KR102182975B1

KR102182975B1 - 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 장치 및 마찰 교반 접합 방법

Info

Publication number: KR102182975B1
Application number: KR1020180035167A
Authority: KR
Inventors: 도미오 오다꾸라; 아끼히로 사또우; 사또시 히라노; 이또우 스기모또
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치 파워 솔루션즈
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-11-25
Also published as: EP3398708B1; JP2018167292A; KR20180111589A; CN108687439A; US10596657B2; EP3398708A1; JP6231236B1; CN108687439B; US20180281104A1

Abstract

고품질의 마찰 교반 접합을 실현 가능하게 하는 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 장치 및 마찰 교반 접합 방법을 제공한다. 하우징(3)에 보유 지지되며, 복수의 피접합 부재(101a, 101b)를 마찰 교반함으로써 접합하는 FSW 툴(1A)과, FSW 툴(1A)에 의해 접합된 복수의 피접합 부재(101a, 101b)의 피접합 부위 S를 서냉하는 서냉 장치(10)를 구비한다. 서냉 장치(10)는 피접합 부위 S와 접촉하지 않고 가열하는 비접촉 열원이다. 비접촉 열원은 고주파 열원이다.

Description

마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 장치 및 마찰 교반 접합 방법{FRICTION STIR WELDING DEVICE, FRICTION STIR WELDING CONTROLLING DEVICE, AND FRICTION STIR WELDING METHOD}

본 발명은 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 장치 및 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다.

마찰 교반 접합 장치(FSW[Friction Stir Welding] 장치)를 사용하여 피접합 부재를 마찰 교반 접합할 때에는, 일반적으로, 피접합 부재에 관하여 최적의 접합 조건(접합 툴의 회전 속도 및 접합 속도)을, 접합 동작을 개시하기 전에 FSW 장치에 설정한다. 지금까지의 FSW 장치에서는, 설정된 접합 조건을 접합 개시부터 접합 종료까지 유지하여, 접합하는 제어를 행하고 있다.

예를 들어, 교반 툴(접합 툴)에 복수의 온도 계측기를 배치하여 접합 온도를 취득하고, 취득한 온도를 소정의 범위 내에서 관리하도록, 교반 툴(FSW 툴)의 회전 속도 및/또는 접합 속도를 제어하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

일본 특허 제5883978호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 마찰 교반 접합 시에 있어서의 접합 온도를 고정밀도로 관리하고 있지만, 접합 품질이 충분하지 않은 것이 확인되었다.

본 발명은 고품질의 마찰 교반 접합을 실현 가능하게 하는 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 장치 및 마찰 교반 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 장치 본체에 보유 지지되며, 복수의 피접합 부재를 마찰 교반함으로써 접합하는 마찰 교반 접합 툴과, 상기 마찰 교반 접합 툴에 의해 접합된 상기 복수의 피접합 부재의 접합 부위를 서냉하는 서냉 장치를 구비하고, 상기 장치 본체는, 상기 서냉 장치를 접합 방향을 따라서 이동시키는 서냉 장치 접합 방향 이동 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고품질의 마찰 교반 접합을 실현 가능하게 하는 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 장치 및 마찰 교반 접합 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치의 외관 사시도의 예를 모식적으로 도시한 도면.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 블록 구성도.
도 3은 접합 툴이 피접합 부재에 압입된 모습을 모식적으로 도시하는 단면도.
도 4는 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재의 접합예를 나타내고, (a)는 맞댐 접합, (b)는 중첩 접합을 도시하는 도면.
도 5는 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치의 동작 설명도.
도 6은 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치에 있어서의 접합 부위의 온도와 접합 후의 경과 시간의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 제2 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 블록 구성도.
도 8은 제2 실시 형태에 따른 FSW 장치의 동작 설명도.
도 9는 제3 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도.
도 10은 제4 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도.
도 11은 제4 실시 형태에 따른 FSW 장치에 있어서의 접합 부위의 온도와 접합 후의 경과 시간의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는 제5 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도.
도 13은 제6 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도.
도 14는 도 13의 Y 방향 화살 표시도.
도 15는 제7 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도.
도 16은 제8 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 블록 구성도.
도 17은 제8 실시 형태에 따른 FSW 장치의 연산 블록도.
도 18은 제8 실시 형태에 따른 FSW 장치의 동작을 나타내는 흐름도.
도 19는 제9 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서, 공통되는 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략한다.

(제1 실시 형태)

도 1은 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치(100A)의 외관 사시도의 예를 모식적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, FSW 장치(100A)는, 마찰 교반 접합 툴(이하, FSW 툴이라 함)(1A), 서냉 장치(10) 등을 구비하여 구성되어 있다.

FSW 툴(1A)은, 돌기부(프로브라고도 함)(11)를 구비한 접합 툴(1), 접합 툴(1)을 보유 지지하는 툴 홀더(2)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, FSW 툴(1A)은, 툴 홀더(2)를 회전 가능하게 보유 지지하는 하우징(3)(장치 본체)에 보유 지지되어 있다.

여기서, 하우징(3)은 원통형의 용기이며, 그 내부에는, 주축(20)을 중심으로 원기둥 형상의 툴 홀더(2)를 회전시키는 주축 모터(6)(도 3 참조) 등이 수납되어 있다. 또한, 주축(20)은 원기둥 형상의 툴 홀더(2)의 중심축을 가리킨다.

접합 툴(1) 및 툴 홀더(2)를 이상과 같이 하여 보유 지지한 하우징(3)은, 도시하지 않은 머시닝 툴이나 다축 로봇의 아암(4)의 선단부에 설치되어 있다. 즉, 접합 툴(1)은 머시닝 툴이나 다축 로봇에 의한 아암(4)의 구동에 의해, 상하 방향으로도 평면 방향으로도 자유자재로 이동 가능하도록 구성되어 있다.

접합 툴(1)의 돌기부(11)는, 후기하는 주축(20)(도 2 참조)의 중심을 따른 가늘고 긴 핀의 형상을 하고 있고, 종종 접합 툴 핀부라 불린다. 그리고, 2개의 피접합 부재(101a, 101b)(복수의 피접합 부재)를 접합할 때에는, 툴 홀더(2)(도 2 참조)에 보유 지지된 접합 툴(1)은 회전하면서, 그 돌기부(11)를 피접합 부재(101a, 101b)의 경계인 접합선(102) 상에 압입시킨다. 이때, 돌기부(11)는 접합 툴(1) 본체의 저면부의 돌기부(11)를 제외한 부분(툴 숄더부(12), 도 2 참조)이 피접합 부재(101a, 101b)의 표면에 접촉하는 위치까지 압입된다.

돌기부(11)가 압입되면, 피접합 부재(101a, 101b)에는, 돌기부(11) 및 툴 숄더부(12)(도 2 참조)가 피접합 부재(101a, 101b)에 접촉하면서 회전할 때의 마찰열에 의해 온도가 상승하여, 소성 유동 현상이 발생한다. 그리고, 이 소성 유동 현상이 발생한 피접합 부재(101a, 101b)의 구성 재료가 접합 툴(1)에 의해 교반되어, 서로 섞이게 된다. 또한, 접합 툴(1)은 돌기부(11)가 피접합 부재(101a, 101b)에 압입된 상태에서 접합선(102)을 따라서 이동하도록 제어된다. 그 결과, 피접합 부재(101a, 101b)는 그 경계부가 접합된다.

