KR20200036915A - 복동식 마찰 교반 점 접합 방법 및 복동식 마찰 교반 점 접합 장치 - Google Patents

Abstract

마찰 교반 점 접합 방법은, 회전 공구가 구비된 복동식 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여, 적어도 한 쪽의 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서, 서로의 접합면이 겹쳐져 있는 한 쌍의 피 접합물 중 한 쪽의 피 접합물의 표면을 회전 공구의 클램프 부재의 단면에 의해 가압된 상태에서, 회전 공구의 숄더 부재를 축선 둘레로 회전시키면서 한 쪽의 피 접합물에 접합면보다 표면 측인 위치까지 숄더 부재의 선단을 압입하는 것에 의해서, 숄더 부재의 회전에 의해 도막을 제거하는 도막 제거 단계와, 도막 제거 단계 후, 회전 공구의 핀 부재와 숄더 부재에 의해 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계를 구비한다.

Description

복동식 마찰 교반 점 접합 방법 및 복동식 마찰 교반 점 접합 장치

본 발명은 접합면에 도막(塗膜)이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 복동(復動)식 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 접합하는 경우, 커플링 부분의 접합 강도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.

예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 서로 독립적으로 미리 정해진 축선 둘레를 회전 가능하고 또한 상기 축선 방향으로 진퇴(進退) 가능한 핀 부재 및 숄더(shoulder) 부재와, 숄더 부재의 외주를 둘러싸고 또한 상기 축선 방향으로 진퇴 가능한 클램프 부재가 형성된 복동식 마찰 교반 점 접합 장치가 알려져 있다.

일본 공개특허 특개2012-196682호 공보

마찰 교반 점 접합하려고 하는 한 쌍의 피 접합물의 접합면에는 도막이 형성되는 경우가 있다. 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 복동식 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여 마찰 교반 점 접합하려고 하면 한 쌍의 피 접합물의 마찰 교반되는 영역에 도막이 잔류하여 접합 강도가 저하될 우려가 있다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 복동식 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 접합하는 경우에, 한 쌍의 피 접합물의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 마찰 교반 점 접합 방법은, 회전 공구가 구비된 복동식 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여, 적어도 한 쪽의 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서, 상기 회전 공구는 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재와, 상기 한 쌍의 피 접합물 중 어느 한 쪽의 피 접합물의 표면과 면 접촉하여 상기 표면을 가압 가능한 단면을 구비하고 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 형성된 클램프 부재를 구비하고, 서로의 상기 접합면이 겹쳐져 있는 상기 한 쌍의 피 접합물 중 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면을 상기 클램프 부재의 상기 단면에 의해 가압된 상태에서, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물에 상기 접합면보다 상기 표면 측인 위치까지 상기 숄더 부재의 선단을 압입(壓入)하는 것에 의해서, 상기 숄더 부재의 회전에 의해 상기 도막을 제거하는 도막 제거 단계와, 상기 도막 제거 단계 후, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재에 의해 상기 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계를 구비한다.

상기 방법에 따르면, 한 쌍의 피 접합물 중 적어도 한 쪽의 접합면에 형성된 도막이 접합 단계 이전의 도막 제거 단계에서 제거된다. 따라서, 접합 단계에서 마찰 교반 점 결합되는 한 쌍의 피 접합물의 마찰 교반되는 영역에 도막이 잔류하는 것이 방지된다. 따라서, 피 접합물의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있다.

상기 도막 제거 단계에서는, 상기 숄더 부재의 회전에 의해 발생한 열로 상기 도막을 열분해하여도 좋다. 이와 같이, 숄더 부재의 회전에 의해 발생한 열을 이용하여 도막을 제거하여 도막을 접합면으로부터 효율적으로 제거할 수 있다.

상기 도막 제거 단계에서는, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물에 상기 접합면보다 상기 표면 측에 위치하는 대기 위치까지 상기 숄더 부재의 상기 선단을 압입한 후, 상기 숄더 부재의 상기 선단을 상기 대기 위치에 위치시킨 상태에서 소정 시간 대기시켜도 좋다.

상기 방법에 따르면, 도막 제거 단계에서 숄더 부재의 선단을 대기 위치에 위치시킨 상태에서 숄더 부재를 소정 시간 대기시키는 것으로, 회전하는 숄더 부재로부터 접합면으로의 입열(入熱)량을 증가시켜 도막을 열분해 온도 이상으로 가열하여 도막을 잘 분해시킬 수 있다.

상기 도막 제거 단계와 상기 접합 단계 사이에서, 상기 숄더 부재의 상기 선단을 상기 대기 위치로부터 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면 위치로 회수하는 회수 단계를 더 포함하여도 좋다. 상기 방법에 따르면, 도막을 열분해한 후에 공기에 접촉하기 쉽게 하여, 도막의 분해 성분을 공기 중으로 방출하기 쉽게 할 수 있다.

상기 도막 제거 단계에서는, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면으로부터 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 접합면보다 상기 표면 측에 위치하는 기준 위치까지 상기 숄더 부재의 상기 선단을 제1 속도로 압입하고, 또한, 상기 기준 위치로부터 접합 위치까지 상기 숄더 부재의 상기 선단을 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 압입하여도 좋다.

