KR101989639B1 - 변화하는 자기장 각도에 따라 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공물(14)의 표면(16)에 구성요소(12)를 용접하기 위한 스터드 용접 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 전류(I)를 스위치 온하고 가공물(14)의 표면(16) 상으로 구성요소(12)를 하강시키는 단계; 가공물(14)로부터 구성요소(12)를 들어올리는 단계 - 그 결과 실질적으로 종방향(21)으로 배향되는 아크가 충돌하고, 자기장(27)을 사용하는 아크(24)에 영향을 미치고 자기장(27)은 반경방향 성분(B_R) 및/또는 축방향 성분(B_A)을 가지며 종방향(21)에 대해 자기장 각도(28)로 배향됨 - ; 및 용접 연결을 형성하기 위하여 가공물(14) 상으로 구성요소(12)를 하강시키는 단계를 포함하고, 자기장 각도(28)는 아크 지속 기간에 걸쳐 적어도 변화하는 반경방향 및/또는 축방향 성분(B_R, B_A)의 수학 기호에 의해 아크(24)에 동적으로 영향을 미치도록 아크 지속 기간에 걸쳐 변화한다.

Description

변화하는 자기장 각도에 따라 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법 및 장치{STUD WELDING METHOD AND APPARATUS FOR WELDING A COMPONENT TO A SURFACE OF A WORKPIECE WITH VARYING GENERAL MAGNETIC FIELD ANGLE}

본 발명은 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 전류를 스위치 온하고 가공물의 표면 상으로 구성요소를 하강시키는 단계; 가공물로부터 구성요소를 들어올리는 단계 - 그 결과 실질적으로 종방향으로 배향되는 아크가 충돌하고, 자기장을 사용하는 아크에 영향을 미치고 자기장은 반경방향 성분 및/또는 축방향 성분을 가지며 종방향에 대해 자기장 각도로 배향됨 - ; 및 용접 연결을 형성하기 위하여 가공물 상으로 구성요소를 하강시키는 단계를 포함하고, 자기장 각도는 아크 지속 기간에 걸쳐 적어도 변화하는 반경방향 및/또는 축방향 성분의 수학 기호에 의해 아크에 동적으로 영향을 미치도록 아크 지속 기간에 걸쳐 변화한다.

본 발명은 또한, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접, 특히 전술된 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 구성요소가 보유될 수 있는 구성요소 홀더, 선형 모터 - 상기 선형 모터에 의해 구성요소와 함께 구성요소 홀더가 종방향으로 이동될 수 있도록 보유됨 - , 전기적 용접 전류 공급원을 연결하기 위한 전류 공급원 연결부, 및 자기장을 생성하기 위한 자기장 생성 장치) - 이는 상기 자기장에 의해 가공물과 구성요소 간에 버닝되는 아크에 영향을 미칠 수 있으며 자기장은 종방향에 대해 자기장 각도로 배향되고 축방향 성분 및/또는 반경방향 성분을 가짐 - , 를 포함한다.

이 종류 및 해당 장치의 스터드 용접 방법은 제JP S39-27526호에 개시된다. 이 문헌에는 아크를 통하여 가공물 상에 회전 대칭 스터드 핀을 용접하는 것이 개시되며, 아크는 필드 형성기의 형태이고, 스터드에 대해 동심을 이루어 배열되는 요크(yoke) 및 전기 코일을 갖는 자기장 생성 장치에 의해 영향을 받는다. 스터드와 필드 형성기 내의 환형 개구 상이에 공기 간격이 형성되며, 자기장은 상기 공기 간격 내의 아크에 영향을 미친다. 이 경우에, 필드 형성기는 자기장 벡터가 종방향 축에 대해 비스듬히 배향되고 이에 따라 자기장의 반경방향 및 축방향 성분이 아크에 작용하도록 형성된다. 아크는 반경방향 성분에 의해 회전한다. 아크는 축방향 성분에 의해 수렴하도록 구성된다.

유사한 방법이 제DE 10 2009 054 365 Al호에 개시된다.

게다가, 제DE 102 53 415 Al호에는 가공물 상에 신장된 용접 표면을 갖는 용접 부품이 개시되고, 자기장 생성기는 신장된 용접 표면을 따라 아크를 전후로 이동시키고, 자기장의 극성은 아크가 면의 단부에 도달될 때 역전된다.

본 명세서에서 언급된 일분 문헌은 구성요소가 예를 들어, 알루미늄과 같은 비-자기 재료로 구성될 때 사용되지 않을 수 있고, 이는 자기 회로가 구성요소에 의해 밀폐되기 때문이다.

본 명세서에서 언급된 유형의 스터드 용접 방법에서, 알루미늄 또는 또 다른 비-자기 재료로 구성되는 구성요소가 해당 가공물 상으로 용접되고, 이는 전술된 방법에서 사용된 직류 대신에 교류를 사용하여 아크를 발생시키는 것으로 공지되었다.

이 배경기술에 대해, 본 발명의 목적은 향상된 스터드 용접 장치 및 향상된 스터드 용접 방법을 특정하는 데 있다.

이 목적은 본 발명에 따른 스터드 용접 방법에 의해 구현되며, 청구항 제1항에 따라서, 자기장 각도는 아크가 지속되는 동안 의도적으로 변화하고, 이는 적어도 아크가 지속되는 동안에 축방향 성분 및/또는 반경방향 성분의 수학 기호에 의해 아크에 동적으로 영향을 미친다.

상기 목적은 또한 본 발명에 따른 장치에 의해 구현되며, 자기장 생성 장치는 종방향에 대해 자기장의 자기장 각도를 변화시키도록 설계되고 이는 적어도 아크가 지속되는 동안에 축방향 성분 및/또는 반경방향 성분의 수학 기호에 의해 아크에 동적으로 영향을 미친다.

본 경우에, 아크의 동적 영향은 아크가 가공물 상으로 구성요소를 용접하는 중에 영향을 받는 것을 의미하며, 이 영향은 포커싱(수렴) 및 디포커싱 및 아크의 회전 방향 모두에 관한 것이다. 이 영향은 또한 아크의 유형 또는 아크 내의 전하 운반체의 유형과 관련될 수 있다.

용어 "자기장 각도"는 본 경우에 하기 방식으로 이해된다. 아크가 영향을 받는 자기장은 균질하지 않기 때문에, 자기장 각도는 아크의 길이에 걸쳐 볼 때 일정하지 않다. 그러나, 각각의 자기장 각도를 형성하는 자기장 강도의 벡터는 바람직하게는 각각 동일한 수학 기호를 갖는 반경방향 및/또는 축방향 성분을 각각 갖는다. 바람직하게는, 개별 벡터의 반경방향 및/또는 축방향 성분의 크기는 상이하다. 특히, 자기장 각도는 중간 자기장 각도를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

용어 "자기장 각도"는 하기와 같이 본 명세서에서 사용되고 이는 일반적인 자기장 각도에 관한 것으로 의도된다.

자기장 각도는 전기적 수단 및/또는 기계적 수단을 사용하여 변화할 수 있다.

본 경우에, 구성요소는 바람직하게는 실질적으로 회전 대칭 구성요소, 예를 들어, 환형 단면을 갖는 너트와 같은 환형 구성요소 또는 원형 단면을 갖는 스터드를 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 구성요소의 용접 표면은 실질적으로 원형 또는 실질적으로 환형일 수 있고, 환형 형상은 연속적일 필요는 없다. 용접 표면의 윤곽은 원형일 필요는 없지만 다각형일 수 있다.

