KR101799218B1

KR101799218B1 - 마찰 교반 접합 방법

Info

Publication number: KR101799218B1
Application number: KR1020167007036A
Authority: KR
Inventors: 요시노리 가토
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2017-11-17
Also published as: GB2535895B; US20160221116A1; WO2015068428A1; CN105555462A; US10155282B2; KR20160046842A; JP6226184B2; CN105555462B; JP2015089568A; GB2535895A; GB201604718D0

Abstract

본 발명은, 강고한 접합부를 형성하면서, 오목부가 남아 외관을 저해시킨다는 문제를 해소하는 것을 목적으로 하여, 마찰 교반 접합 방법에 있어서, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 서로 맞대도록 대향 배치하여 마찰 교반 접합하는 방법으로서, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 마찰 교반하여 접합하는 접합부(S)를 끼워 넣도록, 판재(3, 4)의 일면(7)측에 제1 숄더(5)를, 판재(3, 4)의 타면(8)측에 제2 숄더(6)를 각각 배치하고, 제1 숄더(5)와 제2 숄더(6)를 회전시켜 한 쌍의 판재(3,4)의 접합부(S)를 마찰 교반하며, 접합부(S)를 마찰 교반함과 함께 제1 숄더(5) 및 제2 숄더(6)를 판재(3, 4)의 타면(8)으로부터 일면(7)을 향하는 방향으로 이동시켜, 판재(3, 4)의 일면(7)으로부터 돌출되는 볼록부(31)를 접합부(S)에 형성하면서 마찰 교반 접합하는 구성으로 했다.

Description

마찰 교반 접합 방법 {FRICTION STIR WELDING METHOD}

본 발명은, 한 쌍의 판재의 단부끼리를 마찰 교반하여 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 2013년 11월 7일에 출원된 일본 특허출원 2013-231375호에 근거하여, 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 경량으로 고강성, 우수한 평활성을 실현할 수 있기 때문에, 차량이나 항공기 등의 측면 구체(構體)나 바닥 구체, 건물의 지붕 구체 등에, 알루미늄 합금제 등의 더블 스킨 구조(2면 구조)의 중공형재가 이용되고 있다. 그리고, 이러한 중공형재 등, 금속제의 판재(판 형상의 부재·부위)를 맞대어 접합하는 방법으로서, 아크 용접(TIG, MIG 등) 등과 비교하여, 블로홀이나 응고 균열 등의 접합 결함이 발생하기 어려움 등의 많은 이점을 갖는 점에서, 마찰 교반 접합이라고 칭하는 방법이 다용되고 있다.

또, 마찰 교반 접합을 행하는 방법에는, 보빈툴식이라고 칭하는 방법이 있으며, 이 보빈툴식의 마찰 접합 방법에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 회전축(1)의 선단에 핀 형상의 프로브(2)를 서로의 축선(O1)을 동일 축 상에 배치하여 일체로 마련하고, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 맞대도록 배치한 접합부(맞댐부)(S)를 끼워 넣도록 상 숄더(제1 숄더)(5)와 하 숄더(제2 숄더)(6)를 배치한다. 그리고, 회전축(1) 및 프로브(2)를 축선(O1) 둘레로 회전시킴과 함께, 상하의 숄더(5, 6)를 소정의 가압력으로 판재(3, 4)의 접합부(S)에 가압시키면서 고속 회전시킨다.

이로써, 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)와 숄더(5, 6)의 접촉면에서 마찰열이 발생하여, 그 주위가 가소화된다. 이와 함께, 프로브(2)의 고속 회전에 따른 교반 작용으로 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)측(접합부(S))의 조직이 뒤섞여, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 강고하게 접합할 수 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-88173호

그러나, 상기 종래의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)를 끼워 넣도록 배치한 상 숄더(5)와 하 숄더(6)를 소정의 가압력으로 가압시키면서 고속 회전시키기 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 판재(3, 4)의 외면(일면(7)) 및 내면(타면(8))이 오목하게 된다. 예를 들면, 더블 스킨 구조의 중공형재를 접합하여 형성되는 차량에는 무도장(無塗裝)으로 이용하는 것도 있으며, 판재(3, 4)의 외면(7)에 오목부(9)가 발생함으로써, 차량의 외관을 저해시킨다는 문제가 발생한다.

