KR100352101B1 - 복합선재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합선재 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전기저항이 작은 두 재료를 화학적 결합과 물리적인 방법으로 융착결합시켜 두 재료의 경계부에 공극이 형성되지 않도록 하여 일체형으로 연속제조하는 알루미늄 심재에 구리표피를 갖는 선재를 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 복합선재의 표면에만 구리를 입히므로 동일한 전기전도도를 유지하면서 경량화가 가능하고, 일괄공정으로 연속적으로 형성하므로 제품의 균일성을 확보하고, 또한, 제조원가를 낮추어 제품의 부가가치를 세배 이상 증가시키는 장점이 있다. 본 발명에 따른 복합선재 제조방법은 제 1 도전체로 이루어진 선재의 표면을 거칠게 만드는 단계와, 선재의 외주와 같은 폭을 갖는 제 2 도전체로 이루어진 판을 형성하는 단계와, 판의 일측 표면에 요철부를 형성하는 단계와, 요철부가 형성된 판의 표면을 거칠게 가공하는 단계와, 표면이 거칠게 가공된 판을 선재를 감싸기 적합하도록 포밍하는 단계와, 포밍된 판에 선재를 삽입압착시켜 결합체를 형성하는 단계와, 결합체에 고주파 융착을 실시하여 선재와 포밍된 판을 융착시켜 복합선재를 형성하는 단계와, 압연롤러와 다이스로 복합선재의 결합을 증가시키는 단계를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 고주파를 이용하여 복합선재를 형성하는 단계는 불활성 기체 분위기에서 실시하는 단계를 더 포함하여 이루어진다.

Description

복합선재 제조방법{Method of manufacturing an wire consisting of double-layered substances}

본 발명은 복합선재 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전기저항이 작은 두 재료를 화학적 결합과 물리적인 방법으로 융착결합시켜 두 재료의 경계부에 공극이 형성되지 않도록 하여 일체형으로 연속제조하는 알루미늄 심재에 구리표피를 갖는 선재를 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

구리와 알루미늄은 그 전기적 저항이 매우 낮고 가공성이 우수하여 전선재료로 널리 사용된다. 20℃에서 알루미늄의 비저항(specific resistance)은 2.8E(-8) Ω-m 이며 구리의 비저항은 1.79E(-8) Ω-m으로서, 구리의 저항값이 알루미늄의 저항값보다 낮다. 따라서, 알루미늄 보다 구리를 전선 재료로 이용하는 것이 경제적이다.

그러나, 구리의 원가가 알루미늄 보다 높으므로 같은 전기적 저항특성을 유지하며 제조원가가 낮은 전선을 제조하기 위하여 알루미늄 재료로 심재를 구성하고 그 표면을 구리로 감싸는 방법이 연구되고 있다. 이는 도체를 흐르는 전기적 특성상 전자의 흐름이 주로 도체의 표면을 통하여 흐르는 현상을 이용하여 알루미늄 심재에 표면을 구리로 감싸주므로서 전기의 흐름을 더욱 용이하게 할 수 있기 때문이다.

한편, 전선으로 사용되는 알루미늄과 구리와 같은 전기적 저항이 낮은 재료는 전기저항을 이용하여 상호 융착시켜 결합시키기 매우 곤란하며, 동시에, 이를 일체형으로 형성하기 위하여 압출성형의 방법으로 연속 제조하기도 곤란하다.

