KR20020033015A

KR20020033015A - 마찰교반접합방법

Info

Publication number: KR20020033015A
Application number: KR1020010007226A
Authority: KR
Inventors: 에즈미마사쿠니; 후쿠요리가즈시게; 사토아키히로
Original assignee: 가나이 쓰도무; 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-05-04
Also published as: US20020190102A1; EP1201348A2; US20020050509A1; JP3538378B2; US7051916B2; EP1201348A3; CN1350902A; AU777236B2; TW495407B; JP2002137068A; AU2310201A

Abstract

본 발명의 목적은 경량이고 양호한 접합을 할 수 있는 마찰교반접합방법을 제공하는 데 있다.

이를 위하여 본 발명에서는 중공형재(10)의 면판(11)의 끝부와 중공형재(20)의 면판의 끝부를 맞대고 있다. 면판(21)의 단부는 돌출편(15)에 겹쳐져 있다. 맞댐부에 회전공구(50)의 작은 지름부(52)를 삽입하여 큰 지름부(51)측에서 보았을 때 우회전시키면서 맞댐부를 따라 이동시킨다. 이동방향은 도 1의 지면의 바로 앞으로부터 안쪽이다. 도 1에 있어서 회전공구의 축심으로부터 오른쪽이 유동화한 금속의 압력이 높다. 삽입한 작은 지름부(51)의 선단부로부터 중공부(10b, 10a)측까지의 부재의 두께는 오른쪽 측이 두껍다. 이에 의하면 압력이 높아지는 오른쪽부재의 두께가 두껍기 때문에 금속이 중공부(10a)측으로 유출되지 않는다. 왼쪽은 부재의 두께가 얇기 때문에 경량으로 할 수 있다.

Description

마찰교반접합방법{FRICTION STIR WELDING METHOD}

본 발명은 마찰교반접합방법에 관한 것으로, 특히 중공형재의 마찰교반접합에 적합한 것이다.

마찰교반접합방법은, 접합부에 삽입한 둥근 막대(丸棒)(회전공구라 함)를 회전시키면서 접합선을 따라 이동시켜 접합부를 발열, 연화시키고, 소성유동시켜 고체상 접합하는 방법이다. 회전공구는 큰 지름부와 작은 지름부로 이루어진다. 작은 지름부를 접합해야 할 부재에 삽입하고 큰 지름부의 끝면을 상기 부재에 접촉시키고 있다. 작은 지름부에는 나사를 설치하고 있다.

또 접합해야 할 2개의 부재의 회전공구의 삽입측에 볼록부를 설치하고, 이 볼록부의 금속으로 2개의 부재 사이의 간극을 메우도록 하고 있다. 회전공구의 큰 지름부를 볼록부내에 넣고 있다.

회전공구를 접합부의 금속에 삽입하지 않으면 안되기 때문에 접합부에는 큰 힘이 걸린다. 이 때문에 중공형재를 접합할 때에는 중공형재의 2개의 면판을 접속하는 접속판의 부분을 다른쪽의 중공형재와의 마찰교반접합위치로 하고 있다. 이는 상기 접속판으로 상기 힘을 지탱하여 중공형재의 변형을 방지하면서 마찰교반접합하는 것이다.

이들은 일본국 특개평11-90655호 공보(USP 6050474)에 나타나 있다.

마찰교반접합은, 회전공구를 접합해야 할 부재에 삽입하고, 금속을 유동화시켜 접합하는 것이다. 이 때문에 부재에 삽입한 작은 지름부의 선단부로부터 피접합부재의 뒤측(반대 큰지름부측의 것)까지의 두께가 얇은 경우, 유동화한 금속이 뒷면측으로 유출된다. 유출되지 않을 때까지 유출되는 쪽으로 부재를 팽창시킨다. 이를 포함하여 이하「유출한다」라고 한다. 이 때문에 유출된 금속을 보충하는 볼록부의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. 또 접합부에 빈 구멍을 생기게 한다. 또 금속이 유출되지 않도록 작은 지름부의 선단부로부터 뒤쪽까지 부재의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. 이 때문에 형재가 무거워지고 비싸게 된다.

