KR102622519B1

KR102622519B1 - 저항 스폿 용접 방법 및 용접 부재의 제조 방법

Info

Publication number: KR102622519B1
Application number: KR1020227011821A
Authority: KR
Inventors: 지카우미 사와니시; 야스아키 오키타; 히로시 마츠다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2024-01-08
Also published as: US20230124228A1; CN114502310B; EP4043141A1; JPWO2021070836A1; KR20220051271A; EP4043141A4; WO2021070836A1; MX2022004297A; CN114502310A; JP6892039B1

Abstract

본 통전이 2 단 이상의 가압력 스텝을 갖고, 또한, 그 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝의 가압력 : F₁ 및 제 2 가압력 스텝의 가압력 : F₂ 에 대해, F₁ ＞ F₂ 의 관계를 만족시키고, 또, 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 가압력 전환 시점 T_f 를, 소정의 관계식을 만족하도록 설정한다.

Description

저항 스폿 용접 방법 및 용접 부재의 제조 방법{RESISTANCE SPOT WELDING METHOD AND WELD MEMBER PRODUCTION METHOD}

본 발명은 저항 스폿 용접 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 있어서, 외란의 영향에 상관없이, 날림을 발생시키는 일 없이 안정적으로 원하는 너깃 지름을 확보하는 것을 가능하게 하고자 하는 것이다.

일반적으로, 중첩한 금속판끼리, 특히 중첩한 강판끼리의 접합에는, 겹침 저항 용접법의 1 종인 저항 스폿 용접법이 이용되고 있다.

이 용접법은, 중첩한 2 매 이상의 강판을 사이에 끼우고 그 상하로부터 1 쌍의 전극으로 가압하면서, 상하 전극간에 고전류의 용접 전류를 단시간 통전하여 접합하는 방법이다. 이 용접법에서는, 고전류의 용접 전류를 흘림으로써 발생하는 저항 발열을 이용하여, 점 형상의 용접부를 형성한다. 이 점 형상의 용접부는, 너깃이라 불린다. 너깃은, 중첩한 강판에 전류를 흘렸을 때에 강판의 접촉 지점에서 양 강판이 용융하여, 응고한 부분이다. 이 너깃에 의해, 강판끼리가 점 형상으로 접합된다.

저항 스폿 용접부의 접합 강도는, 너깃 지름에 좌우된다. 그 때문에, 자동차 부품 등의 높은 접합 강도를 필요로 하는 경우에는, 특히, 소정의 지름 이상의 너깃 지름을 확보하는 것이 중요해진다.

일반적으로, 가압력 및 통전 시간을 일정하게 한 경우에는, 너깃 지름은, 용접 전류의 증가에 따라서 서서히 증가한다. 그러나, 용접 전류가 일정값 이상이 되면, 강판간에 용융 금속이 비산하는 중간날림 (expulsion) 이라고 하는 현상이 발생한다. 또한, 중간날림의 발생은, 너깃 지름이나 이음매 인장 강도에 편차를 발생시킨다. 그 결과, 용접 이음매부의 품질이 불안정해진다.

또, 자동차의 부품 구조, 예를 들어 센터필러에서는, 아우터와 이너의 사이에 리인포스먼트를 끼워 넣은 구조가 채용되고 있다. 이 구조에서는, 단순한 2 매 겹침의 금속판을 스폿 용접하는 경우와 달리, 3 매 이상의 금속판을 중첩하여 스폿 용접하는 것이 요구된다.

또한, 최근에는, 차체의 충돌 안전성의 추가적인 향상 요구에 수반하여, 리인포스먼트 등의 고강도화, 후육화 (厚肉化) 가 진행되고 있다. 그 때문에, 외측에 판두께가 얇은 아우터를 배치하고, 그 내측에 판두께가 두꺼운 이너 및 리인포스먼트를 조합한 판조합을 스폿 용접하는 것이 필요해지는 경우가 많다.

또한, 판조합을 구성하는 금속판 중, 판두께가 상대적으로 작은 금속판을 박판, 판두께가 상대적으로 큰 금속판을 후판이라고 각각 칭한다. 이하도 동일하다.

이와 같은 판두께비 (판조합의 전체 두께/판조합을 구성하는 가장 얇은 금속판의 판두께) 가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 있어서, 종래와 같은, 가압력 및 용접 전류를 일정값으로 하는 일반적인 저항 스폿 용접을 실시한 경우에는, 제일 외측 (전극칩과 접촉하는 측) 의 박판과 후판의 사이에 필요한 사이즈의 너깃이 형성되기 어렵다. 특히, 판두께비가 3 초과, 나아가서는 5 이상이 되는 판조합에서는, 이 경향이 강하다.

이것은, 전극 칩과의 접촉에 의해, 제일 외측의 박판과 후판의 사이에서는 온도가 오르기 어려운 것이 원인으로 생각된다.

즉, 통상적으로, 너깃은, 전극간의 중앙 부근으로부터 강판의 고유 저항에 의해 체적 저항 발열로 형성된다. 그러나, 전극 칩과의 접촉에 의해, 제일 외측의 박판과 후판의 사이에서는 온도가 오르기 어렵다. 그 때문에, 박판-후판간에 너깃이 성장하기 전에, 전극간 중앙부 근방, 바꾸어 말하면, 후판-후판간에 너깃이 크게 성장한다. 그 결과, 전극에 의한 가압에서는 용융 금속을 억제하지 못하여, 중간날림이 발생한다.

