KR101555628B1 - 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 적어도 두 개의 금속 판재를 용접하여 형성되는 대면적의 구조체로서, 적어도 일측 가장자리에서 연장되어 돌출 형성되는 볼록부가 구비되는 제1금속 판재와, 상기 제1금속 판재의 일측에 구비되며 일측에 상기 볼록부가 삽입되어 맞물려지는 오목부가 구비되는 제2금속 판재를 포함하고, 상기 제1금속 판재와 상기 제2금속 판재 사이에 형성되는 접합선이 상기 제2금속 판재와 마주보는 상기 제1금속 판재의 일측면 직선 길이보다 긴 것을 특징으로 하고, 금속판재를 마찰교반용접으로 접합시킨 후 접합선의 물리적인 특성이 접합 전 금속판재 자체의 물리적인 특성 간의 차이를 저감시킬 수 있다

Description

구조체 및 그 제조방법{Structure and manufacturing method thereof}

본 발명은 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대면적의 금속 판재를 제작할 수 있는 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 디스플레이 패널의 유리기판 상에 박막을 형성하는 경우, 막 형성(成膜) 속도가 빠른 등의 이점으로, 마그네트론 스퍼터링 장치가 이용되고 있다. 마그네트론 스퍼터링 장치에서는, 타켓의 후방에 교대로 극성을 바꾸어 복수의 자석으로 구성되는 조립체로 이루어진 자기회로를 설치하고, 이 자기회로에 의해서 타켓의 전방에 자속을 형성하여 전자를 포착하는 것으로 타켓 전방에서의 전자 밀도를 높이고, 이들 전자와 진공 챔버 내에 공급되는 가스와의 충돌확률을 높여 플라즈마 밀도를 높게 하여 스퍼터링한다.

이와 같은 마그네트론 스퍼터링 장치에 사용되는 진공 챔버는 내부에 형성되는 진공에 견딜 수 있도록 견고하게 제조되어야 하는 것이 일반적이다.

한편, 디스플레이 패널이 대형화됨에 따라 이를 처리하기 위한 진공 챔버도 대형화되고 있다. 그런데 시중에 판매되고 있는 금속판재(예컨대 알루미늄 판재)의 크기가 제한되어 있어, 대형 진공 챔버를 제작하기 위해서는 여러 장의 금속판재를 상호 접합한 대면적 금속판재를 사용하고 있다. 금속판재는 아크 용접, 미그 용접(Metal Inert Gas arc welding, MIG), 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW) 등의 방법으로 접합시킬 수 있는데, 이때 마찰교반용접은 모재 대비 75% 이상의 강도를 나타낼 수 있어 다른 용접에 비해 효과적이다.

마찰교반용접은 접합하고자하는 두 장의 금속판재를 맞대어 놓고 고속으로 회전하는 회전 툴을 금속판재의 접합부에 삽입한 후 접합선을 따라 이동시키면서 진행된다. 이때, 금속판재와 회전 툴 사이에 강한 회전으로 인한 마찰열이 발생하게 되고, 이 열로 인하여 금속판재의 소성유동을 유발하게 되어 두 장의 금속판재를 용접시킬 수 있다. 그런데 마찰교반용접 시 회전 툴의 강한 회전으로 인해 두 장의 금속판재 사이가 멀어지기 때문에 지그를 이용하여 용접 대상인 금속판재를 지지한 상태로 마찰교반용접을 진행한다. 따라서 마찰교반용접을 위한 설비가 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 마찰교반용접 후 제조된 대면적 금속판재의 연신율 등과 같은 물리적인 특성이 금속판재 자체의 물리적 특성에 비해 현저하게 저하되는 문제점도 있다.

KR10-643254B KR10-2003-20226A

본 발명은 금속판재를 안정적으로 접합시킬 수 있는 구조체 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명은 접합선에서 발생할 수 있는 금속판재 자체의 물리적 특성 저하를 억제할 수 있는 구조체 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 구조체는, 적어도 두 개의 금속 판재를 용접하여 형성되는 대면적의 구조체로서, 적어도 일측 가장자리에서 연장되어 돌출 형성되는 볼록부가 구비되는 제1금속 판재와, 상기 제1금속 판재의 일측에 구비되며 일측에 상기 볼록부가 삽입되어 맞물려지는 오목부가 구비되는 제2금속 판재를 포함하고, 상기 제1금속 판재와 상기 제2금속 판재 사이에 형성되는 접합선이 상기 제2금속 판재와 마주보는 상기 제1금속 판재의 일측면 직선 길이보다 긴 것을 특징으로 한다.

