KR20170014258A - 복합판재의 접합방법 - Google Patents

Abstract

복합판재의 접합방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합판재의 접합방법은 열가소성 소재로 이루어져 상호 접합할 복수의 복합판재를 상호 겹친 상태로 테이블 지그 상에 로딩하고, 상기 복수의 복합판재의 접합부에 대하여 상기 복합판재의 융점 이하로 초음파 유도 가열함과 동시에 상기 접합부에 금속재 접합핀을 가압하여 양단이 상기 복수의 복합판재의 외측으로 돌출되도록 관통시킨 상태로 융착시킨 후, 상기 접합핀의 양단에 대하여 상부 및 하부 가압전극를 접촉시킨 상태로 통전 가열하여 상기 접합핀의 재결정온도에서 일정 가압력으로 가압하여 상기 접합핀의 양단을 넓고 둥근 반구모양으로 변형시켜 상기 복수의 복합판재를 접합한다.

Description

복합판재의 접합방법{WELDING METHOD FOR CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS SHEETS}

본 발명은 복합판재의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소재의 열가소성을 이용한 업셋 용접을 통해 접합표면의 균열을 방지하고, 기계적 접합에 의한 체결력을 충분히 확보하는 복합판재의 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업분야에서 두 금속판재를 상호 겹치기 접합하기 위해서는 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔을 이용한 레이저 용접이나, 스폿 용접기를 이용한 전기저항 용접이 주로 적용된다.

도 1에서는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도로써, 레이저빔(LB)을 이용하여 강판 소재를 용접하기 위한 일반적인 레이저 용접 시스템은 로봇(1)의 아암(3) 선단에 레이저 헤드(5)가 설치되고, 이 레이저 헤드(5)는 레이저 발진기(7)와 연결된다.

상기 로봇(1)은 로봇 제어기(C)에 의해 거동 제어되어 상기 레이저 헤드(5)를 소재(9)의 용접패턴을 따라 이동시키면서 레이저빔(LB)이 조사되도록 하여 용접작업을 진행한다.

한편, 최근에는 차체의 고강도 경량화의 추세에 따라 차체 소재로 금속판재 또는 비철금속판재뿐만 아니라 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS, 이하, CFRP라 칭함)으로 이루어지는 복합판재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.

탄소섬유를 이용한 CFRP는 강도, 탄성률, 경량성, 안정성이 우수하기 때문에, 높은 성능이 요구되는 항공이나 자동차 분야에서는 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 경제적인 조건만 해결되면 향후 사용이 더욱 확대되고, CFRP의 제조량이 비약적으로 증가될 것으로 기대된다.

특히, 자동차 산업에서의 CFRP는 탄소섬유를 주로 에폭시나 플라스틱 등의 수지의 심으로 제조하여 많이 사용하는 추세이다. 즉, CFRP는 탄소섬유를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 제조한 후, 수지류에 함침하여 경화시킨 것으로서, 고강도, 고탄성의 경량소재로 주목받고 있는 첨단 복합 재료이며, 비금속재이다.

이러한 CFRP에서 수지류는 경도가 우수한 반면, 인장강도가 약해 쉽게 끊어지고, 탄소섬유는 인장강도가 높지만 굽힘 반발력이 없기 때문에 이 둘을 결합하는 것이다.

또한, 탄소섬유는 같은 부피의 스틸에 비해 1/4의 무게로 경량화가 가능하고, 인장강도는 10배나 강하여 강성 확보에 유리하며, 성형성 역시 좋다는 이점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 CFRP를 차체에 적용하기 위해서는 이를 대체하기 어려운 부분에 적용되는 강판과의 접합, 또는 CFRP 상호간에 접합이 가능해야 하는데, 소재의 물성적 특성에 의해 종래와 같이 레이저 용접이나 스폿 용접은 불가능한 단점이 있어, 주로 본딩이나 체결부품을 이용한 기계적 접합이 이루어지고 있다.

그런데, 탄소 섬유 강화 플라스틱 복합판재의 종래의 접합방법 중, 본딩은 통상 고온경화에 의해 접합되는 구조용 접착제를 이용하는데, 이는 경화에 시간이 과다하게 소요되는 단점이 있고, 기계적 접합은 셀프 피어싱 리벳 등을 이용하는데, 이 또한, 소재를 강제로 피어싱함에 따라 피어싱부의 표면균열에 의해 접합 품질이 불량한 단점이 있어 새로운 접합방법의 연구개발이 시급한 문제이다.

