KR101289370B1 - 금속재의 용접 장치 및 금속재의 용접 방법 - Google Patents

Abstract

스폿 용접에 있어서 부분 승온(昇溫)에 의한 템퍼링(tempering) 처리 등의 가열 처리가 가능하게 되는, 금속재의 용접 장치를 제공한다. 금속재(9)를 한쌍의 전극(4, 4)으로 협지하고, 한쌍의 전극(4, 4)의 금속재(9)에 대한 위치를 동일 영역으로 유지한 상태에서 통전(通電)하여, 금속재(9)의 서로 다른 영역을 가열하는 금속재의 용접 장치(1)로서, 한쌍의 전극(4, 4)에 접속되고 금속재(9)에 낮은 제1 주파수의 전력을 인가하여 전극의 축 단면을 금속재에 투영(投影)한 원형 내부를 가열하여 용접하는 제1 가열 수단(6)과, 제1 주파수보다 높은 제2 주파수의 전력을 인가하여 상기 원형을 따른 링형을 이루는 영역을 가열하는 제2 가열 수단(8)과, 제1 및 제2 가열 수단(6, 8)을, 각각 독립적으로 제어하는 통전 제어부(10)를 구비하고 있다.

Description

금속재의 용접 장치 및 금속재의 용접 방법{WELDING DEVICE FOR METAL AND WELDING METHOD FOR METAL}

본 발명은 금속재의 용접 장치 및 금속재의 용접 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 금속재인 공작물에 스폿(spot) 용접용 전원으로부터의 전력으로 너겟(nugget)을 형성하고, 또한 고주파 전원으로부터의 전력으로 공작물의 가열을 행하는, 금속재의 용접 장치 및 금속재의 용접 방법에 관한 것이다.

스폿 용접 장치는, 중첩된 강판끼리를 용접하기 위해 사용되고 있다. 도 24는, 강판(50)끼리의 스폿 용접을 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 24에 나타낸 바와 같이, 강판(50)끼리의 스폿 용접은, 강판(50)끼리의 중첩 부분을 한쌍의 전극(52)으로 협지하고, 이 전극(52)에 화살표 방향으로 소정의 힘을 작용시켜 강판(50)끼리를 가압한다.

다음으로, 가압 상태를 유지하면서 전극(52)에 kA 오더의 대전류를 통전(通電)하여, 강판(50)끼리의 압착 부분을 줄 발열(Joule's heating)에 의해 순간 용융하고, 너겟(54)으로 불리는 소정 직경의 용융한 덩어리를 형성함으로써 이루어진다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조).

그런데, 최근, 차량의 생산 라인에서 사용되는 스폿 용접에서는, 차량의 경량화 및 안전성의 양립을 도모하기 위해 차체용 소재로서 초고장력(超高張力) 강철판을 사용할 수 있게 되었다.

도 25는, 고장력 강철판의 스폿 용접 강도를 조사하기 위한 인장 시험에 사용되는 시료의 평면도이며, (A)가 중첩 접합 부분의 시료를, (B)가 십자 접합 부분의 시료를 나타내고 있다. 도 25의 (A)에 나타낸 중첩 접합 부분 시료에서는, 2개의 직사각형 강판(50)이 그 길이 방향의 단부(端部)에서 중첩되고, 단부에서 스폿 용접되어 있다. 도 25의 (B)에 나타낸 십자 접합 시료에서는, 2개의 직사각형의 강판(50)을 십자 형상으로 교차시켜, 이 교차하는 개소가 스폿 용접되어 있다. 점선으로 둘러싼 대략 타원형부가 용접으로 형성된 너겟(54)이며, 인장 시험으로 인가되는 힘(56)을 화살표로 나타내고 있다.

고장력 강철판의 스폿 용접 강도에 있어서, 중첩 접합 부분 수단은 재료 강도의 증가에 따라, 그 인장 강도도 향상되지만, 십자 접합의 박리 강도는 재료 강도의 향상에 따라 증가하기 어려우며, 오히려 안정된 강도가 얻기 어렵다고 보고되고 있다. 십자 접합의 박리형의 부하로 안정된 인장 강도를 얻을 수 없는 이유는, 너겟(54)의 원주 상의 응력 집중도가 극히 높으며, 또한 모재의 강도가 높아져서, 너겟(54) 주위의 구속력이 증가가 동시에 일어나는 것에 기인하는 것으로 여겨진다. 이와 같은 이유에 의해, 용접 영역 강도의 인성(靭性)을 확보하는 점에서, 실제 차체에 강도가 높은 강판을 적용하기 위해서는, 용접 영역이 너무 경화되지 않도록 탄소량을 일정 수준 이하로 하는 등, 조성면에서 규제하고 있는 것이 현재의 상황이다.

한편, 고장력 강철판의 사용은, 효율적으로 차체를 경량화할 수 있는 방법이며, 또한, 강도와 연성(軟性)의 양쪽을 향상시킨 고장력 강철판이 요구된다. 차체용 강판의 강도를 더욱 향상시킴으로써, 한층 더 경량화를 기대할 수 있다. 차체용 강판의 연성을 향상시킴으로써 프레스 성형성이나 제품 상태에서의 충돌 시의 충분한 변형능(變形能)을 확보할 수 있다. 통상적으로, 차체용 강판은 강도를 높이면 연성은 저하되는 경향을 나타낸다. 차체용 강판의 강도와 연성을 동시에 향상시키기 위해서는 재료의 탄소 함유량을 높이는 것은 효과적이지만, 스폿 용접 영역이 현저하게 경화되어, 부숴지기 쉬우므로 안정되면서 충분한 강도를 얻기 어려워진다.

이와 같은 스폿 용접부의 강도를 용접 공법으로 해결하고자 하는 노력이, 지금까지 다양하게 이루어지고 있다. 예를 들면, 용융 접합부를 소정의 크기로 형성한 후, 후통전(後通電)으로 템퍼링(tempering)을 행하는 것이 시도되었다. 그러나, 차체 조립의 저항 스폿 용접에서는, 일타점(一打點)당 필요한 공정 시간은 기껏 1초 이내에서 행하는 것이 요구되고 있으며, 현재 상황의 용접 설비로 후통전 등으로 템퍼링한 경우, 그 템퍼링 효과는 극히 한정된다. 또는, 템퍼링으로 충분한 효과를 얻고자 할 경우, 공정의 요구 시간을 대폭 초과하는 시간이 필요하게 된다. 이는, 너겟(54)이 형성된 후에는 통전 면적의 증가에 의해 용접부의 전류 밀도도 저하되므로, 단시간에 효율적인 발열을 얻을 수 없는 저항 용접의 기본적인 문제에 의한 것이다.

또한, 특허 문헌 1에는, 고장력 강철판의 스폿 용접부의 피로 강도를 향상시키기 위하여, 스폿 용접기와 고주파 유도 가열 수단을 구비한 스폿 용접 장치가 개시되어 있다. 이 고주파 유도 가열 수단은, 공작물의 피용접 부분을 유도 가열하는 가열 코일과 가열 코일에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원으로 구성되어 있다.

일본 특허출원 공개번호 2005-211934호 공보

사단법인 일본 용접 학회편, 「용접·접합 편람」, 마루젠가부시키가이샤, 1990년 9월 30일, pp.392-398

금속재에 한쌍의 전극을 협지하여 가열하는 동시에 용접하는 장치에 있어서, 가열 장소는 전극의 중심을 정점(頂点)으로 하는 방법밖에 없었고, 온도 프로파일은 단일한 것밖에 없었다. 예를 들면, 특허 문헌 1의 스폿 용접 장치에서는, 공작물의 피용접 부분을 유도 가열하는 가열 코일을 설치하기 위한 공간이 필요하다. 그러나, 스폿 용접 장치의 전극의 주위는 매우 좁기 때문에, 새로운 가열 수단을 별도로 설치하기가 곤란하다. 즉, 가열 코일이 스폿 용접기의 전극 직경보다 커지게 된다. 그러므로, 재가열이 가장 필요한 너겟(54)의 외주만을 가열할 수 없다는 과제가 있다.

본 발명의 하나의 목적은, 상기 과제를 감안하여, 스폿 용접에 있어서 부분 온도 상승에 의한 템퍼링 처리 등의 가열 처리가 가능하게 되는, 금속재의 용접 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 금속재의 예열이나 스폿 용접된 너겟 외주 영역의 가열 처리를 단시간에 행하는 용접 방법을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 금속재의 용접 장치는, 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고, 금속재에 대하여 한쌍의 전극을 동일한 위치로 유지한 상태에서 통전하여 금속재의 서로 다른 영역을 가열하는 금속재의 용접 장치로서, 한쌍의 전극에 접속되어 금속재에 제1 주파수의 전력을 인가하여 소정 영역을 가열하는 제1 가열 수단과, 한쌍의 전극에 접속되어 금속재에 제2 주파수의 전력을 인가하여 소정 영역과는 상이한 영역을 가열하는 제2 가열 수단과, 제1 가열 수단 및 제2 가열 수단을, 각각 독립적으로 제어하는 통전 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

전술한 구성에 있어서, 금속재의 소정 영역의 내부가 제1 가열 수단에 의해 가열되고, 금속재의 상기 소정 영역의 근방이 제2 가열 수단에 의해 가열되고, 제1 가열 수단에 의한 가열과 제2 가열 수단에 의한 가열이, 통전 제어부에 의해 독립적으로 제어될 수도 있다.

제1 가열 수단은, 전극의 축 단면(斷面)을 상기 금속재에 투영(投影)한 영역의 내부를 가열하는 가열 수단이며, 제2 가열 수단은, 상기 전극의 축 단면을 금속재에 투영한 영역의 윤곽을 따라 링형을 이루는 영역을 가열하는 가열 수단이며, 제1 가열 수단에 의한 가열과 제2 가열 수단에 의한 가열이, 통전 제어부에 의해 독립적으로 제어될 수도 있다.

