KR20150075719A - 아연도금강재의 저항점용접 방법 - Google Patents

Abstract

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

최근의 차체 경량화 및 고유가에 따른 연료절감 추세에 따라, 자동차용 부재 등의 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 일반적으로 저항점용접(RSW; Resistance Spot Welding)을 사용해 왔다. 저항점용접은 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.

도 1은 2겹의 피접합재를 용접하는 경우에 적용된, 일반적인 저항 점용접의 원리를 나타내는 모식도이며, 이를 참조하여 저항 점용접의 원리를 설명한다.

두 전극(11, 12) 사이에 놓인 금속 소재(13, 14)의 상하에서 압력(P)을 가한 상태에서 kA 단위의 큰 전류(i)를 인가하면, 전극(11, 12)과 금속 모재(13, 14)의 접촉면에서 발생하는 접촉저항과 금속 모재의 고유저항에 의해 열이 발생하고, 이로 인하여 금속이 가열되어 용융한 이후에 냉각응고되어 접합이 이루어진다.

용접과정 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 너깃(Nugget,(15))의 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 용접전류의 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 크기기준을 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 발생하였다.

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 표면에 균열이 발생함에 따라 용접부 표면의 미관을 해치고 부식특성이 악화되는 문제점이 발견되었다.

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, 자동차용 부품으로의 제조를 위해 열간 프레스 성형한 아연도금강판의 저항점용접에 있어서, 날림 현상을 발생시키는 전류 범위 이상에서도 용접부 표면 균열이 없으면서 십자인장강도를 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 본 통전은 용접전류: 6.0~10kA, 용접(통전)시간: 50~200ms로 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. 또한, 용접에 의해 용접열영향부(HAZ)를 거쳐 강도가 연화되는 부분을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 저항점용접의 원리를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 아연도금강재의 저항점용접 방법을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 통전시 용접전류 및 용접시간에 따른 용접부 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 용접전류: 7.0kA, 용접시간: 12cy 또는 48cy으로 본 통전을 실시함으로써 형성된 용접부의 단면 관찰 결과(A) 및 상기 용접부의 경도 변화를 나타내는 그래프(B)이다.

용접 모재에 대하여 저항점용접을 실시하여 형성되는 용접부의 강도 향상은 너깃의 크기에 영향을 받는데, 상기 너깃 크기는 용접시 인가되는 입열량(이때, 입열량은 전류의 제곱에 비례함)이 증가할수록 커진다. 그런데, 용접부 강도 향상을 위하여 너깃의 크기를 너무 크게하면 용접 모재의 표면에서 용융금속의 날림 현상(Surface Expulsion)이 발생하게 되고, 이로 인해 용접부의 용접상태가 불량해짐은 물론 강도도 크게 저하되는 문제가 발생한다. 특히, 아연도금강재의 경우에는 용접부 표면에서 균열이 발생하는 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 아연도금강재를 저항점용접으로 용접함에 있어서, 날림 현상을 발생시키는 전류 범위 이상에서도 용접부 표면 균열이 없으면서 십자인장강도를 향상시킬 수 있는 용접 방법에 대하여 깊이 연구한 결과, 본 통전의 조건을 최적화하여 실시하는 경우, 용접부의 강도 확보는 물론 용접열영향부(HAZ)의 경도 저하도 최소화할 수 있음을 확인하고, 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 수행하는 것이 바람직하다.

이때, 예비 통전 전류는 후속되는 본 통전 단계에서 인가하는 전류 크기보다 작은 전류를 가하는 것이 바람직하며, 그 시간은 하기 본 통전 단계보다 긴 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 예비 통전은 소정의 너깃경을 확보하여 통전패스를 만든 후 후속되는 본 통전에서 더 큰 전류를 인가함으로써 날림없이 기준 이상의 너깃경을 확보하기 위한 것으로서, 이에 예비 통전의 전류 크기는 후속되는 본 통전 단계의 전류 크기에 대하여 50~80% 범위 내로 상기 본 통전시 용접시간의 0.5~1.5배의 시간으로 실시하는 것이 바람직하다.

상기한 바에 따라, 예비 통전을 완료하면, 인가된 전류를 차단시켜 용융된 도금층을 일정 시간 동안 냉각시키는 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 냉각을 통해, 후속되는 본 통전시 스패턴의 발생을 최소화시키면서, 충분한 전류를 인가시킬 수 있다.

상기 냉각은 공정시간 및 최소한의 냉각시간을 고려하여 상기 예비 통전 시간에 대하여 5~50%로 실시하는 것이 바람직하다. 냉각시, 상기 예비 통전 시간에 대해 5% 미만이면 냉각이 충분히 이루어지지 못하게 됨에 따라 후속되는 본 통전시 충분한 전류를 인가할 수 없게 되는 문제가 있으며, 반면 50%를 초과하게 되면 냉각 효과가 포화되고, 장시간의 냉각에 의해 공정원가가 상승하는 문제가 있다.