상기와 같은 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 접합할 복합판재에 대하여 초음파 융착기로 접합핀을 관통시킨 상태로, 업셋 용접기로 상기 접합핀의 양단을 변형시켜 복합판재를 접합함으로써, 접합표면의 균열을 방지하고 기계적 접합에 의한 체결력을 충분히 확보하는 복합판재의 접합방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 상호 접합할 복수의 복합판재를 상호 겹친 상태로 테이블 지그 상에 로딩하는 로딩단계; 상기 테이블 지그 상에 로딩된 복수의 복합판재의 접합부에 대하여 초음파 유도 가열함과 동시에 상기 접합부에 접합핀을 가압하여 관통시킨 상태로 융착시키는 초음파 융착단계; 상기 접합핀의 양단에 대하여 상부 및 하부 가압전극을 통하여 통전 가열하여 일정온도에서 일정 가압력으로 가압하여 상기 접합핀의 양단을 넓고 둥근 반구모양으로 변형시켜 상기 복수의 복합판재를 접합하는 업셋 용접단계를 포함하는 복합판재의 접합방법를 제공할 수 있다.

또한, 상기 복합판재는 열가소성 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 복합판재는 탄소 섬유 강화 플라스틱 판재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 접합핀은 금속재 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 상부 및 하부 가압전극은 상기 접합핀의 각 단부에 접촉되는 각 접촉면에 반구면의 홈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 초음파 유도가열은 상기 복합판재의 융점 이하로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 일정온도는 접합핀의 재결정온도일 수 있다.

본 발명의 실시 예는 접합할 복합판재의 접합부에 대하여 초음파 융착기로 초음파 가열을 통해 소성을 확보한 상태로 접합핀을 관통시켜 접합부의 표면균열을 방지할 수 있다.

또한, 업셋 용접기로 상기 접합핀을 재결정온도까지 가열한 상태로 양단을 소성변형시켜 복합판재를 기계적으로 접합함으로써 체결력을 충분히 확보할 수 있다.

또한, 초음파 가열에 의한 복합판재 상호간의 접합부에 계면접합을 이루어 접합력을 보강할 수 있다.

또한, 초음파 융착단계와 업셋 용접단계를 하나의 장비에 구비하여 자동화 라인의 구현이 쉽고, 다수의 체결부품 등, 접합 부재료를 최소화할 수 있으며, 주변 온도에 따른 접합강도의 편차가 없다는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합판재의 접합방법에 따른 공정도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합판재의 접합방법에 따른 공정도이다.

먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 복합판재의 접합방법에 적용되는 복합판재는 탄소 섬유 강화 플라스틱 판재를 예로 하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 열가소성을 갖는 복합소재로 이루어진 판재이면, 적용이 가능하다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 복합판재간의 접합방법은 로딩단계(S1), 초음파 융착단계(S2), 업셋 용접단계(S3)를 포함한다.

먼저, 로딩단계(S1)는 상호 접합할 2장의 복합판재(11)를 상호 겹친 상태로 테이블 지그(13) 상에 로딩한다.

여기서, 상기 복합판재(11)는 각각 열가소성 소재로 이루어지는데, 본 발명의 실시 예에서는 탄소 섬유 강화 플라스틱 판재로 이루어질 수 있으며, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱 판재는 융점이 통상 200℃ ~250℃의 범위 내에서 설정된다.

상기 로딩단계(S1)에 이어서 초음파 융착단계(S2)를 진행한다.

상기 초음파 융착단계(S2)는 상기 테이블 지그(13) 상에 로딩된 2장의 복합판재(11)의 접합부(WP)에 대하여 융점의 이하의 온도로 초음파 유도 가열함과 동시에 상기 접합부(WP)에 접합핀(15)을 가압하여 관통시킨 상태로 융착시켜 진행된다.

즉, 초음파 융착기(20)가 초음파 발생기(21)의 신호에 따라 2장의 복합판재(11)의 접합부(WP)에 대하여 초음파 가열을 진행하면, 상기 복합판재(11)의 접합부(WP)는 열가소성에 따른 소성변형이 쉽게 일어나는 상태가 되며, 이러한 복합판재(11)의 접합부(WP)에 대하여 별도로 구비되는 접합핀(15)을 가압하면, 상기 접합핀(15)은 접합부(WP)를 관통한 상태로 융착된다.

이때, 상기 접합핀(15)은 강 등의 금속재 소재로 이루어져 양단이 상기 2장의 복합판재(11)의 접합부(WP) 외측으로 돌출되어 융착된 상태가 되며, 상기 접합핀(15)은 초음파 가열에 의해 충분한 소성을 확보한 접합부(WP)를 관통함에 따라 접합부(WP) 표면에 균열을 발생시키지 않으면서 융착된다.

또한, 상기 초음파 융착단계(S2)는 열가소성 소재인 2장의 복합판재(11)가 초음파 가열에 의한 열로 인해 복합판재(11)간의 접합부(WP)에서 계면접합도 이루어져 접합력을 향상시킨다.

이와 같은 초음파 융창단계(S2)가 완료되면, 업셋 용접단계(S3)를 진행한다.

상기 업셋 용접단계(S3)는 상기 2장의 복합판재(11)의 접합부(WP)를 관통하여 융착된 접합핀(15)의 양단에 업셋 용접기(30)의 상부 가압전극(31)과 하부 가압전극(33)을 각각 접촉시킨 상태로, 통전 가열을 먼저 진행하고, 상기 통전 가열에 의해 접합핀(15)이 일정온도가 되면, 일정 가압력으로 가압하여 상기 접합핀(15)의 양단을 넓고 둥근 반구모양으로 소성 변형시켜 상기 2장의 복합판재(11)를 접합한다.

