KR20180063247A

KR20180063247A - 마찰 교반 점 접합 장치 및 마찰 교반 점 접합 방법

Info

Publication number: KR20180063247A
Application number: KR1020187012549A
Authority: KR
Inventors: 료지 오하시; 요시타카 무라마츠; 마사히로 미야케; 타쿠야 후쿠다
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-06-11
Also published as: JP6276739B2; EP3366411B1; EP3366411A4; CN108136538A; EP3366411A1; WO2017068768A1; US20180304401A1; US10974343B2; KR101967333B1; JP2017077576A; CN108136538B

Abstract

마찰 교반 점 접합 장치는, 한 쌍의 판재를 툴의 핀부로 마찰 교반하여 서로 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치로서, 툴을 판재를 향해서 진퇴 시키는 진퇴 구동기와, 툴을 회전시키는 회전 구동기와, 진퇴 구동기 및 회전 구동기를 제어하는 제어기를 구비하며, 제어기는, 툴을 회전시킨 상태로 판재에 핀부를 밀어넣어 핀부로 판재를 가압시키는 접합 제어와, 접합 제어 후에, 툴이 회전하여 핀부가 판재에 몰입한 상태 그대로, 접합 제어 때보다 툴의 회전수 또는 가압력 중 적어도 어느 하나를 감소시켜, 핀부의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 상기 툴을 상기 판재로부터 이격시키는 방열 제어를 실행하는 마찰 교반 점 접합 장치에 관한 것이다.

Description

마찰 교반 점 접합 장치 및 마찰 교반 점 접합 방법

본 발명은 마찰 교반 점 접합 장치 및 마찰 교반 점 접합 방법에 관한 것이다.

종래, 한 쌍의 판재를 서로 접합하는 방법으로서, 마찰 교반 점 접합법(Friction Spot Joining)이 알려져 있다. 이 방법으로 한 쌍의 판재를 접합할 경우에는, 예를 들면 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 포개어진 한 쌍의 판재에 마찰 교반 점 접합 장치의 툴(tool)의 핀부를 회전시키면서 밀어넣고, 접합 완료 후에 빼낸다. 이것에 의해, 한 쌍의 판재는, 마찰 교반 점 접합된다.

일본특허 제3471338호

그런데 마찰 교반 점 접합 직후의 툴의 표면 온도는, 접합하고자 하는 한 쌍의 판재의 재료 등에 따라서 변화한다. 마찰 교반 점 접합 후의 툴의 표면 온도에 따라서는, 툴을 한 쌍의 판재에 몰입시켰을 때에 판재와 접촉하고 있던 툴의 표면이, 툴을 한 쌍의 판재로부터 이격시킨 후에 대기에서 산화되는 일이 있다. 이와 같이 툴의 표면이 산화되면, 툴이 열화 되어 툴의 내구성능이 저하되고, 툴의 수명이 단축될 우려가 있다.

그래서 본 발명은, 마찰 교반 점 접합 후에 툴의 표면이 대기에서 산화되는 것을 방지함으로써, 그 산화에 의한 툴의 열화를 억제하여 툴의 내구성능을 유지하고, 툴의 장수명화를 도모하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 한 형태에 따른 마찰 교반 점 접합 장치는, 한 쌍의 판재를 툴의 핀부로 마찰 교반하여 서로 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치로서, 상기 툴을 상기 판재를 향해서 진퇴 시키는 진퇴 구동기와, 상기 툴을 회전시키는 회전 구동기와, 상기 진퇴 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하는 제어기를 구비하며, 상기 제어기는, 상기 툴을 회전시킨 상태로 상기 판재에 상기 핀부를 밀어넣어 상기 핀부로 상기 판재를 가압시키는 접합 제어와, 상기 접합 제어 후에, 상기 툴이 회전하여 상기 핀부가 상기 판재에 몰입한 상태 그대로, 상기 접합 제어 때보다 상기 툴의 회전수 또는 가압력 중 적어도 어느 하나를 감소시켜, 상기 핀부의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 상기 툴을 상기 판재로부터 이격시키는 방열 제어를 실행한다.

