KR20130061677A - 마찰가공용 툴과 이를 이용한 마찰가공장치 및 마찰가공방법 - Google Patents

마찰가공용 툴과 이를 이용한 마찰가공장치 및 마찰가공방법 Download PDF

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KR20130061677A
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Abstract

툴 수명이 향상되고, 제조 공수와 제조 비용을 절감할 수 있는 마찰가공용 툴과 이를 이용한 마찰가공장치 및 마찰가공방법을 제공한다. 금속재료의 피가공재에 대하여 회전시키면서 꽉눌러서 발생하는 마찰열에 의해 피가공재(W1, W2)를 연화시키셔 가공하기 위한 마찰가공용 툴(20)로서, 원기둥 형상의 툴본체(21)를 구비하고, 피가공재(W1, W2)에 접촉시키는 툴본체의 선단면이 평탄한 쇼울더면(22)만으로 형성되어 있다. 마찰가공용 툴(20)의 재질은, Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로 이루어진다.

Description

마찰가공용 툴과 이를 이용한 마찰가공장치 및 마찰가공방법{FRICTION PROCESSING TOOL, AND METHOD AND APPARATUS FOR FRICTION PROCESSING USING SAME}
본 발명은 예를 들면, 금속재료의 피가공재 등을 맞대어 마찰에 의해 연화시켜서 접합하기 위하여 사용되는 마찰가공용 툴과 이를 이용한 마찰가공장치 및 마찰가공방법에 관한 것이다.
상기 가공법으로서, 마찰교반접합(FSW)이 알려져 있다. 마찰교반접합은, 금속재료의 피가공재 등을 맞대어 형성되는 접합선을 따라서 원기둥 형상의 툴을 회전시키면서 꽉누르고, 접합방향으로 상대 이동시킴으로써 발생되는 마찰열에 의해 피가공재를 연화시켜서 접합하는 방법이다. 또한, 상기 툴을 이용하여, 피가공재 표면의 강도 및 경도 등을 향상시키는 마찰교반(FSP)과, 피가공재를 점접합하는 마찰점접합(FSJ)도 행해지고, 이것들과 상기 마찰교반접합을 총칭하여 마찰교반가공으로 칭해진다.
상기 마찰교반가공용 툴은, 원기둥 형상의 툴본체와, 툴본체의 선단면에 형성되는 쇼울더면과, 쇼울더면의 중앙에 돌출 설치되는 프로브를 구비한다. 그리고, 마찰교반가공용 툴은, 피가공재보다 경도, 융점, 내마모성 등의 물성이 높은 재료가 요구되고, 알루미늄 등의 저융점 재료의 피가공재의 접합에는 SKD강 등의 공구강이 주로 사용되고 있다. 한편, 스테인레스 등의 철계 재료의 피가공재를 접합하는 경우에는, 세라믹스제와 초경합금제의 마찰교반가공용 툴이 사용되고 있다. 그러나, 세라믹스제의 마찰교반가공용 툴은 파손되기 쉽고, 초경합금제의 마찰교반가공용 툴은 단시간에 마모가 발생되기 쉬운 등의 문제가 있다. 그래서, 마찰교반가공용 툴의 재질로서 고강도이고 우수한 고온특성을 갖는 Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로 이루어지는 것도 제안되어 있다 (특허문헌 1).
특허문헌 1 : 특개2009-255170호 공보
그런데, 상기 마찰교반가공용 툴의 프로브는, 피가공재 등을 접합하는 경우에 연화된 금속재료를 프로브의 길이방향으로 유동시켜서, 접합강도를 향상시키는 것을 의도하여 설치되어 있지만, 프로브의 가공을 필요로 하기 때문에 툴의 형상이 복잡하게 되어 제작비용이 높고, 또한 프로브가 파손되면 그 마찰교반가공용 툴은 그 이상 사용할 수 없게 된다. 또한, 상기 프로브 깊이에 의해서는, 박판 등을 접합시키는 마찰교반접합(FSW)을 행하는 경우에 접합부에 개구 등의 결함을 일으키기 쉽게 되는 등의 우려가 있다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여, 툴 수명이 향상되고, 제조 공수와 제조 비용을 절감할 수 있는 마찰가공용 툴과 이를 이용한 마찰가공장치 및 마찰가공방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관련된 마찰가공용 툴은,
금속재료의 피가공재에 대하여 회전시키면서 꽉눌러서 발생하는 마찰열에 의해 피가공재를 연화시켜서 가공하기 위한 마찰가공용 툴로서,
원기둥 형상의 툴 본체를 구비하고, 피가공재에 접촉시키는 툴 본체의 선단면이 평탄한 쇼울더면만으로 형성되어 있다.
이 것에 의해, 쇼울더면에는 마모되기 쉬운 프로브가 설치되어 있지 않으므로, 마찰가공용 툴의 수명이 향상된다. 또한, 쇼울더면에 프로브를 형성할 필요가 없으므로, 마찰가공용 툴을 제조하는 공수와 제조 비용을 절감할 수가 있다. 또한, 피가공재에 접촉시키는 툴 본체의 선단면이 평탄한 쇼울더면만으로 형성되어 있음으로써 피가공재를 마찰열에 의해 연화시키셔 주로 쇼울더면의 지름방향으로 소성변형없이 유동시켜서 가공할 수가 있다. 또한, 이와 같은 가공원리에 의한 툴을 마찰가공용 툴이라 부른다.
상기 마찰가공용 툴의 재질은, Ni기 2중복상금속간화합물 합금인 것이 바람직하다.
