KR101281267B1

KR101281267B1 - 스폿 용접용 전극

Info

Publication number: KR101281267B1
Application number: KR1020087032062A
Authority: KR
Inventors: 신고 무카에; 겐지 오카무라; 슈이치 데라모토; 준 구로베; 히로시 아사다; 쇼우지 이노우에; 시게오 마츠바라
Original assignee: 닛신 세이코 가부시키가이샤; 니혼텅스텐 가부시키가이샤
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2013-07-03
Also published as: EP2027964B1; CN101460279A; US20100193478A1; EP2027964A4; US8471169B2; CN101460279B; EP2027964A1; WO2007142257A1; KR20090023654A

Abstract

Cu 또는 Cu 합금을 전극 본체 (2) 로 하고, 피용접재에 맞닿는 면에 W, Mo, W 기 합금, Mo 기 합금제의 심재 (3) 를 매설한 이중 구조의 전극 (1) 이다. 심재 (3) 에는 소결, 스웨이징, 소둔에 의해 횡단면 평균 입자경 50㎛ 이상, 애스팩트비 1.5 이상의 섬유상 조직이 전극축 방향으로 신장된 W, Mo, W 기 합금, Mo 기 합금이 사용된다. 가열·가압이 반복적으로 가해지는 스폿 용접용 전극의 탈립 손모, 결손을 억제하고, 내구성을 안정적으로 높인 염가의 전극으로서 사용된다.

스폿, 용접, 전극

Description

스폿 용접용 전극{ELECTRODE FOR SPOT WELDING}

본 발명은 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 심재로 하여 Cu 또는 Cu 합금제 주위재에 매립한 이중 구조를 갖는 저항 용접용 전극에 관한 것이다.

자동차, 가전 제품 등의 조립 라인에서는 저항 용접법 중에서도 작업 효율이 높은 스폿 용접법이 다용되고 있고, 대량 생산 라인에서는 연속 스폿 용접이 실시되고 있다. 연속 스폿 용접용 전극은 사용 중에 반복적인 고열, 고부하에 노출되어 형태가 무너지기 쉽기 때문에, 우수한 내변형 저항성이 전극 소재에는 요구된다. 스폿 용접용 전극 본래의 요구 특성인 전기 전도도, 열전도성, 강도, 내마모성이 우수한 것도 필요하다. 그래서, Cu-Cr, Cu-Cr-Zr 등의 Cu 합금이나, Al₂O₃ 등의 경질 물질을 분산시킨 Cu 재가 전극 소재로 사용되고 있다. 그 중에서도 열전도성, 강도, 비용 등의 종합적인 관점에서, Cu-Cr 합금이 다용되고 있다.

그런데, 자동차나 가전 제품 등의 소재로서 내구성 향상을 위해 Zn 도금, Zn합금 도금 등이 실시된 도금 강판이 다용되도록 되어 있다. 냉연 강판의 스폿 용접과 비교하여 대전류를 공급함으로써, 도금 강판을 스폿 용접하고 있기 때문에, 전극 선단부가 더욱 가혹한 조건에 노출된다.

용접 중인 전극 선단에서는 Zn, Al 등의 도금층 성분, 도금 강판의 모재 성분 Fe 와 전극 주성분의 Cu 가 합금화 반응하여, Cu-Zn, Cu-Zn-Al-Fe 등의 금속간 화합물이 쉽게 형성된다. 생성된 금속간 화합물은 용접시의 가압에 의해 박리될 정도로 매우 약하고, 전류 밀도의 저하 원인인 전극 선단의 대직경화를 초래한다.

그 결과, 도금 강판의 용접에서는 보통 강이나 스테인리스강 등의 냉연 강판을 스폿 용접하는 경우와 비교하면, 전극 수명이 짧아진다. 전극의 단수명화는 사용 전극의 개수가 증가 일로에 있는 스폿 용접의 작업성에 큰 악영향을 미친다.

그래서, 본 발명자들은 전극의 고수명화를 목표로, 전극 선단 중앙부에 심재를 매립한 이중 구조의 스폿 용접용 전극을 먼저 제안하고 있다.

특허 문헌 1 의 스폿 용접용 전극에서는 Cu 또는 Cu 합금을 전극 본체로 하고, 전극이 피용접재에 맞닿는 맞닿음면에 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제의 심재를 매립하여, 심재/맞닿음면의 면적비를 0.7 ∼ 3.0 의 범위로 조절하고 있다. 심재에는 2A 족 원소, 4A 족 원소, 5A 족 원소, 6A 족 원소 또는 희토류 원소의 산화물, 질화물, 탄화물 및 붕화물에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 미립자를 0.5 ∼ 10 체적％ 의 비율로 분산시켜도 된다.

