KR20160100704A - 고주파 유도가열 장치 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

고주파 유도가열 장치 및 이를 이용한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파 유도가열 장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로서, 서로 이웃하는 모재의 양단부를 연결하는 고주파 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 고주파 유도 가열부 및 제어부를 포함한다. 고주파 유도 가열부는 서로 이웃하는 모재 사이에 용가재가 마련되고, 용가재와 서로 이웃하는 모재의 양단부에 열을 가하여 양단부를 접합시킨다. 제어부는 모재와 용가재의 재질에 따라 고주파 유도 가열부에 인가되는 유도전류의 크기와 주파수를 제어한다.
본 발명에 의하면, 고주파 유도 가열부를 열원으로 하여 서로 맞닿는 모재의 양단부에 국부적인 열을 인가하여 서로 맞닿는 모재의 손상없이 정교하게 용접할 수 있으며 불량률을 감소시키고 용가재의 사용량을 감소시켜 차량의 머플러 등에 사용될 때 중량을 감소시켜 차량의 연비를 증가시킬 수 있다.
또한, 고주파 유도가열 장치를 이용한 가공방법은 용접 결합되는 각 모재들을 준비하고, 가열 장치에 동시에 유도 브레이징을 실시하여 공정시간을 단축하여 공정시간을 단축할 수 있다.

Description

고주파 유도가열 장치 및 이를 이용한 방법{High frequency heating equipment and method using the same}
본 발명은 고주파 유도가열 장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로서, 유도가열을 이용하여 금속 배기계 모재를 견고하게 연결할 수 있는 고주파 유도가열 장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속이나 비금속의 접합부위를 가열하여 용융상태 또는 반용융상태에서 접합시키는 것을 용접이라고 하며, 용접방법으로는 융접(Fusion Welding), 압접(Pressure Welding) 및 납접의 방법이 사용되고 있다.
용접은 모재의 접합부위를 용융상태로 가열하여 접합하거나 용융체를 주입하여 융착시키는 방법이고, 압접은 접합부위를 반용융상태로 가열하거나 냉간상태에서 기계적인 압력을 가하여 접합시키는 방법이며, 납접은 접합재인 금속보다 낮은 온도에서 녹는 용가재를 접합부위에 유입시켜 용가재의 표면장력에 의해 생기는 흡입력을 이용하여 접합시키는 방법이다.
이중 모재의 접합부위를 용융상태로 가열하여 접합하거나 용융체를 주입하여 융착시키는 용접방법 중에서 가장널리 사용되는 방법이 아크용접이다.
아크용접은 모재와 토치의 사이에 전류를 인가하여 아크를 발생시키고 이때 발생하는 열을 이용하여 접합부위를 용융시켜 접합하는 것으로, 자동차, 조선, 건설산업에 널리 사용되고 있으나, 작업속도가 느리며 용접봉의 손실율이 높으며 용접덧살에 의한 접합부의 무게가 늘어날 수 있다. 이로 인해, 최근에 자동차 배기계 모재에는 환경문제 대응을 위한 정화성능 향상과 함께 연비개선에 유효한 경량화가 꾸준히 요구됨에 따라 머플러 구성 소재 두께가 1.5mm 이하의 박판 소재에는 적용하기 어려운 측면이 있다.
특히 스테인리스강의 경우 일반강 대비 높은 열팽창 계수와 낮은 열전도도의 소재특성으로 용접 후 과도한 열변형이 발생하여 공정별 최종 제품 치수에서 오차가 발생할 수 있으며, 특히 소재두께 1.5mm 이하의 박판 소재 용접 시 접합 불량이 심하여 경량화에 어려움이 많은 실정이다.