상기 구성에 의하면, 마찰 교반 점 접합 후의 툴을 판재로부터 이격시킬 때 핀부의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되어 있기 때문에, 핀부의 표면이 대기에서 산화되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 툴의 열화를 억제하고, 툴의 내구성능을 유지하여, 툴의 장수명화를 도모할 수가 있다.

상기 핀부의 상기 표면 온도는, 상기 핀부에 형성된 피막부의 표면 온도여도 좋다. 이것에 의해, 핀부에 형성된 피막부가 대기에서 산화되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 피막부가 산화에 의해서 핀부의 심체부로부터 박리 되는 것을 방지할 수가 있다. 따라서, 심체부가 판재와 불필요한 반응을 일으키는 것을 방지할 수 있고, 툴의 장수명화를 도모할 수가 있다.

상기 제어기는, 상기 접합 제어에 필요한 시간보다 짧은 시간으로 상기 방열 제어를 실행하여도 좋다. 이것에 의해, 툴을 방열시키기 위한 시간을 절약할 수 있으므로, 한 쌍의 판재를 점 접합하는 작업 효율의 저하를 억제하면서, 툴의 장수명화를 도모할 수가 있다.

본 발명의 한 형태에 따른 마찰 교반 점 접합 방법은, 한 쌍의 판재를 툴의 핀부로 마찰 교반하여 서로 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서, 상기 툴을 회전시킨 상태로 상기 판재에 상기 핀부를 밀어넣어 상기 핀부로 상기 판재를 가압시키는 접합 공정과, 상기 접합 공정 후에, 상기 툴이 회전하여 상기 핀부가 상기 판재에 몰입한 상태 그대로, 상기 접합 공정 때보다 상기 툴의 회전수 또는 가압력 중 적어도 어느 하나를 감소시켜, 상기 핀부의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 상기 툴을 상기 판재로부터 이격시키는 방열 공정을 구비한다.

본 발명에 의하면, 마찰 교반 점 접합 후에 툴의 표면이 대기에서 산화되는 것을 방지함으로써, 그 산화에 의한 툴의 열화를 억제하여 툴의 내구성능을 유지하고, 툴의 장수명화를 도모할 수가 있다.

도 1은 실시형태에 따른 마찰 교반 점 접합 장치의 기능 블록도이다.
도 2는 도 1의 마찰 교반 점 접합 장치의 접합유닛의 측면도이다.
도 3은 도 1의 마찰 교반 점 접합 장치의 동작 플로차트이다.
도 4a 내지 도 4d는, 도 1의 마찰 교반 점 접합 장치를 이용한 마찰 교반 점 접합의 각 공정을 설명하는 단면도이다.
도 5는 비교예의 툴의 가압력과 회전수의 각 시간변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 비교예의 숄더부 및 핀부의 표면 최고 온도의 시간변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 판재로부터 이격시킨 직후의 비교예의 툴의 표면 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예의 툴의 가압력과 회전수 각각의 시간변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예의 숄더부 및 핀부의 표면 최고 온도의 시간변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 판재로부터 이격시킨 직후의 실시예의 툴의 표면 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예 및 비교예에서의 판재의 타점 수(마찰 교반 점 접합 수)와 핀부의 지름 변화량과의 관계를 나타내는 도면이다.

(실시형태)

이하, 도면을 참조하여 실시형태를 설명한다.

도 1은 실시형태에 따른 마찰 교반 점 접합 장치(1)(이하, 간략히 '접합 장치(1)'라고 칭한다.)의 기능 블록도이다. 도 2는 도 1의 접합 장치(1)에서의 접합유닛(2)의 측면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 접합 장치(1)는, 접합유닛(2), 다관절 로봇(3) 및 제어 장치(4)를 구비한다. 접합유닛(2)은, 프레임부(5), 유닛 본체부(6) 및 뒷댐부(7)를 가진다.

