KR102138196B1 - 마찰-용접 연결부를 형성하기 위한 연결 요소 - Google Patents

마찰-용접 연결부를 형성하기 위한 연결 요소 Download PDF

Info

Publication number
KR102138196B1
KR102138196B1 KR1020177024856A KR20177024856A KR102138196B1 KR 102138196 B1 KR102138196 B1 KR 102138196B1 KR 1020177024856 A KR1020177024856 A KR 1020177024856A KR 20177024856 A KR20177024856 A KR 20177024856A KR 102138196 B1 KR102138196 B1 KR 102138196B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
head
shaft
connecting element
diameter
height
Prior art date
Application number
KR1020177024856A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170110142A (ko
Inventor
마르코 베르크마이스터
마리오 마이발트
게르하르트 두비엘
다이엘 슈핀들러
마르코 밀리쉬
Original Assignee
에요트 게엠베하 앤드 코. 카게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에요트 게엠베하 앤드 코. 카게 filed Critical 에요트 게엠베하 앤드 코. 카게
Publication of KR20170110142A publication Critical patent/KR20170110142A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102138196B1 publication Critical patent/KR102138196B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/127—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding friction stir welding involving a mechanical connection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Connection Of Plates (AREA)
  • Standing Axle, Rod, Or Tube Structures Coupled By Welding, Adhesion, Or Deposition (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
  • Mechanical Operated Clutches (AREA)
  • Insertion Pins And Rivets (AREA)
  • Portable Nailing Machines And Staplers (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은, 서로 마주보게 놓인 두 개의 요소(72, 73; 92)의 요소 연결부(70)를 형성하기 위한 상기 연결 요소(10, 20, 30, 50)로서, 상기 연결 요소는 베이스층인 하부층(74)에 마찰에 의해 용접되고, 상기 연결 요소(10, 20, 30, 50)는 샤프트(16)를 갖고, 상기 샤프트(16)는 샤프트 세그먼트(14) 및 축력 전달을 위한 평평한 표면(20)이 상측에 형성된 헤드(12)를 갖고, 상기 평평한 표면(20)에는 토크를 전달하기 위해 오목한 구동부(22, 32)가 형성되고, 상기 샤프트 세그먼트(16) 상의 상승 높이(A)에서부터 시작하여 상기 헤드의 바닥측까지 직경이 지속적으로 증가하고, 샤프트 단부로부터 최대 거리에 있는 헤드 하측면의 높이(K)에서부터의 상승 높이(A)의 거리는, 상기 헤드의 외경과 상기 상승 높이에서의 샤프트 직경의 차이값의 절반(D2)에 해당하는 (DA-DS)/2 보다 작고, 상기 헤드의 외경과 상기 상승 높이에서의 샤프트 직경의 차이값의 4분의 1(D1)에 해당하는 (DA-DS)/4 보다 큰 연결 요소에 관한 것이다.

Description

마찰-용접 연결부를 형성하기 위한 연결 요소
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른, 서로 마주보게 놓이는 두 개의 요소들의 요소 연결부를 형성하기 위한 연결 요소에 관한 것이다.
EP 2 289 659 A1에서는 헤드와 샤프트를 구비하고, 헤드 내에 구동부가 형성된, 마찰-용접 부재를 기재하고 있다. 상기 헤드는 축력 전달에 적합한 평평한 표면을 갖는다. 상기 헤드에는 또한, 그 하측면에 오목부가 형성되는데, 이 오목부는 특히, 상부층으로부터의 물질 등 마찰-용접 공정 시 연화된 모든 종류의 물질을 수용 가능하도록 형성된다.
연결 요소의 샤프트는 복합성 요소의 하부 베이스층에 마찰-용접된다. 헤드의 돌출 길이는 베이스층과 상부층 간의 확실한 연결(positive connection)을 보장한다. 이에 따라, 베이스층과 상부층은 상기와 같은 연결 요소를 통해 서로 단단하게 연결된다.
마찰-용접 연결부를 생성하기 위해 세팅 툴(setting tool)이 제공된다. 이 툴은 고정 장치(hold-down device)와 구동 툴(drive tool)을 포함한다. 고정 장치는, 서로 연결되어야 하는 요소층들을 가압하는 한편, 구동 툴은 연결 요소를 아래로 가압 및 회전시킴으로써, 연결 요소를 복합 요소 안으로 몰아 넣는다.
이러한 구조는, 전체 높이는 높고 직경은 작아야 한다는 단점이 이다.
본 발명의 목적은 요소 연결부를 형성하기 위한 연결 요소와 세팅 툴을 제공하여, 특히 얇은 금속 시트들을 통해 구조 높이가 낮고 헤드의 직경이 작은 요소 연결부를 형성할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 연결 요소는, 상기 연결 요소의 원통형 샤프트에서부터 상기 연결 요소의 헤드의 하측면까지 직경이 지속적으로 증가하도록 설계된다. 상기 헤드의 하측면은, 상기 샤프트의 단부로부터 최대 거리에 있는 상기 헤드의 하측면의 높이에 의해 정의된다.
