KR20020084224A - 마찰 접합 방법 및 마찰 접합체 - Google Patents

Abstract

판재(1, 2)의 대향면측에 맞춤면(1A, 2A)과 개선면(1B, 2B)을 형성한다. 그리고, 양자의 맞춤면(1A, 2A)을 서로 맞댄 상태에서, 판재(1, 2)를 서로 움직이지 않도록 고정한다. 다음에, 이 상태에서 패딩재(4)를 선단 개방부(3)에 압박하면서 고속으로 회전시키고, 양자의 마찰 접합면측에 고온의 마찰열을 발생시킨다. 또한, 이 상태에서 패딩재(4)를 회전시키면서 판재(1, 2)의 맞춤면(1A, 2A)에 따라서 패딩재(4)를 이동시킨다. 이에 의해 소성 유동화한 패딩재(4)의 하단부측은 그 일부가 판재(1, 2)의 선단 개방부(3) 표면측에 남겨져 부착한다. 이에 의해, 선단 개방부(3)의 표면측에서 접합부(5)의 패딩재를 크게 하여, 판재(1, 2) 사이의 접합 강도를 높일 수 있다.

Description

마찰 접합 방법 및 마찰 접합체 {FRICTION JOINING METHOD AND FRICTION JOINED BODY}

일반적으로, 2개의 금속 부재 사이를 접합하는 경우에는 아크(전호), 레이저, 전자빔 등의 열원을 이용하여 접합 대상의 부재를 가열, 용융시켜 용융 금속의 재응고에 의해 접합하는 방법이 널리 채용되고 있다.

그러나, 이와 같은 금속의 용융, 재응고를 이용한 접합 방법에서는, 금속 부재를 용융 온도까지 가열하기 위해 큰 에너지를 투입할 필요가 있어 설비의 대형화를 피할 수 없다. 또한, 금속 부재를 가열, 용융한 단계에서 부재의 일부는 증발하여 주위로 비산하는 일이 있고, 이러한 증발 금속의 영향으로 작업 환경이 악화되어 인체로의 악영향을 일으킨다.

한편, 전술한 바와 같이 금속 부재를 용융시키는 일 없이 마찰열을 이용하여 2개의 부재(판재)를 접합하는 마찰 접합 방법으로서, 영국 특허 제572,789호 명세서에 기재된 것이 알려져 있다.

그래서, 이 영국 특허 명세서에 기재된 종래 기술에 의한 마찰 접합 방법을도16 내지 도18을 참조하여 설명한다.

도면 중, 부호 101, 102는 접합 대상의 부재가 되는 판재로, 이들 판재(101, 102)는, 예를 들어 강판 등의 금속판에 의해 판 두께(T)의 평판형으로 형성되고, 그 대향 단부측에는 대략 V자형으로 확대 개방하는 선단 개방부(103)가 설치되어 있다.

이 경우에, 선단 개방부(103)는 판재(101, 102)의 대향 단부측을 일정한 각도로 경사지게 절단함으로써 형성된 경사면(101A, 102A)으로 되어 있다. 따라서, 경사면(101A, 102A)의 선단부는 서로 선 접촉하는 예각형의 엣지 단부(101B, 102B)를 형성하고 있다. 그리고, 판재(101, 102)는 엣지 단부(101B, 102B)를 선 접촉에 의해 서로 맞댄 상태에서 후술하는 패딩재(104)에 의해 마찰 접합되는 것이다.

부호 104는 판재(101, 102) 사이를 마찰 접합하기 위한 패딩재로, 이 패딩재(104)는 원주형의 금속봉 등으로 이루어지고, 그 하단부측 단부면은 판재(101, 102) 사이의 선단 개방부(103) 내를 향해 도16 중 화살표 A 방향으로 가압되어 있다. 그리고, 패딩재(104)는 하단부측 단부면을 판재(101, 102)의 경사면(101A, 102A)에 압박된 상태에서, 도16 중 화살표 B 방향으로 고속으로 회전됨으로써 판재(101, 102) 사이에서 마찰열을 발생시킨다.

이에 의해, 패딩재(104)의 하단부측은 마찰열로 소성 유동화하고, 이 때에 판재(101, 102)의 경사면(101A, 102A) 측에서도 패딩재(104)의 마찰 접촉부가 소성 유동화한다. 다음에, 이 상태에서 패딩재(104)를 도16 중 화살표 C 방향으로 이동시킨다. 이 결과, 소성 유동화한 패딩재(104)의 하단부측은 그 일부가 판재(101,102)의 선단 개방부(103)[경사면(101A, 102A)]의 표면측에 남겨져 부착한다.

그리고, 선단 개방부(103)의 표면측에 생긴 소성 유동화 부분과 이에 부착한 패딩재(104)의 일부는 가열원이 되는 패딩재(104)가 멀어짐에 따라서, 도17에 예시한 바와 같이 패딩형의 접합부(105)가 되어 고형화하고, 이 접합부(105)에 의해 판재(101, 102) 사이는 일체로 결합되는 것이다.

그런데, 상술한 종래 기술에서는 도16에 도시한 바와 같이 선단 개방부(103)의 깊이가 판재(101, 102)의 판 두께(T)와 동등하고, 경사면(101A, 102A)의 선단부는 예각형의 엣지 단부(101B, 102B)로 되어 있으므로, 하기와 같은 문제가 발생하는 일이 있다.

즉, 패딩재(104)를 판재(101, 102)의 경사면(101A, 102A)으로 압박하면서 고속으로 회전했을 때에 양자의 마찰열에 의해 생기는 소성 유동화 부분은 판재(101, 102)의 엣지 단부(101B, 102B)측에서 판재(101, 102)의 이면측으로 압출되는 일이 있다. 이로 인해, 종래 기술에서는 선단 개방부(103)의 표면측에 대해 접합부 (105)를 크게 패딩하는 것이 어려워 그 접합 강도가 저하되기 쉽다는 문제가 있다.

