KR101830037B1

KR101830037B1 - 마찰 교반 접합용 툴, 마찰 교반 접합 장치, 및 마찰 교반 접합 방법

Info

Publication number: KR101830037B1
Application number: KR1020177004433A
Authority: KR
Inventors: 요시노리 가토
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2018-02-19
Also published as: GB2544227A; GB201703198D0; JP2016047550A; KR20170035979A; CN106794546A; JP6344690B2; CN106794546B; US20170259371A1; GB2544227B; US20220055145A1; WO2016031851A1

Abstract

본 발명은, 워크에 충분한 소성 유동을 발생시켜 워크의 접합을 양호하게 행하는 것이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 마찰 교반 접합용 툴(1)은, 워크(W)의 접합부(Wa)에 접촉한 상태에서 접합부(Wa)에 대하여 축선(O)을 중심으로 하여 상대 회전함과 함께, 산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하인 제1 면(15)과, 제1 면(15)에 연속하여 형성되고, 접합부(Wa)에 접촉하여 접합부(Wa)에 대하여 축선(O)을 중심으로 하여 상대 회전함과 함께, 산술 평균 조도 Ra의 값이 제1 면(15)보다도 작은 제2 면(16)을 구비하고 있다.

Description

마찰 교반 접합용 툴, 마찰 교반 접합 장치, 및 마찰 교반 접합 방법 {FRICTION STIR WELDING TOOL, FRICTION STIR WELDING DEVICE, AND FRICTION STIR WELDING METHOD}

본 발명은, 워크를 마찰 교반 접합에 의하여 접합할 때 사용하는 마찰 교반 접합용 툴, 및 이를 구비하는 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.

본 출원은, 2014년 8월 28일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-173990호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.

2개의 부재로 이루어지는 워크를 접합하는 방법의 하나로서 마찰 교반 접합이 알려져 있다.

마찰 교반 접합은, 워크의 접합부를 툴의 숄더면으로 가압한 상태에서 툴을 회전시킴으로써 워크의 표면에 발생시킨 마찰열로 워크를 접합하는 접합 방법이다.

여기서, 마찰 교반 접합에서는 접합 시에 워크가 툴에 의하여 교반되어 소성 유동이 발생한다. 그리고 접합 결함 등의 발생을 억제하면서 접합을 행하기 위해서는, 소성 유동되는 워크의 재료를 적극적으로 접합부의 내부에 유입시킬 필요가 있다.

특허문헌 1에는, 접합의 안정성, 및 툴에 대한 워크의 내응착성을 향상시키기 위하여 프로브에 피복층을 형성한 툴이 개시되어 있다. 그리고 특허문헌 1에는, 툴에서의 내응착성을 향상시키기 위해서는 피복층의 표면 조도 Ra는 0.6㎛를 초과하지 않는 수치인 것이 바람직하다고 기재되어 있다.

국제 공개 제2013/129320호

상술한 바와 같이, 특허문헌 1에 개시된 피복층의 표면 조도 Ra의 수치는 0.6㎛를 초과하지 않는 것이 바람직하다고 되어 있다. 즉, 표면 조도 Ra의 수치는 비교적 작은 것이 바람직하다고 되어 있다. 따라서 특허문헌 1에 기재된 툴에서는, 피복층의 표면 조도 Ra의 값이 작기 때문에 툴의 회전에 의하여 충분히 마찰열이 발생하지 않아, 충분한 양의 소성 유동을 기대할 수 없다.

특히 프로브의 선단부의 위치에서는, 워크에 대한 툴의 주속이 0으로 되어 워크가 교반되기 어려워진다. 따라서 소성 유동된 워크를 프로브의 선단부에 적극적으로 유입시킬 필요가 있다.

본 발명은, 워크에 충분한 소성 유동을 발생시켜 워크의 접합을 양호하게 행하는 것이 가능한 마찰 교반 접합용 툴, 마찰 교반 접합용 툴을 사용한 마찰 교반 접합 장치, 및 마찰 교반 접합 방법을 제공한다.

