KR20070080558A

KR20070080558A - 마찰교반접합방법

Info

Publication number: KR20070080558A
Application number: KR1020070005152A
Authority: KR
Inventors: 긴야 아오타
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2007-08-10
Also published as: US20070181646A1; JP2007209986A; CN101015878A

Abstract

본 발명은 겹치기 이음의 마찰교반접합에 있어서, 접합부 중심의 미접합을 방지할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 복수의 부재를 겹쳐서 접합툴을 회전시키면서 한쪽의 부재측에 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 마찰교반접합방법으로서, 접합툴의 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부는, 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 특히, 스폿접합에 적합하고, 겹침면의 접합 계면의 표면 산화 피막을 제거하여 2개의 부재를 접합하는 것이다.

Description

마찰교반접합방법{FRICTION STIR WELDING METHOD}

도 1은 제 1 실시예에서의 접합방법을 나타내는 도,

도 2는 제 1 실시예에서의 AB 단면의 소성 유동 모식도를 나타내는 도,

도 3은 제 1 실시예에서의 접합툴의 정면도와 측면도를 나타내는 도,

도 4는 접선각도와 결함의 발생상황을 나타내는 도,

도 5는 제 2 실시예에서의 접합툴(1)의 형상을 나타내는 도,

도 6은 제 3 실시예에서의 접합툴의 형상을 나타내는 도,

도 7은 제 4 실시예에서의 접합툴(1)의 형상을 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 접합툴 2 : 볼록부

3 : 숄더 4 : 상판

5 : 하판 6 : 수납부재

7 : 접합 계면 9 : 회전중심

10 : 초기 위치 11 : 회전후의 위치

12 : 핀 15 : 코너부

16 : 오목부

본 발명은 복수의 부재를 겹치는 겹치기 이음을 접합하는 마찰교반접합기술에 관한 것이다.

마찰교반접합기술에 의하여 복수의 부재를 겹치는 겹치기 이음을 접합하는 종래기술로서는 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 선단면이 평면형상의 접합툴 또는 선단면에 오목부를 가지는 접합툴을 사용하고, 그 접합툴을 한쪽의 부재측에 압입하여 한쪽의 부재측을 마찰교반시키고, 그것에 의한 소성 유동을 이용하여 다른쪽 부재와 접합하는 방법이 있다.

한편, 마찰교반접합기술에 있어서, 예를 들면 특허문헌 2에 기재된 바와 같이 접합툴 선단의 핀을 접합툴의 회전축으로 편심시켜 형성하는 것이 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2005-161382호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특허제3452044호 공보

마찰교반접합기술에 있어서, 특허문헌 1에서는 복수의 부재를 겹쳐서 접합할 때에, 접합툴을 회전시키면서 한쪽의 부재측에 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 방법이 기재되어 있다. 이 접합은, 접합부재의 소성 유동에 의하여 겹침면의 표면산화 피막을 제거하여 계면을 활성화하여 접합하는 방법이다. 그러나 접합부의 중심은 주속도 0 이기 때문에, 접합 중심의 겹침면의 표면산화 피막을 소성 유동에 의하여 제거할 수 없다. 그 때문에 미접합이 발생하는 문제점이 있었다.

또, 특허문헌 2에 개시되어 있는 기술이어도 접합부의 중심에서는 충분한 주속도가 얻어지지 않아 접합 중심의 겹침면의 표면산화 피막을 소성 유동에 의하여 제거할 수 없다. 그 때문에 미접합이 발생할 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은, 접합부 중심의 미접합을 방지할 수 있는 마찰교반접합방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 마찰교반접합방법은, 복수의 부재를 겹쳐 접합툴을 회전시키면서 한쪽의 부재측에 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 방법에 관한 것으로, 접합툴의 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부는, 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 본 발명의 마찰교반 접합툴은, 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부를 가지고, 볼록부는 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 마찰교반접합장치는, 접합툴의 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부는, 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이들에 있어서, 볼록부는 반구형상인 것이 바람직하고, 볼록부의 접선이, 접합툴의 회전축에 대하여 45∼90°의 각도를 이루는 것이 바람직하다.

