KR20160052705A - 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법 및 구조용 강의 접합 조인트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서는, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴 (1) 의 전방에 형성한 가열 수단 (5) 에 의해, 피가공재가 되는 강판 (3) 을 가열하는 예열 처리 프로세스를 실시하고, 당해 예열 처리 프로세스에 있어서의 가열 영역의 표면 온도나 면적, 위치 등을 엄밀하게 제어하는 구성으로 하였다.

Description

구조용 강의 마찰 교반 접합 방법 및 구조용 강의 접합 조인트의 제조 방법{FRICTION STIR WELDING METHOD FOR STRUCTURAL STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING JOINT FOR STRUCTURAL STEEL}

본 발명은, 회전 툴을 피가공재의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 이동시키고, 이 회전 툴과의 마찰열에 의한 피가공재의 연화와, 그 연화부를 회전 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 이용하여, 용가재 (溶加材) 를 첨가하지 않고 접합을 실시하는 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다. 또, 본 발명은, 특히 이 마찰 교반 접합 방법을 구조용 강의 접합에 적용한 경우에 우려되는, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하고자 하는 것이다.

또한, 본 명세서에서는, 예를 들어 강판을 맞대었을 뿐으로 여전히 접합되어 있지 않은 상태에 있는 맞댐 부분을 「미접합부」, 한편, 소성 유동에 의해 접합되어 일체화된 부분을 「접합부」라고 부르는 것으로 한다.

마찰 용접법으로서, 특허문헌 1 에는, 1 쌍의 금속 재료의 양방 또는 편방을 회전시킴으로써, 금속 재료에 마찰열을 발생시켜 연화시키면서, 그 연화된 부위를 교반하여 소성 유동을 발생시키는 것에 의해, 금속 재료를 접합하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 이 기술은, 접합 대상으로 하는 금속 재료를 회전시키는 것이기 때문에, 접합하는 금속 재료의 형상이나 치수에 한계가 있다.

한편, 특허문헌 2 에는, 피가공재보다 실질적으로 단단한 재질로 이루어지는 툴을 피가공재의 미접합부에 삽입하고, 이 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써, 툴과 피가공재 사이에 발생하는 열과 소성 유동에 의해, 피가공재를 길이 방향으로 연속적으로 접합하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 1 에 기재된 마찰 용접법은, 피가공재끼리를 회전시켜, 피가공재끼리의 마찰열에 의해 용접하는 방법이다. 한편, 특허문헌 2 에 개시된 마찰 교반 접합법은, 접합 부재를 고정시킨 상태에서, 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써 접합할 수 있다. 이 때문에, 용접 방향에 대해 실질적으로 무한하게 긴 부재에도 그 길이 방향으로 연속적으로 고상 접합할 수 있다는 이점이 있다. 또, 회전 툴과 접합 부재의 마찰열에 의한 금속의 소성 유동을 이용한 고상 접합이기 때문에, 접합부를 용융시키지 않고 접합할 수 있다. 또한, 가열 온도가 낮기 때문에 접합 후의 변형이 적고, 또 접합부는 용융되지 않기 때문에 결함이 적고, 추가로 용가재를 필요로 하지 않거나 하는 많은 이점이 있다.

마찰 교반 접합법은, 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금으로 대표되는 저융점 금속 재료의 접합법으로서, 항공기, 선박, 철도 차량 및 자동차 등의 분야에서 이용이 확산되고 있다. 이 이유로는, 이들 저융점 금속 재료는, 종래의 아크 용접법에서는 접합부의 만족스러운 특성을 얻기 어려워, 마찰 교반 접합법을 적용함으로써 생산성을 향상시킴과 함께, 품질이 높은 접합부를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 건축물이나 선박, 중기 (重機), 파이프라인, 자동차와 같은 구조물의 소재로서 주로 적용되고 있는 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 종래의 용융 용접에서 과제가 되는 응고 균열이나 수소 균열을 회피할 수 있음과 함께, 강재의 조직 변화도 억제되므로, 조인트 성능이 우수한 것을 기대할 수 있다. 또, 회전 툴에 의해 접합 계면을 교반함으로써 청정면을 창출하여 청정면끼리를 접촉할 수 있으므로, 확산 접합과 같은 전 (前) 준비 공정은 불필요하다는 장점도 기대할 수 있다. 이와 같이, 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 많은 이점이 기대된다. 그러나, 접합시에 있어서의 결함 발생의 억제나 접합 속도의 고속도화와 같은 접합 시공성에 문제를 남기고 있었기 때문에, 저융점 금속 재료와 비교하여 보급이 진행되지 않았다.

구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서는, 특허문헌 3 및 특허문헌 4 에 기재되어 있는 바와 같이, 회전 툴로서 다결정 붕소질화물 (PCBN) 이나 질화규소 (SiN₄) 등의 고내마모성 재료를 사용하고 있는 것이 현상황이다. 그러나, 이들 세라믹스는 무르기 때문에, 회전 툴의 파손을 방지하기 위해서, 접합하는 강판의 판 두께나 그 시공 조건이 현저하게 제한된다.

또, 특허문헌 5 및 6 에는, 접합 시공성의 향상을 목적으로 하여, 회전 툴과 피접합재 사이에 발생하는 마찰열 이외의 가열 수단을 부가한 접합 방법이 개시되어 있다.

