KR102310924B1

KR102310924B1 - 복동식 마찰 교반 점 접합 방법, 가압 도구 세트, 및, 복동식 마찰 교반 점 접합 장치

Info

Publication number: KR102310924B1
Application number: KR1020207006032A
Authority: KR
Inventors: 슌스케 하루나; 스케 하루나; 신타로 후카다; 타카시 니노미야; 에츠코 야마다; 마사아키 히라노
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2021-10-12
Also published as: EP3680053A1; CN111050977A; KR20200036916A; US11491576B2; EP3680053A4; WO2019049813A1; CN111050977B; JP6887922B2; JP2019048308A; US20200276666A1

Abstract

마찰 교반 점 접합 방법은, 피 접합물이 지지되고 클램프 부재의 단부면에 의해 피 접합물이 가압된 상태에서, 핀 부재와 숄더 부재에 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계와, 접합 단계 후, 핀 부재와 숄더 부재가 클램프 부재의 수용 공간에 수용된 상태에서, 피 접합물 마찰 교반된 영역 및 피 접합물의 마찰 교반된 영역과 인접하는 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을, 마찰 교반 점 접합 장치에 의해서, 회전 공구 측과 그 반대편 측에서 가압하는 가압 단계를 구비한다.

Description

복동식 마찰 교반 점 접합 방법, 가압 도구 세트, 및, 복동식 마찰 교반 점 접합 장치

본 발명은 복동(複動)식 마찰 교반 점 접합에 의해 형성된 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.

예를 들어, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 서로 독립적으로 미리 정해진 축선 둘레를 회전 가능하고, 상기 축선 방향으로 진퇴(進退) 가능한 핀 부재 및 숄더(shoulder) 부재와, 숄더 부재의 외주를 둘러싸고 상기 축선 방향으로 진퇴 가능한 클램프 부재가 설치된 복동식 마찰 교반 점 접합 장치가 알려져 있다.

일본 특허공개 특개2012-196682호 공보

마찰 교반 점 접합에 의해 피 접합물을 접합하는 경우, 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키는 것이 요구되고 있다. 그러나, 이러한 피로 강도의 향상을 도모하기 위해 공정을 간단하게 설정하면, 접합체의 제조 효율이 저하될 우려가 있다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 복동식 마찰 교반 점 접합에 의해 형성되는 피 접합물의 커플링 부분의 피로 강도 향상을 효율적으로 도모할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 마찰 교반 점 접합 방법은, 피 접합물을 부분적으로 교반하는 회전 공구와, 상기 피 접합물을 가압하는 클램프 부재를 구비하는 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여, 상기 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서, 상기 회전 공구는, 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재를 구비하고, 상기 클램프 부재는, 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 하여 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 수용 공간을 형성하는 내주면과, 상기 피 접합물과 면 접촉 가능한 원형 고리 형상의 단부면을 구비하고, 상기 피 접합물이 지지되고 상기 클램프 부재의 상기 단부면에 의해 상기 피 접합물이 가압된 상태에서, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재에 의해 상기 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계와, 상기 접합 단계 후, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재가 상기 수용 공간에 수용된 상태에서, 상기 피 접합물 마찰 교반된 영역 및 상기 피 접합물의 상기 마찰 교반된 영역과 인접하는 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을, 상기 마찰 교반 점 접합 장치에 의해서, 상기 회전 공구 측과 그 반대편 측에서 가압하는 가압 단계를 구비한다.

상기 방법에 따르면, 접합 단계 후, 피 접합물 마찰 교반된 영역 및 피 접합물 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 마찰 교반 점 접합 장치에 의해 회전 공구 측과 그 반대 측에서 가압하는 가압 단계를 실시한다. 이에 따라서, 피 접합물을 마찰 교반 점 접합한 후, 피 접합물 표면 및 뒷면을 상기 양측에서 가압할 수 있다. 따라서, 피 접합물을 압축하여 피 접합물 피팅 부분에 양호하게 잔류 응력을 부여할 수 있다. 따라서, 피 접합물의 커플링 부분의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 이러한 피 접합물의 가압은, 피 접합물 마찰 교반 점 접합에 이용한 마찰 교반 점 접합 장치를 유용(流用)하여 실시할 수 있는 동시에, 복수의 마찰 교반 점 접합을 일련의 접합 동작에 의해 수행하는 경우에는, 이러한 접합 동작에 부수하여 실시할 수 있다. 따라서, 피 접합물 마찰 교반 점 접합과 가압을 일련의 동작으로 효율적으로 수행할 수 있고, 가압 공정을 설정하는 것에 의한 접합체의 생산성 저하를 억제할 수 있다.

상기 가압 단계에서는, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 선단을 덮도록 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 단부면을 구비하는 접합측 가압 도구가 상기 회전 공구에 설치되고, 상기 접합측 가압 도구의 상기 단부면에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하여도 좋다. 상기 방법에 따르면, 피 접합물을 마찰 교반 점 접합한 후, 비교적 간단한 구조를 가지는 접합측 가압 도구를 사용하여 피 접합물을 효율적으로 가압할 수 있다.

상기 가압 단계에서는, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 선단을 덮도록 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 단부면을 구비하는 접합측 가압 도구가 상기 회전 공구에 설치되고, 상기 접합측 가압 도구는, 상기 피 접합물의 상기 표면과 대향하여 배치되는 단부면과, 상기 접합측 가압 도구의 상기 단부면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능하게 배치되는 접합측 돌출부를 구비하며, 상기 가압 단계에서는, 상기 접합측 돌출부에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하여도 좋다.

상기 방법에 따르면, 접합측 돌출부를 이용하여 피 접합물의 표면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있다. 또한, 접합측 돌출부에 의해 피 접합물을 가압함으로써, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물을 압축할 수 있다. 따라서, 피 접합물을 가압하기 위한 전용 장치를 별도로 준비하지 않아도 좋다. 따라서, 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키기 위한 비용과 작업 부담을 줄일 수 있고, 커플링 부분의 피로 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

상기 가압 단계에서는, 상기 클램프 부재의 상기 단부면에 의해 상기 피 접합물을 상기 표면을 가압하여도 좋다. 이에 따라서, 클램프 부재를 유용하여 피 접합물을 효율적으로 가압할 수 있다.

상기 클램프 부재는, 상기 클램프 부재의 상기 단부면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물을 가압 가능하게 배치되는 클램프측 돌출부를 구비하고, 상기 가압 단계에서는, 상기 클램프측 돌출부에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하여도 좋다.

상기 방법에 따르면, 클램프측 돌출부를 이용하여 피 접합물의 표면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있다. 또한, 클램프측 돌출부에 의해 피 접합물을 가압함으로써, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물을 압축할 수 있다. 따라서, 피 접합물을 가압하기 위한 전용 장치를 별도로 준비하지 않아도 좋다. 따라서, 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키기 위한 비용과 작업 부담을 줄일 수 있고, 커플링 부분의 피로 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

상기 가압 단계에서는, 상기 피 접합물의 상기 회전 공구 측과는 반대 측에 배치되고 상기 피 접합물의 상기 뒷면과 대향하는 대향면과, 상기 대향면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 주위로 연장되고 또한 상기 피 접합물건의 상기 뒷면을 가압 가능하게 배치된 받침측 돌출부를 구비하는 받침측 가압 도구를 이용하고, 상기 받침측 돌출부에 의해 상기 피 접합물의 상기 뒷면을 가압하여도 좋다.

상기 방법에 따르면, 받침측 돌출부를 이용하여 피 접합물의 뒷면측 가압 도구 측에서 피 접합물의 뒷면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있는 동시에, 받침측 돌출부에 의해 피 접합물을 가압함으로써, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물을 압축할 수 있다.

가압 단계에서는, 상기 축 방향에서 볼 때, 상기 피 접합물을 통해 상기 회전 공구 측과 그 반대 측에서 상기 피 접합물의 가압 위치가 겹쳐지도록 상기 피 접합물을 가압하여도 좋다. 이에 따라서, 상기 축 방향에서 볼 때, 피 접합물을 상기 가압 위치가 겹치는 영역을 피 접합물을 상기 축 방향 양측에서 가압할 수 있어, 상기 영역의 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 가압 도구 세트는, 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재를 구비하는 회전 공구에 의해, 피 접합물을 부분적으로 교반하여 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치에 구비되고, 마찰 교반 점 접합된 상기 피 접합물을 가압하기 위한 가압 도구 세트로서, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 선단을 덮도록 상기 회전 공구에 설치되고, 상기 피 접합물의 마찰 교반된 영역 및 상기 피 접합물의 상기 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면과 대향하여 배치되는 단부면을 구비하는 접합측 가압 도구와, 상기 피 접합물의 상기 회전 공구 측과는 반대 측에 배치되어 상기 피 접합물을 지지하고, 상기 피 접합물의 뒷면과 대향하여 배치되는 대향면을 구비하는 받침측 가압 도구를 구비한다.

상기 구성에 따르면, 피 접합물 마찰 교반된 영역 및 피 접합물 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 마찰 교반 점 접합 장치의 회전 공구에 설치된 접합측 가압 도구와, 피 접합물의 회전 공구 측과는 반대 측에 설치된 받침측 가압 도구에 의해서, 회전 공구 측과 그 반대 측에서 가압할 수 있다. 또한, 이와 같은 피 접합물의 가압은, 피 접합물의 마찰 교반 점 접합에 이용하는 마찰 교반 점 접합 장치에 가압 도구 세트를 구비시켜 효율적으로 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 가압 도구 세트는, 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재를 구비하는 회전 공구에 의해, 피 접합물을 부분적으로 교반하여 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치에 구비되고, 마찰 교반 점 접합된 상기 피 접합물을 가압하기 위한 가압 도구 세트로서, 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 하여 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 수용 공간을 형성하는 내주면과, 상기 피 접합물의 마찰 교반된 영역 및 상기 피 접합물의 상기 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면과 대향하여 배치되는 원형 고리 형상의 단부면을 구비하는 클램프 부재와, 상기 피 접합물을 상기 회전 공구 측과는 반대 측에 배치되어 상기 피 접합물을 지지하고, 상기 피 접합물의 뒷면과 대향하여 배치되는 대향면을 구비하는 받침측 가압 도구를 구비한다.