본 발명의 목적은 경량이고 양호한 접합을 할 수 있는 마찰교반접합방법을제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 접합부의 종단면도,

도 2는 도 1의 평면도,

도 3은 본 발명의 일 실시예의 한 쌍의 중공형재의 종단면도,

도 4는 철도차량의 차체의 사시도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예의 접합부의 종단면도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 중공형재 11, 12, 21, 22 : 면판

15 : 돌출편 17, 27 : 볼록부

50 : 회전공구 51 : 큰 지름부

52 : 작은 지름부 A : 회전공구(50)의 이동방향

B : 회전공구(50)의 회전방향

각종 검토에 의해, 회전공구의 회전에 의하여 유동화한 금속의 압력은 회전공구의 축방향으로의 투영범위내의 전부에 있어서 동일하지는 않고 위치에 따라 압력이 다르다고 생각된다. 압력이 높은 위치는 회전공구의 회전방향과 이동방향으로 정해진다고 생각된다.

본 발명은 유동화한 금속의 압력이 높아지는 위치에 작은 지름부의 선단부로부터 부재의 뒤쪽까지의 두께가 두꺼운 부분을 위치시켜 마찰교반접합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예를 도 1 내지 도 4에 따라 설명한다. 철도차량의 차체 (500)는 측면을 구성하는 측면 구조체(501), 지붕을 구성하는 지붕 구조체(502), 바닥을 구성하는 언더프레임(503), 길이 방향의 끝부를 구성하는 박공 구조체(504)로 이루어진다. 측면 구조체(501), 지붕 구조체(502), 언더프레임(504)은 각각 복수의 압출형재(10, 20)를 접합하여 구성하고 있다. 압출형재(중공형재 ; 10, 20)의 길이 방향(압출방향)을 차체(500)의 길이방향으로 향하게 하고 있다. 압출형재(10, 20)는 알루미늄합금제의 중공형재이다. 측면 구조체(501)를 구성하는 중공형재(10, 20)의 구조에 대하여 설명한다. 다른 부분의 중공형재도 마찬가지이다.

중공형재(10, 20)는 실질적으로 평행한 2매의 면판(11, 21 ; 12, 22)과, 이 2매의 면판을 접속하는 복수의 접속판(13, 23)으로 이루어진다. 접속판(13, 23)은 면판(11, 21 ; 12, 22)에 대하여 경사져 있다. 즉 면판(11, 21 ; 12, 22), 접속판 (13, 23)에 의해 트러스를 구성하고 있다.

중공형재(10, 20)의 폭방향의 끝부의 접속판(14, 24)은 면판(11, 12, 21, 22)에 대하여 직교하고 있다. 접속판(14)과 면판(11, 12)의 접속부의 바깥면측에는 중공형재(20)의 면판(21, 22)이 겹쳐지는 오목부가 있다. 중공형재(10)의 끝부는 중공형재(20)의 면판(21, 22)에 겹친다. 면판(11, 22)의 끝부에는 면판(21, 22)을 지지하는 돌출편(15)이 있다. 돌출편(15)은 접속판(14)으로부터 돌출되어 있다. 돌출편(15)은 상기 오목부에 접속되어 있다.

면판(11, 12 ; 21, 22)의 끝부에는 중공형재(10, 20)의 바깥면측(두께 방향의 바깥쪽)으로 돌출하는 볼록부(17, 27)가 있다. 면판(11, 21 ; 12, 22) 및 볼록부 (17, 27)의 끝면은 중공형재(10, 20)의 두께 방향을 따르고 있다. 면판(11, 21) 및 볼록부(17)의 끝면[즉, 오목부의 면판(11, 12)측]은 접속판(14)의 판두께의 중심부근에 있다. 중공형재(10)의 면판(11, 12) 및 볼록부(17)의 끝면과 중공형재 (20)의 면판(21, 22) 및 볼록부(27)의 끝면이 맞대어져 있다.

면판(11, 12)과 면판(21, 22)은 동일면에 있고, 볼록부(17, 27)의 돌출치는 동일하다. 2개의 볼록부(17, 27)의 폭은 동일하다. 2개의 볼록부의 폭은 회전공구(50)의 큰 지름부(51)의 지름보다도 크다. 볼록부(17, 27)의 금속은 맞댄 부분의 간극을 메우는 금속의 원자재가 된다.

