KR20140131334A

KR20140131334A - 재료의 마찰 비트 결합

Info

Publication number: KR20140131334A
Application number: KR1020147024241A
Authority: KR
Inventors: 폴 티. 히긴스; 마이클 피. 마일즈; 러쎌 제이. 스틸; 스콧 엠. 패커
Original assignee: 메가스터 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2014-11-12
Also published as: US20130228612A1; EP2819804A1; CN104203480A; WO2013131075A1; CA2865979A1

Abstract

비트 결합(bit joining) 특성을 개선하기 위해 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트를 가진 마찰 교반 공구를 이용하는 장치와 방법은, 상기 비트상에 개선된 절삭 구조를 제공하고, 비트 결합(bit joining)을 개선하기 위해 정지 시간(stop time)을 수정하며, 자동 마찰 비트 결합 방법으로 자동화된 추적(tracking)기능을 포함하고, 자동화된 공급(feeding) 및 자동화된 마찰 비트 결합을 제공하며, 마찰 비트 결합 장치를 휴대용으로 만들고, 상기 마찰 교반 공구가 로봇 장치에 의해 이용되거나 손으로 고정(handheld)하는 장치로서 이용되며 단지 기저 재료가 소모될 수 있는 비트와 함께 고상 결합 될지라도 복수의 서로 다른 층들을 마찰 비트 결합하고 전통적으로 용접될 수 없는 재료들에 대해 금속 스티칭(metal stiching)을 수행하며 고상 플러그 용접을 수행하고 마찰 비트 공구를 다양한 RPM에서 작동시켜서 개선될 수 있다.

Description

재료의 마찰 비트 결합{FRICTION BIT JOINING OF MATERIALS}

본 발명은 일반적으로 마찰 교반 결합(friction stir joining) 방법에 관한 것이다. 구체적으로 말해, 본 발명은 적어도 부분적인 소모성을 가진 핀(consumable pin) 또는 비트(bit)를 가진 마찰 교반 공구를 이용하여 공작물들을 서로 결합하는 방법과 시스템으로서, 상기 비트는 제 1 속도로 회전될 때 제 1 공작물 재료를 절삭하는 절삭날(cutting edge)을 가질 수 있다. 제 1 공작물 재료를 충분한 깊이까지 절삭한 후에, 상기 공구의 회전속도는, 비트 자신 및 제 2 공작물 재료에 결합된 제 1 공작물 재료의 소성화(plasticization)를 위해 변화될 수 있다. 상기 마찰 교반 공구에 의해 상기 제 1 및 제 2 공작물 재료와 비트가 충분히 가열된 후에, 상기 공구의 회전은 신속하게 감속되거나 완전히 정지되어 상기 제 1 및 제 2 공작물 재료와 비트는 고체상태의 결합(bonding)을 형성한다. 상기 과정은 본 문헌을 통해 마찰 비트 결합(friction bit joining)으로 언급되고, 본 문헌에서 상기 비트는 수정된 핀 또는 리벳(rivet)이다.

금속 공작물을 서로 결합시키기 위한 다수의 방법들이 존재하며, 일부는 용접, 점 용접(spot welding), (나사와 볼트와 같은) 패스너(fasteners), 마찰 교반 용접 등을 포함한다. 모든 결합 방법들을 지배하는 세 가지 기본 원리는, 기계적 부착, 융합 결합(용접) 및 고상 결합(solid state joining)(마찰 용접)을 포함한다. 각각의 원리 기술은 장점들을 가진다. 그러나 종종 하나의 적용예를 위해 선택된 방법은 허용할 수 있는 문제점을 가장 적게 가지는 방법이어야 한다.

기계적으로 공작물을 결합시키는 방법의 예는, 나사, 너트 및 볼트, 도브테일(dovetail), 스웨이징(swaging), 리벳팅, 간섭 부착(interference attachment) 등을 포함한다. 다수의 적용예들은, 나사산(thread)들이 제한된 부하 수용 능력, 다수 부품들 및 조립에 따른 고비용, 공작물 내부헤 형성되어야 하는 구멍 및/또는 패스너를 위한 공간과 관련한 비용을 가지기 때문에 나사 또는 볼트를 이용할 수 없다. 도브테일과 다른 공작물 구속 방법에 의해 특정 방향으로 구속되지만 다른 방향으로 미끄러지거나 회전할 수 있다. 리벳은 아마도 모든 기계적 패스너들 중 단위면적과 체적당 가장 큰 결합강도를 가지지만 리벳 헤드의 기계적 변형은 에너지 흡수능력과 신장(elongation)을 감소시킨다.

기계적 방법이 허용될 수 있는 결합기술이 아닐 때, 공작물이 용접가능하다고 고려되면 융합 용접 방법이 이용된다. 예를 들어, 7000 시리즈 알루미늄으로 제조된 항공기 부품들은, 결과적인 용접 강도가 기저 금속 특성의 50%이기 때문에 용접가능한 것으로 고려될 수 없다. 강(steel), 스테인레스강 및 니켈기초 합금과 같은 고융점 재료(HMTM)는 용접되지만 결합강도는 융합 용접과 관련한 문제들에 대해 제한적이다. 이러한 문제점들은, 고형화 결함(solidification defects), 용접 거시구조(macrostructure)내의 강성/연성 영역들, 액상으로부터 고상으로 상전이하여 발생되는 잔류 응력, 다공성(porosity), 크랙킹(cracking), 불균일하고 예측할 수 없는 미시구조, 부식 손상(corrosion susceptibility), 공작물 변형 및 공작물 기저 재료 특성의 손실을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.

종종 포스트 용접(post weld) 작업은, 변형을 수리하거나 비파괴적으로 용접부를 검사하며 공정에 비용을 추가시키게 된다. 또한, 적절한 안전 절차를 따르지 않을 경우 6가 크롬 및 망간 노출 및 작업자의 잠재적인 망막 손상과 관련한 건강상 문제가 존재한다. 다수의 경우에서, 용접될 수 있는 것으로 고려되지 않는 상대적으로 높은 강도의 재료를 위하여 용접될 수 있는 것으로 고려되는 상대적으로 작은 강도의 재료를 이용하도록 공작물의 크기는 증가되어야 한다. 이것은, 현재 상대적으로 작은 강도의 강으로 제조되는 차량 차체에 있어서 그렇다. 진보된 고강도 강(이중 상(Dual Phase) 및 TRIP 강)은, 차량 중량을 극적으로 감소시키기 위해 프레임구조에서 이용될 수 있지만 이러한 재료들은 융합 용접성(fusion weldability) 문제 때문에 이용되지 못했다.

