KR20070115051A

KR20070115051A - 스터드 용접 방법

Info

Publication number: KR20070115051A
Application number: KR1020060048851A
Authority: KR
Inventors: 준이치 미조구치
Original assignee: 준이치 미조구치
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-05
Also published as: KR101050239B1

Abstract

본 발명은 마그네슘 또는 그 합금으로 이루어진 스터드 및 모재를 충분한 접합 강도로 용접하는 스터드 용접 방법을 제공한다.

본 발명은, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 모재(14)에, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 스터드(15)를 용접하는 방법으로서, 단부에 돌기(28)가 형성된 스터드(15)를 모재(14)에 대하여 0.5∼12mm의 간격(G)을 두고 배치하는 제1 공정과, 스터드(15)를 급속 하강시키는 제2 공정과, 스터드(15)의 급속 하강시킴으로써 표면의 산화 피막이 파괴된 모재(14)와 스터드(15) 사이에, 콘덴서(11)에 충전시킨 전하를 급속 방전시켜서, 용접부에 비산화성 분위기를 형성하여 대기로부터 차단하여, 스터드(15)의 단부를 모재(14)에 용접하는 제3 공정을 포함하며, 콘덴서(11)의 방전은, 콘덴서(11)의 방전 스위치인 사이리스터(13)의 게이트에 용접 개시 신호로서, 0.1초보다 긴 펄스 신호를 이용하여 행해진다.

용접, 마그네슘, 스터드, 하강, 스프링

Description

스터드 용접 방법{STUD WELDING METHOD}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 대한 설명도이다.

도 2의 (A), (B), (C)는 각각 상기 실시예에 사용되는 스터드를 일부 절단한 측면도이다.

도 3의 (A)는 특히 상기 실시예에 사용되는 스터드의 설명도이고, (B) 및 (C)는 상기 스터드의 정면도 및 측면도이다.

- 부호의 설명 -

10: 스터드 용접 장치 11: 콘덴서 12: 충전 회로

l3: 사이리스터 14: 모재 15: 스터드

16: 스터드 용접 치구 17: 제어 회로 18: 가이드 부재

19: 로드 20: 홀더 2l: 스프링 받침

22: 스프링 받침판 23: 압축 스프링 24: 자성 물체

25: 전자석 26: 다이오드 27: 용접 개시 스위치

28: 돌기 30, 31: 스터드 32: 프렌지

33: 스터드 33a: 단이 부착된 부분

35: 스터드 36: 구거 37: 모재

38: 프렌지 39: 저면

본 발명은, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 모재(母材)에 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 스터드(stud)를 용접하는 방법에 관한 것이다.

마그네슘 또는 그 합금으로 이루어진 재료는 표면에 강력한 산화 피막을 형성하여, 산화되기 쉬운 것으로서 용접하기 극히 곤란하다. 한편, 예를 들면, 특허 문헌 1 등에, 모재 위에 스터드를 부착하는 스터드 용접법이 개시되어 있다. 이 스터드 용접법은, 대용량의 콘덴서에 전하를 축적하고, 선단에 돌기가 형성된 스터드를 모재에 접촉한 상태에서, 콘덴서의 전하를 급속 방전하고, 스터드 선단과 모재의 사이에 순간적으로 아크를 발생시켜서, 스터드의 선단을 모재에 용접하는 것이다.

[특허 문헌 1] 특개 2002-172465호 공보

하지만, 상기 스터드 용접법을 그대로 적용하여, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 모재(이하, 간단히 "모재"라고 지칭함)에 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 스터드(이하, 간단히 "스터드"라고 지칭함)를 용접하기는 어렵고, 스터드의 형상 및 재질에 따른 실질적이고 효과적인 강도로 접합하기는 극히 곤란하다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 마그네슘 또는 그 합금으로 이루어지는 스터드 및 모재를, 충분한 접합 강도로 용접하는 스터드 용접 방법 을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 스터드의 용접 방법은, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 모재에, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 스터드를 용접하는 방법으로서, 단부에 돌기가 형성된 상기 스터드를 상기 모재에 대하여 0.5∼l2mm의 간격을 두고 배치하는 제1 공정, 상기 스터드를 급속 하강시키는 제2 공정, 상기 스터드를 급속 하강시킴으로써 표면의 산화 피막이 파손된 상기 모재 및 상기 스터드의 사이에, 콘덴서에 충전시킨 전하를 급속 방전시켜서, 용접부에 비산화성 분위기를 형성하여 대기로부터 차단하고, 상기 스터드의 단부를 상기 모재에 용접하는 제3 공정을 포함하며, 상기 콘덴서의 방전은, 상기 콘덴서의 방전 스위치가 되는 사이리스터(thyristor) 게이트에 용접 개시 신호로서, 0.1초보다 긴(0.5∼2초가 더욱 바람직함) 펄스 신호를 이용하여 실시한다.

