KR101988769B1 - 스폿 용접용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 스폿 용접용 전극은, 전극 선단부가 중심축을 기준으로 지름(d2)의 원 형상을 가지며 상기 지름(d2)의 범위 내에서 곡률 반경(SR1)을 갖는 제1면, 및 상기 제1면 둘레에 위치하는 곡률 반경(SR2)을 갖는 제2면을 포함하고, 다음의 조건식1-4를 만족할 수 있다.
조건식1: d2(mm)=6
조건식2: 50≤SR1(mm)≤100
조건식3: SR2(mm)≥10
조건식4: h(mm)≤1.5
여기서, h(mm)는 상기 전극 선단부의 중심축 방향으로의 길이이다.

Description

스폿 용접용 전극{ELECTRODE FOR SPOT WELDING}

본 발명은 스폿 용접용 전극에 관한 것이다.

자동차 산업에서 차체 경량화 및 충돌 안성정 향상의 강력한 요구에 의해 적용 소재가 점점 고강도화되어 최근에는 인장강도 1000MPa급의 강재 적용이 크게 증가하고 있다.

이와 함께 차량 수명 향상 및 보증기간 증가로 인해 내식성 향상 목적의 아연도금강판의 적용 비율이 크게 증가하고 있다. 따라서 아연도금 초고강도강 개발도 동시에 진행되고 있다. 일반적으로 자동차 부품 조립에는 저항용접의 일종인 스폿 용접(spot welding)이 가장 널리 적용되고 있다.

아연도금 초고강도강은 소재 자체의 높은 탄소함량으로 인한 용접부 취성도 문제가 되지만, 저융점의 아연에 의해 발생되는 액상금속취화(LME, Liquid Metal Embrittlement)에 의한 균일이 기존의 연강이나 HSLA에 비해 쉽게 발생하는 문제가 있다. 최근에는 TRIP강과 같은 잔류오스테나이트 분율을 높여서 고강도와 연신율을 동시에 확보할 수 있는 소재의 개발이 진행되고 있다. 일반적으로 페라이트상보다 오스테나이트상이 LME에 민감하다고 알려져 있다.

종래의 스폿 용접 방법은 도 1과 같이 동일 용접전류로 일정한 가압력하에서 단일 펄스 또는 2펄스 이상의 다펄스 용접을 실시하는 경우가 많다. 최근에는 용접부 취성을 저감하기 위하여 전류의 크기를 펄스별로 달리하는 방법으로 후열처리 효과를 얻는 방법도 적용되고 있다. 이때 상하 전극 내부에 냉각수가 통상 4l/min으로 공급되어 전극과 판재표층이 용융되는 것을 방지하고 있으며, 냉각수의 온도 및 유량 등에 의해 용접부 냉각 속도가 달라질 수 있다.

도 2는 아연도금 TRIP강과 연강과의 스폿 용접 단면을 보여주는 것으로, 너깃 왼쪽 가장자리의 TRIP강 열영향부(HAZ) 표면에 발생된 LME 균열을 보여주고 있다. 연강에서는 발생하지 않았지만, 고강도의 TRIP강에서는 이와 같은 균열이 쉽게 관찰되고 있다. 이러한 LME 균열은 용접 중에 소재의 온도가 올라가면서 저융점의 아연도금층이 용융이 일어나고, 전극 가압과 용접 열이력에 의한 열변형으로 인한 인장응력이 발생하는 부분에서 용융 아연이 결정립계를 따라서 침투하면서 균열로 발전하는 것으로 알려져 있다. 이러한 표면 균열들은 많은 자동차에서 허용되지 않고 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, LME 균열의 발생을 방지할 수 있는 스폿 용접용 전극을 제공하는 것이다.

다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.

본 발명의 예시적 실시예에 따른 스폿 용접용 전극은, 전극 선단부가 중심축을 기준으로 지름(d2)의 원 형상을 가지며 상기 지름(d2)의 범위 내에서 곡률 반경(SR1)을 갖는 제1면, 및 상기 제1면 둘레에 위치하는 곡률 반경(SR2)을 갖는 제2면을 포함하고, 다음의 조건식1-4를 만족하여 적어도 스폿 용접부의 어깨부에서의 LME 균열의 발생을 방지토록 구성되되,