또, 아우터에는 성형성이 요구되기 때문에, 아우터에 사용되는 박판은 연강 (軟鋼) 으로 되는 경우가 많다. 한편, 이너 및 리인포스먼트는 강도 보강 부재이기 때문에, 이들에 사용되는 후판은, 고장력 강판으로 되는 경우가 많다. 이와 같은 박판과 후판을 조합한 판조합에서는, 발열하는 위치가, 고유 저항이 높은 고장력 강판 (후판) 측에 치우친다. 게다가, 사용되는 금속판이 도금 강판으로 되면, 저온에서 용융한 도금층에 의해 강판간의 통전 경로가 확대하여, 전류 밀도가 감소한다. 그 때문에, 박판-후판간에서는 더욱 너깃이 형성되기 어려워진다.

이와 같은 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 적용되는 저항 스폿 용접 방법으로서, 예를 들어, 특허문헌 1 에는,

「복수의 강판을 중첩하여 저항 스폿 용접하는, 이음매 강도가 우수한 고강도 강판의 스폿 용접 방법으로서,

상기 복수의 강판은,

인장 강도가 함께 780 ㎫ 이상, 1850 ㎫ 이하인 2 매의 강판으로서, 판두께비 = {강판의 판두께의 총합} / {얇은 쪽의 강판의 판두께 (동일 두께인 경우에는 1 매당의 판두께)} 가 2 이상, 5 이하의 범위가 되는 2 매의 강판이거나,

혹은, 인장 강도가 함께 780 ㎫ 이상, 1850 ㎫ 이하인 3 매의 강판, 또는, 인장 강도가 함께 780 ㎫ 이상, 1850 ㎫ 이하인 2 매의 강판과 그 외측의 인장 강도가 780 ㎫ 미만인 1 매의 강판으로서, 판두께비 = {강판의 판두께의 총합} / {얇은 쪽의 강판의 판두께 (동일 두께인 경우에는 1 매당의 판두께)} 가 3 이상, 6 이하의 범위가 되는 3 매의 강판이고,

상기 스폿 용접은, 가압력 P1 (kN), 용접 전류 I1 (kA) 의 전(前) 통전인 제 1 통전 공정과, 가압력 P2 (kN), 용접 전류 I2 (kA) 의 본(本) 통전인 제 2 통전 공정으로 이루어지고,

상기 가압력 P1, P2 를, 상기 복수의 강판의 평균 판두께를 t (㎜) 로 할 때, 하기 (2) 식, (3) 식으로 나타내는 범위로 하고,

0.5 ≤ P2 ≤ 3.0t^(1/3) … (2)

1.0 × P2 ＜ P1 ≤ 2.0 × P2 … (3)

상기 용접 전류 I1 을, 상기 용접 전류 I2 의 30 % 이상, 90 % 이하의 범위로 하고,

상기 제 1 통전 공정이 종료된 후, 0.1 (s) 이내에 상기 제 2 통전 공정을 개시하는 것을 특징으로 하는 이음매 강도가 우수한 고강도 강판의 스폿 용접 방법.」

이 제안되어 있다.

국제 공개 2014/045431호

그런데, 용접 시에 외란이 존재하는 경우, 예를 들어, 용접하는 점의 근처에 이미 용접한 점 (기용접점) 이 있는 경우나, 피용접재의 표면 요철이 크게 용접하는 점의 근처에 피용접재의 접촉점이 존재하는 등의 경우에는, 용접 시에 기용접점이나 접촉점에 전류가 분류 (分流) 한다. 이와 같은 상태에서는, 소정의 조건으로 통전해도, 전극 바로 아래의 용접하고자 하는 위치에 있어서의 전류 밀도는 저하되기 때문에, 필요한 지름의 너깃이 얻어지지 않게 된다.

또, 표면 요철이나 부재의 형상 등에 의해 용접하는 점의 주위가 강하게 구속되어 있는 경우에는, 강판간의 판간격 (板隙) 이 커진다. 이에 따라, 강판끼리의 접촉 지름이 좁아져, 역시 필요한 지름의 너깃이 얻어지지 않거나, 중간날림이 발생하기 쉬워지는 경우도 있다.

특허문헌 1 의 기술은, 피용접재가 되는 강판간에 간극이 존재하는 경우에, 제 1 스텝의 가압력을 제 2 스텝의 가압력보다 크게 하여, 통전 초기의 제 1 스텝에서 강판간에 충분한 접촉 면적을 확보하고자 하는 기술이다.

그러나, 자동차의 제조 공정 등의 실작업에 있어서는, 차례차례로 흘러 오는 피처리재를 연속적으로 용접한다. 외란의 상태는, 시공 조건이나 피처리재의 치수 오차 등에 의해, 용접 위치나 피처리재마다 변동한다. 그 때문에, 실제로 용접을 개시하는 시점에서, 당해 피처리재의 외란의 상태를 정확하게 파악하는 것은 곤란하다.

이 때문에, 특허문헌 1 의 기술에서도, 상정 이상의 외란이 존재하는 경우에는, 중간날림을 발생시키는 일 없이 원하는 너깃 지름을 확보할 수 없다라는 문제가 있다.

또, 상기 서술한 바와 같이, 외란의 상태는, 시공 조건이나 피처리재의 치수 오차 등에 의해, 용접 위치나 피처리재마다 변동한다. 그 때문에, 만일, 용접 전에 피처리재의 외란의 상태를 파악할 수 있었다고 해도, 외란의 상태마다 당해 외란의 상태를 가미한 최적인 용접 조건을 설정할 필요가 있어, 작업 효율이나 비용과 같은 점에서의 문제가 크다.

