KR101678807B1 - 금속 시이트의 프로젝션 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제 1 금속 시이트(50) 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 것에 관한 것이며, 상기 제 1 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금이고, 상기 제 1 금속 시이트는 제 2 금속 시이트의 메인 하부 표면과 접촉하게 되는 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면 위에 국부적으로 연장하는 기다란 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 대하여 상부 표면의 정상 높이를 그의 중간에 형성하는 제 1 반경(R1)을 갖는 볼록한 제 1 섹션(65)을 갖는 상부 표면, 그리고 제 1 섹션으로 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따라 제 2 반경(R2)을 갖는 볼록한 제 2 섹션(64)을 포함하고, 상기 제 1 반경은 제 2 반경보다 더 크다.

Description

금속 시이트의 프로젝션 용접 {PROJECTION WELDING OF METAL SHEETS}

본 발명은 금속 시이트(sheet)들의 프로젝션 용접(projection welding)에 관한 것이다.

프로젝션 용접은, 예컨대 도어(door)들의 플랜지(flange)들이 함께 용접되는 자동차 제작 산업에서, 얇은 철 시이트들을 서로의 위에 용접하기 위해 오랫동안 알려져 왔다. 중공 돌기부(projection)가, 용접이 시행되기 전에 시이트에 맞닿아 펀치(punch) 및 다이(die)를 프레싱(pressing)함으로써 하부 철 시이트에 형성된다. 시이트들은 그 후에 용접 건(welding gun)의 2 개의 용접 전극들 사이에서 프레스된다. 용접 동안, 돌기부는 점진적으로 붕괴되고 강한 구조적 용접이 돌기부의 자리에 형성된다.

특히 자동차 산업에서, 비철(nonferrous) 금속 시이트들로, 특히 알루미늄 또는 마그네슘 및 이들의 합금들의 시이트들로 만들어지는 부품들에 대한 증가하는 요구가 있다. 이러한 경장 부품들은 동일한 양호한 기계적 특성들을 갖는다. 하지만, 철 시이트들을 위한 공지된 프로젝션 용접 프로세스가 이러한 금속들에 적용될 때, 강한 구조적 용접이 얻어지지 않는다. 대조적으로, 돌기부는 용접의 형성이 시작되기 전에 이미 붕괴된다.

발행된 특허 출원들에서 알루미늄 시이트들을 프로젝션 용접하기 위한 이전의 시도들이 설명되었다. 하지만, 이러한 초기의 시도들은 아직 성공적인 실행을 유도하지 않았는데, 출원인이 강한 구조적 용접을 얻기 위해 중요한 프로세스 파라미터들이 아직 알려지지 않았던 것을 이제 발견하였기 때문이다. 일반적으로, 알루미늄 시이트들의 프로젝션 용접에 대한 설명된 개량들은 단지 철 시이트들을 위한 프로세스의 약간의 수정들이었던 반면, 완전히 상이한 접근이 양호한 결과들을 얻기 위해 필요한 것이 이제 발견되었다. 발행된 특허 출원들의 개량들은 이후에 요약된다.

Newcor Inc. 의 명의의 WO 99/03634 는 알루미늄 시이트들의 프로젝션 용접을 개시하고 여기서 하부 시이트의 돌기부는 돔(dome) 형상을 갖는다. 돌기부는 시이트 두께의 약 4 배인 높이를 갖고, 이에 의해 돌기부는 하부 시이트의 메인 상부 표면 위에서 매우 얇은 벽이고 중공이다. 이러한 구조적으로 약한 돌기부는 큰 최초의 자국(impression)을 초래할 것이거나 심지어 압력 힘이 가해진 후에 즉시 붕괴될 것이며, 이에 의해 최초 용접 접점 구역은 형성되지 않는다. 용접 전류는, 기본적으로 사인 곡선(sinusoidal) 형태인 교류 전류인, 종래의 단일 페이스의 460 볼트, 60 ㎐ 전원(mains)으로부터 직접 얻어지고, 용접 펄스(pulse)들은 그의 절반 사이클 웨이브들을 파괴시킴으로써 발생된다. 그 후에, 형성되지 않은 최초의 용접 접점 상에 교류 용접 펄스들을 인가함으로써, 특히 용접 사이클(cycle)의 시작에서, 유입되는 용접 에너지의 양은 제어하에 있지 않거나 낮아서, 이에 의해 약한 용접이 얻어진다.

Newcor Inc. 명의의 WO 01/00363 은 이전에 여기서 설명된 바와 같은 프로세스의 추가의 개량을 개시한다. 링 형상 돌기부는 곡률을 갖는 중공 직립 벽을 포함한다. 돌기부는 용접 사이클 동안 신속하게 팽창하는 공기의 양을 불가피하게 포함하는 블라인드(blind) 개구에 구속된다. 이는 포함되는 공기로부터 비롯되는 크랙들, 내포물(inclusion)들 및 오염을 야기하고, 약한 용접을 초래한다.

EP 0 102 927 은 금속 시이트들의 세트 그리고 청구항 제 1 항 및 제 9 항의 전제부들에 따라 그 위에 도포되는 프로젝션 용접 프로세스를 개시한다. 개시된 용접 프로세스에서, 양쪽의 알루미늄 시이트들에는 교차형 배향으로 서로 접하는 기다란 돌기부들이 제공된다. 2 개의 접하는 돌기부들의 존재로 인해 용접 스팟(spot)은 제품의 양 측들에서 가시적일 것이다. 이러한 기술은 개시된 바와 같이 덕트(duct)들과 같은 단지 저비용 실용 제품들에만 적용될 수 있다. 돌기부들의 상부 표면은 곡률을 갖고, 교차하는 돌기부들 사이의 최초의 작은 용접 접점은 최초 용접 전류를 낮게 유지한다. 용접 전류는 돌기부들의 붕괴 동안 점진적으로 증가한다. 이는 전류가 단지 용융물의 횡단면에 의존하는 것을 의미하며, 용접 사이클의 제어를 비교적 낮게 유지한다.

US 4 495 397 은 링 형상 돌기부들을 갖는 알루미늄 시이트들의 프로젝션 용접을 개시하며, 이는 포함되는 공기로부터 비롯되는 용접의 크랙들, 내포물들 및 오염을 야기한다. 돌기부들은 서로 임의의 각도 하에 있는 직선 냉간 단조(straight cold forging) 면들을 갖는 펀치와 다이 사이에 형성된다. 돌기부들은 다이에 의해 부여되는 잘 형성된 직선 측 표면들을 갖는 반면, 정상 표면 및 그의 곡률은 형성되지 않고 남겨진다. 이는 강(steel) 시이트들을 위한 펀치 및 다이의 간단한 용례이며, 알루미늄에 대하여 작용하지 않을 것이다. 용접 사이클 동안 제 1 압력 힘이 가해지며 이는 8 % 의 영구 냉간 변형을 야기한다. 제 1 압력 힘은 그 후에 용접 전류가 피크가 된 직후 증가된다. 용접 전류는 따라서 리딩 파라미터로서 압력 힘을 변경하는 것에 의해 제어된다. 이는 용접 전류 자체가 양호한 제어하에 있지 않은 것을 이미 나타낸다. 이러한 것 외에, 압력 힘이 기계적으로 느린 시스템에 의해 가해지기 때문에, 압력 힘을 이러한 방식으로 짧은 용접 사이클에 걸쳐 제어하는 것은 특히 불가능하다. 압력 힘이 다른 단점들을 어떻게든 상쇄하기 위해 용접 사이클 동안 변경되는 것으로 보인다.

JP 2002-103056 은, 용접들에 크랙들, 내포물들 및 오염을 야기하는 링 형상의 돌기부들을 사용하는, US 4 495 397 의 용접 프로세스와 유사한 알루미늄을 위한 프로젝션 용접 프로세스를 개시한다. 이 용접 프로세스는, 얇은 시이트들을 위한 것이 아니라, 두꺼운 알루미늄 부품들에 적용된다.

DE 30 24 333 은 용접 알루미늄 부품들을 위한 원뿔 형상 돌기부를 개시하며, 이는 이전에 여기서 설명된 바와 동일한 간단한 방식으로 강 시이트들의 용접으로부터 비롯된다.