특히, 예각형을 이루는 판재(101, 102)의 엣지 단부(101B, 102B)측은 서로 선 접촉하고 있을 뿐이므로, 상기 마찰열이 엣지 단부(101B, 102B)측으로 모여서 이 엣지 단부(101B, 102B)의 근방이 과도하게 소성 유동화(연화)하는 경우가 있다. 이로 인해, 과도하게 연화한 엣지 단부(101B, 102B)측은 패딩재(104)로부터의 압박력(도16 중 화살표 A 방향)에 의해 판재(101, 102)의 이면측으로 비어져 나오도록 변형하여 도18에 도시한 바와 같이 접합부(105)의 형상이 악화될 우려가 있다.

또한, 도18에 도시한 바와 같이 접합부(105)가 이상 변형하면, 판재(101, 102) 사이에는 왜곡 등이 생기고, 양자의 접합 강도가 저하될 뿐만 아니라 판재(101, 1O2) 사이에 기울기 등이 남아 상품 가치가 저하하여 제품의 수율이 악화된다는 문제가 있다.

본 발명은, 예를 들어 평판재 등의 2개의 부재 사이를 마찰열에 의해 접합하도록 한 마찰 접합 방법 및 마찰 접합체에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 마찰 접합에 이용하는 2개의 판재 및 패딩재를 도시한 사시도이다.

도2는 제1 실시 형태에 이용하는 마찰 접합 장치를 도시한 전체도이다.

도3은 제1 실시 형태에 의한 판재의 고정 공정을 도시한 단면도이다.

도4는 도3에 도시한 판재의 선단 개방부에 패딩재를 압박한 상태를 도시한 단면도이다.

도5는 제1 실시 형태에 의한 마찰열 발생 공정을 도시한 도4와 같은 위치에서의 단면도이다.

도6은 제1 실시 형태에 의한 접합 공정을 도시한 단면도이다.

도7은 도1에 도시한 판재를 마찰 접합한 상태를 도시한 사시도이다.

도8은 선단 개방부의 개방각을 과도하게 작게 한 비교예를 도시한 단면도이다.

도9는 선단 개방부의 개방각을 과도하게 크게 한 다른 비교예를 도시한 단면도이다.

도10은 제2 실시 형태에 의한 판재의 마찰 접합 상태를 도시한 단면도이다.

도11은 제3 실시 형태에 의한 판재의 마찰 접합 상태를 도시한 단면도이다.

도12는 제4 실시 형태에 의한 판재의 고정 공정을 도시한 단면도이다.

도13은 제4 실시 형태에 의한 마찰열 발생 공정을 도시한 단면도이다.

도14는 제4 실시 형태에 의한 접합 공정을 도시한 단면도이다.

도15는 제4 실시 형태에 의한 판재를 마찰 접합한 상태를 도시한 단면도이다.

도16은 종래 기술에 의한 마찰 접합에 이용하는 2개의 판재 및 패딩재를 도시한 사시도이다.

도17은 종래 기술에 의한 판재의 마찰 접합 상태를 도시한 단면도이다.

도18은 종래 기술에 의한 마찰 접합에 의해 접합부가 이상 변형한 상태를 도시한 단면도이다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 선단 개방부의 표면측에서 접합부의 패딩을 크게 할 수 있어, 부재 사이의 접합 강도를 높일 수 있는 동시에, 제품 수율을 향상시킬 수 있도록 한 마찰 접합 방법 및 마찰 접합체를 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 대향면측에 위치하는 맞춤면과 선단 개방부를 형성하는 경사면을 가진 2개의 부재를 상기 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 고정하는 고정 공정과, 상기 2개의 부재를 고정한 상태에서 소모식 패딩재의 단부를 상기 선단 개방부의 경사면에 압박하면서, 상대 이동함으로써 마찰열을 발생시키는 마찰열 발생 공정과, 이 마찰열에 의해 소성 유동화한 상기 패딩재를 2개 부재의 선단 개방부에 공급하면서 상기 맞춤면에 따라서 패딩재를 이동함으로써, 상기 2개의 부재를 서로 접합하는 접합 공정으로 이루어진다.

본 발명에 의한 마찰 접합 방법에 따르면, 접합 대상의 2개의 부재에는 그 대향면측에 미리 맞춤면을 형성하고, 이 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 접합 작업을 행하도록 하고 있다. 이 결과, 2개의 부재 사이에는 종래 기술과 같은 예각형을 이루는 엣지 단부가 형성되는 일은 없어지고, 패딩재를 압박하면서 상대 이동시켰을 때의 마찰열이 맞춤면측으로 모이는 것을 억제하여 맞춤면측이 과도하게 소성 유동화(연화)하는 사태도 방지할 수 있다.

또한, 패딩재는 선단 개방부의 경사면에 대해 그 중간부에서 마찰 접촉하고 있으므로, 상기 패딩재는 접촉면측이 점차 소성 유동화하는 데 수반하여 선단 개방부의 바닥측으로 깊이 들어가도록 압박되고, 상대 이동을 계속하면서 맞춤면에 따라서 이동된다. 이에 의해, 2개의 부재의 경사면측이라도 패딩재와의 마찰 접촉부가 소성 유동화하고, 이 소성 유동화 부분과 이에 부착한 패딩재의 일부는 가열원이 되는 패딩재가 멀어짐에 따라서 패딩형의 접합부가 되어 고형화하고, 이 접합부에 의해 2개의 부재 사이를 일체로 결합할 수 있다.

