KR102096919B1 - 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하는 마찰 교반 접합 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 피가공재인 강판(3, 3)의 마찰 교반 접합 시에 있어서, 서로 대향하는 한 쌍의 회전 툴(1, 15)을 강판(3, 3)의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 또한 회전 툴(1, 15)의 전방에 형성한 가열 수단(5)에 의해, 강판(3, 3)을 가열하는 예열 처리 프로세스를 행하고, 당해 서로 대향하는 한 쌍의 회전 툴(1, 15)의 구성 및 당해 예열 처리 프로세스에 있어서의 가열 영역의 표면 온도나 면적, 위치 등을 엄밀하게 제어한다.
Description
본 발명은, 회전 툴(rotary tool)(이하, 간단히 「툴」이라고 칭하는 경우도 있음)을 피(被)가공재 간의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 이동시켜, 이 회전 툴과의 마찰열에 의한 피가공재의 연화(軟化)와, 그 연화부를 회전 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동(plastic flow)을 이용하여, 용가재(filler metal)를 첨가하는 일 없이 접합을 행하는 마찰 교반 접합 방법 및 상기를 실현하는 장치에 관한 것이다.
마찰 용접법으로서, 특허문헌 1에는, 한 쌍의 금속 재료(피가공재)의 양쪽 또는 한쪽을 회전함으로써, 금속 재료에 마찰열을 발생시켜 연화시키면서, 그 연화한 부위를 교반하여 소성 유동을 일으킴으로써, 금속 재료를 접합하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 이 기술은, 접합 대상으로 하는 금속 재료를 회전시키는 것이기 때문에, 접합하는 금속 재료의 형상이나 치수에 한계가 있다.
한편, 특허문헌 2에는, 피가공재보다도 실질적으로 단단한 재질로 이루어지는 툴을 피가공재의 미접합부에 삽입하고, 이 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써, 툴과 피가공재의 사이에 발생하는 열과 소성 유동에 의해, 피가공재를 길이 방향으로 연속적으로 접합하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 마찰 용접법은, 피가공재끼리를 회전시켜, 피가공재끼리의 마찰열에 의해 용접하는 방법이다. 한편, 특허문헌 2에 개시된 마찰 교반 접합법은, 피가공재를 고정한 상태로, 툴을 회전시키면서 이동함으로써 접합할 수 있다. 이 때문에, 용접 방향에 대하여 실질적으로 무한하게 긴 피가공재에도 그 길이 방향으로 연속적으로 고상(固相) 접합할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 회전 툴과 피가공재의 마찰열에 의한 금속의 소성 유동을 이용한 고상 접합이기 때문에, 미접합부를 용융하는 일 없이 접합할 수 있다. 또한, 가열 수단에 의한 가열 온도가 낮기 때문에 접합 후의 변형이 적고, 또한 미접합부는 용융되지 않기 때문에 접합부의 결함이 적고, 더하여 용가재를 필요로 하지 않는 등 많은 이점이 있다.
또한, 본 명세서에서는, 예를 들면 강판을 맞댄 것만으로 아직 접합되어 있지 않은 상태에 있는 맞댐 부분을 「미접합부」, 한편, 소성 유동에 의해 접합되어 일체화된 부분을 「접합부」라고 부르는 것으로 한다.
마찰 교반 접합법은, 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금으로 대표되는 저(低)융점 금속 재료의 접합법으로서, 항공기, 선박, 철도 차량 및 자동차 등의 분야에서 이용이 확대되고 있다. 이 이유로서는, 이들 저융점 금속 재료는, 종래의 아크 용접법에서는 접합부의 만족스러운 특성을 얻는 것이 어렵고, 마찰 교반 접합법을 적용함으로써 생산성을 향상함과 함께, 품질이 높은 접합부를 얻을 수 있기 때문이다.
한편, 건축물이나 선박, 중기, 파이프라인, 자동차와 같은 구조물의 소재로서 주로 적용되고 있는 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 종래의 용융 용접에서 과제가 되는 응고 균열(solidification cracking)이나 수소 균열(hydrogen cracking)을 회피할 수 있음과 함께, 강재의 조직 변화도 억제되기 때문에, 조인트 성능이 우수한 것을 기대할 수 있다. 또한, 회전 툴에 의해 접합 계면을 교반함으로써 청정면을 창출하여 청정면끼리를 접촉할 수 있기 때문에, 확산 접합과 같은 전(前) 준비 공정은 불필요하다는 메리트도 기대할 수 있다. 이와 같이, 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 많은 이점이 기대된다. 그러나, 접합 시에 있어서의 결함 발생의 억제나 접합 속도의 고속도화와 같은 접합 시공성에 문제를 남기고 있었기 때문에, 저융점 금속 재료와 비교하여 보급이 진행되지 않고 있다.
구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서는, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 회전 툴로서 다결정 붕소 질화물(PCBN)이나 질화 규소(Si3N4) 등의 고(高)내마모성 재료를 이용하고 있는 것이 실상이다. 그러나, 이들 세라믹은 깨지기 쉽기 때문에, 회전 툴의 파손을 방지하기 위해, 접합하는 강판의 판두께나 그의 시공 조건이 현저하게 제한된다.
특허문헌 5∼7에는, 접합 시공성의 향상을 목적으로 하여, 회전 툴과 피접합재 사이에 발생하는 마찰열 이외의 가열 수단을 부가한 접합 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 5에는, 유도 가열 장치를 이용한 가열 수단을 갖고, 접합 전후에 피가공재의 가열을 행함으로써, 접합 속도의 고속도화나 접합부의 균열의 해소를 도모한 마찰 교반 접합법이 개시되어 있다.
특허문헌 6에는, 레이저 장치를 이용한 가열 수단을 갖고, 접합 직전에 피가공재를 부분적으로 가열함으로써, 예열에 의한 가열 영역 주변의 마이크로 조직 변화를 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 도모한 마찰 교반 접합 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 7에는, 레이저 장치를 이용한 가열 수단을 갖고, 접합 직전에 피가공재를 부분적으로 가열하는 마찰 교반 접합 장치가 개시되어 있다. 가열 시에 있어서, 피가공재의 가열 영역의 표면 온도나 깊이 등에 대해서 엄밀하게 제어함으로써, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있다.
특허문헌 8, 9에는, 상하에 회전 툴을 1개씩 구비하고, 2매의 금속판의 겹침부의 표면측과 이면측에, 각각 상하에 대향하도록 회전 툴을 배치한 양면 마찰 교반 접합 방법 및 장치가 개시되어 있다. 당해 양면 마찰 교반 접합 방법 및 장치에서는, 상하로부터 회전 툴을 회전시키면서 피접합재를 압압하고, 회전 툴을 접합 방향으로 이동시키면서 피접합재를 접합한다. 이에 따라, 접합 불량을 억제하여 접합 강도를 향상시킬 수 있고, 또한 회전 툴의 수명을 연장함으로써 회전 툴의 경제성을 향상시킬 수 있다.
