KR102176354B1 - 점 용접용 전극팁 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

로드 형태의 구리 합금재 선단과 로드 형태의 텅스텐 합금재 선단이 서로 맞닿도록 배치하는 배치단계; 상기 구리 합금재를 회전시키는 상태에서 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압하는 제1삽입단계; 및 상기 구리 합금재의 회전을 중지한 상태에서 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압하는 제2삽입단계;를 포함하는 점 용접용 전극팁 제조방법이 소개된다.

Description

점 용접용 전극팁 및 그 제조방법{SPOT WELDING ELECTRODE TIP AND MANUAFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 점 용접용 전극팁 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 회전 마찰 접합을 이용하여 구리 합금재 및 텅스텐 합금재를 접합하여 전극 수명을 향상시킬 수 있는 점 용접용 전극팁 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도금강판의 점 용접에 있어서 전극의 수명은 급격히 줄어 들어 제조 업체의 입장에서 많은 비용이 발생되고 있다.
이러한 이유로 전극 팁(Tip)의 장수명화를 위해 국내외 많은 기업 및 연구기관에서 연구개발을 지속하고 있으나 아직 획기적인 개발 보고는 없다.
기존의 경우, 텅스텐 분말의 소결입자를 3㎛ 이하로 하여 전극의 열전도율을 60W/mK 이상으로 제조하였다. 이와 같은 방식은 텅스텐 분말의 입자를 작게 하고, 적절한 소결 공정을 적용하여 열전도율을 높였다는 특징을 가지고 있으나 여러 가지 가공공정을 거쳐야 하고, 분말 가격이 높다는 단점이 있다.
또한, 전극의 선단부에 코팅 공정을 적용하여 전극소재 Cu 표면 위에 코팅층을 형성 시키고, 접합 대상물인 금속과의 합금 반응을 억제 시키는 방법들을 적용하는 기술이 있다. 이와 같은 방식은 전극 소재인 Cu를 보호하기 위해 코팅을 통해 전극 표면의 Barrier 를 형성하여 수명을 연장시키고자 한다. 이러한 코팅공정을 통한 전극제조는 코팅층이 마모되면 곧바로 한계 수명에 도달하기 때문에 대폭적인 장수명화가 어렵다는 단점이 있다.
회전 마찰 접합을 이용하여 구리 합금재 및 텅스텐 합금재를 접합하여 전극 수명을 향상시킬 수 있는 점 용접용 전극팁 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법은 로드 형태의 구리 합금재 선단과 로드 형태의 텅스텐 합금재 선단이 서로 맞닿도록 배치하는 배치단계; 상기 구리 합금재를 회전시키는 상태에서 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압하는 제1삽입단계; 및 상기 구리 합금재의 회전을 중지한 상태에서 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압하는 제2삽입단계;를 포함한다.
상기 배치단계에서, 상기 구리 합금재의 단면적은 상기 텅스텐 합금재의 단면적보다 넓으며, 상기 구리 합금재 선단의 중앙에 상기 구리 합금재 선단을 위치시킬 수 있다.
상기 제1삽입단계에서, 상기 구리 합금재를 회전시키는 속도는 1000 내지 1500rpm일 수 있다.
상기 제1삽입단계에서, 상기 구리 합금재의 회전에 의해 상기 구리 합금재 선단과 상기 텅스텐 합금재 선단에서의 온도를 700 내지 900℃로 상승시킬 수 있다.
상기 제1삽입단계에서, 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압할 때의 압력은 0.4 내지 0.8PSI일 수 있다.
상기 제2삽입단계에서, 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압할 때의 압력은 1.0 내지 1.4PSI일 수 있다.
상기 제1삽입단계 및 상기 제2삽입단계에서, 상기 텅스텐 합금재가 상기 구리 합금재에 삽입되는 길이는 2 내지 6mm일 수 있다.
상기 제2삽입단계 이후, 상기 텅스텐 합금재 중에서 상기 구리 합금재에 삽입되지 않은 부분을 절단하는 절단단계; 및 상기 구리 합금재와 상기 텅스텐 합금재가 접합된 부분을 표면 가공하는 가공단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁은 구리 합금 재질의 전극 본체부; 및 상기 전극 본체부의 단부에 삽입된 텅스텐 합금 재질의 전극 팁부;를 포함하고, 상기 전극 팁부의 외면 중 일면은 상기 전극 본체부의 선단과 맞닿아 접합계면을 형성하며, 상기 전극 팁부의 외면 중 타면은 외부로 노출된다.