상기 방법에 따르면, 도막 제거 단계에서 기준 위치로부터 접합 위치까지 숄더 부재의 선단을 제1 속도보다 느린 제2 속도로 한 쪽의 접합물에 압입하여 숄더 부재의 회전에 의해 발생한 열에 의해 도막을 열분해 온도 이상으로 가열하여 도막을 잘 분해시킬 수 있다.

상기 도막 제거 단계 전에, 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면을 상기 클램프 부재의 상기 단면에 의해 가압한 상태에서, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 소정 시간 대기하는 예비 단계를 더 구비하여도 좋다.

상기 방법에 따르면, 예비 단계에서 한 쪽의 피 접합물의 표면을 예비적으로 가열함으로써 한 쌍의 피 접합물의 커플링 부분의 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 복동식 마찰 교반 점 접합 장치는, 적어도 한 쪽의 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 복동식 마찰 교반 점 접합 장치로서, 회전 공구와, 상기 회전 공구를 구동시키는 공구 구동부와, 상기 공구 구동부를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 회전 공구는 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재와, 상기 한 쌍의 피 접합물 중 어느 한 쪽의 피 접합물의 표면과 면 접촉하여 상기 표면을 가압 가능한 단면을 구비하고 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 형성된 클램프 부재를 구비하고, 상기 제어부는, 서로의 상기 접합면이 겹쳐져 있는 상기 한 쌍의 피 접합물 중 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면을 상기 클램프 부재의 상기 단면에 의해 가압된 상태에서, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물에 상기 접합면보다 상기 표면 측인 위치까지 상기 숄더 부재의 선단을 압입하는 것에 의해서, 상기 숄더 부재의 회전에 의해 상기 도막을 제거하도록 상기 공구 구동부를 제어하는 도막 제거 제어와, 상기 도막 제거 단계 후, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재에 의해 상기 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하도록 상기 공구 구동부를 제어하는 접합 제어를 실행한다.

상기 구성에 따르면, 한 쌍의 피 접합물 중 적어도 한 쪽의 접합면에 형성된 도막이 접합 제어 전에 실행되는 도막 제거 제어에 의해 제거되기 때문에, 접합 단계에서 마찰 교반 점 결합되는 한 쌍의 피 접합물의 마찰 교반된 영역에 도막이 잔류하는 것이 방지된다. 따라서, 피 접합물의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 각 측면에 따르면, 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 복동식 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 접합하는 경우에 한 쌍의 피 접합물의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있다.

[도 1] 제1 실시예에 따른 복동식 마찰 교반 점 접합 장치의 요부 구성도이다.
[도 2] 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 도시하는 단계도이다.
[도 3] 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법에서 핀 부재와 숄더 부재의 선단 위치를 도시하는 그래프이다.
[도 4] (a) ~ (e)는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
[도 5] 종래의 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
[도 6] 제2 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법의 핀 부재와 숄더 부재의 선단 위치를 도시하는 그래프이다.
[도 7] 제3 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법의 핀 부재와 숄더 부재의 선단 위치를 도시하는 그래프이다.
[도 8] 제4 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법의 예비 단계를 도시하는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 각각의 실시예를 설명한다.

(제1 실시예)

도 1은 제1 실시예에 따른 복동식 마찰 교반 점 접합 장치(1)의 요부 구성도이다. 도 1은 회전 공구(2)를 단면으로 도시하는 동시에, 회전 공구(2)와 공구 구동부(3)의 연결을 점선에 의해 모식적으로 나타내고 있다.

장치(1)는 한 쌍의 피 접합물(W)(일례로서 한 쌍의 판재(제1 판재(W1) 및 제2 판재(W2))를 마찰 교반 점 접합한다. 한 쌍의 피 접합물(W)은 알루미늄 합금으로 되어 있지만, 한 쌍의 피 접합물(W)의 재질은 이에 한정되지 않는다.

한 쌍의 피 접합물(W)은 적어도 한 쪽(여기에서는 모두)의 접합면에 도막이 형성되어 있다. 도막은 열분해 가능한 수지를 포함한다. 도막으로는, 예를 들어, 방식도료(防食塗料)(일례로 에폭시 수지)를 주성분으로 하는 것이나 실런트(sealant) 등 한 쌍의 피 접합물(W)의 표면을 보호하기 위한 층(표면 보호층)을 들 수 있다.

장치(1)는 회전 공구(2), 공구 구동부(3), 제어부(4) 및 받침부(5)를 구비한다. 공구 구동부(3)는 회전 공구(2)를 미리 정해진 복수의 위치로 이동시킴과 동시에, 회전 공구(2)를 회전 구동시킨다. 제어부(4)는 회전 공구(2)가 구비하는 각각의 요소(6 ~ 8)를 구동시키도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 공구 구동부(3)의 구체적인 구조는 한정되지 않으며, 예를 들어 공지의 구조를 이용할 수 있다.

