KR101760450B1

KR101760450B1 - 고상 결합을 이용하여 이종 재료 사이에 수평 금속 접합을 생성하는 방법 및 그에 의해 제조되는 제조물

Info

Publication number: KR101760450B1
Application number: KR1020127025156A
Authority: KR
Inventors: 로버트 피. 윌리스; 켈리 설리반 멜로; 조세프 지. 카이저
Original assignee: 테크니칼 매터리알즈, 인코포레이티드, 디/비/에이 매터리온 테크니칼 매터리알즈
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2017-07-31
Also published as: US8999081B2; EP2539102A1; US20110206943A1; WO2011106074A1; CN102883848A; JP5254493B2; KR20130043097A; CA2790140A1; TW201206601A; JP2012518545A; EP2539102A4

Abstract

적어도 두 개의 이종 금속 구조체 사이에서 수평 배열로 형성된 복합 제조물을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 용접 또는 종래의 클래딩 공정에 적합하지 않은 이종 재료로 이루어진 적어도 두 개의 구조체를 제공하는 단계를 포함한다. 제1 구조체의 적어도 하나의 단부에 기하학적 프로파일이 제공되고, 제2 구조체의 대응되는 단부에는 상기 기하학적 프로파일의 대응되는 미러 이미지가 제공된다. 두 개의 구조체는, 프로파일 된 단부 또는 단부들이 상보적 복합 구조체를 형성하도록 함께 배치되고, 그 다음 복합 구조체를 형성하기 위해 고상 접합된다. 상기 공정은 반복될 수 있다. 상기 공정은, 다수의 수평 제조물(side-by-side products)을 얻기 위해 제1 구조체 또는 제2 구조체의 양 단에서 추가적인 구조체를 가지고 반복될 수 있다. 여기서 제공되는 방법 및 그에 따른 제조물은 다양한 전기 연결 타입의 응용물에 적합한 엣지-투-엣지(edge-to-edge) 제조물을 만들어 낸다.

Description

고상 결합을 이용하여 이종 재료 사이에 수평 금속 접합을 생성하는 방법 및 그에 의해 제조되는 제조물{METHODS FOR CREATING SIDE-BY-SIDE METALLIC BONDS BETWEEN DIFFERENT MATERIALS USING SOLID-PHASE BONDING AND THE PRODUCTS PRODUCED THEREBY}

본 발명은 금속 복합 재료에 관한 것이다.더 구체적으로, 본 발명은 고상 결합을 이용하여 이종 재료로 이루어진 이종 구조체 사이에 수평 금속 접합을 생성하는 방법 및 이에 의해 제조되는 복합 제조물에 관한 것이다.

본 출원은 2010년 2월 25일에 출원된 미국 가출원(61/339,019)에 대하여 우선권을 주장한다. 미국 가출원의 모든 내용은 이러한 참조에 의해 본 출원에 합체된다.

단일 금속이 오늘날의 전자 및 전기 커넥터/부품 응용에 요구되는 성능 특성의 범위를 제공하는 경우는 드물다. 설계자는, 진정으로 경쟁력 있고 높은 신뢰성을 갖는 최종 제조물에 대한 요구를 충족시키기 위해서 서로 다르지만 상보적인 공학적 성질을 갖는 두개 또는 그 이상의 재료들을 결합해야 한다. 더욱이, 이종 재료의 단부 사이를 접합하는 것에 대한 상당한 요구가 있다.

용접 및 클래딩(cladding)은 이종의 재료로 이루어지는 금속 구조체 사이에 접합을 형성할 수 있는 2개의 전형적인 공정이다. 용접은 연결부에서 액상이 형성되도록 재료를 가열함으로써 통상적으로 금속 또는 열가소성 수지와 같은 재료를 연결하는 제조공정이다. 이는 전형적으로, 냉각되어 강한 연결부가 되는 용융재료 풀(pool)을 형성하도록 제조공정에 있는 작업 대상체(work pieces)를 용융시킴으로써 달성된다. 필수적으로, 용접 공정은 접합을 형성하기 위해 때로는 압력과 함께 열을 이용하거나 열 자체를 이용한다. 도 1A 및 1B에는 2개의 알루미늄-구리 용접체가 도시되어 있다.

다양한 타입의 용접이 미국 특허 No.4,798,932에 개시되어 있으며, 이 모든 내용은 이러한 참조에 의해 본 명세서에 합체된다. 용접법의 한가지 불이익은 용접된 두 금속의 합금으로 이루어지는 작지만 구별되는 용접부가 형성된다는 점과, 합금의 양측에 인접한 열에 의해 영향을 받는 영역(heat-affected area)이 형성된다는 점이다. 용접부는 전형적으로 약한 연결부여서, 용접에 수직한 방향의 인장 하중이 걸리는 경우, 복합물은 통상적으로 모재 금속 중 어느 하나에서보다 용접부에서 더 잘 파손된다. 더욱이, 용접부는 모재 금속과 비유사한 특성들을 갖는다. 이러한 비유사성으로 인해 설계 엔지니어는 이러한 영역을 피하도록 강요 받고, 따라서 금속 소비의 증가로 인한 비용 상승이 초래된다. 추가적인 문제로는, 용접부 내의 스퍼터(sputter) 또는 블로우 홀(blow holes), 언더 컷(under cut, 예를 들어 복합물의 두께를 통한 용접 침투의 부족), 캠버(camber) 및 금속이 통상적으로 피니쉬 게이지(finish gauge)에 가깝게 용접됨에 따른 상대적으로 높은 제조비용이 포함된다. 더욱이, 당해 기술분야에서 용접 공정은, 용접에 포함되는 열처리가 용접체에서 결합을 약하게 하는 브리틀(brittle)한 합금을 용접체에 형성하기 때문에, 구리와 알루미늄과 같은 특정한 재료들 사이의 결합을 형성하기 위한 것으로서는 바람직하지 않다는 것이 잘 알려져 있다.

