KR20160035621A - 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법 - Google Patents

열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 플라스틱과 금속의 접합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)은 그 표면에 마이크로 크기의 미세구조 등을 포함하는 것을 특징으로 함으로써, 셀프 피어싱 리벳(10) 표면의 미세조직에 상기 열가소성 플라스틱이 치밀하게 주입되어 형성된 접합구조(30)는 플라스틱 상부판재(21)의 관통부에 내재된 결함을 감소 또는 제거하여, 접합부의 내구성을 향상시키고, 셀프 피어싱 리벳(10)과 플라스틱 상부판재(21)의 접합력을 향상시킬 수 있는 효과와 산업화가 용이하며, 산업현장에 바로 적용될 수 있는 효과가 있는 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법에 관한 것이다.

Description

열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법{SELF PIERCING RIVET TO JOINING THERMOPLASTIC-METAL AND THE JOINING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 플라스틱과 금속의 접합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라스틱 상부판재를 관통한 셀프 피어싱 리벳의 헤드부를 가열함으로써, 상기 셀프 피어싱 리벳과 플라스틱 상부판재의 결합력 등을 향상시킬 수 있는 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법에 관한 것이다.
자동차 산업에서는 환경 문제에 따른 연비의 향상을 위해 알루미늄 합금과 같은 경금속과 플라스틱 재료 등의 사용을 통하여 차체의 경량화를 도모하고 있으며, 이를 위해 자동차 업계에서는 차체를 조립하는데 통상적으로 적용되던 점용접을 대체할 수 있는 접합 방법에 대한 고찰이 이루어지고 있다.
이와 같은 기대에 맞는 접합방식으로서 셀프 피어싱 리벳 장치(self piercing rivet system)가 대두되고 있는데, 금속 등의 접합 대상물에 리벳 접합용 구멍을 가공하고 그 구멍에 리벳을 삽입 후 헤드부를 성형하여 접합 대상물을 접합하는 기존의 리벳팅 방식과 달리, 구멍을 가공하지 않고 유압 또는 공압으로 리벳을 접합 대상물에 압입하여 리벳을 소성 변형시킴으로써 접합 대상물을 접합하는 방식으로, 최근의 자동차업계에서 많이 채택을 하고 있는 접합방식이다.
보다 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 셀프 피어싱 리벳(10)은 헤드부(11)와 생크(shank)부(12)로 구분될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 셀프 피어싱 리벳 장치의 펀치(20)가 가하는 압력에 의해 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 생크부(12)가 플라스틱의 상부판재(21)를 관통 후, 금속의 하부판재(22)에 침투한 다음 엔빌 다이(23)의 영향으로 외측으로 벌어지면서 하부판재(22)에 고정되어 결과적으로 도 3에 도시된 바와 같이 셀프 피어싱 리벳(10)에 의해 상부판재(21)와 하부판재(22)가 접합되는 원리이다.
그러나 이러한 셀프 피어싱 리벳(10)의 접합 방법은 여러 가지 문제를 가지고 있다. 대표적으로 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 플라스틱 상부판재(21)를 관통하였기 때문에 상기 프라스틱 상부판재(21)의 관통부에 결함이 내재되어 있다는 것과, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)과 플라스틱 상부판재(21)는 단순히 접촉되어 있어서 결합력이 약하다는 것이다.
이에, 본 발명자는 셀프 피어싱 리벳(10)과 플라스틱 상부판재(21)의 접합구조를 형성시켜 접합력을 향상시킬 수 있는 셀프 피어싱 리벳(10)과 이를 이용한 접합 방법을 개발하고자 하였다.
공개특허공보 제10-2013-0069204호 (2011. 12. 16.), 셀프 피어싱 리벳 공개특허공보 제10-2005-0036183호 (2003. 10. 15.), 셀프 피어싱 리벳
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주요 목적은 열가소성 플라스틱 상부판재(21)를 관통하고, 금속의 하부판재(22)에 침투한 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하여 형성된 접합구조(30)를 통해 상기 열가소성 플라스틱 상부판재(21)의 관통부의 잠재적 결함을 줄이는 동시에, 상기 열가소성 플라스틱 상부판재(21)와 셀프 피어싱 리벳(10)의 결합력을 향상시킬 수 있는 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)은 그 표면에 마이크로 크기의 미세구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면은 상부판재(21)의 열가소성 플라스틱과 접촉하는 부분인 것을 특징으로 하고, 상기 미세구조는 홈, 굴곡 또는 거칠기(roughness)인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 미세구조는 텍스쳐링 미세구조가 형성된 단조금형을 이용한 단조에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세구조는 쇼트피닝(shot peening) 또는 샌드블라스팅(sand blasting)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세구조는 에칭(etching)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세구조는 레이저에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 