KR20060093702A - 강/알루미늄의 접합구조체 - Google Patents

강/알루미늄의 접합구조체 Download PDF

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Abstract

용융 알루미늄 도금 강판(1)에 알루미늄 또는 알루미늄판(2)을 스폿용접으로 적층한 접합구조체이다. 도금층(4)이 Si: 3~12 질량%, Fe: 0.5~5 질량%를 함유하고, 접합부에 차지하는 Al-Fe 2원 합금층(7)의 면적비율이 90% 이하로 억제되어 있고, 하지 강(5)/도금층(4)의 계면에 발생해 있는 Al-Fe-Si 3원 합금층(6)과 접합부의 Al-Fe 2원 합금층(7)과의 사이에 합금층 소실 영역(9)이 존재하고 있다. N: 0.002~0.020 질량%를 함유하는 강재(5)를 하지 강으로 하고, 용융 알루미늄 도금층(4)에 접하는 표면에 N: 3.0 원자% 이상의 N농축층이 형성되어 있는 도금 강판(1)을 사용하면, 취약한 Al-Fe 2원 합금층(7)이 접합부으로 퍼지지 않아, 강/알루미늄의 접합구조체의 접합강도가 향상된다.
Figure 112006022089203-PCT00003
용융 알루미늄 도금 강판, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스폿용접, 접합구조체, Si, Fe, Al-Fe, Al-Fe-Si, 강/알루미늄의 접합구조체.

Description

강/알루미늄의 접합구조체{STEEL/ALUMINUM JOINED STRUCTURE}
본 발명은 알루미늄 재료의 우수한 경량성, 내식성과 강재의 우수한 기계강도를 겸비한 강/알루미늄의 접합구조체에 관한 것이다.
알루미늄, 알루미늄 합금 등의 알루미늄 재료는 경량이고 내식성이 우수한 것을 활용하여 여러 분야에서 사용되고 있고, 강도가 요구되는 용도에서는 후육화(厚肉化)에 의해 요구강도를 만족시키고 있다. 그러나, 후육화는 알루미늄 재료의 장점인 경량성을 손상시키지 않는, 콤팩트한 설계에 대응하는 구조부재로서도 적당하지 않다.
기계강도가 양호한 강재를 알루미늄 재료와 적층할 때, 후육화 하지 않아도 필요강도가 얻어진다. 알루미늄 재료와 강재와의 적층에는 볼트 너트, 리벳, 끼워맞춤 등의 기계적 결합법이 채용되고 있다. 그러나, 기계적 결합법에서는 우수한 이음이 얻어지기 어렵고, 생산성도 낮다. 알루미늄 재료/강재의 용접 접합이 가능하게 되면, 기계적 결합법에 비해 생산성이 매우 높고, 양호한 특성을 갖는 강/알루미늄의 접합구조체가 얻어진다. 그런데, 일반적인 용융접합법으로 강재를 알루미늄 재료와 접합하면, 대단히 취약한 금속간 화합물이 접합부에 다량 생성되어 접합강도가 현저하게 저하된다.
금속간 화합물은 강재, 알루미늄 재료의 원자가 계면에서 상호 확산반응 함으로써 생성된다. 일본 특개2003-33885A호 공보에서는, 확산반응을 율속하는 반응온도, 시간 등을 마찰용접시에 적정 관리함으로써 금속간 화합물의 생성을 억제하고 있다. 그러나, 마찰용접에 의한 접합이므로 이음 설계에 연구를 요하고, 접합공정을 간략화하는 점에서는 개선의 여지가 있다. 스폿용접의 적용도 검토되었고, 일본 특개평6-39588A호 공보에서는 용융 알루미늄 도금 강판을 알루미늄 재료에 저항용접 하는 방법을 소개하고 있다.
용융 알루미늄 도금 강판은 표층에 용융 알루미늄 도금층이 있으므로 접합시에 알루미늄 재료와 동일한 거동을 나타내는 것으로 여겨지고 있다. 그러나, 접합부은 스폿용접시에 Al의 융점(660℃)을 초과하는 고온으로 가열된다.
