KR20160140813A

KR20160140813A - 스폿 용접 방법

Info

Publication number: KR20160140813A
Application number: KR1020167030054A
Authority: KR
Inventors: 세이지 후루사코; 야스노부 미야자키; 히토미 니시바타; 야스오 다카하시
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2015-05-01
Publication date: 2016-12-07
Also published as: MX2016014260A; US20170080515A1; JPWO2015170687A1; JP6428893B2; CN106255566B; CN106255566A; KR20180026547A; CN108857013A; KR101849488B1; CN108857013B; KR102005687B1; MX2021001014A; JP6256601B2; WO2015170687A1; JP2018030178A; US10730134B2; US20200316707A1

Abstract

본 발명에 관한 스폿 용접 방법은, 예비 통전, 제1 통전, 제2 통전, 제3 통전의 각 공정을 갖는다.
·예비 통전: 강판간의 접촉면의 융화를 개선하여, 판 간극을 경감시키는 것을 목적으로 하고, 서서히 용접 전류를 증가시키는(예를 들어, 업 슬로프 형상) 통전 방법. 급격하게 전류를 부하하면 국소적으로 통전하여, 그 부분이 용융됨으로써 플래시가 발생하므로, 서서히(예를 들어, 업 슬로프 형상으로) 통전하여, 국소 가열을 회피하는 통전 방법.
·제1 통전: 예비 통전에 의해 강판간의 접촉면이 융화되고, 접촉면이 융화된 부분에서 일정한 용접 전류를 통전하여, 강판간의 전기적인 접촉 저항에 의한 발열에 의해 너깃을 생성시키는 통전 방법.
·제2 통전: 제1 통전보다 낮은 전류로 하여, 중간 플래시를 억제하면서, 너깃을 직경 방향으로 성장시키는 통전 방법.
·제3 통전: 제2 통전 공정에서, 너깃 직경이 어느 정도의 크기로 된 시점에서, 제2 통전보다 높은 전류로 하여, 직경 방향뿐만 아니라, 주로 판 두께 방향으로 너깃을 성장시키는 통전 방법.

Description

스폿 용접 방법 {SPOT WELDING METHOD}

본 발명은, 복수의 강판을 겹쳐 접합하는 스폿 용접 방법에 관한 것이다.

종래부터, 자동차 분야의 주요한 용접법은 스폿 용접이며, 강판끼리를 스폿 용접으로 접합하여, 차체의 조립이나 부품의 제조를 행하고 있다.

예를 들어, 자동차 차체에 있어서, 외측의 의장성이 높은 패널 부품에는 성형성이나 도장성이 우수한 연강판이 사용되고, 내부의 강도·강성을 담보하는 골격 부품에는 고강도 강판이 사용된다. 통상, 연강판은 판 두께가 비교적 얇고, 고강도 강판은 판 두께가 비교적 두꺼운 것이 적용된다.

따라서, 얇은 연강판과 두꺼운 고강도강 강판을 스폿 용접으로 접합하는 부위가 발생하게 된다. 이때, 박판과 후판의 계면에서 너깃(용접 금속)이 충분히 형성되지 않는 경우가 있다.

특허문헌 1에는, 복수 매의 강판을 저항 스폿 용접으로 접합할 때, 저항 스폿 용접을 2단계로 행하고, 제2단의 용접을, 제1단의 용접에 비해, 높은 가압력, 저전류 또는 동일한 전류, 긴 통전 시간 또는 동일한 통전 시간으로 행하는 것이 제안되어 있다.

그러나, 특허문헌 1의 방법에서는, 제1단의 용접 시의 가압력이 낮으므로, 강판 사이에 판 간극(강판간의 간극)이 존재하고, 또한 판 두께비(＝총 판 두께(㎜)/가장 얇은 판 두께(㎜))가 큰 경우, 박판과 후판의 계면에서 너깃이 충분히 형성되지 않아, 원하는 조인트 강도가 얻어지지 않는 경우가 있다.

특허문헌 2에는, 적어도 1매의 고장력 강판을 포함하는 복수의 강판을 겹쳐 저항 용접하는 고장력 강판의 저항 용접 방법이 제안되어 있다. 구체적으로는, 통전에 의해 3√t 이상 5√t 이하(t: 강판의 최소 판 두께(㎜))의 너깃 직경을 갖는 너깃을 형성하는 제1 공정과, 그 후에 용접 전류를 강하하는 제2 공정과, 또한 그 후에 제1 공정의 용접 전류보다 큰 용접 전류를 통전하여 상기 너깃을 확대하는 제3 공정을 갖는 고장력 강판의 저항 용접 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 2의 방법에서는, 제2 공정에서 가압력을 증대시키지만, 판 간극이 있고, 또한 판 두께비가 높은 경우, 원하는 너깃 직경을 확보하는 것이 곤란하다.

특허문헌 3에는, 적어도 1매의 고장력 강판을 포함하는, 복수의 강판을 겹쳐 저항 용접하는 고장력 강판의 저항 용접 방법이 제안되어 있다. 구체적으로는, 통전에 의해 소정의 너깃 직경을 갖는 너깃을 형성하는 제1 공정과, 그 후에 용접 전류를 강하하는 제2 공정과, 또한 그 후에 제1 공정의 용접 전류보다 큰 용접 전류를 통전함과 함께 제1 공정의 가압력보다 큰 가압력을 부여하여 너깃을 확대하는 제3 공정을 갖는 고장력 강판의 저항 용접 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 3의 방법에서는, 너깃을 확대하기 위해, 제3 공정에서, 제1 공정의 가압력보다 큰 가압력을 부여하고 있지만, 특허문헌 2의 방법과 마찬가지로, 판 간극이 있고, 또한 판 두께비가 높은 경우, 원하는 너깃 직경을 확보하는 것이 곤란하다.

