KR101601232B1 - 유도가열 용접기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도가열코일 밖으로 노출되는 용가재의 선단 부분만을 유도가열에 의하여 용융하여 용접할 수 있는 유도가열 용접기를 개시한다. 본 발명은 전원공급유닛, 유도가열코일, 자기코어, 절연체와 용가재 공급장치로 구성되어 있다. 유도가열코일은 전원공급유닛으로부터 공급되는 고주파 전류에 의하여 자기장을 형성한다. 자기코어는 자기장의 집속을 위하여 유도가열코일의 안쪽에 배치되어 있고, 용가재를 공급할 수 있도록 입구와 연결되어 있는 보어와, 용가재를 배출할 수 있도록 보어와 연결되어 있는 출구를 구비한다. 용가재 공급장치는 용가재를 입구에 공급한다. 유도가열코일은 절연체의 외면에 감겨져 있다. 절연체는 자기코어가 장착되어 있는 보어를 갖는다. 출구를 통하여 배출되는 용가재의 선단 부분으로 자속이 유도되어 용가재의 선단 부분을 용융시키도록 출구는 유도가열코일의 바깥쪽에 배치되어 있다. 본 발명에 의하면, 유도가열코일에 의하여 형성되는 자기력선이 유도가열코일 밖으로 노출되는 용가재의 선단 부분에 유도되어 선단 부분만 국부적으로 용융시켜 간편하고 정확하게 용접할 수 있다. 또한, 작업자가 용접 장소에서 이동하면서 핸드헬드 형태로 간편하게 사용할 수 있는 실용적인 효과가 있다.

Description

유도가열 용접기{INDUCTION WELDING MACHINE}

본 발명은 용접기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유도가열코일 밖으로 노출되는 용가재(Filler metal)의 선단 부분만을 유도가열에 의하여 용융하여 용접할 수 있는 유도가열 용접기에 관한 것이다.

모재와 부재의 접합을 위한 용접의 종류는 스폿 용접(Spot welding), 아크 용접(Arc welding), 레이저 용접(Laser welding), 유도가열 용접(Induction welding), 브레이징(Brazing) 등 매우 다양하다. 용가재(Welding materials) 중 용접봉(Welding rod)은 용접부에 부족한 금속을 보충하는 금속봉으로 모재와 거의 같은 성분을 사용한다.

한편, 용접과 비슷한 기술로 솔더링(Soldering)이 있다. 솔더링은 용접과 다르게 금속재료가 녹지 않는다. 솔더링은 일반적으로 전자부품을 인쇄회로기판 (Printed circuit board, PCB)에 조립할 때 사용된다. 반도체 소자와 같은 다양한 칩 부품(Chip component)의 표면실장기술(Surface mounting technology, SMT)로 리플로우 솔더링(Reflow soldering)이 가장 많이 이용되고 있다. 리플로우 솔더링은 PCB의 랜드(Land)에 미리 솔더(Solder)를 공급하여 두고, 열풍(Hot air), 적외선, 레이저빔(Laser beam) 등의 열원으로 솔더를 용융하여 칩 부품의 리드(Lead) 또는 핀(Pin)을 랜드에 접속하는 방식이다. 열풍과 적외선에 의한 리플로우 솔더링은 가열 및 냉각 시간이 길어 작업성이 떨어지고, 장비가 차지하는 공간이 많은 단점이 있다. 레이저빔은 PCB나 칩 부품에 조사되어 PCB와 칩 부품을 손상시키는 단점이 있다. 특히, 솔더 페이스트에 의한 솔더링 시 배기가 충분히 이루어지지 않는 경우, 플럭스(Flux) 성분이 솔더링 부분을 오염시켜 랜드와 리드의 접촉 불량을 발생시키는 원인이 되고 있다.

