KR20010110152A

KR20010110152A - 고탄소강재, 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법

Info

Publication number: KR20010110152A
Application number: KR1020010030356A
Authority: KR
Inventors: 쿠사나기류이치; 이마이카네유키
Original assignee: 우스이유따로; 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2001-12-12
Also published as: GB2364509A; KR100443803B1; GB0113384D0; JP2001340972A; US6642471B2; US20020017554A1; DE10126069A1; GB2364509B

Abstract

본 발명은 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 음파 용접을 가능하게 하는 개선된 프로젝션 용접 방법을 제공한다.

프로젝션 용접에 의하여 용접되는 2개의 부재 사이에는 스페이서가 배치된다. 상기 부재들 중 적어도 하나는 고탄소강재 또는 고장력 저합금강재으로 제조된다. 스페이서는 박판, 또는 상기 부재 중 적어도 하나에 형성된 피막이다.

Description

고탄소강재, 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법{METHOD FOR THE PROJECTION WELDING OF HIGH-CARBON STEELS AND HIGH-TENSION LOW-ALLOY STEELS}

발명의 분야

본 발명은 고탄소강재 및 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 관한 것이다.

관련 기술의 설명

프로젝션 용접은 스폿 용접 또는 시임 용접과 같은 겹치기 저항 용접 방법이다. 2개의 피접합 부재 일방 또는 쌍방 모두에 형성된 돌기에 높은 전류 및 높은 압력이 집중되며, 이에 따라, 잘 알려져 있는 바와 같이, 이들 부재의 접촉 및 비저항에 의하여 발생된 열이 재료를 용해시켜 이들 부재를 함께 접합시킨다. 이들 부재상의 모서리, 연부, 단부, 융기부 등은 때때로 그러한 돌기가 형성되지 않고 사용된다.

프로젝션 용접을 위해서는 가동 전극이 관성 및 마찰이 적어서 돌기들의 하강을 정밀하게 따를 수 있어야 하고, 전체 전극으로 균일한 압력을 가할 수 있어서 균일한 다중 스폿 용접이 가능하여야 한다. 프로젝션 용접은 견고한 용접기와 압력을 가하기 위하여 정확하고 신속하게 응답하는 기구를 필요로 한다. 그러므로, 오로지 프로젝션 용접용으로 설계된 용접기가 있다.

바람직하지 않게도, 프로젝션 용접은 더 높은 성능의 보다 양호한 용접기와 상당히 높은 치수 정밀도의 돌기의 마련을 필요로 하지만, 그럼에도 후술하는 바와 같은 많은 장점을 가지고 있다.

(1) 두께가 다른, 따라서 열용량이 다른 부재들을 접합하는 경우에도 유용한데, 그 이유는 두께가 더 두꺼운 부분에 형성된 돌기가 열평형을 얻기 쉽게 만들기 때문이다.

(2) 다른 종류의 금속을 접합하는 데에도 유용한데, 그 이유는 열전도도가 더 높은 금속에 형성된 돌기가 열평형을 얻기 쉽게 만들기 때문이다.

(3) 표면적이 큰 전극이 기계적 강도 및 열전도를 위하여 유리하고 단지 천천히 소모된다.

(4) 용접되는 모든 스폿에 전류와 압력을 균일하게 가하면 매우 신뢰성이 높은 실질적으로 균일하게 용접된 스폿을 제공한다.

(5) 복수 개의 스폿의 동시적인 용접은 매우 신속하고 효율적인 작업을 보장한다.

(6) 특별한 전극 또는 지그를 사용하면 형상이 복잡한 부재의 정밀한 용접이 가능하다.

(7) 강, 청동, 스테인레스강, 니켈 또는 알루미늄 합금 및 강과 황동 또는 청동의 조합을 비롯한 광범위한 재료를 접합하는 데에 유용하다.

