KR20000062669A - 금속 용접 방법 및 금속 접합 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면 융점이 서로 다른 금속 부재를 높은 접합 강도로 접합하는 금속 용접 방법 및 금속 접합 구조를 제공한다.

납재층(7)이 용융 반응층(5)을 통해 용착된 시트(3)[도 6의 (a)]를 헤드(2)에 접촉시키고, 그 상태에서 가열 및 가압을 행하면, 납재층(7)의 하측에 용융 반응층(6)이 형성된다[도 6의(b)]. 이 상태로부터 통전과 가압을 더 지속시킴으로써, 납재층(7)에서 용융 반응층(6) 형성시에 미반응이었던 납재는 용융 반응층(5) 및 용융 반응층(6) 사이로부터 배출된다. 이 상태에서 통전과 가압을 더 지속시킴으로써, 용융 반응층(5, 6)의 2개 반응층끼리의 확산 반응이 이루어지고, 결과적으로 시트(3)와 헤드(2) 사이에는, 용융 반응층(5, 6)을 구성하고 있던 철, 알루미늄, 아연의 3원소계 합금의 접합층(10)이 형성된다[도 6의 (d)].

Description

금속 용접 방법 및 금속 접합 구조{METAL WELDING METHOD AND METAL JOINING STRUCTURE}

본 발명은, 금속 용접 방법 및 금속 접합 구조에 관한 것으로, 예를 들면 서로 다른 종류의 금속에 대하여 가열 및 가압을 실시하는 전기 저항 용접 등에 의해 접합하는 금속 용접 방법 및 금속 접합 구조에 관한 것이다.

종래에는, 예를 들어 융점이 서로 다른 2 종류의 금속 부재를 가열 및 가압을 실시함으로써 접합하는 기술이 널리 이용되고 있으며, 이러한 금속 접합 기술의 일례로서 전기 저항 용접 기술이 있다. 이 용접 기술은, 서로 다른 종류의 금속끼리를 접촉시키고, 그 접촉 상태에서 통전과 가압을 행함으로써 해당 접촉면에서의 전기 저항에 기인하는 발열을 이용하여 양 금속 부재를 접합하는 기술이다.

일본 특허 공개 제 1996-296416 호에는, 이러한 전기 저항 용접 기술을 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합에 응용한 기술이 제안되어 있다. 실린더 헤드와 밸브 시트를 전기 저항 용접에 의해 접합하면, 종래의 압입(壓入)에 의한 방법과 비교하여 밸브 시트의 재질 두께를 얇게 할 수 있을 뿐만 아니라, 실린더 헤드의 급배기 포트의 개구 직경을 크게 할 수 있어, 엔진 설계의 자유도를 크게 향상시키는 기술이다.

그러나, 경합금계의 실린더 헤드와 철(Fe)계 밸브 시트와의 접합면은 일반적으로 강도가 약하다고 알려져 있어, 내구성이 요구되는 해당 양 부재의 접합면으로서는 강도 부족 현상이 나타날 가능성이 있다.

본 발명은, 융점이 서로 다른 금속 부재를 높은 접합 강도로 접합하는 금속 용접 방법 및 금속 접합 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 금속 용접 방법은 이하의 구성을 특징으로 한다.

즉, 제 1 금속 부재와, 그 부재보다 융점이 낮은 제 2 금속 부재를 용접하는 금속 용접 방법으로서, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재와의 반응성이 우수한 제 3 금속 부재를, 상기 제 1 또는 제 2 금속 부재 중 적어도 한쪽의 부재에 용착시키고, 상기 제 3 금속 부재가 적어도 한쪽 부재에 용착된 상기 제 1 및 제 2 금속 부재에 대하여 가열 및 가압을 실시함으로써, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 상기 제 1 내지 제 3 금속 부재를 포함하는 3원소계 접합층에 의해서 용접하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 그들 금속 부재의 접촉 부위로부터 상기 제 3 금속 부재를 배출시킴으로써, 그들 금속 부재의 접촉 부위로부터 상기 제 3 금속 부재를 배출시키고, 그 배출후의 상기 접촉 부위에 상기 3원소계 접합층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 금속 접합 구조는 이하의 구성을 특징으로 한다.

즉, 제 1 금속 부재와, 그 부재보다 융점이 낮은 제 2 금속 부재가, 해당 제 1 및 제 2 금속 부재와, 그들 금속 부재와의 반응성이 우수한 제 3 금속 부재를 포함하는 3원소계 접합층을 개재시켜 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 접합 대상 부위의 주요부 단면도,

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합면 구조를 도시한 확대 단면도,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 밸브 시트의 접합전의 형상을 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합 공정을 설명하는 도면,

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트와의 접합면의 상태 천이를 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합면의 조성을 모식적으로 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 밸브 시트와 실린더 헤드의 접합면의 조성을 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 밸브 시트와 실린더 헤드와의 접합시의 냉각 모습(수중에서 접합하는 경우)을 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 밸브 시트와 실린더 헤드와의 접합시의 냉각 모습(접합 대상 부위에 주수하는 경우)을 도시한 도면,

도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 금속 접합 장치의 시스템 구성을 도시한 도면,

도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 금속 접합 장치의 동작 제어 처리를 도시한 플로우차트,

도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 동작 제어 처리에 포함되는 용접 처리를 상세하게 도시한 플로우차트,

도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 전기 저항 용접시의 통전 및 가압 패턴을 도시한 도면,

도 14는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 전기 저항 용접시의 통전 패턴을 실행했을 때의 실린더 헤드의 온도 변화를 도시한 도면,

도 15는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 전기 저항 용접시의 통전 및 가압 패턴의 변형예를 도시한 도면,

도 16은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면(콜릿척의 경우의 정면도),

도 17은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면(콜릿척의 경우의 평면도),

도 18은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면(공기를 방출하는 경우의 정면도),

도 19는 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면(공기를 방출하는 경우의 평면도),

도 20은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면(서스펜션 링의 경우의 정면도),

도 21은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면(서스펜션 링의 경우의 평면도),

도 22는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합 공정을 설명하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 실린더 헤드 2a : 접합면

2b : 급배기 포트 3 : 밸브 시트

5, 6 : 용융 반응층 7 : 납재층,

10 : 접합층 21 : 전기 저항 용접 유닛

22 : 가압 실린더 23 : 플래튼(platen)

(제 1 실시예)

〈 금속 부재의 접합 방법〉

우선, 제 1 실시예에 있어서의 금속 부재의 접합 방법(용접 방법)에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 접합 대상 부위의 주요부 단면도로서, 실린더 헤드(2)의 흡배기용 포트의 개구 주연부를 도시한다.

이러한 도면에 도시하는 바와 같이, 피(被)용접 부재(제 2 금속 부재)인 실린더 헤드(이하, 헤드)(2)의 흡배기용 포트(2b)의 개구 주연부, 즉 엔진 완성시에 밸브(도시하지 않음)가 접촉하는 위치에는, 후술하는 방법에 의해, 제 1 금속 부재인 링 형상의 밸브 시트(이하, 시트)(3)가 접합면(2a)[시트(3)의 외주면(3a, 3b)]에 접합되어 있다. 헤드(2)에는 도 1에 도시하는 바와 같은 흡배기용 포트(2b)가 해당 헤드의 하측에서 보아 대략 정방형 형상으로 복수 설치되어 있고, 그들의 각 포트의 개구 주연부에는, 각각 시트(3)가 동 도면에 도시한 바와 같이 접합된다.