제어부(4)는 일례로서 CPU, ROM 및 RAM 등을 구비한 컴퓨터이고, 공구 구동부(3)의 동작을 제어한다. ROM에는 후술하는 도막 제거 제어와 연결 제어를 위한 소정의 제어 프로그램이 저장된다. RAM에는 운영자에 의해 입력된 설정 정보가 저장된다. 이러한 설정 정보는, 예를 들어, 판재(W1, W2)의 각각의 두께 값의 정보와 각각의 접합 위치 정보가 포함된다.

받침부(5)는 지지부이고, 한 쌍의 피 접합물(W)을 사이에 두고 회전 공구(2)와 반대측에 배치되어 한 쌍의 피 접합물(W)을 지지한다. 받침부(5)의 일부는 한 쌍의 피 접합물(W)을 사이에 두고 회전 공구(2)와 마주한다.

회전 공구(2)는 핀 부재(6), 숄더 부재(7) 및 클램프 부재(8)를 구비한다. 회전 공구(2)는, 핀 부재(6)의 외측에 숄더 부재(7)가 배치되고, 숄더 부재(7)의 외측에 클램프 부재(8)가 배치된 중첩 구조를 가진다.

핀 부재(6)는 미리 정해진 축선(P) 둘레를 회전하고, 또한 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 설치되어 있다. 본 실시예에 따른 핀 부재(6)는 축선(P) 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 핀 부재(6)의 축선(P) 방향 단부(핀 부재(6)의 한 쌍의 피 접합물(W)과는 반대측의 단부)은 공구 구동부(3)의 고정부(도시하지 않음)에 지지되어 있다.

숄더 부재(7)는 핀 부재(6)의 외주를 둘러싼 상태에서 축선(P) 둘레를 회전하고 또한 핀 부재(6)와는 독립적으로 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 설치되어 있다. 숄더 부재(7)는 중공부(7a)를 구비하고, 핀 부재(6)는 숄더 부재(7)의 중공부(7a)에 삽입되어 있다.

본 실시예에 따른 회전 공구(2)는 숄더 부재(7)의 중공부(7a)에 핀 부재(6)가 삽입된 상태에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 각각 독립적으로 축선(P) 둘레를 회전하고 또한 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 설치되어 있다. 또한, 숄더 부재(7)는 축선(P) 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성되어 있다.

클램프 부재(8)은 숄더 부재(7)의 외주를 둘러싸도록 설치되어 있다. 또한, 클램프 부재(8)는 핀 부재(6) 및 숄더 부재(7)와 독립하여 축선(P) 방향으로 진퇴 가능하게 설치되어 있다. 클램프 부재(8)는 중공부(8b)를 구비하고, 숄더 부재(7)는 클램프 부재(8)의 중공부(8b)에 삽입되어 있다. 또한, 클램프 부재(8)는 한 쌍의 피 접합물(W) 중 한 쪽의 피 접합물의 표면(여기에서는 제1 판재(W1)의 판면)과 면 접촉하여 상기 표면을 가압 가능한 단면(8a)을 구비한다.

클램프 부재(8)의 축선(P) 방향 후단부에는 축선(P) 방향으로 한 쌍의 피 접합물(W)을 향해 클램프 부재(8)에 부세(付勢)력을 부여하는 스프링(9)이 배치되어 있다. 클램프 부재(8)는 스프링(9)으로부터의 부세력에 의해, 받침부(5)에 지지된 한 쌍의 피 접합물(W)을 축선(P) 방향으로 가압한다. 클램프 부재(8)가 한 쌍의 피 접합물(W)로부터 후퇴할 때, 클램프 부재(8)는 스프링(9)을 압축시키면서 한 쌍의 피 접합물(W)로부터 후퇴하게 된다.

여기서, 장치(1)는, 예를 들어, C 형 프레임 구조를 구비하여도 좋다. 이 경우, 회전 공구(2), 공구 구동부(3) 및 제어부(4)는 장치(1)의 상부에 배치되고 받침부(5)는 장치(1)의 하부에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 장치(1)는, 예를 들어, 다관절 로봇에 장착되어 있어도 좋다. 또한, 장치(1)는 회전 공구(2), 공구 구동부(3) 및 제어부(4)가 다관절 로봇에 설치되고, 받침부(5)가 상기 다관절 로봇과는 다른 구성(포지셔너 등)에 설치되어 있어도 좋다.

도 2는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 도시하는 단계도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 해당 방법에서는, 복수의 단계(S1 ~ S4)를 순서대로 포함하는 시퀀스를 실시한다.

구체적으로는, 소정의 접합 위치에서 마찰 교반 점 접합을 수행하기 위해 한 쌍의 피 접합물(W)에 대해 회전 공구(2)의 위치 조정을 수행하는 위치 조정 단계(S1)와, 위치 조정 단계(S1) 후, 서로의 접합면이 겹쳐져 있는 한 쌍의 피 접합물(W) 중 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면(제1 판재(W1)의 판면)을 클램프 부재(8)의 단면(8a)에 의해 가압한 상태에서 숄더 부재(7)를 축선(P) 둘레로 회전시키면서 한 쪽의 피 접합물의 접합면보다 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면 측의 위치까지 숄더 부재(7)의 선단을 압입하는(미는) 것에 의해서, 숄더 부재(7)의 회전에 의해 도막을 제거하는 도막 제거 단게(S2)를 수행한다. 제어부(4)는 이와 같이 도막의 제거를 수행할 수 있도록 공구 구동부(3)에 도막 제거 제어를 실행시킨다.