상기 전극 팁부가 상기 전극 본체부에 삽입된 길이는 2 내지 6mm일 수 있다.
상기 전극 본체부는, 전체 100 중량%에 대하여, 3 중량% 이하의 크롬(Cr), 잔부 구리(Cu) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 전극 팁부는, 텅스텐(W), 텅스텐카바이드(WC) 및 초경(W-Co) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 및 그 제조방법에 따르면 기존 전극 수명 대비하여 10배 이상의 수명 향상이 가능할 수 있다. 회전 마찰 압접 공정을 적용하여 제조하기 때문에 비용이 저렴할 수 있다.
또한, 범용의 전극인 구리 합금 동(CrCu)과 일반적인 텅스텐 봉(W Rod) 만으로 제조가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법을 도식화하여 나타낸 모습이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법에서 구리 합금재에 텅스텐 합금재를 삽입시킨 모습을 나타낸 모습이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법에 따른 구리 합금재와 텅스텐 합금재의 접합계면 모습을 확대하여 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법에 따라 텅스텐 합금재의 절단 작업 후, 사이드 드레싱(Side Dressing)으로 표면 가공 처리한 점 용접용 전극팁을 나타낸 모습이다.
도 5는 전극수명평가(Estimation of electrode life) 방식에 따라 적정 전류 범위를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 점 용접용 전극팁을 이용하여 제조된 전극으로 ISO 18278-2 규정에 의거하여 수명 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 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 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다.
보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
점 용접용 전극팁 제조방법
도 1을 참고하여 설명할 때, 본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법은 로드 형태의 구리 합금재 선단과 로드 형태의 텅스텐 합금재 선단이 서로 맞닿도록 배치하는 배치단계, 구리 합금재를 회전시키는 상태에서 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압하는 제1삽입단계 및 구리 합금재의 회전을 중지한 상태에서 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압하는 제2삽입단계를 포함한다.
제2삽입단계 이후, 텅스텐 합금재 중에서 구리 합금재에 삽입되지 않은 부분을 절단하는 절단단계 및 구리 합금재와 텅스텐 합금재가 접합된 부분을 표면 가공하는 가공단계를 더 포함할 수 있다.
먼저, 배치단계에서는 로드(rod) 형태의 구리 합금재 선단과 로드 형태의 텅스텐 합금재 선단을 마련하고, 구리 합금재 선단과 텅스텐 합금재 선단이 서로 맞닿도록 배치한다.
로드 형태의 구리 합금재는 크롬(Cr)이 포함된 구리 합금 재질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 구리 합금재는 전체 100 중량%에 대하여, 3 중량% 이하의 크롬(Cr), 잔부 구리(Cu) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 구리 합금재의 인장강도는 450MPa 이상일 수 있고, 항복강도는 350MPa 이상일 수 있으며, 경도는 70HRB 이상일 수 있다. 도전율은 75%IACS 이상일 수 있다.
로드 형태의 텅스텐 합금재는 텅스텐(W), 텅스텐카바이드(WC) 및 초경(W-Co) 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 텅스텐 합금재는 구리 합금재의 전도율과 유사할 수 있다.
로드 형태의 구리 합금재의 단면적은 로드 형태의 텅스텐 합금재의 단면적보다 넓을 수 있다. 구리 합금재 선단의 중앙에 구리 합금재 선단을 위치시킨 형태로 구리 합금재와 텅스텐 합금재를 배치할 수 있다.
다음으로, 제1삽입단계에서는 구리 합금재를 회전시키는 상태에서 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압한다. 이때, 구리 합금재를 회전시키는 속도는 1000 내지 1500rpm일 수 있다.
회전 속도가 1000rpm 미만일 경우, 구리 합금재 선단과 텅스텐 합금재 선단의 마찰에 의한 마찰열의 온도가 상대적으로 낮기 때문에 텅스텐 합금재가 부러지거나 텅스텐 합금재의 삽입이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.
반면, 회전 속도가 1500rpm을 초과할 경우, 고온의 마찰열이 발생하여 구리 합금재 선단이 뭉그러지거나 소성 유동이 심해져서 변형이 일어날 수 있다.
구리 합금재의 회전으로 구리 합금재 선단과 텅스텐 합금재 선단의 마찰에 의해 구리 합금재 선단과 텅스텐 합금재 선단에서의 온도를 700 내지 900℃로 상승될 수 있다.
