KR20140027930A - 냉각 절연체를 포함하며, 메탈 시트를 용접하기 위한 전자기 펄스-용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈 시트(11)를 메탈 부분(12)에 접합하기 위한 전자기 펄스 용접 장치에 관한 것으로, 전류 전도체(3)에 의해서 코일(4)과 연결되는 전기 에너지 원(2), 메탈 시트(11)에 직접적으로 근접해 있는 코일의 활성 부분(41)으로 구성되며, 메탈 시트(11)는 메탈 부분(12)으로 부터 좀 떨어져 있다. 코일의 비활성 부분(42)은 활성 부분(41)보다 더 큰 횡단면을 가지며 활성 부분(41)은, 냉각 절연체(5)가 확실히 설치되게 표면의 일부분에 접하며, 절연체의 재료는 코일의 재료와 비교해 상대적으로 높은 열 전도도 및 상대적으로 낮은 자기와 전기 전도도를 가진다.

Description

냉각 절연체를 포함하며, 메탈 시트를 용접하기 위한 전자기 펄스-용접 장치{ELECTROMAGNETIC PULSE WELDING DEVICE FOR WELDING METAL SHEETS USING A COOLING INSULATOR}

본 발명은 메탈 시트를 메탈 부분에 본딩하기 위한 전자기 펄스-용접 장치에 관한 것으로, 전기 전도체를 통해 코일에 연결되는 전기 에너지 원(electrical energy source)을 포함하며, 코일의 활성화 부분이 메탈 부분으로부터 이격되어 있는 메탈 시트의 바로 근처에서 연장되는 전자기 펄스-용접 장치에 관한 것이다.

"폭발 용접"(explosion welding)으로 알려져 있는 종래 기술에 있어, 메탈 시트를 추가로 메탈 부분에 연결하기 위해, 메탈 시트는 메탈 부분 상의 표면의 스트립과 같은 부분을 통해서, 특히 적어도 100m/s의 속도로 예각으로, 즉 적어도 360km/h로 부딪힌다.

이 방법의 추가 특징은, 메탈 시트가, 용접하기 전에, 메탈 부분으로부터 작은 거리에 위치되며, 이 거리는 가속 경로(acceleration path)로 이용된다. 이 과정에서, 메탈 부분들 사이에 위치되는 에어는 강력하게 가속되고 압축되며, 거의 메탈 부분들의 표면으로부터 산화물 레이어들(oxide layers)을 긁는 단단한 도구처럼 작용한다.

이 과정에서, 순수한 메탈 표면은 서로간에 원자 거리(atomic distances)에 도달할 때까지 서로 접촉하여 소성 변형하므로 격자 힘(lattice forces)이 발효되어 함께 용접된다.

종래 기술의 알려진 방법에 있어, 장약(explosive charge)의 폭발은 압력을 생성하는데 사용된다. 하나가 다른 것의 상단에 수평하게 놓여 있는 2개의 메탈 플레이트를 연결하기 위해, 결합되는 표면으로부터 떨어져 대면하는 폭발성의 균일한 얇은 레이어를 상부 메탈 플레이트 표면에 놓는다. 폭발력(explosive force )에 비해 상대적으로 무거운 플레이트는 장약 레이어(explosive charge layer) 상에 놓인다. 그 후에 전기 기폭장치로 점화되는 장약 레이어는 가장자리 또는 중앙 지점에서 점화되어 폭발을 일으킨다. 메탈 플레이트의 전면을 따라 전파되는 압력파(pressure wave)가 발생한다.

대규모의 상부 커버로 인해, 압력파는 자유롭게 상부쪽으로 벗어나지 못할수 있으나, 제2 메탈 플레이트 상의 폭발 레이어(explosive layer) 아래에 위치된 메탈 플레이트 또는 폭발 레이어 아래에 위치된 메탈 바디를 "타격"(strikes)한다.

그러나, 질량 관성(mass inertia)의 결과로, 상부 메탈 플레이트는 전체적으로 이동하지 않고 단지 폭발 구역 아래에 놓이는 시트 메탈 섹션을 다소간 굴절시키고 베이스 시트 상을 타격한다.

종래 기술에 있어, 폭발 대신에, 코일 및 전자기 펄스에 의해 생성된 자기장(magnetic field )을 사용하는 메탈 시트의 부분 가속(partial acceleration )에 대해 알려져 있다. 이를 위해, 전기 코일은 용접되는 시트 메탈에 근접하여 배치되고, 펄스 방식으로 시트 메탈을 통해 매우 높은 전류가 흐른다. 이 전류는 제1 자기장을 생성하여, 메탈 플레이트에 와상전류(eddy current)를 만들어 낸다. 이러한 와상전류는 교대로 제1 자기장에 대향하는 방향으로 제2 자기장을 만들므로, 2개의 자기장은 상호간에 서로를 밀어낸다(반발한다). 최종적으로, 매우 강한 힘이 제1 메탈 플레이트 상에서 잠시동안(순간적으로) 발휘되어, 제1 메탈 플레이트가 부분적으로 변형되어 가속화되고 제2 메탈 플레이트 상에 타격을 일으킨다.

일본 특허 제2008 055 505호에는 이것에 적합한 코일을 보여준다. 원칙적으로, 하나의 가장자리로부터 절개되어 있는 서로 평행한 2개의 슬릿이 있는 직사각형 메탈 플레이트로 구성된다. 이런 방식으로, 메탈 플레이트는 문자 E 형태로 주어진다. E 의 중심 레그(centre leg)는 전류원(current source)의 하나의 극(pole)에 연결되며, 두개의 외측 다리들(outer legs)은 서로간에 평행하게 연결되어 전류원의 다른 극에 결합된다. 전류는 중심 레그를 통해 코일로 흘러 들어가 다시 두개의 외측 다리들을 통해 흘러 나온다. 이런 방식으로, 자기장이 만들어지고 중심 레그의 영역에서 가장 큰 장의 세기(field intensity)를 지닌다. 따라서 E 형상-코일의 중심 다리는 용접되는 메탈 시트의 영역으로부터 작은 거리에서 평행하게 배치된다.

