KR20160028481A - 인다이렉트 스폿 용접 장치 - Google Patents

Abstract

인다이렉트 스폿 용접에 있어서, 특히, 중첩한 금속판을 일방향으로부터만 용접 전극에 의해 가압하고, 그 반대측은 지지가 없는 중공의 상태로 되어 있는 부위의 용접을 실시할 때에서도, 용접 전극의 가압력을 적확하게 제어하여, 만족스러운 강도를 갖는 스폿 용접부를 안정적으로 얻을 수 있는 인다이렉트 스폿 용접 장치로서, 금속판에 대한 용접 전극의 가압력에 관하여, 가압력 오차 ±10 ％ 의 범위 내에서 제어할 수 있는 가압력 안정 영역의 하한을 70 ∼ 200 N, 상한을 800 ∼ 2000 N 의 범위로 하고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때에 나타나는 가압력의 오버슈트 OS (％) = (PL - AL)/AL × 100 을 10 ％ 이하로 제어하는 인다이렉트 스폿 용접 장치. 단, PL 은 오버슈트역의 가압력 피크값 (N), AL 은 전극 가압시의 가압력 평균값 (N) 이다.

Description

인다이렉트 스폿 용접 장치{INDIRECT SPOT WELDING DEVICE}

본 발명은, 적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재 (피용접 부재) 에 대해, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 상기 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 상기 용접 전극과 상기 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접 장치에 관한 것이다.

자동차 보디나 자동차 부품의 용접시에는, 종래부터 저항 스폿 용접, 그 중에서도 주로 다이렉트 스폿 용접이 사용되어 왔다. 그러나, 최근에는 시리즈 스폿 용접이나 인다이렉트 스폿 용접 등도 사용되게 되었다.

상기한 3 종류의 스폿 용접의 특징을 도 1 을 사용하여 설명한다.

어느 스폿 용접도 중첩한 적어도 2 장의 금속판을 용접에 의해 접합하는 점에서는 변함이 없다.

도 1 의 (a) 는, 다이렉트 스폿 용접 방법을 나타낸 것이다. 이 용접은, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 중첩한 2 장의 금속판 (1, 2) 을 사이에 두고 그 상하로부터 1 쌍의 전극 (3, 4) 을 가압하면서 전류를 흐르게 한다. 그것에 의해 금속판 (1, 2) 의 저항 발열을 이용하여, 점상의 용접부 (너깃) (5) 를 얻는 방법이다. 전극 (3, 4) 은, 가압 제어 장치 (6, 7) 및 전류 제어 장치 (8) 를 구비하고 있고, 이들에 의해 가압력과 통전하는 전류값을 제어할 수 있는 구조로 되어 있다.

도 1 의 (b) 는, 시리즈 스폿 용접 방법을 나타낸 것이다. 이 용접은, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 중첩한 2 장의 금속판 (11, 12) 에 대하여, 떨어진 위치에서 동일면측 (동일 방향) 으로부터 1 쌍의 전극 (13, 14) 을 가압하면서 전류를 흐르게 한다. 그것에 의해 점상의 용접부 (너깃) (15-1, 15-2) 를 얻는 방법이다.

도 1 의 (c) 는, 인다이렉트 스폿 용접 방법을 나타낸 것이다. 이 용접은, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 중첩한 2 장의 금속판 (21, 22) 에 대해, 일방의 금속판 (21) 에는 전극 (23) 을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 금속판 (22) 에는 떨어진 위치에서 급전 단자 (24) 를 장착하여, 이들 사이에서 통전한다. 그것에 의해 금속판 (21, 22) 에 점상의 용접부 (너깃) (25) 를 형성하는 방법이다.

상기한 3 종류의 용접 방법 중, 스페이스적으로 여유가 있어 금속판을 상하로부터 사이에 두는 스페이스가 얻어지는 경우에는, 다이렉트 스폿 용접 방법이 사용된다. 그러나, 실제의 용접시에는 충분한 스페이스가 없거나, 폐단면 구조로 금속판을 상하로부터 사이에 둘 수 없는 경우도 많다. 이와 같은 경우에는, 시리즈 스폿 용접 방법이나 인다이렉트 스폿 용접 방법이 사용된다.

그러나, 시리즈 스폿 용접 방법이나 인다이렉트 스폿 용접 방법을 상기와 같은 용도로 사용할 때에는, 중첩한 금속판은 일 방향으로부터만 전극에 의해 가압되고, 그 반대측은 지지가 없는 중공의 상태로 되어 있다. 따라서, 금속판을 양측으로부터 전극에 의해 협지하는 다이렉트 스폿 용접 방법과 같이 용접부에 국부적으로 높은 가압력을 부여할 수 없다. 또, 통전 중에 전극이 금속판으로 가라앉기 때문에, 전극-금속판, 금속판-금속판 간의 접촉 상태가 변화한다. 이와 같은 이유에 의해 중첩한 금속판 사이에서 전류의 통전 경로가 안정되지 않아, 용융 접합부가 형성되기 어렵다는 문제가 있었다.

