KR102090416B1 - 금속재의 저온 접합 방법 및 접합 구조물 - Google Patents

Abstract

각종 고장력강이나 알루미늄의 접합부 및 열영향부에 있어서의 기계적 특성의 저하를 효과적으로 억제할 수 있는 간편한 저온 접합 방법 및 상기 저온 접합 방법에 의해서 얻어지는 접합 구조물을 제공한다. 2개의 금속재를 피접합부에 있어서 대향시켜서 피접합 계면을 형성하고, 피접합부에 소정의 회전 속도로 회전시킨 회전 툴을 압입함으로써 2개의 금속재를 접합하는 방법으로서, 회전 툴의 최외주의 주속을 51 mm/s 이하로 함으로써, 피접합부에 강스트레인을 도입하여 금속재가 본래 갖는 재결정 온도를 저하시키고, 접합 온도를 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로서 피접합 계면에 재결정립을 생성시키는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.

Description

금속재의 저온 접합 방법 및 접합 구조물

본 발명은 금속재끼리를 직접 접합하는 저온 접합 방법 및 상기 저온 접합 방법에 의해서 얻어지는 접합 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 접합부 및 열영향부에 있어서의 기계적 특성의 저하를 효과적으로 억제할 수 있는 저온 접합 방법 및 상기 저온 접합 방법에 의해서 얻어지는 접합 구조물에 관한 것이다.

강철이나 알루미늄 합금 등의 금속 재료의 고강도화에 수반하여, 접합 구조물의 기계적 특성을 율속(律速, rate-limiting)하는 접합부에서의 강도 저하가 심각한 문제가 되고 있다. 이에 대해, 최근, 접합 중의 최고 도달 온도가 피접합재의 융점에 이르지 않고, 접합부에 있어서의 강도 저하가 종래의 용융 용접과 비교하여 작은 마찰 교반 접합이 주목되고, 급속히 실용화가 진행되고 있다.

그러나 고상(固相) 접합인 마찰 교반 접합을 이용했을 경우라도, 고장력강이나 열처리형 알루미늄 합금에 관해서는 접합부에서의 강도 저하를 억제하는 것이 곤란하고, 접합 구조물에 있어서 이들의 금속 재료가 본래 갖는 기계적 특성이 충분히 활용되고 있지 않다.

여기서, 예를 들어 특허문헌 1(일본 공개특허공보 2005-131679호)에서는, 열처리형 알루미늄 합금재를 마찰 교반 접합하는 방법으로서, 상기 열처리형 알루미늄 합금재에 T4 조질(調質)을 실시한 후, 또한 복원 처리를 행하고, 그리고 그 복원 처리가 실시된, 복원 상태에 있는 열처리형 알루미늄 합금재를, 마찰 교반 접합하는 것을 특징으로 하는 열처리형 알루미늄 합금재의 마찰 교반 접합 방법이 개시되고 있다.

상기 특허문헌 1 기재의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 교반 접합부, 열영향부 및 모재 중, 모재의 경도가 가장 작아지도록 조인트를 구성할 수 있고, 교반 접합부나 열영향부에서의 파단을 방지하여, 연성, 나아가서는 프레스 성형성이 우수한 접합재를 유리하게 얻을 수 있다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 2(일본 공개특허공보 2015-057292호)에서는, 적어도 한쪽의 피접합재가 면심 입방 격자 구조를 가지고 재결정 온도가 300℃ 이하의 금속재인 피접합재끼리를 접합부에 있어서 접촉시키고, 상기 접합부에 회전하는 막대 형상의 툴을 삽입하고, 상기 접합부에 냉각한 냉매를 공급함과 함께, 상기 툴을 이동시킴으로써, 상기 피접합재끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 금속재의 마찰 교반 접합 방법이 개시되고 있다.

상기 특허문헌 2에 기재의 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 냉매에 의한 강제 냉각에 의해서, 충분히 전위(轉位)를 포함한 미세 등축립(等軸粒)으로 이루어지는 교반부(攪拌部)를 형성할 수 있는 것으로부터, 면심 입방 격자 구조를 가지고 재결정 온도가 300℃ 이하의 금속재라도 모재와 동등 이상의 조인트 강도를 얻을 수 있다고 하고 있다.

일본 공개특허공보 2005-131679호 일본 공개특허공보 2015-057292호

그러나 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 마찰 교반 접합 방법은, 열처리에 의해서 기준이 되는 모재의 경도를 저하시킴으로써, 상대적으로 접합부의 경도를 상승시키는 것이며, 알루미늄 합금이 본래 갖는 기계적 특성을 활용할 수 없다.

또한, 상기 특허문헌 2에 개시되어 있는 마찰 교반 접합 방법을 이용해도, 고장력강의 접합부에 있어서의 강도 저하를 완전하게 억제할 수 없는 것에 더하여, 냉매 및 냉매 공급 기구를 준비할 필요가 있다.

이상과 같은 종래 기술에 있어서의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 각종 고장력강이나 알루미늄의 접합부 및 열영향부에 있어서의 기계적 특성의 저하를 효과적으로 억제할 수 있는 간편한 저온 접합 방법 및 상기 저온 접합 방법에 의해서 얻어지는 접합 구조물을 제공하는 것에 있다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여, 접합 계면에 재결정립을 형성시켜서 접합을 달성하는 방법에 대해서 예의 연구를 거듭한 결과, 접합 계면에 강스트레인을 도입하면서 승온을 억제하는 것 등이 극히 유효한 것을 발견하여, 본 발명에 도달했다.

즉, 본 발명은,

2개의 금속재를 피접합부에 있어서 대향시켜서 피접합 계면을 형성하고, 상기 피접합부에 소정의 회전 속도로 회전시킨 회전 툴을 압입함으로써 상기 2개의 금속재를 접합하는 방법으로서,

상기 회전 툴의 최외주(最外周)의 주속(周速)을 51 mm/s 이하로 함으로써, 상기 피접합부에 강스트레인을 도입하여 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도를 저하시키고,

접합 온도를 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로서 상기 피접합 계면에 재결정립을 생성시키는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법을 제공한다.

열영향부의 강도 저하를 억제하기 위하여는, 접합 온도를 저하시키는 것이 바람직하다. 여기서, 종래의 마찰 교반 접합에 있어서는, 접합 온도가 피접합재의 융점(K)의 약 7할 정도까지 상승하지만, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 회전 툴을 종래의 마찰 교반 접합에서는 생각할 수 없을 정도로 낮은 회전 속도로 회전시키고, 접합 온도의 상승을 억제함과 함께 강스트레인을 도입하고, 접합 온도를 피접합재인 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로 함으로써, 열영향부의 강도 저하를 억제할 수 있다. 여기서, 회전 툴의 최외주의 주속을 51 mm/s 이하로 함으로써, 회전 툴의 압입 하중 증가에 의한 접합 온도의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 「금속재가 본래 갖는 재결정 온도」는 금속재에 따라서 다르지만, 일반적으로는 금속재의 융점(K)의 약 4할 정도이다.