마찰 교반 용접은, 융합 용접 방법의 많은 장점을 가진 고상 용접과정이다. 도 1의 사시도에 도시된 공구는, 숄더(shoulder)(12) 및 상기 숄더로부터 외부를 향해 연장되는 핀(pin)(14)을 가지며 전체적으로 원통형인 공구(10)를 특징으로 하는 마찰 교반 용접을 위해 이용되는 공구이다. 상기 핀(14)은 충분한 열이 발생될 때까지 공작물(16)에 대해 회전되고 이때, 공구의 핀이 소성화된 공작물 재료속으로 잠긴다. 상기 공작물(16)은 종종 조인트 라인(joint line)(18)에서 서로 버트(butted)배열되는 두 개의 재료 시트 또는 플레이트들이다. 상기 핀(14)은 상기 조인트 라인(18)에서 상기 공작물(16)속에 잠긴다. 상기 공구가 종래기술에 공개되어 있지만, 상기 공구는 새로운 목적을 위해 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

상기 "공작물" 및 "기저 공작물 재료"는 본 문헌에서 서로 호환되어 이용될 수 있다.

상기 공작물 재료(16)에 대해 상기 핀(14)이 회전운동하여 발생되는 마찰열에 의해, 공작물 재료는 용융점에 도달하지 않고도 연화(soft)된다. 상기 공구(10)는 조인트 라인(18)을 따라 횡 방향으로 이동하여 소성화된 재료가 앞전(leading edge)으로부터 뒷전(trailing edge)까지 핀 주위에서 유동함에 따라 용접부를 형성한다. 그 결과, 조인트 라인(18)에서 다른 용접부들과 비교하여 공작물 재료(16)로부터 구별될 수 없는 고상 결합(20)이 형성된다.

숄더(12)가 공작물의 표면과 접촉할 때 숄더의 회전운동은 삽입된 상기 핀(14) 주위에서 상대적으로 큰 원통형 재료 칼럼(column)을 소성화시키는 마찰열을 추가로 발생시킨다. 상기 숄더(12)는, 상기 공구 핀(14)에 의해 발생되는 상향 금속유동을 포함하는 단조하중(forging force)을 제공한다.

FSW 동안, 용접되어야 하는 영역과 공구는 서로에 대해 이동하여, 공구는 상기 용접부 결합의 원하는 길이만큼 횡단한다. 회전하는 FSW공구는 연속적인 고온 가공 작용(hot working action)을 제공하고, 공구가 금속을 핀의 앞전으로부터 뒷전까지 전달하며 기저금속을 따라 횡 방향으로 이동함에 따라 좁은 영역내에서 금속을 소성화시킨다. 상기 용접부 영역이 냉각되기 때문에, 전형적으로 공구가 통과할 때 액체가 형성되지 않아서 고형화(solidification)는 존재하지 않는다. 결과적인 용접부가 항상 결함이 없고 재결정되며 상기 용접부의 영역내에 형성된 미세 입자(fine grain)를 가진 미세구조인 것은 아니다.

전형적으로 이동속도는 200 내지 2000rpm의 회전속도를 가지며 10 내지 500mm/min이다. 일반적으로 도달하는 온도는 고상온도(solidus temperature)와 근접하지만 작다. 마찰 교반 용접 매개변수는 재료의 열특성, 고온 유동 응력 및 투과 깊이의 함수이다.

과거의 특허문헌들은, 과거에 기능적으로 용접될 수 없는 것으로 고려된 재료를 가지고 마찰 교반 용접을 수행하는 것의 장점을 공개하였다. 이들 재료들 중 일부는 용융 용접될 수 없거나(non- fusion weldable) 용접이 전혀 안 된다. 예를 들어, 이들 재료들은, 강 및 스테인레스 강 및 비철 재료들과 같은 금속 매트릭스 복합체(metal matrix composites), 철합금을 포함한다. 마찰 교반 용접을 이용할 수 있는 또 다른 부류의 재료는 수퍼 알로이(superalloy)이다. 수퍼알로이는 상대적으로 높은 용융점을 가진 청동(bronze) 또는 알루미늄을 가진 재료일 수 있고 혼합된 다른 요소들을 가질 수도 있다. 수퍼 알로이들 중 일부 예는, 일반적으로 화씨 1000F보다 높은 온도에서 이용되는 니켈, 철- 니켈과 코발트 기초 합금이다. 수퍼알로이에서 흔히 발견되는 또 다른 요소들은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨 및 레늄(rhenium)을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.

과거의 특허들은, 마찰 교반 용접되는 재료보다 높은 용융점을 가진 재료를 이용하여 형성되는 공구가 필요하다고 설명한다. 일부 실시예들에서 초연삭재(super abrasive)가 공구에서 이용되었다.

또한, "마찰 교반 공정(friction stir processing)" 는 또한 "고상(solid state)공정"과 호환되어 설명될 수 있다. 본 문헌에서 고상 공정은, 전형적으로 액상을 포함하지 않는 소성화된 상태(plasticized state)로 일시적인 변환으로서 정의된다. 그러나, 일부 실시예들은 한 개이상의 요소들이 액상을 통과하는 것을 허용하고 아직까지 본 발명의 효과를 가진다.

마찰 교반 공정에서, 공구 핀은 회전되고 처리되어야 하는 재료속으로 잠긴다. 상기 공구는 재료의 처리영역을 가로질러 횡 방향으로 이동한다. 상기 작용은 재료를 고상 공정에서 소성화를 겪게 하여 재료는 최초 재료와 다른 특성을 가지도록 수정된다.

마찰 교반 점 용접(FSSW)은, 랩 용접(lap welding) 구조에서 진보된 고강도 강들을 결합하기 위해 실험적으로 이용되고 있다. FSSW는, 미국 특허 출원 제 20050178817 호에 설명된 알루미늄 부품들을 랩 용접하기 위해 상업적으로 이용되고 있다. 두 가지 방법들이 현재 이용된다.

첫 번째 방법은, 공작물들이 서로 마찰 점 용접될 때까지 핀 공구( 핀과 숄더를 포함한 FSSW공구)를 공작물속으로 잠기는 것을 포함한다. 상기 방법이 가지는 문제점은, 도 2에 도시된 핀으로부터 남겨진 구멍(26)이다. 공작물(28)들사이의 결합이 공구의 숄더아래에서 구해지고, 핀 구멍은 용접부의 강도를 감소시킨다.

제 2 방법은, 재료를 다시 상기 핀 구멍속으로 가압하는 장비의 설계를 포함한다(미국 특허 제 6,722,556 호). 상기 방법은, 점 용접부를 형성하기 위해 필요한 하중, 고정(fixturing)요건, 대형 스핀들 헤드(spindle head) 때문에 매우 성가시다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로, 기능적으로 용접할 수 없는 재료 및 수퍼알로이와 관련되고 본 문헌에서 고융점 재료(HMTM)이라고 설명된다. 그러나 본 발명의 원리는 또한, 알루미늄 및 다른 금속들과 같은 상대적으로 낮은 용융점을 가진 재료 및 고융점 재료의 일부분으로 고려되지 않는 금속 함금에도 적용될 수 있다.