본 출원인은 한국 특허출원 제10-2013-0112144호 '유도가열 솔더링 장치(Soldering apparatus using induction heating)과 한국 특허출원 제10-2013-0135497호 '유도가열 솔더링 장치(Induction heating soldering device)'를 출원한 바 있다. 위 특허문헌들은 솔더 볼(Solder ball)이나 솔더 와이어(Solder wire)를 유도가열에 의하여 용융하여 PCB의 랜드와 칩 부품의 리드를 솔더링하는 기술을 개시하고 있다. 위 특허 문헌들 각각에 개시되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

그런데 상기한 유도가열 솔더링 장치를 포함하는 유도가열 용접기는 작업자가 이동하면서 간편하게 사용할 수 있는 것이 요구되고 있으나, 이를 만족할 만한 유도가열 용접기는 개발되지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 유도가열 용접기의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 유도가열코일 밖으로 노출되는 용가재의 선단 부분만을 유도가열에 의하여 용융하여 용접할 수 있는 새로운 유도가열 용접기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 작업자가 이동하면서 핸드헬드(Handheld) 형태로 간편하게 사용할 수 있는 유도가열 용접기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 유도가열 용접기가 제공된다. 본 발명에 따른 유도가열 용접기는, 전원공급유닛과; 전원공급유닛으로부터 공급되는 고주파 전류에 의하여 자기장을 형성하는 유도가열코일과; 자기장의 집속을 위하여 유도가열코일의 안쪽에 배치되어 있고, 용가재를 공급할 수 있도록 입구와 연결되어 있는 보어와, 용가재를 배출할 수 있도록 보어와 연결되어 있는 출구를 구비하는 자기코어와; 유도가열코일이 외면에 감겨져 있으며, 자기코어가 장착되어 있는 보어를 갖는 절연체와; 용가재를 입구에 공급하는 용가재 공급장치를 포함한다. 출구를 통하여 배출되는 용가재의 선단 부분으로 자속이 유도되어 용가재의 선단 부분을 용융시키도록 출구는 유도가열코일의 바깥쪽에 배치되어 있다.

본 발명에 따른 유도가열 용접기는, 유도가열코일에 의하여 형성되는 자기력선이 유도가열코일 밖으로 노출되는 용가재의 선단 부분에 유도되어 선단 부분만 국부적으로 용융시켜 간편하고 정확하게 용접할 수 있다. 또한, 작업자가 용접 장소에서 이동하면서 핸드헬드 형태로 간편하게 사용할 수 있는 실용적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유도가열 용접기의 구성을 부분적으로 절제하여 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유도가열 용접기에서 유도가열코일, 자기코어와 절연체의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 용접부의 국부 가열을 설명하기 위하여 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 유도가열 용접기에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유도가열 용접기는 유도가열에 의하여 용가재(10)를 용융하여 모재(20)와 부재(22)를 용접하는데 사용된다. 본 발명에 따른 유도가열 용접기는 고주파 전류를 공급하는 전원공급유닛(30), 유도가열코일(40)과 자기코어(Magnetic core: 50)를 구비한다. 전원공급유닛(30)의 본체(32)는 복수의 캐스터(Caster: 34)에 의하여 자유롭게 이동할 수 있도록 구성되어 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 유도가열코일(40)은 복수의 케이블(Cable: 42)에 의하여 전원공급유닛(30)에 연결되어 있다. 유도가열코일(40)은 구리와 같은 도체가 나선형으로 감겨져 구성되어 있는 솔레노이드(Solenoid)이다. 유도가열코일(40)은 과열의 방지를 위한 냉각수를 공급할 수 있도록 냉각수 통로(44)가 형성되어 있는 구리와 같은 금속 파이프로 구성될 수 있다. 전원공급유닛(30)의 작동에 의하여 고주파 전류가 유도가열코일(40)에 공급되면, 유도가열코일(40)의 안쪽에 자기장이 형성된다. 몇몇 실시예에 있어서, 유도가열코일(40)은 전도성 판이 나선형으로 감겨져 구성될 수 있다.

자기코어(50)는 유도가열코일(40)의 안쪽에 배치되어 있다. 자기코어(50)는 선단(52)과, 후단(54), 용가재(10)를 공급할 수 있도록 후단(54)에 형성되어 있는 입구(56)와, 입구(56)와 연결되어 있는 보어(Bore: 58)와, 용가재(10)를 배출할 수 있도록 선단(52)에 형성되어 있고 보어(58)와 연결되어 있는 출구(60)를 구비한다. 자기코어(50)의 선단부는 선단(52)으로 갈수록 직경이 점진적으로 감소되는 테이퍼 팁(Taper tip: 62)으로 형성되어 있다. 테이퍼 팁(62)은 자속을 집중시켜 용접 또는 솔더링의 정밀도를 향상시키게 된다.