본 발명의 제1 양태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법은, 한 쌍의 판재의 단부끼리를 서로 맞대도록 대향 배치하여 마찰 교반 접합하는 방법으로서, 상기 한 쌍의 판재의 단부끼리를 마찰 교반하여 접합하는 접합부를 끼워 넣도록, 상기 판재의 일면측에 제1 숄더를, 상기 판재의 타면측에 제2 숄더를 각각 배치하고, 상기 제1 숄더와 상기 제2 숄더를 회전시켜 상기 한 쌍의 판재의 상기 접합부를 마찰 교반하며, 상기 접합부를 마찰 교반함과 함께 상기 제1 숄더 및 상기 제2 숄더를 상기 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시켜, 상기 판재의 일면으로부터 돌출되는 볼록부를 상기 접합부에 형성하면서 마찰 교반 접합한다.

또, 본 발명의 제2 양태에 있어서, 상기 제1 양태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 상기 볼록부를 제거하여 상기 접합부와 상기 판재의 다른 부분의 일면을 단차가 없게 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제3 양태에 있어서, 상기 제2 양태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 상기 볼록부를 제거한 상태에서 상기 접합부의 판 두께가 소정의 두께가 되도록 상기 판재가 미리 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

또, 본 발명의 제4 양태에 있어서, 상기의 각 양태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 상기 제1 숄더의 상기 판재의 일면에 접촉하는 접촉 면적을, 상기 제2 숄더가 상기 판재의 타면에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제5 양태에 있어서, 상기의 제1 에서 제3의 각 양태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 상기 제2 숄더가 상기 판재의 타면에 접촉하는 접촉 면적을, 상기 제1 숄더의 상기 판재의 일면에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 해도 된다.

또, 본 발명의 제6 양태에 있어서, 상기의 각 양태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 상기 접합부를 끼워 넣어 양측의 일방의 판재와 타방의 판재의 일면을 누름 부재로 누르면서 상기 제1 숄더 및 상기 제2 숄더를 상기 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시켜, 상기 볼록부를 상기 접합부에 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 한 쌍의 판재의 단부끼리를 맞대도록 배치하여 이루어지는 접합부(맞댐부)를 끼워 넣도록 제1 숄더와 제2 숄더를 배치하고, 이들 제1 숄더와 제2 숄더를 회전시켜, 마찰열로 가소화된 한 쌍의 판재의 접합부를 마찰 교반함과 함께, 제1 숄더 및 제2 숄더를 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시킴으로써, 판재의 일면으로부터 돌출되는 볼록부를 접합부에 형성하면서 마찰 교반 접합할 수 있다.

이로써, 종래와 같이 판재의 외면(일면)에 오목부가 발생하는 것이 아니라, 볼록부가 형성되기 때문에, 필요에 따라 이 볼록부를 절삭/연삭 제거하여, 판재의 다른 부분의 일면과 단차가 없도록(매끄럽게 연결되도록) 함으로써, 강고한 접합부를 형성하면서, 종래의 마찰 교반 접합 방법과 같이 오목부가 남아 외관을 저해시킨다는 문제를 해소하는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 볼록부를 제거한 상태에서 접합부의 판 두께가 소정의 두께가 되도록 판재를 미리 형성해 둠으로써, 예를 들면 볼록부를 제거함으로써 접합부의 판 두께가 판재의 다른 부분보다 박육(薄肉)이 되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 판재의 일면으로부터 돌출되는 볼록부를 접합부에 형성하면서 마찰 교반 접합하도록 하여, 이 볼록부를 제거하는 경우이더라도, 원하는 판재의 접합부의 강도·내력을 확보하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 제1 숄더의 판재의 일면에 접촉하는 접촉 면적을, 제2 숄더가 판재의 타면에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하면, 접촉 면적의 차이에 따라 작은 볼록부를 형성할 수 있다. 이로써, 볼록부를 절삭 제거하여 판재의 다른 부분의 일면과 단차가 없도록 가공할 때에, 그 절삭 가공량·영역을 적게 할 수 있다.

또, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 제2 숄더가 판재의 타면에 접촉하는 접촉 면적을, 제1 숄더의 판재의 일면에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하면, 제1 숄더 및 제2 숄더를 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시켜, 판재의 일면으로부터 돌출되는 볼록부를 접합부에 형성할 때에, 제2 숄더로부터 집중적으로 한 쌍의 판재의 접합부에 힘을 작용시키는 것이 가능해진다. 이로써, 볼록부를 형성하기 쉬워져, 작은 힘으로 적합하게 볼록부를 형성하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 접합부를 끼워 넣어 양측의 일방의 판재와 타방의 판재의 일면을 누름 부재로 눌러 두고, 이 상태에서 제1 숄더 및 제2 숄더를 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시킴으로써, 누름 부재로 반력을 확보하여 한 쌍의 판재의 접합부에 집중적으로 힘을 작용시킬 수 있어, 적합하게 볼록부를 형성하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 보빈툴식의 마찰 교반 접합 장치를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 보빈툴식의 마찰 교반 접합 방법을 나타내는 도이며, (a)가 상하의 숄더 고정식, (b)가 상하의 숄더 간격 가변식의 마찰 교반 접합 장치를 각각 이용한 경우의 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법으로 형성된 볼록부를 제거한 상태를 나타내는 도이다.
도 4는 종래의 보빈툴식의 마찰 교반 접합 방법을 나타내는 도이다.
도 5는 종래의 보빈툴식의 마찰 교반 접합 방법의 접합부(맞댐부)를 나타내는 도이다.

이하, 도 1부터 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법에 대하여 설명한다. 여기에서, 본 실시형태는, 본 발명에 관한 판재가 차량이나 항공기 등의 측면 구체나 바닥 구체, 건물의 지붕 구체 등에 이용되는 알루미늄 합금제 등의 더블 스킨 구조의 중공형재로 하여, 한 쌍의 중공형재를 형성하는 금속제의 판재(판 형상의 부재·부위)를 맞대도록 마찰 교반 접합하는 것으로서 설명을 한다. 또한, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법은, 물론, 중공형재의 접합에 한정하여 이용할 필요는 없고, 종래 주지의 마찰 교반 접합 방법으로 접합 가능한 판재라면, 모든 판재의 접합에 적용 가능하다.

먼저, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법에서 이용하는 마찰 교반 접합 장치의 일례에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 마찰 교반 접합 장치(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 일방의 판재(중공형재를 형성하는 판 형상 부위)(3)와 타방의 판재(4)의 단부(3a, 4a)끼리를 맞대도록 배치하여, 이들 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(맞댐부)(S)를 마찰 교반 접합에 의하여 접합하는 장치이다.

또, 이 마찰 교반 접합 장치(10)는, 각 판재(3, 4)가 배치되는 워크 배치부(11)와, 워크 배치부(11)에 배치되는 워크인 한 쌍의 판재(3, 4)에 대하여, 이들 판재(3, 4)의 외면(일면)(7)측의 상방에 배치되어 마련된 본체부(12)와, 본체부(12)에 마련되어, 공구인 보빈툴(13)을 유지하는 공구 유지부(14)를 구비하여 구성되어 있다.

또한, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 장치(10)에 있어서는, 판재(3, 4) 상에서 공구 유지부(14)를 지지함과 함께, 판재(3, 4)의 외면(7)을 가압하여 판재(3, 4)를 안정적으로 눌러서 유지하는 누름 부재(15)와, 워크 배치부(11)에 배치되는 판재(3, 4)를 향하여, 누름 부재(15)에 미리 설정된 하중을 부여하는 하중 부여 수단(16)을 구비하고 있다.

보빈툴(13)은, 도 1 및 도 2(도 2 (a): 상하의 숄더 고정식의 보빈툴, 도 2 (b): 상하의 숄더 간격 가변식의 보빈툴)에 나타내는 바와 같이, 판재(3, 4)의 외면(7)측에 배치되어, 외면(7)을 가압하는 제1 숄더면(5a)을 구비한 상 숄더(제1 숄더)(5)와, 판재(3, 4)의 내면(8)측에 배치되어, 내면(8)을 가압하는 제2 숄더면(6a)을 구비한 하 숄더(제2 숄더)(6)와, 상 숄더(5)의 제1 숄더면(5a)으로부터 돌출되어, 하 숄더(6)에 연결되는 프로브(2)를 구비하여 구성되어 있다.

또, 보빈툴(13)의 상 숄더(5)에는, 제1 숄더면(5a)에 개구하는 관통 구멍이 형성되어 있으며, 이 관통 구멍에 프로브(2)가 삽통되어 있다. 이로써, 프로브(2)를 관통 구멍을 따라 상하 방향(T1)으로 진퇴시킴으로써 제1 숄더면(5a)에 대하여 제2 숄더면(6a)을 근접 이간시킬 수 있다. 즉, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 장치(10)는 상하의 숄더 간격 가변식의 장치로 이루어져 있다.

