KR20230142619A

KR20230142619A - 엘리먼트, 마찰 엘리먼트 접합 방법 및 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20230142619A
Application number: KR1020237031222A
Authority: KR
Inventors: 나오아키 무네무라; 야스아키 오키타; 히로시 마츠다; 요시아키 무라카미
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-10-11
Also published as: CN116981532A; JP7332050B2; US20240149372A1; WO2022202788A1; MX2023011048A; EP4279209A1; JPWO2022202788A1

Abstract

마찰 엘리먼트 접합용의 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다. 2매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조에 마찰 엘리먼트 접합을 실시함에 있어서, 판조에 압입하는 원기둥형의 맨드릴과, 그 맨드릴의 상단면에 설치한 원판 형상의 칼라와, 맨드릴의 하단면에 연설(延設)되는 원추형의 핀을 구비하고, 핀을 제외한 맨드릴의 하단면의 평탄한 영역에 유동 금속 배출홈을 소용돌이 형상으로 복수개 설치한 엘리먼트를 이용한다. 또한, 원기둥 형상의 맨드릴과, 그 맨드릴의 하단면을 꼭지각(αm)의 원추 형상을 나타내는 면으로 하고, 또한 당해 원추 형상을 나타내는 면에, 절삭 부스러기 배출홈을 정점으로부터 곡선 형상으로 한 쌍 이상, 혹은 추가로 절삭날을 복수개 형성한 엘리먼트로 해도 좋다.

Description

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

본 발명은, FEW(Friction Element Welding)라고 칭해지는 마찰 엘리먼트 접합에 따른 것으로, 특히, 강판(예를 들면 보통 강판, 고장력 강판 등)이나 경금속판(예를 들면 알루미늄판, 알루미늄 합금판, 동판 등) 등의 금속판을 2매 이상 서로 겹쳐 접합하는 마찰 엘리먼트 접합용으로서 적합한 엘리먼트 및 그것을 이용한 마찰 엘리먼트 접합 방법 그리고 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 지구의 온난화 등의 환경 문제에 대처하기 위한 연구가, 여러가지 분야에서 진행되고 있다. 자동차 산업에 있어서는, 연료 소비량의 삭감(소위 연비 향상), 나아가서는 CO₂ 배출량의 저감 기술이 개발되고 있다. 예를 들면, 내연 기관과 전동 모터를 병용하는 기술(소위 하이브리드)이나, 초하이텐(ultra-high-tensile strength steel sheets)이라고 칭해지는 고강도 강판을 채용하여 강판의 사용량을 저감하고 차체를 경량화하여 연비 향상을 도모함과 함께, 운전자나 동승자의 안전성을 높이는 기술이 실용화되고 있다.

또한, 차체의 한층의 경량화를 달성하기 위해, 일부의 강재를 대신하여 경금속 재료(예를 들면 알루미늄 합금판, 동판 등)를 채용하는 기술도 검토되고 있다. 그러한 차체를 제조 라인에서 양산하기 위해서는, 예를 들면, 차체의 골격을 이루는 강제의 프레임과 경금속제의 부재를 강고하게 접합하는 기술이 필요시되고 있다.

종래는, 차체에 강판(강재)을 사용하고 있었기 때문에, 예를 들면 아크 용접, 저항 스폿 용접 등의 범용적인 용융 용접법이 이용되어 왔다. 그러나, 상기한 바와 같은 강재와 경금속재의 접합에서는, 이 범용적인 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.

그 때문에, 강판과 경금속판을 용융시키지 않고 접합하는 기술이 검토되고 있다. 그의 대표적인 예로서, 예를 들면 비특허문헌 1에, 금속제의 접합 부품(이하, 엘리먼트라고 함)을 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 금속판을 서로 겹쳐 판조(板組: sheet set)로 하고, 엘리먼트를 고속으로 회전시키고, 또한 엘리먼트에 가압력을 가하여 판조에 진입(이하, 압입이라고 함)시킴으로써 접합하는 것이다.

그리고, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 마찰 용접 접속용의 접속 요소(엘리먼트)가 개시되어 있다. 그 엘리먼트(접속 요소)는, 원기둥형의 맨드릴(mandrel)과, 그 맨드릴에 부착된 칼라(collar)와, 맨드릴의, 칼라로부터 떨어진 측의 실질적으로 평탄한 단면으로부터 심출부로서 돌출된 핀을 구비한 것이고, 맨드릴이 심출부를 둘러싸고, 심출부로부터 밀려 나온 연화한 재료를 수용하는 오목부를 갖는 것이나, 핀이 원기둥 형상, 혹은 원추 형상인 것이 바람직하다고 되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 엘리먼트에 의하면, 엘리먼트를 판조에 압입할 때에, 우선 핀의 정점이 판조에 맞닿아 그 위치에 보존유지(保持)되면서 고속으로 회전함으로써, 마찰열을 소정의 위치에 집중하여 발생시킬 수 있다고 하고 있다.