원칙적으로, 현재까지 알려진 코일들의 지금까지 가장 큰 단점은, 비교적 짧은 수명을 가지고 있으므로 메탈 플레이트를 변형 및 가속하기 위해 필요한 대항력(counterforce)을 적용해야 하며, 또한 옴 저항(ohmic resistance)에서 전압 강하로 인해 강하게 가열된다.

추가적인 단점은, 큰 전류 펄스로 인해, 코일 자체가 부하를 받는다. E-형상 코일의 2개의 외측 레그들은 서로 상호간에 끌어당기므로, 그들을 통하는 전류는 동일한 방향으로 흐른다. 그러나 외측 레그들은 중심 레그에 의해 밀어내지므로, 중심 레그에서의 전류는 반대 방향으로 흐른다. 이러한 두가지 효과는 서로 완전히 상쇄되지 않기에, 레그들은 수직으로 실행되는 코일의 일부에 대해 토크를 받게되며, 많은 어플리케이션들 이후에 레그들을 연결하여, 토크가 레그들을 파단되게(breaking off) 한다.

추가적인 단점은 중심 레그가 월등히 상대적으로 좁다는 사실에 의해 발생되므로, 이런 영역에서, 특히 전류 밀도(current density)가 높아지고, 따라서 특히 높은 자기장 세기(강도)(high magnetic field intensity)를 얻을 수 있다. 이것은 결과적으로 중심 레그의 옴 저항이 상대적으로 높아지는데, 왜냐하면 코일의 이러한 부분의 열 부하가 가장 높아지기 때문이다. 따라서 이러한 부하 구역(loaded zone)에서, 코일의 조기 파손이 위협시 된다.

이러한 배경에 반하여 본 발명의 목적은, 메탈 시트를 다른 메탈 부분에 전자기 펄스 용접을 위한 코일을 만드는 것으로, 종래 기술의 코일보다 더 높게 부하(loaded)될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 더 높은 수명을 기대할 수 있다.

해결책으로, 본 발명은 활성 부분보다 더 큰 횡단면을 갖는 코일의 비활성 부분(passive part) 및 활성 부분을 제공하며, 표면의 일부에서, 활성 부분(active part)은, 냉각 절연체(cooling insulator)에 인접하여 연동하여 연결되며, 코일의 재료와 비교해 상대적으로 높은 열 전도도(thermal conductivity) 및 상대적으로 낮은 자기와 전기 전도도(low magnetic and electrical conductivity)를 가진다.

메탈 부분(metal part)에 메탈 플레이트(metal plate)를 용접하기 위해, 대규모의 전류 펄스가 코일을 통해 흐르며, 적어도 하나의 캐퍼시터 뱅크(capacitor bank)가 실제로 전류원(current source)으로 사용된다. 이 방법으로, 강한, 점형(punctiform)또는 선형(linear) 자기장이 구축되어, 메탈 시트에 와상전류를 유도(induces)한다. 그로인해 생성된 대항력(counterforce)은, 메탈 플레이트의 점형 또는 선형 영역(region)이 코일에 의해 밀려나서 매우 높은 속도로 가속되게 높은 압력을 생성한다.

테스트에서, 시간당 2,600 킬로미터에 해당하는, 초당 720 미터 까지 이르는 메탈 시트 영역의 속도는 전기 코일의 가장 높은 자기장 세기(강도)의 범위에서 달성된다. 이러한 높은 속도에서, 질량 관성(mass inertia)때문에, 메탈 시트의 인접 영역은 동일한 속도로 가속되지는 않지만 변형된다. 시트 메탈의 영역의 질량 관성은, 대략 S-형상 프로파일을 형성하게끔 변형되는 시트 메탈 내에서, 각각의 경우 스트립-형상 영역에 대한 시트 메탈의 변형을 훨씬 원격에서 제한한다. 자기장의 구축(build-up)에 대응하여, 이런 변형은 표면 위의 전면 라인을 따라 S 로 전파된다.

이런 높은 속도로 이동하는, 시트 메탈의 S-형상 전면-라인(front line)은, 메탈 부분에 대해 갑자기 충돌한다.

그 과정에서, 메탈부분들 사이에 위치된 공기는 슈퍼소닉 스피드(supersonic speed)에 도달할 수 있을 만큼 매우 강하게 가속되고 압축되어 잘 알려진 슈퍼소닉 붐(boom)에 이른다. 따라서 시트 메탈 및 메탈 부분의 맨위의 원자 레이어들(atomic layers), 및 각 메탈 표면에 위치되는 산화물 스킨들(oxide skins)은 시트 메탈 및 메탈 부분 사이의 공간에서 고속으로 가속된다.

메탈 부분 및 메탈 시트의 두개의 경계 레이어는 압력을 회피하게 하여 유체 같은 것이 폭발 방향으로 잠시동안 흐르게하여, 입자 경계들(grain boundaries)은 대부분 유지되어 남아 있는다. 경계에 가까운 레이어들은, 파상(wavelike)의 본딩 구역(bonding zone)이 만들어 지게끔, 교대로 쌓여서 함께 밀어 올려진다. 파면(wavefront)은, 수면에서 돌에 유발된 물결(waves)과 유사한 방식으로, 항상 충돌 과정의 전파방향(propagation direction)에 수직으로 실행된다. 본딩 구역에서 물결 패턴(wave pattern)은, 물이 멀리 흘러나감으로서 모래 해변에 형성되는, 흐름방향에 횡향으로 지향되는 리브들(ribs)과 유사하다.

물에서 물결들과 유사한 방식으로, 메탈 경계 면의 파동들은 서로 겹쳐지거나 심지어 둥굴게 말릴수(roll up) 있다. 파고점(wave crest) 전방에 맴돌이가 너무 강해지면 거기에서 용융 또는 합금 형성(물)(intermetallide formation)이 일어날 수 있다. 결과적으로, 메탈 시트를 메탈 부분에 용접하는 "폭발 용접"에 대해 위에서 설명한바와 같이, 아래에 위치된 메탈 부분 상에 시트 메탈을 타격하는 동안, 격자 힘(lattice forces)은 입사 원자들(incident atoms) 상호간에서 활성화 된다.