프레임부(5)는, 일례로서, 측면에서 바라보았을 때 C-자 형상 또는 역C-자 형상의 외관 형상을 가지고, 유닛 본체부(6)와 뒷댐부(7)에 접속됨과 더불어, 다관절 로봇(3)에 지지 된다. 유닛 본체부(6)는, 회전 축부(9), 툴(10), 툴 이동용 모터(M1)(진퇴 구동기) 및 툴 회전용 모터(M2)(회전 구동기)를 가진다. 회전 축부(9)는, 유닛 본체부(6)의 하우징으로부터 뒷댐부(7)를 향해 연장되고, 뒷댐부(7)에 접근 또는 이격 가능하게 설치된다. 유닛 본체부(6)의 하우징으로부터 먼 쪽에 위치하는 회전 축부(9)의 축 방향 일단에는, 홀더가 설치되어, 툴(10)을 착탈 가능하게 홀딩하고 있다.

툴(10)은, 툴 본체부(10a), 숄더(shoulder) 부(10b) 및 핀(pin) 부(10c)를 가지며, 판재(W2)의 판재(W1) 반대쪽 면에 접촉 또는 이격 가능하게 설치된다. 핀부(10c)는, 툴 본체부(10a)로부터 뒷댐부(7)를 향해서 돌출되고, 숄더부(10b)에 둘러싸여 있다. 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면에는, 피막부(10e)가 형성되어 있다. 피막부(10e)는, 숄더부(10b)의 표면과 핀부(10c)의 심체부(芯體部)(10d)의 표면을 덮어 보호하고 있다. 심체부(10d)는, 초경합금 또는 니켈합금 등의 합금이나, 세라믹으로 구성되어도 좋다. 또한 피막부(10e)는, Ti 및 Al 중 적어도 어느 하나를 포함하는 질화물이나, Ti 및 Al 중 적어도 어느 하나를 포함하는 산화물로 구성되지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹으로 구성되어도 좋다. 또한, 피막부(10e)가 생략되어, 심체부(10d)가 노출되어 있어도 좋다.

각 모터(M1, M2)는, 유닛 본체부(6)의 하우징에 내장된다. 툴 이동용 모터(M1)가 구동되면, 회전 축부(9)의 축 방향으로, 회전 축부(9) 및 툴(10)이 판재(W1, W2)를 향해서 진퇴 된다. 또한, 툴 회전용 모터(M2)가 구동되면, 회전 축부(9) 및 툴(10)이, 회전 축부(9)의 축선 주위로 회전된다. 각 모터(M1, M2)의 각 구동은, 제어 장치(4)로 제어된다.

뒷댐부(7)는, 일례로서, 프레임부(5)로부터 유닛 본체부(6)를 향해서 연장되는 원기둥 모양의 외관 형상을 가지며, 판재(W1)를 하방에서 지지한다. 뒷댐부(7)의 축 방향 일단의 선단부는, 판재(W1)의 판재(W2) 반대쪽 면에 접촉한다.

다관절 로봇(3)은, 로봇용 모터(M3)를 가지며, 접합유닛(2)을 소정 위치로 이동시킨다. 로봇용 모터(M3)의 구동은, 제어 장치(4)로 제어된다. 로봇용 모터(M3)는, 복수의 모터를 포함하고 있어도 좋다.

제어 장치(4)는, CPU, ROM 및 RAM 등을 구비한 컴퓨터로서, 접합유닛(2)과 다관절 로봇(3)의 각각의 동작을 제어한다. 제어 장치(4)는, 입력기(21), 제어기(25) 및 판정기(26)를 가진다. 입력기(21)는, 오퍼레이터가 입력하는 정보를 받아들인다. 상기 ROM에는, 소정의 제어 프로그램이 격납 된다. 상기 RAM은, 입력기(21)를 통해 입력되는 설정 정보를 기억 가능하게 구성된다. 상기 설정 정보에는, 예를 들면, 판재(W1, W2) 각각의 판 두께 값 정보와, 판재(W1, W2) 각각의 접합 위치 정보가 포함된다.

제어기(25)는, 상기 제어 프로그램에 의거하여, 각 모터(M1 ~ M3)를 제어한다. 판정기(26)는, 상기 제어 프로그램에 의거하여, 소정의 타이밍에 모든 접합 위치에서의 마찰 교반 점 접합이 완료되었는지 아닌지 등의 판정을 수행한다.

