KR101726173B1 - 진동 스폿 용접 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 방법은 적어도 두 금속 판재들을 서로 겹치는 단계, 서로 겹쳐진 상기 판재들의 외측 일면과 타면에 각각 제1,2전극을 접촉시키고, 상기 제1,2전극이 상기 판재들 사이에 전류를 인가하여, 접합부에 용융부를 형성하는 단계, 및 상기 제1,2전극에서 인가되는 전류를 중단하고, 상기 제1전극에 배치되는 진동부재를 이용하여 상기 판재들의 외측 표면에 진동을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

진동 스폿 용접 방법 및 이를 수행하는 장치{VIBRATION SPOT WELDING METHOD AND DEVICE PERFORMING THIS}

본 발명은 중첩된 금속판의 설정된 부분에 전류를 인가하고, 진동을 가해서 중첩된 금속판이 서로 결합되도록 하여 용접 중 발생되는 기공을 제거하고, 조직을 미세화하는 진동 스폿 용접 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 얇은 두 장의 중첩된 금속판을 용접하는 방법에는 용융 용접법(fusion welding)과 고상 용접법(solid phase welding)이 있다.

용융 용접법은 스폿 용접법을 예로 들 수 있는데, 스폿 용접법은 중첩된 금속판들의 용접부에 전기저항에 의한 열과 압력에 의해 용접부를 용융시켜 중첩된 금속판을 용접하는 방법이다.

고상 용접법은 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding; FSW)을 예로 들 수 있는데, 마찰 교반 용접법은 상호 마찰에 의한 열이 발생하며, 이러한 마찰열에 의해 공구 주변의 재료는 연화되고, 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제적으로 혼합되는 원리로 피접합재를 용접하는 방법이다.

상기 스폿 용접과 마찰 교반 용접은 각각의 장점 및 단점을 가지고 있는 바, 예를 들어, 스폿 용접은 전기 저항에 의하여 발생된 열에 의해 금속판들의 용접부를 용융시켜 용접하기 때문에 금속판의 접촉면에 고전류의 인가로 인한 아크가 발생하고, 용접면이 미려하지 못한 단점이 있다.

그리고 마찰 교반 용접은 고상 용접법으로써, 용접된 금속판들의 기계적 강도가 우수하고 아크가 발생하지는 않아. 경금속의 용접에 적합한 장점은 있으나, 용접 후, 용접면에 용접 자국 또는 구멍이 남는 단점이 있다.

상기 스폿용접과 상기 마찰 교반 용접의 장점을 결합한 용접 방법으로, 진동 스폿 용접장치가 개발되었으며, 이는 전류를 이용하여 열을 발생시키는 동시에 진동을 가해서 용접부위가 보다 효과적으로 접합되도록 한다.

한편, 전류와 진동을 동시에 인가하는 진동스폿 용접에 있어서, 통전, 발열, 및 진동이 동시에 발생되어 전극과 소재간의 접촉저항의 급변으로 소재표면에 과용융이 발생될 수 있고, 전극이 소착되거나 진동부에 압흔이 발생될 수 있으며, 소재의 표면에 버(Burr) 등이 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 진동 스폿 용접에서 통전, 및 진동이 동시에 가해지면서 발생되는 소재표면의 과용융 및 전극의 소착을 줄이고, 진동부의 압흔을 감소시키며, 소재 표면에 버(burr) 등의 발생을 방지할 수 있는 진동 스폿 용접 방법 및 이를 수행하는 장치를 제공하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 방법은 적어도 두 금속 판재들을 서로 겹치는 단계, 서로 겹쳐진 상기 판재들의 외측 일면과 타면에 각각 제1,2전극을 접촉시키고, 상기 제1,2전극이 상기 판재들 사이에 전류를 인가하여, 접합부에 용융부를 형성하는 단계, 및 상기 제1,2전극에서 인가되는 전류를 중단하고, 상기 제1전극에 배치되는 진동부재를 이용하여 상기 판재들의 외측 표면에 진동을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전류의 인가를 중단하고, 설정시간이 경과한 후에, 상기 진동부재는 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

