KR102290087B1 - 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법 - Google Patents

구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법은, 기둥 형상의 구리 소재 중앙부의 관통공에 알루미늄 분말을 압착하여 형성한 알루미늄 소재를 삽입하여, 기둥 형상의 알루미늄 소재의 외부 둘레를 구리 소재가 감싸고 있는 형태의 압출용 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계와, 압출용 빌렛을 압출기에 넣고, 300℃ 내지 400℃의 압출온도로 통전부를 압출하는 압출단계와, 통전부 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재의 면적보다 넓은 구리 소재의 체결부를 마찰교반용접으로 접합하는 접합단계를 포함한다. 빌렛형성단계에서 압출용 빌렛의 중앙부 단면의 알루미늄 소재의 면적은 구리소재의 면적보다 2배 내지 7배로 하여, 간이한 공정으로 우수한 접합특성을 가지며 갈바닉부식을 현저히 개선할 수 있다.

Description

구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법{Manufacturing method for Cu-Al Clad bus bar}
본 발명은 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기둥 형상의 구리 소재 중앙부의 관통공에 알루미늄 분말을 압착하여 형성한 알루미늄 소재를 삽입하고 압출한 후, 양단에 구리 소재의 체결부를 마찰교반용접으로 접합하는 간이한 공정으로 우수한 접합특성을 가지며 갈바닉부식을 현저히 개선할 수 있는 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기에너지를 전달하는 매개체인 부스바(Bus Bar)는 같은 부피의 도체로 더욱 많은 전기에너지를 전달할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점 때문에 부스바는 발전소, 대형건물, 대형공장 등과 같이 대용량 전기에너지를 필요로 하는 건축물뿐만 아니라 전기에너지를 사용하는 기계, 수송기기까지 다양한 산업분야에서 전기케이블의 대체품으로 많이 사용되고 있다.
기존에는 부스바를 구리 또는 알루미늄 소재를 사용하여 제조하는 것이 일반적이었다. 구리 부스바의 경우 가격이 비싸며, 무게가 무겁기 때문에 제품의 내구성 문제의 발생의 문제가 발생할 수 있다. 수송기기에 사용하는 경우 중량증가에 의한 주행거리 손실의 문제를 일으킬 수 있다.
반면에 알루미늄 부스바의 경우 구리에 비하여 가볍고 저렴하나 낮은 전기전도도로 인하여 전기에너지의 전달효율이 낮은 문제가 있다. 또한 통전시에 발생되는 열로 인하여 사용환경에 따라 냉각기를 설치해야하는 문제가 발생할 수 있다.
부스바를 원가절감 및 경량화 하면서도 전기전도로를 유지하기 위하여 알루미늄-구리 이종접합형 부스바를 사용할 수 있다. 다만 알루미늄과 구리 계면에서 이종금속간의 국부전지형성으로 인한 갈바닉 부식이 발생되면서 접합력 저하 또는 내구성능의 저하가 발생되어, 높은 내구성이 요구되는 고전압 부스바 또는 전기자동차용 부스바에 사용하기에는 곤란한 문제가 있다.
등록특허공보 제10-0603021호 “은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법”(2006년07월12일 등록)에서는 표면에 1 ~ 500 μm 두께로 은 도금된 알루미늄 봉재를 동 파이프 내부로 주입하고 300 ℃ 에서 압출하여 동-은-알루미늄 적층 구조 가진 부스바를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 다만 알루미늄과 구리간의 결합시 불량이 발생하거나, 알루미늄과 구리간의 결합이 견고하지 못한 경우에 발생되는 결함, 알루미늄과 구리간의 전위차로 인해 발생되는 갈바닉 부식으로 인한 계면결함 등의 문제점이 발생될 수 있다.
등록특허공보 제10-1362328호 “합금화에 의해 강도와 계면신뢰성이 향상된 구리/알루미늄 클래드재 및 그 제조방법” (2014년02월06일 등록)에서는 알루미늄 소재와 구리 소재가 동심원상으로 차례로 적층된 구조를 개시하고 있다. 구리-알루미늄 계면의 신뢰성을 높이기 위해 Cr, Zr, Mn, Co 등을 0.01 ~ 5 % 정도 첨가하여 압연, 압출, 인발, 마찰용접 등의 방법으로 접합하는 것을 특징으로 한다.