연결(connection)이 대부분 아주 잠시동안의 높은 압력에 의해 영향을 받기때문에, 수반되는 메탈들의 용융점(melting point)은 단지 연결 표면을 따라 매우 얕은 구역(shallow zone)에 도달된다. 실제, 깊이는 일반적으로 0.5 내지 5㎛ 이다.

이 구역으로부터 메탈 주위(환경)로 매우 빠른 열 분산에 의해, 메탈의 미세구조와 입자구조가 유지된다. 상대적으로 매우 큰 유동화 구역(fluidization zone)을 지니는, 종래의 용융용접(fusion welding)과는 달리, 본 발명에 따라 용접 후에 응고되는 동안, 매우 미세한 입자의 미세구조가 만들어지고, 높은 강도(high strength)와 높은 전성(high ductility)을 보유한다. 따라서, 용융용접과 달리, 메탈 결합의 범위 내에서, 결합되는 두개의 메탈 각각에서 혼합(mixing)이 발생하지 않아, 합금 단계에서 취성(brittle)이 형성된다.

본 발명에 따른 펄스 용접 장치에서, 매우 균일하게 하중을 견디는 용접들(load-bearing welds)을 달성할 수 있는데, 특히, 매우 상이한 용융점을 지니는 두개의 메탈에서 달성할 수 있다. 예컨대, 알루미늄 시트들이 스틸 거더(steel girders)에 용접될 수 있으며, 또는 그밖에 구리와 티타늄을 함께 연결할 수 있다.

본 발명에 따른 코일의 경우, 전류가 전도되는 횡단면의 사이즈는, 소위 코일의 "비활성 부분"(passive part)- 아래에 용접이 발생하지 않음- 및 소위 코일의 "활성 부분"(active part)- 아래에 용접이 발생 함- 사이에서 매우 명확하게 구별된다. 활성 부분에서, 전류는 상대적으로 매우 작은 표면 상에서 상당히 작은 횡단면을 통해 "함께 모여"(crowded together)있고, 그 결과 매우 신뢰할 만하고 효과적인 용접이 표면 아래에서 달성된다.

반면에, 비활성 부분 아래에, 매우 큰 횡단면으로 인해, 자기장 세기(magnetic field intensity)가 너무 낮아서, 메탈 시트의 이 영역에서는, 단지 매우 작거나 무시할만한 정도의 와상전류가 생성되므로, 이 영역의 메탈 시트는 현저하게 가속되거나 변형되지 않는다.

매우 바람직한 효과는, 자기장이 사실상 독점적으로 활성 부분에 집중되며, 절연체 또는 지원수단이 없는 소위 "에어코일"(air coil)과 같은 종래의 기술에 따른 설계의 경우, 펄스 용접 동안에 기계적 대항력이 발휘되는 경우에 비교적 적은 수의 어플리케이션 이후에 활성 부분이 파괴된다.

만약 활성 부분에서 전류밀도(current density)가 더 증가하게 되면, 그로인해 생성되는 자기장을 더욱 더 강화하기 위해, 활성 부분이 큰 범위로 용융되도록 가열될 수 있다.

이 효과는 원칙적으로 퓨즈 회로 차단기(fuse circuit breaker)에 알려져 있다. 본 발명에 따른 코일의 활성 부분처럼, 또한 퓨즈 회로 차단기의 퓨즈 와이어는 전류 가이드(current guide)의 다른 부분들 보다 현저히 더 낮은 횡단면(cross-section)을 가진다. 그러나, 전자기 펄스 용접을 위한 코일과는 달리, 퓨즈 회로 차단기는 의도적으로 소모품(consumable part)으로 제공된다.

활성 부분이 적어도 하나의 냉각 절연체와 접촉함에 의해, 이러한 부하에 대한 코일의 활성 부분을 보호하는 것이 본 발명의 원칙적인 생각이다. 제안된 명칭처럼, 냉각 절연체는 활성 부분에서 발생하는 폐열을 발산할 뿐 아니라 절연하게끔 도와준다. 따라서 높은 열 전도도 및 낮은 전기 전도도를 가진다.

명칭에는 포함되어 있지 않으나, 냉각 절연체의 추가적인 기능은 활성 부분의 기계적인 지지물(mechanical support)이다. 코일이 E-형상으로 설계되는 경우, 예컨대, 냉각 절연체는 활성 부분 및 비활성 부분이 서로 접촉하는 것을 방지한다. 질화붕소(boron nitride)는 특히 냉각 절연체의 적합한 재료로 입증되었다. 화학공식 BN인, 질화붕소는 붕소-질소 화합물이며, 두개의 안정된 변형물 α-BN 및 β-BN 에서 생긴다. 이것의 열전도도는 구리보다 약 5배 높다. 이런점에도 불구하고, 질화붕소는 단지 상대적으로 매우 낮은 자기 및 전기 전도도를 가진다.

메탈 시트의 전자기 펄스 용접을 위한 코일의 활성 부분에 대한 냉각 절연체의 부분적인 접촉의 원리는 상이한 형상의 코일에 적용될 수 있다.

일실시예는 이미 종래 기술로 언급된 E-형상 코일이다. 이것은 활성 부분으로서 길게 연장된 프로파일로 구성되는데, 각각의 경우 두개의 대향하는 길이방향 양측의 비활성 부분 측면에 배치된다. 양쪽 비활성화 부분은, 활성 부분으로부터 거리를 두고 평행하게 연장된다. 본 발명에 따른 냉각 절연체는, 이 경우에, 활성 부분 및 두개의 비활성 부분 사이의 두개의 사이 공간(two interspaces)에 삽입되며 양쪽 부분과 접촉하는 지역에 있다. 전자기 펄스 용접을 위한 코일의 더 적합한 설계는 이중-권선 코일(double-winding coil)인데, 즉 두개의 권선을 지닌 코일이다. 여기에서 특히 흥미로운 실시예는, 하나의 평면에 두개의 권선을 연결하기 위한 전도체 루프(conductor loop)를 제외하고, 코일의 모든 부분이 한 평면에 있으며, 따라서 플레이트(plate)로 구성된다.