본 발명은, 상기의 현상황을 감안하여 개발된 것으로서, 특히, 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 있어서, 외란의 영향에 상관없이, 중간날림의 발생없이, 안정적으로 원하는 너깃 지름을 얻을 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은, 상기의 저항 스폿 용접 방법에 의해, 중첩한 복수 장의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위해서, 예의 검토를 거듭한 바, 이하의 지견을 얻었다.

(1) 너깃을 형성하는 본 통전을 2 단 이상의 가압력 스텝으로 분할하고, 제 1 가압력 스텝의 가압력을 제 2 가압력 스텝의 가압력보다 크게 하는 경우, 외란의 상태에 상관없이, 소망으로 하는 통전 경로가 확보되어 있는지 여부, 나아가서는, 소망으로 하는 발열 형태가 얻어지는지 여부는, 본 통전의 통전 개시부터 일정 시간이 경과할 때까지의 전극간 저항의 시간 적분값으로부터 판단할 수 있다.

(2) 또, 이 전극간 저항의 시간 적분값에 따라, 제 1 가압력 스텝의 가압력으로부터 제 2 가압력 스텝의 가압력으로 전환하는 타이밍을 설정함으로써, 외란의 영향을 유효하게 완화할 수 있다.

(3) 그 결과, 자동차의 제조 등의 실작업에 있어서 차례차례로 흘러 오는 피처리재를 연속적으로 용접하는 (용접 위치나 피처리재마다 외란의 상태가 변동한다) 경우이더라도, 외란의 상태의 변동에 유효하게 대응하여, 중간날림의 발생없이, 원하는 너깃 지름을 안정적으로 확보하는 것이 가능해진다.

본 발명은, 상기의 지견에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 복수 장의 금속판을 중첩한 피용접재를, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 끼우고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서,

본 통전이 2 단 이상의 가압력 스텝을 갖고, 또한, 그 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝의 가압력 : F₁ 및 제 2 가압력 스텝의 가압력 : F₂ 가, F₁ ＞ F₂ 의 관계를 만족하고,

또, 상기 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 가압력 전환 시점 T_f 를, 다음 식 (1) ∼ (3) 을 만족하도록 설정하는, 저항 스폿 용접 방법.

· T_A ≤ 0.8 × T₀ 의 경우

T_A ≤ T_f ＜ T₀… (1)

· 0.8 × T₀ ＜ T_A ≤ T₀, 또는, 0.9 × R₀ ≤ R_A ≤ R₀ 의 경우

0.9 × T₀ ＜ T_f ＜ 1.1 × T₀… (2)

· R_A ＜ 0.9 × R₀ 의 경우

T₀ ＜ T_f ≤ T₀ + 2 × (R₀ ― R_A) / R₀ × T_m … (3)

여기서,

T₀ : 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 기준 가압력 전환 시점

Tm : 본 통전의 합계 통전 시간

R_A : 본 통전의 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값

R₀ : 피용접재에 외란이 없는 경우에 본 통전과 동일한 조건으로 통전을 실시했을 때에 얻어지는, 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값

T_A : 본 통전에 있어서의 전극간 저항의 시간 적분값이, R₀ 에 도달하는 시간

이다.

2. 상기 기준 가압력 전환 시점 T₀ 이 다음 식을 만족하는, 상기 1 에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

0.1 × T_m ≤ T₀ ≤ 0.8 × T_m

3. 상기 본 통전을 실시하는 본 용접 공정과, 그 본 용접 공정에 앞서는 테스트 용접 공정을 갖추고,

상기 테스트 용접 공정의 본 통전에서는, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 기억시키고,

또한, 상기 본 용접 공정의 본 통전에서는, 상기 테스트 용접의 본 통전에 있어서의 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로 설정하고, 그 목표값에 따라서 통전량을 제어하는, 상기 1 또는 2 에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

4. 상기 1 ∼ 3 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 중첩한 복수 장의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합이더라도, 외란의 영향에 상관없이, 중간날림의 발생없이, 안정적으로 원하는 너깃 지름을 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 자동차의 제조 등의 실작업에 있어서 차례차례로 흘러 오는 피처리재를 연속적으로 용접하는 (용접 위치나 피처리재마다 외란의 상태가 변동한다) 경우이더라도, 외란의 상태의 변동에 유효하게 대응하여 원하는 너깃 지름을 안정적으로 확보하는 것이 가능해진다. 그 결과, 작업 효율이나 수율의 향상이라고 하는 점에서도 매우 유리해진다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에 있어서, (1) 식을 만족하는 경우 (T_A ≤ 0.8 × T₀ 의 경우) 의 본 통전에 있어서의 가압력과 시간, 및, 본 통전에 있어서의 전극간 저항의 시간 적분값과 시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에 있어서, (2) 식을 만족하는 경우 (0.8 × T₀ ＜ T_A ≤ T₀, 또는, 0.9 × R₀ ≤ R_A ≤ R₀ 의 경우) 의 본 통전에 있어서의 가압력과 시간, 및, 본 통전에 있어서의 전극간 저항의 시간 적분값과 시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에 있어서, (3) 식을 만족하는 경우 (R_A ＜ 0.9 × R₀ 의 경우) 의 본 통전에 있어서의 가압력과 시간, 및, 본 통전에 있어서의 전극간 저항의 시간 적분값과 시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 외란이 없는 상태에서 용접을 실시하는 경우의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5 는, 판간격이 있는 판조합에 대해 용접을 실시하는 경우의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6 은, 기용접점이 있는 판조합에 대해 용접을 실시하는 경우의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.

