KR102759552B1 - 접합 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 접합 시스템은, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2), 및 제3 부재(W3)를 구비하는 피접합물(W)을 접합하는 접합 시스템으로서, 접합 시스템(100)은, 용접 장치(101)와, 마찰 교반 접합 장치(102)와, 용접 장치(101)에 의해, 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)를 용접하는 (A)와, (A) 후에, 제1 부재(W1)가 툴(10)의 선단부와 대향하도록, 피접합물(W)이 마찰 교반 접합 장치(102)에 배치되는 (B)와, (B) 후에, 직동 구동기(7) 및 회전 구동기(8)를 제어하여, 툴(10)의 선단부가 피접합물(W)을 압압하면서, 툴(10)을 축선 둘레로 회전시켜서, 연화된 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)가, 연화된 제1 부재(W1)에 꽂히도록 피접합물(W)을 접합시키는 (C)를 실행하도록 구성되어 있는 제어 장치(110)를 구비한다.

Description

접합 시스템 및 그 운전 방법

본 발명은 접합 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.

강제(鋼製) 판부재와 그보다 비중이 가벼운 경금속제 판재를 포함하는 차체를 제조하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 개시되어 있는 차체의 제조 방법에서는, 경금속제 판재와 강제 판재를 겹치고, 경금속제 판재 측으로부터 압압(押壓)되는 회전 툴의 마찰열로 경금속제 판재를 국소적으로 연화 및 소성 유동시킴으로써, 경금속제 판재와 강제 판재를 접합하는 제1 접합 공정과, 상기 제1 접합 공정에서 접합된 경금속제 판재 및 강제 판재와, 2장 이상의 강제 판재를 겹치고, 그의 복수 개소를 전기 저항 스폿 용접에 의해 접합하는 제2 접합 공정을 포함한다.

일본 특허공개 특개2009-202828호 공보

본 발명자들은, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 차체의 제조 방법과는 다르게, 3개의 부재를 접합하는 것이 가능한 접합 시스템 및 그 운전 방법을 생각해 냈다. 본 발명은 신규한 구성을 구비하는 접합 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 접합 시스템은, 제1 부재, 제2 부재, 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 접합 시스템으로서, 상기 접합 시스템은, 용접 장치와, 원기둥형으로 형성되고 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따르는 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성된 툴과, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 툴을 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기를 구비하는 마찰 교반 접합 장치와, 제어 장치를 구비하고, 상기 제1 부재는, 상기 제2 부재와는 다른 종류의 재료로 구성되어 있고, 상기 제2 부재는, 상기 제3 부재와 동일한 종류의 재료로 구성되어 있고, 상기 제어 장치는, 상기 용접 장치에 의해, 상기 제2 부재와 상기 제3 부재를 용접하는 (A)와, 상기 (A) 후에, 상기 제1 부재가 상기 툴의 선단부와 대향하도록, 상기 피접합물이 상기 마찰 교반 접합 장치에 배치되는 (B)와, 상기 (B) 후에, 상기 마찰 교반 접합 장치의 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하여, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물을 압압하면서, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시켜서, 연화된 제2 부재 및 제3 부재가, 연화된 제1 부재에 꽂히도록 피접합물을 접합시키는 (C)를 실행하도록 구성되어 있다.

이에 의해서, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 접합 시스템의 운전 방법은, 제1 부재, 제2 부재, 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 접합 시스템의 운전 방법으로서, 상기 접합 시스템은, 용접 장치와, 원기둥형으로 형성되고, 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따르는 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성된 툴과, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 툴을 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기를 구비하는 마찰 교반 접합 장치를 구비하고, 상기 제1 부재는, 상기 제2 부재와는 다른 종류의 재료로 구성되어 있고, 상기 제2 부재는, 상기 제3 부재와 동일한 종류의 재료로 구성되어 있고, 상기 용접 장치가, 상기 제2 부재와 상기 제3 부재를 용접하는 (A)와, 상기 (A) 후에, 상기 제1 부재가 상기 툴의 선단부와 대향하도록, 상기 피접합물이 상기 마찰 교반 접합 장치에 배치되는 (B)와, 상기 마찰 교반 접합 장치의 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하여, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물을 압압하면서, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전하여, 연화된 제2 부재 및 제3 부재가, 연화된 제1 부재에 꽂히도록 피접합물을 접합시키는 (C)를 실행하도록 구성되어 있다.

이에 의해서, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다.

본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여, 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해진다.

본 발명에 따른 접합 시스템 및 그 운전 방법에 의하면, 3개의 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 수 있다.

