KR20170028356A - 회전 툴 및 접합 방법 - Google Patents
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Abstract
마찰 교반 점접합 툴(1)은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 제1 부재측으로부터 압박함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 마찰 교반 점접합시키는 것이다. 제1 부재 및 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 회전축(4)을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 선단에 숄더(5)를 구비하는 기둥 형상부(2)와, 숄더(5)로부터 회전축(4)을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브(3)를 구비한다. 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 프로브(3)가 압박 시에 제2 부재측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
Description
본 발명은 마찰 교반 점접합 툴 및 그것을 이용한 접합 방법에 관한 것이다.
최근, 2장 이상의 박판을 접합하기 위한 접합법으로서, 예컨대 일본 특허 공개 제2001-314982호 공보(이하, 특허문헌 1)에 있어서 마찰 교반 점접합(Spot Friction Welding 혹은 Friction Spot Joining)이라고 불리는 접합법이 고안되어, 자동차 차체 등에 대해 상기 접합법의 실용화가 시작되고 있다. 이 기술은, 선단에 소직경 돌기부(프로브 혹은 핀이라고 불림)가 형성된 원기둥 형상의 툴을 회전시키면서 접합 부위에 압박함으로써 마찰열이 발생하는 것을 이용한 것이며, 상기 마찰열에 의해 접합 부위의 금속 재료를 연화시켜 소성(塑性) 유동시킴으로써 금속 재료끼리를 접합시키는 것이다.
마찰 교반 점접합은, 자동차 차체의 접합 방법으로서 현재 주류가 되고 있는 저항 스폿 용접과는 달리, 피접합재를 용융시키지 않고 고상(固相) 접합시키는 것이다. 그 때문에, 마찰 교반 점접합에서는, 낮은 온도에서의 접합이 가능하다. 따라서, 마찰 교반 점접합은, 저항 스폿 용접에 비해, 접합 부위에서의 스퍼터 또는 퓸(fume)의 발생이 없고, 피접합재의 변형이 적으며, 전력을 절약할 수 있고, 이종 재료 사이의 접합이 가능하다고 하는 장점을 갖는다.
마찰 교반 점접합을 행하는 접합 툴(이하 「마찰 교반 점접합 툴」이라고도 기재함)을 개량함으로써 보다 강도가 높은 조인트(joint)를 얻으려는 시도가, 예컨대 일본 특허 공개 제2009-131891호 공보(이하, 특허문헌 2)에 있어서 제안되어 있다. 특허문헌 2에는, 횡단면 형상이 비원형(예컨대 삼각형 등)인 프로브를 갖는 마찰 교반 점접합 툴을 사용함으로써, 접합 시의 교반 효율을 높게 할 수 있고, 교반 영역에서의 수직 방향의 훅 라인(hook line)이라고 불리는 미접합 영역의 형성을 방지할 수 있어, 접합 강도가 향상되는 것이 기재되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2013-086175호 공보(이하, 특허문헌 3)에는, 원뿔대 형상의 프로브를 갖는 마찰 교반 점접합 툴에 대해 다음에 나타내는 것이 기재되어 있다. 프로브의 측면이 회전축과 이루는 각도와, 프로브의 높이와, 프로브가 관통하는 강판의 두께가 일정한 관계식을 만족시키도록, 마찰 교반 점접합 툴을 설계한다. 이에 의해, 접합 부위에 대해 가해지는 십자 인장 하중을 크게 하여 후킹(hooking)에 의한 미접합 영역의 확대를 억제함으로써, 접합 강도가 향상된다.
마찰 교반 점접합 툴은, 연화 온도가 낮고 교반이 용이한 알루미늄 합금의 접합에 있어서 이미 적용되고 있고, 자동차 차체의 제조 라인에의 적용이 확대되고 있다.
강철은, 고온에서도 경도가 높고, 알루미늄 합금 등의 연질 금속에 비해 소성 유동이 곤란하기 때문에, 넓은 교반 영역을 얻는 것이 곤란하다. 또한, 강판을 중첩시켜 형성된 계면에는, 훅 라인이라고 불리는 미접합 영역이 발생한다. 이 때문에, 강판(특히 고장력 강판)을 마찰 교반 점접합에 의해 접합할 때, 높은 접합 강도를 얻는 것은 곤란하다.
한편, 강판의 마찰 교반 점접합에 있어서, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 횡단면 형상이 비원형인 프로브를 갖는 마찰 교반 점접합 툴을 사용함으로써 접합 강도를 향상시키는 것이 고려된다. 그러나, 프로브의 횡단면 형상은, 비원형이기 때문에, 모서리부를 갖는다. 그 때문에, 마찰 교반 점접합 툴에 있어서는, 상기 모서리부(프로브의 횡단면 형상이 갖는 모서리부)에 대한 부하에 의한 결손 및 마모가 발생하기 쉬워, 프로브의 충분한 내구성이 확보되지 않을 우려가 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 전술한 바와 같이, 프로브의 형상을 특정하고 또한 프로브와 피접합재의 관계를 규정함으로써, 접합 강도를 향상시키는 것이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 3에서는, 접합 강도의 지표를 십자 인장 하중으로 하고 있다. 그 때문에, 접합 강도의 지표로서 보다 중요한 인장 전단 하중이 고려되어 있지 않다는 문제가 있다.
상세하게는, JIS Z 3140:1989에 있어서, 강판 등의 조인트의 기계적 성질에 대해 인장 전단 하중을 기준으로 한 등급이 정해져 있다. 그 때문에, 강판의 조인트의 접합 강도의 지표로서는, 인장 전단 하중이 적절하다. 그러나, 충분한 내구성을 갖는 마찰 교반 점접합 툴이면서 강판의 조인트에 요구되고 있는 정도의 높은 인장 전단 하중을 갖는 조인트를 형성할 수 있는 마찰 교반 점접합 툴은, 아직 제공되어 있지 않다.
그래서, 강판의 접합에 있어서 높은 인장 전단 하중이 얻어지는 마찰 교반 점접합 툴을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 마찰 교반 점접합 툴은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 제1 부재측으로부터 압박함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 마찰 교반 점접합시키는 것이다. 제1 부재 및 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴은, 선단에 숄더(shoulder)를 구비하는 기둥 형상부와, 숄더로부터 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비한다. 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 프로브가 압박 시에 제2 부재측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따른 접합 방법은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴을 제1 부재측으로부터 압박함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 마찰 교반 점접합하는 접합 방법이다. 본 발명의 일 양태에 따른 접합 방법은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴을 제1 부재측으로부터 압박하는 압박 공정을 포함한다. 제1 부재 및 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴은, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 숄더로부터 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비한다. 압박 공정은, 회전축을 중심으로 마찰 교반 점접합 툴을 회전시키면서, 제1 부재와 제2 부재의 접촉면보다 더욱 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브를 삽입시킴으로써, 제1 부재와 제2 부재를 접합시키는 공정이다. 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 압박 공정에 있어서 프로브를 제2 부재측에 삽입시키는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
이상에 의하면, 강판의 접합에 있어서 높은 인장 전단 하중을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 마찰 교반 점접합 툴의 일례를 도시한 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 경우에 있어서, 압박 시에 프로브가 가장 깊이 삽입된 상태를 도시한 개략 단면도이다.
도 3은 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판을 이용하여 조인트를 형성하는 경우에 있어서, JIS Z 3140:1989에서의 정의에 기초하여 JIS A급 최소값으로 인정되기 위해서 필요한 조인트의 인장 전단 하중 F1(kN) 및 JIS Z 3140:1989에서의 정의에 기초하여 JIS A급 평균값으로 인정되기 위해서 필요한 조인트의 인장 전단 하중 F2(kN)와 피접합재인 강판의 두께 t의 관계를 도시한 상관도이다.
도 4는 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 강판에 대해 조인트를 형성하는 실험에 의해 얻어진, 제2 부재 삽입 체적 V와 조인트의 인장 전단 하중 F의 관계를 도시한 상관도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 경우에 있어서, 압박 시에 프로브가 가장 깊이 삽입된 상태를 도시한 개략 단면도이다.
