KR102208474B1 - Tig 용접 장치 및 tig 용접 방법 - Google Patents

Tig 용접 장치 및 tig 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 TIG 용접 장치는, 직류식의 용접 전원회로, 제어 회로 및 각종 구동 회로 등을 내장한 유닛 형태의 장치 본체(10)와, 이 장치 본체(10)로부터의 용력의 공급과 제어 하에서 전기부품 지지체(S) 상의 모재의 피용접부에 터치 스타트 방식으로 TIG 용접을 시행하는 용접 헤드(12)를 포함하되, 용접 헤드(12)에 있어서는, 승강 타워(30)의 승강 구동부에 승강 지지축(32)을 개재해서 직진구동부재(34)가 결합되고, 이 직진구동부재(34)에 토치(22) 및 클램프 전극(24)이 연직방향으로 일체로 이동 가능하면서도 분리 가능하게 부착되어 있다. 2개의 부재(모재)를 클램프로 유지해서 행해지는 아크 용접을 고품질로 그리고 안정적으로 행할 수 있도록 한다.

Description

TIG 용접 장치 및 TIG 용접 방법{TIG WELDING DEVICE AND TIG WELDING METHOD}
본 발명은, 서로 맞댄 2개의 부재를 클램프로 유지하면서 용접하는 TIG 용접 장치 및 TIG 용접 방법에 관한 것이다.
전기 회로는, 전기의 공급원으로 되는 전원이나 전기를 이용해서 일정한 기능을 하는 전기부품 등을 배선으로 접속해서 구성되어 있고, 전기 회로의 구축에는 배선 접속 또는 결선의 작업이 반드시 필요하게 된다. 일반적으로, 이산적인 단자 부재끼리의 용접에는, 전기의 방전 현상(아크 방전)을 이용하는 아크 용접법이 많이 이용되고 있다. 특히, 전기 회로를 구성하는 단자 부재의 용접에는, 비소모형의 토치 전극(텅스텐 전극봉)을 사용하는 TIG 용접법이 많이 이용되고 있다.
종래부터, 로봇 등의 자동작업기계에 탑재되는 TIG 용접 장치는, 한쪽의 전극을 구성하는 토치 전극과 다른 쪽의 전극을 겸하는 고정 지그, 예를 들어, 클램프(clamp)(「척」(chuck)라고도 지칭됨)를 동일 또는 공통인 로봇팔 선단부에 부착하고, 클램프에 의해 2개의 단자 부재(모재)의 피용접부를 조이면서, 토치 전극의 선단을 피용접부에 접근시켜서 두 전극(토치 전극과 클램프) 간에 전압을 인가해서, 토치 전극과 피용접부 사이에서 아크를 생성하여, 아크의 열로 피용접부를 녹이도록 하고 있다.
이 경우, 토치 전극과 클램프는 로봇팔 상에서 항상 일정한 위치 관계에 있으므로, 다수의 가공부품(work) 또는 피용접부에 대하여 클램프 조임 위치 및 토치 전극 접근 위치(아크 방전 위치)를 일정하게 관리할 수 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).
JP 2010-82674 A
그러나, 전술한 바와 같이 토치 전극과 클램프가 항상 일정한 위치 관계에 있는 종래의 TIG 용접 장치에 있어서는, 토치 전극과 피용접부 사이에서 아크를 안정적으로 발생시키는 것이 어렵고, 경우에 따라서는 토치 전극과 클램프 사이에서 아크가 발생해서 클램프를 용융 또는 태워서 망가뜨리는 일이 있다.
이러한 아크의 원치 않는 비화(飛火)는, 클램프를 토치 전극으로부터 충분히 먼 위치에 배치함으로써, 일단 회피할 수 있다. 그러나, 클램프가 피용접부를 조이는 위치를 토치 전극으로부터 멀리 떨어지게 하면, 피용접부의 선단부 부근에서 밀착성이 보증되지 않게 되고, 즉, 클램프의 기능을 약화시킬 수 있는 결과, 목적으로 하는 아크 용접 품질이 얻어지지 않게 된다.
본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안해서 이루어진 것으로, 서로 맞댄 2개의 부재(모재)를 클램프로 유지해서 실시되는 아크 용접을 고품질로 그리고 안정적으로 행할 수 있도록 한 TIG 용접 장치 및 TIG 용접 방법을 제공한다.
본 발명의 TIG 용접 장치는, 모재로서의 제1 및 제2 단자 부재를 피용접부에서 밀착시켜서 유지가능한 클램프 전극과, 토치 전극을 착탈 가능하게 장착해서 유지하는 토치 동체와, 상기 토치 전극과 상기 피용접부를 포함하는 폐회로 내에서 전류를 흐르게 하기 위한 용접 전원을 포함하되, 상기 클램프 전극에 의해 상기 피용접부에 가압력을 가하고, 또한 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시킨 상태에서, 상기 용접 전원에 의해 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에 전압을 인가해서 상기 폐회로 내에서 통전을 개시하고, 상기 피용접부에 대한 가압과 상기 폐회로 내의 통전을 계속하면서 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부로부터 이격시키고, 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에서 아크를 발생시켜, 상기 아크의 열에 의해서 상기 피용접부를 용접한다.
본 발명의 TIG 용접 방법은, 모재로서의 제1 및 제2 단자 부재를 피용접부에서 밀착시켜서 유지하는 공정과, 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시키는 공정과, 상기 피용접부에 밀착 고정을 위한 가압력을 가하고, 또한 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시킨 상태에서, 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에 전압을 인가해서, 상기 토치 전극과 상기 피용접부를 포함하는 폐회로 내에서 통전을 개시하는 공정과, 상기 피용접부에 대한 가압과 상기 폐회로 내의 통전을 계속하면서, 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부로부터 이격시키고, 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에서 아크를 발생시켜, 상기 아크의 열에 의해서 상기 피용접부를 녹이는 공정과, 상기 폐회로 내의 통전을 중지하여, 상기 피용접부에 대한 가압을 해제하는 공정을 포함한다.
