KR100897679B1 - 금속판재 압연성형 매쉬심 용접방법 및 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 장의 금속판재의 측단표면을 상호 중첩시킨 다음 연속되어 배열되어 있는 계단형전극롤러의 전기저항에 의하여 아크를 발생시키지 않고 고온상태로 연속가열하여 계단형전극롤러에 의하여 압연력으로써 금속조직이 균일한 금속판재를 접합과 동시에 계단형전극롤러의 계단과 사다리꼴빈공간에 의해서 중첩된 과잉금속을 금속판재 표면밖으로 압연성형함으로써 산화피막등의 불순물을 함께 배출되도록 하여 두께가 균일하며 순수한 금속판재로 연속적으로 소성유동접합하는 금속판재 압연성형 매쉬심(Roll-Formed Mash Seam) 용접방법과 용접장치에 관한 것이다.

압연성형 매쉬심용접(Roll-Formed Mash Seam Welding), 매쉬심용접(Mash Seam Welding), 버트심용접(Butt Seam Welding), 소성유동접합, 고상접합, 전기저항용접, 중첩, 금속판재, 산화피막, 전극롤러, 저항가열, 압연, 계단형전극롤러, 압연압출, 압출, 용접, 접합.

Description

금속판재 압연성형 매쉬심 용접방법 및 용접장치{Roll-Formed Mash Seam Welding Method and Device of Metallic Plates}

두 장의 금속판재를 접합시킬 때 판재의 측단면을 중첩시키고 전극롤러를 사용하여 용접하는 매쉬심용접방법(Mash Seam Welding)에 있어서 전기저항에 의한 접합면상의 부분용융을 통한 용융응고 접합방법을 개선하는 기술이다.

전기저항에 의하여 중첩된 금속판재를 용융하는 대신에 연속적으로 배열되어 있는 계단형전극롤러에 의해 고온상태로 연속가열하여 소성유동적으로 접합하는 고상용접방법이며 매쉬심용접시 중첩된 측단면을 압연하면서 중첩부분의 과잉소재가 판재상으로 퍼질 때 계단형전극롤러의 사다리꼴빈공간에 의해서 판재표면상에서 상하방향으로 과잉금속을 압연성형하면서 두께가 균일한 접합부를 가지는 금속판재를 연속적으로 강하게 접합하도록 하는 압연성형 매쉬심 소성유동 고상접합의 일종이다

금속판재의 용접방법은 크게 두 분야로 대별할 수 있는 데 용융용접과 압접용접이 있다. 용융용접방법으로서는 금속판재를 맞댄 부분에 강한 아크를 발생시켜 용융하는 맞대기아크용접법이 있으며 압접방법으로서는 판재를 중첩한 상태에서 전 기저항에의한 열과 가압력에 부분용융하는 저항용접법이 있다.

판재를 중첩한 상태에서 전기저항에 의한 용접방법은 접합부분의 형태에 따라 점형태의 스폿용접(Spot welding) 및 특수형태의 프로젝션용접(Projetion welding)과 선형태의 심용접(Seam welding)이 있다.

심용접에는 금속판재의 용접위치에 따라서 특별히 선단면을 중첩시켜 전기저항과 가압력에 의해 소성유동시키면서 용접하는 방법인 매쉬심용접(Mash Seam Welding)법과 금속판재의 선단면을 맞대어서 전기저항과 가압력에의해 접합하는 맞대기시임용접(Butt Seam Welding)이 있다.

그러나 이 때의 매쉬심용접은 전극롤러의 형상이 평판롤러의 형태를 가지고 있기 때문에 심용접할 때 중첩부분이 압착되면서 용접부의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다. 이에 비해 맞대기시임용접은 금속판재를 맞댄 상태에서 전극롤러에 가압력에의해 용접부의 두께가 얇아지는 단점을 가지고 있다. 그리고 두 방법이 전기저항에 의한 부분용융응고에 의한 용접이며 용접후 용접부의 금속조직이 변하는 단점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기의 매쉬심용접의 단점인 압착할 때 중첩면에서 소재의 퍼짐에 의한 용접부의 두께가 두꺼워지는 것을 막기 위하여 계단형전극롤러의 계단과 그 속에 있는 사다리꼴빈공간의 작용으로 과잉금속을 압연과 동시에 성형하면서 강하게 고상용접하도록 하여 매쉬심용접과 맞대기시임용접에서 문제점으로 지적되는 용접부 두께의 변화없이 균일하게 용접할 수 있는 새로운 금속판재 압연성형 매쉬심 용접(Extru-Rolling Mash Seam Welding)이 특징이다.

