KR101601289B1 - 간접식 편방향 스폿 용접 장치와 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차체 접합용 스폿 용접 장치에 관한 것으로서, 기존의 양방향 스폿 용접 방식을 적용하는 것이 불가능하였던 판재와 관형 부재(하이드로포밍 관 등) 사이의 스폿 용접을 수행할 수 있는 차체 접합용 스폿 용접 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명에서는 판재의 용접점 부위를 가압하는 동시에 용접전류를 인가하게 되는 상부전극과, 관형 부재에서 상기 판재에 용접되는 용접점의 반대편 위치에 접촉하여 상부전극과 대향되게 관형 부재를 지지하는 동시에 접지 역할을 수행하게 되는 하부전극을 구비하여 구성됨으로써, 간접식 편방향 스폿 용접 방식의 구현으로 기존의 편방향 스폿 용접 방식에 비해 상부전극이 높은 가압력을 용접 대상에 인가할 수 있고, 이로써 용접 결과물에서도 충분한 크기의 너겟경이 형성되어 양방향 스폿 용접의 규정 기준치를 상회하는 우수한 전단 인장강도와 용접강도를 제공할 수 있는 이점이 있다.

Description

간접식 편방향 스폿 용접 장치와 방법{Spot welding apparatus and method}

본 발명은 스폿 용접 장치와 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 양방향 스폿 용접 방식을 적용하는 것이 불가능하였던 판재와 관형 부재(하이드로포밍 관 등) 사이의 스폿 용접을 수행할 수 있는 차체 접합용 스폿 용접 장치와 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 제조 공정 중에는 프레스에 의해 성형된 차체 패널 등의 각종 구조물 부품을 용접 등의 방식으로 접합하여 일체의 차체를 완성하고, 완성된 차체는 도장 공정에서 각 부품의 표면에 걸쳐 도장 및 방정 작업을 실시한 다음, 파워 트레인 계통의 부품과 현가, 조향 및 제동 계통 등의 부품을 조립하고, 이어 도어와 트렁크 리드, 후드 등을 조립하는 등의 의장 공정을 실시하도록 되어 있다.

또한 자동차의 차체 조립 공정에서 루프(roof), 필라(pillar), 사이드 패널 등의 차체 부품들을 접합함에 있어서는 저항용접인 스폿 용접(spot welding)을 시행하여 접합하고 있다.

상기한 자동차용 차체 부품은 통상적으로 복잡한 프레스 성형 공정을 통해 제조하고 있으며, 대부분 2.0t 이하의 판재로 구성되어 있다.

최근 경량화 및 CO₂ 환경 규제, 충돌 안전 법규 강화 등에 의해 판재의 고강도화 및 신공법 적용 기술의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 차체 부품의 주요 재질은 인장강도 기준으로 연강 재질인 270MPa 급에서부터 1470MPa 급인 초고강도 강까지 양산되고 있는 현실이다.

특히 1470MPa 급은 열처리형 소재로서 열처리 전 약 590MPa 급인 소재를 블랭크(Blank) 상태에서 가열하여 고온 성형 이후 금형에서 급속 냉각하는 방식으로 조직 제어(martensite)하는 신공법이다.

이러한 패널 간의 접합 방법은 상기한 바와 같이 스폿 용접을 이용하여 접합하는 것이 대부분이며, 이때 양방향 전극을 사용하여 접합하게 된다.

한편 최근 북미 IIHS 보험회사에서 주관하는 충돌 안전성 성능 평가에서는 기존의 평가 항목(옵셋, 측면, 목상해의 3개 항목)에 차량 전복시 탑승자의 안전을 도모하기 위하여 루프 크러쉬(roof crush) 항목을 추가해 TSP(Top Safety Pick) 차량을 선정하고 있다.

루프 크러쉬(전복)에 따른 차체 강도의 정의는 천장 강도라는 이름으로 정의되어 있으며, SWR(Strength to Weight Ratio) 수치로 표현된다.

천장 강도에 영향을 주는 주요 차체 부품은 A-필라, B-필라, 프론트 루프 레일(front roof rail) 등이며, 상기 부품들 위주로 고강도화 및 형상 최적화를 통해 목표 수준에 만족을 기하고 있다.

SWR의 의미는 차체 중량과 전복시의 최대 반력 값으로 나타내는데, 통상적으로 4.0 이상의 값을 요구하고 있다.

즉 시험방법으로 운전석 상부 루프 변위만을 측정하게 되며, 차량 총 중량(Unladen Vehicle Weight, UWV)의 4배 이상의 하중을 견디면 된다.

