KR101688279B1

KR101688279B1 - 겹침 금속 호일의 점접합 방법

Info

Publication number: KR101688279B1
Application number: KR1020140190597A
Authority: KR
Inventors: 마사키 구마가이; 히데키 오카다; 아리노부 모리; 겐지 하야후지
Original assignee: 가부시키가이샤 유에이씨제이; 가와사끼 쥬고교 가부시끼 가이샤; 오바라 가부시키가이샤
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-12-20
Also published as: CN104741769B; JP2015123488A; CN104741769A; US9302343B2; US20150183053A1; KR20150077361A; JP6516408B2

Abstract

축방향으로 서로 별개로 이동할 수 있는 중공 부재 및 핀 부재, 그리고 중공 부재의 외부 둘레 표면에 끼워맞춰지고 축방향으로 이동할 수 있는 클램프 부재를 포함하는 복동식 회전 공구를 이용함으로써 금속 시트 및 복수의 금속 호일들의 스택을 함께 접합하도록 마찰 교반 접용접이 실시된다. 마찰 교반되어질 부분의 외부 환형부는 클램프 부재로 가압되고, 핀 부재는 마찰 교반되어질 부분에 삽입되고, 중공 부재는 후퇴되고, 그럼으로써 마찰 교반되는 부분과 중공 부재 사이에 형성된 공간내에 메탈 매스가 수용된다. 이어서, 중공 부재는 핀 부재의 후퇴에 의해 형성된 구멍안으로 메탈 매스를 가압하도록 전진하고, 그럼으로써 구멍은 메탈 매스로 충전된다.

Description

겹침 금속 호일의 점접합 방법{PROCESS FOR SPOT-JOINING STACKED METAL FOILS}

본 발명은, 겹침 금속 호일의 점접합 방법에 관한 것, 특히, 복동식의 회전 공구를 이용해, 서로 겹쳐진 또는 중첩된 복수의 금속 호일을 전기적 및 기계적으로 일체로 접합하는 것을 유리하게 실현하는 마찰 교반 점용접 작업을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.

알루미늄 호일이나 구리 호일과 같은 도전성이 뛰어난 금속 호일들은, 복수의 금속 호일들을 서로 겹치게 하거나 중첩시킨 형태로 전지의 집전체 등의 전극으로서 이용되고 있다. 서로 중첩되어 전극으로서 기능하는 금속 호일들의 스택에서는, 금속 호일들을 서로 직접 접촉시켜 함께 고정하여서 금속 호일들이 하나의 유닛으로서 전기적으로 그리고 기계적으로 접합되도록 하는 것이 필요하다.

전술한 바와 같은 서로 겹쳐진 금속 호일들을 접합하는 종래의 방법으로서, 초음파를 사용한 방법이 일반적으로 채용되고 있다. 그러나, 이 방법에 의해 얻어지는 접합 강도가 원치않게 낮아 안정적인 접합을 얻지 못하는 문제가 있어서, 예컨대 전지의 충방전시에 있어서의 열팽창에 의해, 금속 호일들의 스택이 박리할 우려가 있다. 이 문제를 해결하는 방법으로서, 고상 용접 작업으로서 마찰 교반 용접 작업을 사용한 접합 방법이 제안되었다. 그러한 방법의 예들이, 예를 들어 JP-A-2003-126972 및 JP-A-2005-103586 에 개시되어 있다.

JP-A-2003-126972 에 개시된 방법에서는, 금속 호일들보다 두꺼운 두께를 가지는 금속 플레이트들이 복수의 금속 호일들의 스택의 각각의 대향 표면들에 중첩되어서, 금속 호일들의 스택이 금속 플레이트들 사이에 개재된다. 이 방법에서는, 소정 길이를 가지는 핀이 축선을 중심으로 회전할 수 있는 원통형 본체의 원위 단부와 일체적으로 형성되는 구조의 고정식 공구 (회전 공구) 를 사용하여 마찰 교반 용접 작업이 수행되도록 되어 있다. 따라서, 점접합이 수행되는 경우에 있어서, 용접 작업후에 용접 공구의 제거로 인해 핀 구멍 (프로브 구멍) 과 같은 공구 구멍이 용접부에 형성 및 잔존하게 된다. 이 공구 구멍의 존재에 의해 접합 강도가 열화하게 되므로, JP-A-2003-126972 에서는, 그러한 접합 강도의 열화를 회피하기 위하여, 점접합 작업이 아니라 선접합 작업이 실시된다. 그러나, 선접합이 수행되는 경우에 있어서, 금속 호일들을 매우 확실하게 함께 고정하지 않으면, 용접 작업동안에 용접 공구의 이동으로 인해, 겹쳐진 금속 호일들이 서로에 대해 변위될 우려가 있다. 그러한 우려를 해결하기 위해, 금속 호일들을 접착제로 함께 고정하는 방법도 제안되어 있지만, 접착제에 의한 금속 호일들의 접착 단계의 부가에 의해, 원치않는 작업 로드 및 비용의 증가를 필연적으로 가져오게 된다.

한편, JP-A-2005-103586 은 복수의 금속 호일들의 집합체를 마찰 교반 용접 작업에 의해 접합하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는, 집합체를 집합체의 상부 및 하부 표면에 대해 수직한 대향 방향에서 인가되는 압력으로 스웨이징 (swaging) 또는 코킹 (caulking) 하는 것, 혹은 초음파 용접, 냉간 용접 또는 아크 용접에 의해 집합체를 가접합하는 것에 의해 고정한 상태에서, 마찰 교반 용접 작업을 수행한다. 대안적으로, 집합체와 동일한 금속으로 이루어지는 보강 기재를 집합체에 맞닿음 접촉시킨 상태에서, 마찰 교반 용접 작업을 수행한다. 그러나, 이 방법에서도 고정식 공구 (회전 공구) 에 의한 선접합 작업이 수행되도록 되어 있어서, 이 방법은 JP-A-2003-126972 와 관련하여 전술한 문제를 마찬가지로 내재하고 있다.

