KR20160106926A - 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고장력강, 도금강판, 합금판 등의 신소재로 구성된 차체 패널에 다양한 재질의 너트를 용접할 수 있는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기를 제공하려는 것이며, 본 발명은, 너트와 차체 패널을 홀딩하기 위한 상부툴과 하부툴이 구성되고, 상부툴은 너트고정부가 구비된 회전체와 그 외부에 고정부재와 스프링이 구비된 가압 슬리브로 구성되며,
하부툴은 너트 고정핀과 스프링이 취부된 고정구가 회전체에 체결되고, 그 외부에 차체 패널을 고정하기 위한 진공흡착홀이 구비된 패널고정부로 구성된 것이 본 발명의 특징이며, 본발명에 의하면,자동차의 소재 경량화에 따른 고장력강판, 도금강판, 알루미늄, 마그네슘, 경량금속합금 등 신소재의 용접에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 견고한 접합상태를 제공할 수 있어 용접품질을 크게 향상시키는 효과가 있으며,
마찰교반용접의 핵심기술인 소재가 접촉하여 회전하는 작용으로 발생된 마찰열에 의해서 고장력강, 도금강판, 합금판의 차체 패널에 다양한 재질의 너트를 접합할 수 있는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기를 제공하여 자동차 산업에 경쟁력을 높이는 효과가 있다.

Description

너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기{Friction Stir Projection Welding Machine for nut joint}

본 발명은 너트 접합용 마찰교반 용접기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고장력강판, 도금강판, 알루미늄, 마그네슘 합금과 같이 전기저항 스폿용접이 어려운 재질로 구성된 패널(panel)에 너트(nut)를 견고하게 접합할 수 있도록 구성된 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 차체 패널(panel)에 각종부품을 장착하기 위하여 차체 패널에 너트(nut)를 용접하여 부품을 체결하고 있다.

상기와 같이 차체 패널에 너트를 용접하기 위하여 사용되는 용접기들 중에 대표적인 용접기는 전기저항 프로젝션 용접기(projection welding machine)이다.

상기한 프로젝션 용접기는 상부팁(tip)과 하부팁이 구비되고, 일측에 너트를 공급받기 위한 너트피더(nut feeder)가 구비될 수 있다.

상기와 같은 프로젝션 용접기는 자동차의 소재 경량화에 따른 고장력강판, 도금강판, 알루미늄, 마그네슘, 경량금속합금과 같은 신소재가 개발되어 적용되고 있으나 너트의 용접이 어려워지고 있다.

그 이유는 도금강판의 경우에 전극 팁과 도금성분이 합금화 반응을 일으키며 전극표면에 취성층을 형성시켜 통전불량으로 인한 품질저하와, 팁의 한계타수 급감과 잦은 드레싱으로 생산성 저하를 초래하고, 또 알루미늄 및 마그네슘 합금의 경우에는 낮은 전기저항으로 인하여 발열에 필요한 전력이 매우 크기 때문에 그에 따른 전력손실이 커지는 문제가 있다.

그래서, 차세대 자동차 차체부품 제조를 위한 이종소재, 도금강판의 용접 및 접합기법 개발이 요구되고, 그 대안으로 마찰교반용접이 대두되고 있다.

상기 마찰교반용접은 고상용접 기법으로서 용융용접 및 저항용접에 비하여 친환경, 저에너지, 이종소재 접합이 가능하여 세계적으로 주목을 받고 있다.

일본, 미국, 유럽 등에서는 많은 연구가 수행되어 왔으며, 이미 자동차 부품제조 분야 등에서 적용되고 있다.

마찰교반용접의 핵심기술은, 핀 또는 프로브를 첨단에 가지는 회전하는 툴을 접합하고자 하는 두 소재에 접촉-가압하여 마찰열을 발생시키는 과정에서, 마찰열과 툴 회전운동에 의하여 금속 소성유동이 발생하여 고상접합 하는 것으로서, 마찰용접을 위한 툴은 선용접용 및 점용접용으로 개발되어 있는 것이 전부이다.

따라서, 마찰교반용접 기법을 응용하여 고장력강, 도금강판, 합금판의 판재에 다양한 재질의 너트를 접합하는 것이 불가능하여 기존 전기저항 프로젝션 용접기를 사용하여 고장력강, 도금강판, 합금판의 판재에 다양한 재질의 너트를 용접하고 있으나, 용접조건을 충족시키지 못하여 용접불량으로 제품의 품질이 크게 떨어지는 등 많은 문제점이 있다.

