KR102014613B1 - 아크 스폿 용접 방법 및 그것을 실행하는 용접 장치 - Google Patents

Abstract

아크 스폿 용접의 이면 용접 비드에 있어서, 소정의 용접 비드 직경이나 덧붙임 높이를 얻을 수 있고, TSS와 CTS의 양쪽 강도가 우수한 용접 조인트를 얻을 수 있는 아크 스폿 용접 방법 및 그것을 실행하는 용접 장치를 제공한다. 탄소를 0.2질량％ 이상 함유하는 판 두께 t의 강판(1)과, 탄소를 0.2질량％ 이상 함유하고, 판 두께가 t 이상의 적어도 1매의 강판(1)을 겹쳐 배치하고, 비접촉부와 하측 강판의 이면과 상기 비접촉부를 비접촉 상태로 유지하는 접촉부를 구비하는 받침쇠(4)를, 상기 접촉부가 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 3t를 초과하는 위치에서 하측 강판(1)의 이면과 접촉하도록 받침쇠(4)를 배치하고, 아크 발생과, 용접 와이어 및 상측 강판 사이의 용접 전압이 10V 이하가 되는 단락 통전을, 상기 단락 통전의 기간이 1주기당 30％ 초과 60％ 미만이 되도록, 교대로 반복하여 행하고, 상기 강판(1, 1)을 용접한다.

Description

아크 스폿 용접 방법 및 그것을 실행하는 용접 장치{ARC SPOT WELDING METHOD AND WELDING DEVICE FOR PERFORMING SAME}

본 발명은, 고강도강으로 이루어지는 박강판의 겹침부를 아크 스폿 용접하는 방법 및 그것을 실행하는 용접 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차 분야에 있어서, 차체의 경량화 및 충돌 안전성 향상을 위해 고강도 강판의 사용이 증가하고 있고, 사용되는 강판의 강도도 점점 상승하고 있다. 그러한 고강도강으로 이루어지는 차체의 조립이나 부품의 설치 등의 공정에 있어서, 주로, 저항 용접에 의한 스폿 용접이 사용되고 있다.

스폿 용접부의 접합 강도는, 전단 방향으로 인장 하중을 부하하여 측정하는 인장 전단 강도(TSS)와, 박리 방향으로 인장 하중을 부하하여 측정하는 십자 인장 강도(CTS)에 의해 평가된다. 이 TSS와 CTS는, 강판의 인장 강도의 증가와 함께 도 16에 도시한 바와 같은 관계로 변화하는 것이 알려져 있다. 즉, TSS가 강판의 인장 강도의 상승에 따라 향상되는 것에 반하여, CTS는, 강판의 인장 강도가 590MPa 전후로 포화되고, 강판의 인장 강도가 그 이상이 됨에 따라 반대로 저하되는 특성으로 되어 있다.

인장 강도가 590MPa를 초과하는 고강도 강판을 스폿 용접한 경우, 모재 강판의 ?칭성의 향상에 수반하여, 너깃의 인성이나 연성의 저하가 발생된다. 또한, 스폿 용접의 CTS와 같은 박리 하중을 부하한 경우, 강판이 고강도가 될수록 용접 금속(너깃) 단부에 응력이 집중되기 쉬워진다. 게다가, 특히 가압력이 높은 경우나 플래시가 발생한 경우, 스폿 용접부의 강판 두께가, 주위에 비교하여 얇아지고, 하중 부하에 대해 응력 레벨이 한층 상승되어 버린다. 이들이 원인으로, 스폿 용접에 있어서, 강판 강도가 높은 경우에는, 용접부의 CTS가 저하되게 된다.

이에 비해, 아크 스폿 용접에서는, 강판을 관통시켜 용접하여, 용접 금속으로 덧붙임부를 형성할 수 있으므로, 스폿 용접보다도 높은 조인트 강도를 얻을 수 있다.

특허문헌 1에는, 겹쳐진 고강도 강판의 이면측까지 용융시키고, 또한, 강판의 각 표면으로부터 돌출되도록 형성된 용접 비드의 비드 직경을 강판 판 두께와의 관계에서 적정 범위로 제어함으로써, 높은 CTS와 TSS의 양쪽이 얻어지고, 조인트 강도가 우수한 용접 조인트를 실현할 수 있는 아크 스폿 용접 조인트가 개시되어 있다.

그러나, 용접 비드 형상은, 강재 성분이나 강재 판 두께 등에 따라, 변화하고, 또한, 이면의 용접 비드는, 중력의 영향으로 늘어지기 때문에, 안정되게 용접 비드 형상을 제어하는 것은 곤란하다.

이면 비드의 늘어짐을 억제하는 수단으로서, 특허문헌 2에는, 받침쇠를 사용하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 2에서는, 받침쇠와 용접 금속의 용착을 방지하기 위해, 받침쇠의 표면 부분에 오목부를 형성하고, 받침쇠에 대한 아크 방전의 발생을 억제하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 2의 도 1에는, 받침쇠의 오목부와 동일한 크기의 용접 비드가, 겹쳐진 강판의 이측에 형성되는 것이 기재되어 있다. 그러나, 본 발명자들이, 특허문헌 2에 개시되는 받침쇠를 이용하여, 아크 스폿 용접시의 이면 비드 형상의 제어를 시도했으나, 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 용접 비드 직경이나 덧붙임 높이를 얻을 수 없었다.

특허문헌 3의 도 2에는, 아크 용접시의 분위기 형성과, 2매의 제진 강판을 맞대어 용접할 때에 발생하는 수지 가스의 배출과, 2매의 제진 강판의 용접부 에지 근방을 냉각할 수 있도록, 상기 2매의 제진의 용접부 근방 배면을 냉각할 수 있는 폭을 구비하는 가스 공급 홈이 오목 형성된 장치가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 4의 도 3 등에는, 2매의 강판을 겹쳐서 받침대 위에 두고, 아크 스폿 용접하는 장치가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 3, 4는 모두, 용접 비드의 오름 높이 등의 용접 비드의 형상을 제어하는 구체적인 방법을 개시하고 있지 않았다. 그로 인해, 전술한 장치가, 용접부의 강도를 높이기 위해 필요한 비드 형상을 형성할 수 있는 기능을 가질지는 자명하지 않다.

일본 특허 공개 제2013-010139호 공보 일본 특허 공개 (평)06-039542호 공보 일본 특허 공개 (평)5-104250호 공보 일본 특허 공개 (평)2-59173호 공보

따라서, 본 발명은, 이러한 실정에 감안하여, 아크 스폿 용접의 이면 용접 비드에 있어서, 소정의 용접 비드 직경이나 덧붙임 높이를 얻을 수 있고, TSS와 CTS의 양쪽의 강도가 우수한 용접 조인트를 얻을 수 있는 아크 스폿 용접 방법 및 그것을 실행하는 용접 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 강판 이면에 받침쇠를 설치하여 용접을 하면, 받침쇠에 의한 히트싱크 때문에, 용융 영역의 성장이 저해된다는 지견을 얻었다. 따라서, 강판의 이면 용접 비드를 확대하기 위해, 용융 영역 근방에 있어서의 강판 이면으로부터 받침쇠로의 열전달을 억제하는 방법에 대해 검토한 결과, 용접 부분과 받침쇠 사이에 클리어런스를 형성할 수 있도록, 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠와 강판 이면의 접촉 위치를 한정하는 것을 발견했다.

또한, 용융 금속 그 자체의 질량에 기인하는 중력 외에도, 아크 용접시의 아크 플라즈마 기류에 의한 분사 압력에 기인하는 압력, 즉, 아크 압력은, 이면 비드의 늘어짐 정도에 영향을 미친다. 따라서, 본 발명자들은, 아크 용접시에 있어서의 아크 발생 시간의 비율을 일정한 범위로 억제함으로써, 당해 아크 용접시에 있어서의 평균적인 아크 압력을 경감할 수 있어, 아크 스폿 용접 초기의 용접 금속의 빠짐을 방지할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성했다.