본 발명에 따르면, 상승 높이(ascent level)에서부터 상기 헤드의 하측면에서의 높이까지의 거리(A)는, 상기 헤드의 외경과 샤프트 직경 간의 차이의 절반보다는 작고, 상기 헤드의 외경과 상기 샤프트 직경 간의 차이의 4분의 1보다는 크다.
즉, (DA - DS)/4 < A < (DA - DS)/2 이다.
그 결과, 상기 연결 요소가 침투하는 동안에, 연화된 모든 종류의 상부층 물질은, 직경이 증가하는 넓어진 부분으로 유도되게 된다. 그럼에도 불구하고, 용접 비드(weld bead)로서 상승하는 상기 연결 요소의 물질과, 상기 헤드 높이 사이에는, 충분한 거리가 유지되어, 충분한 인출 저항(pull-out resistance)을 보장한다.
더 구체적으로, 상기 샤프트 직경은 상기 상승 높이에서의 상기 연결 요소의 직경이다.
상기와 같은 연결부를 생성하는데 요구되지 않는 추가적인 연화 물질은, 상기 헤드로부터 측면으로(반경방향을 따라 바깥쪽으로) 강제 이탈된다. 이러한 방식으로, 낮은 구조 높이가 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 상승 높이에서 경사(slope)가 시작되는데, 이때 경사는, 상기 연결 요소의 축에 대한 법선(normal)을 기준으로 80°미만, 특히 70°미만의 각도를 형성한다.
이는 상기 상부층으로부터의 이탈된 모든 연화 물질이 방사상 바깥쪽으로 유도되도록 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연결 요소는 원통형의 제1 샤프트 부분을 가질 수 있다.
이러한 디자인은 특히 경제적인 방식으로 생성 가능하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 오목한 구동부(drive cutout)의 높이는, 상기 구동부의 방사상 연장부의 30% 미만이 되도록 제공될 수 있다.
그 결과, 상기 헤드 자체가 작은 축 연장부를 갖도록 설계할 수 있어, 구조적인 높이를 더욱 줄일 수 있다.
연결 부위에서의 용융 영역(melting area)과 구동 구조는 서로 충분히 이격되어야 하는데, 이는 마찰-용접 공정으로 인한 온도 증가가 구동 구조들의 추가적인 연화를 가져와, 구동 토크 전달에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다.
또 다른 유리한 일 실시예에 따르면, 상기 연결 요소의 헤드는, 상기 헤드의 주변 영역이, 나사 축에 대해, 85°와 95°사이, 특히 90°의 각도로 테이퍼가 형성되도록 설계된다.
상기 헤드의 하측면에서의 높이 또한 특히 상기 주변 영역 내에 있는 위와 같은 실시예에서는, 최대의 유지력(retention force)을 제공하게 되는데, 그 이유는 첫째, 상기 헤드의 하측면과 상기 용접 비드 사이에 간격이 최대가 되고, 둘째, 상기 헤드 표면이 거의 직교(orthogonal) 위치에 있기 때문에 매우 우수한 억지끼워맞춤(form fit)이 달성될 수 있기 때문이다.
또 다른 유리한 일 실시예에 따르면, 상기 헤드 방향에서는 상기 나사 축에 대한 법선(normal)을 기준으로 제1 경사 및 후속하는 제2 경사를 갖는 함수에 따라 직경이 증가하고, 제2 경사는 제1 경사보다 작다.
이러한 실시예에 따르면, 적어도 오목한 윤곽에 근접하는 경로(course)를 얻게 된다. 그 결과, 상기 상승 물질에 의해 형성된 용접 비드와 상기 헤드 사이에는, 특히 유리한 언더컷(undercut)이 형성되는데, 언더컷은 마찰-용접 공정이 완료된 후 상부층으로부터의 연화 물질로 충진된다.
이러한 오목한 윤곽부에 대한 접근법은, 제2 영역에 이어 제3 경사를 갖는 제3 영역을 제공함으로써 더욱 향상될 수 있는데, 여기서 상기 제3 경사는 상기 제2 경사 영역보다 작다.
상기 경로(course)는, 타원형 또는 원형 윤곽 형태로 오목한 것이 이상적이다.
곡률 반경(curvature radius)은 상기 헤드의 하측면에서부터 상기 상승 높이까지의 거리보다 큰 것이 바람직하다.
이로써 매우 유연한 전환(transition)이 가능하게 되고, 그 결과 상부층으로부터의 이탈되는 모든 유연한 물질이, 상기 헤드와 상부층 사이의 영역으로부터 이상적으로 이탈될 수 있다.
상기 샤프트의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 샤프트의 정면측 단부에서는, 원통형 샤프트로부터 원뿔형 샤프트 부분으로 전환(transition)이 가능하다. 이는, 연결 요소의 중심 특성들을 향상시킨다. 더 구체적으로, 완전한 테이퍼 각도는 60°와 80°사이이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 원뿔형 부분 다음에 또 다른 원통형 부분이 이어질 수 있는데, 이러한 원통형 부분은 상기 상부층 내로 특히 잘 유입될 수 있기 때문에 이로 인해 상기 중심 특성들이 향상된다.
