KR102348579B1 - 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로서 적용될 수 있는 열간성형용 알루미늄도금강판의 저항 점용접 방법에 관한 것이다.

Description

열간성형용 강판의 저항 점용접 방법 {METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING OF STEEL SHEET FOR HOT-PRESS FORMING}

본 발명은 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로서 적용될 수 있는 열간성형용 알루미늄도금강판의 저항 점용접 방법에 관한 것이다.

지속적으로 지구 온난화 현상이 심화됨에 따라, 전 세계적으로 친환경 트렌드가 각광받고 있다.

특히, 자동차 산업에서는 연료 소비 효율을 높이기 위한 차체 경량화와 동시에, 탑승자의 충돌 안정성 보증을 위해, 적용되는 소재의 고강도화를 강력하게 요구하고 있다.

철강 소재의 고강도화 전략은 합금원소량(주로 탄소, 망간, 실리콘 등)을 증가시킴으로써 달성할 수 있는데, 이러한 고합금화 소재는 실제 산업분야에 적용함에 있어서 용접성을 저해하는 주된 요인으로 알려져 있다.

구체적으로, 소재의 성분에 따라 경화능을 나타내는 척도인 탄소당량(carbon equivalent)의 증가는 저항 용접을 실시한 후 용융부(weldment) 취화 및 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 강도 하락 즉, 연화 현상을 야기하므로 자동차 부품에 요구되는 물성 확보에 많은 어려움이 있다.

한편, 자동차용 소재로 그 사용이 증가되고 있는 열간성형용 강판의 경우, 소재의 강도 상승을 위해서 투입되는 합금량을 최소화하되, 고온의 오스테나이트 상에서 급속 냉각을 통해 탄소의 과포화에 따른 마르텐사이트 상을 확보함으로써 요구되는 고강도 물성 및 재질을 확보하는 특징이 있다. 부가적으로, 고온의 오스테나이트 상에서 소재를 압연 또는 성형함으로써 복잡한 구조의 부품 형상을 얻을 수 있으며, 상온에서 가공시 소재가 변형 전으로 돌아가고자 하는 현상인 스프링백(Spring Bark) 또한 억제할 수 있어, 열간성형용 강판은 큰 장점이 있다고 할 수 있다.

다만, 열간성형용 강판의 성형을 위해 고온으로 열처리하는 과정에서 극표층 탄소가 빠져나가는 현상인 탈탄(decarbonation)이 일어나는 바, 이를 방지하기 위해서는 강판 표면에 도금이 요구되며, 이때 아연 도금 대비 상대적으로 융점이 높은 알루미늄 도금이 열간성형용 강판에 주로 사용되고 있다.

알루미늄 도금이 행해진 열간성형용 강판의 성형을 위한 고온 열처리시, 도금층 내로 Fe 확산이 이루어져 Fe-Al계 금속간 화합물층이 형성되는데, 열처리가 행해지는 로 내 분위기가 주로 대기 분위기로 조성됨에 따라 표면에서 산화층이 두텁게 발생하는 것을 피할 수 없다.

이와 같이, 표면에 산화층, Fe-Al계 금속간 화합물층 등이 두텁게 형성된 도금강재는 저항 점용접시 다른 강종 대비 높은 저항값을 가지게 됨에 따라, 낮은 용접 전류를 인가하더라도 과도한 입열이 발생하게 되며, 이는 용융물이 외부로 비산되는 날림(expulsion)을 빈번하게 발생시키게 된다.

그리고, 열처리 과정에서 형성된 Fe-Al계 금속간 화합물층은 경도가 높아 취화가 잘 일어나는 바, 저항 점용접을 행한 후 용접부의 강도를 확보하는 데에 어려움이 있다.

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로서, 열처리 로 내의 분위기를 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 조성함으로써 표면 산화층의 성장을 억제하는 방안, 높은 저항에 따른 과도한 입열 현상을 제어하기 위해 표층 산화물과 Fe-Al계 금속간 화합물층을 물리적으로 제어하는 방안 등이 제시되어 왔으나, 부가적인 공정에 의한 제조비용의 상승을 피할 수 없기에, 실제 현장에서 적용하기에는 제약이 있다.