다음으로, 공구 유지부(14)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 단면에 보빈툴(13)의 상 숄더(5)가 장착되는 대략 통 형상의 상 숄더 장착 부재(20)와, 선단에 프로브(2)가 장착되는 하 숄더 장착축(회전축)(1)과, 대략 통 형상으로 형성되어, 상 숄더 장착 부재(20) 및 하 숄더 장착축(1)을 지지하는 지지통(21)을 구비하여 구성되어 있다. 또, 상 숄더 장착 부재(20)와 하 숄더 장착축(1)과 지지통(21)은, 서로의 중심 축선(O1)을 동일 축 상에 배치하면서, 중심 축선(O1) 방향이 워크인 판재(3, 4)에 대향하는 상하 방향(T1)을 따르도록 마련되어 있다.

상 숄더 장착 부재(20)는 대략 통 형상으로 형성되어 있으며, 이 상 숄더 장착 부재(20) 내 구멍에 하 숄더 장착축(1)이 삽통되어, 그 기단을 상 숄더 장착 부재(20)로부터 돌출시켜 마련되어 있다. 또, 하 숄더 장착축(1)에는, 상 숄더 장착 부재(20)에 삽통된 부분에, 축선(O1) 방향을 따라 뻗는 키(1a)가 형성되어 있으며, 상 숄더 장착 부재(20)로부터 돌출된 부분에, 평판 형상의 피스톤(1b)이 직경 방향으로 돌출되어 마련되어 있다.

한편, 상 숄더 장착 부재(20)에는, 하 숄더 장착축(1)에 마련된 키(1a)가 교합하는 키 홈(20a)이 중심 축선(O1)을 따라 형성되어 있으며, 이로써, 하 숄더 장착축(1)은, 상 숄더 장착 부재(20)에 대하여 중심 축선(O1) 둘레로 회전 불가능하고, 또한 중심 축선(O1)으로 진퇴 가능하게 배치되어 마련되어 있다.

지지통(21)은, 하방으로 개구하여 상 숄더 장착 부재(20)를 중심 축선(O1) 둘레로 회전 가능하게 수용하는 장착 부재 수용부(21a)와, 하 숄더 장착축(1)을 중심 축선(O1)을 따라 진퇴시키는 실린더부(21b)와, 본체부(12)에 지지되어, 중심 축선(O1) 상에서 실린더부(21b)로부터 돌출되는 축 형상의 피지지부(21c)를 구비하여 구성되어 있다.

장착 부재 수용부(21a)에는, 상 숄더 장착 부재(20)의 플랜지(20b)를 수용함과 함께, 중심 축선(O1) 둘레로 회전 가능하게 지지하는 베어링부(21d)가 마련되어 있다. 또, 장착 부재 수용부(21a)의 내주면에는, 상 숄더 장착 부재(20)를 중심 축선(O1) 둘레로 회전 구동하는 모터(22)가 내장되어 있다. 이로써, 키(1a) 및 키 홈(20a)이 교합하여 연결되는 상 숄더 장착 부재(20)와 하 숄더 장착축(1)이, 모터(22)의 구동에 의하여 중심 축선(O1) 둘레로 회전 가능하게 되어 있다.

실린더부(21b)는, 피스톤(1b)을 지지하는 대략 통 형상의 피스톤 지지부(21e)와, 피스톤 지지부(21e)의 선단측 및 기단측의 개구에 마련되어, 하 숄더 장착축(1)을 지지하는 선단측 지지부(21f) 및 기단측 지지부(21g)를 구비하여 구성되어 있다.

또, 피스톤(1b)의 외주면에는 베어링(21h)이 마련되어 있으며, 이 베어링(21h)에 의하여, 피스톤(1b)이 피스톤 지지부(21e)에 대하여, 중심 축선(O1)을 따라 진퇴 가능하고 또한 중심 축선(O1) 둘레로 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한 선단측 지지부(21f) 및 기단측 지지부(21g)에도 베어링(21i, 21j)이 마련되어 있으며, 이들 베어링(21i, 21j)에 의하여, 하 숄더 장착축(1)이 피스톤 지지부(21e)에 대하여, 중심 축선(O1)을 따라 진퇴 가능 또한 중심 축선(O1) 둘레로 회전 가능하게 지지되어 있다.