[도 1] 도 1은 본 실시예 1에 따른 접합 시스템의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다.
[도 2] 도 2는 도 1에 도시된 용접 장치의 일례를 도시하는 모식도이다.
[도 3] 도 3은 도 1에 도시된 마찰 교반 접합 장치의 개략적인 구성을 도시하는 개략도이다.
[도 4] 도 4는 본 실시예 1에 따른 접합 시스템의 동작의 일예를 도시하는 플로우 차트이다.
[도 5] 도 5는 본 실시예 1에 따른 접합 시스템에서 마찰 교반 접합 장치의 요부를 도시하는 모식도이다.
[도 6] 도 6은 본 실시예 2에 따른 접합 시스템에서 마찰 교반 접합 장치의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다.
[도 7] 도 7은 도 6에 도시된 마찰 교반 접합 장치의 요부를 도시하는 개략도이다.
[도 8] 도 8은 시험예 1, 2 및 참고예 1, 2의 조건으로 접합한 피접합물에 대해서, 인장 전단 시험을 수행한 결과를 나타내는 표이다.
[도 9] 도 9는 시험예 1의 조건으로 접합한 피접합물의 단면 사진이다.
[도 10] 도 10은 시험예 2의 조건으로 접합한 피접합물의 단면 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 한편, 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일 또는 대응하는 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 모든 도면에서, 본 발명을 설명하기 위해 필요한 구성 요소를 발췌하여 도시하고, 그 밖의 구성 요소에 대해서는 도시를 생략하고 있는 경우가 있다. 아울러, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

(실시예 1)

본 실시예 1에 따른 접합 시스템은, 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 접합 시스템으로서, 접합 시스템은 용접 장치와, 원기둥형으로 형성되고, 축선 둘레의 회전과 상기 축선을 따른 방향으로의 진퇴 이동이 가능하도록 구성된 툴과, 툴을 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 툴을 축선을 따라 진퇴 이동시키는 직동 구동기를 구비하는 마찰 교반 접합 장치와, 제어 장치를 구비하고, 제1 부재는 제2 부재와는 다른 종류의 재료로 구성되고, 제2 부재는 제3 부재와 동일한 종류의 재료로 구성되어 있고, 제어 장치는, 용접 장치에 의해, 제2 부재와 제3 부재를 용접시키는 (A)와, (A) 후에, 제1 부재가 툴의 선단부와 대향하도록, 피접합물이 마찰 교반 접합 장치에 배치되는 (B)와, (B) 후에, 마찰 교반 접합 장치의 직동 구동기 및 회전 구동기를 제어하여, 툴의 선단부가 피접합물을 압압하면서, 툴을 축선 둘레로 회전시켜서, 연화된 제2 부재 및 제3 부재가, 연화된 제1 부재에 꽂히도록, 피접합물을 접합시키는 (C)를 실행하도록 구성되어 있다.

또한, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템에서는, 제어 장치는, (C)에서, (A)에서 용접된 부분인 제1 부분의 적어도 일부가 연화되도록, 툴의 선단부의 위치를 설정하도록 구성되어도 좋다.

또한, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템에서는, 용접 장치는, 축선 방향에서 볼 때, 제1 부분이 툴의 선단부의 직경보다 크게 되도록, 제2 부재와 제3 부재를 용접하도록 구성되어도 좋다.

또한, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템에서는, 제어 장치는, (C)에서, 툴의 선단부가 축선 방향에서 볼 때, 제1 부분과 대향하도록, 툴의 선단부의 위치를 설정하도록 구성되어도 좋다.

이하에서, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템의 일례를 도 1 ~ 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

[접합 시스템의 구성]

도 1은 본 실시예 1에 따른 접합 시스템의 개략 구성을 도시하는 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)은, 용접 장치(101)와, 마찰 교반 접합 장치(102)와, 로봇(103)과, 제어 장치(110)를 구비하고 있고, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 구비하는 피접합물(W)을 접합하도록 구성되어 있다. 여기서, 용접 장치(101)와 마찰 교반 접합 장치(102)의 구성에 대해서는 후술한다.

제1 부재(W1)는 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)와는 다른 종류의 재료로 구성되어 있고, 본 실시예 1에서는, 판 형상으로 형성되어 있다. 제1 부재(W1)는 금속 재료(예를 들어, 알루미늄 또는 마그네슘), 또는 섬유 강화 플라스틱(예를 들어, 탄소 섬유 강화 플라스틱)으로 구성되어도 좋다.

제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)는 동일한 종류의 재료로 구성되어 있고, 본 실시예에서는 판 형상으로 형성되어 있다. 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)는 금속 재료(예를 들어, 강(고장력 강 또는 연강))로 구성되어도 좋다.

한편, 본 실시예 1에서는, 피접합물(W)이 판 형상의 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 임의의, 예를 들어, 직육면체 형상이라도 좋고, 원호 형상으로 형성되어도 좋다.