본 발명의 제1 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴은, 워크의 접합부에 접촉한 상태에서 해당 접합부에 대하여 축선을 중심으로 하여 상대 회전함과 함께, 산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하인 제1 면과, 상기 제1 면에 연속하여 형성되고, 상기 접합부에 접촉하여 해당 접합부에 대하여 축선을 중심으로 하여 상대 회전함과 함께, 산술 평균 조도 Ra의 값이 상기 제1 면보다도 작은 제2 면을 구비하고 있다.

이러한 마찰 교반 접합용 툴에 의하면, 툴이 축선을 중심으로 하여 회전하면, 산술 평균 조도 Ra가 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하라는, 비교적 거친 제1 면에 의하여 마찰열을 증대시킨다. 그 결과, 워크의 교반량이 증대되어 소성 유동이 촉진된다. 또한 제1 면보다도 평활한 제2 면에 의하여, 소성 유동된 워크의 응착을 억제하면서, 제1 면으로 교반된 워크의 재료를 접합부에 유입시킬 수 있다.

또한 본 발명의 제2 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴에서는, 상기 제1 형태에 있어서의 상기 제1 면에서는 산술 평균 조도 Ra의 값이 1.6㎛ 이상 25㎛ 이하여도 된다.

제1 면의 산술 평균 조도 Ra를 이러한 수치로 함으로써, 마찰열을 더 증대시켜 워크의 교반량을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 제1 면에서의 워크의 소성 유동을 더 촉진할 수 있다.

또한 본 발명의 제3 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴에서는, 상기 제1 형태에 있어서의 상기 제1 면에서는 산술 평균 조도 Ra의 값이 3.2㎛ 이상 25㎛ 이하여도 된다.

또한 본 발명의 제4 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴은, 상기 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태에 있어서의 마찰 교반 접합용 툴의 구성에 추가하여, 접합 시에 워크의 접합부에 삽입되고, 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 해당 축선 주위로 회전하는 프로브와, 상기 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 상기 프로브와 함께 회전하고, 접합 시에 상기 워크의 표면에 가압되는 숄더면을 갖는 숄더를 더 구비하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 상기 프로브의 외주면에 서로 주위 방향으로 인접하여 형성되어 있어도 된다.

프로브의 회전에 의하여 제1 면으로 교반된 워크가 프로브의 외주면에서 주위 방향으로 퍼지도록 이동하여 소성 유동이 촉진된다. 이로 인하여 접합부에 더 많은, 교반된 워크를 유입시킬 수 있다. 따라서 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한 본 발명의 제5 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴에서는, 상기 제4 형태에 있어서의 상기 제2 면에는, 상기 프로브에 있어서의 상기 주위 방향의 한쪽을 향함에 따라, 상기 축선의 한쪽을 향하는 나선형을 이루는 나선 홈부가 형성되어 있어도 된다.

제1 면으로부터의 워크의 소성 유동이 제2 면의 나선 홈부에 의하여 안내된다. 그리고 툴의 회전 방향을 적절히 선택함으로써, 소성 유동된 워크를 프로브의 선단측으로 유도할 수 있다. 따라서 접합부에 더 많은, 교반된 워크를 유입시킬 수 있다. 따라서 더 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한 본 발명의 제6 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴은, 상기 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태에 있어서의 마찰 교반 접합용 툴의 구성에 추가하여, 접합 시에 워크의 접합부에 삽입되고, 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 해당 축선 주위로 회전하는 프로브와, 상기 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 상기 프로브와 함께 회전하고, 접합 시에 상기 워크의 표면에 가압되는 숄더면을 갖는 숄더를 더 구비하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 상기 숄더면에 서로 주위 방향으로 인접하여 형성되어 있어도 된다.