서냉 장치(10)는 고정 부재(30)를 통해 하우징(3)(장치 본체)에 고정되어 있다. 고정 부재(30)는 하우징(3)에 대하여 접합 방향 D와는 반대측으로 연장되는 판 형상의 부재를 포함하고 있다. 또한, 고정 부재(30)에는, 서냉 장치(10)가 피접합 부재(101a, 101b)와 대향하는 면에 설치되어 있다.

또한, 서냉 장치(10)는 FSW 툴(1A)에 의해 접합된 피접합 부재(101a, 101b)의 접합 부위 S(접합 후의 부위)를 후가열(후 열부여)하여, 접합 부위 S의 온도가 급격하게 저하되는 것을 방지하는 것, 또는 ??칭 상태를 방지하는 것이다. 또한, 후가열이란, FSW 툴(1A)에 의해 접합된 피접합 부재(101a, 101b)의 접합 부위 S를, 거의 조직 구조를 변화시키지 않는 범위의 온도에서 가열하는 것을 의미하고 있다. 또한, FSW 툴(1A)에 의해 접합된 접합 부위의 조직 구조를 변화시키지 않는 온도에서 가열된다.

또한, 서냉 장치(10)는 유도 코일(10a)이 소용돌이 형상으로 형성된 고주파 열원(비접촉 열원)을 포함하고 있다. 또한, 서냉 장치(10)에서는, 고주파 전류 발생 장치(도시하지 않음)로부터 고주파 전류를 유도 코일에 공급하면, 자력선이 접합 부위 S를 가로지르도록 발생하고, 이 접합 부위 S 내부에 와전류가 발생한다. 이 와전류가 줄열로 변환됨으로써 접합 부위 S가 발열하여 가열된다.

도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 FSW 장치(100A)의 개략 블록 구성의 예를 도시한 도면이다. 또한, 도 2에는, 접합 툴(1), 툴 홀더(2) 및 하우징(3)의 모식적인 종단면 구조가 아울러 도시됨과 함께, 이들에 부수되는 장치나 부재가 도시되어 있다.

하우징(3)은 원통형의 용기이며, 그 내부에는, 원기둥 형상의 툴 홀더(2)가 베어링(31)을 통해, 그 원기둥의 중심축(주축(20))을 중심으로 회전 가능하게 보유 지지되어 있다. 이때, 툴 홀더(2)는 하우징(3)측에 설치된 주축 모터(6)에 의해 회전 구동된다. 또한, 툴 홀더(2)의 하방 선단부에는, 접합 툴(1)이 설치되어 있고, 접합 툴(1)은 툴 홀더(2)와 함께 주축 모터(6)에 의해 회전 구동된다.

접합 툴(1)은 툴 홀더(2)와 동축의 원기둥 형상을 하고 있고, 그 저면부에는 툴 홀더(2)와 동축의 가늘고 긴 대략 원기둥 형상(핀 형상)의 돌기부(11)가 형성되어 있다. 또한, 접합 툴(1)의 저면부 중 돌기부(11)가 형성되어 있는 것 이외의 부분은, 툴 숄더부(12)라 부르고 있다. 이 중 돌기부(11)는 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)의 표면에 접하는 위치까지 압입된다. 따라서, 툴 숄더부(12)는 돌기부(11)의 압입을 정지시키는 역할을 한다. 또한, 이때, 툴 숄더부(12)는 피접합 부재(101a, 101b)의 표면을 압압함과 함께, 그 표면 상을 회전, 미끄럼 이동한다. 그리고, 툴 숄더부(12)의 회전, 미끄럼 이동의 마찰열에 의해, 피접합 부재(101a, 101b) 내의 툴 숄더부(12) 및 돌기부(11)의 근방 부분은 가열되어, 소성 유동 현상이 나타난다.

제어 장치(5A)는, 도시하지 않은 연산 처리 장치와 기억 장치를 구비한 일반적인 컴퓨터를 포함하고, 주축 모터(6)의 회전 속도, 툴 이동 구동 장치(7)(툴 이동 구동부)의 이동 속도 및 서냉 장치(10)로부터 접합 부위 S에 출력되는 열량이 제어된다. 또한, 여기에서 말하는 툴 이동 구동 장치(7)는, 도 1에 있어서 하우징(3)이 설치된 아암(4)을 갖는 머시닝 센터 타입 FSW 장치나 다축 로봇 타입 FSW 장치에 상당한다.

또한, 제어 장치(5A)는, 접합 부위 S가 접합 후의 온도와 동등한 온도로 되도록 서냉 장치(10)를 제어하는 열량 부여 제어부(5a)를 갖고 있다.

또한, 제어 장치(5A)의 기억 장치에는, 이하에 나타내는 FSW 제어 데이터가 기억되어 있다. 즉, FSW 제어 데이터는, 피접합 부재(101a, 101b)의 재료 및 판 두께에 대응지어진 접합 온도, 주축 모터 회전 속도, 툴 이동 속도 등을 포함한다. 또한, 주축 모터 회전 속도에는, 초기값, 정상값 #1, 정상값 #2가 설정되고, 툴 이동 속도에는 정상값 #1, 정상값 #2가 설정된다.

주축 모터 회전 속도의 초기값은, 접합 툴(1)의 돌기부(11)를 피접합 부재(101a, 101b)에 압입할 때의 주축 모터(6)의 회전 속도의 초기값이다. 또한, 주축 모터 회전 속도의 정상값 #1, 정상값 #2 및 툴 이동 속도의 정상값 #1, 정상값 #2는, 접합 실시 중인 주축 모터(6)의 회전 속도 및 접합 툴(1)의 이동 속도를 설정한 데이터이다. 주축 모터 회전 속도의 초기값, 정상값 #1, 정상값 #2, 툴 이동 속도의 정상값 #1, 정상값 #2 등의 값은, 피접합 부재(101a, 101b)의 재료나 판 두께 등에 따라서, 실험적 또는 시뮬레이션 등에 의해 미리 적절한 값이 구해진 것인 것으로 한다.

도 3은 접합 툴의 돌기부가 피접합 부재에 압입된 모습을 모식적으로 도시한 종단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 2개의 동종의 피접합 부재(101a, 101b)(예를 들어, 2개의 알루미늄 합금판)를 맞댐 접합하는 경우에는, 피접합 부재(101a, 101b)는 덧댐 부재(110) 상에 배치되고, 그 경계부에 접합 툴(1)의 돌기부(11)가 회전하면서 압입된다.

이때, 돌기부(11)는 그 선단부가 피접합 부재(101a, 101b)의 이면측에 거의 도달함과 함께, 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)의 표면에 접하는 깊이까지 압입된다. 따라서, 접합 툴(1)은, 통상, 접합 대상의 판 두께나 재질에 따라서, 그 돌기부(11)의 직경, 길이, 형상 등이 정해진다. 또한, 덧댐 부재(110)는 높은 내열성을 가짐과 함께 툴 축방향 하중에 견딜 수 있는 경도를 갖고 있다.