로봇(103)으로서는, 수평 다관절형·수직 다관절형 등의 로봇을 채용할 수 있다. 로봇(103)은 용접 장치(101)를 동작시키도록 구성되어도 좋고, 마찰 교반 접합 장치(102)를 동작시키도록 구성되어도 좋다. 또한, 로봇(103)은, 용접 장치(101) 및/또는 마찰 교반 접합 장치(102)에 피접합물(W)을 반송, 재치(載置)시키도록 구성되어 있어도 좋다. 여기서, 접합 시스템(100)은, 1대의 로봇(103)을 구비한 형태를 채용하여도 좋고, 복수 대의 로봇(103)을 구비한 형태를 채용하여도 좋다.

제어 장치(110)는 마이크로 프로세서, CPU 등의 연산기(110a)와, ROM, RAM 등의 기억기(110b)를 구비한다. 기억기(110b)에는, 기본 프로그램, 각종 고정 데이터 등의 정보가 기억되어 있다. 연산기(110a)는, 기억기(110b)에 기억되어 있는 기본 프로그램 등의 소프트웨어를 읽어 내어 실행함으로써, 용접 장치(101), 마찰 교반 접합 장치(102), 및 로봇(103)의 각종 동작을 제어한다.

한편, 제어 장치(110)는, 집중 제어하는 단독의 제어 장치(110)에 의해 구성되어 있어도 좋고, 서로 협동하여 분산 제어하는 복수의 제어 장치(110)에 의해 구성되어 있어도 좋다. 제어 장치(110)는 마이크로 컴퓨터로 구성되어도 좋고, MPU, PLC(Programmable Logic Controller), 논리 회로 등으로 구성되어도 좋다.

[용접 장치의 구성]

도 2는 도 1에 도시된 용접 장치의 일례를 도시하는 모식도이다. 한편, 도 2에서는, 용접 장치의 일부의 기재를 생략하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 용접 장치(101)는 한 쌍의 용접 전극(101A, 101B)을 구비하고, 용접 전극(101A)과 용접 전극(101B) 사이에, 고전압이 인가되도록 구성되어 있다.

그리고, 용접 전극(101A)과 용접 전극(101B)이, 맞닿아 있는 상태의 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)를 사이에 두고 압착시킨 상태에서, 고전압이 인가됨으로써, 이들 전극 사이에 전류가 흐른다. 이 때 발생하는 저항 열에 의해 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)의 맞닿아 있는 부분과 그 근방 부분이 용융되어 접합된다.

한편, 이하에서는, 용접 장치(101)에 의해 용접된 부분을 제1 부분(W11)이라고 칭하는 경우가 있다. 또한, 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)에서, 제1 부분(W11) 이외의 부분을 제2 부분(W12)이라고 칭하는 경우가 있다.

또한, 본 실시예 1에서는, 용접 장치(101)로서, 전기 저항 스폿 용접에 의해 용접을 실행하는 형태를 채용하였지만, 이에 한정되지 않는다. 용접 장치(101)로서는, 예를 들어, 레이저 용접에 의해 용접을 실행하는 형태를 채용하여도 좋고, 아크 용접에 의해 용접을 실행하는 형태를 채용하여도 좋다.

아울러, 용접 전극(101A) 및 용접 전극(101B)은, 각각의 선단부의 직경이, 후술하는 마찰 교반 접합 장치(102)의 툴(10)의 선단부의 직경보다도 크게 되도록 형성되어 있어도 좋다. 또한, 용접 장치(101)로서, 레이저 용접 또는 아크 용접에 의해 용접을 실행하는 형태를 채용하는 경우에는, 제어 장치(110)는, 제1 부분(W11)이, 툴(10)의 선단부보다 크게 되도록, 용접 장치(101)를 제어하여도 좋다.

이에 의해서, 후술하는 마찰 교반 접합 장치(102)의 축선(X) 방향에서 볼 때, 용접 장치(101)에 의해 용접된 제1 부분(W11)을, 툴(10)의 선단부의 크기보다 크게 할 수 있다.

[마찰 교반 접합 장치의 구성]

도 3은 도 1에 도시된 마찰 교반 접합 장치의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 마찰 교반 접합 장치(102)는, 툴(10), 기체(2), 가동체(3), 툴 유지체(4), 직동 구동기(7), 회전 구동기(8) 및 로봇(9)을 구비하고 있고, 피접합물(W)의 점 접합부(Wa)를 마찰열로 연화시키고, 교반하여 소성 유동시켜서, 마찰 교반 접합을 수행하도록 구성되어 있다.