특허문헌 1 : JP-A-2003-126972 특허문헌 2 : JP-A-2005-103586

본 발명은, 전술한 사정을 배경으로 이루어진 것이다. 그러므로, 본 발명의 목적은, 서로 중첩된 복수의 금속 호일들을 마찰 교반 점용접 작업함으로써, 양호한 접합 상태를 갖는 용접부를 유리하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 전술한 목적은, 서로 중첩된 복수의 금속 호일들의 스택을 하부 금속 시트에 배치하고, 그 축선을 중심으로 회전하는 회전 공구를 상기 스택을 통해 상기 하부 금속 시트에 삽입하고, 그럼으로써 상기 스택과 상기 하부 금속 시트를 마찰-교반하여 서로 일체로 접합하는 마찰 교반 점용접 작업에 의한 겹침 금속 호일의 점접합 방법으로서, 상기 회전 공구는, 그 축선에 수직인 단부면을 갖고 그 축방향으로 이동가능한 중공 부재, 및 상기 중공 부재내에 동축으로 배치되어 상기 중공 부재와는 별개로 형성되고 상기 중공 부재와는 별개로 그 축방향으로 이동가능한 핀 부재를 갖는 복동식 회전 공구이고, 상기 중공 부재와 동축이 되도록 상기 중공 부재의 외부 둘레면에는 그 축방향으로 이동가능한 원통형 클램프 부재가 끼워맞춰지고, 상기 마찰 교반 점용접 작업은, 상기 클램프 부재를 마찰 교반되어질 부분의 외부 환형부와 압접하여 유지하고, 상기 복동식 회전 공구의 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 일 부재를 마찰 교반되어질 상기 부분에 전진시키는 한편, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 다른 부재를 후퇴시켜서, 마찰 교반되어질 상기 부분과 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재와의 사이에 공간을 형성하고, 그럼으로써 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 마찰 교반되어질 상기 부분에 삽입하는 것에 의해 메탈 매스 (metal mass) 를 발생시켜 상기 공간내에 수용함으로써 행해지고, 상기 마찰 교반 점용접 작업에 이어서, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재를 전진시키는 한편, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 후퇴시켜서, 상기 공간내에 수용된 상기 메탈 매스를, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재의 후퇴에 의해 형성된 구멍 안으로 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재에 의해 가압하고, 그럼으로써 상기 구멍을 상기 메탈 매스로 충전시키는, 겹침 금속 호일의 점접합 방법을 제공하는 본 발명의 원리에 따라 달성된다.

본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 마찰 교반되어질 상기 스택의 부분을 상기 스택의 상기 부분의 외부 환형부와 압접하여 유지되는 상기 클램프 부재에 의해 고정한 후에, 상기 복동식 회전 공구의 상기 중공 부재와 상기 핀 부재를 마찰 교반되어질 상기 스택의 상기 부분과 접촉시키는 한편, 상기 중공 부재와 상기 핀 부재의 단부면들을 서로 동일하게 유지하고, 이어서, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 전진시킴과 동시에 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재를 후퇴시킨다.

본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따르면, 상기 스택에 상부 금속 시트가 중첩되고, 상기 마찰 교반 점용접 작업은, 상기 스택과 상기 상부 금속 시트 및 상기 하부 금속 시트를 함께 접합하기 위해 상기 회전 공구를 상기 상부 금속 시트를 통해 그리고 상기 스택을 통해 상기 하부 금속 시트에 삽입함으로써 행해진다.

본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따르면, 상부 및 하부 금속 시트가 스택의 상부측 및 하부측에 각각 배치되는 상태에서 마찰 교반 점용접 작업이 실시되는 경우에 있어서, 상기 중공 부재, 상기 핀 부재 및 상기 클램프 부재의 단부면들을 서로 동일하게 유지하면서, 상기 복동식 회전 공구의 상기 중공 부재와 상기 핀 부재를 마찰 교반되어질 상기 스택의 부분에 대응하는 상기 상부 금속 시트의 부분과 접촉시키고, 상기 클램프 부재를 상기 상부 금속 시트의 상기 부분의 외부 환형부와 접촉시키고, 이어서, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 전진시킴과 동시에 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재를 후퇴시키는 한편, 상기 상부 금속 시트의 상기 부분을 상기 상부 금속 시트의 상기 부분의 상기 외부 환형부와 압접하여 유지되는 상기 클램프 부재에 의해 고정한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따르면, 상기 마찰 교반 점용접 작업이 식 0.01 ≤ a ≤ 0.75 × b, 및 0.2 ≤ b 를 만족하도록 행해지고, "a" (mm) 는 상기 하부 금속 시트에 대한 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재의 삽입 깊이이고, "b" (mm) 는 상기 하부 금속 시트의 두께이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따르면, 상기 금속 호일들은 알루미늄 호일들 또는 구리 호일들이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따르면, 상기 하부 금속 시트는 0.2 - 3 mm 의 두께를 갖는다.

본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따르면, 상기 상부 금속 시트는 0.1 - 1 mm 의 두께를 갖는다.

