KR100580227B1 - 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치 - Google Patents

저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치 Download PDF

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한국전기연구원
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Abstract

본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치는, 봉대봉 용접을 위한 저융점 시료를 취부하기 위한 상부 지그; 상부 지그의 수직 상하 이동을 가이드하는 수직이동 가이드; 수직이동 가이드의 이동을 정밀하게 제어하기 위한 니들 게이지; 수직이동 가이드의 전후 위치 이동을 위한 리니어 모터 가이드; 리니어 모터 가이드를 고정 및 지지하는 리너어 모터 가이드 지지대; 봉대봉 용접을 위한 고융점 시료의 취부 및 가열을 위한 하부 지그; 하부 지그에 취부된 시료의 가열을 위한 열을 제공하는 가열용 트랜스 2차 코어; 가열용 트랜스 2차 코어의 유도열 발생을 위한 전원을 제공하는 가열용 원형 트랜스; 다양한 크기의 고융점 시료를 하부 지그에 취부 가능하도록 하부 지그 가동부를 수평으로 이동시키기 위한 하부 지그 수평 이동용 모터; 및 상기 제 구성요소들을 전체적으로 지지 및 고정하는 것으로, 하부 받침대 및 수직 지지부재로 이루어지는 프레임을 포함하여 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 저융점 봉과 고융점 봉을 기계적, 전기적으로 용접함에 있어 제3의 솔더 충진재를 사용하지 않고, 용접 후에도 크기나 모양의 변화가 발생하지 않으며, 전력사고 보호용의 휴즈에 대응하여 설계된 전기적 임피던스에 맞게 용접이 가능한 장점이 있다.

Description

저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치{Apparatus for welding by rod-to-rod different kind metals with low melting point and high melting point}
도 1은 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치에 솔레노이드, 냉각팬, 온도 센서의 부가를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치의 수직이동 가이드 및 니들 게이지 부분의 결합관계를 보여주는 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치의 트랜스와 가열용 하부 지그의 결합관계를 보여주는 부분 발췌도.
도 5는 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치의 하부 지그의 구성을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치의 상부 지그의 구조를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101...상부 지그 102...수직이동 가이드
103...니들 게이지 104...리니어 모터 가이드
105...리니어 모터 가이드 지지대 106...하부 지그
107...가열용 트랜스 2차 코어 108...가열용 원형 트랜스
109...하부 지그 수평 이동용 모터 110...프레임
120...온도 센서 125...전원제어용 콘트롤러
130...냉각 팬 140...용접위치 고정용 솔레노이드
150...접지선
본 발명은 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치에 관한 것으로서, 특히 저융점 봉과 고융점 봉을 기계적, 전기적으로 용접함에 있어 제3의 솔더 충진재를 사용하지 않고, 용접 후에도 크기나 모양의 변화가 발생하지 않으며, 설계된 전기적 임피던스에 맞게 용접이 가능한 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치에 관한 것이다.
일반적으로, 기계적 구조물의 용접은 아크 방전, 산소 용접 불꽃, 프라즈마 토치와 같은 불꽃 방전을 유도하여 서로 용접하려고 하는 소재 사이에 유사 특성이 있는 제3의 금속(용접봉 또는 충진재)을 녹여서 빈 틈을 메워 없애는 방법으로 기계적, 구조적으로 하나가 되도록 하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 기계적으로 연 결한 두 소재간의 결합만 중요시되고 전기적인 저항이나 임피던스 변화는 고려되지 않는다. 또한, 녹는 점이 크게 상이할 경우 두 소재간의 용접은 불가능한 것으로 알려져 있다. 이런 방법은 보호용 소자의 엘리먼트와 단자간에 용접하는 것은 불가능하다.
