KR20140079133A - 복합 소재와 금속재의 접합 유닛 및 접합 방법 - Google Patents

Abstract

복합 소재와 금속재의 접합 유닛이 개시된다. 개시된 복합 소재와 금속재의 접합 유닛은, 금속 박판의 심재가 내부에 구비된 복합 소재에 이종 재질의 금속재가 겹쳐지게 맞대어지고, 심재에 대응하는 금속재 표면의 마찰 교반에 의해 금속재와 심재가 용접되며 복합 소재와 금속재가 일체로 접합될 수 있다.

Description

복합 소재와 금속재의 접합 유닛 및 접합 방법 {STRUCTURE AND METHOD FOR JOINTING COMPOSITE MATERIAL AND METAL MEMBER}

본 발명의 실시예는 복합 소재와 금속재의 접합 구조 및 접합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강한 결합력으로 복합 소재와 금속재의 이종 재료를 접합할 수 있도록 한 복합 소재와 금속재의 접합 구조 및 그 접합 방법에 관한 것이다.

최근에는 금속이 가지는 강도와 플라스틱이 가지는 경량성, 성형성을 모두 가지는 복합 소재가 개발되고 있다.

이러한 복합 소재 중 대표적인 것으로는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic), 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 예로 들 수 있다.

이와 같은 복합 소재는 섬유(탄소 섬유)를 강화재로 하는 고강도 고탄성의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 첨단 복합 재료로서, 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 갖고 있다.

상기한 복합 소재의 특성 때문에 금속 재료와의 혼용된 제품이 많이 나오는데, 이러한 혼용 제품에서 가장 중요한 사항이 금속 재질과 복합 재질의 강한 접합 방법이다.

복합 소재를 가공하고 제품을 성형하는 기술은 활발히 진행되고 있지만, 복합 소재와 금속재 등의 이종 재질을 접합하는 방법에 대해서는 최근에 개발되고 있는 실정이다.

복합 소재와 금속재 등의 이종 재질을 접합하는 대표적인 방법으로는 복합 소재의 제품 성형 후, 소재에 후 가공 예컨대, 리벳 구멍을 성형하는 공정을 실시하여 리벳을 통한 기계적 접합 방식을 사용하고 있다.

그런데, 이와 같은 접합 방법은 후 가공을 통한 복합 소재의 가공부 주변에 미세한 크랙이 발생하거나 외관 품질이 좋지 않고, 작업자의 수작업을 통한 싸이클 타임의 증가를 유발한다.

본 발명의 실시예들은 별도의 후 가공이 필요 없이 강한 접합력으로서 복합 소재와 금속재를 이종 접합할 수 있도록 한 복합 소재와 금속재의 접합 유닛 및 접합 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 유닛은, 복합 소재와 금속재의 접합 유닛은, 금속 박판의 심재가 내부에 구비된 복합 소재에 이종 재질의 금속재가 겹쳐지게 맞대어지고, 상기 심재에 대응하는 금속재 표면의 마찰 교반에 의해 상기 금속재와 심재가 용접되며 상기 복합 소재와 금속재가 일체로 접합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 복합 소재와 금속재의 접합 유닛은, 상기 금속재와 심재 사이에 용접부가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 복합 소재와 금속재의 접합 유닛에 있어서, 상기 심재는 상기 복합 소재를 이루는 다수 층의 레이어 중 어느 하나에 구비될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 방법은, 금속 박판의 심재가 내부에 구비된 복합 소재를 제공하고, 상기 심재에 대응하는 복합 소재의 표면에 금속재의 일 부분을 겹쳐지게 맞대고 그 겹쳐진 부분의 금속재 표면을 마찰 교반하며 상기 복합 소재와 금속재를 일체로 접합할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 복합 소재와 금속재의 접합 방법은, 다수 층의 레이어들을 적층하고, 상기 레이어들 중 표피층에 대응하는 레이어에 상기 심재를 배치한 복합 소재를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 복합 소재의 심재와 맞닿은 금속재의 접합 부위에 마찰 교반을 실시하여 금속재와 심재를 용접함으로써 복합 소재와 금속재를 강한 접합력으로 접합할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 복합 소재와 이종 재질 간의 접합 강도 향상과, 설계 자유도의 향상을 도모할 수 있고, 이로 인해 차체 구조물로서의 사용도 가능해진다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 기존과 같이 복합 소재와 금속재를 접합하기 위한 별도의 후 공정을 필요로 하지 않으므로, 가공부 주변에서의 미세한 크랙 발생 및 외관 품질의 저하를 방지할 수 있고, 접합 공정의 싸이클 타임을 단축시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 구조를 도시한 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 유닛(100)은 복합 소재(1)와 금속재(3) 등의 이종 재료를 강한 접합력으로 접합시켜 차체 구조물에 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 복합 소재(1)는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic), 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 등을 포함할 수 있다.

