KR102173603B1 - 마찰 교반 접합 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 전방에 마련한 가열 수단에 의해, 피가공재로 되는 강판을 가열하는 예열 처리 프로세스를 실행하고, 해당 예열 처리 프로세스에 있어서의 가열 영역의 표면 온도나 면적, 위치 등을 엄밀히 제어하는 마찰 교반 접합 방법을 제공한다.　구조용 강의 마찰 교반 접합시에, 강판과의 동마찰 계수가 0.6이하로 되는 소재를 갖는 회전 툴을 이용하고, 회전 툴의 전방에 마련한 가열 수단에 의해 가열되는 가열 영역의 면적의 65%이상이 강판의 표면에 있어서의 회전 툴의 회전축을 통과하고 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 접합 중앙선에 평행하고 재처리측으로 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선 사이에 위치한다.

Description

마찰 교반 접합 방법 및 장치

본 발명은 회전 툴을 피가공재간의 미접합부에 삽입하고 회전시키면서 이동시키고, 이 회전 툴과의 마찰열에 의한 피가공재의 연화와, 그 연화부를 회전 툴이 교반하는 것에 의해 생기는 소성 유동을 이용하여, 용가재를 첨가하지 않고 접합을 실행하는 마찰 교반 접합 방법 및 해당 마찰 교반 접합 방법을 실현되는 장치에 관한 것이다.

마찰 용접법으로서, 특허문헌 1에는 한 쌍의 금속 재료의 양쪽 또는 한쪽을 회전시키는 것에 의해, 금속 재료에 마찰열을 발생시켜 연화시키면서, 그 연화된 부위를 교반하여 소성 유동을 일으키는 것에 의해서, 금속 재료를 접합하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 이 기술은 접합 대상으로 하는 금속 재료를 회전시키는 것이기 때문에, 접합하는 금속 재료의 형상이나 치수에 한계가 있다.

특허문헌 2에는 피가공재보다 실질적으로 단단한 재질로 이루어지는 툴을 피가공재의 미접합부에 삽입하고, 이 툴을 회전시키면서 이동시키는 것에 의해, 툴과 피가공재의 사이에 생기는 열과 소성 유동에 의해서, 피가공재를 긴쪽 방향으로 연속적으로 접합하는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 마찰 용접법은 피가공재끼리를 회전시키고, 피가공재끼리의 마찰열에 의해서 용접하는 방법이다. 특허문헌 2에 개시된 마찰 교반 접합법은 접합 부재를 고정시킨 상태에서, 툴을 회전시키면서 이동시키는 것에 의해 접합하는 방법이다. 이와 같이, 마찰 교반 접합법에서는 툴을 이동시켜 접합하므로 용접 방향에 대해 실질적으로 무한으로 긴 부재라도, 그 긴쪽 방향으로 연속적으로 고상 접합할 수 있는 이점이 있다. 또, 툴과 접합 부재의 마찰열에 의한 금속의 소성 유동을 이용한 고상 접합이므로, 접합부를 용융하는 일 없이 접합할 수 있다. 또한, 가열 온도가 낮으므로 접합 후의 변형이 적고, 접합부는 용융되지 않으므로 결함이 적고, 또한 용가재를 필요로 하지 않는 등 많은 이점이 있다.

마찰 교반 접합법은 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금으로 대표되는 저융점 금속 재료의 접합법으로서, 항공기, 선박, 철도차량 및 자동차 등의 분야에서 이용이 확대되어 오고 있다. 그 이유로서는 이들 저융점 금속 재료는 종래의 아크 용접법에서는 접합부의 만족스런 특성을 얻는 것이 곤란하고, 마찰 교반 접합법을 적용하는 것에 의해 생산성이 향상하는 동시에, 품질이 높은 접합부를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 건축물이나 선박, 중기, 파이프라인, 자동차와 같은 구조물의 소재로서 주로 적용되고 있는 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은 종래의 용융 용접에서 과제로 되는 응고 깨짐이나 수소 깨짐을 회피할 수 있는 동시에, 강재의 조직 변화도 억제할 수 있으므로, 이음매 성능이 우수한 것을 기대할 수 있다. 또, 마찰 교반 접합법에서는 회전 툴에 의해 접합 계면을 교반함으로써 청정면을 창출하여 청정면끼리를 접촉시키므로, 확산 접합과 같은 전(前) 준비 공정은 불필요하다는 이점도 기대할 수 있다. 이와 같이, 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은 많은 이점이 기대된다. 그러나, 접합시에 있어서의 결함 발생의 억제나 접합 속도의 고속도화와 같은 접합 시공성에 문제가 있기 때문에, 저융점 금속 재료에 비해 구조용 강에서는 마찰 교반 접합법의 보급이 진전되고 있지 않다.

구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서는 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 회전 툴로서 다결정 붕소 질화물(PCBN)이나 질화 규소(Si₃N₄) 등의 고내마모성 재료를 이용하고 있다. 이들 세라믹스는 무르므로, 회전 툴의 파손을 방지하기 위해, 접합하는 강판의 판 두께나 그 시공 조건이 현저히 제한된다.

특허문헌 5 및 특허문헌 6에는 접합 시공성의 향상을 목적으로 해서, 가열 수단을 부가한 접합 방법이 개시되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 5에는 유도 가열 장치를 이용한 가열 수단을 갖고, 접합 전후에 피가공재의 가열을 실행함으로써, 접합 속도의 고속도화나 접합부의 깨짐의 해소를 도모한 마찰 교반 접합법이 개시되어 있다.

특허문헌 6에는 레이저 장치를 이용한 가열 수단을 갖고, 접합 직전에 피가공재를 부분적으로 가열함으로써, 예열에 의한 가열 영역 주변의 미크로 조직 변화를 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 도모한 마찰 교반 접합 장치가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 5 및 특허문헌 6의 기술에서는 접합 전의 가열에 의한 피가공재의 가열 영역의 표면 온도나 깊이 등에 대해 고려되어 있지 않고, 그 때문에, 충분한 접합 시공성을 얻을 수 없다. 또한, 과잉 가열에 의해 가열 영역 주변의 미크로 조직이 변화하고, 접합 이음매 특성, 특히 접합 이음매 강도에 악영향을 미치는 경우가 있었다.

특허문헌 7에는 접합 직전에 피가공재를 부분적으로 가열하는 것에 관해, 가열 영역의 위치, 표면 온도나 깊이 등에 대해 한정되어 있으며, 충분한 강도를 얻는 동시에, 접합 시공성을 향상시킨 마찰 교반 접합 방법이 개시되어 있다. 그러나, 피가공재의 부분적인 가열의 위치와, 회전 툴의 소재 혹은 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 피접합재의 사이의 동마찰 계수에 지배되는 마찰 발열의 관계가 접합 시공성에 미치는 영향에 대해서는 하등 고려되어 있지 않다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 소화62-183979호 특허문헌 2: 일본국 특허공표공보 평성7-505090호 특허문헌 3: 일본국 특허공표공보 제2003-532542호 특허문헌 4: 일본국 특허공표공보 제2003-532543호 특허문헌 5: 일본국 특허공개공보 제2003-94175호 특허문헌 6: 일본국 특허공개공보 제2005-288474호 특허문헌 7: 국제공개 제2015/045299호

본 발명은 상기 현상을 감안해서 이루어진 것으로, 마찰 교반 접합시에, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다. 특히, 피가공재의 부분적인 가열의 위치와, 회전 툴의 소재 혹은 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 피접합재의 사이의 동마찰 계수에 의한 마찰 발열의 관계가 접합 시공성에 미치는 영향을 고려하여, 예열 처리 프로세스 조건을 엄밀히 정밀조사한 마찰 교반 접합 방법과 해당 마찰 교반 접합 방법을 실현되는 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 하기 지견을 얻었다.

a) 통상의 마찰 교반 접합에서는 접합을 위해 필요한 열원이 회전 툴과 피가공재의 사이에서 발생하는 마찰열뿐이다. 그 때문에, 구조용 강을 마찰 교반 접합법에 의해 접합하는 경우에는 피가공재인 구조용 강을 연화시키기 위해 필요한 열량을 충분히 확보할 수 없다. 그 결과, 접합부에 있어서 충분한 소성 유동이 얻어지지 않고, 접합 속도의 저하나 접합 결함의 발생 등의 접합 시공성의 열화가 우려된다.

