KR20230028513A

KR20230028513A - 엘리먼트, 마찰 엘리먼트 접합 방법 및 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20230028513A
Application number: KR1020237002954A
Authority: KR
Inventors: 나오아키 무네무라; 히로시 마츠다; 요시아키 무라카미
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-02-28
Also published as: JPWO2022024987A1; CN116157222A; WO2022024987A1; EP4155020A4; US20230271270A1; MX2023001180A; EP4155020A1; JP7173376B2

Abstract

엘리먼트, 마찰 엘리먼트 접합 방법 및 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 회전시키면서 압입함으로써, 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하기 위한 엘리먼트이고, 엘리먼트는, 판조에 진입하는 원기둥형의 맨드릴과, 그 맨드릴의 상단부에 배설되는 원형의 칼라와, 맨드릴의 하단면에 연설되는 제1 원추체와, 그의 하측에 배설되는 제2 원추체를 구비하고, 제2 원추체의 정각 β와 제1 원추체의 정각 α가 β＜α의 관계를 충족한다.

Description

엘리먼트, 마찰 엘리먼트 접합 방법 및 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법

본 발명은, FEW(Friction Element Welding)로 불리는 마찰 엘리먼트 접합에 관한 것이다. 상세하게는, 강판(예를 들면 보통 강판, 고장력 강판 등)이나 경금속판(예를 들면 알루미늄판, 알루미늄 합금판, 동판 등) 등의 금속판을 2매 이상 서로 겹쳐 마찰 엘리먼트 접합을 행하기 위한 엘리먼트 및, 그 엘리먼트를 이용한 마찰 엘리먼트 접합 방법 그리고 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 지구의 온난화 등의 환경 문제에 대처하기 위한 연구가, 여러 가지 분야에서 진행되고 있다. 자동차 산업에 있어서는, 연료 소비량의 삭감(소위 연비 향상), 나아가서는 CO₂ 배출량의 저감 기술이 개발되고 있다. 전동 모터를 병용하는 기술(소위 하이브리드), 혹은, 초하이텐(ultra-high tensile)이라고 불리는 고강도 강판을 채용함으로써, 강판의 사용량을 줄여 차체의 경량화를 도모함과 함께 운전자나 동승자의 안전성을 높이는 기술이, 실용화되고 있다.

또한, 차체의 한층 더 경량화를 달성하기 위해, 경금속(예를 들면 알루미늄 합금, 동판 등)을 차체에 채용하는 기술이 검토되고 있다. 그러한 차체를 제조 라인에서 양산하기 위해서는, 차체의 골격을 이루는 강제의 프레임과 경금속제의 재료를 강고하게 접합하는 기술이 필요해진다.

종래는 차체에 강판을 사용하고 있었기 때문에, 범용적인 용융 용접법(예를 들면 아크 용접(arc welding), 저항 스폿 용접(resistance spot welding) 등)이 보급되어 있었지만, 상기한 것과 같은 강판과 경금속판의 접합에서는, 종래의 용융 용접법은 채용할 수 없다. 예를 들면, 고강도 강판과 알루미늄 합금판을 용융 용접법으로 접합하고자 하면, Fe와 Al의 금속간 화합물이 생성되고, 그 결과, 접합부가 현저하게 취화한다는 문제가 발생한다.

그래서, 강판과 경금속판을 용융시키지 않고 접합하는 기술이 검토되고 있다. 그 대표적인 예로서, 금속제의 접합 부품(이하, 엘리먼트라고 함)을 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 기술이 비특허문헌 1에 개시되어 있다. 이 기술은, 금속판을 서로 겹쳐 판조(板組;sheet stack)로 하고, 엘리먼트를 고속으로 회전시키면서, 압력을 가하여 판조에 진입(이하, 압입이라고 함)시킴으로써, 금속판끼리를 접합하는 것이다.

그리고 특허문헌 1에는, 마찰 엘리먼트 접합에 적합하게 사용할 수 있는 엘리먼트가 개시되어 있다. 그 엘리먼트는, 맨드릴부(mandrel)가 둥그스럼한 복수의 모서리 영역을 갖는 다각형이고, 또한 비원형의 외형을 갖는 구조로 함으로써, 접합 프로세스에 있어서 가해지는 힘의 작용에 지원됨으로써, 소성 변형한 판조의 상판의 배출을 촉진하는 것이다.

