KR20120135966A - 스폿 용접용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스폿 용접용 전극에 관한 것으로, 특히 전극의 선단 면 중심 내부에 용접시 부피가 팽창하는 용융용접부의 일부를 수용하는 용융용접부 수용 홈을 구비하여 스폿용접시 용접부위에서 용융에 의해 형성되는 너깃(nugget)이 외부로 이탈하는 것을 방지하도록 함으로써, 용접 모재의 평활도 및 외관미 향상과 품질저하를 방지하는 스폿 용접용 전극에 관한 것이다. 구성은 스폿 용접용 전극으로서, 두 개의 용접 모재를 겹쳐놓고, 상기 용접 모재를 위아래에서 접지한 후, 압력을 가하면서 전류를 통하여 상기 용접 모재와의 접촉부를 가열시켜 온도가 올라갔을 때, 다시 압력을 가해 점 모양으로 용접하는 전극의 선단면 중앙부에 용융용접부 수용 홈을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

스폿 용접용 전극{a spot welding electrode}

본 발명은 스폿 용접용 전극에 관한 것으로, 특히 전극의 선단 면 중심 내부에 용접시 부피가 팽창하는 용융용접부의 일부를 수용하는 용융용접부 수용 홈을 구비하여 스폿용접시 용접부위에서 용융에 의해 형성되는 너깃(nugget)이 외부로 이탈하는 것을 방지하도록 함으로써, 용접 모재의 평활도 및 외관미 향상과 품질저하를 방지하는 스폿 용접용 전극에 관한 것이다.

일반적으로 용접(鎔(熔)接, welding)은, 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 고체 사이에 직접 결합이 되도록 접합시키는 방법으로 융접법과 압접법이 있다.

상기 융접법은 접합부에 금속재료를 가열.용융시켜 서로 다른 두 재료의 원자 결합을 재배열하여 결합시키는 방법으로 아크용접, 가스용접, 저항용접, 특수용접 등이 있다.

또, 상기 압접법은 접합부에 외부의 강한 물리적 압력을 가해 접합하는 방법으로 가스압접이나 단접(鍛接)처럼 압력을 가하는 동시에 가열하는 방법을 특히 가열압접 또는 고온압접이라고 한다.

상기 아크용접은, 피복금속(被覆金屬)아크용접?서브머지드아크용접?비활성기체용접 등이 있다. 피복금속아크용접은 용접하고자 하는 것, 즉 모재(母材)와 피복용접봉 사이에 전압을 걸어서 발생하는 아크의 열로 용접하는 가장 일반적인 용접법이다.

여기서, 용접봉은 녹아서 모재의 녹은 것과 섞여 모재와 모재의 접합부의 틈을 메워 굳어서 용착금속이 된다. 서브머지드아크용접은 긴 줄로 되어 있는 피복하지 않은 용접봉을 일정한 속도로 공급하고, 그 끝과 모재 사이에 생기는 아크의 열로 용접부를 녹여서 자동적으로 용접하는 방법이다. 이 경우 유리질인 특수한 입상(粒狀) 플럭스에 의해서 아크가 직접 보이지 않는 것이 특색이며, 이 때문에 밖에서는 아크를 볼 수 없다. 비활성기체용접에는 MIG와 TIG가 있는데, TIG는 전극이 거의 소모되지 않는다. 아르곤아크?헬리아크 등은 TIG의 상품명이고, 시그마라고 하는 것은 MIG의 일종의 상품명이다.

또, 상기 가스용접은, 가스의 연소열로 용접부의 금속을 녹이는 용접법으로, 산소-아세틸렌 용접이 가장 일반적이다. 중성불꽃이 보통 사용되지만, 산소와 아세틸렌의 혼합비를 조절할 수도 있다. 발생하는 온도는 3,000℃ 정도로 아크용접의 6,000℃보다 낮다. 그밖에 아르곤?질소?헬륨?수소 등이 쓰인다.