등록특허공보 제10-2034011호 “부스바 제조방법”(2019년10월14일 등록)에서는 봉 형태의 알루미늄의 양단에 봉 형태의 구리를 마찰용접하여 상호 견고하게 결합가능한 부스바 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나 표면에 알루미늄과 구리의 결합계면이 노출되어 있기 때문에 갈바닉 부식으로 인한 계면결함의 문제점이 여전히 존재하고 있다.
등록특허공보 제10-2047794호 “부스바 제조방법” (2019년11월18일 등록)에서는 구리의 관통공에 알루미늄을 삽입한 후, 가열하고 압착하여 알루미늄과 구리의 이종소재로 된 부스바를 개시하고 있다. 이종소재 사이에는 제올라이트, 탄소분말, 유기용매, 수지의 접합제를 도포하고 400 ∼ 500 ℃ 의 온도로 가열하여 결합하는 형태의 제조방법을 특징으로 하고 있다. 마찬가지로 갈바닉 부식으로 인한 계면결함의 문제점이 여전히 존재한다.
등록특허공보 제10-0603021호 “은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법” (2006년07월12일 등록) 등록특허공보 제10-1362328호 “합금화에 의해 강도와 계면신뢰성이 향상된 구리/알루미늄 클래드재 및 그 제조방법” (2014년02월06일 등록) 등록특허공보 제10-2034011호 “부스바 제조방법” (2019년10월14일 등록) 등록특허공보 제10-2047794호 “부스바 제조방법” (2019년11월18일 등록)
본 발명의 목적은, 간이한 공정으로 제작할 수 있으며 우수한 접합특성을 가지는 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 구리와 알루미늄의 계면에서 발생하는 갈바닉부식을 개선하여 내구성을 향상시킨 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 구리 부스바보다 가볍고 저렴하며, 알루미늄 부스바보다 전기전도성과 고온내구성이 향상되고, 다양한 형상으로 추가가공하기 용이한 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 통전용 부스바에 사용하는 클래드 압출재에 있어서, 알루미늄 분말을 압착하여 형성한 기둥 형상의 알루미늄 소재; 및 상기 알루미늄 소재의 외부를 둘러싸서 감싸는 구리 소재를 포함하며, 상기 알루미늄 소재의 단면적은 상기 구리 소재의 단면적보다 2배 내지 7배이고, 상기 알루미늄 소재와 구리 소재는 300℃ 내지 400℃의 압출온도로 압출하여 형성한다.
상기 알루미늄 소재와 구리 소재는 사각형 몰드를 통해서 압출하여 사각기둥 형상으로 형성할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 전기에너지를 전달하는 통전용 부스바에 있어서, 알루미늄 분말을 압착하여 형성한 기둥 형상의 알루미늄 소재와, 상기 알루미늄 소재의 외부 둘레를 감싸는 구리 소재를 구비하는 통전부; 및 상기 통전부 좌우 양단에 형성되고, 단자홀을 구비하는 구리 소재의 체결부를 포함하며, 상기 통전부의 중앙부 단면은, 알루미늄 소재의 면적이 구리 소재의 면적보다 2배 내지 7배이고, 상기 통전부는, 압출용 빌렛을 300℃ 내지 400℃의 압출온도로 압출하여 형성한다.
상기 통전부는 사각형 몰드를 통해서 압출하여 사각기둥 형상으로 형성할 수 있다.
상기 체결부의 접합면은, 상기 통전부의 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재의 면적보다 넓으며, 마찰교반용접으로 통전부에 접합될 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 전기에너지를 전달하는 통전용 부스바의 제조방법에 있어서, 기둥 형상의 구리 소재 중앙부의 관통공에 알루미늄 분말을 압착하여 형성한 기둥 형상의 알루미늄 소재를 삽입하여, 기둥 형상의 알루미늄 소재의 외부 둘레를 구리 소재가 감싸고 있는 형태의 압출용 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계; 상기 압출용 빌렛을 압출기에 넣고, 300℃ 내지 400℃의 압출온도로 통전부를 압출하는 압출단계; 및 상기 통전부 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재의 면적보다 넓은 구리 소재의 체결부를 마찰교반용접으로 접합하는 접합단계를 포함한다.