이 경우에, 마찰가공용 툴은 피가공재의 가공시에 마찰열에 의한 고온하에서도 필요한 경도를 발휘하고, 프로브가 없어도 스테인레스 등의 철계 재료로 이루어지는 피가공재에 대해서도 양호한 접합 등을 행할 수가 있다.
또한, 본 발명에 관련된 마찰가공용 툴은,
금속재료의 피가공재에 대하여 회전시키면서 꽉눌러서 가공방향으로 상대이동시키는 가공기구를 구비한 마찰가공장치로서,
마찰가공용 툴은, 청구항 1 또는 2에 기재된 마찰가공용 툴로서, 피가공재가 되는 박판의 판두께에 대한 쇼울더 지름의 비율이 6.5~15 이고,
가공기구는, 툴 이송속도가 500~900mm/min 로 설정되어 있다.
또한, 상기 마찰가공용 툴 및 가공기구의 조건은, 피가공재로서 판두께가 1.5mm 이하의 철계 재료로 이루어지는 박판에 대한 한정으로 하는 것이 바람직하다.
이 것에 의해, 상기 마찰가공용 툴의 작용효과에 더하여, 프로브가 없는 마찰가공용 툴에 의해 스테인레스 등의 철계 재료로 이루어지는 피가공재의 박판에 대해서도 양호한 접합 등을 행할 수가 있다.
상기 마찰가공장치에 있어서,
마찰가공에 의해 마모된 마찰가공용 툴에 있어 쇼울더면만으로 형성되는 선단면을 지석에 의해 연삭하는 툴재생기구를 구비하고,
툴재생기구는, 상기 마찰가공용 툴을 회전시키면서 지석을 회전시켜서 툴 본체의 쇼울더면을 연삭하도록 제어하고, 상기 마찰가공용 툴의 회전 토크를 검출하는 토크 검출수단의 출력치가 소정의 설정치에 이르면 재생정지하도록 제어하는 제어수단을 구비하는 것도 바람직하다.
마찰가공용 툴의 쇼울더면이 마모됨으로써 쇼울더면과 피가공재의 접촉상태가 불안정하게 되면 양호한 접합상태를 얻을 수 없게 된다. 이 것에 대하여 상기 툴 재생기구에 의하면, 마찰가공용 툴의 쇼울더면이 마모되어도, 툴 재생기구에 의해 쇼울더면을 평면상태로 복원하여 재생할 수가 있다. 따라서, 마모된 마찰가공용 툴을 재생에 의해 재생할 수가 있으므로, 마찰가공용 툴의 수명이 더욱 향상되고, 툴 교환빈도를 적게 할 수가 있다. 특히, 본 발명의 마찰가공용 툴에는 프로브가 없으므로 상기 툴 재생기구에 있어서 지석의 구조도 간소하게 형성할 수가 있어 재생이 용이하게 된다.
또한, 툴의 재생시에 마찰가공용 툴의 회전 토크를 토크 검출부에 의해 검출하고, 예를 들면 쇼울더면이 매끄러운 평면이 된 때의 회전 토크의 값을 설정치로 하여, 회전 토크가 이 설정치로 된 때에 재생 정지하는 것으로, 시간의 낭비가 없이 과절삭하는 일도 없이 양호한 툴 재생을 행할 수가 있다.
한편, 본 발명에 관련된 마찰가공방법은,
금속재료의 피가공재에 대하여 마찰가공용 툴을 회전시키면서 꽉눌러서 가공방향으로 상대 이동시킴으로써 마찰열에 의해 피가공재를 연화시켜서 가공하는 마찰가공방법으로서,
마찰가공용 툴은, 청구항 1 또는 2에 기재되어 있는 마찰가공용 툴로서, 피가공재로서 판두께가 1.5mm 이하의 철계 재료로 이루어지는 박판의 판두께에 대한 쇼울더 지름의 비율이 6.5~15 인 것을 이용하여 피가공재를 가공한다.
이 것에 의해, 위에서 설명한 마찰가공용 툴 및 마찰가공장치와 동일한 작용효과가 발휘된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의하면, 마찰가공용 툴의 툴수명이 향상되고, 제조 공수와 제조 비용을 절감할 수가 있다. 그리고, 프로브가 없어도 스테인레스 등의 철계 재료 등으로 이루어지는 피가공재의 박판 등에 대해서도 양호한 접합이 가능하도록 한다.
도 1은 실시형태에 의한 마찰가공용 툴을 나타낸 도면으로서, 도 1(A)는 툴의 사시도이고, 도 1(B)는 툴의 측면도이다.
도 2는 마찰교반 접합장치의 전체 구성도를 나타낸 사시도이다.
도 3은 마찰교반 접합장치의 툴 재생기구로서의 툴 연삭장치 부분을 확대한 단면도이다.
도 4는 워크 가공 조작위치와 툴 재생 조작위치의 관계를 나타낸 모식도이다.
도 5는 실시예 1의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예 2의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 7은 실시예 3의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 8은 실시예 4의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 9는 실시예 5의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 10은 실시예 6의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 11은 실시예 7의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 12는 실시예 8의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 13은 실시예 9의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 14는 실시예 10의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 15는 실시예 11의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 16은 실시예 12의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 17은 실시예 13의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한 사진이다.
도 18은 참고예의 마찰접합에 의해 얻은 박판의 접합부를 표면측에서 촬영한` 사진이다.