상기 볼록부는 상기 제1금속 판재의 일측 가장자리에 연결되는 연결부와, 상기 연결부로부터 연장되는 돌출부를 포함하고, 상기 연결부의 폭이 상기 연결부로부터 연장되는 돌출부의 폭보다 작을 수 있다.

상기 제1금속 판재의 폭은 상기 제1금속 판재의 타측 가장자리에서 상기 볼록부의 단부까지의 길이이고, 상기 볼록부의 길이는 상기 제1금속 판재의 폭에 대해서 5 내지 15% 범위로 형성될 수 있다.

상기 돌출부의 폭은 제1금속 판재 두께의 3 내지 5배의 크기로 형성될 수 있다.

상기 연결부의 폭은 상기 돌출부의 폭에 대하여 50 내지 90%의 크기로 형성될 수 있다.

상기 제1금속 판재의 길이는 상기 제1금속 판재의 상부 가장자리에서 하부 가장자리까지의 길이이고, 상기 볼록부는 적어도 하나가 상기 제1금속 판재의 길이에 대해서 20 내지 40% 범위를 차지할 수 있다.

상기 접합선에 형성되는 코너는 곡선을 포함할 수 있다.

상기 접합선은 용접 전 상기 제1금속 판재 또는 제2금속 판재의 연신율에 대하여 90% 이상의 연신율을 가질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 구조체 제조방법은, 일측 가장자리에 돌출형성되는 볼록부가 구비되는 제1금속 판재와, 일측 가장자리에 상기 볼록부가 삽입되는 오목부가 구비되는 제2금속 판재를 마련하는 과정과; 상기 제1금속 판재를 작업대 상부에 안착시키는 과정과; 상기 제2금속 판재를 상부에서 하부방향으로 이동시켜 상기 볼록부와 상기 오목부를 결합시키면서 상기 작업대 상부에 안착시키는 과정; 및 상기 제1금속 판재와 제2금속 판재의 접합선에 회전 툴을 삽입한 후 상기 회전 툴을 회전시키면서 상기 접합선을 따라 이동시켜 상기 제1금속 판재와 제2금속 판재를 용접하여 접합시키는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 접합선은 상기 제2금속 판재와 마주보는 상기 제1금속 판재의 일측면 직선 길이보다 길게 형성할 수 있다.

상기 제1금속 판재를 마련하는 과정에서, 상기 볼록부는 상기 제1금속 판재의 일측 가장자리에 연결되는 연결부의 폭을 상기 연결부에 연결되어 돌출 형성되는 돌출부의 폭보다 짧은 길이로 형성할 수 있다.

상기 오목부는 상기 볼록부의 형상에 대응하는 형상으로 형성되어, 상기 볼록부가 상기 오목부에 삽입되면 상기 볼록부와 상기 오목부가 서로 맞물려져 상기 제1금속 판재와 제2금속 판재가 1차적으로 고정될 수 있다.

상기 용접은 마찰교반용접일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 구조체 및 그 제조방법은, 금속판재를 마찰교반용접으로 접합시킨 후 접합선의 물리적인 특성이 접합 전 금속판재 자체의 물리적인 특성 간의 차이를 저감시킬 수 있다. 즉, 금속판재를 서로 접합시키는 경우, 금속판재의 접합선에서 연신율 등과 같은 물리적인 특성이 저하되는데, 접합선에 볼록부와 오목부를 형성하여 볼록부와 오목부가 서로 맞물려지도록 결합시킨 후 접합하게 되면 금속판재가 용융되어 접합되는 힘에 더하여, 볼록부와 오목부가 서로 결합되는 힘이 부가되어 접합선에서 물리적인 특성이 저하되는 현상을 억제할 수 있는 동시에, 금속판재를 더욱 강력하게 접합시킬 수 있다.

