KR20210021322A - 전자기 용접에 의한 몰딩 부품 접합 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20210021322A
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KR
South Korea
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inductor
field strength
contact surface
way
electromagnetic
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Application number
KR1020207037842A
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English (en)
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마틴 라보르더스
톰 요하네스 얀센
미체엘 헨드릭 폴 브루커스
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코크 앤 반 엔젤렌 콤포시트 스트럭쳐스 비.브이.
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Abstract

전자기 용접으로 몰딩 부품을 접합하는 방법에 대해 설명한다. 접합 인덕터는 몰딩 부품의 접촉 표면을 따라 이동하고, 몰딩 부품(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단으로 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 몰딩 부품(들)의 유도-감응 구성 수단에 전자기장을 생성한다. 접합에 적합한 전자기장의 강도는 접촉면을 따라 미리 감지 인덕터를 이동하고, 열적으로 활성화된 커플링 수단을 감응 온도까지 약간 가열하기 위해 상대적으로 약한 전자기장을 생성하고, 몰딩 부품(들)에서 감지 인덕터에 의해 생성된 장 강도를 측정하고, 감지 인덕터의 측정된 장 강도와 접합에 적합한 장 강도 사이의 불일치를 결정하고, 및 불일치를 줄이기 위해 접합에 적합한 장 강도를 조정함으로써 결정된다. 방법을 수행하기 위한 장치도 설명된다.

Description

전자기 용접에 의한 몰딩 부품 접합 방법 및 장치
본 발명은 전자기 용접(Electromagnetic welding)에 의해 몰딩 부품(moulded part)을 접합(joining)하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 방법을 수행하도록 구성된 전자기 용접용 장치에 관한 것이다.
예를 들어 섬유 강화 열가소성 수지(fibre reinforced thermoplastic) 또는 열경화성 복합 부품(thermosetting composite part)과 같이 몰딩 부품(moulded part)을 접합하기 위한 여러 기술이 존재한다. 기계적 고정(Mechanical fastening) 및 접착 본딩(adhesive bonding)은 일반적으로 몰딩 부품의 두 접촉 표면을 접합하는 데 사용된다. 그러나 기계적 고정과 접착 본딩은 모두 비용과 시간이 많이 드는 것으로 보인다. 예를 들어 기계적 고정에는 값 비싼 구멍 위치 지정, 드릴링, 시밍(shimming) 및 파스너 설치가 필요하고, 반면에 접착 본딩에는 화학 물질이 포함될 수 있는 복잡한 표면 전처리(surface pretreatment)가 필요하다.
전자기 용접은 별도의 패스너를 사용하지 않고 비교적 빠른 속도로 몰딩 복합 부품(moulded composite part)의 접촉 표면을 접합할 수 있는 기능을 잠재적으로 제공할 수 있으며 사전 처리는 거의 없다. 전자기 용접은 몰딩 부품(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단(coupling mean)을 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 몰딩 부품(들) 중 하나 이상의 유도-감응(induction-sensitive) 구성 요소에 전자기장을 생성한다. 몰딩 부품의 접촉 표면은 용융 커플링 수단에 의해 서로 접합된다. 커플링 수단(coupling means)은 예를 들어 커플링 될 부품 중 하나 이상의 열가소성 수지 일 수 있거나, 별도로 도포된 열가소성 수지 일 수 있다. 열가소성 수지와 열경화성 몰딩 부품을 함께 용접하려면, 유도-감응 성분이 녹는 열가소성 수지는 예를 들어 핫멜트 접착제(hot melt adhesive)로 작용할 수 있다.
섬유 강화 복합 몰딩 부품(fibre reinforced composite moulded part)과 같은 몰딩 부품 간의 용접 연결을 생성하기 위해 다양한 용접 방법을 사용할 수 있다. 진동 용접(vibration welding)에서 강화 섬유(reinforcing fibre)는 움직임에 의해 손상될 수 있고, 및 초음파 용접(ultrasonic welding)은 예를 들어 연속 용접(continuous welding)에 적합하지 않다. 알려진 전자기 용접 방법은, 특히 항공 산업과 같이 용접된 연결(welded connection)이 상대적으로 높은 기계적 강도와 하중 내력(load-bearing capacity)이 요구되는 고급 응용 분야에서 품질이 떨어지는 접합 제품을 생산할 수 있다.
특히 알려진 방법은, 접합에 적합한 전자기장(electromagnetic field)의 강도 및 이러한 장 강도(field strength)를 생성하는 데 필요한 전력과 같은 용접 파라미터의 값을 결정하고, 및 몰딩 부품 또는 이러한 몰딩 부품의 일련의 접합을 위해 이들 용접 파라미터 값을 적용하는 것을 기반으로 한다. 이 접근법은 일정한 용접 품질(welding quality)이 실현된다는 믿음에 의존한다. 용접 품질의 개념은 해당 분야의 숙련자에게 알려져 있으며, 예를 들어 생산된 접합의 강도 또는 몰딩 부품의 접촉 표면 사이의 연결과 관련될 수 있다.