또한, 상기 저항용접은, 접합부에 큰 전류를 단시간 보내어 접촉부의 저항발열에 의해서 이 부분을 국부적으로 녹여서 용접하는 방법이다. 보통 접합부를 가압한다. 간격을 두고 접점이 접합하는 점용접(spot welding)과 이것들을 잇는 심용접(seam welding) 외에 프로젝션용접?초음파용접?마찰용접 등이 있다.

그리고, 상기 특수용접은, 전자빔용접?레이저용접?로봇용접 등이 이에 해당하는데, 용접기술이 급속도로 발전하면서 새롭게 등장한 용접법이다. 고에너지 밀도용접법이라고도 한다.

상기한 용접 중 저항 용접은, 맞대기 용접, 스폿 용접(spot welding), 씸 용접(Seam welding), 프로젝션 용접(projection welding) 등으로 나뉜다.

상기 스폿용접은, 2개 또는 그 이상의 용접 모재(금속)를 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode)의 사이에 홀딩한 상태로 둔다. 예로써, 중첩된 용접 모재를 두 전극 사이에 가압상태로 배치한다.

다음에 두 전극에 전류를 공급하면 용접 모재와 애노드 전극과 캐소드 전극의 접촉 부위에서 접촉 저항에 의한 저항 발열이 발생한다.

이러한 저항 발열로 용접 모재를 가열시키고, 상기 용접 모재가 가열됨에 따라 용접될 부위 즉, 용접 모재의 접합 면의 중앙으로부터 용융이 개시된다. 이때 접합 면의 중앙에 용융되어 바둑돌 모양의 접합 부위가 생기는데, 이 부위를 너깃(nugget)이라 한다.

그리고, 적정 용융 온도에 도달하면, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 일정 압력이 가해진다. 즉, 수직방향으로 압력을 가한다. 그러면 접촉 부위가 밀착된 후 변형된다.

마지막으로 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극을 용접 부위에서 떼면, 전류 흐름이 정지되어 용접이 완료된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 스폿 용접용 전극은 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(120)으로 이루어지는 전극(100)은, 평면 또는 개략 반원형의 곡면으로 형성되어 있기 때문에 스폿용접시 상부에 위치하는 상부 용접 모재(130) 및 하부에 위치하는 하부 용접 모재(140)와 접촉되는 용접부위의 상 변화( 고체→액체→고체) 중, 액체상태를 이루는 시점에 애노드 전극(110) 또는 캐소드 전극(120)의 가압력에 의해 용접 부위에 형성되는 용융 너깃(150)이 부피 팽창에 의해 외부로 이탈됨과 동시에 불티가 발생하여 비산하게 된다.

이러한 용접 부위에서 형성되는 액체 상태의 너깃(150)의 이탈과 이로 인해 발생하는 불티의 비산은, 용접부위에 작용하는 애노드 전극(110) 또는 캐소드 전극(120)의 가압력과 용융된 상부에 위치하는 용접 모재(130) 및, 하부에 위치하는 용접 모재(140)의 사이에서 부피 팽창력 차이에 의해 발생하게 된다.

이에 따라, 용접 모재의 변형을 유발하고, 이러한 변형이 누적되면서 용접 모재의 일부는 함몰되거나 융기되어 평활도와 감성품질이 저하되는 문제점이 있다.

또, 불티의 비산은 너깃(nugget) 형성의 저해 요인으로 작용하여 용접 후 용접 모재의 인장 강도를 약하게 하는 등의 문제점이 있다.