한편, 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압할 때의 압력은 0.4 내지 0.8PSI일 수 있다.
가압 압력이 0.4PSI 미만일 경우, 텅스텐 합금재의 삽입이 충분하게 이루어지지 않을 수 있고, 반면, 가압 압력이 0.8PSI을 초과할 경우, 구리 합금재 선단이 뭉그러지거나 소성 유동이 심해져서 변형이 일어날 수 있다.
다음으로, 제2삽입단계에서는 구리 합금재의 회전을 중지한 상태에서 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압한다. 구리 합금재의 회전을 중지시킨 다음 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압하되, 제1삽입단계에서의 압력보다 큰 힘으로 가압할 수 있다.
구체적으로, 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압할 때의 압력은 1.0 내지 1.4PSI일 수 있다.
가압 압력이 1.0PSI 미만일 경우, 텅스텐 합금재의 삽입이 충분하게 이루어지지 않을 수 있고, 반면, 가압 압력이 1.4PSI을 초과할 경우, 구리 합금재 선단이 뭉그러지거나 소성 유동이 심해져서 변형이 일어날 수 있다.
도 2에서와 같이, 제1삽입단계 및 제2삽입단계를 통해, 텅스텐 합금재가 구리 합금재에 삽입되는 길이는 2 내지 6mm일 수 있다.
도 3에서와 같이, 텅스텐 합금재와 구리 합금재의 접합부 단면을 관찰하였을 때, 텅스텐 합금재와 구리 합금재가 접하는 접합 계면에서 균열이나 파단이 관찰되지 않았고, 텅스텐 합금재와 구리 합금재가 양호하게 접합되었음을 알 수 있다.
다음으로, 절단단계에서는 텅스텐 합금재 중에서 구리 합금재에 삽입되지 않은 부분을 절단할 수 있다. 텅스텐 합금재의 절단은 일반적인 휠 절단기를 이용하여 절단할 수 있다.
다음으로, 가공단계에서는 구리 합금재와 텅스텐 합금재가 접합된 부분을 표면 가공할 수 있다. 이때, 사이드 드레싱(Side Dressing)을 하여 원래 전극 타입 (Dome Round 전극)에 맞게 표면 가공 처리를 할 수 있다. 가공 처리까지 완료된 점 용접용 전극팁은 도 4와 같다.
점 용접용 전극팁
본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁은 구리 합금 재질의 전극 본체부 및 전극 본체부의 단부에 삽입된 텅스텐 합금 재질의 전극 팁부를 포함하고, 전극 팁부의 외면 중 일면은 전극 본체부의 선단과 맞닿아 접합계면을 형성하며, 전극 팁부의 외면 중 타면은 외부로 노출된 형태로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 점 용접용 전극팁 제조방법에 따라 구리 합금재 선단과 텅스텐 합금재 선단이 서로 맞닿도록 배치하는 배치하고, 구리 합금재를 회전시키는 상태에서 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압한 후, 구리 합금재의 회전을 중지한 상태에서 텅스텐 합금재를 구리 합금재 측으로 가압하는 방법으로 텅스텐 합금재를 구리 합금재에 삽입하여 Dome Round 전극 타입의 점 용접용 전극팁을 제조할 수 있다.
이후, 텅스텐 합금재 중에서 구리 합금재에 삽입되지 않은 부분을 절단하고 접합부를 표면 가공하여 완성된 점 용접용 전극팁에서 구리 합금재 부분은 전극 본체부에 대응되고, 텅스텐 합금재 부분은 전극 팁부에 대응될 수 있다.
이에 따라 전극 팁부가 전극 본체부에 삽입된 길이는 2 내지 6mm일 수 있다. 그러므로 전극 팁부에서 일면과 측면이 전극 본체부에 둘러싸여 서로 접하는 형태로 연결되고, 전극 팁부의 타면은 외부로 드러난 형태로 형성되어 강판에 점 용접을 실시할 경우, 강판과 접하는 부분일 수 있다.
전극 팁부의 외면 중 일면이 전극 본체부의 선단과 집접 맞닿아 형성하는 접합계면은 마찰열에 의해 변형된 형태로 형성될 수 있다. 이는 전극 본체부에 뚫은 구멍에 전극 팁부를 압입하는 방법, 납재를 통해 전극 팁부를 전극 본체부에 꽂는 방법, 가열 팽창시켜 전극 팁부를 주위재에 매립하는 방법 및 전극 팁부를 주조하여 전극 본체부를 냉간 단조하는 방법 등으로 연결하였을 때와는 달리 도 3에서와 같이, 접합계면이 형성되고, 접합계면에는 균열 및 파단이 형성되지 않을 수 있다.