고온가열로 생성한 용융 Al에 하지(下地) 강/도금층 계면의 Al-Fe-Si 3원 합금층으로부터 Fe, Si 등이 확산하면, 용접시의 냉각과정에서 Fe가 재석출되고, 확산계수가 큰 Si가 용융 Al에 분산된다. 그 결과, 냉각후의 접합 계면을 관찰하면 접합부 전역에 취약한 Al-Fe 2원 합금층이 생성한 너깃(nugget)이 검출되고, 접합강도가 현저하게 낮은 이음이 된다.
접합강도에 미치는 Al-Fe 2원 합금층의 악영향을 억제하기 위해서, 일본 특개2003-145278A호 공보에서는 접합부에 차지하는 금속간 화합물의 비율을 규제하고 있다. 금속간 화합물의 생성을 억제하기 위해서 용융 알루미늄 도금 강판을 정극측, 알루미늄 재료를 부극측으로 하여 스폿용접시의 발열을 용융 알루미늄 도금 강판에 치우치게 하는 방법을 채용하고 있는데, 여전히 금속간 화합물의 다량 생성을 피할 수 없다.
본 발명은 스폿용접시의 고온가열에서 용융한 Al에 확산하고 재석출하는 Fe, Si의 거동을 조사·검토한 결과로서 완성된 것으로, 용융 알루미늄 도금층의 Fe, Si 농도를 적정 관리함으로써 Al-Fe 2원 합금층의 악영향을 억제하여, 접합강도가 높은 강/알루미늄의 접합구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 강/알루미늄의 접합구조체는 Si: 3~12 질량%, Fe: 0.5~5 질량%, 잔부가 실질적으로 Al인 조성을 갖는 용융 알루미늄 도금층이 설치된 도금 강판에 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 스폿용접으로 적층하고 있다. 접합부에 차지하는 Al-Fe 2원 합금층의 면적비율이 90% 이하로 억제되고, 하지 강과 용융 알루미늄 도금층의 계면에 발생해 있는 Al-Fe-Si 3원 합금층과 접합부의 Al-Fe 2원 합금층 사이에 합금층 소실 영역이 존재하고 있다.
도 1A는 스폿용접한 일반 강판과 알루미늄 합금판의 접합 계면을 도시하는 모식도,
도 1B는 용융 알루미늄 도금 강판과 알루미늄 합금판의 접합 계면을 도시하는 모식도,
도 2는 하지 강과 도금층의 계면에 N농축층이 있는 용융 알루미늄 도금 강판을 알루미늄 합금판에 스폿용접 했을 때에 형성되는 너깃의 단면을 용접사이클마다 모사한 도면,
도 3은 용접사이클에 따른 너깃 직경, 합금층 소실 영역의 폭, Al-Fe 2원 합금층의 폭의 변화를 도시하는 그래프이다.
이어서, 도면을 참조하면서 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이, 용융 알루미늄 도금 강판(1)과 알루미늄판(2)의 스폿용접시에는, 알루미늄판(2)이 용융 알루미늄 도금 강판(1)에 놓여져 전극(3)사이에서 클램프되고, 예를 들면 3kN 정도의 가압조건 하에, 용접전류: 15~25 kA, 통전: 3~40 사이클/60Hz로 상기 강판(1)과 판(2)을 통전한다. 통전에 의한 발열로 접합부의 알루미늄판(2)과 용융 알루미늄 도금층(4)이 주울 열(Joule heat)에 의하여 용융되고, 상호 확산반응에 의해 융합된다.
하지 강(5)과 Al 도금층(4) 사이의 계면에 생성되어 있는 Al-Fe-Si 3원 합금층(6)으로부터 용융 Al에 Fe 및 Si가 용입되고, Fe 및 Si 용입은 접합부에서 Al-Fe-Si 3원 합금층(6)의 소실을 초래한다. 하지 강(5)으로부터 용융 Al에 용입되는 Fe도 있다. 용융 Al에 용입된 Fe는 용접시의 냉각과정에서 재석출되어, 취약한 Al-Fe 2원 합금층(7)이 접합부에 생성된다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 계면 전역에 Al-Fe 2원 합금층(7)이 생성되면, 너깃(8)의 접합강도가 극단적으로 저하된다. 다른 한편으로, Al-Fe 2원 합금층(7)이 너깃(8)의 계면 전역까지 성장해 있지 않아, 도금층(4)이 Al-Fe 합금 소실 영역(9)을 통하여 하지 강(5)에 직접 밀착한 합금층 소실 영역(9)이 존재하면, 도 1B에 도시된 바와 같이 접합상태가 유지된다. Al-Fe 합금층 소실 영역(9)이 넓어질수록, 접합강도가 높게 된다.
