KR100752125B1

KR100752125B1 - 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의저항 스폿 용접 방법

Info

Publication number: KR100752125B1
Application number: KR1020060071993A
Authority: KR
Inventors: 김정길; 우인수; 이동렬
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2007-08-27

Abstract

크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법이 개시된다. 개시된 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법은, 크롬 프리 수지를 도포한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강간 이종재의 저항 스폿 용접 방법에 있어서, (a) 1차 용접 전류로 다수회 사이클의 1차 통전을 실시하는 단계와; (b) 다수회 사이클의 휴지 공정을 실시하는 단계와; (c) 상기 1차 통전시보다 일정 이상 높은 2차 용접 전류로 다수회 사이클의 2차 통전을 실시하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강을 적용한 다양한 제품의 제작시, 비용 절감 및 용접품질 향상을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 최종 제품의 내구성 및 수명 향상을 달성할 수 있는 이점이 있다.

크롬 프리 표면처리 강판, 페라이트계 스테인리스강, 너겟

Description

크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법{RESISTANT SPOT WELDING METHOD FOR CR-FREE SURFACE TREATMENT STEEL PLATE WITH FERRITIC STAINLESS STEEL}

도 1은 일반적인 저항스폿 용접부의 단면도를 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 적용된 용접방법을 설명하기 위한 개략적인 모식도.

도 3은 통상의 교류 저항 스폿 용접에서의 용접조건을 설명한 모식도.

도 4는 용접부 성분과 그 대응한 조직구성을 나타낸 쉐플러 다이어그램.

도 5는 열처리 전 저항 스폿 용접부의 경도분포를 나타내 보인 그래프.

도 6a 및 도 6b는 열처리 전 용접부의 파단 형상을 나타내 보인 도면.

도 7a 및 도 7b는 열처리 후 용접부 파단형상을 나타내 보인 도면.

도 8은 열처리 후 저항 스폿 용접부의 경도분포를 나타내 보인 그래프.

본 발명은 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아연도금 강판의 양면에 크롬 프리(Cr-free: 크롬이 포함되지 않은) 수지를 도포한 크롬 프리 표면처리 강판과 페 라이트(Ferrite)계 스테인리스강간의 저항 스폿 용접성을 개선하기 위한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로 크롬 프리 표면처리 강판은 크로메이트(chromate) 피막(Cr6+; 6가크롬)을 주성분으로 하여 표면 처리한 종래의 표면처리 아연도금 강판을 대체한 친환경 소재로서, 아연도금 강판의 양면에 인체에 무해한 내식 수지 처리한 것이 특징이다.

이러한 크롬 프리 표면처리 강판은 내식성이 우수하여 전자제품, 건축자재 및 자동차산업과 같은 조립산업분야에 널리 이용되고 있다.

또한 페라이트계 스테인리스강은 고가의 Ni을 함유하지 않은 스테인리스강으로서 내식성이 우수할 뿐만 아니라, 가격이 저렴하고, 가공이 용이하므로 전자제품, 양식기, 건축 내장재 등 산업 전반에 걸쳐 고가의 오스테나이트(Austenite)계 스테인리스강 대체 소재로서 각광을 받고 있다.

특히 상기한 두 소재는 전자제품 중 전자레인지, 세탁기, 냉장고와 같은 가전제품의 케이스 등에 주로 이용이 되고 있으며, 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강판은 서로 저항 스폿 용접 또는 저항 프로젝션 용접으로 조립이 되고 있다.

그리고 이들 제품의 내구성과 수명을 향상시키기 위해서는 이 두 이종재의 저항 스폿 용접부의 신뢰성을 향상시키는 것이 필수적이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 저항 스폿 용접부는 너겟(nugget)부(A), 용접 열영향부(HAZ; Heat Affected Zone)(B) 그리고 모재(base metal)부(C) 등 크게 3부분 으로 구분된다.

상기 너겟부(A)는 용접부 모재부(C)가 용융되어 급랭된 부분으로서 용접시 크롬 프리 표면처리 강판의 모재 성분과 페라이트계 스테인리스강판 모재 성분이 서로 섞여서 형성된 부분이다.

일반적으로 탄소강을 섭스트레이트(Substrate)로 해서 아연도금을 하고, 표면처리를 한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강을 저항 스폿 용접할 경우 상기 너겟부(A)에서는 주로 경도가 높은 마르텐사이트(Martensite)로 구성된 조직이 생성되고, 그 결과 경도가 급격히 상승된 너겟부(A)에서는 취성 파단 발생이 용이해져 향후 제품의 내구성 저하 및 수명을 단축시킨다.

