KR101050971B1 - 공작물의 용접을 위한 용접 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비-형상끼워맞춤으로 결합되어 커플링면에서 서로 접하는 다수의 소자들을 포함하는 초음파 용접 장치에 관한 것이다. 조립을 간단히 하는 동시에 소자들 사이의 매우 견고한 결합이 가능하도록, 비-형상끼워맞춤으로 결합된 적어도 몇 개의 소자(30, 34)들의 서로 인접하는 커플링면들(40, 42)은 형상끼워맞춤 결합을 위해 구조화된다.

커플링, 초음파 용접 장치, 소자, 형상끼워맞춤 결합

Description

공작물의 용접을 위한 용접 장치 및 방법{Welding device and method for welding workpieces}

본 발명은 소노트로드 및 부스터, 부스터 및 컨버터, 소노트로드 및 소노트로드 헤드, 또는 압축 챔버를 제한하는 다수의 부분으로 이루어진 앤빌의 지지부 및 작업부와 같은, 커플링면을 통해 비-형상끼워맞춤으로 결합된 인접한 다수의 소자들을 포함하는 용접 장치, 특히 초음파 용접 장치에 관한 것으로, 넌 포지티브하게 결합된 소자들 중 몇몇 소자들의 연달아 놓인 커플링면들은 형상끼워맞춤 결합을 달성하기 위해 구조화된다.

DE C 37 00 257 호에는 소노트로드를 구비한 초음파 용접 장치가 공지되어 있으며, 이들은 쐐기형 커플링면에 의해 접촉되고 나사 결합에 의해 비-형상끼워맞춤으로 결합된다.

EP B 0 761 370 호에는 소노트로드 및 상기 소노트로드의 단부에 인접하는 부스터를 가진 초음파 용접 장치가 기술되어 있으며, 상기 부스터는 링면에서 접촉된다. 비-형상끼워맞춤 결합은 나사에 의해 이루어진다.

독일에서 발간된 기술 문고 제 108 권 초음파 금속 용접(Moderne Industrie Verlag, Landesberg/Lech, 1995, 34 페이지)에는 초음파 용접 장치의 구성이 기술되어 있다. 부스터와 컨버터 또는 소노트로드 사이의 커플링면은, 에너지 전달시 가능한 손실이 발생하지 않도록 편평하고 래핑(lapping)되어야 한다고 설명되어 있다. 그렇게 하지 않을 경우에 원치 않는 가열, 소음 발생 및 가능한 자체 손상이 나타난다.

특히 다수의 부분으로 이루어진 소노트로드 또는 앤빌의 경우, 횡력의 도입으로 인한 구조 변형이 방지되도록, 필요한 비-형상끼워맞춤 결합을 위한 큰 힘이 발생되어야 한다.

커플링면이 편평하게 형성됨으로써, 재현 가능한 용접 결과를 보장하기 위해 조립시 소자들 사이의 정확한 배치가 이루어져야 한다.

US A 6 299 052 호에는 높이와 폭을 조절할 수 있는 압축 챔버를 갖는 초음파 용접 장치로 초음파를 사용하여 도체를 용접하는 방법이 공지되어 있다. 도체 삽입시 압축 챔버의 폭은, 도체들이 종렬로 상하로 위치 설정되도록 조정된다. 이로써 특히, 다수의 도체들이 서로 용접되어야 하는 경우, 삽입은 공정이 복잡하므로 연속하는 용접들 사이의 시간적 간격이 바람직하지 않게 크다는 단점이 발생한다.

도체를 밀착시킨 후에 용접하는 방법은 DE A 44 29 684 호에 제시된다. 압축 챔버는 슬라이드 밸브에 의해 제한되고, 상기 밸브는 나사에 의해 베이스 소자에 비-형상끼워맞춤으로 결합된다.

또한, DE A 195 40 860 호에는 초음파 용접 장치의, 높이와 폭을 조절할 수 있는 압축 챔버가 공지되어 있다. 슬라이드 밸브와 엔빌처럼 압축 챔버를 제한하는 소자들은 기본적으로, 나사에 의해 서로 비-형상끼워맞춤으로 결합된 다수의 부분들로 구성된다.

DE A 38 07 154 에 따른 고주파 공명기는 나사 결합에 의해 부스터 또는 컨버터에 결합된다.

DE U 200 20 525 호에는 초음파 용접 장치의 압축 챔버의 제한 소자들이 공지되어 있고, 상기 제한 소자들은 지지부와 작업부로 이루어진다. 지지부와 작업부 사이의 결합은 나사에 의해 이루어진다.
전술한 방식의 용접 장치는 US A 3 257 721 에 제시된다. 용접 장치에는 형상끼워맞춤 및 비-형상끼워맞춤으로 서로 결합된 토션관과 진폭 변환기를 포함하는 토션 발진기(torsion oscillator)가 제공된다.

