KR20090113934A - 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 및그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 7000계 알루미늄 합금계 압출재를 이용한 자동차 범퍼 백 빔의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 7000계 알루미늄 합금 압출재를 이용하여 자동차용 범퍼 어셈블리(100)를 제조함에 있어서, 7000계 알루미늄 합금 압출재를 절단하는 단계와; 상기 절단된 압출재를 스트레칭 벤딩하여 범퍼백빔(10)을 제조하는 단계와; 플레이트(30)와 범퍼 스테이(20)를 마찰교반 용접하는 단계; 및 상기 스트레칭 벤딩된 범퍼백빔(10)과 상기 마찰교반 용접을 통하여 용접되어 플레이트(30)와 결합된 범퍼 스테이(20)를 결합부재를 통하여 결합하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 합금, 범퍼, 7000계 알루미늄, 마찰용접

Description

7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 및 그 제조방법 {The bumper assembly using 7000 based Al-alloy and manufacture thereof}

본 발명은 본 발명은 7000계 알루미늄 합금계 압출재를 이용한 자동차 범퍼 백 빔의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 7000계 알루미늄 합금 압출재를 이용하여 자동차용 범퍼 어셈블리(100)를 제조함에 있어서, 7000계 알루미늄 합금 압출재를 절단하는 단계와; 상기 절단된 압출재를 스트레칭 벤딩하여 범퍼백빔(10)을 제조하는 단계와; 플레이트(30)와 범퍼 스테이(20)를 마찰교반 용접하는 단계; 및 상기 스트레칭 벤딩된 범퍼백빔(10)과 상기 마찰교반 용접을 통하여 용접되어 플레이트(30)와 결합된 범퍼 스테이(20)를 결합부재를 통하여 결합하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 범퍼(Bumper)는 자동차의 전후방에 설치되어 차체를 보호가게 되며 자동차에 가해진 외부 충격을 일차적으로 흡수 및 감소시키는 역할을 하 게 된다. 차량의 범퍼 내부에는 범퍼백빔이라는 구조물이 구비되는데, 현재까지는 주로 고장력강 또는 섬유강화 플라스틱을 이용하여 제작되었다. 범퍼백빔은 주로 사고발생시 충격을 흡수하는 기능을 한다. 한편, 범퍼스테이(Bumper Stay)는 범퍼백빔과 일체로 또는 각각 제조되어서 범퍼에 가해진 충격을 감소시켜 강도를 가진 차체프레임으로 전달하는 역할을 하게 되는데, 고장력강으로 제조되는 경우에는 범퍼백빔과 범퍼 스테이가 각각 제조되어서, 범퍼백빔과 범퍼 스테이를 결합하여 범퍼 어셈블리를 제조하지만, 섬유강화 플라스틱의 경우에는 범퍼백빔과 범퍼 스테이를 일체로 사출 성형하여 제조한다.

차량의 충돌 안전 특성을 좌우하는 범퍼백빔은 고장력강이 거의 독보적으로 이용되어 왔으며 향후에도 상당기간 이용될 것으로 예상된다. 고장력강 빔은 소재의 비용이 상대적으로 저가이며 범퍼에 요구되는 성능이 비교적 우수하다는 장점을 지니고 있으나 중량이 무겁고 제조에 필요한 금형비가 고가이며 작업공정이 복잡하다는 단점이 있다. 한편, 고장력강 이외에 범퍼백빔에 이용되는 섬유강화 플라스틱은 중량이 가볍고, 비교적 우수한 성능으로 꾸준히 적용이 늘고 있으나 제조시 먼지, 증발 등의 문제점이 많고 재활용성이 낮으며 부품 폐기시 발생하는 환경 오염등의 문제점이 나타나고 있다. 또한 섬유강화 플라스틱 또는 다른 플라스틱 재료는 각기 다른 방향으로 상이한 강도를 지녀서 보통 섬유 방향으로는 높은 강도를 유지하지만 수직 방향으로는 매우 작은 강도를 나타내어 안전도 유지를 위해서는 제조공법이 복잡해지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 극복하기 위한 대안으로서, 금속 소재의 일종인 알루미늄이 등장하게 되었는데, 알루미늄의 경우 등방성을 지니기 때문에 압출방향에 대한 수직방향의 인장강도가 압출방향의 인장강도에 비해 최소 90%의 강도를 지니며, 고장력강에 비하여 경량화 효과가 클 뿐만 아니라, 제조에 필요한 투자비용이 낮으며 가공 합리화에 대한 잇점이 있다. 또한 알루미늄 범퍼는 고장력강에 비해 3배 정도의 에너지를 흡수할 수 있으며 휨 변형 역시 3배 정도 강하며, 차량의 안정성도 향상된다는 잇점이 있다.