특허 문헌 2 의 스폿 용접용 전극은 Mg 함유 Zn 계 합금 도금 강판을 스폿 용접하기 위해서 개발된 이중 구조 전극으로, Be, Mg, Ca, Sr, Ti, Zr, Y, Ce 의 산화물에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 미립자를 0.5 ∼ 10 체적％ 의 비율로 분산시킨 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 심재로 사용하고 있다.

특허 문헌 3 의 스폿 용접용 전극에서도, 이중 구조의 심재에 2A 족 원소, 4A 족 원소, 5A 족 원소, 6A 족 원소, 희토류 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 화합물로 융점 2400℃ 이상, 평균 입자경 2㎛ 이하의 미립자를 합계 0.5 ∼ 10 체적％ 의 비율로 분산시킨 W 기 합금을 사용하고 있다.

어느 전극도, 고온하에서도 비교적 고강도 (고경도) 를 유지하고, 도금 금속과 합금화 반응하기 어려운 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금의 심재를 Cu 또는 Cu 합금제의 전극 본체에 매설한 이중 구조를 갖는다. W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제 심재도 매설에 의해 일정 면적의 통전로를 확보하기 쉽기 때문에, 용접 전류 밀도의 저하가 억제되어, 전극의 장기 수명화가 도모된다.

본래 경질 재료인 W 나 Mo 는 스폿 용접할 때에 전극 가압시의 충격에 의해 크랙이 발생하여 파손되기 쉽다는 것이 결점이라고 생각되었으나, 첨가 미립자에 의한 전위의 핀 고정 작용에 의해 크랙의 발생·전파 등을 억제할 수 있다. 미립자 첨가에 의해, 심재가 부분적으로 크게 결락되는 일이 없어져, 통전로의 확대가 억제되어 거의 일정한 너깃 직경이 얻어지게 된다. 이와 같은 효과에 의해, 종래의 Cu 합금제 전극과 비교하여 대폭 전극 수명이 개선된다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2006-15349호

특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2006-95549호

특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2006-102775호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, 이중 구조의 전극이라도 통전 전류를 크게 하여 발열량을 증가시키는 용접 조건하에서는 긴 수명이 안정적으로 얻어지지 않는 경우가 있다. 경우 에 따라서는 10000 타점에 미치지 못하는 단계에서, 전극 선단면에 탈립 손모 (脫粒損耗), 결손이 발생하여 전극 수명이 다하는 경우도 있다. 즉, 고속 대량 생산을 목표로 한 스폿 용접 라인에서는 여전히 안정감이 충분하다고는 할 수 없고, 고빈도의 전극 교환이 어쩔 수 없이 이루어져 생산성 저하, 제조 비용 상승의 원인이 되고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해소하기 위하여 고안된 것으로, 가열, 가압이 반복적으로 가해지는 스폿 용접용 전극으로서, 전극 선단면의 탈립 손모, 결손을 억제하고, 내구성을 안정적으로 높인 W 또는 Mo 계 심재를 매립한 스폿 용접용 전극을 염가로 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명의 스폿 용접용 전극은 상기 목적을 달성하기 위해, Cu 또는 Cu 합금을 전극 본체 (주위재) 로 하고, 전극 본체가 피용접재에 맞닿는 면에 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제의 심재를 매설한 이중 구조를 가지고 있다. 심재가 되는 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금은 횡단면 평균 입자경 50㎛ 이상이고 애스팩트비가 1.5 이상이 되도록 전극축 방향으로 신장된 조직을 가지고 있다. 특히 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 소결, 스웨이징하고, 이어서 소둔함으로써 섬유상 조직을 갖춘 재료가 바람직하다.

W, W 기 합금에서는 상온의 경도가 HV300 ∼ 430 의 범위에 있는 것이 바람직하고, Mo, Mo 기 합금에서는 상온의 경도가 HV180 ∼ 260 의 범위에 있는 것이 바람직하다.

W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금에는 2A 족 원소, 4A 족 원소, 5A 족 원소, 6A 족 원소, 희토류 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 미립자를 분산시켜도 된다. 미립자를 분산시키는 경우, 바람직하게는 평균 입자경 2㎛ 이하의 미립자를 합계 0.5 ∼ 10 질량％ 의 비율로 분산시킨다.

전극 본체가 피용접재에 맞닿는 맞닿음면에 상기 심재를 심재/맞닿음면의 면적비가 0.7 ∼ 3.0 이 되도록 매설하는 것이 바람직하다.

W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제의 심재를 매설함으로써, 도금 금속과의 반응성이나 통전로의 확대 억제 등, 전극 수명이 개선되는데, 개선 효과는 스폿 용접용 전극에 한정되지 않고 다른 저항 용접법에서도 동일하다.

발명의 효과

이중 전극의 심재는 바람직하게는 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 통전 소결, 스웨이징을 거쳐 소정 형상으로 성형한 후, 열처리를 실시함으로써 제조된다. 열처리는 스웨이징시에 도입된 잔류 응력을 제거·개방할 뿐만 아니라, 섬유상 조직의 결정립의 애스팩트비를 비교적 작게 하고, 횡단면 평균 입자경을 비교적 크게 하는 작용을 나타낸다. 열처리로 잔류 응력을 제거·개방하여 섬유상 조직을 개질시킴으로써, 안정적인 내구성이 스폿 용접용 전극에 부여된다.

