KR101988761B1

KR101988761B1 - 이종 강판의 저항 점 용접방법

Info

Publication number: KR101988761B1
Application number: KR1020170176193A
Authority: KR
Inventors: 윤상만; 엄상호; 손원근
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-12

Abstract

본 발명의 일 측면은, 서로 다른 강판의 저항 점 용접시 용접부에서 저온조직의 생성을 억제함으로써 양호한 용접부를 얻을 수 있는 이종 강판의 저항 점 용접방법을 제공하고자 한다.
보다 상세하게는 고강도 및 고연성의 고망간 강과 다른 강의 이종 접합 저항 점 용접시 십자 인장강도가 우수한 용접부를 확보할 수 있는 용접방법을 제공하고자 한다.

Description

이종 강판의 저항 점 용접방법 {METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING OF DISSIMILAR STEEL SHEETS}

본 발명은 강판의 저항 점 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 강판의 저항 점 용접방법에 관한 것이다.

최근들어, 전 세계적으로 환경 규제가 강화됨에 따라 자동차의 경량화가 요구되고 있으며, 이로 인해 자동차 산업에서는 초고강도 강에 대한 니즈(needs)가 증가하고 있다.

이에, 여러 철강업체에서는 다양한 초고강도 강을 개발하고자 하는 노력을 지속하고 있다.

한편, 자동차 소재의 고강도를 위하여 합금첨가량을 높이고 있으며, 그에 따라 탄소당량(Ceq)의 증가가 필연적이다.

그런데, 이와 같이 합금첨가량을 높여 고강도를 확보한 강에 자동차 부품 제작을 위한 저항 점 용접(RSW; Resistance Spot Welding)의 적용시 용접부에서 취성이 매우 강한 마르텐사이트 등의 저온조직이 생성되며, 그로 인해 자동차 충돌특성에 중요한 십자 인장강도(CTS; Cross Tension Strength)가 열위하는 문제가 있다.

이는, 도 1을 통해 보다 명확히 확인할 수 있다. 도 1은 용접 모재의 인장강도와 용접시 형성된 용접부의 하중모드에 따른 파단강도를 나타낸 것으로서, 용접부의 전단 인장강도(TSS; Tensile Shear Strength)의 경우에는 모재 강도에 비례하여 증가하는 반면, 십자 인장강도(CTS)는 모재 강도가 1GPa 이상 증가할 시 반비례적으로 감소하는 경향을 관찰할 수 있다.

뿐만 아니라, 이러한 고강도 강과 다른 물성을 가지는 강을 이종 접합하여 용접하는 경우에도 용접부 취성으로 인해 계면 파단 등의 결함이 발생하는 문제가 있다.

그럼에도 불구하고, 자동차의 경량화를 위해 고강도 강의 적용이 점차적으로 증가하고 있는 바, 이러한 고강도 강의 용접시 양호한 용접부를 확보할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일 측면은, 서로 다른 강판의 저항 점 용접시 용접부에서 저온조직의 생성을 억제함으로써 양호한 용접부를 얻을 수 있는 이종 강판의 저항 점 용접방법을 제공하고자 한다.

보다 상세하게는, 고강도 및 고연성의 고망간 강과 다른 강의 이종 접합 저항 점 용접시 십자 인장강도가 우수한 용접부를 확보할 수 있는 용접방법을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면은, a) 2 매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 준비하는 단계; b) 2매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 겹친 후 접합하는 이음부에 전극을 가압하여 접촉시키는 단계; 및 c) 상기 전극을 접촉시킨 후 용접하여 용접부를 형성하는 단계를 포함하고,

상기 용접시 전체 곡률 반경(R)이 50~200의 범위를 갖는 전극을 이용하고, 상기 용접부의 용융부 면적(D1)과 상기 이음부와 전극이 맞닿는 면적(D2)은 하기 식(1)을 만족하는 것인 이종 강판의 저항 점 용접방법을 제공한다.

식(1)

0.7×D1 ≤ D2 ≤ 1.1×D1

본 발명에 의하면, 고망간 강을 용접 모재로 한 이종 접합 용접시 용접부의 파단 경도를 제어하는 동시에, 용접부 내 마르텐사이트 상의 형성을 최소화할 수 있다.