그리고, 2개의 부재 사이의 맞댐면은 소성 유동에 의해 연화한 재료가 부재의 이면측으로 흘러나오는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 2개의 부재의 맞댐면은 패딩재로부터의 압박력에 대한 2개의 부재의 강성을 확보하여 접합 부분의 형상을 안정시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 마찰 접합 방법은 대향면측에 위치하는 맞춤면과 선단 개방부를 형성하는 경사면을 가진 2개의 부재를 상기 맞춤면 사이에 간극을 개재시킨 상태에서 고정하는 고정 공정과, 상기 2개의 부재를 고정한 상태에서 소모식 패딩재의 단부를 상기 선단 개방부의 경사면에 압박하면서 상대 이동함으로써 마찰열을 발생시키는 마찰열 발생 공정과, 이 마찰열에 의해 소성 유동화한 상기 패딩재를 2개의 부재의 선단 개방부측에 공급하면서, 상기 맞춤면에 따라서 패딩재를 이동함으로써 상기 2개의 부재를 상기 간극을 매립하여 서로 접합하는 접합 공정으로이루어진다.

본 발명에 의한 마찰 접합 방법에 따르면, 2개의 부재의 맞춤면 사이에 간극을 개재시킨 상태에서 양 부재 사이를 마찰 접합할 수 있다. 그리고, 이 경우라도 2개의 부재 사이에 종래 기술에서 서술한 바와 같이 예각형의 엣지 단부가 형성되는 일은 없어지므로, 패딩재를 압박하면서 상대 이동시켰을 때의 마찰열이 맞춤면측으로 모이는 것을 억제할 수 있어 맞춤면측이 과도하게 소성 유동화(연화)하는 사태도 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 마찰 접합체는 대향면측에 위치하는 맞춤면과 선단 개방부를 형성하는 경사면을 가진 2개의 부재를 상기 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 소모식 패딩재의 단부를 상기 선단 개방부의 경사면으로 압박하면서 상대 이동함으로써 마찰열을 발생시키고, 이 마찰열에 의해 소성 유동화한 상기 패딩재를 2개의 부재의 선단 개방부에 공급하면서 상기 맞춤면에 따라서 패딩재를 이동함으로써 상기 2개의 부재를 서로 접합하는 구성으로 하고 있다.

한편, 본 발명에 의한 마찰 접합체는, 2개의 부재는 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 패딩재에 의해 접합되는 구성으로 하고 있다.

또한, 본 발명에 의한 마찰 접합체는, 2개의 부재는 맞춤면 사이에 간극을 개재시킨 상태에서 패딩재에 의해 접합되는 구성으로 하고 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 의한 마찰 접합 방법 및 마찰 접합체를 도1 내지 도15에 따라서 상세하게 설명한다. 또한, 도1 내지 도7은 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고 있다.

도면 중, 부호 1, 부호 2는 본 실시 형태에서 채용한 접합 대상 부재가 되는 판재이고, 이들의 판재(1, 2)는, 예를 들어 강판 등의 금속판에 의해 판 두께(Ta)의 평판형으로 형성되고, 그 대향 단부측에는 대략 V자형으로 확대 개방하는 선단 개방부(3)가 설치되어 있다.

그리고, 판재(1, 2)의 대향면측에는 높이 치수(Ta1)의 맞춤면(1A, 2A)과, 일정한 각도로 경사진 경사면으로서의 개선면(1B, 2B)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 개선면(1B, 1B) 사이에는 선단 개방부(3)의 깊이 치수(Ta2)가 Ta2 ＝ Ta － Ta1의 관계를 갖고 형성되어 있다. 또한, 선단 개방부(3)의 폭 치수(W)는 도4에 도시한 바와 같이 후술하는 패딩재(4)의 외경(D)보다도 큰 치수로 설정되어 있다(W ＞ A).

여기서, 선단 개방부(3)는 도3에 도시한 바와 같이, 예를 들어 60 내지 150도의 개방각을 θ를 갖고 형성되어 있다. 또한, 상기 맞춤면(1A, 2A)의 높이치수(Ta1)는 판재(1, 2)의 판 두께(Ta)에 대해, 예를 들어 1/10 내지 1/2 정도의 치수, 즉 상기 높이 치수(Ta1)는 Ta/10 ≤ Ta1 ≤ Ta/2 정도로 설정된다. 그리고, 판재(1, 2)는 맞춤면(1A, 2A)을 서로 맞댄 상태에서 후술하는 패딩재(4)에 의해 마찰 접합되는 것이다.

부호 4는 판재(1, 2) 사이를 마찰 접합하기 위한 패딩재로, 패딩재(4)는 판재(1, 2)와 동일한 재료를 이용하여 가늘고 긴 원주 형상을 이루는 봉형 부재로서 형성되어 있다. 그리고, 패딩재(4)는 도4에 도시한 바와 같이 그 외경(D)은 선단 개방부(3)의 폭 치수(W)보다도 작고, D ＜ W의 관계로 되어 있다. 그리고, 패딩재(4)는 후술하는 마찰 접합 장치(11)를 이용하여 그 하단부측 단부면이 판재(1, 2) 사이의 선단 개방부(3) 내를 향해 도1 중 화살표 A 방향으로 가압되고, 이 상태에서 상대 이동하기 위해 도1 중 화살표 B 방향으로 고속으로 회전된다.

이에 의해, 패딩재(4)는 판재(1, 2)의 선단 개방부(3) 사이에서 마찰열을 발생하고, 이 마찰열에 의해 양자의 마찰 접촉부에는 소성 유동이 생긴다. 그리고, 이 소성 유동화 부분이 서서히 고정됨으로써, 도7에 도시한 바와 같이 패딩형의 접합부(5)가 형성되는 것이다.