또한 특허문헌 2에 개시된 엘리먼트는, 원기둥형의 맨드릴과, 그 맨드릴의 상단부의 주위에 장출(張出)하여 배설(配設)되는 원형의 칼라(circular collar)와, 맨드릴의 하단면으로부터 돌출하여 배설되는 원추형의 핀을 구비한 것이다. 특허문헌 2의 엘리먼트에 의하면, 엘리먼트를 판조에 압입할 때에, 우선 핀의 정점(apex)이 판조에 맞닿아 그 위치에 유지되면서 엘리먼트를 고속으로 회전함으로써, 마찰열을 소정의 위치에 집중하여 발생시킬 수 있다.

이들 종래의 기술, 즉 비특허문헌 1에 개시된 마찰 엘리먼트 접합의 기술이나 특허문헌 1, 2에 개시된 엘리먼트를 이용한 마찰 엘리먼트 접합의 기술은, 판조로서 서로 겹치는 2매 이상의 금속판 중의 가장 하측에 배치되는 금속판(이하, 하판이라고 함)이 강판이고, 가장 상측(즉 엘리먼트의 핀이 맞닿는 측)에 배치되는 금속판(이하, 상판이라고 함)이 경금속판이고, 또한 하판과 상판으로 협지(挾持)되는 중간의 금속판도 경금속판인 경우에 유효한 기술이다.

그러나, 하판뿐만 아니라 상판에도 강판이 배치된 판조에 종래의 기술을 적용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 경우에는, 맨드릴을 상판에 맞닿게 하면서 엘리먼트를 고속으로 회전시켜 마찰열을 발생시키는 단계에서, 맨드릴의 중심축의 위치가 크게 변동하기 쉽기 때문에, 마찰열은 상판의 소정의 위치에 집중하지 않고, 분산하여 발생한다. 따라서, 상판은 용이하게 연화하지 않게 되어, 맨드릴이 변형하기 때문에, 엘리먼트의 압입에 의해 밀려 나온 금속판을 배출할 수 없다. 그 결과, 엘리먼트의 맨드릴이 상판을 관통하는 것은 어려워지기 때문에, 판조의 접합이 곤란해진다.

일본공표특허공보 2013-534994호 일본공표특허공보 2013-527804호

Jamie D. Skovron, Brandt J. Ruszkiewicz, and Laine Mears, "INVESTIGATION OF THE CLEANING AND WELDING STEPS FROM THE FRICTION ELEMENTWELDINGPROCESS"(ASME 2017 12th International Manufacturing Science andEngineering Conference collocated with the JSME/ASME 2017 6th InternationalConference on Materials and Processing, June 4-8, 2017 Los Angeles, California, USA)

본 발명은, 종래의 기술의 문제점을 해소하고, 하판으로서 강판을 배치하고, 또한 상판에도 강판을 배치한 2매의 강판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판(즉 강판)과 상판(즉 강판)의 사이에 1매 이상의 금속판(즉 강판 또는 경금속판)을 협지한 3매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조에 마찰 엘리먼트 접합을 실시하여 접합하기 위한 엘리먼트를 제공하고, 또한 그 엘리먼트를 이용한 마찰 엘리먼트 접합 방법 그리고 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 하판으로서 강판을 배치하고, 상판에 경금속판을 배치한 2매의 금속판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판(즉 강판)과 상판(즉 경금속판)의 사이에 1매 이상의 강판을 협지한 3매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조의 마찰 엘리먼트 접합에도 지장 없이 적용할 수 있는 엘리먼트 및, 그 엘리먼트를 이용한 마찰 엘리먼트 접합 방법 그리고 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

하판과 상판의 양쪽에 강판을 배치한 2매의 강판으로 이루어지는 판조의 마찰 엘리먼트 접합에 적합한 기술을 개발하면, 강판보다도 연질인 경금속판을 상판에 배치하고 하판에 강판을 배치한 판조의 마찰 엘리먼트 접합에도 이 기술을 용이하게 적용할 수 있다. 이로부터, 본 발명자는, 2매의 강판으로 이루어지는 판조에 마찰 엘리먼트 접합을 실시하는 기술에 대해서 검토했다.

2매의 강판으로 이루어지는 판조의 상판이란, 엘리먼트의 맨드릴을 판조에 압입하기 전에, 맨드릴이 맞닿는 측의 강판이다. 즉 상판은 경질인 강판이고, 마찰 엘리먼트 접합을 실시하기 위해서는, 맨드릴이 상판과 맞닿는 위치를 변동시키지 않고 엘리먼트를 고속으로 회전시켜, 마찰열을 소정의 위치에 집중시킬 필요가 있다. 그래서 본 발명자는, 엘리먼트를 고속으로 회전시키면서, 맨드릴을 상판의 소정의 위치에 맞닿게 하고, 또한 그 위치에 유지하는 여러 가지 실험을 행했다.

