KR102608715B1 - 알루미늄 판재의 저항점용접 방법 - Google Patents

알루미늄 판재의 저항점용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 판재의 저항점용접 방법으로서, 상기 저항점용접시 상기 알루미늄 판재의 임피던스를 고려하여, 저항점용접기에 인가되는 주파수는 600 kHz 내지 650 kHz의 범위를 포함하고, 상기 알루미늄 판재의 두께는 1t 내지 3t의 범위를 가질 수 있다.

Description

알루미늄 판재의 저항점용접 방법{method for resistance spot welding of aluminum plate}
본 발명은 알루미늄 판재의 저항점용접 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 알루미늄 합금 판재를 저항점용접 방법으로 용접시 저항점용접 전력 최적조건 설계 방법에 관한 것이다.
한편, 최근에는 급속한 인구증가와 산업발전에 의한 환경오염이 심각한 국제문제로 대두되자, 산업 분위기가 친환경을 고려하는 분위기로 전환되고 있다. 이에, 금속재료분야에서도 철강재는 질량대비 기계적 물성을 최대치로 개선하거나, 또는, 알루미늄, 타이타늄 또는 마그네슘과 같은 경량금속으로 대체하여, 전체적인 중량을 감량하여 에너지 감소를 도모하고자 하고 있다.
상기와 같이, 금속소재의 환경 변화는 원 소재의 물성뿐 아니라, 동시에 금속소재의 응용을 위한 기술도 전면적으로 재검토가 필요하게 되었다. 철강재에서 경량금속 소재로 변화됨에 따라 이에 따른 산화피막이 저항점용접에 큰 영향을 끼치게 되었다.
산화피막은 전기저항이 높아 용접을 위해서 고전류를 인가할 경우, 모재보다 높은 저항열을 발생시킴에 따라 스패터(Spatter) 결함이 쉽게 일어난다. 반면, 스패터 결함을 줄이기 위해서 전류를 감소시킬 경우, 충분한 에너지가 모재에 전달되지 않아 용접강도가 현저히 떨어지는 결함이 발생된다.
미국 등록특허 제08525066호에는 용접 신뢰성 개선을 위해 전극 단면의 굴곡 및 동심원 패터닝 적용으로 용접성 및 전극의 드레싱 용이성을 크게 향상시키는 구성이 개시되어 있다. 또, 유럽 등록특허 제01149654호에는 용접전극 내구성확보를 목적으로 알루미늄 소재의 비저항과 열전도도에 초점을 맞추어 전극 직경에 적합한 최적전류를 도출하여, 소모자재인 전극수명을 증가시킨 구성이 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허들은 저항점용접시 사용하는 소모성 자재인 전극에 대한 측면에 연구가 집중되고 있다.
상기와 같이, 종래에는 저항점용접 기술은 소모자재인 전극팁과 용접대상 금속의 기계적인 형상 혹은 부설자재를 사용하는 기술에 국한되어 있기 때문에, 금속의 종류에 따라 상이한 용접 조건을 고려하지 못해 용접 신뢰성에 문제점이 있었다.
1. 미국 등록특허 제08525066호 2. 유럽 등록특허 제01149654호
종래에는 이와 같이, 금속의 종류에 따라 상이한 용접 조건을 고려한 용접 방법을 제공하지 못했으며, 용접 신뢰성에 문제점이 있었다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 향상된 용접성능 및 용접 신뢰성 확보가 가능한 알루미늄 판재의 저항점용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 알루미늄 판재의 저항점용접 방법을 제공한다. 상기 알루미늄 판재의 저항점용접 방법은 상기 저항점용접시 상기 알루미늄 판재의 임피던스를 고려하여, 저항점용접기에 인가되는 주파수는 600 kHz 내지 650 kHz의 범위를 포함하고, 상기 알루미늄 판재의 두께는 1t 내지 3t의 범위를 가질 수 있다.
상기 알루미늄 판재의 저항점용접 방법에 있어서, 상기 저항점용접기에 구비된 전원부에서 제어가능한 최대 주파수가 600 kHz 미만일 경우, 하기 식 1을 이용하여 임피던스 값을 연산함으로써 전력량을 보상할 수 있다.