또한, 접합 온도를 피접합재인 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로 함으로써, 회전 툴의 압입에 의해서 형성되는 교반부의 재결정 입경을 저감할 수 있고, 상기 미세립화에 의해서 교반부의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 금속재의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 회전 속도의 저하 및 상기 압입 하중의 증가에 의해 상기 접합 온도를 저하시키고, 상기 재결정립의 입경을 1 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

일반적인 마찰 교반 접합에 있어서의 접합 온도는, 압입하는 회전 툴의 회전 속도, 압입 하중 및 이동 속도와 밀접하게 관계하고 있는 것이 알려져 있고, 회전 속도 및 압입 하중의 증가, 및 이동 속도의 저하에 수반하여 상승한다. 이에 대해서 본 발명자는, 회전 속도를 극히 작게 설정했을 경우는 압입 하중을 증가시켜도 접합 온도가 크게 상승하는 일이 없고, 한편, 접합 계면 근방에 도입되는 스트레인은 압입 하중의 증가에 의해서 현저하게 상승하는 것을 발견했다.

또한, 회전 툴의 이동 속도는 교반부에 있어서의 결함 형성 및 접합 속도 등의 관점으로부터 적절히 설정하면 좋고, 스팟 접합의 경우는 회전 툴의 압입(押入) 및 인발(引拔) 속도, 선접합(線接合)의 경우는 피접합 계면상에서의 이동 속도를 조절하면 좋다. 또한, 회전 툴의 형상은 본 발명의 효과를 해치지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 여러 가지의 마찰 교반 접합용 툴의 형상을 이용할 수 있다. 일반적으로는 막대 형상의 회전 툴을 이용하지만, 예를 들어 원반 형상의 회전 툴을 이용해도 좋다.

본 발명의 저온 접합 방법은, 접합 조건 및 접합 메커니즘 등의 관점에서 종래의 마찰 교반 접합과는 상이한 것이며, 저온하에서 피접합 계면 근방에 큰 스트레인이 도입되는 것으로, 실제로 재결정이 발생되는 온도가 「금속재가 본래 갖는 재결정 온도」보다 저하되고, 열영향부의 형성이 억제되는 「금속재가 본래 갖는 재결정 온도」 미만으로 피접합 계면에 재결정립을 생성시킴으로써, 양호한 접합이 달성된다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, (1) 금속판의 단부끼리를 맞대어서 접합부로 하고, 회전 툴을 그 가공부의 길이 방향을 따라서 회전시키면서 이동시키면서 금속판끼리를 접합하는 접합, (2) 금속판의 단부끼리를 맞대어서 접합부로 하고, 회전 툴을 그 접합부에서 이동시키지 않고 회전시켜서 접합하는 스팟 접합, (3) 금속판끼리를 접합부에 있어서 중첩하여 맞추어서, 접합부에 회전 툴을 삽입하고, 회전 툴을 그 개소에서 이동시키지 않고 회전시켜서 금속판끼리를 접합하는 스팟 접합, (4) 금속판끼리를 접합부에 있어서 중첩하여 맞추어서, 접합부에 회전 툴을 삽입하고, 회전 툴을 그 접합부의 길이 방향을 따라서 회전시키면서 이동시켜서 금속판끼리를 접합하는 접합의 (1) ~ (4)의 4개의 형태 및 이들의 조합을 포함한다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 회전 툴의 최외주의 주속을 32 mm/s 이하로 하는 것이 바람직하고, 19 mm/s 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 회전 툴의 최외주의 주속을 32 mm/s 이하로 함으로써, 피접합 계면 근방에 있어서의 온도 상승을 억제할 수 있고, 접합 온도를 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로 할 수 있다. 또한, 회전 툴의 최외주의 주속을 19 mm/s 이하로 함으로써, 보다 확실히 접합 온도의 상승을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 압입 하중을, 상기 회전 툴을 회전시키지 않는 상태에서 상기 금속재에 압입할 수 있는 값 이상으로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 마찰 교반 접합에 있어서는, 마찰열에 의한 피접합재의 연화를 이용하여 회전 툴을 압입하지만, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는 접합 온도의 상승이 억제되고 있기 때문에, 피접합재를 소성 변형시키는 형태로 회전 툴을 압입할 필요가 있다. 또한, 큰 하중으로 회전 툴을 피접합재에 압입함으로써, 큰 스트레인을 피접합 계면에 도입할 수 있다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 회전 툴로부터 상기 금속재에 인가되는 응력이, 상기 피접합부의 온도에 있어서의 상기 금속재의 항복 응력 이상이 되는 범위에 있어서, 상기 압입 하중을 상기 피접합부의 온도 상승에 수반하여 저하시키는 것이 바람직하다. 금속재의 항복 응력은 온도의 상승에 수반하여 저하되는 것으로부터, 회전 툴을 금속재에 압입하기 위하여 최저한 필요한 하중도 온도의 상승에 수반하여 저하된다. 즉, 회전 툴을 금속재에 압입 가능한 한에 있어서, 가능한 한 작은 하중을 이용함으로써, 에너지 절약 그리고 저온에서의 접합이 가능해진다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 금속재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것이 바람직하고, 상기 금속재가 열처리형 알루미늄 합금, 가공 강화형 알루미늄 또는 가공 강화형 알루미늄 합금인 것이 보다 바람직하다. 피접합재를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 함으로써, 결정입경(結晶粒徑)의 증가나 회복에 기인하는 접합부의 강도 저하를 억제할 수 있고, 피접합재를 열처리형 알루미늄 합금으로 함으로써, 석출물의 조대화(粗大化)나 고용(固溶)에 기인하는 접합부의 강도 저하에 대해서도 억제할 수 있다. 또한, 피접합재를 가공 강화형 알루미늄 또는 가공 강화형 알루미늄 합금으로 함으로써, 회복이나 재결정에 수반하는 강도 저하를 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 저온 접합 방법은 이재(異材) 접합에도 적합하게 이용할 수 있고, 이재 접합의 경우는 적어도 한쪽의 피접합재에 관해서 본 발명의 특징을 가지고 있으면 좋다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 금속재가 철계 금속인 것이 바람직하고, 고장력강인 것이 보다 바람직하다. 피접합재를 고장력강으로 함으로써, 종래의 접합 기술에서 문제가 되고 있던 열영향부의 형성을 억제할 수 있고, 특히, 모재 경도가 350 HV 미만의 고장력강재에 대해서 본 발명의 저온 접합 방법을 적용함으로써, 모재 경도와 대략 동등의 경도를 갖는(대부분 경도 저하를 일으키지 않는다) 접합부를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법을 이용하는 피접합재에는, 상기의 금속재를 이용하는 것이 바람직하지만, 통상의 마찰 교반 접합(접합 온도가 피접합재의 융점의 7 ~ 8할 정도로 되는 마찰 교반 접합)에 있어서, 접합부(교반부, 열가공 영향부 및 열영향부)의 강도가 모재 강도 미만으로 되는 금속을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 저온 접합 방법을 이용함으로써, 상기 금속재에 관해서도 강도 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법은 종래의 접합 방법과 비교하여 극히 저온에서 접합이 달성되는 것으로부터, 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물의 형성이 문제가 되는 이재 접합에도 적합하게 이용할 수 있고, 예를 들어 알루미늄재와 마그네슘재와의 이재 접합이나 알루미늄재와 강재와의 이재 접합에 적합하게 이용할 수 있다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 상기 회전 툴이 철계 금속제인 것이 바람직하다. 종래의 마찰 교반 접합에 관해, 피접합재를 강철로 하는 경우는 회전 툴의 수명이 큰 문제가 되고 있다. 이에 대해, 고융점 금속이나 세라믹스제의 여러 가지의 회전 툴이 검토되고 있지만, 충분한 수명이 얻어지지 않는 것에 더하여 고가의 툴이 되어 버린다.