본 발명에 있어서는, 두 단자 부재(모재)의 피용접부에 밀착 고정용의 가압력을 가하면서, 토치 전극의 선단을 피용접부에 접촉시킨 상태에서 통전을 개시한 후에 떼어놓고 아크 방전을 발생시키므로, 확실하게 피용접부에 아크를 집중시키는 것이 가능하고, 클램프 전극을 토치 전극에 가급적 가까이해서 소망의 용접 품질을 안정적으로 얻을 수 있다.
본 발명의 적합한 일 양상으로서, 클램프 전극은, 피용접부의 토치 전극과 대향하는 부위의 근방에서 제1 및 제2 부재를 전자기력 또는 공기압 혹은 유압의 압력으로 조여서 고정하는 클램프를 구비한다.
다른 적합한 일 양상에 있어서는, 클램프 전극 및 토치 동체를 지지해서 토치 전극의 축방향과 평행으로 직진 이동 가능한 직진구동부재가 구비된다. 이 직진구동부재는, 클램프 전극 및 토치 전극을 피용접부로부터 멀리 떨어지게 하기 위한 제1 위치와, 클램프 전극을 가동 위치에 도달시키기 위한 제2 위치와, 토치 전극의 선단을 피용접부에 접촉시키기 위한 제3 위치와, 토치 전극의 선단을 아크의 생성에 적합한 소정 거리만큼 피용접부로부터서 이격시키기 위한 제4 위치 사이에서, 직진 이동하도록 구성된다. 이러한 구성에 따르면, 1축의 직진 구동 기구에 의해 모재의 피용접부에 대해서 토치 전극과 고정 지그를 효율적으로 연계 이동시킬 수 있다.
본 발명의 TIG 용접 장치 또는 TIG 용접 방법에 따르면, 상기와 같은 구성에 의해, 2개의 부재(모재)를 클램프로 유지해서 실시되는 아크 용접을 고품질로 그리고 안정적으로 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 TIG 용접 장치의 전체의 구성을 나타낸 도면;
도 2는 실시형태에 있어서의 모재 및 피용접부의 형태와 클램프의 요부의 구성을 나타낸 사시도;
도 3은 실시형태에 있어서의 TIG 용접의 순서를 나타낸 순서도;
도 4a는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 승강 동작의 일 단계를 나타낸 도다.
도 4b는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 승강 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 4c는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 승강 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 4d는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 승강 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 4e는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 승강 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 4f는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 승강 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 5a는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 클램프 동작 및 통전 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 5b는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 클램프 동작 및 통전 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 5c는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 클램프 동작 및 통전 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 5d는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 클램프 동작 및 통전 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 5e는 상기 TIG 용접 장치에 있어서의 클램프 동작 및 통전 동작의 일 단계를 나타낸 도면;
도 6은 종래의 TIG 용접 장치에 있어서 클램프 가동 위치(조임 위치)를 토치 전극으로부터 멀리 떨어지게 해서 아크 방전을 발생시키는 수법을 나타낸 도면;
도 7은 실시형태에 있어서의 직진구동부재 주변의 일 변형예를 나타낸 도면;
도 8은 실시형태에 있어서의 직진구동부재 주변의 다른 변형예를 나타낸 도면.
이하, 첨부 도면을 참조해서 본 발명의 적합한 실시형태를 설명한다.
도 1에, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 TIG 용접 장치의 전체 구성을 나타낸다. 이 TIG 용접 장치는, 특히 합장 유사 용접(meet-palms like welding)(맞대기 용접)에 적합하게 대응할 수 있는 거치형 장치 구성으로 되어 있고, 직류식의 용접 전원회로, 제어 회로 및 각종 구동 회로 등을 내장한 유닛 형태의 장치 본체(10)와, 이 장치 본체(10)로부터의 용력(exertive-power)의 공급과 제어 하에서 전기부품 지지체(예를 들어 조립체 또는 회로 기판)(S) 상의 피용접재(모재)에 TIG 용접을 하는 용접 헤드(12)와, 차폐 가스, 예를 들어, 아르곤 가스의 공급원인 가스 봄베(14)를 구비한다.
용접 헤드(12)는, 판 형상의 베이스(16)에 가동 스테이지(18)와 토치 스탠드(20)를 병설하고, 토치 스탠드(20)에 TIG 용접용의 토치(22) 및 클램프 전극(24)을 승강 이동 가능하게 탑재하고 있다.
보다 상세하게는, 가동 스테이지(18)는, 전기부품 지지체(S)를 수평면 내의 XY방향으로 이동시키기 위한 XY 스테이지(25)와, 전기부품 지지체(S)를 수평면 내의 방위각 방향(θ방향)으로 이동시키기 위한 θ스테이지(26)를 구비하고 있다. 한편, 토치 스탠드(20)는, 고정대(28) 위에 예를 들어 서보 모터를 구동원으로 하는 승강 구동부(도시 생략)를 내장한 승강 타워(30)를 설치하고 있다. 이 승강 타워(30)의 승강 구동부에 승강 지지축(32)을 개재해서 직진구동부재(34)가 결합되고, 이 직진구동부재(34)에 토치(22) 및 클램프 전극(24)이 연직방향으로 일체로 이동 가능하면서도 분리 가능하게 부착되어 있다. 직진구동부재(34)와 토치(22) 및 클램프 전극(24)을 연결하는 기구에 대해서는, 나중에 상세히 설명한다.
토치(22)는 수평방향으로는 고정되어 있다. 장치 본체(10)로부터 케이블(36)을 개재해서 전송되는 제어 신호 하에서 XY 스테이지(25) 및 θ스테이지(26)가 XY방향의 이동 동작 및 θ방향의 이동(회전) 동작을 각각 행함으로써, 스테이지(18)에 놓여있는 전기부품 지지체(S) 상에서 TIG 용접의 대상이 되는 피용접재의 피용접부(WJ)를 토치(22)의 바로 아래에 위치 결정할 수 있다.
