KR20210122847A - 마찰교반 점접합 장치, 마찰교반 점접합된 피접합물, 및 숄더 부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재(11)와, 원통형으로 형성되고, 핀 부재(11)가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재(12)와, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를, 핀 부재(11)의 축심과 일치하는 축선(Xr) 둘레로 회전시키는 회전 구동기(57)와, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를, 각각 축선(Xr)을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기(53)를 구비하고, 숄더 부재(12)의 외주면의 선단부에는, 핀 부재(11)의 축심 방향을 따라 연장되도록 제1 홈(21)이 형성되어 있다.

Description

마찰교반 점접합 장치, 마찰교반 점접합된 피접합물, 및 숄더 부재
본 발명은, 마찰교반 점접합 장치, 마찰교반 점접합된 피접합물, 및 숄더 부재에 관한 것이다.
자동차, 철도차량, 항공기 등의 수송기기에 있어서는, 금속재료를 연결할 때에는, 저항스폿용접 또는 리벳접합이 이용되고 있다. 하지만, 최근에는 마찰열을 이용하여 금속재료를 접합하는 방법(마찰교반 점접합 방법)이 주목받고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에 개시되어 있는 마찰교반 점접합 방법에서는, 대략 원기둥형의 핀 부재와, 상기 핀 부재를 내부 삽입하기 위한 중공을 갖는 대략 원통형의 숄더 부재가, 피접합물을 접합하기 위해 이용되고 있어, 아래에 나타내는 바와 같이, 핀 부재와 숄더 부재(회전공구; 접합툴)를 작동(구동)시키는 공구 구동부를 제어하고 있다.
즉, 핀 부재의 선단면의 단면적을 Ap, 숄더 부재의 선단면의 단면적을 As, 핀 부재가 피접합물의 표면에서 압입했을 때의 압입 깊이를 Pp, 숄더 부재가 피접합물의 표면에서 압입했을 때의 압입 깊이를 Ps로 했을 때, Ap·Pp＋As·Ps=Tx로 정의되는 툴 평균위치(Tx)의 절대값을 줄이도록 공구 구동부를 제어하고 있다.
이로 인해, 접합 조건에 따라 호적한 정밀도로 양호한 접합 품질을 실현할 수 있음과 동시에 내부 공동 결함의 발생을 방지, 또는 억제할 수 있다.
일본특허출원 공개 제2012-196682호
그러나, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 마찰교반 점접합 방법에서도, 피접합물의 접합시간의 단축의 관점으로부터, 아직 개선의 여지가 있었다. 또한, 상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 마찰교반 점접합 방법에서도, 피접합물의 접합 강도의 관점으로부터, 아직 개선의 여지가 있었다.
본 발명은, 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 접합시간을 단축할 수 있는 마찰교반 점접합 장치를 제공하는 것을 제1의 목으로 한다. 또한, 본 발명은, 종래의 마찰교반 점접합 장치에서 접합된 피접합물에 비해, 접합 강도를 높게 할 수 있는 마찰교반 점접합 장치, 및 종래의 마찰교반 점접합 장치에서 접합된 피접합물에 비해, 접합 강도가 큰 피접합물을 제공하는 것을 제2의 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와, 원통형으로 형성되고, 상기 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 상기 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고, 상기 숄더 부재의 외주면의 선단부에는, 상기 핀 부재의 축심 방향을 따라 연장되도록, 제1 홈이 형성되어 있다.
이로 인해, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 접합시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와, 원통형으로 형성되고, 상기 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 상기 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고, 상기 숄더 부재의 선단면에는, 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈이 형성되어 있다.
이로 인해, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 접합시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 제1 부재와 제2 부재로 구성된 피접합물을 마찰교반 점접합하는 마찰교반 점접합 장치로서, 상기 마찰교반 점접합 장치는, 핀 부재와, 중공 형상으로 형성되고, 상기 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각의 길이방향으로 연장되는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고, 상기 숄더 부재는, 상기 숄더 부재가 상기 피접합물 내를 회전하면서 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 상기 숄더 부재의 진행 방향 또는 상기 숄더 부재의 퇴행 방향으로 유동하도록 구성되어 있다.
이로 인해, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 피접합물의 접합 강도를 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피접합물은, 상기 마찰교반 점접합 장치에 의해, 마찰교반 점접합된 피접합물이다.
이로 인해, 종래의 마찰교반 점접합 장치에서 접합된 피접합물에 비해, 접합 강도가 큰 피접합물을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피접합물은, 마찰교반 점접합 장치에 의해 마찰교반 점접합된 피접합물로서, 상기 피접합물은, 제1 부재와 제2 부재로 구성되고, 후킹이, 상기 제1 부재 내에 형성되어 있거나 상기 제2 부재 내에 형성되어 있다.
이로 인해, 종래의 마찰교반 점접합 장치에서 접합된 피접합물에 비해, 접합 강도가 큰 피접합물을 얻을 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은, 첨부 도면 참조하에 이하의 호적한 실시형태의 상세한 설명으로부터 명확해진다.
본 발명에 따른 마찰교반 점접합 장치에 의하면, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 접합시간을 단축할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 마찰교반 점접합 장치에 의하면, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 피접합물의 접합 강도를 크게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 피접합물은, 종래의 마찰교반 점접합 장치에서 접합된 피접합물에 비해, 접합 강도가 큰 피접합물을 얻을 수 있다.
도 1은, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치의 제어 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 동작의 일례를 나타내는 플로우차트이다.
도 5a는, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 5b는, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 6은, 본 실시형태 1에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치의 요부(숄더 부재의 선단부)를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 8은, 도 7에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 9는, 비교예 및 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 결과의 접합시간과, 십자인장시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10a는, 비교예 및 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 10b는, 비교예 및 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 11은, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 12는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 13a는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 13b는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 14a는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 다른 예를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 14b는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 다른 예를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 15는, 본 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 16은, 도 15에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 17은, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 18은, 도 17에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 19는, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다.
도 20은, 도 19에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 21a는, 도 19에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 21b는, 도 19에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
도 22는, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다
도 23은, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험한 후의 단면 사진이다.
도 24는, 비교예 1 및 실시예 1, 2의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 행한 결과와, 후킹의 높이를 나타내는 그래프이다.
도 25는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 26은, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 27은, 실시예 3의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 28은, 비교예 1 및 실시예 3의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 행한 결과와, 후킹의 높이를 나타내는 그래프이다.
도 29는, 비교예 1 및 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 30은, 비교예 1 및 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 행한 결과와, 후킹의 높이를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 동등한 요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 모든 도면에서, 본 발명을 설명하기 위해 필요한 구성 요소를 발췌하여 도시하고 있으며, 기타 구성 요소에 대해서는 도시를 생략하고 있는 경우가 있다. 또한, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되지 않는다.
(실시형태 1)
본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와, 원통형으로 형성되고, 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 각각 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고, 숄더 부재의 외주면의 선단부에는, 핀 부재의 축심 방향을 따라 연장되도록, 제1 홈이 형성되어 있다.
이하, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 일례에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
[마찰교반 점접합 장치의 구성］
도 1은, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2는, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 1에서는, 도면에 있어서의 상하 방향을 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 상하 방향으로서 나타내고 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 공구 고정기(52), 진퇴 구동기(53), 클램프 부재(13), 받침 지지부(55), 받침 부재(56), 및 회전 구동기(57)를 구비하고 있다.
핀 부재(11), 숄더 부재(12), 공구 고정기(52), 진퇴 구동기(53), 클램프 부재(13), 및 회전 구동기(57)는, C형 건(C형 프레임)으로 구성된 받침 지지부(55)의 상단부에 설치되어 있다. 또한, 받침 지지부(55)의 하단부에는, 받침 부재(56)가 설치되어 있다. 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)와, 받침 부재(56)는 서로 대향하는 위치에서 받침 지지부(55)에 장착되어 있다. 또한, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)와, 받침 부재(56)와의 사이에는, 피접합물(60)이 배치된다.
핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)는, 회전공구 고정기(521) 및 클램프 고정기(522)로 구성된 공구 고정기(52)에 고정되어 있다. 구체적으로는 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는 회전공구 고정기(521)에 고정되어 있고, 클램프 부재(13)는, 클램프 구동기(41)를 통해, 클램프 고정기(522)에 고정되어 있다. 그리고, 회전공구 고정기(521)는, 회전 구동기(57)를 통해, 클램프 고정기(522)에 지지되어 있다. 또한, 클램프 구동기(41)는, 스프링에 의해 구성되어 있다.
또한, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)는, 핀 구동기(531) 및 숄더 구동기(532)로 구성된 진퇴 구동기(53)에 의해, 상하 방향으로 진퇴 구동된다.
핀 부재(11)는, 원기둥형으로 형성되어 있고, 도 1에는, 상세하게 도시되어 있지 않지만, 회전공구 고정기(521)에 의해 지지되어 있다. 또한, 핀 부재(11)는, 직동베어링(도시하지 않음)을 통해 회전공구 고정기(521)에 지지되어도 좋다.
또한, 핀 부재(11)는, 회전 구동기(57)에 의해, 핀 부재(11)의 축심과 일치하는 축선(Xr)(회전축) 둘레로 회전하고 핀 구동기(531)에 의해 화살표(P1) 방향, 즉 축선(Xr) 방향(도 1에서는 상하 방향)을 따라, 진퇴 이동 가능하게 구성되어 있다. 핀 구동기(531)는, 핀 부재(11)에 가압력을 가하는 구성이면 좋고, 예를 들어, 가스압, 유압, 서보모터 등을 이용한 기구를 적합하게 이용할 수 있다.
숄더 부재(12)는, 중공을 갖는 원통형으로 형성되어 있고, 회전공구 고정기(521)에 의해 지지되어 있다. 숄더 부재(12)의 중공 안에는, 핀 부재(11)가 내부 삽입되어 있다. 바꾸어 말하면, 숄더 부재(12)는, 핀 부재(11)의 외주면을 둘러싸도록 배치되어 있다.