본 발명자 등은, 도 1B에 도시된 바와 같이 접합부의 형성에 적합한 조건을 여러가지로 조사·검토한 결과, 강판에 형성된 도금층 화학 조성이 접합부의 Al-Fe 2원 합금층 생성에 큰 영향을 미치고 있는 것을 발견했다. 즉, Si: 3~12 질량%, Fe; 0.5~5 질량%를 함유하는 용융 알루미늄 도금층이 형성되어 있는 강판을 알루미늄 재료와 스폿용접으로 접합할 경우, 비합금층 영역(9)이 형성되어 접합강도가 향상된다.
알루미늄 도금층의 Si 및 Fe 농도가 Al-Fe 2원 합금층의 생성에 미치는 영향은 다음과 같이 추찰된다.
Al-Fe 2원 합금층이 스폿용접 동안에 고온가열에 의해 생성된 용융 Al에서의 Fe의 용입으로부터 생기고, 스폿용접의 냉각과정에서 용융 Al로부터 재석출 된다. Fe의 용입량은 강판과 도금층 사이의 F의 농도차에 따라 가변한다. Fe의 용입량은 Fe의 농도차의 증가에 따라(즉, 도금층의 Fe 농도가 낮을수록) 더 많아진다. 용출된 Fe는 확산계수가 비교적 작으므로 하지 강(5)의 근방에 존재하고, 스폿용접의 냉각과정에서 다량의 Al-Fe 2원 합금층(7)으로 재석출 된다. 그래서, 도금층(4)의 Fe 농도의 증가는 하지 강(5)으로부터 도금층(4)에 용입되는 Fe와 Al-Fe 2원 합금층(7)의 생성을 이롭게 억제할 수 있음을 Fe의 작용으로 예측한다.
실제로, Fe 농도가 0.5 질량% 이상으로 도금층(4)으로 도금된 강판(1)이 알루미늄판(2)에 스폿용접되면, 후술의 실시예에서도 알 수 있는 바와 같이, 접합 너깃(8)의 중심부에서 Al-Fe 2원 합금층이 생성되지만, 중심부에 비해 투입 열량이 상대적으로 적은 전극(3)의 주변부에서는 비합금층 영역(9)이 탐지된다. Fe 농도 의 증가는 비합금 영역(9)의 형성에 적합하나, Fe가 과도하면, 오히려 접합강도가 저하된다. 과도한 Fe는 내식성, 가공성 등, 용융 알루미늄 도금층 본래의 특성에도 악영향을 미치므로 바람직하지 않다. 따라서, 도금층(4)의 Fe 농도는 0.5-5 질량% 범위내에서 결정된다.
하지 강(5)으로부터 용융 Al에의 Fe 확산은 하지 강(5)과 도금층(4)과의 계면에 Fe 확산방지층을 형성함으로써도 억제된다. Fe 확산방지층으로서는, 브레이징용 알루미늄 도금 강판(일본 특개평9-228018A호 공보)으로서 본 출원인이 개발한 N농축층이 유효하다. N농축층에 의해 하지 강(5)으로부터 용융 Al에 용입되는 Fe가 적어지므로, 접합부에 생성되는 취약한 Al-Fe 2원 합금층(7)이 한층 감소되어, 접합강도가 높은 접합구조체가 얻어진다.
Fe에 비해 확산계수가 큰 Si가 스폿용접시의 고온가열로 Al-Fe-Si 3원 합금층(6)으로부터 용융 Al로 확산하면, 강(5)과 도금층(4) 사이의 계면으로부터 Al-Fe-Si 3원 합금층(6)이 소실된다. 도금층(4)의 Si 농도를 3~12 질량%로 높게 설정해 둠으로써, Al-Fe-Si 3원 합금층(6)으로부터 용융 Al로의 Si 확산이 지연되어 Al-Fe-Si 3원 합금층(6)의 소실이 억제되고, 접합 계면을 제외한 개소에서 하지 강(5)에 대한 도금층(4)의 밀착성이 확보된다. Si 농도의 증가에 따라 Al-Fe 2원 합금층(7)이 감소되는 경향도 보여, 결과적으로 접합강도가 향상된다.