또한, 흔히 솔더링(soldering)이라 함은 전기적인 납땜을 의미하며, 이때 솔더(solder)라 함은 납(pb), 주석(Sn), 아연(Zn) 등을 혼합한 땜납으로써 전기적으로 용접할 때 많이 사용하는 충진재이다. 이런 경우는 고융점 금속과 고융점 금속을 전기적으로 연결할 때 두 소재간 계면에 솔더를 위치하게 함으로써 기계적 강도보다는 전기적인 연결을 주 목적으로 한다. 또한 외부 테두리나, 측면, 면과 면에 열을 주어 일정한 온도가 되면 솔더를 녹여 붙이는 방법을 사용한다. 이와 같은 솔더링은 봉과 봉의 단면을 전기적, 기계적으로 연결하기는 불가능한 방법이다.
본 발명은 이상과 같은 종래 용접기 및 용접 방식에서의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 저융점 봉과 고융점 봉을 기계적, 전기적으로 용접함에 있어 제3의 솔더 충진재를 사용하지 않고, 용접 후에도 크기나 모양의 변화가 발생하지 않으며, 설계된 전기적 임피던스에 맞게 용접이 가능한 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치는,
봉대봉 용접을 위한 저융점 시료를 취부하기 위한 상부 지그;
상기 상부 지그와 기계적으로 연결되며, 상부 지그의 수직 상하 이동을 가이드하는 수직이동 가이드;
상기 수직이동 가이드와 기계적으로 연결되며, 수직이동 가이드의 이동을 정밀하게 제어하기 위한 니들 게이지;
상기 수직이동 가이드와 기계적으로 연결되며, 수직이동 가이드의 전후 위치 이동을 위한 리니어 모터 가이드;
상기 리니어 모터 가이드를 고정 및 지지하는 리너어 모터 가이드 지지대;
상기 상부 지그 하부에 위치되며, 봉대봉 용접을 위한 고융점 시료의 취부 및 가열을 위한 하부 지그;
상기 가열용 하부 지그의 일측 금형에 기계적으로 연결되며, 하부 지그에 취부된 시료의 가열을 위한 열을 제공하는 가열용 트랜스 2차 코어;
상기 가열용 트랜스 2차 코어와 기계적으로 결합되며, 가열용 트랜스 2차 코어의 유도열 발생을 위한 전원을 제공하는 가열용 원형 트랜스;
상기 하부 지그의 타측 금형에 기계적으로 연결되며, 다양한 크기의 고융점 시료를 하부 지그에 취부 가능하도록 타측 금형을 수평으로 이동시키기 위한 하부 지그 수평 이동용 모터; 및
상기 제 구성요소들을 전체적으로 지지 및 고정하는 것으로, 하부 받침대 및 수직 지지부재로 이루어지는 프레임을 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 프레임의 수직 지지부재의 소정 부위에는 상기 상부 지그와 하부 지그에 각각 취부된 저융점 시료와 고융점 시료의 용접후, 저융점 시료의 형태나 크기가 변형되지 않도록 시료를 급속히 냉각시켜 주기 위한 냉각팬이 더 설치된다.
또한, 상기 프레임의 수직 지지부재의 소정 부위에는 상기 수직이동 가이드상부의 용접 위치를 고정하기 위한 솔레노이드가 더 설치된다. 이는 상부 지그에 취부되는 저융점 시료의 크기가 클 때 또는 상기 수직이동 가이드의 위치를 바꾸기 위한 것이다.