또한, 숄더 부재(12)는, 회전 구동기(57)에 의해, 핀 부재(11)와 동일한 축선(Xr) 둘레로 회전하고 숄더 구동기(532)에 의해 화살표(P2) 방향, 즉 축선(Xr) 방향을 따라 진퇴 이동 가능하게 구성되어 있다. 숄더 구동기(532)는 숄더 부재(12)에 가압력을 주는 구성이면 좋고, 예를 들어, 가스압, 유압, 서보모터 등을 이용한 기구를 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 숄더 부재(12)의 선단부(하단부)의 외주면에는, 선단면(12a)(숄더 부재(12)의 선단)으로부터 연장되도록 제1 홈(21)이 형성되어 있다(도 1 및 도 2참조). 제1 홈(21)은, 여기에서는, 축선(Xr) 방향으로 연장되도록 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 축선(Xr)에 대해, 경사진 방향으로 연장되도록 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제1 홈(21)은, 여기에서는, 4군데에 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 1군데에 설치되어 있어도 좋고, 복수 개소(예를 들어, 2군데, 6군데, 8군데 등)에 설치되어 있어도 좋다.
또한, 제1 홈(21)의 선단은, 여기에서는, 숄더 부재(12)의 선단과 일치하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 홈(21)의 선단은 숄더 부재(12)의 선단보다 기단(상방)측에 위치하고 있어도 좋다.
제1 홈(21)의 폭 방향(숄더 부재(12)의 둘레방향)의 길이 치수는 피접합물(60)의 접합부의 접합 강도를 향상시키는 관점으로부터, 0.3mm 이상이어도 좋고, 0.5mm 이상이어도 좋다. 또한, 제1 홈(21)의 폭 방향(숄더 부재(12)의 둘레방향)의 길이 치수는, 피접합물(60)의 접합부의 접합시간을 단축시키는 관점으로부터, 1.5mm 이하여도 좋고, 1.3mm 이하여도 좋다.
또한, 제1 홈(21)의 깊이 치수(숄더 부재(12)의 지름 방향의 길이 치수)는, 피접합물(60)의 접합부의 접합 강도를 향상시키는 관점으로부터, 0.1mm 이상이어도 좋고, 0.2mm 이상이어도 좋다. 또한, 제1 홈(21)의 깊이 치수는, 피접합물(60)의 접합부의 접합시간을 단축시키는 관점으로부터, 0.3mm 이하여도 좋고, 0.5mm 이하여도 좋다.
또한, 제1 홈(21)의 축선(Xr) 방향의 길이 치수는, 피접합물(60)의 접합부의 접합 강도를 향상시키는 관점으로부터, 2.0mm 이하여도 좋고, 1.8mm 이하여도 좋다. 또한, 제1 홈(21)의 축선(Xr) 방향의 길이 치수는, 피접합물(60)의 접합부의 접합시간을 단축시키는 관점으로부터, 0.7mm 이상이어도 좋고, 1.2mm 이상이어도 좋다.
핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는, 본 실시형태에서는, 모두 동일한 회전공구 고정기(521)에 의해 지지되고, 모두 회전 구동기(57)에 의해 축선(Xr) 둘레로 일체로 회전한다. 또한, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)는, 핀 구동기(531) 및 숄더 구동기(532)에 의해, 각각 축선(Xr) 방향을 따라 진퇴 이동 가능하게 구성되어 있다.
또한, 본 실시형태 1에서는, 핀 부재(11)는 단독으로 진퇴 이동 가능함과 동시에 숄더 부재(12)의 진퇴 이동에 따라서도 진퇴 이동 가능하게 되어 있지만, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)가 각각 독립적으로 진퇴 이동 가능하게 구성되어도 좋다.
클램프 부재(13)는, 숄더 부재(12)와 마찬가지로, 중공을 갖는 원통형으로 형성되어 있고, 그 축심이 축선(Xr)과 일치하도록 설치되어 있다. 클램프 부재(13)의 중공 안에는, 숄더 부재(12)가 내부 삽입되어 있다.
즉, 핀 부재(11)의 외주면을 둘러싸도록, 원통형의 숄더 부재(12)가 배치되어 있어, 숄더 부재(12)의 외주면을 둘러싸도록 원통형의 클램프 부재(13)가 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 클램프 부재(13), 숄더 부재(12) 및 핀 부재(11)가, 각각 동축심형의 중첩(入れ子) 구조로 되어 있다.
또한, 클램프 부재(13)는, 피접합물(60)을 한쪽 면(표면)으로부터 가압하도록 구성되어 있다. 클램프 부재(13)는, 상술하는 바와 같이, 본 실시형태 1에서는, 클램프 구동기(41)를 통해 클램프 고정기(522)에 지지되어 있다. 클램프 구동기(41)는, 클램프 부재(13)를 받침 부재(56)측에 부세하도록 구성되어 있다. 그리고, 클램프 부재(13)(클램프 구동기(41) 및 클램프 고정기(522)를 포함한다)는 숄더 구동기(532)에 의해 화살표(P3) 방향(화살표(P1) 및 화살표(P2)와 동방향)으로 진퇴 가능하게 구성되어 있다.
또한, 클램프 구동기(41)는, 본 실시형태 1에서는, 스프링으로 구성되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 클램프 구동기(41)는, 클램프 부재(13)에 부세를 주거나 가압력을 주거나 하는 구성이면 좋고, 예를 들어, 가스압, 유압, 서보모터 등을 이용한 기구도 적합하게 이용할 수 있다.
핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)는, 각각 선단면(11a), 선단면(12a), 및 선단면(13a)을 구비하고 있다. 또한, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)는, 진퇴 구동기(53)에 의해 진퇴 이동함으로써, 선단면(11a), 선단면(12a), 및 선단면(13a)은, 각각 피접합물(60)의 표면(피접합물(60)의 피접합부)에 접촉하여 피접합물(60)을 가압한다.
받침 부재(56)는, 본 실시형태 1에서는, 평판형의 피접합물(60)의 뒷면을 접촉하도록 평탄한 면(지지면(56a))에 의해 지지하도록 구성되어 있다. 받침 부재(56)는, 마찰교반 점접합을 실시할 수 있도록 피접합물(60)을 적절하게 지지할 수 있는 것이면, 그 구성은 특별히 한정되지 않는다. 받침 부재(56)는, 예를 들어, 복수 종류의 형상을 가진 받침 부재(56)가 별도로 준비되고, 피접합물(60)의 종류에 따라, 받침 지지부(55)에서 분리하여 교환할 수 있도록 구성되어도 좋다.
또한, 본 실시형태 1에 있어서의 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 공구 고정기(52), 진퇴 구동기(53), 클램프 부재(13), 받침 지지부(55), 및 회전 구동기(57)의 구체적인 구성은, 상술한 구성에 한정되지 않으며, 광범위하게 마찰교반접합의 분야에서 공지된 구성을 적합하게 이용할 수 있다. 예를 들어, 공구 고정기(52)는, 직동베어링(도시하지 않음)을 통해 받침 지지부(55)에 지지되어도 좋다. 또한, 핀 구동기(531) 및 숄더 구동기(532)는, 마찰교반접합의 분야에서 공지된 모터 및 기어 기구 등으로 구성되어 있어도 좋다.
또한, 받침 지지부(55)는, 본 실시형태 1에서는, C형 건으로 구성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 받침 지지부(55)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 진퇴 이동 가능하게 지지함과 동시에 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)에 대향하는 위치에 받침 부재(56)를 지지할 수 있다면, 어떻게 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 마찰교반 점접합용 로봇 장치(도시하지 않음)에 배치되는 형태를 채용하고 있다. 구체적으로는 받침 지지부(55)가, 로봇 장치의 암 선단에 장착되어 있다. 따라서, 받침 지지부(55)도 마찰교반 점접합용 로봇 장치에 포함되는 것으로 간주할 수 있다. 받침 지지부(55) 및 암을 포함하여, 마찰교반 점접합용 로봇 장치의 구체적인 구성은 특별히 한정되지 않고, 다관절 로봇 등, 마찰교반접합 분야에서 공지된 구성을 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 마찰교반 점접합 장치(50)(받침 지지부(55)를 포함한다)는, 마찰교반 점접합용 로봇 장치에 적용되는 경우에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, NC공작기계, 대형 C프레임, 및 오토리베터 등 공지된 가공용 기기에도 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 두쌍 이상의 로봇이 마찰교반 점접합 장치(50)에 있어서의 받침 부재(56) 이외의 부분과, 받침 부재(56)를 정면으로 대하게 하도록 구성되어 있어도 좋다. 또한, 마찰교반 점접합 장치(50)는, 피접합물(60)에 대해 안정적으로 마찰교반 점접합을 행하는 것이 가능하면, 피접합물(60)을 소형화하는 형태를 채용해도 좋고, 로봇을 피접합물(60)의 포지셔너로 이용하는 형태를 채용해도 좋다.
[마찰교반 점접합 장치의 제어 구성］
다음으로, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 제어 구성에 대해, 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치의 제어 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 마찰교반 점접합 장치(50)는, 제어기(51), 저장기(31), 입력기(32), 및 위치 검출기(33)를 구비하고 있다.
제어기(51)는, 마찰교반 점접합 장치(50)를 구성하는 각 부재(각 기기)를 제어하도록 구성되어 있다. 구체적으로는 제어기(51)는, 저장기에 저장된 기본 프로그램 등 소프트웨어를 판독하여 실행함으로써, 진퇴 구동기(53)를 구성하는 핀 구동기(531) 및 숄더 구동기(532)와, 회전 구동기(57)를 제어한다.
따라서, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 진출 이동 또는 후퇴 이동의 전환, 진퇴 이동시 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)에 있어서의, 선단 위치의 제어, 이동 속도, 및 이동 방향 등을 제어할 수 있다. 또한, 핀 부재(11), 숄더 부재(12) 및 클램프 부재(13)의 피접합물(60)을 가압하는 가압력을 제어할 수 있다. 또한, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전수를 제어할 수 있다.
또한, 제어기(51)는, 집중 제어하는 단독 제어기(51)에 의해 구성되어 있어도 좋고, 서로 협동하여 분산 제어하는 복수의 제어기(51)에 의해 구성되어 있어도 좋다. 또한, 제어기(51)는, 마이크로컴퓨터로 구성되어 있어도 좋고, ＭPU, PLC(Programmable Logic Controller), 논리 회로 등에 의해 구성되어 있어도 좋다.
