KR20180023003A

KR20180023003A - 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 방법

Info

Publication number: KR20180023003A
Application number: KR1020187003508A
Authority: KR
Inventors: 도미오 오다꾸라; 히로끼 아베; 겐지 안도
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치 파워 솔루션즈
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-03-06
Also published as: WO2017022537A1; JP5883978B1; EP3332903B1; EP3332903A4; CN107848066B; KR102033520B1; CN107848066A; US20180221986A1; JP2017035702A; EP3332903A1

Abstract

접합 툴(1)의 돌기부(11)의 내부에는, 접합 툴의 돌기부(11)가 피접합 부재에 압입되었을 때 피접합 부재 표면으로부터의 깊이가 각각 상이한 돌기부(11)의 내부 위치에 복수의 온도 센서(13)가 설치되어 있고, 제어 장치(5)는 접합이 실시될 때, 접합 툴(1)의 회전 속도, 이동 속도 또는 그 양쪽을 제어함으로써, 온도 센서(13)에 의해 검출되는 온도가 미리 정해진 관리 온도 범위 내에 수렴되도록 관리하고, 접합 품질의 균일화를 도모한다.

Description

마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 방법

본 발명은 소성 유동 현상을 사용하여 피접합 부재를 고상 접합하는 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 방법에 관한 것이다.

회전하는 접합 툴로 마찰열을 부여하여, 피접합 부재에 소성 유동 현상을 발생시키고, 접합 툴로 교반하여 피접합 부재를 접합하는 마찰 교반 접합 장치(이하, FSW(Friction Stir Welding) 장치라고 한다)가 알려져 있다. FSW 장치는, 알루미늄, 구리, 철, 이들의 합금 등 비교적 저온에서 연화되는 금속의 접합에 사용된다.

일반적인 FSW 장치에서는, 피접합 부재의 재질이나 두께에 따라서 미리 정해진 최적의 접합 툴의 사양(재질, 형상 등), 회전수(회전 속도), 이송 속도인 접합 속도, 삽입 깊이 등의 가공 조건이 미리 설정되어, 접합 개시부터 접합 종료까지 그 가공 조건을 유지하여 접합이 실시된다. 그리고, 접합이 적절하게 되었는지 여부는, 접합 부위의 단면에 공동 결함이 발생되어 있지 않은 것, 접합부의 표면에 홈상 결함이 발생되어 있지 않은 것을 확인한 결과에 기초하여 판단된다. 일반적으로는, 접합 개시점부터 종료점에 이르는 사이의 접합 온도를 관리하고, 접합 온도의 변동에 의한 접합 품질에 대한 영향을 고려하는 것 등은 거의 행해지고 있지 않다.

그러나, 피접합 부재의 접합부 온도를 관리하지 않는 경우에는, 접합 개시점부터 종료점에 이르는 사이에서, 그 접합 온도에 변동이 발생하는 것은 피할 수 없고, 그 결과, 접합부의 강도나 접합 품질에도 변동이 발생하였다. 특히, 이종 재료의 피접합 부재를 접합하는 경우에, 그 영향이 크게 발생하였다.

그래서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 중합한 2개의 피접합 부재(1, 2)를 접합하는 가공 프로브(P)(접합 툴)이며, 가공 프로브 본체(Pa)의 회전축에 대하여 편심 배치되고, 또한, 가공 프로브 본체(Pa)에 대하여 회전 가능한 접합용 핀(Pb)을 구비한 것이 개시되어 있다(도 1 등 참조). 이러한 가공 프로브(P)에서는, 편심 배치된 접합용 핀(Pb)이 가공 프로브 본체(Pa)의 중심에 대하여 회동 운동하므로, 가공 프로브(P)의 저면 근방 부분, 즉 피접합 부재(1, 2)의 경계면의 온도의 균일화를 도모할 수 있다. 또한, 특허문헌 1에는, 가공 프로브(P)에 온도 검출 수단(23)을 설치하고, 그 온도 검출 수단(23)에 의한 검출값에 기초하여, 가공 프로브 본체(Pa) 및 접합용 핀(Pb)의 회전수를 제어하는 것이 기재되어 있다(단락 0032 등 참조).

또한, 특허문헌 2에는, 피접합부(3)의 접합 툴(4)과 그 반대측에 맞닿아서 설치된 피접합물(2)을 지지하는 뒤붙임 부재(21: backing member)에 열전대(34)를 설치하고, 열전대(34)에 의해 검출된 온도에 기초하여, 접합 툴(4)의 과열을 감시하는 것이 가능한 마찰 교반 접합 장치(1)의 예가 개시되어 있다(도 2 등 참조).

또한, 특허문헌 3에는, 접합 대상의 워크(1)의 접합 개시 부위로부터 종료 부위까지의 워크(1)에의 입열량을, 접합 툴의 회전 속도 또는 접합 속도를 변화시킴으로써, 대략 일정하게 제어하는 것이 가능한 마찰 교반 접합 방법의 예가 개시되어 있다(청구항 1, 청구항 2, 도 1 등 참조). 이 접합 방법에 의하면, 특히 소직경의 파이프재나 봉재의 둘레 방향의 접합에 있어서, 접합부 전체에 걸쳐 균등한 접합 품위가 얻어진다는 것이 기재되어 있다(단락(0023) 등 참조).