또한, 시트(3)의 내주면에는, 도시하지 않은 밸브 상면의 형상에 맞추어 도 1의 위쪽을 향해서 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 되어 있다.

본 실시예에 있어서, 헤드(2)는 경합금 재료인 알루미늄계 재료로 이루어지는 금속 부재이다. 또한, 시트(3)는 Fe계 재료로 이루어지는 금속 부재(소결재)이며, 그 내부에는 고전기 전도율 재료로서의 Cu계 재료가 용침(溶浸)되어 있다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합면의 구조를 도시하는 확대 단면도이며, 헤드(2)와 시트(3)는 후술하는 방법에 의해, Zn, Al, Fe을 주로 포함하는 0.3㎛정도의 3원소계 접합층[접합층(10)]에 의해서 야금학적으로 접합되어 있다.

이하, 전술한 접합 구조를 실현하는 헤드(2)와 시트(3)의 접합 방법에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 후술하는 제조 공정에서는, 생산성을 고려하여 헤드(2) 및 시트(3)의 상하가 도 1에 도시하는 상태와는 반대의 상태로 실행된다.

도 3은, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 밸브 시트의 접합전의 형상을 나타내는 단면도이다. 시트(3)의 외주면(3a, 3b)은, 동 도면에 도시하는 바와 같이, 테이퍼 형상으로 형성되어 있고, 외주면(3a)은 수직 방향에 대하여 θ1, 외주면(3b)은 수평 방향에 대하여 θ2의 각도를 갖는다. 이들의 외주면(3a, 3b)은 접합시에 헤드(2)의 개구 주연부(2a)에 접촉된다. 여기서, 시트(3)의 내주면(3c)이 도 1에 도시한 완성 형상과 상이한 것은, 후술하는 제조 공정에 있어서 해당 시트의 파지(把持)ㆍ해방 및 가압(押壓)을 용이하게 하기 위한 것으로, 도 1에 도시하는 완성 형상은 후속 공정(마무리 공정)에 있어서의 일반적인 절삭 및 연마 가공에 의해 획득된다.

또한, 시트(3)의 외주면(3a, 3b)에는, 헤드(2)와의 접합에 앞서, 도 3에는 도시하지 않은 납재층[납재층(7)]이 용착되어 있다. 이 납재층은 용융 상태의 납재에 시트(3)를 담그고, 그 상태의 시트(3)에 일반적인 초음파 도금을 실시하는 것에 의해 형성하면 된다. 여기서, 제 3 금속 부재인 납재는 약 95 중량%의 아연과 약 5 중량%의 경합금계의 부재(본 실시예에서는, 알루미늄)를 포함하는 공정 합금 혹은 구리와 알루미늄 등의 경합금계 부재와의 공정 합금이고, 납재층(7)의 융점은 시트(3) 및 헤드(2)보다도 낮다.

또한, 본 실시예에서는 해당 납재를 시트(3)에만 용착시키지만, 이것에 한정하지 않고, 헤드(2) 및 시트(3)의 양쪽에 해당 납재를 용착해도 무방하다.

다음에, 납재층에 의해 코팅된 시트(3)를 헤드(2)의 개구 주연부(2a)에 전기 저항 용접에 의해서 접합하는 공정에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트와의 접합 공정을 설명하는 도면이다.

본 실시예에 있어서 헤드(2)의 개구 주연부(2a)에는, 가압 및 통전이 개시되었을 때에, 주연부(2a)와 시트(3) 외주면 사이에 발생하는 열 확산이 그들 양쪽 부재 사이의 접촉면에 있어서 가능한 한 균등하게 실행되도록, 즉 통전에 의한 온도 상승에 의해 헤드(2)측에 국소적인 열 스폿이 발생하는 것을 방지하기 위해서, 미리 테이퍼가 설치되어 있다. 접합 공정에서는, 처음에 이 테이퍼 형상의 개구 주연부(2a)에 대하여, 미리 납재층에서 코팅된 시트(3)를 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이 접촉시킨다.

다음에, 도시하지 않은 용접 전극에 의해 시트(3)를 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 가압하는 동시에, 해당 용접 전극으로의 통전을 실행한다. 개구 주연부(2a)와 시트(3)의 외주면(3a, 3b)과의 접촉면에는 전기적인 저항이 존재한다. 이 때문에, 통전 상태가 지속됨에 따라 해당 접촉면은 가열 상태로 되고, 이 가열 상태와 가압 상태가 지속됨에 따라, 시트(3)는 도 4의 (c)에 도시하는 상태까지 매몰된 상태로 헤드(2)에 용접된다.

또한, 후술하는 제조 공정에는 헤드(2)와 시트(3)의 접합을 보다 양호하게 실행하도록, 상기의 도 4의 접합 공정을 수중에서 또는 접합 부위 근방에서 주수(注水)하면서 실행한다(상세한 것은 후술하기로 함).

다음에, 도 4에 도시한 바와 같이, 접합되는 헤드(2)와 시트(3)의 접합면에서의 상태 천이에 대하여 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트와의 접합면의 상태 천이를 도시한 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트의 접합면의 조성을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 5의 (a)는 공정 합금의 납재층(7)으로 덮힌 시트(3)의 접합 대상 부위[외주면(3a, 3b)에 상당]의 구조를 도시하고 있고, 납재층(7)은 두께가 1㎛ 이하의 용융 반응층(5)을 거쳐 시트(3)에 용착되어 있다. 도 6의 (a)는 납재층(7)으로 덮힌 시트(3)의 조성을 도시하고 있고, 용융 반응층(5)은 철 및 납재층(7)으로부터 확산된 납재 성분으로 이루어지는 확산층을 형성하고 있다. 즉, 용융 반응층(5)은 납재층(7)의 아연 성분이 밸브 시트(3)측에 확산됨에 따라 형성된 철-아연으로 이루어지는 확산층이다.

다음에, 납재층(7)으로 덮힌 시트(3)와 헤드(2)가 접촉됨과 동시에, 도 5에는 도시하지 않은 용접 전극에 의한 통전과 가압이 개시되면, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 납재층(7)과 헤드(2)의 접합 대상 부위[개구 주연부(2a)]가 용융 반응층(6)을 개재시켜 접합되고, 이에 따라 시트(3)와 헤드(2)는 용융 반응층(5, 6) 및 그들 용융 반응층 사이에 끼워지는 납재층(7)을 통해 접합(액상 확산 접합)된 상태로 된다. 이 때, 용융 반응층(5), 납재층(6) 및 용융 반응층(6)의 총 두께는0.3∼1.0㎛ 정도가 바람직하다.

도 6의 (b)는, 도 5의 (b)에 도시한 상태일 때의 시트(3)와 헤드(2)의 접합 부위의 조성을 도시하고 있고, 시트(3)에 용착되어 있던 납재층(7)의 하측에는, 헤드(2)가 접합됨에 따라 알루미늄 및 납재층(7)으로부터 확산된 납재 성분으로 이루어지는 확산층[용융 반응층(6)]이 추가로 형성되어 있다. 즉, 용융 반응층(6)은 납재층(7)의 아연 성분이 용융 상태로 실린더 헤드(2)측에 액상 확산됨에 따라 형성된 알루미늄-아연으로 이루어지는 확산층이다. 또한, 납재층(7)의 융점은 시트(3) 및 헤드(2)보다도 낮다.