상기 빌렛형성단계에서 압출용 빌렛의 중앙부 단면의 알루미늄 소재의 면적은 구리소재의 면적보다 2배 내지 7배가 되도록 한다.
상기 압출단계는, 사각형 몰드를 사용하여 사각기둥 형상의 통전부를 압출할 수 있다.
상기 통전용 부스바의 제조방법에 있어서, 상기 체결부를 펀칭하여 단자홀을 형성하는 펀칭단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법은, 구리-알루미늄 이종소재를 이용한 빌렛을 압출하는 간이한 공정으로 우수한 접합특성을 가지는 구리-알루미늄 클래드 구조의 사각바를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법은, 구리-알루미늄 클래드 사각바의 선단에 구리 소재를 마찰교반용접하여 알루미늄을 밀폐함으로써 노출된 계면에서 발생하는 갈바닉부식을 현저히 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법은, 구리 부스바보다 가볍고 저렴하며, 알루미늄 부스바보다 전기전도성과 고온내구성이 향상되며, 다양한 형상으로 추가가공하기 용이한 부스바를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바를 제조하기 위한 압출용 빌렛을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 압출재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바를 제조하기 위한 압출용 빌렛의 외관 및 압출재의 단면을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바 용 압출재의 구리와 알루미늄 사이의 계면에 대한 전자현미경 사진 및 EDS 측정 데이터이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바를 제조하기 위한 압출용 빌렛을 나타내는 사시도이다.
도 1(a)는 압출용 빌렛을 형성하기 위한 구리 소재를 나타내는 사시도로, 구리 소재는 속이 빈 원기둥 형상 즉 구리 파이프 형상을 하고 있다. 관형 구리 소재(110)는 내부 중앙부에 관통공(150)을 가지고 있으며, 일정한 면적의 구리 소재 단면(130)을 가지고 있다.
도 1(b)는 구리 파이프 내부에 알루미늄 소재를 채워서 형성한 압출용 빌렛의 사시도이다. 구리 소재의 중앙부에 형성된 관통공의 내부에는 알루미늄 소재(170)를 삽입하여 압출용 빌렛(190)을 형성한다. 압출용 빌렛은 내부의 알루미늄 소재와 외부의 구리 소재의 이종 소재로 구성된다.
알루미늄 소재는 알루미늄 봉재, 알루미늄 분말, 알루미늄 분말의 압착재 등을 사용할 수 있다. 알루미늄 소재는 구리 파이프 또는 한쪽 단면이 막힌 구리 캔 형태의 구리 소재에 장착 또는 충전된다.
알루미늄 봉재를 사용하는 경우, 균일한 압출 성형을 위하여 압출 온도를 알루미늄의 용융점보다 낮은 400℃ 내외로 가열하면 내부의 알루미늄 봉재와 외부의 구리 파이프 사이의 접합이 불완전할 수 있다. 따라서 원활한 확산접합을 위하여 외부의 구리 파이프 내경보다 2~5mmΦ 적은 직경을 가지는 알루미늄 봉재를 사용하고, 그 사이에는 접합제로 브레이징 파우더를 사용하는 것이 바람직하다. 브레이징 파우더는 알루미늄 분말, 구리 분말, 알루미늄과 구리가 혼합된 분말 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
알루미늄 분말을 사용하는 경우, 구리 파이프 또는 구리 캔 안에 알루미늄 분말을 충전하므로 별도의 브레이징 파우더를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 다만, 압출을 위해 구리 파이프 또는 구리 캔을 구리 뚜껑으로 막고 400℃ 근처에서 예열하는 경우 알루미늄 분말 사이의 기체 팽창에 의한 기포 결함이 발생할 수 있다.
