KR20190113875A - 선형 마찰 접합 방법 - Google Patents

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겐 무라야마
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고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 오사까 다이가꾸
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Abstract

접합 온도의 정확한 제어가 가능하고, 접합 온도를 저온화할 수 있는 선형 마찰 접합 방법을 제공한다. 본 발명은, 한쪽의 부재(2)를 다른 쪽의 부재(4)에 접촉시켜 피접합 계면(6)을 형성하는 제1 공정과, 피접합 계면(6)에 대해 대략 수직으로 압력을 인가한 상태로, 한쪽의 부재(2)와 다른 쪽의 부재(4)를 동일 궤적 상에서 반복하여 슬라이딩시켜, 피접합 계면(6)으로부터 버(8)를 배출시키는 제2 공정과, 슬라이딩을 정지하여 접합면을 형성하는 제3 공정을 가지며, 압력을, 원하는 접합 온도에서의 한쪽의 부재(2) 및/또는 다른 쪽의 부재(4)의 항복 응력 이상이며 인장 강도 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법이다.

Description

선형 마찰 접합 방법
본 발명은 금속재끼리를 고상 접합하는 선형 마찰 접합 방법에 관한 것이다.
강이나 알루미늄 합금 등의 금속 재료의 고강도화에 따라, 접합 구조물의 기계적 특성을 결정하는 접합부에서의 강도 저하가 심각한 문제가 되고 있다. 이에 대해, 최근에 접합 중의 최고 도달 온도가 피접합재의 융점에 도달하지 않고, 접합부에서의 강도 저하가 종래의 용융 용접에 비해 작은 고상 접합법이 주목받아 급속히 실용화가 진행되고 있다.
특히, 금속 부재끼리를 선형 궤적으로 슬라이딩시키는 선형 마찰 접합(LFW: Lineaer Friction Welding)은, 마찰 교반 접합(FSW: Friction Stir Welding)과 같이 도구를 이용할 필요가 없기 때문에, 고융점 금속에도 용이하게 적용할 수 있고, 여러 가지 산업에서의 실용화가 기대되고 있다.
그러나, 선형 마찰 접합의 접합 기구나 적절한 프로세스 제어 방법 등에 대해서는 반드시 명확하지 않고, 다수의 예비 시험이나 경험 등에 기초하여, 각 피접합재에 대한 접합 조건의 최적화가 행해지고 있는 것이 실정이다.
이에 대해, 예를 들어, 특허문헌 1(일본공개특허 2015-164738호 공보)에서는, 한쪽의 부재를 다른 쪽의 부재에 접촉시킨 상태로 이들을 동일 궤적 상에서 반복하여 상대 이동시켜, 상기 한쪽의 부재를 상기 다른 쪽의 부재에 마찰 접합하는 마찰 접합 장치로서, 상기 한쪽의 부재의 상기 다른 쪽의 부재에 대한 상대 이동의 정지 지령에 따라, 이 정지 지령의 발생으로부터 상기 한쪽의 부재가 상기 다른 쪽의 부재에 대해 상기 궤적을 1회 상대 이동하기까지의 기간 중에 상기 한쪽의 부재의 상기 다른 쪽의 부재에 대한 상대 이동을 정지시키는 정지 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 접합 장치가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1에 기재된 마찰 접합 장치에서는, 한쪽의 부재를 다른 쪽의 부재에 접촉시킨 상태로 이들을 동일 궤적 상에서 반복하여 상대 이동시켜 마찰 접합할 때에, 상대 이동의 정지 명령을 어느 타이밍에 발생시키면, 2개의 부재가 적절한 접합 상태가 되는 타이밍에 양자의 상대 이동이 딱 정지하는지를 특정하기 쉽게 할 수 있다고 하고 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2015-164738호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 마찰 접합 방법은, 정지 지령의 발생으로부터 액추에이터의 정지까지 걸리는 기간을 단축하여, 마찰 접합량을 제어하는 것으로, 조인트 특성에 크게 영향을 주는 접합 온도를 제어할 수는 없다.
