KR101883675B1 - 진동 저항 요소 용접용 리벳 - Google Patents

Abstract

진동 저항 요소 용접용 리벳이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳은 진동 저항 요소 용접용 리벳에 있어서, 원형의 몸체; 상기 몸체의 상부에 플랜지를 가지며 일체로 형성되는 헤드부; 상기 몸체의 하면 중심에 끝이 뾰족하게 돌출되어 형성되는 돌기를 포함한다.

Description

진동 저항 요소 용접용 리벳{Rivet for Resistance element welding using vibration}

본 발명은 진동 저항 요소 용접용 리벳에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진동전극의 진동을 이용하여 작은 가압력으로 상부 모재를 관통한 후, 하부 모재와 저항 용접하여 접합하는 진동 저항 요소 용접용 리벳에 관한 것이다.

최근 자동차 산업에서는 환경문제에 따른 연비의 향상을 위해 강판소재와 함께 알루미늄 합금소재 또는 복합 플라스틱 소재의 사용을 통하여 차체를 경량화 하는 중이며, 접합품질의 개선을 위해 셀프 피어싱 리벳 접합을 대체할 수 있는 다양한 접합방법에 대한 연구가 이루어지고 있는 추세이다.

이와 같은 추세에 따라 이종소재의 접합방법으로서 저항 요소 용접(REW: Resistance element welding)을 이용한 접합이 한 예이다.

상기 저항 요소 용접은 종래의 셀프 피어싱 리벳 접합이 강판 등의 두 모재에 리벳을 압입하여 모재와 리벳을 소성변형시키면서 접합하는데 반해, 리벳이 상부 모재를 관통한 후, 하부 모재와 저항 용접에 의해 접합되도록 하는 접합법으로, 최근, 차체에 적용되는 이종소재의 접합을 위하여 다양한 방법으로 적용되고 있다.

도 1은 일반적인 셀프 피어싱 리벳 접합용 장치의 구성 단면도이고, 도 2는 일반적인 셀프 피어싱 리벳 접합의 단계별 작동 개념도이다.

이러한 셀프 피어싱 리벳 장치는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 로봇(미도시)의 아암 선단에 장착되는 C형 프레임(1)이 구비되고, 이 프레임(1)의 상측에는 펀치유닛(3)이 구성되며, 상기 펀치유닛(3)에 대응하여 상기 프레임(1)의 하측에 엔빌 다이(5)가 구성된다.

즉, 상기 펀치유닛(3)은 유압에 의해 구동하는 펀치 실린더(11)가 펀치 하우징(13)을 통하여 상기 프레임(1)에 장착되며, 상기 펀치 하우징(13)의 내부에는 펀치 실린더(11)의 작동로드(15)에 의해 상기 앤빌 다이(5)에 대응하여 작동하는 펀치(17)와 홀더(19)가 구성된다.

그리고 상기 앤빌 다이(5)는 상면에 성형골(21)을 형성하여 상기 프레임(1)의 하측에 장착된다.

따라서 이러한 구성을 갖는 셀프 피어싱 리벳 장치를 이용한 셀프 피어싱 리벳 접합방법은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 펀치유닛(3)에 리벳(10)이 공급되고, 접합할 2장의 강판(20)이 상기 펀치유닛(3)과 앤빌 다이(5) 사이로 위치되면,(S1) 상기 펀치 실린더(11)가 유압에 의해 전진 구동하여 홀더(19)가 앤빌 다이(5)와 함께, 2장의 강판(20)을 먼저 홀딩한다.(S2)

이러한 상태로, 상기 펀치 실린더(11)가 계속해서 전진 구동하면, 상기 펀치(17)가 리벳(10)을 접합할 상판(20a)에 압입하며,(S3) 이러한 상태로 계속해서 리벳(10)의 선단을 상판(20a)의 내부로 전단 관통시켜 하판(20b)이 앤빌 다이(5)의 성형골(21)을 따라 리벳(10)의 선단과 함께 침투되도록 함으로써, 상기 2장의 강판(20)은 앤빌 다이(5)의 성형골(21)의 형상을 따라 변형되면서, 리벳(10)의 선단이 반지름 방향으로 확장 변형되어 접합을 이룬 후,(S4) 상기 펀치 실린더(11)가 다시 후진 구동하여 원위치로 복귀 진행된다.(S5)

이러한 셀프 피어싱 리벳 접합은 스폿용접과 다른 리벳팅 접합에 비해 다음과 같은 특징을 갖는다.