상기 기술을 공업화하는데 매우 중요하게 되는 접합 시공성의 열화를 회피하기 위해서는 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스가 유효하다고 생각된다.

b) 그러나, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스를 실행할 때에, 예열 열량이 과잉으로 되면, 가열 영역 주변의 미크로 조직이 변화하는 문제가 생긴다. 특히, 마텐자이트 조직에 의해 강화된 고장력 강판의 경우에는 가열 영역 주변이 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이어도, 마텐자이트가 템퍼링됨으로써 연화가 발생하고, 접합 이음매 강도를 현저히 저하시킨다.

그래서, 발명자들은 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스 조건에 대해 각종 검토하였다.

그 결과,

c) 레이저 등의 에너지 밀도가 높은 열원을 이용함으로써, 예열 처리 프로세스에서의 가열 영역의 표면 온도, 면적, 위치를 엄밀히 제어하고, 또 필요에 따라 가열 영역의 두께 방향에 있어서의 온도에 대해서도 적정히 제어한다. 그것에 의해, 접합 이음매 강도 등의 접합 이음매 특성의 열화를 초래하는 일 없이, 접합 시공성을 향상할 수 있다는 지견을 얻었다.

d) 특히, 상기의 피가공재의 부분적인 가열의 위치에 관해서는 회전 툴의 소재 혹은 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 피접합재의 사이의 동마찰 계수에 지배되는 마찰 발열의 관계에 의해, 접합 시공성을 향상시키는 효과가 생기는 영역이 변화한다는 지견을 얻었다.

e) 통상의 마찰 교반 접합에서는 접합 완료 후, 접합부가 자연 방냉 상태로 되므로, 강재 제조시의 압연 프로세스에서 실행되고 있는 바와 같은 열 이력 관리에 의한 미크로 조직 제어를 적용할 수 없다는 문제가 있었다. 그러나, 접합 완료 직후에, 접합부에 대해, 가열 처리나 냉각 처리를 조합한 프로세스를 실시함으로써, 접합 이음매 특성을 더욱 향상시킬 수 있다는 지견을 얻었다.

본 발명은 상기 지견에 입각하는 것이며, 특히, 마찰 교반 접합 방법을 구조용 강의 접합에 적용한 경우에 우려되는 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

[1] 어깨부와, 해당 어깨부에 배치되고, 해당 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 상기 어깨부 및 상기 핀부가 피가공재인 강판보다 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 강판간의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 강판과의 마찰열에 의해 상기 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 상기 회전 툴로 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시켜 강판끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 방법으로서, 상기 회전 툴의 소재, 혹은 상기 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 상기 강판의 동마찰 계수는 0.6이하이고, 상기 회전 툴의 접합 방향 전방에 마련된 가열 수단에 의해 가열된 상기 강판의 표면의 온도 T_S(℃)가 하기 식(1)을 만족시키는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 상기 가열 영역과 상기 회전 툴의 최소 거리는 상기 회전 툴의 어깨부의 직경 이하이고, 상기 가열 영역의 면적은 상기 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하이고, 상기 가열 영역의 면적의 65%이상은 상기 강판의 표면에 있어서의 상기 회전 툴의 회전축을 통과하고 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 해당 접합 중앙선에 평행하고, 또한 재처리측으로 상기 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선의 사이에 위치하는 마찰 교반 접합 방법:

T_S≥0.8×T_A1…(1)

T_A1은 하기 식(2)로 나타나는 온도이다.

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] …(2)

상기 [%M]은 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이고, 함유하지 않는 경우에는 0으로 한다.

[2] 상기 가열 영역의 두께 방향의 온도 T_D(℃)가 하기 식(3)을 만족시키는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 상기 가열 영역의 깊이 D는 상기 강판의 두께의 30%이상인 [1]에 기재된 마찰 교반 접합 방법:

T_D≥0.8×T_A1…(3)

[3] 상기 가열 수단은 레이저 가열 장치인 [1] 또는 [2]에 기재된 마찰 교반 접합 방법.

[4] 상기 회전 툴의 접합 방향 후방에는 후방 가열 수단이 마련되어 있고, 해당 후방 가열 수단은 상기 강판의 접합부를 가열하는 [1] 내지 [3] 중의 어느 하나에 기재된 마찰 교반 접합 방법.

[5] 상기 후방 가열 수단의 접합 방향 후방에는 냉각 수단이 마련되어 있고, 해당 냉각 수단은 상기 후방 가열 수단에 의해 가열된 상기 접합부를 냉각하는 [4]에 기재된 마찰 교반 접합 방법.

[6] 상기 회전 툴의 접합 방향 후방에는 냉각 수단이 마련되어 있고, 해당 냉각 수단은 상기 강판의 접합부를 냉각하는 [1] 내지 [3] 중의 어느 하나에 기재된 마찰 교반 접합 방법.

[7] 상기 냉각 수단의 접합 방향 후방에는 후방 가열 수단이 마련되어 있고, 해당 후방 가열 수단은 상기 냉각 수단에 의해 냉각된 상기 접합부를 가열하는 [6]에 기재된 마찰 교반 접합 방법.

[8] 피가공재인 강판간의 미접합부를 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서, 어깨부와, 해당 어깨부에 배치되고, 해당 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 상기 어깨부 및 상기 핀부는 상기 강판보다 단단한 재질로 이루어지고, 상기 강판간의 미접합부에 삽입된 상태에서 회전하면서 접합 방향으로 이동함으로써, 마찰열에 의해 상기 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시키는 회전 툴과, 상기 회전 툴의 접합 방향 전방에 마련되고, 상기 강판을 가열하는 가열 수단과, 하기 상태 1을 실현되도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 제어 수단을 갖고, 상기 회전 툴의 소재, 혹은 상기 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 상기 강판의 동마찰 계수는 0.6이하인 마찰 교반 접합 장치:

(상태 1)

상기 가열 수단에 의해 가열된 상기 강판의 표면의 온도 T_S(℃)가 하기 식 (1)을 만족시키는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 상기 가열 영역과 상기 회전 툴의 최소 거리는 상기 회전 툴의 어깨부의 직경 이하이고, 상기 가열 영역의 면적은 상기 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하이고, 상기 가열 영역의 면적의 65%이상은 상기 강판의 표면에 있어서의 상기 회전 툴의 회전축을 통과하고 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 해당 접합 중앙선에 평행하고, 또한 재처리측으로 상기 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선 사이에 위치한다.