이러한 스터드 용접 방법에 있어서는, 스터드를 급속하게 하강시켜서 산화 피막을 파괴하고, 모재와 스터드 사이에 방전을 일으켜서 비산화성 분위기(상세하게는 메탈 아크 분위기)를 형성하여 용접함으로써, 용접부가 대기로부터 차단되어, 용접부가 더욱 청결해진다. 한편, 모재와 스터드의 간격이 0.5mm 미만인 경우에는, 스터드가 모재에 접하기 직전의 가속에 의하여 스터드가 모재에 충분한 충격을 주기 어렵고, 12mm를 초과하면 간격이 지나치게 커서 장치 자체가 치밀하지 않게 되며, 게다가, 스터드와 모재의 충돌력에 편차가 생기기 쉽다. 그리고, 콘덴서의 방전 스위치 신호인 0.1초를 초과하는 펄스 신호를 게이트에 가하여 사이리스터를 통전시킴으로써, 콘덴서가 확실하게 방전된다.

또한, 제2 실시예에 따른 스터드 용접 방법은, 제l 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 있어서, 상기 제2 공정에서의 상기 스터드의 하강은, 상기 스터드가 장착된 스프링에 의해 아래쪽으로 부착된 승강 부재를, 상기 스프링에 대항아혀 끌어 올리고, 전자석에 의해 유지한 후, 상기 전자석의 전류를 차단하여, 상기 승강 부재를 급속 하강시킴으로써 수행된다. 이렇게 함으로써, 전자석의 전원을 끄면 스프링에 의해 부착된 승강 부재가 하강하므로, 구조가 간단해진다.

제3 실시예에 따른 스터드 용접 방법은, 제l 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 있어서, 상기 제2 공정의 상기 스터드의 하강은, 상기 스터드가 장착된 승강 부재를 리니어 모터에 의해 하강시키는 것이다. 이렇게 함으로써, 하강 속도 등을 미세하게 제어할 수 있으므로, 스터드의 형상 및 재질에 따른 적절한 제어가 가능해진다.

제4 실시예에 따른 스터드 용접 방법은, 제1∼3 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 있어서, 상기 스터드의 돌기의 직경은, 상기 스터드의 용접부 직경의 1/12∼1/8(바람직하게는, 1/10∼1/9)이다. 한편, 여기에서 스터드의 용접부의 직경은, 스터드의 하단에 프렌지가 설치되어 있을 경우에는 프렌지의 직경과 동일하며, 프렌지가 설치되지 않은 경우에는 스터드의 직경과 동일하다. 그 이유는, 돌기의 직경이 보다 클 경우, 보다 큰 에너지가 필요하고, 과잉의 열이 들어오므로 박판 용접이 불가능하다. 또한, 돌기의 직경이 보다 작은 경우, 저항이 커져서 전체적으로 들어오는 열이 증가하지만, 스터드 하강시에 돌기가 훼손되거나 굽어져서, 용접 강도에 편차가 생긴다.

제5 실시예에 따른 스터드 용접 방법은, 제1∼4 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 있어서, 상기 돌기를 포함하는 스터드의 단부는, 스터드 재료를 불활성 가스 또는 진공하에서 250∼400℃(250℃∼300℃가 더욱 바람직함)에서 가열하여 헤더 가공에 의하여 행해진다. 이렇게 함으로써 스터드의 소성 가공이 가능하다.

그리고, 제6 실시예에 따른 스터드 용접 방법은, 제1∼5 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 있어서, 상기 모재의 용접되는 부분이 매끄러운 곡면일 경우, 상기 스터드의 상기 돌기를 제외한 하단면을 상기 모재의 용접되는 부분에, 예를 들면 1∼3mm의 간격으로 부합되도록 형성하는 것이다. 이렇게 함으로써, 스터드의 용접부가 더욱 모재에 밀착되어 접합 강도가 향상된다.

