KR20040035685A - 경량의 건축 부재 및 상기 부재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경금속으로 이루어진 내부 골조물을 포함하고 압출 성형된 다수의 중공 프로파일 (1, 2, 3) 로 구성된 경량의 건축 부재에 관한 것으로, 상기 중공 프로파일은 수평면 형상으로 서로 연결되어 있다. 상기 경량의 건축 부재는 직경이 적어도 300 mm 인 외접원을 가지며, 최대 벽두께는 상기 값의 0.5% 이다.

Description

경량의 건축 부재 및 상기 부재의 제조 방법{LIGHTWEIGHT CONSTRUCTION ELEMENT AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

그러나 압출 성형의 경우에 소정 제작 재료의 물질 흐름을 위해서는 압착될 프로파일의 크기와 압출 성형기의 크기 혹은 특히 수용자의 직경 크기 사이의 상대적인 비율이 결정적이다. 예를 들어 알루미늄-출판사의 "알루미늄 문고판", 뒤쎌도르프, 1996 년 제 15 판, 2 권의 103 페이지에는, 순수한 알루미늄 또는 AlMgSi - 합금으로 이루어지고 균일한 벽두께를 갖는 중공 프로파일을 압출 성형하는 경우에는 프로파일 원의 직경이 450 mm 이고 80 MN - 압출 성형기에서 압착된 프로파일이 5 mm 의 최소 벽두께를 가능하게 하는 한편, 프로파일 원의 직경이 50 mm 이고 10 MN - 압출 성형기에서 압착된 프로파일의 경우에는 1 mm 의 최소 벽두께가 가능하다는 내용이 공지되어 있다. 이와 같은 내용은 크기가 큰 경량의 건축 부재를 압출 성형하는 경우에는 벽두께가 비교적 두껍게 제조될 수밖에 없다는 것을 의미하며, 이와 같은 사실은 보다 높은 제조 비용을 야기하고, 상대적으로 높은 부품 중량으로 인해 상기 부품이 포함된 자동차의 연료 소비에도 불리한 영향을 미친다.

본 발명은 경금속으로 이루어진 내부 골조물을 갖는 경량의 건축 부재에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 경량의 건축 부재를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

경금속의 사용은 운송 수단, 특히 자동차 제작시에 제기되는 최대 도전 사항들 중 하나인데, 그 이유는 중량의 최소화가 연료 소비를 줄이기 위한 가장 효과적인 방법들 중에 하나이기 때문이다.

상이한 경금속의 비용/효율 - 비교를 배경으로 하는 경우에는, 상기와 같은 제작 재료를 사용함으로써 중량 절감이 증가함에 따라 제조 비용도 상당히 증가한다는 사실이 명백하다. 다시 말해서, 상대적으로 높은 관련 재료비용이 보다 유리한 제조 프로세스 및 특히 보다 절감적인 재료 사용에 의해 보상될 수 있는 경우에만 경제적인 경량 구조가 구현될 수 있다.

중량과 지지 강도 또는 강성 사이의 최상 비율의 측면에서 볼 때는 경금속 제작 재료로 이루어진 내부 골조물을 갖는 경량의 건축 부재가 바람직한 것으로 증명되었다. 상기와 같은 경량의 건축 부재는 압출 성형에 의해서 경제적으로 제조될 수 있다.

도 1 은 결합된 3 개의 개별 중공 프로파일로 이루어진 내부 골조물을 갖는 본 발명에 따른 경량 건축 부재의 단면도이고,

도 2 는 마찰 교반 용접 (곡선 a) 및 레이저 용접 (곡선 b) 에 의해 형성된 경량 건축 부재의 부하 사이클 (N) 의 수에 따른 전압 진폭 (A) [MPa] 의 특성을 뵐러 (Woehler) - 다이아그램의 형태로 보여주며,

도 3 은 결합 장소에 인접하는 중공 프로파일의 예를 보여준다.