도금 원판에는 저탄소강, 중탄소강, 저합금강, 스테인리스강 등이 있고, 용도에 따라 Si, Mn, Cr, Ni, Al 등을 첨가한 여러 강이 사용된다. 그중에서도, Al-Fe의 상호 확산작용을 억제하는 N농축층을 0.002~0.020 질량% 첨가한 강판이 바람 직하다. N첨가 강에 있어서, N농축층의 형성에 필요한 유효 N량을 확보하기 위해서 Al 함유량은 0.03 질량% 이하로 규제된다.
도금 원판을 용융 알루미늄 도금욕에 침지하고 끌어올리면, 도금 원판과 수반하여 도금욕으로부터 들어 올려진 용융도금 금속이 응고되어, 용융 알루미늄 도금층을 형성한다. 도금층은 욕으로부터 끌어올린 직후의 강판에 대해 와이핑 가스를 분사시킴으로써 소정의 두께로 조정된다. 도금층을 후막으로 할수록 Al-Fe 2원 합금층의 성장이 지연되지만, 양호한 가공성을 확보하는 점에서 도금층의 두께는 5~70㎛의 범위에서 제어되는 것이 바람직하다.
접합강도가 높은 강/알루미늄의 접합구조체를 얻기 위해서, 용융 알루미늄 도금층에 함유되는 Si 및 Fe의 함유량은 각각 Si: 3~12 질량%, Fe: 0.5~5 질량%로 규제한다. 여기에서 말하는 Si 및 Fe의 함유량은 하지 강(5)과 용융 알루미늄 도금층(4)과의 계면에 형성되는 합금층을 포함하지 않는 값이다. Ti, Zr, B, Cr 및 Mn 등의 원소는 용접성 이외의 특성 향상이 필요한 경우에 따라 부가적으로 함유될 수 있다.
N: 0.002~0.020 질량%를 함유하는 강판을 도금 원판으로 하여, 열처리를 하여 연속적으로 용융 도금한 후, 특정 조건하에서 가열처리 하면 용융도금시에 생성한 합금층과 하지 강의 계면에 N농축층이 생성된다. 농축층의 N함유량이 3.0 원자% 이상이 되면 Al과 Fe 사이의 상호 확산이 현저하게 억제되어, 본 발명의 강/알루미늄의 접합구조체로서 적합한 강판이 얻어진다. N농축층에 의한 Al과 Fe 사이의 상호 확산 억제작용은 용융도금 후의 가열처리 조건을 일정하게 하면 하지 강의 N 함유량이 많아질수록 향상된다. 그러나, 0.02 질량%를 초과하는 과잉량의 N을 함유하는 경우, 강판 자체의 제조성이 저하된다.
본 발명의 강/알루미늄 접합 구조체의 알루미늄 부분은 재질에 특별한 제약이 가해지는 것은 아니지만, 전신재인 한 대부분의 알루미늄 또는 알루미늄 합금판을 사용할 수 있다.
알루미늄 재료에 함유되는 Fe도, 동일하게 Al-Fe 2원 합금층의 생성·성장을 억제하는 작용을 보이는데, 도금층 중의 Fe에 비교하여 훨씬 영향이 작다. 따라서, 알루미늄 재료 자체의 내식성, 가공성 등을 고려하여 알루미늄 재료의 Fe 농도를 1.0 질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.
알루미늄 합금은 3.0 질량% 이하(특히 1 질량% 전후)의 Si 및 0.1~1.5 질량%의 Mg를 첨가하고, 시효처리 등의 열처리로 미세한 Mg2Si를 석출시키면 필요강도가 부여된다. Mg2Si 석출에 의한 강도 향상을 도모하는 점에서는, Si 함유량의 하한을 0.1 질량%로 설정하는 것이 바람직하다. 알루미늄 재료는 1.5~6 질량%의 Mg를 첨가하면 용해 강화된다. 이러한 효과는 0.1~6.0 질량%의 Mg 및 3.0 질량% 이하의 Si에서 보여지고, 요구강도에 따라 특정 범위의 값에서 적합하게 Mg 및 Si 함유량이 정해진다. 그러나, 6 질량%를 초과하는 과잉량의 Mg가 포함되면 스폿용접시에 결함이 발생하기 쉬워져, 3 질량%를 초과하는 과잉량의 Si가 함유되면 알루미늄 매트릭스에 조대한 석출물 또는 정출물이 생성되어 접합강도가 저하되는 경우가 있다.