또한, 상기 하부 지그에는 용접시 하부 지그에 취부된 시료의 온도를 감지하기 위한 온도 감지 센서가 더 설치된다. 이는 저융점 금속의 계면이 녹는 온도(예컨대, 100∼350℃) 까지 감지하면서 그 감지신호를 전원제어용 콘트롤러(미도시)로 보내, 트랜스에 인가되는 전원을 제어하기 위한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치를 나타낸 것으로서, 도 1은 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 솔레노이드, 냉각팬, 온도 센서의 부가를 보여주는 도면이며, 도 3은 수직이동 가이드 및 니들 게이지 부분의 결합관계를 보여주는 측면도이고, 도 4는 트랜스와 가열용 하부 지그의 결합관계를 보여주는 부분 발췌도이며, 도 5는 하부 지그의 구성을 보여주는 도면이고, 도 6은 상부 지그의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치는 상부 지그(101), 수직이동 가이드(102), 니들 게이지(103), 리니어 모터 가이 드(104), 리니어 모터 가이드 지지대(105), 하부 지그(106), 가열용 트랜스 2차 코어(107), 가열용 원형 트랜스(108), 하부 지그 수평 이동용 모터(109), 프레임(110)을 포함하여 구성된다.
상기 상부 지그(101)는 봉대봉 용접을 위한 저융점 시료(예컨대, Pb+ Sn)(101s)를 취부하기 위한 것이다. 여기서, 이와 같은 상부 지그(101)는 도 6에 도시된 바와 같이, 실리콘 고무재질의 금형으로 제작된다. 금형의 입구는 시료의 착탈이 원활하도록 텝핑 처리되며, 용접할 시료의 싸이즈에 맞게 다양한 크기로 설계된다. 이와 같이 상부 지그(101)를 실리콘 고무로 제작하는 것은 양산에 대비하고, 용접전 시료의 취부와 용접후 시료의 제거를 용이하게 하기 위한 것이다.
상기 수직이동 가이드(102)는 상부 지그(101)와 기계적으로 연결되며, 상부 지그(101)의 수직 상하 이동이 가능하도록 가이드 역할을 한다.
상기 니들 게이지(103)는 상기 수직이동 가이드(102)와 기계적으로 연결되며, 수직이동 가이드(102)의 이동을 정밀하게 제어하기 위한 것이다. 즉, 이 니들게이지(103)를 이용하여, 용접 초기 설정에서 고융점 시료의 길이와 저융점 시료의 길이를 측정하여 봉 형태의 단면적이 맞닿을 수 있도록 수직 이동 거리를 정밀하게 측정하여 레버를 한 번에 내려서 내려올 수 있는 거리까지를 셋팅한다. 그러면 다음부터는 레버를 한번만 내림으로써 정해진 위치까지 신속하게 이동이 가능하게 되는 것이다.
상기 리니어 모터 가이드(104)는 상기 수직이동 가이드(102)와 기계적으로 연결되며, 수직이동 가이드(102)의 전후 위치 이동을 위한 것이다.
상기 리니어 모터 가이드 지지대(105)는 리니어 모터 가이드(104)를 고정 및 지지한다.
상기 하부 지그(106)는 상기 상부 지그(101) 하부에 위치되며, 봉대봉 용접을 위한 고융점 시료(106s)의 취부 및 가열을 위한 것이다. 여기서, 이와 같은 하부 지그(106)는 전기적인 도통과 열전달이 원활하도록 전기전도도와 열전도도가 우수한 금속재(예컨대, 알루미늄, 구리)로 제작된다. 또한, 봉 형태의 시료를 용이하게 취부할 수 있도록 지그의 중심부에는 도 5에 도시된 바와 같이, 타원형의 홈이 형성되며, 그 홈의 크기는 상기 트랜스(108)의 2차측 전압의 가변에 맞추어 전류가 고융점 시료(106s)에 전달될 수 있도록 설계된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이,지그의 가동부측은 상기 가열용 트랜스 2차 코어(107)측에 전기적으로 손실이 없는 유연한 접지선(150)으로 연결된다.
또한, 이상과 같은 하부 지그(106)에는 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이, 용접시 하부 지그(106)에 취부된 시료(106s)의 온도를 감지하기 위한 온도 센서(120)가 더 설치된다. 이는 저융점 금속의 계면이 녹는 온도(예를 들면, 100∼350℃) 까지 감지하면서 그 감지신호를 전원제어용 콘트롤러(125)(후술됨)로 보내, 후술되는 트랜스(108)에 인가되는 전원을 제어하기 위한 것이다.