이 경우, 패딩재(4)의 소성 유동화한 하단부측 부분은 그 일부가 선단 개방부(3)의 표면측에 패딩형의 접합부(5)가 되어 부착한다. 또한, 남은 소성 유동화 부분은 도6에 도시한 바와 같이 쐐기형의 응고 부분(6)이 되어 패딩재(4)의 하단부측에 잔류하게 된다.

다음에, 도2를 참조하여 본 실시 형태에서 채용한 마찰 접합 장치(11)에 대해 설명하기 위해, 상기 마찰 접합 장치(11)는 하측의 다리부(12)와, 상기 다리부(12)에 대해 상, 하로 승강 가능하게 설치된 승강대(13)와, 후술하는 전동 모터(19) 및 척(20) 등에 의해 구성되어 있다.

부호 14는 승강대(13) 상에 설치된 지지 테이블, 부호 15는 지지 테이블(14)을 승강대(13)와 함께 상, 하로 구동하는 가압 실린더를 도시하고 있다. 여기서, 각 가압 실린더(15)는 마찰 접합 장치(11)의 다리부(12)와 승강대(13) 사이에 배치되고, 예를 들어 도2 중 화살표 A1 방향으로 승강대(13)를 압박 이동함으로써 패딩재(14)를 판재(1, 2)를 향해 상대적으로 화살표 A 방향으로 가압하는 것이다.

부호 16은 지지 테이블(14) 상에 미끄럼 이동 가능하게 설치된 슬라이드대이고, 이 슬라이드대(16)는 슬라이드 장치(17)에 의해 도2 중 화살표 C방향으로 구동된다. 그리고, 슬라이드대(16) 상에는 판재(1, 2)가 도1에 도시한 바와 같이 맞춤면(1A, 2A)을 맞댄 상태에서 볼트(도시하지 않음) 등에 의해 견고하게 고정되는 것이다.

부호 18은 지지 테이블(14)의 후방측에 위치하여 다리부(12) 상에 설치된 모터 스탠드, 부호 19는 모터 스탠드(18)의 상부측에 설치된 회전원이 되는 전동 모터를 도시하고, 이 전동 모터(19)는 패딩재(4)를 파지하는 척(20)을 화살표 B 방향으로 회전 구동한다. 이에 의해, 패딩재(4)는 예를 들어 1600 내지 3000 rpm 정도의 고속으로 회전되는 것이다.

또한, 패딩재(4)를 판재(1, 2)에 대해 화살표 A 방향으로 압박하는 가압력은, 예를 들어 5 내지 90 MPa 정도로 설정되고, 슬라이드대(16)에 의해 판재(1, 2)를 패딩재(4)에 대해 화살표 C 방향으로 이동시키는 이송 속도는, 예를 들어 0.1 내지 6 ㎜/초 정도로 설정되는 것이다.

본 실시 형태에 의한 마찰 접합 장치(11)는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 것으로, 다음에 마찰 접합 장치(11)에 의한 판재(1, 2) 사이의 접합 방법에 대해 도2 내지 도6을 참조하여 설명한다.

우선, 도3에 도시한 바와 같이 접합 대상 판재(1, 2)에는 그 대향면측에 맞춤면(1A, 2A)과 일정한 각도로 기울여 경사진 개선면(1B, 2B)을 미리 형성해 둔다.

그리고, 판재(1, 2)를 도2에 도시한 슬라이드대(16) 상에 적재하고, 양자의 맞춤면(1A, 2A)을 서로 맞댄 상태에서 이들의 판재(1, 2)를 슬라이드대(16) 상에 볼트 등을 이용하여 움직이지 않도록 체결하여 고정한다(고정 공정).

다음에, 판재(1, 2)를 슬라이드대(16) 상에 고정한 상태에서 도4에 도시한 바와 같이 패딩재(4)를 선단 개방부(3) 내에 삽입하고, 패딩재(4)의 하단부면을 선단 개방부(1B, 2B) 중간부 부위로 압박한다.

즉, 도2에 도시한 마찰 접합 장치(11)의 가압 실린더(15)를 구동하여 지지 테이블(14)을 승강대(13)와 함께 화살표 A1 방향으로 압박함으로써, 패딩재(4)를 판재(1, 2)를 향해 상대적으로 화살표 A 방향으로 가압하는 것이다. 그리고, 이 상태에서 전동 모터(19)를 구동하고, 예를 들어 1600 내지 3000 rpm 정도의 회전수로 패딩재(4)를 고속으로 회전시킨다.

이 결과, 패딩재(4)의 하단부측은 도4에 도시한 바와 같이 선단 개방부(3)의 개선면(1B, 2B)에 대해 그 중간부 부위에서 마찰 접촉을 계속하고, 예를 들어 800내지 1200 ℃ 정도의 마찰열이 양자의 접촉면측에 발생한다(마찰열 발생 공정). 또한, 이 때의 마찰열에 의한 발열 온도는 판재(1, 2)의 융점(예를 들어, 1500 ℃ 정도)보다도 낮은 온도로 설정하는 것이다.

그리고, 이 마찰열에 의해 판재(1, 2)의 개선면(1B, 2B)과 패딩재(4)의 접촉면측은 도5, 도6에 도시한 바와 같이 점차 소성 유동화하여 연화하게 된다. 또한, 패딩재(4)는 상기 화살표 A 방향의 가압력에 의해 접촉면측이 소성 유동화하는 데 수반하여 선단 개방부(3)의 바닥부측으로 깊이 들어가도록 압박된다.

여기서, 마찰 접촉에 의한 발열 에너지(En)는 하기의 수학식 1과 같이 마찰 계수 μ, 정수 K, 패딩재(4)의 화살표 A 방향에 있어서의 가압력(F) 및 이동 거리(L)의 곱으로서 구할 수 있다.

