KR20180044622A - 이종소재 접합 구조체 및 접합 방법 - Google Patents

Abstract

이종소재 접합 구조체가 개시된다. 개시된 이종소재 접합 구조체는 비철소재와 스틸소재의 금속판재가 일체로 접합된 것으로서, 비철소재의 금속판재와 스틸소재의 금속판재 사이에서 비철소재의 금속판재에 셀프 피어싱 리벳이 압입되어 있으며, 스틸소재의 금속판재가 셀프 피어싱 리벳에 스폿 용접된 구조로 이루어진다.

Description

이종소재 접합 구조체 및 접합 방법 {ADHERING STRUCTURE AND METHOD OF DIFFERENT KINDS MATERIALS}

본 발명의 실시 예는 이종소재의 접합 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스틸소재와 알루미늄소재의 이종소재를 일체로 접합한 이종소재 접합 구조체 및 그 이종소재를 접합하는 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 차체의 구성은 연비 향상을 위해 경량재료의 적용이 증가하고 있다. 이러한 경량재료의 증가에 따라서 서로 다른 강종, 예를 들어 알루미늄과 스틸 등의 조합이 많아지고 있지만, 이러한 조합의 강종에 용접을 적용하면, 갈바닉 부식으로 인한 품질문제가 발생한다.

이와 같은 갈바닉 부식의 문제점을 줄이기 위해서는 비 용융 방식의 접합기술이 필요하나, 이러한 비 용융 방식의 접합기술을 활용하기 위해서는 기존 접합공정의 용접장치를 모두 교체해야 하고, 초기 투자비가 과다하게 필요한 단점이 있다.

최근에는 상기한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 REW(Resistance Spot Welding) 장치를 이용한 용접방식이 차체에 적용되고 있다. 그러나 이러한 REW 장치는 갈바닉 부식을 방지하기 위해 삽입하는 별도의 스틸 엘리먼트를 공급하기 위한 추가 장치가 필요하게 되고, 각 규격별 엘리먼트의 공급을 위해서 크기별로 각각의 장비가 필요하여 투자비의 증가와 함께 공정설비의 규모가 커지는 문제점이 있다. 또한, 기존의 REW 장치는 이동장치와 제어장치를 포함하여 공정이 복잡하게 되어 보전상의 어려움도 있다.

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 예들은 셀프 피어싱 리벳을 스틸 엘리먼트로 활용하여 이종소재의 금속판재를 일체로 접합한 이종소재 접합 구조체 및 접합 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예는 비철소재와 스틸소재의 금속판재가 일체로 접합된 것으로서, 상기 비철소재의 금속판재와 스틸소재의 금속판재 사이에서 상기 비철소재의 금속판재에 셀프 피어싱 리벳이 압입되어 있으며, 상기 스틸소재의 금속판재가 상기 셀프 피어싱 리벳에 스폿 용접된 이종소재 접합 구조체가 제공된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 셀프 피어싱 리벳은 상기 비철소재의 금속판재 표면을 지지하는 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되며 상기 비철소재의 금속판재에 인터록 되는 섕크부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 헤드부는 상기 스틸소재의 금속판재에 스폿 용접될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 셀프 피어싱 리벳은 스틸소재의 표면에 코팅된 알루미늄 혹은 아연소재의 도금층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 스틸소재 금속판재는 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 구조체에 있어서, 상기 비철소재 금속판재는 알루미늄 판재 및 마그네슘 판재 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 방법은, 비철소재 및 스틸소재의 이종 금속판재를 접합하는 것으로서, (a) 셀프 피어싱 리벳 장치를 통해 비철소재의 금속판재에 셀프 피어싱 리벳을 압입하고, (b) 상기 비철소재 금속판재의 표면에 스틸소재의 금속판재를 겹쳐지게 셋팅하며, (c) 스폿 용접 장치를 통해 상기 스틸소재의 금속판재와 셀프 피어싱 리벳을 스폿 용접하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 방법에 있어서, 상기 (b) 과정에서는 상기 스틸소재의 금속판재를 상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드부와 맞닿게 상기 비철소재 금속판재의 표면에 셋팅할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 이종소재 접합 방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서는 상기 스틸소재의 금속판재와 상기 헤드부가 용융 접합되며 스폿 용접부를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 REW 장치를 사용하여 스틸 엘리먼트를 통해 이종소재의 금속판재를 접합한 종래 기술과 달리, 셀프 피어싱 리벳을 스틸 엘리먼트로 활용하여 이종소재의 금속판재를 일체로 접합할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 비교적 고가의 REW 장치 및 주변 설비를 사용하지 않고 기존 셀프 피어싱 리벳 장치 및 스폿 용접 장치를 사용하여 이종소재의 금속판재를 접합하므로, 공정이 단순하고, 설비 투자비용이 절감되는 효과가 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 비철소재의 금속판재에 인터록 된 셀프 피어싱 리벳의 헤드부를 스틸소재의 금속판재와 스폿 용접함에 따라, 인장전단 강도가 높은 고품질의 이종소재 접합 제품을 확보할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체를 도시한 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 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 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체를 도시한 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체(100)는 차체의 경량화를 도모하기 위해 이종소재의 금속판재(1, 2)가 일체로 접합된 접합체로서, 예를 들면 차체 패널과 같은 차체 조립용 부품으로 구성될 수 있다.

