KR101196561B1

KR101196561B1 - 접합 방법

Info

Publication number: KR101196561B1
Application number: KR1020107016161A
Authority: KR
Inventors: 하야또 사또오; 히사시 호리; 노부시로 세오; 도모히로 고모또; 가즈오 아오끼
Original assignee: 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2012-11-01
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: TWI504459B; TW200927345A; CN101883657A; KR101269807B1; KR20100102171A; WO2009081731A1; CN101883657B; CN102837133A; TWI389754B; CN102837133B; KR20120109615A; TW201313371A

Abstract

한 쌍의 금속 부재끼리의 맞댐부를 용이하게 접합하는 동시에, 접합 부분의 기밀성 및 수밀성을 높이는 것이 가능한 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명에 관한 접합 방법은, 금속 부재인 평판(14)과, 코너 부재(R4)를 맞대어 형성된 구조체[피접합 금속 부재(N)]에 있어서, 상기 금속 부재끼리를 맞대어 이루어지는 맞댐부(J8)의 접합 방법이며, 맞댐부(J8)에 대해 구조체의 외면(A)측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 행한 후, 내면(B)측으로부터 용접을 행하는 용접 공정을 맞댐부(J8)에 대해 행하는 것을 특징으로 한다.

Description

접합 방법{JOINING METHOD}

본 발명은 마찰 교반을 이용한 금속 부재의 접합 방법에 관한 것이다.

금속 부재끼리를 접합하는 방법으로서, 마찰 교반 접합(FSW＝Friction Stir Welding)이 알려져 있다. 마찰 교반 접합은, 회전 툴을 회전시키면서 금속 부재끼리의 맞댐부를 따라 이동시켜, 회전 툴과 금속 부재의 마찰열에 의해 맞댐부의 금속을 소성 유동시킴으로써, 금속 부재끼리를 고상(固相) 접합시키는 것이다. 또한, 회전 툴은, 원기둥 형상을 나타내는 숄더의 하단부면에 교반 핀(프로브)을 돌출 설치하여 이루어지는 것이 일반적이다.

예를 들어, 도 35의 (a)에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 금속 부재(101, 101)의 단부면끼리를 맞대어 형성된 맞댐부(J)에 대해 마찰 교반을 행하는 경우, 맞댐부(J)의 이면측에 백킹재(102)를 배치하고, 회전 툴(G)을 사용하여 맞댐부(J)를 따라 마찰 교반을 행한다. 이러한 기술은, 예를 들어 문헌 1, 문헌 2에 기재되어 있다.

문헌 1. 일본 특허 출원 공개 제2001-225179호 공보 문헌 2. 일본 특허 출원 공개 제2005-131666호 공보

그러나 종래의 접합 방법에 따르면, 도 35의 (b)에 도시하는 바와 같이, 접합부에 있어서 금속 부재(101, 101)가 수축되므로, 접합된 금속 부재(101)끼리가 수평으로 되지 않고 변형되어 버려, 제품의 질이 저하된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 예를 들어 금속 부재(101, 101) 사이에 형성된 홈부(103)에 도시하지 않은 조인트 부재를 삽입하는 경우에는, 홈부(103)의 저부가 평탄하게 되지 않으므로, 조인트 부재를 고정밀도로 배치할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 금속 부재(101, 101)의 수축에 기인하여, 소성화 영역(W)의 이면측에 절결부(Kissing Bond)(E)가 형성될 우려가 있었다. 이에 의해, 접합부에 있어서의 인장 강도가 저하되는 동시에, 수밀성 및 기밀성의 저하도 초래하고 있었다.

또한 마찬가지로, 도 35의 (c)에 도시하는 바와 같이, 금속 부재(105)의 측면과, 금속 부재(105)의 단부면을 맞대어 수직으로 접합하는 경우, 맞댐부(J)에 대해 금속 부재(105, 105)의 외측으로부터 마찰 교반을 행하면, 금속 부재(105, 105)의 수축에 의해, 한쪽 금속 부재(105)가 휘어 버린다고 하는 문제가 있었다. 또한, 금속 부재(105, 105)의 접합부 내측의 코너 부분(내측 코너부)에는, 절결부(E)가 형성된다고 하는 문제가 있었다.

여기서, 예를 들어 금속 부재(101, 101)의 이면측 또는 금속 부재(105, 105)의 내측으로부터 마찰 교반을 행하면, 이러한 문제는 해소된다. 그러나 예를 들어, 통 형상을 나타내는 구조체의 내측으로부터 마찰 교반을 하는 경우나, 도 35의 (c)와 같이 내측 코너부를 마찰 교반하는 경우 등, 접합하는 금속 부재끼리의 맞댐 형태에 따라서는, 마찰 교반 장치의 접속 등에 의해 회전 툴을 적절하게 가동시키는 것이 곤란해진다고 하는 문제가 있었다.

이러한 관점으로부터, 본 발명은 한 쌍의 금속 부재끼리의 맞댐부를 용이하게 접합하는 동시에, 기밀성 및 수밀성을 높이는 것이 가능한 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

이러한 과제를 해결하는 본 발명에 관한 접합 방법은, 한 쌍의 금속 부재끼리를 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며, 상기 맞댐부에 대해 한쪽 면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 행한 후, 상기 맞댐부에 대해 다른 쪽 면측으로부터 용접을 행하는 용접 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 한 쌍의 금속 부재끼리의 한쪽 면으로부터 마찰 교반을 행한 후, 다른 쪽 면으로부터는 용접을 행하므로, 가령 절결부가 형성되었다고 해도 용접 금속으로 밀폐할 수 있으므로, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 용접에 따르면, 장치의 접속 등의 문제가 해소되므로 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 본 발명은, 복수의 금속 부재를 맞대어 형성된 통 형상의 구조체에 있어서, 상기 금속 부재끼리를 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며, 상기 맞댐부에 대해 상기 구조체의 외면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 행한 후, 상기 맞댐부에 대해 상기 구조체의 내면측으로부터 용접을 행하는 용접 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 구조체의 외측으로부터 마찰 교반을 행한 후, 구조체의 내측으로부터는 용접을 행하므로, 가령 구조체의 내면에 절결부가 형성되었다고 해도 용접 금속으로 밀폐할 수 있으므로, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 용접에 따르면, 금속 부재로 둘러싸인 구조체라도 구조체의 내측으로부터 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 상기 마찰 교반 공정에 있어서 형성된 소성화 영역과, 상기 용접 공정에 있어서 형성된 용접 금속이 접촉하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 맞댐부의 깊이 방향의 전체 길이에 걸쳐 밀폐되므로, 접합부의 수밀성 및 기밀성을 보다 높일 수 있다.

또한, 상기 용접 공정에서는, 상기 다른 쪽 면에 나타나는 맞댐부를 따라 형성된 오목부에, 용접 금속을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 용접 공정에서는, 상기 구조체의 내면에 나타나는 맞댐부를 따라 형성된 오목부에, 용접 금속을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 용접 작업성을 높일 수 있다.

또한, 상기 마찰 교반 공정에 있어서, 대형의 회전 툴에 의해 본접합을 행하는 본접합 공정을 행하기 전에, 소형의 회전 툴에 의해 가접합을 행하는 가접합 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 본접합을 행할 때의 맞댐부의 벌어짐을 방지할 수 있다.

또한, 상기 마찰 교반 공정에 있어서, 상기 맞댐부의 양측에 한 쌍의 탭재를 배치하는 탭재 배치 공정과, 상기 탭재와 상기 금속 부재의 맞댐부를 따라 마찰 교반을 행하는 탭재 가접합 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 방법에 따르면, 탭재를 사용함으로써, 회전 툴의 삽입 위치, 이탈 위치의 설정이 용이해진다.

또한, 상기 마찰 교반 공정에 있어서, 마찰 교반을 행하는 회전 툴의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 접합 공정에 따르면, 회전 툴을 밀어 넣을 때의 압입 저항을 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반 접합의 정밀도를 높이는 동시에, 신속하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 본 발명은, 한 쌍의 금속 부재끼리를 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며, 상기 맞댐부에 대해 다른 쪽 면측으로부터 용접을 행하는 용접 공정을 행한 후, 상기 맞댐부에 대해 한쪽 면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 접합 방법에 따르면, 한쪽 면측으로부터 행하는 마찰 교반 공정에 앞서, 다른 쪽 면측으로부터 용접을 행함으로써, 다른 쪽 면측을 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반을 행하는 면의 이면(다른 쪽 면)측에 발생하기 쉬운 절결부의 발생을 방지할 수 있으므로, 접합 부분의 금속 부재의 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 다른 쪽 면측으로부터 용접을 행함으로써, 장치의 접속 등의 문제가 해소되므로, 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에서는 한 쌍의 금속 부재끼리를 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있으므로, 작업성을 높일 수 있다.

또한, 복수의 금속 부재를 맞대어 형성된 통 형상의 구조체에 있어서, 상기 금속 부재끼리를 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며, 상기 맞댐부에 대해 상기 구조체의 내면측으로부터 용접을 행하는 용접 공정을 행한 후, 상기 맞댐부에 대해 상기 구조체의 외면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 접합 방법에 따르면, 구조체의 외면측으로부터 행하는 마찰 교반 공정에 앞서, 구조체의 내면측으로부터 용접을 행함으로써, 내면측을 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있다. 이에 의해, 마찰 교반을 행하는 면의 이면(구조체의 내면)측에 발생하기 쉬운 절결부의 발생을 방지할 수 있으므로, 접합 부분의 금속 부재의 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 구조체의 내면측으로부터 용접을 행함으로써, 구조체의 내부를 접합할 때의 장치의 접속 등의 문제가 해소되므로, 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에서는 한 쌍의 금속 부재끼리를 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있으므로, 작업성을 높일 수 있다.

