KR102024575B1

KR102024575B1 - 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법

Info

Publication number: KR102024575B1
Application number: KR1020190033587A
Authority: KR
Inventors: 김명훈; 서종덕
Original assignee: 에이에프더블류 주식회사
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-09-24
Also published as: CN111730192B; CN111730192A

Abstract

본 발명은 알루미늄과 구리를 선형 마찰 용접하여 간단하게 제조할 수 있도록 한 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법에 관한 것으로, 하나의 제1 전도체와 두 개의 제2 전도체를 각각 직사각형 형상으로 압착하는 압착단계; 상기 제1 전도체의 양단에 상기 제2 전도체를 각각 배치하는 배치단계; 및 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 선형 마찰 용접하여 부스바를 형성하는 부스바 형성단계를 포함하되, 상기 제1 전도체는 알루미늄이며, 상기 제2 전도체는 구리인 것을 특징으로 한다.

Description

선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법{Manufacturing method of a bus bar using Linear friction welding}

본 발명은 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄과 구리를 선형 마찰 용접하여 간단하게 제조할 수 있도록 한 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법에 관한 것이다.

부스바(Bus bar)는 전기 에너지를 전달하는 매개체로서, 예전에는 주로 케이블이 사용되어 왔으나, 최근에는 부스바의 다양한 장점 때문에 케이블의 대체품으로 많이 사용되고 있다.

부스바와 케이블을 구조상으로 비교해 보면, 유사한 점은 도체와 절연체를 가진다는 것이지만, 부스바의 가장 큰 장점은 같은 부피의 도체로 더욱 많은 전기 에너지를 전달할 수 있다는 점이다. 따라서 대용량의 배전 시스템에서 부스바의 장점이 인식되면서 그 사용량이 급속히 증가되고 있으며, 과거와 비교하여 대용량의 전기에너지를 필요로 하는 대형 건물, 대형 공장, 발전소, 지하철 등의 수요가 급증하는 추세에 맞추어 부스바는 안전하고 에너지의 손실이 적어서 현대의 대용량 송전 시스템에 매우 적합한 부품으로 인식되고 있다.

한국등록특허 제10-1844270호(2018.03.27 등록)는 부스바 및 그 제조방법에 관하여 기재되어 있으며, 개시된 기술에 따르면, 리본 형태의 전기가 도통하는 복수개의 금속부재를 마련하는 단계; 상기 복수개의 금속부재를 얇은 두께 방향인 측면 방향으로만 벤딩하되, 벤딩 전후에도 상하면이 항상 평평한 상태를 유지하도록 벤딩시키는 단계; 상기 복수개의 금속부재의 벤딩된 벤딩부를 용접하는 단계; 상기 복수개의 금속부재를 적층하고, 적층된 상기 복수개의 금속부재가 서로 밀착된 상태에서 일체로 거동되도록 결속하는 단계를 포함하며, 상기 복수개의 금속부재는 구리 또는 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한국등록특허 제10-1118098호(2012.02.13 등록)는 복합 금속 부스바 및 이를 구비하는 전기 설비에 관하여 기재되어 있다. 개시된 기술에 따르면, 알루미늄으로 구성된 내층 및 구리로 구성된 외층의 이중층으로 구성되되, 장측의 구리층 두께가 단측의 구리층 두께보다 작은 사각 바(bar) 형으로, 구리 대 알루미늄의 중량비가 10:90 내지 30:70인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 종래에는 구리 또는 알루미늄 소재로 부스바를 제조하는 것이 일반적인데, 구리의 경우 가격이 비싸며, 특성상 무게가 무겁기 때문에 제품의 내구성에 문제를 일으킬 소지가 있다.

반면에 가격이 저렴한 소재인 알루미늄의 경우 구리소재에 비하여 낮은 전기전도도로 인하여 구리보다 2배 이상의 부피를 가져야하며 그렇지 않은 경우 전기 통전시 열이 발생하게 되어 사용환경에 따라 냉각기를 설치해 주어야 하는 문제가 발생하며, 통전시 발생 가능한 아크에 의해서 용융점이 낮은 알루미늄 소재의 용융이 발생할 여지가 높기 때문에 중전기기나 그 이상의 용량 기기에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

또한, 상술한 바와 같이 종래의 복합 금속 부스바는, 알루미늄과 구리 간의 결합시 불량이 발생하거나, 알루미늄과 구리 간의 결합이 견고하지 못한 경우가 많아 외부 충격 등에 의해 결합부분이 갈라지는 문제점이 있었으며, 이로 인해 알루미늄과 구리 간의 결속력을 강화시키기 위해 부스바의 제조과정이 복잡해지거나, 유지 보수 비용이 상승되는 단점이 있다.

