KR102021501B1 - 마찰 교반점 접합 방법 및 마찰 교반점 접합 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법은 회전 툴을 회전시키면서 숄더(28)를 제1 피접합물(101) 측에서 제2 피접합물(102)을 향해 압입하는 압입 공정과, 압입 공정에서 숄더의 내부에 유입된 교반 재료를 외부로 밀어내고, 숄더를 압입함으로써 발생한 압입 구멍에 교반 재료를 되메우는 되메우기 공정을 포함하고, 되메우기 공정이 완료되면 보호층(104)의 성분이 교반부(105)의 중앙 부분에 집중한 상태가 되도록 압입 공정에서 숄더를 제1 피접합물과 제2 피접합물의 경계로부터 제2 피접합물 측으로 1mm 이상 압입한다.

Description

마찰 교반점 접합 방법 및 마찰 교반점 접합 장치
본 발명은 마찰 교반 점 접합 방법 및 마찰 교반 점 접합 장치에 관한 것이다.
마찰 교반 점 접합(FSJ; Friction Spot Joining)은 용접 접합이나 리벳 접합의 대안으로 기대되고 있다. 마찰 교반 점 접합에서는 포개진 피접합물에 회전 툴을 압입하고, 마찰열에 의해 두 피접합물을 부분적으로 연화시켜 교반하는 것에 의해 접합을 수행한다. 마찰 교반 점 접합은 숄더와 핀이 고정된 회전 툴을 이용하는 단동식의 마찰 교반 점 접합과, 숄더와 핀이 상대 이동하는 회전 툴을 이용하는 복동식의 마찰 교반 점 접합이 있다. 이 중에서, 복동식의 마찰 교반 점 접합에서는 압입 공정 후에 되메우기 공정이 이루어지고, 회전 툴을 압입함으로써 발생하는 구멍(압입 구멍)에 교반 재료가 되메워지기 때문에, 접합에 의한 흉터가 눈에 띄지 않도록 할 수 있다(특허문헌 1 참조)
일본특허공개 특개2012-196682호 공보
그런데, 피접합물 표면에는 아노다이즈 처리 등의 표면 처리나 프라이머 도장에 의해 모재와는 다른 재료로 이루어진 보호층이 형성되는 경우가 있다. 이 보호층을 가지는 피접합물을 복동식의 마찰 교반 점 접합으로 접합하는 경우, 보호층을 갖지 않는 피접합물을 동일하게 복동식의 마찰 교반 점 접합으로 접합하는 경우에 비해 접합부의 강도가 저하되는 것으로 판명되었다. 나아가, 발명자들은 이러한 접합부의 강도 저하가 복동식의 마찰 교반 점 접합에서 보호막 성분의 분포에 기인하는 것을 발견하였다.
본 발명은 이상과 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 보호층을 가지는 피접합물을 복동식의 마찰 교반 점 접합에 의해 접합하는 경우에 있어서, 접합 강도 저하를 억제할 수 있는 마찰 교반 점 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법은 원통형의 숄더와 해당 숄더의 내부를 이동 가능한 원주형의 핀을 구비하는 회전 툴을 이용하여, 제1 피접합물과 제2 피접합물을 마찰 교반 점 접합에 의해 접합하는 복동식의 마찰 교반 점 접합 방법으로서, 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물 중 적어도 한 쪽의 접합면에는 보호층이 형성되어 있고, 상기 마찰 교반 점 접합 방법은, 상기 회전 툴을 회전시키면서 상기 숄더를 상기 제1 피접합물 측에서 상기 제2 피접합물을 향해 압입하는 것에 의해 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 재료를 부분적으로 교반시켜 교반부를 형성하고, 이 때 다른 교반 재료와 함께 보호층의 성분을 상기 숄더의 내부로 유입시키는 압입 공정과, 상기 회전 툴을 회전시키면서, 상기 압입 공정에서 상기 숄더의 내부에 유입된 교반 재료를 상기 핀에 의해 상기 숄더의 외부로 밀어내는 동시에 상기 숄더를 후퇴시킴으로써, 상기 숄더를 압입함으로써 발생한 압입 구멍에 교반 재료를 되메우는 되메우기 공정을 포함하고, 상기 되메우기 공정이 완료되면 상기 보호층의 성분이 상기 교반부의 중앙 부분에 집중한 상태가 되도록 상기 압입 공정에서 상기 숄더를 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 경계로부터 상기 제2 피접합물 측으로 1mm 이상 압입한다.