도 3은 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판을 이용하여 조인트를 형성하는 경우에 있어서, JIS Z 3140:1989에서의 정의에 기초하여 JIS A급 최소값으로 인정되기 위해서 필요한 조인트의 인장 전단 하중 F1(kN) 및 JIS Z 3140:1989에서의 정의에 기초하여 JIS A급 평균값으로 인정되기 위해서 필요한 조인트의 인장 전단 하중 F2(kN)와 피접합재인 강판의 두께 t의 관계를 도시한 상관도이다.
도 4는 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 강판에 대해 조인트를 형성하는 실험에 의해 얻어진, 제2 부재 삽입 체적 V와 조인트의 인장 전단 하중 F의 관계를 도시한 상관도이다.
[본 발명의 실시형태의 설명]
맨 처음으로 본 발명의 실시양태를 이하의 [1]∼[10]에 열기(列記)하여 설명한다.
[1] 본 발명의 일 양태에 따른 마찰 교반 점접합 툴은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 제1 부재측으로부터 압박함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 마찰 교반 점접합시키는 것이다. 제1 부재 및 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴은, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 숄더로부터 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비한다. 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 프로브가 압박 시에 제2 부재측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다. 이에 의해, 강판의 접합에 있어서 높은 인장 전단 하중을 얻을 수 있다.
[2] 한편, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)는, 제2 부재의 두께 t(㎜)와의 관계에 있어서 이하의 식 (2)
V≥2.03t2+6.01t-3.74 (t≥0.5 ㎜) …(2)
를 만족시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 강판의 접합에 있어서 보다 높은 인장 전단 하중을 얻을 수 있다.
[3] 또한, 프로브는, 숄더로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하다. 그 측면은, 회전축에 대해 0° 이상 15° 이하의 각도 θ를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 프로브를 피접합재에 삽입하기 위해서 필요한 하중을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 마찰 교반 점접합 툴은, 숄더를 통해 제1 부재에 대해 충분한 면압(面壓)을 가하는 툴로서 적합한 것이 된다.
[4] 또한, 프로브가 제2 부재측에 삽입되는 깊이를 h(㎜)로 할 때, h와 제2 부재의 두께 t(㎜)의 비 h/t는, 0.25 이상 0.75 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 프로브 선단 직경 및 후킹 높이가 지나치게 커지지 않고, 상기 식 (1) 또는 상기 식 (2)가 만족되게 된다.
[5] 또한, 프로브는, 숄더로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하다. 숄더는, 그 외측 가장자리로부터 프로브의 상기 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 압박에 의한 접합 시에는, 프로브에 의해 압출된 제1 부재 및 제2 부재가 숄더로부터 비어져 나오는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 형성되는 접합부의 외관이 좋아진다. 또한, 숄더의 외측 가장자리가 제1 부재를 누름으로써, 접합 중에 마찰 교반 점접합 툴이 흔들리는 것을 방지할 수 있다.
[6] 본 발명의 일 양태에 따른 접합 방법은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴을 제1 부재측으로부터 압박함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 마찰 교반 점접합하는 접합 방법이다. 본 발명의 일 양태에 따른 접합 방법은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴을 제1 부재측으로부터 압박하는 압박 공정을 포함한다. 제1 부재 및 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴은, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 숄더로부터 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비한다. 압박 공정은, 회전축을 중심으로 마찰 교반 점접합 툴을 회전시키면서, 제1 부재와 제2 부재의 접촉면보다 더욱 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브를 삽입시킴으로써, 제1 부재와 제2 부재를 접합시키는 공정이다. 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 압박 공정에 있어서 프로브를 제2 부재측에 삽입시키는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다. 이에 의해, 강판의 접합에 있어서 높은 인장 전단 하중을 얻을 수 있다.
[7] 한편, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)는, 제2 부재의 두께 t(㎜)와의 관계에 있어서 이하의 식 (2)
V≥2.03t2+6.01t-3.74 (t≥0.5 ㎜) …(2)
를 만족시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 강판의 접합에 있어서 보다 높은 인장 전단 하중을 얻을 수 있다.
[8] 또한, 프로브는, 숄더로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하다. 그 측면은, 회전축에 대해 0° 이상 15° 이하의 각도 θ를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 프로브를 피접합재에 삽입하기 위해서 필요한 하중을 줄일 수 있다. 또한, 숄더를 통해 제1 부재에 대해 충분한 면압을 가할 수 있다.
[9] 또한, 프로브가 제2 부재측에 삽입되는 깊이를 h(㎜)로 할 때, h와 제2 부재의 두께 t(㎜)의 비 h/t는, 0.25 이상 0.75 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 프로브 선단 직경 및 후킹 높이가 지나치게 커지지 않고, 상기 식 (1) 또는 상기 식 (2)가 만족되게 된다.
[10] 또한, 프로브는, 숄더로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하다. 숄더는, 그 외측 가장자리로부터 프로브의 상기 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 압박에 의한 접합 시에, 프로브에 의해 압출된 제1 부재 및 제2 부재가 숄더로부터 비어져 나오는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 형성되는 접합부의 외관이 좋아진다. 또한, 숄더의 외측 가장자리가 제1 부재를 누름으로써, 접합 중에 마찰 교반 점접합 툴이 흔들리는 것을 방지할 수 있다.
[본 발명의 실시형태의 상세]
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 보다 상세히 설명한다.
<마찰 교반 점접합 툴>
본 발명의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 기재함)의 마찰 교반 점접합 툴은, 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 제1 부재측으로부터 압박함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 마찰 교반 점접합시키는 것이다. 제1 부재 및 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴은, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 숄더로부터 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비한다. 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 프로브가 압박 시에 제2 부재측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴은, 전술한 구성을 구비하는 한, 다른 구성을 포함해도 좋다. 이러한 다른 구성으로서는, 마찰 교반 점접합 툴의 표면에 형성되는 각종 코팅막 등을 들 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴의 개략 단면도이다. 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 도 1에 도시된 회전축(4)을 중심으로 회전 가능하다. 한편, 여기서 말하는 「회전축」이란, 그 축을 중심으로 하여 마찰 교반 점접합 툴이 회전하는 축을 말한다. 또한, 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 적어도, 선단에 숄더(5)를 구비하는 기둥 형상부(2)와, 숄더(5)로부터 회전축(4)을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브(3)를 구비한다. 한편, 본 실시형태에 있어서 특별히 언급이 없는 한, 「마찰 교반 점접합 툴」은 적어도 상기 기둥 형상부와 상기 프로브를 갖는 마찰 교반 점접합 툴을 의미한다.
이하, 각 구성 요소에 대해 더욱 상세히 설명한다.
(기둥 형상부)
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 선단에 숄더(5)를 구비하는 기둥 형상부(2)를 갖는다. 여기서 「숄더」란, 기둥 형상부의 선단 부분이며, 그 중앙부에 후술하는 프로브가 형성되어 있는 면을 말한다.
프로브(3)는, 숄더(5)로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하고, 숄더(5)는, 그 외측 가장자리로부터 프로브(3)의 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 여기서 말하는 「프로브의 측면」이란, 프로브의 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상이라고 하는 외형(즉 원기둥 또는 원뿔대)의 측면에 해당하는 면을 의미한다. 또한, 여기서 말하는 「외측 가장자리」란, 숄더를 구비한 기둥 형상부에 있어서 숄더를 구성하는 면의 외주를 의미한다.
숄더(5)를 전술한 형상[숄더(5)의 외측 가장자리로부터 프로브(3)의 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상]으로 함으로써, 압박 시에, 프로브(3)에 의해 압출된 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)[이하, 제1 부재(6) 및 제2 부재(7) 양자 또는 어느 한쪽을 간단히 「피접합재」라고 기재하는 경우가 있음]가 숄더(5)로부터 비어져 나오는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 형성되는 접합부의 외관이 좋아진다. 또한, 숄더(5)의 외측 가장자리가 피접합재[예컨대 제1 부재(6)]를 누름으로써, 압박 중에 마찰 교반 점접합 툴(1)이 흔들리는 것을 방지할 수 있다.