상기와 같은 알루미늄은 합금의 종류에 따라 분류되는바, 1000계열은 99.00wt% 이상의 알루미늄을 함유한 순수 알루미늄, 2000계열은 Al-Cu계 합금, 3000계열은 Al-Mn계 합금, 4000계열은 Al-Si계 합금, 5000계열은 Al-Mg계 합금, 6000계열은 Al-Mg-Si계 합금, 7000계열은 Al-Zn-Mg계 합금으로 분류, 표시하는 방법이 널리 이용되고 있다. 특히 7000계열 알루미늄 합금은 시효경화성이 우수하며 생산량 측면에서는 다른 알루미늄 합금에 비해 적지만 7000계열 가공재 합금으로써 항공기, 철도, 차량, 스포츠용품 등 일반적으로 높은 강도가 요구되는 구조재에 이용되고 있다.

본 발명은 상기에서 지적한 바와 같이 종전의 고장력강이나 섬유강화 플라스틱을 이용하여 범퍼백빔을 제조하는 경우에 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것이다. 7000계열 알루미늄 합금을 이용하여 범퍼백빔을 제조하여서 경량화를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 제조에 대한 투자 비용이 낮아지고, 가공 합리화 및 차량의 안정성도 향상된다는 잇점을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 7000계 알루미늄 합금 압출재를 이용하여 자동차용 범퍼 어셈블리(100)를 제조함에 있어서, 7000계 알루미늄 합금 압출재를 절단하는 단계와; 상기 절단된 압출재를 스트레칭 벤딩하여 범퍼백빔(10)을 제조하는 단계와; 플레이트(30)와 범퍼 스테이(20)를 마찰교반 용접하는 단계; 및, 상기 스트레칭 벤딩된 범퍼백빔(10)과 상기 마찰교반 용접을 통하여 용접되어 플레이트(30)와 결합된 범퍼 스테이(20)를 결합부재를 통하여 결합하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 제조방법이 제공된다.

본 발명에서의 자동차 범퍼 어셈블리는 스트레칭 벤딩공정을 통하여 제작된 범퍼백빔과 마찰교반 용접을 통하여 제작된 범퍼 스테이를 결합한 것을 지칭하기로 한다. 7000계열 알루미늄 합금은 Al-Zn-Mg계 합금으로, 시효경화성이 우수하며, 항공기, 철도, 차량, 스포츠용품 등 일반적으로 높은 강도가 요구되는 구조재에 이용되고 있다. 7000계열 알루미늄 합금의 압출재를 절단하여 스트레칭 벤딩 공정을 통하여 벤딩한다. 스트레칭 벤딩은 알루미늄 압출재를 일정 사이즈로 절단한 후, 절단된 알루미늄 압출재를 벤딩 장비에 결합한 후, 압출재 양쪽으로 인장력을 주면서 잡아 당기면서, 일정한 곡률 반경을 가지도록 성형하는 공정이다. 스트레칭 벤딩공법은 치수 정밀도를 높일 수 있고, 대량 생산시 적합하며, 비숙련 작업자도 용이하게 작업할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 압출을 통하여 성형된 범퍼 스테이는 마찰교반 용접을 통하여 플레이트와 용접된다. 알루미늄 합금 용접의 경우에는 최근에 에너지 절감 및 환경보호에 대한 요구가 높아짐에 따라서 수송기기의 경량화를 위한 소재로 각광받고 있다. 하지만 알루미늄 합금의 경우에는 용접성이 일반강에 비하여 떨어지기 때문에 용융 용접시 용접균열이 발생하는 등의 여러 가지 문제점이 발생한다. 마찰교반용접은 비용융 고상접합공정으로, 용융 용접에서 발생할 수 있는 용접균열(액화균열 또는 응고균열)을 방지할 수 있고 합금원소의 손실을 막을 수 있어 접합부의 기계적 성질이 향상된다는 장점이 있다. 마찰교반 용접법의 원리는 우선 회전하는 공구를 피접합재의 삽입과 함께 회전하는 공구와 피용접재와의 사이에서 마찰열이 발생, 공구 근방의 피접합재의 변형저항이 저하한다. 여기에서 회전 및 이동과 함께 피접합재 내의 메탈 플로어(Metal Flow)가 발생하여 공구 이동에 따른 공구 후방 유동부 는 열전도에 의해 급속히 냉각되어 접합부가 형성되는 것이다. 알루미늄 합금을 마찰교반 용접하게 되면, 접합부의 온도는 융점까지 도달하지 않으므로, 역성유동에서 얻을 수 있는 미세한 조직이 되고, 블루홀이나 갈라짐 등의 결함이 거의 발생하지 않으며, 용가재나 실드가스 등이 불필요하고, 제조 원가를 더 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 접합부의 변형 또한 기존의 미그나 티크 용접에 비해 상당히 작다는 특징을 갖고 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리가 제공된다.

