KR20160062820A - 아연계 도금강판의 저항점용접방법 - Google Patents

Abstract

아연계 도금강판의 저항점용접방법이 개시된다. 본 발명의 실시형태는, 한쌍의 아연계 도금강판을 상부전극 팁과 하부전극 팁 사이에 위치시키고, 소정의 가압력으로 가압한 채, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 전류를 인가하여 용접을 수행하는 아연계 도금강판의 저항점용접방법에 있어서, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 제 1 시간 동안 베이스 전류를 인가하는 베이스 통전 단계, 상기 베이스 통전 후, 휴지시간 동안 전류 인가를 중단하는 휴지 단계 및 상기 휴지 후, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 제 2 시간 동안 본 전류를 인가하는 본 통전 단계를 포함하고; 상기 제 1 시간, 휴지시간 및 제 2 시간의 합인 전체용접시간은, (10*T+2)~(10*T+6)사이클(여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미함)이고; 상기 제 1 시간은, 전체용접시간 대비 65~85%이고, 상기 휴지시간은 전체용접시간 대비 5~10%이고, 상기 제 2 시간은 전체용접시간 대비 10~25%이며; 상기 베이스 전류는, 상기 상,하부전극 팁에 상기 제 1 시간 동안 소정의 전류를 인가하고, 상기 휴지시간 동안 전류 인가를 중단한 후, 상기 제 2 시간 동안 상기 소정의 전류와 동일한 크기의 전류를 인가시 3.5~5.0T^{1 /2}(mm, 여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미함)의 너깃경이 형성되는 전류인 것을 특징으로 하는 아연계 도금강판의 저항점용접방법을 제공한다.

Description

아연계 도금강판의 저항점용접방법{METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING FOR Zn PLATED STEEL SHEET}

본 발명은 아연계 도금강판의 저항점용접방법에 관한 것이다.

저항점용접(resistance spot welding)은 자동화가 용이하고 대량 생산 공정에 적합하여 현재 자동차 생산 공정에서 가장 많이 사용되고 있다. 도 1은 이러한 저항점용접의 원리를 나타내는 모식도이다.

도 1을 참조하면, 상부전극 팁(11)과 하부전극 팁(12) 사이에 놓인 금속 소재(13,14)의 상하에서 가압력(P)을 가한 상태에서 kA 단위의 큰 전류(i)를 인가하면, 상,하부전극 팁(11,12)과 금속(13,14) 간 접촉면(b,f)과 금속(13)과 금속(14) 간 접촉면(d)에서 생기는 접촉저항과 금속의 고유저항에 의하여 열이 발생하고, 이로 인하여 금속이 가열되어 용융한 이후에 냉각응고되어 접합이 이루어진다. 여기서, 용접과정 중 투입되는 전체 입열량(Q)은 주울법칙(Q=i²Rt)에 의해 용접전류(i), 전기저항(R), 용접시간(t)에 비례한다.

한편, 용접에 의해 용융 응고되어 생성된 용접 금속을 너깃(nugget)이라고 하는데, 이러한 너깃의 지름, 즉 너깃경은 전체 입열량에 비례하여 성장하며, 점용접부의 품질을 좌우하는 중요한 요인이 되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 바람직한 용접을 위해서는 적정 너깃경(예를 들면, 3.5T^1/2 이상, 여기서 T는 금속 소재의 두께)을 얻을 수 있는 전류 범위에서 용접을 실시하여야만 한다. 다만, 지나치게 큰 용접 전류가 인가되는 경우에는 용접 중인 금속 소재의 접합면에서 용융금속의 배출 현상(expulsion)이 발생하게 되는 문제가 있다. 따라서, 일반적으로 적정 너깃경을 얻을 수 있으면서도 용융금속의 배출 현상이 발생하기 직전((용융금속의 배출 현상이 발생하는 전류범위의 최소값)kA-0.2kA)의 전류 구간을 가용전류구간으로 정의하고 있다.