본 발명의 요지는, 이하와 같다.

(1) 탄소를 0.2질량％ 이상 함유하는 복수의 강판을 겹쳐 배치하고, 또한 용접 토치와 반대측의 하측 강판에 받침쇠를 접촉 배치하여 겹쳐 용접하는 아크 스폿 용접 방법이며, 상기 받침쇠는, 상기 하측 강판에 대향하여 상기 하측 강판과 접촉하지 않는 비접촉부와, 상기 하측 강판에 접촉하는 접촉부를 구비하고, 상기 접촉부가 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 3t를 초과하는 위치에서 하측 강판과 접촉하도록 받침쇠를 배치하고, 용접 전압이 10V 이하가 되는 단락 통전 시간이, 통전 1주기당 30％ 초과 60％ 미만이 되도록, 아크 발생 및 단락 통전을 교대로 연속적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.

단, t는 상기 복수의 강판 중 가장 판 두께가 얇은 강판의 판 두께로 한다.

(2) 아크 발생 및 단락 통전을 교대로 연속적으로 반복하는 아크 스폿 용접 기간에 있어서의 평균 용접 전압(단위: V)/평균 용접 전류(단위: A)의 값이, 0.07 내지 0.10(V/A)인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(3) 1주기를 5msec 내지 20msec로 하고, 당해 1주기의 사이에 아크 발생 및 단락 통전을 행하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(4) 상기 접촉부는, 상기 하측 강판의 이면과 상기 비접촉부의 클리어런스를 0.2t 내지 3t로 유지하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(5) 3t 내지 10t의 원상당의 용접 비드 직경을 가지면서, 또한, 0.2t 내지 3t의 덧붙임 높이를 갖는 이면 용접 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(6) 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉을, 점상 접촉, 선상 접촉 및 면상 접촉 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(7) 상기 이면 용접 비드의 원상당 용접 비드 직경이 5t 초과의 이면 용접 비드를 형성할 때에, 상기 받침쇠를 구리 또는 구리 합금으로 형성하고, 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉을 면상 접촉으로 하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(8) 상기 이면 용접 비드의 원상당 용접 비드 직경이 5t 초과의 이면 용접 비드를 형성할 때에, 상기 받침쇠를 강재로 형성하고, 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉을 면상 접촉으로 하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(9) 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉 면적을 10㎠ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법.

(10) (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 아크 스폿 용접 방법을 실행하는 아크 스폿 용접 장치이며, 상기 하측 강판의 이면으로부터 이격하여 배치되는 비접촉부와, 상기 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 3t 초과의 위치에서 하측 강판의 이면과 접촉하고, 상기 하측 강판의 이면과 상기 비접촉부 사이에 0.2t 내지 3t의 클리어런스를 유지하는 접촉부를 구비하는 받침쇠를 갖는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 장치.

(11) 상기 아크 스폿 용접 장치는, 용접 토치와 상기 받침쇠를 구비한 용접 로봇인 것을 특징으로 하는 상기 (10)에 기재된 아크 스폿 용접 장치.

본 발명에 따르면, 다양한 성분의 고강도 강판 용접에 있어서도, 용접부의 인성이나 연성이 저하되지 않고, TSS와 CTS의 양쪽이 우수한 아크 스폿 용접 조인트가 얻어지므로, 자동차용 부품의 제조나 차체 조립 등의 공정에 있어서 본 발명을 적용함으로써, 보다 강도가 우수한 부재를 제조할 수 있어, 자동차의 안전성 향상 등에 기여할 수 있다.

도 1은 가스 메탈 아크 용접에 의한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 2는 받침쇠를 사용하지 않는 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 오목부가 없는 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 오목부가 있는 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 오목부의 직경을 확대한 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 상측 강판의 용접 개소의 관통 구멍의 유무에 대한 일례를 나타내는 도면. (a)는 관통 구멍이며, (b) 관통 구멍없음을 나타내는 도면.
도 7은 수직 단면으로부터 본 형상이 직육면체 형상의 오목부 있는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면. (a)는 받침쇠의 평면도와 수직 단면도, (b)는 (a)의 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 후의 단면도를 도시하는 도이다.
도 8은 반구 형상의 오목부가 있는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면. (a)는 받침쇠의 평면도와 수직 단면도, (b)는 (a)의 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 후의 단면도를 도시하는 도면.
도 9는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면. (a)는 강판 이면과 점상 접촉하는 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도와 측면도, (b)는 강판 이면과 선상 접촉하는 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도와 수직 단면도를 나타내는 도면.
도 10은 강판 이면과 면상 접촉하는 접촉부를 갖는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면. (a)는 직사각형 접촉면의 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도와 수직 단면도, (b)는 오목부를 갖는 직사각 형상 접촉면의 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도와 수직 단면도.
도 11은 아크 스폿 용접 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 12는 받침쇠의 설치 각도 조정 수단의 일례를 나타내는 도면.
도 13은 상측 강판의 누름 수단의 일례를 나타내는 도면.
도 14는 십자 인장 시험용 시험편을 나타내는 도면.
도 15는 전단 인장 시험용 시험편을 나타내는 도면.
도 16은 강판의 인장 강도에 대한 인장 전단 강도(TSS)와 십자 인장 강도(CTS)의 관계를 나타내는 도면.
도 17은 이면 용접 비드가 강판 이면에 충분히 융합되지 않는 상태를 나타내는 개략 단면도.
도 18의 (a)는, 표준적인 아크 용접법에 의해, 용융 금속이 강판 이면에 용락되어 받침쇠의 표면에 접촉하는 상태를 도시하는 개략 단면도. (b)는, 본 발명의 아크 용접 방법에 의해, 아크 스폿 용접 초기의 용융 금속의 용락이 방지되는 상태를 도시하는 개략 단면도.
도 19는 CMT 전원을 사용한 아크 용접에 있어서의, 전압 파형 및 전류 파형과 아크 발생 시간 및 단락 통전 시간의 관계를 나타내는 그래프.
도 20은 용접시의 단락 시간율과 융합 불량 발생의 관계를 나타내는 그래프.
도 21은 강관 내에 받침쇠를 고정한 아크 스폿 용접 방법의 일례이며, 용접 부분의 확대 단면도.

도 1은, 가스 메탈 아크 용접에 의한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면이다.

이와 같이, 아크 스폿 용접 방법은, 용접하려고 하는 강판(1)을 2장 겹쳐 배치하고, 판면에 대해 수직으로, 또는 거의 수직으로 배치된 가스 메탈 아크 용접 토치(2)의 용접 와이어(3)로부터 아크를 발생시켜, 용접 와이어(3)를 송급하면서, 2매의 강판을 서로 용접하는 방법이다. 적정한 용접부 강도를 확보하기 위해서는, 소정의 용접 비드 직경 W, 덧붙임 높이 h를 형성할 필요가 있다.

본 발명은, 이러한 아크 스폿 용접 방법에 있어서, 용접 토치측의 강판을 상측 강판이라 하고, 용접 토치측의 면을 표면으로 했을 때, 하측 강판의 이면에 받침쇠를 배치하여 상측 강판의 표면으로부터 용접할 때에 받침쇠의 접촉부와 하측 강판 이면의 접촉 위치를 한정하는 것을 요건으로 하고 있다.

또한, 상기 요건 외에도, 본 발명은, 아크 용접시에 있어서의 아크 발생 시간과 단락 통전 시간의 비율을 일정한 범위로 억제함으로써, 당해 아크 용접시에 있어서의 평균적인 아크 압력을 경감하는 것을 요건으로 하고 있다.

본 발명은, 상기 2가지 요건에 의해, 소정의 이면 용접 비드 직경이나 덧붙임 높이를 얻을 수 있고, TSS와 CTS의 양쪽 강도가 우수한 용접 조인트를 얻을 수 있도록 한 것이다.

