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(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2013년09월05일
(11) 등록번호 10-1303423
(24) 등록일자 2013년08월28일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
B23K 20/12 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2011-7020664
(22) 출원일자(국제) 2010년02월26일
심사청구일자 2011년09월05일
(85) 번역문제출일자 2011년09월05일
(65) 공개번호 10-2011-0132358
(43) 공개일자 2011년12월07일
(86) 국제출원번호 PCT/JP2010/053109
(87) 국제공개번호 WO 2010/106892
국제공개일자 2010년09월23일
(30) 우선권주장
JP-P-2009-062627 2009년03월16일 일본(JP)
(56) 선행기술조사문헌
JP2002045981 A*
JP2005521561 A*
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
가와사키 쥬코교 가부시키가이샤
일본국 효고현 고베시 츄오구 히가시 가와사키정
3정목 1-1
(72) 발명자
니시다, 히데히토
일본, 효고 650-8670, 고베-시, 추오-쿠, 히가시
가와사키-초 3-초메, 1-1, 가와사키 쥬코교 가부
시키가이샤 내
후지모토, 미츠오
일본, 효고 650-8670, 고베-시, 추오-쿠, 히가시
가와사키-초 3-초메, 1-1, 가와사키 쥬코교 가부
시키가이샤 내
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
강철중, 이범일, 김윤배
전체 청구항 수 : 총 17 항 심사관 : 최인용
(54) 발명의 명칭 마찰 교반 접합장치 및 방법
(57) 요 약
본 장치는, 피접합부재(P)에 당접되는 접합 툴(14) 및 접합 툴(14)을 회전구동하는 회전구동수단(15)을 포함하는
접합 헤드(13)와, 접합 헤드(13)를 변위구동하는 헤드 구동수단(16)으로서, 접합 헤드(13)가 그 피스톤 로드
(16A)에 설치된 유체압 실린더(16)를 포함하는 헤드 구동수단(16)과, 유체압 실린더(16)의 제1 격실(17)에 가압
유체를 공급하는 제1가압수단(19, 20)과, 유체압 실린더(16)의 제2 격실(18)에 가압유체를 공급하는 제2 가압수
단(21, 20)과, 제1 가압수단(19, 20) 및 제2 가압수단(21, 20)에 의해 공급되는 각 가압유체의 압력을 제어하는
제어수단(22, 23, 24)을 구비하고 있다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1303423
- 1 -
(72) 발명자
카미오카, 미츠히로
일본, 효고 652-0884, 고베-시, 효고-쿠, 와다야마
도리 2-초메, 1-18, 가와사키 쥬코교 가부시키가이
샤 내
오카다, 히데키
일본, 기후 504-8710, 카카미가하라-시, 가와사키
-쵸, 1, 가와사키 쥬코교 가부시키가이샤 내
등록특허 10-1303423
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특허청구의 범위
청구항 1
피접합부재에 당접되는 접합 툴 및 상기 접합 툴을 회전구동하는 회전구동수단을 포함하는 접합 헤드와,
상기 접합 헤드를 변위구동하는 헤드 구동수단으로서, 상기 접합 헤드가 그 피스톤 로드에 설치된 유체압 실린
더를 포함하는 헤드 구동수단과,
상기 유체압 실린더의 제1 격실에 가압유체를 공급하는 제1 가압수단과,
상기 유체압 실린더의 제2 격실에 가압유체를 공급하는 제2 가압수단과,
상기 제1 가압수단 및 상기 제2 가압수단에 의해 상기 제1 격실 및 상기 제2 격실로 동시에 공급되는 각 가압유
체의 압력을 제어하는 제어수단과,
상기 피접합부재의 표면형상에 추종해서 상기 접합 툴을 변위시키는 툴 위치 보정기구를 구비하고,
상기 툴 위치 보정기구는, 상기 피접합부재의 표면에 당접되는 당접부재와, 상기 당접부재를 상기 접합 헤드에
대해 탄성적으로 지지하는 탄성 지지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 2
제1항에 있어서, 상기 접합 툴은, 서로 고정간격으로 배치된 1쌍의 회전체와, 상기 1쌍의 회전체 사이에 설치된
교반축을 가진 고정식 보빈 툴인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 3
제1항에 있어서, 상기 접합 툴은, 상기 피접합부재의 한쪽 면에만 당접되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하
는 마찰 교반 접합장치.
청구항 4
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 제1 가압수단으로부터 공급되는 상기 가압유
체의 압력과 상기 제2 가압수단으로부터 공급되는 상기 가압유체의 압력과의 차압에 따라 상기 접합 헤드의 중
량의 적어도 일부를 지지하도록 각 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 5
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가압수단 및 상기 제2 가압수단이 공통의 가압유체원을 구
비하고 있는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 6
삭제
청구항 7
제1항에 있어서, 상기 탄성 지지수단은, 압축스프링 또는 유체압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰
교반 접합장치.
등록특허 10-1303423
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청구항 8
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피접합부재로부터 멀어지는 방향으로 상기 접합 헤드를 밀어붙
여 상기 접합 헤드를 소정 위치에 유지하는 헤드 보유지지기구를 더 구비한 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합
장치.
청구항 9
제8항에 있어서, 상기 헤드 보유지지기구는, 상기 접합 헤드에 당접되는 피스톤 로드를 포함하는 유체압 실린더
를 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 10
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어수단은, 상기 제1 격실 및 상기 제2 격실에 동시에 상기
각 가압유체를 공급하는 제어 모드로부터, 상기 제1 격실 및 상기 제2 격실 중의 어느 한쪽에만 상기 가압유체
를 공급하는 추가의 제어 모드로 절환하는 기능을 더 갖는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 11
제10항에 있어서, 상기 추가의 제어 모드는, 상기 피접합부재의 한쪽 면에만 당접되도록 구성된 상기 접합 툴을
상기 피접합부재에 대해 압압하는 모드인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 12
제10항에 있어서, 상기 추가의 제어 모드는, 상기 가압유체의 압력에 의해 상기 접합 헤드의 중량의 적어도 일
부를 지지하는 모드인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합장치.