본 발명자는 본 발명의 저온 접합 방법의 접합 온도에 착안하여, 상기 접합 온도에 있어서 피접합재인 강철보다 고강도인 철계 금속을 이용하여 회전 툴을 제작했는데, 철계 금속제의 회전 툴로 강재를 접합할 수 있는 것을 발견했다. 회전 툴을 철계 금속제로 함으로써, 강철의 마찰 교반 접합에 종래 사용되어 온 회전 툴과 비교하여, 극히 염가의 회전 툴로 접합을 달성할 수 있다.

또한, 본 발명은,

350 HV 미만의 모재 경도를 갖는 고장력강재의 접합부를 갖고,

상기 접합부에는 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 미세 등축 재결정립을 포함하고,

상기 접합부 및 열영향부의 경도가 대략 상기 모재 경도 이상인 것을 특징으로 하는 접합 구조물도 제공한다.

본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부는 기계적으로 접합된 것이 아니고, 야금적(冶金的)으로 접합되어 있다. 또한, 기본적으로, 접합부는 피접합재인 고장력강재와 대략 동일한 조성을 갖는 미세 등축 재결정립으로 구성되어 있고, 상기 미세 등축 재결정립의 평균 입경이 1 ㎛ 이하로 되어 있는 것으로부터, 모재에 떨어지지 않는 기계적 특성을 가지고 있다.

또한, 일반적으로 고장력강재의 접합부에는 열영향부가 형성되고, 상기 열영향부의 경도는 모재보다 낮아지지만, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는 열영향부의 경도가 모재 경도 이상이 되고 있다. 그 결과, 접합 구조물의 강도 및 신뢰성 등이 접합부에 율속되지 않고, 고장력강재의 기계적 특성을 충분히 이용할 수 있다.

또한, 본 발명은,

적어도 하나 이상의 기재부와,

상기 기재부끼리를 접합한 접합부를 갖고,

상기 기재부는 고장력강재 또는 열처리형 알루미늄 합금재이며,

상기 접합부는 상기 기재부와 대략 동일한 조성을 갖고,

상기 접합부는 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 미세 등축 재결정립을 포함하고,

상기 접합부 및 열영향부의 경도가 상기 기재부의 대략 8할 이상인 것을 특징으로 하는 접합 구조물도 제공한다.

본 발명의 접합 구조물에 있어서, 접합부는 기계적으로 형성된 것이 아니고, 야금적인 접합이 달성되고 있다. 또한, 고장력강재나 열처리형 알루미늄 합금재에 관해서는 접합부에 있어서의 대폭적인 기계적 특성의 저하가 심각한 문제가 되지만, 본 발명의 접합 구조물에서는 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 미세 등축 재결정립에 의해서 피접합 계면이 소실되고 있고, 접합부 및 열영향부의 경도가 기재부의 대략 8할 이상으로 되어 있다.

여기서, 재결정 입경은 온도나 스트레인의 이력에 의해서 변화되기 때문에, 관찰하는 장소에 의해서 다르지만, 접합 계면 및 그 근방에 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 영역이 있으면 좋다. 또한, 상기 평균 입경은, 예를 들어 광학 현미경 또는 주사 전자 현미경에 의한 관찰 화상에 대해서 절편법(切片法)으로 산출하면 좋다.

본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 상기 기재부가 350 HV 이상의 모재 경도를 갖는 고장력강재인 것이 바람직하다. 종래의 용접 기술을 이용했을 경우, 350 HV 이상의 모재 경도를 갖는 고장력강재의 접합부 및 열영향부에서는 대폭적인 경도 저하가 불가피했지만, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는 상기 고경도를 갖는 고장력강재를 기재부에 사용해도 접합부 및 열영향부의 경도 저하가 효과적으로 억제되고 있다.

또한, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 상기 기재부가 350 HV 미만의 모재 경도를 갖는 고장력강재이며, 상기 접합부 및 상기 열영향부의 경도가 대략 상기 모재 경도 이상인 것이 바람직하다. 기재부에 350 HV 미만의 경도를 갖는 고장력강재를 이용함으로써, 접합부 및 열영향부의 경도 저하가 대략 완전하게 억제되고 있다.

또한, 본 발명의 접합 구조물에 있어서는, 상기 기재부가 열처리형 알루미늄 합금재이며,

상기 접합부 및 상기 열처리부의 경도가 상기 모재 경도의 대략 9할 이상인 것이 바람직하다. 열처리형 알루미늄은 용접 시의 온도 상승에 의해서 용이하게 경도 저하가 발생되지만, 기재부에 열처리형 알루미늄 합금재를 이용했을 경우라도, 접합부 및 열처리부의 경도가 모재 경도의 대략 9할 이상을 유지하고 있다.

또한, 본 발명의 접합 구조물은, 상술의 본 발명의 금속재의 저온 접합 방법에 의해서 적합하게 제조할 수 있다.

본 발명에 의하면, 각종 고장력강이나 알루미늄의 접합부 및 열영향부에 있어서의 기계적 특성의 저하를 효과적으로 억제할 수 있는 간편한 저온 접합 방법 및 상기 저온 접합 방법에 의해서 얻어지는 접합 구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 금속재의 저온 접합 방법의 일 양태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 금속재의 저온 접합 방법의 다른 양태를 나타내는 모식도이다.
도 3은 맞댐 접합(선접합) 시의 상황을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부 근방의 개략 단면도이다.
도 5는 점접합(点接合) 시의 피접합재 배치를 나타내는 모식도이다.
도 6은 각 온도에서 템퍼링 처리를 행한 탄소 강판의 SEM 사진 및 EBSD 결정입계상이다.
도 7은 실시예 1에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 8은 실시예 2에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 9는 실시예 3에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 10은 실시예 4에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 11은 실시예 5에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 12는 실시예 6 ~ 8에서 얻어진 접합부의 표면 사진이다.
도 13은 실시예 6에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 14는 비교예 1에서 얻어진 접합부의 단면 사진이다.
도 15는 모재 경도가 350 HV의 경우의 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)이다.
도 16은 모재 경도가 450 HV의 경우의 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)이다.
도 17은 접합부의 최저 경도와 회전 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 접합부의 최저 경도와 모재 경도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 실시예 3에서 얻어진 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)이다.
도 20은 실시예 4에서 얻어진 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)이다.
도 21은 실시예 6에서 얻어진 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)이다.
도 22는 실시예 2 및 비교예 2에서 얻어진 조인트의 전단 인장 강도이다.
도 23은 실시예 1에서 얻어진 접합 계면 근방의 방위맵상(像)이다.
도 24는 실시예 2에서 얻어진 접합 계면 근방의 방위맵상이다.
도 25는 비교예 3에서 얻어진 접합 계면 근방의 방위맵상이다.
도 26은 접합 최고 온도와 툴 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 27은 실시예 3에 있어서의 접합 중의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 금속재의 저온 접합 방법 및 접합 구조물의 대표적인 실시형태에 대해서 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략하는 경우가 있다. 또한, 도면은 본 발명을 개념적으로 설명하기 위한 것이기 때문에, 나타난 각 구성요소의 치수나 그 비율은 실제와는 다른 경우도 있다.