제1 주파수는 제2 주파수보다 주파수가 낮고, 금속재에 제1 주파수의 전력을 통전함으로써, 원형 내부가 용접될 수도 있다.

제2 주파수는 제1 주파수보다 주파수가 높고, 금속재에 제2 주파수의 전력을 통전함으로써, 링형을 이루는 영역이 저항 가열되거나, 또는 저항 가열 및 고주파 유도 가열될 수도 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 금속재의 용접 장치는, 금속재를 협지하도록 배치되는 한쌍의 전극과, 한쌍의 전극에 용접용 전력을 공급하는 용접용 전원과, 한쌍의 전극에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하고, 한쌍의 전극에 용접용 전원과 고주파 전원이 각각 병렬로 접속되고, 용접용 전원과 한쌍의 전극과의 사이에 전류 저지용 인덕턴스가 접속되고, 고주파 전원과 한쌍의 전극과의 사이에 전류 저지용 컨덴서가 접속되고, 전류 저지용 인덕턴스는, 고주파 전원으로부터 한쌍의 전극에 공급되는 고주파 전류가 용접용 전원에 흘러들지 않게 저지하고, 전류 저지용 컨덴서는, 용접용 전원으로부터 한쌍의 전극에 공급되는 전류가 고주파 전원측에 흘러들지 않게 저지하는 것을 특징으로 한다. 전류 방지용 인덕턴스는 건암(gun arm)의 부유 인덕턴스(stray inductance)를 이용해도 된다.

전술한 구성에 의하면, 전류 저지용 인덕턴스를 통하여 접속된 스폿 용접용 전원과, 전류 저지용 컨덴서를 통하여 한쌍의 전극에 접속된 고주파 전원을 가지고, 스폿 용접용 전원과 고주파 전원으로부터 금속재에 각각의 전력을 공급할 수 있는 용접 장치를 얻을 수 있다. 그러므로, 스폿 용접을 행하기 위한 한쌍의 전극을 통하여 고주파 전압을 인가할 수 있고, 전극 외주(外周)의 직접 통전에 의해 금속재를 가열할 수 있다.

또한, 금속재의 용접 장치는, 건암을 구비하고, 스폿 용접용 전원과 고주파 전원이, 건암을 통하여 한쌍의 전극에 접속될 수도 있다. 용접용 전원과 고주파 전원에 대하여, 각각, 출력 시간 및 출력 전류를 제어하는 통전 제어부를 구비할 수도 있다. 용접용 전원은 저주파 전원일 수도 있다. 이 저주파 전원은 트랜스포머를 통하여 한쌍의 전극에 접속되고, 트랜스포머의 한쌍의 전극측의 코일에 하이패스 컨덴서가 병렬로 접속되어 구성될 수도 있다.

용접용 전원은 직류 전원일 수도 있다. 전류 저지용 컨덴서와 전류 저지용 인덕턴스에 의해 직렬 공진 회로를 구성할 수 있다. 전류 저지용 인덕턴스와 건암의 상부 및 하부에 접속되는 병렬 공진용 컨덴서에 의해 병렬 공진 회로를 구성할 수도 있다. 전류 저지용 인덕턴스는, 건암의 부유 인덕턴스를 사용할 수 있다. 고주파 전원은, 전류 저지용 컨덴서를 통하여 상기 전극측에 직접 급전(給電)될 수도 있고, 건암 측으로부터 급전될 수도 있다.

전술한 구성에 의하면, 금속재의 재질에 따라 스폿 용접을 행하고, 또한 금속재의 스폿 용접에 의해 형성된 너겟 외주를 고주파 전원에 의해 직접 통전 가열을, 양호한 효율로 단시간에 행할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 금속재의 용접 방법은, 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고 통전하여 금속재를 가열하는 금속재의 용접 방법으로서, 한쌍의 전극으로의 제1 통전에 의해 금속재의 소정 영역을 가열하는 제1 단계와, 한쌍의 전극으로 금속재를 협지하고 있는 위치를 제1 단계와 동일한 위치로 유지한 상태에서, 한쌍의 전극으로의 제2 통전에 의해 제1 단계와는 상이한 영역을 가열하는 제2 단계를 포함하고, 제1 단계와 제2 단계의 가열 시간을 각각 독립적으로 제어하여 용접하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 단계에 있어서, 제1 가열 수단에 의해 금속재의 소정 영역의 내부를 가열하고, 제2 단계에 있어서, 제2 가열 수단에 의해 금속재의 소정 영역의 근방을 가열하고, 제1 가열 수단에 의한 가열과 제2 가열 수단에 의한 가열을 독립적으로 제어함으로써 용접할 수 있다.

제1 가열 수단에 의해 가열하는 소정 영역이, 전극의 축 단면을 금속재에 투영한 원형의 내부이며, 제2 가열 수단에 의해 가열하는 상기 상이한 영역이, 전극의 축 단면을 금속재에 투영한 원형을 따른 링형의 근방 영역이며, 제1 가열 수단에 의한 가열과 제2 가열 수단에 의한 가열을 독립적으로 제어할 수도 있다.

제2 가열 수단에 의한 가열을 제1 가열 수단에 의한 가열보다 주파수의 높은 고주파로 행함으로써, 링형의 영역을 저항 가열하거나, 또는 저항 가열 및 고주파 유도 가열할 수 있다. 제1 가열 수단에 의한 가열을 제2 가열 수단에 의한 가열보다 주파수가 낮은 저주파로 행함으로써, 원형 내부를 용접할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 금속재의 용접 방법은, 용접할 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고, 한쌍의 전극 사이에 용접용 전력을 공급하여, 금속재를 스폿 용접하는 단계와, 한쌍의 전극에 고주파 전력을 공급하여, 금속재의 용접된 영역, 또는 용접되어야 할 영역을 가열 처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 금속재의 용접 방법은, 구체적으로는, 용접할 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고, 한쌍의 전극 간에 용접용 전력을 공급하여, 금속재를 스폿 용접하는 용접 단계와, 한쌍의 전극에 고주파 전력을 공급 시간과 공급량을 제어하여 공급하고, 금속재가 스폿 용접된 영역을 가열 처리하는 단계를 포함한다.

용접 단계에서는, 용접용 전력의 공급이 종료되기 전에, 가열 처리하는 단계에서의 한쌍의 전극으로의 고주파 전력의 공급을 개시할 수도 있다.

본 발명의 금속재의 용접 방법은, 용접할 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고, 상기 한쌍의 전극에 고주파 전력을 공급하고, 금속재의 용접되어야 할 영역을 예열하는 예열 단계와, 한쌍의 전극에 용접용 전력을 공급하여, 금속재를 스폿 용접하는 용접 단계를 포함한다.

예열 단계에서는, 고주파 전력의 공급이 종료되기 전에, 용접 단계에서의 한쌍의 전극 사이로의 용접용 전력의 공급을 개시할 수도 있다. 용접 단계에 이어서, 공급 시간 및 공급량을 제어하여 한쌍의 전극에 고주파 전력을 공급하여, 금속재가 스폿 용접된 영역을 가열 처리하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 금속재의 용접 방법은, 용접할 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고, 한쌍의 전극에 용접용 전력을 공급하고, 또한 공급 시간 및 공급량을 제어하여 이 한쌍의 전극에 고주파 전력을 중첩하여 공급한다.

전술한 구성에 의하면, 용접용 전력 및 고주파 전력에 의해 금속재에 각각의 전력을 공급할 수 있고, 또한 스폿 용접을 행하기 위한 한쌍의 전극을 통하여 금속재에 고주파 전력을 인가할 수 있고, 전극 외주 부근에 대하여 직접 통전을 행하여 금속재를 가열 처리할 수 있다.

또한, 금속재의 재질에 따라 스폿 용접을 행하고, 또한 금속재의 스폿 용접에 의해 형성된 너겟 외주 영역을 고주파 전원에 의해 직접 통전 가열을 양호한 효율로 단시간에 행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 간단한 장치 구성으로, 금속재의 용접 장치의 전극에 고주파 전원이 접속되고, 동일한 전극을 통하여 전극의 외주의 가열을 행할 수 있고, 스폿 용접된 너겟 외주의 열처리를 단시간에 행할 수 있는 금속재의 용접 장치를 제공할 수 있다. 또한, 고주파의 주파수를 변화시킴으로써 자유롭게 가열 처리를 행할 수 있다.