종래의 선형 마찰 접합은 접합 계면으로부터 연화된 버(burr)를 배출함으로써 신생면을 접촉시켜 접합을 달성하는 것으로, 기본적으로는 마찰열에 의해 피접합 계면 근방을 충분히 승온(연화)할 필요가 있다. 즉, 원하는 접합 온도를 정확하게 설정하는 것은 곤란하고, 특히 저온화하는 것은 보다 어렵다.
이상과 같은 종래 기술에서의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 접합 온도의 정확한 제어가 가능하고, 접합 온도를 저온화할 수 있는 선형 마찰 접합 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해, 접합 온도에 미치는 접합 조건의 관계 등에 대해 면밀히 연구를 거듭한 결과, 접합 압력과 접합 온도가 밀접하게 관계되어 있음을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명은,
한쪽의 부재를 다른 쪽의 부재에 접촉시켜 피접합 계면을 형성하는 제1 공정과,
상기 피접합 계면에 대해 대략 수직으로 압력을 인가한 상태로, 상기 한쪽의 부재와 상기 다른 쪽의 부재를 동일 궤적 상에서 반복하여 슬라이딩시켜, 상기 피접합 계면으로부터 버(burr)를 배출시키는 제2 공정과,
상기 슬라이딩을 정지하여 접합면을 형성하는 제3 공정을 가지며,
상기 압력을, 원하는 접합 온도에서의 상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재의 항복 응력 이상이며 인장 강도 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법을 제공한다.
도 1에 선형 마찰 접합 중의 상황을 나타내는 모식도를 나타낸다. 선형 마찰 접합은 피접합재끼리를 선형 운동으로 서로 마찰시킬 때에 발생하는 마찰열을 주요한 열원으로 하는 고상 접합이다. 종래의 선형 마찰 접합에서는, 승온에 의해 연화된 재료를 피접합 계면으로부터 버로서 배출함으로써, 피접합 계면에 형성하였던 산화 피막을 제거하고, 신생면끼리를 접촉시킴으로써 접합부가 얻어진다고 되어 있다.
선형 마찰 접합에서는 피접합재끼리의 슬라이딩에 의해 마찰열을 발생시키는 경우, 인가 압력의 증가에 따라 발열량이 증가하고, 접합 온도는 높아진다고 생각하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명자가 면밀히 검토를 행한 바, 인가 압력의 증가에 따라 접합 계면 근방의 온도(이른바 「접합 온도」)가 저하된다는 현상이 인식되었다.
구체적으로는, 선형 마찰 접합의 인가 압력을 증가시키면 상기 마찰열은 증가하지만, 연화된 재료는 버가 되어 연속적으로 배출되기 때문에, 연화된 재료에 인가되는 압력(버를 배출하는 힘)에 의해 「접합 온도」가 결정된다. 즉, 인가 압력을 높게 설정한 경우, 보다 높은 강도(항복 강도가 높은 상태)의 피접합재를 버로서 배출할 수 있다. 여기서, 「보다 항복 강도가 높은 상태」란, 「보다 저온의 상태」를 의미하기 때문에, 인가 압력의 증가에 의해 「접합 온도」가 저하되게 된다. 항복 강도와 온도의 관계는 재료에 따라 거의 일정하기 때문에, 마찰열을 이용한 경우와 비교하여 매우 정확하게 접합 온도를 제어할 수 있다.