여기서, 압입 공정에서는 교반부가 형성되지만, 보호층의 성분은 교반부 전체에 퍼지는 것이 아니고, 교반부의 내부에는 보호층 재료의 밀도가 높은 층, 즉 보호층의 성분을 주성분으로 하는 층(잔존층)이 형성된다. 그리고, 종래의 마찰 교반 점 접합 방법에서는 되메우기 공정을 실시함으로써 잔존층은 보호층이 존재하고 있던 위치 근처까지 이동한다. 이 경우 접합부에 힘을 가하면 잔존층에서 균열이 생겨 버리고, 이것이 접합부의 강도 저하를 초래하는 원인이 된다는 것이 발명자들의 실험에 의해 판명되었다. 이에 대해서, 상기 방법에 따르면, 되메우기 공정에서 잔존층을 교반부의 중심부에 집중시킬 수 있기 때문에 잔존부에서 균열이 생길 수가 없어, 접합부의 강도 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기 마찰 교반 점 접합 방법에 있어서, 상기 되메우기 공정에서 상기 교반부에 대한 상기 숄더의 면압을 상기 압입 공정에서 상기 교반부에 대한 상기 숄더의 면압보다 작게 하여도 좋다.
전술한 바와 같이 압입 공정에서 일정 이상의 압입 깊이까지 숄더를 압입하는 경우 교반부 뿐만 아니라 그 주변 부분의 재료도 유동하기 쉬워진다. 따라서, 되메우기 공정에서 숄더가 교반부를 압압하여 교반부의 주변 부분이 융기하는 현상이 발생할 수 있다. 이에 대해서, 상기와 같이 되메우기 공정에서 교반부에 대한 숄더의 면압을 작게함으로써 이러한 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 마찰 교반 점 접합 방법의 상기 되메우기 공정에서, 90 ~ 175 MPa의 면압으로 상기 숄더를 상기 교반부에 압압하여도 좋다.
이와 같이, 되메우기 공정에서 교반부에 대한 숄더의 면압을 90 ~ 175 MPa라는 비교적 작은 값으로 하면 교반부가 숄더에 압압됨으로써 발생할 수 있는 교반부의 주변 부분의 융기를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 장치는 적어도 하나의 접합면에 보호층이 형성된 제1 피접합물과 제2 피접합물을 마찰 교반 점 접합에 의해 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치로서, 원통형의 숄더와 해당 숄더의 내부를 이동 가능한 원주형의 핀을 구비하는 회전 툴과, 상기 회전 툴을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는 상기 회전 툴을 회전시키면서 상기 숄더를 상기 제1 피접합물 측에서 상기 제2 피접합물을 향해 압입하는 것에 의해 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 재료를 부분적으로 교반시켜 교반부를 형성하고, 이 때 다른 교반 재료와 함께 보호층의 성분을 상기 숄더의 내부로 유입시킨 후, 상기 회전 툴을 회전시키면서, 상기 압입 공정에서 상기 숄더의 내부에 유입된 교반 재료를 상기 핀에 의해 상기 숄더의 외부로 밀어내는 동시에 상기 숄더를 후퇴시킴으로써, 상기 숄더를 압입함으로써 발생한 압입 구멍에 교반 재료를 되메우고, 상기 압입 구멍에 교반 재료를 되메운 때에 상기 보호층의 성분이 상기 교반부의 중앙 부분에 집중한 상태가 되도록, 상기 교반부를 형성하는 때에 상기 숄더를 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 경계로부터 상기 제2 피접합물 측으로 1mm 이상 압입한다.