(마찰가공용 툴)
마찰가공용 툴은 금속재료의 피가공재에 대하여 회전시키면서 꽉눌러서 발생하는 마찰열에 의해 피가공재를 연화시켜서 주로 쇼울더면의 지름방향에 소성변형이 없이 유동시켜서 가공하기 위한 툴이다. 마찰가공용 툴(이하, 편의상 "툴"로 부른다)은, Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로 이루어지고, 원기둥 형상의 툴본체를 구비하고, 피가공재에 접하는 툴본체의 선단면이 평탄한 쇼울더면만으로 형성되어 있다. 또한, 툴은, 배경기술에서 말한 마찰교반접합(FSW), 마찰교반개질(FSP), 마찰점접합(FSJ) 등에 이용하는 경우를 마찰교반가공용 툴로 부를 수가 있다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 툴(20)은 원기둥 형상의 툴본체(21)와, 툴본체(21)의 기단부에 플랜지(23)를 개재하여 형성하는 육각기둥 형상의 취부부(24)를 가진다. 이 취부부(24)를 마찰가공장치의 툴홀더(3)에 착탈이 자유롭게 고정하여 툴본체(21)를 피가공재에 꽉누른다. 이 툴(20)은 피가공재에 꽉누르는 툴본체(21)의 선단면이 평탄한 쇼울더면(22)만으로 형성되어 있고, 쇼울더면(22)에는 종래와 같은 돌기형상의 프로브가 없다. 따라서, 평탄한 쇼울더면(22)은 피가공재로서 예를 들면 판재들의 단부를 맞댄 접합선상에 대하여 회전시키면서 압접시켜서 마찰접합을 행한다. 또한, 쇼울더면(22)은, 그 모선이 툴본체(21)의 축선에 수직한 평면뿐이 아니라, 모선이 약간 볼록 또는 약간 오목한 평면으로 되어 있어도 좋다. 그리고, 툴(20)의 쇼울더 지름(쇼울더면(22)의 직경)은, 피가공재가 되는 박판의 판두께에 대한 쇼울더지름의 비율이 6.5~15로 되도록 설정된다. 예를 들면, 박판의 판두께가 1.5mm 이하인 경우, 툴의 쇼울더 지름은 8~14mm로 설정된다.
툴(20)은 피가공재가 알루미늄 합금 등에 비해서 고융점 재료인 철계 합금 등이어도 확실하게 접합을 행하도록 하기 위하여, Ni기 2중복상금속간화합물 합금에 의해 형성된다. 이 Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로서, Ni기 2중복상금속간화합물을 가지는 합금이기만 하면, 한정되지 않는다.
Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로서, 예를 들면 Ni3Al(L12)-Ni3Ti(DO24)-Ni3V(DO22)계 금속간화합물 (국제공개 WO2006/1011212호 팜플렛을 참조)와, Ni3Al(L12)-Ni3Nb(DO8)-Ni3V(DO22)계 금속간화합물 (국제공개 WO2007/086185호 팜플렛을 참조) 등이 알려져 있다.
상기 Ni3Al(L12)-Ni3Ti(DO24)-Ni3V(DO22)계 상금속간화합물 합금으로서, 구체적으로는, Al: 5원자% 보다 크고 13원자% 이하, V: 9.5원자% 이상이고 17.5원자% 보다 작고, Ti: 0원자% 이상이고 3.5원자% 이하, B: 0중량 ppm 이상이고 1000중량ppm 이하, 나머지부는 불순물을 뺀 Ni로 이루어지고, 또한 초절 L12 상과 (L12+DO22) 공절 조직의 2중복상 조직을 가지는 Ni3Al기 금속간 화합물을 들 수 있다.
이 금속간 화합물은, Al: 5원자% 보다 크고 13원자% 이하, V: 9.5원자% 이상이고 17.5원자% 보다 작고, Ti: 0원자% 이상이고 3.5원자% 이하, B: 0중량 ppm 이상이고 1000중량ppm 이하, 나머지부는 불순물을 뺀 Ni로 이루어지는 합금재에 대하여 초절 L12 상과 A1상이 공존하는 온도에서 제1 열처리를 행하고, 그 후에 L12상과 DO22 상이 공존하는 온도로 냉각하든지, A1 상을 (L12+DO22) 공절조직으로 변화시켜서 2중복상조직을 형성하는 공정을 구비하는 방법에 의해 제조할 수가 있다. 혹은, 상기 조성의 합금을 고온의 A1 단상영역으로부터 서냉함으로써 2중복상조직을 형성하는 공정을 구비하는 방법에 의해서도 제조할 수가 있다.
또한, 상기 Ni3Al(L12)-Ni3Nb(DO8)-Ni3V(DO22)계 금속간화합물 합금으로서, 구체적으로는, Al: 5원자% 보다 크고 13원자% 이하, V: 9.5원자% 이상이고 17.5원자% 보다 작고, Nb: 0원자% 이상이고 5원자% 이하, B: 50중량 ppm 이상 1000중량ppm 이하, 나머지부는 불순물을 뺀 Ni로 이루어지고, 초절 L12 상과 (L12+DO22) 공절 조직의 2중복상 조직을 가지는 Ni3Al기 금속간 화합물을 들 수 있다.
이 금속간 화합물은, Al: 5원자% 보다 크고 13원자% 이하, V: 9.5원자% 이상이고 17.5원자% 보다 작고, Nb: 0원자% 이상이고 5원자% 이하, B: 50중량 ppm 이상이고 1000중량ppm 이하, 나머지부는 불순물을 뺀 Ni로 이루어지는 합금재에 대하여 초절 L12 상과 A1상이 공존하는 온도 또는 L12상과 Al상과 DO8상이 공존하는 온도에서 제1 열처리를 행하고, 그 후에 L12상과 DO22상이 공존하는 온도로 냉각하든지, A1 상을 (L12+DO22) 공절조직으로 변화시켜서 2중복상조직을 형성하는 공정을 구비하는 방법에 의해 제조할 수가 있다. 혹은, 상기 조성의 합금을 고온의 A1 단상영역으로부터 서냉함으로써 2중복상조직을 형성하는 공정을 구비하는 방법에 의해서도 제조할 수가 있다.