이로부터, 고망간 강을 이용한 이종 접합시 양호한 품질의 용접부를 형성할 수 있다.

도 1은 용접 모재의 인장강도와 용접부의 강도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 일반적인 용접 전극의 형상(a)과 본 발명의 일 측면에 따른 용접 전극의 형상(b)을 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 용접부 파단 경도의 모식도(a)와 본 발명의 일 측면에 따른 용접부 파단 경도의 모식도(b)를 나타낸 것이다.
도 4은 종래의 용접부 형상(a)과 본 발명의 일 측면에 따른 용접부 형상(b)을 나타낸 것이다.

본 발명의 발명자들은 고망간 강을 용접 모재로하여 이종 접합 용접을 행하는 경우, 낮은 파단강도를 보이면서, 파단 모드로 계면 파단이 발생하였으며, 그때의 파단은 상대재가 아닌 고망간 강의 열영향부를 통해서 이루어짐을 확인하였다.

이때, 파단강도가 낮은 것은 계면 파단의 발생에 기인하고, 계면 파단의 발생은 용융부(너깃)과 열영향부에서 용접 열에 의해 취성이 매우 강한 마르텐사이트 등의 조직이 형성된 것에 기인하는 것으로 확인하였다.

본 발명의 발명자들은 자동차용 소재로 그 적용이 증가하고 있는 고강도 강, 그 중에서도 망간을 다량으로 함유하는 고망간 강을 다른 물성을 가지는 강과 이종 접합하여 용접을 행하는 경우, 용접부에서 취성이 강한 저온조직의 생성으로 양호한 용접부가 형성되지 못하는 문제점을 인지하고, 이를 해결할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 용접 전극의 형상을 개선하는 동시에, 용접부의 파단 경로를 변경하는 것으로부터 용접 모재를 고망간 강으로 한 이종 접합 용접시 양호한 용접부의 확보가 가능함을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 따른 이종 강판의 저항 점 용접방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 이종 강판의 저항 점 용접방법은 a) 2매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 준비하는 단계; b) 상기 2매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 겹친 후 접합하는 이음부에 전극을 가압하여 접촉시키는 단계; 및 c) 상기 전극을 접촉시킨 후 용접하여 용접부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 이종 강판의 저항 점 용접방법에 대해 단계별로 보다 상세히 설명한다.

먼저, 용접할 모재로서 2매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 준비하여 이를 겹친 후 접합하는 이음부에 전극을 가압(Squeeze)할 수 있다. 상기 전극을 가압하는 공정은 전극을 상기 이음부에 접촉시킨 상태에서 행할 수 있다.

상기 2매 이상의 서로 다른 강판(간단히, 이종 강판으로 칭함)은 동일 강종이 아닌 다른 강판인 것으로서, 일 예로서 합금조성이 서로 다른 강판이거나 물성이 서로 다른 강판일 수 있다.

본 발명의 하나의 측면에 있어서, 상기 이종 강판 중 적어도 하나의 강판은 Mn을 10~25%로 포함하는 고망간 강일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고망간 강은 부피 분율 70% 이상으로 잔류 오스테나이트를 포함하고, 잔부 조직이 알파 마르텐사이트와 입실론 마르텐사이트를 포함하는 기타상일 수 있다.

상기 이종 강판 중 고망간 강을 제외한 나머지 강판에 대해서는 그 종류를 특별히 한정하지 아니하나, 예를들어 고강도 냉연강판, 용융도금강판 및 합금화 용융도금강판 중 하나일 수 있다.

한편, 본 발명의 하나의 측면에서 상기 전극은 전체 곡률 반경(R)이 50~200의 범위를 가지는 것일 수 있다 (도 2 참조). 구체적으로, 상기 전극의 전체 곡률 반경(R)은 전극의 선단면의 곡률 반경을 의미한다.

본 발명에서는 전체 곡률 반경(R)이 최대 200인 전극을 사용함에 따라 이종 강판의 이음부와 맞닿는 면적을 작게 확보할 수 있으며, 통전면적을 제어함으로써 양호한 용접부를 형성할 수 있다.

