KR20080089246A

KR20080089246A - 이종 금속 재료의 접합 방법 및 그 접합 구조

Info

Publication number: KR20080089246A
Application number: KR1020080028895A
Authority: KR
Inventors: 겐지 미야모또; 시게유끼 나까가와
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2008-10-06
Also published as: CN101274387B; CN101274387A; KR100983960B1; JP5376391B2; JP2008272825A

Abstract

본 발명은 이종 금속 재료의 접합 방법 및 이에 따른 접합 구조에 관한 것이다. 이종재 계면 및 동종재 계면이 형성되도록 3매 이상의 피접합재를 포개어 형성한다. 예를 들어, 알루미늄 합금판, 아연 도금 강판 및 나강판 순서대로 포개진 3매 포갬 판재 사이에서 제1 전류가 통전된다. 동종재인 아연 도금 강판과 나강판 사이의 계면에 너깃이 형성된다. 그 후, 제1 전류보다 큰 제2 전류가 통전되어 알루미늄 합금판과 아연 도금 강판 사이의 계면에 너깃이 형성된다.

이종재 계면, 동종재 계면, 알루미늄 합금판, 아연 도금 강판, 나강판

Description

이종 금속 재료의 접합 방법 및 그 접합 구조{BONDING METHOD OF DISSIMILAR MATERIALS MADE FROM METALS AND BONDING STRUCTURE THEREOF}

본 발명은 강재, 알루미늄 합금재 등의 이종 금속 재료의 저항 용접을 이용하는 접합 기술 및 그에 의한 구조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 3매 이상의 시트를 겹쳐서 형성되고 이종재 계면 및 동종재 계면을 갖는 접합에 관한 것이다.

이종 금속을 접합하는 경우, 사용된 접합 공정이 동종재를 접합하는 데 사용된 것과 동일하다면, 약한 금속간 화합물이 형성되어 충분한 이음매 강도가 얻어지지 못한다. 예를 들어, 알루미늄 합금과 강재를 접합하는 경우, Fe₂Al₅ 또는 FeAl₃등의 고경도의 약한 금속간 화합물이 형성된다. 이음매 강도를 확보하기 위해서는 그러한 금속간 화합물을 제어하는 것이 필요하다.

그러나, 알루미늄 합금 표면에는 치밀하고 견고한 산화 피막이 형성된다. 이러한 피막을 제거하기 위하여, 접합 작업시에 큰 열량을 제공하는 것이 필요해 진다. 이로 인해, 두꺼운 금속간 화합물층이 성장하여 접합부의 강도가 낮아진다는 문제가 유발될 수 있다.

따라서, 이러한 이종 금속 재료를 조합하여 사용하는 경우에는, 이종재는 종래에 볼트나 리벳 등에 의한 기계적 체결 작업을 통해 접합되어 왔다. 그러나, 이는 중량 또는 비용의 증가를 초래한다. 이러한 이종 금속의 접합 작업에 있어서, 마찰 압력 접합이 일부 부품에 있어서 실용화되어 있다. 그러나, 이와 같은 마찰 압력 접합 작업은 대칭성이 양호한 회전체끼리의 접합 등에 한정되어 사용되고 있다. 따라서, 그 용도는 상당히 제한되어 있다. 폭발 접합 또는 열간 압연 등의 접합 작업이 널리 알려져 있다. 그러나, 이러한 작업들은 설비 빛 효율 면에서 문제가 있어, 일반적인 이종 금속에 이러한 작업들을 널리 적용하는 것을 어렵게 만든다.

일본 특허 출원 공개 평4-127973호는 접합하고자 하는 이종 금속 재료 사이에 이들 이종 금속과 동일한 2종의 재료로 이루어지는 클래드재를 10 ms 이하의 통전 시간으로 저항 용접을 행하는 방법을 개시하고 있다. 이렇게 하여 각각의 동종재 끼리가 접합되고 있다.

그러나, 이러한 방법에서는 2매의 판이 요구되는 곳에 3매의 판이 필요하다. 실제의 제조를 고려해 보면, 클래드재의 삽입과 함께 클래드재의 고정이 필요하다. 또한, 기존의 용접선에 새로운 설비가 조립되어야만 하여, 비용 증가를 야기한다. 게다가, 알루미늄과 강을 접합하는 경우, 알루미늄 클래드 강 자체가 이종재끼리를 서로 접합함으로써 제조되기 때문에, 제조 조건이 엄격해진다. 따라서, 안정된 성능을 가진 저렴한 클래드재를 입수하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.

일본 특허 출원 공개 평6-39558호는 Al 함유량이 20 wt% 이상인 알루미늄 합 금 또는 순알루미늄을 두께가 2 μm 이상이 되도록 강의 표면에 도금하고, 강과 알루미늄재를 접촉시켜, 이러한 도금면을 알루미늄재에 포개어 전류를 통전하고, 도금층을 우선적으로 용융시키고 강재측을 거의 용융시키지 않도록 하는 재료 접합 방법을 개시하고 있다.

이러한 알루미늄 도금 작업은 알루미늄 도금 표면과 알루미늄재를 접합할 때에 강의 표면의 견고한 산화 피막을 파괴하기 위하여 많은 양의 열을 필요로 한다. 따라서, 알루미늄 판과 강 사이의 계면에 약한 금속간 화합물이 형성되어 접합이 이루어지지 않을 가능성을 증가시킨다.