첫째, 리벳 자체가 상판을 관통하여 그 선단이 하판과 함께 확장되면서 상판과 하판의 접합이 이루어짐으로 종전의 리벳팅 작업 시, 상판에 설치하는 구멍이 셀프 피어싱 리벳 접합에서는 불필요하다.

둘째, 이종재료와의 접합이 가능하다. 즉, 플라스틱, 고무, 알루미늄과 강판을 접합할 수 있으며, 알루미늄과 고장력 강판과의 접합도 가능하다.

셋째, 작업환경이 깨끗하다. 즉, 스폿용접 시, 발생하는 소음과 불꽃, 연기 등이 발생하지 않아 쾌적한 작업환경을 만들 수 있다.

넷째, 접합 사이클이 단시간 내에 진행된다. 즉, 상판의 리벳팅용 구멍에 리벳을 정위치시키는 작업이 생략되고, 리벳의 체결시간이 1초 정도로 매우 짧아서 단시간 내에 리벳팅 접합 사이클을 끝낼 수 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 셀프 피어싱 리벳 접합은 리벳(10)이 상판(20a)을 전단 관통하여 하판(20b)의 내부로 침투하면서 앤빌 다이(5)의 성형골(21) 내부로 압입되도록 하여 모재를 변형시키는 방식으로 연신율 20% 이상일 때 미려한 단면 형상을 갖게 되나, 변형량이 커서 연신율이 15% 이하인 알루미늄 다이케스팅 소재의 경우, 소성 변형 과정에서 하판(20b)에 크랙을 발생시켜 결합강성이 낮아지는 문제점을 갖고 있다.

뿐만 아니라, 하판(20b)이 앤빌 다이(5)의 성형골(21) 내부로 압입되어 접합단면에 볼록한 돌출부(23)를 형성함으로써, 상관 부품과의 간섭으로 설계 자유도가 제한적인 단점이 있다.

또한, 리벳이 상판과 하판을 전단 관통하기 위해 큰 가압력을 필요로 하는 단점이 있다.

본 발명의 실시 예는 홀더 내부에 위치된 진동전극의 가압 진동으로, 몸체 하면 중심에 형성된 돌기를 통하여 작은 가압력으로도 상부 모재를 관통시킬 수 있도록 하여 모재에 크랙 발생 없이 결합강성을 향상시키는 진동 저항 요소 용접용 리벳을 제공하고자 한다.

또한, 헤드부의 플랜지 하부와 몸체 둘레 사이에 캐비티를 형성하여 상부 모재의 압입 시, 상부 모재의 전단면과의 사이에 언더컷을 발생시켜 결합강성을 높임과 동시에, 압입부에서 발생되는 너겟을 수용할 수 있도록 하는 진동 저항 요소 용접용 리벳을 제공하고자 한다.

또한, 플랜지 하부와 몸체 둘레에 사이에 형성된 캐비티에 접착링을 끼워 저항 용접 시, 발생되는 열에 의해 접착링이 상부 모재와 몸체 사이에서 침투하도록 하여 접착력을 높임과 동시에 접합부 내부의 갈바닉 부식을 방지할 수 있도록 하는 전기저항 요소 용접용 리벳을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 진동 저항 요소 용접용 리벳에 있어서, 원형의 몸체; 상기 몸체의 상부에 플랜지를 가지며 일체로 형성되는 헤드부; 상기 몸체의 하면 중심에 끝이 뾰족하게 돌출되어 형성되는 돌기를 포함하는 진동 저항 요소 용접용 리벳이 제공될 수 있다.