이때, 상기 일정온도는 접합핀(15)의 재결정온도로 설정될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 일정 가압력을 통해 접합핀(15)의 양단을 충분히 소성변형 가능하도록 하는 온도범위에서 설정될 수 있다.

또한, 상기한 상부 가압전극(31)과 하부 가압전극(33)은 상기 접합핀(15)의 각 단부에 접촉되는 각 접촉면에 반구면의 홈이 형성되어 상기 반구면의 홈 모양으로 접합핀(15)의 양단을 소성변형시킬 수 있으나, 상기 홈은 반드시 반구면의 홈이 아니더라도 소성변형된 접합핀(15)의 양단이 2장의 복합판재(11)를 기계적으로 접합 가능한 모양이면 적용이 가능하다.

따라서 상기한 바와 같은 탄소 섬유 강화 플라스틱 복합판재간의 접합방법에 의하면, 접합할 복합판재(11)의 접합부(WP)에 대하여 초음파 융착기(20)로 초음파 가열하면서 접합핀(15)을 관통시켜 접합표면의 균열을 방지할 수 있다.

또한, 업셋 용접기(30)로 상기 접합핀(15)의 양단을 재결정온도까지 가열한 상태로 소성변형시켜 복합판재(11)를 기계적으로 접합함으로써 체결력을 충분히 확보할 수 있다.

또한, 초음파 가열에 의한 복합판재(11) 상호간의 접합부(WP)에 계면접합이 이루어져 접합력을 높일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 복합판재의 접합방법은 종전의 본딩이나 접착제 테이핑 또는 기계적 접합에 비하여 자동화 라인의 구현이 쉽고, 다수의 체결부품 등, 접합 부재료를 최소화할 수 있다.

또한, 종전의 본딩 접합은 접착제의 경화를 위한 온도 및 시간을 유지 관리해야 하는 반면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합판재의 접합방법은 주변 온도에 따른 접합강도의 편차가 없다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

11: 복합판재
13: 테이블 지그
15: 접합핀
20: 초음팡 융착기
21: 초음파 발생기
30: 업셋 용접기
31,33: 상부 및 하부 가압전극
WP: 접합부

Claims (10)

1. 상호 접합할 복수의 복합판재를 상호 겹친 상태로 테이블 지그 상에 로딩하는 로딩단계;
   상기 테이블 지그 상에 로딩된 복수의 복합판재의 접합부에 대하여 초음파 유도 가열함과 동시에 상기 접합부에 접합핀을 가압하여 관통시킨 상태로 융착시키는 초음파 융착단계;
   상기 접합핀의 양단에 대하여 상부 및 하부 가압전극을 통하여 통전 가열하여 일정온도에서 일정 가압력으로 가압하여 상기 접합핀의 양단을 넓고 둥근 반구모양으로 변형시켜 상기 복수의 복합판재를 접합하는 업셋 용접단계;
   를 포함하는 복합판재의 접합방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복합판재는
   열가소성 소재로 이루어지는 복합판재의 접합방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 복합판재는
   탄소 섬유 강화 플라스틱 판재로 이루어지는 복합판재의 접합방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 접합핀은
   금속재 소재로 이루어지는 복합판재의 접합방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 상부 및 하부 가압전극은
   상기 접합핀의 각 단부에 접촉되는 각 접촉면에 반구면의 홈이 형성되는 복합판재의 접합방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 초음파 유도가열은
   상기 복합판재의 융점 이하로 이루어지는 복합판재의 접합방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 일정온도는
   접합핀의 재결정온도인 것을 특징으로 하는 복합판재의 접합방법.
8. 열가소성 소재로 이루어져 상호 접합할 복수의 복합판재를 상호 겹친 상태로 테이블 지그 상에 로딩하고, 상기 복수의 복합판재의 접합부에 대하여 상기 복합판재의 융점 이하로 초음파 유도 가열함과 동시에 상기 접합부에 금속재 접합핀을 가압하여 양단이 상기 복수의 복합판재의 외측으로 돌출되도록 관통시킨 상태로 융착시킨 후, 상기 접합핀의 양단에 대하여 상부 및 하부 가압전극를 접촉시킨 상태로 통전 가열하여 상기 접합핀의 재결정온도에서 일정 가압력으로 가압하여 상기 접합핀의 양단을 넓고 둥근 반구모양으로 변형시켜 상기 복수의 복합판재를 접합하는 복합판재의 접합방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 복합판재는
   탄소 섬유 강화 플라스틱 판재로 이루어지는 복합판재의 접합방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 가압전극은
    상기 접합핀의 각 단부에 접촉되는 각 접촉면에 반구면의 홈이 형성되는 복합판재의 접합방법.

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