KR20130006329A - 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치 - Google Patents

Abstract

가압에 의한 피접합재의 휘어 오름의 발생을 방지하는 동시에, 적층된 피접합재의 접합 계면의 소성 변형을 촉진해서 높은 접합 강도를 확보할 수 있는 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치를 제공한다. 이 냉간 압접 공법에서는, 우선 다이(6) 상에 적층된 피접합재(7a, 7b)를 펀치(10)의 볼록부(11)에 의해 가압해서 압입한다. 계속해서, 볼록부에 의해 피접합재의 일부를 압입한 후에, 가압한 부분의 주위를 볼록부의 기부로부터 그 진퇴 방향과 직교하는 방향의 외측으로 돌출된 펀치의 견부(12)에 의해 가압하고 있다.

Description

냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치{COLD WELDING METHOD AND COLD WELDING APPARATUS}

본 발명은 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치에 관한 것이다.

냉간 압접 공법은, 피접합재의 재결정 온도 미만의 온도에 있어서, 적층된 피접합재를 양 단부면으로부터 가압해서 소성 변형시키고, 이들 피접합재의 접합 계면의 산화물층이나 표면 처리층(도금층 등)을 분단하여, 발생한 신생면(新生面) 끼리를 금속 접합(확산 접합)하는 공법이다.

냉간 압접 공법은, 알루미늄이나 구리 등의 연질 금속의 접합에 적합하다. 예를 들어, 자동차의 라미네이트형 배터리 단자의 접합에 있어서는, 다이 상에 복수매의 단자재를 적층해서 배치하고, 펀치라고 불리는 압축 공구로 가압함으로써 단자재의 접합 계면의 소성 변형을 촉진시켜 접합을 행하고 있다.

종래의 배터리 단자재의 압접에 있어서는, 펀치에 의해 가압할 때에 단자재의 가압부의 주위가 휘어 오르고, 접합 계면에 간극이 발생하는 경우가 있다. 이 가압에 의한 휘어 오름의 발생을 방지하기 위해서, 미리 펀치 가압부의 주위를 다른 구속 지그에 의해 강제적으로 억누르는 방책이 채용되고 있다.

구속 지그를 사용하는 냉간 압접 공법으로서, 상부 지그 및 하부 지그의 캐비티내에 버스 바 및 단자 금속 부재의 접합부를 수용하고, 가이드 구멍으로부터 캐비티내로 다이스를 진입시켜서 양쪽 접합부를 압박해서 변형시킴으로써 접합하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 제2006-26715호 공보(도 3, 도 4)

그러나, 종래의 냉간 압접 공법에서는, 미리 펀치 가압부의 주위를 구속 지그에 의해 억누르는 방식이 채용되고 있었기 때문에, 구속 지그와 단자재 사이에 있어서의 마찰 저항이 증대하고, 적층된 단자재의 접합 계면의 소성 변형이 저해되어, 접합 강도가 저하되어 버린다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 가압에 의한 피접합재의 휘어 오름의 발생을 방지하는 동시에, 적층된 피접합재의 접합 계면의 소성 변형을 촉진해서 높은 접합 강도를 확보할 수 있는 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적을 달성하는 냉간 압접 공법에서는, 우선 다이 상에 적층된 피접합재를 펀치의 볼록부에 의해 가압해서 억누른다. 이어서, 상기 볼록부에 의해 상기 피접합재의 일부를 압입한 후에, 가압한 부분의 주위를 상기 볼록부의 기부로부터 그 진퇴 방향과 직교하는 방향의 외측으로 돌출된 상기 펀치의 견부로 누르고 있다.

또한, 본 발명의 상기 목적을 달성하는 냉간 압접 장치는, 적층된 피접합재를 지지하는 다이와, 상기 피접합재에 대하여 전진해서 압축 하중을 부여하는 펀치를 갖고 있다. 상기 펀치는, 상기 다이를 향해서 전진해서 상기 피접합재의 일부를 압입해서 소성 변형시키는 볼록부와, 상기 볼록부의 기부로부터 상기 펀치의 진퇴 방향과 직교하는 방향의 외측으로 돌출되어서 상기 볼록부에 의해 가압된 부분의 주위를 억누르는 견부를 일체 형성하고 있다.