또한, 상기 플랜지의 하부와 몸체의 둘레 사이에 일정 깊이의 홈으로 형성된 캐비티를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 캐비티는 일정 곡률반경의 반원형의 홈으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 몸체는 상기 돌기의 둘레를 따라 하면의 내측으로 요입된 홈으로 형성되는 그루브를 포함할 수 있다.

또한, 상기 몸체의 외주면에 끼워지는 접착링을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 몸체의 캐비티에 끼워지는 접착링을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 접착링은 고상의 구조용 접착제를 링 타입으로 형성하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 리벳은 모재의 강도보다 더 큰 강도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 홀더 내부에 위치된 진동 전극의 가압 진동으로, 몸체 하면 중심에 형성된 돌기를 통하여 작은 가압력으로도 상부 모재를 관통시킬 수 있도록 하여 모재에 크랙 발생 없이 결합강성을 향상시킬 수 있다.

또한, 헤드부의 플랜지 하부와 몸체 둘레 사이에 캐비티를 형성하여 상부 모재의 압입 시, 상부 모재의 전단면과의 사이에 언더컷을 발생시켜 결합강성을 높임과 동시에, 압입부에서 발생되는 너겟을 수용할 수 있도록 할 수 있다.

또한, 플랜지 하부와 몸체 둘레에 사이에 형성된 캐비티에 접착링을 끼워 저항 용접 시, 발생되는 열에 의해 접착링이 상부 모재와 몸체 사이에서 침투하도록 하여 접착력을 높임과 동시에 접합부 내부의 갈바닉 부식을 방지할 수 있다.

도 1은 일반적인 셀프 피어싱 리벳 접합용 장치의 구성 단면도이다.
도 2는 일반적인 셀프 피어싱 리벳 접합의 단계별 작동 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 리벳이 적용되는 진동 저항 요소 용접 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳의 반 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳에 접착링이 결합된 상태의 반 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳에 의해 접합된 모재의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 리벳이 적용되는 진동 저항 요소 용접 공정도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳의 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳의 반 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳에 접착링이 결합된 상태의 반 단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳(100)은 원형의 몸체(B)가 구비되며, 기본적으로는 모재의 강도보다 더 큰 강도를 갖는다.

상기 몸체(B)의 상부에 플랜지(F)를 가지며 원반형의 헤드부(H)가 일체로 형성되고, 상기 몸체(B)의 하면 중심에는 끝이 뾰족하게 돌출되어 돌기(101)가 형성된다.

여기서, 상기 리벳(100)은 플랜지(F)의 하부와 몸체(B)의 둘레 사이에 일정 깊이(d)의 홈으로 형성된 캐비티(C)를 갖는데, 상기 캐비티(C)는 일정 곡률반경(R)의 반원형의 홈으로 형성되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 반타원형 또는 곡면의 홈으로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 몸체(B)는 상기 돌기(101)의 둘레를 따라 하면에 내측으로 요입된 홈으로 형성되는 그루브(G)를 갖는다.

즉, 상기 그루브(G)는 저항 용접 시, 모재와의 사이에 접촉면을 최소화하여 돌기(101)와 모재 사이에 저항 발생이 집중되도록 해 준다.

그리고 상기 몸체(B)의 외주면 즉, 상기 캐비티(C)의 내부에는 접착링(110)이 끼워져 구비된다.

상기 접착링(110)은 고상의 구조용 접착제를 링 타입으로 형성하여 구성되고, 용접열에 의해 액상으로 변태되어 침투가 용이하도록 구성된다.

이러한 구성을 갖는 전기저항 요소 용접용 리벳(100)을 이용하여 진동 저항 요소 용접을 진행하기 위해, 진동 저항 요소 용접을 구현하기 위해서는, 도 3에서 도시한 바와 같이, 하부 전극(31), 진동 전극(33), 홀더(35)를 포함하는 장치가 구비된다.