즉, 본 발명에서는, 선형 마찰 접합시의 압력을, 원하는 접합 온도에서의 한쪽의 부재 및/또는 다른 쪽의 부재의 항복 응력 이상이며 인장 강도 이하로 설정함으로써 접합 온도를 제어할 수 있다. 여기서, 선형 마찰 접합시의 압력을 피접합재의 항복 응력 이상으로 함으로써 피접합 계면으로부터의 버의 배출이 개시되고, 인장 강도까지의 사이에서 이 압력을 증가시키면, 버의 배출이 가속되게 된다. 항복 응력과 마찬가지로, 특정 온도에서의 인장 강도도 피접합재에 따라 거의 일정하기 때문에, 설정한 압력에 대응하는 접합 온도를 실현할 수 있다.
본 발명의 선형 마찰 접합 방법에서는, 선형 마찰 접합시의 압력을, 원하는 접합 온도에서의 한쪽의 부재 및/또는 다른 쪽의 부재의 항복 응력으로 설정하는 것이 바람직하다. 선형 마찰 접합에 있어서, 버의 배출이 개시되는 것은 압력이 항복 응력에 도달한 순간이며, 이 압력을 보다 높은 값(인장 강도를 상한으로서)으로 한 경우에 비해, 보다 정확하게 원하는 접합 온도를 실현할 수 있다.
본 발명의 선형 마찰 접합 방법에서는, 상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재를 철계 금속으로 하는 것이 바람직하다. 철계 금속은 선형 마찰 접합의 접합 프로세스에 견딜 수 있는 기계적 특성을 가지고 있기 때문에, 피접합재를 철계 금속으로 함으로써, 접합 프로세스 중에서의 불필요한 개소에서의 변형 등을 방지할 수 있다. 덧붙여, 선형 마찰 접합은 고상 접합이며, 일반적인 용융 접합에서는 현저하게 인식되는 접합부의 기계적 특성의 저하를 억제할 수 있다. 또, 본 발명에서 철계 금속이란, 조성에 있어서 철을 주로 하는 금속을 의미하고, 예를 들어, 여러 가지 강이나 주철 등이 포함된다.
또한, 본 발명의 선형 마찰 접합 방법에서는, 접합 온도를 피접합재로서 이용하는 철계 금속의 A1점 이하로 하는 것이 바람직하다. 철계 금속에서는 상변태에 따라 무른(취성의) 마텐자이트가 형성되어, 접합이 곤란한 경우 및 접합부가 취화되어 버리는 경우가 존재한다. 이에 대해, 본 발명의 선형 마찰 접합 방법에 의해 접합 온도를 A1점 이하로 함으로써, 상변태가 발생하지 않기 때문에, 무른 마텐자이트의 형성을 완전히 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 선형 마찰 접합 방법에서는, 상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재를 티타늄 또는 티타늄 합금으로 하는 것이 바람직하다. 티타늄 또는 티타늄 합금은 선형 마찰 접합의 접합 프로세스에 견딜 수 있는 기계적 특성을 가지고 있기 때문에, 피접합재를 티타늄 또는 티타늄 합금으로 함으로써, 접합 프로세스 중에서의 불필요한 개소에서의 변형 등을 방지할 수 있다. 덧붙여, 선형 마찰 접합은 고상 접합이므로, 일반적인 용융 접합에서는 현저하게 인식되는 접합부의 기계적 특성의 저하를 억제할 수 있다.
나아가 본 발명의 선형 마찰 접합 방법에서는, 피접합재를 티타늄 또는 티타늄 합금으로 한 경우의 상기 접합 온도를, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 β트랜서스 온도(beta transus temperature) 이하로 하는 것이 바람직하다. 접합 온도를 티타늄 또는 티타늄 합금의 β트랜서스 온도 이하로 함으로써, 접합부의 조직을 미세 등축립(等軸粒)으로 할 수 있어, 높은 강도와 인성(靭性)을 겸비한 접합부를 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 접합 온도의 정확한 제어가 가능하고, 접합 온도를 저온화할 수 있는 선형 마찰 접합 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 선형 마찰 접합의 일 태양을 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 선형 마찰 접합의 접합 공정을 나타내는 모식도이다.