이러한 기준을 만족시키기 위하여, 고장력강 부재의 추가 및 두께 증가를 수반하는 핫스탬핑 공정으로 차체 부품을 제조하는 대신, 상대적으로 부품수가 축소될 수 있고 중량 증가가 최소화될 수 있는 하이드로포밍 공정을 적용하여 차체 부품을 제조하는 방식이 개발된 바 있다.

즉 블랭크를 800℃ 이상 가열하여 프레스와 동시에 금형 냉각하는 핫스탬핑 공법과는 달리, 980MPa 급의 판재를 파이프로 조관한 뒤 하이드로포밍 공법을 적용하여 하이드로포밍 부품으로 제조할 수 있는 것이다.

천장 강도의 향상을 위하여 핫스탬핑 공법을 적용하는 경우에는 부재 추가 및 두께 증가로 인하여 상당한 양의 중량 상승이 동반되는 것과는 달리, 하이드로포밍 공법의 적용시에는 중량 증가가 거의 없이 목표를 달성할 수 있으며, 이는 기존 판재의 보강 부품을 삭제함에 따른 효과라 볼 수 있다.

주지된 바와 같이 하이드로포밍 공법은 배기계 부품이나 샤시 부품에 적용되는 것이 보편적이며, 이는 차체 부품의 경우 패널과 파이프를 접합하는 방식에서 기존의 양방향 스폿 용접이 불가능하므로 차체 부품에 적용하기가 쉽지 않기 때문이다.

단순 판재형 프레스 부품들 간의 접합 시에는 플랜지면을 형성하여 저항용접(스폿 용접)을 시행하는 것이 용이하나, 하이드로포밍 공법으로 제조된 파이프와 판재를 접합하는 공정에서는 저항용접, 특히 양방향 스폿 용접을 이용하는 것이 어려우므로 이를 개선할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이다.

저항용접은 전기저항에 의한 접촉부분의 발열을 이용하여 용융을 일으키고 이에 병행하여 압력을 가해 접합시키는 방법이다.

저항용접에서 용접조건을 결정하는 가장 중요한 인자는 전극 가압력, 용접전류, 통전시간 및 전극의 선단 형상을 들 수 있으며, 그외 피 용접물의 피막조건이나 작업조건 등을 고려하여 선정해야 한다.

스폿 용접에서 전극의 역할은 용접품질을 유도해내는 중요한 기능을 갖고 있으며, 또한 전극은 전류를 공급하는 동시에 용접부를 가압하면서 냉각되게 하는 역할도 수행한다.

최근 용접조건의 다변화로 고전류, 고가압이 요구되면서 전극 재료의 중요성도 한층 더해지고 있다.

스폿 용접에서 용접강도는 너겟(nugget)경에 의해 결정되는데, 적정한 용접조건으로 용접하였을 때 너겟경은 전극 선단의 1 ~ 1.1 배이고, 판 두께(T)에 따른 적정 전극 선단경은 4×

값으로 정의된다.

전극 가압력은 용접시 전류 통로 면적의 확보 및 적정 너겟 형성에 영향을 주며, 전극으로부터 판에 전류를 공급하는 목적과 통전 후 용융금속을 가압하고 냉각함에 의해 용융부 내부의 결함을 감소시키는 역할도 하게 된다.

용접부에서 발생하는 발열은 통전시간에 따라 증대되지만 전극이나 용접부의 주변으로 손실되는 열량도 통전시간의 크기와 함께 달라진다.

스폿 용접에서 용접 전류를 설정하는 방법으로는 처음에는 낮은 전류에서 시작하여 전류를 증가시키되, 용접을 하였을 때 중간칩(EXPUSION)이 발생하면 이보다 낮은 전류치로 설정하는 것이 바람직하다.

앞서 언급한 저항용접은 통상적으로 양방향 스폿 용접이라 불리는 것이며, 보편적으로 적용되고 있는 것이지만 차체의 천장 강도 향상을 위하여 A-필라부 하이드로포밍 공법을 적용하기 위해서는 새로운 접합 공법 개발이 시급하다.

양방향 스폿 용접의 경우에는 판재 간 전극의 가압력과 전류, 통전시간에 따라 너겟이 형성되고, 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 두 개의 전극(1,2)이 두 판재(3,4)의 용접부를 동일 지점에서 양방향 가압하도록 구성된다.

도 2는 양방향 스폿 용접을 통해 접합이 이루어진 판재의 용접부를 나타내는 단면 사진이다.