알려진 접근 방식은 몰딩 복합 부품이 부과된 전자기 유도 필드에 일관된 반응을 보이는 경우에만 작동한다. 이것은 많은 몰딩 부품의 경우가 아닐 수 있음이 밝혀졌다. 예를 들어, 반결정성 폴리머(semi-crystalline polymer) 및 탄소 섬유(carbon fibre)와 같은 강화 섬유를 기반으로 한 몰딩 복합 부품은 부과된 전자기 유도 장에 반응하여 상대적으로 큰 변화(variation)를 보이는 것으로 밝혀졌다. 이러한 변화는 강화 섬유 아키텍처와 같은 요인으로 인해 발생할 수 있다. 단방향 섬유 테이프로 만들어진 복합 부품의 이 아키텍처는, 예를 들어 직조 패브릭 아키텍처(woven fabric architecture)에서 보다 와전류가 생성될 수 있는 덜 정의된 경로를 제공한다. 이는 반응이 섬유 부피 함량, 섬유 배향, 수지 및 섬유의 국부 분포(local distribution), 강화 품질(consolidation quality) 등과 같은 요인과 관련이 있는 것으로 보인다는 것을 의미한다. 또한 반결정성 폴리머는 결정화도 변화(crystallinity change)에 따라 융점의 변화를 보일 수 있다. 따라서 몰딩 부품의 온도 이력에 따라 융점이 달라질 수 있다. 강화 섬유는 또한 예를 들어 강성이 다양할 수 있으며, 이는 전기 전도 특성에도 영향을 준다. 예를 들어, 두께 단계를 국부적으로 적용하거나 보강재(stiffener)를 사용하면 몰딩 부품 전체의 유도 반응에 영향을 미칠 수 있다. 접합하기 전에 부품을 몰딩하는 것은, 예를 들어 섬유 부피 함량의 국부적인 변화 또는 강화 섬유의 유도된 사전 응력(pre-stress)으로 인해 전자기 유도 응답에 영향을 미칠 수 있다.
몰딩 복합 부품의 위에서 언급된 변화는 접합될 접촉 표면을 따라 불일치하는 부과된 전자기 유도 필드에 대한 응답으로 이어질 수 있다. 이것은 생산된 접합의 품질에 직접적인 영향을 미치며 접합 품질(joint quality)의 변화는 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 전자기 용접(electromagnetic welding)에 의해 몰딩 부품(moulded part)을 접합(joining)하는 개선된 방법, 특히 몰딩 부품 사이에 보다 일관된 접합 품질(joint quality)을 생성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 추가 목적은 방법이 수행될 수 있는 장치를 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해 청구항 1에 따른 전자기 용접에 의해 몰딩 부품을 접합하는 방법을 제공한다. 이 방법은 몰딩 부품의 접촉 표면을 따라 접합 인덕터(joining inductor)를 이동하는 단계, 몰딩 부품(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단(coupling mean)으로 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 몰딩 부품(들)의 유도-감응 구성 수단(induction-sensitive component)에 전자기장을 생성하는 단계, 및 용융 커플링 수단(molten coupling mean)에 의해 접촉 표면에서 몰딩 부품을 서로 접합시키는 단계를 포함하고, 접합에 적합한 전자기장의 강도는 접촉면(contact plane)을 따라 미리 감지 인덕터(sensing inductor)를 이동하고, 상대적으로 약한 전자기장을 생성하고, 몰딩 부품에서 감지 인덕터에 의해 생성된 장 강도(field strength)를 측정하고, 감지 인덕터의 측정된 장 강도와 접합에 적합한 장 강도 사이의 불일치(discrepancy)를 결정하고, 및 불일치를 줄이기 위해 접합에 적합한 장 강도를 조정함으로써 결정된다.
상대적으로 약한 전자기장은 열적으로 활성화된 커플링 수단을 감응 온도까지 약간 가열할 수 있다.
열적으로 활성화된 커플링 수단이 열가소성 수지(thermoplastic resin)를 포함하는 실시예에서, 감응 온도는 유리 전이 온도(glass transition temperature) Tg 및/또는 수지의 재결정 온도(recrystallization temperature) 보다 훨씬 낮을 수 있다. 감지 인덕터의 측정된 장 강도를 통해 몰딩 부품을 접합하는 데 적합한 가장 적절한 용접 파라미터를 예측할 수 있으며 일관된 용접 접합 품질을 얻을 수 있다.
본 발명의 방법의 실시예는 접촉 표면을 따라 연속적으로 불일치를 결정하는 것을 포함한다. 접합(joining)에 적합한 장 강도는 용접을 따라 일정하게 유지되거나 필요한 경우 국부적으로 조정될 수 있다.(값) 불일치가 0이거나 위치에서 약 0이면 해당 위치의 장 강도가 전혀 조정되지 않거나 약간만 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 효과적인 실시예에서, 접합에 적합한 장 강도 조정(adjusting) - 불일치를 최소화하기 위해 - 은 접촉 표면을 따라 연속적으로 수행되며, 및 더 바람직하게는 불일치 값이 0이 아닌 것으로 결정된 접촉 표면을 따라 여러 이동 위치에서 수행된다.