본 발명의 접합구조체는 소정 사이즈로 재단된 용융 알루미늄 도금 강판, 알루미늄 판을 포개고, 소정 피치로 스폿용접 함으로써 제조된다. 용접전류와 (통상적으로 용접 사이클 시간에 의한) 통전시간의 조합에 의해 용접조건이 정해진다. 용접전류의 증가에 따라 접합강도가 높아진다. 통전: 12 사이클/60Hz에서는, 용접전류를 12kA 이상으로 설정함으로써 3kN 이상의 양호한 인장전단강도를 갖거나, 또는 용접전류 25kA에서는, 5 사이클/60Hz 이상에서 3kN 이상의 인장전단강도를 갖는 용접 접합부가 얻어진다.
[실시예 1]
(C: 0.04 질량%, Si: 0.01 질량%, Mn: 0.20 질량%, P: 0.01 질량%, S: 0.007 질량%, Al: 0.010 질량%, N: 120ppm을 포함하는) 판두께 1.0mm의 냉간압연 강판에 Si: 9.2 질량% 및 Fe: 1.8 질량%를 함유하는 막두께: 20㎛의 용융 알루미늄 도금층을 형성한 후, 450℃에서 15시간의 가열로 하지 강과 Al 도금층과의 계면에 (5 원자%의 N 농도) N농축층을 형성했다. (10.9 질량% Si 및 35.8 질량% Fe을 포함하는) Al-Fe-Si 3원 합금층이 하지 강과 Al 도금층과의 계면에 N농축층과 다르게 생성된다.
(Si: 0.11 질량%, Fe: 0.25 질량%, Mg: 5.52 질량%, Cu; 0.35 질량%, Cr: 0.02 질량%, Zn: 0.01 질량%을 포함하는) 판두께 1.0mm의 알루미늄 합금판과 용융 알루미늄 합금판을 다음 조건하에서 스폿용접했다.
용융 알루미늄 도금 강판 및 알루미늄 합금판으로부터 샘플된 시험편을 탈지·세정한 후, 포개어 스폿용접기의 전극 사이에 끼우고, 3kN의 압력을 가했다. 전 극에 직경: 16mm, 선단 R: 40mm의 동합금 팁을 사용하여, 최대 용접전류: 25kA, 통전 사이클: 12로 스폿용접 했다. 이 경우에, 12 통전 사이클은 전력 주파수가 60Hz 이기 때문에 12/60(=1/5)초에 해당된다.
너깃의 중심 및 둘레 가장자리로부터 1.5mm 내측의 너깃 외주부에 관찰점을 잡고, 용접 사이클마다 접합부의 단면 구조체를 관찰하고, 접합부에 있는 합금층을 SEM-EDX 스캐닝 전자 현미경(JEOL Ltd의 840A)으로 관찰했다.
도 2의 관찰 결과에 보여지는 바와 같이, Al-Fe-Si 3원 합금층은 너깃 중심부 및 너깃 외주부 모두 통전: 1사이클에서 일부가 확산하고 있었다. Al-Fe-Si 합금층의 Si 농도는 너깃 외주부에서 3.1 질량%이고 너깃 중심부에서 1.7 질량%로 저하되고, Fe 농도는 너깃 외주부에서 거의 변함이 없이, 너깃 중심부에서 약간 증가하고 있었다.
3사이클 통전했을 때, 너깃 외주부에서 Al-Fe-Si 3원 합금층이 거의 완전하게 소실되었고, 용융 Al에 Al-Fe-Si 3원 합금층이 용출된 것을 알 수 있었다. 다른 한편, 너깃 중심부에서는 합금층이 검출되었다. 너깃의 중심부에서 이 합금층은 Si 농도가 0.9 질량%이고, Fe 농도가 40.8 질량%이다. Al-Fe-Si 3원 합금층 소실 후 새롭게 생성된 Al-Fe 2원 합금층의 Si 함량은 더 낮고 Fe 함량은 더 높다는 것이 밝혀졌다.
통전을 6사이클 더 반복한 상태에서는, 너깃 주변부의 접합부에 합금층은 거의 검출되지 않았다. 그러나, 너깃 중심부의 접합부에는 Si 농도 0.8 질량%, Fe 농도 46.0 질량%의 Al-Fe 2원 합금층이 두껍게 성장해 있었다.