또한, 도막 제거 단계(S2) 후, 숄더 부재(7)의 선단을 한 쪽의 피 접합물 표면까지 회수하는 회수 단계(S3)와, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 한 쌍의 피 접합물(W)을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계(S4)를 수행한다. 제어부(4)는 이러한 한 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합을 수행하도록 공구 구동부(3)에 접합 제어를 실행시킨다.

본 실시예에 따르면, 도막 제거 단계(S2)를 실시하는 것에 의해서, 한 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반되는 영역 내에 도막이 잔류하는 것을 방지하고, 한 쌍의 피 접합물(W)의 접합 강도가 저하하는 것을 방지한다.

도 3은 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 선단 위치를 나타내는 그래프이다. 도 4의 (a) ~ (e)는 제1 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

구체적으로는, 최초에 운영자는 설정 정보를 장치(1)에 입력하고, 서로의 접합면이 겹쳐져 있는 한 쌍의 피 접합물(W)(판재(W1, W2))을 받침부(5)에 지지시킨다. 제어부(4)는, 회전 공구(2)가 미리 정해진 접합 위치까지 이동하도록 공구 구동부(3)을 제어한다(도 4(a)). 이에 따라서, 위치 조정 단계(S1)가 수행되고, 회전 공구(2)가 피 접합물(W)에 대해 위치 조정된다.

여기서, 한 쌍의 피 접합물(W)의 외표면에 도막이 형성되어 있는 경우, 도막의 종류 등에 따라 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 한 쌍의 피 접합물(W)의 외표면의 도막과 접촉하는 때에, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 각각의 선단의 위치가 한 쌍의 피 접합물(W)의 위치에 대해 흔들리기 쉬운 경우가 있는 것으로 생각된다. 따라서, 운영자는 이러한 흔들림을 방지할 수 있을 정도로 한 쌍의 피 접합물(W)이 받침부(5)에 의해 확실하게 지지되도록 설정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 제어부(4)는, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)가 회전 구동되도록 공구 구동부(3)를 제어함과 동시에, 숄더 부재(7)와 클램프 부재(8)가 제2 판재(W2)를 향해 소정의 위치까지 이동하도록 공구 구동부(3)를 제어한다(도 4(b)).

도 3에 도시된 바와 같이, 이 때 숄더 부재(7)의 선단은 시간(t1)에 제1 판재(W1)의 표면 위치(h0)에 접촉한 후, 시간(t2)에 대기 위치(h1)에 도달한다. 대기 위치(h1)는 제1 판재(W1)의 두께 방향(축선(P) 방향) 내부에서, 제1 판재(W1)의 접합면(접합 위치(h2))보다 제1 판재(W1)의 표면 위치(h0) 측에 위치하고 있다.

본 실시예에 따르면, 숄더 부재(7)를 축선(P) 둘레로 회전시키면서 대기 위치(h1)까지 숄더 부재(7)의 선단을 압입한 후, 숄더 부재(7)의 선단을 대기 위치(h1)에 위치시킨 상태에서 숄더 부재(7)를 소정 시간(t2 ~ t3 사이) 대기시킨다.

이상에 의해 도막 제거 단계(S2)가 수행되고, 한 쌍의 피 접합물(W)의 접합면 중 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 마찰 교반되는 영역에 존재하는 도막이, 숄더 부재(7)의 회전에 의해 발생한 열에 의해 열분해 온도 이상으로 가열되어 열분해된다. 열분해된 도막 성분은 제1 판재(W1)의 소성 유동에 의해 마찰 교반된 영역 내로 분산되어 해당 영역에 고용(固溶)되거나 기화되어 공기 중으로 방출된다. 또한, 당해 도막은 숄더 부재(7)의 회전에 의해 교반되어 분산된다. 이에 따라서, 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 의해 마찰 교반되는 영역 내의 도막은 소실되거나 양이 크게 감소된다.

여기서, 소정 시간 (t2 ~ t3 사이)은 적절하게 설정 가능하지만, 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면에 압입된 숄더 부재(7)의 회전에 의해 발생한 열에 의해, 한 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합되는 영역의 접합면에 존재하는 도막이 열분해되기 위해 필요한 입열량을 얻을 수 있는 값으로 설정한다.

다음으로, 제어부(4)는 도막 제거 단계(S2)와 접합 단계(S4) 사이의 시간(t3 ~ t4) 사이에 숄더 부재(7)의 선단을 대기 위치(h1)로부터 표면 위치(h0)까지 회수하도록 공구 구동부(3)를 제어한다. 이에 따라서, 회수 단계(S3)가 진행된다(도 4(c)).

