KR101797136B1 - 저항 용접용 전극 코팅 방법 - Google Patents

저항 용접용 전극 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

저항 용접용 전극 코팅 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 전극 표면에 코팅하기 위한 코팅 소재로서, 금속 분말이 혼합되지 않은 100% 탄화텅스텐(WC) 만으로 이루어진 탄화텅스텐을 준비하는 탄화텅스텐 준비 단계, 상기 탄화텅스텐(WC)을 설정된 평균 입도를 갖는 분말로 형성하는 탄화텅스텐 분말 형성 단계, 및 상기 탄화텅스텐(WC) 분말을 상기 전극 표면에 분말 용융 없이 상온에서 코팅이 가능한 저온 분사(cold spray) 코팅 공정에 의하여 고속으로 분사하여 설정된 코팅 두께로 코팅하는 탄화텅스텐 분말 코팅 단계를 포함한다.

Description

저항 용접용 전극 코팅 방법{COATING METHOD FOR RESISTANCE WELDING ELECTRODES}
본 발명은 저항 용접용 전극 코팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저항 용접(스팟 저항용접, 프로젝션 저항용접 등)시 사용되는 전극의 수명 연장을 위하여 전극에 코팅하는 저항 용접용 전극 코팅 방법에 관한 것이다.
전기 저항 용접은 널리 사용되는 용접 방법으로서, 용접하려고 하는 재료를 서로 접촉시켜 놓고 구리계 합금으로 만들어진 전극을 사용, 두 전극에 전류를 흐르게 하여, 이때 소재에 발생하는 저항열로 접합면의 온도가 높아졌을 때 가압하여 용접을 하게 된다.
일반적으로 사용되고 있는 저항 용접 전극은 우수한 전기전도도와 강도 향상을 위해 구리계 합금(Cu-Cr, Cu-Be, Cu-Cr-Ni계 등)으로 만들어진 전극을 사용하고 있으나 여러 번 용접을 하게 되면 용접시 발생하는 아크열에 의해 구리계 합금으로 이루어진 전극은 마모 및 열화가 필히 수반되며 그로 인해 용접 품질이 급격히 떨어지게 되어, 전극을 교체하거나 전극 표면을 연마하여 재사용하게 된다.
따라서, 전극 수명 저하(전극 교체, 전극 표면 연마 및 재설치 시간 포함)로 인한 생산성이 떨어지게 된다. 특히, 저융점 합금을 포함한 Zn계 도금강판이나 Al계 도금강판 용접시는 저융점 도금 소재가 열발생 부위인 전극과 반응하여 도금층이 전극에 달라붙는 현상으로 인해 전극 수명이 단축되며, 특히 자동차용 강판으로 널리 사용되는 Zn계 합금을 이용한 도금강판 용접시는 전극 수명이 일반 강판 사용시보다 10% 이하로 급격하게 저하하여 문제가 되고 있다. 따라서, 자주 용접을 중단하여 전극을 연마하게 되어 생산성이 저하하고 전극 사용 비용 또한 증대된다.
본 발명은 박판 특히, 도금된 박판을 저항 용접시 전극의 열화를 방지하고 도금층과의 반응을 억제하여 전극 수명 및 용접 품질을 향상하기 위하여 전극 표면에 저온 분사 코팅 공정을 이용하여 탄화텅스텐(WC) 분말을 코팅하는 저항 용접용 전극 코팅 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 전극 표면에 코팅하기 위한 코팅 소재로서, 금속 분말이 혼합되지 않은 100% 탄화텅스텐(WC) 만으로 이루어진 탄화텅스텐을 준비하는 탄화텅스텐 준비 단계,
상기 탄화텅스텐(WC)을 설정된 평균 입도를 갖는 분말로 형성하는 탄화텅스텐 분말 형성 단계, 및
상기 탄화텅스텐(WC) 분말을 상기 전극 표면에 분말 용융 없이 상온에서 코팅이 가능한 저온 분사(cold spray) 코팅 공정에 의하여 고속으로 분사하여 설정된 코팅 두께로 코팅하는 탄화텅스텐 분말 코팅 단계를 포함하는 저항 용접용 전극 코팅 방법이 제공될 수 있다.