DE 100 29 352 는 WO 99/03634 에 개시된 바와 같은 돌기부와 유사한 돌기부를 갖는 알루미늄 시이트들의 프로젝션 용접을 개시한다. 돌기부는 시이트 두께의 약 2 배인 높이를 갖고, 이에 의해 돌기부는 하부 시이트의 메인 상부 표면 위에서 매우 얇은 벽이고 중공이다. 이러한 돌기부는 최초의 자국으로부터 고통을 겪을 것이거나 심지어 압력 힘이 가해진 직후 붕괴될 것이다. 돌기부의 정상부는 일정한 반경 및 직선 측 표면들을 갖는다. 이러한 형상은 강 시이트들의 프로젝션 용접으로부터 간단하게 나온다. 이러한 이유들로 인해 이는 알루미늄에 대하여 실패할 것이다.

공지된 기술들에서 용접될 대상들의 임의의 산화물은 용접에 앞서 제거될 필요가 있다. 이에 관하여 JP06-170549 는 용접될 알루미늄 대상들이 용접에 앞서 산화물의 국부적인 제거를 위해 링 형상의 돌기부의 스팟에서 상반되게(reciprocally) 이동되고 회전되는 프로세스를 개시한다. 하지만, 이는, 선행하는 용접들이 대상들을 상호적으로 고정시키기 때문에, 프로젝션 용접들이 동일한 대상들 사이에서 순차적으로 이루어질 때 적용될 수 없다.

본 발명의 목적은 하나 이상의 금속 시이트가 비철 금속 시이트인 금속 시이트들의 용접을 위한 돌기부 및 프로젝션 용접 방법을 제공하는 것이다.

제 1 양태에 따르면, 본 발명은 제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트를 제공하고, 상기 제 1 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금이고, 제 1 금속 시이트는 제 2 금속 시이트의 메인 하부 표면과 접촉하기 위해 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면 위에 국부적으로 연장하는 기다란 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 대하여 상부 표면의 정상 높이를 그 중간에 형성하는 제 1 반경을 갖는 볼록한 제 1 섹션, 제 1 섹션에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따라 제 2 반경을 갖는 볼록한 제 2 섹션, 그리고 제 2 섹션들에 그리고 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따르는 제 3 섹션을 포함하고, 볼록한 제 2 섹션들로의 볼록한 제 1 섹션의 제 1 천이부들은 상부 표면의 제 1 폭을 형성하고 상기 제 3 섹션들로의 볼록한 제 2 섹션들의 제 2 천이부들은 상부 표면의 제 2 폭을 형성하고, 상기 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면으로의 제 3 섹션들의 제 3 천이부들은 상부 표면의 제 3 폭을 형성하고, 상기 제 1 반경은 제 2 반경보다 더 크다.

제 2 시이트는 철로 만들어질 수 있거나, 제 2 금속 시이트는 비철 금속 또는 제 1 시이트와 같이 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금으로 만들어질 수 있다. 용접 동안 용접 전극은 돌기부의 위치에서 시이트들 상에 압력 힘을 가한다. 하부 비철 금속 시이트의 돌기부는 본 발명에 따르면 제 2 반경을 갖는 볼록한 제 2 섹션들에 통합되는 제 1 반경을 갖고 정상부에 볼록한 제 1 섹션을 갖는 상부 표면을 포함하고, 제 1 반경은 제 2 반경보다 더 크다. 이러한 방식으로, 돌기부는 시이트 재료의 국부적 탄성 및 플라스틱 눌림(depression)으로 인해 정상부에서 점진적으로 증가하는 최초의 접점 표면을 유도하는 비교적 넓은 볼록한 제 1 섹션을 갖는다. 용접 전류는 이러한 최초 접점 표면을 통하여 국부적으로 매우 잘 전도될 것이지만 돌기부 자체는 강한 구조적 용접이 형성되는 정도로 용접 동안 가해지는 압력 힘을 견딜 수 있고 대응할 수 있다. 돌기부는 금속 시이트들을 용접하는 동안 조기에 붕괴되지 않는다. 이러한 돌기부는 산화물의 앞선 제거 없이 시이트들의 직접 용접을 가능하게 한다.

수량화된 실시예에서, 제 1 반경/제 2 반경 비(ratio)는 4 이상이다.

특히, 제 1 반경/제 2 반경 비는 4 내지 5 이다.

더 특별하게는, 제 1 반경/제 2 반경의 비는 4.5 이다.

부가적으로 수량화된 실시예에서, 제 1 폭/제 2 폭의 비는 0.60 내지 0.90 이다.

특히, 제 1 폭/제 2 폭의 비는 0.70 내지 0.80 이다.

더 특별하게는, 제 1 폭/제 2 폭의 비는 0.75 이다.

실시예에서, 제 3 섹션은 제 3 반경을 갖는 오목한 제 3 섹션이며, 제 3 반경은 제 2 반경과 동일하다. 이러한 방식으로, 상부 표면은 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 점진적으로 통합되고, 이에 의해 용접 프로세스 동안 돌기부의 조기 붕괴에 대한 내성이 개선된다.

실시예에서, 돌기부는 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면 위의 제 1 금속 시이트의 금속으로 가득 찬다. 메인 상부 표면 위의 금속의 이러한 일부는 용접을 형성하기 위한 재료를 제공하고 이는 용접 프로세스 동안 돌기부의 조기 붕괴에 대한 내성을 개선한다.

실시예에서, 돌기부는 제 1 금속 시이트의 하부 메인 표면에 오목부(indentation)를 포함한다. 이러한 오목부는 메인 상부 표면 위에서 단조되는 돌기부의 재료의 일부를 제공하기 위해 형성된다.

그의 실시예에서, 오목부의 가장 깊은 지점은 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면 밑에 위치된다.

수량화된 실시예에서, 돌기부는 그의 상부 표면과 그의 오목부 사이에 0.3 밀리미터 이상의 재료 두께를 갖는다.

수량화된 실시예에서, 제 3 폭은 1 내지 4 밀리미터이다.

특히, 제 3 폭은 1.8 밀리미터이다.

수량화된 실시예에서, 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면과의 천이부 사이의 돌기부의 길이는 2 내지 12 밀리미터이다.

특히, 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면과의 천이부 사이의 돌기부의 길이는 6 밀리미터이다.

실시예에서, 제 2 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금이다.

제 2 양태에 따르면, 본 발명은 프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법을 제공하고, 상기 제 1 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금이고, 제 1 금속 시이트는 제 2 금속 시이트의 메인 하부 표면과 접촉하기 위해 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면 위에 국부적으로 연장하는 기다란 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 대하여 상부 표면의 정상 높이를 그 중간에 형성하는 제 1 반경을 갖는 볼록한 제 1 섹션, 제 1 섹션에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따라 제 2 반경을 갖는 볼록한 제 2 섹션, 그리고 제 2 섹션들에 그리고 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따르는 제 3 섹션을 포함하고, 볼록한 제 2 섹션들로의 볼록한 제 1 섹션의 제 1 천이부들은 상부 표면의 제 1 폭을 형성하고 상기 제 3 섹션들로의 볼록한 제 2 섹션들의 제 2 천이부들은 상부 표면의 제 2 폭을 형성하고, 상기 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면으로의 제 3 섹션들의 제 3 천이부들은 상부 표면의 제 3 폭을 형성하고, 상기 제 1 반경은 제 2 반경보다 더 크고, 상기 프로젝션 용접 장치는 금속 시이트들 상에 압력 힘을 가하고 그 후에 금속 시이트들을 통하여 전류를 공급하기 위해 돌기부의 위치에서 제 1 금속 시이트 및 제 2 금속 시이트 상에 맞물리는 제 1 용접 전극 및 제 2 용접 전극을 포함하고, 상기 방법은 펄스에 따라 용접 전극들을 통하여 용접 전류를 공급하는 단계를 포함하며, 펄스는 전류가 0 에서 최대 전류로 상승하는 제 1 시간 간격에 걸친 제 1 궤적, 최대 전류가 존재하는 제 2 시간 간격에 걸친 제 2 궤적, 제 3 시간 간격에 걸쳐 전류가 0 으로 다시 점진적으로 감소하는 제 3 궤적, 그리고 제 4 시간 간격에 걸쳐 용접 전류가 0 으로 유지되는 반면 압력 힘은 여전히 가해지는 제 4 궤적을 연속하여 포함한다.

