KR20200033251A - 레이저 용접 방법 및 레이저 용접용 지그 장치 - Google Patents

레이저 용접 방법 및 레이저 용접용 지그 장치 Download PDF

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Abstract

한 쌍의 세퍼레이터(51)는, 겹쳐서 베이스 지그(201)에 재치(載置; 올려 놓음)함으로써 서로 위치를 정하고, 베이스 지그(201)에 형성되어 있는 핀 구멍(203)의 위치에 각각의 관통 구멍(52)을 위치 결정한다. 베이스 지그(201)에 메인 지그(301)를 꽉 눌러서 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 클램핑하고, 핀 구멍(203)에 서브 지그(401)의 핀(402)을 삽입하여 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 헤드(403)로 클램핑하면, 메인 지그(301)에 설치한 개구(303)와 서브 지그(401)의 헤드(403)와의 사이에 발생하는 틈새에 의해 환형(環狀)의 도광로(LP)가 형성되고, 관통 구멍(52)을 둘러싸는 레이저 용접 위치(WP)가 노출된다. 레이저 용접 위치(WP)에 레이저 광(LB)을 조사(照射)하면, 관통 구멍(52)의 주위가 이음매 없이 레이저 용접된다.

Description

레이저 용접 방법 및 레이저 용접용 지그 장치
[0001] 본 발명은, 한 쌍의 가공물(workpiece), 예컨대 연료전지 셀에 이용되는 한 쌍의 세퍼레이터를 레이저 용접에 의해 접합시키는 레이저 용접 방법 및 레이저 용접용 지그(jig) 장치에 관한 것이다.
[0002] 연료전지는, 전해질 막의 양면에 한 쌍의 전극층을 설치한 반응전극부(MEA)를 구비하고 있다. 반응전극부는, 그 두께 방향 양측에 세퍼레이터를 적층하여, 연료전지 셀을 구성한다. 연료전지 셀을 복수 개 적층한 스택(stack) 구조를 이루는 연료전지는, 반응전극부의 음극(cathode)측에 산화 가스(공기)를 공급하고, 양극(anode)측에 연료 가스(수소)를 공급하여, 물의 전기분해의 역반응인 전기화학반응에 의해 전력을 발생시킨다.
[0003] 적층된 연료전지 셀 내에는 산화 가스(공기)나 연료 가스(수소), 냉각수 등의 매체를 위한 유로가 설치되어 있다. 유로는, 예컨대 세퍼레이터에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터는, 철이나 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어진 한 쌍의 판 형상(板狀) 부재를 접합시킨 구조물이며, 이들 한 쌍의 부재의 사이나 다른 부재와의 사이에 매체를 위한 유로를 형성한다.
[0004] 도 7은, 특허문헌 1에 기재되어 있는 세퍼레이터(1)를 나타낸 평면도이다. 세퍼레이터(1)는 연료극 프레임(2)(도 8 참조)과 접합되어 있으며, 매체를 통과시키기 위한 복수 개의 관통 구멍(3)과, 반응전극부(특허문헌 1의 「고체 전해질층(81)」)를 위치 결정하기 위한 개구부(4)를 가지고 있다. 도 7 중, 관통 구멍(3) 주위에 도시되어 있는 것은, 연료극 프레임(2)과 접합시켰을 때 생긴 레이저 용접 자국(5)이다. 관통 구멍(3)은, 그 주위가 전체 둘레에 걸쳐서 레이저 용접되며, 이에 의해 관통 구멍(3)에 연결(連絡)되는 부분과 연결되지 않는 부분이 폐쇄되어 있다. 이렇게 하여 공간을 폐쇄한 레이저 용접 자국(5)을, 특허문헌 1에서는 「폐(閉)회로 형상」이라 부르고 있다(특허문헌 1의 단락 [0028]∼[0036] 참조).
[0005] 특허문헌 1은, 상기 세퍼레이터(1)를 제조하기 위한 장치로서, 도 8에 나타낸 바와 같은 용접용 지그 장치(11)를 개시(開示)하고 있다. X-Y 테이블(21)에 재치된 용접용 지그 장치(11)는, 고정 지그 부재(12)와 두 개의 지그 부재(제1 지그 부재(13), 제2 지그 부재(14))와의 사이에, 세퍼레이터(1)와 연료극 프레임(2)을 클램프 구조(15)에 의해 클램핑하고, 레이저 용접에 의해 접합한다(특허문헌 1의 단락 [0042]∼[0049] 참조).
[0006] 자세하게는, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 고정 지그 부재(12)와 제1 지그 부재(13)와의 사이에 세퍼레이터(1)와 연료극 프레임(2)을 클램핑하고, 레이저 조사 장치(31)로부터 레이저 광(LB)을 조사(照射)시켜, 제1 개구부(13a)를 통해 인도한 레이저 광(LB)에 의해, 관통 구멍(3)의 주위 절반만큼을 레이저 용접한다. 이어서 제1 지그 부재(13)를 제2 지그 부재(14)로 바꾸어 넣고, 제2 개구부(14a)를 통해 인도한 레이저 광(LB)에 의해, 관통 구멍(3)의 주위의 나머지 절반을 레이저 용접한다(특허문헌 1의 단락 [0040]∼[0052] 참조).
[0007] 레이저 용접 공정을 2회로 나누어 행함으로써, 도 10에 나타낸 바와 같은 레이저 용접 자국(5)이 형성된다(특허문헌 1의 단락 [0053] 참조). 이 레이저 용접 자국(5)은 2개의 분할 레이저 용접 자국(5a, 5b)에 의해 구성되며, 그 교점은 오버랩되는 오버랩 영역(R)으로 되어 있다. 이에 의해 폐회로 형상이 유지된다.