접합에 있어서, 2개의 중공형재(10, 20)는 가대(架臺)(100)에 고정한다. 101은 하면의 볼록부(17, 27)가 들어 가는 홈이다.

회전공구(50)는 큰 지름부(51)의 선단에 작은 지름부(52)를 설치하고 있다. 작은 지름부(52)에는 나사를 설치하고 있다. 접합에 있어서는 맞댐부에 회전공구 (50)를 삽입한다. 큰 지름부(51)의 하부를 볼록부(17, 27)내에 위치시킨다. 작은 지름부(52)는 면판(11, 21)의 맞댐부에 삽입한다. 작은 지름부(52)의 하단은 돌출편(15)에 약간 삽입하고 있다. 회전공구(50)를 회전시키면서 맞댐부의 접합선을 따라 이동시킨다.

회전공구(50)를 접합해야 할 부분에 삽입한 후, 회전공구(50)를 도 1에 있어서 지면의 바로 앞으로 부터 지면의 안쪽을 향하여 이동시킨다. 도 1의 평면도인 도 2에 있어서, A가 회전공구(50)의 이동방향이고, B가 회전공구(50)의 회전방향이다. 작은 지름부(52)의 나사는 왼쪽 돌림 나사이다. 큰 지름부(51)측으로부터 작은 지름부(52)측을 보았을 때, 회전공구(50)의 회전방향은 오른쪽(시계방향)이다. 회전공구(50)로부터 이동방향의 앞쪽을 보았을 때, 도 1과 마찬가지로 회전공구 (50)의 축심으로부터도 오른쪽에 돌출편(15)이 있다.

도 3의 상면측의 마찰교반접합이 종료하면 중공형재(10, 20)를 상하로 반전시켜 마찬가지로 마찰교반접합을 행한다. 회전공구(50)에 의해 유동화한 접합부의 금속의 압력은 회전공구(50)의 이동방향에 있어서 회전공구(50)의 축심에서부터 오른쪽 측이 왼쪽보다도 크다. 이는 회전공구(50)가 우회전하고 있기 때문에 회전공구(50)의 앞쪽의 접합되어 있지 않은 금속이 오른쪽으로 치우치기 때문이라고 생각된다.

도 1에 있어서 접속판(14)의 좌우에는 중공부(10b, 10a)가 있다. 접합부에 삽입한 작은 지름부(15)의 선단부로부터 좌우의 중공부(10b, 10a)까지의 거리는 오른쪽의 돌출편(15)쪽이 두껍다. 돌출편(15)은 면판(21)을 지지하기 때문에 비교적 두껍게 하고 있다. 이 때문에 압력이 높은 쪽 부재의 두께가 두껍다고 할 수 있다. 따라서 유동화한 금속은 돌출편(15)의 두께에 의해 중공부(10a)측으로 유출되는 일이 없어 접합부의 내부에 빈 구멍을 발생시키는 일이 없는 것이다.

한편, 회전공구(50)의 왼쪽의 압력은 오른쪽과 비교하여 낮다. 이는 회전공구(50)의 뒤쪽에는 접합되어 있지 않은 금속이 없기 때문이라고 생각된다. 이와 같이 회전공구(50)의 축심으로부터 왼쪽은 내부압력이 낮기 때문에 작은 지름부 (52)의 선단으로부터 접속판(13)의 왼쪽의 중공부(10b)까지의 부재의 두께는 얇게 할 수 있다. 이로써 중공형재(10)를 경량으로 할 수 있다.

상기「삽입한 작은 지름부(52)의 선단부로부터 중공부(10b, 10a)까지의 부재의 두께」를 도 1에 의해 설명한다. 압력이 높은 측에 있어서 금속의 유출을 방지하는 데 필요한 금속의 두께를 R이라 한다. 작은 지름부(52)의 축심으로부터 오른쪽 절반의 선단부를 따라 두께 R인 두께의 부재가 필요하다. 작은 지름부(52)의 오른쪽 선단의 각진 부에는 이 각진 부를 중심으로 하여 반경 R인 두께의 부재가 필요하다. 상기「삽입한 작은 지름부(52)의 선단부로부터 중공부(10b)까지의 부재의 두께」란, 이와 같이 수평방향의 두께도 말한다. 작은 지름부(52)의 축심으로부터 왼쪽 절반의 선단부를 따른 부재의 두께는 두께(R)보다도 얇다.