도 4는 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재의 접합예를 도시하고, (a)는 맞댐 접합, (b)는 중첩 접합이다.

도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)를 맞댐 접합하는 경우에는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 외주부가 양자의 경계에 접하고, 그 전체가 저온에서 연화되는 재료를 포함하는 피접합 부재(101c)측에 포함되는 위치에 압입된다. 예를 들어, 피접합 부재(101c)의 재료가 알루미늄계 합금이며, 피접합 부재(101d)가 철계 합금인 경우에는, 알루미늄계 합금인 피접합 부재(101c)측에 포함되는 위치에 압입된다.

또한, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)의 접합의 경우, 저온에서 연화되는 피접합 부재(101c)(예를 들어, 알루미늄계 합금)측에는, 소성 유동 현상이 발생하지만, 피접합 부재(101d)(예를 들어, 철계 합금)측에는, 반드시 소성 유동 현상이 발생한다고는 할 수 없다. 그러나, 이와 같은 경우에는, 주로, 피접합 부재(101c)측의 금속 원자가 피접합 부재(101d)측으로 확산되어, 양자의 경계부에 공정이 형성됨으로써, 양자가 접합된다.

또한, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)를 중첩 접합하는 경우에는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 저온에서 연화되는 재료인 피접합 부재(101c)측으로부터, 그 선단이 피접합 부재(101d)에 접하는 위치까지 압입된다.

또한, 도 4의 (b)에 있어서, 피접합 부재(101c, 101d)는, 동종의 재료여도 된다. 단, 이 경우에는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 양자의 경계를 넘어, 하측의 피접합 부재(101d)의 내측까지 압입되도록 하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써, 양자의 경계부에는 마찰 교반 영역이 형성되므로, 강고하게 접합된다.

도 5는 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치의 동작 설명도이다. 또한, 도 5에 있어서, 좌측에 도시한 도면은, 접합 개시 시, 이점쇄선으로 나타내는 도면은, 접합 종료 시, 우측에 도시한 도면은, 가열 종료 시를 나타내고 있다. 또한, FSW 장치를 간략화하여 도시하고, 도 5의 우측으로부터 좌측을 향하여 접합 방향 D로 연장되는 실선은, 접합선(102)을 의미하고 있다.

도 5의 좌측 도면에 도시한 바와 같이, FSW 장치(100A)는, 하우징(3)(장치 본체)에 고정 부재(30)를 통해 고정된 서냉 장치(10)를 구비하고 있다. 이 실시 형태에서의 서냉 장치(10)는 FSW 툴(1A)의 상하 이동에 연동하여 상하 이동하는 것이다.

또한, FSW 장치(100A)는, FSW 툴(1A)의 회전 중심 O1(주축(20))과, 서냉 장치(10)(FSW 툴(1A)측의 단부(10b))가 거리 E의 길이 이격되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 거리 E는, FSW 툴(1A)과 서냉 장치(10) 사이에 반드시 형성되는 물리적인 거리이다.

도 5의 좌측 도면에 도시한 접합 개시 시에는, 서냉 장치(10)에 의한 가열이 개시된다. 또한, 이때, 서냉 장치(10)는 열량 Q1을 출력하여, 사선으로 나타내는 범위 R1을 가열하도록 구성되어 있다. 즉, 접합 개시부터 접합 종료까지 형성되는 접합 부위 S(도 1 참조)는 어느 위치에 있어서도 범위 R1에서 가열(서냉)된다.

그리고, 접합 개시 위치로부터, 접합 방향 D를 따라서 FSW 툴(1A)을 이동하면서 마찰 교반 접합을 계속하고, FSW 툴(1A)을 도 5에 있어서 이점쇄선으로 나타내는 접합 종료 위치까지 이동시킨다. 이 접합 종료 위치에 있어서, FSW 툴(1A)과 피접합 부재(101a, 101b)가 이격하도록, FSW 장치(100A)를 연직 방향의 상방으로 이동시킨다. 단, 서냉 장치(10)는 FSW 툴(1A)보다도 접합 방향 D의 후방측에 위치하고 있으므로, 접합 종료 위치에 있어서는, 서냉 장치(10)가 접합 종료 위치까지 도달하고 있지 않다. 이 때문에, 서냉 장치(10)가 접합 종료 위치까지 이동하도록, FSW 장치(100A)를 접합 방향 D로 더 이동시킬 필요가 있다.

FSW 툴(1A)의 상하 동작에 연동하여 서냉 장치(10)가 상하 동작하는 FSW 장치(100A)에서는, 접합 종료 시에 FSW 장치(100A)를 상방으로 이동시키면, 피접합 부재(101a, 101b)(접합 부위 S)와 서냉 장치(10)의 거리가 변동된다. 이때, 접합 개시부터 접합 종료까지 접합 부위 S에 부여하였던 열량 Q1을 그대로 부여해서는 열량이 부족하다. 따라서, 접합 종료부터 가열 종료(서냉 종료)까지의 거리 α의 사이는, 접합 부위 S를 가열하는 열량 Q1을 증가시켜 열량 Q2로 한다. 또한, 열량 Q2는, 열량 Q1로 접합 부위 S에 부여하였던 열 용량과 동일한 열 용량으로 되는 열량이다. 바꾸어 말하면, 열량 Q2는, 접합 부위 S를 열량 Q1로 가열하여 얻어진 온도와 동일한 온도로 되는 열량이다.

그리고, 접합 종료부터 가열 종료까지는, 열량 Q1로부터 열량 Q2로 증가하도록 제어 장치(5A)에 의해 서냉 장치(10)가 제어되고, 서냉 장치(10)의 위치가 접합 종료 위치에 도달할 때까지(거리 α) 가열을 계속한다.

이와 같이, FSW 장치(100A)에 의해 접합된 피접합 부재(101a, 101b)에서는, 접합 후의 접합 부위 S가 서냉 장치(10)에 의해 가열됨으로써, 접합 부위 S의 냉각이 개시되는 시점을 지연시킬 수 있다.

도 6은 제1 실시 형태에 따른 FSW 장치에 있어서의 접합 부위의 온도와 접합 후의 경과 시간의 관계이다. 또한, 도 6의 실선은 본 실시 형태, 도 6의 파선은 비교예이다. 또한, 도 6의 비교예는, 본 실시 형태와 같은 서냉 장치(10)를 설치하지 않고, 접합 후 바로 자연 냉각이 행해진 것이다.

그런데, 서냉 장치(10)를 설치하지 않은 경우에는, 도 6의 파선으로 나타낸 바와 같이, 접합 후에 접합 부위 S의 자연 냉각이 바로 개시되어, 접합 부위 S가 급속하게 냉각된다. 예를 들어, 비교예에서는, 피접합 부재(101a, 101b)로서 고장력 강판끼리를 접합한 경우, 접합 후에 균열 등이 발생한다.