따라서, 알루미늄이나 구리등의 전기저항이 낮은 두 물질을 전기저항을 이용하여 서로 융착시키기 곤란하며, 또한, 전선재료로 사용하기 위해서는 두 재료 사이에 융착을 위한 매개체를 사용하지 않은 상태로 두 재료를 결합시켜야 하므로 이의 제조가 용이하지 못한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 전기저항이 작은 두 재료를 화학적 결합과 물리적인 방법으로 융착결합시켜 두 재료의 경계부에 공극이 형성되지 않도록 하여 일체형으로 연속제조하는 알루미늄 심재에 구리표피를 갖는 복합선재를 연속적으로 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합선재 제조방법은 브러쉬를 연속적으로 회전시키는 방법으로 산화막이 형성된 돌기부와 판 표면의 산화막을 제거함과 동시에 표면을 거친 상태로 변형시켜 제 1 도전체로 이루어진 선재의 표면을 거칠게 만드는 단계와, 상기 선재의 외주와 같은 폭을 갖는 판을 롤 상태로 만든 후, 판의 선재와 접촉하게 되는 부위의 표면을 가공하여 융기된 다수개의 돌기를 형성하여 상기 선재의 외주와 같은 폭을 갖는 제 2 도전체로 이루어진 판을 형성하는 단계와, 요철 롤러를 통하여 상기 판의 일측 표면에 요철부를 형성하는 단계와,상기 돌기부와 평판부로 가공된 판을 판 세척 및 표면가공용 회전브러쉬로 진입시켜 상기 요철부가 형성된 상기 판의 표면을 거칠게 가공하는 단계와, 표면이 거칠어진 상기 돌기부를 갖는 상기 판을 상기 선재를 감싸기 적합하도록 통상의 포밍롤러를 통하여 포밍하는 단계와, 포밍된 판과 가공된 심재를 포밍 롤러에 의해 압착하여 포밍된 상기 판에 상기 선재를 삽입압착시켜 결합체를 형성하는 단계와, 불활성 기체 분위기 하에서 포밍된 판과 심재로 포밍된 결합체를 통상의 고주파 융착 어셈블리에 넣어 상기 결합체에 고주파 융착을 실시하여 삽입압착된 상기 선재와 포밍된 상기 판으로 복합선재를 형성하는 단계와, 압연롤러와 다이스로 상기 복합선재의 결합을 증가시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 심재에 구리표피를 형성하는 공정 개략도

도 2는 도 1의 절단선 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 구리판의 단면도

도 3은 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 구리판의 단면도

도 4는 도 1의 절단선 Ⅲ-Ⅲ'에 따른 구리판의 단면도

도 5는 도 1의 절단선 Ⅳ-Ⅳ'에 따른 구리판의 단면도

도 6은 도 1의 절단선 Ⅴ-Ⅴ'에 따른 알루미늄 선재의 단면도

도 7은 도 1의 절단선 Ⅵ-Ⅵ'에 따른 알루미늄 선재의 단면도

도 8은 도 1의 절단선 Ⅶ-Ⅶ'에 따른 고주파 융착 전단계의 알루미늄 선재를 감싸는 구리판의 단면도

도 9는 도 1의 절단선 Ⅷ-Ⅷ'에 따른 알루미늄 선재를 감싸는 구리판의 단면도

도 10은 도 1의 절단선 Ⅸ-Ⅸ'에 따른 알루미늄 선재를 감싸는 구리판의 단면도

도 11은 도 1의 절단선 Ⅹ-Ⅹ'에 따른 최종적으로 완성된 구리표피를 갖는 알루미늄 선재의 단면도

알루미늄이나 구리 등 비저항이 낮은 물질들을 서로 전기저항용접으로 알루미늄 심재에 구리 외피를 입히는 (알루미늄+구리)의 복합 선재를 제조하는 것이 곤란하였다.

본 발명에서는 알루미늄 등의 재료로 심재를 구성하고 이러한 심재의 표면에 구리 등으로 외피를 형성함에 있어 두 재료가 만나는 접합부에 공극형성 없이 연속적으로 전선을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 먼저 알루미늄 선재의 외주와 동일한 폭을 갖는 구리판을 롤(roll) 상태로 만든 다음, 구리판의 알루미늄 선재와 접촉하게 되는 부위의 표면을 가공하여 융기된 다수개의 돌기를 형성한다. 돌기들은 알루미늄 선재와의 접촉면적을 증가시키고, 구리판의 돌기부가 알루미늄 심재 속으로 침투하여 알루미늄 심재와 구리판의 결합력을 높이는 작용을 한다.