3매 이상의 이종재를 저항 용접하는 경우, 이종재 계면 및 동종재 계면이 동시에 존재할 수 있다. 이종재 계면의 저항 발열이 동종재 계면의 저항 발열보다 작은 경우에는 그 저항 발열차에 의해 동종재 계면에 너깃이 형성되는 동시에, 이종재 계면에는 너깃이 거의 형성되지 않는다. 이 경우, 각각의 계면에 충분한 접합 강도를 얻기 위해서는, 이종재 계면 측에 너깃이 원하는 직경을 가지기 충분한 열을 제공할 필요가 있다. 그러나, 이종재 계면에 충분히 큰 너깃을 생성하는데 필요한 열이 제공되는 경우, 동종재 계면의 저항 발열이 과다가 된다. 그러므로, 이러한 저항 발열에 의해 저융점측 재료, 즉, 상기 알루미늄과 강의 접합예에서의 알루미늄재 측의 두께가 감소된다.

본 명세서에서는 이종 금속 재료를 접합하는 방법을 개시하고 있다. 이러한 방법은 제1 금속 재료인 2매 이상의 판재와, 제1 금속 재료보다 낮은 융점을 갖는 제2 금속 재료인 1매 이상의 판재로 된 복수의 판재를 중첩하여 이종재 계면 및 동종재 계면을 형성하고, 이종재 계면의 접촉 저항이 동종재 계면의 접촉 저항보다 낮은 저항 용접에 의해 포갬 이음매를 형성하고, 3매 이상의 복수의 중첩된 판재를 통해 제1 전류를 통전하여 동종재 계면에 너깃을 형성하고, 3매 이상의 복수의 중첩된 판재를 통해 제1 전류보다 큰 제2 전류를 통전하여 이종재 계면에 너깃을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 명세서에서는 이종 금속 재료의 접합 구조를 개시하고 있다. 이러한 구조는, 예를 들어, 제1 금속 재료의 둘 이상의 판 층과, 제1 금속 재료보다 낮은 융점을 갖는 제2 금속 재료의 하나 이상의 판 층과, 제1 금속 재료의 판 층과 제2 금속 재료의 판 층 사이의 이종재 계면과, 이종재 계면의 접촉 저항이 동종재 계면의 접촉 저항보다 낮은 제1 금속 재료의 인접하는 판 층 사이의 동종재 계면과, 이종재 계면에 형성되고 제1 직경을 갖는 너깃과, 동종재 계면에 형성되고 제2 직경을 갖는 너깃을 포함하고, 상기 제1 직경은 상기 제2 직경 이상인 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 접합 방법에 따르면 저융점측 재료의 두께의 감소를 억제하면서 각 계면에 원하는 너깃 직경을 형성할 수 있고 각 계면에 있어서의 접합 강도를 각각 충분히 확보할 수 있다. 본 접합 방법은 3매 이상의 이종 금속 재료가 저항 용접에 의해 포갬 접합되는 경우에 이용될 수 있다. 또한, 본 접합 방법은 각 계면의 접촉 저항 차이에 의해 이종재 계면의 저항 발열이 동종재 계면의 저항 발열보다 작아지는 동종재 계면과 이종재 계면을 가지는 재료의 조합에 있어서도 이용될 수 있다. 또한, 이러한 접합 방법에 의해 얻어지는 접합 구조가 개시된다. 본 접합 구조는, 예를 들어, 문, 후드 등과 같은 차량 부품이다.

이하의 실시예를 기초로 하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예로 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 이종 금속의 접합 방법은 이종재 계면과 동종재 계면을 갖는 3매 이상의 금속 판재의 저항 용접에 의한 포갬 접합에 관한 것이다. 이종재 계면의 접촉 저항은 동종재 계면의 접촉 저항보다 작다. 이러한 이종 금속 재료의 구체적인 조합은, 예를 들어, 강재-강재-알루미늄 합금재, 강재-강재-마그네슘 합금재를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 "동종재"라는 용어는 동일 성분계 또는 동일 금속 조직을 가지는 재료를 의미한다. 그러나 이 용어가 동일 규격에 속하는 것으로만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 강재의 경우, 탄소강과 합금강, 연강, 항장력강 등과 같이 별도의 규격에 속하는 것이라도, 페라이트 조직을 가지는 한, 동종재로 간주된다.

본 발명에 있어서 "동종재 계면"이라는 용어는 동종재끼리의 접합 계면을 의미하고, "이종재 계면"이라는 용어는 이종재끼리의 접합 계면을 의미한다.

이종 금속에 대한 접합 방법의 일 실시예에 있어서는, 도1의 (a)에 도시한 바와 같이 교류 전원 타입의 스폿 용접 장치가 이용된다. 도1의 (a)에서, 3매의 판재(A, B, C)(B와 C가 동종재)를 한 쌍의 용접 전극(E1, E2)에 의해 가압 및 통전함으로써 포갬 용접이 행해진다.

이러한 이종 금속의 접합 방법에 있어서는, 중첩된 재료 사이에 비교적 작은 제1 전류를 통전하여 동종재 계면에 너깃을 형성한 후, 제1 전류보다 큰 제2 전류를 통전한다.