보다 유리하게는, 상기 전극의 전체 곡률 반경(R)이 100 이상일 수 있다.

상술한 바에 따라 이종 강판이 겹쳐진 이음부에 가압한 전극에 전류를 인가함으로써 용접을 행할 수 있다.

이때, 용접은 5.5~8.2kA의 용접 전류 및 250~600ms의 용접 시간으로 행할 수 있다.

상기 용접시 용접 전류가 5.5kA 미만이면 목표 수준의 너깃경의 확보가 어려우며, 반면 8.2kA를 초과하게 되면 날림 현상이라 불리우는 스패터(spatter)가 발생하여 용접부의 품질이 저하되는 문제가 있다. 또한, 예비 용접시 용접 시간이 250ms 미만이면 역시 충분한 크기의 너깃경을 확보할 수 없으며, 반면 600ms를 초과하게 되면 장시간 동안의 통전으로 인해 생산성이 저하되는 문제가 있다.

한편, 본 발명의 하나의 측면에 있어서, 상술한 전극을 이용하여 용접을 행함으로써 형성된 용접부의 용융부 면적(D1)과 이종 강판이 접합하는 이음부와 전극이 맞닿는 면적(D2)의 관계가 하기 식(1)을 만족하는 것이 바람직하다.

식(1)

0.7×D1 ≤ D2 ≤ 1.1×D1

이는, 이종 강판의 저항 점 용접시 용접부의 파단 경로를 소재와 소재 사이의 계면이 아닌 용접 모재의 두께 방향으로 변경하기 위한 것으로서, 이와 같이 파단 경로를 변경함으로써 용접부의 용접 강도를 개선하는 효과를 얻을 수 있다.

기존의 전극을 이용하여 이종 강판(예컨대, 고망간 강과 일반 탄소강)의 용접시 용접부에서 마르텐사이트의 형성으로 취화되어 판재와 판재 사이의 계면에서 파단이 발생하며, 이는 취약한 용접부를 가로지르며 발생하게 된다(도 3의 (a)). 하지만, 본 발명에 의할 경우 파당경도를 판재의 두께방향으로 변경할 수 있으며, 이로부터 용접부의 강도를 개선할 수 있는 것이다 (도 3의 (b)).

구체적으로, 용접부의 용융부 면적(D1)을 이음부와 전극이 맞닿는 면적(D2)에 비해 증가시켜 용융부의 형상을 보다 납작하게 형성함으로써 파단 경도를 변경할 수 있다 (도 4 참조).

만일, 이음부와 전극이 맞닿는 면적(D2)이 용융부 면적에 비해 과도하게 작거나 과도하게 클 경우 파단 경로가 개선되지 못하고 계면 파단이 발생함으로써 용접 강도의 확보가 곤란해지는 문제가 있다.

상술한 조건으로 이종 강판을 용접하여 얻은 용접부는 양호한 품질을 가지는 것으로, 특히 용접부의 너깃(nugget)경을 강판의 두께의 제곱근의 4배 이상으로 확보할 수 있으며, 십자 인장강도를 6.7kN 이상으로 확보할 수 있다.

여기서, 강판의 두께는 이종 강판 중 더 얇은 두께를 갖는 강판의 두께를 의미한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

중량%로 망간(Mn)을 18%로 포함하고 인장강도 950MPa급, 두께 1.4mm의 고망강 강판을 준비하고, 상대재로서 인장강도 980MPa급, 두께 1.4mm의 DP강을 준비하여 겹친 후 이음부에 대해 저항 점 용접을 실시하였다.

이때, 저항 점 용접은 하기 표 1에 나타낸 조건으로 행하였다.

상기 저항 점 용접을 완료한 후 형성된 용접부에 대해 날림 발생 유무, 십자 인장강도 및 너깃경을 평가하고, 파단 모드를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

이때, 스패터가 발생한 경우를 '×', 스패터가 발생하지 않은 경우를 '○'로 나타내었다. 또한, 너깃경이 4√t (여기서 t는 가장 얇은 강판의 두께(mm)) 이상인 경우를 '○', 미만인 경우를 '×'로 표기하였다.