본 발명의 다른 실시예는 감지 인덕터가 접합 인덕터보다 앞서 접촉 표면을 따라 이동되는 방법에 관한 것이다. 이 실시예에서, 감지 인덕터와 접합 인덕터는 별도의 인덕터이며 감지 인덕터에서 얻은 정보는 접합 인덕터, 특히 접합에 적합한 전자기장의 강도를 제어하는 데 사용된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서, 감지 인덕터와 접합 인덕터는 하나이며 동일하다. 이러한 실시예에서, 인덕터는 먼저 몰딩 부품과 접합될 접촉 표면을 '감지' 하기위한 감지 인덕터로 사용되며, 여기서 접촉 표면 내의 경로를 따라 이동한다. 그런 다음 동일한 인덕터를 접합 인덕터로 실제 용접에 사용한다. 이로써 장 강도는 감지 인덕터에 의해 결정된 불일치에 따라 조정된다.
본 발명의 다른 실시예는 감지 인덕터 및 접합 인덕터가 분리되어 접촉 표면을 따라 동시에 이동되는 방법에 관한 것이다. 이 실시예는 감지 인덕터에 의해 측정된 불일치에 직접 응답하는 것을 의미하는 순간 접합에 적합한 장 강도를 조정할 수 있게 한다.
용접 경로를 따라 감지 및 접합 인덕터 사이의 거리는 상황에 따라 선택될 수 있다. 접합 및 감지 인덕터가 상대적으로 가까운 경우 두 인덕터에서 발생하는 전자기장이 서로 영향을 미칠 수 있다. 바람직한 실시예에서, 감지 인덕터의 신호에 대한 접합 인덕터의 영향은 무부하 기준선 측정(unloaded base-line measurement)으로 효과를 정량화 하여 보정되고, 그 후 기준선 측정에서 얻은 오프셋 값은 실제 접합 용접 중 응답 측정(response measurement)에서 공제된다. 이를 통해 어떤 위치에서든 유도 반응(induction response)을 정량화할 수 있으며, 그 후 미리 결정된 관계를 통해 최적의 용접 설정을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 감지 인덕터가 전자기장을 생성하는 방출 인덕터(emitting inductor) 및 몰딩 부품(들)에서 감지 인덕터에 의해 생성된 장 강도를 측정하는 수신 인덕터(receiving inductor)를 포함하는 방법을 제공한다. 방출 인덕터는 상대적으로 약한 전자기장을 생성하여 몰딩 부품에 와전류(eddy current)를 발생시킨다. 반면에 수신 인덕터는 몰딩 부품에서 생성된 와전류를 정량화한다. 방출 및 수신 인덕터는 별도로 수용되거나 하나의 동일한 하우징에 수용될 수 있다. 방출 인덕터와 수신 인덕터가 상대적으로 가까운 경우, 방출 인덕터에 의해 생성된 전자기장은 수신 인덕터의 측정에 영향을 미칠 수 있다. 바람직한 실시예에서, 수신 인덕터에 의해 수신된 신호에 대한 방출 인덕터의 영향은 무부하 기준선 측정으로 효과를 정량화 하여 보정되고, 그 후 기준선 측정에서 얻은 오프셋 값은 감지 중 수신 방출기(emitter)의 응답 측정에서 공제된다.
본 발명의 방법은 상대적으로 약한 유도장을 사용하여 접촉 표면을 따라 접합하기 위해 몰딩 부품의 실제 전자기 용접에 앞서 와전류 응답(eddy current response)을 정량화 하는 단계를 포함한다. 이 응답의 도움으로 모든 몰딩(복합) 부품에 대한 올바른 용접 파라미터가 잠재적으로 우수한 용접 품질을 얻을 수 있는지 예측할 수 있다. 이 방법은 결합을 위해 실제 용접 코일을 실행하기 전에 감지 코일과 같은 감지 인덕터를 실행하여 수행되며, 감지 코일이 응답을 정량화 한다.
감지 인덕터에 의해 생성된 장 강도는 직접 측정하거나 다른 파라미터를 통해 측정할 수 있다. 예를 들어 부과된 전자기장으로 인한 온도 상승을 측정할 수 있다. 생성된 온도는 용접에서 직접 및/또는 간접적으로 용접될 부품의 외부에서 결정될 수 있다. 이 접근 방식은 정의에 따라 생성된 온도 상승이 용접 파라미터의 변경보다 지연되기 때문에 개선이 필요할 수 있다.
발명된 방법의 또 다른 실시예는, 몰딩 부품의 에지(edge)에서 단락으로 인한 전류를 측정함으로써 몰딩 부품의 감지 인덕터에 의해 생성된 장 강도를 측정하는 단계를 포함한다. 이 소위 에지 효과(edge-effect)는 그 자체로 알려져 있으며, 용접 중에 생성된 와전류는 이 에지 효과를 측정하여 직접 정량화 할 수 있다. 에지 효과는 선택적으로 그 자체로 알려진 서셉터(susceptor)와 조합하여 용접 영역 주위 또는 용접 영역을 따라 전기 전도성 재료를 제공함으로써 최소화될 수 있다.