이하, 본 발명의 아크 스폿 용접 방법에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

(받침쇠의 접촉부와 하측 강판의 이면의 접촉 위치의 조건)

본 발명자들은, 용접 금속이 용락되기 쉽다고 여겨지는 0.3％ C를 첨가한 판 두께 2㎜의 강판을 대상으로, 아크 스폿 용접을 행한 경우의 이면 용접 비드의 형성 현상에 대해 검토했다. 여기서, 목표로 하는 용접 비드 직경은 10㎜(5t), 덧붙임 높이는 1㎜(t/2)로 했다.

먼저, 받침쇠를 사용하지 않고, 아크 스폿 용접을 행한 경우의 이면 용접 비드의 형상에 대해 검토했다. 도 2는, 받침쇠를 사용하지 않는 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 이와 같이, 받침쇠를 사용하지 않고, 아크 스폿 용접을 행하는 경우, 양쪽 강판을 충분히 용융시키려고 하면, 이면 용접 비드가 크게 늘어져, 목표로 하는 덧붙임 높이를 얻을 수 없었다.

다음에, 다양한 형상의 받침쇠를 이용하여, 아크 스폿 용접을 행한 경우의 이면 용접 비드의 형상에 대해 검토했다.

도 3은, 오목부가 없는 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면이다.

이와 같이, 오목부가 없는 받침쇠(4)를 하측 강판 이면에 밀착시켜 아크 스폿 용접하면, 이면 용접 비드는 늘어질 수 없어, 목표로 하는 덧붙임 높이를 얻을 수 없었다. 또한, 받침쇠에 의한 히트싱크의 영향으로 이면 용접 비드의 직경이 작아졌다.

도 4는, 오목부가 있는 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4는, 이면 용접 비드 형상의 적정화를 도모하기 위해, 받침쇠(4)의 오목부의 직경을 10㎜, 깊이를 1㎜로 했다. 이러한 오목부가 있는 받침쇠(4)를 하측 강판 이면에 밀착시켜 아크 스폿 용접하면, 덧붙임 높이가 1㎜ 정도로 확대되어, 목표로 하는 덧붙임 높이가 얻어졌다. 그러나, 받침쇠의 히트싱크 영향으로 이면 용접 비드 직경은 4㎜ 정도로 작은 채로 였다.

도 5는, 오목부의 직경을 확대한 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 도 5는, 받침쇠(4)와 하측 강판 이면의 접촉 면적을 작게 하여, 받침쇠(4)의 히트싱크를 억제하고, 이면 용접 비드의 직경을 확대하기 위해, 받침쇠의 오목부의 직경을 15㎜로 확대했다. 이러한 오목부가 있는 받침쇠(4)를 하측 강판 이면에 밀착시켜 아크 스폿 용접하면, 이면 용접 비드 직경이 10㎜ 정도, 덧붙임 높이가 1㎜ 정도로 목표로 한 용접부 형상이 얻어졌다.

이와 같이, 목표로 하는 이면 용접 비드 형상이 얻어진 것은, 받침쇠에 오목부를 형성한 것에 의한 것이 아니고, 오목부의 직경을 확대한 것에 의한 것이어서, 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠의 히트싱크가 억제되었기 때문이다. 그렇다면, 받침쇠의 히트싱크를 억제하기 위해서는, 받침쇠와 하측 강판 이면이 접촉하지 않는 형태로 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 강판의 지지 및 받침쇠의 위치 결정을 위해, 받침쇠와 하측 강판 이면을 접촉시킬 필요가 있다. 따라서, 이면 용접 비드로부터 이격된 위치에서, 받침쇠의 접촉부와 하측 강판 이면을 접촉시켜, 받침쇠의 히트싱크를 억제하도록, 받침쇠를 배치하는 것이 효과적이다.

이상, 검토 결과를 정리하면, 이하와 같다.

받침쇠의 접촉부가, 목표로 하는 이면 용접 비드보다 외측의 위치, 즉, 목표로 하는 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터, 그것의 원상당 직경(W) 정도 이상의 위치에서, 강판 이면과 접촉하도록, 받침쇠를 배치함으로써, 목표로 하는 이면 용접 비드 형상을 얻을 수 있다. 그런데, 본 아크 스폿 용접법에 있어서 목표로 하는 이면 용접 비드의 직경은 판 두께 t(㎜)(2매 이상의 강판의 판 두께가 상이한 경우는 표측 강판 혹은 이측 강판이 얇은 쪽의 강판 판 두께를 t로 함)에 대해 3 내지 10t의 범위이다. 이로 인해, 하한인 3t의 용접 비드 직경을 실현하기 위해서는, 받침쇠의 접촉부가 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 적어도 3t를 초과하는 위치로 설정할 필요가 있다.

(아크 발생 조건)

전술한 바와 같이, 받침쇠에 설치된 오목부의 직경을 확대함으로써, 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠의 히트싱크가 억제되어, 이면 용접 비드 형상을 확대하는 것이 가능해진다. 그러나, 설정하는 용접 조건에 따라서는, 도 17에 도시한 바와 같이, 이면 용접 비드가 강판 이면에 충분히 융합하지 않고 경계면이 형성되는 융합 불량(30)이 발생한다. 특히, 겹칠 수 있는 하측 강판의 이면과 받침쇠의 클리어런스가 어느 강판의 두께 t를 초과하는 경우, 표준적인 직류 아크 용접법이나 펄스 머그 용접법으로 아크 스폿 용접을 행하면, 이러한 융합 불량이 발생하기 쉬워진다.

도 18의 (a)는, 표준적인 아크 용접법에 의한 용접의 초기에 있어서의, 용접 부분의 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 18의 (a)에 도시한 바와 같이, 표준적인 아크 용접법에서는, 아크 스폿 용접의 초기에 있어서, 용융 금속이 강판 이면에 용락되어 받침쇠의 표면에 접촉하여(부호 40), 용융 금속이 받침쇠에 냉각되어 버린다. 이와 같이, 이면 용접 비드의 직경은 확대해도, 이면 용접 비드와 강판 이면을 용융 일체화시킬 수 없기 때문에, 충분한 접합 강도의 향상 효과를 얻을 수 없다.

용융 금속의 용락은, 용융 금속 그 자체의 중력 외에도, 전술한 아크 압력이 영향을 미친다. 따라서, 아크 용접 과정에 있어서의 아크 발생 시간의 비율을 적게 하면, 평균적인 아크 압력이 경감되어, 도 18의 (b)에 도시하는 바와 같이 아크 스폿 용접 초기의 용융 금속의 용락을 방지하는 것이 가능하게 되고, 강판 이면을 용융시키면서 이면 용접 비드 직경을 확대할 수 있다고 생각했다. 도 18의 (b)의 경우, 용융 금속이 받침쇠의 표면에 접촉하는 부분(부호 50)은, 최소한으로 억제되므로, 용융 금속의 냉각을 방지할 수 있다.

아크 용접 과정에 있어서의 아크 발생 시간의 비율을 적게 하기 위해서는, 적극적으로 용접 와이어와 모재를 접촉시켜, 단락 통전 시간을 증가시키는 것이 유효해진다. 그 수단으로서, 수 10Hz의 사이클로 아크 발생 시간 및 단락 통전 시간을 제어할 수 있는 콜드 메탈·트랜스퍼(Cold Metal Transfer) 전원(이하, 간단히 「CMT 전원」이라고 함)을 사용하여 검토했다. 상기 CMT 전원은, 도 19에 도시한 바와 같이, 용접 와이어의 송급을 전진, 후퇴로 제어하면서 아크 용접을 행하는 것이며, 용접 조건의 설정에 의해, 아크 발생 및 단락 통전을 연속적으로 교대로 행하여, 아크 발생 시간 및 단락 통전 시간의 비율을 제어할 수 있다. 또한, 상기 단락 통전 시간이란, 용접 전압이 10V 이하가 되는 시간을 의미한다.

