KR20180120910A - 금속 적층체의 하이브리드 접합장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 접합방법은 제1 및 제2전극 사이에 금속 적층체들의 접합부위를 위치시키는 단계와, 제1 및 제2전극들 각각의 첨두가 금속 적층체의 접합부위 표면으로부터 일정 깊이 파고들도록 제1압력으로 가압하여 밀결합시키는 단계와, 제1압력보다 작은 제2압력으로 압력을 감소한 상태에서, 금속 적층체 사이의 접합계면을 마찰시켜서 접합계면들 사이의 산화막을 파괴시키는 단계와, 산화막이 파괴된 이후에 저항열, 마찰열 또는 이들의 혼합열 중 어느 하나를 금속 적층체의 접합부위에 가하여 소정 온도로 가열시키는 단계와, 접합부위가 소정 온도로 가열된 이후에 제2압력 보다 큰 제3압력으로 가압하여 접합하는 단계를 구비한다. 따라서 본 발명은 이종 및 동종의 금속 적층체 접촉부에서 용융 및/또는 원자의 확산에 의한 접합으로 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다.

Description

금속 적층체의 하이브리드 접합장치 및 방법{Apparatus and Method for Hybrid-Jointing of stacked metal plates}
본 발명은 금속 적층체의 하이브리드 접합장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄/알루미늄, 동/동, 알루미늄/동 등의 비철금속 적층체, 알루미늄/강, 구리/강, 강/강 등의 강 적층체의 접합부위에 마찰열 또는 저항열을 선택적으로 가함으로써 금속학적인 접합을 유도하는 접합장치 및 방법에 관한 것이다.
지구 온난화 방지책으로 자동차 등의 경량화 달성을 위해서는 알루미늄재료와 강재의 이종 재료 접합기술 개발이 바람직하다.
또한 전기 자동차(electromobile)의 전원, 공장이나 빌딩의 백업용 전원 등에는 충방전이 가능한 직류 전원(direct current power supply) 즉 외장체 안에 라미네이트 필름(laminate film)을 이용한 전극 쌍과 전기 분해액을 봉입한 시트(sheet)형태의 2차 전지 셀이 사용되고 있으며, 이러한 2차 전지 셀(cell)을 중첩하여 병렬 접속 하는 한편, 이들을 다단으로 직렬 접속함으로써 최종단에 대용량의 전류가 흐를 수 있는 직류 전원을 구성한다. 이러한 2차 전지 셀의 접속 단자(connecting terminal)부는 금속성 박판과 금속박으로 형성되어 있고, 셀을 병렬 접속하는 경우 접속 단자부를 구성하는 금속판과 수십 겹으로 적층된 금속박을 접합하는 데 있어 현재 레이저 용접법, 초음파용접법 등이 사용되고 있으나 접합부에서 만족할 만한 견고성을 얻지 못하고 있을 뿐만 아니라 2차 전지의 용량을 증가시키는 데 한계가 있어 이를 극복할 수 있는 새로운 접합공정 기술을 요구하고 있다.
그러나 강과 알루미늄 합금을 조합시킬 경우에는 취약한 금속간화합물이 생성되어 강도가 낮아지기 때문에 기계적 체결이나 접착접합 방법 등에 의지할 수밖에 없는 것이 현실이다.
종래에서 금속 부재의 접합 방법으로서 초음파 용접법, 저항 용접법, 혹은 마찰 교반 접합법이 넓게 사용되고 있다.
초음파 용접법은 겹쳐진 금속 부재들을 고정된 앤빌(anvil)과 팁(tip) 사이에 가압 상태로 파지하고, 초음파 발생장치에 의해 팁을 초음파 진동시키고 금속 부재의 접합면에 초음파 진동을 부여함으로써 접합면을 마찰시켜서 금속끼리의 밀착면을 얻어서, 압접하는 방법이다. 즉 초음파 진동(20 kHz 정도)에 따른 양 금속 부재의 계면에서의 마찰 현상에 의해 금속 표면의 산화막을 파괴함과 동시에, 소성변형을 일으켜 산화물층이 없는 새로운 금속면끼리를 밀착시키고 마찰열에 따른 국부적인 온도 상승으로 인한 원자의 확산 및 재결정을 촉진시킴으로써, 금속 부재를 접합한다.(등록특허 제10-0957905호 참조)
그러나 초음파 용접법에서는 금속 부재들이 자동차의 보디와 같은 대형 구조물의 경우, 금속 부재들과의 접합면에서의 발열이 불충분이 되어 충분한 접합 강도를 얻을 수 없는 문제가 있다. 즉 팁에 초음파 진동을 부여해도 금속 부재들이 거의 진동하지 않기 때문이다.