알루미늄 분말의 압착재는, 알루미늄 분말을 알루미늄 봉재(밀도 2.7g/cm3) 대비 상대밀도 60% 내지 80%가 되도록 압착한 것(밀도 1.62~2.16g/cm3)이다. 알루미늄 분말 압착재를 사용하는 경우, 브레이징 파우더를 사용하지 않아도 되며, 기포 결함 발생 가능성도 낮아진다. 따라서 알루미늄 소재로는 알루미늄 분말 압착재를 사용하는 것이 바람직하다.
압출용 빌렛(190)은 내부의 기둥 형상의 알루미늄 소재(170)와, 알루미늄 소재의 외부를 둘러싸서 감싸는 구리 소재(130)를 포함한다. 길이 방향에 수직한 단면에서 볼 때, 구리 소재는 폐단면을 이루고 있어서 내부의 알루미늄 소재가 밖으로 노출되지 않는다. 도 1에는 압출용 빌렛이 원기둥 형상을 하고 있으나, 사각 관 형상의 구리 소재를 사용하는 경우 사각 기둥 형상으로 압출용 빌렛을 형성할 수 있다.
압출용 빌렛(190)의 좌우 단면부 중에서 한쪽은 압출기에서 밀어주기 위해 덮개를 부착할 수 있다. 덮개는 외부 기둥과 마찬가지로 구리 소재를 사용하는 것이 바람직하고, 기둥 형상의 구리 소재 외부 테두리에 맞는 것을 사용한다. 구리 덮개는 구리 기둥에 용접하여 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 압출재를 형성하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2(a)는 구리-알루미늄 이종 소재를 이용한 압출용 빌렛을 이용하여 구리-알루미늄 클래드 압출재를 형성하는 클래드 압출공정을 단면도로 나타낸 것이다. 압출용 빌렛(190)은 압출 몰드(210)를 통과하여 압출재(290)가 된다. 압출 몰드(210)는 입구부(230)와 출구부(270)를 포함한다. 입구부(230)는 압출용 빌렛의 외경보다 커서 압출용 빌렛이 투입될 수 있고, 압출 몰드 출구쪽으로 갈 수록 점점 작아진다. 압출재(290)의 외경은 압출 몰드의 출구부(270) 외경에 맞게 형성된다.
도 2(b)는 알루미늄 소재를 감싸는 구리 소재로 구성된 압출용 빌렛을 이용하여 이종소재 클래드 압출재를 형성하는 과정을 사시도로 나타낸 것이다. 특히, 압출 몰드(215)의 출구부(275)를 사각형으로 형성한 사각형 몰드를 사용하여, 압출재(295)를 단면이 사각형인 사각기둥 또는 사각바 형태로 형성할 수 있다. 즉, 통전용 부스바에 사용하는 구리-알루미늄 클래드 압출재는 사각 기둥 형상의 알루미늄 소재와 알루미늄 소재의 외부를 둘러싸서 감싸는 사각 기둥 형상의 구리소재를 포함한다. 도면에서 압출용 빌렛(195)은 이종 소재의 원기둥 형태로 나타나 있으나, 이종 소재의 사각 기둥 형태를 사용할 수도 있다.
압출시 압출 몰드의 온도인 압출온도는 300℃ 내지 400℃, 바람직하게는 330℃ 내지 370℃ 로 유지하여, 알루미늄 소재와 구리 소재로 구성된 압출용 빌렛을 압출한다. 압출온도가 낮은 경우에는 압출이 어려워지고, 높은 경우에는 구리와 알루미늄의 열적 특성이 달라서 성형 상태의 편차가 발생하여 클래드 형상의 성형체를 구현하기가 곤란하다.
압출전 압출용 빌렛 단면적과 압출후 압출재 단면적의 비인 압출비는 7:1 내지 13:1, 즉 압출후 단면적이 압출전 단면적보다 1/7배 내지 1/13배가 되도록 하는 몰드를 사용한다. 압출비는 바람직하게는 7:1 내지 13:1로 설정할 수 있다. 압출비가 낮으면 구리와 알루미늄의 접착이 부족하고, 압출비가 높으면 압출 몰드가 파손될 수 있다.
