KR20180078041A

KR20180078041A - 이종소재 접합방법

Info

Publication number: KR20180078041A
Application number: KR1020160183004A
Authority: KR
Inventors: 최동원; 이문용
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-07-09

Abstract

이종소재의 접합방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법은 금속판재의 접합부 표면과 복합판재의 접합부 표면에 각각 고주파 펄스 레이저빔으로 요철부를 형성하는 표면처리단계; 상기 금속판재의 접합부와 복합판재의 접합부 중, 어느 하나의 접합부에 구조용 접착제를 도포하는 접착제도포단계; 상기 금속판재의 접합부와 복합판재의 접합부를 상호 맞대어 접촉시킨 상태로 가압하여 접합하는 제1접합단계; 및 상기 금속판재와 복합판재의 접합부에 대하여 리벳을 압입하여 체결하는 제2접합단계를 포함한다.

Description

이종소재 접합방법{BONDING METHOD OF DIFFERENT MATERIAL}

본 발명은 이종소재 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종소재의 접합 시, 전위차에 의한 판재의 갈바닉 부식을 방지함과 동시에, 접합부의 강성을 향상시키는 이종소재 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 진행하게 된다.

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.

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 접합이 가능해야 하는데, 두 소재의 물성적 특성에 의해 종래와 같이 레이저 용접이나 스폿 용접은 불가능한 단점이 있어, 주로 본딩이나 체결부품을 이용한 기계적 접합이 이루어지고 있다.

이에, 강판과 탄소 섬유 강화 플라스틱 복합판재의 종래의 접합방법에 따른 본딩이나 기계적 접합을 위해서는 설계치수를 벗어나지 않도록 설계단계에서부터 치수가 고려되어야 하며, 이에 따른 레이아웃 상의 자유도가 낮은 단점이 있어 새로운 접합방법의 연구개발이 시급한 문제이다.

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

본 발명의 실시 예는 금속판재와 복합판재의 접합 시, 전위차에 의한 복합판재의 갈바닉 부식을 방지함과 동시에, 접합부의 강성을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예는 금속판재와 복합판재 각각의 접합부에 고주파 펄스 레이저 빔을 이용하여 요철부를 형성한 후, 상기 금속판재와 복합판재 각각의 요철부를 상호 맞대어 접착제를 개재한 상태로 접합함으로써, 상기 복합판재의 갈바닉 부식을 방지함과 동시에, 접합성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 금속판재의 접합부 표면과 복합판재의 접합부 표면에 각각 고주파 펄스 레이저빔으로 요철부를 형성하는 표면처리단계; 상기 금속판재의 접합부와 복합판재의 접합부 중, 어느 하나의 접합부에 구조용 접착제를 도포하는 접착제도포단계; 상기 금속판재의 접합부와 복합판재의 접합부를 상호 맞대어 접촉시킨 상태로 가압하여 접합하는 제1접합단계; 및 상기 금속판재와 복합판재의 접합부에 대하여 리벳을 압입하여 체결하는 제2접합단계를 포함하는 이종소재의 접합방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 제1접합단계는 상기 금속판재의 요부와 철부가 상기 복합판재의 철부와 요부에 각각 대응하도록 맞대어 접합할 수 있다.

또한, 상기 제2접합단계는 셀프 피어싱 리벳을 이용하여 상기 금속판재와 복합판재를 체결할 수 있다.

또한, 상기 금속판재는 스틸 또는 마그네슘 합금을 소재로 할 수 있다.

또한, 상기 복합판재는 탄소 섬유 강화 플라스틱을 소재로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 금속판재와 복합판재의 접합 시, 전위차에 의한 상기 복합판재의 갈바닉 부식을 방지함과 동시에, 접합부의 강성을 향상시킬 수 있다.

더불어 본 발명의 실시 예는 상기 금속판재와 복합판재의 접합부에 대하여 리벳을 압입하여 체결함으로써, 접합부의 강성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의한 레이저 용접 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법을 이용하여 접합된 접합부의 대략적인 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 상세한 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 실시 예들 중에서 바람직한 하나의 실시 예에 관한 것이다. 따라서 본 발명이 하기의 도면과 설명에만 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법을 나타낸 공정도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법을 이용하여 접합된 접합부의 대략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법은 금속판재(P1)와 복합판재(P2)로 이루어진 이종소재를 접합할 경우 적용된다.

이때, 상기 금속판재(P1)는 스틸 또는 마그네슘 합금을 소재로 하여 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 보론이 첨가된 보론 합금을 소재로 하여 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 복합판재(P2)는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS, 이하, CFRP라 칭함)을 소재로 하여 이루어질 수 있다.

상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은 강도, 탄성률 및 안정성이 우수하면서도 경량이다.

본 발명의 실시 예에서는 복합판재(P2)로 탄소 섬유 강화 플라스틱을 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 알루미늄 합금 판재도 적용이 가능하다.

상기와 같은 이종소재를 접합하는 방법은 표면처리단계(S1), 접착제도포단계(S2), 제1접합단계(S3) 및 제2접합단계(S4)를 포함한다.

먼저, 상기 표면처리단계(S1)는 상기 금속판재(P1)의 접합부 표면에 요철부(10)를 형성한다.

마찬가지로, 상기 복합판재(P2)의 접합부 표면에 요철부(10)를 형성한다.

이때, 상기 요철부(10)는 고주파 펄스 레이저빔(LB)으로 형성될 수 있으며, 레이저 용접기(20)를 이용한다.

다시 말해, 상기 요철부(10)는 레이저 용접기(20)가 반복적으로 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 상부에서 이동하면서 고주파 펄스 레이저빔(LB)을 조사하여 형성된다.