저항 용접법은 겹쳐진 금속 부재들을 전극들 사이에 가압 상태로 파지하고, 전극들 간에 대전류를 흐르게 하면, 금속 부재들의 접촉부의 저항 발열에 의해 용융부(nugget)를 형성함으로써 금속 부재들을 접합한다. 저항 용접법은 전기저항이 크고 열전도도가 낮으며 용융점이 낮고 소성구역의 온도범위가 큰 재료에 사용한다.
그러나 저항 용접법은 가압력이 크면 접촉저항이 감소하여 용접열이 부족하게 되고, 가압력이 작으면 스파크 발생하여 용접표면을 침해할 수 있다. 또한 용접온도에 도달하여 가압할 때 압력이 세면 용접부가 오목하게 들어가서 약해지며, 압력이 약하면 완전한 용접이 안된다. 또한 금속 부재들의 접촉부가 용융되므로 접합 강도는 강하지만 스퍼터링이 발생하기 때문에 용융 금속이 비산하는 문제가 있어서 자동차 분야에는 적합하지 않다. 또한 이종 금속을 접합할 경우에는 접합 계면에 합금이 생성되기 때문에, 안정적으로 양호한 접합 상태를 얻을 수 없다고 하는 문제도 있었다. (등록특허 제10-0983960 참조)
마찰 교반 접합 방법(Friction Stir Welding)은 겹쳐진 금속 부재들에 대해서 이들보다 경질의 마찰 접합 공구의 프로브 핀을 압입 회전시켜서, 마찰부를 교반하고 교반에 의해 연화된 주변부를 압입함으로써 금속 부재들을 접합한다.
그러나, 마찰 교반 접합법에서는 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다. 프로브 핀의 회전에 의해 교반부에 금속 연화역이 형성되지만 금속 부재들의 접촉부에 산화물층이 잔존하기 때문에 금속 연화역의 온도가 재결정 온도까지 상승하지 않는 문제가 있다. (등록특허 제10-1047877호, 공개특허 제10-2011-0076443호, 공개특허 제10-2016-0075941호 참조)
등록특허 제10-1286673호 및 제10-1545856호에서는 진동스폿용접장치 및 방법을 개시하고 있다. 이 특허기술에 의하면, 겹쳐진 금속판의 용접부에 열을 가함과 동시에 연속적인 직선 반복 하중을 가하여 중첩된 금속판을 용접한다.
그러나 상기 특허기술은 용접면에 대해서 수직인 방향으로 왕복진동을 주는 방식이므로 두꺼운 금속판이나 수십 겹의 금속 적층체에 대해서는 충분한 왕복 진동을 주기 곤란하다.
상술한 바와 같이 지금까지의 접합장치는 하나의 방식 예컨대 아크 방전열, 가스화염, 마찰열, 저항열, 레이저 등의 단일의 가열 에너지만을 전용으로 사용하기 때문에 적층 모재의 다양한 조건에 적합한 대응이 곤란한 문제가 있다.