접합의 초기 단계에서 비교적 작은 전류가 통전됨으로써, 접촉 저항 및 저항 발열이 큰 동종재 계면에 너깃이 형성된다. 또한, 동종재 계면이 접합됨으로써 전기의 도통이 확보되어 동종재 계면에 있어서의 저항이 저하된다. 이와 같이, 동종재 계면에 너깃이 형성된 후에는 이종재 계면의 저항 발열이 충분한 것이 되어 이종재 계면에 원하는 너깃 직경을 형성하는 것이 가능해진다.

이때, 도1의 (b)에 도시된 바와 같이, 포개진 판재에 있어서의 동종재 계면의 접촉 저항을 모니터링하면서 접합을 행할 수 있다. 접촉 저항을 모니터링하기 위한 전류계나 전압계를 포함하는 접촉 저항 모니터링 장치를 이용하고 동종재 계면에 있어서의 저항치 변화에 따라 제1 전류를 더 큰 제2 전류로 절환함에 의해 접합이 행해진다.

도시되지는 않았지만, 도1의 (b)에서 판재(A)와 판재(C) 사이의 접촉 저항을 모니터링하여 제1 전류가 제2 전류로 절환되도록 할 수 있다. 판재(B)와 판재(C) 사이의 접촉 저항이 판재(A)와 판재(B) 사이의 접촉 저항보다 크기 때문에, 판재(A)와 판재(C) 사이의 접촉 저항의 저하를 모니터링함으로써 동종재 계면에 있어서의 접촉 저항이 저하될 수 있다.

동종재 계면의 접촉 저항 뿐만 아니라 이종재 계면의 접촉 저항도 모니터링 할 수 있다. 동종재 계면의 접촉 저항치가 이종재 계면의 접촉 저항치와 동등하게 되는 경우 제1 전류가 더 큰 제2 전류로 절환될 수 있다.

본 실시예의 접합 방법에 따르면, 통전 시의 저항 발열차가 감소되어 이종재 계면과 동종재 계면의 접촉 저항 사이의 밸런스가 양호한 것이 된다. 이를 달성하기 위해, 이종재 계면을 형성하는 적어도 한쪽 판재의 표면 거칠기를 동종재 계면 을 형성하는 임의의 판재 표면의 표면 거칠기보다 크게 할 수 있다. 또 다르게는, 동종재 계면을 형성하는 적어도 한쪽 판재의 표면 거칠기를 이종재 계면을 형성하는 임의의 판재 표면의 표면 거칠기보다 미세하게 할 수 있다.

예를 들어, 판재 표면을 거칠게 하는 방법으로서는, 눈금이 거친 줄로 문지르는 작업이나, 에칭 작업이나 숏 블라스트 작업을 실시할 수 있다. 또한, 표면 조도를 개선(표면을 미세하고 평활하게 함)하기 위해, 마무리 가공으로서 지석 연마 작업 또는 버프 연마 작업이 고려될 수 있다.

또한, 동일한 목적으로, 이종재 계면에 전기 저항을 높이는 재료를 개재시킬 수 있다. 더 구체적으로는, 계면에 알루미나 페이스트를 도포하거나, 카본재, 세라믹스 또는 도전성 수지 등을 개재시킬 수 있다.

본 명세서에 교시된 접합 방법에 있어서, 이종재 계면에 시일재가 개재될 수 있다. 이종 금속의 직접 접촉으로부터 초래되는 전기 부식을 방지함으로써 이종재의 내식성을 향상시킬 수 있다. 게다가, 이종재 계면의 저항 발열이 촉진되어 계면의 너깃 직경이 확대된다.

또한, 계면을 형성하는 하나 이상의 이종 금속 재료 측과 공정 용융하거나 공정 용융을 일으키는 제3 금속 재료를 이종재 계면에 개재시킬 수 있다. 이에 의해, 접합 표면에 견고한 산화 피막이 형성되어 있더라도, 이러한 피막은 접합 계면으로부터 용이하게 배출될 수 있다.

도2는 공정 반응이 생기는 합금의 일 예로서, 알루미늄-주석(Al-Zn)계의 2원 상태도이다. 도2에 도시하는 바와 같이, Al-Zn계에서 공정점(Te)은 655K이고, Al 의 융점 933K보다 훨씬 낮은 온도에서 공정 반응이 생긴다.

이와 같이, Al과 Zn의 공정 용융이 도2에 도시된 공정점에서 일어나고, 공정 용융이 산화 피막 제거 또는 상호 확산 등의 알루미늄재의 접합 작용에 이용되면, 저온 접합이 실시될 수 있다. 이에 의해, Fe₂Al₅ 또는 FeAl₃ 등의 금속간 화합물의 접합 계면에서의 성장이 효과적으로 억제될 수 있다.

여기에서 사용된 바와 같이, 공정 용융은 공정 반응을 이용하는 용융을 의미한다. 2개의 금속이 상호 확산되어 생긴 상호 확장 영역의 조성이 공정 조성인 경우, 유지 온도가 공정 온도 이상이면 공정 반응에 의해 액상이 형성된다. 예를 들어, 알루미늄과 아연의 경우, 알루미늄의 융점은 933K이고 아연의 융점은 692.5K이다. 또한, 각 융점보다 낮은 655K에서 공정 금속이 용융된다.