한편, 상기한 양방향 스폿 용접을 개선한 신 접합 방식으로서, 하이드로포밍 관 등의 폐 단면 관형 부재의 접합에 있어서는 최근 연구되고 있는 편방향 접합 공법을 적용할 수 있으며, 편방향 접합은 한쪽 방향(one way)에서 전극을 형성하고 상기 형성된 전극으로 가압하여 너겟을 형성하는 것으로 알려져 있다.

도 3은 편방향 스폿 용접을 나타내는 개략도로서, 하이드로포밍 공법으로 제조된 폐 단면 구조의 부품에 대해서 도시된 바와 같이 한쪽 방향에서 접합을 할 수 있는 장점이 있으나, 동일한 용접부 위치에 대해서 대향된 위치의 전극을 통해 양방향에서 서로 가압하는 방식이 아니므로 가압력을 높게 형성할 수 없고, 너겟경이 작게 형성되어 전단 인장값이 낮게 나타난다.

즉 편방향 접합시 접합되는 양측의 두 부재 간에 용접점에서 계면이 쉽게 분리되는 불량이 발생하므로 현실적으로 적용하기가 쉽지 않은 문제점을 가지고 있다.

또한 초고장력 강의 용접에 있어서는 소재 자체의 미세 원소들의 종류 및 함량이 높아 재료의 특성상 저항값의 변화가 심하여 용접 너겟의 형성이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 기존의 양방향 스폿 용접 방식을 적용하는 것이 불가능하였던 판재와 하이드로포밍 관 부재 간의 스폿 용접이 가능해지는 차체 접합용 스폿 용접 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 기존의 편방향 스폿 용접 방식에 비해 상부전극이 높은 가압력을 용접 대상에 인가할 수 있고, 이로써 용접 결과물에서도 충분한 크기의 너겟경 형성으로 양방향 스폿 용접의 규정 기준치를 상회하는 우수한 전단 인장강도와 용접강도를 제공할 수 있는 차체 접합용 스폿 용접 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 판재와 관형 부재를 접합하기 위한 스폿 용접 장치에 있어서, 판재의 용접점 부위를 가압하는 동시에 용접전류를 인가하게 되는 상부전극과; 판재에 용접되는 관형 부재의 용접점 반대편 위치에 접촉되어 판재 및 관형 부재를 사이에 두고 상기 상부전극과 대향된 위치에서 관형 부재를 지지하는 동시에 접지 역할을 수행하게 되는 하부전극;을 구비한 간접식 편방향 스폿 용접 장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 하부전극는 판상 또는 디스크 형상을 가지면서 관형 부재와 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부와, 전극 고정을 위한 장착부에 체결되는 체결부가 일체로 형성된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 관형 부재와 접촉하는 하부전극의 표면에는 상부전극의 외경보다 큰 내경을 가지는 홀이 형성되어, 상부전극과 하부전극이 판재와 관형 부재에 접촉될 때 상부전극이 축선상에서 하부전극의 홀 내측 위치에 정렬되도록 상부전극과 하부전극의 위치가 설정된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하부전극은 관형 부재와 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부와, 전극 고정을 위한 장착부에 체결되는 체결부가 회전 가능하게 결합되어, 밀착부의 접촉각도 및 접촉방향이 체결부에서 관형 부재의 표면 형상에 따라 가변되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명은, 판재와 관형 부재를 접합하기 위한 스폿 용접 방법에 있어서, 판재와 관형 부재를 접촉시키는 단계와; 상부전극을 판재에 접촉시키고 판재에 용접되는 관형 부재의 용접점 반대편 위치에 하부전극을 접촉시켜 상부전극과 하부전극을 판재와 관형 부재를 사이에 두고 대향되게 위치시키는 단계와; 상기 상부전극에 용접전류를 인가시키는 동시에 상부전극이 판재를 가압하도록 하고 하부전극은 접지된 상태로 관형 부재를 지지하도록 하여 스폿 용접을 수행하는 단계;를 포함하는 간접식 편방향 스폿 용접 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 관형 부재와 접촉하는 하부전극의 표면에는 상부전극의 외경보다 큰 내경을 가지는 홀이 형성되어, 상부전극과 하부전극이 판재와 관형 부재에 접촉될 때 상부전극이 축선상에서 하부전극의 홀 내측 위치에 정렬되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하부전극은 관형 부재와 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부와, 전극 고정을 위한 장착부에 체결되는 체결부가 회전 가능하게 결합되어, 밀착부의 접촉각도 및 접촉방향이 체결부에서 관형 부재의 표면 형상에 따라 가변되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명의 차체 접합용 스폿 용접 장치와 방법에 의하면, 기존의 편방향 스폿 용접 방식을 개선한 것으로서, 판재의 용접점 부위를 가압하는 동시에 용접전류를 인가하게 되는 상부전극과, 관형 부재에서 상기 판재에 용접되는 용접점의 반대편 위치에 접촉하여 상부전극과 대향되게 관형 부재를 지지하는 동시에 접지 역할을 수행하게 되는 하부전극을 구비하여 구성됨으로써, 간접식 편방향 스폿 용접 방식의 구현으로 기존의 편방향 스폿 용접 방식에 비해 상부전극이 높은 가압력을 용접 대상에 인가할 수 있고, 이로써 용접 결과물에서도 충분한 크기의 너겟경이 형성되어 양방향 스폿 용접의 규정 기준치를 상회하는 우수한 전단 인장강도와 용접강도를 제공할 수 있는 이점이 있다.