또한, 종래의 스폿 용접용 전극은 용접부위와 접촉되는 단면적이 크기 때문에 외부 하중 작용시 균열의 진전 속도가 빠르고, 피로도가 증가하여 내구성이 저하됨과 동시에 고전류, 긴 통전 시간을 요하는 영역의 용접이 어려운 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스폿용접시 너깃이 형성되는 용접부위를 전극에 형성된 용융용접부 수용 홈의 내측으로 유도, 수용함으로써, 용융되는 용접부위의 부피 팽창으로 인한 외부 이탈을 방지하여 스폿용접이 적용되는 철도차량의 사이드 패널과 같은 용접 모재의 외관 평활도 및 미려도를 향상시키고, 또 불티의 발생을 방지하여서 인장 강도가 향상되도록 함으로써, 용접 품질을 만족시킬 수 있는 스폿용접용 전극을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스폿 용접용 전극으로서, 두 개의 용접 모재를 겹쳐놓고, 상기 용접 모재를 위, 아래에서 접지한 후, 압력을 가하면서 전류를 통하여 상기 용접 모재와의 접촉부를 가열시켜 온도가 올라갔을 때, 다시 압력을 가해 점 모양으로 용접하는 전극의 선단면 중앙부에 용융용접부 수용 홈을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어지고, 상기 용융용접부 수용 홈은 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극 중, 어느 하나에 형성되거나 양쪽 모두에 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 용융용접부 수용 홈은 3Ø?5Ø의 범위로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 용융용접부 수용 홈은 내측과 외 측이 동일한 지름을 이루는 원형 또는 외 측에서부터 내측으로 점점 지름이 작아지는 원뿔형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 동합금으로 형성되며, 상기 용융용접부 수용 홈의 외 측 및 내측은 상기 동합금보다 강도가 높은 물질이면서 용접시 열전도율을 유지하는 금속물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 금속물질은 티타늄인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전극의 선단 면에 용접부위에 형성되는 너깃이 외 측으로 이탈하는 것을 방지하는 용융용접부 수용 홈을 통해 용융되어 부피가 팽창하는 용접부위의 일부를 수용 홈으로 유입되도록 하여 외부의 이탈과 불티의 비산을 방지하고, 또 상, 하부 용접 모재의 분리를 방지함으로써, 용접 모재의 변형을 최소화하거나 방지하여 용접 품질을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 용접부위에 형성되는 너깃의 형성 저해 요인으로 작용하는 불티의 비산 현상이 발생 되지 않으므로, 용접 후 품질을 최적화해준다. 예로써, 용접 후 용접 모재의 인장 강도를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 스폿 용접용 전극 및 전극의 사용 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 의해 용접된 상, 하부 용접 모재의 용접부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 의해 용접된 상부 용접 모재의 평면 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전극 및 전극의 사용 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용융용접부 수용 홈이 형성된 전극의 저면 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에 의해 용접된 상부 용접 모재의 평면 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 종래 스폿 용접용 전극과 본 발명에 따른 스폿 용접용 전극의 용접후, 피로시험한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 스폿 용접용 전극의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 4 내지, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명은 스폿 용접용 전극(200)으로서 애노드 전극(210)과 캐소드 전극(220)으로 이루어지고, 상기 애노드 전극(210)의 선단 면 중앙부에는 용융용접부 수용 홈(211)이 형성된다.

상기 용용용접부 수용 홈(211)은, 상기 애노드 전극(210)에 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 애노드 전극(210) 또는 캐소드 전극(220) 중, 어느 하나에 형성되거나, 애노드 전극(210)과 캐소드 전극(220) 양쪽 모두에 형성될 수 있다.

여기서, 상기 용융용접부 수용 홈(211)은, 상부와 하부에 위치하는 두 개 이상으로 결합 되는 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)를 겹쳐놓고, 상기 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)를 애노드 전극(210)과 캐소드 전극(220)이 위아래에서 접지한 후, 압력을 가하면서 전류를 통하여 상기 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)와의 접촉부를 가열시켜 온도가 올라갔을 때, 다시 압력을 가해 점 모양으로 용접할 때 발생하는 용융상태의 용접부위에 형성되는 너깃(150)으로 인해 부피 팽창되는 용접부위의 일부분을 수용하여 용접부위가 외부로 이탈되지 않도록 포용하는 역할을 한다.