따라서, 양 금속의 청정면을 접촉시켜 655K 이상으로 가열 유지하는 경우, 공정 용융 반응이 생긴다. 공정 조성은 Al-95% Zn이 된다. 알루미늄재의 표면에 견고한 산화 피막이 존재하지만, 이 피막은 저항 용접시의 통전과 가압에 의해 물리적으로 파괴된다. 즉, 가압하는 동안 재료 표면의 미시적인 볼록부끼리가 서로 접촉하기 때문에, 산화 피막 일부의 국소적 파괴에 의해 접촉되는 알루미늄과 아연의 부분으로부터 공정 용융이 생긴다. 액상이 형성되기 때문에, 그 주위의 산화 피막은 파쇄되어 분해된다. 또한, 공정 용융의 반응이 전체 표면으로 확산되어 산화 피막의 파괴가 촉진되고 액상을 통한 접합이 달성된다.

공정 조성은 상호 확산에 의해 자동적으로 달성되므로, 조성의 제어는 필요 없다. 2종의 금속 또는 합금 사이의 저융점에 공정 반응이 존재한다. 알루미늄과 아연의 공정 용융의 견우, 아연 대신에 Zn-Al 합금이 이용되는 경우, 조성이 95% 이상의 아연을 포함하면 유리하다.

도3의 (a) 내지 (f)는 이종 계면에 시일재가 개재된 상태에서 공정 용융을 이용한 접합 프로세스를 개략적으로 도시한다.

우선, 도3의 (a)에 도시된 바와 같이, 아연 도금 강판(2)과 알루미늄 합금판(1)을 준비한다. 아연 도금층(2p)은 아연 도금 강판(2)에 마련되고 Al과 공정을 일으키는 제3 금속 재료로써 기능한다. 아연 도금층(2p)이 알루미늄 합금층(1)에 인접하도록 아연 도금 강판(2)과 알루미늄 합금판(1)을 포갠다. 그 계면에 페이스트형 시일재(S)가 도포되고, 알루미늄 합금층(1)의 표면에 산화 피막(1c)이 형성된다.

다음에, 시일재(S)가 접합부의 중앙부로부터 외주부로 배출되도록, 도3의 (b)에 도시된 바와 같이 상하 한 쌍의 용접 전극에 의해 피접합재가 압박된다. 중앙부에서, 알루미늄 합금판(1)의 표면의 아연 도금층(2p)과 산화 피막(1c)이 서로 직접 접촉한다.

도3의 (c)에 도시된 바와 같이, 가압 및 통전에 의해 기계적 또는 열적 충격이 발생하면, 산화 피막이 국부적으로 파괴된다. 이 결과, 도3의 (d)에 도시된 바와 같이 아연과 알루미늄이 국부적으로 접촉하여 아연과 알루미늄의 공정점 온도 이상의 온도가 유지되면, 아연과 알루미늄의 공정 용융이 생긴다.

도3의 (e)에 도시된 바와 같이, 전극을 더 압박하는 것에 의해, 공정 용융 금속과 함께 산화 피막(1c) 또는 접합 계면의 불순물(도시되지 않음)이 시일재와의 접합부 주위로 배출되고, 소정의 접합 영역이 확보된다. 그 후, 도3의 (f)에 도시된 바와 같이, 알루미늄과 강의 새로운 표면끼리 서로 직접 접합되어, 아연 도금 강판(2)과 알루미늄 합금판(1) 사이에 견고한 금속 접합을 얻을 수 있다.

양 재료 사이에 개재되는 제3 금속 재료는 알루미늄 합금과 저융점 공정을 형성하는 재료이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제3 금속 재료로는 상기 언급된 아연(Zn) 이외에, 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag) 또는 니켈(Ni) 등을 포함할 수 있다.

이러한 금속과 Al은 공정반응을 발생시키고 모재인 알루미늄 합금재의 융점이하의 온도에서 용융된다. 따라서, 약한 금속간 화합물을 형성하기 쉬운 강재와 알루미늄 합금재의 접합에 있어서도, 산화 피막은 저온에서 제거될 수 있다. 또한, 접합 과정에서의 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물의 형성을 억제할 수 있어 견고한 접합이 형성된다.

여기에서 공정을 설명하기 위해 이용된 재료는 주로 강재와 알루미늄 합금재의 조합이지만, 강재와 마그네슘 합금재의 조합도 고려될 수 있다. 강재와 마그네슘 합금재를 접합할 경우, 강재 측에 도금한 아연과 마그네슘 사이에 공정 반응을 야기하는 것에 의해 접합공정이 행해질 수 있다.

제3 금속 재료는 상기한 바와 같은 순금속으로 한정되지 않는다. 그러나, 공정 금속이 2원 합금 및 3원 합금도 포함하기 때문에, 제3 금속 재료는 이들 중 적어도 1종의 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.

제3 금속 재료는 임의의 적당한 방법에 의해 개재될 수 있다. 비제한적인 일 예로서 하나 이상의 피접합재의 접합 표면에 제3 금속 재료를 도금하는 것을 들 수 있다. 양호하거나 필요한 경우, 재료 삽입이 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 그러나, 제조 공정의 수를 줄임으로써 도금 공정이 작업 효율을 개선한다는 것이 이해될 수 있다. 임의의 특별한 준비도 필요하지 않고, 부식 제어를 위해 아연 도금한 통상의 시판 강재를 본래대로 이용할 수 있기 때문에, 간편하고 저렴하게 이종 금속의 견고한 접합을 행하는 것이 가능하다.