일본 특허 공개 제2006-167758호 공보 일본 특허 공개 제2011-115842호 공보 일본 특허 제4286962호 공보

그런데, 특허문헌 1에 개시된 마찰 교반 접합 장치에서는, 온도 검출 수단(23)은 가공 프로브 본체(Pa)의 외주부에 설치되어 있다(도 1, 단락(0028)). 또한, 특허문헌 2에 개시된 마찰 교반 접합 장치에서는, 접합부의 온도를 검출하는 열전대(34)는 뒤붙임 부재(21) 중에 설치되어 있다. 어느 경우이든, 온도 센서는, 피접합 부재의 교반 대상 영역, 즉 접합부로부터 약간 떨어진 위치에 설치되어 있다. 따라서, 그러한 온도 센서에서는, 피접합 부재의 접합부 온도를 반드시 고정밀도로 검출할 수 있다고는 할 수 없다. 그 때문에, 피접합 부재의 접합 개시점부터 접합 종료점까지의 접합부의 강도나 접합 품질의 변동을 반드시 충분히 저감할 수 있다고는 할 수 없다.

또한, 특허문헌 3에 개시된 마찰 교반 접합 방법에서는, 접합부에의 입열량이 접합의 개시 부위부터 종료 부위까지의 사이에서 일정하게 유지된다. 그로 인해, 접합부의 온도는, 피접합 부재에 있어서의 축열 효과 때문에, 접합의 개시점 근방에서 낮고, 종료점 근방에서 높은 것이 된다. 따라서, 피접합 부재의 접합 개시점부터 접합 종료점까지의 사이에서, 접합부의 강도나 접합 품질의 균일화를 도모하는 것은 용이하지 않다.

이상과 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 피접합 부재의 접합부에 있어서의 접합 품질의 균일화를 도모하는 것이 가능한 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 마찰 교반 접합 장치(FSW 장치)는 회전하면서 피접합 부재에 압입되는 돌기부와 상기 돌기부가 구비되어서 회전하면서 상기 피접합 부재의 표면을 압박하는 가압부를 갖고 이루어지고, 상기 피접합 부재 내부에서 상기 돌기부 및 상기 가압부가 접하는 근방 영역에 소성 유동 현상을 발생시키는 접합 툴과, 상기 접합 툴의 상기 돌기부가 상기 피접합 부재에 압입되었을 때 상기 피접합 부재 표면으로부터의 깊이가 각각 상이한 상기 돌기부의 내부 위치에 설치된 복수의 온도 센서와, 상기 접합 툴을 회전시키는 툴 회전 구동 장치와, 미리 설정된 상기 피접합 부재 상의 접합선을 따라서 상기 접합 툴을 이동시키는 툴 이동 구동 장치와, 상기 복수의 온도 센서에 의해 검출되는 온도에 기초하여, 상기 접합 툴의 돌기부 내의 온도인 툴 온도를 취득하고, 상기 툴 온도가 미리 정해진 관리 온도 범위 내에 수렴되도록, 상기 툴 회전 구동 장치에 의해 구동되는 상기 접합 툴의 회전 속도 및 상기 툴 이동 구동 장치에 의해 구동되는 상기 접합 툴의 이동 속도 중 적어도 한쪽을 제어하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 피접합 부재의 접합부에 있어서의 접합 품질의 균일화를 도모하는 것이 가능한 마찰 교반 접합 장치 및 마찰 교반 접합 제어 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 FSW 장치의 외관 사시도의 예를 모식적으로 도시한 도면.
도 2는 FSW 장치에 의해 피접합 부재를 입열량 일정의 조건으로 접합했을 때의 툴 온도의 추이의 예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 FSW 장치의 개략 블록 구성의 예를 도시한 도면.
도 4는 접합 툴의 돌기부가 피접합 부재에 압입된 모습을 모식적으로 도시한 종단면도의 예.
도 5는 접합 툴의 횡단면을 모식적으로 도시한 도면.
도 6은 제어 장치의 기억 장치에 기억되어 있는 FSW 제어 데이터의 구성예를 도시한 도면.
도 7은 접합 툴에 의해 피접합 부재가 접합되어 있을 때의 온도 관리의 방법의 예를 모식적으로 도시한 도면.
도 8은 제어 장치에 의한 FWS 접합 제어 처리의 처리 플로우의 예를 도시한 도면.
도 9는 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재의 (a) 맞대기 접합의 예, (b) 중첩 접합의 예를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서, 공통되는 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 FSW 장치(100)의 외관 사시도의 예를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, FSW 장치(100)는 돌기부(11)를 구비한 접합 툴(1), 접합 툴(1)을 보유 지지하는 툴 홀더(2), 툴 홀더(2)를 회전 가능하게 보유 지지하는 하우징(3) 등을 포함한다. 여기서, 하우징(3)은 원통형의 용기이며, 그 내부에는, 주축(20)을 중심으로 원기둥상의 툴 홀더(2)를 회전시키는 주축 모터(6)(도 3 참조) 등이 수납되어 있다. 또한, 주축(20)은 원기둥상의 툴 홀더(2)의 중심축을 가리킨다.

접합 툴(1) 및 툴 홀더(2)를 이상과 같이 하여 보유 지지한 하우징(3)은 도시하지 않은 머시닝 툴이나 다축 로봇의 아암(4)의 선단부에 설치되어 있다. 즉, 접합 툴(1)은 머시닝 툴이나 다축 로봇에 의한 아암(4)의 구동에 의해, 상하 방향으로든 평면 방향으로든 자유자재로 이동 가능하도록 구성되어 있다.

접합 툴(1)의 돌기부(11)는 주축(20)을 중심을 따른 가늘고 긴 핀의 형상을 하고 있고, 종종 접합 툴 핀부라고 불린다. 그리고, 2개의 피접합 부재(101a, 101b)를 접합할 때에는, 툴 홀더(2)에 보유 지지된 접합 툴(1)은 회전하면서, 그 돌기부(11)를 피접합 부재(101a, 101b)의 경계인 접합선(102) 상에 압입시킨다. 이때, 돌기부(11)는 접합 툴(1) 본체의 저면부의 돌기부(11)를 제외한 부분(도 3에서 말하는 툴 숄더부(12))가 피접합 부재(101a, 101b)의 표면에 접촉하는 위치까지 압입된다.