그리고, 돌기부를 모가 작은 브러쉬를 연속적으로 회전시키는 방법으로 산화막이 형성된 돌기부와 구리판 표면의 산화막을 제거함과 동시에 표면을 거친상태로 변형시켜, 구리판과 알루미늄 심재와의 융착시 알루미늄과 구리판의 결합부위 면적을 더욱 증가시켜 구리-알루미늄의 화학결합을 촉진시키도록 한다.

그 다음, 일측이 개방된 형태로 포밍된 구리판의 돌기부가 형성된 표면에 (구리+알루미늄) 분말을 입혀 이후 융착공정을 용이하게 한다.

그리고, 표면이 거칠어진 돌기부를 갖는 구리판을 알루미늄 심재를 감싸는 형태로 포밍(forming) 시킨다.

한편, 상기한 바와 같이 가공된 구리판으로 감싸질 알루미늄 심재에 대한 가공과정은 다음과 같다.

원형 또는 사각형 등의 소정의 단면 모양을 갖는 알루미늄 선재의 표면을 모가 작은 브러쉬로 연속적으로 솔질하여 알루미늄 선재 표면에 형성된 알루미나(alumina)등의 산화알루미늄(Al₂O₃)을 제거함과 동시에, 구리판의 표면을 거칠게 만든 이유와 마찬가지로, 구리판과의 융착을 용이하게 한다.

그리고, 돌기부를 가지며 포밍된 구리판 속으로 삽입시키게 된다.

상호 결합 면적이 극대화된 포밍된 구리판과 가공된 알루미늄 심재를 포밍롤러로 결합시킨다. 즉, 알루미늄 심재를 포밍된 구리판 속으로 삽입시킨다.

그 다음, 포밍된 구리판과 알루미늄 심재로 포밍된 결합체를 고주파 융착 어셈블리에 넣어 고주파로 구리판과 알루미늄 심재를 융착시킨다. 이때, 알루미늄 심재의 표면과 포밍된 구리판과의 융착 효율을 높이고 이들 표면에 산화막 형성을 방지하기 위하여 불활성 기체를 융착 어셈블리에 분사하며, 고주파 융착 어셈블리에는 고주파 융착시 발생하는 열을 방출시키기 위한 냉각시스템과 전자파 차폐막이 구비되어 있다.

고주파 융착 어셈블리를 통과한 구리-알루미늄 결합체는 완전히 결합된다. 이때, 결합은 돌기부가 심재에 박힌 물리적 결합과 고주파 에너지에 의한 화학적 결합으로 이루어지며, 따라서, 구리판과 알루미늄 심재 사이에는 공극 발생이 최대한 억제된 알루미늄 심재와 구리 외피로 이루어진 이중층 구조의 복합선재가 완성된다.

이와 같은 이중층 전선의 결합 부위를 더욱 확고하게 하기 위하여 압연공정으로 알루미늄과 구리를 물리적으로 더욱 단단히 결합시키고, 다이스를 통과하는 신선과정을 복합선재에 실시하여 구리 표피의 조직을 더욱 조밀하게 하여 정밀한 모양으로 성형하므로서 알루미늄 심재에 구리 외피가 입혀진 복합선재가 제조된다. 이때, 알루미늄과 구리로 이루어진 복합선재의 단면 모양은 원형 또는 사각형 등으로 포밍과정에서 선택적으로 결정한다.