제조방법에 있어서, 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)을 형성하는 제1단계; 상기 셀프 피어싱 리벳(10)이 펀치(20)에 의해 압입되면, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)이 상기 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)를 관통 후 금속의 하부판재(22)에 침투하여 상기 상부판재(21)와 하부판재(22)를 일체로 결합하는 제2단계; 및 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하여 상기 셀프 피어싱 리벳(10)과 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와의 접합력을 증가시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1단계는 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 홈, 굴곡 또는 거칠기의 미세구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3단계의 셀프 피어싱 리벳(10)은 레이저에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3단계의 셀프 피어싱 리벳(10)은 유도가열 또는 초음파에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 셀프 피어싱 리벳(10) 표면의 미세조직에 열가소성 플라스틱이 치밀하게 주입되어 형성된 접합구조(30)는 플라스틱 상부판재(21)의 관통부에 내재된 결함을 감소 또는 제거함으로써, 접합부의 내구성을 향상시키고, 셀프 피어싱 리벳(10)과 플라스틱 상부판재(21)의 접합력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 통상의 종래 리벳 공정에서 레이저 가열공정만을 추가함으로써, 본 발명의 구현이 가능하므로, 산업화가 용이하며, 산업현장에 바로 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 셀프 피어싱 리벳의 단면을 보여주는 도면이다.
도 2는 셀프 피어싱 리벳 장치와 셀프 피어싱 리벳에 의해 상부판재와 하부판재가 접합되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은 셀프 피어싱 리벳에 의해 상부판재와 하부판재가 접합된 단면을 보여주는 도면이다.
도 4는 텍스쳐링 미세구조를 보여주는 도식이다.
도 5는 쇼트피닝(shot peening) 또는 샌드블라스팅(sand blasting) 미세구조를 보여주는 도식이다.
도 6은 에칭(etching)에 의해 형성된 미세구조를 보여주는 도식이다.
도 7은 레이저에 의해 형성된 미세구조를 보여주는 도식이다.
도 8은 상부판재와 하부판재가 접합된 상태에서 셀프 피어싱 리벳의 헤드부가 가열되는 것을 보여주는 도면이다.
도 9는 셀프 피어싱 리벳의 헤드부 가열에 의해 형성되는 접합구조를 보여주는 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 도면 등을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 공정에 관한 것이며, 일 관점에서 본 발명은 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱과 금속간 접합력을 향상시키는 동시에 리벳의 관통에 의한 열가소성 플라스틱의 결함을 감소시키기 위한 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳에 관한 것이다.
이와 같이, 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)은 그 표면에 마이크로 크기의 미세구조(texture) 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면은 상기 리벳 표면 전체일 수 있으며, 또는 상부판재(21)의 열가소성 플라스틱과 접촉하는 부분일 수 있다. 또한, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 있는 마이크로 크기의 미세구조는 홈, 굴곡 또는 거칠기(roughness) 등을 의미하며, 셀프 피어싱 리벳(10)의 재질에 따라 여러 가지 미세구조를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 미세구조의 일례로서, 도 4는 셀프 피어싱 리벳(10) 표면에 형성된 마이크로 사이즈의 텍스쳐링 미세구조를 보여주는 도식이며, 상기 텍스쳐링 미세구조는 셀프 피어싱 리벳(10) 제조 시, 텍스쳐링 미세구조가 형성된 단조금형을 이용한 단조에 의해 형성될 수 있다.
상기 미세구조의 일례로서, 도 5는 셀프 피어싱 리벳(10) 표면에 형성된 쇼트피닝(shot peening) 또는 샌드블라스팅(sand blasting) 미세구조를 보여주는 도식이며, 상기 미세구조는 마이크로 또는 나노 사이즈의 거칠기(roughness) 구조이며, 제조된 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 쇼트피닝 또는 샌드블라스팅을 적용하여 형성될 수 있다.
상기 미세구조의 일례로서, 도 6은 셀프 피어싱 리벳 표면에 에칭(etching)에 의해 형성된 미세구조(10)를 보여주는 도식이며, 이와 같은 미세구조는 나노 사이즈의 홀(hole) 구조이며, 제조된 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 적용된 에칭으로 인한 부식에 의해 형성될 수 있다.
상기 미세구조의 일례로서, 도 7은 셀프 피어싱 리벳(10) 표면에 레이저에 의해 형성된 미세구조를 보여주는 도식이며, 이와 같은 미세구조는 마이크로 또는 나노 사이즈의 홀 구조를 형성하되, 상기 홀과 홀이 서로 연결되어 추후 고분자 소재 침투 및 냉각 시 정착(anchoring) 효과를 나타낼 수 있고, 제조된 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 레이저 등에 의해 형성할 수 있다.