본 발명을 이하의 실시형태에 기초하여 설명한다.

본 발명의 일 실시형태는, 복수 장의 금속판을 중첩한 피용접재를, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 끼우고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서,

또, 상기 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 가압력 전환 시점 T_f (이하, 가압력 전환 시점 T_f 라고도 한다) 를, 소정의 관계를 만족하도록 설정한다, 라는 것이다.

또한, 가압력 전환 시점 T_f (및 후술하는 기준 가압력 전환 시점 T₀) 는, 가압력의 전환 동작을 개시하는 시점으로 한다.

또, 가압력 전환 시점 T_f (및 후술하는 기준 가압력 전환 시점 T₀) 는, 본 통전의 통전 개시 시점을 기점으로서 (본 통전의 통전 개시 시점으로부터의 경과 시간에 의해) 나타내는 것으로 한다 (또한, 후술하는 T_A (본 통전에 있어서의 전극간 저항의 시간 적분값이, R₀ 에 도달하는 시간) 등도 동일하다.).

또, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법은, 특히, 외란에 상관없이, 중간날림의 발생없이 필요한 사이즈의 너깃을 박판-후판간에 얻는 것이 곤란하였던 판두께비 (판조합의 전체 두께/판조합을 구성하는 가장 얇은 금속판의 판두께) 가 3 초과, 나아가서는 5 이상의 판조합에 사용하여 적합하다. 물론, 2 매 겹침의 판조합에도 유효하게 사용할 수 있다.

또한, 박판이란, 판조합에 사용되는 강판 중, 판두께가 상대적으로 작은 금속판을 의미하며, 후판이란, 판두께가 상대적으로 큰 금속판을 의미한다. 또한, 박판의 판두께는, 가장 판두께가 큰 금속판 (후판) 의 3/4 이하의 판두께가 된다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에서 사용 가능한 용접 장치로는, 상하 1 쌍의 전극을 구비하고, 용접 중에 가압력 및 용접 전류를 각각 임의로 제어 가능하면 되고, 형식 (정치식 (定置式), 로봇 건 등), 전극 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에 대해서 설명한다.

(A) 본 통전 (후술하는 테스트 용접 공정에 있어서의 본 통전과 구별하기 위해서, 본 용접 (공정) 에 있어서의 본 통전이라고도 한다. 또한, 간단히 「본 통전」 이라고 하는 경우에는, 테스트 용접 공정에 있어서의 본 통전이 아니라, 본 용접 공정에 있어서의 본 통전을 의미하는 것으로 한다. 여기서, 「본 통전」 은 너깃을 형성하기 위한 통전을 의미한다. 또, 「본 용접 공정」 이란, 대상으로 하는 피용접재를 실제로 용접하는 공정을 의미하며, 후술하는 테스트 용접 공정과 구별하기 위해서 사용한다.)

상기 서술한 바와 같이, 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 있어서, 너깃을 형성하는 본 통전을 2 단 이상의 가압력 스텝으로 분할하여, 이하의 관계, 즉, 제 1 가압력 스텝의 가압력 : F₁ (이하, 간단히 F₁ 이라고도 한다) 을 제 2 가압력 스텝의 가압력 (이하, 간단히 F₂ 라고도 한다) 보다 크게 함으로써, 보다 유리하게 피용접재가 되는 금속판간의 접촉 지름을 확보하는 것이 가능해진다.

F₁ ＞ F₂

바람직하게는, F₁≥ 1.1 × F₂, 보다 바람직하게는 F₁ ≥ 1.2 × F₂, 더욱 바람직하게는 F₁ ≥ 1.5 × F₂ 이다.

또한, F₁ 및 F₂ 는, 상기의 관계를 만족시킬 뿐만 아니라, 피용접재를 구성하는 금속판의 재질이나 두께 등에 따라서, 적절히 설정하면 된다.

예를 들어, 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합 (예를 들어, 후판 (두께 : 0.8 ∼ 3.0 ㎜ 의 이른바 연강 또는 490 ∼ 2000 ㎫ 급의 Zn 계 도금 강판 또는 도금 없는 강판) 2 매와, 박판 (두께 : 0.5 ∼ 2.0 ㎜ 의 Zn 계 도금 강판 또는 도금 없는 강판 (연강)) 1 매를 중첩한 판조합) 을 사용하는 경우, F₁ 은 2.0 ∼ 10.0 kN, F₂ 는 1.0 ∼ 6.0 kN 으로 하는 것이 적합하다.

또, 일반적인 2 매 겹침의 판조합을 사용하는 경우, F₁ 은 2.0 ∼ 7.0 kN, F₂ 는 1.0 ∼ 5.0 kN 으로 하는 것이 적합하다.

그리고, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에서는, 본 통전의 통전 개시부터 일정 시간이 경과할 때까지의 전극간 저항의 시간 적분값에 따라, F₁ 로부터 F₂ 로 전환하는 타이밍, 바꾸어 말하면, 가압력 전환 시점 T_f 를, 다음 식 (1) ∼ (3) 을 만족하도록 설정하는 것이 매우 중요하다.