다음으로, 접합 장치(1)를 이용하여, 강(鋼)으로 이루어진 판재(W1, W2)를 마찰 교반 점 접합하는 방법을 예시한다. 도 3은, 도 1의 접합 장치(1)의 동작 플로차트이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 접합 장치(1)에서는, 위치 맞춤 공정(단계 S1), 접합 공정(단계 S2), 방열 공정(단계 S3) 및 완료 판정 공정(단계 S4)이 차례로 수행되고, 잔여의 접합 위치가 있을 경우에는, 위치 맞춤 공정이 다시 수행된다. 도 4a ~ 도 4d는, 도 1의 접합 장치(1)를 이용한 마찰 교반 점 접합의 각 공정을 설명하는 단면도이다.

최초에 오퍼레이터는, 입력기(21)를 통해서 상기 설정 정보를 접합 장치(1)에 입력하고, 판재(W1, W2)를 겹친 상태로 소정의 지그에 홀딩시킨다. 그리고 도 4a에 나타낸 바와 같이, 제어기(25)는, 접합유닛(2)을 상기 복수의 접합 위치 중 제1 접합 위치에 대응하는 위치까지 이동시키고, 판재(W2) 측에는 툴(10)이, 판재(W1) 측에는 뒷댐부(7)가 각각 배치되도록 뒷댐부(7)의 선단부로 판재(W1)를 지지시키는 위치 맞춤 제어를 실행한다(단계 S1).

다음으로, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 제어기(25)는, 각 모터(M1, M2)를 제어하는 것에 의해, 툴(10)을 회전시킨 상태로 판재(W1, W2)에 핀부(10c)를 밀어넣어 핀부(10c)에 판재(W1, W2)를 가압시키는 접합 제어를 실행한다(단계 S2). 접합 제어 시에는, 툴(10)과 판재(W1, W2) 사이에서 발생하는 마찰열로 툴(10)이 가열된다. 여기에서는 일례로서, 강으로 이루어진 판재(W1, W2)를 마찰 교반 점 접합하기 때문에, 툴(10)은, 예를 들면 알루미늄 등으로 이루어진 한 쌍의 판재를 접합할 경우보다 고온으로 가열되어, 툴(10)의 표면 온도는, 핀부(10c)의 표면의 산화 개시 온도 이상으로 상승한다. 여기서 말하는 '핀부(10c)의 표면'이란, 판재(W1, W2)에 툴(10)을 몰입시켰을 때에 판재(W1, W2)에 접촉하는 핀부(10c)의 접촉면으로서, 핀부(10c)에 피막부(10e)가 형성되어 있을 경우는, 피막부(10e)의 표면 중 판재(W1, W2)에 접촉하는 접촉면을 가리키며, 핀부(10c)에 피막부(10e)가 형성되어 있지 않을 경우는, 심체부(10d)의 표면 중 판재(W1, W2)에 접촉하는 접촉면을 가리킨다.

다음으로, 제어기(25)는, 접합 제어 후에, 각 모터(M1, M2)를 제어하는 것에 의해서, 툴(10)이 회전하여 핀부(10c)가 판재(W1, W2)에 몰입한 상태 그대로, 접합 제어 때보다 툴(10)의 회전수 또는 가압력 중 적어도 어느 하나를 감소시켜, 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 툴(10)을 판재(W1, W2)로부터 이격시키는 방열 제어를 실행한다(단계 S3). 여기에서는 제어기(25)는, 접합 제어 때보다 툴(10)의 회전수 및 가압력 양쪽 모두가 감소하도록, 각 모터(M1, M2)를 제어한다. 또한 제어기(25)는, 접합 제어에 필요한 접합 시간보다 짧은 시간으로 방열 제어를 실행한다. 핀부(10c)가 판재(W1, W2)에 몰입한 상태를 유지한 채 핀부(10c)의 열이 판재(W1, W2)로 달아나게 함으로써, 툴(10)을 판재(W1, W2)로부터 이격시킬 때에 핀부(10c)의 표면이 산화 개시 온도 이상인 상태로 대기에 접촉하는 것이 방지된다.