본 발명에 관한 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치에 따르면, 적층된 피접합재를 펀치의 볼록부에 의해 가압해서 압입한 후에, 그 압입량의 증가에 의해 볼록부의 기부로부터 돌출된 견부가 볼록부에 의해 가압된 부분의 주위를 억누르게 된다. 따라서, 가압에 의한 피접합재의 휘어 오름의 발생을 방지하는 동시에, 적층된 피접합재의 접합 계면의 소성 변형이 저해되는 일이 없고, 적층된 피접합재의 접합 계면의 소성 변형을 촉진해서 높은 접합 강도를 확보하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 냉간 압접 장치를 모식적으로 도시하는 개략도.
도 2는 본 실시형태의 냉간 압접 장치에 구비된 펀치를 도시하는 개략도.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 실시형태의 냉간 압접 장치에 구비된 펀치의 주요부를 도시하는 확대도.
도 4의 (a) 내지 (d)는 본 실시형태의 냉간 압접 공법의 수순을 도시하는 설명도.
도 5의 (a) 및 (b)는 구속 지그를 사용하지 않고, 종래 형상의 펀치만에 의해 가압하는 대비예에 관한 냉간 압접 공법을 설명하는 개략도.
도 6의 (a) 및 (b)는 종래 형상의 펀치와 구속 지그를 병용하는 대비예에 관한 냉간 압접 공법을 설명하는 개략도.
도 7은 실시예와 대비예의 강도 시험 결과를 도시하는 설명도.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 도면부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 도면의 치수 비율은 설명의 사정상 과장되어 있고, 실제의 비율과는 상이하다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 냉간 압접 장치를 모식적으로 도시하는 개략도이며, 도 2는 본 실시형태의 냉간 압접 장치에 구비된 펀치를 도시하는 개략도이며, 도 3의 (a) 및 (b)는 본 실시형태의 냉간 압접 장치에 구비된 펀치의 주요부를 도시하는 확대도이다.

우선, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 실시형태의 냉간 압접 장치(1)의 구성에 대해서 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 냉간 압접 장치(1)는 수평 방향으로 연장되는 상부 테이블(2)과 하부 테이블(3)이 상하로 간격을 두고 대향 배치되어 있다. 상부 테이블(2)과 하부 테이블(3) 사이에는 유압 실린더나 캠 로드 등의 좌우 한쌍의 압축 구동 장치(4a, 4b)가 배치되어 있다. 압축 구동 장치(4a, 4b)의 작동에 의해, 상부 테이블(2)이 승강 이동한다.

하부 테이블(3) 상에는 다이 장착대(5)가 설치되어 있다. 다이 장착대(5) 상에는 후술하는 펀치(10)로부터의 압축 하중을 받는 다이(6)가 설치되어 있다. 본 실시형태의 다이(6)는 평판 형상을 갖고 있다. 다이(6) 상에 피접합재(7a, 7b)가 적층되어서 배치된다.

본 실시형태에서는, 피접합재(7a, 7b)로서, 예를 들어, 2개의 전지 단자, 더 상세하게는 자동차의 라미네이트형 배터리의 단자재를 적용하고 있다. 단, 본 실시형태의 냉간 압접 장치(1)에 의해 접합가능한 금속 판재는 배터리 단자재에 한정되지 않는 것은 물론이다. 또한, 도 1에 있어서는, 2개의 피접합재(7a, 7b)를 접합하는 경우에 대해서 예시하고 있지만, 3개 이상의 피접합재의 접합에도 적용 가능하다.

다이(5)의 바로 위에는, 상부 테이블(2)에 접속된 펀치(10)가 상기 상부 테이블(2)로부터 수직 하강되도록 설치되어 있다. 압축 구동 장치(4a, 4b)의 하강 작동에 의해, 펀치(10)에는 상부 테이블(2)을 통해서 압축 하중이 부여된다.