청구항 13
회전하는 접합 툴을 피접합부재에 당접해서 소성 유동을 발생시킴으로써 접합하는 마찰 교반 접합방법에
있어서,
상기 접합 툴을 포함하는 접합 헤드가 그 피스톤 로드에 설치된 유체압 실린더의 제1 격실 및 제2 격실로 동시
에 공급되는 각 가압유체의 압력을 제어하는 압력제어공정과,
상기 압력제어공정에 의해 상기 각 가압유체의 압력을 제어하면서 상기 피접합부재의 접합 라인을 따라 상기 접
합 툴을 이동시키는 툴 이송공정을 구비하고,
상기 툴 이송 공정에서, 상기 피접합부재의 표면형상에 추종해서 상기 접합 툴을 변위시키는 툴 위치 보정기구
를 이용해서 상기 피접합부재의 표면형상에 추종해서 상기 접합 툴을 변위시키며, 그 때 상기 툴 위치 보정기구
의 당접부재가 상기 피접합부재의 표면에 당접되고, 상기 툴 위치 보정기구의 탄성 지지수단에 의해 상기 당접
부재가 상기 접합 헤드에 대해 탄성적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합방법.
청구항 14
제13항에 있어서, 상기 접합 툴로서, 서로 고정간격으로 배치된 1쌍의 회전체와, 상기 1쌍의 회전체 사이에 설
치된 교반축을 가진 고정식 보빈 툴을 이용하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합방법.
등록특허 10-1303423
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청구항 15
제13항에 있어서, 상기 접합 툴로서, 상기 피접합부재의 한쪽 면에만 당접되도록 구성된 접합 툴을 이용하는 것
을 특징으로 하는 마찰 교반 접합 방법.
청구항 16
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체압 실린더의 상기 제1 격실로 공급되는 상기 가압유체의
압력과 상기 제2 격실로 공급되는 상기 가압유체의 압력과의 차압에 의해 상기 접합 헤드의 중량의 적어도 일부
를 지지하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 접합방법.
청구항 17
삭제
청구항 18
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 접합작업을 개시할 때에, 상기 피접합부재로부터 멀어지는 방향으
로 상기 접합 헤드를 밀어붙여 상기 접합 헤드를 소정 위치에 보유지지되도록 하는 것을 특징으로 하는 마찰 교
반 접합방법.
청구항 19
제18항에 있어서, 접합 환경이 안정된 후, 상기 접합 헤드의 상기 소정 위치로의 보유지지를 해제하는 것을 특
징으로 하는 마찰 교반 접합방법.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은, 마찰 교반 접합장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 회전하는 접합 툴을 피접합부재에 당접(當接)해서[0001]
소성 유동(塑性流動)을 발생시킴으로써 접합하는 마찰 교반 접합장치 및 방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
마찰 교반 접합장치(摩擦攪拌接合裝置)는, 근래 철도차량, 선박, 항공기, 교량 등과 같은 폭넓은 분야에서 사용[0002]
되고 있다.
종래의 마찰 교반 접합장치의 대표적인 것으로서, 접합 툴(welding tool)을 회전시키면서 피접합부재의 한쪽 면[0003]
에 압압(押壓)하고, 이에 의해 당해 접합부위에서 소성 유동을 발생시키며, 소성 유동에 의해 혼합된 재료가 고
화(固化)함으로써 양 부재를 접합하는 장치가 있다(특허문헌 1). 접합 툴의 압압력을 달성하기 위한 수단으로
서, 특허문헌 1에서는 압압식(押壓式) 에어 실린더가 사용되고 있다.
도 8은 이 타입의 마찰 교반 접합장치의 개략적인 구성을 나타내고 있는바, 이 장치(100)는 장치 본체의 헤드[0004]
지지부(101)에 리니어 가이드(102)를 매개로 상하방향으로 자유로이 직선이동할 수 있게 장착된 접합 헤드(10
3)를 갖고 있다. 접합 헤드(103)에는, 작업 시에 피접합부재(P)의 상부면에 당접되는 접합 툴(104)이 자유로이
회전할 수 있게 장착되어 있는바, 이 접합 툴(104)은 접합 헤드(103)에 설치된 툴 회전구동 모터(105)에 의해
회전구동된다.
헤드 지지부(101)에는 헤드 구동용 에어 실린더(106)가 고정되게 설치되어 있는바, 이 에어 실린더(106)의 피스[0005]
톤 로드(106A)에 접합 헤드(103)가 설치되어 있다. 에어 실린더(106)의 가압실(加壓室; 107)에는, 가압측 배관
등록특허 10-1303423
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(109)을 매개로 압축공기원(壓縮空氣源; 120)으로부터 압축공기가 공급된다. 한편, 에어 실린더(106)의 배압실
(背壓室; 108)에는 배압 측 배관(121)이 접속되어 있다.
가압 측 배관(109)의 도중에는 압력제어밸브(122) 및 전자밸브(123)가 설치되어 있다. 전자밸브(123)에는 배압[0006]
측 배관(121)도 접속되어 있는바, 전자밸브(123)를 절환함으로써, 에어 실린더(106)의 배압실(108)을 대기에 해
방시킬 수 있다. 압력제어밸브(122) 및 전자밸브(123)는 제어장치(124)에 의해 제어된다.
그런데, 도 8에 도시된 종래의 마찰 교반 접합장치(100)에 있어서는, 피접합부재(P)의 한쪽 면으로부터 접합 툴[0007]
(104)을 압압하는 방식이기 때문에, 도 9에 도시된 바와 같이 피접합부재(P)의 이면 측에 뒷받침 금구(金具;
125)를 배치해서 피접합부재(P)를 그 이면 측으로부터 지지할 필요가 있다.