그 결과, 맨드릴의 하단면에 원추체를 배설하는 것이 유효한 것을 발견했다. 즉, 고속으로 회전하는 원추체의 정점이 상판에 맞닿아 추가로 진입해 감에 따라서, 상판의 내부에 압입된 원추체의 체적에 상당하는 양의 강판이 밀려 나온다. 그 밀려 나온 금속판을 원활하게 배출하면, 원추체가 그의 정점을 소정의 위치에 유지한 채로 상판 내에 진입해 간다.

그 후도, 엘리먼트가 소정의 위치를 변동하는 일 없이 고속으로 계속 회전(즉 맨드릴이 고속으로 회전)함으로써, 마찰열이 집중하여 발생하고, 그 위치가 연화하여 소성 유동을 일으키기 쉬워진다. 따라서, 연화하여 유동 가능한 금속(즉 소성 변형한 상판의 금속)을 원활하게 배출하면, 맨드릴을 상판 내에 진입시켜, 추가로 관통시키는 것이 가능하다.

즉, 상판의 소성 유동에 기인하여 발생하는 유동 가능한 금속을 원활하게 밀어 내기 위해, 정점의 각도(이하, 「정각(vertical angle)」이라고 함)를 적합한 범위로 설정한 원추체를 맨드릴의 하단면에 배설하면, 마찰 엘리먼트 접합에 의해 2매의 강판으로 이루어지는 판조를 접합할 수 있는 것이 판명되었다.

또한, 하판으로서 강판을 배치하고, 상판에 경금속판을 배치한 2매의 금속판으로 이루어지는 판조에, 본 발명의 엘리먼트를 적용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 경우는, 상판이 연질이기 때문에, 원추체가 그의 중심축을 소정의 위치에 유지한 채로 상판에 진입해 간다. 또한 맨드릴에 의해 마찰열이 집중하여 발생하고, 그 위치가 연화하여 소성 유동을 일으키기 쉬워진다. 또한 맨드릴의 하단면에 배설되는 원추체에 의해, 유동 가능한 금속(이하, 「유동 금속(flowing metal)」이라고 함)이 원활하게 밀려 나오기 때문에, 접합 불량의 발생을 억제하는 것이 가능하다.

그리고, 이 효과는, 정각이 상이한 2개의 원추체를 병용함으로써, 대폭으로 향상한다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하여 이루어진 것이다.

즉 본 발명의 엘리먼트는, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 회전시키면서 압입함으로써, 상기 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하기 위한 엘리먼트로서, 상기 엘리먼트는, 판조에 진입하는 원기둥형의 맨드릴과, 그 맨드릴의 상단부에 배설되는 원판형의 칼라와, 맨드릴의 하단면에 연설(延設)되는 제1 원추체를 구비하고,

칼라의 직경이 맨드릴의 직경보다도 크고, 또한 칼라의 외주부가 하방으로 경사 혹은 만곡한 형상을 나타내고,

제1 원추체의 중심축이 맨드릴의 중심축에 일치함과 함께,

추가로, 제1 원추체의 하측에 맞닿아 제2 원추체를 배설하고, 그 제2 원추체의 저면이 제1 원추체의 저면보다도 소경이고, 제2 원추체의 중심축이 맨드릴의 중심축에 일치하고,

제2 원추체의 정각 β(°)가 제1 원추체의 정각 α(°)에 대하여

β＜α

의 관계를 충족하는 것이다.

본 발명의 엘리먼트는, 제1 원추체의 정각 α(°)가

140≤α＜180

을 충족하고, 또한 제2 원추체의 정각 β(°)가

90≤β＜140

을 충족하는 것이 바람직하다.

또한, 칼라의 외주부의 최하단에서 제2 원추체의 정점까지의 맨드릴의 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)이, 판조의 전체 두께 T_TOTAL(㎜) 그리고 판조의 하판의 판두께 T_BOTTOM(㎜)에 대하여,

(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜

의 관계를 충족하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명을 적용하는 판조는, 하판이 강판이고 상판이 경금속인 판조, 혹은 하판 및 상판이 강판인 판조인 것이 바람직하다. 또한, 제1 원추체 및 제2 원추체의 외표면이 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 마찰 엘리먼트 접합 방법은, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 판조의 접합을 행하는 마찰 엘리먼트 접합 방법에 있어서, 상기한 엘리먼트를 이용하는 마찰 엘리먼트 접합 방법이다.