본 발명에 관한 접합 방법은, 한 쌍의 금속 부재끼리의 맞댐부를 용이하게 접합하는 동시에, 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 구조체를 도시한 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 구조체를 도시한 평면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 중간 부재를 도시한 도면으로, (a)는 분해 사시도, (b)는 평면도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 맞댐 공정을 도시한 사시도이다.
도 5의 (a)는 제1 실시 형태에 관한 맞댐 공정 후를 도시한 사시도이고, (b)는 제1 실시 형태에 관한 홈부 형성 공정을 도시한 사시도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 탭재 배치 공정을 도시한 사시도이다.
도 7의 (a)는 소형 회전 툴을 도시한 측면도이고, (b)는 대형 회전 툴을 도시한 측면도이다.
도 8은 제1 실시 형태에 관한 가접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관한 본접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 10은 도 9의 I-I선 단면도이다.
도 11은 제1 실시 형태에 관한 용접 공정을 도시한 측면도이다.
도 12는 제1 실시 형태에 관한 조인트 부재 삽입 공정을 도시한 사시도이다.
도 13은 제1 실시 형태에 관한 탭재 배치 공정을 도시한 사시도이다.
도 14는 제1 실시 형태에 관한 외측 가접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 15는 제1 실시 형태에 관한 외측 본접합 공정을 도시한 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 II-II선 단면도이다.
도 16의 (a)는 제2 실시 형태에 관한 오목부 형성 공정을 도시한 측면도이고, (b)는 제2 실시 형태에 관한 용접 금속 충전 공정을 도시한 측면도이다.
도 17의 (a)는 제3 실시 형태에 관한 구조체를 외측으로부터 본 사시도, (b)는 제3 실시 형태에 관한 구조체를 내측으로부터 본 사시도이다.
도 18은 제4 실시 형태에 관한 구조체를 도시한 분해 사시도이다.
도 19의 (a)는 제4 실시 형태의 마찰 교반 공정을 도시한 사시도이고, (b)는 제4 실시 형태의 용접 공정을 도시한 일부 투시 사시도이다.
도 20은 제5 실시 형태에 관한 맞댐 공정을 도시한 정면도이다.
도 21은 제5 실시 형태에 관한 용접 공정을 도시한 사시도이다.
도 22는 제5 실시 형태에 관한 마찰 교반 공정의 준비 단계를 도시한 사시도이다.
도 23의 (a)는 도 22의 일부의 확대 사시도이고, (b)는 홈부 형성 공정을 도시한 사시도이다.
도 24는 제5 실시 형태에 관한 탭재 배치 공정을 도시한 사시도이다.
도 25는 제5 실시 형태에 관한 가접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 26은 제5 실시 형태에 관한 본접합 공정을 도시한 평면도이다.
도 27은 도 26의 I-I선 단면도이다.
도 28은 제6 실시 형태에 관한 용접 공정을 도시한 도면으로, (a)는 오목부 형성 공정, (b)는 용접 금속 충전 공정을 도시하는 도면이다.
도 29의 (a)는 제7 실시 형태에 관한 맞댐 공정을 도시한 사시도, (b)는 제7 실시 형태에 관한 용접 공정을 도시한 사시도이다.
도 30의 (a)는 제7 실시 형태에 관한 탭재 배치 공정, (b)는 제7 실시 형태에 관한 마찰 교반 공정을 도시한 사시도이다.
도 31의 (a)는 제8 실시 형태에 관한 피접합 금속 부재의 분해도이고, (b)는 제8 실시 형태에 관한 맞댐 공정을 도시한 도면이고, (c)는 제8 실시 형태에 관한 용접 공정 및 마찰 교반 공정을 도시한 도면이다.
도 32는 제8 실시 형태에 관한 구조체를 도시한 사시도이다.
도 33은 제9 실시 형태에 관한 피접합 금속 부재의 분해 사시도이다.
도 34의 (a)는 제9 실시 형태에 관한 용접 공정을 도시한 사시도이고, (b)는 제9 실시 형태에 관한 마찰 교반 공정을 도시한 사시도이다.
도 35는 종래의 접합 방법을 도시한 단면도이다.

[제1 실시 형태]

본 발명에 관한 접합 방법에 대해 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 관한 접합 방법에 대해서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 4개의 벽 부재(H1, H2, H3, H4)에 의해 둘러싸여 형성된 통 형상을 나타내는 구조체(1)를 제조하는 경우를 예로 하여 설명한다. 또한, 설명에 있어서는, 구조체(1)의 중공부측을 내측, 반대측을 외측으로 한다. 또한, 구조체(1)의 내측을 구성하는 면을 내면, 외측을 구성하는 면을 외면으로 한다.

본 실시 형태에 관한 구조체(1)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 내부에 단면으로 볼 때 대략 직사각형인 중공부를 구비하는 통 형상체이다. 구조체(1)는, 구조체(1)의 4코너를 구성하여 평면에서 볼 때 대략 L자 형상을 나타내는 코너 부재(R1, R2, R3, R4)와, 코너 부재(R1, R2, R3, R4) 사이에 각각 개재 설치되는 평판(11, 12, 13, 14)으로 이루어지고, 각 부재의 측단부면끼리가 접합되어 있다. 코너 부재(R1 내지 R4) 및 평판(11 내지 14)은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료로 이루어진다.

벽 부재(H1)는, 이격되어 배치된 코너 부재(R1, R4)와, 코너 부재(R1, R4) 사이에 배치된 평판(11)으로 구성되어 있다. 벽 부재(H2)는, 코너 부재(R1, R2) 사이에 배치된 평판(12)으로 구성되어 있다. 벽 부재(H3)는, 이격되어 배치된 코너 부재(R2, R3)와, 코너 부재(R2, R3) 사이에 배치된 평판(13)으로 구성되어 있다. 벽 부재(H4)는, 코너 부재(R3, R4) 사이에 배치된 평판(14)과, 조인트 부재(U, U)로 구성되어 있다.

코너 부재(R4)의 한쪽 측단부면과 평판(11)의 다른 쪽 측단부면의 맞댐부(J1) 및 코너 부재(R1)의 다른 쪽 측단부면과 평판(11)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J2)는, 벽 부재(H1)의 외측(외면) 및 내측(내면)으로부터 마찰 교반되어 있고, 마찰 교반에 의해 형성된 각 소성화 영역의 선단부측이 중복되어 형성되어 있다. 또한, 소성화 영역이라 함은, 후기하는 회전 툴의 마찰열에 의해 가열되어 실제로 소성화되어 있는 상태와, 접합용 회전 툴이 통과하여 상온으로 복귀된 상태의 양쪽을 포함하는 것으로 한다.

또한 마찬가지로, 코너 부재(R1)의 한쪽 측단부면과 평판(12)의 다른 쪽 측단부면의 맞댐부(J3) 및 코너 부재(R2)의 다른 쪽 측단부면과 평판(12)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J4), 코너 부재(R2)의 한쪽 측단부면과 평판(13)의 다른 쪽 측단부면의 맞댐부(J5) 및 코너 부재(R3)의 다른 쪽 측단부면과 평판(13)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J6)는, 각 벽 부재의 외면측 및 내면측으로부터 마찰 교반되어 있고, 마찰 교반에 의해 형성된 각 소성화 영역의 선단부측이 중복되어 형성되어 있다.

한편, 코너 부재(R3)의 한쪽 측단부면과 평판(14)의 다른 쪽 측단부면의 맞댐부(J7) 및 코너 부재(R4)의 다른 쪽 측단부면과 평판(14)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J8)는, 벽 부재(H4)의 내면측으로부터 용접된 후, 외면측으로부터 마찰 교반이 행해져 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 실시 형태의 접합 방법에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 벽 부재(H1, H2, H3)로 이루어지는 단면으로 볼 때 U자 형상의 중간 부재에 대해서는, 종래의 마찰 교반 접합과 대략 동등하므로, 간단히 설명한다.

본 실시 형태에 관한 접합 방법은, (1) 중간 부재 접합 공정, (2) 맞댐 공정, (3) 홈부 형성 공정, (4) 마찰 교반 공정, (5) 용접 공정, (6) 조인트 부재 삽입 공정, (7) 외측 가접합 공정, (8) 외측 본접합 공정을 주로 포함하는 것이다.

(1) 중간 부재 접합 공정

중간 부재 접합 공정은, 구조체(1)의 중간체인 중간 부재(20)[도 3의 (b) 참조]를 형성하는 공정이다. 중간 부재(20)는, 구조체(1)로부터 평판(14)만 제거한 부재이며, 단면으로 볼 때 대략 U자 형상을 이룬다. 중간 부재(20)는, 대향 배치된 벽 부재(H1) 및 벽 부재(H3)와, 벽 부재(H1)와 벽 부재(H3) 사이에 개재 설치되는 평판(12)[벽 부재(H2)]을 갖는다. 중간 부재 접합 공정에서는, 벽 부재(H1), 벽 부재(H3)를 각각 형성한 후, 평판(12)과 벽 부재(H1) 및 벽 부재(H3)를 접합한다.

코너 부재(R4)의 한쪽 측단부면과 평판(11)의 다른 쪽 측단부면의 맞댐부(J1)는, 맞댐부(J1)의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐, 벽 부재(H1)의 내면측 및 외면측으로부터 마찰 교반에 의해 접합되어 있다. 또한, 맞댐부(J1)에 형성된 소성화 영역(W1, W1)의 선단부측[평판(11)의 두께 방향 중앙부]은, 중복되어 있다. 이에 의해, 맞댐부(J1)의 깊이 방향의 간극을 모두 마찰 교반할 수 있으므로, 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 마찬가지로, 코너 부재(R1)의 다른 쪽 측단부면과 평판(11)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J2)는, 맞댐부(J2)의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐, 내면측 및 외면측으로부터 마찰 교반이 행해져 있고, 소성화 영역(W2, W2)의 선단부측이 중복되어 있다.

코너 부재(R2)의 한쪽 측단부면과 평판(13)의 다른 쪽 측단부면의 맞댐부(J5)는, 맞댐부(J5)의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐, 벽 부재(H3)의 내면측 및 외면측으로부터 마찰 교반에 의해 접합되어 있다. 또한, 맞댐부(J5)에 형성된 소성화 영역(W5, W5)의 선단부측[평판(13)의 두께 방향 중앙부]은, 중복되어 있다. 이에 의해, 맞댐부(J5)의 깊이 방향의 간극을 모두 마찰 교반할 수 있으므로, 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 마찬가지로, 코너 부재(R3)의 다른 쪽 측단부면과 평판(13)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J6)는, 맞댐부(J6)의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐, 외면측 및 내면측으로부터 마찰 교반이 행해져 있고, 소성화 영역(W6, W6)의 선단부측이 중복되어 있다.

평판(12)은, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 코너 부재(R1)와 코너 부재(R2) 사이에 개재 설치된다. 평판(12)의 다른 쪽 측단부면과 코너 부재(R1)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J3)는, 맞댐부(J3)의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐, 평판(12)의 내면측 및 외면측으로부터 마찰 교반에 의해 접합되어 있다. 맞댐부(J3)에 형성된 소성화 영역(W3, W3)의 선단부측[평판(12)의 두께 방향 중앙부]은, 중복되어 있다. 이에 의해, 맞댐부(J3)의 깊이 방향의 간극을 모두 마찰 교반할 수 있으므로, 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 마찬가지로, 코너 부재(R2)의 다른 쪽 측단부면과 평판(12)의 한쪽 측단부면의 맞댐부(J4)는, 맞댐부(J4)의 길이 방향의 전체 길이에 걸쳐, 평판(12)의 내면측 및 외면측으로부터 마찰 교반이 행해져 있고, 소성화 영역(W4, W4)의 선단부측이 중복되어 있다.