이러한 취화된 너겟부(A)의 경도를 저하시켜 인성을 향상시키는 기술이 필수적이다.

이와 같이 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 용접부의 품질은 제품 신뢰도, 수명 향상을 위해 절대적으로 개선이 필요한 요소이다.

하지만, 용접부 품질을 확보하기 위해 새로운 기능의 용접기 혹은 장치를 도입한다거나, 용접조건 및 방법이 너무 복잡하면 경제적, 실용적 측면에서 실제 적용이 어려운 기술일 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 저항 스폿 용접기 이외의 특별한 장치의 추가제작 혹은 실 용접공정 이외의 공정 추가 없이 조건 운용방법만으로 저항 스폿 용접부의 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법은, 크롬 프리 수지를 도포한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강간 이종재의 저항 스폿 용접 방법에 있어서, (a) 1차 용접 전류로 다수회 사이클의 1차 통전을 실시하는 단계와; (b) 다수회 사이클의 휴지 공정을 실시하는 단계와; (c) 상기 1차 통전시보다 일정 이상 높은 2차 용접 전류로 다수회 사이클의 2차 통전을 실시하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법은, 크롬 프리 수지를 도포한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강간 이종재의 저항 스폿 용접 방법에 관한 것으로, 우선, 1차 용접 전류로 다수회 사이클의 1차 통전을 실시한다.(단계 110)

이어서, 다수회 사이클의 휴지 공정을 실시한다.(단계 120)

그리고 상기 1차 통전시보다 일정 이상 높은 2차 용접 전류로 다수회 사이클의 2차 통전을 실시한다.(단계 130)

구체적으로는, 상기 단계 110과 130에서, 상기 1, 2차 통전 사이클은 7∼11 사이클로 실시하고, 상기 단계 120에서의 휴지 공정은 5∼7 사이클로 실시하며, 상기 2차 용접 전류는 1차 통전시보다 0.5∼2.5kA 이상 높은 전류로 통전을 실시한다.

그리고 이때, 상기 크롬 프리 표면처리 강판은 크롬 프리 GI 표면처리 강판을 포함하고, 상기 페라이트계 스테인리스강은 STS430 페라이트계 스테인리스강을 포함한다.

또한 상기 2차 통전을 실시하여 얻어진 저항발열을 이용하여 저항 스폿 용접부의 너겟부를 소둔 열처리하여 이 너겟부의 평균 경도가 350Hv 이하로 된다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은, 7∼11사이클의 1차 통전을 실시한 후, 5∼7사이클의 휴지 공정을 실시하고, 1차 통전시보다 0.5∼2.5kA 이상 높은 전류를 7∼11사이클 통전시키는 것에 의해 달성된다.

그리고 도 2와 비교되는 도 3은 통상의 교류 저항 스폿 용접에서의 용접조건을 설명한 모식도이다.

도 2 및 도 3에서, T1은 가압시간이고, T2는 1차 통전시간이며, T3은 휴지시간이고, T4는 2차 통전시간이며, T5는 유지시간이다.

한편, 일반적인 탄소강을 섭스트레이트로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강판의 이종재 저항 스폿 용접시 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 스테인리스강의 조직은 그 성분에 따라서 도 4의 쉐플러 다이어그램 상에서 설명할 수 있다. 즉, 용접전 페라이트계 스테인리스강의 성분은 A와 같으 며, 조직은 주로 페라이트와 약간의 마르텐사이트를 가지는 조직구성이지만, 용접으로 탄소강과의 용융혼합이 일어나면 그 성분이 A에서 B영역으로 변화하게 된다.

따라서 변화된 성분으로 그 조직을 예상하면, 주로 마르텐사이트 혹은 약간의 페라이트 혼합조직이 될 것이다.

특히, 용접 후 유지시에 급랭 응고가 특징인 저항스폿용접을 실시할 경우 급랭으로 인한 마르텐사이트의 형성이 더욱 용이하게 된다.

이와 같은 너겟부의 마르텐사이트의 형성은 너겟부의 경도를 급격히 상승시키게 되며, 도 5는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접부의 열처리를 하지 않은 경우, 즉 용접한 그대로(As-welded)인 상태의 경도분포를 나타낸 그래프이다.

그리고 너겟부의 경도가 최고 약 380Hv로 상당히 높은 것을 알 수 있으며, 이와 같이 경도가 높은 저항 스폿 용접부는 매우 취화되어 취성 파단 발생이 쉽게 발생될 수 있으며, 이는 제품의 내구성, 수명 저하의 주원인이 된다.