본 발명에 따른 용접 방법은 금속으로 구성된 임의의 유형의 구성요소에 대해 적합할 수 있다. 그러나, 본 경우에 비-자성 또는 다소 자성의 금속, 예를 들어, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 등으로 구성된 구성요소를 이용하여 용접 방법이 사용될 수 있는 것이 특히 중요하다.

아크를 생성하기 위하여 사용되는 전류는 직류일 수 있지만, 바람직하게는 교류이다. 따라서, 본 발명에 따른 용접 방법은 상당히 가변적이고 다양한 매개변수, 바운더리 조건 및 스터드 용접의 공정 구동에 적합해질 수 있다.

아크에 영향을 미치는 자기장은 바람직하게는 아크의 종방향 축에 대해 일반적으로 비스듬히 배향되고, 이에 따라 반경방향 성분 및 축방향 성분을 갖는다.

축방향 성분 및/또는 반경방향 성분의 수학 기호를 변경함에 따라서, 자기장 벡터는 아크의 종방향에 대해 가로방향의 평면에 대해 또는 아크의 종방향에 대해 기울어질 수 있고, 반경방향 성분의 수학 기호, 축방향 성분의 수학 기호 또는 양 성분의 수학 기호가 변화할 수 있다.

이 경우에, 특히 바람직하게는 자기장 각도는 축방향 성분 및/또는 반경방향 성분에서 미러링된다.

또한, 자기장 각도는 180°만큼 회전될 수 있다.

전기 용접 전류가 예를 들어, 직류일 경우에, 아크의 전기 전하 운반체가 반경방향 및/또는 축방향 성분의 수학 기호를 변화시킴으로써 포커싱으로부터 디포커싱으로, 그리고 역으로 영향을 미칠 수 있다.

이 경우에, 포커싱은 바람직하게는 회전 대칭 구성요소의 경우 대칭 구조로 수행되고, 즉 아크는 바람직하게는 전체 주변에 걸쳐서 반경방향의 내측을 향하여(포커싱됨) 또는 반경방향의 외측을 향하여(디포커싱됨) 유도된다. 포커싱 및 디포커싱은 아크를 형성하는 전하 운반체 내에서 전하의 유형에 따른다. 전하 운반체는 이온 및 전자일 수 있다. 이온은 포지티브하게 충전된 입자이다. 전자는 네거티브하게 충전되고, 재료 알루미늄 내의 이온에 비해 500,000 지수(factor)만큼 낮은 매스를 갖는다. 아크는 또한 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금(일반적으로 하기 기술 내용에서 "알루미늄"으로 불림)의 경우 단지 전자를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 아크를 형성하기 위하여 전하 운반체의 유형을 결정하는 것이 중요하다. 이 경우에, 포커싱 또는 디포커싱이 의도된 방식으로 구현될 수 있다. 이는 예를 들어, 전하 운반체가 용융물로부터 직접 또는 산화 층으로부터 빠져나가는 지에 의존된다.

일반적으로, 바람직하게는 용접 알루미늄 구성요소가 적어도 용접 공정의 바운더리 조건을 결정할 때, 아크 전류는 단지 전자만을 포함한다. 이를 위해, 아크 전류의 방향(즉, 상기 아크 전류의 극성) 및 아크 내의 자기장 벡터의 방향(각각의 자기장 각도)가 중요하다. 예를 들어, 축방향 구성요소의 수학 기호가 직류를 이용한 스터드 용접 동안에 변화하는 경우, 전하 운반체의 회전 방향이 유지된다. 그러나, 전하 운반체의 포커싱 및 디포커싱이 매시간 변화함에 따라, 자기장 벡터의 축방향 성분의 수학 기호가 변화한다. 수학 기호의 이 변화는 아크 길이의 변화(용접 중의 높이 변화)에 의해 야기될 수 있다.

자기장 벡터의 반경방향 성분은 전하 운반체의 회전 방향에 영향을 미치고, 이에 따라 또한 상기 전하 운반체의 포커싱 또는 디포커싱을 결정한다.

자기장의 축방향 성분은 아크의 포커싱/디포커싱에 영향을 미친다. 전하 운반체가 양(이온) 또는 음(전자)일 수 있기 때문에, 음의 전하 운반체와 함께 양의 전하 운반체의 포커싱 또는 상반된 구성이 항시 축방향 성분과의 특정 자기장에 대해 구현될 것이다.

교류가 아크를 생성하는 전류로서 사용될 때, 이는 전류의 수학 기호가 적어도 아크 지속 기간(바람직하게는 임의의 전술 세척 단계 배제)에 걸쳐 변화하는 것을 의미하며, 아크에 영향을 미치는 비교적 많은 선택사항이 존재한다.

우선, 용접 전류의 극성이 변화하고 자기장 각도가 일정하게 유지될 때 아크의 회전 방향이 변화한다.

특히 바람직하게는, 아크가 교류에 의해 생성될 때, 교류의 극성은 용접 공정 동안에 적어도 한번 변화하고, 자기장 각도는 극성 변화에 따라 동시에 변화한다.

자기장은 바람직하게는 교류의 극성 변화와 동시에 변화한다.

예를 들어, 자기장 벡터의 반경방향 성분의 수학 기호는 교류를 이용한 스터드 용접 동안에 아크 전류의 극성 변화와 동시에 변화하고, 전하 운반체의 포커싱 또는 디포커싱 및 회전 방향이 유지된다.

둘째로, 교류의 극성 및/또는 자기장 각도에 영향이 미침에 따라 또한 포커싱과 디포커싱 간의 전환 및/또는 회전 방향의 의도적인 역전이 가능하다.

스터드 용접 공정은 우수한 용접 결과를 궁극적으로 구현하기 위하여 이 방식으로 넓은 범위에 걸쳐 영향이 미칠 수 있다.

추가 선호되는 실시 형태에 따라서, 아크는 직류에 의해 생성되고, 자기장 각도는 자기장 생성 장치의 섹션의 위치를 변화시킴으로써 변화한다.

자기장 각도는 자기장 생성 장치의 섹션의 위치를 오프셋 설정하거나 또는 위치를 변화시킴으로써 영향을 받을 수 있다. 이는 바람직하게는 반경방향 평면 또는 상기 평면에 수직인 축을 초과하여 기울어진 자기장 각도에 의해 수행된다. 이 방식으로 평면을 초과하여 또는 종방향 축을 초과하여 기울어짐은 자기장의 반경방향 및/또는 축방향 성분의 수학 기호의 변화를 야기할 수 있다. 즉, 자기장 벡터는 스터드 축을 향하여 또는 이로부터 이격되는 방향으로 기울어진다.

자기장 생성 장치의 섹션은 자기장 공급원, 예를 들어, 영구 자석일 수 있다. 그러나, 자기장 생성 장치의 섹션은 또한 자석 요크(magnet yoke) 또는 필드 생성기(field former)일 수 있다. 자기장 각도가 자기장 생성 장치의 섹션의 위치를 변화시킴으로써 변화하는 경우, 비교적 간단한 기계적 장치가 반경방향 및/또는 축방향 성분의 수학 기호의 변화를 강제할 수 있다.

이 실시 형태에서, 용접 결과는 회전 방향이 동일하게 유지되고 다른 용접 매개변수, 예를 들어 아크 전류에 따라 임의의 횟수로 자기장 각도의 조정된 변화에 의해 최적화될 수 있다.

자기장 생성 장치의 섹션의 위치를 오프셋 설정함으로써 자기장 각도를 변화시킴에 따라 극성 반전의 옵션을 나타내지 않는 자기장 공급원, 예를 들어, 영구 자석을 사용할 수 있다.