그리고, 툴(20)의 재질로는 Ni를 주성분으로 하고 또한 Al: 2~9 원자%, V: 10~17 원자%, Ta 및/또는 W: 0.5~8 원자%, Nb: 0~6 원자%, Co: 0~6 원자%, Cr: 0~6 원자%를 포함하는 합계 100 원자%의 조성의 합계중량에 대하여 B: 10~1000 중량ppm을 포함하고 또한 초절 L12 상과 (L12+DO22) 공절 조직의 2중복상 조직을 가지는 Ni기 2중복상금속간화합물 합금이, 내열 및 내마모성이 우수한 점에서 바람직하다. 또한, 본 명세서에 있어서 상기 "~"는 상한치, 하한치를 각각 포함한다.
Ta 및/또는 W가 0.5~8 원자%를 포함함으로써 경도 향상 효과를 얻을 수 있다.
Nb, Co, Cr은 임의성분이지만, Nb는 2중복상조직의 강도향상을 위하여 첨가되고, 또한 Co, Cr은 내산화성 향상을 위하여 첨가된다.
B는 얻어지는 합금의 연성 향상을 위하여 첨가된다.
또한, 초절 L12 상과 (L12+DO22) 공절 조직의 2중복상 조직을 가짐으로써 금속간 화합물 합금은 인장강도 등의 기계적 특성과 내크립특성이 우수하게 된다.
또한, 툴(20)의 재질로는 Ni을 주성분으로 하고, 그리고 Al: 5.5~13 원자%, V: 10~17 원자%, Nb: 0~6 원자%, Ti: 0~6 원자%, Co: 0~6 원자%, Cr: 0~6 원자%를 포함하는 합계 100 원자%의 조성의 합계중량에 대하여 B: 10~1000 중량ppm을 포함하고 또한 초절 L12 상과 (L12+DO22) 공절 조직으로 이루어지는 2중복상 조직을 가지는 Ni기 2중복상금속간화합물 합금도, 상기와 마찬가지로, 내열 및 내마모성이 우수한 점에서 바람직하다.
툴(20)의 제조는, 용해-주조법, 주조재를 열간단조 등의 소성가공, 분말야금법 등으로 형태를 만들어도 좋다. 예를 들면, Ni기 2중복상금속간화합물의 툴의 제조는, 여러 종류의 제조방법으로 행할 수가 있고, 소정의 조성으로 되도록 소정의 원소의 지금(각각 순도 99.9 중량%이상)과 B를 양을 잰 것을 진공유도용해법과 아크용해법 등에 의해 용해, 주조함으로써 주괴를 제작한다. 이 주괴로부터 방전가공, 절삭가공, 연삭가공, 연마가공 등을 임의로 사용하여 소정의 형상으로 가공함으로써 툴을 제조한다.
이상의 툴(20)에 의하면, 피가공재에 접촉시키는 툴본체(21)의 선단면이 편형한 쇼울더면(22)만으로 형성되어 있음으로써 피가공재를 마찰열에 의해 연화시켜 주로 쇼울더면(22)의 지름방향으로 소성변형이 없이 유동시켜서 가공할 수가 있다. 툴(20)의 쇼울더면(22)이 평탄하게 형성되어 있고, 쇼울더면(22)에는 마모, 파손되기 쉬운 프로브가 설치되어 있지 않으므로 툴(20)의 수명이 향상된다. 또한, 쇼울더면(22)에 프로브를 형성할 필요가 없으므로, 툴(20)을 제조하는 공수와 제조 비용을 절감할 수가 있다. 더우기, 툴(20)이 Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로 이루어지므로, 내열 및 내마모성이 우수하다. 따라서, 본 마찰가공용 툴(20)은, 피가공재의 가공시에 마찰열에 의한 고온하에도 필요한 경도(예를 들면, 80℃에서는 빅카스 경도가 400 이상)를 발휘하고, 프로브가 없어도 스테인레스 등의 철계 재료로 이루어지는 피가공재에 대해서도 양호한 접합을 행할 수가 있다. 특히, 피가공재로서 판두께가 1.5mm 이하의 박판을 맞댄 것을 접합하는데에 적합하다. 또한, 툴(20)의 쇼울더면(22)은 프로브가 없이 평탄하게 형성되므로, 후술하는 툴재생기구(5)에 있어서도, 마모된 툴(20)의 쇼울더면(22)을 연삭하는 지석(51)의 외주면 형상도 평탄한 면으로 할 수가 있어 제조가 용이한 단순한 형상으로 할 수가 있다.
(마찰가공장치)
다음에, 마찰가공장치의 일실시형태로서, 피가공재가 되는 판재(워크)의 단면을 맞대어 마찰접합하기 위한 마찰교반접합장치를 설명한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 마찰교반접합장치(1)는, 워크(W1, W2)를 배치하기 위한 기대(7)상에, 워크(W1, W2)에 대하여 마찰접합을 행하는 가공장치(2)를 구비한다.
기대(7)상에는, 2매의 평판형상의 워크(W1, W2)이 배치되는 뒷면치구(4)가 설치되고, 뒷면치구(4)상에 배치된 워크(W1, W2)는 뒷면치구(4)에 설치된 워크누름장치(6)에 의해 워크(W1, W2)를 맞댄 접합선(L)이 뒷면치구(4)의 중앙에 위치하도록 고정된다. 뒷면치구(4)는 워크(W1, W2)가 철계 합금 등의 고융점 재료의 경우에는 질화규소 등의 세라믹스 등이 사용되는 것이 바람직하자만, 이것들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 뒷면치구(4)는 열전도율이 작은 재료로 형성되는 평판부재와 봉형상부재 등으로 구성해도 좋다.