여기서, 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)에 도시하는 상태에 있어서의 확산 반응에 대하여 보다 자세히 설명한다. 본 실시예에 있어서 납재층(7)은 전술한 바와 같이, 약 95 중량%의 아연 성분과 약 5 중량%의 알루미늄 성분의 공정 조성으로 이루어진다. 이 때문에, 납재층(7)의 융점은 약 380℃로 지극히 낮기 때문에, 통전 개시로부터 얼마되지 않아 일제히 용융한다. 그리고, 통전과 가압이 지속됨에 따라 시트(3)와 헤드(2)의 접촉면도 용융을 개시하기 때문에, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 시트(3)의 접합면부(3a)와 접합면부(3b)의 코너 부분이 헤드(2)와의 끼워 맞춤면[개구 주연부(2a)]을 소성 유동시키면서, 시트(3)가 헤드(2)에 매립되어 간다. 이에 따라, 헤드(2)의 접합면(2a)에 산화피막이 형성되어 있다고 해도, 그 산화피막을 상기 소성 유동에 의해서 파괴할 수 있다. 또한, 이 때 용융된 납재의 아연 성분은 헤드(2)측으로 액상 확산되어, 알루미늄-아연으로 이루어지는 용융 반응층(6)이 형성된다. 이 확산 반응에 의해, 헤드(2)와의 접합 부위측에서의 납재층(7)의 아연 성분의 비율은 저하(알루미늄 성분의 비율이 증가)하기 때문에, 용융 반응층(6)의 융점은 500℃ 정도 이상까지 고융점화하여, 그 결과 응고된다.

다음에, 전술한 용융 반응층(6)이 형성된 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)에 도시하는 상태로부터, 통전과 가압을 더 지속시킴으로써 납재층(7)에 아직 용융 상태로 있는 납재, 즉 용융 반응층(6)의 형성시에 미반응 상태였던 납재는 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이, 시트(3)와 헤드(2)의 접합면의 사이[용융 반응층(5, 6)의 사이]로부터, 해당 소성 유동에 의해 헤드(2)로부터 박리된 해당 산화피막의 성분과 오염물이 동시에 배출된다. 도 6의 (c)는 이러한 상태일 때의 시트(3)와 헤드(2)의 접합 부위의 조성을 도시하고 있다.

다음에, 전술한 납재층(7)이 배출된 도 5의 (c) 및 도 6의 (c)에 도시한 상태로부터, 통전과 가압을 더 지속함으로써 시트(3)측의 용융 반응층(5)과 헤드(2)측의 용융 반응층(6)의 2개의 용융 반응층(확산층)끼리의 확산 반응이 행해져, 결과적으로 도 5의 (d)에 도시하는 접합층(10)이 형성된다. 도 6의 (d)는 접합층(10)이 형성되었을 때의 상태를 도시하고 있고, 시트(3)와 헤드(2) 사이에는 용융 반응층(5, 6)을 구성하고 있는 철, 알루미늄, 아연의 3원소계의 합금층이 형성된다.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 밸브 시트와 실린더 헤드의 접합면의 조성을 도시한 도면이고, 가로축은 접합면에 대하여 수직 방향의 위치를 나타내며, 세로축은 각각의 금속 재료의 성분 비율을 나타낸다(단, 해당 접합면에서의 각 금속 재료 간의 실제 함유 비율의 관계를 나타내는 그래프는 아님).

동 도면에 도시하는 바와 같이, 시트(3)와 헤드(2) 사이에는 접합층(10)이 형성되어 있고, 그 접합층 및 그 근방에는 철, 알루미늄, 아연의 3원소계의 합금층이 형성되어 있다. 여기서, 구리는 소결재인 시트(3) 내부의 빈 구멍에 용침하기 위해 함유한 것이다.

이와 같이, 전술한 본 실시예에 관한 접합 방법에 의하면, 시트(3)와 헤드(2)는 납재층(7)을 개재시키지 않고 접합층(10)에 의해서 야금학적으로 용접된다. 이에 따라, 시트(3)와 헤드(2)의 접합면에 철-알루미늄의 무른 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지할 수 있고, 철-알루미늄-아연의 3원소계 합금층인 접합층(10)에 의해 시트(3)와 헤드(2)의 결합 강도를 매우 높일 수 있다.

또한, 시트(3)에 용착된 납재층(7) 및 용융 반응층(5)의 두께가 1㎛ 이하로 되도록 초음파 도금을 행하였다. 이에 따라, 용융 반응층(5)이 형성될 때에, 시트(3)측의 철 성분이 납재층(7)에 과도하게 확산되고, 그 결과, 형성된 용융 반응층(5)에 포함되는 납재 성분의 조성이 본래의 납재층(7)의 공정 조성 내지 그 근방 조성으로부터 크게 벗어나는 것을 방지할 수 있음과 동시에, 해당 공정 조성 내지 그 근방 조성으로부터 벗어난 납재 성분이 용융 반응층(5)에 많이 포함되게 되는 것을 방지할 수 있다. 일반적으로 알루미늄계의 헤드(2)의 융점은 철계 시트(3)의 융점보다 낮다. 이 때문에, 헤드(2)의 형상을 흐트러뜨리지 않고 시트(3)를 용접하기 위해서는 가능한 한 단시간내에 용접할 필요가 있는데, 전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 시트(3)와 납재층(7) 사이에 용융 반응층(5)이 형성된 후에도, 해당 반응층에 포함되는 납재 성분의 조성을 본래의 공정 조성 내지 그 근방 조성대로 유지해 놓을 수 있기 때문에, 헤드(2)에 대하여 시트(3)를 접합할 때, 납재층(7)을 용융시키기 위한 입열량을 최소한으로 할 수 있을 뿐만 아니라, 양쪽 부분재의 접합을 단시간내에 실행할 수 있어, 시트(3)의 변형이나 헤드(2)의 연화(軟化)를 억제할 수 있고, 산화피막의 파괴 효과나 납재의 배출 효과를 효율적으로 높일 수 있다.

또한, 시트(3)와 헤드(2)의 접합시에 납재층(7)의 납재 성분이 헤드(2)측으로 확산되어, 용융 반응층(6)을 형성함으로써, 해당 반응층의 융점은 500℃ 정도 이상까지 높아지기 때문에, 접합 완료후에는 사용한 납재의 융점 이상의 내열성을 갖게 된다.

또한, 시트(3)의 내부에 고전기 전도율의 구리계 재료가 용침되어 있기 때문에, 소결재인 시트(3) 내부의 공공(空孔)이 구리계 재료로 채워져 있다. 이 때문에, 접합시의 가압력에 의해서 해당 공공이 무너지는 것을 방지할 수 있고, 헤드(2) 접합면(2a)의 가성 유동, 통전에 의한 시트(3) 내부의 발열 억제, 납재층(7)의 용융 및 배출을 효율적으로 실행할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 후술하는 바와 같이 시트(3)와 헤드(2)를 수몰시킨 상태, 혹은 접합 대상 부위 근방에 주수(살수)하면서 접합한다. 이들의 접합 방법중, 주수하면서 접합하는 경우에 있어서는, 용접 전극으로의 통전과 더불어 해당 접합 대상 부위에 주수된 물(water)이 비등 상태로 되는 것에 의해 기포가 발생하지만, 전술한 바와 같이 시트(3)의 표면에는 미리 납재층(7)이 형성되어 있기 때문에, 그 기포를 용융된 납재와 함께 밀어 낼 수 있다. 이에 따라, 응고후의 접합층(10)의 내부에 기공(기포)이 형성되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.