T_S≥0.8×T_A1…(1)

T_A1은 하기 식(2)로 나타나는 온도이다.

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(2)

상기 [%M]은 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이고, 함유하지 않는 경우에는 0으로 한다.

[9] 상기 제어 수단은 이하의 상태 2를 실현하도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 [8]에 기재된 마찰 교반 접합 장치:

(상태 2)

상기 가열 영역의 두께 방향의 온도 T_D(℃)가 하기 식(3)을 만족시키는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 상기 가열 영역의 깊이 D는 상기 강판의 두께의 30%이상이다.

T_D≥0.8×T_A1…(3)

[10] 상기 가열 수단은 레이저 가열 장치인 [8] 또는 [9]에 기재된 마찰 교반 접합 장치.

[11] 상기 강판의 접합부를 가열하는 후방 가열 수단을 더 갖고, 상기 후방 가열 수단은 상기 회전 툴의 접합 방향 후방에 마련되는 [8] 내지 [10] 중의 어느 하나에 기재된 마찰 교반 접합 장치.

[12] 상기 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 더 갖고, 상기 냉각 수단은 상기 후방 가열 수단의 접합 방향 후방에 마련되는 [11]에 기재된 마찰 교반 접합 장치.

[13] 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 더 갖고, 상기 냉각 수단은 상기 회전 툴의 접합 방향 후방에 마련되는 [8] 내지 [10] 중의 어느 하나에 기재된 마찰 교반 접합 장치.

[14] 상기 접합부를 가열하는 후방 가열 수단을 더 갖고, 상기 후방 가열 수단은 상기 냉각 수단의 접합 방향 후방에 마련되는 [13]에 기재된 마찰 교반 접합 장치.

본 발명에 따르면, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 해소하여, 마찰 교반 접합의 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있다. 더 나아가서는 가열 영역 주변의 미크로 조직의 변화도 억제하여, 접합부에 있어서 높은 이음매 강도를 얻을 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법을 설명하는 개략도이다.
도 2는 예열 프로세스에 있어서의 가열 영역, 접합 후에 실행한 프로세스에 있어서의 냉각 영역 및 재가열 영역의 일예를 나타내는 도면(상면도 및 A-A 단면도)이다.
도 3은 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법으로 접합하는 강판의 온도와 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 본 발명의 실시형태를 통해 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법 및 마찰 교반 접합 장치를 설명하는 개략도이다. 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법에서는 도 1에 나타내는 바와 같이, 회전 툴을, 강판간의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 회전 툴과 강판의 마찰열에 의해 해당 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 회전 툴로 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시켜, 강판끼리를 접합한다. 여기서, 회전 툴은 어깨부와, 이 어깨부에 배치되고, 이 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 어깨부 및 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질에 의해 형성된다.

도 1 중, '1'은 회전 툴이고, '2'는 회전축이며, '3'은 강판이고, '4'는 접합부이며, '5'는 가열 수단이고, '6'은 냉각 수단이며, '7'은 후방 가열 수단이고, '8'은 회전 툴의 어깨부이며, '9'는 회전 툴의 핀부이고, '15'는 제어 수단이다. α는 회전 툴의 경사 각도를 나타낸다. 「AS」는 진입측(advancing side)을 나타내고, 「RS」는 재처리측(retreating side)을 나타낸다. 여기서, 진입측은 툴 회전 방향과 접합 방향이 일치하는 측이고, 재처리측은 툴 회전 방향과 접합 방향이 반대로 되는 측으로 각각 정의한다.

본 실시형태에서는 강판(3)을 맞댄 것만으로 아직 접합되어 있지 않은 상태에 있는 맞댐 부분을 「미접합부」로 기재하고, 소성 유동에 의해 접합되어 일체화된 부분을 「접합부」로 기재한다.

본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법에서는 접합 방향으로 이동하는 회전 툴(1)의 전방에 마련한 가열 수단(5)에 의해 강판(3)을 가열하는 예열 처리 프로세스가 중요하다. 이하, 이 예열 처리 프로세스의 조건을 도 2를 참조하면서 설명한다.

도 2는 예열 프로세스에 있어서의 가열 영역, 접합 후에 실행한 프로세스에 있어서의 냉각 영역 및 재가열 영역의 일예를 나타내는 도면(상면도 및 A-A 단면도)이다. 도 2 중, 접합 중앙선(10)은 강판(3)의 표면에 있어서의 회전 툴(1)의 회전축(2)을 지나 접합 방향에 평행한 직선을 나타낸다. RS선(11)은 접합 중앙선(10)에 평행하고, 또한 재처리측으로 회전 툴의 핀부(9)의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선이며, '12'는 가열 영역이고, '13'은 냉각 영역이며, '14'는 재가열 영역이다. a는 회전 툴의 어깨부(8)의 직경을 나타내고, b는 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경을 나타내며, X는 가열 영역(12)과 회전 툴(1)의 최소 거리를 나타내고, D는 가열 영역(12)의 깊이를 나타내고, t는 강판(3)의 두께를 나타낸다.

가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도 T_S:T_S≥0.8×T_A1

도 3은 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법으로 접합하는 강판의 온도와 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법으로 접합하는 강판(3)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 통상, 강의 변태 온도인 T_A1의 80% 정도의 온도에서는 상온시의 강도의 30% 정도의 강도로 된다. 또, 이 온도보다 높아지면, 강판(3)의 강도는 더욱 저하한다. 따라서, 강판(3)의 표면 온도 T_S가 0.8×T_A1℃ 이상을 만족시키도록 강판(3)을 미리 연화시키고, 해당 강판(3)을 교반하며, 소성 유동을 촉진한다. 이것에 의해, 회전 툴(1)에 가해지는 부하가 저감되고, 접합 속도를 고속도화할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태에 있어서의 마찰 교반 접합 방법에서는 강판(3)의 표면 온도 T_S가 하기 식(1)을 만족시키는 영역을 가열 영역(12)으로 한다.

T_S≥0.8×T_A1…(1)

강의 변태 온도 T_A1(℃)는 하기 식(2)에 의해 구할 수 있다.

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] …(2)

상기 [%M]은 피가공재인 강판(3)에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이며, 함유하지 않는 경우에는 0으로 한다.

0.8×T_A1℃ 초과에서는 온도의 상승과 함께 강판(3)의 강도가 저하하는 경향이 있으므로, 가열 영역(12)에 있어서의 강판(3)의 표면 온도 T_S가 너무 상승하지 않도록 조절하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 두께 방향으로 가열 영역(12)을 확보하기 위해서는 가열 영역(12)의 표면에 온도 구배(표면에 있어서의 온도의 편차)가 존재해도 좋지만, 그 경우, 가열 영역(12)에 있어서 강판(3)의 가장 높은 표면 온도는 1.5×T_M℃ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 가열 영역(12)에 있어서의 강판(3)의 표면 온도를, 가열 영역(12)을 통과하는 회전 툴(1)과 접촉할 때까지 T_M℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 접합부(4)의 온도가 과도하게 상승하는 것에 의한 회전 툴(1)의 손상이나, 가열 영역(12)의 주변의 미크로 조직의 변질을 회피할 수 있다. T_M(℃)는 피가공재인 강판(3)의 융점이다.