도 3은, 각 온도에서의 탄소강의 변형 응력(항복 응력)을 나타내는 그래프이다.
도 4는, 각 온도에서의 각종 금속의 인장 강도를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 실시예에서 얻어진 접합부의 단면 관찰 결과이다(100MPa).
도 6은, 실시예에서 얻어진 접합부의 단면 관찰 결과이다(200MPa).
도 7은, 실시예에서 얻어진 접합부의 단면 관찰 결과이다(250MPa).
도 8은, 실시예에서 얻어진 접합부의 접합 중심부 및 접합 단부의 입계 매핑 및 입경 분포이다(250MPa).
도 9는, 실시예에서 이용한 피접합재의 응력 변형 곡선이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 선형 마찰 접합 방법의 대표적인 실시형태에 대해 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서는, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략하는 경우가 있다. 또한, 도면은, 본 발명을 개념적으로 설명하기 위한 것이기 때문에, 나타난 각 구성요소의 치수나 이들의 비는 실제의 것과는 다른 경우도 있다.
도 2는 본 발명의 선형 마찰 접합의 접합 공정을 나타내는 모식도이다. 본 발명의 선형 마찰 접합 방법은, 한쪽의 부재(2)를 다른 쪽의 부재(4)에 접촉시켜 피접합 계면(6)을 형성하는 제1 공정과, 피접합 계면(6)에 대해 대략 수직으로 압력을 인가한 상태로, 한쪽의 부재(2)와 다른 쪽의 부재(4)를 동일 궤적 상에서 반복하여 슬라이딩시켜, 슬라이딩의 방향과 대략 평행 및 대략 수직으로 피접합 계면으로부터 버(8)를 배출시키는 제2 공정과, 슬라이딩을 정지하여 접합면을 형성하는 제3 공정을 가지고 있다. 이하, 각 공정에 대해 상세하게 설명한다.
(1-1) 제1 공정
제1 공정은, 한쪽의 부재(2)를 다른 쪽의 부재(4)에 접촉시켜 피접합 계면(6)을 형성하는 공정이다. 접합부의 형성을 원하는 개소로 한쪽의 부재(2) 및/또는 다른 쪽의 부재(4)를 이동시켜, 피접합면끼리를 접촉시켜, 피접합 계면(6)을 형성한다.
한쪽의 부재(2) 및 다른 쪽의 부재(4)의 재질은, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에서 특별히 한정되지 않고, 선형 마찰 접합에 의해 접합 가능한 금속상을 가지고 있으면 되지만, 철계 금속, 티타늄 또는 티타늄 합금인 것이 바람직하다. 철계 금속, 티타늄 또는 티타늄 합금은 선형 마찰 접합의 접합 프로세스에 견딜 수 있는 기계적 특성을 가지고 있기 때문에, 피접합재를 이들 금속으로 함으로써, 접합 프로세스 중에서의 불필요한 개소에서의 변형 등을 방지할 수 있다. 덧붙여, 선형 마찰 접합은 고상 접합이므로, 일반적인 용융 접합에서는 현저하게 인식되는 접합부의 기계적 특성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 한쪽의 부재(2) 및 다른 쪽의 부재(4)의 형상 및 크기는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에서 특별히 한정되지 않고, 선형 마찰 접합 장치에 의해 원하는 가압 및 가진 등을 실현할 수 있는 것이면 되지만, 피접합 계면(6)을 정사각형 또는 직사각형으로 하는 것이 바람직하다. 피접합 계면(6)을 정사각형 또는 직사각형으로 함으로써, 버(8)의 배출 상황을 지표로 하여 접합(슬라이딩)을 정지하는 타이밍을 결정할 수 있다.
(1-2) 제2 공정
제2 공정은, 피접합 계면(6)에 대해 대략 수직으로 압력(P)을 인가한 상태로, 한쪽의 부재(2)와 다른 쪽의 부재(4)를 동일 궤적 상에서 반복하여 슬라이딩시켜, 슬라이딩의 방향과 대략 평행 및 대략 수직으로 피접합 계면(6)으로부터 버(8)를 배출시키는 공정이다.
