KR102170227B1 - 마찰 교반 점 접합 방법 및 마찰 교반 점 접합 장치 - Google Patents

마찰 교반 점 접합 방법 및 마찰 교반 점 접합 장치 Download PDF

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Abstract

마찰 교반 점 접합 방법은, 복수의 강판재를 마찰 교반 점 접합하는 방법으로서, 강판재의 점 접합부에 툴을 회전시키면서 가압하여 마찰열로 점 접합부를 소성 유동시키는 마찰 교반 공정과, 마찰 교반 공정 후 점 접합부를 냉각하여 점 접합부에서 마르텐사이트 변태를 일으키는 냉각 공정과, 냉각 공정 후 다시 점 접합부에 툴을 회전시키면서 가압하여 마찰열로 점 접합부를 템퍼링하는 템퍼링 공정을 구비한다.

Description

마찰 교반 점 접합 방법 및 마찰 교반 점 접합 장치
본 발명은 마찰 교반 점 접합을 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
겹쳐져 있는 복수의 강판재를 마찰 교반 점 접합함으로써 이음매를 제작할 수 있다. 마찰 교반 중인 강판재의 점 접합부는 마찰열로 오스테나이트(Austenite) 변태가 일어날 정도까지 승온(昇溫)한다. 툴(tool)을 빼내면 점 접합부는 강온(降溫)해 간다. 그 과정에서 마르텐사이트(Martensite) 변태가 발생하면, 점 접합부가 경화 및 취화되고, 그로 인하여 이음매 강도의 저하를 초래한다.
특허문헌은 점 접합부(피접합부)가 A3 변태점 이상으로 승온하면, 툴을 모재에 꽂은 상태에서 툴의 회전 속도를 감소시켜 피 접합부를 서서히 냉각해 간다. 피접합부가 A1 변태점까지 강온하면 툴을 빼고 피접합부를 자연 냉각한다. 이러한 방법을 채택함으로써 냉각을 지연시켜 마르텐사이트 형성의 억제, 이음매 강도 저하의 억제를 도모하고 있다.
일본특허출원공개 특개2011-115842호
강판재의 소입(燒入)성이 높으면 마르텐사이트 형성을 막는데 필요한 냉각 시간은 길어진다. 예를 들어, 중고 탄소강이나 합금강이 모재인 경우, 마르텐사이트 형성을 저지하기 위해서는, A3 변태점에서 실온으로 복원하는데 수 분이 걸리게 된다.
따라서, 상기 방법은 이음매의 생산성 면에서 곤란하다. 생산성 향상에는 냉각 시간을 희생할 수 밖에 없으나, 마르텐사이트 형성을 억제할 수 없게 되므로, 이음매 강도를 높게 유지하는 것이 어렵게 된다.
본 발명은 강판재에 마찰 교반 점 접합을 할 경우, 이음매의 강도 향상과 생산성 향상을 양립시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 마찰 교반 점 접합 방법은, 복수의 강판재를 마찰 교반 점 접합하는 방법으로서, 상기 강판재의 점 접합부에 툴을 회전시키면서 가압하여 마찰열로 상기 점 접합부를 소성 유동시키는 마찰 교반 공정과, 상기 마찰 교반 공정 후 상기 점 접합부를 냉각하여 상기 점 접합부에서 마르텐사이트 변태를 일으키는 냉각 공정과, 상기 냉각 공정 후 다시 상기 점 접합부에 상기 툴을 회전시키면서 가압하여 마찰열로 상기 점 접합부를 템퍼링(tempering)하는 템퍼링 공정을 포함한다.
여기서, 본 명세서에서는 용어 「점 접합부」를 마찰 교반 점 접합을 할 것으로 예정하고 있는 부분, 마찰 교반 점 접합이 이루어지고 있는 부분 및 마찰 교반 점 접합된 부분에 대해 특별한 구분없이 사용할 수 있는 것으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 마찰열로 점 접합부에 소성 유동을 발생시킨 후 냉각에 의하여 점 접합부를 퀀칭(quenching)하고, 그 후 툴로 점 접합부를 템퍼링한다. 따라서, 점 접합부의 경도(硬度) 저하 및 강인화(强靭化)를 달성할 수 있고, 이음매의 강도를 향상시킬 수 있다.
템퍼링 공정을 필요로 하지만, 마찰 교반 공정에서 사용한 툴을 템퍼링 공정에서도 그대로 사용하고 있기 때문에, 마찰 교반에서 템퍼링까지의 공정을 순차적으로 원활하게 진행할 수 있다. 따라서, 이음매의 생산성도 양호하다.
상기 냉각 공정에서, 상기 강판재의 상부 임계 냉각 속도 이상의 속도로 상기 점 접합부를 냉각하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 점 접합부에 마르텐사이트가 안정적으로 형성되고, 이음매의 강도를 높게 유지할 수 있다. 또한, 냉각 시간이 짧아지고 이음매의 생산성이 향상된다.
상기 냉각 공정에서, 상기 점 접합부를 상기 강판재의 마르텐사이트 변태 종료 온도 이하까지 강온시켜도 좋다.
상기 구성에 의하면, 점 접합부에 마르텐사이트가 안정적으로 형성되고, 이음매의 강도를 높게 유지할 수 있다.
상기 냉각 공정은, 상기 툴을 인상시켜서, 상기 툴과 상기 점 접합부 사이에 공간을 형성하는 것을 포함하고, 상기 툴을 인상시킬 때, 상기 툴의 인상 량을 핀 구멍 깊이보다 작게 하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 툴 및 핀 구멍 사이의 위치 어긋남을 억제할 수 있어, 템퍼링 공정을 수행하는 툴을 점 접합부에 다시 가압할 때 툴이 강판재에 예기치 못하게 간섭하는 것을 방지할 수 있으므로, 툴의 손상을 예방할 수 있다.
