KR20140018482A

KR20140018482A - 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법

Info

Publication number: KR20140018482A
Application number: KR1020120084146A
Authority: KR
Inventors: 이원배; 윤상만
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-13

Abstract

본 발명의 일측면인 복수의 소재를 접합하기 위한 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법에 따르면, 외판재와, 두께 및 강도가 상기 외판재보다 큰 하나 이상의 보강재 및 내판재가 차례로 쌓여 이루어진 3겹 이상의 판재를 접합하기 위한 용접방법에 있어서, 상기 보강재 및 내판재가 접합되도록 저항점용접(RSW)을 실시하는 단계 및 상기 외판재 및 보강재가 접합되도록 마찰교반용접(FSW)을 실시하는 단계를 포함하는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법이 제공된다.

Description

다겹 이음부의 하이브리드 용접방법 {HYBRID WELDING METHOD OF MULTY-LAYERED JOINT}

본 발명은 복수의 소재를 접합할 수 있는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 고강도 자동차 부품등의 제조시에 적용할 수 있는 3겹 이상의 판재를 접합할 수 있는 하이브리드 용접방법에 대한 것이다.

최근의 차체 경량화 및 고유가에 따른 연료절감 추세에 따라, 자동차용 부재 등의 고강도 경량화 제조기술에 대한 요구는 갈수록 증가하고 있다. 따라서, 용도 및 목적에 부합하는 자동차용 부재 등을 제조하기 위한 측면에서, 재질이 상이하거나 두께 및 강도가 다른 복수의 판재를 접합시키는 방법은, 지속적인 연구가 필요한 분야이다.

그 중 3겹 이상의 고강도강 판재의 이음부를 접합하기 위한 기술로서, 자동차 업계에서는 일반적으로 저항 점용접(RSW; Resistance Spot Welding)을 사용해 왔다. 저항 점용접은 자동화가 용이하고 대량 생산 공정에 적합한 측면 때문에 현재까지도 자동차 생산 공정에서 가장 많이 사용되고 있다.

도 1은 2겹의 피접합재를 용접하는 경우에 적용된, 일반적인 저항 점용접의 원리를 나타내는 모식도이다. 도 1을 참조하여 저항 점용접의 원리를 설명한다. 두 전극(11, 12) 사이에 놓인 금속 소재(13, 14)의 상하에서 압력(P)을 가한 상태에서 kA 단위의 큰 전류(i)를 인가한다. 이 때, 전극(11, 12) 및 피접합 금속(13, 14)의 접촉면(b, d, f)에서 발생하는 접촉저항과 피접합금속의 고유저항에 의해 열이 발생하고, 이로 인하여 금속이 가열되어 용융한 이후에 냉각응고되어 접합이 이루어 지는 것이다. 이 때, 용접과정 중 투입되는 전체 입열량은 주울법칙(Q=i²Rt)에 의해 용접전류(i), 전기저항(R), 용접시간(t)에 비례한다.

따라서, 용접전류(i)가 너무 과다하게 되면 입열량이 증가하게 되어, 용접중인 금속 소재의 표면에서 용융금속의 날림 현상(Surface Expulsion)이 발생하게 된다. 상기 날림현상은 저항이 상대적으로 낮은 저두께, 저강도 합금계면에서 주로 발생하며, 너깃(Nugget, 용접접합부)이 생성되기 전에 이루어진다. 따라서, 저항점용접을 통해 소재의 접합을 실시할 경우, 상기 날림현상이 발생하지 않도록 제어하면서, 너깃의 크기가 적절하게 형성되도록 하는 것이 매우 중요하다. 이는, 용접부의 강도에 직접적으로 영향을 미치는 인자들이기 때문이다.