한편, 숄더(5)의 면적은, 60 ㎟ 이상 80 ㎟ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 압박 시에는, 숄더(5)를 통해 피접합재에 대해 가해지는 면압이 충분히 커진다. 따라서, 피접합재끼리의 사이에 간극이 생기기 어려워진다. 숄더(5)의 면적은, 65 ㎟ 이상 70 ㎟ 이하인 것이 보다 바람직하다.
(프로브)
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 숄더(5)로부터 회전축(4)을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브(3)를 구비한다. 한편, 여기서 말하는 「원뿔대 형상」이란, 원뿔로부터, 정점을 공유하고 서로 유사하게 축소된 원뿔을 제거한 형상을 말한다. 또한, 「원기둥 형상」 및 「원뿔대 형상」의 형상에 있어서의 「원」이란, 반드시 진원(眞圓)에 한정되는 것은 아니며, 대략적인 원을 포함하는 것으로 한다. 또한, 「프로브」란, 압박 시에 제1 부재 및 제2 부재에 대해 삽입됨으로써 피접합재를 교반하는 부분이며 마찰 교반 점접합 툴의 돌출 부분이다. 마찰 교반 점접합 툴(1)에서, 프로브(3)는, 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상이다. 그 때문에, 프로브(3)의 횡단면 형상은, 원형이며, 따라서, 모서리부를 갖지 않는다. 따라서, 마찰 교반 점접합 툴(1)에서는, 프로브(3)의 모서리부에 대한 부하에 의한 결손 및 마모가 발생할 우려가 없고, 그 결과, 그 내구성이 높아지게 된다.
도 2는 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)을 이용하여 제1 부재(6)(피접합재)와 제2 부재(7)(피접합재)를 압박하여 접합하는 경우에 있어서, 압박 시에 프로브(3)가 가장 깊이 삽입된 상태를 도시한 개략 단면도이다. 한편, 도 2에는 프로브(3)가 가장 깊이 삽입된 상태를 도시하고 있으나, 본 실시형태는 이것에 한정되는 것은 아니며, 압박 시에 제1 부재(6)와 제2 부재(7)의 접촉면(8)보다 더 제2 부재(7)측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브(3)가 삽입되는 것이면 된다. 도 2 중, 프로브 선단 반경 r 및 프로브 길이 l은, 후술하는 바와 같이 압박 시에 있어서의 제2 부재 삽입 체적 V를 조정하기 위해서 적절히 결정되는 것이며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예컨대 두께 1.2 ㎜의 강판을 접합하는 경우, 프로브 선단 반경 r은 1.4 ㎜ 이상 1.8 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 프로브 길이 l은 2.0 ㎜ 이상 2.4 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 한층 더 높은 인장 전단 하중을 얻을 수 있다. 한편, 여기서 말하는 「프로브 선단 반경 r」이란, 프로브의 선단면(즉 원)의 반경을 말한다. 또한, 「프로브 길이 l」이란, 프로브의 선단면과, 프로브의 측면과 숄더가 교차하는 선을 포함하는 면이 평행하다고 가정한 경우의 양면 사이의 거리를 말한다.
본 실시형태에서, 프로브(3)는, 숄더(5)로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하고, 그 측면은, 회전축(4)에 대해 0° 이상 15° 이하의 각도 θ를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 여기서 「각도 θ」란, 마찰 교반 점접합 툴의 회전축을 포함하는 단면에 있어서 프로브의 측면을 연장한 직선과 회전축을 연장한 직선이 교차하는 각도이며, 도 2에서의 θ에 해당한다. 이 각도 θ는, 이하 「프로브 테이퍼각 θ」라고도 기재한다. 각도 θ는, 전술한 바와 같이 0° 이상 15° 이하인 것이 바람직하다. θ가 15°보다 크면, 프로브의 측면과 숄더가 교차하는 선을 포함하는 면이면서 회전축에 대해 수직인 면을 단면으로 하는 프로브 단면(형상은 원형)에 있어서, 상기 원의 직경이 커지는 경우가 있다. 그 때문에, 프로브를 피접합재에 삽입하기 위해서 필요한 하중이 지나치게 커지는 경우가 있다. 또한, θ가 15°보다 크면, 숄더의 면적이 상대적으로 작아지는 경우가 있다. 그 때문에, 숄더를 통해 제1 부재에 가해지는 면압이 작아지는 경우가 있기 때문에, 제1 부재와 제2 부재 사이에 간극이 발생하는 경우가 있다.
각도 θ가 0° 이상 15° 이하이면, 프로브(3)를 피접합재에 삽입하기 위해서 필요한 하중을 억제할 수 있다. 또한, 숄더(5)를 통해 제1 부재(6)에 충분한 면압을 가할 수 있다. 한편, 각도 θ는 5° 이상 10° 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태에서는, 프로브(3)의 측면에 있어서 홈이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 프로브(3)는, 프로브(3)의 선단면으로부터 프로브(3)의 측면에 걸쳐 비스듬히 커트(cut)된 사면(斜面)(이른바 모따기)을 구비하고 있어도 좋다. 한편, 여기서 「프로브의 선단면」이란, 회전축을 연장하는 방향에 있어서의 프로브의 선단에 위치하는 원형의 면을 말한다. 프로브(3)가 상기 형상을 가짐으로써, 마찰 교반 점접합 툴(1)의 교반력을 보다 크게 할 수 있다.
또한, 프로브(3)는, 프로브(3)의 선단면과 프로브(3)의 측면이 교차하는 영역에 대해 R 모따기가 실시된 것이어도 좋다. 이에 의해, 프로브(3)의 선단은 압박 시에 결손되기 어려워진다.
(마찰 교반 점접합 툴의 소재)
본 실시형태에서, 마찰 교반 점접합 툴(1)의 소재에는, 예컨대 마찰 교반 점접합 툴 또는 마찰 교반 선접합 툴 등의 각종 접합 툴의 소재로서 알려진 종래 공지의 것을 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 마찰 교반 점접합 툴(1)의 소재의 예로서는, 예컨대, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금. 상기 「WC기 초경합금」에는, WC와 Co 또는 Ni를 포함하는 초경합금, 및 WC와 Co 또는 Ni와 함께 Ti, Ta 또는 Nb 등의 탄질화물 등을 함유하는 초경합금이 포함됨), 서멧(TiC, TiN 또는 TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 공구강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 사이알론 또는 이들의 혼합체 등), 입방정 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소 입자가 분산된 경질 재료, 또는, 내열합금 등을 들 수 있다.
이들 중에서도, 초경합금은, 비교적 저렴하고, 툴 수명을 길게 하는 것이 가능하다. 따라서, 마찰 교반 점접합 툴(1)의 소재로서 초경합금을 사용하는 것이 바람직하다. 마찰 교반 점접합 툴(1)의 소재로서 초경합금을 사용하는 경우, 이러한 초경합금은, 조직 중에 있어서 유리(遊離) 탄소 또는 η상(相)이라고 불리는 이상상(異常相)을 포함하고 있어도 좋다.
(코팅막)
본 실시형태에서는, 마찰 교반 점접합 툴(1)의 표면의 일부 또는 전체에 대해 코팅막이 형성되어 있어도 좋다. 이에 의해, 마찰 교반 점접합 툴(1)의 내산화성 또는 내마모성을 향상시킬 수 있다. 코팅막으로서는, 절삭 공구 또는 마찰 교반 점접합 툴의 코팅막으로서 이용되는 종래 공지의 것을 이용할 수 있다. 또한, 코팅막은, 1층이어도 좋고, 2층 이상이 적층되도록 구성되어도 좋다.