본 발명의 또 다른 측면은 요소 연결부에 관한 것이다. 상기 요소 연결부는 베이스층, 적어도 하나의 상부층 및 상술한 유형의 연결 요소를 포함한다. 상기 연결 요소는 적어도 헤드와 샤프트를 포함하고, 여기서 샤프트의 정면은 상기 베이스층에 용접된다. 결과적으로, 상기 연결 요소의 샤프트와 상기 베이스층 간에는 응집력 있는(cohesive) 연결이 달성되고, 이때 상기 헤드는 상기 상부층을 포지티브 록킹 방식으로(positive-locking manner) 고정시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 헤드를 통해 측면으로 (방사상 바깥쪽으로) 배출된 물질은, 상기 헤드를 축방향에서 측면으로 적어도 부분적으로 둘러싼다. 상기 헤드는 상기 상부층의 표면의 높이 보다 높게 위치한다.
대응하는 요소 연결부를 얻기 위해, 상술한 유형의 연결 요소를 도입하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상술한 유형의 요소 연결부를 형성하기 위한 세팅 툴(setting tool)에 관한 것이다. 상기 세팅 툴은 고정 장치(hold-down device)와 구동 비트(drive bit)를 포함한다. 상기 구동 비트는, 상기 구동 비트의 평평한 베이스 상에, 상승된 구동 구조를 갖는다. 이러한 구동 구조는 상기 연결 요소의 내부 구동부에 부합하도록 설계된다. 본 발명에 따르면, 상기 평면 베이스는 상승된 경계부(border)에 의해 갇히게 된다. 이러한 경계부는 내경을 갖는다.
이와 같이 제공된 경계부는, 마찰-용접 공정 중에 상기 헤드로부터 바깥쪽으로 측면으로 이탈된 모든 연화 물질이, 상기 구동 비트와 상기 구동 비트를 둘러싼 상기 고정 장치 사이의 공간에 진입하지 않도록 유도한다. 이와 같이 상기 상부층으로부터의 연화 물질을 유도함으로써, 이탈된 물질은 상기 내경 내에 축적되어, 상기 헤드를 측면에서 적어도 부분적으로 에워싸는 정도까지 쌓이게 된다. 이는, 전단 강도(shearing strength)를 향상시킨다.
이러한 디자인에서는, 상기 헤드 아래에서 이탈된 연화 물질이 여전히 상기 연결의 강도를 증가시키는데 사용되기 때문에, 낮은 구조 높이를 달성하면서도 높은 강도를 유지할 수 있다.
또 다른 유리한 일 실시예에 따르면, 상기 고정 장치는 테이퍼 형태의 전방면을 가질 수 있다. 내부 모서리에 테이퍼 형태를 제공하게 되면, 냉각된 연화 물질이 상기 고정 장치에 걸리는 것을 방지하는데 도움이 된다. 그 결과, 상기 고정 장치는 작은 저항으로도 상기 상부층으로부터 확실하게 제거될 수 있다.
또한, 적어도 두 개의 흡입구(suction holes)가 상기 베이스 내에 제공될 수 있다. 이러한 흡입구들은 상기 삽입된 연결 요소의 헤드와 베이스 사이에 부압을 생성하는데 사용되어, 결과적으로 상기 요소는 상기 베이스 상에 흡입되고, 상기 구동 구조는 상기 연결 요소의 내부 구동부와 맞물리게 된다.
더 구체적으로, 상기 흡입 보어들(suction bores)은 중심에서 벗어나게 배열되고, 상기 경계부로부터 상기 내경의 적어도 5%, 특히 적어도 10%, 특히 적어도 15%, 특히 적어도 17% 만큼 이격된다. 그 결과, 헤드 직경이 상기 경계부의 내경의 60%와 90% 사이인 삽입 연결 요소는, 상기 연결 요소의 헤드의 모서리를 통해 여전히 흡입 접촉될 수 있다. 이에 따라, 흡입 효과는 상기 연결 요소의 가장 냉각된 위치에 작용함으로써, 상기 연결 요소의 연화 물질이 상기 흡입 보어에 진입하는 것을 방지한다.
상기 경계부의 내경보다 실질적으로 작은 직경의 헤드를 사용할 경우, 결합 공정에서 중간 영역으로부터 이탈된 상부층 물질은 상기 헤드의 측면 상의 영역에 수용된다. 이는 추가적인 수용 체적을 제공함으로써, 구조 높이를 최소화하는 동시에 연결부의 직경을 가능한 한 작게 유지한다.
상기 흡입 보어들은, 상기 경계부의 내경의 적어도 5% 만큼 상기 경계부로부터 이격된 반경에 탄젠트 접하는 것이 바람직하다. 상기 반경은 상기 경계부와 중심이 같고, 그 직경은 상기 내경의 60% 및 90% 사이, 특히 60% 내지 80%일 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 유형의 세팅 툴과 상술한 유형의 연결 요소를 포함하는 연결 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 세팅 툴과 상기 연결 요소는, 상기 경계부의 내경이 상기 연결 요소의 헤드의 직경보다 적어도 10% 크도록, 서로에 대해 조정된다.