이와 같은 내용을 배경으로 한 본 발명의 과제는, 압출 성형에 의해 제조된 종래의 경량 건축 부재보다 벽두께가 얇고, 경금속으로 이루어진 내부 골조물을 갖는 경량의 건축 부재를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 경금속으로 이루어진 내부 골조물을 포함하고 서로 결합된 다수의 압출 성형 중공 프로파일로 이루어진 경량의 건축 부재에 의해서 해결되며, 이 경우 상기 경량의 건축 부재는 적어도 300 mm 의 직경을 갖는 외접원 및 상기 값의 최대 0.5% 의 벽두께를 갖는다. 본 발명의 매우 바람직한 실시예에서는 벽두께가 경량 건축 부재의 외접원의 직경의 0.35% 에 달한다.

다시 말해 본 발명에 의해서는, 개별 중공 프로파일을 압출 성형함으로써 그리고 중공 프로파일을 평탄 배열 방식으로 결합시킴으로써, 소정의 벽두께를 갖고 실제로 임의의 크기를 갖는 경량의 건축 부재가 구현될 수 있으며, 상기 건축 부재는 압출 성형 방법의 기술적인 제한으로 인해 소정의 크기 (즉, 300 mm 의 외접원 직경 이상) 부터는 단일체 방식으로 (monolithic) 제작될 수 없거나 또는 다만 훨씬 더 무거운 미터 당 중량 및 더 두꺼운 벽두께로만 제작될 수 있다.

출원인이 놀랍게 생각한 바와 같이, 본 발명에 따른 경량 건축 부재의 압출 성형된 중공 프로파일은 마찰 교반 용접 (Friction Stir Welding) 에 의해서 결합될 수 있다. 지금까지 해당 전문 분야에서는, 상기 마찰 교반 용접 방법이 각각 적어도 1.6 mm 의 용접될 가공품의 벽두께를 요구한다는 사실로부터 출발했다 (제 2 회 "자동차 경량 구성의 진보" 전문가 회의에서 최근에 확인됨, Alusuisse 社의 논문, 슈투트가르트, 2001 년 11 월 6 - 7 일). Friction Stir Welding(FSW) 으로도 여러 번 언급되는 마찰 교반 용접은 이미 약 10 년 전에 개발되었다 (EP-B-0 615 480호 참조). 그럼에도 불구하고, 지금까지 저항 용접, 보호 가스 용접 및 레이저 (하이브리드) 용접만이 열적 결합 방법으로서 이용되던 자동차 산업에서는 상기 마찰 교반 용접이 아직까지는 스탠더드 결합 방식에 속하지 않는다.

마찰 교반 용접시에는 특히 바람직하게 - 종래의 용접 방법과 달리 - 용접할 제작 재료의 액상 온도 아래에서 2 개 가공품의 용접이 이루어짐으로써, 기공의 형성 위험 및 열에 의한 균열의 형성 위험이 전혀 존재하지 않는다. 더 나아가 마찰 교반 용접에 의해서는 또한 용융이 어렵거나 용융이 불가능한 합금, 그리고 알루미늄/마그네슘 - 복합 부재도 용접할 수 있는데, 이와 같은 용접 가능성은 종래의 용접 방법에 의해서는 어렵거나 전혀 불가능한 것이다. 말하자면, 마찰 교반 용접 방법에 의해서는 복합 부재를 제조할 수 있는 전혀 새로운 가능성이 만들어진다.

마찰 교반 용접에 대한 대안으로서 개별 중공 프로파일이 접착에 의해 결합될 수 있다. 접착 방법에서는 특히, 결합될 중공 프로파일에 다만 약간의 열적 부하만이 부과되기 때문에 기공의 형성 및 열에 의한 균열 형성이 피해진다는 장점이 있다.