본 발명의 목적은, 한편으로는 소자들 사이의 충분한 고정 결합이 제공되는 동시에 소자들의 조립이 간단하게 이루어지도록 상기 용접 장치를 형성하는 것이다. 도입된 횡력도 문제없이 흡수될 수 있어야 한다.

본 발명에 따라, 상기 목적은 실질적으로 전술한 용접 장치에 의해, 커플링 면이 선형 돌출부에 의해 구조화되고 대응될 커플링면이 각추형 또는 각추대형, 또는 원추형 또는 원추대형 돌출부 및 인접하는 리세스에 의해 구조화됨으로써 달성되고, 상기 리세스는 대응될 커플링면의 돌출부에 구조적으로 상응한다.

공지된 선행 기술과 달리, 비-형상끼워맞춤으로 서로 결합될 소자들 사이의 커플링면 또는 접촉면은 형상끼워맞춤으로 결합을 가능하게 하며, 이로써 조립시 자동 센터링이 이루어진다. 동시에 형상끼워맞춤 결합은 한편으로는 접촉면을 확장하고 다른 한편으로는 횡력을 흡수함으로써, 비-형상끼워맞춤 결합에 필요한 힘이 공지된 초음파 용접 장치에 비해 감소될 수 있는 장점을 제공한다.

특히, 선형 돌출부들이 서로 평행하게 연장되고, 서로 평행하게 연장된 제 1 및 제 2 선형 돌출부들이 제공될 수 있으며, 상기 돌출부들은 바람직하게 90°또는 대략 90°각도로 교차된다.

선형 돌출부들이 동심으로 뻗은 원을 따라 연장되는 방법도 있다.

또한 구조화는, 커플링면이 각추형 또는 각추대형 또는 원추형 또는 원추대형 돌출부들에 의해 구조화됨으로써 가능하고, 인접하는 리세스들은 대응될 커플링면의 돌출부 형상에 일치한다.

본 발명의 개선예에서, 돌출부는 단면도로 볼 때 삼각형, 특히 2등변 삼각형 형태를 갖는다. 변은 바람직하게 대략 60°또는 대략 90°의 각도 α를 형성할 수 있다. 그러나 사다리꼴 형태도 가능하고, 이 경우 상기 사다리꼴 형태의 빗변도 바람직하게 대략 60°또는 대략 90°의 각도 α를 형성해야 한다.

소정의 형상끼워맞춤 결합을 달성하기 위한 커플링면의 적합한 다른 형상도 가능하다. 즉, 돌출부들은 단면도로 볼 때 톱니 형상 또는 파형 형상을 가질 수 있고, 이때 사인파 형상이 바람직하다.

바람직하게 돌출부 에지들이 베이스에서 서로 교차되면, 본 발명의 개선예에 따라 돌출부들은 커플링면에 의해 형성된 평면에 대해 평행하게 연장된 커플링면의 섹션에 의해 서로 이격된다.

형상끼워맞춤 결합의 달성을 위한 커플링면의 본 발명에 따른 디자인에 의해, 결합될 소자들의 상호 확실한 위치 설정이 가능해지는 장점이 주어진다. 동시에 나사와 같은 결합 소자를 통해 도입되는 결합에 필요한 힘이 감소될 수 있다. 특히 용접시 형상끼워맞춤 결합에 의해 횡력이 흡수되고, 이로써 서로 결합된 소자들 사이의 치수 안정성이 보장된다.

본 발명의 다른 세부 사항들, 장점들 및 특징들은 청구범위, 즉 청구범위에 단독으로 및/또는 조합하여 포함된 특징들 및 도면에 도시된 바람직한 실시예들의 하기 설명에 제시된다.

도 1은 압축 챔버의 형성을 위한 초음파 용접 장치의 소자들의 기본도.

도 2는 나사 조임된 작업부를 포함하는 조절 가능한 앤빌의 기본도.

도 3은 초음파 용접 장치의, 서로 결합된 2개의 소자들을 도시한 도면.

도 4는 구조화된 커플링면을 갖는 초음파 용접 장치의 소자의 제 1 실시예.

도 5는 도 4에 따른 커플링면의 평면도.

도 6은 구조화된 커플링면을 갖는 소자의 제 2 실시예.

도 7은 도 6에 따른 커플링면의 평면도.

도 8은 구조화된 커플링면을 갖는 소자의 제 3 실시예.

