KR20230053854A - 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳 - Google Patents

Abstract

이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법은복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합방법에 있어서, 상기 복합 판재 상에 프리홀을 가공하는 제1단계, 상기 금속 판재 상에 상기 복합 판재를 위치시키는 제2단계, 상기 프리홀에 리벳을 회전시켜 상기 복합 판재와 리벳을 체결하는 제3단계, 및 상기 리벳의 중심에 축방향으로 파여진 가공부의 내부로 레이저빔을 조사하여 상기 금속 판재와 리벳을 접합하는 제4단계를 포함한다.

Description

이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳{METHOD FOR JOINING DISSIMILAR PLATES AND RIVETS APPLIED THEREOF}

본 발명은 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합 판재와 금속 판재를 접합할 수 있는 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 산업에서 연비 및 환경 규제와 충돌 안전성 규제가 동시에 강화되고 있다.

이에, 차량의 안전성 및 경량화를 모두 충족하기 위한 소재의 다변화가 추진되고 있다.

자동차 경량화 요구로 인해 강에 대한 고강도화뿐만 아니라, 강에 비해 상대적으로 가벼운 알루미늄 합금과 마그네슘 합금에 대한 적용에 요구가 증가하고 있다.

특히, 알루미늄 합금인 경우 지속적으로 적용이 확대되고 있는 상황이고, 이에 따라 동종간의 접합뿐만 아니라 강판과 알루미늄 합금과의 이종접합의 필요성이 증가하고 있다.

따라서, 이종 소재를 접합하기 위한 아크용접, 저항점용접, 레이저용접, 마찰교반용접, 기계적 체결, 접착 본딩 등의 다양한 형태의 이종소재 접합기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

이때, 난용접성 이종소재 접합을 위하여 접착제 접합과 더불어 기계적 체결이 가장 현실적인 대안으로 평가되며, 다양한 기계적 체결 공법이 제안되고 있으나, 자체부품 접합에 가장 효율적이고, 자동화하기 용이한 저항점용접 방법을 활용한 이종금속 접합기술 개발이 필요하다.

그러나 종래의 이종소재 접합에서 열경화성 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)를 포함하는 복합소재는 기존 용융용접이 불가능하였으며, 접착제와 기계적 체결 위주의 비용접법이 개발되었으나, 접합하고자 하는 모든 소재에 홀가공 공정이 필요하고, 홀정렬이 어려우며, 접합강도가 부족하고, 초고강도강에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

이에 따라, 복합소재와 이종소재를 접합하는 방법에 대한 연구개발이 필요하다.

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 복합 판재에만 프리홀을 가공한 후, 리벳을 이용하여 복합 판재와 금속 판재를 상호 접합하는 것으로, 사이클 타임을 줄이고, 프리홀 가공시 발생할 수 있는 금속 판재의 파손을 방지할 수 있는 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합방법에 있어서, 상기 복합 판재 상에 프리홀을 가공하는 제1단계, 상기 금속 판재 상에 상기 복합 판재를 위치시키는 제2단계, 상기 프리홀에 리벳을 회전시켜 상기 복합 판재와 리벳을 체결하는 제3단계, 및 상기 리벳의 중심에 축방향으로 파여진 가공부의 내부로 레이저빔을 조사하여 상기 금속 판재와 리벳을 접합하는 제4단계를 포함하는 이종 판재의 접합방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 제1단계는 상기 리벳의 바디부의 외경과 동일한 내경으로 상기 프리홀을 가공하는 단계일 수 있다.

또한, 상기 제3단계는 상기 리벳의 바디부의 외주면에 형성된 나사탭에 의해 상기 복합 판재와 상기 리벳을 나사 체결하는 단계일 수 있다.

또한, 상기 제3단계에서는 상기 리벳의 헤드부의 하면에 형성된 돌기가 상기 복합 판재의 상면을 파고들면서 상기 복합 판재와 상기 리벳이 접합될 수 있다.

또한, 상기 제3단계는 상기 리벳의 헤드부의 상면에 형성된 툴홈을 통해 툴을 연결하여 상기 리벳을 상기 복합 판재에 회전 체결시키는 단계일 수 있다.

또한, 상기 제4단계는 상기 가공부의 바닥면의 폐쇄된 제1접합면 전체에 상기 레이저빔을 조사하여 상기 제1접합면이 상기 금속 판재에 용융되면서 상기 금속 판재와 상기 리벳이 접합되는 단계일 수 있다.

또한, 상기 제4단계는 상기 가공부의 바닥면의 가장자리를 따라 일정영역으로 형성된 제2접합면에 상기 레이저빔을 조사하여 상기 제2접합면이 상기 금속 판재에 용융되면서 상기 금속 판재와 상기 리벳이 접합되는 단계일 수 있다.