그럼에도 불구하고, 최근 인장강도 2.0GPa에 달하는 알루미늄 도금된 열간성형강판이 개발되고 있으며, 이들 강에는 탄소를 포함한 합금원소가 더욱 많이 첨가(high carbon equivalent)될 뿐만 아니라, 고온 장시간이 요구되는 더욱 가혹한 열처리 조건을 피할 수 없는 실정이다.

따라서, 알루미늄 도금된 열간성형용 강판의 저항 점용접시 별도의 추가공정 없이 용접성의 향상과 더불어 요구되는 용접부 물성을 확보할 수 있는 방안의 개발이 더욱 요구된다.

한국 등록특허공보 제10-1696121호

본 발명의 일 측면은, 열간성형용 강판 특히, 알루미늄 도금된 열간성형용 강판의 저항 점용접시 용접성을 향상시키면서 요구되는 용접부 물성을 확보할 수 있는 점용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은, 적어도 일면에 알루미늄계 도금층을 포함하는 열간성형용 강판을 2매 이상 준비하는 단계; 상기 강판의 용접 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계; 상기 전극이 가압된 상태에서 1차 통전을 행하는 단계; 상기 1차 통전을 완료한 후 냉각하는 단계; 및 상기 냉각 후 2차 통전을 행하는 단계를 포함하며,

상기 열간성형용 강판은 상기 전극이 접촉하는 면에 알루미늄계 도금층을 포함하고, 상기 1차 및 2차 통전은 하기 식(1)을 만족하는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법을 제공한다.

[식 (1)]

(여기서, t0과 t1은 각각 1차 통전 시작 및 종료의 시간[ms], I는 1차 통전시 가해지는 전류[kA], tp는 용접되는 소재의 도금층 편면 두께[㎛], t2는 2차 통전 시간[ms]을 의미한다.)

본 발명에서 제공하는 용접 방법에 의해 자동차용 소재로 적용되는 열간성형용 강판, 특히 알루미늄 도금강판을 저항 점용접하는 경우, 용접 중 용접성 하락의 근본적인 원인을 제거할 수 있으므로, 양호한 용접부의 형성이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 저항 점용접 방법의 한 가지 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.

본 발명의 발명자들은 자동차용 소재로 그 사용이 점차 증가되고 있는 열간성형용 강판, 예컨대 알루미늄 도금강판의 저항 점용접시 용접성 열화에 따른 용접부 물성 저하 현상을 최소화할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다.

특히, 본 발명은 저항 점용접 공정 이외의 추가적인 공정을 행하지 않으면서, 용접성 향상과 더불어 요구되는 용접부 물성을 확보할 수 있는 용접 방법을 제공함에 기술적 의의가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법은 열간성형용 강판을 2매 이상 준비하는 단계; 상기 열간성형용 강판의 용접 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계; 상기 전극이 가압된 상태에서 1차 통전을 행하는 단계; 상기 1차 통전을 완료한 후 냉각하는 단계; 및 상기 냉각 후 2차 통전을 행하는 단계를 포함할 수 있다.

하기에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.

우선, 저항 점용접을 행하고자 하는 피용접재로서 열간성형용 강판을 준비한다.

상기 열간성형용 강판은 인장강도 1.0GPa 이상을 가지는 것으로서, 보다 바람직하게 상기 열간성형용 강판은 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄계 도금층이 형성된 알루미늄 도금강판일 수 있다.

상기 알루미늄계 도금층을 형성하기 위한 소지강판은 자동차용 소재로서 적용 가능한 탄소강이라면 어떠한 강(steel)도 무방하나, 한 가지 예로서, 상기 탄소강은 탄소(C), 망간(Mn) 등을 일정량으로 함유하고, 대략 1.0GPa 이상의 인장강도를 갖는 변태유기소성(TRIP)강, 복합조직(CP)강, 이상조직(DP)강 등일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아님을 밝혀둔다.