이 방법은 특히 하나의 프로젝션 용접이 2 개의 용접 전극들 사이에 만들어지는 양면 단일 용접 구성에 관한 것이다. 제 2 시이트는 철로 만들어질 수 있거나, 제 2 금속 시이트는 비철 금속 또는 제 1 시이트와 같이 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금으로 만들어질 수 있다. 펄스는, 용접 전류가 0 으로 다시 점진적으로 감소하는 제 3 궤적이 후속되는, 최대 용접 전류가 존재하는 제 2 궤적을 연속으로 포함한다. 이는 프로젝션 용접에 의해 이러한 금속 시이트들에서 강한 구조적 용접을 얻기 위해 필요한 것으로 발견되었다. 용접 동안, 돌기부는 소성적으로 붕괴되고, 이는 열간 단조 프로세시이고 용융 프로세스가 아니며, 여기서 다시 0 으로의 용접 전류의 점진적인 감소가 열간 단조된 조인트(joint)의 특성들을 개선한다.

실시예에서, 용접 전류는 하나의 단일 펄스로서 공급되고, 이에 의해 필요한 에너지의 양은 돌기부의 위치의 금속 시이트들의 구역에 효율적으로 가해진다.

실시예에서, 용접 전류는 직류 전류이고, 이는 높은 에너지 밀도를 갖고 돌기부와의 접점 라인의 금속 시이트들의 외부 면들의 산화물 층을 파괴하는 것을 가능하게 한다.

수량화된 실시예에서, 제 1 시간 간격은 최대 10 밀리초이다.

특히, 제 1 간격은 최대 5 밀리초이다.

더 특별하게는, 제 1 간격은 최대 1 밀리초이다.

제 1 간격을 비교적 짧게 유지함으로써, 더 많은 시간이 이후의 열간 단조 프로세스를 위해 최대 용접 전류를 인가하기 위해 남아 있다.

수량화된 실시예에서, 제 2 시간 간격은 10 내지 20 밀리초이며, 여기서 돌기부는 열간 단조 편평화(flattened)된다.

특히, 제 2 시간 간격은 15 밀리초이다.

수량화된 실시예에서, 제 3 시간 간격은 5 밀리초 이상이고, 이에 의해 열간 단조된 조인트 및 이에 의한 강한 구조적 용접이 수축 크랙들 또는 내포물들 없이 또는 이들의 용인 가능한 최소 양을 갖고 얻어진다.

그의 실시예에서, 제 3 시간 간격은 최대 제 2 시간 간격의 기간이다.

실시에에서, 제 4 시간 간격은 적어도 제 1 시간 간격, 제 2 시간 간격 및 제 3 시간 간격의 총합만큼 길고, 이에 의해 강한 구조적 용접이 수축 크랙들 또는 내포물들 없이 또는 이들의 용인 가능한 최소 양을 갖고 얻어진다.

그의 수량화된 실시예에서, 제 4 시간 간격은 100 밀리초 이상이다.

특히, 제 4 시간 간격은 300 밀리초 이상이다.

수량화된 실시예에서, 압력 힘은 제 1 금속 시이트의 메인 표면에 대해 수직인 돌기부에서 돌기부의 평방 밀리미터당 70 내지 280 뉴튼(Newton)이다. 이러한 압력 힘은 철 시이트들의 프로젝션 용접에 비교할 때 실질적으로 더 높다.

특히, 압력 힘은 제 1 금속 시이트의 메인 표면에 대해 수직인 돌기부에서 돌기부의 평방 밀리미터당 160 뉴튼이다.

수량화된 실시예에서, 최대 용접 전류는 제 1 금속 시이트의 메인 표면에 대해 수직인 돌기부에서 돌기부의 평방 밀리미터당 2.5 내지 5 킬로암페어(kiloampere)이다. 이러한 용접 전류는 철 시이트들의 프로젝션 용접에 비교할 때 실질적으로 더 높다.

특히, 최대 용접 전류는 제 1 금속 시이트의 메인 표면에 대해 수직인 돌기부에서 돌기부의 평방 밀리미터당 4 킬로암페어이다.

실시예에서, 제 2 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금이다.

제 3 양태에 따르면, 본 발명은 프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법을 제공하고, 상기 제 1 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금이고, 제 1 금속 시이트는 제 2 금속 시이트의 메인 하부 표면과 접촉하기 위해 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면 위에 국부적으로 연장하는 복수의 기다란 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 대하여 상부 표면의 정상 높이를 그 중간에 형성하는 제 1 반경을 갖는 볼록한 제 1 섹션, 제 1 섹션에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따라 제 2 반경을 갖는 볼록한 제 2 섹션, 그리고 제 2 섹션들에 그리고 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따르는 제 3 섹션을 포함하고, 볼록한 제 2 섹션들로의 볼록한 제 1 섹션의 제 1 천이부들은 상부 표면의 제 1 폭을 형성하고 상기 제 3 섹션들로의 볼록한 제 2 섹션들의 제 2 천이부들은 상부 표면의 제 2 폭을 형성하고, 상기 제 1 금속 시이트의 메인 상부 표면으로의 제 3 섹션들의 제 3 천이부들은 상부 표면의 제 3 폭을 형성하고, 상기 제 1 반경은 제 2 반경보다 더 크고, 상기 프로젝션 용접 장치는 금속 시이트들 상에 압력 힘을 가하고 그 후에 금속 시이트들을 통하여 전류를 공급하기 위해 2 개의 돌기부들의 위치에서 제 2 금속 시이트 상에 동시적으로 맞물리는 제 1 용접 전극 및 제 2 용접 전극을 포함하고, 상기 방법은 펄스에 따라 용접 전극들을 통하여 용접 전류를 공급하는 단계를 포함하며, 펄스는 전류가 0 에서 최대 전류로 상승하는 제 1 시간 간격에 걸친 제 1 궤적, 최대 전류가 존재하는 제 2 시간 간격에 걸친 제 2 궤적, 제 3 시간 간격에 걸쳐 전류가 0 으로 다시 점진적으로 감소하는 제 3 궤적, 그리고 제 4 시간 간격에 걸쳐 용접 전류가 0 으로 유지되는 반면 압력 힘은 여전히 가해지는 제 4 궤적을 연속하여 포함한다.

이 방법은 2 개의 프로젝션 용접들이 작업물의 동일한 측에 있는 용접 전극들에 의해 동시적으로 이루어지는 단면 연속 용접 구성에 관한 것이다. 제 2 시이트는 철로 만들어질 수 있거나, 제 2 금속 시이트는 비철 금속 또는 제 1 시이트와 같이 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금으로 만들어질 수 있다. 이러한 방법은 이전에 설명된 양면 단일 용접 구성과 동일한 특성들 및 이점들을 갖고 따라서 여기서 반복되지 않는다.

이러한 단면 연속 용접 구성의 수량화된 실시예에서, 제 2 시간 간격은 20 내지 40 밀리초이다.

특히, 제 2 시간 간격은 30 밀리초이다.

명세서에 설명되고 도시된 다양한 양태들 및 특징들은, 어떤 경우라도 가능하다면, 개별적으로 적용될 수 있다. 이러한 개별 양태들, 특히 첨부된 종속 청구항들에 설명된 양태들 및 특징들은 분한 특허 출원들의 요지를 이룰 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면들에 도시된 예시적인 실시예를 기본으로 하여 설명될 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 양면 단일 용접 구성에서 본 발명에 따른 알루미늄 시이트들의 프로젝션 용접을 위한 본 발명에 따른 프로젝션 용접 장치의 등각도(isometric view), 측면도 및 세부사항이고,
도 1d는 도 1a에 도시된 바와 같은 돌기부들을 갖는 하부 알루미늄 시이트의 등각도이고,
도 2a 내지 도 2c는 단면 연속 용접 구성에서 본 발명에 따른 알루미늄 시이트들의 프로젝션 용접을 위한 본 발명에 따른 프로젝션 용접 장치의 등각도, 측면도 및 세부사항이고,
도 3a 및 도 3b는 도 1a 내지 도 1c, 도 2a 내지 도 2c의 알루미늄 시이트들 중 하나의 돌기부들의 형성을 도시하고,
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b의 돌기부들의 형성의 세부사항들을 도시하고,
도 5a 및 도 5b는 도 1a 내지 도 1c, 도 2a 내지 도 2c의 알루미늄 시이트보다 더 두꺼운 알루미늄 시이트의 돌기부들의 형성의 세부사항들을 도시하고,
도 6a 및 도 6b는 도 1c의 알루미늄 시이트의 돌기부의 상부 면의 횡단면도 및 등각도를 도시하고,
도 7은 용접 동안 프로젝션 용접 장치에 의해 인가되는 용접 전류의 다이어그램(diagram)을 도시하고,
도 8a 및 도 8b는, 각각 프로젝션 파라미터들 및 용접 파라미터들이 본 발명에 따른 특정 범위들 내에 모두 적용될 때, 그리고 이러한 파라미터들의 일부가 이러한 범위들 외에 적용될 때, 결과적인 용접의 횡단면들의 현미경 도면들이다.