또한 본 발명의 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법은, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 판조의 접합을 행하는 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법에 있어서, 상기한 엘리먼트를 이용하는 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법이다.

본 발명에 의하면, 2매의 강판을 서로 겹친 판조(즉 하판 및 상판이 모두 강판인 판조)에 마찰 엘리먼트 접합을 실시하는 것이 가능해질 뿐만 아니라, 3매 이상의 강판을 서로 겹친 판조, 혹은 2매의 강판을 하판 그리고 상판으로 하여 그의 중간에 1매 이상의 경금속판을 협지한 판조에도 마찰 엘리먼트 접합을 실시하는 것이 가능해져, 산업상 현격한 효과를 발휘한다.

또한 본 발명은, 하판으로서 강판을 배치하고, 상판에 경금속판을 배치한 2매의 금속판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판(즉 강판)과 상판(즉 경금속판)의 사이에 1매 이상의 강판을 협지한 3매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조의 마찰 엘리먼트 접합에도 지장 없이 안정되게 적용할 수 있어, 접합 불량의 발생을 억제하는 효과가 얻어진다.

도 1은, 본 발명의 엘리먼트의 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는, 도 1에 나타내는 엘리먼트를 이용하여 접합하는 판조의 예를 개략적으로 나타내는 단면도로서, 도 2(a)는 2매의 금속판을 서로 겹친 판조, 도 2(b)는 3매의 금속판을 서로 겹친 판조이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는, 도 1에 나타내는 엘리먼트를 이용하여 판조를 접합하는 예를 개략적으로 나타내는 단면도로서, 도 3(a)는 엘리먼트를 압입하기 전의 예, 도 3(b)는 엘리먼트를 압입한 후의 예이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

우선, 본 발명의 엘리먼트에 대해서 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 엘리먼트의 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 엘리먼트(1)는, 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행할 때에 판조에 진입하는 원기둥형의 맨드릴(2)과, 맨드릴(2)의 한쪽의 단부(이하, 「상단부」라고 함)에 배설되는 원판형의 칼라(3)와, 맨드릴(2)의 다른 한쪽의 단면(이하, 「하단면」이라고 함)으로 연설되는 원추형의 제1 원추체(4)를 갖는다.

칼라(3)의 직경은 맨드릴(2)의 직경보다도 크기 때문에, 칼라(3)의 외주부는 맨드릴(2)의 상단부로부터 주위로 장출하여 배설된다. 또한, 칼라(3)의 외주부는 하방으로 경사 혹은 만곡하여 형성된다.

제1 원추체(4)는 맨드릴(2)의 하단면에 연설되고, 또한, 제1 원추체(4)의 중심축(즉 저면의 중심)은 맨드릴(2)의 중심축과 일치한다. 따라서, 제1 원추체(4)의 저면의 주위에 맨드릴(2)의 하단면은 노출되지 않는다. 즉, 제1 원추체(4)의 저면의 직경과 맨드릴(2)의 하단면의 직경은 동일해진다.

제1 원추체(4)의 하측에는 제2 원추체(5)가 맞닿아 배설된다. 또한, 제2 원추체(5)의 중심축(즉 저면의 중심)은 제1 원추체(4)의 중심축과 일치한다. 제2 원추체(5)의 저면이 제1 원추체(4)의 저면보다도 소경으로 한다. 즉, 제2 원추체(5)의 저면의 직경 D2(㎜)는, 제1 원추체(4)의 저면의 직경 D1(㎜)에 대하여

D2＜D1

의 관계를 충족할 필요가 있다. 즉, 제2 원추체(5)의 저면의 주위에 제1 원추체(4)의 경사진 측면을 노출시킨다. 그 결과, 제2 원추체(5)가 판조에 진입함으로써 밀려 나온 유동 금속이, 제1 원추체(4)의 경사진 측면을 따라 판조의 표면(즉, 맨드릴(2)의 측면측)으로 원활하게 배출된다. 제2 원추체(5)의 저면의 직경 D2는, 바람직하게는 (D1×90％)(㎜) 이하로 한다. 보다 바람직하게는 (D1×50％)(㎜) 이하로 한다.

제2 원추체(5)의 저면의 직경 D2와 제1 원추체(4)의 저면의 직경 D1이, D2≥D1을 충족하는 경우에는, 제2 원추체(5)의 저면의 주위에 제1 원추체(4)의 경사진 측면이 노출하지 않기 때문에, 유동 금속의 배출이 곤란해진다.