일본공표특허공보 2013-527804호

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

그러나, 상기한 종래의 기술에서는, 핀의 정점을 상판에 맞닿게 하면서 엘리먼트를 고속으로 회전시켜 마찰열을 발생시키는 단계에서, 핀의 중심축의 위치가 크게 변동하기 쉬워, 마찰열이 분산되어 상판의 소정의 위치에 집중하지 않기 때문에, 상판은 용이하게 연화하지 않고, 그 결과, 엘리먼트의 맨드릴이 상판을 관통하지 않고, 관통 능력이 부족하여 판조의 접합이 곤란해진다는 문제가 생기는 것을 인식했다. 특히, 하판뿐만 아니라 상판에도 강판이 배치된 판조에 적용한 경우에 그 현상은 현저하게 볼 수 있다.

본 발명은, 상기한 종래의 기술의 문제점을 해소하여, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조의 마찰 엘리먼트 접합용으로서 적합한 엘리먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 하판과 상판의 양쪽에 금속판을 배치한 2매의 금속판으로 이루어지는 판조의 마찰 엘리먼트 접합에 적용할 수 있는 엘리먼트에 대해서 예의 검토했다.

2매의 금속판으로 이루어지는 판조의 상판은, 엘리먼트의 맨드릴을 판조에 압입하기 전에, 우선, 핀의 정점이 맞닿는 측의 금속판이다. 이러한 판조에, 마찰 엘리먼트 접합을 실시하기 위해서는, 핀의 정점이 맞닿는 위치를 변동시키지 않고 엘리먼트를 고속으로 회전시켜, 마찰열을 소정의 위치에 집중시킬 필요가 있다. 그래서, 본 발명자들은, 엘리먼트의 핀의 정점을 상판의 소정의 위치에 맞닿게 하고, 엘리먼트를 고속으로 회전시켰을 때의 상태를 상세하게 관찰하는 실험을 행했다.

그 결과, 고속으로 회전하는 핀의 정점이 상판에 맞닿아, 추가로 압입되어 감에 따라, 상판의 내부에 압입된 핀의 체적에 상당하는 양의 금속판(상판)이 깎아내진다. 그 깎아내진 금속판(깎은 부스러기)을 원활하게 배출할 수 있으면, 핀이 그의 정점을 소정의 위치에 보존유지한 채로 상판에 압입할 수 있고, 맨드릴의 하단면이 상판에 맞닿는 것을 발견했다. 그리고, 그 후도, 엘리먼트가 위치를 변동하는 일 없이 고속으로 계속 회전할 수 있으면, 발생한 마찰열이 집중되고, 마찰열이 집중된 그 위치가 연화하여 소성 유동을 일으키기 쉬워진다. 또한, 연화하여 유동 가능해진 금속(즉 상판)을 원활하게 배출할 수 있으면, 맨드릴을 상판에 압입시켜, 추가로 관통시키는 것이 가능한 것을 발견했다.

즉, 엘리먼트의 선단 형상에 고안을 더함으로써(improved), 2매 또는 3매 이상의 금속판의 판조에 있어서도, 마찰 엘리먼트 접합이 가능해지는 인식을 얻었다. 특히, 상판을 강판으로 하는 2매 또는 3매 이상의 금속판의 판조에 있어서는, 상기의 선단 형상을 채용함으로써, 관통시키기 쉬워진다.

즉, 엘리먼트를 구성하는 핀이 상판으로부터 깎아낸 절삭 부스러기를 배출하고, 또한 상판의 소성 유동에 기인하여 생기는 유동 가능한 금속(이하, 유동 금속이라고 함)을 배출하기 위한 홈(이하, 유동 금속 배출홈이라고 함)을 형성한 맨드릴로 하면, 마찰 엘리먼트 접합에 의해 2매의 금속판으로 이루어지는 판조를 확실하게 접합할 수 있는 것을 인식했다.

또한, 맨드릴의 하단면을, 꼭지각(apical angle) αm의 원추 형상을 나타내는 면으로 하고, 당해 원추 형상을 나타내는 면에 절삭 부스러기 등을 배출하기 위한 홈(절삭 부스러기 배출홈), 혹은 추가로 절삭날을 설치하면, 여러가지 강판을 조합한 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 더욱 원활하게 행하는 것이 가능한 것에 상도했다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉 본 발명의 요지는 다음과 같다.

[1] 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 회전시키면서 압입함으로써 상기 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 엘리먼트로서,

상기 마찰 엘리먼트 접합에 있어서 상기 판조에 압입하는 원기둥 형상의 맨드릴과, 당해 맨드릴의 상단면에 설치되는 원판 형상의 칼라와, 상기 맨드릴의 하단면에, 중심축이 상기 맨드릴의 중심축과 일치하도록 설치되는 꼭지각 α의 원추 형상의 핀을 구비하고, 또한 상기 맨드릴의 상기 하단면의 상기 핀을 제외한 평탄한 영역에, 유동 금속 배출홈을 소용돌이 형상 또는 방사선 형상으로 복수개 형성하여 이루어지는 엘리먼트.

