KR20040034324A

KR20040034324A - 마찰교반접합장치 및 접합방법

Info

Publication number: KR20040034324A
Application number: KR1020030012280A
Authority: KR
Inventors: 오카모토가즈타카; 히라노사토시; 이나가키마사히사; 오다쿠라도미오
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-04-28
Also published as: JP2004136331A; EP1410870A1; US6874672B2; CN1490112A; US20040074944A1

Abstract

본 발명은 마찰교반접합에 있어서 피접합재에의 공구 삽입량을 간단하고 편리하게 보정할 수 있도록 하는 것이다. 특히 3차원 접합에 적합한 공구 삽입량 보정제어기구를 제공한다.

핀과 숄더를 가지는 공구를 로봇 아암과 같이 공작기계의 머신 헤드에 탑재하고 공구를 회전시켜 피접합재에 삽입하여 피접합재와 상대적으로 이동시킴으로써 마찰열을 발생시켜 소성유동을 일으켜 접합하는 마찰교반접합장치에 있어서, 접합시의 공구 및 피접합재의 상대적 위치를 보정하는 보정기구를 머신 헤드와 공구의 사이에 구비하였다.

Description

마찰교반접합장치 및 접합방법{FRICTION STIR WELDING APPARATUS AND WELDING METHOD}

본 발명은 큰 지름의 숄더와 축선방향으로 돌출하는 작은 지름의 핀을 구비한 공구에 의하여 마찰교반접합을 행하는 마찰교반접합장치 및 접합방법에 관한 것이다.

큰 지름의 숄더의 선단에 작은 지름의 핀을 구비한 공구를 회전시키면서 피접합재에 삽입하고, 공구와 피접합재 사이에서 발생하는 마찰열과 소성유동을 이용하여 접합을 행하는 방법은 마찰교반접합(이하 FSW라 함)이라 불리우고 있고, 알루미늄을 비롯하여 각종 금속재료의 접합에 적용되고 있다. FSW는 피접합재의 융점 이하의 온도에서 고상 접합할 수 있는 것이 하나의 특징으로 되어 있다.

종래의 일반적인 FSW 장치는 공구 구동머신의 머신 헤드에 공구가 탑재되어 있고, 전동모터 등을 사용하여 머신 헤드를 상하로 이동시킴으로써 공구가 피접합재에 삽입된다(예를 들면 특허문헌 1참조). 특허문헌 1에는 피접합재에 대한 공구의 삽입량을 적정한 값으로 유지하기 위하여 레이저 변위계를 사용하여 공구와 피접합재 사이의 거리를 측정하여 머신 헤드의 이동량을 제어하는 것이 기재되어 있다.

(특허문헌 1)

일본국 특개평11-226758호 공보(제 5 내지 6페이지 도 4, 도 5)

FSW에서는 피접합재에의 공구의 삽입량, 즉 공구의 삽입깊이가 접합부의 품질에 큰 영향을 미친다. 공구가 삽입되지 않은 부분은 미접합부로서 남는다. 공구의 삽입량에는 피접합재의 판두께에 따라 다르나 적정한 값이 있다. 따라서 피접합재의 판두께에 따라 공구의 핀 길이를 결정하여 접합 중 계속해서 공구의 삽입량이 일정하게 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 피접합재에의 공구의 삽입량이 지나치게 적으면 숄더가 피접합재에 접촉하지 않게 되어 결함발생의 원인이 된다. 또 공구의 삽입량이 너무 많아 숄더가 피접합재의 표면으로 너무 파고 들어 가면 피접합재 표면에 오목부가 생겨, 역시 결함발생의 원인이 된다. 피접합재에의 공구의 삽입량의 변동량은 대략 0.05mm 이내로 억제하는 것이 바람직하다.

그런데, 종래기술에 기재한 바와 같이 공구를 머신 헤드에 탑재하고, 머신 헤드를 움직임으로써 공구를 피접합재에 삽입하는 것에서는 직선접합 또는 단순한 2차원적인 곡선접합에는 공구 삽입량의 보정은 비교적 간단하게 행할 수 있다. 그러나 곡면상에 있는 접합선을 접합하는 3차원 접합에서는 공구 삽입량을 보정하는 것은 용이하지 않다.