압출용 빌렛 단면에서 구리 소재와 알루미늄 소재의 면적비는 1:2 내지 1:7 으로 설정한다. 즉 알루미늄 소재의 단면적이 구리 소재의 단면적보다 2배 내지 7배가 되도록 설정한다. 소재의 면적비는 바람직하게는 1:4 내지 1:5 로 설정할 수 있다. 구리 소재의 면적이 작아지면 전기전도성이 저하되며, 구리 소재의 면적이 커지면 압출 몰드가 파손될 수 있다.
최대 압출 하중은 70 ton 내지 90 ton, 바람직하게는 75 ton 내지 85 ton 이 되도록 압출속도 등의 조건을 설정한다. 압출 하중이 낮은 경우 생산성이 저하되고, 압출하중이 높은 경우 압출 몰드가 파손될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3(a)는 부스바를 구성하는 통전부와 체결부를 각각 나타낸 사시도이다. 통전부(310)는 기둥 형상의 구리-알루미늄 클래드 압출재를 사용한다. 통전부는 사각 기둥 형상의 알루미늄 소재와, 알루미늄 소재의 외부 둘레를 감싸는 사각 기둥 형상의 구리 소재를 구비하는 사각기둥 또는 사각바 형태의 압출재(295)를 사용할 수 있다.
체결부(320, 325)는 구리 소재로 구성되고, 통전부 좌우 양단면에 접합될 수 있다. 체결부의 접합면(330)은 통전부의 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재(340)의 면적보다 넓으며, 통전부의 알루미늄 소재의 단면을 모두 덮도록 마찰교반용접 등의 방법으로 접합된다. 통전부의 좌우 양단에 구리 소재의 체결부를 접합하여 부스바의 외부에 알루미늄이 노출되지 않도록 하므로 경량화와 소재원가 절감이 가능하면서도 갈바닉부식을 방지할 수 있다. 체결부의 접합면(330)의 형상은 통전부 외곽의 구리 소재(350) 단면의 형상과 일치시키는 것이 바람직하다.
도 3(b)는 통전부와 체결부가 마찰교반용접으로 접합된 부스바 용접재를 나타낸 사시도이다. 전기에너지를 전달하는 통전용 부스바 용접재(370)는 통전부(310)와 체결부(320)를 포함한다. 통전부와 체결부 사이의 접합면(360)은 점선으로 표시하였다.
도 3(c)는 체결부에 단자홀이 펀칭된 부스바를 나타내는 사시도이다. 부스바(390)는 구리소재의 체결부(320)에 전기장치 또는 배선과 연결할 수 있는 단자홀(380)을 구비할 수 있다. 체결부(320)는 구리 소재로만 구성되어, 단자홀(380)을 펀칭하여도 알루미늄이 노출되지 않으므로 갈바닉부식이 발생할 우려가 없다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
전기에너지를 전달하는 통전용 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법은 구리 소재 준비단계(S410), 알루미늄 소재 준비단계(S420), 압출용 빌렛 형성단계(S430), 통전부 압출단계(S450), 체결부 접합단계(S470), 단자홀 펀칭단계(S490)를 포함한다.
구리 소재 준비단계(S410)는 내부 중앙에 관통공을 구비하고 기둥 형상인 관형 구리 소재를 준비하는 단계이다. 기둥 형상은 원기둥 또는 사각기둥 형상을 사용할 수 있다. 구리 소재는 양쪽이 뚫려 있는 파이프를 사용할 수 있으나, 한쪽이 막혀 있는 캔형 소재를 사용하는 것이 내부에 장착되는 알루미늄 소재를 고정하는데 유리하다.
알루미늄 소재 준비단계(S420)는 구리 소재의 기둥 내부에 들어가는 원기둥 또는 사각기둥 형상의 알루미늄 소재를 준비하는 단계이다. 알루미늄 봉재 또는 분말을 사용할 수 있으나, 알루미늄 분말 압착재를 사용하는 것이 바람직하다. 알루미늄 분말 압착재는 금형 틀에 알루미늄 분말을 충전한 후에 일정한 압력을 가해서 형성하며, 알루미늄 봉재 대비 상대밀도 60% 내지 80%가 되도록 형성한다.
