KR20150075705A - 아연도금강재의 저항점용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도금강재의 점용접 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간 프레스 성형용 아연도금강재의 저항점용접 방법에 관한 것이다.

Description

아연도금강재의 저항점용접 방법 {METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING OF GALVANIZED STEEL SHEET}

본 발명은 도금강재의 점용접 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간 프레스 성형용 아연도금강재의 저항점용접 방법에 관한 것이다.

최근들어 차체 경량화 및 고유가에 따른 연료절감 추세에 따라, 자동차용 부재 등에 대한 고강도 경량화 제조기술에 대한 요구는 갈수록 증가하고 있다. 따라서, 용도 및 목적에 부합하는 자동차용 부재 등을 제조하기 위한 측면에서, 재질이 상이하거나 두께 및 강도가 다른 복수의 판재를 접합시키는 방법은, 지속적인 연구가 필요한 분야이다.

그 중, 복수의 고강도강 판재의 이음부를 접합하기 위한 기술로서, 자동차 업계에서는 주로 저항점용접(RSW; Resistance Spot Welding)을 사용해 왔으며, 이는 자동화가 용이하고 대량 생산 공정에 적합한 측면 때문에, 현재까지도 자동차 생산 공정에서 가장 많이 사용되고 있다.

저항점용접이란, 압력을 가한 상태에서 큰 전류를 흘려주어 금속끼리의 접촉면에서 생기는 접촉저항과 금속의 고유저항에 의하여 열을 얻고, 이로 인하여 금속이 가열 또는 용융되면 가해진 압력에 의하여 접합이 이루어지도록 하는 공법을 말한다.

그 원리에 대하여 구체적으로 설명하면, 2겹의 용접 모재의 상·하에 위치한 두 전극에 압력을 가한 상태에서 kA 단위의 큰 전류를 인가하면, 전극과 용접 모재의 접촉면에서 발생하는 접촉저항과 용접 모재의 고유저항에 의해 열이 발생하고, 이로 인하여 금속이 가열되어 용융한 이후에 냉각응고되어 접합이 이루어지게 된다.

저항점용접 과정 중 투입되는 입열량은 주울법칙(Q=i2Rt)에 의해 용접전류(i), 전기저항(R), 용접시간(t)에 비례한다.

특히, 입열량은 용접전류의 제곱(i2)에 비례하므로, 상기 용접전류의 세기에 가장 크게 영향을 받는다. 상기 용접전류(i)의 세기가 너무 과다하게 되면 용접중인 금속 소재의 표면에서 용융금속의 날림 현상(Surface Expulsion)이 발생하게 된다. 이와 같이 날림 현상이 발생하게 되면 용접이음부의 용접상태가 불량해짐으로써, 용접이음부 강도는 크게 저하되게 된다.

반면에, 입열량이 증가할수록 용융 응고되어 생성된 용접 금속인 너깃의 크기는 성장하게 된다. 상기 너깃의 크기 또한, 용접이음부의 강도 결정에 직접적으로 영향을 미치는 인자이다.

따라서, 저항점용접을 통해 소재의 접합을 실시할 경우, 상기 날림현상이 발생하지 않는 전류의 범위 내에서, 이음부 강도를 좌우하는 상기 너깃의 크기를 적절하게 형성하는 것이 매우 중요하며, 이것이 저항점용접에서 적용가능한 전류조건을 결정하게 된다.

통상적으로는, 생산성을 고려하여 1초 이내의 시간 동안 용접전류를 일정하게 통전하여 용접하면서(ISO 기준), 상기 용접 전류의 크기를 날림이 발생하지 아니하는 조건까지 상승시키는 방식을 취하는데, 이는 날림이 발생하지 않는 범위 내에서 너깃의 크기를 최대한 성장시키는 것이 이음부 고강도화에 유리하기 때문이다. 이에, 요구되는 강도에 부합되는 너깃의 최소 크기 기준을 만족하는 최소의 용접전류 세기를 하한전류로 결정하고, 날림이 발생하는 전류를 상한전류로 결정한다.

그런데, 이와 같이 날림 현상이 발생하지 않는 범위 내에서 저항점용접을 수행하게 됨에 따라 너깃의 크기를 증가시키는데 제한이 발생하는 동시에, 용접이음부의 강도를 향상시키는데 한계가 존재하는 문제가 있다.