도 2에도 도시한 바와 같이, 펀치(10)는, 그 하부에, 피접합재(7a, 7b)를 소성 변형시키는 볼록부(11)와, 피접합재의 휘어 오름을 억제하는 견부(12)가 일체 형성되어 있다. 구체적으로는, 펀치(10)의 견부(12)는 평판 형상의 부재이며, 견부(12)의 하면 중앙부로부터 절두원추 형상의 볼록부(11)가 헤드부를 하방에 면하도록 설치되어 있다. 펀치(10)의 가압시에 있어서의 피접합재(7a, 7b)의 손상을 방지하기 위해서, 볼록부(11)의 코너부는 모따기 가공되어 있다. 펀치(10)의 견부(12)는, 볼록부(11)의 기부로부터 상기 볼록부(11)의 진퇴 방향(상하 방향)과 직교하는 방향(본 실시형태에서는 수평 방향)의 외측으로 돌출되어 있다.

또한, 펀치(10)의 볼록부 선단면(13)으로부터 견부(12)까지의 높이(h)는, 다이(6) 상에 적층한 피접합재(7a, 7b)의 두께의 합(D)에 대하여 65 내지 95%의 범위로 설정하는 것이 바람직하다[후술하는 도 4의 (a) 참조].

도 3의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 펀치(10)의 볼록부(11)의 가압시에 있어서의 피접합재(7a, 7b)가 연장되는 방향(본 실시형태에서는 수평 방향)의 소성 변형을 촉진하기 위해서, 볼록부(11)와 견부(12)의 필렛부 형상은 테이퍼 형상(T) 또는 곡률 형상(R)으로 가공되어 있는 것이 바람직하다.

다음에, 도 4를 참조하여, 상기 구조의 펀치(10)를 구비한 냉간 압접 장치(1)를 사용해서 실시하는 본 실시형태의 냉간 압접 공법에 대해서 설명한다. 도 4는 본 실시형태의 냉간 압접 공법의 수순을 도시하는 설명도이다.

냉간 압접 장치(1)의 초기 상태에 있어서는, 압축 구동 장치(4a, 4b)의 작동에 의해, 펀치(10)가 상부 테이블(2)과 함께 상승하고 있다. 피접합재(7a, 7b)의 재결정 온도 미만의 온도(통상은 상온)에 있어서, 우선 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 다이(6) 상에 피접합재(7a, 7b)를 적층해서 배치한다.

다음에, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 압축 구동 장치(4a, 4b)를 작동시켜서 상부 테이블(2)을 하강시켜, 펀치(10)에 압축 하중을 부여한다. 그러면, 펀치(10)의 볼록부(11)가 피접합재(7a, 7b)에 파고 들기 시작하지만, 펀치(10)에 의한 가압 초기에 있어서는, A부에 도시한 바와 같이, 상측 피접합재(7a)는 펀치(10) 견부(12)의 일부에 밖에 닿지 않는다.

그대로, 펀치(10)의 압입량을 증가시켜 가면, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 압입량의 증가에 의해, B부에 도시한 바와 같이, 상측 피접합재(7a)의 상면과 펀치(10) 견부(12)의 접촉 면적이 증가해 간다.

그리고, 도 4의 (d)에 도시한 바와 같이, 견부(12)의 대부분이 상측 피접합재(7a)의 상면에 접촉하는 동시에, 피접합재(7a, 7b)의 접합 계면이 밀착된 상태에서 압입이 완료된다. 이와 같이 펀치(10)와 다이(6)에 의해 피접합재(7a, 7b)가 판 두께 방향의 양 단부면에서 가압됨으로써, 가압에 의한 소성 변형에 의해 접합 계면의 산화물층 등이 분단되어, 발생한 신생면끼리가 금속 접합(확산 접합)되게 된다.

펀치(10)의 압입이 완료되면, 설정 하중을 도시하지 않은 로드셀이 검지하고, 압축 구동 장치(4a, 4b)가 상부 테이블(2)과 함께 펀치(10)를 상승시키고, 모든 압접 공정이 완료한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치에 따르면, 펀치(10)의 볼록부(11)에 의해, 적층된 피접합재(7a, 7b)의 일부를 가압해서 압입한 후에, 그 압입량의 증가에 따라 볼록부(11) 근원의 견부(12)가 볼록부(11)에 의해 가압된 부분(가압부)의 주위를 억누르게 된다.

