KR20070031462A - 구성 요소의 마찰 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구성 요소(3, 5)를 마찰 용접하기 위한 방법에 관한 것이며, 마찰 용접 중에 구성 요소(3)가 정지할 때 그리고 피동 구성 요소(5)가 회전할 때에 용접된 위치에서 압착력 액츄에이터(8a)에 의해 생성된 축방향 상호 압착력(F) 하에서 가열 단계 동안에 두 구성 요소가 서로에 대해서 회전된다. 또한, 상기 구성 요소(3, 5)가 충분한 마찰 가열을 받은 이후에, 회전이 느려지고 서로에 대해서 정지한 구성 요소들은 가열 단계 동안의 것보다 상당히 큰 압착력으로 함께 압착된다. 회전된 구성 요소(5)는 전기 모터(7)에 의해서 구동되며, 전기 모터는 제어기(19)가 구비되며 그 회전 속도(n), 토크(RF), 압착력(F) 및 진입 깊이(advancing depth)(S)는 제어기에 의해서 측정된다. 회전 속도는, 양 구성 요소 사이의 초기 축방향 압착력(F)에 따라서, 양 구성 요소의 접촉 표면들이 용융되도록 하는 초기 회전 속도로 제어기에 의해서 설정되며, 양 구성 요소의 접촉 표면들의 용융의 결과로서의 토크가 강하될 때까지 유지되며, 그 동안에 회전 속도는 작아져서 0으로 감소한다. 일단 회전 속도가 0이 되면, 압착력이 최대치로 증가하여 양 구성 요소의 접촉 표면들에 고정 용접(fixed welding)이 계속 일어나도록 한다.

마찰 용접, 압착력, 액츄에이터, 제어기, 전기 모터, 공급 장치, 센서

Description

구성 요소의 마찰 용접 방법{METHOD FOR FRICTION WELDING COMPONENTS}

본 발명은 구성 요소의 마찰 용접을 위한 방법에 관한 것으로서, 가열 단계 동안에 그리고 압착력 액츄에이터에 의해 생성되는 축방향 왕복 압착력 하에서, 두 구성 요소가 용접된 부위에서 서로에 대해서 회전하고, 한 구성 요소는 정지하고 피동 구성 요소는 회전되며, 또한 구성 요소를 충분히 마찰 가열한 후에는, 회전이 제동되고, 상기 구성 요소들이 서로에 대해서 정지한 상태로, 가열 단계 동안 보다 상당히 큰 압착력으로 함께 압착되고, 회전된 구성 요소는 제어기를 구비한 전기 모터에 의해 구동되며, 상기 전기 모터의 속도, 토크, 압착력 및 공급 깊이는 상기 제어기에 의해 측정된다.

이러한 공정은 독일 공개 특허 공보 DE 199 02 357A1호에 개시되어 있다. 일반적으로 상기 공보는 마찰 단계 중의 마찰 토크 또는 마찰 동력을 고려하는 마찰 용접 기계의 제어와 관련하여 상기의 공정을 기술하고 있다. 또한, 상기 공보의 발명의 설명에는 상기 제어가 다수의 구성 부품을 포함하고 있다는 것이 일반적으로 언급되어 있다. 한편, 이러한 구성 부품들은 토크/동력 기록기, 토크 컴퓨터 또는 동력 컴퓨터, 마찰 토크 조정기, 공급 조정기 또는 압력 조정기 및 공급 센서 또는 압력 센서이다. 조정 시스템은 공급 제어 시에 작동한다. 임의의 수치 또는 상호 의존성과 관련해서는, 그 발명의 설명에는 마찰 토크 및/또는 마찰 동력을 위한 셋포인트(setpoint) 값이 일정할 수 있다는 것이 단지 언급되어 있을 뿐이다. 그러나 그것은 대안적으로는 마찰 시간, 마찰 행정(friction travel) 또는 마찰각 또는 공급 행정(feed travel) 또는 기타의 적절한 파라미터들과 관련된 임의의 소정의 함수로 표현될 수 있다. 따라서 공급 드라이브는 원하는 마찰 토크 및/또는 마찰 동력을 설정하기 위한 조정 시스템에 의하여 제어된다. 이 정보는 마찰 용접 작업이 어떤 구성 부품들 또는 파라미터들에 기초할 수 있는지에 관한 지침만을 포함하며, 따라서 핵심 수치로서 그리고 특정 방식으로, 제어 목적을 위해 사용될 수 있는 각각의 센서들의 구체적인 발견들 또는 측정 결과가 지시되지는 않는다.