이러한 이종소재의 접합 구조체(100)는 상기한 바와 같이 차체용 패널에 적용되는 것으로 한정되지 않고, 차체용 멤버 및 차체 프레임 등과 같은 각종 차체 구조물에 적용될 수도 있다.

더 나아가, 본 발명의 보호범위가 차체 조립용 부품의 이종소재 접합체에 반드시 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 다양한 종류 및 용도의 구조물에 채용되는 이종소재의 접합체라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

여기서, 이종소재의 금속판재(1, 2)는 예를 들어, 알루미늄 판재 및 마그네슘 판재 등과 같은 비철소재의 금속판재(1)와, 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 등과 같은 스틸소재의 금속판재(2)를 포함할 수 있다.

이하에서는 도면을 기준으로 스틸소재의 금속판재(2)를 비철소재의 금속판재(1) 위에 겹쳐 놓은 상태로 그 비철소재의 금속판재(1)와 스틸소재의 금속판재(2)가 일체로 접합하여 이종소재의 접합체를 제조하는 예를 설명하기로 한다.

그러나, 상기와 같은 방향의 정의는 상대적인 의미로서, 비철소재의 금속판재(1)와 스틸소재의 금속판재(2)의 기준 위치 및 접합장치의 접합 방향 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 방향이 본 실시 예의 기준 방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체(100)는 REW 장치를 사용하여 스틸 엘리먼트를 통해 이종소재의 금속판재를 접합한 종래 기술과 달리, 셀프 피어싱 리벳을 스틸 엘리먼트로 활용하여 이종소재의 금속판재를 일체로 접합한 구조로 이루어진다.

구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체(100)는 서로 겹쳐진 비철소재의 금속판재(1)와 스틸소재의 금속판재(2) 사이에서 그 비철소재의 금속판재(1)에 셀프 피어싱 리벳(10)이 압입되어 있으며, 스틸소재의 금속판재(2) 셀프 피어싱 리벳(10)에 스폿 용접된 구조로 이루어진다.

상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 비철소재 금속판재(1)의 표면을 지지하는 헤드부(11)와, 그 헤드부(11)에 일체로 연결되며 비철소재의 금속판재(1)에 인터록 되는 섕크부(13)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 섕크부(13)는 속이 빈 중공 축 타입으로 구비되고, 헤드부(11)에 작용하는 펀칭 가압력에 의해 비철소재의 금속판재(1)에 압입되며, 다이(die)를 통해 외측 방향으로 소성 변형되면서 비철소재의 금속판재(1)에 인터록 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 스틸소재의 금속판재(2)는 비철소재의 금속판재(1) 표면을 지지하는 헤드부(11)와 스폿 용접된다. 즉, 상기 스틸소재의 금속판재(2)와 헤드부(11)는 전기 저항에 의해 용융 접합된 스폿 용접부(50)를 통해 상호 연결된다.

한편, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 스틸소재의 표면에 코팅된 알루미늄 혹은 아연소재의 도금층(15)을 형성하고 있다. 이와 같이 셀프 피어싱 리벳(10)의 스틸소재 표면에 알루미늄 도금(ALMAC) 또는 아연도금(ZnNi)을 코팅한 이유는 서로 다른 소재 즉, 스틸소재의 셀프 피어싱 리벳(10)과 비철소재 금속판재(1)의 압입 결합에 따른 갈바닉 부식을 방지하기 위함이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 구조체(100)를 제조하기 위한 이종소재 접합 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 셀프 피어싱 리벳 장치(101)를 통해 비철소재의 금속판재(1)에 셀프 피어싱 리벳(10)을 압입한다(S11 단계).

여기서, 상기 셀프 피어싱 리벳 장치(101)는 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)에 가압력을 인가하는 펀치(103)와, 비철소재의 금속판재(1)를 지지하는 다이(105)(당 업계에서는 "엔빌" 이라고도 한다)를 포함하고 있다.

상기 펀치(103)는 셀프 피어싱 리벳(10)이 공급되는 부위로, 유압 또는 공압 실린더에 의해 상하 방향으로 이동되며 프레스 구동한다. 그리고, 상기 다이(105)는 펀치(103)로부터 셀프 피어싱 리벳(10)에 작용하는 가압력을 지지하는 엔빌 다이로 구비된다. 그리고 상기 다이(105)에는 성형 골(107)을 형성하고 있다.

상기 S11 단계에서는 다이(105)에 비철소재의 금속판재(1)를 지지한 상태로, 펀치(103)를 통해 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11) 상면에 가압력을 인가하는데, 그 상면에 수직한 방향으로 펀치(103)의 가압력을 인가한다.

따라서, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 섕크부(13)는 펀치(103)의 가압력에 의해 비철소재의 금속판재(1)에 압입되며, 다이(105)의 성형 골(107)을 통해 소성 변형되며 비철소재의 금속판재(1)에 인터록 된다. 이 때, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)는 비철소재 금속판재(1)의 상면을 지지하며 외부로 노출된 상태에 있다.