[2] 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 회전시키면서 압입함으로써 상기 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 엘리먼트로서,

상기 마찰 엘리먼트 접합에 있어서 상기 판조에 압입하는 원기둥 형상의 맨드릴과, 당해 맨드릴의 상단면에 설치되는 원판 형상의 칼라를 구비하고, 추가로 상기 맨드릴의 하단면을 꼭지각 αm의 원추 형상을 나타내는 면으로 하고, 또한 당해 원추 형상을 나타내는 면에, 절삭 부스러기 배출홈을 정점(apex)으로부터 곡선 형상 또는 방사선 형상으로 한 쌍 이상, 혹은 추가로 절삭날을 복수개 형성하여 이루어지는 엘리먼트.

[3] 칼라의 외주부의 최하단에서 핀의 정점까지의 상기 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)이, 하기 (1)식을 충족하는 [1]에 기재된 엘리먼트.

　　　　　　　　　　　　　　　　기

(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜···(1)

여기에서, T_TOTAL: 판조의 전체 두께(㎜), T_BOTTOM: 판조의 하판의 판두께(㎜)

[4] 칼라의 외주부의 최하단에서 맨드릴의 하단면의 정점까지의 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)이, 하기 (1)식을 충족하는 [2]에 기재된 엘리먼트.

　　　　　　　　　　　　　　　　기

(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜···(1)

[5] 엘리먼트가, 적어도 외표면의 일부에 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 형성하여 이루어지는 [1]∼[4] 중 어느 것에 기재된 엘리먼트.

[6] [1]∼[5] 중 어느 것에 기재된 엘리먼트를 이용하여, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 판조의 접합을 행하는 마찰 엘리먼트 접합 방법.

[7] 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조가, 하판 및 상판의 양쪽에 강판을 배치한 판조인 [6]에 기재된 마찰 엘리먼트 접합 방법.

[8] [1]∼[5] 중 어느 것에 기재된 엘리먼트를 이용하여, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입하여 판조의 접합을 행하여 마찰 엘리먼트 접합 조인트로 하는 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법.

[9] 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조가, 하판 및 상판의 양쪽에 강판을 배치한 판조인 [8]에 기재된 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 금속판의 종류에 따르지 않고, 2매의 금속판을 하판 그리고 상판으로 하여 서로 겹친 판조에 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 협지(挾持)한 판조에도 마찰 엘리먼트 접합을 실시하는 것이 가능해져, 산업상 각별한 효과를 가져온다.

도 1은 본 발명 엘리먼트의 일 예를 개략적으로 나타내는 설명도로서, (a)는 맨드릴의 단면도, (b)는 맨드릴의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 엘리먼트의 다른 일 예를 개략적으로 나타내는 설명도로서, (a)는 맨드릴의 측면도, (b)는 맨드릴의 평면도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 엘리먼트를 이용하여 접합하는 판조의 예를 개략적으로 나타내는 단면도로서, (a)는 2매의 금속판을 서로 겹친 판조, (b)는 3매의 금속판을 서로 겹친 판조이다.
도 4는 도 1에 나타내는 엘리먼트를 이용하여 판조를 접합하는 예를 개략적으로 나타내는 단면도로서, (a)는 엘리먼트를 압입하기 전의 예, (b)는 엘리먼트를 압입한 후의 예이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

우선, 본 발명의 엘리먼트(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행할 때에 판조에 압입하는 원기둥형의 맨드릴(2)과, 맨드릴(2)의 한쪽의 단면(이하, 상단면이라고 함)에 설치되는 원판형의 칼라(3)와, 맨드릴(2)의 다른 한쪽의 단면(이하, 하단면이라고 함)에 설치되는 원추형의 핀(4)을 갖는다.

칼라(3)의 직경은 맨드릴(2)의 직경보다도 크고, 칼라(3)의 외주부는 맨드릴(2)의 외주로부터 주위에 장출하여 설치된다. 또한, 칼라(3)의 외주부는 하방으로 경사 혹은 만곡하여 형성되는 것이 바람직하다.

핀(4)의 저면(맨드릴(2)의 하단면에 맞닿는 면)의 직경은 맨드릴(2)의 직경보다도 작다. 한편, 핀(4)은, 그의 중심축(즉 저면의 중심)이 맨드릴(2)의 중심축과 일치하도록 설치한다. 따라서, 핀(4)을 제외한 맨드릴(2)의 하단면은, 평탄한 영역(부위)이 된다. 그 핀(4)에 인접하는 평탄한 영역(부위)에, 유동 금속 배출홈(5)을 소용돌이 형상 또는 방사선 형상으로 형성한다.

