KR20190009988A - 이종 판재의 접합 방법 - Google Patents

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KR20190009988A
KR20190009988A KR1020170092054A KR20170092054A KR20190009988A KR 20190009988 A KR20190009988 A KR 20190009988A KR 1020170092054 A KR1020170092054 A KR 1020170092054A KR 20170092054 A KR20170092054 A KR 20170092054A KR 20190009988 A KR20190009988 A KR 20190009988A
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Abstract

본 발명은 이종 판재의 접합 방법에 관한 것으로, 구체적으로 인서트 블록을 통하여 복합 판재 및 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 판재의 접합 방법은 복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법에 있어서, 복수의 접합 위치에 인서트 블록을 삽입하여 복합 판재를 성형하는 단계, 상기 금속 판재 상에 복합 판재를 위치시키는 단계, 상기 금속 판재와 복합 판재를 셀프 피어싱 장치에 로딩하는 단계, 및 상기 셀프 피어싱 장치를 이용하여 셀프 피어싱 리벳이 상기 인서트 블록을 통해 상기 금속 판재에 압입되어 상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계를 포함한다.

Description

이종 판재의 접합 방법{CONNECTING METHOD OF DIFFERENT KINDS OF SHEET}
본 발명은 이종 판재의 접합 방법에 관한 것으로, 구체적으로 인서트 블록을 통하여 복합 판재 및 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법에 관한 것이다.
최근에는 차체의 고강도 경량화 추세에 따라 차체 소재로서, 초고장력강 등과 같은 강판, 알루미늄 또는 마그네슘 등과 같은 비철 금속판재, 이 뿐만 아니라 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS) 등과 같은 복합소재의 판재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.
이러한, 복합소재는 강도, 탄성률, 경량성 및 안정성이 우수하기 때문에, 높은 성능이 요구되는 항공이나 자동차 분야에서 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 경제적인 조건만 해결되면 향후 사용이 더욱 확대되고, 복합소재의 제조량이 비약적으로 증가될 것으로 기대된다.
특히, 자동차 산업에서의 복합소재는 주로 에폭시나 플라스틱 등과 같은 플라스틱 수지류에 섬유소재를 함침하여 경화한 것이다. 예를 들면, CFRP는 탄소섬유를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 제조한 후, 수지류에 함침하여 경화시킴으로써 제조될 수 있으며, 고강도, 고탄성의 경량소재로 주목받고 있는 첨단 복합 재료이다.
이러한 복합 재료로 이루어진 판재를 차체에 적용하기 위해서는 복합 소재로 이루어진 판재와 스틸 소재로 이루어진 판재의 접합이 가능해야 하는데, 두 소재의 물성적 특성에 의해 레이저 용접이나 스폿 용접은 불가능하다.
이에 소재가 다른 이종 판재를 접합하기 위해서는 구조용 접착제를 이용한 본딩 방식 또는 체결 부품을 이용한 기계적인 접합 방식을 이용한다.
기계적인 접합 방식 중 SPR(Self Piercing Riveted) 접합 방식은 체결 부품이 복합 소재로 이루어진 판재를 관통하여 스틸로 이루어진 판재와 체결되는 방식이다.
그러나 종래의 경우에는 복합 소재의 판재를 관통하여 체결되는 방식이므로 복합 소재의 표면에 크랙을 발생시켜 차량의 충돌 시 취약 부위를 야기시킨다.
또한, 종래의 경우에 스틸 소재의 판재는 복합 소재의 탄소 섬유와의 전위차 부식이 발생하는 문제가 발생한다.
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 인서트 블록을 통하여 복합 판재 및 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법을 제공한다.
그리고 본 발명의 실시 예는 인서트 블록을 이용하여 SPR 접합을 통해 이종 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법에 있어서, 복수의 접합 위치에 인서트 블록을 삽입하여 복합 판재를 성형하는 단계; 상기 금속 판재 상에 복합 판재를 위치시키는 단계; 상기 금속 판재와 복합 판재를 셀프 피어싱 장치에 로딩하는 단계; 및 상기 셀프 피어싱 장치를 이용하여 셀프 피어싱 리벳이 상기 인서트 블록을 통해 상기 금속 판재에 압입되어 상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계를 포함하는 이종 판재의 접합 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 인서트 블록은 상부의 플랜지부; 및 상기 플랜지부와 일체로 형성되어 외주면이 표면 처리된 몸체부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 몸체부의 외주면은 나선 형상의 홈으로 표면 처리될 수 있다.