상기 용융부의 온도가 하강하는 시점에 상기 진동부재는 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

상기 용융부의 재결정온도 범위에서 상기 진동부재는 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

상기 제1전극은 중심부가 비어있는 중공의 파이프 구조를 가지며, 상기 진동부재는 상기 제1전극의 상기 중공으로 삽입되어 배치되는 진동샤프트, 및 상기 진동샤프트의 외주면과 상기 제1전극의 내주면 사이에 개재되는 진동파이프를 포함하고, 상기 진동샤프트와 상기 진동파이프의 선단면이 상기 판재들의 일측 표면을 두들길 수 있다.

상기 진동샤프트의 선단면과 상기 진동파이프의 선단면은 서로 교대로 상기 판재들의 일측 표면을 두들길 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 장치는 서로 겹쳐진 적어도 두 판재들의 외측 일면에 밀착되도록 배치되는 제1전극, 상기 제1전극과 대응하여 상기 판재들의 외측 타면에 밀착되도록 배치되는 제2전극, 상기 제1전극의 선단면에서 상기 판재들의 일면을 두들기도록 배치되는 진동부재, 상기 제1,2전극으로 전원을 인가하도록 배치되는 파워부, 상기 진동부재에 힘을 반복적으로 인가하여 상기 판재들의 표면에 진동을 인가하도록 배치되는 진동인가부, 및 상기 진동인가부와 상기 파워부를 각각 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 파워부를 제어하여, 상기 판재들 사이에 전류를 인가하여 용융부를 형성하도록 하고, 상기 전류의 인가를 중단한 상태에서, 상기 진동인가부를 제어하여, 상기 판재들의 외측 표면에 진동을 인가할 수 있다.

상기 제1전극은 중심부가 비어있는 중공의 파이프 구조를 가지며, 상기 진동부재는 상기 제1전극의 상기 중공으로 삽입되어 배치되는 진동샤프트, 및 상기 진동샤프트의 외주면과 상기 제1전극의 내주면 사이에 개재되는 진동파이프를 포함하고, 상기 진동샤프트와 상기 진동파이프의 선단면이 상기 제1전극 안에서 서로 왕복해서 움직이면서 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

상기 진동샤프트의 선단면과 상기 진동파이프의 선단면은 서로 교대로 상기 판재들의 표면을 두들겨서, 상기 판재들의 표면을 단조시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 파워부를 제어하여 상기 전류의 인가를 중단하고, 설정시간이 경과한 후에, 상기 진동인가부를 제어하여 상기 진동부재가 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

상기 제어부는 용융부의 온도가 하강하는 시점에 상기 진동인가부를 제어하여 상기 진동부재가 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

상기 제어부는 용융부의 재결정온도 범위에서 상기 진동인가부를 제어하여, 상기 진동부재가 상기 판재들의 표면을 두들길 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따라서, 전극 소재간 저항의 급변으로 소재표면의 과용융이 발생되는 현상과, 전극소착, 진동압흔, 및 버(burr)의 발생을 줄일 수 있다.

아울러, 소재의 완전 용융후에 진동을 가하여, 소재의 표면을 단조시켜 강도와 경도를 증가시키는 효과가 있으며, 접합성도 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 장치의 일부 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용융후 단조 접합 방법에 따른 용접부의 온도, 통전시간, 진동, 및 너겟사이즈를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 용융후 단조 접합 방법을 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 용융후 단조 접합 방법의 효과를 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 장치의 일부 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 진동 스폿 용접 장치는 제1전극(120), 제2전극(130), 제2판재(110), 제2판재(100), 진동부재(140), 진동인가부(155), 파워부(150), 및 제어부(160)를 포함하고, 상기 진동부재(140)는 진동샤프트(142), 및 진동파이프(146)를 포함한다.