En ＝ μ × K × F × L

그리고, 패딩재(4)가 회전 연동할 때, 패딩재(4) 각 부분의 이동 거리(L)는 그 외주측 부분의 쪽이 내주측 부분보다도 커진다.

이 결과, 패딩재(4)의 외주측이 마찰 접촉하는 개선면(1B, 2B)의 중간부 부분이 발열의 기점이 되어, 선단 개방부(3)의 표면측 전체에 마찰열이 전달되고, 이 중간부 부분이 마찰 접촉에 의한 발열의 중심이 된다.

또한, 패딩재(4)는 외주측 쪽이 발열량이 커, 소성 유동화하는 체적이 크다. 이로 인해, 패딩재(4)의 외주측과 개선면(1B, 2B)의 중간부 부분 사이에서 발생한 소성 유동화 부분은 개선면(1B, 2B)의 중간부로부터 하방 또는 상방으로 확대되고,이 소성 유동화 부분이 선단 개방부(3)의 바닥부측으로 깊이 들어가도록 공급된다.

다음에, 이 상태에서 슬라이드대(16)를 슬라이드 장치(17)에 의해 도2 중 화살표 C 방향으로 구동하기 시작하면, 패딩재(4)는 판재(1, 2)의 맞춤면(1A, 2A)에 따라서 도1 중 화살표 C 방향으로 상대 이동하게 된다. 그리고, 소성 유동화한 패딩재(4)의 하단부측은 그 일부가 판재(1, 2)의 선단 개방부(3)[개선면(1B, 2B)]의 표면측에 남겨져 부착한다.

그리고, 선단 개방부(3)의 표면측에 생긴 소성 유동화 부분과 이에 부착한 패딩재(4)의 일부는 가열원이 되는 패딩재(4)가 멀어짐에 따라서, 도6, 도7에 도시한 바와 같이 패딩형의 접합부(5)가 되어 고형화하고, 이 접합부(5)에 의해 판재(1, 2) 사이를 일체로 결합할 수 있다(접합 공정).

이 경우, 패딩재(4)의 소성 유동화한 하단부측 부분은 그 일부가 선단 개방부(3)의 표면측에 패딩형의 접합부(5)가 되어 부착하고, 남은 소성 유동화 부분은 도6에 도시한 바와 같이 쐐기형의 응고 부분(6)이 되어 패딩재(4)의 하단부측에 잔류하게 된다.

그리고, 다음의 마찰 접합 작업을 행할 때에, 패딩재(4)는 상기 응고 부분(5)측으로부터 다시 점차 소성 유동화되고, 이에 의해, 다음 접합 대상인 선단 개방부측에는 패딩재(4)를 이용한 접합부가 형성되는 것이다.

이렇게 하여, 본 실시 형태에 따르면, 접합 대상 판재(1, 2)에 대해 그 대향면측에 맞춤면(1A, 2A)과, 일정한 각도로 기울여 경사진 개선면(1B, 2B)을 미리 형성해 둔다. 다음에, 판재(1, 2)의 맞춤면(1A, 2A)을 서로 맞대게 한다. 이 상태에서, 패딩재(4)를 판재(12)의 선단 개방부(3)에 압박하면서 고속으로 회전(상대 이동)시키므로, 양자의 마찰 접촉면측에 고온의 마찰열을 발생할 수 있다.

그리고, 이 상태에서 패딩재(4)를 회전시키면서, 판재(1, 2)의 맞춤면(1A, 2A)에 따라서 패딩재(4)를 이동시키므로, 소성 유동화한 패딩재(4)의 하단부측은 그 일부가 접합부(5)가 되어 판재(1, 2)의 선단 개방부(3) 표면측에 남겨져 부착한다. 또한, 선단 개방부(3)의 개선면(1B, 2B)측에서도 패딩재(4)와의 마찰 접촉부를 소성 유동화할 수 있다.

이 결과, 선단 개방부(3)측의 소성 유동화 부분과 이에 부착한 패딩재(4)의 일부를 가열원이 되는 패딩재(4)가 멀어짐에 따라서, 패딩형의 접합부(5)로서 고형화할 수 있고, 이 접합부(5)에 의해 판재(1, 2) 사이를 선단 개방부(3) 위치에서 일체로 결합할 수 있다.

또한, 접합 대상 판재(1, 2)는 맞춤면(1A, 2A)을 서로 맞댄 상태에서 접합 작업을 행하도록 하고 있으므로, 판재(1, 2) 사이에는 종래 기술과 같이 예각형을 이루는 엣지 단부가 형성되는 일은 없다. 따라서, 패딩재(4)를 압박하면서 회전시켰을 때의 마찰열은 양자의 맞춤면(1A, 2A)측으로 모이는 일 없이 맞춤면(1A, 2A)측에서의 열용량을 증대시킬 수 있는 동시에, 이들의 맞춤면(1A, 2A)측이 과도하게 소성 유동화하여 연화하는 사태도 방지할 수 있다.

또한, 판재(1, 2) 사이의 맞댐면(1A, 2A)은 소성 유동에 의해 연화한 재료가 판재(1, 2)의 이면측으로 흘러나오는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 이 맞댐면(1A, 1B)은 패딩재(4)로부터의 압박력에 대한 판재(1, 2)의 강성을 확보할수 있는 동시에, 접합부(5)의 형상을 도7에 도시한 바와 같이 안정된 접합 형상으로 할 수 있다.