압출용 빌렛 형성단계(S430)에서는 기둥 형상의 구리 소재 중앙부의 관통공에 알루미늄 소재를 삽입하여, 기둥 형상의 알루미늄 소재의 외부 둘레를 관형 구리 소재가 감싸고 있는 형태의 압출용 빌렛을 형성한다.
빌렛형성단계는 구리관과 알루미늄 봉재 사이에 알루미늄 분말, 구리 분말, 알루미늄과 구리가 혼합된 분말 중 어느 하나를 접착제로 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
통전부 압출단계(S450)는 압출용 빌렛을 압출기에 넣고 통전부를 형성하는 압출재를 압출하는 단계이다.
압출 몰드의 온도인 압출온도는 300℃ 내지 400℃, 바람직하게는 330℃ 내지 370℃ 로 유지한다. 압출용 빌렛은 압출기에 삽입되지 전에 예열과정을 거친다. 압출용 빌렛은 압출온도보다 20℃ 낮은 온도에서 예열시키는 것이 바람직하다.
압출후 단면적이 압출전 단면적보다 1/7배 내지 1/13배가 되도록 압출용 빌렛 단면적과 압출재 단면적의 비인 압출비를 7:1 내지 13:1로 설정한다. 압출비는 7:1 내지 13:1로 설정할 수 있다.
압출용 빌렛 또는 압출재의 단면에서 구리 소재와 알루미늄 소재의 면적비는 1:2 내지 1:7 이 되도록, 즉 알루미늄 소재의 단면적이 구리 소재의 단면적보다 2배 내지 7배가 되도록 설정한다. 소재의 면적비는 바람직하게는 1:4 내지 1:5 로 설정할 수 있다.
최대 압출 하중은 70 ton 내지 90 ton, 바람직하게는 75 ton 내지 85 ton 이 되도록 압출속도 등의 조건을 설정한다.
통전부 압출단계에서 압출 몰드의 출구가 사각형인 사각형 몰드를 사용하면, 단면이 사각형인 사각기둥 형상의 통전부를 압출할 수 있다.
체결부 접합단계(S470)는 통전부 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재의 면적보다 넓은 구리 소재의 체결부를 접합하여 부스바 외부에 알루미늄이 노출되지 않도록 하는 단계이다. 통전부와 체결부의 접합 방법으로는 마찰교반용접을 사용할 수 있다.
단자홀 펀칭단계(S490)에서는 체결부를 펀칭하여 단자홀을 형성한다. 부스바는 체결부의 단자홀을 통해서 외부 배선 또는 전기장치를 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법은 용접, 가열접합의 공정을 사용하지 않고, 구리-알루미늄 이종소재를 이용한 빌렛을 압출하는 공정으로 우수한 접합특성의 구리-알루미늄 클래드구조의 사각바를 제조할 수 있다. 통전부를 구성하는 압출재를 간단한 제조공정으로 제조하여 작업성을 증대시키고 제조원가를 절감하고 무게를 줄이되 성능을 향상할 수 있다.
또한, 구리-알루미늄 클래드 사각바의 양단에 구리 판재의 마찰교반용접을 통하여 알루미늄 금속부위가 외부로부터 밀폐되는 구조의 부스바 제작이 가능하여 알루미늄과 구리의 노출계면에서 발생되는 갈바닉부식으로 인한 계면결함의 문제점이 현저히 개선되는 부스바의 제조가 가능하다.