도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(20)의 일부에는, 평판(14)이 삽입되는 개구부(21)가 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 중간 부재(20)의 각 맞댐부에 있어서, 외면측 및 내면측의 양면측으로부터 마찰 교반을 행하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 중간 부재(20)의 외면측 및 내면측 중 어느 일측으로부터 용접을 행하고, 타측으로부터 마찰 교반을 행해도 좋다.

(2) 맞댐 공정

맞댐 공정에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(20)의 개구부(21)[도 3의 (b) 참조]에 평판(14)을 삽입한다. 평판(14)의 폭은, 개구부(21)의 폭과 대략 동등하게 형성되어 있다. 즉, 개구부(21)에 평판(14)을 삽입하면, 개구부(21)에 나타나는 한 쌍의 측단부면(R3b, R4a)과 평판(14)의 양 측단부면(14a, 14b)이 맞대어진다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 평판(14)의 다른 쪽 측단부면(14a)과 코너 부재(R3)의 한쪽 측단부면(R3b)이 맞대어져 맞댐부(J7)가 형성되어 있다. 한편, 평판(14)의 한쪽 측단부면(14b)과 코너 부재(R4)의 다른 쪽 측단부면(R4a)이 맞대어져 맞댐부(J8)가 형성되어 있다.

또한, 평판(14)과 코너 부재(R4)가 맞대어져 형성된 금속 부재를 이하, 피접합 금속 부재(N)라고도 한다. 또한, 피접합 금속 부재(N)의 외측면을 외면(A), 내측면을 내면(B), 한쪽 단부면을 제1 단부면(C), 다른 쪽 단부면을 제2 단부면(D)이라고도 한다.

맞댐 공정시, 도 4 및 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(20)의 내측에 백킹대(25)를 배치하는 것이 바람직하다. 백킹대(25)는, 중간 부재(20)의 내측으로부터 평판(14)을 지지하는 부재이다. 백킹대(25)는, 이격되어 배치된 제1 백킹재(25a), 제2 백킹재(25b)와, 제1 백킹재(25a) 및 제2 백킹재(25b) 사이에 기립 설치된 세로 부재(25c, 25c)로 이루어진다. 제1 백킹재(25a)의 외측면으로부터 제2 백킹재(25b)의 외측면까지의 거리는, 평판(12)의 내측면으로부터 평판(14)의 내측면(도 2 참조)까지의 거리와 대략 동등하게 형성되어 있다. 백킹대(25)는, 본 실시 형태에 있어서는, 맞댐부(J7, J8)마다 하나씩 설치한다.

또한, 이하에 기재하는 (3) 홈부 형성 공정, (4) 마찰 교반 공정, (5) 용접 공정, (6) 조인트 부재 삽입 공정, (7) 외측 가접합 공정, (8) 외측 본접합 공정은, 맞댐부(J7) 및 맞댐부(J8)에 대해 행하는 공정이지만, 작업 내용은 양 맞댐부 모두 대략 동등하므로, 맞댐부(J8)를 예로 하여 설명한다.

(3) 홈부 형성 공정

홈부 형성 공정에서는, 맞댐부(J8)에 대해 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)에 홈부(K)를 형성한다. 홈부 형성 공정은, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 공지의 엔드밀 등을 사용하여 맞댐부(J8)를 따라 소정의 폭, 깊이로 절결하여 홈부(K)를 형성한다. 홈부(K)는, 본 실시 형태에 있어서는, 단면으로 볼 때 직사각형으로 형성하지만 다른 형상이라도 좋다.

(5) 마찰 교반 공정

마찰 교반 공정에서는, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 홈부(K)의 저면에 나타나는 맞댐부(J8)를 따라 대형 회전 툴(G)을 사용하여 마찰 교반을 행한다. 마찰 교반 공정은, 본 실시 형태에서는 한 쌍의 탭재를 배치하는 탭재 배치 공정과, 맞댐부(J8)에 대해 가접합을 행하는 가접합 공정과, 본접합 공정의 삽입 예정 위치에 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정과, 맞댐부(J8)에 대해 본접합을 행하는 본접합 공정을 포함한다.

여기서, 도 7을 참조하여, 각 마찰 교반에 사용하는 소형의 회전 툴[이하, 「소형 회전 툴(F)」이라 함] 및 소형 회전 툴(F)보다도 대형의 회전 툴[이하,「대형 회전 툴(G)」이라 함]을 상세하게 설명한다.

도 7의 (a)에 도시하는 소형 회전 툴(F)은, 공구강 등 피접합 금속 부재(N)보다도 경질인 금속 재료로 이루어지고, 원기둥 형상을 나타내는 숄더부(F1)와, 이 숄더부(F1)의 하단부면(F11)에 돌출 설치된 교반 핀(프로브)(F2)을 구비하여 구성되어 있다. 소형 회전 툴(F)의 치수?형상은, 피접합 금속 부재(N)의 재질이나 두께 등에 따라서 설정하면 좋지만, 적어도 대형 회전 툴(G)[도 8의 (b) 참조]보다도 소형으로 한다. 이와 같이 하면, 대형 회전 툴(G)을 사용하는 경우보다도 작은 부하로 마찰 교반 접합을 행하는 것이 가능해지므로, 마찰 교반 장치에 가해지는 부하를 저감시키는 것이 가능해지고, 나아가서는 소형 회전 툴(F)의 이동 속도(이송 속도)를 대형 회전 툴(G)의 이동 속도보다도 고속으로 하는 것도 가능해지므로, 마찰 교반 접합에 필요로 하는 작업 시간이나 비용을 저감시키는 것이 가능해진다.

숄더부(F1)의 하단부면(F11)은, 소성 유동화된 금속을 눌러 주위로의 비산을 방지하는 역할을 담당하는 부위로, 본 실시 형태에서는 오목면 형상으로 성형되어 있다. 숄더부(F1)의 외경(X₁)의 크기에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 대형 회전 툴(G)의 숄더부(G1)의 외경(Y₁)보다도 작게 되어 있다.

교반 핀(F2)은, 숄더부(F1)의 하단부면(F11)의 중앙으로부터 수직으로 내려와 있고, 본 실시 형태에서는 끝이 가늘게 된 원추대 형상으로 성형되어 있다. 또한, 교반 핀(F2)의 주위면에는, 나선 형상으로 새겨진 교반 날개가 형성되어 있다. 교반 핀(F2)의 외경의 크기에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는, 최대 외경(상단부 직경)(X₂)이 대형 회전 툴(G)의 교반 핀(G2)의 최대 외경(상단부 직경)(Y₂)보다도 작고, 또한 최소 외경(하단부 직경)(X₃)이 교반 핀(G2)의 최소 외경(하단부 직경)(Y₃)보다도 작게 되어 있다. 또한, 교반 핀(F2)의 길이(L_A)는, 대형 회전 툴(G)의 교반 핀(G2)의 길이(L_B)보다도 작게 되어 있다.

도 7의 (b)에 도시하는 대형 회전 툴(G)은, 공구강 등 피접합 금속 부재(N)보다도 경질인 금속 재료로 이루어지고, 원기둥 형상을 나타내는 숄더부(G1)와, 이 숄더부(G1)의 하단부면(G11)에 돌출 설치된 교반 핀(프로브)(G2)을 구비하여 구성되어 있다.

숄더부(G1)의 하단부면(G11)은, 소형 회전 툴(F)과 마찬가지로, 오목면 형상으로 성형되어 있다. 교반 핀(G2)은, 숄더부(G1)의 하단부면(G11)의 중앙으로부터 수직으로 내려와 있고, 본 실시 형태에서는 끝이 가늘게 된 원추대 형상으로 성형되어 있다.

탭재 배치 공정에서는, 도 6 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 피접합 금속 부재(N)의 양단부면에 한 쌍의 탭재를 배치한다. 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)는, 맞댐부(J8)를 끼우도록 배치되는 것으로, 각각 제1 단부면(C) 및 제2 단부면(D)에 나타나는 맞댐부(J8)를 덮을 수 있는 치수?형상을 구비하고 있다. 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)는, 본 실시 형태에 있어서는 백킹대(25)의 제1 백킹재(25a)에 배치되어 있다. 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)의 표면은, 홈부(K)의 저면과 동일 높이의 면으로 형성되어 있다. 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)의 재질에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 피접합 금속 부재(N)와 동일한 조성의 금속 재료로 형성되어 있다.

또한, 피접합 금속 부재(N)와 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)는 용접에 의해 접합되어 있다. 이에 의해, 후기하는 마찰 교반을 행하였을 때에, 피접합 금속 부재(N)와 각 탭재가 벌어지는 것을 방지할 수 있다.

가접합 공정에서는, 홈부(K)의 저면에 나타나는 맞댐부(J8)를 따라 소형 회전 툴(F)을 사용하여 마찰 교반을 행한다. 즉, 도 8에 도시하는 바와 같이, 제1 탭재(31)의 적소에 설치한 개시 위치(S_P1)의 바로 위에 소형 회전 툴(F)을 위치시키고, 계속해서 소형 회전 툴(F)을 우회전시키면서 하강시켜 교반 핀(F2)[도 7의 (a) 참조]을 개시 위치(S_P1)로 내리누른다. 교반 핀(F2) 전체가 제1 탭재(31)에 들어가고, 또한 숄더부(F1)의 하단부면(F11)의 전체면이 제1 탭재(31)의 표면에 접촉하면, 소형 회전 툴(F)을 회전시키면서 가접합 공정의 시점(始点)(s1)을 향해 상대 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 시점(s1)에 도달하면, 시점(s1)에서 소형 회전 툴(F)을 이탈시키지 않고 가접합 공정의 종점(終点)(e1)까지 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 종점(e1)까지 도달하면 소형 회전 툴(F)을 이탈시키지 않고 종료 위치(E_P1)까지 이동시키고, 종료 위치(E_P1)에서 소형 회전 툴(F)을 이탈시킨다.

또한, 소형 회전 툴(F)의 교반 핀(F2)이 피접합 금속 부재(N)와 제1 탭재(31)의 맞댐부(J31) 및 피접합 금속 부재(N)와 제2 탭재(32)의 맞댐부(J32)를 가로지를 때에, 피접합 금속 부재(N)와 각 탭재를 분리하려고 하는 힘이 작용하지만, 피접합 금속 부재(N)와 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)에 의해 형성된 내측 코너부를 용접에 의해 접합하고 있으므로, 피접합 금속 부재(N)와 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32) 사이의 벌어짐을 방지할 수 있다. 가접합 공정의 종료 위치(E_P1)는, 후기하는 본접합 공정의 개시 위치(S_M1)가 된다.

또한, 가접 공정을 행할 때에, 피접합 금속 부재(N)와 제1 탭재(31)의 맞댐부(J31) 및 피접합 금속 부재(N)와 제2 탭재(32)의 맞댐부(J32)를 따라, 소형 회전 툴(F)을 사용하여 마찰 교반을 행해도 좋다(탭재 가접합 공정). 이에 의해, 피접합 금속 부재(N)와 제1 탭재(31) 및 제2 탭재(32)를 보다 강고하게 접합할 수 있으므로, 후기하는 본접합 공정을 행할 때의 벌어짐을 보다 방지할 수 있다. 또한, 탭재 가접합 공정과 가접합 공정을 일필휘지의 요령으로 연속해서 마찰 교반을 행함으로써 작업성을 높일 수 있다.