여기서, 방열 제어 시의 툴(10)의 회전수는, 적당한 설정이 가능하지만, 예를 들면, 툴(10)이 판재(W1, W2)에 고착하지 않을 정도의 값이라면 좋다. 일례로서, 방열 제어 시의 툴(10)의 회전수는, 0(rpm)보다 크고 500(rpm) 이하의 범위의 값이 바람직하다. 또한, 툴(10)이 판재(W1, W2)에 고착할 연려가 작을 경우, 방열 제어 시에 툴(10)의 회전을 정지하여도 좋다.

또한, 방열 제어 시의 툴(10)의 가압력은, 적당한 설정이 가능하지만, 예를 들면, 툴(10)의 핀부(10c)의 표면이 판재(W1, W2)에 접촉하는 값이면 좋다. 일례로서, 방열 제어 시의 툴(10)의 가압력은, 0(N)보다 크고 5,000(N) 이하의 범위의 값이 바람직하다.

또한, 접합 제어 후에 툴(10)을 판재(W1, W2)에 접촉시켜 두는 방열 시간은, 적당한 설정이 가능하지만, 예를 들면, 방열 제어 시의 툴(10)의 회전수 및 가압력의 각 설정 값에 대응하여, 핀부(10c)의 표면 온도를 산화 개시 온도 미만까지 낮추기 위해 필요한 최소한의 시간이라면 좋다.

일례로서 접합 장치(1)에서는, 제어기(25)에 의한 제어가 접합 제어로부터 방열 제어로 이행되면, 툴(10)의 회전수 및 가압력 각각이, 접합 제어 시의 회전수 및 가압력의 적어도 50% 이하의 값까지 감소한다. 이것에 의해, 툴(10)과 판재(W1, W2) 사이에 발생하는 마찰열이 급속히 감소하고, 핀부(10c)의 판재(W1, W2)로의 방열이 촉진된다.

방열 제어 시의 툴(10)의 회전수, 가압력 및 방열 시간은, 예를 들면, 툴(10)의 표면 재료, 툴(10)의 표면의 각종 특성(마찰계수나 열전도율 등), 판재(W1, W2)의 재료, 방열 제어 시의 툴(10)의 표면 온도 분포 등에 따라서 설정된다. 핀부(10c) 표면의 산화 개시 온도는, 핀부(10c)의 표면 재료에 의해 특정된다. 핀부(10c) 표면의 산화 개시 온도는, 핀부(10c)에 피막부(10e)가 형성되어 있을 경우에는, 피막부(10e)의 재료에 의해 특정되고, 핀부(10c)에 피막부(10e)가 형성되어 있지 않을 경우에는, 심체부(10d)의 재료에 의해 특정된다. 마찰 교반 점 접합 후의 핀부(10c)의 표면 온도는, 예를 들면, 서모그래피(thermography) 장치나 열전대 등의 온도계를 이용하여 측정 가능하다. 따라서, 예를 들면, 사전 실험에 의해서, 핀부(10c)를 판재(W1, W2)로부터 이격시키기까지 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되는 방열 제어 시의 툴(10)의 회전수, 가압력 및 방열 시간을 미리 특정하여, 제어기(25)에 설정해 두면 좋다.

또한, 접합 장치(1)는, 핀부(10c)의 표면 온도를 측정 가능한 온도계를 구비하여도 좋다. 이 경우, 방열 제어 시에, 판정기(26)는, 상기 온도계의 측정값을 감시함과 더불어, 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 핀부(10c)를 판재(W1, W2)로부터 이격시키도록, 제어기(25)로 하여금 툴 이동용 모터(M1)를 제어하게 하여도 좋다.

또한, 방열 제어 시에는, 툴(10)과 판재(W1, W2)의 상대위치를 변화시켜도 좋다. 예를 들면, 접합 제어 시에 핀부(10c)를 판재(W1, W2)에 밀어넣을 때의 툴(10)의 이동 속도보다 저속으로, 마찰 교반 점 접합한 판재(W1, W2)로부터 툴(10)을 서서히 이격시키면서, 툴(10)을 판재(W1, W2)에 방열시키도록, 제어기(25)가 툴 이동용 모터(M1)를 제어하여도 좋다. 예를 들면, 방열 제어 시에 핀부(10c)가 판재(W1, W2)에 접촉한 상태에서부터 이격된 상태가 될 때까지의 툴(10)의 이동 속도는, 핀부(10c)가 판재(W1, W2)에서 이격된 상태로부터 판재(W1, W2)에서 멀어져 가는 이동 속도보다 더 늦어지도록, 제어기(25)가 툴 이동용 모터(M1)를 제어하게 하여도 좋다.