[식 1]
|Z| = 0.033 + (3 x 10-6 F)
(여기서, 상기 Z는 알루미늄 소재의 임피던스 값이고, 상기 F는 상기 저항점용접기에 인가되는 주파수(frequency)를 의미함)
상기 알루미늄 판재의 저항점용접 방법에 있어서, 연산된 상기 알루미늄 소재의 임피던스 값을 하기 식 2에 대입하여 상기 전원부에 인가될 전류값을 연산할 수 있다.
[식 2]
I1 2(0.033 + (3 x 10-6 F1)) = I2 2(0.033 + (3 x 10-6 F2))
(여기서, 상기 I1은 초기 전류값이고, 상기 F1은 상기 저항점용접기에 인가되는 주파수를 의미하며, 상기 I2는 상기 제어가능한 최대 주파수가 600 kHz 미만인 전원부의 전류값이고, 상기 F2는 상기 제어가능한 최대 주파수의 범위를 의미함)
상기 알루미늄 판재의 저항점용접 방법에 있어서, 연산된 상기 I2의 전류값은 35kA 내지 55kA의 범위를 가질 수 있다.
상기 알루미늄 판재의 저항점용접 방법에 있어서, 상기 알루미늄 판재는 2000계, 6000계 및 7000계 알루미늄 합금 중 어느 하나의 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 용접재인 알루미늄 판재의 임피던스를 고려하여 최적 주파수와 용접조건을 확보하여 종래보다 개선된 용접특성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 알루미늄 판재의 저항점용접 방법을 제공한다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항점용접시 용접재의 임피던스를 측정하는 측정기의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재 임피던스 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재의 미세조직을 후방산란전자 회절패턴 분석기(EBSD)로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재의 유실전력 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 임피던스 피팅 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재 샘플들의 주파수별 점용접 강도를 측정한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예 3(개발재 #3)의 주파수별 접합 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
최근 경량화 이슈에 따라, 철강 소재 대신 알루미늄과 같이 경량금속을 이용한 구조체를 제조하는 기술이 연구되고 있다. 상기 구조체는 주로 용접을 이용하여 제조하며, 대표적으로 저항점용접 방법이 사용된다.
저항점용접(Resistance Spot Welding)은 용접대상물질의 비열과 질량에 비례하는 전력량에 기인하여 발생하는 온도를 이용함으로써, 철강재료의 순간적인 용융 및 냉각을 통한 접합 방식이다. 용접대상 철강의 용융점은 대략 1,500℃에 준하기에 해당 온도까지의 에너지 발산을 위해서는 수만 암페어의 고전류를 다루고 있어 감전의 위험이 높다. 하지만, 전기전도도가 높은 금속 물질은 허용전류량이 높기 때문에 타 접합기술 대비 적용시간과 비용이 현저히 낮아 산업적 가치가 매우 높은 접합 기술이다.
저항점용접을 이용한 철강재료의 접합 기술은 큰 문제점이 없으나, 철강재료 대신 사용되는 알루미늄 소재의 경우, 저항점용접시 알루미늄 소재의 표면에 형성되는 산화피막으로 인해 고전류를 인가할 때 스패터(spatter) 결함이 쉽게 일어난다. 또, 스패터 결함을 줄이기 위해 전류를 감소시키면 용접강도가 현저히 떨어진다.
모든 재료는 고유의 비저항(resistivity) 값을 갖고 있고, 단면적에 반비례하며 길이에 비례하는 저항값을 갖는다. 일반적인 금속결합을 가진 금속은 비저항값 자체가 워낙 낮기 때문에, 단면적과 길이에 대해 총 저항값에는 크게 영향을 받지 않는다.
그러나, 상기 저항값은 직류(direct current) 전원이 공급될 때 통용되는 개념이다. 산업적으로 사용하는 전원은 제원마다 다르지만 전류 시간에 대한 단위로서, 1/60 초를 1 사이클(Cycle)로 간주하여 이를 단위로 사용한다. 공급시 전원 제원에 따른 교류(Alternating Current) 혹은 직류 펄스(Bi/Uni polar DC Pulse) 형태로 일정 주파수로 재료에 가해지게 된다. 이는 곧 재료에 가해지는 전기에너지에 대한 재료의 발열에너지 변환을 단순 전류크기와 시간으로만 계산하거나 고려할 수 없음을 의미한다. 따라서, 실질적인 전자재료 분야에서는 회로구성에 관련된 모든 소자에 대해서 고려한다.