도 9는 도 8에 따른 커플링면의 평면도.

도 10은 커플링면의 제 1 실시예의 단면도.

도 11은 커플링면의 제 2 실시예의 단면도.

도 12는 커플링면의 제 3 실시예의 단면도.

도 13은 커플링면의 제 4 실시예의 단면도.

도 14는 커플링면의 제 5 실시예의 단면도.

도 1에는 도체(12, 14, 16)와 같이 길게 연장된 끈 종류의 공작물을 밀착하여 용접하기 위해, 압축 챔버(10)를 제한하는, 초음파 용접 장치의 소자들이 기본적으로 도시된다. 실시예에서 압축 챔버(10)의 베이스측은 소노트로드(18)의 작업면에 의해 제한된다. 소노트로드(18)의 반대편에 앤빌(20)이 제공되고, 상기 앤빌은 상승 및 하강할 수 있으며(이중 화살표 22), 소노트로드(18)의 작업면에 대해 평행하게 이동할 수 있다(이중 화살표 24). 앤빌(20)은 압축 챔버(10)의 우측 제한면을 형성하는 섹션(28)을 갖는 지지부 또는 컬럼(column;26)에서부터 시작된다. 슬라이드 밸브(30)가 조절 가능하게(이중 화살표 32) 대향 배치되고, 상기 슬라이드 밸브는 지지부(34)에서부터 시작된다. 슬라이드 밸브(30) 또는 지지부(34)를 조절함으로써 압축 챔버(10)의 폭이 조정될 수 있다. 압축 챔버(10)의 폭에 따라 소노트로드(18)의 작업면에 대향 배치된 앤빌(20)의 작업면이 자동으로 조정된다. 공작물(14, 16)의 전체 횡단면에 대해 정렬된 압축 챔버(10)의 높이는 앤빌(20)의 컬럼 또는 지지부(26)가 이동됨으로써 조정될 수 있다.

또한 도 1에 도시된 바와 같이, 슬라이드 밸브(30)는 나사(36, 38)에 의해 지지부(34)에 비-형상끼워맞춤으로 결합된다. 또한, 슬라이드 밸브(30) 및 지지부(34)의 커플링면(40, 42)은, 추가로 형상끼워맞춤 결합이 이루어지도록 구조화된다.

슬라이드 밸브(30)와 지지부(34) 사이뿐만 아니라 기본적으로 특히 용접으로 인한 힘에 노출되는, 초음파 용접 장치의 결합될 모든 소자들 사이에 형상끼워맞춤 및 비-형상끼워맞춤 결합이 제공된다. 따라서, 도 2에 입방형 베이스 바디(46)와 작업부(48)로 구성된 앤빌(44) 또는 앤빌 슬라이드 밸브의 기본도가 도시되고, 상기 작업부는 바람직하게 대향 배치된 측면에 작업면들(50, 52)을 갖고, 상기 작업면들 중 하나는 도 1에 상세히 도시된 바와 같이 압축 챔버의 제한면을 형성한다.

베이스 바디(46)는 나사(54)에 의해 작업부(48)에 비-형상끼워맞춤으로 결합된다. 추가로 형상끼워맞춤 결합을 달성하기 위해, 베이스 바디(46)와 작업부(48)의 커플링면들(56, 58)은 베이스 바디(46) 및 앤빌로부터 구조화된다. 따라서, 하나 또는 다수의 작업면을 갖는 소노트로드 헤드를 포함하는 소노트로드가 형성될 수 있다. 소노트로드 헤드의 기능을 각각 수행하는 다수의 작업부들을 본 발명에 따른 방법에 따라 소노트로드의 베이스 바디에 결합하는 것도 가능하다.

도 3에는 볼트(64)에 의해 비-형상끼워맞춤으로 결합된 부스터(60) 및 소노트로드 베이스 바디(62)의 실시예의 일부가 도시된다. 또한, 연달아 놓인 커플링면들(66, 68)은, 의도하는 형상끼워맞춤 결합이 이루어지도록 구조화된다. 이러한 조치에 의해 커플링면들이 확장되고, 결합될 소자들(60, 62)의 자동 센터링이 달성되고 작용하는 횡력이 흡수된다.

형상끼워맞춤 결합을 위해 의도적으로 형성된, 커플링면들(40, 42, 56, 58 또는 66, 68)의 구조화는 소정의 표면 구조 형성에 의해 달성될 수 있다. 도 4 - 도 14에 실시예들이 도시된다. 즉, 커플링면(70)은 서로 평행하게 연장된 돌출부들(72, 74)을 가질 수 있고, 상기 돌출부들은 대응하는 홈(76)에 의해 서로 분리된다. 연달아 놓인 커플링면들이 동일하게 형성되면, 홈은 돌출부(72)에 적합한 형태를 가지므로, 하나의 면(70)에 대응될 커플링면은 상응하는 형태를 갖는다.