또한, 상기 셀프 피어싱 리벳의 재질은 구조용 탄소강 또는 고강도 알루미늄 등인 것이 바람직하며, 상기 구조용 탄소강은 냉각압조용 탄소강 또는 보론(boron)강으로 대체될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 구조용 탄소강은 탄소의 함량이 전체 탄소강 중량에 대하여 약 0.35~0.45중량%인 탄소강인 것이 바람직하며, 상기 고강도 알루미늄은 A6000 또는 A7000 계열의 T6 열처리 알루미늄 등인 것이 바람직하다.
이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 셀프 피어싱 리벳을 이용한 열가소성 플라스틱과 금속을 접합하는 방법에 관한 것이다.
셀프 피어싱 리벳을 이용하여 열가소성 플라스틱과 금속을 접합하는 방법은 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)을 형성하는 제1단계; 상기 셀프 피어싱 리벳(10)이 펀치(20)에 의해 압입되면, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)이 상기 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)를 관통 후 금속의 하부판재(22)에 침투하여 상기 상부판재(21)와 하부판재(22)를 일체로 결합하는 제2단계; 및 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하여 상기 셀프 피어싱 리벳(10)과 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와의 접합력을 증가시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제1단계는 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 홈, 굴곡 또는 거칠기의 미세구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 앞에서 언급한 도 2에 도시된 바와 같이, 셀프 피어싱 리벳 장치의 클램퍼(24)와 엔빌 다이(23)가 겹쳐진 상부판재(21)와 하부판재(22)를 움직이지 않도록 고정한 상태에서 펀치(20)가 셀프 피어싱 리벳(10)에 압력을 가하면, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 생크부(12)부터 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)를 관통하여 들어가고, 이어서 상기 생크부(12)는 금속의 하부판재(22)에 침투 후 엔빌 다이(23) 형상에 영향을 받아 외측으로 벌어지면서 하부판재(22)에 고정되어 결과적으로 도 3에 도시된 바와 같이 셀프 피어싱 리벳(10)에 의해 상부판재(21)와 하부판재(22)가 접합된다.
특히, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상부판재(21)와 하부판재(22)가 접합된 상태에서 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 가열 수단은 레이저(31), 유도가열 또는 초음파 가열 등인 것이 바람직하며, 레이저(31)인 것이 보다 바람직하다. 이처럼, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하는 이유는 금속의 셀프 피어싱 리벳(10)과 열가소성 플라스틱인 상부판재(21)의 접합력을 더욱 향상시키고, 상부판재(21)에 있는 관통부의 내재적 결함을 감소하기 위함이다.
보다 구체적으로, 레이저(31) 등을 이용하여 상부판재(21)를 관통하고 하부판재(22)를 침투한 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 열전도 현상에 의해 전도된 열(32)은 셀프 피어싱 리벳(10)과 상부판재(21)의 열가소성 플라스틱의 접촉부분을 부분적으로 용융시키면, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 형성되어 있는 미세구조에 상기 용융된 열가소성 플라스틱이 치밀하게 주입되며, 가열로 높아진 온도로 인해 열가소성 플라스틱 내에서 발생되는 기포(40)의 팽창 압력에 의해 용융된 열가소성 플라스틱은 더욱 치밀하게 상기 셀프 피어싱 리벳의 표면의 미세조직에 주입될 수 있다. 이렇게 미세조직 내로 치밀하게 주입된 열가소성 플라스틱은 냉각되어 굳으면서 셀프 피어싱 리벳(10)과 상부판재를 단단하게 결합시키게 되는 것이다.
이러한 셀프 피어싱 리벳(10) 표면의 미세구조는 일례로서, 도 4 내지 7에 도시된 바와 같이 셀프 피어싱 리벳(10) 제조 시, 텍스쳐링 미세구조가 형성된 단조금형을 이용한 단조에 의해 형성될 수 있고, 제조된 셀프 피어싱 리벳의 표면에 쇼트피닝 또는 샌드블라스팅을 적용하여 형성될 수 있고, 제조된 셀프 피어싱 리벳의 표면에 적용된 에칭으로 인한 부식에 의해 형성될 수 있고, 제조된 셀프 피어싱 리벳의 표면에 레이저 등을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 재질은 구조용 탄소강 또는 고강도 알루미늄 등인 것이 바람직하며, 상기 구조용 탄소강은 냉각압조용 탄소강 또는 보론(boron)강으로 대체될 수 있다. 여기서, 상기 구조용 탄소강은 탄소의 함량이 전체 탄소강 중량에 대하여 약 0.35~0.45중량%인 탄소강인 것이 바람직하며, 상기 고강도 알루미늄은 A6000 또는 A7000 계열의 T6 열처리 알루미늄 등인 것이 바람직하다.
따라서, 앞서 살펴본 바와 같이 셀프 피어싱 리벳(10) 표면의 미세조직에 치밀하게 주입되어 형성된 열가소성 플라스틱과 미세조직의 접합구조(30)는 종래기술의 문제점이었던 플라스틱 상부판재의 관통부에 내재된 결함을 감소 또는 제거시킬 수 있으며, 셀프 피어싱 리벳(10)과 플라스틱 상부판재(21)가 단순하게 접촉되어 있어 결합력이 약했던 문제를 해결할 수 있다.
10 : 셀프 피어싱 리벳 23 : 엔빌 다이
11 : 헤드부 24 : 클램퍼
12 : 생크부 30 : 접합구조
20 : 펀치 31 : 레이저
21 : 상부판재 32 : 열
22 : 하부판재 40 : 기포