예비 구멍 형성 공정에서는, 도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, 후기하는 본접합 공정에 있어서의 마찰 교반의 개시 위치에 예비 구멍(P1)을 형성하는 공정이다. 즉, 본 실시 형태에 관한 예비 구멍 형성 공정에 있어서는, 제2 탭재(32)의 표면에 설정된 개시 위치(S_M1)에 예비 구멍(P1)을 형성한다.

예비 구멍(P1)은, 대형 회전 툴(G)의 교반 핀(G2)의 삽입 저항(압입 저항)을 저감시킬 목적으로 형성되는 것이며, 본 실시 형태에서는 소형 회전 툴(F)의 교반 핀(F2)을 이탈시켰을 때에 형성되는 펀치 구멍(n1)을 도시하지 않은 드릴 등으로 직경 확대함으로써 형성된다. 펀치 구멍(n1)을 이용하면, 예비 구멍(P1)의 형성 공정을 간략화하는 것이 가능해지므로, 작업 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 예비 구멍(P1)의 형태에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 원통 형상으로 하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제2 탭재(32)에 예비 구멍(P1)을 형성하고 있지만, 예비 구멍(P1)의 위치에 특별히 제한은 없고, 제1 탭재(31)에 형성해도 좋고, 적합하게는 본 실시 형태와 같이 홈부(K)의 저면에 나타나는 이음매(경계선)의 연장선상에 형성하는 것이 바람직하다.

본접합 공정에서는, 대형 회전 툴(G)을 사용하여 맞댐부(J8)를 본격적으로 접합한다. 본 실시 형태에 관한 본접합 공정에서는, 대형 회전 툴(G)을 사용하여, 가접합된 상태의 맞댐부(J8)에 대해 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)측으로부터 마찰 교반을 행한다.

본접합 공정에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 개시 위치(S_M1)에 대형 회전 툴(G)의 교반 핀(G2)을 삽입(압입)하고, 삽입한 교반 핀(G2)을 도중에서 이탈시키는 일 없이 종료 위치(E_M1)까지 이동시킨다. 즉, 본접합 공정에서는, 예비 구멍(P1)으로부터 마찰 교반을 개시하고, 종료 위치(E_M1)까지 연속해서 마찰 교반을 행한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제2 탭재(32)에 마찰 교반의 개시 위치(S_M1)를 설치하고, 제1 탭재(31)에 종료 위치(E_M1)를 설치하고 있지만, 개시 위치(S_M1)와 종료 위치(E_M1)의 위치를 한정하는 취지는 아니다.

도 9를 참조하여 본접합 공정을 보다 상세하게 설명한다.

우선, 개시 위치(S_M1)[예비 구멍(P1)]의 바로 위에 대형 회전 툴(G)을 위치시키고, 계속해서 대형 회전 툴(G)을 우회전시키면서 하강시켜 교반 핀(G2)의 선단부를 예비 구멍(P1)에 삽입한다. 교반 핀(G2)의 전체가 제2 탭재(32)에 들어가고, 또한 숄더부(G1)의 하단부면(G11)의 전체면이 제2 탭재(32)의 표면에 접촉하면, 마찰 교반을 행하면서 맞댐부(J8)의 일단부를 향해 대형 회전 툴(G)을 상대 이동시켜, 맞댐부(J8)에 돌입시킨다. 대형 회전 툴(G)을 이동시키면, 그 교반 핀(G2)의 주위에 있는 금속이 순차 소성 유동화되는 동시에, 교반 핀(G2)으로부터 이격된 위치에서는, 소성 유동화되어 있었던 금속이 다시 경화되어 소성화 영역[이하,「홈부소성화 영역(W8)」이라 함]이 형성된다(도 10 참조).

피접합 금속 부재(N)에의 입열량이 과대해질 우려가 있는 경우에는, 대형 회전 툴(G)의 주위에 홈부(K)의 저면[외면(A)측]으로부터 물을 공급하거나 하여 냉각하는 것이 바람직하다. 또한, 코너 부재(R4) 및 평판(14) 사이에 냉각수가 들어가면, 접합면에 산화 피막을 발생시킬 우려가 있지만, 본 실시 형태에 있어서는, 가접합 공정을 실행하여 코너 부재(R4)와 평판(14) 사이의 이음매를 폐색하고 있으므로, 코너 부재(R4)와 평판(14) 사이의 이음매에 냉각수가 들어가기 어려워, 접합부의 품질을 열화시킬 우려가 없다.

피접합 금속 부재(N)의 맞댐부(J8)에서는, 피접합 금속 부재(N)의 이음매 상에 있어서의 이동 궤적 상에 마찰 교반의 루트를 설정하고, 당해 루트를 따라 대형 회전 툴(G)을 상대 이동시킴으로써, 맞댐부(J8)의 일단부로부터 타단부까지 연속해서 마찰 교반을 행한다. 맞댐부(J8)의 타단부까지 대형 회전 툴(G)을 상대 이동시키면, 마찰 교반을 행하면서 그대로 종료 위치(E_M1)를 향해 상대 이동시킨다. 대형 회전 툴(G)이 종료 위치(E_M1)에 도달하면, 대형 회전 툴(G)을 회전시키면서 상승시켜 교반 핀(G2)을 종료 위치(E_M1)로부터 이탈시킨다. 본접합 공정이 종료되면, 홈부(K)의 저면에 발생한 버어 등을 절삭하여 저면을 평활하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 본접합 공정이 종료되면, 한 쌍의 탭재를 절삭 제거한다.

(5) 용접 공정

용접 공정은, 피접합 금속 부재(N)의 내면(B)측으로부터 맞댐부(J8)를 따라 용접을 행하는 공정이다. 용접 공정에서는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 백킹대(25)를 일단 제거하고, 홈부 소성화 영역(W8)의 내측으로부터 TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 덧살 용접을 행하여, 맞댐부(J8)를 따라 용접 금속(T1)을 형성한다. 덧살 용접은, 피접합 금속 부재(N)의 내면(B)으로부터 용접 금속(T1)이 돌출될 정도로 행한다. 용접 공정을 행함으로써, 가령 홈부 소성화 영역(W8)의 내측에 절결부(Kissing Bond)가 형성되어 있는 경우라도, 당해 절결부를 밀폐할 수 있으므로, 접합 부분의 강도나 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에 의해 접합부에 수축이 일어나, 코너 부재(R4) 및 평판(14)이 동일 평면 상에 형성되지 않는 경우라도, 피접합 금속 부재(N)의 내면(B)측으로부터 용접을 행함으로써, 당해 수축에 의한 변형을 시정할 수 있다.

또한, 용접 금속(T1) 중, 내면(B)으로부터 돌출되는 부분(T1')을 절삭하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 내면(B)을 평활하게 형성할 수 있다.

(6) 조인트 부재 삽입 공정

조인트 부재 삽입 공정은, 도 12에 도시하는 바와 같이, 홈부(K)에 조인트 부재(U)를 삽입하는 공정이다. 조인트 부재(U)의 폭, 깊이 및 길이는, 홈부(K)의 폭, 깊이 및 길이와 각각 대략 동등한 치수로 형성되는 동시에, 피접합 금속 부재(N)와 동등한 조성으로 이루어지는 금속으로 형성되어 있다. 즉, 홈부(K)에 조인트 부재(U)를 삽입하면, 조인트 부재(U)의 표면과 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)이 동일 높이의 면으로 되는 동시에, 조인트 부재(U)의 양단부면은 피접합 금속 부재(N)의 제1 단부면(C) 및 제2 단부면(D)과 동일 높이의 면으로 형성된다. 조인트 부재 삽입 공정에 있어서는, 상기한 용접 공정에 의해 피접합 금속 부재(N)의 변형이 시정되어 있으므로, 홈부(K)의 저면이 대략 수평하게 형성되어 있다. 이에 의해, 조인트 부재(U)를 적절하게 삽입할 수 있다.

(8) 외측 가접합 공정

외측 가접합 공정에서는, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 평판(14)과 조인트 부재(U)의 맞댐부(J8a) 및 코너 부재(R4)와 조인트 부재(U)의 맞댐부(J8b)를 따라 소형 회전 툴(F)을 사용하여 가접합을 행한다. 본 실시 형태에 있어서의 외측 가접합 공정은, 한 쌍의 탭재를 배치하는 탭재 배치 공정과, 맞댐부(J8a) 및 맞댐부(J8b)에 대해 소형 회전 툴(F)을 사용하여 가접합을 행하는 외측 가접합 공정과, 대형 회전 툴(G)의 삽입 예정 위치에 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정을 포함하는 것이다.

탭재 배치 공정은, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이, 피접합 금속 부재(N)의 제1 단부면(C) 및 제2 단부면(D)에 제1 탭재(33) 및 제2 탭재(34)를 배치한다. 제1 탭재(33) 및 제2 탭재(34)는, 맞댐부(J8), 맞댐부(J8a) 및 맞댐부(J8b)를 끼우도록 배치되는 것으로, 각각 제1 단부면(C) 및 제2 단부면(D)에 나타나는 각 맞댐부를 덮을 수 있는 치수ㆍ형상을 구비하고 있다. 제1 탭재(33) 및 제2 탭재(34)는, 본 실시 형태에 있어서는 백킹대(25)의 제1 백킹재(25a)에 배치되어 있다. 제1 탭재(33) 및 제2 탭재(34)의 표면은, 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)과 대략 동등하게 형성되어 있다. 제1 탭재(33) 및 제2 탭재(34)의 재질에 특별히 제한은 없지만, 본 실시 형태에서는 피접합 금속 부재(N)와 동일한 조성의 금속 재료로 형성하고 있다.

외측 가접합 공정에서는, 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)에 나타나는 맞댐부(J8a) 및 맞댐부(J8b)를 따라 소형 회전 툴(F)을 사용하여 마찰 교반을 행한다. 외측 가접합 공정은, 본 실시 형태에 있어서는 도 14에 도시하는 바와 같이 제1 탭재(33)에 설정된 개시 위치(S_P2)로부터, 제1 탭재(33)에 설정된 종료 위치(E_P2)까지 일필휘지의 요령으로 소형 회전 툴(F)을 상대 이동시켜 마찰 교반을 행한다.