자기코어(50)의 길이는 유도가열코일(40)의 길이보다 길게 형성되어 있다. 자기코어(50)의 출구(60)는 유도가열코일(40)의 하부와 이웃하도록 유도가열코일(40)의 바깥쪽에 배치되어 있다. 유도가열코일(40)은 입구(56)와 이웃하는 자기코어(50)의 외측에 배치되어 있다. 도 2와 도 3에 자기코어(50)는 중공 실린더 형태로 구성되어 있는 것이 예시적으로 도시되어 있다. 도 1 내지 도 4에 자기코어(50)는 단품으로 구성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 자기코어(50)는 분할되어 구성될 수 도 있다.

본 발명에 따른 유도가열 용접기는 유도가열코일(40)과 자기코어(50) 사이에 절연을 위하여 개재되어 있는 절연체(70)를 더 구비한다. 절연체(70)는 보어(72)를 갖는 중공 실린더 형태로 구성되어 있다. 자기코어(50)는 절연체(70)의 보어(72) 안에 장착되어 있다. 자기코어(50)의 선단(52)을 가릴 수 있도록 덮개부(74)가 절연체(70)의 보어(72) 안에 형성되어 있다. 자기코어(50)의 선단(52)은 덮개부(74)의 내면에 지지되어 보어(72) 안에 구속되어 있게 된다. 출구(76)가 덮개부(74)의 중앙에 용가재(10)를 배출할 수 있도록 형성되어 있다. 나선형 홈(78)이 절연체(70)의 길이 방향을 따라 형성되어 있다. 유도가열코일(40)은 나선형 홈(78)에 끼워져 절연체(70)의 외면에 감겨져 있다. 절연체(70)는 세라믹(Ceramics)으로 구성될 수 있다. 유도가열코일(40)은 절연체(70)의 선단과 이웃하는 외면으로부터 대략 가운데에 이르도록 절연체(70)의 외면에 감겨져 있다.

도 1을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 유도가열 용접기는 작업자가 손으로 붙잡아 사용할 수 있는 핸드헬드 건(Handheld gun: 80)을 더 구비한다. 핸드헬드 건(80)은 총신(Gunbarrel: 82)과, 총신(82)의 뒤쪽에서 아래쪽으로 사용자가 손으로 잡을 수 있도록 연장되어 있는 손잡이(84)를 구비한다. 총신(82)은 선단과 후단을 관통하도록 형성되어 있는 보어(86)를 갖는다. 자기코어(50), 유도가열코일(40)과 절연체(70)은 총신(82)의 보어(86) 안에 장착되어 있다. 절연체(70)의 덮개부(74)는 보어(86)의 선단에 이웃하도록 배치되어 있다. 손잡이(84)의 한쪽에 유도가열 용접기의 작동을 위한 버튼(Button: 88)이 장착되어 있다. 버튼(88)은 케이블(90)에 의하여 전원공급유닛(30)과 연결되어 있다.

본 발명에 따른 유도가열 용접기는 용가재(10)를 입구(56)에 공급하는 용가재 공급장치(100)를 포함한다. 용가재 공급장치(100)는 서플라이 릴(Supply reel: 110)과 롤 피더(Roll feeder: 120)로 구성되어 있다. 서플라이 릴(110)은 전원공급유닛(30)의 본체(32)에 장착되어 있다. 용가재(10)는 서플라이 릴(110)에 롤 형태(Roll shape)로 감겨져 있는 용접 와이어(Welding wire: 12), 솔더 와이어(Solder wire) 등의 와이어로 구성되어 있다.

롤 피더(120)는 전원공급유닛(30)의 본체(32)에 장착되어 있다. 롤 피더(120)는 전기모터(122)와, 전기모터(122)의 구동에 의하여 회전하는 피드롤러(Feed roller: 124)와, 피드롤러(124)와의 구름마찰(Rolling friction)에 의하여 용접 와이어(12)를 이송하는 아이들롤러(Idle roller: 126)로 구성되어 있다. 전기모터(122)는 케이블(90)에 의하여 전원공급유닛(30)에 연결되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 롤 피더(120)는 서플라이 릴(110)로부터 풀려나는 용접 와이어(12)를 자기코어(50)의 보어(58) 안으로 공급할 수 있도록 총신(82)의 후단에 장착될 수 있다.