(1) 금속재의 저온 접합 방법

본 발명의 금속재의 저온 접합 방법은, 그 접합 메카니즘은 다르지만, 접합 프로세스는 마찰 교반 접합과 유사하다. 마찰 교반 접합은, FSW(Friction Stir Welding)로 칭해지고, 접합하고자 하는 2개의 금속재로 이루어지는 피접합재 각각의 단부를 맞대고, 회전 툴의 선단에 마련된 돌기부[프로브(probe)]를 양자의 단부의 사이에 삽입하고, 이들 단부의 길이 방향을 따라서 회전 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써, 2개의 금속 부재를 접합하는 방법이다.

본 발명에 있어서의 금속재의 저온 접합 방법은, 상술한 바와 같이, (1) 금속판의 단부끼리를 맞대어서 접합부로 하고, 회전 툴을 그 가공부의 길이 방향을 따라서 회전시키면서 이동시켜서 금속판끼리를 접합하는 접합, (2) 금속판의 단부끼리를 맞대어서 접합부로 하고, 회전 툴을 그 접합부에서 이동시키지 않고 회전시켜서 접합하는 스팟 접합, (3) 금속판끼리를 접합부에 있어서 중첩하여 맞추어서, 접합부에 회전 툴을 삽입하고, 회전 툴을 그 개소에서 이동시키지 않고 회전시켜서 금속판끼리를 접합하는 스팟 접합, (4) 금속판끼리를 접합부에 있어서 중첩하여 맞추어서, 접합부에 회전 툴을 삽입하고, 회전 툴을 그 접합부의 길이 방향을 따라서 회전시키면서 이동시켜서 금속판끼리를 접합하는 접합의 (1) ~ (4)의 4개의 형태 및 이들의 조합을 포함하지만, 이하, 대표적인 형태로서 「(3) 금속판끼리를 접합부에 있어서 중첩하여 맞추어서, 접합부에 회전 툴을 삽입하고, 회전 툴을 그 개소에서 이동시키지 않고 회전시켜서 금속판끼리를 접합하는 스팟 접합」에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 금속재의 저온 접합 방법의 일 양태를 나타내는 모식도이다. 피접합재(2) 및 피접합재(2')를 중첩하여 맞추어서, 저속으로 회전시킨 회전 툴(4)을 큰 하중으로 한쪽의 피접합재로부터 압입함으로써, 접합부(6)가 형성된다.

도 1에 나타내는 것은, 원기둥 형상의 본체부(숄더부)(8)의 바닥면에 원기둥 형상의 돌기부[프로브부(probe portion)](10)를 갖는 회전 툴(4)을 이용했을 경우이며, 돌기부(프로브부)(10)가 하측에 배치한 피접합재(2')를 관통하지 않을 정도로 압입함으로써, 본체부(숄더부)(8)의 하방이며 돌기부(프로브부)(10)의 주위에, 접합부(6)가 형성된다.

또한, 도 2에 나타내는 것은, 원기둥 형상의 본체부(숄더부)(8)의 바닥면에 돌기부(프로브부)(10)를 갖지 않는 회전 툴(4)을 이용했을 경우이며, 회전 툴(4)을 피접합재(2)에 압입함으로써, 접합부(6)가 형성된다. 여기서, 돌기부(프로브부)(10)를 갖지 않는 경우는 회전 툴(4)을 상측에 배치한 피접합재(2)에만 압입하고, 회전 툴(4)의 바닥면 하방에 접합부(6)를 형성시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 금속재의 저온 접합 방법에 있어서는, 회전 툴(4)의 회전 속도, 압입 하중 및 이동 속도를 제어 파라미터로 하여 접합 온도를 조절하고, 접합 온도를 피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로 한다. 여기서, 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」는 그 조성이나 가공 상태(가공도) 등에 의해서 변화되지만, 예를 들어 각 금속의 재결정 온도는 W: 1200℃, Mo: 900℃, Fe: 500℃, Cu: 200 ~ 230℃, Al: 150 ~ 240℃, Mg: 150℃이다[스도우(須藤一) 등, 「금속 조직학」, 마루젠(丸善)(1972)]. 또한, 본 발명에 있어서의 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」는, 피접합재(2, 2')에 대응하는 금속재에서 종래 공지가 되어 있는 값을 이용하면 좋지만, 적절한 보고치가 없는 경우는, 각 온도에서 열처리한 피접합재(2, 2')의 조직 관찰을 행하고, 재결정의 유무를 확인하면 좋다.

또한, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 피접합 계면에 재결정립을 생성시킴으로써 접합을 달성하는 바, 접합 온도를 통상은 재결정이 발생되지 않는 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」 미만으로 하고 있다. 여기서, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는, 온도 상승을 최대한 억제한 상태에서 회전 툴(4)의 압입에 의해서 피접합부에 강스트레인을 도입함으로써, 재결정이 발생되는 온도(실제의 재결정 온도)를 저하시키고 있다. 구체적으로는, 회전 툴(4)의 최외주의 주속을 51 mm/s 이하로 함으로써, 접합 온도의 상승을 억제하면서 상기 피접합부에 강스트레인을 도입하여, 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도를 저하시키고 있다. 또한, 회전 툴(4)의 숄더 직경이 12 mm의 경우, 회전 속도를 80 rpm으로 함으로써 최외주의 주속을 51 mm/s로 할 수 있다. 또한, 접합 온도를 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」 미만으로 함으로써, 접합부에 형성되는 재결정립의 조대화 및 열영향부에 있어서의 경도 저하를 억제할 수 있다.

회전 툴(4)의 형상은, 본 발명의 효과를 해치지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 여러 가지의 마찰 교반 접합용 툴의 형상을 이용할 수 있지만, 원기둥 형상의 본체부(숄더부)의 바닥면에 원기둥 형상의 돌기부(프로브부)를 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 돌기부(프로브부)의 바닥면을 대략 평면으로 함으로써, 피접합 계면 근방에 효율적으로 강스트레인을 도입할 수 있다.