본 발명에서는, 상기한 유동 금속의 배출 효과가 얻어지면 좋기 때문에, 제2 원추체(5)의 저면의 직경 D2의 하한은 특별히 규정하지 않는다. 판재로의 침입 촉진의 관점에서는, 제2 원추체(5)의 저면의 직경 D2는, 바람직하게는 (D1×10％)(㎜) 이상으로 하고, 보다 바람직하게는 (D1×20％)(㎜) 이상으로 한다.

또한, 제2 원추체(5)의 정각 β(°)는, 제1 원추체(4)의 정각 α(°)에 대하여

β＜α

의 관계를 충족할 필요가 있다. 이 관계를 충족함으로써, 엘리먼트(1)가 판조에 압입할 때에 제2 원추체(5)의 중심축을 소정의 위치에 안정되게 유지하는 것이 가능해지고, 또한 밀려 나온 유동 금속을 원활하게 배출하는 것이 가능해진다.

제1 원추체(4)의 정각 α(°)가 지나치게 작으면, 제1 원추체(4)의 저면에서 제2 원추체(5)의 정점까지의 거리가 길어지기 때문에, 엘리먼트(1)를 판조에 압입할 때에 제2 원추체(5)의 중심축을 제1 원추체(4)의 중심축(즉 맨드릴(2)의 중심축)에 일치시켜 유지하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 한편으로, 정각 α(°)가 지나치게 크면, 유동 금속을 원활하게 배출하는 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다. 따라서 정각 α(°)는,

140≤α＜180

을 충족하는 것이 바람직하다.

제2 원추체(5)의 정각 β(°)가 지나치게 작으면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입할 때에 제2 원추체(5)가 손상되기 쉬워지고, 제2 원추체(5)의 중심축의 위치가 변동하기 쉬워진다. 한편으로, 정각 β(°)가 지나치게 크면, 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없는 경우가 있다. 따라서 정각 β(°)는,

90≤β＜140

을 충족하는 것이 바람직하다.

이러한 엘리먼트(1)를 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는데에 있어서, 제1 원추체(4)와 제2 원추체(5)의 내마모성을 높임으로써, 마찰 엘리먼트 접합을 효율 좋게 행할 수 있다. 그래서, 제1 원추체(4)와 제2 원추체(5)의 외표면에 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 내마모성 재료는 전술의 작용 효과가 얻어지면 좋고, 특별히 규정은 하지 않는다. 내마모성 재료로서, 예를 들면, WC, TiN, 그 외 세라믹스, 내열 피막, 질화 등의 경화 처리를 이용할 수도 있다.

다음으로, 도 1, 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하여, 판조와 엘리먼트의 관계에 대해서 설명한다. 도 2(a)는 2매의 금속판을 서로 겹친 판조의 단면도, 도 2(b)는 3매의 금속판을 서로 겹친 판조의 단면도이다.

도 2(a)에 나타내는 판조(6)는, 상판(7)과 하판(8)으로 이루어지는 2매의 금속판을 서로 겹친 판조(6)이다. 도 2(b)에 나타내는 판조(6)는, 상판(7)과 하판(8)의 사이에 금속판을 1매 협지한 합계 3매의 금속판으로 이루어지는 판조(6)이다. 또한 본 발명은, 상판(7)과 하판(8)의 사이에 2매 이상의 금속판을 협지한 합계 4매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조(도시 생략)에도 적용할 수 있다.

도 1에 나타내는 엘리먼트(1)를 이용하여, 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타내는 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합을 행하기 위해서는, 맨드릴(2)이 상판(7)을 관통하고, 추가로 하판(8)에 도달할 필요가 있다. 여기에서, 칼라(3)의 외주부의 최하단에서 제2 원추체(5)의 정점까지의 거리 L(㎜)의 적합한 범위를 이하와 같이 규정한다. 또한, 거리 L은 맨드릴(2)의 중심축에 평행한 방향의 길이이다.