이종 금속의 접합 방법에 따른 접합 구조는 3매 이상의 이종 금속 재료를 포함한다. 제1 금속 재료로 이루어진 2매 이상의 판재가 제1 금속 재료보다 낮은 융점을 갖는 제2 금속 재료로 이루어진 1매 이상의 판재와 포개어질 경우, 이종재 계면과 동종재 계면이 형성되고 이종재 계면의 접촉 저항은 동종재 계면의 접촉 저항보다 작아진다. 또한, 이종재 계면에는 4.4√t1＜ Dd ＜12√t1인 범위, 바람직하게는 5.5√t1＜ Dd ＜12√t1인 범위의 직경(Dd)을 갖는 너깃이 형성되어 전체 이음매 구조에 필요한 강도를 확보할 수 있다. 여기에서 t1은 이종재 계면을 형성하는 각 재료의 단위 면적당의 강도와 판 두께의 곱이 작은 쪽의 판 두께이다. Dd는 이종 계면의 너깃 직경이다. 또한, 동종재 계면에는 4√t2＜ Ds ＜7√t2인 범위의 직경(Ds)을 갖는 너깃이 형성된다. t2는 동종재 계면을 형성하는 각 재료의 단위 면적당 강도와 판 두께의 곱이 작은 쪽의 판 두께이다. Ds는 동종재의 너깃 직경이다.

이종재 계면에서의 너깃 직경(Dd) 및 동종재 계면에서의 너깃 직경(Ds)이 각 각 4.4√t1 및 4√t2 이하이면, 각 계면에서의 접합 강도가 약할 수 있다. 이종재 계면에서의 너깃 직경(Dd) 및 동종재 계면에서의 너깃 직경(Ds)이 각각 12√t1 및 7√t2 이상이면, 필요 이상의 강도와 필요 이상으로 큰 접합 플랜저 폭을 형성한다. 이는 중량 및 비용을 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 기초로 하여 구체적으로 설명한다.

다음에 도4의 (a) 및 (b)에 도시된 제1 실시예를 기술한다. 도4의 (a)에 도시된 바와 같이, 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 0.8 mm의 아연 도금 강판(2)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서대로 포갠 3매 묶음의 접합을 실시하였다. 도1의 (b)에 도시된 접촉 저항 모니터링 장치를 구비한 교류 전원 타입의 스폿 용접 장치와 함께 전극(E1 및 E2)으로서 선단부 곡면의 곡률 반경이 40 mm인 R형 전극을 사용하였다.

동종재 계면, 즉 아연 도금판(2)과 나강판(3) 사이의 계면에 너깃(Ns)을 형성하기 위해, 모니터링 장치(M)로 동종재 계면의 접촉 저항을 계속적으로 모니터링하면서, 300 kgf의 가압력을 가하고 4000A의 교류 전류를 통전하였다. 동종재 계면의 접촉 저항이 미리 계측하여 기억시켜 둔 초기 접촉 저항치의 20 %의 값으로 저하되면, 교류 전류를 22000A로 증가시킨다. 그리고 나서, 합계 0.16초간 교류 전류를 통전시킨다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 너깃(Nd)은 이종재 계면, 즉 알루미늄 합금판(1)과 아연 도금 강판(2) 사이의 계면에 형성된다.

이와 같은 통전 패턴으로 저항 용접을 실시함으로써, 초기 접촉 저항차가 큰 경우 이종재 계면에서의 발열이 억제된다. 초기의 저전류에서는 발열이 부족하여 이종재 계면에서는 너깃이 형성되지 않는 반면에 동종재 계면에서 너깃(Ns)이 형성된다. 초기의 저전류보다 큰 전류로 전류가 절환되면, 동종재 계면의 일부가 접합되어 계면의 전기 저항이 낮아진다. 따라서, 동종재 계면의 발열을 억제하는 경우, 너깃(Nd)이 이종재 계면에 형성될 수 있다.

이와 같이, 동종재 계면의 발열에 의한 알루미늄 합금판(1)의 두께 감소를 억제하는 동시에 양 계면에 있어서의 너깃 직경을 적절한 크기로 하여 양호한 접합 이음매를 얻을 수 있다.

이 결과, 동종재 계면에는 직경(Ds) = 5 mm인 너깃(Ns)이 형성되는 동시에, 이종재 계면에는 직경(Dd) = 7 mm인 너깃(Nd)이 형성된다. 또한, 용융 공정 금속이나, 산화 피막, 접합 계면 등의 불순물을 포함하는 배출물(D)이 그 주위에 압출된다.

본 실시예에 있어서는, 아연 도금 강판(2)이 사용된다. 따라서, 제3 금속 재료로서의 아연과 알루미늄의 공정 용융이 유효하게 작용한다. 이와 같이, 알루미늄 합금판(1)의 표면의 산화 피막을 저온에서 제거할 수 있다. 이는 이종재 계면의 새로운 면끼리의 접촉을 실현하고, 얇고 균일한 Fe-Al 확산 반응층(화합물층)이 형성되어 고강도의 접합 이음매를 얻게 한다.