또한, 상기 인서트 블록의 플랜지부는 상기 셀프 피어싱 리벳 보다 직경이 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 인서트 블록은 스테인레스 스틸 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 셀프 피어싱 장치에 로딩하는 단계는 상기 금속 판재와 복합 판재가 겹쳐진 상태로, 상기 금속 판재가 상기 셀프 피어싱 장치의 엔빌 다이에 배치하고, 상기 복합 판재 상의 각 인서트 블록이 상기 셀프 피어싱 장치의 상부 유닛에 형성된 펀치에 대응하도록 로딩하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계는 상기 상부 유닛의 펀치를 하강하여 상기 셀프 피어싱 리벳이 상기 인서트 블록을 통해 상기 금속 판재까지 압입되어 상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 복합 판재를 성형하는 단계는 적층된 직조 섬유사에 복수의 인서트 블록을 개재한 상태로 수지를 주입하여 상기 복합 판재를 성형하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시 예는 인서트 블록을 통하여 복합 판재 및 금속 판재를 접합할 수 있으므로 갈바닉 부식을 방지할 수 있다.
또한, 인서트 블록을 이용하여 SPR 접합을 통해 이종 판재를 접합하므로 표면 크랙 및 부식을 방지할 수 있다.
그 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 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 판재의 접합 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 판재의 성형 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인서트 블록을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인서트 블록을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 판재 및 복합 판재를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SPR 접합 방법을 나타낸 공정도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 판재를 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합 방법에 대한 동작 원리를 상세히 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 발명의 실시 예들은 하기의 도면과 설명에만 한정되어서는 아니 될 것이다.
또한, 하기에서 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 이하 실시 예는 본 발명의 핵심적인 기술적 특징을 효율적으로 설명하기 위해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명백하게 이해할 수 있도록 용어를 적절하게 변형, 또는 통합, 또는 분리하여 사용할 것이나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 결코 아니다.
이하, 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 판재의 접합 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 판재의 성형 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인서트 블록을 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인서트 블록을 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 판재 및 복합 판재를 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SPR 접합 방법을 나타낸 공정도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 판재를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합 방법에서 단계 S110은 복수의 접합 위치에 인서트 블록(30)을 삽입하여 복합 판재(10)를 성형한다.
다시 말하면, 도 2에 도시된 바와 같이 성형 프레스 장치(200)를 통해 복합 판재(10)를 성형한다. 이때, 성형 프레스 장치(200)는 상형(210) 및 하형(220)을 포함한다.
상형(210)은 복합 판재(10)를 일정 형상으로 성형하기 위해 상부 성형면(223)을 형성한다.
상형(210)은 복합 판재(10)를 성형하기 위한 수지 투입구(215)를 포함한다. 수지 투입구(215)는 수지가 투입되어 복합 판재(10)를 성형한다.
하형(220)은 복합 판재(10)를 일정 형상으로 성형하기 위해 상형(210)의 상부 성형면(223)과 대응하여 하부 성형면(213)을 형성한다.
하형(220)은 복수의 삽입홀(225)이 형성된다. 이러한 삽입홀(225)은 복합 판재(10)에 인서트 블록(30)을 삽입하기 위한 홀로, 미리 설정된 접합 위치에 형성될 수 있다.
복합 판재(10)는 적층된 직조 섬유사에 복수의 인서트 블록(30)을 개재한 상태로 수지를 주입하여 성형된다. 다시 말하면, 적층된 직조 섬유사에 복수의 삽입홀(225)에 인서트 블록(30)을 삽입한 후 상형(210)을 하형(220)의 방향으로 하강시킨다. 이후, 상형(210)에 형성된 수지 투입구(215)를 통해 수지를 주입하여 복합 소재로 이루어지는 복합 판재(10)를 성형한다.
즉, 복합 판재(10)는 성형 프레스 장치(200)를 이용하여 RTM(Resin Transfer Molding) 방식을 통해 성형될 수 있다.
이때, 복합 판재(10)는 복합 소재로 이루어진다. 이러한 복합 소재는 섬유(탄소섬유)를 강화재로 하는 고강도고탄성의 경량 구조체로 주목을 받고 있는 첨단 복합 재료이며, 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 가진다.
복합 소재는 스틸 소재에 대하여 강도 및 탄성율이 우수하고, 반복 피로에 뛰어나며, 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안정성이 뛰어나고, 전기 전도성, 내식성, 진동 감쇠 성능이 우수하다.