상기 가열용 트랜스 2차 코어(107)는 상기 하부 지그(106)의 일측 금형(고정부)에 기계적으로 연결되며, 하부 지그(104)에 취부된 시료의 유도가열을 위한 열을 제공한다.
상기 가열용 원형 트랜스(108)는 가열용 트랜스 2차 코어(107)와 기계적으로 결합되며, 가열용 트랜스 2차 코어(107)의 유도열 발생을 위한 전원을 제공한다. 여기서, 이와 같은 트랜스(108)는 저융점 금속과 고융점 금속의 용접을 위하여 공급되는 전원으로서 전기적인 변압보다는 저전압이면서 2차측에서 열에너지로의 변환을 크게 하기 위한 것이다. 이때, 입력 전압은 상용 110 V 또는 220 V를 사용하고, 출력 전압은 0.1V에서 5V 까지 가변할 수 있게 함으로써 용접할 시료의 단면적이 커서 많은 전류를 필요로 할 때 초기 전압 조건을 적절히 설정할 수 있다. 여기서, 또한 이와 같은 트랜스(108)에는 바람직하게는 상기 하부 지그(106)에 설치된 온도 센서(120)로부터의 감지 신호를 수신받아 트랜스(108)에 인가되는 전원을 제어하기 위한 전원제어용 콘트롤러(125)가 더 설치된다.
상기 하부 지그 수평 이동용 모터(109)는 상기 하부 지그(106)의 타측 금형(가동부)에 기계적으로 연결되며, 다양한 크기의 고융점 시료를 하부 지그(106)에 취부 가능하도록 타측 금형(가동부)을 수평으로 이동시키기 위한 것이다.
상기 프레임(110)은 상기 제 구성요소들을 전체적으로 지지 및 고정하는 것으로, 하부 받침대(110s) 및 수직 지지부재(110v)로 이루어진다.
여기서, 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 프레임(110)의 수직 지지부재(110v)의 소정 부위에는 상기 상부 지그(101)와 하부 지그(106)에 각각 취부된 저융점 시료(101s)와 고융점 시료(106s)의 용접후, 저융점 시료의 형태나 크기가 변형되지 않도록 시료를 급속히 냉각시켜 주기 위한 냉각팬(130)이 더 설치된다.
또한, 상기 프레임의 수직 지지부재(110v)의 소정 부위에는 상기 수직이동 가이드(102) 상부의 용접 위치를 고정하기 위한 솔레노이드(140)가 더 설치된다. 이는 상부 지그(101)에 취부되는 저융점 시료(101s)의 크기가 클 때 또는 상기 수직이동 가이드(102)의 위치를 바꾸기 위한 것이다.
이상과 같은 본 발명의 용접장치를 적용함에 있어서, 녹는 점이 500 ℃ 이상의 차이를 갖는 이종 금속의 봉대봉 용접은 고융점 시료(106s)를 하부 지그(106)에 고정시키고, 그 하부 지그(106)에 트랜스(108)에서 공급되어 2차로 유도된 전력을 공급함으로써 하부 지그(106)는 설계된 열을 발생시키게 된다. 용접 조건으로 이미 셋팅되어 상부에서 내려와 맞닿은 봉과 봉은 서로 열교환이 이루어지고, 저융점 금속은 맞닿은 계면의 표면에서 용융되어 고융점 금속과 용접된다. 이때, 또한 이미 최적으로 계산된(시료의 크기, 길이, 재질에 따라 시간과 인가 전압이 다양하게 설정) 용접 시간 이후에는 냉각팬(130)에 의해 급속 냉각을 시킴으로써 용접이 완료된다. 이런 종류의 용접은 회로 내에서 과부하 보호용 소자를 설치할 경우 보호용 소자의 용단부 용접에 매우 적합하다. 실제로 본 발명의 용접장치에 의해 용접실험을 해본 결과, 용접이 완성된 시료의 모양은 양호했으며, 전기적인 저항 성분의 임피던스 변화는 거의 0(zero)에 가까웠다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치는 기계적 구조물의 용접에 사용하는 아크 방전, 산소 용접 불꽃, 프라즈마 토치와 같은 불꽃 방전을 유도하여 용접하는 것과 다르며, 또한 서로 용접하려고 하는 소재 사이에 유사 특성이 있는 제3의 금속(용접봉 또는 충진재)을 녹여서 빈 틈을 메워주거나 전기적인 연결만하는 솔더링(soldering)과는 근본적으로 그 개념을 달리하는 용접장치로서 다음과 같은 효과와 장점이 있다.