저장기(31)는, 기본 프로그램, 각종 데이터를 판독 가능하게 저장하는 것이며, 저장기(31)로는, 공지된 메모리, 하드디스크 등의 저장 장치 등으로 구성된다. 저장기(31)는, 하나이어야 할 필요가 없으며, 복수의 저장 장치 (예를 들어, 랜덤엑세스메모리 및 하드디스크드라이브)로 구성되어도 좋다. 제어기(51) 등이 마이크로컴퓨터로 구성되어 있는 경우에는, 저장기(31)의 적어도 일부가 마이크로컴퓨터의 내부메모리로 구성되어도 좋고, 독립적인 메모리로 구성되어도 좋다.
또한, 저장기(31)에는, 데이터가 저장되고, 제어기(51) 이외에서 데이터의 판독이 가능하게 되어 있어도 좋고, 제어기(51) 등에서 데이터 쓰기가 가능하게 되어 있어도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
입력기(32)는, 제어기(51)에 대해, 마찰교반 점접합의 제어에 관한 각종 파라미터, 혹은 기타 데이터 등을 입력 가능하게 하는 것이며, 키보드, 터치패널, 버튼 스위치 그룹 등 공지된 입력 장치로 구성되어 있다. 본 실시형태 1에서는, 적어도, 피접합물(60)의 접합 조건, 예를 들어, 피접합물(60)의 두께, 재질 등의 데이터가 입력기(32)에 의해 입력 가능하게 되어 있다.
위치 검출기(33)는, 숄더 부재(12)의 선단부(선단면(12a))의 위치 정보를 검출하고, 검출한 위치 정보를 제어기(51)로 출력하도록 구성되어 있다. 위치 검출기(33)로는, 예를 들어, LVDT, 인코더 등을 이용해도 좋다.
[마찰교반 점접합 장치의 동작 및 작용효과］
다음으로, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 동작에 대해, 도 4, 도 5a, 및 도 5b를 참조하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 동작에 대해서는, 제어기(51)가, 저장기(31)에 저장되어 있는 프로그램을 판독함으로써 실행된다.
도 4는, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 동작의 일례를 나타내는 플로우차트이다. 도 5a 및 도 5b는, 도 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
또한, 도 5a, 및 도 5b에 있어서는, 피접합물(60)로서, 2장의 판형상의 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)를 이용하고, 이들을 겹쳐서 점접합으로 연결하는 경우를 예로 들고 있다. 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)로는, 금속(예를 들어, 알루미늄, 강 등)으로 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 1에서는, 피접합물(60)을 판형상의 제1 부재(61)와 판형상의 제2 부재(62)로 구성 되어 있는 형태를 채용하지만, 이에 한정되지 않고, 피접합물(60)(제1 부재(61) 및 제2 부재(62))의 형상은 임의이며, 예를 들어, 직육면체형이어도 좋고, 원호형으로 형성되어 있어도 좋다.
또한, 도 5a 및 도 5b에 있어서는, 복동식 마찰 접합 장치의 일부를 생략하고, 화살표(r)는, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전 방향을 나타내고, 블록 화살표(F)는, 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 가해지는 힘의 방향을 나타낸다.
또한, 받침 부재(56)에서도 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 대해 힘이 가해지고 있지만, 설명의 편의상, 도 5a 및 도 5b에는 도시되어 있지 않다. 숄더 부재(12)에는, 핀 부재(11) 및 클램프 부재(13)와의 구별을 명확하게 하기 위해, 음영의 해칭이 되어 있다.
먼저, 작업자(조작자)가, 받침 부재(56)의 지지면(56a)에 피접합물(60)을 재치한다. 그 다음에 작업자가 입력기(32)를 조작하여, 제어기(51)에 피접합물(60)의 접합 실행을 입력한다. 또한, 로봇이, 받침 부재(56)의 지지면(56a)에 피접합물(60)을 재치해도 좋다.
그러면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제어기(51)는, 회전 구동기(57)를 구동시켜, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 미리 설명하고 있는 소정의 제1 회전수(예를 들어, 200~3000rpm)로 회전시킨다(단계(S101); 도 5a의 공정(1)참조).
다음으로, 제어기(51)는, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동시켜, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 회전시키 상태로, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 피접합물(60)에 접근시켜, 핀 부재(11)의 선단면(11a), 숄더 부재(12)의 선단면(12a), 및 클램프 부재(13)의 선단면(13a)(도 5a 및 도 5b에는 도시하지 않음)을 피접합물(60)의 표면(60c)에 접촉시킨다(단계(S102); 도 5a의 공정(2)참조).
이 때, 제어기(51)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)가, 전체적으로, 미리 설정된 소정의 가압력(예를 들어, 3kN~10kN의 범위에 포함되는 소정값)으로 피접합물(60)을 가압하도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 제어한다.
이로 인해, 클램프 부재(13)와 받침 부재(56)에 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)가 끼워 넣어지고, 클램프 구동기(41)의 수축에 의해, 클램프 부재(13)가 피접합물(60)의 표면(60c)측에 부세되어, 클램프력이 발생한다.
또한, 이 상태로는, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12) 모두가 진퇴 이동하지 않기 때문에 피접합물(60)의 표면(60c)을 "예비 가열"하게 된다. 이에 의해, 제1 부재(61)의 접촉 영역에 있어서의 구성재료가 마찰에 의해 발열함으로써 연화되어, 피접합물(60)의 표면(60c) 근처에 소성 유동부(60a)가 생긴다.
다음으로, 제어기(51)는, 핀 부재(11)의 선단면(11a)이 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 대해 몰입하도록, 진퇴 구동기(53)를 구동한다(단계(S103)). 이 때, 제어기(51)는, 핀 부재(11)가 피접합물(60)에서 이격되도록, 진퇴 구동기(53)(핀 구동기(531))를 구동해도 좋다. 또한, 제어기(51)는, 숄더 부재(12)가 피접합물(60) 내에 압입되도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동해도 좋다.
다음으로, 제어기(51)는, 위치 검출기(33)에서, 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보를 취득한다(단계(S104)). 그 다음에 제어기(51)는, 단계(S104)에서 취득한 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치까지 도달했는지 아닌지를 판정한다(단계(S105)).
여기서, 제1 위치는, 미리 실험 등에 의해 설정할 수 있고, 제1 부재(61)의 표면(피접합물(60)의 표면(60c))을 0％로 하고, 제2 부재(62)의 지지면(56a)과 접촉하는 면을 100％로 한 경우, 0％보다 크거나, 100％ 미만의 사이에서 임의로 설정되는 위치를 말한다. 또한, 접합 강도를 향상시키는 관점으로부터, 제1 위치는, 제2 부재(62)의 지지면(56a)과 접촉하는 면에 가까운 쪽이 좋고, 25％ 이상이어도 좋고, 50％ 이상이어도 좋으며, 75％ 이상이어도 좋고, 80％ 이상이어도 좋으며, 90％ 이상이어도 좋고, 95％ 이상이어도 좋다.
이로 인해, 피접합물(60)의 연화 부위는, 상측의 제1 부재(61)에서 하측의 제2 부재(62)까지 이르게 되어, 소성 유동부(60a)의 볼륨이 증가한다. 또한, 소성 유동부(60a)의 연화된 재료는 숄더 부재(12)에 의해 밀려나, 숄더 부재(12)의 바로 아래에서 핀 부재(11)의 바로 아래로 유동하기 때문에 핀 부재(11)는 후퇴하여 숄더 부재(12)에 대해 떠오른다(도 5a의 공정(3)참조).
제어기(51)는, 단계(S104)에서 취득한 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 제1 위치까지 도달하고 있지 않다고 판정한 경우(단계(S105)에서 No)에는, 단계(S104)로 돌아와, 단계(S104)에서 취득한 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 제1 위치까지 도달했다고 판정할 때까지, 단계(S104) 및 단계(S105)의 처리를 반복한다.
한편, 제어기(51)는, 단계(S104)에서 취득한 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 제1 위치까지 도달했다고 판정한 경우(단계(S105)에서 Yes)에는, 단계(S106)의 처리를 실행한다.
단계(S106)에서는, 제어기(51)는, 핀 부재(11)가 피접합물(60)을 향하여 나아가도록, 진퇴 구동기(53)(핀 구동기(531))를 구동하는 또는, 제어기(51)는, 숄더 부재(12)가 피접합물(60)에서 이격되도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동한다.
이로 인해, 핀 부재(11)가 서서히 제1 부재(61)를 향하여 나아가고, 숄더 부재(12)가 제1 부재(61)에서 후퇴한다(도 5b의 공정(4)참조). 이때, 소성 유동부(60a)의 연화된 부분은, 핀 부재(11)의 바로 아래에서 숄더 부재(12)의 바로 아래(숄더 부재(12)의 압입에 의해 생긴 오목부)로 유동한다.
또한, 제어기(51)는, 핀 부재(11)의 선단면(11a)이, 제1 위치에 위치하도록, 진퇴 구동기(53)를 제어해도 좋다. 또한, 제어기(51)는, 핀 부재(11)의 선단면(11a)이, 제2 부재(62) 내에 도달하도록, 진퇴 구동기(53)를 제어해도 좋고, 핀 부재(11)의 선단면(11a)이, 제1 부재(61) 내에 위치하도록, 진퇴 구동기(53)를 제어해도 좋다.
또한, 제어기(51)는, 단계(S103) 및/또는 단계(S106)의 처리에 있어서, 핀 부재(11)의 선단면의 면적을 Ap, 숄더 부재(12)의 선단면의 면적을 As로 하고, 핀 부재(11)의 압입 깊이를 Pp, 숄더 부재(12)의 압입 깊이를 Ps로 했을 때, 다음의 수식(I)
Ap·Pp＋As·Ps=Tx ··· (I)
으로 정의되는 툴 평균위치(Tx)의 절대값을 줄이도록, 진퇴 구동기(53)를 제어하는 것이 바람직하고, 툴 평균위치(Tx)=0이 되도록, 진퇴 구동기(53)를 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 툴 평균위치(Tx)의 절대값을 줄이는 구체적인 제어에 대해서는, 특허문헌 1에 상세하게 개시되어 있기 때문에 여기에서는, 그 설명을 생략한다.