상기와 같이, 스폿용접으로 형성된 용접 접합부는 너깃 중심부의 Al-Fe 합금층을 합금층 소실 영역(9)(도 1B)으로 둘러싸고, 또한 그 주위를 Al-Fe-Si 합금층으로 둘러싼 구조체를 갖는다.
너깃 직경, Al-Fe 합금층 소실 영역의 폭, 및 Al-Fe 2원 합금층의 폭은 통전의 사이클수의 증가에 따라 5사이클로 증가된다. 통전 5사이클 이상에서 각각의 폭은 또한 거의 일정한 폭(도 3에 도시된 바와 같이)으로 보여진다. 통전 5사이클 이상으로 형성된 용접 접합부는 JIS Z3136에서 규정되어 있는 인장전단 시험에서 평가한 3.5kN 이상의 높은 인장전단강도(TSS)이며, 이 인장전단강도는 알루미늄 재료 상호의 이음강도와 동등 또는 그 이상의 만족할 수 있는 값이 얻어졌다.
이음의 접합 평가에는 인장전단강도가 통상 사용되는데, 박리방향으로 약한 금속간 화합물이 접합부에 발생하기 쉬운 이재(bimaterial) 접합 이음에서는, 박리방향에 따른 접합강도를 측정함으로써 이음의 공업적인 적용가능성을 판단할 수 있다. 이러한 접합강도는 +자 인장 시험에 의해 조사된다. 이 접합강도는 1.5kN의 +자 인장강도(CTS)가 얻어졌고, 알루미늄 재료 상호를 접합한 이음과 동등 또는 그 이상의 값이었다.
비교를 위해, Fe 농도가 0.3 질량%로 적은 도금층을 형성한 용융 알루미늄 도금 강판을 동일한 조건하에서 알루미늄 재료에 스폿용접 한 바, 접합부 전역에 걸쳐 Al-Fe 2원 합금층이 생성되었다. 그 때문에, 인장전단강도가 2.5kN로 현저하게 낮고, +자 인장강도도 1.0kN의 낮은 값 밖에 얻어지지 않아, 실용에 제공할 수 없는 접합구조체이었다.
Fe 농도가 6.1 질량%로 많은 도금층을 형성한 용융 알루미늄 도금 강판을 동일 조건하에서 알루미늄 판에 스폿용접한 경우에, 인장전단강도: 3.0kN이상, +자 인장강도: 1.0kN 이상의 접합 계면을 형성할 수 없었다.
[실시예 2]
(C: 0.05 질량%, Si: 0.1 질량%, Mn: 0.25 질량%, P: 0.012 질량%, S: 0.006 질량%, Al: 0.006 질량%)의 냉간압연 강판을 용융 알루미늄 도금했다. 용융 알루미늄 도금에서는, 도금층의 Si 함유량이 1.8 질량%, 3.5 질량%, 9.2 질량%, 15.6 질량%의 4수준, Fe 함유량이 0.2~0.3 질량%, 0.7~0.9 질량%, 1.8~2.3 질량%, 3.9~4.5 질량%, 5.5~6.1 질량%의 5수준이 되도록 용융 도금욕의 조성 및 도금 조건을 조정했다.
상대재로서 알루미늄 재료로는, Si: 0.10 질량%, Fe: 0.22 질량%, Mg: 2.67 질량%, Cu: 0.01 질량%, Cr: 0.19 질량%, Mn: 0.02 질량%, Zn: 0.01 질량%, 잔부: Al인 알루미늄 합금판을 사용했다.
용융 알루미늄 도금 강판 및 알루미늄 합금판으로부터 잘라낸 시험편을 탈지·세정한 후, 포개어 교류식 스폿용접기(60Hz)로 용접했다. 스폿용접에서는, 직경: 16mm, 선단 R: 75mm의 동합금 팁을 전극에 사용하고, 용접전류: 19kA, 주파수: 60Hz, 통전 사이클: 12의 용접조건을 채용했다.
스폿용접으로 제작된 강/알루미늄의 구조체를 실시예 1과 동일한 인장전단 시험 및 +자 인장 시험에 제공하여, 접합강도를 측정했다.
