KR101273676B1

KR101273676B1 - 휴대용 초음파 금속 용착기

Info

Publication number: KR101273676B1
Application number: KR1020110056512A
Authority: KR
Inventors: 조국환
Original assignee: 조국환
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2013-06-12
Also published as: KR20120137159A

Abstract

본 발명은 초음파 금속 용착기에 관한 것으로, 공구혼의 승강이동에 의해 용착물을 용착하여 다양한 형상과 크기의 용착물을 정교하게 용착 가공하고, 용착기 제품의 소형화를 실현할 수 있도록 한 휴대용 초음파 금속 용착기에 관한 것이다.
이를 위해, 초음파 용착기에 있어서, 부스터 상하부에 상부하우징과 하부하우징을 커버 설치하고, 공구혼 하부 위치에 앤빌을 설치하도록 하부하우징 하부에 베이스플레이트를 설치하며, 상기 베이스플레이트와 하부하우징 사이에 승강실린더를 설치하되, 상기 승강실린더의 로드를 하부하우징 저면에 고정 설치하고, 상기 승강실린더 측면에 커버 설치된 커버플레이트 외측면에 가이드레일을 고정 설치하며, 상기 가이드레일에 끼워져 상하로 슬라이딩 이동될 수 있도록 상기 하부하우징 저면에 미끄럼베어링블록을 고정 설치하고, 상기 하부하우징이 안착될 수 있도록 상기 미끄럼베어링블록 외측에 외벽플레이트를 각각 설치한 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따라, 공구혼이 승강되어 용착물을 용착하므로, 용착물의 흔들림을 제한하여 정교한 용착작업이 가능한 효과가 있고, 공구혼과 용착물 사이의 간격을 크게 벌려 큰 힘으로 용착가공할 수 있으므로, 다양한 형상과 크기의 용착물을 용착작업할 수 있는 효과도 있으며, 용착기의 전장 축소를 통해 용착기의 소형화하여 제조할 수 있는 효과도 있다.

Description

휴대용 초음파 금속 용착기{Portable ultrasonic metal welder}

본 발명은 초음파 금속 용착기에 관한 것으로, 공구혼의 승강이동에 의해 용착물을 용착하여 다양한 형상과 크기의 용착물을 정교하게 용착 가공하고, 용착기 제품의 소형화를 실현할 수 있도록 한 휴대용 초음파 금속 용착기에 관한 것이다.

초음파 용착기란 사람의 귀에 들리지 않는 15khz~60khz 사이의 음파를 이용하여 플라스틱이나 연금속(구리, 알루미늄) 등을 접착하는 장비이다.

이러한, 초음파 용착기는 크게 전기적 에너지를 내는 발진기와, 전기에너지를 진동으로 변환하는 진동자(converter)와, 진동자에서 발생한 진동을 증감 또는 감소시키는 부스터(booster) 및 상기 부스터와 연계되어 제품과 직접 맞닿아 진동을 전달하는 알루미늄, 티타늄, 스틸 등의 재질로 이루어진 공구혼(tool horn)으로 구성된다.

여기서, 상기한 진동자는 니켈진동자, 페라이트 진동자, 압전세라믹을 이용하는 B.L.T(Bolt Clamping Langevin Type Transducer)진동자 등 여러 종류로 구분이 되는데, 근래에는 대부분 B.L.T진동자를 사용한다.

상기한 구성에 따른 초음파 용착기의 작동 원리를 살펴보면, 먼저 파워 서플라이를 통해 100~250v, 50/60Hz의 전원을 15,000Hz와 60,000Hz의 에너지로 변환시키고, 이것을 다시 진동자를 통해 기계적 진동에너지로 변환시킨 후 부스터로 그 진폭을 조절한다.

이같은 초음파 진동에너지가 공구혼을 통해 용착물에 전달되면 용착물의 접합면에서 순간적인 마찰열이 발생하므로, 용착물이 용해 접착되어 강력한 분자적 결합이 이루어진다. 따라서, 초음파를 이용한 진동작용을 통해 열가소성 플라스틱과 플라스틱, Film과 Film, 합성섬유, 금속 튜브 등을 신속하고 청결하게 용착할 수 있는 것이다.

도 1은 상기한 종래의 초음파 용착기를 도시한 것으로, 진동자(10)(converter)와, 부스터(20)(booster)와, 공구혼(30)(tool horn)으로 이루어진 용착기 상하에 상부하우징(40)과 하부하우징(50)을 커버 설치하고, 상기 공구혼(30) 하부에는 용착물을 위치시킬 수 있도록 앤빌(60)을 설치한다.