본 발명에 따른 겹침 금속 호일의 점접합 방법에서는, 회전 공구의 제거후에 핀 구멍과 같은 공구 구멍이 잔존하는 것을 방지할 수 있는 복동식 회전 공구를 이용하여 마찰 교반 점용접 작업을 수행한다. 또한, 그 축방향으로 이동가능한 원통형 클램프 부재를 중공 부재와 동축이 되도록 복동식 회전 공구의 중공 부재의 외부 둘레 표면에 끼워맞추고, 마찰 교반되어질 부분의 외부 환형부를 클램프 부재로 가압 유지한 상태에서 마찰 교반 점용접 작업을 수행한다. 본 발명에 따른 방법에서는, 마찰 교반 점용접 작업중에 발생되는 메탈 매스가 복동식 회전 공구의 중공 부재 또는 핀 부재의 후퇴에 의해 형성되는 구멍에 밀어넣어져서, 그 구멍이 메탈 매스로 충전된다. 그러므로, 회전 공구의 제거후에 잔존하는 구멍 (공구 구멍) 에 기인한 접합 강도의 저하등의 문제가 발생하지 않을 뿐만 아니라, 얻어진 용접부의 건전화가 유리하게 개선될 수 있으며, 그럼으로써 전기적으로 또한 기계적으로 양호한 접합 상태를 실현할 수 있다.

게다가, 본 발명에 있어서는, 마찰 교반되어질 부분의 외부 환형부가, 복동식 회전 공구(중공 부재)의 외부 둘레 표면에 끼워맞춰지고 그 축선을 중심으로 회전하지 않는 클램프 부재로 가압 유지된다. 따라서, 서로 중첩된 금속 호일들 중의 최외측 호일이 클램프 부재에 의해 가압 유지되어서, 마찰 교반 점용접 작업을 금속 호일들의 스택에서 직접 실시하더라도, 스택을 구성하는 금속 호일들이 예컨대 서로에 대해 찢기거나 변위되는 문제를 효과적으로 억제 또는 저지하면서 점접합 작업을 실시할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 겹침 금속 호일의 점접합 방법의 실시전의 형태의 일례를 나타내는 개략 종단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 상태에서 시작되는 본 발명에 따른 방법의 제 1 절반 단계를 나타내는 개략 단면도로서, 도 2(a), 2(b), 2(c) 및 2(d) 는, 각각, 본 발명의 제 1 실시형태에 따라 실시되는 단계들을 나타낸다.
도 3 은 도 2 의 단계들에 후속되는 제 2 절반 단계를 나타내는 개략 단면도로서, 도 3(a), 3(b) 및 3(c) 는, 각각, 본 발명의 제 1 실시형태에 따라 실시되는 단계들을 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 따른 복동식 회전 공구를 금속 호일들의 스택이 위치하는 금속 시트에 도달할 때까지 하강시킨 상태를 나타내는 개략 확대 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 방법의 제 2 실시형태에 따른 복동식 회전 공구의 구동 방식을 나타내는 개략 확대 단면도이다.
도 6 은 도 2 및 도 3 에 도시된 실시형태에 대한 대안의 본 발명의 제 3 실시형태에 따라 실시되는 제 1 절반 단계를 나타내는 개략도로서, 이 단계는 도 2 에 도시된 각 단계에 대응한다.
도 7 은 도 3 에 대응하는 단면도로서, 도 6 의 공정에 후속되는 제 2 절반 단계를 나타낸다.

본 발명을 더욱 구체적으로 분명히 하기 위해, 본 발명의 대표적인 실시형태를 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 겹침 금속 호일의 점접합을 위한 형태가 도시되어 있다. 이 형태에서는, 서로 중첩된 복수의 소망의 금속 호일들 (2) 의 스택 (4) 및 스택 (4) 아래에 위치되는 하부 금속 시트 (6) 가 소정의 지지 베이스 (도시 생략) 상에 유지되고, 스택 (4) 의 상방에 복동식 회전 공구 (10) 가 배치된다.

전술한 형태에서, 마찰 교반 점용접 작업이 복동식 회전 공구 (10) 를 이용하여 스택 (4) 및 하부 금속 시트 (6) 에 대해 실시된다. 스택 (4) 을 구성하는 복수의 금속 호일들 (2) 의 재질은, 마찰 교반 점용접 작업에 의해 얻어지는 제품의 용도에 따라 적절히 선택된다. 예를 들어, 금속 호일들 (2) 의 높은 도전성이 필요한 용도의 경우에 있어서는, 금속 호일들 (2) 로서 알루미늄 호일 혹은 구리 호일이 적절하게 사용된다. 바람직하게는 본 발명에 사용되는 알루미늄 호일을 위한 알루미늄 재질의 구체적인 예는 JIS (Japanese Industrial Standards) 에 따른 1000계 알루미늄 합금 재질, 예컨대 JIS A1050, JIS A1200, JIS 에 따른 3000계 알루미늄 합금 재질, 예컨대 JIS A3003, 및 JIS 에 따른 8000계 알루미늄 합금 재질, 예컨대 JIS A8021, JIS A8079 를 포함한다. 구리 호일이 금속 호일들 (2) 로서 사용되는 경우에 있어서는, 금속 호일들 (2) 은 터프 피치 구리 (Tough Pitch Copper : TPC), 무산소 구리 (Oxygen-Free Copper : OFC) 등으로 제조된 압연 구리 호일로부터 바람직하게 형성된다. 복수의 금속 호일들 (2) 의 각각의 두께는 마찰 교반 점용접 작업에 의해 얻어지는 제품의 용도에 따라 적절하게 선택된다. 각 금속 호일 (2) 의 두께는, 일반적으로, 약 3 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 범위, 바람직하게는 약 5 ㎛ 내지 약 15 ㎛ 범위내에 있다. 또한, 스택 (4) 을 구성하는 복수의 금속 호일들 (2) 의 개수는 의도하는 제품의 용도에 따라 적절하게 선택된다. 스택 (4) 을 구성하는 복수의 금속 호일 (2) 의 장수는, 일반적으로, 약 10 내지 약 100 장, 바람직하게는 약 20 내지 약 50 장이다.

