KR20210079808A - 금속판재와 복합판재의 접합방법 - Google Patents

Abstract

금속판재와 복합판재의 접합방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법은 상기 금속판재의 접합부 선상을 따라 다수개의 관통된 체결홀을 성형하고, 상기 금속판재와 접합할 복합판재의 접합부 선상을 따라서는 상기 체결홀에 대응하여 다수개의 돌출된 용착돌기를 함께 성형하는 성형단계; 상기 성형단계에서, 준비된 상기 금속판재 상의 각 체결홀에 상기 복합판재 상의 각 용착돌기를 삽입하여 끼움으로써 상기 금속판재와 복합판재를 결합하는 결합단계; 상기 결합단계에서, 상기 금속판재 상의 체결홀에 끼워져 돌출된 상기 복합판재 상의 각 용착돌기에 대하여 초음파 용착기를 이용하여 용융 변형시켜 일정한 형상의 용착단을 형성하여 접합하는 용착단계를 포함한다.

Description

금속판재와 복합판재의 접합방법{WELDING METHOD FOR METAL SHEET AND COMPOSITE SHEET}

본 발명은 금속판재와 복합판재의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 본딩이나 체결부품 없이 초음파 용착을 통해 금속판재와 복합판재를 접합하는 금속판재와 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 공정도이다.

도 1을 참조하면, 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 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS)으로 이루어지는 복합판재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.

탄소섬유를 이용한 복합판재는 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 산업에 복합판재는 고강도, 고탄성의 경량소재로 주목받고 있는 첨단 복합 재료이며, 비금속재이며, 상기한 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재는 사용되는 수지의 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 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재를 차체에 적용하기 위해서는 이를 대체하기 어려운 부분에 적용되는 강판 또는 알루미늄 합금판재 등의 금속 또는 비철금속 판재와의 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.

특히, 알루미늄 합금판재와 탄소섬유 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.

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 금속판재 상에는 체결홀을 형성하고, 복합판재 상에는 상기 체결홀에 삽입된 상태로 초음파 용착기에 의해 일정한 형상으로 용융 변형되도록 용착돌기를 형성하여 별도의 본딩이나 체결부품 없이 금속판재와 복합판재의 조립을 가능하게 하는 금속판재와 복합판재의 접합방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 금속판재와 복합판재의 접합방법에 있어서, 상기 금속판재의 접합부 선상을 따라 다수개의 관통된 체결홀을 성형하고, 상기 금속판재와 접합할 복합판재의 접합부 선상을 따라서는 상기 체결홀에 대응하여 다수개의 돌출된 용착돌기를 함께 성형하는 성형단계; 상기 성형단계에서, 준비된 상기 금속판재 상의 각 체결홀에 상기 복합판재 상의 각 용착돌기를 삽입하여 끼움으로써 상기 금속판재와 복합판재를 결합하는 결합단계; 및 상기 결합단계에서, 상기 금속판재 상의 체결홀에 끼워져 돌출된 상기 복합판재 상의 각 용착돌기에 대하여 초음파 용착기를 이용하여 용융 변형시켜 일정한 형상의 용착단을 형성하여 접합하는 용착단계를 포함하는 금속판재와 복합판재의 접합방법이 제공될 수 있다.

상기 복합판재는 탄소섬유를 와인딩 모양 또는 직물 모양으로 제조한 후, 열가소성 수지에 함침하여 경화시킨 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재로 이루어질 수 있다.

상기 체결홀은 원형의 관통홀로 형성되고, 상기 용착돌기는 상기 체결홀에 끼워지도록 원기둥 형상의 돌기로 형성될 수 있다.

상기 용착단은 상기 체결홀의 둘레를 메우도록 원뿔대 형상으로 형성될 수 있다.

상기 용착단은 상기 체결홀의 둘레를 메우도록 반구 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 금속판재 상에는 체결홀을 형성하고, 복합판재 상에 형성되는 용착돌기를 상기 체결홀에 삽입한 상태로 초음파 용착기에 의해 일정한 형상으로 용융 변형시켜 용착단을 형성하여 별도의 본딩이나 체결부품 없이 금속판재와 복합판재의 조립을 가능하게 한다.