그 때문에, 이 타입의 장치를 이용해서 접합할 수 있는 부재의 형상(이음부재 형상 등)에는 많은 제약이 있어,[0008]
그 적용 대상이 한정되고 있었다. 또, 피접합부재(P)를 고정하는 정반(定盤)에는 높은 강성이 필요하고, 고정
지그(jig: 治具)도 대규모의 것으로 되고 있기 때문에, 장치가 고가로 되고, 그 핸들링이 반드시 용이하지 않다
고 하는 문제가 있다.
앞에서 설명한 문제에 대처하기 위해, 뒷받침 금구나 대규모의 고정 지그를 불필요하게 하는 보빈 툴(bobbin[0009]
tool) 방식의 마찰 교반 접합장치가 개발되어 있다(특허문헌 2). 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 이 보빈
툴 방식의 마찰 교반 접합장치(200)는, 피접합부재(P)의 표리 양면을 사이에 끼우도록 고정간격으로 배치된 상
하 1쌍의 회전체(201A, 201B)와, 상하의 회전체(201A, 201B)의 사이에 설치된 교반축(201C)으로 이루어진 접합
툴(201)을 구비하고 있다.
이 보빈 툴 방식의 장치를 이용해서 피접합부재(P)끼리의 맞댐 부위를 접합할 때에는, 접합 툴(201)을 회전시키[0010]
면서 피접합부재(P)끼리의 맞댐 라인(L)을 따라 접합 툴(201)을 이동시킨다. 그러면, 피접합부재(P)의 표리 양
면 및 맞댐 면에 있어서 마찰열이 발생하여 소성 유동이 생기게 된다. 접합 툴(201)의 통과 후, 소성 유동에
의해 서로 혼합된 양 피접합부재(P)의 맞댐 부위가 고화되고, 이에 의해 양 피접합부재(P)가 서로 접합된다.
이 고정 보빈 툴 방식의 마찰 교반 접합장치(200)에 의하면, 뒤받침 금구가 불필요하기 때문에 장치의 구성이[0011]
간소화되고, 또 접합 대상 부재의 제약 조건이 완화되게 된다. 또, 피접합부재(P)의 표리 양면에 소성 유동을
발생시킴으로써, 피접합부재(P)의 이면 측의 접합불량을 확실하게 방지할 수 있다고 하는 이점도 있다.
앞에서 설명한 보빈 툴 방식의 장치는, 접합 툴의 상하 회전체의 간격을 고정시킨 고정식 보빈 툴을 이용하고[0012]
있고, 이 고정식 보빈 툴을 피접합부재의 맞댐 라인을 따라 이동시키는 것이지만, 접합 시에 보빈 툴의 상하방
향의 위치를 피접합부재의 표면(상부면/하부면)에 추종시키는 기능을 갖고 있지 않다. 즉, 고정식 보빈 툴에
의한 접합은, 미리 교시(敎示)한 경로(path)에 기초를 둔 위치제어 동작으로 실행된다.
이 때문에, 피접합부재의 치수 오차나 설치 오차 등에 기인해서 부재 표면의 상하방향의 위치가 국소적으로 변[0013]
화하고 있는(달라지고 있는) 경우라 하더라도, 그 변화에 따라 보빈 툴의 상하 위치를 조절할 수 없다. 그 결
과, 당해 부위에서 접합불량이 발생하거나, 접합강도에 불균일이 생기게 된다고 하는 문제가 있다.
이 문제에 대처하기 위해, 상하의 회전체의 간격을 변경할 수 있게 하는 셀프 리액팅(self reacting) 방식의 보[0014]
빈 툴을 이용한 마찰 교반 접합장치가 개발되어 있다(특허문헌 3, 4).
이 타입의 장치에 있어서는, 상측 회전체(상측 숄더(shoulder))와 하측 회전체(하측 숄더) 사이의 협지력이, 유[0015]
압에 의한 힘 제어방식에 의해 제어됨과 더불어, 상측 회전체와 하측 회전체 각각을 피접합부재의 표면(상부면/
하부면)에 추종시킬 수 있다.
그러나, 이 셀프 리액팅 방식의 보빈 툴을 이용한 장치에 있어서는, 접합 헤드의 축 구성이, 상하의 회전체(숄[0016]
더)의 압압축이 2개 및 툴 회전축이 1개인 합계 3개의 축으로 되어, 구성이 복잡하고, 값이 고가로 된다고 하는
문제가 있다.
그래서, 보빈 툴 방식의 마찰 교반 접합장치에 있어서, 고정식 보빈 툴을 이용하면서, 피접합부재의 치수 오차[0017]
나 설치 오차 등에 기인해서 보빈 툴과 피접합부재의 상하방향의 위치관계가 변화한 경우에도, 그와 같은 변화
에 적절히 대응할 수 있는 것이 요구되고 있다.
또, 피접합부재의 종류(형상, 재질 등)에 따라서는, 앞에서 설명한 보빈 툴 방식의 마찰 교반 접합장치에서는[0018]
적절히 접합될 수 없는 경우도 있다. 이와 같은 경우라 하더라도, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 피접합부
재(P)의 한쪽 면에만 접합 툴(104)을 압압하는 한쪽 면 압압식의 마찰 교반 접합장치(100)이면, 지장없이 접합
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을 실행할 수도 있다.
따라서, 1대의 마찰 교반 접합장치에 있어서, 접합 툴을 적절히 교환함으로써, 종래의 한쪽 면 압압 방식의 접[0019]
합과 보빈 툴 방식의 접합을 구분해서 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그러나, 종래의 한쪽 면 압압 방식의 마찰 교반 접합장치에 있어서는, 접합 툴의 압압력을 확보하기 위해 에어[0020]
실린더를 이용하고 있기 때문에, 단지 접합 툴을 보빈 툴 방식의 접합 툴로 교환하는 것만으로는, 이 접합 툴을
소망하는 높이의 위치에 보유지지하기가 곤란 또는 불가능했다.