다음으로, 제어기(51)는, 진퇴 구동기(53)를 제어하여, 핀 부재(11)의 선단면(11a) 및 숄더 부재(12)의 선단면(12a)을 서로 단차가 거의 생기지 않을 정도로 맞춘다(수평으로 만든다)(단계(S107); 도 5b의 공정(5)참조). 이로 인해, 피접합물(60)의 표면(60c)이 정형(整形)되어, 실질적인 오목부가 생기지 않을 정도의 거의 평탄한 면이 얻어진다.
다음으로, 제어기(51)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 피접합물(60)로부터 이간하도록, 진퇴 구동기(53)를 구동시킨(단계(S108)) 그 다음에 제어기(51)는, 회전 구동기(57)를 제어하여, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전을 정지시키고(단계(S109); 도 5b의 공정(6)참조), 일련의 마찰교반 점접합(피접합물(60)의 접합공정)을 종료시킨다.
이로 인해, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 접촉에 의한 회전(및 가압)은 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 가해지지 않게 되므로, 제1 부재(61), 제2 부재(62)의 모두에 이르는 소성 유동부(60a)에서는, 소성 유동이 정지하여 피접합부(60b)가 된다.
이렇게 구성된, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에는, 숄더 부재(12)의 선단면(12a)으로부터 연장되도록 제1 홈(21)이 형성되어 있다. 이로 인해, 제1 부재(61) 및/또는 제2 부재(62)의 교반이 촉진되어, 접합시간을 단축할 수 있다.
또한, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 제1 홈(21)이 형성되어 있음으로써, 후술하는 시험예에 나타내는 바와 같이, 제1 홈(21)이 형성되어 있지 않는 종래의 숄더 부재(12)에 비해, 접합 강도를 향항시킬 수 있다.
[변형예 1］
다음으로, 본 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 변형예에 대해, 설명한다.
본 실시형태 1에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치는, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치에 있어서, 숄더 부재의 선단면에 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈이 형성되어 있다.
이하, 도 6을 참조하면서, 본 실시형태 1에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치에 대해, 상세하게 설명한다.
도 6은, 본 실시형태 1에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치의 요부(숄더 부재의 선단부)를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 1에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치는, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 기본적 구성은 동일하지만, 제1 홈(21) 외에 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 제2 홈(22)이 설치되어 있는 점이 상이하다.
제2 홈(22)은, 여기에서는, 숄더 부재(12)의 중심(축심)을 통과하는 지름 방향으로 연장되도록 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 지름 방향에 대해, 경사진 방향으로 연장되도록 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제2 홈(22)은, 여기에서는, 4군데에 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 1군데에 설치되어도 좋고, 복수 개소(예를 들어, 2군데, 6군데, 8군데 등)에 설치되어 있어도 좋다.
또한, 제2 홈(22)은, 제1 홈(21)과 연통하도록 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 제1 홈(21)과 연통하지 않도록 설치되어 있어도 좋다.
(실시형태 2)
본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와, 원통형으로 형성되고, 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 각각 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고 숄더 부재의 선단면에는, 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈이 형성되어 있다.
이하, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치의 일례에 대해, 도 7 및 도 8을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반점 접합 장치의 동작은, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치의 동작과 기본적으로는 동일하기 때문에 그 상세한 설명은 생략한다.
[마찰교반 점접합 장치의 구성］
도 7은, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 도 8은, 도 7에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 7에 있어서는, 도면에 있어서의 상하 방향을 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 상하 방향으로서 나타내고 있다.
도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 기본적 구성은 동일하지만, 제1 홈(21) 대신에 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 제2 홈(22)이 설치되어 있는 점이 상이하다.
제2 홈(22)은, 여기에서는, 숄더 부재(12)의 중심(축심)을 통과하는 지름 방향으로 연장되도록 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 지름 방향에 대해, 경사진 방향으로 연장되도록 형성되어 있어도 된다. 또한, 제2 홈(22)은, 여기에서는, 4군데에 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 1군데에 설치되어 있어도 좋고, 복수 개소(예를 들어, 2군데, 6군데, 8군데 등)에 설치되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성된, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)여도, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 동일한 작용효과를 나타낸다.
또한, 본 실시형태 2에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)에 나타내는, 제2 홈(22)을 실시형태 1에 나타내는 마찰교반 점접합 장치(50)의 숄더 부재(12)에 설치하는 형태를 채용해도 좋다. 즉, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에, 제1 홈(21)이 설치되고, 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 제2 홈(22)이 설치되어 있는 형태를 채용해도 좋다.
[시험예］
다음으로, 실시형태 1 및 2에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 시험예에 대해 설명한다.
(시험예 1)
시험예 1의 마찰교반 점접합 장치(50)는, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 제1 홈(21)을 설치한 것이다. 구체적으로는 제1 홈(21)을 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 4군데 설치하고, 제1 홈(21)의 폭 방향(숄더 부재(12)의 둘레방향)의 길이 치수를 1.5mm로 하며, 제1 홈(21)의 깊이 치수(숄더 부재(12)의 지름 방향의 길이 치수)를 0.3mm로 하고, 제1 홈(21)의 축선(Xr) 방향의 길이 치수를 2.0mm로 했다.
(시험예2)
시험예2의 마찰교반 점접합 장치(50)는, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 제1 홈(21)을 설치한 것이다. 구체적으로는 제1 홈(21)을, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 4군데 설치하고, 제1 홈(21)의 폭 방향의 길이 치수를 0.5mm로 하며, 제1 홈(21)의 깊이 치수를 0.2mm로 하고, 제1 홈(21)의 축선(Xr) 방향의 길이 치수를 1.8mm로 했다.
(시험예 3)
시험예 3의 마찰교반 점접합 장치(50)는, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 제1 홈(21)을 설치한 것이다. 구체적으로는 제1 홈(21)을, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 8군데 설치하고, 제1 홈(21)의 폭 방향의 길이 치수를 0.5mm로 하며, 제1 홈(21)의 깊이 치수를 0.2mm로 하고, 제1 홈(21)의 축선(Xr) 방향의 길이 치수를 1.8mm로 했다.
(시험예 4)
시험예 4의 마찰교반 점접합 장치(50)는, 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 제2 홈(22)을 설치한 것이다. 구체적으로는 제2 홈(22)을, 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 4군데 설치하고, 제2 홈(22)의 폭 방향(숄더 부재(12)의 둘레방향)의 길이 치수를 1.73mm로 하며, 제2 홈(22)의 깊이(축선(Xr) 방향의 길이) 치수를0.5mm로 했다.
(비교예)
비교예의 마찰교반 점접합 장치(50)는, 종래의 숄더 부재(12)와 동일한 구성이며, 제1 홈(21) 또는 제2 홈(22)이 설치되어 있지 않은 숄더 부재(12)를 이용했다.
(시험 결과)
그리고, 비교예 및 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 제1 부재(61), 제2 부재(62)로서, 두께 치수가 2.0mm의 알루미늄판을 이용하여, 마찰교반 점접합을 실행하고, 접합시간을 측정했다.
또한, 접합시간은, 핀 부재(11)의 선단면(11a) 및 숄더 부재(12)의 선단면(12a)이, 피접합물(60)의 표면(60c)에 접촉시킨 후, 핀 부재(11)의 선단면(11a) 및 숄더 부재(12)의 선단면(12a)이, 피접합물(60)의 표면(60c)으로부터 이간하기 까지의 시간을 계측했다.
또한, 마찰교반 점접합한 피접합물(60)을 이용하여, 십자인장시험(JIS Z 3137)을 행했다.
도 9는, 비교예 및 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 결과의 접합시간과, 십자인장시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9에 있어서는, 비교예의 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용했을 때의 접합시간 및 십자인장시험의 결과를 100％로 하고, 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 마찰교반 점접합했을 때의 접합시간 및 십자인장시험의 결과를 나타내고 있다.
도 10a 및 도 10b는, 비교예 및 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합한 결과의 쪽이, 비교예의 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합한 결과에 비해, 접합시간이 짧아져, 접합 강도가 향상하는 것이 나타나 있다.
또한, 도 10a 및 도 10b에 나타내는 바와 같이, 비교예의 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 피접합물(60)(제1 부재(61))에 있어서의 숄더 부재(12)가 압입에 의해 생긴 오목부를 형성하는 내벽면(65)(도 5b의 공정(6)참조)과, 연화된 재료에 의해 되메어진 부분(피접합부(60b))과의 사이에서, 계면이 형성되어 있다. 한편, 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 비교예의 마찰교반 점접합 장치(50)에 비해, 내벽면(65)과 피접합부(60b)의 사이의 계면의 형성이 억제되는 것이 나타나있다.
이들의 결과에서, 시험예 1~4의 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 내벽면(65)과 피접합부(60b)의 사이의 계면의 형성이 억제됨으로써, 계면 근처의 영역에서의 접합이 충분히 행해지기 때문에, 접합 강도가 향상되는 것이 시사된다.
(실시형태 3)
본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 제1 부재와 제2 부재로 구성되는 피접합물을 마찰교반 점접합하는 마찰교반 점접합 장치로서, 마찰교반 점접합 장치는, 핀 부재와, 중공 형상으로 형성되고, 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 각각의 길이 방향으로 연장되는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 각각 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고 숄더 부재는, 상기 숄더 부재가 피접합물 내를 회전하면서 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재의 진행 방향으로 유동하도록 구성되어 있다.
여기서, 숄더 부재의 진행 방향이란, 숄더 부재가 피접합물을 향하여 나아가는 방향을 말한다. 또한, 숄더 부재의 퇴행 방향은, 숄더 부재가 피접합물에서 이격되는 방향을 말한다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 숄더 부재가, 피접합물의 후킹이 숄더 부재의 진행 방향을 향하여 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 제1 부재는, 제2 부재보다 인장 강도가 커지도록 구성되어 있고, 숄더 부재는, 피접합물의 후킹이 접합 전의 제1 부재측에 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
여기서, 인장 강도란, JIS Z2241에 의해 측정된 강도를 말한다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 숄더 부재의 선단부의 외주면에는, 제1 홈이 형성되어 있고, 제1 홈은, 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 전단측이, 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 후단측에 비해, 숄더 부재의 기단측에 위치하도록 형성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 제1 홈은, 그 선단부가 숄더 부재의 선단에서 기단부측으로 이격된 위치로 형성되어 있어도 좋다.