그에 덧붙여서, 독일 등록 실용신안 공보 DE 299 22 424 U1호는 실제의 마찰 공정 중에, 회전되는 구성 요소의 속도는 마찰 계수가 증가되도록 일정하게 변화되며, 이것이 그 수치의 적합화를 통해서 최적의 에너지 사용을 가능하게하며, 재료의 조합(combination) 및 마찰 용접의 적용에 따라서, 마찰 공정 중에 속도가 감소 또는 증가되는 것이 가능한 공정을 개시하고 있다.

이것이 안전하고 신뢰성 있는 마찰 용접 공정의 시퀀스를 구체적으로 결정하는 필요한 각각의 공정 값들을 가진 공정을 개시하는 본 발명의 시작점이다. 이러한 공정의 특징은, 두 구성 요소 사이의 초기 축방향 압착력(F)에 따라서, 속도(n)가 두 구성 요소의 접촉 표면들의 부분 용융을 야기하는 초기 속도(n)로 제어기에 의하여 조절되고 두 구성 요소의 접촉 표면들의 용융의 결과로서 토크 강하가 발생하는 때까지 유지되며, 그 토크 강하와 동시에 속도가 낮아져서 정지 상태로 감속되며, 감속의 끝에서, 압착력(F)은 최대치까지 증가되어 강한 용접 연결이 두 구성 요소의 접촉 표면들에서 이루어진다.

이러한 공정 단계에서, 제어기는 우선적으로 제어기에 저장되어 있는 초기 속도를 설정하며, 상기 초기 속도는 두 구성 요소의 초기 축방향 압착력에 따라 다르다. 이 때 상기 초기 속도와 초기 축방향 압착력은 접촉 표면들이 용융되기 시작할 때까지 마찰 용접 작업을 위해 두 구성 요소 사이에서 요구되는 마찰을 일으키며, 이것은 분명히 인식할 수 있는 토크의 강하를 유도하며, 토크의 강하가 측정되었을 때에 제어기에 의하여 속도가 낮아져서 정지 상태로 감속되며, 토크 강하의 측정값은 따라서 속도 감속을 위한 신호가 된다. 속도 감속이 갑자기 진행될 수 없고, 따라서 속도가 점진적으로 정지 상태에 도달하게 될 때, 축방향 압착력은 속도의 정지와 동시에 또는 그 바로 직전에 정해진 최대치까지 증가하고, 따라서 그 결과로서 상기 증가된 압력이 두 구성 요소의 접촉 표면들에서 작동하게 됨으로써, 최종적인 강력하게 용접된 연결을 만들어낸다.

본 발명은 또한 상기의 공정을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다. 바람직하게는 상기 장치는 전기 모터의 축이 피동 구성 요소의 회전축으로 축방향으로 이행하도록 하는 형태이다. 전기 모터의 축과 피동 구성 요소의 회전축과의 사이의 이러한 직접적 연결은 원하지 않은 질량 관성력(mass inertia force)이 없고 어떠한 미끄럼(slip)도 허용하지 않는 연결이 된다. 바람직하게는, 전기 모터의 축으로부터 피동 구성 요소의 회전축으로의 상기 이행 부분은 전기 모터와 피동 구성 요소가 축방향으로 단단하게(rigidly) 상호 연결되는 형태이다.

사용되는 전기 모터의 유형에 따라서, 또한 전기 모터와 피동 구성 요소와의 사이에 미끄럼 방지(non-slip) 기어 유닛을 연결하는 것이 바람직할 수 있으며, 상기 기어 유닛은 사용되는 전기 모터의 개개의 속도를 고려한다.

두 구성 요소의 용접에 요구되는 피동 구성 요소의 구동의 축방향 공급을 제공하기 위하여, 압착력 액츄에이터와 전기 모터는 바람직하게는 선형 공급 장치에 의하여 지지된다. 전기 모터는 피동 구성 요소가 정지한 구성 요소에 대하여 압착되는 압착력을 가리키는 압착력 센서를 구비할 수 있다.

피동 구성 요소와 정지한 구성 요소의 상호 침투를 점검하기 위하여, 공급 장치는 바람직하게는 행정 센서(travel sensor)를 구비한다. 이것은 정지한 구성 요소가 금속 박판인 경우에 특히 중요하다.

공급 장치를 구비한 전기 모터의 제어기가 적절하게 작동하도록 하기 위하여, 전기 모터, 행정 센서(travel sensor) 및 압착력 센서는 제어기를 포함하고 있는 제어 루프(loop)에 연결되며, 상기 센서들은 제어기에 토크, 속도, 행정(travel) 및 압착력을 나타내는 측정된 데이터를 제공하고, 전기 모터와 공급 장치는 상기 측정된 데이터의 측정값에 기초해서 조절되며, 토크와 속도는 전기 모터에 공급된 전류의 측정값에 기초해서 직접적으로 결정된다.