금속을 연결하는 방법으로서, 클래딩(cladding) 또는 고상 접합(solid-phase bonding)은 용접과는 구별된다. 클래딩은 용접에서와 같은 용융 공정과는 달리, 이종 금속을 야금으로 높은 압력을 이용하여 연결하는 것을 일컫는다. 클래딩은 전형적으로 높은 압력 하에서 시트들(sheets)을 함께 프레싱(pressing) 또는 롤링 (rolling)함으로써 달성될 뿐만 아니라, 두개의 금속 구조체를 다이(die)를 통해 압출함으로써 달성된다. 통상적으로, 오버레이 클래딩 공정(overlay cladding process)이 사용되는데, 여기서 알루미늄 및 구리와 같은 두개의 재료 구조체는 도 2A에 나타나듯이 어느 하나가 다른 하나의 상부에 함께 연결된다. 어떤 환경에서는, 도 2B에 나타난 인레이 배열(inlay configuration)이 사용된다. 클래딩 공정은, 매우 정밀한 전기적, 열적, 및/또는 기계적인 최종 용도의 요구를 충족시기 위해서, 소결되고, 롤 처리되며, 슬릿될 수 있는 복합 재료의 연속적인 조각(strip)을 만들어낼 수 있다. 통상적인 클래딩 인레이 공정(cladding inlay process)의 주된 불이익은, 두 구조체 사이의 연결부에서 수평 결합에 비해 상대적으로 약한 접합 강도 및 낮은 인장 강도를 갖는 수직 결합의 생성이다.

통상 동종 재료의 결합에 더 적합한 것으로 알려진 방법들의 불이익이라는 관점에서, 버스 바(bus bar), 단자(terminal), 배터리 셀(battery cell) 및 그 등가물들의 다수의 응용물을 위해 고성능이며 비용 효율적인 수평으로 접합된 금속 복합물을 제공하는 방법 및 제조물에 대한 요구가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 고성능이며 비용 효율적인 수평으로 결합된 금속 복합물을 제공하는 방법 및 그에 따라 제조된 제조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 복합 제조물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 고상 결합을 이용하여 수평 배열로 두개의 이종 구조체 사이의 금속 접합을 형성하는 방법 및 이에 의해 제조된 복합 제조물에 관한 것이다. 여기서 상기 방법 및 제조물은, 용접, 통상적인 클래딩, 및 열적 접합 프로세스를 이용하여 수평으로 된 최종 제조물(side-by-side end product)을 제조하기에 적합하지 않은 알루미늄 및 구리와 같은 재료를 결합하는데 특히 유용하다. 여기서는 알루미늄-구리 접합 제조물을 설명하고 있으나, 본 발명의 방법 및 시스템은, 통상의 용접 공정이 브리틀한 합금을 만들어 내는 알루미늄-구리 합금, 니켈, 또는 다른 소재를 포함하는 재료의 다수의 조합에 대한 추가적인 금속 접합을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이하, “복합 제조물”이라는 용어의 사용은 고상 접합된 복합 구조체을 나타낸다.

본 발명은 두개 또는 그 이상의 이종 재료로 이루어지는 두개 또는 그 이상의 이종 구조체 사이의 금속 접합을 생성하는 방법을 제공하며, 특히 두개의 재료를 수평 배열 또는 에지 투 에지(edge to edge) 배열로 접합하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 적어도 두개의 구조체 사이의 금속 접합을 생성하는 방법으로서, a) 제1 재료로 이루어진 제1 구조체 및 제2 재료로 이루어진 제2 구조체를 제공하는 단계(단, 제1 재료 및 제2 재료는 용접에 적합하지 않은 것임); b) 제2 프로파일을 갖는 상기 제2 구조체의 제1 단부에 인접하여 제1 프로파일을 갖는 상기 제1 구조체의 제1 단부를 배치하는 단계(단, 상기 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상보적이며, 이로써 상기 제1 구조체 및 제2 구조체는 서로 맞물려 제1 복합 구조체를 형성함); 및 c) 상기 제1 구조체 및 제2 구조체 사이에 금속 접합이 형성되도록 상기 제1 복합 구조체를 고상 결합(solid-phase bonding) 및 소결시키는 단계를 포함하는 금속 접합을 생성하는 방법을 제공한다.

상기 방법은, 제1 상보 영역에서 상기 제1 구조체 및 제2 구조체를 함께 배치하기에 앞서, 상기 제1 프로파일을 형성하도록 상기 제1 구조체의 제1 단부를 프로파일(profiling)링 하고 상기 제2 프로파일을 형성하도록 상기 제2 구조체의 제1 단부를 프로파일링 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 프로파일 및 제2 프로파일은, 상기 제1 복합 구조체가 상기 제1 상보 영역에서 복수의 비-수직 면(non-vertical surfaces)을 포함하도록 복수의 각(angles)을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 복수의 섹션 내에 상기 제1 구조체 및 제2 구조체 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 섹션은 층(layer)으로서 서로의 상부에 배치될 수 있다. 본 발명은, d) 제3 재료로 이루어진 제3 구조체를 제공하는 단계(단, 상기 제2 재료 및 제3 재료는 용접에 적합하지 않은 것임); e) 제4 프로파일을 갖는 제2 구조체의 제2 단부에 인접하여 제3 프로파일을 갖는 제3 구조체의 제1 단부를 배치하는 단계(단, 상기 제3 프로파일 및 제4 프로파일은 상보적이며, 이로써 상기 제3 프로파일 및 제4 프로파일은 제2 복합 구조체를 형성함); 및 f) 상기 제2 구조체 및 제3 구조체 사이에 금속 결합이 형성되도록 상보적인 상기 제2 복합 구조체를 고상 접합(solid-phase bonding) 및 소결시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 단계 c) 및 단계 f)는 실질적으로 동시에 일어난다. 상기 제1 재료 및 제3 재료는 실질적으로 동일할 수 있다.