상기 구성에 따르면, 피 접합물 마찰 교반된 영역 및 피 접합물 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 마찰 교반 점 접합 장치의 클램프 부재와, 피 접합물의 회전 공구 측과는 반대 측에 설치된 받침측 가압 도구에 의해서, 회전 공구 측과 그 반대 측에서 가압할 수 있다. 또한, 이와 같은 피 접합물의 가압은, 피 접합물의 마찰 교반 점 접합에 이용하는 마찰 교반 점 접합 장치에 가압 도구 세트를 구비시켜 실시할 수 있기 때문에, 신속하게 실시할 수 있다.

상기 단부면에는, 상기 단부면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 제1 돌출부가 배치되고, 상기 대향면에는, 상기 대향면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물의 상기 뒷면을 가압 가능한 제2 돌출부가 배치되어도 좋다.

상기 구성에 따르면, 접합 측 가압 도구 또는 클램프 부재의 단부면에 배치된 제1 돌출부와, 받침측 가압 도구의 대향면에 배치된 제2 돌출부를 이용하여, 피 접합물의 표면 및 뒷면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있는 동시에, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물을 압축할 수 있다. 따라서, 피 접합물을 가압하기 위한 전용 장치를 별도로 준비하지 않아도 좋고, 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키기 위한 비용과 작업 부담을 줄일 수 있고, 커플링 부분의 피로 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 복동식 마찰 교반 점 접합 장치는, 상기 중 어느 하나의 가압 도구 세트를 구비한다. 이러한 구성에 따르면, 피 접합물을 마찰 교반 점 접합한 후, 피 접합물 표면을 상기 양측에서 가압할 수 있다. 따라서, 피 접합물을 압축하여 피 접합물의 커플링 부분에 양호하게 잔류 응력을 부여할 수 있다. 따라서, 피 접합물의 커플링 부분의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 각 측면에 따르면, 복동식 마찰 교반 점 접합에 의해 형성되는 피 접합물의 커플링 부분의 피로 강도 향상을 효율적으로 도모할 수 있다.

[도 1] 제1 실시예에 따른 복동식 마찰 교반 점 접합 장치의 요부 구성도이다.
[도 2] 제1 실시예에 따른 가압 도구 세트의 사시도이다.
[도 3] 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 도시하는 단계도이다.
[도 4] (a) ~ (f)는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
[도 5] 제1 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 형성된 피 접합물의 커플링 부분의 정면도이다.
[도 6] 제1 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 형성된 피 접합물의 커플링 부분에 피 접합물의 양단에서 인장 하중을 가했을 때의 모습을 도시하는 단면도이다.
[도 7] 제2 실시예에 따른 가압 도구 세트의 사시도이다.
[도 8] 제2 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 형성된 피 접합물의 커플링 부분에 피 접합물의 양단에서 인장 하중을 가했을 때의 모습을 도시하는 단면도이다.
[도 9] (a) ~ (f)는 제3 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
[도 10] (a) ~ (f)는 제4 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
[도 11] (a) ~ (f)는 제5 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
[도 12] 제6 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 각각의 실시예를 설명한다.

(제1 실시예)

도 1은 제1 실시예에 따른 복동식 마찰 교반 점 접합 장치(1)의 요부 구성도이다. 도 1에서는, 회전 공구(2)를 단면으로 도시하는 동시에, 회전 공구(2)와 공구 구동부(3)의 연결을 점선에 의해 모식적으로 도시하고 있다.

장치(1)는 피 접합물(W)(일례로서, 한 쌍의 피 접합재(제1 판재(W1) 및 제2 판재(W2)))을 마찰 교반 점 접합한다. 장치(1)는, 회전 공구(2), 공구 구동부(3), 제어부(4), 받침 부재(5) 및 클램프 부재(8)를 구비한다.

공구 구동부(3)는, 회전 공구(2)를 미리 정해진 복수의 위치로 이동시키는 동시에, 회전 공구(2)를 회전 구동시킨다. 제어부(4)는, 회전 공구(2)가 구비하는 각각의 부재(6 ~ 8)를 구동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 공구 구동부(3)의 구체적인 구조는 한정되지 않고, 예를 들어, 공지의 구조를 이용할 수 있다.

제어부(4)는, 일례로서, CPU, ROM 및 RAM 등을 구비한 컴퓨터이고, 공구 구동부(3)의 동작을 제어한다. ROM에는 소정의 제어 프로그램이 저장되고, RAM에는 운영자에 의해 입력된 설정 정보가 저장된다. 이러한 설정 정보에는, 예를 들어, 판재(W1, W2)의 각각의 두께 값의 정보와 각각의 접합 위치 정보가 포함된다. 받침 부재(5)는 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과 반대 측에 배치되어 피 접합물(W)을 지지한다. 받침 부재(5)의 일부는 피 접합물(W)을 통해 회전 공구(2)와 대향한다.

회전 공구(2)는, 피 접합물(W)을 부분적으로 교반한다. 본 실시예의 장치(1)는, 받침 부재(5)에 의해 지지된 피 접합물(W)을 피 접합물(W)이 지지된 측과 반대 측에서 회전 공구(2)에 의해 부분적으로 교반한다. 회전 공구(2)는 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 구비한다. 회전 공구(2)는 핀 부재(6)의 외측에 숄더 부재(7)가 배치되고, 숄더 부재(7)의 외측에 클램프 부재(8)가 배치되는 중첩 구조를 가진다.

핀 부재(6)는 미리 정해진 축선(P) 둘레를 회전하고 또한 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 설치되어 있다. 본 실시예의 핀 부재(6)는 축선(P) 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 핀 부재(6)의 축선(P) 방향 후단부(핀 부재(6)의 피 접합물(W)과는 반대측의 단부)는 공구 구동부(3)의 고정부(미도시)에 지지되어 있다.

숄더 부재(7)는 핀 부재(6)의 외주를 둘러싼 상태에서 축선(P) 둘레를 회전하고 또한 핀 부재(6)와는 독립적으로 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 설치되어 있다. 숄더 부재(7)는 중공부(7a)를 구비하고, 핀 부재(6)는 숄더 부재(7)의 중공부(7a)에 삽입되어 있다.

본 실시예의 회전 공구(2)에서는, 숄더 부재(7)의 중공부(7a)에 핀 부재(6)가 삽입된 상태에서, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 각각 독립적으로 축선(P) 둘레를 회전하고 또한 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 형성되어 있다. 또한, 숄더 부재(7)는 축선(P) 방향으로 연장되는 원통 형상으로 형성되어 있다.

클램프 부재(8)는 숄더 부재(7)의 외주를 둘러싸도록 형성되어 있다. 클램프 부재(8)는, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)와는 독립적으로 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 형성되어 있다.

클램프 부재(8)는 원통 형상의 부재이고, 단부면(8a)과 내주면(8b)을 구비한다. 내주면(8b)은, 숄더 부재(7)의 외주를 둘러싸도록 되어 숄더 부재(7)의 수용 공간(이하, 간단히 수용 공간이라고 칭한다)을 형성한다.

단부면(접촉면)(8a)은 원형 고리 형상이고, 피 접합물(W)의 표면(여기에서는, 제1 판재(W1)의 판면)과 대향하여 배치된다. 단부면(8a)은 피 접합물(W)의 표면과 면 접촉 가능하게 배치된다. 단부면(8a)은 축선(P) 방향에 대하여 수직인 면에 평행하게 연장된다.

피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합하지 않는 경우, 수용 공간에는 숄더 부재(7)의 외주를 둘러싸도록 숄더 부재(7)가 수용된다. 수용 공간을 형성하는 내주면(8b)은, 클램프 부재(8)의 내부에서 축선(P) 방향으로 연장되어 있다. 수용 공간에는 숄더 부재(7)와 독립적으로 핀 부재(6)도 수용된다. 수용 공간에 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 수용된 경우, 수용 공간의 개구는 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 막혀 있다. 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합할 때, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)는 수용 공간으로부터 피 접합물(W) 측으로 연장된다.

클램프 부재(8)의 축선(P) 방향 후단부에는 축선(P) 방향으로 피 접합물(W)을 향해 클램프 부재(8)에 부세력(付勢力)을 부여하기 위한 스프링(9)가 배치되어 있다. 클램프 부재(8)는 스프링(9)으로부터의 부세력에 의해서, 받침 부재(5)에 지지된 피 접합물(W)을 축선(P) 방향으로 가압한다. 클램프 부재(8)가 피 접합물(W)에서 후퇴시킬 때, 클램프 부재(8)는 공구 구동부(3)에 의해 끌어 올려지고, 피 접합물(W)로부터 후퇴하게 된다.

여기서, 장치(1)는, 예를 들어, C형 프레임 구조를 가지고 있어도 좋다. 이 경우, 회전 공구(2), 공구 구동부(3), 제어부(4) 및 클램프 부재(8)는 장치(1)의 상부에 배치되고, 받침 부재(5)는 장치(1)의 하부에 배치되어도 좋다. 또한, 장치(1)는, 예를 들어, 다관절 로봇에 설치되어 있어도 좋다. 또한, 장치(1)는, 회전 공구(2), 공구 구동부(3), 제어부(4) 및 클램프 부재(8)가 다관절 로봇에 설치되고, 받침 부재(5)가 상기 다관절 로봇과는 다른 구성(포지셔너 등)에 설치되어도 좋다.

도 2는 제1 실시예에 따른 가압 도구 세트(11)의 사시도이다. 가압 도구 세트(11)는 장치(1)에 구비되어, 마찰 교반 점 접합되는 피 접합물(W)을 장치(1)에 의해 가압하기 위해 사용된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가압 도구 세트(11)는 접합측 가압 도구(10)와 받침측 가압 도구(15)를 구비한다. 접합측 가압 도구(10)는 회전 공구(2)에 설치된다. 본 실시예의 접합측 가압 도구(10)는 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 선단을 덮도록 회전 공구(2)에 장착된다. 일례로서, 접합측 가압 도구(10)는, 핀 부재(6), 숄더 부재(7) 및 클램프 부재(8)의 각각의 선단과, 클램프 부재(8)의 외주를 덮도록 회전 공구(2)에 설치된다.