마찰 교반 접합에 있어서는, 마찰열에 의해 피가공재를 연화시키면서 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 일으키게 한다. 피가공재가 구조용 강인 경우, 회전 툴로 피가공재를 교반할 때에는 회전 툴의 핀에는 큰 부하가 걸린다. 이 사상(事象)은 회전 툴의 내구성, 수명에 큰 영향을 미치고, 접합 시공성을 제한하는 주요한 요소가 되어 있다. 특허문헌 5∼7에 기재된 마찰열 이외의 가열 수단을 부가하는 방법은 상기의 과제를 극복하기 위해 유효하다고 생각된다. 그러나, 특허문헌 5∼7에 기재된 방법에서는, 피가공재의 표면측, 이면측에 있어서, 모두 가열 수단을 구비하는 측과 회전 툴을 구비하는 측이 동일하고, 발열원은 한쪽의 면측(예를 들면 표면측)에만 존재한다. 따라서, 가열 수단을 구비하고 또한 회전 툴을 구비하는 측의 반대측, 즉 이면측에서는 표면측과 비교하여 보다 저온이 되고, 표면측으로부터 이면측에서는 피가공재의 두께 방향에 대하여 온도차가 발생하게 된다. 피가공재인 금속판은 보다 고온이 될수록 강도가 내려가기 때문에, 마찰 교반 접합에 있어서의 회전 툴의 부하는 고온이 될수록 내려가는 것이라고 생각된다. 따라서, 피가공재의 두께 방향에 대하여 형성되는 온도차를 해소함으로써, 회전 툴의 핀 선단에 걸리는 부하를 저감할 수 있다고 생각된다. 그러나, 특허문헌 5∼7에 있어서, 피가공재의 두께 방향에 있어서의 온도차를 해소하는 것에 의한 회전 툴의 부하 저감에 대해서는, 전혀 고려되어 있지 않다.
한편, 마찰 교반 접합에 있어서, 피가공재의 두께 방향에 대하여 형성되는 온도차를 해소하는 방법으로서는, 특허문헌 8, 9에 개시된 양면 마찰 교반 접합 방법이 유효하다고 생각된다. 그러나 이들 접합 방법에서는, 회전 툴 전방의 가열 수단을 이용하여 피가공재를 가열하는 예열 처리 프로세스에 의해, 회전 툴의 부하를 저감하고, 또한 접합 시공성 및 회전 툴의 수명을 향상시키는 것에 관해서는, 하등 고려되어 있지 않다.
본 발명은, 상기의 실상을 감안하여 개발된 것으로, 구조용 강의 마찰 교반 접합 시에 있어서, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 해소하여, 충분한 강도의 접합부를 얻음과 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다. 당해 목적을 실현하기 위해, 특히 예열 처리 프로세스 조건을 엄밀하게 규정한 마찰 교반 접합 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
그래서, 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 인식을 얻었다.
a) 통상의 마찰 교반 접합에서는, 접합을 위해 필요한 열원이, 회전 툴과 피가공재의 사이에서 발생하는 마찰열뿐이다. 그 때문에, 구조용 강을 마찰 교반 접합법에 의해 접합하는 경우에는, 피가공재인 구조용 강을 연화시키기 위해 필요한 열량을 충분히 확보할 수 없다. 그 결과, 접합부에 있어서 충분한 소성 유동이 얻어지지 않고, 접합 속도의 저하나 접합 결함의 발생 등과 같은 접합 시공성의 열화가 염려된다.
상기한 접합 시공성의 열화를 회피하기 위해서는, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스가 유효하다고 생각된다.
b) 그러나, 피가공재의 표면측, 이면측에 있어서, 모두 예열 처리 프로세스의 가열 수단을 구비하는 측과 회전 툴을 구비하는 측이 동일한 경우, 발열원은 동일 면측(예를 들면 표면측)에만 존재한다. 이에 따라, 이면측에서는 표면측과 비교하여 보다 저온이 되고, 표면측으로부터 이면측에서는 피가공재의 두께 방향에 대하여 온도차가 발생하게 된다. 피가공재인 금속판은 보다 고온이 될수록 강도가 내려가기 때문에, 마찰 교반 접합에 있어서의 회전 툴의 부하는 고온이 될수록 내려간다. 따라서, 피가공재의 두께 방향에 대하여 형성되는 온도차를 해소함으로써, 회전 툴의 핀 선단에 걸리는 부하를 보다 효과적으로 저감할 수 있다고 생각된다.
그래서, 발명자들은, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스 조건에 대해서 여러 가지 검토했다.
그 결과,
c) 피가공재의 표면측으로부터 이면측에 있어서의 두께 방향에 대한 온도차를 해소하기 위해서는, 예열 처리가 행해지는 피가공재의 한쪽 면측뿐만 아니라 다른 한쪽 면측에도 회전 툴을 대향하여 배치하고, 피가공재에 대하여 한쪽 면측 및 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 피가공재를 마찰열에 의해 가열하는 마찰 교반 접합을 실현하는 기구로 하는 것이 유효한 것을 발견했다.
d) 한편으로, 상기의 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스를 포함하는 접합을 행할 때에, 예열 열량이 과잉이 되면, 가열 영역 주변의 마이크로 조직이 변화한다는 문제가 발생한다. 특히, 마르텐사이트 조직에 의해 강화된 고장력 강판의 경우는, 가열 시에 있어서의 가열 영역 주변의 온도가 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하라도, 마르텐사이트가 템퍼링됨으로써 연화를 발생시켜, 접합부의 강도를 현저하게 저하시킨다.
그래서, 발명자들은, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스 조건에 대해서 여러 가지 검토했다.
그 결과,
e) 레이저 등의 에너지 밀도가 높은 열원을 이용함으로써, 예열 처리 프로세스에서의 가열 영역의 표면 온도, 면적, 위치를 엄밀하게 제어하고, 또한 필요에 따라서 가열 영역의 두께 방향에 있어서의 온도에 대해서도 적정하게 제어한다. 그에 따라, 접합부의 특성(예를 들면 강도 등)의 열화를 초래하는 일 없이, 시공성을 향상할 수 있다는 인식을 얻었다.
f) 피가공재의 가열에 있어서, 회전 툴의 표면의 소재와 피접합재의 사이의 동마찰 계수에 지배되는 마찰 발열량을 조절함으로써, 시공성을 향상시킬 수 있다는 인식을 얻었다.
g) 통상의 마찰 교반 접합에서는, 접합 완료 후, 접합부가 자연 방랭 상태가 되기 때문에, 강재 제조 시의 압연 프로세스에서 행해지고 있는 바와 같은 열이력 관리에 의한 마이크로 조직 제어를 적용할 수 없다는 문제가 있었다. 그러나, 접합 완료 직후에, 접합부에 대하여, 가열 처리나 냉각 처리를 조합한 프로세스를 실시함으로써, 접합부의 특성을 더욱 향상할 수 있다는 인식을 얻었다.
본 발명은, 상기의 인식에 입각하는 것이다.
즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. 숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부가 피가공재인 강판보다도 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 강판 간의 미접합부에 있어서 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 강판의 마찰열에 의해 상기 강판을 연화시키면서, 그 연화한 부위를 상기 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 강판끼리를 접합하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
상기 회전 툴을 상기 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에 대향하여 각각 배치하고,
상기 강판을 파지 장치에 의해 파지하면서, 대향하는 회전 툴의 각각의 숄더부를 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에 압압시키고, 대향하는 회전 툴의 각각의 핀부를 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측으로부터 강판의 미접합부에 삽입하여, 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킴과 함께,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 한쪽 면측의 전방에 형성한 가열 수단에 의해 상기 강판을 가열하고, 가열에 의해 당해 강판의 표면의 온도 TS(℃)가,
TS≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 강판의 표면에 있어서의, 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리를, 회전 툴의 숄더부의 직경 이하로 하고,
또한 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적을, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하로 하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
기
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
단, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
2. 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이가 동일한 1에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
3. 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이 중, 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이가 다른 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이보다 짧은 1에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
4. 대향하는 양쪽의 회전 툴의 축심(axes)을, 상기 회전 툴의 진행 방향에 대하여 각각의 핀이 선행하는 방향으로 기울이고, 상기 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시켜 마찰 교반 접합하는 1∼3 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
5. 회전 툴의 회전 방향을, 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에서 역방향으로 하는 1∼4 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
6. 상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 TD(℃)가,
TD≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
을 만족하는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 당해 가열 영역의 깊이 D가, 상기 강판의 두께 t의 100％가 되는 1∼5 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
기
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
단, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
7. 상기 가열 수단이, 레이저 가열 장치인 1∼6 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
8. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 후방 가열 수단을 형성하고, 상기 후방 가열 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 가열하는 1∼7 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
9. 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 후방 가열 수단의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 상기 냉각 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 냉각하는 8에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
10. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 상기 냉각 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 냉각하는 1∼7 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
11. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 냉각 수단의 후방에 후방 재가열 수단을 형성하고, 상기 후방 재가열 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 재가열하는 9 또는 10에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
12. 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 소재에 의해, 상기 회전 툴의 표면이 형성되어 이루어지는 1∼11 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
13. 피가공재인 강판 간의 미접합부를 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서,
접합되는 강판을 파지하는 파지 장치와,
숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부는 강판보다도 단단한 재질로 이루어지고, 상기 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에 대향하여 배치되고, 대향하는 각각의 숄더부가 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측을 압압함과 함께 대향하는 각각의 핀부가 강판 간의 미접합부에 삽입된 상태로, 회전하면서 접합 방향으로 이동 가능한 회전 툴과,
상기 회전 툴의 한쪽 면측의 접합 방향 전방에 형성되고, 강판을 가열하는 가열 수단과,
이하의 상태 1을 실현하도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 제어 수단을 갖는 마찰 교반 접합 장치.
(상태 1)
가열 수단을 이용한 가열에 의해 강판의 표면의 온도 TS(℃)가,
TS≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 강판의 표면에 있어서의, 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리가, 회전 툴의 숄더부의 직경 이하이고,
또한 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적이, 당해 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하이다.
기
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]
＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
단, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
14. 대향하는 회전 툴의 양쪽이, 숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 또한 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이가 동일한 13에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
15. 대향하는 회전 툴의 양쪽이, 숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 또한 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이 중, 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이가 다른 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이보다 짧은 13에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
16. 대향하는 양쪽의 회전 툴의 축심은, 상기 회전 툴의 진행 방향에 대하여 각각의 핀부가 선행하는 방향으로 기울어져 이루어지는 13∼15 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
17. 회전 툴의 회전 방향이, 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에서 역방향인 13∼16 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
18. 상기 제어 수단은, 상기 상태 1에 더하여, 이하의 상태 2를 실현하도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 13∼17 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
(상태 2)
상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 TD(℃)가,
TD≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
을 만족하는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 가열 영역의 깊이 D가, 상기 강판의 두께 t의 100％가 된다.
기
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
단, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
19. 상기 가열 수단이, 레이저 가열 장치인 13∼18 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
20. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 상기 강판의 접합부를 가열하는 후방 가열 수단을 형성하는 13∼19 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
21. 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 후방 가열 수단의 후방에, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 형성하는 20에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
22. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 형성하는 13∼19 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
23. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 냉각 수단의 후방에, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 후방 재가열 수단을 형성하는 21 또는 22에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
24. 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 소재에 의해, 상기 회전 툴의 표면이 형성되어 이루어지는 13∼23 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
본 발명에 의하면, 구조용 강의 마찰 교반 접합 시에 있어서, 종래 염려된 피가공재의 판두께 방향에 있어서의 가열 부족으로부터 발생하는 소성 유동 불량을 해소함으로써, 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있다. 나아가서는 마이크로 조직의 변화도 억제함으로써, 접합부에 있어서 높은 조인트 강도를 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법을 설명하는 개략도이다.
도 2는, 한쪽 면측, 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 피가공재를 회전 툴에 의해 마찰 교반하는 영역, 예열 프로세스에 있어서의 가열 영역, 접합 후의 냉각 영역 및 재가열 영역의 일 예를 나타내는 도면(상면도 및 A-A 단면도)이다.
도 3은, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에서 대상으로 하는 구조용 강의 일 예에 대한 온도와 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는, 실시예에서 사용한 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 도면이다.
도 2는, 한쪽 면측, 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 피가공재를 회전 툴에 의해 마찰 교반하는 영역, 예열 프로세스에 있어서의 가열 영역, 접합 후의 냉각 영역 및 재가열 영역의 일 예를 나타내는 도면(상면도 및 A-A 단면도)이다.
도 3은, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에서 대상으로 하는 구조용 강의 일 예에 대한 온도와 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는, 실시예에서 사용한 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명은, 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법 및 장치로서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 전방에 형성한 가열 수단에 의해 피가공재(강판)를 가열하는 예열 처리 프로세스와, 그 후단에 있어서의 회전 툴을 이용한 마찰 교반 프로세스를 갖는다. 회전 툴은, 강판의 한쪽 면(표면)측과 다른 한쪽 면(이면)측에 대향하여 각각 배치되고, 회전 시의 강판과의 마찰열에 의해 강판을 연화시키면서, 그 연화한 부위를 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 강판을 접합한다.
도 1에 있어서, 부호 1, 15가 회전 툴, 2는 회전축, 3은 강판, 4는 접합부, 5는 가열 수단, 6이 냉각 수단, 7이 후방 재가열 수단, 8, 16이 회전 툴의 숄더부, 9, 17은 회전 툴의 핀부이고, α, β로 회전 툴의 경사 각도를 나타낸다. 또한, 「AS」 및 「RS」는, 각각 어드밴싱 사이드(advancing side) 및 리트리팅 사이드(retreating side)를 나타낸다.
여기에서, 어드밴싱 사이드란, 가열 수단을 구비한 표면측의 회전 툴의 회전 방향(툴 회전 방향)과 접합 방향이 일치하는 측이라고 정의하고, 리트리팅 사이드란, 표면측의 툴 회전 방향과 접합 방향이 반대가 되는 측이라고 정의한다.