유동 금속 배출홈(5)의 개수가 지나치게 적으면, 엘리먼트(1)를 고속으로 회전시키면서 판조에 압입함으로써 생기는 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없는 경우도 있다. 따라서, 유동 금속 배출홈(5)의 개수는, 2개 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편으로, 유동 금속 배출홈(5)의 개수가 지나치게 많으면, 엘리먼트(1)의 압입으로 생기는 마찰열을 충분히 얻을 수 없는 경우가 있다. 따라서, 유동 금속 배출홈(5)의 개수는, 10개 이하로 하는 것이 바람직하다. 6개 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 유동 금속 배출홈(5)의 폭 W(㎜)가 지나치게 작으면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입함으로써 생기는 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없는 경우도 있다. 따라서, 유동 금속 배출홈(5)의 폭(W)은, 0.01㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 유동 금속 배출홈(5)의 폭(W)은 0.5㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 유동 금속 배출홈(5)의 폭(W)이 지나치게 크면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입함으로써 생기는 마찰열을 충분히 얻을 수 없는 경우가 있다. 따라서, 유동 금속 배출홈(5)의 폭(W)은, 3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 유동 금속 배출홈(5)의 폭(W)은, 1㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 유동 금속 배출홈(5)의 깊이 U(㎜)가 지나치게 작으면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입함으로써 생기는 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없다. 따라서, 유동 금속 배출홈(5)의 깊이(U)는, 0.01㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 유동 금속 배출홈(5)의 깊이(U)는 0.5㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 유동 금속 배출홈(5)의 깊이(U)가 지나치게 크면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입함으로써 맨드릴(2)이 변형하기 쉬워진다. 따라서, 유동 금속 배출홈(5)의 깊이(U)는, 3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 유동 금속 배출홈(5)의 깊이(U)는 2㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

이와 같이 유동 금속 배출홈(5)의 개수, 폭(W), 깊이(U)를 적합한 범위로 조정함으로써, 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출하면서, 엘리먼트(1)를 판조에 압입할 수 있다. 단, 유동 금속 배출홈(5)을 형성하는 부위의 면적(즉 핀(4)을 제외한 맨드릴(2)의 하단면의 평탄한 영역의 면적)이 과소인 경우는, 엘리먼트(1)의 압입에 지장을 초래한다. 그래서, 핀(4)의 꼭지각(α)과 높이(H)를 규정함으로써, 핀(4)의 저면의 면적을 조정한다.

핀(4)의 꼭지각(α)이 지나치게 작으면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입할 때에 핀(4)이 손상하기 쉬워져, 핀(4)의 중심축의 위치가 변동되기 쉬워진다. 따라서, 핀(4)의 꼭지각(α)은, 30° 이상으로 하는 것이 바람직하다. 핀(4)의 꼭지각(α)은 120° 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 핀(4)의 꼭지각(α)이 지나치게 크면, 핀(4)을 제외한 맨드릴(2)의 하단면의 면적이 과소가 되어, 유동 금속 배출홈(5)의 총연장이 부족하기 때문에, 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 핀(4)의 꼭지각(α)은, 180° 미만의 범위로 하는 것이 바람직하다. 핀(4)의 꼭지각(α)은 160° 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 핀(4)의 높이 H(㎜)가 지나치게 작으면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입할 때에 핀(4)을 깊게 압입할 수 없기 때문에, 핀(4)의 중심축의 위치가 변동되기 쉬워진다. 따라서 핀(4)의 높이(H)는, 0.01㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 핀(4)의 높이(H)는, 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 핀(4)의 높이(H)가 지나치게 크면, 핀(4)을 제외한 맨드릴(2)의 하단면의 면적이 과소가 되어, 유동 금속 배출홈(5)의 총연장이 부족하기 때문에, 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없는 경우가 있다. 따라서 핀(4)의 높이(H)는, 3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 핀(4)의 높이(H)는 1㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 이러한 엘리먼트(1)를 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행함에 있어서, 핀(4)과 맨드릴(2)의 내마모성을 높임으로써, 마찰 엘리먼트 접합을 효율 좋게 행할 수 있다. 그래서, 적어도 핀(4)의 외표면 및 맨드릴(2)의 하단면에는, 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 내마모성 재료는 소망하는 성능을 갖고 있으면 좋고, 특별히 규정하지 않지만, WC, TiN, 그 외 세라믹스, 내열강, 질화 등의 경화 처리를 실시해도 좋다.