따라서 레이저 및 아크 복합열을 이용한 하이브리드 접합장치(공개특허 제10-2015-0037988호, 등록특허제10-1436705호, 등록특허 제10-0561075호)가 소개되고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이종 및 동종의 금속 적층체 접촉부에서 용융 및/또는 원자의 확산에 의한 접합으로 충분한 접합 강도를 얻을 수 있는 금속 적층체의 하이브리드 접합장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수십 겹의 금속 적층체의 접합시 마찰열만으로 충분한 접합 강도를 획득하지 못한 경우에 저항열을 혼합하여 충분한 접합 온도를 획득할 수 있도록 접합 모재의 변화에 적응적으로 대응할 수 있는 금속 적층체의 하이브리드 접합장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 저항열, 마찰열 및 이들의 혼합열을 선택적으로 사용함으로써 이종 및/또는 동종 금속 적층체들의 모재에 적응적으로 대응할 수 있는 금속 적층체의 하이브리드 접합장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 적어도 2겹 이상의 이종 또는 동종의 금속 적층체를 접합하는 본 발명의 방법은 제1 및 제2전극 사이에 금속 적층체들의 접합부위를 위치시키는 단계와, 제1 및 제2전극들 각각의 첨두가 금속 적층체의 접합부위 표면으로부터 일정 깊이 파고들도록 제1압력으로 가압하여 밀결합시키는 단계와, 제1압력보다 작은 제2압력으로 압력을 감소한 상태에서, 금속 적층체 사이의 접합계면을 마찰시켜서 접합계면들 사이의 산화막을 파괴시키는 단계와, 산화막이 파괴된 이후에 저항열, 마찰열 또는 이들의 혼합열 중 어느 하나를 금속 적층체의 접합부위에 가하여 소정 온도로 가열시키는 단계와, 접합부위가 소정 온도로 가열된 이후에 제2압력 보다 큰 제3압력으로 가압하여 접합하는 단계를 구비한다.
본 발명에서 밀결합시키는 단계는 전극 첨두가 금속 적층체의 접합부위 표면을 파고들어가는 것을 용이하도록 제1 및 제2전극 사이에 전류를 통전시켜서, 접촉부위의 전극 접촉표면을 저항열로 가열시키는 것을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 전극 접촉부 보다 금속 적층체 사이의 접촉계면에 저항열 에너지 또는/및 마찰열 에너지의 집중을 유도할 수 있다.
본 발명에서 가열시키는 단계 이전에 금속 적층체의 재질 또는 적층 수 중 어느 하나에 대응하여 저항열, 마찰열 및 이들의 혼합열 중 어느 하나를 선택하는 단계를 더 구비할 수 있다. 이는 금속 적층체의 재질 또는 적층 수 등에 따라 단일 에너지를 사용할 것인지 아니면 혼합 에너지를 사용할 것인지를 선택할 수 있도록 함으로써 접합 범위를 다양하게 확장 사용을 가능하게 한다.
본 발명에서 산화막의 파괴여부를 제1 및 제2전극들 사이의 전압변화로 검출할 수 있다. 또한 본 발명의 가열시키는 단계에서 소정 온도 도달여부를 금속 적층체 사이의 접촉계면 온도변화로 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 마찰열은 초음파 진동 또는 기계적 진동에 의해 금속 적층체들의 접합계면과 평행한 방향으로 마찰시켜서 발생하는 것이 바람직하다. 여기서 마찰운동은 왕복운동 또는 회전운동을 포함할 수 있다.
본 발명에서 금속 적층체는 이종 또는 동종의 비철금속 적층체, 비철금속과 강의 혼합 적층체 중 어느 하나 일 수 있다. 여기서 동종의 비철금속 적층체로는 예컨대 알루미늄/알루미늄, 구리/구리, 마그네슘/마그네숨 등일 수 있다. 또한 여기서 언급하지 않은 모든 비철금속의 적층체를 포함할 수 있다. 여기서 이종의 금속 적층체로는 예컨대 알루미늄/강, 구리/강, 알루미늄/구리 등일 수 있다. 또한 여기서 언급하지 않은 모든 이종 금속 적층체를 포함할 수 있다.