· T_A ≤ 0.8 × T₀ 의 경우

T_A ≤ T_f ＜ T₀ … (1)

0.9 × T₀ ＜ T_f ＜ 1.1 × T₀ … (2)

· R_A ＜ 0.9 × R₀ 의 경우

T₀ ＜ T_f ≤ T₀ + 2 × (R₀ ― R_A) / R₀ × T_m … (3)

여기서,

T_m : 본 통전의 합계 통전 시간

이다.

여기서, T_A ≤ 0.8 × T₀ 의 경우, 즉, R_A 가, R₀ 과 비교하여 일정량 커질 것으로 예상되는 경우 (도 1 참조), 예를 들어, 외측에 Zn 도금 강판을 갖는 판조합에 대해, 동일한 전극을 사용하여 연속적인 용접 (이하, 연속 타점 용접이라고도 한다) 을 실시하는 경우, 용접 횟수가 증가함에 따라, 전극이 Zn 과 합금화하고, 표면 저항이 증가한다. 즉, 연속 타점 용접이 진행됨에 따라, 각 용접 회로에서의 전극간 저항은 증가한다. 그러나, 실제로는, 전극-금속판간의 접촉 면적의 증가에 의해, 전류 밀도가 저하하여, 너깃 지름이 작아지기 쉬운 상태에 있다. 이와 같은 경우에는, F₁ 로부터 F₂ 로 전환하는 타이밍을 앞당기는, 구체적으로는, 상기 게재한 식 (1) 을 만족하도록, 가압력 전환 시점 T_f 를 설정하는 것이 유효하다.

한편, R_A ＜ 0.9 × R₀ 의 경우, 즉, R_A 가, R₀ 과 비교하여 일정량 작은 경우 (도 3 참조), 예를 들어, 판간격에 의해 금속판이 휘는 (판간격이 있는 상태의 판조합을 전극으로 가압함으로써, 판간격에 의해 금속판이 휜다) 경우, 전극-금속판간의 접촉 면적이 증가하여 전극간 저항은 저하한다. 그러나, 금속판간의 접촉 면적은 충분하게는 확보되어 있지 않아, 이 상태에서 F₁ 로부터 F₂ 로의 전환을 실시하면, 중간날림의 발생을 초래할 우려가 있다. 이와 같은 경우에는, F₁ 로부터 F₂ 로 전환하는 타이밍을 늦추는, 구체적으로는, 상기 게재한 식 (3) 을 만족하도록 가압력 전환 시점 T_f 를 설정하여, 중간날림 발생을 억제하는 것이 유효하다. 또, 후술하는 적응 제어 용접 등에서 전류가 증가할 때는, 더욱 유효해진다.

단, 0.8 × T₀ ＜ T_A ≤ T₀, 또는, 0.9 × R₀ ≤ R_A ≤ R₀ 의 경우 (도 2 참조), 즉, R_A 가 R₀ 과 동일한 정도가 되는 (또는 예상되는) 경우에는, 외란의 영향이 그만큼 크지 않은 것으로 생각되므로, 상기 게재한 식 (2) 를 만족시키면 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 저항 스폿 용접 방법에서는, 본 통전의 통전 개시부터 일정 시간이 경과할 때까지의 전극간 저항의 시간 적분값 등에 따라서, 가압력 전환 시점 T_f 를, 상기 게재한 식 (1) ∼ (3) 을 만족하도록 설정하는 것이 중요해진다.

또, 상기 게재한 식 (1) ∼ (3) 은 각각, 다음 식 (1)' ∼ (3)' 로 하는 것이 보다 바람직하다.

· T_A ≤ 0.8 × T₀ 의 경우

T_A ≤ T_f ≤ 0.95 × T₀ … (1)'

· 0.8 × T₀ ＜ T_A ≤ T₀, 또는, 0.9 × R₀ ≤ R_A≤ R₀ 의 경우

0.95 × T₀ ＜ T_f ＜ 1.05 × T₀ … (2)'

· R_A ＜ 0.9 × R₀ 의 경우

1.05 × T₀ ≤ T_f ≤ T₀ + 2 × (R₀ ― R_A) / R₀ × T_m … (3)'

또, 피용접재에 외란이 없는 경우에 본 통전과 동일한 조건으로 통전을 실시했을 때에 얻어지는, 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값 R₀ 은, 예를 들어, 본 통전과 동일한 판두께, 재질의 금속판으로 구성되는 외란이 없는 피용접재를 별도 준비하고, 본 통전과 동일한 조건으로, 당해 피용접재를 용접하는 예비 용접 시험을 실시해서, 구하면 된다.

또한, 후술하는 테스트 용접을 실시하는 경우에는, 당해 테스트 용접의, 본 통전에 있어서의 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값을, R₀ 으로 해도 된다.

또, 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 기준 가압력 전환 시점 T₀ (ms) 은, 피용접재를 구성하는 금속판의 재질이나 두께 등에 따라서, 적절히 설정하면 되지만, 본 통전의 합계 통전 시간 T_m(ms) 을 사용하여, 다음 식을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다.

0.1 × T_m≤ T₀ ≤ 0.8 × T_m

이라는 것은, T₀ 이 0.1 × T_m 미만이 되면, 가압력의 전환 타이밍을 제어하는 것에 의한 외란 영향의 완화 효과가 충분히 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 한편, T₀ 이 0.8 × T_m 초과가 되는 경우에도, 역시 가압력의 전환 타이밍을 제어하는 것에 의한 외란 영향의 완화 효과가 충분히 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 그 때문에, T₀ 은, 0.1 × T_m 이상, 0.8 × T_m 이하의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

T₀ 은, 보다 바람직하게는 0.2 × T_m 이상, 더욱 바람직하게는 0.3 × T_m 이상이다. 또, T₀ 은, 보다 바람직하게는 0.75 × T_m 이하, 더욱 바람직하게는 0.7 × T_m 이하이다.