또한, 상기 제4단계는상기 제2접합면을 따라 전주 용접하는 단계일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 금속 판재에 프리홀 가공을 삭제함으로써, 가공비를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 상기 금속 판재의 반대편으로 리벳이 돌출되지 않아 타 부품 적용 시, 간섭을 방지할 수 있는 효과도 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 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법에 적용되는 리벳의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법에 적용되는 리벳의 정면도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법에 적용되는 리벳의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법을 나타낸 공정도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 차체의 경량화를 도모하기 위해 이종소재의 판재를 기계적인 접합 방식으로 접합한 것으로서, 예를 들면 차체 패널과 같은 차체조립용 부품으로 구성될 수 있다.

이러한 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 상기한 바와 같이 차체용 패널에 적용되는 것으로 한정되지 않고, 차체용 멤버 및 차체 프레임 등과 같은 각종 차체 구조물에 적용될 수도 있다.

더 나아가, 본 발명의 보호범위가 차체 조립용 부품의 이종소재 접합체에 반드시 한정되는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 다양한 종류 및 용도의 구조물에 채용되는 이종소재의 접합체라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

여기서, 이종소재의 판재는 적어도 2매 이상의 판재로서, 비철소재로 이루어진 판재와, 스틸소재로 이루어진 판재를 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 비철소재로 이루어진 판재는 알루미늄 합금소재, 마그네슘 합금소재, 및 플라스틱 복합소재 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

더 나아가, 상기 플라스틱 복합소재는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic) 소재, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재, 및 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic) 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 스틸소재로 이루어진 판재는 예를 들어, 스틸 강판, 스테인레스 스틸 강판, 알루미늄 강판, 고장력 강판 및 초고장력 강판을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 비철소재로 이루어진 판재로 탄소 섬유 강화 플라스틱 소재로 이루어진 복합 판재(10)라 정의하고, 상기 스틸소재로 이루어진 판재로 금속 판재(20)라 정의하여 설명하기로 한다.

상기에서의 복합 판재(10)는 섬유소재를 강화재로 하고, 고강도 고탄성의 경량 구조재료로서 주목 받고 있는 첨단 복합 재료이며, 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 갖고 있다.

그리고 상기 복합 판재(10)는 금속 판재(20) 대비 강도 및 탄성률이 우수하고 반복 피로에 뛰어나며, 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안정성이 뛰어나고, 전기 전도성, 내식성, 진동 감쇠 성능이 우수한 특성도 있다.

이하에서는 도면을 기준으로, 상기 복합 판재(10)를 금속 판재(20) 위에 겹쳐 놓은 상태로, 상기 복합 판재(10) 및 금속 판재(20)를 기계적인 접합 방식으로 접합하는 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳을 예로 들어 설명하기로 한다.

그러나, 상기와 같은 방향의 정의는 상대적인 의미로서, 복합 판재(10) 및 금속 판재(20)의 기준 위치 및 리벳(100)의 접합 방향 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 방향이 본 실시 예의 기준 방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예에 따른 복합 판재(10)와 금속 판재(20)를 접합하는 이종 판재의 접합방법은 상기 복합 판재(10) 상에 프리홀(11)을 가공하는 제1단계(S1)를 진행한다.

상기 제1단계(S1)는 상기 리벳(100)의 바디부(110)의 외주면에 형성된 나사탭(111)의 내측 직경과 동일한 내경으로 프리홀(11)을 가공하는 단계이다.

즉, 상기 프리홀(11)에는 상기 바디부(110)에 형성된 나사탭(111)에 의해 억지끼움으로 상기 리벳(100)을 체결시킴으로써, 상기 프리홀(11)은 상기 나사탭(111)의 내측 직경과 동일한 내경으로 형성될 수 있다.

다시 말해, 상기 프리홀(11)은 상기 나사탭(111)을 제외한 상기 바디부(110)의 외경과 동일한 내경으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 금속 판재(20) 상에 상기 복합 판재(10)를 위치시키는 제2단계(S2)를 진행한다.

다음으로, 상기 프리홀(11)에 리벳(100)을 회전시켜 상기 복합 판재(10)와 리벳(100)을 체결하는 제3단계(S3)를 진행한다.

상기 제3단계(S3)는 상기 리벳(100)의 바디부(110)의 외주면에 형성된 나사탭(111)에 의해 상기 복합 판재(10)와 상기 리벳(100)을 나사 체결하는 단계이다.