이 경우에, 특히 바람직하게는 자기장 생성 장치의 섹션은 종방향으로 평행하게 이동한다.

특히 스터드 용접의 경우에, 다른 구성요소(예를 들어, 스터드의 홀더)에 대해 또한 축방향 이동가능성이 구현되고, 또한 종방향에 대해 평행하게 자기장 생성 장치의 섹션을 구조적으로 비교적 단순하게 이동시킬 수 있다.

전반적으로, 또한 바람직하게는 자기장은 자기장 공급원과 같이 영구 자석을 갖는 자기장 생성 장치에 의해 생성된다. 자기장 생성 장치는 또한 복수의 영구 자석을 가질 수 있다. 종방향에 대해 평행한 배향, 특히 아크의 종방향 축에 대해 동심을 이룬 상태에서 영구 자석을 사용하는 것이 특히 선호된다.

일반적으로, 또한, 예를 들어, 반경방향의 내측을 향하는 자기장 벡터로부터 반경방향의 외측을 향하는 자기장 벡터까지 자기장을 형성하는 자기장 벡터의 방향이 180°만큼 변화할 수 있다.

게다가, 바람직하게는 자기장은 전기 코일을 갖는 자기장 생성 장치에 의해 생성되고, 자기장 각도는 역전된 코일의 극성 또는 변화하는 코일의 스위치-온 상태에 의해 변화한다.

자기장의 반경방향 및 축방향 성분의 수학 기호의 동시 변화는 자기장 공급원으로서 제공되는 전기 코일의 스위치-온 상태를 변화하고(스위치 온 상태에서 스위치 오프 상태로 또는 역으로) 또는 극성을 역전시킴으로써 구현될 수 있다. 그 결과, 예를 들어, 용접 전류 공급원(교류의 경우)의 극성 변화는 회전 방향을 유지시키고, 이 공정에서 예를 들어, 이온의 포커싱으로부터 디포커싱으로, 및 역으로 상쇄될 수 있다. 게다가, 자기장 생성 장치는 또한 영구 자석 및 코일을 가질 수 있고, 상기 코일의 극성은 역전될 수 있다. 또한, 코일을 가질 수 있는 자기장 생성 장치가 구현될 수 있고, 특히 극성이 역전될 수 있으며, 또한 자기장 생성 장치의 섹션의 위치가 기계적으로 변화할 수 있다.

추가 선호되는 실시 형태에서, 아크의 전하 운반체는 자기장의 반경방향 성분을 고려하여 종방향 주위에서 회전 운동을 수행하고, 자기장 각도는 회전 방향이 유지되도록 변화한다.

그 결과, 예를 들어, 변화하는 자기장 각도에 의해 동일하게 유지되는 아크의 회전 방향에 따라 아크에 영향을 미치는 포커싱과 디포커싱 간에 전환이 구현될 수 있다.

대안으로, 전기 용접 전류가 교류일 때 회전 방향이 또한 동일하게 유지될 수 있다. 이 경우에, 용접 전류의 극성 변화 시에, 자기장 각도는 회전 방향이 동일하게 유지되도록 상기 극성 변화와 함께 변화할 수 있다.

게다가, 바람직하게는, 아크의 전하 운반체가 자기장에 따라 포커싱 또는 디포커싱되고, 자기장 각도는 아크 지속 시간에 걸쳐 포커싱 또는 디포커싱이 유지되도록 변화한다.

전술된 바와 같이, 이 실시 형태는 아크의 전하 운반체의 회전 방향이 유지되는 실시 형태와 조합될 수 있다.

대안의 실시 형태에 따라서, 아크의 전하 운반체는 자기장에 따라 포커싱 또는 디포커싱되고, 자기장 각도는 아크 지속 기간에 걸쳐 포커싱 또는 디포커싱이 자기장 각도의 변화에 따라 주기적으로 교번하도록 변화한다.

이 수단의 결과로서, 아크는 구성요소가 용접될 가공물의 표면의 비교적 넓은 영역을 부분적으로 용융시키도록 영향을 미칠 수 있다.

본 발명에 따른 스터드 용접 장치에 있어서, 바람직하게는 자기장 생성 장치는 하나 이상의 전기 코일을 가지며, 자기장 각도를 변화시키기 위하여 이 전기 코일의 극성을 역전시킬 수 있다.

반경방향 및 축방향 성분을 갖는 자기장의 경우에, 코일의 극성을 역전시킴에 따라 자기장의 반경방향 및 축방향 성분이 동시에 변화하고, 이에 따라 예를 들어, 용접 전류 공급원의 극성 변화는 회전 방향을 동일한 방향으로 유지시키고 이 공정에서 예를 들어, 이온의 포커싱으로부터 디포커싱으로 그리고 역으로의 변화를 야기하기 위해 상쇄될 수 있다.

추가 실시 형태에 따라서, 자기장 생성 장치의 하나 이상의 섹션의 위치는 자기장 각도를 변화시키기 위하여 오프셋 설정될 수 있다.

예를 들어, 자기장 생성 장치의 섹션의 위치를 오프셋 설정함에 따라 자기장의 축방향 성분의 수학 기호가 변화하고 이에 따라 아크의 포커싱/디포커싱의 회전 방향에 영향을 미칠 수 있다.

자기장 생성 장치의 섹션은 자기장 공급원일 수 있다. 그러나, 자기장 생성 장치의 섹션은 또한 요크일 수 있고, 이 요크에 의해 공기 간격과 자기장 공급원 간의 자기 회로가 밀폐되며, 아크는 상기 공기 간격 내에서 버닝된다.

특히 선호되는 실시 형태에 따라서, 위치가 오프셋 설정될 수 있는 자기장 생성 장치의 섹션은 용접 공정 중에 아크 주위에 배열되는 마우스피스 또는 구성요소 홀더에 확고히 연결된다.

이 실시 형태에서, 일반적인 유형의 스터드 용접 장치의 경우 스터드 용접 공정을 수행하기 위하여 임의의 경우 구성요소 홀더를 종방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 구성요소 홀더(아크의 길이에 대응)의 리프트는 자기장 각도를 변화시키기 위해 변화할 수 있다.

스터드 용접 방법의 선호되는 변형예에서, 마우스피스가 추가로 제공되고, 상기 마우스피스는 외측으로부터의 영향(보호 가스 커버의 간섭 또는 블로잉 효과(blowing effect))을 줄이기 위해 용접 공정 중에 아크 주위에 배열된다. 이 실시 형태에서, 위치가 오프셋 설정될 수 있는 자기장 생성 장치의 섹션이 또한 마우스피스에 결합될 수 있다.

전반적으로, 또한 바람직하게는 자기장 생성 장치는 영구 자석을 갖는다.

이 실시 형태는 스터드 용접 장치 또는 스터드 용접 방법에 따라 자기장 각도가 아크 지속 기간에 걸쳐 변화하는지를 고려하지 않고 개별 발명인 것으로 여겨진다.

반면, 코일이 종래 기술에서 자기장 공급원으로써 사용되며, 영구 자석의 사용이 상당히 선호된다. 이는 영구 자석이 상당히 작은 설치 공간에서 상당히 더 큰 자속 밀도를 생성하기 때문이며, 특히 영구 자석은 희토(rare earth)로부터 제조된다.

이 실시 형태는 구성요소가 비자성 또는 단지 약간만 자성일 때 선호되며, 이에 따라 영구 자석의 연속적으로 생성되는 자기장이 구성요소에 영향을 미치지 않는다. 알루미늄으로 구성된 구성요소가 이 경우에 특히 선호된다.