여기서, 회전 툴(4)의 회전 속도의 저하 및 압입 하중의 증가에 의해 접합 온도를 저하시킬 수 있고, 적당한 회전 속도 및 압입 하중을 설정함으로써, 피접합부의 결정립의 입경을 1 ㎛ 이하로 할 수 있다.

회전 툴(4)의 회전 속도는 접합 온도가 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」 미만이 되도록 적절히 조절하면 좋지만, 최외주의 주속을 32 mm/s 이하로 하는 것이 바람직하고, 19 mm/s 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 회전 툴의 최외주의 주속을 32 mm/s 이하로 함으로써, 피접합 계면 근방에 있어서의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 회전 툴의 최외주의 주속을 19 mm/s 이하로 함으로써, 보다 확실히 접합 온도의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 회전 툴(4)의 숄더 직경이 12mm의 경우, 최외주의 주속은 회전 속도를 50 rpm으로 함으로써 32 mm/s가 되고, 30 rpm으로 함으로써 19 mm/s가 된다.

회전 툴(4)의 압입 하중도 접합 온도가 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」 미만이 되도록 적절히 조절하면 좋지만, 회전 툴(4)을 회전시키지 않는 상태에서 피접합재(2, 2')에 압입할 수 있는 값 이상으로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 마찰 교반 접합에 있어서는, 마찰열에 의한 피접합재(2, 2')의 연화를 이용하여 회전 툴(4)을 압입하지만, 본 발명의 저온 접합 방법에 있어서는 접합 온도의 상승이 억제되고 있기 때문에, 피접합재(2, 2')를 소성 변형시키는 형태로 회전 툴(4)을 압입할 필요가 있다. 또한, 큰 하중으로 회전 툴(4)을 피접합재(2, 2')에 압입함으로써, 큰 스트레인을 피접합 계면에 도입할 수 있다.

피접합재(2, 2')는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것이 바람직하고, 피접합재(2, 2')가 열처리형 알루미늄 합금, 가공 강화형 알루미늄 또는 가공 강화형 알루미늄 합금인 것이 보다 바람직하다. 피접합재(2, 2')를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 함으로써, 결정입경의 증가나 회복에 기인하는 접합부의 강도 저하를 억제할 수 있고, 피접합재(2, 2')를 열처리형 알루미늄 합금으로 함으로써, 석출물의 조대화나 고용에 기인하는 접합부의 강도 저하에 대해서도 억제할 수 있다. 또한, 피접합재(2, 2')를 가공 강화형 알루미늄 또는 가공 강화형 알루미늄 합금으로 함으로써, 회복이나 재결정에 수반하는 강도 저하를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 피접합재(2, 2')는 철계 금속인 것이 바람직하고, 고장력강인 것이 보다 바람직하다. 피접합재(2, 2')를 고장력강으로 함으로써, 종래의 접합 기술에서 문제가 되고 있던 열영향부의 형성을 억제할 수 있고, 특히, 모재 경도가 350 HV 미만의 고장력강재에 대해서 본 발명의 저온 접합 방법을 적용함으로써, 모재 경도와 대략 동등의 경도를 갖는(대부분 경도 저하를 일으키지 않는다) 접합부를 얻을 수 있다.

또한, 피접합재(2, 2')에는 통상의 마찰 교반 접합(접합 온도가 피접합재의 융점의 7 ~ 8할 정도가 되는 마찰 교반 접합)에 있어서, 접합부(교반부, 열가공 영향부 및 열영향부)의 강도가 모재 강도 미만이 되는 금속을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 저온 접합 방법을 이용함으로써, 상기 금속재에 관해서도 강도 저하를 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 저온 접합 방법은 종래의 접합 방법과 비교하여 극히 저온에서 접합이 달성되는 것으로부터, 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물의 형성이 문제가 되는 이재 접합에도 적합하게 이용할 수 있고, 예를 들어 알루미늄재와 마그네슘재와의 이재 접합이나 알루미늄재와 강재와의 이재 접합에 적합하게 이용할 수 있다.

회전 툴(4)은 철계 금속제인 것이 바람직하다. 종래의 마찰 교반 접합에 관해, 피접합재(2, 2')를 강철로 하는 경우는 회전 툴(4)의 수명이 큰 문제가 되고 있다. 이에 대해, 고융점 금속이나 세라믹스제의 여러 가지의 회전 툴(4)이 검토 되고 있지만, 충분한 수명이 얻어지지 않는 것에 더하여 고가의 툴이 되어 버린다.

이에 대해, 본 발명의 저온 접합 방법에서는 접합 온도가 「피접합재(2, 2')가 본래 갖는 재결정 온도」 미만으로 저온인 것으로부터, 철계 금속제의 회전 툴(4)로 강재를 접합할 수 있다. 회전 툴(4)을 철계 금속제로 함으로써, 강철의 마찰 교반 접합에 종래 사용되어 온 회전 툴(4)과 비교하여, 극히 염가의 회전 툴(4)로 접합을 달성할 수 있다.

여기서, 철계 금속제의 회전 툴(4)을 이용하여 고장력강재를 접합하는 경우, 접합 중에 회전 툴(4)에 인가되는 전단 응력에 의해서 돌기부(프로브부)를 절단하고, 피접합재(2, 2')의 접합부에 매몰시켜도 좋다. 이 경우, 돌기부(프로브부)의 압입에 의해서 접합부에 형성되는 오목부에 돌기부(프로브부)가 충진되기 때문에, 조인트 강도의 관점에서는 보다 바람직한 접합부가 형성된다. 또한, 회전 툴(4)과 피접합재(2, 2')가 동종의 재료인 것으로부터, 부식 등의 내환경성에 관해서도 심각한 문제가 되지 않는다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 저온 접합 방법은 일반적인 맞댐 접합에 적용할 수 있고, 이 경우는 도 3에 나타내는 형태로, 피접합재(2, 2')를 맞댄 영역에 회전 툴(4)을 압입하고, 맞댐 선을 따라서 이동시킴으로써, 양호한 선접합부를 얻을 수 있다.

(2) 접합 구조물

도 4에, 본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부 근방의 개략 단면도를 나타낸다. 또한, 본 발명의 접합 구조물에 있어서의 접합부의 대표적인 형태로서 도 4에서는 스팟 접합부를 나타내고 있다.

본 발명의 접합 구조물(20)은, 적어도 하나 이상의 기재부(22)와, 기재부(22)끼리를 접합한 접합부(24)를 가지고 있다. 기재부(22)는 고장력강재 또는 열처리형 알루미늄 합금재이며, 접합부(24)는 기재부(22)와 대략 동일한 조성을 가지고 있다. 즉, 접합부(24)의 형성에 관해서 타원소의 적극적인 첨가 등은 이루어지지 않았다.

접합부(24)는 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 미세 등축 재결정립을 포함하고 있고, 특히 접합 계면은 상기 미세 등축 재결정립의 형성에 의해서 형성되어 있다. 또한, 접합부에 있어서의 미세 등축 재결정립의 형성에 의해, 접합부(24) 및 열영향부(26)의 경도는 기재부(22)의 대략 8할 이상으로 되어 있다.

