KR102034012B1 - 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄과 구리를 마찰 교반 용접하여 간단하게 제조할 수 있도록 한 마찰 교반 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 마찰 교반 용접하여 부스바를 형성하는 부스바 형성단계를 포함하되, 상기 제1 전도체는 알루미늄이며, 상기 제2 전도체는 구리인 것을 특징으로 한다.

Description

마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법{Manufacturing method of a bus bar using Friction Stir Welding}

본 발명은 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄과 구리를 마찰 교반 용접하여 간단하게 제조할 수 있도록 한 마찰 교반 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 마찰 교반 용접하여 간단하게 제조할 수 있도록 한 마찰 교반 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 각각 상기 제2 전도체가 밀착되도록 배치하는 배치단계; 및 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 마찰 교반 용접하여 부스바를 형성하는 부스바 형성단계를 포함하되, 상기 제1 전도체는 알루미늄이며, 상기 제2 전도체는 구리인 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법을 제공한다.

일 실시 예에서, 상기 부스바 형성단계는, 상기 부스바 형성단계는, 마찰 교반 용접기의 회전툴을 회전시키는 회전과정; 상기 회전툴을 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체가 밀착된 부분에 삽입하는 삽입과정; 상기 회전툴을 이용하여 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체가 밀착된 부분에 마찰열을 발생시키는 마찰열 발생과정; 및 상기 회전툴을 전진시켜 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 용접하는 용접과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 부스바 형성단계 이후에, 상기 부스바의 마찰 교반 용접된 부분을 가열하여 반용융시킨 후 냉각하는 강화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에서, 상기 배치단계 이전에, 상기 제1 전도체의 밀착면 또는 상기 제2 전도체의 밀착면에 금속 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

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

본 발명에 의하면, 알루미늄의 양단에 구리를 마찰 교반 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 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 도 1에 있는 부스바 형성단계를 설명하는 순서도이다.
도 3은 도 1에 있는 부스바 형성단계를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마찰 교반 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 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.

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 각각 제2 전도체(200)가 밀착되도록 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 마찰 교반 용접하여 부스바를 형성한다(S300).

마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)이란, 특수 형상의 Tool을 회전시켜 모재에 삽입하여 모재에 발생되는 마찰열(모재 용융점 이하)을 이용하는 고상용접으로서, 경량비철금속(Al, Cu, Ti 등) 접합에 탁월한 성능을 가진다.

상술한 단계 S300에서 형성된 부스바의 마찰 교반 용접된 부분을 그라인딩 작업하여 평평하고 매끄럽게 형성함으로써, 부스바의 품질을 향상시킬 수 있다.

상술한 단계 S300에서 형성된 부스바를 설치 장소에 따라 기 설정된 모양(예를 들어, ‘ㄷ’자 형상)으로 프레싱 작업할 수 있다. 이때, 프레싱 작업이 용이하도록 하기 위해 부스바를 미리 가열할 수 있다.

상술한 단계 S300에서 형성된 부스바의 양단인 제2 전도체(200)에 펀칭하여 단자연결을 위한 단자홀을 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 단계를 지닌 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법에 있어서, 제1 전도체(100)는, 밀착면에 다수개의 돌기가 형성되고, 제2 전도체(200)는, 제1 전도체(100)의 돌기에 대응되는 위치의 밀착면에 다수개의 홈이 형성된 것일 수 있다. 이로 인해, 상술한 단계 S200에서 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)가 밀착될 때 돌기와 홈이 서로 결합되어, 마찰 교반 용접시 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200) 사이의 움직임을 최소화하며 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 결속력을 더욱 향상시킬 수 있다.

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

도 2는 도 1에 있는 부스바 형성단계를 설명하는 순서도이며, 도 3은 도 1에 있는 부스바 형성단계를 설명하는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저, 마찰 교반 용접기의 회전툴(T)을 기 설정된 속도로 회전시킨다(S310).

상술한 단계 S310에 있어서, 회전툴(T)을 1400 ~ 1600RPM의 속도로 회전시킬 수 있다. 회전툴(T)의 회전속도가 1400RPM 이하인 경우에는 불충분한 입열에 의해 용접 부위에 마모가 발생할 수 있으며, 회전속도가 1600RPM 이상인 경우에는 온도가 급격히 상승하여 결함이 발생할 수 있다.

상술한 단계 S310에서 회전하는 회전툴(T)을 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)가 밀착된 부분에 삽입한다(S320).

상술한 단계 S320에 있어서, 회전툴(T)을 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)가 밀착된 부분에 약 1 ~ 2mm의 깊이만큼 삽입할 수 있다.