그러나 저항점용접을 3겹 이상의 피용접재 간 이음부에 적용할 경우, 각 판재의 성분 및 두께에 따라 내부의 저항값(소재 고유저항 + 접촉 저항)이 다르기 때문에 발생하는 문제점이 있다. 즉, 통상적으로 고강도 판재가 쓰이는 후물재의 계면에서는 저항 발열이 발생하여 너깃(Nugget)이 형성되며, 상대적으로 저강도 판재가 쓰이는 박물재의 계면에서는 용접부가 형성되기 전에 날림현상(Expulsion)이 발생할 수 있다. 이 때, 바람직한 용접부의 강도확보를 위해, 상기 날림현상의 발생을 가능한 피하고, 적정한 너깃의 직경을 얻을 수 있는 조건을 만족하는 전류범위에서만 용접을 실시해야만 한다. 이때, 상기 조건은 3겹 이상의 각각의 피용접재마다 상이하기 때문에, 용접이 이루어지는 용접전류범위가 2중, 3중으로 한정되어 매우 협소해질 수 밖에 없다. 그로 인해, 다겹 소재의 접합을 위한 저항점용접은 용접 조건이 까다롭다는 한계를 가진다.

특히, 아연도금강판과 같이 표면에 아연층이 형성된 도금강재의 경우에는 상술한 바와 같이 날림현상이 발생하는 전류 범위 이상의 조건에서 용접을 실시할 경우, 용접부 표면에 균열이 발생할 수 있고 이로 인해 용접부 표면의 미관을 해치게 되고 부식 특성이 악화되는 단점도 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1 내지 5에서는 다단 통전을 실시하고, 추가적으로 다단 통전시의 가압력 및 전류의 크기를 제어함으로써 접합부의 강도를 안정적으로 확보하기 위한 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 6 내지 8에서는 가압력을 일정하게 유지시킨 채, 용접부를 피막처리하거나, 전극 개선 또는 전류의 크기를 제어함으로써 접합부의 강도를 확보할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

그러나 상기 특허문헌 1 내지 8의 기술은 용접부의 강도를 확보하기 위한 기술일 뿐, 근본적으로 본 용접방법이 가지는 용접전류의 까다로운 한계 범위에 대한 문제를 극복하지는 못하는 것이다. 따라서, 난용접성 강재에 대하여 상기 저항점용접방법을 적용하기 위한 방안에 대한 추가적인 연구가 필요한 실정이었다.

한편, 이러한 자동차용 부재의 제조에 활용되는 고강도강 판재의 다겹이음부에 대해, 상기 단점이 존재하는 저항점용접을 대체할 수 있는, 마찰교반을 이용한 용접방법에 대한 연구가 진행되었다.

마찰교반 용접(FSW, Friction Stir Welding)이란, 접합하고자 하는 피접합재에 접합 툴(Tool)을 사용하여 마찰원리에 의하여 적당한 양의 열을 발생시키고, 접합하고자 하는 부재의 마찰부위에 소성변형을 일으킴으로써 접합하는 용접방법이다. 이러한 접합방법은 일반적인 용융용접과 대비할 때, 재료를 녹이지 않고 고상 상태(융점의 80%정도)에서 이루어지기 때문에 접합부의 물성이 우수하다는 장점이 있다.

도 2는 통상의 마찰교반 용접과정에서, 피접합재의 접합부에 용접 툴(21)의 회전운동에 의한 마찰이 가해지는 모양을 도시한 모식도이다. 또한, 도 3은 통상의 마찰교반 용접시, 피접합재의 접합부의 소성변화과정 및 접합원리를 도시한 모식도이다.

구체적으로는, 접합하고자 하는 피접합재에 비해 경질인 프로브(Probe)가 구비된 접합 툴(Tool)을, 피접합재의 접합부에 진입시키면서 주기적인 회전운동 또는 궤도 왕복운동 등을 시킴으로써, 접합부에 마찰이 가해진다. 이 때, 피접합재의 접합부에서 마찰열이 발생되어 접합부가 소성유동되고, 이 소성유동된 부분이 굳어짐에 따라 복수의 피접합재가 서로 접합되게 하는 용접방법이 마찰교반 용접법이다.