첫째, 기존의 용접 방법과 장치로써는 불가능한 서로 다른 큰 융점의 차이를 갖는 소재를 용접할 수 있다.
둘째, 종래의 봉대봉 용접은 바깥 부근에서의 테두리나 외부에 노출된 부위의 용접만 되지만 본 발명의 용접 장치에 의해서는 계면 전체의 용접이 가능하다.
셋째, 봉대 봉 용접 후에도 설계된 전기적 임피던스의 변화 없이 일정하게 유지할 수 있다.
이상과 같은 장점으로 정밀 부품이나 소자의 용접에 적용될 경우 높은 신뢰성의 용접 품질을 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 봉대봉 용접을 위한 저융점 시료를 취부하기 위한 상부 지그;
    상기 상부 지그와 기계적으로 연결되며, 상부 지그의 수직 상하 이동을 가이드하는 수직이동 가이드;
    상기 수직이동 가이드와 기계적으로 연결되며, 수직이동 가이드의 이동을 정밀하게 제어하기 위한 니들 게이지;
    상기 수직이동 가이드와 기계적으로 연결되며, 수직이동 가이드의 전후 위치 이동을 위한 리니어 모터 가이드;
    상기 리니어 모터 가이드를 고정 및 지지하는 리너어 모터 가이드 지지대;
    상기 상부 지그 하부에 위치되며, 봉대봉 용접을 위한 고융점 시료의 취부 및 가열을 위한 하부 지그;
    상기 가열용 하부 지그의 일측 금형에 기계적으로 연결되며, 하부 지그에 취부된 시료의 가열을 위한 열을 제공하는 가열용 트랜스 2차 코어;
    상기 가열용 트랜스 2차 코어와 기계적으로 결합되며, 가열용 트랜스 2차 코어의 유도열 발생을 위한 전원을 제공하는 가열용 원형 트랜스;
    상기 하부 지그의 타측 금형에 기계적으로 연결되며, 다양한 크기의 고융점 시료를 하부 지그에 취부 가능하도록 타측 금형을 수평으로 이동시키기 위한 하부 지그 수평 이동용 모터; 및
    상기 제 구성요소들을 전체적으로 지지 및 고정하는 것으로, 하부 받침대 및 수직 지지부재로 이루어지는 프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 수직 지지부재의 소정 부위에는 상기 상부 지그와 하부 지그에 각각 취부된 저융점 시료와 고융점 시료의 용접후 저융점 시료의 형태나 크기가 변형되지 않도록 시료를 급속히 냉각시켜 주기 위한 냉각팬이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 수직 지지부재의 소정 부위에는 상기 수직이동 가이드상부의 용접 위치를 고정하기 위한 솔레노이드가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 지그에는 용접시 하부 지그에 취부된 시료의 온도를 감지하기 위한 온도 센서가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스에는 상기 하부 지그에 설치된 온도 센서로부터의 감지 신호를 수신받아 트랜스에 인가되는 전원을 제어하기 위한 전원제어용 콘트롤러가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 저융점-고융점 이종금속의 봉대봉 용접장치.
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