KR102477654B1 - 마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조 - Google Patents

마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조 Download PDF

Info

Publication number
KR102477654B1
KR102477654B1 KR1020217013373A KR20217013373A KR102477654B1 KR 102477654 B1 KR102477654 B1 KR 102477654B1 KR 1020217013373 A KR1020217013373 A KR 1020217013373A KR 20217013373 A KR20217013373 A KR 20217013373A KR 102477654 B1 KR102477654 B1 KR 102477654B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tool
joined
friction stir
stir welding
tip
Prior art date
Application number
KR1020217013373A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210066901A (ko
Inventor
나오키 타케오카
료지 오하시
요시타카 무라마츠
타쿠야 후쿠다
Original Assignee
카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 카와사키 주코교 카부시키 카이샤 filed Critical 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Publication of KR20210066901A publication Critical patent/KR20210066901A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102477654B1 publication Critical patent/KR102477654B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/123—Controlling or monitoring the welding process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/125—Rotary tool drive mechanism
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1265—Non-butt welded joints, e.g. overlap-joints, T-joints or spot welds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B23K20/227—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded with ferrous layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/26—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/34—Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/15—Magnesium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

툴(10)과, 회전 구동기(8)와, 직동 구동기(7)와, 제1 부재(W1)가 툴(10)과 마주하고, 또한, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)의 순으로 되도록 배치하는 (A)와, 툴(10)을 회전시킨 상태에서, 툴(10)의 선단부가 피접합물(W)의 피접합부(Wa)를 압압하도록, 직동 구동기(7) 및 회전 구동기(8)를 제어하는 (B)와, 직동 구동기(7) 및 회전 구동기(8)를 제어하여, 연화된 제3 부재(W3)가 제2 부재(W2)의 상면보다 상방으로 연장하도록, 툴(10)의 선단부를 제1 위치에 도달시키는 (C)와, 툴(10)을 회전시킨 상태에서 피접합부(Wa)로부터 인발하도록, 직동 구동기(7) 및 회전 구동기(8)를 제어하는 (D)를 실행하도록 구성되어 있는 제어 장치(110)를 구비하는 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.