한쪽의 부재(2)와 다른 쪽의 부재(4)를 동일 궤적 상에서 반복하여 슬라이딩시키는 방법은, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에서 특별히 한정되지 않고, 양쪽의 부재를 모두 가진시켜도 되고, 한쪽을 고정하고 다른 쪽을 가진시켜도 된다.
여기서, 본 발명의 선형 마찰 접합에서는, 선형 마찰 접합시의 압력(P)을, 원하는 접합 온도에서의 한쪽의 부재 및/또는 다른 쪽의 부재의 항복 응력 이상이며 인장 강도 이하로 설정함으로써, 접합 온도를 제어할 수 있다. 여기서, 압력(P)을 피접합재의 항복 응력 이상으로 함으로써 피접합 계면(6)으로부터의 버(8)의 배출이 개시되고, 인장 강도까지의 사이에서 압력(P)을 증가시키면, 버(8)의 배출이 가속되게 된다. 항복 응력과 마찬가지로, 특정 온도에서의 인장 강도도 피접합재에 따라 거의 일정하기 때문에, 설정한 압력(P)에 대응하는 접합 온도를 실현할 수 있다.
구체예로서, 각 온도에서의 탄소강의 변형 응력(항복 응력)을 도 3에, 각 온도에서의 각종 금속의 인장 강도를 도 4에 각각 나타낸다. 또, 도 3은 「철과 강, 제67년(1981) 제11호, 140페이지」에 게재된 그래프이며, 도 4는 「철과 강, 제72년(1986) 제6호, 55페이지」에 게재된 그래프이다. 이들 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 특정 온도에서의 인장 강도 및 항복 응력은 재료에 따라 거의 일정하다.
즉, 접합시의 압력(P)을 높게 설정한 경우, 보다 높은 항복 강도 및 인장 강도의 피접합재를 버로서 배출할 수 있고, 접합 온도를 저하시킬 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 특정 온도에서의 인장 강도 및 항복 응력은 재료에 따라 거의 일정하기 때문에, 매우 정확하게 접합 온도를 제어할 수 있다.
또한, 보다 정확하게 접합 온도를 제어하기 위해서는, 압력(P)을 원하는 접합 온도에서의 한쪽의 부재 및/또는 다른 쪽의 부재의 항복 응력으로 설정하는 것이 바람직하다. 선형 마찰 접합에 있어서, 버(8)의 배출이 개시되는 것은 압력(P)이 항복 응력에 도달한 순간이며, 압력(P)을 보다 높은 값(인장 강도를 상한으로 하여)으로 한 경우에 비해, 보다 정확하게 접합 온도를 규정할 수 있다.
바꾸어 말하면, 마찰열에 의한 온도 상승에 의해 피접합재의 항복 응력이 저하되고, 이 항복 응력이 압력(P)보다 낮아진 순간에 버(8)의 배출이 개시된다. 여기서, 피접합재를 슬라이딩시키는 진폭이나 주파수를 증가시킴으로써 승온 속도는 증가하지만, 최고 도달 온도(접합 온도)는 변화하지 않는다.
선형 마찰 접합에서는, 압력(P) 이외의 접합 파라미터(피접합재를 가진하는 주파수 및 진폭, 접합 시간 및 마모 여유 길이 등)도 설정할 필요가 있는데, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에서 이들 값은 제한되지 않고, 피접합재의 재질, 형상 및 크기 등에 따라 적절히 설정하면 된다.