돌기부(11)가 압입되면, 피접합 부재(101a, 101b)에는, 돌기부(11) 및 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)에 접촉하면서 회전할 때의 마찰열에 의해 온도가 상승하여, 소성 유동 현상이 발생한다. 그리고, 이 소성 유동 현상이 발생한 피접합 부재(101a, 101b)의 구성 재료가 접합 툴(1)에 의해 교반되어, 서로 섞이게 된다. 또한, 접합 툴(1)은 돌기부(11)가 피접합 부재(101a, 101b)에 압입된 상태에서 접합선(102)을 따라서 이동하도록 제어된다. 그 결과, 피접합 부재(101a, 101b)는, 그 경계부가 접합된다.

이상과 같은 FSW 장치(100)의 기본 부분의 구성 및 동작은, 종래 기술과 동일한 것이다. 상기한 바와 같이, 종래에는, 피접합 부재(101a, 101b)의 접합부의 온도는 충분히는 관리되어 있지 않다. 접합 온도는, 피접합 부재(101a, 101b)에 소성 유동 현상이 발생하는 온도이면 된다고 되어 있다. 그래서, 본 발명의 발명자들은, 입열량 일정의 조건으로 피접합 부재(101a, 101b)의 접합부가 접합되어 있을 때의 온도를 측정했으므로, 그 결과를 다음 도 2에 도시한다.

도 2는, FSW 장치(100)에 의해 피접합 부재(101a, 101b)를 입열량 일정의 조건으로 접합했을 때의 툴 온도의 추이의 예를 도시한 도면이다. 여기서, 툴 온도란, 피접합 부재(101a, 101b)가 마찰 교반되어 있을 때의 접합부 온도를, 접합 툴(1)의 돌기부(11) 내부에 매립된 열전대 등의 온도 센서(도 3에서 말하는 온도 센서(13))로 측정한 온도를 말한다. 따라서, 툴 온도는, 접합부의 온도 그 자체는 아니지만, 예를 들어, 특허문헌 2에 기재된 뒤붙임 부재의 내 등에 설치된 온도 센서에 의해 얻어지는 온도와 비교하면, 접합부의 온도에 매우 가까운 온도라고 생각된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 툴 온도는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)가 피접합 부재(101a, 101b) 표면의 접합 개시점에 접촉하고, 압입되어, 툴 숄더부(12)(도 3 참조)가 동 표면에 접촉하는 시각 t₁까지는, 거의 상승하지 않았다. 계속해서, 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b) 표면에 접촉하면, 툴 숄더부(12)가 회전하면서 동 표면에 접촉함으로써 발생하는 마찰열 때문에 툴 온도가 상승한다. 그리고, 시각 t₂에 툴 온도가 소정의 온도 T₁을 초과하면, 피접합 부재(101a, 101b)에 소성 유동 현상이 발생했다고 판단되어, 접합 개시가 된다. 여기서, 시각 t₁부터 t₂까지의 시간은, 소성 유동 현상이 발생하는 것을 대기하는 시간이며, 홀드 시간이라고 불린다.

접합 개시가 되면, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 피접합 부재(101a, 101b)에 압입된 채의 상태에서, 접합선(102)을 따라서 이동을 개시하여, 접합 종료점까지 이동한다. 이때, 툴 온도는, 접합 툴(1)이 접합 개시점(시각 t₃)부터 접합 종료점(시각 t₃)으로 이동할 때까지의 사이에 서서히 상승한다. 이것은, 접합 툴(1) 이동 후의 접합부 온도가 접합 툴(1) 이동 전의 이미 상승한 접합부로부터의 열전도의 영향을 받기 때문이다. 즉, 접합부의 온도는, 그때 접합 툴(1)에 의해 그 접합부에서 발생하는 열량만으로 결정되는 것은 아니고, 그때까지 접합 툴(1)이 이동해 온 접합부로부터 전도된 열의 축적량이 가산되어서 결정되기 때문이다.

접합 종료(시각 t₃)로 되면, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 피접합 부재(101a, 101b)로부터 뽑혀서, 접합 툴(1)의 온도는 급속하게 저하된다.

이상, 도 2에 도시한 예와 같이, 입열량 일정의 경우, 툴 온도는, 접합 개시점부터 접합 종료점까지의 사이에 100℃ 정도 상승하는 것을 알 수 있다. 이러한 상황에서는, 피접합 부재(101a, 101b)의 접합선(102)에 있어서의 접합 품질을 균일 유지하는 것은 용이하지 않다. 그래서, 본 실시 형태에서는, FSW 장치(100)는 툴 온도가 미리 설정된 관리 온도의 범위 내에 수렴되도록 툴 온도를 관리한다.

도 3은, 본 발명의 실시 형태에 따른 FSW 장치(100)의 개략 블록 구성의 예를 도시한 도면이다. 또한, 도 3에는, 접합 툴(1), 툴 홀더(2) 및 하우징(3)의 모식적인 종단면 구조가 아울러 도시됨과 동시에, 이들에 부수되는 장치나 부재가 도시되어 있다.

상기한 바와 같이, 하우징(3)은 원통형의 용기이며, 그 내부에는, 원기둥상의 툴 홀더(2)가 베어링(31)을 개재하여, 그 원기둥의 중심축(주축(20))을 중심으로 회전 가능하게 보유 지지되어 있다. 이때, 툴 홀더(2)는 하우징(3)측에 설치된 주축 모터(6)에 의해 회전 구동된다. 또한, 툴 홀더(2)의 하방 선단부에는, 접합 툴(1)이 설치되어 있고, 접합 툴(1)은 툴 홀더(2)와 함께 주축 모터(6)에 의해 회전 구동된다.