본 실시형태 3에 따른 피접합물은, 상기 본 실시형태 3에 따른, 어느 마찰교반 점접합 장치에 의해, 마찰교반 점접합된 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 피접합물에서는, 제1 부재는, 제2 부재보다 인장 강도가 커지도록 구성되어 있고, 후킹은 접합 전의 제1 부재측에 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 피접합물은, 마찰교반 점접합 장치에 의해마찰교반 점접합된 피접합물로서, 피접합물은, 제1 부재와 제2 부재로 구성되고, 후킹이, 제1 부재 또는 제2 부재 내에 형성되어 있다.
본 실시형태 3에 따른 숄더 부재는, 외주면에, 회전 방향에 있어서의 일 부분이, 회전 방향에 있어서의 다른 부분에 비해, 기단측에 위치하는 경사부를 갖는 오목부 및/또는 볼록부가 형성되어 있다.
이하, 도 11~도 14b를 참조하면서, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치 및 피접합물에 대해, 상세하게 설명한다.
[마찰교반 점접합 장치의 구성］
도 11은, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 도 12는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 11에서는, 도면에 있어서의 상하 방향을 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 상하 방향으로서 나타내고 있다.
도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 기본적 구성은 동일하지만, 숄더 부재(12)의 형상이 상이하다. 또한, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 제어 구성은, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
구체적으로는 숄더 부재(12)는, 상기 숄더 부재(12)가 피접합물(60) 내를 회전하면서 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 진행 방향으로 유동하도록 구성되어 있다(도 13a 및 도 14a참조). 바꾸어 말하면, 숄더 부재(12)가, 피접합물(60)에 후킹(66)이 숄더 부재(12)의 진행 방향을 향하여 형성되도록 구성되어 있다.
보다 상세하게는, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 형성되어 있는 제1 홈(21)이, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 전단부(21a)가, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 후단부(21b)에 비해, 숄더 부재의 기단측에 위치하도록 형성되어 있다. 즉, 제1 홈(21)은, 기단측에 전단부(21a)가 위치하고, 선단측에 후단부(21b)가 위치하도록, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태 3에 있어서는, 복수의 제1 홈(21)이, 숄더 부재(12)의 외주면 전체를 덮도록 형성되어 있는 형태를 채용했지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 제1 홈(21)이, 숄더 부재(12)의 외주면 전체를 덮도록 나선형으로 형성되어 있는 형태를 채용해도 좋다. 또한, 제1 홈(21) 대신에, 복수의 오목부 및/또는 볼록부를 직선상 또는 곡선상으로 나열하도록 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 설치해도 좋다.
[마찰교반 점접합 장치의 동작 및 작용효과］
다음으로, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 동작에 대해, 도 11~도 14b를 참조하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 동작에 대해서는, 제어기(51)가, 저장기(31)에 저장되어 있는 프로그램을 판독함으로써 실행된다.
도 13a 및 도 13b는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다. 도 14a 및 도 14b는, 도 11에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 다른 예를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
또한, 도 13a~도 14b에 있어서는, 피접합물(60)로서, 2장의 판형상의 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)를 이용하고, 이들을 겹쳐서 점접합으로 연결하는 경우를 예로 들고 있다. 도 13a 및 도 13b에 있어서는, 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)는, 동일한 두께의 부재를 이용하고 있어, 제1 부재(61)가, 받침 부재(56)에 재치되어 있다. 또한, 도 14a 및 도 14b에 있어서는, 제1 부재(61)는, 제2 부재(62)보다 인장 강도가 높은 부재를 이용하고, 받침 부재(56)에 재치되어 있다.
또한, 도 13a~도 14b에 있어서는, 마찰교반 점접합 장치(50)의 일부를 생략하고, 화살표(r)는, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전 방향을 나타내고, 블록 화살표(F)는, 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 가해지는 힘의 방향을 나타낸다.
또한, 받침 부재(56)에서도 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 대해 힘이 가해지고 있지만, 설명의 편의상, 도 13a~도 14b에는 도시하고 있지 않다. 숄더 부재(12)에는, 핀 부재(11) 및 클램프 부재(13)와의 구별을 명확하게 하기 위해, 음영의 해칭이 되어 있다.
먼저, 작업자(조작자)가, 받침 부재(56)의 지지면(56a)에 피접합물(60)을 재치한다. 그 다음에 작업자가 입력기(32)를 조작하여, 제어기(51)에 피접합물(60)의 접합 실행을 입력한다. 또한, 로봇이, 받침 부재(56)의 지지면(56a)에 피접합물(60)을 재치해도 좋다.
그러자, 제어기(51)는, 회전 구동기(57)를 구동시켜, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 회전수(예를 들어, 200~3000rpm)로 회전시킨다(도 13a 및 도 14a의 공정(1)참조).
다음으로, 제어기(51)는, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동시켜, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 회전시킨 상태로, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 피접합물(60)에 접근시키고, 핀 부재(11)의 선단면(11a), 숄더 부재(12)의 선단면(12a), 및 클램프 부재(13)의 선단면(13a)(도 13a~도 14b에는 도시하지 않음)을 피접합물(60)의 표면(60c)에 접촉시킨다(도 13a 및 도 14a의 공정(2)참조).
이 때, 제어기(51)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)가, 전체적으로, 미리 설정된 소정의 가압력(예를 들어, 3kN~10kN의 범위에 포함되는 소정값)으로 피접합물(60)을 가압하도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 제어한다.
이로 인해, 클램프 부재(13)와 받침 부재(56)에 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)가 끼워 넣어지고, 클램프 구동기(41)의 수축에 의해, 클램프 부재(13)가 피접합물(60)의 표면(60c)측에 부세되어, 클램프력이 발생한다.
또한, 이 상태로는, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12) 모두가 진퇴 이동하지 않으므로, 피접합물(60)의 표면(60c)을 "예비 가열"하게 된다. 이에 의해, 피접합물(60)의 접촉 영역에 있어서의 구성재료가 마찰에 의해 발열함으로써 연화되어, 피접합물(60)의 표면(60c) 근처에 소성 유동부(60a)가 생긴다.
다음으로, 제어기(51)는, 핀 부재(11)의 선단면(11a)이 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 대해 몰입하도록, 진퇴 구동기(53)를 구동한다. 또한, 제어기(51)는, 핀 부재(11)가 피접합물(60)에서 이격되도록, 진퇴 구동기(53)(핀 구동기(531))를 구동해도 좋다. 또한, 제어기(51)는, 숄더 부재(12)가 피접합물(60) 내에 압입되도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동해도 좋다.
이 때, 도 13a의 공정(3)에 나타내는 바와 같이, 피접합물(60)의 연화 부위는, 제1 부재(61)에서 제2 부재(62)까지 이르게 되어, 소성 유동부(60a)의 볼륨이 증가한다. 또한, 소성 유동부(60a)의 연화된 재료는 숄더 부재(12)에 의해 밀려나, 숄더 부재(12)의 바로 아래에서 핀 부재(11)의 바로 아래로 유동하고, 그 만큼, 핀 부재(11)가 후퇴하여, 숄더 부재(12)에 대해 떠오른다. 이로 인해, 핀 부재(11)에는, 위를 향한 힘(Ｆ)이 가해지는 경우가 있다.
또한, 본 실시형태 3에 있어서는, 숄더 부재(12)가, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 진행 방향(하측 방향)으로 유동하도록 구성되어 있다. 이로 인해, 도 13a 및 도 14a의 공정(3)에 나타내는 바와 같이, 후킹(66)이 숄더 부재(12)의 진행 방향을 향하여 형성된다. 또한, 도 14a의 공정(3)에 나타내는 바와 같이, 제1 부재(61)가 제2 부재(62)보다 인장 강도가 높은 부재인 경우에는, 후킹(66)이, 접합 전의 제1 부재(61)측에 형성된다.
다음으로, 제어기(51)는, 위치 검출기(33)에서, 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보를 취득한다. 그 다음에 제어기(51)는, 단계(S104)에서 취득한 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치까지 도달했는지 아닌지를 판정한다.
제어기(51)는, 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 제1 위치까지 도달한 경우에는, 핀 부재(11)가 피접합물(60)을 향하여 나아가도록, 진퇴 구동기(53)(핀 구동기(531))를 구동하거나 제어기(51)는, 숄더 부재(12)가 피접합물(60)에서 이격되도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동한다.
이로 인해, 핀 부재(11)가 서서히 피접합물(60)을 향하여 나아가고, 숄더 부재(12)가 피접합물(60)에서 후퇴한다(도 13b 및 도 14b의 공정(4)참조). 이 때, 소성 유동부(60a)의 연화된 부분은, 핀 부재(11)의 바로 아래에서 숄더 부재(12)의 바로 아래(숄더 부재(12)의 압입에 의해 생긴 오목부)로 유동한다.
다음으로, 제어기(51)는, 진퇴 구동기(53)를 제어하여, 핀 부재(11)의 선단면(11a) 및 숄더 부재(12)의 선단면(12a)을 서로 단차가 거의 생기지 않을 정도로 맞춘다(수평으로 만든다)(도 13b 및 도 14b의 공정(5) 참조). 이로 인해, 피접합물(60)의 표면(60c)이 정형되어, 실질적인 오목부가 생기지 않을 정도의 거의 평탄한 면이 얻어진다.
다음으로, 제어기(51)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 피접합물(60)로 부터 이간하도록, 진퇴 구동기(53)를 구동시킨(단계(S108)) 그 다음에 제어기(51)는, 회전 구동기(57)를 제어하여, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전을 정지시키고(도 13b 및 도 14b의 공정(6)참조), 일련의 마찰교반 점접합(피접합물(60)의 접합공정)을 종료시킨다.
이로 인해, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 접촉에 의한 회전(및 가압)은 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 가해지지 않게 되므로, 제1 부재(61), 제2 부재(62)의 모두에 이르는 소성 유동부(60a)에서는, 소성 유동이 정지하여 피접합부(60b)가 된다.
이렇게 구성된, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 숄더 부재(12)가, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 진행 방향(하측 방향)으로 유동하도록 구성되어 있다.