상기 문제를 해결하는 것으로서, 본 발명자들은 먼저 특허문헌 1 에 있어서, 「적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재에 대하여, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 그 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 그 용접 전극과 그 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접 방법에 있어서, 전극의 가압력 및 통전하는 전류값에 관하여, 통전 개시부터 2 개의 시간대 (t₁, t₂) 로 구분하고, 최초의 시간대 (t₁) 에서는, 가압력 (F₁) 으로 가압하고 또한 전류값 (C₁) 으로 통전한 후, 다음의 시간대 (t₂) 에서는, F₁ 보다 낮은 가압력 (F₂) 으로 가압하고 또한 C₁ 보다 높은 전류값 (C₂) 으로 통전하는 것을 특징으로 하는 인다이렉트 스폿 용접 방법.」이라는 2 단계 제어가 되는 인다이렉트 스폿 용접 방법을 개시하였다.

또, 본 발명자들은, 특허문헌 1 에 개시된 인다이렉트 스폿 용접 방법에 관하여, 중첩한 금속판의 총 판두께를 T (㎜) 로 하고, 통전 개시부터 2 개의 시간대 (t₁, t₂) 로 구분되는 최초의 시간대 (t₁) 의 가압력 (F₁), 전류값 (C₁), 다음의 시간대 (t₂) 의 가압력 (F₂), 전류값 (C₂) 을 각각 하기 식 (2.1) ∼ (2.4) 와 같이 한정함으로써, 보다 효과적으로 실시할 수 있음을 알아내어, 특허문헌 2 에 있어서 개시하였다.

1.2F₂ ≤ F₁ ≤ 5F₂ … (2.1)

0.25C₂ ≤ C₁ ≤ 0.85C₂ … (2.2)

35T^{2 .3} ≤ F₂ ≤ 170T^{1 .9} … (2.3)

2T^{0 .5} ≤ C₂ ≤ 5.5T^{0 .9} … (2.4)

또한 본 발명자들은, 상기 기술을 진전시킨 것으로서 2 단계 제어로부터 3 단계 제어가 되는 「적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재에 대하여, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 그 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 그 용접 전극과 그 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접 방법에 있어서, 전극의 가압력 및 통전하는 전류값에 관하여, 통전 개시부터 3 개의 시간대 (t₁, t₂, t₃) 로 구분하고, 최초의 시간대 (t₁) 에서는, 가압력 (F₁) 으로 가압하고 또한 전류값 (C₁) 으로 통전하고, 다음의 시간대 (t₂) 에서는, F₁ 보다 낮은 가압력 (F₂) 으로 가압하고 또한 C₁ 보다 높은 전류값 (C₂) 으로 통전하고, 또한 다음의 시간대 (t₃) 에서는, F₂ 와 동일하거나 또는 F₂ 보다 낮은 가압력 (F₃) 으로 가압하고 또한 C₂ 보다 높은 전류값 (C₃) 으로 통전하는 것을 특징으로 하는 인다이렉트 스폿 용접 방법.」을 개발하여, 특허문헌 3 에 있어서 개시하였다.

또, 본 발명자들은, 특허문헌 4 에 개시된 인다이렉트 스폿 용접 방법에 관하여, 중첩한 금속판의 총 판두께를 T (㎜) 로 하고, 통전 개시부터 3 개의 시간대 (t₁, t₂, t₃) 로 구분되는 최초의 시간대 (t₁) 의 가압력 (F₁), 전류값 (C₁), 다음의 시간대 (t₂) 의 가압력 (F₂), 전류값 (C₂), 또한 다음의 시간대 (t₃) 의 가압력 (F₃), 전류값 (C₃) 을 각각 하기 식 (4.1) ∼ (4.6) 과 같이 한정함으로써, 보다 효과적으로 실시할 수 있음을 알아내어, 특허문헌 4 에 있어서 개시하였다.

1.2F₂ ≤ F₁ ≤ 3F₂ … (4.1)

0.25C₂ ≤ C₁ ≤ 0.9C₂ … (4.2)

F₃ ≤ F₂ ≤ 3F₃ … (4.3)

0.5C₃ ≤ C₂ ≤ 0.9C₃ … (4.4)

30T^{2 .1} ≤ F₃ ≤ 170T^{1 .9} … (4.5)

2T^{0 .5} ≤ C₃ ≤ 5.5T^{0 .9} … (4.6)

특허문헌 1, 3 에 있는 바와 같은, 인다이렉트 스폿 용접 방법에 있어서의 용접 중의 전류의 제어에 관해서는, 예를 들어, 특허문헌 5 에 기재된 각 사이클마다 전류 제어할 수 있는 저항 스폿 용접 제어 장치를 사용함으로써 가능해진다. 특허문헌 2, 4 에 개시된 전류값의 범위는, 통상적인 용접 장치에 의해 만족시킬 수 있다.

한편으로, 특허문헌 1, 3 에 있는 바와 같은, 인다이렉트 스폿 용접 방법에 있어서의 용접 중의 가압력의 제어에 관해서는, 예를 들어 특허문헌 6 에 개시된 바와 같은, 용접 통전시에 실시간으로 임의의 타이밍에 가압력을 제어하는 수단을 형성한 스폿 용접기를 사용함으로써 달성 가능하다고 생각된다. 그리고, 시판되는 서보모터 가압식의 저항 스폿 용접 제어 장치에는 이와 같은 기능을 갖는 것이 존재한다.