또한, 볼록부와 오목부을 결합시킨 후 마찰교반용접을 실시하면 금속판재를 지지하기 위한 별도의 지그를 구비할 필요가 없으므로, 금속판재의 접합을 용이하게 할 수 있고, 마찰교반용접 장치의 구조를 간단하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 구조체를 제조하기 위한 한 쌍의 금속판재의 사시도.
도 2는 마찰교반용접으로 제조된 구조체의 사시도.
도 3은 금속판재에 형성되는 볼록부의 다양한 예를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 구조체를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 구조체의 접합 특성을 실험하기 위해 제조된 시편의 형태를 보여주는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명에 따른 구조체는 적어도 한 쌍의 금속부재를 용접하여 제조될 수 있다. 하나의 금속부재, 예컨대 제1금속부재에는 적어도 일측에 제1금속부재의 가장자리로부터 연장되어 돌출 형성되는 볼록부가 형성될 수 있고, 다른 하나의 금속부재, 예컨대 제2금속부재에는 제1금속부재와 접합되는 면에 볼록부가 삽입되는 오목부가 형성될 수 있다. 이때, 볼록부는 오목부에 삽입되어 제1금속부재와 제2금속부재를 1차적으로 결합시키며, 이후 용접에 의해 제1금속부재와 제2금속부재를 2차적으로 결합시켜 하나의 구조체를 형성할 수 있다. 여기에서는 제1금속부재와 제2금속부재가 알루미늄으로 형성되는 판재이고, 제1금속부재와 제2금속부재를 마찰교반용접으로 접합하여 구조체를 제조하고, 제조된 구조체는 스퍼터링 챔버를 제조하는데 사용되는 것으로 설명하지만, 다양한 종류와 형상의 금속을 다양한 방법으로 용접하여 하나의 구조체를 형성하여 다양한 분야에 적용할 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 구조체를 제조하기 위한 한 쌍의 금속판재의 사시도이고, 도 2는 마찰교반용접으로 제조된 구조체의 사시도이고, 도 3은 금속판재에 형성되는 볼록부의 다양한 예를 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 구조체(100)는 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 마찰교반용접으로 접합하여 제조될 수 있다.

제1금속 판재(110)는 알루미늄으로 형성된 판재일 수 있으며, 사각형, 원형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으나, 본 실시 예에서는 폭이 A이고, 길이가 B이며, 두께가 t인 사각형 형태로 형성된 예에 대해서 설명한다.

제1금속 판재(110)는 제2금속 판재(120)와 접합되는 일측에 제1금속 판재(110)의 일측 가장자리로부터 돌출 형성되는 볼록부(112)가 형성될 수 있다. 볼록부(112)는 제1금속 판재(110)의 일측 가장자리에서 연장형성되며, 이에 제1금속 판재(110)의 일부를 구성하게 된다. 따라서 제1금속 판재(110)의 폭 A는 제1금속 판재(110)의 타측 가장자리로부터 볼록부(112)의 끝단까지의 길이를 의미할 수 있다.

볼록부(112)는 제1금속 판재(110)와 연결되는 일측, 예컨대 연결부(112a)의 폭이 후술하는 오목부(122)에 삽입되는 타측, 예컨대 돌출부(112b)의 폭보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 이는 볼록부(112)를 오목부(122)에 삽입하는 경우, 볼록부(112)가 오목부(122) 내에 구속되도록 하기 위함이다. 따라서 볼록부(112)를 오목부(122)에 삽입하면, 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)가 1차적으로 결합되어 고정될 수 있다.