일본 특허공개공보 제2014-194876호 일본 특허공개공보 제2011-161450호
[0009] 세퍼레이터에 형성된 관통 구멍의 주위를 폐회로 형상, 즉 전체 둘레를 폐쇄한 형상으로 하기 위해, 특허문헌 1에서는 레이저 용접 공정을 2회로 나누어, 제1 지그 부재(13)와 제2 지그 부재(14)를 바꾸어 넣고 있다. 공정수가 증가한다는 점에서 개선의 여지가 있다.
[0010] 특허문헌 2는, 서로 접합하고자 하는 한 쌍의 가공물을 제1 지그 부재(92)와 제2 지그 부재(96)로 클램핑하고, 제2 지그 부재(96)에 설치한 개구부(94)에 제3 지그 부재(98)를 배치하고, 개구부(94)와 제3 지그 부재(98) 사이의 틈새(110)로부터 가공물에 레이저 조사를 행하도록 한 발명을 개시하고 있다. 따라서, 한 번의 레이저 용접 공정에 의해, 가공물의 외주부를 주회(周回)하는 이음매가 없는 용접(특허문헌 2에서는 「심리스 용접」이라 부르고 있음)을 행하는 것이 가능해진다(특허문헌 2의 단락 [0015], [0055], [0061], [0062] 참조).
[0011] 그러나, 특허문헌 2에 기재되어 있는 레이저 용접 방법은, 가공물의 외주(外周)를 따라 이음매 없이 용접을 행하는 방법이며, 예컨대 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 세퍼레이터에 형성한 관통 구멍의 주위를 레이저 용접하는 방법은 아니다. 특허문헌 2에 기재되어 있는 레이저 용접 방법은, 관통 구멍 주위의 레이저 용접에 대해, 단순히 적용할 수가 없다.
[0012] 또한, 특허문헌 2에 기재되어 있는 레이저 용접 방법에서는, 개구부(94)와 제3 지그 부재(98)와의 사이에 레이저 용접 부위를 노출(露呈)시키는 틈새(110)를 형성하는 관계상, 제3 지그 부재(98)의 위치 결정이 중요해진다. 특허문헌 2에서는, 개구부의 내주면을 따르는 위치 결정 링 부재(124)를 일단 세팅하고, 이 위치 결정 링 부재에 의해 위치 결정한 제3 지그 부재를 체결 부착 부재(116)에 의해 고정하도록 하고 있다(특허문헌 2의 단락 [0044], [0046] 참조). 이 때문에 제3 지그 부재를 위치 결정하기 위한 공정수가 증가될 뿐만 아니라, 번잡한 작업이 요구된다. 개선의 여지가 있다.
[0013] 본 발명의 과제는, 적은 공정수로, 가공물에 형성된 관통 구멍의 주위를 이음매 없이 레이저 용접할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 번잡한 작업을 필요로 하는 일 없이, 가공물에 형성된 관통 구멍의 주위를 이음매 없이 레이저 용접할 수 있도록 하는 것이다.
[0014] 본 발명의 레이저 용접 방법은, 겹쳐졌을 때 위치 맞춤되는 크기 및 형상이 공통인 관통 구멍을 각각 갖는 한 쌍의 판 형상 부재인 한 쌍의 가공물을 준비하고, 상기 관통 구멍에 위치 맞춤되는 핀 구멍을 갖는 베이스 지그에 상기 한 쌍의 가공물을 겹쳐서 재치(載置; 올려 놓음)하고, 상기 관통 구멍을 둘러싸는 레이저 용접 위치의 외측에서 이 레이저 용접 위치를 따라 상기 관통 구멍을 포위하는 개구를 갖는 메인 지그를 준비하고, 상기 관통 구멍을 상기 개구로 포위한 상태에서 상기 베이스 지그에 상기 메인 지그를 꽉 눌러 대어, 상기 한 쌍의 가공물을 서로 위치 결정하고, 상기 메인 지그에 상기 베이스 지그를 향하는 방향으로의 변위력을 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하고, 헤드와 핀을 가지며, 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입시킨 상태에서 서로 대면(對面)하는 상기 메인 지그의 개구와 상기 헤드와의 사이의 틈새에 위치하는 상기 레이저 용접 위치에 레이저 광을 인도하는 환형의 도광로를 형성하는 서브 지그를 준비하고, 상기 베이스 지그에 재치된 상기 한 쌍의 가공물의 관통 구멍을 통해 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입하고, 일방(一方)의 상기 가공물에 상기 헤드가 부딪칠 때까지 상기 베이스 지그에 재치된 상기 한 쌍의 가공물의 관통 구멍을 통해 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입시킨 상기 서브 지그에 대해, 상기 핀의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력을 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑한다.