한쪽의 부재(2) 및/또는 다른 쪽의 부재(4)를 철계 금속으로 하는 경우, 접합 온도를 피접합재로서 이용하는 철계 금속의 A1점 이하로 하는 것이 바람직하다. 철계 금속에서는 상변태에 의해 무른 마텐자이트가 형성되어, 접합이 곤란한 경우 및 접합부가 취화되어 버리는 경우가 존재한다. 이에 대해, 본 발명의 선형 마찰 접합 방법에 의해 접합 온도를 A1점 이하로 함으로써, 상변태가 발생하지 않기 때문에, 무른 마텐자이트의 형성을 완전히 억제할 수 있다.
또한, 한쪽의 부재(2) 및/또는 다른 쪽의 부재(4)를 티타늄 또는 티타늄 합금으로 하는 경우, 접합 온도를, 티타늄 또는 티타늄 합금의 β트랜서스 온도 이하로 하는 것이 바람직하다. 접합 온도를 티타늄 또는 티타늄 합금의 β트랜서스 온도 이하로 함으로써, 접합부의 조직을 미세 등축립으로 할 수 있고, 높은 강도와 인성을 겸비한 접합부를 형성할 수 있다.
(1-3) 제3 공정
제3 공정은, 제2 공정에서의 슬라이딩을 정지하여 접합면을 형성하는 공정이다. 본 발명의 선형 마찰 접합 방법에서는, 피접합 계면(6)의 전체면으로부터 버(8)가 배출된 후에 슬라이딩을 정지시킴으로써, 양호한 접합체를 얻을 수 있다. 또, 제2 공정에서 피접합재에 인가한 압력(P)은 그대로 유지해도 되고, 버(8)를 배출함과 아울러 신생면을 보다 강하게 접촉시킬 목적으로, 보다 높은 값으로 해도 된다.
여기서, 피접합 계면(6)의 전체면으로부터 버(8)가 배출된 후이면 슬라이딩을 정지하는 타이밍은 한정되지 않지만, 슬라이딩의 방향에 대해 대략 수직인 방향으로부터 피접합 계면(6)을 관찰하여, 버(8)가 슬라이딩의 방향에 대해 대략 평행하게 배출된 순간에 슬라이딩의 정지를 실행함으로써, 버(8)의 배출량을 최소한으로 억제하면서(피접합재의 소비를 최소한으로 억제하면서), 양호한 접합부를 형성할 수 있다. 또, 「슬라이딩의 방향과 대략 수직 방향」 및 「슬라이딩의 방향과 대략 평행 방향」은, 모두 인가 압력에 대해 대략 수직인 방향이다.
선형 마찰 접합의 접합 프로세스는 고속으로 진행하는 것에 더하여, 슬라이딩의 정지를 실행한 후, 완전히 동작이 정지하기까지 0.2~0.5초 경과하는 것이 일반적이다. 이에 따라, 버(8)의 배출을 최소한으로 억제하면서, 피접합 계면의 전체면에 양호한 접합 영역을 형성하는 것은 매우 곤란하지만, 버(8)가 슬라이딩의 방향에 대해 대략 평행하게 배출된 순간에 슬라이딩의 정지를 실행함으로써, 이를 실현할 수 있다(버(8)가 슬라이딩의 방향에 대해 대략 평행하게 배출된 순간부터 슬라이딩이 완전히 정지하는 동안에, 피접합 계면의 전체면에 접합 영역이 형성된다).
또한, 슬라이딩의 방향에 대해 대략 수직인 방향으로부터 피접합 계면(6)을 관찰하여, 슬라이딩의 방향에 대해 대략 수직으로 배출되는 버(8)가 피접합 계면(6)의 상하 양단에 도달한 순간에 슬라이딩을 정지함으로써, 슬라이딩의 방향에 대해 대략 평행하게 버(8)가 배출된 순간에 슬라이딩을 정지하는 경우와 비교하여, 버(8)의 배출량은 약간 많아지지만, 보다 확실히 산화물의 제거 등을 달성할 수 있다.