토치(22)는, 장치 본체(10)로부터 토치 케이블 내장 호스(38)를 개재해서 TIG 용접용의 전력과 차폐 가스(SG)의 공급을 받도록 되어 있고, 절연체, 예를 들어, 수지로 이루어진 원통 형상의 토치 동체(40)와, 이 토치 동체(40)의 선단(하단)부에 부착되는 원통 형상 또는 원뿔 형상의 토치 노즐(42)을 구비하고, 토치 동체(40) 및 토치 노즐(42) 속에 연필형의 토치 전극(텅스텐 전극봉)(44)을 착탈 가능하게 장착하고, 토치 노즐(42)의 하단에서부터 약간(통상 2 내지 3㎜) 토치 전극(44)의 선단을 돌출하고 있다.
장치 본체(10)는, 유닛 정면에 표시기(46), 조작 버튼(48) 및 전원 스위치(50) 등을 터치 패널 형식으로 배치하고, 유닛 측면 또는 배면에 외부 접속 단자 또는 커넥터류(52)를 배치하고 있다. 가스 봄베(14)로부터 호스(15)로 송출되는 차폐 가스(SG)는, 장치 본체(10) 및 호스(38)를 경유해서 토치(22)에 공급되도록 되어 있다.
도 2에 이 실시형태에 있어서의 피용접재(모재)의 일례를 나타낸다. 도시한 예에서는, 예를 들어 구리 또는 구리합금으로 이루어진 2개의 봉 형상 또는 판 형상의 단자 부재(W1, W2)를 모재(피용접재)로 하고, 두 단자 부재(W1, W2)의 각각의 상단면(정상면)을 대략 동일 평면으로 하여 각각의 상단부를 일체로 합치시키고 있다. 이 일체로 합치된 단자 부재(W1, W2)의 상단부가 피용접부(WJ)를 형성한다. 각단자 부재(W1, W2)의 타단부(도시 생략)는, 예를 들어, 전기부품 지지체(S) 상에 탑재되어 있는 전기부품(도시 생략)에 연결되어 있다. 또는, 한쪽의 단자 부재(W1)는 전기부품 지지체(S) 상에 탑재되고, 다른 단자 부재(W2)의 타단부는 다른 전기부품 지지체(도시 생략) 상에 탑재되어 있는 전기부품(도시 생략)에 연결되어 있다.
클램프 전극(24)은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 직진구동부재(34)에 대해서 연직방향으로 일체로 이동 가능하면서도 분리 가능한 승강봉(56)의 하단부에 부착되고, 모터, 플런저 또는 실린더 등의 구동원(도시 생략)을 수용 또는 장비하는 클램프 본체(58)와, 이 클램프 본체(58)로부터 평행하게 돌출되어 연장되는 1쌍의 개폐 가능한 클램프 암(clamp arm)(60)을 구비하고 있다. 클램프 본체(58) 내의 구동원은, 장치 본체(10)로부터 케이블 또는 배관(62)을 개재해서 필요한 용력(전력, 압축 공기 또는 작동유)을 공급하여, 전자기력 또는 공기압 혹은 유압의 압력에 의거해서 필요한 조임력 또는 가압력을 발생한다. 클램프 암(60)은, 해당 구동원에 결합되어 있고, 피용접부(WJ)를 단자 부재(W1, W2)의 판두께 방향으로 조임 고정할 수 있도록 되어 있다. 클램프 암(60)이 피용접부(WJ)를 최적 높이 위치에서 조임 고정할 수 있도록, 즉, 클램프 전극(24)의 가동 위치를 조정할 수 있도록, 승강봉(56) 상에서 클램프 전극(24)의 위치 혹은 후술하는 연결부(68)의 위치를 조정하는 기구(도시 생략)를 구비할 수 있다.
클램프 암(60)은, 도체, 예를 들어, 놋쇠로 이루어지고, 접지 케이블(64)을 개재해서 장치 본체(10) 내의 용접 전원에 전기적으로 접속되어 있다. 이 실시형태에서는, 용접 전원의 정극에 클램프 암(60)이 전기적으로 접속된다. 용접 전원의 부극에는, 호스(38)에 내장되어 있는 토치 케이블을 개재해서 토치 전극(44)이 전기적으로 접속된다.
다음에, 도 4a 내지 도 4f에 대해서, 이 실시형태의 TIG 용접 장치에 있어서, 직진구동부재(34)와 토치(22) 및 클램프 전극(24)을 연결하는 기구에 대해서 설명한다. 도시한 바와 같이, 판 형상의 직진구동부재(34)의 관통 구멍(34a, 34b)에 토치 동체(40) 및 승강봉(56)이 각각 통과되어, 토치 동체(40) 및 승강봉(56)의 상부 또는 중간부에 고정된 날밑 형상 또는 플렌지 형상의 연결부재(66, 68)가 직진구동부재(34)의 상부면에 놓이도록 해서, 토치 동체(40) 및 승강봉(56)이 직진구동부재(34)에 연결된다. 승강봉(56)의 하단부에는, 전술한 바와 같이 클램프 전극(24)이 설치되어 있다.