본 발명자들은, 상기 CMT 전원을 사용하여, 판 두께 1.0㎜, 1.6㎜ 및 2.3㎜인 강판에 대해 각종 용접을 행하고, 용접시의 단락 시간율과 융합 불량 발생의 관계를 조사했다. 그 결과를 도 20에 나타낸다. 도 20에서, 「○」은 이면 용접 비드와 강판 이면과의 용융 일체화를 확인할 수 있는 용융 상태가 양호한 용접에 대응하고, 「×」는 이면 용접 비드와 강판 이면 사이에 경계면을 확인할 수 있는 용융 상태가 불량의 용접에 대응한다. 또한, 도 20에 관한 것으로, 「단락 시간율=0(％)」에 있어서의 용접의 평가는, 펄스 머그 용접을 사용하여 행하고, 0(％) <단락 시간율<30(％)의 범위에 있어서의 용접의 평가는, 쇼트 아크 용접을 사용하여 행하고, 30(％)<단락 시간율의 범위에 있어서의 용접의 평가는, CMT 용접을 사용하여 행했다.

또한, 전술한 「단락 시간율」이란, 용접 와이어 및 상측 강판 사이의 아크 발생과, 용접 와이어 및 상측 강판 사이의 용접 전압이 10V 이하가 되는 단락 통전을 교대로 연속적으로 반복해서 행할 때, 1회의 아크 스폿 용접에 있어서의 아크 발생 시간 및 단락 통전 시간 및 단락 통전 시간이 차지하는 비율을 의미한다. 또한, 상기 아크 발생 및 상기 단락 통전의 교대 반복을 중단하지 않고 연속하여 행하는 것을 본 발명에 있어서 「1회의 아크 스폿 용접」으로 한다.

도 20에 도시한 바와 같이, 단락 시간율이 30％ 이상으로 이면 용접 비드부에 융합 불량이 없는 용접부를 만들 수 있었다. 그러나, 단락 시간율을 60％ 이상으로 하면 용접 현상 그 자체가 불안정해져 용접을 실시할 수 없었다. 따라서, 본 발명에 있어서 단락 시간율은, 30％ 초과 60％ 미만으로 설정할 필요가 있다.

용접 조건의 관점에서는, 단락 시간율이 증가하면 용접 전류에 대한 용접 전압의 비율이 저하된다. 본 발명의 피용접재의 아크 스폿 용접 용접 전류를 150A 내지 250A의 범위로 설정하는 경우, 단락 시간율이 20％ 정도 이하이면 용접 전압/용접 전류는 0.11 내지 0.15 정도가 된다. 이에 비해, 상기 용접 전류를 상기 범위로 설정하고, 또한 단락 시간율을 30％ 이상으로 설정하는 경우, 용접 전압/용접 전류는 0.07 내지 0.10의 범위가 된다. 이와 같이, 융합 불량이 없는 용접을 행하기 위해서는, 단락 시간율의 설정 범위에 따라 용접 전압/용접 전류의 범위를 규정할 필요가 있다.

본 발명은, 이상과 같은 검토 과정을 거쳐서 상기 (1)에 기재된 발명에 이른 것이며, 그러한 본 발명에 대해, 또한, 필요한 요건이나 바람직한 요건에 대해 순차 설명한다.

(피용접재)

본 발명의 아크 스폿 용접 방법에서는, 피용접재인 강판(1)으로서, 어떤 성분의 강판에서도 사용할 수 있다. 특히, C량이 0.2질량％ 이상에서 고탄소 강판에서는, 용융 금속이, 겹쳐진 강판의 이면에 크게 늘어지기 쉬우므로, 본 발명을 사용하는 것은 효과적이다.

피용접재인 고강도강의 강종이나 성분은, 특별히 한정되지 않고 예를 들어, 2상 조직형(예를 들어, 페라이트와 마르텐사이트를 포함하는 조직, 페라이트와 베이나이트를 포함하는 조직), 가공 유기 변태형(페라이트와 잔류 오스테나이트를 포함하는 조직), 미세 결정형(페라이트 주체 조직) 등, 어느 강판이어도 된다. 어느 강종으로 이루어지는 고강도 강판이어도, 본 발명을 적용함으로써, TSS와 CTS 모두 우수한 아크 스폿 용접 조인트가 얻어진다.

강판의 판 두께는, 적어도 겹침부의 판 두께가 0.5 내지 3.0㎜의 범위에 있는 강판을 대상으로 한다. 판 두께가 0.5㎜ 미만이면, 기본적인 부재로서의 강도나 강성을 확보할 수 없다. 한편, 판 두께가 3.0㎜ 초과이면 고강도화와 박판화의 양쪽을 실현하는 목적을 달성할 수 없다.

조합되는 강판은, 동일한 강종이나 동일한 판 두께의 판재에 한정되는 것은 아니고, 상기 C량의 조건을 만족시켜 아크 스폿 용접이 가능한 것이면 적절히 조합할 수 있고, 중첩되는 매수는 한정되지 않는다. 또한, 용접되는 강판의 형상도, 적어도 겹쳐지는 부분이 판상이면 되고, 전체가 판이 아니어도 되고, 예를 들어 강판으로부터 특정한 형상으로 성형된 프레스 부품 등도 포함하는 것이다. 또한, 별도의 강판을 겹칠 경우에 한정되지 않고, 1매의 강판을 관상 등의 소정의 형상으로 성형하여, 단부를 중첩한 것이어도 된다.

(겹침부의 형태)

도 6은, 상측 강판의 용접 개소의 관통 구멍의 유무의 일례를 나타내는 도면이다. 2매의 강판의 겹침부를 아크 스폿 용접에 의해 겹쳐 용접하는 경우, 도 6 (a)과 같이 용접 토치에 면하는 상측 강판(21)의 용접 개소에, 미리 관통 구멍(5)을 형성하여 용접하는 방법과, 도 6의 (b)와 같이 구멍을 마련하지 않고, 간단히 겹치는 것만으로 용접하는 방법이 있다. 본 발명은, 그 모든 경우에도 적용이 가능하다.

겹쳐진 하측 강판(22)까지 용융시켜, 그 하면(이면)에 충분한 두께의 덧붙임부를 형성하기 위해, 용접 토치에 면하는 상측 강판(21)의 판 두께가 1.6㎜ 이상일 때는, 용접 개소에 미리 관통 구멍(5)을 형성해도 된다. 관통 구멍(5)을 형성하지 않는 경우에는, 용접 시간을 길게 하여 용접 입열을 증대시킬 필요가 있어, 생산성이 저하된다는 문제가 있다. 한편, 상측 강판(21)의 판 두께가 1.6㎜ 미만일 때는, 아크에 의한 강판의 관통이 용이하기 때문에, 관통 구멍(5)은 특히 불필요하다. 그러나, 특히 입열을 작게 할 필요가 있는 경우에는, 상측 강판(21)의 판 두께가 1.2㎜ 미만이어도, 관통 구멍(5)을 형성해도 지장없다.

관통 구멍(5)을 개방하는 경우에는, 상측 강판(21)의 판 두께 t1(㎜)에 대한 관통 구멍(5)의 직경 D(㎜)의 비(D/t1)가, 10 이하가 되도록 한다. 이에 의해, 하측 강판의 이면까지 비드를 관통시키면서, 안정되게 아크 스폿 용접을 행하는 것이 가능해진다. D/t1이 10을 초과하면, 관통 구멍(5)의 구멍 끝을 충분히 용융시키기 위해서는, 토치를 큰 요동폭으로 요동시킬 필요가 생긴다. 이로 인해, 용접 시간이 길어지는 것이나, 용접 입열이 증대되어, 용접 변형이 현저해질 우려가 있다. 혹은, 토치를 요동시키지 않으면, 구멍 끝을 용잔하고, 특히 CTS가 저하될 우려가 있다. 또한, 관통 구멍(5)을 뚫은 효과를 충분히 얻기 위해서는, D/t1의 값을 1 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(용접 공정)

중첩된 강판을 용접하는 순서에 대해, 관통 구멍(5)이 있는 경우와 없는 경우로 나누어 설명한다. 또한, 아크 스폿 용접의 공정은, 1 패스로 해도, 2 패스로 나누어도 상관없다. 1 패스로 행할 때는, 하측 강판(22)의 이면까지 용융시켜, 이면에 필요한 높이의 덧붙임부를 형성함과 함께, 상측 강판(21)을 녹여 상측의 덧붙임부를 형성한다. 2 패스로 나눌 때는, 제1 용접 금속을 형성하는 제1 용접 패스를 행하고, 계속해서, 제1 용접 금속의 표면이 응고된 후, 제1 용접 금속 위에 제2 용접 금속을 동일하게 하여 형성하는 제2 용접 패스를 행한다.