이런 실시예에서, 양쪽 권선들의 활성 부분은 평행하게 배열되며 서로 거리를 둔다. 두개의 활성 부분 사이에 에어 공간(air space)이 대향하여 표면 상에 놓이고, 각각의 경우 냉각 절연체는 각 권선의 비활성 부분에 제공되어 대향하는 표면에 있다. 따라서, 이 이중-권선 코일의 각각의 권선은 위에서 설명된 E-형상의 코일의 절반에 해당한다.

따라서 이러한 이중-권선 코일의 잇점은 전류 밀도 및 자기장 세기가 단일-권선 코일에 대해 거의 두배가 된다. 이러한 실시예는 각각의 경우에 냉각 절연체에 의해 활성 부분의 지원없이 작동될 수 없으며, 이미 제1 전류 펄스로 손상될 것이다.

본 발명에 따른 코일의 추가적인 매우 흥미로운 실시예는 이른바 "해머 코일"(hammer coil)에 있다. 이런 명칭은 기하학적 형상에서 유래될 수 있으며, 해머의 "핸들"은 두개의 비활성 부분들에 의해 형성되는데, 대부분 서로간에 평행하며 플레이트-형상(plate-shaped)이고, 좁은 활성 부분에 대해 지지되며, 거기에 횡으로 지향되고, 한쪽 단부는 두개의 플레이트-형상 비활성 부분을 넘어서 횡방향으로 돌출되어, 따라서 해머 코일의 헤드를 형성한다.

위에서 설명된 한개 및 두개-권선 코일들과 달리, 이러한 해머 코일은 하나의 재료판에서 효율적으로 절단될 수 없다. 대신에, 흥미로운 실시예는 활성 부분으로 길게 연장된 좁은 메탈 프로파일로 구성되는데, 각각의 경우 두개의 단부들에서 짧은 엔드(단부) 섹션(end section)이 각각의 경우 위로 각을 이루어(angled over) 비활성 부분과 연결된다. 두개의 엔드 섹션들(end sections)은 각각의 경우 서로간에 평행하게 지향된다. 편의상, 활성 부분의 횡단면(cross-section)은 두개의 비활성 부분의 횡단면보다 상당히 작으므로 자기장이 활성 부분의 영역에 집중된다. 결과적으로 활성 부분에서 매우 높은 전류 밀도가 되어, 서로간에 평행하게 놓인 두개의 표면을 통해, 각각의 경우 냉각 절연체와 인접하는 후자에서만 활성 부분이 즉시 용융되지 않는다.

활성 부분에 이런 냉각 절연체를 영구적이고 튼튼하게 연결하기 위해, 본 발명은 두개의 냉각 절연체의 외측면(outer sides) 주위에 실행되는 연속적인 메탈 스트립, 또는 두개의 냉각 절연체의 표면에 서로간에 평행하고 자유롭게 놓이는 다른 압력 디바이스를 제안한다.

활성 부분에서 비활성 부분으로 전류의 저-저항 전이(low-resistance transition)를 달성하기 위해, 본 발명은 하나의 플레이트-형상 비활성 부분의 큰 표면에 있는 홈에 각각의 경우 엔드 섹션(end section)을 고정시키는 것을 제안한다.

용접작업 동안에 본 발명에 따른 코일의 로딩은, 활성 부분에서 비활성부분까지의 전이(transition) 영역에 있는, 적어도 하나의 내부 모서리들에서, 또한 이상적으로 전체 표면들이 지속적으로 둥글게 된 사실에 의해 더 감소된다. 이로인해 활성 부분에서 비활성 부분까지 전이와 함께, 열 및 기계적으로 "미리 결정된 파괴(한계)점" (predetermined breaking points)을 회피하기 위해 전류 밀도는 갑자기 떨어지지 않고 지속적으로 떨어지는 것이 달성된다.

이미 반복적으로 언급햇듯이, 제2 메탈 부분의 용접 전에, 메탈 시트는 어떤 작은 거리을 가지며, 전기 분야의 활성화에서 가속도는 이런 거리 이상으로 발생할 수 있고 상대적으로 높은 속도 및 예각으로 다른 메탈 부분을 타격하는 것이 본 발명에 따른 용접 과정을 위해 절대적으로 필요하다. 실제로, 약 0.3 내지 10㎜의 거리가 매우 많은 경우에 있어 적합하다는 것이 입증되었다.

실험에서 가장 좋은 결과들은, 충격 전에 매우 간단히, 충격이 표면에 대해 수직으로 발생하지 않을 때 발견되지만, 시트 메탈은 두개의 표면들 사이에서 약 2 내지 30도의 각도로 설정되는 범위에서 변형된다. 단지 이런 종류의 "비스듬하게 지향된"(obliquely directed) 충돌은 재료들이 원하는 소성 변형이 되게하여 견고한 연결이 달성된다.

대응하는 두개의 메탈 시트들 서로 간의 거리의 선택 및 코일의 형상 및 코일을 통해 흐르는 전류의 세기에 의해, 약 2도 와 30도 사이의 특정 충돌각도(collision angle)가 설정된다. 그리고는, 메탈 시트 아래에 위치된 메탈 부분 상에 가속된 시트-메탈 섹션의 충격으로, 도입된 에너지는, 양쪽 메탈들이, 차갑지 않은 상태에서, 매우 얇은 경계 레이어(boundary layer) 내에서 소성 변형할수 있게 높은 압축 장력으로 변형된다.

용접 전에 적당한 거리가 유지되도록 보장하기 위해, 가장 간단한 경우에, 서로 용접되는 두 부분에 대한 상응하는 스톱스(corresponding stops), 또는 스페이서 부품들(spacer pieces)이 사용된다.

거리를 매번 재조정하지 않거나 상응하는 스페이서를 사용할 필요가 없게 하기 위해, 본 발명은, 용접을 위해 필요한 메탈 시트 및 메탈 부분 사이의 거리에 상응하는 시트-메탈 표면의 인접한 영역이 위로 상승(elevation)하는 것의 대안으로, 용접되는 시트 메탈에서 적어도 하나의 벌쥐(bulge) 및/또는 길게 연장된 비드(bead)의 형성을 제시한다.