본 발명의 목적은 곡면상에 있는 접합선을 접합하는 3차원 접합의 경우에도 공구 삽입량을 용이하게 보정할 수 있도록 한 FSW 장치 및 접합방법을 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 FSW 장치의 공구 근방의 개략도,

도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 FSW 장치의 개략도,

도 3은 레이저 변위계를 가지는 공구 보정기구의 개략도,

도 4는 로드 셀을 가지는 공구 보정기구의 개략도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 FSW 장치의 개략도,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 FSW 장치의 개략도,

도 7은 핀 돌출길이를 독립으로 변경할 수 있도록 한 공구 보정기구의 개략도,

도 8은 핀 길이(d)와 핀을 구동하는 모터 전류치(I)의 관계를 나타내는 도,

도 9는 핀 길이(d)와 핀 선단온도(T)의 관계를 나타내는 도,

도 10은 접합 중의 핀 길이의 변화를 나타내는 도,

도 11은 핀 길이를 제어하지 않고 접합한 재료의 단면사진,

도 12는 핀 길이를 제어하여 접합한 재료의 단면사진,

도 13은 공구 보정기구의 상세한 구조를 나타내는 도면이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 71 : 공구 2 : 스핀들

3, 72, 84 : 보정기구 4 : 회전 이동축

5 : 보정방향 6 : 머신 헤드

7 : 피접합재 11 : 숄더

12 : 핀 35 : 레이저 변위계

36 : 레이저광 37 : 로드셀

50 : 컬럼 51 : 가대

52 : 가공 테이블 53 : 공구 파지구

54 : 주축 모터

본 발명의 FSW 장치는 피접합재와 공구와의 상대거리를 공구 회전축방향으로 변경 가능한 보정기구를 공구와 머신 헤드 사이에 설치한 것이다.

3차원 접합에서는 공구의 피접합재에의 삽입량의 보정방향은 2차원 접합의 Z 방향과는 달리, X 방향이나 Y 방향의 성분을 가진다. 따라서 접합 중에 항상 피접합재의 법선방향과 평행한 보정방향을 찾아, 또한 각 축을 순간에 이동할 필요가 수반된다. 3차원 접합용 FSW 장치로 피접합재에의 공구 삽입량의 보정을 행하는 경우, 피접합재의 법선방향의 계산, 보정량의 X, Y, Z축방향으로의 분배, X, Y, Z 각 축에의 이동이라는 일련의 동작을 접합 중에 행할 필요가 있다. 이것에는 제어계의 연산능력이 크게 영향을 미친다. 일련의 동작을 완료하기 위한 시간은 직선 접합용 FSW 장치나 곡선 접합용 FSW 장치의 경우의 적어도 3배 정도는 필요하게 되어 제어 정밀도가 저하하는 문제를 초래한다. 이것은 직선 접합용 FSW 장치의 경우는 Z축 한 축만을 이동하나, 곡선 접합용 FSW 장치의 경우는 X, Y, Z축의 3축을 이동하기 때문이다.

본 발명에 의하면 머신 헤드와 공구 사이에 설치한 보정기구에 의하여 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 공구의 회전축방향으로 변경 가능하다. 보정기구는 공구를 공구 회전축과 평행한 방향으로 이동하기 때문에 피접합재가 3차원적인 곡면이더라도 장치 본체의 복수의 구동축을 사용하여 장치 본체의 자세를 변경하지 않고, 보정기구만에 의하여 간편하게 보정이 가능하게 된다. 이 때문에 제어정밀도 및 제어의 응답성이 향상한다. 본 발명은 특히 3차원 접합장치에 대하여 큰 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명에 있어서는 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 검출하는 거리 검출기구를 구비하고, 이 거리 검출기구에 의하여 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 검출하여 상대거리가 미리 지정된 거리가 되도록 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 보정하는 것이 바람직하다. 머신 헤드 또는 상기 보정기구에 거리 검출기구를 장비함으로써 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 정확하게 알 수 있으므로 정밀도가 높은 제어를 실현할 수 있다.

공구와 피접합재 사이의 상대거리를 검출하는 거리 검출기구는 공구와 피접합재 사이의 거리를 계측할 수 있는 것이면 무엇이든 좋다. 레이저 변위계는 바람직한 계량기의 하나이다.