본 발명의 금속재의 용접 방법에 의하면, 스폿 용접용의 전극에 고주파 전원을 접속하여, 전극을 통하여 금속재를 가열할 수 있으며, 금속재의 예열이나 스폿 용접된 너겟 외주 영역의 가열 처리를 단시간에 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 금속재의 용접 장치의 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타내는 금속재의 용접 장치의 전기 회로도이다.
도 3은 금속재의 용접 장치의 변형예 1을 나타낸 전기 회로도이다.
도 4는 금속재의 용접 장치의 변형예 2를 나타낸 전기 회로도이다.
도 5의 (A)는 중첩된 2개의 강판에 저주파 전원과 고주파 전원으로부터 전력을 동시에 인가했을 때 강판에 생기는 전류 분포를 모식적으로 나타낸 단면도이며, (B)는 강판을 3장 중첩시킨 경우의 고주파 전류에 의한 가열 상태를 나타낸 단면도이다.
도 6은 강판의 가열 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 저주파 전원으로부터의 전력과 고주파 전원으로부터의 전력에 의해 스폿 용접과 가열 처리를 동시에 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 8은 저주파 전원으로부터의 전력을 인가한 후에 고주파 전원으로부터의 전력을 인가하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 9는 저주파 전원으로부터 전력을 인가하기 전에 고주파 전원을 사용한 예열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 고주파 전원을 사용한 예열과 저주파 전원을 사용한 가열과 고주파 전원을 사용한 후열(後熱)을 연속적으로 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 11은 고주파 전원을 사용하여 예열을 행하고, 또한 고주파 전원과 저주파 전원을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 12는 저주파 전원을 사용한 가열과 고주파 전원을 사용한 후열을 행하고, 또한 저주파 전원과 고주파 전원을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 13은 금속재의 용접 장치의 변형예 3을 나타낸 전기 회로도이다.
도 14는 금속재의 용접 장치의 변형예 4를 나타낸 전기 회로도이다.
도 15는 직류 전원과 고주파 전원을 사용한 동시 가열의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 16은 고주파 전원을 후열을 위해 사용한 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 17은 고주파 전원을 예열을 위해 사용한 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 18은 고주파 전원을 사용한 예열과 직류 전원을 사용한 가열과 고주파 전원을 사용한 후열을 연속적으로 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 19는 고주파 전원에 의해 예열을 행하고, 또한 고주파 전원과 직류 전원을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 20은 고주파 전원과 직류 전원을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하고, 고주파 전원에 의해 후열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다.
도 21은 저주파 전원과 고주파 전원으로부터의 전력 인가를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 22는 실시예 4의 템퍼링 처리를 행한 크롬몰리브덴강(SCM435) 표면의 경도 분포를 나타낸 도면이다.
도 23은 실시예 5의 템퍼링 처리를 행한 크롬몰리브덴강(SCM435) 표면의 경도 분포를 나타낸 도면이다.
도 24는 강판끼리의 스폿 용접을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 25는 고장력 강철판의 스폿 용접 강도를 조사하기 위한 인장 시험에 사용되는 시료의 평면도이며, (A)가 중첩 접합의 시료를, (B)가 십자 접합의 시료를 각각 나타내고 있다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 실시형태에 따라 설명한다.

(금속재의 용접 장치)

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 금속재의 용접 장치(1)의 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다. 금속재의 용접 장치(1)는, 전극 암(2)과, 전극 암(2)의 상부(2A), 하부(2B)에 각각 일단이 접속되어 있는 전극 지지부(3)와, 각 전극 지지부(3)의 타단에 각각 접속되는 한쌍의 전극(4)과, 전극 암(2)에 인덕턴스(5)를 통하여 접속되는 용접용 전원(6)과, 전극 암(2)에 컨덴서(7)를 통하여 접속되는 고주파 전원(8)과, 용접용 전원(6) 및 고주파 전원(8)의 각 출력 제어를 행하는 통전 제어부(10)를 포함하여 구성되어 있다.

그리고, 금속재의 용접 장치(1)는, 도시하지 않지만, 전극 암(2)을 지지하는 고정 베이스, 전극 암(2)을 구동하는 구동 기구, 전극 지지부(3)로부터 한쪽의 전극(4)을 밀어내는 가압 기구(도시하지 않음) 등을 더 구비하고 있다. 가압 기구는, 후술하는 피용접 부재가 되는 금속재(9)를 전극(4, 4)으로 가압하기 위해 사용된다.

전극 암(2)은 상부(2A)와 하부(2B)를 구비하고, 각 전극 지지부(3)를 통하여 전극(4, 4)에 각각 접속되어 있다. 전극 암(2)은 건암이라고도 불린다. 도시한 건암(2)은, 이른바 C자 형상을 가지고 있으므로, C형 건암이라고 불린다. 포터블형이나 로봇형 등의 용접 장치에 있어서, C형 건암(2) 이외에는 X형 건 등도 사용되고 있다. 전극 암(2)의 형상은 어떠한 형상이라도 적용할 수 있으나, 이하의 설명에 있어서는, C형 건암(2)을 전제로 하여 설명한다.

한쌍의 전극(4, 4)은 간극을 가지고 대향하고 있으며, 그 간극에 금속재(9)로서 2개의 강판(9)이 삽입된다. 전극(4)은, 예를 들면, 구리재이며, 원이나 타원형이나 로드(rod)형을 이루고 있다.

도 2는 도 1에 나타내는 금속재의 용접 장치(1)의 전기 회로도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속재의 용접 장치(1)의 전기 회로는, 점선으로 둘러싼 용접용 회로부(1A)와 용접부(1B)로 이루어진다. 용접용 회로부(1A)는, 용접용 전원(6)과 고주파 전원(8)과 인덕턴스(5)와 컨덴서(7)와 용접용 전원(6) 및 고주파 전원(8)의 각 출력 제어를 행하는 통전 제어부(10) 등의 전기 회로로 이루어진다. 용접부(1B)는, 용접용 회로부(1A)에 전기적으로 접속되는 회로이며, 건암(2)과, 건암(2)에 전기적으로 접속되는 한쌍의 전극(4, 4)과, 한쌍의 전극(4, 4)에 협지되는 금속재(9)로 구성된다.

용접용 전원(6)은 저주파 전원이며, 예를 들면, 출력 주파수가 50Hz 또는 60Hz인 상용 전원(12)과, 상용 전원(12)의 일단에 접속되는 저주파 전원 제어부(14)와, 상용 전원(12)의 타단과 저주파 전원 제어부(14)의 출력단에 접속되는 용접 트랜스포머(16)로 구성되어 있다. 용접 트랜스포머(16)의 2차 코일의 양단이, 각각, C형 건암(2)의 상부(2A)의 좌측 단부 및 하부(2B)의 좌측 단부에 접속되어 있다. 저주파 전원 제어부(14)는, 사이리스터(thyristor) 등의 전력 제어용 반도체 소자 및 게이트 구동 회로 등으로 구성되어 있고, 상용 전원(12)으로부터 전극(4)으로의 통전 제어 등을 행한다.

용접 트랜스포머(16)의 C형 건암(2)측, 즉 2차측 코일(16A)에 병렬로 하이패스 컨덴서(11)가 접속되어 있다. 하이패스 컨덴서(11)는, 고주파 전원(8)의 주파수에 대하여 낮은 용량성 임피던스를 가지고 있다. 그러므로, 고주파 전원(8)으로부터의 고주파 전압이 2차 측 코일(16A)에 인가되는 전압을 최소한으로 하여, 용접 트랜스포머(16)의 1차 측으로의 고주파 유기(誘起) 전압을 낮게 할 수 있다.

고주파 전원(8)은, 발진기(18)와, 발진기(18)의 출력단에 접속되는 정합(整合) 트랜스포머(20)로 구성되어 있다. 정합 트랜스포머(20)의 일단은 C형 건암(2)의 상부(2A)에 접속되어 있다. 정합 트랜스포머(20)의 타단은, 컨덴서(7)를 통하여 C형 건암(2)의 하부(2B)에 접속되어 있다. 이 컨덴서(7)는, 후술하는 직렬 공진 회로의 정합용 컨덴서를 겸할 수 있다. 컨덴서(7)의 용량값은, 발진기(18)의 발진 주파수와 C형 건암(2)의 부유 인덕턴스(5)에 의존한다. 발진기(18)는, 각종 트랜지스터를 사용한 인버터 등으로 구성되어 있고, 전극(4)으로의 고주파 전원(8)의 통전 전력 등을 제어한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 용접 트랜스포머(16)의 2차 코일에 접속되는 C형 건암(2)으로부터 전극(4, 4)까지의 경로는, 인덕턴스(5)를 가지고 있다. 인덕턴스(5)는 C형 건암(2)으로 형성되는 부유 인덕턴스를 이용할 수 있다.

컨덴서(7)가 정합용 컨덴서를 겸하는 경우에는, 이 정합용 컨덴서(7)와 인덕턴스(5)에 의한 직렬 공진 회로를 구성해도 된다.

(금속재의 용접 장치의 변형예 1)

도 3은 금속재의 용접 장치의 변형예 1을 나타내는 전기 회로도이다. 도 3에 나타낸 금속재의 용접 장치(25)의 전기 회로는, 도 2에 나타낸 금속재의 용접 장치(1)의 전기 회로에서는 고주파 전원(8)이 C형 건암(2)을 통하여 전극(4, 4)에 접속되어 있는 것에 비해, C형 건암(2)을 통하지 않고 직접 한쌍의 전극(4, 4)에 접속되어 있다. 고주파 전원(8)은, 컨덴서(7)를 통하여 전극(4, 4)의 베이스에 접속될 수도 있다. 다른 회로 구성은 도 2에 나타낸 전기 회로와 동일하므로, 설명을 생략한다.

(금속재의 용접 장치의 변형예 2)

도 4는 금속재의 용접 장치의 변형예 2를 나타내는 전기 회로도이다. 도 4에 나타내는 금속재의 용접 장치(30)의 전기 회로는, 한쌍의 전극(4, 4) 사이에 병렬 공진용의 컨덴서(32)를 병렬로 접속한 점에서, 도 2에 나타내는 금속재의 용접 장치(1)와는 상이하다. 즉, 병렬 공진용의 컨덴서(32)는, C형 건암(2)의 상부(2A)와 하부(2B)에 병렬로 접속되어 있다. 이로써, 병렬 공진용의 컨덴서(32)와 인덕턴스(5)는 병렬 공진 회로를 구성한다. 이 경우, 컨덴서(7)는, 저주파 전원(6)으로부터의 저주파 전류를 저지하는 작용을 가지고 있다. 다른 회로 구성은 도 2에 나타낸 회로와 동일하므로, 설명은 생략한다.

(저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)의 분리)

저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)의 관계에 대하여 설명한다.