모든 물질은 핵과 전자에 의해 결합되어 있고, 이 결합관계에 따라 전자기적 성질이 결정된다. 특히, 금속결합은 최외곽전자에 의해 높은 전기전도도와 열전도도, 광택 등과 같은 고유 특징을 나타낸다. 철강 접합을 기반으로 성장한 용접기술은 철 원소에 첨가된 합금원소와의 결합된 재료의 임피던스에 초점이 맞춰져 있을 수 밖에 없다. 철합금 종별 첨가원소에 따른 결합을 분석해보면, 금속결합의 원소비는 동일하나 상변태를 이용한 격자구조 제어로 미세구조(microstructure) 및 상(phase)의 변화로 구성된다.
특히, 알루미늄 소재의 경우, 알루미늄 이외의 타 첨가 합금 원소와의 결합으로 알루미늄 기지 내에 석출물 형태로 생성된 성분에 의해서 임피던스 성분이 매우 다른 양상으로 나타난다. 즉, 상대적으로 수초 이상의 긴 시간에서는 종래기술과 같이 저항점용접에 설계와 같이 고려해도 큰 오차가 없지만, 전원에서 발생하는 전류 파형이 마이크로초 단위 이하로 제어되며 금속 소재의 성능이 다변화되어 전류 조건에 따른 재료의 임피던스 (Impedance)를 고려해야 한다.
그러나, 종래 기술은 합금결합의 하나의 저항체로만으로 조건을 고려하고 있기 때문에, 알루미늄 판재에 저항점용접을 적용할 경우, 알루미늄 판재의 용접특성이 떨어지며, 용접 신뢰성도 낮은 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 알루미늄 판재의 저항점용접시 최적의 전력 조건을 설정함으로써, 상기와 같은 문제점을 해결하였다. 이하에서 도면을 참조하여 저항점용접시 최적 전력 조건 설정 방법에 대해 구체적으로 후술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항점용접시 용접재의 임피던스를 측정하는 측정기의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항점용접 방법은 저항점용접에 의한 알루미늄 판재의 실제 임피던스 해석을 위해서, 저항점용접이 수행되는 것과 동일한 형태의 용접재 임피던스 측정기(100)를 이용하여 알루미늄 판재의 최적 전력 조건을 설정할 수 있다. 용접재 임피던스 측정기(100)는 주파수 대역대 직류(DC)에서부터 kHz단위의 교류(AC)범위의 임피던스를 측정할 수 있는 전기화학측정장비로 2점 측정할 수 있다.
상기 알루미늄 판재는 예를 들어, 열처리계 알루미늄 합금 종인 2000계, 6000계 및 7000계 알루미늄 합금 중 어느 하나의 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 더 상세하게는 일 예로서, 6014, 6016, 6022, 6451, 6111이 있다.
상부 용접전극(2a)과 하부 용접전극(2b) 사이에는 제 1 용접재(1a) 및 제 2 용접재(1b)의 적어도 어느 일부가 중첩되도록 적층되어 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 용접재(1a) 및 제 2 용접재(1b)는 알루미늄 합금 판재를 포함한다. 제 1 용접재(1a) 및 제 2 용접재(1b)의 두께는 1t 내지 3t의 범위를 가질 수 있다. 만약, 용접재의 두께가 1t보다 얇으면 점용접시 용융물이 적어서 쉬이 증발해 천공이 생길 우려가 높다. 용접재의 두께가 3t보다 두꺼우면 모재 저항이 증가하여 더 높은 전류조건이 필요하다. 여기서, 용접재의 두께라함은 용접재 하나를 의미하며, 예를 들어, 용접재(1a)의 두께 범위가 1t 내지 3t의 범위를 갖는 것을 의미한다.
제 1 용접재(1a) 및 제 2 용접재(1b)가 서로 중첩되는 영역에 상부 용접전극(2a)과 하부 용접전극(2b)이 배치된 후 상기 용접전극(2a, 2b)에 전력이 공급되어 용접이 수행된다. 이때, 용접전극의 중심선(3)과 수직한 방향으로 전극에 하중(6a, 6b)이 인가된다. 또, 인가되는 전력의 임피던스를 임피던스 측정부(5)에서 측정하여, 측정된 임피던스 값을 이용하여 알루미늄 판재에 대한 전력 최적 조건을 설정할 수 있다.
