KR101873126B1 - 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

강판끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서, 회전 공구의 진행 방향의 전방에 배치한 가열 장치 (4) 에 의해, 회전 공구 (10) 에 의한 접합 전에 미접합부를 미리 가열하는 것으로 하고, 그 때, 회전 공구 (10) 에 의한 접합이 개시되는 위치에 있어서의 진행 방향에 수직인 방향에 있어서의 표면 온도 분포에 대하여, T_Ac1 을 강판의 Ac₁ 점으로 하고, 그 최고 온도 (T_U) 를, 0.6 × T_Ac1 ＜ T_U ＜ 1.8 × T_Ac1 의 범위로 하고, 또한 온도 (T_L) ＝ 0.6 × T_Ac1 을 상회하는 가열 영역의 폭을 L 로 했을 경우에, 숄더부의 직경 d 에 대하여, 0.3 × d ≤ L ≤ 2.0 × d 의 관계를 만족시킴으로써, 접합 결함의 발생이나 접합 툴의 파손의 우려가 없고, 나아가서는 열 영향부에 있어서의 템퍼링 연화 혹은 경화에 의한 취화의 우려 없이, 고속으로의 접합 속도하에서 이음매 강도를 향상시킬 수 있다.

Description

강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법{FRICTION STIR WELDING METHOD FOR STEEL SHEETS AND METHOD OF MANUFACTURING JOINT}

본 발명은, 강판의 마찰 교반 접합 방법에 관한 것으로서, 특히 이음매 강도의 향상을 도모하고자 하는 것이다.

마찰 교반 접합 방법은, 중첩하거나 또는 맞댄 피가공재의 미접합부에 회전 공구를 삽입하여 회전시키면서 이동시키고, 이 회전 공구와의 마찰열에 의한 피가공재의 연화와, 그 연화부를 회전 공구가 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 이용하여, 용가재를 첨가하지 않고 접합을 실시하는 방법이다.

또한, 본 명세서에서는, 예를 들어 강판을 맞대었을 뿐 아직 접합되어 있지 않은 상태에 있는 맞댐 부분을「미접합부」, 한편, 소성 유동에 의해 접합되어 일체화된 부분을「접합부」라고 부르는 것으로 한다.

도 1 에, 맞댄 강판에 대하여 마찰 교반 접합을 실시하는 경우의 일례를 나타낸다.

동 도면에 나타낸 바와 같이, 이 마찰 교반 접합 방법에서는, 강판 (21, 22) 의 단면 (端面) 을 서로 맞대어 미접합부 (20) 로 하고, 이 미접합부 (20) 를 따라 회전 공구 (10) 를 회전시키면서 이동시킨다. 회전 공구 (10) 는, 강판 (21, 22) 의 상부에 배치하여, 모터 (도시 생략) 에 의해 회전하도록 구성되어 있다. 강판의 하부에는 백킹재 (backing material) (30) 를 설치하고, 회전 공구의 가압에 대하여 강판을 지지하고 있다. 그리고, 모터의 구동에 의해 회전하는 회전 공구 (10) 는, 프로브 (12) 가 미접합부 (20) 에서 강판 (21, 22) 에 접촉하면서 화살표 (F) 방향으로 이동한다. 이 때 프로브 (12) 는, 그 주위에 가소성재의 부분 영역을 만들고, 회전체 상부 (11) 는, 상방향으로부터 강판 (21, 22) 을 가압하고, 가소성 존으로부터 재료가 소실되는 것을 방지하고 있다. 따라서, 강판 (21, 22) 은, 미접합부 (20) 의 맞댐 부분이 발열하여 연화되고, 소성 유동하여 생긴 가소성재에 의해 고상 접합되고, 접합부 (25) 가 형성된다.

이러한 마찰 교반 접합에 있어서, 접합의 고속화 또는 접합 결함의 저감을 목적으로 하여, 회전 공구에 의한 접합과는 별도로 가열을 실시하는 방법이 검토되어 왔다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, 가열 장치로서 가스 불꽃을 사용한 접합 방법이 제안되어 있다. 도 2 에, 가열 장치로서 가스 불꽃을 사용한 경우의 마찰 교반 접합 요령을 모식으로 나타낸다. 이 방식은, 산소 아세틸렌, 산소 프로판, 산소 천연 가스 등의 각종 가스 불꽃 (70) 을 열원으로 하여 피접합 부재 (1, 2) 를 가열하는 것이다. 이 가열 장치 (72) 에 있어서, 가스 불꽃 (70) 이 분사되는 대략 원통상의 가스 노즐부 (71) 는, 프로브 (62) 의 이동 방향 전방의 근방 부위에 배치됨과 함께, 프로브 (62) 의 움직임과 연동하여 이동한다. 또한 미접합부 (13) 에 있어서의 가스 불꽃 (70) 의 분사 위치는 항상 접합 장치의 이동 방향 전방에 위치하는 것으로 되어 있다. 또, 가스 불꽃 (70) 의 분사폭은, 피접합 부재 (1, 2) 의 표면에 부딪쳐 그 선단부가 넓어진 상태가 되었을 때에 회전자 (60) 의 숄더 (61) 의 직경과 대략 동일 치수가 되도록 설정되어 있다. 이것에 의해 미접합부 (13) 중 프로브 (62) 근방만을 가열하여, 이 프로브 근방 및 그 주변 영역의 온도를 상승시키게 되어 있다.