Description

마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조
본 발명은 마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조에 관한 것이다.
철강 판재와 그보다 더 비중이 가벼운 경금속제 판재를 포함한 차체를 제조하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 참조). 특허문헌에 개시되어 있는 차체의 제조 방법에서는, 경금속제 판재와 철강 판재를 중첩시키고, 경금속제 판재 측으로부터 압압(押壓)되는 회전 툴(tool)의 마찰열로 경금속제 판재를 국소적으로 연화 및 소성 유동시킴으로써, 경금속제 판재와 철강 판재를 접합하는 제1 접합 공정과, 상기 제1 접합 공정에서 접합된 경금속제 판재 및 철강 판재와, 2매 이상의 철강 판재를 중첩시키고, 그의 복수 개소를 전기 저항 스팟 용접에 의해 접합하는 제2 접합 공정을 포함한다.
일본특허공개공보 특개2009-202828호
본 발명자들은 상기 특허문헌에 개시되어 있는 차체의 제조 방법과는 다른, 3개의 부재를 접합할 수 있는 마찰 교반 접합 장치 및 그 운전 방법을 생각해냈다. 본 발명은 신규한 구성을 구비하는 마찰 교반 접합 장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 특허문헌에 개시되어 있는 차체의 제조 방법으로 접합된 피접합물(차체)과는 다른 구성의 이음새 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 종래의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 마찰 교반 접합 장치는, 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서, 상기 마찰 교반 접합 장치는, 원주형으로 형성되고, 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따르는 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성되어 있는 툴과, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 툴을 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기와, 제어 장치를 구비하고, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 상기 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고, 상기 제3 부재는 상기 제2 부재보다 경도가 높게 구성되어 있으며, 상기 제어 장치는, 상기 피접합물을, 상기 제1 부재가 상기 툴과 마주하고, 또한, 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재의 순으로 되도록 배치하는 (A)와, 상기 툴을 회전시킨 상태에서, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물의 피접합부를 압압하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하는 (B)와, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하여, 연화된 상기 제3 부재가 상기 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장하도록, 상기 툴의 선단부를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치에 도달시키는 (C)와, 상기 툴을 회전시킨 상태에서 상기 피접합부로부터 인발하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하는 (D)를 실행하도록 구성되어 있다.
이에 따라서, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법은, 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법으로서, 상기 마찰 교반 접합 장치는, 원주형으로 형성되고, 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따르는 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성되어 있는 툴과, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 툴을 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기를 구비하고, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 상기 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고, 상기 제3 부재는 상기 제2 부재보다 경도가 높게 구성되어 있으며, 상기 피접합물을, 상기 제1 부재가 상기 툴과 마주하고, 또한, 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재의 순으로 되도록 배치하는 (A)와, 상기 툴을 회전시킨 상태에서, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물의 피접합부를 압압하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 (B)와, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하여, 연화된 상기 제3 부재가 상기 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장하도록, 상기 툴의 선단부를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치에 도달시키는 (C)와, 상기 툴을 회전시킨 상태에서 상기 피접합부로부터 인발하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 (D)를 구비한다.
이에 따라서, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이음새 구조는, 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물이 피접합부에서 접합됨으로써 형성되는 이음새 구조로서, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 상기 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고, 상기 제3 부재는 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재보다 재료 경도가 높게 구성되어 있으며, 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 이 순서가 되도록 배치되어 있고, 상기 피접합부는, 상기 제3 부재 유래(由來)의 재료가 상기 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장되도록 형성되어 있다.
본 발명에 따른 이음새 구조에서는, 제3 부재 유래의 재료가 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장된 앵커 부분이 형성된다. 그리고, 앵커 부분에 의해, 인장 전단에 대한 강도가 높아지고, 상대적으로 박리 강도도 높아지는 등의 앵커 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있는, 견고한 이음새 구조를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면 참조 하에, 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해진다.
