KR20210096377A - 이종소재 접합방법 - Google Patents

Abstract

이종소재 접합방법과 관련한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 이종소재 접합방법은 다이의 평면 형태의 상면에 제1 소재를 배치하고, 상기 제1 소재의 상면에 제2 소재를 겹쳐지게 배치하는 단계; 및 상기 제2 소재의 상면에 리벳을 가압하여, 상기 리벳을 제1 소재 및 제2 소재에 삽입시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1 소재는 연신율 10% 이하이다.

Description

이종소재 접합방법 {BONDING METHOD OF DIFFERENT MATERIAL}

본 발명은 이종소재 접합방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 이종소재의 접합시 상면이 평탄한 다이를 이용하여 하부 소재의 소성변형을 방지할 수 있는 이종소재 접합방법에 관한 것이다.

이산화탄소(CO₂) 저감 등 국내/국외 환경 규제 및 차량 경량화 이슈로 인해 자동차 제조시 경량 소재의 사용 비율이 증가하고 있다. 이로 인해 종래의 자동차 강판 용접 기술에서 기계식 체결 공법인 이종소재 접합 기술과 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 자동차 부품 소재로 사용되는 비철금속 중 알루미늄 및 마그네슘 합금등의 소재는, 경량성이 우수하지만 연신율이 상대적으로 낮기 때문에 성형 또는 접합 시 소재에 크랙이 발생하는 문제가 있었다.

이를 방지하기 위해 성형 또는 접합 시 크랙을 방지하기 위해 알루미늄 및 마그네슘 합금 등의 비철금속 소재를 국부 가열하여 연신율을 높여 열과 변형의 작용에 의해 고강도 알루미늄 주물/주조재 및 마그네슘 등, 소재의 미세조직 내에서 발생하는 동적재결현상을 활용하여 성형부위의 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 그러나 이와 같은 경우 생산 공정의 추가 및 소재의 조직 재결정에 의한 소재 강도 저하가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2018-0078041호(2018.07.09. 공고, 발명의 명칭: 이종소재 접합방법)에 개시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 이종소재 접합시 하부 소재의 소성변형에 의한 불량 발생을 방지할 수 있는 이종소재 접합방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 접합부의 접합강도가 우수한 이종소재 접합방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 경제성이 우수한 이종소재 접합방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 이종소재 접합방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 이종소재 접합방법은 다이의 평면 형태의 상면에 제1 소재를 배치하고, 상기 제1 소재의 상면에 제2 소재를 겹쳐지게 배치하는 단계; 및 상기 제2 소재의 상면에 리벳을 가압하여, 상기 리벳을 제1 소재 및 제2 소재에 삽입시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1 소재는 연신율 10% 이하이다.

한 구체예에서 상기 리벳 삽입시 제1 소재 및 제2 소재에 가해지는 힘은 1~2kN이고, 상기 리벳은 삽입속도: 100~200mm/s 및 가압력: 20~30kN의 조건으로 삽입될 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 소재는 두께 1.5mm 이상이며, 상기 제2 소재는 두께 1.0mm 미만일 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 소재는 연신율 10% 이하의 비철소재를 포함하며, 상기 제2 소재는 스틸(steel) 소재를 포함할 수 있다.

본 발명의 이종소재 접합방법을 적용시 이종소재 접합시 하부 소재의 소성변형에 의한 불량 발생을 방지할 수 있으며, 접합부의 접합강도가 우수하고, 경제성이 우수할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 이종소재 접합방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 다이를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 리벳 삽입시 소재에 가해지는 응력을 최소화하기 위한 공정 조건을 설정하기 위한 그래프이다.
도 4는 비교예 1 내지 3의 이종소재 접합조건을 나타낸 단면도이다.
도 5(a)는 실시예 단면을 나타낸 사진이며, 도 5(b)는 실시예 이종소재의 접합시 제1 소재의 하면을 나타낸 사진이다.
도 6(a)는 비교예 1 이종소재 접합시 접합부 품질을 평가한 것이며, 도 6(b)는 비교예 2 이종소재 접합시 접합부 품질을 평가한 것이다.
도 7은 비교예 3의 이종소재 접합시 접합부 품질을 평가한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이종소재 접합방법

본 발명의 하나의 관점은 이종소재 접합방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 이종소재 접합방법은 (S10) 소재 배치단계; 및 (S20) 리벳 삽입단계;를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 상기 이종소재 접합방법은 (S10) 다이의 평면 형태의 상면에 제1 소재를 배치하고, 상기 제1 소재의 상면에 제2 소재를 겹쳐지게 배치하는 단계; 및 (S20) 상기 제2 소재의 상면에 리벳을 가압하여 제1 소재 및 제2 소재에 삽입시키는 단계;를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 이종소재 접합방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.

(S10) 소재 배치단계

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 이종소재 접합방법을 나타낸 모식도이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 소재 배치단계는 도 1(a)와 같이 다이(100)의 평면 형태의 상면에 제1 소재(10)를 배치하고, 제1 소재(10)의 상면에 제2 소재(20)를 겹쳐지게 배치하는 단계이다.