또 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 직접 검출하는 거리 검출기구 대신에 공구의 삽입깊이와 밀접하게 관련되는 물리량을 계측하도록 하여도 좋다. 공구에 부하하는 하중, 보정기구의 구동부재의 부하, 보정기구의 구동부재에 전동모터를 사용한 경우의 전동모터 전류치, 공구를 회전하는 주축 모터의 전류치 등은 공구의삽입깊이와 밀접한 관계가 있어, 이들 값을 검출함으로써 간접적으로 공구와 피접합재사이의 상대거리를 알 수 있다.

본 발명에서는 핀과 숄더를 회전축이 동일한 별도의 부재로 구성하여 핀의 돌출길이를 독립하여 변경할 수 있는 보정기구를 구비하는 것이 바람직하다.

FSW에서는 접합 종단부로 공구를 잡아 빼내었을 때, 핀형상에 상당하는 구멍이 잔존한다. 이것은 핀과 숄더가 일체이기 때문이다. 핀과 숄더가 동축의 다른 부재로 구성되어 각각이 따로 따로의 구동기구에 의하여 구동되도록 하면 종단부에서 숄더의 위치를 바꾸지 않고 피접합재로부터 핀을 잡아 빼고, 다음에 숄더를 잡아 빼는 것이 가능하다. 이에 의하여 접합 종단부에 구멍이 잔존하는 것을 방지할 수 있다.

상기한 바와 같이 핀과 숄더를 다른 부재로 구성하고, 또한 숄더를 구동하는 제 1 보정기구와 핀을 구동하는 제 2 보정기구를 구비하는 경우에는 예를 들면 전동모터에 의하여 핀부를 구동하여 전동모터의 전류치가 미리 지정된 전류치가 되도록 핀과 피접합재 사이의 상대거리를 보정하는 것이 바람직하다. 또한 핀의 온도검출수단을 구비하여 두고, 이 온도검출수단에 의하여 핀 선단의 온도를 검출하여 핀 선단 온도가 미리 지정된 온도가 되도록 핀과 피접합재 사이의 상대거리를 보정하는 것이 바람직하다.

피접합재의 판 두께가 일정하지 않은 경우에는 핀과 숄더가 일체물이면 핀 길이에 과부족이 생긴다. 일반적으로 FSW에 의한 맞대기접합의 경우, 핀의 길이는 피접합재의 판 두께보다 약간 짧게 한다. 접합부위에 의하여 판 두께가 변화되는경우, 예를 들면 접합 개시시보다도 판 두께가 두꺼워지는 경우를 생각하면 판 두께에 대하여 핀 길이가 짧아져 미접합부를 생기게 하는 원인이 된다. 핀 길이를 적정한 길이로 변경할 수 있으면 미접합부의 발생을 방지할 수 있어 건전한 접합부를 확보할 수 있다.

접합 중의 핀 길이의 과부족에 관하여 연구한 바, 핀 길이가 적절한 경우와 비교하여 핀 길이가 짧은 경우에는 핀을 구동하는 전동모터의 전류치가 작아지는 것이 분명해졌다. 따라서 핀을 구동하는 전동모터의 전류치가 미리 지정한 전류치가 되도록 핀과 피접합재 사이의 상대거리를 보정함으로써 미접합부의 발생을 방지할 수 있어 건전한 접합부를 확보할 수 있다.

또 접합 중의 핀 길이의 과부족에 관한 연구에 있어서, 핀 길이가 적절한 경우와 비교하여 핀 길이가 짧은 경우에는 핀 선단의 온도도 다른 것이 명백해졌다. 따라서 핀 온도의 검출수단을 구비하여 핀 선단의 온도가 미리 지정한 온도가 되도록 핀과 피접합재 사이의 상대거리를 보정함으로써 미접합부의 발생을 방지할 수 있어 건전한 접합부를 확보할 수 있다.

본 발명에 의하면 숄더와 핀이 피접합재보다도 단단한 재질로 만들어진 공구를 구비하고, 이 공구를 머신 헤드에 탑재하여 공구를 회전시키면서 머신 헤드를 하강시켜 핀을 피접합재에 삽입하여 공구와 피접합재와의 마찰열에 의한 소성 유동현상을 이용하여 피접합재의 융점 이하의 온도에서 접합을 행하는 마찰교반접합방법에 있어서, 상기 머신 헤드와 상기 공구 사이에 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 공구의 회전축방향으로 변경 가능한 보정기구를 설치하고, 그 보정기구에 의하여 상기 공구의 피접합재에 대한 삽입량을 조정하면서 접합을 행하도록 한 마찰교반접합방법이 제공된다.