기체(2)는 로봇(9)의 선단부에 착탈 가능하게 장착되어 있다. 여기서, 로봇(9)으로서는, 수평 다관절형·수직 다관절형 등의 로봇을 채용할 수 있다. 또한, 로봇(9)은 로봇(103)과 동일한 로봇이라도 좋고, 로봇(103)과는 다른 로봇이라도 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 일체로 되어, 축선(X)의 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 툴 유지체(4)의 선단부에는, 툴(10)이 착탈 가능하게 설치되어 있다. 여기서, 툴(10)의 착탈(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)로서는, 예를 들어, 전동 모터(서보 모터)와 볼 나사 또는 리니어 가이드 등을 이용하여도 좋고, 에어 실린더 등을 이용하여도 좋다.

가동체(3)의 내부에는, 회전 구동기(8)가 배치되어 있다. 회전 구동기(8)는 툴 유지체(4) 및 툴(10)을 축선(X) 둘레로 회전시키도록 구성되어 있다. 회전 구동기(8)로서는, 예를 들어, 전동 모터(서보 모터)를 이용하여도 좋다.

아울러, 기체(2)에는, 대략 C자 형상(대략 L자 형상)으로 형성되어 있는 만곡 프레임(5)이 고정되어 있다. 만곡 프레임(5)은, 그 선단부가 툴(10)에 대향하도록 형성된다. 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)가 C형 건(gun)(C형 프레임)으로 구성되어 있다.

[접합 시스템의 동작(접합 시스템의 운전 방법) 및 그 작용 효과]

다음으로, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)의 운전 방법에 대해서, 도 1 ~ 도 5를 참조하여 설명한다. 여기서, 이하의 동작은, 제어 장치(110)의 연산기(110a)가 기억기(110b)에 격납된 프로그램을 읽어 냄으로써 실행된다.

도 4는 본 실시예 1에 따른 접합 시스템의 동작의 일예를 도시하는 플로우 차트이다. 도 5는 본 실시예 1에 따른 접합 시스템에서의 마찰 교반 접합 장치의 요부를 도시하는 모식도로서, 툴에 의해 마찰 교반 접합을 실행한 상태를 도시한다.

먼저, 작업자가 입력기(도시 생략)를 조작하여, 제어 장치(110)에 피접합물(W)의 접합 실행을 하는 것을 나타내는 지시 정보가 입력되었다고 한다. 그 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어 장치(110)는 로봇(103)으로 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 반송시켜서, 용접 장치(101)에 배치시킨다(스텝 S101). 한편, 작업자가 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)를 용접 장치(101)에 배치하여도 좋다.

다음으로, 제어 장치(110)는, 용접 장치(101)로 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)를 용접시킨다(스텝 S102; 도 2 참조). 이때, 제어 장치(110)는, 용접 장치(101)로, 복수 개소에서, 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)를 용접시켜도 좋다.

다음으로, 제어 장치(110)는, 로봇(103)을 동작시켜서, 마찰 교반 접합 장치(102)의 지지대(6)에, 스텝 S102에서 용접한, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)와, 제1 부재(W1)를 재치시킨다(스텝 S103).

이 때, 제어 장치(110)는, 제1 부재(W1)가 툴(10)의 선단부와 대향하도록, 로봇(103)에 의해 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)와, 제1 부재(W1)를 재치시킨다(도 3 참조). 구체적으로는, 지지대(6) 상에, 용접된 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 놓고, 이들 부재 위에 제1 부재(W1)를 재치시킨다.

또한, 제어 장치(110)는, 축선(X) 방향에서 볼 때, 툴(10)의 선단부의 일부가 제1 부분(W11)과 대향하도록(겹치도록), 로봇(103)을 동작시켜도 좋고, 툴(10)의 선단부 전체가 제1 부분(W11)과 대향하도록(겹치도록), 로봇(103)을 동작시켜도 좋다.

한편, 작업자가 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)와, 제1 부재(W1)를 마찰 교반 접합 장치(102)의 지지대(6)에 재치시켜도 좋다.

다음으로, 제어 장치(110)는, 마찰 교반 접합 장치(102)의 회전 구동기(8)를 구동시켜서, 툴 유지체(4) 및 툴(10)을 소정의 회전수(예를 들어, 50 ∼ 6000 rpm)로 회전시킨다(스텝 S104). 이어서, 제어 장치(110)는 툴 유지체(4) 및 툴(10)을 회전시킨 상태에서, 직동 구동기(7)를 구동시켜서, 툴(10)의 선단부를 피접합물(W)의 점 접합부(Wa)에 맞닿게 한다(스텝 S105).

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 및 소정의 압압력은, 미리 실험 등에 의해서, 적절히 설정할 수 있다.

이에 의해서, 피접합물(W)의(제1 부재(W1)의) 피접합부(Wa)에 맞닿는 툴(10)의 선단부와 제1 부재(W1)의 피접합부(Wa)와의 마찰에 의해, 마찰열이 발생하고, 피접합물(W)의 피접합부(Wa)가 연화되어, 소성 유동이 발생한다.