제 1실시예로서, 본 발명은 용접되는 메탈 시트의 영역의 중앙에 벌쥐 또는 비드를 배치하는 것을 설명한다. 그리고는 코일의 활성 부분이 배열되며 따라서 압력파 및 시트-메탈의 S-형상 변형이 비드에서 전파된다. 그로인해, 서로간에 용접되는 표면이 벌쥐 주위로 또는 비드의 양측으로 연장되는 것이 달성된다.

용접 표면의 중앙 지점 또는 중앙 라인을 따라, 두개의 메탈 부분들은 서로 연결되지 않으므로, 매우 높은 품질의 용접 표면이 라인 또는 지점의 양측에 연장되는 것을 용인해야 한다.

제 2의 대안적인 실시예에서, 본 발명은 서로로 부터 이격되어, 용접되는 메탈 시트의 범위의 가장자리에 배열되는 벌쥐들의 열(row of bulges)을 제시한다. 그 다음 용접은 벌쥐들 사이의 중앙에서 시작되고, 용접 과정에서, 벌쥐들까지 연장된다. 이상적으로는, 벌쥐들 조차도 용접 표면에 통합되고 이후에는 더 이상 그 자체로 인식될 수 없다.

벌쥐(bulges)들 사이의 공간의 잇점은, 압력파가 메탈 시트의 충격으로 생성되며 메탈 시트의 변형의 시작은 벌쥐들 사이를 통해서 전파될 수 있고 따라서 날아가는(blowm away) 압력파에 의해 제거되는 양쪽 메탈 부분들의 표면 상에 산화물 레이어를 허용하게끔 충분한 자유 공간(free space)을 가진다.

이미 반복적으로 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 용접의 특징은, 시트 메탈 플레이트 상의 용접으로 인해, S-형상의 변형이 용접되는 영역 중앙으로부터 멀리 용접 영역의 가장자리로 전파된다. 용접 영역의 가장자리에서 이런 S-형상 프로파일은, 메탈 시트의 비-용접 측에, 대향하는 디프레션(depression)으로 인식될 수 있다.

만약 용접 후에 이런 종류의 디프레션이 유지되어 않게 수요가 만들어지는 경우, 용접 전에 메탈 시트로 도입되는 벌쥐 및/또는 비드는 카운터피스(counterpiece)로부터 떨어져서 위쪽으로 향하고, 용접 후에 이전의 평평한 메탈 시트에 설립되는 메탈 시트의 변형에 대해 보완적이라 생각할 수 있다. 용접 동안의 변형으로 인해, 바깥쪽으로 상승(rising-up)하는 벌쥐는 다시 "매끄럽게"(smoothed) 되므로, 최종 결과로 평평한 표면이 다시 생성된다. 이런 종류의 벌쥐 또는 비드를 지니며, 제 2 메탈 부분에 용접되지 않는 메탈 시트의 영역들이 공간없이 제2 메탈 부분 상에 직접 놓이므로 용접 동안에 발생되는 압력파가 전체 범위로 분산될 수 없는 것을 주목해야 한다.

메탈 산화물 레이어(metal oxide layer)의 제거가 방해될 수 있기 때문에, 본 발명은, 대체 정련으로, 볼록한 벌쥐 또는 비드가 가장자리 영역에서 압력파가 벗어날 수 있는 상대적으로 작은 노치들(notches)을 가지는 것을 제안한다.

추가적인 개선은, 시트 메탈에 이전에 자국으로 남아있던 벌쥐 및/또는 비드가 용접되는 영역보다 다소간 더 축소되는 것이 달성되므로, 용접 작업 자체는 벌쥐 또는 비드를 다시 "평평하게" 한다.

메탈 시트에서 이전에 형성된 벌쥐 또는 비드를 지닌 펄스-용접을 위해, 펄스 용접 장치는 또한 추가로 벌쥐 또는 비드의 자국(impression)을 수행하는 것을 생각할 수 있으므로, 이 목적을 위해 메탈 시트는 단지 특화된 기계로 한번 삽입(inserted)되거나 고정(clamped)될 필요가 있다. 본 발명은 이러한 목적을 위해 용접되는 메탈 시트가 단지 단일 시간(single time)에 적절한 수신장치(receiver)로 삽입되거나 고정되어야 하는 장치의 실시예를 제안하다. 그 이후에, 제1 처리 단계에서, 예컨대, 전자기 펄스 접합(electromagnetic pulse joining)에 의해, 용접되는 영역 내에 또는 영역에 접해, 벌쥐 및/또는 비드가 형성된다. 제2 처리 단계에서, 메탈 시트의 이런 영역은 메탈 부분에 용접된다.

이러한 이중 장치의 잇점은 처리 단계의 회피로 인해 작업시간을 절약하고 품질 신뢰성을 얻을 수 있다.

본 발명의 추가적인 상세 설명 및 특징은 3개의 실례를 참조하여 아래에 더 상세히 설명되어 있다. 그러나, 그것들은 발명을 제한하는 것이 아니라 단지 설명하는 것이다.

개략적인 도면에 있어서,
도 1은 함께 용접되는 두개 메탈시트를 지닌 단일-권선 코일이 통과하는 섹션을 도시한다.
도 2는 두개-권선 코일의 경사 도면(oblique view)이다.
도 3은 "해머 코일" 의 개략도이다.

도 1은 경사 도면에서 E 형태의 단일-권선 코일을 도시하는데, E의 3개의 레그들을 횡향으로 내부가 보이도록 일부를 잘라(cutaway)냈다. 섹션은 아래에 배치되어 함께 용접되는 메탈 시트들(11,metal sheets)을 통해서 지속되며, 메탈 부분(12, metal part)은 아래에 위치된다.

도면에서 코일(4)의 우측 부분이 내부가 보이게 일부를 잘라냈는데, 활성부분(41,active part)은 중앙(centre)에서 볼수 있다. 활성부분은 각각의 경우 냉각 절연체(5,cooling insulator)의 두개의 상호 대향하는 외부면에 인접하는데, 그물코 형상의 끝 단면(cross-hatched end face)에 의해 표시된다. 코일(4)의 비활성 부분(42)은 각 냉각 절연체(5,cooling insulator)의 두개의 다른 표면과 인접한다. 도 1에서, 화살표는 에너지원(2,energy source)으로부터 코일(4,coil)을 통해 전기 전류가 어떻게 흐르는지를 보여주는데; 스위치가 폐쇄될 때, 전류는 활성부분(41)으로 흐르며 그리고 나서 보이지는 않지만 상단에 도시된 영역인 도면에서 잘려진(cut out) 코일(4)의 부분을 통해 흐른다.