그러나, 전술한 여러 가지 장점에도 불구하고, 높은 경화능의 고탄소 구조용강으로 이루어진 2개의 부재의 접합 또는 하나는 고탄소강재이고 다른 것은 고장력 저합금강재인 부재의 접합에 적용 가능하였던 프로젝션 용접은 없었다. 비록, 다른 종류의 금속 및 전술한 광범위한 종류의 금속을 접합하는 데에는 프로젝션 용접이 유용하지만, 낮은 탄소함량을 갖고 균열과 같은 어떤 용접 결함도 나타내지 않는 재료에만 적용가능하며, 높은 경화능의 고탄소 구조용강이나 S45C, SCM, SCNM또는 HT780과 같은 고장력 저합금강재에는 그러한 고탄소강재, 또는 고장력 저합금강재에는 거의 적용할 수 없다. 그러한 고탄소강이나 고장력 저합금강 어느 것에 대해서도 어떤 용접 결함없는 음파 용접 접합부를 얻을 수 없는데, 그 이유는 탄소가 저항 용접이 특징으로 하는 신속한 가열 및 냉각에 기인한 경도의 증가 또는 균열을 조장하기 때문이다. 그러므로, S45C 또는 이와 유사한 고탄소강재 및 고장력 저합금강재를 접합하는 데에 성공적으로 사용되는 프로젝션 용접 방법은 없었다.

이러한 상황하에서, 본 발명의 목적은 기존의 프로젝션 용접기로 고탄소강재 및 고장력 저합금강재의 음파 용접을 가능하게 하는 개량된 프로젝션 용접 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명을 구체화하는 프로젝션 용접 방법을 설명하는 다이어그램.

도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 방법을 설명하는 다이어그램.

도 3은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 방법을 설명하는 다이어그램.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 2 : 강판

2-1, 7-1, 9-1 : 돌기

3-1, 3-2, 3-3 : 스페이서

4 : 가동 전극

5 : 고정 전극

6 : 전원

7, 9 : 원통체

8 : 강관

이러한 목적은 본질적으로, 적어도 하나는 고탄소강재 또는 고장력 저합금강재이고 사이에 스페이서가 배치되는 2개의 부재의 프로젝션 용접 방법에 의하여 달성된다. 고탄소강재는 가령 S45C, SCM, SCNM 또는 HT780과 같은 고경화능의 어떤 구조용강일 수 있으며, 스페이서는 40 미크론 내지 0.4 mm 두께의 박판 또는 10 내지 100 미크론의 피막 형태일 수 있다. 스페이서가 피막인 경우, 그것은 피용접 부재 중 적어도 하나에 형성될 수 있으며, 박판과 피막이 조합하여 상기 부재 중 하나에 번갈아 형성될 수 있다. 스페이서는 탄소 함량이 0.5 % 이하인 저탄소강 또는 초저탄소강이거나, 순수 니켈 또는 구리일 수 있으며, 피막은 철, 니켈 또는 구리일 수 있다. 용접은 비산화 또는 환원 가스 분위기, 또는 진공 중에서 수행될수 있다.

스페이서는 피용접 부재중의 탄소를 희석시키고자 한 것으로서, 이러한 희석에 의하여 어떤 균열이나 탄소에 의하여 야기되는 경도 증가를 회피한다. 돌기들은 전류에 의하여 점차 붕괴되어 너깃(nuggets)을 형성하며, 스페이서 또한 너깃 속으로 용융되어 들어가고, 그것의 재료들이 너깃에 있는 탄소를 희석시키는 것이다. 박판 또는 피막인 스페이서는 각 접합부의 중심에 얇고 유연한 층을 형성한다.

스페이서는 박판 형태인 경우 50 미크론 내지 0.4 mm인 것이 바람직하다. 두께가 50 미크론 미만인 박판은 너무 비싸서 시장에서 쉽게 구입할 수 없거나 또는 취급하기가 쉽지 않다. 두께가 0.4 mm를 초과하는 박판은 압력이 동일한 조건하에서 인가된다면 실질적으로 그것 자체의 두께와 관계없이 실질적으로 동일한 두께를 가지며, 두께가 너무 두꺼우면 과잉의 금속이 접합부로부터 빠져 나와 접합부에 조악한 형상을 부여한다. 피막 형태의 스페이서는 두께가 10 내지 100 미크론인 것이 바람직하다. 10 미크론 미만의 두께를 갖는 피막은 예컨대 너무 높은 압력이나 전류가 인가되면 박리되기 때문에 쓸모없을 수도 있다. 두께가 100 미크론을 초과하는 피막은 품질이 떨어질 수 있고, 또한 고품질의 접속부를 형성할 수 없을 수도 있다.