다음으로, 제어 장치(110)는 툴(10)의 선단이 제1 위치까지 도달하도록, 직동 구동기(7)를 구동한다(스텝 S106). 여기서, 툴(10)의 선단의 위치 정보는 도시하지 않은 위치 검출기에 의해 검출되어 제어 장치(110)에 출력된다.

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 한 경우에, 0 %보다 크고, 또한, 100 % 미만의 사이에서 임의로 설정되는 위치를 말한다. 한편, 접합 강도를 향상시키는 관점에서, 제1 위치는, 제3 부재(W3)의 지지대(6)와 맞닿는 면에 가까운 쪽이 좋고, 25 % 이상이라도 되고, 50 % 이상이라도 좋으며, 75 % 이상이라도 좋고, 80 % 이상이라도 좋으며, 90 % 이상이라도 좋고, 95 % 이상이라도 좋다.

이에 의해서, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)도 연화되어, 소성 유동이 발생한다. 그리고, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)의 연화 부분인 제2 연화 부분(42)이 제1 부재(W1)의 연화 부분인 제1 연화 부분(41)으로 밀려 들어가 앵커 구조가 형성된다(도 5 참조). 한편, 본 명세서에서는, 제1 연화 부분(41)에 밀려 들어간 제2 연화 부분(42)을 앵커 부분이라고 칭한다.

또한, 용접 장치(101)에 의해 용접된 부분인 제1 부분(W11)의 적어도 일부의 부분도 연화된다. 이 때, 제1 부분(W11)의 연화 부분이 A1 변태점 이상의 온도가 되면, 툴(10)을 인발하였을 때에, 제2 연화 부분(42)을 마르텐사이트 변태시키는 것이 가능해진다. 따라서, 앵커 부분인 제2 연화 부분(42)의 강도를 크게 할 수 있고, 피접합물(W)의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

아울러, 제1 부분(W11)의 연화 부분이 A3 변태점 이상의 온도가 되면, 제2 연화 부분(42)을 마르텐사이트 변태시키는 비율을 증가시키는 것이 가능해진다. 따라서, 앵커 부분인 제2 연화 부분(42)의 강도를 더 크게 할 수 있고, 피접합물(W)의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

다음으로, 제어 장치(110)는 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하였는지 여부를 판정한다(스텝 S107). 여기서, 툴(10)의 선단부의 위치 정보는 도시하지 않은 위치 검출기에 의해 검출되어 제어 장치(110)에 출력된다.

제어 장치(110)는 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하지 않았다고 판정한 경우(스텝 S107에서 No)에는, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달할 때까지, 스텝 S106 및 스텝 S107의 처리가 실행된다. 한편, 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 제1 위치까지 도달하고 있다고 판정한 경우(스텝 S107에서 Yes)에는, 스텝 S108의 처리를 실행한다.

스텝 S108에서는, 제어 장치(110)는 툴 유지체(4) 및 툴(10)을 회전시킨 상태에서, 툴(10)의 선단부를 피접합부(Wa)로부터 인발하도록, 직동 구동기(7)를 구동시킨다. 제어 장치(110)는, 툴(10)의 선단부가 피접합부(Wa)로부터 인발될 때, 툴 유지체(4) 및 툴(10)의 회전이 정지하도록 회전 구동기(8)를 정지시키고, 본 프로그램을 종료한다. 한편, 복수의 피접합부(Wa)를 접합하는 경우에는, 제어 장치(110)는 툴 유지체(4) 및 툴(10)의 회전을 정지시키지 않고, 다음의 피접합부(Wa)의 접합을 개시하도록 구성되어도 좋다.

이와 같이 구성된 본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)에서는, 제어 장치(110)는 동일한 종류의 재료로 구성된 제2 부재(W2)와 제3 부재(W3)를 용접 장치(101)에 의해 용접시킨 후에, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 마찰 교반 접합 장치(102)에 의해 마찰 교반 접합시키도록 구성된다. 이에 의해서, 피접합물(W)을 충분히 접합할 수 있다.

또한, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)에서는, 제어 장치 (110)가, 용접 장치(101)에 의해 용접된 제1 부분(W11)의 적어도 일부가 연화되도록, 마찰 교반 접합 장치(102)를 동작시키도록 구성되어 있다.

