KR102281397B1

KR102281397B1 - 금속판의 양면 마찰 교반 접합 방법 및 양면 마찰 교반 접합 장치

Info

Publication number: KR102281397B1
Application number: KR1020207003456A
Authority: KR
Inventors: 무네오 마츠시타; 린세이 이케다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2021-07-23
Also published as: JP6737347B2; US11446757B2; EP3653329B1; JPWO2019054400A1; KR20200028413A; CN111050973A; WO2019054400A1; MX2020001795A; US20200215644A1; CN111050973B; EP3653329A1; EP3653329A4

Abstract

양면 마찰 교반 접합을 실시할 때에, 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 접합 상태를 달성하기에 충분한 소성 유동을 얻는 것이 가능해지고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하고, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성을 향상시키는 것이 가능한 마찰 교반 접합 방법, 및 그 마찰 교반 접합을 실시하기 위한 바람직한 마찰 교반 접합 장치를 제공한다. 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 접합부인 맞댐부 혹은 겹침부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 맞댐부 혹은 겹침부에 있어서 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 회전 툴과 금속판의 마찰열에 의해 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 금속판끼리를 접합한다.

Description

금속판의 양면 마찰 교반 접합 방법 및 양면 마찰 교반 접합 장치

본 발명은, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 금속판의 맞댐부 혹은 겹침부의 표면측과 이면측에 대향하여 각각 배치하고, 맞댐부 혹은 겹침부에 있어서 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 회전 툴과 금속판의 마찰열에 의해 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 방법, 및 그 양면 마찰 교반 접합을 실시하기 위한 양면 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.

또, 본 발명은, 이 마찰 교반 접합 방법을 금속판의 접합에 적용한 경우, 혹은 마찰 교반 접합 장치를 사용한 경우에 우려되는 문제점, 즉 접합부에 있어서의 금속판의 두께 방향으로 발생하는 온도, 소성 유동의 차이에서 기인하는 접합부 내의 국소적인 소성 유동 불량을 해소함으로써 접합 결함을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상, 특히 접합 속도의 향상을 도모하고자 하는 것이다.

또한 이하에서는, 금속판 (예를 들어 강판 등) 을 맞대었을 (혹은 겹쳤을) 뿐 여전히 접합되어 있지 않은 상태에 있는 맞댐 부분 (혹은 겹침 부분) 을 「미접합부」, 한편, 소성 유동에 의해 접합되어 일체화된 부분을 「접합부」로 부르는 것으로 한다.

마찰 용접법으로서, 특허문헌 1 에는, 1 쌍의 금속 재료의 양방 또는 편방을 회전함으로써, 금속 재료에 마찰열을 발생시켜 연화시키면서, 그 연화된 부위를 교반하여 소성 유동을 일으킴으로써, 금속 재료를 접합하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이 기술은, 접합되는 금속 재료를 회전시키는 것이기 때문에, 그 금속 재료의 형상이나 치수에 한계가 있다.

한편, 특허문헌 2 에는, 금속판보다 실질적으로 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을 금속판의 미접합부에 삽입하고, 이 회전 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써, 회전 툴과 금속판 사이에 발생하는 열과 소성 유동에 의해, 금속판을 길이 방향으로 연속적으로 접합하는 방법이 제안되어 있다. 이 기술은, 금속판을 고정시킨 상태로, 회전 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써 금속판을 접합한다. 이 때문에, 접합 방향을 따라 실질적으로 무한히 긴 부재에도, 그 길이 방향으로 연속적으로 고상 접합할 수 있다는 이점이 있다. 또, 회전 툴과 금속판의 마찰열에 의한 금속의 소성 유동을 이용한 고상 접합이기 때문에, 접합부를 용융하지 않고 접합할 수 있다. 또한, 가열 온도가 낮기 때문에 접합 후의 변형이 적고, 또 접합부는 용융되지 않기 때문에 결함이 적고, 또한 용가재를 필요로 하지 않는 등 많은 이점이 있다.

마찰 교반 접합법은, 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금으로 대표되는 저융점 금속판의 접합법으로서, 항공기, 선박, 철도 차량 및 자동차 등의 분야에서 이용이 확대되고 있다. 그 이유로는, 이러한 저융점 금속판은, 종래의 아크 용접법에서는 접합부의 만족스러운 특성을 얻는 것이 곤란하고, 마찰 교반 접합법을 적용함으로써 생산성을 향상시킴과 함께, 품질이 높은 접합부를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 건축물이나 선박, 중기 (重機), 파이프라인, 자동차와 같은 구조물의 소재로서 주로 적용되고 있는 구조용 강판에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 종래의 용융 용접에서 과제가 되는 응고 균열이나 수소 균열을 회피할 수 있음과 함께, 강판의 조직 변화도 억제되므로, 조인트 성능의 향상을 기대할 수 있다. 또, 회전 툴에 의해 접합 계면을 교반함으로써 청정면을 창출하여 청정면끼리를 접촉할 수 있으므로, 확산 접합과 같은 사전의 준비 공정은 불필요하다는 장점도 기대할 수 있다. 이와 같이, 구조용 강판에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 많은 이점이 기대된다. 그러나, 접합시에 있어서의 결함 발생의 억제, 접합 속도 (즉 회전 툴의 이동 속도) 의 고속도화와 같은 접합 시공성에 문제를 남기고 있었기 때문에, 저융점 금속판과 비교하여 마찰 교반 접합법의 보급이 진행되고 있지 않다.

특허문헌 2 에 기재된 마찰 교반 접합법에 있어서의 결함 발생의 주된 요인으로서, 금속판의 두께 방향으로 발생하는 온도, 소성 유동의 차이를 들 수 있다. 금속판의 접합부의 일방의 면측에 대하여 회전 툴을 가압시키고, 회전시키면서 접합 방향으로 이동함으로써 접합하는 경우, 회전 툴의 숄더부가 가압되는 면측에서는, 숄더부의 회전에 의해 충분한 온도 상승과 전단 응력의 부하에 의해 고온에서 큰 변형이 가해짐으로써, 접합 계면에 청정면을 창출하여 접촉시킴으로써 야금적인 접합 상태를 달성하기에 충분한 소성 유동이 얻어진다. 한편, 그 반대의 면측에서는, 비교적 저온에서, 부하되는 전단 응력이 작아지기 때문에, 야금적인 접합 상태를 달성하기에 충분한 소성 유동이 얻어지지 않는 상태에 빠지기 쉽다.