이에 반해, 도 6에 도시한 서냉 장치(10)를 구비한 제1 실시 형태에서는, 접합 후의 접합 부위 S를 서냉 장치(10)에 의해 바로 서냉(후가열)함으로써, 자연 냉각의 개시점을 시간 Tm분 지연시킬 수 있다. 이와 같이, 접합이 완료되고 나서의 경과한 시간 Tm은, 접합 부위 S의 온도가 접합 후와 마찬가지의 온도로 유지된다. 시간 Tm 경과 후, 접합 부위 S의 온도는, 자연 냉각에 의해 개시점 P로부터 강하한다. 이와 같이, 서냉 장치(10)에 의해, 자연 냉각의 개시점 P를 지연시킴으로써, 예를 들어 피접합 부재(101a, 101b)로서 고장력 강판끼리를 접합한 경우에도, 접합 후에 균열 등이 발생하는 일이 없어, 고품질의 접합 부위 S를 얻을 수 있다.

그런데, 고장력 강판은, 용접하면, 용접한 부분의 장력이 손상되어 버리는 것이 알려져 있기 때문에, 용접을 적용할 수 없다. 이에 반해, 마찰 교반 접합에서는, 접합하였다고 해도 장력이 손상되는 일이 없다. 그러나, 고장력 강판의 접합 방법으로서, 마찰 교반 접합을 적용하여, 접합 개시부터 접합 종료까지의 온도를 적절하게 관리하면서 접합하면, 접합 후에 접합 부위에 군열이 발생하는 것이 확인되었다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 서냉 장치(10)를 구비한 FSW 장치(100A)를 고장력 강판의 접합에 적용함으로써, 접합 후에 있어서 균열 등의 문제가 발생하지 않는 고품질의 마찰 교반 접합을 실현할 수 있는 것이 확인되었다.

또한, 본 실시 형태에 적용되는 피접합 부재(101a, 101b)로서는, 고장력 강판끼리의 조합에 한정되는 것은 아니고, 알루미늄계 합금과 철의 조합 등의 각종 조합을 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제1 실시 형태의 FSW 장치(100A)에서는, 하우징(3)에 보유 지지되며, 복수의 피접합 부재(101a, 101b)를 마찰 교반함으로써 접합하는 FSW 툴(1A)과, FSW 툴(1A)에 의해 접합된 복수의 피접합 부재(101a, 101b)의 접합 부위 S를 서냉하는 서냉 장치(10)를 구비한다. 이에 의해, 접합 부위 S의 자연 냉각의 개시점 P를 지연시킬 수 있으므로(도 6 참조), 서냉(후가열)하지 않은 경우에 비해 고품질의 접합 부위 S를 얻을 수 있다. 이와 같이, 서냉 장치(10)에 의해 접합 부위 S를 후가열하여 자연 냉각의 개시를 지연시킴으로써, 고품질의 마찰 교반 접합을 실현할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 서냉 장치(10)가 접합 부위 S와 접촉하지 않고 가열하는 비접촉 열원을 적용하는 것이 바람직하다. 그런데, 접촉식 열원으로 하면 접합 부위 S와의 사이에서 마찰이 발생하므로 마찰에 의해 접합 품질이 저하될 우려가 있다. 이에 반해, 비접촉 열원으로 함으로써, 접합 부위 S와의 마찰이 발생하지 않게 되므로, 접합 품질이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 비접촉 열원으로서 고주파 열원을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 비접촉 또한 간단한 구성으로 접합 부위 S를 접합 직후의 온도 또는 그것에 가까운 온도(조직 구조를 변화시키지 않는 온도)로 유지할 수 있어, 접합 품질의 한층 더한 향상이 도모된다.

또한, 비접촉 열원으로서는, 레이저광 등의 광 열원이어도 그 밖에 것이어도 된다. 이와 같은 광 열원의 경우에도, 고주파 열원과 마찬가지로 하여 접합 부위 S를 후가열할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, FSW 툴(1A)을 접합선(102)을 따라서 이동시키는 툴 이동 구동 장치(7)와, 서냉 장치(10)로부터 접합 부위 S에 부여하는 열량을 제어하는 제어 장치(5A)(열량 부여 제어부(5a))를 구비한다(도 2 참조). 또한, 서냉 장치(10)는 하우징(3)에 고정되어 있고, 제어 장치(5A)는, 접합 종료 시에 FSW 툴(1A)을 접합 부위 S로부터 이격하였을 때에 접합 부위 S에 부여하는 열량을 증가시킨다. 이에 의해, FSW 툴(1A)과 서냉 장치(10)가 접합 방향 D로 물리적으로 이격하여 구성되어 있는 경우에 있어서, FSW 툴(1A)에 의해 접합된 영역을 모두 서냉할 수 있다. 또한, 가동부를 적게 할 수 있으므로, FSW 장치(100A)의 구성을 간략화할 수 있음과 함께 제품으로서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 7은 제2 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 블록 구성도이다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대해서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다(이후의 다른 실시 형태에 대해서도 마찬가지).

도 7에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태의 FSW 장치(100B)는, 서냉 장치(10)를 상하 방향(FSW 툴(1A)의 축방향)으로 이동 가능하게 하는 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)(서냉 장치 축방향 이동 구동부)를 구비하고 있다.

서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)는 하우징(3)과 고정 부재(30) 사이에 설치되고, 하우징(3)에 대하여 고정 부재(30)를 상하 이동시킴으로써, 고정 부재(30)에 고정된 서냉 장치(10)가 상하 이동하도록 구성되어 있다. 또한, 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)는, 예를 들어 랙·앤드·피니언 기구와 전동기를 구비한 공지의 방법에 의해, 전동기의 회전 동력을, 서냉 장치(10)의 직선 이동력으로 변환할 수 있도록 하여 구성할 수 있다.

또한, 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)는 제어 장치(5B)와 전기적으로 접속되고, 접합 종료 시에 FSW 툴(1A)이 접합 부위 S로부터 이격하는 방향으로 이동하였을 때에, 접합 종료 전에 있어서의 접합 부위 S와 서냉 장치(10)의 거리와 동일하게 되도록, 서냉 장치(10)를 접합 부위 S에 근접하는 방향으로 이동 제어한다.

제어 장치(5B)는, 서냉 장치(10)를 상하 이동시키는 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)를 제어하는 서냉부 구동 제어부(5b)(서냉 장치 구동 제어부)를 갖고 있다. 이에 의해, 제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 같이, 서냉 장치(10)로부터 출력되는 열량을 변동시키는 제어는 불필요해진다.

도 8은 제2 실시 형태에 따른 FSW 장치의 동작 설명도이다. 또한, 도 8의 좌측 도면은, 접합 개시 시, 도 8의 이점쇄선으로 나타내는 도면은 접합 종료 시, 도 8의 우측 도면은 가열 종료 시를 나타내고 있다.

도 8의 좌측 도면에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태의 FSW 장치(100B)는, 하우징(3)(장치 본체)에 설치된 고정 부재(30)가 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)를 통해 상하 이동함으로써, 서냉 장치(10)가 FSW 툴(1A)에 대하여 상하 이동하는 것이다.