아울러, 상기 제1,2전극(120, 130)에서 인가되는 전류/전압에 의해서 상기 제1,2판재(110, 100) 사이의 일정영역이 가열되어 용융된 용융부(105)가 형성된다.

상기 제1,2판재(110, 100)를 서로 상하로 겹쳐지고, 상기 제1전극(120)의 하단면이 상기 제2판재(110)의 상부면에 밀착되고, 상기 제2전극(130)의 상단면이 상기 제2판재(100)의 하부면에 밀착된다.

상기 파워부(150)는 상기 제1전극(120)과 상기 제2전극(130)과 연결되어 전류/전압을 인가하여, 상기 제1,2판재(110, 100)들을 통해서 상기 제1전극(120)에서 상기 제2전극(130)으로 전류가 인가될 수 있다. 반대로, 상기 제1,2판재(110, 100)들을 통해서 상기 제2전극(130)에서 상기 제1전극(120)으로 전류가 인가될 수 있다.

상기 제1전극(120)은 내부가 비어 있는 중공의 파이프 구조로, 그 내부로 상기 진동부재(140)가 삽입된 구조를 갖는다. 상기 진동부재(140)는 상기 진동샤프트(142)와 상기 진동파이프(146)를 포함하고, 상기 진동샤프트(142)가 상기 진동파이프(146) 내측으로 삽입된 구조를 갖는다.

상기 진동파이프(146)의 외주면은 상기 제1전극(120)의 내주면과 슬라이드되고, 상기 진동샤프트(142)의 외주면은 상기 진동파이프(146)의 내주며과 슬라이드되는 구조를 갖는다. 여기서, 상기 진동인가부(155)는 상기 진동샤프트(142)와 상기 진동파이프(146)로 설정된 주기로 진동을 전달하여 상기 제2판재(110)의 외측면을 두들기는 기능을 수행한다.

아울러, 상기 진동인가부(155)는 상기 진동샤프트(142)와 상기 진동파이프(146)에 교대로 진동을 인가하여, 상기 진동샤프트(142)와 상기 진동파이프(146)가 교대로 상기 제2판재(110)의 표면을 두들기도록 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(160)는 상기 진동인가부(155)와 상기 파워부(150)를 제어하여 상기 제1,2판재(110, 100)에 용융부(105)를 형성하고, 그 다음 상기 진동부재(140)가 상기 제2판재(110)의 외면을 두들기는 단조기능을 수행할 수 있다.

따라서, 상기 제1,2전극(120, 130)이 통전을 실시하는 동시에 상기 진동부재(140)가 진동을 인가하는 상태에서 전극 소재간 저항의 급변으로 소재표면의 과용융이 발생되는 현상과, 전극소착, 진동압흔, 및 버(burr)의 발생을 줄일 수 있다.

아울러, 소재의 완전 용융후에 진동을 가함으로써, 소재를 단조시켜 강도와 경도를 증가시키는 효과가 있으며, 접합성도 향상시킨다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제어부(160)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진동 스폿 용접 방법을 보여주는 플로우차트이다.

도 2를 참조하면, S200에서 상기 제1,2전극(120, 130)을 서로 겹쳐진 상기 제1,2판재(110, 100)의 외측 일면과 타면에 각각 밀착시킨다. 여기서, 상기 제1,2전극(120, 130)은 로봇과 같은 무빙부에 의해서 움직일 수 있다.

S210에서 상기 제1,2전극(120, 130)을 통해서 상기 제1,2판재(110, 100)로 설정된 부하의 통전을 설정된 시간동안 수행하고, S220에서 용접부에 용융부(105)를 형성하며, S230에서 상기 제1,2전극(120, 130)의 통전이 중단된다.