상기 알루미늄계 도금층은 통상의 알루미늄 도금 방법에 의해 형성할 수 있으므로, 도금조건에 대해서는 특별히 한정하지 아니한다. 다만, 상기 알루미늄계 도금층은 편면 기준 5~20㎛의 두께를 가질 수 있다.

상기에 따라 준비된 열간성형용 강판의 용접 부위에 전극을 접촉시킨 후 가압할 수 있다. 이때, 상기 전극의 가압력은 통상의 조건에 의할 수 있는 바, 특별히 한정하지 아니하나, 한 가지 예로서 1.0~6.0kN의 가압력으로 행할 수 있다.

또한, 상기 전극은 저항 점용접시 사용되는 통상의 전극인 것으로서, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

한편, 상기 열간성형용 강판의 용접 부위에 전극을 접촉시킴에 있어서, 상기 강판은 상기 전극이 접촉하는 면에 알루미늄계 도금층을 포함하는 것이 바람직하다.

한 가지 예로서, 2매 이상의 열간성형용 강판을 적층하여 저항 점용접을 행하는 경우, 최 상부에 적층된 강판은 상면(전극이 접촉하는 면)에 알루미늄계 도금층을 포함하며, 상기 상면 이외의 하면에도 알루미늄계 도금층을 포함할 수 있다.

더불어, 상기 적층된 2매 이상의 열간성형용 강판에서 최 하부에 적층된 강판 역시 그 상면(상부에 적층된 열간성형용 강판과 닿는 면)에 알루미늄계 도금층을 포함할 수 있으며, 상기 상면 이외의 하면에도 알루미늄계 도금층을 포함할 수 있다.

이때, 최 상부에 적층된 열간성형용 강판의 상면에 알루미늄계 도금층이 포함되는 것이라면, 상기 적층되는 열간성형용 강판은 2매를 초과하더라도 무방하다.

이후, 상기 열간성형용 강판의 용접 부위를 가압하는 전극에 전류를 인가함으로써 통전을 수행할 수 있다.

본 발명은 상기 공정에 대해 1차 통전이라 칭할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 1차 통전 이후 2차 통전을 행할 수 있다.

통상, 열간성형용 강판은 점용접 이전에 성형을 위한 열처리 공정을 거치게되며, 이러한 열처리 공정 과정에서 알루미늄계 도금층 내 Fe 확산에 의한 Fe-Al계 금속간화합물층과 함께, 열처리 로 내 분위기에 의한 표면 산화물층이 두텁게 형성된다. 이와 같이, Fe-Al계 금속간화합물층, 표면 산화물층이 형성된 상태로 저항 점용접을 행할 경우, 낮은 용접 전류를 인가하더라도 과도한 입열이 발생함에 따라 용융물이 외부로 비산되는 날림(expulsion)이 빈번하게 발생하고, 경도가 높은 금속간화합물층에서는 취화가 일어나는 문제가 있다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같은 알루미늄계 도금층을 갖는 열간성형용 강판에 대해 저항 점용접시, 통전 단계를 분리하여 행함에 기술적 의의가 있다.

구체적으로, 본 발명에서 1차 통전은 통전 과정에서 알루미늄계 도금층 표면에 존재하는 산화층과 Fe-Al계 금속간화합물층을 용접부 외부로 배출 및 제거될 수 있는 환경을 만드는 공정인 것으로서, 통전시 용접되는 부위의 표면 산화층 및 Fe-Al계 금속간화합물층의 용융과 함께 의도적으로 배출시키는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.

특별히, 본 발명에서 상기 1차 통전은 후속하여 행해지며 본 통전에 해당하는 2차 통전과의 관계, 즉 하기 식(1)을 만족하는 조건으로 제어하는 특징이 있다.

[식 (1)]

(여기서, t0과 t1은 각각 1차 통전 시작 및 종료의 시간[ms], I는 1차 통전시 가해지는 전류[kA], tp는 용접되는 강판의 도금층 편면 두께[㎛], t2는 2차 통전 시간[ms]을 의미한다.)

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 상기 식 (1)을 만족하는 통전 조건은 1차 통전 과정에서 용접성 하락의 근본적인 원인을 제어하는 한편, 2차 통전에서 용용물 비산을 최소화하여 의도하는 용접부를 형성하는 조건이다.