한편, 상기 실시예에 있어서, "내린다" 및 "하강"은 스터드를 모재에 근접시키는 방향으로 이동(또는 모재에 충돌)하는 것을 의미한다.

이어서, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명을 구체화한 실시예를 설명함으로써 본 발명의 이해를 돕고자 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 사용하는 스터드 용접 장치(10)는, 복수의 콘덴서 단위를 병렬로 접속해서 구성되는 대용량의 콘덴서(11)와, 콘덴서(11)에 상용 전원으로부터 전하를 충전하는 충전 회로(12)와, 콘덴서의 방전 개시용 스위치인 사이리스터(13)와, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 모재(14) 위에 배치되는 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 스터드(15)로 이루어지며, 소정의 충격 압력으로 스터드(15)를 모재(14)에 누르는 스터 드 용접 치구(16)와, 이들의 제어 회로(17)를 포함한다. 이하, 이들에 대하여 상세하게 설명한다.

스터드 용접 치구(16)는, 가이드 부재(18)를 따라 상하 이동 가능한 승강 부재의 일종인 로드(도체임)(19)와, 로드(19)의 하단에 설치되며, 스터드(l5)를 유지하는 홀더(20)를 포함한다. 로드(19)의 가운데에는 스프링 받침(2l)이 설치되어서, 스프링 받침(21)과 고정된 스프링 받침판(22) 사이에 설치된 압축 스프링(스프링의 일종)(23)에 의해 스프링 받침(21)은 아래쪽으로 가압되어 있다. 또한, 로드(19)의 상단에는 자성 물체(예를 들면, 철 또는 영구 자석)(24)가 설치되며, 자성 물체(24)를 관통하는 전자석(25)이 설치되어서, 이 전자석(25)이 통전된 경우에는, 자성 물체(24)가 장착된 로드(19)가 압축 스프링(23)에 대항하여 상승하지만, 전자석(25)의 통전이 차단되면 압축 스프링(23)의 가압력에 의하여 로드(19), 즉 로드(19)의 선단부에 설치된 홀더(20)에 장착된 스터드(15)가 모재(14)와 충돌하도록 구성되어 있다.

한편, 가이드 부재(18), 스프링 받침(22) 및 전자석(25)은, 도시하지 않은 지지 부재에 의해 용접 건(gun) 본체에 고정되어 있다.

콘덴서(11)에 역류 방지용 다이오드(26)를 통하여 접속되는 충전 회로(12)는, 콘덴서(11)의 방전이 종료되고, 사이리스터(13)가 off된 것을 검지해서 작동하고, 소정의 전압까지 콘덴서(1l)를 충전하는 구조로 되어 있다. 사이리스터(l3)의 캐소드(출력측)는 전기 전도성을 가진 로드(19)에 가소성 도체로 리액터 등을 통하지 않고 직접 연결되어 있다. 이렇게 함으로써, 콘덴서(11)에 충전되어 있던 전하 를 급속 방전시킬 수 있고, 초기의 방전 시간으로, 모재(14)와 스터드(15)가 접하고 있는 부분인 용접 개시 지점에서의 금속 성분을 휘발시킨 비산화성(즉, 환원성) 분위기를 형성해서 마그네슘의 급속 산화를 방지하고, 용접을 완료하도록 되어 있다. 제어 회로(17)는 항상 전자석(25)에 전류를 공급하고, 자성 물체(24)를 흡인하고, 스터드(15)를 끌어 올리는 구조가 되고 있다.

또한, 제어 회로(17)에는, 용접 개시 스위치(27)가 설치되어서, 용접 개시 스위치(27)를 작동시키면, 전자석(25)의 통전을 차단하면서 동시에, 사이리스터(13)의 게이트에 펄스 전류(펄스 신호)를 공급하도록 되어 있다. 이 펄스 전류는 비교적 통전 시간이 길며(0.1초를 초과하며 2초 이하), 스터드(15)가 하강한 후, 모재(14)에 스터드(15)의 선단의 돌기(28)가 접촉함으로써, 콘덴서(l1)가 방전된다.