역으로, 고정 보빈 툴 방식의 마찰 교반 접합장치에 있어서는, 한쪽 면 압압 방식의 마찰 교반 접합장치에서의[0021]
에어 실린더와 같은 큰 압압력을 발생시키는 수단을 구비하고 있지 않기 때문에, 단지 고정 보빈 툴 방식의 접
합 툴을 한쪽 면 압압식의 접합 툴로 교환하는 것만으로는 적절한 접합조건을 달성할 수 없다.
더욱이, 앞에서 설명한 종래의 한쪽 면 압압식 접합 툴을 이용한 마찰 교반 접합장치에서는, 예컨대 플라스틱재[0022]
료와 같은 비교적 부드러운 재료로 이루어진 부재나 두께가 얇은 부재를 접합하려고 해도, 그와 같은 접합조건
에 적합한 (접합 툴의) 압압력을 달성하는 것이 곤란 또는 불가능했다.
앞에서 설명한 종래의 마찰 교반 접합장치에 있어서는, 압압식의 에어 실린더에 의해 접합 툴을 피접합부재를[0023]
향해 압압하도록 구성되어 있기 때문에, 피접합부재에 가해지는 압압력은 에어 실린더에 의한 가압력과 접합 툴
을 포함하는 접합 헤드의 자중에 의해 아래로 향하는 힘을 합친 것으로 된다.
따라서, 가령 에어 실린더를 오프로 해서 그 가압력을 제로로 했다 하더라도, 적어도 접합 헤드의 자중에 의한[0024]
압압력이 피접합부재에 가해져, 연질 재료의 부재나 얇은 부재의 접합에 적합한 충분히 작은 압압력을 달성할
수 없었다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 0001) 특허문헌 1 : 일본국 특허 제3261431호 공보 [0025]
(특허문헌 0002) 특허문헌 2 : 일본국 특허 제2712838호 공보
(특허문헌 0003) 특허문헌 3 : 일본국 특개2008-149331호 공보
(특허문헌 0004) 특허문헌 4 : 일본국 특허 제4175484호 공보
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은, 앞에서 설명한 사정을 고려해서 이루어진 것으로, 재질이나 형상 등이 다른 각종의 피접합부재에 대[0026]
해 양호한 마찰 교반접합을 실시할 수 있는 마찰 교반 접합장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제의 해결 수단
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 마찰 교반 접합장치는, 피접합부재에 당접되는 접합 툴 및 상기 접[0027]
합 툴을 회전구동하는 회전구동수단을 포함하는 접합 헤드와, 상기 접합 헤드를 변위구동하는 헤드 구동수단으
로서, 상기 접합 헤드가 그 피스톤 로드에 설치된 유체압 실린더를 포함하는 헤드 구동수단과, 상기 유체압 실
린더의 제1 격실에 가압유체를 공급하는 제1 가압수단과, 상기 유체압 실린더의 제2 격실에 가압유체를 공급하
는 제2 가압수단과, 상기 제1 가압수단 및 상기 제2 가압수단에 의해 상기 제1 격실 및 상기 제2 격실로 동시에
공급되는 각 가압유체의 압력을 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 접합 툴은, 서로 고정간격으로 배치된 1쌍의 회전체와, 상기 1쌍의 회전체 사이에 설치된[0028]
교반축을 가진 고정식 보빈 툴이다.
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바람직하게는, 상기 접합 툴은, 상기 피접합부재의 한쪽 면에만 당접되도록 구성되어 있다.[0029]
바람직하게는, 상기 제어수단은, 상기 제1 가압수단으로부터 공급되는 상기 가압유체의 압력과 상기 제2 가압수[0030]
단으로부터 공급되는 상기 가압유체의 압력과의 차압(差壓: 압력차)에 의해 상기 접합 헤드의 중량의 적어도 일
부를 지지하도록 각 압력을 제어한다.
바람직하게는, 상기 제1 가압수단 및 상기 제2 가압수단이, 공통의 가압유체원(加壓流體源)을 구비하고 있다.[0031]
바람직하게는, 상기 피접합부재의 표면형상에 추종(追從)해서 상기 접합 툴을 변위시키는 툴 위치 보정기구를[0032]
더 갖추되, 상기 툴 위치 보정기구는 상기 피접합부재의 표면에 당접되는 당접부재와, 상기 당접부재를 상기 접
합 헤드에 대해 탄성적으로 지지하는 탄성 지지수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 탄성 지지수단은, 압축스프링 또는 유체압 실린더를 포함한다. [0033]
바람직하게는, 상기 피접합부재로부터 멀어지는 방향으로 상기 접합 헤드를 밀어붙여 상기 접합 헤드를 소정 위[0034]
치에 유지되도록 하는 헤드 보유지지기구를 더 구비한다.
바람직하게는, 상기 헤드 보유지지기구는, 상기 접합 헤드에 당접되는 피스톤 로드를 포함하는 유체압 실린더를[0035]
갖는다.
바람직하게는, 상기 제어수단은, 상기 제1 격실 및 상기 제2 격실에 동시에 상기 각 가압유체를 공급하는 제어[0036]
모드로부터, 상기 제1 격실 및 상기 제2 격실 중의 어느 한쪽에만 상기 가압유체를 공급하는 추가의 제어 모드
로 절환하는 기능을 더 갖는다.
바람직하게는, 상기 추가의 제어 모드는, 상기 피접합부재의 한쪽 면에만 당접되도록 구성된 상기 접합 툴을 상[0037]
기 피접합부재에 대해 압압하는 모드이다.