그러나, 상기 통상적인 저항 스폿 용접 제어 장치 (특허문헌 5, 특허문헌 6, 시판) 는, 전극 가압력을 비교적 높은 값으로 설정하는 것을 전제로 설계되어 있다. 따라서, 인다이렉트 스폿 용접 방법에 있어서 바람직한 비교적 낮은 가압력의 범위에서, 설정 가압력을 안정적으로 달성할 수 있다고는 할 수 없다. 또한 특허문헌 2, 4 에 개시된 인다이렉트 스폿 용접 방법에 있어서는, 용접 중의 가압력을 고정밀도로 제어할 필요가 있다.

이에 대하여, 특허문헌 7 에 있어서는, 「기대 (基台) 상에 워크를 수용하는 백 바를 형성함과 함께, 기대에 고정된 지지 프레임에, 가동 전극 칩을 백 바를 향해 아래로 움직여 워크를 가압하는 구동 유닛을 탑재하고, 워크의 인다이렉트 용접을 실시하도록 한 정치식 (定置式) 용접 장치로서, 구동 유닛을 서보모터를 구동원으로 하는 전동식 구동 유닛으로 구성하는 것에 있어서, 구동 유닛은, 운동 변환 기구를 내장하는 케이싱을 갖고, 케이싱 상에 서보모터가 장착되고, 서보모터의 회전에 의해 운동 변환 기구를 통해 상하로 움직이는 로드가 케이싱의 하방으로 돌출되고, 로드의 하단에 칩 홀더를 개재하여 가동 전극 칩이 장착되고, 구동 유닛을 케이싱에 있어서 지지 프레임에 자유롭게 상하로 움직일 수 있도록, 또한 코일 스프링 등으로 이루어지는 탄성 지지 수단에 의해 하방에 탄성 지지하여 지지시키는 것을 특징으로 하는 정치식 인다이렉트 용접 장치」에 관하여 개시되어 있다.

이 인다이렉트 용접 장치에 의하면, 구동 유닛을 전동식으로 한 것에 의해, 가압력의 세심한 제어가 가능해진다. 또한 통전에 의해 워크의 용해가 일어났을 때, 전동식 구동 유닛 자체에서는 가동 전극 칩의 동작 지연이 발생해도, 탄성 지지 수단의 탄성력에 의해 가동 전극 칩은 워크의 용해에 추종하여 양호한 응답성으로 움직인다. 그 결과 스퍼터의 비산이 방지된다.

그러나, 특허문헌 7 에 개시된 인다이렉트 용접 장치는, 기대 상에 워크를 수용하는 백 바를 형성하는 것을 전제로 하고 있다. 가동 전극의 반대측이 지지가 없는 중공의 상태로 되어 있는 경우의 인다이렉트 용접에 관해서는 아무런 기재가 없다.

또한, 특허문헌 7 에 있어서는, 서보모터에 의한 구동 유닛과 코일 스프링으로 이루어지는 탄성 지지 수단을 병설함으로써, 가압력의 세심한 제어가 가능해져, 워크의 용해가 일어났을 때, 탄성 지지 수단의 탄성력에 의해 가동 전극 칩이 양호한 응답성으로 움직인다고 되어 있다. 그러나, 이 인다이렉트 용접 장치는 용접 중에 가압력을 일정하게 유지하는 경우를 전제로 하고 있는 것으로 생각된다. 특허문헌 1 ∼ 4 에 개시된 바와 같이 용접 중의 가압력을 변경하는 경우에는, 서보모터를 구동시켜 가압력을 제어할 때에, 코일 스프링의 반력과 균형을 이룰 때까지 서보모터를 구동시켜야 한다. 따라서, 충분한 응답성이 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 서보모터를 구동시켰을 때의 관성에 의해 코일 스프링이 반복 운동을 일으켜, 감쇠할 때까지 안정적인 가압력이 얻어지지 않는 것으로 생각된다. 이러한 점에 관해서는, 그 해결 수단에 대해 특허문헌 7 에는 전혀 기재되어 있지 않다.

일본 공개특허공보 2010-194609호 일본 공개특허공보 2012-035278호 일본 공개특허공보 2011-194459호 일본 공개특허공보 2012-91203호 일본 공개특허공보 소63-273574호 일본 공개특허공보 평7-132382호 일본 특허공보 제4209570호

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 그리고 적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재에 대하여, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 상기 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 상기 용접 전극과 상기 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접에 관한 것이다. 특히, 중첩한 금속판을 일방향으로부터만 용접 전극에 의해 가압하고, 그 반대측은 지지가 없는 중공의 상태로 되어 있는 부위의 용접을 실시할 때에서도, 용접 전극의 가압력을 적확하게 제어하여 만족스러운 강도를 갖는 스폿 용접부 (스폿 용접 조인트) 를 안정적으로 얻을 수 있는 인다이렉트 스폿 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 이하의 (a) ∼ (d) 에 기술하는 지견을 얻었다.

(a) 중첩한 금속판을 일방향으로부터만 전극으로 가압하고, 그 반대측은 지지가 없는 중공의 상태에서 인다이렉트 스폿 용접을 실시하는 경우, 양측으로부터 전극에 의해 협지하는 다이렉트 스폿 용접과 같이 높은 전극 가압력을 부여할 수 없다. 따라서, 낮은 가압력의 범위에 있어서 정확한 가압력의 출력을 안정적으로 달성할 필요가 있다. 그 안정적으로 출력할 필요가 있는 가압력의 범위는, 하한이 70 ∼ 200 N, 상한이 800 ∼ 2000 N 이고, 이 가압력의 범위에 있어서 오차 ±10 ％ 의 범위 내 (＋10 ％ ∼ -10 ％) 에서 제어할 필요가 있다.