도 1a 내지 도 1c는 양면 단일 용접 구성의 용접을 위한 본 발명에 따른 프로젝션 용접 장치(1)의 등각도, 측면도 및 세부사항들이다. 프로젝션 용접 장치(1)는 본 발명에 따르면 비철 금속 시이트들의 프로젝션 용접을 위해, 특히 알루미늄 또는 마그네슘, 및 메인 구성요소로서 80 중량% 이상, 바람직하게는 90 중량% 이상의 알루미늄 또는 마그네슘을, 그리고 구리, 망간, 실리콘, 아연 또는 이들의 조합들의 부가적인 분율 또는 지참물을 갖는 이들의 합금들의 시이트들의 프로젝션 용접을 위해 구성된다. 알루미늄 합금들은 일반적으로 1xxx, 2xxx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx 및 8xxx 로 표시되는 국제적인 4 글자 코드들을 갖고, 특정 예들은 알루미늄 합금들 1050, 1080, 1200, 2017, 2024, 3003, 3004, 3103, 4043, 5000, 5005, 5052, 5082, 5083, 5086, 5180, 5240, 5251, 5356, 5454, 5556, 6005, 6060, 6061, 6063, 6082, 6111, 6161 6262, 7020 및 7075 이다. 마그네슘 합금들은 일반적으로 XX yy 로 표시되는 코드를 갖고, yy 는 부가적인 분율 또는 지참물을 표시하는 XX 의 정수들의 중량 퍼센티지를 표시하고, 여기서 A 는 알루미늄, C 는 구리, E 는 희토류 원소들, H 는 토륨, K 는 지르코늄, L 은 리튬, M 은 망간, Q 는 은, S 는 실리콘, W 는 이트륨 그리고 Z 는 아연이다. 특정 예들은 마그네슘 합금들 AZ 31, AZ 61, AZ 80, AZ 80, ZK 60 및 ZM 21 이다. 이러한 시이트들, 바람직하게는 타입들 5xxx, 6xxx 및 AZ yy 는, 자동차들의 경량 본체 부품들 뿐만 아니라 자동차들의 경량 매달림(hang-on) 부품들, 이를테면 도어들 및 펜더(fender)들 모두의 제작을 위해 자동차 산업에서 사용될 수 있다. 이러한 부품들은 완전하게 이러한 시이트들로 만들어질 수 있지만, 철 시이트들과 이러한 시이트들을 조합하는 자동차 부품들에 대한 요구가 또한 있다. 그의 예는 알루미늄 시이트의 루프(roof)를 가진 철 자동차 본체이다. 시이트들의 두께는 0.5 밀리미터 그리고 5 밀리미터 사이이며, 통상적으로는 약 0.8 내지 2 밀리미터이다.

이후에 설명되는 예시적인 실시예에서, 프로젝션 용접 장치(1)는 이러한 타입들의 비철 금속 시이트들을 서로에 대해 또는 철 시이트에 대해 프로젝션 용접하는 것에 대해 설명되며, 예는 6xxx 시리즈의 2 개의 알루미늄 합금 시이트들의 용접에 대하여 주어진다.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같은 프로젝션 용접 장치(1)는 용접 유닛 또는 용접 건(2)을 포함하며, 추가로 도시되지 않으며, 용접될 작업물을 따라 조종되는 로봇 아암 상에 운반된다. 대안적으로는, 용접 건(2)은 고정식으로 설치되고 작업물이 로봇 아암에 의해 용접 건(2)에 대하여 조종된다. 추가의 대안으로서, 용접 건(2)은 고정식으로 설치되고 작업물이 고정물(fixture)에 클램핑된다. 용접 건(2)은 로봇 아암에 장착되는 조(jaw)의 형상을 갖는 전기 전도 프레임(3), 그리고 프레임(3)에 대하여 이동 가능한 전기 전도 압력 헤드(15)를 포함한다. 프레임(3) 및 압력 헤드는 구리 또는 알루미늄으로 만들어진다. 압력 헤드(15)는 제 1 홀더(16)를 포함하고, 여기에 편평한 하부 용접 표면(21)을 갖는 교체 가능한 제 1 용접 전극(20)이 장착된다. 프레임(3)은 그의 하부 측에 제 2 홀더(4)를 포함하고, 여기에 편평한 상부 용접 표면(11)을 갖는 제 2 용접 전극(10)이 장착된다. 제 1 용접 전극(20) 및 제 2 용접 전극(10)은 긴 사용 기간을 위해 최적화되는 구리 합금으로 만들어진다. 프로젝션 용접 장치(1)는 2 개의 겹쳐진 금속 시이트들 사이에 프로젝션 용접들을 만들기 위해 사용되고, 제 1 용접 전극(20)과의 접점 표면은 흠(blemish)이 없이 남아있다. 시이트의 이러한 측은 스팟 보수 및 폴리싱(polishing)과 같은 중간 처리들 없이 코팅에 의해 마무리될 준비가 되어 있다.

제 1 용접 전극(20) 및 제 2 용접 전극(10)은 상호 정렬되고, 상부 용접 표면(11)은 바닥 용접 표면(21)을 향한다. 압력 헤드(15)는 프레임(3)에 대하여 방향(A)으로 선형 이동을 위해 프레임(3)을 따라 슬라이딩 가능하게 안내된다. 이러한 스트로크(stroke)는 공압 운동식(pneumokinetic) 구동부에 의해 파워가 공급된다. 공압 운동식 구동부는 공압 실린더, 스프링 및 압력 센서(17)를 통하여 압력 헤드(15)에 연결되며 단지 단부가 도시되는 구동부 로드(14)를 직렬로 포함한다. 공압 실린더는 구동부 로드(14)를 하방으로 작업물을 향하여 이동시킨다. 상부 용접 전극(20)이 작업물에 닿을 때, 공압 실린더는 미리 설정된 압력 힘(F)으로 스프링을 압축할 것이다. 압축된 스프링은 용접 동안 제 1 용접 전극(20)의 뒤따르는 신속한 작은 변위들을 가능하게 한다. 압력 헤드(15) 및 프레임(3)에는, 압력 힘(F)이 작업물에 가해지는 동안 정렬된 용접 전극들(10, 20)을 유지하기 위해 서로 맞물리는 2 개의 협동하는 앵커(anchor)들(25, 26)이 제공된다. 용접 전극들(10, 20)은 짧은 사이클 용접에서 용접 전극들(10, 20)을 냉각시키기 위한 냉각수 회로의 일부를 형성할 수 있다. 압력 센서(17)는 이후에 설명되는 바와 같은 적절한 용접 프로세스를 보장하기 위해 압력 힘(F) 및 그의 코스(course)를 감시한다.