한국 등록특허 제10-1422597호(2014년07월17일.등록) 한국 공개특허 제10-2009-0066432호(2009년06월24일.공개) 한국 공개특허 제10-1999-0065940호(1999년08월16일.공개)

본 발명은 상기한 바와 같은 전기저항 프로젝션 용접기로 자동차의 소재 경량화에 따른 고장력강판, 도금강판, 알루미늄, 마그네슘, 경량금속합금 등 신소재의 용접에 적용이 어려워지는 문제를 해결하고, 마찰교반용접의 핵심기술인 소재가 접촉-가압하여 회전하는 작용으로 발생된 마찰열에 의해서 고장력강, 도금강판, 합금판 등의 신소재로 구성된 차체 패널에 다양한 재질의 너트를 용접할 수 있는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기는, 너트와 차체 패널을 홀딩하기 위한 상부툴과 하부툴이 구성되고, 상부툴은 너트고정부가 구비된 회전체와 그 외부에 고정부재와 스프링이 구비된 가압 슬리브로 구성되며,

하부툴은 너트 고정핀과 스프링이 취부된 고정구가 회전체에 체결되고, 그 외부에 차체 패널을 고정하기 위한 진공흡착홀이 구비된 패널고정부로 구성된 것이 본 발명의 특징이다.

본 발명에 의한 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기에 의하면, 자동차의 소재 경량화에 따른 고장력강판, 도금강판, 알루미늄, 마그네슘, 경량금속합금 등 신소재의 용접에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 견고한 접합상태를 제공할 수 있어 용접품질을 크게 향상시키는 효과가 있으며,

마찰교반용접의 핵심기술인 소재가 접촉하여 회전하는 작용으로 발생된 마찰열에 의해서 고장력강, 도금강판, 합금판의 차체 패널에 다양한 재질의 너트를 접합할 수 있는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기를 제공하여 자동차 산업에 경쟁력을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 구성을 보인 사시도
도 2는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 상부툴과 하부툴의 구성을 보인 예시도
도 3~6은 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 상부툴과 하부툴에 의한 접합단계를 보인 예시도
도 7은 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기에서 접합한 후 상태를 보인 예시도
도 8은 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 상부툴과 하부툴의 다른 구성을 보인 예시도
도 9~11은 도 8의 상부툴과 하부툴에 의한 접합단계를 보인 예시도
도 12는 상부툴과 하부툴의 다른 구성에서 접합한 후 상태를 보인 예시도
도 13, 14는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기에 의한 접합에 적합한 너트의 예시도
도 15는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 상부툴의 너트고정부 및 회전체 예시도

본 발명에 의한 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 구성을 첨부된 도면과 관련하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기는, 용접기 본체의 전방에 구비된 용접기(50) 구동부(30)의 상부와 하부에 너트와 차체 패널을 홀딩하기 위한 상부툴(1)과 하부툴(10)이 구성되는데, 상기 상부툴(1)과 하부툴(10)의 승하강수단 및 회전수단은 공압, 유압, 모터 등 일반적인 수단으로 가능하여 구체적으로 명시하지 않았다.

상기 상부툴(1)은 너트를 자력으로 고정하기 위한 자석(2)과 너트가 회전하는 것을 방지하기 위한 4각~12각꼭지홀(3)이 형성된 너트고정부(4)가 체결되어 구성된 회전체(5)와 그 외부에 차체 패널을 가압하기 위한 고정부재(6)와 스프링(7)이 구비된 가압 슬리브(8)로 구성되며,

하부툴(10)은 차체 패널에 접합하기 위한 너트의 중심을 잡아주기 위한 너트 고정핀(11)과 상기 너트 고정핀을 지지하기 위한 스프링(12)이 취부된 고정구(13)가 회전체(14)에 체결되고, 그 외부에 차체 패널을 고정하기 위한 진공흡착홀(16)이 구비된 패널고정부(15)로 구성되어 있으며,

너트 고정핀(11)은 차체 패널에 접합하기 위한 너트의 형상에 따라 직선부를 갖는 너트 고정핀과, 걸림부(11')를 갖는 너트 고정핀(11)으로 구성되어 선택적으로 사용할 수 있게 되어 있다.(도7,8참조)

이러한 구성으로 된 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기에 사용되는 너트(20)는 원추형 다리부(20')가 형성되어 있으며, 원추형 다리 외부에 나선형돌기(23)가 형성된 것과 없는 것이 있으며, 나선형돌기의 단면모양은 삼각형, 사다리꼴, 사각형, 원형 및 타원형 등과 같이 다양한 모양으로 구성될 수 있다.(도13,14참조)

도면의 미설명부호 50은 용접기 본체, 51은 차체 패널을 의미하는 것이다.