(접합 대상 부위의 냉각)

여기서, 시트(3)와 헤드(2)의 접합시에 있어서의 냉각 효과에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는, 시트(3)와 헤드(2)를 전술한 접합 방법에 의해 접합할 때, 그 접합면의 근방을 냉매인 물로써 냉각하기 위해서, 도 8 또는 도 9에 도시하는 바와 같이, 수중 또는 접합 대상 부위 근방에 주수함으로써 냉각한다. 이와 같이, 시트(3) 및 헤드(2) 그리고 용접 전극(24)을 냉각하면서 접합하는 것에 의해, 이하에 설명하는 특유의 효과를 얻을 수 있다.

즉, 냉각수에 의해서 적어도 헤드(2)를 냉각하는 것에 의해, 헤드(2)에 접촉하고 있는 물이 헤드(2)의 온도를 제어하는 냉매로써 직접적으로 기능하기 때문에, 접합면의 온도 제어가 곤란한 공기중에서 접합시키는 경우와 비교하여, 헤드(2)의 과도한 온도 상승을 방지할 수 있고, 접합면의 접합 프로세스를 최적의 상태로 용이하게 제어할 수 있다. 즉, 시트(3)와 비교하여 용융 온도(융점)가 낮은 헤드(2)의 불필요한 소성 변형을 방지하는 동시에, 시트(3)와 헤드(2)를 최적의 강도로 접합할 수 있으며, 양산 프로세스에 있어서는 접합 부위 품질의 격차를 억제할 수 있다.

또한, 접합시에 시트(3)까지 냉각시킴으로써, 헤드(2)에 대하여 용적이 매우 적어지고, 또한 열 용량이 작은 시트(3)가 헤드(2)의 접합면(2a)에 접합될 때까지 과도하고도 급속하게 고온 상태로 되는 것을 방지할 수 있어, 해당 시트의 변형 방지와 통전 완료후의 온도 저하에 기인하는 경화(quenching) 방지를 미연에 실현할 수 있다.

또한, 접합에 있어서 용접 전극(24)도 냉각시킴으로써, 해당 전극 열화의 주된 요인이 되는 접합에 수반되는 해당 전극 자체의 큰 온도 변화를 냉각수에 의해서 작게 할 수 있고, 시트(3)와 헤드(2)의 접합 부위에 발생하는 버(burr)와 구리제의 용접 전극(24)과의 합금화에 의해 발생하는 해당 전극의 손모(損耗)를 억제할 수 있다. 따라서, 1개의 용접 전극을 양산 프로세스에 있어서 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다. 또한, 용접 전극(24)과 헤드(2) 사이에 냉각수가 존재하기 때문에, 통전에 의해서 용융된 접합면(2a)의 알루미늄이 해당 접합 부위로부터 비산되는 것도 억제되기 때문에, 그 비산된 알루미늄이 전극(24)의 단부 부근으로 용착되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 시트(3)와 헤드(2)를 수몰시킨 상태에서 접합시킴으로써, 용접 전극을 냉각시키기 위해 해당 전극내에 수로를 설치할 필요가 없다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 전극(24)의 내부에 시트(3)를 유지하는 기구를 설치할 수 있어, 양산성을 향상시킬 수 있다.

〈금속 접합 장치〉

다음에, 전술한 바와 같이, 시트(3)와 헤드(2)를 접합하는 금속 접합 장치(링 부재 용접 장치)에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는, 해당 금속 접합 장치의 전체 구성, 용접시의 동작 제어 처리, 그 용접시의 통전 및 가압 방법 그리고 시트(3)를 파지하는 파지 기구에 대하여 순차적으로 설명한다.

(금속 접합 장치의 전체 구성)

도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 금속 접합 장치의 시스템 구성을 도시한 도면이다.

동 도면에 도시된 금속 접합 장치는 크게 나누어, 전기 저항 용접 유닛(21), X-Y스테이지(26), 냉각수 온도 조절ㆍ순환 제어 유닛(31) 그리고 제어 유닛(100)으로 구성되어 있고, 이들 각 콤포넌트는 제어 유닛(100)에 의해서 동작이 제어되고 있다. 또한, 해당 각 콤포넌트의 이동에 따른 위치 검출이나 동작 제어 자체는 일반적인 방법을 채용하는 것으로 하고, 이하의 설명에서는 시스템 전체의 동작 제어를 중심으로 설명한다.

전기 저항 용접 유닛(21)은 플래튼(23)을 개재시켜 장착된 용접 전극(24)을 가압 실린더(22)에 의해서 도 10에 도시하는 Z방향으로 이동 가능하며, 동시에, 도시하지 않은 아암에 의해서 회동이 가능하다. 또한, 용접 전극(24)은 시트(3)를 파지 및 해방하는 기구를 구비한다(상세한 것은 후술함).

구체적인 동작으로서, 전기 저항 용접 유닛(21)은 용접 처리가 개시되면, 도시하지 않은 시트 공급 위치로 용접 전극(24)을 이동시키고, 그 위치에서 시트(3)를 파지한다. 그리고 전기 저항 용접 유닛(21)은, 대상으로 하고 있는 헤드(2)의 용접 위치[개구 주연부(2a)]에 시트(3)를 파지한 상태로 용접 전극(24)을 이동시켜, 해당 위치로 시트(3)를 전기 저항 용접한다.

X-Y스테이지(26)는 냉각수로 채워진 수조(28)를 도 10에 도시하는 X 및 Y방향으로 이동할 수 있다. 구체적인 동작으로서, X-Y스테이지(26)는 용접 처리의 개시에 앞서, 수조(28)를 도 10에 파선으로 나타낸 소정 위치(컨테이너 공급 및 방출 위치)로 이동시키고, 그 위치에 있어서 복수의 헤드(2)가 세트된 컨테이너(27)가 수조(28)내로 도시하지 않은 탑재 이송 장치에 의해서 탑재 이송되면, 수조(28)를 소정의 용접 개시 위치(H. P)로 이동시킨다. 또한, 컨테이너(27)에는 용접 전극(24)과 한 쌍이 되는 통전용의 금속 부재(도시하지 않음)를 구비한다.

그리고 X-Y스테이지(26)는 용접 처리가 개시되면, 전기 저항 용접 유닛(21)에 의한 1개의 시트(3)의 용접이 완료되었을 때, 대상으로 하고 있는 헤드(2)의 다음 용접 위치[개구 주연부(2a)]가 용접 전극(24)의 바로 아래에 위치하도록 수조(28)를 이동시키는 동작을 반복하여 실행하고, 컨테이너(27)내의 모든 헤드(2)에 시트(3)가 접합되면, X-Y스테이지(26)는 수조(28)를 도 10에 파선으로 나타낸 소정 위치로 다시 이동시킨다.

냉각수 온도 조절ㆍ순환 제어 유닛(31)은, X-Y스테이지(26)상의 컨테이너(27)내의 냉각수를 신축 가능한 냉각수 순환 파이프(30)를 통해 순환시킴과 동시에 온도 조절함으로써, 소정의 온도로 유지한다.

(용접시의 동작 제어 처리)

여기서, 제어 유닛(100)에 의한 동작 제어에 대하여 설명한다. 제어 유닛(100)으로서는, 컴퓨터나 PLC(프로그래머블 콘트롤러) 등을 채용하면 되고, 그들 제어 장치의 도시하지 않은 CPU에, 도 11 및 도 12에 도시하는 제어 처리를 실현하는 소프트 웨어를 실행시키면 된다.

도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 금속 접합 장치의 동작 제어 처리를 도시하는 플로우차트이다. 여기서, 제어 유닛(100)에는 용접 전극(24)의 H. P 및 시트 공급 위치 그리고, X-Y스테이지(26)의 H. P, 컨테이너 공급ㆍ방출 위치 그리고 컨테이너내의 복수의 헤드(2)가 각각 갖는 개구 주연부(2a)를 용접 전극(24)의 바로 아래에 배치시키기 위한 위치 정보가 미리 기억되어 있다. 또한, 이들의 정보는 전기 저항 용접 유닛(21) 및 X-Y스테이지(26)에 기억해도 무방하다.