용접 전극들(10, 20)은 도 1b에 개략적으로 표시된 전력 회로(30)에 연결된다. 전력 회로(30)는, 이러한 예에서 3 개의 페이스의 230/400V, 50 ㎐ 전원인, 종래의 전원에 그의 입력부(32)가 연결되는 인버터(inverter)(31)를 포함한다. 인버터(31)는 3 개의 페이스 전원을, 약 1 ㎑ 의 높은 주파수를 갖는 단일 페이스 교류 전류 출력부로 전환하도록 구성된다. 인버터(31)의 출력부는 용접 전극들(10, 20) 가까이의 프레임(3)에 장착되는 변압기(transformer)(33)에 연결된다. 변압기(33)는 인버터(31)로부터의 고압 고주파수 교류 전류를, 저압 저전류의 동일한 고주파수 출력으로 변환한다. 변압기(33)의 출력부는 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류기(rectifier)(34)에 연결된다. 정류기(34)의 2 개의 출력부들(35, 36)은 2 개의 용접 전극들(10, 20)과 연결된다. 인버터(31)의 전압 및 전류는 제때에 정확하게 제어되고, 이는 파라미터들이 이후에 설명되는 특징을 갖는, 용접 전극들(10, 20)을 통하여 특정 용접 전류를 유도한다. "상부" 및 "하부", 그리고 "제 1" 및 "제 2" 는 비제한적이고, 하나에 돌기부(60)가 제공되는 2 개의 시이트들(50, 51)에 대한 상대적인 용어들인 것이 이해될 것이다. 시이트들(50, 51)은 그 이후의 돌기부들(60) 사이에 일정한 두께를 갖는다. 시이트들(50, 51)은, 돌기부들(60)이 정확하게 존재하는 스팟들을 제외하고, 전체적인 메인 평면에 걸쳐 일정한 두께를 가질 수 있다. 시이트들(50, 51)은 다른 표면들을 향하는 곳에 다른 산화물 층을 가질 수 있다.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 함께 용접될 2 개의 알루미늄 시이트들(50, 51)은 용접 전극들(10, 20) 사이에 겹쳐져서 위치된다. 하부 알루미늄 시이트(50)는 또한 도 1d에 따로 도시된다. 도 1c 및 도 1d에 도시된 바와 같이, 하부 알루미늄 시이트(50)는 상부 알루미늄 시이트(51)의 하부 표면을 향하여 돌출하는 복수의 돌기부들(60)을 포함한다. 돌기부들(60)은 이후에 설명될 바와 같이 선행 스테이지(stage)에서 알루미늄 시이트(50)에 형성된다.

도 2a 내지 도 2c는 단면 연속 용접을 위한 구성을 도시한다. 이러한 대안적인 구성에서, 하부 알루미늄 시이트(51)에는 돌기부들(60)이 제공되는 에워싸는 알루미늄 시이트(50)의 에지를 에워싸기 위해 다시 굽혀지는 헴(hem) 부품(52)이 제공된다. 이러한 구성에서, 프로젝션 용접 장치(1)는 동시적으로 작용하는 2 개의 용접 건들(2)을 포함한다. 용접 건들(2)은 각각 제 1 홀더(16)에 용접 전극(10, 20)을 포함하고 비전도성 핀(pin)들(12)은 제 2 홀더들(4)에 장착된다. 대안적으로, 제 2 홀더들(4)은 용접 동안 상호적으로 위치되는 시이트들(50, 51)을 유지하는 작업물을 위한 지지 뼈대(framework)에 의해 대체된다. 정류기(34)의 2 개의 출력부들(35, 36)은 2 개의 용접 전극들(10, 20)과 연결된다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같은 프로젝션 용접 장치(1)의 구성은 또한 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같은 작업물의 단면 연속 용접을 위해 사용될 수 있다.

모든 구성들에 대하여, 상부 홀더(들)(16)의 용접 전극(들)((10), 20)은 돌기부(60)의 위치에 상부 알루미늄 시이트들(51) 또는 헴 부품(52)에 접하도록 방향(A)으로 아래로 내려간다. 용접 프로세스 동안, 특정한 특징에 따른 특정한 압력 힘(F) 및 용접 전류가 제때에 가해지고, 이에 의해 돌기부(60)는 완전히 붕괴되고 열간 단조에 의해 강한 구조적 용접이 되며, 이는 이후에 설명될 바와 같이 최적의 재료 특성들을 갖는다. 용접 후에, 상부 시이트(51) 또는 헴 부품(52)의 하부 표면은 붕괴된 돌기부(60) 주위의 표면과 긴밀하게 접한 상태이다. 모든 구성들에 대하여, 각각의 용접 스팟에 대하여 시이트들(50, 51) 사이에 용접을 형성하는 단지 하나의 돌기부(60)가 있다. 다시 말하면, 돌기부(60)의 전체 길이 위의 직선에, 돌기부(60)를 향하는 상부 알루미늄 시이트(51)의 하부 표면은 직선이고 상부 알루미늄 시이트(51)의 메인 평면에 대해 평행하게 연장한다. 도 1a 내지 도 1c에 따른 제 1 구성에서, 용접 전류는 용접 전극들(10, 20) 사이에 한정되는 돌기부(60)를 주로 통과한다. 도 2a 내지 도 2c에 따른 제 2 구성에서, 용접 전류는 상부 시이트(50)를 통하여 직렬인 2 개의 돌기부들(60)을 통과하지만, 또한 전류의 상당한 분율은 그와 평행한 헴 부품(52)을 직접 통과한다. 이는 이후에 설명되는 바와 같은 전류 특징에서 보상된다.

모든 구성들에서, 작업물은 분산된 구조적 용접들을 포함하는 폭(B)을 갖는 플랜지를 갖고, 업계에는 플랜지의 폭(B)을 가능한 한 작게 유지하는 것이 필요하다. 프로젝션 용접 장치(1)는 모든 구성들에서 4 내지 10 밀리미터, 바람직하게는 6 내지 8 밀리미터의 폭을 갖는 플랜지들을 용접하도록 적응된다.

돌기부들(60)은 도 3a 및 도 3b에서 도시된 바와 같이 경화된 강의 제 1 형태 블록(80)과 제 2 형태 블록(90) 사이에 알루미늄 시이트(50)를 프레싱하는 것에 의해 선행 스테이지에서 형성된다. 제 1 형태 블록(80)은 기다란 딤플(dimple)(82)을 갖는 편평한 바닥 표면(81)을 포함한다. 제 2 형태 블록(90)은 편평한 정상 표면(91) 그리고, 딤플(82)과 정렬되며, 똑바로 선 삼각형 횡단면 그리고 날카롭지만 둥근 정상 에지를 갖는 돌출 펀치(92)를 포함한다. 당업계에서, 때때로 전체 제 1 형태 블록(80)은 "다이" 라고 불리고 전체 제 2 형태 블록(90)은 "펀치" 라고 불린다. 돌기부(60)를 형성할 때, 알루미늄 시이트(50)는 제 1 형태 블록(80)의 편평한 바닥 표면(81)에 맞닿아 위치되고 제 2 형태 블록(90)은 편평한 정상 표면(91)이 알루미늄 시이트(50)의 바닥 표면과 긴밀하게 접한 상태가 될 때까지 알루미늄 시이트(50)에 맞닿아 방향(K)으로 이동되고 프레스된다. 이러한 형성 스트로크에서, 펀치(92)는 알루미늄 시이트(50)를 관통하고 딤플(82) 내측의 공간을 완전하게 채우기 위해 재료를 국부적으로 소성적으로 변형시키거나 냉간 단조하며, 이에 의해 돌기부(60)의 상부 표면의 형상은 딤플(82)의 내부 표면과 완전하게 상보적이다. 당업계에서, 돌기부(60)의 상부 표면은 따라서 때때로 "딤플" 이라고 불린다. 관통 동안 및 그 후의 상황들은 도 4a 및 도 5a에 상세하게 도시된다.

도 5a 및 도 5b는 상이한, 본 예에서 더 높은 두께를 갖는 알루미늄 시이트(50a)에 본 발명에 따른 돌기부(60)의 형성을 도시한다. 돌기부(60)를 형성할 때, 동일한 딤플(82)을 갖춘 동일한 제 1 형성 블록(80)이 사용되지만, 동일한 상부 표면(91) 그리고 똑바로 선 삼각형 횡단면 그리고 날카롭지만 둥근 정상 에지를 갖는 대안적인 펀치(92a)를 갖는 대안적인 제 2 형성 블록(90a)이 사용된다. 펀치(90a)는 더 높고 베이스(base)는 더 얇은 알루미늄 시이트를 위한 펀치(90)보다 더 넓다. 형성 스트로크 시에, 펀치(92a)는 알루미늄 시이트(50)를 관통하고 딤플(82) 내측의 공간을 완전하게 채우기 위해 재료를 국부적으로 소성적으로 변형시키고, 이에 의해 돌기부(60)의 상부 표면의 형상은 다시 딤플(82)의 내부 표면에 대해 상보적이다.