[0015] 본 발명의 레이저 용접용 지그 장치는, 겹쳐지는 한 쌍의 판 형상 부재로 이루어지며, 이들 판 형상 부재가 겹쳐졌을 때 위치 맞춤되는 크기 및 형상이 공통인 관통 구멍을 각각 갖는 한 쌍의 가공물의 재치를 허용하며, 상기 관통 구멍에 위치 맞춤되는 핀 구멍을 갖는 베이스 지그와, 상기 관통 구멍을 둘러싸는 레이저 용접 위치의 외측에서 이 레이저 용접 위치를 따라 상기 관통 구멍을 포위하는 개구를 가지며, 상기 관통 구멍을 상기 개구로 포위한 상태에서 상기 베이스 지그에 꽉 눌려지는 메인 지그와, 상기 한 쌍의 가공물을 서로 위치 결정하는 기구와, 상기 메인 지그에 상기 베이스 지그를 향하는 방향으로의 변위력을 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하는 메인 클램핑 기구와, 헤드와 핀을 가지며, 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입시킨 상태에서 서로 대면하는 상기 메인 지그의 개구와 상기 헤드와의 사이의 틈새에 위치하는 상기 레이저 용접 위치에 레이저 광을 인도하는 환형의 도광로를 형성하는 서브 지그와, 상기 핀 구멍에 삽입된 상기 핀의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력을 상기 서브 지그에 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하는 서브 클램핑 기구를 구비한다.
[0016] 본 발명에 의하면, 한 쌍의 가공물을 겹쳐서 베이스 지그에 재치함으로써 이들 가공물을 위치 결정할 수 있고, 또한 메인 지그의 개구와 서브 지그의 헤드와의 사이에 도광로를 형성할 수 있으며, 이에 따라, 적은 공정수로, 번잡한 작업을 필요로 하는 일 없이, 가공물에 설치된 관통 구멍의 주위를 이음매 없이 레이저 용접할 수 있다.
[0017] 도 1은 하나의 실시형태에 따른 레이저 용접용 지그 장치의 주요부를 단면(斷面)으로 하여 나타낸 모식도이다.
도 2는 서브 클램핑 기구의 저면도(底面圖)이다.
도 3의 (A)는 레이저 용접 방법에 있어서의 가공물 준비 공정을 나타낸 모식도이고, (B)는 가공물 재치 공정을 나타낸 모식도이고, (C)는 메인 지그 및 서브 지그의 세팅 공정을 나타낸 모식도이고, (D)는 클램핑 공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 서브 클램핑 기구의 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 5는 서브 클램핑 기구의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 6은 서브 클램핑 기구의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 7은 연료전지 셀에 이용하는 세퍼레이터의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 8은 레이저 용접용 지그 장치의 종래의 일례를 나타낸 정면도이다.
도 9는 종래의 용접 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 핀 구멍 주위의 레이저 자국을 나타낸 모식도이다.
[0018] 하나의 실시형태를 도 1 내지 도 3의 (A)∼(D)에 근거하여 설명한다. 본 실시형태는, 연료전지 셀에 이용되는 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 가공물로 하고, 이들 세퍼레이터(51)를 접합하기 위한 레이저 용접 방법 및 레이저 용접용 지그 장치이다.
[0019] 도 1 및 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 레이저 용접용 지그 장치(101)는, 겹쳐진 한 쌍의 세퍼레이터(51)에 형성된 관통 구멍(52)의 주위에 레이저 조사 장치(501)에 의해 레이저 광(LB)을 조사한다. 이때 레이저 용접용 지그 장치(101)는, 레이저 광(LB)을 인도하기 위한 환형의 도광로(LP)를 형성하므로, 상측에 위치하는 세퍼레이터(51)에 있어서의 레이저 광(LB)의 조사 영역인 레이저 용접 위치(WP)도 환형으로 노출된다. 이에 의해 한 쌍의 세퍼레이터(51)에는, 관통 구멍(52)의 주위에 이음매 없이 레이저 용접을 행하는 것이 가능해진다.
[0020] 한 쌍의 세퍼레이터(51)는, 금속을 재료로 하는 판 형상 부재이며, 상하를 반전시킨 대칭 형상을 이루고 있다. 이들 쌍을 이루는 2장의 세퍼레이터(51)는, 접합부(53)와 캐비티 형성부(54)를 가지고 있다. 접합부(53)는, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 겹쳐서 접합하였을 때, 서로 접합되는 부분이다. 관통 구멍(52)은 접합부(53)에 마련되어 있다. 캐비티 형성부(54)는, 접합부(53)로부터 만곡된 형상으로 굴곡되어 기립되어 있는 부분이다. 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 겹쳐서 접합하였을 때, 서로의 캐비티 형성부(54)는 대면하며, 내부에 캐비티(55)를 형성한다. 관통 구멍(52) 및 캐비티(55)는, 연료전지 셀에 있어서 매체를 유통시키는 경로로서 이용된다.
[0021] 한 쌍의 세퍼레이터(51)에 각각 형성되어 있는 관통 구멍(52)은 크기 및 형상이 일치하고 있다. 한 쌍의 세퍼레이터(51)가 바르게 겹쳐졌을 때, 이들의 관통 구멍(52)도 위치 맞춤된다. 관통 구멍(52)의 형상은, 예컨대 직사각형이다. 관통 구멍(52)의 형상은 직사각형에 한정되지 않고, 네 모퉁이를 곡면 형상으로 만곡시킨 직사각 형상, 원 형상이나 타원 형상 등 다양한 형상으로 형성하는 것이 가능하다.
[0022] 레이저 용접용 지그 장치(101)는, 베이스 지그(201), 메인 지그(301), 메인 클램핑 기구(351), 서브 지그(401), 및 서브 클램핑 기구(451)를 구비하고 있다.