상술한 마찰 교반 점 접합 방법에 의하면, 보호층을 가지는 피접합물을 접합하는 경우에서 접합 강도 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 마찰 교반 점 접합 장치의 전체도이다.
도 2는 마찰 교반 점 접합 장치의 제어계의 블록도이다.
도 3은 종래의 마찰 교반 점 접합 방법의 압입 공정을 도시하는 개념도이다.
도 4는 종래의 마찰 교반 점 접합 방법의 되메우기 공정을 도시하는 개념도이다
도 5는 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법의 압입 공정을 도시하는 개념도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법의 되메우기 공정을 도시하는 개념도이다.
<접합 장치>
먼저, 본 실시예에 따른 마찰 용접 점 접합 방법(이하, 단순히 「접합 방법」이라고도 한다)에 사용하는 마찰 교반 점 접합 장치(이하, 단순히 「접합 장치」라고도 한다)(100)에 대해 설명한다. 도 1은 접합 장치(100)의 개략도이다. 또한, 도 2는 접합 장치(100)의 제어계의 블록도이다. 접합 장치(100)는 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)(이하, 이들을 통칭하여 「피접합물(103)」이라고 한다)을 마찰 교반 점 접합에 의해 접합하는 장치이며, 본체(10)와, 툴(tool) 유닛(20)과, 제어부(40)를 구비하고 있다.
본체(10)는 C 자형으로 형성된 프레임(11)과, 프레임(11)의 일단 측 부분(도 1의 지면(紙面)의 하방 부분)에 설치되고 피접합물(103)을 지지하는 받침(12)과, 받침(12)에 마주하도록 프레임(11)의 타단 측 부분(도 1의 지면(紙面)의 상방 부분)에 설치되는 툴 유닛 구동부(13)를 구비한다.
툴 유닛 구동부(13)는 툴 유닛(20)을 피접합물(103)로 향하는 방향으로 이동(이하, 「진행」이라고 한다)시킬 수 있는 동시에, 피접합물(103)로부터 멀어지는 방향으로 이동(이하, 「후퇴」라고 한다)시킬 수 있다. 또한, 툴 유닛 구동부(13)에는 툴 유닛 압력 센서(41)가 설치되어 있다(도 2 참조). 여기서, 본 실시예의 툴 유닛 구동부(13)는 랙 앤 피니언 기구에 의해 구성되어 있지만, 볼 나사 기구, 유압 액츄에이터 기구 등으로 구성되어도 좋다.
툴 유닛(20)은 본체(10)의 툴 유닛 구동부(13)에 연결된 툴 유지부(21)와, 툴 유지부(21)에 유지된 클램프(22)와, 마찬가지로 툴 유지부(21)에 유지된 클램프(22)의 내부에 위치하는 회전 툴(23)을 구비한다.
클램프(22)는 원통형의 누름 부재(24)와, 누름 부재(24)를 피접합물(103)을 향해 부세(付勢)하는 가압부(25)를 구비한다. 여기서, 본 실시예에 따른 가압부(25)는 스프링 코일로 구성되어 있지만, 랙 앤드 피니언 기구, 볼 나사기구, 유압 액츄에이터 기구 등으로 구성되어도 좋다.
회전 툴(23)은 회전 모터(26)을 통해 툴 유지부(21)에 설치되어 있다. 따라서, 회전 툴(23)은 툴 유지부(21) 및 피접합물(103)에 대해 회전한다. 또한, 회전 툴(23)은 회전 모터(26)에 연결된 숄더 유지부(27)와, 숄더 유지부(27)에 유지된 숄더(28)와, 숄더(28)의 내부에 위치하는 핀(29)을 구비한다.