또 다른 유리한 일 실시예에 따르면, 상기 경계부의 높이는 상기 헤드의 축방향으로의 최대 연장 형태보다 높을 수 있다. 어쨌든, 상기 경계부의 높이는 상기 연결 요소의 헤드 하측면 높이보다 높도록 연장 형성된다.
본 발명의 기타 추가적인 이점, 특징 및 사용 가능한 적용 방식들은, 도면에 도시된 실시예들을 참조로 이하 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다.
발명의 설명, 청구항 및 도면 전반에 있어서 사용된 용어 및 관련 도면 부호들은 아래 도면 부호 일람에 나열된 바와 같다.
도면에서,
도 1a는 본 발명에 따른 연결 요소의 측면도이다;
도 1b는 본 발명에 따른 연결 요소의 사시도이다;
도 1c는 연결 요소의 부분단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 연결 요소의 사시도이다;
도 3은 본 발명에 따른 세팅 툴의 개략적인 단면도이다;
도 4a는 도 3의 구동 비트의 정면 단부의 사시도이다;
도 4b는 도 4a의 구동 비트의 정면의 상면도이다;
도 5는 연결 요소가 삽입된 구동 비트의 부분단면도이다;
도 6은 세팅 공정 말에 생성된 요소 연결부의 단면도이다;
도 6a는 도 6를 세부 확대도이다;
도 7은 도 6a와 유사한 세부 확대도이다.
도 1a는 본 발명에 따른 연결 요소(10)의 측면도이다. 연결 요소(10)는 헤드(12)와 샤프트(14)를 포함하고, 여기서 샤프트(14)는 원통형 부분(16)을 갖는다. 원통형 부분(16)에서는, 생크(shank)가 상승 높이(A)에서 시작하여, 헤드 높이(K)에 있는 헤드의 하부면에 이를 때까지 연속적으로 넓어진다. 헤드 높이(K)는 샤프트 단부로부터 최대 거리에 있는 높이이다. 본 발명의 연결 요소(10)에서, 헤드 높이는 헤드의 엣지이다.
직경이 연속적으로 증가하는 것은 곡률 반경(R)의 곡률을 따라 진행된다. 직경이 증가하는 것은 상승 높이(A)에서 시작되며, 상승 높이는 헤드 하측면 높이(K)로부터, D1=(DA-DS)/4 과 D2=(DA-DS)/2 사이의 거리만큼 떨어진 곳에 위치한다. 이러한 실시예에서, 얇은 덮개판(cover plate)의 경우 이탈 행동(displacement behavior)을 일으키는데, 이에 대해서는 도 2를 참조로 더욱 상세히 설명할 것이다.
또한, 연결 요소(10)의 헤드에서 멀리 떨어진 쪽에 있는 연결 요소(10)의 단부는 원뿔형 부분(18)을 갖는다. 이러한 원뿔형 부분(18)이 존재함으로써, 샤프트의 정면이 감소된다. 그 결과, 삽입시에 연결 요소를 중앙에 더 잘 위치시킬 수 있다. 도시된 연결 요소(10)는 또한 그 원뿔형 부분에 이어지는 원통형 돌출부를 갖고, 이로써 상부층을 용이하게 관통할 수 있고, 나아가 연결 요소(10)를 중심에 놓이도록 맞추는 것을 개선할 수 있다.
이러한 실시예에서, 직경이 증가할 때, 나사 축에 대한 법선(normal, N)을 기준으로 하는 경사가 연속적으로 감소하고, 이 직경은 또한 제1 경사(M1(α1))와 그에 이어지는 제2 경사(M2(α2))를 포함한다.
도 1b는 본 발명에 따른 연결 요소(10)의 사시도인데, 여기서 연결 요소(10)는, 평평한 헤드 표면(20)에 제공된 내부 구동부(22)를 가지며, 나사 구동부(22)는 십자 오목부의 형태로 되어 있다.
도 1c는 연결 요소(10)의 부분단면도인데, 여기서 나사 구동부의 깊이(t)는, 최대로 했을 때, 구동부의 방사상 방향 연장부의 최대값의 30% 밖에 되지 않는다. 이러한 구조가 가능한 것은, 마찰-용접 연결에 요구되는 축력이 평평한 헤드(20)를 통해 전달되기 때문이다. 마찰-용접 공정 중에 발생하는 열 때문에 내부 구동부는 샤프트(16)로부터 일정 거리 이격되어야 하는데, 구동부 깊이(t)가 낮기 때문에 헤드의 축 연장부가 낮아질 수 있고, 따라서 구조적으로 높이가 낮아질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 연결 요소(30)의 사시도인데, 도 1b에 도시된 연결 요소와 반대로, 여기서는 5개의 꼭지점을 갖는 별 형태의 구동 오목부(32)를 갖는다. 이는, 높은 온도 증가 시 토크 전달을 향상시킨다. 점선은 구동 구조의 반경 및 방사상 방향으로의 최대 연장부를 가리킨다.