예를 들어, 특허문헌 5 에는, 유도 가열 장치를 사용한 가열 수단을 갖고, 접합 전후에 피가공재의 가열을 실시함으로써, 접합 속도의 고속도화나 접합부의 균열의 해소를 도모한 마찰 교반 접합법의 가열 장치가 개시되어 있다.

또, 특허문헌 6 에는, 레이저 장치를 사용한 가열 수단을 갖고, 접합 직전에 피가공재를 부분적으로 가열함으로써, 예열에 의한 가열 영역 주변의 마이크로 조직 변화를 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 도모한 마찰 교반 접합 장치가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 5 및 6 의 기술에서는, 접합 전의 가열에 의한 피가공재의 가열 영역의 표면 온도나 깊이 등에 대해 주의를 기울이고 있지 않아, 그 때문에, 충분한 접합 시공성이 얻어지지 않는다. 또한, 과잉 가열에 의해 가열 영역 주변의 마이크로 조직이 변화하여, 접합 조인트 특성, 특히 접합 조인트 강도에 악영향을 미치는 경우가 있었다. 그 때문에, 충분한 강도를 얻음과 함께, 접합 시공성을 향상시킨 실제적인 마찰 교반 접합 방법은, 여전히 알아내지 못한 것이 현상황이다.

일본 공개특허공보 소62-183979호 일본 공표특허공보 평7-505090호 일본 공표특허공보 2003-532542호 일본 공표특허공보 2003-532543호 일본 공개특허공보 2003-94175호 일본 공개특허공보 2005-288474호

본 발명은, 상기의 현상황을 감안하여 개발된 것으로, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다. 그리고 그것을 위해, 특히 예열 처리 프로세스 조건을 엄밀하게 정밀 조사한 마찰 교반 접합 방법을 제공한다.

그런데, 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 지견을 얻었다.

a) 통상적인 마찰 교반 접합에서는, 접합을 위해서 필요한 열원이, 회전 툴과 피가공재 사이에서 발생하는 마찰열뿐이다. 그 때문에, 구조용 강을 마찰 교반 접합법에 의해 접합하는 경우에는, 피가공재인 구조용 강을 연화시키기 위해서 필요한 열량을 충분히 확보할 수 없다. 그 결과, 접합부에 있어서 충분한 소성 유동이 얻어지지 않아, 접합 속도의 저하나 접합 결함의 발생 등과 같은 접합 시공성의 열화가 우려된다.

상기한 본 기술을 공업화하는 데에 있어서 매우 중요시되는 접합 시공성의 열화를 회피하기 위해서는, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스가 유효한 것으로 생각된다.

b) 그러나, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스를 실시할 때에, 예열 열량이 과잉이 되면, 가열 영역 주변의 마이크로 조직이 변화된다는 문제가 생긴다. 특히, 마텐자이트 조직에 의해 강화된 고장력 강철판의 경우에는, 가열 영역 주변이, 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이어도, 마텐자이트가 템퍼링됨으로써 연화를 일으켜, 접합 조인트 강도를 현저하게 저하시킨다.

그래서, 발명자들은, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스 조건에 대해 여러 가지 검토하였다.

그 결과,

c) 레이저 등의 에너지 밀도가 높은 열원을 사용함으로써, 예열 처리 프로세스에서의 가열 영역의 표면 온도, 면적, 위치를 엄밀하게 제어하고, 또 필요에 따라 가열 영역의 두께 방향에 있어서의 온도에 대해서도 적정하게 제어한다. 그로 인해, 접합 조인트 강도 등의 접합 조인트 특성의 열화를 초래하지 않고, 접합 시공성을 향상시킬 수 있다는 지견을 얻었다.

d) 또, 통상적인 마찰 교반 접합에서는, 접합 완료 후, 접합부가 자연 방랭 상태가 되기 때문에, 강재 제조시의 압연 프로세스에서 실시되고 있는 것과 같은 열 이력 관리에 의한 마이크로 조직 제어를 적용할 수 없다는 문제가 있었다. 그러나, 접합 완료 직후에, 접합부에 대해, 가열 처리나 냉각 처리를 조합한 프로세스를 실시함으로써, 접합 조인트 특성을 더욱 향상시킬 수 있다는 지견을 얻었다.

본 발명은, 상기의 지견에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 숄더부 및 그 숄더부에 배치되어 그 숄더부와 회전 축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 그 숄더부와 그 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 그 강판의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 그 회전 툴과 그 강판의 마찰열에 의해 그 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 그 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 그 강판을 접합하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법에 있어서,

접합 방향으로 이동하는 그 회전 툴의 전방에 형성한 가열 수단에 의해 그 강판을 가열하고, 그 가열에 의해 그 강판의 표면의 온도 (T_S (℃)) 가,

T_S ≥ 0.8 × T_A1 (T_A1 은 하기의 식 (1) 에 나타낸다)

이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 그 강판의 표면에 있어서의, 그 가열 영역과 그 회전 툴의 최소 거리를, 그 회전 툴의 숄더부의 직경 이하로 하고,

또 그 강판의 표면에 있어서의 그 가열 영역의 면적을, 그 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 하고,

또한 그 가열 영역의 면적의 50 ％ 이상이, 그 강판의 표면에 있어서, 그 회전 툴의 회전 축을 지나 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 그 접합 중앙선에 평행하고, 또한 어드밴싱 사이드로 그 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 이간시킨 직선 사이에 위치하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

T_A1 (℃) = 723 - 10.7 [％Mn] - 16.9 [％Ni] ＋ 29.1 [％Si]

＋ 16.9 [％Cr] ＋ 290 [％As] ＋ 6.38 [％W]··· (1)

단, [％M] 은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량 (질량％) 이다.