바람직하게는 본 발명에 따른 공정과 장치는 스터드를 패널형 구성 요소에 용접하는 데에 사용될 수 있는데, 스터드는 피동 구성 요소를 형성하고 패널형 구성요소는 정지된 구성 요소를 형성한다. 그러한 경우에, 본 발명에 따른 장치는 척(chuck)과 같은 스터드를 위한 수용 수단과 패널형 구성 요소를 위한 받침부(abutment)를 구비하며, 상기 받침부는 특히 평평한 표면을 구비할 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따른 장치는 패널형 구성 요소가 다운홀더(downholder)에 의해 받침부에 대향해서 압착됨으로써 죄여지고 따라서 패널형 구성 요소가 이 때 다운홀더에 의하여 고정되는 정해진 위치로 이동하도록 하는 형태이다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 바람직하게는 스터드들을 공급하기 위한 공급 기구를 구비하기 때문에, 본 발명에 따른 장치는 특히 연속적인 생산(serial production)에 편리하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 설계를 위해서, 바람직하게는 한편에서 받침부를 형성하고 다른 한편에서 공급 장치에 연결되는 C형 암이 사용된다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 설계를 하기 위하여, 압착력 액츄에이터를 제공하는 것이 가능하며, 상기 압착력 액츄에이터는 토글 조인트 연결(toggle joint connection)의 형태이며, 그 분절 레버들은 모터 구동 회전 중에 나사식 조절 로드(threaded adjusting rod)에 의해서 서로를 향하거나 서로에게서 멀어지는 방향으로 이동한다. 상기 토글 조인트 연결은 피동 구성 요소를 매우 정확하게 이동시키고 또한 높은 압착력을 생성하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 예시적 실시예들은 도면에 제시되어 있다.

도 1은 패널에 스터드를 마찰 용접하는 것과 관련하여, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치를 나타내는 도면.

도 2는 도 1에 따른 장치의 부분 단면도.

도 3은 방법의 각각의 단계들과 관련하여, 본 발명에 따른 방법을 위한 핵심 파라미터들을 가리키는 그래프.

도 4a 내지 4e는 마찰 용접된 연결부의 연속적 단계들을 나타내는 도면.

도 5는 스터드가 패널에 마찰 용접된 연결부를 나타내는 도면.

도 6은 스터드가 피복된 패널에 마찰 용접된 연결부를 나타내는 도면.

도 7은 토글 조인트 연결을 사용하는 압착력 액츄에이터의 형태를 나타내는 도면.

도 1에 제시된 장치는 스터드(5)를 패널(3)에 마찰 용접하는 데에 사용되는 형태이며, 이것은 그러한 장치의 예시적 실시예에 불과한데, 이는 또한 본 발명에 따른 공정이 함께 용접될 필요가 있는 구성 요소들과 관련하여 적절하게 상이한 형태일 필요가 있을 수 있는 다른 장치를 사용하여 실시될 수 있기 때문이다. 그러나 원칙적으로 항상 기본적으로 유사하거나 또는 동일한 기초적 구성 부분들이 존재한다.

상기 장치는 C형 암(1)을 포함하며, 이것은 일 단부에 패널(3)을 위한 받침부(2)를 구비하며, 그 패널(3)에 스터드가 용접되고, 스터드는 척(4)에 의해 유지된다. 상기 C형 암의 타 단부는 공급 장치(6)로 합체되고, 공급 장치는 전기 모터(7)를 운송하며, 전기 모터는 압착력 액츄에이터(8a)를 포함한다. 따라서 앞서 언급했듯이, 공급 장치(6)와 받침부(2)는 상기 암(1)에 의해서 단단하게 상호 연결 되어있기 때문에 공급 장치(6)는 받침부(2)에 대해서 정지되어 있다. 공급 장치(6)는 공급 드라이브(8)를 포함하며, 이는 램(ram)(9)을 통해서 슬라이딩 부분(10)으로 연장하고 상기 슬라이딩 부분(10)을 공급 드라이브(8)에 따라서 램(9)을 향해 선형적으로 이동시킨다. 상기 이동 중에, 슬라이딩 부분(10)은 그에 부착된 전기 모터(7)와 함께 이동하며, 이것은 척(4)이 척(4)에 의해 지지되는 스터드와 함께 대응하는 선형적 이동을 하도록 한다. 공급 장치(6)에 대한 스터드(5)를 구비한 전기 모터(7)의 각각의 길이 방향 변위를 가리키기 위하여, 행정 센서(11)가 슬라이딩 부분(10)에 부착되며, 공급 장치(6)에 대한 슬라이딩 부분(10)의 선형 변위에 따라서, 상기 행정 센서(11)가 변위됨으로써 공급 깊이로서 상기 변위의 길이를 지시하게 된다. 전기 모터(7)의 변위와 그 결과로서의 척(4)의 변위를 위해서, 공급 드라이브(8)는 압착력 액츄에이터(8a)를 구비하며, 압착력 액츄에이터는 한편에서, 정확하게 조절된 길이에 관하여 상기한 변위와 그 결과로서 필요한 압착력을 제공한다. 압착력 액츄에이터(8a)의 이러한 기능은 도 2와 연관하여서 더욱 상세히 논의 된다.

