KR102386730B1 - 초고강도강 저항용접 방법 - Google Patents

Abstract

초고강도강 저항용접 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 초고강도강 저항용접 방법은 두께(mm)가 각각 T₁, T₂, T₃이고, 비저항(μΩcm)이 각각 ρ₁, ρ₂, ρ₃이며, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판을 3겹으로 중첩하는 단계; 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계; 및 한 쌍의 전극들 간에 하기 식(3)을 만족하도록 통전하여 용접하는 단계;를 포함한다.
식(1) (T₁+T₂+T₃)/T₃≥ 4
식(2) (ρ₁+ρ₂)/2-ρ₃≥10
식(3) 0.03 < ΔI/t < 0.25
(여기서, ΔI(%)=(I_s-I_f)/I_s*100 이고, I_s는 초기 통전 전류(kA), I_f는 최종 통전 전류(kA), t(msec)는 용접 시간을 나타낸다)

Description

초고강도강 저항용접 방법{METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING OF ULTRA-HIGH STRENGTH STEEL}

본 발명은 초고강도강 저항용접 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비저항이 큰 후물의 초고강도강과 비저항이 낮은 박물의 일반강과의 이종 3겹 조합에서의 저항용접 방법에 관한 것이다.

자동차 산업에서 차체 경량화 및 충돌 안정성 향상의 강력한 요구에 의해 적용 소재가 점점 고강도화 되었고, 최근에는 인장강도 1,000MPa급의 초고강도 강재 적용이 크게 증가하고 있다. 이러한 초고강도 강재의 용접에 있어서 저항스폿용접(이하 스폿용접)이 가장 널리 이용되고 있는데, 이는 높은 생산성과 자동화가 타 용접공정 대비 유리하기 때문이다.

그러나, 초고강도강은 높은 강도를 얻기 위하여 합금원소의 첨가량이 기존 일반강 또는 고강도강 대비 높은 것이 일반적이므로, 이로 인하여 모재의 비저항이 증가하면서 몇가지 용접성이 이슈가 제기되고 있다.

초고강도강의 스폿용접에 있어서 널리 알려진 용접부 취성, 아연도금재의 액상금속취화(LME, Liquid metal embrittlement)에 의한 균열 문제 외에 0.7mm 이하의 얇은 소재가 포함된 3겹 조합에서의 용접 프로세스 윈도우(process window) 영역, 즉 적정 용접전류범위의 확보가 어려운 문제점도 자동차사로부터 제기되고 있다.

종래의 스폿용접 방법은 도 1과 같이 동일 용접전류로 일정한 가압력 하에서 단일 펄스 또는 2펄스 이상의 다펄스 용접을 실시하는 경우가 일반적이다. 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 냉각속도가 달라질 수 있다.

도 2은 그 일례를 보여주는 것으로, EG 980TRIP 1.6mm 강판 2매와 EG 340LA 0.7mm 1매의 3겹 조합에 대해 도 2와 같은 통상의 자동차사 용접조건을 적용하였을 때 날림(expulsion) 발생 전류 보다 0.5kA 낮은 전류에서의 스폿용접부 단면을 보여주고 있다. 980TRIP강 간의 계면에서의 너깃경은 6.24mm로 충분한 크기를 보여주지만, 980TRIP과 340LA 간의 계면에서는 용입이 매우 얕으며, 너깃경이 2.11mm로 통상적인 최소너깃경 기준인 4√T(=3.34mm) 보다 작은 용접부가 얻어졌다. 이 용접부는 대부분의 자동차사로부터 불합격 판정을 받을 것이다.

이러한 현상은 박물재의 두께비(= 전체 소재두께/박물재 두께)가 클수록 불균형 너깃성장이 심해지기 때문에 발생한다. 그래서 일부 자동차사에서는 이러한 용접 문제 때문에 차체설계에서부터 적용 가능한 3겹 조합의 두께비를 제한하고 있다.

