KR101888384B1 - 이종부재 접합방법 - Google Patents

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KR101888384B1
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Abstract

a) 상부 전극으로 금속재 측으로부터 금속 리벳을 펀칭하여 압입하는 단계; 및 b) 상부 전극으로 금속 리벳의 헤드를 가압하면서 전류를 공급하여 용접돌기를 금속재에 용접하는 단계;를 포함하는 이종부재 접합방법이 소개된다. a) 단계에서 금속 리벳은 용접돌기가 금속재와 접촉될 수 있도록 압입되며, b) 단계에서 용접돌기가 용융 및 붕괴되면서 금속 리벳이 추가 압입된다.

Description

이종부재 접합방법{METHOD FOR JOINING DISSIMILAR MATERIALS}
본 발명은 이종부재, 특히는 복합재와 금속재 간의 접합방법에 관한 것이다. 본 발명은 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원이 지원하는 경제협력권산업 육성사업으로 수행된 연구결과물이다.
최근 차량 바디 부품과 관련한 기술 핵심 키워드는 경량화, 고강도화이다. 기존 스틸 부품의 강도 및 안정성을 보장하면서도 보다 경량인 차량 부품에 대한 요구가 높다.
경량 재료로는 알루미늄, 마그네슘과 같은 경금속이나 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)과 같은 폴리머 복합재가 사용된다. 차량 부품의 제조에 경량 재료를 적용하는 경우, 타 부재, 특히 스틸 부재와의 접합이 문제된다.
이종부재 간의 접합에는 기계적인 접합, 본딩, 마찰스폿용접(Friction Spot Welding) 등이 이용될 수 있다. 기계적인 접합에는 SPR(Self Piercing Rivet)이 이용될 수 있다.
SPR은 이종부재 간의 접합에 매우 훌륭한 수단이 되지만, 펀칭 후 리벳의 선단이 이면 상에 돌출 부위를 남긴다. 기계적인 접합을 위해 리벳의 선단이 π의 형태로 좌우방향 벌어지고, 이 부위가 접합부 이면 위로 돌출된다.
위와 같은 SPR은 접합부와 외부로 노출되는 경우 사용될 수 없다. 또한 SPR은 스틸과 경금속 간의 접합에 효과적이나, 스틸과 폴리머 복합재 간의 접합 시 복합재 접합부에 크랙이 발생되거나 외관 불량이 문제된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 금속재와 플라스틱 복합재 간의 접합에 유용한 개선된 이종부재 접합방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 접합이 신속, 용이하게 이루어질 수 있으며, 접합 완료 후 이종부재 간 접합 상태가 안정적으로 유지될 수 있는 이종부재 접합방법을 제공하고자 한다.
위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이종부재 접합방법은 a) 상부 및 하부 전극의 사이에 서로 중첩된 금속재 및 복합재를 배치하고, 상부 전극으로 금속재 측으로부터 금속 리벳을 펀칭하여 압입하는 단계, 여기서 금속재와 복합재에는 미리 이들을 관통하는 홀이 마련되지 않으며, 금속 리벳은 플랫한 상부면을 갖는 헤드와 이로부터 연장되며 외주면에 둘레방향으로 다수의 원형 고정돌기가 형성된 바디를 구비하며, 헤드의 상부면은 플랫하고 하부면에는 용접돌기가 형성됨; 및 b) 상부 전극으로 금속 리벳의 헤드를 가압하여 금속재 및 복합재 관통시킨 후 전류를 공급하여 용접돌기를 금속재에 용접하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 a) 단계에서 금속 리벳은 용접돌기가 금속재와 접촉될 수 있도록 압입되며, b) 단계에서 가압력에 의해 용접돌기가 용융되면서 금속 리벳이 추가 압입되어, 용접 후 헤드 상부면이 금속재와 플랫하게 놓이며, 용접 후 바디 선단은 좌우로 벌어지지 않고 형상을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 a) 단계 전에, 금속재 및 복합재 간의 중첩 영역에 접착제를 도포하는 단계가 더 포함될 수 있다. 바람직하게는 접착제는 b) 단계의 용접이 완료된 후 경화된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 이종부재 접합방법에 의하면, 리벳을 이용한 이종부재의 접합이 신속하고 용이하게 이루고, 접합 완료 후에는 이종부재 간의 결합 상태가 안정적으로 유지할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 이종부재를 접합하기 위한 작업공정을 간소화하여 리벳 접합공정의 전체적인 작업시간을 줄이고, 이에 따른 작업인력과 작업비용의 낭비를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 이종부재의 접합과정에서 이종부재와 리벳 간의 결합부위가 변형되는 것을 방지하고, 리벳과 접합부재 간에 신뢰할 수 있는 결합력을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종부재 접합용 금속 리벳의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 금속 리벳의 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이종부재 접합방법의 공정 흐름도,
도 4a 및 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 이종부재 접합과정을 개략적으로 나타낸 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 상하부 전극을 이용한 이종부재의 접합과정을 보인 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종부재의 접합을 보인 도면이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.