즉, 펀치(10)의 볼록부(11)에 의해 피접합재(7a, 7b)를 가압하기 시작하고 나서 압입량을 증가시킬 때까지는, 견부(12)가 피접합재(7a, 7b)를 억누르고 있지 않기 때문에, 견부(12)와 피접합재(7a)의 접촉 범위가 작다. 따라서, 견부(12)가 피접합재(7a, 7b)의 접합 계면의 소성 변형(소재의 유동)을 저해하지 않기때문에, 적층된 피접합재(7a, 7b)의 접합 계면의 소성 변형을 촉진시켜, 접합 계면의 접합 강도가 향상한다.

그리고, 펀치(10)의 볼록부(11)에 의해 발생하는 가압부(접합부 오목)의 주위를 견부(12)에 의해 더 가압함으로써, 당해 주위부의 계면에 있어서의 접합을 촉진시켜, 접합 강도의 향상, 및 편차의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 펀치(10)의 볼록부(11)와 견부(12)를 연결하는 필렛부가 테이퍼 형상(T) 또는 곡률 형상(R)으로 설정되어 있다. 따라서, 펀치(10)의 가압에 의해 휘어 오르는 복수매의 피접합재를 모두 동일하게 재료가 연장되는 방향(본 실시형태에서는 수평 방향)으로 유도할 수 있고, 가압시의 계면의 소성 변형을 균일하게 재료가 연장되는 방향(본 실시형태에서는 수평 방향)으로 촉진하여 확산 접합의 범위를 증가시켜, 접합 강도의 향상, 및 편차의 저감을 도모할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명했지만, 이것은 본 발명의 설명을 위한 예시이며, 본 발명의 범위를 이 실시형태에만 한정하는 취지는 아니다. 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 상기 실시형태와는 다른 다양한 형태로 실시할 수 있다.

예를 들어, 상기의 실시형태에서는, 펀치(10)로부터 부여되는 압축 하중을 받는 다이(6)가 평판 형상으로 형성되어 있지만, 다이(6)의 상면에 펀치(10)의 볼록부(11)에 대응하는 오목부를 형성해도 좋다.

또한, 본 발명에 관한 냉간 압접법 및 냉간 압접 장치는 자동차의 라미네이트형 배터리의 단자끼리의 접합 뿐만 아니라, 전지 단자의 접합이나 연질 금속판의 접합에 광범위하게 적용할 수 있다.

이하, 실시예 및 대비예를 들어 본 발명에 관한 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치를 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

다시 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 관한 냉간 압접 공법 및 냉간 압접 장치의 실시예를 설명한다. 본 실시예에서는, 도 1 및 도 2에 도시한 냉간 압접 장치(1)를 사용하여, 도 4에 도시한 냉간 압접 공법의 수순에 의해 피접합재(7a, 7b)의 압접을 행했다.

상술한 바와 같이, 냉간 압접 장치(1)의 펀치(10)는 피접합재(7a, 7b)를 소성 변형시키는 볼록부(11)와, 상기 볼록부(11)에 의한 가압부 주위의 휘어 오름을 억제하는 견부(12)를 구비하고 있다.

실시예에서는, 다이(6) 상에 2개의 피접합재(7a, 7b)를 적층하고 있다. 이들 2개의 피접합재(7a, 7b)의 두께의 합(D)을 1.4㎜로 했을 경우에, 펀치(10)의 볼록부 선단면(13)으로부터 견부(12)까지의 높이(h)가 1.2㎜로 되도록 설정했다.

그리고, 상온에서, 도 4에 도시한 수순에 의해 피접합재(7a, 7b)의 냉간 압접 공법을 실시한 바, 펀치(10)의 볼록부(11)에 의한 가압부 주위에 휘어 오름의 발생은 관찰되지 않았다[도 4의 (d) 참조].

또한, 피접합재(7a)와 피접합재(7b)의 접합 계면이 밀착하고 있어, 계면간에 간극이 형성되지 않기 때문에, 접합 강도가 높은 압접을 행할 수 있었다. 또한, 본 실시예의 냉간 압접 공법에 의한 접합 강도에 대해서는 하기 대비예와의 비교에 있어서 후술한다.

(대비예)

다음에, 도 5 및 도 6을 참조하여 대비예의 냉간 압접법에 대해서 설명한다.