이러한 복합 소재(1)는 섬유를 강화재로 하는 고강도 고탄성의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 첨단 복합 재료로서, 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 갖고 있다.

그리고 상기 복합 소재(1)는 스틸 소재 대비 강도 및 탄성율이 우수하고 반복 피로에 뛰어나고, 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안정성이 뛰어나며, 전기 전도성, 내식성, 진동 감쇠성이 우수한 특성도 있다.

여기서, 복합 소재(1)는 (탄소)섬유 소재에 에폭시 수지 등과 같은 수지가 함침된 다수 매의 소재 레이어들이 적층되며, 그 수지가 경화된 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 금속재(3)는 일반적인 스테인레스 스틸, 알루미늄 소재 및 비철 합금 소재 등을 포함할 수 있다.

이하에서는 도면을 기준으로 복합 소재(1)의 가장자리 상측으로 금속재(3)의 가장자리 부분이 접합되는 것을 예로 하여 설명하나, 그 접합 구조에 반드시 한정되지는 않는다.

본 발명의 실시예에 의한 복합 소재와 금속재의 접합 유닛(100)은 기존과 같은 후 가공이 필요 없이 강한 접합력으로서 복합 소재(1)와 금속재(3)를 이종 접합할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 유닛(100)은 금속 박판의 심재(11)가 내부에 구비된 복합 소재(1)가 제공된다.

즉, 상기 복합 소재(1)는 다수 층의 레이어들(31: 이하 도 2 참조)이 에폭시 수지가 함침된 상태로 경화되어 이루어지는 바, 심재(11)는 다수 층의 레이어들(31) 중 어느 하나에 구비될 수 있다.

예를 들면, 상기 심재(11)는 다수 층의 레이어들(31) 중 표피층에 대응하는 레이어(31)에 배치될 수 있다.

이러한 복합 소재(1)의 가장자리 상측면에는 이종 재질의 금속재(3)가 서로 겹쳐지게 맞대어지는데, 금속재(3)의 하면 가장자리 부분은 심재(11)에 대응하는 복합 소재(1)의 상면 가장자리 부분에 맞대어진다.

상기와 같이 서로 맞대어진 복합 소재(1)와 금속재(3)의 접합 부위는 마찰 교반 용접에 의해 서로 접합될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 복합 소재(1)와 금속재(3)의 접합 부위에서 그 복합 소재(1)의 심재(11)에 대응하는 금속재(3)의 표면을 마찰 교반하여 금속재(3)와 심재(11)를 용접함으로써 복합 소재(1)와 금속재(3)가 일체로 접합될 수 있다.

여기서, 마찰 교반 용접이라 함은 접합 소재 보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전부재(당 업계에서는 통상적으로 "용접 툴" 이라고 한다)가 접합 소재의 접합부를 가압하여 회전함에 따라, 그 회전부재와 접합부 사이에서 발생하는 마찰열과 회전부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의한 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어지는 용접법이다.

이와 같은 마찰 교반 용접을 위한 마찰 교반 용접 장치는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 마찰 교반 용접 시스템으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 상기와 같이 복합 소재(1)와 금속재(3)의 접합 부위에서 마찰 교반에 의해 금속재(3)와 심재(11)가 용접됨으로, 그 금속재(3)와 심재(11) 사이에는 용접부(13)가 형성될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 방법을 앞서 개시한 도면 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재와 금속재의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 내부에 심재(11)가 구비된 복합 소재(1)를 제공한다.

상기 복합 소재(1)는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic), 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 등의 판재로서 제공될 수 있다.