또, 볼록부는 접합툴의 숄더의 선단에 복수 가져도 좋다. 또 볼록부는 타원형상이어도 좋다.

또, 본 발명에서는, 복수의 부재를 겹쳐 접합툴을 회전시키면서 한쪽의 부재측에 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 경우, 스폿접합에 사용하는 것이 바람직하다.

본 형태에서의 마찰교반접합방법은, 접합툴의 숄더의 선단위치에 작은 지름의 볼록부를 설치하고, 이 볼록부를 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치한다.

즉, 접합툴의 회전에 의하여 예를 들면 θ°회전하였다 하면, θ°회전한 후의 볼록부에 위치한 접합부재가, θ°회전하기 전의 위치에 소성 유동하여 충전된다.

이때, 소성 유동은 볼록부의 주위를 따라 소성 유동한다. 이 때문에 접합툴의 회전에 의하여 접합부 중심의 접합 계면을 소성 유동시킬 수 있게 된다.

또, 이 볼록부는 반구형상이 바람직하다. 이것은 θ°회전하기 전의 볼록부의 위치에 충전하기 쉽게 하기 위함이다.

또, 볼록부의 접선이, 접합툴의 회전축에 대하여 45∼90°의 각도를 이루는 형상이 바람직하다. 이것도 θ°회전하기 전의 볼록부의 위치에 충전하기 쉽게 하기 위함이다.

또, 접합툴의 회전중심에도 핀이 배치되어 있는 바와 같이, 단지 접합툴에 설치한 핀을 편심시키고 있는 것만으로는 중심에 충분한 소성 유동이 없어, 미접합 부가 형성될 염려가 있으나, 그 형태이면 핀을 따라 돌아 들어감이 생겨 중심으로 소성 유동하여 이와 같은 문제가 해소된다.

(실시예 1)

도 1은, 제 1 실시예에서의 접합방법을 나타낸다. 접합툴(1)은 큰 지름의 숄더(3)의 선단에 작은 지름의 볼록부(2)를 가지고 있다. 볼록부(2)는, 접합툴(1)의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있다.

또, 접합시험편은, 받이부재(6)의 위에, 상판(4)과 하판(5)를 겹쳐서 배치되어 있다.

본 실시예의 상판(4)의 재질은 공업용 순알루미늄이고, 하판(5)의 재질은 니켈이다. 여기서는 상판(4)와 하판(5)이 다른 재질의 것을 접합하고 있다. 본 실시예에서는 이와 같은 다른 재질의 것도 용이하게 접합하는 것이 가능해지고, 특히, 스폿접합에 적합하다. 또한 받이부재(6)는 공구강이다. 상판(4) 및 하판(5)의 판 두께는 각각 0.4 mm 이다.

또한 상판(4) 및 하판(5)의 재질이나, 동종 금속이어도, 이종 금속이어도 접합 가능하다. 특히, 상판(4)의 재질은 알루미늄, 납, 주석, 마그네슘 등과 같이 융점이 낮은 금속끼리가 바람직하다.

융점이 크게 다른 금속을 접합하는 경우에는, 접합온도가 높으면 양자 사이의 접합 계면(7)에 두꺼운 반응층이 생기기 쉽다. 이와 같은 경우에는 상판(4)을 저융점 금속으로 하여 접합하는 것이 바람직하고, 이에 의하여 접합온도를 낮게 하여 반응층의 두께를 최소한으로 할 수 있다.

알루미늄과 니켈의 접합 등 융점이 크게 다른 금속의 접합에는, 이 방법은 특히 유효하다.

또한 상판(4)이 알루미늄이고, 하판(5)이 탄소강인 경우에는, 탄소강의 표면에 니켈도금을 실시하는 것도 유효하다. 니켈은 연질금속으로 소성 변형되기 쉽고, 표면의 산화 피막이 박리되기 쉽기 때문이다. 그 외에도 아연도금, 구리 도금도 동일한 효과가 얻어진다.