특허문헌 2 에 기재된 마찰 교반 접합 기술을 구조용 강판에 적용하는 경우, 구조용 강판의 고온에 있어서의 강도가 높기 때문에, 저입열 (低入熱) 이고 또한 접합 속도가 높은 경우에 상기와 같은 상태가 되는 경향이 강하여, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화가 곤란하다.

특허문헌 3, 4, 5 에는 양면 마찰 교반 접합 방법이 개시되어 있다. 양면 마찰 교반 접합 방법에 있어서는, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부가 금속판의 접합부의 표면측과 이면측에 가압되고, 숄더부의 회전에 의해 충분한 온도 상승과 전단 응력에 의해 고온에서 큰 변형을 양면에 가함으로써, 접합 상태를 달성하기에 충분한 소성 유동을, 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻을 수 있어, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성할 수 있는 것으로 생각된다. 그러나 특허문헌 3, 4, 5 에 기재된 기술에 관해서는, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부를 금속판의 접합부의 표면측과 이면측에 가압할 때에, 접합 상태를 달성하기에 충분한 온도 상승과 전단 응력을 얻는 데에 있어서 중요한 의미를 갖는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부 사이의 간극에 관해서는 전혀 고려되어 있지 않다.

일본 공개특허공보 소62-183979호 일본 공표특허공보 평7-505090호 일본 특허 제3261433호 일본 특허 제4838385호 일본 특허 제4838388호

본 발명은, 종래의 기술의 문제점을 해소하고, 양면 마찰 교반 접합을 실시할 때에, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부가 금속판의 접합부의 표면측과 이면측에 가압되고, 숄더부의 회전에 의해 충분한 온도 상승과 전단 응력이 발생한다. 이로써 고온에서 큰 변형이 양면에 가해지고, 접합 상태를 달성하기에 충분한 소성 유동을 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻는 것이 가능해진다. 이상에 의해, 본 발명에 있어서는, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하고, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성을 향상시키는 것이 가능한 마찰 교반 접합 방법, 및 그 마찰 교반 접합을 실시하기 위한 바람직한 마찰 교반 접합 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 접합 상태를 달성하기에 충분한 온도 상승과 전단 응력을 얻는 데에 있어서 중요해지는, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부 사이의 간극을 엄밀하게 정밀 조사한 마찰 교반 접합 방법, 및 그것을 실현하는 마찰 교반 접합 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그래서, 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 지견 (a) ∼ (e) 를 얻었다.

(a) 양면 마찰 교반 접합에 있어서는, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하는 데에 있어서, 접합 상태를 얻기에 충분한 온도 상승과 전단 응력을, 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 분포시키기 위해, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부끼리의 간극을 엄밀하게 관리할 필요가 있다. 특히, 1 쌍의 회전 툴에 경사 각도가 부여되는 경우에는, 금속판의 두께에 더하여, 회전 툴의 숄더부의 직경, 경사 각도를 조정하는 것이 유효하다.

(b) 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 회전 방향을 표면측과 이면측에서 동일 방향으로 하면, 일방의 회전 툴에 대한 타방의 회전 툴의 상대 속도는 제로이다. 그 때문에, 회전 툴의 숄더부끼리의 간극에 있어서 금속판의 소성 유동이 균질 상태에 가까워질수록 소성 변형이 작아지고, 금속판의 소성 변형에 의한 발열도 얻어지지 않기 때문에, 양호한 접합 상태는 달성 불가능해진다. 따라서, 양호한 접합 상태를 달성하기에 충분한 온도 상승과 전단 응력을 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻기 위해서는, 1 쌍의 회전 툴의 회전 방향을 표면측과 이면측에서 역방향으로 할 필요가 있다.

(c) 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 핀부의 선단 사이의 간극을 엄밀하게 관리함으로써, 온도 상승과 전단 응력을 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻는 것이 가능해지고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성할 수 있다. 또한, 금속판의 두께, 회전 툴의 숄더부의 직경을 조정함으로써, 효과가 현저하게 발휘된다.

(d) 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부의 직경을 엄밀하게 관리함으로써, 온도 상승과 전단 응력을 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻는 것이 가능해지고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성할 수 있다. 특히, 금속판의 두께에 관련하여 숄더부의 직경을 한정함으로써 현저한 효과를 얻을 수 있다.

(e) 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 회전수를 동일하게 하고, 접합 속도와 회전수의 비를 엄밀하게 관리함으로써, 온도 상승과 전단 응력을 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻는 것이 가능해지고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성할 수 있다. 특히, 회전 툴의 숄더부끼리의 간극, 숄더부의 직경 및 금속판의 두께에 관련하여, 접합 속도와 회전수의 비를 한정함으로써 현저한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은, 이와 같은 지견에 입각하는 것이다.

즉 본 발명은, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 맞댐부 혹은 겹침부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 맞댐부 혹은 겹침부에 있어서 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 회전 툴과 금속판의 마찰열에 의해 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 방법에 있어서,

1 쌍의 회전 툴로서, 숄더부 및 그 숄더부에 배치되고 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 구비하고, 또한 적어도 숄더부와 핀부가 금속판보다 단단한 재질에 의해 형성되어 이루어지는 것을 사용하고,

금속판을 파지 장치에 의해 고정시키면서, 1 쌍의 회전 툴을 금속판의 표면과 이면에 가압시키고, 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킴과 함께,

1 쌍의 회전 툴의 회전축을 금속판에 대하여 연직 방향으로부터, 핀 선단이 접합 방향에 대하여 선행하는 측으로 경사 각도 α (°) 로 경사시키고, 경사 각도 α 가

0 ＜ α ≤ 3

을 만족하고,

또한 1 쌍의 회전 툴의 핀부의 선단 사이에 간극 g (㎜) 를 부여함으로써 발생하는 숄더부의 간극 G (㎜) 가, 맞댐의 경우에는 금속판의 두께 t (㎜), 혹은 겹침의 경우에는 겹친 금속판의 총 두께 t (㎜) 그리고 회전 툴의 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여