바람직하게는, 상기 추가의 제어 모드는, 상기 가압유체의 압력에 의해 상기 접합 헤드의 중량의 적어도 일부를[0038]
지지하는 모드이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 회전하는 접합 툴을 피접합부재에 당접해서 소성 유동을 발생시킴으로써[0039]
접합하는 마찰 교반 접합방법에 있어서, 상기 접합 툴을 포함하는 접합 헤드가 그 피스톤 로드에 설치된 유체압
실린더의 제1 격실 및 제2 격실에 동시에 공급되는 각 가압유체의 압력을 제어하는 압력제어공정과, 상기 압력
제어공정에 의해 상기 각 가압유체의 압력을 제어하면서 상기 피접합부재의 접합 라인을 따라 상기 접합 툴을
이동시키는 툴이송 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 접합 툴로서, 서로 고정간격으로 배치된 1쌍의 회전체와, 상기 1쌍의 회전체 사이에 설치된[0040]
교반축을 가진 고정식 보빈 툴을 이용한다.
바람직하게는, 상기 접합 툴로서, 상기 피접합부재의 한쪽 면에만 당접되도록 구성된 접합 툴을 이용한다.[0041]
바람직하게는, 상기 유체압 실린더의 상기 제1 격실로 공급되는 상기 가압유체의 압력과 상기 제2 격실로 공급[0042]
되는 상기 가압유체의 압력과의 차압에 의해 상기 접합 헤드의 중량의 적어도 일부를 지지한다.
바람직하게는, 상기 툴이송 공정에 있어서, 상기 피접합부재의 표면형상에 추종해서 상기 접합 툴을[0043]
변위시킨다.
바람직하게는, 접합작업을 개시할 때에, 상기 피접합부재로부터 멀어지는 쪽을 향해 상기 접합 헤드를 밀어붙여[0044]
상기 접합 헤드를 소정 위치에 보유지지되도록 한다.
바람직하게는, 접합 환경이 안정된 후, 상기 접합 헤드의 상기 소정 위치로의 보유지지를 해제한다.[0045]
발명의 효과
본 발명에 의하면, 접합 툴이 그 피스톤 로드에 설치된 유체압 실린더의 양쪽의 격실에 가압유체를 동시에 공급[0046]
할 수 있도록 함과 더불어, 양 격실로 공급되는 각 가압유체의 압력을 제어할 수 있도록 하였기 때문에, 재질이
나 형상 등이 다른 각종의 피접합부재에 대해 양호한 마찰 교반접합을 실시할 수 있다.
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도면의 간단한 설명
도 1은, 본 발명의 1 실시예에 따른 마찰 교반 접합장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.[0047]
도 2는, 도 1에 도시된 실시형태의 1 변형례로서, 한쪽 면 압압식의 접합 툴을 구비한 마찰 교반 접합장치의
개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은, 도 1에 도시된 실시형태의 다른 변형례로서, 압축스프링을 가진 툴 위치 보정기구를 구비한 마찰 교반
접합장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 1에 도시된 실시형태의 다른 변형례로서, 에어 실린더를 가진 툴 위치 보정기구를 구비한 마찰 교반
접합장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 1에 도시된 실시형태의 다른 변형례로서, 피접합부재의 하부면 측에 툴 위치 보정기구를 구비한 마
찰 교반 접합장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은, 도 1에 도시된 실시형태의 다른 변형례로서, 헤드 보유지지기구를 구비한 마찰 교반 접합장치의 개략적
인 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은, 도 1에 도시된 실시형태의 다른 변형례로서, 툴 위치 보정기구 및 헤드 보유지지기구를 구비한 마찰 교
반 접합장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은, 종래의 마찰 교반 접합장치의 1 예로서, 한쪽 면 압압식의 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는, 도 8에 도시된 종래의 마찰 교반 접합장치에 의한 접합 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 종래의 마찰 교반 접합장치의 다른 예로서의 고정식 보빈 툴을 구비한 장치에 의한 접합 동작을 설명
하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 종래의 마찰 교반 접합장치의 접합 툴인 고정식 보빈 툴을 확대해서 나타낸 도면이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
본 발명의 1 실시예로서의 마찰 교반 접합장치 및 방법에 대해, 도면을 참조하면서 이하에서 설명한다.[0048]
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 마찰 교반 접합장치(10)는, 장치 본체의 헤드 지지부(11)에 리니[0049]
어 가이드(12)를 매개로 상하방향으로 자유로이 직선이동할 수 있게 장착된 접합 헤드(13)를 갖고 있다. 접합
헤드(13)에는, 접합작업 시에 피접합부재(P)에 당접되는 접합 툴(14)이 자유로이 회전할 수 있게 장착되어 있는
바, 이 접합 툴(14)은 접합 헤드(13)에 설치된 툴 회전구동 모터(회전구동수단; 15)에 의해 회전구동된다.
헤드 지지부(11)에는 헤드 구동용 에어 실린더(헤드 구동수단; 16)가 고정되게 설치되어 있는바, 이 에어 실린[0050]
더(16)의 피스톤 로드(16A)에 접합 헤드(13)가 설치되어 있다. 한편, 에어 실린더(16) 대신 유압실린더 등의
다른 유체압 실린더를 설치할 수도 있다.
에어 실린더(16)의 제1 격실(17)에는, 제1 배관(19)을 통해 압축공기원(가압유체원; 20)으로부터 압축공기가 공[0051]
급된다. 한편, 에어 실린더(16)의 제2 격실(18)에는, 제2 배관(21)을 통해 마찬가지로 압축공기원(20)으로부터
압축공기가 공급된다. 제1 배관(19) 및 압축공기원(20)에 의해 제1 격실(17)을 가압하는 제1 가압수단이 구성
되고, 제2 배관(21) 및 압축공기원(20)에 의해 제2 격실(18)을 가압하는 제2 가압수단이 구성된다.