저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)과의 사이에는, 인덕턴스(5)와 컨덴서(7)가 접속되어 있고, 저주파수(f_L)에서의 인덕턴스(5) L에 의한 유도성 리액턴스 X_L[X_L=2πf_LL, 여기서, f_L은 저주파 전원(6)의 주파수이며, L은 인덕턴스(5)의 값임]은 저주파수에서는 작다. 한편, 컨덴서(7) C에 의한 용량성 리액턴스 X_C[X_C=1/(2πf_LC)]는 저주파수(f_L)에서는 큰 값이 된다. 그러므로, 저주파 전원(6)의 고주파 전원(8)으로의 전류 누출은, 저주파수(f_L)에서의 컨덴서(7)의 큰 용량성 리액턴스 X_C에 의해 저지된다. 즉, 컨덴서(7)는 저주파 전류 저지용 컨덴서가 된다.

고주파 전원(8)으로부터 저주파 전원(6)을 본 경우의 임피던스 중, 고주파수(f_H)의 용량성 리액턴스 X_C[X_L=1/(2πf_HC), 여기서, f_L은 고주파 전원(8)의 주파수임]는 고주파수에서는 작은 값이 된다.

한편, 고주파수에서는, 인덕턴스(5)에 의한 유도성 리액턴스 X_L[X_L=2πf_HL, 여기서, f_H는 고주파 전원(8)의 주파수임]은 큰 값이 된다. 그러므로, 고주파 전원(8)의 저주파 전원(6)으로의 전류 누출은, 고주파수(f_H)에서의 인덕턴스(5)의 큰 유도성 리액턴스 X_L에 의해 저지된다. 즉, 인덕턴스(5)는, 고주파 전류 저지용 인덕턴스가 된다.

금속재의 용접 장치(1, 25, 30)에 있어서, 컨덴서(7)는 저주파 전원(6)으로부터 고주파 전원(8)으로의 전류 저지용 컨덴서로서 작용하고, 인덕턴스(5)는 고주파 전원(8)으로부터 저주파 전원(6)으로의 전류 저지용 인덕턴스, 즉 초크 코일의 작용을 한다.

C형 건암(2)은 스폿 용접하는 강판(9)의 크기에 따라 각종 형상의 것이 사용되고 있다. 따라서, C형 건암(2)의 부유 인덕턴스(5)가 크지 않은 경우에는, 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)에 있어서, 고주파수로 소정의 유도성 리액턴스 X_L이 되도록 고주파 전류 저지용의 인덕턴스(13)를 더 추가해도 된다. 이 외장용 인덕턴스(13)는, 예를 들면, 저주파 전원(6) 측의 용접 트랜스포머(16)의 2차 코일 측에 접속할 수 있다.

본 발명의 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)의 특징은, 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)의 분리를 인덕턴스(5) 및 컨덴서(7)로 행하고 있는 점과, 전극(4)에 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)의 주파수가 상이한 2주파수의 전원을 동시에 인가할 수 있는 점에 있다.

(강판에 생기는 전류 분포)

도 5의 (A)는, 중첩된 2개의 강판(9)에 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)으로부터 전력을 동시에 인가했을 때 강판(9)에 생기는 전류 분포를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 6은, 강판(9)의 가열 상태를 나타낸 도면이다.

도 5의 (A)에 있어서, 실선은 고주파 전원(8)에 의한 고주파 전류(22)를 나타내고, 점선은 저주파 전원(6)에 의한 저주파 전류(24)를 나타내고 있다. 전극(4)은 동(銅)으로 이루어지고, 직경은 6mm이며, 저주파 전원(6)의 주파수는 50Hz이다. 1개의 강판(9)의 두께는 2mm이며, 고주파 전원(8)의 주파수는 40kHz이다. 저주파 전류(24)는 전극(4, 4)의 내부 전체를 흐르고, 강판(9)은, 대체로 너겟 직경의 단면적 폭으로 통전된다.

도 6의 (A)는, 저주파 전류(24)만에 의한 강판(9)의 가열 영역을 나타낸 평면도이며, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 원형 내부(9A)가 주요한 가열 영역이 된다. 도 6의 (B)는, 도 6의 (A)의 X-X 방향의 온도 분포이며, 강판(9)에 있어서, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 원형 내부(9A)가 집중적으로 가열된다.

한편, 고주파 전류(22)는 전극(4)의 표면 및 너겟 외주 영역에 전류가 집중된다. 저주파 전류(24)와 고주파 전류(22)의 분포가 상이한 것은, 이른바 표피 두께에 관계하고 있다.

도 6의 (C)는, 고주파 전류(22)만에 의한 강판(9)의 가열 영역을 나타낸 평면도이며, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 외주원(外周圓) 및 외주원 근방, 즉 링형을 이루는 원형 외부로 되는 링형의 근방 영역(9B)이 주요한 가열 영역으로 된다. 도 6의 (D)는, 도 6의 (C)의 X-X 방향의 온도 분포이며, 강판(9)에 있어서, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 외주원 및 외주원 근방의 대략 링형 영역(9B)이 저항 가열된다. 이 경우, 고주파 전류(22)에 의한 가열은, 전극(4)의 표면을 흐르는 고주파 전류(22)에 의해 근접하는 강판(9)이 유도 가열되는 영역도 포함된다. 이 유도 가열은, 유도 가열 코일을 사용한 통상의 유도 가열과는 상이하다. 따라서, 고주파 전류(22)에 의한 강판(9)에 투영한 외주원 및 외주원 근방의 링형 영역(9B)의 가열은, 고주파 전류(22)에 의한 저항 가열, 또는 이 저항 가열과 함께 상기 고주파 유도 가열이 중첩된 가열에 의해 행할 수 있다.

도 6의 (D)에 있어서, 또한 고주파 전원(8)의 동작 주파수를 변화시킴으로써, 링형 영역(9B)의 폭을 변화시킬 수 있다. 실제로, 저주파 전류(24)를 통전하여 스폿 용접을 행한 경우, 고주파 전원(8)의 동작 주파수를 변화시키면, 너겟 외주 영역의 고온 영역의 폭이 변화하는 것도 확인할 수 있었다. 따라서, 고주파 전류(22)에 의한 강판(9)에 투영한 외주원 및 외주원 근방의 링형 영역(9B)의 가열은, 고주파 전류(22)에 의한 저항 가열, 또는 이 저항 가열과 함께 상기 고주파 유도 가열이 중첩된 가열에 의해 행할 수 있다.

따라서, 중첩된 2개의 강판(9)에 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)으로부터 전력을 동시에 인가했을 때 강판(9)의 가열 영역은, 도 6의 (E)에 나타낸 바와 같이 저주파 전류(24)의 통과 영역이 되는 원형 내부(9A)와 고주파 전류(22)의 통과 영역이 되는 링형 영역(9B)을 중첩한 것이 된다. 또한, 이들 전류(22, 24)에 의해 생기는 강판(9)의 온도 분포는, 도 6의 (F)에 나타낸 바와 같이 저주파 전류(24)에 의한 온도 분포[도 6의 (B) 참조]와 고주파 전류(22)에 의한 온도 분포[도 6의 (D) 참조]를 중첩한 것이 된다. 즉, 강판(9)에 있어서는, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 원형 내부(9A)와, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 외주원 및 외주원 근방의 링형 영역(9B)이 가열된다.

(표피 두께)

표피 두께(δ)는, 하기 (1) 식에 의해 표시된다.

δ= 503.3×(ρ/(μ×f))^1/2 (m) …(1)

여기서, ρ는 재료의 저항율(Ω·m), μ는 재료의 비투자율(relative permeability), f는 주파수(Hz)이다. 표피 두께는, 주파수의 1/2제곱으로 변화하므로, 동일한 재료라면 주파수가 낮을수록 두껍게 되고, 주파수가 높을수록 얇아진다. 일반적으로 스폿 용접용의 전원은 50Hz 또는 60Hz이므로 직경 6mm 정도의 전극이면, 전류는 전극 전체에 흐른다.

한편, 강판(9)의 표면만을 가열하는 경우의 고주파 전원(8)의 주파수는, 상기 (1)식에 의해 소정의 표피 두께가 되도록 주파수를 설정할 수 있다. 따라서, 너겟 외주 영역의 가열 폭을 선택하기 위해서는, 주파수를 설정하면 된다. 즉, 고주파 전류(22)의 주파수를 변경함으로써, 너겟 외주 영역의 가열 폭이 변경되고, 링형 영역(9B)에 템퍼링 등의 가열 처리를 행할 수 있다. 따라서, 강판(9)으로서 비교적 연성의 재료, 예를 들면, S20C 소둔재(annealing material) 등을 사용한 경우에는, 링형 영역(9B)을 연화시킬 수 있다.

그리고, 재료 내부에 있어서, 표피 두께의 깊이에 있어서의 고주파 전류(22)의 크기는, 가장 표면의 1/e(여기서, e는 자연로그의 밑임), 즉 약 1/3 정도이다. 강판(9)의 표피 두께는, 주파수가 50Hz에서 약 9.3mm이며, 주파수가 40kHz에서 약 0.3mm이다.

(고주파 전원의 주파수 선정)

고주파 전원(8)의 주파수는, 용접 트랜스포머(16)의 2차 코일측에 접속되는 인덕턴스(5)와, 필요에 따라 더 삽입되는 인덕턴스(13)와, 정합 컨덴서(7)의 용량으로 정해진다. 건암(2)의 부유 인덕턴스를 인덕턴스(5)로서 이용하는 경우, 인덕턴스(5)는 건암(2)의 형상에 의해 정해진다. 그러므로, 주파수를 결정하는 것은 정합 컨덴서(7)의 값이 된다. 주파수를 높이면 표피 효과의 영향에 의해 외주 영역의 온도 상승 패턴은, 가열 폭이 좁아지고, 국소적으로 된다. 그러나, 건암(2)의 인덕턴스(5) ωL은 주파수에 비례하므로, 정합 컨덴서(7)의 전압도 상승한다. 고주파 전원(8)으로부터 전극(4, 4)을 보았을 때의 회로는, 직렬 공진 회로이다. 직렬 공진 주파수에 있어서는, 인덕턴스(5)의 전압과 정합 컨덴서(7)의 전압은 같아지므로 정합 컨덴서(7)의 전압이 상승하면, 저주파수와 고주파수의 2주파수 합성이 곤란해져, 큰 전류 저지용 인덕턴스(5)나 인덕턴스(13)가 필요하게 된다. 큰 전류 저지용 인덕턴스(5, 13)는, 저주파 전류(24)에도 영향을 미치게 되어, 종래의 스폿 용접기의 2차 전압을 대폭 높일 필요가 있다.