그리고, 상기 하우하우징(50) 하부에는 상기 앤빌(60)과 결합되어 틸팅 회전시킬 수 있도록 앤빌아암(65)을 축 결합하고, 상기 앤빌아암(65) 일측에는 상기 앤빌아암(65)의 선단을 가압할 수 있도록 실린더(70)를 설치한다.

즉, 앤빌(60) 상부에 동파이프 등의 용착물을 올린 후, 용착기의 구동과 아울러 실린더(70)를 작동하게 되면, 실린더(70)의 로드가 앤빌아암(65)의 선단을 밀어 내어 앤빌아암(65)이 축을 중심으로 틸팅 회전하게 되고, 이로 인해 앤빌(60) 상단에 올려진 용착물을 절단함과 동시에 용접 가공할 수 있게 된다.

그러나, 상기한 종래의 초음파 용착기는 용착물이 올려지는 앤빌이 시소 움직임으로 틸팅 회전됨으로써, 높은 절단력이 요구되는 용착물의 가공은 실질적으로 어려운 문제가 있고, 또 좁은 구간 내에서 틸팅되는 앤빌아암의 구조 특성상 앤빌과 공구혼 사이의 간격이 좁아 가공이 가능한 용착물의 크기와 종류가 크게 제한되는 문제가 있었다.

더욱이, 초음파 용착가공시 앤빌과 함께 용착물이 움직이게 됨으로써, 용착 과정에서 용착물의 흔들림이 발생되고, 이로 인해 가공 유격이 빈번하게 발생하는 것은 물론 정교한 용착작업이 어려워, 용착 가공된 용착물의 마모가 심해지고, 그 수명이 크게 단축되는 폐단도 있었다.

또한, 앤빌을 틸팅시키기 위해 실린더가 용착기의 전후 방향으로 설치됨으로써, 실린더의 길이에 따라 용착기의 전장이 함께 길어지게 되어 용착기를 소형화하여 제조하는 것이 현실적으로 어려운 문제가 있었다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0659390호

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 공구혼의 상하 이동에 의해 용착물을 절단 및 용착하여 다양한 형상과 크기의 용착물을 정교하게 가공할 수 있고, 용착기 제품의 소형화를 실현할 수 있도록 한 휴대용 초음파 금속 용착기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 진동자에 연계된 부스터에 진동을 전달하고, 부스터는 용착물과 공구혼의 형상에 따라 진동의 진폭을 증감하여 공구혼에 전달함으로써, 용착물을 용착 가공하는 초음파 용착기에 있어서, 부스터 상하부에 상부하우징과 하부하우징을 커버 설치하고, 공구혼 하부 위치에 앤빌을 설치하도록 하부하우징 하부에 베이스플레이트를 설치하며, 상기 베이스플레이트와 하부하우징 사이에 승강실린더를 설치하되, 상기 승강실린더의 로드를 하부하우징 저면에 고정 설치하고, 상기 승강실린더 측면에 커버 설치된 커버플레이트 외측면에 가이드레일을 고정 설치하며, 상기 가이드레일에 끼워져 상하로 슬라이딩 이동될 수 있도록 상기 하부하우징 저면에 미끄럼베어링블록을 고정 설치하고, 상기 하부하우징이 안착될 수 있도록 상기 미끄럼베어링블록 외측에 외벽플레이트를 각각 설치한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 용착물이 올려진 앤빌이 움직이지 않고 공구혼이 이동하여 용착물을 용착 가공함으로써, 용착물의 흔들림을 크게 제한하면서 정교하게 용착 가공작업할 수 있어 용착된 제품의 품질을 향상시키고, 수명을 높일 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 공구혼이 수직으로 승하강 구동됨으로써, 공구혼과 앤빌 사이의 간격을 최대한 벌리면서 공구혼을 큰 힘으로 용착물에 접촉시킬 수 있고, 이로 인해 다양한 형상과 크기의 용착물 제품을 쉽고 간편하게 용착 가공할 수 있는 효과도 있다.