경량의 건축 부재를 구성하는 중공 프로파일이 결합에 적합한 핀 형상, 후크 형상 또는 홈 형상의 부재를 각각 하나씩 포함함으로써, 상기 핀 형상, 후크 형상 또는 홈 형상의 부재를 서로 인접시키는 중공 프로파일은 상응하는 형상을 갖게 되고, 중공 프로파일의 평탄 배치시에는 서로 중첩되며, 그 결과 상기 중공 프로파일은 인접하는 프로파일 섹션들과 공통으로 마찰 교반 용접시에 나타나는 파워를 수용할 수 있게 된다.

이에 대한 대안으로서 중공 프로파일의 핀 형상, 후크 형상 또는 홈 형상의 부재를 생략할 수도 있는데, 이 경우에는 중공 프로파일이 다만 충돌 에지에서만결합된다. 마찰 교반 용접시 중공 프로파일의 변형이 야기되지 않도록 하기 위해서는, 이 때 나타나는 파워가 상응하는 장치, 예컨대 내부 스파이크에 의해서 흡수되어야만 한다. 핀 형상의, 후크 형상의 또는 홈 형상의 부재를 생략하는 것은 바람직한데, 그 이유는 이와 같은 생략이 제작 재료의 절감 그리고 그와 더불어 비용 및 중량의 감소에 기여하기 때문이다.

개별 중공 프로파일은 알루미늄, 마그네슘, 티탄 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어질 수 있다. 다양한 제작 재료로 이루어진 중공 프로파일을 결합시킴으로써 바람직하게는 복합 가공품이 제작될 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서는, 경량의 건축 부재가 서로 대칭적인 다수의 개별 중공 프로파일로 이루어진다. 그럼으로써 경량의 건축 부재의 제작비용은 보다 적은 개수의 공구 및 단순화된 이론에 의해서 현저하게 감소될 수 있다.

본 발명에 따른 경량의 건축 부재를 제조하기 위해 우선은 중공 프로파일로부터 제작된 경량 건축 부재의 외접원의 직경의 최대 0.5% 의 벽두께를 갖는 중공 프로파일이 압출 성형에 의해서 제조된다. 그 다음에 상기 경량의 건축 부재가 적어도 300 mm 직경의 외접원을 갖도록, 상기 압출 성형된 중공 프로파일이 평탄 방식으로 배치되어 경량의 건축 부재로 결합된다. 중공 프로파일의 결합을 위해서는 바람직하게 마찰 교반 용접 및 접착 방식이 이용된다.

상기와 같은 방식으로 제조된 본 발명에 따른 경량의 건축 부재는 바람직하게 예컨대 자동차에서 지지 구조물의 부분으로서 사용된다.

본 발명은 실시예를 참조하여 하기에서 자세히 설명되며, 이 경우에는 첨부된 도면이 참고로 인용된다.

먼저 도 1 에는 내부 골조물을 갖는 본 발명에 따른 경량 건축 부재의 단면도가 도시되어 있다. 경량의 건축 부재는 평탄하게 배치된 3 개의 중공 프로파일 (1, 2, 3) 로 구성된다. 2 개의 외부 중공 프로파일 (1, 3) 은 서로 대칭적인 형상을 가지며, 이 경우 2 개 중공 프로파일 중 하나는 다만 종축을 중심으로 하는 180°- 회전에 의해서만 다른 중공 프로파일 쪽으로 휘어졌다. 상기 2개의 외부 중공 프로파일 (1, 3) 은 핀 형상의 연결 부재 (4, 5)를 구비하는 한편, 중간의 중공 프로파일 (2) 에는 상기 외부 중공 프로파일의 형상을 보완하는 핀 형상의 연결 부재 (6, 7) 가 제공되어 있다. 중공 프로파일의 결합시에는, 인접하는 중공 프로파일의 핀 형상의 연결 부재가 상호 접하게 되어, 예를 들어 마찰 교반 용접에 의해서 결합된다. 마찰 교반 용접시 나타나는 파워가 핀 형상의연결 부재 및 상기 연결 부재에 인접한 중공 프로파일 섹션 (8, 9) 에 의해 수용됨으로써, 중공 프로파일의 원치 않는 변형이 피해질 수 있다. 확대도를 통해, 2 개 중공 프로파일 (2, 3) 의 핀형 연결 부재 (6, 7) 가 어떻게 형상 보완적으로 인접하는지를 알 수 있다.