즉, 외측 가접합 공정은, 제1 탭재(33)와 피접합 금속 부재(N)의 맞댐부(J33)를 접합하는 제1 탭재 가접합 공정과, 평판(14)과 조인트 부재(U)의 맞댐부(J8a)를 접합하는 제1 외측 가접합 공정과, 제2 탭재(34)와 피접합 금속 부재(N)의 맞댐부(J34)를 접합하는 제2 탭재 가접합 공정과, 코너 부재(R4)와 조인트 부재(U)의 맞댐부(J8b)를 접합하는 제2 외측 가접합 공정을 포함하는 것이다.

제1 탭재 가접합 공정은, 제1 탭재(33)에 설정한 개시 위치(S_P2)에 소형 회전 툴(F)을 압박한 후, 소형 회전 툴(F)을 제1 탭재 가접합 공정의 시점(s33)에 상대 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 시점(s33)에 도달하면, 맞댐부(J33)를 따라, 제1 탭재 가접합 공정의 종점(e33)까지 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 종점(e33)에 도달하면, 소형 회전 툴(F)을 이탈시키지 않고, 일단 제1 탭재(33)에 들어가게 하여, 제1 외측 가접합 공정의 시점(s14)까지 이동시킨다.

또한, 소형 회전 툴(F)을 우회전시킨 경우에는, 소형 회전 툴(F)의 진행 방향의 좌측에 미세한 공동(空洞) 결함이 발생할 우려가 있으므로, 소형 회전 툴(F)의 진행 방향의 우측에 피접합 금속 부재(N)가 위치하도록 제1 탭재 가접합 공정의 시점(s33)과 종점(e33)의 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 피접합 금속 부재(N)측에 공동 결함이 발생하기 어려워지므로, 고품질의 접합체를 얻는 것이 가능해진다.

덧붙여 말하면, 소형 회전 툴(F)을 좌회전시킨 경우에는, 소형 회전 툴(F)의 진행 방향의 우측에 미세한 공동 결함이 발생할 우려가 있으므로, 소형 회전 툴(F)의 진행 방향의 좌측에 피접합 금속 부재(N)가 위치하도록 제1 탭재 가접합 공정의 시점과 종점의 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도시는 생략하지만, 소형 회전 툴(F)을 우회전시킨 경우의 종점(e33)의 위치에 시점을 설치하고, 소형 회전 툴(F)을 우회전시킨 경우의 시점(s33)의 위치에 종점을 설치하면 좋다.

소형 회전 툴(F)이 제1 외측 가접합 공정의 시점(s14)에 도달하면, 그대로 제1 외측 가접합 공정으로 이행하여, 맞댐부(J8a)를 따라 소형 회전 툴(F)을 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 제1 외측 가접합 공정의 종점(e14)에 도달하면, 일단 제2 탭재(34)에 들어가게 하여, 제2 탭재 가접합 공정의 시점(s34)까지 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 시점(s34)에 도달하면, 맞댐부(J34)를 따라 제2 탭재 가접합 공정의 종점(e34)까지 소형 회전 툴(F)을 이동시킨다.

소형 회전 툴(F)이 종점(e34)에 도달하면, 소형 회전 툴(F)을 이탈시키지 않고, 제2 외측 가접합 공정의 시점(sR4)까지 이동시킨다. 소형 회전 툴(F)이 sR4에 도달하면, 맞댐부(J8b)를 따라 소형 회전 툴(F)을 이동시켜, 그대로 제2 외측 가접합 공정으로 이행한다. 소형 회전 툴(F)이 제2 외측 가접합 공정의 종점(eR4)에 도달하면, 그대로 제1 탭재(33)에 돌입시켜, 종료 위치(E_P2)에서 소형 회전 툴(F)을 이탈시킨다. 또한, 종료 위치(E_P2)는, 후기하는 외측 본접합 공정의 개시 위치(S_M2)이기도 하다.

외측 가접합 공정이 종료되면, 종료 위치(E_P2)에 형성된 펀치 구멍(도시 생략)을 이용하여 예비 구멍을 형성한다. 예비 구멍 형성 공정은, 상기한 것과 대략 동등하므로 설명을 생략한다.

(9) 외측 본접합 공정

외측 본접합 공정은, 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)에 나타나는 맞댐부(J8a 및 J8b)를 본격적으로 접합하는 공정이다. 본 실시 형태에 관한 외측 본접합 공정은, 대형 회전 툴(G)을 사용하여, 가접합된 상태의 맞댐부(J8a) 및 맞댐부(J8b)에 대해 피접합 금속 부재(N)의 외면(A)측으로부터 마찰 교반을 행한다.

외측 본접합 공정에서는, 도 15의 (a)에 도시하는 바와 같이, 개시 위치(S_M2)에 대형 회전 툴(G)의 교반 핀(G2)을 삽입하고, 삽입한 교반 핀(G2)을 도중에서 이탈시키는 일 없이 종료 위치(E_M2)까지 이동시킨다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 탭재(33)에 마찰 교반의 개시 위치(S_M2) 및 종료 위치(E_M2)를 설치하고 있지만, 개시 위치(S_M2)와 종료 위치(E_M2)의 위치를 한정하는 취지는 아니다.

도 15의 (a) 및 (b)를 참조하여 외측 본접합 공정을 보다 상세하게 설명한다.

우선, 도 15의 (a)에 도시하는 바와 같이, 예비 구멍[개시 위치(S_M2)]의 바로 위에 대형 회전 툴(G)을 위치시키고, 계속해서 대형 회전 툴(G)을 우회전시키면서 하강시켜 교반 핀(G2)의 선단부를 예비 구멍에 삽입한다. 교반 핀(G2) 전체가 제1 탭재(33)에 들어가고, 또한 숄더부(G1)의 하단부면(G11)의 전체면이 제1 탭재(33)의 표면에 접촉하면, 마찰 교반을 행하면서 맞댐부(J8b)의 일단부를 향해 대형 회전 툴(G)을 상대 이동시켜, 맞댐부(J8b)에 돌입시킨다. 대형 회전 툴(G)을 이동시키면, 그 교반 핀(G2)의 주위에 있는 금속이 순차 소성 유동화되는 동시에, 교반 핀(G2)으로부터 이격된 위치에서는, 소성 유동화되어 있었던 금속이 다시 경화되어 소성화 영역[이하,「외측 소성화 영역(W8')」이라 함]이 형성된다.

그리고 형성된 외측 소성화 영역(W8')이 맞댐부(J34) 및 맞댐부(J33)에 접촉하지 않도록 대형 회전 툴(G)을 왕복(본 실시 형태에서는, 2 왕복)시켜 맞댐부(J8b) 및 맞댐부(J8a)를 따라 연속적으로 마찰 교반을 행한다. 마지막으로, 맞댐부(J33)를 통과시켜 제1 탭재(33)에 설정된 종료 위치(E_M2)에서 대형 회전 툴(G)을 이탈시킨다.

도 15의 (b)에 도시하는 바와 같이, 외측 소성화 영역(W8')의 선단부측은, 홈부(K)의 저면에 접촉하도록 마찰 교반하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 맞댐부(J8a) 및 맞댐부(J8b)의 깊이 방향의 전체 길이에 걸쳐 마찰 교반을 행할 수 있다. 또한, 대형 회전 툴(G)을 어긋나게 하면서 왕복시킴으로써, 조인트 부재(U)의 하면과 홈부(K) 저면의 계면을 전체면에 걸쳐 마찰 교반할 수 있으므로, 수밀성 및 기밀성을 보다 높일 수 있다.

또한, 외측 소성화 영역(W8')이 맞댐부(J34) 및 맞댐부(J33)에 접촉하지 않도록 대형 회전 툴(G)을 왕복시킴으로써, 맞댐부(J34) 및 맞댐부(J33)의 산화 피막의 발생을 방지할 수 있다.

이상 설명한 본 실시 형태의 접합 방법에 따르면, 도 11에 도시하는 바와 같이, 평판(14)과 코너 부재(R4)의 맞댐부(J8)에 대해 피접합 금속 부재(N)[구조체(1)]의 외측으로부터 마찰 교반을 행한 후, 내측으로부터는 용접을 행하므로, 가령 내면(B)에 나타나는 맞댐부(J8)에 절결부[도 35의 (b), (c) 참조]가 형성되었다고 해도 용접 금속(T1)으로 밀폐할 수 있으므로, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있는 동시에, 접합 부분의 접합 강도를 높일 수 있다. 또한, 용접에 따르면, 본 실시 형태와 같이 예를 들어 사방이 벽 부재로 둘러싸인 구조체(1)라도, 기계의 접속 등의 제한을 받는 일 없이 내측으로부터 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 홈부 소성화 영역(W8)과 용접 금속(T1)이 접촉함으로써, 맞댐부(J8)의 깊이 방향의 전체 길이에 걸쳐 밀폐할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정 및 외측 본접합 공정의 각 공정을 행하기 전에, 가접합 공정을 행함으로써, 맞댐부를 본접합할 때의 벌어짐을 방지할 수 있다.

이상 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 적절하게 변경이 가능하다. 다른 실시 형태의 설명에 있어서는, 제1 실시 형태와 중복되는 설명은 생략한다.

예를 들어, 제1 실시 형태에 있어서는, 조인트 부재(U)를 사용하여 접합을 행하였지만, 피접합 금속 부재(N)의 벽 부재의 두께가 큰 경우는, 복수개의 조인트 부재(U) 및 홈부(K)에 의해 접합을 행해도 좋다. 한편, 피접합 금속 부재(N)의 두께가 작은 경우는, 조인트 부재(U)를 사용하지 않고, 피접합 금속 부재(N)의 외측으로부터 마찰 교반을 행한 후, 내측으로부터 용접을 행하면 좋다.

[제2 실시 형태]

또한, 예를 들어, 도 16에 도시하는 바와 같이, 상기한 용접 공정을 행할 때에, 홈부 소성화 영역(W8)의 선단부측[피접합 금속 부재(N)의 내면(B)]에 있어서, 맞댐부(J8)를 따라 오목부(M1)를 형성하는 오목부 형성 공정과, 오목부(M1)에 용접 금속(T2)을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함해도 좋다. 이러한 접합 방법에 따르면, 용접을 행할 때의 작업성을 높일 수 있다. 또한, 용접 금속(T2) 중, 피접합 금속 부재(N)의 내면(B)으로부터 돌출되는 부분(T2')을 절제함으로써, 내면(B)을 평활하게 형성할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 오목부(M1)는 단면으로 볼 때 직사각형으로 형성하였지만, 다른 형상이라도 좋다.

[제3 실시 형태]

제3 실시 형태에 관한 접합 방법은, 도 17에 도시하는 바와 같이, 한쪽 제1 금속 부재(1a)의 측면과 다른 쪽 제2 금속 부재(1b)의 단부면을 맞대어 맞댐부(J10)가 형성되어 있는 점에서, 제1 실시 형태와 다르다. 즉, 제1 실시 형태에서는, 코너 부재(R1 내지 R4)를 사용하여, 각 부재의 측단부면끼리를 접촉시켜 구조체를 형성하였지만, 본 실시 형태와 같이 한쪽 금속 부재의 측면과 다른 쪽 금속 부재의 측단부면을 맞대어 구조물을 형성해도 좋다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 한 쌍의 제1 금속 부재(1a)와, 한 쌍의 제2 금속 부재(1b)를 맞대어 단면으로 볼 때 직사각형인 통 형상의 구조체(50)를 형성하는 것으로 한다.

