이종소재접합방법{JOINING METHOD OF A DIFFERENT MATERIAL}
본 발명은 이종소재접합방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경도(硬度)가 상이한 이종의 소재(素材) 예컨대, 하이브리드 자동차용 배터리의 플러그인 터미널 소재인 구리(Cu)와 알루미늄(Al)을 접착 또는 용접을 하지 않고, 단조성형(鍛造成形)하여 견고히 접합시키는 이종소재접합방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이종의 소재 즉, 경도(硬度)가 상이한 소재를 접합시키는 방법에는 여러 가지 방법이 적용 되어질 수 있다. 특히, 일측 면에 전극과 결합되는 부위를 제공하는 연결단자가 마련되고 타측 면에 전극을 배터리에 고정시키는 한편, 외부의 전선이 연결되는 부위를 제공하는 나사부가 마련된 부피체로 이루어진 하이브리드 자동차용 배터리의 플러그인 터미널 소재인 구리와 알루미늄을 접합시키는 방법으로는 주로 마찰용접(摩擦鎔接)방법이 적용된다. 상기의 마찰용접방법은 마찰열을 이용하여 금속을 접합하는 용접방법으로서, 두 소재를 맞대어 압력을 주면서 회전시켜, 그때 나오는 마찰열로 탄소강, 합금강 따위로 된 회전체공구를 연결하는 방법이다. 그러나, 상기와 같은 종래 이종의 소재를 접합하는데 이용되는 마찰용접방법은 마찰용접 전에 소재를 절단하여, 접합되어질 면을 가공하고 길이도 동일하게 하는 등 용접조건을 세세하게 세팅하여 만들어주는 사전작업이 번거로워 생산성이 낮은 문제점이 있다. 또한, 용접이 된 후에 접합상태를 확인하여야 하나, 이를 위해서는 비파괴 검사(방사선을 통한 단층 촬영 등 고가의 장비에 의해)를 통한 작업 외에는 불가능하므로, 사실상 불가능한 문제점이 있다. 또한, 접합상태가 좋지 않으면 접합부위가 균열되면서 탈리되는 등 파손이 발생하는 치명적인 문제점이 있다. 또한, 접합 후에도 절삭 가공하여 단조작업을 진행할 수 있도록 가공하여 단조 작업이 이루어져 하므로, 제조 작업이 번거로움은 물론, 생산성이 현저히 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 이종소재접합방법의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 경도가 상이한 이종의 소재 예컨대, 하이브리드 자동차용 배터리의 플러그인 터미널 소재인 구리(Cu)와 알루미늄(Al)을 접착 또는 용접을 하지 않고 단조성형을 통해 견고히 접합시키는 이종소재접합방법을 제공하는데 목적을 두고 있다.
이러한 목적 달성을 위한 본 발명은 상대적으로 경도가 상이한 이종소재의 접합방법에 있어서, 단조과정에서 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 스며들 수 있는 공간을 제공하여 이종소재를 결합시키는 침투부(11b)를 형성하는 침투부 형성단계(S100); 상기 침투부(11b)가 형성된 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)의 접합단(12a)을 끼워서 조립하는 이종소재 조립단계(S200); 조립된 이종소재 중 저경도소재(12)를 금형(20)에 인서트 시키고 상방에서 프레스(30)로 고경도소재(11)를 펀칭하여, 압력에 의해 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 고경도소재(11)의 침투부(11b)로 스며들어 결합되어지게 함과 동시에 고경도 소재의 외형을 1차 성형하는 단조성형단계(S300);를 포함하여 진행됨을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제해결수단에 의해 본 발명은 경도가 상이한 이종소재의 접합을 마찰용접방법이 아닌 단조성형을 통해 접합시킴으로써, 접합부위 가공과 관련된 사전 준비작업을 간소화하여 작업성 및 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고경도소재의 침투부에 저경도소재가 형체 변형되면서 스며들어 결합됨으로써, 외부 압력에 의해 접합상태가 와해되는 것이 방지되어 견고한 접합상태를 유지할 수 있다. 또한, 단조성형과정에서 접합이 이루어지므로, 접합공정 후 별도의 단조성형을 진행해야하는 작업상의 번거로움을 해소하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고경도소재 외경에 침투부를 형성함으로써, 내경에 침투부를 형성하는 가공방법에 비해 사전준비작업과 관련된 가공의 용이함으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진행단계를 간략히 순서대로 도시한 순서블럭도.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 진행단계 및 결과물을 보다 구체적으로 도시한 단면도 및 사시도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 트리밍단계가 더 포함되어 진행되는 상태 및 결과물을 도시한 사시도.
도 10은 본 발명에 의해 얻어진 접합된 이종소재의 결과물을 예시적으로 도시한 사시도.