특허문헌 4에는, 각 강판 사이에 간극(G)(≤2(㎜))을 갖는 3매 이상의 강판을 다단 통전으로 스폿 용접하는 방법이며, 제1 통전을 업 슬로프 통전으로 행하고, 이어서 제2 통전을 소요의 통전 시간 및 전류값으로 행하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 4의 방법에서는, 제2단의 전류를 제1단의 최대 전류보다 작게 하므로, 박판과 후판의 계면의 용융이 불충분해져, 소요 형상의 너깃이 얻어지지 않아, 원하는 조인트 강도가 얻어지지 않는 경우가 있다.

이와 같이, 판 간극이 있고, 또한 판 두께비가 높은 복수 강판의 겹침의 경우, 박강판과 후강판의 접촉 계면을 충분히 용융하여, 너깃을 충분히 형성하는 것이 어려워, 원하는 조인트 강도가 얻어지지 않는 경우가 있다.

일본 특허 공개 제2005-262259호 공보 일본 특허 공개 제2010-207909호 공보 일본 특허 공개 제2010-247215호 공보 일본 특허 공개 제2013-188752호 공보

자동차 부재에 있어서는, 판 두께가 상이할 뿐만 아니라, 도장성이나 가공성이 양호한 연강이나 고장력강과 같이 강도가 상이한 강판을 겹쳐 스폿 용접(저항 용접)을 행하는 경우가 많아지고 있다(겹친 복수의 강판을 판조라고 칭함.). 즉, 박판과 후판, 연강과 고장력강이 복잡하게 조합되고, 용접되게 된다. 자동차 부재에서는, 다양한 형상으로 프레스된 강판이 사용된다. 그러나, 프레스 성형 후에 스프링백이라고 불리는 탄성 변형이 발생한다. 특히 고장력강에 있어서는, 스프링백이 커, 강판을 겹쳤을 때에 판 간극이 커진다. 강판을 겹쳐 조합한 경우, 최대 2㎜ 정도의 판 간극이 발생하는 경우가 있다. 스폿 용접에서는, 판 간극이 크고, 가압력이 충분하지 않은 경우, 통전 전의 강판의 접촉 면적이 작아진다. 이 경우, 통전 경로가 좁아, 즉 전류 밀도가 높아지므로, 국소에서 급격하게 용융이 진행되어, 플래시가 발생한다고 하는 문제가 있다.

한편, 복수 매의 강판을 겹쳐 스폿 용접하는 경우, 통상, 판 두께 방향의 대략 중심에 너깃이 형성된다. 이것은, 스폿 용접 전극에 의해 열 제거되어 전극에 가까워질수록 온도가 저하되는 것이 주된 이유이다. 따라서, 전극측에 판 두께가 얇은 강판을 배치한 경우, 박판과 그것에 인접하는 강판의 계면에 너깃이 형성되기 어려워진다.

자동차 부재의 경우, 표면에 얇은 연강판을 배치하는 부위가 있어, 그 이웃에 배치하는 고장력강과의 스폿 용접성이 문제가 되고 있다. 즉, 판 두께비(겹친 강판의 판 두께의 총합/가장 얇은 강판의 판 두께)가 크고, 또한 가장 판 두께가 얇은 강판이 스폿 용접의 전극측에 배치되어 있는 경우가 가장 문제가 된다. 특허문헌 2, 3은, 고장력강의 스폿 용접 시에, 3 공정의 통전 패턴을 제안하고 있다. 즉, 예비 통전(제1 공정)에 의해 강판의 접촉면을 확보함으로써 통전 초기의 플래시를 해소하고, 용접 전류를 낮춘 통전(제2 공정)과, 또한 제1 공정보다 용접 전류를 올린 통전(제3 공정)에 의해, 통전 중기부터 후기에 걸쳐 발생하는 중간 플래시를 억제하고 있다. 그러나, 판 두께에 관한 과제 인식이 없어, 판 두께비가 큰 경우의 문제 해결은 할 수 없다.

특허문헌 4는, 판 간극을 갖고, 판 두께가 얇은 강판을 전극측에 배치하는 경우의 스폿 용접 방법을 제안하고 있지만, 제2 통전에서의 용접 전류를 낮추고 있기 때문에, 적정한 너깃 직경을 확보할 수 없고, 또한 용접 시간도 길어지므로 실용적이지 않다.

본 발명은, 이들 문제를 해결하는 것을 과제로 한다.

즉, 복수의 강판을 겹친 스폿 용접에 있어서, 강판 사이에 간극(판 간극)이 최대 2㎜ 정도 있고, 또한 판 두께비(겹친 강판의 판 두께의 총합/가장 얇은 강판의 판 두께)가 큰 경우라도, 적절한 용접 조인트를 얻는 것을 과제로 한다. 특히, 자동차 부재에의 적용을 목적으로 하고, 최외층(가장 전극측)에 비교적 얇은 강판을 배치한 경우라도 적용할 수 있는 스폿 용접을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하는 방법에 대해 예의 검토하였다. 그 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(a)

스폿 용접에 있어서의 너깃 생성 메커니즘을 고찰하여, 플래시 발생이 없고, 적절하게 너깃을 생성하여 성장시키는 통전 패턴을 발견하였다.

·예비 통전:

강판간의 접촉을 촉진하여, 판 간극을 경감시키는 것을 목적으로 하고, 서서히 용접 전류를 증가시키는(예를 들어, 업 슬로프 형상) 통전 방법. 급격하게 전류를 부하하면 국소적으로 통전되어, 그 부분이 급속하게 용융됨으로써 플래시가 발생하므로, 서서히(예를 들어, 업 슬로프 형상으로) 통전하여, 국소 가열을 회피하는 통전 방법이다.