상기 템퍼링 공정에서, 상기 점 접합부를 550 ~ 650 ℃까지 승온한 후 강온하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 고온에서 템퍼링을 실행하기 때문에, 점 접합부의 경도 저하 및 강인화를 적절하게 달성할 수 있다.
상기 템퍼링 공정에서, 상기 툴의 회전수를 상기 마찰 교반 공정에서의 상기 툴의 회전수보다 높게 설정하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 템퍼링 공정에서 재가열 속도가 높아지고, 템퍼링 공정의 소요 시간이 짧아진다.
상기 강판재는 탄소 함유량이 0.06 % 이상, 또는 인장 강도가 590 MPa 이상이라도 좋다.
상기 구성에 의하면, 상기한 방법을 실행하여 점 접합부의 경도 저하 및 강인화가 적절하게 달성되고, 이음매 강도를 개선할 수 있기 때문에 유리하다.
본 발명의 일 측면에 따른 마찰 교반 점 접합 장치는, 복수의 강판재를 마찰 교반 점 접합하는 장치로서, 상기 강판재의 점 접합부 및 툴을 서로 상대 변위시키는 변위 구동기와, 상기 툴을 회전시키는 회전 구동기와, 제어기를 구비하고, 상기 제어기가, 상기 변위 구동기 및 상기 회전 구동기를 작동시켜 상기 점 접합부에 상기 툴을 회전시키면서 가압하여 마찰열로 상기 점 접합부를 소성 유동시키는 마찰 교반 공정을 실행하고, 상기 변위 구동기 및 상기 회전 구동기 중 적어도 어느 하나를 동작시켜 상기 툴을 인상 및/또는 상기 툴의 회전수를 저감시키고, 상기 점 접합부를 냉각하는 냉각 공정을 실행하며, 상기 변위 구동기 및 상기 회전 구동기를 작동시켜 다시 상기 점 접합부에 상기 툴을 회전시키면서 가압하여 상기 점 접합부를 템퍼링하는 템퍼링 공정을 실행하도록 구성된다.
본 발명에 의하면, 강판재에 마찰 교반 점 접합을 할 경우, 이음매의 강도 향상과 생산성 향상을 양립시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3a는 도 1의 부분 확대도이고, 위치 결정 공정의 완료 상태를 나타내는 도면이다. 도 3b는 도 3a 중의 B에서 바라본 도면, 즉 마찰 교반 점 접합 장치에 위치된 강판재를 판 두께 방향으로 바라보아 도시한 도면이다.
도 4(a)는 압입 공정을 도시하고, 도 4(b)는 마찰 교반 공정을 도시하며, 도 4(c)는 냉각 공정을 도시하고, 도 4(d)는 템퍼링 공정을 도시한다.
도 5는 제1 실시예에 따른 냉각 공정을 나타내는 순서도이다.
도 6은 점 접합 공정의 타임 차트이다.
도 7은 강판재의 CCT 곡선이다.
도 8은 점 접합 공정의 완료 상태를 도시하는 도면이다.
도 9는 점 접합부의 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 점 접합부의 이음매 강도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 점 접합부에 대한 십자 인장 시험에서의 하중-스트로크 선도이다.
도 12는 강판재의 탄소량·인장 강도와 계수 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 제2 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 장치의 냉각 장치 및 제2 실시예에 따른 냉각 공정을 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예에 대해 설명한다. 전체 도면을 통해 동일하거나 대응하는 요소에는 동일한 부호를 부여하고 중복 상세한 설명을 생략한다.
[제1 실시예]
도 1은 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 장치(1)를 개략적으로 도시한 구성도이다. 본 실시예에서는 마찰 교반 점 접합 장치(1)가 대략 원통형의 툴(10)을 회전 및 변위시키고, 서로 겹쳐 있는 2 장의 강판재(51, 52)를 마찰 교반 점 접합한다. 복수의 점 접합부(53)가 2 장의 강판재(51, 52)에 설정 또는 형성되고, 2 장의 강판재(51, 52)는 복수의 점 접합부(53)에서 서로 접합된다.
(마찰 교반 점 접합 장치)
마찰 교반 점 접합 장치(1)는 기체(基體)(11), 가동체(12) 및 툴 유지체(13)를 구비한다. 가동체(12)는 툴 유지체(13)의 축선 방향으로 이동 가능하도록 기체(11)에 설치되어 있다. 툴 유지체(13)는 그 축선 주위로 회전 가능하며, 가동체(12)와 일체가 되어 그 축선 방향으로 이동 가능하다. 툴(10)은 툴 유지체(13)의 선단부에 착탈 가능하게 유지(保持)되고, 툴 유지체(13)와 동축(同軸) 상태로 배치된다.
이하에서, 툴 유지체(13)의 축선 및 그에 유지된 툴(10)의 축선을 「툴 축(A)」이라고 칭한다. 툴 축(A)의 연장 방향을 「툴 축 방향」이라고 칭한다.
마찰 교반 점 접합 장치(1)는 프레임(14) 및 지지대(15)를 구비한다. 프레임(14)은 기체(11)에 고정되고, L자형 또는 C자형을 이루게 완만한 곡선을 이루며 기체(11)로부터 연장된다. 프레임(14)의 선단부는 툴(10)과 툴 축 방향으로 마주한다. 지지대(15)는 프레임(14)의 선단부에 설치된 강판재(51, 52)(특히 그 점 접합부(53))를 지지한다.
마찰 교반 점 접합 장치(1)는 직동(直動) 구동기(16) 및 회전 구동기(17)를 구비하고 있다. 직동 구동기(16)는 가동체(12)를 툴 축 방향으로 직선 운동시킨다. 이에 따라 툴(10)이 지지대(15)에 지지된 강판재(51, 52)에 대해 툴 축 방향으로 변위한다. 회전 구동기(17)는 툴 유지체(13) 및 툴(10)을 툴 축(A) 주위로 회전시킨다. 직동 구동기(16) 및 회전 구동기(17)는 예를 들어 전기 모터이다.