즉, 실제 점용접 상태에서의 재료를 포함하여, 총 회로의 임피던스 해석이 필요하기 때문에, 실제 접합 하려는 용접재(1a, 및 1b), 실제 접합시 사용하는 전극(2a, 2b)으로 구성하여야 회로 전체적으로 측정되는 임피던스의 오차값을 줄일 수 있다.
또한, 실제 전극(2a, 2b)을 배치하여 하중(6a, 6b)으로 가압하였을때, 중심선(3)이 맞지않아 어긋남이 있어서는 안된다. 음극선(4a) 및 양극선(4b)은 임피던스 측정부(5)에 결선되는 전극선으로서, 음극선과 양극선 배치는 임의적으로 하되 실제 접합시와 동일한 조건으로 테스트해야 한다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재 임피던스 측정 결과이다.
도 2를 참조하면, 알루미늄 용접재 임피던스의 실제 결과값은 복소평면에 실수부 임피던스와 허수부 임피던스가 측정된다. 상기 측정 결과를 나이키스트(Nyquist) 도표라 한다. 이때, 실수부에 측정되는 값은 레지스턴스 값, 음의 복소수 값은 캐패시턴스 값, 양의 복소수 값은 인덕턴스 값으로 구분된다.
주파수에 따라, 복소평면에 그려지는 임피던스 그래프는 그 형태를 근거로 회로도를 유추할 수 있으며, 이를 등가회로라고 한다. 회로구성에 따라서 수많은 형태의 나이키스트 도표를 얻을 수 있다. 그러나, 기본적인 등가회로의 유추는 임피던스 측정 프로그램을 통해서 도출할 수 있다.
등가회로 분석을 통한 레지스턴스 값, 캐패시턴스 값, 인덕턴스 값은 회로 구성에 포함된 요소에 기인한다. 각 구성요소별 인과관계를 확실히 해야만 점용접 전력 최적 조건과 재료 내 미세조직 및 구조를 제어할 수 있다. 따라서, 그래프 해석과 재료의 특성 매칭이 주요한 요소이다. 하기 표 1은 전류 주파수에 따른 임피던스 관계성과 알루미늄 합금 내 예상 성분 및 발열지점이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재의 미세조직을 후방산란전자 회절패턴 분석기(EBSD)로 분석한 결과이다.
표 1 및 도 3을 참조하면, 알루미늄 합금 모재의 미세조직은 철강재와는 달리 석출물들이 다수 관측되며, 기지내 석출물은 알루미늄을 기반으로 하여 Mg, Si, Zn, Mn, Fe, Cu 등 원소와 결합물 형태로 존재한다. 석출물들은 기본적으로 알루미늄 모재보다 결합력이 세고 전기전도도가 낮다.
모재 내에 분산되어 있는 석출물들은 용액내 분산되어 있는 입자들로 가정할 수 있다. 즉, 고체물질 모재는 하나의 레지스턴스를 가지며, 석출물은 구성요소당 각각의 레지스턴스를 가지고 있다. 그러나, 모재 대비 석출물의 질량구성비가 무시할만하므로 입계면 전기이중층으로 가정할 수 있으며, 인덕턴스와 캐패시턴스의 병렬회로로 가정할 수 있다.
또한, 석물물과 모재와의 입계면 뿐만 아니라, 결정립계와 표면산화층도 전기이중층으로 인덕턴스와 캐패시턴스로 가정할 수 있다. 모재를 제외한 성분은 인덕턴스와 캐패시턴스 성분에 기인하나, 인덕턴스는 석출물에 기인하는 것으로, 캐패시턴스는 산화막과 결정립계에 기인하는 것으로 가정하고 해석이 가능하다.
알루미늄 합금 용접재료의 임피던스 측정결과와 재료 미세조직을 기반한 등가회로 추정을 통해, 알루미늄 합금 모재에 저항열을 발생시키기 위해서는 복소수 성분이 0이 되는 주파수가 최적의 주파수임을 유추할 수 있다. 이는 임피던스 측정시 전압과 전류와의 위상차로 유실전력도 도 4와 같이 유추할 수 있다.