버튼(88)은 전기모터(122)를 구동시키는데 사용될 수 있다. 버튼(88)의 조작에 의하여 전기모터(122)가 구동되면, 전기모터(122)의 구동에 의하여 피드롤러(124)가 회전되고, 피드롤러(124)와 아이들롤러(126) 사이에 개재되어 있는 용가재(10)가 구름마찰에 의하여 이송되어 자기코어(50)의 보어(58) 안으로 공급된다. 몇몇 실시예에 있어서, 버튼(88)은 전기모터(122)와 함께 전원공급유닛(30)의 작동을 제어하여 용접 시에만 고주파 전류를 용가재(10)에 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 1과 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 유도가열 용접기는 자기코어(50)의 보어(58)를 통하여 모재(20)와 부재(22)의 용접부(24)에 실드 가스(Shielding gas: 132)를 공급하는 가스공급장치(130)를 구비한다. 가스공급장치(130)는 실드 가스(132)를 저장하였다가 공급하는 봄베(Bomb: 134)와, 자기코어(50)의 보어(58)와 봄베(134)를 연결하는 파이프라인(Pipeline: 136)으로 구성되어 있다. 보호 가스(132)의 공급을 제어하기 위하여 밸브장치, 유량계, 압력계 등이 파이프라인(136)에 장착될 수 있다. 보호 가스는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스가 사용될 수 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 자기코어(50)의 보어(58)에 공급되는 불활성 가스는 절연체(70)의 출구(76)를 통하여 용접부(24)에 분출되어 용접부(24)와 공기의 접촉을 차단하여 용접부(24)의 품질을 보장하게 한다.

지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 유도가열 용접기에 대한 작용을 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 작업자가 버튼(88)을 누르게 되면 전기모터(122)가 구동된다. 전기모터(122)의 구동에 의하여 피드롤러(124)가 회전되면, 피드롤러(124)와 아이들롤러(126)의 구름마찰에 의하여 서플라이 릴(110)로부터 용접 와이어(12)가 풀려나면서 입구(56)과 보어(58)를 통하여 출구(60)로 이송된다. 용접 와이어(12)의 선단 부분(14)은 절연체(70)의 출구(76)를 통하여 배출되어 총신(82) 밖으로 노출된다.

전원공급유닛(30)의 작동에 의하여 고주파 전류가 유도가열코일(40)에 공급되면, 유도가열코일(40)의 안쪽에 자기장이 형성된다. 유도가열코일(40)의 가운데를 지나는 자기력선(46)은 자기코어(50)에 집속되면서 자속밀도가 높아진다. 일반적으로 전자기 유도현상에 의해서 방향이 변하는 자기력선에 의하여 형성되는 자기장 안에 위치하는 도체는 가열된다.

도 3과 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 유도가열 용접기에 있어서는 자기력선이 자기코어(50)에 집속되면서 자기코어(50)의 안쪽에 자기장 쉴드 영역(Magnetic field shielding zone: 140)이 형성되어 자기력선이 통과되지 않게 된다. 따라서 자기코어(50)의 보어(58)에 삽입되어 있는 용접 와이어(12)는 가열되지 않는다. 자기코어(50)는 그 출구(60)로부터 배출되어 있는 용접 와이어(12)의 선단 부분(14)에 자기력선을 유도하여 선단 부분(14)만 국부적으로 가열되어 용융되도록 한다. 작업자는 용융되는 선단 부분(14)에 의하여 모재(20)와 부재(22)를 비접촉 방식으로 정확하게 용접할 수 있다.