본 발명에 있어서, 강판(피가공재)(3, 3)은 표리면으로부터 파지 장치(도시하지 않음)에 의해 파지되고, 피가공재의 미(未)접합부의 표면측과 이면측으로부터, 대향하는 회전 툴의 핀부를 미접합부에 삽입하고, 대향하는 회전 툴의 숄더부를 피가공재의 표면측과 이면측에 압압하여 접합을 실시한다. 숄더부에 의한 마찰과 핀부에 의한 교반이 적절히 행해져, 건전한 접합이 가능해지도록, 대향하는 회전 툴의 핀부의 선단 간에는 적절히 간극 δ를 형성해도 좋다. 교반 시의 재료의 변형 저항에 의한 회전 툴로의 부하를 저감하기 위해서는, 간극 δ는 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 유효하다. 한편, 간극 δ가 지나치게 크면 핀부에 의해 적절히 교반되지 않는 부위가 결함이 되기 때문에, 간극 δ를 0.3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
대향하는 회전 툴은, 숄더부 및, 핀부를 포함한다. 핀부는, 숄더부에 배치되고, 숄더부와 회전축을 공유한다. 적어도 숄더부와 핀부는 피가공재인 강판보다도 단단한 재질에 의해 형성된다. 대향하는 회전 툴 중, 가열 수단을 형성한 한쪽 면측의 회전 툴은, 숄더부를 포함하지만 핀부를 포함하지 않는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우는, 한쪽 면측의 회전 툴의 숄더부, 그리고 다른 한쪽 면측의 회전 툴의 숄더부 및 핀부를, 피가공재인 강판보다도 단단한 재질에 의해 형성하면 좋다.
또한, 도 4에서 나타내는 바와 같이, 회전 툴은, 대략 원기둥 형상의 숄더부의 위에, 숄더부보다도 지름이 작은 대략 원기둥 형상의 핀부가 형성된 형상을 갖는다. 또한, 도 4와 같이, 숄더부의 표면은 테이퍼 형상으로 형성되어 있어도 좋다.
종래의 마찰 교반 접합에서는, 적어도 숄더부와 핀부는 피가공재인 강판보다도 단단한 재질에 의해 형성되는 회전 툴을 강판의 한쪽 면측에만 배치하고, 핀부를 강판 간의 미접합부에 삽입하여 접합을 행하고 있다. 따라서, 핀부의 축선 방향 길이(핀 길이)는 피가공재의 두께와 동등할 필요가 있었다. 그러나, 핀 길이가 길수록, 핀부의 선단에 가해지는 부하는 커지기 때문에, 접합 시공성 및 회전 툴의 수명을 향상시키기 위해서는, 핀 길이는 짧은 쪽이 바람직하다.
본 발명에서는, 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이가 동일한 경우, 핀 길이는 피가공재의 두께의 절반 정도로 할 수 있기 때문에, 각각의 회전 툴에 가해지는 부하는, 한쪽 면측만으로부터 회전 툴의 핀부를 삽입하여 접합하는 경우와 비교하여 저감할 수 있다.
대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이 중, 가열 수단을 구비하는 측의 회전 툴의 핀 길이가 반대측의 툴의 핀 길이보다 짧은 경우, 가열 수단을 구비하는 측의 회전 툴은 핀 길이를 짧게 함으로써 부하를 경감할 수 있다. 한편, 가열 수단을 구비하는 측과 반대측의 회전 툴에 있어서의 핀 선단 부근의 접합부도, 가열 수단에 의해 충분한 열이 부여되기 때문에, 마찬가지로 툴의 부하를 저감할 수 있다.
대향하는 회전 툴의 축심을, 회전 툴의 진행 방향에 대하여 각각의 핀부가 선행하는 방향으로 기울임으로써(환언하면, 핀부의 선단부가 핀부의 후단부보다도, 회전 툴의 진행 방향의 전방측에 위치하도록, 회전 툴을 기울임), 툴에 대한 부하를 축 방향으로 압축되는 분력으로 할 수 있다. 툴의 적어도 숄더부와 핀부는, 강판보다도 단단한 재질에 의해 형성될 필요가 있어, 세라믹 등의 인성이 부족한 재료를 사용하는 일이 많기 때문에, 핀에 대하여 굽힘 방향의 힘이 부하되면, 국부에 응력이 집중되어 파괴에 이른다. 따라서, 회전 툴의 축심을 기울임으로써 툴에 대한 부하를 축 방향으로 압축되는 분력으로서 받아, 굽힘 방향의 힘을 저감할 수 있어, 툴의 파손을 회피할 수 있다. 또한, 핀부의 경사 각도의 일 예로서, 1° 이상 5° 이하를 들 수 있다. 핀부의 경사 각도는, 회전 툴의 축 중심선과 연직선의 사이에서 이루는 각도 중, 예각이 되는 것을 말한다.
대향하는 회전 툴의 회전 방향을, 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에서 역방향으로 함으로써, 회전 툴로부터 피접합재에 가해지는 회전 토크를 서로 없앨 수 있다. 이에 따라, 종래의 한쪽 면측만으로부터 회전 툴을 압압하여 접합하는 마찰 교반 접합법과 비교하면, 피접합재를 구속하는 지그(jig)의 구조를 간략화하는 것이 가능하다.
본 발명의 마찰 교반 접합 방법 및 장치에서는, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 전방에 형성한 가열 수단에 의해 강판을 가열하는 예열 처리 프로세스가 중요하다. 이하, 이 예열 처리 프로세스 조건에 대해서, 도 2를 참조하면서 설명한다.
또한, 도면 중, 부호 10은 접합 중앙선으로, 이 접합 중앙선은, 강판의 표면에 있어서 회전 툴의 회전축을 통과하여 접합 방향에 평행한 직선을 나타낸다. 12는 가열 영역, 13은 냉각 영역, 14는 재가열(후방 가열) 영역이고, a는 회전 툴의 숄더부 직경을, b는 회전 툴의 핀부의 최대 지름을, X는 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리를, D는 가열 영역의 깊이를, t는 강판의 두께를 각각 나타낸다.
[가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도 TS: TS≥0.8×TA1]
본 발명의 마찰 교반 접합 방법 및 장치로 접합하는 강판의 온도와 인장 강도의 관계를 도 3에 나타낸다. 도 3과 같이, 통상, 강의 변태 온도(페라이트-오스테나이트 변태 온도)인 TA1의 80％ 정도의 온도에서는, 상온 시의 강도의 30％ 정도의 강도가 된다. 또한, 이 온도보다 높아지면, 더욱 강도가 저하한다. 따라서, 강판의 표면 온도를 0.8×TA1℃ 이상으로 하여 강판을 미리 연화시키고, 당해 강판을 교반하여, 소성 유동을 촉진함으로써, 회전 툴에 가해지는 부하를 저감하고, 또한 접합 속도도 고속도화할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에서는, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도 TS(℃)를, 0.8×TA1℃ 이상으로 한다. 또한, TA1(℃)은 다음 식 (1)에 의해 구할 수 있다.
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
여기에서, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이며, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
단, 두께 방향으로 가열 영역을 확보하기 위해서는, 가열 영역의 표면에 온도 구배가 존재해도 좋다. 이 경우, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도는 1.5×TM℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합부의 온도가 과도하게 상승하는 것에 의한 회전 툴의 손상이나 마이크로 조직의 변질을 피하기 위해, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도는, 가열 영역을 통과하는 회전 툴과 접촉할 때까지 TM℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.
또한, TM(℃)은 피가공재인 강판의 융점이다.
[강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 한쪽 면측의 회전 툴의 최소 거리: 회전 툴의 숄더부의 직경 이하]
강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 회전 툴의 간격이 지나치게 커지면, 접합 전에 가열 영역에 있어서의 온도가 저하해 버려, 예열에 의한 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 이 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 최소 거리는, 회전 툴의 숄더부의 직경 이하로 한다.
단, 가열 영역과 회전 툴의 간격이 지나치게 작아지면, 회전 툴이 가열 수단에 의한 열로 손상될 우려가 있다. 따라서, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 최소 거리는, 회전 툴의 숄더부의 직경의 0.1배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 회전 툴의 이동 속도는, 200㎜/min 이상 3000㎜/min 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 회전 툴의 숄더부의 직경은, 8∼60㎜ 정도이다.