딤플(82)은 모든 시이트 두께들에 대하여 성형될 때 돌기부(60)의 상부 표면에 상보적으로 전사되는 동일한 특정 기하학적 형상을 갖는다. 돌기부(60)의 기하학적 형상 파라미터들은 도 6a 및 도 6b에 상세하게 도시된다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 기다란 돌기부는 그의 길이방향으로 실질적으로 직선이거나 직선으로 전진한다. 도 6a에 또한 도시된 바와 같이, 돌기부(60)는 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 위에서 연장하는 상부 표면(61)을 갖는다. 상부 표면(61)은, 그의 일정한 횡단면이 도 6a에 도시되는 기다란 각기둥 중간 부분(62), 그리고 중간 부분(62)의 단부들이 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 대칭으로 통합되는 2 개의 단부 부분들(63)을 포함한다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 상부 표면(61)의 중간 부분(62)은 무단(endless)이 아닌 제 1 반경(R1)을 갖는 볼록한 제 1 섹션(65)을 포함한다. 볼록한 제 1 섹션(65)은 그의 중간에 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 대하여 상부 표면(61)의 정상 높이(H1)를 형성한다. 정상 높이는, 모든 시이트 두께들에 대하여 0.35 밀리미터와 0.55 밀리미터 사이, 바람직하게는 0.45 밀리미터이다. 볼록한 제 1 섹션(65)은 더 작은 제 2 반경(R2)을 갖는 볼록한 제 2 섹션들(64)에 양 측들에 대칭으로 통합된다. 볼록한 제 1 섹션(65)으로부터 볼록한 제 2 섹션들(64)로의 이러한 제 1 천이부들(T1)은 매끄럽다. 수학적인 용어들로, 통합 섹션들(64, 65)의 탄젠트(tangent)들은 제 1 천이부들(T1)에서 일치한다. 오목한 제 1 섹션(65)은 제 1 천이부들(T1) 사이에서 제 1 폭(W1)을 갖는다.

볼록한 제 2 섹션들(64)은 제 3 반경(R3)을 갖는 오목한 제 3 섹션들(63)에 대칭으로 통합된다. 볼록한 제 2 섹션들(65)로부터 오목한 제 3 섹션들(64)로의 이러한 제 2 천이부들(T2)은 매끄럽다. 수학적인 용어들로, 통합 섹션들(64, 65)의 탄젠트들은 제 2 천이부들(T2)에서 일치하고 이들의 방향은 변한다. 볼록한 제 1 섹션(65) 및 볼록한 제 2 섹션들(64)은 제 2 천이부들(T2) 사이에 전체 제 2 폭(W2)을 갖는다. 오목한 제 3 섹션들(63)은 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 대칭으로 통합된다. 오목한 제 3 섹션들(63)로부터 직선의 메인 상부 표면(53)으로의 이러한 제 3 천이부들(T3)은 매끄럽다. 수학적인 용어들로, 통합 섹션(63)과 직선 메인 상부 표면의 탄젠트들은 제 3 천이부들(T3)에서 일치한다. 상부 표면(61)은 제 3 천이부들(T3) 사이에서 전체 제 3 폭(W3)을 갖고, 이는 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 위의 돌기부(60)의 전체 폭이다.

상기 언급된 천이부들(T1, T2, T3)은 도 6a에 도시된 바와 같은 횡단면의 개념상의 지점들이고 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 대해 평행하게 연장하는 개념상의 라인들이다. 제 3 천이부들(T3)은 돌기부(60)의 긴 측들을 따라 상부 표면(61)의 베이스 라인들을 형성한다. 2 개의 단부 부분들(63)은 길이방향 섹션에서 그리고 중간 부분(62)으로부터 취하여서 중간 부분(62)의 횡단면과 동일한 외부 윤곽을 갖는다. 돌기부(60)의 상부 표면(61)은 전체 길이(L1)를 갖는다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 돌기부(60)는 상부 표면(61) 및 오목부(66)의 표면 사이에서 취해진 최소 재료 두께(Q)를 갖는다. 돌기부(60)는 시이트 재료의 국부적인 좁아짐을 형성한다.

상기 언급된 기하학적 형상 파라미터들에 대하여, 특정 값들 및 비들이 적용된다 :

제 1 반경(R1)/제 2 반경(R2) 비는 4 이상이다. 바람직하게는 제 1 반경(R1)/제 2 반경(R2) 비는 4 내지 5 이다. 더 바람직하게는 제 1 반경(R1)/제 2 반경(R2) 비는 약 4.5 이다. 제 1 폭(W1)/제 2 폭(W2) 비는 0.60 과 0.90 사이이다. 바람직하게는 제 1 폭(W1)/제 2 폭(W2) 비는 약 0.70 과 0. 80이다. 더 바람직하게는 제 1 폭(W1)/제 2 폭(W2) 비는 약 0.75 이다. 기하학적 형상 파라미터들에서의 이러한 비들은 정상부에 비교적 넓은 볼록한 제 1 섹션(65)을 갖지만 여전히 단지 그의 중간에 가장 큰 높이(H1)를 갖는 상부 표면(61)을 초래하고, 이는 돌기부(60)를 갖는 시이트(50)에 용접되는 헴 부품(52) 또는 알루미늄 시이트(51)의 하부 표면과의 최초의 접점 라인을 형성하고, 다라서 최초의 용접 전류를 위한 통로를 형성한다. 압력 힘(F)이 가해질 때 이미, 넓은 볼록한 제 1 섹션(65)은 냉간 재료의 소성 눌림 및 국부적인 탄성으로 인해 정상부에 점진적으로 증가하는 최초의 접점 표면을 유도한다. 용접 전류는 단지 이러한 접점 표면을 통하여 매우 양호하게 국부적으로 전도될 것이다.

제 3 폭(W3)은 1 과 4 밀리미터 사이이다. 바람직하게는, 제 3 폭(W3)은 약 1.8 밀리미터이다. 길이(L1)는 2 와 12 밀리미터 사이이다. 바람직하게는, 길이(L1)는 6 밀리미터이다.

최소 재료 두께(Q)는 0.3 밀리미터보다 더 크다. 바람직하게는, 최소 재료 두께(Q)는 0.45 밀리미터보다 더 크다. 이는 0.8 내지 1 밀리미터의 두께의 시이트에 대하여 이미 적용된다. 펀치(92)에 의해 뒤에 남겨지는 오목부(66)의 정상부(67)는, 도 4b 및 도 5b에서 개념상의 라인(C)에 의해 표시되는, 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 밑에 항상 위치되며, 이에 의해 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면 위에서 연장하는 돌기부(60)의 부분은 금속으로 가득 찬다. 이에 의해 얻어지는 최소 재료 두께는 돌기부(60)가 냉간 재료의 최초 국부적 눌림을 견디는 것을 보장한다. 용접 전극들(10, 20)이 작업물과 접촉하게 될 때, 제 1 홀더(4)에 대한 제 2 홀더(16)의 압력 힘(F)은 돌기부(60)의 구조적 온전함을 확인하기 위해 제때에 감시된다. 압력 힘(F) 및 그의 코스가 제때에 미리 정해진 한계들 내에 있지 않을 때, 돌기부(60)가 흠이 없는 용접을 위해 사용될 수 없는 것으로 결론이 난다. 용접 전류는 그 후 인가되지 않는다. 이는 돌기부(60)가 이미 붕괴되었거나 돌기부가 전혀 존재하지 않았기 때문일 수 있다.

도 7은 용접 동안 프로젝션 용접 장치(1)의 용접 전극들(10, 20)을 통하여 공급되는 용접 전류의 다이어그램을 도시한다. 용접 전류는 시간(t)에서 용접 전류(I)를 위한 특정 파라미터들을 갖는 단극(unipolar) 직류의 단일 또는 연속 펄스로서 인가된다. 전류 펄스는 일정한 압력 힘(F)이 가해지고 돌기부(60)의 구조적 온전함이 확인된 후에 시작된다. 일정한 압력 힘(F)이 최초에 가해지는 때에, 냉간 재료의 소성 눌림 및 국부적 탄성으로 인한 정상 높이의 감소는 2 % 로 제한된다. 이는 돌기부(60)의 특정 형태 특징들, 특히 가해지는 제 1 반경(R1) 및 제 2 반경(R2) 그리고 이들 사이의 비에 의해, 그리고 돌기부(60)가 제 1 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 위에서 중실이기 때문에 얻어진다. 가해진 압력 힘(F) 하의 눌림에 대한 우수한 내성으로 인해, 접점 표면들 사이의 임의의 산화물이 파괴된다. 따라서 당업계에 공지된 바와 같은 산화물을 제거하는 앞선 단계는 필요하지 않다.