볼록부(112)는 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 마찰교반용접으로 접합하여 제조되는 구조체(100)의 물리적인 특성에 많은 영향을 줄 수 있다. 볼록부(112)는 제1금속 판재(110)의 일측 가장자리에 연결되는 연결부(112a)와 제1금속 판재(110)의 일측 가장자리로부터 연장되어 돌출형성되는 돌출부(112b)를 포함한다. 이때, 연결부(112a)의 폭(제1금속 판재(110)의 길이방향과 동일한 방향)은 돌출부(112b)의 폭보다 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 볼록부(112)의 길이(C)는 제1금속 판재(110)의 전체 폭(A)에 대해서 5 내지 15% 정도를 차지하도록 하고, 볼록부(112)에서 돌출부(112b)의 폭(E)은 제1금속 판재(110)의 두께(t)의 3 내지 5배 정도의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 볼록부(112)에서 연결부(112a)의 폭(F)은 돌출부(112b)의 폭(E)보다 작으며 바람직하게는 돌출부(112b)의 폭(E)의 50 내지 90%를 차지하도록 형성될 수 있다. 또한, 제1금속 판재(110)의 길이(제1금속 판재(110)의 상부 가장자리에서 하부 가장자리까지의 길이)방향으로 복수의 볼록부(112)가 형성될 수 있는데 이때 복수의 볼록부(112)가 차지하는 길이는 제1금속 판재(110)의 길이(B)에 대해서 20 내지 40% 정도를 차지할 수 있다. 여기에서 볼록부(112)의 길이(C)가 제시된 범위보다 짧은 경우에는 볼록부(112)와 오목부(122)의 결합에 의한 접합 특성 향상이 미미하고, 볼록부(112)의 길이(C)가 제시된 범위보다 큰 경우에는 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120) 간의 접합 특성이 향상되기는 하겠지만, 볼록부(112) 및 오목부(122)를 형성하면서 제거되는 모재의 양이 증가하여 대면적 구조체(100)를 제조하려는 목표를 저해하는 문제점이 있다. 또한, 연결부(112a)의 폭(F)과 돌출부(112b)의 폭(E)이 제시된 범위보다 작은 경우에는 상대적으로 두꺼운 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 효과적으로 지지하기 어려운 문제점이 있고, 제시된 범위보다 큰 경우에는 볼록부(112)의 크기가 증가하고 볼록부(112)의 개수가 상대적으로 감소하여 볼록부(112)를 형성하는 의미가 감소하게 된다. 볼록부(112)의 개수 감소는 구조체(100)의 부분적인 접합 특성 제어를 어렵게 할 수도 있다. 예컨대 구조체(100)의 접합선(130) 중 외부 압력에 비교적 약한 중심부(접합부의 길이 방향에 대해서 중심부)에 다른 영역에 비해 볼록부(112)의 형성 간격을 좁게 하여 볼록부(112)의 개수를 증가시킴으로써 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120) 간의 접합 특성을 향상시킬 수 있다.

전술한 바와 같이 연결부(112a)의 폭이 돌출부(112b)의 폭보다 작다면 볼록부(112)의 형상은 어떠한 형태로 형성되더라도 무방하다. 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 절두 삼각형의 형태로 형성될 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 사각형, 원형 또는 삼각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

다만, 볼록부(112)는 제1금속부재와 연결되는 부위나 연결부(112a)와 돌출부(112b)가 연결되는 부위 등에 형성되는 코너에서 직선 구간을 배제하여, 즉 코너에 곡선 구간을 형성함으로써 마찰교반용접 시 회전 툴(200)이 코너를 지나갈 때 코너에 마찰열이 집중되는 현상을 억제할 수 있다. 따라서 마찰열 집중에 의한 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)에서 연신율 등과 같은 물리적인 특성이 저하되는 현상을 억제할 수 있다.

제2금속 판재(120)는 제1금속 판재(110)와 접합되어 최종적으로 제조되는 구조체(100)의 일부를 형성하며, 제1금속 판재(110)와 동일한 크기로 형성되거나, 제1금속 판재(110)보다 크거나 작은 크기로 형성될 수 있다. 이때, 제2금속 판재(120)는 제1금속 판재(110)의 길이와 동일한 크기의 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 서로 접합하기 위한 것으로 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 길이를 일치시켜 접합선(130)을 형성하기 위함이다.

