KR101974590B1

KR101974590B1 - 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극

Info

Publication number: KR101974590B1
Application number: KR1020170169653A
Authority: KR
Inventors: 지창욱; 이덕현; 김재훈; 박영도; 김억수
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-05-02

Abstract

본 발명은 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극에 관한 것으로, 전극본체와, 상기 전극본체의 표면에 탄소 나노소재를 이용하여 코팅된 박막층를 포함함으로써, 알루미늄 판재와 용접 전극의 반응을 억제할 수 있고, 이를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극{RESISTANCE SPOT WELDING ELECTRODE FOR WELDING ALUMINUM PLATE}

본 발명은 전극본체에 열전도도와 전기전도도가 우수한 탄소 나노소재를 이용한 박막층을 코팅하여 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 제공함으로써, 알루미늄 판재와 용접 전극의 반응을 억제할 수 있고, 이를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 저항 용접(resistance welding)은 용접하고자 하는 부분에 전류를 인가하고, 그 인가된 전류로 인해 발생하는 저항열에 의해 가열하면서 압력을 가하여 용접하는 것이며, 점 용접, 프로젝션 용접, 심 용접 등을 포함하는 겹치기저항 용접 방식과, 업셋 용접, 프레시 용접 등을 포함하는 맞대기저항 용접 방식과, 고주파 유도 용접, 고주파 저항 용접 등을 포함하는 고주파 용접 방식 등으로 크기 분류할 수 있다.

여기에서, 점 용접(spot welding)은 두 개의 피용접재에 각각 접촉되는 2개의 전극을 배치하고, 그 전극에 단시간 단락전류를 인가할 경우 전극 사이의 접촉 저항에 의한 발열로 용융 상태에 도달하고, 전극의 가압으로 인해 용융 부분을 형성하는 것으로, 주방용기, 자동차 차체 등과 같은 박판의 용접에 널리 사용되고 있다.

한편, 알루미늄 합금은 낮은 고유저항(즉, 스틸 대비 대략 6배), 높은 전기전도도(즉, 스틸 대비 대략 3.5배) 및 열전도도(즉, 스틸 대비 대략 6배) 등의 특성을 갖기 때문에 용접 시 고가압, 단시간 및 고전류의 용접 조건을 요구하는데, 고전류 영역에서의 용접 조건(대입열)과 알루미늄 표면의 산화층으로 인해 전극 열화 현상이 발생할 뿐만 아니라 그 전극 열화 현상의 가속화로 인해 생산성이 감조하고 용접 품질이 저하되는 문제점이 있다.

아울러, 용접 품질의 향상을 위해 전극 표면을 주기적으로 드레싱하는 방식으로 알루미늄 표면의 산화층을 제거하고 있지만, 이는 생산성 감소로 이어지는 문제점이 있다.

1. 한국등록특허 제10-1273380호(2013.06.04.등록)

본 발명은 전극본체에 열전도도와 전기전도도가 우수한 탄소 나노소재를 이용한 박막층을 코팅하여 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 제공함으로써, 알루미늄 판재와 용접 전극의 반응을 억제할 수 있고, 이를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 알루미늄 판재와 전극본체인 구리 또는 구리합금 사이의 반응을 억제할 수 있고, 합금화 경로를 차단할 수 있으며, 박막층의 재코팅 처리를 통해 반영구적으로 용접전극을 사용할 수 있으며, 용접 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 용접 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전극본체와, 상기 전극본체의 표면에 탄소 나노소재를 이용하여 코팅된 박막층을 포함하는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전극본체는, 구리 또는 구리합금을 포함하는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 구리합금는, 구리 및 크롬을 포함하는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 탄소 나노소재는, 그래핀(graphene)을 포함하는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 박막층은, 트랜스퍼법, 물리적기상증착법, 화학적기상증착법, 드롭 캐스팅법 및 잉크젯 프린트법 중에서 선택된 하나 이상의 방식으로 코팅되는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 박막층은, 상기 전극본체를 패터닝한 후 상기 탄소 나노소재를 코팅하는 방식으로 형성되는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 박막층은, 상기 탄소 나노소재를 합성한 후 상기 트랜스퍼법을 통해 코팅하는 방식으로 형성되는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 제공될 수 있다.