따라서, 본 실시 형태에 따르면 판재(1, 2) 사이에 설치된 선단 개방부(3)의 표면측에서 접합부(5)의 패딩 상태를 크게 할 수 있고, 판재(1, 2) 사이의 접합 강도를 확실하게 높일 수 있다. 또한, 접합부(5)의 형상을 안정시킴으로써 마찰 접합을 실시한 판재(1, 2) 등의 상품 가치를 높여 제품의 수율도 향상시킬 수 있다.

또한, 판재(1, 2) 사이의 선단 개방부(3)는 도3에 도시한 바와 같이 개선면(1B, 2B) 사이의 개방각 θ를, 예를 들어 60 내지 150도의 범위로 설정함으로써 접합부(5)의 형상을 안정시킬 수 있고, 판재(1, 2) 사이의 접합 강도를 확실하게 높일 수 있는 것이 실험에 의해서도 확인되었다.

즉, 도8에 도시한 비교예와 같이 판재(1', 2') 사이의 선단 개방부(3')에 있어서의 개방각 θ'를 예를 들어 60도보다도 작은 각도로 설정하면, 패딩재(4')의 하단부측에 소성 유동화가 생겨도 이 소성 유동화 부분이 선단 개방부(3')의 바닥부까지 깊이 도달하는 일은 없고, 접합부(5')에 의한 미접합 부분이 선단 개방부(3')의 바닥부측에 발생한다.

이 이유로서는, 선단 개방부(3')의 개방각 θ'를 작게 하면, 이에 의해 발열의 중심이 되는 선단 개방부(3')의 중간부 부위로부터 선단 개방부(3')의 바닥부까지의 거리가 커지므로, 선단 개방부(3')의 바닥부는 비교적 낮은 온도에 머무르게 된다. 이로 인해, 선단 개방부(3')의 바닥부측에는 접합부(5')에 의한 미접합 부분이 발생하는 것으로 추측된다.

또한, 도9에 도시한 다른 비교예와 같이 판재(1', 2') 사이의 선단 개방부(3')에 있어서의 개방각 θ'를, 예를 들어 150도보다도 큰 각도로 설정한 경우라도 접합부(5')에 의한 미접합 부분이 선단 개방부(3')의 바닥부측에 발생하는 일이 있다.

또한 패딩재(4')의 외경 치수를 선단 개방부(3')의 폭 치수에 비교하여 충분히 작게 하면, 선단 개방부(3')의 개방각 θ'를 150도보다도 큰 각도로 해도 미접합 부분이 선단 개방부(3')의 바닥측에 발생하는 일은 없다.

그래서, 본 실시 형태에서는 도4에 도시한 바와 같이 패딩재(4)의 외경(D)을 선단 개방부(3)의 개선폭(W)보다도 작게 하고(D ＜ W), 패딩재(4)의 하단부면을 개선면(1B, 2B)의 중간부 부위로 압박하여 마찰 접합 작업을 행하도록 하고 있다. 또한, 도3에 도시한 바와 같이 선단 개방부(3)의 개방각 θ를, 예를 들어 60 내지 150도의 범위로 설정하고 있다. 이에 의해, 전술한 바와 같이 접합부(5)의 형상을 안정시켜 판재(1, 2) 사이의 접합 강도를 확실히 높일 수 있다.

다음에, 도10은 본 발명의 제2 실시 형태를 나타내고, 본 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에 동일한 부호를 부여하여 그 설명을 생략하는 것으로 한다. 그런데, 본 실시 형태의 특징은 접합 대상인 판재(31, 32)에 대해 그 대향면측에 맞춤면(31A, 32A)과, 제1 개선면(31B, 32B)과, 제2 개선면(31C, 32C)을 형성하는 구성으로 한 데 있다.

여기서, 접합 대상인 판재(31, 32)는 제1 실시 형태에서 서술한 판재(1, 2)와 대략 마찬가지로 구성되어 있는 것으로, 판재(31, 32) 사이에는 대략 다이 형상을 이루는 선단 개방부(33)가 개선면(31B, 32B)과 개선면(31C, 31C)에 의해 형성되어 있다.

구체적으로 서술하면, 선단 개방부(33)를 형성하는 개선면(31B, 31B)과 개선면(31C, 32C)은 서로 다른 각도로 경사지는 구성으로 하고 있다. 즉, 선단 개방부(33)의 내측에 위치하는 개선면(31B, 32B)은 외측의 개선면(31C, 32C)보다도 맞춤면(31A, 32A)에 대한 경사각이 커, 예를 들어 맞춤면(31A, 32A)에 대해 대략 90도의 각도로 설정되어 있다. 한편, 외측의 개선면(31C, 32C)은 맞춤면(31A, 32A)에 대해, 예를 들어 60도 정도의 경사각을 갖고 있다.

이렇게 하여, 이와 같이 구성되는 본 실시 형태에서도 맞춤면(32A, 32A)을 서로 맞댄 상태에서 패딩재(4)를 판재(31, 32)의 선단 개방부(33)에 압박하면서 고속으로 회전시킴으로써, 양자의 마찰 접촉면측에 소성 유동을 발생시켜 접합부(34)를 형성할 수 있고, 상기 제1 실시 형태와 대략 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 이 경우에는 선단 개방부(33)에 내측의 개선면(31B, 32B)과 외측의 개선면(31C, 32C)을 설치함으로써 발열의 중심이 되는 개선면(31C, 32C)의 중간부 부위로부터 선단 개방부(33) 바닥부까지의 거리를 짧게 할 수 있는 동시에, 바닥부측의 열용량을 크게 할 수 있다. 이 결과, 선단 개방부(33) 바닥부에서의 온도 저하를 억제하여 미접합 부분을 발생시키는 일 없이, 선단 개방부(33) 바닥부측에 안정된 형상의 접합부(34)를 형성할 수 있다.