상기의 마찰 교반 접합법에 있어서의 가열 장치의 동작에 대하여 설명한다. 가열 장치 (72) 의 가스 노즐부 (71) 로부터 가스 불꽃 (70) 을 분사시킴과 함께, 접합 장치 (3) 의 회전자 (60) 를 회전시켜 이것과 일체 회전하는 프로브 (62) 를 미접합부 (13) 에 삽입하고, 프로브가 삽입된 상태 그대로 맞댐부를 따라 프로브 (62) 를 피접합 부재 (1, 2) 에 대하여 상대적으로 이동시킨다. 이것에 의해, 피접합 부재 (1, 2) 가 접합되어 접합부 (14) 가 형성된다.

도 2 에 나타낸 가열 장치 (72) 를 사용한 마찰 교반 접합에서는, 가스 불꽃 (70) 의 열에 의해 미접합부가 가열되고, 프로브 (62) 및 숄더 (61) 와의 접촉부를 신속히 연화시켜, 프로브 (62) 에 의한 접합을 용이하게 하는 것을 목적으로 하고 있다.

특허문헌 2 는, 열원으로서 유도 가열 장치를 사용한 것이다. 여기서는, 회전 공구에 의한 접합이 실시될 때까지의 온도를 소정의 온도로 하는 제어 기구를 형성함으로써, 마찰 교반 접합을 개시할 때까지의 시간을 단축하고, 그것에 의해 가열 범위 및 가열 온도의 제어성의 향상과 함께, 재질에 상관 없이, 접합 부위의 균열을 방지할 수 있다고 하고 있다.

특허문헌 3 은, 열원으로서 레이저광을 사용한 것이다. 여기서는, 회전 공구에 의한 접합이 실시될 때까지 미접합부를 가열하고, 미접합부가 미리 정한 연화 온도에 도달한 후에, 레이저광의 조사를 정지시킴으로써, 접합 툴의 마모를 억제할 수 있다고 하고 있다.

이와 같이, 종래의 마찰 교반 접합에서는, 시공을 실시할 때의 보조 열원으로서, 가스 불꽃이나 유도 가열, 레이저광을 사용하는 기술이 제안되어 있다.

일본 특허공보 제3081808호 일본 특허공보 제4235874호 일본 특허공보 제4537132호

그러나, 강판의 마찰 교반 접합에 있어서, 특허문헌 1 ∼ 3 에 기재된 방법에서는, 접합 결함의 저감, 혹은 접합 속도의 고속화를 달성할 수 있었다고 해도, 열 영향부에 있어서 템퍼링 연화 혹은 경화에 의한 취화가 발생하고, 충분한 이음매 강도를 얻을 수 없다는 문제를 남기고 있었다.

본 발명은, 상기 문제를 유리하게 해결하는 것으로서, 접합 결함의 발생이나 접합 툴의 파손의 우려가 없고, 나아가서는 열 영향부에 있어서의 템퍼링 연화 혹은 경화에 의한 취화의 우려 없이, 고속으로의 접합 속도하에서 이음매 강도를 향상시킨 강판의 마찰 교반 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 발명자들은, 상기 문제를 해결하기 위하여, 강판의 마찰 교반 접합에 있어서, 회전 공구에 의한 접합이 개시되기 직전의 온도 분포와 이음매 상태의 관계에 대하여 조사하였다.

그 결과,

(1) 가열되는 영역이 넓은 경우에는, 연화의 영향에 의해 양호한 접합부가 얻어지긴 하지만, 강판, 회전 공구에 의한 발열의 영향이 크기 때문에, 열 영향부의 범위는 확대되고,

(2) 반대로, 가열되는 영역이 지나치게 좁은 경우에는, 회전 공구에 의한 접합이 불충분해져, 결함을 발생시키기 쉬워지고,

(3) 따라서, 강판의 마찰 교반 접합에 있어서는, 접합 직전에 있어서의 온도 범위의 관리가 특히 중요하다는 지견을 얻었다.