접합측 가압 도구(10)는 원기둥 형상이고, 단부면(10a)과 접합측 돌출부(10b)를 구비한다. 단부면(10a)은, 피 접합물(W)의 표면(여기에서는 제1 판재(W1)의 판면)과 대향하여 배치된다. 돌출부(10b)는 단부면(10a)으로부터 축선(P) 방향으로 돌출되어 축선(P) 둘레로 연장되고, 또한 피 접합물(W)의 표면을 가압 가능하게 배치된다. 접합측 가압 도구(10)가 회전 공구(2)에 설치된 상태에서는 돌출부(10b)는 단부면(10a)에서 축선(P) 방향으로 돌출한다. 돌출부(10b)는 마찰 교반 점 접합되는 피 접합물(W)을 가압하는 압자(壓子)이다. 돌출부(10b)는 마찰 교반 점 접합되는 피 접합물(W)을 축선(P) 방향으로 가압 가능하게 배치된다.

돌출부(10b)는 통상의 마찰 교반 점 접합 장치의 접합 단계에 필요한 하중 출력 범위 내에서, 피 접합물(W)의 하중 전달 부위인 접합 계면에 압축 소성 변형을 줄 수 있는 형상을 가진다. 이와 같이, 장치(1)는 피 접합물(W)에 대한 압축 가공 기구를 구비하고 있다.

구체적으로, 단부면(10a)의 돌출부(10b) 이외의 영역은 평탄하게 형성되어 있다. 돌출부(10b)는, 축선(P) 방향에서 볼 때, 단부면(10a)의 원주 방향으로 연장되는 원형 고리 형상으로 형성되어 있다. 예를 들어, 돌출부(10b)의 폭 치수 및 높이(축선(P) 방향) 치수는 일정하다. 또한, 돌출부(10b)의 길이 방향에 수직인 단면은 직사각형이다.

돌출부(10b)의 높이(축선(P) 방향) 치수는 적절하게 설정 가능하다. 피 접합물(W)이 한 쌍의 판재(W1, W2)인 경우, 돌출부(10b)의 높이 치수는, 예를 들어, 판재(W1)의 두께 치수보다 작은 값으로 설정할 수 있다.

돌출부(10b)의 폭 치수 및 높이 치수 중 적어도 하나는 돌출부(10b)의 복수 위치에서 차이가 있어도 좋다. 또한, 돌출부(10b)의 길이 방향에 수직인 단면은 직사각형에 한정되지 않고, 예를 들어, 피 접합물(W)를 향해 볼록이 되는 포물선이라도 좋다.

받침측 가압 도구(15)는 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과는 반대 측에 배치되어 피 접합물(W)을 지지한다. 받침측 가압 도구(15)는 대향면(15a)과, 받침측 돌출부(15b)를 구비한다. 대향면(15a)은 피 접합물(W)의 뒷면과 대행하여 배치된다. 대향면(15a)의 돌출부(15b) 이외의 영역은 평탄하게 형성되어 있다.

돌출부(15b)는 마찰 교반 점 접합되는 피 접합물(W)을 가압하는 압자이다. 받침측 가압 도구(15)가 장치(1)에 구비된 상태에서는, 돌출부(15b)는 대향면(15a)으로부터 축선(P) 방향으로 돌출되어 축선(P) 주위로 연장되고 또한 피 접합물(W)의 뒷면을 가압 가능하게 배치된다.

돌출부(15b)는 축선(P) 방향에서 볼 때 대향면(15a)의 둘레 방향으로 연장되는 원형 고리 형상으로 형성되어 있다. 예를 들어, 돌출부(15b)는 돌출부(10b)와 동일한 형상 및 사이즈로 형성되어 있다.

본 실시예의 가압 도구 세트(11)는, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해서 회전 공구(2) 측과, 그 반대 측(받침측 가압 도구(15) 측)에서, 돌출부(10b, 15b)가 겹치도록(여기에서는 완전히 겹치도록) 배치된다.

도 3은 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 도시하는 단계도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 방법에서는, 복수의 단계(S1 ~ S4)를 순서대로 포함하는 시퀀스를 실시한다. 구체적으로는, 소정의 접합 위치에서 마찰 교반 점 접합을 수행하기 위해서 피 접합물(W)에 대해 회전 공구(2)의 위치 조정을 수행하는 위치 조정 단계(S1)와, 위치 조정 단계(S1) 후, 피 접합물(W)이 지지되고 또한 클램프 부재(8)의 단부면(8a)에 의해 피 접합물(W)이 가압된 상태에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계(S2)를 수행한다.

또한, 접합 단계(S2) 후, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 피 접합물(W)로부터 후퇴시키고, 또한, 장치 (1)에 가압 도구 세트(11)를 설치하는 설치 단계(S3)와, 설치 단계(S3) 후, 장치(1)에 의해 피 접합물(W)을 가압하는 가압 단계(S4)를 수행한다. 이러한 가압 단계(S4)에 의해 피 접합물(W)에 잔류 응력을 부여하여 피 접합물(W)의 피로 강도를 향상시킨다.

도 4의 (a) ~ (f)는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 최초 운영자는 설정 정보를 장치(1)에 입력하고, 판재(W1, W2)를 겹친 상태에서 받침 부재(5)에 지지시킨다. 제어부(4)는, 회전 공구(2)가 미리 정해진 접합 위치까지 이동되도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 4(a)). 이에 따라서, 위치 조정 단계(S1)가 수행되고, 회전 공구(2)가 피 접합물(W)에 대해 위치 조정된다.

다음으로, 제어부(4)는, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 회전 구동되도록 공구 구동부(3)를 제어하는 동시에, 숄더 부재(7)와 클램프 부재(8)를 피 접합물(W)의 표면에 접촉시키도록, 공구 구동부(3)를 제어한다. 그 후, 제어부(4)는 숄더 부재(7)를 피 접합물(W)에 가압하도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 이에 따라서, 단부면(8a)이 피 접합물(W)의 표면에 면 접촉함과 동시에, 숄더 부재(7)가 피 접합물(W)의 내부에 삽입되고 피 접합물(W)이 마찰 교반된다(도 4(b)).

이 때, 제어부(4)는 핀 부재(6)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면을, 숄더 부재(7)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면 보다 압입하는 방향과는 반대 측으로 이동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 이에 따라서, 숄더 부재(7)의 마찰 교반에 의해 발생한 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)가 숄더 부재(7)의 중공부(7a)로 밀어 넣어진다(도 4(b)).

다음으로, 제어부(4)는 클램프 부재(8)의 단부면(8a)을 피 접합물(W)의 표면에 면 접촉시킨 상태에서, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면을 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 피 접합물(W)의 표면에 접촉하기 전의 피 접합물(W)의 표면 위치를 향해 이동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

이에 따라서, 숄더 부재(7)에 의한 마찰 교반에 의해 숄더 부재(7)의 내부로 밀려든 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)가 핀 부재(6)에 의해 되메워지면서, 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합한다(도 4(c)).

이상에 의해 접합 단계(S2)가 수행되고, 피 접합물(W)이 마찰 교반 점 접합되어서, 피 접합물(W)에 축선(P) 방향에서 볼 때(정면에서 볼 때), 원형의 마찰 교반된 영역(J)이 형성된다(도 5 참조).

다음으로, 제어부(4)는, 핀 부재(6), 숄더 부재(7) 및 클램프 부재(8)를 피 접합물(W)로부터 이격(후퇴)시키도록, 공구 구동부(3)를 제어한다(도 4(d)). 그 후, 운영자는 회전 공구(2)에 접합측 가압 도구(10)를 설치하는 동시에 받침측 가압 도구(15)을 배치한다. 여기에서는, 받침측 가압 도구(15)를 받침 부재(5)와 교환하지만, 받침 부재(5)에 받침측 가압 도구(15)를 올려 놓아도 좋다. 받침 부재(5)를 사용하지 않는 경우, 피 접합물(W)은 도시하지 않은 지지 부재에 의해 지지되어도 좋다.

이 때, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해서, 돌출부(10b, 15b)가 겹쳐지도록(여기에서는, 완전히 겹쳐지도록), 접합측 가압 도구(10)와 받침측 가압 도구(15)를 정렬한다. 이에 따라서, 가압 도구 세트(11)의 설치 단계(S3)가 수행된다.

다음으로, 접합 단계(S2) 후(여기에서는, 설치 단계(S3) 후), 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 클램프 부재(8)의 수용 공간에 수용된 상태에서, 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J), 및 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 장치(1)에 의해 회전 공구(2) 측과, 그 반대 측(받침측 가압 도구(15) 측)에서 가압한다.

본 실시예에서는 설치 단계(S3) 후, 제어부(4)는 핀 부재(6)의 피 접합물(W)에 대한 축선(P) 위치를 접합 단계(S2)의 축선(P) 위치로 유지한 상태에서, 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접한 영역의 경계에서 표면 및 뒷면을 돌출부(10b, 15b)에 의해 가압하도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 4(f)).

이상에 의해 가압 단계(S4)가 수행되고, 피 접합물(W)의 돌출부(10b)에 의해 가압된 부분에 오목부(L)가 형성되고, 피 접합물(W)의 돌출부(15b)에 의해 가압된 부분에 오목부(M)가 형성된다. 이에 따라서, 피 접합물(W)의 오목부(L, M) 사이를 포함하는 영역에 압축부(압축 소성 변형부)(K)가 형성되어 피 접합물(W)에 잔류 응력이 부여된다. 본 실시예에 따르면, 축선(P) 방향에서 볼 때, 원형 고리 형상의 돌출부(10b, 15b)를 이용하여 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접한 영역의 경계에서 표면 및 뒷면의 전체 둘레가 한 번에 가압되는 동시에, 이러한 경계에서 표면 및 뒷면의 전체 둘레에 한번에 압축부(K)가 형성된다.