(제1 부재 및 제2 부재)
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판인 제1 부재(6)와 제2 부재(7)의 마찰 교반 점접합에 있어서 이용되는 것이다. 예컨대 자동차 차체에는, 연비 향상 또는 CO2 배출량 저감을 실현하기 위한 차체의 경량화와 충돌 안전성을 양립시키기 위해서, 인장 강도가 보다 높은 강판이 사용되도록 하고 있다. 인장 강도가 높은 강판의 조인트에는, 강판 자체의 인장 강도가 높은 것을 살리기 위해서, 높은 인장 전단 하중이 요구되고 있다. 그러나, 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판을 용융 접합(예컨대 저항 스폿 용접 등)에 의해 접합하고자 하면, 접합 부위에 있어서 스퍼터[용적(溶滴; droplet)]가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 비산한 스퍼터가 차체에 부착되어 외관 불량의 원인이 되거나, 또는, 작업 환경이 악화되는 등의 문제가 발생한다. 한편, 본 실시형태에서는, 비용융 접합인 마찰 교반 점접합에 의해 인장 강도가 높은 강판을 접합한다. 그 때문에, 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)의 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하여도, 접합 부위에서의 스퍼터의 발생을 방지하면서, 인장 전단 하중이 높고 또한 강도가 높은 조인트를 얻을 수 있다.
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)에 의한 접합에 있어서 이용할 수 있는 제1 부재(6)의 두께에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)에 의한 접합에 있어서 이용할 수 있는 제2 부재(7)의 두께에 대해서는, 다음에 나타내는 것을 말할 수 있다. 제2 부재 삽입 깊이를 어느 정도 이상의 값으로 하지 않으면, 제2 부재 삽입 깊이의 제어가 어렵고, 따라서, 조인트의 인장 전단 하중의 변동이 커진다. 그 때문에, 제2 부재(7)의 두께는 0.5 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)의 두께는 모두 0.8 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하이면 보다 바람직하다.
(제2 부재 삽입 체적 V와 제2 부재의 두께 t의 관계)
본 실시형태에서는, 제2 부재(7)의 두께를 t(㎜)로 하고, 프로브(3)가 압박 시에 제2 부재(7)측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
한편, 본 실시형태에서, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)는, 제2 부재(7)의 두께 t(㎜)와의 관계에 있어서 이하의 식 (2)
V≥2.03t2+6.01t-3.74 (t≥0.5 ㎜) …(2)
를 만족시키는 것이 보다 바람직하다.
여기서 「제2 부재 삽입 체적 V」란, 압박 시에 제1 부재와 제2 부재의 접촉면보다 더욱 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브가 삽입된 상태에 있어서, 프로브의 측면과 프로브의 선단면으로 둘러싸인 영역이며, 프로브의 선단면으로부터 후술하는 제2 부재 삽입 깊이와 동일해지는 높이까지의 영역이 차지하는 체적을 말하고, 도 2에서의 V에 상당하는 체적을 나타낸다.
한편, 제2 부재 삽입 체적 V는, 프로브 선단 반경 r과 프로브 테이퍼각 θ와 제2 부재 삽입 깊이로부터 계산할 수 있다. 여기서, 「제2 부재 삽입 깊이」란, 압박 시에 제1 부재와 제2 부재의 접촉면보다 더욱 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브가 삽입된 상태에 있어서, 제1 부재와 제2 부재의 접촉면과 프로브의 선단면이 평행하다고 가정한 경우에 있어서의 양면 사이의 거리를 말하고, 도 2에서의 h에 해당한다. 제2 부재 삽입 깊이는, 접합 후의 제2 부재 잔여 두께를 계측하여, 제2 부재의 두께와 제2 부재 잔여 두께의 차에 의해 구할 수 있다. 여기서, 「제2 부재 잔여 두께」란, 압박 시에, 제1 부재와 제2 부재의 접촉면보다 더욱 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브가 삽입된 상태에 있어서, 프로브와 접촉하고 있지 않은 쪽의 제2 부재의 표면으로부터 프로브의 선단면까지의 수직 거리를 말하고, 도 2에서의 t'에 해당한다.
본 실시형태는, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 제2 부재(7)의 두께 t(㎜)가 상기 식 (1) 또는 상기 식 (2)를 만족시킴으로써, 조인트의 강도가 높아지는 것인데, 이하에서, 그 이유에 대해 설명한다.
2장의 강판을 저항 스폿 용접하여 접합했을 때의 조인트의 강도에 대해서는, JIS Z 3140:1989에 있어서, 조인트가 견딜 수 있는 인장 전단 하중의 상한값(이하 「조인트의 인장 전단 하중」이라고도 기재함)을 기준으로 한 등급이 정해져 있다. 그 중에서도, 「특히 강도가 요구되는 용접부」로 인정되기 위해서 필요한 조인트의 인장 전단 하중의 최소값 및 평균값은, 각각 JIS A급 최소값 및 JIS A급 평균값으로서 규정되어 있다. 도 3은 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판을 이용하여 조인트를 형성한 경우에 있어서, JIS Z 3140:1989에서의 정의에 기초하여 JIS A급 최소값으로 인정되기 위해 필요한 조인트의 인장 전단 하중 F1(kN)(이하 「인장 전단 하중 F1」이라고도 기재함) 및 JIS Z 3140:1989에서의 정의에 기초하여 JIS A급 평균값으로 인정되기 위해 필요한 조인트의 인장 전단 하중 F2(kN)(이하 「인장 전단 하중 F2」라고도 기재함)와, 피접합재인 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t의 관계를 도시한 상관도이다.
도 3으로부터, 인장 전단 하중 F1(kN) 및 인장 전단 하중 F2(kN)와 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t의 상관 관계에 대해 수식을 이끌어 내기 위해서, 최소 제곱법을 이용하여 각각 이차 함수로 근사한다.
그러면, 인장 전단 하중 F1(kN)과 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t(㎜)의 관계에 대해, 이하의 식 (3)이 얻어진다.
F1=1.26t2+3.74t-0.76 …(3).
또한, 인장 전단 하중 F2(kN)와 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t(㎜)의 관계에 대해, 이하의 식 (4)가 얻어진다.
F2=1.48t2+4.39t-0.89 …(4).
상기 식 (3)으로부터, 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)을 이용하여 얻어지는 조인트의 인장 전단 하중 F(kN)를 인장 전단 하중 F1(kN) 이상으로 하기 위해서는, F(kN)와 본 실시형태에 있어서 접합되는 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t(㎜)의 관계가 이하의 식 (5)
F≥1.26t2+3.74t-0.76 …(5)
를 만족시키는 것으로 하면 된다.
또한, 상기 식 (4)로부터, 본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)을 이용하여 얻어지는 조인트의 인장 전단 하중 F(kN)를 인장 전단 하중 F2(kN) 이상으로 하기 위해서는, F(kN)와 본 실시형태에 있어서 접합되는 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t(㎜)의 관계가 이하의 식 (6)
F≥1.48t2+4.39t-0.89 …(6)
을 만족시키는 것으로 하면 된다.
여기서, 본 실시형태에서, 제2 부재의 두께는 제1 부재의 두께와 동일하거나 또는 제1 부재의 두께보다 얇다고 가정하고, 상기 식 (5) 및 상기 식 (6)에 있어서, 「접합되는 강판 중 얇은 쪽의 강판의 두께 t」를 「제2 부재의 두께 t」로 치환한다.
본 발명자들은, 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판인 제1 부재와 제2 부재의 마찰 교반 점접합에 있어서 JIS A급 최소값 또는 JIS A급 평균값으로 인정되기 위해 필요한 인장 전단 하중 이상의 인장 전단 하중을 갖는 조인트를 얻을 수 있는 접합 수단으로서의 마찰 교반 점접합 툴을 얻기 위해서, 프로브 형상 또는 프로브의 치수를 여러 가지로 변경하여 복수 종의 마찰 교반 점접합 툴을 시험 제작하고, 시험 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 여러 가지 인장 강도 또는 여러 가지 치수를 갖는 강판에 대해 접합 시험을 행하였다. 그 결과, 제2 부재 삽입 체적 V가 조인트의 인장 전단 하중을 지배하는 중요한 인자인 것을 발견하였다. 도 4는 본 발명자들에 의한 실험에 의해 얻어진 제2 부재 삽입 체적 V와 조인트의 인장 전단 하중 F의 관계를 도시한 상관도이다. 본 발명자들은, 인장 강도가 270 ㎫ 이상 980 ㎫ 이하의 범위 내에 있고 두께가 0.6 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하의 범위 내에 있는 복수 종의 강판을 제1 부재 및 제2 부재로서 이용하고, 프로브 형상 또는 프로브의 치수가 서로 상이한 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 제1 부재와 제2 부재를 접합하여, 제2 부재 삽입 체적 V와 조인트의 인장 전단 하중 F의 관계를 조사하였다. 그 결과를 도 4에 도시한다.