본 발명에서 금속 적층체의 재질이 동종인 경우, 예컨대 알루미늄/알루미늄 적층체에는 저항열을 선택하여 접합계면을 용융한 상태에서 압접을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 금속 적층체의 재질이 이종인 경우에는 저항열 및 마찰열의 혼합열을 선택하여 접합계면을 연화상태로 한 후 고상에서 고압의 압접을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 금속 적층체의 적층수가 수십 겹 이상인 경우에는 저항열 및 마찰열의 혼합열을 선택하여 접합계면을 연화상태로 한 후 고상에서 고압의 압접을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 적어도 2겹 이상의 이종 또는 동종의 금속 적층체의 하이브리드 접합장치는 금속 적층체들의 접합부위를 지지하기 위한 제1 및 제2전극들과, 제1 및 제2전극 사이에 압력을 주기 위한 가압기와, 제1 또는 제2전극을 금속 적층체들의 접합계면과 평행한 방향으로 마찰시키기 위한 진동발생기와, 제1 및 제2전극에 전류를 제공하기 위한 전류발생기와, 금속 적층체의 재질 및 적층 수에 따라 마찰열, 저항열 또는 마찰열과 저항열의 혼합열 중 하나를 선택하는 선택부와, 선택부의 선택된 가열방식에 응답하여 가압기, 진동발생기 및 전류발생기를 선택적으로 제어하여 금속 적층체들의 접합부위를 가압 가열하여 산화막을 파괴하고, 소정 온도로 가열한 다음에 고압으로 가압하여 접합시키는 제어부를 구비한다.
본 발명에서 제1 및 제2전극들 사이의 전압변화를 검출하는 전압계를 더 구비하고, 제어부는 전압계의 전압변화 검출에 응답하여 산화막의 파괴여부를 판단하여 전류발생기 및 진동발생기를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 금속 적층체 사이의 접합부위 온도를 검출하는 온도계를 더 구비하고, 제어부는 온도계의 연화상태 온도 검출에 응답하여 전류발생기 및 진동발생기를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제1 및 제2전극들 각각은 전극 첨두에 접합부위 표면과 밀결합을 위한 적어도 하나 이상의 요철이 형성되는 것이 바람직하다. 여기서 요철구조는 동심원상의 원형 홈, 적어도 하나 이상의 X자형 크로스 홈 등이 될 수 있다.
본 발명의 제어부는 가압기를 제1 및 제2전극들을 각각 제1금속부재 및 제2금속부재의 전극 접촉면에 밀결합시키는 제1압력과, 제1 및 제2금속부재들 사이의 접촉계면의 마찰시키기 위한 제2압력 및 제1 및 제2금속부재들 사이의 접촉계면의 소성유동에 의한 고상 접합을 위한 제3압력으로 제어할 수 있다.
또한 본 발명의 제어부는 전류 발생기를 제1 및 제2전극들을 각각 제1금속부재 및 제2금속부재의 전극 접촉면에 밀결합시키는 제1전류와, 제1 및 제2금속부재들 사이의 접촉계면의 산화막 파괴를 검출하기 위한 제2전류 및 제1 및 제2금속부재들 사이의 접촉계면의 마찰과 동시에 연화시키기 위한 제3전류의 발생을 제어하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명에 따른 금속 부재의 접합 방법에 있어서는 전극 사이로 흐르게 하는 전류의 값은 금속 부재의 접합 계면에서의 연화상태의 온도가 금속 부재의 융점 이하가 되도록 설정하면 좋다.
이와 같이 전류값을 설정함으로써, 금속 부재가 용융하지 않는 것으로 스퍼터링이 발생하지 않는다. 또한 이종 금속(예를 들면 철과 알루미늄)을 접합시킬 경우에 고상 접합되므로 접합면에서 금속간 화합물이 생성되지 않으므로 양호한 접합 상태를 안정적으로 얻을 수 있다.