마찰 교반된 영역(J)의 온도가 마찰 교반 온도보다 저하된 상태에서 가압 단계(S4)를 수행함으로써 피 접합물(W)은 냉간 압축된다. 그 후, 제어부(4)는 클램프 부재(8)에 의한 압축을 해제하도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

도 5는 제1 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 형성된 피 접합물(W)의 커플링 부분의 정면도이다. 도 6은 제1 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 형성된 피 접합물(W)의 커플링 부분에 피 접합물(W)의 양단에서 인장 하중을 가했을 때의 모습을 도시하는 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 마찰 교반 점 접합 후의 피 접합물(W)에는, 정면에서 볼 때 원형의 마찰 교반된 영역(J)이 형성되어 있다. 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접한 영역의 경계에서 표면 및 뒷면에는 마찰 교반된 영역(J)의 전체 둘레에 걸쳐 원형 고리 형상의 오목부(L, M)가 형성되어 있다. 오목부(L, M)는, 일례로서, 정면에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해 완전히 겹쳐지도록 형성되어 있다. 정면에서 볼 때, 피 접합물(W)의 오목부(L, M)와 대응하는 영역에는 원형 고리 형상의 압축 부(K)가 형성되어 있다.

피 접합물(W)은, 압축부(K)가 형성되는 것으로 잔류 응력(압축 잔류 응력)이 부여되어 피로 강도가 향상되어 있다. 본 실시예의 피 접합물(W)은 마찰 교반된 영역(J)의 전체 둘레에 걸쳐서 피로 강도가 향상되어 있다.

따라서, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 피 접합물(W)의 제1 판재(W1)와 제2 판재(W2)에, 각각의 판재(W1, W2)가 연장되는 방향으로 인장력(D1)을 반복적으로 부여하는 피로 하중이 미쳐서, 마찰 교반된 영역(J)의 경계(접합 경계) 등이 피로 파괴의 기점 및 발전 경로가 되는 경우, 피 접합물(W)은 압축부(K)에 잔류 응력이 부여되는 것에 의해서 피로 수명이 연장된다.

여기서, 본원 발명자의 검토에 의해서, 실시예로서, 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접한 영역의 접합 계면보다 마찰 교반된 영역(J)의 내측에 위치하는 피 접합물(W)의 영역에 압축부(K)를 형성하였는데, 커플링 부분의 피로 수명이 10배 정도 향상되는 것이 확인되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 제1 실시예에 따르면, 접합 단계(S2) 후(여기에서는 설치 단계(S3) 후)에 가압 단계(S4)를 수행함으로써, 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합한 후, 피 접합물(W)의 표면 및 뒷면을 회전 공구(2) 측과 그 반대 측에서 가압할 수 있다. 따라서, 피 접합물(W)을 압축하여, 피 접합물(W)의 커플링 부분에 양호하게 잔류 응력을 부여할 수 있다. 따라서, 피 접합물(W)의 커플링 부분의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 이러한 피 접합물(W)의 가압은 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합에 이용하는 장치(1)를 유용하여 실시할 수 있는 동시에, 복수의 마찰 교반 점 접합을 일련의 접합 동작에 의해 수행할 경우에는, 이러한 접합 동작에 부수하여 실시할 수 있다. 따라서, 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합 및 가압을 일련의 동작으로 효율적으로 수행할 수 있고, 가압 단계(S4)를 설정하는 것에 의한 접합체의 생산성 저하를 억제할 수 있다.

또한, 가압 단계(S4)에서는, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 선단을 덮도록 회전 공구(2)에 설치된 접합측 가압 도구(10)의 돌출부(10b)에 의해서, 피 접합물(W)의 표면을 가압하기 때문에 피 접합물(W)의 표면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있다. 또한, 돌출부(10b)에 의해 피 접합물(W)을 가압함으로써, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물(W)을 압축할 수 있다. 따라서, 피 접합물(W)을 가압하기 위한 전용 장치를 별도로 준비하지 않아도 좋다. 따라서, 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키기 위한 비용과 작업 부담을 줄일 수 있고, 커플링 부분의 피로 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 가압 단계(S4)에서는, 받침측 가압 도구(15)을 사용하고, 받침측 가압 도구(15)의 돌출부(15b)에 의해서, 피 접합물(W)의 뒷면을 가압하기 때문에, 피 접합물(W)의 받침측 가압 도구(15) 측으로부터 피 접합물(W)의 뒷면에 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있는 동시에, 돌출부(15b)에 의해 피 접합물(W)을 가압함으로써, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물(W)를 압축할 수 있다.

또한, 가압 단계(S4)에서는, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해서, 회전 공구(2) 측과 그 반대 측에서 피 접합물(W)의 가압 위치가 겹쳐지도록 피 접합물(W)을 가압하기 때문에, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)이 겹쳐진 영역을 피 접합물(W)의 축선(P) 방향 양측에서 가압할 수 있어, 상기 영역의 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 가압 도구 세트(11)는 접합측 가압 도구(10)와 받침측 가압 도구(15)를 구비하기 때문에, 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J) 및 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 인접한 인접 영역의 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 장치(1)의 회전 공구(2)에 설치된 접합측 가압 도구(10)와, 받침측 가압 도구(15)에 의해서, 회전 공구(2) 측과 받침측 가압 도구(15) 측에서 가압할 수 있다. 이러한 피 접합물(W)의 가압은 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합에 이용한 장치(1)에 가압 도구 세트(11)을 구비하게 함으로써, 효율적으로 실시할 수 있다.

또한, 접합측 가압 도구(10)의 단부면(10a)에는 접합측 돌출부(제1 돌출부)(10b)가 배치되고, 받침측 가압 도구(15)의 대향면(15a)에는 받침측 돌출부(제2 돌출부)(15b)가 배치되어 있기 때문에, 각각의 돌출부(10b, 15b)를 이용하여, 피 접합물(W)의 표면 및 뒷면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있는 동시에, 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물을 압축할 수 있다. 다음으로, 다른 실시예에 관해서, 선행하는 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.

(제2 실시예)

도 7은 제2 실시예에 따른 가압 도구 세트(21)의 사시도이다. 도 8은 제2 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 형성된 피 접합물(W)의 커플링 부분에 피 접합물(W)의 양단에서 인장 하중을 가했을 때의 모습을 도시하는 단면도이다.

접합측 가압 도구(20)의 접합측 돌출부(20b)는, 단부면(20a)의 정면에서 볼 때(축선(P) 방향에서 볼 때), 일정한 곡률로 만곡되면서 원호 형상으로 형성되어 있다. 돌출부(20b)의 길이는 적절하게 설정 가능하다.

받침측 가압 도구(25)의 받침측 돌출부(25b)는 단부면(25a)의 정면에서 볼 때(축선(P) 방향에서 볼 때), 일정한 곡률로 원호 형상으로 형성되어 있다. 돌출부(25b)의 길이는 적절하게 설정 가능하다. 본 실시예의 돌출부(20b, 25b)는 동일 형상 및 동일한 사이즈로 형성되어 있다.

단부면(20a)에 평행한 면에서 돌출부(20b)의 원호를 원주의 일부로 하는 원의 중심 위치(O1)와 단부면(25a)에 평행한 면에서 돌출부(25b)의 원호를 원주의 일부로 하는 원의 중심 위치(O2)가 축선(P) 상에 위치하도록 가압 도구 세트(21)가 장치(1)에 구비된 상태에서, 돌출부(20b, 25b)는 축선(P) 방향에서 볼 때 축선(P)에 대해 점대칭이 되는 위치에 배치된다.

또한, 단부면(10a)에 평행한 면 내에서 돌출부(20b)의 길이 방향 양단과 중심 위치(O1)를 통과하는 2개의 선 사이의 각도는 적절하게 설정 가능하다 일예로서, 수 ° 이상 수십 ° 이하의 범위 값(여기에서는, 30°)로 설정할 수 있다.

또한, 대향면(15a)에 평행한 면 내에서 돌출부(25b)의 길이 방향 양단과 중심 위치(O2)를 통과하는 2개의 선 사이의 각도는 적절하게 설정 가능하다 일예로서, 수 ° 이상 수십 ° 이하의 범위 값(여기에서는, 30°)로 설정할 수 있다.

제2 실시예의 설치 단계(S3)에서는 피 접합물(W)인 한 쌍의 피 접합재(여기에서는, 판재(W1, W2))의 각각에서 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접 영역 중 각각의 접합재의 인장력(D1)이 미치는 측면에 미리 돌출부(20b, 25b)가 배치되도록 가압 도구 세트(21)가 장치(1)에 설치된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 이에 따라서 가압 단계(S4)에서는 한 쌍의 피 접합재(여기에서는, 판재(W1, W2))의 각각에서 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접 영역 중 인장력(D1)이 미치는 측의 부분(피 접합물(W)의 총 2개소)에 오목부(L, M)가 형성되는 동시에 압축부(K)가 형성된다.

제2 실시예에 따르면, 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)의 전체 둘레 중 일부 영역과 그 인접 영역에 부분적으로 압축부(K)가 형성되면서, 인장력(D1)에 대해 필요한 피로 강도를 피 접합물(W)에 부여할 수 있다.

여기서, 가압 도구 세트(21)가 상기와 같이 장치(1)에 구비된 상태에서 돌출부(20b, 25b)는 축선(P) 방향에서 볼 때, 축선(P)에 대해 점대칭이 되지 않도록 배치되어도 좋다.

또한, 돌출부(20b, 25b)는 서로 다른 형상이라도 좋다. 예를 들어, 돌출부(20b, 25b) 중 하나가 다른 하나에 비해 길어도 좋고, 서로의 높이 치수가 차이가 있어도 좋다.

또한, 피 접합물(W)의 복수의 위치에 압축부(K)(오목부(L, M))를 형성하도록, 장치(1)에 대한 가압 도구 세트(21)의 위치를 변화시키면서 복수 회의 가압 단계(S4)를 수행하여도 좋다.

또한, 이와 같이 복수 회의 가압 단계(S4)를 실시하는 것으로, 제1 실시예(도 5 참조)와 같이, 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 그 인접 영역과의 경계에서 표면 및 뒷면의 전체 둘레에 연속적인 압축부(K)를 형성하여도 좋다.

(제3 실시예)

도 9 (a) ~ (f)는 제3 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 제3 실시예의 장치(1)는 가압 도구 세트로서 클램프 부재(18) 및 받침측 가압 도구(25)를 포함한다.