복합 소재는 탄소섬유 소재에 에폭시 수지 등과 같은 수지가 함침된 복수 매의 소재 레이어들이 적층되며, 그 수지가 경화된 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 복합 소재는 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic: CFRP) 및 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic: FRP) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
여기서, 인서트 블록(30)은 스테인레스 스틸(stainless steel) 소재로 이루어진다. 이렇게 스테인레스 스틸 소재로 인서트 블록(30)을 형성하는 이유는 갈바닉 부식을 방지하기 위함이다.
인서트 블록(30)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 플랜지부(40) 및 몸체부(45)를 포함한다.
플랜지부(40)는 인서트 블록(30)의 상부에 형성된다. 플랜지부(40)는 삽입홀(225)의 직경 보다 크게 형성된다.
또한, 플랜지부(40)는 셀프 피어싱 리벳(70) 보다 직경이 크게 형성될 수 있다. 이렇게 플랜지부(40)의 직경이 셀프 피어싱 리벳(70)의 직경 보다 크게 형성되는 이유는 인서트 블록(30) 내부로 셀프 피어싱 리벳(70)을 압입시키기 위함이다.
몸체부(45)는 플랜지부(40)와 일체로 형성된다.
몸체부(45)는 외주면이 표면 처리된다. 즉, 몸체부(45)의 외주면은 나선 형상의 홈으로 표면 처리될 수 있다. 이렇게 표면 처리하여 몸체부(45)를 형성하는 이유는 복합소재의 수지와 인서트 블록(30)의 접합력을 향상하기 위함이다.
단계 S120은 금속 판재(50) 상에 복합 판재(10)를 위치시킨다. 즉, 도 5에 인서트 블록(30)이 삽입된 복합 판재(10)를 마련한다. 그리고 금속 판재(50)에 복합 판재(10)가 겹쳐지도록 금속 판재(50) 상에 복합 판재(10)를 위치시킨다.
단계 S130은 금속 판재(50)와 복합 판재(10)를 셀프 피어싱 장치(600)에 로딩한다.
다시 말하면, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 금속 판재(50)와 인서트 블록(30)이 삽입된 복합 판재(10)가 겹쳐진 상태로, 셀프 피어싱 장치(600)의 엔빌 다이(610)에 배치한다. 복합 판재(10) 상의 각 인서트 블록(30)이 셀프 피어싱 장치(600)의 상부 유닛(650)에 형성된 펀치(660)에 대응하도록 로딩한다.
여기서, 셀프 피어싱 장치(600)는 엔빌 다이(610) 및 상부 유닛(650)을 포함한다.
엔빌 다이(610)는 상부 유닛(650)으로부터 셀프 피어싱 리벳(70)에 작용하는 가압력을 지지할 수 있다. 엔빌 다이(610)의 상면에는 셀프 피어싱 리벳(70)이 압입된 금속 판재(50)의 소성 변형을 유도하는 성형 골(620)이 형성된다.
상부 유닛(650)은 셀프 피어싱 리벳(70)을 금속 판재(50) 및 복합 판재(10)에 가압하기 위해 하강 및 상승한다.
상부 유닛(650)은 내부에 셀프 피어싱 리벳(70)을 금속 판재(50) 및 복합 판재(10)로 가압하기 위해 유압 또는 공압에 의해 작동하며 프레스 구동하는 펀치(660)를 포함한다. 이러한 펀치(660)는 유압 또는 공압 실린더에 의해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 셀프 피어싱 리벳(70)을 금속 판재(50)와 복합 판재(10)로 펀칭할 수 있다.
단계 S140은 셀프 피어싱 장치(600)를 이용하여 셀프 피어싱 리벳(70)이 인서트 블록(30)을 통해 금속 판재(50)에 압입되어 금속 판재(50)와 복합 판재(10)를 접합한다.
구체적으로, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 상부 유닛(650)을 엔빌 다이(610)에 안착된 금속 판재(50)와 복합 판재(10)를 향하여 하강시킨다. 이때, 상부 유닛(650)에 형성된 펀치(660)는 상부 유닛(650)과 함께 하강하여 셀프 피어싱 리벳(70)을 복합 판재(10)에 삽입된 인서트 블록(30)에 접촉된다.
도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 펀치(660)를 하강시켜 셀프 피어싱 리벳(70)을 복합 판재(10)에 삽입된 인서트 블록(30)을 통해 금속 판재(50)에 압입한다.
이때, 셀프 피어싱 리벳(70)은 펀치(660)의 가압력에 의해 인서트 블록(30) 및 복합 판재(10)를 관통하고, 엔빌 다이(610)의 성형 골(620)을 따라 외측 방향으로 벌어지며, 금속 판재(50)에 압입됨으로써 금속 판재(50) 및 복합 판재(10)를 일체로 접합할 수 있다. 이러한 셀프 피어싱 리벳(70)은 인서트 블록(30)의 플랜지부(40) 보다 직경이 작게 형성될 수 있다.
도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 금속 판재(50)와 복합 판재(10)의 접합이 완료되면, 상부 유닛(650)을 상승시킨다.
이에 따라, 본 발명에 실시 예에 따른 이종 판재의 접합 방법은 도 7에 도시된 바와 같이 금속 판재(50)와 복합 판재(10)를 셀프 피어싱 장치(600)에 로딩하여 셀프 피어싱 리벳(70)이 인서트 블록(30)을 통해 금속 판재(50)까지 압입되어 금속 판재(50)와 복합 판재(10)를 접합되므로 갈바닉 부식을 방지할 수 있으며, 접합력을 향상시킬 수 있고, 표면 크랙을 방지할 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.
10: 복합 판재
30: 인서트 블록
40: 플랜지부
45: 몸체부
50: 금속 판재
70: 셀프 피어싱 리벳
200: 성형 프레스 장치
600: 셀프 피어싱 장치
610: 엔빌 다이
650: 상부 유닛
660: 펀치