한편, 아연도금강판은 자동차의 차체 외판 등에 주로 사용되는 가장 대표적인 자동차용 소재이며, 이러한 아연도금강판에 열간 프레스 성형(Hot Press Forming, HPF)을 적용함으로써 자동차용 부재로서도 적용한다.

아연도금강판은 크게 'GI 강판'이라고 불리는 용융아연도금강판과 'GA 강판'이라고 불리는 합금화 용융아연도금강판으로 분류할 수 있는데, 도금욕을 통과한 후 제조공정에서 GI 강판은 도금층이 순수한 Zn으로 형성되고, GA 강판은 소지철과 아연의 합금화 반응으로 도금층 내에 Fe-Zn계 금속간 화합물이 형성된다.

일반적으로, GI 강판은 성형성과 내식성이 우수하고, GA 강판은 GI 강판에 비해 용접성과 도장성이 우수한 특성을 가진다.

그런데, 열간 프레스 성형된 아연도금강판을 용접하기 위하여 ISO 기준의 저항점용접을 적용하는 경우 용접이음부의 강도, 특히 십자인장강도(cross tensile strength) 향상이 미미한 문제가 있으며, 이에 용접이음부의 강도 향상을 위해 날림 현상이 일어나는 전류 범위 이상의 조건에서 용접을 실시하는 경우에는 용접부 표면에서 균열이 발생함에 따라 용접부 표면의 미관을 해치고 부식특성이 악화되는 문제점이 발견되고 있다.

따라서, 열간 프레스 성형된 아연도금강판의 저항점용접을 행함에 있어서, 날림 현상을 발생시키는 전류 범위 이상에서도 용접부 표면 균열이 없으면서 십자인장강도를 향상시킬 수 있는 용접 방법이 요구된다.

본 발명의 일 측면은, 아연도금강판을 저항점용접 함에 있어서, 날림 현상을 발생시키는 전류 범위 이상에서도 용접부 표면 균열이 없으면서 강도를 향상시킬 수 있는 용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, ⅰ) 아연도금강재에 전극을 가압하여 상기 전극을 상기 아연도금강재에 접촉시키는 단계; ⅱ) 상기 전극이 상기 아연도금강재에 접촉된 후 예비 통전을 실시하는 단계; ⅲ) 상기 예비 통전의 완료 후 상기 아연도금강재를 냉각시키는 단계; ⅳ) 상기 냉각완료 후 본 통전을 실시하는 단계; 및 ⅴ) 상기 본 통전의 완료 후 상기 전극에 가압력을 가하는 단계를 포함하고,

상기 예비 통전은 용접전류: 5.0~6.0kA, 용접(통전)시간: 200~800ms로 행하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 용접 방법으로 아연도금강재의 저항점용접을 실시할 경우, 충분한 크기로 너깃을 확보할 수 있어 고객사에서 요구하는 기준 이상의 강도를 갖고, 날림 현상이 발생하는 전류 범위에서 용접을 수행하더라도 표면균열이 없는 용접부를 얻을 수 있다.

본 발명자들은 아연도금강재를 저항점용접으로 용접함에 있어서, 날림 현상을 발생시키는 전류 범위 이상에서도 용접부 표면 균열이 없으면서 십자인장강도를 향상시킬 수 있는 용접 방법에 대하여 심도있게 연구한 결과, 예비 통전시 형성되는 용접부의 저항을 낮출수록 후속되는 본 통전시 큰 전류를 통전시킴으로써 최종 용접부의 강도를 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 아연도금강재의 저항점용접 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 아연도금강재의 저항점용접 방법을 나타내는 그래프이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 아연도금강재 저항점용접 방법은 ⅰ) 아연도금강재에 전극을 가압하여 상기 전극을 상기 아연도금강재에 접촉시키는 단계; ⅱ) 상기 전극이 상기 아연도금강재에 접촉된 후 예비 통전을 실시하는 단계; ⅲ) 상기 예비 통전의 완료 후 상기 아연도금강재를 냉각시키는 단계; ⅳ) 상기 냉각완료 후 본 통전을 실시하는 단계; 및 ⅴ) 상기 본 통전의 완료 후 상기 전극에 가압력을 가하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

하기에서는, 순차적으로 이루어지는 상기의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 용접을 위해 준비된 아연도금강재에 전극을 가압하는 단계(Squeeze)를 실시한다. 이때, 상기 가압은 상기 전극을 상기 아연도금강재에 접촉시킨 상태에서 행하는 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 아연도금강재를 가압하는 전극에 전류를 인가함으로써 예비 통전을 실시하는 것이 바람직하다.