그러나, 상기의 마찰교반 용접법을 고강도강 판재에 적용할 때, 상기 접합 툴의 마모도 및 용접시간이 문제된다. 상기 접합 툴은 피접합재에 직접 접촉하여 마찰 및 교반작업을 반복해야 하기 때문에, 그 과정에서 고강도 강판과의 마찰로 인하여 크게 마모되어 빈번한 교체가 문제된다. 또한, 고강도 판재의 경우 마찰열에 의한 소성화가 되기까지의 시간이 지나치게 길어지게 된다는 문제점이 있었다. 따라서, 상기의 마찰교반 용접법은 고상용접으로 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있음에도, 산업적인 적용은 거의 불가능한 상황이었다.

이를 개선하기 위한 기술로서 특허문헌 9가 있다. 이 발명은, 피접합재에 접촉하는 핀(Pin)부와 일체적으로 구성된 접합툴(Tool)에 있어서, 핀부를 포함한 외주부분을 질화규소(Si₃N₄)계 세라믹으로 된 피막으로 덮어줌으로써 고온 영역에서의 경도의 저하를 억제하여, 피접합재와의 마찰에 대한 강도의 저하를 억제하도록 하고 있다.

또 다른 기술로는 특허문헌 10이 있다. 이 발명은, 접합 툴의 표면에 다이아몬드로 된 피막을 형성시켜, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 동 합금 등으로 된 피접합재의 성분이 접합 툴에 용착되거나 합금화되는 것을 방지하여, 접합 툴의 장기 수명화를 도모하도록 한 것이다.

그러나, 상기 특허문헌 9에 기재된 피막이 형성된 핀부를 포함하는 접합 툴은, 피접합재와의 마찰에 의한 발열에 의해 접합 툴을 구성하는 재료가 화학적으로 분해되어, 그 구성원소가 피접합재에 확산되는 현상이 발생하였다. 그로 인해, 접합 툴의 숄더부 및 핀부와 같은, 피접합재에 직접적인 접촉을 해서 교반구동력을 발생시키는 부위가 현저히 마모되는 문제점이 있다.

또한, 상기 특허문헌 10의 다이아몬드 피막이 형성된 접합 툴 역시도, 피접합재가 철강재료인 경우, 피막의 구성원소인 탄소가 철강재료와 화학반응을 해버린다는 문제가 있었다.

따라서, 마찰교반 용접에 의한 접합방법의 산업화까지는 여전히 상기한 것과 같은 문제에 대한 해결책이 필요한 실정이었다. 또한, 상기한 것과 같은 종래의 접합 툴에 대한 물성을 개선하는 방법만으로는 근본적인 문제의 해결이 쉽지 않아, 다른 측면에서의 접근이 필요한 시점이었다.

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본 발명의 일 측면은, 복수의 소재를 접합하기 위한 용접방법에 있어서, 저항점용접의 가용 전류범위가 협소함으로 인해 발생하는 문제, 마찰교반 용접법의 접합 툴의 마모로 인한 짧은 교체주기의 문제 및 용접시간 지연문제를 동시에 해결할 수 있으면서도, 용접부의 강도가 우수한 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법을 제공하고자 하는 것이다.

덧붙여 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시 형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 복수의 소재를 접합시키기 위한 용접방법에 있어서, 저항점용접방법의 문제점인 전류범위가 협소하여 재질 및 두께가 상이한 다겹이음부 접합시에 적용이 어려운 문제를 해소할 수 있고, 마찰교반용접방법에 사용되는 접합 툴의 마모를 크게 줄이고, 용접 시간의 단축을 꾀할 수 있다. 또한, 동시에 접합부의 강도를 기존의 저항점용접방법 또는 마찰교반용접방법에 의한 접합부 강도 수준으로 유지할 수 있다. 이로써, 종래의 업계에서 강판의 다겹이음부 용접이 어려웠던 문제들을 일거에 모두 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 저항 점용접의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 2는 일반적인 마찰교반 용접시의 접합부 및 접합 툴(Tool)을 도시한 모식도이다.
도 3은 일반적인 마찰교반 용접시의 피접합재의 접합부의 소성변화과정 및 접합원리를 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 측면에서 개시하는 하이브리드 용접방법에 따른 복수의 피접합 판재가 접합되는 과정의 단면도를 나타낸 그림이다. (a)는 1차 저항점용접, (b)는 1차 저항점용접 후 2차 교반형 툴을 사용한 마찰교반용접, (c)는 1차 저항점용접 후 2차 압착형 툴을 사용한 마찰교반용접이 이뤄지는 과정에 대한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 적용할 수 있는, 마찰교반 용접의 교반형 툴(Tool)(a) 및 압착형 툴(Tool)(b)의 일실시예의 모식도이다.