한편, 스터드(15)의 돌기(28)와 모재(14)의 표면의 간격(G)은, 항상 0.5∼12mm 범위의 거리로 조정할 수 있는 구조로 되어 있다. 즉, 스터드 용접 치구(16)의 상부에 설치된 전자석(25)의 높이 위치 조절 기구(도시하지 않음)를 제어함으로써, 간격(G)을 조정할 수 있다.

도 2의 (A)∼(C)에 이러한 스터드 용접 방법에 사용되는 스터드의 다른 예를 나타내었지만, (A)에 나타낸 스터드(30)는 스트레이트형이지만, (B)에 나타낸 스터드(31)에는 하부에 프렌지(32)가 형성되어 있다. 또한, (C)에 나타낸 스터드(33)에는, 하부의 직경이 축소되어, 그 하단에 돌기(28)가 형성되어 있다.

그리고, 도 3의 (A)∼(C)에 나타낸 바와 같은 특수한 형상의 스터드(35)도 있다. 이 스터드(35)는, 예를 들면 (A)에 도시한 바와 같이 완만한 곡선으로 형성된 구거(36)를 가진 모재(37)의 구거(36)에 스터드(35)를 용접할 경우, (B) 및 (C)에 나타낸 바와 같이 스터드(35)의 하부의 프렌지(38)의 저면(하단면)(39)을 구거(36)의 매끄러운 굴곡면에 따라 형성함으로써, 보다 균등한 강도로 스터드(35)를 모재(37)에 용접할 수 있다.

그리고, 스터드(l5, 30, 31, 33, 35)의 돌기(28)의 직경은, 스터드의 용접부 의 직경의 l/12∼1/8(보다 바람직하게는, 1/10∼1/9)인 것이 좋다. 한편, 여기에서 용접부의 직경은 프렌지(32)를 가지는 스터드(31)인 경우는 프렌지(32)의 직경, 단(段)이 형성된 스터드(33)의 경우는 단 부분(33a)의 직경, 스트레이트형의 스터드(30)의 경우는 스터드의 직경을 의미한다. 여기에서, 돌기(28)의 직경이 작으면 스터드를 하강시켜서 모재(14) 등에 충돌시켰을 경우, 돌기(28)가 으깨어지고, 돌기(28)의 직경이 크면 용접 전류가 부족하며, 만일 충분한 용접 전류를 공급하더라도, 과잉의 열이 용접부에 공급되어서 왜곡이 발생하는 등의 문제가 있다.

또한, 마그네슘 합금(또는 마그네슘)으로 이루어진 스터드 재료로부터 돌기(28)를 포함하는 스터드의 단부를 헤더 가공(프레스 가공, 즉 소성 가공)에 의해 형성하는 경우, 상온에서는 가공하기 어려우므로, 불활성 가스 또는 진공하에서 250∼400℃ 정도로 가열한 후 행하는 것이 바람직하다.

이어서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스터드 용접 방법에 대하여 설명한다.

선단에 돌기(28)가 형성된 스터드(15)를 홀더(20)에 장착하고, 스터드(15)의 돌기(28)를 모재(14)에 대하여 0.5∼12mm(예를 들면, 3mm)의 간격(G)을 두고 배치한다. 이 상태에서는 전자석(25)과 전류가 통전된 로드(19)는 상승해 있다. 또한, 콘덴서(l1)는 소정의 전압으로 충전되어 있다.

이 상태에서 용접 개시 스위치(27)를 누르면, 이것이 용접 개시 신호가 되고, 전자석(25)의 자성이 해제되어, 사이리스터(13)의 게이트에 펄스 전류가 통전된다. 전자석(25)의 통전이 차단되면, 스터드(15)는 압축 스프링(23)에 의하여 급속 하강하여 모재(14)와 충돌하고, 스터드(15)의 돌기(28) 및 모재(14)의 산화 피막이 순간적으로 파괴되며, 이어서, 콘덴서(11)로부터의 방전이 개시된다. 이 콘덴서(11)의 방전 회로에는 리액터 등, 콘덴서(11)의 급속 방전을 완화하는 소자가 설치되어 있지 않다. 따라서, 콘덴서(l1)에 충전되어 있는 전하는 지극히 짧은 시간에 급속 방전되고, 더욱 산화 피막을 형성하면서 용접이 완료된다. 여기에서, 사이리스터(13)의 게이트에 보내는 용접 개시 신호인 펄스 전류가 0.1초를 초과하여 충분히 길기 때문에, 돌기(28)와 모재(14)가 완전히 접촉된 후에도 게이트 전류가 계속해서 흐르고, 확실하게 사이리스터(13)가 통전되어서 콘덴서(11)의 방전이 행해져서, 용접 불량 등이 발생하지 않는다.