또한 도 6a 및 도 6b는 미열처리 저항 스폿 용접부의 인장시험 후 파단 형상을 확대하여 나타낸 도면(사진)이다. 페라이트계 스테인리스강 모재가 파단되었으며, 너겟부 경계를 따라 취성 파단이 발생한 것을 알 수 있다.

도 6a 및 도 6b에서 도면부호 'D, E'는 취성 파단을 나타내 보인 것이고, 이때 도 6a는 GI재이고, 도 6b는 STS430이다.

이와 같은 문제에 따라 본 발명에서는 적정 용접 전류로 7∼11사이클의 1차 통전을 실시한 후, 5∼7사이클의 휴지 공정을 실시하고, 그리고 1차 통전시보다 0.5∼2.5kA 정도 높은 2차 전류를 7∼11사이클 통전시켰다.

즉, 본 발명을 특징이 되는 조건은, 1차 통전 후 휴지시간 : 5∼7사이클, 2차 통전 시간 : 7∼11사이클, 2차 통전 전류 : 1차 용접전류의 0.5∼2.5kA 증가, 열처리 후 너겟부의 평균경도 : 350Hv이하이다.

또한 본 발명에서는, 1, 2차 통전, 휴지 시간을 위 설정 범위 이상 적용할 경우 용접시간 증가에 의한 생산성 저하가 우려되므로, 슬로프 시간의 효과와 생산성을 고려하여 최적의 시간범위를 제안한다.

그리고 2차 전류가 1차 전류보다 높은 것은 두 이종 모재가 용접되어 합쳐졌기 때문에 미 용접시 발생할 수 있는 저항이 상대적으로 낮아서 1차 전류와 동등 수준 이하의 전류로는 충분한 발열을 얻을 수 없기 때문이며, 이 범위보다 전류가 높을 경우 너겟부가 재 용융, 급랭 응고되어 마르텐사이트의 재생성으로 열처리 효과를 얻을 수 없다.

또한 특정 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강 이종재에 대하여 상기한 조건을 만족하도록 하여 저항 스폿 용접 특성이 향상될 수 있는데, 이를 실시예를 통하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.

실시예

본 발명의 실시예에서는 크롬 프리 GI(용융 아연도금 강판) 표면처리 강판과 STS430 페라이트계 스테인리스강을 사용하였으며, 그 화학성분과 모재의 기계적 성질은 아래의 표 1과 같다.

[표 1]

강종	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Cu	Ti	Nb	두께 (mm)	T.S (kg/mm2)	Y.S (kg/mm2)
GI	0.010	0.002	0.195	0.027	0.014	0.002	0.016	-	0.001	0.6	29	17.4
STS430	0.041	0.24	0.51	16.2	-	0.029	0.010	-	0.008	0.6	47.7	29.4

그리고 용접기는 교류식 저항스폿용접기를 사용하였다.

또한 용접 조건은, 전극 D8 타입, 가압력 230∼259kgf, 가압시간 40사이클, 1차 통전 시간 7사이클, 이후 5사이클의 휴지 후 7∼11사이클의 2차 통전을 가하였으며, 유지 시간을 10사이클이다.

그리고 용접 품질 특성평가는 인장시험 평가하였으며, 인장시험 후 페라이트계 스테인리스강이 아닌 크롬 프리 표면처리 강판이 플러그 타입(Plug type)으로 모재 파단이 일어나고, 그 너겟 사이즈 4t(t:판 두께) 이상 만족해야 한다.

또한 인장강도도 250kgf 이상을 만족해야 하고, 경도 측정은 너겟부 내 10포인트(points) 이상 측정하여 평균을 구하였다.

상기한 바와 같이 본 발명은 아연도금강판의 양면에 크롬 프리 수지를 도포한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강간의 저항 스폿 용접성을 개선시킬 수 있는 용접방법에 관한 것으로, 1차 통전으로 용접을 실시한 후 형성된 경도가 높은 마르텐사이트 조직으로 구성된 너겟부를 2차 통전에 의해 얻어진 저항발열을 이용하여 소둔 열처리하는데 그 특징이 있다.