상기 전극(200)은 동합금으로 형성된다. 예로써, 크롬-구리(Cr-Cu) 합금으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 용융용접부 수용 홈(211)은 지름이 3Ø?5Ø의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 용융용접부 수용 홈(211)의 지름을 한정하는 이유는, 상기 용융용접부 수용 홈(211)의 지름(직경)을 1Ø?6Ø로 다양하게 형성하여 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)를 스폿 용접했을 때, 2Ø이하의 지름으로 형성한 경우, 너깃(150)의 부피 팽창력 상쇄가 어려워 불티의 비산 현상이 발생하고, 또 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)가 상호 분리(sheet separation)되는 현상의 개선이 불가능하였다.

또, 상기 용융용접부 수용 홈(211)의 지름(직경)을 6Ø이상으로 형성했을 경우, 상, 하부 용접 모재(130),(140)와 용접 선단경의 정렬(alignment)이 맞지 않아 용접 품질, 예컨대 인장 전단강도, 너깃 사이즈 등의 균일한 확보가 어려웠고, 상, 하부 용접 모재(130),(140)의 외면이 많이 함몰되는 문제점이 발생하였다.

따라서, 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)의 변형을 최소화하고 용접 품질을 극대화하는 애노드 전극(210)의 용융용접부 수용 홈(211)은 지름이 3Ø?5Ø로 형성하는 것이 바람직하나, 더 바람직하게는 3Ø를 이루도록 하는 것이 좋다.

또, 상기 용융용접부 수용 홈(211)은 내측과 외 측이 동일한 지름을 이루는 원형을 이루거나, 또는 외 측에서부터 내측으로 점점 지름이 작아지는 원뿔형으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 용융용접부 수용 홈(211)의 형태는 용접 부위에서 용융시 형성되는 너깃(150)을 용융용접부 수용 홈(211)의 내측으로 좀 더 용이하게 유입되도록 유도하여 너깃(150)이 부피 팽창에 의해 외부로 이탈하는 것을 방지하도록 할 수 있기 때문이다.

즉, 스폿 용접시 상기 애노드 전극(210)과 캐소드 전극(220)의 가압력(F_E)보다 용융 너깃(150)의 부피 팽창력(F_N)이 더 크게 될 경우, 용융용접부의 일부가 튀어 이탈하는 불티 현상과 용접 모재의 변형이 발생하는 것을 방지하게 된다.

또한, 상기 전극(200)의 애노드 전극(210)에 형성된 용융용접부 수용 홈(211)의 외 측 및 내측은 동합금보다 강도가 높은 물질이면서 용접시 열전도율을 유지하는 금속물질로 형성하는 것이 좋으며, 다양한 금속물질 중 티타늄 등과 같은 것을 적용하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 애노드 전극(210)에 용융용접부 수용 홈(211)을 형성하는 하나의 방법으로는, 용융용접부 수용 홈(211)이 형성될 부위에 용융용접부 수용 홈(211)의 지름보다 큰 캐비티(cavity)를 마련한다. 그리고 외경이 상기 캐비티의 내경에 일치하면서 내부에는 상기 용융용접부 수용 홈(211)을 형성시킨 티타늄 삽입물을 마련한다. 이어, 티타늄 삽입물을 캐비티에 삽입시켜 애노드 전극(210)을 성형한다. 물론, 티타늄 삽입물을 캐비티에 삽입한 후에 열처리 등을 수행할 수도 있다.

또, 상기 용융용접부 수용 홈(211)을 다양한 공구, 기계, 장치 등을 이용하여 가공한 후에 홈 부위에만 티타늄을 충분한 두께로 도금시켜 완성할 수도 있고, 이외 다양한 방법으로 용융용접부 수용 홈(211)을 형성할 수 있을 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 용융용접부 수용 홈이 제공된 전극으로 스폿용접을 하게 되면 2개 이상으로 겹쳐지도록 형성되는 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)의 상부와 하부로 애노드 전극(210)과 캐소드 전극(220)을 위치시킨 후, 상기 상,하부 용접 모재(130),(140)가 지그 등에 의해 고정된 상태에서 상,하부 용접 모재(130),(140)에 대한 가열을 위해 전극(200)에 용접을 위한 전류를 공급하고 가압한다.