스택 (4) 의 하측에 배치되는 금속 시트 (6) 는 금속 호일들 (2) 의 높은 도전성이 필요한 용도이면 전술한 금속 호일들 (2) 과 동일한 재질로 제조되는 것이 바람직하지만, 그 이외의 용도에 대해서는 금속 시트 (6) 는 금속 호일들 (2) 의 재질과는 다른 재질로 제조될 수도 있다. 금속 시트 (6) 의 두께는 스택 (4) 의 건실한 고정을 허용하기에 충분히 크도록 적절히 결정되게 되지만, 일반적으로는 금속 시트 (6) 는 0.2 mm 이상의 두께를 갖는 것이 유리하다. 금속 시트 (6) 의 허용가능한 최대 두께는 특별히 한정되는 것이 아니고 용도에 따라 적절히 결정된다. 그러나, 금속 시트 (6) 를 전극으로서 사용하는 경우에는, 도전성의 관점에서, 매우 두꺼운 두께는 바람직하지 않고, 바람직하게는 금속 시트 (6) 는 3 mm 이하의 두께를 갖는다.

복동식 회전 공구 (10) 는, 복수의 금속 호일들 (2) 의 스택 (4) 을 관통하여 하부 금속 시트 (6) 에 이르는 일체적 용접부를 형성하도록 마찰 교반 점용접 작업을 수행하는 것으로 구성된다. 복동식 회전 공구 (10) 는 이하의 것을 포함한다: 그 하부 단부면이 그 축선에 대해 수직이고 그 축방향으로 이동할 수 있고 그 축선을 중심으로 회전할 수 있는 중공 실린더 형태의 중공 부재 (12 : 숄더 부재라고도 함); 및 중공 부재 (12) 와는 별개로 형성되어 중공 부재 (12) 내에 동축으로 배치되고 중공 부재 (12) 와는 별개로 그 축방향으로 이동할 수 있고 그 축선을 중심으로 회전할 수 있는중실 실린더 형태의 핀 부재 (14 : 프로브라고도 함). 이와 같이 구성된 복동식 회전 공구 (10) 의 예는, JP 특허 제3709972호, JP-A-2012-196680, JP-A-2012-196681 및 JP-A-2012-196682 에 개시되어 있다. 본 발명에서는, 공지된 구조를 갖는 복동식 회전 공구가 적절히 사용된다. 또한, 중공 부재 (12) 의 외부 둘레 표면에는 중공 부재 (12) 와 동축이 되도록 중공 실린더 형태의 클램프 부재 (16) 가 끼워맞춰진다. 클램프 부재 (16) 는 그 축선방향으로 이동할 수는 있으나, 그 축선을 중심으로 회전할 수는 없다.

본 발명에 따른 겹침 금속 호일의 점접합 방법의 제 1 실시형태에서는, 마찰 교반 점용접 작업이 도 1 에 나타낸 상태에서 시작되고, 도 2 에 나타낸 단계들을 포함한다. 즉, 먼저, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 클램프 부재 (16) 가 하향 이동하여 금속 호일들 (2) 의 스택 (4) 의 상부 표면에 압접되어, 마찰 교반되어질 스택 (4) 의 부분의 외부 환형부를 가압하며, 그럼으로써 스택 (4) 이 제위치에 견고하게 유지된다. 여기서, 마찰 교반되어질 스택 (4) 의 부분은 회전 공구 (10) 의 하부 단부면에 대응한 영역을 포함한다. 그리고 나서, 전술한 바와 같이 클램프 부재 (16) 에 의해 스택 (4) 이 가압 유지된 상태에서, 복동식 회전 공구 (10) 의 중공 부재 (12) 및 핀 부재 (14) 는, 그 중공 부재 (12) 및 핀 부재 (14) 가 그들의 축선을 중심으로 회전하고 그들의 하부 단부면이 서로 동일 레벨로 유지되면서 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 그들의 하부 단부면이 스택 (4) 의 상부 표면에 접촉할 때까지, 그들의 축선방향으로 하향 이동된다.

회전 공구 (10) 의 전체 하부 단부면이 스택 (4) 의 상부 표면에 접촉하여, 마찰 교반되어질 스택 (4) 의 부분의 전체 영역에 걸쳐 마찰열이 발생된 후에, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 핀 부재 (14) 가 마찰 교반되어질 스택 (4) 의 부분 안으로 더욱 하향 이동 (전진) 하여, 스택 (4) 을 마찰 교반하고 서로 중첩된 복수의 금속 호일들 (2) 을 함께 접합한다. 한편, 중공 부재 (12) 는 그 축선방향으로 점차 상향 이동 (후퇴) 하여서, 마찰 교반되는 스택 (4) 의 부분과 중공 부재 (12) 와의 사이에 공간이 형성되고, 그럼으로써 스택 (4) 안으로의 핀 부재 (14) 의 삽입에 의해 발생된 메탈 매스 (18) 가 마찰 교반 점용접 작업중에 상기 공간내에 수용된다. 마찰 교반 점용접 작업은, 핀 부재 (14) 가 하부 금속 시트 (6) 에 도달하여 도 2(d) 에 나타낸 바와 같이 소정 깊이만큼 하부 금속 시트 (6) 내에 삽입될 때까지 실시된다. 스택 (4) 과 하부 금속 시트 (6) 의 사이에 충분한 정도의 접합이 확보된 때에, 전술한 핀 부재 (14) 의 하향 이동과 중공 부재 (12) 의 상향 이동이 종료된다.