접합 툴(1)은 툴 홀더(2)와 동 축의 원기둥 형상을 하고 있고, 그 저면부에는 툴 홀더(2)와 동 축의 가늘고 긴 대략 원기둥상(핀상)의 돌기부(11)가 설치되어 있다. 또한, 접합 툴(1)의 저면부 중 돌기부(11)가 설치되어 있는 이외의 부분은, 툴 숄더부(12)라고 부르고 있다. 이 중 돌기부(11)는 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)의 표면에 접하는 위치까지 압입된다. 따라서, 툴 숄더부(12)는 돌기부(11)의 압입을 정지시키는 역할을 한다. 또한, 이때, 툴 숄더부(12)는 피접합 부재(101a, 101b)의 표면을 압박함과 함께, 그 표면 상을 회전, 미끄럼 이동한다. 그리고, 툴 숄더부(12)의 회전, 미끄럼 이동의 마찰열에 의해, 피접합 부재(101a, 101b) 내의 툴 숄더부(12) 및 돌기부(11)의 근방 부분은 뜨거워져져, 소성 유동 현상이 나타난다.

본 실시 형태에서는, 돌기부(11)의 내부에 1개 또는 복수의 온도 센서(13)(열전대 등)가 매립되어 있다(도 3에서는 3개의 온도 센서(13)가 도시되어 있다). 그리고, 도면에서는, 복수의 온도 센서(13)를 돌기부(11) 내에 매립하는 경우, 돌기부(11) 내에 있어서의 세로 방향의 위치가 각각 상이한 위치에 매립되어 있는 것으로 하고 있다. 이것에 대해서는, 별도로, 도 4 및 도 5를 사용하여 상세하게 설명한다.

온도 센서(13)로 계측된 온도는, 툴 홀더(2)에 설치된 송신기(8) 및 하우징(3)에 설치된 수신기(9)를 통하여, 제어 장치(5)에 송신된다. 또한, 송신기(8)는 툴 홀더(2)와 함께 회전하므로, 수신기(9)는 예를 들어, 그 송신기(8)를 둘러싸는 도넛 형상의 안테나를 구비하고, 송신기(8)와의 사이에서 무선으로 통신한다.

제어 장치(5)는 온도 센서(13)로 계측된 온도로부터 툴 온도를 취득한다. 그 경우, 돌기부(11)의 내부에 1개의 온도 센서(13)가 매립되어 있을 때에는, 그것에 의해 계측된 온도를 그대로 툴 온도로 한다. 또한, 돌기부(11)의 내부에 복수의 온도 센서(13)가 매립되어 있을 때에는, 계측된 복수의 온도의 단순 평균 또는 가중 평균을 취하여 툴 온도로 한다.

제어 장치(5)는 도시하지 않은 연산 처리 장치와 기억 장치를 구비한 일반적인 컴퓨터를 포함하고, 온도 센서(13)로 계측된 온도, 즉 툴 온도에 기초하여, 주축 모터(6) 및 툴 이동 구동 장치(7)를 제어한다. 그 경우, 툴 온도를 저하시킬 때에는, 주축 모터(6)의 회전을 감속시키거나, 툴 이동 구동 장치(7)에 의한 접합 툴(1)의 이동 속도를 빠르게 하면 된다. 또한, 툴 온도를 상승시킬 때에는, 주축 모터(6)의 회전을 가속하거나, 툴 이동 구동 장치(7)에 의한 접합 툴(1)의 이동 속도를 느리게 하면 된다. 또한, 여기에서 말하는 툴 이동 구동 장치(7)는 도 1에 있어서 하우징(3)이 설치된 아암(4)을 갖는 머시닝 센터 타입 FSW 장치나 다축 로봇 타입 FSW 장치에 상당한다.

도 4는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)가 피접합 부재(101a, 101b)에 압입된 모습을 모식적으로 도시한 종단면도의 예, 도 5는, 접합 툴(1)의 횡단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 2개의 동종의 피접합 부재(101a, 101b)(예를 들어, 2개의 알루미늄 합금판)를 맞대기 접합하는 경우에는, 피접합 부재(101a, 101b)는, 뒤붙임 부재(110) 상에 배치되고, 그 경계부에 접합 툴(1)의 돌기부(11)가 회전하면서 압입된다.

이때, 돌기부(11)는 그 선단부가 피접합 부재(101a, 101b)의 이면측에 거의 도달함과 함께, 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)의 표면에 접하는 깊이까지 압입된다. 따라서, 접합 툴(1)은 통상, 접합 대상의 판 두께나 재질에 따라, 그 돌기부(11)의 직경, 길이, 형상 등이 정해진다. 또한, 뒤붙임 부재(110)는 높은 내열성을 가짐과 함께 툴 축방향 하중에 견딜 수 있을 경도를 가질 필요가 있다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 돌기부(11)에는, 그 돌기부(11)가 피접합 부재(101a, 101b) 내에 압입되었을 때의 깊이가 각각 상이한 위치에, 열전대 등을 포함하는 온도 센서(13a, 13b, 13c)가 매립되어 있다. 그리고, 이들의 온도 센서(13a, 13b, 13c)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 돌기부(11)의 외주면으로부터 거리가 대략 동등하게, 또한, 그 외주면에 가까운 위치에 매립되어 있다. 또한, 도 5에 있어서, 내측의 사선부의 원은, 돌기부(11)의 외주면을 나타내고, 외측의 원은, 접합 툴(1)의 본체 외주면을 나타내고, 이들 2개의 원 사이에 끼워진 부분은, 툴 숄더부(12)를 나타내고 있다.

이상과 같이, 돌기부(11) 내에 매립된 온도 센서(13a, 13b, 13c)에 의해, 피접합 부재(101a, 101b)가 접합될 때의 깊이 방향의 온도 분포를 보다 고정밀도로 취득하는 것이 가능해진다.