(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)

를 만족하고,

숄더부의 직경 D (㎜) 가, 맞댐의 경우에는 금속판의 두께 t (㎜), 혹은 겹침의 경우에는 겹친 금속판의 총 두께 t (㎜) 에 대하여

4 × t ≤ D ≤ 20 × t

를 만족하고,

간극 g 가, 맞댐의 경우에는 금속판의 두께 t (㎜), 혹은 겹침의 경우에는 겹친 금속판의 총 두께 t (㎜) 그리고 회전 툴의 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여

[0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g

≤ [1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t

를 만족하고,

또한 1 쌍의 회전 툴을 서로 역방향으로 회전시켜 마찰 교반 접합을 실시하고,

또한 1 쌍의 역방향으로 회전하는 회전 툴의 회전수 S (회/분) 가 동일하고, 회전 툴에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 회전 툴의 회전수 S 의 비 T/S 가, 숄더부의 간극 G (㎜), 숄더부의 직경 D (㎜), 맞댐의 경우에는 금속판의 두께 t (㎜), 혹은 겹침의 경우에는 겹친 금속판의 총 두께 t (㎜) 에 대하여

T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}

를 만족하는 양면 마찰 교반 접합 방법이다.

또 본 발명은, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 맞댐부 혹은 겹침부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 맞댐부 혹은 겹침부에 있어서 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 회전 툴과 금속판의 마찰열에 의해 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 장치에 있어서,

회전 툴이, 숄더부 및 그 숄더부에 배치되고 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 구비하고, 또한 적어도 숄더부와 핀부가 금속판보다 단단한 재질에 의해 형성되고,

1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키는 동안, 금속판을 고정시키는 파지 장치를 구비하고,

0 ＜ α ≤ 3

을 만족하고,

1 쌍의 회전 툴의 핀부의 선단 사이에 간극 g (㎜) 를 부여함으로써 발생하는 숄더부의 간극 G (㎜) 가, 맞댐의 경우에는 금속판의 두께 t (㎜), 혹은 겹침의 경우에는 겹친 금속판의 총 두께 t (㎜) 그리고 회전 툴의 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여

(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)

를 만족하고,

4 × t ≤ D ≤ 20 × t

를 만족하고,

[0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g

≤ [1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t

를 만족하고,

추가로 1 쌍의 회전 툴을 서로 역방향으로 회전시키는 회전 구동 장치를 구비하고,

T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}

를 만족하는 양면 마찰 교반 접합 장치이다.

본 발명에 의하면, 양면 마찰 교반 접합을 실시할 때에, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴의 숄더부가 금속판의 표면과 이면에 가압되고, 숄더부의 회전에 의해 충분한 온도 상승과 전단 응력이 발생한다. 이로써 고온에서 큰 변형이 양면에 가해짐으로써, 금속판의 두께 방향에 대하여 균질적으로 소성 유동이 촉진되어 양호한 접합 상태를 달성할 수 있다. 그 결과, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하고, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성을 향상시킬 수 있기 때문에, 산업상 각별한 효과를 발휘한다.

도 1 은 본 발명에 있어서의 회전 툴과 금속판의 배치의 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. (1) 은 맞댐 접합의 경우이고, (2) 는 겹침 접합의 경우이다.
도 2(1) 은 도 1 중의 회전 툴과 금속판의 평면도이고, 도 2(2) 는 A-A 화살표에서 본 단면도이다.
도 3 은 실시예에서 사용한 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 단면도이다.
도 4 는 대향하는 회전 툴의, 축 하중과 숄더부의 간극의 관계를 나타낸다.
도 5 는 축 하중과, 접합 속도 및 회전수의 관계를 나타낸다.

본 발명에서는, 2 장의 금속판을 맞대거나, 혹은 겹치고, 그 맞댐부 혹은 겹침부의 표면측과 이면측에 1 쌍의 회전 툴을 배치하여 양면 마찰 교반 접합을 실시한다.

이하, 도 1, 2 를 참조하여, 맞댐부의 양면 마찰 교반 접합을 실시하는 경우에 대해 구체적으로 설명한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 맞대어진 2 장의 금속판 (3) 의 표면측과 이면측에 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 을 서로 대향하여 배치하고, 금속판 (3) 의 표면측과 이면측의 양방으로부터 미접합부 (12) 에 회전 툴 (1, 8) 을 삽입하고, 또한 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킨다. 도 1 중의 화살표 P 는 회전 툴 (1, 8) 의 진행 방향 (즉 접합 방향), 화살표 Q 는 표면측에 배치되는 회전 툴 (1) 의 회전 방향, 화살표 R 은 이면측에 배치되는 회전 툴 (8) 의 회전 방향을 나타낸다.

그리고, 서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 을 회전시켜 마찰열을 발생시키고, 금속판 (3) 을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 금속판 (3) 을 접합한다. 이렇게 하여 얻어지는 접합부 (4) 는, 회전 툴 (1, 8) 의 진행 방향을 따라 선상으로 형성된다. 도 1 중의 미접합부 (12) 로부터 접합부 (4) 의 폭 중앙으로 연신되는 직선 (7) (이하, 접합 중앙선이라고 한다) 은, 화살표 P 의 방향으로 진행되는 회전 툴 (1, 8) 의 궤적과 일치한다 (도 2(1) 참조).

2 장의 금속판 (3) 은, 회전 툴 (1, 8) 이 접합 중앙선 (7) 을 따라 진행될 때에, 모두 파지 장치 (도시 생략) 로 파지되고, 소정의 위치에 고정된다. 또한 파지 장치는, 회전 툴 (1, 8) 의 진행에 수반되는 금속판 (3) 의 위치의 변동을 방지할 수 있는 것을 사용하면 되므로, 그 구성은 특별히 한정하지 않는다.

표면측의 회전 툴 (1) 의 핀부 (6) 선단과, 이면측의 회전 툴 (8) 의 핀부 (10) 선단은 맞닿게 하지 않고, 도 2(2) 에 나타내는 바와 같이 간극 g (㎜) 를 부여한다. 또, 회전 툴 (1, 8) 의 직경 D (㎜) 와 핀부 (6, 10) 의 선단의 직경 a (㎜) 의 차이에 의해 발생하는 단차 (5, 9) (이하, 숄더부라고 한다) 사이에는 간극 G (㎜) 가 발생한다.