도 8의 접합 개시 시에는, 서냉 장치(10)에 의한 가열이 개시된다. 또한, 도 8의 접합 개시 시에 있어서, 서냉 장치(10)는 열량 Q1에 의해, 사선으로 나타내는 범위 R1을 가열한다.

그리고, 도 8의 접합 개시 위치로부터, 접합 방향 D를 따라서 FSW 툴(1A)을 이동하면서 마찰 교반 접합을 계속하고, 또한 FSW 툴(1A)을 도 8의 이점쇄선으로 나타내는 접합 종료 위치까지 이동시킨다. 도 8의 접합 종료 위치에 있어서, FSW 툴(1A)을 피접합 부재(101a, 101b)로부터 이격하도록, FSW 장치(100B)를 연직 방향의 상방으로 이동시킨다. 단, 도 8의 접합 종료 위치에서는, 서냉 장치(10)가 접합 종료 위치까지 도달하고 있지 않으므로, FSW 장치(100B)를 접합 방향 D로 더 이동시킬 필요가 있다.

그런데, 서냉 장치(10)를 하우징(3)에 대하여 상하시키는 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)가 구비된 FSW 장치(100B)에서는, 접합 종료 시에 FSW 장치(100B)를 상방으로 이동시키면, 접합 부위 S와 서냉 장치(10)의 거리가 변동된다. 따라서, 접합 종료 시부터 가열 종료까지의 거리 α의 사이는, 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)에 의해 서냉 장치(10)를 하강시켜, 접합 종료 전에 있어서의 접합 부위 S와 서냉 장치(10)의 거리와 동일하게 한다. 즉, 접합 종료 시에 FSW 툴(1A)을 X㎝ 올린 경우에는, 서냉 장치(10)를 X㎝ 내린다. 이에 의해, 접합 개시 위치로부터 접합 종료 위치+거리 α로 될 때까지, 접합 부위 S를 가열하는 열량 Q1을 동일하게 할 수 있다. 이에 의해, 서냉 장치(10)에 의한 열량 제어가 불필요해져, 제어 장치(5B)에 의한 제어를 간략화할 수 있다.

이와 같이 하여, FSW 장치(100A)에 의해 접합된 피접합 부재(101a, 101b)에서는, 접합 후의 접합 부위 S가 서냉 장치(10)에 의해 가열됨으로써, 접합 부위 S의 냉각이 개시되는 시점을 지연시킬 수 있다.

제2 실시 형태의 FSW 장치(100B)에서는, FSW 툴(1A)을 접합선(102)을 따라서 이동시키는 툴 이동 구동 장치(7)와, 서냉 장치(10)를 접합 부위 S에 근접하는 방향 및 이격하는 방향으로 이동시키는 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)와, 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)를 제어하는 서냉부 구동 제어부(5b)를 구비하고 있다. 또한, 서냉부 구동 제어부(5b)는 접합 종료 시, FSW 툴(1A)을 접합 부위 S로부터 이격하였을 때에 서냉부 축방향 이동 구동 장치(8)에 의해 서냉 장치(10)를 접합 부위 S에 근접하는 방향으로 구동시킨다. 이것에 의하면, 서냉 장치(10)의 위치를 기계적으로 변동시킬 뿐이므로, 서냉 장치(10)의 열량을 변동시키는 경우와 비교하여 제어 장치(5B)의 제어가 용이해진다. 또한, 그 밖의 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대해서는, 마찬가지의 효과를 발휘하는 것으로 한다.

(제3 실시 형태)

도 9는 제3 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 제3 실시 형태의 FSW 장치(100C)는, 서냉 장치(10)를 접합 방향 D를 따라서 이동시키는 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9)(서냉 장치 접합 방향 이동 구동부)를 구비하고 있다. 이 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9)는 고정 부재(32)에 설치되며, FSW 툴(1A)의 회전 중심 O1(주축(20))과, 서냉 장치(10)(FSW 툴(1A)측의 단부(10b))의 거리 E를 변경할 수 있다. 그 밖의 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9)는, 예를 들어 랙·앤드·피니언 기구와 전동기를 구비한 공지의 방법에 의해, 전동기의 회전 동력을, 서냉 장치(10)의 직선 이동력으로 변환할 수 있도록 하여 구성되어 있다.

제어 장치(5C)는, 서냉 장치(10)를 접합 방향 D로 이동시키는 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9)를 제어하는 서냉부 접합 방향 구동 제어부(5c)를 갖고 있다.

제3 실시 형태의 FSW 장치(100C)는, 하우징(3)이 서냉 장치(10)를 접합 방향 D를 따라서 이동시키는 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9)를 구비하는 것이다. 이것에 의하면, 돌기부(11)(프로브)의 이동 속도에 따라서 서냉 장치(10)의 접합 방향 D의 위치를 변경할 수 있으므로, 각종 피접합 부재(101a, 101b)의 조합에 따라서 적절히 변경할 수 있다.

(제4 실시 형태)

도 10은 제4 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 제4 실시 형태의 FSW 장치(100D)는 제3 실시 형태의 변형예이며, 서냉 장치(10, 10)를 접합 방향으로 복수 구비한 것이다. 또한, 서냉 장치(10)의 개수는 2개에 한정되는 것은 아니고, 3개 이상이어도 된다.

제어 장치(5D)는, 서냉 장치(10, 10)를 제어하는 열량 부여 제어부(5d)를 구비하고 있다. 이 열량 부여 제어부(5d)는 접합 부위 S의 온도가 접합 직후의 온도와 동등한 온도를 유지하도록 서냉 장치(10, 10)를 제어한다.

이와 같이, FSW 장치(100D)에서는, 복수의 서냉 장치(10, 10)에 의해, 각각이 열량 Q1로 접합 부위 S를 가열할 수 있다. 이 경우, 접합 부위 S를, 사선으로 나타내는 범위 R2에서 가열할 수 있다. 즉, 제4 실시 형태에서는, 접합 부위 S를 제1 실시 형태보다도 길게(2배의 시간) 후가열할 수 있다.

도 11은 제4 실시 형태에 따른 FSW 장치에 있어서의 접합 부위의 온도와 접합 후의 경과 시간의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 11에 있어서의 실선은 제4 실시 형태, 파선은 제1 실시 형태, 일점쇄선은 비교예이다. 도 11의 파선과 일점쇄선은 도 6의 실선과 파선과 마찬가지이다.

도 11의 실선으로 나타낸 바와 같이, 복수의 서냉 장치(10, 10)를 구비한 제4 실시 형태에서는, 접합 부위 S를 서냉 장치(10, 10)에 의해 서냉(후가열)함으로써, 자연 냉각의 개시점을 제1 실시 형태(파선)보다도 더 지연시킬 수 있다(시간 Tm1 참조). 접합 부위 S의 온도는, 자연 냉각의 개시점 P1로부터 강하되어 간다. 이와 같이, 복수의 서냉 장치(10, 10)에 의해, 자연 냉각의 개시점 P1을 지연시킴으로써, 고품질의 접합 부위 S를 얻을 수 있다.