본 실시 형태에 관한 접합 방법은, 제1 금속 부재(1a)의 측면과 제2 금속 부재(1b)의 측단부면을 맞대어 형성된 맞댐부(J10)에 대해 구조체(50)[피접합 금속 부재(N1)]의 외면(A)측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정과, 구조체(50)의 내면(B)측으로부터 용접을 행하는 용접 공정을 포함하는 것이다.

본 실시 형태에 관한 용접 공정은, 제1 금속 부재(1a) 및 제2 금속 부재(1b)로부터 형성된 피접합 금속 부재(N1)의 외면(A)으로부터 마찰 교반을 행한 후, 내측 코너부(I)[제1 금속 부재(1a)와 제2 금속 부재(1b)의 내측의 코너 부분]에 대해 용접을 행한다. 즉, 용접에 의해 피접합 금속 부재(N)의 내면에 나타나는 맞댐부(J10)의 전체 길이에 걸쳐 용접 금속(T3)을 형성한다. 이에 의해, 가령 마찰 교반 공정에 있어서 내측 코너부(I)에 절결부[도 35의 (c) 참조]가 형성되어 있었다고 해도, 용접에 의해 당해 절결부를 밀폐할 수 있으므로, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있는 동시에, 접합 부분의 강도를 높일 수 있다. 또한, 도 35의 (c)에 도시하는 바와 같이, 한쪽 금속이 접합시의 수축에 의해 휘어 버렸다고 해도, 용접에 의해 당해 휨을 시정할 수 있다. 또한, 내측 코너부(I)에 대해 마찰 교반을 행하는 것은 곤란하지만, 용접에 의하면 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에 의해 형성된 소성화 영역(W10)과, 용접 공정에 의해 형성된 용접 금속(T3)을 접촉시켜, 보다 수밀성 및 기밀성을 높이도록 형성해도 좋다.

[제4 실시 형태]

제4 실시 형태에 관한 접합 방법은, 도 18 및 도 19에 도시하는 바와 같이, 원통 형상을 나타내는 통 형상 부재(10a)와, 통 형상 부재(10a)의 단부를 덮는 덮개 부재(10b)로 이루어지는 점에서 제1 실시 형태와 다르다. 본 실시 형태에 관한 접합 방법은, 맞댐부(J11)에 대해 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정과, 내측 코너부(I')에 대해 용접을 행하는 용접 공정을 포함하는 것이다.

본 실시 형태에 관한 구조체(60)는, 통 형상 부재(10a)의 단부와 덮개 부재(10b)의 한쪽 면을 맞대어 형성된 맞댐부(J11)를 구비하고 있다. 마찰 교반 공정에 있어서는, 도 19의 (a)에 도시하는 바와 같이, 맞댐부(J11)를 따라 대형 회전 툴(G)에 의해 우회전시키면서, 덮개 부재(10b)의 정면측으로부터 볼 때 반시계 방향으로 이동시켜 마찰 교반을 행한다.

마찰 교반 공정을 행한 후, 도 19의 (b)에 도시하는 바와 같이, 구조체(60) 내부의 내측 코너부(I')에 대해 용접을 행한다. 내측 코너부(I')에 대해 용접 금속(T3)을 형성함으로써, 접합부의 강도를 높이는 동시에, 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 용접 공정에 의하면, 본 실시 형태에 관한 원통 형상의 구조체(60)라도 장치의 접속 등의 문제가 해소되므로 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다.

또한, 대형 회전 툴(G)은, 덮개 부재(10b)의 정면측으로부터 볼 때 반시계 방향으로 이동하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 덮개 부재(10b)측에 결함이 발생할 가능성이 높으므로, 통 형상 부재(10a)의 기밀성 및 수밀성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 통 형상 부재(10a)와 덮개 부재(10b)를 접합하고 있지만, 한 쌍의 통 형상 부재(10a)의 측단부면끼리를 맞대어 접합해도 좋다.

[제5 실시 형태]

이하에 나타내는 제5 실시 형태 내지 제9 실시 형태에 관한 접합 방법은, 구조체의 내측으로부터 용접 공정을 행한 후에, 외측으로부터 마찰 교반 공정을 행하는 점에서 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 관한 접합 방법과 다르다. 제5 실시 형태에 관한 접합 방법은, 도 1에 도시하는 구조체(1)를 제조하는 공정을 예로 설명한다.

본 실시 형태에 관한 접합 방법은, (1) 중간 부재 접합 공정, (2) 맞댐 공정, (3) 용접 공정, (4) 홈부 형성 공정, (5) 마찰 교반 공정, (6) 조인트 부재 삽입 공정, (7) 외측 가접합 공정, (8) 외측 본접합 공정을 주로 포함하는 것이다.

(1) 중간 부재 접합 공정

중간 부재 접합 공정은, 구조체(1)의 중간체인 중간 부재(20)[도 3의 (b) 참조]를 형성하는 공정이다. 중간 부재 접합 공정은, 제1 실시 형태와 동등하므로, 설명을 생략한다.

(2) 맞댐 공정

맞댐 공정에서는, 도 20에 도시하는 바와 같이, 중간 부재(20)의 상하를 거꾸로 한 후, 중간 부재(20)의 개구부(21)[도 3의 (b) 참조]에 평판(14)을 삽입한다. 평판(14)의 폭은, 개구부(21)의 폭과 대략 동등하게 형성되어 있다. 즉, 개구부(21)에 평판(14)을 삽입하면, 개구부(21)에 나타나는 한 쌍의 측단부면(R3b, R4a)과 평판(14)의 측단부면(14a, 14b)이 각각 맞대어진다. 도 20에 도시하는 바와 같이, 평판(14)의 다른 쪽 측단부면(14a)과 코너 부재(R3)의 한쪽 측단부면(R3b)의 맞댐면에는 맞댐부(J7)가 형성되어 있다. 한편, 평판(14)의 한쪽 측단부면(14b)과 코너 부재(R4)의 다른 쪽 측단부면(R4a)의 맞댐면에는 맞댐부(J8)가 형성되어 있다.

또한, 이하에 기재하는 (3) 용접 공정, (4) 홈부 형성 공정, (5) 마찰 교반 공정, (6) 조인트 부재 삽입 공정, (7) 외측 가접합 공정, (8) 외측 본접합 공정은, 맞댐부(J7) 및 맞댐부(J8)에 대해 행하는 공정이지만, 작업 내용은 양 맞댐부 모두 대략 동등하므로, 맞댐부(J8)를 예로 하여 설명한다.

또한, 도 21에 도시하는 바와 같이, 평판(14)과 코너 부재(R4)가 맞대어져 형성된 금속 부재를, 피접합 금속 부재(N2)라고도 한다. 또한, 피접합 금속 부재(N2)의 외측면을 외면(A), 내측면을 내면(B), 한쪽 단부면을 제1 단부면(C), 다른 쪽 단부면을 제2 단부면(D)(도 25 참조)이라고도 한다.

(3) 용접 공정

용접 공정은, 피접합 금속 부재(N2)의 내면(B)측으로부터 맞댐부(J8)를 따라 용접을 행하는 공정이다. 용접 공정에서는, 도 21에 도시하는 바와 같이, TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 덧살 용접을 행하여, 맞댐부(J8)를 따라 용접 금속(T1)을 형성한다. 덧살 용접은, 피접합 금속 부재(N2)의 내면(B)으로부터 용접 금속(T1)이 돌출될 정도로 행한다. 용접 공정을 행함으로써, 후기하는 본접합 공정(마찰 교반 공정)을 행할 때에, 맞댐부(J8)의 내면(B)측에 절결부(Kissing Bond)가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 용접 금속(T1) 중, 내면(B)으로부터 돌출되는 부분은, 절삭하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 내면(B)을 평활하게 형성할 수 있다.

(4) 홈부 형성 공정

홈부 형성 공정에서는, 도 22 및 도 23에 도시하는 바와 같이, 맞댐부(J8)의 외면(A)측에, 맞댐부(J8)의 길이 방향을 따라 홈부(K)를 형성한다. 여기서, 홈부 형성 공정, 후기하는 마찰 교반 공정, 조인트 부재 삽입 공정, 외측 가접합 공정 및 외측 본접합 공정에서는, 중간 부재(20)의 내측에 백킹대(25)를 배치하는 것이 바람직하다. 홈부 형성 공정은, 제1 실시 형태와 대략 동등하므로, 설명을 생략한다.

(5) 마찰 교반 공정

마찰 교반 공정에서는, 도 23의 (b)에 도시하는 바와 같이, 홈부(K)의 저면에 나타나는 맞댐부(J8)를 따라 대형 회전 툴(G)을 사용하여 마찰 교반을 행한다. 마찰 교반 공정은, 본 실시 형태에서는 한 쌍의 탭재를 배치하는 탭재 배치 공정(도 24 및 도 25 참조)과, 맞댐부(J8)에 대해 가접합을 행하는 가접합 공정(도 25 참조)과, 본접합 공정의 삽입 예정 위치에 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정과, 맞댐부(J8)에 대해 본접합을 행하는 본접합 공정(도 26 참조)을 포함한다. 탭재 배치 공정, 가접합 공정 및 본접합 공정은, 제1 실시 형태와 대략 동등하므로, 상세한 설명을 생략한다.

도 27에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 본접합 공정에서는, 내면(B)에 형성된 용접 금속(T1)과 외면(A)에 형성된 홈부 소성화 영역(W8)이 접촉하도록, 마찰 교반의 깊이를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 맞댐부(J8)의 깊이 방향의 전체 길이에 걸쳐 밀폐할 수 있으므로, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 본접합 공정이 종료되면, 홈부(K)의 저면에 발생한 버어 등을 절삭하여 저면을 평활하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 본접합 공정이 종료되면, 한 쌍의 탭재를 절삭 제거한다.

또한, (6) 조인트 부재 삽입 공정, (7) 외측 가접합 공정 및 (8) 외측 본접합 공정은, 제1 실시 형태와 대략 동등하므로, 설명을 생략한다.

이상 설명한 본 실시 형태의 접합 방법에 따르면, 피접합 금속 부재(N2)[구조체(1)]의 외면(A)측으로부터 행하는 마찰 교반 공정(본접합 공정)에 앞서, 내면(B)측으로부터 용접 공정을 행함으로써, 내면(B)을 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있다. 이에 의해, 피접합 금속 부재(N2)의 내면(B)측, 즉, 마찰 교반을 행하는 면의 이면측에 절결부(Kissing Bond)가 발생하는 것을 방지할 수 있으므로, 접합 부분의 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다.