본 발명은, 제2 상보 영역에서 상기 제2 구조체 및 제3 구조체를 함께 배치하기에 앞서, 상기 제3 프로파일을 형성하도록 상기 제3 구조체의 제1 단부를 프로파일링 하고, 상기 제4 프로파일을 형성하도록 상기 제2 구조체의 제2 단부를 프로파일링 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 프로파일 및 제4 프로파일은 상기 상보적인 제2 복합 구조체가 상기 제2 상보 영역에서 복수의 비-수직 면을 포함하도록 복수의 각을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 프로파일 및 제3 프로파일은 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 제3 구조체는, 복수의 섹션 내에 제공될 수 있다. 상기 복수의 섹션들은 층으로서 서로의 상부에 배치되거나 수평으로(side by side) 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 또한, 상기 금속 접합의 형성 이후에 상기 제1 복합 구조체 및 제2 복합 구조체를 스플리팅(splitting)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 구조체, 제2 구조체 및 제3 구조체는 예를 들어 금속 재료로 이루어진 와이어(wire), 로드(rod), 슬러그(slug), 슬래브(slab), 및 블록(block)과 같은 다수의 구조체로부터 선택될 수 있다.

또한, 본 발명은 a) 제1 재료로 이루어진 제1 구조체 및 제2 재료로 이루어진 제2 구조체를 제공하는 단계(단, 상기 제1 재료 및 제2 재료는 용접에 적합하지 않은 것임); b) 상기 제1 구조체의 단부에 기하학적 프로파일(geometric profile)을 제공하는 단계; c) 상기 제2 구조체의 단부에 반대되는 기하학적 프로파일을 제공하는 단계; d) 상기 제1 구조체의 프로파일 된 단부와 상기 제2 구조체의 프로파일 된 단부가 만나서 복합 구조체를 형성하도록 상기 영역에서 상기 제2 구조체의 프로파일 된 단부에 인접하여 상기 제1 구조체의 프로파일된 단부를 배치하는 단계; 및 e) 상기 제1 구조체 및 제2 구조체 사이에 금속 접합이 형성되도록 상기 복합 구조체를 고상 접합 및 소결시키는 단계에 따른 적어도 두 개의 구조체 사이의 금속 접합의 생성을 제공한다.

설명된 다른 예시적인 방법들과 유사하게, 여기에서도, 기하학적 프로파일은 상기 복합 구조체가 상보 영역에서 복수의 비-수직 면을 포함하도록 복수의 각을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 복수의 섹션 내에 상기 제1 구조체 및 제2 구조체 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 다수의 응용물에 적합한 제조물에 관한 것이다. 본 발명은, 서로 반대측 단부에 있는 두개의 이종 재료들로 이루어지는 전기적 인터커넥트(electrical interconnect)로서의 용도에 적합한 복합 구조체를 형성할 수 있다. 상기 복합 구조체는, 제1 재료로 이루어지는 제1 구조체 및 제2 재료로 이루어지는 제2 구조체(단, 상기 제1 재료 및 제2 재료는 용접에 적합하지 않은 것임); 및 고상 형태의 결합 영역으로서 상기 제1 구조체 및 제2 구조체 사이의 소결된 금속 접합을 구비하는 복합 구조체를 포함하는데, 상기 결합 영역은 복수의 비-수직 면들을 포함하는 기하학적 프로파일을 갖는다. 예를 들어, 상기 복합 구조체의 제1 재료는 알루미늄일 수 있고, 상기 제2 재료는 구리일 수 있다.