추가 선호되는 실시 형태에 따라서, 구성요소는 환형이고, 자기장 생성 장치의 하나 이상의 섹션이 이 구성요소에서 환형 개구 내로 돌출된다.

이 실시 형태에서, 자기장은 구성요소의 환형 용접 표면의 전체 주변에 걸쳐 실질적으로 반경방향 배향(작은 축방향 성분을 포함할 수 있음)으로 설계되며, 이에 따라 아크는 대칭 방향으로 작용할 수 있다. 이 경우에, 자기장은 환형 용접 표면 내측의 반경방향 섹션으로부터 환형 용접 표면 외측의 반경방향 섹션으로 이어지고, 이에 따라 바람직하게는 자기장 생성 장치의 하나 이상의 섹션이 아크 외측에서 반경방향으로 배열된다.

구성요소 내의 환형 개구 내로 돌출되는 자기장 생성 장치의 섹션은 환형 개구를 통하여 연장될 수 있고, 이에 따라 인접한 공기 간격 내의 자기장이 구성요소의 형상에 의해 덜 영향을 받을 수 있다.

이 경우에, 특히 바람직하게는 자기장 생성 장치의 섹션은 구성요소 내의 환형 개구 내로 돌출되거나 또는 영구 자석의 형태로 상기 환형 개구를 통하여 연장된다.

따라서, 축방향 성분 및/또는 반경방향 성분의 수학 기호를 변화시킴으로써 아크 버닝 구역에서 외부로 종방향에 대해 대칭인 자기장의 종방향 축으로부터 이격되는 방향으로 또는 이를 향하여 유도 방식으로 자기장 벡터를 기울어지게 할 수 있다. 그 결과, 전하 운반체의 대칭 포커싱/디포커싱이 아크 내에서 강제될 수 있다. 게다가, 포커싱으로부터 디포커싱으로의 변화는 용접 전류의 극성 변화 시에 방지될 수 있다. 또한, 이러한 극성 변화 시에 회전 방향의 변화가 방지될 수 있다.

영구 자석 및/또는 전자기 코일이 자기장 공급원으로써 사용될 수 있다.

자기장 생성 장치의 반경방향 외부 섹션에 따른 실시 형태는 또한 구성요소가 중실 스터드인 실시 형태에서 선호될 수 있다.

용접 공정 순서는 자기장 생성 장치의 주어진 배열에 따라 이온 유동이 용접 전류의 극성 변화 시에 자기장 생성 장치의 작용 없이 대칭 방향으로 영구 포커싱될 수 있도록 수행될 수 있다.

게다가, 본 발명에 따라, 아크 지속 기간에 걸쳐 용접 전류의 극성 변화와 동시에 또는 조화를 이루어 보호 가스 마우스피스 및/또는 종방향으로 이동될 수 있는 지지 풋이 이동할 수 있으며, 이에 따라 전체 용접 공정에 걸친 극성 벼화 시에 이온 유동이 영구적으로 포커싱될 수 있다.

게다가, 전기 코일 또는 전기 코일들(솔레노이드)의 전류 흐름 방향의 극성이 역전될 수 있으며, 이에 따라 전체 용접 공정에 걸쳐 용접 전류의 극성 변화 시에 이온 유동의 대칭 포커싱이 영구적으로 유지될 수 있다.

또한, 교번 대칭 포커싱/디포커싱에도 불구하고 실질적으로 전자로 구성되는 아크 전류의 경우에 그리고 극성의 빈번한 변화 시에 매우 우수한 용접 결과를 달성하기 위하여 일정한 강도의 단방향 자기장을 사용할 수 있다.

구성요소는 환형 플랜지 또는 통상적인 플랜지를 갖는 스터드일 수 있다. 구성요소는 또한 환형 용접 스터드일 수 있다. 구성요소는 특히 바람직하게는 비-자성 재료, 특히 알루미늄(예를 들어, 아연, 마그네슘, 등과 합금된 알루미늄 합금을 포함함)으로부터 제조된다.

예로서, 또한 다른 비-철 재료를 포함하는 알루미늄의 경우, 산화물 스킨(oxide skin)은 용접 공정 중에 용접 공정에 영향을 미칠 수 있다.

이 산화물 스킨이 구성요소가 최종적으로 하강할 때까지 용접 공정 중에 실질적으로 영향을 받지 않는 상태로 유지되는 경우, 아크가 실질적으로 전자에 의해 형성된다. 이는 본 발명에 따른 적합한 응용 방법에 의해 달성될 수 있다. 게다가, 하기 단점들이 본 발명에 의해 방지될 수 있는데, 우선적으로 블로잉 효과를 차단하기 위하여 과도하게 낮은 상승 높이를 방지할 수 있다. 또한, 과도하게 낮은 상승 높이가 방지될 수 있는데, 이에 따라 단락이 방지될 수 있다.

게다가, 용접 방법은 합금의 구성성분의 증발 온도 초과에서 용융물의 과열을 방지하기 위하여 비교적 긴 용접 시간, 빈번한 극성 변화 및/또는 비교적 낮은 전류를 이용하여 수행될 수 있다. 아크의 형상은 균일하게 둥근 형태 또는 반경방향 위치에 형성되지 않고, 이에 따라 비대칭 용융이 또한 방지될 수 있다.

본 발명은 교류 기술 및 직류 기술에 따라 수행된다. 자기장 각도는 예를 들어, 자기장 생성 장치의 섹션의 위치의 오프셋과 함께 영구 자석에 의해 변화할 수 있다. 대안으로, 전자기 코일이 영구 자석과 함께 사용될 수 있고, 이 경우 예를 들어, 자기장 각도는 코일의 극성을 역전시키거나 또는 코일을 스위치 온 및 스위치 오프시킴으로써 변화할 수 있다. 또한, 2개의 전자기 코일에 의해 자기장을 형성할 수 있다.

일반적으로, 본 발명은 아크의 지속 기간에 걸쳐 자기장 생성 장치의 섹션 및 이의 구성요소의 연속적인 리프팅 운동을 야기할 수 있다. 그러나, 리프팅 운동은 바람직하게는 가공물에 어떠한 단락도 발생되지 않도록 수행된다.

전술된 특징 및 하기에서 설명될 특징들은 각각의 조합뿐만 아니라 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 형태는 도면에 도시되고 하기 기술 내용에서 더 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 예시적인 실시 형태는 도면에 도시되고 하기 기술내용에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스터드 용접 장치의 실시 형태를 통한 도식적 종단면도.
도 2는 본 발명에 따른 스터드 용접 장치의 추가 실시 형태의 도식적 측면도.
도 2a는 도 2의 장치의 자기장 공급원의 극성이 역전될 때의 자기장 벡터를 도시하는 도면.
도 3은 자기장 각도가 변화하고 위치가 오프셋 설정되는 자기장 공급원을 갖는 도 2의 장치를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 스터드 용접 방법의 제1 실시 형태를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 스터드 용접 방법의 제2 실시 형태를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 스터드 용접 장치의 추가 실시 형태를 통한 추가 종단면도.
도 7은 위치가 오프셋 설정되는 영구 자식을 갖는 도 6의 스터드 용접 장치를 도시하는 도면.
도 8은 포커싱된 아크를 나타내는 도면.
도 9는 디포커싱된 아크를 나타내는 도 8에 해당하는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 스터드 용접 장치의 추가 실시 형태에 따른 도식적 종단면도.

도 1에서, 본 발명에 따른 스터드 용접 장치(stud welding apparatus)의 제1 실시 형태가 일반적으로 도면부호(10)로 도시된다. 스터드 용접 장치(10)는 본 경우에 용접 스터드의 형태인 구성요소(12)를 가공물(14)에 접합시키기 위해 제공된다. 보다 구체적으로는, 구성요소(12)는 가공물(14)의 후방 면으로부터 접근가능할 필요 없이 가공물(14)의 표면(16) 상으로 용접된다.