한국 공개특허 제2000-0063779호에는 로브레이징에 의한 스테인레스 스틸 용접 및 열처리 가공방법이 개시한 바 있다. 한국 공개특허 제2000-0063779호에 개시되어 있는 브레이징에 의한 스테인레스 스틸 용접은 컨베이어벨트와 같이 공정이 연속적으로 이루어져 공정시간이 길어질 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 고주파 유도 가열부를 열원으로 하여 서로 맞닿는 모재의 양단부에 국부적인 열을 인가하여 서로 맞닿는 모재를 손상없이 정교하게 접합하여 불량률을 감소시키며, 용접량의 중량을 감소시킬 수 있는 고주파 유도가열 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 용접 결합되는 각 모재들을 준비하고, 고주파 유도가열 장치를 이용하여 준비된 모재들을 동시에 유도 가열을 실시하여 생산공정을 단축하여 공정시간을 줄일 수 있는 고주파 유도가열 장치를 이용한 가공방법을 제공함에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열 장치는 서로 이웃하는 모재의 양단부를 연결하는 고주파 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 고주파 유도 가열부 및 제어부를 포함한다. 고주파 유도 가열부는 서로 이웃하는 모재 사이에 용가재가 마련되고, 용가재와 서로 이웃하는 모재의 양단부에 열을 가하여 양단부를 접합시킨다. 제어부는 모재와 용가재의 재질에 따라 고주파 유도 가열부에 인가되는 유도전류의 크기와 주파수를 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열 장치의 고주파 유도 가열부는 모재의 외경보다 직경이 크게 형성되고, 나선형상으로 형성되어 모재를 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열 장치의 고주파 유도 가열부의 용가재의 재질은 니켈 계열로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열 장치를 이용한 접합 방법은 모재 배열단계, 용가재 배치단계, 유도 가열부 배치단계 및 모재 접합단계를 포함한다. 모재 배열단계는 복수로 마련된 모재의 양단부를 서로 이웃하게 배열한다. 용가재 배치단계는 이웃하게 배열된 모재 사이에 용가재를 배치한다. 유도 가열부 배치단계는 용가재가 배치된 위치에 고주파 유도 가열부를 배치한다. 모재 접합단계는 고주파 유도 가열부에 전류를 인가하여 용가재와 서로 이웃하게 배치된 모재의 양단부를 접합한다.
본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열 장치를 이용한 접합 방법의 접합단계는 용가재 및 서로 이웃게 배치된 모재의 재질에 따라 고주파 전류를 설정하여 접합할 수 있다.
본 발명에 의한 고주파 유도가열 장치는 고주파 유도 가열부를 열원으로 하여 서로 맞닿는 모재의 양단부에 국부적인 열을 인가하여 서로 맞닿는 모재의 손상없이 정교하게 접합할 수 있으며 불량률을 감소시키고 용가재의 사용량을 감소시켜 차량의 머플러 등에 사용될 때 중량을 감소시켜 차량의 연비를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의한 고주파 유도가열 장치를 이용한 가공방법은 결합되는 각 모재들을 준비하고, 가열 장치에 의해서 동시에 유도가열을 할 수 있어 공정시간을 단축하여 공정시간을 줄일 수 있어 생산능율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 A-A의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도 가열부를 나타내는 다양한 실시예를 나타내는 사진이다.
도 4a는 종래의 아크 용접을 이용하여 모재를 연결한 상태도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 이용하여 모재를 연결한 상태도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 이용하여 자동차의 머플러에 적용 가능한 위치는 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 이용한 가공방법의 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 A - A의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도 가열부를 나타내는 다양한 실시예를 나타내는 사진이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치는 고주파 유도 가열부(100) 및 제어부(200)를 포함한다.
고주파 유도 가열부(100)는 모재(10, 11) 사이에 마련된 용가재(12)를 감싸도록 형성된다. 고주파 유도 가열부(100)는 유도 가열에 의해서 열을 발생시킨다. 유도 가열은 전자유도 작용에 의한 것으로서, 교류 전류가 흐르는 코일속에 위치하는 금속 등의 도전체는 와전류 손실과 히스테리시트(Hysteresis) 손실의 저항에 의하여 열이 발생한다. 이와 같이 발생하는 열에너지를 이용하여 모재를 가열하는 것을 말한다. 특히 고주파 전류를 이용하는 것을 고주파 유도 가열(high-frequency induction heating)이라 한다. 이러한 고주파 유도 가열은 도체의 직접가열 또는 국부가열이 가능하고, 에너지 밀도가 높으며, 불꽃이 방출되지 않으며 용접 중 발생하는 퓸(fume)이 저감되는 특징이 있다.