7000계열 알루미늄 합금을 이용하여 범퍼백빔을 제조하여서 경량화를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 범퍼백빔을 스트레칭 벤딩하는 단계를 도입하여 치수 정밀도를 높일 수 있고, 플레이트와 범퍼 스테이를 마찰교반 용접을 통하여 제조함으로써, 접합부의 불량을 낮출 수 있게 되었고, 본 발명에 의하게 되면 제조에 대한 투자 비용이 낮아지고, 가공 합리화 및 차량의 안정성도 향상된다는 효과가 있다.

이하, 본 발명 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 제조 방법에 있어서, 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 자동차 범퍼 어셈블리가 자동차에 장착된 사시도를 나타낸 것이다. 도 2는 자동차 범퍼 어셈블리를 나타낸 사시도이다. 도 3은 압출재 스트레칭 벤딩을 나타낸 개략도를 스트레칭 벤딩은 알루미늄 압출재를 일정 사이즈로 절단한 후, 절단된 알루미늄 압출재를 벤딩 장비에 결합한 후, 압출재 양쪽으로 인장력을 주면서 잡아 당기면서, 일정한 곡률 반경을 가지도록 성형하는 공정이다. 도 3에서의 화살표 방향이 인장력을 주면서 잡아 당기는 방향을 나타낸다. 스트레칭 벤딩공법은 치수 정밀도를 높일 수 있고, 대량 생산시 적합하며, 비숙련 작업자도 용이하게 작업할 수 있다. 벤딩 스트레칭 장비는 60~120톤 유압 스트레칭 벤딩기를 사용한다. 메인 펌프의 유압 압력을 대략 260㎏/㎤ ~ 350㎏/㎤ 로 벤딩 스트레칭 작업을 실시하는 경우가 바람직하다. 벤딩 스트레칭 후에는 제품의 선 형상 및 면 형상의 정도를 측정하기 위하여 치수 검사를 실시한다.

도 4는 범퍼 스테이와 플레이트가 용접되기 전 상태를 나타낸 분해 사시도를 나타내는 것이다. 도 5는 범퍼 스테이와 플레이트의 마찰교반 용접을 나타낸 단면 개략도를 나타내는 것으로 범퍼 스테이(20), 플레이트(30), 브라케트(40)가 마찰교반 용접 공구(60)의 마찰열에 의해서 고상 접합되고 있음을 나타내고 있다. 도 6은 이와 같이 범퍼 스테이와 플레이트가 용접된 상태를 나타낸 것이다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 자동차 범퍼 어셈블리가 자동차에 장착된 사시도

도 2는 자동차 범퍼 어셈블리를 나타낸 사시도

도 3은 압출재 스트레칭 벤딩을 나타낸 개략도

도 4은 범퍼 스테이와 플레이트가 용접되기 전 상태를 나타낸 분해 사시도

도 5는 범퍼 스테이와 플레이트의 마찰교반 용접을 나타낸 단면 개략도

도 6는 범퍼 스테이와 플레이트가 용접된 상태를 나타낸 사시도

((도면의 주요부호에 대한 설명))

10 : 범퍼백빔 20 : 범퍼 스테이 30 : 플레이트

40 : 브라케트 50 : 벤딩 금형 60 : 마찰교반 용접 공구

100: 자동차 범퍼 어셈블리 B: 범퍼 C : 자동차

Claims (2)

1. 7000계 알루미늄 합금 압출재를 이용하여 자동차용 범퍼 어셈블리(100)를 제조함에 있어서,

   7000계 알루미늄 합금 압출재를 절단하는 단계와;

   상기 절단된 압출재를 스트레칭 벤딩하여 범퍼백빔(10)을 제조하는 단계와;

   플레이트(30)와 범퍼 스테이(20)를 마찰교반 용접하는 단계; 및,

   상기 스트레칭 벤딩된 범퍼백빔(10)과 상기 마찰교반 용접을 통하여 용접되어 플레이트(30)와 결합된 범퍼 스테이(20)를 결합부재를 통하여 결합하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리 제조방법.
2. 제1항의 방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 7000계 알루미늄 합금계를 이용한 자동차 범퍼 어셈블리.

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