가공기구(2)는, 툴(20)을 보호 지지하는 툴보지부(30)와, 툴(20)을 회전시키는 회전용 모터(32)와, 툴보지부(30)를 승강시키는 승강용 모터(85)와, 툴보지부(30)를 횡방향으로 이동시키는 직동기구(84)를 구비한다. 툴보지부(30)는 하부에 툴(20)을 착탈이 자유롭게 부착하는 툴홀더(3)를 구비한다. 툴홀더(3)는 툴회전용 모터(32)와 연결되어 있고, 이 툴회전용 모터(32)의 구동에 의해 툴홀더(3)와 함께 툴(20)이 회전된다. 툴보지부(30)는, 슬라이더(80)에 대하여 승강이 자유롭게 부착되어 있고, 슬라이더(80)에 설치되는 승강용 모터(85)에 의해 기대(7)에 대하여 상하로 이동이 자유롭게 되고, 이것에 의해 워크(W1, W2)에 대한 툴높이가 조절된다. 또한, 툴보지부(30)는, 슬라이더(80)에 대하여 회동이 자유롭게 설치되고, 툴(20)을 소정의 전진각(Θ)으로 설정할 수 있도록 되어 있다(도 4 참조). 슬라이더(80)는 한쌍의 가이드 레일(81), 볼네지(82) 및 이송모터(83)를 구비하는 직동기구(84)에 있어서 한쌍의 가이드레일(81), 볼네지(82)에 장착되어 있고, 이송모터(83)의 구동에 의해 기대(7)에 평행하게 이동이 자유롭게 되어 있다.
그리고, 워크(W1, W2)를 접합하는 경우에, 고속회전(예를 들면 500rpm~2000rpm 정도)시킨 툴(20)을 워크(W1, W2)의 접합선(L)의 일단에 밀어누른다, 그러면, 발생되는 마찰열에 의해 접합선(L) 주변의 워크(W1, W2)가 연화된다. 그리고, 툴(20)을 접합선(L)의 타단을 향하여 이동시키면, 회전에 의한 마찰열로 접합선(L) 주변의 워크(W1, W2)가 연속적으로 연화되어 주로 쇼울더면(22)의 지름방향으로 소성변형이 없이 유동되어 워크(W1, W2)의 접합선(L) 부근이 마찰접합된다.
본 실시형태에서는, 프로브를 가지지 않는 툴(20)의 평탄한 쇼울더면(22)을 평판의 맞댐부인 접합선(L)상의 표면에 압접시키는 것만으로 마찰접합을 행하기 때문에, 접합하는 평판의 뒷면까지 마찰열을 충분하게 도달시킬 필요가 있어서, 피가공재가 되는 평판이 박판인 것이 바람직하다. 따라서, 피가공재로서의 판재(워크 (W1, W2))가 철계 재료로 이루어지는 박판이고, 판두께가 1.5mm 이하인 것을 접합하는 데에 적합하게 사용된다. 또한, 박판의 판두께가 1.5mm를 넘어도, 박판의 이면에 배치되는 뒷면치구(4)로서, 박판의 이면측으로부터의 방열을 차단할 수 있는 열전도율이 작은 재질(예를 들면 Si3N4)로 함으로써 양호한 접합을 행하는 것이 가능하다. 이 뒷면치구(4)는 열전도율이 작을수록 박판에 접촉되어 있는 툴(20)의 쇼울더면(22)으로부터 박판을 연화시키는 깊이가 증가되어, 그 결과 양호한 접합을 얻을 수 있다.
그리고, 이 마찰교반접합장치(1)에 이용되는 툴(20)은, 피가공재로서의 박판의 판두께에 대한 쇼울더지름의 비율이 6.5 이상 15 이하의 범위로 되는 크기로 설정되는 것이 바람직하다. 더우기, 마찰교반접합장치에서의 마찰접합 조건은, 툴(20)의 이송속도가 500mm/min 이상 900mm/min 이하로 가공을 행하도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 툴(20)의 회전수는, 툴이 피가공재에 압접된 때에 마찰열에 의해 약 800~ 약 1000℃ 정도로 발열하는 회전수로 할 수가 있다. 예를 들면, 툴(20)의 회전수는 700rpm 이상 1800 rpm 이하의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 더우기, 툴(20)의 전진각(Θ)은 예를 들면 2도 이상 5도 이하의 범위로 설정되는 것이 바람직하다(도 4 참조),
이상의 조건설정에 의해, 프로브가 없는 마찰가공용 툴(20)에 의해, 피가공재로서의 스테인레스 등의 철계 재료로 이루어지는 박판(W1, W2)의 맞댐부에 대해서도 양호한 접합을 행할 수가 있다. 또한, 툴(20)은, 종래와 같이 피가공재의 맞댐부의 단면간에 프로브를 삽입할 필요가 없으므로 툴(20)의 깊이 방향의 위치를 높은 정밀도로 제어할 필요가 없게 된다.