또한, 접합부(24)는 기계적으로 형성된 것이 아니고, 야금적인 접합이 달성되고 있다. 또한, 고장력강재나 열처리형 알루미늄 합금재에 관해서는 접합부(24)에 있어서의 대폭적인 기계적 특성의 저하가 심각한 문제가 되지만, 접합 구조물(20)에서는 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 미세 등축 재결정립에 의해서 피접합 계면이 소실되어 있고, 접합부(24) 및 열영향부(26)의 경도가 기재부의 대략 8할 이상으로 되어 있다.

또한, 접합 구조물(20)에 있어서는, 기재부(22)가 350 HV 이상의 모재 경도를 갖는 고장력강재인 것이 바람직하다. 종래의 용접 기술을 이용했을 경우, 350 HV 이상의 모재 경도를 갖는 고장력강재의 접합부(24) 및 열영향부(26)에서는 대폭적인 경도 저하가 불가피했지만, 접합 구조물(20)에 있어서는 상기 고경도를 갖는 고장력강재를 기재부(22)에 사용해도 접합부(24) 및 열영향부(26)의 경도 저하가 효과적으로 억제되고 있다.

또한, 접합 구조물(20)에 있어서는, 기재부(22)가 350 HV 미만의 모재 경도를 갖는 고장력강재이며, 접합부(24) 및 열영향부(26)의 경도가 대략 모재 경도 이상인 것이 바람직하다. 기재부(22)에 350 HV 미만의 경도를 갖는 고장력강재를 이용함으로써, 접합부(24) 및 열영향부(26)의 경도 저하가 대략 완전하게 억제되고 있다.

또한, 접합 구조물(20)에 있어서는, 기재부(22)가 열처리형 알루미늄 합금재이며, 접합부(24) 및 열처리부(26)의 경도가 모재 경도의 대략 9할 이상인 것이 바람직하다. 열처리형 알루미늄은 용접 시의 온도 상승에 의해서 용이하게 경도 저하가 발생되지만, 기재부(22)에 열처리형 알루미늄 합금재를 이용했을 경우라도, 접합부(24) 및 열처리부(26)의 경도가 모재 경도의 대략 9할 이상을 유지하고 있다.

이상, 본 발명의 대표적인 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니며, 여러 가지의 설계 변경이 가능하고, 그 설계 변경은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

실시예

《실시예 1》

도 5에 나타내는 배치에서 탄소 강판(JIS-S45C)끼리를 중첩하여 맞추고, 상측의 탄소 강판으로부터 회전 툴을 압입하여 점접합을 실시했다. 여기서, 회전 툴에는 WC-Ni 초경(超硬) 합금제의 원기둥 형상 툴(φ12 mm, 프로브 없음)을 이용하고, 탄소 강판의 판두께는 1.0 mm 또는 1.5 mm로 했다. 회전 툴의 회전 속도는 30 rpm 또는 50 rpm, 하중은 12 ton 또는 15 ton, 접합 시간은 10초 또는 30초로 했다. 또한, 상술한 바와 같이 Fe의 재결정 온도는 ~ 500℃이며, 탄소강인 S45C의 재결정 온도는 약 600℃이다.

공시재(供試材)로서 이용한 탄소 강판은, 400℃, 500℃, 600℃의 각 온도에 있어서의 템퍼링 처리로 경도(강도)를 변화시키고 있다. 도 5에 각 온도에서 템퍼링 처리를 행한 탄소 강판의 SEM 사진 및 EBSD 결정입계상을 나타낸다. 또한, SEM 관찰 및 EBSD 측정에는 FE-SEM[니혼덴시가부시키가이샤(日本電子株式會社)제 JSM-7001FA] 및 TSL사제의 OIM data Collection ver 5.31을 이용했다.

도 6에 있어서, 템퍼링 온도의 상승에 수반하는 소각 입계(小角粒界, small angle boundary) 및 탄화물의 감소가 인정되고, 400℃의 경우는 450 HV, 500℃의 경우는 350 HV, 600℃의 경우는 300 HV가 되고 있었다. 또한, 일반적으로 비커스 경도의 약 3배가 인장 강도(MPa)가 되는 것으로부터, 400℃의 경우는 1350MPa, 500℃의 경우는 1050MPa, 600℃의 경우는 900MPa의 인장 강도를 갖는 고장력강에 상당한다.

《실시예 2》

회전 툴에 공구강제[히타치킨조쿠(日立金屬), YXR33]의 원기둥 형상 툴(φ 12 mm, 프로브: φ 4 mm, 길이 1.8 mm)을 사용하고, 회전 툴의 회전 속도를 50 rpm, 하중을 15 ton, 접합 시간을 10초로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 점접합을 실시했다.

《실시예 3》

회전 툴에 공구강제(JIS-SKD61)의 원기둥 형상 툴(φ 12 mm, 프로브: φ 4 mm, 길이 1.8 mm), 피접합재에 저탄소 강판(JIS-SPCC)을 이용하고, 회전 툴의 회전 속도를 50 rpm, 하중을 6 ton, 접합 시간을 60초로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 점접합을 실시했다.

《실시예 4》

도 5에 나타내는 배치에서, 알루미늄 합금판(JIS-A6061-T6)끼리를 중첩하여 맞추고, 상측의 알루미늄 합금판으로부터 회전 툴을 압입하여 점접합을 실시했다. 여기서, 회전 툴에는 WC-Ni 초경 합금제의 원기둥 형상 툴(φ 12 mm, 프로브 없음)을 이용하고, 알루미늄 합금판의 판두께는 1.0 mm로 했다. 회전 툴의 회전 속도는 30 ~ 50 rpm, 하중은 3.5 ~ 8 ton, 접합 시간은 20초 또는 30초로 했다. 또한, 상술한 바와 같이 Al의 재결정 온도는 150 ~ 240℃이며, 알루미늄 합금인 A6061의 재결정 온도는 250 ~ 350℃이다.

《실시예 5》

회전 툴의 형상을 φ 12 mm, 프로브: φ 4 mm, 길이 1 mm로 한 것 외에는 실시예 4와 마찬가지로 하여, 점접합을 실시했다.

《실시예 6》

판두께 3 mm의 순알루미늄판(A1050H24)에 회전 툴을 압입하여 이동시킴으로써, 선 형상의 처리 영역을 형성시켰다. 회전 툴에는 WC-Ni 초경 합금제의 원기둥 형상 툴(φ 12 mm, 프로브: φ 4 mm, 길이 0.9 mm)을 이용했다. 또한, 회전 툴의 회전 속도는 50 rpm, 이동 속도는 10 mm/min로 하고, 회전 툴의 위치 제어로 마찰 교반 처리를 실시했다.

《실시예 7》

회전 속도를 10 rpm으로 한 것 외에는 실시예 6과 마찬가지로 하여, 마찰 교반 처리를 실시했다.

《실시예 8》

회전 속도를 5 rpm으로 한 것 외에는 실시예 6과 마찬가지로 하여, 마찰 교반 처리를 실시했다.