이러한 본 발명의 스폿 용접 장치와 방법은 차체 조립 공정에서 하이드로포밍 공법으로 성형 제조된 폐 단면 구조의 관형(파이프) 부재와 판재를 접합하는데 유용하게 이용될 수 있다.

도 1은 종래의 양방향 스폿 용접 장치를 도시한 구성 개략도이다.
도 2는 종래의 양방향 스폿 용접을 통해 접합이 이루어진 판재의 용접부를 나타내는 단면 사진이다.
도 3은 종래의 편방향 스폿 용접 방식을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 간접식 편방향 스폿 용접 방식을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 간접식 편방향 스폿 용접 장치를 이용하여 차체 부품인 필라부재(판재)와 관형 구조(폐 단면 구조)의 보강부재를 접합하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스폿 용접 장치의 구성 및 스폿 용접 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7a와 도 7b은 본 발명의 일 실시예에 따른 스폿 용접 장치에서 하부전극을 도시한 도면이다.
도 8은 기존 양방향 스폿 용접기를 이용한 경우와 본 발명의 스폿 용접 장치를 이용한 경우의 용접 결과물에 대하여 전단 인장 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스폿 용접 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 12와 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스폿 용접 장치에서 밀착부의 방향 전환이 가능한 하부전극의 설치시 용접 작업 상태를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 편방향 스폿 용접 방식을 나타내는 개략도이다.

본 발명은 차체 접합용 스폿 용접 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 하이드로포밍 공법으로 성형 제조된 폐 단면 구조의 관형 부재(하이드로포밍 관)(40)와 판재(30)를 접합하는데 유용하게 이용될 수 있는 새로운 편방향 용접(도 4의 간접식 편방향 용접) 방식의 스폿 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 스폿 용접 장치는 판재(30)의 용접점 부위를 가압하는 동시에 용접전류를 인가하게 되는 상부전극(10)과, 상부전극(10)과 판재(30) 및 관형 부재(40)를 사이에 두고 관형 부재(40)에서 상기 판재(30)에 용접되는 용접점의 반대편 위치에 접촉됨으로써 상부전극(10)과 대향되게 관형 부재(40)를 지지하는 동시에 접지 역할을 수행하게 되는 하부전극(20)을 구비하여 구성된다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 편방향 스폿 용접 방식은, 프레스 성형 공정으로 제조된 판재(30)와 하이드로포밍 공법으로 제조된 관형 부재(하이드로포밍 관)(40)를 스폿 용접함에 있어서, 기존 양방향 또는 편방향 스폿 용접 장치의 상부전극과 동일한 전극, 즉 소정의 용접전류를 인가하는 동시에 가압하기 위한 상부전극(10)을 상기 판재(30)에 접촉시키고, 상기 하이드로포밍 관(40)에서 상부전극(10)과 대향된 위치에는 접지 및 지지 역할을 하는 하부전극(20)을 위치시켜 하이드로포밍 관(40)에 접촉시킨다.

이때 상부전극(10)이 하강하여 판재(30)에 접촉한 상태로 용접전류를 인가하는 동시에 판재(30)를 가압하게 되며, 하부전극(20)은 하이드로포밍 관(40)을 밀착, 접촉한 상태로 지지하면서 전류의 흐름을 원활하게 하는 통전 역할을 하게 된다.

여기서 하부전극(20)은 바람직하게는 동(Cu)을 소재로 제조되어 접지로 연결된 지지 및 접지형 전극으로서, 2개의 상호 접촉된 접합 대상 판재 양면의 동일한 용접점 위치에서 상부전극과 하부전극이 두 판재를 동시에 양방향 가압하면서 상부전극이 용접전류를 인가하고 통전을 위해 하부전극이 접지되는 종래의 양방향 스폿 용접 장치와 비교할 때, 상기 양방향 스폿 용접 장치의 하부전극과는 분명한 차이가 있다.