도 6은, 제어 장치(5)의 기억 장치에 기억되어 있는 FSW 제어 데이터(501)의 구성예를 도시한 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, FSW 제어 데이터(501)는 피접합 부재(101a, 101b)의 재료 및 판 두께에 대응지어진 관리 온도 범위, 관리 판정 온도 범위, 주축 모터의 회전 속도, 툴 이동 속도 등을 포함한다.

여기서, 관리 온도 범위란, 온도 센서(13a, 13b, 13c)로부터 얻어지는 툴 온도를 관리하기 위한 온도이며, 상한값과 하한값을 포함한다. FSW 장치(100) 툴에 의한 접합이 실시되어 있을 때에는, 툴 온도, 즉, 접합 툴(1)에 의해 마찰 교반되어 있는 피접합 부재(101a, 101b)의 접합부의 온도는, 이 관리 온도 범위 내에 수렴되도록 관리된다.

또한, 관리 판정 온도 범위의 상한값 및 하한값은, 관리 온도 범위 내에 포함되는 온도이다. 즉, 관리 판정 온도 범위의 상한값은, 관리 온도 범위의 상한값보다도 낮고, 관리 판정 온도 범위의 하한값은, 관리 온도 범위의 하한값보다도 높은 값이 설정된다.

일반적으로, 큰 열용량을 갖는 물체의 온도 제어에서는, 온도 상승중에 있는 물체의 온도를 검지하여 가열량을 감해도, 그 온도는, 곧바로는 하강하지 않고 오버슈트한다. 마찬가지로, 온도 하강중에 있는 물체의 온도를 검지하고, 가열량을 증가시켜도, 그 온도는, 바로 상승하지 않고 언더슈트한다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 관리 판정 온도 범위의 상한값 및 하한값을 설정함으로써, 온도 제어에 있어서의 온도의 오버슈트 및 언더슈트의 허용을 가능하게 한 것이다. 또한, 이것에 대해서는, 도 7에서도 설명한다.

또한, 도 6에 있어서, 주축 모터 회전 속도의 초기값은, 접합 툴(1)의 돌기부(11)를 피접합 부재(101a, 101b)에 압입할 때의 주축 모터(6)의 회전 속도의 초기값이다. 또한, 주축 모터 회전 속도의 정상값 #1, 정상값 #2 및 툴 이동 속도의 정상값 #1, 정상값 #2는, 접합 실시중의 주축 모터(6)의 회전 속도 및 접합 툴(1)의 이동 속도를 설정한 데이터인데, 상세에 대해서는, 다음의 도 7을 사용하여 설명한다.

이상, FSW 제어 데이터(501)를 구성하는 관리 온도 범위의 상한값, 하한값, 관리 판정 온도 범위의 상한값, 하한값, 주축 모터 회전 속도의 초기값, 정상값 #1, 정상값 #2, 툴 이동 속도의 정상값 #1, 정상값 #2 등의 값은, 피접합 부재(101a, 101b)의 재료나 판 두께 등에 따라 실험적 또는 시뮬레이션 등에 의해 미리 적절한 값이 구해진 것으로 한다.

도 7은, 접합 툴(1)에 의해 피접합 부재(101a, 101b)가 접합되어 있을 때의 온도 관리의 방법의 예를 모식적으로 도시한 도면이다. 본 실시 형태에서는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)가 피접합 부재(101a, 101b)에 압입되어, 툴 온도가 FSW 제어 데이터(501)로 정해진 관리 온도 범위 내에 들어가서 비로서 접합 개시가 된다. 접합이 개시되면, 접합 툴(1)은 회전할뿐만 아니라, 이동을 개시한다.

툴 온도는, 통상, 접합 개시 시에는 상승 국면에 있다. 그래서, 제어 장치(5)는 기억 장치에 기억되어 있는 FSW 제어 데이터(501)의 주축 모터 회전 속도의 정상값 #1 및 툴 이동 속도의 정상값 #1을, 각각, 주축 모터(6) 및 툴 이동 구동 장치(7)로 출력한다. 이에 의해, 접합 툴(1)은 이 출력된 회전 속도 및 이동 속도에 따라서 회전함과 함께, 이동한다. 또한, 툴 온도는, 주로 주축 모터 회전 속도와 툴 이동 속도에 의해 정해지는데, 이때의 주축 모터 회전 속도의 정상값 #1 및 툴 이동 속도의 정상값 #1은, 툴 온도가 조금 상승하는 값으로 되어 있다.

계속해서, 제어 장치(5)는 툴 온도가 FSW 제어 데이터(501)로 지정되는 관리 판정 온도 범위의 상한값(131b)을 초과하였는지 여부를 판정한다. 그리고, 툴 온도가 관리 판정 온도 범위의 상한값(131b)을 초과한 경우(도 7의 시각 ta)에는, 제어 장치(5)는 FSW 제어 데이터(501)의 주축 모터 회전 속도의 정상값 #2 및 툴 이동 속도의 정상값 #2를, 각각, 주축 모터(6) 및 툴 이동 구동 장치(7)로 출력한다. 또한, 이때의 주축 모터 회전 속도의 정상값 #2 및 툴 이동 속도의 정상값 #2는, 툴 온도가 조금 하강하는 값으로 되어 있다.

이들의 제어에 의해, 툴 온도는, 관리 판정 온도 범위의 상한값(131b)을 다소 초과(오버슈트)하지만, 관리 온도 범위의 상한값(132b)에 도달하지 않은 동안에 하강하는 국면으로 전환된다.

계속해서, 제어 장치(5)는 툴 온도가 FSW 제어 데이터(501)로 지정되는 관리 판정 온도 범위의 하한값(131a)을 하회했는지 여부를 판정한다. 그리고, 툴 온도가 관리 판정 온도 범위의 하한값(131a)을 하회한 경우(도 7의 시각 tb)에는, 제어 장치(5)는 FSW 제어 데이터(501)의 주축 모터 회전 속도의 정상값 #1 및 툴 이동 속도의 정상값 #1을, 각각, 주축 모터(6) 및 툴 이동 구동 장치(7)로 출력한다.