제1 배관(19)의 도중에는 제1 압력제어밸브(22)가 설치되어 있고, 제2 배관(21)의 도중에는 제2 압력제어밸브[0052]
(23)가 설치되어 있다. 제1 압력제어밸브(22) 및 제2 압력제어밸브(23)는, 제어장치(24)에 의해 그들의 압력
설정치가 조정된다.
본 실시형태에서의 접합 툴(14)은 고정식 보빈 툴로서, 접합작업 시에 피접합부재(P)의 상하 양면에 접촉하도록[0053]
고정간격으로 이간(離間) 배치된 상측 회전체(14A) 및 하측 회전체(14B)와, 상하의 회전체(14A, 14B) 사이에 설
치되어 피접합부재(P)끼리의 맞댐 부위에 삽입되는 교반축(14C)을 갖고 있다.
상하의 회전체(14A, 14B)끼리의 간격은, 피접합부재(P)의 두께를 고려해서 고정적으로 설정되고, 상측의 회전체[0054]
(14A)가 피접합부재(P)의 상부면에 접촉함과 더불어, 하측의 회전체(14B)가 피접합부재(P)의 하부면에 접촉하도
록 설정되어 있다.
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본 실시예에 따른 마찰 교반 접합장치(10)를 사용해서 피접합부재(P)끼리의 맞댐 부위를 접합할 때에는, 툴 회[0055]
전구동 모터(15)에 의해 접합 툴(14)을 회전시키면서, 상하의 회전체(14A 및 14B)에 의해 피접합부재(P)를 사이
에 끼워지도록 해서, 접합 툴(14)의 교반축(14C)을 맞댐 라인을 따라 이동시킨다(도 10 참조). 이 경우, 마찰
교반 접합장치(10)의 헤드 지지부(11)를 피접합부재(P)에 대해 이동시켜도 좋고, 역으로 헤드 지지부(11)를 고
정으로 하여 피접합부재(P) 측을 이동시켜도 좋다. 요컨대, 접합 툴(14)과 피접합부재(P)가 상대적으로 이동하
도록 하면 좋다.
이때, 제어수단(24)에 의해 제1 압력제어밸브(22) 및 제2 압력제어밸브(23)의 각 압력 설정치를 조절하고, 헤드[0056]
구동용 에어 실린더(16)의 제1 격실(17) 및 제2 격실(18)의 각 압력을 제어해서, 접합 툴(14)의 상측의 회전체
(14A)가 피접합부재(P)의 상부면에 대해 약간 압압된 상태를 유지하도록 한다.
즉, 제1 격실(17)의 압력에 의한 아래로 향하는 힘을 F1으로 하고, 제2 격실(18)의 압력에 의한 위로 향하는 힘[0057]
을 F2로 하며, 접합 헤드(13)의 자중에 의한 아래로 향하는 힘을 W로 한 경우, F1 W가 F2를 약간 상회하도록
제1 격실(17) 및 제2 격실(18)의 각 압력이 조절된다. 이 경우, 피접합부재(P)의 상부면에 대한 접합 툴(14)의
상측 회전체(14A)로부터의 압압력을 Fp로 하면, F1 W - F2 = Fp > 0으로 된다.
또 이와는 역으로, 접합 툴(14)의 하측의 회전체(14B)가 피접합부재(P)의 하부면에 대해 약간 압압된 상태를 유[0058]
지하도록 해도 좋다. 이 경우에는, F2가 F1 W를 약간 상회하도록 제1 격실(17) 및 제2 격실(18)의 각 압력이
조절된다. 즉, 피접합부재(P)의 하부면에 대한 접합 툴(14)의 하측 회전체(14B)로부터의 압압력을 Fp로 하면,
F2 - F1 - W = Fp > 0으로 된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 접합작업에 있어서는 접합 툴(14)을 피접합부재(P)의 맞댐 라인을 따라[0059]
이동시키지만, 이때 피접합부재(P)의 치수 오차나 부착 오차 등에 기인해서 피접합부재(P)의 표면의 상하방향의
위치가 국소적으로 변화하고 있는(달라지고 있는) 경우가 있다.
그리고, 예컨대 피접합부재(P)의 상부면이 국소적으로 위쪽으로 융기하고 있으면, 이 융기부분에서 접합 툴(1[0060]
4)의 상측의 회전체(14A)를 밀어올리는 힘이 작용하게 된다.
여기서, 종래의 마찰 교반 접합장치에 있어서는, 고정식 보빈 툴에 대해 피접합부재(P)로부터 위쪽으로의 밀어[0061]
올리는 힘이 작용한 경우라 하더라도, 그에 대응해서 고정식 보빈 툴이 위쪽으로 변위되는 기능을 갖고 있지 않
았다. 그 때문에, 피접합부재(P)의 당해 융기부위에서 접합불량이 발생하거나, 접합강도에 불균일이 생기게 된
다고 하는 문제가 있었다.
이에 대해 본 실시형태에 있어서는, 헤드 구동용 에어 실린더(16)의 제1 격실(17) 및 제2 격실(18)의 양쪽에 압[0062]
축공기를 공급해서 가압하도록 하였기 때문에, 접합 헤드(14)를 상하방향에서 탄성적으로 지지할 수 있다. 그
때문에, 피접합부재(P)의 판 두께의 변동 등에 기인해서 접합 헤드(14)에 대해 위쪽으로(또는 아래쪽으로) 향하
는 힘이 작용한 경우에는, 그 힘에 의해 접합 헤드(14)가 위쪽(또는 아래쪽)으로 변위하게 된다(즉, 에어 실린
더(16)가 에어 댐퍼와 같이 기능하게 된다). 이에 의해, 피접합부재(P)의 당해 융기부위(또는 함몰부위)에서도
다른 부위와 대략 마찬가지의 접합조건이 유지되어, 접합불량이나 접합 불균일의 발생을 방지할 수 있게 된다.