또한, 본 통전의 합계 통전 시간 T_m(ms) 은, 피용접재를 구성하는 금속판의 재질이나 두께 등에 따라서, 적절히 설정하면 된다.

예를 들어, 상기한 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합을 사용하는 경우, T_m 은 120 ∼ 1000 ms 로 하는 것이 적합하다. 또, 일반적인 2 매 겹침의 판조합을 사용하는 경우, T_m 은 80 ∼ 800 ms 로 하는 것이 적합하다.

또한, 본 통전을 2 단 이상의 통전 스텝으로 분할하여 통전 스텝 사이에 통전 휴지 시간을 마련하는 경우, 본 통전의 합계 통전 시간에는, 이 통전 스텝 사이의 통전 휴지 시간도 포함하는 것으로 한다.

또한, 본 통전은, 정전류 제어에 의해 실시해도 되고, 후술하는 테스트 용접을 실시한 후에, 당해 테스트 용접에서 설정한 목표값에 따라서, 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실시해도 된다.

정전류 제어의 경우, 용접 전류는, 피용접재를 구성하는 금속판의 재질이나 두께 등에 따라서, 적절히 설정하면 된다. 또, 2 단 이상의 통전 스텝으로 분할하여 실시해도 되고, 이 통전 스텝의 사이에 통전 휴지 시간을 마련해도 된다.

또한, 통전 스텝을 분할하는 타이밍은, 가압력을 분할하는 타이밍과 동일해도 되고, 상이해도 된다. 또, 본 통전에 있어서의 제 1 통전 스텝으로부터 제 2 통전 스텝으로의 전류값의 전환 시점 (통전 스텝을 분할하는 타이밍) 을, 본 통전에 있어서의 가압력 전환 시점의 변경에 연동시킬 필요도 없다. 후술하는 적응 제어 용접의 경우도 동일하다.

예를 들어, 일반적인 2 매 겹침의 판조합에 대하여, 1 단의 통전 스텝으로 용접을 실시하는 경우, 전류값은 4.0 ∼ 12.0 kA 로 하는 것이 적합하다.

또, 2 단 이상의 통전 스텝으로 분할하여 용접을 실시하는 경우, 제 1 통전 스텝의 전류값 및 통전 시간은 각각 3.0 ∼ 12.0 kA, 40 ∼ 800 ms, 제 2 통전 스텝의 전류값 및 통전 시간은 각각 4.0 ∼ 14.0 kA, 20 ∼ 400 ms 로 하는 것이 적합하다. 특히, 상기한 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 대해 용접을 실시하는 경우에는, 제 1 통전 스텝의 전류값 ＜ 제 2 통전 스텝의 전류값의 전류값으로 하는 것이 적합하다. 또, 제 1 통전 스텝과 제 2 통전 스텝의 사이에 통전 휴지 시간을 마련하는 경우에는, 통전 휴지 시간을 10 ∼ 400 ms 로 하는 것이 바람직하다.

적응 제어 용접의 경우, 후술하는 테스트 용접에 의해 얻은 목표값 (단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량) 을 기준으로 하여 용접을 실시하고, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선을 따르고 있는 경우에는, 그대로 용접을 실시하여 용접을 종료한다. 단, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에는, 그 벗어난 양을 나머지의 통전 시간 내에 보상하기 위해서, 본 용접에서의 단위 체적당의 누적 발열량이 목표값으로서 설정한 단위 체적당의 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어한다.

또한, 적응 제어 용접의 경우에도, 본 통전을 2 단 이상의 통전 스텝으로 분할하고, 통전 스텝마다의 적응 제어 용접을 실시해도 된다.

즉, 본 용접에 있어서의 본 통전, 및, 후술하는 테스트 용접의 본 통전을, 서로 대응하도록 2 단 이상의 통전 스텝으로 분할한다.

그리고, 테스트 용접에 의해 얻은 통전 스텝마다의 목표값 (단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량) 을 기준으로 하여 용접을 실시한다. 또, 어느 것의 통전 스텝에 있어서, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에는, 그 벗어난 양을 당해 통전 스텝의 나머지의 통전 시간 내에서 보상하기 위해서, 당해 통전 스텝에서의 단위 체적당의 누적 발열량이, 테스트 용접의 당해 통전 스텝에서의 단위 체적당의 누적 발열량과 일치하도록, 통전량을 제어한다.

또한, 발열량의 산출 방법에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 일본 공개특허공보 평11-33743호에 그 일례가 개시되어 있으며, 본 발명에서도 이 방법을 채용할 수 있다. 이 방법에 의한 단위 체적· 단위시간당의 발열량 q 및 단위 체적당의 누적 발열량 Q 의 산출 요령은 다음과 같다.

피용접재의 합계 두께를 t, 피용접재의 전기 저항율을 r, 전극간 전압을 V, 용접 전류를 I 로 하고, 전극과 피용접재가 접촉하는 면적을 S 로 한다. 이 경우, 용접 전류는 횡단면적이 S 이고, 두께 t 의 기둥 모양 부분을 통과하여 저항 발열을 발생시킨다. 이 기둥 모양 부분에 있어서의 단위 체적· 단위시간당의 발열량 q 는 다음 식 (4) 로 구해진다.

q = (V · I) / (S · t) --- (4)

또, 이 기둥 모양 부분의 전기 저항 R 은, 다음 식 (5) 로 구해진다.