그래서, 발명자들은, 접합 직전에 있어서의 온도 범위를 관리하기 위하여, 회전 공구의 진행 방향의 전방에 배치한 가열 장치에 의해 피접합부를 다양한 조건으로 가열을 실시하였다. 그리고 특히, 회전 공구에 의한 접합이 개시되는 위치에 있어서의, 진행 방향에 수직인 방향의 표면 온도 분포가 이음매 상태에 미치는 영향에 대하여 예의 검토를 거듭하였다.

즉, 상기와 같이 하여 얻어진 용접 이음매를, 조직, 경도 및 파단 형태 등으로부터 예의 검토한 결과, 접합 개시 위치에 있어서의 온도를 일정한 온도까지 올림으로써, 강판의 연화에 의해 고속의 접합이 가능해진다. 그러나 한편, 온도를 지나치게 올린 경우에는 마찰 교반 접합의 원리인 소성 유동이 반대로 감소하여, 결함의 원인이 되는 것을 알았다.

또, 접합 개시 위치에 있어서의 온도가 일정한 온도에 도달하지 않는 경우에는, 툴에 의한 발열이 주체가 되어, 종래 방법과 다름 없는 결과, 이음매 강도는 개선되지 않는다. 한편 온도가 지나치게 높은 경우에는 툴의 마찰열이 감소하여 툴에 의한 온도 분포의 변화가 일어나지 않고, 나아가서는 ?칭되기 때문에, 취화의 원인이 되는 것도 판명되었다.

또한, 고 C 강의 경우, ?칭성이 높기 때문에, 접합 후의 급랭에 의한 취화나 구속으로부터 발생하는 잔류 응력에 의해 균열이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 냉각 속도의 저하나 템퍼링에 의한 경화·취화의 억제가 필요해지는 경우가 생각된다.

그래서, 발명자들은, 접합 후의 재가열, 나아가서는 접합 후·재가열 전의 냉각에 관해서도 함께 검토한 결과, 그 유효성이 확인되었다.

본 발명은, 상기의 지견에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 2 장 이상의 강판을 중첩하거나, 또는 맞댄 미접합부에, 회전 공구를 삽입하고, 이 회전 공구를 회전시키면서 접합하는 부분을 따라 이동시키고, 이 회전 공구와 상기 강판의 마찰열에 의한 강판의 연화와, 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 이용하여 강판끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서,

상기 회전 공구의 진행 방향의 전방에 배치한 가열 장치에 의해, 회전 공구에 의한 접합 전에 미접합부를 미리 가열하는 것으로 하고,

그 때, 회전 공구에 의한 접합이 개시되는 위치에 있어서, 진행 방향에 수직인 방향의 표면의 최고 온도 T_U 가,

0.6 × T_Ac1 ＜ T_U ＜ 1.8 × T_Ac1

의 범위를 만족하고, 또한 온도 T_L ＝ 0.6 × T_Ac1 을 상회하는 가열 영역의 폭 L 이, 상기 회전 공구의 숄더부의 직경 d 에 대하여,

0.3 × d ≤ L ≤ 2.0 × d

의 관계를 만족하는 마찰 교반 접합 방법.

또한, T_Ac1 (℃) 은 강판의 첨가 원소량을 사용하여, 다음 식으로 정의되는 온도로 한다.

T_Ac1 ＝ 723 － 10.7[％Mn] － 16.9[％Ni] ＋ 29.1[％Si] ＋ 16.9[％Cr] ＋ 290[％As] ＋ 6.38[％W]

여기서, [％M] 은, M 원소의 강판 중의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.

2. 상기 1 에 있어서, 미접합부를 사이에 두고, 접합 툴에 대향하는 위치에 배치하는 백킹재의 열전도율 TC_B 가, 강판의 열전도율 TC_S 에 대하여

0.5 × TC_S ≤ TC_B ≤ 1.0 × TC_S

의 관계를 만족하는 마찰 교반 접합 방법.

3. 상기 1 또는 2 에 있어서, 가열 장치가 고주파 유도 가열 장치이고, 그 가열 장치의 사용 주파수를 20 ㎑ 이상 360 ㎑ 이하로 하는 마찰 교반 접합 방법.

4. 상기 1 ∼ 3 중 어느 하나에 있어서, 2 장 이상의 강판의 각 C 량 중, 보다 다량으로 C 를 함유하는 강판의 C 량을 0.1 질량％ 이상 0.6 질량％ 이하로 하는 강판의 마찰 교반 접합 방법.

5. 상기 1 에 기재된 마찰 교반 접합 방법에 있어서,

회전 공구의 진행 방향의 후방에, 접합부의 재가열을 담당하는 후방 가열 장치를 배치하고, 그 후방 가열 장치에 의해 재가열되는 영역의 재가열 후의 최고 온도를 T_p 로 할 때, 이 T_p 가,

0.6 × T_Ac1 ≤ T_p ≤ 1.2 × T_Ac1

의 관계를 만족하는 강판의 마찰 교반 접합 방법.