(실시예 1)

본 실시예에서는 컬럼형의 5축 머시닝 센터를 개조하여 제작한 컬럼형의 FSW 장치에 대하여 설명한다. 본 FSW 장치는 도 2에 나타내는 바와 같이 직교 3축(X, Y, Z)과 Z축 주위의 회전 C축 및 선단부의 손목 A축의 5축을 구비한다.

FSW는 피접합재에 강하게 당기는 공구를 삽입하여 접합하기 때문에 장치는 이 반력에 견디기 위하여 높은 강성이 필요하게 된다. 접합 하중은 피접합재의 재질, 판두께, 회전공구의 형상, 공구 회전수, 접합속도 등 많은 인자에 의하여 결정되나, 판 두께가 큰 경우일 수록 하중은 높다. 본 장치는 높은 하중에 대응한 접합장치와 위치되게 된다. 본 장치는 컬럼(50)이 Y 방향으로, 가공 테이블(52)이 X 방향으로 각각 가대(51) 위를 이동한다. 공구 파지구(53)는 Z 방향으로 이동한다. 또한 공구 파지구(53)의 하부에는 머신 헤드(6)가 설치되어 있다. 공구(1)는 주축 모터(54)에 의하여 회전 C축의 방향으로 회전한다. 공구(1)와 머신 헤드(6)의 사이에는 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 보정기구(3)가 조립되어 있다.

도 1은 머신 헤드(6)와 보정기구(3)와 공구(1)를 더욱 상세하게 기재한 것이다. 회전하는 공구(1)는 스핀들(2)에 고정되고, 다시 머신 헤드(8)에 설치되어 있다. 머신 헤드(6)는 도 1에 나타내는 바와 같이 공구 파지구(53)에 설치되어 있다. 머신 헤드(6)에는 공구의 방향을 화살표방향으로 바꾸기 위한 기구로서 서보모터(8)가 설치되어 있다. 서보모터(8)는 회전 이동축(4)을 가지고 있다. 머신헤드 (6)와 공구(1)의 사이에는 공구(1) 및 피접합재(7)의 상대적 위치를 보정하는 보정기구(3)가 설치되어 있고, 보정기구(3)는 보정방향(5)으로 공구(1)를 구동한다. 보정기구(3)는 공구(1)의 회전축과 평행한 방향으로 공구의 위치를 변경하기 위하여 공구(1) 및 피접합재(7)의 상대적 위치를 보정함에 있어서, 피접합재(7)가 3차원적인 곡면의 경우에도 장치 본체의 복수의 구동축을 사용할 필요가 없어 보정기구(3)만에 의하여 간편하게 보정이 가능하게 된다.

또한 보정기구(3)의 구동은 기계적 구동, 유압구동, 전동모터 등의 전기구동 등 어느 방법이어도 좋으나, 고정밀도의 위치결정과 불균일이 작은 반복 정밀도를 가지는 것이 바람직하다.

또 보정기구의 정밀도를 충분히 얻기 위해서는 그 기구도 물론이나, 어떠한 방법으로 제어하는가가 중요하다.

공구와 피접합재의 상대거리를 항상 ±0.05mm 정도의 정밀도로 제어하기 위해서는 몇 가지의 피드백기구를 사용하는 것이 좋다. 즉 어느 특정한 물리량을 검지하고 피드백하여 공구와 피접합재와의 상대거리를 보정하는 것이다. 도 3에 거리 검출수단으로서 레이저 변위계를 구비한 경우를 나타낸다. 머신 헤드(도시 생략)에 설치된 보정기구(3)의 선단 근방에 설치된 레이저 변위계(35)에 의하여 레이저광 (36)을 접합부 앞쪽에 조사하여 공구(1)와 임의의 곡면 표면을 가지는 피접합재(7)와의 거리를 측정한다. 측정한 거리와 설정된 최적의 거리를 비교하여 보정기구 (3)는 공구(1)를 보정방향(5)에 따라 보정한다. 공구와 피접합재와의 상대거리의 보정은 보정기구(3)에 의한 공구(1)의 한 방향의 이동으로 간단하게 실시할수 있다. 따라서 측정한 거리의 데이터로그, 측정값과 설정값의 비교, 보정량과 보정방향의 결정은 퍼스널컴퓨터레벨의 간단한 컴퓨터로 실시할 수 있다. 종래의 방법에 의하면 예를 들면 상기와 같이 X, Y, Z 3축의 이동으로 장치 본체의 자세를 보정하여 실시하지 않으면 안되어 보정시간이 많이 걸린다. 발명자들의 예비적인 시험에 의하면, 종래의 방법으로 보정한 경우 1회의 보정에 요하는 시간은 약 1sec이고, 본 발명의 방법과 비교하여 1OO배 이상의 시간을 필요로 하였다.