본 발명에 따른 마찰 교반 접합 장치 및 그 운전 방법에 의하면, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이음새 구조에 의하면, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합함으로써, 견고한 이음새 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 동작의 일례를 도시하는 플로우 차트이다.
도 3은 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 요부를 도시하는 모식도이고, 툴에 의해, 마찰 교반 접합을 실행하는 상태를 도시한다.
도 4는 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치에서 툴의 선단부의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다.
도 5는 피접합물을 마찰 교반 접합 장치에 의해 접합한 상태를 도시하는 모식도이다.
도 6은 본 실시예 1 또는 2에 따른 마찰 교반 접합 장치에 의해 피접합물(W)을 마찰 교반 접합하는 조건을 나타내는 표이다.
도 7은 도 6에 나타낸 시험예 1의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
도 8은 도 6에 나타낸 시험예 2의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
도 9는 도 6에 나타낸 시험예 3의 조건으로 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
도 10은 도 6에 나타낸 시험예 4의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
도 11은 도 6에 나타낸 시험예 5의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
도 12는 도 6에 나타낸 시험예 6의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
도 13은 도 6에 나타낸 시험예 7의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다. 여기서, 이하에서는 모든 도면을 통해 동일 또는 대응하는 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 중복된 설명을 생략한다. 또한, 모든 도면에서 본 발명을 설명하기 위해 필요한 구성 요소를 발췌하여 도시하고 있으며, 기타 구성 요소에 대해서는 도시를 생략하는 경우가 있다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
(실시예 1)
본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치는 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서, 마찰 교반 접합 장치는 원주형으로 형성된 축선 둘레의 회전과 당해 축선을 따르는 방향으로 진퇴 이동이 가능하도록 구성되어 있는 툴과, 툴을 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 툴을 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기와, 제어 장치를 구비하고, 제2 부재 및 제3 부재는 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고, 제3 부재는 제2 부재보다 경도가 높게 구성되어 있고, 제어 장치는, 피접합물을, 제1 부재가 툴과 마주하고, 또한, 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재의 순으로 되도록 배치하는 (A)와, 툴을 회전시킨 상태에서 툴의 선단부가 피접합물의 피접합부를 압압하도록, 직동 구동기 및 회전 구동기를 제어하는 (B)와, 직동 구동기 및 회전 구동기를 제어하여, 연화된 제3 부재가 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장하도록 툴의 선단부를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치에 도달시키는 (C)와, 툴을 회전시킨 상태에서 피접합부로부터 인발하도록, 직동 구동기 및 회전 구동기를 제어하는 (D)를 실행하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치에서는, 제어 장치는, (C)에서, 툴의 선단부가 미리 설정되어 있는 소정의 제1 시간 이내에 제1 위치에 도달하도록, 직동 구동기 및 회전 구동기를 제어하도록 구성되어 있어도 좋다.
이하에서, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 일례에 대해서, 도 1 ~ 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
[마찰 교반 접합 장치의 구성]
도 1은 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)는 툴(10), 기체(基體)(2), 가동체(3), 툴 유지체(4), 직동 구동기(7), 회전 구동기(8), 위치 검출기(11) 및 제어 장치(110)를 구비하고 있고, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 구비하는 피접합물(W)의 피접합부(Wa)를 마찰열로 연화시키고, 소성 유동시켜서, 접합을 수행하도록 구성되어 있다.
피접합물(W)은, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)는 제1 부재(W1)보다 융점이 높게 구성되어 있고, 제3 부재(W3)가 제2 부재(W2)보다 경도가 높게 구성되어 있다. 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)는 본 실시예 1에서는 판상으로 형성되어 있다.
제1 부재(W1)는 금속 재료(예를 들어, 알루미늄 또는 마그네슘), 또는 섬유 강화 플라스틱(예를 들어, 탄소 섬유 강화 플라스틱)으로 구성되어 있어도 좋다. 또한 제2 부재(W2)는, 예를 들어, 금속 재료로 구성되어 있고, 철강(연강) 또는 알루미늄으로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 제3 부재(W3)는 금속 재료로 구성되어 있고, 철강(연강 또는 고장력강)으로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 피접합물(W)은, 제1 부재(W1)가 마그네슘 또는 섬유 강화 플라스틱으로 구성되어 있고, 제2 부재(W2)가 알루미늄으로 구성되어 있고, 제3 부재(W3)가 철강(연강 또는 고장력강)으로 구성되어 있어도 좋다.
여기서, 본 실시예 1에서는, 피접합물(W)을 판상의 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)로 구성되어 있는 형태를 채용하였지만, 이에 한정되지 않고, 피접합물(W)(제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3))의 형상은 임의이며, 예를 들어, 직육면체 형상이라도 좋고, 원호 형상으로 형성되어 있어도 좋다.
기체(2)는 로봇(9)의 선단부에 착탈 가능하게 장착되어 있다. 여기서, 로봇(9)으로는, 수평 다관절형·수직 다관절형 등의 로봇을 채용할 수 있다. 또한, 본 실시예 1에서는, 기체(2)가 로봇(9)에 장착되는 형태를 채용하였지만, 이에 한정되지 않고, 적절한 위치에 고정되어 있는 형태를 채용하여도 좋다.
기체(2)에는, 가동체(3)가 툴 유지체(4)의 축선(X) 방향으로 이동 가능하게 장착되어 있다. 가동체(3)의 선단부에는, 툴 유지체(4)가 설치되어 있다.
툴 유지체(4)는, 그 축선(X) 둘레로 회전 가능하고, 또한, 가동체(3)와 일체가 되어, 축선(X) 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 툴 유지체(4)의 선단부에는, 툴(10)이 착탈 가능하게 설치되어 있다. 여기서, 툴(10)의 탈착(교환)은, 작업자가 실행하여도 좋고, 로봇(9)과는 다른 로봇이 실행하여도 좋다.