스페이서는, 바람직하기로는 탄소 함량이 0.05% 이하인 저탄소강 또는 초저탄소강, 또는 순수 니켈이나 순수구리이어서, 어떤 경질 취성의 금속간 화합물을 형성하지 않고, 접합부 중심에 심지어 접합부가 조악한 형상으로 노치를 형성하는경우에도 노치 피로 또는 정적 강도의 어떤 감소를 방지하도록 완충부로서 작용하게 되는 연질 전성층을 형성할 수 있다.

본 발명의 방법은 비산화 또는 환원 가스 분위기 또는 진공 중에서 수행되어 고품질 접속부의 형성을 보장하는데, 그 이유는 고온에서 공기에 접합부를 노출시키면 그것의 내외측 표면의 산화, 또는 공기로부터 산소를 흡수함에 의한 품질의 저하를 초래하기가 쉽기 때문이다. 용접되는 접합부에 전류를 인가하여, 저항 가열에 의하여 그 접합부의 경도를 더 낮추고 연신율 및 인성을 더욱 개선시키는 것도 또한 효과적일 수 있다.

본 발명의 다른 특장점은 후술하는 설명 및 첨부 도면으로부터 명확해질 것이다.

바람직한 실시예의 설명

이제 본 발명의 몇 가지 바람직한 실시예를 보여주는 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명을 더 상세히 설명하겠다. 우선, 제1도를 참고로 하면, 본 발명을 구체화하는 방법은 두꺼운 강판(1)과 얇은 강판(2)을 함께 용접하기 위한 것이다. 이들 강판(1, 2) 모두 고탄소강재 또는 고장력 저합금강재이다. 얇은 강판(2)은 복수 개의 돌기(2-1)를 가지고 있으며, 이들 돌기는 각기 스페이서(3-1)에 의하여 두꺼운 강판(1)으로부터 분리된다. 스페이서(3-1)는 50 미크론 내지 0.4 mm 두께의 박판이거나 10 내지 100 미크론 두께의 피막일 수 있다. 피막 형태의 스페이서(3-1)는 돌기(2-1) 또는 두꺼운 강판(1)상에 형성된 단층이거나 양측에 형성된 2층의 조합일 수 있다. 스페이서(3-1)는 또한 박판과 피막의 조합으로 형성될 수 있는데, 이 경우 피막은 단층이거나 또는 전술한 바와 같은 2층의 조합일 수 있다. 스페이서(3-1)는 탄소 함량이 0.05% 이하인 저탄소강이나 초저탄소강, 또는 순수 니켈 또는 순수구리이다.

도 1에 도시된 바와 같은 방법에 있어서, 상기 강판(1, 2)이 함께 용접되는 경우, 얇은 강판측에 마련된 돌기(2-1)와 두꺼운 강판(1)과의 사이에 스페이서(3-1)가 배치되고, 이들 강판(1, 2)은 가동 전극(4)과 고정 전극(5)과의 사이에 함께 유지되며, 가동 전극(4)이 하강하여 얇은 강판(2)에 압력을 가하는 동안, 전원(6)으로부터 전류가 공급되어 돌기(2-1)에 집중된다. 돌기(2-1)와 스페이서(3-1)는 상기 두꺼운 강판(1)과 돌기(2-1)와의 접촉 저항 및 비저항에 의하여 발생된 열에 의하여 함께 용융되어, 용융된 스페이서 재료에 의하여 탄소의 함량이 저하된 너깃을 형성함으로써, 그렇지 않았을 경우에는 설혹 박판(1, 2)이 S45C, SCM 또는 SCNM, HT와 같은 높은 경화능의 구조용강 또는 SHY와 같은 고장력 저합금강재이라고 하더라도 경도의 증가에 의하여 초래될 균열이나 다른 결함을 전혀 갖지 않는 음파 용접 접합부를 형성한다.