즉 본 발명의 하부전극(20)은, 관형 부재(40)인 하이드로포밍 관과 판재(30)를 용접 접합하기 위해서, 상호 접촉된 두 판재를 상부전극과 함께 동일 용접점 부위에서 양방향 가압하고 있는 것이 아니라, 하이드로포밍 관(40)의 안정적인 지지가 가능한 반대편 위치, 즉 용접점 위치가 아닌 용접점의 반대편 위치에서 지지 및 접지하는 역할을 한다는 점에서 기존 양방향 스폿 용접 장치의 하부전극과는 분명한 차이가 있는 것이다.

또한 편방향 스폿 용접 장치와 비교할 때에도 도 3에 나타낸 바와 같이 전류 인가 및 가압 역할을 하는 전극과 대략 동일한 방향에서 단순 접지 역할을 하는 접지 전극(이 접지 전극은 판재와 하이드로포밍 관의 용접에 적용하는 경우 상부전극과 같은 방향에서 하이드로포밍 관의 표면에 접촉시킴)과 본 발명의 하부전극(20)은 분명한 차이가 있으며, 편방향 스폿 용접 장치의 접지 전극은 접지 역할만을 할 뿐 용접 대상을 지지하는 역할을 수행하지 못한다.

반면 본 발명의 하부전극(20)은 상부전극(10)과 대향되게 위치하여 상부전극(10)의 가압시 하이드로포밍 관(40)의 용접점 반대편 위치에서 하이드로포밍 관을 안정적으로 지지하면서 접지하여, 상부전극(10)이 충분히 높은 가압력을 용접 대상에 인가할 수 있도록 하고, 또한 용접 결과물에 있어서도 충분한 크기의 너겟경 형성에 의해 용접부에서 우수한 전단 인장강도와 용접강도를 가지도록 할 수 있다.

이러한 본 발명은, 일 예로서, 자동차의 차체 조립 공정에서 천장 강도를 항상시키기 위하여 자동차 차체의 필라를 형성하는 필라부재와 하이드로포밍 성형된 폐 단면 구조의 보강부재를 접합하는데 유용하게 이용될 수 있다.

즉 천장 강도의 향상을 위한 하이드로포밍 공법을 적용함에 있어서, A-필라의 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이 통상의 프레스 성형 공정으로 제조된 필라부재(판재), 즉 인너 패널(31)과, 하이드로포밍 공법으로 성형 제조된 관형 구조(폐 단면 구조)의 보강부재(41)를 접합하는데 본 발명의 스폿 용접 장치가 이용될 수 있는 것이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 보강부재(하이드로포밍 강관임)(41)와 인너 패널(판재임)(31)을 본 발명의 간접식 편방향 스폿 용접 장치를 이용하여 접합하고, 보강부재(41)가 용접된 인너 패널(31)을 아우터 패널(32)과 접합함에 있어서는 기존의 양방향 스폿 용접 장치를 이용하여 접합하게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스폿 용접 장치의 구성 및 스폿 용접 상태를 나타내는 단면도이고, 도 7a와 도 7b은 본 발명의 일 실시예에 따른 스폿 용접 장치에서 하부전극을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이 용접전류를 인가하고 판재(30)를 가압하는 상부전극(10)이 상측에 위치되고, 하측으로는 종래의 양방향 가압을 위한 하부전극이 삭제되는 대신, 하이드로포밍 관(40)의 안정적 지지를 위한 새로운 형태의 하부전극(20)이 설치됨을 볼 수 있다.

상기 상부전극(10)은 용접점에 접촉하여 용접전류를 인가하도록 구비되는 동시에 하강시 용접 대상의 판재(30)를 가압하도록 구비되며, 하부전극(20)은 상부전극(10)에서 용접전류 인가시 접지가 가능하도록 스폿 용접 장치의 접지단에 연결되는 것이다.

특히 하부전극(20)은 상부전극(10)이 하강하여 판재(30)를 가압할 때 관형 부재, 즉 하이드로포밍 관(40)의 대향된 하부 위치에서 하이드로포밍 관을 안정적으로 지지하게 되며, 하측에서 하이드로포밍 관의 안정적인 지지력을 제공함으로써 상부전극에서 충분한 가압력이 가해질 수 있도록 보조하게 된다.

상기 하부전극(20)은 소정 두께의 판상 또는 디스크 형상을 가지면서 용접시 하이드로포밍 관(40)의 표면에 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부(22)와, 상기 밀착부(22)의 하측에서 전극 고정을 위한 스폿 용접 장치의 장착부(23)에 삽입되어 체결되는 체결부(21)가 일체로 형성된 구조를 가진다.