또한, 승강실린더가 용착유닛 하부에 설치됨으로써, 용착기의 전장 축소를 통해 용착기의 소형화가 가능하고, 용착기를 더욱 간편하게 이동시켜 용착작업을 실시할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 용착기의 측단면도,
도 2는 본 발명에 의한 용착기의 측단면도,
도 3은 본 발명에 의한 용착기의 승강구동 상태를 도시한 측단면도,
도 4는 본 발명에 의한 가이드레일과 미끄럼베어링블록의 구조를 나타내기 위한 평단면도,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착 가공한 동종 및 이종 금속 제품군의 사진,
도 6은 본 발명의 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착 가공한 동종 및 이종 금속 제품의 사진과 상기한 제품들의 전단력 측정장치를 나타낸 사진,
도 7은 본 발명의 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착 가공한 구리(Cu)와 알루미늄(Al)의 접합경계면의 조직을 SEM으로 관찰한 사진,
도 8은 본 발명의 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착 가공한 구리(Cu)와 구리(Cu)의 접합경계면의 조직을 SEM으로 관찰한 사진.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 휴대용 초음파 금속 용착기에 대해 도시한 것으로, 용착유닛(100)을 승하강 가능하게 구성한다.

구체적으로 살펴보면, 용착기 전방에 공구혼(130)의 전방 일부분이 돌출될 수 있게 장착하고, 상기 공구혼(130) 후방에 부스터(120)를 결합하며, 상기 부스터(120) 후방에 진동자(110)를 결합 장착하여 용착유닛(100)을 구성한다.

그리고, 상기 용착유닛(100)의 부스터(120) 상부에는 상부하우징(140)을 커버 가능하게 결합하고, 상기 부스터(120) 하부에는 하부하우징(150)을 커버 가능하게 결합한다. 여기서, 본 발명에서는 자세하게 설명하고 있지 않으나, 상기 부스터(120) 전방 및/또는 후방에는 상기 상하부하우징(140)(150)과의 사이에 충격흡수장치를 설치할 수 있고, 상기 충격흡수장치로 바람직하게는 본 출원인이 선출원하여 특허받은 등록번호 제10-0659390호의 "초음파 용착기용 진동 흡수장치"를 적용할 수 있다.

아울러, 상기 상부하우징(140) 상부에는 용착기의 전원과 작동을 온/오프 제어할 수 있는 스위치하우징(160)을 결합하고, 상기 스위치하우징(160) 후방에는 용착기를 휴대하여 사용할 수 있도록 핸들(170)을 장착한다.

그리고, 상기 용착기 하부에는 베이스플레이트(200)를 설치하고, 상기 베이스플레이트(200) 전방 상단에는 용착물이 올려질 수 있는 앤빌(260)을 고정 설치하되, 상기 앤빌(260)은 공구혼(130) 하부에 위치시킨다.

또한, 도 2 및 도 4와 같이 상기 베이스플레이트(200) 상면 일부에는 승강실린더(210)를 고정 설치하고, 상기 승강실린더(210)의 로드(215)는 하부하우징(150) 저면에 고정 설치한다. 그리고, 상기 승강실린더(210)의 사방 외측에는 상기 승강실린더(210)를 커버할 수 있도록 사각함체 형상으로 다수의 커버플레이트(220)를 결합 설치하고, 상기 커버플레이트(220) 중 전후방에 장착된 커버플레이트(220) 외측에 복수의 가이드레일(230)을 각각 고정 결합한다.

아울러, 상기한 각각의 가이드레일(230) 외측면에는 상기 가이드레일(230)에 끼워져 상하로 슬라이딩 이동될 수 있도록 미끄럼베어링블록(240)을 끼움 결합하되, 상기 미끄럼베어링블록(240)은 하부하우징(150) 저면에 각각 결합하여 미끄럼베어링블록(240)의 승하강과 동시에 하부하우징(150)을 포함한 용착유닛(100)이 함께 승하강 이동될 수 있게 구성한다. 여기서, 상기 미끄럼베어링블록(240)은 가이드레일(230)에 더브테일(dovetail) 이음 방식을 통해 끼워지는 것이 적절하다.

그리고, 전방과 후방에 설치된 미끄럼베어링블록(240)의 외측에는 외벽플레이트(250)를 각각 고정 설치하여 상기 미끄럼베어링블록(240)과 함께 승하강 이동될 수 있게 구성하고, 상기 외벽플레이트(250) 상단에는 하부하우징(150) 저면의 전후 단부가 안착될 수 있게 구성하며, 상기 외벽플레이트(250) 중 전방에 설치된 외벽플레이트(250)의 외측면에는 앤빌(260)의 하단부와 밀접되게 설치한다.