이제 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 방법은 두꺼운 강판(1)과 원통체(7)를 함께 용접하는 데에 사용된다. 강판(1)과 원통체(7)는 각기 이미 전술한 바와 같은 재료 중 어느 것일 수 있다. 원통체(7)는 돌기(7-1)를 형성하도록 성형된 하단부를 구비하며, 스페이서(3-2)는 돌기(7-1)와 강판(1) 사이에 배치된다. 스페이서는 이미 전술한 것과 같은 재료 및 조성이어도 된다. 도 1에 도시된 것과 동일한 방법으로, 강판(1)과 원통체(7)는 가동 전극(4)과 도시되지 않은 고정 전극(5) 사이에 유지되며, 가동 전극(4)이 하강되어 원통체(7)에 압력을 가하는 동안, 전류가 도시되지 않은 전원으로부터 공급되어 강판(1)과 원통체(7)를 함께 용접한다. 돌기(7-1)와 스페이서(3-2)는 두꺼운 강판(1)과 돌기(7-1) 사이의 접촉 저항 및 비저항에 의하여 발생된 열에 의하여 함께 용융되어 용융된 스페이서 재료에 의하여 탄소 함량이 낮아진 너깃을 형성함으로써, 균열이나 다른 결함이 없는 음파 용접 접합부를 형성한다.

도 3을 참고로 하면, 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 방법은 강관(8)과 원통체(9)를 함께 용접하는 데에 사용된다. 이것들은 모두 이미 전술한 바와 같은 재료 중 어느 것일 수 있다. 강관(8)은 개구부를 가지고 있고, 원통체(9)는 이 개구부를 포위하는 스페이서(3-3)에 의하여 강관(8)으로부터 일정 간격을 두고 있는 돌기(9-1)를 형성하도록 성형되어 있는 하단부를 구비한다. 강관(8)과 원통체(9)는 가동 전극(4)과 도시되지 않은 고정 전극(5) 사이에서 함께 유지되며, 가동 전극(4)이 하강되어 원통체(9)에 압력을 가하는 동안 전류가 도시되지 않은 전원으로부터 공급되어 강관(8)과 원통체(9)를 함께 용접한다. 돌기(9-1)와 스페이서(3-3)는 강관(8)과 돌기(9-1)의 접촉 저항 및 비저항에 의하여 발생된 열에 의하여 함께 용융되고, 용융된 스페이서 재료에 의하여 탄소 함량이 낮아진 너깃을 형성함으로써, 균열이나 다른 결함이 없는 음파 용접 접속부를 형성한다.

본 발명의 방법은, 프로젝션 용접에 의하여 높은 경화능의 구조용강과 고장력 저합금강재 부재들 사이에 아무런 결함이 없는 음파 용접 접속부를 형성할 수있게 하는데, 이는 전술한 바와 같이 이제까지는 불가능했었다. 그러므로, 본 발명의 방법은 높은 경화능의 구조용강 또는 고장력 저합금강재으로 제조되고 자동차용 고압 연료 분사관, 팬용 크로스 샤프트 및 푸시로드와 같은 고품질 및 신뢰성을 필요로 하는 여러 가지 제품을 제조하는 데에 매우 유용하다.

예 1

두께 6 mm의 높은 경화능을 갖는 S45C 구조용강 박판과, 외경 12 mm, 내경 3.3 mm, 돌출 단부 직경 6 mm의 동일한 재료의 원통체의 프로젝션 용접에 대한 몇 가지 실험을 행하였다. 본 발명에 따르면, 매 경우마다 스페이서가 채용되었다. 그것은 외경 6 내지 8 mm, 내경 3 mm 및 두께 0.3 mm의 얇은 SPCC, 순수 니켈 또는 구리재 환형 박판이었다. 실험은 표 1에 기재된 용접 조건을 사용하여 행하였으며, 결과는 표 2에 기재되어 있다. 이들 표는 또한 스페이서가 전혀 채용되지 않은 종래 기술에 따른 경우를 포함하고 있다. 표 2로부터 명백하듯이, 본 발명이 채용되는 모든 경우에 균열이나 다른 결함이 없는 음파 용접 접합부를 얻을 수 있는 반면, 스페이서가 채용되지 않는 경우 균열이 발생하였다.