그리고, 도 2(d) 에 나타낸 상태에서, 핀 부재 (14) 및 중공 부재 (12) 는 각각 전술한 이동 방향과는 반대의 방향으로 이동되고, 즉, 도 3(a) 에 나타낸 바와 같이, 핀 부재 (14) 는 상향 이동 (후퇴) 되고 중공 부재 (12) 는 하향 이동 (전진) 되고, 그럼으로써 메탈 매스 (18) 는 핀 부재 (14) 의 상향 이동에 의해 형성된 구멍안으로 중공 부재 (12) 의 하부 단부면에 의해 가압된다. 즉, 중공 부재 (12) 의 상향 이동에 의해 형성되는 공간내에 수용된 메탈 매스 (18) 가, 핀 부재 (14) 의 상향 이동에 의해 형성되는 구멍안으로 중공 부재 (12) 의 하향 이동에 의해 가압되어서, 구멍이 메탈 매스 (18) 로 충전되고, 도 3(b) 에 나타낸 바와 같이, 핀 부재 (14) 의 후퇴후에 구멍이 잔존하는 것이 효과적으로 저지되고, 메탈 매스 (18) 가 평탄한 상부 표면으로 형성된다. 그리고 나서, 복동식 회전 공구 (10) 및 클램프 부재 (16) 가 상향 이동하여 스택 (4) 으로부터 제거되며, 그럼으로써 도 3(c) 에 나타내는 바와 같이, 스택 (4) 과 하부 금속 시트 (6) 로 이루어지며 평탄한 상부 표면을 갖는 용접부 (20) 를 포함하는 접합체가 얻어진다.

마찰 교반 점용접에 의한 겹침 금속 호일의 점접합 방법에 의하면, 스택 (4) 을 통해 하부 금속 시트 (6) 에 삽입되는 핀 부재 (14) 가 그로부터 후퇴되는 때에 중공 부재 (12) 가 하향 이동하므로, 마찰 교반 점용접 작업중에 발생되어 중공 부재 (12) 의 상향 이동에 의해 형성된 공간내에 수용되는 메탈 매스 (18) 가 핀 부재 (14) 의 후퇴에 의해 형성된 구멍안으로 중공 부재 (12) 의 하향 이동에 의해 가압되어, 구멍이 메탈 매스 (18) 로 충전된다. 그러므로, 마찰 교반 점용접 작업에 의해 형성되는 용접부 (20) 는, 핀 부재 (14) 의 후퇴후에 잔존하게 되는 구멍없이 평탄한 상부 표면을 갖는다. 따라서, 접합 강도의 저하 등의 문제를 야기하는 일이 없이 그리고 스택 (4) 의 금속 호일들 (2) 사이의 건실한 접합 상태 및 스택 (4) 과 하부 금속 시트 (6) 사이의 건실한 접합 상태를 확보하면서, 건실한 용접부 (20) 가 마찰 교반 점용접 작업에 의해 형성될 수 있다.

특히, 하부 금속 시트 (6) 에 대한 핀 부재 (14) 의 삽입 (침입) 깊이를 "a" (mm) 로 하고, 하부 금속 시트 (6) 의 두께를 "b" (mm) 라고 했을 때에, 식 0.01 ≤ a ≤ 0.75 × b; 및 0.2 ≤ b 를 만족하도록 마찰 교반 점용접 작업을 실시함으로써, 더욱 건실한 점접합을 실현할 수 있다. 깊이 "a" 가 0.01 mm 미만의 경우 에 있어서는, 하부 금속 시트 (6) 에 대한 핀 부재 (14) 의 삽입 깊이가 너무 얕아서, 금속 호일들 (2) 중의 최하부 금속 호일 및 스택 (4) 으로부터 하부 금속 시트 (6) 가 박리할 위험이 있다. 다른 한편으로, 깊이 "a" 가 하부 금속 시트 (6) 의 두께 (b) 의 0.75 배보다 크면, 하부 금속 시트 (6) 에 대한 핀 부재 (14) 의 삽입 깊이가 과도하게 깊어서, 예컨대 하부 금속 시트 (6) 가 변형될 위험이 있다.

또한, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 무회전이고 스택 (4) 의 금속 호일들 (2) 중의 최상부 금속 호일에 직접 접촉하여 유지되는 클램프 부재 (16) 에 의해 스택 (4) 이 가압 유지되는 상태에서 마찰 교반 점용접 작업이 개시된다. 클램프 부재 (16) 와 하부 금속 시트 (6) 사이에 스택 (4) 을 유지함으로써, 스택 (4) 에 대해 직접적으로 마찰 교반 점용접 작업을 실시하더라도, 스택 (4) 의 상부에 위치한 금속 호일들 (2) 의 찢김 등의 문제가 발생하는 것을 효과적으로 억제하면서, 유리하게 마찰 교반 점용접 작업을 실시할 수 있다.

게다가, 마찰 교반 점용접 작업에서, 도 2(a) 및 (b) 에 나타내는 바와 같이, 복동식 회전 공구 (10) 의 중공 부재 (12) 와 핀 부재 (14) 는 그 하부 단부면들을 서로 동일 레벨로 유지한 상태에서 동시에 하향 이동되고, 이들 하부 단부면들은 스택 (4) 의 상부 표면에 접촉하게 되어, 마찰열이 발생하게 된다. 그리고 나서, 핀 부재 (14) 및 중공 부재 (12) 는 서로 동시에 각각 하향 이동 및 상향 이동한다. 따라서, 마찰 교반되어질 스택 (4) 의 부분의 전체 영역에 걸쳐 스택 (4) 의 상부 부분에 위치한 금속 호일들 (2) 에 대한 마찰 교반의 작용이 효과적으로 발휘될 수 있어서, 예컨대 금속 호일들 (2) 에 대한 핀 부재 (14) 의 삽입으로 인해 금속 호일들 (2) 이 상향 이동하거나 찢기는 문제가 발생하는 것을 효과적으로 억제 또는 저지할 수 있다.