한 구체예에서 상기 제1 소재는, 연신율 10% 이하의 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 및 섬유강화 플라스틱 소재 중 하나 이상 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 다이를 나타낸 것이다. 본 발명의 다이는, 상기 도 2와 같이 평면 형태의 상면이 형성된 것을 적용하여 제1 소재와의 간섭 발생이 없어 설계 측면에서 자유도를 높일 수 있다. 돌출부가 형성된 상면을 갖는 다이를 적용하여 이종 소재의 리벳 접합시, 제1 소재의 소성 변형으로 인해 크랙이 발생할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 소재는 두께 1.5mm 이상일 수 있다. 상기 조건에서 리벳에 의한 접합시 접합 강도가 우수하면서, 불량이 발생하지 않을 수 있다. 예를 들면 상기 제1 소재는 두께 1.5~10mm 일 수 있다.

한 구체예에서 상기 제2 소재는 상기 제1 소재와 연신율이 상이한 소재를 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 소재는 제1 소재보다 연신율이 높은 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면 상기 제2 소재는 스틸(steel) 소재를 포함할 수 있다.

한 구체예에서 제2 소재로는 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판 중 하나 이상 포함할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제2 소재는 두께 1.0mm 미만일 수 있다. 상기 조건에서 리벳에 의한 접합시 접합 강도가 우수하면서, 불량이 발생하지 않을 수 있다. 예를 들면 상기 제2 소재는 두께 0 초과 1.0mm 미만일 수 있다.

(S20) 리벳 삽입단계

상기 단계는 상기 도 1(b)와 같이 제2 소재(20)의 상면에 리벳을 가압하여, 상기 도 1(c)와 같이 리벳(200)을 제1 소재(10) 및 제2 소재(20)에 삽입시키는 단계이다.

상기 리벳은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 리벳의 바닥면이 플랫 형태 또는 콘(cone) 형태인 것을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

한 구체예에서 상기 제1 소재는 연신율 10% 이하의 소재를 포함한다. 통상의 형상을 다이를 적용하여 이종 소재의 접합시, 크랙 등 소성 변형에 의한 불량이 발생하지만, 본 발명은 평면 형태의 상면을 갖는 다이를 적용하여, 연신율 10% 이하의 소재에 리벳을 삽입하여 접합시에도 제1 소재의 소성 변형이 발생하지 않으며, 이종 소재의 접합에 사용하기 적합할 수 있다.

도 3은 본 발명의 리벳 삽입시 소재에 가해지는 응력을 최소화하기 위한 공정 조건을 설정하기 위한 그래프이다. 상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 구체예에서 상기 리벳 삽입시 제1 소재 및 제2 소재에 가해지는 힘(clamping force)과, 리벳의 삽입속도(riveting speed) 및 가압력(setting force)을 조절하여 상기 제1 소재의 소성 변형의 발생을 방지하여 이종 소재의 접합을 실시할 수 있다. 상기 조건 설정을 통해 최적의 접합조건을 도출하여 접합시, 제1 소재의 소성에 의한 돌출부 형성을 방지하며, 제1 소재의 크랙 없이 접합할 수 있다.

상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 리벳 삽입시 제1 소재 및 제2 소재에 가해지는 힘(clamping force)이 낮고(low), 리벳의 삽입속도(riveting speed)가 매우 낮으며(VL), 가압력(setting force)이 낮은(VL~low) 조건에서 소재와 다이 형상부 사이에 발생하는 응력을 최소화할 수 있으며, 상기 조건을 벗어나 적용시 제1 소재에 크랙 등 결함이 발생하거나, 공정 시간이 증가하여 공정 효율성이 저하됨을 알 수 있다.

한 구체예에서 상기 리벳 삽입시 제1 소재 및 제2 소재에 가해지는 힘(clamping force)은 1~2kN 일 수 있다. 상기 조건에서 접합시 불량이 발생하지 않으면서 접합 강도가 우수할 수 있다.

한 구체예에서 상기 리벳은 삽입속도(riveting speed): 100~200mm/s 및 가압력(setting force): 20~30kN의 조건으로 삽입될 수 있다. 상기 조건에서 접합시 불량이 발생하지 않으면서 접합 강도가 우수할 수 있다.

본 발명은 차체 경량화를 위하여 기존 강판에서 알루미늄 적용 비율 증대로 경량화는 물론 강성을 확보하기 위한 연구가 지속적으로 진행을 하고 있으며 특히 알루미늄 판재에서 알루미늄 주물/주조재, 마그네슘 등 비중이 적은 소재 사용을 통해 강판과 비철금속 이종소재 접합 기술 확보가 가능하다.

현재 알루미늄 주물 또는 마그네슘 주조재 경우 소재에 대한 두께/각 면적 구간별 연신율 편차등 많은 변수로 인해 기존 리벳 또는 다이(엔빌) 형상 개선을 통해 최대한 응력이 집중되지 않고 소재 크랙이 발생하지 않게 하기에는 한계가 있어, 평탄한 다이(엔빌)을 적용함으로써 소재 크랙 발생을 억제함과 동시에 설계 자유도를 높일 수 있다.