2. 상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 (T_D (℃)) 가,

T_D ≥ 0.8 × T_A1 (T_A1 은 하기의 식 (1) 에 나타낸다)

을 만족시키는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이 (D) 로 했을 때, 그 가열 영역의 깊이 (D) 가, 상기 강판의 합계 두께 (t) 의 30 ％ 이상이 되는 상기 1 에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

T_A1 (℃) = 723 - 10.7 [％Mn] - 16.9 [％Ni] ＋ 29.1 [％Si]

＋ 16.9 [％Cr] ＋ 290 [％As] ＋ 6.38 [％W]··· (1)

단, [％M] 은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량 (질량％) 이다.

3. 상기 가열 수단이, 레이저 가열 장치인 상기 1 또는 2 에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

4. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 후방 가열 수단을 형성하고, 그 후방 가열 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 가열하는 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

5. 상기 회전 툴의 후방에, 또한 상기 후방 가열 수단 뒤에 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 냉각시키는 상기 4 에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

6. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 냉각시키는 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

7. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 또한 상기 냉각 수단 뒤에, 후방 가열 수단을 형성하고, 그 후방 가열 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 상기 6 에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.

8. 상기 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 마찰 교반 접합 방법을 이용하는 구조용 강의 접합 조인트의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 종래 우려된 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있고, 나아가서는 마이크로 조직의 변화도 억제하여, 접합부에 있어서, 높은 조인트 강도를 얻을 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법을 설명하는 개략도이다.
도 2 는, 예열 프로세스에 있어서의 가열 영역, 접합 후에 실시한 프로세스에 있어서의 냉각 영역 및 재가열 영역의 일례를 나타내는 도면 (상면도 및 A-A 단면도) 이다.
도 3 은, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에서 대상으로 하는 구조용 강의 일례에 대한 온도와 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 실시예에서 사용한 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은, 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법으로, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 회전 툴을, 강판의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시킨다. 그것에 의해 회전 툴과 강판의 마찰열에 의해 그 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 강판을 접합한다. 여기서, 회전 툴은, 숄더부, 및 이 숄더부에 배치되어, 이 숄더부와 회전 축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 숄더부와 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질에 의해 형성된다.

도면 중, 부호 1 이 회전 툴, 2 는 회전 축, 3 은 강판, 4 는 접합부, 5 는 가열 수단, 6 이 냉각 수단, 7 이 후방 가열 수단, 8 이 회전 툴의 숄더부, 9 는 회전 툴의 핀부이고, α 로 회전 툴 경사 각도를 나타낸다. 또한, 「AS」및 「RS」는, 각각 어드밴싱 사이드 및 리트리팅 사이드를 나타낸다.

여기서, 어드밴싱 사이드란, 툴 회전 방향과 접합 방향이 일치하는 측으로, 리트리팅 사이드란, 툴 회전 방향과 접합 방향이 반대가 되는 측으로 각각 정의한다.

그리고, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에서는, 접합 방향으로 이동하는 그 회전 툴의 전방에 형성한 가열 수단에 의해 강판을 가열하는 예열 처리 프로세스가 중요하다. 이하, 이 예열 처리 프로세스 조건에 대하여, 도 2 를 참조하면서 설명한다.

또한, 도면 중, 부호 10 은 접합 중앙선이고, 이 접합 중앙선은, 강판의 표면에 있어서 회전 툴의 회전 축을 지나 접합 방향에 평행한 직선을 나타낸다. 또, 11 은 접합 중앙선에 평행하고, 또한 어드밴싱 사이드에 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 이간시킨 직선 (이하, AS 선이라고 부르는 것으로 한다), 12 는 가열 영역, 13 은 냉각 영역, 14 는 재가열 영역이고, a 로 회전 툴의 숄더부 직경을, b 로 회전 툴의 핀부의 최대 직경을, X 로 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리를, D 로 가열 영역의 깊이를, t 로 강판의 두께를 각각 나타낸다.

가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도 T_S：T_S ≥ 0.8 × T_A1

본 발명의 마찰 교반 접합 방법으로 접합하는 강판은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 통상, 강의 변태 온도인 T_A1 의 80 ％ 정도의 온도에서는, 상온시의 강도의 30 ％ 정도의 강도가 된다. 또, 이 온도보다 높아지면, 강도가 더욱 저하된다. 따라서, 강판의 표면 온도를 0.8 × T_A1 ℃ 이상으로 하여 강판을 미리 연화시켜, 당해 강판을 교반하고, 소성 유동을 촉진시킴으로써, 회전 툴에 가해지는 부하를 저감시키고, 또 접합 속도도 고속도화할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에서는, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도 (T_S (℃)) 를, 0.8 × T_A1 ℃ 이상으로 한다. 또한, T_A1 (℃) 은 다음 식 (1) 에 의해 구할 수 있다.