Claims (11)

  1. 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)은 그 표면에 마이크로 크기의 미세구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면은 상부판재(21)의 열가소성 플라스틱과 접촉하는 부분인 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조는 홈, 굴곡 또는 거칠기(roughness)인 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조는 텍스쳐링 미세구조가 형성된 단조금형을 이용한 단조에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조는 쇼트피닝(shot peening) 또는 샌드블라스팅(sand blasting)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조는 에칭(etching)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조는 레이저에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열가소성플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳.
  8. 서로 겹쳐진 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와 금속의 하부판재(22)를 일체로 결합하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)을 형성하는 제1단계;
    상기 셀프 피어싱 리벳(10)이 펀치(20)에 의해 압입되면, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)이 상기 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)를 관통 후 금속의 하부판재(22)에 침투하여 상기 상부판재(21)와 하부판재(22)를 일체로 결합하는 제2단계; 및
    상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 가열하여 상기 셀프 피어싱 리벳(10)과 열가소성 플라스틱의 상부판재(21)와의 접합력을 증가시키는 제3단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 열가소성 플라스틱-금속 접합 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1단계는 셀프 피어싱 리벳(10)의 표면에 홈, 굴곡 또는 거칠기의 미세구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 열가소성 플라스틱-금속 접합 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3단계의 셀프 피어싱 리벳(10)은 레이저에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 열가소성 플라스틱-금속 접합 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제3단계의 셀프 피어싱 리벳(10)은 유도가열 또는 초음파에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 열가소성 플라스틱-금속 접합 방법.
KR1020140126260A 2014-09-23 2014-09-23 열가소성 플라스틱-금속 접합용 셀프 피어싱 리벳과 이를 이용한 접합 방법 KR20160035621A (ko)

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CN115122656A (zh) * 2022-05-27 2022-09-30 大连理工大学 一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺

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