마찰 교반 용접 기술에 관한 최신 진보기술은, 마찰 교반 용접의 고상 결합공정동안 강과 스테인레스강과 같은 고융점 재료들을 서로 결합시키기 위해 이용될 수 있는 공구를 제공한다.

상기 설명과 같이, 상기 기술은 다결정 입방 질화붕소(PCBN)를 포함할 수 있는 마찰 교반 용접 공구를 이용하는 것을 포함한다. 상기 공구의 다른 설계는 도한 종래기술에 공개되고 모노리식(monolithic) 공구 및 다른 설계를 포함한다.

상기 특수한 마찰 교반 용접 공구가 이용될 때, 다양한 재료들을 마찰 교반 용접할 때 효과적이다. 상기 공구 설계는 또한, PCBN 및 PCD (다결정 다이아몬드)이외의 다양한 공구 팁 재료들을 이용할 때 효과적이다. 이들 재료들 중 일부는 텅스텐, 레늄, 이리듐, 티타늄, 몰리브데늄 등과 같은 내화물(refractories)을 포함한다.

부분적으로 소모될 수 있는 비트를 이용한 FSSW를 신속하고 경제적으로 수행하기 위해 부분적으로 소모될 수 있는 공구를 이용할 수 있는 시스템과 방법을 제공할 수 있는 것은, 금속 공작물들을 결합시키는 종래기술에 비해 장점을 가질 것이다.

적어도 두 개의 공작물들을 마찰 비트 결합하기 위한 방법으로서, 비트 결합(bit joining) 특성을 개선하기 위해 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트를 가진 마찰 교반 공구를 이용하는 장치와 방법은, 상기 비트상에 개선된 절삭 구조를 제공하고, 비트 결합(bit joining)을 개선하기 위해 정지 시간(stop time)을 수정하며, 자동 마찰 비트 결합 방법으로 자동화된 추적(tracking)기능을 포함하고, 자동화된 공급(feeding) 및 자동화된 마찰 비트 결합을 제공하며, 마찰 비트 결합 장치를 휴대용으로 만들고, 상기 마찰 교반 공구가 로봇 장치에 의해 이용되거나 손으로 고정(handheld)하는 장치로서 이용되며 단지 기저 재료가 소모될 수 있는 비트와 함께 고상 결합 될지라도 복수의 서로 다른 층들을 마찰 비트 결합하고 전통적으로 용접될 수 없는 재료들에 대해 금속 스티칭(metal stiching)을 수행하며 고상 플러그 용접을 수행하고 마찰 비트 공구를 다양한 RPM에서 작동시켜서 개선될 수 있다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들, 특징, 장점 및 선택적 특성들이, 첨부된 도면들과 함께 이해되는 하기 설명을 고려하여 당업자들에게 이해된다.

도 1은, 고 융점 재료에 대해 마찰 교반 용접을 수행할 수 있는 현존하는 마찰교반 용접 공구를 도시한 종래기술의 사시도.
도 2는, 종래기술에서 수행되는 것처럼 마찰 교반 점용접(FSSW)을 이용하여 수행되는 세 개의 용접부(weld)들을 도시한 측면도.
도 3은, 마찰 교반 비트 결합을 수행할 수 있고 종래기술의 원리에 따라 구성된 회전공구를 도시한 사시도.
도 4는, 소모성 비트가 두 개의 공작물들을 완전히 관통하고 도 3의 공구를 도시한 측면도.
도 5는, 공작물 표면과 직교하지 않는 경사각(rake angle)에서 마찰 교반 결합 공구가 작동하는 것을 도시한 측면도.
도 6은, 단지 바닥 공작물이 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트와 고상 결합을 형성하는 다수의 공작물 층들을 도시한 측면도.
도 7은, 크랙을 가진 공작물을 도시하고 소모성 비트로 크랙을 충진하기 위해 금속 스티칭(stitching)이 이용되는 것을 도시한 평면도.
도 8은, 구멍을 고상 플러그 용접(solid- state plug welding)할 수 있는 코어 절단 형상(core cutting geometry)을 가진 마찰 비트 결합 공구와 공작물을 도시한 측면도.
도 9는, 신속한 마찰 비트 결합을 위하여 다중 세그멘트의 비트를 위한 중심 구멍을 가지는 공구를 도시한 절단 측면도.

본 발명의 다양한 구성요소들이 도면부호로 지정되고 당업자들이 본 발명을 구성하고 이용할 수 있도록 본 발명이 설명되는 도면들을 참고한다. 하기 설명은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이며 하기 청구범위를 감축하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

종래기술은, 마찰 비트 결합 방법의 기초를 형성하고 적어도 부분적으로 소모될 수 있고 분리가능한 비트(bit)와 연결되며 소모되지 않는 숄더(shoulder)를 가진 회전식 마찰 교반 공구를 설명한다. 상기 비트는 완전히 소모되거나 부분적으로 소모될 수 있다. 도 3은, 마찰 교반 공구가 종래기술에 따라 어떻게 구성될 수 있는지를 도시한다.

도 3은, 숄더 영역(32) 및 분리될 수 있고 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트(34)를 가진 마찰 비트 결합공구(30)를 도시하는 종래기술의 사시도이다. 상기 비트(34)는 또한 리벳으로서 작동하지만 일반적으로 본 문헌에서 비트로서 설명된다. 상기 특수한 마찰 비트 결합공구(30)내에서 분리될 수 있고 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트(34)는 작은 간격(36)을 포함한다. 상기 비트(34)의 훨씬 더 작은 비트 직경부분(diameter portion)(42)은 작은 간격(36)을 형성한다. 상기 비트(34)의 작은 비트 직경 부분(42)은 파괴된다. 상기 작은 간격(36)에 의해 상기 비트(34)의 분리가능한 부분(38)은 공작물내에 비트로서 박혀진 상태로 유지될 수 있다. 또한, 상기 비트(34)의 분리되지 않은 부분(40)은 하기 설명과 같이 또 다른 비트 세그멘트의 상부일 수도 있다.

도 4는 또한, 강 또는 다른 금속을 ( 또는 "마찰 교반 리벳팅(friction stir riveting)"이라고 알려진) 마찰 비트 결합의 방법을 도시하는 종래기술에 관한 도면이다. 상기 마찰 비트 결합 공구(30)는, 공구의 비트(34)가 제 1 공작물 재료(50)를 기계가공하거나 절삭하여 내부에 구멍(54)을 형성할 수 있는 속도로 회전된다. 원하는 구멍을 용이하게 기계가공하기 위한 특징부들이 상기 비트(34)의 단부에 추가된다. 예를 들어, 절삭 특징부(44)가 도 4에 도시된다.