이하 첨부한 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 심재에 구리표피를 형성하는 공정 개략도이고, 도 2는 도 1의 절단선 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 구리판의 단면도, 도 3은 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 구리판의 단면도, 도 4는 도 1의 절단선 Ⅲ-Ⅲ'에 따른 구리판의 단면도, 도 5는 도 1의 절단선 Ⅳ-Ⅳ'에 따른 구리판의 단면도, 도 6은 도 1의 절단선 Ⅴ-Ⅴ'에 따른 알루미늄 선재의 단면도, 도 7은 도 1의 절단선 Ⅵ-Ⅵ'에 따른 알루미늄 선재의 단면도, 도 8은 도 1의 절단선 Ⅶ-Ⅶ'에 따른 고주파 융착 전단계의 알루미늄 선재를 감싸는 구리판의 단면도, 도 9는 도 1의 절단선 Ⅷ-Ⅷ'에 따른 알루미늄 선재를 감싸는 구리판의 단면도, 도 10은 도 1의 절단선 Ⅸ-Ⅸ'에 따른 알루미늄 선재를 감싸는 구리판의 단면도, 도 11은 도 1의 절단선 Ⅹ-Ⅹ'에 따른 최종적으로 완성된 구리표피를 갖는 알루미늄 선재의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 구리판 롤(10), 구리판 요철 롤러(11), 구리판세척 및 표면가공용 회전브러쉬(12), (구리+알루미늄) 분말살포기(13), 제 1 포밍 롤러(14), 알루미늄심재 롤(20), 알루미늄세척 및 표면가공용 회전브러쉬(21), 구리판과 알루미늄 심재를 포밍하는 제 2 포밍 롤러(30), 고주파융착 어셈블리(31,32,33), 압연롤러(34), 다이스(35), 완성된 복합선재 롤(36)로 이루어진 장치를 사용하여 연속적인 공정으로 알루미늄 심재를 구리판으로 감싼 복합선재를 제조하는 장치가 도시되어 있다.

이하, 도 1에 따른 복합선재 제조공정과 각 단계에서 구리판, 알루미늄 심재, 또는이들의 결합체에 대한 단면 모습을 도시한 도 2 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1과 도 2를 참조하면, 원형 또는 사각형 등의 소정 단면패턴을 갖는 알루미늄 심재(200)의 외주와 동일한 길이의 폭을 갖도록 가공된 소정 두께의 구리판(100)이 말린 상태로 있는 구리판 롤(10)을 회전시켜 구리판(100)을 펼친다.

도 1과 도 3을 참조하면, 펼쳐진 구리판을 구리판 요철 롤러(11)로 진입시킨다. 구리판 요철 롤러(11)에는 요철부가 형성되어 있어 구리판 롤러(11)를 통과한 구리판의 한 쪽 표면은 요철부와 반대되는 타입의 요철부가 형성되어 돌기부(102)와 두게가 얇아진 평판부(101)로 구별된다. 이때, 돌기부는 알루미늄 선재와의 접촉면적을 증가시키고, 구리판의 돌기부가 알루미늄 심재 속으로 침투하여 알루미늄 심재와 구리판의 결합력을 높이는 작용을 한다.

도 1과 도 4를 참조하면, 돌기부(102)와 평판부(101)로 가공된 구리판을 구리판세척 및 표면가공용 회전브러쉬(12)로 진입시켜 구리판의 돌기부(102)와 평판부(101) 표면을 거칠게 만든다. 따라서, 자연산화막이 형성된 돌기부와 구리판 표면의 산화막이 제거됨과 동시에 표면이 거친 상태로 변형되어, 구리판과 알루미늄 심재와의 융착시 알루미늄과 구리판의 결합부위 면적을 더욱 증가시켜 구리-알루미늄의 화학결합이 촉진된다.

그리고, 브러쉬(12)에 의하여 표면이 거칠어진 구리판을 분말살포기(13)에 넣어 구리판의 돌기부(102)와 평판부(101) 표면에 알루미늄과 구리가 혼합된 분말(103)을 살포하여 입힌다. 분말(103)들은 이후 고주파 융착시 알루미늄 심재와 구리판의 결합을 더욱 용이하게하고 공극발생을 억제하는 역할을 한다.