숄더의 회전에 의하여 제1 면으로 교반된 워크가 숄더면에서 주위 방향으로 퍼지도록 이동하여 소성 유동이 촉진된다. 이로 인하여 접합부에 더 많은, 교반된 워크를 유입시킬 수 있다. 따라서 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한 본 발명의 제7 형태에 관한 마찰 교반 접합용 툴에서는, 상기 제6의 형태에 있어서의 상기 숄더면에는, 주위 방향으로 상기 숄더의 회전 방향의 전방을 향함에 따라, 상기 축선의 직경 방향 외측을 향하는 나선형을 이루는 나선 홈부가 형성되고, 상기 제1 면은, 상기 숄더면 중 상기 나선 홈부가 형성된 위치를 제외한 면이고, 상기 제2 면은 상기 나선 홈부의 내면이어도 된다.

이와 같이 제1 면으로부터의 워크의 소성 유동이, 더 평활한 제2 면의 나선 홈부에 의하여 안내된다. 그리고 숄더면의 회전에 수반하여 프로브측으로 유도된다. 따라서 접합부에 더 많은, 교반된 워크의 재료를 유입시킬 수 있다. 따라서 더 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한 본 발명의 제8 형태에 관한 마찰 교반 접합 장치에서는, 상기 제1 내지 제7 중 어느 하나의 형태에 있어서의 상기 마찰 교반 접합용 툴과, 상기 마찰 교반 접합용 툴을 보유 지지하고, 해당 마찰 교반 접합용 툴을 상기 워크에 대하여 상대 회전시키는 장치 본체부를 구비하고 있어도 된다.

이러한 마찰 교반 접합 장치에 의하면, 마찰 교반 접합용 툴이 축선을 중심으로 하여 회전하면 비교적 거친 제1 면에 의하여 마찰열을 증대시킨다. 그리고 워크의 교반량이 증대되어 워크의 소성 유동이 촉진된다. 또한 제1 면보다도 평활한 제2 면에 의하여, 소성 유동된 워크의 응착을 억제하면서, 제1 면으로 교반된 워크를 접합부에 유입시킬 수 있다.

또한 본 발명의 제9 형태에 관한 마찰 교반 접합 방법에서는, 산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하인, 마찰 교반 접합용 툴에 있어서의 제1 면을 워크의 접합부에 접촉시킴과 함께, 상기 제1 면에 연속하여 마련되고 산술 평균 조도 Ra의 값이 상기 제1 면보다도 작은, 마찰 교반 접합용 툴에 있어서의 제2 면을 상기 접합부에 접촉시키는 툴 접촉 공정과, 상기 접합부에 대하여 상기 제1 면 및 상기 제2 면을 상대 회전시키는 회전 공정을 포함하고 있다.

이러한 마찰 교반 접합 방법에 의하면, 비교적 거친 제1 면에 의하여 마찰열을 증대시킴으로써 워크의 교반량이 증대되어 워크의 소성 유동이 촉진된다. 또한 제1 면보다도 평활한 제2 면에 의하여, 소성 유동된 워크의 마찰 교반 접합용 툴에의 응착을 억제하면서, 제1 면으로 교반된 워크를 워크의 접합부에 유입시킬 수 있다.

상기 마찰 교반 접합용 툴 및 마찰 교반 접합 장치에 의하면, 워크에 충분한 소성 유동을 발생시켜 워크의 접합을 양호하게 행하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 장치가 워크에 설치된 상태를 도시하는 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 장치의 툴의 프로브를 확대하여 도시하는 도면이며, 비스듬히 아래쪽에서 본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 장치의 툴의 프로브에 형성된 제1 면의 산술 평균 조도 Ra와, 워크의 교반성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 장치의 툴을 사용한 마찰 교반 접합 방법의 공정을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마찰 교반 접합 장치가 워크에 설치된 상태를 도시하는 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마찰 교반 접합 장치의 툴의 상측 숄더면을 도시하는 도면이며, 도 5의 A-A 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 마찰 교반 접합 장치의 툴의 하측 숄더면을 도시하는 도면이며, 도 5의 B-B 단면도이다.

〔제1 실시 형태〕

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 마찰 교반 접합 장치(1)에 대하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이 마찰 교반 접합 장치(1)는, 예를 들어 2매의 판재(또는 중공형재 등) W1을 맞대어 이루어지는 워크 W에 있어서의 맞닿음부로 되는 접합부 Wa에 설치되고, 마찰 교반 접합에 의하여 워크 W의 접합을 행한다.