이에 의해서, 제1 부분(W11)의 연화 부분이, A1 변태점 이상의 온도가 되면, 툴(10)을 인발하였을 때에, 제2 연화 부분(42)을 마르텐사이트 변태시키는 것이 가능해진다. 따라서, 앵커 부분인 제2 연화 부분(42)의 강도를 크게 할 수 있어, 피접합물(W)의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

아울러, 제1 부분(W11)의 연화 부분이 A3 변태점 이상의 온도가 되면, 제2 연화 부분(42)을 마르텐사이트 변태시키는 비율을 증가시키는 것이 가능해진다. 따라서, 앵커 부분인 제2 연화 부분(42)의 강도를 더 크게 할 수 있어, 피접합물(W)의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

(실시예 2)

본 실시예 2에 따른 접합 시스템은, 본 실시예 1에 따른 접합 시스템에서, 제어 장치는 (A)에서 용접 장치에 의해, 복수 개소에서 제2 부재와 제3 부재를 용접시키고, (C)에서 마찰 교반 접합 장치에 의해, (A)에서 용접한 부분인 제1 부분 이외의 부분인 제2 부분을 접합시키도록 구성되어 있다.

또한, 본 실시예 2에 따른 접합 시스템에서는, 제2 부분은, 축선 방향에서 볼 때, 인접한 제1 부분들 사이의 부분이라도 좋다.

아울러, 본 실시예 2에 따른 접합 시스템에서는, 인접하는 제1 부분들 사이의 거리는 15 ~ 40 mm이어도 좋다.

이하에서, 본 실시예 2에 따른 접합 시스템의 일례를 도 6 및 도 7을 참조하여 상세히 설명한다. 한편, 본 실시예 2에 따른 접합 시스템(100)은 본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)과 기본적인 구성이 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.

[접합 시스템의 동작 및 그 작용 효과]

도 6은 본 실시예 2에 따른 접합 시스템에서 마찰 교반 접합 장치의 개략적인 구성을 도시하는 모식도이다. 도 7은 도 6에 도시된 마찰 교반 접합 장치의 요부를 도시하는 모식도로서, 툴에 의해 마찰 교반 접합을 실행한 상태를 도시한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예 2에 따른 접합 시스템(100)의 동작은 본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)의 동작과 기본적으로 동일하지만, 마찰 교반 접합 장치(102)에 의해 접합물(W)을 마찰 교반 접합할 때에, 피접합부(Wa)의 위치(접합하는 위치)가 다르다.

구체적으로는, 제어 장치(110)는, 도 4의 스텝 S103에서, 축선(X) 방향에서 볼 때, 툴(10)의 선단부가, 제2 부분(W12)과 대향하도록(겹치도록), 로봇(103)을 동작시킨다. 한편, 제2 부분(W12)은 축선(X) 방향에서 볼 때, 인접하는 제1 부분(W11)들 사이의 부분이라도 좋다. 또한, 인접하는 제1 부분(W11)들 사이의 거리(D)(도 2 참조)는, 툴(10)의 선단부의 위치 결정을 용이하게 하는 관점에서, 15 mm 이상이라도 좋고, 피접합물(W)의 접합을 충분하게 하는 관점에서, 40 ㎜ 이하라도 좋다.

이와 같이 구성된 본 실시예 2에 따른 접합 시스템(100)에서도, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)로 이루어지는 피접합물(W)을 충분히 접합할 수 있다.

<시험예＞

다음으로, 본 실시예 1 및 2에 따른 접합 시스템(100) 및 상기 특허문헌 1에 개시된 차체의 제조 방법의 시험예에 대하여 설명한다.

<시험예 1>

본 실시예 1에 따른 접합 시스템(100)을 이용하여, 피접합물(W)의 접합 시험을 실행하였다. 여기서, 제1 부재(W1)로서, 1.0 mm의 알루미늄 합금판(A6061-T6)을 사용하고, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)로서, 1.2 mm의 980 MPa 급의 강판을 사용하였다.

선단(10a)(도 5 참조)의 직경이 4.40 mm인 툴(10)을 사용하고, 툴(10)의 회전수를 1500 rpm으로 설정하고, 툴(10)의 압압력을 14.7 kN으로 설정하였다. 또한, 툴(10)의 선단부의 도달 위치인 제1 위치를 제1 부재(W1)의 상면으로부터 하방으로 2.29 mm인 위치(제3 부재(W3)의 지지대(6)와 맞닿는 면으로부터 상방으로 1.11 mm인 위치)로 하였다.

<시험예 2>

본 실시예 2에 따른 접합 시스템(100)을 사용하여 피접합물(W)의 접합 시험을 실행하였다. 여기서, 제1 부재(W1)로서, 1.0 mm의 알루미늄 합금판(A6061-T6)을 사용하고, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)로서, 1.2 mm의 980 MPa 급의 강판을 사용하였다.