다음으로 제어부(4)는 시간(t5 ~ t6)에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)를 축선(P) 둘레로 회전시키면서 숄더 부재(7)의 선단을 표면 위치(h0)로부터 한 쌍의 피 접합물(W)의 접합면보다 다른 쪽의 피 접합물(여기에서는 제2 판재(W2)) 측에 위치하는 교반 위치(h3)까지 도달하도록 공구 구동부(3)를 제어한다.

이상에 의해 접합 단계(S4)가 수행되고, 한 쌍의 피 접합물(W)에 마찰 교반된 영역(J)가 형성되어, 한 쌍의 피 접합물(W)이 마찰 교반 점 접합된다(도 4(d)). 제어부(4)는 시간(t6)에 숄더 부재(7)의 선단을 교반 위치(h3)에 도달시킨 후, 시간(t7)에서 숄더 부재(7)의 선단을 표면 위치(h0)까지 회수한다(도 4(e)). 이상으로 단계(S1 ~ S4)가 완료된다.

여기서, 한 쌍의 피 접합물(W)은 도막 제거 단계(S2)에서 숄더 부재(7)에 의해 마찰 교반됨으로써 도막 제거 단계(S2) 직후에도 어느 정도 접합되지만, 접합 단계(S4)를 실시하는 것으로, 더 확실하게 접합된다.

또한, 도 3의 예에서는, 숄더 부재(7)의 선단 위치와 연동하여 숄더 부재(7)의 선단이 한 쌍의 피 접합물(W)에 압입되면서. 핀 부재(6)의 선단이 한 쌍의 피 접합물(W)의 표면으로부터 이격되고 있고, 숄더 부재(7)의 선단이 한 쪽의 피 접합물의 표면 위치(h0)에 접근함에 따라 핀 부재(6)의 선단도 한 쪽의 피 접합물의 표면 위치(h0)에 접근하도록 제어부(4)에 의해 공구 구동부(3)가 제어된다.

이에 따라서, 숄더 부재(7)가 한 쌍의 피 접합물(W)에 압입되는 경우에는 숄더 부재(7)의 마찰 교반에 의해 생긴 한 쌍의 피 접합물(W)의 소성 유동부(W3)가 숄더 부재(7)의 내부로 유입된다. 또한, 숄더 부재(7)의 선단이 한 쪽의 피 접합물의 표면 위치(h0)에 접근하는 경우에는 숄더 부재(7)의 내부에 유입된 소성 유동부(W3)가 핀 부재(6)에 의해 한 쌍의 피 접합물(W)로 되메워진다.

여기서 도 5는 종래의 문제를 설명하기 위한 단면도이다. 적어도 한 쪽의 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물(W)을 복합식 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여 마찰 교반 점 접합하려고 하는 경우, 축선(P) 둘레로 회전시킨 숄더 부재(7)를 한 쌍의 피 접합물(W)에 압입함으로써 도막(R1)의 일부가 숄더 부재(7)의 내부로 소성 유동부(W3)와 함께 유입된다(도 5(a)).

여기서, 숄더 부재(7)의 내부에서 한 쌍의 피 접합물(W)(소성 유동부(W3))의 온도는 숄더 부재(7)의 선단 부근에서 한 쌍의 피 접합물(W)의 온도에 비해 낮다. 또한, 숄더 부재(7)의 내부는 외부 공기와 차단되어 있기 때문에, 숄더 부재(7)의 내부로 유입된 도막(R1)은 산화되기 어렵다. 따라서, 숄더 부재(7)의 내부로 유입된 도막(R1)은 열분해되기 어렵다.

그 후, 숄더 부재(7)의 내부의 소성 유동부(W3)가 핀 부재(6)에 의해 한 쌍의 피 접합물(W)로 되메워지면 도막(R1)이 축선(P)에 수직한 방향으로 퍼진 상태에서 마찰 교반된 영역(J) 내에 편재하도록 되메워진다.

이러한 도막(R1)에 의해 마찰 교반된 영역(J) 내에 미 접합 영역(R2)이 형성되고, 한 쌍의 피 접합물(W)의 커플링 부분의 접합 강도가 저하될 우려가 있다. 또한, 미 접합 영역(R2)에서 균열이 진행되어 한 쌍의 피 접합물(W)의 커플링 부분의 접합 강도가 더욱 저하될 우려가 있다.

이에 대해서, 제1 실시예에 따르면, 한 쌍의 피 접합물(W) 중 적어도 한 쪽의 접합면에 형성된 도막이 접합 단계(S4) 전에 도막 제거 단계(S2)에서 제거된다.

구체적으로 도막 제거 단계(S2)에서는 상기 접합면에 형성된 도막(R1)이, 숄더 부재(7)의 회전에 의해 생긴 열에서 열분해됨과 동시에 숄더 부재(7)의 회전에 의해 교반되어 분산된다.

따라서, 접합 단계(S4)에서 마찰 교반 점 결합되는 한 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)에 도막(R1)이 잔류하는 것이 방지된다. 따라서, 한 쌍의 피 접합물(W)의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있다.