(1) 상측 강판에 관통 구멍이 있는 경우

먼저, 관통 구멍(5)을 통해서, 용접 와이어로부터 하측 강판(22)의 표면을 향하여 아크를 발생시켜, 하측 강판(22)을 이면까지 용융시킴과 함께, 관통 구멍(5)을 용융 금속으로 매립하도록 하여, 아크 스폿 용접 조인트를 얻는다.

(2) 상측 강판에 관통 구멍이 없는 경우

기본적인 용접 순서나 각 용접 패스의 조건은, 관통 구멍(5)을 형성한 경우와 동일하지만, 상측 강판(21)을 용융시키기 위해, 동일한 판 두께끼리 비교하면, 관통 구멍(5)을 형성한 경우보다도 입열량을 높여 용접할 필요가 있다.

이로 인해, 용접하려고 하는 판재의 판 두께가 두꺼워지면, 이면까지 용융시키기 위해 필요한 입열량이 증대되어, 용접 금속의 용접 변형이 현저해지는 경우가 있다. 따라서, 상측 강판(21)에 관통 구멍(5)을 형성하지 않는 경우에는, 비교적 얇은 판 두께의 강판에서 실시하는 것이 바람직하다. 본 발명자들의 검토에서는, 중첩되는 판재의 합계 판 두께가 약 3㎜ 이하이면, 넓은 입열 조건 범위에서 목표로 하는 용접 금속의 형상이 얻어지는 것을 확인하고 있다.

(용접 조건)

아크 스폿 용접시의 전류, 전압 조건은, 아크 발생 및 단락 통전을 교대로 행하고, 용접 와이어와 상측 강판의 단락 통전 시간이 30％ 초과 60％ 미만이 되도록, 용접하려고 하는 판재의 두께 등에 따라 적합한 조건을 적절히 채용하면 된다. 또한, 실드 가스의 종류도 특별히 한정되는 것은 아니고, 통상의 Ar과 30체적％ 이하의 CO₂의 혼합 가스가 예시되지만, CO₂ 가스의 혼합량을 2 내지 20체적％로 하는 경우에는, 특히 비드의 늘어져 떨어짐을 억제할 수 있으므로, 제1 용접 패스는 이 실드 가스 조건에서 용접하는 것이 바람직하다.

아크 스폿 용접에 사용하는 용접 와이어는, 성분이나 직경 등은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 JIS Z 3312이나 JIS Z 3313 등으로 규정되는 용접 와이어 등, 필요한 조인트 강도에 따른 강도의 용접 금속이 형성되도록, 종래 공지의 것으로부터 선택하여 사용하면 된다.

(비드 형상)

이면에 형성되는 용접 비드의 원상당 직경(비드 직경) W를, 십자 인장 강도(CTS)를 향상시키기 위해, 판 두께 t(㎜)에 대해 3t 내지 10t(㎜)의 범위로 형성된다. 또한, 중첩되는 복수의 판재의 판 두께가 동일하지 않은 경우에는, t는 가장 얇은 판재의 판 두께로 한다. 용접 비드 직경이 3t 미만이면, 비드가 작아서 판재의 강도에 적당한 조인트 강도가 얻어지지 않는다. 강도를 확보하기 위해서는, 비드 직경이 큰 쪽이 바람직하고, 상기 직경 W가 5t 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 이 비드 직경이 10t를 초과하는 크기에서는, 용접 시간이 길어져, 입열량의 증가에 의해 용접 금속이 늘어져, 용접 변형이 현저해질 우려가 있다.

이면 용접 비드의 덧붙임부의 높이 h는, 강판의 판 두께 t(㎜)에 대해 0.2t(㎜) 이상 3t(㎜) 이하로 형성한다. 덧붙임부의 높이가 0.2t 미만이면, 덧붙임부가 낮아서 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않는다. 또한, 중첩하는 판재의 판 두께가 상이한 경우, t는 가장 얇은 판재의 판 두께로 한다. 강도를 확보하기 위해서는, 덧붙임 높이가 큰 쪽이 바람직하고, 상기 높이 h가 0.5t 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 단, 덧붙임부의 높이가 3t를 초과하는 크기에서는, 용접 금속이 늘어지고, 용접 변형이 현저해진다.

(받침쇠)

받침쇠는, 강판 이면과 접촉하는 접촉부가, 목표로 하는 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터, 그것의 원상당 직경(W) 정도 이상으로 하는 것이 바람직하고, 직경 3t 이상의 이면 비드를 형성하는 것을 전제로, 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 강판 이면과 접촉하는 위치를 3t 초과로 할 수 있는 형상이면, 특별히 한정되지 않는다. 이하에, 본 발명의 아크 스폿 용접으로 사용할 수 있는 받침쇠에 대해, 받침쇠의 오목부의 형상, 받침쇠의 접촉부, 받침쇠의 재질을 차례로 설명한다.

(1) 받침쇠의 오목부의 형상

받침쇠의 오목부의 형상은, 받침쇠의 수직 단면도에 있어서, 직사각 형상, 원호 형상 등 어느 형상도 채용할 수 있다.

도 7은, 수직 단면으로부터 본 형상이 직육면체 형상의 오목부 있는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7의 (a)의 상방의 도는, 받침쇠의 평면도이며, 하방의 도는 A-A 수직 단면도이다. 또한, 도 7의 (b)에는, (a)의 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 후의 단면도를 나타낸다. 단, 도 7의 (b)는, 도 5와 동일한 도면이다. 이 받침쇠(4)는, (a)의 수직 단면도에 도시한 바와 같이, 오목 형상을 직사각 형상으로 하고 있다. 또한, 받침쇠(4)의 접촉부(6)와 강판 이면이, 이면 용접 비드의 원상당 중심(7)으로부터, 3t보다 이격된 위치에서 접촉하는 형상으로 하고 있다. 그로 인해, 도 5의 설명에 있어서 나타낸 바와 같이, 이 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접으로는, 목표로 하는 용접부 형상이 얻어졌다.

도 8은, 반구 형상의 오목부 있는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면이다. 도 8의 (a)의 상방의 도는, 받침쇠의 평면도이며, 하방의 도는 A-A 수직 단면도이다. 또한, 도 8의 (b)는, (a)의 받침쇠를 이용한 아크 스폿 용접 후의 단면도를 나타낸다. 이 받침쇠(4)는, (a)의 수직 단면도에 나타낸 바와 같이, 오목 형상을 원호 형상으로 하고 있다. 그리고, 이 받침쇠(4)의, 오목부의 반경을 3t 정도 이상으로 하고, 오목부 깊이 D를 0.2t 정도의 크기로 하여 아크 스폿 용접하면, 이면 용접 비드 직경이 3t 이상 정도, 덧붙임 높이가 0.2t 정도가 목표로 하는 이면 용접부 형상이 얻어졌다. 또한, (b)에 도시된 바와 같이, 지단부의 상승각이 작은 이면 용접 비드 형상이 얻어졌다.