도 1에서, 매우 손쉽게 알수 있지만, 전류가 활성부분(41)에서 빠져나올 때, 분기되어 전류의 일부분(one part)은 코일(4)의 좌측 비활성 부분(42)으로 더 흐르고 전류의 다른 부분은 우측에 도시된 코일(4)의 비활성 부분(42)으로 흐른다.

전류는, 에너지원(2)이 다시 닫힐때까지, 도 1의 재단(cut out)되어 있는 코일(4)의 비활성 부분들(42)의 섹션들을 통해 전기 전도체(3,electrical conductor)로 다시 흘러가므로 보이지 않는다.

도 1에서, 전류가 좌측 및 우측 전기 회로로 흐르는 것이 보인다. 그러나, 두개 전기회로 때문에 코일(4)의 중앙에서 활성부분(41)이 겹쳐지며, 이러한 코일은 "한개-권선" 코일로 지정된다.

그러나 도 1에서, 활성부분(41)에서 전류 밀도가 두개의 비활성부분(42) 보다 상당히 크다는 것은 매우 손쉽게 알수 있다. 이것을 달성하기 위해, 단지 활성부분(41)의 횡단면 면적(cross-sectional area)과 두개 비활성부분(42)의 횡단면 면적의 합을 비교해야 한다. 도 1에서, 활성부분(41)의 횡단면 면적은 비활성부분(42)의 횡단면 면적에 단지 약 10분의 1 인 것을 알 수 있다. 이로부터, 활성부분(41)의 전류 밀도는 두개 비활성부분(42)의 전류 밀도 보다 약 10배 더 크다는 것이 뒤 따른다.

또한 이런 비율은 "활성부분" 으로서 코일의 중앙 레그의 지정을 다시 설명하는데, 여기에서 전류 밀도 때문에, 따라서 용접되는 시트 메탈의 단위면적(unit area) 당 자기장 세기는 비활성부분의 주변보다 10배 더 크다. 이로부터, 단지 활성부분(41) 아래에서, 메탈부분(12)의 방향으로 하향하여 갑자기 볼록해지는 것이 야기되는 메탈 시트(11)상에 발휘되는 이러한 높은 힘(high force)이 뒤 따른다.

도 1에서, 메탈 시트(12)의 평평한 상태로 부터, 메탈 시트(11)의 "밖으로 볼록해진"(bulged out)영역이 지속적으로 하향으로 가속화되어 메탈 부분(12) 상에 타격(striking)하며, 따라서 시트- 메탈 부분(12) 상에 빠른 속도(high velocity)로 타격되는 것을 명백히 알수 있다.

도 1에서, 본 발명의 원리에 있어 창의적인 특징은, 즉 코일(4)의 활성부분 (41) 및 두개의 비활성 부분(42) 사이의 냉각 절연체(5)가 매우 명백히 보인다는데 있다. 냉각 절연체(5)는, 활성 부분(41) 표면의 많은 부분에 놓이고, 단지 표면 영역의 큰 비율로 비활성 영역과 접촉한다고 이해할 수 있다.

냉각 절연체(5)는 좋은 전기 절연체이고, 매우 좋은 열 전도체이기 때문에, 어떻게 손실된 열이 활성 부분(41)으로 부터, 두개의 측면 냉각 절연체(5)를 통해, 인접한 비활성 부분(42)으로 흐르는지를 도 1에서 볼수 있다. 여기에서 주목해야 하는 것은, 활성 부분(41)에서, 전류 밀도가 두개의 비활성 부분들(42)보다 약 10배 더 높다는 것이다. 따라서 활성 부분(41)의 옴 저항에서 열 손실(heat loss)은, 비활성 부분에서와 같이 동일한 정도로 더 크며, 활성 부분(41)으로부터 비활성 부분(42)까지 온도 기울기(temperature gradient)가 대응하는 크기(correspondingly large)이다.

도 1에서, 두개의 냉각 절연체(5)의 추가 기능을 또한 볼수 있는데, 즉 활성 부분의 기계적 지지(mechanical support)이다. 또 상대적으로 얇은 횡단면으로 인해, 활성 부분(41)은, 두개의 비활성 부분(42)처럼 아주 높은 부하를 기계적으로 지탱하지 못한다.

도 1에 있어서, 메탈 시트(12)의 변형에, 아래쪽으로 지향되는 힘이 시트 메탈(12) 상에 발휘되는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 따라서 동일 크기의 대항력이 위쪽으로 향하여, 코일(4)의 활성 부분에 작용한다. 활성 부분(41) 및 두개의 비활성 부분(42)의 횡단면 비교는 두개의 비활성 부분(42)보다 더 낮은 대향하는 저항(opposing resistance )을 제공할 수 있는 이러한 힘의 활성 부분(41)을 보여준다. 따라서, 두개의 냉각 절연체들(5)의 매우 환영받는 기능인데, 냉각 절연체들은 두개의 상당히 많이 부하되는 저항의 비활성화 부분(42) 상에 대체로 수직으로 작용하는 힘의 일부를 전송한다.

도 2는, 소실점 관점(vanishing-point perspective)에서 소위 "두개-권선" 코일(4)로서의 실시예에서 본 발명에 따른 코일을 도시한다. 좌측 반에서, 코일(4)의 두개의 권선들 4L 및 4R이 보여진다. 코일(4)로부터, 오직 좌측 부분 권선(4L) 및 우측 부분 권선(4R)을 연결하기 위한 전류 루프(43,current loop)가 권선들의 평면을 넘어서(beyond) 돌출된다.

도 2에서, 어떻게 전류가 전류 루프(43) 아래에서 코일의 좌측 부분 권선(4L)으로 흐르는지가 순식간에 명확해 진다. 전류 전도체(3)로부터, 연결 블럭(31,connection block)을 통해 전류가 진입한다. 전류가 진입한 직후에, "총집"(crowd together)되게끔 활성 부분(41)의 상당히 낮은 횡단면을 허용해야 한다. 그런 다음 지역적으로 인접해 있는 제1 냉각 절연체(5)와 평향하게 제공되는 상대적으로 매우 가는 제1 활성 부분(41)을 통해서 상대적으로 높은 전류 밀도로 흐른다.