(툴 재생기구)
또한, 마찰교반접합장치(1)는, 툴(20)을 재생시키는 툴 재생기구로서의 툴 연삭장치(5)를 구비하고 있다. 툴 연삭장치(5)는 피가공재의 가공에 의해 마모된 툴(20)의 쇼울더면(22)을 연삭하여 원래의 평면 형상으로 복원하고 재생하기 위한 것으로서, 뒷면치구(4)에 인접하여 기대(7)상의 한쪽편에 배치되어 있다(도 2 참조). 그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 툴 연삭장치(5)는, 원판형상의 지석지지판(52)의 외주면에 형성된 지석(51)과, 지석지지판(52)에 부착된 회전축(58)에 접촉되어 지석(51)을 회전시키는 지석회전용 모터(53)를 구비한다. 지석(51)으로서는, 툴(20)의 연삭이 원활하게 행해지도록 다이아몬드 지석 등을 사용하는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 보라존과 같은 입방정질화붕소(CBN) 등에 의한 것도 좋다. 또한, 지석(51)은 툴(20) 및 지석(51)으로부터 발생하는 연삭 찌꺼기 등이 외부로 비산하지 않도록 하기 위하여, 커버(54)에 의해 덮혀져 있고, 이 커버(54)에는 툴(20)을 배치시키는 툴 삽입구(56)가 상면으로 설치됨과 동시에, 연삭 찌꺼기 등을 배출시키는 배출구(57)가 아랫면에 설치되어 있다.
그리고, 도 3을 참조하여, 툴(20)을 재생하는 경우에는, 마모된 툴(20)을 회전시키면서 툴 연삭장치(5)의 상방으로 이동시켜서 선단의 쇼울더면(22)을 회전하고 있는 지석(51)에 접촉시켜서 연삭한다. 이것에 의해, 툴(20)의 쇼울더면(22)이 원래의 평탄한 상태로 재생된다.
또한, 도 4를 참조하여, 워크(W1, W2)의 접합선(L)이 연장되는 방향과 지석(51)의 회전방향이 일치하도록 툴 연삭장치(5)를 기대(7)상에 배설함으로써 툴(20)에 전진각(Θ)을 보호 지지시킨 상태 그대로도 지석(51)에 의해 연삭할 수 있으므로 툴(20)의 재생 조작을 용이하게 할 수가 있다.
상기 재생조작의 경우에, 지석(51)의 주속은, CBN(입방정질화붕소)와 다이어몬드 지석의 경우는 5~80m/sec 정도로 설정되지만, 이것들에 한정되지는 않는다. 이 것에 의해, 툴(20)을 회전시키면서 지석(51)을 회전시켜서 연삭하는 경우에, 툴(20)을 흠손시키는 일 없이 원활하게 연삭할 수가 있다. 또한, 이 재생시의 툴(20)의 회전수는, 지석(51)의 종류와 지석(51)의 주속 등을 고려하여 연삭에 최적인 회전수가 설정된다. 통상은, 비교적 늦은 회전수로 되고, 예를 들면 툴(20)의 회전수는 100rpm 전후 정도로 설정되는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되지는 않는다.
또한, 이 툴(20)의 연삭시에는 지석(51) 주변에 냉풍 및/또는 미스트를 공급하도록 해도 좋다. 이것에 의해, 툴 연삭시에 냉풍 및/또는 미스트를 공급하는 것으로, 지석(51)의 연삭면의 조도를 미세하게 하여 매끄럽게 또한 효율적으로 툴(20)을 연삭할 수가 있다.
이상의 재생조작에 의해, 툴(20)의 쇼울더면(22)이 마모되어도, 툴 연삭장치(5)에 의해 쇼울더면(22)을 평면 상태로 복원하여 재생할 수가 있다. 따라서, 마모된 툴(20)을 재생에 의해 재사용할 수가 있으므로, 툴(20)의 수명이 더욱 향상되고, 툴 교환빈도를 적게 할 수가 있다. 특히, 본 마찰가공용 툴(20)에는 프로브가 없으므로 지석(51)의 구조도 간소하게 형성할 수 있어서 재생이 용이하게 된다.
더우기, 툴(20)을 회전시키는 툴 회전용 모터(32)에는 도시하지는 않았지만, 툴(20)의 회전토크를 검출하는 토크 검출부(도시하지 않음)가 접속되어 있고, 이 토크 검출부는 툴(20)을 지석(51)에 의해 연삭하고 있는 중에도 툴(20)의 회전토크를 검출하도록 되어 있다. 그리고, 툴 연삭중에 토크 검출부에서 검출한 회전토크가 소정의 설정치에 이르면 연삭가공을 정지하도록 제어하는 제어수단(도시하지 않음)이 마찰교반접합장치(1)에 설치되어 있다. 연삭가공을 정지하는 회전 토크로서의 설정치는 툴(20)의 쇼울더면(22)이 마찰접합에 의해 마모되어 평면평활성이 없어진 상태에서 연삭되고 있는 때의 회전 토크 보다도 연삭에 의해 평활하게 된 때의 회전 토크가 작게 되므로, 회전 토크가 감소하여 소정시간 일정치를 유지하면 연삭가공을 정지하도록 되어 있다.
이것에 의해, 툴 재생시에 툴(20)의 회전토크를 토크 검출부에 의해 검출하고, 예를 들면 쇼울더면(22)이 매끄러운 평면으로 된 때의 회전 토크의 값을 설정치로 하여, 회전 토크가 이 설정치로 된 때에 재생정지함으로써 시간의 낭비가 없이, 과절삭하는 일도 없이 양호한 툴 재생을 행할 수가 있다.
또한, 본 발명은 실시형태만에 한정되지 않고, 본 발명의 범위내에서 여러 종류의 변경을 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 토크 검출부는, 툴 회전용 모터(32)의 회전토크를 검출하지만, 지석 회전용 모터(53)의 회전 토크를 검출하도록 해도 좋다.
실시예
마찰가공용 툴로서, 프로브가 없는 것으로도 양호한 마찰접합을 할 수 있음을 확인하기 위하여 이하의 실시예를 행하였다.
(실시예 1)
마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 10mm이고, 도 1에 나타낸 바와 같이 쇼울더면이 평탄한 평면으로 형성되어 프로브를 가지기 않는 것을 이용하고,도 2에 나타낸 마찰교반접합장치에 의해, 판두께가 1.0 mm의 US430 으로 이루어지는 2장의 박판(피가공재)를 맞대어 마찰접합을 행하였다.