이로 인해, 후킹(66)이 숄더 부재(12)의 진행 방향을 향하여 형성된다. 보다 상세하게는, 핀 부재(11)가 퇴행 방향으로 이동할 때, 후킹(66)은, 약간, 퇴행 방향으로 당겨지지만, 크게 진행 방향으로 밀려들어가기 때문에, 전체적으로, 후킹(66)은, 숄더 부재(12)의 진행 방향을 향하여 형성된다.
또한, 후킹(66)의 방향은, 그 선단 부분의 방향으로 판단하고, 그 일부가 상측 방향을 향하고 있어도, 선단 부분이 아래를 향하게 형성되어 있는 경우에는, 후킹(66)은 아래를 향하게 형성되어 있다고 판단한다.
이로 인해, 후술하는 시험예에 나타내는 바와 같이, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 피접합물(60)의 접합 강도를 크게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 제1 홈(21)의 선단부가, 숄더 부재(12)의 선단면에서 기단부측으로 이격된 위치에 형성되어 있다. 이로 인해, 숄더 부재(12)의 선단면에 모서리부가 형성되지 않기 때문에, 선단 부분이 잘 빠지지 않아, 숄더 부재(12)의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 숄더 부재(12)는, 상기 숄더 부재(12)가 피접합물(60) 내를 회전 하면서 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 진행 방향으로 유동하도록 구성되어 있으면 좋고, 상술한 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에, 적절한 오목부 및/또는 볼록부를 설치해도 좋다.
이 경우, 오목부 및/또는 볼록부는, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 일 부분(예를 들어, 전단부(21a))이, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 다른 부분(예를 들어, 후단부(21b))에 비해, 숄더 부재(12)의 기단측에 위치하는 경사부를 갖도록 형성되어 있어도 좋다. 또한, 경사부는, 직선형으로 형성되어 있어도 좋고, 곡선형으로 형성되어 있어도 좋으며, 계단형으로 형성되어 있어도 좋다.
[변형예 1］
다음으로, 본 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 변형예에 대해, 설명한다.
본 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치는, 숄더 부재의 선단면에는, 제2 홈이 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치에서는, 제2 홈은, 그 바닥면이 경사지도록 형성되어 있어도 좋다.
이하, 본 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치 및 피접합물의 일례에 대해, 도 15 및 도 16을 참조하면서 설명한다.
도 15는, 본 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 16은, 도 15에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 15에 있어서는, 도면에 있어서의 상하 방향을 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 상하 방향으로서 나타내고 있다.
도 15 및 도 16에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치(50)는, 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 기본적 구성은 동일하지만, 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에, 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈(22)이 형성되어 있는 점이 상이하다. 제2 홈(22)은, 여기에서는, 그 바닥면(22a)이 경사지도록 형성되어 있다.
구체적으로는 바닥면(22a)은, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 전단부(221)가, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 후단부(222)에 비해, 숄더 부재(12)의 기단측에 위치하도록 경사지고 있다.
이로 인해, 소성 유동에 의해 연화된 재료를, 숄더 부재(12)의 진행 방향(하측 방향)으로 유동시킬 수 있다. 이로 인해, 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)보다 연화된 재료를, 보다 숄더 부재(12)의 진행 방향(하측 방향)으로 유동시킬 수 있어, 후술하는 시험예에 나타내는 바와 같이, 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)에 비해, 피접합물(60)의 접합 강도를 보다 크게 할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 제1 부재와 제2 부재로 구성되는 피접합물을 마찰교반 점접합하는 마찰교반 점접합 장치로서, 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와, 원통형으로 형성되고, 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 각각 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고, 숄더 부재는, 상기 숄더 부재가 피접합물 내를 진행했을 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재의 진행 방향으로 유동하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 숄더 부재는, 피접합물의 후킹이 숄더 부재의 진행 방향을 향하여 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 숄더 부재의 선단면에는, 직경 방향 또는 현 방향으로 연장되도록 제2 홈이 형성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 제2 홈은, 그 바닥면이 경사지도록 형성되어 있어도 좋다.
본 실시형태 4에 따른 피접합물은, 상기 본 실시형태 4에 따른, 어느 마찰교반 점접합 장치에 의해, 마찰교반 점접합된 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태 4에 따른 피접합물에서는, 제1 부재는, 제2 부재보다 인장 강도가커지도록 구성되어 있고, 후킹은 접합 전의 제1 부재측에 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
이하, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치 및 피접합물의 일례에 대해, 도 17 및 도 18을 참조하면서 설명한다.
도 17은, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 도 18은, 도 17에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 17에 있어서는, 도면에 있어서의 상하 방향을 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 상하 방향으로서 나타내고 있다.
도 17 및 도 18에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 기본적 구성은 동일하지만, 제1 홈(21) 대신에, 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에, 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈(22)이 형성되어 있는 점이 상이하다. 제2 홈(22)은, 여기에서는, 그 바닥면(22a)이 경사지도록 형성되어 있다.
구체적으로는 바닥면(22a)은, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 전단부(221)가, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 후단부(222)에 비해, 숄더 부재(12)의 기단측에 위치하도록 경사지고 있다.
이로 인해, 소성 유동에 의해 연화된 재료를, 숄더 부재(12)의 진행 방향(하측 방향)으로 유동시킬 수 있다. 이로 인해, 연화된 재료를 숄더 부재(12)의 진행 방향(하측 방향)으로 유동시킬 수 있어, 후술하는 시험예에 나타내는 바와 같이, 피접합물(60)의 접합 강도를 보다 크게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 제2 홈(22)은, 지름 방향으로, 직선형으로 연장되도록 형성했지만, 이에 한정되지 않고, 지름 방향으로, 곡선형으로 연장되도록 형성해도 좋고, 활 방향으로, 직선형 또는 곡선형으로 연장되도록 형성해도 좋다.
(실시형태 5)
본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치는, 제1 부재와 제2 부재로 구성되는 피접합물을 마찰교반 점접합하는 마찰교반 점접합 장치로서, 마찰교반 점접합 장치는, 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와, 원통형으로 형성되고, 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와, 핀 부재 및 숄더 부재를, 각각 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고, 숄더 부재는, 상기 숄더 부재가 피접합물 내를 진행했을 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재의 퇴행 방향으로 유동하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 숄더 부재는, 피접합물의 후킹이 숄더 부재의 퇴행 방향을 향하여 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치에서는, 숄더 부재의 선단부의 외주면에는, 제1 홈이 형성되어 있어, 제1 홈은, 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 후단측이, 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 전측에 비해, 숄더 부재의 기단측에 위치하도록 형성되어 있어도 좋다.
본 실시형태 5에 따른 피접합물은, 상기 본 실시형태 5에 따른, 어느 마찰교반 점접합 장치에 의해, 마찰교반 점접합된 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태 5에 따른 피접합물에서는, 제1 부재는, 제2 부재보다 인장 강도가 커지도록 구성되어 있고, 후킹은 접합 전의 제1 부재측에 형성되도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태 5에 따른 피접합물은, 마찰교반 점접합 장치에 의해마찰교반 점접합된 피접합물로서, 피접합물은, 제1 부재와 제2 부재로 구성되고, 후킹이, 접합 전의 제1 부재 내에 형성되어 있다.
이하, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치 및 피접합물의 일례에 대해, 도 19~도 21b를 참조하면서 설명한다.
[마찰교반 점접합 장치의 구성］
도 19는, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치의 개략적인 구성을 나타내는 모식도이다. 도 20은, 도 19에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 숄더 부재의 선단부를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 19에 있어서는, 도면에 있어서의 상하 방향을 마찰교반 점접합 장치에 있어서의 상하 방향으로서 나타내고 있다.
도 19 및 도 20에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)는, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 기본적 구성은 동일하지만, 숄더 부재(12)의 형상이 상이하다. 또한, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 제어 구성은, 실시형태 1에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)와 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
구체적으로는 숄더 부재(12)는, 상기 숄더 부재(12)가 피접합물(60) 내를 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 퇴행 방향으로 유동하도록 구성되어 있다(도 21a참조). 바꾸어 말하면, 숄더 부재(12)가, 피접합물(60)에 후킹(66)이 숄더 부재(12)의 퇴행 방향을 향하여 형성되도록 구성되어 있다.
보다 상세하게는, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 형성되어 있는 제1 홈(21)이, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 전단부(21a)가, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 후단부(21b)에 비해, 숄더 부재의 선단측에 위치하도록 형성되어 있다. 즉, 제1 홈(21)은, 전단부(21a)가 선단측에 위치하고, 후단부(21b)가 기단측에 위치하도록, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태 5에 있어서는, 복수의 제1 홈(21)이, 숄더 부재(12)의 외주면 전체를 덮도록 형성되어 있는 형태를 채용했지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 하나의 제1 홈(21)이, 숄더 부재(12)의 외주면 전체를 덮도록 나선형으로 형성되어 있는 형태를 채용해도 좋다. 또한, 제1 홈(21) 대신에, 복수의 오목부 및/또는 볼록부를 직선상으로 나열하도록, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에 설치되어도 좋다.
또한, 숄더 부재(12)는, 상기 숄더 부재(12)가 피접합물(60)내를 회전하면서 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가 숄더 부재(12)의 퇴행 방향으로 유동하도록 구성되어 있으면 좋고, 상술한 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 숄더 부재(12)의 선단부의 외주면에, 적절한 오목부 및/또는 볼록부를 설치해도 좋다.
이 경우, 오목부 및/또는 볼록부는, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 일 부분(예를 들어, 후단부)이, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 다른 부분(예를 들어, 전단부)에 비해, 숄더 부재(12)의 기단측에 위치하는 경사부를 갖도록 형성되어 있어도 좋다. 또한, 경사부는, 직선형으로 형성되어 있어도 좋고, 곡선형으로 형성되어 있어도 좋으며, 계단형으로 형성되어 있어도 좋다.
[마찰교반 점접합 장치의 동작 및 작용효과］
다음으로, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 동작에 대해, 도 19~도 21b를 참조하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 동작에 대해서는, 제어기(51)가, 저장기(31)에 저장되어 있는 프로그램을 판독함으로써 실행된다.
도 21a 및 도 21b는, 도 19에 나타내는 마찰교반 점접합 장치에 의한 마찰교반 점접합의 각 공정의 일례를 모식적으로 나타내는 공정도이다.