상술한 단계 S320에 있어서, 회전툴(T)에 3000 ~ 5000N의 압력으로 가압력을 제공하여 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)가 밀착된 부분에 삽입할 수 있다.

상술한 단계 S320에서 삽입된 회전툴(T)을 이용하여 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)가 밀착된 부분에 마찰열을 발생시킨다(S330).

상술한 단계 S330에 있어서, 회전툴(T)이 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)가 밀착된 부분에 삽입되어 회전하는 상태를 3 ~ 8초 동안 유지하여 마찰열을 발생시킴으로써, 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 용접이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.

상술한 단계 S330에서 회전툴(T)을 전진시켜 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200) 사이를 용접한다(S340).

상술한 단계 S340에 있어서, 회전툴(T)을 200 ~ 300mm/min의 이동 속도로 전진시킬 수 있다. 회전툴(T)의 이동속도가 200 mm/min 이하인 경우 부스바의 인장강도가 낮아지고, 이동속도가 300 mm/min 이상인 경우 과도한 이송속도로 인하여 입열이 충분하지 않아 결함이 발생할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 상술한 단계 S300 이후에, 부스바의 마찰 교반 용접된 부분을 가열하여 반용융시킨 후 냉각하여 강화시킨다(S400).

상술한 단계 S400에 있어서, 마찰 교반 용접된 부분을 고주파 가열기 등을 이용하여 500 ~ 650℃의 온도로 약 60분 ~ 120분 동안 가열하여 반용융시킬 수 있으며, 이후에 40℃/s 이하의 냉각속도로 냉각시킬 수 있다. 여기서, 가열온도가 500℃ 미만일 경우 부스바는 고체상으로 존재하고 가열온도가 650℃를 초과하는 경우 완전액상으로 용융될 수 있기 때문에 상기 온도 사이의 범위로 가열하는 것이 바람직하다.

일반적으로 마찰 교반 용접을 수행하게 되면, 접합부 종단에 회전툴(T)의 구멍이 남게 되어, 종단을 절단하거나 후가공 처리해야하는 번거로움이 있었다.

그러나 상술한 바와 같은 단계를 지닌 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법은, 상술한 단계 S400와 같이 열처리를 수행함으로써 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 마찰 교반 용접된 부분이 반용융되면서 부스바의 종단에 발생되는 구멍이 제거되므로, 부스바의 종단을 절단하거나 후가공 처리하지 않아도 되어 재료를 절약하고 번거로움을 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법을 설명하는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 상술한 단계 S200 이전에, 제1 전도체(100)의 밀착면 또는 제2 전도체(200)의 밀착면에 금속 접착제를 도포한다(S500).

여기서, 금속 접착제는, 은이 혼합된 전기전도성 에폭시 접착제 등일 수 있으며, 열을 가해도 접착력이 약해지지 않고 제1 전도체(100)와 제2 전도체(200)의 결합력을 더욱 향상시킬 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
200 : 제2 전도체
T : 회전툴

Claims (5)

1. 하나의 제1 전도체와 두 개의 제2 전도체를 각각 직사각형 형상으로 압착하는 압착단계;
   상기 제1 전도체의 양단에 각각 상기 제2 전도체가 밀착되도록 배치하는 배치단계; 및
   상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 마찰 교반 용접하여 부스바를 형성하는 부스바 형성단계를 포함하되,
   상기 제1 전도체는 알루미늄이며, 상기 제2 전도체는 구리인 것을 특징으로 하며,
   상기 제1 전도체는,
   밀착면에 다수개의 돌기가 형성된 것이며,
   상기 제2 전도체는,
   밀착면에 다수개의 홈이 형성된 것이며,
   상기 부스바 형성단계 이후에,
   상기 부스바의 마찰 교반 용접된 부분을 500 ~ 650℃의 온도로 60분 ~ 120분 동안 가열하여 반용융시킨 후 40℃/s 이하의 냉각속도로 냉각하는 강화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 부스바 형성단계는,
   마찰 교반 용접기의 회전툴을 회전시키는 회전과정;
   상기 회전툴을 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체가 밀착된 부분에 삽입하는 삽입과정;
   상기 회전툴을 이용하여 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체가 밀착된 부분에 마찰열을 발생시키는 마찰열 발생과정; 및
   상기 회전툴을 전진시켜 상기 제1 전도체와 상기 제2 전도체 사이를 용접하는 용접과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 배치단계 이전에,
   상기 제1 전도체의 밀착면 또는 상기 제2 전도체의 밀착면에 금속 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법.
   
5. 삭제

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