이와 같이, 수직 단면에 있어서, 직사각 형상과 원호 형상의 오목부 있는 받침쇠(4)를 사용하여 얻어진 이면 용접 비드를 비교하면, 원호 형상의 오목부 있는 받침쇠(4)를 사용하여 얻어진 이면 용접 비드쪽이, 지단부의 상승 각도가 작아진다. 그리고, 이면 용접 비드의 지단부의 상승 각도가 작으면, 피로 강도가 향상되므로, 받침쇠(4)의 오목부를 원호 형상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 받침쇠(4)의 수직 단면도에 있어서, 적어도 이면 용접 비드의 원상당 중심(7)과 대향하는, 받침쇠(4)의 강판 이면과 접촉하지 않는 비접촉부(8)와, 접촉부(6)의 높이 방향의 거리 D가, 0.2t 내지 3t가 되는 받침쇠 형상으로 하는 것이 바람직하다. 덧붙임 높이와 거리 D는 대략 동등한 값이 되기 위해, 거리 D를 0.2t 내지 3t로 함으로써, 덧붙임 높이를 목표로 하는 0.2t 내지 3t로 할 수 있다.

(2) 받침쇠의 접촉부

받침쇠의 접촉부와 강판 이면의 접촉은, 점상 접촉, 선상 접촉, 또는 면상 접촉 중 적어도 하나를 채용할 수 있다.

도 9는, 받침쇠의 일례를 나타내는 도면이다. 도 9의 (a)의 상방의 도는, 강판 이면과 점상 접촉하는 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도이며, 하방의 도는, 그 받침쇠의 측면도이다. 또한, 도 9의 (b)는, 강판 이면과 선상 접촉하는 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도이며, 하방의 도는, 그 받침쇠의 A-A 수직 단면도이다.

도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 받침쇠(4)와 강판 이면의 접촉을 점상 접촉으로 하면, 접촉 면적이 작아져, 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠에 의한 히트싱크가 감소하기 때문에, 이면 용접 비드의 직경을 목표의 직경으로 확대한 것을 용이하게 할 수 있다. 이 도면에서는, 원기둥 선단의 반구 형상체의 정점을 접촉부(6)로 했지만, 받침쇠(4)로서 이용 가능한 강도를 가지면, 접촉부(6)를 원추 형상체의 정점으로 하는 등 어떠한 것이든 채용할 수 있다. 또한, 평면도에서, 접촉부를 3점으로 했지만, 4점 이상으로 구성할 수도 있다.

도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 받침쇠(4)와 강판 이면의 접촉을 선상 접촉으로 하면, 점상 접촉보다 접촉 면적이 커지지만, 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠에 의한 히트싱크는 충분히 감소하기 때문에, 이면 용접 비드의 직경을 목표의 직경으로 확대할 수 있다. 한편, 접촉부(6)의 강도의 점에서 보면, 선상 접촉으로 하는 것이 바람직하다. 이 도면에서는, 수직 단면도에서 직육면체 선단의 원호 형상체의 정점을 접촉부(6)로 했지만, 받침쇠로서 이용 가능한 강도를 가지면, 접촉부(6)를 삼각 형상의 정점으로 하는 등 어떠한 것이든 채용할 수 있다. 또한, 평면도에서, 접촉부(6)를 2개의 직선상으로 했지만, 3개 이상으로 구성하는 것도, 꺾은선이나 곡선으로 할 수도 있다.

도 10은, 강판 이면과 면상 접촉하는 접촉부를 갖는 받침쇠의 일례를 나타내는 도면이다. 도 10의 (a)의 상방의 도면은, 직사각형 접촉면의 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도이며, 하방의 도면은, 그 받침쇠의 A-A 수직 단면도이다. 또한, 도 10의 (b)는, 오목부를 갖는 직사각 형상 접촉면의 접촉부를 갖는 받침쇠의 평면도이며, 하방의 도면은, 그 받침쇠의 A-A 수직 단면도이다.

도 7, 도 8 및 도 10에 도시하는 받침쇠(4)는, 모두, 받침쇠(4)와 강판 이면의 접촉을 면상 접촉으로 하는 것이지만, 도 7 및 도 8에 나타내는 받침쇠(4)는, 접촉면이 동일면으로 연결되는 것에 대해, 도 10에 도시하는 받침쇠는, 접촉면이 동일면으로 나뉘어져 있다. 이와 같이 함으로써, 도 7 및 도 8에 나타내는 받침쇠(4)와 비교하여, 도 10에 도시하는 받침쇠(4)의 접촉 면적이 작아져, 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠(4)에 의한 히트싱크가 감소하기 때문에, 이면 용접 비드의 직경을 목표의 직경으로 확대할 수 있다. 이 도에서는, 평면도에서 2면의 직사각형 접촉면을 접촉부(6)로 했지만, 접촉부(6)를 3면 이상으로 하는 것도, 원형상, 삼각 형상으로 하는 것도 어떠한 것도 채용할 수 있다.

또한, 도 7 내지 도 10에 도시한 실시 형태에 한하지 않고, 다양한 받침쇠(4)의 오목부의 형상과 접촉부(6)의 형태를 조합하는 것도, 하나의 받침쇠(4)에 있어서, 점상 접촉, 선상 접촉 및 면상 접촉을 조합하여 채용할 수도 있다.

(3) 받침쇠의 재질

받침쇠(4)는, 구리 또는 구리 합금, 혹은 강, 세라믹스로부터 형성할 수 있다. 또한, 구리 또는 구리 합금의 받침쇠와 강판의 접촉부에, 열 전도가 낮은 세라믹스를 배치하는 등의 조합을 채용할 수도 있다. 단, 가공성의 관점에서, 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.

또한, 아크 스폿 용접 후에 받침쇠를 제거하지 않고, 강판, 용접 비드 및 받침쇠를 일체로 한 구조로서 사용하는 경우는, 받침쇠의 재질에 강을 사용해도 된다. 예를 들어, 도 21에 도시한 바와 같이, 강관(60) 내에 미리 받침쇠(4)를 고정하여 아크 용접을 하는 경우, 당해 받침쇠(4)를 강제로 하는 것이 바람직하다. 또한, 받침쇠의 재질을 강으로 하는 경우도, 강판의 이면측의 용접 비드 형상을 확대하기 위해, 전술한 바와 같이, 오목부의 형상, 받침쇠의 접촉부를 규정할 필요가 있다.

또한, 이면 용접 비드의 원상당 직경(비드 직경) W가 5t 초과 10t 이하가 되도록 용접할 때는, 받침쇠(4)의 재질을 구리, 구리 합금 또는 강으로 하고, 받침쇠(4)의 접촉부(6)와 강판 이면의 접촉을 면상 접촉으로 하는 것이 바람직하다. 이면 용접 비드의 원상당 직경 W를 크게 하면, 받침쇠(4)의 접촉부(6) 사이의 거리가 이격되기 때문에, 받침쇠(4)의 접촉부(6)의 강도가 저하된다. 그로 인해, 받침쇠(4)의 재질을 구리, 구리 합금 또는 강으로 하고, 받침쇠(4)의 접촉부(6)와 강판 이면의 접촉을 면상 접촉으로 하는 것이 바람직하다.