(b) 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때에, 전극의 맞닿음 속도가 지나치게 높으면, 가압력의 오버슈트가 발생한다. 그 때에 과대한 가압력이 순간적으로 용접부에 부하된다. 특히, 전극의 반대측은 지지가 없는 중공의 상태에서 인다이렉트 스폿 용접을 실시하는 경우에는, 용접부의 변형이 현저해져 용접에 영향을 미친다. 이 오버슈트를 식 (1) 의 OS 로 표시하여, 이 OS 를 10 ％ 이하에서의 제어를 가능하게 하는 것이 유효하다.

OS (％) = (PL - AL)/AL × 100 … (1)

단, PL 은 오버슈트역의 가압력 피크값 (N), AL 은 전극 가압시의 가압력 평균값 (N) 이다.

(c) 상기 (a), (b) 를 만족하는 인다이렉트 스폿 용접 장치의 구성으로서, 전극을 직선 방향으로 이동시켜 피용접 부재를 가압하는 구동 유닛을 탑재하고, 서보모터를 구동원으로 한다. 그리고, 상기 가압력의 하한 (70 ∼ 200 N) 일 때, 서보모터의 출력이 정격 출력에 대하여 30 ％ 이상이 되고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때의 맞닿음 속도를 1 ㎜/s 이상 30 ㎜/s 이하로 할 수 있는 구동 유닛을 갖는 것이 바람직하다.

(d) 또한 특허문헌 1 ∼ 4 에 개시된 용접 중의 가압력을 제어하는 경우에 있어서, 고정밀도의 제어를 달성하기 위해서는, 서보모터를 구동원으로 하여 피용접 부재를 가압하는 구동 유닛은, 코일 스프링 등의 탄성체를 개재하지 않고, 충분한 강성을 갖는 브래킷 등에 의해 로봇에 고정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 서보모터의 출력을 전극 가압력으로 변환할 때에, 구동 유닛의 슬라이딩 저항을 충분히 작게 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 지견에 입각하는 것으로, 이하의 특징을 갖고 있다.

[1] 적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재에 대하여, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 상기 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 상기 용접 전극과 상기 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접 장치에 있어서, 금속판에 대한 용접 전극의 가압력에 관하여, 가압력 오차 ±10 ％ 의 범위 내에서 제어할 수 있는 가압력 안정 영역의 하한을 70 ∼ 200 N, 상한을 800 ∼ 2000 N 의 범위로 하고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때에 나타나는 가압력의 오버슈트를 식 (1) 의 OS 로 표시하여, 이 OS 를 10 ％ 이하로 제어하는 인다이렉트 스폿 용접 장치.

OS (％) = (PL - AL) × 100/AL … (1)

단, PL 은 오버슈트역의 가압력 피크값 (N), AL 은 전극 가압시의 가압력 평균값 (N) 이다.

[2] 용접 전극을 직선 방향으로 이동시켜 피용접 부재를 가압하는 구동 유닛을 탑재하고, 그 구동 유닛은 서보모터를 구동원으로 하고, 가압력이 상기 가압력 안정 영역의 하한일 때에, 서보모터의 출력이 정격 출력에 대하여 30 ％ 이상이 되고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때의 맞닿음 속도가 1 ㎜/s 이상 30 ㎜/s 이하가 되는 상기 [1] 에 기재된 인다이렉트 스폿 용접 장치.

본 발명에 있어서는, 종래의 인다이렉트 스폿 용접에서는 어렵다고 여겨진 비교적 낮은 가압력의 범위에서 가압력을 안정적으로 설정할 수 있다. 따라서, 특히, 중첩한 금속판을 일방향으로부터만 용접 전극에 의해 가압하고, 그 반대측은 지지가 없는 중공의 상태로 되어 있는 부위에 인다이렉트 스폿 용접을 실시할 때에도 용접 전극의 가압력을 적확하게 제어하여, 만족스러운 강도를 갖는 스폿 용접부 (스폿 용접 조인트) 를 안정적으로 얻을 수 있다.

도 1 의 (a) 는 다이렉트 스폿 용접 방법, 도 1 의 (b) 는 시리즈 스폿 용접 방법, 도 1 의 (c) 는 인다이렉트 스폿 용접 방법의 용접 요령의 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 인다이렉트 스폿 용접 장치의 구동 유닛을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 인다이렉트 스폿 용접 장치를 나타내는 도면이다.
도 4 는 실시예 3 에 있어서 사용한 인다이렉트 스폿 용접 장치를 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

먼저, 도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 인다이렉트 스폿 용접 장치 (인다이렉트 스폿 용접 로봇 장치) 에 탑재되는 구동 유닛의 일례를 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 서보모터를 구동원으로 하여 피용접 부재를 가압하는 구동 유닛을 탑재한 인다이렉트 스폿 용접 로봇 장치로 할 필요가 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 구동 유닛 (30) 은, 운동 변환 기구를 내장하는 케이싱 (32) 을 갖고, 케이싱 (32) 을 개재하여, 서보모터 (31) 의 회전 운동이 직진 운동 로드 (33) 에 의한 직선 운동으로 변환되고, 용접 전극 (34 (23)) 으로 피용접 부재를 가압하는 장치 구성이다. 여기에서, 구동 유닛 (30) 은, 코일 스프링 등의 탄성체를 개재하지 않고, 충분한 강성을 갖는 브래킷 (35) 등으로 용접 로봇에 고정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 서보모터 (31) 의 출력을 가압력으로 변환할 때에, 구동 유닛 (30) 의 슬라이딩 저항을 충분히 작게 하는 것이 바람직하다. 또한, 케이싱 (32) 에 내장되는 운동 변환 기구는 볼나사 구조로 할 수 있다. 또, 도 2 에 있어서, 36 은 급전 케이블, 37 은 션트 (바이패스선) 이다.