상기 식 (1)의 값이 (9.0×tp³) 이상이면 1차 통전시 알루미늄계 도금층의 표면 산화물층과 Fe-Al계 금속간화합물층을 배출(폭발)시키는 데에 충분한 열적 에너지를 소재에 전달할 수는 있는 반면, 용융물 비산이 과도하게 발생하여 용접부 용융량의 불필요한 감소 및 용접부 물성이 열위하는 문제가 있다. 반면, 그 값이 (5.0×tp³) 이하이면 표면 산화물층과 Fe-Al계 금속간화합물층을 배출(폭발)시킬 수 있는 열적 에너지가 충분하지 못할 우려가 있다.

다시 말해서, 상기 식 (1)을 만족하는 조건으로 1차 통전을 행함에 의해 용접성에 불리한 원인은 제거하면서도 소량의 너깃(nugget)을 생성시킴에 의해 용접점의 저항을 낮출 수 있으므로, 후속 통전(2차 통전에 해당함)시 용융물 비산을 효과적으로 억제하여 용접성의 향상을 도모할 수 있는 것이다.

보다 유리하게, 본 발명에서 상기 1차 통전은 상술한 식 (1)을 조건으로 행하되, 4.0~7.0kA의 전류 범위로 10~21사이클(1 cycle: 1/60초) 동안 행할 수 있다.

상기 1차 통전을 완료한 후에는 인가된 전류를 차단시켜 용융된 도금층을 일정 시간 동안 냉각시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 냉각 공정을 통해 후속되는 본 통전 즉, 2차 통전시 스패터의 발생을 최소화시키면서 충분한 전류를 인가시킬 수 있다.

본 발명은 용접부 강도를 더욱 향상시키기 위한 목적에서 상기 1차 통전이 완료된 후 남은 예열이 열원으로 사용될 수 있도록, 상기 냉각을 상온까지 완전히 냉각하는 것이 아닌 최대 40사이클(cycle) 동안 행하는 것이 바람직하다. 이때, 냉각 시간의 하한은 특별히 한정하지 아니하나, 1사이클 이상으로 행할 수 있음을 밝혀둔다.

상기에 따른 냉각 공정을 완료한 후 본 통전에 해당하는 2차 통전을 행함으로써 목적하는 물성을 가지는 용접부를 제조할 수 있다.

상기 2차 통전은 이전 1차 통전에서 이미 용융된 도금층의 배출은 낮추면서 충분한 크기의 너깃(nugget)을 확보할 수 있는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.

보다 유리하게, 상기 2차 통전 역시 상기 식 (1)을 만족하는 조건 내에서, 5.0~7.0kA 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행하는 것이 바람직하다. 상기 2차 통전시 용접 전류가 7.0kA를 초과하거나 용접 시간이 30사이클을 초과하게 되면 날림 현상이 과다해져 용접부 물성이 열위하는 문제가 있다. 반면, 상기 용접 전류가 5.0kA 미만이거나 용접 시간이 12사이클 미만일 경우 미융착이 발생하여 실사용으로 불가능하게 될 우려가 있다.

상기 2차 통전이 완료된 후에, 통전된 전류는 차단시킨 상태에서 일정 시간 동안 전극이 가압된 상태를 유지할 수 있다.

이때, 유지 공정은 2차 통전시 형성된 너깃이 충분히 응고될 수 있는 정도의 시간 동안 행할 수 있는 바, 그 조건에 대해서는 특별히 한정하지는 아니한다.

본 발명에서 언급하는 열간성형용 강판, 즉 알루미늄 도금강판은 자동차용 소재로서 적합한 강재로서, 자동차 부품 등을 제작하기 위해서는 열간 성형을 위한 열처리와 더불어 용접이 필수로 행해진다. 이때, 본 발명에 따른 저항 점용접을 적용함에 의해 열처리 과정에서 생성된 표면 산화물층과 Fe-Al계 금속간화합물층을 유리하게 제거할 수 있으며, 이로부터 요구되는 물성을 가지는 용접부를 제공하는 효과가 있다.