본 발명은 전극본체에 열전도도와 전기전도도가 우수한 탄소 나노소재를 이용한 박막층을 코팅하여 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 제공함으로써, 알루미늄 판재와 용접 전극의 반응을 억제할 수 있고, 이를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 알루미늄 판재와 전극본체인 구리 또는 구리합금 사이의 반응을억제할 수 있고, 합금화 경로를 차단할 수 있으며, 박막층의 재코팅 처리를 통해 반영구적으로 용접전극을 사용할 수 있으며, 용접 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 용접 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저항 점 용접을 설명하기 위한 도면이고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 예시한 도면이며,
도 3a 내지 도 3c는 일반 전극을 이용한 비교예1을 설명하기 위한 도면이고,
도 4a 내지 도 4d는 세정 없이 그래파이트를 코팅한 비교예2를 설명하기 위한 도면이며,
도 5a 내지 도 5d는 세정후 그래파이트를 코팅한 비교예3을 설명하기 위한 도면이고,
도 6a 내지 도 6d는 탄소 나노튜브를 코팅한 비교예4를 설명하기 위한 도면이며,
도 7a 내지 도 7c는 제 1 함량의 그래핀을 코팅한 실시예1을 설명하기 위한 도면이고,
도 8a 내지 도 8c는 제 2 함량의 그래핀을 코팅한 실시예2를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저항 점 용접을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 예시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 저항 점 용접은 제 1 피용접재(10)와 제 2 피용접재(20)가 접촉되어 있는 상태에서 제 1 피용접재(10)에 제 1 용접전극(30)이 배치되면서 제 2 피용접재(20)에 제 2 용접전극(40)이 배치된 후, 제 1 용접전극(30)과 제 2 용접전극(40)에 전류를 인가하면서 각 전극들을 가압할 경우 제 1 용접전극(30)과 제 2 용접전극(40)의 사이에서 제 1 피용접재(10)와 제 2 피용접재(20)가 접촉되는 위치에서 용융 및 접합될 수 있다.

상술한 바와 같은 제 1 피용접재(10)와 제 2 피용접재(20)는 알루미늄 판재를 포함할 수 있으며, 제 1 용접전극(30)과 제 2 용접전극(40)은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극이 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극(100)은 전극본체(110), 박막층(120) 등을 포함할 수 있다.

전극본체(110)는 용접전극의 본체를 의미하는 것으로, 구리(Cu), 구리합금 등을 포함할 수 있는데, 구리합금은 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 구리-크롬 합금을 포함할 수 있다.

박막층(120)은 전극본체(110)의 표면에 탄소 나노소재를 이용하여 코팅되는 것으로, 탄소 나노소재는 그래핀(graphene) 등을 포함할 수 있는데, 예를 들어 트랜스퍼법, 물리적기상증착법, 화학적기상증착법, 드롭 캐스팅법 및 잉크젯 프린트법 중에서 선택된 하나 이상의 방식으로 전극본체(110)의 표면 중 피용접재와의 접촉면에 코팅될 수 있다.

여기에서, 탄소 나노소재는 열전도도가 구리(Cu)보다 상대적으로 높고, 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)와의 반응성이 낮기 때문에, 알루미늄(Al)-구리(Cu) 반응에 의한 금속간화합물 형성을 미연에 방지할 수 있다.

상술한 바와 같은 박막층(120)은 전극본체(110)를 패터닝한 후 탄소 나노소재를 코팅하는 방식으로 형성되는데, 도 2a에 도시한 바와 같이 전극본체(110)의 상부에 피접합재와의 접촉면을 요철 구조로 패터닝(또는 표면 처리)한 후에 탄소 나노소재인 그래핀을 코팅할 수 있으며, 이러한 요철 구조 패터닝을 통해 전극표면의 저항값을 효과적으로 제어하여 이종 두께 소재의 용접 시 열균형(heat balance)를 유지할 수 있으며, 용접 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 스패터(spatter) 발생 또한 효과적으로 감소시킬 수 있다.

여기에서, 전극본체(110)의 상부에 피접합재와의 접촉면을 패터닝(또는 표면 처리)하는 방식으로는 물리적 방식 또는 화학적 방식을 포함할 수 있는데, 그 접촉면에 대한 텍스처링(texture), 블래스팅(blasting) 등을 수행함으로써, 스크래치, 돌출, 침입(함입, 함몰), 홈, 그루브 등이 형성될 수 있도록 표면 처리할 수 있다.