또한 전극롤러의 전기저항에의한 아크를 수반한 소재의 부분용융대신에 연속적으로 배열되어 있는 계단형전극롤러에 의해서 고온상태로 연속가열하여 열간소성유동상태인 금속소재로 압연될 때 중첩된 과잉소재를 금속판재 표면밖으로 강하게 성형함과 동시에 금속판재 측면에 있는 산화피막등의 불순물도 함께 배출하도록하여 금속조직이 균일하며 순수한 접합부를 가지는 금속판재로 고상접합되도록 하는 것이 특징이다.

심용점(Seam Welding)이나 매쉬심용접(Mash Seam Welding) 또는 맞대기심용접(Butt Seam Welding) 있어서는 전기저항에 의한 용융응고상태의 용접이기 때문에 전기저항에 의한 아크발생으로 인하여 환경적인 문제점과 접합후 두께가 두꺼워지든지 얇아지는 문제점을 가지고 있으며 용접부의 부분용융응고접합으로 인한 금속조직의 변화로 용접강도에도 문제점을 내포하고 있다.

따라서 아크를 발생하지 않고 중첩된 금속판재의 측단면을 연속되어 배열되어 있는 계단형전극롤러에 의한 전기저항으로 고온상태로 연속가열하여 아크가 발생하는 환경적인 문제점을 해결하고 중첩된 과잉금속를 압연성형(Roll Forming)하여 사다리꼴과잉금속으로 성형될 때 금속판재의 측단면에 있던 불순물과 산화피막도 함께 배출되도록 함과 동시에 두께와 금속조직이 균일하며 순수한 상태의 금속판재를 소성유동적으로 강하게 맞대기 압연성형 매쉬심용접할 수 있는 접합방법과 접합장치를 해결과제로 한다.

금속조직의 변화를 최소한 줄이기 위해서는 금속판재를 부분적으로 용융하지 않고 소성유동적으로 강하게 압착하는 고상용접이 되어야하는 데 고상용접은 밀폐형 금형공간내에서 성형등의 방법으로 소재를 배출하면서 강한 압력을 부여해야 하는 단점이 있다. 또한 기존의 매쉬심용접 전극롤러의 형상이 평판형롤러의 형태를 가지고있기 때문에 매쉬심용접할 때 중첩부분이 퍼지며 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.

이를 해결하기 위하여 압연할 때 중첩면에서 소재의 퍼짐을 막고 표면상하로 과잉금속을 성형할 수 있도록 계단형전극롤러의 계단과 사다리꼴빈공간을 설치하여 밀폐형성형공간을 만들어 과잉소재의 퍼짐을 막으면서 강하게 접합하도록 함과 동시에 과잉금속이 성형될 때 금속판재의 측단면에 있던 불순물과 산화피막도 함께 배출되도록 하여 두께가 두꺼워지지 않도록 하는 것이 해결되어야 할 과제이다.

또한 연속적으로 배열되어있는 계단형전극롤러에 의해서 용융할 정도의 전기저항 대신에 전류를 조정하여 고온상태의 연속가열을 통하여 아크발생을 저지하여 환경적인 문제가 발생하지 않도록 하며 고상상태의 용접으로써 용접부 금속조직을 균일하게 하는 것이 해결과제이다.

아크가 발생하지 않는 전기저항용접으로 연속적으로 두 금속판재의 측단을 강하게 접합하도록 하는 고상상태의 용접이기 때문에 용접부의 조직에 변화가 없으며 용접강도가 우수하다. 또한 과잉금속이 성형되면서 접합되기 때문에 두께가 두꺼워지지 않으며 계단형전극롤러와 사다리꼴빈공간의 형상에 의해서 과잉금속이 사다리꼴과잉금속으로 성형될 때 금속판재의 측단면에 있던 불순물과 산화피막도 함께 배출되는 효과도 가지고 있다.

일반적인 심용접기의 전극롤러의 형상은 평판형이기 때문에 중첩된 금속판재(1)가 압연될 때 과잉금속이 퍼짐으로 인하여 용접후의 판재두께가 두꺼워져 추 가공정이 필요하고 또한 평판전극롤러의 형상으로 인한 열린 공간상의 압연이기 때문에 접합압력이 전단력에 의한 접합이기보다는 단조형의 접합에 가깝다. 따라서 접합면에서의 고상용접이 곤란하여 전기저항에의한 용융용접이 필수적이다. 그러나 접합면을 하중방향과 일치하도록 하여 접합시에 전단에 의한 접합으로 유도하면 접합면을 용융시키지 않고도 열간상태의 금속을 강한 전단력에 의해서 고상접합시키는 것이 가능하다.