이하 설명되는 도면들은 설명의 편의를 위해 다소 과장되게 표현되어 있다는 점이 이해될 필요가 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이종부재의 접합에 사용되는 금속 리벳(10)에 대해 살펴본다.
도 1 및 도 2에서 보듯이, 금속 리벳(10)은 헤드(11)와, 이 헤드(11)로부터 연장된 바디(12)를 갖는다.
헤드(11)의 상부면은 플랫하며 하부면에는 용접돌기(11a)가 형성된다. 플랫한 상부면은 펀칭력이 효과적으로 전달될 수 있도록 하며, 아울러 용접대상에 접합된 후 용접대상과 플랫하게 배치될 수 있어, 접합부에서의 외관을 향상시킨다.
헤드(11)의 용접돌기(11a)는 하부면에 둘레방향을 따라 연속적으로 형성되거나, 혹은 이격되어 복수개 형성될 수 있다. 용접돌기(11a)는 용접대상에 리벳(10)을 용접하기 위한 것으로, 프로젝션 용접용 볼트나 너트의 돌기와 유사 기능을 갖는다.
용접돌기(11a)의 저면은 금속 리벳(10)의 중심축 방향으로 하향 경사지게 형성된다. 도 2에서 용접돌기(11a)는 헤드(11)의 원주방향 가장자리까지 하향 경사지게 형성될 수 있다. 금속 리벳(10)의 펀칭 시 리벳(10) 주위의 상부 금속재(1)는 펀칭 방향으로 말려 들어가는 형상이 되는데(도 4b 참조), 하향 경사진 용접돌기(11a) 저면 형상은 금속 리벳(10)의 추가 압입 및 이 부위에서의 저항열이 집중될 수 있도록 한다.
용접돌기(11a)에서 바디(12)로 이어지는 부위에는 헤드(11)의 둘레를 따라 오목홈(13)이 형성된다. 이 오목홈(13)은 용접 과정에 용접돌기(11a)의 용융물이 외측으로 빠져나가지 않고 내측으로 흘러 들어와 건전한 용접부가 생성될 수 있도록 한다.
바디(12)는 헤드(11)로부터 연장되며 헤드(11)와 대향된 위치에 선단바디(12)을 갖는다. 선단(12c)로부터 헤드(11) 측을 향하여 내부홀(12a)이 형성되어 있어, 바디(12)는 말하자면 속이 빈 튜브 형태라고 볼 수 있다.
바디(12)의 선단(12c) 측 내주면은 선단(12c)을 향해 테이퍼지게 형성된다. 테이퍼진 선단부는 펀칭력에 의해 리벳(10)이 보다 용이하게 용접대상에 압입될 수 있도록 한다.
바디(12)의 외주면에는 둘레방향으로 다수의 고정돌기(12b)가 형성된다. 고정돌기(12b)는 바디(12)의 길이방향 중심축을 기준으로 둘레를 따라 원형으로 형성된다. 나선형의 돌기가 고려될 수 있으나, 리벳(10)과 용접대상 간 계면에서의 고정력 또는 리벳(10) 이탈에 대한 저항력을 고려할 때 원형 돌기가 선호된다.