코일들의 좌측 단부에서, 활성 부분(41)의 횡단면은 크게 확장되어 제1 비활성 부분(42)에 병합(merge into)되며, 횡단면은 활성 부분보다 약 10배 더 커진다. 따라서 전류 밀도(current density)는 상응하게 감소된다.

좌측 부분 권선(4L,left-handed partial winding)의 제1 비활성 부분(42)에서 전류는, 입력 라인을 거쳐, 전류 루프(43)를 통해서 코일의(4)의 우측 부분 권선(4R)로 흐른다. 여기에서도, 제2 활성 부분(41)의 프로파일은 진입 영역(entry region)에 대해 급격히으로 테이퍼(tapers)진다. 제2 활성 부분(41)의 단부에서, 또한 전류는 우측 부분 코일(4R)을 통과하여 제2 비활성 부분(42)의 상당히 큰 횡단면으로 지속적으로 들어간다.

이런 큰 횡단면은 연결 블럭(31) 및 전류 전도체(3)을 통해서 에너지 원(2,energy source)과 연결된다.

도 2는 사실적인 실시예로 코일(4) 및 두개의 전류 전도체(3)에 대한 두개의 연결 블럭(3)을 도시한다. 두개의 스크류 터미널 블럭(31,screw terminal blocks)에 의해 인식될 수 있는 대형 원통형 개구(cylindrical openings)들은, 매우 높은 피크 전류(peak current)가 전자기 펄스 용접 동안에 흐르기 때문에, 전류 전도체(3)를 위해 상당한 횡단면이 필요하다는 것을 명확하게 만든다. 명확성을 위해, 전압 원(2,voltage source) 뿐 아니라 전류 전도체(3)가 단지 블록 회로도(block circuit diagram)로 상징적으로 표현된다. 도 2에서, 전류는 코일의 활성 영역을 통해서 두번 흐르는 것이 명확한데, 즉 두개의 부분 코일들(4L 및 4R)의 두개의 활성 부분(41)을 통해서 흐른다. 그로인해, 타당하게는 전류 밀도가 단일-권선 코일에 대해 약 두배가 된다. 그러나, 도 2에서, 이런 목적을 위해 필요한 활성 부분의 횡단면이 아주 작다는 것이 인상적으로(impressively) 나타나 있다. 활성 부분과 인접하는 냉각 절연체가 없으면, 따라서 활성 부분은 부서지거나 심지어 녹을수 있다.

도 2에서, 냉각 절연체(5)가 또한 비활성 부분(42) 상에서 활성 부분(41)의 기계적 지지로써 추가적으로 사용되는 것이 매우 타당하다는 것을 보여준다.

도 3에 있어서, 개략적인 사시도로써, 소위 "해머-코일"의 기본 구조가 그려져 있으며, 메탈 부분(12)게 용접될 메탈 시트(11)가 활성 부분(14) 아래에 있다. 이를 위해, 두개의 메탈 부분(11,12)이 서로 이격되어 있는 것을 매우 쉽게 볼수 있다.

이런 실시예에서, 두개의 비활성 부분들(42)은 각각의 경우에 두개의 플레이트(plates)이며, 서로에 대해 평행하게 지향하고 서로간에 간격을 지닌다. 실제로, 여기에 도시되어 있지 않은 절연 요소들과 함께 서로 간에 지지된다. 그들의 전단부에서, 두개의 비활성 부분들(42)은, 활성 부분(41)의 위쪽으로 각지고(upwardly angled), 수직한 두개의 엔드 섹션(43)에 의해 함께 연결된다.

수평 활성 부분(41)은, 두개의 엔드 섹션(43)과 함께 루프-형상의 전류 가이드를 형성하는데, 전류-운반(current-carrying) 횡단면은 두개의 비활성 부분들(42)의 전류-전도(current-conducting) 횡단면 보다 상당히 작다.

도면에 따른 실시예에서, 각각의 경우 하나의 냉각 절연체(5)는 활성 부분(41) 양측에 인접하며, 활성 부분(41)과 냉각 절연체(5)는 면적 접촉(areal contact) 하고 있다. 활성 부분(41)의 양측에 있는 두개의 냉각 절연체(5)를 함께 보유하기 위해, 도 3에서, 압력 디바이스(51,pressure device)가 두개의 냉각 절연체 주위에 실행되게 그려져 있다. 그 부분은 오직 완전하게 표현된 좌측 전방에서 볼 수 있으며, 나머지의, 단지 외곽선은 점선으로 표시되어 있다.

이런 실시예에서, 압력 디바이스(51)는, 약 두개의 U-형상의 메탈 부분들로 구성되는데, 두개의 냉각 절연체(5)에 대해 지역적으로 압박한다. 이중, 단지 전방 압력 루프의 절반이 도시되어 있다. 좌측에, 압력 디바이스(51)의 절반이 스크류 결합을 통해 압력 디바이스(51)의 다른 절반과 어떻게 연결될 수 있는 지를 볼수 있다. 명확성을 위해, 전방 압력 루프 및 후방 압력 루프의 우측 절반은 압력 디바이스(51)의 오직 점선으로 표시되는데, 그래서 단지 4분의 1이 도면에서 파단된 부분으로서 도 3에서 볼수 있다.

도 1 및 도 2에서와 같이, 전류 전도체(3) 및 에너지 원(2) 및 활성화를 위한 스위치는 사시도가 아닌 단지 블록 회로도로 그려져 있다.