T_A1 (℃) = 723 - 10.7 [％Mn] - 16.9 [％Ni] ＋ 29.1 [％Si]

＋ 16.9 [％Cr] ＋ 290 [％As] ＋ 6.38 [％W]··· (1)

여기서, [％M] 은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량 (질량％) 이다.

단, 두께 방향으로 가열 영역을 확보하기 위해서는 가열 영역의 표면에는 온도 구배가 존재해도 되고, 그 경우, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도는 1.5 × T_M ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한 접합부의 온도가 과도하게 상승되는 것에 의한 회전 툴의 손상이나 마이크로 조직의 변질을 피하기 위해서, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도는, 그 가열 영역을 통과하는 회전 툴과 접촉하기까지 T_M ℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

또한, T_M (℃) 은 피가공재인 강판의 융점이다.

강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리：회전 툴의 숄더부의 직경 이하

강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 회전 툴의 간격이 지나치게 커지면, 접합 전에 가열 영역에 있어서의 온도가 저하되어 버려, 예열에 의한 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 이 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 최소 거리는, 회전 툴의 숄더부의 직경 이하로 한다.

단, 가열 영역과 회전 툴의 간격이 지나치게 작아지면, 회전 툴이 가열 수단 에 의한 열에 의해 손상될 우려가 있으므로, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 최소 거리는, 회전 툴의 숄더부의 직경의 0.1 배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 회전 툴의 숄더부의 직경은, 8 ∼ 60 ㎜ 정도이다.

강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적：회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하

가열 영역이 지나치게 커지면 당해 영역 및 그 주변 영역의 마이크로 조직이 변화한다. 특히, 마텐자이트 조직에 의해 강화된 고장력 강철판의 경우에는, 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이어도, 마텐자이트가 템퍼링됨으로써 연화를 일으켜, 접합 조인트 강도를 대폭 저하시켜 버린다. 이 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 한다.

한편, 가열 영역의 면적이 지나치게 작아지면, 예열에 의한 효과가 충분히 얻어지지 않게 된다. 따라서, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부에 있어서의 최대 직경부의 면적의 0.1 배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 2 ∼ 50 ㎜ 정도이다.

강판의 표면에 있어서, 접합 중앙선과 AS 선 사이에 위치하는 가열 영역의 면적：강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적의 50 ％ 이상

강재의 마찰 교반 접합에 있어서는, 소성 유동의 시점은 어드밴싱 사이드이고, 회전 툴의 회전 방향을 따라, 접합 방향 전방, 리트리팅 사이드, 접합 방향 후방을 지나, 어드밴싱 사이드가 종점이 된다. 이와 같이, 어드밴싱 사이드는 소성 유동의 시점이 되기 때문에, 피가공재인 강판의 가열 부족이 발생하기 쉬워, 소성 유동이 불충분하여 결함이 발생하는 경우에는, 그 대부분이 어드밴싱 사이드에서 발생한다.

따라서, 강판의 표면에 있어서, 가열 영역의 면적의 50 ％ 이상을, 접합 중앙선과, 그 접합 중앙선에 평행한 AS 선 사이에 위치시켜, 어드밴싱 사이드를 우선적으로 가열함으로써, 소성 유동을 촉진시키고, 결함의 발생을 억제하여, 접합 속도의 고속화를 도모할 수 있다. 바람직하게는 가열 영역의 면적의 60 ％ 이상, 보다 바람직하게는 80 ％ 이상의 범위이다. 또한, 100 ％ 여도 된다.

또, 어드밴싱 사이드를 우선적으로 가열한다는 관점에서는, 가열 영역의 중심을, 접합 중앙선과 AS 선의 중간점을 통과하는 직선과 AS 선 사이에 위치시킨다. 바꾸어 말하면, 가열 영역의 중심을 접합 중앙선보다 어드밴싱 사이드측에 위치시키고, 추가로 가열 영역 중심으로부터 접합 중앙선까지의 거리를, 회전 툴의 핀부 에 있어서의 최대 반경의 0.5 배 이상 1 배 이하로 하는 것이 바람직하다.

가열 영역의 두께 방향의 영역에 있어서의 온도 T_D：T_D ≥ 0.8 × T_A1

전술한 바와 같이, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법으로 접합하는 강판은, 통상, 강의 변태 온도인 T_A1 의 80 ％ 정도의 온도에서는, 상온시의 강도의 30 ％ 정도의 강도가 된다. 또, 이 온도보다 높아지면 강도가 더욱 저하된다. 따라서, 가열 영역의 두께 방향의 영역에 있어서도, 온도를 0.8 × T_A1 ℃ 이상으로 하여 강판을 미리 연화시킨다. 그리고 당해 강판을 교반하고, 소성 유동을 촉진시킴으로써, 회전 툴에 가해지는 부하를 더욱 저감시키고, 또 접합 속도도 더욱 고속도화시키는 것이 바람직하다. 따라서, 후술하는 가열 영역의 깊이 (D) 를 규정하는 가열 영역의 두께 방향의 온도 (T_D) 는, 0.8 × T_A1 ℃ 이상으로서 정의하는 것으로 하였다. 또한, T_A1 (℃) 은 다음 식 (1) 에 의해 구할 수 있다.

T_A1 (℃) = 723 - 10.7 [％Mn] - 16.9 [％Ni] ＋ 29.1 [％Si]

＋ 16.9 [％Cr] ＋ 290 [％As] ＋ 6.38 [％W]··· (1)

여기서, [％M] 은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량 (질량％) 이다.