도 1과 도 5를 참조하면, 분말(103)이 도포된 구리판(101,102)을 제 1 포밍 롤러(14)를 통과시켜 알루미늄 심재를 용이하게 감싸는 형태로 가공한다. 즉, 알루미늄 심재가 원형의 선재이면 원형과 유사한 형태로 포밍하고, 사각형의 선재이면 사각형으로 포밍한다. 이는 알루미늄 심재와 구리판의 결합을 용이하게 하기 위해서이다.

이후, 제 2 포밍 롤러(30)로 보내져서 가공된 알루미늄 심재와 물리적으로 결합된다.

도 1과 도 6을 참조하면, 이때 도 6은 도 1의 절단선 Ⅴ-Ⅴ'에 따른 알루미늄 선재의 단면도로서, 원형 또는 사각형 등의 소정 단면패턴을 갖는 알루미늄 심재(200)가 감겨있는 상태로 있는 알루미늄 심재 롤(20)을 회전시켜 알루미늄 심재(200)를 펼친다. 이때, 알루미늄 심재(200)의 표면은 매끄럽게 가공되어 있다.

도 1과 도 7을 참조하면, 롤(20)에서 풀려나온 알루미늄 심재를 알루미늄세척 및 표면가공용 회전브러쉬(21)를 통과시켜 표면이 거칠고 알루미나 등의 자연산화막이 제거되도록 알루미늄 심재(201)를 가공한다. 즉, 원형 또는 사각형 등의 소정의 단면 모양을 갖는 알루미늄 선재의 표면을 모가 작은 브러쉬로 연속적으로 솔질하여 알루미늄 선재 표면에 형성된 알루미나(alumina) 등의 산화알루미늄(Al₂O₃)을 제거함과 동시에, 구리판의 표면을 거칠게 만든 이유와 마찬가지로, 구리판과의 융착을 용이하게 한다.

표면이 가공된 알루미늄 심재(201)는 이후 제 2 포밍 롤러(30)로 보내져서 포밍된구리판과 물리적으로 결합된다.

도 1과 도 8을 참조하면, 도 8은 도 1의 절단선 Ⅶ-Ⅶ'에 따른 알루미늄 심재를 감싸는 구리판의 단면도로서, 제 2 포밍 롤러(30)로 보내져 이를 통과한 알루미늄 심재(201)와 돌기부(102)와 평판부(101)로 이루어진 구리판은 구리판이 알루미늄 심재(201)를 완전히 감싸는 구조의 결합선재(300)를 형성한다. 이때, 구리판의 폭이 알루미늄 심재의 외주와 동일한 길이를 가지므로 알루미늄 심재(201)를 감싸는 구리판의 평판부(101)의 양 끝이 서로 만나며, 또한, 상호 결합 면적이 극대화된 포밍된 구리판과 가공된 알루미늄 심재를 포밍롤러에 의하여 압착되므로 구리판의 돌출부(102)가 알루미늄 심재(201) 속으로 파고들어 양 재료의 결합력을 증대시킨다. 따라서, 포밍된 구리판에 알루미늄 심재(201)가 삽입된 형태의 결합선재(300)가 형성된다.

도 1과 도 9를 참조하면, 결합선재(300)를 고주파융착 어셈블리(31,32,33)에 넣어 알루미늄과 구리를 융착시킨다. 고주파융착 어셈블리는 융착시 발생하는 열을 식히기 위한 냉각시스템(31), 고주파 발생장치(32), 전자파 차폐막(310), 불활성기체분사부(33) 등으로 구성되어 있다. 이때, 알루미늄 심재의 표면과 포밍된 구리판과의 융착 효율을 높이고 이들 표면에 산화막 형성을 방지하기 위하여 불활성기체분사부(33)에서는 Ar, He 등의 불활성 기체를 고주파융착 어셈블리내로 분사하며, 전자파 차폐막(310)은 인체에 유해한 전자파를 차단한다.

따라서, 고주파 융착 어셈블리를 통과한 구리-알루미늄 결합체는 완전히 결합된다. 이때, 결합은 돌기부가 심재에 박힌 물리적 결합과 고주파 에너지에 의한 화학적결합으로 이루어지며, 따라서, 구리판과 알루미늄 심재 사이에는 공극 발생이 최대한 억제된 알루미늄 심재와 구리 외피로 이루어진 이중층 구조의 복합선재(301)가 완성된다.