이러한 구성의 토치 및 클램프 승강 기구에 있어서는, 토치 전극(44)의 하단(선단) 및 승강봉(56)의 하단이 각각 공중에 떠있는 동안에는(도 4a), 승강 타워(30)가 직진구동부재(34)를 하강시키면, 연결부재(66, 68)가 직진구동부재(34)의 상면에 놓인 상태에서 토치(22) 및 클램프 전극(24)이 직진구동부재(34)와 일체로 하강 이동한다. 그리고, 클램프 전극(24)이 가동 위치에 도달하면, 즉시 클램프 동작을 개시해서, 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)를 조인다. 직진구동부재(34)가 더욱 하강하면, 승강봉(56)의 연결부재(68)가 직진구동부재(34)로부터 분리된다(도 4c). 그리고, 토치 전극(44)의 하단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)의 상부면에 접촉하고 나서는(도 4d), 토치 동체(40)의 연결부(66)가 직진구동부재(34)로부터 분리되고, 토치 동체(40)는 직진구동부재(34)로부터 독립해서 피용접부(WJ) 상에서 기립하게 된다(도 4d). 이때, 피용접부(WJ)에는 토치(22)의 자체 중량이 가해진다.
또, 도시한 구성예에서는, 승강봉(56)의 연결부재(68)가 직진구동부재(34)로부터 분리되면, 승강봉(56) 및 클램프 전극(24)의 자체 중량이 모재(W1, W2)에 가해지도록 되어 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 연결부재(68)와 직진구동부재(34) 사이에 압축 코일 스프링(86)을 개재시킴으로써, 모재(W1, W2)에 가해지는 하중을 가급적 경감시킬 수 있다.
또한, 토치 전극(44)의 하단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉하고 있는 상태(도 4e)로부터, 직진구동부재(34)를 원래의 높이 위치까지 상승 이동시키면, 그 도중에 우선 토치 동체(40)의 연결부재(66)가 직진구동부재(34) 위에 놓여서 토치 동체(40)도 직진구동부재(34)와 일체로 상승 이동하고, 이어서 승강봉(56)의 연결부재(68)가 직진구동부재(34) 위에 실려서 승강봉(56) 및 클램프 전극(24)도 직진구동부재(34)와 일체로 상승 이동하도록 되어 있다(도 4f).
이 실시형태에서는, 토치 동체(40)의 연결부(66)와 직진구동부재(34) 사이의 연결 또는 분리 상태를 검출하기 위한 센서(70)가 구비되어 있다. 도시한 센서(70)는, 수직 리니어 스케일로 이루어지고, 플렌지(66)의 측면에 부착되어 있는 연직방향으로 뻗는 눈금부(72)와, 이 눈금부(72)를 직진구동부재(34)의 상대적인 높이 위치에 따른 수준으로 광학적으로 판독되도록 직진구동부재(34)에 부착되어 있는 눈금 판독부(74)를 구비하고 있다. 눈금 판독부(74)는, 반사식의 광학 센서로 이루어지고, 전기 케이블(도시 생략)을 개재해서 장치 본체(10) 내의 제어 회로에 전기적으로 접속되어 있다.
이 센서(70)에 있어서는, 토치 동체(40)의 연결부재(66)가 직진구동부재(34) 상에 놓여 있는 한, 직진구동부재(34)가 임의의 높이 위치에서 승강 이동해도 눈금 판독부(74)의 출력 신호(판독값)는 일정 값을 유지한다. 그러나, 직진구동부재(34)가 토치 동체(40)의 연결부재(66)로부터 분리되면, 눈금부(72)와 눈금 판독부(74)의 상대위치가 변화하고, 눈금 판독부(74)의 출력 신호(판독값)가 변화된다. 장치 본체(10) 내의 제어부는, 눈금 판독부(74)로부터의 출력 신호에 의거해서 직진구동부재(34)와 토치 동체(40)의 상대적인 위치 관계를 감시할 수 있는 동시에, 직진구동부재(34)가 전진 이동(하강 이동)하는 도중에 토치 전극(42)의 하단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉했을 때에는, 그것을 검출할 수 있다. 또, 이러한 눈금을 이용하는 광학식 센서 대신에, 근접 센서 등의 다른 방식의 센서를 이용하는 것도 가능하다.
다음에, 도 3, 도 4a 내지 도 4f 및 도 5a 내지 도 5e를 참조해서, 이 실시형태에 있어서의 TIG 용접 장치의 동작 및 TIG 용접 방법을 설명한다.
우선, 모재(W1, W2)를 지지하는 전기부품 지지체(S)가 스테이지(18) 상에 놓여있는 상태에서, XY 스테이지(25) 및 θ스테이지(26)가 전술한 바와 같이 장치 본체(10) 내의 제어부에 의한 제어 하에서 수평면 내의 위치 맞춤을 행한다. 이 위치 맞춤 동작에 의해, 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)가 토치 전극(44)의 바로 아래 부근에 위치하게 된다. 통상은, 전기부품 지지체(S) 상에서 용접 대상으로 되어 있는 모든 피용접부(WJ)에 XY 좌표가 할당되므로, 오픈 루프 제어의 위치 맞춤 동작을 행해도 된다. 그러나, 모니터 카메라 등을 이용해서 피드백 제어의 위치 맞춤 동작을 행하는 것도 가능하다.
상기와 같은 수평면 내의 위치 맞춤과는 달리, 높이 방향에 있어서도 장치 본체(10) 내의 제어부에 의한 제어 하에서 승강 타워(30)에 의해 토치(22)의 스타트 위치가 적당한 높이 위치로 조정된다. 단, 동일 종류의 복수의 피용접재에 대해서 동일 조건의 아크 용접을 계속해서 행할 경우에는, 아크 용접의 종료 후에 토치(22)를 전회와 같은 스타트 위치로 되돌림으로써, 다음 회의 아크 용접을 위한 초기 높이 위치 조정을 생략할 수도 있다.
상기와 같은 위치 맞춤 또는 초기 높이 위치의 조정이 끝나고 있는 상태(도 4a)로부터, 장치 본체(10) 내의 제어부에 의한 제어 하에, 스테이지(18) 상의 모재(W1, W2)에 대한 TIG 용접이 용접 헤드(12)에 의해 실행된다. 도 3의 순서도는, 이 실시형태에 있는 TIG 용접 방법의 순서를 나타낸다.