단, 두께 방향으로 가열 영역을 확보하기 위해서는 가열 영역의 두께 방향에는 온도 구배가 존재해도 되고, 그 경우, 가열 영역에 있어서의 강판의 두께 방향의 온도는 1.5 × T_M ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합부의 온도가 과도하게 상승되는 것에 의한 회전 툴의 손상이나 마이크로 조직의 변질을 피하기 위해서, 가열 영역에 있어서의 강판의 두께 방향의 온도는, 그 가열 영역을 통과하는 회전 툴과 접촉하기까지 T_M ℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

또한, T_M (℃) 은 피가공재인 강판의 융점이다.

가열 영역의 깊이 (D)：강판의 합계 두께의 30 ％ 이상

가열 영역의 깊이 (D) 는, 상기한 가열 영역의 두께 방향의 온도 (T_D) 가 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역에 있어서의, 피가공재인 강판의 표면으로부터의 최대 깊이로 규정된다. 여기서, 이 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 합계 두께의 30 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇다고 하는 것은, 가열 영역의 깊이 (D) 를 강판의 합계 두께의 30 ％ 이상으로 함으로써, 소성 유동이 더욱 촉진된다. 그것에 의해, 회전 툴에 가해지는 부하 저감 및 접합 속도의 고속도화에 있어서, 더욱 유리해지기 때문이다. 보다 바람직하게는 강판의 합계 두께의 50 ％ 이상이다.

그러나, 가열 영역의 깊이 (D) 가, 강판의 합계 두께의 90 ％ 를 초과하면, 가열이 과다해져 마이크로 조직의 변화가 우려되므로, 가열 영역의 깊이 (D) 는 강판의 합계 두께의 90 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또, 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 수단은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 레이저 가열 장치를 사용하는 것이 바람직하다.

그렇다고 하는 것은, 에너지 밀도가 높은 레이저를 열원으로 사용함으로써, 예열 처리 프로세스 조건의 제어를 보다 정확하게 실시할 수 있고, 접합 조인트 특성을 손상시키지 않고 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있기 때문이다.

또한, 상기한 것 이외의 조건에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 수단의 이동 속도는, 접합 속도와 동일한 정도로 하면 된다. 또, 이 가열 수단에 레이저 가열 장치를 사용하는 경우, 그 레이저 출력이나 빔 직경은, 접합 조건에 따라 적절히 설정하면 된다.

이상, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에 있어서의 예열 처리 프로세스에 대해 설명했지만, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법에서는, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해, 접합 조인트 강도를 개선할 수 있다.

그렇다고 하는 것은, 통상, 접합 완료 후, 접합부는 자연 방랭 상태가 되기 때문에, 피가공재인 강재의 퀀칭성이 낮은 경우에는, 접합 조인트의 강도가 충분히 얻어지지 않는다는 문제가 있었다. 이 점에서, 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 형성한 냉각 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 냉각시키고, 그 때 냉각 속도를 적절히 제어함으로써, 퀀칭에 의한 강도 향상을 도모할 수 있다. 구체적인 냉각 수단으로는, 불활성 가스의 분출에 의한 냉각이 바람직하다. 이 경우의 냉각 속도로는, 예를 들어 800 ℃ 내지 500 ℃ 의 범위를 30 ∼ 300 ℃/s 로 하는 것이 바람직하다.

한편, 피가공재인 강재의 퀀칭성이 높은 경우에는, 과도하게 경화될 가능성이 있어 접합 조인트의 인성을 저하시킨다는 문제가 있었다. 이 점에서, 회전 툴에 근접하는 후방 부분을 가열하는 후방 가열 수단을 형성하고, 냉각 속도를 적절히 제어하여 서랭함으로써, 과도한 경화를 억제할 수 있다. 구체적인 가열 수단으로는 고주파 유도 가열, 레이저를 열원으로 한 가열이 바람직하다. 이 경우의 서랭 속도로는, 예를 들어 800 ℃ 내지 500 ℃ 의 범위를 10 ∼ 30 ℃/s 로 하는 것이 바람직하다.

또, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에, 또한 상기한 냉각 수단 뒤에, 후방 가열 수단을 형성하고, 그 후방 가열 수단에 의해 강판의 접합부를 재가열해도 된다.

이로써, 접합부가 냉각 수단에 의한 냉각에 의해 퀀칭되어, 과도하게 경화된 경우에, 그 후방 가열 수단으로 템퍼링함으로써 경도를 억제하여, 강도와 인성을 겸비하는 조인트 특성을 달성할 수 있다. 이 경우의 냉각 속도로는, 예를 들어 800 ℃ 내지 500 ℃ 의 범위를 30 ∼ 300 ℃/s, 재가열 온도로는, 예를 들어 550 ∼ 650 ℃ 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에서, 그리고 상기한 후방 가열 수단 뒤에 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해 강판의 접합부를 냉각시켜도 된다.

이 경우에는, 접합 직후에 있어서, 후방 가열 수단으로 냉각 속도를 작게, 그 후, 냉각 수단으로 냉각 속도를 크게 함으로써, 조직을 복합화할 수 있어, 강도와 연성을 겸비하는 조인트 특성을 달성할 수 있다. 이 경우의 냉각 속도로는, 예를 들어, 800 ℃ 내지 600 ℃ 의 범위를 10 ∼ 30 ℃/s 정도로 하고, 그 후, 600 ℃ 내지 400 ℃ 의 범위를 30 ∼ 300 ℃/s 정도로 하는 것이 바람직하다.