생성된 전자기장의 세기를 와전류 형태로 측정하는 것은 감지 인덕터에 의해 수행된다. 그러나 또 다른 실시예는, 몰딩 부품(들)에서 결합 인덕터에 의해 생성된 장 강도를 측정하는 단계 및 결합 인덕터의 측정된 장 강도와 결합에 적합한 장 강도 간의 불일치를 결정하는 단계를 더 포함한다. 이 실시예는 결합 인덕터의 측정된 장 강도와 결합에 적합한 장 강도 사이의 불일치가 소정의 미리 결정된 임계 값을 초과하는 결합 부품을 폐기하는 품질 제어를 허용하고, 또는 결합에 적합한 장 강도가 항상 보장되도록 장 강도의 인라인 조정을 허용한다.
생성된 장 강도의 모든 측정은 바람직하게는 그러한 장 강도를 생성하는 데 필요한 전력에도 적용된다.
본 발명에 따른 몰딩 부품의 전자기 용접은 몰드를 제공하는 단계, 몰드에 커플링 하기 위해 적어도 두 개의 몰딩 부품을 배치하는 단계 - 몰딩 부품 사이의 접촉 표면은 열적으로 활성화된 커플링 수단과 유도-감응 구성 요소를 포함함 -, 인덕터를 통해 유도-감응 구성요소를 가열하여 커플링 수단을 활성화하는 단계 - 인덕터는 몰드 외부에 위치할 수 있음 -, 몰드에 의해 정의된 구성으로 몰딩 부품을 함께 압축하는(pressing) 단계 - 몰딩 부품은 열적으로 활성화된 커플링 수단에 의해 커플링 됨 - 을 포함할 수 있다.
인덕터는 일반적으로 교류 전압 하에서 전자기장을 생성하는 전기 전도체(electrical conductor)를 포함한다. 전자기장의 형상은 용접 방향으로 코일 형 또는 실질적으로 원통형과 같은 임의의 알려진 형상일 수 있다. 용접 방향으로 실질적으로 원통형인 전자기장을 사용하면 매우 제어되고 균일하며 목표로 하는 가열이 가능하므로 과열(overheating)을 최대한 방지할 수 있다. 과열은 재료의 열화(degradation)를 초래하여 원하지 않는 구조의 약화를 초래할 수 있다. 다른 인덕터는 원환형(torus-shaped)의 전자기장을 생성하는 복수의 권선을 포함한다. 유도 방향으로 인덕터에 직각 방향으로 알려진 인덕터를 사용함으로써 상대적으로 차가운 영역이 중앙에서 발생하는 가열 패턴이 생성된다. 반면 원통형 전자기장(cylindrical electromagnetic field)은 균일 한 가열을 가능하게 하는 훨씬 더 유리한 가열 프로파일을 생성한다. 또한 원통형 전자기장은 10-20mm 너비까지 매우 좁게 만들 수 있다. 원환형 필드에서 이러한 폭은 필요한 열 유도력 및 침투력과 결합하여 실현할 수 없다.
인덕터의 전자기장은 몰딩 부품(들)의 섹션을 통해 및/또는 몰드의 벽을 통해 몰딩 부품 사이의 접촉 표면에 직접 도달할 수 있다. 본 발명의 방법은 빠르고 효율적인 방식으로 우수한 품질의 용접 연결 또는 몰딩 부품 간의 접합을 실현할 수 있으며, 얻어진 접합 제품은 특히 우수한 기계적 하중지지 능력을 갖는다.
비록 열 커플링 수단으로서 몰딩 부품 사이의 접촉 표면에만 열가소성 재료 또는 열 활성화 접착제를 배열하는 것도 가능하지만, 하나 이상의 몰딩 부품은 용융에 의해 용접될 수 있는 열가소성 재료로 제조되는 것이 바람직하다.
유도-감응 부품은 일반적으로 금속 및/또는 탄소 섬유와 같은 전기 전도성 부품을 포함한다. 가열될 필요가 없는 인덕터 부근의 몰드 및 기타 구성 요소는 바람직하게는 유도-감응 구성 요소가 실질적으로 없거나 적절한 차폐 재료로 유도장으로부터 차폐되고, 여기서 세라믹 재료와 같은 전기 절연성이지만 열 전도성 구성 요소는 용접 동안 인접한 몰딩 부품의 접촉 표면으로부터 열을 추출하기 위해 권장된다. 그러한 몰드에서 전자기장은 몰드의 벽을 통해 원하는 위치에 적용될 수 있다.
방법에서, 바람직하게는 열가소성 몰딩 부품에는 일반적으로 전기 전도성 부품, 예를 들어 금속 거즈(metal gauze)가 제공되거나, 또는 이 부품은 몰딩 부품 사이에 배열된다. 푸코 전류(Foucault current) 또는 와전류는 발전기에 의해 교류가 공급되는 인덕터에 의해 생성되는 변동 전자기장에 의해 전기 전도성 부품에서 유도된다. 줄 효과(Joule effect), 섬유 교차점 가열(fibre junction heating) 및 유전체 히스테리시스(dielectric hysteresis)와 같은 여러 가열 메커니즘으로 인해, 이러한 푸코 전류는 열가소성 재료를 녹이거나 커플링 수단을 활성화하는 데 필요한 열을 생성한다. 접촉 표면을 따라 인덕터를 이동함으로써 열가소성 몰딩 부품이 접촉 표면 위에 서로 연결된다. 인덕터는 연결을 실현하기 위해 예를 들어 로봇 암 또는 선형 가이드를 통해 접촉 표면 위로 안내될 수 있다.