이에 따라, 상기 애노드 전극(210) 및 캐소드 전극(220)에 전류가 통하게 되면, 상,하부 용접 모재(130),(140)와 애노드 전극(210) 및 캐소드 전극(220)의 접촉 부위에서 접촉 저항에 의한 저항 발열이 발생한다.

상기 저항 발열로 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)를 가열시키고, 상기 상부 용접 모재(130)와 하부 용접 모재(140)가 가열되면서 용접될 부위 즉, 상,하부 용접 모재(130),(140)의 접합 면의 중앙으로부터 용융이 개시되면서 바둑돌 모양의 너깃(150) 형성으로 용접이 이루어진다.

이때, 상기 용융용접부 수용 홈(211)으로 용융되어 부피가 팽창하는 용접부위의 일부가 유입, 수용된다.

이와 같이 용융용접부 수용 홈(211)을 구비한 애노드 전극(210)은, 스폿용접시 고전류, 긴 통전시간을 요하는 영역에서도 용접이 가능하고, 발생 열량은 많으면서도 용접시 상부 용접 모재(130)와의 접촉 부위 단면적이 줄어들기 때문에 전류 밀도를 낮게 유지시켜 준다.

따라서, 용접 중에 용융 상태에서 발생할 수 있는 불티는 발생하지 않는다. 즉, 용접 중 고체 상태의 금속이 용융 상태로 변화할 때 부피가 팽창하여 커지는 현상에서 불티가 발생하는데, 애노드 전극(210)에 구비된 용융용접부 수용 홈(211)이 부피의 팽창력을 상쇄시켜 불티의 발생과 비산을 차단하고 용접이 완료되어 상,하부 용접 모재(130),(140)의 용접부위가 완전히 냉각된 후에는 상,하부 용접 모재(130),(140) 상호 간의 간격이 벌어지는 스프링 백 현상(분리)을 현저히 낮추거나 방지하게 된다.

또, 본 발명에 따른 전극(200)은 상,하부 용접 모재(130),(140)의 용접부와 접촉하는 단면적의 감소로 외부 하중 작용시 균열(크랙) 진전 속도를 늦춰 피로도를 감소시켜 전극의 수명을 향상시킬 수 있다.

이러한 것은, 도 7의 기존 전극과 본 발명에 따른 전극을 이용하여 용접을 실시한 후, 피로도를 시험한 그래프에서 차이를 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 용접시 전극의 피로 수명의 향상뿐만 아니라 다양한 외적 변수에 대한 용접 품질을 확보할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

200 : 전극(電極, electrode) 210 : 애노드 전극
211 : 용융용접부 수용 홈 220 : 캐소드 전극

Claims (6)

1. 스폿 용접용 전극으로서,
   두 개의 용접 모재를 겹쳐놓고, 상기 용접 모재를 위아래에서 접지한 후, 압력을 가하면서 전류를 통하여 상기 용접 모재와의 접촉부를 가열시켜 온도가 올라갔을 때, 다시 압력을 가해 점 모양으로 용접하는 전극의 선단면 중앙부에 용융용접부 수용 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 스폿용접용 전극.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극으로 이루어지고, 상기 용융용접부 수용 홈은 상기 캐소드 전극 또는 애노드 전극 중, 어느 하나에 형성되거나 양쪽 모두에 형성되는 것을 특징으로 하는 스폿용접용 전극.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 용융용접부 수용 홈은 3Ø?6Ø의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 스폿용접용 전극.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 용융용접부 수용 홈은 내측과 외 측이 동일한 지름을 이루는 원형 또는 외 측에서부터 내측으로 점점 지름이 작아지는 원뿔형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스폿용접용 전극.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 전극은 동합금으로 형성되며, 상기 용융용접부 수용 홈의 외 측 및 내측은 상기 동합금보다 강도가 높은 물질이면서 용접시 열전도율을 유지하는 금속물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 스폿용접용 전극.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 금속물질은 티타늄인 것을 특징으로 하는 스폿용접용 전극.

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