상기한 구성에서, 바람직하게는 하이드로포밍 관(40)을 접촉상태로 지지하는 하부전극(20)의 밀착부(22) 상면(접촉표면)에 상부전극(10)의 외경보다 큰 내경을 가지는 홀(22a)을 형성하여, 실제 접합시 상부전극(10)만으로 가압되어 너겟이 형성되도록 한다.

이러한 구성에서, 스폿 용접시 상부전극(10)과 하부전극(20)이 판재(30)와 하이드로포밍 관(40)을 사이에 두고 접촉하였을 때 상부전극(10)이 축선상에서 하부전극(20)의 홀(22a) 내측 위치로 정렬될 수 있게 상부전극(10)과 하부전극(20)의 위치가 설정된다.

상기와 같이 밀착부(22)의 형상을 폐 단면 구조의 하이드로포밍 관(40)에 대하여 안정적인 지지력 및 일정한 지지력을 제공할 수 있는 넓은 면적으로 형성하고, 그 중앙부에 상부전극(10)의 외경보다 큰 내경을 갖는 홀(22a)을 형성함으로써, 상부전극(10)이 소정의 스트로크로 하강하게 되면서 일정 가압력을 판재(30)에 가하게 될 때 상부전극(10)과 하부전극(20) 간의 간섭이 방지될 수 있고, 이러한 간섭을 차단하면서 홀(22a)을 제외한 밀착부(22) 접촉표면이 하이드로포밍 관(40)의 표면을 안정적으로 지지하는 동시에 얼라인먼트가 확보될 수 있게 된다.

이와 함께 하부전극(20)의 재질은 동(Cu)을 사용함으로써, 통전을 유도하여 실제 접합이 이행되는 상부전극(10) 부분에서 저항을 발생시키고, 이로써 편방향 용접이 가능해지도록 한다.

한편, 상기와 같은 구성의 차체 접합용 간접식 편방향 스폿 용접 장치를 구성한 뒤, 타당성을 검증하기 위하여 차체 A-필라(프론트 필라)의 보강부재(도 5 참조)를 구성하는 하이드로포밍 관을 제작하여 용접성 확인 시험을 실시하였다.

용접 방식은 도 6, 도 7a 및 도 7b의 스폿 용접 장치를 이용하여 도 5에 나타낸 인너 패널과 보강부재를 간접식 편방향 스폿 용접하여 접합하였으며, 접합 후 전단 인장 시험을 실시하여 적정 용접 조건을 도출하였다.

우선, 인너 패널은 SPFC980 2.0t의 소재를 사용하였으며, 프레스 성형 공정을 통해 제조하였다.

보강부재는 SPFC590DP 1.2t의 소재를 사용하였으며, 하이드로포밍 공정을 통해 관 형상으로 제조하였다.

또한 동일하게 제조된 상기 인너 패널과 보강부재에 대하여 기존의 양방향 스폿 용접기와 본 발명의 간접식 편방향 스폿 용접 장치를 이용하여 용접을 실시하였으며, 용접 방식으로 통상의 양방향 스폿 용접과 상술한 본 발명의 간접식 편방향 용접 방식을 각각 적용하여 실시한 뒤, 각각의 용접 결과물에 대하여 전단 인장 시험을 실시하였다.

도 8은 기존 양방향 스폿 용접기를 이용한 경우와 본 발명의 스폿 용접 장치를 이용한 경우의 용접 결과물에 대하여 전단 인장 시험 결과를 나타내는 도면으로서, 이에 나타낸 바와 같이 양방향 스폿 용접시에 비해 전단 인장값은 낮게 나타났으나 본 발명의 스폿 용접 장치를 이용한 경우의 용접 결과물에서도 기존 양방향 스폿 용접시의 규정된 스펙 기준(MS111-1A)을 상회함을 확인할 수 있었다.

하기 표 1은 본 발명의 스폿 용접 장치를 이용한 경우에서 적정 용접 조건을 나타내는 표로서, 가압력 150kgf, 용접전류 9.0kA의 수준에서 스패터 발생 및 계면 분리의 문제점 없이 우수한 용접 결과를 얻을 수 있었다(통전시간 : 17cycle 고정→ 너겟경 5.2mm, 전단 인장값 1460kgf).

한편, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 장치의 구성을 나타내는 개략도로서, 도 11은 하부전극에서 밀착부의 방향 가변 상태를 나타내는 도면이다.