상기 실시예에 있어서는, 로드(19)의 하강 및 상승은 전자석(25)과 압축 스프링(23)에 의하여 행해지지만, 예를 들면, 리니어 모터를 사용해서 로드(상승 부재)를 제어할 수 있고, 이를 사용하면 보다 정밀한 제어가 가능하며, 보다 품질이 향상된 용접부를 얻을 수 있다. 이 경우일지라도, 상기 실시예와 같이 로드(19)가 하강을 시작해서 스터드(15)의 돌기(28)가 모재(14)와 확실하게 접할 때까지, 사이 리스터(13)의 게이트에 전류를 계속해서 흐르도록 해야 한다.

청구항 제1항∼제8항에 기재된 스터드 용접 방법은, 모재와의 사이에 0.5∼12mm의 간격을 두고 배치한 스터드를 급속 하강시키면서, 방전을 개시하므로, 모재 및 스터드의 표면에 형성되어 있는 산화 피막이 파괴된다. 모재 및 스터드의 산화 피막이 파괴된 상태에서, 사이리스터 게이트에 펄스 신호를 가해서 콘덴서의 전하를 확실하게 방전시킴으로써, 아크가 발생하여 주위에 비산화성 분위기를 형성하고, 이것에 의해 종래 곤란했던 마그네슘 또는 그 합금으로 이루어진 모재와 스터드와의 용접이 가능해진다.

또한, 모재와 스터드의 사이에 형성된 용접부에는, 비교적 산화물이 적고, 강도 높은 접합이 이루어진다.

Claims

마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 모재(母材)에, 마그네슘 또는 마그네슘 합금제의 스터드를 용접하는 방법으로서,

단부에 돌기가 형성된 상기 스터드를 상기 모재에 대하여 0.5∼l2mm의 간격을 두고 배치하는 제1 공정;

상기 스터드를 급속 하강시키는 제2 공정; 및

상기 스터드를 급속 하강시킴으로써 표면의 산화 피막이 파손된 상기 모재와 상기 스터드 사이에, 콘덴서에 충전시킨 전하를 급속 방전시켜서, 용접부에 비산화성 분위기를 형성하여 대기로부터 차단하고, 상기 스터드의 단부를 상기 모재에 용접하는 제3 공정

을 포함하며, 상기 콘덴서의 방전은, 상기 콘덴서의 방전 스위치인 사이리스터(thyristor) 게이트에 용접 개시 신호로서, 0.1초보다 긴 펄스 신호를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 공정에서의 상기 스터드의 하강은, 상기 스터드가 장착된 스프링에 의해 아래쪽으로 가압된 승강 부재를, 상기 스프링에 대항하여 끌어 올리고, 전자석에 의하여 유지시킨 후, 상기 전자석의 전류를 차단함으로써, 상기 승강 부재를 급속 하강시키는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제2항에 있어서,

상기 스터드의 돌기의 직경은, 상기 스터드의 용접부의 직경의 1/12∼1/8인 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제2항에 있어서,

상기 돌기를 포함하는 스터드의 단부는, 스터드 재료를 불활성 가스 또는 진공하에서 250∼400℃로 가열하여 헤더 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2 공정의 상기 스터드의 하강은, 상기 스터드가 장착된 승강 부재를 리니어 모터에 의해 하강시키는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제5항에 있어서,

상기 스터드의 돌기의 직경은, 상기 스터드의 용접부의 직경의 1/12∼1/8인 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제5항에 있어서,

상기 돌기를 포함하는 스터드의 단부는, 스터드 재료를 불활성 가스 또는 진공하에서 250∼400℃로 가열하여 헤더 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 모재의 용접되는 부분이 매끄러운 곡면일 경우, 상기 스터드의 상기 돌기를 제외한 하단면은 상기 모재의 용접되는 부분에 부합되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스터드 용접 방법.