또한, 표면측에서 보아, 표면측의 회전 툴 (1) 의 회전 방향 (즉 화살표 Q) 에 대하여 이면측의 회전 툴 (8) 을 역방향 (즉 화살표 R) 으로 회전시킨다. 예를 들어 도 2(1) 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (3) 의 표면측에서 본 평면도에 있어서, 회전 툴 (1) 을 시계 방향으로 회전시키는 경우에는, 회전 툴 (8) 을 반시계 방향으로 회전시킨다. 도시를 생략하지만, 회전 툴 (1) 을 반시계 방향으로 회전시키는 경우에는, 회전 툴 (8) 을 시계 방향으로 회전시킨다.

이와 같이 하여, 회전 툴 (1) 의 핀부 (6) 선단과 회전 툴 (8) 의 핀부 (10) 선단에 간극 g 를 형성하고, 회전 툴 (1) 의 숄더부 (5) 와 회전 툴 (8) 의 숄더부 (9) 에 간극 G 를 형성하고, 또한 회전 툴 (1) 과 회전 툴 (8) 을 역방향으로 회전시킴으로써, 충분한 온도 상승과 전단 응력이 양면으로부터 가해지고, 접합부 (4) 에 있어서의 금속판 (3) 의 두께 방향으로 발생하는 온도, 소성 유동의 차이를 저감시켜 균질적인 접합 상태를 달성할 수 있다. 또, 접합부 (4) 내에 국소적으로 발생하는 소성 유동 불량을 해소함으로써 접합 결함을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상, 특히 접합 속도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

표면측의 회전 툴 (1) 은, 숄더부 (5), 및 이 숄더부 (5) 에 배치되고, 또한 숄더부 (5) 와 회전축 (2) 을 공유하는 핀부 (6) 를 구비한다. 이면측의 회전 툴 (8) 은, 숄더부 (9), 및 이 숄더부 (9) 에 배치되고, 또한 숄더부 (9) 와 회전축 (11) 을 공유하는 핀부 (10) 를 구비한다. 그리고, 적어도 숄더부 (5, 9) 와 핀부 (6, 10) 는 금속판 (3) 보다 단단한 재질에 의해 형성된다.

또, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 회전 방향 Q, R 을, 표면측과 이면측에서 역방향으로 함으로써, 회전 툴 (1, 8) 의 회전에 의해 금속판 (3) 에 가해지는 회전 토크를 상쇄시킬 수 있어, 종래의 일방면측으로부터 회전 툴을 가압하여 접합하는 마찰 교반 접합법과 비교하면, 금속판 (3) 을 구속하는 지그의 구조를 간략화하는 것이 가능하다.

한편, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 회전 방향을 표면측과 이면측에서 동일 방향으로 하면, 표면측의 회전 툴 (1) 에 대한 이면측의 회전 툴 (8) 의 상대 속도는 제로이기 때문에, 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 사이에서는 금속판 (3) 의 소성 유동이 균질 상태에 가까워질수록 소성 변형이 작아지고 금속판 (3) 의 소성 변형에 의한 발열도 얻을 수 없게 되기 때문에, 양호한 접합 상태는 달성 불가능해진다.

따라서, 양호한 접합 상태를 달성하기에 충분한 온도 상승과 전단 응력을 피가공재의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻기 위해, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 회전 방향 Q, R 을 표면측과 이면측에서 역방향으로 한다.

또한, 본 발명에서는, 회전 툴의 배치를 이하와 같이 조정함으로써, 회전 툴 수명의 향상, 접합 결함 발생의 억제, 접합 속도의 고속도화를 도모하는 데에 있어서 유효하다.

먼저, 표면측 및 이면측의 회전 툴의 경사 각도 α (°) 에 대해 설명한다.

회전 툴 (1, 8) 의 회전축 (2, 11) 을, 금속판 (3) 에 대한 연직 방향으로부터 각도 α (°) 로 경사시키고, 핀부 (6, 10) 선단을 접합 방향 P 에 대하여 선행시킴으로써, 회전 툴 (1, 8) 에 대한 부하를 회전축 (2, 11) 방향으로 압축되는 분력으로서 회전 툴 (1, 8) 에 받을 수 있다. 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 은, 금속판 (3) 보다 단단한 재질에 의해 형성될 필요가 있고, 세라믹 등의 인성이 부족한 재료를 사용하는 경우에는, 핀부 (6, 10) 에 대하여 굽힘 방향의 힘이 부하되면, 국부에 응력이 집중되어 파괴에 이른다. 따라서, 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 의 회전축 (2, 11) 을 각도 α (이하, 경사 각도라고 한다) 로 기울임으로써 회전 툴 (1, 8) 에 가해지는 부하를 회전축 (2, 11) 방향으로 압축되는 분력으로서 받아, 굽힘 방향의 힘을 저감시킬 수 있고, 회전 툴 (1, 8) 의 파손을 회피할 수 있다.

경사 각도 α 는 0°를 초과하면 상기 서술한 효과가 얻어지지만, 3°를 초과하면 접합부의 표리면이 오목형이 되어 접합 조인트 강도에 악영향을 미치기 때문에, 3°를 상한으로 한다. 즉, 0 ＜ α ≤ 3 의 범위 내이다.

다음으로, 표면측 및 이면측의 회전 툴의 숄더부 사이의 간극 G (㎜) 에 대해 설명한다.

양면 마찰 교반 접합에 있어서는, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하는 데에 있어서, 접합 상태를 달성하기에 충분한 온도 상승과 전단 응력을 금속판 (3) 의 두께 방향에 대하여 균질적으로 얻을 때에 중요해지는 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 사이의 간극 G 를 엄밀하게 관리할 필요가 있다.