제2 실시예에 있어서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 0.8 mm의 아연 도금 강판(2)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서대로 포갠 3매 묶음의 접합을 실시하였다. 이때, 이종재 계면을 형성하는 알루미늄 합금판(1)의 표면을 에머리 80번으로 연마하여 동종재 계면 을 형성하는 아연 도금 강판(2) 및 나강판(3)의 표면보다 거칠어지게 하였다. 이에 의해 이종재 계면의 초기 접촉 저항이 동종재 계면의 접촉 저항과 같아지도록 하였다.

도1의 (b)에 도시된 스폿 용접 장치를 사용하여 초기 전류를 6000A로 한 것 이외에는, 상기와 동일한 조작을 반복하였다. 동종재 계면에는 직경(Ds) = 5 mm인 너깃(Ns)이 형성되고, 이종재 계면에는 직경(Dd) = 8 mm인 너깃(Nd)이 형성되었다.

이종재 계면의 표면을 더 거칠게 함으로써, 이종재 계면의 접촉 저항이 증가하고, 이종재 계면에서의 저항 발열이 증가한다. 이에 의해 이종재 계면에 너깃이 형성되는 것이 촉진된다. 또한, 동종재 계면에서의 저항 발열의 열전도에 의한 알루미늄 합금판(1)의 두께 감소를 억제하여, 적절한 형상 및 크기를 가진 너깃이 형성된다. 또한, 공정 용융의 효과와 더불어 양호한 접합 이음매를 얻을 수 있다.

제3 실시예는 도5의 (a)에 도시된다. 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 0.8 mm의 아연 도금 강판(2)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서로 포갠 3매 묶음의 접합을 실시하였다. 또한, 에폭시계의 열경화 수지로 이루어진 시일재(S)를 알루미늄 합금판(1)과 아연 도금 강판(2)의 계면에 배치하였다.

도1의 (b)에 도시된 스폿 용접 장치를 사용하여 450 kgf의 가압력을 가한 것 이외에는, 상기 제1 실시예와 동일한 조작을 반복하였다. 직경(Ds) = 5 mm인 너깃(Ns)이 동종재 계면에 형성되고, 직경(Dd) = 8 mm인 너깃(Nd)이 이종재 계면에 형성되었다.

이종재 사이에 시일재(S)가 끼움 지지되어 이종재끼리의 직접 접촉에 의한 전기 부식이 방지된다. 시일재의 전기 저항에 의해 이종재 계면에서의 저항 발열이 증가되어 이종재 계면에 너깃이 형성되는 것이 촉진된다. 또한, 접합 계면으로부터 알루미늄의 산화 피막을 원활하게 배출하는 동시에, 알루미늄 합금판(1)의 두께 감소를 억제하여 양호한 접합 이음매를 얻을 수 있다. 이종재 계면 및 동종재 계면에 적절한 형상 및 크기를 가지는 너깃이 형성된다.

제4 실시예에서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 0.8 mm의 아연 도금 강판(2)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서로 포갠 3매 묶음의 접합을 실시하였다. 이때, 이종재 계면의 접촉 저항을 증가시키기 위해, 알루미늄 합금판(1)의 접합 표면에 알루미나 페이스트를 얇게 도포하였다.

도1의 (b)에 도시된 스폿 용접 장치를 사용하여 초기 전류를 6000 A로 한 것 이외에는, 제1 실시예와 동일한 조작을 반복하였다. 동종재 계면에는 직경(Ds) = 5 mm인 너깃(Ns)이 형성되고, 이종재 계면에는 직경(Dd) = 7 mm인 너깃(Nd)이 형성되었다.

본 실시예에서는 이종재 계면에 알루미나가 개재됨으로써, 저항 발열과 함께 알루미늄 합금판(1)과 아연 도금 강판(2) 사이의 전기 저항이 증가되었다. 이에 따라 너깃이 계면에 형성되는 것을 촉진한다. 또한, 각 실시예와 마찬가지로, 아연 도금층(2p)의 개재를 기초로 하는 공정 용융의 작용에 의해 산화 피막이 원활하게 배출될 수 있고, 양호한 접합 이음매를 얻을 수 있다.

이종재의 향상된 접합의 예를 들기 위하여, 제1 비교예가 기재된다. 제1 실시예와 마찬가지로, 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 0.8 mm의 아연 도금 강판(2)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서대로 포갠 3매 묶음의 접합을 실시하였다.

도1의 (a)에 도시된 교류 전원 타입의 스폿 용접 장치와 상기와 동일한 전극(E1 및 E2)을 이용하여 접합을 실행하여 동종재 계면의 너깃이 적절한 크기가 된다. 240 kgf의 가압력을 가하면서, 12000 A의 교류 전류를 0.16초간 통전하였다.

이 결과, 동종재 계면에는 직경(Ds) = 6 mm인 너깃(Ns)이 형성되고, 이종재 계면에는 직경(Dd) = 3 mm인 너깃(Nd)이 형성되었다.

다른 비교를 위해, 제2 비교예를 기재한다. 제1 비교예와 마찬가지의 3매 묶음의 접합을 실시할 때, 이하의 점만 제외하고는 제1 비교예와 마찬가지의 조작이 반복되었다. 이종재 계면에서의 너깃이 적절한 크기가 되도록, 240 kgf의 가압력을 가하면서 22000 A의 교류 전류를 0.16초간 통전하였다. 이에 의해, 본 예의 이종 금속 접합 이음매를 얻었다.