다음에, 도11은 본 발명의 제3 실시 형태를 나타내고, 본 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략하는것으로 한다. 그런데, 본 실시 형태의 특징은 접합 대상인 판재(41, 42)에 대해 그 대향면측에 맞춤면(41A, 42A)과 오목 만곡형으로 경사진 경사면으로서의 개선면(41B, 42B)을 형성하는 구성으로 한 점에 있다.

여기서, 접합 대상인 판재(41, 42)는 제1 실시 형태에서 서술한 판재(1, 2)와 대략 마찬가지로 구성되어 있는 것으로, 판재(41, 42) 사이에는 대략 U자 형상을 이루는 선단 개방부(43)가 개선면(41B, 42B)에 의해 형성되어 있다.

이렇게 하여, 이와 같이 구성되는 본 실시 형태에서도 맞춤면(41A, 42A)을 서로 맞댄 상태에서 패딩재(4)를 판재(41, 42)의 선단 개방부(43)에 압박하면서 고속으로 회전시킨다. 이에 의해, 양자의 마찰 접촉면측에 소성 유동을 발생시켜 접합부(44)를 형성할 수 있고, 상기 제1 실시 형태와 대략 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 이 경우에는 오목 만곡형으로 경사진 개선면(41B, 42B) 사이에서 선단 개방부(43)를 형성함으로써 발열의 중심이 되는 개선면(41B, 42B)의 중간부 부위로부터 선단 개방부(43)의 바닥부까지의 거리를 짧게 할 수 있는 동시에, 바닥부측의 열용량을 크게 할 수 있다. 이 결과, 선단 개방부(43) 바닥부에서의 온도 저하를 억제하여 미접합 부분을 발생시키는 일 없이 선단 개방부(43)의 바닥부측에 안정된 형상의 접합부(44)를 형성할 수 있다.

다음에, 도12 내지 도15는 본 발명의 제4 실시 형태를 나타내고, 본 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략하는 것으로 한다.

그런데, 본 실시 형태의 특징은 접합 대상인 판재(51, 52)에 대해 그 대향면측에 맞춤면(51A, 52A)과, 경사면으로서의 개선면(51B, 51B)을 형성하는 동시에, 맞춤면(51A, 52A) 사이에 간극(S)을 개재시킨 상태에서 판재(51, 52) 사이를 마찰 접합하는 구성으로 한 점에 있다.

여기서, 접합 대상인 판재(51, 52), 선단 개방부(53) 및 패딩재(54)는 제1 실시 형태에서 서술한 판재(1, 2), 선단 개방부(3) 및 패딩재(4)와 대략 마찬가지로 구성되어 있다. 그러나, 본 실시 형태에서는 판재(51, 52)의 맞춤면(51A, 52A) 사이에는 도12에 도시한 바와 같이 간극(S)이 형성되어 있는 점에서 제1 실시 형태와는 다른 것이다.

이렇게 하여, 이와 같이 구성되는 본 실시 형태에서도 패딩재(54)를 판재(51, 52)의 선단 개방부(53)에 압박하면서 고속으로 회전시킴으로써, 양자의 마찰 접촉면측에 소성 유동을 발생시켜 도15에 도시한 바와 같이 접합부(55)를 형성할 수 있고, 상기 제1 실시 형태와 대략 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 실시 형태에 있어서도, 우선 고정 공정에서는 도12에 도시한 바와 같이 접합 대상인 판재(51, 52)를 서로 대향시킨 상태에서 볼트(도시하지 않음) 등을 이용하여 고정한다. 그러나, 이 경우에는 양자의 맞춤면(51A, 52A) 사이에 간극(S)을 개재시키고, 이 상태에서 판재(51, 52)를 도2에 예시한 슬라이드대(16) 상으로 움직이지 않도록 체결하여 고정하는 것이다.

다음에, 판재(51, 52)를 서로 고정한 상태에서, 도12, 도13에 도시한 바와 같이 패딩재(54)를 선단 개방부(53) 내에 삽입하고, 패딩재(54)의 하단부면을 개선면(51B, 52B)의 중간부 부위에 화살표 A 방향으로 압박한다. 그리고, 이 상태에서 패딩재(54)를 화살표 B 방향으로 고속으로 회전시키고, 예를 들어 800 내지 1200 ℃ 정도의 마찰열을 양자의 접촉면측에 발생시킨다(마찰열 발생 공정).

그리고, 이 마찰열에 의해 판재(51, 52)의 개선면(51B, 51B)과 패딩재(54)의 접촉면측은 도13, 도14에 도시한 바와 같이 점차 소성 유동화하여 연화하게 된다. 또한, 패딩재(54)는 상기 화살표 A 방향의 가압력에 의해 접촉면측이 소성 유동화하는 데 수반하여 선단 개방부(53)의 바닥부측으로 깊이 인입하도록 압박된다.

다음에, 이 상태에서 도2에 예시한 슬라이드대(16)를 도2 중 화살표 C 방향으로 구동하기 시작하면, 패딩재(54)가 판재(51, 52)의 맞춤면(51A, 52A)에 따라서 상대 이동하게 된다. 그리고, 소성 유동화한 패딩재(54)의 하단부측은 그 일부가 판재(51, 52)의 선단 개방부(53)[개선면(51B, 52B)]의 표면측에 남겨져 부착한다.

이에 의해, 선단 개방부(53)의 표면측에 생긴 소성 유동화 부분과 이에 부착한 패딩재(54)의 일부는 가열원이 되는 패딩재(54)가 멀어짐에 따라서, 도14, 도15에 도시한 바와 같이 패딩형의 접합부(55)가 되어 고형화하고, 이 접합부(55)에 의해 판재(51, 42) 사이를 일체로 결합할 수 있다(접합 공정).