제2금속 판재(120)의 일측, 즉 제1금속 판재(110)에 인접한 가장자리에는 볼록부(112)가 형성되는 위치에 대응하는 영역에 오목부(122)가 형성될 수 있다. 오목부(122)는 제1금속 판재(110)에 형성되는 볼록부(112)와 대응하는 형상으로 형성될 수 있으며, 그 크기는 볼록부(112)의 크기와 동일하거나 볼록부(112)의 크기보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 오목부(122)의 크기가 볼록부(112)의 크기와 동일한 경우 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 1차적으로 결합시킬 때 볼록부(112)가 오목부(122)에 삽입되도록 제1금속 판재(110) 또는 제2금속 판재(120)에 압력을 가하여 한다. 한편, 오목부(122)의 크기가 볼록부(112)의 크기보다 작은 크기로 형성되는 경우에는 볼록부(112)와 오목부(122) 간의 결합이 용이한 이점이 있다. 그러나 오목부(122)의 크기가 볼록부(112)의 크기보다 지나치게 작은 경우에는 볼록부(112)의 가장자리와 오목부(122)의 가장자리 사이에 많은 공간이 형성되어 후속 마찰교반용접 후 접합 강도가 약해질 수 있는 문제점이 있으므로, 볼록부(112)가 용이하게 삽입될 수 있을 정도의 크기로 형성되는 것이 좋다.

이와 같은 구성을 통해 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 마찰교반용접으로 접합시키기 전 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 1차적으로 결합시킬 수 있다. 이에 따라 마찰교반용접 시 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)을 유지하기 위한 지그의 구성을 배제할 수 있고, 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)이 서로 벌어지거나 어긋나는 현상 없이 마찰교반용접을 실시할 수 있다. 또한, 제1금속 판재(110) 또는 제2금속 판재(120)의 길이보다 접합선(130)의 길이를 증가시켜 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120) 간의 접합 효율을 향상시킬 수 있다. 여기에서 제1금속 판재(110)의 길이는 제2금속 판재와 마주보는 제1금속 판재(110)의 일측면 직선 길이를 의미하며, 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 결합에 의해 형성되는 접합선(130)의 길이는 제1금속 판재(110)의 길이보다 길게 형성된다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 구조체의 제조방법에 대해서 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 구조체를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 도면이다.

먼저, 폭이 A이고, 길이가 B인 제1금속 판재(110)와, 길이가 B인 제2금속 판재(120)를 마련한다. 이때, 제2금속 판재(120)의 폭은 제조하고자 하는 구조체(100)의 길이에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 여기에서는 2장의 판재, 즉 제1금속 판재(110)의 일측에 제2금속 판재(120)를 접합하는 방법에 대해서 설명하지만, 제1금속 판재(110)의 타측이나 제2금속 판재(120)의 타측에 또 다른 금속판재를 접합할 수도 있다.

제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)가 마련되면, 제1금속 판재(110)의 일측 가장자리, 즉 제2금속 판재(120)와 접합되는 쪽 가장자리에 볼록부(112)를 형성하고, 제2금속 판재(120)의 일측 가장자리, 즉, 제1금속 판재(110)와 접합되는 쪽 가장자리에 볼록부(112)가 삽입되는 오목부(122)를 형성한다.

구조체(100)를 제조하기 위한 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 가공이 완료되면, 마찰교반용접을 위한 작업대 상부에 제1금속 판재(110)를 안착시킨다. 이때, 제2금속 판재(120)를 작업대 상에 먼저 안착시킬 수도 있다.

이후, 제1금속 판재(110)의 일측 작업대에 제2금속 판재(120)를 안착시킨다. 이때, 제2금속 판재(120)는 상하방향, 즉 상부에서 하부방향으로 이동시켜 제1금속 판재(110)의 일측 가장자리에 형성되는 볼록부(112)가 제2금속 판재(120)의 일측 가장자리에 형성되는 오목부(122)에 삽입되도록 한다. 이에 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)가 볼록부(112)와 오목부(122)의 결합을 통해 1차적으로 결합될 수 있다.

다음, 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 마찰교반용접으로 접합시키기 위한 회전 툴(200)을 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)에 삽입시킨다. 이때, 회전 툴(200)은 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)보다 경도가 높은 재질로 형성되며, 상하방향은 물론, 수평방향으로의 이동이 가능하다. 회전 툴(200)은 회전하면서 하강하여 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)으로 삽입된다.