강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리 X:회전 툴의 어깨부의 직경 이하

강판(3)의 표면에 있어서의 가열 영역(12)과 회전 툴(1)의 최소 거리 X가 너무 커지면, 접합 전에 가열 영역(12)에 있어서의 온도가 저하하고, 예열에 의한 효과를 충분히 얻을 수 없다. 이 때문에, 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법에 있어서, 강판(3)의 표면에 있어서의 가열 영역(12)과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴(1)의 최소 거리 X는 회전 툴의 어깨부(8)의 직경 이하이다.

단, 가열 영역(12)과 회전 툴(1)의 최소 거리 X가 너무 작아지면, 회전 툴(1)이 가열 수단(5)에 의한 열로 손상될 우려가 있으므로, 강판(3)의 표면에 있어서의 가열 영역(12)과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴(1)의 최소 거리 X는 회전 툴의 어깨부(8)의 직경의 0.1배 이상인 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서의 회전 툴의 어깨부(8)의 직경은 예를 들면, 8∼60㎜ 정도이다. 예열에 의한 효과를 충분히 얻기 위해, 회전 툴(1)의 이동 속도는 200㎜/min이상 3000㎜/min이하인 것이 바람직하다.

강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적:회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하

가열 영역(12)이 너무 커지면 가열 영역(12) 및 그 주변 영역에 있어서 미크로 조직이 변질되기 쉬워진다. 특히, 마텐자이트 조직에 의해 강화된 고장력 강판의 경우에는 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이라도, 마텐자이트가 템퍼링됨으로써 연화를 발생시키고, 접합 이음매 강도를 대폭 저하시킨다. 이 때문에, 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 방법에 있어서, 강판(3)의 표면에 있어서의 가열 영역(12)의 면적은 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경부의 면적 이하이다.

한편, 가열 영역(12)의 면적이 너무 작아지면, 예열에 의한 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다. 따라서, 강판(3)의 표면에 있어서의 가열 영역(12)의 면적은 회전 툴의 핀부(9)에 있어서의 최대 직경부의 면적의 0.1배 이상인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서의 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경은 예를 들면, 2∼50㎜ 정도이다. 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경은 1개의 핀부를 축선 방향과 수직인 단면으로 절단할 때의 절단면에서 얻어지는 직경 중 최대의 것이다.

도 4는 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 도면이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 회전 툴의 핀부(9)의 직경이 축선 방향을 따라 변하지 않는 경우에는 회전 툴의 핀부(9)의 상면의 직경(도면에서는 4㎜)을 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경으로 해도 좋다. 회전 툴의 핀부(9)가 테이퍼 형상 등을 갖고, 축선 방향의 위치에 따라 핀 직경이 다른 경우에는 가장 큰 직경을 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경으로 해도 좋다. 도 4의 부호 c는 프로브 길이를 나타내고, 프로브 길이는 회전 툴의 핀부(9)의 선단부와, 회전 툴의 어깨부(8)의 가장 높은 위치의 사이의 높이의 차로 산출되는 길이이다.

가열 영역(12)의 형상은 원형, 타원형, 직사각형 등 임의의 형상이어도 좋다. 회전 툴의 핀부(9)의 최대 직경부의 형상은 통상 원형 또는 타원형이다.

강판의 표면에 있어서, 접합 중앙선과 RS선의 사이에 위치하는 가열 영역의 면적:강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적의 65%이상

강판(3)의 마찰 교반 접합에 있어서, 소성 유동은 진입측을 시점으로 하여, 회전 툴(1)의 회전 방향을 따라, 접합 방향 전방, 재처리측, 접합 방향 후방을 통과하고, 진입측이 종점으로 된다. 진입측은 소성 유동의 시점으로 되므로, 피가공재인 강판(3)의 가열 부족이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 소성 유동이 불충분하고 결함이 발생하는 경우에는 그 대부분이 진입측에서 발생한다. 따라서, 강판(3)의 표면에 있어서, 진입측을 우선적으로 가열하고, 강판을 연화시킴으로써 소성 유동을 촉진하고, 결함의 발생을 억제하며, 접합 속도의 고속도화를 도모할 수 있다.

그러나, 회전 툴(1)의 소재, 혹은 회전 툴(1)의 표면에 피복된 소재와 피접합재인 강판(3)의 동마찰 계수가 0.6이하인 경우에는 회전 툴(1)과 강판(3)의 사이에 생기는 마찰열, 소성 유동이 작아진다. 진입측은 회전 툴(1)의 전방에 있어서 소성 유동의 시점으로 되는 부위이며 회전 툴(1)과 강판(3)의 사이의 마찰열이 커 발생하는 영역이다. 그러나, 고온 상태에서는 동마찰 계수는 감소하는 경향이 있으므로, 이 부위를 예열에 의해 고온으로 하면, 회전 툴(1)과 강판(3)의 동마찰 계수가 작은 경우, 충분한 마찰 발열이 얻어지지 않는다. 한편, 재처리측은 소성 유동의 중간에 위치하므로, 이 위치에서의 소성 유동이 불충분하게 되면, 소성 유동의 종점으로 되는 진입측에서의 결함의 발생에 큰 영향을 미친다. 특히, 회전 툴(1)과 강판(3)의 동마찰 계수가 작은 경우에는 충분한 소성 유동이 얻어지지 않는다.

따라서, 회전 툴(1)의 소재, 혹은 회전 툴(1)의 표면에 피복된 소재와 강판(3)의 동마찰 계수가 0.6이하인 경우에는 강판(3)의 표면에 있어서, 가열 영역(12)의 면적의 65%이상을, 접합 중앙선(10)과, 접합 중앙선(10)에 평행한 RS선(11) 사이에 위치시키고, 재처리측을 우선적으로 가열한다. 이것에 의해, 소성 유동의 시점으로 되는 진입측에서의 마찰 발열을 확보하면서, 소성 유동의 중간으로 되는 재처리측에서의 소성 유동을 촉진하고, 결함의 발생을 억제하며, 접합 속도의 고속화를 도모할 수 있다. 접합 중앙선(10)과 RS선(11) 사이에 위치하는 가열 영역(12)의 면적의 범위는 70%이상인 것이 바람직하고, 80%이상인 것이 더욱 바람직하며, 100%이어도 좋다.

또, 재처리측을 우선적으로 가열한다고 하는 관점에서는 가열 영역(12)의 중심을, 접합 중앙선(10)과 RS선(11)의 중간점을 통과하는 직선과 RS선(11)의 사이에 위치시킨다. 환언하면, 가열 영역(12)의 중심을 접합 중앙선(10)보다 재처리측에 위치시키고, 또한 가열 영역(12)의 중심에서 접합 중앙선(10)까지의 거리를 회전 툴의 핀부(9)에 있어서의 최대 반경의 0.5배 이상 1배 이하로 하는 것이 바람직하다.

