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KR101262939B1 - 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재 - Google Patents

하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재 Download PDF

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KR101262939B1
KR101262939B1 KR1020130028722A KR20130028722A KR101262939B1 KR 101262939 B1 KR101262939 B1 KR 101262939B1 KR 1020130028722 A KR1020130028722 A KR 1020130028722A KR 20130028722 A KR20130028722 A KR 20130028722A KR 101262939 B1 KR101262939 B1 KR 101262939B1
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KR
South Korea
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composite material
hybrid composite
carbon fiber
fiber reinforced
reinforced plastic
Prior art date
Application number
KR1020130028722A
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English (en)
Inventor
강창우
임옥동
공영식
강남수
Original Assignee
(주)오토젠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재에 관한 것이다. 본 발명의 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법은, 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 통공이 형성되는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부재와 한 쌍의 금속(metal) 부재를 준비하는 재료 준비단계; 상기 통공에 금속 재질의 인서트를 배치하는 인서트 배치단계; 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재를 사이에 두고 그 양측으로 상기 금속 부재를 하나씩 배치하는 재료 배치단계; 및 상기 인서트가 배치되는 영역의 용접라인(welding line)을 따라 배치되는 상기 한 쌍의 금속 부재와 상기 인서트를 용접하는 재료 용접단계를 포함한다.

Description

하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재{METHOD FOR IMPROVING WELD ABILITY OF HYBRID COMPOSITE MATERIAL AND HYBRID COMPOSITE MATERIAL MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은, 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 금속(metal)과 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 이루어진 하이브리드 복합소재 부품에 대한 용접성을 크게 개선할 수 있는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재에 관한 것이다.
최근 유럽, 미국 등 전 세계적으로 CO2 배기가스 규제에 대해 보다 엄격한 기준을 제시되고 있는 상황이다.
유럽의 경우 2020년까지 95g/km를 제시하고 있고, 미국의 경우 35mpg에서 28mpg로 수준을 조정하였으며, 2016년에는 연비규제 또한 현 수준의 30%정도 높일 계획이다.
이러한 문제에 대응하기 위하여 자동차 업체들은 친환경적이면서도 동시에 연비절감을 꾀하는 차체의 경량화 연구를 진행하고 있다.
이에 따라, 고장력 강판, 비철 합금, 복합소재의 사용 등이 그 대안으로 떠오르고 있다.
이들 중 복합소재는 충분한 강도, 안정성을 확보할 수 있고, 기존 차체 대비 20 ~ 30 % 정도의 경량화를 이룰 수 있기 때문에 친환경소재로 각광받고 있다. 때문에 이러한 소재 개발에 대한 활발한 연구가 진행 중이다.
한편, 복합소재는 이종 소재간의 결합으로 알루미늄과 스틸의 조합이나 탄소섬유와 고분자수지의 조합 등으로 사용 목적에 따라 다양한 조합이 사용되고 있다.
앞서 언급한 바와 같이 자동차 업계에서 복합소재를 사용해야 할 시에는 고장력, 경량화, 친환경의 조건을 만족시켜야 하므로 금속(metal)과 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, carbon fiber reinforced plastic)을 조합한 하이브리드 복합소재 강판을 만들어 사용하는 것이 바람직하다.
그러나 이 경우 소재의 비강도(무게에 대한), 기계적, 물리적 성질은 좋지만 용접성이 떨어진다는 단점이 있다.
용접이란 금속과 금속간의 접합법으로서 같거나 다른 종류의 금속 재료에 열과 압력을 가하여 직접결합을 시키는 방법이다.
그런데, 하이브리드 복합소재는 구성 소재 중 하나인 탄소섬유 강화 플라스틱으로 인해 용접을 통한 다른 부품과의 결합이 힘들다는 단점이 있다.
생산 공정에서 용접이 필수로 들어가는 자동차 업계에선 이러한 단점이 치명적으로 작용할 수 있다. 그렇기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 진행 중이지만 해외에 비해서 국내의 연구는 진행이 더딘 편이므로 이에 대한 연구 개발이 시급하다.