이러한 기준에 따라, 스패터 발생이 발생이 없으면서, 너깃경(mm)이 4√t 이상이고, 십자 인장강도가 6.7kN 이상인 용접부에 대해서 본 발명의 기준으로 삼았다.

한편, 상기 파단 모드에서 계면 파단은 IF, 부분 계면 파단은 PP, 완전 플러그 파단은 FP로 나타내었다.

조건	가압력 (kN)	펄스 수	용접시간 (ms)	용접전류 (kA)	용접전극(mm)
1	4.5	3	180	8.4	Dome type Ø6mm
2	4.5	3	180	8.6	Dome type Ø6mm
3	4.5	3	180	8.8	Dome type Ø6mm
4	4.5	3	180	4.4	20R
5	4.5	3	180	4.8	20R
6	4.5	3	180	5.2	20R
7	4.5	3	180	5.6	20R
8	4.5	3	180	6.0	20R
9	4.5	3	180	6.4	20R
10	4.5	3	180	6.8	20R
11	4.5	3	180	7.2	20R
12	4.5	3	180	7.4	20R
13	4.5	3	180	7.6	20R
14	4.5	3	180	4.8	50R
15	4.5	3	180	5.2	50R
16	4.5	3	180	5.6	50R
17	4.5	3	180	6.4	50R
18	4.5	3	180	6.8	50R
19	4.5	3	180	7.2	50R
20	4.5	3	180	7.8	50R
21	4.5	3	180	5.2	100R
22	4.5	3	180	6.4	100R
23	4.5	3	180	6.8	100R
24	4.5	3	180	7.2	100R
25	4.5	3	180	7.6	100R
26	4.5	3	180	8.0	100R
27	4.5	3	180	8.2	100R
28	4.5	3	180	8.4	100R
29	4.5	3	180	5.2	200R
30	4.5	3	180	6.8	200R
31	4.5	3	180	7.2	200R
32	4.5	3	180	7.6	200R
33	4.5	3	180	8.0	200R
34	4.5	3	180	8.2	200R
35	4.5	3	180	8.4	200R
36	4.5	3	180	8.6	200R

([표 1]에서 용접전극의 R은 전체 곡률 반경(R)을 의미한다.)

조건	스패터 발생	파단 모드	기준 너깃경 확보	십자 인장강도 (kN)	D1	D2	식(1) 만족여부	판정	구분
1	×	PP	○	4.83	7.00	4.67	×	×	비교예 1
2	×	PP	○	5.07	7.67	4.83	×	×	비교예 2
3	○	PP	○	5.15	7.33	4.77	×	×	비교예 3
4	×	IF	×	5.08	1.82	4.35	×	×	비교예 4
5	×	PP	×	6.22	3.47	4.79	×	×	비교예 5
6	×	PP	×	6.45	3.57	4.79	×	×	비교예 6
7	×	PP	×	5.31	3.98	4.85	×	×	비교예 7
8	×	PP	×	5.22	4.14	5.35	×	×	비교예 8
9	×	FP	○	5.39	4.55	5.38	×	×	비교예 9
10	×	FP	○	4.75	4.61	5.95	×	×	비교예 10
11	×	FP	○	4.66	4.88	6.12	×	×	비교예 11
12	○	FP	○	5.35	5.03	6.20	×	×	비교예 12
13	○	FP	○	4.90	4.43	5.95	×	×	비교예 13
14	×	IF	×	4.46	2.82	4.47	×	×	비교예 14
15	×	PP	×	5.86	3.88	5.29	×	×	비교예 15
16	×	FP	○	6.77	4.53	4.82	○	○	발명예 1
17	×	FP	○	6.73	5.12	5.59	○	○	발명예 2
18	×	FP	○	6.76	5.18	5.65	○	○	발명예 3
19	×	FP	○	6.93	5.24	5.71	○	○	발명예 4
20	×	FP	○	6.97	5.65	6.06	○	○	발명예 5
21	×	IF	×	2.63	3.61	5.42	×	×	비교예 16
22	×	FP	○	7.04	5.41	5.65	○	○	발명예 6
23	×	FP	○	7.52	5.44	5.65	○	○	발명예 7
24	×	FP	○	7.77	5.47	5.71	○	○	발명예 8
25	×	FP	○	7.98	5.47	5.74	○	○	발명예 9
26	×	FP	○	7.75	5.82	5.87	○	○	발명예 10
27	×	FP	○	7.27	6.00	6.47	○	○	발명예 11
28	○	FP	○	5.99	5.76	6.18	○	×	비교예 17
29	×	PP	×	2.81	4.24	4.84	×	×	비교예 18
30	×	FP	○	7.24	5.39	5.83	○	○	발명예 12
31	×	FP	○	7.46	5.92	5.96	○	○	발명예 13
32	×	FP	○	7.54	6.30	5.99	○	○	발명예 14
33	×	FP	○	7.51	6.55	6.38	○	○	발명예 15
34	×	FP	○	7.28	7.05	6.96	○	○	발명예 16
35	○	FP	○	7.90	7.17	7.54	○	×	비교예 19
36	○	FP	○	6.90	6.60	7.40	×	×	비교예 20