본 발명자들은 차체의 부품 제조 등에 빈번히 사용되는 다겹 판재의 접합기술에 있어서 발생하는 다양한 문제점들을 해결하는 것이 중요한 과제임을 인지하였다. 즉, 저항점용접(RSW)에서 발생하는 다겹이음부의 접합시 적용할 수 있는 전류범위가 협소한 문제 및 마찰교반용접에서 고강도 판재에 적용할 때 나타나는 접합 툴의 마모문제 및 접합 시간의 문제를 극복하는 것에 집중하였다. 그리하여, 접합부의 강도를 확보하면서도 상기의 문제점을 해결할 수 있는 다겹이음부의 용접방법에 관하여 심도있게 연구한 끝에 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일측면인, 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법에 대하여 실시예와 함께 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면은, 외판재와, 보강재 및 내판재가 차례로 쌓여 이루어진 3겹 이상의 판재를 접합하기 위한 용접방법에 대한 것으로, 본 발명의 적용에 적합한 상기 외판재의 강도 및 두께는 상기 보강재 및 내판재의 강도 및 두께보다 작은 것이 바람직하다. 실질적으로 자동차 부재등에 사용되는 3겹이상의 다겹 판재 접합재는 상기와 같은 특징을 갖는 판재간의 결합에 의해 제조되며, 본 발명의 일 측면인 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법 또한 이를 고려하여 착안하였기 때문이다.

본 발명의 일 측면인 하이브리드 용접방법에 따르면, 먼저 상기 보강재 및 내판재가 접합되도록 저항점용접(RSW; Resistance Spot Welding)을 실시하고, 외판재 및 보강재가 접합되도록 마찰교반용접(FSW; Friction Stir Welding)을 실시하는 것을 포함한다.

먼저, 상기 보강재와 내판재를 접합시키는 저항점용접을 실시하는 단계를 고찰해 보면, 상기 저항점용접을 하는 방법 및 장치는, 저항점용접에 적용되는 통상의 방법 및 장치에 따라서, 피용접재를 접합할 수 있는 것이면 특별히 한정하지 아니한다.

또한, 상기 저항점용접을 실시하는 단계는, 상기 보강재와 내판재간 경계면 및, 복수의 보강재가 사용될 경우 상기 복수의 보강재간 경계면을 포함하는 영역에 너깃이 생기도록 실시하는 것이 바람직하다. 이는, 상기 너깃의 직경이 상기의 경계면을 포함하는 영역에 걸쳐 형성되어야, 하나 이상의 보강재 및 내판재간의 이음부의 접합이 안정적으로 형성되기 때문이다. 저항점용접시 형성된 너깃의 직경은 용접부의 강도를 결정하는데 중요한 요인이 된다.

또한, 상기 저항점용접을 실시하는 단계는, 날림(Expulsion)현상이 발생하지 않는 전류범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 날림현상이 발생할 경우, 용접부의 강도가 크게 저하되고, 도금소재의 피용접재를 사용할 경우, 용접부 표면에 균열이 발생할 수 있기 때문이다. 저항점용접시 날림 현상의 제어 또한, 상기 너깃의 직경과 함께 용접부의 강도를 좌우하는 중요한 요인이 된다.

또한, 상기 저항점용접을 실시하는 단계는, 다단통전을 실시하여 접합하는 것이 바람직하다. 이는, 다단통전을 실시하여 접합함으로써 입열량을 제어하여 날림을 방지하는 효과가 있기 때문이다.