상기 이외의 접합 조건에 대해서는, 통상적인 방법에 따르면 되는데, 회전 툴의 토크가 클수록 강판의 소성 유동성은 낮게 되므로, 결함 등이 발생하기 쉬워진다.

따라서, 본 발명에서는, 회전 툴의 회전수를 100 ∼ 1000 rpm 의 범위로 하고, 회전 툴의 토크를 억제하여, 접합 속도를 1000 ㎜/min 이상으로 고속화하는 것을 목표로 한다.

또, 본 발명의 대상 강종으로는, 일반적인 구조용 강이나 탄소강, 예를 들어 JIS G 3106 의 용접 구조용 압연 강재, JIS G 4051 의 기계 구조용 탄소강 등을 바람직하게 사용할 수 있다. 또, 인장 강도가 800 ㎫ 이상인 고강도 구조용 강에도 유리하게 적용할 수 있고, 이 경우에도, 접합부에 있어서, 강판 (모재) 의 인장 강도의 85 ％ 이상의 강도, 나아가서는 90 ％ 이상의 강도가 얻어진다.

그리고, 상기한 마찰 교반 접합 방법을 이용하는 구조용 강의 접합 조인트의 제조 방법에 의하면, 접합 시공성의 향상과 함께, 높은 조인트 강도를 갖는 구조용 강의 접합 조인트의 제조가 가능해진다.

실시예

실시예 1

판 두께 1.6 ㎜ 의 표 1 에 나타내는 화학 조성, 인장 강도의 강판을 사용하여, 마찰 교반 접합을 실시하였다. 조인트 맞댐면은, 각도를 부여하지 않는 이른바 I 형 개선 (開先) 으로 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에 따라 편면 1 패스로 접합을 실시하였다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 2 에 나타낸다. 또, 여기서는, 도 4 에 단면 치수를 나타내는 탄화텅스텐 (WC) 을 소재로 한 회전 툴 (숄더부 직경 a：12 ㎜, 핀부의 최대 직경 b：4 ㎜, 프로브 길이 c：1.4 ㎜) 을 사용하고, 접합시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 실드하여, 표면의 산화를 방지하였다.

또, 접합에 앞서, 레이저를 열원으로 사용한 예열에 의한 가열 영역을 확인하기 위해서, 표 1 의 강판 1 에 대해, 표 3 에 나타내는 각 조사 조건 (레이저 이동 속도, 레이저 출력 및 빔 직경) 으로 레이저 광을 조사하여, 표면 온도를 서모그래피에 의해 측정하였다. 또한, 레이저 조사부의 단면을 관찰하고, 나이탈 부식액에 의한 마이크로 조직 관찰을 실시하였다.

여기서, 변태점 (T_A1 ℃) 이상이 된 영역은 가장 진하게, 그 외측에 존재하는 변태점 (T_A1 ℃) 미만이지만 모재 중의 마텐자이트 등의 고경도 조직이 템퍼링되는 영역은 비교적 연하게 에칭되기 때문에, 변태점 (T_A1 ℃) 이상이 된 영역, 변태점 (T_A1 ℃) 미만에서의 템퍼링 영역, 모재의 영역은 각각 식별 가능하다. 또한, 철강의 열처리의 지견으로부터, 변태점 (T_A1 ℃) 미만에서의 템퍼링 영역은, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이고 또한 T_A1 ℃ 미만의 영역과 일치하는 것이 알려져 있다. 이와 같은 나이탈 부식액에 의한 마이크로 조직 관찰로부터, 변태점 (T_A1 ℃) 이상이 된 영역의 깊이 (D₀), 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 를 측정하였다.

이들 측정 결과를 표 4 에 나타낸다.

표 4 에 나타내는 바와 같이, 서모그래피에 의한 표면 온도 측정 결과로부터, 조사 조건 A 에 있어서, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역은 직경 3.5 ㎜ 의 원 형상이었다. 여기서 사용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0 ㎜ 이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하가 된다.

또, 조사 조건 B 에 있어서, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역은 직경 2.0 ㎜ 의 원 형상이었다. 따라서, 상기와 마찬가지로, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하가 된다.

한편, 조사 조건 C 에 있어서, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역은 직경 4.5 ㎜ 의 원 형상이었다. 여기서 사용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0 ㎜ 이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적을 초과하게 된다.

또, 표 4 에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사부의 단면 관찰로부터, 조사 조건 A 에 있어서, T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (D₀) 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 는 각각 0.28, 0.30 ㎜ 였다. 피가공재인 강판의 두께 (t) 는 1.6 ㎜ 이므로, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 두께 (t) 의 약 18.8 ％ 가 된다.

조사 조건 B 에 있어서, T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (D₀) 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 는 각각 0.47, 0.50 ㎜ 였다. 피가공재인 강판의 두께 (t) 는 1.6 ㎜ 이므로, 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 두께 (t) 의 약 31.3 ％ 가 된다.

한편, 조사 조건 C 에 있어서, T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (D₀) 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 는 각각 0.09, 0.10 ㎜ 였다. 피가공재인 강판의 두께 (t) 는 1.6 ㎜ 이므로, 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 두께 (t) 의 약 6.3 ％ 가 된다.