도 1 은 이중 구조의 매립형 전극의 구조를 설명하는 도면이다.

도 2 는 종래의 전극에 있어서의 심재 선단부의 손모 상황을 설명하는 모식도이다.

도 3 은 본 발명 전극에 있어서의 심재 선단부의 손모 상황을 설명하는 모식도이다.

도 4 는 본 발명 전극에 있어서의 심재와 맞닿음면의 관계를 설명하는 도면이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명자들은 Cu 합금제 전극 본체 (주위재) (2) 에 W 의 심재 (3) 를 매설한 이중 전극 (1) (도 1) 을 사용하여 스폿 용접할 때, 전극 선단에 발생하는 손모, 결손의 발생 원인과 그 대책에 대해 여러 가지 검토를 거듭하였다.

용접시의 전극 선단의 손모 상황을 관찰하면, 심재 (3) 의 선단에서는 선단면으로부터 전극축 방향으로 연장된 크랙 c₁ 이 직경 방향으로 전파된 크랙 c₂ 와 연결됨으로써, 선단면의 입자가 탈락되어 결손되어 간다 (도 2).

심재 (3) 에 사용되는 W 봉은 통상적으로 통전 소결, 스웨이징에 의해 제조되고 있고, 미세한 섬유상 조직을 가지고 있다. 게다가, 제조 공정에서 강 (强) 가공을 받고 있기 때문에 가공 잔류 응력이 존재하여, 매우 경질화되어 있다. 경질화된 상태의 W 봉을 심재 (3) 에 사용하면, 용접시의 가열·가압에 의해 전극 선단에 반복적으로 응력이 가해지고, 제조 공정의 잔류 응력과 함께 용접의 초기 단계부터 크랙이 발생되어, 크랙이 서서히 전파되는 것이라고 추측된다.

전극 선단의 손모, 결손 억제에는 크랙 c₁, c₂ 의 전파, 연결을 억제하는 것이 필요하다. 그래서, 스웨이징에 의해 만든 섬유상 조직을 소둔 (열처리) 에 의해 크랙 c₁, c₂ 의 연결 억제에 유효한 조직으로 개질하여, 잔류 응력의 제거로 크랙의 발생 자체를 억제한다. 섬유상 조직, 잔류 응력이 크랙의 발생·전파에 미치는 영향은 W 제에 한정하지 않고 Mo 제, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 심재로 하는 이중 전극에서도 동일하다.

스웨이징에 의해 생성되는 섬유상 조직은 전극축 방향을 따른 크랙의 전파를 우선시하여 직경 방향에 대한 전파를 규제한다. 그리고, 스웨이징 후의 소둔에 의해 횡단면 평균 입자경 50㎛ 이상, 애스팩트비 1.5 이상의 섬유상 조직으로 개질시키면, 직경 방향 크랙 c₂ 이 적어져, 전극축 방향으로 연장된 크랙 c₁ 과 직경 방향 크랙 c₂ 의 연결 기회가 적어진다 (도 3).

금속 재료의 잔류 응력은 통상적으로 소둔 등의 열처리에 의해 제거되고 있다. 스폿 용접용 이중 전극의 심재에 사용되는 W 봉에 있어서도, 강 가공 후의 소둔에 의해 잔류 응력을 제거한 봉재를 소재로 하면, 용접의 초기 단계부터 발생되는 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 실제, 소둔된 W 봉을 심재로 사용한 전극에서는 크랙의 발생이 적어진다 (도 3).

잔류 응력량은 상온 경도로부터 대략 추정할 수 있다. 예를 들어, 강 가공의 스웨이징이 실시된 W 봉 단면의 상온 경도는 통상 HV450 정도이지만, 충분히 소둔시킨 후에는 HV300 약 정도로 내려가 있다.

적정한 소둔 상태를 나타내는 경도에 대한 상세한 설명은 후술하는 실시예에 나타내는데, 용접의 초기 단계부터 생기는 크랙의 발생을 억제하고, 또한 이중 전극의 심재로서 그 선단 형상을 유지하려면, W, W 기 합금에서는 HV300 ∼ 430 의 범위로 조질해 두는 것이 바람직하다. HV430 를 초과하면, 잔류 응력의 저감이 불충분하고, 비교적 초기 단계부터의 이중 전극의 심재 선단에 크랙이 발생할 우려가 있다. 반대로 HV300 를 하회할 정도까지 소둔시키면, 전극으로서 사용 중에 선단 직경이 확대되어, 비교적 단시간에 전극 수명이 다하게 된다.