동 도면에 있어서, 단계(S1), 단계(S2) : 도 10에 파선으로 도시한 컨테이너 공급ㆍ방출 위치에 위치하는 장소의 컨테이너(27)가 탑재된 수조(28)를 미리 설정되어 있는 H. P로 복귀시키도록 X-Y스테이지(26)를 제어함[단계(S1)]과 동시에, 용접 전극(24)이 해당 시트 공급 위치에서 시트(3)를 파지하고, 그 시트를 파지한 상태로 미리 설정되어 있는 H. P로 복귀시키도록 전기 저항 용접 유닛(21)을 제어한다[단계(S2)].

단계(S3) : 용접을 행할 준비가 완료되었는지 여부, 즉 컨테이너(27)가 탑재된 수조(28) 및 용접 전극(24)이 각자의 H. P로 복귀하였는지 여부를 판단한다.

단계(S4) : 단계(S3)의 판단이 "예"일 때(준비 완료시)에는, 도 12를 참조하여 후술하는 용접 처리를 실행한다.

단계(S5) : 컨테이너(27)내의 모든 헤드(2)의 개구 주연부(2a)에 대하여 각각 시트(3)의 용접을 완료했는지 여부를 판단하여, "예"(모두 완료)일 때에는 단계(S8)로 진행하고, "아니오"[미처리의 개구 주연부(2a)가 있음]일 때에는 단계(S6) 및 단계(S7)로 진행한다.

단계(S6) 및 단계(S7) : 단계(S5)의 판단으로 "아니오"일 때에는, 미리 기억하고 있는 위치 정보에 따라서, 컨테이너(27)내 헤드(2)의 다음 용접 대상인 개구 주연부(2a)로 수조(28)를 이동시키도록 X-Y스테이지(26)를 제어하는[단계(S6)] 동시에, 용접 전극(24)이 해당 시트 공급 위치에서 시트(3)를 파지하고, 그 시트를 파지한 상태에서 용접 전극(24)의 H. P로 복귀시키도록 전기 저항 용접 유닛(21)을 제어한다[단계(S7)]. 단계(S6) 및 단계(S7)의 처리를 종료했을 때에는, 단계(S3)로 복귀한다.

단계(S8) : 단계(S5)의 판단에서 "예"일 때에는, 컨테이너(27)내의 모든 헤드(2)에 대하여 시트(3)가 접합된 것을 나타내기 때문에, 수조(28)를 해당 컨테이너 공급 및 방출 위치로 이동시키도록 X-Y스테이지(26)를 제어하여, 복귀시킨다.

그 후, 용접 처리가 완료된 컨테이너(27)는, 도시하지 않은 탑재 이송 기구에 의해서 수조(28)로부터 방출되고, 마무리 공정에서 시트(3)의 내주면부나 상면부 등에 대하여 일반적인 절삭 가공이 실시되어, 도 1에 도시한 완성 형상을 얻는다.

도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 동작 제어 처리에 포함되는 용접(전기 저항 용접) 처리를 상세히 나타내는 플로우 차트로, 도 11의 단계(S4)에 상당한다.

동 도면에 있어서, 단계(S41) : 시트(3)를 파지한 상태의 용접 전극(24)을 -Z방향으로 하강시키도록, 전기 저항 용접 유닛(21)의 가압 실린더(22)를 제어한다.

단계(S42) : 용접 전극(24)의 하강에 의해서 이번 용접 대상인 개구 주연부(2a)에 시트(3)가 접촉되면, 통전 동작과 가압 동작을 전기 저항 용접 유닛(21)에 개시시킨다.

단계(S43), 단계(S44) : 통전 동작과 가압 동작을 개시하여 소정 시간이 경과하면[단계(S43)], 해당 가압 동작을 지속시킨 채로의 상태에서, 후술하는 간헐 통전 처리 또는 통전 규제 처리를 행하도록[단계(S44)], 전기 저항 용접 유닛(21)을 제어한다. 여기서, 소정 시간은 시트(3)와 헤드(2)가 전술한 바와 같이, 야금학적인 용융 결합을 완료하는 데 필요로 하는 시간으로, 미리 설정해 놓는다.

단계(S45) : 간헐 통전 처리 또는 통전 규제 처리를 소정의 기간에 걸쳐 행하면, 통전과 가압을 종료하기 위해, 용접 전극(24)을 상승시키도록 전기 저항 용접 유닛(21)을 제어한다. 이 때, 용접 전극(24)에 파지하고 있는 시트(3)를 해방하는 방법으로서는 2가지가 있고, 여기에는 용접 전극(24)으로부터 시트(3)를 해방하고 나서 상승시키는 제 1 방법과, 다른 방법으로서, 시트(3)가 헤드(2)에 대하여 접합되어 있기 때문에, 그 접합에 의한 강도보다 작은 발기력으로 시트(3)가 해방되도록, 미리 시트(3)를 용접 전극(24)에 의해서 파지해 두고, 해당 전극을 상승 동작시킴에 따라 파지하고 있던 시트가 역학적으로 해방되는 제 2 방법이 있다. 어느 방법을 채용하는가는, 후술하는 용접 전극(24)의 기구에 따라 정하면 된다. 단, 될 수 있는 한 단시간에 1 공정을 완료해야만 하는 양산 프로세스에 있어서는, 시트(3)의 해방 동작을 굳이 실행할 필요가 없는 제 2 방법이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 용접 전극(24)이 시트(3)의 파지 기구를 구비하고 있고, 또한 해당 전극 자체가 도시하지 않은 아암과 함께 회동 가능하기 때문에, 해당 시트 공급 위치까지 새로운 시트(3)를 가지러 갈 수 있다. 또한, X-Y 스테이지(26)는 복수 헤드(2)의 용접 대상 부위를 소정의 용접 위치[용접 전극(24)의 H. P 바로 아래]로 순차적으로 이동시킬 수 있다. 이 때문에, 일반적인 위치 결정 제어 기술을 기본으로 하여, 제어 유닛(100)에 의해서 전기 저항 용접 유닛(21) 및 X-Y스테이지(26)를 연계시켜 동작시키는 것만으로, 시트(3)와 헤드(2)를 고정밀도로 접합할 수 있음과 동시에, 양산성을 확보할 수 있다.

(용접시의 통전 및 가압 방법)

다음에, 용접시의 통전 및 가압 방법에 대하여 설명한다.

도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 전기 저항 용접시의 통전 및 가압 패턴을 도시한 도면이다. 또한, 도 14는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 전기 저항 용접시의 통전 패턴을 실행하였을 때의 실린더 헤드의 온도 변화를 도시한 도면이다.

본 실시예에서는, 시트(3) 및 헤드(2)에 대한 통전 동작을, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이 펄스 형상으로 실행(통전의 턴온 기간에 있어서 약 70kA의 전류를 통전시키고, 오프 기간에는 0A로 하고 있음)시킴으로써 간헐적으로 행한다. 이러한 순서로 용접 전극(24)에 전류를 흐르게 하는 것은, 용접 완료후의 시트(3)의 온도를 서서히 내리는 것에 의해, 시트(3)의 온도가 급속히 저하함으로써 해당 시트가 과도하게 경화하는 것(소위 담금질)을 방지하기 위해서이다.