한국등록특허 제10-1844270호 한국등록특허 제10-1118098호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 알루미늄과 구리를 선형 마찰 용접하여 간단하게 제조할 수 있도록 한 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 제공한다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 한 특징에 따르면, 하나의 제1 전도체와 두 개의 제2 전도체를 각각 직사각형 형상으로 압착하는 압착단계; 상기 제1 전도체의 양단에 상기 제2 전도체를 각각 배치하는 배치단계; 및 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 선형 마찰 용접하여 부스바를 형성하는 부스바 형성단계를 포함하되, 상기 제1 전도체는 알루미늄이며, 상기 제2 전도체는 구리인 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 제공한다.

일 실시 예에서, 상기 부스바 형성단계에 있어서, 선형 마찰 용접기에 제1 전도체와 제2 전도체를 기 설정된 간격을 두고 장착하는 장착과정; 선형 마찰 용접기에 장착된 제1 전도체에 진동을 발생시키는 진동발생과정; 및 상기 제1 전도체의 접합면과 상기 제2 전도체의 접합면을 밀착시켜 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이에 발생되는 마찰열에 의해 접합시키는 접합과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 제1 전도체는, 접합면에 다수개의 돌기가 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 제2 전도체는, 접합면에 다수개의 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 부스바 형성단계에 이전에, 상기 제1 전도체의 접합면 또는 상기 제2 전도체의 접합면에 금속 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 부스바 형성단계에 이전에, 상기 제1 전도체의 접합면에 알루미늄 분말을 도포하는 알루미늄 분말 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 알루미늄의 양단에 구리를 선형 마찰 용접하여 부스바를 형성함으로써, 그 제조 공정이 간단하여 대량 생산은 물론, 제조 원가를 절감하되 알루미늄과 구리의 결합력이 견고한 양질의 부스바를 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 알루미늄과 구리를 결합하여 부스바를 형성함으로써, 대폭적인 경량화가 가능해져 경량화 및 강성이 요구되는 자동차를 비롯한 각종 이동수단에 사용이 가능하며, 보관 및 운반이 용이하고 작업성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법에 의해 제조된 부스바이다.
도 3은 도 1에 있는 부스바 형성단계를 설명하는 순서도이다.
도 4는 도 1에 있는 제1 전도체와 제2 전도체의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이며, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법에 의해 제조된 부스바이다.

도 1을 참조하면, 우선, 하나의 제1 전도체(100)와 두 개의 제2 전도체(200)를 각각 압착기를 이용하여 직사각형 형상으로 압착한다(S100).

상술한 단계 S100에 있어서, 제1 전도체(100)는 알루미늄이며, 제2 전도체(200)는 구리인 것을 특징으로 한다.

상술한 단계 S100에 있어서, 제2 전도체(200)의 길이가 제1 전도체(100)의 길이보다 길게 형성될 수 있으며, 이들의 두께는 동일하게 형성될 수 있다.

상술한 단계 S100에서 압착된 제1 전도체(100)의 양단에 제2 전도체(200)를 각각 배치한다(S200).

상술한 단계 S200에 있어서, 전기접점이 발생하는 부분인 제1 전도체(100)의 양단에만 상대적으로 전기전도도가 높고 용융점이 높은 구리소재인 제2 전도체(200)를 위치시킴으로써, 부스바의 성능은 향상시키되, 무게는 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

상술한 단계 S200에서 배치된 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200) 사이를 선형 마찰 용접하여 부스바를 형성한다(S300).

선형 마찰 용접(Linear friction welding)이란, 용접할 소재를 선형(직선)으로 왕복 운동시켜 마찰열을 발생시켜 접합하는 것으로, 원형이 아닌 소재들의 접합이 용이하다.

상술한 단계 S300에서 형성된 부스바를 원하는 크기로 절단할 수 있으며, 부스바의 양단인 제2 전도체(200)에 펀칭하여 단자연결을 위한 단자홀(H)을 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 단계를 지닌 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법은, 알루미늄인 제1 전도체(100)의 양단에 구리인 제2 전도체(200)를 각각 선형 마찰 용접하여 부스바를 형성함으로써, 그 제조 공정이 간단하여 대량 생산은 물론, 제조 원가를 절감하되 결합력이 견고한 양질의 부스바를 생산할 수 있다.

도 3은 도 1에 있는 부스바 형성단계를 설명하는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 먼저, 선형 마찰 용접기(A)에 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)를 기 설정된 간격(예를 들어, 약 1cm)을 두고 장착한다(S310).

상술한 단계 S310에서 선형 마찰 용접기(A)에 장착된 제1 전도체(100)에 선형 진동을 발생시킨다(S320).

상술한 단계 S320에 있어서, 제1 전도체(100)를 40 ~ 450Hz의 주파수로 선형 진동시킬 수 있다.

상술한 단계 S320에서 진동되는 제1 전도체(100)의 접합면과 제2 전도체(200)의 접합면을 밀착시켜 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200) 사이에 발생되는 마찰열에 의해 용융되면서 접합되어 부스바를 형성한다(S330).