반대로, 직렬 공진 주파수를 낮추면, 너겟 외주 영역의 승온(昇溫) 패턴은 가열 폭이 넓어지나, 정합 컨덴서(7)의 전압이 낮아지므로 2주파수 합성은 용이하게 된다. 또한, 건암(2)에는 용접 트랜스포머(16), 하이패스 컨덴서(11), 필요에 따라 전류 저지용 인덕턴스(13)를 탑재할 필요가 있다. 이 중, 용접 트랜스포머(16)의 중량이 가장 무겁다. 용접 트랜스포머(16)의 중량은 주파수에 반비례한다. 이상을 감안하면, 동작 주파수는 5kHz 내지 40kHz가 최적이다. 다만, 건암(2)을 용접 로봇 등의 용접 장치에 탑재하지 않는 경우에는 이에 한정되지 않는다. 또한, 저주파수와 고주파수와의 주파수의 차이는, 2주파수 합성 회로의 관점에서 10배 이상의 차이가 바람직하다.

(금속재의 용접 장치를 사용한 가열 처리)

본 발명의 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)에 의한 스폿 용접 및 가열 처리에 대하여 설명한다.

금속재(9)의 용접은, 금속재(9)를 한쌍의 전극(4, 4)으로 협지하고 통전하여 금속재(9)를 가열함으로써 행해진다. 일례로서, 한쌍의 전극(4, 4)으로의 제1 통전에 의해 금속재(9)의 소정 영역을 가열하는 제1 단계와, 금속재(9)를 협지하는 한쌍의 전극(4, 4)의 위치를 제1 단계와 동일한 위치로 유지한 상태에서, 한쌍의 전극(4, 4)으로의 제2 통전에 의해 제1 단계와는 상이한 영역을 가열하는 제2 단계를 포함하면 된다. 여기서, 제1 단계와 제2 단계의 가열 시간은, 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 제1 통전이 저주파 전원(6)으로부터의 통전인 경우에는, 제1 통전에 의한 금속재(9)의 소정의 가열 영역은, 상기 원형 내부(9A)이다. 제2 통전이 고주파 전원(8)으로부터의 통전인 경우에는, 제1 통전에 의한 금속재(9)의 소정의 가열 영역은, 상기 링형 영역(9B)이다. 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계는 조합해도 된다.

도 7∼도 9는, 한쌍의 전극(4, 4)에 흐르는 전류 파형을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 7∼도 9에 있어서, 가로축은 시간(임의의 눈금)을 나타내고, 세로축은 저주파 전원(6) 및 고주파 전원(8)으로부터 인가되는 전류 파형(22, 24)(임의의 눈금)을 나타내고 있다.

도 7은, 저주파 전원(6)으로부터의 전력과 고주파 전원(8)으로부터의 전력에 의해 스폿 용접과 가열 처리를 동시에 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 용접으로 형성되는 너겟은 저주파 전원(6)으로부터의 전력에 의해 그 전체가 가열되고, 또한 너겟 외주 영역은 고주파 전원(8)으로부터의 전력에 의해 동시에 가열된다. 여기서, 너겟 전체는, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 원형 내부(9A)에 대응하고 있다. 또한, 너겟 외주 영역은, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 외주원 및 외주원 근방의 링형 영역(9B)에 대응하고 있다.

본 발명의 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)에 의하면, 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)으로부터의 전력을 동시에 인가했을 때의 전류 분포로부터, 저주파 전원(6)에 의해 강판(9)끼리의 스폿 용접을 행하고, 또한 2개의 강판(9)의 전극(4)에 접하고 있지 않은 영역의 전극 외주면을 고주파 전원(8)에 의해 가열을 행할 수 있다.

도 8은, 저주파 전원(6)으로부터의 전력을 인가한 후에 고주파 전원(8)으로부터의 전력을 인가하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 저주파 전원(6)으로부터 전력을 인가하고 이것을 정지 후에 고주파 전원(8)으로부터 전력을 인가하는 경우에는, 저주파 전원(6)으로부터의 전력 인가에 의해, 강판(9)끼리가 스폿 용접된다. 그 후의 고주파 전원(8)으로부터의 전력 인가에 의해, 2개의 강판(9)의 너겟 외주 영역의 전극(4)에 접하고 있지 않은 영역의 표면이 가열된다.

이로써, 본 발명의 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)에 의하면, 저주파 전원(6)으로부터의 전력 인가 후에 고주파 전원(8)으로부터 전력을 인가함으로써, 스폿 용접되어 형성된 너겟의 외주 영역의 가열 처리(어닐이라고도 함)를 행할 수 있다. 이 가열 처리의 온도와 가열 시간을 조정함으로써, 강판(9) 등의 템퍼링 처리 등의 가열 처리에 적용할 수 있다.

도 9는 저주파 전원(6)으로부터 전력을 인가하기 전에 고주파 전원(8)을 사용한 예열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 고주파 전원(8)으로부터의 전력 인가 후에 저주파 전원(6)으로부터 전력을 인가하는 경우에는, 처음에 강판(9)끼리의 스폿 용접되지 않는 영역의 표면, 즉 동 전극(4)에 접촉하고 있지 않은 근방 영역이 가열된다. 이 예비 가열 후에 저주파 전원(6)으로부터의 전력 인가에 의해, 2개의 강판(9)이 스폿 용접된다.

이와 같이 하여, 본 발명의 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)에 의하면, 고주파 전원(8)으로부터 전력을 인가한 후에 저주파 전원(6)으로부터 전력을 인가함으로써, 스폿 용접되는 영역의 근방을, 용접되기 전에 미리 예비 가열을 행할 수도 있다. 예비 가열의 온도와 가열 시간을 조정함으로써, 스폿 용접에 의해 생기는 템퍼링를 방지할 수 있다.

강판(9)을 2장 중첩했을 때 강판(9)에 생기는 전류 분포를 설명하였으나, 강판(9)을 복수 장 중첩했을 때 강판(9)에 생기는 전류 분포에 대하여 설명한다.

도 5의 (B)는, 강판(9)을 3장 중첩한 경우의 고주파 전류(22)에 의한 가열 상태를 나타낸 단면도이다. 도 5의 (B)에 나타낸 바와 같이, 강판(9)을 3장 중첩한 경우에는, 2개소의 링형 영역 B와, 2개소의 강판(9)의 접합면의 단부 C로 이루어지는 4개소의 링형 영역이 고주파 전류(22)에 의해 가열된다.

(표피 두께)

강판(9)에 저주파수 또는 고주파수의 전력을 인가한 경우의 표피 두께는 주파수의 -1/2제곱으로 변화하므로, 동일한 재료이면 주파수가 낮을수록 두껍게 되고, 주파수가 높을수록 얇아진다. 일반적으로 스폿 용접용의 전원은 50Hz 또는 60Hz이므로 직경 6mm정도의 전극이면 전류는 전극 전체에 흐른다.

한편, 강판(9)의 표면만을 가열하는 경우의 고주파 전원(18)의 주파수는, 소정의 표피 두께가 되도록 주파수를 설정할 수 있다. 따라서, 외주 영역의 가열 폭을 선택하기 위해서는, 주파수를 설정하면 된다. 즉, 고주파 전류(22)의 주파수를 변경함으로써, 외주 영역의 가열 폭이 변경되고, 링형 영역 B에 템퍼링 등의 가열 처리를 행하여, 링형 영역(2B)을 연화시킬 수 있다.

그리고, 강판(9) 등의 재료 내부에 있어서, 표피 두께의 깊이에 있어서의 고주파 전류(22)의 크기는, 가장 표면의 1/e(여기서, e는 자연로그임), 즉 약 1/3정도이다. 강판(2)의 표피 두께는, 주파수가 50Hz에서 약 9.3mm이며, 주파수가 40kHz에서 약 0.3mm이다.

(금속재의 용접 장치를 사용한 가열 처리의 변형예)

금속재의 용접 장치(1)에 의한 또 다른 가열 방법을 설명한다.

도 10∼도 12는, 한쌍의 전극에 흐르도록 하는 전류 파형의 일례를 나타낸 도면이다. 가로축은 시간(임의의 눈금)을 나타내고, 세로축은 저주파 전원(6) 및 고주파 전원(8)으로부터 한쌍의 전극에 인가되는 전류 파형(22, 24)(임의의 눈금)을 나타내고 있다.

도 10은, 고주파 전원(8)을 사용한 예열과 저주파 전원(6)을 사용한 가열과 고주파 전원(8)을 사용한 후열을 연속적으로 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 후열이라는 용어는 예열한 후에 행하는 가열의 의미로 사용하고 있다. 즉, 후열은, 강판(9)을 저주파 전원(6)을 사용하여 스폿 용접을 행한 후의 가열 처리를 나타내고 있다.