또, 접합툴(1)의 재질은 공구강이고, 숄더(3)의 지름은 5 mm 이며, 볼록부(2)는 직경 1 mm, 높이 0.3 mm 이고, 볼록부(2)의 중심은 접합툴(1)의 회전중심으로부터 1 mm 떨어져 있다. 이 형상에 의하여 접합툴(1)의 회전중심에는 볼록부(2)는 배치되어 있지 않은 구성이 된다. 이 접합툴(1)을 18000 rpm으로 회전시켜, 상판(4)에 60 mm/min으로 압입한 상태에서 100 ms 유지한 후, 인발속도 120 mm/min 으로 인발하여 스폿 접합하였다.

이 경우, 상판(4)을 소성 유동시켜, 겹침면의 접합 계면(7)의 표면산화 피막을 제거하고, 상판(4)과 하판(5)의 2개의 부재를 접합하고 있다.

또한 볼록부(2)의 선단은, 볼록부는 반구형상을 가지고 있다.

본 실시예의 경우, 볼록부(2)는 접합툴(1)의 회전중심으로부터 1 mm 떨어져 있으나, 접하고 있어도 좋다. 그러나 본 실시예에 한정하지 않고, 바람직하게는 볼록부(2)는 접합툴(1)의 회전중심으로부터 0.1 mm∼1 mm 정도 바깥 둘레측으로 떨어져 있을 필요가 있다.

또, 볼록부(2)는 접합툴(1)의 바깥 둘레 끝으로부터 0.1 mm∼1 mm 정도 안 둘레측에 형성되어 있을 필요가 있다.

즉, 볼록부(2)의 직경은, 접합툴(1)의 반경보다 작게 형성할 필요가 있다.

도 2는 도 1의 AB 단면의 소성 유동 모식도를 나타낸다. 숄더(3) 및 볼록부(2)에 해당하는 위치를 점선으로 나타내었다. 접합툴(1)이 θ°회전하였을 때에 볼록부(2)는 위치 10으로부터 위치 11로 변화되었다고 한다.

이때, 볼록부(2)가 없는 영역은, 접합툴(1)의 회전방향으로 소성 유동하나, 볼록부(2)의 초기의 회전전의 위치(10)로부터 회전후의 위치(11)로 이동함으로써 볼록부(2)의 바깥 둘레를 따라 소성 유동함으로써, 접합툴(1)의 회전중심(9)에서도 소성 유동시키는 것이 가능하다. 이에 의하여 회전중심(9)에서도 접합 계면의 표면산화 피막이 제거되어, 신뢰성이 높은 접합이 가능하게 된다.

또한 비교예로서, 접합툴의 선단에 형성되는 핀의 중심이, 접합툴의 회전중심에 있는 경우에는, 접합부 중심은 주속도 0 이 되기 때문에, 소성 유동되지 않고, 접합은 되지 않는다.

또한, 다른 비교예로서 접합툴의 선단에 형성되는 핀이, 접합툴의 회전중심과는 다른 위치에 배치되나, 접합툴의 회전중심에는 핀의 일부가 배치되어 있는 경우에는, 역시 접합부 중심은 소성 유동되지 않고, 접합은 되지 않는다.

도 3은 본 실시예의 접합툴의 측면도와 정면도를 나타내는 것이다.

접합툴(1)에 형성되는 볼록부(2)의 형상으로서는, 반원형상인 것이 바람직하나, 특히 그 접선이 접합툴(1)의 회전축과의 각도(θ)가, 45∼90°인 것이 바람직하다.

각도(θ)가 작아지면, 볼록부(2)의 체적이 커져 접합 중에 볼록부(2)가 통과한 영역이 충분히 소성 유동으로 충전되지 않게 되어, 캐비티 결함이 발생할 염려가 있는 것을 알 수 있었다.