상기 레이저 용접기(20)는 널리 알려진 일반적인 공지사항이므로, 본 명세서에서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 고주파 펄스 레이저 빔(LB)은 패턴형상, 출력, 주파수, 점당조사 시간 등의 제어를 통해 다양한 접합부의 형상을 형성할 수 있다.

상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합부 표면에 형성된 요철부(10)는 각각 요부(10a)와 철부(10b)를 가진다.

상기 요부(10a)는 상기 고주파 펄스 레이저 빔(LB)에 의해 움푹 파인 홈이고, 상기 철부(10b)는 상기 요부(10a)와 요부(10a) 사이에 형성되어 평평한 표면을 가진다.

즉, 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)는 요부(10a)와 철부(10b)가 연속으로 형성되어 이루어진다.

상기 표면처리단계(S1)에 이어서 접착제도포단계(S2)를 진행한다.

상기 접착제도포단계(S2)는 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합부 중, 어느 하나의 접합부에 대하여 대하여 구조용 접착제(11)를 도포한다.

예를 들어, 상기 접착제도포단계(S2)는 상기 금속판재(P1)에 구조용 접착제(11)를 도포할 수 있다.

또한, 상기 접착제도포단계(S2)는 상기 복합판재(P2)에 구조용 접착제(11)를 도포할 수 있다.

또한, 상기 접착제도포단계(S2)는 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합부 각각에 구조용 접착제(11)를 도포할 수도 있다.

이때, 상기 구조용 접착제(11)는 일반적인 접착제를 사용한다.

이러한 구조용 접착제(11)는 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2) 사이에 개재되어 이종소재간의 전위차에 의한 갈바닉 부식을 방지할 수 있다.

이러한 접착제도포단계(S2) 이후에 제1접합단계(S3)를 진행한다.

상기 제1접합단계(S3)는 금속판재(P1)의 접합부와 복팝판재(P2)의 접합부를 상호 맞대어 접촉시킨다.

이때, 상기 금속판재(P1)의 요부(10a)와 철부(10b)가 상기 복합판재(P2)의 철부(10b)와 요부(10a)에 각각 대응하도록 맞댄다.

즉, 상기 금속판재(P1)의 요부(10a)에는 복합판재(P2)의 철부(10b)가, 상기 금속판재(P1)의 철부(10b)에는 복합판재(P2)의 요부(10a)가 대응된다.

그리고 상기 제1접합단계(S3)는 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합부에 대하여 압력을 가하며 가압한다.

이때, 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)는 좀더 밀착된다.

이러한 제1접합단계(S3) 이후에 제2접합단계(S4)를 진행한다.

상기 제2접합단계(S2)는 금속판재(P1))와 복합판재(P2)의 접합부에 대하여 리벳(13)을 압입하여 체결한다.

도 3을 참조하면, 상기 리벳(13)은 셀프 피어싱 리벳을 적용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 압입되는 리벳(13)이면 적용이 가능하다.

상기 제2접합단계(S4)는 상기 리벳(13)이 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합부에 대하여 압입 시, 선단부의 섕크부(15)가 외측으로 벌어져 압입력을 높이면서 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)에 대하여 체결된다.

마지막으로, 상기와 같이 리벳(13)이 압입되면, 상기 구조용 접착제(11)를 경화시키는 작업을 진행한다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 이종소재의 접합방법은 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합 시, 전위차에 의한 상기 복합판재(P2)의 갈바닉 부식을 방지함과 동시에, 접합부의 강성을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예는 금속판재(P1)와 복합판재(P2) 각각의 접합부에 고주파 펄스 레이저 빔(LB)을 이용하여 요철부(10)를 형성한 후, 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2) 각각의 요철부(10)를 상호 맞대어 구조용 접착제(11)를 개재한 상태로 접합함으로써, 상기 이종소재의 전위차에 의한 갈바닉 부식을 방지함과 동시에, 접합성능을 향상시킬 수 있다.

더불어 본 발명의 실시 예는 상기 금속판재(P1)와 복합판재(P2)의 접합부에 대하여 리벳(13)을 압입하여 체결함으로써, 접합부의 강성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

P1 금속판재
P2 복합판재
10 요철부
10a 요부
10b 철부
11 구조용 접착제
13 리벳
15 섕크부
20 레이저 용접기

Claims

금속판재의 접합부 표면과 복합판재의 접합부 표면에 각각 고주파 펄스 레이저빔으로 요철부를 형성하는 표면처리단계;
상기 금속판재의 접합부와 복합판재의 접합부 중, 어느 하나의 접합부에 구조용 접착제를 도포하는 접착제도포단계;
상기 금속판재의 접합부와 복합판재의 접합부를 상호 맞대어 접촉시킨 상태로 가압하여 접합하는 제1접합단계; 및
상기 금속판재와 복합판재의 접합부에 대하여 리벳을 압입하여 체결하는 제2접합단계;
를 포함하는 이종소재의 접합방법.
제1항에 있어서,
상기 제1접합단계는
상기 금속판재의 요부와 철부가 상기 복합판재의 철부와 요부에 각각 대응하도록 맞대어 접합하는 이종소재의 접합방법.
제1항에 있어서,
상기 제2접합단계는
셀프 피어싱 리벳을 이용하여 상기 금속판재와 복합판재를 체결하는 이종소재의 접합방법.
제1항에 있어서,
상기 금속판재는
스틸 또는 마그네슘 합금을 소재로 하는 이종소재의 접합방법.
제1항에 있어서,
상기 복합판재는
탄소 섬유 강화 플라스틱을 소재로 하는 이종소재의 접합방법.