그리고 구동 유닛 (30) 은, 가압력에 대하여 하한이 70 ∼ 200 N 의 범위, 상한이 800 ∼ 2000 N 의 범위에 있어서, 오차 ±10 ％ 의 범위 (＋10 ％ ∼ -10 ％) 에서 제어 가능할 필요가 있다. 또한, 가압력이 상기의 하한 (70 ∼ 200 N) 일 때, 서보모터 (31) 의 출력이 정격 출력의 30 ％ 이상이 되는 것이 바람직하다. 통상적으로 서보모터 (31) 는 정격 출력에 대하여 30 ∼ 300 ％ 의 범위에서 안정적으로 작동한다고 생각되므로, 정격 출력에 대하여 30 ％ 일 때 가압력이 70 ∼ 200 N 의 범위가 되고, 정격 출력에 대하여 300 ％ 일 때 가압력이 800 ∼ 2000 N 의 범위가 되면 된다.

바꿔 말하면, 서보모터 (31) 의 가압력 안정 영역의 하한이 70 ∼ 200 N 을 상회하면, 피용접 부재의 총 판두께가 얇은 경우에 인다이렉트 스폿 용접의 적정 가압력 범위를 만족하지 않게 된다. 한편으로, 서보모터 (31) 의 가압력 안정 영역의 상한이 800 ∼ 2000 N 을 하회하면, 피용접 부재의 총 판두께가 두꺼운 경우, 인다이렉트 스폿 용접의 적정 가압력 범위를 만족하지 않게 된다. 덧붙여서, 여기에서는 피용접 부재의 총 판두께는 1.0 ∼ 6.0 ㎜ 를 상정하고 있다.

또, 도 4 (후술) 에 나타내는 바와 같이, 용접 전극 (34) 을 금속판 (21) (상(上)강판 (21a)) 에 대고 누를 때에, 용접 전극 (34) 의 맞닿음 속도가 지나치게 높으면 가압력의 오버슈트를 일으킨다. 이 오버슈트시에 과대한 가압력이 순간적으로 용접부 (25) 에 부하되기 때문에, 특히 용접 전극 (34) 의 반대측은 지지가 없는 중공의 상태에서 인다이렉트 스폿 용접을 실시하는 경우에는, 용접부 (25) 의 변형이 현저해져 용접에 영향을 미친다.

그래서, 이 오버슈트를 식 (1) 의 OS 로 표시하여, 이 OS 를 10 ％ 이하가 되도록 제어하는 것이 유효하다.

OS (％) = (PL - AL)/AL × 100 … (1)

단, PL 은 오버슈트역의 가압력 피크값 (N), AL 은 전극 가압시의 가압력 평균값 (N) 이다.

여기에서, 식 (1) 의 OS 를 10 ％ 이하로 하려면, 용접 전극 (34) 을 금속판 (21) 에 대고 누를 때의 맞닿음 속도를 30 ㎜/s 이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 공압 실린더를 구동원으로 한 구동 유닛의 경우에는, 용접 전극 (34) 의 이동 속도를 가변 제어할 수 없다. 이 때문에, 맞닿음 속도에 맞추어 이동 속도를 설정하면, 용접 전극 (34) 의 이동에 시간을 필요로 하기 때문에 전체의 작업 시간에 영향을 미쳐 시공 능률을 저해할 우려가 있다. 한편, 이 실시형태와 같이 서보모터 (31) 를 구동원으로 한 구동 유닛 (30) 의 경우에는, 용접 전극 (34) 의 이동 속도를 가변 제어할 수 있다. 따라서, 용접 전극 (34) 이 피용접 부재에 맞닿을 때에만 이동 속도 (맞닿음 속도) 를 30 ㎜/s 이하로 하면 되어, 양호한 시공 능률을 유지하는 것이 가능하여, 생산성의 면에서도 유효하다.

한편, 맞닿음 속도가 1 ㎜/s 를 하회하면, 용접 전극이 피용접 부재에 맞닿을 때의 시간이 지나치게 길어지기 때문에, 시공 능률을 크게 저해한다. 따라서, 맞닿음 속도는 1 ㎜/s 이상인 것이 바람직하다.

다음으로, 도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 인다이렉트 스폿 용접 장치 (인다이렉트 스폿 용접 로봇 장치) 의 일례를 나타내는 것이다.

도 3 에 나타내는 바와 같이, 이 인다이렉트 스폿 용접 장치 (인다이렉트 스폿 용접 로봇 장치) (40) 는, 상기 서술한 구동 유닛 (30) 을 다관절 로봇 (46) 에 장착함으로써, 자유롭게 용접 위치를 변경할 수 있다. 이로써, 자동차 부품, 자동차 차체 등의 용접에 있어서 범용적으로 사용할 수 있다. 또, 용도에 따라 다관절 이외의 로봇을 적절히 선택할 수 있다.