S240에서 설정시간이 경과한다. 여기서, 상기 S240은 적용되지 않을 수 있다. 아울러, S250에서 상기 진동부재(140)를 통해서 상기 진동인가부(155)는 상기 제2판재(110)의 외측면을 두들기는 기능을 설정부하로 설정 시간동안 수행한다.

그리고, S260에서 진동인가를 중단하고, 상기 제1,2판재(110, 100)의 접합을 완료한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용융후 단조 접합 방법에 따른 용접부의 온도, 통전시간, 진동, 및 너겟사이즈를 보여주는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 가로축은 시간(0초 에서 60초)을 나타내고, 세로축은 각각 온도, 통전상태, 진동하중, 및 용접부의 너겟사이즈를 나타낸다.

상기 제1,2전극(120, 130)을 통해서 상기 제1,2판재(110, 100)로 통전이 시작되면, 접합부의 온도가 증가하고, 재결정온도 이상으로 상승되어 용융되며, 용접부의 너겟크기는 서서히 증가한다. 그리고, 통전이 중단된다.

통전이 중단되자마자, 상기 진동부재(140)는 상기 제1,2판재(110, 100)의 일측 외면에 설정하중의 진동을 설정주기로 가한다. 여기서, 통전이 중단되면 상기 용접부의 너겟사이즈는 일정한 크기를 유지한다.

아울러, 상기 용접부의 온도가 하강하는 시점에 상기 진동부재(140)가 진동을 인가하는 구조를 가지고 있으며, 상기 진동부재(140)가 상기 제1,2판재(110, 100)의 외측면의 돌출부를 정리하고 접합부를 단조시키는 효과를 기대할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 용융후 단조 접합 방법을 보여주는 순서도이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 상기 제1전극(120)과 상기 제2전극(130)이 상기 제1,2판재(110, 100)의 상부면과 하부면에 각각 밀착되고, 상기 진동부재(140)의 하단면은 상기 제2판재(110)의 상부면과 설정거리 이격된 상태를 유지한다.

(b)를 참조하면, 상기 제1,2전극(120, 130)이 상기 제1,2판재(110, 100)를 통해서 전류/전압을 인가하면, 상기 제1,2판재(110, 100)의 접합부가 용융되면서 팽창하고, 팽창된 부분이 상기 제1전극(120)의 중심부 내측으로 융기한다.

(c)를 참조하면, 상기 제1,2전극(120, 130)의 통전이 중단되고, 상기 진동부재(140)에서 상기 진동샤프트(142)가 먼저 상기 제2판재(110)의 표면을 두들기고, (d)를 참조하면, 상기 진동파이프(146)가 상기 제2판재(110)의 표면을 두들긴다. 아울러, (c) 및 (d)의 상태를 반복하여 진동을 인가한다.

상기 진동샤프트(142)와 상기 진동파이프(146)가 교대로 용접부에 대응하는 상기 제2판재(110)의 표면을 두들김으로써 표면의 돌출부를 제거하고, 반복하중을 가함으로써 냉간단조효과를 기대할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 용융후 단조 접합 방법의 효과를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 가로축은 용접부 중심과의 거리를 나타내고, 세로축은 경도(hardness)를 나타낸다. VSM은 vibration spot welding(진동 스폿 용접)을 나타내고, HAZ는 heat affected zone(열 영향부)를 나타내며, BM은 base metal(모재)를 나타낸다.

아울러, VSM trend는 본 발명의 실시예에 따른 진동스폿 용접 경향을 나타내고, D/spot은 일반적인 delta spot 용접을 나타내며, WZ는 welding zone(용접부)를 나타낸다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 VSM trend는 WZ(용접부)에서 D/spot 보다 비교적 높은 경도(hardness)를 나타내는 것을 알 수 있다. 앞서 기재한 바와 같이, 통전 후에 상기 진동부재(140)가 상기 제2판재(110)의 표면을 두들김으로써 단조효과에 따라서 소재의 경도가 향상된 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