클램프 부재(18)는 클램프측 돌출부(18c)를 구비한다. 이러한 돌출부(18c)는 단부면(18a)으로부터 축선(P) 방향으로 돌출되어 있다. 돌출부(18c)는 마찰 교반 점 접합되는 피 접합물(W)을 가압하는 압자이다. 돌출부(18c)는 마찰 교반 점 접합되는 피 접합물(W)을 축선(P) 방향으로 가압 가능하게 배치되어 있다. 돌출부(18c)는 일반적으로 마찰 교반 점 접합 장치의 접합 단계에 필요한 하중 출력 범위 내에서 피 접합물(W)의 하중 전달 부위인 접합 계면에 압축 소성 변형을 줄 수 있는 형상을 가진다.

구체적으로, 클램프 부재(18)의 단부면(18a)의 돌출부(18c) 이외의 영역은 평탄하게 형성되어 있다. 단부면(18a)은 축선(P) 방향에서 볼 때 원형 고리 형상으로 형성되어 있다. 돌출부(18c)는 축선(P) 방향에서 볼 때 축선(P)의 둘레 방향으로 연장되는 원호 형상으로 형성되어 있다. 즉, 돌출부(18c)는 축선(P) 방향으로 볼 때 일정한 곡률로 완만하게 연장되어 있다. 예를 들어, 돌출부(18c)의 폭 치수 및 높이(축선(P) 방향) 치수는 일정하다. 또한, 돌출부(18c)의 길이 방향에 수직인 단면은 직사각형이다.

본 실시예의 돌출부(18c)는 클램프 부재(18)의 내주면(18b)의 둘레를 따라 원호 형상으로 형성되어 있다. 돌출부(18c)는 단부면(18a)의 외측 가장자리보다 축선(P) 측에 배치되어 있다. 예를 들어, 돌출부(18c)는 내주면(18b)과 연결되는 위치에 배치되어 있다. 돌출부(18c)의 축선(P) 측 측면은, 내주면(18b)과 매끄럽게 연속하고 있다.

예를 들어, 돌출부(18c)의 길이 치수는, 축선(P) 방향에서 볼 때, 내주면(18b)에서 둘레의 전체 둘레 길이의 1/2(반바퀴 길이)의 값으로 설정되어 있다. 돌출부(18c)의 길이 치수는 이에 한정되지 않고, 제2 실시예의 돌출부(20b)와 동일하여도 좋고, 내주면(18b)의 전체 둘레 값으로 설정되어 있어도 좋다. 즉, 돌출부(18c)는, 축선(P) 방향에서 볼 때, 원형 고리 형상이라도 좋다.

돌출부(18c)의 높이(축선(P) 방향) 치수는 적절하게 설정 가능하다. 피 접합물(W)이 한 쌍의 판재(W1, W2)인 경우, 돌출부(18c)의 높이 치수는, 예를 들어, 판재(W1)의 두께 치수보다 작은 값으로 설정할 수 있다.

돌출부(18c)의 폭 치수 및 높이 치수 중 적어도 하나는 돌출부(18c)의 복수 위치에서 차이가 있어도 좋다. 또한, 돌출부(18c)의 길이 방향에 수직한 단면은 직사각형에 한정되지 않고, 예를 들어, 피 접합물(W)를 향해 볼록이 되는 포물선이라도 좋다. 또한, 돌출부(18c)는 내주면(18b)과는 비연속적인 위치에 배치되어 있어도 좋다. 즉, 돌출부(18c)의 축선(P) 측 측면과 내주면(18b) 사이에는 단차가 설치되어 있어도 좋다.

받침측 가압 도구(25)는 제2 실시예의 것과 동일하다. 받침측 가압 도구(25)는 가압 도구 세트가 장치(1)에 구비된 상태에서, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해 돌출부(18c, 25b)의 적어도 일부 이상이 겹치는 구성인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예의 돌출부(18c, 25b)는, 동일한 형상을 가지고 있다. 또한, 가압 도구 세트가 장치(1)에 구비된 상태에서 돌출부(18c, 25b)는, 예를 들어, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해 완전히 겹쳐지도록 배치된다.

제3 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 따르면, 접합 단계(S2) 후, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 피 접합물(W)에서 후퇴시키고, 또한, 소정 위치에서 피 접합물(W)을 가압하기 위해 피 접합물(W)에 대해서 클램프 부재(18)의 위치 조정을 수행하는 제2 위치 조정 단계(S5)와, 제2 위치 조정 단계(S5) 후, 상기 소정 위치에서 클램프 부재(18)에 의해 피 접합물(W)을 가압하는 가압 단계(S4)를 수행한다. 이러한 가압 단계(S4)에 의해서, 피 접합물(W)에 잔류 응력을 부여하여 피 접합물(W)의 피로 강도를 향상시킨다.

구체적으로는, 제1 실시예와 마찬가지로 정렬 단계(S1)(제1 정렬 단계(S1))가 수행된다(도 9(a)). 다음으로, 제어부(4)는 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 회전 구동되도록 공구 구동부(3)를 제어함과 동시에, 숄더 부재(7)와 클램프 부재(18)가 제2 판재(W2)를 향해 소정 위치까지 이동되도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

이에 따라서, 단부면(18a)이 피 접합물(W)의 표면에 면 접촉하는 동시에, 클램프 부재(18)의 돌출부(18c)가 피 접합물(W)의 표면을 가압한다. 그 결과, 돌출부(18c)가 가압하는 피 접합물(W)의 부분에 홈 형상의 오목부(N)가 형성된다. 또한, 숄더 부재(7)가 피 접합물(W)의 내부에 삽입되고 피 접합물(W)이 마찰 교반된다(도 9(b)).

또한, 제어부(4)는 제1 실시예와 마찬가지로 숄더 부재(7)에 의한 마찰 교반에 의해 숄더 부재(7)의 내부로 밀려든 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)를 핀 부재(6)에 의해 되메우면서, 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합하도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 9(c)).

이상에 의해 접합 단계(S2)가 이루어지고, 피 접합물(W)이 마찰 교반 점 접합되어, 피 접합물(W)에, 축선(P) 방향에서 볼 때(정면에서 볼 때), 원형의 마찰 교반된 영역(J)이 형성된다. 본 실시예의 접합 단계(S2)에서는, 가압 단계(S4)에서 돌출부(18c)에 의해 피 접합물(W)의 표면을 가압하는 가압 위치와는 다른 후퇴 위치에 돌출부(18c)를 위치시킨 상태에서 마찰 교반 점 접합이 수행된다.

다음으로, 제어부(4)는 핀 부재(6), 숄더 부재(7) 및 클램프 부재(18)를 피 접합물(W)로부터 이격(후퇴)시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 9(d)). 그 후, 운영자는 받침 부재(5)를 받침측 가압 도구(15)와 교환한다. 또한, 제어부(4)는 핀 부재(6)의 피 접합물(W)에 대한 축선(P) 위치를 피 접합물(W)의 표면을 따라서, 마찰 교반 점 접합 시의 위치(X1)에서 소정 거리 어긋난 위치(X2)로 이동시켜 회전 공구(2)를 위치 조정하도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 위치(X2)는, 본 실시예에서는 마찰 교반된 영역(J)과 겹치는 위치에 설정된다.

또한, 제어부(4)는 돌출부(18c)의 축선(P) 둘레의 위치를, 위치(X2)에서, 돌출부(18c)의 길이 방향 중앙이 오목부(N)에 인접하는 마찰 교반된 영역(J)의 둘레에 위치하고, 또한, 돌출부(18c)가 마찰 교반된 영역(J)의 둘레 방향으로 연장되도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 또한, 운영자는 받침측 가압 도구(15)를, 축선(P) 방향에서 볼 때 돌출부(18c, 25b)가 겹쳐지는(예를 들어, 완전히 겹치는) 위치로 위치 조정한다(도 9(e)). 이상에 의해 제2 위치 조정 단계(S5)가 수행된다.

제2 위치 조정 단계(S5)에서는, 클램프 부재(18)는, 가압 단계(S4)에서, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측의 마찰 교반된 영역(J)의 둘레에 오목부(Q)를 형성하기 위해 돌출부(18c)의 적어도 일부 이상이 오목부(N)와 겹치지 않는 영역에서 피 접합물(W)의 표면을 가압 가능하도록 위치 조정된다.

다음으로, 접합 단계(S2) 후, 피 접합물(W)로부터 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 이격시킨 상태에서 피 접합물(W)의 접합 단계(S2)에 의해 형성된 마찰 교반된 영역(J) 또는 마찰 교반된 영역(J)과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 돌출부(18c, 25b)에 의해 가압한다.

본 실시예에 따르면, 제2 위치 조정 단계(S5) 후, 제어부(4)는, 핀 부재(6)의 피 접합물(W)에 대한 축선(P) 위치를 위치(X2)에 맞춘 상태에서 피 접합물(W)에서 회전 공구(2) 측의 마찰 교반된 영역(J)의 표면을 돌출부(18c)에 의해 가압하도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 9(f)). 이에 따라서, 후퇴 위치에서 가압 위치로 돌출부(18c)를 이동시킨 상태에서 돌출부(18c, 25b)에 의해 피 접합물(W)의 표면과 뒷면이 가압된다.

이상에 의해서, 가압 단계(S4)가 수행되고, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측에 오목부(Q)가 형성되는 동시에, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과는 반대 측에 오목부(R)가 형성된다. 이에 따라서, 피 접합물(W)은, 압축부(K)가 형성되어 잔류 응력이 부여된다.

마찰 교반된 영역(J)의 온도가 마찰 교반 온도보다 저하된 상태에서 가압 단계(S4)를 수행함으로써 피 접합물(W)은 냉간 압축된다. 그 후, 제어부(4)는 돌출부(18c, 25b)에 의한 압축을 해제하도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

제3 실시예에 따르면, 돌출부(18c)를 이용하여, 피 접합물(W)의 표면의 원하는 영역을 효율적으로 가압할 수 있다. 또한, 돌출부(18c)에 의해 피 접합물(W)을 가압하여 가압 면적을 작게 할 수 있는 만큼, 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물(W)을 압축할 수 있다. 따라서, 피 접합물(W)을 가압하기 위한 전용 장치를 별도로 준비하지 않아도 좋다.