판조(6)의 전체 두께를 T_TOTAL(㎜)로 하고, 하판(8)의 판두께를 T_BOTTOM(㎜)으로 했을 때,

T_TOTAL－T_BOTTOM≤거리 L

을 충족하도록 거리 L을 설정한 엘리먼트(1)를 사용하면, 마찰 엘리먼트 접합에 있어서 엘리먼트(1)를 상판(7)의 상방으로부터 압입하고, 제2 원추체(5)를 하판(8)에 도달시킬 수 있다. 그러나, 엘리먼트(1)는, 압입되는 과정에서 제1 원추체(4) 및 제2 원추체(5)와 맨드릴(2)이 마찰열로 연화하여 소성 유동을 일으키고, 또한 맨드릴(2)의 측면측에 유동 금속이 배출되기 때문에, 거리 L이 과소(예를 들면 T_TOTAL－T_BOTTOM＝거리 L)인 경우에는, 하판(8)에 도달할 수 없다는 문제가 생긴다. 한편으로 거리 L이 과대인 경우는, 엘리먼트(1)를 압입할 때에, 상판(7)의 상방(즉 상판(7)에 진입하기 전)에서 맨드릴(2)이 변형(예를 들면 구부러짐(bent), 뒤틀림(twisted), 좌굴(buckled) 등)하기 쉬워지고, 그 결과, 압입할 수 없다는 문제가 생기는 경우가 있다. 따라서, 거리 L은,

(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤거리 L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜

의 관계를 충족하는 것이 바람직하다. (T_TOTAL－T_BOTTOM)에 추가로 더해지는 길이는 계면의 접합 상태가 만족스러운 품질이 얻어지면 좋고, 0.02㎜ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.2㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 0.5㎜ 이상이다. 즉, 거리 L은, ((T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.2㎜) 이상으로 하는 것이 바람직하고, ((T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.5㎜) 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, (T_TOTAL－T_BOTTOM)에 추가로 더해지는 길이의 상한은, 바람직하게는 2㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 1.5㎜ 이하이다. 즉, 거리 L은, ((T_TOTAL－T_BOTTOM)＋2㎜) 이하로 하는 것이 바람직하고, ((T_TOTAL－T_BOTTOM)＋1.5㎜) 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

다음으로, 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하여 엘리먼트(1)를 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 순서에 대해서 설명한다. 도 3(a) 및 도 3(b)는, 엘리먼트(1)를 이용하여 판조(6)를 접합하는 예(도 2(a) 참조)를 개략적으로 나타내는 단면도로서, 도 3(a)는 엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입하기 전의 예, 도 3(b)는 엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입한 후의 예를 나타낸다. 또한, 도 3(a) 및 도 3(b)에서는, 엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입시키기 위한 압입기는 도시를 생략한다.

엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입하는데에 있어서, 고속으로 회전하는 엘리먼트(1)가 상판(7)의 상방으로부터 하강하고, 제2 원추체(5)의 정점이 상판(7)에 맞닿는다(도 3(a) 참조). 이 때, 제2 원추체(5)와 제1 원추체(4)의 중심축(즉 맨드릴(2)의 중심축)은 상판(7)에 대하여 수직으로 한다. 그리고, 엘리먼트(1)가 고속으로 회전하면서 하강을 계속함으로써, 제2 원추체(5)가 그의 정점으로부터 점차 상판(7) 내에 진입해 가고, 제2 원추체(5)의 중심축이 엘리먼트(1)의 회전축으로서 소정의 위치에 유지된다.

이어서, 엘리먼트(1)가 고속으로 회전하면서 하강함으로써, 유동 금속이 제1 원추체(4)의 측면을 따라 맨드릴(2)의 측면측으로 배출된다. 구체적으로는, 제2 원추체(5)가 판조에 진입함으로써 밀려 나온 유동 금속이, 제1 원추체(4)의 경사진 측면을 따라 맨드릴(2)의 측면측에 배출된다.

또한 엘리먼트(1)가 고속으로 회전하면서 하강을 계속함으로써, 엘리먼트(1)의 하단면과 상판(7)의 마찰열 및, 엘리먼트(1)의 측면과 상판(7)의 마찰열이 발생하기 때문에, 가열된 상판(7)의 소성 유동이 생긴다. 그리고, 연화된 상판(7)이 맨드릴(2)의 측면측에 배출된다. 이와 같이 하여 엘리먼트(1)의 압입이 가능해지고, 맨드릴(2)이 하판(8)에 도달하여, 하판(8)의 표층부에도 소성 유동이 생긴다(도 3(b) 참조).

단, 마찰열에 의해 맨드릴(2)도 연화하는 것은 피할 수 없기 때문에, 맨드릴(2)이 하판(8)에 도달했을 때에는, 제1 원추체(4)와 제2 원추체(5)는 붕괴하여, 압입 개시 전의 형상(도 1 참조)을 유지하고 있지 않다. 그러나, 연화된 상판(7), 하판(8) 및 맨드릴(2)이, 압입의 정지에 의해, 서로 융착하고, 추가로 응고하여, 하판(8)과 맨드릴(2)의 접합면(9)이 형성된다.