도 1 에 예로 도시된 경량의 건축 부재는 알루미늄 중공 프로파일로 제작되고, 벽두께가 약 1 mm 인 경우에는 외접원의 직경이 약 500 mm 이다. 결합된 개별 중공 프로파일들의 외접원의 직경은 약 170 mm 이다.

본 경우에 압출 성형 기술로 구현될 벽두께가 2 mm 이고 (외접원의 직경이 약 250 mm 이며) 크기가 동일한 2 개의 개별 중공 프로파일로 이루어진 상응하는 경량의 건축 부재와 비교할 때, 본 발명에 따른 경량 건축 부재에서 달성된 중량 절감은 약 15% 이었다.

마찰 교반 용접에 의해 결합된 중공 프로파일의 경우에는 특히 바람직하게, 제조된 경량 건축 부재의 내구 한계 (endurance limit) 가 현저하게 상승될 수 있다. 레이저 용접 및 마찰 교반 용접에 의해 제조된 경량 건축 부재의 내구 한계를 비교하기 위해, 상응하는 방식으로 제작된 경량의 건축 부재는 부하 레벨이 다양한 경우에 있어서 사인파형으로 증가 및 감소되는 인장 부하를 받았다. 그 결과는, 마찰 교반 용접 (곡선 a) 및 레이저 용접 (곡선 b) 에 의해 형성된 동일한 유형의 경량 건축 부재의 부하 사이클 (N) 의 수에 따른 전압 진폭 (A) [MPa] 의 특성을 뵐러 (Woehler) - 다이아그램의 형태로 보여주는 도 2 에 도시되어 있다.

도 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 부하 레벨이 75 MPa 로 높은 경우에 있어서, 레이저 용접된 경량 건축 부재의 경우에는 이미 약 33000 부하 사이클에서 파괴가 예측될 수 있는 한편, 마찰 교반 용접된 경량의 건축 부재의 경우에는 약 240000 부하 사이클에서 비로소 파괴가 예측될 수 있다. 이와 같은 사실이 의미하는 것은, 부하가 높은 경우에는 레이저 용접된 경량 건축 부재에 비해 마찰 교반 용접된 경량 건축 부재의 부하 발생 가능성이 팩터 7.4 만큼 더 높다는 것이다. 부하 레벨이 47 MPa 로 낮은 경우에 있어서, 레이저 용접된 경량 건축 부재의 경우에는 약 2 백만 부하 사이클에서 파괴가 나타나는 한편, 마찰 교반 용접된 경량 건축 부재의 경우에는 약 5 백만 부하 사이클에서 비로소 파괴가 나타난다. 이와 같은 사실이 의미하는 것은, 부하가 낮은 경우에는 레이저 용접된 경량 건축 부재에 비해 마찰 교반 용접된 경량 건축 부재의 부하 발생 가능성이 팩터 2.5 만큼 더 높다는 것이다.

또한 레이저 용접된 경량 건축 부재의 경우에는 파괴가 일반적으로 용접 시임에서, 즉 용접 시임의 상부면 및 수소 구멍으로부터 시작되는 한편, 마찰 교반 용접된 경량 건축 부재의 경우에는 파괴가 기본 제작 재료 내에서 발생되고, 프로파일 절단부 (kerf), 즉 압출 성형 마아크 또는 표면 거칠기로부터 시작된다.

