KR100570393B1 - 자동차의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자동차의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치는 용접실의 지그상에 배치된 포커스 셋팅 지그를 포함하며, 상기 포커스 셋팅 지그에는 슬롯이 천공되어 있고, 상기 슬롯의 하부에는 상기 슬롯을 커버하는 위치에 컬렉터가 설치되어, 상기 전자빔이 슬롯을 통과하여 상기 컬렉터에 집적되도록 한 것을 기본 구성으로 하고 있다. 이러한 구성에 의하여 전자빔의 포커스를 신속하고 효율적으로 제어할 수 있다.

Description

자동차의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치{Electron beam welding focus setting apparatus applied to an Automobile}

도 1은 자동차의 스피드기어와 클러치 기어를 용접하는 전자빔 용접 장치의 개요를 나타낸 원리도;

도 2는 전자빔이 조사되는 용접 영역을 확대 도시한 원리도;

도 3은 용접부위에 어긋남이 발생한 상태를 도시한 원리도;

도 4는 본 발명의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치를 도시한 구성도; 그리고

도 5는 본 발명의 포커스 셋팅 지그를 위에서 도시한 사시도이다.

본 발명은 자동차의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 자동차에 활용되는 전자빔 용접시, 전자빔의 조사축과 용접 위치간의 포커싱을 간략히 하기 위하여 전자총을 이동하여 자동 포커싱 기능을 수행할 수 있도록 개량된 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치에 관한 것이다.

주지하는 것과 같이 전자빔 용접법은 고진공중에서 고속의 전자빔을 접합부에 대고, 그 충격 발열을 이용하여 행하는 용접법이다. 전자빔 용접장치는 전자빔 을 발생하는 전자총과, 가공품을 놓는 지그가 고진공 용기속에 밀폐되어 양자 모두 용기 밖으로부터 구동 제어되며, 용접 상황은 용기에 마련된 감시창등을 통하여 체크된다. 전자빔의 원리에 대하여 살펴 보면, 고진공 내에서 텅스텐 필라멘트를 가열하여 백열 상태로 하면, 그 표면부터 열전자를 방출하여 이 전자류는 캐소드(음극)에서 집속되고, 어노드(양극)로 가속되어 고속의 전자빔을 형성한다. 상기 전자빔은 다시 통상 전자렌즈라 부르는 집속 코일을 통하여 적당한 크기(약 0.3mm직경)로 줄여서 용접부에 조사된다.

상술한 전자빔 용접 장치는 고가이며 용접 시간이 많이 걸리는 단점이 있지만, 용융 금속에 가스가 침입하지 않으므로 기공이 없고 산화물도 없으며 매우 우수한 용접부를 얻을 수 있는 장점이 있어 주로 미소 정밀 용접이 필요한 자동차 부품의 용접에 활용되고 있다. 예컨대, 수동변속기용 주요 동력 전달 부품인 스피드기어 어셈블리를 제작하기 위해서 스피드 기어와 클러치 기어를 각각 별도로 가공한 후 두 부품을 전자빔 용접으로 결합하는 방식이 채용되고 있다.

도 1은 자동차의 스피드기어와 클러치 기어를 용접하는 전자빔 용접 장치(1')의 개요를 나타낸 원리도이다.

전자빔 용접장치는 크게 전자빔발생부(2'), 중간부(3') 및 용접실(4')로 구획되어 있다. 전자빔발생부(2')의 필라멘트 캐소드(10')에서 방사된 열전자는 어노드(12')에서 가속되어 전자빔을 형성하며, 상기 전자빔은 중간부(3')에서 제1렌즈(14'), 오리피스(16'), 제2렌즈(18') 및 편향렌즈(26')를 차례로 거치면서 투광 직경이 조절되고 집속도가 증대한 상태로 용접실(4')에 위치한 용접 부위로 조사된다. 도 1에서의 용접 부위는 스피드기어(S)와 클러치기어(C)의 접합부로서, 모터(32')에 의해 회전되는 회전축(30')에 지지되는 작업테이블(40')상에 배치된 지그(42')주위로 스피드기어(S)가 장착되고, 그 상부 외주를 둘러서 클러치기어(C)가 안착되어 있다. 이 상태에서 모터의 구동으로 지그가 회전하면서 용접이 수행되면, 스피드기어(S)와 클러치기어(C)의 맞물림부가 회전하면서 점차 용접 영역으로 진입하면서 용접되는 방식으로, 스피드기어(S)의 전체 외주에 걸쳐 클러치기어(C)가 정밀하게 결합된다.

도 2는 전자빔이 조사되는 용접 영역을 확대 도시한 원리도이다.