본 발명은, 상기 마찰 비트 결합 공구가 각을 이루며 공작물속으로 절삭되어 종래기술을 개선한다. 본 발명을 따르는 제 1 실시예의 제 1 특징이 도 5에 도시된다. 상기 제 1 실시예는 마찰 비트 결합을 수행할 때 마찰 비트 결합 공구의 이용을 개선하는 것에 관한 것이다. 상기 제 1 실시예에 의하면, 수정된 각은 마찰 비트 결합 공구(30)를 위해 이용될 수 있다.

종래기술은 도 4에 도시된 것처럼 공작물에 대해 직교하는 각으로 공작물을 절삭하는 것을 설명한다. 반면에, 본 발명에 의하면, 마찰 비트 결합공구의 비트(34)는 음 또는 양의 경사각(rake angle)으로 공작물(8)속으로 들어갈 수 있다. 상기 경사각은 상기 마찰 비트 결합 공구를 파괴하거나 조기에 상기 비트(34)를 파괴시키지 않고 음 또는 양의 값을 가질 수 있다. 상기 경사각은 + 45도 내지 -58도의 값을 가지며 본 발명을 따르는 제한값내에 있다. 상기 경사각이 상기 각도내에서 변화할 때, 상기 비트(34)의 선호되는 경사각은 수직의 플러스 또는 마이너스 7도사이일 수 있다.

제 1 실시예는 또한 다른 작업각도를 가진다. 공작물(8)의 작업표면(82) 및 상기 비트(34)의 작업 단부(40)에 의해 형성되는 각도 또는 하부 릴리프(bottom relief) 각도는 영 내지 63도일 수 있다. 상기 비트(34)의 절삭표면은 영 내지 53도의 간극 릴리프를 가질 수 있다.

상기 비트(34)는 니트가 공작물속에 절삭되도록 이용될 때 드릴 비트(drill bit)로서 구성될 수 있다. 상기 비트(34)는 릴리프(relief)를 가진 여유부(margin)를 포함한 외측 절삭면을 가질 수 있다.

상기 비트(34)의 제 1 실시예에서 이용될 수 있는 절삭 특징부는, 비트의 작업 단부에서 나선 절삭날을 가지며 호소이(Hosoi) 드릴의 기하학적 구조를 포함하는 것으로 고려될 수 있지만 이것이 제한요소로서 간주되지 말아야 한다. 다른 절삭 특징부 기하학적 구조들은 또한 본 발명의 범위에 있는 것으로 고려될 수 있다.

제 1 실시예의 비트(34)내에 포함될 수 있는 본 발명의 다른 절삭 특징부들은, (도 8에 도시된 것처럼) 구멍이 공작물속에 형성되거나 공작물을 관통하기 위한 코어 절삭 구조(core cutting geometry) 및 칩 브레이커(chip breaker)를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징은, 상기 비트(34)를 위해 적어도 두 개의 서로 다른 속도들을 이용하는 사상으로 확대된다. 절삭을 위한 속도 및 공작물에 대해 상기 비트(34)의 고상 결합을 형성하기 위한 속도. 본 발명에서, 단일 속도가 이용될 수 있고, 상기 단일 속도는 공작물속에 절삭을 수행하고 또한 동일 속도에서 고상 결합을 수행하기 위해 충분할 수 있다.

종래기술의 특징에 의하면, 공작물에서 이용되는 재료들은 비트(34)에 의해 고상 결합을 형성할 수 있는 재료이며, 고상 결합은 리벳으로 작용한다. 대조적으로, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 공작물들을 형성하는 복수 개의 서로 다른 층들이 존재한다.

도 6에 도시되는 실시예에서, 비트(34)에 의해 고상 결합을 형성할 수 없는 한 개이상의 공작물 층(90)들이 존재한다. 그러나, 차이점은, 단지 바닥 공작물 층(92)이 상기 비트(34)에 의해 고상 결합을 형성할 수 있는 재료이어야 한다는 것이다. 상기 비트(34)는, 상기 바닥 공작물 층에 의해 고상 결합을 형성하기 위하여 상기 바닥 공작물 층(92) 위에서 모든 공작물 층(90)들을 관통 절삭할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 공작물 층(90)들은 상기 비트(34)에 의해 기계적 결합을 형성하며 고상 결합을 형성하지 않는다. 또 다른 실시예에서, 적어도 한 개의 공작물 층(90)은 기계적 결합을 형성하지만 적어도 한 개의 다른 공작물 층(90)은 고상 결합을 형성한다. 공작물 층(90)들 중 일부는 기계적 결합을 형성하고 일부는 고상 결합을 형성하는 공작물 층들의 구조는 적용예에 따라 필요에 의해 변형될 수 있다. 공작물 층(90)들은 플라스틱 및 복합체와 같은 비금속성 재료들을 포함한 서로 다른 특성을 가진 재료들로 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은, 마찰 비트 결합 공구(30)가 정지되는 방법에 관한 것이다. 종래기술의 예가 도 4에 도시된다. 구멍(54)의 깊이(56)가 도시된 것처럼 제 2 공작물(52)속으로 연장되면, 마찰 비트 결합 공구(30)의 회전속도는 서로 결합되어 있는 상기 제 1 및 제 2 공작물(50,52)들과 상기 비트(34)사이에서 열을 발생시키기 위해 감소된다. 상기 마찰 비트 결합 공구(30)를 고정하고 회전시키는 (도면에 도시되지 않은) 스핀들은 즉시 정지되거나, 상기 공구를 회전시키기 위해 요구되는 토크가 상대적으로 작은 비트 직경 부분(42)의 전단 강도를 초과할 때까지 느려질 수 있다. 상대적으로 작은 비트 직경 부분(42)은, 정해진 토크에서 마찰 비트 결합 공구(30)로부터 상기 비트(34)의 분리가능한 부분(34)을 절단하도록 설계된다.

대조적으로, 본 발명에 의하면, 상기 마찰 비트 결합 공구(30)가 신속하게 정지하면 상기 마찰 비트 결합 공구를 구동하는 모터에 대해 문제가 발생할 수 있다. 모터의 마모를 감소시키기 위해, 본 발명에 의하면 상기 마찰 비트 결합 공구(30)가 고상 결합 회전 속도(solid- state joining rotation rate)로부터 완전히 정지된 상태로 변화하기 위한 시간으로서 정의된 정지 사이클(stopping cycle)이 제공된다. 상기 실시예는, 10초이내에 감속되어 정지(slowing to a stop)되고, 단일 단계의 정지시간을 이용하며, 다중 단계의 정지시간을 이용하고, 상기 마찰 비트 결합 공구(30)를 위해 가변 RPM 프로파일을 이용하며, 정지사이클에 유지시간(dwell time)을 포함하는 것으로 구성된다. 이러한 정지 사이클은 상기 마찰 비트 결합 공구(30)의 회전운동을 제어하는 모터의 마모를 감소시킬 수 있다.