대한민국특허청 출원번호 제10-1992-0015818호 대한민국특허청 출원번호 제10-1995-0001368호 대한민국특허청 출원번호 제10-1995-0017557호 대한민국특허청 출원번호 제10-2008-0060948호
본 발명의 목적은, 금속(metal)과 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 이루어진 하이브리드 복합소재 부품에 대한 용접성을 크게 개선할 수 있는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 통공이 형성되는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부재와 한 쌍의 금속(metal) 부재를 준비하는 재료 준비단계; 상기 통공에 금속 재질의 인서트를 배치하는 인서트 배치단계; 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재를 사이에 두고 그 양측으로 상기 금속 부재를 하나씩 배치하는 재료 배치단계; 및 상기 인서트가 배치되는 영역의 용접라인(welding line)을 따라 배치되는 상기 한 쌍의 금속 부재와 상기 인서트를 용접하는 재료 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재에 의해 달성된다.
상기 인서트는 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재의 두께와 동일한 두께를 가지되 상기 통공과 형상맞춤될 수 있으며, 상기 인서트는 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재 상에서 다수 개 배치될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 통공이 형성되는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부재와 한 쌍의 금속(metal) 부재를 준비하는 재료 준비단계; 상기 한 쌍의 금속 부재 각각에 용접라인(welding line)을 따라 포밍부를 가공하는 포밍부 가공단계; 상기 용접라인을 따라 상기 한 쌍의 금속 부재에 각각 형성되는 포밍부가 서로 마주보도록 하면서 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재를 사이에 두고 그 양측으로 상기 금속 부재를 배치하는 재료 배치단계; 및 서로 마주보는 상기 포밍부 영역을 용접하는 재료 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법 및 그 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재에 의해서도 달성된다.
상기 포밍부의 두께는 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재의 두께의 반과 같게 형성될 수 있으며, 상기 포밍부는 상기 금속 부재 상에서 다수 개 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속(metal)과 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 이루어진 하이브리드 복합소재 부품에 대한 용접성을 크게 개선할 수 있어 궁극적으로 다른 부품과의 용접이나 조립 작업의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 경우, 제품 완성에 있어서 용접이 필수인 자동차 차체 조립 시 탁월한 효과를 제공할 수 있으며, 이를 통한 자동차용 하이브리드 복합소재 부품의 양산화를 기대할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법이 적용되는 하이브리드 복합소재의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 상태의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법의 플로차트이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법이 적용되는 하이브리드 복합소재의 분해도이다.
도 5는 도 4의 결합 상태의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법의 플로차트이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도면 대비 설명에 앞서 본 발명에 대해 부연한다. 용접(welding)이란 본래 금속(metal) 간의 결합법이며, 금속 간의 접촉이 이루어져야 할 수 있다.
하지만, 예컨대 자동차 산업에 적용될 수 있는 하이브리드 복합소재의 경우, 금속(metal)과 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, carbon fiber reinforced plastic)의 조합으로 이루어진다.
참고로, 탄소섬유 강화 플라스틱은 카본 필라멘트를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 한 후, 수지(樹脂)를 함침(含浸)하여 경화시킨 것으로서, 고강도/고탄성의 경량소재로 주목을 받고 있는 첨단 복합 재료로서 비금속재이다.
이처럼 하이브리드 복합소재는 금속과 탄소섬유 강화 플라스틱으로 이루어지는데, 이 경우, 비금속재인 탄소섬유 강화 플라스틱으로 인해 일반적인 용접 방법을 적용할 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 아래의 두 가지 방법을 제안하고 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법이 적용되는 하이브리드 복합소재의 분해 사시도, 도 2는 도 1의 결합 상태의 부분 단면도, 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법의 플로차트이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법은, 재료 준비단계(S11), 인서트 배치단계(S12), 재료 배치단계(S13), 그리고 재료 용접단계(S14)를 포함한다.
우선, 재료 준비단계(S11)는 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 통공(111)이 형성되는 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)와 한 쌍의 제1 및 제2 금속 부재(120,130)를 준비하는 과정이다.
제1 및 제2 금속 부재(120,130)와 달리 비금속재인 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)에는 통공(111)을 형성시키고 있다.
이때, 통공(111)의 형상, 사이즈, 개수 등은 도시된 것을 벗어나 적절하게 선택 변경될 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 제1 및 제2 금속 부재(120,130)는 예컨대, 철판일 수 있지만 반드시 그러할 필요는 없다. 즉 용접이 가능한 다른 금속 재질이 적용될 수도 있다.