이 통전 및 가압 패턴에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 본 실시예에서는 시트(3)를 파지하고 있는 용접 전극(24)을 헤드(2)에 접촉시키고, 가압 실린더(22)에 의해 가압하면서 통전을 개시한다. 이 때, 소정의 전류가 시트(3)로부터 헤드(2)로 흐른다. 가압력은 29,420N(3,000kgf) 정도가 바람직하다. 그리고, 도 13에 도시하는 바와 같이, 이 가압력을 유지하면서, 가압 개시로부터 약 1.5초 경과후에 통전을 개시함으로써, 납재층(7)을 용융시킨다. 이 때의 전류값은, 70kA 정도가 바람직하다. 턴온 기간에 있어서의 통전 시간은 0.25∼1초이고 오프 기간은 0.1∼0.5초 정도이다. 통전시의 펄스수는 3∼9펄스(도 13 및 도 14에서는 4펄스)가 바람직하다. 또한, 가압 개시로부터 최초의 전류 펄스의 통전 개시까지의 시간 및 최후의 펄스의 통전 정지로부터 가압 정지까지의 시간은 1.5초로 하였다.

도 14에는 이러한 간헐 통전을 행하였을 때의 시트(3)의 온도 변화를 나타내고 있다. Fe 소재료로 이루어지는 시트(3)의 열 용량은 상당히 작기 때문에, 시트(3) 통전시의 저항 발열에 의한 온도 상승이 두드러지며, 특히 그 상하 방향(두께 방향) 중앙부에서는, 용접 전극(24)이나 헤드(2)로의 방열이 용이한 상하 단부와 비교하여 방열하기 어렵고, 최초의 전류 펄스의 턴온 기간에 있어서는 접합 완료후와 비교하여 시트(3) 및 헤드(2) 사이의 접촉 저항이 높기 때문에, 저항 발열량도 크다. 이 때문에 시트(3)의 상하 방향 중앙부의 온도는 그 최초의 전류 펄스의 통전 정지시에는 변태점(A1) 이상의 온도로 되어 있다.

이 단계에서, 시트(3)는 헤드(2)에 거의 완전히 매립된 상태로 되어 있기 때문에(도 4의 (c) 참조), 통전을 완전히 정지하는 것도 가능하지만, 이 경우 시트(3)는 변태점(A1)이상의 온도로부터 급격히 냉각되기 때문에, 그 상하 방향 중앙부에는 경화되어 경도가 상승하게 된다.

그래서, 본 실시예에서는 온도가 조금 저하한 시점에서 2회째의 전류 펄스를 인가한다. 이 때, 시트(3)와 헤드(2) 사이의 야금적인 접합은 완료되고, 시트(3)와 헤드(2) 사이에는 최초의 전류 펄스의 통전시와는 달리 접촉 저항이 감소해 있기 때문에, 그 접촉 저항의 감소에 따라 저항 발열량이 감소하여, 해당 양쪽 부분재로부터의 방열도 실행된다. 이 때문에, 2회째의 전류 펄스를 최초의 전류 펄스와 동일한 전류값으로 하더라도 큰 온도 상승은 발생하지 않는다. 그리고, 3회째 이후에도 마찬가지의 간헐 통전을 반복하여 실행함으로써, 시트(3)를 서서히 냉각시킬 수 있으므로, 시트(3)의 경도는 거의 상승하지 않는다. 이러한 간헐적인 통전을 하는 것에 의해, 본 실시예에서는 시트(3)의 경화를 방지할 수 있고, 후속 공정인 마무리 공정에서 절삭 가공시의 가공성 악화를 방지할 수 있다. 또한, 절삭 가공된 시트(3)의 밸브 접촉면이 매우 단단하기 때문에 밸브의 마모를 효율적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 전술한 간헐 통전을 행하고 있을 때, 가압 상태는 최초의 가압 개시시부터 동일한 가압력으로 지속시킨다. 이것은 용융 반응층(6)이 완전히 응고 냉각할 때까지 동일한 같은 가압력을 유지함으로써, 시트(3)와 헤드(2)의 열 팽창율이 서로 다른 것에 의한 접합면에서의 해당 양쪽 부재의 박리나 균열을 방지하기 위해서이다.

또한, 상기 도 13 및 도 14에 도시하는 간헐 통전에서는, 동일한 패턴의 전류 펄스를 복수회 통전하는 방법으로 하였지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 최초의 통전 기간내에 시트(3)와 헤드(2)의 야금학적인 접합을 완료시킬 수 있는 것이라면, 접합 완료후에는 통전 형태를 서서히 규제하는 방법을 채용해도 무방하다. 보다 구체적으로, 도 15의 (a)에 도시하는 패턴에서는, 시트(3)와 헤드(2)의 야금학적인 접합이 완료된 후에는 통전하는 전류를 연속적으로 감소시키고 있다. 또한, 도 15의 (b)에 도시하는 패턴에서는, 시트(3)와 헤드(2)의 야금학적인 접합이 완료된 후, 일단 통전을 정지시켜, 그 후 통전하는 전류를 연속적으로 감소시키고 있다. 그리고, 도 15의 (c)에 도시하는 패턴에서는, 최초의 전류 펄스에 의해서 시트(3)와 헤드(2)의 야금학적인 접합을 완료시킨 후, 그 최초의 전류 펄스보다 통전하는 전류값이 작은 전류 펄스를 복수회 통전하고 있다. 또한, 도 15의 (a)로부터 도 15의 (c)에 도시하는 어떠한 패턴에 있어서도 도 13의 경우와 마찬가지로 소정의 가압력으로 하고 있다.

(시트 파지 기구)

다음에, 용접 전극(24)의 시트 파지 기구에 대하여 설명한다. 본 실시예에 있어서, 용접 전극(24)은 시트(3)를 선단부 근방에 유지 가능한 유지 기구를 구비한다. 구체적인 기구에 대해서는, 이하에 설명하는 3종류의 기구가 있다.

도 16 및 도 17은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면으로, 해당 전극의 선단부 근방에 콜릿척을 구비하는 경우를 도시하고 있다.

도 16 및 도 17에 있어서, 용접 전극(24A)의 내부에는, 급배기 구멍(24A-1)으로부터 급배기되는 제어 에어에 따라 동작하는 피스톤(24A-2)과, 그 피스톤의 동작과 함께 도 16의 상하 방향으로 이동 가능한 콜릿척(24A-3)이 설치되어 있다. 콜릿척(24A-3)은 피스톤(24A-2)이 상사점에 위치할 때에는 위치(H1, H2)에 있어서 넓어진 상태로 되어, 시트(3)를 그 내주면에서 파지할 수 있다. 또한, 콜릿척(24A-3)은 피스톤(24A-2)이 하사점에 위치할 때, 도 16 및 도 17에 파선으로 도시한 바와 같이, 선단 부분이 오므라진 상태로 되어, 시트(3)를 해방 또는 세트할 수 있다.

또한, 도 18 및 도 19는 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면으로, 해당 전극의 선단부 근방으로부터 방출하는 공기에 의해서 시트(3)를 유지하는 경우를 도시하고 있다.

도 18 및 도 19에 있어서, 용접 전극(24B)의 내부에는, 냉각수의 통수로(24B-1)와, 공기 방출 구멍(24B-3)으로부터 공기를 방출시키기 위한 통기공(24B-2)이 설치되어 있다. 용접 전극(24B)은 전기 저항 용접 유닛(21)의 제어에 의해서 공기 방출 구멍(24B-3)으로부터 공기를 방출함으로써, 시트(3)를 위치(H1, H2)에서 유지할 수 있고, 해당 시트를 해방 또는 세트할 때에는 공기 방출 구멍(24B-3)으로부터의 공기 방출을 정지하면 된다.