상기 냉각이 완료되면, 상기 예비 통전시 인가된 전류보다 높은 전류를 짧은 시간 동안 통전시켜 본 통전 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 이는, 이미 용융된 도금층의 배출은 낮추면서 충분한 크기의 너깃을 확보함으로써, 표면결함이 없고 강도가 우수한 용접부를 얻기 위한 것이다.

보다 바람직하게, 본 발명의 본 통전 단계는 용접전류: 6.0~10kA, 용접(통전)시간: 50~200ms로 행하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 용접전류: 6.5~9.5kA, 용접(통전)시간: 100~200ms로 실시하는 것이 용접부 인장강도 확보에 보다 유리하다.

상기 본 통전시 용접전류가 6.0kA 미만이거나 용접시간이 50ms 미만이면 충분한 정도의 너깃의 크기가 형성되지 않아 요구되는 용접부의 인장강도 구현이 어려우며, 반면 용접전류가 10kA 초과하거나 용접시간이 200ms를 초과하게 되면 날림 현상이 과다해져 용접부 물성을 해칠 수 있으므로 바람직하지 못하다.

한편, 본 발명 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 조건으로 본 통전을 실시하는 경우에는 용접부 인장강도가 8000N 이상인 반면, 동일 용접전류에서 용접시간이 길수록 즉 본 발명에서 제안하는 용접시간을 만족하지 않는 경우에 용접부 인장강도가 약 6000N 정도로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

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 본 발명에서 요구하는 강도를 가지면서, 표면품질이 우수한 용접부를 얻을 수 있다.

상기 본 발명에 의해 형성된 용접부는 경도가 모재 경도 이하로 되는 영역에서부터 다시 모재 경도 이상으로 되는 영역 간의 간격이 2.4mm이하인 용접열영향부(HAZ)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 용접 방법을 적용하는 경우 강도가 연화되는 부분을 최소화시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

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 )

아연도금강재를 2겹 사용하여 가압(3.4kN)한 후 예비 통전(5.5kA, 36cy) - 냉각(2cy) - 본 통전 - 유지(24cy)의 순서로 저항점용접을 실시하였다. 이때, 본 통전시의 용접전류(6.5, 7.0, 7.5, 8.0, 8.5, 9.0 및 9.5kA) 및 용접시간(12cy 또는 48cy)을 달리하여 형성되는 용접부의 강도 및 용접열영향부(HAZ) 경도를 측정하여 비교·분석하였다.

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

먼저, 본 통전의 용접전류 및 시간에 따른 용접부 십자인장강도 변화를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 6.5~9.5kA의 용접전류로 예비 통전시 보다 짧은 시간으로 본 통전을 실시한 발명예의 경우에는 모든 경우에서 용접부 강도가 8000N 이상으로 고객사에서 요구하는 기준 강도(6000N) 보다 훨씬 높은 반면에, 본 통전시 그 시간이 예비 통전보다 긴 경우(비교예)에는 기준 강도 정도로 확보되거나 그보다 미만으로 확보되는 것을 확인할 수 있다.

이는, 본 발명에 따른 용접 방법으로 저항점용접을 행하는 경우 강도가 우수한 용접부를 얻을 수 있음을 의미한다.

그리고, 7.0kA의 용접전류를 적용한 실시예에 대해서 용접부 단면을 관찰하고, 용접부의 경도 변화를 측정하여 도 4에 나타내었다. 이때, 용접부 단면은 광학현미경으로 측정하였으며, 경도 변화는 비커스 경도계를 이용하여 측정하였다. 그리고, 경도 측정 영역은 도 4의 (A)에서 실선으로 표시된 부분을 따라 측정하였다.

도 4의 (A)에 나타낸 바와 같이 발명예의 경우에는 적정 크기의 너깃을 갖는 양호한 용접부가 형성된 반면에, 비교예의 경우에는 너깃 주위에 테두리가 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는, 본 통전시 용접시간이 길어짐에 따라 입열량이 과다하게 증가되었기 때문이다.

또한, 각각의 용접부에 대하여 경도를 측정한 결과, 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이 용접열영향부(HAZ)에서 경도가 급격히 저하되는 것을 확인할 수 있으며, 이때 경도가 다시 증가하는 영역과의 간격이 발명예에 비해 비교예에서 더 넓은 것을 확인할 수 있다.

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 본 통전은 용접전류: 6.0~10kA, 용접(통전)시간: 50~200ms로 행하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 예비 통전은 상기 본 통전의 전류 크기의 50~80% 범위 내의 전류 크기로 상기 본 통전의 용접시간의 0.5~1.5배의 시간으로 실시하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각은 상기 예비 통전의 용접시간에 대해 5~50%로 실시하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 가압력 후 형성되는 용접부는 경도가 모재 경도 이하로 되는 영역에서부터 다시 모재 경도 이상으로 되는 영역 간의 간격이 2.4mm이하인 용접열영향부(HAZ)를 포함하는 것인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 아연도금강재는 열간 프레스 성형(HPF)용 도금강재인, 아연도금강재의 저항점용접 방법.
   

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