척(4)은 다운홀더(12)에 둘러싸여 있으며, 다운홀더는 척(4)과 그 안에 지지된 스터드(5)를 가진 전기 모터(7)가 하향 이동할 때에, 패널(3)을 향해 이동하며, 마지막에는, 상기 이동의 끝에서, 패널(3)에 내려와서, 그 결과로서 패널(3)은 척(4)과 그 안에 지지된 스터드(5)를 가진 전기 모터(7)에 대해서 제 위치에 안정적으로 잠금 고정된다. 다운홀더(12)가 이 위치에 있을 때(파선으로 표시됨), 상기 장치는 마찰 용접 공정을 위한 준비를 갖추게 된다.

전기 모터(7)의 회전축(13)(파선으로 표시됨)은 척(4)의 축(14)(파선으로 표시됨)과 함께 정렬되고 따라서 스터드(5)의 회전축으로 전이한다. 도 1에 제시된 장치에서, 전기 모터(7)의 회전축(13)은 척(4)에 강성적으로 연결된다. 그러나 특히 고속 전기 모터가 사용되는 경우에, 전기 모터(7)의 회전축(13)과 척(4) 사이에 미끄럼 방지 기어 유닛을 삽입하는 것이 가능하다는 것이 또한 지적되어야 한다.

처리되어야 할 스터드(5)가 척(4)에 자동적으로 장전되도록 하기 위하여, 처리될 다수의 스터드를 포함하는 공급 장치(15)가 구비되며, 상기 스터드는 이때 공급 장치(15)로부터 가요성 공급 채널(16)을 통해서 척(4)으로 공급된다.

전기 모터(7)에는 힘 센서(force sensor)(17)와 토크 센서(18)가 또한 구비되며, 그 작동 모드는 도 2에 관한 발명의 상세한 설명과 관련하여 더욱 상세히 논의된다. 전기 모터(7), 압착력 센서(17), 토크 센서(18), 행정 센서(11), 공급 드라이브(8), 압착력 액츄에이터(8a) 및 공급 장치(15)가 와이어들(55, 56, 57, 58, 59, 60 및 61)에 의해서 제어기(19)에 연결된다. 그 작업 모드는 마찬가지로 도 2와 관련하여 더욱 상세히 논의된다.

도 2는 전기 모터(7)를 그에 연결된 설계 부분들과 함께 더욱 상세히 나타내고 있다. 전기 모터(7)는 고정자 와인딩(stator winding)(20)과 회전자(rotor)(21)를 포함한다. 회전자(21)는 척(4)으로 연장하는 샤프트(22)에 안착되어 있다. 스터드(5)는 척(4)에 의하여 결합된다. 척(4)은 다운홀더(12)에 의하여 둘러싸이며, 다운홀더는 스프링(23, 24)에 의하여 전방으로 가압되며 패널(도 2에 도시되지 않음)(도 1의 패널(3) 참조)을 향해서 압박한다. 도 2에서, 다운홀더(12)는 앞 선(leading) 위치에서 도시되고 있으며, 이로부터, 패널상에 내려오자마자(도 1 참조), 다운홀더는 다운홀더가 받침부(2)에 대향해서 패널을 압착했던 위치로 역으로 가압되며, 스터드(5)의 전방 단부는 다운홀더(12)의 가장자리(38)와 정렬되고, 스프링(23, 24)은 대응하여서 압축되고 받침부(2)에 대향하여서 구성 요소(3)를 조인다.