가열을 위해, 유도-감응 구성 요소는 열적으로 활성화된 커플링 수단과 열 접촉해야 한다. 이는 예를 들어 유도-감응 구성 요소와 커플링 수단을 혼합함으로써 가능하다.
접합 인덕터가 몰드 외부에 위치하고 인덕터의 전자기장은 몰드의 벽을 통해 몰딩 부품 사이의 접촉 표면에 도달하는 실시예는 용접 중에 몰드에 의한 압력 하에서 몰딩 부품을 함께 가져올 수 있다. 다른 실시예는 커플링을 위한 몰딩 부품의 유도 가열이 발생한 후에 압력을 가할 수 있다.
몰딩 부품을 압축하는 것은 공압 또는 유압 프레스 및 롤러와 같은 종래 기술로부터 알려진 수단을 사용하여 일어날 수 있다. 압력은 바람직하게는 몰드의 비-인덕터 측, 즉 인덕터가 위치하지 않은 몰드의 측에 적용된다. 몰드의 벽에는 바람직하게는 접촉 표면의 위치, 즉 용접 위치 위에 리세스(recess)가 제공된다. 이러한 리세스는 인덕터를 접촉 표면에 더 가깝게 이동할 수 있게 한다. 더 높은 정밀도로 가열이 일어나고 더 적은 전력도 필요하다. 용접 위치에서 커플링을 위해 몰딩 부품에 가급적 높은 압력을 가하기 위해, 리세스의 폭을 가능한 한 작게 만드는 것이 유리하고 바람직하게는 인덕터 폭을 거의 초과하지 않도록 한다. 가능한 한 가장 높은 압력을 얻을 수 있도록, 벽은 높은 강성을 가진 재료로 오목한 위치에서 제조된다.
사용된 재료, 특히 유도-감응 구성 요소와 이 부품으로부터 인덕터의 거리에 따라, 감지 인덕터 응답의 결과로 적절한 전력 및 주파수를 결정할 수 있다. 주파수는 특히 전자기장의 침투력을 결정한다. 인덕터의 전력은 변동하는 전자기장의 강도와 이에 따라 유도-감응 구성 요소에서 생성되는 열의 정도를 결정한다. 열적으로 활성화된 커플링 수단이 열가소성 플라스틱을 포함한다면 유리하다. 열가소성 플라스틱은 융합(fusion)에 의해 간단한 방식으로 결합될 수 있다. 또한 열가소성 플라스틱을 금속 거즈 또는 탄소 섬유와 같은 유도-감응 구성 요소와 쉽게 혼합할 수 있다. 특히 적합한 열가소성 플라스틱의 예는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아미드(polyamide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리에테르케톤케톤(polyetherketoneketone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone) 및 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfid)이지만, 이 방법은 원칙적으로 모든 열가소성 수지에 적합하다.
유도에 의해 가열 가능한 성분은 바람직하게는 탄소 섬유 및/또는 금속을 포함한다. 이러한 재료는 유도에 의해 쉽게 가열될 수 있으며 전기 전도 외에도 좋은 열전도, 생성된 열이 잘 분산된다. 열가소성 플라스틱에 포함된 탄소 섬유는 재료 강도도 향상시키기 때문에 권장된다. 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 유도에 의해 가열 가능한 부품은 강자성 또는 탄소 나노 입자를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서, 몰드와 인덕터가 모두 고정될 수 있다. 이는 예를 들어 몰딩 부품의 접촉 표면의 상대적으로 작은 부분의 결합에 적합할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 인덕터는 커플링 수단이 접촉 표면의 미리 결정된 부분에서 활성화되도록 접촉 표면에 대한 경로를 따라 이동된다. 인덕터를 고정 상태로 유지하고 몰딩 부품과 함께 몰드를 이동할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법에 적용하기 위해 인덕터는 교류 발전기에 연결되고, 교류 발전기는 인덕터의 전기 연결 수단에 전기적으로 연결된다. 사용 가능한 주파수는 일반적으로 0.1 내지 10MHz이다.
더 바람직한 실시예에서 유도 부품(induction part)은 냉각 매체의 통과에 적합한 적어도 하나의 공급 채널이 제공된다. 이로써 유도 부품의 온도는 사용 중에 일정하게 유지될 수 있으며, 이는 또한 인덕터의 전기 저항에 유리하다. 냉각 매체는 바람직하게는 높은 열 용량을 갖는 물과 같은 액체이다. 유도 부품은 예를 들어 원하는 형태로 구부러진 금속 튜브(metal tube bent) 일 수 있으며, 이를 통해 냉각 매체가 펌핑 되는 동안 전자기장이 교류 전압으로 튜브 자체의 금속을 통해 발생한다.
본 발명은 또한 전자기 용접에 의해 몰딩 부품을 접합하는 장치를 제공한다.