Mo, Mo 기 합금을 이중 전극의 심재로 했을 경우에는 동일한 이유에 의해 바람직하게는 HV180 ∼ 260 의 범위로 조질한다. 경도 이외의 요구 특성도 W, W 기 합금을 심재로 사용한 예에서 연역할 수 있다.

이중 전극의 심재 선단이 용접시에 손모되는 것에는 가공 잔류 응력에 더하여, 심재 선단 표면의 결정립의 분포 상황 (금속 조직) 도 큰 영향을 미치고 있다.

스웨이징에 의해 금속 조직을 섬유상 조직으로 하는 것은 탈립 억제에 유효한 수직 방향 (전극축 방향) 으로 크랙 c₁ 의 전파 방향을 향하게 하는데, 큰 가공 잔류 응력에서 기인하는 폐해를 초래한다. 가공 잔류 응력을 소둔으로 제거하 면, 섬유상 조직에서 유래하는 탈립 억제 작용을 유감없이 발휘할 수 있다. 그러나, 섬유상 조직이 완전하게 소멸되어 입상 조직이 될 때까지 소둔시키면, 직경 방향의 크랙 c₂ 전파에 의해 탈립이 쉽게 발생되어, 심재 선단의 손모가 커진다. 소둔에 수반하여 결정립도 커지기 때문에, 적정한 소둔 상태가 얻어지도록 열처리 조건을 설정할 필요가 있다.

소둔 후의 적정한 조직 상태에 대한 상세한 설명은 후술하는 실시예에 나타내는데, 심재의 손모·결손을 억제하기 위해서는 섬유상 조직을 유지한 입자의 장경/단경비, 이른바 애스팩트비가 1.5 이상으로서, 각각 입자의 횡단면 평균 직경이 50㎛ 이상인 것이 필요하다. 애스팩트비가 1.5 에 미치지 못하면 심재 선단에서 탈립이 쉽게 발생되게 된다. 횡단면 평균 입자경이 50㎛ 에 미치지 못하면 입자가 탈락되기 쉬워지거나 전기 저항이 커져 심재의 손모가 심해진다. 횡단면 평균 입자경은 전극 심재의 직경 방향 단면을 관찰한 현미경 화상으로부터 구할 수 있다.

입계는 입계를 사이에 두고 인접하는 원자 간의 결합 강도가 약한 부분으로, 결정립 직경이 작아지면 입계 면적이 증가하여 입자가 쉽게 탈락한다. 특히, W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금의 경우, 횡단면 평균 입자경 50㎛ 미만에서 결정립 직경의 영향이 현저해져, 충격에 의해 입자가 쉽게 탈락하여, 전기 저항이 커진다. 따라서, 횡단면 평균 입자경은 50㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 이상적으로는 입계가 없는 단결정이 바람직하다.

가열하면서 스웨이징함으로써 심재를 제조하는 경우, 가공 온도를 재결정 온도 이상으로 소결 온도 정도가 될 때까지 높게 하고, 동일한 정도로 가열한 스웨이징 지그를 사용하는 것이 바람직하다. 고온 유지에 의해 W 또는 Mo 가 입 (粒) 성장하여, W 또는 Mo 입자의 횡단면 평균 입자경이 커진다. 그러나, 소결 온도에 가까운 고온의 스웨이징은 실제 작업상 곤란하고, W 또는 Mo 입자의 횡단면 평균 입자경도 3㎜ 가 한계이다. 비용면을 중시하면, 비교적 낮은 가공 온도에서 횡단면 평균 입자경이 300㎛ 정도를 상한으로 하는 것이 현실적이다.

W 또는 Mo 는 체심 입방 격자의 결정 구조를 가지고, 원래 전성 (展性)·연성이 없는 취성 재료로, 소성 가공하기 어렵다. 취성-연성 천이 온도 (약 400℃) 를 초과하는 온도에서 가공해도 W 또는 Mo 입자가 완전히 신장되지 않고, 도중에 절단되어 애스팩트비가 50 이 될 때까지밖에 가공할 수 없다. 이 점에서도 가공 온도를 낮게 설정하고, 애스팩트비 20 정도를 상한으로 하는 것이 현실적이다.

W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제의 심재를 매설한 이중 전극을 사용하여 도금 강판을 스폿 용접하면 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금이 도금 금속과 합금화 반응하는 경우가 있다. 합금화 반응이 진행되면 심재의 선단 형상이 붕괴되어 결과적으로 전극 수명이 짧아진다.

도금 금속과의 합금화 반응은 2A 족 원소, 4A 족 원소, 5A 족 원소, 6A 족 원소, 희토류 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 미립자를 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금에 분산시킴으로써 억제할 수 있다. 이들의 미립자는 Al 나 Zn 와의 반응성이 부족하여, 도금 금속에 대한 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제 심재의 젖음성을 저하시켜 심재와 도금 금속의 합금화 반응을 억제하는 작용을 나타낸다.