그리고 용접 전류에 관해서는, 교류 전원 (41) 으로부터 전류 제어 장치 (42 (8)), 1 차 케이블 (43), 트랜스 (44) 를 통해 설정된 용접 전류로 정류된다. 또한 용접 전류는 2 차 케이블 (45) 을 통해, 일방은 구동 유닛 (30) 의 선단에 장착된 용접 전극 (34), 타방은 금속판 (22) 에 장착된 급전 단자 (24) 에 공급된다.

또한, 인다이렉트 스폿 용접에 있어서는, 상기 서술한 2 차 케이블 (45) 로 구성되는 회로가 길어진다. 따라서, 2 차측 회로에 흐르는 전기는 임피던스를 가능한 한 낮게 하기 위해 직류인 것이 바람직하다. 즉, 저항 스폿 용접의 전류 제어 장치의 형식에는, 단상 교류, 인버터 교류, 인버터 직류 등이 있지만, 인버터 직류 형식의 전류 제어 장치를 선택하는 것이 바람직하다. 또한 각 사이클마다 전류 제어할 수 있는 저항 스폿 용접 제어 장치를 사용함으로써, 용접 중의 전류의 적절한 제어가 가능하다.

이에 더하여, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 인다이렉트 스폿 용접 장치 (40) 에 있어서는, 피용접 부재 (금속판 (21, 22)) 에 대하여, 용접 전극 (34) 의 반대측은 지지가 없는 중공의 상태로 할 수 있다. 용접 전극 (34) 의 반대측에서 피용접 부재 (금속판 (21, 22)) 를 지지하는 지지 지그 (47) 에 특허문헌 7 과 같은 백 바 등을 장착할 필요는 없다.

이와 같이 하여, 이 실시형태에 있어서는, 종래의 인다이렉트 스폿 용접에서는 어렵다고 여겨진 비교적 낮은 가압력의 범위에서 가압력을 안정적으로 설정할 수 있다. 따라서, 특히, 중첩한 금속판 (21, 22) 을 일방향으로부터만 용접 전극 (34) 에 의해 가압하고, 그 반대측은 지지가 없는 중공의 상태로 되어 있는 부위의 인다이렉트 스폿 용접을 실시할 때에서도, 필요로 되는 전극 가압력의 범위 (하한 : 70 ∼ 200 N, 상한 : 800 ∼ 2000 N) 에서 전극 가압의 초기 단계에서부터 정확한 가압력을 안정적으로 출력할 수 있다. 또한 특허문헌 1 ∼ 4 와 같이 용접 중에 가압력을 변경하는 경우에 있어서도, 용접 전극 (23) 의 가압력을 고정밀도로 제어할 수 있어 만족스러운 강도를 갖는 스폿 용접부 (스폿 용접 조인트) 를 안정적으로 얻을 수 있다.

실시예 1

본 발명의 실시예 1 에 대해 기술한다.

이 실시예 1 에서는, 도 3 에 나타낸 인다이렉트 스폿 용접 장치에 탑재되는 도 2 에 나타낸 형식의 구동 유닛을 대상으로 하여, 표 1 과 같은 사양으로 설계된 각 구동 유닛 (구동 유닛 1 ∼ 5) 의 성능을 조사하였다.

또한 표 1 에 있어서, 가압력 하한이란 정격 출력에 대하여 30 ％ 일 때의 가압력, 가압력 상한이란 정격 출력에 대하여 300 ％ 일 때의 가압력으로 하였다.

그리고, 여기에서는 가압력 하한이 70 ∼ 200 N, 가압력 상한이 800 ∼ 2000 N 을 만족하고 있는 구동 유닛 1 ∼ 4 를 발명예 A ∼ D 로 하고, 만족하고 있지 않은 구동 유닛 5 를 비교예 A 로 하고 있다.

표 1 에 나타내는 구동 유닛 1 ∼ 5 에 대하여, 용접 전류를 통전시키지 않은 상태에서, 전극 맞닿음 속도를 20 ㎜/s 로 하고, 설정 가압력을 200 N 과 800 N 으로 했을 때의 가압력을 10 회 측정하여, 그 때의 최소값과, 최소값의 설정값으로부터의 오차, 최대값과, 최대값의 설정값으로부터의 오차를 구하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 바와 같이, 최소값의 설정값으로부터의 오차, 최대값의 설정값으로부터의 오차에 관해서는, 설정 가압력 200 N 일 때, 구동 유닛 1 ∼ 4 (발명예 A ∼ D) 가 모두 오차 ±10 ％ 의 범위 내로, 오차가 적었다. 한편, 구동 유닛 5 (비교예 A) 에서는 오차 ±10 ％ 의 범위를 초과하여, 편차가 현저해졌다. 또한, 가압력 800 N 일 때에는, 모든 구동 유닛 (구동 유닛 1 ∼ 5) 에 있어서 오차 ±10 ％ 의 범위 내였다.

실시예 2

본 발명의 실시예 2 에 대해 기술한다.

이 실시예 2 에서는, 상기의 표 1, 2 에 나타낸 구동 유닛 2 를 사용하고, 설정 가압력을 200 과 800 N 으로 하고, 전극 맞닿음 속도를 10 ∼ 80 ㎜/s 로 변화시켰다. 그리고, 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때에 나타나는 가압력의 오버슈트를 전술한 식 (1) 의 OS 로 평가하였다. 그 결과를 표 3 에 나타낸다.