이로 인해 너겟부의 경도 상승으로 인한 취성 파괴가 방지됨으로써, 너겟부의 인성향상 및 인장강도 증가에 의해 스폿 용접부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

[표 2]

순번	가압력 (kgf)	1차전류 (kA)	통전 시간 (사이클)	휴지 시간 (사이클)	2차전류(kA)	통전 시간 (사이클)	유지 시간 (사이클)	파단 위치	Nugget부 경도 (Hv)	Nugget size (mm)	인장 강도 (kgf)
1	230	6.5	7	5	0	0	10	430	385	-	140
2	230	6.5	7	5	8	7	10	GI	317	5.2	255
3	230	6	11	7	0	0	0	430	384	-	202
4	230	6	11	7	8.5	7	10	GI	321	5.5	268
5	250	6.5	7	5	0	0	0	430	380.1	-	204
6	250	6.5	7	5	5	7	10	GI	386.3	3.3	221
7	250	6.5	7	5	6.5	7	10	GI	386.7	4.5	244
8	250	6.5	7	5	8	7	10	GI	321.7	5.5	275
9	250	6.5	7	5	8.5	7	10	GI	334.7	6.5	283
10	250	6.0	11	6	0	0	0	430	368.0	3.0	193
11	250	6.0	11	6	9.0	7	10	GI	323.8	6.3	282

상기한 표 2로부터 알 수 있듯이, 2차 통전에 의한 소둔 열처리로 너겟부의 경도가 감소되었으며, 그 결과 용접부의 파단 위치가 STS430에서 크롬 프리 GI재로 전환되었으며 인장강도 또한 현저히 개선되었다.

도 7a 및 도 7b는 열처리를 실시한 용접부의 인장시험 후 파단 형상을 나타낸 그림이다. 미열처리 용접부와 달리 크롬 프리 표면처리 강판이 파단되었으며, 페라이트계 스테인리스강의 파단은 발생하지 않았다.

그리고 도 7a는 GI재이고, 도 7b는 STS430이다.

한편, 도 8은 열처리 후 저항 스폿 용접부의 경도분포를 도시한 그래프로, 이 그래프의 조건은 2차 전류가 8.5kA이고, 통전시간은 7사이클이다.

본 발명에 따르면, 1차 통전으로 용접을 실시한 후, 2차 통전을 실시하여 통전에 의해 얻어진 저항발열을 이용하여 너겟부를 소둔 열처리하는데 특징이 있는 것으로, 즉 1차 통전에 의해 형성된 경도가 높은 마르텐사이트 조직으로 구성된 너겟부를 2차 통전을 실시하여 발생된 저항발열을 이용해 경화된 너겟부를 소둔 열처리시킴으로 경도가 저하된다.

따라서 상기 너겟부의 경도 상승으로 인한 취성 파괴가 방지됨으로 너겟부의 인성향상 및 인장강도 증가에 의해 스폿 용접부의 신뢰성을 향상시키게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

용접장치 혹은 용접공정 이외의 공정의 추가 없이 7∼11사이클의 1차 통전을 실시한 후, 5∼7사이클의 휴지 공정을 실시하고, 1차 통전시보다 0.5∼2.5kA 이상 높은 전류를 7∼11사이클 통전시키는 것에 의해 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강 이종재의 저항 스폿 용접부의 현저한 특성 향상을 달성할 수 있다.

그리고 상기한 결과를 바탕으로 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강을 적용한 다양한 제품의 제작시, 비용 절감 및 용접품질 향상을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 최종 제품의 내구성 및 수명 향상을 달성할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

크롬 프리 수지를 도포한 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강간 이종재의 저항 스폿 용접 방법에 있어서,

(a) 1차 용접 전류로 다수회 사이클의 1차 통전을 실시하는 단계와;

(b) 다수회 사이클의 휴지 공정을 실시하는 단계와;

(c) 상기 1차 통전시보다 일정 이상 높은 2차 용접 전류로 다수회 사이클의 2차 통전을 실시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 1, 2차 통전 사이클은 7∼11 사이클로 실시하는 것을 특징으로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 휴지 공정은 5∼7 사이클로 실시하는 것을 특징으로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 2차 용접 전류는 상기 1차 통전시보다 0.5∼2.5kA 이상 높은 전류로 통 전을 실시하는 것을 특징으로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 크롬 프리 표면처리 강판은, 크롬 프리 GI 표면처리 강판을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 페라이트계 스테인리스강은, STS430 페라이트계 스테인리스강을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서,

상기 2차 통전을 실시하는 단계(c)는

상기 2차 통전을 실시하여 얻어진 저항발열을 이용하여 저항 스폿 용접부의 너겟부를 소둔 열처리하는 단계를 더 포함하고,

상기 너겟부의 평균 경도는 350Hv 이하인 크롬 프리 표면처리 강판과 페라이트계 스테인리스강의 저항 스폿 용접 방법.