미립자의 분산은 심재에 발생하기 쉬운 미세 균열을 억제하는데 있어서도 유효하다. 즉, 심재가 충격을 받았을 때에 균열의 전파가 미립자에 의해 핀에 고정되기 때문에, 결과적으로 내균열성, 내충격성이 개선된다. 미립자는 2㎛ 이하의 입경을 가지는 것이 바람직하다. 2㎛ 를 초과하는 입경에서는 매트릭스/미립자 간의 열팽창 차이에서 기인하여 미립자가 파괴의 기점이 될 우려가 있다.

미립자의 첨가 효과는 분산량 0.5 질량％ 이상에서 나타나지만, 10 질량％ 를 초과하는 과잉 분산은 전기 전도성을 대폭 저하시켜, 심재 선단에서의 도금 금속의 퇴적량 증가를 초래한다. 그 결과, 전극/피용접재 간의 전기 저항이 높아져 피용접재에 충분한 용접 전류를 공급하기 어려워지기 때문에, 안정적인 연속 스폿 용접의 계속이 곤란해진다.

본 발명의 전극 본체 및 심재에 있어서의 심재/맞닿음면의 면적비, 즉 도 4 에 나타내는 바와 같은 이중 구조의 전극 (1) 에 있어서, 주위재 (2) 에 매립한 심재 (3) 의 직경 b 로 나타내는 면적의, 직경 a 로 나타내는 피용접재와의 맞닿음면 (2a) 에 대한 면적비를 0.7 ∼ 3.0 으로 하는 것이 바람직하다. 1.0 을 초과한다는 것은 맞닿음면 (2a) 의 직경 a 보다 굵은 직경 b 의 심재 (3) 를 사용하여 심재 (3) 를 포함하여 전극 선단을 연삭하고, 맞닿음면이 심재 (3) 만으로 이루어지 도록 선단 형상으로 정렬하는 것을 의미하고 있다.

주위재로 사용하는 Cu 또는 Cu 합금은 심재로 사용하는 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금보다 합금화 반응성을 일으키기 쉽다. 따라서, 심재 직경 b 가 맞닿음면의 직경 a 보다 크면 주위재인 Cu 가 도금 금속과 접촉하지 않고, Cu 와 도금 금속 사이에서 합금화 반응을 일으키지는 않는다. 맞닿음면의 면적보다 30％ 정도까지 작은 심재 면적이면, 주위재는 도금 금속과 접촉하지만, 접촉 면적이 적기 때문에, 주위재와 도금 금속의 합금화에 의한 변형이 확경을 일으킬 때까지는 이르지 않고, 전극 전체로서 그 선단부 형상을 변형시키는 것은 되지 않는다.

단, 3.0 을 초과하는 면적비로 하면, 주위재에 의한 심재의 냉각 작용이 매우 작아져, 심재 표면에 도금 금속이 많이 퇴적되어 전극과 피용접재의 전기 저항이 지나치게 높아져 너깃이 형성되기 어려워진다. 또한, 더욱 바람직한 범위는 1.0 ∼ 2.0 이다.

이어서, 이중 구조를 갖는 스폿 용접용 전극의 제조 방법을 설명한다.

심재용의 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금은 소결법, 바람직하게는 통전 소결법에 의해 제조된다. 통전 소결용의 원료에는 10 ∼ 200ppm 정도의 K (칼륨) 을 산화물, 질화물, 금속, 탄화물 혹은 붕화물의 형태로 W 나 Mo 로 도프한 것이 다용 되고 있고, 본 명세서에서도 K 도프한 W 나 Mo 를 포함하는 의미로 "W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금" 을 사용한다.

필요에 따라 미립자를 첨가한 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금의 산화물 분말이나 금속 분말을 환원 분위기에서 열처리하고, 열처리 후의 분말을 적절한 형 상으로 성형하여, 예비 소결, 통전 소결한다. 이어서, 소결체를 봉 형상으로 스웨이징하여 소둔시킨다.

가열을 수반하는 스웨이징에 의해 심재를 제조하는 경우, 횡단면 평균 입자경을 50㎛ 이상으로 하려면, 예를 들어

·최초의 스웨이징 공정에서 횡단면 평균 입자경을 50㎛ 근방까지 입성장시키고, 이어지는 재결정 온도 이상에서의 열처리에 의해 횡단면 평균 입자경을 50㎛ 이상으로 하는 방법,

·스웨이징에서는 입성장이 충분하지 않더라도, 후공정의 열처리로 입성장시켜 횡단면 평균 입자경을 50㎛ 이상으로 하는 방법

등이 있다. 재결정화 에너지를 부여하기 위한 온도, 압력, 시간의 요소가 효과가 있기 때문에, 필요 입경을 얻는 효과적인 입성장에는 HIP (열간 정수압) 를 스웨이징 공정 전후에 넣는 것이 바람직하다.

애스팩트비 1.5 이상은 스웨이징 공정에서 적어도 연성-취성 천이 온도 (약 400℃) 이상으로 재료를 가열하고, 취성 파괴가 일어나지 않을 정도의 가공 압력을 가해 몇차례의 가공을 반복함으로써 달성할 수 있다.