또한, 기체(2)의 내부에는, 직동 구동기(7)가 배치되어 있다. 직동 구동기(7)는 가동체(3)(툴(10))를 축선(X) 방향으로 직동시키도록 구성되어 있다. 직동 구동기(7)로는, 예를 들어, 전기 모터(서보 모터)와 볼 스크류 또는 리니어 가이드 등을 사용하여도 좋고, 에어 실린더 등을 사용하여도 좋다.
가동체(3)의 내부에는, 회전 구동기(8)가 배치되어 있다. 회전 구동기(8)는 툴 유지체(4), 툴(10)을 축선(X) 둘레로 회전시키도록 구성되어 있다. 회전 구동기(8)로는, 예를 들어, 전기 모터(서보 모터)를 사용하여도 좋다.
나아가, 기체(2)에는, 대략 C 자형(대략 L 자형)으로 형성되는 만곡 프레임(5)이 고정되어 있다. 만곡 프레임(5)은, 그 선단부가 툴(10)에 마주하도록 형성되어 있다. 또한, 만곡 프레임(5)의 선단부에는, 지지대(6)가 설치되어 있다. 지지대(6)는 피접합물(W)을 지지하도록 구성되어 있다. 즉, 본 실시예 1에서는, 기체(2), 가동체(3), 툴 유지체(4), 만곡 프레임(5) 및 지지대(6)는 C 형 건(gun)(C 형 프레임)으로 구성되어 있다.
제어 장치(110)는 마이크로 프로세서, CPU 등의 연산기(110a) 및 ROM, RAM 등의 기억기(기억 장치)(110b)를 구비하고 있다. 기억기(110b)에는, 기본 프로그램, 각종 고정 데이터 등의 정보가 기억되어 있다. 연산기(110a)는 기억기(110b)에 기억되어 있는 기본 프로그램 등의 소프트웨어를 읽어내어 실행함으로써, 마찰 교반 접합 장치(101) 및 로봇(9)의 각종 동작을 제어한다.
또한, 기억기(110b)는 공지의 메모리, 하드 디스크 등으로 구성되어 있다. 기억기(110b)는 단일일 필요는 없고, 복수의 기억 장치(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리 및 하드 디스크 드라이브)로 구성되어 있어도 좋다.
여기서, 제어 장치(110)는 집중 제어하는 단독의 제어 장치(110)에 의해 구성되어 있어도 좋고, 서로 협력하여 분산 제어하는 복수의 제어 장치(110)에 의해 구성되어 있어도 좋다. 또한, 제어 장치(110)는 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있어도 좋고, MPU, PLC(Programmable Logic Controller), 논리 회로 등으로 구성되어 있어도 좋다.
[마찰 교반 접합 장치의 동작(마찰 교반 접합 장치의 운전 방법) 및 그 작용 효과]
다음으로, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)의 동작(운전 방법)에 대하여, 도 1 ~ 도 3을 참조하여 설명한다. 여기서, 이하의 동작은, 제어 장치(110)의 연산기(110a)가 기억기(110b)에 격납되어 있는 프로그램을 읽어내어 실행된다.
도 2는 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 동작의 일례를 도시하는 플로우 차트이다. 도 3은 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치의 요부를 도시하는 모식도이고, 툴에 의해, 마찰 교반 접합을 실행하는 상태를 도시한다.
먼저, 작업자가 입력기(미도시)를 조작하여, 제어 장치(110)에 피접합물(W)의 접합 실행을 하는 것을 나타내는 지시 정보가 입력되었다고 한다.
그리하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 장치(110)는 로봇(9)과는 다른 로봇에 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 반송시켜서, 제1 부재(W1)가 툴(10)과 마주하고, 또한, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)의 순서가 되도록, 마찰 교반 접합 장치(101)의 지지대(6)에 재치(배치)시킨다(스텝(S101)). 여기서, 작업자가 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 마찰 교반 접합 장치(101)에 배치하여도 좋다.
다음으로, 제어 장치(110)는, 회전 구동기(8)를 구동시켜서, 툴(10)을 소정의 회전수(회전 속도; 예를 들어, 500 ~ 3000 rpm)로 회전시킨다(스텝(S102)). 이어서, 제어 장치(110)는, 툴(10)을 회전시킨 상태에서, 직동 구동기(7)를 구동시켜서 툴(10)을 진행시키고, 툴(10)의 선단을 피접합물(W)의 피접합부(Wa)에 맞닿게 한다(스텝(S103)).
여기서, 피접합물(W)의 피접합부(Wa)란, 피접합물(W)을 접합하는 부분이고, 툴(10)의 회전과 압압에 의해서, 제1 부재(W1) ~ 제3 부재(W3)가 연화되는 영역을 말한다.
다음으로, 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 미리 설정되어 있는 소정의 제1 시간 이내에, 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치까지 이동하도록, 직동 구동기(7)를 구동시킨다(스텝(S104)). 이 때, 제어 장치(110)는, 툴(10)이 미리 설정된 소정의 압압력(예를 들어, 4 kN ~ 70 kN)으로 피접합물(W)을 압압하도록, 직동 구동기(7)를 제어한다.
여기서, 소정의 회전수, 소정의 압압력, 제1 위치 및 제1 시간은, 미리 실험 등에 의해, 적절히 설정할 수 있고, 기억기(110b)에 제1 데이터(110c)로 기억되어 있다. 제1 데이터(110c)는 후술하는 시험예 1 ~ 7의 결과에 기초하여, 작성하여도 좋다.
또한, 툴(10)의 선단부의 위치 정보는, 위치 검출기(11)에 의해 검출되고, 제어 장치(110)에 출력된다. 위치 검출기(11)로는, 예를 들어, 직동 구동기(7)에 설치되어 있는 인코더라도 좋고, 툴(10)의 이동량을 검출하는 검출기라도 좋다.
여기서, 제1 위치란, 제3 부재(W3)의 제2 부재(W2)와 맞닿는 면을 0%로 하고, 제3 부재(W3)의 지지대(6)와 맞닿는 면을 100%로 할 경우에, 0%보다 크고, 또한, 100 % 미만의 사이에서 임의로 설정되는 위치를 말한다.
여기서, 접합 강도를 향상시키는 관점에서, 제1 위치는 제3 부재(W3)의 받침 부재(6)와 맞닿는 면에 가까운 편이 좋고, 25% 이상이라도 좋고, 50% 이상이라도 좋으며, 75% 이상이라도 좋고, 80% 이상이라도 좋으며, 90% 이상이라도 좋고, 95% 이상이라도 좋다.
또한, 제1 시간은 후술하는 앵커 부분(Ap)을 형성시키는 관점에서, 10초 이내라도 좋고, 7 초 이내라도 좋으며, 5 초 이내라도 좋다.
이에 따라서, 툴(10)이 피접합물(W)의 피접합부(Wa)에 맞닿고, 툴(10)의 선단부와 피접합부(Wa)의 마찰에 의해서, 마찰열이 발생하여, 피접합물(W)의 피접합부(Wa)가 연화되어, 소성 유동이 발생한다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 툴(10)의 선단부가 피접합부(Wa)의 내부에 압입(壓入)됨으로써, 제3 부재(W3)의 연화 부분인 제2 연화 부분(42)이 제2 부재(W2)의 상면보다 상방까지 연장하고, 제1 부재(W1)의 연화 부분인 제1 연화 부분(41)에 파고든다(꽂힌다). 여기서, 본 명세서에서는, 제2 연화 부분(42) 중, 제2 부재(W2)의 하면으로부터 제2 부재(W2)의 상면보다 상방까지 연장된 부분을 앵커 부분(Ap)이라고 칭한다.
다음으로, 제어 장치(110)는, 위치 검출기(11)가 검출한 툴(10)의 선단부의 위치 정보를 기초로, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하였는지 여부를 판정한다(스텝(S105)). 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하지 않았다고 판정한 경우(스텝(S105)에서 No)에는, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달할 때까지 스텝(S104) ~ 스텝(S105)의 각각의 처리를 실행한다. 한편, 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하고 있다고 판정한 경우(스텝(S105)에서 Yes)에는, 스텝(S106)의 처리를 실행한다.