본 발명의 장치는 몰딩 부품의 접촉 표면을 따라 접합 인덕터를 이동시키는 수단, 몰딩 부품(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단으로 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 몰딩 부품(들)의 유도-감응 구성 요소에 전자기장을 생성하는 수단, 및 용융 커플링 수단에 의해 접촉 표면에서 몰딩 부품을 서로 결합시키는 수단을 포함하고, 결합에 적합한 전자기장의 강도를 결정하도록 구성된 감지 인덕터를 더 포함하고, 및 열적으로 활성화된 커플링 수단을 감응 온도로 약간 가열하기 위해 상대적으로 약한 전자기장을 생성하는 수단, 몰딩 부품(들)에서 감지 인덕터에 의해 생성된 장 강도를 측정하기 위한 수단, 감지 인덕터의 측정된 장 강도와 결합에 적합한 장 강도 사이의 불일치를 결정하기 위한 수단, 및 불일치를 줄이기 위해 결합에 적합한 장 강도를 조정하는 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 이러한 장치를 사용하여 유리한 방식으로 수행될 수 있다.
본 특허 출원에 기재된 발명의 실시예는 이들 실시예의 임의의 가능한 조합으로 결합될 수 있으며, 각 실시예는 개별적으로 분할 특허 출원의 주제를 형성할 수 있다.
본 발명은 이제 이하의 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 이에 제한되지는 않는다. 도면은:
도 1은 최신 기술에 따른 전자기 용접에 의해 두 개의 몰딩 부품을 결합하는 방법을 개략적으로 도시한다;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치를 개략적으로 도시한다;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 용접에 의해 두 개의 몰딩 부품을 결합하는 방법을 개략적으로 도시한다;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 용접에 의해 두 개의 몰딩 부품을 결합하는 방법을 개략적으로 도시한다; 및
도 5 및 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자기 용접에 의해 두 개의 몰딩 부품을 결합하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 1은 적절한 전력에서 전자기 용접에 적합한 주파수의 교류 전류를 인가함으로써 원형 전자기장(circular electromagnetic field)(2)을 유발하는 선형 인덕터(linear inductor)(1)를 보여준다. 제 1 몰딩 부품(first moulded part)(3) 및 제 2 몰딩 부품(second moulded part)(4)은 이 전자기장(2)에서 접촉 표면을 따라 상호 접촉하게 된다. 몰딩 부품(moulded part)은 탄소 섬유로 강화된 열가소성 수지로 제조된다. 열은 전자기장(2)의 영향으로 탄소 섬유에서 국부적으로 발생하여 열가소성 수지가 용융 온도 이상으로 가열된다. 압력 수단(pressing mean)(도시되지 않음)으로 누름으로써, 열적으로 활성화된 열가소성 몰딩 부품(3, 4)을 접촉 표면(5)에 결합하는 것이 가능하고, 접촉 표면(5)에서의 커플링은 몰딩 부품(3, 4)의 냉각 후에 영구적으로 된다. 도면은 가열 중 접촉 표면의 온도 다이어그램을 보여주고, 여기서 상대 온도 T는 접촉 표면(5) 상의 위치에 대해 플롯 된다. 제 3 방향(third direction)(6)은 인덕터 코일(inductor coil)(1)이 용접 동안 이동되는 방향을 정의한다. 온도 다이어그램은 일정한 강도의 전자기장(2)이 접촉 표면(contact surface)(5)에 불규칙한 가열을 일으킬 수 있음을 보여주고, 여기서 온도의 다소 포물선 변화가 접촉 표면(5)에서 관찰된다. 표시된 변화(variation)는 몰딩 부품(3, 4)의 특성 변화로 인해 발생할 수도 있다. 더 중요한 것은, 온도 다이어그램은 또한 인덕터 코일(1)의 이동 방향, 즉 용접 방향 A에 해당하는 방향(6)의 변화를 보여준다. 몰딩 부품(3, 4)의 상대적으로 불균일한 가열로 인해, 두 부품의 접합도 변동될 수 있으며, 이는 부품(3, 및 4)의 본딩 또는 접합된 어셈블리의 기계적 하중 내력의 감소를 의미할 수 있다. 가열의 변화는 몰딩 부품(3, 4)의 국부 과열 및/또는 국부적으로 불완전한 상호 접착에 의해 열적으로 열화되는 몰딩 부품의 단면을 초래할 수 있다. 이것은 일반적으로 바람직하지 않으며 본 발명에 따른 방법은이 문제에 대한 해결책을 제공한다.