조건식1: d2(mm) = 6

조건식2: 50≤SR1(mm)≤100

조건식3: SR2(mm)≥10

조건식4: h(mm)≤1.5

여기서, h(mm)는 상기 전극 선단부의 중심축 방향으로의 길이이고,

상기 스폿 용접용 전극은 지름(d1)을 갖는 몸체를 포함하고, 상기 전극 선단부는 상기 제1면의 첨단에서부터 상기 제2면이 상기 몸체와 접하는 최외주까지 길이(h)를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, LME 균열의 발생을 방지할 수 있는 스폿 용접용 전극이 제공될 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 스폿 용접 방법을 나타내는 그래프.
도 2는 아연도금 TRIP강과 연강과의 스폿 용접 단면을 보여주는 사진.
도 3은 LME 균열 발생에 필요한 기본 요소를 나타내는 그래프.
도 4는 스폿 용접용 전극의 전극 선단부의 형상을 나타내는 단면도.
도 5는 스폿 용접 시 발생하는 인장응력의 시간에 따른 그래프.
도 6a 및 도 6b는 각각 스폿 용접부 단면에 대한 FEM 해석 및 균열발생부의 응력분포를 보여주는 그래프.
도 7은 실시예1의 전극을 사용하여 실시한 스폿 용접 단면 사진.
도 8a 및 도 8b는 각각 스폿 용접부 단면에 대한 FEM 해석 및 균열발생부의 응력분포를 보여주는 그래프.
도 9는 실시예2의 전극을 사용하여 실시한 스폿 용접 단면 사진.
도 10은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 스폿 용접용 전극의 전극 선단부의 형상을 나타내는 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 3은 LME 균열 발생에 필요한 3가지 기본요소를 보여주고 있다. 민감한 모재, 액상금속 그리고 인장응력의 3가지 요소가 동시에 충족될 경우에만 LME 균열이 발생한다.

다시 말하면, LME 균열을 방지하기 위해서는 이들 3가지 요소 중에 한가지만이라도 LME 균열이 발생하지 않는 조건으로 변화를 주면 되는 것이다. 만약, 주어진 모재에서 LME 균열을 방지하기 위해서는 액상금속의 속성을 변경시키거나, 용접부의 인장응력을 최소화하는 방법이 있을 것이다.

그 중에서 용접부의 인장응력을 최소화하는 방법으로 전극의 형상을 스폿 용접 중에 발생하는 인장응력 값을 줄이는 방향으로 변경시킬 수 있다.

도 4는 현재 자동차사에서 널리 사용되고 있는 전극 형상의 이차원 도면이다. 외경(d1)은 16mm이며, 선단경(d2)은 6mm, 선단면의 곡률반경(SR1)은 40~50mm, 선단면 둘레의 곡면의 곡률반경(SR2)은 8mm가 대표적인 형상이다.

이러한 형상의 전극을 사용할 경우에는 도 2에서와 같이 전극의 형상에 의한 압흔(indentation)에 의해 용접부의 변형이 크게 발생하게 되며, 이로 인하여 도 5에서와 같이 위치에 따라서 가열 또는 냉각과정에서 인장응력이 발생하게 된다. 이때 발생하는 인장응력의 크기가 도금층이 용융되어 액상으로 존재하는 온도에서 모재의 항복응력을 초과하게 되면 LME 균열로 발전하게 된다. 만약 이 인장응력 크기를 모재의 항복응력 보다 작게 제어할 수 있다면 LME 균열 발생을 방지할 수 있을 것이다.

스폿 용접부의 인장응력을 최소화하기 위해서는 전극 형상의 변화가 필요하다. 예컨대 전극면의 곡률, 즉 도 4에서 SR1과 SR2가 없는 평편한 전극이 최적일 것이지만, 곡률이 전혀 없으면 너깃경 형성이 어렵고 스패터 등 용접품질에 어려움이 있어서 어느정도 곡률을 부여해야 한다.

[실시예1]

두께 1.4mm인 인장강도 1200MPa급의 아연도금강판과, 두께 2.0mm인 인장강도 270MPa급의 아연도금강판을 d1=16mm, d2=6mm, SR1=50mm, SR2=8mm인 통상의 전극을 사용하여 스폿 용접을 실시하였다.

도 6a 및 도 6b는 각각 스폿 용접부 단면에 대한 FEM 해석 및 균열발생부의 응력분포를 보여주고 있다. 그리고, 도 7은 실시예1의 전극을 사용하여 실시한 스폿 용접 단면 사진이다.

도 7에서와 같이, 스폿 용접부의 어깨부를 따라서 최대 80㎛의 LME 균열이 다수 생성된 것을 확인할 수 있다. 실용접부 단면과 응력분포를 중첩하였을 때, 노드 번호 931번과 대략적으로 일치하며, 이때 최대 인장응력값은 약 160MPa이었다.