또한, 박막층(120)은 탄소 나노소재를 합성한 후 트랜스퍼법을 통해 코팅하는 방식으로 형성되는데, 도 2b에 도시한 바와 같이 전극본체(110)의 상부에 피접합재와의 접촉면 전체를 탄소 나노소재인 그래핀으로 코팅할 수 있다.

상술한 바와 같은 박막층(120)은 에탄올에 그래핀을 혼합하여 그래핀 산화물로 분산시킨 탄소 나노소재 코팅액을 수득하고, 이 탄소 나노소재 코팅액을 코팅한 후 환원 열처리를 수행하는 방식으로 탄소 나노소재 중 하나인 그래핀층으로 형성시킬 수 있다.

이러한 그래핀을 이용한 박막층(120)을 형성하기 위해서 에탄올에 그래핀 0.01-0.05 wt%가 혼합될 수 있는데, 그래핀의 함량이 0.01 wt% 미만인 경우 발열 현상은 나타나지 않지만 얇은 박막층(120)으로 인해 연속 타점 용접 시 박막층(120)의 소모가 빠르게 발생하여 스티킹 현상이 발생하는 문제점이 있고, 그래핀의 함량이 0.05 wt%를 초과하는 경우 접합력이 감소하여 박막층(120)을 형성시키기 어려울 뿐만 아니라 발열 현상으로 인한 스티킹 현상이 발생하는 문제점이 있기 때문에, 그래핀은 0.01-0.05 wt% 비율로 하여 첨가될 수 있다.

다음에, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극(100)에 대한 특성을 실시예 샘플들과 비교예 샘플들을 통해 상세히 설명한다.

먼저, 상용되는 용접기를 이용하여 알루미늄 6014(1.0mm)인 피접합재(상, 하)를 대략 350kgf의 가압력, 대략 15cycle의 용접시간, 대략 20kA의 용접전류 및 대략 8mm의 용접전극을 이용하여 4가지 비교예와 2가지 실시예에 대한 샘플들을 실험하였다.

여기에서, 도 3a 내지 도 3c는 일반 전극을 이용한 비교예1을 설명하기 위한 도면으로, 비교예1에서는 어떠한 박막도 코팅되지 않은 일반 전극을 이용한 용접을 실시하였는데, 도3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 피접합재의 상하부에서 3타점에서 스티킹(sticking)이 발생함을 알 수 있었고, 도 3c에 도시한 바와 같이 용접부 단면에서는 3타점에서 스티킹 발생으로 인해 표면에 발열 현상이 발생함을 알 수 있었으며, 4타점 및 5타점에서 용접 너겟부에 크랙(crack)이 발생함을 알 수 있었다.

그리고, 도 4a 내지 도 4d는 세정 없이 그래파이트를 코팅한 비교예2를 설명하기 위한 도면으로, 비교예2에서는 세정하지 않고 그래파이트(graphite)를 코팅한 용접전극샘플을 이용한 용접을 실시하였는데, 도 4a 및 도 4b의 전극 상하부분과 도 4c 및 도 4d의 피용접재 상하부분에 도시된 바와 같이 비교예2의 경우 1타점 용접에서 심한 발열 현상과 함께 용접 너켓부의 용융금속의 날림 현상이 발생하는 익스펄션(expulsion)이 발생함을 알 수 있었다.

또한, 도 5a 내지 도 5d는 세정후 그래파이트를 코팅한 비교예3을 설명하기 위한 도면으로, 비교예3에서는 세정 후 그래파이트(graphite)를 코팅한 용접전극샘플을 이용한 용접을 실시하였는데, 도 5a 및 도 5b의 전극 상하부분과 도 5c 및 도 5d의 피용접재 상하부분에 도시된 바와 같이 비교예3의 경우에서도 1타점 용접에서 심한 발열 현상과 함께 용접 너켓부의 용융금속의 날림 현상이 발생하는 익스펄션이 발생함을 알 수 있었다.

한편, 도 6a 내지 도 6d는 탄소 나노튜브를 코팅한 비교예4를 설명하기 위한 도면으로, 비교예4에서는 세정 후 탄소나노튜브(CNT : Carbon Nano Tube)를 코팅한 용접전극샘플을 이용한 용접을 실시하였는데, 도 6a 및 도 6b의 전극 상하부분과 도 6c 및 도 6d의 피용접재 상하부분에 도시된 바와 같이 비교예4의 경우에서도 1타점 용접에서 심한 발열 현상과 함께 용접 너켓부의 용융금속의 날림 현상이 발생하는 익스펄션이 발생함을 알 수 있었다.