11.메탈 부분(12)에 용접되는 메탈 시트, 작업물(workpiece)
12.메탈 시트(11)에 용접되는 작업물, 메탈 부분
2.코일(14)에 전류 펄스를 제공하는 전류원(current source)
3.전류원(2)과 코일(4)을 연결하는 전류 전도체(current conductor)
31.전류 전도체(3)와 코일(4)을 연결하는 연결 블럭(connection block)
4.코일(coil)
41.높은 전류 밀도를 지니며, 메탈 시트(11)의 용접에 영향을 주는 코일(4)의 활성부분
42.낮은 전류 밀도를 지닌 코일(4)의 비활성 부분
43.다중루프 코일의 경우, 부분 코일(partial coil)을 형성하기 위한 공급 라인의 가교인 전류 루프
4L.두개의 권선 코일의 좌측 부분 권선
4R.두개의 권선 코일의 우측 부분 권선
5.활성 부분(41)을 냉각, 절연 및 안정화시키는 냉각 절연체(cooling insulator)

Claims (16)

1. 메탈 시트(11)를 메탈 부분(12)에 본딩하기 위한 전자기 펄스-용접 장치는,
   -전기 에너지원(2),
   -전류 전도체(3)를 통해 전기 에너지원(2)과 연결되는 코일(4),
   - 메탈 부분(12)으로부터 이격되는, 메탈 시트(11)에 직접 근접하여 연장되는 활성부분(41)으로 구성되고,
   -코일(4)의 비활성 부분(42)은, 활성 부분(41) 보다 더 큰 횡단면을 가지며,
   -상기 활성 부분(41)은, 표면의 일부에서, 냉각 절연체(cooling insulator)에 연동하여 연결되며, 코일(4)의 재료와 비교해
   -상대적으로 높은 열 전도도 및
   -상대적으로 낮은 자기 및 전기 전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 펄스-용접 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   냉각 절연체(5)는 질화붕소(boron nitride)로 구성되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
3. 전술한 항 중 어느 한항에 있어서,
   활성 부분은 길게 연장된 프로파일이며, 각각의 경우 두개의 대향하는 길이방향 양측의 비활성 부분 측면과 접해 위치되고, 비활성 부분은 활성 부분으로부터 거리를 두고 평행하게 배치되며, 활성 부분(41) 및 두개의 비활성 부분(42) 사이의 사이 공간은 각각의 경우 냉각 절연체(5)로 채워지는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
4. 전술한 항 중 어느 한항에 있어서,
   -두개의 권선들을 함께 연결하기 위한 전류 루프(43)를 제외하고, 두개의 권선 코일(4)은 평면에서 실행되며,
   -양 권선들의 활성 부분(41)은 서로로 부터 거리를 두고 평행하게 배열되고,
   -각 활성 부분(41)의 표면 상에는 각각의 경우 대향하는 다른 활성 부분(41)이 놓이고, 거기에 냉각 절연체(5)가 놓이며, 및
   -대향하는 표면 상에 각 권선의 비활성 부분(42)이 놓이는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
5. 전술한 항 중 어느 한항에 있어서,
   -단일 권선 코일의 활성 부분(41)은 길게 연장된 프로파일로 구성되며,
   -프로파일의 양 단부들에서, 짧은 엔드 섹션(43)은 위로 각을 이루며, 각각의 엔드 섹션(43)은 각각의 경우에 비활성 부분(42)과 연결되고,
   -두개의 엔드 섹션(43)은 각각의 경우에 있어 서로에 대해 평행하게 지향되며, 및
   -활성 부분(41)의 두개의 표면은, 각각의 경우 냉각 절연체(5)와 인접하는 엔드 섹션(43)과 평행한 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   양쪽 냉각 절연체(5)의 외측면에 연속적인 메탈 스트립 또는 다른 압력 디바이스(51)이 놓이는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
   엔드 섹션(43)은 플레이트 형상의 비활성 부분(42)의 큰 표면에 있는 홈에 고정되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
8. 전술한 항 중 어느 한항에 있어서,
   코일(4)에서, 활성 부분(41)에서 비활성 부분(42)까지 전이 영역에 있어, 내부 가장자리들 및/또는 표면들은 지속적으로 둥글게되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
9. 전술한 항 중 어느 한항에 있어서,
   용접되는 메탈 시트(11)의 영역 및 메탈 부분(12) 사이의 거리는 대략 0.3 내지 10㎜ 인 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
   
10. 전술한 항 중 어느 한항에 있어서,
    용접 전에, 용접되는 영역 내에 또는 영역에 접해서, 메탈 시트(11)가 적어도 하나의 벌쥐 및/또는 길게 연장된 비드로 도입될 수 있으며, 용접을 위해 필요한, 메탈 시트(11) 및 메탈 부분(12) 사이의 거리에 상응하는 시트-메탈 표면의 인접한 영역이 위로 상승(elevation)하는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    
11. 제 10항에 있어서,
    벌쥐 또는 비드는 용접되는 시트 메탈(11)의 영역의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    
12. 제 10항에 있어서,
    벌쥐들의 열(row)은, 서로로 부터 이격되어, 용접되는 메탈 시트(11)의 영역의 가장자리에 위치되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    
13. 제 10항에 있어서,
    벌쥐 및/또는 비드는, 이전에 평평한 메탈 시트의 용접 후에 설립되는 메탈 시트(11)의 변형에 대해 보완적인 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    
14. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한항에 있어서,
    용접 이전에, 필요한 벌쥐들 및/또는 요구되는 비드들은 또한 메탈 시트(11)에 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    
15. 제 14항에 있어서,
    -각 메탈 시트(11)는 단지 한번 삽입되거나 고정되는게 필요하며,
    -제1 처리 단계에서-예컨대, 전자기 펄스 접합(electromagnetic pulse joining)에 의해-용접되는 영역 내에 또는 영역에 접해서 벌쥐 및/또는 비드가 형성되고, 및
    -제2 처리 단계에서, 메탈 시트(11)의 이런 영역은 메탈 부분(12)에 용접되는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    
16. 제 10항 내지 제 15항 중 어느 한항에 있어서,
    메탈 시트(11)를 삽입 또는 고정(clamping)하기 위한 용기(receptacle)를 포함하는데,
    -제1 단계에 있어, 메탈 시트(11)에서 적어도 하나의 벌쥐 및/또는 적어도 하나의 비드가 자국으로 남게되며(impressed), 및
    -제2 단계에 있어서, 벌쥐 또는 비드의 영역에서 메탈 부분(12)에 용접되는 메탈 시트(11)는 적어도 부분적으로 용접될 수 있는 것을 특징으로 하는 펄스 용접 장치.
    

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