(받침쇠의 접촉부와 강판 이면의 접촉 면적)

받침쇠(4)의 접촉부(6)와 강판 이면의 접촉 면적을 10㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 용융 영역 근방에 있어서의 받침쇠(4)에 의한 히트싱크를 억제하여, 목표로 하는 이면 용접 비드 형상을 용이하게 얻기 위해, 접촉 면적을 작게 하는 것이 바람직하다. 5㎠ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

(아크 발생 및 단락 통전의 조건)

전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서, 용접 전압이 10V 이하가 되는 단락 통전 시간이, 통전 1주기당 30％ 초과 60％ 미만이 되도록, 아크 발생 및 단락 통전을 중단하지 않고 교대로 연속적으로 반복하는 것이 필요하다. 아크 발생 및 단락 통전을 이와 같이 연속적으로 반복하는 기간, 즉, 1회의 아크 스폿 용접 기간은, 1초 이상 3초 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 아크 스폿 용접 방법은 용접 상태를 반영 혹은 피드백하면서 실시해도 된다. 그로 인해, 1회의 아크 스폿 용접 기간에 있어서의 각 주기의 아크 발생 기간은 동일하거나 상이해도 되고, 1회의 아크 스폿 용접 기간에 있어서의 각 주기의 단락 통전 기간은 동일하거나 상이해도 된다. 단, 각 주기가 5msec 이상 20msec 이하가 되도록, 각 주기의 아크 발생 기간 및 단락 통전 기간을 설정하는 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 아크 스폿 용접 장치에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 11은, 아크 스폿 용접 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 자동차 부재는, 대부분의 경우, 용접 로봇을 사용하여 용접되어 있다. 이로 인해, 받침쇠(4)와 용접 토치(2)가 일체로 된 장치를 사용하여 효율적인 용접 작업을 행하는 것이 바람직하다. 도 11에 도시한 바와 같이, 다관절 로봇의 선단에 한 쌍의 받침쇠(4)와 용접 토치(2)가 설치되어 있다. 로봇 아암(9)과 받침쇠(4)의 상대 위치는 고정되어 있다. 로봇 아암(9)의 동작으로 받침쇠(4)가 소정의 강판 이면 위치에 배치되고, 그 후, 용접 토치(2)가 소정의 위치까지 하강하여 용접된다.

실제의 부품을 용접하는 경우에는, 부재의 정밀도 불량에 의해 강판 이면과 받침쇠 사이에 간극이 발생하는 경우가 있다. 도 12는, 받침쇠의 설치 각도 조정 수단의 일례를 나타내는 도면이다. 이와 같이, 스프링(10)을 통해 강판 이면에 대한 받침쇠(4)의 설치 각도를 조정할 수 있다. 설치 각도의 조정 수단은, 스프링(10)에 한정되지 않고, 적재대를 회전 가능하게 하는 등 설치 각도를 조정할 수 있는 것이면 어떠한 수단도 채용할 수 있다.

도 13은, 상측 강판의 누름 수단의 일례를 나타내는 도면이다. 이와 같이, 용접 토치(2)의 하강에 맞추어 상측 강판(21)을 누르고, 상측 강판(21)과 하측 강판(22)을 받침쇠 사이에서 끼우는 수단을 설치하고, 상측 강판(21)과 하측 강판(22) 사이의 간극을 없앨 수 있다. 상측 강판(21)의 누름 수단(11)은, 용접 토치(2)에 설치하는 장치에 한정되지 않고, 누름 방향으로 이동 가능한 로봇 아암(9)에 설치하는 장치 등 상측 강판(21)을 누를 수 있는 것이면 어떠한 수단도 채용할 수 있다.

실시예

다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은, 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다. 표 1에 사용한 고강도 강판의 판 두께, 인장 강도 및 성분 조성을 나타낸다.

표 1에 나타내는 강판으로부터 시험용 강판을 잘라냈다. 시험용 강판 이면에 구리의 받침쇠를 배치하고, 강판에 대해, 표 2-1에 나타내는 용접 입열 및 표 2-2에 나타내는 용접 전류, 용접 전압, 용접 시간, 아크 발생 및 단락 통전의 조건에서 아크 스폿 용접을 행하고, 시험 번호 1 내지 22의 시험편을 제작했다. 또한, 실드 가스로서, 20체적％ CO₂ 가스, 잔부 Ar 가스의 혼합 가스를 사용했다. 시험 번호 1 내지 3은 받침쇠를 사용하지 않고 제작된 시험편이며, 시험 번호 4 내지 17은 구리제의 받침쇠를 사용하여 제작된 시험편이며, 시험 번호 18 내지 22는 강제의 받침쇠를 사용하여 제작된 시험편이다. 또한, 시험 번호 1 내지 22의 어느 제조에 있어서도, 아크 스폿 용접 기간의 각 주기의 아크 발생 기간 및 단락 통전 기간은, 5msec 이상 20msec 이하가 되도록 설정되었다.

표 2-1의 항목 「받침쇠 오목부 반경」은, 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 하측 강판의 이면과 접촉하는 받침쇠의 접촉부까지의 거리를 나타내고, 항목 「받침쇠 오목부 깊이 d」는, 이면 용접 비드의 원상당 중심과 대향하는 받침쇠의 비접촉부와, 받침쇠의 접촉부의 높이 방향의 거리(즉, 하측 강판과 받침쇠의 비접촉부간의 클리어런스)를 나타낸다. 또한, 표 2-1의 항목 「강판 이면과 받침쇠의 접촉 형태」에 있어서, 「면 접촉」이란, 도 7에 도시된 바와 같이 폐곡선으로 둘러싸인 오목부를 갖고, 당해 오목부의 외주를 따라서 강판 이면과 면 접촉하는 형상을 갖는 받침쇠를 이용한 것을 의미한다. 「3점 접촉」이란, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 그 표면 위의 3개소에 세워 설치된 기둥 형상의 접촉부(6)의 정상부에 의한 3점 지지로, 강판 이면과의 사이에 「상기 받침쇠 오목부 깊이 d」의 클리어런스를 확보하는 구조의 받침쇠를 이용한 것을 의미한다. 또한, 「2개의 선접촉」이라는 기재는, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 그 표면 상에 있어서 일정한 간격을 두고 서로 평행하게 기립 설치된 벽상의 접촉부(6)의 정상부에 의한 지지이며, 강판 이면과의 사이에 「상기 받침쇠 오목부 깊이 d」의 클리어런스를 확보하는 구조의 받침쇠를 이용한 것이다.

[표 1]

[표 2-1]

[표 2-2]

이상의 시험편에 대해, 먼저, 용접 비드의 형상을 눈으로 확인함과 함께, 이면 용접 비드 직경 W 및 덧붙임 높이 h를 측정했다.

구리제 받침쇠를 이용한 경우의 이면 용접 비드 직경 W는, 평면에서 보아 원상당 직경을 측정하고, 덧붙임 높이 h는, 평면에서 보아 비드 직경이 개략 최대가 되는 방향으로 용접부를 절단하고, 당해 단면의 사진을 촬영한 후, 화상 해석 장치에 의해 당해 단면의 최대 높이를 덧붙임 높이로서 구했다. 한편, 강제의 받침쇠를 이용한 경우는, 받침쇠이들 강판과 용융하기 때문에, 받침쇠와 용접 비드가 일체로 형성된다. 이로 인해, 용접부의 단면 화상을 사용하여, 강판 이면에 있어서의 용접 비드 폭의 최댓값을 구하고, 당해 최댓값을 이면 용접 비드 직경 W로 정의하고, 최대 용융 깊이를 덧붙임 높이 h로 정의했다.

표 3에, 이면 용접 비드 직경 W, 덧붙임 높이 h를 나타낸다.

십자 인장 시험용 시험편은, 스폿 용접 조인트의 십자 인장 시험 방법(JIS Z3137)에 기초하여, 도 14에 도시한 바와 같은 십자 형상으로 각 강판을 중첩하고, 이면에 받침쇠를 배치하고, 아크 스폿 용접법에 의해 시험편을 겹쳐 용접하여, 십자 인장 시험편을 제작했다. 이 때, 용접 와이어로서 JIS Z3312에 기재된 YGW17을 사용했다.

또한, 전단 인장 시험용 시험편도, 마찬가지로, 스폿 용접 조인트의 전단 인장 시험 방법(JIS Z3136)에 기초하여, 도 15에 도시한 바와 같은 평행하게 각 시험편을 중첩하고, 이면에 받침쇠를 배치하고, 아크 스폿 용접법에 의해 시험편끼리를 용접하고, 전단 인장 시험편을 제작했다.