주파수 대역별로 전압과 전류의 위상차가 발생하는 이유는 알루미늄 합금 용접재료에 포함되어 있는 산화막과 모재 내에 형성된 석출물, 그리고 입계에 의해 발생한다. 반면, 위상차가 발생하지 않는 대역대에서 코사인 값이 1이 된다. 즉, 위상차가 발생하지 않으며, 총 임피던스가 최대일 때, 발열관계식(2=)에 의해서 가장 효율적인 발열을 기대할 수 있다.
대부분의 용접재는 재료내 분율이 많은 모재를 용융시킨 후 접합하는 방식이 가장 일반적이다. 하지만, 재료 구성 분율별 혹은 특정 구성요소의 용융이 필요한 경우, 크게 세가지 주파수 조건을 고려할 수 있다.
나이키스트 도표의 0으로부터 마이너스 임피던스의 최대치는 산화막과 입계면에서 발열을 기대할 수 있다. 이는 상기 산화막과 입계면에서 용량성 리액턴스로 캐패시터 성분이 가장 강하게 작용할 것으로 추측되기 때문이다.
나이키스트 도표의 0으로부터 플러스 임피던스 최대치는 석출물에서 발열을 기대할 수 있다. 이는 상기 석출물에서 유도성 리액턴스로 인덕터 성분이 가장 강하게 작용할 것으로 추측되기 때문이다.
마지막으로, 허수부가 0이 되어 실수부 저항값이 가장 큰 주파수 대역에서는 모재에서 발열을 기대할 수 있다. 이는 상기 모재에서 실 저항부가 가장 강하게 작용할 것으로 추측되기 때문이다.
하기 표 2는 임의의 시편 6종을 대상으로 유실전류가 없는 최적 전류 주파수(공진주파수)와 최대 인덕턴스와 컨덕턴스 주파수를 정리한 결과이다.
임피던스 발생범위 상용재 개발재
#1 #2 #3 #1 #2 #3
최대
캐패시턴스		 Frequency
[kHz]		 2,210 1,500 1,500 1,020 1,500 2,210
Impedance
[ohm]		 0.918
+0.459i		 0.971
+0.570i		 1.044
+0.450i		 1.145
+0.429i		 1.062
+0.345i		 1.099
+0.513i
공진주파수
[kHz]		 Frequency
[kHz]		 586 581 593 651 650 608
Impedance
[ohm]		 1.34 1.29 1.37 1.36 1.40 1.37
최대
인덕턴스		 Frequency
[kHz]		 220 220 220 220 220 220
Impedance
[ohm]		 0.528
+0.815i		 0.538
+0.766i		 0.569
+0.748i		 0.562
+0.736i		 0.608
+0.784i		 0.623
+0.689i
본 발명의 실험예 샘플들의 점용접 조건은 가압력 (4000kgf), 전류 (38kA), 시간 (5cycle)으로 진행하여, 상용재 #1, #2, #3 샘플과 개발재 #1, #2, #3 샘플을 각각 제조하였다. 이중, 개발재 #3 실험예 샘플을 선정하여 주파수별 점용접 강도 조건을 달리하여, 접합 테스트를 진행하였다. 각 조건은 5cycle로 5초에 해당하는 시간을 기준으로 하여 전류인가 시간과 횟수 비율을 달리하였다. 1조건은 10ms에 500회 인가, 2조건은 50ms에 100회 인가, 3조건은 100ms에 10회 인가하여, 세 조건 모두 유효 인가 시간은 5sec로 동일하게 설정하였다. 모든 조건의 휴지 시간은 1ms과 인가 전류는 38kA로 설정하였다. 즉, 점용접을 위한 인가 에너지 총량은 같으나, 인가 주파수만 상이하게 제어하였다. 여기서, 1조건의 주파수는 10kHz, 2조건의 주파수는 2kHz, 3조건의 주파수는 0.2kHz로 각각 다르다.
표 2를 참조하면, 알루미늄 산화막은 접합 재료의 표면에 조밀한 막으로 형성되어 있어 컨덕턴스 성분으로 간주된다. 또, 도 2에 도시된 바와 같이, 주파수가 약 600 kHz 이상일 경우, 컨덕턴스 임피던스가 증가함을 알 수 있다. 따라서, 알루미늄 합금 판재의 점용접을 위한 조건에서는 650 kHz 이상의 주파수는 고려 대상이 아니다.