또한, 구조체(1)의 내면(B)측으로부터 용접을 행함으로써, 마찰 교반을 행하는 경우에 비해 장치의 접속 등의 제한이 해소되므로, 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에서는, 한 쌍의 금속 부재끼리를 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있으므로, 작업성을 높일 수 있다.

또한, 도 27에 도시하는 바와 같이, 용접 금속(T1)과 홈부 소성화 영역(W8)을 접촉시킴으로써, 맞댐부(J8)의 깊이 방향을 밀폐할 수 있다.

[제6 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제6 실시 형태에 대해 설명한다. 제5 실시 형태에 관한 용접 공정에 있어서는, 맞댐부(J8)에 직접 용접을 행하였지만, 제6 실시 형태에 관한 용접 공정과 같이, 맞댐부(J8)를 따라 미리 오목부(M1)를 형성해도 좋다. 또한, 제6 실시 형태에 관한 접합 방법은, 용접 공정을 제외하고는 제5 실시 형태와 동일하므로, 다른 공정의 설명을 생략한다.

제6 실시 형태에 관한 용접 공정은, 도 28의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이, 평판(14) 및 코너 부재(R4)로 이루어지는 피접합 금속 부재(N2)의 내면(B)에 나타나는 맞댐부(J8)를 따라 오목부(M1)를 형성하는 오목부 형성 공정과, 오목부(M1)에 대해 용접 금속(T2)을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함한다.

오목부 형성 공정에서는, 도 28의 (a)에 도시하는 바와 같이, 공지의 엔드밀을 사용하여 내면(B)으로부터 맞댐부(J8)의 길이 방향을 따라 소정의 폭, 깊이로 오목부(M1)를 형성한다. 본 실시 형태에서는, 오목부(M1)를 단면으로 볼 때 직사각형으로 형성하였지만, 다른 형상이라도 좋다. 오목부(M1)의 깊이는, 이후에 행하는 마찰 교반 공정에 있어서의 소성화 영역의 깊이에 따라서 적절하게 설정하면 된다.

용접 금속 충전 공정에서는, 도 28의 (b)에 도시하는 바와 같이, 오목부(M1)에 대해 용접 금속(T2)을 충전한다. 용접 금속 충전 공정에서는, 오목부(M1)에 대해 MIG 용접 또는 TIG 용접 등의 덧살 용접을 행하여, 내면(B)으로부터 용접 금속(T2)을 돌출시킨다. 내면(B)으로부터 돌출된 용접 금속(T2)의 부분에 대해서는, 내면(B)을 따라 절삭함으로써, 내면(B)을 평활하게 형성할 수 있다.

이와 같이, 용접 공정에 있어서, 오목부 형성 공정 및 용접 금속 충전 공정을 행함으로써, 용접 공정의 작업성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 코너 부재(R4)와 평판(14)을 맞댄 후에 오목부(M1)를 하였지만 이것에 한정되는 것은 아니며, 미리 코너 부재(R4) 및 평판(14)의 코너부를 절결하여 절결부를 형성한 후에, 이들 절결부를 맞대어 오목부(M1)를 형성해도 좋다.

[제7 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제7 실시 형태에 대해 설명한다. 제7 실시 형태에서는, 도 29에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 평판 형상의 금속 부재인 제1 금속 부재(111a)의 단부와, 제2 금속 부재(111b)의 단부를 수직으로 맞대어 접합하는 점에서, 제6 실시 형태와 다르다. 제7 실시 형태에 관한 접합 방법에서는, (1) 맞댐 공정, (2) 용접 공정, (3) 마찰 교반 공정을 포함한다.

(1) 맞댐 공정

맞댐 공정에서는, 도 29의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(111a)의 단부와, 제2 금속 부재(111b)의 단부를 직각으로 맞댄다. 제1 금속 부재(111a) 및 제2 금속 부재(111b)는 평판 형상을 나타내고, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료로 이루어진다. 제1 금속 부재(111a)의 단부에는, 제1 금속 부재(111a)의 판 폭의 대략 절반의 폭으로 단면으로 볼 때 직사각형으로 절결된 오목 홈부(141)와, 제1 금속 부재(111a)의 판 폭의 대략 절반의 폭으로 단면으로 볼 때 직사각형을 나타내도록 돌출되는 돌출부(142)가 형성되어 있다. 마찬가지로, 제2 금속 부재(111b)의 단부에는, 제2 금속 부재(111b)의 판 폭의 대략 절반의 폭으로 단면으로 볼 때 직사각형으로 절결된 오목 홈부(143)와, 제2 금속 부재(111b)의 판 폭의 대략 절반의 폭으로 단면으로 볼 때 직사각형을 나타내도록 돌출되는 돌출부(144)가 형성되어 있다.

맞댐 공정에서는, 제1 금속 부재(111a)의 오목 홈부(141)에 제2 금속 부재(111b)의 돌출부(144)를 접촉시켜, 제1 금속 부재(111a)와 제2 금속 부재(111b)를 대략 수직으로 맞댄다. 이에 의해, 제1 금속 부재(111a)와 제2 금속 부재(111b)의 맞댐면에는 맞댐부(J110)가 형성된다. 도 29의 (b)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(111a)와 제2 금속 부재(111b)를 맞대어 형성된 피접합 금속 부재(N3)의 제1 단부면(C)에는, 정면에서 볼 때 대략 크랭크 형상으로 형성된 맞댐부(J110)가 나타난다.

(2) 용접 공정

용접 공정에서는, 도 29의 (b)에 도시하는 바와 같이, 피접합 금속 부재(N3)의 내측 코너부(I)에 나타나는 맞댐부(J110)에 대해 용접을 행한다. 여기서, 내측 코너부(I)라 함은, 제1 금속 부재(111a)와 제2 금속 부재(111b)로 형성된 내측의 코너 부분을 말한다. 즉, 용접 공정에서는, 피접합 금속 부재(N3)의 내면(B)[피접합 금속 부재(N3)의 내측]으로부터, 맞댐부(J110)의 길이 방향을 따라 TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 덧살 용접을 행한다. 또한, 용접 공정에 의해 형성된 용접 금속(T3)에 있어서, 피접합 금속 부재(N3)의 내면(B)으로부터 돌출된 부분에 대해서는, 절삭하여 평활하게 형성하는 것이 바람직하다.

(3) 마찰 교반 공정

본 실시 형태에 관한 마찰 교반 공정은, 피접합 금속 부재(N3)에 탭재(146)를 설치하는 탭재 설치 공정과, 맞댐부(J10)에 대해 외면(A)측으로부터 마찰 교반을 행하는 본접합 공정을 포함한다. 탭재 설치 공정에서는, 도 30의 (a)에 도시하는 바와 같이, 피접합 금속 부재(N3)의 제1 단부면(C) 및 제2 단부면(도시 생략)에 한 쌍의 탭재(146)를 설치한다. 탭재(146)는, 피접합 금속 부재(N3)와 동일한 조성으로 이루어지는 판상 부재이며, 제2 금속 부재(111b)의 판 두께와 대략 동등한 두께로 형성되어 있다. 탭재(146)는, 피접합 금속 부재(N3)의 외면(A)과 탭재(146)의 상면이 동일 높이의 면이 되도록 배치되어 있고, 용접에 의해 피접합 금속 부재(N3)에 접합되어 있다.

본접합 공정에서는, 대형 회전 툴(G)을 사용하여, 피접합 금속 부재(N3)의 외면(A)측으로부터 맞댐부(J110)를 따라 마찰 교반을 행한다. 본 실시 형태에서는, 탭재(146) 상에 있어서, 맞댐부(J110)의 연장선 상에 개시 위치(S_M3)를 설정하고, 도시하지 않은 다른 쪽 탭재에 종료 위치를 설정한다. 그리고 대형 회전 툴(G)을 사용하여 맞댐부(J110)를 따라 마찰 교반을 행한다. 도 30의 (b)에 도시하는 바와 같이, 본접합 공정에 의해 맞댐부(J110)에 소성화 영역(W110)이 형성된다.

또한, 회전 툴은, 우회전시킨 경우는 진행 방향 좌측에, 좌회전시킨 경우는 진행 방향 우측에 공동 결함이 형성될 가능성이 있다. 따라서, 예를 들어 도 30의 (a)에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 대형 회전 툴(G)을 좌회전시켜 탭재(146)의 개시 위치(S_M3)로부터 맞댐부(J110)를 따라 이동시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 가령 공동 결함이 형성되었다고 해도, 피접합 금속 부재(N3)의 내측으로부터 먼 위치에 형성할 수 있다.

본 실시 형태에 관한 접합 방법에 따르면, 한 쌍의 금속 부재를 수직으로 맞대어 접합하는 경우라도, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 즉, 피접합 금속 부재(N3)의 외면(A)측으로부터 행하는 마찰 교반 공정에 앞서, 내면(B)측으로부터 용접 공정을 행함으로써, 내면(B)을 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있다. 이에 의해, 피접합 금속 부재(N3)의 내면(B)측, 즉, 마찰 교반을 행하는 면의 이면측에 절결부(Kissing Bond)가 발생하는 것을 방지할 수 있으므로, 접합 부분의 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 또한, 피접합 금속 부재(N3)의 내면(B)으로부터 용접을 행함으로써, 내측 코너부(I)와 같은 마찰 교반이 곤란한 개소에서도 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에서는, 한 쌍의 금속 부재끼리를 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있으므로, 작업성을 높일 수 있다. 또한, 피접합 금속 부재(N3)의 내면(B)측으로부터 용접을 행함으로써, 소성화 영역(W110)의 열수축에 의해 제2 금속 부재(111b)가 외면(A)측으로 휘어 버리는 것을 방지할 수 있다.

[제8 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제8 실시 형태에 대해 설명한다. 제8 실시 형태에 관한 접합 방법은, 제7 실시 형태의 변형예이며, 내측 코너부(I)에 오목부를 구비하는 점에서 제7 실시 형태와 다르다. 제8 실시 형태에 관한 접합 방법은, (1) 맞댐 공정, (2) 용접 공정, (3) 마찰 교반 공정을 포함한다.

(1) 맞댐 공정

맞댐 공정에서는, 도 31의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(151a)의 단부와, 제2 금속 부재(151b)의 단부를 직각으로 맞댄다. 제1 금속 부재(151a) 및 제2 금속 부재(151b)는 판상을 나타내고, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티탄, 티탄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 등 마찰 교반 가능한 금속 재료로 이루어진다. 제1 금속 부재(151a)는, 본체부(152)와, 본체부(152)보다도 얇게 형성된 제1 단차부(153)와, 제1 단차부(153)보다도 얇게 형성된 제2 단차부(154)를 갖는다. 제2 단차부(154)의 길이(p)는, 제2 금속 부재(151b)의 판 두께와 대략 동등하게 형성되어 있다. 제1 단차부(153)의 길이(q)는, 제2 단차부(154)의 길이보다도 작게 형성되어 있다.