우선, 제어부는, 승강 타워(30)의 승강 구동부를 작동시켜서, 직진구동부재(34)의 하강 이동을 개시한다(스텝 S1). 토치 전극(42)의 하단(선단) 및 승강봉(56)의 하단은 각각 공중에 떠있으므로(도 4a), 직진구동부재(34)의 하강 이동이 개시되면, 연결부재(66, 68)가 직진구동부재(34)의 상부면에 놓인 상태에서 토치(22) 및 클램프 전극(24)도 직진구동부재(34)와 일체로 하강 이동한다.
직진구동부재(34)가 하강 이동을 개시한 후에 곧, 클램프 전극(24)은 연직방향의 미리 설정된 위치, 즉, 가동 위치에 도달한다(스텝 S2). 이 가동 위치에서, 클램프 전극(24)은, 클램프 동작을 개시하고(스텝 S3), 클램프 암(60)을 폐쇄하는 방향으로 구동해서 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)의 상단부를 조인다(도 5a). 이 클램프 동작에 의해, 토치 전극(44)에 대한 피용접부(WJ)의 위치가 판두께 방향으로 보정되는 동시에, 피용접부(WJ)에 있어서 간극이 거의 없어져 접촉 저항이 떨어진다.
한편, 토치(22)는 승강봉(56)의 하강 이동이 종료된 후에도 직진구동부재(34)와 일체로 하강 이동하여(스텝 S4), 토치 전극(44)의 하단(선단)이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 점점 접근한다. 그래서, 토치 전극(42)의 하단이 피용접부(WJ)의 상부면에 접촉하면(스텝 S5), 토치(22)의 하강 이동이 거기에서 종료되고(도 4c), 그 직후에 직진구동부재(34)가 토치 동체(40)의 연결부재(66)로부터 분리하고(도 4d), 제어부가 센서(70)의 출력 신호에 응답해서 직진구동부재(34)의 하강 이동을 중지시킨다(스텝 S6).
또, 제어부는, 토치(22)의 하강 이동 도중에, 혹은 하강 이동 종료 직후에, 차폐 가스(SG)의 공급을 시작한다. 차폐 가스(SG)는, 봄베(14)로부터 장치 본체(10) 및 호스(38)를 개재해서 토치(22)에 공급된다. 토치(22)는, 토치 동체(40)의 상부에 차폐 가스(SG)를 도입하고, 도입한 차폐 가스(SG)를 토치 노즐(42)의 개구로부터 분출한다.
이렇게 해서 토치 전극(44)의 선단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉하고 있는 상태 하에서, 제어부는 통전을 개시한다(스텝 S7). 즉, 장치 본체(10) 내에서 용접 전원회로(EDC)의 스위치(SW)를 그때까지의 오프(off) 상태로부터 온(on) 상태로 전환한다. 그렇게 하면, 용접 전원회로(EDC)로부터 직류 전압이 토치 전극(44)과 피용접부(WJ) 사이에 인가된다. 이것에 의해, 용접 전원회로(EDC)의 정극단자→온 상태의 스위치(SW)→접지 케이블(64)→클램프 암(60)→피용접부(WJ)→토치 전극(44)→호스(38) 내의 토치 케이블(39)→용접 전원회로(EDC)의 부극단자의 경로(폐회로)에서, 통전 개시의 직류 전류, 즉, 스타트 전류(i1)가 흐른다(도 5c).
이때, 토치 전극(44)의 선단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉하고 있으므로, 전류(i1)의 크기에 관계없이 아크는 아직 발생하지 않는다. 그러나, 이 실시형태에서는, 용접 전원회로(EDC)의 출력 전압 또는 출력 전류를 제어함으로써, 스타트 전류(i1)의 전류값을 일정 범위로 제어한다. 즉, 토치 전극(44)의 수명을 연장시키기 위해서는, 그대로 토치 전극(44)의 선단을 피용접부(WJ)로부터 떼어 놓았을 때에 피용접부(WJ)를 녹이지 않는 정도의 약한 방전밖에 일으키지 않는 작은 전류값(보통 20A 이하)이 바람직하다. 한편으로, 토치 전극(44)의 선단을 피용접부(WJ)로부터 떼어 놓아서 아크 용접에 적합한 고열의 아크 방전을 안정적으로 발생시키기 위해서는, 이 단계(접촉 상태)의 통전에 있어서 피용접부(WJ)에 상당한 쥴(joule) 열을 발생시켜 두어야 한다. 이 실시형태에서는, 이들 양면의 관점에서, 스타트 전류(i1)의 전류값을 10 내지 20A의 범위로 제어한다.
이렇게 해서, 토치 전극(44)의 선단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉한 상태에서 아크 전류(iDC)가 소정의 전류값(I1)으로 흐름으로써, 토치 전극(44)(특히 그 선단 부근) 및 피용접부(WJ)에서 상당한 쥴 열이 발생한다.
제어부는, 통전 개시로부터 소정 시간(T1)이 경과하면(스텝 S8), 직진구동부재(34)를 다소 상승 이동시켜서, 토치 전극(44)의 선단을 피용접부(WJ)로부터 설정 이간 거리(예를 들어 1㎜)만큼 위쪽으로 떼어놓고(스텝 S9), 그 높이 위치에서 정지시킨다. 그리고, 이 토치 전극(44)의 떼어놓음과 동시에, 또는 떼어놓기가 완료된 후에, 용접 전원회로(EDC)의 출력 전압을 한층 올리고, 상기 폐회로 내에서 흐르는 전류를 그때까지의 스타트 전류(i1)보다도 한층 더 큰 아크 방전용의 정규 직류 전류 또는 주전류(i2)로 전환한다(스텝 S10). 이 주전류(i2)의 전류값은, 피용접부(WJ)를 녹이는데 충분한 고열의 아크를 발생시키는 값(통상 30A 이상)으로 선택된다.