[실시예2]

이러한 어깨부에서의 인장응력값을 줄이기 위한 방안으로 d1=16mm, d2=16mm, SR1=76mm인 전극을 사용하여 스폿 용접을 실시하였다.

도 8a 및 도 8b는 각각 스폿 용접부 단면에 대한 FEM 해석 및 균열발생부의 응력분포를 보여주고 있다. 그리고, 도 9는 실시예2의 전극을 사용하여 실시한 스폿 용접 단면 사진이다.

도 9에서와 같이, 실용접부의 어깨부에서는 LME 균열이 전혀 관찰되지 않음을 확인할 수 있다. 이때 FEM 해석결과에 따른 최대 인장응력값은 대략 120MPa이었다.

따라서, 어깨부의 인장응력값이 120MPa 보다 작게 얻어질 수 있는 전극 형상이라면 LME 균열을 방지할 수 있을 것이다.

도 10은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 스폿 용접용 전극의 전극 선단부의 형상을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

본 발명은 용접품질 및 작업성 확보와 LME 균열 발생을 억제할 수 있는 적정한 전극 형상을 얻고자 하였다.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 스폿 용접용 전극(1)은 지름(d1)을 갖는 몸체(10)의 전극 선단부(20)가 중심축(Z)을 기준으로 지름(d2)의 원 형상을 가지며 지름(d2)의 범위 내에서 곡률 반경(SR1)을 갖는 제1면(21), 및 제1면(21) 둘레에 위치하는 곡률 반경(SR2)을 갖는 제2면(22)을 포함하고, 다음의 조건식1-4를 만족하는 구조를 갖는다.

조건식1: d2(mm) = 6

조건식2: 50≤SR1(mm)≤100

조건식3: SR2(mm)≥10

조건식4: h(mm)≤1.5

여기서, h(mm)는 상기 전극 선단부의 중심축 방향으로의 길이이다.

예를 들어, 일반적인 구조에 따라 d1=16mm, d2=6mm로 고정시키고, SR1, SR2 및 h 값을 변화시켜서 FEM 해석을 실시하였으며, 이에 따른 어깨부에서의 최대 응력값을 [표1]에 나타내었다.

No	SR1(mm)	h(mm)	SR2(mm)	Max. stress(MPa)
1	50	1	50	114
2	50	2	50	128
3	50	3	50	164
4	100	1	50	100
5	100	2	50	117
6	100	3	50	131
7	50	1	0	115
8	50	1	100	112

그 결과, 전극 선단부(20)의 중심축 방향으로의 길이(h), 즉 제1면(21)의 첨단에서부터 제2면(22)이 몸체(10)와 접하는 최외주까지의 길이인 h가 가장 영향을 미치는 요소로 나타났다.

h가 작을수록 최대 인장응력값이 큰 폭으로 감소하였다. 아울러, SR1이 증가하여도 인장응력값이 소폭 감소하였다. 하지만 SR2 변화의 영향은 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 단, SR2를 10mm보다 작게 하면 구조적으로 불량한 전극형상을 갖게 되므로 SR2는 10mm 이상인 것이 바람직하다.

이러한 조건식에 의하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 스폿 용접용 전극은 기존의 전극 형상과 비교해서 전극 선단부가 보다 평편해진 구조를 가질 수 있으며, 따라서 스폿 용접부의 인장응력을 보다 최소화할 수 있을 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1... 전극
10... 몸체
20... 전극 선단부
21... 제1면
22... 제2면

Claims (2)

1. 전극 선단부가 중심축을 기준으로 지름(d2)의 원 형상을 가지며 상기 지름(d2)의 범위 내에서 곡률 반경(SR1)을 갖는 제1면, 및 상기 제1면 둘레에 위치하는 곡률 반경(SR2)을 갖는 제2면을 포함하고, 다음의 조건식1-4를 만족하여 적어도 스폿 용접부의 어깨부에서의 LME 균열의 발생을 방지토록 구성되되,
   조건식1: d2(mm)=6
   조건식2: 50≤SR1(mm)≤100
   조건식3: SR2(mm)≥10
   조건식4: h(mm)≤1.5
   여기서, h(mm)는 상기 전극 선단부의 중심축 방향으로의 길이이고,
   스폿 용접용 전극은 지름(d1)을 갖는 몸체를 포함하고, 상기 전극 선단부는 상기 제1면의 첨단에서부터 상기 제2면이 상기 몸체와 접하는 최외주까지 길이(h)를 가지는 것을 특징으로 하는 스폿 용접용 전극.
   
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