이러한 구성을 갖는 장치를 통하여 진동 저항 요소 용접을 진행한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳은 먼저, 접합할 상부 모재(40)와 하부 모재(50)를 서로 겹친 상태로 하부 전극(31)과 홀더(35) 사이에 투입한 상태로, 상기 홀더(35)를 하강하여 하부 전극(31)과 함께 각 모재(40,50)를 고정한다. 이와 동시에, 상기 홀더(35) 내부에는 리벳(100)이 공급된다.(S11)

이때, 상기 리벳(100)은 끝이 뾰족한 돌기(101)가 상부 모재(40)에 대응하도록 홀더(35)에 공급된다.

즉, 상기 리벳(100)은 별도로 구성되는 리벳 공급기(미도시)로부터 공급라인을 따라 홀더(35) 내부로 공급되는데, 상기 홀더(35)의 일측에는 리벳 공급기로부터 리벳(100)을 공급하기 위한 공급호스(미도시)가 연결된다.

여기서, 상기 상부 모재(40)는 알루미늄 합금 판재 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 판재로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 전기 통전이 가능한 전도성 재질의 판재 또는 비전도성 재질의 판재라도 일정 형상을 유지할 수 있는 정도의 강성을 갖는 소재이면 적용이 가능하다.

또한, 상기 하부 모재(50)는 강판으로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 리벳(100)과 함께 전기를 통전에 의해 리벳(100)과 저항 용접이 가능한 전도성 재질의 판재이면 적용이 가능하다.

이와 같이, 상기 홀더(35)의 내부에 리벳(100)이 공급되면, 상기 홀더(35) 내부의 진동 전극(33)이 하강하여 상기 리벳(100)의 돌기(101)를 상기 상부 모재(40)에 접촉시키고, 일정한 가압력으로 가압한다.(S12)

이어서, 진동 실린더(미도시)가 구동하여 상기 진동 전극(33)을 상하방향으로 진동시키면, 상기 리벳(100)은 일정 가압력으로 상부 모재(40)를 가압하면서 진동하여 상부 모재(40) 내부로 압입된다.(S13)

즉, 상기 리벳(100)은 상기 상부 모재(40)에 압입되는 방향으로 진동되어 상부 모재(40)의 외측으로 너겟(N)을 형성하면서 표면을 파고들어 완전히 관통될 때까지 압입된다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳에 의해 접합된 모재의 단면도이다.

이때, 상기 접착링(110)은 리벳(100)과 상부 모재(40)의 전단면 사이에서 압착되어 변된다.

이와 같이, 상기 리벳(100)이 상부 모재(40)에 완전히 압입되어 하부 모재(50)에 접촉되면, 진동 전극(33)에 의한 진동은 정지하고, 가압력을 유지한 상태로 상기 진동 전극(33)을 통하여 통전시켜 상기 리벳(100)과 하부 모재(50)를 저항 용접하여 저항 용접부(W)를 형성하면서 접합한다.(S14)

이때, 상기 접착링(110)은 리벳(100)과 상부 모재(40)의 전단면 사이에서 압착된 상태에서, 저항 용접에 의한 용접열에 의해 고상에서 액상으로 변태되어 리벳(100)과 상부 모재(40)의 전단면 사이의 틈새로 침투되어 고착된다.

상기와 같이, 리벳(100)이 하부 모재(50)와 접촉된 상태로 저항 용접이 완료되면, 상기 홀더(35)를 상승시켜 접합 완료된 상부 및 하부 모재(40)(50)를 취출하게 된다.(S15)