스텝(S106)에서는, 제어 장치(110)는, 툴(10)을 회전시킨 상태에서, 툴(10)의 선단부를 피접합부(Wa)로부터 인발하도록, 직동 구동기(7)을 구동시킨다. 그리고, 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 피접합부(Wa)로부터 인발되면, 툴(10)의 회전을 정지시키도록, 회전 구동기(8)를 정지시키고, 본 프로그램을 종료한다. 여기서, 복수의 피접합부(Wa)을 접합하는 경우에는, 제어 장치(110)는 툴(10)의 회전을 정지시키지 않고, 다음의 피접합부(Wa)의 접합을 개시하도록 구성되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성된 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에서는, 제3 부재(W3)의 제2 연화 부분(42)이 제2 부재(W2)의 상면보다 상방까지 연장되므로, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다. 또한, 앵커 부분(Ap)이 형성됨으로써, 인장 전단에 대한 강도가 높아지고, 상대적으로 박리 강도도 높아지는 등의 앵커 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에 의해, 형성된 피접합물(W)의 피접합부(Wa)가 본 실시예 1에 따른 이음새 구조의 일례이다.
여기서, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에서는, 제어 장치(110)가, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하면, 툴(10)의 선단부를 피접합부(Wa)로부터 인발하도록, 직동 구동기(7)를 제어하는 형태를 채용하였지만, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하면, 툴(10)을 수평 방향으로 이동하도록 하거나, 또는, 툴(10)의 축선(X)이 경사지도록, 로봇(9)을 동작시켜도 좋다. 툴(10)의 회전 속도를 증가시키도록, 회전 구동기(8)를 제어하여도 좋다. 이에 따라서, 제3 부재(W3)의 연화 부분을 증가시킬 수 있고, 앵커 부분(Ap)의 체적을 증가시킬 수 있다. 따라서, 더 높은 앵커 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예 1에 따른 이음새 구조는, 상술한 바와 같이, 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에 의해 형성되는 형태를 채용하였지만, 이에 한정되지 않는다. 본 실시예 1에 따른 이음새 구조는, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)가 제1 부재(W1) 보다 융점이 높게 구성되어 있고, 제3 부재(W3)가 제1 부재(W1) 및 제2 부재(W2) 보다 재료 경도가 높게 구성되어 있으며, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)가 이 순서가 되도록 배치되어 있고, 피접합부(Wa)가, 제3 부재(W3) 유래의 재료가 제2 부재(W2)의 상면보다 상방으로 연장되도록 형성되어 있으면 좋다. 따라서, 본 실시예 1에 따른 이음새 구조는 본 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101) 이외의 마찰 교반 접합 장치에 의해 형성되어도 좋고, 다른 기기에 의해 형성되어도 좋다.
나아가, 본 실시예 1에 따른 이음새 구조는, 피접합부(Wa)가, 연화하고 경화된 제1 부재(W1), 연화하고 경화된 제2 부재(W2) 및 연화하고 경화된 제3 부재(W3)로 구성되어 있고, 연화하고 경화된 제3 부재(W3)(제3 부재(W3) 유래의 재료)가 제2 부재(W2)의 상면보다 상방으로 연장되도록 형성되어 있어도 좋다.
(실시예 2)
본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치는 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치에서, 툴의 선단부는 제1 선단부와, 제1 선단부보다 기단 측에 위치하는 제2 선단부를 구비하고, 제1 선단부 및 제2 선단부는 각각 원뿔대 형상으로 형성되어 있고, 제1 선단부는 그 선단면의 면적이 제2 선단부의 선단면의 면적보다 작도록 형성되어 있다.
이하에서, 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치의 일례에 대하여, 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.
[마찰 교반 접합 장치의 구성]
도 4는 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치의 툴의 선단부의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)는, 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)와 기본적인 구성은 동일하지만, 툴(10)의 선단부의 구성이 다르다.
구체적으로는, 툴(10)의 선단부는, 제1 선단부(10a)와, 제1 선단부(10a)보다 기단 측에 위치하는 제2 선단부(10b)를 구비한다. 제1 선단부(10a) 및 제2 선단부(10b)는 각각 원뿔대 형상으로 형성되어 있다.
또한, 제1 선단부(10a)의 선단면(10c)의 면적이 제2 선단부(10b)의 선단면(10d)의 면적보다 작게 되도록 형성되어 있다. 여기서, 제2 선단부(10b)의 선단면(10d)은 제1 선단부(10a)와 제2 선단부(10b)의 경계 상의 면이다.
또한, 툴(10)의 관통 효율을 더 증가시키는 관점에서, 제1 선단부(10a)의 선단면(10c)의 면적은 작아도 좋다. 나아가, 선단면(10c)의 면적은 작게 한 경우, 제2 선단부(10b)에서 피접합물(W)의 피접합부(Wa)를 교반시키는 관점에서, 제1 선단부(10a)의 높이(h)(선단면(10c)과 선단면(10d) 사이의 길이(거리))가 작게 되어도 좋다. 이에 따라서, 피접합물(W)에 압입되는 체적을 크게 할 수 있고, 앵커 부분(Ap)을 크게 할 수 있다. 따라서, 피접합물(W)의 피접합부(Wa)의 접합 강도를 크게 할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)도, 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)와 동일한 작용 효과를 나타낸다. 여기서, 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에 의해 형성된 피접합물(W)의 피접합부(Wa)가 본 실시예 2에 따른 이음새 구조의 일례가 된다.
또한, 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에서는, 툴(10)의 선단부가 제1 선단부(10a)와 제2 선단부(10b)를 구비하고 있고, 제1 선단부(10a)의 선단면(10c)의 면적이 제2 선단부(10b)의 선단면(10d)의 면적보다 작게 되도록 형성되어 있다.
이에 따라서, 본 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에서는, 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에 비해서, 툴(10)의 관통 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 툴(10)의 선단을 보다 단시간에 제1 위치까지 도달시킬 수 있어서, 앵커 부분(Ap)을 더 형성하기 쉽게 할 수 있다.