물론, 연달아 놓인 커플링면들이 상이하게 구조화되는 방법도 있다. 그러나 이러한 경우에, 의도된 소정의 형상끼워맞춤으로 결합이 달성될 수 있도록 구조의 보완이 이루어져야 한다.

도 4 및 도 5의 실시예에서 선형 돌출부들(74, 76)이 서로 평행하게만 연장되어 배치되면, 도 6 및 도 7의 실시예에 따라, 특히 도 7의 기본도에 도시된 바와 같이, 커플링면(77)의 돌출부들(78, 80, 82)이 서로 교차하여 배치되는 방법이 있다.

그러나 도 8 및 도 9에 기본적으로 도시된 바와 같이, 커플링면(83)에 선형 돌출부들(84, 86)을 동심으로 배치하는 것도 가능하다.

도 10 - 도 14에 커플링면의 바람직하게 선형인 돌출부들의 바람직한 횡단면 구조가 도시된다. 그러나 형상끼워맞춤 결합의 달성과 구조화를 위해 반드시 선형 돌출부들일 필요가 없다는 사실이 주목된다. 오히려 구조의 형성을 위해 각추형 또는 각추대형 또는 원추형 또는 원추대형 돌출부들 및 인접하는 대응 리세스가 제공될 수 있다.

도 10의 실시예에 따라 커플링면(87)의 돌출부들(88, 90)은 단면도로 볼 때 2등변 삼각형의 형태를 갖고, 상기 2등변 삼각형의 변들(92, 94)은 예컨대 60°또는 90°, 또는 대략 60°또는 90°의 각도 α를 형성한다. 돌출부들(88, 90) 사이, 꼭지점과 꼭지점 사이의 간격은 도 10에서 "T"로 표시되고, 바람직하게 0.5 mm 내지 5 mm 이다. 돌출부들(88, 90)의 높이는 0.5 내지 2.5 mm 이다.

도 11에 따라 커플링면(93)의 구조를 형성하는 돌출부들(94, 96)은 단면도로 볼 때 사다리꼴 형태를 갖고, 빗변들(98, 100)은 예컨대 60°또는 90°의 각도 α를 형성할 수 있다. 돌출부들은 베이스측에서 서로 이어지므로, 상기 돌출부들은 V 형 홈(102)에 의해 제한된다. 돌출부들 사이의 간격(T)은 바람직하게 0.5 내지 5 mm이다. 높이는 특히 0.5 내지 2.5 mm이다.

또한 단면도로 볼 때 사다리꼴 형태는 도 12에 따른 커플링면(110)의 돌출부들(104, 106)을 갖는다. 돌출부들(104, 106)은 편평한 베이스 섹션(108)에 의해 제한되고, 상기 베이스 섹션은 커플링면(110)에 의해 형성된 평면에 대해 또는 상기 커플링면의 섹션에 대해 평행하게 연장된다.

돌출부들(104, 106) 사이의 간격은 바람직하게 0.7 내지 6 mm이다. 또한, 돌출부들(104, 106)은 0.1 내지 3 mm 폭(A)을 갖는 플래토(plateau) 형상의 편평한 외부면을 갖는다. 베이스 섹션(108)은 0.1 내지 3 mm 폭(B)을 갖는다. 구조는, 폭 (A)와 (B)가 각각 간격(T)보다 작게 설계되어야 한다. 돌출부들(104, 106)의 높이는 0.5 내지 2.5 mm이다.

도 13에 따라 커플링면(112)은 0.5 내지 5 mm 간격(T)을 갖는 부등변 삼각형인 돌출부들(114, 116)에 의한 톱니형 구조를 갖는다. 돌출부들(114, 116)은 바람직하게 각도 α(45°≤α≤75°)를 형성하는 변들(118, 120)을 갖는다. 변(118)은 커플링면(112)의 법선에 대해 각도 γ(15°≤γ≤45°)를 형성하고, 변(120)은 법선에 대해 각도 β(15°≤β≤45°)를 갖는다. 돌출부들(114, 116) 사이의 간격(T)은 0.5 mm ≤T ≤5 mm이다. 높이는 0.5 mm 내지 2.5 mm에서 선택될 수 있다.