도 3을 참조하면, 발명된 방법에 따른 실시예가 도시되어 있다. 이 방법으로 몰딩 부품(3, 4)을 전자기 용접으로 접합할 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 감지 인덕터(sensing inductor)(10)는 압력(pressure)(16)에 의해 서로 압착되는 두 개의 몰딩 부품(3, 4) 사이의 접촉 표면을 따라 이동된다. 도면은 분해도를 나타낸다. 과열을 방지하기 위해 히트 싱크(17)가 제공될 수 있다. 감지 인덕터(10)는 상대적으로 약한 전자기장(weak electromagnetic field)(13)을 생성하는 인덕터 코일(inductor coil)(12)의 방출 인덕터(emitting inductor)(11)를 포함한다. 이 장(field)(13)은 몰딩 부품(3, 4), 특히 접촉 표면(5)에서 와전류(14)가 발생하도록 한다. 감지 인덕터(10)의 수신 인덕터(receiving inductor)(15)는 0이 아닌 전압 판독 값(on-zero voltage reading)(150)의 형태로 몰딩 부품(3, 4)에서 방출 인덕터(11)에 의해 생성된 장 강도를 측정한다. 용접 A의 방향 또는 선을 따라 모든 위치에 대해, 감지 인덕터(10)의 수신 인덕터(15)에 의해 측정된 장 강도와 결합에 적합한 장 강도 사이에 불일치(discrepancy)가 결정된다. 접합에 적합한 장 강도는 접합되는 몰딩 부품(3, 4)의 접촉 표면(5)에서 최적의 온도 프로파일(optimum temperature profile)을 유도하는 장 강도다. 최적의 온도 프로파일은 원하는 일정한 용접 온도 주변에서 최소한의 변화를 갖는 프로파일이다. 원하는 일정한 용접 온도는 몰딩 부품 재료의 특성과 관련된 여러 변수에 따라 달라진다.
도 4는 접합을 위한 실제 용접이 개별적으로, 즉 감지 인덕터가 적절한 동작을 수행한 후에 수행되는 실시예를 예시한다. 도시된 방법은 접합 인덕터(joining inductor)(20)를 몰딩 부품(3, 4)의 접촉 표면(5)을 따라 그리고 감지 인덕터(10)가 미리 이동된 용접 방향 A의 동일한 경로를 따라 이동하는 것을 포함한다. 몰딩 부품(3, 4)은 압력(16)에 의해 서로 압착된다. 결합 인덕터(20)는 전자기장(23)을 생성하는 인덕터 코일(22)을 갖는다. 이 필드(23)는 몰딩 부품(3, 4), 특히 접촉 표면(5)에서 와전류(eddy current)(24)가 발생하도록 한다. 와전류(24)는 적어도 접촉 표면(5) 내부 및 주변에서 몰딩 부품(3, 4)에 존재하는 열가소성 수지의 가열을 야기한다. 이러한 가열은 적어도 접촉 표면(5) 내부 및 주변에서 몰딩 부품(3, 4) 내의 온도를 몰딩 부품 또는 부품의 열가소성 수지의 용융 온도보다 높은 접합 온도로 증가시킨다. 용접 A의 방향 또는 선을 따라 모든 위치에 대해, 결합에 적합한 장 세기는 감지 인덕터(10)의 수신 인덕터(15)에 의해 측정된 장 강도와 결합에 적합한 장 강도 사이의 미리 결정된 불일치를 줄이도록 조정된다. 이것은 결합 인덕터(20)의 코일(22)에 공급되는 전력 또는 전압(25)을 조정함으로써 수행될 수 있다. 용접 경로를 따라 접합 인덕터(20)에 의해 생성된 전자기파의 장 강도의 이러한 일정한 조정은 적어도 접촉 표면(5) 내부 및 주변에서 몰딩 부품(3, 4)에서보다 일정한 온도 상승을 야기한다. 이것은 더 좋고 일관된 품질의 용접으로 이어진다.
도 3의 실시예는 몰딩 부품(3, 4)의 용접 동안 에지 효과를 측정하는 것을 더 포함한다. 에지 효과를 측정하는 것은 몰딩 부품(4)의 에지에서 전류를 측정하는 센서(18)에 의해 수행될 수 있다. 이것은 불일치를 더욱 줄이고 장 강도 및 온도의 변화를 피하기 위해, 용접 A의 라인을 따라 이동할 때 접합 인덕터(20)에 의해 생성된 전자기장 강도를 미세 조정할 수 있게 한다.
도 5는 감지 인덕터(10)가, 예를 들어 전술한 바와 같이 전자기 용접에 의해 결합된 몰딩 부품(3, 4) 위로 다시 이동되는 발명된 방법의 다른 실시예를 도시한다. 감지 인덕터(10)는 바람직하게 용접 경로를 따라, 즉 용접 라인 A를 따라 이동된다. 감지 인덕터(10)의 수신 인덕터(15)는 0이 아닌 전압 판독 값(151)의 형태로 결합된 몰딩 부품(3, 4)의 어셈블리에서 방출 인덕터(11)에 의해 생성된 장 강도를 다시 측정한다. 이 판독 값(151)은 결합되지 않은 몰딩 부품(3, 4)에 대해 획득된 판독 값(150)과 다를 수 있다. 일련의 판독 값(151)은 추가적인 품질 관리를 위한 수단으로 사용될 수 있다.
도 6과 같이, 다른 실시예는 감지 인덕터(10)를 용접 라인(A)을 따라 결합 인덕터(20)와 동시에, 그러나 약간 앞서 이동시키는 것을 포함한다. 두 인덕터(10, 20)는 용접 라인 A를 따라 화살표(100, 200)를 따라 이동하지만 서로는 거리(40)에 있다. 용접 라인 A는 직선으로 제한되지 않으며 용접 라인은 구불 구불 하거나 중단된 경로를 포함하는 모든 경로를 포함할 수 있다.