또한 미리 접합 계면근방에 금속 연화상태를 형성하고 있으므로, 종래의 초음파 진동에 비해 낮은 주파수의 진동을 부여할 수 있으므로 장비 면에서도 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 접합방법은 저항열, 마찰열 또는 이들의 혼합열을 선택적으로 사용할 수 있으므로 금속 적층체의 재질이나 적층 수에 적응적으로 대응할 수 있어서 접합 사용범위를 확장시킬 수 있다. 또한 혼합열을 선택 사용한 경우에는 종래의 저항용접법과는 달리 금속을 용융시키지 않으면서 확실하면서도 충분한 접합강도를 형성할 수 있게 된다. 또한 가압상태에서 산화막을 파괴시킨 후에 전류를 인가함으로써 연화점 도달 시간을 신속하게 할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급된 효과로 제한되는 것은 아니며, 상기에서 언급되지 않은 다른 효과들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 이종 및 동종 금속 적층체의 하이브리드 접합장치의 바람직한 일 실시예의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 제1 및 제2전극들의 각 첨두면의 요철구조의 일예를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 제1 및 제2전극에 의해 금속 적층체를 밀결합하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 1의 제1 및 제2전극에 의한 혼합열에 의해 금속 적층체의 고상 접합상태를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 이종 및 동종 금속 적층체의 하이브리드 접합방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 본 발명에 의한 이종 및 동종 금속 적층체들의 하이브리드 접합방법을 설명하기 위한 압력, 진동, 전류 및 온도 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 수십 겹의 금속 적층체의 하이브리드 접합방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 의한 이종 및 동종 금속 적층체의 하이브리드 접합장치의 바람직한 일 실시예의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 제1 및 제2전극들의 각 첨두면의 요철구조의 일예를 나타낸 도면이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 1의 제1 및 제2전극에 의해 금속 적층체를 밀결합하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 제1 및 제2전극에 의한 혼합열에 의해 금속 적층체의 고상 접합상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이종 및 동종 금속 적층체의 하이브리드 접합장치(100)는 제1전극(110), 가압기(112), 제2전극(120), 진동 발생기(130), 제어부(140), 전류발생기(150), 전압계(160), 온도계(170) 및 선택부(180)를 포함한다.
제1전극(110) 및 제2전극(120)들 각각은 도 2에 도시한 바와 같이 첨두면(111, 121)에 밀결합을 위한 요철(111a, 121a) 예컨대 동심원상의 원형홈들이 형성되어 있다. 홈 깊이는 0.1 내지 05mm 정도가 바람직하다. 여기서 요철(111a, 121a)은 원형 홈에 한정되는 것이 아니라 X자형 크로스 홈 형태 등의 다양한 형상이 가능하다. 전극의 요철은 제1전극(110)과 제1금속부재(10)의 제1전극 접촉부(110a)를 밀결합시키고, 제2전극(120)과 제2금속부재(20)의 제2전극 접촉부(120a)를 밀결합시킨다. 이와 같은 밀결합은 진동시 제1 및 제2전극 접촉부(110a, 120a)에서의 진동을 차단하고 진동 에너지가 제1 및 제2금속부재들(10, 20)사이의 접촉면(30)에 최대한 전달되는 역할을 한다. 또한 이와 같은 밀결합은 제1 및 제2금속부재들(10, 20)사이의 접촉면(30)에서의 접촉저항 보다 제1 및 제2전극 접촉부(110a, 120a)에서의 접촉저항을 작게 한다. 따라서 제1 및 제2전극들(110, 120) 사이의 통전시에 접촉면(30)에서의 저항열 발생을 집중시킬 수 있다.
제1전극(110) 및 제2전극(120)들 사이에 금속 적층체(1)가 위치한다. 본 실시예의 금속 적층체(1)는 2겹으로 제1 및 제2금속부재(10, 20)를 포함한다. 금속 적층체(1)는 이종 금속인 알루미늄 및 강 재질이 사용될 수 있다. 즉 본 실시예 접합 장치는 이종 금속의 접합에 적용할 수 있다. 제1전극(110)의 상단에는 가압기(112)가 결합되어 제1금속부재(10) 및 제2 금속부재(20)의 접합면에 가해지는 압력을 제어한다.
진동 발생기(130)는 제1전극(110)에 결합되어 제1전극(110)에 18 내지 20kHz의 초음파를 제공하여 제1전극(110)을 접합면에 평행한 방향, 좌우방향으로 흔들어 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이 접촉면(30)에서의 수평방향으로의 마찰을 제어한다. 여기서 진동은 수평방향 또는 좌우 방향으로 왕복하거나 접촉면(30)에 수평으로 회전할 수 있다. 여기서 진동 발생기(130)는 초음파 진동기로 국한되는 것이 아니라 편심모터 등에 의한 기계적 진동을 이용할 수도 있다.