고주파 유도 가열부(100)는 모재(10, 11)의 직경보다 크게 형성되어 모재(10, 11)의 축을 따라 나선형상(110)으로 소정 깊이 만큼 감싸도록 형성될 수 있다. 고주파 유도 가열부(100)의 형상이 나선형상(110)으로 형성되면, 고주파의 용량이나 주파수가 부족할 때 모재(10, 11)의 소정의 깊이까지 전달하여 급속하게 모재(10, 11)와 용가재(12)를 효과적으로 유도가열할 수 있다.
고주파 유도 가열부(100)는 일반적으로 모재(10, 11)와 용가재(12)의 크기 또는 재질에 따라 변경될 수 있다. 일반적으로 철 계열은 10 ~ 50kHz 정도가 많이 사용되어지며, 비철금속의 경우(황동, 알루미늄, 스텐, 동 등)는 50 ~ 400kHz 대의 비교적 높은 주파수가 사용될 수 있다. 출력용량(kHz)은 모재(10, 11)의 크기가 크고 짧은 가열시간이면 큰 용량이 필요하며, 모재가 작고 긴 가열시간이 필요하면 작은 용량으로 적용하는 것이 바람직하다. 고주파 유도 가열부(100)는 모재의 재질, 크기, 형상 등에 따라 형상이 변경될 수 있는 것으로 그 형상에 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3에 나타난 다양한 형성을 선택적으로 적용할 수 있다.
용가재(12)는 모재(10, 11)를 접합하기 위하여 첨가되는 금속으로서, 모재(10, 11)의 간격, 형상, 강도, 재질에 따라 재질을 선택적으로 적용할 수 있다. 선택할 수 있는 용가재(12)의 재질은 wire, washer, sheet, 파우더, 페이스트 형태 중 하나일 수 있다.
제어부(200)는 모재(10, 11)와 용가재(12)의 재질에 따라 고주파 유도 가열부(100)와 유도전류의 크기와 주파수를 제어할 수 있으며, 모재(10, 11)의 종류 및 용가재(12)의 재질에 따라 유도 전류의 시간을 자동으로 설정시간을 할 수 있다. 따라서 과도한 유도전류로 인해 모재(10, 11)에 손상이 발생하거나 모재의 접합이 불량하게 되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치는 전류감지 트랜스(300)를 포함할 수 있다. 전류감지 트랜스(300)는 고주파 유도 가열부(100)에 유도전류가 유도될 때, 사용전력을 표시하며, 고주파 유도 가열부(100)에 과부하를 방지하여 과도한 유도전류가 흘러 모재(10, 11)에 손상이 발생하거나 모재의 접합이 불량해 지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치는 냉각기(400)를 포함할 수 있다. 냉각기(400)는 고주파 유도 가열부(100) 및 모재(10, 11)에 일정온도 이상 상승할 때, 고주파 유도 가열부(100) 및 모재(10, 11)를 설정된 온도 이하가 되도록 낮출 수 있다. 냉각기(400)는 제어부(200)에 의해서 동작이 제어될 수 있다.
도 4a는 종래의 아크 용접을 이용하여 모재를 연결한 상태도이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 이용하여 모재를 연결한 상태도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 일반 아크 용접을 통한 모재의 용접면은 불규칙한 것으로 나타났다. 이와 같이, 접합면이 불규칙으로 형성되면 용접면을 매끄럽게 하기 위하여 추가적인 용접이 필요하며, 용접면을 마무리하기 위한 추가적인 작업이 발생하게 된다. 추가적인 용접은 모재의 손상시킬 수 있으며, 용가재가 추가로 사용되어 모재의 중량이 증가하고 고정이 추가되어 작업시간이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.
이에 반해, 도 4b의 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치는 접합면이 매끄럽고 우수한 것으로 나타났다. 고주파 유도 가열부(100)는 모재(10, 11) 사이에 마련된 용가재(12)를 감싸도록 형성된다. 모재(10, 11) 사이에 마련된 용가재(12)는 고주파 유도 가열부(100)의 유도가열에 의해서 용융되고, 모재(10, 11)와 모재사이에 모세관 현상을 통하여 스며들게 된다. 모재(10, 11)는 용가재(12)에 의해서 견고하게 접합됨으로써, 아크용접시 사용되는 용접량보다 적은 용가재(12)로 견고하게 접합될 수 있다. 따라서 모재(10, 11) 연결 시, 제품의 중량을 줄일 수 있으므로 제품이 차량의 머플러로 사용될 때 중량이 감소되어 연비효율을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 이용하여 자동차의 머플러에 적용 가능한 위치는 나타내는 도면이다.