도 7을 참조하면, 상기와 같은 진동 저항 요소 용접용 리벳에 의해 접합이 완료된 상부 모재(40)와 하부 모재(50)의 접합부 단면을 살펴보면, 상기 진동 전극(33)의 가압 진동에 의해 리벳(100)이 상부 모재(40)에 압입되는 과정에 전단면 둘레에 외측으로 형성되던 너겟(N)은 리벳(100)의 플랜지(F) 하부에 형성된 캐비티(C)로 유입되어 접착링(110)과 압착되고, 상기 리벳(100)과 하부 모재(50) 사이에는 저항 용접에 의해 용융 고착된 저항 용접부(W)를 형성하면서 상부 및 하부 모재(40)(50)가 견고하게 접합된 것으로 확인할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 진동 저항 요소 용접용 리벳에 의하면, 홀더(35) 내부에 위치된 진동 전극(33)의 가압 진동으로, 몸체(B) 하면 중심에 형성된 돌기(101)를 통하여 작은 가압력으로도 상부 모재(40)를 관통시킬 수 있도록 하여 모재에 크랙 발생 없이 결합강성을 향상시킨다.

또한, 헤드부(H)의 플랜지(F) 하부와 몸체(B) 둘레 사이에 형성된 캐비티(C)에 의해 상부 모재(40)의 압입 시, 상부 모재(40)의 전단면과의 사이에 언더컷을 발생시켜 결합강성을 높임과 동시에, 압입부에서 발생되는 너겟을 수용할 수 있다.

또한, 플랜지(F) 하부와 몸체(B) 둘레에 사이에 형성된 캐비티(C)에 접착링(110)을 끼워 저항 용접 시, 발생되는 열에 의해 접착링(110)이 상부 모재(40)와 몸체(B) 사이에서 침투하도록 하여 접착력을 높임과 동시에 접합부 내부의 갈바닉 부식을 방지한다

이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

31: 하부 전극
33: 진동 전극
35: 홀더
100: 리벳
B: 몸체
101: 돌기
F: 플랜지
H: 헤드부
C: 캐비티
G: 그루브
40: 상부 모재
50: 하부 모재
W: 저항 용접부

Claims (12)

1. 진동 저항 요소 용접용 리벳에 있어서,
   원형의 몸체;
   상기 몸체의 상부에 플랜지를 가지며 일체로 형성되는 헤드부;
   상기 몸체의 하면 중심에 끝이 뾰족하게 돌출되어 형성되는 돌기;
   상기 몸체의 외주면에 끼워지는 접착링;
   을 포함하는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
2. 제1항에 있어서,
   상기 플랜지의 하부와 몸체의 둘레 사이에 일정 깊이의 홈으로 형성된 캐비티를 더 포함하는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
3. 제2항에 있어서,
   상기 캐비티는
   일정 곡률반경의 반원형의 홈으로 형성되는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
4. 제1항에 있어서,
   상기 몸체는
   상기 돌기의 둘레를 따라 하면의 내측으로 요입된 홈으로 형성되는 그루브를 포함하는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
5. 삭제
6. 제2항에 있어서,
   상기 몸체의 캐비티에 끼워지는 접착링을 더 포함하는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
7. 제6항에 있어서,
   상기 접착링은
   고상의 구조용 접착제를 링 타입으로 형성하여 이루어지는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
8. 제1항에 있어서,
   상기 리벳은
   모재의 강도보다 더 큰 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
9. 진동 저항 요소 용접용 리벳에 있어서,
   원형의 몸체;
   상기 몸체의 상부에 플랜지를 가지 일체로 형성되는 헤드부;
   상기 몸체의 하면 중심에 끝이 뾰족하게 돌출되어 형성되는 돌기;
   상기 플랜지의 하부와 몸체의 둘레 사이에 일정 깊이의 홈으로 형성되는 캐비티;
   상기 돌기의 둘레를 따라 상기 몸체의 하면 내측으로 요입된 홈으로 형성된 그루브;
   상기 몸체의 캐비티에 끼워지는 접착링;
   을 포함하는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
10. 제9항에 있어서,
    상기 캐비티는
    일정 곡률반경의 반원형의 홈으로 형성되는 진동 저항 요소 용접용 리벳.
11. 삭제
12. 제9항에 있어서,
    상기 접착링은
    고상의 구조용 접착제를 링 타입으로 형성하여 이루어지는 진동 저항 요소 용접용 리벳.

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