또한, 툴(10)의 가압력을 강하게 하면, 툴(10)로 판재(W1, W2)를 가압하는 방향으로 프레임부(5)의 뒷댐부(7)가 접속된 부분이 휘고, 툴(10)의 가압력을 약하게 하면, 프레임부(5)의 뒷댐부(7)가 접속된 부분의 휨이 소실되어 프레임부(5)가 원래의 형상으로 복원할 경우가 있다. 이 경우, 예를 들면, 마찰 교반 점 접합한 판재(W1, W2)로부터 툴(10)이 이격될 때의 툴(10)의 이동 속도를 프레임부(5)의 형상 복원 속도 이하로 설정하는 것에 의해, 마찰 교반 점 접합한 판재(W1, W2)로부터 툴(10)이 이격되는 방향으로 툴(10)이 이동되기 시작하고 나서, 프레임부(5)의 형상이 복원될 때까지 동안, 툴(10)과 판재(W1, W2)의 상대위치를 일정하게 유지해서 툴(10)과 판재(W1, W2)를 접촉 상태로 유지하여, 툴(10)을 판재(W1, W2)에 효율적으로 방열시킬 수가 있다.

판정기(26)는, 방열 공정(단계 S3)의 완료 후, 모든 접합 위치에서의 접합이 완료되었는지 아닌지를 판정한다(단계 S4). 완료 판정 공정에서, 판재(W1, W2)의 모든 접합 위치에서의 접합이 아직 완료되지 않았다고 판정기(26)가 판정했을 경우, 다음의 접합 위치로 툴(10)이 이동하도록 제어기(25)가 로봇용 모터(M3)를 제어하고, 위치 맞춤 공정(단계 S1)이 다시 수행된다.

이상과 같이 접합 장치(1)에서는, 마찰 교반 점 접합 후의 툴(10)을 판재(W1, W2)에서 이격시킬 때, 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되어 있기 때문에, 핀부(10c)의 표면이 대기에서 산화되는 것을 방지할 수가 있다. 이에 따라, 툴(10)의 열화를 억제하고, 툴(10)의 내구성능을 유지하여, 툴(10)의 장수명화를 도모할 수가 있다. 따라서, 판재(W1, W2)를 복수의 접합 위치에서 연속하여 마찰 교반 점 접합을 수행할 경우에도, 안정적으로 툴(10)을 사용할 수 있고, 툴(10)에 들어가는 비용의 절감을 도모할 수가 있다.

또한, 통상, 마찰 교반 점 접합 후의 툴(10)을 판재(W1, W2)에서 이격시킬 때, 숄더부(10b)의 표면 온도는, 핀부(10c)의 표면 온도 이하가 되어 있기 때문에, 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 툴(10)을 판재(W1, W2)로부터 이격시킴으로써, 숄더부(10b)의 표면이 대기에서 산화되는 것을 방지할 수가 있다. 여기서 말하는 '숄더부(10b)의 표면'이란, 판재(W1, W2)에 툴(10)을 몰입시켰을 때 판재(W1, W2)에 접촉하는 숄더부(10b)의 접촉면을 가리킨다.

또한, 핀부(10c)의 표면에 피막부(10e)가 형성되어 있을 경우에는, 피막부(10e)가 대기에서 산화되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 피막부(10e)가 산화에 의해서 심체부(10d)로부터 박리 되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 심체부(10d)가 판재(W1, W2)와 불필요한 반응을 일으키는 것을 방지할 수가 있고, 툴(10)의 장수명화를 도모할 수가 있다.

또한, 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면 산화 개시 온도가 비교적 낮은 경우에도 툴(10)의 장수명화를 도모할 수가 있으므로, 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면에 피막부(10e)가 형성되어 있을 경우에는, 내산화 온도가 낮은 비교적 저가의 재료로 피막부(10e)가 구성된 툴(10)에도 안정적으로 사용할 수 있고, 툴(10)에 들어가는 비용의 절감을 더욱 양호하게 도모할 수가 있다. 또한, 방열 제어 중에 툴(10)을 회전시키는 것에 의해, 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면을 판재(W1, W2)에 고착되기 어렵게 할 수가 있다.