[0023] 베이스 지그(201)는, 금속제의 판형상물(板狀物)이며, 겹쳐진 세퍼레이터(51)의 재치를 허용하는 재치면(202)을 상면(上面)에 구비하고 있다. 재치면(202)은, 하측이 되는 일방의 세퍼레이터(51)의 접합부(53)를 지지하는 면을 평탄면(202a)으로 하고, 캐비티 형성부(54)에 대응하는 위치를 오목부(202b)로 하고 있다. 베이스 지그(201)는, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 겹쳐서 재치면(202)에 재치하였을 때, 이들 세퍼레이터(51)의 수평 방향의 위치를 구속하여 위치 결정하는 구조를 구비하고 있다. 이 구조는, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 서로 위치 결정하는 기구를 구성한다.
[0024] 베이스 지그(201)의 재치면(202)에는, 평탄면(202a)에 위치시킨 핀 구멍(203)이 형성되어 있다. 핀 구멍(203)은, 재치면(202)에 재치된 세퍼레이터(51)의 관통 구멍(52)과 위치 맞춤되는 구멍이다. 관통 구멍(52)보다 작으면 되며, 그 형상은 불문한다. 직사각형, 다각형, 원형, 타원형 등의 각종 형상을 핀 구멍(203)에 채용할 수 있다.
[0025] 메인 지그(301)는, 재치면(202)에 재치된 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 통해 베이스 지그(201)에 꽉 눌려지는 금속제의 판형상물이며, 대향면(302)을 하면(下面)에 구비하고 있다. 대향면(302)은, 상측이 되는 일방의 세퍼레이터(51)의 캐비티 형성부(54)에 대응하는 위치를 오목부(302a)로 하고, 재치면(202)에 설치된 평탄면(202a)에 대면하는 위치에 클램핑면(302b)(도 3의 (C) 참조)과 개구(303)를 구비하고 있다. 클램핑면(302b)은, 개구(303)의 주위에 배치되며, 재치면(202)에 재치된 한 쌍의 세퍼레이터(51)의 접합부(53)를 평탄면(202a)과 함께 클램핑한다. 개구(303)는, 베이스 지그(201)에 형성된 핀 구멍(203)보다 크게 형성되어 있으며, 후술하는 서브 지그(401)의 헤드(403)와 함께 도광로(LP)를 형성한다. 그러한 관계상, 개구(303)는, 레이저 용접 위치(WP)의 외측에서 레이저 용접 위치(WP)를 따라 관통 구멍(52)을 포위하는 형상으로 형성되어 있다. 도광로(LP)에 대해서는 후술한다.
[0026] 메인 클램핑 기구(351)는, 베이스 지그(201)에 대해 메인 지그(301)를 클램핑하는 기구이며, 클램퍼(352)를 주체로 한다. 클램퍼(352)는 베이스 지그(201)에 부착되며, 수평 방향으로 연장되는 클램핑 클로(claw)(353)를 메인 지그(301)의 상면에 걸어, 클램핑 클로(353)에 하방을 향한 인장력(도 1 중, 속이 빈 화살표로 나타냄)을 발휘시킨다. 이에 의해 메인 지그(301)는 클램핑되어, 베이스 지그(201)와의 사이에 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 끼움지지(挾持)한다. 따라서 메인 클램핑 기구(351)는, 베이스 지그(201)와 메인 지그(301)와의 사이에 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 클램핑하게 된다.
[0027] 서브 지그(401)는, 원기둥(圓柱) 형상을 한 핀(402)의 일단(一端)에 헤드(403)를 갖는 금속제의 부재이다. 핀(402)은 베이스 지그(201)에 형성된 핀 구멍(203)에 삽입되기 위해, 핀 구멍(203)보다 근소하게 작게 형성되어 있다. 따라서 핀(402)은, 핀 구멍(203)에 맞춘 수평 단면(斷面) 형상을 가지고 있으며, 그 수평 단면의 크기는, 핀 구멍(203)과 마찬가지로 한 쌍의 세퍼레이터(51)에 마련된 관통 구멍(52)보다 작다. 헤드(403)는, 수직 단면을 사다리꼴 형상으로 한 부재이며, 핀(402)보다 크게 형성되어 있다. 다만 전술한 바와 같이, 헤드(403)는 메인 지그(301)에 설치한 개구(303)와 함께 도광로(LP)를 형성하는 관계상, 레이저 용접 위치(WP)의 내측에서 레이저 용접 위치(WP)를 따르도록, 개구(303)보다 작은 상사형(相似形)으로 형성되어 있다. 도광로(LP)에 대해서는 후술한다.
[0028] 서브 클램핑 기구(451)는, 베이스 지그(201)의 평탄면(202a) 상에서 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 서브 지그(401)의 헤드(403)에 의해 클램핑하는 기구이다.
[0029] 서브 지그(401)의 핀(402)은, 베이스 지그(201)의 재치면(202)에 재치된 세퍼레이터(51)의 관통 구멍(52)을 통해 핀 구멍(203)에 삽입된다. 이때 핀(402)의 선단부는 핀 구멍(203)을 완전히 관통하여, 베이스 지그(201)의 하면으로부터 돌출된다. 이렇게 하여 돌출되는 핀(402)의 선단부에는, 핀 구멍(203)을 완전히 관통하는 부분으로부터 근소하게 관통하지 않는 부분에 걸친 영역에, 소직경부(小徑部; 452)가 설치되어 있다. 소직경부(452)는, 수평 단면이 핀(402)보다 작은 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 다만 소직경부(452)는 핀(402)의 선단 부분에까지는 설치되어 있지 않다. 핀(402)의 선단 부분은, 빠짐을 방지하도록 작용하는 빠짐방지부(453)로 되어 있다. 빠짐방지부(453)의 빠짐 방지 작용에 대해서는, 후술한다.