고주파 전원(8)으로부터의 전력의 인가 후에 저주파 전원(6)으로부터의 전력을 인가하는 경우에는, 처음에 강판(9)끼리의 스폿 용접되지 않는 영역의 표면이 가열된다. 이 예비 가열 후의 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 인가에 의해, 2개의 강판(9)이 스폿 용접된다. 또한, 고주파 전원(8)으로부터의 전력에 의한 후열에 의해 스폿 용접에 의해 형성된 너겟의 외주 영역의 가열 처리를 행할 수 있다. 이 가열 처리의 온도와 가열 시간을 조정함으로써, 강판(9) 등의 템퍼링 처리 등의 열처리에 적용할 수 있다.

도 11은, 고주파 전원(8)을 사용하여 예열을 행하는 동시에, 고주파 전원(8)과 저주파 전원(6)을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 고주파 전원(8)으로부터의 전력은, 예열 시간과 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 인가 시간 직후의 소정 시간에 인가 된다. 즉, 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 인가 시간의 초기에만, 고주파 전원(8)으로부터 전력이 중첩된다. 예열의 효과는 도 6의 가열 방법과 동일한 효과가 있다. 또한, 저주파 전원(6) 및 고주파 전원(8)으로부터의 전력이 부분적으로 중첩되어 강판(9)에 인가되므로, 도 7의 동시 가열 방법과 마찬가지로 스폿 용접을 행하고, 또한 2개의 강판(9)의 전극(4)에 접하고 있지 않은 영역의 전극(4)의 외주면을 고주파 전원(8)으로부터의 전력에 의해 가열할 수 있다.

도 12는, 저주파 전원(6)을 사용한 가열과 고주파 전원(8)을 사용한 후열을 행하고, 또한 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 고주파 전원(8)으로부터의 전력은, 저주파 전원(6)의 인가 종료 전의 소정 시간과 그 후의 후열의 시간에 인가된다. 저주파 전원(6) 및 고주파 전원(8)으로부터의 전력이 부분적으로 중첩되므로, 도 7의 가열 파형과 마찬가지로 스폿 용접을 행하고, 또한 2개의 강판(9)의 전극(4)에 접하고 있지 않은 영역의 전극(4)의 외주면을 고주파 전원(8)에 의해 가열할 수 있다. 후열의 효과는 도 8의 가열 방법과 동일한 효과가 있다.

상기 고주파 전원(8)에 의한 강판(9)의 가열 시간은 통전 제어부(10)에서 제어할 수 있으므로, 스폿 용접하는 강판(9) 등의 스폿 용접 개소에만 부분 승온이 발생하여, 가열에 필요한 전력 소비를 저감할 수 있다.

(금속재의 용접 장치의 변형예 3)

다음으로, 금속재의 용접 장치의 변형예 3을 나타낸다.

도 13은, 금속재의 용접 장치의 변형예 3을 나타내는 전기 회로도이다. 도 13에 나타내는 금속재의 용접 장치(35)가, 도 2에 나타내는 금속재의 용접 장치(1)와 다른 것은, 스폿 용접용 전원(6)으로서, 저주파 전원이 아닌 직류 전원(36)을 사용한 점에 있다. 직류 전원(36)은, 인버터 등을 사용한 직류 전원으로 구성되며, 통전 제어부(10)에 의해 직류 전류의 크기나 통전 시간 등이 제어된다. 그 외의 구성은, 금속재의 용접 장치(1)와 동일하므로 설명은 생략한다.

(금속재의 용접 장치의 변형예 4)

다음으로, 금속재의 용접 장치의 변형예 4를 나타낸다.

도 14는 금속재의 용접 장치의 변형예 4를 나타내는 전기 회로도이다. 도 14에 나타내는 금속재의 용접 장치(40)가 도 4의 금속재의 용접 장치(30)와 다른 것은, 저주파 전원(6)을 직류 전원(36)으로 한 점에 있다. 직류 전원(36)은, 인버터 등을 사용한 전원으로 구성되며, 통전 제어부(10)에 의해 직류 전류의 크기나 통전 시간 등이 제어된다. 그 외의 구성은 금속재의 용접 장치(30)와 동일하므로 설명은 생략한다.

금속재의 용접 장치(35, 40)에 있어서도, 컨덴서(7)는 직류 전원(36)으로부터 고주파 전원(8)으로의 전류 저지용 컨덴서의 작용을 하고, 인덕턴스(5)는 고주파 전원(8)으로부터 직류 전원(36)으로의 전류 저지용 인덕턴스, 즉 초크 코일의 작용을 한다.

금속재의 용접 장치(35, 40)에 의하면, 전극(4, 4)에 직류를 흐르게 하여 스폿 용접을 하므로, 저주파 전원(6)을 사용한 경우와 달리, 표피 효과가 없기 때문에, 전극(4, 4)의 크기를 공작물(9)에 따라 선정할 수 있다.

(용접용 전원으로서 직류 전원을 사용한 경우의 가열 방법)

용접용 전원(6)으로서 직류 전원(36)을 사용한 금속재의 용접 장치(35, 40)에 있어서도, 금속재의 용접 장치(1, 25, 30)와 마찬가지의 가열 방법을 채용할 수 있다.

도 15∼도 19는, 금속재의 용접 장치(35, 40)의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 각 도면의 가로축은 시간(임의의 눈금)을 나타내고, 세로축은 직류 전원(36) 및 고주파 전원(8)으로부터 인가되는 전류 파형(26, 22)(임의의 눈금)을 나타내고 있다.

도 15는, 직류 전원(36)과 고주파 전원(8)을 사용한 동시 가열의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 동시 가열의 효과는, 도 7에 나타낸 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)을 사용한 동시 가열의 효과와 동일하다.

도 16은, 고주파 전원(8)을, 후열을 위해 사용한 가열 파형을 나타낸 도면이다. 고주파 전원(8)의 후열의 효과는, 도 8에 나타낸 고주파 전원(8)을 사용한 후열의 효과와 동일하다.

도 17은, 고주파 전원(8)을, 예열을 위해 사용한 가열 파형을 나타낸 도면이다. 고주파 전원(8)의 예열의 효과는, 도 9에 나타낸 고주파 전원(8)을 사용한 예열의 효과와 동일하다.

도 18은, 고주파 전원(8)을 사용한 예열과 직류 전원(36)을 사용한 가열과 고주파 전원(8)을 사용한 후열을 연속적으로 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 이 경우의 가열 효과는, 도 10에 나타낸 가열 방법의 효과와 동일하다.

도 19는, 고주파 전원(8)에 의해 예열을 행하고, 또한 고주파 전원(8)과 직류 전원(36)을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 이 경우, 고주파 전원(8)을 사용하여 예열을 행하고, 또한 고주파 전원(8)은, 직류 전원(36)으로부터의 전력의 인가 시간 직후의 소정 시간에 인가된다. 즉, 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 인가 시간의 초기에만, 고주파 전원(8)으로부터 전력이 중첩된다. 예열의 효과는 도 11의 가열 방법과 동일하다.

도 20은, 고주파 전원(8)과 직류 전원(36)을 사용하여 부분적으로 동시 가열을 행하고, 고주파 전원(8)에 의해 후열을 행하는 경우의 가열 파형을 나타낸 도면이다. 이 경우, 고주파 전원(8)은, 직류 전원(36)으로부터의 전력의 인가 종료 직후의 소정 시간에 인가된다. 즉, 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 인가 시간의 종료 직전에 고주파 전원(8)으로부터 전력이 중첩된다. 예열의 효과는 도 12의 가열 방법과 동일하다.

상기 고주파 전원(8)에 의한 강판(9)의 가열 시간은 통전 제어부(10)에서 제어할 수 있으므로, 스폿 용접하는 강판(9) 등의 스폿 용접 개소에서만 부분 승온이 발생하여, 가열에 필요한 전력 소비를 저감할 수 있다.

본 발명에 의하면, 금속재의 용접 장치(1, 25, 30, 35, 40)의 전극(4, 4)을 통하여 공작물(9)에 고주파 전원(8)을 접속함으로써, 접촉하지 않는 근방 영역의 부분 가열을 행할 수 있다. 공작물(9)의 고주파 가열은, 저주파 전원(6) 또는 직류 전원(36)으로부터의 전력의 인가 전 또는 후, 또는 저주파 전원(6) 또는 직류 전원(36)의 인가와 동시에 행하는 방법 등을 선정할 수 있다.

금속재의 용접 장치(1, 25, 30, 35, 40)는, 용접 후의 급냉에 의해 강판(9)을 담금질하기 시작한다. 이 경우, 냉각 방향으로서는 강판(9) 상의 가로 방향(도 7 참조)으로부터의 방열과, 전극(4, 4)의 세로 방향으로부터의 열 이동이 있다. 전극(4, 4)으로부터의 세로 방향의 열 이동은, 전극(4, 4)을 물로 냉각하므로 효과가 크다. 열류(熱溜)의 구체예는, 스폿 용접 후, 고주파 통전을 행하고, 너겟 외주 영역에 열류를 만들어, 너겟의 냉각을 전극(4, 4)의 세로 방향으로의 열 이동에 의해 행한다. 이로써, 고주파 통전을 행하지 않는 경우에 생기는 세로와 가로의 양 방향으로의 열 이동이, 세로 방향만으로 되므로, 강판(9)의 응고 시의 조직 형성을 제어할 수 있다.

종래식의 스폿 용접기에서는, 강판(9)의 승온 프로파일은, 전극(4, 4)과 강판(9)이 접하는 중앙 영역에서 강판(9)이 서로 중첩된 영역이 가장 고온으로 되고, 이 고온으로 된 영역에 너겟이 형성된다. 즉, 종래식의 스폿 용접기에서는 전극(4, 4)의 바로 아래 영역이 가열된다. 그러나, 고주파 전류(22)를 전극(4, 4)에 통전하면, 표피 효과로 인해 고주파 전류(22)는 전극(4, 4)의 표면에 집중하고, 이 고주파 전류(22)는 강판(9)에 접촉하면 표피 효과에 의해 강판(9)의 표면을 흐른다. 이 전류 경로에 의해, 강판(9)의 가장 승온된 영역은 전극(4, 4)의 외주, 즉 너겟 외주 영역이 된다.