본 발명의 방법 및 제조물은, 서로 반대측에서 전기적으로 연결된 두 개의 이종 재료로 이루어지는 브릿지 연결(bridge connection)이 필요한 버스 바, 리튬 배터리 셀용 스트랩 및 그 밖의 응용물들을 포함하는 다른 용도에 적합하다. 본 발명의 이러한 측면들과 그 밖의 다른 측면들 및 이익들은 도면과 함께 주어지는 다음의 바람직한 실시예의 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 고성능이며 비용 효율적인 수평으로 결합된 금속 복합물을 제공하는 방법 및 그에 따라 제조된 제조물을 얻을 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서, 당업자가 과도한 실험을 하지 않더라도 본 발명의 방법 및 고안물을 어떻게 만들어내고 사용하는지 손쉽게 이해할 수 있도록, 이하 그에 대한 바람직한 실시예가 특정 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다;
도 1A은, 종래의 용접 프로세스를 이용한 알루미늄과 구리의 금속 접합에 대한 단면도를 나타낸다;
도 1B는, 종래의 용접 프로세스를 이용한 알루미늄과 구리의 금속 접합의 대체적 배열에 대한 단면도를 나타낸다;
도 2A는, 종래의 클래딩에 의해 제조된 알루미늄과 구리의 오버레이 제조물(overlay product)에 대한 단면도를 나타낸다;
도 2B는, 종래의 클래딩에 의해 제조된 알루미늄 및 구리의 인레이 제조물(inlay product)에 대한 단면도를 나타낸다;
도 3은, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 알루미늄과 구리 사이의 금속 접합 생성에 관한 구체적인 공정법에 대한 플로우차트이다;
도 4는, 도 3의 프로파일링 단계로부터 나타나는 예시적인 기하학적 프로파일을 나타낸다;
도 5는, 도 3에서 설명된 방법에 따라 제조된 예시적인 복합 구조체의 단면도이다;
도 6A, 단계적 경사를 이루는(graded-slope) 프로파일을 갖는 고상 접합 이전의 예시적인 복합 구조체에 대한 단면도이다;
도 6B는, 고상 접합 이후의 도 6A의 복합 구조체에 대한 단면의 포토마이크로그래프(photomicrograph)이다;
도 7A는, 수평 V-형 프로파일(horizontal V-shaped profile)을 갖는 고상 접합 이전의 예시적인 복합 구조체에 대한 단면도이다;
도 7B는, 고상 접합 이후의 도 7A의 복합 구조체에 대한 단면의 포토마이크로그래프(photomicrograph)이다;
도 8A는, 도브테일 형상(dovetail-shaped)의 프로파일을 갖는 고상 접합 이전의 예시적인 복합 구조체를 형성하기 위해 상보적으로 프로파일 된 단부를 따라 함께 배치되는 제1 구조체 및 제2 구조체에 대한 단면도이다;
도 8B는, 고상 접합 이후의 도 8A의 복합 구조체에 대한 단면도이다;
도 9A는, 수평 w-형 프로파일(horizontal w-shaped profile)을 갖는 고상 접합 이전의 예시적인 복합 구조체에 대한 단면도이다;
도 9B는, 고상 접합 이후의 도 9A의 복합 구조체에 대한 단면도이다;
도 10A는, 상호 맞물려 예시적인 복합 구조체를 형성하는 고상 접합 이전의 제1 구조체, 제2 구조체 및 제3 구조체에 대한 단면도이며, 여기서 제2 구조체는 각각 도브테일 형태의 프로파일을 갖는 두 개의 층으로서 제공된다; 그리고,
도 10B는, 고상 결합 이후 및 상보적 영역에서 도 8B에서 형성된 복합 구조체의 프로파일과 대략 동일한 기하학적 프로파일을 갖는 두 개의 별도의 제조물이 형성되도록 M-M' 선을 따라 절단하기 이전의 복합 구조체에 대한 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 도면을 수반하는 참조와 함께 이하 설명되며, 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 나타낸다. 도면은 스케일에 맞춰 도시된 것은 아니다.

통상적으로, 본 발명에 따른 금속 복합 제조물을 형성하기 위해 사용되는 구조체의 재료는, 다음의 특성들을 갖는다: 그것들은 결합 공정이 행해지는 동안 충분한 연성(ductility)을 갖고; 절단 또는 가공될 수 있으며; 또한 유사한 항복 강도(yiel strength), 연성 및 압출 거동(extrusion behavior)을 갖는다. 재료의 특정 선택이 원하는 응용물에 기초하는 것인 반면, 이하 본 발명은 예시적인 알루미늄과 구리 접합의 형성에 대한 용어로 기술되었다. 그러나, 본 발명은 단지 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 접합에 한정되지 않을 뿐만 아니라, 여기서 기술된 예시적인 제조 파라미터 및 재료 수치(material dimensions)에 한정되지 않는다. 본 발명은, 용접 조건 하에서 브리틀(brittle)한 합금을 형성하는 재료를 이용하여 수평 배열의 금속 접합을 달성하기 위해 종래의 용접 및 클래딩 공정의 문제점을 극복한다. 본 발명의 이러한 이익들과 그 밖의 다른 장점들은 여기에 기술된다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 알루미늄과 구리 재료 사이의 금속 접합을 생성하는 예시적인 방법에 대한 플로우차트가 나타난다. 본 발명의 이익 및 혜택을 달성하기 위해서는 여기에 기술된 S1-S8 단계 각각을 수행하는 것이 유리하지만, 일부 측면은 선택적인 것이며 오로지 예시적인 목적을 위해 상세히 기술된 것이다.

도 3에 기술된 공정의 시작점에 있어서, 알루미늄 구조체 및 구리 구조체는 두께, 기질 및 경도에 있어서 필요에 따라, 예를 들면 기계 가공되어, 정합되거나 롤 처리(S1)된다. 여기서 예시를 위한 목적으로 설명되는 구조체는 알루미늄과 구리 조각(strip)이다. 그러나, 상기 구조체는, 예를 들어 금속으로 이루어진 와이어, 로드, 슬러그, 슬래브 및 블록을 포함하는 다수의 구조체 타입으로부터 선택될 수 있다. 필요한 경우, S1 단계는 초기 재료의 수치 및 특성과 최종 제조물의 원하는 수치를 기초로 하여 조정될 수 있다. 그 다음으로, 알루미늄과 구리 모두는 원하는 폭(width)을 얻기 위해 슬릿(slit)되거나(S2) 회전 날(rotary blade)에 의해 기계 절삭되고, 단부가 연마된다. 롤 처리(S1) 및 슬리팅(S2)은 선택적인 단계로서, 필요한 경우 제조의 편의를 위해 수행될 수 있다. 제조에 있어서, 두 개의 재료의 항복 강도를 일치시키기 위해서 두 개의 구조체의 두께 및 기질의 일정함을 달성하는 것이 유리하다. 또 다른 선택적인 단부 연마(edgeskive) 단계는, 직각 단부(square edge)의 생성을 위해 알루미늄과 구리 구조체의 단부를 사이드 밀(side mill) 하는데 이용될 수 있다. 원하는 바에 따라, 알려진 다양한 단부연마 장치가 이러한 단계의 수행을 위해서 사용될 수 있다. 이에 더하여, 평탄화(flattening) 단계는 양 쪽 구조체를 평탄화시키는데 사용될 수 있다. 선택적인 평탄화 단계의 수행 과정에서, 구조체는 롤러를 통과함에 따라 평탄하고 곧아짐으로써, 두께에 있어서 축소되고 정합이 이루어진다. 이용되는 상용 롤러(roller) 장치의 타입을 기초로 하여 적절한 프로세스 조정이 이루어질 수 있다.