알루미늄의 석출물과 기지의 성분은 인덕턴스 임피던스와 직류저항값으로 나타나며, 도 2에 도시된 바와 같이, 주파수는 650 kHz 미만으로 나타난다. 따라서, 알루미늄 합금 판재의 점용접을 위한 조건으로 가용 주파수는 직류(DC)에서 최대 650 kHz 미만의 범위를 갖는다. 직류(DC)의 경우, 총 임피던스가 매우 낮기 때문에, 인덕턴스 임피던스 성분에 의한 발열을 위해서는 250 kHz 내지 650 kHz 이상의 주파수를 인가해주는 것이 좋다.
또한, 최소전류로 최대 전력값을 가질 수 있는 주파수의 범위는 600 kHz 내지 650 kHz이다. 즉, 알루미늄 합금 판재의 용접시 산화피막에 대한 별도의 공정없이 저항점용접을 진행할 경우, 주파수의 최적 범위는 600 kHz 내지 650 kHz로 제어할 수 있다.
알루미늄 합금 판재 용접재의 임피던스 측정을 통해, 각 재료별 최적 주파수를 검색하는 방안을 제시하였다. 다만, 소유하고 있는 용접기 전원의 사양상 고주파 전류를 발생시킬 수 없는 경우가 있다.
상기와 같은 경우, 최적 조건을 탐색하는데 있어, 주파수를 기준으로 최적 전류조건을 탐색할 수 있다. 도 4를 다시 참조하면, 알루미늄 판재의 최적 주파수를 지정하기 위한 임의의 시편 측정결과 주파수가 약 600 kHz 정도가 최적임을 확인할 수 있다. 상기 계산값을 이용하여, 최적 주파수에 준하지 못하는 저주파 조건에서 인가 전류 최대값과 펄스 횟수를 해당 전력값이 될 수 있도록 주파수 보상이 가능하다.
상기 보상은 하기 식 1을 이용하여 임피던스 값을 연산함으로써 전력량을 보상할 수 있다.
[식 1]
|Z| = 0.033 + (3 x 10-6 F)
(여기서, 상기 Z는 알루미늄 소재의 임피던스 값이고, 상기 F는 상기 저항점용접기에 인가되는 주파수(frequency)를 의미함)
전력 계산을 위한 임피던스 최대값과 상기 식 1에 의한 한계값은 주파수 600 kHz 에서 1.83 Ω 이 된다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 임피던스 피팅 그래프이다.
도 5를 참조하면, 용접기 전원의 발생 주파수 한계가 100 Hz인 경우, 알루미늄 합금 판재의 인덕턴스 임피던스가 낮기 때문에 0.03 Ω 을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 발열에너지는 전류의 제곱에 비례(P=I2R)하기 때문에 최적조건에 준하는 발열에너지를 얻기 위해서 필요한 전력량은 약 7배가 되어야 한다.
연산된 상기 알루미늄 합금 판재의 임피던스 값을 하기 식 2에 대입하여 전원부(용접기의 전원)에 인가될 전류값을 연산할 수 있다.
[식 2]
I1 2(0.033 + (3 x 10-6 F1)) = I2 2(0.033 + (3 x 10-6 F2))
(여기서, 상기 I1은 초기 전류값이고, 상기 F1은 상기 저항점용접기에 인가되는 주파수를 의미하며, 상기 I2는 상기 제어가능한 최대 주파수가 600 kHz 미만인 전원부의 전류값이고, 상기 F2는 상기 제어가능한 최대 주파수의 범위를 의미함)
상기 식 2를 참조하면, 인가 전류량을 대폭적으로 줄이기 위한 방법으로 주파수를 kHz단위까지 제어할 필요성이 있다. 이때, 인덕턴스 임피던스가 최대가 되는 250 kHz이상일 경우, 필요 전류량이 1.5배 정도로 감소하게 된다.