실시예
본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 점 용접용 전극팁을 이용하여 하기 표 1의 용접 조건으로 전기 저항 점 용접을 실시하였다. 강종은 자동차용 강판으로 시판되고 있는 고내식 아연도금강판 PosMAC 1.5를 적용하였다. 강판 두께는 1.0mmt 이며, 도금량은 양면 120g/m2이었고, 도금 두께가 약 10㎛ 이하였다.
용접기는 자동차 제조사에서 흔히 사용하고 있는 AC 용접기(60Hz)이며, 용접 조건은 강판의 두께와 도금량을 기준으로 일반적인 조건을 적용하였다.
강종 두께
(mm)		 전극
타입		 전극
(mm)		 가압력
(kN)		 펄스
수		 용접
시간
(Cy)		 냉각
시간
(Cy)		 유지
시간
(Cy)		 기준
버턴경
(mm)
Coated
DDQ		 1.0 DR 6 2.7 1 14 0 14 4
연타 실험은 ISO 18278-2의 전극수명평가(Estimation of electrode life) 방식을 따라서 실시하였다. 먼저, 규정에 의거하여 적정 전류 범위를 측정 하였는데, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
점용접부의 플러그 직경(Plug Diameter)이 강판 두께에 비례하여 기준 직경이 되는데 통상 4√t 이다. 강판의 두께가 1mm이기 때문에 기준 직경은 4mm 된다. 도 5에서 나타낸 바와, 같이 용접 Expulsion은 전류가 11kA 이상에서 발생하였다.
따라서 적정 전류 범위는 9.2kA에서 11kA이고, 연속타점 실험에서의 전류값은 10.5kA로 적용하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 점 용접용 전극팁을 이용하여 제조된 전극으로 ISO 18278-2 규정에 의거하여 수명 측정한 결과를 나타내고 있다. 약 2,900 타점에서 플러그(Plug) 직경이 기준 직경인 4mm에 도달하였다.
따라서 고내식 도금강판 PosMAC 1.5 강판으로 적용하였을 경우, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 점 용접용 전극팁을 이용하여 제조된 전극의 수명은 약 2900 타이다.
도 6에서 그래프 안의 전극 사진은 2900 타 이후의 상/하부 전극 표면을 나타내고 있다. 기존의 일반 전극의 수명인 200 내지 300 타와 비교하면 약 10배에 달하는 결과임을 알 수 있다.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (12)

  1. 로드 형태의 구리 합금재 선단과 로드 형태의 텅스텐 합금재 선단이 서로 맞닿도록 배치하는 배치단계;
    상기 구리 합금재를 회전시키는 상태에서 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압하는 제1삽입단계; 및
    상기 구리 합금재의 회전을 중지한 상태에서 상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압하는 제2삽입단계;를 포함하고,
    상기 제1삽입단계 및 상기 제2삽입단계에서,
    상기 텅스텐 합금재가 상기 구리 합금재에 삽입되는 길이는 2 내지 6mm인 점 용접용 전극팁 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배치단계에서,
    상기 구리 합금재의 단면적은 상기 텅스텐 합금재의 단면적보다 넓으며, 상기 구리 합금재 선단의 중앙에 상기 구리 합금재 선단을 위치시키는 점 용접용 전극팁 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1삽입단계에서,
    상기 구리 합금재를 회전시키는 속도는 1000 내지 1500rpm인 점 용접용 전극팁 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1삽입단계에서,
    상기 구리 합금재의 회전에 의해 상기 구리 합금재 선단과 상기 텅스텐 합금재 선단에서의 온도를 700 내지 900℃로 상승시키는 점 용접용 전극팁 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1삽입단계에서,
    상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압할 때의 압력은 0.4 내지 0.8PSI인 점 용접용 전극팁 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2삽입단계에서,
    상기 텅스텐 합금재를 상기 구리 합금재 측으로 가압할 때의 압력은 1.0 내지 1.4PSI인 점 용접용 전극팁 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2삽입단계 이후,
    상기 텅스텐 합금재 중에서 상기 구리 합금재에 삽입되지 않은 부분을 절단하는 절단단계; 및
    상기 구리 합금재와 상기 텅스텐 합금재가 접합된 부분을 표면 가공하는 가공단계;를 더 포함하는 점 용접용 전극팁 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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