상기 탄화텅스텐 분말 형성 단계에서 탄화텅스텐 분말의 평균입도는 1㎛~50㎛의 크기를 가지는 것일 수 있다.
상기 코팅 두께는 10㎛ 내지 100㎛의 크기를 가지는 것일 수 있다.
상기 저항 용접용 전극 코팅 방법에 따라 수득된 저항 용접용 전극을 이용하여 스팟 용접 시, 400타 이상에서 6kN 이상의 용접 강도를 가지는 것일 수 있다.
상기 탄화텅스텐 분말 코팅 단계에서 전극 표면에 코팅을 행한 후, 상기 코팅 표면을 연마하는 코팅 표면 연마 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 전극 수명 증대, 용접 품질 향상 및 전극 연마 주기 연장에 의한 용접 생산성이 증대하며, 또한, 전극 수명 증대로 전극 소비 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 저항 용접용 전극 코팅 방법의 개략적인 구성도이다.
도 2는 비교예 1의 코팅된 전극 표면의 연마 전의 단면 사진이다.
도 3은 비교예 2의 코팅된 전극 표면의 연마 전의 단면 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 발명예 1의 코팅된 전극 표면의 연마 전의 단면 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 저항 용접용 전극 코팅 방법의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 저항 용접용 전극 코팅 방법은, 박판의 저항용접, 특히 Zn, Al 등 도금강판의 저항 용접시 전극의 수명을 증대하기 위한 전극 표면 코팅 방법으로서,
전극 표면에 코팅하기 위한 코팅 소재로서, 금속 분말이 혼합되지 않은 100% 탄화텅스텐(WC) 만으로 이루어진 탄화텅스텐(WC)을 준비하는 탄화텅스텐 준비 단계(S10),
상기 탄화텅스텐(WC)을 설정된 평균 입도를 갖는 분말로 형성하는 탄화텅스텐 분말 형성 단계(S20), 및
상기 탄화텅스텐(WC) 분말을 상기 전극 표면에 고속으로 분사하여 설정된 코팅 두께로 코팅하는 탄화텅스텐 분말 코팅 단계(S30)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄화텅스텐 분말 코팅 단계(320)에서 전극 표면에 코팅을 행한 후, 상기 코팅 표면을 연마하는 코팅 표면 연마 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 탄화텅스텐 준비 단계(S10)에서 상기 코팅 소재로서는 아연(Zn), 알루미늄(Al) 등의 저융점 도금소재와 반응을 최소화하면서, 전기 전도성 및 내마모성이 우수한 탄화텅스텐(WC)을 사용한다.
상기 탄화텅스텐 분말 준비 단계(S20)는 상기 탄화텅스텐을 분쇄기 등에 의하여 분쇄하여 설정된 평균 입도를 갖는 탄화텅스텐 분말로 형성할 수 있다.
적층 효율을 높이기 위해 탄화텅스텐(WC) 분말에 금속 분말(Cu, Ni 등)을 혼합하여 사용할 수 있으나, 하기의 비교예 1, 비교예 2 의 결과에서 알 수 있듯이 금속과 아연(Zn) 등 저융점 도금층과의 반응이 증대하여 도금층이 전극에 부착, 용접 불량으로 전극 수명 증대 효과를 볼 수 없기에 100% 탄화텅스텐(WC) 분말만 사용한다.
상기 탄화텅스텐 분말 준비 단계(S20)에서 상기 탄화텅스텐 분말의 평균입도는 1㎛~50㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기와 같이, 탄화텅스텐 분말의 평균입도를 한정하는 임계적 의의는, 일반적으로 저온분사 코팅 소재의 경우, 1㎛ 이하의 분말은 너무 가볍기에 코팅층이 형성이 되지 않으며, 50㎛ 이상일 경우에는 동일 공정 조건하에서 충분한 속도로 가속되지 못하기 때문에 적층 효율이 저하되기 때문입니다.