R = (r · t) / S --- (5)

(5) 식을 S 에 대해 풀어 이것을 (4) 식에 대입하면, 발열량 q 는 다음 식 (6)

q = (V · I · R) / (r · t²)

= (V²) / (r · t²) --- (6)

이 된다.

상기 게재한 식 (6) 으로부터 분명한 바와 같이, 단위 체적· 단위시간당의 발열량 q 는, 전극간 전압 V 와 피용접물의 합계 두께 t 와 피용접물의 전기 저항율 r 로부터 산출할 수 있으며, 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S 에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, (6) 식은 전극간 전압 V 로부터 발열량을 계산하고 있지만, 전극간 전류 I 로부터 발열량 q 를 계산할 수도 있고, 이 때에도 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S 를 사용할 필요가 없다. 그리고, 단위 체적· 단위시간당의 발열량 q 를 통전 기간에 걸쳐서 누적하면, 용접에 더해지는 단위 체적당의 누적 발열량 Q 가 얻어진다. (6) 식으로부터 분명한 바와 같이, 이 단위 체적당의 누적 발열량 Q 도 또한 전극과 피용접재가 접촉하는 면적 S 를 이용하지 않고 산출할 수 있다.

이상, 일본 공개특허공보 평11-33743호에 기재된 방법에 의해, 누적 발열량 Q 를 산출하는 경우에 대해서 설명했지만, 그 밖의 산출식을 사용해도 되는 것은 말할 필요도 없다.

(B) 테스트 용접 공정

상기의 본 용접의 본 통전을 적응 제어 용접에 의해 실시하는 경우에는, 본 용접에 앞서, 테스트 용접을 실시한다. 그리고, 그 테스트 용접의 본 통전에 있어서, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 기억시킨다.

즉, 테스트 용접에서는, 본 용접에서 사용하는 피용접재와 동일한 강종, 두께의 예비 용접 시험을, 기용접점에 대한 분류나 판간격이 없는 상태에서, 정전류 제어로 여러 가지 조건으로 실시하고, 테스트 용접에 있어서의 최적 조건을 찾아낸다.

그리고, 상기의 조건으로 통전을 실시하고, 이 통전 시의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을, 본 용접에 있어서의 목표값으로서 기억시킨다. 또한, 전극간의 전기 특성이란, 전극간 저항 또는 전극간 전압을 의미한다.

또, 상기 서술한 바와 같이, 테스트 용접에 있어서의 본 통전을 2 단 이상의 통전 스텝으로 분할하고, 본 용접에 있어서, 통전 스텝마다의 적응 제어 용접을 실시해도 된다.

또한, 상기한 판두께비가 큰 3 매 겹침 이상의 판조합에 대해 용접을 실시하는 경우에는, 테스트 용접에 있어서도, 제 1 통전 스텝의 전류값 ＜ 제 2 통전 스텝의 전류값으로 하는 것이 적합하다.

(C) 기타

너깃을 형성하기 위한 본 통전 (본 용접 및/또는 테스트 용접의 본 통전) 의 전에, 접촉 지름을 안정화시키기 위한 예비 통전을 실시해도 되고, 후 열처리를 위한 후 통전을 실시해도 된다. 이들 예비 통전 및 후 통전은, 정전류 제어에 의해 실시해도 되고, 업 슬로프상이나 다운 슬로프상의 통전 패턴으로 해도 된다.

또, 예비 통전과 본 통전의 사이, 및, 본 통전과 후 통전의 사이에 각각 통전 휴지 시간을 마련해도 된다.

또, 사용하는 피용접재는 특별히 제한은 없으며, 연강으로부터 초고장력 강판까지의 각종 강도를 갖는 강판 및 도금 강판, 알루미늄 합금 등의 경금속판의 용접에도 적용할 수 있고, 3 매 이상의 강판을 겹친 판조합에도 적용할 수 있다.

그리고, 상기한 저항 스폿 용접 방법을 이용하여 중첩한 복수 장의 금속판을 접합함으로써, 외란 상태의 변동에 유효하게 대응하여 원하는 너깃 지름을 안정적으로 확보하면서, 각종 용접 부재, 특히, 자동차 부품 등의 용접 부재를 제조할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명하는데, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해서 채용한 일 조건례이며, 본 발명은 이 일 조건례에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 여러 가지 조건을 채용할 수 있는 것이다.

표 1 에 나타내는 금속판의 판조합에 대해, 도 4 ∼ 6 의 상태에서 각각, 표 3 및 4 에 나타내는 조건에 의한 본 용접 (본 통전) 을 실시하고, 용접 이음매를 제조하였다.

또한, 도 5 는, 금속판간에 스페이서 (15) 를 삽입하고, 상하로부터 클램프함으로써 (도시하지 않음), 여러 가지 두께의 판간격을 형성한 것이다. 또한, 스페이서간 거리는 모두 60 ㎜ 로 하였다.

또, 도 6 은, 기용접점 (16) 을 2 점 형성한 것이며, 용접 위치 (전극간 중심) 가 기용접점끼리의 중간 (기용접점과의 거리 (L) 가 각각 동일) 이 되도록 조정하였다. 또한, 기용접점의 너깃 지름은, 4√t′(㎜) (t′: 판조합 중 가장 얇은 금속판의 판두께 (㎜)) 로 하였다.