구성요소(12)는 본 경우에 원형 표면의 형태인 용접 표면(13)을 갖는다. 게다가, 용접 표면(13)은 도시된 바와 같이 다소 원뿔형으로 테이퍼지도록 설계될 수 있다. 구성요소(12)는 회전 대칭구조이며, 가공물(14)은 예를 들어, 금속 시트, 등일 수 있다.

스터드 용접 장치(10)는 또한 용접 공정 중에 구성요소(12)가 고정되는 도식적으로 도시된 구성요소 홀더(18)를 포함한다. 구성요소 홀더(18)는 도면부호(20)로 도시된 바와 같이 선형 모터(20)(예를 들어, 전기식 선형 모터)에 의해 전후로 이동될 수 있다. 구성요소 홀더(18)는 구성요소(12)의 종방향 축(21)에 대해 평행하게 이동하며, 상기 종방향 축은 추가로 스터드 용접 공정의 종방향 또는 종방향 축을 형성한다.

스터드 용접 장치(10)는 또한 전류 공급원(22)을 포함하고, 이 전류 공급원에 의해 가공물(14)과 구성요소(12) 사이에 전압이 인가될 수 있으며, 그 결과 전기 용접 전류(I)가 흐를 수 있다.

스터드 용접 방법은 도시된 스터드 용접 장치(10)에 의해 수행될 수 있으며, 상기 스터드 용접 방법은 하기 단계:

구성요소 홀더(18)를 이동시킴으로써 가공물(14)의 표면 상으로 구성요소(12)를 초기에 하강시키는 단계를 포함하고, 이에 따라 구성요소(12)의 높이(H)는 0이 된다. 그 뒤에, 전류 공급원(22)을 스위치 온하고, 이에 따라 전류가 가공물(14)과 구성요소(12) 사이에서 흐른다. 구성요소(12)를 그 뒤에 표면(16)으로부터 들어올리며, 이에 따라 아크가 충돌하며(strike), 상기 아크는 도 1에서의 복수의 평행 화살표로 도식적으로 도시된다. 화살표의 방향은 전류(I)의 방향에 의존된다.

용접 표면(13)과 가공물(14)의 표면(16)의 마주보는 섹션이 부분적으로 용융되자마자, 구성요소(12)는 재차 가공물(14) 상으로 하강된다. 이는 전기적 단락을 야기하며, 전류 공급원(22)은 스위치 오프된다. 전체 용융물은 응고되며, 이에 따라 구성요소(12)가 가공물(14)에 점착력 있게 연결된다.

아크를 유도하기 위해 자기장 생성 장치(26)가 제공되며, 상기 자기장 생성 장치는 도 1에 도식적으로 도시된다. 자기장 생성 장치(26)는 자기장을 아크(24)의 하나 이상의 섹션에 커플링하도록 설계된다. 자기장 생성 장치에 의해 생성되는 자기장(27)은 바람직하게는 종방향 축(21)에 대해 대칭을 이룬다.

자기장(27)은 균질하지만 또한 비-균질할 수 있다. 뒤이은 기술 내용에서, 비-균질 자기장은 또한 중간 총 자기장 벡터(B_G)를 형성한다. 총 자기장 벡터(BG)는 반경방향 성분(B_R) 및 축방향 성분(B_A)으로 구성된다.

반경방향 성분(BR)은 아크 축에 대해 평행하게 이동되는 아크(24)의 전하 운반체에 대해 로렌츠 힘(Lorentz force)을 생성하고, 상기 로렌츠 힘은 전하 운반자와 이에 따라 형성된 아크(24)가 회전하도록 지향된다. 회전 방향은 스터드의 음극에 대해 도 1에서 D로 도식적으로 도시된다.

축방향 성분(BA)은 종방향 축(21)에 대해 평행하게 이동하지 않는 전하 운반체의 힘의 작용에 의해 아크(24)의 수렴 또는 발산을 야기할 수 있다. 총 자기장 벡터(B_G)는 종방향 축(21)과의 자기장 각도(28)를 형성한다. 자기장 각도(28)가 0일 때, 자기장은 단지 축방향 성분으로 구성된다. 자기장 각도(28)가 90°일 때, 자기장은 단지 반경방향 성분을 갖는다. 반경방향 성분(B_R)과 축방향 성분(B_A)은 도시된 바와 같이 지향될 수 있으며, 즉 반경방향 내부 또는 축방향 하부를 향하지만 또한 각각 상반된 방향을 나타낼 수 있다.

자기장 생성 장치(26)는 구성요소(12)가 자기 회로의 구성 부분이 아니도록 형성된다. 구성요소(12)는 비철 금속, 특히, 바람직하게는 예컨대, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 등과 같이 비자화 또는 비자성 또는 다소 일부만 자화 또는 자성인 재료로부터 제조된다.

구성요소(12)는 바람직하게는 회전 대칭구조이고, 도시된 바와 같이 스터드의 형태일 수 있지만 또한 용접 표면(13)이 원형이 아니라 환형인 환형 요소일 수 있다. 이 경우에, 자기장 형성 장치(26)의 일부는 또한 자기장 형성 장치(26)의 반경방향의 외부 섹션과 자기장 생성 장치(26)의 반경방향 내부 섹션 사이에 자기장을 형성하도록 구성요소(12) 내에서 반경방향으로 위치될 수 있다(도 7).

일 실시 형태에서, 일정한 자기장 각도(28)가 자기장 생성 장치(26)에 의해 형성된다. 게다가, 전류 공급원(22)은 이 실시 형태에서 교류 공급원의 형태이다. 이 경우에, 회전 방향은 용접 공정 중에 전류 공급원(22)의 극성이 변화하도록 매번 역전된다. 그럼에도 불구하고, 아크 전류의 완벽한 360° 회전을 달성하기 위하여, 교류(I)의 주파수는 이 경우에 호(24) 내에서 전하 운반체의 속도에 의존된다.

그러나, 특히 바람직하게는 자기장 생성 장치(26)는 자기장 각도(28)를 변화시키도록 설계된다. 이는 전기 방식 또는 기계적 수단을 사용하여 수행될 수 있다.

전체 자기장 벡터(BG)의 자기장 각도(28)가 반경방향 평면을 넘어서 또는 종방향을 넘어서 회전할 때, 자기장 각도의 크기는 바람직하게는 단지 변화하고, 반경방향 성분(B_R) 및/또는 축방향 성분(B_A)의 수학 기호(mathematical sign)는 변화한다. 그 결과, 심지어 교류 공급원(22)의 극성이 극성 변화에 따라 동시에 변화하는 자기장 각도(28)에 의해 변화할지라도 회전 방향(D)을 일정하게 변화시킬 수 있다. 게다가, 아크(24)의 전하 운반체의 포커싱 및 디포커싱은 자기장 각도(28)를 변화시킴으로써 영향을 받을 수 있으며, 이 공정에서 특히 알루미늄 구성요소(12)의 경우 아크(24)는 이온과 전자 또는 주요하게는 단지 전자만을 포함할 수 있다. 따라서, 자기장 각도(28)를 변화시킴으로써 상기 아크의 회전 방향 및/또는 아크(24)의 포커싱/디포커싱에 영향을 미칠 수 있도록 주요하게 아크(24)를 형성하는 유형의 전하 운반자가 알려졌다.