도 3 은 중공 프로파일의 다양한 형상의 결합 장소를 단면도로 보여준다. 경우 I 에 도시된 중공 프로파일은 각각 상호 일치하는 형태로 된 후크 형상의 연결 부재 (10, 11) 를 갖는다. 상기 중공 프로파일을 결합시키기 위해 후크 형상의 연결 부재는, 상호 맞물린 (우측 도시) 후에 예를 들어 마찰 교반 용접에 의해 지지면에 결합된다. 용접 스파이크에 의해 중공 프로파일 상에 가해지는 기계적인 압력이 후크 형상의 연결 부재 (10, 11) 및 인접한 프로파일 섹션 (18, 19) 에 의해 흡수됨으로써, 중공 프로파일의 변형이 방지된다.

도 3 에 도시된 경우 II 에서는 중공 프로파일이 핀 형태의 테라스 (terrace) 형상의 연결 부재 (12, 13) 를 구비하는 한편, 상기 중공 프로파일과 결합될 중공 프로파일은 상기 프로파일에 상응하는 테라스 형상을 갖는 핀 형태의 연결 부재 (14, 15) 를 포함한다. 상기 중공 프로파일을 결합시키기 위해 상기 핀 형태의 연결 부재는, 맞은편 지지부에 제공된 후에 예를 들어 마찰 교반 용접에 의해 지지면에 결합된다. 마찰 교반 용접시 중공 프로파일 상에 가해지는 압력은 테라스 형상의 연결 부재 및 인접한 프로파일 섹션 (20, 21) 에 의해 흡수된다.

도 3 에 도시된 경우 III 에서는 중공 프로파일의 형상에 상응하는 평탄한 충돌면 (16, 17) 이 상기 중공 프로파일에 제공된다. 결합을 위해 상기 충돌면 (16, 17) 은 밀착되어 지지면에 결합된다. 마찰 교반 용접시 프로파일 상에 작용하는 압력은 중공 프로파일의 변형을 방지하기 위해서 상응하는 장치, 예컨대 내부 스파이크에 의해 흡수되어야 한다.

Claims (13)

1. 평탄 배열 방식으로 서로 결합된 다수의 압출 성형 중공 프로파일로 구성되고, 경금속으로 이루어진 내부 골조물을 구비한 경량의 건축 부재로서,

   상기 경량의 건축 부재가 적어도 300 mm 의 직경을 갖는 외접원 및 상기 값의 최대 0.5% 의 벽두께를 갖는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
2. 제 1 항에 있어서,

   벽두께가 경량 건축 부재의 외접원의 직경의 0.34% 에 달하는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
3. 제 1 항에 있어서,

   경량 건축 부재의 벽두께가 1.5 mm 에 달하는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
4. 제 1 항에 있어서,

   경량 건축 부재의 벽두께가 1 mm 에 달하는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
5. 제 1 항에 있어서,

   중공 프로파일이 마찰 교반 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
6. 제 1 항에 있어서,

   개별 중공 프로파일이 접착에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
7. 제 1 항에 있어서,

   중공 프로파일이 결합시 나타나는 파워를 수용하기에 적합한 핀 형상, 후크 형상 또는 홈 형상의 연결 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
8. 제 1 항에 있어서,

   중공 프로파일이 알루미늄, 마그네슘, 티탄 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
9. 제 8 항에 있어서,

   중공 프로파일이 다양한 경금속 또는 경금속 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
10. 제 1 항에 있어서,

    경량 건축 부재가 서로 대칭적인 개별 중공 프로파일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량의 건축 부재.
11. (a) 중공 프로파일로부터 제작된 경량 건축 부재의 외접원의 직경의 최대 0.5 %의 벽두께를 갖는 중공 프로파일을 압출 성형하는 단계,

    (b) 다수의 중공 프로파일을 평탄 방식으로 배열하여 적어도 300 mm 의 직경을 갖는 외접원을 갖는 경량의 건축 부재로 결합시키는 단계를 포함하는,

    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 경량 건축 부재를 제조하기 위한 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    중공 프로파일이 마찰 교반 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    중공 프로파일이 접착에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.