(l)은 전자빔의 조사 포커스축, (D)는 스피드기어(S)에 있어 용접부간의 거리, (O)는 스피드 기어의 회전 중심축 라인, (O')은 전자총의 절대 원점 기준라인 각각을 나타낸다. "ㄴ"은 기준선(O, O')간의 거리이다. 용접장치가 처음 리셋되었을 때, 전자빔 포커스축의 초기치는 (O')으로 셋팅되어 있다. 따라서, 용접 부위로 포커스를 이동시킬 때에는 L-(D/2) 의 공식에 따라 전자빔의 포커스를 이동시키게 된다. 이와 같이 전자빔의 포커스축을 용접 부위에 맞춘 후 실제 용접을 행하고, 두 부재(S,C)를 절단하여 실제 용접 결과 어긋난 량을 측정한 후 이 값을 토대로 상기 전자빔의 포커스를 다시 이동시키게 된다. 전자빔의 포커스 이동은 도시되지 않은 주지의 전자빔 용접장치의 제어부를 경유하여 자동적으로 수행된다.

도 3은 용접부위에 어긋남이 발생한 상태를 도시한 원리도이다. 예를 들어 용접입열의 과다로 후육부가 생성되는 경우는 전자빔의 포커스축의 위치를 (l)에서 (l')으로 좌측으로 미세하게 이동시켜 전자빔 포커스 위치를 보정한 후 다시 용접 을 수행하게 된다.

그런데, 이러한 종래의 전자빔 용접방법에 의하여 포커스를 맞추는 경우는 여러 번의 시행 착오를 되풀이해야 하며, 클러치 부품등의 실제 부재를 대상으로 테스트를 수행하는 결과, 설계 사양, 크기나 자동차의 기종이 변경되는 경우 매번 포커스 위치를 재조정해야 하는 등 시간이 많이 소요되며 작업이 번거롭고 숙련된 기술을 요한다는 단점이 있었다.

그러므로, 본 발명은 자동차에 활용되는 전자빔 용접 장치에 있어서, 전자빔의 조사축과 용접 위치간의 포커싱을 간략히 하기 위하여 전자총을 이동하여 자동 포커싱 기능을 수행할 수 있도록 개량된 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치는 용접실의 지그상에 배치된 포커스 셋팅 지그를 포함하며, 상기 포커스 셋팅 지그에는 슬롯이 천공되어 있고, 상기 슬롯의 하부에는 상기 슬롯을 커버하는 위치에 컬렉터가 설치되어, 상기 전자빔이 슬롯을 통과하여 상기 컬렉터에 집적되도록 한 것을 특징으로 한다.

더욱, 본 발명은 상기 포커스 셋팅 지그는 대략 원판형의 텅스텐판으로 이루어지며, 상기 컬렉터는 동(Cu)으로 제작되는 것을 특징으로 한다.

더욱, 본 발명은 상기 포커스 셋팅 지그의 상기 슬롯의 위치는 자동차 부품 의 스피드 기어와 클러치 기어의 용접부위에 해당하는 위치가 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 4에 도시한 본 발명의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치는 도 1에 도시한 용접장치와 기본적인 구조가 같으나, 용접실(4')에 전자빔 포커스 셋팅을 위한 장치를 배치한 점에서 다르다.

본 발명의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치는 포커스 셋팅 지그(2)와 컬렉터(CL)를 포함한다. 포커스 셋팅 지그(2)는 도 5에 도시한 것과 같이 전체적으로 원판형의 형상을 하고 있으며, 중앙의 중심공(20)을 중심으로 폭이 약 0.3mm인 한 쌍의 슬롯(22)이 상호 대향하여 천공되어 있다. 상기 슬롯폭은 전자빔의 투사 직경을 기준으로 설정한 것이므로, 전자빔의 직경이 변경되면 이에 맞추어 슬롯폭도 변경되어야 한다. 또, 상기 슬롯(22)은 원호의 일부를 이루는 형상으로 도시되어 있으나, 반원형으로 형성되는등 적절하게 그 곡률 반경이 변형될 수 있다. 본 발명의 포커스 셋팅 지그(2)는 전자빔의 조사에 쉽게 용융되지 않는 텅스텐판으로 제작되는 것이 바람직하다. 포커스 셋팅 지그(2)는, 지그(42')의 중앙축(44')에 그 중심공(20)이 삽입됨으로써 용접실(4') 내에 회전 가능하게 장착된다.

본 발명의 컬렉터(CL)는 상기 슬롯(22)의 하부에서 슬롯(22)의 개구부를 완전히 커버하는 위치에 설치된다. 이 목적을 달성하는 한 컬렉터(CL)의 형상과 크기는 자유로이 변경될 수 있다. 컬렉터(CL)는 바람직하게는 동(Cu)으로 제작된다. 동은 전자빔에서 방사되는 열전자의 충돌을 받아도, 전자를 방출하지 않는 안정된 재 료인 점에서 유리하다.