그 밖의 제어방법으로서는, (i) 머신 헤드 또는 보정기구에 설치된 로드셀에 의하여 측정한 공구가 받는 하중을 검출하여 미리 지정된 하중이 되도록 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 방법, (ii) 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하기위하여 설치된 공구 구동부재의 부하를 검출하여 미리 지정된 부하가 되도록 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 방법, (iii) 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하기 위하여 설치된 공구용 모터의 전류치를 검출하여 미리 지정된 전류치가 되도록 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 방법, (iv) 공구를 회전시키는 주축 모터의 전류치를 검출하여 미리 지정된 전류치가 되도록 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 방법 등이 있다.

이들 중 로드셀을 사용한 방법에 대하여 도 4를 사용하여 설명한다. 접합 중에 공구(1)가 받는 접합 반력을 로드셀(37)로 검출한다. 공구(1)와 임의의 곡면 표면을 가지는 피접합재(7)와의 거리는 접합 중의 접합 반력과 비례관계를 가진다. 로드셀(37)로 측정한 하중이 설정된 최적의 하중이 되도록 보정기구(3)는 공구(1)를 보정방향(5)에 따라 보정한다.

본 장치구성에 의하여 접합 중에 직교 3축(X, Y, Z)과 Z축 주위의 회전 C축 및 선단부의 손목 A축의 5축으로 결정되는 장치 자세를 바꾸지 않고 보정기구(3)만에 의하여 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정할 수 있다.

(실시예 2)

컬럼형 장치의 경우는, 공구의 입체적인 패스라인범위가 범위가 작아, 비교적 소형의 피접합재 또는 곡율이 큰 3차원 형상의 피접합재의 접합에 적합한 고강성장치이다. 그러나 피접합재가 대형 또는 곡율이 작은 경우, 공구의 입체적인 패스라인범위를 크게 할 필요가 있다. 범용성을 가지게 하기 위해서는 로봇 아암의 사용이 바람직하다. 본 실시예는 고강성을 유지하고, 또한 범용성있는 FSW 장치에 대하여 설명한다. 도 5는 3개의 관절축과 2개의 회전축을 구비한 고강성 로봇형 장치이다. 3개의 관절축(64a, 64b, 64c)은 어느 것이나 볼나사(61a, 61b, 61c)에 서포트되어 있고, 고강성화되어 있다. 핀 및 숄더를 가지는 공구(71)는 스핀들(70)에 고정되고, 또한 주축 모터(66)로 회전한다. 본 FSW장치는 가대(75), 선회 테이블(74), 지지대 (73), 아암(65a, 65b), 베어링 유닛(63a, 63b, 63c), 서보모터(62a, 62b, 62c)를 구비한다. 머신 헤드(69)와 스핀들(70) 사이에는 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 보정기구(72)가 조립되어 있다.

본 장치구성에 의하여 접합 중에 장치가 구비하는 5축으로 결정되는 장치 자세를 바꾸지 않고 보정기구(72)만에 의하여 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정할 수 있다.