제어부(140)는 전압계(150) 및 온도계(170)를 통해 검출된 전압 및 온도 검출신호에 응답하여 전류발생기(150)를 통해 제1전극(110) 및 제2전극(120) 사이에 대전류 인가를 제어하거나 진동 발생기(130) 및 가압기(112)를 제어한다.
전류발생기(150)는 변압기로 1차코일에 인가된 전류를 코일 비에 의해 2차코일에 대전류를 유도 발생한다. 여기서 대전류는 1kA 내지 10kA 범위 내의 대전류 일 수 있다.
전압계(160)는 제1전극(110) 및 제2전극 사이의 전압변화를 검출한다. 즉 전압계(160)는 제1금속부재(10) 및 제2 금속부재(20)의 접합면에서의 산화막 파괴로 인한 전압변화를 검출하여 전류인가시점을 제어한다.
온도계(170) 제1금속부재(10) 및 제2 금속부재(20)의 접합면의 연화점 온도를 검출하여 전류차단시점을 제어한다.
선택부(180)는 키패드, 터치패드 등의 입력장치로 구성될 수 있다. 선택부(180)는 접합모재의 재질 종류, 이종, 동종, 적층수, 각 층의 두께, 금속 적층체의 총 두께, 저항열/마찰열/혼합열의 선택, 통전시간 선택, 통전류의 크기 선택, 마찰 진동시간 선택, 마찰 진동의 주파수 및 진동세기 선택, 압력크기 및 시간 선택 등의 접합모드를 설정 입력할 수 있다. 또한 선택부는 모재의 재질 또는 적층 수가 선택되면 대응하는 접합 운전 프로파일이 자동으로 선택되고 선택된 운전 프로파일에서 세부 변수를 미세 조정하는 방식을 선택할 수도 있다.
도 5는 본 발명에 의한 이종/동종 금속 적층체의 하이브리드 접합방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 6은 본 발명에 의한 이종/동종 금속 적층체의 하이브리드 접합방법을 설명하기 위한 압력, 진동 및 전류 그래프를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 먼저 금속부재(10, 20)를 제1 및 제2전극(110, 120) 사이에 위치시킨다(S100). 그리고 선택부(180)에서 금속부재(10, 20)의 재질 및 적층 수를 선택 입력한다. 이에 제어부(140)에서는 입력된 금속부재(10, 20)의 재질 및 적층 수에 응답하여 저항열/마찰열/ 이들의 혼합열 중 하나를 선택한다(S102). 즉 이 선택에 의해 접합운전모드가 세팅된다.
이어서 제어부(140)는 세팅된 접합운전모드에 따라서 가압기(112)를 제어하여 도 6에 도시한 바와 같이 제1압력(P1 : 모재 파지압력)으로 금속부재(10, 20)를 가압하여 도 3a 도시한 바와 같이 제1 및 제2전극(110, 120)을 금속부재(10, 20)에 접촉시킨다. 이어서 압력을 증가시키면 도 3b 도시한 바와 같이 제1 및 제2전극(110, 120)의 첨두면(111, 121)이 금속부재(10, 20)의 표면을 오목하게 파고 들어가 오목한 자국을 형성하기 시작한다. 이어서 압력을 준 상태에서 전류(C1)를 통전시키면 접촉부근이 연화되어 도 3c에 도시한 바와 같이 제1 및 제2전극(110, 120)의 첨두면(111, 121)이 금속부재(10, 20)의 표면을 오목하게 더 파고 들어가 요철(111a, 121a)에 금속부재(10, 20)가 충전되어 밀결합 상태를 형성한다(S104).
S104단계에서 금속부재(10, 20)가 제1및 제2전극들(110, 120) 사이에서 밀결합된 상태에서 제1전극(110)에 초기 진동을 가하여 접촉면(30)에서의 산화막을 파괴시킨다(S106). S106단계에서 제어부(140)는 제1및 제2전극들(110, 120)에 검출전류(C2)를 인가하여 전압계(160)로 산화막 파괴상태를 검출한다(S108).