전류 펄스는 용접 전류(암페어)가 제 1 시간 간격(t1)에 걸쳐 0 암페어로부터 최대 전류(Imax)로 급격하게 증가하는 제 1 궤적(P1), 용접 전류가 제 2 시간 간격(t2)에 걸쳐 실질적으로 일정한 또는 일정한 제 2 궤적(P2), 용접 전류가 제 3 시간 간격(t3)에 걸쳐 최대 전류(Imax)로부터 0 암페어로 비례식으로 감소하는(선형 눈금들을 갖는 다이어그램에서 직선 라인에 따라) 제 3 궤적(P3)을 연속하여 포함한다. 이는 나머지 시간 간격(t4)에 걸쳐 용접 전류가 0 암페어로 유지되면서 압력 힘(F)은 여전히 용접 전극들(10, 20)에 가해지는 제 4 궤적(P4)이 즉시 후속된다. 이러한 제 4 궤적(P4) 후에, 용접 전극들(10, 20)은 후퇴되고 다음 용접 위치에 위치된다. 상기 언급된 펄스 파라미터들에 대하여 특정 값들 및 비들이 적용된다.

제 1 궤적(P1)은 최대 10 밀리초의 극도로 짧은 상승 시간 또는 제 1 시간 간격(t1)을 갖는다. 바람직하게는, 제 1 시간 간격(t1)은 최대 5 밀리초이다. 더 바람직하게는, 제 1 시간 간격(t1)은 최대 1 밀리초이다.

양면 단일 용접 구성에 대하여, 일정한 전류를 갖는 제 2 궤적(P2)은 10 내지 20 밀리초의 제 2 시간 간격(t2)을 갖는다. 바람직하게는, 제 2 시간 간격(t2)은 약 15 밀리초이다. 도 2a 내지 도 2c 의 참조하에 설명된 바와 같은 단면 연속 용접 구성들에 대하여, 일정한 전류를 갖는 제 2 궤적(P2)은 20 내지 40 밀리초의 제 2 시간 간격(t2)을 갖는다. 바람직하게는, 제 2 시간 간격(t2)은 약 30 밀리초이다.

비례식으로 증가하는 제 3 궤적(P3)은 5 밀리초 이상의 제 3 시간 간격(t3)을 갖는다. 바람직하게는, 제 3 시간 간격(t3)은 최대 제 2 시간 간격(t2)과 동일하다.

제 1 궤적(P1) 및 제 3 궤적(P3)은 비대칭 사다리꼴을 형성하고, 여기서 제 1 시간 간격(t1)은 제 3 시간 간격(t3)보다 더 짧다. 바람직하게는, 제 1 시간 간격(t1)은 제 3 시간 간격(t3)의 절반보다 더 짧다.

제 4 궤적(P4)은 적어도 전류가 공급되는 제 1 시간 간격(t1), 제 2 시간 간격(t2) 및 제 3 시간 간격(t3)의 합만큼 긴 제 4 시간 간격(t4)을 갖는다. 바람직하게는, 제 4 시간 간격(t4)은 100 밀리초 이상이다. 더 바람직하게는, 제 4 시간 간격(t4)은 약 300 밀리초이다.

이러한 특정 펄스 파라미터들은, 마지막에 우수한 재료 특성들을 갖는 구조적 용접이 돌기부(60)의 선행 위치에 얻어지는 것을 보장한다. 돌기부(60) 자체는 용접 전류가 돌기부(60)의 위치에서 지나가고 돌기부(60)를 갖는 시이트(50)의 인접 구역을 통과하지 않는 것을 야기한다. 제 1 궤적(P1)의 상대적으로 짧은 최초 제 1 시간 간격(t1)은 제 2 시간 간격(t2)의 길이가, 용접 전류가 공급되고 따라서 전기 에너지가 용접에 공급되는 제 1 시간 간격(t1), 제 2 시간 간격(t2) 및 제 3 시간 간격(t3) 내에서 최적일 수 있는 것을 보장한다. 이러한 짧은 제 1 기간(t1)은, 압력 힘(F)이 가해진 후에 넓은 볼록한 제 1 섹션(65)에서의 비교적 큰 최초 접점 표면에 의해 보장되고, 이 비교적 넓은 최초 접점 표면은 용접 전류를 전도하기 위한 메인 표면을 형성한다. 제 1 궤적(P1)에서의 용접 전류의 가파른 상승은 약 25 내지 40 볼트의 용접 전극들(10, 20) 사이의 비교적 높은 용접 전압 그리고 이후에 여기서 명시되는 바와 같은 비교적 높은 압력 힘(F)에 의해 야기된다. 용접 전압, 용접 전류 및 압력 힘은 종래 기술에서 공지된 바와 같은 2 개의 철 시이트들의 프로젝션 용접에 비교할 때보다 더 높다. 제 1 기간(t1)의 종료시, 가열된 돌기부(60)의 소성 붕괴가 시작된다. 붕괴는 제 2 궤적(P2)에 걸쳐 가해지는 전기 용접 에너지에 의해 야기된다. 제 2 궤적(P2)의 종료시에, 돌기부(60)는 완전히 붕괴되고 제 2 알루미늄 시이트(51)의 하부 표면이 제 1 알루미늄 시이트(50)의 상부 표면(53)에 완전히 접한다. 가열된 돌기부(60)의 붕괴는 전기 용접 에너지가 연속으로 용접에 공급되는 하나의 단일 연속 스트로크에서 일어난다. 돌기부(60)의 점진적인 붕괴는 용융 프로세스가 아니고 잘 제어된 열간 단조 프로세스이며, 돌기부(60)는 그에 부과된 붕괴에 대응하기 위해 충분한 강성을 유지하며, 이에 의해 재료들은 함께 용접된다. 다음의 제 3 궤적(P3) 동안, 전기 전류는 비례식으로 감소되고, 이에 의해 용접에 공급되는 에너지의 양은 열간 단조된 조인트를 개선하기 위해 또한 점진적으로 감소된다.

제 4 궤적(P4) 동안, 전기 용접 에너지는 더 이상 공급되지 않는 반면 용접 전극들(10, 20)은 용접을 냉각시키고 계속해서 압력 힘(F)을 가한다. 제 4 궤적(P4)에서, 용접 에너지는 전기 용접 전류가 전에 인가되는 기간과 대략 동일한 기간인 제 4 시간 간격(t4)에 걸쳐 가속되지만 제어된 방식으로 후퇴된다. 이러한 방식으로, 높은 품질을 갖는 구조적 용접이 최소의 수축 결함들을 갖고 얻어진다.

베이스에서 6 밀리미터의 길이(L1) 그리고 1.8 밀리미터의 폭(W3)을 갖는 바람직한 돌기부(60)를 위한 용접 전류는 30 ㎄ 와 50 ㎄ 사이, 그리고 바람직하게는 약 40 ㎄ 의 절대값들 내에 있다. 베이스의 크기는 알루미늄 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)의 평면의 돌기부(60)의 상부 표면(61)의 돌출된 구역을 규정한다. 돌출된 구역과 관련될 때, 용접 전류는 돌출된 구역의 ㎟ 당 2.5 ㎄ 와 5 ㎄, 바람직하게는 ㎟ 당 약 4 ㎄ 이다. 제 2 궤적(P2)은 동일한 양의 에너지가 돌기부들(60)에 유입되는 것을 가능하게 하기 위해, 단일 용접 구성에 비교할 때 연속 용접 구성에서 약 2 배의 길이이다.