추가 도 2 내지 도 10에는 작동 방식과 설계에 관해 도 1의 스터드 용접 장치(10)에 일반적으로 상응하는 스터드 용접 장치의 추가 실시 형태가 도시된다. 이에 따라 동일한 요소는 동일한 도면부호로 식별된다. 필수적으로, 하기에서는 이의 차이가 설명될 것이다.

도 2 및 도 3에는 스터드 용접 장치(10')의 제1 실시 형태가 도시되며, 여기서 자기장 생성 장치(26')가 구성요소(12) 주위에서 회전 대칭 방식으로 축방향 배향에 따라 자기장 공급원에 의해 형성된다. 이는 가공물(14)과 구성요소(12) 사이의 아크(24)의 영역에서 축방향 성분(B_A)과 반경방향 성분(B_R)을 갖는 자기장(27)을 형성하고, 이에 따라 총 자기장 벡터(B_G)가 형성되며, 상기 총 자기장 벡터는 도 2에서 종방향 축(21)으로부터 하향 기울어지도록 유도된다. 총 자기장 벡터(BG)는 도 2에서 도면부호(30)로 도식적으로 도시된 바와 같이 자기장 공급원(26')의 극성을 역전시킴으로써 180° 회전할 수 있고, 이에 따라 반경방향 성분(BR)과 축방향 성분(BA) 둘 모두의 수학 기호가 변화한다. 이는 도 2a에 도시된다. 이 경우에, 자기장 각도(28)의 크기는 일정하지만 자기장 각도(28)의 수학 기호는 변화한다. 예를 들어, 양의 자기장 각도(28)가 도 2에 도시되며, 음의 자기장 각도(28)는 도 2a에 도시된다.

자기장 공급원의 극성은 예를 들어, 자기장 공급원이 전기 코일에 의해 형성될 때 전기식 방식으로 역전될 수 있다. 그러나, 또한 일반적으로 자기장 공급원을 기계적으로 회전시킬 수 있다.

도 3에는 자기장 공급원(26')이 회전되지 않지만 상기 자기장 공급원의 위치가 종방향 축(21)에 대해 평행하게 오프셋 설정되는 추가 실시 형태가 도시된다. 이는 축방향 성분(B_A)의 수학 기호가 도 2에 비해 동일하게 유지되지만 반경방향 성분(B_R)의 수학 기호가 도 2에 비해 변화하는 방식으로 자기장 각도(28)를 변화시킨다. 자기장 생성 장치(26) 또는 자기장 생성 장치의 섹션은 위치 오프셋 장치(32)에 의해 종방향 축(21)에 대해 평행하게 축방향으로 이동할 수 있다.

도 2에는 구성요소(2)로부터 가공물(14)로 흐르는 음의 용접 전류(I)가 도시된다. 도 3에는 용접 전류(I)의 극성이 변화하는 것을 도시한다. 그 결과, 용접 전류(I)의 극성 변화는 총 자기장 벡터(B_G)의 하나 이상의 성분(B_R)의 수학 기호의 변화에 의해 수행되고, 아크(24)의 전하 운반체의 포커싱 또는 디포커싱과 회전 방향(D) 모두는 용접 공정 중에 동일하게 유지될 수 있다. 도 2 및 도 3에는 자기장(27)이 구성요소(12)를 통하여 연장될 수 있는 것을 도시한다. 비-자성 구성요소의 경우, 자기장(28)은 또한 구성요소(12)의 외부 주변 외측을 따라 이어질 수 있고, 구성요소(12)의 하부 면에서 아크(24)의 영역 내로 편향될 수 있다.

도 2 및 도 3은 전체 용접 공정에 걸쳐서 아크 내의 전하 운반체의 포커싱 또는 디포커싱과 회전 방향을 일정하기 유지시키기 위하여 접합 구역에서의 아크 전류의 극성 변화에 따라 동시에 자기장 벡터가 어떻게 변화하는지를 도시하기 위해 제공된다.

도 2 및 도 3의 스터드 용접 장치는 또한 도 4에 도시된 바와 같이 스터드 용접 방법을 이용한다. 도 4에서, 용접 전류(I), 아크(24)의 회전 방향(D), 총 자기장 벡터의 반경방향 성분(B_R) 및 상기 총 자기장 벡터의 축방향 성분(B_A)이 시간에 따라 도표로 나타내진다.

이 경우에, 도 4에는 용접 전류(I)가 스위치 온된 후에 구성요소(12)가 가공물(14)로부터 들어올려지는 시간(tx)으로부터 개시되는 공정이 도시된다. 이 때, 작은 사전용접 전류는 시간(t2)까지 초기에 흐르고, 상기 사전용접 전류는 시간 t2 내지 시간 t3까지 양의 용접 전류(I)로 변환된다. 시간(t3)에서 극성 변화가 있으며, 음의 용접 전류(I)는 시간(t3)에서 시간(t4)까지 흐른다.

자기장 생성 장치는 시간(t3)에서 자기장의 반경방향 성분(BR)의 수학 기호를 변화시키고, 반면 축방향 성분(BA)은 t1 로부터 t4까지의 전체 기간에 걸쳐 수학 기호를 유지시킨다. 이는 예를 들어, 도 2의 도시로부터 도 3의 도시로 총 자기장 벡터의 변화에 해당한다.

이에 따라, 용접 전류의 극성 변화에도 불구하고 아크 내의 전하 운반체의 포커싱 및 디포커싱 및 회전 방향(D)이 t1로부터 t4까지의 전체 기간에 걸쳐 일정하게 유지된다. 시간(t4)에서 구성요소(12)는 가공물(14) 상으로 하강하고, 이에 따라 단락이 야기된다. 용접 공정은 이에 따라 종료된다.

도 5에는 스터드 용접 공정의 대안의 실시 형태가 도시된다. 도 5에서, 용접 전류(I), 구성요소(12)의 높이(H), 아크의 회전 방향(D) 및 축방향 성분(B_A)과 반경방향 성분(B_R)이 시간에 따라 도표로 나타내진다.

도 4의 경우에 공정이 시간(t1)에서 시작된다. 작은 사전용접 전류는 시간(t2)까지 흐르고, 상기 사전용접 전류는 그 뒤에 시간(t2)으로부터 시간(t4)까지 지속적으로 음의 용접 전류를 조절한다. 도 4와는 대조적으로, 도 5에 따른 방법은 이에 따라 용접 전류와 같이 직류를 이용하여 수행된다.

도 5의 실시 형태에서, 자기장 생성 장치(26)는 상기 자기장 생성 장치의 하나 이상의 섹션이 구성요소와 평행한 축방향으로 이동하도록 작동되고, 구성요소의 높이(H)는 시간(t3)에서 일정한 용접 전류에 따라 변화한다. 이 실시 형태에서, 자기장 생성 장치(26)는 높이(H)를 변화시킴으로써 축방향 성분(BA)의 수학 기호를 변화시키도록 설계된다. 그러나, 반경방향 성분(BR)의 수학 기호는 전체 기간(t1 내지 t4)에 걸쳐 일정하게 유지되며, 이에 따라 하기에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 높이(H)의 변화에 의해 시간(t3)에서 포커싱된 호로부터 디포커싱된 호(24)로 변환이 야기된다. 회전 방향은 이 실시 형태에서 변화하지 않고 이는 반경방향 성분(B_R)이 일정하게 유지되기 때문이다.

도 6 및 도 7에는 본 발명에 따른 스터드 용접 장치(10")의 추가 실시 형태가 도시되며, 상기 스터드 용접 장치는 특히 도 5의 방법을 수행하도록 설계된다. 도 6 및 도 7에 도시된 스터드 용접 장치(10")의 경우에, 환형 구성요소(12")가 가공물 표면(16) 상으로 용접된다. 구성요소(12")는 예를 들어, 용접 너트의 형태일 수 있고, 환형 용접 표면(13")을 갖는다.