이후 회전하면서 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)을 따라 이동하여 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)을 마찰교반용접하여 구조체(100)를 제조한다. 이때, 회전 툴(200)이 접합선(130)으로 삽입될 때의 회전 속도와 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)을 용접시킬 때의 회전 속도는 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 즉, 회전 툴(200)의 회전 속도는 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 종류 및 두께에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 다만, 회전 툴(200)을 접합선(130)에 삽입할 때 회전 속도가 지나치게 느리면 접합선(130)으로 회전 툴(200)의 삽입이 원활하지 않을 수 있고, 회전 속도가 지나치게 빠르면 발열량이 너무 높아 회전 툴(200)이 용융되어 손상될 수 있다. 또한, 마찰교반용접 시 회전 툴(200)의 회전 속도가 지나치게 느리면 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 접합선(130)의 용접이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 회전 툴(200)의 회전 속도가 지나치게 빠르면 발열량이 너무 높아 접합선(130)이 변형될 수 있으며, 회전 툴(200)이 손상될 수 있는 문제점이 있다. 또한, 접합선(130)을 따라 회전 툴(200)을 이동시킬 때 회전 툴(200)의 이동 속도가 지나치게 느리면 과열현상으로 인해 접합선(130)이 변형될 수 있고 심한 경우 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)가 용융되어 작업대에 융착될 수도 있다. 그리고 회전 툴(200)의 이동 속도가 지나치게 빠르면 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 용접하기 위한 열량이 부족하여 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)의 간의 접합이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 구조체의 접합 특성을 살펴본다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 구조체의 접합 특성을 실험하기 위해 제조된 시편의 형태를 보여주는 도면이다.

구조체의 접합선, 즉 제1금속부재와 제2금속부재가 용접된 면의 물리적 특성을 살펴보기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.

모재가 되는 알루미늄 판재를 절단하고, 그 절단면을 마찰교반 접합한 후 일정 크기로 가공하여 3개의 시편을 제작하였다. 이때, 알루미늄 판재는 일부에 서로 맞물려지는 오목부와 볼록부 형상의 절단면이 형성되도록 절단하고, 또 일부에는 일자형 절단면이 형성되도록 절단한다. 3개의 시편 중 하나는 마찰교반 접합에 의한 접합선이 형성되지 않는 상태(시편1, 도 5의 (a))이고, 그 중 하나는 시편의 중심부에 일자형 접합선(130a)이 형성되는 상태(시편2, 도 5의 (b)), 나머지 하나는 볼록부와 오목부가 맞물려진 접합선(130b)이 형성되는 상태(시편3, 도 5의 (c))로 제작하였다.

다음, 시편 각각의 항복강도, 인장강도 및 연신율을 측정하였다. 이때 시험 기준은 KS B0802:2003을 적용하였다.

	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)
시편1(기준)	277	320	14
시편2	150(약 54%)	227(약 70%)	13(약 93%)
시편3	165(약 59%)	234(약 73%)	7(50%)

상기 표1에는 시편1 내지 3의 항복강도, 인장강도 및 연신율의 측정치가 기재되어 있다. 표1을 살펴보면, 시편1, 즉 마찰교반용접을 실시하지 않은 모재 자체의 항복 강도는 277MPa, 인장강도는 320MPa, 연신율은 14%로 각각 측정되었다. 그리고 접합선(130)이 요철구조로 형성되는 시편2의 경우는 항복 강도는 150MPa, 인장강도는 227MPa, 연신율은 13%로 각각 측정되었고, 접합선(130)이 일직선으로 형성되는 시편3의 경우는 항복강도가 165MPa, 인장강도가 234MPa, 연신율이 7%로 각각 측정되고 있다. 이러한 측정 결과에 의하면, 항복강도와 인장강도에 있어서는 시편2와 3는 시편1에 비해 현저하게 낮아지고, 시편2와 시편3은 3 내지 5% 정도의 오차범위를 가지며 비슷한 값을 갖는 것을 알 수 있다. 그러나 연신율의 경우 시편2는 시편1과 매우 유사한 값을 가지나, 시편3의 경우에는 시편1에 비해 현저하게 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 접합선(130a)이 일자형으로 형성되는 경우 마찰교반용접 후 연신율이 현저하게 낮아지는 반면에, 접합선(130b)이 요철구조로 형성되는 경우 마찰교반용접 후 모재와 유사한 연신율을 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 제1금속 판재(110)와 제2금속 판재(120)를 마찰교반용접으로 서로 접합하는 경우, 접합선(130b)에 가해지는 마찰열에 의해 모재의 결정립 성장 등에 의해 물리적인 특성이 변화하는데, 이때 제1금속 판재(110)의 볼록부(112)와 제2금속 판재(120)의 오목부(122)에 의한 1차적인 결합이 모재의 물리적인 특성 변화에 따른 악영향, 예컨대 연신율의 저하를 완화해주는 역할을 하는 것을 알 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 구조체 110: 제1금속 판재
112: 볼록부 120: 제2금속 판재
122: 오목부 130: 접합선
200: 회전 툴