다음으로, 표 5 에, 피가공재의 접합 전에 실시한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건, 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건을 나타낸다. 여기서, 접합 후에 실시한 프로세스에 있어서의 냉각에서는 가스 분출에 의한 냉각을, 가열 (및 재가열) 에서는 유도 가열을 각각 실시하였다.

또한, 표 5 중, 예열 프로세스 조건 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건에 있어서의 「-」는, 각각 예열 프로세스 및 냉각이나 가열과 같은 접합 후의 프로세스를 실시하지 않았던 경우를 나타낸다. 또, 접합 중앙선으로부터 가열 영역 중심까지의 거리에 있어서의 「(AS)」, 「(RS)」라는 기재는, 가열 영역의 중심이, 접합 중앙선으로부터 각각 어드밴싱 사이드, 리트리팅 사이드에 있는 것을 나타낸다.

또, 표 6 에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정치와, 얻어진 접합 조인트로부터 JIS Z 3121 에서 규정하는 1 호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 실시했을 때의 인장 강도를 나타낸다.

또한, 회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮아, 결함 등이 발생하기 쉽다고 할 수 있다.

표 6 으로부터, 발명예 1 ∼ 10 에서는, 접합 속도를 고속화한 경우에도, 모재가 되는 강판의 인장 강도의 85 ％ 이상의 강도가 얻어짐과 함께, 회전 툴의 토크가 75 N·m 이하로, 소성 유동성도 양호하였다. 특히, 접합 후에 냉각·재가열을 실시한 발명예 6 및 7 에서는, 모재의 인장 강도의 99 ％ 이상의 강도가 얻어졌다.

한편, 비교예 1 ∼ 5 에서는, 회전 툴의 토크가 80 N·m 이상이 되어, 소성 유동성이 열등했다.

실시예 2

실시예 1 과 동일하게 판 두께 1.6 ㎜ 의 표 1 에 나타내는 화학 조성, 인장 강도의 강판을 사용하여, 조인트 맞댐면에 각도를 부여하지 않는 이른바 I 형 개선으로 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에 따라 편면 1 패스로 마찰 교반 접합을 실시하였다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 7 에 나타낸다. 또, 실시예 1 과 동일하게, 도 4 에 단면 치수를 나타내는 탄화텅스텐 (WC) 을 소재로 한 회전 툴 (숄더부 직경 a：12 ㎜, 핀부의 최대 직경 b：4 ㎜, 프로브 길이 c：1.4 ㎜) 을 사용하고, 접합시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 실드하여, 표면의 산화를 방지하였다.

또, 접합에 앞서, 레이저를 열원으로 사용한 예열에 의한 가열 영역을 확인하기 위해, 표 1 의 강판 1 에 대해, 표 8 에 나타내는 각 조사 조건 (레이저 이동 속도, 레이저 출력 및 빔 직경) 으로 레이저 광을 조사하여, 표면 온도를 서모그래피에 의해 측정하였다. 또한, 레이저 조사부의 단면을 관찰하고, 실시예 1 과 동일하게, 나이탈 부식액에 의한 마이크로 조직 관찰을 실시하고, 변태점 (T_A1 ℃) 이상이 된 영역의 깊이 (D₀), 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 를 측정하였다.

이들 측정 결과를 표 9 에 나타낸다.

표 9 에 나타내는 바와 같이, 서모그래피에 의한 표면 온도 측정 결과로부터, 조사 조건 D 에 있어서, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역은, 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 직경이 되고, 장경은 3.8 ㎜, 단경은 3.2 ㎜ 였다. 여기서 사용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0 ㎜ 이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하가 된다.

또, 조사 조건 E 에 있어서, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역은 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 직경이 되고, 장경은 2.2 ㎜, 단경은 1.8 ㎜ 였다. 따라서, 상기와 마찬가지로, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하가 된다.

한편, 조사 조건 F 에 있어서, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 되는 영역은 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 직경이 되고, 장경은 4.9 ㎜, 단경은 4.1 ㎜ 였다. 여기서 사용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0 ㎜ 이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적을 초과하게 된다.

또, 표 9 에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사부의 단면 관찰로부터, 조사 조건 D 에 있어서, T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (D₀) 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 는 각각 0.30, 0.32 ㎜ 였다. 피가공재인 강판의 두께 (t) 는 1.6 ㎜ 이므로, 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 두께 (t) 의 약 20.0 ％ 가 된다.

조사 조건 E 에 있어서, T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (D₀) 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 는 각각 0.51, 0.54 ㎜ 였다. 피가공재인 강판의 두께 (t) 는 1.6 ㎜ 이므로, 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 두께 (t) 의 약 33.8 ％ 가 된다.

한편, 조사 조건 F 에 있어서, T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (D₀) 및 0.8 × T_A1 ℃ 이상이 된 영역의 깊이 (가열 영역의 깊이 (D)) 는 각각 0.10, 0.11 ㎜ 였다. 피가공재인 강판의 두께 (t) 는 1.6 ㎜ 이므로, 가열 영역의 깊이 (D) 는, 강판의 두께 (t) 의 약 6.9 ％ 가 된다.

다음으로, 표 10 에, 피가공재의 접합 전에 실시한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건, 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건을 나타낸다. 여기서, 접합 후에 실시한 프로세스에 있어서의 냉각에서는 가스 분출에 의한 냉각을, 가열 (및 재가열) 에서는 유도 가열을 각각 실시하였다.