<시험예>
다음으로, 본 실시예 1 또는 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에서, 다양한 조건에서, 피접합물(W)을 마찰 교반 접합한 경우의 시험예에 대해 설명한다.
그런데, 본 발명에서는, 도 3에 도시된 앵커 부분(Ap)의 높이 치수를 제2 부재(W2)의 높이 치수보다 크게 할 필요가 있다. 여기서, 도 5에 도시된 모식도를 이용하여, 앵커 부분(Ap)의 높이 치수와 제2 부재(W2)의 높이 치수 등의 관계에 대해 설명한다.
도 5는 피접합물을 마찰 교반 접합 장치에 의해 접합한 상태를 도시하는 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제3 부재(W3)에 압입된 툴(10)의 선단부의 체적을 V로 하고, 툴(10)의 선단부에서 제3 부재(W3)의 상면과 수평한 부분의 반경을 r1로 하고, 앵커 부분(Ap)에서 제3 부재(W3)의 상면과 수평한 부분의 길이(폭)를 r2로 한다. 또한, 제1 부재(W1)의 두께(높이)를 t1로 하고, 제2 부재(W2)의 두께(높이)를 t2로 하고, 제3 부재(W3)의 두께(높이)를 t3로 한다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 앵커 부분(Ap)을 통 형상(원통형)으로 형성하게 하였다고 가정하고, 제3 부재(W3)에 압입된 툴(10)의 선단부의 체적과, 앵커 부분(Ap)의 체적이 동일하다고 가정한다. 그리하면, 앵커 부분(Ap)의 높이(ha)는 (1)에 나타내는 관계식이 성립한다.
ha = V / π{(r1 + r2)2 - r12}> t2 ………… (1)
여기서, (1)에서, 제3 부재(W3)에 압입되는 툴(10)의 선단부의 체적(V)은, 미리 작업자 등이 설정한 제1 위치에 의해, 산출할 수 있다. 또한, 체적(V)이 산출되면, 툴(10)의 선단부에서 제3 부재(W3)의 상면과 수평한 부분의 반경(r1)도 산출할 수 있다.
따라서, (1)에서, 길이(r2)를 조절하여, 앵커 부분(Ap)의 높이(ha)를 제2 부재(W2)의 높이(t2) 보다 크게 할 수 있다. 그리고, 본 발명자들은, 다양한 조건에서, 피접합물(W)을 마찰 교반 접합하고, 앵커 부분(Ap)에서 제3 부재(W3)의 상면과 수평한 부분의 길이(r2)를 미리 실험에 의해, 설정할 수 있음을 보여주었다. 이하에서, 구체적인 조건에 대해 설명한다.
여기서, 이하의 시험예에서는, 마찰 교반 접합 장치(101)는 피접합부(Wa)의 온도를 검지하는 온도 검지기를 구비하고 있다. 또한, 이하의 시험예에서는, 제1 부재(W1)로서 두께 1.2 mm의 알루미늄 합금판(A5052)을 사용하고, 제2 부재(W2)로서 두께 0.7 mm의 아연 도금 강판(원판이 270MPa 급의 강판)을 사용하며, 제3 부재(W3)로서 두께 1.2 mm의 980 MPa 급의 강판을 사용하고 있다.
도 6은 본 실시예 1 또는 2에 따른 마찰 교반 접합 장치에 의해서, 피접합물(W)을 마찰 교반 접합한 조건을 나타내는 표이다. 또한, 도 7 ~ 도 13은 도 6에 나타낸 시험예 1 ~ 7의 조건에서 피접합물을 마찰 교반 접합한 결과를 나타내는 사진이다.
여기서, 도 6에서는, 툴(10)의 선단의 형상이 실시예 1에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)의 구성인 경우를 실시예 1로 나타내고, 실시예 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)의 구성인 경우를 실시예 2로 나타내고 있다. 제1 위치에 대해서는, 피접합물(W)의 제1 부재(W1)의 상면으로부터의 거리(mm)로 나타내고 있다.
또한, 도 6에서, 접합 시간은, 툴(10)의 선단이 피접합물(W)(정확하게는, 제1 부재(W1)의 상면)에 맞닿고 나서 제1 위치에 도달하는 동안에 걸린 시간을 나타내고 있다. 나아가, 압입 온도는, 툴(10)의 선단이 제3 부재(W3)의 상면에 도달하여, 제3 부재(W3) 내로 압입할 때에, 온도 검지기가 검지한 피접합부(Wa)의 온도를 나타내고 있다.
도 6 ~ 도 13에 도시된 바와 같이, 툴(10)의 선단이 실제로 제1 위치에 도달하기까지 걸린 시간인 접합 시간이 길면, 앵커 부분(Ap)이 형성되지 않는 것이 시사되었다(시험예 2, 5 참조). 이러한 결과로부터, 툴(10)의 선단을 제1 위치까지 도달시키는 시간인 제1 시간은 11초 이내에 설정하여도 좋고, 6초 이내로 설정하여도 좋으며, 5 초 이내에 설정하여도 좋다.
또한, 피접합부(Wa)의 압입 온도가 높아지면, 앵커 부분(Ap)이 형성되지 않는 것이 시사되었다(시험예 2, 5 참조). 본 발명자들은, 이러한 결과로부터, 피접합부(Wa)의 압입 온도가 높아지면, 피접합부(Wa)에의 입열량이 커지고, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)의 연화하는 부분이 수평으로 퍼져서, 제3 부재(W3)의 연화된 부분의 높이가 줄어들어, 앵커 부분(Ap)를 형성할 수 없다고 추측하고 있다.
나아가, 시험예 1 ~ 2의 결과와 시험예 3 ~ 7의 결과로부터, 툴(10) 회전 속도가 커지면, 피접합부(Wa)의 압입 온도가 높아지는 경향이 있고, 툴(10)의 가압력(툴(10)의 선단부가 피접합부(Wa)을 압압하는 압력)이 커지면, 접합 시간이 짧아진다는(툴(10)의 압입 속도가 커진다는) 것이 시사되었다.
따라서, 상기 시험예 1 ~ 7에 나타난 결과로부터, 온도 검지기가 검지한 피접합부(Wa)의 온도에 따라서, 툴(10)의 회전 속도(회전수)와, 압압력(가압력)을 미리 설정함으로써, 앵커 부분(Ap)을 형성할 수 있는 것이 시사되었다.
또한, 상기 시험예 1~ 7에 나타난 결과로부터, 피접합물(W)을 구성하는 제1 부재(W1) ~ 제3 부재(W3)의 재질, 두께를 변경하더라도, 미리 실험에 의해, 앵커 부분(Ap)을 형성할 수 있는 제1 위치, 제1 시간, 툴(10)의 회전수 및 압압력을 적절히 설정할 수 있는 것이 시사되었다.
특히, 피접합부(Wa)의 온도가 높은 경우에는, 툴(10) 회전 속도를 줄이고, 접합 시간이 긴 경우에는, 툴(10)의 압압력(가압력)을 크게 하여, 앵커 부분(Ap)을 형성할 수 있는 것이 시사되었다.
여기서, 상기 실시예 1 및 2에 따른 마찰 교반 접합 장치(101)에서는, 미리 실험에 의해 제1 위치, 제1 시간, 툴(10)의 회전수 및 압압력을 적절히 설정하는 형태를 채용하였지만, 이에 한정되지 않는다. 제1 위치와 제1 시간을 설정하고, 제어 장치(110)가 온도 검지가 검지한 피접합부(Wa)의 온도 정보에 기초하여, 직동 구동기(7) 및 회전 구동기(8)를 피드백 제어하는 형태를 채용하여도 좋다.
상기 설명으로부터, 당업자에게는 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 분명할 것이다. 따라서, 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명의 마찰 교반 접합 장치 및 그의 운전 방법은, 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있기 때문에 유용하다. 또한, 본 발명에 따른 이음새 구조는 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합함으로써, 견고한 이음새 구조를 제공할 수 있기 때문에 유용하다.
2: 기체 3: 가동체
4: 툴 유지체 5: 만곡 프레임
6: 지지대 7: 직동 구동기
8: 회전 구동기 9: 로봇
10: 툴 10a: 제1 선단부
10b: 제2 선단부 10c: 선단면
10d: 선단면 41: 제1 연화 부분
42: 제2 연화 부분 101: 마찰 교반 접합 장치
110: 제어 장치 110a: 연산기
110b: 기억기 110c: 제1 데이터
Ap: 앵커 부분 h: 높이
ha: 높이 r1: 길이
r2: 길이 t1: 높이
t2: 높이 t3: 높이
W: 피접합물 W1: 제1 부재
W2: 제2 부재 W3: 제3 부재
Wa: 피접합부 X: 축선