측정결과를 나타내는 표 1에 보여지는 바와 같이, 강 및 알루미늄 판은 용융 알루미늄 도금층의 Si 및 Fe 함유량을 Si: 3~12 질량%, Fe: 0.5~5 질량%로 적당하게 제어함으로써, 인장전단강도: 3kN 이상 및 +자 인장강도: 1.5kN 이상의 높은 접합강도로 함께 스폿용접된다.
이에 반해, Si 및 Fe 함유량이 낮으면, Al-Fe 2원 합금층의 점유 면적율이 커져 접합 계면이 전단되고, 그 접합 강도가 인장전단강도; 3kN, +자 인장강도: 1.0kN에 도달하지 못했다. 인장 시험에서 파단한 접합 계면을 관찰하면, 합금층간에 연속적인 균열이 발생해 있어, Al-Fe 2원 합금층이 접합강도를 저하시키고 있는 것이 확인되었다.
반대로 Si 및 Fe 함유량이 지나치게 높으면, Al-Fe 2원 합금층의 점유 면적율은 작지만, Si 및 Al은 접합강도를 적당하지 않게 한다. 이 경우의 접합강도의 저하는 용접부의 Si 및 Fe가 지나치게 높음으로 인해 취성적인 파괴가 발생한 결과로 추찰된다.
Figure 112006022089203-PCT00001
[실시예 3]
실시예 1과 동일한 조건하에서 (Si: 9.2 질량%, Fe: 4.1 질량%의) 용융 알루미늄 도금층이 형성된 도금 강판과 스폿용접 했다. 각각의 스폿용접된 강/알루미늄의 접합구조체를 인장전단 시험 및 +자 인장 시험에 제공하여, 접합강도를 측정했다.
표 2의 측정결과에 보여지는 바와 같이, Mg 및 Si 함유량을 각각 Mg: 0.1~6.0 질량%, Si: 3.0 질량% 이하의 범위로 유지한 알루미늄 합금판을 사용했을 때, 인장전단강도와 +자 인장강도가 한층더 높은 접합구조체이었다.
접합구조체의 접합강도는 알루미늄 합금판의 Fe 함유량에도 영향을 받아, Fe 함유량을 1.0 질량% 이하로 규제함으로써 인장전단강도: 4.0kN 이상 그리고 +자 인장강도: 1.6kN 이상이 확보되었다(Nos. 2, 4).
Figure 112006022089203-PCT00002
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 접합구조체는 Fe/Al 접합부 전역에 취약한 Al-Fe 2원 합금층이 접합부 전역에 생성되지 않고, 너깃 중심부의 접합부에 생성되는 Al-Fe 2원 합금층의 주위를 합금층 소실 영역으로 둘러싸고, 접합부에 차지하는 Al-Fe 2원 합금층의 비율을 면적비 90% 이하로 억제하고 있다. 그 때문에 강재, 알루미늄 재료가 견고하게 접합되어, 알루미늄 재료, 강재의 장점을 살린 접합구조체로서, 차량구조체, 열교환기 등, 여러 가지의 구조부재로 사용된다.

Claims (4)

  1. Si: 3~12 질량%, Fe: 0.5~5 질량%, Al: 불가피한 불순물을 제외한 잔부의 조성을 갖는 도금층과, 하지 강과 도금층의 계면에 형성된 Al-Fe-Si 3원 합금층을 갖는 용융 Al 도금 강판; 및
    상기 Al 도금 강판에 스폿용접된 알루미늄 또는 알루미늄 합금판;을 포함하고 있고,
    Al-Fe 2원 합금층과 Al/Fe 접합 계면 전체의 면적비율이 90% 이하로 억제되고, Al-Fe 2원 합금층과 Al-Fe-Si 3원 합금층 사이에 Al-Fe 합금 소실 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 강/알루미늄의 접합구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, N: 0.002~0.020 질량%를 함유하는 강재에 도금층이 형성하고, 이 도금층은 강재의 N농축층에 형성되며, N농축층의 N농도는 3.0 원자% 이상인 것을 특징으로 하는 강/알루미늄 접합구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 Fe 함유량이 1.0 질량% 보다 많지 않은 것을 특징으로 하는 강/알루미늄 접합구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 합금판이 Mg: 0.1~6.0 질량%, Si: 3.0 질량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 강/알루미늄 접합구조체.
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