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)

인장강도 1500MPa, 두께 1.5mm의 알루미늄도금된 열간성형용 강판(앙면에 도금층 포함, 도금층 두께(편면) 10㎛)을 2매 준비한 다음, 상기 열간성형용 강판을 적층한 후 용접할 부위에 전극을 가압한 후 하기 표 1에 따른 조건으로 [1차 통전 - 냉각 - 2차 통전]을 행하였다.

상기에 따른 저항 점용접을 통해 용접전류범위(kA)를 얻고, 용접부 강건성의 확인을 위해 동일 점용접 조건 하에서 시험편을 제작한 후 십자인장강도(CTS, kN)을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

이때, 용접전류범위(kA)는 날림이 발생하는 시점의 전류를 상한으로 정하고, 너깃 직경이 4√t 미만인 시점의 전류를 하한으로 정하여, 이들의 차이를 계산하여 나타내었다.

구분	가압조건		1차 통전		냉각 (ms)	2차 통전		유지 (ms)	식(1)	용접전류범위 (kA)	용접부 강도(kN)
	전극	가압력	전류 (kA)	시간 (ms)		전류 (kA)	시간 (ms)
비교예 1	F1-16-20-50-6	4.0kA	4.0	280	30	6.0	450	150	4930	0.8	5.4
비교예 2			8.0	30	30	5.8	450	250	2370	0.6	4.8
비교예 3			6.0	250	30	7.0	250	280	9250	0.6	6.1
발명예 1			5.4	180	30	6.2	300	180	5549	1.4	8.5
발명예 2			5.4	280	30	7.0	450	250	8615	2.0	7.4
발명예 3			5.8	180	30	5.8	300	300	6355	1.4	7.7

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 전극 가압 후 1차 통전과 2차 통전 모두 행하더라도, 통전 조건이 본 발명의 식 (1)을 벗어남에 따라 용접부 강도가 열위하며, 용접전류범위도 낮은 것을 확인할 수 있다.

반면, 본 발명에서 제안하는 조건으로 용접이 행해진 발명예 1 내지 3은 용접부 강도가 모두 7.0kN 이상으로, 용접부 물성이 우수할 뿐만 아니라, 용접 가능한 전류범위도 넓게 확보되는 것을 확인할 수 있다.

도 2 및 3은 각각 발명예 2, 비교예 3의 용접부 단면조직을 채취하여 광학현미경(OM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.

도 2의 발명예의 경우 건전한 너깃의 형성됨이 확인되는 반면, 도 3의 비교예는 용접부 내 과입열에 의한 날림(expulsion) 및 기공 결함이 발생한 것을 확인할 수 있다.

Claims (6)

1. 적어도 일면에 알루미늄계 도금층을 포함하는 열간성형용 강판을 2매 이상 준비하는 단계;
   상기 강판의 용접 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계;
   상기 전극이 가압된 상태에서 1차 통전을 행하는 단계;
   상기 1차 통전을 완료한 후 냉각하는 단계; 및
   상기 냉각 후 2차 통전을 행하는 단계를 포함하며,
   상기 열간성형용 강판은 상기 전극이 접촉하는 면에 알루미늄계 도금층을 포함하고,
   상기 1차 및 2차 통전은 하기 식(1)을 만족하는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법.
   
   [식 (1)]
   

   

   
   (여기서, t0과 t1은 각각 1차 통전 시작 및 종료의 시간[ms], I는 1차 통전시 가해지는 전류[kA], tp는 용접되는 강판의 도금층 편면 두께[㎛], t2는 2차 통전 시간[ms]를 의미한다.)
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 1차 통전은 4.0~7.0kA의 전류 범위로 10~21사이클(cycle) 동안 행하는 것인 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각은 1~40사이클(cycle) 동안 행하는 것인 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 2차 통전은 5.0~7.0kA의 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행하는 것인 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 2차 통전 후 유지하는 단계를 더 포함하는 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 열간성형용 강판은 편면 기준 5~20㎛ 두께의 알루미늄계 도금층을 갖는 알루미늄 도금강판인 열간성형용 강판의 저항 점용접 방법.

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