정리하면, 알루미늄 합금 판재의 점용접시 스패터 결함을 회피하며 신뢰성 있는 접합을 하기 위한 조건으로 250 kHz 내지 600 kHz의 주파수 범위를 가질 수 있다. 이때, 상기 보상식(식 1 및 식 2 참조)에 의해 250 kHz의 주파수 값을 가질 때 55kA의 전류값을 가질 수 있고, 600 kHz의 주파수 값을 가질 때 35kA의 전류값을 가질 수 있다. 즉, 600 kHz 미만의 전원기의 경우 보상해주어야 할 전류값 I2의 범위는 35kA 내지 55kA의 범위를 가질 수 있다. 여기서, 상기 식 1 및 식 2에 근거하여 1kHz 이하의 저주파수에서의 적합한 전류값도 추정이 가능하다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 용접재 샘플들의 주파수별 점용접 강도를 측정한 결과이고, 도 7은 본 발명의 실험예 3(개발재 #3)의 주파수별 접합 결과이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실험예 샘플, 즉, 개발재 #1 내지 #3 샘플 모두 약 3.0kN 이상의 강도값을 보였다. 또, 점용접 결과 개발재 #3 샘플은 1조건에서 약 3.3±0.1kN, 2조건에서 3.0±0.11kN, 3조건에서 2.8±0.09kN의 점용접강도를 나타내었다. 즉, 주파수가 증가함에 따라, 점용접 강도는 점점 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 합금 판재의 저항점용접 방법은 알루미늄 합금의 임피던스를 측정하여 레지스턴스(R), 인덕턴스(L), 캐패시턴스(C) 각 성분을 측정하고, 성분별 전력 최적조건을 설정하여 종래기술 대비 향상된 용접성능을 가질 수 있다. 즉, 용접대상 재료별 유실전류를 고려하여, 간단한 측정으로 최적 주파수를 사전에 탐색한 후 전력기준을 설정한다면, 쉽게 용접특성을 개선할 수 있다. 또, 주요 변수인 주파수를 제어하지 못하는 상황에서, 임피던스 보상식을 이용하여 전력보상을 통해 저항점용접 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1a: 제 1 용접재
1b: 제 2 용접재
2a: 상부 용접전극
2b: 하부 용접전극
3: 용접전극의 중심선
4a: 음극선
4b: 양극선
5: 임피던스 측정부
6a, 6b: 하중
100: 용접재 임피던스 측정기

Claims (5)

  1. 알루미늄 판재의 저항점용접 방법으로서,
    상기 저항점용접시 상기 알루미늄 판재의 임피던스를 고려하여, 저항점용접기에 인가되는 주파수는 600 kHz 내지 650 kHz의 범위를 포함하고,
    상기 알루미늄 판재의 두께는 1t 내지 3t의 범위를 가지며,
    상기 저항점용접기에 구비된 전원부에서 제어가능한 최대 주파수가 600 kHz 미만일 경우, 하기 식 1을 이용하여 임피던스 값을 연산함으로써 전력량을 보상하는,
    알루미늄 판재의 저항점용접 방법.
    [식 1]
    |Z| = 0.033 + (3 x 10-6 F)
    (여기서, 상기 Z는 알루미늄 소재의 임피던스 값이고, 상기 F는 상기 저항점용접기에 인가되는 주파수(frequency)를 의미함)
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    연산된 상기 알루미늄 소재의 임피던스 값을 하기 식 2에 대입하여 상기 전원부에 인가될 전류값을 연산하는,
    알루미늄 판재의 저항점용접 방법.
    [식 2]
    I1 2(0.033 + (3 x 10-6 F1)) = I2 2(0.033 + (3 x 10-6 F2))
    (여기서, 상기 I1은 초기 전류값이고, 상기 F1은 상기 저항점용접기에 인가되는 주파수를 의미하며, 상기 I2는 상기 제어가능한 최대 주파수가 600 kHz 미만인 전원부의 전류값이고, 상기 F2는 상기 제어가능한 최대 주파수의 범위를 의미함)
  4. 제 3 항에 있어서,
    연산된 상기 I2의 전류값은 35kA 내지 55kA의 범위를 갖는,
    알루미늄 판재의 저항점용접 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 판재는 2000계, 6000계 및 7000계 알루미늄 합금 중 어느 하나의 알루미늄 합금을 포함하는,
    알루미늄 판재의 저항점용접 방법.
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