또 다른 실시예에서, 정지 사이클은 모터에 대해 클러치를 이용하여 거의 순간적(instantaneous)으로 이루어질 수 있다. 클러치를 이용하여, 상기 공구의 스핀들을 구동하는 모터는 자유롭게 서서히 정지되고, 마찰 비트 결합 공구(30)는 매우 신속하게 또는 1초 내에 정지될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 마찰 비트 결합 공구(30)의 모터의 회전을 신속하게 정지시키는 대신에, 특정 테이퍼(taper) 비트 형상을 가진 비트가 이용된다. 상기 테이퍼 비트는 단지 상기 비트(34)가 공작물속으로 이동하게 하고 돌아오지 못하게 한다. 따라서, 상기 고상 결합이 형성될 때 마찰 비트 결합 공구(30)는 상기 비트(34)를 구속해제해야 한다.

또 다른 선택적 실시예에서, 상기 마찰 비트 결합 공구(30)와 상기 비트(34)사이에 신속한 구속해제기구가 제공된다. 상기 신속한 구속해제기구는 상기 비트(34)를 더욱 신속하게 구속해제하기 위해 스프링 하중을 받는다.

본 발명의 또 다른 특징은 강도(hardness)를 개선하기 위해 비트(34)의 적어도 일부분에 코팅(coating)을 제공하는 것에 관한 것이다. 개선된 강도에 의해 상기 비트(34)는 상대적으로 더 강한 공작물을 관통할 수 있다. 상기 코팅은, 당업자들에게 공지되어 비트내부에서 이용되는 재료보다 더 큰 강도를 가진 공작물속으로 비트(34)가 절삭될 수 있게 한다.

관련 실시예에 의하면, 코팅이 상기 비트(34)의 적어도 일부분에 형성되어 코팅이 제공되지 않을 때보다 더 낮은 고상 결합온도에서 상기 비트는 공작물에 대해 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 코팅은 상기 비트(34)의 적어도 일부분에 형성되어 상기 비트 주위에서 공작물속의 재료 유동특성을 개선시킨다.

또 다른 실시예에서, 마찰 비트 결합동안 공작물속의 재료 유동특성을 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 유동특성의 변화는, 상기 마찰 비트 결합을 수행하는 마찰 비트 결합 공구(30)를 회전시키는 스핀들의 회전방향을 역전시켜서 구해질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 휴대용 마찰 비트 결합 시스템을 제공하는 것에 관한 것이다. 휴대용 마찰 비트 결합 시스템은, 차량에 의해 다양한 장소로 이동될 수 있는 대형 시스템의 크기와 중량으로부터 마찰 비트 결합 시스템이 작업자의 손으로 시스템을 고정하고 무게를 지지하는 한 명의 작업자에 의해 작동되는 크기와 중량을 가질 수 있다. 휴대용 마찰 비트 결합 시스템은 또한 지면에 정지상태로 놓여지거나 테이블 톱(tabletop) 유닛이거나 손으로 고정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 공작물들이 결합될 수 있도록 다양한 공작물을 고정하거나 고착(fixturing)시키는 것에 관한 것이다. 본 발명은 자기적(magnetic) 고착기능의 이용을 제공한다. 본 실시예에서, 공작물을 제 위치에 고정하기 위해 강은 전자기적 기저부(base)를 가진 백업(backup)으로서 이용된다. 상기 자기적 고착 방법은 알루미늄 및 복합체를 마찰 비트 결합하기 위해 이용될 수 있다.

본 발명의 마찰 비트 결합 공구(30)는 또한 마찰 교반 용접의 고상 결합과정 동안 강 및 스테인레스강과 같은 고융점 재료들을 서로 결합할 수 있다. 상기 기술은 고유특성을 가진 마찰 비트 결합 공구(30)를 이용할 것을 요구한다. 예를 들어, 다결정 입방구조 질화붕소(PCBN) 및 다결정 다이아몬드(PCD)와 같은 재료를 이용하여 숄더가 형성될 수 있다. 포함될 수 있는 다른 재료는, 텅스텐, 레늄, 이리듐, 티타늄, 몰리브데늄 등과 같은 내화재이다.

본 발명의 원리를 이용하여 결합될 수 있는 공작물들은, 청동(bronze) 및 알루미늄보다 높은 용융점을 가진 재료를 포함한다. 상기 부류의 재료는, 금속 매트릭스 복합체, 강 및 스테인레스 강과 같은 철계 합금, 비철재료, 수퍼알로이, 티타늄, 전형적으로 하드 페이싱(hard- facing)을 위해 이용되는 코발트합금 및 공기 경화(air hardened)되거나 고속강(high speed steel)을 포함하지만 이들로 한정되지 않는다. 또한 본 발명은, 상기 상대적으로 높은 용융점에 관한 정의에 포함되지 않는 상대적으로 낮은 용융점을 가진 재료로 간주되는 재료에서 이용될 수도 있다.

상기 마찰 비트 결합 공구(30)의 숄더(32)는, 다결정 입방구조 질화붕소 또는, 숄더가 제 1 공작물에 부착되는 것을 방지하고 우수한 열적 안정성과 내마모성을 제공하는 유사한 재료로부터 제조될 수 있다. 비트 헤드(bit head)의 형상을 성형하거나 심지어 상기 비트(34)가 상기 공작물(50,52)내에 마찰용접된 후에 상기 비트헤드를 절삭하기 위해 여러 개의 숄더구조들이 이용될 수 있다.

상기 비트(34)에 이용되는 재료는 일반적으로 마찰 비트 결합 공정동안 소모될 수 있는 재료들이다. 상기 재료들은 제 1 및 제 2 공작물 재료들사이에 결합을 향상시키는 것이 선호되고 마찰 교반 용접 분야의 당업자들에게 공지되어 있다.

또 다른 선택적 실시예에서, 본 발명의 중요한 특징은 자동화된 마찰 비트 결합 시스템을 구성하는 것이다. 예를 들어, 자동화된 마찰 비트 결합 시스템은 조립라인에서 로봇 마찰 비트 결합시스템에 의해 이용될 수 있다. 예를 들어, 조립라인은 차량을 구성하기 위해 이용될 수 있다. 로봇 마찰 비트 결합 시스템은, 단부에서 마찰 비트 결합 공구(30)를 가진 자동화된 아암(arm), 상기 마찰 비트 결합 공구가 이용되어야 하는 위치에서 상기 아암을 이동시키기 위한 자동화된 이동 시스템, 마찰 비트 결합 공구에 리벳을 공급하기 위한 자동화된 공급 시스템 및 자동화된 추적(tracking) 시스템을 포함하지만 이들로 국한되지 않는다. 상기 시스템들은 또한 작업자에 의해 작동될 수도 있다.

상기 이동 시스템은, 절삭하고 비트(34)를 삽입하기 위해 상기 마찰 비트 결합 공구(30)가 전진운동하고 다음에 필요한 경우, 상기 공급시스템으로부터 또 다른 비트를 삽입할 수 있도록 후진운동하기 위하여 적어도 한 개의 자유도를 가져야 한다.