또한, 제어기(25)는, 툴(10)이 회전하여 핀부(10c)가 판재(W1, W2)에 몰입한 상태 그대로, 접합 제어 때보다 툴(10)의 회전수 또는 가압력 중 적어도 어느 하나를 감소시켜, 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 툴(10)을 판재(W1, W2)로부터 이격시키도록 방열 제어를 실행하여도 좋다. 이것에 의해, 마찰 교반 점 접합 후의 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면이 대기에서 산화되는 것을 한층 더 양호하게 방지할 수가 있다.

(확인 시험)

비교예 및 실시예의 툴로서, 질화규소(Si3N4)로 구성한 심체부(10d)를 가지고, 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면에 질화 티타늄(TiN)으로 구성한 피막부(10e)가 형성된 동일 사양의 툴(10)을 이용하였다. 비교예 및 실시예의 각 접합 장치에서, 접합 제어 시 툴(10)의 가압력을 11,760(N), 접합 제어 시 툴(10)의 회전수를 1,000(rpm), 접합 시간을 5.0(sec)로 각각 설정하였다.

도 5는, 비교예의 툴(10)의 가압력과 회전수의 각 시간변화를 나타내는 도면이다. 도 6은, 비교예의 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면 최고 온도의 시간변화를 나타내는 도면이다. 도 7은, 판재(W1, W2)로부터 이격시킨 직후의 비교예의 툴(10)의 표면 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 7에서는, 접합 위치에서 마찰 교반 점 접합한 판재(W1, W2)로부터 이격시킨 직후의 비교예의 툴(10)의 표면 온도 분포를 서모그래피 장치로 측정하고, 그 측정 결과를 이용하여, 툴(10)의 표면 온도 분포를 복수의 온도 영역으로 나누어 도시하고 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 비교예에서는, 판재(W1, W2)를 마찰 교반 점 접합한 후, 곧바로 툴(10)을 판재(W1, W2)로부터 이격시켰다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 판재(W1, W2)로부터 툴(10)을 이격시켰을 때의 핀부(10c)의 측면 최고 온도는, 피막부(10e)의 산화 개시 온도(600℃)보다 고온인 958.1℃이었다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 판재(W1, W2)로부터 툴(10)을 이격시킨 직후의 툴(10)의 표면 온도 분포에서는, 숄더부(10b)의 판재(W1, W2)와의 접촉면의 거의 전체 영역과, 핀부(10c)의 표면의 대략 2/3 영역의 온도가 600℃을 초과하고 있는 것이 확인되었다.

도 8은, 실시예의 툴(10)의 가압력과 회전수의 각 시간변화를 나타내는 도면이다. 도 9는, 실시예의 숄더부(10b) 및 핀부(10c)의 표면 최고 온도의 시간변화를 나타내는 도면이다. 도 10은, 판재(W1, W2)로부터 이격시킨 직후의 실시예의 툴(10)의 표면 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 10에서는, 도 7과 동일한 방법으로 툴(10)의 표면 온도 분포를 도시하고 있다. 실시예에서는, 방열 제어 시의 툴(10)의 가압력 값을 1,000(N), 툴(10)의 회전수 값을 100(rpm), 방열 시간을 2.5(sec)로 각각 설정하였다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예에서는, 마찰 교반 점 접합 후의 툴(10)의 열을 판재(W1, W2)에 방열시키는 것에 의해, 핀부(10c)의 표면 온도가 피막부(10e)의 산화 개시 온도 미만이 되고 나서, 툴(10)을 판재(W1, W2)로부터 이격시켰다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 판재(W1, W2)로부터 툴(10)을 이격시켰을 때의 핀부(10c)의 측면 최고 온도는, 피막부(10e)의 산화 개시 온도보다 저온인 400.5℃였다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 판재(W1, W2)에서 툴(10)을 이격시킨 직후의 툴(10)의 표면 온도 분포에서는, 숄더부(10b)의 판재(W1, W2)와의 접촉면의 거의 전체 영역과, 핀부(10c)의 표면의 거의 전체 영역의 온도가 400℃ 이하까지 떨어지고 있는 것이 확인되었다. 이에 따라, 마찰 교반 점 접합 후의 툴(10)을 적절하게 방열함으로써, 판재(W1, W2)로부터 툴(10)을 이격시킨 직후의 숄더부(10b)와 핀부(10c)의 표면 온도를 산화 개시 온도 이하까지 낮출 수 있다는 것이 확인되었다.