Claims (8)

  1. 복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합 방법에 있어서,
    복수의 접합 위치에 인서트 블록을 삽입하여 복합 판재를 성형하는 단계;
    상기 금속 판재 상에 복합 판재를 위치시키는 단계;
    상기 금속 판재와 복합 판재를 셀프 피어싱 장치에 로딩하는 단계; 및
    상기 셀프 피어싱 장치를 이용하여 셀프 피어싱 리벳이 상기 인서트 블록을 통해 상기 금속 판재에 압입되어 상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계;
    를 포함하는 이종 판재의 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인서트 블록은
    상부의 플랜지부; 및
    상기 플랜지부와 일체로 형성되어 외주면이 표면 처리된 몸체부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 몸체부의 외주면은
    나선 형상의 홈으로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 인서트 블록의 플랜지부는
    상기 셀프 피어싱 리벳 보다 직경이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인서트 블록은
    스테인레스 스틸 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀프 피어싱 장치에 로딩하는 단계는
    상기 금속 판재와 복합 판재가 겹쳐진 상태로, 상기 금속 판재가 상기 셀프 피어싱 장치의 엔빌 다이에 배치하고, 상기 복합 판재 상의 각 인서트 블록이 상기 셀프 피어싱 장치의 상부 유닛에 형성된 펀치에 대응하도록 로딩하는 단계인 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계는
    상기 상부 유닛의 펀치를 하강하여 상기 셀프 피어싱 리벳이 상기 인서트 블록을 통해 상기 금속 판재까지 압입되어 상기 금속 판재와 복합 판재를 접합하는 단계인 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복합 판재를 성형하는 단계는
    적층된 직조 섬유사에 복수의 인서트 블록을 개재한 상태로 수지를 주입하여 상기 복합 판재를 성형하는 단계인 것을 특징으로 하는 이종 판재의 접합 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019233640A1 (de) * 2018-06-08 2019-12-12 Psa Automobiles Sa Stanzniet und verfahren zum stanznieten zweier bauteile

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