본래 상기와 같은 3겹이상의 이음부를 동시접합시키기 위하여 저항점용접을 실시할 경우, 외판재와 보강재 및 내판재의 재질 및 두께가 각각 크게 상이하여 판재의 물성(특히 저항값)이 모두 달라지게 된다. 따라서, 3겹이상의 이음부를 동시접합할 수 있는 적절한 크기의 너겟을 형성하고, 두께가 얇고 강도가 약한 외판재와 보강재 사이 경계면에서 날림(Expulsion) 현상이 발생하지 않도록, 각 판재의 저항값에 맞는 적절한 전류의 범위를 설정하는 것이 중요하다. 이 때, 상기 외판재, 보강재 및 내판재의 각각의 저항조건에 따라 3종류 이상의 판재에 발생하는 너겟 및 날림현상을 공통적으로 제어할 수 있는 전류범위를 설정하는 것은 매우 까다로운 작업이다. 또한, 이 과정에서 적용가능한 전류범위가 좁아지는 문제가 있음은 상기한 바와 같다. 특히, 그 두께가 얇고 강도가 작아서, 물성이 크게 상이한 외판재로 인해, 상기 현상을 제어하는 과정에서 적용가능한 전류범위는 크게 협소해지게 된다.

그러나, 본 발명의 일 측면에서 개시하는 하이브리드 용접방법의 저항점용접방법에 따르면, 외판재를 제외한, 보강재 및 내판재만을 우선적으로 접합시킨다. 따라서, 두께가 두껍고 강도가 높으며 그 물성이 상대적으로 유사한 보강재 및 내판재만을 용접할 경우, 적용가능한 전류범위가 3겹 이상을 동시에 접합시키기 위한 경우(특히, 강도 및 두께가 크게 상이한 외판재를 함께 접합시키는 경우)보다 상대적으로 훨씬 넓어지는 효과가 있다.

다음으로, 상기 외판재와 보강재를 접합시키는 마찰교반용접(FSW; Friction Stir Welding)을 실시하는 단계 대하여 고찰해 보면, 이 때, 상기 마찰교반용접을 하는 방법은 마찰교반용접에 적용되는 통상의 방법에 따라서 피용접재를 접합할 수 있는 것이면 특별히 한정하지 아니한다.

이 때, 상기 마찰교반용접의 접합 툴의 삽입은 외판재 쪽에서부터 접촉하여 이음부 안쪽의 보강재 및 내판재 방향으로 삽입하는 것이 바람직하다. 이는, 마찰교반용접시 가장 크게 문제되는 접합 툴의 마모도를 경감시키기 위한 까닭이다. 즉, 상기의 저항점용접 단계에 의해, 마찰교반용접을 하기 전에 하나 이상의 보강재 및 내판재 간에는 접합이 이뤄져 있는 상태가 된다. 따라서, 상기 용접 툴은 외판재 쪽에서 접촉하여 외판재 및 보강재간의 경계에서만 접합을 형성할 수 있는 깊이까지만 삽입되면 충분하기 때문이다.

또한 이 때, 상기 마찰교반용접의 접합 툴의 삽입 깊이는 외판재 두께의 1/2 깊이 이상, 외판재와 닿아있는 보강재(보강재가 다겹일 경우, 최초적층된 보강재) 두께의 1/2 깊이 이하인 것이 바람직하다. 이는, 외판재 두께의 1/2 깊이 미만으로 삽입될 경우, 외판재 및 외판재와 닿아있는 최초 보강재간의 접합이 충분한 강도로 형성되지 않을 수 있기 때문이다. 또한, 외판재와 닿아있는 보강재 두께의 1/2 깊이를 초과하여 상기 접합 툴이 삽입될 경우, 고강도인 보강재와의 마찰로 인해 접합 툴의 수명이 크게 줄어들기 때문이다. 따라서, 충분한 강도의 접합이 이뤄지면서도 접합 툴의 수명이 크게 줄어들지 않는 범위인 상기 범위내에서, 접합툴이 삽입되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마찰교반용접의 접합 툴은 교반형 툴 또는 압착형 툴에 의해 이뤄지는 것이 바람직하다. 이 때, 교반형 툴은 그 단면의 윗변이 아랫변보다 더 긴 모양의 사다리꼴형인 형태이며, 압착형 툴은 그 단면이 직사각형 형태인 것이 더욱 바람직하다. 상기의 교반형 툴 및 압착형 툴은 피용접재에 압착된 채로 회전되어 교반되면서 피용접재간의 용접부를 형성하게 된다.