이 결과, 동종재 계면에는 직경(Ds) = 8 mm인 너깃(Ns)이 형성되었다. 그러나, 이종재 계면에는, 일단부에 너깃이 형성되었다. 이에 따라, 알루미늄 합금판(1)에 두께 감소가 일어나 알루미늄 합금판(1)이 전극(E1)에 용착된다. 또한, 알루미늄 합금판(1)에 구멍이 형성되어 이종재 계면에 적절한 너깃이 형성되지 않았다.

제1 내지 제4 실시예, 제1 및 제2 비교예에 있어서, 각 계면에 생기는 너깃 형성 상태나 피접합재의 두께 감소 상태의 비교 결과를 표1에 나타낸다.

그 결과, 제1 내지 제4 실시예에 있어서는, 이종재 계면 및 동종재 계면의 너깃의 크기가 적절하고, 두께 감소가 일어나지 않았다. 반면에, 제1 비교예에 있어서는, 동종재 계면에 적절한 너깃이 형성되지만, 발열 부족으로 인해 이종재 계면에는 적절한 크기의 너깃이 형성되지 않는다. 또한, 제2 비교예에 있어서는, 이종재 계면에 적절한 크기의 너깃을 형성하는데 충분한 전류가 흐르면, 알루미늄 합금판에 두께 감소가 발생하여 양호한 접합 이음매를 얻을 수 없게 되는 것이 판명되었다.

구분	재료 조합	전류 변화	너깃의 생성 상태		두께 감소 상태
구분	재료 조합	전류 변화	이종재 계면	동종재 계면	두께 감소 상태
제1 비교예	6000계 Al 합금 + 아연 도금 강판 + 나강판	없음 (소전류)	소	적정	적정
제2 비교예	6000계 Al 합금 + 아연 도금 강판 + 나강판	없음 (대전류)	-	과잉	현저
제1 실시예	6000계 Al 합금 + 아연 도금 강판 + 나강판	있음	적정	적정	적정
제2 실시예	6000계 Al 합금 + 아연 도금 강판 + 나강판 (Al 합금 조면화)	있음	적정	적정	적정
제3 실시예	6000계 Al 합금 + 아연 도금 강판 + 나강판 (시일재 배치)	있음	적정	적정	적정
제4 실시예	6000계 Al 합금 + 아연 도금 강판 + 나강판 (알루미나 페이스트 도포)	있음	적정	적정	적정

제5 실시예가 도6의 (a)에 도시된다. 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 1.0 mm의 나강판(4)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서대로 포갠 3매 묶음의 접합을 실시하였다.

제1 실시예와 마찬가지로 동일한 조작이 반복되었기 때문에, 도6의 (b)에 도시된 바와 같이, 동종재 계면에는 직경(Ds) = 5 mm인 너깃(Ns)이 형성되고, 이종재 계면에는 직경(Dd) = 7 mm인 너깃(Nd)이 형성되었다.

알루미늄 합금판(1)과 접합하는 강재로서, 본 실시예에서는 아연 도금 강판(2) 대신에 나강판(4)이 이용되었다. 따라서, 공정 용융이 발생하지 않고 알루미늄 합금판 표면의 산화 피막의 제거가 어려워진다. 이로 인해, 너깃에 산화 알루미늄이 잔류하여 접합 강도를 약간 저하시킨다.

제6 실시예가 도7의 (a)에 도시된다. 판 두께 1.0 mm의 6000계 알루미늄 합금판(1)과, 판 두께 0.8 mm의 용융 아연 도금 강판(2)과, 판 두께 0.8 mm의 나강판(5)과, 판 두께 1.2 mm의 나강판(3)을 이 순서대로 포갠 4매 묶음의 접합을 실시하였다.

도1의 (b)에 도시한 스폿 용접 장치를 사용하여 450 kgf의 가압력을 가하고 모니터링 장치(M)에 의해 동종재 계면의 접촉 저항을 모니터링하면서, 우선 4000 A의 교류 전류를 통전한다. 여기에서, 용융 아연 강판(2)과 나강판(3) 사이의 접촉저항을 모니터링한다. 각 실시예와 마찬가지로, 모니터링된 저항치가 초기 접촉 저항치의 20%의 값으로 저하된 경우, 교류전류를 22000 A로 증가시켜 합계 0.16초간 통전시킨다.

이에 의해, 도7의 (b)에 도시된 바와 같이, 아연 도금 강판(2)의 동종재 계면에 직경(Ds1) = 5 mm인 너깃(Ns1)이 형성되었다. 또한, 나강판(5)과 나강판(3)의 동종재 계면에 직경(Ds2) = 5 mm인 너깃(Ns2)이 형성되었다. 또한, 알루미늄 합금판(1)과 아연 도금 강판(2)로 이루어지는 이종재 계면에 직경(Dd) = 7 mm인 너깃(Nd)이 형성되었다.

이와 같이, 4매 묶음의 접합인 경우에도, 아연 도금 강판을 이용함으로써 접합 계면으로부터 알루미늄의 산화 박막을 원활하게 배출함과 동시에, 알루미늄 합금판(1)의 두께 감소를 억제하고 2개의 동종재 계면과 이종재 계면에 적절한 형상과 치수의 너깃을 형성하여 양호한 접합 이음매를 얻을 수 있었다.