또, 본 실시형태에 따른 마찰 교반 접합장치에 의하면, 헤드 구동용 에어 실린더(16)의 제1 격실(17) 및 제2 격[0063]
실(18)의 각 압력을 제어장치(24)로 조절함으로써, 앞에서 설명한 바와 같이 접합 툴(14)의 상측 회전체(14A;
또는 하측 회전체(14B))를 피접합부재(P)의 상부면(또는 하부면)에 대해 약간 압압할 수 있기 때문에, 고정식
보빈 툴을 이용해서 한층 더 양호한 접합상태를 달성할 수 있게 된다.
또, 본 실시형태에 따른 마찰 교반 접합장치(10)에 있어서는, 도 2에 도시된 바와 같이 고정 보빈식의 접합 툴[0064]
(14)을 한쪽 면 압압식의 접합 툴(14')과 교환해서 접합작업을 행할 수도 있다.
이 경우, 제어장치(24)에 의해 제1 압력제어밸브(22) 및 제2 압력제어밸브(23)를 제어해서, F1 W가 F2보다 충[0065]
분히 커지도록 설정하여, 소망하는 Fp가 얻어지도록 한다. 바람직하게는, 제어수단(24)이 제1 격실(17) 및 제2
격실(18)에 동시에 각 압축공기를 공급하는 제어 모드로부터, 제1 격실(17)에만 압축공기를 공급하는 추가의 제
어 모드로 절환하는 기능을 더 갖추고, 이 추가의 제어 모드로 절환시켜 압축공기원(20)로부터의 압축공기를 제
1 격실(17)로 공급함과 더불어, 제2 격실(18)을 대기압에 해방하도록 한다. 이때, 압축공기원(20)으로부터의
압축공기를 감압하지 않고 직접 제1 격실(17)로 공급하도록 해도 좋다.
또, 플라스틱재료와 같은 연질 재료로 된 피접합부재나 두께가 얇은 접합부재를 접합할 때에는, 제2 격실(18)의[0066]
압력이 제1 격실(17)의 압력보다 크게 되도록 설정하고(F2 > F1), 그 차압에 따른 위로 향하는 힘(F2 - F1)에
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의해 접합 헤드(13)의 중량(W)의 일부를 지지하도록 해도 좋다.
이 경우, 제어수단(24)에 대해, 제1 격실(17) 및 제2 격실(18)에 동시에 각 압축공기를 공급하는 제어 모드로부[0067]
터, 제2 격실(18)에만 압축공기를 공급하는 추가의 제어 모드로 절환하는 기능을 부가시켜 놓고, 이 추가의 제
어 모드로 절환시켜 압축공기원(20)으로부터의 압축공기를 제2 격실(18)로 공급해서 접합 헤드(13)의 중량의 일
부를 지지함과 더불어, 제1 격실(17)을 대기에 해방하도록 해도 좋다.
한편, 이 추가의 제어 모드를 이용해서, 제2 격실(18)에만 압축공기를 공급하면서, 도 1에 도시된 고정식 보빈[0068]
툴에 의한 접합을 실행할 수도 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시된 실시형태에 있어서는, 피접합부재(P)의 표면(상부면/하부면)의 상하방[0069]
향으로의 변위에 추종해서 접합 툴(14)이 상하로 변위될 수 있으나, 이 접합 툴(14)의 추종기능을 강화하기 위
해, 도 3에 도시된 바와 같이 툴 위치 보정기구(25)를 추가해도 좋다.
이 툴 위치 보정기구(25)는, 접합작업 시에 피접합부재(P)의 상부면에 당접되어 전동(轉動)하는 롤러 부재(당접[0070]
부재; 26)와, 이 롤러 부재(26)를 접합 헤드(13)에 대해 탄성적으로 지지하는 압축스프링(탄성 지지수단; 27)을
포함하는 롤러 지지부재(28)를 구비하고 있다.
롤러 부재(26)는, 접합방향에 있어서 접합 툴(14)보다 전방 측에 배치되어 있다. 한편, 롤러 부재(26)의 배치[0071]
는, 접합방향 전방으로 바꾸어 측방 또는 후방, 또는 이들의 조합으로 해도 좋다.
이 툴 위치 보정기구(25)에 있어서는, 압축스프링(27)의 탄성력에 의해 접합 헤드(13)를 밀어올리는 힘(Fr)이[0072]
작용한다. 여기서, 피접합부재(P)의 상부면에 대한 접합 툴(14)의 상측 회전체(14A)로부터의 압압력을 Fp로 하
면, Fp = F1 W - F2 - Fr로 된다.
Fp = 0로 한 경우, Fr = F1 W - F2로 되고, 이 Fr이 제로(0) 또는 소정의 정(正)의 값으로 되도록 각 값이[0073]
설정된다.
그리고, 피접합부재(P)가 판 두께의 변동 등에 의해 위쪽으로 변형하고 있는 경우, 이 변형된 곳에서 롤러 부재[0074]
(26)가 밀어 올려져 압축스프링(27)이 일시적으로 수축된다. 압축스프링(27)이 수축되면 그 밀어올리는 힘(F
r)이 증대되고, 이에 의해 접합 헤드(13)가 밀어 올려진다. 역으로, 피접합부재(P)가 아래쪽으로 변형하고 있
는 경우에는, 압축스프링(27)이 신장해서 그 밀어올리는 힘(Fr)이 감소되어 접합 헤드(13)가 하강하게 된다.
이와 같이, 피접합부재(P)가 위쪽(또는 아래쪽)으로 변형하고 있는 경우에는, 이에 추종해서 접합 헤드(13)가[0075]
위쪽(또는 아래쪽)로 변위하기 때문에, 당해 부위(융기부 또는 함몰부)에서의 접합불량이나 접합의 불균일의 발
생을 방지할 수 있다.