도 1과 도 10을 참조하면, 복합선재를 압연 롤러(34)를 통과시켜 고주파 융착된 알루미늄과 구리의 조직을 더욱 치밀하게 만든다.

그리고, 알루미늄 심재와 구리판의 계면 조직이 치밀해진 복합선재(302)를 다이스로 보낸다.

도 1과 도 11을 참조하면, 다이스(35)를 통과한 복합선재(303)는 신선과정을 거치게 되어 구리판(102) 표피의 조직을 더욱 조밀하게 하여 정밀한 모양으로 성형하므로서 알루미늄 심재에 구리 외피가 입혀진 복합선재가 완성된다. 이때, 알루미늄과 구리로 이루어진 복합선재의 단면 모양은 원형 또는 사각형 등으로 포밍과정에서 선택적으로 결정한다.

그리고, 복합선재를 완성된 복합선재 롤(36)에 감는다.

본 발명에 따른 실시예에서는 알루미늄과 구리로 복합선재를 제조하였으나 본 발명의 기술적 사상은 다른 도전체들을 사용하여 복합선재를 제조하는 방법에도 적용될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 구리와 알루미늄으로 이루어진 복합선재는 전선으로 이용될 경우 복합선재의 표면에만 구리를 입히므로 동일한 전기전도도를 유지하면서 경량화가 가능하고, 일괄공정으로 연속적으로 형성하므로 제품의 균일성을 확보하고, 또한, 제조원가를 낮추어 제품의 부가가치를 세배 이상 증가시키는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 브러쉬를 연속적으로 회전시키는 방법으로 산화막이 형성된 돌기부와 판 표면의 산화막을 제거함과 동시에 표면을 거친 상태로 변형시켜 제 1 도전체로 이루어진 선재의 표면을 거칠게 만드는 단계와,

   상기 선재의 외주와 같은 폭을 갖는 판을 롤 상태로 만든 후, 판의 선재와 접촉하게 되는 부위의 표면을 가공하여 융기된 다수개의 돌기를 형성하여 상기 선재의 외주와 같은 폭을 갖는 제 2 도전체로 이루어진 판을 형성하는 단계와,

   요철 롤러를 통하여 상기 판의 일측 표면에 요철부를 형성하는 단계와,

   상기 돌기부와 평판부로 가공된 판을 판 세척 및 표면가공용 회전브러쉬로 진입시켜 상기 요철부가 형성된 상기 판의 표면을 거칠게 가공하는 단계와,

   표면이 거칠어진 상기 돌기부를 갖는 상기 판을 상기 선재를 감싸기 적합하도록 통상의 포밍롤러를 통하여 포밍하는 단계와,

   포밍된 판과 가공된 심재를 포밍 롤러에 의해 압착하여 포밍된 상기 판에 상기 선재를 삽입압착시켜 결합체를 형성하는 단계와,

   불활성 기체 분위기 하에서 포밍된 판과 심재로 포밍된 결합체를 통상의 고주파 융착 어셈블리에 넣어 상기 결합체에 고주파 융착을 실시하여 삽입압착된 상기 선재와 포밍된 상기 판으로 복합선재를 형성하는 단계와,

   압연롤러와 다이스로 상기 복합선재의 결합을 증가시키는 단계로 이루어진 복합선재 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1 도전체는 알루미늄으로 형성하고 상기 제 2 도전체는 구리로 형성하는 것이 특징인 복합선재 제조방법.
3. 청구항 1 에 있어서,

   상기 요철부가 형성된 상기 판의 표면을 거칠게 가공하는 단계는,

   상기 판의 표면에 상기 제 1 도전체와 상기 제 2 도전체의 분말을 살포하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것이 특징인 복합선재 제조방법.
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