기체(11)는 다관절 로봇(19)의 암(19a)의 선단부에 착탈 가능하게 장착된다. 암(19a)이 작동하면 기체(11)가 다관절 로봇(19)의 베이스(미도시)에 대해 상대 변위하고, 그로 인하여 툴(10)이 강판재(51, 52)에 대해 상대 변위한다. 다관절 로봇(19)의 암(19a)은 직동 구동기(16)과 함께 툴(10)과 강판재(51, 52)의 점 접합부(53)를 서로 상대 변위시키는 변위 구동기(18)로서의 역할을 수행한다.
마찰 교반 점 접합 장치(1)는 점 접합부(53)를 냉각하는 냉각 장치(20)를 구비하고 있다. 본 실시예에서는 냉각 장치(20)가 유체를 분사하는 노즐(21)을 구비한다. 노즐(21)은 유체원(22)에 배관(23)을 통해 연결된다. 배관(23)에는 노즐(21)로부터의 유체 분사 여부를 전환하기 위한 전환기(24)가 개재된다. 예를 들어, 유체원(22)은 유체를 대기압보다 높은 압력으로 저장하는 탱크이며, 전환기(24)는 전자 개폐 밸브이다. 이 경우, 전환기(24)인 전자 개폐 밸브가 밸브를 개방하면 유체가 노즐(21)로부터 분사되고, 폐쇄하면 유체의 분사가 멈춘다. 노즐(21)은 기체(11)에 설치되어 있고, 노즐(21)의 분사구는 툴 유지체(13)의 선단부를 향하고 있다. 유체원(22)은 기체(11)에 설치되어 있어도 좋고, 기체(11) 외부에 떨어져 설치되어 있어도 좋다.
마찰 교반 점 접합 장치(1)는 회전 구동기(17), 변위 구동기(18) 및 냉각 장치(20)(본 실시예에서는 특히 전환기(24))를 제어하는 제어기(30)를 구비한다. 제어기(30)는 하나의 제어 유닛에 기능이 집약된 것이어도 좋고, 복수의 제어 유닛에 기능이 분산되어 구성되어도 좋다. 제어기(30)는 프로세서, 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 및 I/O 인터페이스 등을 구비한다. 제어기(30)는 도시하지 않은 입력 장치(예를 들어, 컴퓨터, 티칭 팬던트 또는 조작반 등)에서 I/O 인터페이스를 통해 입력된 지령에 응답하고, 비휘발성 메모리에 저장된 동작 프로그램에 기초해 프로세서가 휘발성 메모리를 사용하여 연산하며, I/O 인터페이스를 통해 회전 구동기(17), 변위 구동기(18) 및 냉각 장치(20)와 통신한다.
(마찰 교반 점 접합 방법)
상기 마찰 교반 점 접합 장치(1)에 의해 실행되는 마찰 교반 점 접합 방법의 대략적인 흐름을 설명한다. 도 2는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 나타내는 순서도이다. 먼저, 한 개의 점 접합부(53)가 지지대(15)로 지지되어 툴(10)과 툴 축 방향으로 마주하도록 강판재(51, 52)를 마찰 교반 점 접합 장치(1)에 위치시킨다(위치 결정 공정(S1)). 위치 결정 공정(S1)에서는 다관절 로봇(19)의 암(19a)을 작동시켜 기체(11)를 변위시켜도 좋고, 강판재(51, 52)가 워크 반송 장치(미도시)에 의해 기체(11)에 대해 변위되어도 좋으며, 이러한 두 변위가 복합되어도 좋다.
다음으로, 지지대(15)에 지지된 한 개의 점 접합부(53)에 대해 마찰 교반 점 접합이 이루어진다(점 접합 공정(S2)). 1회의 점 접합 공정(S2) 중에서 압입 공정(S21), 마찰 교반 공정(S22), 냉각 공정(S23) 및 템퍼링 공정(S24)이 그 순서대로 실행된다.
점 접합 공정(S2)이 완료되면 위치 결정 공정(S1)으로 돌아가서 다음 시공되어야 할 점 접합부(53)가 지지대(15)에 지지되도록 강판재(51 ,52)를 마찰 교반 점 접합 장치(1)에 대해 위치 결정한다. 위치 결정 공정(S1)과 점 접합 공정(S2)을 반복하다 보면 강판재(51, 52)가 복수의 점 접합부(53)에서 서로 접합되어 간다. 자세한 도시를 생략하였으나, 정해진 수의 점 접합 공정(S2)가 완료되거나, 유지 보수를 요하는 등 어떤 조건을 충족시키면 마찰 교반 점 접합 방법을 종료한다.
도 3a는 도 1의 확대도이고, 위치 결정 공정(S1)의 완료 상태를 도시하고 있다. 2 장의 강판재(51, 52)는 판 두께 방향 및 중첩 방향을 툴 축 방향과 일치시킨 자세에서 지지대(15)에 지지된다. 강판재(52)가 지지대(15)의 지지면에 놓이고 나머지 한 쪽의 강판재(51)가 강판재(52) 위에 겹쳐져 있다. 툴(10)은 원 기둥 모양의 툴 본체부(10a) 및 툴 본체부(10a)의 중심으로부터 돌출하는 핀부(10b)를 구비한다. 핀부(10b)는 툴 본체부(10a)보다 소경이다. 이하에서, 툴 본체부(10a)의 툴 축 방향의 단면이고 핀부(10b)를 둘러싼 원형 고리 모양의 면을 「숄더(shoulder)면(10c)」이라고 부른다.