도 3 내지 도 5b를 참조하여 실시예에 따라 상술된 금속 리벳(10)을 이용한 금속재와 폴리머 복합재의 접합방법에 대해 살펴본다.
접착단계(S1)
접합하고자 하는 금속재(1)와 복합재(2) 간의 중첩 영역에 접착제를 도포한다. 접착제로는 구조용 접착제나 기타의 열경화성 접착제가 사용된다. 접합하고자 하는 영역 외에도 접착제가 도포될 수 있다.
후술하는 리벳(10) 접합과 더불어 접착제를 이용함으로써, 금속재(1)와 복합재(2) 간의 접합부 강도를 향상시킬 수 있다.
리벳 압입단계(S2)
도 4a 및 도 4b에서 보듯이, 상부 및 하부 전극(4a,4b)의 사이에 접착제가 도포된 금속재(1) 및 복합재(2)를 배치하고, 금속 리벳(10)을 펀칭하여 금속재(1)와 복합재(2) 간의 중첩 영역에 압입한다.
도 5a에서 보듯이, 금속 리벳(10)의 펀칭 및 압입에는 전극(4a,4b)이 이용된다.
상부 전극(4a)은 금속재(1) 측에 배치되며 상하이동 가능하다. 별도 펀칭기를 이용하는 경우 펀칭과 용접으로 이어지는 2단계의 공정을 거쳐야 하므로, 공정 효율을 위해 전극(4a,4b)을 이용하여 리벳(10)을 펀칭하고 연속으로 이어서 용접까지 수행하도록 한다.
도 5a 및 도 5b에서 보듯이, 하부 전극(4b)은 펀칭 및 용접과정에 복합재 측에 배치된다. 리벳(10)이 금속재(1)와 복합재(2)를 관통하여 이로 분리되는 금속재(1) 및 복합재(2) 스크랩 수납이 가능하도록 내부가 빈 통형으로 형성된다.
상하부 전극(4a,4b)는 가압장치(미도시)에 의해 가압된다. 하부 전극(4b)은 스크랩의 배출을 위해 로봇 아암이나 기타의 수단으로 회동될 수 있다. 가압장치는 상하부 전극(4a,4b)의 홀더(3) 연결된다.
리벳(10) 압입 과정에 금속재(1)나 복합재(2)에는 리벳(10)의 삽입을 위한 홀이 미리 형성되지는 않는다. 상부 전극(4a)에 의한 펀칭력에 의해 리벳(10)이 금속재(1)를 관통하여 복합재(2) 내부로 압입된다.
리벳(10)을 펀칭하는 위치의 선정이 중요하다. 실시예에 따라 리벳(10)은 금속재(1) 측에서 펀칭된다. 리벳(10)을 복합재(2) 측에서 펀칭하는 경우, 복합재(2)의 접합부위에 크랙이 발생하는 등 접합불량이 야기될 수 있다. 따라서 이 경우에는, 리벳(10)의 삽입을 위해 복합재 측에 미리 홀을 형성(pre-hole)할 필요가 있을 것이다.
펀칭력은 리벳(10)이 금속재(1) 및 복합재(2)에 압입되어 헤드(11)의 용접돌기(11a)가 금속재(1)와 접촉될 수 있도록 조절된다. 펀칭에 의해 리벳(10)은 금속재(1)를 완전히 관통하며, 그 선단(12c)은 복합재(2)의 이면에 거의 도달한다.
S2 단계에서 금속재(1)와 복합재(2)의 스크랩은 분리되거나 완전히 분리되지는 않더라도 거의 분리 가능한 상태가 되며, S3 단계의 가압 용접에 의해 스크랩은 완전히 분리된다.