그리고, 피스톤(1b)과, 선단측 지지부(21f) 및 기단측 지지부(21g)의 사이에는, 작동 오일이 공급되는 제1 유압실(21m) 및 제2 유압실(21n)이 형성되어 있다. 또, 실린더부(21b)에는, 본체부(12)를 관통하여 외부까지 접속됨과 함께, 각각 제1 유압실(21m) 또는 제2 유압실(21n)까지 연통되는 작동유 공급관로(21p, 21q)가 형성되어 있다.

이로써, 외부에 마련된 유압 제어 장치(도시하지 않음)로부터, 작동유 공급관로(21p, 21q)를 경유하여 제1 유압실(21m) 또는 제2 유압실(21n)에 선택적으로 유압을 입력함으로써, 하 숄더 장착축(1)을 선단측 또는 기단측으로 중심 축선(O1)을 따라 슬라이드 이동시킬 수 있다. 그리고, 유압 제어 장치, 실린더부(21b) 및 피스톤(1b)에 의하여 가압 수단(23)이 구성되며, 워크 배치부(11)에 배치된 판재(3, 4)에 대하여, 중심 축선(O1)을 따르는 방향으로 힘을 부여하여, 하 숄더(6)의 제2 숄더면(6a)을 판재(3, 4)에 압압시켜, 워크 배치부(11)에 배치된 판재(3, 4)를 가압할 수 있다.

본체부(12)는, 가공기 주축(10a)에 장착되어 있다. 또, 본체부(12)는, 대략 통 형상으로 형성되어, 워크 배치부(11)에 배치되는 판재(3, 4)의 외면(7)측이 되는 하방을 향하여 개구하고 공구 유지부(14)가 수용된 수용부(25)와, 수용부(25)에 수용된 공구 유지부(14)를 판재(3, 4)에 대하여 근접 이간하는 상하 방향(T1)으로 진퇴 가능하게 지지하는 본체 지지부(26)를 구비하여 구성되어 있다. 본체 지지부(26)는, 베어링(26a, 26b)을 구비하여, 베어링(26a, 26b)에 의하여 피지지부(21c)를 중심 축선(O1)을 따라 진퇴 가능하게 지지하고 있다.

누름 부재(15)는, 공구 유지부(14)의 장착 부재 수용부(21a)의 하단면으로부터 돌출되는 지지 부재(27)와, 지지 부재(27)에 회전 가능하게 지지되어 판재(3, 4)의 외면에 당접하는 롤러(28)와, 지지 부재(27)로부터 직경 방향으로 돌출되도록 마련된 돌출 부재(29)를 구비하고 있다.

또, 누름 부재(15)는, 공구 유지부(14)에 유지된 보빈툴(13)을 주사(走査)하는 주사 방향(도 1에 있어서 지면 깊이 방향)(T2)에 직교하는 가로 방향(T3)에, 보빈툴(13)을 끼워 넣도록 하여 양측으로 쌍을 이루어서 배치되어 있다. 그리고, 롤러(28)는, 주사 방향에 직교하는 가로 방향(T3)을 따르도록 배치된 회전축 둘레로 회전 가능하게 마련되어, 즉, 보빈툴(13)의 주사를 따라 판재(3, 4)의 외면(7) 상을 주사 방향(T2)으로 회전 가능하게 마련되어 있다.

하중 부여 수단(16)은, 누름 부재(15)가 접속되어 하향이 되는 자체중량 및 유지하는 보빈툴(13)의 중량만큼의 힘(P1)을 작용시키는 공구 유지부(14)와, 돌출 부재(29)와 본체부(12)의 하단면의 사이에 마련되어, 중심 축선(O1)을 따르는 방향으로 보조력(P2)을 작용시키는 인상력 부여부(30)를 구비하여 구성되어 있다.

인상력 부여부(30)는, 예를 들면 에어 실린더이며, 그 구동에 의하여 롤러(28)로부터 판재(3, 4)에 작용하는 힘(P1)을 조정할 수 있다. 또, 본 실시형태의 누름 부재(15)는, 지지 부재(27)가 인상력 부여부(30)의 신축에 따라 신축 가능하게 구성되어 있고, 인상력 부여부(30)를 신장시키면, 본체부(12) 및 공구 유지부(14), 나아가서는 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를, 판재(3, 4)의 내면(8)으로부터 외면(7)을 향하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 즉, 인상력 부여부(30)를 신장시키면, 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 판재(3, 4)에 대하여 상방으로 인상할 수 있다.