·제1 통전:

예비 통전에 의해 강판 사이에 일정한 접촉면을 확보하고, 또한 접촉 저항이 잔존하는 조건하에서, 높고 일정한 용접 전류를 통전하여, 플래시를 억제하면서, 강판간의 전기적인 접촉 저항에 의한 발열에 의해 박판-후판 사이를 용융시키는 통전 방법이다.

·제2 통전:

제1 통전보다 낮은 전류로 하여, 중간 플래시를 억제하면서, 너깃을 주로 직경 방향으로 성장시키는 통전 방법.

·제3 통전:

제2 통전 공정에서, 너깃 직경이 어느 정도의 크기로 된 시점에서, 제2 통전보다 높은 전류로 하여, 직경 방향뿐만 아니라, 특히 판 두께 방향으로도 너깃을 성장시키는 통전 방법.

(b)

본 발명자들은, 다수의 실험에 의해, 각 통전에 있어서의 통전 시간과 전류값을 강판의 판 두께나 판 간극을 파라미터로 하여 규정하는 것을 시도하였다. 그 결과, 강판의 스폿 용접에 있어서, 적절한 통전 시간, 용접 전류량을 규정할 수 있었다.

또한, 통전 시간은, 교류 전원 주파수에 따른 사이클 수로 규정한다. 입열량은 입력 전류값의 적분에 비례하고, 이들은 교류 전원 주파수에 의존하기 때문이다. 예를 들어, 50Hz의 교류 전원이면, 1 사이클＝1/50초에 상당한다.

·예비 통전

tu≥2×Ta²×Tg

단, Ta: 평균 판 두께(㎜)

(평균 판 두께 Ta는 판 두께의 총합을 2로 나누어 구한 값으로 정의함.)

Tg: 판 간극의 최댓값(㎜)

tu: 예비 통전 시간(사이클).

판 두께, 판 간극의 단위는 ㎜(이하 동일함.).

전류값은, 최대로 제1 통전의 전류량과 동일함.

·제1 통전

1≤t1≤7×Ta

단, t1: 제1 통전의 일정 통전 시간(사이클)

I1≤10√(Ta)＋2

단, I1은 제1 통전에서의 전류값이며, 단위는 kA.

·제2 통전

1≤t2

단, t2: 제2 통전 시간(사이클)

I2≤10√(Ta)

단, I2는 제2 통전에서의 전류값이며, 단위는 kA.

·제3 통전

5×Ta≤t3≤15×Ta

단, t3: 제3 통전 시간(사이클)

10√(Ta)＜I3

단, I3은 제3 통전에서의 전류값이며, 단위는 kA.

(C)

제3 통전에 있어서 너깃 성장을 촉진시킬 때, 급격한 성장 촉진은 플래시 발생의 위험성을 수반한다. 따라서, 제3 통전에 있어서도 서서히 증가하는 통전 패턴(예를 들어, 업 슬로프 형상)으로 함으로써, 플래시 발생을 억제하면서, 너깃의 성장을 촉진시킬 수 있는 것을 발견하였다.

(D)

너깃의 성장 시에, 전류만으로 제어하는 것이 아니라, 너깃 성장에 맞추어 전극에 의한 가압력을 변화시킴으로써, 더욱 적절한 너깃을 형성할 수 있는 것을 발견하였다.

특히, 제3 통전 시에 가압력을 낮춤으로써, 전극에 의한 냉각을 약화시켜, 판 두께 방향(전극 방향)으로의 너깃 성장을 촉진시킬 수 있는 것을 발견하였다. 그러나, 가압력을 지나치게 낮추면 플래시의 발생으로 이어지므로, 제1 통전이나 제2 통전에서의 가압력에 대해, 1/2 이상의 가압력으로 하는 것이 바람직하다.

(E)

또한, 제1 통전 공정과 제2 통전 공정의 사이, 및 제2 통전 공정과 제3 통전 공정의 사이 중 어느 하나 또는 양쪽에 냉각 공정(시간)을 마련하면, 용접부 전체가 냉각되어 너깃 성장을 일단 억제할 수 있어, 플래시의 억제에 효과가 있는 것을 발견하였다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1)

복수의 강판을 겹쳐 접합하는 스폿 용접 방법이며,

서서히 전류를 부하하는 예비 통전 공정과,

전류값 I1로 일정 통전을 행하는 제1 통전 공정과,

그 후, 전류값 I2로 통전을 행하는 제2 통전 공정과,

또한 그 후, 전류값 I3으로 통전을 행하는 제3 통전 공정을 갖고,

I1＞I2, 및 I2＜I3의 관계인 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.

단, I1, I2, I3의 단위는 kA로 함.

(2)

상기 복수의 강판의 판 두께의 합계와, 상기 복수의 강판 중 가장 판 두께가 얇은 강판의 판 두께의 비인 판 두께비가 4.5 이상인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 스폿 용접 방법.

(3)

상기 복수의 강판에 있어서, 가장 판 두께가 얇은 강판이 가장 외측으로 되도록 겹친 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 스폿 용접 방법.

(4)

상기 예비 통전 공정이, 업 슬로프 형상으로 용접 전류를 증가시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 방법.

(5)

상기 예비 통전 공정이, 펄세이션 통전인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 방법.

(6)

상기 예비 통전 공정의 업 슬로프 통전의 통전 시간이 1∼30사이클인 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 스폿 용접 방법.

(7)

상기 예비 통전 공정의 펄세이션 통전의 통전 시간이 1∼10사이클, 휴지 시간이 1∼5사이클인 것을 특징으로 하는 상기 (5)에 기재된 스폿 용접 방법.