한편, 최근 크게 관심을 받고 있는 TRIP강과 같은 고강도 및 고성형성을 동시에 확보해야하는 3세대강의 경우, 성형성을 높이기 위해 Si이나 Al을 다량 첨가하고 있다. 이들 원소는 소재의 비저항을 크게 증가시킨다. TRIP강의 비저항은 기존의 고강도저합금(HSLA) 이나 복합조직강(DP)강과 같은 고강도강(AHSS)보다도 높기 때문에 박물재와의 저항 차이도 더 커지게 된다. 강들 간의 저항차이가 커질수록 두꺼운 소재간의 계면에서의 너깃성장은 더욱 빨라지고, 박물재와의 계면에서의 용융양은 적어져서, 심한 경우에는 미용융이 발생하는 경우도 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 상하 전극의 선단경을 달리하여 입열량을 제어하는 방법, 통전 중에 가압력의 크기를 변화시키는 방법 등이 제안되었다. 그러나 이러한 방법들은 다양한 사이즈의 전극 사용에 따른 관리상의 문제, 다단가압이 가능한 고가의 용접설비 투자 등의 문제로 실제 자동차사에서 거의 적용이 되지 않고 있다.

본 발명의 일 측면은 비저항이 큰 후물의 초고강도강과 비저항이 낮은 박물의 일반강과의 이종 3겹 조합의 강판을 스폿 용접하는데 있어서, 박물 일반강에서 충분한 용융이 일어나고, 적정 용접 전류범위를 확보할 수 있는 초고강도강 저항용접 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초고강도강 저항용접 방법은 두께(mm)가 각각 T₁, T₂, T₃이고, 비저항(μΩcm)이 각각 ρ₁, ρ₂, ρ₃이며, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판을 3겹으로 중첩하는 단계; 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계; 및 한 쌍의 전극들 간에 하기 식(3)을 만족하도록 통전하여 용접하는 단계;를 포함한다.

식(1) (T₁+T₂+T₃)/T₃≥ 4

식(2) (ρ₁+ρ₂)/2-ρ₃≥10

식(3) 0.03 < ΔI/t< 0.25

(여기서, ΔI(%)=(I_s-I_f)/I_s*100 이고, I_s는 초기 통전 전류(kA), I_f는 최종 통전 전류(kA), t(msec)는 용접 시간을 나타낸다)

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, T₃ < T₁ or T₂를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제 1 강판, 제2 강판 및 제3 강판은 아연 도금강판으로 마련될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 아연 도금강판은 전기아연 도금강판 또는 용융아연 도금강판을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가압하는 단계에서 가압력은 일정하게 유지되고, 2.0 내지 8.0kN일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 용접하는 단계에서 용접 시간은 200 내지 800ms일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 용접하는 단계에서 통전 후 유지 시간은 20ms 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 적정 전류범위(I_max-I_min)는 1.0 kA를 초과할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 초고강도강 저항용접 방법은 비저항이 큰 후물의 초고강도강과 비저항이 낮은 박물의 일반강과의 이종 3겹조합에서 박물 일반강에서 충분한 용융이 일어나고, 적정 전류범위를 1.0kA 이상으로 확보할 수 있다.

도1은 종래 스폿용접시 일정한 가압력 하에서 동일 용접전류를 통전하는 스폿용접 방법을 나타내는 그래프이다.
도2는 EG 980TRIP 1.6mm 강판 2매와 EG 340LA 0.7mm 1매의 3겹 조합에 대해 통상의 용접조건을 적용하였을 때의 스폿용접부 단면을 나타낸다.
도3은 본 발명에 따라 음의 기울기를 갖도록 용접 전류를 통전하는 스폿용접 방법을 나타내는 그래프이다.

본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 발명의 발명자들은 비저항이 큰 후물의 초고강도강과 비저항이 낮은 박물의 일반강과의 이종 3겹 조합의 강판을 스폿 용접하는데 있어서, 박물 일반강에서 충분한 용융이 일어나기 위해서는 자동차사나 부품사에서 규정하는 전극사이즈, 가압력, 유지시간 등의 일반적인 용접조건 하에서, 통전 시간 동안 음의 기울기를 갖도록 용접 전류의 세기를 변화시키는 것이 유효하다는 것을 발견하고 본 발명을 제안하기에 이르렀다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 초고강도강 저항용접 방법은 두께(mm)가 각각 T₁, T₂, T₃이고, 비저항(μΩcm)이 각각 ρ₁, ρ₂, ρ₃이며, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판을 3겹으로 중첩하는 단계; 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계; 및 한 쌍의 전극들 간에 하기 식(3)을 만족하도록 통전하여 용접하는 단계;를 포함한다.

식(1) (T₁+T₂+T₃)/T₃≥ 4

식(2) (ρ₁+ρ₂)/2-ρ₃≥10

식(3) 0.03 < ΔI/t < 0.25

(여기서, ΔI(%)=(I_s-I_f)/I_s*100 이고, I_s는 초기 통전 전류(kA), I_f는 최종 통전 전류(kA), t(msec)는 용접 시간을 나타낸다)

제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판의 두께(T)는 전술한 식(1)에 따라, (T₁+T₂+T₃)/T₃≥4mm를 만족하고, 비저항(ρ)은 (ρ₁+ρ₂)/2-ρ₃≥10μΩcm를 만족한다. 또한, 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판은 T₃ < T₁ or T₂를 만족할 수 있다. 제1 강판 및 제2 강판은 비저항이 높은 후물 강판일 수 있고, Si, Al을 다량 포함하고 있는 초고강도 TRIP 강판일 수 있다. 제3 강판은 비저항이 낮은 박물 강판일 수 있고, 고강도저합금(High strength low alloy, HSLA) 이나 복합조직강(dual phase, DP)강과 같은 고강도강(advanced high strength steel, AHSS)일 수 있다.

또한, 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판은 아연 도금강판으로 마련될 수 있고, 아연 도금강판은 전기아연 도금강판 또는 용융아연 도금강판을 포함할 수 있다.

제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판은 1200Mpa 급 전기아연도금(EG) 초고강도 강판, 980Mpa급 용융아연도금(GI) 초고강도강판 및 340MPa급 용융아연도금(GI) 고강도강판의 조합일 수 있다.

제1 강판의 비저항 값은 20 내지 80μΩcm일 수 있고, 제2 강판의 비저항 값은 20 내지 80μΩcm일 수 있다. 또한, 제3 강판의 비저항 값은 20μΩcm 미만일 수 있다.

일례로, 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판은 전기아연도금(EG) 1200Mpa급 초고강도강(T₁: 1.6mm, ρ₁: 50μΩcm)와 용융아연도금(GI) 980Mpa급 초고강도강 (T₂: 1.4mm, ρ₂: 25μΩcm), 용융아연도금(GI) 340MPa급 고강도강(T₃: 0.7mm, ρ₃: 15μΩcm) 의 3겹 조합일 수 있다.

본 발명에서 전극 사이즈, 가압력, 용접 시간 및 유지시간 등의 용접 조건은 자동차사나 부품사에서 규정하는 일반적인 용접 조건에 의해 행해질 수 있다.

다만, 일 실시예로써 다음과 같은 방법에 의해 저항 용접될 수 있다.

예를 들어, 스폿 부위에 전극을 가압하는 단계에서 가압력은 일정한 조건에서 행해질 수 있다. 이때, 가압력은 2.0 내지 8.0kN일 수 있고, 바람직하게는 4.0kN일 수 있다. 또는 응력집중을 완화할 수 있도록 가압력은 통전 중에 크기가 변화될 수도 있다.

통전하여 용접하는 단계에서, 용접 시간은 200 내지 800ms 일 수 있고, 바람직하게는 300ms일 수 있다. 또한, 통전 후 유지 시간은 20ms 이상일 수 있다. 바람직하게는 250ms일 수 있다.

용접전류 기울기(ΔI/t)는 전술한 식(3)에 따라 0.03 내지 0.25일 수 있다. 도3은 본 발명에 따른 용접 전류를 통전하는 스폿용접 방법을 나타내는 그래프이다. 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 초고강도강 저항용접 방법은 용접전류 기울기가 음의 기울기를 갖도록 구성할 수 있다. 용접전류 기울기가 0.07 내지 0.23일 경우, 용접이 가능한 적정 전류 범위가 1.0kA를 초과하여 그 범위가 넓고, 특히, 0.15 전후일 경우 적정 전류범위가 2.5kA로 매우 넓은 범위에서 안정한 용접 품질을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

실시 예

먼저, 전기아연도금(EG) 1200Mpa급 초고강도강(T₁: 1.6mm, ρ₁: 50μΩcm)와 용융아연도금(GI) 980Mpa급 초고강도강 (T₂: 1.4mm, ρ₂: 25μΩcm), 용융아연도금(GI) 340급 고강도강(T₃: 0.7mm, ρ₃: 15μΩcm)을 준비하고, 전극(F1-16-6-50)으로 가압력 4.0kN, 용접시간 300ms, 유지시간 250ms의 조건 하에서 용접전류 기울기를 하기 표1의 조건을 만족하도록 설정하고, 실시예 및 비교예의 적정 전류범위(I_max-I_min)를 측정하여 하기 표1에 나타내었다.

구분	ΔI (%)	ΔI/t (%/ms)	Imin	Imax	Imax-Imin (kA)
실시예 1	20	0.07	8.5	10.0	1.5
실시예 2	30	0.10	8.5	10.5	2.0
실시예 3	40	0.13	9.0	11.5	2.5
실시예 4	50	0.17	9.5	12.0	2.5
실시예 5	60	0.20	10.0	12.0	2.0
실시예 6	70	0.23	11.0	12.0	1.0
비교예1	0	0.00	8.0	8.0	0.0
비교예2	10	0.03	8.5	9.0	0.5
비교예3	80	0.27	11.5	12.0	0.5

ΔI/t가 0.07 내지 0.23 범위인 실시예 1 내지 6은 적정 전류범위(I_max-I_min)가 1.0 kA를 초과하여 자동차사에서 통상적으로 요구하는 1.0kA 기준을 만족하였고, 특히, ΔI/t가 0.15 전후인 실시예 3 및 4는 적정 전류범위가 2.5kA로 넓은 범위에서 안정적인 용접품질을 확보할 수 있었다.비교예1은 일반적으로 적용되는 통전시간 동안 균일한 전류를 인가한 조건으로 스팟 용접을 수행한 경우로, 적정 전류범위(I_max-I_min)가 0kA로 자동차사에서 통상적으로 요구하는 1.0kA 기준을 만족하지 못하였다.

비교예2는 ΔI/t가 본 발명에서 제안하는 ΔI/t의 하한 경계값인 0.03으로, 적정 전류범위가 0.5kA로 1.0kA 기준을 만족하지 못하였다.

비교예3은 ΔI/t가 0.27로 본 발명에서 제안하는 ΔI/t의 상한값을 초과하여, 적정 전류범위가 0.5kA로 1.0kA 기준을 만족하지 못하였다.

본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 두께(mm)가 각각 T₁, T₂, T₃이고, 비저항(μΩcm)이 각각 ρ₁, ρ₂, ρ₃이며, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 제1 강판, 제2 강판 및 제3 강판을 3겹으로 중첩하는 단계;
   상기 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계; 및
   상기 한 쌍의 전극들 간에 하기 식(3)을 만족하도록 통전하여 용접하는 단계;를 포함하는 초고강도강 저항용접 방법.
   식(1) (T₁+T₂+T₃)/T₃≥ 4
   식(2) (ρ₁+ρ₂)/2-ρ₃≥10
   식(3) 0.03 < ΔI/t< 0.25
   (여기서, ΔI(%)=(I_s-I_f)/I_s*100 이고, I_s는 초기 통전 전류(kA), I_f는 최종 통전 전류(kA), t(msec)는 용접 시간을 나타낸다)
2. 제1항에 있어서,
   T₃ < T₁ or T₂를 만족하는 초고강도강 저항용접 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 강판, 제2 강판 및 제3 강판은,
   아연 도금강판으로 마련되는 초고강도강 저항용접 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 아연 도금강판은 전기아연 도금강판 또는 용융아연 도금강판을 포함하는 초고강도강 저항용접 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 가압하는 단계에서 가압력은,
   일정하게 유지되고, 2.0 내지 8.0kN인 초고강도강 저항용접 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 용접하는 단계에서 용접 시간은,
   200 내지 800ms인 초고강도강 저항용접 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 용접하는 단계에서 통전 후 유지 시간은,
   20ms 이상인 초고강도강 저항용접 방법.
8. 제1항에 있어서,
   적정 전류범위(I_max-I_min)는,
   1.0 kA를 초과하는 초고강도강 저항용접 방법.
   

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