도 3b는 도 3a의 B에서 바라본 도면이고, 강판재(51, 52)를 판 두께 방향(즉, 툴 축 방향)으로 바라보고 도시한 도면이다. 도시된 3개의 점 접합부(53) 중 아래 것은 점 접합 공정(S2)을 마친 점 접합부(53)이다(부호 53a, 53b는 후술한다). 가운데는 위치 결정 공정(S1)이 완료되고 점 접합 공정(S2)이 실행되기 전의 점 접합부(53)이다. 위에 것은 예를 들어 중앙의 점 접합부(53)에 대한 점 접합 공정(S2)을 마친 후, 새로운 위치 결정 공정(S1) 및 점 접합 공정(S2)의 대상이 되어야 할 점 접합부(53)이다.
<압입 공정>
도 4(a) 및 4(b)에 도시된 바와 같이, 압입 공정(S21)에서는 툴(10)을 툴 축(A) 주위로 회전시키면서 툴 축 방향으로 이동시킨다. 이와 같이, 툴(10)을 강판재(51, 52)에 압입시킨다.
회전하는 툴(10)이 이동하는 과정에서, 먼저 핀부(10b)가 강판재(51)의 표면(도면에서는 윗면)을 눌러 맞닿는다. 강판재(51)는 핀부(10b)가 눌러 맞닿은 부분에서 마찰열로 연화된다. 연화로 인해 핀부(10b)는 강판재(51)의 표면에서 툴 축 방향으로 더 이동해 나갈 수 있다. 핀부(10b)는 강판재(51) 내로 함입되어 강판재(51)를 관통하고 강판재(52)의 표면(도면에서는 윗면)에 도달한다. 또한, 강판 재(52)가 마찰열로 연화되고, 핀부(10b)는 강판재(52)의 표면에서 툴 축 방향으로 더 이동하여 강판재(52) 내로 함입된다.
툴(10)은 숄더면(10c)이 강판재(51)의 표면(도면에서는 윗면)를 눌러 맞닿을 때까지 이동한다. 숄더면(10c)이 강판재(51)를 눌러 맞닿은 상태에서 핀부(10b)는 강판재(51)를 관통하여 강판재(52)에 함입된다. 본 실시예에서는 강판재(52)는 관통되지 않도록 되어 있다.
<마찰 교반 공정>
도 4(b)와 같이 마찰 교반 공정(S22)에서는 툴(10)을 회전시키면서 툴(10)로 점 접합부(53)를 가압하고, 마찰열로 점 접합부(53)를 소성 유동시킨다. 핀부(10b)는 강판제(52)까지 도달하기 때문에 강판재(51)와 강판재(52)가 점 접합부(53)에서 비벼져 혼합된다(도 4(b) 중의 크로스 해치 영역 참조).
여기서, 마찰 교반 공정(S22)에서 툴(10)로부터 강판재(51, 52)에 부여되는 「가압력」은 특별히 언급하지 않는 한 툴(10)에서 강판재(51)에 부여되는 툴 축 방향(도면에서 하방)의 힘[N]으로 한다.
<냉각 공정>
도 4(c) 및 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각 공정(S23)에서는 툴(10)을 일단 끌어 올리고, 툴(10)과 점 접합부(53) 사이에 공간(54)을 형성한다(툴 인상 공정(S23a)). 다음으로, 형성된 공간(54)에 유체를 흘려서, 점 접합부(53)를 강제 냉각시킨다(유체 공급 공정(S23b)). 툴 인상 공정(S23a)에서는 툴(10)이 툴 축 방향으로 이동하여 점 접합부(53)로부터 빠져나온다. 이때, 툴(10)의 회전을 멈추어도 좋고, 멈추지 않아도 좋으며, 압입 시와 반대 방향으로 회전시켜도 좋다. 유체 공급 공정(S23b)에서는 냉각 장치(20)가 작동한다. 본 실시예에서는 노즐(21)로부터 유체가 분사된다. 유체는 액체여도 좋고, 기체여도 좋다. 기체의 경우, 냉각된 공기 또는 질소나 아르곤 등의 불활성 가스를 바람직하게 이용할 수 있고, 불활성 가스도 주변 공기보다 저온으로 냉각된 것이라면 좋다.
도 4(c)에 도시된 바와 같이, 툴(10)의 인상 량(X)은 핀 구멍 깊이(Y)보다 작다. 핀 구멍(53a)은 툴(10)을 들어올렸을 때 점 접합부(53)에 형성되는 핀부(10b)의 함입 자국이며, 원형의 관통되지 않은 구멍이다. 핀 구멍 깊이(Y)는 핀 구멍(53a)의 상단 테두리부에서 핀 구멍(53a)의 바닥까지의 판 두께 방향(툴 축 방향)의 길이이고, 핀 구멍(53a)의 상단 테두리부는 핀부(10b)의 외주면과 숄더면(10c)이 이루는 모서리에 접하고 있던 부분에 해당한다.
인상 량(X)이 핀 구멍 깊이(Y)보다 작으면, 핀부(10b)의 선단은 핀 구멍(53a)의 상단 테두리부보다 하방에 머문다. 숄더면(10c)은 강판재(51)에서 상방으로 이격되어 핀부(10b)는 핀 구멍(53a)의 바닥으로부터 상방으로 이격되는 한편, 핀부(10b)는 부분적으로 핀 구멍(53a)에 들어간 상태가 되고, 핀부(10b)와 핀 구멍(53a)의 상단 테두리부 사이에 간격이 형성된다. 노즐(21)로부터 분사된 유체는 이 틈새를 통해 핀 구멍(53a) 내로 도달할 수 있고, 그로 인하여 핀 구멍(53a)의 내주면과 그 내부를 유체로 강제 냉각할 수 있다.