상기 예비 통전은 아연도금강재의 도금층의 용융 및 배출이 강재보다 먼저 일어나도록 하기 위한 것인데, 본 발명에서는 특별히 예비 통전을 통해 용접부 저항을 낮추는 최적의 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 이로 인해 후속되는 본 통전시 큰 전류를 통전시킬 수 있는 효과가 있다.

보다 구체적으로, 상기 예비 통전은 용접전류: 5.0~6.0kA, 용접(통전)시간: 200~800ms으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 예비 통전시 용접전류가 5.0kA 미만이면 용접부 저항을 충분히 감소시키기 어려우며, 반면 6.0kA를 초과하게 되면 스패터(spatter)가 발생하여 용접부의 품질이 저하되는 문제가 있다. 또한, 용접시간이 200ms 미만이면 역시 용접부 저항을 충분히 감소시키기 어려우며, 반면 800ms를 초과하게 되면 장시간 동안의 예비 통전으로 인해 생산성이 저하되는 문제가 있다.

상기한 조건으로 예비 통전을 실시할 시, 통전 사이클은 12~48cy 사이클 내로 실시함이 바람직하다.

본 발명 실시예의 표 1에 따르면, 본 발명에 따른 조건으로 예비 통전을 실시하는 경우에는 용접부의 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있는 반면에, 용접전류가 낮으면(5.0kA 미만) 저항 감소가 미미하고, 너무 높으면(6.0kA 초과) 용접부 저항 감소에는 유리하지만 날림 현상이 발생하여 용접부 품질을 저하시키는 문제가 있음을 확인할 수 있다.

상기 본 발명에 따른 예비 통전을 완료하면, 인가된 전류를 차단시켜 용융된 도금층을 일정 시간 동안 냉각시키는 것이 바람직하다.

상기 예비 통전 후 냉각을 실시하는 것은, 후속되는 본 통전시 스패터의 발생을 최소화시키면서, 충분한 전류를 인가하기 위한 것이다.

이때, 냉각은 공정시간 및 용접기의 성능을 고려하여 10~200ms으로 실시하는 것이 바람직하며, 만일 냉각시간이 10ms 미만이면 충분한 냉각이 이루어지지 못하게 됨에 따라 후속되는 본 통전시 충분한 전류를 인가할 수 없게 되는 문제가 있다. 또한, 냉각시간이 200ms를 초과하게 되면 냉각효과가 포화되어 오히려 공정원가를 상승시키는 문제가 있다.

상기한 조건으로 냉각을 실시할 시, 통전 사이클은 1~10cy 사이클 내로 실시함이 바람직하다.

상기 냉각이 완료되면, 상기 예비 통전시 인가된 전류보다 높은 전류를 통전시켜 본 통전 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 예비 통전을 통해 용접부의 저항을 최소로 낮추었기 때문에, 후속되는 본 통전시 전류 크기가 크더라도 표면결함이 없으면서 강도가 우수한 용접부를 얻을 수 있는 효과가 있다.

보다 구체적으로는 상기 예비 통전시의 전류 크기에 대하여 1배 이상, 최대 8kA의 전류 크기로 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 용접시간에 대해서는 특별히 한정하지 아니하며, 다만 용접부 파단 발생이 없으면서, 날림 현상이 발생하더라도 강도가 우수한 너깃을 얻을 수 있는 정도로 실시하는 것이 바람직하다.

상기한 바에 따라 용접 단계를 실시한 후 이를 마치면, 통전된 전류를 차단시키고 전극에 가압력을 가하여 일정 시간 동안 유지하는 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 가압력을 가해주는 것으로부터 양호한 표면품질을 가지면서, 강도가 우수한 용접부를 얻을 수 있다.