이와 같이 제시한 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본 발명은 첨부 도면 도 1에 도시된 바와 같이, 상대적으로 경도가 상이한 이종소재의 접합방법에 있어서, 단조과정에서 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 스며들 수 있는 공간을 제공하여 이종소재를 결합시키는 침투부(11b)를 형성하는 침투부 형성단계(S100); 상기 침투부(11b)가 형성된 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)의 접합단(12a)을 끼워서 조립하는 이종소재 조립단계(S200); 조립된 이종소재 중 저경도소재(12)를 금형(20)에 인서트 시키고 상방에서 프레스(30)로 고경도소재(11)를 펀칭하여, 압력에 의해 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 고경도소재(11)의 침투부(11b)로 스며들어 결합되어지게 함과 동시에 고경도 소재의 외형을 1차 성형하는 단조성형단계(S300);를 포함하여 진행될 수 있다. 여기서, 본 발명이 실시되어 성형될 이종소재인 성형물품(10) 중 상기 고경도소재(11)는 구리(Cu)일 수 있고, 저경도소재(12)는 알루미늄(Al)일 수 있다. 한편, 본 발명 중 상기 침투부 형성단계(S100)는 핀 형태로 가공되어 제공되는 고경도소재(11)인 구리의 일측 단부 즉, 접합단(11a)의 외경에 환홈 형상의 침투부(11b)를 형성할 수 있다. 이때, 상기 침투부(11b)일 수 있는 환홈은 원형일 수 도 있고, 타원일 수 도 있고, 다각형일 수 도 있으며, 톱니(기어)형상일 수 도 있으며, 그 형성 위치를 서로 달리하면서 복수개(2줄 3줄)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 접합단(11a) 외경 자체가 원형일 수 도 있고, 타원일 수 도 있고, 다각형일 수 도 있으며, 톱니(기어)형상일 수 도 있다. 그러면, 단조과정에서 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 스며들어, 이종소재를 결합 즉, 접합시킬 수 있다. 또 한편, 본 발명 중 상기 이종소재 조립단계(S200)는 핀 내지는 봉 형태로 제공되는 고경도소재(11)인 구리의 침투부(11b)가 형성된 접합단(11a) 외경에 일측 단은 개방되고 타측 단은 차단된 캡 형태로 제공되는 저경도소재(12)인 알루미늄을 끼워서 고정시킬 수 있다. 이때까지는 고경도소재(11)와 저경도소재(12)가 조립만 되어지고 접합은 이루어지지 않은 상태이다. 또 한편, 본 발명 중 상기 단조성형단계(S300)는 이종소재 중 저경도소재(12)의 직경 보다 큰 직경의 금형(20)에 저경도소재(12)를 인서트 시키고, 금형 상방으로 고경도소재(11)를 노출시키는 준비단계(S310); 상기 금형(20) 상방으로 노출된 고경도소재(11)의 수직 방향에서 프레스(30)가 하강하여 가압을 통해 저경도소재(12)에 압력을 가해 형체 변형시켜 고경도소재(11)의 침투부(11b)로 파고들면서 스며들어 결합되어지게 하되, 저경도소재(12)의 변형침투 후 더 하강하여 가중되는 압력을 통해 프레스(30)의 형상에 따라 고경도소재(11)를 형체 변형시켜 성형하는 성형단계(S320);를 포함하여 진행될 수 있다. 이때, 상기 단조성형단계(S300)는 냉간단조성형(冷間鍛造成形)일 수 있다. 즉, 재료의 재결정 온도 이하의 저온 또는 실온(상온)에서 단조성형을 실시할 수 있다. 또한, 상기 금형(20)의 내측 하부면은 원뿔 형태로 상방 돌출되어 저경도소재(12)의 하단부에 원뿔형태의 홈인 리벳홈(12b)을 형성시켜, 차후 완성된 소재를 다른 물품과 리벳 결합시킬 수 있도록 할 수 도 있다. 또한, 상기 금형(20)의 상부 외곽면 즉, 프레스(30)와 대응되는 면에는 상기 고경도소재(11)의 형상을 결정하는 형상을 가질 수 도 있다. 그리고, 본 발명은 상기 단조성형단계(S300) 이후에 고경도소재(11) 부분을 특정 형상으로 절단하는 트리밍단계(S400)를 더 포함할 수 도 있다. 상기 트리밍단계(S400)는 완성되어질 물품의 전체적인 기본 형상을 성형하는 단계로서, 별도의 트리밍절단구(40)가 하강하여 가이드레일을 타고 연속적으로 안내되어지는 단조성형된 물품을 성형할 수 있다. 이와 같이 되어지는 본 발명을 구체화된 도면을 참고로 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본 발명은 상기 침투부 형성단계(S100)에서는 핀 형태로 가공된 고경도소재(11)인 구리의 일측 단부인 접합단(11a) 외경에 환홈 형상의 침투부(11b)를 형성한다. 그러면, 차후 진행되는 단조성형단계(S300)에서 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 밀려서 파고들어감으로써 이종소재 간에 결합 즉, 접합이 이루어지게 된다. 