(8)

상기 예비 통전 공정의 통전 시간을 tu, 상기 제1 통전 공정의 통전 시간을 t1로 하고, 강판의 판 두께의 총합을 2로 나누어 구한 값인 평균 판 두께를 Ta, 강판 간의 간극인 판 간극의 최댓값을 Tg로 하였을 때,

tu≥2Ta²Tg,

1≤t1≤7Ta

I1≤10√(Ta)＋2

의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 방법.

단, tu 및 t1의 단위는, 인가하는 교류 전류의 사이클 수로 하고,

Ta 및 Tg의 단위는 ㎜로 함.

(9)

상기 제2 통전의 통전 시간을 t2로 하였을 때,

1≤t2

I2≤10√(Ta)

의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 (8)에 기재된 스폿 용접 방법.

단, t2의 단위는, 인가하는 교류 전류의 사이클 수로 함.

(10)

상기 제3 통전의 통전 시간을 t3으로 하였을 때,

5Ta≤t3≤15Ta

10√(Ta)＜I3

의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 (8) 또는 (9)에 기재된 스폿 용접 방법.

단, t3의 단위는, 인가하는 교류 전류의 사이클 수로 함.

(11)

상기 제3 통전 공정에 있어서 용접 전류를 업 슬로프 형상으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (10) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 방법.

(12)

상기 제3 통전 공정 중에, 스폿 용접 전극에 의한 가압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (11) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 방법.

(13)

상기 감소시킨 후의 가압력을 P2, 감소시키기 전의 가압력을 P1로 하였을 때,

0.5×P1≤P2＜P1인 것을 특징으로 하는 (12)에 기재된 스폿 용접 방법.

(14)

상기 제1 통전 공정과 상기 제2 통전 공정의 사이, 및 상기 제2 통전 공정과 상기 제3 통전 공정의 사이 중 적어도 어느 한쪽에, 용접 전류를 흐르게 하지 않는 냉각 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 방법.

(15)

상기 냉각 공정의 냉각 시간이 10사이클 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (14)에 기재된 스폿 용접 방법.

본 발명에 따르면, 복수의 강판을 겹친 스폿 용접에 있어서, 강판 사이에 간극(판 간극)이 있고, 또한 판 두께비(겹친 강판의 판 두께의 총합/가장 얇은 강판의 판 두께)가 큰 경우라도, 적절한 용접 조인트를 얻는 것을 과제로 한다. 특히, 자동차 부재에의 적용을 목적으로 하고, 최외층(가장 전극측)에 비교적 얇은 강판을 배치한 경우라도 적용할 수 있는 스폿 용접을 제공할 수 있다.

특히, 복수의 강판이 고장력 강판을 포함하고, 또한 가장 판 두께가 얇은 강판이 가장 외측에 배치되도록 겹친 스폿 용접에 있어서, 그 효과가 발휘된다.

도 1은 본 발명의 통전 양태의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 관한 스폿 용접 조인트의 양태의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에서 형성한 용접 조인트의 일 양태를 광학 현미경으로 관찰한 단면 조직을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 통전 양태와 가압력의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 통전 양태와 가압력의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 통전 양태와 가압력의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 통전 양태와 가압력의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 통전 양태에서 냉각 공정을 갖는 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 통전 양태에서 냉각 공정을 갖는 다른 일례를 나타내는 도면이다.

본 발명의 스폿 용접 방법(이하 「본 발명 용접 방법」이라고 하는 경우가 있음.)은, 복수의 강판을 겹친 판조를 한 쌍의 스폿 용접 전극(본 명세서에 있어서, 단순히 「전극」이라고 하는 경우가 있음.) 사이에 끼움 지지하고, 그 전극으로 가압하면서 통전하여, 강판의 접촉부를 용융하여 접합하는 스폿 용접 방법이다.

본 발명 용접 방법에 있어서, 적용하는 강판은, 강종, 형태, 기계 특성 등에서는 특별히 한정되지 않는다. 어떠한 강종, 형태, 및/또는 기계 특성의 강판이라도, 통전 가능하면, 본 발명 용접 방법의 적용 대상이 된다. 강판의 형태에서는, 예를 들어 전기 도금 강판, 용융 도금 강판, 합금화 용융 도금 강판도, 본 발명 용접 방법의 적용 대상이 된다.

또한, 본 발명 방법에 있어서, 용접 전원은, 강판에, 소요의 사이클 수로 통전할 수 있는 전원이면 되고, 특정 전원에 한정되지 않는다. 단상 교류, 삼상 정류 외에, 직류 인버터도 용접 전원으로서 사용할 수 있다. 직류 인버터를 사용한 경우도, 본 발명 용접 방법의 효과를 달성할 수 있다.

도 1에, 본 발명 용접 방법의 통전 양태의 일례를 나타낸다.

본 발명에 관한 스폿 용접 방법은, 예비 통전 공정, 제1 통전 공정, 제2 통전 공정, 제3 통전 공정으로 구성된다. 본 발명에 사용하는 기호에 대해, 이하에 설명한다.

[전류]

제1 통전 공정에서의 전류값을 I1, 제2 통전 공정에서의 전류값을 I2, 제3 통전 공정에서의 전류값을 I3으로 하고, 단위는 모두 kA로 한다.

[통전 시간]

예비 통전 공정의 통전 시간을 tu, 제1 통전 공정의 통전 시간을 t1, 제2 통전 공정의 통전 시간을 t2, 제3 통전 공정의 통전 시간을 t3으로 하고, 단위는 모두 사이클 수로 한다. 여기서 사이클 수라 함은, 입력에 관한 교류 전원 파형의 사이클 수이다. 입열량은 입력 전류값의 적분에 비례하고, 이들은 교류 전원 주파수에 의존하기 때문이다. 예를 들어, 50Hz의 교류 전원이면, 1사이클＝1/50초에 상당한다. 용접 전원이 직류 인버터인 경우는, 인버터에 입력하는 교류 전원의 주파수로부터 도출되는 사이클 수로 한다.