숄더(28)는 누름 부재(24)의 내측에 위치하며, 원통형 형상을 가지고 있다. 숄더(28)의 중심축은 회전 툴(23)의 회전축과 일치한다. 마찰 교반 점 접합을 할 때는 숄더(28)는 회전하면서 피접합물(103)에 압입된다.
핀(29)은 원주형의 형상을 가지고 있다. 핀(29)의 중심축은 회전 툴(23)의 회전축 및 숄더(8)의 중심축과 일치한다. 핀(29)은 핀 구동부(30)를 통해 숄더(28)에 연결되어 있다. 핀 구동부(30)는 핀 (29)을 숄더(28)의 내부를 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 피접합물(103)에 대한 핀(29)의 축 방향 위치는 툴 유닛(20)의 이동량과 숄더(28)에 대한 핀(29)의 이동량에 의해 결정된다. 또한, 핀(29)은 숄더(28)와 함께 회전한다.
제어부(40)는 CPU, ROM, RAM 등으로 구성되어 있으며, 회전 툴(23)을 포함하는 접합 장치(100) 전체를 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(40)는 툴 유닛 압력 센서(41)와 전기적으로 연결되어 있고, 툴 유닛 압력 센서(41)로부터 전송된 측정 신호에 기초하여 툴 유닛(20)을 피접합물(103)에 눌렀을 때의 툴 유닛의 압압력(押壓力)(이하, 「툴 유닛 압압력」이라고 한다)을 얻을 수 있다. 또한, 취득한 툴 유닛 압압력 및 클램프(22)의 부세력(툴 유닛(20)의 이동량으로부터 산출)에 기초하여 피접합물(103)을 눌렀을 때의 숄더(28)의 압압력(이하, 「숄더 압압력」이라고 한다)을 산출할 수 있다. 숄더 압압력은 접합 장치(100)와 별도로 설치된 외부 장치(예를 들어 외부 PC)에서 산출하여도 좋고, 제어부(40)에서 산출하여도 좋다.
또한, 제어부(40)는 툴 유닛 구동부(13), 회전 모터(26) 및 핀 구동부(30)와 전기적으로 연결되어 있으며, 이러한 기기에 제어 신호를 전송함으로써 각각의 툴 유닛(20)을 임의의 이동량 및 이동 속도로 이동시킬 수 있고, 회전 툴(23)을 임의의 회전 속도(이하, 「툴 회전 속도」라고 한다)로 회전시킬 수 있으며, 숄더(28)에 대해 핀(29)을 임의의 이동량 및 이동 속도로 이동시킬 수 있다. 여기서, 숄더(28)의 이동량 및 이동 속도는 툴 유닛(20)의 이동량 및 이동 속도와 같다.
이상이 접합 장치(100)의 설명이다. 이상에서 설명한 접합 장치(100)에서는 클램프(22), 숄더(28) 및 핀(29)은 일체로 진행 및 후퇴하도록 구성되어 있고, 숄더(28) 및 핀(29)은 일체로 회전하도록 구성되어 있다. 그러나 클램프(22), 숄더(28) 및 핀(29)은 서로 독립적으로 이동 또는 회전하도록 구성되어도 좋다. 또한, 도 1에서는 제1 피접합물(101) 및 제2 피접합물(102)이 평판 형상의 부재로 도시되어 있지만, 제1 피접합물(101) 및 제2 피접합물(102)은 평판 형상의 부재로 한정되지 않는다.
<종래의 접합 방법>
이어서, 본 실시예에 따른 접합 방법을 설명하기 전에 종래의 접합 방법에 대해 설명한다. 도 3 및 도 4는 종래의 접합 방법을 도시한 개념도이다. 도 3 및 도 4는 요부인 숄더(28), 핀(29), 제1 피접합물(101) 및 제2 피접합물(102)만을 도시하고 있다(도 5 및 도 6도 같다).