도 3은 본 발명에 따른 세팅 툴(40)의 개략적인 단면도이다. 세팅 툴(40)은 고정 장치(42)와 구동 비트(44)를 포함한다. 고정 장치(42)는 연결 공정 시 요소층들(46, 48)을 함께 가압하는데 사용된다. 구동 비트(44)는 고정 장치(42)에 대해 회전 가능하게 장착되고, 연결 요소(50)를 아래로 가압 및 회전시켜 요소층들(46, 48) 안으로 유입시킨다. 위쪽 상부층(46)은 경량 금속, 특히 알루미늄으로 형성하는 것이 바람직한 반면, 베이스층(48)은 고장력강으로 형성하는 것이 바람직하다. 구동 비트(44)는 중앙 흡입 채널(52)을 갖는데, 이는 연결 공정 시 접촉 표면에 부압을 발생시켜 연결 요소(50)를 구동 비트(44) 상에 고정시키는데 사용될 수 있다. 구동 비트(44)의 정면 단부의 구조는 아래 도 4a 및 도 4b를 참조로 더 상세히 설명할 것이다.
도 4a는 구동 비트(44)의 전방 단부의 사시도이다. 구동 비트(44)는 평평한 베이스(54)를 갖는다. 평평한 베이스(54) 상에는, 상승된 구동 구조체(56)들이 제공되는데, 구동 구조체는, 내부 구동부를 갖고 매칭되는 연결 요소를 구동시키는데 사용되고, 이 경우 축력은 평평한 베이스를 통해 연결 요소에 전달된다. 구동 구조체(56)들 사이에는, 흡입 보어(58)들이 제공되는데, 이러한 흡입 보어(58)들은 중앙 흡입 채널과 연통되도록 중앙 흡입 채널에 연결된다. 평평한 베이스(54)는 평평한 베이스(54)에 대해 상승된 경계부(60)가 둘러싸고 있다.
도 4b는 구동 비트(44)의 전방면의 평면도이다. 흡입 보어(58)들은 반경(U)과 접한다. 경계부(60)는 내경(D1)을 갖는다. 경계부와 반경(U)은 중심이 같고, 반경(U)의 직경(DU)은 경계부의 내경(D1)의 약 65%이다. 결과적으로, 흡입 접촉은, 심지어 헤드 직경이 경계부의 내경(D1)보다 실질적으로 작은 연결 요소들의 엣지 영역과, 이루어질 수 있다. 이러한 경우, 연결 요소 상의 흡입 지점들은 연결 요소의 중심으로부터 이격 배열되는 것이 이상적이다.
도 5는 연결 요소(10)가 안에 삽입된 구동 비트(44)의 부분단면도이다. 구동 비트(44)는 흡입 보어들(58)이 연결된 중앙 흡입 채널(52)을 갖는다. 삽입된 연결 요소(10)는 헤드 직경(DK)이 D1의 약 90%이다. 이 도면에서, 상승된 경계부(60)의 높이(HU)가 특히 잘 나타나 있다. 경계부는 연결 요소의 헤드 하측면 높이(K) 이상으로 연장 형성된다. 이는, 세팅 중에 반경방향을 따라 바깥쪽으로 이탈된 모든 물질이 구동 비트에 의해 견인되고, 구동 툴을 둘러싸는 고정 장치(미도시)와 구동 비트 사이의 공간으로 물질이 들어가지 못하도록 한다. 헤드 높이(K)와 평평한 베이스(54) 사이의 영역은, 상부층으로부터의 물질을 수용할 수 있어, 감소된 직경으로 구조적인 높이를 유지할 수 있다.
도 6은 세팅 공정의 종료시에 형성된 요소 연결부(70)의 단면도이다. 요소 연결부(70)는 상부층(72)과 베이스층(74)을 포함하는데, 이 층들은 연결 요소(76)를 통해 서로 연결된다. 연결 요소(76)는 용접(welding)을 통해 베이스층에 접착식으로(cohesively) 연결되는 반면, 상부층(72)은 연결 요소(76) 상에 확실하게 고정된다. 또한, 세팅 툴(78)을 볼 수 있는데, 세팅 툴은 고정 장치(80)를 포함하며, 고정 장치는 요소 연결부 상에서 아래로 가압함으로써, 상부층(72)과 베이스층(74)을 함께 클램핑한다.
구동 비트(82)의 경계부(84)는, 세팅 공정이 완료되었을 때 경계부가 상부층(72)의 높이와 경계를 접하여 고정 장치(80)와 같은 높이를 가지도록, 충분한 높이를 갖는다.
도 6a는 도 6의 세부 확대도이다. 이 도면에는, 상부층(72)으로부터 연화되어 이탈된 연화된 물질이, 베이스층(74)에서 수행되는 마찰-용접 공정 중에 상승하는 연결 요소(76)의 물질과 헤드 사이에, 어떻게 수용되는지를 특히 잘 보여주고 있다. 고정 장치(80)와 경계부(84)는 이 공정의 말기에, 같은 높이에서 접하게(abut) 되기 때문에, 고정 장치(80) 상에는 약간의 경사진 테이퍼(taper) 구조만 요구되고, 이는 상부층(72)으로부터의 물질이 경계부(84) 내부에서 주로 유지되고 고정 장치(80) 자체는 1차적으로 주형의 역할을 하지 않기 때문이다.