이 마찰 교반 접합 장치(1)는, 접합부 Wa에 가압되는 마찰 교반 접합용 툴(12){이하, 간단히 툴(12)이라 함}과, 툴(12)을 보유 지지하고, 툴(12)을 워크 W에 가압한 상태에서 툴(12)을 워크 W에 대하여 상대 회전시키는 장치 본체부(13)를 구비하고 있다.

본 실시 형태에서는, 장치 본체부(13) 및 툴(12)은, 접합 시에는 워크 W의 상방으로부터 워크 W에 설치된다.

툴(12)은, 접합 시에 워크 W의 접합부 Wa에 삽입되는 프로브(14)와, 프로브(14)를 지지하는 숄더(18)를 구비하고 있다.

프로브(14)는, 축선 O를 중심으로 하여 형성된 원기둥형을 이루고, 장치 본체부(13)에 설치된, 도시되지 않은 동력원에 의하여 축선 O 주위로 회전된다.

또한 프로브(14)의 외주면에는, 축선 O의 방향의 전역에 걸쳐 나선형을 이루는 나선 홈부(14a)가 형성되어 있다. 이 나선 홈부(14a)는, 주위 방향의 한쪽{툴(12)의 회전 방향 R의 전방}을 향함에 따라, 축선 O의 한쪽(상방)을 향하도록 형성되어 있다. 즉, 나선 홈부(14a)는 오른나사형으로 형성되며, 툴(12)의 회전 방향 R은, 프로브(14)의 하방에서 툴(12)을 본 때 시계 방향으로 되어 있다.

또한 프로브(14)에는, 나선 홈부(14a)가 형성된 외주면을 서로 주위 방향으로 이격시키는 복수 개소(본 실시 형태에서는 3개소)의 위치에서, 축선 O의 방향의 전역에 걸쳐 축선 O를 따라 절취하도록 하여 제1 면(15)이 형성되어 있다. 제1 면(15)은 축선 O를 따른 평면형을 이룬다. 이들 제1 면(15)은, 본 실시 형태에서는 주위 방향으로 등간격으로 형성되어 있다.

그리고 제1 면(15)에서는 산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하로 되어 있다.

이 산술 평균 조도 Ra의 상한이 25㎛인 것은, 도 3의 A부에 나타낸 바와 같이, Ra가 25㎛보다도 산술 평균 조도 Ra가 커지면 소성 유동이 불균일해지기 때문이다. 달리 말하면, 소성 유동되는 방향이 불균일해지지 않도록 하여, 교반된 워크 W를 접합부 Wa에 유입시키도록, 본 실시 형태에서의 Ra의 상한값을 결정하고 있다. 또한 Ra의 하한이 0.8㎛로 되어 있는 것은, 도 3의 B부에 나타낸 바와 같이, Ra가 0.8㎛보다도 작아지면, 툴(12)로부터 워크 W에의 입열량이 부족하여 충분히 소성 유동을 발생시키는 것이 어려워지기 때문이다.

여기서, 산술 평균 조도 Ra의 값이 1.6㎛ 이상 25㎛ 이하이면 더 바람직하고, 산술 평균 조도 Ra의 값이 3.2㎛ 이상 25㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이 프로브(14)는, 외주면에 제1 면(15)과, 제1 면(15)에 주위 방향으로 인접함과 함께 주위 방향으로 서로 등간격으로 이격되고, 또한 나선 홈부(14a)가 형성된 복수 개소(본 실시 형태에서는 3개소)의 제2 면(16)을 구비하고 있다. 그리고 제2 면(16)의 산술 평균 조도 Ra의 값은 제1 면(15)보다도 작아져 있다. 따라서 제2 면(16)은 제1 면(15)보다도 평활해져 있다.

제1 면(15) 및 제2 면(16)은 각각 주위 방향으로 등간격으로 형성되어 있지 않아도 된다. 또한 제1 면(15) 및 제2 면(16)의 수량은 몇 개여도 되지만, 홀수 개씩 형성되어 있는 것이 더 바람직하다.