이들 제어에 의해, 툴 온도는, 관리 판정 온도 범위의 하한값(131a)을 다소 하회(언더슈트)하지만, 관리 온도 범위의 하한값(132a)에 도달하지 않은 동안에 다시 상승하는 국면으로 전환된다.

이상, 본 실시 형태에서는, 툴 온도는, 도 7에 도시한 바와 같이, 상승하는 국면과 하강하는 국면을 반복하지만, 관리 온도 범위의 하한값(132a)과 상한값(132b) 사이에 수렴된다.

또한, 도 7에 있어서, 툴 온도가 상승하는 국면에서의 온도의 변화율(기울기)은 툴 온도가 하강하는 국면에서의 온도의 변화율(기울기)을 부호 반전한 것과 거의 동일하게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 피접합 부재(101a, 101b)에 있어서의 마찰 교반되는 상태가 크게는 변화하지 않게 되므로, 접합 품질의 균일화를 도모할 수 있다.

도 8은, 제어 장치(5)에 의한 FWS 접합 제어 처리의 처리 플로우의 예를 도시한 도면이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 제어 장치(5)는 먼저, 기억 장치에 기억되어 있는 FSW 제어 데이터(501)로부터, 피접합 부재(101a, 101b)의 재료 및 판 두께에 대응한 관리 온도 범위, 관리 판정 온도 범위, 주축 모터 회전 속도, 툴 이동 속도 등의 데이터를 취득한다(스텝 S10).

이어서, 제어 장치(5)는 주축 모터(6)를 구동하면서, 접합 툴(1)의 돌기부(11)를 피접합 부재(101a, 101b)에 압입시키고(스텝 S11), 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)에 접촉했는지 여부를 판정한다(스텝 S12). 여기서, 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)에 접촉하고 있지 않은 경우에는(스텝 S12에서 "아니오"), 스텝 S11의 제어가 계속된다. 또한, 툴 숄더부(12)가 피접합 부재(101a, 101b)에 접촉한 경우에는(스텝 S12에서 "예"), 돌기부(11)의 압입은 정지되어, 제어 장치(5)는 온도 센서(13a, 13b, 13c)에 의해 측정되는 온도에 기초하여 툴 온도를 취득한다(스텝 S13).

이어서, 제어 장치(5)는 툴 온도가 스텝 S10에서 취득한 관리 판정 온도 범위에 도달했는지 여부를 판정한다(스텝 S14). 여기서, 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 범위에 도달해 있지 않은 경우에는(스텝 S14에서 "아니오"), 스텝 S13 이하의 처리가 다시 실행된다. 또한, 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 범위에 도달한 경우에는, 제어 장치(5)는 주축 모터(6) 및 툴 이동 구동 장치(7)에 대하여 각각, 주축 모터 회전 속도(정상값 #1) 및 툴 이동 속도(정상값 #1)를 설정한다(스텝 S15).

계속해서, 제어 장치(5)는 툴 이동 구동 장치(7)를 구동하고, 접합 툴(1)을 미리 정해진 접합선(102)(도 1 참조)을 따라, 그때 설정되어 있는 툴 이동 속도로 이동시킨다(스텝 S16). 또한, 제어 장치(5)는 접합 툴(1)의 위치가 접합 종료점에 도달했는지 여부를 판정한다(스텝 S17). 여기서, 접합 툴(1)의 위치가 접합 종료점에 아직 도달해 있지 않은 경우에는(스텝 S17에서 "아니오"), 제어 장치(5)는 온도 센서(13a, 13b, 13c)에 의해 측정되는 온도에 기초하여, 툴 온도를 취득하고(스텝 S18), 또한, 그 취득한 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 범위 내인지 여부를 판정한다(스텝 S19).

스텝 S19에서의 판정의 결과, 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 범위 내였을 경우에는(스텝 S19에서 "예"), 제어 장치(5)는 스텝 S16 이하의 처리를 반복하여 실행한다. 또한, 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 범위 밖이었던 경우에는(스텝 S19에서 "아니오"), 제어 장치(5)는 주축 모터(6) 및 툴 이동 구동 장치(7)에 각각 설정되어 있는 주축 모터 회전 속도 및 툴 이동 속도를 변경한다(스텝 S20). 그리고, 제어 장치(5)는 스텝 S16 이하의 처리를 반복하여 실행한다. 또한, 스텝 S20에서는, 그때 설정되어 있는 주축 모터 회전 속도 및 툴 이동 속도가 정상값 #1이라면, 정상값 #2로 변경되고, 정상값 #2라면, 정상값 #1로 변경된다.

또한, 스텝 S17의 판정 결과, 접합 툴(1)의 위치가 접합 종료점에 도달한 경우에는(스텝 S17에서 "예"), 제어 장치(5)는 당해 FWS 접합 제어 처리를 종료한다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 툴 온도의 변동, 즉, 피접합 부재(101a, 101b)의 접합 대상 부분의 접합 시의 온도 변동을 미리 정해진 관리 온도 범위 내에 수용할 수 있다. 따라서, 피접합 부재(101a, 101b)의 접합 대상으로 되는 접합선(102)을 따른 부분의 전체에 걸쳐, 접합 시의 온도 변동을 억제하는 것이 가능해지므로, 접합 품질의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 도 8에 나타낸 FWS 접합 제어 처리에서는, 툴 온도의 제어는, 주축 모터 회전 속도 및 툴 이동 속도의 제어만으로 가능하도록 되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 툴 이동 구동 장치(7)에 상당하는 머시닝 센터 타입 FSW 장치나 다축 로봇 타입 FSW 장치는, 접합 툴(1)을 제어 장치(5)에 의해 지시된 툴 이동 속도로 이동시키기만 해도 된다. 그 때에는, 주축 모터(6)가 받는 토크나 피접합 부재(101a, 101b)로부터 받는 반력 등에 대해서는, 특별히 관리할 필요는 없다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 툴 이동 구동 장치(7), 즉, 머시닝 장치나 다축 로봇에 있어서의 제어 처리가 간단화된다고 하는 효과가 얻어진다.