전술한 실시형태에서는, 핀 부재 (14) 가 스택 (4) 을 관통해 하부 금속 시트 (6) 에 삽입된다. 대안적으로, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 중공 부재 (12) 를 하향 이동시켜서 중공 부재 (12) 를 스택 (4) 을 관통하여 하부 금속 시트 (6) 에 삽입하는 한편, 핀 부재 (14) 를 상향 이동시켜서 중공 부재 (12) 와의 마찰 교반 작업에 의해 발생하는 메탈 매스 (18) 를 핀 부재 (14) 의 상향 이동에 의해 형성된 공간내에 수용함으로써, 본 발명에 따른 마찰 교반 점용접 작업을 실시하는 것이 가능하다.

도 5 에 나타낸 마찰 교반 점용접 작업에서는, 중공 부재 (12) 와 핀 부재 (14) 는 전술한 도 2 및 도 3 에 나타낸 마찰 교반 점용접 작업에서의 이동 방향과는 반대의 방향으로 각각 이동하고, 그럼으로써 전술한 제 1 실시형태에서 달성되는 것과 실질적으로 동일한 작업 및 물리적 이점을 이 실시형태에서 얻을 수 있다. 하부 금속 시트 (6) 에 대한 중공 부재 (12) 의 삽입 깊이 "a" 는 도 4 를 참조하여 앞서 설명한 하부 금속 시트 (6) 에 대한 핀 부재 (14) 의 삽입 깊이 "a" 와 하부 금속 시트 (6) 의 두께 "b" 간에 동일한 관계를 만족하도록 바람직하게 결정되며, 그럼으로써 건실한 용접부 (20) 가 마찰 교반 점용접 작업에 의해 형성될 수 있다.

본 발명에서는, 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 하부 금속 시트 (6) 상에 중첩된 스택 (4) 위에 상부 금속 시트 (8) 를 위치시켜서, 하부 금속 시트 (6) 와 상부 금속 시트 (8) 사이에서 스택 (4) 을 가압 유지함으로써, 도 2 및 도 3 에 나타낸 마찰 교반 점용접 작업을 실시할 수도 있다. 상부 금속 시트 (8) 의 두께는, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 스택 (4) 의 고정과 상부 금속 시트 (8) 및 스택 (4) 을 관통한 하부 금속 시트 (6) 에 대한 복동식 회전 공구 (10) 의 중공 부재 (12) 또는 핀 부재 (14) 의 삽입을 건실하게 하기 위해, 약 0.l mm 내지 약 1 mm 의 범위내에 일반적으로 유지된다.

구체적으로는, 도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 복동식 회전 공구 (10) 의 중공 부재 (12) 및 핀 부재 (14) 가 회전되고 클램프 부재 (l6) 가 무회전되는 동안, 중공 부재 (12), 핀 부재 (14) 및 클램프 부재 (l6) 의 하부 단부면들이 서로 동일 레벨로 유지되고 중공 부재 (12), 핀 부재 (14) 및 클램프 부재 (l6) 가 서로 동시에 하향 이동되어서, 상기 하부 단부면들이 도 6(b) 에 나타낸 바와 같이 상부 금속 시트 (8) 의 상부 표면에 접촉하게 된다. 그리고 나서, 스택 (4) 및 하부 금속 시트 (6) 는 상부 금속 시트 (8) 를 통해 클램프 부재 (16) 로 인가된 소정의 압력으로 일체적으로 고정되거나 함께 유지되는 한편, 중공 부재 (12) 와 핀 부재 (14) 는 도 2 및 도 3 의 경우와 마찬가지로 이동되며, 그럼으로써 핀 부재 (14) 의 하향 이동에 의해 생기는 메탈 매스 (18) 가 중공 부재 (12) 의 상향 이동에 의해 형성된 공간내에 수용된다. 그리고 나서, 하부 금속 시트 (6) 에 삽입된 핀 부재 (14) 가 후퇴하는 때에, 핀 부재 (14) 의 후퇴에 의해 형성된 구멍이 중공 부재 (12) 의 하향 이동에 의해 구멍안으로 가압된 메탈 매스 (18) 로 충전되며, 그럼으로써, 도 3 에 도시한 전술한 실시형태에서와 같이, 평탄한 상부 표면을 갖는 용접부 (20) 가 도 7(c) 에 나타내는 바와 같이 효과적으로 형성되고, 건실한 접합 상태가 실현된다.

스택 (4) 위에 상부 금속 시트 (8) 를 배치함으로써 본 발명에 따른 마찰 교반 점용접 작업을 실시하는 경우, 스택 (4) 이 상부 금속 시트 (8) 를 통해 가압되어서, 금속 호일들 (2) 의 찢김 등의 문제가 더욱 유리하게 저지될 수 있고, 더욱 건실한 상태의 용접부 (20) 가 실현된다.