마찰가공용 툴의 재질은, Ni가 75 원자%, Al가 7 원자%, V가 13 원자%, Ta가 5 원자%를 포함하는 합계 100 원자%의 조성의 합계중량에 대하여 B가 50 중량ppm을 포함하고 또한 초절 L12 상과 (L12+DO22) 공절 조직으로 이루어지는 2중복상 조직을 가지는 Ni기 2중복상금속간화합물 합금이다.
박판의 뒷면치구는, 도 2에 나타낸 마찰교반접합장치에서는 판상의 것을 사용하지만, 실시예 1에서는 질화규소(Si3N4)제로 이루어지고, 30×30mm각, 길이 100mm의 각재를 접합방향으로 3개 배치하여 사용하였다.
마찰접합 조건은, 툴을, 전진각 3도, 툴회전수 1500rpm으로 회전시키면서 상기 피가공재로서의 2장의 박판의 접합선상에 눌러대고, 마찰열에 의해 툴이 오렌지색으로 발광한 후, 툴 이송속도 900mm/min 로 직선상으로 이동시키도록 설정하여 2장의 박판을 맞댄 접합선을 마찰접합하였다. 또한 가공시의 툴의 부하는 약 0.7ton으로 설정하였다.
그리고, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태를 도 5의 사진에 나타내었다.
(인장시험)
이어서, 상기 박판의 맞댐 접합한 접합부의 강도를 조사하기 위하여, 접합부의 접합방향에 대하여 직교하는 방향으로 잘라내어 시험편을 제작하고, JISZ 2241 「금속재료 인장시험방법」에 준하여 인장시험을 행하였다.
시험편은, JISZ 2201 5호시험편의 형상에 준하여, 폭 25mm, 평행부길이 50mm로 하였다. 또한, 측정시의 크로스베드 속도는 20mm/min로 하였다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 12mm로 한 것을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 2에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 6의 사진에 나타내었다.
(실시예 3)
실시예 3에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 14mm로 한 것을 이용하고, 또한 마찰접합조건은 툴 이송속도 700mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 3에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 7의 사진에 나타내었다.
(실시예 4)
실시예 4에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 12mm로 한 것을 이용하고, 또한 피가공재로서의 박판은 판두께가 0.8mm의 것으로 하고, 그리고 마찰접합조건은 툴 이송속도 550mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 4에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 8의 사진에 나타내었다.
(실시예 5)
실시예 5에서는, 마찰접합조건은 툴 이송속도 650mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 4와 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 5에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 9의 사진에 나타내었다.
(실시예 6)
실시예 6에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 8mm로 한 것을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 6에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 10의 사진에 나타내었다.
(실시예 7)
실시예 7에서는, 마찰접합조건은 툴 이송속도 700mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 6과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 7에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 11의 사진에 나타내었다.
(실시예 8)
실시예 8에서는, 마찰접합조건은 툴 이송속도 500mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 6과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 8에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 12의 사진에 나타내었다.
(실시예 9)
실시예 9에서는, 피가공재로서의 박판은 판두께가 1.5mm의 것으로 하고, 또한 마찰접합조건은 툴 이송속도 700mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 9에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 13의 사진에 나타내었다.
(실시예 10)
실시예 10에서는, 마찰접합조건은 툴 이송속도 500mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 9와 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 10에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 14의 사진에 나타내었다.
(실시예 11)
실시예 11에서는, 피가공재로서의 박판은 판두께가 0.8mm의 것으로 하고, 또한 마찰접합조건은 툴 회전수가 1000rpm, 툴 이송속도 50mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 11에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 15의 사진에 나타내었다.
(실시예 12)
실시예 12에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 14mm로 한 것을 이용하고, 또한 피가공재로서의 박판은 판두께가 1.5mm의 것으로 하고, 그리고 마찰접합조건은 툴 회전수가 900rpm, 툴 이송속도 500mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 12에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 16의 사진에 나타내었다.
(실시예 13)
실시예 13에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름이 12mm로 한 것을 이용하고, 또한 마찰접합조건은 툴 회전수가 800rpm, 툴 이송속도 500mm/min로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 실시예 13에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 17의 사진에 나타내었다.
(참고예)
참고예에서는, 마찰가공용 툴은, 쇼울더지름을 12mm로 하고, 쇼울더면의 중앙에 반경 2mm, 높이 0.73mm의 구면형상으로 돌출한 프로브를 설치한 것을 이용하고, 또한 마찰접합조건은 툴 회전수를 1400rpm으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 마찰접합을 하고, 시험편을 제적하여 인장시험을 행하였다.
그리고, 참고예에 대하여, 접합 후, 박판의 접합부에 있어서 시공상태는 도 18의 사진에 나타내었다.
이상의 각 실시예, 참고예의 조건 및 결과를 표 1에 나타내었다.