또한, T_Ac1 (℃) 은 강판의 첨가 원소량을 사용하여, 다음 식으로 정의되는 온도로 한다.

T_Ac1 ＝ 723 － 10.7[％Mn] － 16.9[％Ni] ＋ 29.1[％Si] ＋ 16.9[％Cr] ＋ 290[％As] ＋ 6.38[％W]

여기서, [％M] 은, M 원소의 강판 중의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.

6. 상기 5 에 있어서, 회전 공구와 후방 가열 장치 사이에, 접합부의 냉각을 담당하는 냉각 장치를 배치하여 강판을 냉각시키는 강판의 마찰 교반 접합 방법.

7. 상기 1 ∼ 6 중 어느 하나에 기재된 마찰 교반 접합 방법을 사용하는 강판의 접합 이음매의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 빠른 접합 속도하에서, 용접 결함이나 툴 파손 등이 없는 강판의 접합이 가능해진다.

도 1 은 맞댄 강판에 대하여 마찰 교반 접합을 실시하는 경우의 일반적인 접합 요령을 나타낸 도면이다.
도 2 는 가열 장치로서 가스 불꽃을 사용한 경우의 마찰 교반 접합 요령을 나타낸 도면이다.
도 3 은 접합 툴의 진행 방향의 전방에 있어서, 다양한 조건으로 강판을 가열하면서 접합을 실시한 경우에 있어서의, 접합 개시 위치에서의 온도 조건과 접합 결함이나 툴 파손의 유무 및 이음매 효율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시에 사용한 마찰 교반 접합 장치를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은, 2 장 이상의 강판을 중첩하거나, 또는 맞댄 미접합부에, 회전 공구를 삽입하고, 이 회전 공구를 회전시키면서 접합하는 부분을 따라 이동시키고, 이 회전 공구와 상기 강판의 마찰열에 의한 강판의 연화와, 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 이용하여 강판끼리를 접합하는 마찰 교반 접합에 관한 것이다. 이 때, 사용하는 마찰 교반 접합 장치로는, 회전 공구를 가압, 회전하여 강판을 접합할 수 있는 것이면 무엇이어도 되고, 위치 제어인지 가압 제어인지 등의 제어 방법은 불문한다.

회전 공구로는, 통상, 숄더라고 불리는 평탄부와, 숄더와 동심인 프로브라고 불리는 돌기를 갖는 공구가 사용된다. 프로브의 형상은 불문하며, 나사상의 스파이럴 등의 가공이 실시되어 있어도 된다. 또, 재질에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 세라믹스나 고온 강도가 우수한 금속재가 바람직하다.

도 3 에, 접합 툴의 진행 방향의 전방에 있어서, 다양한 조건으로 강판을 가열하면서 접합을 실시한 경우에 있어서의, 접합 개시 위치에서의 온도 조건과 접합 결함이나 툴 파손의 유무 및 이음매 효율의 관계에 대하여 조사한 결과를 나타낸다. 이 데이터는, 숄더 직경 d 가 12 ㎜ 인 접합 툴을 사용하고, 접합 속도 : 1 m/min 이고, Ac₁ 온도가 720 ℃ 이고 판두께가 1.0 ∼ 3.0 ㎜ 인 강판에 대하여, 맞댐 또는 중첩 접합을 다양하게 실시하여 얻어진 것이다.

동 도면에 나타낸 바와 같이, 접합 개시 위치에서는, 진행 방향에 수직인 방향의 표면에 있어서 온도 분포가 발생하는데 그 중의 최고 온도를 T_U 로 할 때, 이 T_U 가

0.6 × T_Ac1 ＜ T_U ＜ 1.8 × T_Ac1

의 범위를 만족하고, 또한 온도 T_L (＝ 0.6 × T_Ac1) 을 초과하는 가열 영역의 폭 L 이, 회전 공구의 숄더부의 직경 d 에 대하여,

0.3 × d ≤ L ≤ 2.0 × d

의 관계를 만족하는 경우에, 접합 결함의 발생이나 툴의 파손 없이, 나아가 이음매 효율로서, 이음매 강도가 모재 강도의 8 할을 초과하는 고강도 이음매가 얻어지고 있다.

여기에, T_Ac1 (℃) 은, 강판의 첨가 원소량을 사용하여 다음 식으로 정의되는 온도이며, 강의 Ac₁ 점에 상당한다.

T_Ac1 ＝ 723 － 10.7[％Mn] － 16.9[％Ni] ＋ 29.1[％Si] ＋ 16.9[％Cr] ＋ 290[％As] ＋ 6.38[％W]

여기서, [％M] 은, M 원소의 강판 중의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.

최고 온도 T_U 를 0.6 × T_Ac1 초과까지 온도를 올림으로써, 강판의 바람직한 연화에 의해 고속으로의 접합이 가능해진다. 한편, 이 최고 온도 T_U 가 1.8 × T_Ac1 이상으로 높아지면, 마찰 교반 접합의 원리인 소성 유동이 반대로 저감되어, 용접 결함의 원인이 된다.

또, 가열 수단에 대해서는, 소정의 온도까지의 가열이 가능하면 어느 것이어도 되고, 특별히 한정되지는 않지만, 고주파 유도 가열이나 레이저광 등을 사용하는 가열 수단이 유리하게 적합하다.

특히, 고주파 가열 장치를 사용하는 경우에는, 가열 효율 및 가열 범위를 고려하면, 사용 주파수를 20 ㎑ 이상 360 ㎑ 이하로 하는 것이 바람직하고, 이러한 주파수의 장치를 사용함으로써, 상기한 온도 범위에 대한 제어가 용이해진다.

접합 툴과 가열 장치의 위치 관계 및 가열 범위에 대해서는, 접합 전에 있어서의 온도가 중요하기 때문에, 진행 방향 전방이면 그 거리, 범위는 불문한다. 그러나, 가열 효율 및 강판에 대한 영향을 고려하면, 가열 장치의 배치 위치는 툴 전방 1 ㎜ 이상 100 ㎜ 까지의 거리, 또 가열 범위는 0.1 ㎠ 에서 100 ㎠ 까지의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 가열 방법은, 툴의 이동과 별개로, 또는 연동하여 동작해도 되고, 예를 들어 툴측이 이동하는 장치의 경우에는, 이 장치에 장착되고, 이 장치와 동일한 속도로 이동하는 가열 장치가, 또 이음매측이 스테이지에 고정되어 스테이지가 움직이는 경우에는, 이 스테이지에 설치된 가열 장치를 생각할 수 있다. 가열 장치로는 유도 가열 장치나 레이저를 들 수 있다.

접합부와 가열 장치의 위치 관계에 대해서는, 상기 서술한 바와 같이, 툴의 진행 방향 전방이면, 그 관계는 불문하지만, 일반적으로 마찰 교반 접합은 툴의 진행 방향과 회전 방향이 동일한 측 (어드밴싱 사이드, 도 1 에서는 좌측) 과, 진행 방향과 회전 방향이 반대인 측 (리트리팅 사이드, 도 1 에서는 우측) 에서는, 어드밴싱 사이드측이, 저항이 높고, 결함이 발생하기 쉬운 것이 알려져 있다. 따라서, 가열 범위를 어드밴싱 사이드측으로 이동시킴으로써, 고속이어도 접합성이 안정된다. 가열 범위를 어드밴싱 사이드측으로 어긋나게 하는 경우에는, 가열 범위 중, 최고 온도에 도달하는 위치가, 접합부 중심선으로부터 어느 정도 어긋나고, 접합부폭 이내인 것이 바람직하다.

또, 접합시에, 백킹재의 열전도율 (TC_B) 이 너무 높으면, 접합시에 있어서의 열 밸런스를 유지할 수 없어, 결함의 원인이 된다. 한편, TC_B 가 너무 낮으면, 입열 과잉의 원인이 된다.

그리고, 본 발명의 TC_B 는, 온도 분포를 적절히 제어하는 관점에서, 피접합재의 열전도율 (TC_S) 과 이하의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

따라서, 백킹재의 열전도율은 피접합재의 열전도율에 대하여 0.5 배 이상 1.0 배 정도로 하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 TC_B 와 TC_S 에 대해서는,

0.5 × TC_S ≤ TC_B ≤ 1.0 × TC_S

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서 대상으로 하는 강판에 대하여, 특별히 제한은 없지만, 본 발명에 의한 마찰 교반 접합 방법은, 첨가 원소에 탄소를 0.1 질량％ 이상 0.6 질량％ 이하의 범위로 포함하는 강판에 대하여 특히 유효하다.

그렇다는 것은, 본 발명을 적용함으로써, 종래의 접합 속도에 비해, 특히 고속으로 접합 가능한 강판이기 때문이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 상정하는 고탄소강의 경우, 급랭에 의한 경화·취화나 잔류 응력의 영향에 의해 접합 후에 균열이 발생하는 경우가 있다. 이 점에 대하여, 본 발명에서는, 접합 후에 접합부를 재가열함으로써 균열의 발생을 억제할 수 있다. 단, 과잉의 재가열은, 보다 넓은 범위에 있어서의 경화·취화의 원인이 될 우려가 있다. 이러한 경화 등을 억제하기 위하여, 재가열했다고 해도, 후방 가열 장치에 의해 가열되는 영역의 재가열 후의 최고 온도 T_p 를, T_Ac1 과의 관계에서

0.6 × T_Ac1 ≤ T_p ≤ 1.2 × T_Ac1

의 범위로 제어할 필요가 있다.

상기 재가열을 실시한 경우에 있어서의, 접합 툴과 후방 가열 장치의 위치 관계 및 재가열 범위에 대해서는, 재가열 그 자체가 중요하기 때문에, 진행 방향 후방이면 그 거리, 범위는 불문한다. 그러나, 효율 및 강판에 대한 영향을 고려하면, 툴 후방 1 ㎜ 이상 200 ㎜ 까지의 거리이고, 가열 범위는 0.1 ㎠ 에서 100 ㎠ 까지의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 재가열 방법은, 툴의 이동과 별개로, 또는 연동하여 동작해도 되고, 예를 들어 툴측이 이동하는 장치의 경우에는, 이 장치에 장착되고, 이 장치와 동일한 속도로 이동하는 가열 장치가, 또 이음매측이 스테이지에 고정되어 스테이지가 움직이는 경우에는, 이 스테이지에 설치된 가열 장치를 생각할 수 있다. 가열 장치로는 유도 가열 장치나 레이저를 들 수 있다.

상기의 재가열을 실시하는 경우, 템퍼링에 의한 균열을 방지하기 위해서는, 접합 툴과 후방 가열 장치 사이에 냉각 장치를 형성하는 것이 유리하다. 이 경우의 냉각 방법으로는, 가스나 미스트, 구리판 접촉 등이 생각된다. 냉각 효율이나 이음매의 산화, 녹 발생의 영향을 생각하면, 불활성 가스의 사용이 바람직하다.

또, 그 냉각 조건은, 냉각 속도 : 50 ∼ 1000 ℃/s 정도로 200 ℃ 이하까지 냉각시키는 것이 바람직하다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고속으로의 강판의 접합이 가능하게 된다.

즉, 마찰 교반 접합에 있어서의 일반적인 접합 속도는 0.05 ∼ 0.2 m/min 정도이지만, 본 발명에 따른 경우에는, 고속으로의 접합이 어렵다고 하는 고탄소강을 접합하는 경우라도 0.5 m/min 이상의 속도로의 접합이 가능해진다.

본 발명의 마찰 교반 접합법에 있어서의 그 밖의 접합 조건에 대해서는 다음과 같다.

툴 회전수 : 100 ∼ 1500 rpm

회전 툴과 가공물의 접합부 사이에서 마찰열을 발생시키고, 그 열에 의해 연화한 접합부를 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 발생시키기 위해서는, 적정한 툴 회전수로 제어할 필요가 있다. 이 툴 회전수가 100 rpm 미만에서는, 발열과 소성 유동이 부족하여 접합부에 미접합부가 발생하거나, 회전 툴에 과대한 부하가 가해져 파손되거나 하는 문제가 발생할 우려가 있다. 한편, 툴 회전수가 1500 rpm 을 초과하면, 발열과 소성 유동이 과대해져 연화한 금속이 접합부로부터 버로서 결손되기 때문에 접합부의 충분한 두께가 얻어지지 않거나, 회전 툴이 과도하게 가열되어 파손되거나 하는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 툴 회전수는 100 ∼ 1500 rpm 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

툴 회전 토크 : 50 ∼ 1000 N·m

회전 툴과 가공물의 접합부 사이에서 마찰열을 발생시키고, 그 열에 의해 연화한 접합부를 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 발생시키기 위해서는, 툴 회전 토크를 적정 범위로 설정할 필요가 있다. 이 툴 회전 토크가 50 N·m 미만에서는, 발열과 소성 유동이 부족하여 접합부에 미접합부가 발생하거나, 회전 툴에 과대한 하중이 가해져 파손되거나 하는 문제가 발생할 우려가 있다. 한편, 툴 회전 토크가 1000 N·m 을 초과하면, 발열과 소성 유동이 과대해져 연화한 금속이 접합부로부터 버로서 결손되기 때문에 접합부의 충분한 두께가 얻어지지 않거나, 회전 툴이 과도하게 가열되어 파손되거나 하는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 툴 회전 토크는 50 ∼ 1000 N·m 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

실시예

(실시예 1)

도 4 에, 본 발명의 실시에 사용한 마찰 교반 접합 장치를 나타낸다. 이 장치는, 접합 툴 (60) 의 진행 방향 전방에 유도 가열 장치 (4) 를, 또 그 후방에 유도 가열 장치 (8) 를 배치하고, 이들 유도 가열 장치에 의해 가열할 수 있는 구조로 되어 있다. 접합 툴 (60) 에는, 텅스텐 카바이드를 기재로 하는 돌기상의 프로브 (62) 와 평탄한 숄더 (61) 를 갖는 형상을 사용하였다. 또, 접합부의 산화를 억제하기 위하여, 아르곤 가스를 접합 툴 (60) 의 진행 방향 전방으로부터 분사하면서 접합을 실시하였다.

또한, 도면 중, 부호 9 는 냉각 장치, 35 는 전원, 40 은 가열 온도 설정 패널이다.

도 4 에 나타낸 마찰 교반 접합 장치를 사용하고, 판두께가 1.2 ㎜ 인 강판 (C : 0.3 질량％, Si : 0.1 질량％, Mn : 1.0 질량％) 에 대하여, 표 1 에 나타내는 조건으로 마찰 교반 접합을 실시하였다. 또한, 이음매의 맞댐은, 각도를 부여하지 않는 이른바 I 형 개선 (開先) 으로 하였다. 또, 유도 가열 장치에 의해 가열할 때의 주파수는 30 ∼ 300 ㎑ 로 하였다.

상기의 마찰 교반 접합을 실시한 경우에 있어서의 접합 가부에 대하여 조사한 결과를 표 1 에 병기한다.

접합 가부에서, ○ 표시는 툴이 파손되지 않고 접합 가능하고, 접합 전체 길이에 걸쳐서 눈으로 볼 수 있는 불량이 없었던 경우, × 표시는 툴이 파손됐거나, 접합 전체 길이의 어딘가에 눈으로 볼 수 있는 불량이 있었던 경우를 나타낸다. 여기서 불량이란, 교반 부족 또는 과잉의 교반에 의해 판두께의 절반 이상의 요철이나 관통 구멍이 있는 경우, 혹은 용접부에 있어서의 균열이 있는 경우를 가리킨다.

표 1 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 마찰 교반 접합한 경우에는, 0.5 m/min 을 초과하는 접합 속도여도, 용접 결함의 발생이 없고, 또 높은 이음매 효율의 접합 이음매를 얻을 수 있었다.

(실시예 2)

실시예 1 과 동일하게, 도 4 에 나타낸 마찰 교반 접합 장치를 사용하여, 표 2 에 나타내는 조건으로 마찰 교반 접합을 실시하였다. 접합 조건은, 실시예 1 의 경우와 거의 동일하지만, 이 실시예 2 에서는, 접합시에 백킹재를 사용하였다.

상기 마찰 교반 접합을 실시한 경우에 있어서의 접합 가부 및 이음매 효율, 나아가 비드폭의 안정성에 대하여 조사한 결과를 표 2 에 병기한다. 비드폭에 대해서는, 최소 비드폭과 최대 비드폭을 계측하고, 그 차이가 최소인 비드폭의 20 ％ 이하인 것을 가지고 안정된다고 하였다.

표 2 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 마찰 교반 접합한 경우에는, 0.5 m/min 을 초과하는 접합 속도여도, 안정적인 비드폭으로, 용접 결함의 발생이 없고, 또 높은 이음매 효율하에서 접합 이음매를 얻을 수 있었다.

(실시예 3)

실시예 1 과 동일하게, 도 4 에 나타낸 마찰 교반 접합 장치를 사용하고, 표 3 에 나타내는 조건으로 마찰 교반 접합을 실시하였다. 접합 조건은, 실시예 1 의 경우와 거의 동일하지만, 이 실시예 3 에서는 냉각 장치 (9) 및 후방 가열 장치 (8) 를 사용하여 접합을 실시하였다.

상기의 마찰 교반 접합을 실시한 경우에 있어서의 이음매 효율 및 동일 조건으로 얻어진 10 개의 샘플의 이음매 효율의 표준 편차에 대하여 조사한 결과를 표 3 에 병기한다.

접합 가부에서, ○ 및 ◎ 은 접합 가능했던 것이고, ◎ 표시는 툴이 파손되지 않고 접합 가능하고, 접합 전체 길이에 걸쳐서 눈으로 볼 수 있는 불량이 없고, 나아가 비드폭이 안정적이었던 경우, ○ 표시는 툴이 파손되지 않고 접합이 가능하고, 접합부에 눈으로 볼 수 있는 불량이 없었던 경우, × 표시는 툴이 파손되었거나, 접합 전체 길이의 어딘가에 눈으로 볼 수 있는 불량이 있었던 경우를 나타낸다. 여기서 불량이란, 교반 부족 또는 과잉의 교반에 의해 판두께의 절반 이상의 요철이나 관통 구멍이 있는 경우, 혹은 용접부에 있어서의 균열이 있는 경우를 가리킨다.

샘플의 이음매 효율의 표준 편차는, 이음매 강도를 모재 강도로 나누어 퍼센티지로 하고, 그 값이 5 ％ 를 초과하고 8 ％ 이하인 것을 △, 3 ％ 를 초과하고 5 ％ 이하인 것을 ○, 3 ％ 이하인 것을 ◎ 로 하여 평가하였다.

표 3 에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 마찰 교반 접합한 경우에는, 0.5 m/min 을 초과하는 접합 속도여도, 용접 결함의 발생이 없고, 또한 높은 이음매 효율하에서, 접합 이음매를 얻을 수 있었다. 특히, 마찰 교반 접합 후, 적절한 재가열 처리 또는 냉각-재가열 처리를 실시한 경우에는, 보다 안정적인 접합 이음매를 얻을 수 있었다.

1, 2 : 피접합 부재
3 : 접합 장치
4 : 유도 가열 장치
8 : 후방 가열 장치
9 : 냉각 장치
10 : 회전 공구
11 : 회전체 상부
12 : 프로브
13 : 미접합부
14 : 접합부
20 : 미접합부
21, 22 : 강판
25 : 접합부
30 : 백킹재
35 : 전원
40 : 가열 온도 설정 패널
60 : 접합 툴 (회전자)
61 : 숄더
62 : 프로브
70 : 가스 불꽃
71 : 가스 노즐부
72 : 가열 장치

Claims (7)

1. 2 장 이상의 강판을 중첩하거나, 또는 맞댄 미접합부에, 회전 공구를 삽입하고, 이 회전 공구를 회전시키면서 접합하는 부분을 따라 이동시키고, 이 회전 공구와 상기 강판의 마찰열에 의해 강판에 연화부를 형성하고, 또한 그 연화부를 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 이용하여 강판끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
   상기 회전 공구의 진행 방향의 전방에 배치한 가열 장치에 의해, 회전 공구에 의한 접합 전에 미접합부를 미리 가열하는 것으로 하고,
   그 때, 회전 공구에 의한 접합이 개시되는 위치에 있어서, 진행 방향에 수직인 방향의 표면의 최고 온도 T_U 가,
   0.6 × T_Ac1 ＜ T_U ＜ 1.8 × T_Ac1
   의 범위를 만족하고, 또한 온도 T_L ＝ 0.6 × T_Ac1 을 초과하는 가열 영역의 폭 L 이, 상기 회전 공구의 숄더부의 직경 d 에 대하여,
   0.3 × d ≤ L ≤ 2.0 × d
   의 관계를 만족하는 조건에서 예열을 실시함과 함께,
   또한, 상기 회전 공구의 진행 방향의 후방에, 접합부의 재가열을 담당하는 후방 가열 장치를 배치하고, 그 후방 가열 장치에 의해 재가열되는 영역의 재가열 후의 최고 온도를 T_p 로 할 때, 이 T_p 가,
   0.6 × T_Ac1 ≤ T_p ≤ 1.2 × T_Ac1
   의 관계를 만족하는 강판의 마찰 교반 접합 방법:
   또한, T_Ac1 (℃) 은 강판의 첨가 원소량을 사용하여, 다음 식으로 정의되는 온도로 한다;
   T_Ac1 ＝ 723 － 10.7[％Mn] － 16.9[％Ni] ＋ 29.1[％Si] ＋ 16.9[％Cr] ＋ 290[％As] ＋ 6.38[％W]
   여기서, [％M] 은, M 원소의 강판 중의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.
2. 제 1 항에 있어서,
   미접합부를 사이에 두고, 접합 툴에 대향하는 위치에 배치하는 백킹재의 열전도율 TC_B 가, 강판의 열전도율 TC_S 에 대하여
   0.5 × TC_S ≤ TC_B ≤ 1.0 × TC_S
   의 관계를 만족하는 강판의 마찰 교반 접합 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   가열 장치가 고주파 유도 가열 장치이고, 그 가열 장치의 사용 주파수를 20 ㎑ 이상 360 ㎑ 이하로 하는 강판의 마찰 교반 접합 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   2 장 이상의 강판의 각 C 량 중, 보다 다량으로 C 를 함유하는 강판의 C 량을 0.1 질량％ 이상 0.6 질량％ 이하로 하는 강판의 마찰 교반 접합 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전 공구와 상기 후방 가열 장치 사이에, 접합부의 냉각을 담당하는 냉각 장치를 배치하여 강판을 냉각시키는 강판의 마찰 교반 접합 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 마찰 교반 접합 방법을 사용하는 강판의 접합 이음매의 제조 방법.

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