Claims (11)

  1. 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서,
    상기 마찰 교반 접합 장치는,
    원주형으로 형성되고, 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따르는 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성되어 있는 툴과,
    상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와,
    상기 툴을 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기와,
    제어 장치를 구비하고,
    상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 상기 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고,
    상기 제3 부재는 상기 제2 부재보다 경도가 높게 구성되어 있으며,
    상기 제어 장치는, 상기 피접합물을, 상기 제1 부재가 상기 툴과 마주하면서 동시에 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재의 순으로 되도록 배치하는 (A)와,
    상기 툴을 회전시킨 상태에서, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물의 피접합부를 압압하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하는 (B)와,
    상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하여, 연화된 상기 제3 부재가 상기 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장하도록, 상기 툴의 선단부를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치에 도달시키는 (C)와,
    상기 툴을 회전시킨 상태에서 상기 피접합부로부터 인발하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하는 (D)를 실행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 툴의 선단부는 제1 선단부와, 상기 제1 선단부보다 기단 측에 위치하는 제2 선단부를 구비하고,
    상기 제1 선단부 및 상기 제2 선단부는 각각 원뿔대 형상으로 형성되어 있고,
    상기 제1 선단부는 그 선단면의 면적이 상기 제2 선단부의 선단면의 면적보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 (C)에서, 상기 툴의 선단부가 미리 설정되어 있는 소정의 제1 시간 이내에 상기 제1 위치에 도달하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피접합부의 온도를 검출하는 온도 검출기를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 (C)에서, 상기 온도 검출기가 검출한 온도에 기초하여, 상기 툴의 선단부가 상기 제1 시간 이내에 상기 제1 위치에 도달하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 피접합부의 온도와, 상기 툴의 압압력 및 회전수와의 상관 관계를 나타내는 제1 데이터가 기억되어 있는 기억 장치를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 (C)에서, 상기 기억 장치에 기억되어 있는 제1 데이터에 기초하여, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
  6. 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법으로서,
    상기 마찰 교반 접합 장치는,
    원주형으로 형성되고, 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따르는 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성되어 있는 툴과,
    상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와,
    상기 툴을 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기를 구비하고,
    상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 상기 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고,
    상기 제3 부재는 상기 제2 부재보다 경도가 높게 구성되어 있으며,
    상기 피접합물을, 상기 제1 부재가 상기 툴과 마주하면서 동시에 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재의 순으로 되도록 배치하는 (A)와,
    상기 툴을 회전시킨 상태에서, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물의 피접합부를 압압하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 (B)와,
    상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하여, 연화된 상기 제3 부재가 상기 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장하도록, 상기 툴의 선단부를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치에 도달시키는 (C)와,
    상기 툴을 회전시킨 상태에서 상기 피접합부로부터 인발하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 (D)를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 툴의 선단부는 제1 선단부와, 상기 제1 선단부보다 기단 측에 위치하는 제2 선단부를 구비하고,
    상기 제1 선단부 및 상기 제2 선단부는 각각 원뿔대 형상으로 형성되어 있고,
    상기 제1 선단부는 그 선단면의 면적이 상기 제2 선단부의 선단면의 면적보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 (C)에서, 상기 툴의 선단부가 미리 설정되어 있는 소정의 제1 시간 이내에 상기 제1 위치에 도달하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 피접합부의 온도를 검출하는 온도 검출기를 더 구비하고,
    상기 (C)에서, 상기 온도 검출기가 검출한 온도에 기초하여, 상기 툴의 선단부가 상기 제1 시간 이내에 상기 제1 위치에 도달하도록, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피접합부의 온도와, 상기 툴의 압압력 및 회전수와의 상관 관계를 나타내는 제1 데이터가 기억되어 있는 기억 장치를 더 구비하고,
    상기 (C)에서, 상기 기억 장치에 기억되어 있는 제1 데이터에 기초하여, 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치의 운전 방법.
  11. 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물이 피접합부에서 접합됨으로써 형성되는 이음새 구조로서,
    상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는 상기 제1 부재보다 융점이 높게 구성되어 있고,
    상기 제3 부재는 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재보다 재료 경도가 높게 구성되어 있고,
    상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재는, 위에서부터 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재의 순서가 되도록 배치되어 있고,
    상기 피접합부는, 상기 제3 부재 유래의 재료가 상기 제2 부재의 상면보다 상방으로 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이음새 구조.
KR1020217013373A 2018-10-11 2019-10-10 마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조 KR102477654B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018192520 2018-10-11
JPJP-P-2018-192520 2018-10-11
PCT/JP2019/040048 WO2020075813A1 (ja) 2018-10-11 2019-10-10 摩擦攪拌接合装置、その運転方法、及び継手構造