이에 도시한 바와 같이 본 실시예에서는 부재 표면과의 매칭성이 보다 향상되는 하부전극(20)을 구비한 것이다.

일반적으로 평탄도를 확보하고 있는 판재 프레스 부품의 플랜지면을 스폿 용접하는 방식과 달리, 하이드로포밍 부품(관형 부재)은 복잡한 3차원 형상으로 형성되어 있기 때문에, 상부전극에서 일정 가압력을 유지할 때 하부전극과 하이드로포밍 부품 간의 매칭성이 용접품질을 결정하는 중요 요소가 된다.

특히 용접 예정부위를 따라 다수의 위치에서 스폿 용접이 이루어질 때 하부전극이 접촉하여 지지하게 되는 하이드로포밍 부품의 표면은 스폿 용접시 각 지지 위치마다 형상이 달라질 수 있다.

예컨대 하부전극이 접촉하게 되는 하이드로포밍 부품의 표면 각도가 각 스폿 용접 위치마다 달라질 수 있으며, 이 경우 하부전극의 밀착부 접촉표면이 하이드로포밍 부품의 표면과 정확히 밀착될 수 없다.

이와 같이 하부전극의 밀착부 접촉표면에서 지지대상인 부품과의 매칭면이 확보되지 못하게 되면 일단 전류의 흐름이 방해받게 되고, 저항값이 불균일하게 발생하게 되어 적절한 너겟경이 형성될 수 없다.

또한 각 스폿 용접 위치마다 하부전극(20)의 밀착부(22)가 접촉하게 되는 하이드로포밍 부품의 표면 형상이 달라질 때, 하부전극(20)의 밀착부 접촉표면이 부품의 표면 형상 변화에 대응하지 못한다면 일정한 용접품질 및 용접강도를 얻을 수 없다.

또한 특정 가압력 인가시 실제 부품의 변형이 유발될 수 있으며, 얼라인먼트가 틀려지게 되어 타점 위치에 접합이 올바르게 이루어지지 않는 문제점이 있게 된다.

따라서 본 실시예의 하부전극(20)은 하이드로포밍의 간접식 스폿 용접을 가능하게 하면서도 용접시 관형 부재(40), 즉 하이드로포밍 관(상기 하이드로포밍 부품)에 접촉하게 되는 밀착부(22)의 접촉방향 및 접촉각도가 하이드로포밍 관의 표면 형상에 따라 가변될 수 있는 구조로 구성된다.

즉 접촉 대상인 하이드로포밍 관의 접촉면 경사각 등 형상에 다양하게 대응할 수 있도록 부품의 용접 위치 변경시 하부전극(20)의 밀착부(22)가 소정의 유격 범위 내에서 회전되어 대상 표면과의 접촉방향이 가변될 수 있는 구조로 구성되고, 이렇게 고정형 전극이 아닌 가변형 전극 구조로 구성함으로써 용접 부품의 형태와 관계없이 균일한 품질의 접합이 가능해지도록 하는 것이다.

상기와 같이 밀착부(22)의 방향 가변을 위하여 스폿 용접 장치의 장착부(23)에 체결되는 체결부(21)의 상단부가 밀착부(22)의 내측으로 삽입되어 결합되되, 상기 체결부(21)의 상단부가 밀착부(22)에 볼 조인트 결합방식으로 결합되도록 한다.

상기 체결부(21)의 상단에 형성된 조인트 볼 형상부가 밀착부(22) 내측으로 삽입되어 볼 조인트 결합되는 것이다.

이러한 볼 조인트 결합방식은 결합되고 있는 두 부품 중 일측 부품을 타측 부품에 대해 상대적으로 방향 전환될 수 있도록 결합하는 방식으로 널리 사용되고 있는 것으로, 체결부(21)에서 밀착부(22)가 소정의 유격 범위 내에서 회전될 수 있는 구조가 되며, 스폿 용접 장치의 장착부(23)에 체결부가 고정된 상태에서 하이드로포밍 관의 표면에 밀착부의 접촉표면이 밀착되는 동시에 밀착부의 방향이 가변될 수 있게 됨으로써 하부전극(20)과 하이드로포밍 관(40)의 매칭성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 12와 도 13은 방향 전환이 가능한 하부전극의 설치시에 용접 작업 상태를 보여주는 도면으로, 도면부호 30과 40은 판재와 하이드로포밍 관을 각각 나타내며, 도면부호 42는 각 스폿 용접 위치에 생성된 너겟을 나타낸다.