또한, 전술한 바와 같이 스택 (4) 위에 상부 금속 시트 (8) 를 배치한 상태에서 하부 금속 시트 (6), 스택 (4) 및 상부 금속 시트 (8) 를 함께 접합하도록 실시된 마찰 교반 점용접 작업에서는, 도 6(a) 및 6(b) 로부터 분명한 바와 같이, 복동식 회전 공구 (10) 의 중공 부재 (12) 및 핀 부재 (14) 의 하부 단부면들과 중공 부재 (12) 의 외부 둘레 표면에 끼워진 클램프 부재 (16) 의 하부 단부면이 서로 동일 레벨을 유지한 상태에서 상부 금속 시트 (8) 의 상부 표면에 접촉되고, 그리고 나서 마찰 교반 점용접 작업이 실시되어서, 상대적으로 큰 접촉 면적으로 인한 높은 정도의 안정성을 갖고서 접합을 유리하게 실시할 수 있고, 클램프 부재 (16) 밖으로의 버어 (burr) 의 오버플로우를 억제할 수 있다.

이상, 본 발명의 대표적인 실시형태를 예시적인 목적으로 상세히 기술하였으나, 본 발명은 그러한 예시된 실시형태에 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

예를 들어, 복동식 회전 공구 (10) 와 클램프 부재 (16) 의 공지된 각종의 구조, 및 축선을 중심으로 하는 중공 부재 (12) 와 핀 부재 (14) 의 회전 그리고 축방향에 있어서의 중공 부재 (12), 핀 부재 (14) 및 클램프 부재 (16) 의 이동을 위한 공지된 각종의 구조 및 기구를 적절히 채용하는 것이 가능하다.

축방향에 있어서의 중공 부재 (12), 핀 부재 (14) 및 클램프 부재 (16) 의 이동의 타이밍은 전술한 실시형태에 제한되지 않는다. 복동식 회전 공구 (10) 의 중공 부재 (12) 및 핀 부재 (14) 의 축방향 이동 및 축선을 중심으로 하는 회전의 타이밍, 그리고 클램프 부재 (16) 의 축방향 이동의 타이밍은, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 적절히 선택될 수도 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7 에 나타낸 마찰 교반 점용접 작업에 있어서, 복동식 회전 공구 (10) 의 하향 이동에 앞서, 클램프 부재 (16) 를 먼저 하향 이동시켜서, 클램프 부재 (16) 를 상부 금속 시트 (8) 에 접촉시켜서 상부 금속 시트 (8), 스택 (4) 및 하부 금속 시트 (6) 를 고정하는 것도 가능하다.

도 6 및 도 7 에 나타낸 바와 같이, 스택 (4) 위에 상부 금속 시트 (8) 를 중첩시켜서 상부 금속 시트 (8), 스택 (4) 및 하부 금속 시트 (6) 를 함께 고정하도록 마찰 교반 점용접 작업을 실시하는 경우, 상부 금속 시트 (8) 및 하부 금속 시트 (6) 는 개별 부재라기 보다는 U자형 단면의 일체형 부재로서 형성될 수도 있고, 상부 및 하부 금속 시트 (8 및 6) 로 이루어지는 U자형 일체형 부재에 의해 형성된 공간내에 스택 (4) 을 배치한 상태에서 상부 금속 시트 (8), 스택 (4) 및 하부 금속 시트 (6) 를 함께 고정하도록 본 발명에 따른 마찰 교반 점용접 작업을 실시할 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신을 일탈하지 않고서 여기에 개시되지 않거나 당업자에게 있을 수 있는 다양한 변경, 수정 및 개량으로 구체화될 수도 있고 그러한 변경, 수정 및 개량은 본 발명의 범위내에 있음을 이해하여야 할 것이다.

실시예

이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 분명히 하기 위해, 본 발명의 대표적인 실시예를 설명한다. 본 발명은 그러한 예시된 실시예에 제한되지 않음을 이해하여야 할 것이다.

먼저, 각종 금속 호일 (2), 상부 금속 시트 (8) 및 하부 금속 시트 (6) 를 준비해, 하기 표 1 에 나타낸 바와 같이 실시예 1 내지 6 과 같이 조합했다. 금속 호일 (2), 상부 금속 시트 (8) 및 하부 금속 시트 (6) 의 각각은 80 mm × 80 mm 의 치수를 갖고, 스택 (4) 은 서로 중첩된 40 장의 금속 호일 (2) 로 구성된다.

이어서, 실시예 1 내지 6 의 금속 호일 (2) 의 스택 (4), 상부 금속 시트 (8) 및 하부 금속 시트 (6) 의 각각의 조합을 하기 표 2 및 표 3 에 나타낸 회전 공구들 중의 하나를 이용하여 하기 표 2 에서와 같이 마찰 교반 점용접 작업 A 내지 D 중의 하나에 의해 함께 접합하였다. 작업 A 는 도 6 및 도 7 에 나타낸 바와 같이 실시되었고, 작업 B 는 도 2 및 도 3 에 나타낸 바와 같이 실시되었고, 작업 C 는 도 5 에 나타낸 바와 같이 실시되었다. 작업 D 는, 핀 부재 (14) 가 공구 본체 (12) 와 일체적으로 형성되어 있고 핀이 공구 본체 (12) 와 동축이도록 그리고 공구 본체 (12) 의 하부 단부면으로부터 1.3 mm 의 길이만큼 하방으로 돌출하도록 제공된 고정식 회전 공구를 이용해 실시되었다. 하기 표 2 에 나타낸 바와 같이, 각각의 실시예에 있어서의 마찰 교반 점용접 작업은 하부 금속 시트 (6) 로의 회전 공구 (핀 부재, 핀 또는 중공 부재) 의 삽입 깊이 "a" 대 하부 금속 시트 (6) 의 두께 "b" 의 비 a/b 를 부여하도록 실시되었다.