표면측 및 이면측의 회전 툴 (1, 8) 의 경사 각도 α 를 0°＜ α ≤ 3°로 하고, 맞댐 접합에 있어서는 금속판 (3) 의 두께 t (㎜), 겹침 접합에 있어서는 겹친 금속판 (3) 의 총 두께 t (㎜), 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 의 직경 D (㎜) 에 대하여, 간극 G (㎜) 를 (0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) 이상 또한 t - (0.2 × D × sinα) 이하의 범위 내로 함으로써, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 가 금속판 (3) 의 표면측 및 이면측에 밀접 혹은 압입되는 상태가 되고, 결과적으로, 금속판 (3) 은 표면측 및 이면측으로부터 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 에 의해 충분한 하중으로 가압된다.

도 4 는, 표 1 의 기호 1 에 나타내는 두께, 화학 조성, 인장 강도의 강판을 사용하고, 각도를 부여하지 않은 이른바 I 형 개선 (開先) 으로 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에 의해 강판을 맞대고, 도 3(1) 에 단면 형상을 갖는 탄화텅스텐 (WC) 을 소재로 한 회전 툴을 표면측, 이면측의 양방에 배치하고, 경사 각도 α 를 1.5°로 하여 가압하고, 표면측, 이면측의 회전 툴의 회전수를 1000 rpm, 접합 속도를 2 m/min 으로 하여 마찰 교반 접합을 실시했을 때의, 표면측, 이면측의 회전 툴의 숄더부 사이의 간극 G, 축 하중 F 를 나타낸다. 이 때의 간극 G 의 한정 범위는, 0.74 ㎜ 이상 또한 1.54 ㎜ 이하가 되고, 간극 G 를 1.54 ㎜ 이하로 함으로써, 축 하중 F 는 10 kN 이상으로 할 수 있다. 충분한 하중으로 가압됨으로써, 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 에 의한 마찰과 전단 방향에 대한 소성 변형에 의해 발열과 소성 유동이 촉진된다. 이로써, 두께 방향에 대하여 균질적으로 소성 유동이 촉진되어, 양호한 접합 상태를 달성할 수 있다. 1 쌍의 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 사이의 간극 G 는, t - (0.2 × D × sinα) 를 초과하면 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 가 금속판 (3) 의 표면측 및 이면측에 충분한 하중으로 가압할 수 없어, 상기의 효과가 얻어지지 않는다. 한편, (0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) 미만이 되면, 접합부의 표면과 이면이 오목형이 되어 접합 조인트 강도에 악영향을 미친다. 따라서,

(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)

로 한다.

다음으로, 표면측 및 이면측의 회전 툴의 핀부 선단의 간극 g (㎜) 에 대해 설명한다.

금속판 (3) 의 두께 방향에 대하여 균질적으로 온도 상승과 전단 응력을 얻고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하기 위해, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 핀부 (6, 10) 선단의 간극 g 를 엄밀하게 관리하는 것이 유효하다. 특히, 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 의 직경 D 와 금속판 (3) 의 두께 t (㎜) (맞댐 접합의 경우) 혹은 겹친 금속판의 총 두께 t (㎜) (겹침 접합의 경우) 의 비 (D/t) 가 작은 경우에는, 표면측 및 이면측의 회전 툴의 숄더부에서 발생하는 마찰 발열이 두께 방향에 대하여 전달되기 어렵고, 숄더부로부터의 가열에 의한 재료의 연화가 진행되지 않아, 두께 방향에 대하여 균질적으로 소성 유동이 일어나기 어려워진다. 따라서, 접합 상태를 얻기에 필요 충분한 마찰 발열과 소성 유동을 핀부로부터 발생시킬 필요가 있으므로, 핀부 (6, 10) 선단의 간극 g 를, [0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t 이상 또한 [1 - 0.9 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t 이하로 한정하는 것이 유효하다. 이 식에 의해 D/t 가 작아질수록, 간극 g 의 상한과 하한은 보다 작은 값으로 관리된다. 간극 g 의 조정은 표면측 및 이면측의 회전 툴의 위치 혹은 양방의 회전 툴의 핀부의 길이 b 를 변화시킴으로써 가능하다.

핀부 (6, 10) 선단의 간극 g 가 [0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t 미만에서는, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 핀부 (6, 10) 선단이 접촉하여 손상될 우려가 있으므로 바람직하지 않다. 또, [1 - 0.9 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t 를 초과하면, 두께 방향에 대하여 균질적인 소성 유동, 마찰 발열이 유효하게 얻어지지 않는다. 따라서 간극 g 는, [0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g ≤ [1 - 0.9 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t 로 한다.

다음으로, 표면측 및 이면측의 회전 툴의 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대해 설명한다.

이미 설명한 간극 G, g 에 더하여, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 의 직경 D 를 엄밀하게 관리하는 것이, 금속판 (3) 의 두께 방향에 대하여 균질적으로 온도 상승과 전단 응력을 얻고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하는 데에 있어서 유효하다. 직경 D 가 t 와의 비에 있어서 작아지는 경우에는, 표면측 및 이면측의 회전 툴의 숄더부에서 발생하는 마찰 발열이 두께 방향에 대하여 전달되기 어렵고, 숄더부로부터의 가열에 의한 재료의 연화가 진행되지 않아, 두께 방향에 대하여 균질적으로 소성 유동이 일어나기 어려워진다. 따라서, 특히, 금속판 (3) 의 두께 t (㎜) 에 대하여, 4 × t 이상 또한 20 × t 이하로 한정함으로써 효과를 얻을 수 있다.

직경 D 가 4 × t 미만에서는, 두께 방향에 대하여 균질적인 소성 유동이 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, 20 × t 를 초과하면, 불필요하게 소성 유동을 발생시키는 영역을 넓힐 뿐이고, 장치에 대하여 과대한 부하가 가해지기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 직경 D 는, 4 × t ≤ D ≤ 20 × t 로 한다. 또한 두께 t 는, 맞댐 접합에 있어서는 금속판 (3) 의 두께 t, 겹침 접합에 있어서는 겹친 금속판 (3) 의 총 두께 t 를 가리킨다.

다음으로, 표면측 및 이면측의 회전 툴에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 회전 툴의 회전수 S 의 비 T/S 에 대해 설명한다.

금속판 (3) 의 두께 방향에 대하여 균질적으로 온도 상승과 전단 응력을 얻고, 접합시에 있어서의 결함 발생을 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 달성하기 위해, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 회전 툴의 회전수 S (회/분) 의 비 T/S 를 엄밀하게 관리하는 것이 유효하다.