따라서, 일반적으로 저온분사 코팅에 사용되는 탄화텅스텐 분말(소재)의 평균입도는 1~50㎛의 크기를 갖는 것이 코팅층 형성과 적층 효율의 관점에서 최적입니다.
상기 탄화텅스텐 분말 코팅 단계(S30)는 코팅 두께 조절이 용이하고 탄화텅스텐(WC)의 탈탄을 방지하기 위하여 분말 용융 없이 상온에서 코팅이 가능한 저온 분사(cold spray) 코팅 공정으로 실행될 수 있다.
상기 전극의 코팅 두께는 10㎛ 내지 100㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기와 같이 코팅의 두께를 이와 같이 설정하는 이유는, 코팅의 두께가 10㎛ 이하에서는 코팅의 효과를 보기가 어려우며, 코팅의 두께가 100㎛ 이상에서는 전기 저항 증대로 인한 용접 불량 및 코팅 박리 가능성이 증대하기 때문이다.
따라서, 상기 전극의 코팅 두께는 10㎛ 내지 100㎛의 크기를 갖는 것이 코팅 효과, 및 전기 저항 증대로 인한 용접 불량 및 코팅 박리 방지의 관점에서 최적입니다.
또한, 상기 코팅 표면 연마 단계(S40)는 연마지 또는 연마기 등으로 코팅 표면을 설정된 표면조도를 갖도록 연마를 행한다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 저항 용접용 전극 코팅 방법의 과정에 대해서 설명한다.
전극 표면에 코팅하기 위한 코팅 소재로서, 금속 분말이 혼합되지 않은 100% 탄화텅스텐(WC) 만으로 이루어진 탄화텅스텐(WC)을 준비하고(S10), 상기 탄화텅스텐의 설정된 평균 입도는, 예컨대 1㎛~50㎛의 크기를 갖는 분말로 형성한다(S20).
여기서, 상기 코팅 소재로서는 아연(Zn), 알루미늄(Al) 등의 저융점 도금소재와 반응을 최소화하면서, 전기 전도성 및 내마모성이 우수한 탄화텅스텐(WC)을 사용한다.
그리고, 상기 탄화텅스텐(WC) 분말을 상기 전극 표면에 고속으로 분사하여 설정된 코팅 두께는 예컨대, 10㎛ 내지 100㎛의 크기로 코팅하는데(S30), 상기 탄화텅스텐 분말 코팅 단계(S30)는 코팅 두께 조절이 용이하고 탄화텅스텐(WC)의 탈탄을 방지하기 위하여 분말 용융 없이 상온에서 코팅이 가능한 저온 분사(cold spray) 코팅 공정으로 실행된다.
그 다음, 상기 탄화텅스텐 분말 코팅 단계(320)에서 전극 표면에 코팅을 행한 후, 상기 코팅 표면을 연마지 또는 연마기 등에 의하여 설정된 표면 조도를 갖도록 연마한다(S40).
(실시예)
[표 1]에서 스팟 용접을 위한 전극 종류를 나타내고 있다. 종래예는 무코팅 전극으로 구리(Cu)계 합금 전극을 그대로 사용한 것이다. 각 코팅에 사용한 소재는 분말의 형태로 사용되었으며, 금속 분말 크기는 5~50㎛ 분말을 사용하였으며, 탄화텅스텐(WC) 분말은 5~10㎛ 크기의 분말을 사용하였다. 전극에 코팅 후 코팅 표면은 600번 연마지로 표면을 연마 후 용접 시험을 실시하였다. 용접에 사용된 강판은 두께 1.2 mm인 아연(Zn) 합금 도금강판이다.
[표 2]에서는 사용된 스팟 용접 조건을 나타내고 있다.
[표 3]에서는 동일 용접 조건에서 용접시 100타점 간격으로 인장시편을 용접하여 인장 강도를 측정한 결과를 보이고 있다.
종래예 전극은 용접 강도가 100타 이후 점점 감소할 뿐만 아니라, 400타점 이후 도금강판이 너무 많이 전극에 부착되고, 이로 인하여 스패터가 너무 많이 발생하여 용접 시험을 중단하였다.