이때, 상기 제3단계(S3)에서는 상기 리벳(100)의 헤드부(120)의 하면에 형성된 돌기(123)가 상기 복합 판재(10)의 상면을 파고들면서 상기 복합 판재(10)와 상기 리벳(100)이 접합될 수 있다.

또한, 상기 제3단계(S3)에서는 상기 리벳(100)의 헤드부(120)의 상면에 형성된 툴홈(121)을 통해 툴을 연결하여 상기 리벳(100)을 상기 복합 판재(10)에 회전 체결시킬 수 있다.

마지막으로, 상기 리벳(100)의 중심에 축방향(AD)으로 파여진 가공부(130)의 내부로 레이저빔(LB)을 조사하여 상기 금속 판재(20)와 리벳(100)을 접합하는 제4단계(S4)를 진행한다.

상기 제4단계는 두가지의 방법으로 진행할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 제4단계(S4-1)는 상기 가공부(130)의 바닥면(131)의 폐쇄된 제1접합면(133) 전체에 상기 레이저빔(LB)을 조사한다.

이때, 상기 제1접합면(133)이 상기 금속 판재(20)에 용융되면서 상기 금속 판재(20)와 상기 리벳(100)이 접합될 수 있다.

더 나아가, 상기 제4단계(S4-1)에서는 상기 제1접합면(133)에 전체 용접(W1)할 수 있다.

또는, 도 3을 참조하면, 상기 제4단계(S4-2)는 상기 가공부(130)의 바닥면(131)의 가장자리를 따라 일정영역으로 형성된 제2접합면(135)에 상기 레이저빔(LB)을 조사한다.

이때, 상기 제2접합면(135)이 상기 금속 판재(20)에 용융되면서 상기 금속 판재(20)와 상기 리벳(100)이 접합될 수 있다.

더 나아가, 상기 제4단계(S4-2)에서는 상기 제2접합면(135)을 따라 전주 용접(W2)할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법에 적용되는 리벳의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법에 적용되는 리벳의 정면도이며, 도 6과 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법에 적용되는 리벳의 단면도이다.

도 4와 도 5를 참조하면, 상기한 이종 판재의 접합방법에 적용되어 복합 판재(10)와 금속 판재(20)를 접합하는 이종 판재 접합용 리벳(100)은 바디부(110)와 헤드부(120)를 포함한다.

상기 바디부(110)는 외주면에 나사탭(111)에 의해 상기 복합 판재(10)의 프리홀(11)에 나사 체결된다.

그리고 상기 헤드부(120)는 상기 바디부(110)보다 직경이 크게 형성된다.

이러한 헤드부(120)는 상기 바디부(110)와 일체로 형성되고, 상기 복합 판재(10)의 프리홀(11)의 상면에 안착된다.

상기 헤드부(120)의 상면에는 툴홈(121)이 형성된다.

이때, 상기 툴홈(121)은 상기 복합 판재(10)에 체결 시, 툴이 연결될 수 있다.

또한, 상기 헤드부(120)의 하면에는 돌기(123)가 형성된다.

상기 돌기(123)는 선단이 뾰족하게 형성되며, 상기 복합 판재(10)에 체결 시, 상기 복합 판재(10)의 상면에 파고들면서 접합될 수 있다.

상기 툴홈(121)과 돌기(123)는 상기 헤드부(120)의 상면과 하면에 각각 형성되는 것으로, 그 위치는 서로 엇갈리게 배치되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 툴홈(121)과 돌기(123)는 상기 리벳(100)의 축방향(AD)을 기준으로 동일선상에 위치하면 아니된다.

상기와 같은 상기 바디부(110)와 헤드부(120)의 중심에는 축방향(AD)으로 파인 가공부(130)가 형성된다.

상기 가공부(130)는 두가지 실시 예를 포함한다.

도 6을 참조하면, 상기 가공부(130)는 바닥면(131)을 이루는 제1접합면(133)이 그 내부를 폐쇄시키도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 가공부(130)의 제1접합면(133)은 그 내부를 폐쇄시키도록 전체면에 형성될 수 있다.

이러한 제1접합면(133)을 가지는 가공부(130)는 상기 제1접합면(133)을 통해 상기 금속 판재(20)와 전체 용접(W1)될 수 있다.

도 7을 참조하면, 상기 가공부(130)는 바닥면(131)을 이루는 제2접합면(135)이 가장자리를 따라 일정영역 형성될 수 있다.

즉, 상기 가공부(130)의 제2접합면(135)은 가장자리를 따라 형성되어 중앙부에 관통홀(137)을 가진다.

이러한 제2접합면(135)을 가지는 가공부(130)는 상기 제2접합면(135)을 통해 상기 금속 판재(20)와 전주 용접(W2)될 수 있다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 금속 판재(20)에 프리홀(11) 가공을 삭제함으로써, 가공비를 절감할 수 있다.