또한, 표 10 중, 예열 프로세스 조건 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건에 있어서의 「-」는, 각각 예열 프로세스 및 냉각이나 가열과 같은 접합 후의 프로세스를 실시하지 않았던 경우를 나타낸다. 또, 접합 중앙선으로부터 가열 영역 중심까지의 거리에 있어서의 「(AS)」, 「(RS)」라는 기재는, 가열 영역의 중심이, 접합 중앙선으로부터 각각 어드밴싱 사이드, 리트리팅 사이드에 있는 것을 나타낸다.

또, 표 11 에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정치와, 얻어진 접합 조인트로부터 JIS Z 3121 에서 규정하는 1 호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 실시했을 때의 인장 강도를 나타낸다.

또한, 회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮고, 결함 등이 발생하기 쉽다고 할 수 있다.

표 11 로부터, 발명예 11 ∼ 20 에서는, 접합 속도를 1000 ㎜/min 로 고속화한 경우에도, 회전 툴의 토크를 100 N·m 이하로 하여 접합할 수 있고, 또 모재가 되는 강판의 인장 강도의 85 ％ 이상의 강도를 달성할 수 있어, 건전한 조인트가 얻어졌다. 특히, 접합 후에 냉각·재가열을 실시한 발명예 16 및 17 에서는, 모재의 인장 강도의 99 ％ 이상의 강도가 얻어졌다.

한편, 비교예 6 에서는 회전 툴이 접합 중에 파손되어, 접합이 불가능했다. 또, 비교예 7 ∼ 10 은, 미접합 부분이 남는 상태가 되어 접합이 불가능하고, 따라서, 건전한 조인트는 얻어지지 않았다. 이 때문에, 비교예 6 ∼ 10 에서는, 회전 툴 토크 등의 측정은 실시하지 않았다.

1 : 회전 툴
2 : 회전 축
3 : 강판
4 : 접합부
5 : 가열 수단
6 : 냉각 수단
7 : 후방 가열 수단
8 : 회전 툴의 숄더부
9 : 회전 툴의 핀부
10 : 접합 중앙선
11 : AS 선
12 : 가열 영역
13 : 냉각 영역
14 : 재가열 영역
a : 회전 툴의 숄더부 직경
b : 회전 툴의 핀부의 최대 직경
c : 회전 툴의 프로브 길이
X : 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리
D : 가열 영역의 깊이
t : 강판의 두께
α : 회전 툴 경사 각도

Claims (8)

1. 숄더부 및 그 숄더부에 배치되어 그 숄더부와 회전 축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 그 숄더부와 그 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 그 강판의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 그 회전 툴과 그 강판의 마찰열에 의해 그 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 그 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 그 강판을 접합하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
   접합 방향으로 이동하는 그 회전 툴의 전방에 형성한 가열 수단에 의해 그 강판을 가열하고, 그 가열에 의해 그 강판의 표면의 온도 (T_S (℃)) 가,
   T_S ≥ 0.8 × T_A1 (T_A1 은 하기의 식 (1) 에 나타낸다)
   이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 그 강판의 표면에 있어서의, 그 가열 영역과 그 회전 툴의 최소 거리를, 그 회전 툴의 숄더부의 직경 이하로 하고,
   또 그 강판의 표면에 있어서의 그 가열 영역의 면적을, 그 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 하고,
   또한 그 가열 영역의 면적의 50 ％ 이상이, 그 강판의 표면에 있어서, 그 회전 툴의 회전 축을 지나 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 그 접합 중앙선에 평행하고, 또한 어드밴싱 사이드로 그 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 이간시킨 직선 사이에 위치하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
   T_A1 (℃) = 723 - 10.7 [％Mn] - 16.9 [％Ni] ＋ 29.1 [％Si]
   ＋ 16.9 [％Cr] ＋ 290 [％As] ＋ 6.38 [％W]··· (1)
   단, [％M] 은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량 (질량％) 이다.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 (T_D (℃)) 가,
   T_D ≥ 0.8 × T_A1 (T_A1 은 하기의 식 (1) 에 나타낸다)
   을 만족시키는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이 (D) 로 했을 때, 그 가열 영역의 깊이 (D) 가, 상기 강판의 합계 두께 (t) 의 30 ％ 이상이 되는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
   T_A1 (℃) = 723 - 10.7 [％Mn] - 16.9 [％Ni] ＋ 29.1 [％Si]
   ＋ 16.9 [％Cr] ＋ 290 [％As] ＋ 6.38 [％W]··· (1)
   단, [％M] 은, 피가공재인 강판에 있어서의 M 원소의 함유량 (질량％) 이다.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가열 수단이, 레이저 가열 장치인 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 후방 가열 수단을 형성하고, 그 후방 가열 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 가열하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 회전 툴의 후방에, 또한 상기 후방 가열 수단 뒤에 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해 상기 강판의 접합부를 냉각시키는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 냉각 수단을 형성하고, 그 냉각 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 냉각시키는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에, 또한 상기 냉각 수단 뒤에, 후방 가열 수단을 형성하고, 그 후방 가열 수단에 의해, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 마찰 교반 접합 방법을 이용하는 구조용 강의 접합 조인트의 제조 방법.

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