S108단계에서 산화막 파괴가 검출되면, 제어부(140)는 진동발생기(130)로 마찰동작을 유지한 상태에서 제어부(140)는 전류발생기(150)를 통해 제1및 제2전극들(110, 120)에 가열전류(C3)를 인가하여 접촉부(30) 근방에 저항열을 가하여 접촉부(30)의 근방에 도 4에 도시한 바와 같이 연화부(40)를 형성한다(S110).
제어부(140)는 온도계(170)를 통하여 연화부(40) 형성 온도를 검출하고, 연화점에 도달하면(S112) 가열전류(C3)의 공급을 차단하고(S114) 진동발생기(130)를 정지시킨다(S114). 통전 및 마찰에 의해 연화부(40)가 형성되면 제어부(140)는 가압기(112)를 제어하여 고압으로 연화부(40)를 가압하여 접촉계면에서 소성유동이 이루어지면서 금속간의 원자 확산에 의해 재결정화가 일어나 접합(50)이 형성된다(S116).
이와 같이 본 발명에서는 접촉부(30)에서의 단순 마찰에 의한 마찰열 뿐만 아니라 저항열에 의해 금속을 신속하게 연화점에 도달하도록 열처리함으로써 마찰에 의한 원자 확산 및 재결정화가 확실하게 일어나게 할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 종래의 저항용접법과는 달리 금속을 용융시키지 않으면서 확실하면서도 충분한 접합강도를 형성할 수 있게 된다. 또한 가압상태에서 산화막을 파괴시킨 후에 전류를 인가함으로써 연화점 도달 시간을 신속하게 할 수 있다.
상술한 실시예에서는 혼합열 운전모드에 대해서 설명하였으나 금속 적층체(1)가 알루미늄/알루미늄의 2겹 적층체일 경우에는 저항열 운전모드를 선택하여 접합계면을 저항열로 용융시켜서 용융 압접을 수행할 수 있다. 또한 동일한 방식으로 마찰운전모드를 선택하여 마찰열에 의해서 접합계면을 마찰열로 연화시킨 후에 고상 압접을 수행할 수도 있다.
도 7은 본 발명에 의한 수십 겹의 금속 적층체의 하이브리드 접합방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 금속 적층체(2)는 수십 겹의 금속판들이 적층된 구조를 나타낸다. 여기서 금속 적층체(2)는 2차 전지 셀의 접속단자(connecting terminal)부이거나 연료전지의 스택구조일 수 있다. 이와 같은 수십 겹의 금속 적층체의 경우 마찰열로만 접합할 경우 40겹 이상은 충분한 접합을 얻을 수 없었다. 그러나 전지의 용량을 증가시키기 위해서는 금속 적층체의 적층 수를 40겹 이상 예컨대 60겹으로 증가시킬 경우에는 마찰열과 저항열을 혼합한 혼합열을 가해서 적층체의 접합계면을 충분히 가열해주어야 한다. 따라서 본 발명의 접합장치에서는 60겹의 금속 적층체의 접합시에는 혼합열을 사용할 수 있어서 접합성능을 확장시킬 수 있다.
덧붙여 상기한 실시 형태는 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명을 아무런 한정하는 것이 아니고 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 개량, 변형이 가능한 것은 물론이다.