도 4로부터, 프로브 형상, 프로브의 치수, 피접합재(제1 부재 및 제2 부재)의 인장 강도, 및 피접합재의 치수 등의 인자에 상관없이, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 인장 전단 하중 F(kN)는 정(正)의 상관 관계에 있는 것을 알 수 있다. 최소 제곱법을 이용하여 상기 상관 관계를 일차 함수로 근사함으로써, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 인장 전단 하중 F(kN)의 관계에 대해 이하의 근사식 (7)이 얻어진다. 한편, 도 4 중의 선분은, 상기 식 (7)이 나타내는 직선의 일부를 나타낸 것이다.
F=0.73V+1.84 …(7).
상기 식 (5)에 상기 식 (7)을 대입하여 계산함으로써, 상기 식 (1)[본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)을 이용하여 얻어지는 조인트의 인장 전단 하중 F(kN)가 인장 전단 하중 F1(kN) 이상이 될 때의 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 제2 부재(7)의 두께 t(㎜)(t≥0.5 ㎜)의 관계를 나타내는 관계식]을 얻을 수 있다.
따라서, 마찰 교반 점접합에 있어서 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 제2 부재의 두께 t(㎜)가 상기 식 (1)을 만족시킴으로써, 조인트의 인장 전단 하중으로서 JIS A급 최소값으로 인정되기 위해서 필요한 인장 전단 하중 이상의 인장 전단 하중을 얻을 수 있다. 이에 의해, 접합 강도가 큰 조인트를 제작할 수 있다.
또한, 상기 식 (6)에 상기 식 (7)을 대입하여 계산함으로써, 상기 식 (2)[본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)을 이용하여 얻어지는 조인트의 인장 전단 하중 F(kN)가 인장 전단 하중 F2(kN) 이상이 될 때의 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 제2 부재(7)의 두께 t(㎜)(t≥0.5 ㎜)의 관계를 나타내는 관계식]를 얻을 수 있다.
따라서, 마찰 교반 점접합에 있어서 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)와 제2 부재의 두께 t(㎜)가 상기 식 (2)를 만족시킴으로써, 조인트의 인장 전단 하중으로서 JIS A급 평균값으로 인정되기 위해서 필요한 인장 전단 하중 이상의 인장 전단 하중을 얻을 수 있다. 이에 의해, 접합 강도가 보다 큰 조인트를 제작할 수 있기 때문에 바람직하다.
(제2 부재 삽입 깊이 h와 제2 부재의 두께 t의 비 h/t)
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)에 있어서, 프로브(3)가 제2 부재(7)에 삽입되는 깊이 h는, 제2 부재(7)의 두께 t와의 비 h/t가 0.25 이상 0.75 이하가 되는 것이 바람직하다. 한편, 프로브가 제2 부재에 삽입되는 깊이 h를 본 명세서에서는 「제2 부재 삽입 깊이 h」라고도 기재한다. h/t가 0.25보다 작으면, 상기 식 (1) 또는 상기 식 (2)를 만족시키기 위해서 프로브 선단 직경 d가 커지는 경향에 있고, 그 결과, 프로브를 피접합재에 삽입하기 위해 필요한 하중이 지나치게 커지는 경우가 있다. 한편, 여기서 말하는 「프로브 선단 직경 d」란, 프로브 선단면의 직경이며, 상기 프로브 선단 반경 r을 2배로 한 값에 해당한다. 또한, h/t가 0.75보다 크면, 후킹 높이가 지나치게 커지는 경우가 있고, 그 결과, 조인트의 인장 전단 하중이 낮아지는 경우가 있다. 한편, 여기서 말하는 「후킹 높이」란, 제1 부재와 제2 부재의 접촉면으로부터 미접합 영역인 훅 라인의 상단까지의 수직 방향의 거리를 말하고, 도 2에서의 H에 해당한다. h/t를 0.25 이상 0.75 이하로 함으로써, 프로브 선단 직경 d 및 후킹 높이 H가 지나치게 커지지 않고 상기 식 (1) 또는 상기 식 (2)가 만족되게 된다. 한편, h/t는 0.4 이상 0.75 이하인 것이 보다 바람직하다.
<마찰 교반 점접합 툴의 제조 방법>
본 실시형태의 마찰 교반 점접합 툴(1)로서는, 이하에 나타내는 바와 같이 하여 제작된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 먼저, 원료 분말을 혼합한다. 원료 분말로서는, 마찰 교반 점접합 툴 또는 마찰 교반 선접합 툴 등의 각종 접합 툴의 소재로서 알려진 종래 공지의 것(예컨대 초경합금)을 특별히 한정 없이 이용할 수 있다. 다음으로, 혼합한 원료 분말에 에탄올을 첨가하고, 어트리터(attritor)를 이용하여 4시간∼10시간 정도 교반한다. 에탄올을 휘발시킨 후, 100 ㎫의 압력으로 단축(單軸) 가압하고, 1200℃∼1700℃에서 1시간∼3시간 정도 소결한다. 이와 같이 하여 얻어진 소결체를 다이아몬드 지석 등에 의해 연삭 가공하여, 마찰 교반 점접합 툴을 형성한다.
한편, 본 실시형태에서는, 마찰 교반 점접합 툴의 표면의 일부 또는 전체에 대해 코팅막을 제작해도 좋다. 코팅막의 성막(成膜) 프로세스로서는, 종래 공지의 어떠한 성막 프로세스도 이용할 수 있으며, 예컨대 PVD(physical vapor deposition)(물리 증착)법(예컨대 진공 아크 증착법) 또는 CVD(chemical vapor deposition)(화학 증착)법 등을 이용할 수 있는 것 외에, 2 이상의 종래 공지의 성막 프로세스를 조합해도 좋다.
<접합 방법>
이하, 본 실시형태의 접합 방법에 대해 설명한다.
본 실시형태의 접합 방법은, 이상에서 설명한 마찰 교반 점접합 툴(1)을 이용한 접합 방법이다. 구체적으로, 본 실시형태의 접합 방법은, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴(1)을 제1 부재(6)측으로부터 압박함으로써, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)를 마찰 교반 점접합하는 접합 방법이다. 본 실시형태의 접합 방법은, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴(1)을 제1 부재(6)측으로부터 압박하는 압박 공정을 포함한다. 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다. 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 회전축(4)을 중심으로 회전 가능하다. 마찰 교반 점접합 툴(1)은, 선단에 숄더(5)를 구비하는 기둥 형상부(2)와, 숄더(5)로부터 회전축(4)을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브(3)를 구비한다. 압박 공정은, 회전축(4)을 중심으로 마찰 교반 점접합 툴(1)을 회전시키면서, 프로브(3)를 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)측에 삽입시킴으로써, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)를 접합시키는 공정이다. 제2 부재(7)의 두께를 t(㎜)로 하고, 압박 공정에 있어서 프로브(3)를 제2 부재(7)측에 삽입하는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
본 실시형태의 접합 방법은, 상기 압박 공정을 포함하는 한, 다른 공정을 포함해도 좋다. 이러한 다른 공정으로서는, 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)를 준비하는 공정 등을 들 수 있다.