접합면을 하중방향과 일치시키는 한 가지 방법으로서 기존의 심용접에 사용되는 평판전극롤러의 형상을 사다리꼴빈공간(5)을 가지고 있는 계단형전극롤러(4)로 바꾸고 연속적으로 배열하여 점차적으로 중첩된 금속판재(1)의 측단면을 압연할 때 계단형전극롤러(4)의 계단형태에 따라 벽을 형성하게 되어 이동하는 소재의 퍼지는 것을 막으면서 계단형전극롤러(4)내부에 사다리꼴빈공간(5)속으로 과잉금속(13)이 하중방향으로 성형되도록 하게 되면 접합면에서 강한 전단력이 발생되어 소재를 용융시키지않고도 강한 압연성형력으로써 고상접합이 가능하게 된다.

계단형전극롤러(4)를 사용하여 발명의 목적을 달성하기 위한 방법은 다음의 단계를 포함하고 있다.

두 장의 두께가 같거나 다른 금속판재 측단모서리의 중첩될 표면이 표면연삭롤러(2)를 통과하면서 금속표면상에 있던 불순물과 산화피막을 벗겨 내는 단계; 안내롤러(3)에 의해 중첩되어 구속된 상태에서 중첩된 금속판재(1)을 계단형전극롤러(4)속으로 삽입하는 단계; 중첩된 면에 수직방향으로 각각 한 쌍씩 연속적으로 배열되어 있는 상하부 계단형전극롤러(4)로써 중첩된 금속판재를 저항가열하면서 계단형전극롤러(4)의 롤간격을 점차 줄일 때 강한 압연성형압력으로 중첩된 판재측단을 접합하는 단계; 접합과 동시에 계단형전극롤러(4)의 계단형상과 사다리꼴빈공간(5)에 의해서 밀려나오는 과잉금속을 강한 압력으로 압연하면서 성형하는 단계; 과잉금속이 압연성형될 때 금속판재 측단면에 있는 불순물과 산화피막도 동시에 표면밖으로 배출되는 단계; 압연성형후 배출된 사다리꼴과잉금속(13)을 세이빙칼날(7)로써 절삭하는 단계; 플랫트닝롤러(8)로써 접합된 판재의 표면을 다듬는 단계;의 접합방법으로 구성되어 있다.

또한 계단형전극롤러(4)를 사용하여 상기목적을 달성하기 위해서 다음의 접합장치인 접합하고자 하는 두 장의 금속판재(1); 두 장의 중첩되는 금속판재의 접촉면을 연삭하는 한 개의 표면연삭롤러(2); 두 금속판재의 연삭된 면을 중첩시키며 구속된 금속판재를 계단형전극롤러(4)에 삽입하는 한 쌍의 안내롤러(3); 삽입된 중첩된 판재를 부분가열함과 동시에 압연성형하며 연속되어 배열되어 있는 계단형전극롤러(4); 계단형형전극롤러(4)의 계단면과 금속판재(1)와의 접촉하는 면에 형성된 사다리꼴빈공간(5); 접합된 금속판재의 상하 표면상으로 압연성형되어 나온 사다리꼴과잉금속(13)를 세이빙하는 세이빙칼날(7); 접합된 판재의 표면을 다듬는 플랫트닝롤러(8); 계단형전극롤러(4)와 구속안내롤러(6)를 지지하는 전극롤러지지암(9); 연속되어 배열되어 있는 전극롤러지지암을 연결지지하는 전극롤러지지프레임(10); 계단형전극롤러(4)에 전원을 공급하는 전원장치; 로 구성되어 있다.

위의 용접방법과 용접장치로써 두 장의 금속판재(1)를 아크가 발생하지 않고 중첩표면과 측단면에 붙어있는 불순물과 산화피막을 제거한 상태의 순수한 금속만 으로 강하게 소성유동접합하도록 하는 금속판재(1) 압연성형 매쉬심 용접방법과 용접장치가 본원발명의 특징이다.

도 1과 도 2는 계단형전극롤러(4)에 사다리꼴빈공간(5)이 형성되어 있는 계단형전극롤러(4)의 단면도와 사시도를 도시하고 있다.