그런데, 아연계 도금강판, 그 중에서도 아연 도금(또는 아연합금 도금) 오스테나이트계 강판의 경우, 용융금속의 배출 현상이 발생하지 않는 전류 범위라고 하더라도, 일정 전류 이상의 용접 조건에서는 액상 금속 취화(LME, Liquid Metal Embrittlement) 균열이 발생하기 때문에, 일반적으로 아연계 도금강판의 가용전류구간은 적정 너깃경(예를 들면, 3.5T^1/2 이상, 여기서 T는 금속 소재의 두께)을 얻을 수 있는 전류부터 10㎛의 액상 금속 취화(LME) 균열이 발생하기 직전((10㎛ 이상의 액상 금속 취화(LME) 균열이 발생하는 전류범위의 최소값)kA-0.2kA)까지의 전류의 범위로 정의되며, 이로 인해 가용전류구간이 0.5~1.5kA에 불과하여, 다른 강종에 비해 가용전류구간이 협소하다는 단점이 있다. 따라서, 액상 금속 취화 균열의 발생을 억제하여 가용전류구간을 극대화함으로써 용접성을 개선하기 위한 노력이 요구된다.

본 발명의 일 측면은 가용전류구간을 극대화할 수 있는 아연계 도금강판의 저항점용접방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기재되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 실시형태는, 한쌍의 아연계 도금강판을 상부전극 팁과 하부전극 팁 사이에 위치시키고, 소정의 가압력으로 가압한 채, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 전류를 인가하여 용접을 수행하는 아연계 도금강판의 저항점용접방법에 있어서, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 제 1 시간 동안 베이스 전류를 인가하는 베이스 통전 단계, 상기 베이스 통전 후, 휴지시간 동안 전류 인가를 중단하는 휴지 단계 및 상기 휴지 후, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 제 2 시간 동안 본 전류를 인가하는 본 통전 단계를 포함하고; 상기 제 1 시간, 휴지시간 및 제 2 시간의 합인 전체용접시간은, (10*T+2)~(10*T+6)사이클(여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미함)이고; 상기 제 1 시간은, 전체용접시간 대비 65~85%이고, 상기 휴지시간은 전체용접시간 대비 5~10%이고, 상기 제 2 시간은 전체용접시간 대비 10~25%이며; 상기 베이스 전류는, 상기 상,하부전극 팁에 상기 제 1 시간 동안 소정의 전류를 인가하고, 상기 휴지시간 동안 전류 인가를 중단한 후, 상기 제 2 시간 동안 상기 소정의 전류와 동일한 크기의 전류를 인가시 3.5~5.0T^{1 /2}(mm, 여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미함)의 너깃경이 형성되는 전류인 것을 특징으로 하는 아연계 도금강판의 저항점용접방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 아연계 도금강판의 저항점용접에 있어서, 액상 금속 취화(LME, Liquid Metal Embrittlement) 균열 발생을 효과적으로 억제할 수 있어 넓은 가용전류구간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 이에 따라 용접성이 개선되는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 저항점용접의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연계 도금강판의 저항점용접시 전류의 인가 패턴을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 아연계 도금강판의 저항점용접방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 아연계 도금강판의 저항점용접시 주로 문제가 되는 액상 금속 취화(LME, Liquid Metal Embrittlement) 현상에 대하여 상세히 설명한다.

액상 금속 취화 현상이란 연성 금속 또는 합금이 수 마이크론의 두께를 가지는 액체 금속과 접촉하고 있는 상태에서 응력을 받았을 때, 급격한 연성 감소로 인해 취성 파괴가 일어나는 현상을 말한다. 이러한 액상 금속 취화 현상은 일반적으로 취화를 일으키는 액상 금속의 용융점 직상에서 일어나기 시작하며, 이 온도는 연성-취성 천이온도이고, 온도를 더 증가시키면 취화의 경향은 더욱 두드러진다.