본 발명에 의한 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기에 대한 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

용접기 본체(50)의 전방에 구비된 용접기 구동부(30)의 상부와 하부에 너트와 차체 패널을 홀딩하기 위한 상부툴(1)과 하부툴(10)의 승하강수단 및 회전수단, 그리고 하부툴(10)을 구성하는 패널고정부에 형성된 진공흡착홀의 공기흡입력으로 차체 패널고정수단은 일반적인 수단으로 구체적인 설명은 생략하고 상부툴(1)과 하부툴(10)에 관한 작용만을 설명한다.

차체 패널(51)에 형성된 홀(21)의 가장자리에 너트(20)를 접합하려면, 원추형 다리부(20')가 형성된 너트(20)를 준비하고 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)에 직선부를 갖는 너트 고정핀(11)이 설치된 하부툴(10)을 고정하여 사용하고, 또 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)에 결합되면서 접합하려면, 외부에 나선형돌기(23)가 형성된 너트(20)를 준비하고, 걸림부(11')를 갖는 너트 고정핀(11)이 설치된 하부툴(10)을 사용하는데, 원추형 다리부(20')가 형성된 너트 또는 원추형 다리 외부에 나선형돌기(23)가 형성된 너트 중에 선택하고, 차체패널에 형성된 홀의 크기에 맞추어 그에 알맞은 너트 고정핀을 선택하면 되고, 이러한 너트의 선택은 필수적이 아니고 조건에 따라 그에 알맞은 것을 선택하면 된다.

상기한 바와 같이 차체 패널(51)에 형성된 홀의 유형과, 너트의 유형이 달라도 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 작용은 동일하다.

너트가 차체 패널에 접합되는 작용을 2가지 유형으로 살펴본다.

먼저, 유형 1을 보면, 차체 패널(51)에 형성된 홀(22)의 가장자리에 너트(20)를 접합할 때에는, 원추형 다리부(20')가 형성된 너트(20)를 준비하여 너트피더(nut feeder) 또는 수동으로 공급받고, 차체 패널(51)에 형성된 홀(22)을 직선부를 갖는 너트 고정핀(11)이 설치된 하부툴(10)의 상부에 장착한다.

그리고, 상부툴(1)을 상승시킨 상태에서 하부툴(10)을 구성하는 직선부를 갖는 너트 고정핀(11)에 차체 패널(51)에 형성된 홀(22)을 결합함과 동시에 패널고정부(15)에 차체 패널(51)을 올려놓고, 진공흡착홀(16)에서 공기흡입력으로 차체 패널(51)을 고정시킨다.

상기와 같이 한 상태에서 우너추형 다리부(20')가 형성된 너트(20)를 너트피더 또는 수동으로 공급받아 너트 고정핀(11)을 통해 차체 패널(51)에 형성된 홀(22)의 상부 가장자리에 너트의 원추형 다리부(20')가 안착되게 하고, 이어서 상부툴(1)이 하강하여 고정부재(6)와 스프링(7)이 구비된 가압 슬리브(8)로 차체 패널(51)을 눌러주고, 자석(2)이 너트를 자력으로 고정하고(너트가 강제일 경우), 너트의 회전하는 것을 방지하기 위한 4각~12각꼭지홀(3)이 너트(20)에 결합된다.

이러한 상태에서 상부툴(1)을 고속으로 회전시키면 너트가 상부툴과 같이 회전하면서 차체 패널(51)에 형성된 홀(22)의 가장자리와 너트의 원추형 다리부(20')가 마찰열에 의해 교반되면서 접합되는데, 상부툴(1)과 하부툴(10)을 동시에 고속으로 회전시켜 접합되게 할 수 있고, 하부툴(10)을 회전시키고 상부툴(1)은 가압하여 너트의 원추형 다리부(20')가 차체 패널(51)에 형성된 홀(22)의 가장자리에서 박음과 마찰교반에 의해 접합되게 할 수 있으며, 이렇게 접합한 후에는 상부툴(1)을 상승시키고, 너트(20)가 접합된 차체 패널(51)을 하부툴(10)에 분리하는 것으로 접합이 완료된다.