가열 영역의 두께 방향의 영역에 있어서의 온도 T_D:T_D≥0.8×T_A1

전술한 바와 같이, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법으로 접합하는 강판(3)은 강의 변태 온도인 T_A1의 80% 정도의 온도에서는 상온시의 강도의 30% 정도의 강도로 된다. 또, 이 온도보다 높아지면, 강판(3)의 강도는 더욱 저하한다. 따라서, 가열 영역(12)의 두께 방향의 영역에 있어서도, 온도를 0.8×T_A1℃ 이상으로 해서 강판(3)을 미리 연화시키는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 회전 툴(1)에 가해지는 부하가 더욱 저감되고, 접합 속도를 더욱 고속도화할 수 있다. 따라서, 가열 영역(12)의 두께 방향의 영역에 있어서의 온도 T_D가 하기 식(3)을 만족시키는 영역에 있어서의 강판(3)의 표면으로부터의 깊이를 가열 영역(12)의 깊이 D로 하였다.

T_D≥0.8×T_A1…(3)

T_A1(℃)는 하기 식(2)에 의해 구할 수 있다.

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(2)

상기 [%M]은 피가공재인 강판(3)에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이며, 함유하지 않는 경우에는 0으로 한다.

단, 0.8×T_A1℃ 초과에서는 온도의 상승과 함께 강판(3)의 강도는 저하하는 경향이 있으므로, 가열 영역(12)에 있어서의 강판(3)의 온도가 너무 상승하지 않도록 조절하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 두께 방향으로 가열 영역(12)을 확보하기 위해서는 가열 영역(12)의 두께 방향에 온도 구배(두께 방향을 따른 온도의 편차)가 존재해도 좋지만, 그 경우, 가열 영역(12)에 있어서의 강판(3)의 두께 방향의 가장 높은 온도는 1.5×T_M℃ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 접합부(4)의 온도가 과도하게 상승하는 것에 의한 회전 툴(1)의 손상이나, 가열 영역(12)의 주변의 미크로 조직의 변질을 회피하기 위해, 가열 영역(12)에 있어서의 강판(3)의 두께 방향의 온도를, 가열 영역(12)을 통과하는 회전 툴(1)과 접촉할 때까지 T_M℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다. T_M(℃)는 피가공재인 강판(3)의 융점이다.

가열 영역의 깊이 D: 강판의 두께 t의 30%이상

가열 영역(12)의 깊이 D는 가열 영역(12)의 두께 방향의 온도 T_D가 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역의 강판(3)의 표면으로부터의 최대 깊이로 규정된다. 이 가열 영역(12)의 깊이 D는 강판(3)의 두께 t의 30%이상인 것이 바람직하다. 가열 영역(12)의 깊이 D를 강판(3)의 두께 t의 30%이상으로 함으로써, 소성 유동이 더욱 촉진되고, 회전 툴(1)에 가해지는 부하 저감 및 접합 속도의 고속도화에 유리하게 된다. 가열 영역(12)의 깊이 D는 강판(3)의 두께의 50%이상인 것이 더욱 바람직하다.

그러나, 가열 영역(12)의 깊이 D가 강판(3)의 두께 t의 90%를 넘으면, 가열이 과다하게 되고, 가열 영역(12)의 주변의 미크로 조직의 변화가 우려되므로, 가열 영역(12)의 깊이 D는 강판(3)의 두께 t의 90%이하인 것이 바람직하다.

상술한 조건을 실현하기 위해, 본 실시형태에 관한 마찰 교반 접합 장치는 제어 수단(15)을 구비한다. 제어 수단(15)은 회전 툴(1) 및 가열 수단(5)의 동작을 제어한다. 제어 수단(15)은 후방 가열 수단(7)이나 냉각 수단(6) 등의 동작을 제어해도 좋다.

또, 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 수단(5)은 특히 한정되는 것은 아니지만, 레이저 가열 장치인 것이 바람직하다. 에너지 밀도가 높은 레이저를 열원에 이용함으로써, 예열 처리 프로세스 조건의 제어를 더욱 정확하게 실행할 수 있고, 접합 이음매 특성을 손상시키는 일 없이 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있다.

상기 이외의 접합 조건에 대해서는 특히 한정되지 않으며, 예를 들면, 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 수단(5)의 이동 속도는 접합 속도와 동일 정도로 해도 좋다. 또, 이 가열 수단(5)에 레이저 가열 장치를 이용하는 경우, 그 레이저 출력이나 빔 직경은 접합 조건에 따라 적절히 설정해도 좋다.

이상, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법 및 장치에 있어서의 예열 처리 프로세스에 대해 설명했지만, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법 및 장치에서는 접합 방향으로 이동하는 회전 툴(1)의 접합 방향 후방에 냉각 수단(6)을 마련하고, 그 냉각 수단(6)에 의해 접합 이음매 강도를 개선시켜도 좋다.

통상, 접합 완료 후, 접합부(4)는 자연 방냉 상태로 되므로, 피가공재인 강판(3)의 담금질성이 낮은 경우에는 접합 이음매의 강도를 충분히 얻을 수 없다. 이에 대해, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴(1)의 접합 방향 후방에 냉각 수단(6)을 마련하고, 냉각 수단(6)에 의해 강판(3)의 접합부(4)를 냉각하고, 냉각 속도를 적절히 제어함으로써, 담금질에 의한 강도 향상을 도모할 수 있다. 냉각 수단(6)으로서는 예를 들면, 불활성 가스를 분출하는 냉각 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우의 냉각 속도는 예를 들면, 800℃에서 500℃의 범위에 있어서 30∼300℃/s인 것이 바람직하다. 불활성 가스로서는 예를 들면, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등을 이용할 수 있다.

피가공재인 강판(3)의 담금질성이 높은 경우에는 과도하게 경화될 가능성이 있고 접합 이음매의 인성을 저하시킨다. 이에 대해, 회전 툴(1)에 근접하는 후방 부분을 가열하는 후방 가열 수단(7)을 회전 툴(1)의 접합 방향 후방에 마련하고, 냉각 속도를 적절히 제어하면서 서냉함으로써, 과도한 경화를 억제할 수 있다. 후방 가열 수단(7)으로서는 예를 들면, 고주파 유도 가열, 레이저를 열원으로 한 가열 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우의 서냉 속도는 예를 들면, 800℃에서 500℃의 범위에 있어서 10∼30℃/s인 것이 바람직하다.

접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 접합 방향 후방이고, 또한 냉각 수단(6)의 접합 방향 후방에 후방 가열 수단(7)을 마련하고, 후방 가열 수단(7)에 의해 강판(3)의 접합부(4)를 재가열해도 좋다. 이것에 의해, 접합부(4)가 냉각 수단(6)에 의한 냉각으로 담금질되고, 과도하게 경화된 경우에, 후방 가열 수단(7)에서 담금질되는 것에 의해 경도를 억제하고, 강도와 인성을 겸비하는 이음매 특성을 얻을 수 있다. 이 경우의 냉각 속도는 예를 들면, 800℃에서 500℃의 범위에 있어서 30∼300℃/s인 것이 바람직하고, 재가열 온도로서, 예를 들면, 550∼650℃인 것이 바람직하다.

또한, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴(1)의 접합 방향 후방이고, 또한 후방 가열 수단(7)의 접합 방향 후방에 냉각 수단(6)을 마련하고, 냉각 수단(6)에 의해 강판(3)의 접합부(4)를 냉각해도 좋다.