더불어, 상기 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 금속 판재(20)에만 프리홀(11)을 가공함으로써, 프리홀(11)을 최소화하여 수밀 및 기밀이 요구되는 부품에 적용하여 상품성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 이종 판재의 접합방법 및 이에 적용되는 리벳은 상기 금속 판재(20)의 반대편으로 리벳(100)이 돌출되지 않아 타 부품 적용 시, 간섭을 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
11: 프리홀
20: 금속 판재
100: 리벳
110: 바디부
111: 나사탭
120: 헤드부
121: 툴홈
123: 돌기
130: 가공부
131: 바닥면
133: 제1접합면
135: 제2접합면
137: 관통홀
W1: 전체 용접
W2: 전주 용접

Claims (14)

1. 복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재의 접합방법에 있어서,
   상기 복합 판재 상에 프리홀을 가공하는 제1단계;
   상기 금속 판재 상에 상기 복합 판재를 위치시키는 제2단계;
   상기 프리홀에 리벳을 회전시켜 상기 복합 판재와 리벳을 체결하는 제3단계; 및
   상기 리벳의 중심에 축방향으로 파여진 가공부의 내부로 레이저빔을 조사하여 상기 금속 판재와 리벳을 접합하는 제4단계;
   를 포함하는 이종 판재의 접합방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1단계는
   상기 리벳의 바디부의 외주면에 형성된 나사탭의 내측 직경과 동일한 내경으로 상기 프리홀을 가공하는 단계인 이종 판재의 접합방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제3단계는
   상기 리벳의 바디부의 외주면에 형성된 나사탭에 의해 상기 복합 판재와 상기 리벳을 나사 체결하는 단계인 이종 판재의 접합방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3단계에서는
   상기 리벳의 헤드부의 하면에 형성된 돌기가 상기 복합 판재의 상면을 파고들면서 상기 복합 판재와 상기 리벳이 접합되는 이종 판재의 접합방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제3단계는
   상기 리벳의 헤드부의 상면에 형성된 툴홈을 통해 툴을 연결하여 상기 리벳을 상기 복합 판재에 회전 체결시키는 단계인 이종 판재의 접합방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계는
   상기 가공부의 바닥면의 폐쇄된 제1접합면 전체에 상기 레이저빔을 조사하여 상기 제1접합면이 상기 금속 판재에 용융되면서 상기 금속 판재와 상기 리벳이 접합되는 단계인 이종 판재의 접합방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계는
   상기 가공부의 바닥면의 가장자리를 따라 일정영역으로 형성된 제2접합면에 상기 레이저빔을 조사하여 상기 제2접합면이 상기 금속 판재에 용융되면서 상기 금속 판재와 상기 리벳이 접합되는 단계인 이종 판재의 접합방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제4단계는
   상기 제2접합면을 따라 전주 용접하는 단계인 이종 판재의 접합방법.
9. 상기 제1항 내지 제8항 중, 하나의 항의 이종 판재의 접합방법에 적용되어 복합 판재와 금속 판재를 접합하는 이종 판재 접합용 리벳에 있어서,
   외주면에 나사탭에 의해 상기 복합 판재의 프리홀에 나사 체결되는 바디부; 및
   상기 바디부보다 직경이 크게 형성된 상태로, 상기 바디부와 일체로 형성되고, 상기 복합 판재의 프리홀의 상면에 안착되는 헤드부;
   를 포함하는 이종 판재 접합용 리벳.
10. 제9항에 있어서,
    상기 헤드부에는
    상면에 툴홈이 형성되어 상기 복합 판재에 체결 시, 상기 툴홈에 툴이 연결되는 이종 판재 접합용 리벳.
11. 제9항에 있어서,
    상기 헤드부에는
    하면에 선단이 뾰족한 돌기가 형성되어 상기 복합 판재에 체결 시, 상기 복합 판재의 상면에 파고들면서 접합되는 이종 판재 접합용 리벳.
12. 제9항에 있어서,
    상기 바디부와 헤드부의 중심에 축방향으로 파인 가공부가 형성되는 이종 판재 접합용 리벳.
13. 제12항에 있어서,
    상기 가공부는
    바닥면을 이루는 제1접합면이 그 내부를 폐쇄시키도록 형성되어 상기 금속 판재와 전체 용접되는 이종 판재 접합용 리벳.
14. 제12항에 있어서,
    상기 가공부는
    바닥면이 이루는 제2접합면이 가장자리를 따라 일정영역 형성되어 상기 금속 판재와 전주 용접되는 이종 판재 접합용 리벳.

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