도 7은 도 6과 유사한 세부 확대도이다. 도 7에 도시된 구조에서, 경계부(94)는, 세팅 공정 말기에 상부층(92) 높이로부터 거리(S) 만큼 이격되도록 선택되어 있다. 그 결과, 이 구조에서, 경계부(94)는, 마찰-용접 공정 중에 상부층(92)에서 이탈된 모든 물질이 구동 비트와 고정 장치(96) 사이의 공간으로 들어가지 않도록 하면서도 상부층(92)에서 이탈된 물질이 고정 장치(96)에 의해 갇힐 수 있도록, 물질을 유도하게 된다. 일반적으로, 최대 구조적인 치수는 고정 장치(96)에 의해 정의되기 때문에, 이러한 방식으로 추가적인 수용 체적이 형성될 수 있고, 따라서 외부 치수를 동일하게 유지하면서도 전체적인 높이를 줄일 수 있다. 이러한 실시예에서, 고정 장치(96)는 그 내부 엣지를 따라 테이퍼부를 갖는다. 이로 인해, 세팅 공정 이후에 고정 장치(96)를 쉽게 제거할 수 있는데, 그 이유는 상부층(92)으로부터의 변형된 물질에 고정 장치(96)가 걸리는 것이 방지할 수 있기 때문이다.

Claims (19)

  1. 베이스층(48, 74)과 적어도 하나의 상부층(72, 92, 46) 및 연결 요소(76)를 포함하고, 상기 연결 요소(76)는 헤드(12)와 샤프트(16)를 포함하며, 상기 연결 요소(76)는 상기 연결 요소(76)의 전방면을 통해 상기 베이스층(48, 74)에 응집력 있게 연결되는, 요소 연결부(70)에 있어서,
    상기 상부층(72, 92, 46)으로부터의 물질은, 상기 상부층(72, 92, 46)의 높이의 위에서, 상기 헤드(12)를 측면에서 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결 요소는, 서로 마주보게 놓인 두 개의 요소의 요소 연결부(70)를 형성하기 위한 연결 요소로 이루어져 있고,
    상기 연결 요소는 베이스층인 하부층(74)에 마찰에 의해 용접되고, 상기 연결 요소는 샤프트(16)를 구비하며, 상기 샤프트(16)는 샤프트 세그먼트(14) 및 축력 전달을 위한 평평한 표면(20)이 상측에 형성된 헤드(12)를 갖고, 상기 평평한 표면(20)에는 토크를 전달하기 위해 오목한 구동부(22, 32)가 형성되고, 상기 샤프트 세그먼트 상의 상승 높이(A)에서부터 시작하여 상기 헤드의 바닥측까지 직경이 지속적으로 증가하고, 샤프트 단부로부터 최대 거리에 있는 헤드 하측면의 높이(K)에서부터 상승 높이(A)의 거리는, 상기 헤드의 외경과 상기 상승 높이에서의 샤프트 직경의 차이값의 절반(D2)인 (DA-DS)/2 보다 작고, 상기 헤드의 외경과 상기 상승 높이에서의 샤프트 직경의 차이값의 4분의 1(D1)인 (DA-DS)/4 보다 큰 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상승 높이(A)에서의 경사(M1)는, 법선(normal)과 80°미만의 각도(α1)를 형성하는 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  4. 제2항에 있어서,
    제1 샤프트 세그먼트(14)는 원통형인 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 구동부(22, 32)의 깊이(t)는, 상기 구동부(22, 32)의 방사상 연장부(a)의 30% 미만인 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 헤드(12)의 엣지 영역은, 상기 연결 요소의 회전 축에 대해 85°와 95°사이의 각도로 테이퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 헤드의 축 방향에서 상기 연결 요소의 회전 축에 대한 법선을 기준으로 제1 경사(M1,α1) 및 제2 경사(M2,α2)를 갖는 함수에 따라, 상기 직경이 증가하고, 상기 제2 경사(M2,α2)는 상기 제1 경사(M1,α1)보다 작은 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 헤드(12)의 축 방향에서 상기 회전 축에 대한 법선을 기준으로 제1 경사(M1,α1), 제2 경사(M2,α2) 및 제3 경사(M3,α3)를 갖는 함수에 따라, 상기 직경이 증가하고, 상기 제2 경사(M2,α2)는 상기 제1 경사(M1,α1)보다 작고 상기 제3 경사(M3,α3)는 상기 제2 경사(M2,α2)보다 작은 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  9. 제8항에 있어서,
    곡률반경이 헤드의 하측면과 이격된 거리보다 크게 되어 있는 곡률을 따라, 상기 직경의 증가가 발생하는 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 연결 요소는, 상기 샤프트의 단부에 원뿔형으로 테이퍼부를 갖고, 60°와 80°사이의 테이퍼 각도로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 샤프트의 단부에는, 상기 원뿔형 부분(18) 다음에 원통형 세그먼트(19)가 이어지는 것을 특징으로 하는 요소 연결부.