[판 두께, 판 간극]

강판의 평균 판 두께를 Ta, 강판 간의 간극의 최댓값을 Tg(본 명세서에 있어서 「판 간극」이라고 칭하는 경우가 있음.)로 하고, 단위는 모두 ㎜로 한다. 전술한 바와 같이, 3매 이상의 판을 겹친 경우, 평균 판 두께 Ta는 판 두께의 총합을 2로 나누어 구한 값으로 정의한다.

판 간극 Tg는, 스폿 용접을 하는 부분에 대한 강판 간의 간극이며, 스폿 용접을 행하지 않는 부분의 강판간의 간극은 고려하지 않는다.

[판 두께비]

판 두께비는, 상기 복수의 강판의 판 두께의 합계와, 상기 복수의 강판 중 가장 판 두께가 얇은 강판의 판 두께의 비이다.

판 두께비＝(복수의 강판의 판 두께의 합계)/(가장 판 두께가 얇은 강판의 판 두께)

복수의 강판에 얇은 강판이 배치되고, 특히 가장 외측에 얇은 강판이 배치되된 경우, 전극에 의한 냉각 효과로 인해, 전극에 가까워질수록 온도가 저하되어, 너깃이 형성되기 어렵다. 본 발명은 그것을 해소하는 것이며, 판 두께비가 4.5 이상이면, 그 효과는 크다. 특별히 상한은 설정하지 않지만, 가장 외측에 가장 얇은 강판을 배치하고, 판 두께비가 10을 초과하면, 그 스폿 용접성이 악화되므로, 상한을 10으로 해도 된다.

다음으로, 통전 공정에 대해 설명한다.

[예비 통전 공정]

예비 통전 공정은, 강판 간의 접촉면을 서서히 확대시키는 것을 목적으로 하고, 서서히 용접 전류의 부하량을 증가시키는 공정이다(예를 들어, 업 슬로프 형상). 급격하게 전류를 부하하면, 국소적으로 접하고 있는 부분에 집중적으로 통전되게 되어, 그 부분이 급속하게 용융되어 플래시가 발생하므로, 서서히 전류량이 증가하도록(예를 들어, 업 슬로프 형상으로) 통전하여, 국소 가열을 회피하는 통전 방법이다.

서서히 용접 전류의 부하량을 증가시키는 방법은, 업 슬로프 형상(도 1, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7)으로 증가시키는 방법이 있다. 또한, 이 경우 전류값은 0부터 증가시켜도 되지만, 어느 특정 전류값으로부터 개시해도 된다.

그 밖에, 예를 들어 펄세이션 통전도 적용할 수 있다. 펄세이션 통전이면, 통전과 냉각을 교대로 행하고, 통전 시간과 냉각 시간을 조정함으로써, 입열량을 조정할 수 있기 때문이다.

펄세이션 통전의 전류 I0은, 제1 통전 공정의 전류 I1 미만으로 하고, 시간 t0 동안 계속한다. I0＝(0.5∼0.8)·I1이 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다. 전류 I0을 높게 설정하고, 계속 시간 t0을 짧게 해도 되고, 또한 전류 I0을 낮게 설정하고, 계속 시간 t0을 길게 해도 된다.

예를 들어, 통전 시간: 1∼10사이클, 휴지 시간: 1∼5사이클로 하여, 통전과 휴지를 반복함으로써, 업 슬로프 통전과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 통전 시간 및 휴지 시간은, 소요의 효과의 발현 정도를 고려하여, 적절하게 설정하면 된다.

통전 시간 tu는 1사이클 이상이면 된다. 통전 시간 tu가 1사이클 미만에서는 업 슬로프의 상기 효과가 얻어지지 않으므로, 1사이클 이상으로 한다.

바람직하게는, tu≥2×Ta²×Tg로 하는 것이 좋다. 본 발명자들은 각종 시험에 의해, 통전 시간과, 평균 판 두께 및 최대 판 간극 사이에 상관이 있는 것을 발견하고, 상기한 바와 같은 관계를 도출하였다.

[제1 통전 공정]

제1 통전 공정은, 예비 통전에 의해 강판 사이에 일정한 접촉면을 확보하고, 또한 접촉 저항이 잔존하는 조건하에서, 플래시를 억제하면서, 강판 간의 전기적인 접촉 저항에 의한 발열에 의해 박판-후판 사이를 용융시키기 위해, 높고 일정한 전류를 통전하는 공정이다. 업 슬로프 형상 등의 예비 통전에서 전류가 전류 I1에 도달한 후에는, 계속해서 전류 I1을 시간 t1로 통전한다. 전류 I1, 시간 t1의 통전에서, 강판 간의 접촉 저항을 이용하여, 박판-후판 사이의 발열(온도 상승)을 촉진하여, 용융부를 확대한다. 전류 I1은, 대상 판조의 판 두께를 고려하여 설정한다.

통전 시간 t1은, 소요의 발열량을 확보하고, 또한 플래시가 발생하지 않는 범위의 시간으로 하고, 적어도 1사이클 이상이면 된다. 1사이클 미만이면, 입열이 부족하여, 너깃이 생성되지 않는 경우가 있기 때문이다.

바람직하게는, 1≤t1≤7×Ta로 하는 것이 좋다. 본 발명자들은 각종 시험에 의해, 통전 시간 t1과, 평균 판 두께 Ta에 상관이 있는 것을 발견하고, 상기한 바와 같은 관계를 도출하였다. T1이 7×Ta보다 크면, 통전 시간 t1 동안에 플래시가 발생하는 경우가 있다.