이 경우에는 접합 직후에 있어서, 후방 가열 수단(7)에서 서냉을 실행하고, 그 후, 냉각 수단(6)에서 급냉을 실행함으로써, 조직을 복합화할 수 있고, 강도와 연성을 겸비한 이음매 특성을 얻을 수 있다. 이 경우의 냉각 속도는 예를 들면, 800℃에서 600℃의 범위(서냉의 범위)에 있어서 10∼30℃/s 정도이고, 그 후, 600℃에서 400℃의 범위(급냉의 범위)에 있어서 30∼300℃/s 정도인 것이 바람직하다.

상기 이외의 접합 조건에 대해서는 상법에 따르면 좋지만, 회전 툴(1)의 토크가 클수록 강판(3)의 소성 유동성은 낮으므로, 결함 등이 생기기 쉬워진다.

따라서, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법 및 장치에서는 회전 툴(1)의 회전수를 100∼1000rpm의 범위로 하고, 회전 툴(1)의 토크를 억제하고, 접합 속도를 1000㎜/min이상으로 고속화하는 것을 목표로 한다. 접합 속도를 500㎜/min초과 1000㎜/min이하로 고속화하는 경우에는 회전 툴(1)의 토크를 90N·m이하로 억제하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 회전 툴(1)이 접합 중에 파손되거나 혹은 미접합 부분이 남는 상태를 회피할 수 있다. 또, 접합 속도를 500㎜/min이하로 하는 경우에는 회전 툴(1)의 토크를 75N·m 미만으로 억제하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 소성 유동성을 확보하면서 회전 툴(1)의 부하를 완화할 수 있다.

또, 본 실시형태의 마찰 교반 접합 방법의 대상 강종으로서는 일반적인 구조용 강이나 탄소강, 예를 들면 JIS(일본공업규격) G 3106의 용접 구조용 압연 강재, JIS G 4051의 기계 구조용 탄소강 등을 이용할 수 있다. 인장 강도가 800MPa이상의 고강도 구조용 강에도 적용할 수 있으며, 접합부(4)에 있어서, 강판(모재)의 인장 강도의 85%이상의 강도, 더 나아가서는 90%이상의 강도를 얻을 수 있다.

실시예

(실시예 1)

판 두께가 1.6㎜이고, 하기 표 1에 나타내는 화학 조성, 인장 강도의 강판을 이용하여, 마찰 교반 접합을 실시하였다. 이음매 맞댐면은 각도를 붙이지 않은 소위 I형 개선으로 프라이스 가공 정도의 표면 상태에 따라 편면 1패스로 접합을 실행하였다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 2에 나타낸다. 실시예 1에서는 도 4에 나타낸 단면 치수 형상(어깨부 직경 a:12㎜, 핀부의 최대 직경 b:4㎜, 프로브 길이 c:1.4㎜)의 회전 툴을 이용하였다. 실시예 1에서 이용한 회전 툴은 탄화텅스텐(WC)을 소재로 하고, 물리 증착(PVD)에 의해 질화티탄(TiN)의 피복 처리가 표면에 실시된 회전 툴이다. 접합시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 실드하고, 표면의 산화를 방지하였다. TiN의 피복 처리를 표면에 실시한 WC의 회전 툴의 표면과 강판의 동마찰 계수는 0.6이하이었다.

툴 소재 표면과 강판의 동마찰 계수는 이하의 측정 방법으로 측정하였다. 볼 온 디스크 마찰 마모 시험기를 이용하여, 대상 소재로 이루어지는 디스크를 회전시키면서 고정된 직경 6㎜의 강구에 하중 5N으로 꽉 누르고, 회전 속도 100㎜/s이고 슬라이드 거리 300m에서 시험을 실행하였다. 시험은 실온, 무윤활로 실행하였다. 시험에 이용한 강구는 JIS G 4805에서 규정되는 SUJ2의 화학 성분을 갖는 소재로 이루어지고, 축받이용 강구로서 가공 처리된 강구이다.

[표 1]

[표 2]

또, 접합에 앞서, 레이저를 열원에 이용한 예열에 의한 가열 영역을 확인하기 위해, 표 1의 강판 I에 대해, 표 3에 나타내는 각 조사 조건(레이저 이동 속도, 레이저 출력 및 빔 직경)으로 레이저광을 조사하여, 표면 온도를 서모그래피에 의해 측정하였다. 또한, 레이저 조사부의 단면을 관찰하고, 나이탈 부식액에 의한 미크로 조직 관찰을 실행하였다.

[표 3]

여기서, 변태점(T_A1℃) 이상으로 된 영역은 가장 진하고, 그 외측에 존재하는 변태점(T_A1℃) 미만이지만 모재 중의 마텐자이트 등의 고경도 조직이 템퍼링되는 영역은 비교적 얇게 에칭되므로, 변태점(T_A1℃)이상으로 된 영역과, 변태점(T_A1℃)미만에서의 템퍼링 영역과, 모재의 영역은 각각 식별 가능하다. 또한, 철강의 열처리의 지견으로부터, 변태점(T_A1℃) 미만에서의 템퍼링 영역은 0.8×T_A1℃ 이상 또한 T_A1℃ 미만의 영역과 일치하는 것이 알려져 있다. 이러한 나이탈 부식액에 의한 미크로 조직 관찰로부터, 변태점(T_A1℃) 이상으로 된 영역의 깊이 D₀, 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)를 측정하였다.

이들 측정 결과를 표 4에 나타낸다.

[표 4]

표 4에 나타내는 바와 같이, 서모그래피에 의한 표면 온도 측정 결과로부터, 조사 조건 A에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역은 직경 3.5㎜의 원형상이었다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이므로, 조사 조건 A에 있어서의 가열 영역의 면적은 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 된다.

조사 조건 B에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역은 직경 2.0㎜의 원형상이었다. 따라서, 상기와 마찬가지로, 조사 조건 B에 있어서의 가열 영역의 면적은 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 된다.

조사 조건 C에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역은 직경 4.5㎜의 원형상이었다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이므로, 조사 조건 C에 있어서의 가열 영역의 면적은 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적을 넘는 것으로 된다.

조사 조건 D에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역은 레이저 이동 방향이 긴 직경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 짧은 직경으로 되는 타원형으로 되고, 긴 직경은 3.8㎜, 짧은 직경은 3.2㎜이었다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이므로, 조사 조건 D에 있어서의 가열 영역의 면적은 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 된다.

조사 조건 E에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역은 레이저 이동 방향이 긴 직경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 짧은 직경으로 되는 타원형으로 되고, 긴 직경은 2.2㎜, 짧은 직경은 1.8㎜이었다. 따라서, 상기와 마찬가지로, 조사 조건 E에 있어서의 가열 영역의 면적은 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하로 된다.

조사 조건 F에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상으로 되는 영역은 레이저 이동 방향이 긴 직경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 짧은 직경으로 되는 타원형으로 되고, 긴 직경은 4.9㎜, 짧은 직경은 4.1㎜이었다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 직경은 4.0㎜이므로, 조사 조건 F에 있어서의 가열 영역의 면적은 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적을 넘게 된다.

또, 표 4에 나타내는 바와 같이, 레이저 조사부의 단면 관찰로부터, 조사 조건 A에 있어서, T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이 D₀ 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.28㎜, 0.30㎜이었다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.6㎜이므로, 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이 D는 강판의 두께 t의 약 18.8%로 된다.

조사 조건 B에 있어서, T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이 D₀ 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.47㎜, 0.50㎜이었다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.6㎜이므로, 가열 영역의 깊이 D는 강판의 두께 t의 약 31.3%로 된다.