  12. 제1항에 따른 요소 연결부(70)를 형성하기 위한 세팅 툴(40)로서,
    상기 세팅 툴(40)은 고정 장치(42, 80, 96)와 구동 비트(44, 82)를 포함하고, 상기 구동 비트(44, 82)는 상기 구동 비트(44, 82)의 전방면 상에 평평한 베이스(54)를 갖고, 상기 베이스(54) 상에는 상승된 구동 구조체(56)들이 제공되고,
    상기 베이스(54)는, 경계부의 내경(D1)과 함께 공극을 형성하는 상승된 경계부(60)에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 세팅 툴.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고정 장치(96)는, 상기 고정 장치(96)의 전방면 상에, 테이퍼부(98)를 갖는 것을 특징으로 하는 세팅 툴.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 베이스(54) 내에는 적어도 두 개의 흡입 보어(58)들이 제공되는 것을 특징으로 하는 세팅 툴.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 흡입 보어(58)들은, 상기 경계부(60)로부터의 거리가 경계부의 내경(D1)의 적어도 5%인 반경(U)에 접하는 것을 특징으로 하는 세팅 툴.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 경계부(60)는, 상기 경계부(60)의 전방면 상에 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 세팅 툴.
  17. 제12항에 따른 세팅 툴과, 연결 요소를 포함하는 연결 시스템으로서,
    상기 경계부의 내경(D1)은, 상기 연결 요소의 헤드의 직경(DA)보다 적어도 10% 큰 것을 특징으로 하는 연결 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 경계부의 높이(HU)는, 축방향으로 상기 헤드의 최대 연장부보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 연결 시스템.
  19. 삭제
KR1020177024856A 2015-02-05 2016-02-03 마찰-용접 연결부를 형성하기 위한 연결 요소 KR102138196B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015202074.6A DE102015202074A1 (de) 2015-02-05 2015-02-05 Verbindungselement zur Herstellung einer Bauteilverbindung
DE102015202074.6 2015-02-05
PCT/EP2016/052290 WO2016124647A1 (de) 2015-02-05 2016-02-03 Verbindungselement zur herstellung einer reibschweissverbindung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170110142A KR20170110142A (ko) 2017-10-10
KR102138196B1 true KR102138196B1 (ko) 2020-07-28

Family

ID=55398260

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177024856A KR102138196B1 (ko) 2015-02-05 2016-02-03 마찰-용접 연결부를 형성하기 위한 연결 요소

Country Status (17)

Country Link
US (1) US10710193B2 (ko)
EP (1) EP3253527B1 (ko)
JP (1) JP6758306B2 (ko)
KR (1) KR102138196B1 (ko)
CN (1) CN107771110B (ko)
BR (1) BR112017016413A2 (ko)
CA (1) CA2975940A1 (ko)
DE (1) DE102015202074A1 (ko)
ES (1) ES2854650T3 (ko)
HU (1) HUE053981T2 (ko)
MX (1) MX2017009989A (ko)
MY (1) MY197361A (ko)
PL (1) PL3253527T3 (ko)
RU (1) RU2017131071A (ko)
TW (1) TWI670129B (ko)
WO (1) WO2016124647A1 (ko)
ZA (1) ZA201705973B (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10682684B2 (en) 2016-12-07 2020-06-16 GM Global Technology Operations LLC Hybrid workpiece joining
US20180172045A1 (en) * 2016-12-17 2018-06-21 Ford Global Technologies, Llc Friction Element Weld Element Modification To Increase Corrosion Resistance of Thermal Mechanical Joint
EP3392512A1 (de) 2017-04-19 2018-10-24 HILTI Aktiengesellschaft Befestigungsverfahren und befestigungssystem
EP3581319B1 (en) * 2018-05-09 2023-12-13 Brigham Young University System and method for friction bit joining
JP7178531B2 (ja) * 2018-06-01 2022-11-28 エードス株式会社 回転摩擦溶接における溶融金属閉じ込めリングによる溶融金属の閉じ込め方法
DE102020110855A1 (de) * 2020-04-21 2021-10-21 Ejot Gmbh & Co. Kg Antriebsbit mit gefederter Buchse
EP4275828A1 (en) * 2021-03-23 2023-11-15 JFE Steel Corporation Friction joining element

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006028529A1 (de) * 2005-06-28 2007-01-04 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Verfahren und Vorrichtung zum Anbringen einer Verbindungselementmutter an einem hydrogeformten Teil
CN101468421A (zh) * 2007-12-26 2009-07-01 中国科学院金属研究所 一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法
DE102008028687A1 (de) * 2008-06-17 2009-12-24 Ejot Gmbh & Co. Kg Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3426394A (en) * 1965-10-07 1969-02-11 Illinois Tool Works Molding clip and rivet
US3477115A (en) * 1967-03-17 1969-11-11 Caterpillar Tractor Co Method of fastening parts by friction welding
US3774009A (en) * 1970-07-06 1973-11-20 Empire Stove Co Fastener for securing sheet material
DE19620814A1 (de) 1996-05-23 1997-11-27 Emhart Inc Mehrkörperverbund und Reibschweißverfahren zu seiner Herstellung
DE10014078C5 (de) * 2000-03-22 2007-04-05 Nelson Bolzenschweiß-Technik GmbH & Co. KG Verfahren zur Herstellung eines Schweißbolzens
US6769595B2 (en) * 2000-12-20 2004-08-03 Alcoa Inc. Friction plunge riveting
US6676007B2 (en) * 2002-01-23 2004-01-13 General Motors Corporation Method for attaching metal members
JP2004001784A (ja) 2002-05-29 2004-01-08 Fujimori Kogyo Co Ltd 消毒薬用キット
JP3976251B2 (ja) * 2002-06-14 2007-09-12 本田技研工業株式会社 リベット締結方法およびリベット締結装置
JP2004106046A (ja) 2002-09-20 2004-04-08 Kawasaki Heavy Ind Ltd 摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法
US6804142B2 (en) 2002-11-12 2004-10-12 Micron Technology, Inc. 6F2 3-transistor DRAM gain cell
DE102005006253B4 (de) * 2005-02-11 2007-03-08 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum unlösbaren Befestigen
FR2883499B1 (fr) * 2005-03-23 2015-04-10 Daimler Chrysler Ag Procede pour assembler des pieces et element d'assemblage pour ce procede.