항 목	압력 (kgf)	전류 (A)	전류 인가 기간 (싸이클)
본 발명	1	280	9300	40
	2	280	9200	40
	3	280	9100	40
종래 기술	280	9500	40

항 목	부재의재료	스페이서	용접 결과
항 목	부재의재료	재 료	용접 결과	두 께
본 발명	1	S45C	SPCC 박판	0.3 mm	결함 없음
	2	S45C	순수 니켈 박판	0.3 mm	결함 없음
	3	S45C	순수 구리 박판	0.3 mm	결함 없음
종래 기술	S45C	없음	균열

예 2

두께 6 mm의 높은 경화능을 갖는 SCM 구조용 강판과, 외경 12 mm, 내경 3.3 mm, 돌출 단부 직경 12 mm의 동일재료로 구성된 원통체의 프로젝션 용접에 대한 몇 가지 실험을 행하였다. 본 발명에 따르면, 매 경우마다 두께 20 내지 35 미크론의 철, 니켈 또는 구리 피막을 스페이서로서 형성하였다. 표 3에 기재된 용접 조건을 채용하여 실험을 행하였으며, 그 결과는 표 4에 기재되어 있다. 이들 표에는 또한 아무런 스페이서도 채용되지 않은 종래 기술에 따른 경우가 포함되어 있다. 표 4로부터 명백하듯이, 본 발명이 채용되는 경우마다 균열이나 다른 결함이 전혀 없는 음향 용접 접합부를 얻을 수 있는 반면 스페이서가 채용되지 않는 경우에는 균열이 발생하였다.

항 목	압력 (kgf)	전류 (A)	전류 적용 기간 (싸이클)
본 발명	1	280	9500	40
	2	280	9700	40
	3	280	9600	40
종래 기술	280	9600	40

항 목	부재의 재료	스페이서	용접 결과
항 목	부재의 재료	재료	용접 결과	두께
본 발명	1	SCM	철 피막	0.3 mm	결함 없음
	2	SCM	니켈 피막	0.3 mm	결함 없음
	3	SCM	구리 피막	0.3 mm	결함 없음
종래 기술	SCM	없음	균열

본 발명에 따르면, 종래 기술에서는 프로젝션 용접 기술을 적용할 수 없었던 고탄소강재 및 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접이 가능해지고, 또한 이러한 프로젝션 용접을 기존의 용접기를 사용하여 행할 수 있다.

Claims

2개의 부재를 프로젝션 용접하는 방법으로서,

2개의 부재 중 적어도 하나가 고탄소강재 또는 고장력 저합금강재으로 이루어지고, 이들 2개의 부재 사이에 스페이서가 배치되는 것인 프로젝션 용접 방법.
제1항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 고탄소강재는 S45C, SCM, SCNM 또는 HT780과 같은 높은 경화능의 구조용강인 프로젝션 용접 방법.
제1항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 스페이서는 박판 또는 피막 형태인 프로젝션 용접 방법.
제3항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 스페이서는 박판인 경우에는 두께가 50 미크론 내지 0.4 mm이고 피막인 경우에는 두께가 10 내지 100 미크론인 프로젝션 용접 방법.
제1항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 스페이서는 상기 부재 중 적어도 하나에 형성된 피막에 의하여 형성되는 것인 프로젝션 용접 방법.
제1항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 스페이서는 상기 부재 중 하나에 형성된 피막과 박판의 조합으로 형성되는 것인 프로젝션 용접 방법.
제1항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 스페이서로서의 박판은 탄소 함량이 최대 0.05%인 저탄소 또는 초저탄소강, 순수 니켈 또는 순수 구리로부터 선택된 재료인 프로젝션 용접 방법.
제1항에 따른 고탄소강재와 고장력 저합금강재의 프로젝션 용접 방법에 있어서, 상기 피막은 철, 니켈 및 구리로부터 선택된 재료인 프로젝션 용접 방법.