[강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적: 한쪽 면측의 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하]
가열 영역이 지나치게 커지면 당해 영역 및 그의 주변 영역의 마이크로 조직이 변화한다. 특히, 마르텐사이트 조직에 의해 강화된 고장력 강판의 경우는, 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이라도, 마르텐사이트가 템퍼링됨으로써 연화를 발생시켜, 접합부의 강도를 대폭으로 저하시켜 버린다. 이 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하로 한다.
한편, 가열 영역의 면적이 지나치게 작아지면, 예열에 의한 효과가 충분히 얻어지지 않게 된다. 따라서, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부에 있어서의 최대 지름부의 면적의 0.1배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 회전 툴의 핀부의 최대 지름(핀 지름)은, 2∼50㎜ 정도이다. 회전 툴의 핀부의 최대 지름은, 1개의 핀부를 축선 방향과 수직인 단면에서(복수회) 절단했을 때의 절단면에서 얻어지는 지름 중 최대의 것이다. 예를 들면, 도 4(1)∼(4)와 같이, 핀부의 지름이 축선 방향을 따라 변하지 않는 경우에는 핀부의 상면의 지름(도면에서는 4㎜)을 핀부의 최대 지름으로 할 수 있다. 한편으로, 핀부가 테이퍼 형상 등을 갖고, 축선 방향의 위치에 따라 핀부의 지름이 상이한 경우에는, 복수의 단면에서 얻어지는 지름 중 가장 큰 지름을 핀부의 최대 지름으로 할 수 있다.
또한, 가열 영역의 형상은, 원형, 타원형, 직사각형 등 임의의 형상으로 할 수 있다. 또한, 가열 영역의 면적을 산출할 때에, 가열 영역의 형상이 타원형인 경우에는 장경(長徑)을 핀 지름으로서 채용할 수 있고, 직사각형 등인 경우에는 원상당 지름을 핀 지름으로서 채용할 수 있다.
[가열 영역의 두께 방향의 영역에 있어서의 온도 TD: TD≥0.8×TA1]
전술한 바와 같이, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법 및 장치로 접합하는 강판은, 통상, 강의 변태 온도인 TA1의 80％ 정도의 온도에서는, 상온 시의 강도의 30％ 정도의 강도가 된다. 또한, 이 온도보다 높아지면, 더욱 강도가 저하한다. 따라서, 강판의 표면뿐만 아니라, 두께 방향에 있어서도 강판을 고온화시켜, 미리 연화시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 가열 영역의 두께 방향에 있어서도, 온도를 0.8×TA1℃ 이상으로 하여 강판을 미리 연화시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 당해 강판의 교반 및 소성 유동을 촉진함으로써, 회전 툴에 가해지는 부하를 더욱 저감하고, 또한 접합 속도도 한층 고속도화할 수 있다. 따라서, 후술하는 가열 영역의 깊이 D를 규정하는 가열 영역의 두께 방향의 온도 TD는, 0.8×TA1℃ 이상으로서 정의하는 것으로 했다. 또한, TA1(℃)은 다음 식 (1)에 의해 구할 수 있다.
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]
＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
여기에서, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
단, 두께 방향으로 고온 영역을 확보함에 있어서, 가열 영역의 두께 방향으로 온도 구배가 존재해도 좋다. 그 경우, 가열 수단에 의한 가열 시에, 가열 영역의 두께 방향에 있어서의 온도는 1.5×TM℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합부의 온도가 과도하게 상승하는 것에 의한 회전 툴의 손상이나 마이크로 조직의 변질을 피하기 위해, 가열 영역에 있어서의 강판의 두께 방향의 온도는, 가열 영역을 통과하는 회전 툴과 접촉할 때까지 TM℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.
또한, TM(℃)은 피가공재인 강판의 융점이다.
[가열 영역의 깊이 D: 강판의 두께의 100％]
가열 영역의 깊이 D는, 상기한 가열 영역의 두께 방향의 온도 TD가 0.8×TA1℃ 이상이 되는 영역에 있어서의, 피가공재인 강판의 표면으로부터의 최대 깊이로 규정된다. 여기에서, 이 가열 영역의 깊이 D는, 강판의 두께의 100％로 하는 것이 바람직하다. 가열 영역의 깊이 D를 강판의 두께의 100％로 함으로써, 소성 유동이 최대한으로 촉진되기 때문에, 회전 툴에 가해지는 부하 저감 및 접합 속도의 고속도화에 있어서, 한층 유리해진다. 예열 처리 프로세스의 가열 수단과 동일 면측에 회전 툴을 압압하여 접합하는 종래의 기술에서는, 예열 처리 프로세스의 가열 수단을 구비하고 또한 회전 툴을 압압하는 측의 반대측은, 강판과 동등 또는 그 이상의 단단함을 갖는 지지체에 의해 지지할 필요가 있다. 한편, D를 강판의 두께의 100％로 함으로써, 이러한 지지체에 의한 지지의 필요가 없다. 또한, 가열 영역의 깊이 D가 강판의 두께의 30％를 초과하면 강판과 지지체가 고착될 우려가 있었지만, 본 발명에서는, 가열 영역의 반대측에 지지체를 형성하고 있지 않기 때문에, 가열 영역의 깊이 D가 강판의 두께의 100％라고 해도 고착의 우려는 없다.
또한, 가열 영역의 위치 및 면적이 전술의 조건(상태 1)을 충족하도록, 혹은 가열 영역의 깊이 D가 전술의 조건(상태 2)을 충족하도록, 장치의 운전 조건을 제어하는 제어 수단을 이용할 수도 있다. 구체적으로, 제어 수단은, 가열 수단 및 회전 툴의 운전 조건을 제어할 수 있다. 또한, 제어 수단에 의해, 후술하는 후방 가열 수단, 냉각 수단 및, 후방 재가열 수단 등의 운전을 제어할 수도 있다.
[회전 툴의 표면의 소재: 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 크다]
강판의 마찰 교반 접합에 있어서, 표면측에 있어서의 소성 유동은, 어드밴싱 사이드를 시점으로 하고, 회전 툴의 회전 방향을 따라 접합 방향 전방, 리트리팅 사이드 및, 접합 방향 후방을 순서대로 통과하여, 어드밴싱 사이드가 종점이 된다. 특히, 접합 속도를 올려 시공 효율을 올리기 위해서는, 소성 유동의 시점에 가까운 어드밴싱 사이드 및 접합 방향 전방에 있어서, 충분한 마찰 발열을 발생시켜, 소성 유동을 촉진하는 것이 중요해진다. 이러한 관점에서, 회전 툴의 표면을 형성하는 소재는, 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 회전 툴 자체를 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 소재에 의해 형성해도 좋고, 회전 툴의 표면을 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 소재에 의해 피복해도 좋다. 상기 소재는, 회전 툴의 표면 중, 적어도 마찰 교반 시에 강판과 접촉하는 면에 형성되어 있으면 좋다. 강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 재질로서는, 예를 들면 탄화 텅스텐(WC)을 들 수 있다. 또한, 동마찰 계수의 측정 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 볼 온 디스크법(ball-on-disk method)을 이용할 수 있다.