선단(10a)(도 7 참조)의 직경이 4.40 mm인 툴(10)을 사용하고, 툴(10)의 회전수를 1500 rpm으로 설정하고, 툴(10)의 압압력을 14.7 kN으로 설정하였다. 또한, 툴(10)의 선단부의 도달 위치인 제1 위치를 제1 부재(W1)의 상면으로부터 하방으로 2.33 mm인 위치(제3 부재(W3)의 지지대(6)와 맞닿는 면으로부터 상방으로 1.07 mm인 위치)로 하였다. 아울러, 툴(10)의 선단부가 피접합물(W)과 대향하는 부분인 제2 부분(W12)을 제1 부분(W11)으로부터 12 ㎜ 떨어진 위치로 설정하였다.

<참고예 1>

상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 마찰점 접합 장치에 의해, 1.0 mm의 알루미늄 합금(A6061-T6)의 판재와 1.2 mm 980 MPa 급의 강제 판재를 접합하였다. 선단의 직경이 2.35 mm인 회전 툴(툴(10))을 사용하고, 회전 툴의 회전수를 2500 rpm으로 설정하고, 회전 툴의 압압력을 2.94 kN으로 설정하였다. 또한, 회전 툴의 선단부의 도달 위치인 제1 위치를 알루미늄 합금의 판재의 상면으로부터 하방으로 0.96 ㎜의 위치로 하였다.

<참고예 2>

실시예 1에 따른 접합 시스템(100)의 용접 장치(101)에 의해, 2장의 1.2 mm의 980 MPa 급의 강판을 용접시켰다. 구체적으로는, 선단 직경이 6 mm인 전극을 사용하고, 압압력을 350 kgf로 하고, 통전 시간을 12 사이클로 하여, 용접을 수행하였다.

<시험 결과>

도 8은, 시험예 1, 2 및 참고예 1, 2의 조건으로 접합한 피접합물에 대해서, 인장 전단 시험(JIS Z 3136)을 수행한 결과를 나타내는 표이다. 도 9는 시험예 1의 조건으로 접합한 피접합물의 단면 사진이다. 도 10은 시험예 2의 조건으로 접합한 피접합물의 단면 사진이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 참고예 1의 조건으로 접합한 피접합물의 인장 전단 강도는, 참고예 2의 조건으로 접합한 피접합물의 인장 전단 강도에 비해 작다. 따라서, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 차체의 제조 방법에서는, 차체를 제조하는 공정에서, 마찰 교반 접합한 피접합물에 충격 등이 가해졌을 경우, 접합한 2개의 부재의 계면 부분에서, 박리 등이 발생할 우려가 있다. 또한, 스폿 용접에 의해, 3개의 부재를 접합한 후에도, 충격 등에 의해, 계면 부분에서 박리 등이 생겨서, 제품 전체로서, 접합 강도가 저하될 우려가 있다.

한편, 본 실시예 1, 2에 따른 접합 시스템(100)에서는, 용접 장치(101)에 의해, 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)를 견고하게 접합하고 있다. 따라서, 제조 공정에서, 피접합물(W)에 충격 등이 가해져도, 특허문헌 1에 개시되어 있는 차체의 제조 방법에 비하여, 박리 등이 발생할 우려를 충분히 저감할 수 있다.

또한, 특허문헌 1의 도 19에 개시되어 있는 바와 같이, 3개의 부재를 용접한 후의 인장 전단 강도는 3.0 kN 미만이다. 한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예 1, 2에 따른 접합 시스템(100)에 의해 접합한 피접합물(W)의 인장 전단 강도는 3.0 kN 이상이다.

이에 의해서, 본 실시예 1, 2에 따른 접합 시스템(100)에서는, 특허문헌 1에 개시되어 있는 차체의 제조 방법에 비하여, 접합 강도가 높은 피접합물이 얻어진다는 것이 나타났다.

아울러, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예 1, 2에 따른 접합 시스템(100)에 의해, 제1 부재(W1), 제2 부재(W2) 및 제3 부재(W3)로 이루어지는 피접합물(W)을 충분히 조성 유동시킬 수 있고, 3개의 부재가 충분히 접합될 수 있다는 것이 나타났다.

상술한 설명으로부터, 당업자에게는 본 발명의 많은 개선 또는 다른 실시예가 명확할 것이다. 따라서, 상기 설명은 단지 예시로서 해석되어야 하고, 당업자에게 본 발명을 실시하는 최선의 양태를 교시하기 위한 목적으로 제공되었다. 본 발명을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능의 세부 사항을 실질적으로 변경할 수 있다.