구리-알루미늄 클래드 압출재 또는 양단에 구리를 도입한 용접재는 압연 또는 절곡 등의 소성가공 공정을 활용하여 다양한 형상으로 추가가공도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바는 구리-알루미늄 클래드 압출재의 제조, 구리 체결부의 마찰교반 용접을 통하여 제조되며, 알루미늄 부스바보다 전기전도성이 우수하고, 고온내구성이 향상되며, 구리 부스바보다는 소재원가절감 및 경량화 효과가 있다. 통전부 양단의 체결부위에 구리 소재를 마찰교반용접을 통하여 접합하여, 외부에서는 알루미늄이 노출되지 않으므로, 기존의 구리-알루미늄 부스바보다 계면에서 발생되는 갈바닉 부식의 방식효과가 뛰어나 내구성이 향상되면서도 공정비용 또한 기존과 동일한 수준으로 제조가 가능하다.
<실시예>
내경 45mmΦ의 금형에 알루미늄(Al) 분말을 충전하고 밀도가 1.62~2.16g/cm3이 되도록 압력을 가해 알루미늄 분말 압출재를 형성하였다. 내부가 비어있고 한쪽 끝이 막혀있는 외경 50mmΦ이고 두께 2.5mm의 원기둥 형상의 구리(Cu) 소재의 내부에 원기둥 형상의 알루미늄 소재인 알루미늄 분말 압출재를 삽입하고, 구리 소재의 덮개를 덮고 용접하여 압출용 빌렛을 제조하였다.
330℃에서 예열한 압출용 빌렛을 압출비 10:1의 압출 몰드를 사용하여 압출온도 350℃에서 최대 압출하중 81 ton으로 압출한 결과, 양호한 구리-알루미늄 클래드 압출재를 얻을 수 있었다(표 1의 Case 1).
압출비를 15:1 로 변경한 경우(표 1의 Case 2) 및 구리 소재의 외경은 그대로 두고 알루미늄 소재의 외경을 35 mm 로 변경한 경우(표 1의 Case 3)에는 몰드가 파손되는 결과가 나타나서 압출에 부적합한 조건임을 확인하였다.
알루미늄 소재의 외경에 따른 면적비, 압출 몰드의 압출비, 압출온도 및 최대 압출하중을 변화하면서 양호한 압출재를 얻을 수 있는 조건에 대하여 실험하였으며, 각각의 시험 조건과 그 결과는 표 1에 나타나 있다.
Case Cu 외경
(mm)		 AL 외경
(mm)		 면적비
(Cu:Al)		 압출비
(빌렛:
압출재)		 온도
(℃)		 최대
압출하중
(ton)		 결과
1 50 45 1:4.26 10:1 350 81 양호
2 50 45 1:4.26 15:1 350 91 몰드 파손
3 50 35 1:0.96 10:1 350 91 몰드 파손
4 50 47 1:7.59 10:1 350 75 양호
5 50 40 1:1.78 10:1 350 85 양호
6 50 45 1:4.26 13:1 350 85 양호
7 50 45 1:4.26 7:1 350 68 양호
8 50 45 1:4.26 10:1 400 78 양호
9 50 45 1:4.26 10:1 300 84 양호
표 1에 의하면, 구리소재와 알루미늄 소재의 면적비는 1:2 내지 1:7 범위, 압출비는 7:1 내지 13:1 범위, 압출온도는 300℃ 내지 400℃ 범위, 최대 압출하중은 75 ton 내지 85 ton 범위에서 양호한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바를 제조하기 위한 압출용 빌렛의 외관 및 압출재의 단면을 나타내는 사진이다.
도 5(a)는 구리-알루미늄 이종소재의 압출용 빌렛의 외관을 나타내는 사진이다. 압출용 빌렛의 상부에는 압출용 구리 덮개가 용접된 상태이다.
도 5(b)는 압출용 빌렛의 압출공정을 통해서 제작된 구리-알루미늄 클래드 압출재의 단면을 나타내는 사진이다. 알루미늄 소재의 내부에 기포의 발생 등 결함이 보이지 않으며, 내부의 알루미늄 소재가 외부의 구리 소재 사이에 빈 공간이 없이 밀착된 상태로 양호하게 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-알루미늄 클래드 부스바 용 압출재의 구리와 알루미늄 사이의 계면에 대한 전자현미경 사진 및 EDS 측정 데이터이다.