이렇게 해서 주전류(i2)가 흐르고 있는 동안에는, 토치 전극(44)(특히 그 선단 부근)과 피용접부(WJ) 사이에서 아크(AC)가 지속되고, 피용접부(WJ)는 아크(AC)의 열에 의해서 용융된다(도 5d). 또, 주전류(i2)의 전류값을 시종 일정 값으로 유지해도 되지만, 피용접부(WJ)의 용융을 촉진시키기 위해서, 도중에 주전류(i2)의 전류값을 더욱 단계적 또는 점차적으로 증대시키는 바와 같은 전류파형 제어(혹은 반대로 다운 슬로프의 전류파형 제어)를 이용하는 것도 가능하다.
제어부는, 통전 개시로부터 소정 시간(T2)(통상 2 내지 3초)이 경과하면(스텝 S11), 스위치(SW)를 오프 상태로 전환해서, 통전을 중지다한(스텝 S12). 직후에 차폐 가스(SG)의 공급도 중지한다. 통전이 멈추고, 주전류(i2)가 끊어지면, 그 순간에 아크는 소멸한다. 아크가 소멸하면, 피용접부(WJ)의 용융 부분이 대기 중의 자연 냉각에 의해서 즉시 응고된다. 이와 같이 해서, 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에서 일체 또는 한 덩어리로 용접 접합된다.
그 후, 제어부는, 클램프 전극(24)을 도로 이동시켜서, 피용접부(WJ)에 대한 가압 또는 조임 고정을 해제한다(스텝 S13, 도 5e). 다음에, 승강 타워(30)의 승강 구동부를 통해서 직진구동부재(34)를 상승 이동시키고, 토치(22) 및 클램프 전극(24)을 스타트 위치로 되돌린다(스텝 S14).
전술한 바와 같이, 이 실시형태에 있어서는, 클램프 전극(24)에 의해 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)의 선단부 가까이에 밀착 고정용의 가압력을 첨가하면서, 토치 전극(44)의 선단을 피용접부(WJ)에 접촉시킨 상태에서 통전을 개시한 후에 떼어놓아서 아크 방전을 발생시키므로(터치 스타트 방식 또는 리프트 스타트 방식), 피용접부(WJ)(특히 그 중앙부)에 아크(AC)를 안정적으로 집중시켜, 목적으로 하는 용접 품질(접합 강도, 외관 마무리)을 얻을 수 있다.
이 점에 관해서, 종래의 이 종류의 TIG 용접 장치로는, 토치 전극과 클램프가 항상 일정한 위치 관계에 있으므로, 터치 스타트 방식을 채용하는 것이 가능하지 않고, 처음부터 토치 전극의 선단을 피용접부(WJ)로부터 떨어지게 한 상태에서 통전을 개시하고, 아크 방전을 발생시키도록 하고 있었다. 그러나, 그 경우에는, 고가인 고주파 전원이나 고압 직류 전원을 필요로 할 뿐만 아니라, 아크가 반드시 피용접부(특히 그 중앙부)에 집중하도록 아크 방전을 발생시키는 것이 매우 어렵고, 정극 측에서는 아크가 일정하지 않은 위치에서 착화하고, 경우에 따라서는 도 5d에 있어서 가상선(일점쇄선)(AC')으로 나타낸 바와 같이 클램프 암(60)에 비화되는 일도 있다. 이 때문에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 클램프의 가동 위치(조임 고정 위치)를 토치 전극으로부터 충분히 먼 위치에 설정함으로써, 대처하는 것 이외에는 없었다. 그러나, 이와 같이 클램프의 가동 위치(조임 고정 위치)를 토치 전극으로부터 멀리 떨어지게 하면, 피용접부(WJ)의 선단부 부근에서 밀착성이 보증되지 않게 되고, 소망의 아크 용접 품질을 안정적으로 얻는 것은 곤란하였다. 이 실시형태에서는, 전술한 바와 같이, 이 종래 기술의 과제를 해결하고 있다.
특히, 이 실시형태에 있어서의 TIG 용접 장치는, 클램프 전극(24) 및 토치 동체(40)와 연결해서 토치 전극(44)의 축방향과 평행하게 직진 이동 가능한 직진구동부재(34)를 구비하고, 클램프 전극(24) 및 토치 전극(44)을 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)로부터 위쪽으로 멀리 떨어지게 하기 위한 제1 위치(도 4a)와, 클램프 전극(24)을 가동 위치에 도달시키기 위한 제2 위치(도 4b)와, 토치 전극(44)의 선단을 피용접부(WJ)에 접촉시키기 위한 제3 위치(도 4d)와, 토치 전극(44)의 선단을 아크의 생성에 적합한 소정 거리만큼 피용접부(WJ)로부터 떨어지게 하기 위한 제4 위치(도 4e) 사이에서, 직진구동부재(34)를 직진 이동시키는 구성으로 하고 있으므로, 1축의 직진 구동 기구에 의해 토치 전극과 클램프를 피용접부(WJ)에 대해서 효율적으로 연계 이동시키는 것이 가능해서, 상기 종래 기술의 과제를 저비용으로 효율적으로 해결하고 있다. 물론, 고가인 고주파 전원이나 고압 직류 전원은 불필요하여, 용접 전원회로(EDC)는 저출력의 저렴한 직류 전압원 또는 직류 전류원으로 할 수 있다.
[다른 실시형태 또는 변형예]
이상, 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서 설명했지만, 전술한 실시형태는 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 당업자에게 있어서는, 구체적인 실시형태에 있어서 본 발명의 기술사상 및 기술범위에서 일탈하는 일 없이 각종 변형·변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 전술한 실시형태에서는, 토치 전극(42)의 선단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉하기 전에, 클램프 전극(24)이 피용접부(WJ)에 대한 가압(조임 고정)을 개시하도록 하고 있다. 이 경우에는, 클램프 전극(24)에 의한 피용접부(WJ)의 위치 보정이 행해진 후에 토치 전극(42)의 하단이 피용접부(WJ)에 접촉하므로, 그 접촉 위치를 정확하게 제어하는 것이 가능하고, 예를 들어 토치 전극(42)의 선단을 모재(W1, W2)의 간극에 정확하게 삽입할 수 있다. 단, 일 변형예로서, 토치 전극(42)의 선단이 모재(W1, W2)의 피용접부(WJ)에 접촉한 후에, 클램프 전극(24)이 피용접부(WJ)에 대한 가압(조임 고정)을 개시하는 것도 가능하다.