≪비교예 1≫

회전 속도를 200 ~ 1200 rpm, 하중을 4.5 ton, 접합 시간을 10초로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 점접합을 실시했다.

≪비교예 2≫

회전 툴에 WC-Ni 초경 합금제의 원기둥 형상 툴(φ 12 mm, 프로브: φ 4 mm, 길이 1.8 mm)을 이용한 것 외에는 비교예 1과 마찬가지로 하여, 점접합을 실시했다.

≪비교예 3≫

회전 속도를 2500 rpm, 하중을 0.4 ton, 접합 시간을 1.2초로 한 것 외에는 실시예 4와 마찬가지로 하여, 점접합을 실시했다.

[접합부의 단면 관찰]

접합부에 있어서의 결함 형성의 유무 및 접합 계면의 상황 등을 확인하기 위하여, 접합부의 단면을 광학 현미경에 의해서 관찰했다.

실시예 1에서 얻어진 접합부(30 rpm, 15 ton, 30s)의 단면 사진을 도 7에 나타낸다. 회전 툴의 압입에 의해서 상측의 탄소 강판에 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부의 하방에 있어서, 상측의 탄소 강판과 하측의 탄소 강판이 접합되어 있다. 여기서, 상기 접합 영역에 결함 등은 인정되지 않고, 양호한 접합이 달성되고 있는 것을 알 수 있다.

실시예 2에서 얻어진 접합부의 단면 사진을 도 8에 나타낸다. 프로브를 갖는 회전 툴의 압입에 의해서, 상측의 탄소 강판에 상기 회전 툴의 바닥면 형상에 대응한 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부의 하방에 있어서, 상측의 탄소 강판과 하측의 탄소 강판이 접합되어 있다. 여기서, 상기 접합 영역에 결함 등은 인정되지 않고, 양호한 접합이 달성되고 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3에서 얻어진 접합부의 단면 사진을 도 9에 나타낸다. 프로브를 갖는 회전 툴의 압입에 의해서, 상측의 탄소 강판에 상기 회전 툴의 바닥면 형상에 대응한 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부에 파단된 회전 툴의 프로브부가 매몰되어 있다. 상기 오목부의 하방에 있어서, 상측의 탄소 강판과 하측의 탄소 강판이 접합되고, 상기 접합 영역에 결함 등은 인정되지 않고, 양호한 접합이 달성되고 있는 것을 알 수 있다.

실시예 4에서 얻어진 접합부(40 rpm, 7 ton, 30s)의 단면 사진을 도 10에 나타낸다. 실시예 1에서 얻어진 접합부와 마찬가지로, 상측의 알루미늄 합금판에 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부의 하방에 있어서, 상측의 알루미늄 합금판과 하측의 알루미늄 합금판이 접합되어 있다. 여기서, 상기 접합 영역에 결함 등은 인정되지 않는다.

실시예 5에서 얻어진 접합부(40 rpm, 6 ton, 20s)의 단면 사진을 도 11에 나타낸다. 실시예 2에서 얻어진 접합부와 마찬가지로, 프로브를 갖는 회전 툴의 압입에 의해서, 상측의 알루미늄 합금판에 상기 회전 툴의 바닥면 형상에 대응한 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부의 하방에 있어서, 상측의 알루미늄 합금판과 하측의 알루미늄 합금판이 접합되어 있다. 여기서, 상기 접합 영역에 결함 등은 인정되지 않고, 양호한 접합이 달성되고 있는 것을 알 수 있다.

실시예 6 ~ 8에서 얻어진 교반부의 표면 사진을 도 12에 나타낸다. 어느 쪽의 조건에 있어서도 선 형상의 교반 영역이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 마찰 교반은 양호하게 달성되고 있고, 홈 형상 결함 등은 확인되지 않는다.

실시예 6에서 얻어진 접합부의 단면 사진을 도 13에 나타낸다. 단면 사진에 있어서도 결함은 확인되지 않고, 회전 툴의 회전 속도를 극히 느리게 설정했을 경우라도, 양호한 교반부가 형성되는 것을 알 수 있다.

비교예 1에서 얻어진 접합부(400 rpm, 4.5 ton, 10s)의 단면 사진을 도 14에 나타낸다. 실시예 1에서 얻어진 접합부와 마찬가지로, 상측의 탄소 강판에 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부의 하방에 있어서, 상측의 탄소 강판과 하측의 탄소 강판이 접합되어 있다. 여기서, 상기 접합 영역에 결함 등은 인정되지 않는다.

[경도 측정]

상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 접합부의 단면에 대해서, 비커스 경도 시험을 행했다. 또한, 비커스 경도 측정은 하중: 0.1 kgf, 하중 부하 시간: 15s의 조건으로 행했다.

도 15 및 도 16에, 탄소 강판의 모재 경도를 350 HV 및 450 HV로 했을 경우의 경도 분포(접합부 수평 방향)를 나타낸다. 탄소 강판의 모재 경도가 350 HV의 경우, 실시예 1에서 얻어진 접합부에 있어서는 모재 경도 미만의 연화 영역(열영향부)이 존재하지 않는다. 또한, 탄소 강판의 모재 경도가 450 HV의 경우는 약간 연화된 영역이 존재하지만, 비교예 1에서 얻어진 접합부와 비교하면 경도 저하가 명확하게 저감되고 있다.

실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 접합부의 최저 경도에 대해서, 회전 툴의 회전 속도와의 관계를 도 17에 나타낸다. 비교예 1에서 얻어진 접합부(200 ~ 1200 rpm)의 최저 경도는 접합 조건에 의하지 않고 모재의 경도보다 큰 폭으로 낮은 값이 되고 있지만, 실시예 1에서 얻어진 접합부의 최저 경도는 높은 값을 나타내고 있다. 도 17에 있어서, 회전 속도를 80 rpm으로 했을 경우는 접합부의 경도 저하가 효과적으로 억제되고 있다. 특히, 회전 속도를 50 rpm으로 하면 상기 억제 효과가 현저하고, 또한, 회전 속도를 30 rpm으로 했을 경우는 모재로부터의 경도 저하가 거의 인정되지 않는다.

실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 접합부의 최저 경도에 대해서, 모재 경도와의 관계를 도 18에 나타낸다. 비교예 1에서 얻어진 접합부에 대해서는 모재 경도로부터의 경도 저하가 현저하지만, 실시예 1에서 얻어진 접합부에 관해서는 경도 저하가 명확하게 저감되고 있다. 특히, 회전 속도를 30 rpm으로 했을 경우는, 모재 경도가 350 HV까지는 경도 저하가 발생되지 않았다.

도 19 및 도 20에, 실시예 3 및 실시예 4에서 얻어진 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)를 나타낸다. 고상 접합인 마찰 교반 접합을 이용했을 경우라도, 종래의 알루미늄 합금판(JIS-A6061-T6) 접합부에서는 연화 영역(열영향부)의 형성이 불가피했지만, 실시예 3 및 실시예 4에서 얻어진 접합부에는 모재 경도 미만의 연화 영역(열영향부)이 인정되지 않는다.