한편, 저항점용접시, 상,하부전극 팁(11,12)과 금속(13,14) 간 접촉면(b,f)의 온도는 일반적으로 최대 약 1300℃까지 상승하게 되는데, 이는 아연계 도금의 용융점을 훨씬 상회하는 온도에 해당한다. 따라서, 용융된 아연계 도금과 소지강판이 접촉한 상태에서 응력이 부여되는 아연계 도금강판의 저항점용접의 경우, 액상 금속 취화 현상이 쉽게 발생하게 되는 것이다.

따라서, 본 발명자들은 아연계 도금강판의 저항점용접에 있어서 액상 금속 취화 균열 발생을 억제하기 위해서는, 용접 변수를 최적화하여 전체 입열량을 적절히 제어해야 할 뿐만 아니라, 상,하부전극 팁과 한쌍의 아연계 도금강판의 계면에서의 최대온도를 적절히 제어해야 함을 알아내었으며, 이를 위한 최적의 방법을 본 발명에서 제안하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아연계 도금강판의 저항점용접시 전류의 인가 패턴을 나타내는 그래프이다.

먼저, 한쌍의 아연계 도금강판을 상부전극 팁과 하부전극 팁 사이에 위치시키고, 소정의 가압력으로 가압한다. 상기 가압은 본 발명의 저항점용접이 종료될 때까지 지속하는 것이 바람직하다.

이때, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 소정의 가압력은 2.0~5.0kN인 것이 바람직하다. 상기 소정의 가압력이 2.0kN 미만인 경우에는 전극 팁과 강판 간 접촉 불량에 의해 통전이 용이하지 않을 우려가 있으며, 반면, 5.0kN을 초과하는 경우에는 압흔이 심하게 발생하고, LME 균열 발생이 가속화될 우려가 있다.

이후, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 전류를 인가하여 저항점용접을 실시한다. 이때, 전체용접시간은 (10*T+2)~(10*T+6)사이클(여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미하며, 1사이클은 1/60초를 의미한다. 이하 동일함)인 것이 바람직하다. 전체 용접시간이 (10*T+2) 미만일 경우에는 가용 용접 전류 상승으로 인한 용융금속의 배출 현상(expulsion) 발생 증가로 용접 품질이 악화되는 문제가 있으며, (10*T+6)사이클을 초과할 경우 좁은 가용전류구간으로 인한 용접성 저하의 문제가 있다.

한편, 본 발명의 저항점용접은 2회에 걸친 다단 통전을 실시하되, 다단 통전 사이에 상,하부전극 팁에 전류의 인가를 중단하는 휴지 단계를 갖는 것이 바람직하다. 이는 아연계 도금강판 표층의 온도 하강과 함께 아연계 도금층의 지속적인 용융 방지를 도모하고, 용접변수 제어로 인한 입열량을 제어하여 너깃경의 급격한 성장을 억제하기 위함이다.

이때, 전류의 인가가 중단되는 휴지 시간은 전체용접시간 대비 5~10%인 것이 바람직하다. 상기 휴지 시간이 전체용접시간 대비 5% 미만일 경우 도금층의 용융이 지속되어 LME 균열 발생이 가속화될 우려가 있으며, 반면, 10%를 초과하는 경우에는 도금층의 응고가 완료되어, 본 통전시 과도한 입열량이 요구되며, 이로 인해 LME 균열 발생이 가속화될 우려가 있다.

한편, 전체 입열량과 상,하부전극 팁과 한쌍의 아연계 도금강판의 계면에서의 최대온도를 적절히 제어하기 위해서는 휴지시간의 적절한 제어와 더불어, 베이스 전류가 인가되는 제 1 시간과 본 전류가 인가되는 제 2 시간의 전체용접시간에 대한 비율을 적절히 제어함이 바람직하다.