다른 실시예(변형예)로서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 직진구동부재(34)와 토치 동체(40)의 일부(예를 들어 토치 동체(40)에 고정된 날밑 형상의 스프링 받이부(80)) 사이에, 직진구동부재(34)가 이동하는 방향으로 탄성변형 가능한 스프링부재, 예를 들어, 코일 스프링(82)을 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 코일 스프링(82)에 압축 코일 스프링을 이용함으로써, 토치 전극(42)이 피용접부(WJ)에 접촉했을 때 피용접부(WJ)가 받는 하중을 토치 동체(40)의 자체 중량보다 임의로 가볍게 할 수 있다. 모재(W1, W2)가 소형 정밀전자부품의 단자 부재일 경우에 유리한 형태이다. 혹은, 코일 스프링(82)에 인장 코일 스프링을 이용함으로써, 토치 전극(42)이 피용접부(WJ)에 접촉했을 때에 피용접부(WJ)가 받는 하중을 토치 동체(40)의 자체 중량보다 임의로 무겁게 할 수도 있다. 또, 스프링 받이부(80)의 위치를 조정하는 기구(도시 생략)를 구비함으로써, 코일 스프링(82)의 스프링력을 조정할 수도 있다.
마찬가지로, 직진구동부재(34)와 승강봉(56)의 일부(예를 들어 승강봉(56)에 고정된 날밑 형상의 스프링 받이부(84)) 사이에, 직진구동부재(34)가 이동하는 방향으로 탄성변형 가능한 스프링 부재, 예를 들어, 코일 스프링(86)을 설치하는 것도 가능하다. 특히, 코일 스프링(86)에 압축 코일 스프링을 이용함으로써, 클램프 전극(24)이 피용접부(WJ)를 협착했을 때에 모재(W1, W2)가 받는 하중을 가급적 가볍게 해서, 모재(W1, W2)의 손상을 방지할 수 있다.
이와 같이 직진구동부재(34)에 코일 스프링(82, 86)을 개재해서 토치 동체(40) 및 승강봉(56)을 부착하는 구성에 있어서는, 직진구동부재(34)를 경사 방향 또는 수평 방향으로 직진 이동시키고, 토치 전극(42) 및 클램프 전극(24)을 동일 방향으로 직진 이동시키는 것도 가능하다.
전술한 실시형태에 있어서의 직진구동부재(34)의 판 형상의 형태는 일례이며, 직진구동부재(34)는 임의의 형상의 판체, 블록, 하우징체 또는 하우징체의 구조를 채택하는 것이 가능하다. 마찬가지로, 연결부재(66, 68)도 임의의 형태를 채용하는 것이 가능하다.
또한, 전술한 실시형태에서는, 직진구동부재(34)에 토치(22)를 직접 부착하였다. 그러나, 도 8에 나타낸 바와 같이, 직진구동부재(34)에 예를 들어 승강봉과 같은 직진 가동부재(88)를 연직방향으로 일체로 이동 가능하면서도 분리 가능하게 부착하고, 이 직진 가동부재(88)에 결합된 홀더(90)에 토치(22)를 착탈 가능하게 부착하는 구성도 가능하다.
상기 실시형태에 있어서의 TIG 용접 장치는 거치형이었지만, 로봇에 탑재하는 형태도 가능하다. 그 경우에는, 직진구동부재(34) 또는 승강 지지축(32)을 로봇팔에 결합하면 된다.
상기 실시형태에 있어서의 TIG 용접기는, 용접 헤드(12)의 스테이지(18)에 자동 위치맞춤 기구(XY 스테이지(25), θ스테이지(26))를 구비하였다. 그러나, 스테이지(18)를 수동식의 가동 스테이지로 구성하는 것이나, 혹은 고정식의 스테이지(18) 위에서 가공부품 또는 전기부품 지지체(S)의 위치 맞춤을 수동으로 행하는 것도 가능하다.
피용접부(WJ)에 있어서, 단자 부재(W1, W2)의 재질은 구리 또는 구리 합금으로 한정되지 않고, 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이나 놋쇠 등의 도체이어도 되고, 단자 부재(W1)의 재질과 단자 부재(W2)의 재질이 달라도 된다. 또, 단자 부재(W1, W2)의 형상도 임의이어도 되고, 예를 들어 단면이 직사각형인 봉체 또는 판체로 제한되지 않고 단면이 원형인 봉체 또는 판체이어도 된다.