<템퍼링 공정>
도 4(d)에 도시된 바와 같이, 템퍼링 공정(S24)에서는 툴(10)을 회전시키면서 점 접합부(53)를 가압하여 마찰열로 점 접합부(53)를 템퍼링한다. 본 실시예에서는, 냉각 공정(S23)에서 툴(10)을 일단 점 접합부(53)로부터 인상하고 있다. 따라서, 템퍼링 공정(S24)에서는 툴(10)을 다시 툴 축 방향으로 이동시켜 툴(10)을 핀 구멍(53a)에 다시 집어넣는다. 나아가, 툴(10)로 점 접합부(53)를 가압한다. 이에 따라서, 점 접합부(53)는 마찰열로 재가열된다. 재가열 후, 툴(10)을 들어 올린다. 점 접합부(53)는 냉각되어 간다. 이에 따르면, 1회의 점 접합 공정(S2)이 완료된다.
<온도·회전수·가압력>
도 6은 점 접합 공정(S2)의 타임 차트이다. 위가 점 접합부(53)의 온도, 가운데가 툴(10) 회전 수, 아래가 툴(10)로부터 점 접합부(53)에 가해지는 가압력을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 마찰 교반 공정(S22)의 실행 중, 제1 회전수(N1)로 툴(10)이 회전하여 제1 가압력(F1)이 점 접합부(53)에 가해진다(도 4(b) 참조). 이러한 제1 회전 수(N1) 및 제1 가압력(F1)은 점 접합부(53)에서 소성 유동을 발생시키기에 충분한 값이다. 마찰 교반 공정(S22)에서는 점 접합부(53)를 마찰열에서 Ac3 변태점(가열 시에 오스테나이트 변태 완료 온도) 이상의 제1 온도(T1)까지 승온시킨다. 이 때문에, 마찰 교반 공정(S22)에서, 점 접합부(53)에서 오스테나이트 변태가 일어난다.
도 7은 강판재(51 ,52)의 일례로서 S45C 스틸의 연속 냉각 변태(CCT) 곡선이다. 선 CR1은 상부 임계 냉각 속도를 도시하고, 선 CR2은 하부 임계 냉각 속도를 도시한다. 상부 임계 냉각 속도(CR1)는 냉각 후의 조직이 마르텐사이트만이 되는 최소의 냉각 속도이다. 하부 임계 냉각 속도(CR2)는 마르텐사이트 변태를 발생시키기 위해 필요한 최소의 냉각 속도이다.
냉각 속도가 하부 임계 냉각 속도(CR2)보다 작으면 냉각 중에 마르텐사이트 변태가 생기는 것을 방지할 수 있다. 종래는 점 접합부(53)에 퀀칭을 억제하기 위해 마찰 교반 후 냉각을 최대한 늦추고 있었다. 퀀칭을 유효하게 제어하기 위해서는, 냉각 속도를 하부 임계 냉각 속도(CR2) 부근에 설정할 필요가 있지만, 그 경우 Ac3 변태점에서 실온으로 돌아가는데 수 분이 걸린다. 또한, 서냉(徐冷)을 위해 툴(10)을 강판재(51, 52)에 꽂아 넣은 상태로 하면 그 사이에 다음의 점 접합부(53)의 위치 결정 공정(S1)으로 옮겨질 수도 없다.
이에 대해서, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각 공정(S23)은 점 접합부(53)가 상부 임계 냉각 속도(CR1) 이상의 냉각 속도(CR)로 냉각된다(편의상 냉각 속도(CR)가 상부 임계 냉각 속도(CR1)를 초과하는 경우를 예시하지만, 냉각 속도(CR)는 CR1과 동일할 수 있다). 급냉을 실현하기 위해, 냉각 공정(S23)에서는 위와 같이 냉각 장치(20)에 의한 강제 냉각을 채용하고 있다.
냉각 공정(S23)은 점 접합부(53)를 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf) 이하의 제2 온도(T2)까지 냉각한다. 신속하게 이러한 제2 온도(T2)까지 점 접합부(53)를 냉각함으로써 점 접합부(53)에 적극적으로 퀀칭이 되어 점 접합부(53)에 마르텐사이트를 안정적으로 형성할 수 있다.
템퍼링 공정(S24)에서는 제2 회전수(N2)에서 툴(10)을 회전시키고, 제2 가압력(F2)이 점 접합부(53)에 가해진다(도 4(d) 참조). 템퍼링 공정(S24)에서는, 점 접합부(53)의 가압력(제2 가압력(F2))이 마찰 교반 공정(S22)의 점 접합부(53)의 가압력((제1 가압력(F1))보다 작다. 이에 따르면, 툴(10)을 다시 함입시킬 때에, 툴(10)에 작용하는 충격을 완화할 수 있다. 한편으로, 템퍼링 공정(S24)에서는 툴(10)의 회전수(제2 회전수(N2))가 마찰 교반 공정(S22)의 툴(10)의 회전수(제1 회전수(N1))보다 높다. 이에 따르면, 템퍼링 공정(S24)에서 점 접합부(53)의 가열 속도가 커져서 템퍼링 공정(S24)의 소요 시간을 단축할 수 있다. 일례로, 제2 가압력(F2)은 제1 가압력(F1)의 1/5 ~ 1/7 정도이고, 제2 회전수(N2)는 제1 회전수(N1)의 3 ~ 5 배 정도가 된다.
템퍼링 공정(S24)에서는, 점 접합부(53)를 Ac1 변태점(가열 시에서 오스테나이트 생성 개시 온도) 미만의 제3 온도(T3)까지 승온시킨 후 강온시킨다. 제3 온도(T3)는, 예를 들어 550 ~ 650 ℃의 범위로 설정된다. 템퍼링 공정(S24)에서는 템퍼링의 한 유형으로서 고온 템퍼링 또는 조질(調質)을 행하고 있다. 강온은 툴(10)을 ?惠오막關? 행해진다. 자연 냉각도 좋고, 냉각 공정(S23)와 마찬기지로 냉각 장치(20)에 의해 유체를 점 접합부(53)에 분사하여 점 접합부(53)를 강제 냉각하여도 좋다. 이러한 템퍼링 공정(S24)을 수행함으로써 점 접합부(53)의 경도 저하 및 강인화를 도모할 수 있다. 또한, 냉각 공정(S23)에서 발생한 잔류 응력을 제거하거나 경감할 수 있다. 나아가, 냉각 공정(S23) 후에 오스테나이트 조직이 남아 있다고 해도, 템퍼링에 의해 조직을 안정화할 수 있다.