전기 모터(7)의 샤프트(22)는 반경 방향으로 볼 베어링(25)에 지지된다. 또한, 전기 모터(7)는 스러스트 베어링(thrust bearing)(26)에 의해서 축방향으로 지지되며, 스러스트 베어링은 한편에서 하우징(28)의 칼라(collar)(27)와 접촉하고 샤프트(22)의 플랜지(29)를 압박한다. 토크 센서(30)와 압착력 센서(31)는 척(43)의 반대편의 샤프트(22)의 단부에 배열되며, 이들은 공지된 방식으로 그 측정된 값들(토크, 압착력)을 제공하고 상기 값들을 도 1에 도시된 것과 같이 제어기(19)로 전송한다.

하우징(28)은 압착력 센서(31)에 인접하며 덮개(32)에 의하여 폐쇄된다. 또한 플랜지(33)는 샤프트(22)에 장착되며, 플랜지는 속도 센서(34)의 치형부(teeth)(도시되지 않음)와 결합하며, 상기 속도 센서(34)는 전기 모터(7)의 속도의 신호를 가리킨다.

도 1에 상세히 나타난 것과 같이, 슬라이딩 부분(10)은 전기 모터(7)의 하우징(28)의 측부에 부착되며, 슬라이딩 부분은 전기 모터(7)의 축방향으로 공급 장치(6)에 의해서 선형적으로 이동된다. 그러한 이동을 허용하기 위하여, 슬라이딩 부분(10)은 길이 방향 롤러(35)들에 지지된다. 그 변위는 행정 센서(11)에 의하여 측정되고 그 변위는 공급 드라이브(8)의 작동을 통해서 제공되며, 상기 공급 드라이브(8)는 램(9)을 통해서 슬라이딩 부분(10)에 작동한다. 스크류(36)에 의해서, 공급 장치(6)는 C형 암(1)의 각각의 단부에서 공급 드라이브(8)에 부착된다.

도 3은 상기 장치에 포함된 센서들에 의하여 측정된 개개의 측정된 값들을 보여주는 그래프를 나타낸다. 여기에서, 실선은 속도(n)를 가리킨다. 파선은 스터드(5)가 패널(3)에 대향해서 압착되는 축방향 압착력(F)을 가리킨다. 일점쇄선은 전기 모터(7)에 의해 공급되는 토크(RF)를 가리킨다. 그리고 교차 파선(cross dashed line)은 스터드(5)의 이동을 가리킨다. 무엇보다도, 전기 모터가 선(37)에서 최대 속도 범위에 진입할 때까지 전기 모터가 속도(n)로 가속된다는 것이 그래프로부터 명백하다. 전기 모터가 속도(n)로 가속됨과 동시에, 전기 모터(7)는 전기 모터(7)를 둘러싸는 부분들과 함께 패널(3)로 내려진다. 동시에, 선(37)의 시점에서, 스터드(5)는 패널(3)에 도달하고 거기에서 패널(3)이 스터드(5)에 의해 마찰 접촉되면서 마찰 용접 공정을 시작하기 때문에 토크(RF)의 증가가 있다. 처음에는, 속도(n)가 본질적으로 동일하게 유지된다. 이러한 마찰 기간 동안에는, 토크(RF)와 압착력(F)은, 본질적으로 스터드(5)와 패널(3)의 부분 용융의 결과로서, 상기 두 구성 요소 사이의 마찰의 급격한 감소와 그 결과로서 토크(RF)(도 3의 선(39) 참조)의 급격한 강하가 있을 때까지 도달한 값으로 유지되며, 이것은 제어기에 의해서 탐지되고 나서 속도를 감속시키는 데 사용되는 한편, 압착력(F)과 감소된 토크(RF)는 사실상 변하지 않는다. 상기 공정에서, 스터드(5)는 예를 들어 1 밀리미터의 수십 퍼센트만큼 패널(3) 안으로 침투하며, 이 때, 시점(40)에서, 두 구성 요소 사이의 마찰을 감소시키는 원하는 용융량(melt)이 스터드(5)와 패널(3)과의 사이에 형성된다. 이것은 시점(time period)(40) 이후의 토크(RF)의 강하로부터 명백하며, 상기 강하는 토크 센서(17)에 의해서 제어기(19)로 보고된다. 그 즉시, 제어기(19)에 의해 결정된 시간 지연(time delay)과 함께 제어기(19)는 압착력(F)을 증가시키며, 이는 시점(40)과 시점(41) 사이의 기간에서 발생한다. 압착력(F)의 증가에 따라, 토크(RF)는 시점(52)까지 다시 상승하며, 이 시점에서 속도(n)는 광범위하게 감속되었고, 그 결과로, 시점(52)에서 시작해서, 압착력(F)은 제어기에 의하여 감소되고 최종적으로 0의 값으로 복귀된다. 동시에, 속도(n)의 감소와 압착력(F)의 감소 모두를 통해서, 또한 토크(RF)는 감소되며 속도가 0의 값에 도달했을 때 마찬가지로 0의 값에 도달한다. 시점(53)에서, 부분 용융된 스터드는 서로 강하게 용접되었다.