(제1 부재 및 제2 부재를 준비하는 공정)
본 실시형태의 접합 방법은, 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)를 준비하는 공정(이하 「준비 공정」이라고도 기재함)을 포함할 수 있다. 이 준비 공정은, 압박 공정에 이용되는 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)를 준비하는 공정이지만, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)의 접합 부위를 형성하는 공정을 포함하고 있어도 좋다. 접합 부위의 형성 방법으로서는, 제1 부재(6)의 일부와 제2 부재(7)의 일부를 겹쳐 중첩 부분을 형성하고, 상기 중첩 부분을 접합 부위로 해도 좋다. 한편, 제1 부재(6) 전체와 제2 부재(7) 전체를 겹쳐 중첩 부분을 형성해도 좋고, 제1 부재(6) 전체와 제2 부재(7)의 일부를 겹쳐 중첩 부분을 형성해도 좋으며, 제1 부재(6)의 일부와 제2 부재(7) 전체를 겹쳐 중첩 부분을 형성해도 좋다. 중첩 부분을 접합 부위로 하는 경우, 중첩 부분의 폭은 숄더(5)의 직경 이상일 필요가 있다.
제1 부재(6) 및 제2 부재(7)는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이다.
본 실시형태의 접합 방법은, 비용융 접합인 마찰 교반 점접합에 의한 접합 방법이다. 그 때문에, 전술한 바와 같이 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)를 접합의 대상으로 하는 경우에 있어서도, 접합 부위에서의 스퍼터의 발생을 방지하면서, 강도가 높은 조인트를 얻을 수 있다.
(압박 공정)
본 실시형태의 접합 방법은, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)를 중첩시켜 마찰 교반 점접합 툴(1)을 제1 부재(6)측으로부터 압박하는 공정(압박 공정)을 포함한다.
압박 공정은, 회전축(4)을 중심으로 마찰 교반 점접합 툴(1)을 회전시키면서, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)의 접촉면(8)보다 더 제2 부재(7)측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브(3)를 삽입시킴으로써, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)를 접합시키는 공정이다. 이 공정에 의해, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)가 접합되어, 조인트가 형성된다.
압박 공정에서는, 프로브(3)를 회전시키면서 피접합재에 삽입함으로써, 마찰열이 발생한다. 그 마찰열에 의해, 접합 부위에서는, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)가 연화되어 소성 유동한다. 이에 의해, 제1 부재(6)와 제2 부재(7)가 접합되어, 조인트가 형성된다.
본 실시형태에서는, 제2 부재(7)의 두께를 t(㎜)로 하고, 압박 공정에 있어서 프로브(3)를 제2 부재(7)측에 삽입시키는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시킨다.
V가 t와의 관계에 있어서 상기 식 (1)을 만족시키도록 제1 부재(6)와 제2 부재(7)의 접합 부위에 대해 프로브(3)를 삽입하고, 압박에 의한 접합을 행하여 조인트를 형성한다. 이에 의해, 조인트의 인장 전단 하중을 높게 할 수 있고, 접합 강도를 높일 수 있다.
본 실시형태에서는, 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)가, 제2 부재의 두께 t(㎜)와의 관계에 있어서 이하의 식 (2)
V≥2.03t2+6.01t-3.74 (t≥0.5 ㎜) …(2)
를 만족시키는 것이 바람직하다.
이에 의해, 조인트의 인장 전단 하중을 더욱 높일 수 있고, 접합 강도를 더욱 높일 수 있다. 한편, 상기 식 (1) 및 상기 식 (2)의 설명과 도입 이유는 전술한 바와 같기 때문에, 반복은 피한다.
본 실시형태에서는, 프로브(3)가 제2 부재(7)측에 삽입되는 깊이를 h(㎜)로 할 때, h와 제2 부재(7)의 두께 t(㎜)의 비 h/t는, 0.25 이상 0.75 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 프로브 선단 직경 d 및 후킹 높이 H가 지나치게 커지지 않고 상기 식 (1) 또는 상기 식 (2)가 만족되게 된다. 한편, 비 h/t에 대한 세부사항도 전술한 바와 같기 때문에, 반복하지 않는다.
본 실시형태에서 사용되는 마찰 교반 점접합 툴(1)에 있어서, 프로브(3)는, 숄더(5)로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하고, 이 측면은, 회전축(4)에 대해 0° 이상 15° 이하의 각도 θ를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 마찰 교반 점접합 툴(1)의 형상을, 프로브(3)를 피접합재에 삽입하기 위해서 필요한 하중을 줄일 수 있는 형상이면서 숄더(5)를 통해 제1 부재(6)에 대해 충분한 면압을 가할 수 있는 형상으로 할 수 있다. 한편, 각도 θ에 대한 세부사항도 전술한 바와 같기 때문에, 반복하지 않는다.
본 실시형태에서 사용되는 마찰 교반 점접합 툴(1)에 있어서, 프로브(3)는, 숄더(5)로 이어지는 측면을 구비하는 것이 바람직하고, 숄더(5)는, 그 외측 가장자리로부터 프로브(3)의 상기 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 압박 시에는, 프로브(3)에 의해 압출된 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)가 숄더(5)로부터 비어져 나오는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 형성되는 조인트의 외관이 좋아진다. 또한, 숄더(5)의 외측 가장자리가 제1 부재(6)를 누름으로써, 접합 중에 마찰 교반 점접합 툴(1)이 흔들리는 것을 방지할 수 있다.
압박 공정에서의 마찰 교반 점접합 툴(1)의 회전수(이하 「툴 회전수」라고도 기재함), 마찰 교반 점접합 툴(1)에 의해 접합 부위에 대해 가해지는 하중(이하 「접합 하중」이라고도 기재함) 및 마찰 교반 점접합 툴(1)에 의해 압박된 시간(이하 「접합 시간」이라고도 기재함)은, 특별히 제한되는 것은 아니며, 프로브(3)의 형상, 프로브(3)의 치수, 및 접합의 대상인 제1 부재(6) 및 제2 부재(7)의 각 치수 등에 따라 적절히 결정하면 된다. 툴 회전수, 접합 하중, 접합 시간 중 어느 하나 혹은 모두가 지나치게 작은 경우에는, 프로브(3)가 피접합재에 대해 충분히 압입되지 않기 때문에 높은 접합 강도를 얻는 것이 어려운 경우가 있다. 한편, 툴 회전수, 접합 하중, 접합 시간 중 어느 하나 혹은 모두가 지나치게 큰 경우에는, 접합부의 온도가 지나치게 올라가기 때문에 조인트의 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 마찰 교반 점접합 툴이 파손되는 경우가 있다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.
<실시예 1>
No.1-1∼1-6에 있어서, 마찰 교반 점접합 툴을 제작하고, 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 제1 부재와 제2 부재를 접합함으로써 상기 마찰 교반 점접합 툴을 평가하였다.
(기둥 형상부)
No.1-1∼1-6에 있어서 제작된 마찰 교반 점접합 툴은, 모두, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 숄더로부터 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비하고 있었다. 프로브는, 숄더로 이어지는 측면을 구비하고 있었다. 숄더는, 그 외측 가장자리로부터 프로브의 상기 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖고 있고, 숄더의 직경(즉 기둥 형상부의 직경)은, 10 ㎜였다.
(프로브)
No.1-1∼1-6에 있어서 제작된 마찰 교반 점접합 툴의 프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 표 1에 나타낸다. 한편, 표 1 중 「프로브 형상」이란, 프로브 형상이 원기둥 형상인지 원뿔대 형상인지를 나타낸다. No.1-1∼1-6에서는, 프로브 형상을 표 1에 나타내는 형상으로 하고, 또한, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 표 1에 나타내는 값으로 함으로써, 상기 식 (1)이 만족되었다(표 1 중의 항목란 「식 (1)의 성립」에 「성립한다」라고 나타냄). 또한, No.1-2∼1-4에서는, 상기 식 (2)가 만족되었으나(표 1 중의 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립한다」라고 나타냄), No.1-1, 1-5, 1-6에서는, 상기 식 (2)가 만족되지 않았다(표 1 중의 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립하지 않는다」고 나타냄).
(마찰 교반 점접합 툴의 소재)
No.1-1∼1-6에서는, 마찰 교반 점접합 툴의 소재로서 초경합금을 이용하였다. 초경합금은, 평균 직경 2 ㎛의 WC 결정 입자를 소결하여 제작된 것이었다. 초경합금의 조성은, Co가 3 wt%이고, WC가 97 wt%였다.