여기서, 슬라이딩의 방향에 대해 대략 수직인 방향으로부터 피접합 계면(6)을 관찰함으로써, 슬라이딩의 방향에 대해 대략 수직으로 배출되는 버(8)가 피접합 계면(6)의 상하 양단에 도달한 순간을 용이하게 파악할 수 있다. 구체적으로는, 버(8)의 배출에 따라 피접합 계면(6)이 발광하기 때문에, 이러한 발광이 피접합 계면(6)의 상하 양단에 도달한 순간을 관찰하면 된다.
이상, 본 발명의 대표적인 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니고, 여러 가지 설계 변경이 가능하며, 이들 설계 변경은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
실시예
피접합재에 판두께 2.6mm의 중탄소강(JIS-S45C: 0.48% C-0.77% Mn-0.23% Si-0.08% Cr)을 이용하여 선형 마찰 접합을 실시하였다. 피접합재의 모재 조직은 페라이트-펄라이트 조직이었다. 접합 조건은, 가진의 주파수를 15Hz, 진폭을 2mm로 일정하게 하고, 인가 압력을 100~250MPa의 범위에서 변화시켰다.
얻어진 조인트는 절단 및 연마 후, 광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 단면 조직 관찰을 행하였다. SEM으로는 니혼(日本) 전자 주식회사 제품의 JSM-7001FA를 이용하였다.
도 5에 인가 압력을 100MPa로 하여 얻어진 조인트 접합부 단면의 광학 현미경 사진 및 접합부의 SEM 마이크로 조직을 나타낸다. 또, SEM 마이크로 조직의 관찰 위치는, 광학 현미경 사진의 (a)~(c)에 대응한다.
인가 압력을 100MPa로 한 경우, (a)에서는 미세한 페라이트 및 구상(球狀)의 시멘타이트가 관찰되고, 이 영역에서는 접합 온도가 피접합재의 A1점 이하가 되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, (b) 및 (c)에서는 마텐자이트가 형성되어 있고, 이들 영역에서는 접합 온도가 A1점 이상이 되어 있다.
도 6에 인가 압력을 200MPa로 하여 얻어진 조인트 접합부 단면의 광학 현미경 사진 및 접합부의 SEM 마이크로 조직을 나타낸다. 또, SEM 마이크로 조직의 관찰 위치는, 광학 현미경 사진의 (a) 및 (b)에 대응한다.
인가 압력을 200MPa로 한 경우, (a)에서는 미세한 페라이트 및 구형의 시멘타이트가 관찰되고, 이러한 영역에서는 접합 온도가 피접합재의 A1점 이하가 되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, (b)에서는 마텐자이트가 형성되어 있고, 이들 영역에서는 접합 온도가 A1점 이상이 되어 있다. 그러나, 광학 현미경 관찰에서 하얗게 관찰되는 마텐자이트가 형성된 영역은 100MPa보다 대폭으로 감소되어 있어, 인가 압력의 증가(100MPa→200MPa)에 따라, 접합 온도가 저하된 것이 시사된다.
도 7에 인가 압력을 250MPa로 하여 얻어진 조인트 접합부 단면의 광학 현미경 사진 및 접합부의 SEM 마이크로 조직을 나타낸다. 또, SEM 마이크로 조직의 관찰 위치는, 접합부 단면의 중심 및 단부에 대응한다.
인가 압력을 250MPa로 한 경우, 접합부 전부에서 미세한 페라이트 및 구형의 시멘타이트로 이루어지는 조직이 관찰되었다. 이러한 결과는, 접합 온도가 접합부의 전체 영역에서 피접합재의 A1점 이하가 되어 있는 것을 의미한다.