도 4a 내지 도 4e는 마찰 용접된 연결부의 제조의 연속적 단계들을 나타내며, 도 4a는 초기 위치에서 도 1로부터의 상기 장치의 전방 단부를 보여주며, 척(4)은, 그 안에 조여진 스터드(5)와 함께, 패널(3)로부터 약간 떨어져 있으며, 스터드(5)와 함께 척(4)은 다운홀더(12)에 의해 둘러싸여 있다. 다운홀더(12)는 앞선 위치(도 1 참조)에서 도시되고 있으며, 이로부터, 패널(3)에 내려오자마자, 다운홀더는 도 4c에 나타난 바와 같은 위치로 역으로 가압된다. 척은(4)은 추가로 스러스트 볼트(42)를 포함하며, 스러스트 볼트는 척의 부분(도 1과 도 2에 도시되지 않음)으로서 용접될 스터드(5)에 전술한 압착력을 가한다.

도 4b는 다운홀더(12)가 패널에 내려와서 받침부(2)에 대향해서 패널(3)을 압착하는 위치에서 도 4a의 장치를 도시하고 있다.

도 4b에 따른 작동 단계 이후에, 스터드(5)는 도 4c에 나타난 바와 같이, 이제 패널(3)을 향해서 척(4)에 의해, 마찰 용접 작업을 할 스터드 구역과 함께, 스터드(5)가 패널(3)에 접촉할 때까지 추가로 이동되며, 마찰 용접 작업이 시작되자마자, 다운홀더(12)는 도 2에 나타난 스프링(23, 24)에 대향해서 더 뒤로 가압되었으며 따라서 받침부(2)에 대해서 패널(3)에 특히 큰 조이는 힘을 가한다.

도 4c에 나타난 단계 이후에, 다음으로 전기 모터(7)의 작동과 그에 따른 초기 속도를 가지는 스터드의 회전을 통한 마찰 용접 작업(도 3에 도해하여 나타냄)이 뒤따르며, 이는 마찰(도 3과 관련하여 기술됨)과 스터드(5)와 패널(3)의 각각의 접촉 표면들의 부분 용융을 발생시키고, 스터드(5)는 패널(3) 안으로 짧은 거리를 침투하며, 이러한 작업의 종료시에, 최종적으로 도 4d에 나타난 바와 같이 패널(3)에 강하게 용접된다.

도 4d에 나타난 작동 단계의 완료와 동시에, 척(4)과 다운홀더(12)는 도 4e에 나타난 바와 같이 이제 패널로부터 멀어지게 이동될 수 있으며, 스터드(5)는 척(4)으로부터 분리되며 패널(3)에 강하게 용접된 채로 남는다.

도 4d에 따른 작동 단계의 장치를 보여주는 도 5는, 패널(3)에 강력하게 마찰 용접된 스터드의 완성된 연결부를 나타낸다. 스터드(5)는 인접한 육각꼴(43)을 구비한 생크(shank)와 융착링(welding ring)(44)으로 구성되며, 상기 융착링(44)은 상기 육각꼴(43)로부터 축방향으로 멀어지게 돌출한다. 상기 세 개의 구성 부분은 일체형 원피스 형태(integral one-piece design)이다. 융착링(44)은 전체 스터 드(5)에 대해서 축방향으로 위치된 짧은 돌출부이며, 상기 돌출부는 마찰 용접 작업을 위하여 그 전방의 표면이 패널(3) 상에 오도록 하강하며, 상기 전방의 표면과 이를 향하는 패널(3)의 표면은 마찰 용접 작업을 위한 두 개의 접촉 표면을 형성한다. 스터드(5)와 패널(3)의 그러한 형태는, 본 발명에 따른 상기한 공정의 사용과 함께, 특히 얇은 용접 구역(45)을 결과적으로 야기하며, 이것은 본 발명에 따른 마찰 용접 공정이 또한 현저히 얇은 패널에 사용되는 것을 가능하게 한다. 그러한 패널은 특히 자동차 산업에서 본체 제작에 사용된다.