본 발명의 접합 시스템 및 그 운전 방법은, 제1 부재, 제2 부재, 및 제3 부재로 이루어지는 피접합물을 충분히 접합할 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
41: 제1 연화 부분
42: 제2 연화 부분
100: 접합 시스템
101: 용접 장치
101A: 용접 전극
101B: 용접 전극
102: 마찰 교반 접합 장치
103: 로봇
110: 제어 장치
110a: 연산기
110b: 기억기
W: 피접합물
W1: 제1 부재
W11: 제1 부분
W12: 제2 부분
W2: 제2 부재
W3: 제3 부재
Wa: 피접합부
X: 축선

Claims (16)

1. 제1 부재, 제2 부재, 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 접합 시스템으로서,
   상기 접합 시스템은,
   용접 장치와,
   원기둥형으로 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 구비하는 마찰 교반 접합 장치와,
   제어 장치를 구비하고,
   상기 제1 부재는, 상기 제2 부재와는 다른 종류의 재료로 구성되어 있고,
   상기 제2 부재는, 상기 제3 부재와 동일한 종류의 재료로 구성되어 있고,
   상기 제어 장치는, 상기 용접 장치에 의해, 상기 제2 부재와 상기 제3 부재를 용접하여, 용접한 부분인 제1 부분을 형성하는 (A)와,
   상기 (A) 후에, 상기 제1 부재가 상기 툴의 선단부와 대향하도록, 상기 피접합물이 상기 마찰 교반 접합 장치에 배치되는 (B)와,
   상기 (B) 후에, 상기 마찰 교반 접합 장치의 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하여, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물을 압압하면서, 상기 툴을 상기 축선 둘레로 회전시켜, 상기 제1 부재, 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재를 연화시켜, 피접합물을 접합시키는 (C)를 실행하도록 구성되며,
   상기 제어 장치는, 상기 (C)에서, 상기 제1 부분의 적어도 일부가 연화되도록, 상기 툴의 선단부의 위치를 설정하도록 구성되고,
   상기 (C)에서, 연화된 상기 제1 부분의 적어도 일부, 상기 제2 부재, 및 상기 제3 부재가, 연화된 상기 제1 부재에 밀려 들어가는 것을 특징으로 하는 접합 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (C)에서, 연화된 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재가, 연화된 상기 제1 부재에 꽂히도록, 상기 피접합물을 접합시키는 것을 특징으로 하는 접합 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 용접 장치는, 상기 축선 방향에서 볼 때, 상기 제1 부분이, 상기 툴의 선단부의 직경보다 크게 되도록, 상기 제2 부재와 상기 제3 부재를 용접하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어 장치는, 상기 (C)에서, 상기 툴의 선단부가, 상기 축선 방향에서 볼 때, 상기 제1 부분과 대향하도록, 상기 툴의 선단부의 위치를 설정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 시스템.
5. 제1 부재, 제2 부재, 및 제3 부재를 구비하는 피접합물을 접합하는 접합 시스템의 운전 방법으로서,
   상기 접합 시스템은,
   용접 장치와,
   원기둥형으로 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 구비하는 마찰 교반 접합 장치를 구비하고,
   상기 제1 부재는, 상기 제2 부재와는 다른 종류의 재료로 구성되어 있고,
   상기 제2 부재는, 상기 제3 부재와 동일한 종류의 재료로 구성되어 있고,
   상기 용접 장치가, 상기 제2 부재와 상기 제3 부재를 용접하여, 용접한 부분인 제1 부분을 형성하는 (A)와,
   상기 (A) 후에, 상기 제1 부재가 상기 툴의 선단부와 대향하도록, 상기 피접합물이 상기 마찰 교반 접합 장치에 배치되는 (B)와,
   상기 마찰 교반 접합 장치의 상기 직동 구동기 및 상기 회전 구동기가 동작하여, 상기 툴의 선단부가 상기 피접합물을 압압하면서, 상기 툴이 상기 축선 둘레로 회전하여, 상기 제1 부재. 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재를 연화시켜, 피접합물을 접합시키는 (C)를 실행하도록 구성되며,
   상기 (C)에서, 상기 제1 부분의 적어도 일부가 연화되도록, 상기 툴의 선단부의 위치가 설정되고,
   상기 (C)에서, 연화된 상기 제1 부분의 적어도 일부, 상기 제2 부재, 및 상기 제3 부재가, 연화된 상기 제1 부재에 밀려 들어가는 것을 특징으로 하는 접합 시스템의 운전 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 (C)에서, 연화된 상기 제2 부재 및 상기 제3 부재가, 연화된 상기 제1 부재에 꽂히도록, 상기 피접합물을 접합시키는 것을 특징으로 하는 접합 시스템의 운전 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 용접 장치는, 상기 축선 방향에서 볼 때, 상기 제1 부분이, 상기 툴의 선단부의 직경보다 크게 되도록, 상기 제2 부재와 상기 제3 부재를 용접하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합 시스템의 운전 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 (C)에서, 상기 축선 방향에서 볼 때, 상기 제1 부분과 대향하도록, 상기 툴의 선단부의 위치가 설정되는 것을 특징으로 하는 접합 시스템의 운전 방법.
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