이와 같이, 고주파 전원(8)으로부터 공급되는 고주파 전류(22)를 전극(4, 4)에 통전함으로써 너겟의 외주 영역에만 부분 가열을 할 수 있고, 이 부분 가열 범위는, 가장 승온된 범위로 된다. 또한, 부분 가열 범위를 좁히는 것에 의해 전극(4, 4)의 바로 아래 전체를 가열하는 것보다 효율이 양호한 가열 방법이 된다. 고주파 통전은, 전극(4, 4)의 외주 원형으로 가열할 수 있으므로, 열적으로 웰(well) 상태로 형성할 수 있다. 따라서, 강판(9)의 판면 내의 발열을 억제한 상태에서 용융 응고시킬 수 있으므로 단시간에 용접이 가능하다.

이로써, 용접 영역 강도를 결정짓는 너겟 외주 영역을 선택적으로 고주파 통전에 의해 가열 처리함으로써, 강판의 탄소 함유량이 높아도 강도가 충분한 스폿 용접 접합부를 단시간에 만들 수 있다.

금속재의 용접 장치(1, 25, 30, 35, 40)에 의하면, 2주파수의 통전을 행함으로써, 스폿 용접용 전원(6)으로부터의 전력은 주로 강판(9)의 용융 응고부를 형성하는 것에 사용하고, 고주파 전원(8)을 사용한 가열은 강도를 결정짓는 너겟 외주 영역의 원부를 집중적으로 가열 처리하기 위해 사용할 수 있다. 그러므로, 강판(9)의 용접 개소를 집중적으로 독립적으로 가열할 수 있고, 종래의 스폿 용접에서는 얻을 수 없는 압도적으로 짧은 시간에, 원하는 스폿 용접 품질을 얻을 수 있다.

종래식의 사이리스터 위상 제어 방식을 이용한 스폿 용접에서는, 전류가 중단되는 부분이 있어 용접 품질 상 바람직하지 않지만, 금속재의 용접 장치(1, 25, 30, 35, 40)에 의하면, 고주파 전류(22)의 진폭 제어를 행하고 있으므로, 고주파 전류(22)가 중단되지 않게 되어, 강판(9)의 스폿 용접의 품질을 향상시킬 수 있다.

(본 발명에 사용할 수 있는 공작물)

전술한 설명에 있어서는, 스폿 용접되는 금속재(9)가, 예를 들면, 강판(9)인 경우를 나타냈으나, 금속재(9)라면 어떤 재료를 사용해도 된다. 또한, 공작물(9)의 형상은 판형으로 한정되지 않고 어떤 형상이라도 된다. 또한, 강판(9)은 2장을 스폿 용접하는 예를 나타냈으나, 복수 장의 판을 용접할 수도 있다.

또한, 스폿 용접되는 금속재(9)는, 서로 상이한 금속재끼리의 스폿 용접일 수도 있다.

(본 발명에 사용할 수 있는 전극)

전술한 설명에 있어서, 전극(4)의 축 단면을 강판(9)에 투영한 영역의 형상이 원형인 경우를 예시했지만, 전극(4)의 축 단면의 형상은 원형으로 한정되지 않고, 타원, 모서리가 둥근 사각이나 삼각형 등의 다각형상일 수도 있다.

[실시예 1]

이하, 본 발명의 금속재의 용접 장치(1)에 의해 강판(9)을 스폿 용접하는 구체예에 대하여 상세하게 설명한다.

2장의 강판(9)의 스폿 용접을 행하였다. 도 21은, 저주파 전원(6)과 고주파 전원(8)으로부터의 전력 인가를 모식적으로 설명하는 도면이다. 사용한 강판(9), 저주파 전원(6), 고주파 전원(8) 등의 조건을 이하에 나타낸다.

강판(9): 두께 2mm, 크기 5cm×15cm

저주파 전원(6): 50Hz, 전극(4)은 동제(銅製)이며 직경 6mm, 전원 용량 50kVA

저주파 전원(6)의 통전 시간: 0.3∼0.5 초

고주파 전원(8): 30kHz, 50Kw 출력

고주파 전원(8)의 통전 시간: 0.3∼0.6 초

강판(9)의 조성은, 철 이외의 성분으로서, C(탄소)가 0.19∼0.29 중량% 함유되어 있다.

최초로, 도 21에 나타낸 바와 같이, 고주파 전원(8)으로부터의 전력에 의해 예열을 0.3초간 행하였다. 고주파의 투입 전력은 4.9kW에서 37kW까지 변화시켰다.

다음으로, 저주파 전원(6)으로부터의 전력을 인가하여 용접을 행하였다. 저주파 전원(6)의 투입은, 도 18에 나타낸 바와 같이, 제1 전류 및 제2 전류의 2단계의 통전으로 행하였다. 제1 전류의 상승을 1사이클로 하고, 제1 통전을 2사이클로 하고, 제1 전류값은 11kA이다. 1사이클의 냉각 후, 제2 전류값을 8.kA로 하여 16사이클 통전하였다. 저주파 전원(6)에 의한 2단계의 통전은 냉각 등도 포함하여 20사이클이며, 용접 시간은 0.4초였다.

[실시예 2]

실시예 2에 있어서는, 고주파 전원(8)으로부터의 전력을 저주파 전원(6)으로부터의 전력과 동시에 0.3초간 인가하였다. 고주파의 투입 전력은 2.7kW에서 39.9kW까지 변화시켰다. 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 통전은 실시예 1과 동일하다.

[실시예 3]

실시예 3에 있어서는, 고주파 전원(8)으로부터의 전력을 저주파 전원(6)으로부터의 전력의 통전 종료 직후에 0.3초간 인가하였다. 고주파의 투입 전력은 2.7kW에서 39.9kW까지 변화시켰다. 저주파 전원(6)의 통전은 실시예 1과 동일하다.

(비교예)

실시예 1∼3에 대한 비교예로서, 고주파 전원(8)을 인가하지 않고, 저주파 전원(6)의 통전에 의해 용접을 했다. 즉, 통상의 스폿 용접을 행하였다.

실시예 및 비교예의 용접 시료의 십자 인장 시험을 행하여, 파단 하중을 구하였다. 표 1은, 실시예 및 비교예의 용접 시료의 고주파 통전 패턴과 고주파 투입 전력과 파단 하중과 평균 파단 하중을 나타내고 있다.

[표 1]

실시예 1에서 고주파 투입 전력을 4.9kW로 한 용접 시료의 샘플수는 3개이다. 각 용접 시료의 파단 하중은, 각각, 19.54kN, 18.46kN, 20.28kN이었다. 고주파 투입 전력을 8.6kW, 20.9kW, 28.5kW, 37kW로 한 용접 시료의 파단 하중은, 각각, 21.26kN, 19.59kN, 17.98kN, 19.58kN이었다. 이것으로부터, 고주파 통전에 의해 예열을 행한 후, 저주파 전원(6)으로 스폿 용접을 행한 실시예 1의 용접 시료의 평균 파단 하중은, 19.5kN이라는 것을 알았다.

실시예 2에서 고주파 투입 전력을 2.7∼3.8kW로 한 용접 시료의 샘플수는 2개이며, 파단 하중은, 각각, 15.97kN, 17.70kN이었다. 고주파 투입 전력을 22.8∼25 kW, 33.3∼39.9 kW로 한 용접 시료의 파단 하중은, 각각, 20.5kN, 21.05kN이었다. 이것으로부터, 저주파 전원(6)을 사용하고, 동시에 고주파 통전을 하면서 스폿 용접을 행한 실시예 2의 용접 시료의 평균 파단 하중은, 18.8kN이라는 것을 알았다.

실시예 3에서 고주파 투입 전력을 4.2kW, 8.6kW, 30.8kW, 39.9kW로 한 용접 시료의 파단 하중은, 각각, 18.7kN, 18.35kN, 17.94kN, 19.73kN이었다. 이것으로부터, 저주파 전원(6)을 사용한 용접 후에, 고주파 통전을 행한 실시예 3의 용접 시료의 평균 파단 하중은, 18.7kN이라는 것을 알았다.

비교예의 용접 시료의 샘플수는 2개이며, 파단 하중은, 각각, 12.47kN, 12.88kN이었다. 이것으로부터, 비교예의 2단계 통전에 의한 종래의 스폿 용접을 행한 용접 시료의 평균 파단 하중은, 12.7kN이라는 것을 알았다.

실시예 1의 예열, 실시예 2의 동시 가열 및 실시예 3의 후열을 행한 용접 시료에서 얻은 평균 파단 하중은, 비교예의 평균 파단 하중에 대하여, 각각, 1.54배, 1.48배, 1.47배의 크기이다. 따라서, 실시예 1∼3의 용접 시료에서 얻은 평균 파단 하중은, 저주파 전원(6)만의 스폿 용접의 경우에 비해, 약 50% 향상되어 있는 것이 판명되었다. 실시예 1∼3에 있어서는, 고주파 통전이 예열, 동시, 후열의 차이는 있지만, 어느 가열 방법에서도 비교예의 저주파 전원(6)만에 의한 스폿 용접에 비해, 파단 하중을 현저하게 높일 수 있었다.

그리고, 강판(9)의 탄소 함유량이 0.19중량%∼0.26중량% 정도의 범위내이면, 비교예보다 파단 하중을 현저하게 높일 수 있다.