다음으로, 본 발명의 엘리먼트(1)의 다른 실시 형태를 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타내는 엘리먼트(1)는, 맨드릴(2)의 선단각에 의해 형성된 한 쌍의 절단날이, 선단부로부터 외주단을 향하여 곡선 형상으로 한 능선 형상의, 금속 가공용의 트위스트 드릴의 형태를 나타내어, 맨드릴(2)의 하단부에 갖는 것이다. 즉, 하단면을 꼭지각 αm의 원추 형상을 나타내는 면으로 하고, 그 원추 형상을 나타내는 면에, 절삭 부스러기 배출홈(11)을, 정점으로부터 곡선 형상으로 한 쌍 이상 설치한 것이고, 또한, 절삭 부스러기 배출홈(11)에 인접하여 절삭날(10)을 형성하고 있다. 본 발명에서는, 원추 형상을 나타내는 면에는, 절삭 부스러기 배출홈(11)만을 설치하고, 절삭날(10)은 특별히 형성하지 않아도 좋다.

또한, 절삭 부스러기 배출홈(11)은, 곡선 형상을 대신하여, 정점으로부터 방사선 형상으로 설치해도 좋다. 또한, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 절삭날(10)은 곡선으로 해도 좋지만, 직선으로 하는 편이 절삭날의 조정에 있어서 유리해진다.

맨드릴(2)의 하단면의 원추 형상을 나타내는 면의 꼭지각(αm)이 지나치게 작으면, 엘리먼트(1)를 판조에 압입할 때에 맨드릴(2)이 손상되기 쉬워져, 맨드릴(2)의 중심축의 위치가 변동되기 쉬워진다. 따라서, 꼭지각(αm)은, 30° 이상으로 하는 것이 바람직하다. 꼭지각(αm)은, 120° 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 꼭지각(αm)이 지나치게 크면, 맨드릴(2)의 하단면의 원추 형상을 나타내는 면의 면적이 과소가 되어, 절삭 부스러기 배출홈(11)의 총연장이 부족하여, 절삭 부스러기나 유동 금속을 원활하게 배출할 수 없게 된다. 따라서, 꼭지각(αm)은, 180° 미만의 범위로 하는 것이 바람직하다. 꼭지각(αm)은, 160° 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 도 2에 나타내는 엘리먼트(1)에 있어서도, 맨드릴(2)의 하단면에는, 도 1에 나타내는 엘리먼트(1)와 마찬가지로, 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 형성하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 3을 참조하여 판조와 엘리먼트의 관계에 대해서 설명한다. 도 3(a)는 2매의 금속판을 서로 겹친 판조의 단면도, 도 3(b)는 3매의 금속판을 서로 겹친 판조의 단면도이다. 또한, 엘리먼트(1)는 도 1에 나타내는 예를 이용하고 있다. 도 3에서는, 엘리먼트(1)의 유동 금속 배출홈(5), 절삭날(10), 절삭 부스러기 배출홈(11)의 도시를 생략한다.

도 3(a)에 나타내는 판조(6)는, 상판(7)과 하판(8)으로 이루어지는 2매의 금속판을 서로 겹친 판조(6)이다. 도 3(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.

본 발명의 엘리먼트(1)를 이용하여, 도 3에 나타내는 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합을 행하기 위해서는, 맨드릴(2)이 상판(7)을 관통하여, 추가로 하판(8)에 도달할 필요가 있다. 그러나, 엘리먼트(1)는, 압입되는 과정에서 핀(4)과 맨드릴(2), 혹은 맨드릴(2)이 마찰열로 연화하여 소성 유동을 일으키고, 추가로 유동 금속 배출홈(5), 혹은 절삭 부스러기 배출홈(11)을 통과하여 배출되기 때문에, 거리 L이 과소(예를 들면, 거리 L＜(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜)인 경우는, 하판(8)에 도달할 수 없다는 문제가 생긴다. 그래서, 칼라(3)의 외주부의 최하단에서 핀(4)의 정점까지의 거리 L(㎜)을, 판조(6)의 전체 두께 T_TOTAL(㎜)과, 하판(8)의 판두께 T_BOTTOM(㎜)의 차(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜ 이상으로 설정한 맨드릴을 사용하는 것이 바람직하다. 상기의 거리 L(㎜)은, 판조(6)의 전체 두께 T_TOTAL(㎜)과, 하판(8)의 판두께 T_BOTTOM(㎜)의 차(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.2㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 판조(6)의 전체 두께 T_TOTAL(㎜)과, 하판(8)의 판두께 T_BOTTOM(㎜)의 차(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.5㎜ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 여기에서, 거리 L은 맨드릴(2)의 중심축에 평행한 방향의 길이이다. 이에 따라, 마찰 엘리먼트 접합에 있어서 엘리먼트(1)를 상판(7)의 상방으로부터 압입하여, 핀(4)을 하판(8)에 도달시킬 수 있다. 한편, 거리 L이 과대인 경우는, 엘리먼트(1)를 압입할 때에, 상판(7)의 상방(즉 상판(7)에 압입하기 전)에서 맨드릴(2)이 변형(예를 들면 굽어짐, 뒤틀림, 좌굴 등)되기 쉬워져, 그 결과, 압입할 수 없다는 문제가 생긴다. 따라서 거리 L(㎜)은, (T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜ 이하, 를 충족하는 것이 바람직하다. 거리 L(㎜)은, (T_TOTAL－T_BOTTOM)＋2㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, (T_TOTAL－T_BOTTOM)＋1.5㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 도 2에서 나타내고 있는, 칼라의 외주부의 최하단에서 맨드릴의 하단면의 정점까지의 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)에 대해서도 전술하고 있는 거리(L)의 범위로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 4를 참조하여, 엘리먼트(1)를 이용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 순서에 대해서 설명한다. 또한, 엘리먼트(1)는 도 1에 나타내는 예를 이용하고 있다. 도 4는, 엘리먼트(1)를 이용하여 판조(6)를 접합하는 경우(도 3(a) 참조)를 개략적으로 나타내는 단면도로서, 도 4(a)는 엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입하기 전의 상태, 도 4(b)는 엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입한 후의 상태를 나타낸다. 또한 도 4에서는, 엘리먼트(1)의 유동 금속 배출홈(5), 절삭날(10), 절삭 부스러기 배출홈(11) 및, 엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입시키기 위한 회전 가압기는 도시를 생략한다.