자동차의 머플러는 프론트(13), 센터 머플러(14) 및 메인 머플러(15)로 형성될 수 있다. 각각의 부품들은 제품의 유지 관리 등을 위해서 조인트로 형성되어 있다. 자동차의 머플러의 각각의 부품들이 본 발명에 의한 고주파 유도가열 장치에 의해서 단부가 연결되면, 연결부의 접합강도를 견고하게 하면서 접합부의 중량을 감소할 수 있어 자동차의 중량감소로 인한 연비를 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 유도가열 장치를 이용한 가공방법의 플로우차트이다.
고주파 유도가열 장치를 이용한 가공방법은 모재 배열단계(S100), 용가재 배치단계(S200), 유도 가열부 배치단계(S300) 및 모재 접합단계(S400)를 포함한다.
모재 배열단계(S100)는 복수로 마련된 모재의 양단부를 서로 이웃하게 배열하는 단계이다. 용가재 배치단계(S200)는 모재 배열단계(S100)시 모재의 형상, 강도, 재질 등을 고려하여 모재의 서로 이웃하는 양단부 사이에 이웃하게 배치한다. 이때 사용하는 용가재의 재질은 wire, washer, sheet, 파우더, 페이스트 형태 중 하나일 수 있다.
유도 가열부 배치단계(S300)는 용가재 배치단계(S200) 후에, 고주파 유도 가열부를 배치하는 단계이다. 고주파 유도 가열부는 모재의 접합형식 및 접합 형태에 따라 다양하게 적용될 수 있으며, 복수로 구비되어 각각의 이웃하는 모재 단부에 마련될 수 있다. 복수로 구비된 고주파 유도 가열부는 동시에 제어될 수 있다.
모재 접합단계(S400)는 고주파 유도 가열부에 유도 전류를 인가하여 용가재와 서로 이웃하게 배치된 모재의 양단부를 접합하는 단계이다. 고주파 유도 가열부가 동시에 마련되면, 복수로 마련된 고주파 유도 가열부에 동시에 유도 전류를 인가하여 접합할 수 있으므로 모재의 양단부를 접합함으로써 접합시간을 단축할 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10, 11 : 모재 12 : 용가재
100 : 고주파 유도 가열장치 200 : 제어부

Claims (5)

  1. 서로 이웃하는 모재의 양단부를 연결하는 고주파 유도 가열 장치에 관한 것으로서,
    상기 서로 이웃하는 모재 사이에 용가재가 마련되고, 상기 용가재와 상기 서로 이웃하는 모재의 양단부에 열을 가하여 상기 양단부를 접합시키는 고주파 유도 가열부; 및
    상기 모재와 상기 용가재의 재질에 따라 상기 고주파 유도 가열부에 인가되는 유도전류의 크기와 주파수를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 유도 가열부는,
    상기 모재의 외경보다 직경이 크게 형성되고, 나선형상으로 형성되어 상기 모재를 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용가재의 재질은,
    니켈 계열인 것을 특징으로 하는 고주파 유도가열 장치.
  4. 복수로 마련된 모재의 양단부를 서로 이웃하게 배열하는 모재 배열단계;
    상기 이웃하게 배열된 모재 사이에 용가재를 배치시키는 용가재 배치단계;
    상기 용가재가 배치된 위치에 고주파 유도 가열부를 배치시키는 유도 가열부 배치단계; 및
    상기 고주파 유도 가열부에 전류를 인가하여 상기 용가재와 상기 서로 이웃하게 배치된 모재의 양단부를 접합시키는 모재 접합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치를 이용한 접합 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접합단계는,
    상기 용가재 및 서로 이웃게 배치된 모재의 재질에 따라 고주파 전류를 설정하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 고주파 유도 가열 장치를 이용한 접합 방법.
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KR100751511B1 (ko) * 2006-11-16 2007-08-23 박봉경 고주파 유도가열 방식을 이용한 범용 주파수 대역 고주파브레이징 방법
KR20110059655A (ko) * 2008-09-30 2011-06-02 고오슈우하네쓰렌 가부시기가이샤 금속재의 용접 장치 및 금속재의 용접 방법

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