또, 숄더(3)의 바깥 둘레 선단의 코너부(15)는, 곡률을 가진 형상으로 하는 것이 바람직하다.

도 4에 접선 각도(θ)와 결함과 관계를 그 결함의 발생상황의 관점에서 나타낸다. 각도 45°∼90°에서는 결함이 발생하지 않고, 양호한 접합을 하는 것이 가능한 것을 알 수 있었다.

접선 각도(θ)가, 0°∼30°에서는 결함이 발생하여, 양호한 접합을 할 수 없었다.

(실시예 2)

도 5는 제 2 실시예에서의 접합툴의 형상을 나타낸다. 실시예 1과 다른 점은, 접합툴(1)에 오목부(16)부가 설치되는 점이다. 오목부(16)가 있어도 본 발명의 효과는 얻어진다.

(실시예 3)

도 6은 제 3 실시예에서의 접합툴의 형상을 나타낸다. 실시예 1과 다른 점은, 접합툴(1)에 볼록부(2)가 2개 있는 점이다. 볼록부(2)가 복수 있어도 본 발명의 효과는 얻어진다.

(실시예 4)

도 7은 제 4 실시예에서의 접합툴(1)의 형상을 나타낸다. 실시예 1과 다른 점은, 접합툴(1)에 형성되는 볼록부(2)의 형상이, 타원인 점이다. 타원이어도 본 발명의 효과는 얻어진다.

본 발명은 마찰교반접합방법에 관한 것으로, 특히 스폿접합을 이용하는 마찰교반접합의 기술분야에 유익하고, 특히 이와 같은 분야에 이용 가능성이 크다.

본 발명의 접합툴에 의한 마찰교반접합방법에 의하면, 접합툴의 회전중심에도 소성 유동시킬 수 있어, 미접합이 없는 양호한 접합을 할 수 있다.

Claims

복수의 부재를 겹쳐서 접합툴을 회전시키면서 한쪽의 부재측에 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 마찰교반접합방법에 있어서,

상기 접합툴의 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부는, 상기 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 1항에 있어서,

상기 볼록부는, 반구형상인 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 1항에 있어서,

상기 볼록부의 접선이, 상기 접합툴의 회전축에 대하여 45∼90°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 1항에 있어서,

상기 볼록부를, 상기 접합툴의 숄더의 선단에 복수 가지는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
제 1항에 있어서,

상기 볼록부는, 타원형상인 것을 특징으로 하는 마찰교반접합방법.
복수의 부재를 겹쳐 한쪽의 부재측으로 회전시키면서 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 마찰교반 접합툴에 있어서,

상기 접합툴은 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부를 가지고, 상기 볼록부는 상기 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합툴.
제 6항에 있어서,

상기 볼록부는, 반구형상인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합툴.
제 6항에 있어서,

상기 볼록부의 접선이, 상기 접합툴의 회전축에 대하여 45∼90°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합툴.
제 6항에 있어서,

상기 볼록부를, 상기 접합툴의 숄더의 선단에 복수 가지는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합툴.
제 6항에 있어서,

상기 볼록부는, 타원형상인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합툴.
복수의 부재를 겹쳐 접합툴을 회전시키면서 한쪽의 부재측에 압입하여 마찰교반을 일으키게 하여 접합하는 마찰교반접합장치에 있어서,

상기 접합툴의 숄더의 선단에 위치하는 작은 지름의 볼록부는, 상기 접합툴의 회전축으로부터 바깥 둘레측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 11항에 있어서,

상기 볼록부는, 반구형상인 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 11항에 있어서,

상기 볼록부의 접선이, 상기 접합툴의 회전축에 대하여 45∼90°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 11항에 있어서,

상기 볼록부를, 상기 접합툴의 숄더의 선단에 복수 가지는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.
제 11항에 있어서,

상기 볼록부는, 타원형상인 것을 특징으로 하는 마찰교반접합장치.