또한, 통전 전류 I1은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 본 발명자들은 I1과 평균 판 두께 Ta에 상관이 있는 것을 발견하였다. 즉, I1은 10√(Ta)＋2 이하로 하는 것이 바람직하다. I1이 이 값을 초과하면, 너깃이 급속하게 성장하여, 플래시의 발생이 용이해지기 때문이다. I1의 하한도 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 바람직하게는 10√(Ta)-4 이상으로 하는 것이 바람직하다. 지나치게 I1이 작으면, 너깃의 성장이 촉진되지 않아, 충분한 크기의 너깃이 얻어지지 않기 때문이다.

[제2 통전 공정]

제1 통전 공정에서, 너깃을 생성하고, 어느 정도 성장시킨 시점에서, 용접 전류를 감소시켜, 중간 플래시를 억제하면서, 너깃을 주로 직경 방향으로 성장시키는 공정이다. 그로 인해, I2＜I1로 할 필요가 있다. 전류 I2는, 강판의 용융을 촉진하기에 충분한 전류이면 되지만, 대상 판조의 판 두께를 고려하여 설정하는 것이 좋다. 이 관점에서, 평균 판 두께와의 관련을 예의 구한 바, 바람직하게는 I2≤10√(Ta)로 하는 것이 좋은 것을 발견하였다. 하한은, 너깃이 성장하는 정도이면, 특별히 한정하지는 않지만, 10√(Ta)-6 이상으로 하는 것이 바람직하다.

제2 통전 공정에서의 통전 시간 t2는 1사이클 이상이면 된다. 제1 통전 공정에서 너깃이 생성되어, 어느 정도의 너깃 직경을 확보할 수 있기 때문이다. 상한에 대해서도, 특별히 한정하지 않지만 다음의 제3 통전 공정과 맞추어 설정하는 것이 바람직하다.

[제3 통전 공정]

제2 통전 공정에서, 너깃 직경이 어느 정도의 크기로 된 시점에서, 제2 통전보다 높은 전류로 하여, 직경 방향뿐만 아니라, 판 두께 방향으로도 너깃을 성장시키는 공정이다. 그로 인해, 제3 통전 공정에서는, 전류 I2보다 높은 전류 I3(＞I2)을, 시간 t3 동안 통전한다. 전류 I3, 시간 t3의 통전에서, 강판의 용융을 더욱 촉진하여, 즉, 너깃의 확대(가로 방향과 판 두께 방향의 양쪽으로 확대)를 도모한다. 제2 통전 공정의 종료까지 강판 간의 접촉과 용융이 진행되어 있고, 즉, 통전 면적이 충분히 증대(전류 밀도는 저하)되어 있으므로, 플래시가 발생하는 전류 I3의 레벨은 상승해 있다. 따라서, I3은 I2보다 크게 하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명자들은, I3에 대해 검토하였다. 즉, 전류 I3은, 플래시를 발생시키지 않고, 너깃 형상을 원하는 형상까지 확대할 수 있는 범위에서 설정하면 된다. 전류 I3은, 총 판 두께의 영향을 받으므로, 평균 판 두께를 고려하여 설정하면 되는 것을 발견하였다. 그 결과, 바람직하게는 I3＞10√(Ta)로 하면 되는 것을 알 수 있었다. I3의 상한은 특별히 한정할 필요는 없다. 스폿 용접에 있어서 플래시가 발생하지 않도록 설정하면 된다.

통전 시간 t2와 통전 시간 t3의 합(t2＋t3)은, 강판 간의 접촉이나 너깃의 확대를 도모하는 점에서 중요한 지표이다.

통상, 2매 세트의 스폿 용접에 있어서는, 10×Ta(사이클) 혹은 10×Ta＋2(사이클) 정도에서, 승온이 포화 경향을 나타내는 것이 알려져 있다. 본 발명자들은, 이 관점에서 평균 판 두께와 통전 시간의 관계를 예의 구하였다. 그 결과, t2와 t3의 합계 통전 시간을 5Ta 이상, 15Ta 이하로 하는 것이 좋은 것을 발견하였다. t2와 t3의 합계 통전 시간이 5Ta보다 짧으면, 너깃이 충분히 성장하지 않으므로, 적정한 스폿 용접이 얻어지지 않는다. 한편, t2와 t3의 합계 통전 시간이 15Ta보다 길면, 온도 분포는 거의 정상으로 되어 너깃 직경은 포화되고, 생산성을 저하시켜 버린다.

한편, 제2 통전 공정을 길게 해도 되지만, 용접 전류가 비교적 작은 만큼, 너깃의 성장 속도가 둔화된다. 그로 인해, 적정한 스폿 용접을 얻기 위한 용접 시간이 길어질 가능성이 있다. 그로 인해, t3은 t2보다 길게 해도 된다.

제3 통전 공정에서는, 너깃을 성장시키는 것이 목적이며, 특히 판 두께 방향으로 성장시키는 것이 중요하다. 그로 인해, 급격하게 가열하는 것이 아니라, 예비 가열과 마찬가지로 서서히 입열량을 증가시킴으로써, 플래시 발생을 억제할 수 있다. 서서히 입열량을 증가시키는 방법은 특별히 한정하지 않지만, 업 슬로프 형상으로 용접 전류를 증가시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제3 통전 전류 I3을 통전 시간의 함수로 하는 것이 좋다. 예를 들어, 통전 시간의 1차 함수로 함으로써, 단조 증가하는 업 슬로프 형상의 통전 패턴이 얻어진다(도 6, 도 7).

제3 통전 공정을 업 슬로프 형상으로 함으로써, 너깃 성장을 서서히 행할 수 있으므로, 제2 통전 공정을 겸할 수도 있다. 즉, 이 경우, 제2 통전 공정을 단시간으로 할 수 있다. 예를 들어, t2＝1(사이클)로 해도 된다.