기존의 심용접에 사용되는 평판전극롤러를 사용하는 대신에 계단형전극롤러(4)를 사용하고 계단아랫부분의 판재와 접촉하는 부분에 사다리꼴빈공간(5)이 형성되어 있는 비교적 구조가 간단한 형태이기 때문에 접합과정중에 판재표면밖으로 과잉금속(13)을 쉽게 압연성형할 수 있도록 되어 있어 과잉금속(13)이 압연성형과정중에 압출되도록하여 강하게 접합할 수 있도록 사다리꼴빈공간(5)의 형상을 높이가 낮고 폭이 넓은 사다리꼴형태에서 점차 높이는 크게 하면서 폭을 줄여 접합압력을 높이면서 압연하도록 한 것이 특징이다. 이때 압출된 과잉금속(13)은 세이빙칼날(7)에 의해서 절삭가공공정을 추가함으로써 쉽게 단락시킬 수 있다.

도 3은 계단형전극롤러(4)를 사용한 금속판재 압연성형 매쉬심 용접순서도로서 중첩된 면에 수직방향으로 각각 한 쌍씩 연속적으로 배열되어 있는 상하부 계단형전극롤러(4)로써 중첩된 금속판재(1)를 저항가열하면서 계단형전극롤러(4)의 롤간격을 점차 줄일 때 강한 압연성형압력으로 중첩된 판재측단을 접합함과 동시에 접합할 때 사다리꼴빈공간(5)으로 과잉금속(12)이 밀려 나가면서 금속판재(1) 측단면에 있는 불순물과 산화피막도 동시에 접합판재(11) 표면밖으로 배출되는 것을 도시하고 있다.

사다리꼴빈공간(5)의 단면형상은 처음에 높이가 낮고 폭이 넓은 사다리꼴 형 상으로부터 시작되어 점차 좁고 높은 사다리꼴빈공간(5)으로 되어 있어 연속적으로 배열되어 있는 계단형전극롤러(4)에 의해서 압연과 동시에 사다리꼴과잉금속(13)을 쉽게 압연성형할 수 있도록 되어 있다.

도 4는 금속판재(1) 압연성형 매쉬심 용접공정도로서 두 장의 두께가 같은 금속판재(1) 측단모서리의 중첩될 표면이 표면연삭롤러(2)를 통과하면서 금속표면상에 있던 불순물과 산화피막을 벗겨 낸 다음 안내롤러(3)에 의해 중첩되어 구속된 상태에서 중첩된 판재금속을 계단형전극롤러(4)속으로 삽입하는 하게 된다. 이 때 중첩된 면에 수직방향으로 각각 한 쌍씩 연속적으로 배열되어 있는 상하부 계단형전극롤러(4)로써 중첩된 금속판재(1)를 저항가열하면서 계단형전극롤러(4)의 롤간격을 점차 줄일 때 강한 압연압력으로 중첩된 판재측단을 접합하게 된다. 접합할 때 사다리꼴빈공간(5)으로 과잉금속(13)이 밀려 나가면서 금속판재(1) 측단면에 있는 불순물과 산화피막도 동시에 접합판재(11) 표면밖으로 배출된 후 세이빙칼날(7)에의해 압연성형된 사다리꼴과잉금속(13)이 세이빙절삭된 후 플랫트닝롤러(8)에 의해서 마무리 압연되는 것을 도시하고 있다.

도 5는 계단형전극롤러(4)를 사용한 접합후의 계단형전극사용접합판재(11) 형상을 도시하고 있으며 판재접합후 표면에 사다리꼴과잉금속(13)이 붙어 있는 형상을 나타내고 있다. 사다리꼴과잉금속(13)은 세이빙칼날(7)에 의하여 세이빙 절삭으로 제거한 후 플랫트닝롤러(8)로써 마무리 압연을 통하여 표면을 다듬질하게 된다.

도 6은 사다리꼴과잉금속(13)이 붙어 있는 계단형전극사용접합판재(11)와 사 다리꼴과잉금속(13)을 세이빙절삭하는 세이빙칼날(7)을 도시하고 있다.

기존의 금속판재의 맞대기용접시 사용하는 아크용접방법을 전기저항용접으로 대체하는 효과가 있으며 아크가 발생하는 환경적인 문제점을 해결하고 금속조직과 두께의 변화없이 강한 접합력으로 접합할 수 있기 때문에 앞으로 금속판재의 맞대기 용접분야에 전기저항 고상용접법이 활발히 응용될 것으로 기대된다.