전술한 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기술된 것으로 본 발명을 제한하지는 않는다. 반면에, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되는 다양한 변형예 및 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 법하에 인정되는 그러한 모든 변형예 및 균등물을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

도1의 (a) 및 (b)는 교류 전원 타입의 저항 용접 장치와 접촉 저항의 모니터링 장치를 구비한 저항 용접 장치의 각각의 전체도이다.

도2는 Al-Zn계 2원 상태도를 나타내는 그래프이다.

도3의 (a) 내지 (f)는 이종재 계면에 시일재를 개재한 상태에서 공정 용융을 이용한 접합 과정을 도시하는 개략도이다.

도4의 (a) 및 (b)는 3매 묶음의 접합 과정의 제1, 제2 및 제4 실시예를 나타대는 단면 설명도이다.

도5의 (a) 및 (b)는 이종재 계면에 시일재를 개재시킨 3매 묶음의 접합 과정의 제3 실시예를 나타내는 단면 설명도이다.

도6의 (a) 및 (b)는 제5 실시예의 나강판을 이용한 3매 묶음의 접합 과정을 도시하는 단면 설명도이다.

도7의 (a) 및 (b)는 4매 묶음의 접합과정의 제6 실시예를 나타내는 단면 설명도이다.

Claims

이종 금속 재료의 접합 방법이며,

제1 금속 재료인 2매 이상의 판재와, 제1 금속 재료보다 낮은 융점을 갖는 제2 금속 재료인 1매 이상의 판재로 된 복수의 판재를 중첩하여 이종재 계면 및 동종재 계면을 형성하고,

이종재 계면의 접촉 저항이 동종재 계면의 접촉 저항보다 낮은 저항 용접에 의해 포갬 이음매를 형성하고,

3매 이상의 복수의 중첩된 판재를 통해 제1 전류를 통전하여 동종재 계면에 너깃을 형성하고,

3매 이상의 복수의 중첩된 판재를 통해 제1 전류보다 큰 제2 전류를 통전하여 이종재 계면에 너깃을 형성하는 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 전류를 통전하는 동안 동종재 계면의 접촉 저항을 모니터링하고,

동종재 계면의 접촉 저항의 저하에 따라서 제1 전류를 제2 전류로 절환하는 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 전류 및 제2 전류를 통전하기 전에 이종재 계면을 형성하는 1매 이상의 판재의 표면을 거칠게 하고, 그 표면의 거칠기는 동종재 계면을 형성하는 1매 이상의 판재의 표면 거칠기보다 큰 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 전류 및 제2 전류를 통전하기 전에 동종재 계면을 형성하는 1매 이상의 판재의 표면을 평탄하게 하고, 그 표면의 거칠기는 이종재 계면을 형성하는 1매 이상의 판재의 표면 거칠기보다 미세한 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 전류 및 제2 전류를 통전하기 전에 이종재 계면의 전기 저항을 높이는 재료를 이종재 계면에 개재시키는 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 전류 및 제2 전류를 통전하기 전에 이종재 계면에 시일재를 개재시키는 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 금속 재료는 강이고 제2 금속 재료는 알루미늄 합금인 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 금속 재료는 강이고 제2 금속 재료는 마그네슘 합금인 이종 금속 재료의 접합 방법.
제1항에 있어서, 제1 전류 및 제2 전류를 통전하기 전에 이종재 계면을 형성하는 1매 이상의 판재와 공정 용융이 생기는 재료를 이종재 계면에 개재시키는 이 종 금속 재료의 접합 방법.
제9항에 있어서, 제1 전류 및 제2 전류를 통전하기 전에 상기 개재된 재료와 이종재 계면을 형성하는 또 다른 판재 사이에 시일재를 도입시키는 이종 금속 재료의 접합 방법.
제6항에 있어서, 상기 개재된 재료는 이종재 계면을 형성하는 제1 금속 재료의 표면에 도금된 재료인 이종 금속 재료의 접합 방법.
제11항에 있어서, 상기 도금된 재료는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 아연(Zn) 중 하나 이상인 이종 금속 재료의 접합 방법.
제11항에 기재된 이종 금속 재료의 접합 방법에 의해 얻어지는 이종 금속 재료의 접합 구조.
이종 금속 재료의 접합 구조이며,

제1 금속 재료의 둘 이상의 판 층과,

제1 금속 재료보다 낮은 융점을 갖는 제2 금속 재료의 하나 이상의 판 층과,

제1 금속 재료의 판 층과 제2 금속 재료의 판 층 사이의 이종재 계면과,

이종재 계면의 접촉 저항이 동종재 계면의 접촉 저항보다 낮은 제1 금속 재 료의 인접하는 판 층 사이의 동종재 계면과,

이종재 계면에 형성되고 제1 직경을 갖는 너깃과,

동종재 계면에 형성되고 제2 직경을 갖는 너깃을 포함하고,

상기 제1 직경은 상기 제2 직경 이상인 이종 금속 재료의 접합 구조.
제14항에 있어서,

제1 금속 재료의 둘 이상의 판 층의 두께가 t1이고, 제2 금속 재료의 하나 이상의 판 층의 두께가 t2이고, 제1 직경(Dd)은 4.4√t1＜ Dd ＜12√t1의 범위에 있고, 제2 직경(Ds)은 4√t2 ＜ Ds ＜7√t2의 범위에 있는 이종 금속 재료의 접합 구조.
제15항에 기재된 이종 금속 재료의 접합 구조를 포함하는 차량용 부품.