10: 장치 본체 12: 용접 헤드
18: 가동 스테이지 22: 토치
24: 클램프 전극 30: 승강 타워
34, 34': 직진 가동부재 40: 토치 동체
44: 토치 전극 56: 승강봉
66, 68: 연결부재 70: 센서
80, 84: 스프링 받이부 82, 86: 코일 스프링
W1, W2: 단자 부재(모재) WJ: 피용접부

Claims (11)

  1. TIG 용접 장치로서,
    모재로서의 제1 및 제2 부재를 피용접부에서 밀착시켜서 유지가능한 클램프 전극;
    토치 전극을 착탈 가능하게 장착해서 유지하는 토치 동체;
    상기 클램프 전극 및 상기 토치 동체를 지지하고, 상기 클램프 전극 및 상기 토치 전극을 상기 피용접부로부터 멀리 떨어지게 하기 위한 제1 위치와, 상기 클램프 전극을 가동 위치에 도달시키기 위한 제2 위치와, 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시키기 위한 제3 위치와, 상기 토치 전극의 선단을 아크의 생성에 적합한 소정 거리만큼 상기 피용접부로부터 떨어지게 하기 위한 제4 위치 사이에서, 상기 토치 전극의 축방향과 평행하게 직진 이동 가능한 직진구동부재; 및
    상기 토치 전극과 상기 피용접부를 포함하는 폐회로 내에서 전류를 흐르게 하기 위한 용접 전원을 포함하되,
    상기 클램프 전극에 의해 상기 피용접부에 가압력을 가하고, 또한 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시킨 상태에서, 상기 용접 전원에 의해 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에 전압을 인가해서 상기 폐회로 내에서 통전을 개시하고, 상기 피용접부에 대한 가압과 상기 폐회로 내의 통전을 계속하면서 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부로부터 이격시키고, 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에서 아크를 발생시켜, 상기 아크의 열에 의해서 상기 피용접부를 용접하는, TIG 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 클램프 전극은, 상기 피용접부의 상기 토치 전극과 대향하는 부위의 근방에서 상기 제1 및 제2 부재를 전자기력 또는 공기압 혹은 유압의 압력으로 조여서 고정하는 클램프를 구비하는, TIG 용접 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 클램프 전극의 상기 피용접부에 접촉하는 부분은, 상기 용접 전원에 전기적으로 접속되는 도체를 구비하고, 상기 도체는 상기 폐회로 내에서 상기 전류가 흐를 때에 상기 폐회로의 일부를 구성하는, TIG 용접 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 직진구동부재가 상기 제1 위치에서부터 상기 제3 위치까지 이동하는 도중에 상기 토치 전극의 선단이 상기 피용접부에 접촉한 것을 검출하는 센서를 구비하고, 상기 센서의 출력 신호에 응답해서 상기 직진구동부재의 이동을 정지시키는, TIG 용접 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 직진구동부재와, 상기 토치 동체의 일부 또는 상기 직진구동부재에 설치되어 상기 토치 동체와 결합된 직진 가동부재 사이에, 상기 직진구동부재가 이동하는 방향으로 탄성변형 가능한 제1 스프링부재를 구비하는, TIG 용접 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 직진구동부재와 상기 클램프 전극의 일부 사이에, 상기 직진구동부재가 이동하는 방향으로 탄성변형 가능한 제2 스프링부재를 구비하는, TIG 용접 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 직진구동부재는, 연직방향으로 직진 이동하도록 구성되고,
    상기 토치 동체 또는 상기 직진 가동부재에 고정되고, 상기 직진구동부재에 대해서 해당 직진구동부재 상에 놓여서 상기 토치 동체 또는 상기 직진 가동부재를 상기 직진구동부재에 연결가능한 제1 연결부재; 및
    상기 클램프 전극에 고정되고, 상기 직진구동부재에 대해서 해당 직진구동부재 상에 놓여서 상기 클램프 전극을 상기 직진구동부재에 연결가능한 제2 연결부재를 가지며,
    상기 직진구동부재가 상기 제2 위치보다 높은 위치에 있을 때에는, 상기 제2 연결부재가 상기 직진구동부재에 놓인 상태에서, 상기 클램프 전극이 상기 직진구동부재와 일체적으로 승강 이동 가능하고,
    상기 직진구동부재가 상기 제3 위치보다 높은 위치에 있을 때에는, 상기 제1 연결부재가 상기 직진구동부재에 놓인 상태에서, 상기 토치 동체가 상기 직진구동부재와 일체적으로 승강 이동 가능한, TIG 용접 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 용접 전원은, 상기 폐회로 내에서 흐르는 전류를, 상기 토치 전극의 선단이 상기 피용접부에 접촉하고 있을 때에는 상기 토치 전극의 선단이 상기 피용접부로부터 그대로 분리되었을 때에 상기 피용접부를 녹이지 않는 정도의 약한 방전밖에 일으키지 않는 제1 전류값 이하로 제어하고, 상기 토치 전극의 선단이 상기 피용접부로부터 떨어지고 나서 상기 제1의 전류값보다도 크고 상기 피용접부를 녹이는데 충분한 고열의 아크를 발생시키는 제2 전류값 이상으로 제어하는, TIG 용접 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 전류값은 20A 이하이고, 상기 제2 전류값은 30A 이상인, TIG 용접 장치.
  10. TIG 용접 방법으로서,
    모재로서의 제1 및 제2 단자 부재를 피용접부에서 밀착시켜서 유지하는 공정과,
    토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시키는 공정과,
    클램프 전극 및 상기 토치 동체를 지지하고, 상기 클램프 전극 및 상기 토치 전극을, 상기 피용접부로부터 멀리 떨어지게 하기 위한 제1 위치와, 상기 클램프 전극을 가동 위치에 도달시키기 위한 제2 위치와, 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시키기 위한 제3 위치와, 상기 토치 전극의 선단을 아크의 생성에 적합한 소정 거리만큼 상기 피용접부로부터 떨어지게 하기 위한 제4 위치 사이에서, 상기 토치 전극의 축방향과 평행하게 직진 이동시키는 공정과,
    상기 피용접부에 밀착 고정을 위한 가압력을 가하고, 또한 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부에 접촉시킨 상태에서, 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에 전압을 인가해서, 상기 토치 전극과 상기 피용접부를 포함하는 폐회로 내에서 통전을 개시하는 공정과,
    상기 피용접부에 대한 가압과 상기 폐회로 내의 통전을 계속하면서, 상기 토치 전극의 선단을 상기 피용접부로부터 이격시키고, 상기 토치 전극과 상기 피용접부 사이에서 아크를 발생시켜, 상기 아크의 열에 의해서 상기 피용접부를 녹이는 공정과,
    상기 폐회로 내의 통전을 중지하여, 상기 피용접부에 대한 가압을 해제하는 공정을 포함하는 TIG 용접 방법.
  11. 삭제
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