또한, 본딩 접합은 접착제 정적온도를 유지 관리해야 하는 반면, 주변 온도에 따른 접합강도의 편차가 없다는 이점도 있다.

도 1은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 성형단계의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 결합단계의 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 용착단계의 공정도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 초음파 용착기의 툴 혼(Tool Horn)의 투영 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법으로 접합 완료된 상태의 제품이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 초음파 용착기의 툴 혼(Tool Horn)의 투영 구성도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법으로 접합 완료된 상태의 제품이다.

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

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재의 접합방법에 적용되는 성형단계의 공정도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재의 접합방법에 적용되는 결합단계의 공정도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재의 접합방법에 적용되는 용착단계의 공정도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재의 접합방법에 적용되는 초음파 용착기의 툴 혼(Tool Horn)의 투영 구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재의 접합방법으로 접합 완료된 상태의 제품이다.

본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에서, 상기 금속판재(11)는 강판 외에 비철금속인 알루미늄 합금판재가 적용될 수 있으며, 상기 복합판재(13)는 탄소섬유를 와인딩 모양 또는 직물 모양으로 제조한 후, 열가소성 수지에 함침 후, 경화시킨 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재가 적용될 수 있다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법은 크게 성형단계, 결합단계, 용착단계로 이루어진다.

도 2에서와 같이, 상기 성형단계는 상기 금속판재(11)의 접합부(11a) 선상을 따라 다수개의 관통된 체결홀(H)을 성형하고, 상기 금속판재(11)와 접합할 복합판재(13) 상에는 접합부(13a) 선상을 따라서는 상기 체결홀(H)에 대응하여 다수개의 돌출된 용착돌기(T)를 함께 성형한다.

여기서, 상기 체결홀(H)은 원형의 관통홀로 형성되고, 상기 용착돌기(T)는 상기 체결홀(H)에 끼워지도록 원기둥 형상의 돌기로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 체결홀(H)가 원형의 관통홀로 형성되는 예를 도시하였으나, 반드시에 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 사각 또는 다각 형상의 관통홀로 형성될 수 있다. 이때, 상기 용착돌기(T)는 상기 체결홀(H)의 형상과 동일하게 하여 끼워질 수 있도록 사각기둥 또는 다각기둥 형상의 돌기로 형성될 것이다.

도 3에서와 같이, 상기 결합단계는 상기 성형단계에서, 준비된 상기 금속판재(11) 상의 각 체결홀(H)에 상기 복합판재(13) 상의 각 용착돌기(T)를 삽입하여 끼움으로써 상기 금속판재(11)와 복합판재(13)의 각 접합부(11a)(13a)를 결합한다.

도 4에서와 같이, 상기 용착단계는 상기 결합단계에서, 상기 금속판재(11) 상의 체결홀(H)에 끼워져 돌출된 상기 복합판재(13) 상의 각 용착돌기(T)에 대하여 초음파 용착기(20)를 이용하여 용융 변형시켜 일정한 형상의 용착단(W)을 형성하여 접합한다.

이때, 상기 용착단(W)은 상기 체결홀(H)의 둘레를 메우도록 원뿔대 형상으로 형성될 수 있다.

즉, 도 5의 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 초음파 용착기의 툴 혼(Tool Horn)의 투영 구성도와 같이, 상기 초음파 용착기(20)의 툴 혼(21)의 저면에 형성된 용착면(21a)이 원뿔대의 형상으로 형성되어 원뿔대 형상의 용착단(W)이 형성된다.

그리고 상기 초음파 용착기(20)는 로케이터(23) 상에 상기 금속판재(11)의 체결홀(H)에 용착돌기(T)가 끼워진 복합판재(13)를 안착시킨 상태로, 상기 용착돌기(T)에 툴 혼(21)을 끼워 가압하면서 초음파 용착을 진행하게 된다.