상기와 같이 마찰 교반 공정(S22), 냉각 공정(S23) 및 템퍼링 공정(S24)에서는 점 접합 (53)의 온도, 가열 속도, 또는 냉각 속도가 일정한 조건을 충족시키는 것이 요구된다. 제어 장치(30)는 점 접합부(53)의 온도를 감지하는 온도 센서의 검출 값을 모니터링하면서 각 공정의 시작 및 종료 타이밍, 툴(10)의 삽입 또는 인상 타이밍을 결정하여도 좋다.
회전수 및 가압력을 조절하면서 여러 번 실험을 거듭하여 온도가 상기 조건을 충족시키도록 하는공정의 개시·종료 타이밍을 사전에 파악하는 것이 가능하다. 따라서, 제어기(30)는 온도 정보를 입력하지 않고 사전에 파악된 타이밍에 따라 작동 또는 정지하도록 변위 구동기(18) 및 회전 구동기(17)에 동작 지령을 주도록 하는 것만으로도 좋다.
(공정 완료 후의 점 접합부)
도 8은 점 접합 공정(S2)를 마친 점 접합부(53)의 단면(즉, 도 3b의 아래에 표시된 점 접합부(53)의 단면도)이다. 점 접합 공정(S2)이 완료되면 점 접합부(53)에는 핀 구멍(53a)이 형성되어 있다. 핀 구멍(53a)은 핀부(10b)(도 3a 참조)의 삽입 자국이고, 원형의 관통되지 않은 구멍이다. 강판재(51)의 표면(도면에서 상면)에는 숄더면(10c)(도 3a 참조)의 바깥쪽 테두리부가 맞닿은 부위에 원형 고리 모양의 돌출부(53b)가 형성된다.
점 접합부(53)의 내부에서는, 이 돌출부(53b)의 안쪽인 강판재(51)의 표면 근방에서 템퍼링 공정(S24)에서 제3 온도(T3)를 넘도록 가열된 고 가열 영역(53c)이 형성된다. 고 가열 영역(53c)의 외측에 템퍼링 영역(53d)이 형성된다. 템퍼링 영역(53d)에서는 상기와 같이 템퍼링 공정(S24)에서 제3 온도(T3)까지 승온되고, 그로 인하여 경도 저하 및 강인화가 도모되었다. 템퍼링 영역(53d)은 강판재(51, 52)의 원재료부 계면과 접하고있다. 경도 감소 및 강인화된 템퍼링 영역(53d)이 계면과 접하는 것으로, 후술하는 바와 같이, 이음매 강도, 특히 박리 강도가 향상된다.
여기서, 고 가열 영역(53c)은 템퍼링 공정(S24)에서 툴(10)을 점 접합부(53)에 가압할 때 국소적으로 큰 가압력을 받고, 마찰열의 주요 발생 원인이 된다는 것을 보여준다. 툴(10) 및 점 접합부(53)는 냉각 공정(S23)에서 열수축한다. 특히, 점 접합부(53)에서는 조직 변화에 따른 부피 변화도 생긴다. 도 8에 도시된 고 가열 영역(53c)은 냉각 공정(S23) 중의 툴(10)의 수축량이 점 접합부(53)(핀 구멍(53a))의 수축량(열수축과 조직 변화를 포함한다)보다 작기 때문에 생긴 것으로 생각된다. 즉, 템퍼링 공정(S24)에서 숄더면(10c)으로부터 강판재(51)에 가해지는 가압력이 상대적으로 커졌기 때문에, 강판재(51)의 표면에 큰 마찰열이 발생하는 것으로 생각된다. 이러한 툴(10)의 수축량 및 점 접합부(53)의 수축량의 차이를 이용하여 툴(10)의 열팽창 계수의 선택에 의해 마찰열원의 위치를 바꿀 수 있다.
(작용)
도 9 ~ 도 11은 본 실시예에 따른 마찰 점 접합 방법을 이용하여 제작된 강판재의 이음매의 특성을 나타내는 그래프이다. 냉각 공정(S23) 및 템퍼링 공정(S24)을 하지 않고 제작된 이음매를 비교예로서 함께 보여주고 있다.
도 9는 점 접합부(53)(및 그 주변 부위)의 경도 분포를 나타낸다. 횡축은 핀 구멍(53a)의 내주면에서의 횡 방향(판 두께 방향에 직교하는 방향)의 거리이고(도 8 참조), 종 축은 비커스(Vicker's) 경도이다. 핀 구멍(53a)의 내주면으로부터 제1 거리(D) 이상 멀어지면, 본 실시예와 비교예 사이에 경도에 큰 차이가 없다. 이 부분은 이른바 원재료부(점 접합 공정(S2)을 행하여도 교반이 이루어지지 않고, 또한 마찰열의 입열이 비교적 작아 두드러지는 조직 변화가 없었던 부분)인 것으로 생각된다. 반대로, 핀 구멍(53a)의 내주면으로부터 제1 거리(D)의 범위 내에서는 교반이 이루어진 부분 또는 실제로 교반이 생기지 않았다 해도 마찰열로 조직 변화를 일으키는 등의 열적 영향을 받은 부분이라고 생각된다. 관계되는 부위에서, 본 실시예에서는, 비교예보다 경도가 저하된다.