여기서 나사의 방향 및 회전공구(50)의 회전방향이 상기와 동일하나, 중공형재(10, 20)의 방향이 좌우 반대인 경우에는 즉 회전공구(50)의 왼쪽을 향하여 돌출편(15)이 돌출되어 있는 경우를 생각한다. 이 경우에는 회전공구(50)의 오른쪽의 압력이 높은 쪽에 얇은 부재가 위치하기 때문에 공간측으로 유출된다. 이 때문에 접합부의 내부에 빈 구멍이 생기기 쉽다.

또 돌출편(15)과 면판(21)의 겹침부가 작은 지름부보다도 왼쪽에 있을 때, 접합부 근방의 겹침면이 회전공구(50)의 큰 지름부(51)측으로 솟아 올라 노치가 생기기 쉽다. 상기 겹침부가 오른쪽에 있을 때에는 고압부에 겹침부가 있기 때문에 노치의 발생이 적다.

즉 작은 지름부(52)의 선단부로부터 큰 지름부(51)측과는 반대측 부재의 면까지의 두께중, 두께가 두꺼운 쪽에 고압부를 위치시키는 것이다. 고압부는 큰 지름부(41)측에서 보았을 때의 회전공구(50)의 회전방향이 우회전일 때, 회전공구 (50)로부터 이동방향을 보았을 때 회전공구(50)의 오른쪽에 발생한다.

작은 지름부(52)의 나사가 오른쪽 돌림 나사, 회전공구(50)의 회전방향이 왼쪽(반시계방향)일 때는 중공형재(10, 20)의 조합을 좌우 반대로 하여 회전공구(50)의 축심으로부터 왼쪽에 돌출편(15)을 위치시킨다.

도 5는 중공형재가 아닌 부재의 접합에 적용한 경우를 나타낸다. 도 2의 중공형재(10, 20)로부터 면판(12, 22), 접속판(14, 24)을 제외하고 있다. 접합부의뒷면은 평평한 가대(105)에 얹어져 있다.

본 발명의 기술적범위는 특허청구범위의 각 청구항에 기재된 문언 또는 과제를 해결하기 위한 수단의 항에 기재된 문언에 한정되지 않고, 당업자가 그것으로부터 용이하게 치환할 수 있는 범위에도 미치는 것이다.

본 발명에 의하면 경량이고 양호한 마찰교반접합을 할 수 있는 것이다.

Claims

제 1 부재는 판과 이 판의 끝부에 있어서 이 판에 실질적으로 평행하게 돌출하여 상기 판의 한쪽 면에 대하여 오목하게 배치한 돌출편으로 이루어지고,

상기 돌출편에 제 2 부재의 끝부를 겹침과 동시에, 상기 판의 끝부와 상기 제 2 부재의 끝부를 맞대게 하고, 상기 판의 끝부와 상기 제 2 부재의 끝부를 맞대게 하고,

큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지는 회전공구를 사용하여 상기 작은 지름부를 상기 맞댄 부분에 삽입하여 마찰교반접합함에 있어서,

상기 회전공구를 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 방향을 향하여 보았을 때, 상기 회전공구의 축심보다도 오른쪽에 상기 삽입한 상기 작은 지름부의 선단부로부터 상기 큰 지름부측과는 반대측의 상기 제 1 부재의 면까지의 두께가 두꺼운 쪽을 위치시키고, 상기 큰 지름부측에서 보았을 때 상기 회전공구를 우회전시키면서 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 1항에 있어서,

상기 오른쪽에 상기 돌출편을 위치시켜 상기 마찰교반접합을 행하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 2항에 있어서,