다음으로, 알루미늄과 구리 구조체는 알루미늄 구조체의 일 단부에서 기하학적 프로파일을 생성하고 구리 구조체의 대응되는 단부에서 기하학적 프로파일의 대응되는 미러 이미지(mirror image)를 생성하거나, 그 반대의 경우로 생성하기 위해 프로파일 된다(profiled, S5). 프로파일링 단계(S5)는, 예를 들어 롤-형성법(roll-forming), 단부-연마법(edge-skiving) 또는 밀링 절삭법(milling)을 포함하는 다수의 방법으로 수행될 수 있다. 일 실시예로, 회전 절삭 커터(rotary milling cutters)는, 알루미늄과 구리 구조체의 인접하는 단부에서 기하학적 프로파일이 생성되는 다수의 프로파일링 단계에서 금속을 제거하기 위해 사용된다. 예를 들어, 도 4에 나타나는 프로파일을 참조하도록 한다. 알루미늄과 구리 사이의 금속 접합의 수직 단부는 수평 단부에 비해 낮은 인장 강도를 가지므로, 복합 구조체의 접합 거동을 강화하기 위해서는 기하학적 프로파일의 각진 테이퍼링(angular tapering)을 수행하는 것이 유익하다. 그러한 이유로, 접합 위치에서 하나 또는 그 이상의 비-수직 면(non-vertical surfaces)이 생성되도록 어느 정도 각진 모서리들(angles)로 이루어진 기하학적 프로파일을 갖는 것이 바람직하다.

바람직하게, 기계적인 똑딱이 맞춤(snap fit)은, 접합의 가로 인장 강도(transverse tensile strength)를 증가시키고 기포 및 구조체 간의 간격에 의한 결함을 감소시키기 위해, 두 개의 구조체의 인접한 단부 사이에서 실질적으로 기계적인 똑딱이 맞춤(snap fit)이 달성된다. 또한, 인접하는 프로파일 된 단부는 함께 배치될 때 서로 맞물려진다. 그러나, 본 발명의 이익과 유리함을 달성하기 위해, 프로파일 된 단부는 상보적인 방식으로 맞물리기만 하면 된다.

특정의 기하학적 프로파일은, 상보 영역에서 원하는 접합 이음새의 강도에 기초하여 선택된다. 도 5 내지 10B에 나타나는 바와 같이, 제1 구조체의 형상이 제2 구조체의 형상의 미러 이미지(mirror image)에 해당하는 이상, 도 4에 나타나는 예시적인 프로파일 외에도 다수의 프로파일들이 사용될 수 있다. 기하학적 프로파일의 상보적 성질은, 상보 영역에서의 접합 이음새에 있어서 간격과 그 밖의 결함을 최소화하는데 도움을 줌으로써, 생성되는 복합 제조물의 접합 강도를 증가시킨다. 양쪽 금속 모두는, 프로파일링 단계(S3) 과정에서 사용될 수 있는 윤활제로부터 생겨난 오일을 제거하기 위해 물이나 그 밖의 다른 수액(aqueous solution)에 의해 세척 및/또는 브러쉬(brush) 될 수 있다(S4). 원하는 경우, 구조체의 표면을 기계적으로 거칠게 하기 위해 선택적인 브러싱(brushing)이 제공될 수 있다.

다음으로, 알루미늄 구조체 및 구리 구조체의 프로파일은, 복합 구조체를 형성하기 위해 상보 영역에서 그것들이 서로 인접하여 배치되도록 함께 짝을 이룬다. 다음으로, 복합 구조체는 고상 접합된다(S6). 고상 접합 단계(S6)를 수행하기 위해, 강화 롤러를 사용하는 롤링 장치(rolling machine)가 사용될 수 있다. 롤링 과정에서, 복합 구조체는 결코 용접 공정에서와 같이 액상이 되지 않는다. 오히려, 오로지 압력과 롤러의 힘으로부터 생성된 열은 복합 구조체의 인접하는 프로파일 된 단부의 접합을 촉진시키는데 사용된다. 상승된 온도에서, 브리틀한 합금 상은 접합의 인장 강도 및 인성(toughness)에 지장을 주는 접합 형성 위치에 생성될 수 있으므로, 이러한 특징은 특히 중요하다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 본 발명은, 접합 위치에서 브리틀한 함금의 형성을 줄이기 위한 고상 접합을 이용한다. 접합 공정 단계(S6)가 수행되는 동안, 두께에 있어서 2/3의 감소 및/또는 길이에 있어서 그에 상응하는 증가가 이루어질 수 있다.

기계적으로 연결된 구조체가 고상 접합(S6) 된 이후에, 접합은 소결 단계(S7)를 이용하여 지속적인 것이 될 수 있다. 소결은, 접합 계면에서 원자의 추가적인 고상 확산(solid state diffusion)을 제공하는 열처리에 해당한다. 소결 단계(S7)가 수행되는 동안에, 브리틀한 합금의 형성을 피하기 위해 용융이 일어나지 않도록 짧은 시간 동안, 충분히 낮은 온도에서 열처리 하는 것이 중요하다. 전형적으로, 소결 단계(S7)는 5분 미만이며, 바람직하게는 1분 내지 2분 동안 이루어진다. 예를 들어, 복합 구조체는 알루미늄 성분의 융점보다 낮은 대략 300℉에서 짧은 시간 동안 소결 될 수 있다. 그 밖에, 선택적인 롤링(rolling) 및 슬리팅(slitting), 레벨링(leveling) 단계(S8)는, 주어진 최종 응용물을 위한 복합 제조물의 원하는 치수를 달성하기 위해 수행된다.