또한, 도 2와 같이 상기 베이스플레이트(200) 양측에는 용착유닛(100) 하부에 구성된 부품들과 상기 용착유닛(100)의 일부 구성을 커버할 수 있도록 케이스(300)를 설치한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 휴대용 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착물을 용착 가공하기 위해서는 먼저, 파워서플라이나 그 밖의 전원장치를 통해 용착기에 전원을 공급하고, 스위치하우징(160)에 구비된 스위치를 조작하여 승강실린더(210)의 로드(215)를 상부로 신장 구동시킨다.

이처럼, 도 3과 같이 승강실린더(210)의 로드(215)가 신장 구동되면, 상기 로드(215) 상단에는 하부하우징(150)이 결합되어 있으므로, 로드(215)의 승강구동과 함께 하부하우징(150)을 비롯한 상부의 용착유닛(100)이 상부를 향하여 승강 구동되어 공구혼(130)과 앤빌(260) 사이에 공간이 조성된다.

이때, 상기 하부하우징(150) 하단에는 다수의 미끄럼베어링블록(240)이 결합되고, 상기 미끄럼베어링블록(240)은 베이스플레이트(200)에 고정된 가이드레일(230)에 끼워져 승강됨으로써, 상기 용착유닛(100)의 진동이나 흔들림을 제한하면서 정교하게 승강시킬 수 있게 된다.

이 후, 앤빌(260) 위에 조성된 공간에 용착하고자 하는 용착물을 올리고, 스위치하우징(160)에 구비된 스위치를 조작하여 진동자(110)에 진동을 발생시킴과 동시에 승강실린더(210)의 로드(215)를 하부로 축소 구동시킨다.

이처럼, 진동자(110)의 진동 발생과 함께 도 2와 같이 로드(215)가 축소 구동되면, 로드(215)의 신장 구동작용과는 반대로 로드(215)의 하강구동과 함께 하부하우징(150)을 비롯한 상부의 용착유닛(100)이 하부를 향하여 하강 구동되어 공구혼(130)과 앤빌(260) 사이의 간격이 점차 줄어들면서 공구혼(130)이 용착물에 접촉하게 된다.

이때, 진동자(110)에서는 진동을 발생하여 그 진동을 부스터(120)로 전달을 하게 되고, 상기 부스터(120)는 진동을 증가 또는 감소시켜 공구혼(130)으로 전달하게 됨으로써, 상기 공구혼(130)은 용착물과 접촉되어 용착물을 절단하면서 용착 가공할 수 있는 것이다.

특히, 본 발명의 초음파 금속 용착기는 KHz대역의 초음파 진동을 이용한 동종 및 이종 금속의 접합을 목적으로 한 것으로, 바람직한 초음파 주파수대역은 15-60KHz의 가변주파수 대역을 이용하거나, 상기 주파수대역 내의 고정주파수를 이용하여 접합하는 것이다.

부가하여 설명하면, 상기한 주파수대역은 박판이나 직경이 얇은 전선의 경우는 고정주파수대역으로 할 수 있으나, 바람직하게는 15-60KHz로 초음파용착을 하며, 후판이나 두꺼운 직경의 전선의 경우는 15-60KHz의 가변주파수를 사용하며, 적절하게는 자동으로 주파수대역을 변화시켜 최적의 주파수대역을 서칭하는 자동튜닝기능의 발진장치를 이용할 수 있게 된다. 따라서, 고정밀 박판 및 후판의 금속용접 및 접합이 이루어질 수 있고, 상기한 전선 제품은 물론 판상형상, 전선형상, 파이프형상, 접점구조 제품의 금속 용접이 강하고 견고하게 이루어질 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 휴대용 초음파 금속 용착기는 승강실린더(210)의 승하강 구동을 통해 용착유닛(100)과 함께 공구혼(130)을 승하강 구동함으로써, 앤빌(260) 위에 올려진 용착물을 절단하면서 용착 가공할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 휴대용 초음파 금속 용착기는 용착물이 올려진 앤빌(260)이 움직이지 않고 공구혼(130)이 이동하여 용착물을 용착 가공함으로써, 용착 과정에서 용착물의 흔들림을 크게 제한하게 됨에 따라 정교한 용착 가공작업의 실현이 가능하여 가공된 제품의 품질을 향상시키고, 수명을 가일층 높일 수 있게 된다.

더욱이, 상기와 같이 공구혼(130)이 수직으로 승하강 구동됨으로써, 공구혼(130)과 앤빌(260) 사이의 간격을 적어도 50㎜ 이상으로 크게 벌릴 수 있을 뿐만 아니라 공구혼(130)을 큰 힘으로 용착물에 접촉 및 용착할 수 있게 된다.