또한, 통수로(24B-1)는 용접시에 용접 전극(24B)까지 냉각수에 수몰시키는 경우에는 생략할 수 있다.

또한, 도 20 및 도 21은 본 발명의 제 1 실시예로서의 용접 전극의 구조를 설명하는 도면으로, 해당 전극의 선단부 근방으로부터 방출하는 공기에 의해서 시트(3)를 유지하는 경우를 도시하고 있다.

도 20 및 도 21에 있어서, 용접 전극(24C)의 선단부에는, 서스펜션 링(24C-2)이 설치되어 있고, 그 서스펜션 링의 복원력에 의해서 시트(3)의 내주면에 장력을 인가함으로써, 해당 시트를 위치(H1, H2)에서 파지할 수 있다. 이 경우, 파지하고 있는 시트(3)의 해방 및 세트에 대한 특별한 제어 동작은 필요 없다.

또한, 용접 전극(24C)의 내부에는 냉각수의 통수로(24C-1)가 설치되어 있지만, 통수로(24C-1)는 용접시에 용접 전극(24C)까지 냉각수에 수몰시키는 경우에는 생략할 수 있다.

본 실시예에 관한 용접 전극(24)으로서는, 용접 전극(24A)내지 용접 전극(24C) 중 어떠한 타입을 채용해도 무방하다. 단, 전술한 도 12의 용접 처리의 단계(S45)에 있어서 해당 전극을 상승시킬 때에, 용접 전극(24A)의 경우에는 시트(3)의 해방 동작을 행할 필요가 있다. 또한, 용접 전극(24B)의 경우에는, 통기공(24B-2)으로의 공기 공급을 정지함으로써 시트(3)를 해방해도 무방하지만, 이 시점에서는 시트(3)는 헤드(2)에 대하여 접합되어 있기 때문에, 그 접합에 의한 강도보다 약한 강도로 시트(3)가 유지하도록 하는 공기를 공급함으로써, 용접 전극(24B)의 상승에 앞선 시트(3)의 해방 동작을 생략해도 무방하다. 또한, 용접 전극(24C)의 경우에는, 시트(3)와 헤드(2)의 접합에 의한 강도보다 약한 파지력의 서스펜션 링(24C-2)를 채용함으로써, 해당 전극의 상승 동작을 따라, 파지하고 있던 시트를 역학적으로 해방하면 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 시트(3)와 헤드(2)를 단시간에 또한 높은 접합 강도로 용접할 수 있는 동시에, 그 용접 방법을 양산 프로세스에 있어서 용이하게 실현할 수 있는 금속 접합 장치가 실현된다. 이에 따라, 밸브 시트를 실린더 헤드에 압입하는 일반적인 방법과 비교하여 해당 시트를 현격히 소형화하고 재질 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 동일 실린더 헤드의 인접하는 급배기 포트의 간격을 좁게 하거나, 스로트 직경을 크게 하는 구조를 채용할 수 있어, 엔진의 성능, 신뢰성 및 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

또한, 제 1 실시예에서는 시트(3)의 외주면에 두 가지의 테이퍼(3a, 3b)를 설치하였지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 통전에 의해서 개구 주연부(2a)와 시트(3) 외주면과의 사이에 발생하는 열확산을 보다 용이하게 하기 위해서는, 헤드(2)의 개구 주연부(2a)에 설치한 테이퍼면과 시트(3)의 외주면에 설치할 테이퍼면이 전체에 걸쳐 접촉하는 형상으로 해도 무방하다.

또한, 본 실시예에서는 시트(3)를 소결에 의해 제조하여 그 내부에 구리계 재료를 용침시키도록 하였지만, 시트(3) 내부의 밀도가 어느 정도 확보되어 있으면, 반드시 구리계 재료를 용침할 필요는 없다. 또한, 시트(3)를 소결한 후에 단조를 행하여 얻어지는 소결 단조재로 하는 것에 의해, 시트(3) 내부의 빈 구멍을 없애도 무방하다.

또한, 본 실시예에서는 시트(3) 및 헤드(2) 사이의 통전에 따른 발열에 의해, 납재층(7)에 있어서의 납재 성분의 융점 이상 온도로 가열을 행하여, 이에 따라 납재층(7)을 용융시키도록 하였지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 고주파 가열 등의 국부 가열에 의해서 납재층(7)을 용융시키도록 해도 무방하다.

또한, 본 실시예에서는, 납재의 재질을 아연이 95 중량%인 아연-알루미늄 공정 합금으로 하였지만, 공정 조성 내지 그 근방 조성(예를 들어 아연이 92∼98 중량%로 이루어지는 아연-알루미늄계 합금)으로 해도 무방하다. 이 경우, 납재층(7)의 융점을 400℃ 이상으로 할 수 있어, 시트(3)의 변형, 헤드(2)의 용융 또는 연화를 보다 확실하게 방지할 수 있으며, 시트(3) 및 헤드(2)의 접합 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

(제 2 실시예)

전술한 제 1 실시예에서는, 헤드(2)의 접합면(2a)에 미리 테이퍼를 설치하였지만, 본 실시예에서는 헤드(2)의 시트(3)와의 접합 부위에 테이퍼를 굳이 설치하지 않고, 헤드(2)에 급배기 포트를 형성했을 때에 형성된 대략 직각의 에지를 갖는 상태의 경우에 대하여 설명한다. 그 이외의 구성에 대해서는 제 1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.

도 22는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 실린더 헤드와 밸브 시트와의 접합 공정을 설명하는 도면으로, 이 도면에 있어서도 도 4와 마찬가지로 용접 전극(24)의 시트 유지 기구의 표현은 생략하고 있다.

본 실시예에서는, 도 22의 (a)에 도시하는 바와 같이, 헤드(2)의 시트(3)와의 접합 부위는 대략 직각의 에지를 갖는 상태로, 이러한 형상의 시트(2)에 대하여, 시트(3)를 접촉시킴과 동시에, 전술한 통전 동작과 가압 동작을 실행한다[도 22의 (b) 참조]. 이 때, 시트(3)의 접합면(3a)와 접합면(3b)에 의해 헤드(2)를 소성 유동시키면서 시트(3)가 헤드(2)에 매립되어 간다. 이렇게 하여 끼워 맞춤이 완료되면, 도 22의 (c)에 도시하는 바와 같이, 시트(3)가 헤드(2)에 완전히 매립된 상태로 되어, 야금학적인 접합이 완료된다.

이와 같이, 헤드(2)의 시트(3)와의 접합 부위에 테이퍼를 굳이 설치하지 않고, 헤드(2)에 급배기 포트를 형성했을 때에 형성된 대략 직각의 에지를 갖는 상태로 하면, 접합시에 시트가 접촉될 때에 해당 직각 부분에 열 스폿이 나타나기 때문에 국소적으로 용융되기 쉽게 된다. 그러나, 본 실시예에서는, 도 22의 (c)에 도시하는 바와 같이 접합시의 헤드(2)의 소성 변형량이 제 1 실시예에 설명한 헤드(2)와 비교하여 많기 때문에, 해당 접합 부위에 산화막이 부착되어 있는 경우에도, 그 접합 부위의 소성 변형에 의해서 산화막을 보다 효율 좋게 제거할 수 있어, 산화막에 의한 악영향을 방지할 수 있다. 또한, 도 22의 (c)에 도시하는 바와 같이, 접합시의 소성 변형에 의해 흡배기용 포트(2b) 내에 돌출하는 알루미늄의 양은 제 1 실시예와 비교하여 많아지지만, 이 돌출 부분은 제 1 실시예에서도 행하는 마무리 공정에서 깎아 없앨 수 있어, 해당 돌출 부분을 깎아 없애기 위한 새로운 마무리 공정이 발생하는 일은 없다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 제 1 실시예와 마찬가지로, 시트(3)와 헤드(2)를 단시간에 또한 높은 접합 강도로 용접할 수 있는 동시에, 또한 제 1 실시예의 경우와 비교하여, 헤드(2)에 테이퍼를 설치하는 공정을 생략함으로써 생산성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 전술한 각 실시예에서는, 용접 전극(24)이 소정 위치로 시트(3)를 취하러 가는 시스템 구성으로 하였지만, 해당 전극은 Z방향으로만 이동하여, 해당 전극에 대하여 시트(3)가 외부로 공급되는 시스템 구성으로 해도 무방하다.