(실시예 3)

도 6은 3개의 관절축(A, B, C)과 3개의 회전축(P, Q, R)을 구비한 로봇형 장치이고, 검토한 3차원 접합장치 중에서 가장 범용성이 뛰어난 장치이다. 그러나 접합 하중에 대한 강성은 실시예 1 또는 실시예 2의 경우보다도 낮아 로봇 본체(80)의 가반력에 의존한다. 로봇 아암 선단에는 머신 헤드(86)가 탑재되어 있다. 공구 (81)는 스핀들(82) 및 보정기구(84)를 거쳐 머신 헤드(86)에 설치되어 있고, 주축 모터(83)에 의하여 회전한다. 또 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정하는 보정기구(84)가 조립되어 있다. 본 장치구성에 의하여 접합 중에 장치가 구비하는 6축으로 결정되는 장치자세를 바꾸지 않고 보정기구(84)만에 의하여 공구 및 피접합재의 상대거리를 보정할 수 있다.

(실시예 4)

지금까지의 실시예는 핀과 숄더가 일체형인 경우의 보정기구 및 그것의 제어방법에 관한 것이다. 본 실시예에서는 제 1 보정기구에 다시 제 2 보정기구를 조립하여 판 두께가 변화되는 3차원 형상의 피접합재에 대응할 수 있도록 한 FSW 장치에 대하여 설명한다. 본 FSW 장치는 공구의 숄더와 핀이 별체의 동축 구조로 되어 있고, 제 1 보정기구는 숄더와 피접합재의 상대거리를 보정하고, 제 2 보정기구는 핀과 피접합재의 상대거리를 보정한다. 도 7을 사용하여 설명한다. 공구는 숄더 (4O)와 핀(41)이 동축형상의 별체이다. 피접합재(7)는 접합 부위에 따라 판 두께가 다른 3차원 형상으로 공구로부터 받는 접합 하중에 의하여 좌굴하지 않도록 뒤측으로부터 지그(43)로 지지되어 있다. 숄더(40)은 접합부의 건전성을 유지하기 위하여 피접합재(7)의 표면과의 상대거리를 항상 일정하게 유지하지 않으면 안된다. 이것을 제 1 보정기구(45)로 보정방향(47)으로 보정한다. 또 피접합재(7)의 판 두께가 부위에 따라 변화하기 때문에 접합 중에 핀(41)은 출입 길이를 조정하지 않으면 안된다. 이것을 제 2 보정기구(46)로 보정방향(48)으로 보정한다. 여기서 보정방향 (47 및 48)은 숄더(40)과 핀(41)이 동축형상이기 때문에 동일방향이다. 지금, 핀(41)이 숄더(40)으로부터 돌출하고 있는 길이를 핀 길이(d)라 부른다. 도 8은 핀 길이(d)와 핀(41)을 구동하는 모터의 전류치(I)의 관계를 나타낸다. 핀 길이(d)가 피접합재(7)의 판 두께보다 짧은 경우는 전류치(I)는 핀 길이(d)와 함께 단조롭게 증가하나, 변화량은 작다. 그러나 핀 길이((1)가 피접합재(7)의 판 두께와 동등하게 도달한 순간, 전류치(I)는 급격하게 증가한다. 따라서 핀(41)을 구동하는 모터의 전류치(I)를 모니터링하여 그 시간 변화량이 소정의 일정값을 초과하기 직전까지 핀 길이를 항상 길게 하도록 제어하면 좋다. 또 도 9는 핀 길이(d)와 핀 (41)의 선단 온도(T)의 관계를 나타낸다. 핀 길이(d)가 피접합재(7)의 판 두께보다 짧은 경우는 선단 온도(T)는 핀 길이(d)와 함께 단조롭게 증가하나, 변화량은 작다. 그러나 핀 길이(d)가 피접합재(7)의 판 두께와 동등하게 도달한 순간, 선단 온도(T)는 급격하게 증가한다. 따라서 핀(41)의 선단 온도(T)를 모니터링하여 그 시간 변화량이 소정의 일정값을 초과하기 직전까지 핀 길이를 항상 길게 하도록 제어하면 좋다. 어느 것이나 모니터링하는 값이 급격하게 변화하는 것은, 핀(41)과 지그(43)의 접촉에 의한 것이다. 이에 의하여 핀 길이는 항상 피접합재의 판 두께보다 약간 짧게 제어할 수 있다.