도 21에, 실시예 6에서 얻어진 접합부의 경도 분포(접합부 수평 방향)를 나타낸다. 또한, 교반부의 상부, 중부, 하부에 있어서 각각 측정하고 있다. 공시재로서 이용한 순알루미늄은 O재는 아니고 H24재이지만, 교반부의 경도는 모재와 비교하여 큰 폭으로 높은 값을 나타내고 있다. 이에 더하여, 접합부에 모재 경도 미만의 연화 영역(열영향부)은 인정되지 않는다.

[인장 시험]

상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 조인트에 관해서, 전단 인장 강도를 측정했다. 측정에는 인장 시험기(SHIMADZU Autograph AGS-X10 kN)를 이용하고, 크로스 헤드 속도 1 mm/min로 조인트의 전단 인장 강도를 측정했다.

실시예 2 및 비교예 2에서 얻어진 조인트의 전단 인장 강도를 도 22에 나타낸다. 비교예 2에서 얻어진 조인트는 연화 영역(열영향부)으로부터 파단되는 것으로부터, 전단 인장 강도는 약 8 kN에 머물고 있다. 이에 대해, 연화 영역(열영향부)이 형성되지 않는 실시예 2에서 얻어진 조인트는, 약 12 kN의 전단 인장 강도를 가지고 있다.

실시예 3에서 얻어진 조인트에 관해, 접합 조건을 6 ton, 50 rpm, 30초로 했을 경우의 전단 인장 강도는 5.5 kN, 접합 조건을 7 ton, 40 rpm, 30초로 했을 경우의 전단 인장 강도는 4.8 kN였다. 이에 대해, 비교예 3에서 얻어진 조인트의 전단 인장 강도는 2.7 kN이며, 실시예 3에서는 종래의 마찰 교반 점접합과 비교하여 큰 폭으로 높은 전단 인장 강도를 갖는 조인트가 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

[접합부의 미세 조직 관찰]

접합부에 있어서의 결정립의 입경 및 형상을 확인하기 위하여, 접합부의 단면의 EBSD 측정을 행했다. 또한, EBSD 측정에는 FE-SEM(니혼덴시가부시키가이샤제 JSM-7001FA) 및 TSL사제의 OIM data Collection ver 5.31을 이용했다.

실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 접합부에 관해, 접합 계면 근방의 방위맵상을 도 23 및 도 24에 각각 나타낸다. 어느 쪽의 접합 계면 근방에 있어서도 재결정에 의해서 미세 등축립이 생성되어 있고, 평균 결정립계는 1 ㎛를 큰 폭으로 밑돌고 있다(실시예 1: 0.25 ㎛, 실시예 2: 0.33 ㎛).

비교예 3에서 얻어진 접합부에 관해, 접합 계면 근방의 방위맵상을 도 25에 나타낸다. 모재의 평균 결정입경이 20 ㎛인데 대해, 접합 계면 근방에 생성한 미세 등축립의 평균 결정입경은 0.24 ㎛가 되고 있다.

[접합 온도 측정]

열화상 카메라(CINO사제 CPA-T640)를 이용하여 상기 실시예 및 비교예에 있어서의 접합 온도의 측정을 행했다.

실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 접합 최고 온도와 툴 회전 속도의 관계를 도 26에 나타낸다. 실시예 1에 있어서의 접합 최고 온도는 비교예 1의 경우와 비교하여 극적으로 저하되고 있고, 300℃ 근방의 저온에서 탄소 강판의 접합이 달성되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 결과는, 탄소 강판(S45C)이 본래 갖는 재결정 온도(약 600℃) 미만의 접합 온도가 실현되고 있는 것을 나타내고 있다.

실시예 3에 있어서의 접합 중의 온도 변화를 도 27에 나타낸다. 접합 개시로부터 접합 온도는 상승하고, 접합 시간 종료시에 최고 온도가 되고 있지만, 40 rpm의 경우는 92.1℃, 30 rpm의 경우는 69.9℃로 극히 낮은 온도에 머물고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 결과는 알루미늄 합금판(A6061)이 본래 갖는 재결정 온도(250 ~ 350℃) 미만의 접합 온도가 실현되고 있는 것을 나타내고 있다.

2, 2': 접합재
4: 회전 툴
6: 접합부
8: 본체부(숄더부)
10: 돌기부(프로브부)
20: 접합 구조물
22: 기재부
24: 접합부
26: 열영향부

Claims (14)

1. 2개의 금속재를 피접합부에 있어서 대향시켜서 피접합 계면을 형성하고, 상기 피접합부에 소정의 회전 속도로 회전시킨 회전 툴을 압입함으로써 상기 2개의 금속재를 접합하는 방법으로서,
   상기 회전 툴의 최외주의 주속을 51 mm/s 이하로 함으로써, 상기 피접합부에 강스트레인을 도입하여 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도를 저하시키고,
   접합 온도를 상기 금속재가 본래 갖는 재결정 온도 미만으로서 상기 피접합 계면에 재결정립을 생성시키는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 재결정립의 입경을 1 ㎛ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 회전 툴의 최외주의 주속을 32 mm/s 이하로 하는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 회전 툴의 최외주의 주속을 19 mm/s 이하로 하는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 회전 툴의 압입 하중을, 상기 회전 툴을 회전시키지 않는 상태에서 상기 금속재에 압입할 수 있는 값 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 회전 툴로부터 상기 금속재에 인가되는 응력이, 상기 피접합부의 온도에 있어서의 상기 금속재의 항복 응력 이상이 되는 범위에 있어서,
   상기 압입 하중을 상기 피접합부의 온도 상승에 수반하여 저하시키는 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 금속재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 금속재가 열처리형 알루미늄 합금, 가공 강화형 알루미늄 또는 가공 강화형 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 금속재가 철계 금속인 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 툴이 철계 금속제인 것을 특징으로 하는 금속재의 저온 접합 방법.
11. 적어도 하나 이상의 기재부와,
    상기 기재부끼리를 접합한 접합부를 갖고,
    상기 기재부는 고장력강재 또는 열처리형 알루미늄 합금재이며,
    상기 접합부는 상기 기재부와 동일한 조성을 갖고,
    상기 접합부는 평균 입경이 1 ㎛ 이하의 미세 등축 재결정립을 포함하고,
    상기 접합부 및 열영향부의 경도가 상기 기재부의 8할 이상인 것을 특징으로 하는 접합 구조물.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기재부가 350 HV 이상의 모재 경도를 갖는 고장력강재인 것을 특징으로 하는 접합 구조물.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 기재부가 350 HV 미만의 모재 경도를 갖는 고장력강재이며,
    상기 접합부 및 상기 열영향부의 경도가 상기 모재 경도 이상인 것을 특징으로 하는 접합 구조물.
14. 제 11 항에 있어서,
    상기 기재부가 열처리형 알루미늄 합금재이며,
    상기 접합부 및 상기 열영향부의 경도가 모재 경도의 9할 이상인 것을 특징으로 하는 접합 구조물.

Images