즉, 도막 제거 단계(S2)에 따르면, 도막 제거 단계(S2)를 수행하지 않는 종래의 마찰 교반 점 접합에 비해 한 쌍의 피 접합물(W)의 접합면에 존재하는 단위 면적당 도막량을 한 쌍의 피 접합물(W)의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지 가능한 정도까지 줄일 수 있다. 또한, 숄더 부재(7)의 선단을 대기 위치(h1)에 위치시킨 상태에서 숄더 부재(7)를 대기하는 시간(t2 ~ t3 사이)을 한 쌍의 피 접합물(W)에 맞춰 더욱 최적화함으로써 한 쌍의 피 접합물(W)의 접합면에 존재하는 단위 면적당 도막 량을 줄일 수 있다.

여기에서, 본원 발명자들의 검토에 따르면, 도막 제거 단계(S2)를 실시하는 것으로, 축선(P) 방향에서 볼 때, 마찰 교반 점 접합된 한 쌍의 피 접합물(W)의 숄더 부재(7)의 외주보다 내측의 영역에 존재하는 단위 면적당 도막(탄소) 량이, 이외의 영역의 단위 면적당 도막 량에 비해 크게 감소된다는 것이 형광 X 선 분석 결과에 의해 확인되었다.

도막 제거 단계(S2)에서는 숄더 부재(7)의 내부가 아니라 숄더 부재(7)의 선단 근방에서 도막이 가열되므로 도막을 가열하기 쉽다. 또한, 도막을 접합면에 형성된 상태에서 가열할 수 있기 때문에, 산소 분위기 하에서 도막을 가열할 수 있어, 도막을 산화시키기 쉽다. 따라서, 도막을 비교적 쉽게 열분해시킬 수 있다.

또한, 도막 제거 단계(S2)에 의해 제거되는 도막은 한 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합되는 영역의 것으로 제한된다. 따라서, 도막에 의해 한 쌍의 피 접합물(W)에 부여된 기능(내식성 등)이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 도막 제거 단계(S2)는 장치(1)를 이용하여 수행할 수 있기 때문에 도막 제거 단계(S2)를 위한 별도의 전용 장치가 불필요하고, 한 쌍의 피 접합물(W)의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 저렴한 비용으로 효율적으로 방지할 수 있다.

또한, 도막 제거 단계(S2)에서는 숄더 부재(7)의 회전에 의해 생긴 열에서 도막을 열분해하므로, 숄더 부재(7)의 회전에 의해 발생한 열을 이용하여 도막을 제거하므로, 도막을 상기 접합면으로부터 효율적으로 제거할 수 있다.

또한, 도막 제거 단계(S2)에서 숄더 부재(7)의 선단을 대기 위치(h1)에 위치시킨 상태에서 숄더 부재(7)를 소정 시간 대기시키는 것으로, 회전 중인 숄더 부재(7)로부터 접합면으로의 입열량을 증가시켜 도막을 열분해 온도 이상으로 가열하여 도막을 잘 분해시킬 수 있다.

또한, 회수 단계(S3)를 실시하는 것으로, 숄더 부재(7)를 한 쌍의 피 접합물(W)로부터 이격시켜 도막의 분해 성분을 공기 중으로 방산하기 쉽도록 할 수 있다. 이하에서, 다른 실시예에 대하여 제1 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.

(제2 실시예)

도 6은 제2 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 선단 위치를 나타내는 그래프이다. 제2 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에서는 회수 단계(S3)가 생략되어 있다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 도막 제거 단계(S2)에서는 시간(t8 ~ t9) 사이에서 숄더 부재(7)를 축선(P) 둘레로 회전시키면서 한 쪽의 피 접합물(제1 판재(W1))에 압입하고, 시간(t9 ~ t10) 사이에서 숄더 부재(7)의 선단 위치를 대기 위치(h1)에 유지한다.

그 후의 접합 단계(S4)에서 시간(t10 ~ t11) 사이에서 숄더 부재(7)의 선단을 대기 위치(h1)로부터 접합 위치(h2)보다 다른 쪽의 피 접합물(제2 판재(W2)) 측에 위치하는 교반 위치(h3)로 이동시킨다. 또한, 숄더 부재(7)의 선단을 시간(t11 ~ t12) 사이에서 교반 위치(h3)로부터 표면 위치(h0)로 이동시킨다.

이러한 제2 실시예에 따라서도, 제1 실시예와 동일한 효과가 나타난다. 또한, 대기 위치(h1)로 이동시킨 숄더 부재(7)의 선단을 표면 위치(h0)로 회수하지 않고 교반 위치(h3)로 이동시킴으로써 도막 제거 단계(S2)에서 숄더 부재(7)의 회전에 의해 발생한 열을 이용하여 한 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반 점 접합을 효율적으로 수행할 수 있다. 여기서, 제2 실시예의 대기 위치(h1)는 제1 실시예의 대기 위치(h1)과 동일해도 좋고, 달라도 좋다.