전술한 각종의 마찰 교반 점용접 작업을 실시한 결과, 복동식 회전 공구와 클램프 부재 (16) 를 이용해 본 발명에 따라 마찰 교반 점용접 작업을 실시한 실시예 1 내지 4 에서는, 서로에 대한 금속 호일들 (2) 의 변위 및 핀 구멍과 같은 공구 구멍의 형성이 없고 양호한 접합 상태를 가지는 접합체가 얻어짐이 확인되었다. 다른 한편으로, 실시예 5 및 6 에 있어서 고정식 회전 공구를 이용해 얻어진 접합체는 서로에 대해 금속 호일들 (2) 이 변위되고 핀 구멍 (공구 구멍) 이 형성되고 마찰 교반 점용접 작업중에 발생되는 메탈 매스에 기인하여 버어가 형성되어서, 소망하는 품질의 용접부가 얻어지지 않음이 확인되었다.

Claims

마찰 교반 점용접 작업에 의한 겹침 (stacked) 금속 호일의 점접합 방법으로서, 상기 방법은 서로 중첩된 10 내지 100 장의 금속 호일들의 스택 (stack) 을 하부 금속 시트에 배치하는 단계를 포함하고, 상기 금속 호일들의 각각은 3㎛ 내지 50㎛의 두께를 가지며, 그 축선을 중심으로 회전하는 회전 공구를 상기 스택을 통해 상기 하부 금속 시트에 삽입하고, 그럼으로써 상기 스택과 상기 하부 금속 시트를 마찰-교반하여 서로 일체로 접합하며,
상기 회전 공구는, 그 축선에 수직인 단부면을 갖고 그 축방향으로 이동가능한 중공 부재, 및 상기 중공 부재내에 동축으로 배치되어 상기 중공 부재와는 별개로 형성되고 상기 중공 부재와는 별개로 그 축방향으로 이동가능한 핀 부재를 갖는 복동식 회전 공구이고,
상기 중공 부재와 동축이 되도록 상기 중공 부재의 외부 둘레면에는 그 축방향으로 이동가능한 원통형 클램프 부재가 끼워맞춰지고,
상기 마찰 교반 점용접 작업은, 상기 클램프 부재를 마찰 교반되어질 부분의 외부 환형부와 압접하여 유지하고, 상기 복동식 회전 공구의 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 일 부재를 마찰 교반되어질 상기 부분에 전진시키는 한편, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 다른 부재를 후퇴시켜서, 마찰 교반되어질 상기 부분과 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재와의 사이에 공간을 형성하고, 그럼으로써 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 마찰 교반되어질 상기 부분에 삽입하는 것에 의해 메탈 매스 (metal mass) 를 발생시켜 상기 공간내에 수용함으로써 행해지고,
상기 마찰 교반 점용접 작업에 이어서, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재를 전진시키는 한편, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 후퇴시켜서, 상기 공간내에 수용된 상기 메탈 매스를, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재의 후퇴에 의해 형성된 구멍 안으로 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재에 의해 가압하고, 그럼으로써 상기 구멍을 상기 메탈 매스로 충전시키며,
상기 마찰 교반 점용접 작업이 식 0.01 ≤ a ≤ 0.75 × b, 및 0.2 ≤ b 를 만족하도록 행해지고, "a" (mm) 는 상기 하부 금속 시트에 대한 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재의 삽입 깊이이고, "b" (mm) 는 상기 하부 금속 시트의 두께인 것을 특징으로 하는, 겹침 금속 호일의 점접합 방법.
제 1 항에 있어서,
마찰 교반되어질 상기 스택의 부분을 상기 스택의 상기 부분의 외부 환형부와 압접하여 유지되는 상기 클램프 부재에 의해 고정한 후에, 상기 복동식 회전 공구의 상기 중공 부재와 상기 핀 부재를 마찰 교반되어질 상기 스택의 상기 부분과 접촉시키는 한편, 상기 중공 부재와 상기 핀 부재의 단부면들을 서로 동일하게 유지하고, 이어서, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 전진시킴과 동시에 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재를 후퇴시키는 것을 특징으로 하는 겹침 금속 호일의 점접합 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 스택에 상부 금속 시트가 중첩되고, 상기 마찰 교반 점용접 작업은, 상기 스택과 상기 상부 금속 시트 및 상기 하부 금속 시트를 함께 접합하기 위해 상기 회전 공구를 상기 상부 금속 시트를 통해 그리고 상기 스택을 통해 상기 하부 금속 시트에 삽입함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 겹침 금속 호일의 점접합 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 중공 부재, 상기 핀 부재 및 상기 클램프 부재의 단부면들을 서로 동일하게 유지하면서, 상기 복동식 회전 공구의 상기 중공 부재와 상기 핀 부재를 마찰 교반되어질 상기 스택의 부분에 대응하는 상기 상부 금속 시트의 부분과 접촉시키고, 상기 클램프 부재를 상기 상부 금속 시트의 상기 부분의 외부 환형부와 접촉시키고, 이어서, 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 일 부재를 전진시킴과 동시에 상기 중공 부재 및 상기 핀 부재 중의 상기 다른 부재를 후퇴시키는 한편, 상기 상부 금속 시트의 상기 부분을 상기 상부 금속 시트의 상기 부분의 상기 외부 환형부와 압접하여 유지되는 상기 클램프 부재에 의해 고정하는 것을 특징으로 하는 겹침 금속 호일의 점접합 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 금속 호일들은 알루미늄 호일들 또는 구리 호일들인 것을 특징으로 하는 겹침 금속 호일의 점접합 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 금속 시트는 0.2 - 3 mm 의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 겹침 금속 호일의 점접합 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 상부 금속 시트는 0.1 - 1 mm 의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 겹침 금속 호일의 점접합 방법.