엘리먼트(1)를 판조(6)에 압입함에 있어서, 고속으로 회전하는 엘리먼트(1)가 상판(7)의 상방으로부터 하강하여, 핀(4)의 정점이 상판(7)에 맞닿는다(도 4(a) 참조). 이 때, 핀(4)의 중심축(즉 맨드릴(2)의 중심축)은 상판(7)에 대하여 수직으로 한다. 그리고 엘리먼트(1)가 고속으로 회전하면서 하강을 계속함으로써, 핀(4)이 정점으로부터 점차 상판(7)에 압입되어 가고, 핀(4)의 중심축이 엘리먼트(1)의 회전축으로서 소정의 위치에 보존유지된다. 계속해서 엘리먼트(1)가 고속으로 회전하면서 하강함으로써, 맨드릴(2)의 하단면이 상판(7)에 맞닿을 때까지, 핀(4)의 압입에 기인하는 절삭 부스러기가 발생한다. 그 절삭 부스러기는, 엘리먼트(1)의 회전에 수반하여, 유동 금속 배출홈(5)을 통과하여 맨드릴(2)의 측면측으로 배출된다.

또한, 엘리먼트(1)가 고속으로 회전하면서 하강을 계속함으로써, 맨드릴(2)의 하단면과 상판(7)의 마찰열 및, 엘리먼트(1)의 측면과 상판(7)의 마찰열이 발생함과 함께, 가열된 상판(7)이 연화하여 소성 유동이 생긴다. 그리고, 연화한 상판(7)이 유동 금속 배출홈(5)을 통과하여, 맨드릴(2)의 측면측으로 배출된다. 이와 같이 하여 엘리먼트(1)의 압입이 가능해지고, 맨드릴(2)이 하판(8)에 도달하여, 하판(8)의 표층부에도 소성 유동이 생긴다(도 4(b) 참조).

단, 마찰열에 의해 맨드릴(2)도 연화하는 것은 피할 수 없기 때문에, 맨드릴(2)이 하판(8)에 도달했을 때에는, 핀(4) 및 유동 금속 배출홈(5)은 붕괴하여, 압입 개시 전의 형상(도 1, 2 참조)을 유지하고 있지 않다. 그러나 연화한 상판(7), 하판(8), 맨드릴(2)이, 압입의 정지에 의해, 서로 융착하고, 더욱 응고하여, 하판(8)과 맨드릴(2)의 접합면(9)이 형성된다.

맨드릴(2)을 압입하는 과정에서, 유동 금속 배출홈(5)이나 절삭 부스러기 배출홈(11)으로부터 배출된 상판(7)은, 맨드릴(2)의 측면을 따라 상방으로 이동한다. 그 이유는, 하방에는 하판(8)이 배치되어 있어, 이동이 저해되기 때문이다. 이렇게 하여 상판(7)은, 상방의 자유 공간으로 이동하여 돌출된 후, 칼라(3)의 외주부에서 구속되고, 그 결과, 엘리먼트(1)에 고정된다. 즉, 도 3(a)에 나타내는 바와 같은 2매의 금속판을 서로 겹친 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합을, 본 발명의 엘리먼트(1)를 이용하여 행한 경우는, 하판(8)과 맨드릴(2)이 접합면(9)에서 접합하고, 상판(7)이 맨드릴(2) 및 칼라(3)에 고정된다.

도 3(b)에 나타내는 바와 같은 3매의 금속판을 서로 겹친 판조(6)의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 경우, 혹은 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 금속판이 맨드릴(2) 및 칼라(3)에 고정된다.