또한, 도 21a 및 도 21b에 있어서는, 피접합물(60)로서, 2장의 판상의 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)를 이용하고, 이들을 겹쳐서 점접합으로 연결하는 경우를 예로 들고 있다. 또한, 도 21a 및 도 21b에 있어서는, 제1 부재(61)는, 제2 부재(62)보다 인장 강도가 높은 부재를 이용하고, 받침 부재(56)에 재치되어 있다.
또한, 도 21a 및 도 21b에 있어서는, 마찰교반 점접합 장치(50)의 일부를 생략하고, 화살표(r)는, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전 방향을 나타내며, 블록 화살표(F)는, 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 가해지는 힘의 방향을 나타낸다.
또한, 받침 부재(56)에서도 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 대해 힘이 가해지고 있지만, 설명의 편의상, 도 21a 및 도 21b에는 도시하고 있지 않다. 숄더 부재(12)에는, 핀 부재(11) 및 클램프 부재(13)와의 구별을 명확하게 하기 위해, 음영의 해칭이 되어 있다.
먼저, 작업자(조작자)가, 받침 부재(56)의 지지면(56a)에 피접합물(60)을 재치한다. 그 다음에 작업자가 입력기(32)를 조작하여, 제어기(51)에 피접합물(60)의 접합 실행을 입력한다. 또한, 로봇이, 받침 부재(56)의 지지면(56a)에 피접합물(60)을 재치해도 좋다.
그러자, 제어기(51)는, 회전 구동기(57)를 구동시켜, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 미리 설정되어 있는 소정의 제1 회전수(예를 들어, 200~3000rpm)로 회전시킨다(도 21a의 공정(1)참조).
다음으로, 제어기(51)는, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동시켜, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)를 회전시킨 상태로, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 피접합물(60)에 접근시키고, 핀 부재(11)의 선단면(11a), 숄더 부재(12)의 선단면(12a), 및 클램프 부재(13)의 선단면(13a)(도 21a 및 도 21b에는 도시하지 않음)을 피접합물(60)의 표면(60c)에 접촉시킨다(도 21a의 공정(2)참조).
이 때, 제어기(51)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)가, 전체적으로, 미리 설정된 소정의 가압력(예를 들어, 3kN~10kN의 범위에 포함되는 소정값)으로 피접합물(60)을 가압하도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 제어한다.
이로 인해, 클램프 부재(13)와 받침 부재(56)에 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)가 끼워 넣어지고, 클램프 구동기(41)의 수축에 의해, 클램프 부재(13)가 피접합물(60)의 표면(60c)측에 부세되어, 클램프력이 발생한다.
또한, 이 상태로는, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12) 모두가 진퇴 이동하지 않으므로, 피접합물(60)의 표면(60c)을 "예비 가열"하게 된다. 이에 의해, 제1 부재(61)의 접촉 영역에 있어서의 구성재료가 마찰에 의해 발열함으로써 연화되어, 피접합물(60)의 표면(60c) 근처에 소성 유동부(60a)가 생긴다.
다음으로, 제어기(51)는, 핀 부재(11)의 선단면(11a)이 숄더 부재(12)의 선단면(12a)에 대해 몰입하도록, 진퇴 구동기(53)를 구동한다. 또한, 제어기(51)는, 핀 부재(11)가 피접합물(60)에서 이격되도록, 진퇴 구동기(53)(핀 구동기(531))를 구동해도 좋다. 또한, 제어기(51)는, 숄더 부재(12)가 피접합물(60) 내에 압입되도록 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동해도 좋다.
이 때, 도 21a의 공정(3)에 나타내는 바와 같이, 피접합물(60)의 연화 부위는, 상측의 제1 부재(61)에서 하측의 제2 부재(62)까지 이르게 되어, 소성 유동부(60a)의 볼륨이 증가한다. 또한, 소성 유동부(60a)의 연화된 재료는 숄더 부재(12)에 의해 밀려나, 숄더 부재(12)의 바로 아래에서 핀 부재(11)의 바로 아래로 유동하기 때문에 핀 부재(11)는 후퇴하여 숄더 부재(12)에 대해 떠오른다.
또한, 본 실시형태 5에 있어서는, 숄더 부재(12)가, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 퇴행 방향(상방향)으로 유동하도록 구성되어 있다. 이로 인해, 후킹(66)이 숄더 부재(12)의 퇴행 방향을 향하여 형성된다.
다음으로, 제어기(51)는, 위치 검출기(33)에서, 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보를 취득한다. 그 다음에 제어기(51)는, 단계(S104)에서 취득한 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 미리 설정되어 있는 소정의 제1 위치까지 도달했는지 아닌지를 판정한다.
제어기(51)는, 숄더 부재(12)의 선단부의 위치 정보가, 제1 위치까지 도달한 경우에는, 핀 부재(11)가 피접합물(60)을 향하여 나아가도록, 진퇴 구동기(53)(핀 구동기(531))를 구동하거나 제어기(51)는, 숄더 부재(12)가 피접합물(60)에서 이격되도록, 진퇴 구동기(53)(숄더 구동기(532))를 구동한다.
이로 인해, 핀 부재(11)가 서서히 제1 부재(61)를 향하여 나아가고, 숄더 부재(12)가 제1 부재(61)에서 후퇴한다(도 21b의 공정(4)참조). 이 때, 소성 유동부(60a)의 연화된 부분은, 핀 부재(11)의 바로 아래에서 숄더 부재(12)의 바로 아래(숄더 부재(12)의 압입에 의해 생긴 오목부)로 유동한다.
다음으로, 제어기(51)는, 진퇴 구동기(53)를 제어하여, 핀 부재(11)의 선단면(11a) 및 숄더 부재(12)의 선단면(12a)을 서로 단차가 거의 생기지 않을 정도로 맞춘다(수평으로 만든다)(도 21b의 공정(5)참조). 이로 인해, 피접합물(60)의 표면(60c)이 정형되어, 실질적인 오목부가 생기지 않을 정도의 거의 평탄한 면이 얻어진다.
다음으로, 제어기(51)는, 핀 부재(11), 숄더 부재(12), 및 클램프 부재(13)를 피접합물(60)로 부터 이간하도록, 진퇴 구동기(53)를 구동시킨(단계(S108)) 그 다음에 제어기(51)는, 회전 구동기(57)를 제어하여, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 회전을 정지시키고(도 21b의 공정(6) 참조), 일련의 마찰교반 점접합(피접합물(60)의 접합공정)을 종료시킨다.
이로 인해, 핀 부재(11) 및 숄더 부재(12)의 접촉에 의한 회전(및 가압)은 제1 부재(61) 및 제2 부재(62)에 가해지지 않게 되므로, 제1 부재(61), 제2 부재(62)의 모두에 이르는 소성 유동부(60a)에서는, 소성 유동이 정지하여 피접합부(60b)가 된다.
이와 같이 구성된, 본 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)에서는, 숄더 부재(12)가, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 숄더 부재(12)의 퇴행 방향(상방향)으로 유동하도록 구성되어 있다.
이로 인해, 후킹(66)이 숄더 부재(12)의 퇴행 방향을 향하여 형성되고, 후술하는 시험예에 나타내는 바와 같이, 제1 홈(21)이 형성되어 있지 않는, 종래의 숄더 부재(12)에 비해, 인장 강도가 큰 제1 부재(61)측에 후킹을 높이 형성시킬 수 있다. 이로 인해, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 피접합물(60)의 접합 강도를 크게 할 수 있다.
[실시예］
다음으로, 실시형태 3(변형예 1을 포함한다)~5에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)의 실시예에 대해설명한다.
(실시예 1)
실시예 1의 마찰교반 점접합 장치는, 실시형태 3에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 마찰교반 점접합을 실행했다.
(실시예2)
실시예2의 마찰교반 점접합 장치는, 실시형태 3에 있어서의 변형예 1의 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 마찰교반 점접합을 실행했다.
(실시예 3)
실시예 3의 마찰교반 점접합 장치는, 실시형태 4에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)를이용하여, 마찰교반 점접합을 실행했다.
(실시예 4)
실시예 4의 마찰교반 점접합 장치는, 실시형태 5에 따른 마찰교반 점접합 장치(50)를 이용하여, 마찰교반 점접합을 실행했다.
(비교예 1)
비교예 1의 마찰교반 점접합 장치는, 종래의 숄더 부재(12)와 동일한 구성이고, 제1 홈(21) 또는 제2 홈(22)이 설치되어 있지 않은 숄더 부재(12)를 이용하여, 마찰교반 점접합을 실행했다.
(시험 결과 1)
제2 부재(62)로서, 1.6mm의 알루미늄판(2024-T8)을 이용하고, 제1 부재(61)로서, 3.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하여, 제1 부재(61)를 받침 부재(56)에 재치시키고, 비교예 1 및 실시예 1, 2의 마찰교반 점접합 장치에 의해, 접합한 피접합물(60)에 대해, 각각, 십자인장시험(JIS Z 3137)을 실행했다.
도 22는, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 하기 전의 단면 사진이고, (B)는, (A)에 나타내는 영역 (B)를 확대한 단면 사진이다. 도 23은, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험한 후의 단면 사진이고, (B)는, (A)에 나타내는 영역 (B)를 확대한 단면 사진이다.
도 24는, 비교예 1 및 실시예 1, 2의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 행한 결과와, 후킹의 높이를 나타내는 그래프이다.
또한, 도 24에 있어서는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용했을 때의 십자인장시험의 결과를 100％로 하고, 실시예 1, 2의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합했을 때의 십자인장시험의 결과를 나타내고 있다. 또한, 도 24에 있어서는, 제1 부재(61)와 제2 부재(62)의 접촉면보다 상방의 부분을 플러스측으로 하고, 제1 부재(61)와 제2 부재(62)의 접촉면보다 하방의 부분을 마이너스측으로 하여, 나타내고 있다.
도 22~도 24에 나타내는 바와 같이, 실시예 1, 2의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합하면, 후킹이, 제1 부재(61)측(마이너스측)에 형성되는 것을 나타냈다.
구체적으로는 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합하면, 후킹의 높이가, -121μm가 되고, 실시예 2의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합하면, 후킹의 높이가, -29μm가 된다. 또한, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합하면, 후킹의 높이가, 117μm가 된다.