따라서, 커플링 부분의 피로 강도를 향상시키기 위한 비용과 작업 부담을 줄일 수 있고, 커플링 부분의 피로 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 피 접합물(W)의 가압은 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합에 이용하는 장치(1)에 가압 도구 세트를 구비시키는 것으로 실시할 수 있기 때문에 신속하게 수행할 수 있다.

(제4 실시예)

도 10(a) ~ (f)는 제4 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 제4 실시예의 장치(1)는 가압 도구 세트로서 클램프 부재(28) 및 받침측 가압 도구(35)를 포함한다.

클램프 부재(28)는 원통형 부재로서 내주면(28b)과, 단부면(28a)과, 챔버부(28d)를 구비한다(도 10(a) 참조). 내주면(28b)은 숄더 부재(7)의 둘레를 둘러싸도록 하여 숄더 부재(7)의 수용 공간을 형성한다. 단부면(접촉면)(28a)은, 축선(P) 방향에서 볼 때, 원형 고리 형상이고, 피 접합물(W)의 표면(여기에서는, 제1 판재(W1)의 판면)과 면 접촉하며, 상기 표면을 가압한다. 클램프 부재(28)가 장치(1)에 구비된 상태에서는 단부면(28a)은 축선(P) 방향에 수직인 면에 평행하게 연장되어 있다.

챔버부(28d)는 내주면(28b)과 단부면(28a) 사이에 개재하고, 내주면(28b) 보다 확경 방향으로 우묵한 동시에, 피 접합물(W)로 개구하고 있다. 챔버부(28d)는 클램프 부재(28)의 피 접합물(W)의 단부(축선(P) 방향 선단부)에 설치되고, 피 접합물(W)로 개구하고 있다. 즉, 챔버부(28d)는 클램프 부재(28)의 축선(P) 방향 선단 측에서 개구되는 동시에, 클램프 부재(28)의 축선(P) 방향 내측으로 우묵하게 되어 있다. 챔버부(28d)는 피 접합물(W)에 돋음부(W4)(도 10(d) 참조)를 형성하기 위해 사용된다.

본 실시예의 챔버부(28d)의 내표면은 단부면(28a)의 반경 방향 내측의 가장자리에서 클램프 부재(28)의 축선(P) 방향 내측을 향해 클램프 부재(28)의 내경이 점차 감소하도록 경사진 경사면으로 형성되어 있다. 이러한 내표면의 단부면(28a)의 반경 방향 중앙에는 수용 공간의 개구가 형성되어 있다.

본 실시예의 챔버부(28d)의 경사면(내표면)은, 클램프 부재(28)의 축선(P) 방향에 수직인 방향에서 볼 때 곡선 형상으로 연장되어 있다. 일예로서 경사면은 축선(P) 방향에 수직인 방향에서 볼 때 단부면(28a)의 반경 방향 내측의 가장자리에서 원호 형상으로 연장된 후, 축선(P)를 향해서, 축선(P) 방향에 수직으로 연장되어 있다. 또한, 경사면은 축선(P) 방향에 수직인 방향에서 볼 때, 단부면(28a)의 반경 방향 내측의 가장자리에서 축선(P) 방향으로 직선으로 연장하고 있다.

또한, 축선(P) 방향에 수직인 방향에서 볼 때, 축선(P)의 양측에 위치하는 한 쌍의 경사면의 형상은, 본 실시예에서는 클램프 부재(28)의 축선(P) 둘레의 전체 둘레에서 대칭 형상이지만, 이에 한정되지 않는다.

상기 한 쌍의 경사면의 형상은 축선(P) 방향에 수직인 방향에서 볼 때, 비대칭 형상이라도 좋다. 이 경우, 예를 들어, 상기 한 쌍의 경사면 중 한 쪽의 경사면의 형상이 다른 쪽의 경사면에 비해 축선(P)에 수직인 방향으로 길게 연장된 형상이라도 좋다.

또한, 이 경우, 상기 한 쌍의 경사면 중, 후술하는 압축부(K)(도 10(f) 참조)의 형성 예정 측의 경사면의 형상은 다른 쪽의 경사면에 비해 축선(P)에 수직인 방향으로 길게 연장된 형상이라도 좋다. 이에 따라서, 압축부(K)를 돋음부(W4)의 비교적 넓은 영역에 형성할 수 있다.

수용 공간은 클램프 부재(28)의 챔버부(28d) 보다 축선(P) 방향 내측에 설치되어 있다. 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합하지 않는 경우, 수용 공간에는 숄더 부재(7)의 둘레를 둘러싸도록 숄더 부재(7)가 수용된다. 수용 공간을 형성하는 내주면(28b)은 클램프 부재(28)의 내부에 축선(P) 방향으로 연장되어 있다. 수용 공간에는 숄더 부재(7)와 독립적으로 핀 부재(6)도 수용된다. 수용 공간에 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 수용된 경우, 수용 공간의 개구는 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 막혀 있다. 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합할 때, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)는 수용 공간에서 챔버부(28d)를 통해 피 접합물(W)로 연장된다.

받침측 가압 도구(35)는 단부면(35b)과, 단부면(35b)에 둘러싸여 축선(P) 방향으로 우묵한 오목부(35a)를 구비한다(도 10(e) 참조). 단부면(35b)과 오목부(35a)의 저면은 피 접합물(W)과 대향하는 대향면이다.

단부면(35b)은, 축선(P) 방향에서 볼 때 원형 고리 형상이고, 피 접합물(W)의 뒷면(여기에서는, 제1 판재(W1)의 판면)과 면 접촉하고, 상기 뒷면을 가압한다. 또한, 단부면(35b)은 받침측 가압 도구(35)의 피 접합물(W)을 지지하는 지지면이다. 받침측 가압 도구(35)가 장치(1)에 구비된 상태에서는 단부면(35b)은 축선(P) 방향에 수직인 면에 평행하게 연장되어 있다.

오목부(35a)는 피 접합물(W)을 통해 챔버부(28d)와 대향하는 위치에 배치되어 피 접합물(W)의 뒷면을 따라 연장되어 있다. 일례로서 오목부(35a(는 축선(P) 방향에서 볼 때 원형이다. 오목부(35a)는 그 가장자리로부터 받침측 가압 도구(35)의 축선(P) 방향 내부를 향해 내경이 점차 감소하는 경사면과, 경사면에 둘러싸인 저면을 구비한다. 오목부(35a)의 가장자리의 내경은 적절히 설정 가능하고, 여기에서는 숄더 부재(7)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 예를 들어, 축선(P)에 수직인 방향에서 볼 때, 챔버부(28d)와 오목부(35a)는 동일한 형상 및 사이즈로 형성되어 있다.

여기에서, 챔버부(28d)와 오목부(35a)의 각각의 개구의 내경은 수용 공간의 개구의 내경(숄더 부재(7)의 외경)보다 크다. 따라서, 제4 실시예에서 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합한 경우, 챔버부(28d)에 의해 형성되는 돋음부(W4)에 대해서, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의한 마찰 교반에 의해 발생하는 마찰 교반된 영역(J)과 그에 인접하는 인접 영역의 접합 계면이 형성된다.

제4 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에서는, 소정의 접합 위치에서 마찰 교반 점 접합을 수행하기 위해 피 접합물(W)에 대해 회전 공구(2)를 위치 조정하는 위치 조정 단계(S1)(이하, 제1 위치 조정 단계(S1)라고 칭한다)와, 제1 위치 조정 단계(S1) 후, 접합 위치에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 회전시키면서 피 접합물(W)에 압입하여 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합함과 동시에, 챔버부(28d) 내에 피 접합물(W)의 일부를 충진하여 피 접합물(W)에 돋음부(W4)를 형성하는 접합 단계(S2)를 수행한다.

또한, 접합 단계(S2) 후, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 피 접합물(W)에서 후퇴시키고, 또한, 돋음부(W4)의 표면의 소정의 가압 위치에서 피 접합물(W)을 가압하기 위해 피 접합물(W)에 대해 클램프 부재(28)의 위치 조정을 수행하는 제2 위치 조정 단계(S5)와, 제2 위치 조정 단게(S5) 후, 가압 위치에서 클램프 부재(28)의 단부면(28a)에 의해 돋음부(W4)를 가압하는 동시에, 받침측 가압 도구(35)의 단부면(35b)에 의해 피 접합물(W)의 돋음부(W4) 측과는 반대 측의 부분을 가압하는 가압 단계(S4)를 수행한다.

이러한 가압 단계(S4)에 의해서, 피 접합물(W)의 돋음부(W4)와 피 접합물(W)의 돋음부(W4)와는 반대 측의 부분을 압축하여, 그들에 잔류 응력을 부여하여 피 접합물(W)의 피로 강도를 향상시킨다.

구체적으로 운영자는 설정 정보를 장치(1)에 입력하고, 판재(W1, W2)를 겹친 상태에서 받침 부재(5)에 지지시킨다. 제어부(4)는 챔버부(28d)의 경사면의 내측 가장자리에 숄더 부재(7)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면의 외측 가장자리를 일치시키는 동시에, 숄더 부재(7)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면의 내측 가장자리에 핀 부재(6)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면의 외측 가장자리가 일치하도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

또한, 제어부(4)는, 회전 공구(2)가 미리 정해진 접합 위치까지 이동하도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 10(a)). 이에 따라서, 제1 위치 조정 단계(S1)가 수행되고, 회전 공구(2)가 피 접합물(W)에 대해 위치 조정된다.

다음으로, 제어부(4) 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 회전 구동되도록 공구 구동부(3)를 제어함과 동시에, 숄더 부재(7)와 클램프 부재(28)를 제2 판재(W2)를 향해 소정 위치까지 이동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

이에 따라서, 단부면(28a)에 의해 피 접합물(W)의 표면이 가압된 상태에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 피 접합물(W)이 마찰 교반되고, 핀 부재(6) 또는 숄더 부재(7) 중 적어도 하나(여기에서는, 도 10(c)의 상태를 포함하여 양 쪽 모두)가 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)에 밀어 넣어지므로써(압입되므로써), 챔버부(28d)에 연화된 피 접합물(W)의 일부가 충전되어 피 접합물(W)에 돋음부(W4)가 형성된다(도 10(b), (c)).