또한, 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 수단은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 레이저 가열 장치를 이용하는 것이 바람직하다.
레이저 가열 장치와 같은 에너지 밀도가 높은 레이저를 열원으로 이용함으로써, 예열 처리 프로세스 조건의 제어를 보다 정확하게 행할 수 있어, 접합부의 특성을 해치는 일 없이 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기한 이외의 조건에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 수단의 이동 속도는, 접합 속도와 동(同)정도로 하면 좋다. 또한, 이 가열 수단에 레이저 가열 장치를 이용하는 경우, 그 레이저 출력이나 빔 지름 등은, 접합 조건에 따라서 적절히 설정하면 좋다.
본 발명의 마찰 교반 접합 방법 및 장치에서는, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에, 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해, 접합부의 강도를 개선할 수 있다.
통상, 접합 완료 후, 접합부는 자연 방랭 상태가 되기 때문에, 피가공재인 강재의 퀀칭성이 낮은 경우는, 접합부의 강도가 충분히 얻어지지 않는다는 문제가 있었다. 이 점, 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 형성한 냉각 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 냉각하고, 냉각 속도를 적절히 제어함으로써, 퀀칭에 의한 강도 향상을 도모할 수 있다. 구체적인 냉각 수단으로서는, 불활성 가스의 분출에 의한 냉각이 적합하다. 냉각 속도로서는, 예를 들면 800℃ 내지 500℃의 범위를 30∼300℃/s로 하는 것이 적합하다. 예를 들면, 불활성 가스로서는, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등을 이용할 수 있다.
한편, 피가공재인 강재의 퀀칭성이 높은 경우는, 과도하게 경화될 가능성이 있어 접합 조인트의 인성을 저하시킨다는 문제가 있었다. 이 점, 회전 툴에 근접하는 후방 부분을 가열하는 후방 가열 수단을 형성하여, 냉각 속도를 적절히 제어하여 서랭함으로써, 과도한 경화를 억제할 수 있다. 구체적인 후방 가열 수단으로서는 고주파 유도 가열, 레이저를 열원으로 한 가열 등이 적합하다. 서랭 속도로서는, 예를 들면 800℃ 내지 500℃의 범위를 10∼30℃/s로 하는 것이 적합하다.
접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에서, 또한 상기한 냉각 수단의 후에, 후방 재가열 수단을 형성하여, 후방 재가열 수단에 의해 강판의 접합부를 재가열해도 좋다.
접합부가 냉각 수단에 의한 냉각으로 퀀칭되어, 과도하게 경화된 경우에, 후방 재가열 수단으로 템퍼링함으로써 경도를 억제하여, 강도와 인성을 겸비하는 조인트 특성을 달성할 수 있다. 이 경우의 냉각 수단에 의한 냉각 속도로서는, 예를 들면 800℃ 내지 500℃의 범위를 30∼300℃/s, 재가열 후의 접합부의 온도로서는, 예를 들면 550∼650℃로 하는 것이 적합하다.
또한, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에서, 또한 상기한 후방 재가열 수단의 후에, 냉각 수단을 형성하고, 당해 냉각 수단에 의해 강판의 접합부를 냉각해도 좋다.
이 경우에는, 접합 직후에 있어서, 후방 재가열 수단으로 냉각 속도를 작게 억제하고, 그 후, 냉각 수단으로 냉각 속도를 크게 함으로써, 조직을 복합화할 수 있어, 강도와 연성을 겸비하는 조인트 특성을 달성할 수 있다. 예를 들면, 재가열 수단에 있어서의 냉각 속도는, 800℃ 내지 600℃의 범위를 10∼30℃/s 정도로 하고, 그 후, 냉각 수단에 있어서의 냉각 속도는, 600℃ 내지 400℃의 범위를 30∼300℃/s 정도로 하는 것이 적합하다.
상기 이외의 접합 조건에 대해서는, 일반적인 방법에 따르면 좋지만, 회전 툴의 토크가 클수록 강판의 소성 유동성은 낮게 되기 때문에, 결함 등이 발생하기 쉬워진다.
따라서, 본 발명에서는, 회전 툴의 회전수를 100∼1000rpm의 범위로 하고, 회전 툴의 토크를 억제하여, 접합 속도를 1000㎜/min 이상으로 고속화하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 대상 강종으로서는, 일반적인 구조용 강이나 탄소강, 예를 들면 JIS(일본 공업 규격) G 3106의 용접 구조용 압연 강재, JIS G 4051의 기계 구조용 탄소강 등을 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 인장 강도가 800㎫ 이상인 고강도 구조용 강에도 유리하게 적용할 수 있고, 이 경우라도, 접합부에 있어서, 강판(모재)의 인장 강도의 85％ 이상의 강도, 나아가서는 90％ 이상의 강도가 얻어진다.
실시예
판두께 1.60㎜의 표 1에 나타내는 화학 조성(표 1의 조성 이외의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐), 인장 강도의 강판(1끼리 또는 2끼리)을 이용하여, 마찰 교반 접합을 실시했다. 조인트 맞댐면은, 각도를 붙이지 않는 소위 I형 개선(groove)으로 프라이스 가공 정도의 표면 상태에 의해, 강판의 한쪽 면측, 또는 한쪽 면측, 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행했다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 2(및 표 5)에 나타낸다. L4, H3의 조건이 강판의 한쪽 면측으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행한 경우(비교예), L1, L2, L3, H1, H2가 강판의 한쪽 면측, 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행한 경우(본 발명예)의 접합 조건이다. 여기에서는 도 4(1), (2), (3), (4)에 단면 치수를 나타내는 4종류의 형상의 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 한 회전 툴을 이용하고, 접합 시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 실드하여, 표면의 산화를 방지했다.
회전 툴의 표면의 재질로서는, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하여 피막 처리를 실시하지 않는 것(발명예 1∼24 및 비교예 1∼7), 혹은, 탄화 텅스텐을 소재로 하여 물리 증착(PVD)에 의해 질화 티탄(TiN)의 표면 피복을 실시한 것(WC＋TiN)을 사용했다(발명예 25∼27). 회전 툴의 표면과 강판의 마찰 계수는, WC에 피막 처리를 실시하지 않는 것의 경우는 0.7이고, TiN의 표면 피복을 실시한 것의 경우는 0.5였다. 또한, 동마찰 계수를 측정할 때에는, 볼 온 디스크 마찰 마모 시험기를 이용하여, 대상 소재로 이루어지는 디스크를 회전시키면서 고정된 직경 6㎜의 강구(steel ball)에 하중 5N으로 밀어붙이고, 회전 속도 100㎜/s로 미끄러짐 거리 300m로 시험을 행했다. 시험은, 실온, 무윤활로 행했다. 상기의 강구에 관해서는, JIS G 4805로 규정되는 SUJ2의 화학 성분을 갖는 소재로 이루어지고, 베어링용 강구로서 가공 처리된 것을 이용했다.
접합에 앞서, 레이저를 열원으로 이용한 예열에 의한 가열 영역을 확인하는 것을 목적으로 하여, 표 1의 강판 1에 대하여, 표 3에 나타내는 각 조사 조건(레이저 이동 속도, 레이저 출력 및 빔 지름)으로 레이저광을 조사하여, 표면 온도를 서모그래피에 의해 측정했다. 추가로, 레이저 조사부의 단면을 관찰하여, 나이탈 부식액에 의한 마이크로 조직 관찰을 행했다.