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

또한, 본 발명의 엘리먼트(1)는, 유동 금속 배출홈(5)이나 절삭 부스러기 배출홈(11)을 갖기 때문에, 상판(7)의 절삭 부스러기나 연화한 상판(7)을 원활하게 배출할 수 있다. 따라서, 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 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명이 목적으로 하는 엘리먼트는, 하판으로서 강판을 배치하고, 상판에 경금속판을 배치한 2매의 금속판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판, 상판 모두 강판으로 이루어지는 판조, 혹은 하판으로서의 강판과 상판으로서의 경금속판의 사이에 추가로 1매 이상의 경금속판을 협지한 3매 이상의 금속판으로 이루어지는 판조의 마찰 엘리먼트 접합에도 지장 없이 적용할 수 있어, 접합 불량의 발생을 억제하는 효과가 얻어진다. 또한, 이러한 판조에, 본 발명의 엘리먼트를 적용하여 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 경우에는, 상판이 연질이기 때문에, 핀이 그의 중심축을 소정의 위치에 보존유지한 채 상판에 진입해 가고, 추가로 맨드릴에 의해 마찰열이 집중하여 발생하고, 그 위치가 연화하여 소성 유동을 일으키기 쉬워지고, 게다가 상판의 유동 금속 및 절삭 부스러기가, 맨드릴에 형성된 유동 금속 배출홈이나 절삭 부스러기 배출홈을 통과하여 원활하게 배출되기 때문에, 접합 불량의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다는 효과도 있다.

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

실시예

<실시예 1>

2매(상판과 하판)의 금속판을 서로 겹친 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하여, 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 각 2개 제작했다. 또한, 사용한 엘리먼트(1)는, 도 1에 나타내는 형상의 엘리먼트(1)로 하고, 꼭지각(α)이 140°, 유동 금속 배출홈(5)이 2개를 소용돌이 형상으로 배치된 엘리먼트로 했다. 맨드릴(2)의 직경은 4.55㎜였다.

상판과 하판의 조합을 표 1에, 마찰 엘리먼트 접합 시에 이용한 엘리먼트의 회전 속도(rpm)와 가압력(kN)을 표 2에, 각각 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 유동 금속 배출홈(5)을 형성하지 않는 엘리먼트(1)를 이용한 마찰 엘리먼트 접합도 행했다.

얻어진 마찰 엘리먼트 접합 조인트에 대해서, 접합부의 단면을 육안 관찰하여, 판조의 접합 상태를 평가했다. 맨드릴(2)이 상판(7)을 관통하여 하판(8)과 접합된 경우(도 4(b) 참조)를 접합 양호로서 「○」로 평가하고, 맨드릴(2)이 상판(7)을 관통하지 않았던 경우나, 하판(8)과 접합되지 않았던 경우를 접합 불량으로서 「×」라고 평가했다.

또한, 접합 상태가 접합 양호(○)라고 평가된 접합 조인트에 대해서, JIS Z 3137에 규정되는 십자 인장 시험을 행하여, 접합 조인트의 강도를 조사했다. 강도가 6.0kN 이상인 경우를 A, 강도가 3.0kN 이상 6.0kN 미만인 경우를 B, 강도가 3.0kN 미만인 경우를 C, 라고 평가했다.

또한, 접합 상태가 접합 불량(×)이라고 평가된 판조에 대해서는, 인장 시험을 행하지 않고, D라고 평가했다. 접합 조인트의 우열의 서열은, A＞B＞C＞D이다. 얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 접합 상태가 접합 양호하고, 또한 상판, 하판 모두 강판인 경우, 2.8kN 이상의 접합 조인트 강도를 갖고 있었다. 또한, 조인트 No.12는, 접합 상태가 양호 「○」이지만, 상판이 알루미늄 합금판이기 때문에, 상판이 강판인 경우에 비해 모재 강도가 낮고, 접합 조인트로서의 강도는 1.0kN으로 상기에 비해 낮은 값인 것으로 추찰된다. 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는, 접합 상태가 불량 「×」였다.

<실시예 2>

표 1에 나타내는 2매(상판과 하판)의 금속판을 서로 겹친 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하여, 마찰 엘리먼트 접합 조인트를 각 2개 제작했다. 또한, 사용한 엘리먼트(1)는, 도 2에 나타내는 형상의 엘리먼트(1)로 하고, 칼라(3)의 최하 단부에서 맨드릴(2)의 하단면의 정점까지의 거리(L)가 1∼5㎜, 하단면의 원추 형상을 나타내는 면의 꼭지각(αm)이 140°, 하단면의 원추 형상을 나타내는 면에, 절삭 부스러기 배출홈(11)을 정점으로부터 곡선 형상으로 한 쌍 배치하고, 추가로 절삭날(10)을 2개 형성한 맨드릴을 배치한 엘리먼트로 했다. 맨드릴(2)의 직경은 4.55㎜였다.