도 2는 최종적으로 결합 인덕터(15)가 제공된 용접 장치(welding device)(30)를 도시한다. 인덕터(15)는 원하는 용접을 달성하기 위해 산업용 6 축 로봇(32)에 의해 사전 프로그래밍 된 경로일 수 있는 용접 라인을 따라 안내될 수 있다. 이 경우, 용접용 몰딩 부품(도 3-6 참조)은 이를 위해 제조된 몰드(mould)(33)에서 함께 고정되고 압착될 수 있다. 몰드(33)에는 인덕터(15)가 용접을 위해 몰딩 부품에 가깝게 이동할 수 있는 리세스(recess)(34)가 제공될 수 있다. 인덕터(15)는 전자기장을 발생시킬 목적으로 로봇(robot)(32)에 배치된 교류 발생기(alternating current generator)(35)에 연결될 수 있다. 전자기장의 강도는 용접 라인을 따라 몰딩 부품의 접촉면에서 발생할 수 있는 온도 변화를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 용접 라인을 따라 변경된다. 이는 본 출원에 개시된 임의의 실시예에 따른 감지 인덕터에 의해 결정된다.

Claims (13)

  1. 전자기 용접으로 몰딩 부품을 접합하는 방법에 있어서,
    몰딩 부품의 접촉 표면을 따라 접합 인덕터를 이동하는 단계,
    상기 몰딩 부품(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단으로 상기 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 상기 몰딩 부품(들)의 유도-감응 구성 수단에 전자기장을 생성하는 단계, 및
    상기 용융 커플링 수단에 의해 접촉 표면에서 상기 몰딩 부품을 서로 접합시키는 단계를 포함하고,
    접합에 적합한 상기 전자기장의 강도는 접촉면을 따라 미리 감지 인덕터를 이동하고, 상대적으로 약한 전자기장을 생성하고, 상기 몰딩 부품에서 상기 감지 인덕터에 의해 생성된 상기 장 강도를 측정하고, 상기 감지 인덕터의 상기 측정된 장 강도와 접합에 적합한 상기 장 강도 사이의 불일치를 결정하고, 및 상기 불일치를 줄이기 위해 접합에 적합한 상기 장 강도를 조정함으로써 결정되는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불일치는 상기 접촉 표면을 따른 이동의 여러 위치에서 결정되는
    방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 불일치를 줄이기 위해 접합에 적합한 상기 장 강도를 조정하는 것은 접촉 표면을 따라 지속적으로 수행되는
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 인덕터는 상기 접합 인덕터 앞의 접촉 표면을 따라 이동하는
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 감지 인덕터와 상기 접합 인덕터는 하나이며 동일한
    방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 감지 인덕터와 상기 접합 인덕터는 분리되고 및 접촉 표면을 따라 동시에 이동하는
    방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 인덕터는 상기 전자기장을 생성하는 방출 인덕터 및 상기 몰딩 부품(들)에서 상기 감지 인덕터에 의해 생성된 상기 장 강도를 측정하는 수신 인덕터를 포함하는
    방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방출 인덕터가 상기 수신 인덕터 상의 상기 몰딩 부품(들)에서 상기 감지 인덕터에 의해 생성된 측정된 상기 장 강도에 미치는 영향이 고려되는
    방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰딩 부품(들)에서 상기 감지 인덕터에 의해 생성된 상기 장 강도를 측정하는 것은 상기 몰딩 부품(들)의 에지에서 단락으로 인한 전류를 측정함으로써 수행되는
    방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터는 실질적으로 원통형 전자기장을 생성하는 선형 유도 세그먼트를 포함하는
    방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열적으로 활성화된 커플링 수단은 열가소성 플라스틱
    을 포함하는
    방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도-감응 성분은 탄소 섬유, 금속 또는 강자성 입자 또는 이들의 조합에서 선택되는
    방법.
  13. 전자기 용접으로 몰딩 부품을 접합하는 장치에 있어서,
    상기 몰딩 부품의 접촉 표면을 따라 접합 인덕터를 이동시키는 수단,
    상기 몰딩 부품(들)의 열적으로 활성화된 커플링 수단으로 상기 커플링 수단의 용융 온도 이상으로 가열하기 위해 상기 몰딩 부품(들)의 유도-감응 구성 요소에 전자기장을 생성하는 수단, 및
    상기 용융 커플링 수단에 의해 접촉 표면에서 상기 몰딩 부품을 서로 접합시키는 수단을 포함하고,
    접합에 적합한 상기 전자기장의 강도를 결정하도록 구성된 감지 인덕터를 더 포함하고, 및
    상기 열적으로 활성화된 커플링 수단을 감응 온도까지 약간 가열하기 위해 상대적으로 약한 전자기장을 생성하는 수단, 상기 몰딩 부품(들)에서 상기 감지 인덕터에 의해 생성된 상기 장 강도를 측정하기 위한 수단, 상기 감지 인덕터의 측정된 상기 장 강도와 접합에 적합한 상기 장 강도 사이의 불일치를 결정하기 위한 수단, 및 상기 불일치를 줄이기 위해 접합에 적합한 상기 장 강도를 조정하는 수단을 포함하는
    장치.
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