상부 전극(4a)에 의한 리벳(10) 펀칭 및 압입이 용이하도록 펀칭기에서와 같이 리벳(10)을 공급하고 및 펀칭과정에 이를 가이드하기 위한 장치가 사용될 수 있다.
리벳 가압/피어싱/용접단계(S3)
도 4c 및 도 도 5b에서 보듯이, 상부 전극(4a)에 의한 리벳(10) 펀칭에 의해 리벳(10)을 접합대상(1,2)에 1차 압입한 후, 후속하여 S3 단계로 상부 전극(4a)으로 리벳(10)을 2차 가압하여 접합대상(1,2)을 관통시킨 후 용접이 수행된다.
S3 단계는 리벳(10)을 가압하여 플랫한 헤드(11) 상부면이 금속재(1)와 수평을 이루도록 함과 아울러 용접돌기(11a)를 금속재(1)에 용접하여 접합강도를 얻는 과정이다.
도 4b에서 보듯이 1차 리벳(10) 압입이 완료된 후, 금속 리벳(10)의 헤드(11)는 금속재(1)와 용접돌기(11a)에서만 접촉된다. 이 상태에서 헤드(11)를 상부 전극(4a)으로 가압하면서 전류를 공급하면 용접돌기(11a)와 금속재(1) 간의 접촉부에서 저항열이 발생하여 용접돌기(11a)가 용융 및 붕괴된다.
S3 단계에서 상부 전극(4a)에 의한 리벳(10) 가압력은 리벳(10)이 복합재(2)를 완전히 관통할 수 있도록 설정되어야 한다. S2 단계에서 복합재(2)는 리벳(10)에 의해 거의 끊겨지기 직전에 이르기도 하고 금속재(1)보다는 연성이 적기 때문에, 복합재(2)는 쉽게 뜯겨질 수 있다.
상부 전극(4a)으로부터 리벳(10)에 공급되는 전류와 가압힘은 용접돌기(11a)의 용융 및 붕괴가 적절한 시점에 발생할 수 있도록 조절될 필요가 있다. 용접돌기(11a)의 붕괴보다 가압힘이 큰 경우, 저항열이 용접돌기(11a)와 금속재(1) 간의 접촉면에 집중되지 못할 수 있다.
실시예에서 리벳(10)을 금속재(1) 측에서 펀칭하여 금속재(1)와 복합재(2)를 접합하는 것은 S3 단계에서도 잇점이 있다. 리벳(10)의 바디(12)가 금속재(1)와 접촉되기는 하지만 그 선단부는 복합재(2)와 접촉되고, 헤드(11)에서 금속재(1)와 접촉되는 부위는 용접돌기(11a) 뿐이기에, 전류 공급 시 용접돌기(11a)에 전류가 집중될 수 있다.
도 4c 및 도 5b에서 보듯이, S3 단계의 용접 후 용접돌기(11a)와 금속재(1) 간의 접촉면에 용접부(A)가 형성되며, 스크랩은 하부 전극(4b)의 수용부(B)로 수납된다. 수용부(B)에 수납된 스크랩은 하부 전극(4b)을 회동시키거나 자성부재를 이용하는 등의 방법으로 취출될 수 있다.
접착제 경화단계(S4)
S4는 금속재(1)와 복합재(2)의 접합 전에 미리 도포된 열경화성 접착제를 경화시키는 단계이다.
금속재(1)와 복합재(2)가 접합된 부품은 완성된 조립체의 형태로 완성차 업체에 납품될 수 있으나, 경우에 따라서는 가접합된 상태에서 완성차 업체에 납품될 수 있다. 완성차 업체에서는 가접합된 조립부품에 필요한 가공이나 조립 등을 한 후, 완성된 조립품 전체를 가열하여 접착제를 경화시킬 수 있다.
위와 같은 경우, 실시예에 따라 접착제로 가접합된 금속재(1)와 복합재(2)를 리벳(10)으로 단단히 고정함으로서, 운반 과정에 공차가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 필요한 경우에는 복합재(2) 측에서 강한 힘으로 펀칭하여 리벳(10)을 이탈시킬 수 있다는 잇점이 있다.