상기 본 발명에 의해 형성된 용접부의 너깃의 직경(모재 두께의 직각방향)은 상기 아연도금강재(단일 모재)의 두께 대비 4배 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

통상의 저항점용접 방법에 의할 경우, 모재의 성질에 의해 상한전류의 제한을 받게 됨으로써, 날림 현상이 발생하지 않는 범위 내에서 형성된 용접부의 너깃의 직경은 모재 두께의 4배 이상으로 확보하기 어렵다.

하지만, 본 발명에 의할 경우, 날림 현상의 발생 없이도 모재 두께의 4배 이상인 용접부 너깃의 크기를 확보할 수 있다. 이는, 기존의 방식으로는 구현되기 어려운 정도까지 용접부의 강도를 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 용접부의 강도 향상을 최대로 얻기 위해서는, 본 발명의 일 측면에서 개시하는 저항점용접 방법에 따라, 형성된 용접부 너깃의 직경을 모재 두께 대비 4배 이상이 되는 수준으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 언급하는 아연도금강재는 열간 프레스 성형(HPF)을 위한 강재로서, 아연도금강재를 열간 프레스 성형하여 부품 등으로 제조한 후 이들 간의 용접을 행함에 있어서 본 발명에 따라 저항점용접을 실시함으로써 용접부에서의 파단 등의 결함 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

본 발명자들은 예비 통전시 용접부 저항을 최소화할 수 있는 용접 조건을 찾아내기 위하여, 아연도금강재를 2겹 사용하여 가압(3.5kN) 후 표 1에 나타낸 각각의 조건으로 예비 통전을 행한 후 용접부 저항값을 측정하여, 하기 표 1에 함께 나타내었다.

여기서, 편면 약 65g/m²의 도금량으로 도금된 아연도금강판을 사용하였다.

→ 용접시간 ↓ 용접전류	200ms	400ms	600ms	800ms	날림 현상 발생 여부
4.5kA	337	299	264	263	-
5.0kA	312	271	256	246	-
5.5kA	293	250	237	233	-
6.0kA	272	233	221	215	일부 발생
6.5kA	253	220	207	215	발생

(상기 측정된 저항값의 단위는 'μΩ' 이다.)

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 예비 통전시 전류가 4.5kA인 경우에는 용접부 저항을 충분히 감소시키기 위해서는 긴 용접시간이 요구될 뿐만 아니라, 용접시간이 길어지더라도 용접부 저항 감소는 미미한 것을 확인할 수 있다. 또한, 전류가 6.5kA인 경우에는 용접부 저항 감소 효과는 큰 반면에 날림 현상이 발생함으로써 표면품질이 열화하는 문제가 있다.

하지만, 예비 통전시 전류가 5.0 또는 5.5kA인 경우에는 모든 경우에 용접부 저항 효과가 우수하였으며, 날림 현상의 발생도 없었다.

다만, 전류가 6.0kA인 경우에 일부 날림 현상이 발생하긴 하였지만, 이는 용접부 물성에 영향을 미치는 아니한 정도이었으며, 용접부 저항 감소 효과도 우수하였다.

11: 상부전극
12: 하부전극
13: 상부 용접모재
14: 하부 용접모재
15: 너깃(Nugget)

Claims (5)

1. ⅰ) 아연도금강재에 전극을 가압하여 상기 전극을 상기 아연도금강재에 접촉시키는 단계; ⅱ) 상기 전극이 상기 아연도금강재에 접촉된 후 예비 통전을 실시하는 단계; ⅲ) 상기 예비 통전의 완료 후 상기 아연도금강재를 냉각시키는 단계; ⅳ) 상기 냉각완료 후 본 통전을 실시하는 단계; 및 ⅴ) 상기 본 통전의 완료 후 상기 전극에 가압력을 가하는 단계를 포함하고,
   상기 예비 통전은 용접전류: 5.0~6.0kA, 용접(통전)시간: 200~800ms로 행하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각은 10~200ms, 1~10cy로 실시하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 본 통전은 상기 예비 통전의 전류 크기의 1배 이상, 최대 8kA의 전류 크기로 실시하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 예비 통전 후 형성되는 용접부의 너깃 직경은 상기 아연도금강재의 두께 대비 4배 이상인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 아연도금강재는 열간 프레스 성형(HPF)용 도금강재인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.