또한, 너깃을 판 두께 방향으로 성장시키는 것에 있어서, 전극에 의한 냉각 효과를 경감시키는 것이 좋은 것을, 발명자들은 발견하였다. 즉, 전극 자체가 수랭되어 있으므로, 판 두께 방향의 온도는, 전극에 접촉하고 있는 부분이 가장 낮아진다. 그로 인해, 너깃이 판 두께 방향으로 성장하기 어려운 것이다.

따라서, 제3 통전 공정에 있어서 너깃을 판 두께 방향으로 성장시킬 때, 전극에 의한 가압력을 감소시키고, 전극과 강판의 접촉 영역을 감소시켜 전류 밀도를 상승시키는 동시에, 전극의 냉각 효과를 약화시킴으로써, 더욱 효과적으로 판 두께 방향으로도 너깃이 성장하는 것을 발견하였다(도 5, 도 7). 가압력의 감소에 수반하여, 가압력의 하한값은 특별히 한정하지 않는다. 그러나, 가압력을 지나치게 감소시키면, 플래시가 발생하므로, 가압력은 감소 전의 절반(1/2) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 가압력을 감소시키기 전, 즉, 제1 통전 공정, 제2 통전 공정에서의 가압력을 P1, 감소시킨 후의 가압력을 P2로 하면, 1/2P1≤P2＜P1로 하는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 2/3P1≤P2＜P1로 하는 것이 좋다.

감소 후의 가압력 P2의 상한은 P1보다 작으면 되지만, 그 효과를 확실하게 얻기 위해서는 0.9P1을 상한으로 하는 것이 좋다.

가압력을 감소시키는 타이밍은 제3 통전 중이면, 특별히 한정하지 않는다. 그러나, 너깃의 판 두께 방향으로의 성장 단계인 제3 통전으로 들어간 후, 가능한 한 이른 타이밍에 가압력을 감소시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제3 통전으로 들어간 후, 3 사이클 이내에 가압력을 감소시키는 것이 좋고, 1 사이클 이내이면 더욱 바람직하다.

도 4∼도 7은, 통전 패턴과 가압력의 패턴을 조합한 경우를 나타낸다. 도 4와 도 5는, 제3 통전 공정이 일정 전류 통전인 경우이며, 도 6과 도 7은 제3 통전 패턴이 업 슬로프 형상인 경우이다. 또한 도 4와 도 6은 가압력이 일정한 경우, 도 5와 도 7은 제3 통전 공정에서 가압력을 감소시킨 경우이다.

[냉각 공정]

제1 통전 공정과 제2 통전 공정의 사이, 및 제2 통전 공정과 제3 통전 공정의 사이 중 어느 한쪽 또는 양쪽에, 용접 전류를 흐르게 하지 않는 냉각 공정을 마련해도 된다(도 8, 도 9).

냉각 공정을 마련함으로써, 너깃의 성장이 완화되고, 플래시의 발생을 억제하여, 너깃 형성이 안정된다.

냉각 공정을 마련하면, 제1 통전, 제2 통전 및 제3 통전을 연속해서 행하는 스폿 용접에 비해, 용접 완료 시간이, 냉각 시간만큼 길어져, 생산성이 저하되는 것처럼 보이지만, 냉각 공정을 마련함으로써, 제2 통전 공정 및/또는 제3 통전 공정에 있어서, 전류 I2 및/또는 전류 I3을 높게 설정하고, 통전 시간 t2 및/또는 통전 시간 t3을 단축할 수 있으므로, 생산성은 저하되지 않는다.

도 8에는, 도 1에 나타내는 통전 패턴에 냉각 공정을 추가한 예를 나타낸다. 도 9는, 도 8의 예비 통전 공정이 펄세이션 통전인 경우의 일례를 나타낸다.

도 2에, 3매의 강판(외측에 박강판)을 겹친 판조를, 본 발명 용접 방법으로 형성한 용접 조인트의 양태를 모식적으로 도시한다.

3매의 강판을 겹친 판조에 있어서, 외측의 강판의 판 두께가 가장 얇은 경우, 이 박강판과 인접 강판의 접촉 계면에서의 접합이 충분히 이루어지지 않는 경우가 있지만, 본 발명 용접 방법에 있어서는, 외측의 강판의 판 두께가 가장 얇은 경우라도, 외측의 박강판과 인접 강판의 접촉 계면을 강고하게 접합할 수 있다.

본 발명에 따르면, 강판 사이에 판 간극이 있어도, 박판-후판 사이에 확실하게 너깃이 형성된다. 너깃의 크기는, 스폿 용접 후, 스폿 용접의 중심을 지나는 선으로, 판조를 절단하고, 절단면을 연마하고, 에칭 후, 광학 현미경으로 관찰할 수 있다.

본 발명 용접 방법에 의하면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 너깃(4)이, 얇은 강판과 비교적 두꺼운 2매의 강판에 걸쳐 형성된다. 도 3에, 본 발명 용접 방법으로 형성한 용접 조인트를 광학 현미경으로 관찰한 단면 조직을 나타낸다. 3매의 강판을 관통하여 너깃이 형성되고, 모든 강판간의 계면이 충분히 용융되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 가장 얇은 강판이, 외측에 있지만, 그 강판을 포함하여 너깃이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

[실시예 1]

표 1에 나타내는 2종류의 판조를 사용하여, 스폿 용접을 실시하였다. 강판은, 모두 합금화 용융 아연 도금 강판이며, 편면당 도금 부착량은 45g/㎡이다. 스폿 용접 조건을 표 2에 나타낸다. 용접 전원은 단상 교류를 사용하였다.