여기에서, 변태점(TA1℃) 이상이 된 영역은 가장 진하고, 그의 외측에 존재하는 변태점(TA1℃) 미만이지만 모재 중의 마르텐사이트 등의 고경도 조직이 템퍼링되는 영역은 비교적 얇게 에칭되기 때문에, 변태점(TA1℃) 이상이 된 영역, 변태점(TA1℃) 미만에서의 템퍼링 영역 및, 모재의 영역은 각각 식별 가능하다. 또한, 철강의 열처리의 인식으로부터, 변태점(TA1℃) 미만에서의 템퍼링 영역은, 0.8×TA1℃ 이상 또한 TA1℃ 미만의 영역과 일치하는 것이 알려져 있다. 이러한 나이탈 부식액에 의한 마이크로 조직 관찰로부터, 변태점(TA1℃) 이상이 된 영역의 깊이 D0 및, 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)를 측정했다.
이들의 측정 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4에 나타내는 바와 같이, 서모그래피에 의한 표면 온도 측정 결과로부터, 조사 조건 A에 있어서, 0.8×TA1℃ 이상이 되는 영역은 직경 2.4㎜의 원 형상이었다. 여기에서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.
조사 조건 B에 있어서는, 0.8×TA1℃ 이상이 되는 영역은 직경 2.0㎜의 원 형상이었다. 따라서, 상기와 동일하게, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.
조사 조건 C에 있어서는, 0.8×TA1℃ 이상이 되는 영역은 직경 5.4㎜의 원 형상이었다. 여기에서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적을 초과하게 된다. 또한, 조사 조건 A∼C에서는, 모두 가열 영역이 원형이 되었기 때문에, 표 4 중의 단경에 대해서는 기재하고 있지 않다.
조사 조건 D에 있어서는, 0.8×TA1℃ 이상이 되는 영역은, 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 지름이 되고, 장경은 1.8㎜, 단경은 1.2㎜였다. 여기에서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.
조사 조건 E에 있어서는, 0.8×TA1℃ 이상이 되는 영역은 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 지름이 되고, 장경은 2.3㎜, 단경은 1.9㎜였다. 따라서, 상기와 동일하게, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.
또한, 표 4에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사부의 단면 관찰로부터, 조사 조건 A에 있어서, TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이 D0 및 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 1.60㎜, 1.60㎜이고, TA1℃ 이상이 된 영역이 강판의 두께 전역에 형성되었다. 따라서, 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이 D는, 강판의 두께 t의 100％가 된다.
조사 조건 B에 있어서는, TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이 D0 및 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.47㎜, 0.50㎜였다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.60㎜이기 때문에, 가열 영역의 깊이 D는, 강판의 두께 t의 약 31.3％가 된다.
조사 조건 C에 있어서는, TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이 D0 및 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.28㎜, 0.30㎜였다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.60㎜이기 때문에, 가열 영역의 깊이 D는, 강판의 두께 t의 약 18.8％가 된다.
조사 조건 D에 있어서는, TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이 D0 및 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 1.60㎜, 1.60㎜이고, TA1℃ 이상이 된 영역이 강판의 두께 전역에 형성되었다. 따라서, 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이 D는, 강판의 두께 t의 100％가 된다.
조사 조건 E에 있어서는, TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이 D0 및 0.8×TA1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.58㎜, 0.63㎜였다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.60㎜이기 때문에, 가열 영역의 깊이 D는, 강판의 두께 t의 약 39.4％가 된다.
다음으로, 표 5에, 피가공재의 접합 전에 행한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건 및, 접합 후에 행한 프로세스 조건을 나타낸다. 여기에서, 접합 후에 행한 프로세스에 있어서의 냉각에서는 가스 분출에 의한 냉각을, 가열(및 재가열)에서는 유도 가열을 각각 행했다.
표 5 중, 예열 프로세스 조건 및 접합 후에 행한 프로세스 조건에 있어서의 「-」은, 각각 교반 접합 전의 가열 및, 교반 접합 후의 가열이나 냉각을 행하지 않은 경우를 나타낸다.
표 6에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정값과, 얻어진 접합 조인트의 인강 강도를 나타낸다. 인장 강도는, JIS Z 3121로 규정하는 1호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 행함으로써 측정되었다.
또한, 회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮고, 결함 등이 발생하기 쉽다고 할 수 있다.
표 6으로부터, 발명예 1∼11에서는, 접합 속도를 400㎜/min으로 한 경우라도, 모재가 되는 강판의 인장 강도의 85％ 이상의 강도가 얻어짐과 함께, 표면측, 이면측의 각각의 회전 툴의 토크가 80N·m 이하로, 소성 유동성도 양호했다. 특히, 접합 후에 냉각 및 재가열을 행한 발명예 7 및 8에서는, 모재의 인장 강도의 99％ 이상의 강도가 얻어졌다.
비교예 1∼3은, 본 발명의 범위를 만족하는 강판의 한쪽 면측 및 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행하는 마찰 교반 접합 조건으로, 접합 속도가 400㎜/min이고, 또한 예열 프로세스 조건은 본 발명의 범위를 만족하지 않는 조건이었다. 비교예 1∼3에서는, 표면측, 이면측의 양쪽의 회전 툴의 토크가 80N·m보다 커져, 소성 유동성에 뒤떨어져 있었다. 또한, 비교예 4는, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 강판의 한쪽 면측만으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행하는 마찰 교반 조건으로, 또한 예열 프로세스 조건은 본 발명의 범위를 만족하는 조건이고, 표면측의 회전 툴의 토크가 80N·m보다 커져, 소성 유동성에 뒤떨어져 있었다.
표 6으로부터, 발명예 12∼21에서는, 접합 속도를 1000㎜/min으로 고속화해도, 표면측, 이면측의 각각의 회전 툴의 토크를 100N·m 이하로 하여 접합할 수 있고, 또한 모재가 되는 강판의 인장 강도의 85％ 이상의 강도를 달성할 수 있어, 건전한 조인트가 얻어졌다. 특히, 접합 후에 냉각 및 재가열을 행한 발명예 17 및 18에서는, 모재의 인장 강도의 100％의 강도가 얻어졌다.
비교예 5 및 6은, 본 발명의 범위를 만족하는 강판의 한쪽 면측 및 다른 한쪽 면측의 양쪽으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행하는 마찰 교반 조건으로, 또한 예열 프로세스 조건은 본 발명의 범위를 만족하지 않는다. 비교예 7은, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 강판의 한쪽 면측만으로부터 회전 툴을 압압하여 접합을 행하는 마찰 교반 조건으로, 또한 예열 프로세스 조건은 본 발명의 범위를 만족한다. 비교예 5∼7에서는, 미접합 부분이 남는 상태가 되어 접합을 할 수 없어, 건전한 조인트는 얻어지지 않았다. 이 때문에, 비교예 5∼7에서는, 회전 툴의 토크 등의 측정은 행하고 있지 않다.