JP4032313B2 (ja) * 2006-02-16 2008-01-16 好高 青山 プロジェクション溶接用ボルトおよびその溶接方法
DE102007021891A1 (de) * 2007-05-10 2008-11-13 Ejot Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Herstellung einer Reibschweißverbindung und Gestaltung der Reibschweißverbindung
DE102009006775A1 (de) * 2009-01-30 2009-10-01 Daimler Ag Fügeelement und Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke
DE102009038697A1 (de) 2009-08-24 2011-03-17 Ejot Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zum Verbinden von mindestens zwei Platten
DE102010013229A1 (de) * 2010-03-29 2011-09-29 Ejot Gmbh & Co. Kg Verbindungselement für eine Reibschweißverbindung zur Verbindung von mindestens zwei plattenartigen Bauteilen
JP2015139788A (ja) 2014-01-27 2015-08-03 株式会社大貫工業所 摩擦攪拌接合ツール及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006028529A1 (de) * 2005-06-28 2007-01-04 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Verfahren und Vorrichtung zum Anbringen einer Verbindungselementmutter an einem hydrogeformten Teil
CN101468421A (zh) * 2007-12-26 2009-07-01 中国科学院金属研究所 一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法
DE102008028687A1 (de) * 2008-06-17 2009-12-24 Ejot Gmbh & Co. Kg Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015202074A1 (de) 2016-08-11
MX2017009989A (es) 2017-11-23
HUE053981T2 (hu) 2021-08-30
KR20170110142A (ko) 2017-10-10
ZA201705973B (en) 2020-01-29
EP3253527A1 (de) 2017-12-13
CN107771110B (zh) 2021-05-14
US20180021883A1 (en) 2018-01-25
BR112017016413A2 (pt) 2018-03-27
TW201634163A (zh) 2016-10-01
CA2975940A1 (en) 2016-08-11
TWI670129B (zh) 2019-09-01
EP3253527B1 (de) 2020-12-30
CN107771110A (zh) 2018-03-06
PL3253527T3 (pl) 2021-07-12
US10710193B2 (en) 2020-07-14
WO2016124647A1 (de) 2016-08-11
ES2854650T3 (es) 2021-09-22
MY197361A (en) 2023-06-14
JP6758306B2 (ja) 2020-09-23
JP2018504281A (ja) 2018-02-15
RU2017131071A (ru) 2019-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102138196B1 (ko) 마찰-용접 연결부를 형성하기 위한 연결 요소
CN1241699C (zh) 铆钉和铆接结构
JP4886277B2 (ja) 材料の接合方法
US6536651B2 (en) Friction stir welding method
JP2009523965A (ja) 鋲接続を形成するための方法及びそのための鋲
JP7498704B2 (ja) 接続要素、部品およびその接続方法
JP2009537757A (ja) 自己挿通リベット
JP2009514681A (ja) 摩擦圧接継手のための固定要素
JP7019792B2 (ja) 溶接補助ジョイント部品及び要素複合体の製造方法
US5508488A (en) Method of projection-welding bolts
CN107542741A (zh) 连接元件及用于连接至少两个工件的方法
US20020030081A1 (en) Friction stir bonding method
CN1049400A (zh) 由连接器相互接合在一起的异型杆材组成的可拆式支架
JP6854775B2 (ja) 少なくとも１個の部材とのかみ合い連結をするための連結要素
US20220314362A1 (en) Welded structure and friction stir welding device
JP2013169567A (ja) 自己穿孔型リベット用ダイ
US10792866B2 (en) Thermoplastic frictional connector
JP2008303696A (ja) ガードパイプユニット
KR101914646B1 (ko) 마찰 용접 리벳
KR101182760B1 (ko) 금속재의 테이퍼 관 성형장치 및 이를 이용한 테이퍼 관 성형방법
JP2010112509A (ja) 軸と軸孔の圧入構造
EP3102740B1 (en) Pile shoe and pile
WO2023286558A1 (ja) 板状ワーク積層体へのピアスナットの結合方法
RU2791897C2 (ru) Фрезерный резец
KR100590616B1 (ko) 표면이동마찰용접법에 의한 금속판재의 점용접 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant