KR102374832B1 - 고강도 강판의 저항 점용접 방법 - Google Patents

고강도 강판의 저항 점용접 방법 Download PDF

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Abstract

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

Description

고강도 강판의 저항 점용접 방법 {METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING FOR HIGH-STRENGTH STEEL SHEET}
본 발명은 고강도 강판의 저항 점용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로서 적용될 수 있는 도금강판의 저항 점용접 방법에 관한 것이다.
지속적으로 지구 온난화 현상이 심화됨에 따라 탄소 배출을 줄이기 위한 다양한 규제가 전 세계적으로 만들어지고 있다.
특히, 자동차 산업에서는 연료 소비 효율을 높이기 위한 차체 경량화와 동시에, 탑승자의 충돌 안정성 보증을 위해 적용되는 소재의 고강도화를 강력하게 요구하고 있다.
한편, 철강 소재의 고강도화 전략은 고합금화(주로 탄소, 망간, 실리콘 등)를 통해 달성할 수 있는데, 이러한 고합금화 소재는 자동차 부품에 적용하는 경우 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 연화 현상을 야기하므로 자동차 부품에 요구되는 물성 확보에 많은 어려움이 있다.
특히, 자동차용 소재로 사용되는 강재의 산화 또는 부식을 지연시키기 위하여 개발된 용융아연도금강판의 경우, 저항 점용접 공정 중에 액상의 아연 금속이 용융부 내로 침투하게 됨에 따라 소재 내부에 균열을 발생시킴으로써 원 소재의 기계적 물성을 급격하게 하락시키는 액화금속취화 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 소재가 고합금/고강도화, 특히 소재의 인장강도가 1GPa 이상이 될수록 민감도가 상승하여 더욱 빈번하게 발생하는 경향이 있다. 이 때문에, 용접부 물성을 목표로 하는 수준으로 확보하기 어렵고, 결국 차체 충돌 특성을 보증하는 데에 한계가 있어, 현재 자동차 산업계에서 크게 각광받고 있는 문제이다.
상대적으로 도금층의 용융점이 높은 알루미늄 도금강판에서는 상술한 액화금속취화 문제가 발생하지 않는 점을 고려하면, 용융아연도금강판에서 발생하는 액화금속취화 현상은 강판의 용융온도 대비 용융온도가 대략 400℃ 내외로 낮은 아연(Zn)의 특성에 기인하는 것으로 알려져 있다.
즉, 냉각 공정 중에 소지철은 고상화가 된 상태에서 여전히 액상의 상태인 아연은 소재 내 빈 공간(Void, Dislocation, Grain Boundary 등)으로 침입하기 용이한 상태이며, 이후 상온으로 냉각되면 액화금속취화 균열의 개시점 및 파단점으로 작용하게 된다.
용융아연도금강판의 점용접시 발생하는 액화금속취화에 의한 균열의 문제를 해결하기 위해서는, 근본적으로 저항 점용접이 이루어지는 영역에서 아연도금층을 물리적으로 제거하는 방법이 있다. 하지만, 수천~수만 타점의 용접이 적용되는 모든 곳에서의 도금층을 제거하기 위한 추가적인 공정은 원가 또는 단가 상승의 요인으로 작용하게 되므로, 실제 현장에서 적용하기에는 제약이 있다.
이러한 액화금속취화 문제가 고합금/고강도화가 됨에 따라 빈번하게 발생함에도 불구하고, 인장강도 2.0GPa에 달하는 초고강도강이 여러 철강사에서 개발되고 있으며, 이들 강에는 탄소를 포함한 합금원소가 더욱 많이 첨가(high carbon equivalent)되는 실정이다.
따라서, 용융아연도금강판의 저항 점용접시 별도의 추가공정 없이 액화금속취화 현상을 최소화할 수 있는 방안의 개발이 더욱 요구된다.
한국 공개특허공보 제10-2019-0076789호
본 발명의 일 측면은, 인장강도 1.0GPa 이상의 초고강도 강판의 저항 점용접시 액화금속취화 저항성을 향상시킬 수 있는 저항 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 아연계 도금층을 포함하는 고강도 강판을 2매 이상 준비하는 단계; 상기 고강도 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 전극은 상기 고강도 강판의 아연계 도금층이 형성된 면에 접촉되고, 상기 1차 통전은 하기 식(1)을 만족하는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 고강도 강판의 저항 점용접 방법을 제공한다.
[식 (1)]
Figure 112020110762553-pat00001
(여기서, t0과 t1은 각각 통전 시작 및 종료의 시간[s], T는 용접되는 강판의 아연계 도금층 편면 두께를 미터[m]단위로 환산한 값, I는 전류[kA], t는 전체 통전 시간[s]을 의미한다.)
본 발명에서 제공하는 용접 방법에 의해 자동차용 소재로 적용되는 고강도 강판, 특히 용융아연도금강판을 저항 점용접하는 경우, 용접 중 액상 아연에 의한 액화금속취화 현상을 현저히 억제하는 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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예의 용접부 단면 내의 균열을 주사전자현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 발명자들은 자동차용 소재로 그 사용이 점차 증가되고 있는 고강도 강판, 예컨대 용융아연도금강판의 저항 점용접시 빈번하게 발생하는 액화금속취화 현상을 크게 억제할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다.
특히, 본 발명은 저항 점용접 공정 이외의 추가적인 공정을 행하지 않으면서, 저항 점용접 과정에서 액화금속취화 현상을 억제할 수 있는 용접 방법을 제공함에 기술적 의의가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고강도 강판의 저항 점용접 방법은 고강도 강판을 2매 이상 준비하는 단계; 상기 고강도 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 고강도 강판을 2매 이상 준비한다.
상기 고강도 강판은 인장강도 1.0GPa 이상을 가지는 것으로서, 보다 바람직하게 상기 고강도 강판은 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연계 도금층이 형성된 용융아연도금강판일 수 있다.
상기 아연계 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 아연계 도금층은 통상의 아연 도금 방법에 의해 형성할 수 있으므로, 도금조건에 대해서는 특별히 한정하지 아니한다. 다만, 상기 아연계 도금층은 편면 기준 5~30㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기에 따라 준비된 고강도 강판의 용접 부위에 전극을 접촉시킨 후 가압할 수 있다. 상기 전극의 가압력은 통상의 조건에 의할 수 있는 바, 특별히 한정하지 아니하나, 한 가지 예로서 1.0~6.0kN의 가압력, 보다 유리하게는 2.5~5.0kN의 가압력으로 행할 수 있다.
또한, 상기 전극은 저항 점용접시 사용되는 통상의 전극인 것으로서, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.
한편, 상기 고강도 강판의 용접 부위에 전극을 접촉함에 있어서, 상기 전극은 상기 고강도 강판의 아연계 도금층이 형성된 면에 접촉되는 것이 바람직하다.
한 가지 예로서, 2매 이상의 고강도 강판을 적층하여 저항 점용접을 행하는 경우, 최 상부에 적층된 고강도 강판은 상면(전극이 접촉하는 면)에 아연계 도금층을 포함하며, 상기 상면 이외에 하면에도 아연계 도금층을 포함할 수 있다.
더불어, 상기 적층된 2매 이상의 고강도 강판에서 최 하부에 적층된 고강도 강판 역시 그 상면(상부에 적층된 고강도 강판과 닿는 면)에 아연계 도금층을 포함할 수 있으며, 상기 상면 이외에 하면에도 아연계 도금층을 포함할 수 있다.
이때, 최 상부에 적층된 고강도 강판의 상면에 아연계 도금층이 포함되는 것이라면, 상기 적층되는 고강도 강판은 2매를 초과하더라도 무방하다.
이후, 상기 고강도 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.
본 발명에서 1차 통전은 통전 과정에서 형성되는 용접부 내로 액상의 아연 금속이 침입할 수 없는 환경, 다시 말해서 용접 에너지원을 활용하여 액상의 아연이 용접부 외부로 배출될 수 있는 환경을 만드는 공정인 것으로서, 통전시 용접되는 부위의 아연계 도금층의 용융과 함께 배출시키는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 1차 통전은 하기 식 (1)을 만족하는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.
[식 (1)]
Figure 112020110762553-pat00002
(여기서, t0과 t1은 각각 통전 시작 및 종료의 시간[s], T는 용접되는 강판의 아연계 도금층 편면 두께를 미터[m]단위로 환산한 값, I는 전류[kA], t는 전체 통전 시간[s]을 의미한다.)
본 발명에서 상기 식 (1)을 만족하는 통전 조건은 용융물 비산(expulsion)이 발생하는 조건이다.
통상, 강판의 저항 점용접시 용융물 비산이 발생하게 되면 용융물 감소로 이어지므로 용접부 물성 측면에서는 불리하다고 알려져 있지만, 본 발명에서는 용융물 비산 현상을 통해 액화금속취화 현상의 근본적인 원인이 되는 액상의 아연을 폭발시켜 제거함으로써 액화금속취화 저항성을 높이는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 용융물이 감소되더라도 용접부 물성의 저하를 최소화하는 효과도 나타낼 수 있다.
상기 식 (1)의 값이 1.4×106 이상이면 액상의 아연을 폭발시키는 데에는 충분한 열적 에너지를 소재에 전달할 수 있다는 장점이 있는 반면, 용융물 비산이 과도하게 발생하여 용접부 물성이 열위하는 문제가 있다. 반면, 그 값이 0.8×106 이하이면 액상의 아연을 폭발시킬 수 있는 열적 에너지가 충분하지 못할 우려가 있다.
상기 1차 통전은 상술한 식 (1)을 만족하는 조건으로 행하되, 9.0~11.5kA의 전류 범위로 7~20사이클(cycle) 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 2차 통전시 스패터의 발생을 최소화시키면서 충분한 전류를 인가시킬 수 있다.
상기 냉각은 초당 103 도 이상 105 도(℃) 이하의 냉각속도로 실시할 수 있다. 상기 냉각속도가 초당 103 도 미만이면 오랜 시간 동안 냉각이 행해짐에 의해 생산성이 저하될 우려가 있다. 반면, 상기 냉각속도가 초당 105 도를 초과하게 되면 과냉에 의한 열 충격(thermal shock)의 발생으로 도금층에서 균열이 쉽게 발생할 가능성이 있으며, 이는 변형 등의 외력 인가시 응력집중에 의한 물성의 저하를 일으킬 우려가 있다.
상술한 냉각속도로 냉각을 행함에 있어서, 바람직한 냉각 시간은 0.1~100 사이클(1사이클: 1/60초)의 범위 내에서 행하는 것이 바람직하다.
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 통전은 12kA 이하의 전류에서 23사이클 이하의 시간 동안 행하는 것이 바람직하다. 상기 용접 전류가 12kA를 초과하거나 용접 시간이 23사이클을 초과하게 되면 날림 현상이 과다해져 용접부 물성이 열위하게 될 우려가 있다.
한편, 상기 2차 통전시 전류 및 시간의 하한에 대해서는 특별히 한정하지 아니한다. 즉, 상기 2차 통전을 과도하게 저전류로 단시간 동안 행할 경우 미융착이 발생하여 실사용이 불가능함은 자명한 바, 통상의 기술자가 상기 2차 통전의 전류 및 시간을 적절히 설정함에는 무리가 없을 것이다.
상기 2차 통전이 완료된 후에, 통전된 전류는 차단시킨 상태에서 일정 시간 동안 전극이 가압된 상태를 유지하는 공정을 행할 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 않는다.
본 발명에서 언급하는 고강도 강판, 즉 용융아연도금강판은 자동차용 소재로서 적합한 강재로서, 자동차 부품 등을 제작하기 위해서는 상기 용융아연도금강판에 용접이 필수로 행해진다. 이때, 본 발명에 따른 저항 점용접을 적용함에 의해 용접 과정에서 액상 아연에 의한 액화금속취화 현상을 크게 억제할 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 1200MPa, 두께 1.6mm의 용융아연도금강판(양면에 도금층 포함, 도금층 두께(편면) 10㎛)을 2매 준비한 다음, 상기 용융아연도금강판을 적층한 후 용접할 부위에 전극을 가압한 후 하기 표 1에 따른 조건으로 [1차 통전 - 냉각 - 2차 통전]을 행하였다.
상기에 따른 저항 점용접을 완료한 후, 용접부 단면조직을 채취하여 액화금속취화에 의한 균열 여부를 평가하였다. 구체적으로, 각 용접부에서 10개의 시편을 채취한 후 광학현미경(OM)으로 관찰하여 균열된 부위 중 용접부 어께부위 균열인 B-Type LME를 카운팅하였으며, 그 결과를 도 1에 균열 발생빈도(LME 발생빈도)로 나타내었다.
구분 가압 조건 1차 통전 냉각
(cycle)		 2차 통전 유지
(cycle)		 LME
발생빈도
전극 가압력 기울기 전류
(kA)		 시간
(cycle)		 식
(1)		 전류
(kA)		 시간
(cycle)
비교예 1 F1-16-6-40 5.0kN 5° 0 12 0 6 8.6 23 1 60%
비교예 2 8.5 12 0.72×106 6 10.2 23 1 30%
비교예 3 12.0 12 1.44×106 6 8.6 23 1 20%
발명예 1 9.0 12 0.81×106 6 10.8 23 1 0%
발명예 2 11.5 12 1.32×106 6 8.4 23 1 0%
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 전극 가압 후 1차 통전없이 2차 통전(본 통전)이 행해진 비교예 1의 LME 발생빈도가 60%로서 LME에 대한 저항성이 매우 열위한 것을 확인할 수 있다.
한편, 전극 가압 후 1차 통전을 행하더라도 본 발명에서 제안하는 식 (1)을 만족하지 못하는 조건으로 행해진 비교예 2 및 3은 비교예 1 대비 LME 발생빈도가 감소하였음에도 각각 LME 발생빈도가 30%, 20%로서 여전히 LME에 대한 저항성이 열위함을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명에서 제안하는 조건으로 용접이 행해진 발명예 1 및 2는 LME 발생빈도가 0%로서, LME에 대한 저항성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 2는 발명예 1과 2의 용접부 단면을 광학현미경으로 측정한 사진을 나타낸 것이며, 도 3은 비교예 1 및 2의 용접부 단면을 광학현미경으로 측정한 사진을 나타낸 것이다.
도 3에서 붉은색 테두리 표기한 바와 같이, 비교예 1 및 2 모두 용접부 균열이 관찰됨을 확인할 수 있다.
도 4는 비교예 1의 용접부 단면에서 관찰되는 균열을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진과, EDS(Energy dispersive detector)로 균열 내의 성분을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 균열이 발생한 부위에서 아연(Zn)의 존재가 확인되는 바, 상기 균열은 액상의 아연 금속으로 인해 발생한 액화금속취화 균열임을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 적어도 일면에 아연계 도금층을 포함하는 고강도 강판을 2매 이상 준비하는 단계;
    상기 고강도 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 전극은 상기 고강도 강판의 아연계 도금층이 형성된 면에 접촉되고,
    상기 1차 통전은 하기 식(1)을 만족하는 조건이며, 9.0~11.5kA의 전류 범위로 행하는 것을 특징으로 하는 고강도 강판의 저항 점용접 방법.

    [식 (1)]
    Figure 112021120734868-pat00003

    (여기서, t0과 t1은 각각 통전 시작 및 종료의 시간[s], T는 용접되는 강판의 아연계 도금층 편면 두께를 미터[m]단위로 환산한 값, I는 전류[kA], t는 전체 통전 시간[s]을 의미한다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 통전은 7~20사이클(cycle) 동안 행하는 것인 고강도 강판의 저항 점용접 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각은 초당 103 도 이상 105 도(℃) 이하의 냉각속도로 실시하는 것인 고강도 강판의 저항 점용접 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각은 0.1~100 사이클(1사이클: 1/60초)의 시간 동안 행하는 것인 고강도 강판의 저항 점용접 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 통전은 12kA 이하의 전류로 23사이클(cycle) 이하의 시간 동안 행하는 것인 고강도 강판의 저항 점용접 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 통전 후 유지하는 단계를 더 포함하는 고강도 강판의 저항 점용접 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고강도 강판은 1GPa 이상의 인장강도를 가지며, 편면 기준 5~30㎛ 두께의 아연계 도금층을 갖는 용융아연도금강판인 고강도 강판의 저항 점용접 방법.
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KR20150075719A (ko) * 2013-12-26 2015-07-06 주식회사 포스코 아연도금강재의 저항점용접 방법
KR20190076789A (ko) 2017-12-22 2019-07-02 주식회사 포스코 초고강도 고연성 강판 및 그 제조방법

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