표 6으로부터, 발명예 22∼24에서는, 접합 속도를 1000㎜/min으로 고속화한 경우라도, 표면측, 이면측의 각각의 회전 툴의 토크를 95N·m 이하로 하여 접합할 수 있었다. 또한 모재가 되는 강판의 인장 강도의 90％ 이상의 강도를 달성할 수 있어, 건전한 조인트가 얻어졌다. 한편으로, 강판과의 동마찰 계수가 0.6 이하가 되는 재질을 이용한 발명예 25∼27에서는, 표면측, 이면측의 각각의 회전 툴의 토크가 76N·m 이하가 되었다. 한편으로 인장 강도는 모재가 되는 강판의 75∼80％의 강도가 되고, 동마찰 계수 이외는 동일한 조건으로 실험을 행한 발명예 22∼24의 건전한 조인트와 비교하면 열위가 되었다.
1 : 표면측 회전 툴
2 : 표면측 회전 툴의 회전축
3 : 강판
4 : 접합부
5 : 가열 수단
6 : 냉각 수단
7 : 후방 재가열 수단
8 : 표면측 회전 툴의 숄더부
9 : 표면측 회전 툴의 핀부
10 : 접합 중앙선
12 : 가열 영역
13 : 냉각 영역
14 : 재가열 영역
15 : 이면측 회전 툴
16 : 이면측 회전 툴의 숄더부
17 : 이면측 회전 툴의 핀부
19 : 이면측 회전 툴의 회전축
a : 표면측 회전 툴의 숄더부 직경
b : 표면측 회전 툴의 핀부의 최대 지름
c : 표면측 회전 툴의 핀 길이
X : 가열 영역과 회전 툴의 거리
D : 가열 영역의 깊이
t : 강판의 두께
α : 표면측 회전 툴 경사 각도
β : 이면측 회전 툴 경사 각도
2 : 표면측 회전 툴의 회전축
3 : 강판
4 : 접합부
5 : 가열 수단
6 : 냉각 수단
7 : 후방 재가열 수단
8 : 표면측 회전 툴의 숄더부
9 : 표면측 회전 툴의 핀부
10 : 접합 중앙선
12 : 가열 영역
13 : 냉각 영역
14 : 재가열 영역
15 : 이면측 회전 툴
16 : 이면측 회전 툴의 숄더부
17 : 이면측 회전 툴의 핀부
19 : 이면측 회전 툴의 회전축
a : 표면측 회전 툴의 숄더부 직경
b : 표면측 회전 툴의 핀부의 최대 지름
c : 표면측 회전 툴의 핀 길이
X : 가열 영역과 회전 툴의 거리
D : 가열 영역의 깊이
t : 강판의 두께
α : 표면측 회전 툴 경사 각도
β : 이면측 회전 툴 경사 각도
Claims (24)
- 숄더부(shoulder) 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부가 피(被)가공재인 강판보다도 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 강판 간의 미접합부에 있어서 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 강판의 마찰열에 의해 상기 강판을 연화시키면서, 그 연화한 부위를 상기 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동(plastic flow)을 발생시켜, 강판끼리를 접합하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
상기 회전 툴을 상기 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에 대향하여 각각 배치하고,
상기 강판을 파지 장치에 의해 파지하면서, 대향하는 회전 툴의 각각의 숄더부를 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에 압압시키고, 대향하는 회전 툴의 각각의 핀부를 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측으로부터 강판의 미접합부에 삽입하여, 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킴과 함께,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 한쪽 면측의 전방에 형성한 가열 수단에 의해 상기 강판을 가열하고, 가열에 의해 당해 강판의 표면의 온도 TS(℃)가,
TS≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 강판의 표면에 있어서의, 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리를, 회전 툴의 숄더부의 직경 이하로 하고,
또한 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적을, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하로 하고,
추가로, 상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 TD(℃)가,
TD≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
을 만족하는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 당해 가열 영역의 깊이 D가, 상기 강판의 두께 t의 100％가 되는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
식
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
단, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다. - 제1항에 있어서,
대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이가 동일한 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항에 있어서,
대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이 중, 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이가 다른 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이보다 짧은 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
대향하는 양쪽의 회전 툴의 축심(axes)을, 상기 회전 툴의 진행 방향에 대하여 각각의 핀이 선행하는 방향으로 기울이고, 상기 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시켜 마찰 교반 접합하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
회전 툴의 회전 방향을, 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에서 역방향으로 하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 수단이, 레이저 가열 장치인 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 후방 가열 수단을 형성하고, 상기 후방 가열 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 가열하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제7항에 있어서,
상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 후방 가열 수단의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 상기 냉각 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 냉각하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 상기 냉각 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 냉각하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제8항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 냉각 수단의 후방에 후방 재가열 수단을 형성하고, 상기 후방 재가열 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 재가열하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제9항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 냉각 수단의 후방에 후방 재가열 수단을 형성하고, 상기 후방 재가열 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 재가열하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
강판과의 동마찰 계수(kinetic friction coefficient)가 0.6보다 큰 소재에 의해, 상기 회전 툴의 표면이 형성되어 이루어지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법. - 피가공재인 강판 간의 미접합부를 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서,
접합되는 강판을 파지하는 파지 장치와,
숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부는 강판보다도 단단한 재질로 이루어지고, 상기 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에 대향하여 배치되고, 대향하는 각각의 숄더부가 강판의 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측을 압압함과 함께 대향하는 각각의 핀부가 강판 간의 미접합부에 삽입된 상태로, 회전하면서 접합 방향으로 이동 가능한 회전 툴과,
상기 회전 툴의 한쪽 면측의 접합 방향 전방에 형성되고, 강판을 가열하는 가열 수단과,
이하의 상태 1 및 상태 2를 실현하도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 제어 수단을 갖는 마찰 교반 접합 장치.
(상태 1)
가열 수단을 이용한 가열에 의해 강판의 표면의 온도 TS(℃)가,
TS≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 강판의 표면에 있어서의, 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리가, 회전 툴의 숄더부의 직경 이하이고,
또한 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적이, 당해 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하이다.
(상태 2)
상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 TD(℃)가,
TD≥0.8×TA1(TA1은 하기의 식 (1)에 나타냄)
을 만족하는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 당해 가열 영역의 깊이 D가, 상기 강판의 두께 t의 100％가 된다.
식
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]＋29.1[％Si]
＋16.9[％Cr]＋290[％As]＋6.38[％W]···(1)
단, [％M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다. - 제13항에 있어서,
대향하는 회전 툴의 양쪽이, 숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 또한 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이가 동일한 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항에 있어서,
대향하는 회전 툴의 양쪽이, 숄더부 및 상기 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 또한 대향하는 양쪽의 회전 툴의 핀 길이 중, 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이가 다른 한쪽 면측의 회전 툴의 핀 길이보다 짧은 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
대향하는 양쪽의 회전 툴의 축심은, 상기 회전 툴의 진행 방향에 대하여 각각의 핀부가 선행하는 방향으로 기울어져 이루어지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
회전 툴의 회전 방향이, 한쪽 면측과 다른 한쪽 면측에서 역방향인 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 수단이, 레이저 가열 장치인 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 상기 강판의 접합부를 가열하는 후방 가열 수단을 형성하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제19항에 있어서,
상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 후방 가열 수단의 후방에, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 형성하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 형성하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제20항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 냉각 수단의 후방에, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 후방 재가열 수단을 형성하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제21항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에서 또한 상기 냉각 수단의 후방에, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 후방 재가열 수단을 형성하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
강판과의 동마찰 계수가 0.6보다 큰 소재에 의해, 상기 회전 툴의 표면이 형성되어 이루어지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
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