제 1 시간은 전체용접시간 대비 65~85%으로 제어함이 바람직하고, 70~80%로 제어함이 보다 바람직하다. 또한, 제 2 시간은 전체용접시간 대비 10~25%로 제어하는 것이 바람직하고, 15~20%로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

만약, 제 1 시간이 전체용접시간 대비 65% 미만이거나, 제 2 시간이 전체용접시간 대비 25%를 초과하는 경우에는 용융금속의 배출 현상이 발생하지 않는 전류 범위라고 하더라도, 일정 전류 이상의 용접 조건에서는 액상 금속 취화(LME, Liquid Metal Embrittlement) 균열이 발생하게 되어 2.5kA 이상의 가용전류구간 확보가 곤란하며, 반면, 제 1 시간이 전체용접시간 대비 85%를 초과하거나, 제 2 시간이 전체용접시간 대비 10% 미만인 경우에는 적정 너깃경 확보를 위해 요구되는 입열량이 과다하여 LME 균열 발생이 가속화되는 문제가 있다.

한편, 상기 베이스 통전시 인가하는 베이스 전류는 다음과 같은 기준으로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 상,하부전극 팁에 상기 제 1 시간 동안 소정의 전류를 인가하고, 상기 휴지시간 동안 전류 인가를 중단한 후, 상기 제 2 시간 동안 상기 소정의 전류와 동일한 크기의 전류를 인가시 3.5~5.0T^{1 /2}mm의 너깃경이 형성되는 전류(보다 바람직하게는 3.8~4.5T^{1 /2}의 너깃경이 형성되는 전류, 보다 더 바람직하게는 3.8~4.2T^{1 /2}의 너깃경이 형성되는 전류)를 베이스 전류로 설정하는 것이 바람직하다. 만약, 베이스 전류의 크기가 지나치게 낮을 경우, 용접 품질이 악화되는 문제가 있으며, 반면, 지나치게 높을 경우, 가용전류구간이 축소되는 문제가 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 본 통전시, 가용전류구간이 2.5kA 이상으로 확보되어 용접성이 우수한 장점이 있다. 이때, 가용전류구간이란 베이스 전류 이상의 전류로써, 용융금속의 배출 현상이 발생하기 직전((용융금속의 배출 현상이 발생하는 전류범위의 최소값)kA-0.2kA)의 전류 구간을 의미하며, 즉, 본 발명의 경우, 용융금속의 배출 현상이 발생하기 직전의 전류와 10㎛ 크기의 액상 금속 취화(LME) 균열이 발생하기 직전((10㎛ 이상의 액상 금속 취화(LME) 균열이 발생하는 전류범위의 최소값)kA-0.2kA)의 전류가 동일해져, 가용전류구간을 극대화할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 본 통전시, 최대 본 전류를 인가하였을 때, 상,하부전극 팁과 접촉하는 한쌍의 아연계 도금강판 표면의 최대온도가 1250℃ 이하로 제어되어 LME 균열 발생이 효과적으로 억제되는 장점이 있다. 이때, 최대 본 전류란 "(용융금속의 배출 현상이 발생하는 전류범위의 최소값)kA-0.2kA"을 의미한다.

한편, 본 발명에 있어서, 소지강판의 종류는 특별히 제한하지 않는다. 아연계 도금강판을 용접함으로 인하여 액상금속취화 균열이 발생되는 강판에는 모두 본 발명을 적용할 수 있기 때문이다. 다만, 액상금속취화 균열이 극심하게 발생하는 강판에 대해 본 발명을 적용할 경우 보다 월등한 효과를 누릴 수 있으므로, 이를 고려한다면 소지강판으로는 오스테나이트계 강판, 특히 TWIN 형성을 통해 고강도와 고연성의 특성을 가지는 TWIP(Twinning Induced Plasticity) 강을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

먼저, 용접 모재로써 한쌍의 아연 도금 TWIP강(두께(T): 1.2mm)을 준비하였다. 상기 한쌍의 아연계 도금강판을 겹친 판조에 대하여 C건(용접 건)에 부착된 서브 모터 가압식으로 단상 교류(50Hz)의 저항 용접기를 이용하여 하기 표 1의 조건으로 저항점용접을 행하여, 저항점용접 조인트를 제작하였다. 상기 저항점용접시, 전체용접시간은 16사이클로, 가압력은 2.6kN으로 일정하게 하였다. 힌?. 실시예 1 내지 3에 있어서 베이스 전류 값은, 제 1 시간 동안 베이스 전류를 인가하고, 휴지시간 동안 전류 인가를 중단한 후, 제 2 시간 동안 베이스 전류를 인가시 형성되는 너깃경이 4.38mm가 되도록 설정하였으며, 실시예 4는 휴지시간 없이 일단 통전에 의해 용접을 수행한 결과로써, 실시예 4에 있어서 베이스 전류 값은, 전체용접시간 동안 베이스 전류 인가시 형성되는 너깃경이 4.38mm가 되도록 설정하였다.