(실시 형태의 변형예)

여기까지의 실시 형태에서는, 동종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101a, 101b)의 맞대기 접합에 대하여 설명하였다. 이하, 그 실시 형태의 변형예로서, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)의 맞대기 접합 및 중첩 접합의 예에 대하여 보충적으로 설명한다. 도 9는, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)의 (a) 맞대기 접합의 예, (b) 중첩 접합의 예를 도시한 도면이다.

도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)를 맞대기 접합하는 경우에는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 외주부가 양자의 경계에 접하고, 그 전체가 저온에서 연화되는 재료를 포함하는 피접합 부재(101c)측에 포함되는 위치에 압입된다. 예를 들어, 피접합 부재(101c)의 재료가 알루미늄계 합금이고, 피접합 부재(101d)가 철계 합금일 경우에는, 알루미늄계 합금인 피접합 부재(101c)측에 포함되는 위치에 압입된다.

또한, 이 경우, 툴 온도 관리를 위한 관리 온도 범위, 관리 판정 온도, 접합시의 주축 모터 회전 속도, 툴 이동 속도 등의 값은, 돌기부(11)가 압입되는 피접합 부재(101c)의 재료(저온에서 연화되는 재료: 예를 들어, 알루미늄계 합금)의 물리 특성(예를 들어, 소성 유동 현상이 발생하는 온도, 열전도도, 비열 등)에 기초하여 정해진다. 이들 값은, 사전의 실험 또는 시뮬레이션 등에 의해 정해지고, FSW 제어 데이터(501)로서 제어 장치(5)의 기억 장치에 저장된다.

또한, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)의 접합의 경우, 저온에서 연화되는 피접합 부재(101c)(예를 들어, 알루미늄계 합금)측에는, 소성 유동 현상이 발생하는데, 피접합 부재(101d)(예를 들어, 철계 합금)측에는, 반드시 소성 유동 현상이 발생한다고는 할 수 없다. 그러나, 이러한 경우에는, 주로, 피접합 부재(101c)측의 금속 원자가 피접합 부재(101d)측으로 확산하고, 양자의 경계부에 공정이 형성됨으로써, 양자가 접합된다.

또한, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 이종의 재료를 포함하는 피접합 부재(101c, 101d)를 중첩하여 접합하는 경우에는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 저온에서 연화되는 재료의 피접합 부재(101c)측에서, 그 선단이 피접합 부재(101d)에 접하는 위치까지 압입된다. 그리고, 이 경우에도, 툴 온도 관리를 위한 관리 온도 범위, 관리 판정 온도, 접합 시의 주축 모터 회전 속도, 툴 이동 속도 등은, 돌기부(11)가 압입되는 피접합 부재(101c)측의 재료의 물리 특성(예를 들어, 소성 유동 현상이 발생하는 온도, 열전도도, 비열 등)에 의해 정해진다.

또한, 도 9의 (b)에 있어서, 피접합 부재(101c, 101d)는, 동종의 재료여도 된다. 단, 이 경우에는, 접합 툴(1)의 돌기부(11)는 양자의 경계를 초과하고, 하측의 피접합 부재(101d) 중까지 압입되도록 하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써, 양자의 경계부에는 마찰 교반 영역이 형성되므로, 견고하게 접합된다.

이상의 실시 형태의 변형예에서도, 툴 온도의 관리 방법은, 도 7 및 도 8을 사용하여 설명한 방법과 거의 마찬가지로 하여 행할 수 있다. 따라서, 이상의 실시 형태의 변형예에서도, 앞에 설명한 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 이상에서 설명한 실시 형태 및 그 변형예는, 접합 툴(1)을 이동시켜 연속 접합하는 경우의 예인데, 본 발명은 접합 툴(1)을 소정의 위치에 삽입한 채 그 위치를 이동시키지 않는 스폿 접합에도 적용할 수 있다. 이 경우, 접합 개시 시점부터 종료 시점까지의 사이, 이동하지 않는 접합 툴(1)의 툴 온도를 관리하게 된다.

본 발명은 이상에서 설명한 실시 형태 및 변형예에 한정되는 것은 아니며, 또한, 여러가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시 형태 및 변형예는, 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어떤 실시 형태나 변형예의 구성의 일부를, 다른 실시 형태나 변형예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한, 어떤 실시 형태나 변형예의 구성에 다른 실시 형태나 변형예의 구성을 첨가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시 형태나 변형예의 구성 일부에 대해서, 다른 실시 형태나 변형예에 포함되는 구성을 추가·삭제·치환하는 것도 가능하다.