또한, 도 23에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물(60)에 대해, 십자인장시험을 실행하면, 균열이 아래를 향해도 진전하고 있음과 동시에, 인장 강도가 작은 부재(제2 부재(62))측이 파단하는 것이 나타나있다.
또한, 도 24에 나타내는 바와 같이, 실시예 1, 2의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합한 결과의 쪽이, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 피접합물(60)을 마찰교반 점접합한 결과에 비해, 접합 강도가 향상하는 것이 나타나 있다.
이들의 결과에서, 인장 강도가 큰 부재측(시험 결과1에서는, 제1 부재(61)측)에 후킹을 형성시키도록 숄더 부재(12)를 구성함으로써, 접합 강도를 크게 할 수 있는 것이 시사된다.
(시험 결과2)
제2 부재(62)로서, 3.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하고, 제1 부재(61)로서, 3.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하여, 제1 부재(61)를 받침 부재(56)에 재치시키고, 비교예 1 및 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치에 의해, 접합한 피접합물(60)에 대해, 각각, 십자인장시험(JIS Z 3137)을 실행했다.
도 25는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이고, (A)는, 십자인장시험 전의 단면 사진이며, (B)는, 십자인장시험 후의 단면 사진이다. 또한, 도 25(A)에서는, 후킹 부분 근처를 확대하고 있다.
도 26은, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이고, (A)는, 십자인장시험 전의 단면 사진이며, (B)는, 십자인장시험 후의 단면 사진이다. 또한, (A)에서는, 후킹 부분 근처를 확대하고 있다.
도 25(A)에 나타내는 바와 같이, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 경우에는, 후킹은, 숄더 부재(12)의 퇴행 방향(제2 부재(62)측)에 형성되어 있다. 또한, 도 26(A)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 경우에는, 후킹은, 숄더 부재(12)의 진행 방향(제1 부재(61)측)에 형성되어 있다. 그리고, 도 25(B) 및 도 26(B)에 나타내는 바와 같이, 후킹이 형성되어 있는 부재측이 파단하는 것이 나타나 있다.
이들의 결과에서, 제1 홈(21)을, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 전단부(21a)가, 숄더 부재(12)의 회전 방향에 있어서의 후단부(21b)에 비해, 숄더 부재의 기단측에 위치하도록 형성함으로써, 후킹을, 숄더 부재(12)의 진행 방향으로 형성시킬 수 있는 것이 시사되었다. 또한, 숄더 부재(12)의 형상을 선택함으로써, 피접합물(60)의 파단시키는 부재를 선택할 수 있는 것이 시사된다.
(시험 결과 3)
제2 부재(62)로서, 3.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하고, 제1 부재(61)로서, 3.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하여, 제1 부재(61)을 받침 부재(56)에 재치시키고, 실시예 3 및 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치에 의해, 접합한 피접합물(60)에 대해, 각각, 십자인장시험(JIS Z 3137)을 실행했다.
도 27은, 실시예 3의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이고, (B)는, (A)에 나타내는 영역 (B)를 확대한 단면 사진이다. 도 28은, 비교예 1 및 실시예 3의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 행한 결과와, 후킹의 높이를 나타내는 그래프이다.
또한, 도 28에 있어서는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용했을 때의 십자인장시험의 결과를 100％로 하고, 실시예 3의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합했을 때의 십자인장시험의 결과를 나타내고 있다.
도 27 및 도 28에 나타내는 바와 같이, 실시예 3의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물(60)에서는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물(60)에 비해, 후킹의 높이를 작게 할 수 있어, 접합 강도가 향상하는 것이 나타나 있다.
이로 인해, 제1 부재(61)와 제2 부재(62)의 인장 강도가 동일한 경우에는, 후킹의 높이를 작게 함으로써, 접합 강도가 향상하는 것이 시사되었다.
(시험 결과4)
제2 부재(62)로서, 3.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하고, 제1 부재(61)로서, 5.0mm의 알루미늄판(2024-T3)을 이용하여, 제2 부재(62)를 받침 부재(56)에 재치시키고, 비교예 1 및 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치에 의해, 접합한 피접합물(60)에 대해, 각각, 십자인장시험(JIS Z 3137)을 실행했다.
도 29는, 비교예 1 및 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이고, (A)는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이고, (B)는, 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물의 단면 사진이다.
도 30은, 비교예 1 및 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물에 대해, 십자인장시험을 행한 결과와, 후킹의 높이를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 30에 있어서는, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용했을 때의 십자인장시험의 결과를 100％로 하고, 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합했을 때의 십자인장시험의 결과를 나타내고 있다.
도 29 및 도 30에 나타내는 바와 같이, 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물(60)의 쪽이, 비교예 1의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰교반 점접합한 피접합물(60)에 비해, 후킹(66)의 높이가 커져, 접합 강도가 향상하는 것이 나타나 있다.
또한, 도면에는 나타내지 않지만, 실시예 4의 마찰교반 점접합 장치를 이용하여, 마찰 교반점접합한 피접합물(60)에서는, 십자인장시험을 실행한 후, 인장 강도가 작은 부재(제2 부재(62))측이 파단했다.
상기 결과에서, 인장 강도가 큰 부재측(시험 결과4에서는, 제1 부재(61) 측)에 후킹을 높게 형성시키도록 숄더 부재(12)를 구성함으로써, 접합 강도를 크게 할 수 있는 것이 시사된다.
상기 설명에서, 당업자에게는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 분명하다. 따라서 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고, 그 구조 및/또는 기능의 상세한 내용을 실질적으로 변경할 수 있다. 또한, 상기 실시예에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해 다양한 발명을 형성할 수 있다.
본 발명의 마찰교반 점접합 장치는, 종래의 마찰교반 점접합 장치에 비해, 접합 시간을 단축할 수 있기 때문에 유용하다.
11 핀 부재
11a 선단면
12 숄더 부재
12a 선단면
13 클램프 부재
13a 선단면
21 제1 홈
21a 전단부
21b 후단부
22 제2 홈
31 저장기
32 입력기
33 위치 검출기
41 클램프 구동기
50 마찰교반 점접합 장치
51 제어기
52 공구 고정기
53 진퇴 구동기
55 받침 지지부
56 받침 부재
56a 지지면
57 회전 구동기
60 피접합물
60a 소성 유동부
60b 피접합부
60c 표면
61 제1 부재
62 제2 부재
65 내벽면
66 후킹
221 전단부
222 후단부
521 회전공구 고정기
522 클램프 고정기
531 핀 구동기
532 숄더 구동기
Xr 축선

Claims (16)

  1. 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와,
    원통형으로 형성되고, 상기 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와,
    상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 상기 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와,
    상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고,
    상기 숄더 부재의 외주면의 선단부에는, 상기 핀 부재의 축심 방향을 따라 연장되도록 제1 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 숄더 부재의 선단면에는, 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  3. 원기둥형으로 형성되어 있는 핀 부재와,
    원통형으로 형성되고, 상기 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와,
    상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 상기 핀 부재의 축심과 일치하는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와,
    상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고,
    상기 숄더 부재의 선단면에는, 지름 방향으로 연장되도록 제2 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  4. 제1 부재와 제2 부재로 구성된 피접합물을 마찰교반 점접합하는 마찰교반 점접합 장치로서,
    상기 마찰교반 점접합 장치는,
    핀 부재와,
    중공 형상으로 형성되고, 상기 핀 부재가 내부에 삽입 통과되어 있는 숄더 부재와,
    상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각의 길이 방향으로 연장되는 축선 둘레로 회전시키는 회전 구동기와,
    상기 핀 부재 및 상기 숄더 부재를, 각각 상기 축선을 따라 진퇴 이동시키는 진퇴 구동기를 구비하고,
    상기 숄더 부재는, 상기 숄더 부재가 상기 피접합물 내를 회전하면서 진행할 때, 소성 유동에 의해 연화된 재료가, 상기 숄더 부재의 진행 방향 또는 상기 숄더 부재의 퇴행 방향으로 유동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 숄더 부재는, 상기 피접합물의 후킹이 상기 숄더 부재의 진행 방향 또는 상기 숄더 부재의 퇴행 방향을 향하여 형성되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 부재는, 상기 제2 부재보다 인장 강도가 커지도록 구성되어 있고,
    상기 숄더 부재는, 상기 피접합물의 후킹이 접합 전의 상기 제1 부재측에 형성되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 숄더 부재의 외주면에는, 상기 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 일 부분이, 상기 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 다른 부분에 비해, 상기 숄더 부재의 기단측에 위치하는, 경사부를 갖는 오목부 및 볼록부 중 적어도 하나가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합 장치.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 숄더 부재의 선단부의 외주면에는, 제1 홈이 형성되어 있고,
    상기 제1 홈은, 상기 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 전단측이, 상기 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 후단측에 비해, 상기 숄더 부재의 기단측에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 숄더 부재의 선단부의 외주면에는, 제1 홈이 형성되어 있고,
    상기 제1 홈은, 상기 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 후단측이, 상기 숄더 부재의 회전 방향에 있어서의 전단측에 비해, 상기 숄더 부재의 기단측에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 홈은, 그 선단부가 상기 숄더 부재의 외주면의 선단에서 기단부측으로 이격된 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 숄더 부재의 선단면에는, 지름 방향 또는 활 방향으로 연장되도록, 제2 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 홈은, 그 바닥면이 경사지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰교반 점접합 장치.
  13. 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 마찰교반 점접합 장치에 의해, 마찰교반 점접합되는 것을 특징으로 하는 피접합물.
  14. 마찰교반 점접합 장치에 의해 마찰교반 점접합된 피접합물로서,
    상기 피접합물은, 제1 부재와 제2 부재로 구성되고,
    후킹이, 상기 제1 부재 내에 형성되어 있거나 상기 제2 부재 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피접합물.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 부재는, 상기 제2 부재보다 인장 강도가 커지도록 구성되어 있고,
    상기 후킹은 접합 전의 상기 제1 부재측으로 형성되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 피접합물.
  16. 외주면에, 회전 방향에 있어서의 일 부분이, 상기 회전 방향에 있어서의 다른 부분에 비해, 기단측에 위치하도록 경사부를 갖는 오목부 및 볼록부 중 적어도 하나가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 숄더 부재.
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