우선, 도 5는 구속 지그를 사용하지 않고, 종래 형상의 펀치만에 의해 가압하는 대비예에 관한 냉간 압접 공법을 설명하는 개략도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 냉간 압접 장치에 구비된 종래 형상의 펀치(20)는 볼록부(21)만을 갖고 있고, 상기 실시예와 같이 견부(12)가 존재하지 않는다. 이러한 견부(12)가 존재하지 않는 펀치(20)에 의해 냉간 압접을 행하면, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 펀치(20)의 볼록부(21)에 의한 가압부의 주위에 휘어 오름이 발생한다.

따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 종래 형상의 펀치(20)와 구속 지그(30)를 병용한 대비예에 관한 냉간 압접 공법을 행했다. 구속 지그(30)는 종래 형상의 펀치(20)의 볼록부(21)에 의한 가압부의 주위를 누르는 지그이며, 펀치(20)는 별체의 것이다. 이러한 구속 지그(30)를 사용해서 강제적으로 가압부의 주위를 누르면, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 가압부의 주위의 휘어 오름은 발생하지 않지만, 구속 지그와 단자재 사이에 있어서 마찰 저항이 증대하기 때문에, 적층된 단자재의 접합 계면의 소성 변형이 저해되어, 접합 강도가 저하하게 된다.

(실시예와 대비예와의 검토)

도 7을 참조하여, 실시예와 대비예의 냉간 압접 공법의 접합 강도를 비교 검토한다. 도 7은 실시예와 대비예의 강도 시험 결과를 도시하는 설명도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 대비예의 냉간 압접 공법에서는, 펀치(20)의 볼록부(21)의 선단에 걸리는 부하가 항복 응력의 80%로 될 때까지 압축 하중을 걸어도, 목표 강도의 30% 정도밖에 만족할 수 없었다.

이에 반해, 견부(11)를 갖는 펀치(10)를 사용한 본 실시예의 냉간 압접 공법에서는, 펀치(10)의 볼록부(11)의 선단에 걸리는 부하가 항복 응력의 70%의 압축 하중이라도, 목표 강도를 충분히 달성할 수 있었다. 도 7의 그래프의 종축은 종래 공법의 접합 강도를 1로 한 경우의 값이며, 본 실시예의 냉간 압접 공법에 의한 접합 강도는 종래 공법에 대하여 4배의 매우 높은 강도를 나타냈다.

이와 같이 본 실시예의 냉간 압접 공법에 따르면, 가압에 의한 피접합재(7a, 7b)의 휘어 오름의 발생을 방지할 수 있는 동시에, 적층된 피접합재(7a, 7b)의 접합 계면의 소성 변형을 촉진해서 높은 접합 강도를 확보할 수 있었다.

1 : 냉간 압접 장치
6 : 다이
7a : 피접합재
7b : 피접합재
10 : 펀치
11 : 볼록부
12 : 견부
13 : 볼록부 선단면
T : 테이퍼 형상
R : 곡률 형상

Claims (4)

1. 다이 상에 적층된 피접합재를 펀치의 볼록부에 의해 가압해서 압입하는 수순과,
   상기 볼록부에 의해 상기 피접합재의 일부를 압입한 후에, 가압한 부분의 주위를 상기 볼록부의 기부로부터 그 진퇴 방향과 직교하는 방향의 외측으로 돌출된 상기 펀치의 견부에 의해 누르는 수순을 구비하는 것을 특징으로 하는, 냉간 압접 공법.
2. 적층된 피접합재를 지지하는 다이와,
   상기 피접합재에 대하여 전진해서 압축 하중을 부여하는 펀치를 구비하고,
   상기 펀치는, 상기 다이를 향해 전진해서 상기 피접합재의 일부를 압입하여 소성 변형시키는 볼록부와, 상기 볼록부의 기부로부터 상기 펀치의 진퇴 방향과 직교하는 방향의 외측으로 돌출되어서 상기 볼록부에 의해 가압한 부분의 주위를 누르는 견부를 일체 형성하여 이루어지는, 냉간 압접 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 펀치에 있어서의 상기 볼록부와 상기 견부의 필렛부가 테이퍼 형상 또는 곡률 형상으로 형성되어 있는, 냉간 압접 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 피접합재는 2개의 전지 단자인 것을 특징으로 하는, 냉간 압접 장치.

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