Claims (13)

1. 적어도 두 개의 금속 판재를 용접하여 형성되는 대면적의 구조체로서,
   적어도 일측 가장자리에서 연장되어 돌출 형성되는 볼록부가 구비되는 제1금속 판재와, 상기 제1금속 판재의 일측에 구비되며 일측에 상기 볼록부가 삽입되어 맞물려지는 오목부가 구비되는 제2금속 판재를 포함하고,
   상기 제1금속 판재와 상기 제2금속 판재 사이에 형성되는 접합선이 상기 제2금속 판재와 마주보는 상기 제1금속 판재의 일측면 직선 길이보다 긴 구조체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 볼록부는 상기 제1금속 판재의 일측 가장자리에 연결되는 연결부와, 상기 연결부로부터 연장되는 돌출부를 포함하고,
   상기 연결부의 폭이 상기 연결부로부터 연장되는 돌출부의 폭보다 작은 구조체.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1금속 판재의 폭은 상기 제1금속 판재의 타측 가장자리에서 상기 볼록부의 단부까지의 길이이고,
   상기 볼록부의 길이는 상기 제1금속 판재의 폭에 대해서 5 내지 15% 범위로 형성되는 구조체.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 돌출부의 폭은 제1금속 판재 두께의 3 내지 5배의 크기로 형성되는 구조체.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 연결부의 폭은 상기 돌출부의 폭에 대하여 50 내지 90%의 크기로 형성되는 구조체.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1금속 판재의 길이는 상기 제1금속 판재의 상부 가장자리에서 하부 가장자리까지의 길이이고,
   상기 볼록부는 적어도 하나가 상기 제1금속 판재의 길이에 대해서 20 내지 40% 범위를 차지하는 구조체.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 접합선에 형성되는 코너는 곡선을 포함하는 구조체.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 접합선은 용접 전 상기 제1금속 판재 또는 제2금속 판재의 연신율에 대하여 90% 이상의 연신율을 갖는 구조체.
9. 일측 가장자리에 돌출형성되는 볼록부가 구비되는 제1금속 판재와, 일측 가장자리에 상기 볼록부가 삽입되는 오목부가 구비되는 제2금속 판재를 마련하는 과정과;
   상기 제1금속 판재를 작업대 상부에 안착시키는 과정과;
   상기 제2금속 판재를 상부에서 하부방향으로 이동시켜 상기 볼록부와 상기 오목부를 결합시키면서 상기 작업대 상부에 안착시키는 과정; 및
   상기 제1금속 판재와 제2금속 판재의 접합선에 회전 툴을 삽입한 후 상기 회전 툴을 회전시키면서 상기 접합선을 따라 이동시켜 상기 제1금속 판재와 제2금속 판재를 용접하여 접합시키는 과정;을 포함하는 구조체 제조방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 접합선은 상기 제2금속 판재와 마주보는 상기 제1금속 판재의 일측면 직선 길이보다 길게 형성하는 구조체 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1금속 판재를 마련하는 과정에서, 상기 볼록부는 상기 제1금속 판재의 일측 가장자리에 연결되는 연결부의 폭을 상기 연결부에 연결되어 돌출 형성되는 돌출부의 폭보다 짧은 길이로 형성하는 구조체 제조방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 오목부는 상기 볼록부의 형상에 대응하는 형상으로 형성되어, 상기 볼록부가 상기 오목부에 삽입되면 상기 볼록부와 상기 오목부가 서로 맞물려져 상기 제1금속 판재와 제2금속 판재가 1차적으로 고정되는 구조체 제조방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 용접은 마찰교반용접인 구조체 제조방법.

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