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210066901A KR20210066901A (ko) 2021-06-07
KR102477654B1 true KR102477654B1 (ko) 2022-12-14

Family

ID=70164581

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217013373A KR102477654B1 (ko) 2018-10-11 2019-10-10 마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20210339337A1 (ko)
JP (1) JP7278300B2 (ko)
KR (1) KR102477654B1 (ko)
CN (1) CN112770863B (ko)
DE (1) DE112019005114T5 (ko)
WO (1) WO2020075813A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7223651B2 (ja) * 2019-07-01 2023-02-16 川崎重工業株式会社 接合システム及びその運転方法
WO2021070237A1 (ja) * 2019-10-08 2021-04-15 ヤマザキマザック株式会社 攪拌ピン、摩擦攪拌接合用工具、および、工作機械

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6458539B2 (ja) 2015-02-20 2019-01-30 スズキ株式会社 摩擦攪拌接合用ツールを用いた三層以上の積層構造接合体の製造方法とその方法により製造された積層構造接合体
JP6505618B2 (ja) 2016-02-05 2019-04-24 株式会社東芝 摩擦攪拌接合方法および接合体

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5854451B2 (ja) * 1978-08-23 1983-12-05 オムロン株式会社 埋込型回路遮断器
JP3471338B2 (ja) * 2001-07-30 2003-12-02 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌接合装置
JP3538406B2 (ja) * 2001-10-17 2004-06-14 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌接合装置
SE522075C2 (sv) * 2001-10-23 2004-01-13 Svensk Kaernbraenslehantering Förfarande för friktionsomröringssvetsning
JP3538419B2 (ja) * 2002-08-20 2004-06-14 川崎重工業株式会社 摩擦撹拌接合装置
US20050092809A1 (en) * 2003-10-29 2005-05-05 Mazda Motor Corporation Friction agitation welding apparatus
JP4218888B2 (ja) * 2004-01-26 2009-02-04 Ｏｂａｒａ株式会社 Ｃ型摩擦撹拌スポット接合ガン
JP4148152B2 (ja) * 2004-02-16 2008-09-10 マツダ株式会社 摩擦点接合構造
JP4537132B2 (ja) * 2004-07-07 2010-09-01 川崎重工業株式会社 スポット接合用摩擦攪拌接合方法
WO2007067659A2 (en) * 2005-12-06 2007-06-14 Tol-O-Matic, Inc. Rotatable tool and apparatus therefor
JP4867538B2 (ja) * 2006-09-19 2012-02-01 マツダ株式会社 摩擦接合方法
JP4770661B2 (ja) * 2006-09-19 2011-09-14 マツダ株式会社 摩擦点接合方法
KR100986934B1 (ko) * 2007-07-13 2010-10-08 현대자동차주식회사 연료전지의 금속분리판 용접장치
JP5081609B2 (ja) * 2007-12-21 2012-11-28 川崎重工業株式会社 摩擦撹拌スポット接合装置
JP2009202828A (ja) 2008-02-29 2009-09-10 Mazda Motor Corp 車体の製造方法および製造ライン
US20110180587A1 (en) * 2008-06-26 2011-07-28 Edison Welding Institute, Inc. Friction stir welding tool
JP5391046B2 (ja) * 2009-12-07 2014-01-15 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌接合装置及びその接合方法
JP5854451B2 (ja) * 2011-02-18 2016-02-09 広島県 異種金属板の接合方法
JP5893533B2 (ja) * 2012-09-04 2016-03-23 株式会社エフテック 摩擦攪拌接合装置
JP5788862B2 (ja) * 2012-12-28 2015-10-07 株式会社エフテック 摩擦攪拌接合装置
CN104646820B (zh) * 2013-11-25 2017-07-21 中国兵器工业第五二研究所 一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头及其焊接方法
JP6126706B2 (ja) * 2013-12-27 2017-05-10 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌点接合装置および摩擦攪拌点接合方法、並びに、摩擦攪拌点接合の面直検出装置
KR20170028356A (ko) * 2014-07-10 2017-03-13 스미토모덴키고교가부시키가이샤 회전 툴 및 접합 방법
US20160008918A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Dwight A. Burford Controlled speed friction stir tool probe bodies having non-linear, continuous, monotonically-decreasing curved axial profiles and integrated surface features
KR101854794B1 (ko) * 2014-10-23 2018-05-08 카와사키 주코교 카부시키 카이샤 마찰 교반 점 접합 장치 및 마찰 교반 점 접합 방법
JP2016124002A (ja) * 2014-12-26 2016-07-11 トヨタ自動車株式会社 摩擦点接合装置および摩擦点接合方法
JP6344261B2 (ja) * 2015-02-20 2018-06-20 スズキ株式会社 摩擦攪拌接合用ツールを用いた三層以上の積層構造接合体の製造方法とその方法により製造された積層構造接合体
DE102015010638A1 (de) * 2015-08-13 2017-02-16 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum homogenen Verschweißen flächig gebogener Strukturen durch Rührreibschweißen
JP6276739B2 (ja) * 2015-10-21 2018-02-07 川崎重工業株式会社 摩擦撹拌点接合装置及び摩擦撹拌点接合方法
JP6393707B2 (ja) * 2016-04-28 2018-09-19 川崎重工業株式会社 点接合装置、点接合方法及び継手構造
JP6309183B1 (ja) * 2016-06-27 2018-04-11 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌点接合方法および摩擦攪拌点接合装置
JP6631437B2 (ja) * 2016-08-04 2020-01-15 トヨタ自動車株式会社 異種材接合方法
US11185944B2 (en) * 2016-10-31 2021-11-30 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Friction stir spot welding device and friction stir spot welding method
JP2019058934A (ja) * 2017-09-27 2019-04-18 日本軽金属株式会社 液冷ジャケットの製造方法
JP6927067B2 (ja) * 2018-02-01 2021-08-25 日本軽金属株式会社 液冷ジャケットの製造方法
JP2019141850A (ja) * 2018-02-15 2019-08-29 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌点接合装置及びその運転方法
JP6971180B2 (ja) * 2018-03-19 2021-11-24 川崎重工業株式会社 摩擦接合装置及びその運転方法
JP6927128B2 (ja) * 2018-04-02 2021-08-25 日本軽金属株式会社 液冷ジャケットの製造方法
JP7024573B2 (ja) * 2018-04-20 2022-02-24 日本軽金属株式会社 伝熱板の製造方法及び摩擦攪拌接合方法
JP2020032429A (ja) * 2018-08-27 2020-03-05 日本軽金属株式会社 伝熱板の製造方法
JP7070389B2 (ja) * 2018-12-19 2022-05-18 日本軽金属株式会社 接合方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6458539B2 (ja) 2015-02-20 2019-01-30 スズキ株式会社 摩擦攪拌接合用ツールを用いた三層以上の積層構造接合体の製造方法とその方法により製造された積層構造接合体
JP6505618B2 (ja) 2016-02-05 2019-04-24 株式会社東芝 摩擦攪拌接合方法および接合体

Also Published As

Publication number Publication date
CN112770863B (zh) 2022-07-29
JP7278300B2 (ja) 2023-05-19
US20210339337A1 (en) 2021-11-04
JPWO2020075813A1 (ja) 2021-09-02
WO2020075813A1 (ja) 2020-04-16
KR20210066901A (ko) 2021-06-07
DE112019005114T5 (de) 2021-06-24
CN112770863A (zh) 2021-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4520927B2 (ja) 摩擦攪拌接合装置およびその制御方法
KR101854794B1 (ko) 마찰 교반 점 접합 장치 및 마찰 교반 점 접합 방법
KR102477654B1 (ko) 마찰 교반 접합 장치, 그의 운전 방법 및 이음새 구조
US7748593B2 (en) Friction stir welding apparatus and method of operating same
JP6670317B2 (ja) 摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法
KR102602950B1 (ko) 마찰교반 점접합 장치, 마찰교반 점접합된 피접합물, 및 숄더 부재
JP4630172B2 (ja) 摩擦攪拌接合装置およびその制御方法
JP2004141898A (ja) 摩擦攪拌接合方法および装置
CN109070264B (zh) 点接合装置、点接合方法及接头结构
JP5854451B2 (ja) 異種金属板の接合方法
KR102346140B1 (ko) 마찰 접합 장치 및 그 운전 방법
KR20220024921A (ko) 접합 시스템 및 그 운전 방법
JP2001096378A (ja) 摩擦溶接方法及び溶接構造体
KR20200117002A (ko) 마찰 교반 점 접합 장치 및 그 운전 방법
JPWO2020032141A1 (ja) 摩擦攪拌接合装置及びその運転方法
US20070210140A1 (en) Friction stir welder and method for friction stir welding
JP6164862B2 (ja) シーム溶接方法及びシステム
JP7290521B2 (ja) ロボット用溶接ツールおよびロボット
JP2020104124A (ja) 摩擦攪拌接合装置及びその運転方法
EP1566234B1 (en) Precessing rivet and method for friction stir riveting
JP2552971B2 (ja) 溶接トーチ用ワイヤ送給ガイドパイプを有する溶接装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right