도 5는, 본 발명에 따라 제조된 예시적인 복합 제조물(50)의 단면도를 나타낸다. 복합 제조물(50)은, 다수의 비-수직 단부를 구비하는 기하학적 프로파일로 프로파일 되고 상보 영역(56)에서 연결되는 제1 구조체(52) 및 제2 구조체(54)로 이루어진다. 제1 구조체(52) 및 제2 구조체(54)는 함께 배치될 때 서로 맞물린다. 당업자는, 주어진 응용물에 대한 원하는 수치에 근거하여 복합 구조체(50)의 치수(gauge) 또는 두께(t) 및 폭(w)과 같은 기계적인 파라미터에 대한 적절한 조절을 하는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 6A는 본 발명에 따라 제조된 또 다른 예시적인 복합 구조체(60)의 단면도이다. 여기서, 복합 구조체(60a)는 고상 접합에 앞서 나타나는 제1 구조체(62) 및 제2 구조체(64)로 이루어진다. 제1 구조체(62) 및 제2 구조체(64)의 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상보적이고, 복합 구조체(60)를 형성하도록 맞물린다. 제1 구조체(62) 및 제2 구조체(64)는 상보 영역(66)에서 연결된다. 도 6B는 c)단계에서 복합 구조체(60)가 고상 접합된 이후에 형성된 제조물의 단면에 대한 포토마이크로그래프이다. 도 6A-6B에 나타난 상보 영역(66)에서의 기하학적 프로파일은, 중간부분이 실질적으로 수평이고 수직인 단부가 없는 대략 동일한 경사를 갖는 두 개의 " 단계적 경사(graded-slope)" 프로파일로서 설명될 수 있다.

도 7A는 고상 접합 이전의 또 다른 예시적인 복합 구조체(70)의 단면도이다. 제1 구조체(72) 및 제2 구조체(74)의 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상보 영역(76)에서 복합 구조체(70)을 형성하도록 맞물린다. 도 7B는 복합 구조체(70)가 고상 접합된 이후에 형성되는 제조물의 대응되는 단면에 대한 포토마이크로그래프이다. 도 7A-7B에 나타나는 상보영역(76)에서의 기하학적 프로파일은 수직 단부를 갖지 않는 "수평 V-형(horizontal V -shaped)" 프로파일로서 설명될 수 있다.

도 8A는 고상 접합 이전의 또 다른 예시적 복합 구조체(80)의 단면도이다. 제1 구조체(82) 및 제2 구조체(84)의 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상보적이고, 상보 영역(86)에서 복합 구조체(80)를 형성하도록 함께 배치되는 것으로 나타난다. 도 8B는 복합 구조체(80)가 고상 접합된 이후 형성되는 제조물의 대응되는 단면도를 나타낸다. 도 8A-8B에 나타나는 상보 영역(86)에서의 기하학적 프로파일은 오로지 하나의 실질적으로 수직한 단부를 갖는 "도브테일-형상(dovetail-shaped)" 프로파일로서 설명될 수 있다. 이러한 배열에 있어서, 상대적으로 취약한 수직한 이음새는 센터라인 위치(centerline location)에 국한되는데, 이는 표면 층의 접합 강도를 최대화함으로써 구부림(bending) 및 성형(forming) 응용에 있어서 더 우수한 성능을 낸다.

도 9A는 고상 접합에 앞선 또 다른 예시적 복합 구조체(90)의 단면도이다. 제1 구조체(92) 및 제2 구조체(94)의 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상보적이고, 복합 구조체(90)를 형성하도록 함께 배치되는 것으로 나타난다. 제1 구조체(92) 및 제2 구조체(94)는 상보 영역(96)에서 맞물린다. 도 9B는 복합 구조체(90)가 고상 접합된 이후에 형성된 제조물의 대응되는 단면도를 나타낸다. 도 9A-9B에 나타나는 상보 영역(96)에서의 기하학적 프로파일은 "수평 W-형(horizontal W -shaped)" 프로파일로서 설명될 수 있다.

도 10A는 고상 접합에 앞선 또 다른 예시적 복합 구조체(100)의 단면도이다. 복합 구조체(100)는 실제 함께 배치되는 제1 구조체(120), 제2 구조체(140) 및 제3 구조체(170)로 이루어진다. 오로지 제2 구조체(140)만이 서로의 상부에 적층된 다층(140a,140b)으로 제공되는 것으로 나타난다. 그러나, 각 구조체는 제1 기하학적 프로파일 및 제2 기하학적 프로파일을 생성하는 다층으로 제공될 수 있다.

도 10B는 복합 구조체(100)가 고상 접합된 이후에 형성된 복합 제조물의 대응되는 단면도를 나타낸다. 도 10A는 상보 영역(160a,160b)에서 제1 구조체(120), 층들(140a,140b)을 구비하는 제2 구조체(140)가 함께 배치되어 접합된 이후에 나타나는 복합 구조체(100)를 나타낸다. 여기서는 오로지 두 개의 층들(140a,140b) 만이 나타나지만, 본 발명은 다수의 층들이 서로의 상부에 겹쳐질 수도 있음을 제안한다. 대안적으로, 다수의 층들의 조합에 있어서, 구조체는 원하는 기하학적 프로파일 및 대응되는 복합 구조체(미도시)을 얻기 위해서 섹션들로 제공되어 이어질 수 있다.