도 10는 계수 강도를 나타낸다. 도 10의 왼쪽은 인장 전단 시험 결과, 오른쪽은 십자 인장 시험 결과를 나타내고, 종축은 파단에 걸린 하중이다. 도 11은 십자 인장 시험에서의 하중-스트로크 선도를 나타낸다. 도 10에 나타난 바와 같이, 본 실시예는 비교예에 대하여 인장 전단 강도와 박리 강도도 개선되어 있고, 특히 박리 강도가 크게 향상되어 있다. 도 11에 나타난 바와 같이, 파단될 때까지의 신장(점 접합부(53)의 연성)도 크게 개선되었다.
본 실시예에서는 마찰열로 점 접합부(53)에 소성 유동을 발생시킨 후, 냉각에 의하여 점 접합부(53)를 퀀칭하고, 그 후 툴(10)로 점 접합부(53)를 템퍼링한다. 이에 따라서, 점 접합부(53)에서 경도 저하 및 강인화를 실현할 수 있고, 이음매의 강도를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
템퍼링 공정(S24)을 필요로 하지만, 압입 공정(S21) 및 마찰 교반 공정(S22)에서 사용한 툴(10)을 템퍼링 공정(S24)에서 그대로 사용하고 있기 때문에, 압입 및 마찰 교반에서 템퍼링까지의 공정(S21 ~ S24)을 순차적으로 원활하게 진행할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 소성 유동 후의 냉각은 강제 냉각으로 냉각 시간을 가능한 한 짧게하고 있다. 따라서, 전체 프로세스의 소요 시간을 짧게 유지할 수 있다. 따라서, 이음매의 생산성도 양호하다. 점 접합 공정(S2)의 소요 시간(T)(도 6 참조)을 수 초 정도로 억제하는 것이 가능하다.
냉각 공정(S23)에서는, 강판재(51, 52)의 상부 임계 냉각 속도(CR1) 이상의 속도(CR)로 점 접합부(53)를 냉각하고 있다. 따라서, 점 접합부(53)에 마르텐사이트를 안정적으로 형성할 수 있고, 이음매의 강도를 높게 유지할 수 있다. 또한, 냉각 시간이 짧아지므로, 이음매의 생산성이 향상된다.
냉각 공정(S23)에서는, 점 접합부(53)를 강판재(51, 52)의 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf) 이하까지 강온시키고 있다. 따라서, 점 접합부(53)에 마르텐사이트를 안정적으로 형성할 수 있고, 이음매의 강도를 높게 유지할 수 있다.
본 실시예에서는 냉각 공정(S23)이 툴 인상 공정(S23a) 및 유체 공급 공정(S23b)을 포함하고, 툴 인상 공정(S23a)에서 툴(10)의 인상 량(X)을 핀 구멍 깊이(Y)보다 작게 하고 있다. 이러한 냉각 공정(S23) 후에는 테퍼링 공정(S24)이 기다리고 있다. 툴(10)의 인상 량(X)을 핀 구멍 깊이(Y)보다 작게 하게 되면, 툴(10)과 핀 구멍(53a) 사이의 위치 어긋남을 억제할 수 있으므로, 툴(10)을 점 접합부(53)에 다시 가압할 때, 툴(10)이 강판재(51)와 예기치 못하게 충동하는 것을 방지할 수 있다.
템퍼링 공정(S24)에서 툴(10)의 회전수(제2 회전수(N2))를 마찰 교반 공정(S22)에서의 툴(10)의 회전수(제1 회전수(N1))보다 높게 설정하고 있다. 따라서, 템퍼링 공정(S24)에서 재가열 속도를 높일 수 있고, 템퍼링 공정(S24)의 소요 시간을 단축할 수 있다.
도 12는 강판재의 탄소량 또는 인장 강도와, 마찰 교반 점 접합에 의한 이음매의 박리 강도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 12의 점선은 본 실시예와 같은 냉각 공정 및 템퍼링 공정을 채용하지 않는 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 탄소량이 0.06 %, 인장 강도가 590 MPa일 때, 박리 강도 향상의 효과가 높다. 탄소량이 이보다 낮아지면 모재의 담금질 경도가 낮기 때문에 박리 강도의 향상 효과는 작다. 탄소량이 이보다 높아지면 소입성의 상승에 의해 마찰 교반 공정 후에 점 접합부(53)가 경화 및 취화되기 쉬워 박리 강도의 저하를 초래한다. 본 실시예는 템퍼링 공정(S24)의 채용으로 점 접합부(53)의 강인화를 촉진한 것이므로, 탄소량이 0.06 % 이상, 또는 인장 강도가 590 MPa 이상의 강판재의 점 접합부에 적용되기 바람직하다. 이에 따르면, 도 12의 실선으로 나타난 바와 같이, 점 접합부(53)의 경도 저하 및 강인화에 의해 박리 강도를 개선할 수 있고, 종래의 탄소량·인장 강도 및 이음매 박리 강도와의 관계가 개선된다.
[제2 실시예]
도 13은 제2 실시예를 도시한다. 제2 실시예는 제1 실시예에 대해, 냉각 장치(70)의 구성 및 냉각 공정(S72)의 순서가 다르다. 이하에서, 그 차이점을 중심으로 제2 실시예에 대해 설명한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 냉각 장치(70)는 냉매가 통과해 흐르는 냉매 통로(71)와, 냉매를 냉각하는 냉각기(72)와, 냉매를 압송하는 냉매 압송기(73)를 포함한다. 냉각기(72)는 주변 공기와의 열교환에 의해 냉매로부터 열을 빼앗는 열교환기(또는 라디에이터)여도 좋다. 냉매 통로(71)는 폐쇄 회로와 개방 회로 중 어떤 것이라도 좋다. 냉매는 액체가 바람직하지만, 특별히 한정되는 것은 아니다. 제어기(80)는 냉각 장치(70)(특히, 냉매 압송기(73))를 제어한다.