한편, 도 7a 내지 도 7f는 제 1 함량의 그래핀을 코팅한 실시예1을 설명하기 위한 도면으로, 실시예1에서는 그래핀(graphene)를 0.05wt%의 함량비율로 코팅한 용접전극샘플을 이용한 용접을 실시하였는데, 도7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 피접합재의 상하부에서 32타점에서 스티킹이 발생함을 알 수 있었고, 도 7c에 도시한 바와 같이 용접부 단면에서는 32타점에서 스티킹 발생으로 인해 표면에 발열 현상 및 표면 크랙이 발생함을 알 수 있었다.

그리고, 도 8a 내지 도 8f는 제 2 함량의 그래핀을 코팅한 실시예2를 설명하기 위한 도면으로, 실시예2에서는 그래핀(graphene)를 0.01wt%의 함량비율로 코팅한 용접전극샘플을 이용한 용접을 실시하였는데, 도8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이 피접합재의 상하부에서 1차에서는 6타점에서 2차에서는 42타점에서 스티킹이 발생함을 알 수 있었고, 도 8c에 도시한 바와 같이 용접부 단면에서는 2차 42타점에서 스티킹 발생으로 인해 표면에 발열 현상 및 표면 크랙이 발생함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같은 비교예들과 실시예들을 참조하여 보면, 전극본체(110)에 탄소 나노소재를 이용한 박막층(120)을 코팅하는 것이 바람직함을 알 수 있고, 그 탄소 나노소재 중에 그래핀을 이용하여 박막층(120)을 형성하는 것이 바람직함을 알 수 있었으며, 그래핀은 0.01-0.05 wt% 비율로 하여 첨가되는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 전극본체에 열전도도와 전기전도도가 우수한 탄소 나노소재를 이용한 박막층을 코팅하여 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극을 제공함으로써, 알루미늄 판재와 용접 전극의 반응을 억제할 수 있고, 이를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 알루미늄 판재와 전극본체인 구리 또는 구리합금 사이의 반응을 억제할 수 있고, 합금화 경로를 차단할 수 있으며, 박막층의 재코팅 처리를 통해 반영구적으로 용접전극을 사용할 수 있으며, 용접 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 용접 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극(100)은 용접 공정에 반복 사용하는 중에 전극 열화가 발생할 경우 드레싱 공정을 수행하지 않고, 전도성 레진을 이용한 테이핑 방식으로 탄소 나노소재를 전극본체(110)의 표면에 재코팅할 수 있기 때문에, 반영구적인 사용이 가능하여 전극 유지 보수 비용을 효과적으로 절감할 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

10 : 제 1 피용접재 20 : 제 2 피용접재
30 : 제 1 용접전극 40 : 제 2 용접전극
100 : 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극
110 : 전극본체 120 : 박막층

Claims

전극본체와,
상기 전극본체의 표면에 탄소 나노소재를 이용하여 코팅된 박막층을 포함하며,
상기 전극본체는, 구리 또는 구리합금을 포함하고,
상기 구리합금는, 구리 및 크롬을 포함하며,
상기 탄소 나노소재는, 그래핀(graphene)을 포함하고,
상기 박막층은, 상기 전극본체를 요철구조로 패터닝한 후 상기 탄소 나노소재를 코팅하여 형성되며, 에탄올에 상기 그래핀 0.01-0.05 wt%를 혼합하여 그래핀 산화물로 분산시킨 탄소 나노소재 코팅액을 수득하고, 상기 탄소 나노소재 코팅액을 상기 전극본체에 코팅한 후에, 환원 열처리를 수행하는 방식으로 그래핀층을 형성하여, 피접합재인 알루미늄 판재와 상기 전극본체인 구리 또는 구리합금 사이의 반응을 억제하고 합금화 경로를 차단하여 스티킹(sticking)이 발생하는 타점 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는,
알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극.
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제 1 항에 있어서,
상기 박막층은, 트랜스퍼법, 물리적기상증착법, 화학적기상증착법, 드롭 캐스팅법 및 잉크젯 프린트법 중에서 선택된 하나 이상의 방식으로 코팅되는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극.
삭제
제 5 항에 있어서,
상기 박막층은, 상기 탄소 나노소재를 합성한 후 상기 트랜스퍼법을 통해 코팅하는 방식으로 형성되는 알루미늄 판재 용접용 저항 점 용접전극.