 툴 피가공재 FSW조건 인장시험

합금종류
 쇼울더
지름
재질		 판두께 이송속도 회전수 인장강도
파단위치
mm mm mm/min rpm N/mm2
실시예1 Ni-Al-V 10 SUS430 1.0 900 1500 535 모재
실시예2 Ni-Al-V 12 SUS430 1.0 900 1500 532 모재
실시예3 Ni-Al-V 14 SUS430 1.0 700 1500 565 접합부
실시예4 Ni-Al-V 12 SUS430 0.8 550 1500 546 접합부
실시예5 Ni-Al-V 12 SUS430 0.8 650 1500 492 접합부
실시예6 Ni-Al-V 8 SUS430 1.0 900 1500 565 모재
실시예7 Ni-Al-V 8 SUS430 1.0 700 1500 566 모재
실시예8 Ni-Al-V 8 SUS430 1.0 500 1500 566 모재
실시예9 Ni-Al-V 10 SUS430 1.5 700 1500 501 접합부
실시예10 Ni-Al-V 10 SUS430 1.5 500 1500 536 모재
실시예11 Ni-Al-V 10 SUS430 0.8 500 1500 549 모재
실시예12 Ni-Al-V 14 SUS430 1.5 500 900 505 접합부
실시예13 Ni-Al-V 12 SUS430 1.0 500 800 553 모재
참고예 Ni-Al-V 12 SUS430 1.0 900 1400 535 모재
표 1로부터, 각 실시예에 있어서, SUS430의 박판(판두께 0.8~1.5mm)의 마찰결합한 결합부의 시공상태는, 외관상 모두 양호하였다. 이것으로부터 Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로 되고, 프로브를 갖닌 않는 툴을 사용한 각 실시예에서도, 같은 재질의 프로브를 가지는 툴을 사용한 참고예와 마찬가지로, 박판의 접합부는 앵호한 마감상태를 얻을 수 있었다.
또한, 인장강도에 대해서도, 각 실시예는, 492~566 N/mm2의 범위내에 있고, 참고예의 535 N/mm2와 비교해도 뒤지지 않는 정도의 양호한 접합력을 얻을 수 있었다. 또한, 실시예에서 나타낸 상기 인장시험과 같은 조건으로 측정한 SUS430 모재의 인장강도는, n=3의 평균이 519 N/mm2 이었기 때문에 상기 각 실시예의 인장강도는 SUS430 모재와 비교하여도 뒤지지 않는 충분한 강도가 얻어지는 것으로 판정되었다.
이상으로부터, Ni기 2중복상금속간화합물 합으로 이루어지고, 프로브를 가지지 않는 툴을 이용해도, 종래와 같은 프로브를 가지는 툴을 이용한 경우와 거의 차이가 없는 품질로, SUS430의 박판의 마찰접합을 행할 수가 있었다.
1 : 마찰교반접합장치(마찰가공장치) 2 : 가공기구
5 : 툴재생기구(툴연삭장치) 20 : 마찰가공용 툴
21 : 툴본체 22 : 쇼울더면
51 : 지석 L : 접합선
W1, W2 : 워크(피가공재) Θ : 전진각

Claims (6)

  1. 금속재료의 피가공재에 대하여 회전시키면서 꽉눌러서 발생하는 마찰열에 의해 피가공재를 연화시켜서 가공하기 위한 마찰가공용 툴로서,
    재질이 Ni기 2중복상금속간화합물 합금으로 이루어지는 원기둥 형상의 툴본체를 구비하고, 피가공재에 접촉시키는 툴본체의 선단면이 평탄한 쇼울더면만으로 형성되고, 철계 재료의 피가공재에 이용되는 마찰가공용 툴.
  2. 청구항 1에 기재된 마찰가공용 툴에 있어서,
    상기 툴본체에 있어서 쇼울더 지름은, 피가공재의 판두께에 대한 비율(쇼울더지름/판두께)이 6.5~15로 설정되는 마찰가공용 툴.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 마찰가공용 툴에 있어서,
    상기 툴본체의 선단면은 볼록한 곡면 또는 오목한 곡면으로 이루어지는 평탄한 쇼울더면만으로 형성되어 있는 마찰가공용 툴.
  4. 금속재료의 피가공재에 대하여 마찰가공용 툴을 회전시키면서 꽉눌러서 가공방향으로 상대이동시키는 가공기구를 구비한 마찰가공장치로서,
    상기 마찰가공용 툴은, 청구항 1 내지 청구항 3의 어느 한 항에 기재된 마찰가공용 툴이고,
    상기 가공기구는, 툴 이송속도가 500~900mm/min 으로 설정되고,
    상기 마찰가공용 툴 및 가공기구의 조건은, 피가공재로서 판두께가 1.5mm 이하의 철계 재료로 이루어지는 박판에 대한 설정으로 하는 마찰가공장치.
  5. 금속재료의 피가공재에 대하여 마찰가공용 툴을 회전시키면서 꽉눌러서 가공방향으로 상대이동시키는 가공기구를 구비한 마찰가공장치로서,
    상기 마찰가공용 툴은, 청구항 1 내지 청구항 3의 어느 한 항에 기재된 마찰가공용 툴이고,
    마찰가공에 의해 마모된 마찰가공용 툴에 있어서 쇼울더면만으로 형성되는 선단면을 지석에 의해 연삭하는 툴재생기구를 구비하고,
    툴재생기구는, 상기 마찰가공용 툴을 회전시키면서 지석을 회전시켜서 툴본체의 선단면을 연삭하도록 제어하고, 상기 마찰가공용 툴의 회전 토크 또는 지석의 회전 토크를 검출하는 토크 검출수단의 출력치가 소정의 설정치에 이르면 재생정지하도록 제어하는 제어수단을 구비하는 마찰가공장치.
  6. 금속재료의 피가공재에 대하여 마찰가공용 툴을 회전시키면서 꽉눌러서 가공방향으로 상대이동시킴으로써 마찰열에 의해 피가공재를 연화시켜서 가공하는 마찰가공방법으로서,
    마찰가공용 툴은, 청구항 1 내지 청구항 3의 어느 한 항에 기재된 마찰가공용 툴이고, 피가공재로서 판두께가 1.5mm 이하의 철계 재료로 이루어지는 박판의 판두께에 대한 쇼울더지름의 비율이 6.5~15인 것을 이용하여 피가공재를 가공하는 마찰가공방법.
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