다음으로, 실시예 및 비교예의 접합 장치를 이용하여, 판재(W1, W2)를 복수의 접합 위치에서 연속하여 마찰 교반 점 접합했을 때의 핀부(10c)의 지름 변화량(감소량)을 조사하였다. 도 11은, 실시예 및 비교예에 대한 판재(W1, W2)의 타점 수(마찰 교반 점 접합 수)와 핀부(10c)의 지름 변화량과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 비교예에서는, 실시예에 비해, 타점 수가 100을 초과하는 부근에서부터, 핀부(10c)의 지름 변화량이 점차 커지는 것이 확인되었다. 그 이유 중 하나로서, 각 접합 위치에서 판재(W1, W2)를 마찰 교반 점 접합한 후, 고온의 피막부(10e)가 대기와 접촉하여 산화되고, 피막부(10e)가 점차 박리하며, 심체부(10d)가 노출되어 판재(W1, W2)와 반응함으로써 핀부(10c)의 마모가 진행된 것으로 생각된다.

실시예에서는, 비교예에 비해, 타점 수가 100을 초과한 후에도, 핀부(10c)의 지름 변화량이 억제되는 것이 확인되었다. 그 이유 중 하나로서, 각 접합 위치에서 판재(W1, W2)를 마찰 교반 점 접합한 후, 핀부(10c)의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 되고 나서 툴(10)이 판재(W1, W2)로부터 이격되는 것에 의해, 툴(10)의 표면이 대기에서 산화되는 것이 방지되어, 피막부(10e)의 박리나 마모가 억제된 것으로 생각된다.

M1 : 툴 이동용 모터(진퇴 구동기)
M2 : 툴 회전용 모터(회전 구동기)
W1, W2 : 판재
1 : 접합 장치
10 : 툴
10c : 핀부
10e : 피막부
25 : 제어기

Claims

한 쌍의 판재를 툴의 핀부로 마찰 교반하여 서로 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 장치로서,
상기 툴을 상기 판재를 향해서 진퇴 시키는 진퇴 구동기와,
상기 툴을 회전시키는 회전 구동기와,
상기 진퇴 구동기 및 상기 회전 구동기를 제어하는 제어기를 구비하며,
상기 제어기는,
상기 툴을 회전시킨 상태로 상기 판재에 상기 핀부를 밀어넣어 상기 핀부에 상기 판재를 가압시키는 접합 제어와,
상기 접합 제어 후에, 상기 툴이 회전하여 상기 핀부가 상기 판재에 몰입한 상태 그대로, 상기 접합 제어 때보다 상기 툴의 회전수 또는 가압력 중 하나 이상을 감소시켜, 상기 핀부의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 된 후에 상기 툴을 상기 판재로부터 이격시키는 방열 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 장치.
제1항에 있어서,
상기 핀부의 상기 표면 온도는, 상기 핀부에 형성된 피막부의 표면 온도인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 접합 제어에 필요한 시간보다 짧은 시간으로 상기 방열 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 장치.
한 쌍의 판재를 툴의 핀부로 마찰 교반하여 서로 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서,
상기 툴을 회전시킨 상태로 상기 판재에 상기 핀부를 밀어넣어 상기 핀부에 상기 판재를 가압시키는 접합 공정과,
상기 접합 공정 후에, 상기 툴이 회전하여 상기 핀부가 상기 판재에 몰입한 상태 그대로, 상기 접합 공정 때보다 상기 툴의 회전수 또는 가압력 중 하나 이상을 감소시켜, 상기 핀부의 표면 온도가 산화 개시 온도 미만이 된 후에 상기 툴을 상기 판재로부터 이격시키는 방열 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.