(마찰 교반 점접합 툴의 제조 방법)
No.1-1∼1-6에서, 마찰 교반 점접합 툴은, 이하와 같이 하여 제작하였다. 즉, 상기 WC 결정 입자를 혼합하고, 또한 에탄올을 첨가하며, 어트리터를 이용하여 8시간 동안 교반하였다. 에탄올을 휘발시킨 후, 100 ㎫의 압력으로 단축 가압하고, 1500℃에서 2시간 동안 소결시켰다. 이와 같이 하여 얻어진 소결체를 다이아몬드 지석 등에 의해 연삭 가공하여, 마찰 교반 점접합 툴을 제작하였다.
(코팅막)
No.1-1∼1-6에서는, 마찰 교반 점접합 툴의 산화 방지 및 내마모성 개선을 위해서, 진공 아크 증착법에 의해, 마찰 교반 점접합 툴의 표면 전체에, 막 두께가 4 ㎛인 Al0.57Ti0.38Si0.05N막(코팅막)을 형성하였다.
(준비 공정)
No.1-1∼1-6에서는, 두께가 1.2 ㎜이고 인장 강도가 370 ㎫인 강판을 제1 부재(피접합재) 및 제2 부재(피접합재)로서 1장씩 준비하였다(표 1). JIS Z 3136:1999의 방법에 따라 전단 시험에 의한 조인트의 인장 전단 하중 평가를 행하기 위해서, 제1 부재 및 제2 부재의 치수는, 모두, 폭을 30 ㎜로 하고, 길이를 100 ㎜로 하였다. 준비한 제1 부재 및 제2 부재를 겹쳐, 30 ㎜의 중첩 부분을 형성하여 접합 부위로 하였다.
(압박 공정)
회전축을 중심으로 마찰 교반 점접합 툴을 회전시키면서, 제1 부재와 제2 부재의 접촉면보다 더 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 프로브를 삽입시켰다. 이에 의해, 제1 부재와 제2 부재의 접합을 행하였다. 툴 회전수를 1000 rpm으로 하고, 접합 하중을 1000 kgf로 하며, 마찰 교반 점접합 툴의 형상에 따라 접합 시간을 1.5 s∼3.0 s 사이로 조정하여, 조인트를 형성하였다.
(제2 부재 삽입 체적 V와 제2 부재의 두께 t의 관계)
No.1-1∼1-6의 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 제1 부재와 제2 부재를 접합했을 때의 제2 부재 잔여 두께 t', 제2 부재 삽입 깊이 h, h/t, 및 제2 부재 삽입 체적 V를 표 1에 나타낸다.
구체적으로는, 먼저, 제2 부재 잔여 두께 t'를 마이크로미터(가부시키가이샤 미쯔토요 제조의 상품 번호 「CPM30-25MJ」)로 측정하였다. 이 측정 결과(제2 부재 잔여 두께 t')와, 제2 부재의 두께 t와, 프로브 선단 반경 r과, 프로브 테이퍼각 θ로부터, 제2 부재 삽입 체적 V를 계산하였다.
<비교예 1>
프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 변경함으로써 제2 부재 삽입 체적 V의 값이 제2 부재의 두께 t와의 관계에 있어서 상기 식 (1)과 상기 식 (2)를 만족시키지 않게 된 것을 제외하고는(표 1 중의 항목란 「식 (1)의 성립」 및 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립하지 않는다」고 나타냄) No.1-1∼1-6과 동일한 방법에 의해, 표 1의 No.1-11∼1-14에 나타내는 마찰 교반 점접합 툴을 제작하였다.
또한, 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 실시예 1과 동일하게 하여 제1 부재와 제2 부재의 접합을 행하였다. No.1-11∼1-14에서의 제1 부재 및 제2 부재의 인장 강도, 제2 부재의 두께 t, 프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ, 프로브 길이 l, 제2 부재 잔여 두께 t', 제2 부재 삽입 깊이 h, h/t, 및 제2 부재 삽입 체적 V를 표 1에 나타낸다.
<실시예 2>
프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 변경한 것, 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 접합되는 제1 부재 및 제2 부재의 두께를 1.5 ㎜, 폭을 40 ㎜, 길이를 125 ㎜, 중첩 부분을 40 ㎜로 변경한 것, 그리고 접합 시간을 2.0 s∼3.4 s 사이에서 조정한 것을 제외하고는, No.1-1∼1-6과 동일한 방법에 의해, 표 1의 No.2-1∼2-6에 나타내는 마찰 교반 점접합 툴을 제작하였다. 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 실시예 1과 동일하게 하여 제1 부재와 제2 부재의 접합을 행하였다.
No.2-1∼2-6에서의 제1 부재 및 제2 부재의 인장 강도, 제2 부재의 두께 t, 프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ, 프로브 길이 l, 제2 부재 잔여 두께 t', 제2 부재 삽입 깊이 h, h/t, 및 제2 부재 삽입 체적 V를 표 1에 나타낸다. No.2-1∼2-6에서는, 프로브 형상을 표 1에 나타내는 형상으로 하고, 또한, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 표 1에 나타내는 값으로 함으로써, 상기 식 (1)이 만족되었다(표 1 중의 항목란 「식 (1)의 성립」에 「성립한다」라고 나타냄). 또한, No.2-3, 2-4에서는, 상기 식 (2)가 만족되었으나(표 1 중의 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립한다」라고 나타냄), No.2-1, 2-2, 2-5, 2-6에서는, 상기 식 (2)가 만족되지 않았다(표 1 중의 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립하지 않는다」라고 나타냄).
<비교예 2>
프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 변경함으로써 제2 부재 삽입 체적 V의 값이 제2 부재의 두께 t와의 관계에 있어서 상기 식 (1)과 상기 식 (2)를 만족시키지 않게 된 것을 제외하고는(표 1 중의 항목란 「식 (1)의 성립」 및 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립하지 않는다」라고 나타냄) No.2-1∼2-6과 동일한 방법에 의해, 표 1의 No.2-11∼2-13에 나타내는 마찰 교반 점접합 툴을 제작하였다.
또한, 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 실시예 2와 동일하게 하여 제1 부재와 제2 부재의 접합을 행하였다. No.2-11∼2-13에서의 제1 부재 및 제2 부재의 인장 강도, 제2 부재의 두께 t, 프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ, 프로브 길이 l, 제2 부재 잔여 두께 t', 제2 부재 삽입 깊이 h, h/t, 및 제2 부재 삽입 체적 V를 표 1에 나타낸다.
<실시예 3>
프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 변경한 것, 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 접합하는 제1 부재 및 제2 부재의 두께를 1.0 ㎜로 변경한 것, 제1 부재 및 제2 부재를 인장 강도가 270 ㎫인 강판으로 변경한 것, 그리고 접합 하중을 800 kgf로 변경한 것을 제외하고는, No.1-1∼1-6과 동일한 방법에 의해, 표 1의 No.3-1∼3-6에 나타내는 마찰 교반 점접합 툴을 제작하였다. 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 실시예 1과 동일하게 하여 제1 부재와 제2 부재의 접합을 행하였다.
No.3-1∼3-6에서의 제1 부재 및 제2 부재의 인장 강도, 제2 부재의 두께 t, 프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ, 프로브 길이 l, 제2 부재 잔여 두께 t', 제2 부재 삽입 깊이 h, h/t, 및 제2 부재 삽입 체적 V를 표 1에 나타낸다. No.3-1∼3-6에서는, 프로브 형상을 표 1에 나타내는 형상으로 하고, 또한, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 표 1에 나타내는 값으로 함으로써, 상기 식 (1)이 만족되었다(표 1 중의 항목란 「식 (1)의 성립」에 「성립한다」라고 나타냄). 또한, No.3-1∼3-4에서는, 상기 식 (2)가 만족되었으나(표 1 중의 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립한다」라고 나타냄), No.3-5, 3-6에서는, 상기 식 (2)가 만족되지 않았다(표 1 중의 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립하지 않는다」라고 나타냄).