숄더(18)는, 프로브(14)와 동축으로 되도록 축선 O를 중심으로 하여 형성된 원기둥형을 이루고 있다. 또한 숄더(18)는, 워크 W의 한쪽 표면(상면)에 대향하여 배치되어 프로브(14)를 지지하고 있다. 숄더(18)는 프로브(14)와 함께 축선 O 주위로 회전한다. 또한 숄더(18)는, 접합 시에 워크 W의 표면에 가압되는 숄더면(18a)을 갖고 있다.

이러한 마찰 교반 접합용 툴(12)에서는, 접합 시에 먼저 툴(12)을 축선 O를 중심으로 하여 회전시키고(회전 공정 S1: 도 4 참조), 그 후 숄더면(18a)에 의하여 워크 W를 가압하면서 제1 면(15) 및 제2 면(16)을 워크 W의 접합부 Wa에 접촉시켜(툴 접촉 공정 S2: 도 4 참조), 산술 평균 조도 Ra가 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하라는, 비교적 거친 제1 면(15)에 의하여 마찰열을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 제1 면(15)으로 교반된 워크 W가 프로브(14)의 외주면에서 주위 방향으로 퍼지도록 이동하여 워크 W의 소성 유동이 촉진된다. 이로 인하여, 접합부 Wa에 더 많은, 교반된 워크 W를 유입시킬 수 있어 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한 제1 면(15)보다도 평활한 제2 면(16)에 의하여, 소성 유동된 워크 W의 응착을 억제하면서, 제1 면(15)으로 교반된 워크 W의 재료를 접합부 Wa에 유입시킬 수 있다.

또한 제2 면(16)에는 나선 홈부(14a)가 형성되어 있다. 이로 인하여, 툴(12)의 회전에 수반하여 제1 면(15)으로부터의 워크 W의 소성 유동이 제2 면(16)의 나선 홈부(14a)에 의하여 안내되어, 프로브(14)의 선단측으로 유도된다. 따라서 접합부 Wa에 더 많이, 교반된 워크 W를 유입시킬 수 있어 워크 W를 양호하게 접합할 수 있다.

또한 제1 면(15)의 산술 평균 조도 Ra의 값을 1.6㎛ 이상, 25㎛ 이하로 하고, 더욱 바람직하게는 3.2㎛ 이상, 25㎛ 이하로 하면, 제1 면(15)에서 마찰열을 더 증대시켜 워크 W의 교반량을 더 증대시킬 수 있다. 따라서 제1 면(15)에서의 워크 W의 소성 유동을 더 촉진할 수 있어, 접합부 Wa에의 워크 W의 소성 유동량이 증대되어 워크 W를 양호하게 접합할 수 있다.

또한 제1 면(15)의 산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하로 되어 있기 때문에 프로브(14)의 표면이 비교적 거칠어져 있다. 따라서 제1 면(15)을 평활하게 하는 정밀한 가공이 불필요해진다. 그 결과, 비용 절감이 가능해진다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 제2 면(16)에는 반드시 나선 홈부(14a)가 형성되어 있지는 않아도 된다.

〔제2 실시 형태〕

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시 형태의 마찰 교반 접합 장치(21)에 대하여 설명한다.

제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세 설명을 생략한다.

본 실시 형태에서는 툴(22)이 제1 실시 형태와는 상이하다.

즉, 본 실시 형태에서는, 툴(22)은, 접합 시에 워크 W의 접합부 Wa에 삽입되는 프로브(24)와, 프로브(24)를 상방으로부터 지지하는 상측 숄더(25), 및 하방으로부터 지지하는 하측 숄더(27)를 구비하고 있다.

프로브(24)는, 축선 O를 중심으로 하여 형성된 원기둥형을 이루고 있다. 프로브(24)는, 장치 본체부(13)에 설치된, 도시되지 않은 동력원에 의하여 축선 O 주위로 회전된다.