1: 금속 적층체
10: 제1금속부재
20: 제2금속부재
100: 하이브리드 접합장치
110: 제1전극(110),
112: 가압기
120: 제2전극
130: 진동 발생기
140: 제어부
150: 전류발생기
160: 전압계
170: 온도계
180: 선택부

Claims (14)

  1. 적어도 2겹 이상의 이종 또는 동종의 금속 적층체를 접합하는 방법에 있어서,
    제1 및 제2전극 사이에 금속 적층체들의 접합부위를 위치시키는 단계;
    상기 제1 및 제2전극들 각각의 첨두가 상기 금속 적층체의 접합부위 표면으로부터 일정 깊이 파고들도록 제1압력으로 가압하여 밀결합시키는 단계;
    상기 제1압력보다 작은 제2압력으로 압력을 감소한 상태에서, 상기 금속 적층체 사이의 접합계면을 마찰시켜서 접합계면들 사이의 산화막을 파괴시키는 단계;
    상기 산화막이 파괴된 이후에 저항열, 마찰열 또는 이들의 혼합열 중 어느 하나를 상기 금속 적층체의 접합부위에 가하여 소정 온도로 가열시키는 단계; 및
    상기 접합부위가 소정 온도로 가열된 이후에 상기 제2압력 보다 큰 제3압력으로 가압하여 접합하는 단계를 구비한 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밀결합시키는 단계는 전극 첨두가 상기 금속 적층체의 접합부위 표면을 파고들어가는 것을 용이하도록 상기 제1 및 제2전극 사이에 전류를 통전시켜서, 접촉부위의 전극 접촉표면을 저항열로 가열시키는 것을 더 포함하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열시키는 단계 이전에 금속 적층체의 재질 또는 적층 수 중 어느 하나에 대응하여 저항열, 마찰열 및 이들의 혼합열 중 어느 하나를 선택하는 단계를 더 구비하는 금속 적층체들의 하이브리드 접합방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화막의 파괴여부를 상기 제1 및 제2전극들 사이의 전압변화로 검출하는 단계를 더 구비하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가열시키는 단계에서 소정 온도 도달여부를 상기 금속 적층체들 사이의 접촉계면 온도변화로 검출하는 단계를 더 구비하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마찰열은 초음파 진동 또는 기계적 진동에 의해 상기 금속 적층체들의 접합계면과 평행한 방향으로 마찰시켜서 발생하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 적층체들은 이종 또는 동종의 비철금속 적층체, 비철금속과 강의 혼합 적층체 중 어느 하나인 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속 적층체의 재질이 동종인 경우에는 저항열에 의한 융접을 사용하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 금속 적층체의 재질이 이종인인 경우에는 저항열 및 마찰열의 혼합열에 의한 접합계면의 연화상태에서 압접을 사용하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 적층체의 적층수가 수십 겹 이상인 경우에는 저항열 및 마찰열의 혼합열에 의한 접합계면의 연화상태에서 압접을 사용하는 금속 적층체의 하이브리드 접합방법.
  11. 적어도 2겹 이상의 이종 또는 동종의 금속 적층체의 하이브리드 접합장치에 있어서,
    금속 적층체들의 접합부위를 지지하기 위한 제1 및 제2전극들;
    상기 제1 및 제2전극 사이에 압력을 주기 위한 가압기;
    상기 제1 또는 제2전극을 상기 금속 적층체들의 접합계면과 평행한 방향으로 마찰시키기 위한 진동발생기;
    상기 제1 및 제2전극에 전류를 제공하기 위한 전류발생기;
    상기 금속 적층체의 재질 및 적층 수에 따라 마찰열, 저항열 또는 마찰열과 저항열의 혼합열 중 하나를 선택하는 선택부; 및
    상기 선택부의 선택된 가열방식에 응답하여 상기 가압기, 진동발생기 및 전류발생기를 선택적으로 제어하여 상기 금속 적층체들의 접합부위를 가압 가열하여 산화막을 파괴하고, 소정 온도로 가열한 다음에 고압으로 가압함으로써 접합시키는 제어부를 구비한 금속 적층체의 하이브리드 접합장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 및 제2전극들 사이의 전압변화를 검출하는 전압계를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 전압계의 전압변화 검출에 응답하여 산화막의 파괴여부를 판단하여 상기 전류발생기 및 진동발생기를 제어하는 금속 적층체의 하이브리드 접합장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 장치는 상기 금속 적층체 사이의 접합부위 온도를 검출하는 온도계를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 온도계의 연화상태 온도 검출에 응답하여 상기 전류발생기 및 진동발생기를 제어하는 금속 적층체의 하이브리드 접합장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2전극들 각각은 전극 첨두에 접합부위 표면과 밀결합을 위한 적어도 하나 이상의 요철이 형성된 금속 적층체의 하이브리드 접합장치.
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