이상적으로 이동 시스템은 적어도 두 개의 자유도를 제공하여, 상기 마찰 비트 결합 공구(30)는 일시적으로 정지한 공작물을 따라 다양한 위치로 이동할 수 있고 공작물이 로봇 아암으로부터 떨어져 이동하기 전에 복수 개의 비트(34)를 삽입할 수 있다.

본 발명의 공급 시스템은 자동화되지만 수동으로 작동될 수도 있다. 상기 공급 시스템은 매 5분당 적어도 한 개의 비트인 비율로 비트(34)를 공급하지만 비트들이 공작물과 결합됨에 따라 매 수초 당 한 개의 비율로 공급되는 것이 선호된다.

공급 시스템은 비트(34)를 저장위치로부터 마찰 비트 결합 공구(30)까지 이동시킬 수 있다. 본 발명을 위해 제공되는 공급 시스템의 다양한 실시예들은, 마찰 비트 결합 공구(30)의 스핀들내에 집어넣을 수 있는 구동 시스템(retractable drive system)의 이용, 매거진 장착 시스템, 체인 공급(chain feeding) 시스템 및 비트의 위치설정을 위한 호퍼/진동(hopper/vibratory) 시스템을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 또한, 네일 건(nail gun) 또는 리벳을 공급하는 손과 매우 유사하게 리벳을 제위치에 위치설정 및/또는 고정하기 위한 테이프와 같은 제 2 매체의 이용을 포함할 수 있다.

자동화된 추적 시스템에 의해 로봇 아암은 마찰 비트 결합 공구(30)를 특정 경로를 따라 이동할 수 있게 한다. 상기 경로는 직선이 아닐 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 것처럼, 복수 개의 비트(34)들이 크랙(crack)(100)을 따라 배열되어 크랙을 수리하는 금속 스티칭(stiching)을 수행하는 것이 바람직하다. 나사산을 가진 기계적 플러그(threaded mechanical plug)를 이용하는 대신에, 본 발명은 상기 크랙(100)속으로 구동되는 비트(34)들을 이용한다. 상기 비트가 상기 공작물속으로 구동되기 전에 상기 크랙을 따라가고 각각의 비트(34)를 중심잡기(center)하기 위해 상기 크랙(100)의 경로는 상기 이동시스템 속에 미리 프로그램되거나 시각적 스캐닝 시스템이 자동화된 추적 시스템과 연결될 수 있다. 본 발명은 심지어, 전통적으로 주철(cast iron)과 같이 용접할 수 없는 재료내부의 크랙을 수리하기 위해 이용될 수 있다.

또 다른 실시예는, 도 8에 도시된 것처럼 런 오프(run- off) 구멍(28)들을 수리하기 위해 본 발명을 이용하는 것이다. 마찰 교반 용접을 수행할 때, 공구가 집어넣어짐에 따라 구멍(120) 뒤에 핀이 남겨 진다. 다음에 상기 구멍을 플러그로 막고 표면을 마무리 처리하는 것이 필요하다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 고상 플러그 용접(solid state plug welding)을 수행하기 위해 이용되고, 상대적으로 큰 구멍이 코어 절삭 비트(core cutting bit)(104)를 이용하여 공작물(122)속에 절삭되고 수리되고 있는 구멍(120)위에 중심잡기되는 것이 선호된다. 따라서, 본 발명은 코어 절삭 구조(core cutting geometry)를 가진 비트(104)를 이용한다. 상기 비트는, 상기 비트의 상부 표면이 사실상 상기 공작물(122)의 표면(124)과 면일치되는 깊이까지 공작물(122)속으로 절삭될 수 있다.

구멍 수리를 위하여 소모될 수 있는 비트를 이용하는 실질적인 장점들이 존재한다. 상기 장점은, 공작물에 형성되는 산화(oxidation)를 제거하고, 공작물에 대한 응력 라이저(stress riser)를 감소시키며, 더 좋은 것이 아니라면 적어도 공작물 표면의 재료와 같이 양호한 상부 표면을 가진 비트를 남겨두고, 마무리가공 비용의 전반적인 감소를 포함하지만 이들에 국한되지 않는다.

또 다른 선택적 실시예에 의하면, 아르곤 또는 이산화탄소와 같은 불활성 가스가 마찰 비트 결합 동안 산화를 방지하기 위해 공구(30)의 중심을 관통하여 유동할 수 있다.

또 다른 선택적 실시예에 의하면, 본 발명의 마찰 비트 결합 공정을 이용하여 두 개이상의 공작물들이 결합될 수 있다. 이에 따라 상기 비트(34)의 세그멘트 길이는 조정된다.

또 다른 선택적 실시예에 의하면, 결합되는 공작물들은 적용예에 따라 동일하거나 서로 다른 재료일 수 있다는 것을 주목해야 한다.

유사하게, 비트(34)내에서 이용되는 재료는 모든 공작물들과 다른 재료이거나 공작물들 중 하나와 동일한 재료이거나 상기 모든 공작물들의 재료와 동일한 재료일 수 있다.

비트 프로파일(bit profile)은 상당히 변화될 수 있다. 비트 프로파일은, 테이퍼(taper), 육각형이거나 절삭공정 및 마찰 비트 결합 공정을 모두 수행하는 모든 형상일 수 있다. 상기 비트(34)의 형상은, 사용되는 다양한 재료들이 가지는 목표 결합 특성 또는 강도와 같은 다양한 특징들에 의존한다.

또 다른 실시예에서, 마찰 비트 결합 공구(60)는 중심축을 통해 배열된 구멍(62)을 가질 수 있다. 상기 구멍(62)에 의해 (상대적으로 작은 직경 핀 부분(72)에 의해 분리된 세 개의 세그멘트들을 가진 것으로 도시된) 다중 세그멘트 구조의 비트(64)는, 필요에 따라 상기 구멍(62)을 통해 삽입되고 가압될 수 있다. 상기 다중 세그멘트 구조의 비트(64)는 상대적으로 작은 직경 핀 부분(72)을 가진 복수 개의 간격(66)들을 포함한다. 공구(60)를 통해 상기 다중 세그멘트 구조의 비트(64)를 가압하고 작업 단부(70) 밖으로 가압하기 위해 플런저 (plunger) 기구(68)가 이용될 수 있다. 상기 다중 세그멘트 구조의 비트(64)를 구성하는 각각의 세그멘트가 부서짐에 따라, 충분한 비트(64)가 다음 마찰 교반 리벳팅 공정을 위해 노출될 때까지 상기 플런저 기구(68)는 상기 구멍(62)을 통해 다중 세그멘트 구조의 비트를 아래로 가압한다. 이렇게 하여, 다수의 리벳들이, 다중 세그멘트 구조의 비트(64)를 정지시키고 재장전할 필요없이, 공작물속으로 삽입될 수 있다.