또한 프로브(24)의 외주면에는, 축선 O의 방향의 전역에 걸쳐 나선형을 이루는 프로브 홈부(24a)가 형성되어 있다. 이 프로브 홈부(24a)로서는, 프로브(24)의 축선 O 방향의 중앙 위치를 경계로 하여, 프로브(24)에 있어서의 상측 숄더(25)측에 형성된 제1 홈부(24a1)와, 프로브(24)에 있어서의 하측 숄더(27)측에 형성된 제2 홈부(24a2)가 형성되어 있다.

제1 홈부(24a1)는, 주위 방향의 한쪽{툴(22)의 회전 방향 R의 전방}을 향함에 따라, 축선 O의 한쪽(상방)을 향하도록 형성되어 있다. 즉, 제1 홈부(24a1)는 왼나사형으로 형성되어 있다. 그리고 툴(22)의 회전 방향 R은, 프로브(24)의 하방에서 툴(22)을 본 때 반시계 방향으로 되어 있다.

제2 홈부(24a2)는, 주위 방향의 한쪽{툴(22)의 회전 방향 R의 전방}을 향함에 따라, 축선 O의 다른 쪽(하방)을 향하도록 형성되어 있다. 즉, 제2 홈부(24a2)는 오른나사형으로 형성되어 있다.

이와 같이 프로브(24)의 외주면에는, 왼나사형의 홈부와 오른나사형의 홈부가, 프로브(24)의 축선 O의 방향의 중앙 위치를 경계로 하여 형성되어 있다.

상측 숄더(25)는 프로브(24)와 동축에, 축선 O를 중심으로 하여 형성된 원기둥형을 이루고 있다. 상측 숄더(25)는, 워크 W의 일방측의 표면으로 되는 상면에 대향하여 배치되어 있다. 또한 상측 숄더(25)는 프로브(24)를 지지하고 프로브(24)와 함께 회전한다. 또한 상측 숄더(25)는, 접합 시에 워크 W의 상면에 가압되는 상측 숄더면(26)을 갖고 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 상측 숄더면(26)에는, 주위 방향으로 툴(22)의 회전 방향 R의 전방을 향함에 따라, 축선 O의 직경 방향 외측을 향하는 나선형을 이루는 제1 나선형 홈부(26a)가 형성되어 있다. 즉, 제1 나선형 홈부(26a)는, 하방에서 보아 소용돌이형으로 형성되어 있다.

제1 나선형 홈부(26a)는, 상측 숄더면(26)의 직경 방향 외측의 위치에서, 상측 숄더(25)의 외주면, 즉, 외주측 단부 에지에 개구되고, 직경 방향 내측의 위치에서 프로브(24)의 외주면에 연속하고 있다.

하측 숄더(27)는 프로브(24)와 동축에, 축선 O를 중심으로 하여 형성된 원기둥형을 이루고 있다. 하측 숄더(27)는, 워크 W의 타방측의 표면으로 되는 하면에 대향하여 배치되어 있다. 또한 하측 숄더(27)는 프로브(24)를 지지하고 프로브(24)와 함께 회전한다. 또한 하측 숄더(27)는, 접합 시에 워크 W의 하면에 가압되는 하측 숄더면(28)을 갖고 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 하측 숄더면(28)에는, 주위 방향으로 툴(22)의 회전 방향 R의 전방을 향함에 따라, 축선 O의 직경 방향 외측을 향하는 나선형을 이루는 제2 나선형 홈부(28a)가 형성되어 있다. 즉, 제2 나선형 홈부(28a)는, 상방에서 보아 소용돌이형으로 형성되어 있다.

제2 나선형 홈부(28a)는, 하측 숄더면(28)의 직경 방향 외측의 위치에서, 하측 숄더(27)의 외주면, 즉, 외주측 단부 에지에 개구되고, 직경 방향 내측의 위치에서 프로브(24)의 외주면에 연속하고 있다.