도 10은 판 두께에 따라 접합 중의 핀 길이를 제어하였을 때의 핀 길이의 변화를 나타내는 도면이다. 가로축이 접합방향거리, 세로축이 핀 길이 및 판 두께이다. 도 10에는 핀 길이와 판 두께의 2개의 곡선이 그려져 있으나, 2개의 곡선은 겹쳐져 있어 구별짓기 어렵다. 이와 같이 본 발명의 제어방법에 의하면 접합 중의 핀의 길이는 판 두께에 대략 동일한 길이로 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 12에 핀 길이를 제어하여 접합한 재료의 단면사진을 나타낸다. 도 12로부터 재료 하부까지 두께 방향으로 완전하게 접합이 되어 있음을 확인할 수 있다. 도 11은 비교를 위해 핀 길이를 제어하지 않고 접합한 경우의 재료의 단면사진을 나타낸 것이다. 도 11에서는 재료의 하부(사진 하부)에 미접합부가 확인된다. 이것은 판 두께보다도 핀이 짧았기 때문에 생긴 것이다.

이상과 같은 제 1 보정기구 또는 제 1 및 제 2 보정기구는 직교 3축 및 회전 2축의 모두 5축의 장치 본체의 선단부에 설치하면 좋다. 바람직하게는 로봇 아암의 선단에 설치함으로써 FSW의 범용성이 넓어진다. 일반적으로 로봇 아암은 소정의 위치에 대하여 그 동작 정밀도는 ±O.1mm가 대략 한계이다. 따라서 로봇 아암으로 소정의 위치 근방까지 거칠게 가지고 가서, 세부는 그 선단에 부착되어 있는 보정기구로 ±0.05mm의 정밀도로 보증하면 좋다.

(실시예 5)

보정기구에 대하여 도 13을 사용하여 구체적으로 설명한다. 머신 헤드(98)에는 장치의 자세를 변화시키 위한 회전축 및 축 주위의 구동을 가하는 서보모터(91) 및 구동기어가 조립되어 있다. 머신 헤드(98)의 하부에는보정기구(92)가 있다. 또 핀(94) 및 숄더(93)이 동축형상의 별체인 공구(90)는 주축(97)에 의하여 구동된다. A-A'단면에 나타내는 바와 같이, 보정기구(92)내에는 유압 실린더(96)가 설치되어 있고, 가이드(95)에 따라 숄더(93)만을 도면의 상하방향으로 이동할 수 있다. 이들 기구에 의하여 장치 전체의 자세를 바꾸지 않고 머신 헤드 선단부의 국소적인 보정기구에 의하여 숄더와 피접합재의 상대적인 위치관계가 보정 가능하게 되었다. 또 본 실시예에서는 숄더와 핀이 별체이고, 숄더로부터의 핀의 돌출량도 조정할 수 있다.

본 발명에 의하면 마찰교반접합에 있어서의 피접합재에의 공구 삽입량의 제어를 고정밀도 또한 간단하고 용이하게 행할 수 있어, 특히 3차원 접합장치의 공구 삽입량 보정제어에 적합하다

Claims

큰 지름의 숄더와 축선방향으로 돌출하는 작은 지름의 핀을 가지는 공구를 공구 구동머신의 머신 헤드에 탑재하여 이루어지는 마찰교반접합장치에 있어서,

상기 공구의 피접합재에 대한 상대거리를 상기 공구의 회전축방향으로 변경 가능한 보정기구를 상기 머신 헤드와 상기 공구와의 사이에 구비한 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 1항에 있어서,

상기 회전축방향으로 상기 공구와 함께 이동 가능한 스핀들과, 상기 스핀들을 구동하는 실린더를 가지는 상기 보정기구를 구비한 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
숄더와 상기 숄더의 축선방향으로 돌출하는 핀을 구비한 공구를 공구 구동머신의 머신 헤드에 탑재하여 이루어지는 마찰교반접합장치에 있어서,

상기 공구의 피접합재에 대한 상대거리를 검출하는 거리 검출기구 또는 피접합재에의 상기 공구의 삽입깊이와 상관이 있는 물리량을 계측하는 물리량 계측기구와,

상기 공구의 피접합재에 대한 상대거리를 상기 공구의 회전축방향으로 변경 가능한 보정기구를 구비하고,

상기 거리 검출기구 또는 상기 물리량 계측기구에 의하여 검출된 값이 미리 지정된 값이 되도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 보정하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 3항에 있어서,

상기 거리 검출기구로서 레이저 변위계를 구비하고, 상기 레이저 변위계에 의하여 측정한 상기 거리가 미리 지정한 거리가 되도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구와 피접합재와의 상대거리가 보정되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 3항에 있어서,