도 6은 도 5에 도시된 스터드(5)와, 패널(3)의 완성된 마찰 용접 연결부를 나타내며, 상기 패널(3)에는 마찰 용접 작업 전에 패널의 양측의 각각에 개별적인 얇은 피복(46, 47)이 각각 구비되었다. 빈번하게, 페인트 피복된 금속 본체 패널은 본체 쉘의 기초를 형성하기 때문에 그러한 얇은 피복은 자동차 본체 제작에 마찬가지로 사용된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 피복(46)은 마찰 용접 작업 중에 침투되었으며, 상기 피복(46)으로부터 가열되고 수축된 부분들(48, 49)이 형성되었으며, 상기 부분들은 마찰 용접 구역(45)의 옆에 위치하였다. 마찰 용접 구역(45)은 상기 융착링(44)으로부터 패널(3)의 내측 재료로 직접적으로 이행하며, 이것은 결과적으로 현저히 강하고, 무 기공(pore-free)의 마찰 용접 연결부를 만들어 내며, 이것은 추가적으로, 상기 마찰 용접 연결부가 마찰 용접 구역(45)의 상대적으로 얇은 구역에 집중되기 때문에, 사실상 패널(3)의 투과 가열(through-heating)이 없고　따라서 패널의 후방측의 피복(47)에 또한 손상이 없다는 특유의 장점을 가진다.

도 7은 본 발명에 따른 공정을 실시하는 장치를 제시하며, 상기 장치는 특수 한 유형의 압착력 액츄에이터를 사용한다. 이와 관련하여, 무엇보다도 상기 언급한 선행 기술(DE 199 02 357 A1)을 참조해야하며, 상기 선행 기술에서는 유압 실린더가 압착력 액츄에이터로서 구체적으로 언급되며 또한 압착력 액츄에이터가 여타의 적절한 형태일 수도 있다는 것이 지적되고 있다. 도 7에 따라서 본 장치에서 사용되는 압착력 액츄에이터는 두 개의 분절 레버(70, 71)를 구비한 토글 조인트 연결 장치(toggle joint connection)이다. 상기 두 개의 분절 레버는 조인트(72)에서 합체되며, 조인트(72)는 나사식 조절 로드(73)와 연동된다. 나사식 조절 로드(73)는 서보-모터(servo-motor)(74)에 의해서 가동된다. 조인트(72)의 반대편의 조인트(75)는 공급 장치(6)의 상단부(76)로 연결된 분절된 연결부를 가진다. 상기 상단부(76)는 고정되어 있으며, 그 결과 분절 레버(70)는 상단부(76)에 대해서 스스로 지지될 수 있다. 분절 레버(71)의 조인트(77)는 슬라이딩 부분(10)으로 연결된 분절된 연결부를 가지며, 그 결과 분절 레버(71)에 의하여 슬라이딩 부분(10)에 가해지는 압력 또는 인장은 화살표로 표시된 슬라이딩 부분(10)의 이동을 야기한다.

상기 토글 조인트 연결 장치(toggle joint connection)의 작동 방식은 다음과 같다. 나사식 조절 로드(73)가 회전되고 그 결과로 공급 장치(6)를 향해 이동함에 따라, 두 조인트(75, 77)는 서로에게서 멀어지게 이동하고, 이 때 상단부(76)의 고정 위치(stationary position) 때문에, 조인트(77)는 아래 방향으로, 즉 구성 요소(3)를 향해서 필연적으로 이동하며, 두 분절 레버(70, 71)에 의해서 형성된 각에 따라서, 대체적으로 강력한 압력이 슬라이딩 부분(10)에 가해질 수 있다. 분절 레버(70)가 조인트(75) 주위에서 필요한 원운동을 할 수 있도록, 상기 조인트(75)는 회전 운동을 위한 중심점을 형성하며, 나사식 조절 로드(73)는 대응하여 작동하는 스위블 조인트(swivel joint)(78)를 구비한다.

기본적으로 상기 장치는 도 1과 관련하여 기술되었던 방식과 동일하게 제어되며, 단지 두 개의 와이어(59, 60)가 서보 모터(74)에 연결된다.

두 개의 분절 레버(70, 71)를 구비한 토글 조인트 연결 장치를 사용하면, 슬라이딩 부분(10)의 변위를 매우 정확하게 제공할 수 있고, 또한 동시에 큰 힘이 슬라이딩 부분(10)에 가해지도록 하는 것이 가능하며, 그 결과로 토글 조인트 연결 장치는 본 발명 장치에서 스터드(5)와 척(4)의 공급 운동을 담당하는 부분의 특히 바람직한 형태를 제공한다.

본 발명에 따른 상기의 공정은 아래의 주어진 공정 값을 사용하여 실시될 수 있다는 것이 실험을 통해서 입증되었다.