[0030] 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 베이스 지그(201)의 하면에는, 슬라이더(454)가 슬라이딩 가능하도록 부착되어 있다. 슬라이더(454)는, 하면에 경사면(455)을 갖는 평판(平板) 형상의 부재이며, 길이 방향을 따라 끼움결합 홈(456)을 가지고 있다. 끼움결합 홈(456)은, 경사면(455)에 의해 두께가 얇아져 있는 쪽의 단부(端部)에 개구하며, 두께가 두꺼운 쪽의 단부를 향해 연장되어 있으며, 서브 지그(401)의 핀(402)보다 좁고, 핀(402)에 설치된 소직경부(452)보다 넓은 폭으로 설정된다.
[0031] 하면을 경사면(455)으로 함으로써, 슬라이더(454)는 장소에 따라 두께를 변동시킨다. 이와 같은 슬라이더(454)의 두께는, 베이스 지그(201)의 핀 구멍(203)을 관통하여 튀어 나와 있는 서브 지그(401)의 핀(402)과 상관 관계를 가진다. 베이스 지그(201)의 하면으로부터 핀(402)의 빠짐방지부(453)에 이르기까지의 거리의 사이즈를 L로 하였을 때, 슬라이더(454)의 가장 얇은 부분의 두께 사이즈(L1)는 L보다 작고, 가장 두꺼운 부분의 두께 사이즈(L2)는 L보다 크게 설정되어 있다(도 1 참조). 따라서 슬라이더(454)의 두께 사이즈는, 가장 얇은 부분으로부터 가장 두꺼운 부분에 이르는 어딘가의 위치에서 L이 된다.
[0032] 슬라이더(454)는, 베이스 지그(201)의 핀 구멍(203)을 관통하여 튀어나와 있는 서브 지그(401)의 핀(402)에 끼움결합 홈(456)의 입구를 대면시키는 위치를 대기 위치로 하고(도 3의 (C) 참조), 이 대기 위치로부터 핀(402)을 향하는 방향으로 슬라이드 이동 방향을 정하고 있다. 이때 끼움결합 홈(456)은, 핀(402)의 소직경부(452)에 접촉하는 일 없이 진행한다. 그리고 핀(402)의 위치에서 슬라이더(454)의 두께 사이즈가 L이 되면, 베이스 지그(201)의 하면과 빠짐방지부(453)와의 사이에 슬라이더(454)가 끼워져 들어가, 서브 지그(401)가 클램핑된 상태가 된다.
[0033] 도 1 및 도 3의 (D)에 나타낸 바와 같이, 레이저 조사 장치(501)로부터 레이저 광(LB)을 조사하는 도광로(LP)는, 메인 지그(301)에 설치한 개구(303)의 내측면과 서브 지그(401)에 있어서의 헤드(403)의 외측면과의 사이의 틈새에 의해 형성된다. 개구(303)의 내측면은, 상방으로부터 하방으로 향함에 따라 좁아지는 경사면(303a)으로 되어 있고, 메인 지그(301)의 하면 근처의 영역에서 수직면(303b)이 된다. 헤드(403)는 수직 단면이 사다리꼴 형상이기 때문에, 헤드(403)의 외측면은, 상방으로부터 하방을 향함에 따라 넓어지는 경사면(403a)으로 되어 있고, 하단 근처의 영역에서 수직면(403b)이 된다. 개구(303)의 경사면(303a)과 헤드(403)의 경사면(403a)은 대면하고, 개구(303)의 수직면(303b)과 헤드(403)의 수직면(403b)은 대면하며, 이들 대면 영역이 도광로(LP)가 된다. 도광로(LP)는, 그 바닥부(底部)에 있어서 레이저 용접 위치(WP)를 노출시킨다.
[0034] 레이저 용접용 지그 장치(101)를 이용한 레이저 용접 방법을 다음에 설명한다. 본 실시형태의 레이저 용접 방법은, 가공물 준비 공정, 가공물 재치 공정, 메인 지그 및 서브 지그의 세팅 공정, 클램핑 공정, 및 레이저 광 조사 공정에 의해 실행된다.
[0035] [가공물 준비 공정]
도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 준비하고, 서로의 캐비티 형성부(54)의 사이에 캐비티(55)가 형성되는 방향으로 가지런히 한다.
[0036] [가공물 재치 공정]
도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 겹쳐서 베이스 지그(201)의 재치면(202)에 재치한다. 그러면 하측에 위치하는 세퍼레이터(51)의 캐비티 형성부(54)가 베이스 지그(201)의 오목부(202b)에 끼워져 들어가고, 접합부(53)가 평탄면(202a)에 재치된다.
[0037] 이에 의해 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 서로 위치 결정하는 공정이 실행된다. 즉, 한 쌍의 세퍼레이터(51)가 함께 수평 방향으로 위치 규제되어 위치 결정되고, 각각의 관통 구멍(52)도 위치 맞춤된다. 이렇게 하여 위치 맞춤된 한 쌍의 관통 구멍(52)은, 베이스 지그(201)의 핀 구멍(203)에도 위치 맞춤된다.
[0038] [메인 지그 및 서브 지그의 세팅 공정]
도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이, 서브 지그(401)를 준비하고, 베이스 지그(201)에 재치된 한 쌍의 세퍼레이터(51)의 관통 구멍(52)을 통해 핀 구멍(203)에 서브 지그(401)의 핀(402)을 삽입한다. 또한, 메인 지그(301)를 준비하고, 베이스 지그(201)에 재치한다. 이때 베이스 지그(201)와 메인 지그(301)는 미리 위치가 정해져 있기 때문에, 관통 구멍(52)을 개구(303)로 포위한 상태에서 베이스 지그(201)의 평탄면(202a)에 메인 지그(301)의 클램핑면(302b)이 꽉 눌려진 상태가 된다.