그러나, 연달아 놓인 커플링면들 사이의 소정의 형상끼워맞춤 결합을 달성하기 위해, 도 14에 따라 커플링면(122)의 파형도 가능하다. 파형은 바람직하게 사인 파형이고, 돌출부(122) 또는 함몰부 또는 골(124)의 곡률 반경들 R₁, R₂ 은 다를 수 있다. 연달아 놓인 돌출부들(124, 128) 사이의 간격(T)은 0.5 mm ≤T ≤5 mm이다.

도체를 그 수와 무관하게 최적으로 용접하기 위해, 본 발명에 따라, 공작물들(12, 14, 16)의 삽입시 압축 챔버(10)는 도체(12, 14, 16)의 수에 따라 후속하는 최적의 용접 과정을 가능하게 하는 미리 주어진 폭으로 조정된다. 2개 또는 3개의 도체들이 서로 용접되는 경우, 압축 챔버(10)는 도 1 및 슬라이드 밸브(30)의 파선 도시에 나타나는 바와 같이, 압축 챔버(10) 내에 도체가 종렬로 상하로 배치되는 것을 보장하는 폭으로 조정되어야 한다. 압축 챔버(10)가 위에서부터 개방되도록 하기 위해 공작물들(12, 14, 16)의 삽입시, 앤빌(20)은 우측으로 이동된다(앤빌 20의 파선 도시).

그와 달리 4개 이상의 공작물들이 서로 용접되어야 하는 경우, 압축 챔버(10)는 공작물들의 삽입을 위해 최적으로 개방된다(실선 도시). 이러한 경우에, 폭은 소노트로드(18)에 의해 제공되는 압축 챔버(10)의 최대 제한면에 의해 미리 설정된다. 적절한 넓이로 개방된 압축 챔버(10) 내에 도체가 삽입된 후, 슬라이드 밸브(30)는 지지부 또는 컬럼(26)을 향해 이동된다. 그리고 나서, 앤빌(20)은 소노트로드(18)를 향해 하강한다. 동시에, 소노트로드(18)는 용접을 실행하기 위해 여기된다.

Claims (14)

1. 소노트로드(18) 및 부스터(60), 부스터 및 컨버터, 소노트로드 및 소노트로드 헤드, 또는 압축 챔버를 제한하는 다수의 부분으로 구성된 앤빌의 작업부와 같은, 커플링면들을 통해 비-형상끼워맞춤으로 결합된 인접한 다수의 소자들을 포함하고, 상기 비-형상끼워맞춤으로 결합된 소자들(30, 34, 46, 48, 60, 62)중 몇몇 소자들의 연달아 놓인 상기 커플링면들은 형상끼워맞춤 결합을 달성하기 위해 구조화되는 용접 장치에 있어서,

   커플링면(70, 77, 83)은 선형 돌출부(72, 74, 78, 80, 84, 86)에 의해 구조화되고, 대응될 커플링면들은 각추형 또는 각추대형, 또는 원추형 또는 원추대형 돌출부들(88, 90) 및 인접하는 리세스들에 의해 구조화되고, 상기 리세스들은 커플링면의 돌출부들에 구조적으로 상응하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 선형 돌출부들(72, 74, 78, 80; 82)은 서로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링면(77)은 서로 평행하게 연장된 제 1 및 제 2 선형 돌출부들(78, 80, 82)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 선형 돌출부들은 90°각도로 교차하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 선형 돌출부들(84, 86)은 동심 원을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 각추형 또는 각추대형, 또는 원추형 또는 원추대형 돌출부들(88, 90)의 횡단면은 삼각형인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 단면도로 볼 때 삼각형 형태를 갖는 돌출부들(88, 90)의 변들(92, 94)은 60°또는 90°의 각도 α를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출부들은 단면도로 볼 때 사다리꼴 형상을 갖고, 빗변들은 60°또는 90°의 각도 α를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링면(40, 42, 56, 58, 66, 68)은 돌출부들(114, 116)에 의해 구조화되고, 상기 돌출부들은 단면도로 볼 때 톱니 형상을 따르는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링면(40, 42, 56, 58, 66, 68)은 돌출부들(124, 128)에 의해 구조화되고, 상기 돌출부들은 파형인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 돌출부들(124, 128)은 단면도로 볼 때 사인파형인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링면(40, 42, 56, 58, 66, 68)은 돌출부들(104, 106)에 의해 구조화되고, 상기 돌출부들은 커플링면들(110, 112)에 의해 형성된 평면에 대해 평행하게 연장된 커플링면의 섹션에 의해 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 장치는 초음파 용접 장치인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 각추형 또는 각추대형, 또는 원추형 또는 원추대형 돌출부들(88, 90)의 횡단면은 2등변 삼각형인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
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