초기 속도(n) = 10,000 rpm;

토크(RF) = 20 - 40 N/m;

압착력(F) = 3 - 10 KN;

피동 구성 요소의 마찰 접촉 동안의 구성 요소의 행정(s)

= 0.4 - 0.8 mm;

상기 구성 요소의 마찰 접촉을 위한 시간의 길이(t) = 0.5 - 5 sec.

위의 특정 값들은 예로서의 역할을 한다. 이 값들은 상기 구성 요소들의 재료와 그 접촉 표면들의 크기에 따라 변할 수 있다. 아무튼, 이것은 특히 짧은 지속 시간의 마찰 용접 공정이며, 상기 공정은 상기 공정이 단지 피동 구성 요소의 약간 의 단축(shortening)과 상기 구성 요소를 위한 매우 적은 침투만을 요구한다는 사실을 또한 특징으로 한다.

Claims (14)

1. 구성 요소(3, 5)의 마찰 용접을 위한 방법으로서, 가열 단계 동안에서 그리고 압착력 액츄에이터(8a)에 의해 생성되는 축방향 왕복 압착력(F) 하에서, 두 구성 요소(3, 4)는 용접되는 부위에서 서로에 대해서 회전하고, 하나의 구성 요소(3)는 정지하고 피동 구성 요소(5)는 회전되며, 또한 구성 요소(3, 5)를 충분히 마찰 가열한 후에는, 회전이 제동되고 구성 요소(3, 5)가 서로에 대해서 정지한 상태로, 가열 단계 동안 보다 상당히 큰 압착력으로 함께 압착되고, 회전되는 구성 요소(5)는 제어기(19)를 구비한 전기 모터(7)에 의해 구동되며, 상기 전기 모터(7)의 속도(n), 토크(RF), 압착력(F) 및 공급 깊이(feed depth)(s)는 제어기(19)에 의해 측정되는 방법에 있어서,

   두 구성 요소(3, 5) 사이의 초기 축방향 압착력(F)에 따라서, 속도(n)가 두 구성 요소(3, 5)의 접촉 표면들의 부분 용융을 야기하는 초기 속도(n)로 제어기(19)에 의하여 조절되고 두 구성 요소(3, 5)의 접촉 표면들의 용융의 결과로서 토크 강하가 발생하는 때까지 유지되며, 그 토크 강하와 동시에 속도가 낮아져서 정지 상태로 감속되며, 감속의 종료 시에, 압착력(F)은 최대치까지 증가되어 두 구성 요소(3, 5)의 접촉 표면들에서 강한 용접 연결(45)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 구성 요소의 마찰 용접을 위한 방법.
2. 전기 모터(7)의 축(22)이 피동 구성 요소(5)의 회전축으로 축방향으로 이행 하는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 마찰 용접 방법을 실시하기 위한 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전기 모터(7)와 상기 피동 구성 요소(5)가 축방향으로 단단히 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 전기 모터(7)와 상기 피동 구성 요소(5)와의 사이에 미끄럼 방지(non-slip) 기어 유닛이 연결되는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 마찰 용접 방법을 실시하기 위한 장치.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전기 모터(7)는 선형 공급 장치(6)에 의하여 운반되며,

   상기 공급 장치(6)는 압착력 액츄에이터(8a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전기 모터(7)는 압착력 센서(17)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   전기 모터(7)와 공급 장치(6)의 연결부는 행정 센서(travel sensor)(11)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서,

   전기 모터(7), 행정 센서(travel sensor)(11), 토크 센서(18) 및 압착력 센서(17)는 제어기(19)를 포함하고 있는 제어 루프(loop)에 연결되며 제어기(19)에 토크(RF), 속도(n), 행정(s) 및 압착력(F)을 나타내는 측정된 데이터를 제공하고, 전기 모터(7)와 공급 장치(6)는 상기 측정된 데이터의 측정값에 기초해서 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   피동 구성 요소를 형성하는 스터드(5)를 위한 수용 수단(4)과 정지 구성 요소로서의 패널형 구성 요소(3)를 위한 받침부(abutment)(2)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 받침부(2)는 평평한 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    패널형 구성 요소(3)를 상기 받침부(2)에 대향해서 압착하는 다운홀더(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    스터드(5)를 공급하기 위하여 공급 기구(15)가 구비되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 받침부(2)는 C형 암(1)에 의해서 공급 장치(6)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제5항에 있어서,

    상기 압착력 액츄에이터는 토글 조인트 연결 장치(toggle joint connection)의 형태이며, 토글 조인트 연결 장치의 분절 레버(70, 71)들은 모터 구동 회전 중에 나사식 조절 로드(threaded adjusting rod)(73)에 의해서 서로를 향하거나 서로에게서 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 장치.

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