접합 공정 과정에서, 층들(140a,140b)은 완전히 통합되고 층(140a,140b) 사이가 구분되지 않도록 이음매가 없이(seamlessly) 연결된다. 도 10A-10B에 나타나는 상보 영역(160a,160b)에서의 기하학적 프로파일은, 도 8B의 복합 구조체와 유사하게 "도브테일-형태(dovetail-shaped)" 프로파일로서 설명될 수 있다. 도 10B에서 기하학적 프로파일은 동일하게 나타나 있으나, 제2 기하학적 프로파일(160b)이 제1 기하학적 프로파일(160a)과 다르도록 제2 구조체 및 제3 구조체 각각의 단부가 다르게 가공될 수 있다는 점은 본 발명의 사상에 속하는 것이다.

이러한 실시예는, 두 개의 서로 다른 제조물이 동시에 고상 접합하고 두 개의 분리된 제조물을 형성하도록 M-M' 선을 따라 두 개의 조각으로 절단될 수 있기 때문에 유리하다. 전형적으로 제1 구조체(120) 및 제3 구조체(170)는 동일한 재료로 이루어진다. 도 10A-10B에서는 제1 구조체(120) 및 제3 구조체(170)가 모두 구리 구조체로서 나타난다. 그 결과, 제1 구조체(120)와 제2 구조체(140) 사이 및 제2 구조체(140)과 제3 구조체(170) 사이의 접합 단계는, 실질적으로 동시에 일어날 수 있다. 그러나, 제1 구조체(120)와 다른 제3 구조체(170)를 갖는것 또한 가능하다. 따라서, 롤링 및 소결 파라미터는 그에 따라 조절되어야만 한다. 비슷하게, 제2 구조체(140)와 제3 구조체(170)의 접합 단계는 동시에 일어나거나, 복합 구조체(100)가 개별적으로 형성되도록 반복될 수 있다. 이러한 단계들은 반복되어 다수의 복합 구조체를 생성할 수 있고, 필요한 경우 복합 구조체들은 분리된 제조물을 제조하기 위해 반복적으로 절단될 수 있다. 예를 들어, 전기 커넥터의 양 단에 요구되는 저항 값이 다른 응용물을 위해 다수의 평행한 조각들(strips)이 생성될 수 있다.

보 발명의 방법 및 제조물은 버스 바, 단자, 배터리 셀 및 그와 같은 종류의 것들을 포함하는, 그러나 이에 한정되지는 않는 다수의 응용물에 적합하다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리에 있어서, 셀 묶음은 함께 결합된다. 흔히, 배터리의 양극은 알루미늄이고 음극은 구리 또는 구리 합금이다. 리튬 이온 배터리 셀의 양극과 음극을 전기적으로 연결할 때, 본 발명에 따른 제조물 및 방법을 이용한 서로 다른 재료로 이루어진 버스 바 또는 스트랩은 유리하다. 따라서, 본 발명은 높은 퀄리티, 저비용, 접합부에서 증가된 인장강도를 갖는 방법 및 최종 제조물을 제공한다. 예를 들어, 배터리 셀 및 그와 유사한 것들에 대해 사용될 수 있는 본 발명의 방법 및 제조물에 따라 알루미늄 및 구리 스트랩이 얻어질 수 있다.

또한, 본 발명의 방법 및 제조물은 예를 들어 자동차 산업에 있어서 유용할 수 있다. 현재, 알루미늄 바디로부터 제조되는 자동차의 수가 증가하고 있다. 통상적으로, 자동차 바디를 접지하는데 사용되는 전기 배선(electrical wiring)은 구리로 이루어진다. 따라서, 자동차의 접지를 위해 자동차 바디에 부착되는 일 단이 알루미늄이고 타 단이 구리로 된 단자의 제공에 대한 요구가 증가하고 있다. 따라서, 본 발명은, 스트랩 또는 알루미늄과 구리와 같은 서로 다른 두 개의 재료가 반드시 전기적으로 연결되어야 하는 응용물을 위한 단자로서의 사용에 적합하다.

본 발명은 비록 바람직한 실시예로 기술되었으나, 당업자라면 부수된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않으면서, 기술된 시퀀스(sequence)에 있어서의 변경 또는 대체 또는 그에 대한 변경이 이루어질 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