양면 마찰 교반 접합에 있어서, 표면측, 이면측의 회전 툴의 축 하중 F, 숄더부의 직경 D, 또는 회전 속도 S 의 상승에 의해 시간 단위당의 마찰 발열 Q_time 은 상승한다. 따라서, 하기와 같은 관계를 생각할 수 있다.

Q_time (J/분) ∝ F × D × S

또한 시간 단위당의 마찰 발열을 접합 속도 T (m/분), 판두께 t (㎜) 로 나눔으로써, 열량을 접합 방향 및 판두께 방향의 거리로 표준화할 수 있다.

Q_J-t (J/㎟) = Q_time/(T × t) ∝ F × D × S/(1000 × T × t)

여기서, 축 하중 F (kN) 에 관해서는, 도 4 에 나타내는 표면측, 이면측의 회전 툴의 숄더부 사이의 간극 G 와 축 하중 F 의 관계와 함께, 도 5 에 나타내는 바와 같이 접합 속도 T, 표면측, 이면측의 회전 툴의 회전수 S 의 관계를 고려할 필요가 있다.

도 5 는, 표 1 의 기호 1 에 나타내는 두께, 화학 조성, 인장 강도의 강판을 사용하고, 각도를 부여하지 않은 이른바 I 형 개선으로 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에 의해 강판을 맞대고, 도 3(1) 에 단면 형상을 갖는 탄화텅스텐 (WC) 을 소재로 한 회전 툴을 표면측, 이면측의 양방에 배치하고, 경사 각도 α 를 1.5°로 하여 가압하고, 회전 툴의 숄더부 사이의 간극 G 를 1.0 ㎜ 로 하고, 표면측, 이면측의 회전 툴의 회전수를 2000 ∼ 3000 회/분, 접합 속도를 4 ∼ 5 m/분으로 하여 마찰 교반 접합을 실시했을 때의, 축 하중 F (kN) 와 접합 속도 T × 1000/회전수 S (㎜) 의 관계를 나타낸다. 접합 속도 T/회전수 S 의 상승에 따라 축 하중 F 는 상승되는 경향이 나타났다.

도 4, 5 에 나타내는 실험적인 경향으로부터, 축 하중 F 는, 접합 속도 T, 표면측, 이면측의 회전 툴의 회전수 S, 판두께 t 에 의해, 이하의 식으로 나타낸다.

F = 3.4 × T × 1000/S - 32.2 × G/t ＋ 34.5

이로써, 상기 서술한 Q_J-t 를 나타내면 하기와 같이 얻어진다.

Q_J-t (J/㎟) ∝ F × D × S/(1000 × T × t)

= (3.4 × T × 1000/S - 32.2 × G/t ＋ 34.5) × D × S/(1000 × T × t)

표 1 의 기호 1 에 나타내는 두께, 화학 조성, 인장 강도의 강판을 사용하고, 각도를 부여하지 않은 이른바 I 형 개선으로 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에 의해 강판을 맞대고, 도 3(1) 에 단면 형상을 갖는 탄화텅스텐 (WC) 을 소재로 한 회전 툴을 표면측, 이면측의 양방에 배치하고, 경사 각도 α 를 1.5°로 하여 가압하고, 회전 툴의 숄더부 사이의 간극 G 를 0.8 ∼ 1.5 ㎜ 로 하고, 표면측, 이면측의 회전 툴의 회전수를 400 ∼ 3000 rpm, 접합 속도를 1 ∼ 5 m/min 으로 하여 마찰 교반 접합을 실시했을 때, Q_J-t 와 비례 관계에 있는 상기 서술한 식의 우변이,

(3.4 × T × 1000/S - 32.2 × G/t ＋ 34.5) × D × S/(1000 × T × t) ≥ 53

을 만족하는 경우, 입열이 충분해지고 결함이 없는 건전한 조인트가 얻어졌다.

상기의 식을 변형하면,

T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}

가 되고, 접합 속도 T (m/분) 와 회전 툴의 회전수 S (회/분) 의 비 T/S 는, 표면측, 이면측의 회전 툴의 숄더부의 직경 D (㎜) 와 금속판 (3) 의 두께 t (㎜) (맞댐의 경우) 혹은 겹친 금속판 (3) 의 총 두께 t (㎜) (겹침의 경우) 의 비 D/t, 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 사이의 간극 G (㎜) 와 금속판 (3) 의 두께 t (㎜) (맞댐의 경우) 혹은 겹친 금속판 (3) 의 총 두께 t (㎜) (겹침의 경우) 의 비 G/t 의 관계로 나타내어진다.

특히, 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 의 직경 D 와 금속판 (3) 의 두께 t (맞댐의 경우) 혹은 겹친 금속판 (3) 의 총 두께 t (겹침의 경우) 의 비 D/t 가 작은 경우, 즉 표면측 및 이면측의 회전 툴의 숄더부에서 발생하는 마찰 발열이 두께 방향에 대하여 전달되기 어렵고, 숄더부로부터의 가열에 의한 재료의 연화가 진행되지 않는 경우나, 회전 툴 (1, 8) 의 숄더부 (5, 9) 사이의 간극 G 와 금속판 (3) 의 두께 t (맞댐의 경우) 혹은 겹친 금속판 (3) 의 총 두께 t (겹침의 경우) 의 비G/t 가 큰 경우, 즉 표면측 및 이면측의 회전 툴의 축 하중이 두께 t 에 대하여 작고, 회전 툴과 재료 사이에서의 마찰 발열이 작아지는 경우에는, 두께 방향에 대하여 균질적으로 소성 유동이 일어나기 어려워지므로, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 에 의한 접합 속도 T 와 회전 툴의 회전수 S 의 비 T/S 를 (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)} 이하로 한정하는 것이 유효하다. 또한, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 회전수 S 는 동일한 것으로 한다.

또, 표면측 및 이면측의 회전 툴 (1, 8) 의 핀부는 숄더부와의 경계로부터 선단에 걸쳐 테이퍼상으로 할 수 있다. 그 핀부 (6, 10) 의 길이 b 는, 경사 각도 α, 간극 G, 간극 g, 직경 D, 두께 t 에 따라 적절히 결정하면 된다. 또, 그 핀부 (6, 10) 의 선단부의 직경 a (㎜) 는, 당업자의 설계적 사항을 따르면 된다.