그리고, 유형 2를 보면, 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)에 결합되면서 접합되게 할 때에는, 외부에 나선형돌기(23)가 형성된 너트(20)를 준비하여 너트피더 또는 수동으로 공급받고, 걸림부(11')를 갖는 너트 고정핀(11)이 설치된 하부툴(10)을 상부툴(1)의 하부에 장착한다.

그리고, 상부툴(1)을 상승시킨 상태에서 하부툴(10)을 구성하는 걸림부(11')를 갖는 너트 고정핀(11)에 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)을 결합하고, 패널고정부(15)에 차체 패널(51)을 올려놓고, 진공흡착홀(16)에서 공기흡입력으로 차체 패널(51)을 고정시킨다.

상기와 같이 한 상태에서 나선형돌기(23)가 형성된 너트(20)를 너트피더 또는 수동으로 공급받아 너트 고정핀(11)을 통해 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)에 나선형돌기(23)가 결합되게 하고, 이어서 상부툴(1)이 하강하여 고정부재(6)와 스프링(7)이 구비된 가압 슬리브(8)로 차체 패널(51)을 눌러주고, 자석(2)이 너트를 자력으로 고정하고, 너트가 회전하는 것을 방지하기 위한 4각~12각꼭지홀(3)이 너트(20)에 결합된다.

이러한 상태에서 상부툴(1)을 고속으로 회전시키면 너트(20)가 상부툴(1)과 같이 회전하면서 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)의 주변과 너트(20)에 형성된 나선형돌기(23)가 마찰열에 의해 마찰교반되면서 접합되게 할 수 있고, 또 상부툴(1)과 하부툴(10)을 동시에 고속으로 회전시켜 접합되게 할 수 있다.

이렇게 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)에 너트를 접합 후에는 상부툴을 상승시키고 너트(20)가 접합된 차체 패널(51)을 하부툴(10)에 분리하는 것으로 접합이 완료된다.

이상과 같이 너트와 차체 패널 접합유형 1,2는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기의 작용에 대한 이해를 돕기 위한 것이고, 원추형 다리부(20')가 형성된 너트는, 차체 패널(51)에 형성된 홀(21)의 주변에 결합시키면서 접합하고, 원추형 다리 외부에 나선형돌기(23)가 형성된 너트는, 차체 패널(51)에 형성된 홀의 가장자리에 접합되도록 하여도 무방하다.

1: 상부툴 2: 자석
4: 너트고정부 5,14: 회전체
6: 고정부재 8: 가압 슬리브
7,12: 스프링 10: 하부툴
11: 너트 고정핀 13: 고정구
15: 패널고정부 16: 진공흡착홀

Claims (3)

1. 용접기 본체의 전방에 구비된 용접기 구동부의 상부와 하부에 너트와 차체 패널을 홀딩하기 위한 상부툴과 하부툴이 구성되고, 상기 상부툴과 하부툴은 승하강수단 및 회전수단이 구성되며,
   상기 상부툴은 너트를 자력으로 고정하기 위한 자석과 너트의 회전하는 것을 방지하기 위한 4각~12각꼭지 홀이 형성된 너트고정부가 체결된 회전체와 그 외부에 차체 패널을 가압하기 위한 고정부재와 스프링이 구비된 가압 슬리브로 구성되며,
   하부툴은 차체 패널에 접합하기 위한 너트의 중심을 잡아주기 위한 너트 고정핀과 상기 너트 고정핀을 지지하기 위한 스프링이 취부된 고정구가 회전체에 체결되고, 그 외부에 차체 패널을 고정하기 위한 진공흡착홀이 구비된 패널고정부로 구성된 것을 특징으로 하는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기.
2. 제 1항에 있어서, 너트 고정핀은 차체 패널에 형성된 홀의 가장자리에 접합하기 위한 너트의 형상에 맞도록 직선부가 형성된 것을 특징으로 하는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기.
3. 제 1항에 있어서, 너트 고정핀은 차체 패널에 형성된 홀에 결합하여 접합하기 위한 너트의 형상에 맞도록 걸림부가 형성된 것을 특징으로 하는 너트 접합용 마찰교반 프로젝션 용접기.

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