도 1은 계단형전극롤러 및 사다리꼴빈공간의 측면단면도.

도 2는 계단형전극롤러 및 사다리꼴빈공간의 사시도.

도 3은 계단형전극롤러를 사용한 금속판재 압연성형 매쉬심 용접순서도.

도 4는 계단형전극롤러를 사용한 금속판재 압연성형 매쉬심 공정도

도 5는 사다리꼴과잉금속이 붙어있는 접합후의 판재형상

도 6은 사다리꼴과잉금속을 절삭하는 세이빙칼날의 형상도

<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명>

1:금속판재 2:표면연삭롤러 3:안내롤러 4:계단형전극롤러 5:사다리꼴빈공간 6:구속안내롤러 7:세이빙칼날 8:플랫트닝롤러 9:전극롤러지지암 10:전극롤러지지프레임 11:계단형전극사용접합판재 12:과잉금속 13:사다리꼴과잉금속

Claims (3)

1. 두 장의 두께가 같거나 다른 금속판재 측단모서리의 중첩될 표면이 표면연삭롤러를 통과하면서 금속표면상에 있던 불순물과 산화피막을 벗겨 내는 단계; 안내롤러에 의해 중첩되어 구속된 상태에서 중첩된 판재금속을 계단형전극롤러속으로 삽입하는 단계; 중첩된 면에 수직방향으로 각각 한 쌍씩 연속적으로 배열되어 있는 상하부 계단형전극롤러로써 중첩된 금속판재를 저항가열하면서 계단형전극롤러의 롤간격을 점차 줄일 때 강한 압연성형압력으로 중첩된 판재측단을 접합하는 단계; 접합과 동시에 계단형전극롤러의 계단형상과 사다리꼴빈공간에 의해서 밀려나오는 과잉금속을 강한 압력으로 압연하면서 성형하는 단계; 과잉금속이 압연성형될 때 금속판재 측단면에 있는 불순물과 산화피막도 동시에 표면밖으로 배출되는 단계; 압연성형후 배출된 사다리꼴과잉금속을 세이빙칼날로써 절삭하는 단계; 플랫트닝롤러로써 접합된 판재의 표면을 다듬는 단계;의 접합방법으로써 두 장의 금속판재를 아크가 발생하지 않고 중첩표면과 측단면상에 붙어있는 불순물과 산화피막을 제거한 상태로 두께와 금속조직이 균일한 순수한 금속만으로 강하게 소성유동접합하도록 하는 금속판재 압연성형 매쉬심 용접방법.
2. 접합하고자 하는 두 장의 금속판재; 두 장의 중첩되는 금속판재의 접촉면을 연삭하는 한 개의 표면연삭롤러; 두 금속판재의 연삭된 면을 중첩시키며 구속된 금속판재를 계단형전극롤러에 삽입하는 한 쌍의 안내롤러; 삽입된 중첩된 판재를 부 분가열함과 동시에 압연성형하며 연속되어 배열되어 있는 계단형전극롤러; 계단형형전극롤러의 계단면과 금속판재와의 접촉하는 면에 형성된 사다리꼴빈공간; 접합된 금속판재의 상하 표면상으로 압연성형되어 나온 사다리꼴과잉금속를 세이빙하는 세이빙 칼날; 접합된 판재의 표면을 다듬는 플랫트닝롤러; 계단형전극롤러와 구속안내롤러를 지지하는 전극롤러지지암; 연속되어 배열되어 있는 전극롤러지지암을 연결지지하는 전극롤러지지프레임; 계단형전극롤러에 전원을 공급하는 전원장치; 로 구성되어 있는 접합장치로써 두 장의 금속판재를 아크가 발생하지 않고 중첩표면과 측단면에 있는 불순물과 산화피막을 제거한 상태로 두께와 금속조직이 균일한 순수한 금속만으로 강하게 소성유동접합하도록 하는 금속판재 압연성형 매쉬심 용접장치.
3. 제 1항에 있어서 두께가 같거나 다른 금속판재 압연성형 매쉬심 용접할 때 점진적으로 압연이 가능하도록 연속되어 있는 계단형전극롤러의 속에 있는 사다리꼴빈공간의 형상이 높이가 낮고 폭이 넓은 사다리꼴 형상에서부터 높이가 높고 폭이 좁은 사다리꼴빈공간을 가진 계단형전극롤러를 연속적으로 배열하여 과잉금속을 압연성형하면서 금속판재를 소성유동접합하도록 하는 금속판재 압연성형 매쉬심 용접방법.

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