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 내지 3의 용접부는 통상적인 ISO 용접조건(ISO18278-2:2016)으로부터 형성된 것으로, 이들 모두 기준 너깃경을 만족하였음에도 파단모드가 부분 계면 파단(PP)으로 나타남에 따라 십자 인장강도가 열위하였다.

한편, 조건 4 내지 13에 의해 형성된 용접부를 제공하는 비교예 4 내지 13은 전체 곡률반경(R)이 작은 전극을 이용함에 따라 충분한 통전 면적이 확보되지 못하여 기준 너깃경의 확보가 어려웠으며, 십자 인장강도가 열위하였다.

조건 14, 15, 21 및 29에 의해 형성된 용접부를 제공하는 비교예 14, 15, 16 및 18은 50R의 곡률반경을 가지는 전극을 사용하였음에도 불구하고, 용접시 용접전류가 작아 기준 너깃경의 확보가 불가능하였으며, 십자 인장강도도 열위하였다.

뿐만 아니라, 조건 28, 35 및 36에 의해 형성되는 용접부를 제공하는 비교예 17, 19 및 20은 100R 또는 200R의 곡률반경을 가지는 전극을 사용하였음에도 불구하고, 용접시 용접전류가 너무 과도하여 스패터가 발생하였다.

반면, 본 발명에서 제안하는 조건으로 용접이 행해진 발명예 1 내지 16은 스패터 발생없이 기준 버튼경을 확보할 수 있었으며, 십자 인장강도도 우수하였다.

Claims

a) 2 매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 준비하는 단계;
b) 2매 이상의 서로 다른 종류의 강판을 겹친 후 접합하는 이음부에 전극을 가압하여 접촉시키는 단계; 및
c) 상기 전극을 접촉시킨 후 용접하여 용접부를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 용접시 전체 곡률 반경(R)이 50~200(mm)의 범위를 갖는 전극을 이용하고,
상기 용접부의 용융부 면적(D1)과 상기 이음부와 전극이 맞닿는 면적(D2)은 하기 식(1)을 만족하며, 상기 2매 이상의 서로 다른 종류의 강판 중 적어도 하나의 강판은 Mn을 10~25%로 포함하는 고망간 강인 것인 이종 강판의 저항 점 용접방법.

식(1)
0.7×D1 ≤ D2 ≤ 1.1×D1
제 1항에 있어서,
상기 용접은 5.5~8.2kA의 용접 전류 및 250~600ms의 용접 시간으로 행하는 것인 이종 강판의 저항 점 용접방법.
제 1항에 있어서,
상기 용접부의 너깃경은 강판 두께의 제곱근의 4배 이상이며,
상기 강판은 이종 강판 중 더 얇은 두께를 갖는 강판의 두께인 이종 강판의 저항 점 용접방법.
제 1항에 있어서,
상기 용접부는 십자 인장강도가 6.7kN 이상인 이종 강판의 저항 점 용접방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 고망간 강은 부피 분율 70% 이상으로 잔류 오스테나이트를 포함하고, 잔부 조직이 알파 마르텐사이트와 입실론 마르텐사이트를 포함하는 기타상인 이종 강판의 저항 점 용접방법.