(제3 실시예)

도 7은 제3 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법에서 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)의 선단 위치를 나타내는 그래프이다. 제3 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법에서는 제2 실시예와 마찬가지로 회수 단계(S3)는 생략되어 있다. 또한, 도막 제거 단계(S2)는 숄더 부재(7)를 한 쪽의 피 접합물 내에서 이동시키면서 실시한다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 도막 제거 단계(S2)에서는, 시간(t13 ~ t14) 사이에서 숄더 부재(7)를 축선(P) 둘레로 회전시키면서 한 쪽의 피 접합물을 상기 표면(제1 판재(W1)의 판면)으로부터 접합면보다 상기 표면 측에 위치하는 기준 위치(h4)까지 숄더 부재(7)의 선단을 제1 속도로 압입한다. 그리고, 시간(t14 ~ 15) 사이에서 숄더 부재(7)의 선단을 기준 위치(h4)로부터 접합 위치(h2)까지 제1 속도보다 느린 제2 속도로 압입한다.

제1 및 제2 속도는 적절하게 설정 가능하지만 적어도 제2 속도는 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면에 압입된 숄더 부재(7)의 회전에 의해 발생한 열에 의해, 숄더 부재(7)의 선단이 접합 위치(h2)에 도달할 때까지에, 마찰 교반 점 접합되는 영역의 접합면에 존재하는 도막이 열분해되기 위해 필요한 입열량을 얻을 수 있는 값으로 설정한다.

이와 같은 도막 제거 단계(S2)에서, 기준 위치(h4)로부터 접합 위치(h2)까지 숄더 부재(7)의 선단을 제2 속도로 한 쪽의 접합물에 압입하는 것으로, 숄더 부재(7)의 회전에 의해 발생한 열에 의해 도막을 열분해 온도 이상으로 가열하여, 도막을 잘 분해시킬 수 있다.

도막 제거 단계(S2) 후, 시간(t15 ~ t16) 사이에서 숄더 부재(7)의 선단을 제2 속도인채로 접합 위치(h2)로부터 교반 위치(h3)까지 이동시켜 접합 단계(S4)를 수행하고, 그 후, 시간(t16 ~ t17)의 사이에서 숄더 부재(7)의 선단을 교반 위치(h3)로부터 표면 위치(h0)까지 이동시킨다.

여기서, 기준 위치(h4)는 제2 실시예의 대기 위치(h1)과 동일해도 좋고, 달라도 좋다. 또한, 제2 및 제3 실시예에서, 교반 위치(h3)는 제1 실시예의 교반 위치(h3)와 동일해도 좋고, 달라도 좋다. 또한, 접합 위치(h2)로부터 교반 위치(h3)까지의 숄더 부재(7)의 이동 속도는 제2 속도 이외의 속도라도 좋다.

(제4 실시예)

도 8은 제4 실시예에 따른 마찰 교반 점 접합 방법에서 예비 단계(S6)를 도시하는 도면이다. 제4 실시예의 마찰 교반 점 접합 방법은 제1 실시예의 방법과 공통적이지만, 도막 제거 단계 이전에, 도 8에 도시된 바와 같이, 한 쪽의 피 접합물인 제1 판재(W1)의 표면을 클램핑 부재(8)의 단면(8a)에 의해 가압한 상태에서 숄더 부재(7)를 축선(P) 둘레로 회전시키면서 소정 시간 대기하는 예비 단계(S6)를 구비한다.

즉, 이러한 예비 단계(S6)는 도 4(a)와 도 4(b)에 도시된 타이밍의 사이에서 이루어진다. 여기서, 예비 단계(S6)에서 대기 시간은 제1 실시예의 도막 제거 단계(S2)의 대기 시간(소정 시간(t2 ~ t3) 사이))와는 다른 시간이라도 좋다.

이러한 방법에 따르면, 예비 단계(S6)에서 제1 판재(W1)의 표면을 예비적으로 가열함으로써 제1 실시예에 비해 한 쌍의 피 접합물(W)의 커플링 부분의 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 여기서, 제4 실시예에서는, 한 쌍의 피 접합물(W)(예를 들어, 제1 판재(W1))의 외표면에 도막이 형성되어 있어도 좋고, 형성되어 있지 않아도 좋다.

한 쌍의 피 접합물(W)의 외표면에 도막이 형성되어 있는 경우, 예비 단계(S6)를 실시하는 것으로, 한 쌍의 피 접합물(W)의 외표면의 핀 부재(6)와 숄더 부재(7)에 접촉하는 영역의 도막이 제거되고, 해당 도막이 쌍의 피 접합물(W)의 마찰 교반된 영역(J)에 혼입되는 것이 방지된다. 따라서, 한 쌍의 피 접합물(W)의 접합 강도를 한층 향상시킬 수 있다.

외표면에 도막이 형성되는 한 쌍의 피 접합물(W)을 이용하여 발명자가 실시한 시험(ISO16237에 기초한 십자 인장 시험)에 따르면, 일례로 제4 실시예의 한 쌍의 피 접합물(W)의 파단 강도는 제1 실시예의 한 쌍의 피 접합물(W)의 파단 강도의 2 배 이상의 값이었다.