다음으로, 인서트 배치단계(S12)는 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)에 형성되는 통공(111)에 인서트(140)를 배치하는 과정이다.
인서트 배치단계(S12)에서 사용되는 인서트(140) 역시, 금속 재질일 수 있는데, 가급적 제1 및 제2 금속 부재(120,130)의 재질과 동일하면 좋다. 인서트(140)가 제1 및 제2 금속 부재(120,130)와의 용접부를 이룬다.
이때, 인서트(140)는 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)의 두께와 동일 또는 유사한 두께를 가지되 통공(111)과 형상맞춤되는 것이 바람직하다. 즉 통공(111)의 형상 및 사이즈와 동일한 것이 사용될 수 있다.
물론, 인서트(140)가 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)의 통공(111)과 형상맞춤되는 것이 이상적이기는 하지만 인서트(140)와 통공(111)이 완전히 동일한 형상이 아니더라도 작업은 충분히 가능하다.
그리고 인서트(140)는 통공(111)의 개수에 맞게 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110) 상에서 다수 개 배치될 수 있다.
다음으로, 재료 배치단계(S13)는 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)를 사이에 두고 그 양측으로 제1 및 제2 금속 부재(120,130)를 하나씩 배치하는 단계이다.
본 실시예의 경우, 하이브리드 복합소재는 예컨대, 자동차에 적용될 수 있는 강판 타입으로서, 플레이트 타입의 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)를 사이에 두고 그 양측에 역시 플레이트 타입의 제1 및 제2 금속 부재(120,130)가 배치되어 상호간 용접되는 구조를 갖는다.
따라서 재료 배치단계(S13)에서 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)를 사이에 두고 그 양측으로 제1 및 제2 금속 부재(120,130)를 하나씩 배치할 수 있다.
마지막으로, 재료 용접단계(S14)는 인서트(140)가 배치되는 영역의 용접라인(welding line)을 따라 배치되는 제1 및 제2 금속 부재(120,130)와 역시 금속 재질인 인서트(140)를 상호간 용접하는 과정이다.
탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)가 있어야 할 자리에 금속 재질인 인서트(140)가 위치되어 양측의 제1 및 제2 금속 부재(120,130)와 용접되는 형태를 취하기 때문에 아무런 문제없이 용접 작업이 진행되어 하이브리드 복합소재 강판으로 만들어질 수 있다.
이와 같은 방법이 적용될 경우, 복합재 용접의 조건 중의 하나인 '이종 물질 간 접촉' 문제를 해결할 수 있어 용이하게 용접 작업을 진행할 수 있으며, 원하는 하이브리드 복합소재를 만들어낼 수 있다.
이와 같은 방법이 적용되는 본 실시예에 따르면, 제1 및 제2 금속 부재(120,130)와 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(110)로 이루어진 하이브리드 복합소재 부품에 대한 용접성을 크게 개선할 수 있어 궁극적으로 다른 부품과의 용접이나 조립 작업의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 본 실시예의 경우, 제품 완성에 있어서 용접이 필수인 자동차 차체 조립 시 탁월한 효과를 제공할 수 있으며, 이를 통한 자동차용 하이브리드 복합소재 부품의 양산화를 기대할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법이 적용되는 하이브리드 복합소재의 분해도, 도 5는 도 4의 결합 상태의 부분 단면도, 그리고 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법의 플로차트이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법은, 재료 준비단계(S21), 포밍부 가공단계(S22), 재료 배치단계(S23), 그리고 재료 용접단계(S24)를 포함한다.
우선, 재료 준비단계(S21)는 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)와 한 쌍의 제1 및 제2 금속 부재(220,230)를 준비하는 과정이다.
본 실시예에서 사용되는 제1 및 제2 금속 부재(220,230)는 예컨대, 철판일 수 있지만 반드시 그러할 필요는 없다. 즉 용접이 가능한 다른 금속 재질이 적용될 수도 있다.
다음으로, 포밍부 가공단계(S22)는 제1 및 제2 금속 부재(220,230) 각각에 용접라인(welding line)을 따라 포밍부(221,222)를 가공하는 과정이다.