이 때, 상기의 교반형 툴에 비해, 압착형 툴을 사용할 경우, 접합부의 강도는 다소 줄어드는 대신, 툴의 수명이 크게 증가하는 측면이 있다. 교반형 툴은 소재내부로 툴이 침투하면서 계면의 양소재를 교반시키는데 비해, 압착형 툴은 단순히 외측 판재를 밀어붙임으로써 압착을 시키는 압접 형태가 형성된다. 통상적인 압접 형태는 교반 형태에 비해 접합강도가 다소 줄어들지만, 본 발명과 같은 외판재(박물재)의 접합과정에서는 충분한 정도의 강도를 확보할 수 있어 문제되지 않는다. 한편, 상기 압착형 툴에 의한 용접은 판재를 밀어붙임과 동시에 회전구동이 가해지면서 이뤄질 수도 있다.

도 4는 상기한 본 발명의 일 측면에서 개시하는 하이브리드 용접방법에 따라서, 3겹의 피접합 판재가 접합되는 과정을 단면도로서 나타낸 그림이다. (a)는 1차 저항점용접, (b)는 1차 저항점용접 후 2차 교반형 툴을 사용한 마찰교반용접, (c)는 1차 저항점용접 후 2차 압착형 툴을 사용한 마찰교반용접이 이뤄지는 과정에 대한 것이다.

또한, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 적용할 수 있는, 마찰교반 용접의 교반형 툴(Tool)(a) 및 압착형 툴(Tool)(b) 의 일실시예를 도시한 그림이다.

이와 같이 본 발명에서 제안하는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법에 따르면, 다겹이음부의 접합방법에 있어서 저항점용접방법의 문제점인 적용 전류범위가 좁다는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 마찰교반 용접방법의 장점인 고상용접에 의한 고강도를 유지하면서도, 산업화에 문제가 되던 접합 툴의 마모 및 용접시간에 대한 문제를 동시에 해결할 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

( 실시예 )

본 발명의 실시예에서는, 실재 자동차용 부재로 쓰이는 고강도 판재를 3겹 사용하여 3겹 이음 용접을 실시하였다. 외판재로는 300MPa급의 0.75mm 두께의 강재(저강도, 저두께), 내판재와 보강재로는 980MPa급의 1.4mm 두께의 동일한 강재(고강도, 고두께)를 사용하여 순차적으로 적층하였다. 이 때의 강재는 표면이 모두 아연이 용융도금되어 있는 것으로 사용하였다.

먼저 저항점용접공정을 적용하여, 보강재/내판재간의 저항점용접을 실시하였다. 적용된 접합조건은 전극가압력이 3.5kN, 적용 전류가 5~6.5kA였으며, 다단통전을 실시하여 1차통전시간 15cycles, 휴지시간 2 cycles, 2차 통전시간 20cycle 을 주어 접합부를 형성하였다.

그 다음으로, 1차 점용접된 시험편을 2가지 형태의 접합 툴(Tool)을 이용하여 회전수 700, 1050, 1600rpm에서, 접합 tool의 삽입깊이를 0.5~1.5mm로 하여 마찰교반용접을 실시하였다. 접합시간은 총 10초이내로 하였다. 상기 2가지 형태의 접합 툴은 교반형 툴 및 압착형 툴 모두 탄소(C) 및 텅스텐(W)에 코발트(Co)가 약 10%이상 포함된 초경합금으로 이루어 진 것을 사용하였다.