100: 제2판재 105: 용융부
110: 제1판재 120: 제1전극
130: 제2전극 140: 진동부재
142: 진동샤프트 146: 진동파이프
155: 진동인가부 160: 제어부
150: 파워부

Claims (13)

1. 적어도 두 금속 판재들을 서로 겹치는 단계;
   서로 겹쳐진 상기 판재들의 외측 일면과 타면에 각각 제1,2전극을 접촉시키고, 상기 제1,2전극이 상기 판재들 사이에 전류를 인가하여, 접합부에 재결정온도 범위 이상의 온도를 갖는 용융부를 형성하는 단계; 및
   상기 제1,2전극에서 인가되는 전류를 중단하고, 설정시간이 경과한 후에, 상기 용융부의 온도가 하강하여 상기 용융부가 재결정되는 재결정온도 범위 내에서 진동부재를 이용하여 상기 판재들의 표면을 두들기는 단계를 포함하되,
   상기 제1전극의 선단부는 중심부가 비어있는 중공의 파이프 구조를 가지며, 상기 진동부재는 상기 제1전극의 상기 중공으로 삽입되어 배치되는 진동샤프트, 및 상기 진동샤프트의 외주면과 상기 제1전극의 내주면 사이에 개재되는 진동파이프를 포함하고,
   상기 진동샤프트와 상기 진동파이프의 선단면이 상기 판재들의 일측 표면에 진동을 인가하되, 상기 진동샤프트의 선단면과 상기 진동파이프의 선단면은 서로 교대로 상기 판재들의 일측 표면에 진동을 인가하는 것을 특징으로 하는 진동 스폿 용접 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 서로 겹쳐진 적어도 두 판재들의 외측 일면에 밀착되도록 배치되는 제1전극;
   상기 제1전극과 대응하여 상기 판재들의 외측 타면에 밀착되도록 배치되는 제2전극;
   상기 제1전극의 선단면에서 상기 판재들의 일면에 진동을 인가하도록 배치되는 진동부재;
   상기 제1,2전극으로 전원을 인가하도록 배치되는 파워부;
   상기 진동부재에 힘을 반복적으로 인가하여 상기 판재들의 표면에 진동을 인가하도록 배치되는 진동인가부; 및
   상기 진동인가부와 상기 파워부를 각각 제어하는 제어부; 를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 파워부를 제어하여, 상기 판재들 사이에 전류를 인가하여 재결정온도 범위 이상의 온도를 갖는 용융부를 형성하도록 하고, 상기 전류의 인가를 중단한 상태에서, 상기 용융부의 온도가 하강하여 재결정화되는 재결정온도 범위에서, 상기 진동인가부를 제어하여 상기 진동부재가 상기 판재들의 표면을 두들기되,
   상기 제1전극은 중심부가 비어있는 중공의 파이프 구조를 가지며, 상기 진동부재는 상기 제1전극의 상기 중공으로 삽입되어 배치되는 진동샤프트, 및 상기 진동샤프트의 외주면과 상기 제1전극의 내주면 사이에 개재되는 진동파이프를 포함하고,
   상기 진동샤프트와 상기 진동파이프의 선단면이 상기 제1전극 안에서 서로 왕복해서 움직이면서 상기 판재들의 표면을 두들기되, 상기 진동샤프트의 선단면과 상기 진동파이프의 선단면은 서로 교대로 상기 판재들의 표면을 두들기는 것을 특징으로 하는 진동 스폿 용접 장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제7항에서,
    상기 제1,2전극이 상기 제1,2판재로 전류를 인가하기 전에, 상기 진동부재는 상기 제1판재의 표면과 설정거리 이격되고,
    상기 제1,2전극이 상기 제1,2판재로 전류를 인가하는 동안에 상기 제1,2판재의 용융된 부분이 상기 제1전극의 중심부 내측으로 융기하는 것을 특징으로 하는 진동 스폿 용접 장치.

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