냉매 통로(71)는 툴(60)의 내부를 통과하도록 형성되어 냉매가 통과해 흐르는 제1 냉매 통로(71a) 및 지지대(65)의 내부를 통과하도록 형성되어 냉매가 통과해 흐르는 제2 냉매 통로(71b) 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 일례로서, 둘을 모두 포함한 경우를 도시하였지만, 이 경우 제1 냉매 통로(71a)와 제2 냉매 통로(72b)가 냉각기(72)에 병렬로 연결되어도 좋다. 즉, 냉각기(72)의 하류에서 툴(60)로 향하는 통로와, 지지대(65)로 향하는 통로로 분기되고, 2개의 통로가 툴(60) 및 지지대(65)의 각각의 하류가 냉각기(72)의 상류에서 합류하여도 좋다.
본 실시예에서는 마찰 교반 점 접합 방법의 전체적인 흐름은 도 2에 도시된 바와 같고, 한편 그 중 냉각 공정이 도 4(c) 및 도 5에 도시된 것과는 차이가 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 냉각 공정(S72)에서는 툴(60)을 빼지 않고, 툴(60)의 회전수를 줄이거나 툴(60)의 회전을 멈춘다. 냉매 압송기(73)가 동작하여 냉매가 냉매 통로(71)를 순환한다. 이에 따르면, 툴(60) 및 지지대(65) 내를 흐르는 냉매가 점 접합부(53)로부터 열을 빼앗고, 점 접합부(53)가 강제 냉각된다. 점 접합부(53)로부터 열을 빼앗아 승온된 냉매는 냉각기(72)에서 냉각되고, 냉각된 냉매가 툴(60) 및 지지대(65)에 공급되는 것이 계속된다.
이 경우, 툴(60)의 인상 작업 및 툴(60)의 재함입 작업을 생략할 수 있어, 점 접합 공정(S2)의 소요 시간 단축이 도모된다.
[변형예]
본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 구성을 변경, 추가 또는 삭제할 수 있다. 예를 들어, 냉각 공정에서의 강제 냉각은 필수가 아니라 필요한 냉각 속도를 얻을 수 있다면 자연 냉각이라도 좋다. 자연 냉각의 경우는, 툴을 강판재로부터 인상할 필요가 있지만, 그 경우에도 툴의 인상 량을 핀 구멍 깊이보다 작게함으로써 템퍼링 공정에서의 툴 손상을 방지할 수 있다. 또한, 서로 겹쳐 있는 점 접합되는 강판재의 장 수는 3 장 이상이라도 좋다.
1: 마찰 교반 점 접합 장치 10, 60: 툴
17: 회전 구동기 18: 변위 구동기
20, 70: 냉각 장치 30, 80: 제어기
51, 52: 강판재 53: 점 접합부
54: 공간 S22: 마찰 교반 공정
S23: 냉각 공정 S23a: 툴 인상 공정
S24: 템퍼링 공정 CR1: 상부 임계 냉각 속도
Mf: 마르텐사이트 변태 종료 온도
N1: 제1 회전수(마찰 교반 공정에서의 툴의 회전수)
N2: 제2 회전수(템퍼링 공정에서의 툴의 회전수)
X: 툴의 인상 량
Y: 핀 구멍 깊이

Claims (8)

  1. 복수의 강판재를 마찰 교반 점 접합하는 방법으로서,
    상기 강판재의 점 접합부에 툴을 회전시키면서 가압하여, 마찰열로 상기 점 접합부를 소성 유동시키는 마찰 교반 공정과,
    상기 마찰 교반 공정 후, 상기 점 접합부를 냉각하여, 상기 점 접합부에서 마르텐사이트 변태를 일으키는 냉각 공정과,
    상기 냉각 공정 후, 다시 상기 점 접합부에 상기 툴을 회전시키면서 가압하여, 마찰열로 상기 점 접합부를 템퍼링하는 템퍼링 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 공정에서, 상기 강판재의 상부 임계 냉각 속도 이상의 속도로 상기 점 접합부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각 공정에서, 상기 점 접합부를 상기 강판재의 마르텐사이트 변태 종료 온도 이하까지 강온시키는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각 공정은 상기 툴을 인상시켜서, 상기 툴과 상기 점 접합부 사이에 공간을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 툴을 인상시킬 때, 상기 툴의 인상 량을 핀 구멍 깊이보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 템퍼링 공정에서, 상기 점 접합부를 550 ~ 650 ℃까지 승온한 후 강온하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 템퍼링 공정에서, 상기 툴의 회전수를 상기 마찰 교반 공정에서의 상기 툴의 회전수보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강판재는 탄소 함유량이 0.06 % 이상이거나, 인장 강도가 590 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
  8. 복수의 강판재를 마찰 교반 점 접합하는 장치로서,
    상기 강판재의 점 접합부 및 툴을 서로 상대 변위시키는 변위 구동기와,
    상기 툴을 회전시키는 회전 구동기와, 제어기를 구비하고,
    상기 제어기가,
    상기 변위 구동기 및 상기 회전 구동기를 작동시켜, 상기 점 접합부에 상기 툴을 회전시키면서 가압하여 마찰열로 상기 점 접합부를 소성 유동시키는 마찰 교반 공정을 실행하고,
    상기 변위 구동기 및 상기 회전 구동기 중 하나 이상을 작동시켜, 상기 툴을 인상시키거나, 또는 상기 툴의 회전수를 저감시키거나, 또는 상기 툴을 인상시키면서 동시에 상기 툴의 회전수를 저감시키고, 상기 점 접합부를 냉각하는 냉각 공정을 실행하며,
    상기 변위 구동기 및 상기 회전 구동기를 작동시켜, 다시 상기 점 접합부에 상기 툴을 회전시키면서 가압하여 상기 점 접합부를 템퍼링하는 템퍼링 공정을 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 장치.
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