여기서, 접합 대상인 제1 피접합물(101) 및 제2 피접합물(102)은 알루미늄 합금이고, 제1 피접합물(101)의 제2 피접합물(102)과 접하는 면(접합면)에는 보호층(104)이 형성되어 있고, 제2 피접합물(102)의 제1 피접합물(101)과 접하는 면(접합면)에도 보호층(104)이 형성되어 있는 것으로 한다. 또한, 보호층(104)은 아노다이즈 처리층, 도장층, 클래드 층, 실링 층 등이 포함된다.
종래의 접합 방법에는 압입 공정(도 3)과 되메우기 공정(도 4)이 포함된다. 각 공정은 제어부(40)가 툴 유닛 구동부(13), 회전 모터(26) 및 핀 구동부(30)에 제어 신호를 전송하고 회전 툴(23)의 동작을 제어함으로써 이루어진다.
압입 공정에서는 숄더(28)를 피접합물(103)에 압입한다. 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전 툴(23)을 회전시키면서 숄더(28)를 제1 피접합물(101) 측에서 제2 피접합물(102)을 향해 진행시킨다. 이때, 핀(29)은 후퇴한 상태로 둔다. 여기서, 숄더(28)는 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 경계로부터 제2 피접합물(102) 측에 0.1 ~ 0.3 mm인 곳까지 압입한다.
이 압입 공정에 의해 제1 피접합물(101) 및 제2 피접합물(102)의 재료가 마찰열에 의해 부분적으로 연화되고, 숄더(28)의 회전에 의해 연화된 재료는 교반된다. 그 결과, 숄더(28)에 의해 교반된 재료(교반 재료)로 이루어진 교반부(105)(사선 부분)가 형성된다. 이때, 제1 피접합물(101)의 모재의 성분, 제2 피접합물(102)의 모재의 성분 및 보호층(104)의 성분이 숄더(28)의 내부로 유입된다.
여기서, 압입 공정에 의해 보호층(104)의 성분은 교반부(105) 전체에 퍼지는 것은 아니고, 어느 정도 굳어진 상태에서 유동한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 보호층(104)의 성분의 밀도가 높은 층, 즉 보호층(104)의 성분을 주성분으로 하는 층(이하, 「잔존 층(106)」이라고 한다)이 형성된다. 그리고, 압입 공정에 의해 잔존층(106)은 숄더(28)의 내부로 유입된다.
한편, 상기 압입 공정에서는 피접합물(103)에 숄더(28)가 압입되기 때문에, 그대로 숄더(28)를 후퇴시켜 교반부(105)가 식어 굳어지면, 숄더(28)가 압입되어 있던 부분에 압입 구멍이 형성되어 버린다. 그래서, 교반부(105)에 압입 구멍이 형성되지 않도록 압입 공정에 이어서 이하에서 설명하는 매 되메우기 공정을 실시한다.
되메우기 공정에서는 회전 툴(23)을 회전시키면서 숄더(28)에 대해 핀(29)을 진행시킨다. 이에 따라서, 숄더(28)의 내부에 유입된 교반 재료는 핀(29)에 의해 숄도(28)의 외부로 밀려 나온다. 그리고, 숄더(28)의 내부에서 밀려 나온 교반 재료는 숄더(28)의 진행 방향 측의 단면(도 3에서 하면)에 힘을 가하여 숄더를 후퇴시키는 동시에, 숄더(28)가 압입하였던 부분(압입 구멍)에 유입된다. 이상의 동작은 핀(29)의 피접합물(103)에 접촉하는 면과 숄더(28)의 피접합물(103)에 접촉하는 면의 축 방향 위치가 일치할 때까지 계속된다. 이에 따라서, 압입 구멍이 교반 재료에 의해 되메워지고, 제1 피접합물(101)의 표면이 평평하게 된다.
여기서, 되메우기 공정에서는 숄더(28)는 후퇴하지만, 이것은 교반 재료에 의해 숄더(28)가 밀어 올려지는 것에 의한 것이다. 따라서, 숄더(28)는 피접합물(103)를 압압하는 채로 후퇴한다. 즉, 숄더(28)는 도 4의 흰색 화살표로 표시된 방향으로 이동하지만, 이 이동 방향과는 반대 방향으로 피접합물(103)(교반부(105))를 압압한다. 그 때의 숄더(28)에 의한 압압력(숄더 압압력)는 200 MPa 정도이다.
되메우기 공정이 완료되면 교반부(105)에서 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 재료가 부분적으로 교반된 상태에서 식어서 경화됨으로써 원주 형태의 접합부가 형성된다. 이에 따라서, 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)가 접합된다.
여기에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 접합 방법은 되메우기 공정에서 압입 구멍에 교반 재료가 되메워지면, 잔존층(106)은 보호층(104)이 존재하고 있던 위치 근처까지 되메워진다. 이에 따라서 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 접합이 완료되면 잔존층(106)의 외주 부분은 접합부(교반부(105))의 외주면 또는 그 근방에까지 이르고 있어서, 잔존층(106)의 외주 부분의 축 방향 위치는 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 경계의 축 방향 위치에 가깝다. 이 경우, 접합부에 힘이 가해지면 잔존층(106)의 외주 부분에서 균열이 발생하기 쉬워진다. 이것을 원인으로, 보호층이 형성된 피접합물끼리를 접합하는 경우, 보호층이 형성되지 않은 피접합물끼리를 접합하는 경우에 비해 접합 강도가 저하되는 것이다.
<실시예에 따른 접합 방법>
다음으로, 본 실시예에 따른 접합 방법에 대해 설명한다. 도 5 및 도 6은 본 실시예에 따른 접합 방법을 도시하는 도면이다. 여기서, 제1 피접합물(101) 및 제2 피접합물(102)의 접합면에는 보호층(104)이 형성되어 있는 것으로 한다.
본 실시예에 따른 접합 방법에는 종래의 접합 방법과 마찬가지로, 압입 공정(도 5)과 되메우기 공정(도 6)이 포함된다. 각 공정은 제어부(40)가 툴 유닛 구동부(13), 회전 모터(26) 및 핀 구동부(30)에 제어 신호를 전송하고, 회전 툴(23)을 제어함으로써 이루어진다.
본 실시예의 압입 공정에서는, 종래의 압입 공정과 마찬가지로 회전 툴(23)을 회전시키면서 숄더(28)를 제1 피접합물(101) 측에서 제2 피접합물(102)을 향해 진행시켜 압입한다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 숄더(28)의 피접합물(103)에의 압입 깊이는 종래의 접합 방법의 압입 깊이에 비해 크다(도 3 참조). 구체적으로는, 본 실시예에서는 숄더(28)를 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 경계로부터 제2 피접합물(102) 측으로 1mm 이상 압입한다.
이와 같이, 숄더(28)의 압입 깊이를 증가시키면 압입 깊이가 작은 경우에 비해 교반부(105)의 범위가 제2 피접합물(102) 측으로 확대된다. 따라서, 숄더(28)의 내부로 유입되는 교반 재료 중 제1 피접합물(101)의 모재의 성분 및 보호층(104)의 성분의 양은 기존의 압입 공정의 경우에 비해 거의 동일하지만, 제2 피접합물(102)의 모재의 성분은 크게 증가한다.
여기서, 압입 공정에서 숄더(28)의 압입을 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 경계 부근에서 멈춰 버리면, 제1 피접합물(101)의 교반 재료가 제2 피접합물(102) 측에 밀어 넣을 만큼만 되어서, 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)은 충분히 혼합되지 않는다. 이러한 경향은 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 경계에 보호층(104) 등의 불순물이 존재하는 경우에 특히 현저하다.
이어서, 본 실시예의 되메우기 공정에서는, 종래의 되메우기 공정과 마찬가지로 회전 툴(23)을 회전시키면서 숄더(28)의 내부에 유입된 교반 재료를 핀(29)에 의해 숄더(28)의 외부로 밀어내어, 숄더(28)를 후퇴시킨다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 접합 방법에서는, 압입 공정에서 숄더(28)의 내부로 유입되는 제2 피접합물의 모재의 성분이 증가되어 있다. 따라서, 되메우기 공정에서는 숄더(28)가 후퇴함에 따라서, 숄더(28)가 압입하고 있던 부분(압입 구멍)에 제2 피접합물의 모재의 성분이 많이 유동한다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 되메우기 공정이 완료되면, 교반부(105)(접합부)의 외주면 부근에는 제1 피접합물(101) 또는 제2 피접합물(102)의 모재의 성분이 확산하여, 잔존층(106)이 교반부(105)의 내측에 갇힌 상태가 된다. 즉, 보호층(104)의 성분은 교반부(105)의 중앙 부분에 집중된 상태가 된다. 또한, 다시 말하면, 교반부(105)의 외주 부분에 비해 교반부(105)의 중심축 부근 쪽이 그 부분에서 교반 재료에 대한 보호층(104)의 성분의 비율이 크다.
따라서 보호층(104)의 성분은 교반부(105)의 외주 부분에는 거의 도달하지 않는다. 또한, 잔존층(106)의 외주 부분의 축 방향 위치는 제1 피접합물(101)과 제2 피접합물(102)의 경계의 축 방향 위치로부터 떨어져 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 접합 방법에 의해 형성된 접합부는 종래의 접합 방법에 의해 형성된 접합부에 비해 강도가 높아진다.
또한, 제2 피접합물(102)의 모재는 숄더(28)에 직접 접촉하는 부분이 많아 비교 유동성이 높다. 따라서, 되메우기 공정에서 숄더(28)를 빠르게 후퇴시키면 숄더(28)가 후퇴함으로써 생기는 공간(압입 구멍)에는 제2 피접합물(102)의 모재의 성분이 우선적으로 유입되어 잔존층(106)을 제2 피접합물(102)의 모재로 덮을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 숄더(28)의 압입 깊이가 크고, 마찰에 의한 열량이 많아 지기 때문에 보다넓은 범위에서 재료가 유동하기 쉬워진다. 따라서, 되메우기 공정에서 숄더 압압력을 종래의 접합 방법과 동일한 정도의 압력으로 하면, 숄더(28)에 직접 압압되는 부분의 외측의 부분은 클램프(22)의 부세력에 대항하여 융기하고, 접합부와 그 주변 부분 사이에 큰 단차가 생겨 버린다.
따라서, 본 실시예에 따른 되메우기 공정에서는 종래의 접합 방법의 경우에 비해 숄더 압력을 작게 한다. 예를 들어, 본 실시예에서는 되메우기 공정에서 교반부(105)에 대한 숄더(28)의 면압(숄더 압력)을 압입 공정에서 교반부(105)에 대한 숄더(28)의 면압(숄더 압력)보다 작게 한다. 보다 구체적으로는 90 ~ 175 MPa의 면압으로 숄더(28)를 교반부(105)에 압압한다. 이에 따라서, 되메우기공정에 의해 발생할 수 있는 접합부와 그 주변 부분 사이의 단차를 작게 하거나 없앨 수 있다.
여기서, 되메우기 공정에서 융기가 발생할 수 있는 부분은 교반부(105)의 반경 방향 바깥 쪽 부분, 즉 클램프(22)에 대응하는 부분이다. 따라서, 클램프(22)에 의한 압압력을 증가시켜서 융기를 억제 하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 클램프(22)를 구동시키는 기구가 별도로 필요하여, 접합 장치(100)의 대형화 및 복잡화를 초래할 우려가 있다. 따라서, 상기와 같이, 되메우기 공정에서 숄더 압력을 줄이는 방법은 접합 장치(100)의 대형화 및 복잡화를 억제할 수 있다는 점에서 효과적이다.