즉, 상기 고경도소재(11)의 접합단(11a) 외경에 끼워지는 저경도소재(12)의 내경 중간 부분에 해당하는 위치에 환홈 형상의 침투부(11b)를 형성한다. 이때, 상기 침투부(11b)일 수 있는 환홈은 원형 또는 타원 또는 다각형 또는 톱니(기어)형상 중 어느 하나를 적용하고, 또한, 상기 접합단(11a) 외경 자체 역시, 원형 또는 타원 또는 다각형 또는 톱니(기어)형상 중 어느 하나를 적용한다. 이후, 이종소재 조립단계(S200)에서 첨부 도면 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 봉 형태로 제공되는 고경도소재(11)의 침투부(11b)가 형성된 접합단(11a) 외경에 저경도소재(12)인 알루미늄을 끼워서 고정시킨다. 즉, 봉 또는 핀 형태로 제공되는 고경도소재(11)의 침투부(11b)가 형성된 접합단(11a) 외경에 일측 단은 개방되고 타측 단은 차단된 캡 형태로 제공되는 저경도소재(12)를 끼워서 고정시킨다. 이후, 첨부 도면 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 단조성형단계(S300)를 진행한다. 상기 단조성형단계(S300) 중 준비단계(S310)에서는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이종소재 중 저경도소재(12)의 직경 보다 큰 직경의 금형(20)에 저경도소재(12)를 인서트 시키고, 금형 상방으로 고경도소재(11)를 노출시킨다. 이때, 상기 저경도소재(12)의 직경 보다 금형(20)의 직경이 더 큰 것은 저경도소재(12)가 단조성형과정에서 압력에 의해 형체 변형되어질 공간을 제공하여 상기 고경도소재(11)에 형성된 침투부(11b)로 유도되어지도록 하기 위함이며, 그 밖의 금형 내측의 형상에 따라 빈틈없이 스며들도록 하기 위함이다. 또한, 상기 단조성형단계(S300) 중 성형단계(S320)에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 금형(20) 상방으로 노출된 고경도소재(11)의 수직 방향에서 프레스(30)가 하강하여 가압을 하면, 고경도소재(11) 보다 상대적으로 경질인 저경도소재(12)에 1차적으로 형체 변형이 일어나면서, 전술한 바와 같이, 상기 고경도소재(11)의 침투부(11b)로 소재가 밀려 파고들면서 스며들어 침투부(11b)를 채운다. 그러면, 저경도소재(12)가 침투부(11b)에 끼워져 걸린 상태가 되어 고경도소재(11)에 결합이 이루어지며, 결과적으로 접합된 상태가 된다. 이후, 상기와 같은 저경도소재(12)의 침투부(11b)에 대한 변형침투 후, 프레스(30)가 더 하강하여 압력이 가중되면, 상기 프레스(30)의 형상에 따라 고경도소재(11)가 2차적으로 형체 변형되어 프레스(30)의 가압면 형상에 따라 성형이 이루어져 첨부 도면 도 7에 도시된 바와 같은 물품이 완성된다. 이때, 상기 금형(20)의 내측 하부면은 원뿔 형태로 상방 돌출되어 저경도소재(12)의 하단부에 원뿔형태의 홈을 형성시켜, 차후 완성된 소재를 다른 물품과 리벳 결합이 이루어지도록 한다. 그리고, 본 발명은 상기 단조성형단계(S300) 이후에 첨부 도면 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 고경도소재(11) 부분을 특정 형상으로 절단하는 트리밍단계(S400)를 더 포함한다. 즉, 가이드레일을 타고 연속적으로 안내되어지는 단조 성형된 상기 물품의 상방에서 별도의 트리밍절단구(40)가 하강하여 펀칭으로 통해 실질적인 완성품으로 성형을 한다. 이와 같이 되는 본 발명은 경도가 상이한 이종소재의 접합을 마찰용접방법이 아닌 단조성형을 통해 접합시킴으로써, 접합부위 가공과 관련된 사전 준비작업을 간소화하여 작업성 및 생산성을 향상시킨다. 또한, 고경도소재(11)의 침투부(11b)에 저경도소재(12)가 형체 변형되면서 스며들어 결합됨으로써, 외부 압력에 의해 접합상태가 와해되는 것이 방지되어 견고한 접합상태가 유지되어지게 한다. 또한, 단조성형과정에서 접합이 이루어지므로, 접합공정 후 별도의 단조성형을 진행해야하는 작업상의 번거로움을 해소하고 생산성을 향상시킨다. 또한, 고경도소재(11) 외경에 침투부(11b)를 형성함으로써, 내경에 침투부를 형성하는 가공방법에 비해 사전준비작업과 관련된 가공의 용이함으로 향상시킬 수 있다. 이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S100 : 침투부형성단계 S200 : 이종소재조립단계
S300 : 단조성형단계 S310 : 준비단계
S320 : 성형단계 S400 : 트리밍단계
10 : 성형물품 11 : 고경도소재
11a : 접합단 11b : 침투부
12 : 저경도소재 12a : 접합단
12b : 리벳홈 |