또한, No. 1 - 5 에서는, (외측에 Zn 도금 강판을 갖는 판조합에 대해 연속 타점 용접을 실시했을 때에 생긴다) 전극과 Zn 의 합금화 상태를 모의하기 위해, 별도 준비한 외측에 Zn 도금 강판을 갖는 판조합에 대하여 1000 점에서 저항 스폿 용접을 실시하였다. 이어서, 당해 1000 점에서의 저항 스폿 용접에 사용한 전극을 사용하여, 본 용접을 실시하였다.

또, 일부의 실시예에 대해서는, 본 용접 전에, 도 4 에 나타내는 외란이 없는 상태에서, 표 2 에 나타내는 조건에 의한 테스트 용접을 실시하고, 테스트 용접의 본 통전에 있어서의, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 기억시켰다. 또, 당해 테스트 용접의 본 통전에 있어서의 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값을 측정하고, 이 측정값을 R₀ 으로 하였다.

또, 정전류 제어에 의한 통전을 실시한 것에 대해서는, 별도로, 본 통전에서 사용하는 것과 동일한 판두께, 재질의 금속판으로 구성되는 외란이 없는 피용접재를 준비하고, 본 용접과 동일한 조건으로, 당해 피용접재를 용접하는 예비 용접 시험을 실시해서, R₀ 을 구하였다.

상기와 같이 하여 구한 R₀ 을 표 3 에 병기한다.

또, 제조한 각 용접 이음매에 대해, 용접부를 절단하고, 단면 (斷面) 을 에칭 후, 광학 현미경에 의해 관찰하고, 너깃 지름 및 중간날림 발생의 유무로부터, 이하의 3 단계로 평가하였다. 또한, 3 매 겹침의 판조합의 경우에는, 가장 얇은 외측의 금속판 (11) 과, 이것에 인접하는 금속판 (12) 의 사이에 형성된 너깃의 지름 (너깃경) 에 의해, 평가를 실시하였다. 평가 결과를 표 4 에 병기한다.

A : 외란에 상관없이, 너깃 지름이 4.5√t′(㎜) 이상 (t′: 판조합 중 가장 얇은 금속판의 판두께 (㎜)), 또한 중간날림의 발생 없음

B : 외란에 상관없이, 너깃 지름이 4√t′(㎜) 이상, 또한 중간날림의 발생 없음 (단, A 의 경우를 제외한다)

F : 외란에 따라서는, 너깃 지름이 4√t′(㎜) 미만, 및/또는, 중간날림의 발생 있음

발명예에서는 모두, 외란에 상관없이, 중간날림의 발생없이, 충분한 크기의 너깃 지름이 얻어졌다.

한편, 비교예에서는, 외란에 따라서는, 충분한 너깃 지름이 얻어지지 않거나, 중간날림이 발생하거나 하였다.

11, 12, 13 : 금속판
14 : 전극
15 : 스페이서
16 : 기용접점

Claims

복수 장의 금속판을 중첩한 피용접재를, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 끼우고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서,
본 통전이 2 단 이상의 가압력 스텝을 갖고, 또한, 그 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝의 가압력 : F₁ 및 제 2 가압력 스텝의 가압력 : F₂ 가, F₁ ＞ F₂ 의 관계를 만족하고,
또, 상기 본 통전에 있어서의 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 가압력 전환 시점 T_f 를, 다음 식 (1) ∼ (3) 을 만족하도록 설정하는, 저항 스폿 용접 방법.
· T_A ≤ 0.8 × T₀ 의 경우
T_A ≤ T_f ＜ T₀ … (1)
· 0.8 × T₀ ＜ T_A ≤ T₀, 또는, 0.9 × R₀ ≤ R_A≤ R₀ 의 경우
0.9 × T₀ ＜ T_f ＜ 1.1 × T₀ … (2)
· R_A ＜ 0.9 × R₀ 의 경우
T₀ ＜ T_f ≤ T₀ + 2 × (R₀ ― R_A) / R₀ × T_m … (3)
여기서,
T₀ : 제 1 가압력 스텝으로부터 제 2 가압력 스텝으로의 기준 가압력 전환 시점
T_m: 본 통전의 합계 통전 시간
R_A: 본 통전의 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값
R₀ : 피용접재에 외란이 없는 경우에 본 통전과 동일한 조건으로 통전을 실시했을 때에 얻어지는, 통전 개시부터 기준 가압력 전환 시점 T₀ 까지의 전극간 저항의 시간 적분값
T_A : 본 통전에 있어서의 전극간 저항의 시간 적분값이, R₀ 에 도달하는 시간
이다.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 가압력 전환 시점 T₀ 이 다음 식을 만족하는, 저항 스폿 용접 방법.
0.1 × T_m ≤ T₀ ≤ 0.8 × T_m
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 본 통전을 실시하는 본 용접 공정과, 그 본 용접 공정에 앞서는 테스트 용접 공정을 갖추고,
상기 테스트 용접 공정의 본 통전에서는, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 기억시키고,
또한, 상기 본 용접 공정의 본 통전에서는, 상기 테스트 용접의 본 통전에 있어서의 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로 설정하고, 그 목표값에 따라서 통전량을 제어하는, 저항 스폿 용접 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 중첩한 복수 장의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법.
제 3 항에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 중첩한 복수 장의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법.