용접 강도에서 비교예 1는 종래예와 비교하여 용접 강도 측면에서 거의 유사한 강도를 보이고, 역시 마찬가지로 300타점 혹은 400타점 이후 너무 많은 스패터 발생으로 용접 시험을 중단하였다.
비교예 2는 종래예와 비교하여 용접 강도가 현저히 떨어지며 도금층과의 반응으로 인해 용접 전극이 도금강판과 붙어서 중단하였다. 반면에 발명예 1 전극은 종래예와 비교하여 500타점까지도 높은 강도를 유지함을 알 수 있고, 도금층과의 반응도 거의 발생하지 않았다.
도 2에서 도 4까지에서는 비교예 1, 비교예 2 및 발명예 1로 구리(Cu) 모재에 코팅한 코팅 단면 사진을 보이고 있다. 저온 분사 코팅 공정 특성상 탄화텅스텐(WC) 분말에 구리(Cu), 니켈(Ni) 금속 분말이 혼합된 코팅층은 금속기지내 탄화텅스텐(WC) 분말이 균일하게 분포되어 있고, 탄화텅스텐(WC) 분말만 사용한 경우는 구리(Cu) 모재보다 상대적으로 Hard한 탄화텅스텐(WC) 입자가 모재에 박히는 형태로 코팅이 형성됨을 알 수 있다.
시험한 스팟 용접 전극 종류
코팅 방법 코팅 소재 코팅 두께
(νm)
종래예 무코팅 - -
비교예 1 저온 분사 WC-80Ni 100
비교예 2 저온 분사 WC-80Cu 60
발명예 1 저온 분사 WC 20
스팟 용접 조건
종류 가압력
(kN)		 전류
(kA)		 통전시간
(ms)		 유지 시간
(ms)
AC 용접기 2.6 10.5 270 40
스팟 용접후 인장 강도 결과
용접 강도
(kN)		 용접 전류
(KA)		 100타 200타 300타 400타 500타
종래예 10.5 8.7
7.3		 7.0
6.3		 2.5
3.1		 3.1
3.2		 불가
비교예 1 10.5 7.9
8.9		 7.8
8.8		 4.9
8.2		 4.9
2.0		 불가
비교예 2 10.5 1.9
0.8		 1.0
1.6		 2.6
0		 불가 -
발명예 1 10.5 9.1
9.4		 9.4
9.3		 7.77
9.31		 9.20
6.01		 7.79
7.90
S10: 탄화텅스텐 준비 단계
S20: 탄화텅스텐 분말 형성 단계
S30: 탄화텅스텐 분말 코팅 단계
S40: 코팅 표면 연마 단계

Claims (5)

  1. 전극 표면에 코팅하기 위한 코팅 소재로서, 금속 분말이 혼합되지 않은 100% 탄화텅스텐(WC) 만으로 이루어진 탄화텅스텐을 준비하는 탄화텅스텐 준비 단계,
    상기 탄화텅스텐(WC)을 설정된 평균 입도를 갖는 분말로 형성하는 탄화텅스텐 분말 형성 단계, 및
    상기 탄화텅스텐(WC) 분말을 상기 전극 표면에 분말 용융 없이 상온에서 코팅이 가능한 저온 분사(cold spray) 코팅 공정에 의하여 고속으로 분사하여 설정된 코팅 두께로 코팅하는 탄화텅스텐 분말 코팅 단계
    를 포함하는 저항 용접용 전극 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화텅스텐 분말 형성 단계에서 탄화텅스텐 분말의 평균입도는 1㎛~50㎛의 크기를 가지는 것인 저항 용접용 전극 코팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 두께는 10㎛ 내지 100㎛의 크기를 가지는 것인 저항 용접용 전극 코팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저항 용접용 코팅 방법에 따라 수득된 저항 용접용 전극을 이용하여 스팟 용접 시, 400타 이상에서 6kN 이상의 용접 강도를 가지는 것인 저항 용접용 전극 코팅 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화텅스텐 분말 코팅 단계에서 전극 표면에 코팅을 행한 후, 상기 코팅 표면을 연마하는 코팅 표면 연마 단계를 포함하는 것인 저항 용접용 전극 코팅 방법.
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