도 8에 인가 압력을 250MPa로 하여 얻어진 조인트의 접합 중심부 및 접합 단부의 입계 매핑 및 입경 분포를 나타낸다. 또, 측정에는 FE-SEM(니혼 전자 주식회사 제품 JSM-7001FA) 및 TSL사 제품의 OIMdatacollection ver5.31을 이용하였다. 접합 중심부의 평균 입경은 0.70μm, 접합 단부의 평균 입경은 0.48μm가 되어 있고, 모두 평균 입경이 1μm 이하인 미세립이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
인가 압력을 100MPa~250MPa로 한 경우의 접합부의 조직 관찰 결과에 의해, 인가 압력의 증가에 따라, 접합 온도가 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 열화상 카메라(CINO사 제품 CPA-T640)를 이용하여, 접합 중의 최고 도달 온도(접합 온도)를 측정하였다. 열화상 카메라에 의해 얻어지는 값의 절대값은 반드시 정확하지 않지만, 접합 온도에 미치는 접합 조건의 영향에 대해 경향을 파악할 수 있다.
열화상 카메라에 의해 계측된 접합 온도는, 인가 압력이 100MPa인 경우에 864℃, 200MPa인 경우에 677℃, 250MPa인 경우에 600℃이었다. 열화상 카메라에 의해 측정할 수 있는 것은 접합부의 표면 근방의 온도이지만, 접합 온도는 인가 압력의 증가에 따라 명료하게 감소하고 있다.
나아가 피접합재의 온도와 항복 응력 및 인장 강도의 관계를 명확히 하기 위해, 여러 가지 온도에서 피접합재의 고온 인장 시험을 행하였다. 시험 온도는, 피접합재에서 A1점 이하가 되는 700℃, A1점~A3점의 온도가 되는 740℃, 및 A3점 이상이 되는 800℃로 하고, 인장 속도는 인가 압력을 100, 200 및 250MPa으로 선형 마찰 접합을 실시한 경우의, 피접합재 마모 속도(피접합재들이 상호 접근하는 방향에 있어서의 피접합재들 간의 상대속도)의 평균값인 2.8mm/s로 하였다. 각 온도에서 3회의 시험을 행하여, 얻어진 응력 변형 곡선을 도 9에 나타낸다.
모든 온도에서, 항복 후에 가공 경화가 진행되고, 인장 강도에 도달한 후에 응력이 저하되어 있다. 도 9로부터 얻어지는 0.2% 내력(항복 응력) 및 인장 강도를 표 1에 나타낸다. 시험 온도의 상승에 따라 0.2% 내력(항복 응력) 및 인장 강도가 저하되어 있고, 0.2% 내력(항복 응력)에 주목하면, 접합부의 모든 영역에서 접합 온도가 A1점 이하가 된 접합 조건의 인가 압력이 250MPa이었던 것에 대해, 700℃(A1점 이하)에서의 항복 응력이 212.6MPa가 되어 매우 좋은 일치를 나타내고 있다.
Figure pct00001
2…한쪽의 부재
4…다른 쪽의 부재
6…피접합 계면
8…버

Claims (6)

  1. 한쪽의 부재를 다른 쪽의 부재에 접촉시켜 피접합 계면을 형성하는 제1 공정과,
    상기 피접합 계면에 대해 대략 수직으로 압력을 인가한 상태로, 상기 한쪽의 부재와 상기 다른 쪽의 부재를 동일 궤적 상에서 반복하여 슬라이딩시켜, 상기 피접합 계면으로부터 버(burr)를 배출시키는 제2 공정과,
    상기 슬라이딩을 정지하여 접합면을 형성하는 제3 공정을 가지며,
    상기 압력을, 원하는 접합 온도에서의 상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재의 항복 응력 이상이며 인장 강도 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력을, 원하는 상기 접합 온도에서의 상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재의 항복 응력으로 설정하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재를 철계 금속으로 하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 접합 온도를 상기 철계 금속의 A1점 이하로 하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 한쪽의 부재 및/또는 상기 다른 쪽의 부재를 티타늄 또는 티타늄 합금으로 하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 접합 온도를 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 β트랜서스 온도(beta transus temperature) 이하로 하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 접합 방법.
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