도 5에는 본 실험에서 사용된 접합 툴의 두가지 형태(교반형(a) 및 압착형(b) 툴)의 단면도를 개시하였다.

이 후, 상기 조건하에서 접합이 된 접합부를 통상의 방법에 따라 측정한 십자 인장강도를 통해 용접부의 강도를 확인하였다. 또한, 상기 방법에 따른 용접을 반복 실시하여, 접합 툴의 마모현상 및 더 이상 접합이 이뤄지지 않기까지의 접합 툴의 수명을 관찰하였다. 또한, 접합부 파단 현상을 관찰하여, 접합부 조직의 건전성을 확인하였다.

이에 대한 결과를 하기 표 1에 함께 기재하였다.

각 경우에 따른 구체적인 분석내용은 하기와 같다.

본 발명의 일 측면인 하이브리드 접합방법에 따라, 교반형 툴을 적용한 결과, 4.3kN의 용접부 십자인장 강도를 얻었으며, 압착형 툴을 적용한 결과 4.1kN의 용접부 십자인장 강도를 얻을 수 있었다.

또한, 적용된 접합 툴의 수명은 교반형 tool의 경우, 50회 이상 실시한 경우 tool이 마모가 일부 진행되었으며 100회 실시후에는 접합부 강도 확보가 곤란하였다. 한편, 압착형 tool의 경우 100회 이상 실시하여도 마모가 거의 없었다.

상기의 측정된 십자인장강도 및 관찰된 접합 툴의 수명을 통해, 압착형 툴을 사용할 경우, 교반형 툴에 비해 그 강도는 다소 저하되나, 수명은 최소한 2배이상 증가됨을 확인할 수 있었다. 상기 압착형 및 교반형 툴은 그 용접부가 포함된 소재의 적용영역에 따라 대체되어 사용될 수 있을 것이다.

접합부의 파단 형상은 교반형 툴 및 압착형 툴을 적용한 경우 모두 버튼형(Button)으로 관찰되었으며, 이는 접합부가 건전하여 접합상태가 양호함을 의미한다. 즉, 어떠한 형태의 접합 툴을 사용하더라도 건전한 조직상태의 용접부를 얻을 수 있음을 의미한다.

11: 상부전극
12: 하부전극
13: 상부 금속 소재
14: 하부 금속 소재
21: 접합 툴(Tool)
23: 상부 금속 판재
24: 하부 금속 판재
41: 외판재
42: 보강재
43: 내판재
44: 너깃(Nugget)

Claims

외판재와, 두께 및 강도가 상기 외판재보다 큰 하나 이상의 보강재 및 내판재가 차례로 쌓여 이루어진 3겹 이상의 판재를 접합하기 위한 용접방법에 있어서,
상기 보강재 및 내판재가 접합되도록 저항점용접을 실시하는 단계 및
상기 외판재 및 보강재가 접합되도록 마찰교반용접을 실시하는 단계를 포함하는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.
청구항 1에 있어서
상기 저항점용접을 실시하는 단계는, 상기 보강재와 내판재간 경계면 및, 복수의 보강재가 사용될 경우 상기 복수의 보강재간 경계면을 포함하는 영역에 너깃이 생기도록 실시하는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저항점용접을 실시하는 단계는, 날림(Expulsion)현상이 발생하지 않는 전류범위에서 이루어지는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저항점용접을 실시하는 단계는, 다단통전을 실시하여 접합하는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마찰교반용접의 접합 툴은 교반형 툴 또는 압착형 툴에 의해 이뤄지는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마찰교반용접의 접합 툴의 삽입은, 외판재 쪽에서부터 접촉하여 이음부 안쪽의 보강재 및 내판재 방향으로 삽입하는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.
청구항 6에 있어서
상기 마찰교반용접의 접합 툴의 삽입은, 외판재 두께의 1/2 깊이 이상 외판재와 닿아있는 최초 보강재 두께의 1/2 깊이 이하까지 이뤄지는 다겹 이음부의 하이브리드 용접방법.