또한 상측 숄더면(26) 및 하측 숄더면(28) 중, 상측 숄더면(26) 및 하측 숄더면(28)에 있어서의 제1 나선형 홈부(26a) 및 제2 나선형 홈부(28a)가 형성된 것 이외의 부분(이하, 산부라 함)에서의 표면은, 제1 실시 형태의 제1 면(15)과 마찬가지의 제1 면(35)으로 되어 있다. 즉, 상기 산부의 표면에서의 산술 평균 조도 Ra의 값은 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하로 되어 있고, 바람직하게는 1.6㎛ 이상, 25㎛ 이하로 되어 있으며, 더욱 바람직하게는 3.2㎛ 이상 25㎛ 이하로 되어 있다.

그리고 제1 나선형 홈부(26a) 및 제2 나선형 홈부(28a)의 내면이, 제1 실시 형태의 제2 면(16)과 마찬가지의 제2 면(36)으로 되어 있다.

본 실시 형태의 마찰 교반 접합 장치(21)에 의하면, 마찰 교반 접합용 툴(22)이 축선 O를 중심으로 하여 회전하면 상측 숄더면(26) 및 하측 숄더면(28)에 있어서의 비교적 거친 제1 면(35)에 의하여 마찰열을 증대시킬 수 있다. 따라서 워크 W의 교반량이 증대되어 워크 W의 소성 유동이 촉진된다.

그리고 내면이, 제1 면(35)보다도 평활한 제2 면(36)인 제1 나선형 홈부(26a) 및 제2 나선형 홈부(28a)에 의하여 안내된다. 이로 인하여, 상측 숄더면(26) 및 하측 숄더면(28)의 회전에 수반하여 소성 유동되는 워크 W의 재료가, 프로브(24)측으로 되는 직경 방향 내측을 향하여 유도된다. 따라서 접합부 Wa에 더 많이, 교반된 워크 W를 유입시킬 수 있어 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한 프로브(24)에는 프로브 홈부(24a)로서, 서로 다른 방향의 나사형을 이루는 제1 홈부(24a1) 및 제2 홈부(24a2)가 형성되어 있다. 이로 인하여, 툴(22)의 회전에 수반하여, 제1 나선형 홈부(26a) 및 제2 나선형 홈부(28a)에 의하여 안내된 소성 유동된 워크 W가, 접합부 Wa의 내부로 보내어진다(도 5의 화살표 참조). 따라서 접합부 Wa의 내부에서의 접합 결함의 발생을 더 억제하면서 양호한 접합을 행할 수 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는 툴(22)로서, 프로브(24), 상측 숄더(25) 및 하측 숄더(27)를 구비하는 보빈 툴을 사용했지만, 예를 들어 상측 숄더(25){또는 하측 숄더(27)} 및 프로브(14)를 갖는 제1 실시 형태의 툴(12)과 같은 툴을 사용하는 경우에도 적용 가능하다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세를 설명했지만, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다소의 설계 변경도 가능하다.

예를 들어 제1 실시 형태의 툴(12)에, 제2 실시 형태의 툴(22)의 제1 나선형 홈부(26a)와 마찬가지의 홈부를 형성해도 된다.

예를 들어 상술한 실시 형태에서는, 워크 W로서 2매의 판재 W1을 맞대어 이루어지는 것을 접합하는 경우에 대하여 설명했지만, 워크 W로서 2매의 판재 W1을 중첩시켜 이루어지는 것을, 상술한 각 실시 형태에 있어서의 툴(12, 22)을 사용하여 접합하는 것도 가능하다.

상기 마찰 교반 접합용 툴, 마찰 교반 접합용 툴을 사용한 마찰 교반 접합 장치, 및 마찰 교반 접합 방법에 의하면, 워크에 충분한 소성 유동을 발생시켜 워크의 접합을 양호하게 행하는 것이 가능하다.