그리고, 상기 구성으로 이루어지는 본 실시형태의 마찰 교반 접합 장치(10)를 이용하여 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 접합할 때에는, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 마찰 교반하여 접합하는 접합부(S)를 끼워 넣도록, 판재(3, 4)의 외면(일면)(7)측에 상 숄더(5)를, 판재(3, 4)의 내면(타면)(8)측에 하 숄더(6)를 각각 배치한다. 또, 판재(3, 4)의 외면(7) 상에 누름 부재(15)의 롤러(28)를 배치시킨다. 이 상태에서, 인상력 부여부(30)에 의하여 소정의 크기의 상향의 보조력(P2)을 작용시켜, 또 누름 부재(15)로부터 하중(P1)이 한 쌍의 판재(3, 4)에 작용한다.

그리고, 모터(22)를 구동시켜 공구 유지부(14) 전체를 회전시킴과 함께, 가압 수단(23)에 의하여 하 숄더(6)에 상향의 가압력을 작용시킨다. 이로써, 한 쌍의 판재(3, 4)는, 제2 숄더면(6a)으로부터 내면(8)에 가압력을 받음과 함께, 제1 숄더면(5a)으로부터 외면(7)에도 상기 가압력 상당의 힘이 동일하게 작용한다. 이로써, 제1 숄더면(5a) 및 제2 숄더면(6a)과, 한 쌍의 판재(3, 4)의 외면(7) 및 내면(8)의 사이에는, 예를 들면 400~500℃ 정도의 마찰열이 발생하여, 이를 따라, 판재(3, 4)의 접합부(S)가 연화하고, 추가로 이 연화 부분이 교반되어, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리가 마찰 교반 접합된다.

한편, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 상 숄더(5)와 하 숄더(6)를 회전시켜 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)를 마찰 교반함과 함께, 인상력 부여부(30)를 구동하여 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 판재(3, 4)의 내면(8)으로부터 외면(7)을 향하는 방향으로 이동시킨다. 즉, 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 상방으로 인상시킨다. 이로써, 판재(3, 4)의 외면(7)으로부터 상방으로 돌출되는 볼록부(31)가 접합부(S)에 형성됨으로써, 마찰 교반 접합이 행해진다.

또, 이 때, 예를 들면, 10~50kgf 정도의 인상력으로 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)의 인상을 행하여, 돌출 높이가 0.3±0.2mm, 바람직하게는 0.1~0.5mm 정도가 되도록 볼록부(31)를 형성한다.

그리고, 본 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 볼록부(31)를 절삭/연삭 제거하여, 접합부(S)와 판재(3, 4)의 다른 부분의 외면(7)을 단차가 없게(매끄럽게 연결되도록) 한다. 이로써, 종래와 같이 판재(3, 4)의 접합부(S)의 외면(7)에 오목부가 발생하지 않아, 외관을 양호한 상태로 하여 접합 작업을 행할 수 있다.

여기에서, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 미리 접합부(S)의 판 두께(t2)를, 판재(3, 4)의 다른 부분의 판 두께(t1)보다 크게 하여 판재(3, 4)를 형성해 두고, 예를 들면 볼록부(31)를 제거한 상태에서 접합부(S)의 판 두께(t2)가 다른 부분의 판 두께(t1) 이상이 되도록 해 둔다. 즉, 본 실시형태에서는, 볼록부(31)를 제거한 상태에서 접합부(S)의 판 두께(t2)가 소정의 두께가 되도록 판재(3, 4)가 미리 형성되어 있다.

이로써, 마찰 교반 접합 시에 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 상방으로 인상시켜 볼록부(31)를 형성하고, 이 볼록부(31)를 제거하도록 해도, 접합부(S)의 판 두께(t2)를 다른 부분의 판 두께(t1) 이상으로 할 수 있어, 접합부(S)의 내력 등이 저하될 우려가 없다.

또, 본 실시형태에서는, 접합부(S)를 끼워 넣어 양측의 일방의 판재(3)와 타방의 판재(4)의 외면(7)을 누름 부재(15)로 누르면서 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 인상시켜, 볼록부(31)를 접합부(S)에 형성한다. 이로써, 인상 시에 누름 부재(15)로 반력이 확보되어, 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)에 집중적으로 힘이 작용한다. 따라서, 확실하게 또한 적합하게 원하는 높이, 크기의 볼록부(31)를 형성할 수 있다.