제4 실시 형태의 FSW 장치(100D)는, 서냉 장치(10, 10)를 접합 방향 D로 복수 구비하는 것이다. 이것에 의하면, 접합 부위 S의 후가열 시간을 연장시킬 수 있어, 고품질의 마찰 교반 접합을 실현하는 것이 가능해진다.

또한, FSW 장치(100D)의 서냉 장치(10, 10)를, 제3 실시 형태와 같이, 접합 방향 D로 이동시킬 수 있도록, 각각의 서냉 장치(10)에, 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치를 추가해도 된다. 또한, 서냉 장치(10, 10) 중 어느 한쪽을 이동 가능하게 구성해도 되고, 양쪽을 이동 가능하게 구성해도 된다.

(제5 실시 형태)

도 12는 제5 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 제5 실시 형태의 FSW 장치(100E)는, 제1 실시 형태의 서냉 장치(10) 대신에, 대형의 서냉 장치(10E)를 구비한 것이다. 이 서냉 장치(10E)는, 예를 들어 고주파 열원을 포함하고, 제1 실시 형태보다도, 대직경이며 권취선도 많은 유도 코일을 포함하고 있다.

제어 장치(5E)는, 서냉 장치(10E)를 제어하는 열량 부여 제어부(5e)를 구비하고 있다. 이 열량 부여 제어부(5e)는 접합 부위 S를 열량 Q3으로 가열함으로써, 접합 부위 S의 온도가 접합 직후의 온도와 동등한 온도로 되도록 서냉 장치(10)를 제어한다.

또한, 제5 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 FSW 툴(1A)과 서냉 장치(10E)가 함께 상하 이동하는 것에서는, 접합 종료 후의 거리 α(도 5 참조)에 있어서, 열량 부여 제어부(5e)에 의해 열량을 증가시켜도 된다. 또한, 제5 실시 형태에서는, 제2 실시 형태와 마찬가지로 FSW 툴(1A)에 대하여 서냉 장치(10)가 가동되는 것에서는, 접합 종료 후의 거리 α(도 8 참조)에 있어서, 서냉 장치(10E)를 FSW 툴(1A)의 축방향으로 이동 가능하게 하는 서냉부 축방향 이동 구동 장치를 적용해도 된다.

제5 실시 형태의 FSW 장치(100E)는, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 접합 부위 S의 후가열 시간을 연장시킬 수 있어(도 11의 실선 참조), 고품질의 마찰 교반 접합을 실현하는 것이 가능해진다.

(제6 실시 형태)

도 13은 제6 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도, 도 14는 도 13의 Y 방향 화살 표시도이다.

도 13에 도시한 바와 같이, 제6 실시 형태의 FSW 장치(100F)는, 서냉 장치(10)가 피접합 부재(101a, 101b)를 사이에 두고 FSW 툴(1A)과는 반대측에 설치된 것이다. 또한, FSW 장치(100F)는, 접합선 방향으로부터 보았을 때에 대략 C자 형상으로 형성된 C형 프레임(33)(고정 부재)을 구비하고 있다.

서냉 장치(10)는 피접합 부재(101a)와 피접합 부재(101b)가 맞대어진 접합선(102)으로부터 연직 방향 하방으로 이격한 위치에 배치되어 있다. 이에 의해, 서냉 장치(10)는 FSW 툴(1A)에 의해 접합되는 측과는 반대측으로부터 서냉된다(가열된다).

도 14에 도시한 바와 같이, FSW 장치(100F)는, FSW 툴(1A)의 회전 중심 O1과, 서냉 장치(10)(FSW 툴(1A)측의 단부(10b))가 거리 E1의 길이 이격하고 있다.

제6 실시 형태에서는, 서냉 장치(10)가 FSW 툴(1A)과는 피접합 부재(101a, 101b)를 사이에 두고 반대측에 설치되어 있다. 이에 의해, 거리 E1을 짧게 설정할 수 있어, FSW 툴(1A)에 의한 접합 후 신속하게 서냉(후가열)을 개시할 수 있어, 접합 후부터 서냉(후가열)이 개시될 때까지의 타임 래그를 짧게 설정할 수 있다.

(제7 실시 형태)

도 15는 제7 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 구성도이다.

도 15에 도시한 바와 같이, 제7 실시 형태의 FSW 장치(100G)는, FSW 툴(1A)을 접합 방향 D로 이동시키는 툴 이동 구동 장치(7A)(제1 구동부)를 구비하고 있다. 또한, FSW 장치(100G)는, 서냉 장치(10)를 접합 방향 D를 따라서 이동시키는 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9A)(제2 구동부)를 구비하고 있다. 이에 의해, FSW 툴(1A)과 서냉 장치(10)는 접합 방향 D를 따라서 독립하여 동작하도록 되어 있다.

제어 장치(5G)는, 툴 이동 구동 장치(7A)를 제어하는 툴 구동 제어부(5f)와, 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9A)를 제어하는 서냉부 구동 제어부(5g)를 갖고 있다.

제7 실시 형태에서는, FSW 툴(1A)을 접합 방향 D로 구동시키는 툴 이동 구동 장치(7A)와, 서냉 장치(10)를 접합 방향 D로 구동시키는 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(9A)를 구비한다. 이것에 의하면, FSW 툴(1A)과 서냉 장치(10)를 독립하여 구동시킬 수 있어, 보다 고정밀도의 제어가 가능해진다. 예를 들어, FSW 툴(1A)의 이동 속도 V1보다 서냉 장치(10)의 이동 속도 V2를 느리게 하여, 접합 부위 S에 부여하는 열량을 증가시키도록 해도 된다. 이에 의해, 접합 부위 S를, 접합 시의 온도에 가까운 온도로 유지하기 쉬워진다.

(제8 실시 형태)

도 16은 제8 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 블록 구성도이다.

도 16에 도시한 바와 같이, 제8 실시 형태의 FSW 장치(100H)는, 제1 실시 형태의 FSW 장치(100A)에, 접합 부위 S의 온도(접합 온도)를 계측하는 온도 계측 장치(14)를 추가한 것이다. 온도 계측 장치(14)는 측정 대상물의 온도를 비접촉으로 계측하는 것이며, 소위 서모그래피를 포함할 수 있다.

온도 계측 장치(14)는 서냉 장치(10)를 고정하는 고정 부재(30)에 고정되어 있다. 또한, 온도 계측 장치(14)는 서냉 장치(10)의 근방이며 서냉 장치(10)와 FSW 툴(1A) 사이에 위치하고 있다. 이에 의해, 온도 계측 장치(14)에 의해, 접합 부위 S의 온도, 또는 접합 부위 S의 근방(서냉 장치(10)에 의해 가열되기 전)의 온도가 계측된다.

제어 장치(5H)(마찰 교반 접합 제어 장치)는 접합 부위 S에 설정하는 목표 설정 온도(접합이 종료된 후의 부위를 몇 도로 유지할까라는 유지 목표 온도)를 기억하는 목표 설정 온도 기억부(5h)와, 목표 설정 온도에 기초하여 접합 부위 S에 부여하는 열량을 산출하는 열량 부여 산출부(5i)를 구비하고 있다.