조사 조건 C에 있어서, T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이 D₀ 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.09㎜, 0.10㎜이었다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.6㎜이므로, 가열 영역의 깊이 D는 강판의 두께 t의 약 6.3%로 된다.

조사 조건 D에 있어서, T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이 D₀ 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.30㎜, 0.32㎜이었다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.6㎜이므로, 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이 D는 강판의 두께 t의 약 20.0%로 된다.

조사 조건 E에 있어서, T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이 D₀ 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.51㎜, 0.54㎜이었다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.6㎜이므로, 가열 영역의 깊이 D는 강판의 두께 t의 약 33.8%로 된다.

조사 조건 F에 있어서, T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이 D₀ 및 0.8×T_A1℃ 이상으로 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이 D)는 각각 0.10㎜, 0.11㎜이었다. 피가공재인 강판의 두께 t는 1.6㎜이므로, 가열 영역의 깊이 D는 강판의 두께 t의 약 6.9%로 된다.

피가공재의 접합 전에 실행한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건을 표 5에 나타내고, 접합 후에 실행한 프로세스 조건을 표 6에 나타낸다. 여기서, 접합 후에 실행한 프로세스에 있어서의 냉각에서는 가스 분출에 의한 냉각을, 가열(및 재가열)에서는 유도 가열을 각각 실행하였다.

표 5, 표 6 중, 예열 프로세스 조건 및 접합 후에 실행한 프로세스 조건에 있어서의 「-」는 각각 예열 프로세스 및 냉각이나 가열과 같은 접합 후의 프로세스를 실행하지 않은 경우를 나타낸다. 또, 접합 중앙선에서 가열 영역 중심까지의 거리에 있어서의 「(AS)」,「(RS)」의 기재는 가열 영역의 중심이 접합 중앙선으로부터 각각 진입측, 재처리측에 있는 것을 나타낸다.

[표 5]

[표 6]

또, 표 7에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정값과, 얻어진 접합 이음매의 인장 강도의 측정값을 나타낸다. 접합 이음매의 인장 강도는 JIS Z 3121에서 규정하는 1호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 실행한 결과이다. 회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮고, 결함 등이 생기기 쉬워진다.

[표 7]

표 7로부터, 발명예 1∼10에서는 접합 속도를 400㎜/min으로 한 경우에도, 모재로 되는 강판의 인장 강도의 90%이상의 접합 이음매 강도가 얻어졌다. 발명예 1∼10의 회전 툴의 토크는 72N·m이하이고, 소성 유동성도 양호하였다. 특히, 접합 후에 냉각·재가열 또는 냉각만을 실행한 발명예 6, 7 및 8에서는 모재의 인장 강도와 동등한 접합 이음매 강도가 얻어졌다. 접합 후에 가열·냉각 또는 가열만을 실행한 발명예 9, 10에서는 모재의 인장 강도의 93%이상의 접합 이음매 강도가 얻어졌다.

한편, 비교예 1∼6에서는 회전 툴의 토크가 75N·m이상으로 되고, 소성 유동성이 뒤떨어지고 있었다.

발명예 11∼20에서는 접합 속도를 1000㎜/min으로 고속도화한 경우에도, 모재의 인장 강도의 85%이상의 접합 이음매 강도가 얻어지고, 회전 툴의 토크도 90N·m 이하이었다. 특히, 접합 후에 냉각·재가열 또는 냉각만을 실행한 발명예 16, 17 및 18에서는 모재의 인장 강도의 99%이상의 접합 이음매 강도가 얻어졌다. 접합 후에 재가열·냉각 또는 재가열만을 실행한 발명예 19, 20에서는 모재의 인장 강도의 95%이상의 접합 이음매 강도가 얻어졌다.

한편, 비교예 7에서는 회전 툴이 접합 중에 파손되어, 접합할 수 없었다. 비교예 8∼12는 미접합 부분이 남는 상태로 되어 접합을 할 수 없고, 건전한 이음매는 얻어지지 않았다. 이 때문에, 비교예 7∼12에서는 회전 툴 토크 등의 측정은 실행하고 있지 않다.

(실시예 2)

판 두께가 1.6㎜이고, 상기 표 1에 나타내는 화학 조성, 인장 강도의 강판을 이용하여, 마찰 교반 접합을 실시하였다. 이음매 맞댐면은 각도를 붙이지 않은 소위 I형 개선으로 프라이스 가공 정도의 표면 상태에 의해 편면 1패스에서 접합을 실행하였다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 상기 표 2에 나타낸다. 실시예 2에서는 도 4에 나타낸 단면 치수 형상(어깨부 직경 a:12㎜, 핀부의 최대 직경 b:4㎜, 프로브 길이 c:1.4㎜)의 회전 툴을 이용하였다. 실시예 2에서 이용한 회전 툴은 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고, 피복 처리를 실시하고 있지 않은 것, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고, 물리 증착(PVD)에 의해 질화 티탄(TiN)의 피복 처리를 표면에 실시한 것, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고, 표면에 질화 알루미늄 크롬(AlCrN)의 피복 처리를 표면에 실시한 것, 또는 입방정 질화 붕소(CBN)를 소재로 한 것이다.

접합시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 실드하고, 표면의 산화를 방지하였다. 회전 툴의 표면과 강판의 동마찰 계수는 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고 피복 처리를 실시하고 있지 않은 것의 경우에는 0.7, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고 물리 증착(PVD)에 의해 질화 티탄(TiN)의 피복 처리를 실시한 것의 경우에는 0.5, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고 질화 알루미늄 크롬(AlCrN)의 피복 처리를 실시한 것의 경우에는 0.4, 입방정 질화 붕소(CBN)를 소재로 한 것의 경우에는 0.3이었다.

툴 소재 표면과 강판의 동마찰 계수는 실시예 1과 동일한 측정 방법으로 측정하였다.

피가공재의 접합 전에 실행한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건을 표 8에 나타낸다.

[표 8]

표 8 중, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고 피막 처리를 실시하고 있지 않은 회전 툴을 「WC」, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고 물리 증착(PVD)에 의해 질화 티탄(TiN)의 피복 처리를 실시한 회전 툴을 「WC+TiN」, 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 하고 질화 알루미늄 크롬(AlCrN)의 피복 처리를 실시한 회전 툴을 「WC+AlCrN」, 입방정 질화 붕소(CBN)를 소재로 한 회전 툴을 「CBN」으로 나타낸다. 예열 프로세스 조건에 있어서의 레이저 조사 조건은 표 3에 나타내는 바와 같이, 또, 각 레이저 조사 조건에 의해 형성되는 가열 영역의 표면 형상, 깊이는 표 4에 나타내는 바와 같다.

실시예 2에서는 접합 후의 프로세스를 실행하지 않았다. 접합 중앙선에서 가열 영역 중심까지의 거리에 있어서의 「(AS)」, 「(RS)」는 가열 영역의 중심이 접합 중앙선에서 각각 진입측, 재처리측에 있는 것을 나타낸다.

표 9에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정값과, 얻어진 접합 이음매의 인장 강도의 측정값을 나타낸다. 접합 이음매의 인장 강도는 JIS Z 3121에서 규정하는 1호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 실행한 결과이다. 회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮고, 결함 등이 생기기 쉬워진다.