다중 세그멘트 구조의 비트(64)내에서 이용되는 세그멘트의 갯수는 세 개로 한정되는 것으로 고려되어서는 안 된다. 도 9는 단지 설명을 위한 것이다. 상대적으로 많은 세그멘트들이 상기 다중 세그멘트 구조의 비트(64)에 배열될 수 있다. 세그멘트의 갯수는 또한 공구(60)의 길이 및 플런저 기구(68)의 길이에 의존할 수 있다.

상기 비트(64)는 막대이거나 와이어 형태이고 마찰 비트 결합 공구(60)의 중심을 통해 자동으로 공급될 수 있다. 상기 비트(64)를 위해 정사각형이 이용될 때, 상기 마찰 비트 결합 공구(60)로부터 상기 비트로 토크가 전달될 수 있다. 그러나 다른 토크 전달 프로파일이 이용될 수 있다. 심지어 하중이 작용할 때 상기 비트가 상기 마찰 비트 결합 공구(60)내에서 미끄러지는 것을 방지할 정도로 상기 비트(64)의 외경에 대한 클램핑(clamping) 기구 또는 클램핑 하중이 충분하다면, 상기 비트(64)를 위해 둥근 형상이 이용될 수 있다.

구멍(62)은 상기 마찰 비트 결합 공구(60)의 생크(shank)를 완전히 통과하여 비소모성(non- consumable) 숄더까지 배열될 수 있다.

상기 비트(64)는 공작물의 관통을 용이하게 하기 위해 다양한 강도 또는 강도 분포(profile)를 가질 수 있다.

마찰 비트 결합 공구(60)는 1 내지 10000 RPM에 이르는 범위에서 특정 위치 또는 부하값으로 작동될 수 있다.

상기 마찰 비트 결합 공구(60)는, 융합 점 용접과 동일한 구조로 작동될 수 있다. 예를 들어, 용접 팁(tip)들과 함께 C 자형 클램프 구조로 클램핑을 이용하는 대신에, 소직경의 회전 공구(도 3)가 로봇 아암의 단부에서 C자 클램프내에 배열될 수 있다. 상기 C 자 클램프 구조는 또한 작업자에 의해 이용될 수 있다.

상기 비트(64)는, "헤드(head)"에서 패스너(fastener)를 가져서, 상기 위치에서 기계적인 부착이 이용될 수 있다. 예를 들어, 비트(64)의 단부는, 공작물들이 결합된 후에 공작물위에서 돌출한 상태로 남겨 지고 나사산을 가진 스터브(stub)를포함할 수 있다. 다음에 상기 공작물에 다른 부품을 부착하기 위해 너트가 이용될 수 있다.

본 문헌에서 설명되는 마찰 비트 결합 공정이 가지는 장점들은, 신속한 고상 결합공정이고, 저에너지 입력을 요구하는 공정이며, 고상 공정이기 때문에 잔류응력이 적고 종래기술의 리벳팅과 같이 미리 천공된 구멍이 불필요하며 공작물의 비틀림이 적거나 제거되고 FSSW에서와 같이 공작물내에 구멍이 남지 않고, 제한된 영역에서 이용될 수 있고, 저항 점 용접에 요구되는 하중에 비해 Z 축방향 하중이 상당하며, 상기 숄더/비트 비율은 결합강도를 최적화하기 위해 특정 열 분포(heat profile)를 발생시키는 크기를 가질 수 있고, 내부식성 비트 재료가 이용될 수 있으며, 공정이 상승된 온도에서 완료되기 때문에 상기 비트(34)의 형성은 항복(yielded)되지 않고 상대적으로 큰 에너지 흡수 특성을 가지며, 비트 재료는 상대적으로 큰 강도를 위해 공작물 재료를 능가(overmatched)하고 공작물내에서 크랙이 추가로 전파되는 것을 방지하기 위해 크랙의 팁에서 비트가 이용될 수 있으며 이들로 국한되지 않는다.

일반적으로 결합되는 재료보다 더 강한 재료를 이용하여 비트(34)가 제조될 수 있다. 그러나 비트(34)는 상대적으로 부드러운(softer) 특성을 가질 수 있고 충분한 하중으로 충분히 신속하게 가압된다. 상대적으로 강한 공작물 재료들을 결합하기 위해 상기 비트가 이용될 수 있다. 상기 비트(34)는 또한, 코팅이 기계적으로 실패하기 전에 관통을 허용하는 코팅을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 공작물내부의 구멍으로부터 절삭되고 핀(34)에 의해 형성되는 재료를 제거하는 선택이 제공된다. 상기 재료를 제거하는 방법은 페킹(pecking)운동을 이용하는 것이다. 마찰 비트 결합 공구(30)의 페킹 운동은 또한 재료를 제거하기 위해 유체유동과 조합될 수 있다. 가스, 공기, 분무(mist) 및 물을 포함한 상기 유체는 압축성(compressible) 또는 비압축성을 가질 수 있다.

상기 설명과 같이, 본 발명은 서로 다른 재료들을 서로 결합하기 위해 이용될 수 있고 세 개의 몸체( 두 개의 공작물 및 비트)로 국한되지 않는다. 다수의 재료 층들이 동시에 결합될 수 있다. 재료들이 결합되는 재료의 용융점보다 작은 온도 구배를 가지는 한, 모든 갯수의 재료들이 결합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 비트(34)는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 상기 비트(34)는, 한 개의 비트에서 유용한 서로 다른 작동 특성들을 가진 재료들을 이용하여 제조될 수 있다. 따라서, 상기 비트(34)는 두 개 또는 세 개 또는 다수의 재료 구성을 가질 수 있다. 또한, 상기 비트(34)는 상기 비트의 단면에 대해 강도 구배(hardness gradient)를 가질 수 있다.

상기 마찰 비트 결합 공구(30)의 표면 운동속도 범위는 분당 0.1mm 내지 분당 10미터인 것으로 고려된다. 상기 마찰 비트 결합 공구(30)의 회전속도는 1rpm 내지100,000rpm으로 변화할 수 있다.

본 발명의 상기 마찰 비트 결합 공구(30)는 CBN 숄더를 가진 공구와 같은 복합재료 공구일 수 있고, 결합되는 재료보다 크거나 작은 계수를 가진 서로 다른 재료일 수 있다.

결합되는 재료의 강도(hardness)는, 로크웰 스케일 A, B 및 C에서 모든 재료를 포함하는 것으로 고려될 수 있다.

본 발명을 따르는 비트(34)의 절삭날은 모든 적합한 절삭 구조를 가질 수 있다. 따라서, 결합을 위하여 절삭, 절삭과 가열 및 가열될 수 있는 특징부가 상기 비트(34)에 포함될 수 있다. 상기 비트(34)는 나사산을 가질 수 있다. 따라서 상기 비트는 절삭 구조를 가질 수 없다. 선택적 실시예는, 다른 공작물 재료내부에 또는 공작물 재료를 통해 구멍 또는 개구부를 형성할 수 있도록 상기 비트(34)의 가열을 이용한다.