자기장 생성 장치(26")는 종방향 축(21)에 대해 동심으로 배열되는 막대 자석의 형태인 영구 자석(36)을 갖는다. 보다 구체적으로는, 영구 자석(36)의 적어도 일부가 구성요소(12") 내의 환형 개구를 통하여 연장된다. 도 6에는 또한 마우스피스(34)(예를 들어, 보호 가스를 공급함)가 호 주위에서 반경방향의 외측을 향해 배열된다.

자기장 생성 장치(26")는 또한 영구 자석(36)의 상부 단부에 연결되고, 자화 재료로부터 제조되는 제1 요크 요소(yoke element, 38)를 갖는다. 제1 요크 요소(38)는 제1 절연 섹션(40)에 매립된다.

자기장 생성 장치(26")는 또한 마우스피스(34) 내에 통합되는 제2 요크 요소(42)를 포함한다. 제2 요크 요소(42)는 아크 영역을 향하여 반경방향으로 연장되는 돌출부를 가지며 필드 형성기(field former)의 형태이다. 제2 요크 요소(42)는 제2 절연 섹션(44)에 의해 반경방향의 내측을 향하여 자기적으로 절연된다. 제2 절연 섹션(44)은 반경방향 돌출부의 영역에서 파열될 수 있다(breach).

제1 요크 요소(38)와 제2 요크 요소(42)는 서로 자기적으로 결합되고, 이에 따라 자기 회로가 형성되며, 상기 자기 회로는 막대 자석(36)의 하부 단부와 제2 요크 요소(필드 형성기)(42)의 돌출부 사이에 공기 간격을 갖는다.

도 6에는 또한 환형 용접 표면(13")와 가공물(14)의 표면(16) 사이에서 아크의 축(46)이 종방향 축(21)에 대해 평행하게 오프셋 설정되는 것이 도시된다. 자기 회로의 공기 간격이 이 영역을 통하여 연장된다. 이 경우, 상향 축방향 성분(B_A)과 내측을 향하는 반경방향 성분(B_R)을 갖는 자기장이 예시로서 형성되고, 그 결과 비스듬히 상부를 향하는 총 자기장 벡터(B_G)가 형성된다.

영구 자석(36) 및 가능한 제1 요크 요소(38)는 구성요소 홀더(18")에 고정되게 결합된다. 높이(H)가 감소되도록 구성요소 홀더(18")를 이동시킴으로써, 공기 간격 내의 자기장(27)은 축방향 성분(B_A)의 수학 기호가 변화하고 이에 따라 자기장 벡터(B_G)가 하향으로 반경방향으로 기울어지도록 변화한다(도 7).

그 결과, 자기장 각도(28)는 도 6 및 도 7을 비교함으로써 도시된 바와 같이 변화할 수 있다. 따라서, 방법은 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 높이(H)를 변화시킴으로써 수행될 수 있다.

이에 대한 대안으로, 교류가 도 4에 도시된 바와 같이 용접 전류로서 사용된다. 이 경우에, 축방향 성분(B_A)의 수학 기호의 변화는 회전 방향(D)이 용접 전류의 극성 변화 시에 일정하게 유지되는 것을 보장하기 위하여 사용될 수 있다. 이에 대한 대안으로, 축방향 성분(B_A)의 수학 기호의 이 변화는 아크의 포커싱과 디포커싱 간에 변환을 야기할 수 있다.

포커싱된 아크(24)는 도 8에 도시되고, 아크(24)의 방향은 상기 포커싱된 아크의 경우에 아크 축(46)에 대해 반경방향의 내측을 향한다. 디포커싱이 도 9에 도시되고, 아크의 방향은 상기 디포커싱의 경우 아크 축(46)에 대해 반경방향의 외측을 향한다.

가공물(14)의 표면(16)의 부분적으로 용융된 섹션의 크기는 포커싱된 아크와 디포커싱된 아크 간의 변환에 의해 증가될 수 있다. 또한, 아크가 용접 표면(13') 및 마주보는 표면(16)의 반경방향 내부 영역만을 주로 용융시키는 것이 방지될 수 있다.

도 10에는 본 발명에 따른 스터드 용접 장치(10"')의 추가 실시 형태가 도시되며, 상기 스터드 용접 장치는 도 2 및 도 3에 도식적으로 도시된 아크에 영향을 미치는 선호되는 해결 방법을 나타낸다. 스터드 용접 장치(10"')는 제2 코일(52) 및 제1 코일(50)(또는 영구 자석)을 갖는 자기장 생성 장치(26"')를 갖는다. 제1 코일(50)은 축방향으로 볼 때 상부에 배열되고, 제2 코일(52)은 축방향으로 볼 때 하부에 배열되며, 특히 바람직하게는 마우스피스(34) 또는 지지 풋(34)의 외측에 배열된다.

이 실시 형태에서, 구성요소(12)는 재차 대략 원형의 용접 표면(13)을 갖는 스터드이다.

제1 코일(50)은 접합 구역에서 요크 요소(42", 34)를 가로질러 자기장을 생성하고, 상기 자기장은 도 2에 도시된 바와 같이 자기장 벡터(B_G)를 가지며, 상기 자기장 벡터의 축방향 성분(BA)은 가공물(14)을 향하여 지향되고, 상기 자기장 벡터의 반경방향 성분(B_R)은 아크의 종방향 축(21)을 향하여 지향된다. 제1 코일은 스위치 오프되고, 제2 코일(52)은 용접 전류의 극성이 변화할 때 스위치 온된다. 이는 접합 구역에서 요크 요소(42"', 34)를 가로질러 자기장을 형성하고, 반경방향 성분(BR)의 방향은 상기 자기장 내에서 180° 변화한다(상기 반경방향 성분의 수학 기호가 변화함). 이는 아크 내에서 전하 운반체의 포커싱 및 회전 방향이 용접 전류의 극성이 변화할 때 변화하지 않는다.

이 효과는 또한 영구 자석으로 교체되는 제1 코일(50)에 의해 구현될 수 있다. 제2 코일(52)은 접합 구역에서 영구 자석에 의해 생성된 반경방향 성분의 작용 방향이 180° 회전할 수 있도록 강하게 접합 구역에서 반경방향 성분(B_R)을 형성하는 기능을 갖는다. 그러나, 그 결과 도 10의 자기 회로의 기하학적 및 자기 설계가 다소 상이해질 수 있다.

도 10에 도시된 실시 형태의 이점은, 전하 운반체가 아크를 형성하는 것을 고려하지 않고, 스패터(spatter) 없이 스터드 용접이 가능하며 가공물이 일 측면으로부터만 액세스가능할 때 넓은 표면적의 가공물 상에서 스터드 용접이 가능하다.

도 10에는 특정 치수, 특히 용접 표면 직경(54), 종방향 축(21)과 제2 코일(52) 사이의 반경방향 거리(56), 위치 오프셋 장치(32"')의 위치에 의해 축방향으로 오프셋 설정될 수 있는 요크 요소(42"')의 높이(58), 제1 코일(50)의 축방향 높이(60) 및 구성요소(12)의 외측 주변과 필드 형성기(42"') 사이의 반경방향 거리(62)가 또한 도시된다.