[0039] [클램핑 공정]
도 3의 (D)에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(51)에 대해, 서브 지그(401)에 의한 클램핑 동작과 메인 지그(301)에 의한 클램핑 동작을 실행한다.
[0040] 서브 지그(401)에 의한 클램핑 동작은, 슬라이더(454)를 슬라이드 이동시킴으로써 행해진다. 슬라이더(454)의 경사면(455)이 핀(402)의 빠짐방지부(453)에 닿을 때까지 슬라이더(454)를 이동시키면, 서브 지그(401)에 핀(402)의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력이 작용하여, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 통해 재치면(202)에 서브 지그(401)의 헤드(403)가 꽉 눌린다. 이에 의해 베이스 지그(201)와 헤드(403)와의 사이에 한 쌍의 세퍼레이터(51)가 클램핑된다.
[0041] 메인 지그(301)에 의한 클램핑 동작은, 서브 지그(401)와의 사이에 도광로(LP)가 형성되도록, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 통해 베이스 지그(201)에 메인 지그(301)를 꽉 누름으로써 행해진다. 이에 의해 베이스 지그(201)와 메인 지그(301)와의 사이에, 한 쌍의 세퍼레이터(51)가 클램핑된다.
[0042] [메인 지그 및 서브 지그의 세팅 및 클램핑의 순서]
본 실시형태에서는, 서브 지그(401)를 세팅하고 나서 메인 지그(301)를 세팅하도록 하고 있으며, 또한 서브 지그(401)를 클램핑하고 나서 메인 지그(301)를 클램핑하도록 하고 있다.
[0043] 이에 반해 실시를 함에 있어서는, 메인 지그(301)와 서브 지그(401)의 세팅은 그 순서를 불문하며, 어느 하나를 먼저 세팅하도록 해도 된다. 또한, 메인 지그(301)와 서브 지그(401)의 클램핑도 그 순서를 불문하며, 어느 하나를 먼저 클램핑하도록 해도 된다. 이 경우, 메인 지그(301)와 서브 지그(401) 중 먼저 세팅된 어느 한 쪽을 클램핑하고, 이어서 나중에 세팅된 쪽을 클램핑하도록 해도 되고, 양자를 세팅하고 나서 차례로 클램핑하도록 해도 된다.
[0044] 본 실시형태에 있어서 메인 지그(301)와 서브 지그(401) 간에 있어서 세팅 및 클램핑의 순서를 불문하는 것은, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 서로 위치 결정하는 기구를 베이스 지그(201)에 구비시키고 있기 때문이다. 실시를 함에 있어서는, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 서로 위치 결정하는 기구는, 베이스 지그(201)와 메인 지그(301)에 분산시켜 설치하도록 해도 된다. 즉, 베이스 지그(201)는 하측에 위치 결정되는 세퍼레이터(51)를 수평 방향으로 위치 규제하고, 메인 지그(301)는 상측에 위치 결정되는 세퍼레이터(51)를 수평 방향으로 위치 규제하도록, 위치 결정을 위한 구조를 분산시킨다.
[0045] 이러한 분산 구조를 채용한 경우, 베이스 지그(201)에 재치된 시점에서 메인 지그(301)가 바르게 위치 결정되도록 하거나, 혹은 베이스 지그(201)에 클램핑된 시점에서 메인 지그(301)가 바르게 위치 결정되는 구조를 설치할 필요가 있다. 어느 구조를 채용하든지, 베이스 지그(201)에 대해 메인 지그(301)를 바르게 위치 결정함으로써, 한 쌍의 세퍼레이터(51)는 비로소 서로 위치 결정된다. 따라서 메인 지그(301)가 바르게 위치 결정되기 전의 단계에서는, 상측의 세퍼레이터(51)도 바르게 위치 결정되어 있지 않기 때문에, 이 단계에서는 서브 지그(401)를 세팅하여 클램핑할 수가 없다. 서브 지그(401)의 클램핑에 앞서, 메인 지그(301)의 위치 결정이 필요하다.
[0046] [레이저 광 조사 공정]
도 1에 나타낸 바와 같이, 도광로(LP)로부터 일방의 세퍼레이터(51)(상방에 위치하는 세퍼레이터(51))의 레이저 용접 위치(WP)에 레이저 광(LB)을 조사하여, 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 레이저 용접에 의해 고정한다. 이때에는 상기 클램핑 공정에 있어서 도광로(LP)가 환형으로 형성되어 있으므로, 관통 구멍(52)의 주위를 이음매 없이 레이저 용접할 수 있다. 이렇게 하여 레이저 용접용 지그 장치(101)를 이용한 레이저 용접 방법이 실행된다.
[0047] 본 실시형태에 의하면, 베이스 지그(201)에 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 재치하는 것만으로, 베이스 지그(201)에 대해 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 위치 결정할 수 있다. 이 때문에 각부(各部)의 위치 결정의 용이화를 도모할 수 있다. 또한, 메인 지그(301)와 서브 지그(401)를 세팅하고 베이스 지그(201)에 대해 클램핑하는 것만으로, 자연히 환형의 도광로(LP)를 형성할 수 있다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 적은 공정수로, 번잡한 작업을 필요로 하는 일 없이, 세퍼레이터(51)에 형성된 관통 구멍(52)의 주위를 이음매 없이 레이저 용접할 수 있다.