본 발명에 의해, 형성되는 구멍의 측부들을 축 방향으로 포함하는 다중 평면들상에 확산 결합(diffusion bonding)이 가능하다.

상기 장치들은 단지 본 발명의 원리를 따르는 적용예들을 설명하기 위한 것이다. 다수의 수정예들과 선택적 장치들이 본 발명의 범위와 사상에 따라 당업자들에 의해 구성될 수 있다. 첨부된 청구항들은 상기 수정예들과 장치들을 포함하기 위한 것이다.

32......숄더 영역,
34......비트,
30......마찰 비트 결합공구,
36......간격,
42......비트 직경 부분

Claims

마찰 비트 결합 공구내에 배열되고 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트(bit)를 이용하여 적어도 두 개의 공작물들을 서로 확산 결합하기 위한 방법이,
1) 적어도 두 개의 공작물들을 중첩시키는 단계,
2) 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트를 가진 마찰 비트 결합 공구를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트는 공작물의 표면에 대해 수직이 아니지만 적어도 두 개의 공작물들 중 적어도 제 1 공작물속에 절삭되기 적합한 각도에서 적어도 두 개의 공작물속으로 절삭될 수 있는 절삭 특징부를 포함하고,
3) 상기 절삭 특징부가 상기 적어도 두 개의 공작물속에 원하는 깊이까지 절삭하고 상기 적어도 두 개의 공작물들 중 적어도 한 개 및 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트의 소성화를 가능하도록 상기 공구를 회전시키는 단계를 포함하며,
4) 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트 및 상기 적어도 두 개의 공작물들 중 적어도 한 개의 확산 결합을 가능하도록 상기 마찰 비트 결합 공구를 일정속도로 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 공작물속에 절삭되는 단계는 제 2 공작물속에 절삭되는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 공작물들을 중첩시키는 단계는 복수 개의 공작물들을 중첩시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트가 부서질 수 있고 상대적으로 작은 직경을 가진 부분을 가져서 상기 적어도 두 개의 공작물들내에서 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트의 일부분을 남기도록 상기 비트를 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은,
1) 상기 마찰 비트 결합 공구의 중심축을 따라 구멍을 형성하는 단계 및,
2) 사기 구멍내에 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트를 배열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 마찰 비트 결합공구가 회전될 때 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트의 형상이 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트의 회전을 방지하도록 상기 비트를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 마찰 비트 결합공구가 회전될 때 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트의 회전을 방지하도록 클램핑 기구를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 적어도 두 개의 공작물의 절단을 수행하기 위해 제 1 속도에서 상기 마찰 비트 결합 공구를 회전시키고, 마찰 비트 결합을 수행하기 위해 상기 제 1 속도보다 더 빠른 제 2 속도에서 상기 마찰 비트 결합 공구를 회전시키며, 상기 제 1 속도보다 더 느리거나 정지된 제 3 속도에서 상기 마찰 비트 결합 공구를 회전시키는 단계를 추가로 포함하여 상기 적어도 두 개의 공작물들 중 적어도 한 개 및 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트사이에 확산 결합을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 마찰 비트 결합공구의 회전을 정지시키지 않고 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트의 회전을 종료시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 방법은, 클러치를 이용하여 상기 적어도 부분적으로 소모될 수 있는 비트로부터 상기 마찰 비트 결합공구를 분리시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 단일 단계 정지 사이클을 이용, 다중 단계 정지 사이클을 이용, 가변 RPM 분포 정지 사이클을 이용 및 정지사이클내에 유지 시간(dwell time)을 이용하는 것을 포함한 방법 군으로부터 마찰 비트 결합공구의 회전을 느리게 하는 방법을 선택하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 단부에서 마찰 비트 결합 공구를 가진 로봇 아암시스템, 마찰 비트 결합공구가 이용되어야 하는 위치로 상기 아암을 이동시키기 위한 이동시스템, 상기 마찰 비트 결합공구에 비트를 공급하기 위한 공급 시스템 및 위치추적 시스템을 포함한 자동화된 공정들의 군으로부터 선택하여 마찰 비트 결합을 수행하는 공정을 자동화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 전통적으로 용접할 수 없는 재료를 용접하거나 정비하기 위해 금속 스티칭을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은 고상 플러그 용접을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 한 명의 작업자에 의해 작동되고 들어 올려지며 손으로 고정되는 마찰 비트 결합공구를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
마찰 비트 결합 공구가,
비소모성 숄더를 가진 생크,
상기 비소모성 숄더의 중심축을 따라 구멍내에 배열된 소모성 비트를 포함하고, 상기 소모성 비트는 공작물에 고상 결합된 후에 마찰 비트 결합 공구로부터 분리되며,
상기 생크가 회전될 때 상기 비소모성 숄더내부의 상기 구멍내에서 상기 소모성 비트가 회전되는 것이 방지되고,
상기 소모성 비트는 작업단부에서 공작물에 대해 각을 이루며 상기 마찰 비트 결합공구를 작동시킬 수 있는 절삭특징부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 비트 결합 공구.
제 16 항에 있어서, 상기 소모성 비트는 소모성 비트가 절삭하는 공작물 재료와 확산 결합하기에 적합한 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 비트 결합 공구.
제 16 항에 있어서, 상기 마찰 비트 결합 공구는,
상기 생크를 완전히 관통하고 상기 비소모성 숄더까지 배열된 구멍 및,
상기 소모성 숄더와 마주보는 상기 생크의 단부에 배열된 플런저 기구를 추가로 포함하고, 상기 플런저 기구는 상기 소모성 비트를 상기 마찰 비트 결합공구의 작업단부까지 전진시키는 것을 특징으로 하는 마찰 비트 결합 공구.
제 16 항에 있어서, 상기 마찰 비트 결합 공구는 비원형 단면을 가진 소모성 비트를 추가로 포함하여 상기 마찰 비트 결합공구가 회전될 때 상기 소모성 비트의 회전을 방지하는 것을 특징으로 하는 마찰 비트 결합 공구.
제 16 항에 있어서, 상기 마찰 비트 결합 공구는 상기 마찰 비트 결합 공구에 클램핑 기구를 추가로 포함하여 상기 마찰 비트 결합 공구가 회전될 때 상기 소모성 비트의 회전을 방지하는 것을 특징으로 하는 마찰 비트 결합 공구.
제 16 항에 있어서, 상기 소모성 비트는 복수 개의 소모성 세그멘트들을 추가로 포함하고, 상기 복수 개의 소모성 세그멘트들은 부서질 수 있어서 공작물내에 복수 개의 소모성 세그멘트들 중에 한 개의 세그멘트를 남기고 상대적으로 작은 직경을 가진 비트부분에 의해 상기 복수 개의 소모성 세그멘트들이 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 마찰 비트 결합 공구.