상기와 같이 비철소재의 금속판재(1)에 셀프 피어싱 리벳(10)을 압입한 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 도 3에서와 같이 비철소재 금속판재(1)의 표면(상면)에 스틸소재의 금속판재(2)를 겹쳐지게 셋팅한다(S12 단계).

즉, 상기 S12 단계에서는 스틸소재의 금속판재(2)를 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)와 맞닿게 비철소재 금속판재(1)의 표면에 셋팅한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 도 4에서와 같이, 스폿 용접 장치(201)를 통해 스틸소재의 금속판재(2)와 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 스폿 용접한다(S13 단계).

여기서, 상기 스폿 용접 장치(201)는 서로 겹쳐진 모재를 가압함과 동시에 전류를 통전시킴으로써 전기저항에 의한 용접열을 발생시켜 용접하는 전기 저항 용접 장치이다.

이러한 스폿 용접 장치(201)는 하측에서 비철소재 금속판재(1)의 셀프 피어싱 리벳(10) 압입 부위를 지지하는 고정 전극(203)과, 상측에서 스틸소재 금속판재(2)를 가압하는 가동 전극(205)을 포함하고 있다.

상기 S13 단계에서는 고정 전극(203)을 통해 비철소재 금속판재(1)의 셀프 피어싱 리벳(10) 압입 부위를 지지하며, 가동 전극(205)을 통해 스틸소재의 금속판재(2)를 가압한 상태에서, 고정 전극(203)과 가동 전극(205)에 용접 전류를 인가한다.

그러면, 상기 스틸소재의 금속판재(2)와 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)는 고정 전극(203) 및 가동 전극(205)에 의한 양 방향에서의 가압 및 통전 가열을 통해 용융 접합되며 스폿 용접부(50)를 형성한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 스틸소재의 금속판재(2)와 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)가 상호 스폿 용접된 스폿 용접부(50)를 통하여 비철소재의 금속판재(1)와 스틸소재의 금속판재(2)를 이종 접합할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 의하면, REW 장치를 사용하여 스틸 엘리먼트를 통해 이종소재의 금속판재를 접합한 종래 기술과 달리, 셀프 피어싱 리벳(10)을 스틸 엘리먼트로 활용하여 이종소재의 금속판재(1, 2)를 일체로 접합할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 비교적 고가의 REW 장치 및 주변 설비를 사용하지 않고 기존 셀프 피어싱 리벳 장치(101) 및 스폿 용접 장치(201)를 사용하여 이종소재의 금속판재(1, 2)를 접합하므로, 공정이 단순하고, 설비 투자비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 비철소재의 금속판재(1)에 인터록 된 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드부(11)를 스틸소재의 금속판재(2)와 스폿 용접함에 따라, 인장전단 강도가 높은 고품질의 이종소재 접합 제품을 확보할 수 있다.

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

1... 비철소재 금속판재
2... 스틸소재 금속판재
10... 셀프 피어싱 리벳
11... 헤드부
13... 섕크부
15... 도금층
50... 스폿 용접부
100... 이종소재 접합 구조체
101... 셀프 피어싱 리벳 장치
103... 펀치
105... 다이
107... 성형 골
201... 스폿 용접 장치
203... 고정 전극
205... 가동 전극

Claims (8)

1. 비철소재와 스틸소재의 금속판재가 일체로 접합된 이종소재 접합 구조체로서,
   상기 비철소재의 금속판재와 스틸소재의 금속판재 사이에서 상기 비철소재의 금속판재에 셀프 피어싱 리벳이 압입되어 있으며, 상기 스틸소재의 금속판재가 상기 셀프 피어싱 리벳에 스폿 용접된 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 셀프 피어싱 리벳은,
   상기 비철소재의 금속판재 표면을 지지하는 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되며 상기 비철소재의 금속판재에 인터록 되는 섕크부를 포함하되,
   상기 헤드부는 상기 스틸소재의 금속판재에 스폿 용접되는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 셀프 피어싱 리벳은 스틸소재의 표면에 코팅된 알루미늄 혹은 아연소재의 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 스틸소재 금속판재는 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 비철소재 금속판재는 알루미늄 판재 및 마그네슘 판재 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 구조체.
6. 비철소재 및 스틸소재의 이종 금속판재를 접합하는 이종소재 접합 방법으로서,
   (a) 셀프 피어싱 리벳 장치를 통해 비철소재의 금속판재에 셀프 피어싱 리벳을 압입하고;
   (b) 상기 비철소재 금속판재의 표면에 스틸소재의 금속판재를 겹쳐지게 셋팅하며;
   (c) 스폿 용접 장치를 통해 상기 스틸소재의 금속판재와 셀프 피어싱 리벳을 스폿 용접하는
   과정을 포함하는 이종소재 접합 방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 (b) 과정에서는,
   상기 스틸소재의 금속판재를 상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드부와 맞닿게 상기 비철소재 금속판재의 표면에 셋팅하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 (c) 과정에서는,
   상기 스틸소재의 금속판재와 상기 헤드부가 용융 접합되며 스폿 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합 방법.

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