베이스에서 6 밀리미터의 길이(L1) 그리고 1.8 밀리미터의 폭(W3)을 갖는 바람직한 돌기부(60)에 대한 압력 힘(F)은 800 N 과 3000 N 사이, 바람직하게는 약 1750 N 의 절대값들 내에 있다. 돌출된 구역과 관련될 때, 압력 힘(F)은 돌출된 구역의 ㎟ 당 70 N 과 280 N 사이, 바람직하게는 약 160 N 이다. 가해지는 압력 힘(F)은 용접 사이클 동안, 즉 제 1 궤적(P1), 제 2 궤적(P2), 제 3 궤적(P3) 및 제 4 궤적(P4)에 걸쳐 또는 이들 동안 일정하거나 실질적으로 일정하다.

도 8a는 이전에 설명된 바와 같은 범위들 내의 용접 파라미터들이 적용될 때의 구조적 용접의 현미경 도이다. 용접은 크랙들이 없고, 검은 스팟들(101)로서 도시되는 내포물들 및 공극의 양은 최소이다. 이는 높은 구조적 온전함을 갖는 용접이다. 이러한 용접은 알루미늄 시이트들(50, 51)의 재료 자체들보다 더욱 강하다.

도 8b는 이전에 설명된 바와 같은 범위들 외의 일부의 용접 파라미터들이 적용될 때의 용접의 현미경 도이다. 특히, 이러한 예에서 제 2 기간(t2) 및 제 3 기간(t3)은 명시된 범위들로부터 매우 벗어나게 선택되었다. 그 결과, 재료의 온전함은 변경되었고, 용접은 검은 라인들(100)에 의해 도시되는 분산되고, 기다란 수축 크랙들, 검은 스팟들(101)로서 도시된 복수의 내포물들 및 공극을 포함한다. 크랙들 및 내포물들은 산업에서 요구되는 바와 같은 기계적 하중들을 견딜 수 없는 약한 용접을 초래하였다.

상기 설명은 바람직한 실시예들의 작동들을 예시하기 위해 포함되는 것이며 본 발명의 범주를 제한하려는 것을 의미하지 않는 것이 이해된다. 상기 논의로부터, 본 발명의 사상 및 범주에 의해 아직 포함되지 않는 다양한 변형들이 당업자에게 자명하게 될 것이다.

Claims (53)

1. 제 1 금속 시이트(sheet)(50) 그리고 프로젝션(projection) 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트(51)의 세트로서,
   상기 제 1 금속 시이트는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금인, 제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트에 있어서,
   제 1 금속 시이트(50)는 제 2 금속 시이트(51)의 메인 하부 표면과 접촉하기 위해 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 위에 국부적으로 연장하는 기다란 돌기부(60)를 포함하고, 상기 돌기부는 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 대하여 상부 표면(61)의 정상 높이(H1)를 그 중간에 형성하는 제 1 반경(R1)을 갖는 볼록한 제 1 섹션(65), 제 1 섹션(65)에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따라 제 2 반경(R2)을 갖는 볼록한 제 2 섹션(64), 그리고 제 2 섹션들(64)에 그리고 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따르는 제 3 섹션(63)을 포함하고, 제 2 볼록한 섹션들(64)로의 볼록한 제 1 섹션(65)의 제 1 천이부들(T1)은 상부 표면(61)의 제 1 폭(W1)을 형성하고 상기 제 3 섹션들(63)로의 볼록한 제 2 섹션들(64)의 제 2 천이부들(T2)은 상부 표면(61)의 제 2 폭(W2)을 형성하고, 상기 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)으로의 제 3 섹션들(63)의 제 3 천이부들(T3)은 상부 표면(61)의 제 3 폭(W3)을 형성하고, 상기 제 1 반경(R1)은 제 2 반경(R2)보다 더 큰 것을 특징으로 하는,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 반경(R1)/제 2 반경(R2) 비(ratio)는 4 이상인,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 반경(R1)/제 2 반경(R2) 비는 4 내지 5 인,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 폭(W1)/제 2 폭(W2) 비는 0.60 내지 0.90 인,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 3 섹션(63)은 제 3 반경(R3)을 갖는 오목한 제 3 섹션(63)이고, 상기 제 3 반경은 제 2 반경과 동일한,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌기부(60)는 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 위의 제 1 금속 시이트(50)의 금속으로 가득 차는,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌기부(60)는 제 1 금속 시이트(50)의 하부 메인 표면(54)에 오목부(indentation)(66)를 포함하는,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 금속 시이트(51)는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금인,
   제 1 금속 시이트 그리고 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 용접될 제 2 금속 시이트의 세트.
9. 프로젝션 용접 장치(1)에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트(50) 위에 제 2 금속 시이트(51)를 프로젝션 용접하는 방법으로서,
   상기 제 1 금속 시이트(50)는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금인, 프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법에 있어서,
   상기 제 1 금속 시이트는 제 2 금속 시이트(51)의 메인 하부 표면과 접촉하기 위해 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53) 위에 국부적으로 연장하는 적어도 하나의 기다란 돌기부들(60)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 돌기부들(60)은 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 대하여 상부 표면(61)의 정상 높이(H1)를 그 중간에 형성하는 제 1 반경(R1)을 갖는 볼록한 제 1 섹션(65), 제 1 섹션(65)에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따라 제 2 반경(R2)을 갖는 볼록한 제 2 섹션(64), 그리고 제 2 섹션들(64)에 그리고 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)에 통합되는 양쪽의 기다란 측들을 따르는 제 3 섹션(63)을 포함하고, 제 2 볼록한 섹션들(64)로의 볼록한 제 1 섹션(65)의 제 1 천이부들(T1)은 상부 표면(61)의 제 1 폭(W1)을 형성하고 상기 제 3 섹션들(63)로의 볼록한 제 2 섹션들(64)의 제 2 천이부들(T2)은 상부 표면(61)의 제 2 폭(W2)을 형성하고, 상기 제 1 금속 시이트(50)의 메인 상부 표면(53)으로의 제 3 섹션들(63)의 제 3 천이부들(T3)은 상부 표면(61)의 제 3 폭(W3)을 형성하고, 상기 제 1 반경(R1)은 제 2 반경(R2)보다 더 크고, 상기 프로젝션 용접 장치(1)는 금속 시이트들(50, 51) 상에 압력 힘을 가하고 그 후에 금속 시이트들을 통하여 전류를 공급하기 위해 돌기부(60)의 위치에서 제 1 금속 시이트(50) 및 제 2 금속 시이트(51)와 맞물리거나 2 개의 돌기부들(60)의 위치에서 제 2 금속 시이트(51) 상에 동시적으로 맞물리는 제 1 용접 전극(20) 및 제 2 용접 전극(10)을 포함하고, 상기 방법은 펄스(pulse)에 따라 용접 전극들을 통하여 용접 전류를 공급하는 단계를 포함하며, 펄스는 전류가 0 에서 최대 전류로 상승하는 제 1 시간 간격(t1)에 걸친 제 1 궤적(trajectory)(P1), 최대 전류가 존재하는 제 2 시간 간격(t2)에 걸친 제 2 궤적(P2), 제 3 시간 간격(t3)에 걸쳐 전류가 0 으로 다시 점진적으로 감소하는 제 3 궤적(P3), 그리고 제 4 시간 간격(t4)에 걸쳐 용접 전류가 0 으로 유지되는 반면 압력 힘은 여전히 가해지는 제 4 궤적(P4)을 연속하여 포함하는 것을 특징으로 하는,
   프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용접 전류는 하나의 단일 펄스로서 공급되는,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 용접 전류는 직류인,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 간격(t1)은 제 3 시간 간격(t3)보다 더 짧은,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 간격(t1)은 최대 10 밀리초인,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 간격은 최대 1 밀리초인,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 시간 간격(t3)은 최대 제 2 시간 간격(t2)의 기간인,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 4 시간 간격(t4)은 적어도 제 1 시간 간격(t1), 제 2 시간 간격(t2) 및 제 3 시간 간격(t3)의 합만큼 긴,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
17. 제 9 항에 있어서,
    상기 최대 전류는 제 1 금속 시이트(50)의 메인 표면(53)에 대해 수직인 돌기부에서 돌기부(60)의 평방 밀리미터당 2.5 내지 5 킬로암페어인,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
18. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 시이트(51)는 비철 금속 또는 메인 구성요소로서 알루미늄 또는 마그네슘을 갖는 금속 합금인,
    프로젝션 용접 장치에 의한 프로젝션 용접에 의해 제 1 금속 시이트 위에 제 2 금속 시이트를 프로젝션 용접하는 방법.
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