[0048] 서브 클램핑 기구의 다른 일례를 도 4에 나타낸다. 서브 클램핑 기구 이외의 부분은, 도 1에 나타낸 레이저 용접용 지그 장치(101)와 동일하다. 본 예는, 에어 실린더(461)를 이용하여 서브 지그(401)의 핀(402)을 하방으로 잡아당기도록 한 일례이다.
[0049] 에어 실린더(461)의 로드(462)는, 연결구(463)를 통해 핀(402)에 연결되어 있다. 연결구(463)는, 도 2에 예시한 슬라이더(454)의 끼움결합 홈(456)과 유사한 구조이며 핀(402)의 소직경부(452)에 일단(一端)측이 연결되고, 타단(他端)측이 로드(462)에 빠짐 방지 상태로 고정되어 있다. 따라서 도 1 내지 도 3의 (A)∼(D)에 나타낸 실시형태의 슬라이더(454)와 동일한 방향으로 에어 실린더(461)를 왕복 이동 가능하도록 배치함으로써, 베이스 지그(201)의 핀 구멍(203)을 관통한 핀(402)에 연결구(463)를 연결시키는 것이 가능해진다.
[0050] 이러한 구조의 것은, 에어 실린더(461)의 구동에 의해 로드(462)가 상하 방향으로 왕복 이동하므로, 로드(462)를 끌어들이는 방향으로 구동하면, 서브 지그(401)에 핀(402)의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력, 즉 하방을 향한 인장력을 작용시킬 수 있다. 이에 의해 베이스 지그(201)와 헤드(403)와의 사이에 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 클램핑할 수 있다.
[0051] 서브 클램핑 기구의 또 다른 일례를 도 5에 나타낸다. 서브 클램핑 기구 이외의 부분은, 도 1에 나타낸 레이저 용접용 지그 장치(101)와 동일하다. 본 예는, 진공 흡인 장치(471)를 이용하여 서브 지그(401)의 핀(402)을 하방으로 잡아당기도록 한 일례이다.
[0052] 본 예에서는, 베이스 지그(201)의 하면에 흡인 블록(472)을 고정하고 있다. 흡인 블록(472)은, 중앙 부분에 흡인 구멍(473)을 가지고 있다. 따라서 베이스 지그(201)의 핀 구멍(203)에 흡인 구멍(473)의 위치를 맞추어, 흡인 블록(472)이 고정되어 있다.
[0053] 흡인 구멍(473) 내의 밀폐성을 유지하기 위해, 본 예에서는 2군데에 단면(端面) 시일로 이루어진 시일(S1, S2)을 설치하고 있다. 시일(S1)이 설치되어 있는 것은, 베이스 지그(201)의 상면이다. 시일(S1)은, 핀 구멍(203)을 포위하며, 헤드(403)의 하면에 의해 완전히 덮여 있다. 시일(S2)이 설치되어 있는 것은, 베이스 지그(201)의 하면과 흡인 블록(472)의 상면과의 사이의 부분이다. 시일(S2)은, 핀 구멍(203)을 포위하고 있다.
[0054] 이에 의해 핀 구멍(203)에 핀(402)이 삽입된 상태에서는, 핀 구멍(203)과 흡인 구멍(473)의 내부 공간을 다른 공간으로부터 구획하는 것이 가능해진다. 따라서 흡인 블록(472)의 하면에 배치한 진공 흡인 장치(471)를 동작시킴으로써, 핀 구멍(203)과 흡인 구멍(473)의 내부 공간을 부압(負壓)으로 하는 것이 가능해진다.
[0055] 이러한 구조의 것은, 진공 흡인 장치(471)의 작동에 의해 핀 구멍(203)과 흡인 구멍(473)의 내부 공간이 부압이 되므로, 서브 지그(401)에 핀(402)의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력, 즉 하방을 향한 인장력을 작용시킬 수 있다. 이에 의해 베이스 지그(201)와 헤드(403)와의 사이에 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 클램핑할 수 있다.
[0056] 서브 클램핑 기구의 또 다른 일례를 도 6에 나타낸다. 서브 클램핑 기구 이외의 부분은, 도 1에 나타낸 레이저 용접용 지그 장치(101)와 동일하다. 본 예는, 마그넷(481)의 자력을 이용하여 서브 지그(401)의 핀(402)을 하방으로 잡아당기도록 한 일례이다.
[0057] 본 예에서는, 베이스 지그(201)의 하면에 흡착 블록(482)을 고정하고 있다. 흡착 블록(482)은 예컨대 원기둥 형상의 마그넷(481)을 매립하여 유지하는 블록체이며, 상면에 마그넷(481)의 일면을 노출시키고 있다. 따라서 핀 구멍(203)에 삽입된 핀(402)의 바닥면(底面)에 마그넷(481)을 흡착시킴으로써, 서브 지그(401)를 마그넷(481)의 방향으로 흡인하는 것이 가능해진다. 본 예에서는, 핀(402)의 바닥면에 마그넷(481)이 흡착된 상태에서, 베이스 지그(201)가 한 쌍의 세퍼레이터(51)에 대해 충분한 클램핑력을 발휘하도록 각부의 사이즈가 정해져 있다.
[0058] 이러한 구조의 것은, 핀 구멍(203)에 삽입된 핀(402)의 바닥면에 마그넷(481)을 흡착시키면, 서브 지그(401)에 핀(402)의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력, 즉 하방을 향한 인장력을 작용시킬 수 있다. 이에 의해 베이스 지그(201)와 헤드(403)와의 사이에 한 쌍의 세퍼레이터(51)를 클램핑할 수 있다.