그리고, 십자 인장 시험편에 대해, JIS Z3137에 기초하여, 십자 인장 시험을 실시하고, 십자 인장 강도(CTS(단위 킬로 뉴턴))를 측정했다. 또한, 전단 인장 시험편에 대해, JIS Z3136)에 기초하여, 전단 인장 시험을 실시하고, 전단 인장 강도(TSS(단위 킬로 뉴턴))를 측정했다. 표 3에, 십자 인장 강도, 전단 인장 강도를 나타낸다.

표 3에 나타내는 결과 중 시험 번호 1 내지 5, 15 내지 19 및 22는 비교예이며, 시험 번호 6 내지 14, 20, 21은 발명예이다.

시험 번호 6 내지 14의 시험편은, 오목부 반경이 3t보다 큰 구리제 받침쇠를 이용하여 제작된 본 발명예이다. 이 발명예에 의하면, 받침쇠의 접촉부가, 목표로 하는 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 3t 초과의 위치에서 강판 이면과 접촉하므로, 목표로 하는 이면 용접 비드 직경 및 덧붙임 높이가 얻어지고, 십자 인장 강도 및 전단 인장 강도의 양쪽에 우수한 용접 조인트가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시험 번호 20, 21의 시험편도 본 발명에 규정된 형상의 강제 받침쇠를 사용하여 제작되어 있으므로, 양호한 십자 인장 강도 및 전단 인장 강도가 얻어졌다.

한편, 시험 번호 1의 시험편은, 이면 용접 비드가 형성되지 않았다. 시험 번호 2 및 3의 시험편은, 용접 금속이 용락했다. 시험 번호 4 및 5의 시험편은, 오목부 반경이 3t보다도 작은 받침쇠를 사용하여 제작되고 있다. 이와 같이, 시험 번호 4 및 5의 시험편은, 강판 이면과 받침쇠의 접촉부 접촉 위치가 본 발명에서 규정하는 범위를 만족시키지 않는 조건으로 제작되고 있으므로, 목표로 하는 이면 용접 비드 직경 및 덧붙임 높이가 얻어지지 않고, 충분한 십자 인장 강도 및 전단인장 강도를 갖는 용접 조인트를 얻을 수 없었다.

또한, 강제 받침쇠를 이용한 시험 번호 18 및 19의 시험편은, 오목부 반경이 3t보다도 작은 받침쇠를 사용하여 제작되어 있다. 이와 같이, 시험 번호 18 및 19의 시험편은, 강판 이면과 받침쇠의 접촉부 접촉 위치가 본 발명에서 규정하는 범위를 만족시키지 않는 조건으로 제작되어 있기 때문에, 이면 용접 비드 직경이 작아서, 목표로 하는 조인트 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 조인트 강도의 판정은 인장 전단 하중 TSS로 행하고, JIS Z 3140로 규정되는 스폿 용접의 인장 전단 하중(강) A급의 2배 이상의 값, 즉 판 두께 1.6㎜의 강판에서는 20kN 이상, 판 두께 1㎜인 강판에서는 10kN 이상을 합격으로 했다.

시험 번호 15 내지 17 및 22의 시험편은, 용접 조건에 있어서의 단락 시간율 또는 용접 전류와 용접 전압의 비가 본 발명의 규정 범위를 만족시키지 않는 경우의 결과를 나타낸다. 시험 번호 15, 16, 22의 시험편은 단락 시간율이 작기 때문에, 용접 개시와 동시에 용융 금속이 받침쇠에 용락되어 버려, 이면 용접 비드와 강판 이면을 용융 일체화가 불충분해지고 있었기 때문에, 충분한 접합 강도의 향상 효과를 얻지 못했다. 시험 번호 19는 단락 시간율이 크기 때문에, 안정된 용접을 실시할 수 없어, 강판 이면이 미용융이 되어, 충분한 접합 강도의 향상 효과를 얻지 못했다.

[표 3]

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 따르면, 다양한 성분의 고강도 강판 용접에 있어서도, 용접부의 인성이나 연성이 저하되지 않고, TSS와 CTS의 양쪽이 우수한 아크 스폿 용접 조인트가 얻어지므로, 자동차용 부품의 제조나 차체의 조립 등의 공정에 있어서 본 발명을 적용함으로써, 보다 강도가 우수한 부재를 제작할 수 있어, 자동차의 안전성 향상 등에 기여할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 산업상 이용 가능성이 높은 것이다.

1: 강판(피용접재)
21: 상측 강판
22: 하측 강판
2: 용접 토치
3: 용접 와이어
4: 받침쇠
5: 관통 구멍
6: 접촉부
7: 이면 용접 비드의 원상당 중심
8: 비접촉부
9: 로봇 아암
10: 스프링
11: 누름 수단
30: 융합 불량 부분
40: 받침쇠에 접촉하는 용융 금속 부분
50: 용융 금속 부분의 최하부
W: 이면 용접 비드 직경
h: 덧붙임 높이
D: 받침쇠 비접촉부와 강판 이면의 간격
WB: 용접 비드

Claims (11)

1. 탄소를 0.2질량％ 이상 함유하는 복수의 강판을 겹쳐 배치하고, 또한 용접 토치와 반대측의 하측 강판에 받침쇠를 접촉 배치하여 겹쳐 용접하는 아크 스폿 용접 방법이며,
   상기 받침쇠는, 상기 하측 강판에 대향하여 상기 하측 강판과 접촉하지 않는 비접촉부와, 상기 하측 강판에 접촉하는 접촉부를 구비하고, 상기 접촉부가 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 3t를 초과하는 위치에서 하측 강판과 접촉하도록 받침쇠를 배치하고,
   용접 전압이 10V 이하가 되는 단락 통전 시간이, 통전 1주기당 30％ 초과 60％ 미만이 되도록, 아크 발생 및 단락 통전을 교대로 연속적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
   단, t는 상기 복수의 강판 중 가장 판 두께가 얇은 강판의 판 두께로 한다.
2. 제1항에 있어서, 아크 발생 및 단락 통전을 교대로 연속적으로 반복하는 기간에 있어서의 아크 스폿 용접 기간에 있어서의 평균 용접 전압(단위:V)/평균 용접 전류(단위:A)의 값이, 1주기당 0.07 내지 0.10(V/A)인 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 1주기를 5msec 내지 20msec로 하고, 당해 주기 사이에 아크 발생 및 단락 통전을 행하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉부는, 상기 하측 강판의 이면과 상기 비접촉부의 클리어런스를 0.2t 내지 3t로 유지하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 3t 내지 10t의 원상당 직경의 용접 비드 직경을 가지면서, 또한, 0.2t 내지 3t의 덧붙임 높이를 갖는 이면 용접 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉을, 점상 접촉, 선상 접촉 및 면상 접촉 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이면 용접 비드의 원상당 용접 비드 직경이 5t 초과의 이면 용접 비드를 형성할 때에, 상기 받침쇠를 구리 또는 구리 합금으로 형성하고, 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉을 면상 접촉으로 하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이면 용접 비드의 원상당 용접 비드 직경이 5t 초과의 이면 용접 비드를 형성할 때에, 상기 받침쇠를 강재로 형성하고, 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉을 면상 접촉으로 하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉부와 상기 하측 강판의 이면 접촉 면적을 10㎠ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 기재된 아크 스폿 용접 방법을 실행하는 아크 스폿 용접 장치이며,
    상기 하측 강판의 이면으로부터 이격하여 배치되는 비접촉부와, 상기 이면 용접 비드의 원상당 중심으로부터 3t 초과의 위치에서 하측 강판의 이면과 접촉하고, 상기 하측 강판의 이면과 상기 비접촉부 사이에 0.2t 내지 3t의 클리어런스를 유지하는 접촉부를 구비하는 받침쇠를 갖는 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 아크 스폿 용접 장치는, 용접 토치와 상기 받침쇠가 탑재된 용접 로봇인 것을 특징으로 하는 아크 스폿 용접 장치.
    

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