상술한 단계 S330에 있어서, 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200) 사이에 120 ~ 150MPa의 압력을 가하여 제1 전도체(100)의 접합면과 제2 전도체(200)의 접합면을 밀착시킬 수 있다.

도 4는 도 1에 있는 제1 전도체와 제2 전도체의 다른 예를 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 제1 전도체(100)는, 접합면에 다수개의 돌기(110)가 형성되고, 제2 전도체(200)는, 제1 전도체(100)의 돌기(110)에 대응되는 위치의 접합면에 다수개의 홈(210)이 형성된 것을 특징으로 한다.

이때, 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 선형 마찰 용접에 방해되지 않도록 홈(210)의 크기가 돌기(110)의 크기보다 조금 크게 형성되거나, 홈(210)의 모서리 부분이 라운드 지게 형성할 수 있다.

선형 마찰 용접에 의해 발생되는 슬래그는 용접 후 완전히 굳은 다음에 해머 등을 이용하여 제거하는 과정을 거쳐야 하므로 번거로울 뿐만 아니라, 슬래그가 굳으면 제거하기가 어렵고 해머 등을 내리치는 과정에서 부스바가 손상될 수 있는 단점이 있었다.

그러나 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200) 각각 돌기(110)와 홈(210)을 형성함으로써, 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 마찰면적을 증대시켜 용접이 용이해지며, 돌기(110)와 홈(210) 사이에서 제1 전도체(100)의 진동이 이루어지게 되고, 용접에 의해 용융되면서 발생되는 슬래그가 돌기(110)에 걸리면서 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 외부로 흘러나오는 슬래그 양을 최소화시켜 별도의 슬래그 제거 과정을 거치지 않아도 되는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 상술한 단계 S300 이전에, 제1 전도체(100)의 접합면 또는 제2 전도체(200)의 접합면에 금속 접착제를 도포한다(S400).

여기서, 금속 접착제는, 은이 혼합된 전기전도성 에폭시 접착제 등일 수 있으며, 열을 가해도 접착력이 약해지지 않고 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)를 접합할 때 강한 압력을 가할 필요가 없기 때문에 접합이 용이해지며, 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.

도 6을 참조하면, 상술한 단계 S300 이전에, 제1 전도체(100)의 접합면에 알루미늄 분말을 도포한다(S500).

상술한 단계 S500에 있어서, 알루미늄 분말을 제1 전도체(100)의 접합면에 저온 분사방법을 이용하여 도포할 수 있다.

상술한 단계 S500에 있어서, 알루미늄 분말을 용제와 혼합하고, 그 혼합물을 제1 전도체(100)의 접합면에 균일하게 도포할 수 있다.

상술한 단계 S500에 있어서, 알루미늄 분말은 약 70 내지 300 nm 크기를 가질 수 있다.

알루미늄 분말의 조밀도는 직사각형 형상의 제1 전도체(100)의 조밀도 보다 낮아 빨리 용융되기 때문에, 선형 마찰 용접시 제1 전도체(100)의 접합면에 도포된 알루미늄 분말이 먼저 용융되면서 제1 전도체(100)의 접합면과 제2 전도체(200)의 접합면이 접합되어 작업 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명의 실시 예는 상술한 장치 및/또는 운용 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 제1 전도체
110 : 돌기
200 : 제2 전도체
210 : 홈
A : 선형 마찰 용접기
H : 단자홀

Claims

하나의 제1 전도체와 두 개의 제2 전도체를 각각 직사각형 형상으로 압착하는 압착단계;
상기 제1 전도체의 양단에 상기 제2 전도체를 각각 배치하는 배치단계; 및
상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 선형 마찰 용접하여 부스바를 형성하는 부스바 형성단계를 포함하되,
상기 제1 전도체는 알루미늄이며, 상기 제2 전도체는 구리인 것을 특징으로 하며,
상기 제1 전도체는,
접합면에 다수개의 돌기가 형성된 것이며,
상기 제2 전도체는,
접합면에 다수개의 홈이 형성된 것이며,
상기 홈은,
상기 돌기의 크기보다 크게 형성되며, 모서리 부분이 라운드 지게 형성되며,
상기 부스바 형성단계에 이전에, 상기 제1 전도체의 접합면에 알루미늄 분말을 도포하는 알루미늄 분말 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 부스바 형성단계에 있어서,
선형 마찰 용접기에 제1 전도체와 제2 전도체를 기 설정된 간격을 두고 장착하는 장착과정;
선형 마찰 용접기에 장착된 제1 전도체에 진동을 발생시키는 진동발생과정; 및
상기 제1 전도체의 접합면과 상기 제2 전도체의 접합면을 밀착시켜 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이에 발생되는 마찰열에 의해 접합시키는 접합과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 부스바 형성단계에 이전에,
상기 제1 전도체의 접합면 또는 상기 제2 전도체의 접합면에 금속 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 마찰 용접을 이용한 부스바 제조방법.