50: 복합 제조물 52: 제1 구조체
54: 제2 구조체 56: 상보 영역

Claims

적어도 2개의 금속 시트 구조체 사이에 금속 접합을 형성하는 방법으로서,
a) 제1 재료로 이루어진 제1 구조체 및 제2 재료로 이루어진 제2 구조체를 제공하는 단계(단, 상기 제1 재료 및 제2 재료는 용접에 적합하지 않은 것임);
b) 제2 프로파일을 갖는 제2 금속 시트 구조체의 제2 측면에 배치되는 제1 프로파일을 갖는 제1 금속 시트 구조체의 제1 측면을 배치하는 단계(단, 상기 제1 프로파일 및 제2 프로파일은 상보적이며, 이로써 상기 제1 금속 시트 구조체 및 제2 금속 시트 구조체는 서로 맞물려 제1 복합 금속 시트 구조체를 형성하며, 제1 금속 시트 구조체의 제1 프로파일이 제2 금속 시트 구조체의 제2 프로파일에 삽입될 때 제1 프로파일이 제2 프로파일 사이에 끼워 넣어지도록 제2 프로파일은 제1 프로파일의 위아래 양쪽으로 연장됨); 및
c) 상기 제1 금속 시트 구조체 및 제2 금속 시트 구조체 사이에 금속 접합이 형성되도록 상기 제1 복합 금속 시트 구조체를 고상 결합(solid-phase bonding) 및 소결시키는 단계를 포함하는 금속 접합의 형성 방법.
제1항에 있어서,
제1 상보 영역에서 상기 제1 금속 시트 구조체 및 제2 금속 시트 구조체를 함께 배치하기에 앞서, 상기 제1 프로파일을 형성하도록 상기 제1 금속 시트 구조체의 제1 측면을 프로파일(profiling)링 하고 상기 제2 프로파일을 형성하도록 상기 제2 금속 시트 구조체의 제1 측면을 프로파일링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 프로파일 및 제2 프로파일은, 상보적인 상기 제1 복합 금속 시트 구조체가 상기 제1 상보 영역에서 복수의 비-수직 면(non-vertical surfaces)을 포함하도록 복수의 각(angles)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제1항에 있어서,
복수의 섹션 내에 상기 제1 금속 시트 구조체 및 제2 금속 시트 구조체 중 적어도 어느 하나를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제4항에 있어서,
상기 복수의 섹션은 층(layer)으로서 서로의 상부에 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제1항에 있어서,
d) 제3 재료로 이루어진 제3 금속 시트 구조체를 제공하는 단계(단, 상기 제2 재료 및 제3 재료는 용접에 적합하지 않은 것임);
e) 제3 프로파일을 갖는 제3 금속 시트 구조체의 제1 측면을 제4 프로파일을 갖는 제2 금속 시트 구조체의 제2 측면에 배치하는 단계(단, 상기 제3 프로파일 및 제4 프로파일은 상보적이며, 이로써 상기 제3 프로파일 및 제4 프로파일은 서로 맞물려 제2 복합 금속 시트 구조체를 형성하고, 제3 금속 시트 구조체의 제3 프로파일이 제2 금속 시트 구조체의 제4 프로파일에 삽입될 때 제3 프로파일이 제4 프로파일 사이에 끼워 넣어지도록 제4 프로파일은 제3 프로파일의 위아래 양쪽으로 연장됨); 및
f) 상기 제2 금속 시트 구조체 및 제3 금속 시트 구조체 사이에 금속 접합이 형성되도록 상보적인 상기 제2 복합 금속 시트 구조체를 고상 결합(solid-phase bonding) 및 소결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 재료 및 제3 재료는 실질적으로 동일한 것을 특징을 하는 금속 접합의 형성 방법.
제6항에 있어서,
제2 상보 영역에서 상기 제2 금속 시트 구조체 및 제3 금속 시트 구조체를 함께 배치하기에 앞서, 상기 제3 프로파일을 형성하도록 상기 제3 금속 시트 구조체의 제1 측면을 프로파일링 하고, 상기 제4 프로파일을 형성하도록 상기 제2 금속 시트 구조체의 제2 측면을 프로파일링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제8항에 있어서,
상기 제3 프로파일 및 제4 프로파일은 상기 상보적인 제2 복합 금속 시트 구조체가 상기 제2 상보 영역에서 복수의 비-수직 면을 포함하도록 복수의 각을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 프로파일 및 제3 프로파일은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제6항에 있어서,
복수의 섹션 내에 상기 제3 금속 시트 구조체를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제11항에 있어서,
상기 복수의 섹션들은 층으로서 서로의 상부에 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제6항에 있어서,
상기 단계 c) 및 단계 f)는 실질적으로 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제6항에 있어서,
상기 금속 접합의 형성 이후에 상기 제1 복합 금속 시트 구조체 및 제2 복합 금속 시트 구조체를 스플리팅(splitting)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 금속 시트 구조체, 제2 금속 시트 구조체 및 제3 금속 시트 구조체 각각은 금속 재료로 이루어진 슬러그(slug), 슬래브(slab), 및 블록(block)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
적어도 2개의 금속 시트 구조체 사이에 금속 접합을 형성하는 방법으로서,
a) 제1 금속으로 이루어진 제1 시트 구조체 및 제2 금속으로 이루어진 제2 시트 구조체를 제공하는 단계(단, 상기 제1 금속 및 제2 금속은 용접에 적합하지 않은 것이며, 제1 시트 구조체 및 제2 시트 구조체 중 적어도 하나는 복수의 섹션으로 이루어짐);
b) 상기 제1 시트 구조체의 제1 측면(제1 시트 구조체의 두께 방향을 따라 형성되는 면)에 제1 프로파일을 제공하는 단계;
c) 상기 제2 시트 구조체의 제2 측면(제2 시트 구조체의 두께 방향을 따라 형성되는 면)에 제2 프로파일을 제공하는 단계;
d) 상기 제1 시트 구조체의 제1 측면의 제1 프로파일과 상기 제2 시트 구조체의 제2 측면의 제2 프로파일이 만나서 복합 시트 구조체를 형성하도록 상보 영역에서 상기 제2 시트 구조체의 제2 측면의 제2 프로파일에 상기 제1 시트 구조체의 제1 측면의 제1 프로파일을 배치하는 단계; 및
e) 상기 제1 시트 구조체 및 제2 시트 구조체 사이에 금속 접합이 형성되도록 상기 복합 시트 구조체를 고상 결합 및 소결시키는 단계를 포함하며,
상기 제1 프로파일이 제2 프로파일 사이에 끼워 넣어지도록 제1 시트 구조체의 제1 프로파일이 제2 시트 구조체의 제2 프로파일에 삽입될 때, 제2 프로파일은 제1 프로파일의 위아래 양쪽으로 연장되는 금속 접합의 형성 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 프로파일 및 제2 프로파일은, 상보적인 상기 복합 시트 구조체가 상보 영역에서 복수의 비-수직 면을 포함하도록 복수의 각을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합의 형성 방법.
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