또한, 여기에서는 전극 맞닿음 속도를 10 ㎜/s, 20 ㎜/s, 30 ㎜/s 로 한 경우를 각각 발명예 a, 발명예 b, 발명예 c 로 하고, 전극 맞닿음 속도를 40 ㎜/s, 60 ㎜/s, 80 ㎜/s 로 한 경우를 각각 비교예 a, 비교예 b, 비교예 c 로 하였다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 가압력 200 N 일 때, 맞닿음 속도가 30 ㎜/s 이하인 발명예 a ∼ c 에서는 OS 를 10 ％ 이하로 할 수 있었다. 한편, 맞닿음 속도가 30 ㎜/s 를 초과한 비교예 a ∼ c 에서는, OS 가 10 ％ 를 초과하고, 특히, 맞닿음 속도 80 ㎜/s 에서는 OS 는 171 ％ 에 달하였다. 또한, 가압력 800 N 일 때에는, 맞닿음 속도 10 ∼ 80 ㎜/s (발명예 a ∼ c, 비교예 a ∼ c) 에 있어서 OS 는 10 ％ 이하로 되었다.

실시예 3

본 발명의 실시예 3 에 대해 기술한다.

이 실시예 3 에서는, 도 3 에 나타낸 인다이렉트 스폿 용접 장치 (40) 를 사용하고, 도 4 에 나타내는 바와 같이 하여 강판 (상강판 (21a), 하(下)강판 (22a)) 의 인다이렉트 스폿 용접을 실시하였다.

그 때, 구동 유닛은 상기의 표 1, 2 에 나타낸 구동 유닛 1, 3, 5 를 사용하고, 전류 제어 장치 (8) 는 직류 인버터 형식의 전류 제어 장치를 사용하였다. 또 용접 전극 (34) 은, 크롬 구리 합금을 재질로 하고 선단에 곡률 반경 40 ㎜ 의 균일한 곡률을 갖는 형상의 것을 사용하였다.

그리고 상강판 (21a) 으로서, 판두께가 0.7 ㎜ 이고, 표 4 에 나타내는 화학 성분을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 인장 강도 270 ㎫ 이상의 SPC270 강판을, 또 하강판 (22a) 으로서, 판두께가 1.2 ㎜ 이고, 동일하게 표 4 에 나타내는 화학 성분을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 인장 강도 270 ㎫ 이상의 SPC270 강판을, 각각 도 4 에 나타내는 바와 같은 오목 형상의 금속제 지지 지그 (47a) 상에 배치하였다. 지지 간격 (L) 을 30 ㎜ 로 하고, 금속제 지지 지그 (47a) 의 하부에 급전 단자 (24) 로서의 어스 전극 (24a) 을 장착하였다. 그 후, 상방으로부터 용접 전극 (34) 으로 가압하여, 인다이렉트 스폿 용접을 실시하였다. 또한, 용접 전극 (34) 의 맞닿음 속도는 30 ㎜/s 및 50 ㎜/s 로 하였다.

또, 용접 조건 (가압력 F, 전류값 C) 은 표 5 에 나타내는 바와 같이 하였다. 표 5 중, 용접 조건 1 은 가압력 F, 전류값 C 를 통전 개시부터 종료까지 일정하게 실시한 경우, 용접 조건 2 는 시간대를 제 1 단, 제 2 단으로 나누고, 가압력 F 는 제 2 단에서는 제 1 단보다 낮게 하고, 또한 전류값 C 는 제 2 단에서는 제 1 단보다 높게 하여, 가압력 F 와 전류값 C 의 양방을 동시에 제어한 경우이다.

그리고 표 6 에 나타내는 바와 같이, 실시 조건으로서, 구동 유닛으로서 표 1, 2 에 있어서 발명예 A, C 로 한 구동 유닛 1, 3 을 사용함과 함께, 전극 (23) 의 맞닿음 속도를 30 ㎜/s 로 한 경우를 발명예 1 ∼ 4 로 하였다. 이에 대하여, 구동 유닛으로서 표 1, 2 에 있어서 비교예 A 로 한 구동 유닛 5 를 사용한 경우를 비교예 1, 2, 4 로 하였다. 또, 용접 전극 (34) 의 맞닿음 속도를 50 ㎜/s 로 한 경우를 비교예 3, 4 로 하였다.

그 후에, 표 6 에 나타낸 각 실시 조건 (발명예 1 ∼ 4, 비교예 1 ∼ 4) 에 대해, 각각 10 점의 스폿 용접을 했을 때의 각각의 용접 조인트의 너깃 직경의 평균값, 최소값과 최소값의 평균값으로부터의 오차, 최대값과 최대값의 평균값으로부터의 오차, 및 외관 불량의 발생률에 대해 조사하였다. 그 결과를 표 6 에 나타낸다.

또한 표 6 에서는, 너깃 직경은, 용접부를 중심에서 절단한 단면에 있어서, 상강판 (21a) 과 하강판 (22a) 사이에 형성되는 용융부의 겹침선 상에서의 길이로 하였다. 또 외관 불량에 관해서는, 용접 전극 (34) 과 상강판 (21a) 사이에서 용접부가 용융 비산되어 일어나는 표면 패임의 발생을 나타내고 있다.