전극에는, 호칭 지름이 16㎜, 선단부의 직경이 6㎜, 선단부의 R이 40㎜인 Cr-Cu제 DR형의 것을 사용하였다. 3단 통전 후의 전극 유지 시간은, 모두 5사이클로 하였다. 용접 후, 스폿 용접의 중심을 지나는 선을 따라, 판조를 절단하였다. 절단면을 연마하고, 에칭 후, 광학 현미경으로 너깃의 크기를 측정하였다. 측정 결과를, 플래시의 발생의 유무와 함께 표 3에 나타낸다. (강판 1-2간의 너깃 직경)≥4×√(강판 1의 판 두께)로 된 너깃을 합격이라고 판단하였다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 조건에서, 도 5의 통전 패턴 및 가압력 패턴으로 스폿 용접을 실시하였다. 스폿 용접 조건과 평가 결과를 표 4에 나타낸다. 용접 전원은 단상 교류를 사용하였다.

그 결과, 플래시 발생도 없고, 양호한 너깃이 형성되었다. 또한, 각 강판간의 너깃 직경≥4×√(강판 1(가장 얇은 강판)의 판 두께)로 된 너깃을 합격이라고 판단하였다. 이하, 실시예 3, 4, 5도 동일한 판단을 하였다.

[실시예 3]

실시예 1과 동일한 조건에서, 도 6의 통전 패턴 및 가압력 패턴으로 스폿 용접을 실시하였다. 스폿 용접 조건과 평가 결과를 표 5에 나타낸다. 용접 전원은 단상 교류를 사용하였다.

그 결과, 플래시 발생도 없고, 양호한 너깃이 형성되었다.

[실시예 4]

실시예 1과 동일한 조건에서, 도 7의 통전 패턴 및 가압력 패턴으로 스폿 용접을 실시하였다. 스폿 용접 조건과 평가 결과를 표 6에 나타낸다. 용접 전원은 단상 교류를 사용하였다.

그 결과, 플래시 발생도 없고, 양호한 너깃이 형성되었다.

[실시예 5]

표 7에 나타내는 2종류의 판조를 사용하여, 실시예 1과 동일한 조건에서, 냉각 공정을 마련한 것에 스폿 용접을 실시하였다. 표 중의 「쿨」이 냉각 공정을 나타낸다. 강판은, 모두 합금화 용융 아연 도금 강판이며, 편면당 도금 부착량은 45g/㎡이다.

스폿 용접 조건을 표 8에, 평가 결과를 표 9에 나타낸다. 용접 전원은 단상 교류를 사용하였다.

그 결과, 플래시 발생도 없고, 양호한 너깃이 형성되었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고장력 후강판을 포함하는 판 두께비가 높은 3매 판조에 있어서, 판조에 판 간극이 있어도, 플래시의 발생을 억제함과 함께, 필요한 너깃 직경을 확보하여, 소요 형상의 너깃을 안정적으로 형성하고, 원하는 조인트 강도를 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 용접 구조물 제조 산업에 있어서 이용 가능성이 높은 것이다.

1 : 박강판
2, 3 : 강판
4 : 너깃

Claims

복수의 강판을 겹쳐 접합하는 스폿 용접 방법이며,
서서히 전류를 부하하는 예비 통전 공정과,
전류값 I1로 일정 통전을 행하는 제1 통전 공정과,
그 후, 전류값 I2로 통전을 행하는 제2 통전 공정과,
또한 그 후, 전류값 I3으로 통전을 행하는 제3 통전 공정을 갖고,
I1＞I2, 및 I2＜I3의 관계인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
단, I1, I2, I3의 단위는 kA로 함.
제1항에 있어서,
상기 복수의 강판의 판 두께의 합계와, 상기 복수의 강판 중 가장 판 두께가 얇은 강판의 판 두께의 비인 판 두께비가 4.5 이상인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 강판에 있어서, 가장 판 두께가 얇은 강판이 가장 외측으로 되도록 겹친 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비 통전 공정이, 업 슬로프 형상으로 용접 전류를 증가시키는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비 통전 공정이, 펄세이션 통전인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제4항에 있어서,
상기 예비 통전 공정의 업 슬로프 통전의 통전 시간이 1∼30사이클인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제5항에 있어서,
상기 예비 통전 공정의 펄세이션 통전의 통전 시간이 1∼10사이클, 휴지 시간이 1∼5사이클인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비 통전 공정의 통전 시간을 tu, 상기 제1 통전 공정의 통전 시간을 t1로 하고, 강판의 판 두께의 총합을 2로 나누어 구한 값인 평균 판 두께를 Ta, 강판간의 간극인 판 간극의 최댓값을 Tg로 하였을 때,
tu≥2Ta²Tg,
1≤t1≤7Ta
I1≤10√(Ta)＋2
의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
단, tu 및 t1의 단위는, 인가하는 교류 전류의 사이클 수로 하고,
Ta 및 Tg의 단위는 ㎜로 함.
제8항에 있어서,
상기 제2 통전의 통전 시간을 t2로 하였을 때,
1≤t2
I2≤10√(Ta)
의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
단, t2의 단위는, 인가하는 교류 전류의 사이클 수로 함.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제3 통전의 통전 시간을 t3으로 하였을 때,
5Ta≤t3≤15Ta
10√(Ta)＜I3
의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
단, t3의 단위는, 인가하는 교류 전류의 사이클 수로 함.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 통전 공정에 있어서 용접 전류를 업 슬로프 형상으로 증가시키는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 통전 공정 중에, 스폿 용접 전극에 의한 가압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제12항에 있어서,
상기 감소시킨 후의 가압력을 P2, 감소시키기 전의 가압력을 P1로 하였을 때,
0.5×P1≤P2＜P1인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 통전 공정과 상기 제2 통전 공정의 사이, 및 상기 제2 통전 공정과 상기 제3 통전 공정의 사이 중 적어도 어느 한쪽에, 용접 전류를 흐르게 하지 않는 냉각 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.
제14항에 있어서,
상기 냉각 공정의 냉각 시간이 10사이클 이하인 것을 특징으로 하는, 스폿 용접 방법.