상기 작은 지름부의 선단은 상기 돌출편에 삽입하여 상기 마찰교반접합을 행하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
중공형재는, 실질적으로 평행한 2개의 면판과, 양자를 접속하는 접속판과, 이 접속판으로부터 한쪽의 상기 면판에 실질적으로 평행한 방향으로 돌출하는 돌출편과, 상기 한쪽의 면판과 상기 접속판 및 상기 돌출편의 접속부에 있어서 상기 한쪽의 면판의 바깥쪽 및 상기 돌출편의 돌출방향으로 개방된 상기 오목부로 이루어지고,

상기 오목부에 제 2 부재의 끝부를 겹치게 함과 동시에, 상기 한쪽의 면판의 끝부와 상기 제 2 부재의 끝부를 맞대고,

큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지는 회전공구를 사용하여 상기 작은 지름부를 상기 맞댄 부분 및 상기 돌출편에 삽입하여 마찰교반접합함에 있어서,

상기 회전공구를 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 방향을 향하여 보았을 때, 상기 회전공구의 축심으로부터 오른쪽에 상기 돌출편을 위치시키고,

상기 삽입한 상기 작은 지름부의 선단부로부터 상기 큰 지름부측과는 반대측면까지의 두께는 상기 이동방향을 향하여 보았을 때 상기 축심의 왼쪽보다도 오른쪽의 상기 돌출편의 쪽이 두껍고,

상기 큰 지름부측에서 보았을 때 상기 회전공구를 우회전시키면서 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 1 부재는, 판과 이 판의 끝부에 있어서 이 판에 실질적으로 평행으로 돌출하여, 상기 판의 한쪽 면에 대하여 오목하게 배치한 돌출편으로 이루어지고,

상기 돌출편에 제 2 부재의 끝부를 겹치게 함과 동시에, 상기 판의 끝부와 상기 제 2 부재의 끝부를 맞대고,

큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지는 회전공구를 사용하여 상기 작은 지름부를 상기 맞댄 부분에 삽입하여 마찰교반접합함에 있어서,

상기 회전공구를 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 방향을 향하여 보았을 때 상기 회전공구의 축심보다 왼쪽에 상기 삽입한 상기 작은 지름부의 선단부로부터 상기 큰 지름부측과는 반대측의 상기 제 1 부재의 면까지의 두께가 두꺼운 쪽을 위치시키고,

상기 큰 지름부측에서 보았을 때 상기 회전공구를 좌회전시키면서 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 5항에 있어서,

상기 왼쪽에 상기 돌출편을 위치시켜 상기 마찰교반접합을 행하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 5항에 있어서,

상기 작은 지름부의 선단은 상기 돌출편에 삽입하여 상기 마찰교반접합을 행하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
중공형재는, 실질적으로 평행한 2개의 면판과, 양자를 접속하는 접속판과, 이 접속판으로부터 한쪽의 상기 면판에 실질적으로 평행한 방향으로 돌출하는 돌출편과, 상기 한쪽의 면판, 상기 접속판 및 상기 돌출편의 접속부에 있어서 상기 한쪽의 면판의 바깥쪽 및 상기 돌출편의 돌출방향으로 개방된 상기 오목부로 이루어지고,

상기 오목부에 제 2 부재의 단부를 겹치게 함과 동시에, 상기 한쪽의 면판의 끝부와 상기 제 2 부재의 끝부를 맞대고,

큰 지름부의 선단에 작은 지름부를 가지는 회전공구를 사용하여, 상기 작은 지름부를 상기 맞댄 부분 및 상기 돌출편에 삽입하여 마찰교반접합함에 있어서,

상기 회전공구를 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 방향을 향하여 보았을 때, 상기 회전공구의 축심보다도 왼쪽에 상기 돌출편을 위치시키고,

상기 삽입한 상기 작은 지름부의 선단부로부터 상기 큰 지름부측과는 반대측 면까지의 두께는 상기 이동방향을 향하여 보았을 때, 상기 축심의 오른쪽보다도 왼쪽의 상기 돌출편의 쪽이 두껍고,

상기 큰 지름부측에서 보았을 때 상기 회전공구를 좌회전시키면서 상기 맞댄 부분을 따라 이동시키는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.