1: 접합 툴
2: 툴 홀더
3: 하우징
4: 아암
5: 제어 장치
6: 주축 모터(툴 회전 구동 장치)
7: 툴 이동 구동 장치
8: 송신기
9: 수신기
11: 돌기부
12: 툴 숄더부(가압부)
13, 13a, 13b, 13c: 온도 센서
20: 주축
31: 베어링
100: FSW 장치(마찰 교반 접합 장치)
101a, 101b, 101c, 101d: 피접합 부재
110: 뒤붙임 부재

Claims

회전하면서 피접합 부재에 압입되는 돌기부와 상기 돌기부가 구비되어서 회전하면서 상기 피접합 부재의 표면을 압박하는 가압부를 갖고 이루어지고, 상기 피접합 부재 내부에서 상기 돌기부 및 상기 가압부가 접하는 근방 영역에 소성 유동 현상을 발생시키는 접합 툴과,
상기 접합 툴의 상기 돌기부가 상기 피접합 부재에 압입되었을 때 상기 피접합 부재 표면으로부터의 깊이가 각각 상이한 상기 돌기부의 내부 위치에 설치된 복수의 온도 센서와,
상기 접합 툴을 회전시키는 툴 회전 구동 장치와,
미리 설정된 상기 피접합 부재 상의 접합선을 따라서 상기 접합 툴을 이동시키는 툴 이동 구동 장치와,
상기 복수의 온도 센서에 의해 검출되는 온도에 기초하여, 상기 접합 툴의 돌기부 내의 온도인 툴 온도를 취득하고, 상기 툴 온도가 미리 정해진 관리 온도 범위 내에 수렴되도록, 상기 툴 회전 구동 장치에 의해 구동되는 상기 접합 툴의 회전 속도 및 상기 툴 이동 구동 장치에 의해 구동되는 상기 접합 툴의 이동 속도 중 적어도 한쪽을 제어하는 제어 장치
를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 관리 온도 범위 내의 온도인 관리 판정 온도 하한값과 관리 판정 온도 상한값을 기억한 기억 장치를 구비하고,
상기 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 상한값을 초과했을 때, 그 후의 온도 하강의 기울기가 그때까지의 온도 상승의 기울기를 부호 반전시킨 기울기와 대략 동일해지도록, 상기 접합 툴의 회전 속도를 가속하는 제어 및 이동 속도를 감속하는 제어 중 적어도 한쪽의 제어를 하는 기능과,
상기 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 하한값을 하회했을 때, 그 후의 온도 상승 기울기가 그때까지의 온도 하강의 기울기를 부호 반전시킨 기울기와 대략 동일해지도록, 상기 접합 툴의 회전 속도를 감속하는 제어 및 이동 속도를 가속하는 제어 중 적어도 한쪽의 제어를 하는 기능을 갖는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 복수의 온도 센서 각각에 의해 검출되는 온도를 단순 평균 또는 가중 평균하여 얻어지는 온도를 상기 툴 온도로서 취득하는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는,
접합되는 2개의 피접합 부재가 서로 다른 재료를 포함하는 경우에는, 상기 2개의 피접합 부재 중 연화되는 온도가 낮은 쪽의 피접합 부재의 물리 특성에 기초하여 상기 관리 온도 범위 및 상기 관리 판정 온도를 설정해 두고, 상기 연화되는 온도가 낮은 쪽의 피접합 부재측에 상기 돌기부를 압입한 상태에서 상기 접합 툴의 이동을 제어하는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 장치.
회전하면서 피접합 부재에 압입되는 돌기부와 상기 돌기부가 구비되어서 회전하면서 상기 피접합 부재의 표면을 압박하는 가압부를 갖고 이루어지고, 상기 피접합 부재 내부에서 상기 돌기부 및 상기 가압부가 접하는 근방 영역에 소성 유동 현상을 발생시키는 접합 툴과,
상기 접합 툴의 상기 돌기부가 상기 피접합 부재에 압입되었을 때 상기 피접합 부재 표면으로부터의 깊이가 각각 상이한 상기 돌기부의 내부 위치에 설치된 복수의 온도 센서와,
상기 접합 툴을 회전시키는 툴 회전 구동 장치와,
미리 설정된 상기 피접합 부재 상의 접합선을 따라서 상기 접합 툴을 이동시키는 툴 이동 구동 장치와,
상기 툴 회전 구동 장치 및 상기 툴 이동 구동 장치를 제어하는 제어 장치
를 구비하여 이루어지는 마찰 교반 접합 장치에 의해 실시되는 마찰 교반 접합 제어 방법에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 복수의 온도 센서 각각에 의해 검출되는 온도를 단순 평균 또는 가중 평균하여 얻어지는 온도를, 상기 접합 툴의 돌기부 내의 온도인 툴 온도로서 취득하고,
상기 툴 온도가 미리 정해진 관리 온도 범위 내에 수렴되도록, 상기 툴 회전 구동 장치에 의해 구동되는 상기 접합 툴의 회전 속도 및 상기 툴 이동 구동 장치에 의해 구동되는 상기 접합 툴의 이동 속도 중 적어도 한쪽을 제어하는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 관리 온도 범위 내의 온도인 관리 판정 온도 하한값과 관리 판정 온도 상한값을 기억한 기억 장치를 구비하고 있고,
상기 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 상한값을 초과했을 때에는, 그 후의 온도 하강의 기울기가 그때까지의 온도 상승의 기울기를 부호 반전시킨 기울기와 대략 동일해지도록, 상기 접합 툴의 회전 속도를 가속하는 제어 및 이동 속도를 감속하는 제어 중 적어도 한쪽의 제어를 하고,
상기 툴 온도가 상기 관리 판정 온도 하한값을 하회했을 때에는, 그 후의 온도 상승 기울기가 그때까지의 온도 하강의 기울기를 부호 반전시킨 기울기와 대략 동일해지도록, 상기 접합 툴의 회전 속도를 감속하는 제어 및 이동 속도를 가속하는 제어 중 적어도 한쪽의 제어를 하는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 제어 장치는,
접합되는 2개의 피접합 부재가 서로 다른 재료를 포함하는 경우에는, 상기 2개의 피접합 부재 중 연화되는 온도가 낮은 쪽의 피접합 부재의 물리 특성에 기초하여 상기 관리 온도 범위 및 상기 관리 판정 온도를 설정해 두고, 상기 연화되는 온도가 낮은 쪽의 피접합 부재측에 상기 돌기부를 압입한 상태에서 상기 접합 툴의 이동을 제어하는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 제어 방법.