도 6(a)는 구리-알루미늄 클래드 부스바 용 압출재의 구리와 알루미늄 사이의 계면에 대한 전자현미경(SEM) 사진이다. 사진의 왼쪽 부분은 구리 소재이고, 사진의 오른쪽 밝게 보이는 부분이 알루미늄 소재이다. 사진에서 구리-알루미늄 사이의 계면에서 결함이나 분리가 없이 알루미늄과 구리가 물리적으로 접착이 양호하게 된 것을 확인할 수 있다.
도 6(b)는 도 6(a)에서 사각형으로 표시한 구리-알루미늄 계면을 라인 스캔하면서 에너지 분산형 분광분석(EDS) 데이터를 구하여 그래프로 나타낸 것이다. 왼쪽부분에서는 알루미늄(Al) 성분이 거의 없고 구리(Cu) 성분이 대부분이며, 오른쪽 으로 갈 수록 구리(Cu) 성분이 감소하고 알루미늄(Al) 성분이 증가함을 알 수 있다. 특히, 성분 변화가 선형적으로 이루어지는 것을 보아서, 구리와 알루미늄의 계면에서 두 소재간의 상호확산에 의하여 화학적인 접합이 잘 되어 있는 것을 확인할 수 있다.
110 : 관형 구리 소재(110)
130 : 구리 소재 단면(130)
150 : 관통공(150)
170 : 알루미늄 소재(190)
190 : 압출용 빌렛(190)
210 : 압출 몰드(210)
290 : 압출재(290)
310 : 통전부(310)
320 : 체결부(320)
360 : 접합면(360)
380 : 단자홀(380)
390 : 부스바(390)

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전기에너지를 전달하는 통전용 부스바에 있어서,
    알루미늄 분말을 압착하여 형성한 기둥 형상의 알루미늄 소재와, 상기 알루미늄 소재의 외부 둘레를 감싸는 구리 소재를 구비하는 통전부; 및
    상기 통전부 좌우 양단에 형성되고, 단자홀을 구비하는 구리 소재의 체결부를 포함하며,
    상기 통전부의 중앙부 단면은, 알루미늄 소재의 면적이 구리 소재의 면적보다 2배 내지 7배이고,
    상기 통전부는, 압출용 빌렛을 300℃ 내지 400℃의 압출온도로 압출하여 형성하고,
    상기 체결부의 접합면은, 상기 통전부의 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재의 면적보다 넓으며, 상기 통전부의 알루미늄 소재의 단면을 모두 덮도록 마찰교반용접으로 통전부에 접합되는 것을 특징으로 하는 구리-알루미늄 클래드 부스바.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 통전부는 사각형 몰드를 통해서 압출하여 사각기둥 형상인 것을 특징으로 하는 구리-알루미늄 클래드 부스바.
  5. 삭제
  6. 전기에너지를 전달하는 통전용 부스바의 제조방법에 있어서,
    기둥 형상의 구리 소재 중앙부의 관통공에 알루미늄 분말을 압착하여 형성한 기둥 형상의 알루미늄 소재를 삽입하여, 기둥 형상의 알루미늄 소재의 외부 둘레를 구리 소재가 감싸고 있는 형태의 압출용 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계;
    상기 압출용 빌렛을 압출기에 넣고, 300℃ 내지 400℃의 압출온도로 통전부를 압출하는 압출단계; 및
    상기 통전부 좌우 양단에 노출된 알루미늄 소재의 면적보다 넓은 구리 소재의 체결부를 통전부의 알루미늄 소재의 단면을 모두 덮도록 마찰교반용접으로 통전부 좌우 양단면에 접합하는 접합단계를 포함하며,
    상기 빌렛형성단계에서 압출용 빌렛의 중앙부 단면의 알루미늄 소재의 면적은 구리소재의 면적보다 2배 내지 7배인 것을 특징으로 하는 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압출단계는, 사각형 몰드를 사용하여 사각기둥 형상의 통전부를 압출하는 것을 특징으로 하는 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 체결부를 펀칭하여 단자홀을 형성하는 펀칭단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구리-알루미늄 클래드 부스바의 제조방법.
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