따라서, 기존의 용착 가공에 적용되었던 냉장고 제조용 동파이프 제품은 물론, 여러 가닥이 연결된 와이어 제품, 배터리 터미널 등의 판재 제품, 동선 터미널 제품 등과 같이 다양한 형상과 크기를 갖는 제품의 용착 가공 작업을 쉽고 간편하게 수행할 수 있는 것이다.

더욱이, 공구혼(130)이 승하강 구동됨에 따라 승강실린더(210)를 용착유닛(100) 하부에 설치하게 됨으로써, 용착기의 전장을 크게 줄여 용착기의 소형화가 가능하고, 그에 따라 용착기를 더욱 간편하게 이동시켜 용착작업을 수행할 수 있게 된다.

한편, 도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착 가공한 동종 및 이종 금속 제품군의 사진을 나타낸 것으로, 도 5a는 구리-구리(Copper-Copper)의 동종 금속용착 제품 사진(금속단자)이고, 도 5b는 구리-알루미늄(Copper-Aluminum)의 이종 금속용착 제품 사진(금속단자)이며, 도 5c는 구리-구리(Copper-Copper)의 동종 금속접합된 자동차 배터리 단자의 사진이고, 도 5d는 금속 와이어-단자부 접합 제품의 사진이며, 도 5e는 모터 구리 와이어(Copper Wire)의 단자부가 접합된 사진이다.

아울러, 도 6은 구리(Cu)와 알루미늄(Al)의 접합 제품과, 구리(Cu)와 구리(Cu)의 접합 제품 사진과 함께 상기한 제품들의 전단력을 측정하기 위한 인장시험장치를 나타낸 것으로, 측정결과 Cu-Cu의 전단강도는 190kg/㎠(접합시간 2초,압력: 4.5Bar)로 측정되었으며, Cu-Al의 전단강도는 100kg/㎠(접합시간 2초,압력: 4.5Bar)로 측정되어 우수한 전단특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 도 7과 도 8은 구리(Cu)와 알루미늄(Al)의 접합 제품과, 구리(Cu)와 구리(Cu)의 접합 제품의 단면을 절단하여 미세 연마 후의 접합경계면의 조직을 각각 SEM(주사형 전자현미경)으로 관찰한 사진으로, 실험 결과 도 7의 Cu-Al 접합 제품과 도 8의 Cu-Cu 접합 제품 모두 매우 우수한 접합특성을 나타내고 있다.

다만, 도 8의 Cu-Cu 접합 제품이 도 7의 Cu-Al 접합 제품보다 더 우수한 접합특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 동종의 Cu-Cu 접합 제품의 경우 접합면이 같은 조직상으로 조직사진에서 Cu 금속이온이 확산되어 한 물체로 관찰되는 것이다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 용착유닛 110 : 진동자
120 : 부스터 130 : 공구혼
140 : 상부하우징 150 : 하부하우징
160 : 스위치하우징 170 : 핸들
200 : 베이스플레이트 210 : 승강실린더
215 : 로드 220 : 커버플레이트
230 : 가이드레일 240 : 미끄럼베어링블록
250 : 외벽플레이트 260 : 앤빌
300 : 케이스

Claims

진동자에 연계된 부스터에 진동을 전달하고, 부스터는 용착물과 공구혼의 형상에 따라 kHz 주파수 대역의 초음파 진동의 진폭을 가감하여 공구혼에 전달함으로써, 용착물을 용착 가공하는 초음파 금속 용착기에 있어서,
부스터(120)의 상하부에 커버 설치된 상부하우징(140) 및 하부하우징(150);
공구혼(130)의 하부 위치에 앤빌(260)을 설치하도록 하부하우징(150)의 하부에 설치된 베이스플레이트(200);
상기 베이스플레이트(200)와 하부하우징(150)의 사이에 설치되며, 로드(215)가 상기 하부하우징(150)의 저면에 고정 설치된 승강실린더(210);
상기 승강실린더(210) 측면에 커버 설치된 커버플레이트(220)의 외측면에 고정 설치된 가이드레일(230);
상기 가이드레일(230)에 끼워져 상하로 슬라이딩 이동될 수 있도록 상기 하부하우징(150) 저면에 고정 설치된 미끄럼베어링블록(240); 및
상기 하부하우징(150)이 안착되어 함께 승하강 이동될 수 있도록 상기 미끄럼베어링블록(240)의 외측에 각각 설치된 외벽플레이트(250);를 포함하여 구성됨으로써, 동종 및 이종의 금속 용착물을 용착하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 금속 용착기.