행 방향에 대해 좌측에 배치한 경우에는, 상기 보빈 툴을 우회전시키는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 접합 공정에 있어서, 맞대어진 부분의 상기 금속판의 두께가 다른 경우에, 상기 금속판의 두께가 큰 쪽의 상기 금속판을 상기 보빈 툴의 진행 방향에 대해 우측에 배치한 경우에는, 상기 보빈 툴을 좌회전시키는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 접합 공정에서는,
상기 제1 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 우회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시키고,
상기 핀의 외주면의 상기 제1 숄더측에 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 우측 나사의 나선 홈이 상기 제1 숄더 및 상기 제2 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제12항에 있어서, 상기 외주면 중 상기 우측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제2 숄더까지의 사이에, 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 접합 공정에서는,
상기 제1 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 좌회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시키고,
상기 핀의 외주면의 상기 제1 숄더측에 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 좌측 나사의 나선 홈이 상기 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제14항에 있어서, 상기 외주면 중 상기 좌측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제2 숄더까지의 사이에, 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 접합 공정에서는,
상기 제2 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 우회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시키고,
상기 핀의 외주면의 상기 제2 숄더측에 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 좌측 나사의 나선 홈이 상기 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제16항에 있어서, 상기 외주면 중 상기 좌측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제1 숄더까지의 사이에, 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 접합 공정에서는,
상기 제2 숄더와 상기 금속판의 장식면을 대향시키고, 또한 상기 핀의 축 방향의 중심과 상기 금속판의 판 두께 방향의 중심을 맞춘 후, 상기 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부에 상기 슬라이드 축측에서 보아 좌회전시킨 상기 보빈 툴의 핀을 이동시키고,
상기 핀의 외주면의 상기 제2 숄더측에 우측 나사의 나선 홈이 형성되어 있고, 이 우측 나사의 나선 홈이 상기 숄더간의 거리에 대해 25％ 이상의 비율로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제18항에 있어서, 상기 외주면 중 상기 우측 나사의 나선 홈의 단부로부터 상기 제1 숄더까지의 사이에, 좌측 나사의 나선 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제12항, 제14항, 제16항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접합 공정에서는, 상기 금속판의 장식면측을 냉각시키면서 접합하는 것을 특징으로 하는, 마찰 교반 접합 방법.
제1항에 기재된 회전 툴 유닛을 사용하여, 마찰 교반 접합되는 한 쌍의 더블 스킨 패널의 조립체이며,
한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부와 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부가 결합되고,
한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부에 형성된 단부면과 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부면이 결합되지 않고 맞대어져 있는 것을 특징으로 하는, 더블 스킨 패널의 조립체.
제21항에 있어서, 각 상기 갈고리부는, 상기 외판의 후육부로부터 연장된 박육부와, 상기 박육부에 연속되고 판 두께 방향으로 돌출된 돌출부를 갖고,
한 쌍의 상기 돌출부끼리가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 더블 스킨 패널의 조립체.
제22항에 있어서, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 상기 돌출부의 측부에는 돌출 경사면이 형성되어 있고,
다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 상기 후육부에는 상기 돌출 경사면에 면 접촉하는 후육 경사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 더블 스킨 패널의 조립체.
제22항에 있어서, 상기 외판과 상기 내판 사이에 지지판이 개재 설치되어 있고,
상기 지지판으로부터 상기 단부면까지의 길이를 c(㎜) 및 상기 후육부의 판 두께를 t(㎜)로 하였을 때,
c≤7.0×t＋18.5㎜를 만족시키도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 더블 스킨 패널의 조립체.
제1항에 기재된 회전 툴 유닛을 사용하여, 한 쌍의 더블 스킨 패널의 단부끼리를 마찰 교반 접합하는 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법이며,
한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부와 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 외판의 단부에 형성된 갈고리부를 결합하면서, 한쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부에 형성된 단부면과 다른 쪽의 상기 더블 스킨 패널의 내판의 단부면을 결합시키지 않고 맞대는 준비 공정과,
상기 준비 공정에서 결합시킨 결합부 및 맞댄 맞댐부에 대해 마찰 교반 접합을 행하는 접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법.
제25항에 있어서, 상기 접합 공정에서는, 상기 결합부를 접합한 후에, 상기 맞댐부를 접합하는 것을 특징으로 하는, 더블 스킨 패널의 마찰 교반 접합 방법.