No.	공정 조건				LME 발생 전류(kA)	가용전류구간 (kA)	비고
	베이스 전류(kA)	제1시간 (사이클)	휴지시간 (사이클)	제2시간 (사이클)
1	5.0	12	1	3	7.6	2.6	발명예1
2	4.3	3	1	12	6.5	2.2	비교예1
3	4.5	8	1	7	6.8	2.3	비교예2
4	4.4	16			5.6	1.2	비교예3
여기서, LME 발생 전류는, "10㎛ 이상의 액상 금속 취화(LME) 균열이 발생하는 전류범위의 최소값)kA-0.2kA"을 의미한다.

표 1을 참고해 볼 때, 본 발명이 제안하는 조건을 만족하는 발명예 1의 경우, 가용전류구간이 2.5kA 이상으로 용접성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다. 한편, 저항점용접 시뮬레이션 프로그램인 솔파스를 통해, 최대 본 전류 인가시, 상,하부전극 팁과 접촉하는 한쌍의 아연계 도금강판 표면의 최대온도를 계산하여 본 결과, 최대온도가 1238.4℃로 적절히 제어되었음을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 1 내지 3은 가용전류구간이 협소하여 용접성이 열위하게 나타남을 알 수 있었다.

11: 상부전극 팁
12: 하부전극 팁
13, 14: 금속 소재
P: 가압력

Claims (5)

1. 한쌍의 아연계 도금강판을 상부전극 팁과 하부전극 팁 사이에 위치시키고, 소정의 가압력으로 가압한 채, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 전류를 인가하여 용접을 수행하는 아연계 도금강판의 저항점용접방법에 있어서,
   상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 제 1 시간 동안 베이스 전류를 인가하는 베이스 통전 단계, 상기 베이스 통전 후, 휴지시간 동안 전류 인가를 중단하는 휴지 단계 및 상기 휴지 후, 상기 상부전극 팁과 하부전극 팁에 제 2 시간 동안 본 전류를 인가하는 본 통전 단계를 포함하고;
   상기 제 1 시간, 휴지시간 및 제 2 시간의 합인 전체용접시간은, (10*T+2)~(10*T+6)사이클(여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미함)이고;
   상기 제 1 시간은, 전체용접시간 대비 65~85%이고, 상기 휴지시간은 전체용접시간 대비 5~10%이고, 상기 제 2 시간은 전체용접시간 대비 10~25%이며;
   상기 베이스 전류는, 상기 상,하부전극 팁에 상기 제 1 시간 동안 소정의 전류를 인가하고, 상기 휴지시간 동안 전류 인가를 중단한 후, 상기 제 2 시간 동안 상기 소정의 전류와 동일한 크기의 전류를 인가시 3.5~5.0T^{1 /2}(mm, 여기서, T는 아연계 도금강판의 두께(mm)를 의미함)의 너깃경이 형성되는 전류인 것을 특징으로 하는 아연계 도금강판의 저항점용접방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 소정의 가압력은 2.0~5.0kN인 아연계 도금강판의 저항점용접방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 아연계 도금강판은, 아연 도금 또는 아연합금 도금된 오스테나이트계 강판인 아연계 도금강판의 저항점용접방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 본통전시, 가용전류구간은 2.5kA 이상인 아연계 도금강판의 저항점용접방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 본통전시, 최대 본 전류 인가시, 상,하부전극 팁과 접촉하는 한쌍의 아연계 도금강판 표면의 최대온도는 1250℃ 이하인 아연계 도금강판의 저항점용접방법.

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