스웨이징에 의해 도입된 가공 잔류 응력은 소둔에 의해 개방·제거되는데, W, W 기 합금에서는 비산화성 분위기 중 1400 ∼ 3000℃ × 1 초 ∼ 1 시간, Mo, Mo 기 합금에서는 비산화성 분위기 중 980 ∼ 2100℃ × 1 초 ∼ 1 시간의 열처리 조건이 바람직하다. 처리 온도와 처리 시간의 밸런스는 심재의 애스팩트비, 횡단면 평균 입자경을 규정치 범위로 유지하는데 있어서도 유효하다.

처리 온도가 지나치게 낮거나 또는 처리 시간이 지나치게 짧으면, 스웨이징시에 도입된 가공 잔류 응력의 개방이 불충분하여, 사용시에 전극 선단면에서의 탈립을 피할 수 없어, 전극 수명을 짧게 한다. 또한, 애스팩트비는 1.5 이상이 유지되지만, 재결정이 진행되기 어렵기 때문에 50㎛ 이상의 횡단면 평균 입자경을 달성할 수 없다.

반대로 지나치게 높은 처리 온도나 지나치게 긴 처리 시간에서는 스웨이징시에 도입된 섬유상 조직의 재결정이 과도하게 진행하기 쉽다. 그 결과, 애스팩트비가 지나치게 작아지고, 횡단면 평균 입자경도 지나치게 커지기 때문에, 오히려 경도가 저하되어 전극 수명을 짧게 한다.

소둔 후의 봉 형상 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 소정 길이로 절단하여, 이중 전극의 심재를 제작한다.

이중 전극을 둘러싸는 주위재에는 통상적인 순 Cu, Cu-Cr 합금, Cu-Cr-Zr 합금 등이 사용된다.

Cu 또는 Cu 합금제의 주위재에 대한 심재의 매립에는 여러 가지 방법을 채용할 수 있다.

예를 들어,

·주위재에 뚫은 구멍에 심재를 압입하는 방법

·납재를 통해 심재를 주위재에 꽂는 방법

·가열 팽창시켜 심재를 주위재에 매립하는 방법

·심재를 주조하여 주위재를 냉간 단조하는 방법

심재와 주위재가 조밀하게 접합하고 있는 한, 심재/주위재의 계면 저항은 전기 전도, 열 전도에 악영향을 미치지 않는다.

이중 구조의 전극 구조체를 형성한 후, 선단을 절삭 가공 또는 연삭 가공하여, DR 형상 등, 필요 형상으로 정형한다.

이어서, 도면을 참조하면서, 실시예로 본 발명을 구체적으로 설명한다.

실시예 1

선단 직경 6㎜, 전체 직경 16㎜ 의 DR 형이고, 선단 직경 6㎜ 의 부분에 곡률 반경 40㎜ 인 원호, 다른 부분에 곡률 반경 8㎜ 인 원호를 부여한 이중 구조의 스폿 용접용 전극을 다음의 공정에서 준비하였다.

순도 99.95％ 의 W 분말을 통전 소결시킨 후, 스웨이징, 센터리스 연마에 의해 직경 6㎜ 의 봉재로 하고, 비산화성 분위기 중 1400 ∼ 3000℃ × 1 초 ∼ 1 시간의 범위에서 열처리 조건을 다양하게 변경한 소둔에 의해, 조직, 경도가 상이한 복수의 심재 (3) 를 제작하였다. 얻어진 심재 (3) 를 순 Cu 제의 주위재 (2) 에 매립하여, 스폿 용접용 전극으로 하였다.

편면당 부착량 60g/㎡, 판두께 0.7㎜ 의 Zn-6％Al-3％Mg 도금 강판을 피용접재로 하여 제작된 스폿 용접용 전극을 사용하여 표 1 에 나타내는 조건의 연속 타점으로 2 장의 피용접재를 스폿 용접하였다. 형성된 너깃 직경을 측정하고, 너깃 직경이 4√t = 3.35 (t 는 판두께) 를 하회하는 시점을 전극 수명으로 하여, 전극 수명과 심재의 애스팩트비, 횡단면 평균 입자경, 상온 경도의 관계를 구하였다.

연속 타점 시험 조건

초기 가압 시간	35 사이클
통전 시간	12 사이클
유지 시간	1 사이클
가압력	1.5 kN
용접 시간	2 초/타 (20 타점 후 20 초 휴지)
냉각수량	상하 전극 모두 3 리터/분
전극 접촉면	박 (薄) 부착량면
용접 전류	초기 너깃 직경 4.5㎜ 의 용접 전류

표 2 로부터 명확한 바와 같이, 열처리 조건이 적절하고, 심재의 애스팩트비 1.5 이상, 횡단면 평균 직경 50㎛ 이상인 W 를 심재로 한 전극에서는 아무 문제없이, 10000 타점을 초과하는 스폿 용접이 가능하였다. 또한, 표 2 의 가장 마지막 란은 스웨이징, 센터리스 연마되었으나, 소둔되어 있지 않은 비교예를 나타낸다.