목표 설정 온도 기억부(5h)에는, 피접합 부재(101a, 101b)의 종류 및 두께, FSW 툴(1A)의 이동 속도(진행 속도), 돌기부(11)와 서냉 장치(10)의 거리(FSW 툴(1A)의 회전 중심 O1과 서냉 장치(10)의 단부(10b)의 거리)가 관계지어져 결정된 목표 설정 온도가 데이터베이스화되어 기억되어 있다. 이 목표 설정 온도 기억부(5h)로부터, 피접합 부재(101a, 101b)에 있어서의 마찰 교반 접합에 적합한 목표 설정 온도가 선택된다. 목표 설정 온도는 사전의 시험 등에 의해 결정된다.

도 17은 제8 실시 형태에 따른 FSW 장치의 연산 블록도이다.

도 17에 도시한 바와 같이, 열량 부여 산출부(5i)에서는, 목표 설정 온도가 입력되고, 입력된 목표 설정 온도로 되도록, 서냉 장치(10)를 제어한다. 그리고, 온도 계측 장치(14)에 의해 계측된 접합 부위 S의 온도(접합 온도)를 열량 부여 산출부(5i)에 입력한다. 그리고, 열량 부여 산출부(5i)에서는, 목표 설정 온도와 접합 온도를 비교하여, 편차가 제로로 되는 열량이 서냉 장치(10)로부터 출력되도록, 서냉 장치(10)를 제어한다. 이와 같이 하여, 온도 계측 장치(14)의 온도에 의한 피드백 제어를 실행한다.

도 18은 제8 실시 형태에 따른 FSW 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.

도 18에 도시한 바와 같이, 스텝 S10에 있어서, 제어 장치(5H)는, FSW 장치(100H)에 의한 마찰 교반 접합이 개시되었는지 여부를 판정한다. 접합이 개시되었다란, 접합 툴(1)이 회전을 개시하고, 접합 툴(1)이 접합 가능한 온도까지 상승하여, 피접합 부재(101a, 101b)가 접합선(102)을 따라서, 접합이 개시되었을 때를 의미하고 있다.

스텝 S10에 있어서, 제어 장치(5H)는, 접합이 개시되지 않았다고 판정한 경우에는("아니오"), 스텝 S10의 처리를 반복하고, 접합이 개시되었다고 판정한 경우에는("예"), 스텝 S20의 처리로 진행한다.

스텝 S20에 있어서, 제어 장치(5H)는, 서냉 장치(10)에 의한 서냉(후가열, 후 열부여)을 개시한다. 즉, 제어 장치(5H)는, 목표 설정 온도에 기초하여, 서냉 장치(10)로부터 접합 부위 S에 부여되는 열량을 제어한다.

스텝 S30에 있어서, 제어 장치(5H)는, 온도 계측 장치(14)에 의해 접합 부위 S의 접합 온도 T를 취득한다.

스텝 S40에 있어서, 제어 장치(5H)는, 접합 부위 S에 부여하는 열 부여량을 산출한다. 제어 장치(5H)의 열량 부여 산출부(5i)는 스텝 S30에서 취득된 접합 온도 T와, 결정된 목표 설정 온도를 비교하여, 편차가 제로(목표 설정 온도)로 되도록 서냉 장치(10)를 제어한다. 이에 의해, 접합 부위 S가 서냉(가열)된다. 즉, 가열은, 접합 완료 시의 접합 부위 S의 조직 구조를 변화시키지 않는 범위에서 행해진다.

스텝 S50에 있어서, 제어 장치(5H)는, 접합이 종료되었는지 여부를 판정한다. 접합이 종료되었는지 여부는, FSW 장치(100H)가 미리 설정된 거리 이동하였는지 여부로 판정된다. 스텝 S50에 있어서, 제어 장치(5H)는, 접합이 종료되지 않았다고 판정한 경우에는("아니오"), 스텝 S30으로 되돌아가고, 접합이 종료되었다고 판정한 경우에는("예"), 스텝 S60의 처리로 진행한다.

스텝 S60에 있어서, 제어 장치(5H)는, FSW 툴(1A)이 접합 종료점으로부터 소정 거리 α 이동하였는지 여부를 판정한다. FSW 툴(1A)이 소정 거리 α 이동하였는지 여부는, 예를 들어 이동 속도로부터 산출한 경과 시간에 기초하여 판정할 수 있다. 스텝 S60에 있어서, 제어 장치(5H)는, FSW 툴(1A)이 접합 종료점으로부터 소정 거리 α 이동하지 않았다고 판정한 경우에는("아니오"), 스텝 S30으로 되돌아가고, 처리 거리 α 이동하였다고 판정한 경우에는("예"), 스텝 S70의 처리로 진행한다.

스텝 S70에 있어서, 제어 장치(5H)는, 서냉 장치(10)에의 전력의 공급을 정지하고, 서냉을 종료한다.

이와 같이, 제8 실시 형태는, 복수의 피접합 부재(101a, 101b)를 마찰 교반함으로써 접합하는 FSW 툴(1A)과, FSW 툴(1A)에 의해 접합된 복수의 피접합 부재(101a, 101b)의 접합 부위 S를 서냉하는 서냉 장치(10)와, 접합 부위 S의 접합 온도 T를 계측하는 온도 계측 장치(14)를 구비한 FSW 장치(100H)에 접속되는 제어 장치(5H)를 구비한다. 이 제어 장치(5H)는, 접합 부위 S에 설정하는 목표 설정 온도를 기억하는 목표 설정 온도 기억부(5h)와, 목표 설정 온도에 기초하여 접합 부위 S에 부여하는 열량을 산출하는 열량 부여 산출부(5i)를 구비한다. 열량 부여 산출부(5i)는 목표 설정 온도와 접합 온도 T의 편차가 제로로 되도록 서냉 장치(10)를 제어한다. 이와 같이, 온도 계측 장치(14)에 의해 접합 부위 S의 접합 온도 T를 검출함으로써, 접합 부위 S의 온도 관리를 고정밀도로 행할 수 있어, 접합 부위 S의 조직 변화가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 고정밀도의 마찰 교반 접합을 실현할 수 있다.

(제9 실시 형태)

도 19는 제9 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략도이다.

도 19에 도시한 바와 같이, 제9 실시 형태의 FSW 장치(100I)는, 서냉 장치(10)를 연직 방향에 대하여 FSW 툴(1A)측으로 기울어지게 하여 배치한 것이다. 서냉 장치(10)는 고주파 열원이나 레이저광을 사용한 광 열원 등을 포함하고 있다.

이에 의해, 접합 부위 S의 서냉 개시 위치(가열 개시 위치) P2를, 제1 실시 형태의 경우와 비교하여 FSW 툴(1A)에 근접하게 할 수 있어, FSW 툴(1A)에 의한 접합 후의 서냉 개시까지의 타임 래그를 짧게 할 수 있다. 따라서, 접합 부위 S의 조직 변화를 억제할 수 있어, 고품질의 마찰 교반 접합을 실현할 수 있다.

본 발명은 이상에 설명한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 또한, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시 형태는, 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어떤 실시 형태의 구성의 일부를, 다른 실시 형태의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한, 어떤 실시 형태의 구성에 다른 실시 형태의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시 형태의 구성의 일부에 대하여, 다른 실시 형태에 포함되는 구성을 추가·삭제·치환하는 것도 가능하다.