[표 9]

표 9로부터, 발명예 21∼26에서는 접합 속도를 400㎜/min으로 한 경우에도, 모재로 되는 강판의 인장 강도의 90%이상의 접합 이음매 강도가 얻어졌다. 발명예 21∼26의 회전 툴의 토크는 65N·m이하이며, 소성 유동성도 양호하였다.

한편, 비교예 13, 14에서는 회전 툴의 토크가 75N·m이상으로 되고, 소성 유동성이 뒤떨어지고 있었다.

표 9로부터, 발명예 27∼32에서는 접합 속도를 1000㎜/min으로 고속도화한 경우에도, 모재의 인장 강도의 85%이상의 접합 이음매 강도가 얻어지고, 회전 툴의 토크도 81N·m이하이었다.

한편, 비교예 15, 16에서는 미접합 부분이 남는 상태로 되어 접합을 할 수 없었다. 이 때문에, 비교예 15, 16에서는 회전 툴의 토크 등의 측정은 실행하고 있지 않다.

1; 회전 툴 2; 회전축
3; 강판 4; 접합부
5; 가열 수단 6 냉각 수단
7; 후방 가열 수단 8; 회전 툴의 어깨부
9; 회전 툴의 핀부 10; 접합 중앙선
11; RS선 12; 가열 영역
13; 냉각 영역 14; 재가열 영역
15; 제어 수단 a; 회전 툴의 어깨부 직경
b; 회전 툴의 핀부의 최대 직경 c; 회전 툴의 프로브 길이
X; 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리 D; 가열 영역의 깊이
t; 강판의 두께 α; 회전 툴의 경사 각도

Claims (14)

1. 어깨부와, 해당 어깨부에 배치되고, 해당 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 상기 어깨부 및 상기 핀부가 피가공재인 강판보다 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 강판간의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시키고, 상기 회전 툴과 상기 강판의 마찰열에 의해 상기 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 상기 회전 툴로 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시켜 강판끼리를 접합하는 마찰 교반 접합 방법으로서,
   상기 회전 툴의 소재, 혹은 상기 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 상기 강판의 동마찰 계수는 0.6이하이고,
   상기 회전 툴의 접합 방향 전방에 마련된 가열 수단에 의해 가열된 상기 강판의 표면의 온도 T_S(℃)가 하기 식(1)을 만족시키는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 상기 가열 영역과 상기 회전 툴의 최소 거리는 상기 회전 툴의 어깨부의 직경 이하이고,
   상기 가열 영역의 면적은 상기 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하이고,
   상기 가열 영역의 면적의 65%이상은 상기 강판의 표면에 있어서의 상기 회전 툴의 회전축을 통과하고 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 해당 접합 중앙선에 평행하고, 또한 재처리측으로 상기 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선의 사이에 위치하는 마찰 교반 접합 방법:
   T_S≥0.8×T_A1…(1)
   T_A1은 하기 식(2)로 나타나는 온도이다.
   T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] …(2)
   상기 [%M]은 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이고, 함유하지 않는 경우에는 0으로 한다.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 영역의 두께 방향의 온도 T_D(℃)가 하기 식(3)을 만족시키는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 상기 가열 영역의 깊이 D는 상기 강판의 두께의 30%이상인 마찰 교반 접합 방법:
   T_D≥0.8×T_A1…(3).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가열 수단은 레이저 가열 장치인 마찰 교반 접합 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 회전 툴의 접합 방향 후방에는 후방 가열 수단이 마련되어 있고, 해당 후방 가열 수단은 상기 강판의 접합부를 가열하는 마찰 교반 접합 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 후방 가열 수단의 접합 방향 후방에는 냉각 수단이 마련되어 있고, 해당 냉각 수단은 상기 후방 가열 수단에 의해 가열된 상기 접합부를 냉각하는 마찰 교반 접합 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 회전 툴의 접합 방향 후방에는 냉각 수단이 마련되어 있고, 해당 냉각 수단은 상기 강판의 접합부를 냉각하는 마찰 교반 접합 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 냉각 수단의 접합 방향 후방에는 후방 가열 수단이 마련되어 있고, 해당 후방 가열 수단은 상기 냉각 수단에 의해 냉각된 상기 접합부를 가열하는 마찰 교반 접합 방법.
8. 피가공재인 강판간의 미접합부를 접합하는 마찰 교반 접합 장치로서,
   어깨부와, 해당 어깨부에 배치되고, 해당 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 상기 어깨부 및 상기 핀부는 상기 강판보다 단단한 재질로 이루어지고, 상기 강판간의 미접합부에 삽입된 상태에서 회전하면서 접합 방향으로 이동함으로써, 마찰열에 의해 상기 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시키는 회전 툴과,
   상기 회전 툴의 접합 방향 전방에 마련되고, 상기 강판을 가열하는 가열 수단과,
   하기 상태 1을 실현하도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 제어 수단을 갖고,
   상기 회전 툴의 소재, 혹은 상기 회전 툴의 표면에 피복된 소재와 상기 강판의 동마찰 계수는 0.6이하인 마찰 교반 접합 장치:
   (상태 1)
   상기 가열 수단에 의해 가열된 상기 강판의 표면의 온도 T_S(℃)가 하기 식(1)을 만족시키는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 상기 가열 영역과 상기 회전 툴의 최소 거리는 상기 회전 툴의 어깨부의 직경 이하이고,
   상기 가열 영역의 면적은 상기 회전 툴의 핀부의 최대 직경부의 면적 이하이고,
   상기 가열 영역의 면적의 65%이상은 상기 강판의 표면에 있어서의 상기 회전 툴의 회전축을 통과하고 접합 방향에 평행한 직선인 접합 중앙선과, 해당 접합 중앙선에 평행하고, 또한 재처리측으로 상기 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선 사이에 위치한다.
   T_S≥0.8×T_A1…(1)
   T_A1은 하기 식(2)로 나타나는 온도이다.
   T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] …(2)
   상기 [%M]은 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이고, 함유하지 않는 경우에는 0으로 한다.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제어 수단은 이하의 상태 2를 실현하도록 상기 회전 툴 및 상기 가열 수단을 제어하는 마찰 교반 접합 장치:
   (상태 2)
   상기 가열 영역의 두께 방향의 온도 T_D(℃)가 하기 식(3)을 만족시키는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이 D로 했을 때, 상기 가열 영역의 깊이 D는 상기 강판의 두께의 30%이상이다.
   T_D≥0.8×T_A1…(3)
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 가열 수단은 레이저 가열 장치인 마찰 교반 접합 장치.
11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 강판의 접합부를 가열하는 후방 가열 수단을 더 갖고,
    상기 후방 가열 수단은 상기 회전 툴의 접합 방향 후방에 마련되는 마찰 교반 접합 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 더 갖고,
    상기 냉각 수단은 상기 후방 가열 수단의 접합 방향 후방에 마련되는 마찰 교반 접합 장치.
13. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 수단을 더 갖고,
    상기 냉각 수단은 상기 회전 툴의 접합 방향 후방에 마련되는 마찰 교반 접합 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 접합부를 가열하는 후방 가열 수단을 더 갖고,
    상기 후방 가열 수단은 상기 냉각 수단의 접합 방향 후방에 마련되는 마찰 교반 접합 장치.

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