툴 위치 보정기구(25)의 변형례로서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 압축스프링(27) 대신 에어 실린더(29)를 설치[0076]
할 수도 있다. 한편, 에어 실린더 대신, 유압실린더와 같은 다른 유체압 실린더를 이용할 수도 있다.
에어 실린더(29)에는, 제3 배관(30)을 통해 압축공기원(20)으로부터 압축공기가 공급된다. 제3 배관(30)의 도[0077]
중에는 압력제어밸브(31)가 설치되어 있고, 그 압력 설정치가 제어장치(24)에 의해 제어된다.
도 4에 도시된 예에서는, 툴 위치 보정기구(25)의 에어 실린더(29)에 의해 롤러 부재(26)가 피접합부재(P)의 상[0078]
부면에 압압되어 있고, 피접합부재(P)의 상부면이 상하방향으로 국소적으로 변형하고 있는 경우에는, 도 3에 도
시된 예와 마찬가지로 접합 헤드(13)가 이에 추종해서 상하로 변위하게 된다.
또, 도 3 및 도 4에 도시된 예에서는, 롤러 부재(26)를 피접합부재(P)의 상부면에 당접하도록 하였으나, 롤러[0079]
부재(26)를 피접합부재(P)의 하부면에 당접하도록 해도 좋다. 도 5는, 도 3에 도시된 예의 변형례로서, 롤러
부재(26)를 피접합부재(P)의 하부면에 당접하도록 한 것이다.
도 5에 도시된 예에서는, 롤러 지지부재(28)가 베어링기구(32)를 매개로 접합부재(14)의 하측 회전체(14B)에 설[0080]
치되고, 하측 회전체(14B)의 회전동작으로부터 독립해서 롤러 부재(26)가 접합방향 전방에 배치되도록 구성되어
있다. 한편, 롤러 부재(26)의 배치는, 접합방향 전방 대신 측방 또는 후방, 또는 이들의 조합으로 해도 좋다.
도 5의 예에서는 압축스프링(27)에 의한 반력(Fr)은 아래를 향해 작용하기 때문에, Fp = F1 W - F2 Fr로 된[0081]
다. 여기서, Fp = 0로 한 경우, Fr = F2 - W - F1로 되고, 이 Fr이 제로 또는 소정의 정의 값으로 되도록 각
값이 설정된다.
다음에, 도 6은 도 1에 도시된 실시형태의 변형례를 나타내고 있다.[0082]
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고정식 보빈 툴로 이루어진 접합 툴(14)을 갖춘 마찰 교반 접합장치를 이용해서, 피접합부재(P)끼리의 맞댐 부[0083]
위를 접합하는 경우, 접합작업의 초기단계에 있어서, 피접합부재(P)가 변형되어 접합 툴(14)이 침하(沈下)해 가
는 현상이 생길 수 있다.
이러한 현상은, 접합작업의 초기 단계에서는 접합 환경(피접합부재(P)의 교반상태나 온도 등)이 아직 안정되어[0084]
있지 않고, 접합 툴에 의한 마찰열이 국부적으로 공급되어 피접합부재(P)가 과도하게 연화(軟化)하여 접합 툴
(14)로부터의 압압력(Fp)을 지지하지 못하고 변형되어 버리기 때문이라고 생각된다.
그래서, 도 6에 도시된 예에 있어서는, 접합작업을 개시할 때에 접합 헤드(13)를 소정의 높이로 보유지지하기[0085]
위한 헤드 보유지지기구(33)를 설치했다. 이 헤드 보유지지기구(33)는, 헤드 지지부(11)에 설치된 헤드 보유지
지용 에어 실린더(34)를 갖고, 이 에어 실린더(34)의 피스톤 로드(34A)의 선단부가 접합 헤드(13)에 당접되어
있다.
에어 실린더(34)에는, 제4 배관(35)을 통해 압축공기원(20)으로부터의 압축공기가 공급된다. 제4 배관(35)의[0086]
도중에는 전자밸브(36)가 설치되어 있고, 제어장치(24)에 의해 전자밸브(36)의 절환이 조작된다.
도 6에 도시된 마찰 교반 접합장치를 이용하여 피접합부재(P)의 맞댐 부위를 접합할 때에는, 접합작업을 개시할[0087]
때에, 제어장치(24)에 의해 전자밸브(36)를 조작하여 압축공기원(20)으로부터의 압축공기를 감압없이 직접 에어
실린더(34)로 공급하고, 에어 실린더(34)의 피스톤 로드(34A)를 신장시켜 그 선단부에서 접합 헤드(13)를 지지
하도록 한다.
그리고, 접합작업이 어느 정도 진행되어 접합 환경이 안정된 시점에서, 제어장치(24)에 의해 전자밸브(36)를 조[0088]
작해서 에어 실린더(34)로의 압축공기의 공급을 정지하여 피스톤 로드(34A)를 수축시킨다. 이에 따라, 헤드 보
유지지기구를 갖추고 있지 않은 마찰 교반 접합장치(도 1)와 마찬가지의 상태로 되어, 이후의 접합작업을 지장
없이 실시할 수 있게 된다.
한편, 도 6에 도시된 예의 변형례로서, 도 3 ~ 도 5에 도시된 툴 위치 보정기구를 추가할 수도 있다. 도 7은,[0089]
도 4에 도시된 툴 위치 보정기구를 추가한 예를 나타내고 있다. 도 7에 도시된 예에 의하면, 헤드 보유지지기
구에 의한 접합작업 초기단계에서의 작용 효과와, 그 후의 접합작업 단계에서의 툴 위치 보정기구에 의한 작용
효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명하였으나, 상기 실시형태는 본 발명의 범위 내에서 적절히 변경[0090]
할 수 있다.
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도면
도면1
도면2
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도면3
도면4
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도면5
도면6
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도면7
도면8
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도면9
도면10
도면11
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