한편, 지나치게 낮은 온도 또는 지나치게 짧은 시간에 소둔된 심재 (3) 는 애스팩트비 1.5 이상을 유지하지만, 횡단면 평균 입자경을 50㎛ 이상으로 할 수 없고, 이와 같은 심재를 매립한 이중 전극에서는 선단면에서 탈립이 일어나, 10000 타점까지의 스폿 용접은 실시할 수 없었다. 반대로 지나치게 높은 처리 온도나 지나치게 긴 처리 시간에서는 애스팩트비가 지나치게 작아지거나 횡단면 평균 입자경이 지나치게 커지는 경향이 나타나고, 이와 같은 심재를 사용하면 경도가 낮아져 심재의 변형이 커져, 원하는 전극 수명은 얻어지지 않았다.

또한, 본 실시예에서는 원기둥 형상의 심재를 사용하였으나, 각기둥 형상, 다각기둥 형상의 심재로도 동일한 결과가 되었다.

실시예 2

실시예 1 과 동일한 사이즈, 형상의 Mo 제 심재 (3) 를 매립한 이중 구조의 스폿 용접용 전극을 다음의 공정에서 준비하였다.

순도 99.95％ 의 Mo 분말을 통전 소결시킨 후, 스웨이징, 센터리스 연마로 직경 6㎜ 로 하고, 비산화성 분위기 중 980 ∼ 2100℃ × 1 초 ∼ 1 시간의 범위에서 열처리 조건을 다양하게 변경한 소둔을 실시하여, 조직이 상이한 복수의 심재 (3) 를 제작하였다. 심재 (3) 를 순 Cu 제의 주위재 (2) 에 매립하여, 스폿 용접용 전극으로 하였다.

그리고, 실시예 1 과 동일한 Zn-Al-Mg 합금 도금 강판을 피용접재로 하고, 표 1 의 조건하의 연속 타점으로 스폿 용접하여, 실시예 1 과 동일하게 전극 수명을 평가하였다. 평가 결과를 표 3 에 나타낸다. 또한, 표 3 의 가장 마지막 란은 스웨이징, 센터리스 연마하였으나, 소둔하지 않은 심재를 매립한 이중 전극으로 스폿 용접했을 때의 결과 (비교예) 이다.

표 3 으로부터 명확한 바와 같이, 열처리 조건이 적절하고, 심재의 애스팩드비 1.5 이상, 횡단면 평균 직경 50㎛ 이상인 Mo 제 심재를 매립한 전극에서는 아무 문제없이 10000 타점을 초과하는 스폿 용접이 가능하였다.

한편, 지나치게 낮은 온도 또는 지나치게 짧은 시간에 소둔한 심재에서는 1.5 이상의 애스팩트비가 유지되지만, 횡단면 평균 입자경을 50㎛ 이상으로 할 수 없고, 전극 선단면에서 탈립이 일어나, 10000 타점까지의 스폿 용접은 실시할 수 없었다. 반대로 지나치게 높은 온도 또는 지나치게 긴 시간에 소둔하면, 애스팩트비가 지나치게 작아 지거나 횡단면 평균 입자경이 지나치게 커지는 경향이 나타나고, 이와 같은 심재를 매립한 이중 전극을 스폿 용접에 사용하면, 저경도이기 때문에 심재의 형태 붕괴가 커져, 원하는 전극 수명이 얻어지지 않았다.

본 실시예에서도 원기둥 형상의 심재를 사용하였으나, 각기둥 형상, 다각기둥 형상의 심재로도 동일한 결과가 얻어졌다.

실시예 3

입자경 0.5㎛ 의 CeO₂ 분말을 다양한 배합 비율로 분산시킨 W 를 심재로 하여, 전극 수명에 영향을 미치는 Ce0₂ 분말의 함유량의 영향을 조사하였다.

심재에 CeO₂ 분말을 함유시킨 것 이외에는 실시예 1 과 동일하고, 심재의 열처리를 1600℃ × 30 분의 조건으로 하여, 애스팩트비 1.7, 횡단면 평균 직경 100㎛, 상온 경도 HV380 을 심재 특성으로 하였다.

표 4 로부터 명확한 바와 같이, CeO₂ 분말의 함유량이 0.5 ∼ 10 질량％ 인 조건에서는 10000 타점 이상의 전극 수명으로 개선 효과가 나타났다.