맨드릴(2)을 압입하는 과정에서 배출된 상판(7)은, 맨드릴(2)의 측면을 따라 상방으로 이동한다. 그 이유는, 맨드릴의 하방에는 하판(8)이 배치되어 있어, 유동 금속의 하방으로의 이동이 저해되기 때문이다. 이렇게 하여 배출된 상판(7)은, 맨드릴의 상방의 자유 공간으로 이동하여 돌출한 후, 칼라(3)의 외주부에서 구속되고, 그 결과, 엘리먼트(1)에 고정된다. 즉, 도 2(a)에 나타내는 바와 같은 2매의 금속판을 서로 겹친 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합을, 본 발명의 엘리먼트(1)를 이용하여 행한 경우에는, 하판(8)과 맨드릴(2)이 접합면(9)에서 접합하고, 상판(7)이 맨드릴(2) 및 칼라(3)에 고정된다(도 3(b) 참조).

도 2(b)에 나타내는 바와 같은 3매의 금속판을 서로 겹친 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 경우, 혹은 도시를 생략하지만 4매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 경우도, 마찬가지로, 하판(8)과 맨드릴(2)이 접합면(9)에서 접합하고, 상판(7)과 다른 금속판(상판(7)과 하판(8)의 사이에 협지한 금속판)이 맨드릴(2) 및 칼라(3)에 고정된다.

본 발명의 엘리먼트(1)를 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는데에 있어서, 판조(6)로서 서로 겹친 금속판의 종류는 특별히 한정하지 않지만, 하판(8)으로서 강판을 배치하면, 하판(8)과 맨드릴(2)에 의해 충분한 마찰열이 발생하여, 접합면(9)이 강고하게 접합된다.

예를 들면, 하판(8)으로서 강판을 배치하고, 또한 상판(7)에도 강판을 배치한 2매의 강판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판(8)(즉 강판)과 상판(7)(즉 강판)의 사이에 1매 이상의 금속판(즉 강판 또는 경금속판)을 협지한 3매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조(6)로 해도 좋다. 또한 예를 들면, 하판(8)으로서 강판을 배치하고, 상판(7)에 경금속판을 배치한 2매의 금속판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판(8)(즉 강판)과 상판(7)(즉 경금속판)의 사이에 1매 이상의 강판을 협지한 3매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조로 해도 좋다.

또한, 본 발명은, 가장 하측에 배치되는 금속판이 강판이고, 가장 상측에 배치되는 금속판이 경금속판이고, 또한 하판과 상판으로 협지되는 중간의 금속판도 경금속판인 경우에도, 당연히 유효한 기술이다.

또한, 본 발명의 엘리먼트(1)는, 정각이 상이한 2개의 원추체를 갖고 있어, 유동 금속을 원활하게 배출할 수 있다. 이에 따라, 하판(8)뿐만 아니라 상판(7)에도 강판을 배치한 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합도 지장 없이 행할 수 있어, 판조(6)를 강고하게 접합한 조인트를 얻을 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 상기한 엘리먼트를 이용한 본 발명의 마찰 엘리먼트 접합 방법에서는, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 본 발명의 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 판조의 접합을 행한다.

또한, 상기한 엘리먼트를 이용한 본 발명의 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법에서는, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 본 발명의 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 판조의 접합을 행한다.

이 때, 마찰 엘리먼트 접합의 접합 조건은, 상기의 효과가 얻어지도록 적절히 조정한다. 바람직한 접합 조건은, 엘리먼트의 회전 속도(rpm)는 500∼9000rpm, 가압력(kN)은 3∼9kN으로 한다. 이들 방법으로 마찰 엘리먼트 접합을 행함으로써, 전술의 효과를 마찬가지로 얻을 수 있다. 또한, 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 순서에 대해서는 이미 서술하고 있기 때문에 설명을 생략한다.

실시예

이하에서는, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 하기의 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 만족하는 한, 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

도 1에 나타내는 엘리먼트를 이용하여, 도 3(a)에 나타내는, 상판과 하판을 서로 겹친 합계 2매의 강판의 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행했다. 일부의 판조는, 합계 3매의 금속판을 서로 겹쳤다. 상판과 하판의 조합 및 3매의 금속판의 조합은 표 1에 나타내는 바와 같다. 그 판조에 마찰 엘리먼트 접합을 실시할 때의 엘리먼트의 회전 속도(rpm)와 가압력(kN)은 표 2에 나타내는 바와 같다. 또한, 엘리먼트의 형상은, 표 2에 나타내는 바와 같다. 전술과 같이, 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막으로서 든 「내열 피막」은, 여기에서는 표 2에 나타내는 「내열 산화 피막」을 이용했다. 또한, 비교를 위해, 1개의 원추체만을 갖는 엘리먼트를 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행했다.