<비교예 3>
프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ 및 프로브 길이 l을 변경함으로써 제2 부재 삽입 체적 V의 값이 제2 부재의 두께 t와의 관계에 있어서 상기 식 (1)과 상기 식 (2)를 만족시키지 않게 된 것을 제외하고는(표 1 중의 항목란 「식 (1)의 성립」 및 항목란 「식 (2)의 성립」에 「성립하지 않는다」라고 나타냄), No.3-1∼3-6과 동일한 방법에 의해, 표 1의 No.3-11∼3-13에 나타내는 마찰 교반 점접합 툴을 제작하였다.
또한, 제작된 마찰 교반 점접합 툴을 이용하여 실시예 3과 동일하게 하여 제1 부재와 제2 부재의 접합을 행하였다. No.3-11∼3-13에서의 제1 부재 및 제2 부재의 인장 강도, 제2 부재의 두께 t, 프로브 형상, 프로브 선단 반경 r, 프로브 테이퍼각 θ, 프로브 길이 l, 제2 부재 잔여 두께 t', 제2 부재 삽입 깊이 h, h/t, 및 제2 부재 삽입 체적 V를 표 1에 나타낸다.
<평가 방법>
No.1-1∼1-6, 2-1∼2-6, 3-1∼3-6, 및 No.1-11∼1-14, 2-11∼2-13, 3-11∼3-13에 있어서, 마찰 교반 점접합 툴을 사용하여 형성된 조인트에 대해, JIS Z 3136:1999의 방법에 따라 전단 시험을 행하여, 인장 전단 하중(kN)을 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
<평가 결과>
표 1로부터, 제2 부재 삽입 체적 V의 값이 제2 부재의 두께 t와의 관계에 있어서 상기 식 (1)을 만족시키지 않는 No.1-11∼1-14, 2-11∼2-13, 및 3-11∼3-13에서는, 모두 조인트의 인장 전단 하중이 JIS A급 최소값에 있어서 요구되는 인장 전단 하중을 하회하였다(표 1 중의 항목란 「인장 전단 하중에 대해 JIS Z 3140:1989에 기초한 등급」에 「JIS A급 최소값 미만」이라고 나타냄). 한편, 상기 식 (1)을 만족시키는 No.1-1∼1-6, 2-1∼2-6, 및 3-1∼3-6에서는, 모두 조인트의 인장 전단 하중이 JIS A급 최소값에 있어서 요구되는 값 이상이 되었다(표 1 중의 항목란 「인장 전단 하중에 대해 JIS Z 3140:1989에 기초한 등급」에 「JIS A급 최소값 이상」 또는 「JIS A급 평균값 이상」이라고 나타냄). 따라서, 본 실시예의 마찰 교반 점접합 툴에 의해, 조인트의 인장 전단 하중을 높일 수 있고, 접합 강도가 높은 조인트를 형성할 수 있는 것이 명백해졌다.
또한, 제2 부재 삽입 체적 V의 값이 제2 부재의 두께 t와의 관계에 있어서 상기 식 (2)를 만족시키는 No.1-2∼1-4, 2-3, 2-4, 및 3-1∼3-4에서는, 모두 조인트의 인장 전단 하중이 JIS A급 평균값에 있어서 요구되는 값 이상이 되었다(표 1 중의 항목란 「인장 전단 하중에 대해 JIS Z 3140:1989에 기초한 등급」에 「JIS A급 평균값 이상」이라고 나타냄). 따라서, 상기 식 (2)를 만족시키는 마찰 교반 점접합 툴에 의해, 조인트의 인장 전단 하중을 한층 더 높일 수 있고, 접합 강도가 더 높은 조인트를 형성할 수 있는 것이 명백해졌다.
이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해 설명을 행하였으나, 전술한 각각의 실시형태 및 실시예의 구성을 적절히 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 전술한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 마찰 교반 점접합 툴
2: 기둥 형상부
3: 프로브 4: 회전축
5: 숄더 6: 제1 부재
7: 제2 부재 8: 제1 부재와 제2 부재의 접촉면
3: 프로브 4: 회전축
5: 숄더 6: 제1 부재
7: 제2 부재 8: 제1 부재와 제2 부재의 접촉면
Claims (10)
- 제1 부재와 제2 부재를 중첩시켜 상기 제1 부재측으로부터 압박함으로써 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 마찰 교반 점접합시키는 마찰 교반 점접합 툴로서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이고,
상기 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하고, 또한, 선단에 숄더(shoulder)를 구비하는 기둥 형상부와, 상기 숄더로부터 상기 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비하며,
상기 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 상기 프로브가 압박 시에 상기 제2 부재측에 삽입되는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시키는 것인 마찰 교반 점접합 툴. - 제1항에 있어서, 상기 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)는, 상기 제2 부재의 두께 t(㎜)와의 관계에 있어서 이하의 식 (2)
V≥2.03t2+6.01t-3.74 (t≥0.5 ㎜) …(2)
를 만족시키는 것인 마찰 교반 점접합 툴. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프로브는, 상기 숄더로 이어지는 측면을 구비하고,
상기 측면은, 상기 회전축에 대해 0° 이상 15° 이하의 각도 θ를 갖는 것인 마찰 교반 점접합 툴. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브가 상기 제2 부재측에 삽입되는 깊이를 h(㎜)로 할 때, h와 상기 제2 부재의 두께 t(㎜)의 비 h/t는, 0.25 이상 0.75 이하인 것인 마찰 교반 점접합 툴.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브는, 상기 숄더로 이어지는 측면을 구비하고,
상기 숄더는, 그 외측 가장자리로부터 상기 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖는 것인 마찰 교반 점접합 툴. - 제1 부재와 제2 부재를 중첩시키고 마찰 교반 점접합 툴을 상기 제1 부재측으로부터 압박함으로써 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 마찰 교반 점접합하는 접합 방법으로서, 상기 접합 방법은,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 중첩시키고 상기 마찰 교반 점접합 툴을 상기 제1 부재측으로부터 압박하는 압박 공정
을 포함하고,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는, 각각 인장 강도가 270 ㎫ 이상 370 ㎫ 이하인 강판이며,
상기 마찰 교반 점접합 툴은, 회전축을 중심으로 회전 가능하고, 또한, 선단에 숄더를 구비하는 기둥 형상부와, 상기 숄더로부터 상기 회전축을 연장하는 방향으로 돌출된 원기둥 형상 또는 원뿔대 형상의 프로브를 구비하며,
상기 압박 공정은, 상기 회전축을 중심으로 상기 마찰 교반 점접합 툴을 회전시키면서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 접촉면보다 더 상기 제2 부재측의 두께 방향으로 깊어지는 깊이까지 상기 프로브를 삽입시킴으로써, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합시키는 공정이고,
상기 제2 부재의 두께를 t(㎜)로 하고, 상기 압박 공정에 있어서 상기 프로브를 상기 제2 부재측에 삽입시키는 체적을 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)로 할 때, V는 t와의 관계에 있어서 이하의 식 (1)
V≥1.73t2+5.12t-3.56 (t≥0.5 ㎜) …(1)
을 만족시키는 것인 접합 방법. - 제6항에 있어서, 상기 제2 부재 삽입 체적 V(㎣)는, 상기 제2 부재의 두께 t(㎜)와의 관계에 있어서 이하의 식 (2)
V≥2.03t2+6.01t-3.74 (t≥0.5 ㎜) …(2)
를 만족시키는 것인 접합 방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 프로브는, 상기 숄더로 이어지는 측면을 구비하고,
상기 측면은, 상기 회전축에 대해 0° 이상 15° 이하의 각도 θ를 갖는 것인 접합 방법. - 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브가 상기 제2 부재측에 삽입되는 깊이를 h(㎜)로 할 때, h와 상기 제2 부재의 두께 t(㎜)의 비 h/t는, 0.25 이상 0.75 이하인 것인 접합 방법.
- 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브는, 상기 숄더로 이어지는 측면을 구비하고,
상기 숄더는, 그 외측 가장자리로부터 상기 측면과 교차하는 부위에 걸쳐 유발 형상으로 움푹 들어간 것과 같은 형상을 갖는 것인 접합 방법.
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