맞댐 공정에서는, 도 31의 (b)에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(151a)의 제2 단차부(154)에, 제2 금속 부재(151b)의 단부면(155)을 접촉시킨다. 그러면, 제1 금속 부재(151a)의 본체부(152), 제1 단차부(153) 및 제2 금속 부재(151b)에 의해 단면으로 볼 때 직사각형의 오목부(M2)가 형성된다. 즉, 제1 금속 부재(151a)와 제2 금속 부재(151b)로 이루어지는 피접합 금속 부재(N4)의 내측 코너부(I)에 나타나는 맞댐부(J111)를 따라 오목부(M2)가 형성된다.

(2) 용접 공정

용접 공정에서는, 도 31의 (c)에 도시하는 바와 같이, 피접합 금속 부재(N4)의 맞댐부(J111)를 따라 형성된 오목부(M2)에 대해 TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 덧살 용접을 행한다. 또한, 용접 공정에 의해, 형성된 용접 금속(T4)에 있어서, 피접합 금속 부재(N4)의 내면(B)으로부터 돌출된 부분에 대해서는, 절삭하여 평활하게 형성하는 것이 바람직하다.

(3) 마찰 교반 공정

마찰 교반 공정에서는, 맞댐부(J111)의 외면(A)측으로부터 대형 회전 툴(G)을 사용하여 마찰 교반을 행한다. 마찰 교반 공정에 대해서는, 제7 실시 형태와 대략 동등하므로, 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에 관한 접합 방법에 따르면, 제7 실시 형태와 동등한 효과를 얻을 수 있는 동시에, 제1 금속 부재(151a)와 제2 금속 부재(151b)를 수직으로 맞대는 경우라도, 오목부(M2)를 형성함으로써 용접 작업을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 구체적인 설명은 생략하지만, 도 32에 도시하는 바와 같이, 제8 실시 형태에 관한 접합 방법을 이용하여, 제1 금속 부재(151a), 제2 금속 부재(151b), 제1 금속 부재(151a)와 동등한 부재인 제3 금속 부재(151c) 및 제2 금속 부재(151b)와 동등한 부재인 제4 금속 부재(151d)로 이루어지는 단면으로 볼 때 직사각형인 통 형상의 구조체(150)를 형성할 수 있다. 이러한 구조체(150)를, 예를 들어 진공 용기로서 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라서, 마찰 교반 공정에 의해 형성된 소성화 영역(W111)과 용접 공정에 의해 형성된 용접 금속(T4)을 중복시켜, 보다 기밀성 및 수밀성을 높여도 좋다.

[제9 실시 형태]

다음에, 본 발명의 제9 실시 형태에 대해 설명한다. 제9 실시 형태에 관한 접합 방법에서는, 도 33 및 도 34에 도시하는 바와 같이, 원통 형상을 나타내는 통 형상 부재(161a)와, 통 형상 부재(161a)의 단부를 덮는 덮개 부재(161b)를 접합한다. 제9 실시 형태는, 제4 실시 형태의 변형예이다. 본 실시 형태에 관한 접합 방법은, (1) 맞댐 공정, (2) 용접 공정, (3) 마찰 교반 공정을 포함한다.

맞댐 공정에서는, 도 33에 도시하는 바와 같이, 통 형상 부재(161a)의 단부면과 덮개 부재(161b)를 맞댄다. 통 형상 부재(161a)는, 원통을 나타내는 금속 부재이다. 통 형상 부재(161a)의 단부는, 판 두께의 절반의 폭으로 단면으로 볼 때 직사각형으로 절결된 오목 홈부(162)와, 판 두께의 절반의 폭으로 단면으로 볼 때 직사각형을 나타내도록 돌출되는 돌출부(163)를 갖는다.

덮개 부재(161b)는 통 형상 부재(161a)의 개구부를 간극 없이 덮는 부재이며, 원판 형상의 본체부(164)와, 본체부(164)의 일단부측으로 돌출되어 단면으로 볼 때 원형을 나타내는 돌기부(165)를 갖는다. 돌기부(165)는, 본체부(164)와 동심으로 형성되어 있고, 본체부(164)의 직경보다도 작게 형성되어 있다.

도 34에 도시하는 바와 같이, 통 형상 부재(161a)와 덮개 부재(161b)를 맞대어, 통 형상 부재(161a)의 오목 홈부(162)와, 덮개 부재(161b)의 돌기부(165)를 접촉시킨다. 통 형상 부재(161a)와 덮개 부재(161b)가 맞대어져 맞댐부(J112)가 형성된다. 통 형상 부재(161a)와 덮개 부재(161b)로 이루어지는 부재를 피접합 금속 부재(N5)로 한다.

(2) 용접 공정

용접 공정에서는, 도 34의 (a)에 도시하는 바와 같이, 피접합 금속 부재(N5)의 내측 코너부(I')에 형성된 맞댐부(J112)를 따라 용접을 행한다. 본 실시 형태에서는, 피접합 금속 부재(N5)의 내면(B)에 평면에서 볼 때 원형으로 용접 금속(T5)이 형성되도록, TIG 용접 또는 MIG 용접 등의 덧살 용접을 행한다.

(3) 마찰 교반 공정

마찰 교반 공정에서는, 도 34의 (b)에 도시하는 바와 같이, 대형 회전 툴(G)을 사용하여 피접합 금속 부재(N5)의 외면(A)측으로부터 맞댐부(J112)를 따라 마찰 교반을 행한다. 마찰 교반 공정에 있어서는, 맞댐부(J112)를 따라 대형 회전 툴(G)을 우회전시키면서, 덮개 부재(161b)의 정면측으로부터 볼 때 반시계 방향으로 이동시켜 마찰 교반을 행한다. 이와 같이, 대형 회전 툴(G)을 우회전시켜 진행 방향 좌측에 덮개 부재(161b)가 배치되도록 설정함으로써, 덮개 부재(161b)측에 공동 결함이 형성될 가능성이 높다. 이에 의해, 공동 결함을 피접합 금속 부재(N5)의 중공부로부터 이격된 위치에서 형성할 수 있다.

제9 실시 형태에 관한 접합 방법에 따르면, 통 형상 부재(161a)와, 통 형상 부재(161a)의 일단부측을 덮는 덮개 부재(161b)를 접합하는 경우라도, 수밀성 및 기밀성을 높일 수 있다. 즉, 피접합 금속 부재(N5)의 외면(A)으로부터 행하는 마찰 교반 공정에 앞서, 피접합 금속 부재(N5)의 내면(B)측으로부터 용접 공정을 행함으로써, 내면(B)을 가부착한 상태로 마찰 교반을 행할 수 있다. 또한, 피접합 금속 부재(N5)의 내면(B)으로부터 용접을 행함으로써, 내측 코너부(I')와 같은 마찰 교반이 곤란한 개소에서도 장치의 접속 등의 문제가 해소되므로 비교적 용이하게 접합 작업을 행할 수 있다. 또한, 마찰 교반 공정에 앞서 용접 공정을 행하여, 금속 부재끼리를 가부착할 수 있으므로, 마찰 교반 공정의 작업을 용이하게 행할 수 있다.

이상 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위에 있어서 적절하게 변경이 가능하다. 예를 들어, 용접 공정에서는, TIG 용접 또는 MIG 용접에 한정되는 것은 아니며, 다른 공지의 용접 방법을 채용해도 좋다.

1 : 구조체
11 내지 14 : 평판
31 : 탭재
32 : 탭재
F : 소형 회전 툴
G : 대형 회전 툴
H1 내지 H4 : 벽 부재
J : 맞댐부
M1 : 오목부
P1 : 예비 구멍
R1 내지 R4 : 코너 부재
T : 용접 금속
W : 소성화 영역

Claims

한쪽 금속 부재의 측면과 다른 쪽 금속 부재의 측단부면을 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며,
상기 맞댐부에 대해 상기 금속 부재끼리의 외면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 행하여 상기 외면측에 소성화 영역을 형성한 후,
상기 맞댐부에 대해 상기 금속 부재끼리의 내측 코너부로부터 TIG 용접 또는 MIG 용접에 의한 덧살 용접을 행하여, 상기 맞댐부를 따라 용접 금속을 형성하는 용접 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
복수의 금속 부재를 맞대어 형성된 통 형상의 구조체에 있어서,
한쪽의 상기 금속 부재의 측면과 다른 쪽의 상기 금속 부재의 측단부면을 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며,
상기 맞댐부에 대해 상기 구조체의 외면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 행하여, 상기 외면측에 소성화 영역을 형성한 후,
상기 맞댐부에 대해 상기 구조체의 내측 코너부로부터 TIG 용접 또는 MIG 용접에 의한 덧살 용접을 행하여, 상기 맞댐부를 따라 용접 금속을 형성하는 용접 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마찰 교반 공정에 있어서 형성된 상기 소성화 영역과, 상기 용접 공정에 있어서 형성된 상기 용접 금속을 접촉시키는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 공정에서는, 상기 내측 코너부에 나타나는 맞댐부를 따라 형성된 오목부에, 상기 용접 금속을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
제2항에 있어서, 상기 용접 공정에서는, 상기 구조체의 내측 코너부에 나타나는 맞댐부를 따라 형성된 오목부에, 상기 용접 금속을 충전하는 용접 금속 충전 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마찰 교반 공정에 있어서, 대형의 회전 툴에 의해 본접합을 행하는 본접합 공정을 행하기 전에, 소형의 회전 툴에 의해 가접합을 행하는 가접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마찰 교반 공정에 있어서, 상기 맞댐부의 양측에 한 쌍의 탭재를 배치하는 탭재 배치 공정과, 상기 탭재와 상기 금속 부재의 맞댐부를 따라 마찰 교반을 행하는 탭재 가접합 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마찰 교반 공정에 있어서, 마찰 교반을 행하는 회전 툴의 삽입 예정 위치에 미리 예비 구멍을 형성하는 예비 구멍 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 접합 방법.
원통 형상을 나타내는 통 형상 부재와, 통 형상 부재의 단부를 덮는 덮개 부재를 맞대어 형성된 구조체에 있어서,
상기 덮개 부재의 금속 부재의 측면과 상기 통 형상 부재의 금속 부재의 측단부면을 맞대어 이루어지는 맞댐부의 접합 방법이며,
상기 맞댐부에 대하여 상기 구조체의 외면측으로부터 마찰 교반을 행하는 마찰 교반 공정을 행하여 상기 외면측에 소성화 영역을 형성한 후,
상기 맞댐부에 대하여 상기 구조체의 내측 코너부로부터 TIG 용접 또는 MIG 용접에 의한 덧살 용접을 행하여, 상기 맞댐부를 따라 용접 금속을 형성하는 용접 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
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