자기코어(50)의 선단(52)은 자기코어(50)의 중심선에 대하여 직각으로 절단되어 있는 평면 형상으로 되어 있다. 자기코어(50)에 의하여 자속밀도가 높게 집속되어 있는 자기력선(46)은 선단(52)을 통하여 나오거나 자기코어(50)에 집속되어 들어갈 때, 자기력선이(46)이 출구(60)를 통과하여 노출되는 선단 부분(14)과 쇄교하게 되고, 선단 부분(14)만이 국부적으로 가열되어 용융되게 된다. 또한, 선단 부분(14)을 통과하는 자기력선(46)은 모재(20)와 부재(22)로 유도되어 모재(20)와 부재(22)의 용접부(24)를 가열하게 된다. 따라서 용접하고자 하는 부분을 국부적으로 가열할 수 있으므로, 필요 이상으로 넓은 부위를 가열하던 종래의 용접 시 발생하던 용접 불량을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 자기코어(50)의 길이는 유도가열코일(40)의 길이보다 긴 것이 사용된다. 자기코어(50)의 선단(52)은 유도가열코일(40)의 하부와 이웃하도록 유도가열코일(40)의 바깥쪽에 노출되어 있다. 자기코어(50)의 후단(54)과 이웃하는 외면에는 유도가열코일(40)이 감겨져 있지 않다. 따라서 자기코어(50)의 선단(52) 부근에서는 자기력선이 밀도가 낮아지고, 후단(54) 부근에서는 입구(56)로 진입하는 용접 와이어(12)과 쇄교하는 자기력선이 희박하여 입구(56)쪽에서 용접 와이어(12)는 거의 가열되지 않게 된다. 따라서 모재(20)와 부재(22)의 용접을 보다 안정적으로 실시할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 유도가열 용접기는 유도가열코일(40)에 의하여 유도되는 자기력선(46)을 자기코어(50)에 집속하여 자속밀도를 높게 하고, 자기코어(50)로부터 노출되는 용가재(10)의 선단 부분(14) 이외의 부분에는 자기력선이 통과되지 않게 하여 용가재(10)의 가열 부분을 선단 부분(14)으로 제한함으로써 용접을 효율적으로 실시할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 본 발명은 모재로 PCB와 부재로 칩 부품을 솔더 와이어에 의하여 솔더링하는데 사용될 수 있다.

10: 용가재 12: 용접 와이어
20: 모재 22: 부재
30: 전원공급유닛 40: 유도가열코일
50: 자기코어 56: 입구
58: 보어 60: 출구
62: 테이퍼 팁 70: 절연체
80: 핸드헬드 건 100: 용가재 공급장치
110: 서플라이 릴 120: 롤 피더

Claims (7)

1. 전원공급유닛과;
   상기 전원공급유닛으로부터 공급되는 고주파 전류에 의하여 자기장을 형성하는 유도가열코일과;
   상기 자기장의 집속을 위하여 상기 유도가열코일의 안쪽에 배치되어 있고, 용가재를 공급할 수 있도록 입구와 연결되어 있는 보어와, 상기 용가재를 배출할 수 있도록 상기 보어와 연결되어 있는 출구를 구비하는 자기코어와;
   상기 유도가열코일이 외면에 감겨져 있으며, 상기 자기코어가 장착되어 있는 보어를 갖는 절연체와;
   상기 용가재를 상기 입구에 공급하는 용가재 공급장치를 포함하고,
   상기 출구를 통하여 배출되는 상기 용가재의 선단 부분으로 자속이 유도되어 상기 용가재의 선단 부분을 용융시키도록 상기 출구는 상기 유도가열코일의 바깥쪽에 배치되어 있는 유도가열 용접기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 자기코어의 길이는 상기 유도가열코일의 길이보다 길게 형성되어 있는 유도가열 용접기.
3. 제2항에 있어서, 상기 입구로 진입되는 상기 용가재가 가열되지 않도록 상기 유도가열코일은 상기 입구와 이웃하는 상기 자기코어의 외면에 감겨져 있지 않은 유도가열 용접기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자기코어의 선단부는 자속의 집속을 위하여 상기 자기코어의 선단부는 테이퍼 팁으로 형성되어 있는 유도가열 용접기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 절연체의 보어 안에 상기 자기코어의 선단을 지지할 수 있도록 덮개부가 형성되어 있으며, 상기 덮개부의 중앙에 상기 용가재를 배출할 수 있도록 출구가 형성되어 있는 유도가열 용접기.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 용가재는 용접 와이어로 이루어지고, 손으로 붙잡아 사용할 수 있는 핸드헬드 건을 더 포함하며,
   상기 용가재 공급장치는, 상기 전원공급유닛에 장착되어 있으며 상기 용접 와이어가 감겨져 있는 서플라이 릴과, 상기 서플라이 릴로부터 상기 용접 와이어를 풀어내어 상기 입구로 이송할 수 있도록 상기 핸드헬드 건에 장착되어 있는 롤 피더를 구비하는 유도가열 용접기.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유도가열코일과 상기 자기코어가 설치되어 있으며 손으로 붙잡아 사용할 수 있는 핸드헬드 건을 더 포함하는 유도가열 용접기.

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