이상이 본 실시예에 따른 접합 방법의 설명이다. 이상에서 설명한 접합 방법은 압입 공정 및 되메우기 공정에 대해서만 설명했지만, 접합 방법은 압입 공정 및 되메우기 공정 이외의 공정을 포함하여도 좋다. 예를 들어, 접합 방법은 압입 공정 전에 숄더(28) 및 핀(29)을 회전시키면서 제1 피접합물(101)의 표면에 접촉시켜 그 표면을 가열하는 공정 등을 포함하여도 좋다.
23: 회전 툴
28: 숄더
29: 핀
40: 제어부
100: 마찰 교반 점 접합 장치
101: 제1 피접합물
102: 제2 피접합물
104: 보호층
105: 교반부

Claims (4)

  1. 원통형의 숄더와 상기 숄더의 내부를 이동 가능한 원주형의 핀을 구비하는 회전 툴을 이용하여, 제1 피접합물과 제2 피접합물을 마찰 교반 점 접합에 의해 접합하는 복동식의 마찰 교반 점 접합 방법으로서, 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물 중 적어도 한 쪽의 접합면에는 보호층이 형성되어 있고,
    상기 마찰 교반 점 접합 방법은,
    상기 회전 툴을 회전시키면서 상기 숄더를 상기 제1 피접합물 측에서 상기 제2 피접합물을 향해 압입하는 것에 의해 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 재료를 부분적으로 교반시켜 교반부를 형성하고, 이 때 다른 교반 재료와 함께 보호층의 성분을 상기 숄더의 내부로 유입시키는 압입 공정과,
    상기 회전 툴을 회전시키면서, 상기 압입 공정에서 상기 숄더의 내부에 유입된 교반 재료를 상기 핀에 의해 상기 숄더의 외부로 밀어내는 동시에 상기 숄더를 후퇴시킴으로써, 상기 숄더를 압입함으로써 발생한 압입 구멍에 교반 재료를 되메우는 되메우기 공정을 포함하고,
    상기 되메우기 공정이 완료되면 상기 보호층의 성분이 상기 교반부의 중앙 부분에 집중한 상태가 되도록, 상기 압입 공정에서 상기 숄더를 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 경계로부터 상기 제2 피접합물 측으로 1mm 이상 압입하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 되메우기 공정에서 상기 교반부에 대한 상기 숄더의 면압을 상기 압입 공정에서 상기 교반부에 대한 상기 숄더의 면압보다 작게하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 되메우기 공정에서 90 ~ 175 MPa의 면압으로 상기 숄더를 상기 교반부에 압압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  4. 하나 이상의 접합면에 보호층이 형성된 제1 피접합물과 제2 피접합물을 마찰 교반 점 접합에 의해 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치로서,
    원통형의 숄더와, 상기 숄더의 내부를 이동 가능한 원주형의 핀을 구비하는 회전 툴과, 상기 회전 툴을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 회전 툴을 회전시키면서 상기 숄더를 상기 제1 피접합물 측에서 상기 제2 피접합물을 향해 압입하는 것에 의해 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 재료를 부분적으로 교반시켜 교반부를 형성하고, 이 때 다른 교반 재료와 함께 보호층의 성분을 상기 숄더의 내부로 유입시킨 후, 상기 회전 툴을 회전시키면서, 상기 숄더의 내부에 유입된 교반 재료를 상기 핀에 의해 상기 숄더의 외부로 밀어내는 동시에 상기 숄더를 후퇴시킴으로써, 상기 숄더를 압입함으로써 발생한 압입 구멍에 교반 재료를 되메우고, 상기 압입 구멍에 교반 재료를 되메운 때에 상기 보호층의 성분이 상기 교반부의 중앙 부분에 집중한 상태가 되도록, 상기 교반부를 형성하는 때에 상기 숄더를 상기 제1 피접합물과 상기 제2 피접합물의 경계로부터 상기 제2 피접합물 측으로 1mm 이상 압입하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 장치.
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