또한 기존 기하학적 형상 다이 적용 시, 하판 소재가 오목하게 소성 형상 돌출부(Min. 0.7mm~Max. 2.5mm)가 형성되었으나, 본 발명은 접합 후 돌출량 0mm로 관리되어, 차체 설계 시 상대물 판재와 간섭 발생이 없어 설계 자유도를 높일 수 있는 장점을 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

실시예

연신율 10% 이하이며, 1.5mm~3mm 두께의 알루미늄 합금을 포함하는 제1 소재와, 0.3mm 이상 1.0mm 미만 두께의 60K급 강판을 포함하는 제2 소재를 준비하였다.

도 1(a)와 같이 다이(100)의 평면 형태의 상면에 제1 소재(10)를 배치하고, 제1 소재(10)의 상면에 제2 소재(20)를 겹쳐지게 배치하였다. 그 다음에, 도 1(b)와 같이 제2 소재(20)의 상면에 리벳(200)을 가압하여, 도 1(c)와 같이 리벳(200)을 제1 소재(10) 및 제2 소재(20)에 삽입하였다. 상기 리벳 삽입시 제1 소재 및 제2 소재에 가해지는 힘(clamping force)은 1~2kN 이고, 상기 리벳은 삽입속도(riveting speed): 100~200mm/s 및 가압력(setting force): 20~30kN의 조건으로 삽입하였다.

비교예 1

하기 도 4(a)와 같이, 상면에 돔 형상의 성형골이 형성된 다이(110)를 적용한 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 이종 소재를 접합하였다.

비교예 2

하기 도 4(b)와 같이, 상면에 바닥면이 평행한 형상의 성형골이 구비된 다이(120)를 적용한 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 이종 소재를 접합하였다.

비교예 3

하기 도 4(c)와 같이, 상면에 중심축에 대해 회전 대칭으로 배열된 오목부를 포함하는 성형골이 형성된 다이(130)를 적용한 것을 제외하고 상기 실시예와 동일한 방법으로 이종 소재를 접합하였다.

도 5(a)는 실시예 단면을 나타낸 사진이며, 도 5(b)는 실시예 이종소재의 접합시 제1 소재의 하면을 나타낸 사진이다. 상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종소재 접합방법을 적용시 리벳과 이종소재 사이에 소성 변형에 의한 크랙 발생을 방지하였으며, 10% 이하의 저연신율을 갖는 제1 소재 하면에 크랙이 발생하지 않으며, 돌출부가 형성되지 않음을 알 수 있었다.

도 6(a)는 비교예 1 이종소재 접합시 접합부 품질을 평가한 것이며, 상기 도 6(a)를 참조하면, 상면에 돔 형상의 성형골이 형성된 다이(110)를 적용시, 리벳 삽입시에 응력이 다이의 양 단부가 아닌, 제1 소재의 중심 방향으로 집중 응력이 발생하였으며, 제1 소재 하부에 크랙이 발생함을 알 수 있었다.

도 6(b)는 비교예 2 이종소재 접합시 접합부 품질의 평가한 것이다. 상기 도 6(b)를 참조하면, 상면에 바닥면이 평행한 형상의 성형골이 구비된 다이(120)를 적용시 상기 비교예 1과 같이 제1 소재의 중심 방향으로 집중되는 응력은 분산시켰으나, 다이 테두리를 응력이 중심으로 발생하여, 제1 소재의 테두리 방향으로 크랙이 발생함을 알 수 있었다.

도 7은 비교예 3의 이종소재 접합시 접합부 품질을 평가한 것이다. 상기 도 7을 참조하면, 소재 소성변형에 의해 제1 소재에 크랙이 발생하는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

10: 제1 소재 20: 제2 소재
100, 110, 120, 130: 다이 200: 리벳

Claims (4)

1. 다이의 평면 형태의 상면에 제1 소재를 배치하고, 상기 제1 소재의 상면에 제2 소재를 겹쳐지게 배치하는 단계; 및
   상기 제2 소재의 상면에 리벳을 가압하여, 상기 리벳을 제1 소재 및 제2 소재에 삽입시키는 단계;를 포함하며,
   상기 제1 소재는 연신율 10% 이하인 것을 특징으로 하는 이종소재 접합방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 리벳 삽입시 제1 소재 및 제2 소재에 가해지는 힘은 1~2kN이고,
   상기 리벳은 삽입속도: 100~200mm/s 및 가압력: 20~30kN의 조건으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 소재는 두께 1.5mm 이상이며,
   상기 제2 소재는 두께 1.0mm 미만인 것을 특징으로 하는 이종소재 접합방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 소재는 연신율 10% 이하의 비철소재를 포함하며,
   상기 제2 소재는 스틸(steel) 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재 접합방법.
   

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