상기 이외의 접합 조건에 대해서는, 당업자의 설계적 사항을 따르면 된다. 이렇게 함으로써, 서로 대향하는 회전 툴 (1, 8) 의 회전수를 100 ∼ 5000 회/분의 범위로 하고, 접합 속도를 1000 ㎜/분 이상으로 고속화할 수 있다.

또, 본 발명이 대상으로 하는 금속판 (3) 은, 일반적인 구조용 강이나 탄소 강판, 예를 들어 JIS G 3106 이나 JIS G 4051 에 상당하는 강판 등에 바람직하게 적용할 수 있다. 또, 인장 강도가 800 ㎫ 이상의 고강도 구조용 강판에도 유리하게 적용할 수 있고, 이 경우에도, 접합부에 있어서, 강판의 인장 강도의 85 ％ 이상의 강도, 나아가서는 90 ％ 이상의 강도가 얻어진다.

실시예

표 1 에 나타내는 두께, 화학 조성, 인장 강도의 강판을 사용하고, 마찰 교반 접합을 실시하였다. 맞댐 접합의 경우에는, 조인트 맞댐면은, 각도를 부여하지 않은 이른바 I 형 개선으로 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에 의해, 강판 맞댐부의 표면측, 이면측의 양방으로부터 회전 툴을 가압하여 접합을 실시하였다. 겹침 접합의 경우에는, 동종의 강판을 2 장 겹치고, 강판 겹침부의 표면측, 이면측의 양방으로부터 회전 툴을 가압하여 접합을 실시하였다. 표면측, 이면측의 회전 툴의 회전 방향은, 도 2(1) 에 나타내는 바와 같이 강판 (금속판 (3)) 의 표면측에서 본 평면도에 있어서, 표면측 회전 툴 (회전 툴 (1)) 을 시계 방향으로 회전시키고, 이면측 회전 툴 (회전 툴 (8)) 을 반시계 방향으로 회전시켰다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 2 에 나타낸다. 또, 여기서는, 도 3(1), (2) 에 단면 형상을 갖는 2 종류의 탄화텅스텐 (WC) 을 소재로 한 회전 툴을 사용하였다.

표 3 에, 접합했을 때의 조인트 외관 관찰에서의 표면 결함의 유무, 조인트 단면 관찰에서의 내부 결함의 유무와, 얻어진 접합 조인트로부터 JIS Z 3121 에서 규정하는 1 호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 실시했을 때의 인장 강도를 나타낸다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 맞댐 조인트의 발명예 1 ∼ 10, 겹침 조인트의 발명예 11, 12 에서는, 접합 속도를 2 m/분 이상으로 고속화한 경우라도, 조인트 외관 관찰에서 표면 결함은 확인되지 않고, 조인트 단면 관찰에서도 내부 결함은 확인되지 않아, 건전한 접합 상태가 얻어진 것이 확인되었다. 또한, 조인트 강도에 관해서는, 모재가 되는 강판의 인장 강도의 95 ％ 이상이 얻어졌다.

한편, 맞댐 조인트의 비교예 1 ∼ 7, 겹침 조인트의 비교예 8 ∼ 10 에서는, 조인트 외관 관찰에서 표면 결함, 조인트 단면 관찰에서 내부 결함의 어느 편방 혹은 양방이 확인되어, 건전한 접합 상태가 얻어지지 않았다. 또한, 조인트 강도에 관해서는, 모재가 되는 강판의 인장 강도의 70 ％ 이하가 되었다.

1 : 표면측의 회전 툴
2 : 표면측의 회전 툴의 회전축
3 : 금속판
4 : 접합부
5 : 표면측의 회전 툴의 숄더부
6 : 표면측의 회전 툴의 핀부
7 : 접합 중앙선
8 : 이면측의 회전 툴
9 : 이면측의 회전 툴의 숄더부
10 : 이면측의 회전 툴의 핀부
11 : 이면측의 회전 툴의 회전축
12 : 미접합부