또한, 마찰 엘리먼트 접합 시에 이용한 엘리먼트의 회전 속도(rpm)와 가압력(kN)을 표 3에 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 절삭 부스러기 배출홈(11) 및 절삭날(10)을 형성하지 않는 엘리먼트(1)를 이용한 마찰 엘리먼트 접합도 행했다.

얻어진 마찰 엘리먼트 접합 조인트에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로, 접합부의 단면을 육안 관찰하여, 실시예 1과 마찬가지로, 판조의 접합 상태를 평가했다.

또한, 접합 상태가 접합 양호(○)라고 평가된 접합 조인트에 대해서, 추가로, 실시예 1과 마찬가지로, 인장 시험을 실시하여, 접합 조인트의 인장 강도를 구하고, 실시예 1과 마찬가지로, 평가했다. 얻어진 결과를 표 3에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 접합 상태가 접합 양호하고, 또한 상판, 하판 모두 강판인 경우, 2.1kN 이상의 인장 강도를 갖고 있었다. 또한, 조인트 No.25는, 접합 상태가 양호 「○」이지만, 상판이 알루미늄 합금판이기 때문에, 상판 관입 중의 엘리먼트의 마모가 현저하여, 충분한 접합 지름을 확보할 수 없어, 접합 조인트 강도가 1.5kN으로 상기에 비해 낮은 값이었다. 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는, 접합 상태가 불량 「×」였다.

1 : 엘리먼트
2 : 맨드릴
3 : 칼라
4 : 핀
5 : 유동 금속 배출홈
6 : 판조
7 : 상판
8 : 하판
9 : 접합면
10 : 절삭날
11 : 절삭 부스러기 배출홈(부스러기 배출홈)
12 : 개구부

Claims

2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조(sheet set)에 회전시키면서 압입함으로써 상기 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 엘리먼트로서,
상기 마찰 엘리먼트 접합에 있어서 상기 판조에 압입하는 원기둥 형상의 맨드릴(mandrel)과, 당해 맨드릴의 상단면에 설치되는 원판 형상의 칼라와, 상기 맨드릴의 하단면에, 중심축이 상기 맨드릴의 중심축과 일치하도록 설치되는 꼭지각 α의 원추 형상의 핀을 구비하고, 또한 상기 맨드릴의 상기 하단면의 상기 핀을 제외한 평탄한 영역에, 유동 금속 배출홈을 소용돌이 형상 또는 방사선 형상으로 복수개 형성하여 이루어지는 엘리먼트.
2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 회전시키면서 압입함으로써 상기 판조의 마찰 엘리먼트 접합을 행하는 엘리먼트로서,
상기 마찰 엘리먼트 접합에 있어서 상기 판조에 압입하는 원기둥 형상의 맨드릴과, 당해 맨드릴의 상단면에 설치되는 원판 형상의 칼라를 구비하고, 추가로 상기 맨드릴의 하단면을 꼭지각 αm의 원추 형상을 나타내는 면으로 하고, 또한 당해 원추 형상을 나타내는 면에, 절삭 부스러기 배출홈을 정점으로부터 곡선 형상 또는 방사선 형상으로 한 쌍 이상, 혹은 추가로 절삭날을 복수개 형성하여 이루어지는 엘리먼트.
제1항에 있어서,
칼라의 외주부의 최하단에서 핀의 정점까지의 상기 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)이, 하기 (1)식을 충족하는 엘리먼트.
　　　　　　　　　　　　　　　　기
(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜···(1)
여기에서, T_TOTAL: 판조의 전체 두께(㎜), T_BOTTOM: 판조의 하판의 판두께(㎜)
제2항에 있어서,
칼라의 외주부의 최하단에서 맨드릴의 하단면의 정점까지의 중심축에 평행한 방향의 거리 L(㎜)이, 하기 (1)식을 충족하는 엘리먼트.
　　　　　　　　　　　　　　　　기
(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋0.02㎜≤L≤(T_TOTAL－T_BOTTOM)＋4㎜···(1)
여기에서, T_TOTAL: 판조의 전체 두께(㎜), T_BOTTOM: 판조의 하판의 판두께(㎜)
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
엘리먼트가, 적어도 외표면의 일부에 내마모성 재료로 이루어지는 코팅 피막을 형성하여 이루어지는 엘리먼트.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 엘리먼트를 이용하여, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입함으로써 판조의 접합을 행하는 마찰 엘리먼트 접합 방법.
제6항에 있어서,
2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조가, 하판 및 상판의 양쪽에 강판을 배치한 판조인 마찰 엘리먼트 접합 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 엘리먼트를 이용하여, 2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조에 엘리먼트를 회전시키면서 압입하여 판조의 접합을 행하여 마찰 엘리먼트 접합 조인트로 하는 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법.
제8항에 있어서,
2매 이상의 금속판을 서로 겹친 판조가, 하판 및 상판의 양쪽에 강판을 배치한 판조인 마찰 엘리먼트 접합 조인트의 제조 방법.