돋음부(W4)는 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의한 마찰 교반에 의해 생긴 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3) 및 소성 유동부(W3)의 생성에 따라 연화된 피 접합물(W)의 연화부를 포함한다.

이 때, 제어부(4)는, 핀 부재(6)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면을, 숄더 부재(7)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면 보다 압입하는 방향과는 반대 측으로 이동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 이에 따라서, 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)가 숄더 부재(7)의 중공부(7a)에 밀어 넣어진다.

다음으로, 제어부(4)는 클램프 부재(28)의 단부면(28a)을 피 접합물(W)의 표면에 면 접촉시킨 상태에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 피 접합물(W)로의 압입측 단부면을 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 피 접합물(W)의 표면에 접촉하기 전의 피 접합물(W)의 표면 위치를 향해 이동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 10(c)).

이에 따라서, 숄더 부재(7)의 내부에 밀어 넣어진 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)를 핀 부재(6)에 의해 되메우면서, 숄더 부재(7)를 수용 공간 내로 후퇴시킨다. 제4 실시예에 따르면, 제어부(4)는, 돋음부(W4)의 체적을 고려하여 핀 부재(6)의 피 접합물(W)로의 압입측 단면부가 돋음부(W4)의 표면(꼭대기부) 보다 피 접합물(W)의 내측에 위치하도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

이상에 의해 접합 단계(S2)가 수행되고, 피 접합물(W)이 마찰 교반 점 접합되어, 돋음부(W4)에 마찰 교반된 영역(J)이 형성된다. 마찰 교반된 영역(J)의 중앙에는 핀 부재(6)에 의해 오목부(S)가 형성된다(도 10(d) 참조).

다음으로, 제어부(4)는, 핀 부재(6), 숄더 부재(7) 및 클램프 부재(28)를 피 접합물(W)에서 이격(후퇴)시키도록, 공구 구동부(3)를 제어한다(도 10(d)). 그 후, 운영자는 받침 부재(5)를 받침측 가압 도구(35)와 교환한다.

다음으로, 단부면(28a)을 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J) 및 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 인접하는 영역 중 적어도 하나의 표면(여기에서는, 양방의 표면)과 대향하여 배치한다.

구체적으로, 제어부(4)는, 핀 부재(6)의 피 접합물(W)에 대한 축선(P) 위치를 피 접합물(W)의 표면을 따라 마찰 교반 점 접합 시의 위치(X1)에서 소정 거리 어긋난 위치(X2)로 이동시켜 회전 공구(2)를 위치 조정하도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 또한, 운영자는 피 접합물(W)을 통해 축선(P) 방향으로 단부면(28a, 35b)이 겹쳐지도록(일례로서 완전히 겹쳐지도록), 받침측 가압 도구(35)를 위치 조정한다(도 10 (e)).

이상에 따라서, 제2 위치 조정 단계(S5)가 수행되고, 단부면(28a)이 돋음부(W4)의 꼭대기면과 대향하도록 위치 조정되는 동시에, 단부면(35b)이 피 접합물(W)의 돋음부(W4) 측과는 반대 측의 부분과 대향하도록 위치 조정된다.

여기서, 본 실시예의 위치(X2)는, 축선(P) 방향에서 볼 때, 마찰 교반된 영역(J)과 단부면(28a)이 겹치는 위치에 설정된다. 일례로서 단부면(28a)은 위치(X2)에서 돋음부(W4)의 꼭대기면을 접할 때, 마찰 교반된 영역(J)과 이에 인접하는 인접 영역의 각 가장자리와 면 접촉하고, 또한, 마찰 교반된 영역(J)의 둘레 방향으로 연장되는 영역에 면 접촉하도록 구성된다.

또한, 단부면(28a, 35b)은 돋음부(W4)의 꼭대기부와 축(P) 방향으로 겹치는 위치에서 마찰 교반된 영역(J)과 이에 인접하는 인접 영역에 걸쳐 압축부(K)를 형성하도록, 피 접합물(W)의 표면 및 뒷면을 가압 가능하게 설정된다.

다음으로, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 클램핑 부재(28)의 수용 공간 내로 대피시킨 상태에서 돋음부(W4) 중 숄더 부재(7)에 의해 마찰 교반된 영역(J), 또는 돋음부(W4)의 중 마찰 교반된 영역(J)과 인접하는 영역 중 적어도 하나(여기에서는 양방)의 표면을, 단부면(28a)에 의해 가압함과 동시에, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과는 반대 측의 뒷면을 단부면(35b)에 의해 가압한다.

본 실시예에 따르면, 제2 위치 조정 단계(S5) 후, 제어부(4)는, 핀 부재(6)의 피 접합물(W)에 대한 축선(P) 위치를 위치(X2)로 위치 조정한 상태에서, 돋음부(W4)의 마찰 교반된 영역(J)과 이에 인접하는 인접 영역의 표면을 단부면(28a)에 의해 가압함과 동시에, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과는 반대 측의 뒷면을 단부면(35b)에 의해 가압하도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 10(f)).

이상에 따른 가압 단계(S4)가 수행되고, 피 접합물(W)의 돋음부(W4)에 압축부(압축 소성 변형부)(K)가 형성되어 피 접합물(W)에 잔류 응력이 부여된다. 가압 단계(S4)에서는, 피 접합물(W)의 돋음부(W4)를 둘러싸는 영역과 단부면(28a)의 접촉을 피하면서, 피 접합물(W)의 표면과 뒷면이 단부면(28a, 35b)에 의해 가압된다.

마찰 교반된 영역(J)의 온도가 마찰 교반 온도보다 저하된 상태에서 가압 단계(S4)를 수행하는 것에 의해서, 피 접합물(W)은 냉간 압축된다. 그 후, 제어부(4)는 클램프 부재(28)에 의한 가압을 해제하도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

제4 실시예에 따르면, 피 접합물(W)의 커플링 부분에 국소적으로 잔류 응력을 부여하여 피 접합물(W)의 커플링 부분의 피로 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 피 접합물(W)의 중량 증가를 억제하면서 마찰 교반된 영역(J)과 이에 인접하는 인접 영역 사이에 위치하는 접합 계면을 증대시킬 수 있는 동시에, 이러한 접합 계면에 압축부(K)를 형성하여, 피 접합물(W)의 커플링 부분의 강성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이와 같이 제4 실시예에 따르면, 가압 단계(S4)에서 클램프 부재(28)의 단부면(28a)과, 받침측 가압 도구(35)의 단부면(35b)에 의해서, 피 접합물(W)의 표면 및 뒷면을 가압하기 때문에, 클램프 부재(28)의 단부면(28a)과 받침측 가압 도구(35)의 단부면(35b)을 이용하여 피 접합물(W)을 효율적으로 가압할 수 있다.

또한, 제4 실시예의 가압 도구 세트를 이용하여 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J) 및 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을 회전 공구(2) 측과 받침측 가압 도구(25) 측에서 가압할 수 있다.

(제5 실시예)

도 11(a) ~ (f)는 제5 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 제4 실시예와의 차이로서, 제5 실시예에 따르면, 마찰 교반 점 접합 방법의 접합 단계(S2)에서는 받침측 가압 도구(35)에 의해 피 접합물(W)을 지지하고, 오목부(35a) 내에 피 접합물(W) 마찰 교반 혼합 가능한 부가 재료(W5)를 공급한 상태에서(도 11 (a)), 부가 재료(W5)를 피 접합물(W)과 마찰 교반 점 접합한다. 여기에서는, 일례로서 피 접합물(W)의 판재(W1, W2)와 부가 재료(W5)의 마찰 교반 점 접합을 동시에 수행한다(도 11(b), (c)).

이에 따라서, 부가 재료(W5)는 오목부(35a)를 몰드로서 성형되면서 피 접합물(W)과 일체화된다. 따라서, 제5 실시예에서 형성되는 돋음부(W4)의 두께 치수는 제4 실시예에서 형성되는 돋음부(W4)의 두께 치수 보다 증대된다. 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 결합하여 회전 공구(2)를 피 접합물(W)에서 이격한 후(도 11(d)), 가압 단계(S4)에서는 피 접합물(W)의 축선(P) 방향 양측에서 돋음부(W4)를 단부면(28a, 35b)에 의해 가압하여 돋음부(W4)에 압축부(K)를 형성한다(도 11(e), (f)).

이와 같이, 제5 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에 따르면, 받침측 가압 도구(35)의 오목부(35a)에 공급된 부가 재료(W5)를 이용하여 돋음부(W4)의 두께 치수를 더욱 증대시킬 수 있다. 따라서, 피 접합물(W)의 무게 증가를 억제하면서 마찰 교반된 영역(J)과 이에 인접하는 인접 영역 사이에 위치하는 접합 계면을 더욱 확대할 수 있는 동시에, 이러한 접합 계면에 압축부(K)를 형성하여 피 접합물(W)의 커플링 부분의 강성을 제4 실시예 보다 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 마찰 교반 혼합 전의 피 접합물(W)과 부가 재료(W5)를 다른 재질로 설정하여, 피 접합물(W)에 부가 재료(W5)의 재료 특성을 부가할 수도 있다. 따라서, 돋음부(W4)의 피로 강도를 향상시킬 수 있는 동시에, 마찰 교반 점 접합 후의 피 접합물(W)이 가지는 특성의 설계 자유도를 높일 수 있다.

여기서, 부가 재료(W5)의 형상은 적절히 설정할 수 있다. 부가 재료(W5)는 판 형상에 한정되지 않고, 예를 들면 블록 모양이나 분말이라도 좋다. 또한, 제5 실시예의 접합 단계(S2)에서는 피 접합물(W)의 판재(W1, W2)와 부가 재료(W5)의 마찰 교반 점 접합을 동시에 할 필요는 없고, 예를 들어, 피 접합물(W)의 판재(W1, W2)를 마찰 교반 점 접합 한 후, 피 접합물(W)에 부가 재료(W5)를 마찰 교반 점 접합하여도 좋다.

(제6 실시예)

도 12는 제6 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 12는 가압 단계(S4)의 모습을 도시하고 있다. 제6 실시예의 장치(1)는 가압 도구 세트로서 접합측 가압 도구(30)과 받침측 가압 도구(45)를 포함한다.