덧붙여서 너깃 직경이 3.0 ㎜ 이상이면, 용융된 상태로 형성된 바둑돌형의 바람직한 너깃이라고 판단할 수 있고, 만족스러운 강도를 갖는 용접부라고 할 수 있다. 또, 너깃 직경의 최소값, 최대값의 평균값으로부터의 오차가 ±15 ％ 의 범위 내이면, 안정적으로 용접이 가능한 것으로 생각할 수 있다.

표 6 에 나타내는 바와 같이, 발명예 1 ∼ 4 에 있어서는, 너깃 직경의 평균값이 모두 3.0 ㎜ 이상이 되어, 만족스러운 강도를 갖는 용접부라고 할 수 있다. 또한 너깃 직경의 최소값, 최대값의 평균값으로부터의 오차가 ±15 ％ 의 범위 내가 되어, 안정적으로 용접이 가능하다고 생각할 수 있다. 외관 불량도 발생하지 않았다.

한편, 비교예 1, 2 에 있어서는, 너깃 직경의 평균값이 모두 3.0 ㎜ 이상으로 되었지만, 너깃 직경의 최소값, 최대값의 평균값으로부터의 오차 중 어느 것이 ±15 ％ 의 범위를 초과하고 있기 때문에, 안정적인 용접이 이루어지지 않았다. 외관 불량도 발생하였다. 또, 비교예 3 에 있어서는, 너깃 직경의 최소값, 최대값의 평균값으로부터의 오차가 ±15 ％ 의 범위 내로 되었지만, 너깃 직경의 평균값이 3.0 ㎜ 보다 작아졌기 때문에, 만족스러운 강도를 갖는 용접부를 얻을 수 없었다. 또 비교예 4 에 있어서는, 너깃 직경의 평균값이 3.0 ㎜ 보다 작아지고, 또한 너깃 직경의 최소값, 최대값의 평균값으로부터의 오차가 ±15 ％ 의 범위를 초과하고 있기 때문에, 만족스러운 강도를 갖는 용접부를 얻을 수 없었음과 함께, 안정적인 용접도 이루어지지 않았다.

산업상 이용가능성

본 발명에 의하면, 적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재에 대하여, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 그 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 그 용접 전극과 그 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접에 관하여, 다이렉트 스폿 용접과 비교하여 낮다고 여겨지는 적정 가압력 범위 내에서, 설정 가압력을 안정적으로 달성하고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때에 나타나는 가압력의 오버슈트를 억제함으로써, 만족스러운 강도를 갖는 용접부를 안정적으로 얻을 수 있는 인다이렉트 스폿 용접 장치를 제공할 수 있다.

1 : 금속판
2 : 금속판
3 : 용접 전극
4 : 용접 전극
5 : 용접부 (너깃)
6 : 가압 제어 장치
7 : 가압 제어 장치
8 : 전류 제어 장치
11 : 금속판
12 : 금속판
13 : 용접 전극
14 : 용접 전극
15-1 : 용접부 (너깃)
15-2 : 용접부 (너깃)
21 : 금속판
21a : 상강판
22 : 금속판
22a : 하강판
23 : 용접 전극
24 : 급전 단자
24a : 어스 전극
25 : 용접부 (너깃)
30 : 구동 유닛
31 : 서보모터
32 : 케이싱
33 : 직진 운동 로드
34 : 용접 전극
35 : 브래킷
36 : 급전 케이블
37 : 션트
40 : 인다이렉트 스폿 용접 장치
41 : 교류 전원
42 : 전류 제어 장치
43 : 1 차 케이블
44 : 트랜스
45 : 2 차 케이블
46 : 다관절 로봇
47 : 지지 지그
47a : 금속제 지지 지그

Claims (2)

1. 적어도 2 장의 금속판을 중첩한 부재에 대하여, 일방의 면측으로부터 금속판에 용접 전극을 가압하면서 대고 누르고, 타방의 면측의 금속판에는 상기 용접 전극과 이격된 위치에 급전 단자를 장착하고, 상기 용접 전극과 상기 급전 단자 사이에서 통전하여 용접을 실시하는 인다이렉트 스폿 용접 장치에 있어서, 금속판에 대한 용접 전극의 가압력에 관하여, 가압력 오차 ±10 ％ 의 범위 내에서 제어할 수 있는 가압력 안정 영역의 하한을 70 ∼ 200 N, 상한을 800 ∼ 2000 N 의 범위로 하고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때에 나타나는 가압력의 오버슈트를 식 (1) 의 OS 로 표시하여, 이 OS 를 10 ％ 이하로 제어하는 인다이렉트 스폿 용접 장치.
   OS (％) = (PL - AL)/AL × 100 … (1)
   단, PL 은 오버슈트역의 가압력 피크값 (N), AL 은 전극 가압시의 가압력 평균값 (N) 이다.
2. 제 1 항에 있어서,
   용접 전극을 직선 방향으로 이동시켜 피용접 부재를 가압하는 구동 유닛을 탑재하고, 그 구동 유닛은 서보모터를 구동원으로 하여, 가압력이 상기 가압력 안정 영역의 하한일 때에, 서보모터의 출력이 정격 출력에 대하여 30 ％ 이상이 되고, 또한 용접 전극을 금속판에 대고 누를 때의 맞닿음 속도가 1 ㎜/s 이상 30 ㎜/s 이하가 되는 인다이렉트 스폿 용접 장치.

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