Claims

서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 맞댐부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 상기 맞댐부에 있어서 상기 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 금속판의 마찰열에 의해 상기 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 상기 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 상기 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
상기 1 쌍의 회전 툴로서, 숄더부 및 그 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 구비하고, 또한 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부가 상기 금속판보다 단단한 재질에 의해 형성되어 이루어지는 것을 사용하고,
상기 금속판을 파지 장치에 의해 고정시키면서, 상기 1 쌍의 회전 툴을 상기 금속판의 표면과 이면에 가압시키고, 상기 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킴과 함께,
상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 회전축을 상기 금속판에 대하여 연직 방향으로부터, 핀 선단이 상기 접합 방향에 대하여 선행하는 측으로 경사 각도 α (°) 로 경사시키고, 그 경사 각도 α 가
0 ＜ α ≤ 3
을 만족하고,
또한 상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 핀부의 선단 사이에 간극 g (㎜) 를 부여함으로써 발생하는 상기 숄더부의 간극 G (㎜) 가, 상기 금속판의 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여
(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)
를 만족하고,
상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 가, 상기 금속판의 상기 두께 t (㎜) 에 대하여
4 × t ≤ D ≤ 20 × t
를 만족하고,
상기 간극 g 가, 상기 금속판의 상기 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 에 대하여
[0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g
≤ [1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t
를 만족하고,
또한 상기 1 쌍의 회전 툴을 서로 역방향으로 회전시켜 상기 마찰 교반 접합을 실시하고,
또한 상기 1 쌍의 역방향으로 회전하는 상기 회전 툴의 회전수 S (회/분) 가 동일하고, 상기 회전 툴에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 상기 회전 툴의 상기 회전수 S 의 비 T/S 가, 상기 숄더부의 상기 간극 G (㎜), 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜), 상기 금속판의 상기 두께 t (㎜) 에 대하여
T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}
를 만족하는 것을 특징으로 하는 양면 마찰 교반 접합 방법.
서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 겹침부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 상기 겹침부에 있어서 상기 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 금속판의 마찰열에 의해 상기 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 상기 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 상기 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
상기 1 쌍의 회전 툴로서, 숄더부 및 그 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 구비하고, 또한 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부가 상기 금속판보다 단단한 재질에 의해 형성되어 이루어지는 것을 사용하고,
상기 금속판을 파지 장치에 의해 고정시키면서, 상기 1 쌍의 회전 툴을 상기 금속판의 표면과 이면에 가압시키고, 상기 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킴과 함께,
상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 회전축을 상기 금속판에 대하여 연직 방향으로부터, 핀 선단이 상기 접합 방향에 대하여 선행하는 측으로 경사 각도 α (°) 로 경사시키고, 그 경사 각도 α 가
0 ＜ α ≤ 3
을 만족하고,
또한 상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 핀부의 선단 사이에 간극 g (㎜) 를 부여함으로써 발생하는 상기 숄더부의 간극 G (㎜) 가, 겹친 상기 금속판의 총 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여
(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)
를 만족하고,
상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 가, 상기 금속판의 상기 총 두께 t (㎜) 에 대하여
4 × t ≤ D ≤ 20 × t
를 만족하고,
상기 간극 g 가, 상기 금속판의 상기 총 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 에 대하여
[0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g
≤ [1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t
를 만족하고,
또한 상기 1 쌍의 회전 툴을 서로 역방향으로 회전시켜 상기 마찰 교반 접합을 실시하고,
또한 상기 1 쌍의 역방향으로 회전하는 상기 회전 툴의 회전수 S (회/분) 가 동일하고, 상기 회전 툴에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 상기 회전 툴의 상기 회전수 S 의 비 T/S 가, 상기 숄더부의 상기 간극 G (㎜), 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜), 상기 금속판의 상기 총 두께 t (㎜) 에 대하여
T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}
를 만족하는 것을 특징으로 하는 양면 마찰 교반 접합 방법.
서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 맞댐부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 상기 맞댐부에 있어서 상기 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 금속판의 마찰열에 의해 상기 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 상기 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 상기 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 장치에 있어서,
상기 회전 툴이, 숄더부 및 그 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 구비하고, 또한 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부가 상기 금속판보다 단단한 재질에 의해 형성되고,
상기 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키는 동안, 상기 금속판을 고정시키는 파지 장치를 구비하고,
상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 회전축을 상기 금속판에 대하여 연직 방향으로부터, 핀 선단이 상기 접합 방향에 대하여 선행하는 측으로 경사 각도 α (°) 로 경사시키고, 그 경사 각도 α 가
0 ＜ α ≤ 3
을 만족하고,
상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 핀부의 선단 사이에 간극 g (㎜) 를 부여함으로써 발생하는 상기 숄더부의 간극 G (㎜) 가, 상기 금속판의 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여
(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)
를 만족하고,
상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 가, 상기 금속판의 상기 두께 t (㎜) 에 대하여
4 × t ≤ D ≤ 20 × t
를 만족하고,
상기 간극 g 가, 상기 금속판의 상기 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 에 대하여
[0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g
≤ [1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t
를 만족하고,
추가로 상기 1 쌍의 회전 툴을 서로 역방향으로 회전시키는 회전 구동 장치를 구비하고,
또한 상기 1 쌍의 역방향으로 회전하는 상기 회전 툴의 회전수 S (회/분) 가 동일하고, 상기 회전 툴에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 상기 회전 툴의 상기 회전수 S 의 비 T/S 가, 상기 숄더부의 상기 간극 G (㎜), 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜), 상기 금속판의 상기 두께 t (㎜) 에 대하여
T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}
를 만족하는 것을 특징으로 하는 양면 마찰 교반 접합 장치.
서로 대향하는 1 쌍의 회전 툴을 2 장의 금속판의 겹침부의 표면측과 이면측에 각각 배치하고, 상기 겹침부에 있어서 상기 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 금속판의 마찰열에 의해 상기 금속판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 상기 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜 상기 금속판끼리를 접합하는 양면 마찰 교반 접합 장치에 있어서,
상기 회전 툴이, 숄더부 및 그 숄더부에 배치되고 상기 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 구비하고, 또한 적어도 상기 숄더부와 상기 핀부가 상기 금속판보다 단단한 재질에 의해 형성되고,
상기 1 쌍의 회전 툴을 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키는 동안, 상기 금속판을 고정시키는 파지 장치를 구비하고,
상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 회전축을 상기 금속판에 대하여 연직 방향으로부터, 핀 선단이 상기 접합 방향에 대하여 선행하는 측으로 경사 각도 α (°) 로 경사시키고, 그 경사 각도 α 가
0 ＜ α ≤ 3
을 만족하고,
상기 1 쌍의 회전 툴의 상기 핀부의 선단 사이에 간극 g (㎜) 를 부여함으로써 발생하는 상기 숄더부의 간극 G (㎜) 가, 겹친 상기 금속판의 총 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 직경 D (㎜) 에 대하여
(0.5 × t) - (0.2 × D × sinα) ≤ G ≤ t - (0.2 × D × sinα)
를 만족하고,
상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 가, 상기 금속판의 상기 총 두께 t (㎜) 에 대하여
4 × t ≤ D ≤ 20 × t
를 만족하고,
상기 간극 g 가, 상기 금속판의 상기 총 두께 t (㎜) 그리고 상기 회전 툴의 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜) 에 대하여
[0.1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t ≤ g
≤ [1 - 0.09 × exp{-0.011 × (D/t)²}] × t
를 만족하고,
추가로 상기 1 쌍의 회전 툴을 서로 역방향으로 회전시키는 회전 구동 장치를 구비하고,
또한 상기 1 쌍의 역방향으로 회전하는 상기 회전 툴의 회전수 S (회/분) 가 동일하고, 상기 회전 툴에 의한 접합 속도 T (m/분) 와 상기 회전 툴의 상기 회전수 S 의 비 T/S 가, 상기 숄더부의 상기 간극 G (㎜), 상기 숄더부의 상기 직경 D (㎜), 상기 금속판의 상기 총 두께 t (㎜) 에 대하여
T/S ≤ (1/1000) × (D/t) × {34.5 - 32.2 × (G/t)}/{53 - 3.4 × (D/t)}
를 만족하는 것을 특징으로 하는 양면 마찰 교반 접합 장치.