이에 반해, CeO₂ 분말 함유량이 0.5 질량％ 미만에서도 애스팩트비와 횡단면 입자경의 효과로 전극 수명은 10000 타점 이상이 되었지만, 심재 선단에는 비교적 많은 도금 금속이 퇴적되었다. 반대로, CeO₂ 분말 함유량이 10 질량％ 를 초과하면 수명 개선 작용이 소실되었다. 이것은 전극 선단에 대한 도금 금속의 퇴적량이 많아지고, 전극/피용접재의 접촉 전기 저항이 높아져 너깃 형성이 불충분해지기 때문이라고 예측된다.

실시예 4

입자경과 재질을 다양하게 변경한 미립자를 1 질량％ 분산시킨 W 를 심재로 하는 스폿 용접용 전극의 전극 수명을 조사하였다.

심재의 특성 및 용접 조건은 실시예 3 과 동일하다.

표 5 에 나타내는 결과로부터 알 수 있듯이, 입자경 2㎛ 이하의 미립자를 W 에 분산시켰을 경우, 전극 수명이 대폭 늘어났다. 전극 수명의 개선은 2A 족 원소, 4A 족 원소, 5A 족 원소, 6A 족 원소 또는 희토류 원소의 화합물인 한, 미립자의 종류에 구애받지 않고 유효하였다.

또한, CeO₂ 미립자의 입자경을 0.5 ∼ 3㎛ 로 변경한 경우, 입자경이 2㎛ 이하로 전극 수명의 개선 효과가 나타났다.

실시예 5

W 제 심재의 심재 직경을 다양하게 변경하여, 전극 수명에 영향을 미치는 심재/맞닿음면의 면적비의 영향을 조사하였다.

심재 직경을 다양하게 변경한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 조건이고, 심재의 열처리를 1600℃ × 30 분의 조건으로 하여, 애스팩트비가 1.7, 횡단면 평균 직경이 100㎛, 상온 경도가 HV380 인 심재 특성으로 하였다.

표 6 에 나타내는 결과로부터 알 수 있듯이, 심재/맞닿음면의 면적비를 0.7 ∼ 3.0 이 되도록 매설한 전극에서는 전극 선단 형상의 형상 변화가 적고, 10000 타점을 초과하는 스폿 용접을 실시할 수 있었다.

실시예 6

입자경 0.5㎛ 의 CeO₂ 분말을 1 질량％ 로 분산시킨 W 를 심재로 하여, 전극 수명에 영향을 미치는 심재/맞닿음면의 면적비의 영향을 조사하였다.

심재에 CeO₂ 분말을 함유시킨 것 이외에는 실시예 5 의 조건과 동일하다.

표 7 에 나타내는 결과로부터 알 수 있듯이, 심재에 미립자를 함유시킨 경우에도, 심재/맞닿음면의 면적비를 0.7 ∼ 3.0 이 되도록 매설한 전극에서는 전극 선단 형상의 형상 변화가 적고, 10000 타점을 초과하는 스폿 용접을 실시할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 스폿 용접용 전극은 횡단면 평균 입자경 50㎛ 이상, 애스팩트비 1.5 이상의 섬유상 집합 조직을 갖는 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 심재로 하여 Cu 또는 Cu 합금제 주위재에 매립한 이중 구조를 가지고 있다. 섬유상 집합 조직이기 때문에 크랙의 전파 방향이 전극축 방향으로 규제되고, 전극 선단면에서의 탈립이 억제되기 때문에, 연속 타점이 10000 타점을 초과하여도 충분한 사이즈의 너깃를 형성할 수 있어 긴 수명의 전극으로서 사용된다.

Claims

Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 전극 본체와, 전극 본체가 피용접재에 맞닿는 맞닿음면에 매설된 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금제의 심재를 구비한 이중 구조를 갖고, 심재의 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금은 횡단면 평균 입자경 50㎛ 이상, 애스팩트비 1.5 이상이 되도록 전극축 방향으로 신장된 섬유상 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 스폿 용접용 전극.
제 1 항에 있어서,

W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금에 스웨이징으로 만들어진 섬유상 조직이 소둔에 의해 횡단면 평균 입자경 50㎛ 이상, 애스팩트비 1.5 이상으로 조정되어 있는 스폿 용접용 전극.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

심재가 상온 경도 HV300 ∼ 430 의 W 또는 W 기 합금으로 이루어지는 스폿 용접용 전극.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

심재가 상온 경도 HV180 ∼ 260 인 Mo 또는 Mo 기 합금으로 이루어지는 스폿 용접용 전극.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

2A 족 원소, 4A 족 원소, 5A 족 원소, 6A 족 원소, 희토류 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 미립자가 0.5 ∼ 10 질량％ 의 비율로 분산되어 있는 W, Mo, W 기 합금 또는 Mo 기 합금을 심재로 하는 스폿 용접용 전극.
제 5 항에 있어서,

평균 입자경 2㎛ 이하의 미립자가 심재에 분산되어 있는 스폿 용접용 전극.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 맞닿음면에 상기 심재를 심재/맞닿음면의 면적비가 0.7 ∼ 3.0 이 되도록 매설한 것을 특징으로 하는 스폿 용접용 전극.