또한, 냉매는 물에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 알칼리성의 이온수를 사용하면, 철제의 시트로의 악영향도 없어, 그들 알루미늄제의 헤드의 접합면(접합 부위)으로의 산화막 부착을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 이러한 특징이 있는 알칼리성의 이온수를 제 1 실시예에 설명한 테이퍼를 갖는 헤드(2)의 냉매로서 사용하면, 시트(3)와의 접합면에 산화막이 부착하는 것 자체를 거의 방지할 수 있으므로, 접합시의 소성 변형량이 제 2 실시예에 설명한 헤드(2)와 비교하여 적어도, 산화막에 의한 악영향을 방지할 수 있는 점에서 특히 유효한 냉매로 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 융점이 서로 다른 금속 부재끼리를 높은 접합 강도로 접합하는 금속 용접 방법 및 금속 접합 구조의 제공이 실현된다.

즉, 청구항 1 및 청구항 18의 발명에 의하면, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재의 접합면에, 상기 제 3 금속 부재를 포함하는 3원소계 접합층이 형성되기 때문에, 높은 접합 강도를 실현할 수 있다. 이 때, 재질의 조합예로서는 상기 제 1 금속 부재가 철계의 부재, 상기 제 2 금속 부재가 경합금계의 부재(청구항 6 및 청구항 19), 상기 제 3 금속 부재가 아연 또는 동과 경합금계의 부재를 포함하는 공정 합금(청구항 7 및 청구항 20)인 경우가 상정된다.

또한, 청구항 4 및 청구항 5의 발명에 의하면, 상기 제 3 금속 부재중, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재와 반응하지 않는 용융 상태의 제 3 금속 부재를 상기 접촉부로부터 배출할 수 있으므로, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재와 반응함으로써 응고한 제 3 금속 부재를 포함하는 두 종류의 확산 반응층에 의해, 높은 접합 강도를 실현할 수 있다.

또한, 청구항 8의 발명에 의하면, 제 1 및 제 2 금속 부재의 접합시에 있어서, 해당 제 2 금속 부재의 소성 변형이 커지기 때문에, 산화막이나 오염을 효율 적으로 제거할 수 있다.

또한, 청구항 10 및 청구항 13의 발명에 의하면, 제 1 금속 부재와 비교하여 융점이 낮은 제 2 금속 부재의 불필요한 소성 변형을 방지할 수 있다.

또한, 청구항 11 및 청구항 14의 발명에 의하면, 제 1 금속 부재와 비교하여 융점이 낮은 제 2 금속 부재의 불필요한 소성 변형을 방지하는 동시에, 열 용량이 적은 제 1 금속 부재가 제 2 금속 부재에 접합될 때까지, 과도하게 또한 급속하게 고온 상태로 되는 것을 방지할 수 있어, 통전 완료후의 온도 저하에 기인하는 경화를 미연에 방지할 수 있다.

또한, 청구항 16의 발명에 의하면, 전기 저항 용접에 의해서 상기 제 1 및 제 2 금속 부재에 가열 및 가압을 실시하는 경우에(청구항 15), 전극의 열화를 억제할 수 있다.

Claims (21)

1. 제 1 금속 부재와, 그 부재보다 융점이 낮은 제 2 금속 부재를 용접하는 금속 용접 방법에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 금속 부재와의 반응성이 우수한 제 3 금속 부재를 상기 제 1 또는 제 2 금속 부재중 적어도 한쪽의 부재에 용착하고,

   상기 제 3 금속 부재가 적어도 한쪽의 부재에 용착된 상기 제 1 및 제 2 금속 부재에 대하여 가열 및 가압을 실시함으로써, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재를, 상기 제 1 내지 제 3 금속 부재를 포함하는 3원소계 접합층에 의해서 용접하는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 상기 제 3 금속 부재를 상기 제 1 금속 부재에 대하여 제 1 확산층을 개재시켜 용접하는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 상기 제 3 금속 부재를 상기 제 2 금속 부재에 대하여 제 2 확산층을 개재시켜 용접하는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 그들 금속 부재의 접촉 부위로부터 상기 제 3 금속 부재를 배출시키는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 그들의 금속 부재의 접촉 부위로부터 상기 제 3 금속 부재를 배출시키고, 그 배출후의 상기 접촉 부위에 상기 3원소계 접합층을 형성하는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 금속 부재는 철계의 부재이고, 상기 제 2 금속 부재는 경합금계의 부재인 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 3 금속 부재는, 아연 또는 구리와 경합금계의 부재를 포함하는 공정 합금인 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 금속 부재의 상기 제 1 금속 부재와의 접합 부위는, 에지 형상을 갖는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 금속 부재를 상기 제 1 또는 제 2 금속 부재중 적어도 한쪽의 부재에 대하여 초음파 도금에 의해 용착하는 것을 특징으로 하는

   금속 용접 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 적어도 상기 제 2 금속 부재의 상기 제 1 금속 부재와의 접합 부위 근방을 냉각하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 상기 제 2 금속 부재의 접합면 근방을 그 부재의 외부로부터 냉매에 의해 냉각하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 냉매로서 물(water)을 사용하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 상기 제 2 금속 부재를 수몰시켜냉각하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 상기 제 1 금속 부재를 수몰시켜냉각하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 용접할 때, 전기 저항 용접에 의한 가열 및 가압을 실시하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 금속 부재를 전기 저항 용접에 의해 용접할 때, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재에 통전을 행하는 전극도 수몰시켜 냉각하는 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
17. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 3 금속 부재의 융점은 상기 제 1 금속 부재의 융점보다 낮고, 상기 제 2 금속 부재의 융점보다 높은 것을 특징으로 하는

    금속 용접 방법.
18. 제 1 금속 부재와 그 부재보다 융점이 낮은 제 2 금속 부재가, 상기 제 1 및 제 2 금속 부재와, 그들 금속 부재와의 반응성이 우수한 제 3 금속 부재를 포함하는 3원소계 접합층을 개재시켜 접합되어 있는 것을 특징으로 하는

    금속 접합 구조.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 제 1 금속 부재는 철계의 부재이고, 상기 제 2 금속 부재는 경합금계의 부재인 것을 특징으로 하는

    금속 접합 구조.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 제 3 금속 부재는 아연 또는 구리와 경합금계의 부재를 포함하는 공정합금인 것을 특징으로 하는

    금속 접합 구조.
21. 제 18 항에 있어서,

    상기 제 3 금속 부재의 융점은 상기 제 1 금속 부재의 융점보다 낮고, 상기 제 2 금속 부재의 융점보다 높은 것을 특징으로

    금속 접합 구조.