[0059] 실시에 있어서는, 각종 변형이나 변경이 허용된다.
[0060] 예컨대 한 쌍의 세퍼레이터(51)는, 본 실시형태에서는 상하를 반전시킨 대상 형상을 이루는 것을 소개하였지만, 실시에 있어서는 반드시 대상 형상을 이루는 것이 아니어도 된다.
[0061] 상기 실시형태의 서브 클램핑 기구(451)는, 모두 베이스 지그(201)의 하방으로부터 서브 지그(401)의 핀(402)을 잡아당기도록 한 구조를 예시하였지만, 실시에 있어서는 이에 한정되는 것이 아니며, 서브 지그(401)의 상방으로부터 헤드(403)를 가압하는 서브 클램핑 기구(451)를 채용하도록 해도 된다.
[0062] 기타, 모든 변형이나 변경이 허용된다.
51 세퍼레이터(가공물)
52 관통 구멍
53 접합부
54 캐비티 형성부
55 캐비티
101 레이저 용접용 지그 장치
201 베이스 지그
202 재치면
202a : 평탄면
202b : 오목부
203 : 핀 구멍
301 : 메인 지그
302 대향면
302a 오목부
302b 클램핑면
303 개구
303a 경사면
303b 수직면
351 메인 클램핑 기구
352 클램퍼
353 클램핑 클로
401 서브 지그
402 핀
403 헤드
403a 경사면
403b 수직면
451 서브 클램핑 기구
452 소직경부
453 빠짐방지부
454 슬라이더
455 경사면
456 끼움결합 홈
461 에어 실린더
462 로드
463 연결구
471 진공 흡인 장치
472 흡인 블록
473 흡인 구멍
481 마그넷
482 흡착 블록
501 레이저 조사 장치
LB 레이저 광
LP 도광로
WP 레이저 용접 위치

Claims (4)

  1. 겹쳐졌을 때 위치 맞춤되는 크기 및 형상이 공통인 관통 구멍을 각각 갖는 한 쌍의 판 형상(板狀) 부재인 한 쌍의 가공물을 준비하고,
    상기 관통 구멍에 위치 맞춤되는 핀 구멍을 갖는 베이스 지그(jig)에 상기 한 쌍의 가공물을 겹쳐서 재치(載置)하고,
    상기 관통 구멍을 둘러싸는 레이저 용접 위치의 외측에서 이 레이저 용접 위치를 따라 상기 관통 구멍을 포위하는 개구를 갖는 메인 지그를 준비하고,
    상기 관통 구멍을 상기 개구로 포위한 상태에서 상기 베이스 지그에 상기 메인 지그를 꽉 눌러 대어,
    상기 한 쌍의 가공물을 서로 위치 결정하고,
    상기 메인 지그에 상기 베이스 지그를 향하는 방향으로의 변위력을 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하고,
    헤드와 핀을 가지며, 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입시킨 상태에서 서로 대면(對面)하는 상기 메인 지그의 개구와 상기 헤드와의 사이의 틈새에 위치하는 상기 레이저 용접 위치에 레이저 광을 인도하는 환형의 도광로를 형성하는 서브 지그를 준비하고,
    상기 베이스 지그에 재치된 상기 한 쌍의 가공물의 관통 구멍을 통해 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입하고,
    일방(一方)의 상기 가공물에 상기 헤드가 부딪칠 때까지 상기 베이스 지그에 재치된 상기 한 쌍의 가공물의 관통 구멍을 통해 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입시킨 상기 서브 지그에 대해, 상기 핀의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력을 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하는
    것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 가공물은, 연료전지 셀에 이용하는 한 쌍의 세퍼레이터인
    것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  3. 겹쳐지는 한 쌍의 판 형상 부재로 이루어지며, 이들 판 형상 부재가 겹쳐졌을 때 위치 맞춤되는 크기 및 형상이 공통인 관통 구멍을 각각 갖는 한 쌍의 가공물의 재치를 허용하며, 상기 관통 구멍에 위치 맞춤되는 핀 구멍을 갖는 베이스 지그와,
    상기 관통 구멍을 둘러싸는 레이저 용접 위치의 외측에서 이 레이저 용접 위치를 따라 상기 관통 구멍을 포위하는 개구를 가지며, 상기 관통 구멍을 상기 개구로 포위한 상태에서 상기 베이스 지그에 꽉 눌려지는 메인 지그와,
    상기 한 쌍의 가공물을 서로 위치 결정하는 기구와,
    상기 메인 지그에 상기 베이스 지그를 향하는 방향으로의 변위력을 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하는 메인 클램핑 기구와,
    헤드와 핀을 가지며, 상기 핀 구멍에 상기 핀을 삽입시킨 상태에서 서로 대면하는 상기 메인 지그의 개구와 상기 헤드와의 사이의 틈새에 위치하는 상기 레이저 용접 위치에 레이저 광을 인도하는 환형의 도광로를 형성하는 서브 지그와,
    상기 핀 구멍에 삽입된 상기 핀의 삽입이 깊어지는 방향으로의 변위력을 상기 서브 지그에 작용시켜 상기 한 쌍의 가공물을 클램핑하는 서브 클램핑 기구
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 지그 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 가공물은, 연료전지 셀에 이용하는 한 쌍의 세퍼레이터인
    것을 특징으로 하는 레이저 용접용 지그 장치.
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