예를 들어, 상기한 실시 형태에서는, 서냉 장치(10)를 고정 부재(30)를 통해 하우징(3)에 설치한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 서냉 장치(10)를 하우징(3)에 직접 고정하도록 해도 된다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, FSW 장치(100A∼100I)를 동작시키고, 피접합 부재(101a, 101b)를 고정으로 한 경우를 예로 들어 설명하였지만, FSW 장치(100A∼100I)를 고정으로 하고, 피접합 부재(101a, 101b)를 동작시키는 구성이어도 된다.

1A : FSW 툴(마찰 교반 접합 툴)
1 : 접합 툴
2 : 툴 홀더
3 : 하우징(장치 본체)
4 : 아암
5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G, 5H : 제어 장치
5a : 열량 부여 제어부
5b : 서냉부 구동 제어부(서냉 장치 구동 제어부)
5h : 목표 설정 온도 기억부
5i : 열량 부여 산출부
6 : 주축 모터
7 : 툴 이동 구동 장치(툴 이동 구동부)
7A : 툴 이동 구동 장치(제1 구동부)
7B : 제2 툴 이동 구동 장치
8 : 서냉부 축방향 이동 구동 장치(서냉 장치 축방향 이동 구동부)
9 : 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(서냉 장치 접합 방향 이동 구동부)
9A : 서냉부 접합 방향 이동 구동 장치(제2 구동부)
10, 10E : 서냉 장치
10a : 유도 코일
10b : 단부
11 : 돌기부
12 : 툴 숄더부
14 : 온도 계측 장치
20 : 주축
30, 32 : 고정 부재
33 : C형 프레임
100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 100H, 100I : FSW 장치(마찰 교반 접합 장치)
101a, 101b, 101c, 101d : 피접합 부재
D : 접합 방향
Q1, Q2, Q3 : 열량
R1, R2 : 범위(가열 범위)
S : 접합 부위

Claims

장치 본체에 보유 지지되며, 복수의 피접합 부재를 마찰 교반함으로써 접합하는 마찰 교반 접합 툴과,
상기 마찰 교반 접합 툴에 의해 접합된 상기 복수의 피접합 부재의 접합 부위를 서냉하는 서냉 장치를 구비하고,
상기 장치 본체는, 상기 서냉 장치를 접합 방향을 따라서 이동시키는 서냉 장치 접합 방향 이동 구동부를 구비하여 상기 마찰 교반 접합 툴과 상기 서냉 장치와의 거리를 변경하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
장치 본체에 보유 지지되며, 복수의 피접합 부재를 마찰 교반함으로써 접합하는 마찰 교반 접합 툴과,
상기 마찰 교반 접합 툴에 의해 접합된 상기 복수의 피접합 부재의 접합 부위를 서냉하는 서냉 장치와,
상기 마찰 교반 접합 툴을 접합 방향으로 구동시키는 제1 구동부와,
상기 서냉 장치를 접합 방향으로 구동시키는 제2 구동부를 구비하여 상기 마찰 교반 접합 툴과 상기 서냉 장치와의 거리를 변경하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 마찰 교반 접합 툴에 대하여 상기 서냉 장치를 상하 이동하는 서냉 장치 축방향 이동 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 서냉 장치는, 상기 접합 부위와 접촉하지 않고 가열하는 비접촉 열원인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제4항에 있어서,
상기 비접촉 열원은 고주파 열원인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제4항에 있어서,
상기 비접촉 열원은 광 열원인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항에 있어서,
상기 마찰 교반 접합 툴을 접합선을 따라서 이동시키는 툴 이동 구동부와, 상기 서냉 장치로부터 상기 접합 부위에 부여하는 열량을 제어하는 열량 부여 제어부를 구비하고,
상기 열량 부여 제어부는, 접합 종료 시, 상기 마찰 교반 접합 툴을 상기 접합 부위로부터 이격하였을 때에 상기 접합 부위에 부여하는 열량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항에 있어서,
상기 마찰 교반 접합 툴을 접합선을 따라서 이동시키는 툴 이동 구동부와, 상기 서냉 장치를 상기 접합 부위에 근접하는 방향 및 이격하는 방향으로 이동시키는 서냉 장치 축방향 이동 구동부와, 상기 서냉 장치 축방향 이동 구동부를 제어하는 서냉 장치 구동 제어부를 구비하고,
상기 서냉 장치 구동 제어부는, 접합 종료 시, 상기 마찰 교반 접합 툴을 상기 접합 부위로부터 이격하였을 때에 상기 서냉 장치 축방향 이동 구동부를 제어하여 상기 서냉 장치를 상기 접합 부위에 근접하는 방향으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 장치 본체는, 상기 서냉 장치를 접합 방향으로 복수 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 서냉 장치는, 상기 피접합 부재를 사이에 두고 상기 마찰 교반 접합 툴과는 반대측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 서냉 장치는, 상기 마찰 교반 접합 툴측으로 기울어지게 하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 접합 부위의 온도를 검출하는 비접촉의 온도 계측 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
장치 본체에 보유 지지됨과 함께 복수의 피접합 부재를 마찰 교반함으로써 접합하는 마찰 교반 접합 툴과, 상기 마찰 교반 접합 툴에 의해 접합된 상기 복수의 피접합 부재의 접합 부위를 서냉하는 서냉 장치와, 상기 장치 본체에 설치됨과 함께 상기 서냉 장치를 접합 방향을 따라서 이동시켜 상기 마찰 교반 접합 툴과 상기 서냉 장치와의 거리를 변경하는 서냉 장치 접합 방향 이동 구동부와, 상기 접합 부위의 접합 온도를 계측하는 온도 계측 장치를 구비한 마찰 교반 접합 장치에 접속되는 마찰 교반 접합 제어 장치이며,
상기 마찰 교반 접합 제어 장치는, 상기 접합 부위에 설정하는 목표 설정 온도를 기억하는 목표 설정 온도 기억부와, 상기 목표 설정 온도에 기초하여 상기 접합 부위에 부여하는 열량을 산출하는 열량 부여 산출부를 구비하고,
상기 열량 부여 산출부는, 상기 목표 설정 온도와 상기 접합 온도의 편차가 제로로 되도록 상기 서냉 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 제어 장치.
장치 본체에 보유 지지됨과 함께 복수의 피접합 부재를 마찰 교반하는 마찰 교반 접합 툴에 의해 접합하고, 접합 후에 상기 마찰 교반 접합 툴에 의해 접합된 상기 복수의 피접합 부재의 접합 부위를, 상기 장치 본체에 대하여 접합 방향을 따라서 이동하여 상기 마찰 교반 접합 툴과의 거리를 변경하도록 설치된 서냉 장치에 의해 서냉하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 방법.
제14항에 있어서,
상기 접합 부위의 접합 온도를 계측하고, 상기 접합 온도와, 상기 접합 부위에 설정하는 목표 설정 온도의 편차를 산출하고, 상기 편차가 제로로 되도록 서냉하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 방법.