[실시예 4]

실시예 1과 같은 금속재의 용접 장치(1)를 사용하고, 고주파 전원(8) 단독의 가열 효과를 확인하기 위해 크롬몰리브덴강(9)의 템퍼링 처리를 행하였다. 사용한 크롬몰리브덴강(9)은 SCM435이며, 실시예 1의 강판과 동일한 치수이다. 실시예 1과 동일한 주파수로 고주파 전원(8)으로 0.3초간 통전을 행하여, 템퍼링 처리를 행하였다.

도 22는, 실시예 4의 템퍼링 처리를 한 크롬몰리브덴강(SCM435)(9)의 표면의 경도 분포를 나타낸 도면이다. 도면의 가로축은 크롬몰리브덴강(SCM435)(9)의 표면에서의 전극(4)의 축 단면 방향의 위치를 나타내고, 전극(4)의 위치 및 그 외경 치수도 나타내고 있다. 도면의 세로축은 비커스 경도(Vickers hardness)(HV)이다.

도 22로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 실시예 4의 크롬몰리브덴강(SCM435)의 전극(4)의 최외주에 상당하는 영역의 경도가 가장 높아서 약 670HV이며, 템퍼링되어 있지 않은 영역의 경도인 약 370HV보다 높아진 것을 알았다. 이로써, 고주파 전원(8)으로부터의 전력 인가로 크롬몰리브덴강(SCM435)에 있어서 전극(4)의 외주 영역의 링형 영역만을 템퍼링할 수 있는 것이 판명되었다.

[실시예 5]

사전에 템퍼링 처리가 되어 경도가 약 620HV의 크롬몰리브덴강(SCM435)을, 실시예 1과 동일한 금속재의 용접 장치(1)를 사용하고 가열하여, 템퍼링 처리를 행하였다. 실시예 1과 동일한 주파수로 고주파 전원(8)으로 0.3초간의 통전을 행하여, 템퍼링 처리를 행하였다.

도 23은, 실시예 5의 템퍼링 처리를 행한 크롬몰리브덴강(SCM435)(9)의 표면의 경도 분포를 나타낸 도면이다. 도 23의 가로축 및 세로축은, 도 23에 나타낸 바과 같다. 도 23으로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 실시예 5의 크롬몰리브덴강(SCM435)(9)의 전극(4)의 최외주에 상당하는 영역의 경도가 가장 낮아 약550HV이며, 템퍼링 전의 경도(약620HV)보다 낮아져 있는 것을 알았다. 이로써, 고주파 전원(8)으로부터의 전력 인가로 크롬몰리브덴강(SCM435)(9)에 있어서 전극(4)의 외주 영역의 링형 영역만을 템퍼링할 수 있다는 것이 판명되었다.

본 발명은, 상기 실시형태로 한정되지 않고, 특허 청구의 범위에 기재한 발명의 범위 내에서 각종 변형이 가능하며, 이들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것은 물론이다. 전술한 실시형태에서의, 건암(2)이나 전극(4)의 형상, 인덕턴스(5)나 컨덴서(7)의 값 등은, 공작물(9)의 종류나 형상에 따라 적절하게 설계할 수 있다.

1, 25, 30, 35, 40: 금속재의 용접 장치
1A, 25A, 30A, 35A, 40A: 용접 장치의 용접용 회로부
1B, 25B, 30B, 35B, 40B: 용접 장치의 용접부
2: 건암 2A: 건암의 상부
2B: 건암의 상부 3: 전극 지지부
4: 전극 5: 부유 인덕턴스
6: 저주파 전원 7: 정합 컨덴서
8: 고주파 전원 9: 공작물
9A: 원형 내부 9B: 링형 영역
10: 통전 제어부 11: 하이패스 컨덴서
12: 상용 전원 13: 고주파 전류 저지 인덕턴스
14: 저주파 전원 제어부 16: 용접 트랜스포머
18: 발진기 20: 정합 트랜스포머
22: 고주파 전류 24: 저주파 전류
26: 직류 전류 36: 직류 전원

Claims (14)

1. 금속재를 한쌍의 전극으로 협지하고, 상기 금속재에 대하여 상기 한쌍의 전극을 동일 위치로 유지한 상태에서 통전(通電)하여 상기 금속재의 서로 다른 영역을 가열하는 금속재의 용접 장치로서,
   상기 한쌍의 전극에 접속되어 상기 금속재에 제1 주파수의 전력을 인가하여 상기 금속재의 소정 영역을 가열하는 제1 가열 수단;
   상기 한쌍의 전극에 접속되어 상기 금속재에 제2 주파수의 전력을 인가하여 상기 금속재의 상기 소정 영역과는 상이한 영역을 가열하는 제2 가열 수단; 및
   상기 제1 가열 수단 및 상기 제2 가열 수단을, 각각 독립적으로 제어하는 통전 제어부
   를 포함하는 금속재의 용접 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속재의 상기 소정 영역의 내부가, 상기 제1 가열 수단에 의해 가열되고,
   상기 금속재의 상기 소정 영역의 주위 방향이, 상기 제2 가열 수단에 의해 가열되고,
   상기 제1 가열 수단에 의한 가열과 상기 제2 가열 수단에 의한 가열이, 상기 통전 제어부에 의해 독립적으로 제어되는, 금속재의 용접 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 가열 수단은, 상기 전극의 축 단면을 상기 금속재에 투영(投影)한 영역의 내부를 가열하는 가열 수단이며,
   상기 제2 가열 수단은, 상기 전극의 축 단면을 상기 금속재에 투영한 영역의 윤곽을 따라 링형을 이루는 영역을 가열하는 가열 수단이며,
   상기 제1 가열 수단에 의한 가열과 상기 제2 가열 수단에 의한 가열이, 상기 통전 제어부에 의해 독립적으로 제어되는, 금속재의 용접 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 주파수가 낮고, 상기 금속재에 상기 제1 주파수의 전력을 통전함으로써, 원형의 상기 내부가 용접되는, 금속재의 용접 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 주파수가 높고, 상기 금속재에 상기 제2 주파수의 전력을 통전함으로써, 상기 링형을 이루는 영역이 저항 가열되거나, 또는 유도 가열되거나, 또는 저항 가열 및 유도 가열되는, 금속재의 용접 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 가열 수단은, 상기 한쌍의 전극에 전력을 공급하는 용접용 전원이며,
   상기 제2 가열 수단은, 상기 한쌍의 전극에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원이며,
   상기 한쌍의 전극에 상기 용접용 전원과 상기 고주파 전원이 각각 병렬로 접속되고,
   상기 용접용 전원과 상기 한쌍의 전극과의 사이에 전류 저지용 인덕턴스가 접속되고,
   상기 고주파 전원과 상기 한쌍의 전극과의 사이에 전류 저지용 컨덴서가 접속되고,
   상기 전류 저지용 인덕턴스는, 상기 고주파 전원으로부터 상기 한쌍의 전극에 공급되는 고주파 전류가 상기 용접용 전원에 흘러들지 않도록 저지하고,
   상기 전류 저지용 컨덴서는, 상기 용접용 전원으로부터 상기 한쌍의 전극에 공급되는 전류가 상기 고주파 전원 측에 흘러들지 않도록 저지하는, 금속재의 용접 장치.
7. 제6항에 있어서,
   건암(gun arm)을 더 포함하고 있고, 상기 용접용 전원과 상기 고주파 전원이, 상기 건암을 통하여 상기 한쌍의 전극에 접속되는, 금속재의 용접 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 용접용 전원은 저주파 전원 또는 직류 전원인, 금속재의 용접 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 저주파 전원은 트랜스포머를 통하여 상기 한쌍의 전극에 접속되고, 상기 트랜스포머의 상기 한쌍의 전극측의 코일에 하이패스 컨덴서가 병렬로 접속되어 있는, 금속재의 용접 장치.
10. 금속재를 한쌍의 전극에 의해 협지되고 통전하여 금속재를 가열하는 금속재의 용접 방법으로서,
    상기 한쌍의 전극으로의 제1 통전에 의해 상기 금속재의 소정 영역을 가열하는 제1 단계; 및
    상기 금속재를 협지하는 상기 한쌍의 전극을 상기 제1 단계와 동일한 위치에 유지한 상태에서, 상기 한쌍의 전극으로의 제2 통전에 의해 상기 제1 단계와는 상이한 영역을 가열하는 제2 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 단계와 상기 제2 단계의 가열 시간을, 각각 독립적으로 제어하는, 금속재의 용접 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 단계에 있어서, 제1 가열 수단에 의해 상기 금속재의 상기 소정 영역의 내부를 가열하고,
    상기 제2 단계에 있어서, 제2 가열 수단에 의해 상기 금속재의 상기 소정 영역의 주위 방향을 가열하고,
    상기 제1 가열 수단에 의한 가열과 상기 제2가열 수단에 의한 가열을, 독립적으로 제어하는, 금속판의 용접 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 가열 수단에 의해 가열하는 상기 소정 영역이, 상기 전극의 축 단면을 상기 금속재에 투영한 원형의 내부 영역이며,
    상기 제2 가열 수단에 의해 가열하는 상이한 영역이, 상기 전극의 축 단면을 상기 금속재에 투영한 원형을 따른 링형의 주위 방향의 영역이며,
    상기 제1 가열 수단에 의한 가열과 상기 제2 가열 수단에 의한 가열을, 독립적으로 제어하는, 금속판의 용접 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 가열 수단에 의한 가열을 상기 제2 가열 수단에 의한 가열보다 주파수가 낮은 저주파로 행함으로써, 상기 원형의 내부를 용접하는, 금속판의 용접 방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 가열 수단에 의한 가열을 상기 제1 가열 수단에 의한 가열보다 주파수가 높은 고주파로 행함으로써, 상기 링형을 이루는 원형 외부를, 저항 가열하거나, 또는 유도 가열하거나, 또는 저항 가열 및 유도 가열하는, 금속판의 용접 방법.

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