컬렉터(CL)는 전도선(3)을 경유하여 용접실(4') 외부에 배치된 저항기(4)에 연결되어 있다. 저항기(4) 다음에는 증폭기(5)와 A/D컨버터(6)가 접속되고, A/D컨버터(6)는 포커스제어부(7)에 연결되어 있다. 포커스제어부(7)는 I/O인터페이스, 메모리, 프로그램부등으로 이루어지며, 도시되지 않은 전자빔 용접장치의 메인 제어부에 연결되어 있다. 이 메인제어부는 선행 기술에서 설명한 것과 같이, 전자총의 위치를 이동시키는 제어등 전자빔 용접장치의 전반적인 제어를 수행하는 구성이다.

이상 서술한 본 발명의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치는, 전자빔이 포커스 셋팅 지그(2)의 슬롯(22)을 통과하여 컬렉터(CL)에 집적되면, 전자빔을 형성하는 열전자가 전도선(3)을 타고 흘러 저항기(4)를 경유하면서 전류로 변환되고, 이 전류를 증폭기(5)와 A/D컨버터(6)를 통해 디지털 값으로 변환한 다음, 포커스제어부(7)가, 내부에 기록된 소정의 기준치와 상기와 같이 측정된 전류치를 비교하여 전자빔의 포커스 위치가 정확한지를 검출하도록 하고 있다. 소정의 기준치는 실질적으로 모든 전자빔이 슬롯을 통과하여 용접 부위를 충분히 용융할 수 있는 경우의 해당 전류치를 의미하며, 예컨대, 5mAㅁ0.5mA와 같은 대역폭으로 설정될 수 있다. 포커스제어부(7)의 판단 결과, 측정치가 기준치와 동일하다(혹은 기준치에 속한다)고 판단되면, 현재 전자빔의 포커스는 적절한 것이므로 전자빔 이동을 위한 제어는 수행하지 않으나, 측정치가 기준치를 벗어나는 경우에는, 전자빔이 슬롯(22)을 통과하도록 전자총의 위치를 이동시키기 위한 이동 신호를 메인제어부로 송출한다. 메인제어부의 제어에 의해 전자총이 이동함으로써 용접실(41)내에서 전자빔의 조사 위치가 변동된다.

또, 상기 포커스제어부(7)는 검출 전류량에 따라 전자총의 이동 거리를 설정하는 프로그램을 미리 격납하고 있는 것이 바람직하다. 예컨대, 검출 전류가 "0"이면 전자빔이 슬롯의 중앙(반경 길이)에 오도록 그 이동거리는 적어도 0.15mm 이상이어야 하며, 검출 전류가 4.3mA이면 아주 미세하게 전자총의 이동 거리를 설정해야 한다.

이상 설명한 본 발명의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치에 있어 전자빔의 위치 조정을 위한 제1기준점은 포커스 셋팅 지그(2)에 형성된 슬롯(22)임을 알 수 있다. 그러므로, 상기 슬롯의 위치가 자동차 부품의 스피드 기어와 클러치 기어의 용접부에 해당하도록 그 위치를 미리 설정하면, 상술한 것과 같은 방법에 의하여 간편하고 정확하게 전자빔의 포커스를 맞출 수 있으며, 두 부재간의 용접을 바로 시행착오 없이 수행할 수 있는 장점을 기대할 수 있다. 또, 다른 자동차 부품에 대한 전자빔 용접을 수행하는 경우에는, 슬롯의 위치와 형상을 변경하거나 포커스 셋팅 지그(2)의 형상을 변경하여 적용함으로써 전자빔 조사의 정확도 여부를 판단할 수 있으므로 본 발명은 타 자동차 부품의 용접에 범용적으로 활용될 수 있는 장점이 있다.

이상 기술한 본 발명은 전자빔의 조사축과 용접 위치간의 포커싱을, 포커싱 셋팅 장치를 이용하여 자동적이고 정확하게 수행하므로, 실제 용접 작업에 있어 시 행착오를 줄이며, 용접을 신속하고 보다 간편하게 수행할 수 있다는 우월한 효과를 발휘한다.

Claims (3)

1. 자동차의 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치에 있어서, 상기 장치는

   용접실의 지그상에 배치된 포커스 셋팅 지그를 포함하며, 상기 포커스 셋팅 지그에는 슬롯이 천공되어 있고;

   상기 슬롯의 하부에는 상기 슬롯을 커버하는 위치에 컬렉터가 설치되어, 상기 전자빔이 슬롯을 통과하여 상기 컬렉터에 집적되도록 한 것을 특징으로 하는 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 포커스 셋팅 지그는 대략 원판형의 텅스텐판으로 이루어지며, 상기 컬렉터는 동(Cu)으로 제작되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 포커스 셋팅 지그의 상기 슬롯의 위치는 자동차 부품의 스피드 기어와 클러치 기어의 용접부위에 해당하는 위치가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접 포커스 셋팅 장치.

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