이러한 초음파 용착(Ultrasonic welder)은 초음파의 진동이 처음 가해지면 용착돌기(T)가 매우 빠르게 발열하게 된다. 이때, 용착돌기(T)는 다른 곳 보다 응력이 집중되어 큰 변형율과 진동에너지의 대부분을 소모하게 되어 용융되고 그 주변부로 열이 전이되면서 초음파의 계속적인 진동으로 짧은 시간에 확산이 이루어져 툴 혼(21)의 용착면(21a)을 따라 변형되어 도 6에서 도시한 바와 같이 금속판재(11)와 복합판재(13)가 용착단(W)을 형성하여 접합된다.

이와 같은 초음파 용착은 접착제를 사용하던 방법과는 비교가 안 될 정도의 짧은 시간에 용착이 이루어지며 부착력이 강하고 용착 부위가 깨끗하므로 원가 절감은 물론 생산성 및 품질 향상에 기할 수 있다.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 적용되는 초음파 용착기의 툴 혼(Tool Horn)의 투영 구성도로써, 상기 초음파 용착기(20)의 툴 혼(21)의 저면에 형성된 용착면(21b)이 반구 형상으로 적용되는 예를 도시하였으며, 이러한 반구 형상의 용착면(21b)을 갖는 툴 혼(21)이 적용됨에 따라 도 8에서 도시한 바와 같이, 반구 형상의 용착단(W)을 통하여 상기 금속판재(11)와 복합판재(13)를 접합할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 금속판재와 복합판재의 접합방법에 의하면, 금속판재(11) 상에는 체결홀(H)을 형성하고, 복합판재(13) 상에는 상기 체결홀(H)에 삽입되는 용착돌기(T)를 형성하여 상기 체결홀(H)에 용착돌기(T)가 끼워진 상태로 체결홀(H)로부터 돌출된 용착돌기(T)를 초음파 용착기(230)를 이용하여 일정한 형상으로 용융 변형시켜 용착단(W)을 형성한다.

이에 따라, 별도의 본딩이나 체결부품 없이도 금속판재(11)와 복합판재(13)의 조립을 가능하게 하며, 금속판재(11)가 아니더라도 상기 복합판재(13)와 이종 소재의 판재를 견고하고 강건하게 접합할 수 있게 된다.

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: 금속판재
13: 복합판재
11a, 13a; 접합부
H: 체결홀
T: 용착돌기
W: 용착단
20: 초음파 용착기
21: 툴 혼
21a: 원뿔대형 용착면
21b: 반구형 용착면
23: 로케이터

Claims (5)

1. 금속판재와 복합판재의 접합방법에 있어서,
   상기 금속판재의 접합부 선상을 따라 다수개의 관통된 체결홀을 성형하고, 상기 금속판재와 접합할 복합판재의 접합부 선상을 따라서는 상기 체결홀에 대응하여 다수개의 돌출된 용착돌기를 함께 성형하는 성형단계;
   상기 성형단계에서, 준비된 상기 금속판재 상의 각 체결홀에 상기 복합판재 상의 각 용착돌기를 삽입하여 끼움으로써 상기 금속판재와 복합판재를 결합하는 결합단계;
   상기 결합단계에서, 상기 금속판재 상의 체결홀에 끼워져 돌출된 상기 복합판재 상의 각 용착돌기에 대하여 초음파 용착기를 이용하여 용융 변형시켜 일정한 형상의 용착단을 형성하여 접합하는 용착단계;
   를 포함하는 금속판재와 복합판재의 접합방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복합판재는
   탄소섬유를 와인딩 모양 또는 직물 모양으로 제조한 후, 열가소성 수지에 함침하여 경화시킨 탄소섬유 강화 플라스틱 복합판재로 이루어지는 금속판재와 복합판재의 접합방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 체결홀은 원형의 관통홀로 형성되고, 상기 용착돌기는 상기 체결홀에 끼워지도록 원기둥 형상의 돌기로 형성되는 금속판재와 복합판재의 접합방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 용착단은
   상기 체결홀의 둘레를 메우도록 원뿔대 형상으로 형성되는 금속판재와 복합판재의 접합방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 용착단은
   상기 체결홀의 둘레를 메우도록 반구 형상으로 형성되는 금속판재와 복합판재의 접합방법.
   

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