1: 마찰 교반 접합 장치
12: (마찰 교반 접합용)툴
13: 장치 본체부
14: 프로브
14a: 나선 홈부
15: 제1 면
16: 제2 면
18: 숄더
18a: 숄더면
21: 마찰 교반 접합 장치
22: (마찰 접합용)툴
24: 프로브
24a: 프로브 홈부
24a1: 제1 홈부
24a2: 제2 홈부
25: 상측 숄더
26: 상측 숄더면
26a: 제1 나선형 홈부
27: 하측 숄더
28: 하측 숄더면
28a: 제2 나선형 홈부
35: 제1 면
36: 제2 면
W: 워크
Wa: 접합부
W1: 판재
O: 축선
R: 회전 방향
S1: 회전 공정
S2: 툴 접촉 공정

Claims

워크의 접합부에 접촉한 상태에서 해당 접합부에 대하여 축선을 중심으로 하여 상대 회전함과 함께, 산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하인 제1 면과,
상기 제1 면에 연속하여 형성되고, 상기 접합부에 접촉하여 해당 접합부에 대하여 축선을 중심으로 하여 상대 회전함과 함께, 산술 평균 조도 Ra의 값이 상기 제1 면보다도 작은 제2 면
을 구비하는, 마찰 교반 접합용 툴.
제1항에 있어서,
상기 제1 면에서는 산술 평균 조도 Ra의 값이 1.6㎛ 이상 25㎛ 이하인, 마찰 교반 접합용 툴.
제1항에 있어서,
상기 제1 면에서는 산술 평균 조도 Ra의 값이 3.2㎛ 이상 25㎛ 이하인, 마찰 교반 접합용 툴.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
접합 시에 워크의 접합부에 삽입되고, 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 해당 축선 주위로 회전하는 프로브와,
상기 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 상기 프로브와 함께 회전하고, 접합 시에 상기 워크의 표면에 가압되는 숄더면을 갖는 숄더
를 더 구비하고,
상기 제1 면 및 상기 제2 면은 상기 프로브의 외주면에 서로 주위 방향으로 인접하여 형성되어 있는, 마찰 교반 접합용 툴.
제4항에 있어서,
상기 제2 면에는, 상기 프로브에 있어서의 상기 주위 방향의 한쪽을 향함에 따라, 상기 축선의 한쪽을 향하는 나선형을 이루는 나선 홈부가 형성되어 있는, 마찰 교반 접합용 툴.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
접합 시에 워크의 접합부에 삽입되고, 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 해당 축선 주위로 회전하는 프로브와,
상기 축선을 중심으로 하여 형성된 기둥형을 이루고 상기 프로브와 함께 회전하고, 접합 시에 상기 워크의 표면에 가압되는 숄더면을 갖는 숄더
를 구비하고,
상기 제1 면 및 상기 제2 면은 상기 숄더면에 서로 주위 방향으로 인접하여 형성되어 있는, 마찰 교반 접합용 툴.
제6항에 있어서,
상기 숄더면에는, 주위 방향으로 상기 숄더의 회전 방향의 전방을 향함에 따라, 상기 축선의 직경 방향 외측을 향하는 나선형을 이루는 나선 홈부가 형성되고,
상기 제1 면은, 상기 숄더면 중 상기 나선 홈부가 형성된 위치를 제외한 면이고,
상기 제2 면은 상기 나선 홈부의 내면인, 마찰 교반 접합용 툴.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 마찰 교반 접합용 툴과,
상기 마찰 교반 접합용 툴을 보유 지지하고, 해당 마찰 교반 접합용 툴을 상기 워크에 대하여 상대 회전시키는 장치 본체부
를 구비하는, 마찰 교반 접합 장치.
산술 평균 조도 Ra의 값이 0.8㎛ 이상 25㎛ 이하인, 마찰 교반 접합용 툴에 있어서의 제1 면을 워크의 접합부에 접촉시킴과 함께, 상기 제1 면에 연속하여 마련되고 산술 평균 조도 Ra의 값이 상기 제1 면보다도 작은, 마찰 교반 접합용 툴에 있어서의 제2 면을 상기 접합부에 접촉시키는 툴 접촉 공정과,
상기 접합부에 대하여 상기 제1 면 및 상기 제2 면을 상대 회전시키는 회전 공정
을 포함하는, 마찰 교반 접합 방법.