추후, 제1 및 제2 금속 부재(220,230)에 형성되는 포밍부(221,222)가 서로 맞대어 접촉됨에 따라 이곳이 용접부를 형성할 수 있다.
이때, 포밍부(221,222)의 두께는 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)의 두께의 반과 같거나 그보다는 작게 형성될 수 있다.
포밍부(221,222)의 두께가 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)의 두께의 반과 같을 경우, 도 5처럼 포밍부(221,222)가 서로 맞대어 접촉될 수 있다. 이러한 포밍부(221,222)는 제1 및 제2 금속 부재(220,230) 상에서 다수 개 배치될 수 있다.
다음으로, 재료 배치단계(S23)는 용접라인을 따라 제1 및 제2 금속 부재(220,230)에 각각 형성되는 포밍부(221,222)가 서로 마주보도록 하면서 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)를 사이에 두고 그 양측으로 제1 및 제2 금속 부재(220,230)를 배치하는 과정이다.
재료 배치단계(S23)를 수행하고 나면 포밍부(221,222)가 서로 맞대어 접촉되면서 제1 및 제2 금속 부재(220,230) 사이로 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)가 배치된 형태를 갖는다.
마지막으로, 재료 용접단계(S24)는 서로 마주보는 포밍부(221,222) 영역을 용접하는 과정이다.
탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)가 있어야 할 자리에 제1 및 제2 금속 부재(220,230)의 포밍부(221,222)가 미리 선(先)가공되어 접촉되는 형태를 취하기 때문에 아무런 문제없이 용접 작업이 진행되어 하이브리드 복합소재 강판으로 만들어질 수 있다.
이와 같은 방법이 적용될 경우, 용접의 조건 중의 하나인 '이종 물질 간 접촉' 문제를 해결할 수 있어 용이하게 용접 작업을 진행할 수 있으며, 원하는 하이브리드 복합소재를 만들어낼 수 있다.
이와 같은 방법이 적용되는 본 실시예에 따르면, 제1 및 제2 금속 부재(220,230)와 탄소섬유 강화 플라스틱 부재(210)로 이루어진 하이브리드 복합소재 부품에 대한 용접성을 크게 개선할 수 있어 궁극적으로 다른 부품과의 용접이나 조립 작업의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 본 실시예의 경우, 제품 완성에 있어서 용접이 필수인 자동차 차체 조립 시 탁월한 효과를 제공할 수 있으며, 이를 통한 자동차용 하이브리드 복합소재 부품의 양산화를 기대할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : 탄소섬유 강화 플라스틱 부재 111 : 통공
120 : 제1 금속 부재 130 : 제2 금속 부재
140 : 인서트

Claims (5)

  1. 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 통공이 형성되는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부재와 한 쌍의 금속(metal) 부재를 준비하는 재료 준비단계;
    상기 통공에 금속 재질의 인서트를 배치하는 인서트 배치단계;
    상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재를 사이에 두고 그 양측으로 상기 금속 부재를 하나씩 배치하는 재료 배치단계; 및
    상기 인서트가 배치되는 영역의 용접라인(welding line)을 따라 배치되는 상기 한 쌍의 금속 부재와 상기 인서트를 용접하는 재료 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인서트는 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재의 두께에 대응되는 두께를 가지되 상기 통공과 형상맞춤되며,
    상기 인서트는 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재 상에서 다수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법.
  3. 하이브리드 복합소재의 제조를 위해 통공이 형성되는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부재와 한 쌍의 금속(metal) 부재를 준비하는 재료 준비단계;
    상기 한 쌍의 금속 부재 각각에 용접라인(welding line)을 따라 포밍부를 가공하는 포밍부 가공단계;
    상기 용접라인을 따라 상기 한 쌍의 금속 부재에 각각 형성되는 포밍부가 서로 마주보도록 하면서 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재를 사이에 두고 그 양측으로 상기 금속 부재를 배치하는 재료 배치단계; 및
    서로 마주보는 상기 포밍부 영역을 용접하는 재료 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 포밍부의 두께는 상기 탄소섬유 강화 플라스틱 부재의 두께의 반과 같게 형성되며,
    상기 포밍부는 상기 금속 부재 상에서 다수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합소재의 용접성 개선을 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제3항의 방법에 의해 제조된 하이브리드 복합소재.
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