또한, 상 숄더(5)의 판재(3, 4)의 외면에 접촉하는 접촉 면적을, 하 숄더(6)가 판재(3, 4)의 내면(8)에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 해도 된다. 즉, 상 숄더의 제1 숄더면(5a)의 면적을 하 숄더(6)의 제2 숄더면(6a)의 면적보다 작게 해도 된다. 이 경우에는, 형성되는 볼록부(31)가 상대적으로 작아져, 볼록부(31)를 절삭/연삭 제거할 때의 작업 시간이 적어진다.

또, 반대로, 하 숄더(6)가 판재(3, 4)의 내면(8)에 접촉하는 접촉 면적을, 상 숄더(5)의 판재(3, 4)의 외면(7)에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 해도 된다. 즉, 하 숄더(6)의 제2 숄더면(6a)의 면적을 상 숄더의 제1 숄더면(5a)의 면적보다 작게 해도 된다. 이 경우에는, 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 인상시킬 때에, 작은 하 숄더(6)로부터 집중적으로 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)에 힘이 작용한다. 이로 인하여, 볼록부(31)가 형성되기 쉬워져, 작은 힘으로 적합하게 볼록부(31)가 형성된다.

따라서, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 한 쌍의 판재(3, 4)의 단부(3a, 4a)끼리를 맞대도록 배치한 접합부(S)를 끼워 넣도록 상 숄더(제1 숄더)(5)와 하 숄더(제2 숄더)(6)를 배치하고, 이들 상 숄더(5)와 하 숄더(6)를 회전시켜, 마찰열로 가소화된 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)를 마찰 교반함과 함께, 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 인상시킴으로써, 판재(3, 4)의 외면(일면)(7)으로부터 돌출되는 볼록부(31)를 접합부(S)에 형성하면서 마찰 교반 접합할 수 있다.

이로써, 종래와 같이 판재(3, 4)의 외면(7)에 오목부가 발생하는 것이 아니라, 볼록부(31)가 형성되기 때문에, 필요에 따라 이 볼록부(31)를 절삭/연삭 제거하여, 판재(3, 4)의 다른 부분의 외면(7)과 단차가 없도록 함으로써, 강고한 접합부(S)를 형성하면서, 종래의 마찰 교반 접합 방법과 같이 오목부가 남아 외관을 저해시킨다는 문제를 해소하는 것이 가능해진다.

또, 볼록부(31)를 제거한 상태에서 접합부(S)의 판 두께(t2)가 소정의 두께(t1) 이상이 되도록 판재(3, 4)를 미리 형성해 둠으로써, 예를 들면 볼록부(31)를 제거함으로써 접합부(S)의 판 두께(t2)가 판재(3, 4)의 다른 부분보다 박육이 되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 판재(3, 4)의 외면(7)으로부터 돌출되는 볼록부(31)를 접합부(S)에 형성하면서 마찰 교반 접합하도록 하여, 이 볼록부(31)를 제거하는 경우이더라도, 원하는 판재(3, 4)의 접합부(S)의 강도·내력을 확보하는 것이 가능해진다.

또한, 상 숄더(5)의 판재(3, 4)의 외면(7)에 접촉하는 접촉 면적을, 하 숄더(6)가 판재(3, 4)의 내면(8)에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하면, 접촉 면적의 차이에 따라 작은 볼록부(31)를 형성할 수 있다. 이로써, 볼록부(31)를 절삭 제거하여 판재(3, 4)의 다른 부분의 외면(7)과 단차가 없도록 가공할 때에, 그 절삭 가공량·영역을 적게 할 수 있다.

또, 하 숄더(6)가 판재(3, 4)의 내면(8)에 접촉하는 접촉 면적을, 상 숄더(5)의 판재(3, 4)의 외면(7)에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하면, 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 인상시켜 볼록부(31)를 접합부(S)에 형성할 때에, 하 숄더(6)로부터 집중적으로 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)에 힘을 작용시키는 것이 가능해진다. 이로써, 볼록부(31)를 형성하기 쉬워져, 작은 힘으로 적합하게 볼록부(31)를 형성하는 것이 가능해진다.