그리고, 복합 소재(1)와 이종 재질인 금속재(3)는 스테인레스 스틸, 알루미늄 소재 및 비철 합금 소재 등의 판재로서 제공될 수 있다.

상기에서, 복합 소재(1)는 도 3에서와 같이 에폭시 수지가 함침된 다수 매의 레이어들(31)을 적층하는 과정에, 표피층에 대응하는 레이어(31)에 심재(11)를 배치하고, 이들 레이어(31)를 고온으로 경화시켜 제조될 수 있다.

이와 같이 복합 소재(1)와 금속재(3)가 제공되면, 본 발명의 실시예에서는 도 4에서와 같이 심재(11)에 대응하는 복합 소재(1)의 가장자리 상측면으로 이종 재질의 금속재(3)를 서로 겹쳐지게 맞댄다. 즉, 금속재(3)의 하면 가장자리 부분은 심재(11)에 대응하는 복합 소재(1)의 상면 가장자리 부분에 맞대어질 수 있다.

그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 도 5에서와 같이 서로 맞대어진 복합 소재(1)와 금속재(3)의 접합 부위에서 그 복합 소재(1)의 심재(11)에 대응하는 금속재(3)의 표면을 마찰 교반 용접 장치(71)를 통해 마찰 교반하여 금속재(3)와 심재(11)를 용접한다.

이에, 상기 복합 소재(1)와 금속재(3)의 접합 부위에서 마찰 교반에 의해 금속재(3)와 심재(11)가 용접됨으로 그 금속재(3)와 심재(11) 사이에는 용접부(13)가 형성되고, 이로 인해 복합 소재(1)와 금속재(3)는 용접부(13)에 의해 강한 접합력으로서 일체로 접합될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 복합 소재(1)의 심재(11)와 맞닿은 금속재(3)의 접합 부위에 마찰 교반을 실시하여 금속재(3)와 심재(11)를 용접함으로써 복합 소재(1)와 금속재(3)를 접합할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 복합 소재(1)와 이종 재질 간의 접합 강도 향상과, 설계 자유도의 향상을 도모할 수 있고, 이로 인해 차체 구조물로서의 사용도 가능해진다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 기존과 같이 복합 소재(1)와 금속재(3)를 접합하기 위한 별도의 후 공정을 필요로 하지 않으므로, 가공부 주변에서의 미세한 크랙 발생 및 외관 품질의 저하를 방지할 수 있고, 접합 공정의 싸이클 타임을 단축시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 복합 소재
3... 금속재
11... 심재
13... 용접부
31... 레이어
71... 마찰 교반 용접 장치

Claims (5)

1. 복합 소재와 금속재의 접합 유닛에 있어서,
   금속 박판의 심재가 내부에 구비된 복합 소재에 이종 재질의 금속재가 겹쳐지게 맞대어지고,
   상기 심재에 대응하는 금속재 표면의 마찰 교반에 의해 상기 금속재와 심재가 용접되며 상기 복합 소재와 금속재가 일체로 접합되는 것을 특징으로 하는 복합 소재와 금속재의 접합 유닛.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 금속재와 심재 사이에 용접부가 구비되는 것을 특징으로 하는 복합 소재와 금속재의 접합 유닛.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 심재는 상기 복합 소재를 이루는 다수 층의 레이어 중 어느 하나에 구비되는 것을 특징으로 하는 복합 소재와 금속재의 접합 유닛.
4. 복합 소재와 금속재를 접합하는 방법에 있어서,
   금속 박판의 심재가 내부에 구비된 복합 소재를 제공하고,
   상기 심재에 대응하는 복합 소재의 표면에 금속재의 일 부분을 겹쳐지게 맞대고 그 겹쳐진 부분의 금속재 표면을 마찰 교반하며 상기 복합 소재와 금속재를 일체로 접합하는 것을 특징으로 하는 복합 소재와 금속재의 접합 방법.
5. 제4 항에 있어서,
   다수 층의 레이어들을 적층하고, 상기 레이어들 중 표피층에 대응하는 레이어에 상기 심재를 배치한 복합 소재를 제공하는 것을 특징으로 하는 복합 소재와 금속재의 접합 방법.

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