이와 같이 하여, 본 발명의 스폿 용접 장치에서는 판재의 용접점 부위를 가압하는 동시에 용접전류를 인가하게 되는 상부전극과, 관형 부재에서 상기 판재에 용접되는 용접점의 반대편 위치에 접촉하여 상부전극과 대향되게 관형 부재를 지지하는 동시에 접지 역할을 수행하게 되는 하부전극을 구비하여 구성됨으로써, 기존의 편방향 스폿 용접 방식에 비해 상부전극이 높은 가압력을 용접 대상에 인가할 수 있고, 이로써 용접 결과물에서도 충분한 크기의 너겟경이 형성되어 양방향 스폿 용접의 규정 기준치를 상회하는 우수한 전단 인장강도와 용접강도를 제공할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 스폿 용접 장치는 차체 조립 공정에서 하이드로포밍 공법으로 성형 제조된 폐 단면 구조의 부재와 판재를 접합하는데 유용하게 이용될 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 상부전극 20 : 하부전극
21 : 체결부 22 : 밀착부
22a : 홀 30 : 판재
40 : 하이드로포밍 관(관형 부재)

Claims (7)

1. 판재(30)와 관형 부재(40)를 접합하기 위한 스폿 용접 장치에 있어서,
   판재(30)의 용접점 부위를 가압하는 동시에 용접전류를 인가하게 되는 상부전극(10)과;
   판재(30)에 용접되는 관형 부재(40)의 용접점 반대편 위치에 접촉되어 판재(30) 및 관형 부재(40)를 사이에 두고 상기 상부전극(10)과 대향된 위치에서 관형 부재(40)를 지지하는 동시에 접지 역할을 수행하게 되는 하부전극(20);
   을 구비하고,
   상기 관형 부재(40)와 접촉하는 하부전극(20)의 표면에는 상부전극(10)의 외경보다 큰 내경을 가지는 홀(22a)이 형성되어, 상부전극(10)과 하부전극(20)이 판재(30)와 관형 부재(40)에 접촉될 때 상부전극(10)이 축선상에서 하부전극(20)의 홀(22a) 내측 위치에 정렬되도록 상부전극(10)과 하부전극(20)의 위치가 설정된 것을 특징으로 하는 간접식 편방향 스폿 용접 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부전극(20)는 판상 또는 디스크 형상을 가지면서 관형 부재(40)와 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부(22)와, 전극 고정을 위한 장착부(23)에 체결되는 체결부(21)가 일체로 형성된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 간접식 편방향 스폿 용접 장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부전극(20)은 관형 부재(40)와 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부(22)와, 전극 고정을 위한 장착부(23)에 체결되는 체결부(21)가 회전 가능하게 결합되어, 밀착부(22)의 접촉각도 및 접촉방향이 체결부(21)에서 관형 부재(40)의 표면 형상에 따라 가변되도록 구성된 것을 특징으로 하는 간접식 편방향 스폿 용접 장치.
   
5. 판재(30)와 관형 부재(40)를 접합하기 위한 스폿 용접 방법에 있어서,
   판재(30)와 관형 부재(40)를 접촉시키는 단계와;
   상부전극(10)을 판재(30)에 접촉시키고 판재(30)에 용접되는 관형 부재(40)의 용접점 반대편 위치에 하부전극(20)을 접촉시켜 상부전극(10)과 하부전극(20)을 판재(30)와 관형 부재(40)를 사이에 두고 대향되게 위치시키는 단계와;
   상기 상부전극(10)에 용접전류를 인가시키는 동시에 상부전극(10)이 판재(30)를 가압하도록 하고 하부전극(20)은 접지된 상태로 관형 부재(40)를 지지하도록 하여 스폿 용접을 수행하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 관형 부재(40)와 접촉하는 하부전극(20)의 표면에는 상부전극(10)의 외경보다 큰 내경을 가지는 홀(22a)이 형성되어, 상부전극(10)과 하부전극(20)이 판재(30)와 관형 부재(40)에 접촉될 때 상부전극(10)이 축선상에서 하부전극(20)의 홀(22a) 내측 위치에 정렬되도록 하는 것을 특징으로 하는 간접식 편방향 스폿 용접 방법.
   
6. 삭제
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 하부전극(20)은 관형 부재(40)와 접촉하여 지지하는 부분이 되는 밀착부(22)와, 전극 고정을 위한 장착부(23)에 체결되는 체결부(21)가 회전 가능하게 결합되어, 밀착부(22)의 접촉각도 및 접촉방향이 체결부(21)에서 관형 부재(40)의 표면 형상에 따라 가변되도록 하는 것을 특징으로 하는 간접식 편방향 스폿 용접 방법.

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