또한, 접합부(S)를 끼워 넣어 양측의 일방의 판재(3)와 타방의 판재(4)의 외면(7)을 누름 부재(15)로 눌러 두고, 이 상태에서 상 숄더(5) 및 하 숄더(6)를 인상시킴으로써, 누름 부재(15)로 반력을 확보하여 한 쌍의 판재(3, 4)의 접합부(S)에 집중적으로 힘을 작용시킬 수 있어, 적합하게 볼록부(31)를 형성하는 것이 가능해진다.

이상, 본 발명에 관한 마찰 교반 접합 방법의 일 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관한 마찰 교반 접합 방법에 의하면, 차량이나 항공기 등의 측면 구체나 바닥 구체, 건물의 지붕 구체 등에 이용되는 알루미늄 합금제 등의 더블 스킨 구조의 중공형재나, 한 쌍의 중공형재를 형성하는 금속제의 판재(판 형상의 부재·부위)를 맞대도록 마찰 교반 접합할 수 있다. 또한, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법은, 중공형재의 접합에 한정하여 이용할 필요는 없고, 종래 주지의 마찰 교반 접합 방법으로 접합 가능한 판재라면, 모든 판재의 접합에 적용 가능하다.

1 하 숄더 장착축(회전축)
1a 키
1b 피스톤
2 프로브
3 판재(일방의 판재)
3a 단부
4 판재(타방의 판재)
4a 단부
5 상 숄더(제1 숄더)
5a 제1 숄더면
6 하 숄더(제2 숄더)
6a 제2 숄더면
7 외면(일면)
8 내면(타면)
9 오목부
10 마찰 교반 접합 장치
10a 가공기 주축
11 워크 배치부
12 본체부
13 보빈툴
14 공구 유지부
15 누름 부재
16 하중 부여 수단
20 상 숄더 장착 부재
20a 키 홈
20b 플랜지
21 지지통
21a 장착 부재 수용부
21b 실린더부
21c 피지지부
21d 베어링부
21e 피스톤 지지부
21f 선단측 지지부
21g 기단측 지지부
21h 베어링
21i 베어링
21j 베어링
21m 제1 유압실
21n 제2 유압실
21p 작동유 공급관로
21q 작동유 공급관로
22 모터
23 가압 수단
25 수용부
26 본체 지지부
26a 베어링
26b 베어링
27 지지 부재
28 롤러
29 돌출 부재
30 인상력 부여부
31 볼록부
O1 축선(중심 축선)
S 접합부(맞댐부)
T1 상하 방향
T2 주사 방향
T3 가로 방향
t1 판 두께
t2 판 두께

Claims

한 쌍의 판재의 단부끼리를 서로 맞대도록 대향 배치하여 마찰 교반 접합하는 방법으로서,
상기 한 쌍의 판재의 단부끼리를 마찰 교반하여 접합하는 접합부를 끼워 넣도록, 상기 판재의 일면측에 제1 숄더를, 상기 판재의 타면측에 제2 숄더를 각각 배치하고,
상기 제1 숄더와 상기 제2 숄더를 회전시켜 상기 한 쌍의 판재의 상기 접합부를 마찰 교반하며,
상기 접합부를 마찰 교반함과 함께 상기 제1 숄더 및 상기 제2 숄더를 상기 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시켜, 상기 판재의 일면으로부터 돌출되는, 제거하기 위한 볼록부를 상기 접합부에 형성하면서 마찰 교반 접합하고,
상기 볼록부를 제거하여 상기 접합부와 상기 판재의 다른 부분의 일면을 단차가 없게 하는 마찰 교반 접합 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 볼록부를 제거한 상태에서 상기 접합부의 판 두께가 소정의 두께가 되도록 상기 판재가 미리 형성되어 있는 마찰 교반 접합 방법.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제1 숄더의 상기 판재의 일면에 접촉하는 접촉 면적을, 상기 제2 숄더가 상기 판재의 타면에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하는 마찰 교반 접합 방법.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제2 숄더가 상기 판재의 타면에 접촉하는 접촉 면적을, 상기 제1 숄더의 상기 판재의 일면에 접촉하는 접촉 면적보다 작게 하는 마찰 교반 접합 방법.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 접합부를 끼워 넣어 양측의 일방의 판재와 타방의 판재의 일면을 누름 부재로 누르면서 상기 제1 숄더 및 상기 제2 숄더를 상기 판재의 타면으로부터 일면을 향하는 방향으로 이동시켜, 상기 볼록부를 상기 접합부에 형성하는 마찰 교반 접합 방법.