본 발명은, 상기 각 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 그 방법을 변경, 추가 또는 삭제할 수 있다. 상기 각각의 실시예는 서로 조합하여도 좋고, 예를 들어 하나의 실시예 중 일부 구성이나 방법을 다른 실시예에 적용하여도 좋다. 또한, 당연히 한 쌍의 피 접합물(W)은 한 쌍의 판재(W1, W2)에 한정되지 않는다. 피 접합물(W)은 항공기, 자동차 및 철도 차량 등의 탈 것의 부품이라도 좋고, 건축물의 부품이라도 좋다.

본 발명은 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 복동식 마찰 교반 점 접합 방법에 의해 접합하는 경우에 한 쌍의 피 접합물의 커플링 부분의 접합 강도가 도막에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 복동식 마찰 교반 점 접합을 이용한 각 분야에 널리 적합하게 이용 가능하다.

P: 축
h0: 표면 위치
h1: 대기 위치
h2: 접합 위치
h4: 기준 위치
W: 한 쌍의 피 접합물
1: 복동식 마찰 교반 점 접합 장치
2: 회전 공구
6: 핀 부재
7: 숄더 부재
8: 클램프 부재
8a: 클램프 부재의 단면

Claims (7)

1. 회전 공구가 구비된 복동식 마찰 교반 점 접합 장치를 이용하여, 적어도 한 쪽의 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 마찰 교반 점 접합 방법으로서,
   상기 회전 공구는 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재와, 상기 한 쌍의 피 접합물 중 어느 한 쪽의 피 접합물의 표면과 면 접촉하여 상기 표면을 가압 가능한 단면을 구비하고 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 형성된 클램프 부재를 구비하고,
   서로의 상기 접합면이 겹쳐져 있는 상기 한 쌍의 피 접합물 중 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면을 상기 클램프 부재의 상기 단면에 의해 가압된 상태에서, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물에 상기 접합면보다 상기 표면 측인 위치까지 상기 숄더 부재의 선단을 압입하는 것에 의해서, 상기 숄더 부재의 회전에 의해 상기 도막을 제거하는 도막 제거 단계와,
   상기 도막 제거 단계 후, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재에 의해 상기 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 접합 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도막 제거 단계에서는, 상기 숄더 부재의 회전에 의해 발생한 열로 상기 도막을 열분해하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 도막 제거 단계에서는, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물에 상기 접합면보다 상기 표면 측에 위치하는 대기 위치까지 상기 숄더 부재의 상기 선단을 압입한 후, 상기 숄더 부재의 상기 선단을 상기 대기 위치에 위치시킨 상태에서 소정 시간 대기하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 도막 제거 단계와 상기 접합 단계 사이에서, 상기 숄더 부재의 상기 선단을 상기 대기 위치로부터 상기 한 쪽의 피 접합물의 표면 위치로 회수하는 회수 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 도막 제거 단계에서는, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면으로부터 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 접합면보다 상기 표면 측에 위치하는 기준 위치까지 상기 숄더 부재의 상기 선단을 제1 속도로 압입하고, 또한, 상기 기준 위치로부터 접합 위치까지 상기 숄더 부재의 상기 선단을 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 압입하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도막 제거 단계 전에, 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면을 상기 클램프 부재의 상기 단면에 의해 가압한 상태에서, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 소정 시간 대기하는 예비 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 점 접합 방법.
7. 적어도 한 쪽의 접합면에 도막이 형성된 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하는 복동식 마찰 교반 점 접합 장치로서,
   회전 공구와,
   상기 회전 공구를 구동시키는 공구 구동부와,
   상기 공구 구동부를 제어하는 제어부를 구비하고,
   상기 회전 공구는 미리 정해진 축선 둘레를 회전하고 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 핀 부재와, 상기 핀 부재의 외주를 둘러싼 상태에서 상기 축선 둘레를 회전하고 상기 핀 부재와는 독립적으로 상기 축선 방향으로 진퇴 가능하게 형성된 숄더 부재와, 상기 한 쌍의 피 접합물 중 어느 한 쪽의 피 접합물의 표면과 면 접촉하여 상기 표면을 가압 가능한 단면을 구비하고 상기 숄더 부재의 외주를 둘러싸도록 형성된 클램프 부재를 구비하고,
   상기 제어부는, 서로의 상기 접합면이 겹쳐져 있는 상기 한 쌍의 피 접합물 중 상기 한 쪽의 피 접합물의 상기 표면을 상기 클램프 부재의 상기 단면에 의해 가압된 상태에서, 상기 숄더 부재를 상기 축선 둘레로 회전시키면서 상기 한 쪽의 피 접합물에 상기 접합면보다 상기 표면 측인 위치까지 상기 숄더 부재의 선단을 압입하는 것에 의해서, 상기 숄더 부재의 회전에 의해 상기 도막을 제거하도록 상기 공구 구동부를 제어하는 도막 제거 제어와,
   상기 도막 제거 단계 후, 상기 핀 부재와 상기 숄더 부재에 의해 상기 한 쌍의 피 접합물을 마찰 교반 점 접합하도록 상기 공구 구동부를 제어하는 접합 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 복동식 마찰 교반 점 접합 장치.

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