상기 물리량 검출수단으로서 상기 공구에 부하하는 하중을 검출하는 로드셀을 구비하고, 상기 로드셀에 의하여 검출된 상기 공구가 받는 반력이 미리 지정된 값이 되도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구와 상기 피접합재의 상대거리가 보정되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 3항에 있어서,

상기 보정기구는 상기 공구의 회전축방향으로 상기 공구와 함께 이동 가능한 스핀들과 상기 스핀들을 구동하는 전동모터를 가지고, 상기 전동모터의 부하가 미리 지정된 부하가 되도록 상기 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 보정하는 것을특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 3항에 있어서,

상기 공구가 주축 모터에 의하여 회전되고, 상기 주축 모터의 전류치가 미리 지정된 전류치가 되도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구와 피접합재 사이의 상대거리가 보정되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 1항에 있어서,

상기 공구의 핀 및 숄더는 회전축이 동일하고 또한 상대위치를 변경 가능한 별도의 부재로 구성되고, 상기 공구 전체를 이동하는 제 1 보정기구와, 상기 핀의 돌출길이를 변경하는 제 2 보정기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 8항에 있어서,

상기 제 2 보정기구는 전동모터에 의하여 상기 핀을 구동하고, 상기 전동모터의 전류치가 미리 지정된 전류치가 되도록 상기 핀의 돌출길이를 변경하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 8항에 있어서,

상기 핀의 온도를 검출하는 핀온도 검출기구를 구비하고, 상기 온도 검출기구에 의하여 핀 선단 온도를 검출하고, 상기 선단 온도가 미리 지정된 온도가 되도록 제 2 보정기구에 의하여 상기 핀의 돌출길이를 변경하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 1항에 있어서,

상기 구동머신은 상기 공구를 이동시키기 위한 서로 직교하는 3축방향의 직선이동축 및 회전 이동하는 2축의 모두 5개의 이동축을 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 1항에 있어서,

상기 구동머신은 상기 공구를 이동시키기 위한 로봇 아암을 구비하고, 상기 로봇 아암의 선단과 상기 공구와의 사이에 상기 보정기구를 구비한 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
숄더와 핀을 가지는 공구를 머신 헤드에 탑재하고, 상기 공구를 회전시키면서 상기 머신 헤드를 하강시켜 상기 핀을 피접합재에 삽입하여 상기 공구와 피접합재와의 마찰열에 의한 소성 유동현상을 이용하여 접합을 행하는 마찰교반접합방법 에 있어서,

상기 머신 헤드와 상기 공구의 사이에 상기 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 상기 공구의 회전축방향으로 변경 가능한 보정기구를 설치하고,

상기 보정기구에 의하여 상기 공구의 피접합재에 대한 삽입량을 조정하면서 접합을 행하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법 .
제 13항에 있어서,

접합 중의 상기 공구와 피접합재 사이의 상대거리를 검출하고, 이 검출값이 미리 지정한 값에 근접하도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구의 삽입량을 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 13항에 있어서,

상기 상대거리를 레이저 변위계에 의하여 계측하고, 상기 레이저 변위계에 의하여 계측된 거리가 미리 지정한 거리에 근접하도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구의 삽입량을 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 13항에 있어서,

피접합재에 대한 상기 공구의 삽입깊이와 관계가 있는 물리량을 계측하고, 상기 물리량이 미리 지정한 값이 되도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구의 삽입량을 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 16항에 있어서,

상기 공구에 부하하는 하중을 검출하고, 상기 하중이 미리 지정한 하중이 되도록 상기 보정기구에 의하여 상기 공구의 삽입량을 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 13항에 있어서,

상기 숄더와 상기 핀을 회전축이 동일하고 상대위치가 변경 가능한 별도의 부재로 형성하고, 상기 핀의 돌출길이를 독립하여 변경할 수 있는 보정기구를 설치하여 접합 중의 상기 핀의 삽입깊이를 검출하여 미리 지정한 깊이가 되도록 상기 보정기구에 의하여 핀 삽입깊이를 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 18항에 있어서,

상기 핀의 선단부분의 온도를 계측하여 미리 지정된 온도가 되도록 상기 핀의 삽입깊이를 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.