상기 치수는 다음과 같이 연계될 수 있다. 높이(H)는 예를 들어, 직경(54)보다 작고, 특히 직경(54)의 절반보다 작다. 추가 높이(58)는 예를 들어, 높이(H)보다 클 수 있고, 특히 높이(H)의 2배이다. 제2 코일(52)은 용접 공정 중에 최대 높이(H)와 대략 동일한 높이에 배열될 수 있다. 제1 코일(50)의 높이(60)는 최대 높이(H)의 적어도 3배, 최대 높이(H)의 많아야 대략 5배이다.

반경방향 거리(62)는 바람직하게는 용접 표면 직경(54)의 절반이다. 반경방향 거리(56)는 바람직하게는 용접 표면 직경(54)의 대략 2배이다.

아크(24)에 영향을 미치는 높은 수준의 가변성(variability)은 바람직하게는 각각 스위치 온 및 오프될 수 있는 2개의 코일(50, 52)을 제공함으로써 달성될 수 있고, 추가로 바람직하게는 상기 코일 각각의 극성이 전환될 수 있다.

종방향 축(21)에 대해 대칭 구조로 포커싱되는 이온 및 종방향 축(21)에 대해 대칭구조로 디포커싱되는 전자를 갖는 아크 전류는 이 유형의 2개의 코일, 예를 들어, 구체적으로는 용접 전류 충전의 극성 및 전체 용접 공정에 걸친 이의 방향에 따라 생성될 수 있다.

이온의 포커싱은 이 경우에 용접 스패터를 방지할 수 있다. 바람직하게는, 이는 예를 들어, 구체적으로는 용접 전류(I)의 극성 변화와 동시에 교대로 스위치 온 및 스위치 오프되는 코일(50, 52)에 의해 달성된다. 유사한 방법이 또한 자기장 생성 장치(26)가 단지 하나의 영구 자석(36)을 가지며(도 6 및 도 7), 높이(H)가 용접 전류의 극성 변화와 동시에 변화할 때 달성될 수 있다.

Claims (18)

1. 가공물(14)의 표면(16)에 구성요소(12)를 용접하기 위한 스터드 용접 방법으로서,
   전류(I)를 스위치 온하고 가공물(14)의 표면(16) 상으로 구성요소(12)를 하강시키는 단계;
   가공물(14)로부터 구성요소(12)를 들어올리는 단계 - 그 결과 실질적으로 종방향(21)으로 배향되는 아크가 충돌하고, 자기장(27)을 사용하는 아크(24)에 영향을 미치고 자기장(27)은 반경방향 성분(B_R) 및/또는 축방향 성분(B_A)을 가지며 종방향(21)에 대해 일반 자기장 각도(28)로 배향됨 - ; 및
   용접 연결을 형성하기 위하여 가공물(14) 상으로 구성요소(12)를 하강시키는 단계를 포함하고,
   일반 자기장 각도(28)는 아크 지속 기간에 걸쳐 적어도 한 번 변화하는 반경방향 및/또는 축방향 성분(B_R, B_A)의 수학 기호에 의해 아크(24)에 동적으로 영향을 미치도록 아크 지속 기간에 걸쳐 변화하는, 가공물(14)의 표면(16)에 구성요소(12)를 용접하기 위한 스터드 용접 방법에 있어서,
   아크(24)의 전하 운반체는 자기장에 따라 포커싱 또는 디포커싱되고, 자기장 각도(28)는 포커싱 또는 디포커싱이 아크 지속 기간에 걸쳐서 유지되거나 또는 아크 지속 기간에 걸쳐 자기장 각도(28)의 변화에 따라 주기적으로 교번하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
2. 제1항에 있어서, 일반 자기장 각도(28)는 반경방향 및/또는 축방향 성분(B_R, B_A)으로 미러링되는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 일반 자기장 각도는 180°만큼 회전하는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 아크(24)는 교류 전류(I)에 의해 생성되고, 이 교류 전류의 극성은 적어도 한 번 용접 공정 동안에 변화하고, 일반 자기장 각도(28)는 극성 변화에 따라 동시에 변화하는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 아크(24)는 직류(I)에 의해 생성되고, 일반 자기장 각도(28)는 자기장 생성 장치(26)의 섹션의 위치를 변화시킴으로써 변화되는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
6. 제5항에 있어서, 자기장 생성 장치(26)의 섹션은 종방향에 대해 평행하게 이동되는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자기장은 영구 자석을 갖는 자기장 생성 장치에 의해 생성되는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자기장은 전기 코일을 갖는 자기장 생성 장치에 의해 생성되며, 일반 자기장 각도는 변경되는 코일의 스위치-온 상태 또는 역전되는 코일의 극성에 의해 변화되는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 아크(24)의 전하 운반체는 자기장(27)의 반경방향 성분(B_R)을 고려하여 종방향으로 회전운동을 수행하고, 일반 자기장 각도는 회전 방향이 유지되도록 변화하는, 가공물의 표면에 구성요소를 용접하기 위한 스터드 용접 방법.
10. 가공물(14) 상으로 구성요소(12)를 스터드 용접하기 위한 장치(10)로서,
    구성요소(12)가 보유될 수 있는 구성요소 홀더(18),
    선형 모터(20) - 상기 선형 모터에 의해 구성요소(12)와 함께 구성요소 홀더(18)가 종방향(21)으로 이동될 수 있도록 보유됨 - ,
    전기적 용접 전류 공급원(22)을 연결하기 위한 전류 공급원 연결부, 및
    자기장(27)을 생성하기 위한 자기장 생성 장치(26) - 상기 자기장에 의해 가공물(14)과 구성요소(12) 간에 버닝되는 아크(24)에 영향을 미칠 수 있으며, 자기장(27)은 종방향(21)에 대해 일반 자기장 각도로 배향되고, 축방향 성분(B_A) 및/또는 반경방향 성분(B_R)을 가짐 - , 를 포함하고,
    자기장 생성 장치(26)는 아크 지속 기간에 걸쳐 적어도 한 번 변화하는 반경방향 및/또는 축방향 성분(B_R, B_A)의 수학 기호에 의해 아크(24)에 동적으로 영향을 미치도록 종방향(21)에 대해 자기장(27)의 일반 자기장 각도(28)를 변화시키도록 설계되고,
    아크(24)의 전하 운반체는 자기장에 따라 포커싱 또는 디포커싱되고, 자기장 각도(28)는 포커싱 또는 디포커싱이 아크 지속 기간에 걸쳐서 유지되거나 또는 아크 지속 기간에 걸쳐 자기장 각도(28)의 변화에 따라 주기적으로 교번하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
11. 제10항에 있어서, 자기장 생성 장치(26)는 하나 이상의 전기 코일(50, 52)을 가지며, 자기장 각도(28)를 변화시키기 위해 전기 코일의 극성을 역전시킬 수 있는, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 자기장 생성 장치(26)의 하나 이상의 섹션의 위치는 자기장 각도(28)를 변화시키기 위해 오프셋 설정될 수 있는, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
13. 제12항에 있어서, 위치가 오프셋 설정될 수 있는 자기장 생성 장치(26)의 섹션은 용접 공정 동안에 아크(24) 주위에 배열되는 마우스피스(34) 또는 구성요소 홀더(18)에 고정되게 연결되는, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 자기장 생성 장치(26)는 영구 자석(36)을 갖는, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
15. 제10항 또는 제11항에 있어서, 구성요소(12)는 환형이고, 자기장 생성 장치(26)의 하나 이상의 섹션이 구성요소(12) 내의 환형 개구 내로 돌출되는, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
16. 제10항 또는 제11항에 있어서, 자기장 생성 장치(26)의 하나 이상의 섹션이 아크(24)의 외측에서 반경방향으로 배열되는, 가공물 상으로 구성요소를 스터드 용접하기 위한 장치.
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