이 경우, 패딩재(54)의 소성 유동화한 하단부측 부분은 그 일부가 선단 개방부(53) 표면측에 패딩형의 접합부(55)가 되어 부착하고, 남은 소성 유동화 부분은 도14에 도시한 바와 같이 쐐기형의 응고 부분(5)이 되어 패딩재(54)의 하단부측에 잔류하게 된다.

따라서, 본 실시 형태에 있어서도 접합 대상인 판재(51, 52)에 대해 그 대향면측에 맞춤면(51A, 52A)과, 경사면으로서의 개선면(51B, 52B)을 형성하고 있다. 이로 인해, 발열의 중심이 되는 개선면(51B, 52B)의 중간부 부위로부터 선단 개방부(53)의 바닥부[맞춤면(51A, 52A)]까지의 거리를 짧게 할 수 있는 동시에, 바닥부측의 열용량을 크게 할 수 있어 선단 개방부(53)의 표면측에 안정된 형상의 접합부(55)를 형성할 수 있다.

또한, 맞춤면(51A, 52A) 사이에는 간극(S)을 개재시킨 상태에서 판재(51, 52) 사이를 마찰 접합할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 아크(전호), 레이저 등의 열원을 이용하여 접합 대상인 부재 사이를 접합하는 통상의 용접 수단으로는 어려운 부위에도 간극(S)을 개재시킨 상태에서 판재(51, 52) 사이를 견고하게 접합할 수 있어 그 범용성을 높일 수 있다.

또한, 상기 제2(제3) 실시 형태에서도 판재(31, 32)(41, 42)의 맞춤면(31A, 32A)(41A, 42A) 사이에 상기 제4 실시 형태에서 서술한 바와 같이 간극(S)을 개재시켜 판재(31, 32)(41, 42) 사이를 마찰 접합하는 구성으로 해도 되는 것이다.

또한, 상기 제1 실시 형태에서는 패딩재(4)를 판재(1, 2)의 선단 개방부(3)에 압박하면서 고속으로 회전시킴으로써, 양자의 마찰 접촉면측에 고온의 마찰열을 발생시키는 것으로서 서술하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 패딩재(4)를 선단 개방부(3)에 압박하면서 미소한 왕복 이동을 고속으로 반복함으로써 마찰열을 발생시키는 구성으로 해도 좋고, 중요한 것은 패딩재(4)를 판재(1, 2)에 대해 상대 이동시킴으로써 마찰열을 발생시키는 구성으로 하면 되는 것이다. 이 점은 제2 내지 제4 실시 형태에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 상기 제1 실시 형태에서는 평판형의 판재(1, 2)를 마찰 접합하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 접합 대상이 되는 2개의 부재로서는, 예를 들어 곡면형의 판재, 빔 부재 또는 두꺼운 판재 등에도 적용할 수 있는 것이다. 이 점은 제2 내지 제4 실시 형태에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 접합 대상이 되는 2개의 부재는 강철 등의 철계 재료에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금 재료 등을 이용해도 좋다. 또한, 금속에 한정되지 않고 가열에 의해 소성 유동성을 나타내는, 예를 들어 플라스틱을 이용해도 좋다. 따라서, 기본적으로는 2개의 부재와 패딩재는 동일한 재료를 이용하여 형성할 수 있는 것이면 된다.

Claims (5)

1. 대향면측에 위치하는 맞춤면과 선단 개방부를 형성하는 경사면을 가진 2개의 부재를 상기 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 고정하는 고정 공정과,

   상기 2개의 부재를 고정한 상태에서 소모식 패딩재의 하단부면을 상기 선단 개방부의 경사면의 중간부에 압박하면서 상대 이동함으로써 마찰열을 발생시키는 마찰열 발생 공정과,

   이 마찰열에 의해 소성 유동화한 상기 패딩재를 2개의 부재의 선단 개방부에 공급하면서, 상기 맞춤면에 따라서 패딩재를 이동함으로써, 상기 2개의 부재를 서로 접합하는 접합 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법.
2. 대향면측에 위치하는 맞춤면과 선단 개방부를 형성하는 경사면을 가진 2개의 부재를 상기 맞춤면 사이에 간극을 개재시킨 상태에서 고정하는 고정 공정과,

   상기 2개의 부재를 고정한 상태에서 소모식 패딩재의 하단부면을 상기 선단 개방부의 각 경사면의 중간부에 압박하면서, 상대 이동함으로써 마찰열을 발생시키는 마찰열 발생 공정과,

   이 마찰열에 의해 소성 유동화한 상기 패딩재를 2개의 부재의 선단 개방부측에 공급하면서, 상기 맞춤면에 따라서 패딩재를 이동시킴으로써, 상기 2개의 부재를 상기 간극을 매립하여 서로 접합하는 접합 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 방법.
3. 대향면측에 위치하는 맞춤면과 선단 개방부를 형성하는 경사면을 가진 2개의 부재를 상기 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 소모식 패딩재의 하단부면을 상기 선단 개방부의 각 경사면의 중간부에 압박하면서 상대 이동함으로써 마찰열을 발생시키고, 이 마찰열에 의해 소성 유동화한 상기 패딩재를 2개의 부재의 선단 개방부에 공급하면서 상기 맞춤면에 따라서 패딩재를 이동함으로써, 상기 2개의 부재를 서로 접합하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 접합체.
4. 제3항에 있어서, 상기 2개의 부재는 맞춤면을 서로 맞댄 상태에서 상기 패딩재에 의해 접합되는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 접합체.
5. 제3항에 있어서, 상기 2개의 부재는 맞춤면 사이에 간극을 개재시킨 상태에서, 상기 패딩재에 의해 접합되는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마찰 접합체.