접합측 가압 도구(30)는 단부면(30a)과 챔버부(30d)를 구비한다. 단부면(30a)(접촉면)은 제4 실시예에서 클램프 부재(28)의 단부면(28a)과 동일한 형상을 가진다.

즉, 접합측 가압 도구(30)가 장치(1)에 구비된 상태에서, 축선(P) 방향에서 볼 때 단부면(30a)은 원형 고리 형상이고, 피 접합물(W)의 표면(여기에서는, 제1 판재(W1)의 판면)과 대향하여 배치된다. 단부면(30a)은 축선(P) 방향에 수직인 면에 평행하게 연장된다. 단부면(30a)은 피 접합물(W)의 표면을 가압 가능하게 배치된다. 단부면(30a)은 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J), 및 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)과 인접하는 영역 중 적어도 하나의 표면(여기에서는, 양방의 표면)과 대향하여 배치된다.

챔버부(30d)는 접합측 가압 도구(30)가 장치(1)에 구비된 상태에서 접합측 가압 도구(30)이 피 접합물(W) 측이 되는 단부(축선(P) 방향 선단부)에 설치되고, 피 접합물(W) 측에 개구하고 있다. 즉, 챔버부(30d)는 접합측 가압 도구(30)의 축선(P) 방향 선단 측에서 개구됨과 동시에, 접합측 가압 도구(30)의 축선(P) 방향 내측으로 우묵하게 되어 있다.

챔버부(30d)의 내표면은 단부면(30a)의 반경 방향 내측의 가장자리에서 챔버부(30d)의 축선(P) 방향 내부를 향해 접합측 가압 도구(30)의 내경이 점차 감소하도록 경사지는 경사면으로 형성되어 있다.

받침측 가압 도구(45)는 단부면(45b)의 면적이 다른 것 이외에는, 제4 및 5 실시예의 받침측 가압 도구(35)와 동일한 구성이다. 일례로서 단부면(45b)은 단부면(30a)과 면적이 동일하지만, 차이가 있어도 좋다.

제6 실시예에서는 접합 단계(S2)에서, 제1 실시예와 마찬가지로, 피 접합물(W)에 마찰 교반된 영역(J)이 형성된다(도 4(c), (d) 참조). 그 후, 설치 단계(S3)에서 회전 공구(2)에 접합측 가압 도구(30)가 설치되는 동시에, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과는 반대 측에 받침측 가압 도구(45)가 배치된다. 본 실시예의 단부면(30a, 45b)은, 축선(P) 방향에서 볼 때, 피 접합물(W)을 통해 겹치는(여기에서는, 완전히 겹치는) 위치에 배치된다.

가압 단계(S4)에서는 단부면(30a, 45b)에 의해 피 접합물(W)의 표면과 뒷면이 가압된다. 이에 따라서, 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)의 전체 둘레와 그의 인접 영역에 걸쳐서 압축부(K)가 형성된다. 제6 실시예에서는 단부면(30a, 45b)에 장치(1)의 가압력을 집중시킬 수 있기 때문에, 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과 그 반대 측으로부터 비교적 작은 가압력으로도 양호하게 피 접합물(W)을 압축할 수 있다.

여기서, 제6 실시예에서는, 제5 실시예와 같이, 받침측 가압 도구(45)의 오목부(45a)에 부가 재료(W5)를 공급함으로써 피 접합물(W)의 회전 공구(2) 측과는 반대 측에 돋음부를 형성하여도 좋다.

본 발명은 상기 각각의 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 구성 또는 방법을 변경, 추가 또는 삭제할 수 있다. 당연히 피 접합물(W)은 한 쌍의 판재(W1, W2)에 한정되지 않는다. 피 접합물(W)는 항공기, 자동차 및 철도 차량 등의 차량의 부품이라도 좋고, 건축물의 부품이라도 좋다.

본 발명은 복동식 마찰 교반 점 접합에 의해 형성되는 피 접합물의 커플링 부분의 피로 강도 향상을 효율적으로 도모하기 때문에, 복동식 마찰 교반 점 접합을 이용한 각 분야에 널리 적합하게 이용 가능하다.

J: 마찰 교반된 영역
P: 축
W: 피 접합물
1: 복동식 마찰 교반 점 접합 장치
2: 회전 공구
6: 핀 부재
7: 숄더 부재
8, 18, 28: 클램프 부재
8a, 18a, 28a: 클램프 부재의 단부면
8b: 클램프 부재의 내주면
18c: 클램프측 돌출부(제1 돌출부)
10, 20, 30: 접합측 가압 도구
10a, 20a, 30a: 접합측 가압 도구의 단부면
10b, 20b: 접합측 돌출부(제1 돌출부)
11, 21: 가압 도구 세트
15, 25, 35, 45: 받침측 가압 도구
15a: 대향면
25a, 35b, 45b: 받침측 가압 도구의 단부면(대향면)
15b, 25b: 받침측 돌출부(제2 돌출부)

Claims

피 접합물을 부분적으로 교반하는 회전 공구와, 상기 피 접합물을 가압하는 클램프 부재를 구비하는 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여, 상기 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서,
상기 회전 공구는, 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재를 구비하고,
상기 클램프 부재는, 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 하여 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 수용 공간을 형성하는 내주면과, 상기 피 접합물과 면 접촉 가능한 원형 고리 형상의 단부면을 구비하고,
상기 피 접합물이 지지되고 상기 클램프 부재의 상기 단부면에 의해 상기 피 접합물이 가압된 상태에서, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재에 의해 상기 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계와,
상기 접합 단계 후, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재가 상기 수용 공간에 수용된 상태에서, 상기 피 접합물 마찰 교반된 영역 및 상기 피 접합물의 상기 마찰 교반된 영역과 인접하는 인접 영역 중 적어도 하나의 표면 및 뒷면을, 상기 마찰 교반 점 접합 장치에 의해서, 상기 회전 공구 측과 그 반대편 측에서 가압하고, 상기 피접합물의 상기 가압된 각각의 부분에 오목부를 형성하는 가압 단계를 구비하는 마찰 교반 점 접합 방법.
제1항에 있어서,
상기 가압 단계에서는,
상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 선단을 덮도록 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 단부면을 구비하는 접합측 가압 도구가 상기 회전 공구에 설치되고,
상기 접합측 가압 도구의 상기 단부면에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
제1항에 있어서,
상기 가압 단계에서는, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 선단을 덮도록 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 단부면을 구비하는 접합측 가압 도구가 상기 회전 공구에 설치되고,
상기 접합측 가압 도구는, 상기 피 접합물의 상기 표면과 대향하여 배치되는 단부면과, 상기 접합측 가압 도구의 상기 단부면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능하게 배치되는 접합측 돌출부를 구비하며,
상기 가압 단계에서는, 상기 접합측 돌출부에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
제1항에 있어서,
상기 가압 단계에서는, 상기 클램프 부재의 상기 단부면에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
제1항에 있어서,
상기 클램프 부재는, 상기 클램프 부재의 상기 단부면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물을 가압 가능하게 배치되는 클램프측 돌출부를 구비하고,
상기 가압 단계에서는, 상기 클램프측 돌출부에 의해 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가압 단계에서는,
상기 피 접합물의 상기 회전 공구 측과는 반대 측에 배치되고 상기 피 접합물의 상기 뒷면과 대향하는 대향면과, 상기 대향면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 주위로 연장되고 또한 상기 피 접합물의 상기 뒷면을 가압 가능하게 배치된 받침측 돌출부를 구비하는 받침측 가압 도구를 이용하고,
상기 받침측 돌출부에 의해 상기 피 접합물의 상기 뒷면을 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가압 단계에서는, 상기 축선 방향에서 볼 때, 상기 피 접합물을 통해 상기 회전 공구 측과 그 반대 측에서 상기 피 접합물의 가압 위치가 겹쳐지도록 상기 피 접합물을 가압하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재를 구비하는 회전 공구에 의해, 피 접합물을 부분적으로 교반하여 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치에 구비되고, 마찰 교반 점 접합된 상기 피 접합물을 가압하기 위한 가압 도구 세트로서,
상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 선단을 덮도록 상기 회전 공구에 설치되고, 상기 피 접합물의 마찰 교반된 영역 및 상기 피 접합물의 상기 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면과 대향하여 배치되는 단부면을 구비하는 접합측 가압 도구와,
상기 피 접합물의 상기 회전 공구 측과는 반대 측에 배치되어 상기 피 접합물을 지지하고, 상기 피 접합물의 뒷면과 대향하여 배치되는 대향면을 구비하는 받침측 가압 도구를 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 도구 세트.
미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재를 구비하는 회전 공구에 의해, 피 접합물을 부분적으로 교반하여 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치에 구비되고, 마찰 교반 점 접합된 상기 피 접합물을 가압하기 위한 가압 도구 세트로서,
상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 하여 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재의 수용 공간을 형성하는 내주면과, 상기 피 접합물의 마찰 교반된 영역 및 상기 피 접합물의 상기 마찰 교반된 영역과 인접한 인접 영역 중 적어도 하나의 표면과 대향하여 배치되는 원형 고리 형상의 단부면을 구비하는 클램프 부재와,
상기 피 접합물을 상기 회전 공구 측과는 반대 측에 배치되어 상기 피 접합물을 지지하고, 상기 피 접합물의 뒷면과 대향하여 배치되는 대향면을 구비하는 받침측 가압 도구를 구비하고,
상기 단부면에는, 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 돌출부가 배치되어 있고,
상기 피 접합물의 상기 돌출부에 의해 가압된 부분에 오목부가 형성되는 것을 특징으로 하는 가압 도구 세트.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 단부면에는, 상기 피 접합물의 상기 표면을 가압 가능한 돌출부가 배치되고,
상기 돌출부는, 상기 단부면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되는 제 1 돌출부이고,
상기 대향면에는, 상기 대향면에서 상기 축선 방향으로 돌출되어 상기 축선 둘레로 연장되고 또한 상기 피 접합물의 상기 뒷면을 가압 가능한 제2 돌출부가 배치되는 것을 특징으로 하는 가압 도구 세트.
제8항 또는 제9항에 기재된 가압 도구 세트에 기재된 받침측 가압 도구 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 복동식 마찰 교반 점 접합 장치.