한편 접착제의 경화, 용접돌기(11a)와 금속재(1) 간의 용접, 리벳(10)의 선단(12c)에 의한 이탈 저항력에 의해 금속재(1)와 복합재(2) 간에 우수한 접합력을 얻을 수 있으며, 금속재(1) 측에서 리벳(10)이 압입되어 복합재(2) 측에 발생되는 크랙 등 접합 불량이 방지될 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서 보듯이 다른 실시예에 의하면, 상부 금속재(1)와 복합재(2)에 더하여 복합재(2) 측에 하부 금속재(1-1)를 적층하고 이들을 금속 리벳(10)으로 접합할 수 있다.
상부 금속재(1)와 복합재(2)의 적층하고 상부 금속재(1) 측으로부터 금속 리벳(10)을 펀칭하여 이들을 완전히 관통시킨다. 금속 리벳(10)의 길이는 상부 금속재(1)와 복합재(2) 2겹의 두께보다 길며, 관통 후 금속 리벳(10)의 선단(12c)이 복합재(2) 이면으로 부분 노출된다.
금속 리벳(10)에 의해 상부 금속재(1)와 접합된 복합재(2)의 하면에 또 다른 금속재(1-1)를 밀착(노출된 금속 리벳의 선단으로 인해 하부 금속재와 복합재 사이에 다소간의 틈이 발생될 수 있다)한 후, 상부 전극(4a)으로 금속 리벳(10)을, 그리고 하부 전극(4b)으로 하부 금속재(1-1)를 가압하면서, 상부 전극(4a)을 통해 리벳(10)에 전류를 공급하면, 용접돌기(11a)와 상부 금속재(1), 그리고 리벳(10) 선단(12c)과 하부 금속재(1-1) 간의 접촉면에 전류가 집중되어 저항열에 의해 해당 부위가 용해되며 용접이 이루어진다.
이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.
10: 이종부재 접합용 리벳 11: 헤드
11a: 접합돌기 12: 바디
12a: 취출공간 12b: 고정돌기
12c: 결합단부 A: 용접부위

Claims (7)

  1. a) 상부에 금속재, 하부에 복합재가 중첩된 대상물을 하부 전극 위에 배치하고, 상부 전극으로 금속재 측으로부터 금속 리벳을 펀칭하여 압입하는 단계, 여기서 금속재와 복합재에는 이들을 관통하는 홀이 미리 마련되지 않으며, 금속 리벳은 플랫한 상부면을 갖는 헤드와 이로부터 연장되며 외주면에 둘레방향으로 다수의 원형 고정돌기가 형성된 바디를 구비하며, 헤드의 상부면은 플랫하고 하부면에는 용접돌기가 형성됨; 및
    b) 상부 전극으로 금속 리벳의 헤드를 가압하여 금속재 및 복합재를 관통시키고 전류를 공급하여 용접돌기를 금속재에 용접하는 단계;를 포함하며,
    a) 단계에서 금속 리벳은 용접돌기가 금속재와 접촉될 수 있도록 압입되며,
    b) 단계에서 가압력에 의해 용접돌기가 용융되면서 금속 리벳이 추가 압입되어, 용접 후 헤드 상부면이 금속재와 플랫하게 놓이며, 용접 후 바디 선단은 좌우로 벌어지지 않고 형상을 유지하며,
    용접돌기에서 바디로 이어지는 부위에 헤드 둘레를 따라 오목홈이 형성되며, 용접돌기의 저면은 금속 리벳의 중심축 방향으로 하향 경사지게 형성되고,
    바디에는 선단에서부터 헤드 측으로 연장되는 내부홀이 형성되며, 바디 선단 측의 내주면은 선단을 향해 테이퍼지게 형성되고,
    a) 단계 전에 금속재 및 복합재 간의 중첩 영역에 접착제를 도포하며, b) 단계의 용접 후 중첩 영역에 도포된 접착제를 경화하는 것을 특징으로 하는 이종부재 접합방법.
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