표 2에 나타내는 조인트 No.마다 조인트(이하, 「마찰 엘리먼트 접합 조인트」라고 함)를 2개씩 제작했다. 그 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 1개를 이용하여 조인트 단면의 외관을 관찰하여, 판조의 접합 상태를 평가했다. 즉, 맨드릴이 상판을 관통하여 하판과 접합된 마찰 엘리먼트 접합 조인트(도 3(b) 참조)를 「접합 양호(기호: ○을 기재함)」라고 평가하고, 맨드릴이 상판을 관통하지 않은 마찰 엘리먼트 접합 조인트나 하판과 접합되지 않은 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 「접합 불량(기호: ×를 기재함)」이라고 평가했다. 평가 결과를 표 2에 나타낸다.

또한, 상기의 외관 관찰에 있어서 접합 상태가 「접합 양호(기호: ○)」라고 평가된 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 나머지의 1개의 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 이용하여 인장 시험을 행하여, 조인트의 강도를 조사했다. 조인트의 강도의 측정은, JIS Z 3137에 따라 행했다.

강도가 6.0kN 이상이었던 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 「우수(A)」, 강도가 3.0kN 이상 6.0kN 미만이었던 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 「양호(B)」, 강도가 2.0kN 이상 3.0kN 미만이었던 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 「가능(C)」로서 표 2에 나타낸다.

또한, 상기의 외관 관찰에 있어서 접합 상태가 「접합 불량(기호: ×)」이라고 평가된 마찰 엘리먼트 접합 조인트에 대해서는 인장 시험을 행하지 않고, 표 2의 평가란에는 「불가(D)」라고 나타낸다.

표 2로부터 명백한 바와 같이, 발명예의 조인트는, 모두 외관이 양호하고, 또한 강도가 2.2kN 이상이었다.

1 : 엘리먼트
2 : 맨드릴
3 : 칼라
4 : 제1 원추체
5 : 제2 원추체
6 : 판조
7 : 상판
8 : 하판
9 : 접합면

Claims

2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조(板組)에 회전시키면서 압입함으로써, 상기 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하기 위한 엘리먼트로서,
상기 엘리먼트는, 상기 판조에 진입하는 원기둥형의 맨드릴과, 상기 맨드릴의 상단부에 배설(配設)되는 원판형의 칼라와, 상기 맨드릴의 하단면에 연설(延設)되는 제1 원추체를 구비하고,
상기 칼라의 직경이 상기 맨드릴의 직경보다도 크고, 또한 상기 칼라의 외주부가 하방으로 경사 혹은 만곡한 형상을 나타내고,
상기 제1 원추체의 중심축이 상기 맨드릴의 중심축에 일치함과 함께,
추가로, 제1 원추체의 하측에 맞닿아 제2 원추체를 배설하고, 상기 제2 원추체의 저면이 상기 제1 원추체의 저면보다도 소경이고, 상기 제2 원추체의 중심축이 상기 맨드릴의 중심축에 일치하고,
상기 제2 원추체의 정각(vertical angle) β(°)가 상기 제1 원추체의 정각 α(°)에 대하여
β＜α
의 관계를 충족하는, 엘리먼트.
제1항에 있어서,
상기 제1 원추체의 상기 정각 α(°)가
140≤α＜180
을 충족하고, 또한 상기 제2 원추체의 정각 β(°)가
90≤β＜140
을 충족하는, 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 칼라의 상기 외주부의 최하단에서 상기 제2 원추체의 정점까지의 상기 맨드릴의 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)이, 상기 판조의 전체 두께 T_TOTAL(㎜) 그리고 상기 판조의 하판의 판두께 T_BOTTOM(㎜)에 대하여,
(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜
의 관계를 충족하는, 엘리먼트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 판조의 하판이 강판이고, 상기 판조의 상판이 경금속인, 엘리먼트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 판조의 하판 및 상기 판조의 상판이 강판인, 엘리먼트.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 원추체 및 상기 제2 원추체의 외표면에 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 갖는, 엘리먼트.
2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 상기 판조의 접합을 행하는 마찰 엘리먼트 접합 방법에 있어서,
상기 엘리먼트로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 엘리먼트를 이용하는, 마찰 엘리먼트 접합 방법.
2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 상기 판조의 접합을 행하는 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법에 있어서,
상기 엘리먼트로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 엘리먼트를 이용하는, 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법.