KR20170119712A - 저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접 조인트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

소정의 판 조합을, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법에 있어서, 본용접 공정과, 본용접 공정에 앞선 테스트 용접 공정을 구비하고, 본용접 공정 및 테스트 용접 공정의 통전 패턴을 2 단 이상의 다단 통전 스텝으로 분할하고, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에서는, 스플래싱이 발생하지 않는 전류값을 선정하여 정전류 제어에 의해 용접을 실시하고, 그 후의 제 2 통전 스텝 이후에서는, 적응 제어 용접을 실시한다.

Description

저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접 조인트의 제조 방법{RESISTANCE SPOT WELDING METHOD AND METHOD FOR MANUFACTURING RESISTANCE SPOT WELDED JOINT}

본 발명은 저항 스폿 용접 방법에 관한 것으로, 특히 2 장 이상의 후판과 그 적어도 일방에 박판을 중첩한 판 두께비가 큰 3 장 중첩 이상의 판 조합에 있어서, 분류 (分流) 나 판극 (板隙) 등의 외란에 상관없이, 스플래싱을 발생시키지 않고 안정적으로 너깃 직경을 확보하는 것을 가능하게 하고자 하는 것이다.

일반적으로, 중첩한 강판끼리의 접합에는, 중첩 저항 용접법의 일종인 저항 스폿 용접법이 이용되고 있다.

이 용접법은, 중첩한 2 장 이상의 강판을 사이에 두고 그 상하로부터 1 쌍의 전극으로 가압하면서, 상하 전극간에 고전류의 용접 전류를 단시간 통전시켜 접합하는 방법으로, 고전류의 용접 전류를 흘림으로써 발생하는 저항 발열을 이용하여, 점상의 용접부가 얻어진다. 이 점상의 용접부는, 너깃으로 불리고, 중첩한 강판에 전류를 흘렸을 때에 강판의 접촉 지점에서 양 강판이 용융되어 응고된 부분이다. 이 너깃에 의해 강판끼리가 점상으로 접합된다.

저항 스폿 용접부의 접합 강도는, 너깃 직경에 의해 좌우되기 때문에, 자동차 부품 등의 높은 접합 강도를 필요로 하는 경우에는 특히, 소정 직경 이상의 너깃 직경을 확보하는 것이 중요해진다.

일반적으로, 가압력, 통전 시간을 일정하게 한 경우에는, 너깃 직경은 용접 전류의 증가에 따라 서서히 증가한다. 그러나, 어느 값 이상이 되면, 강판 사이에 용융 금속이 비산하는 스플래싱이라는 현상이 발생한다. 스플래싱의 발생은, 위험한데다가, 용접부 주변에 스플래싱이 부착되어 외관을 악화시키고, 너깃 직경이나 조인트 인장 강도에 불균일을 발생시킨다. 그 결과, 조인트부의 품질이 불안정해진다.

또, 자동차의 부품 구조를 보면, 예를 들어 센터 필러에서는, 아우터와 이너 사이에 리인포스먼트를 둔 구조가 채용되고 있다. 이 구조에서는, 단순한 2 장 중첩의 강판을 스폿 용접하는 경우와 달리, 3 장 이상의 강판을 중첩하여 스폿 용접할 것이 요구된다.

또한, 최근에는, 차체의 충돌 안전성의 추가적인 향상 요구에 수반하여, 리인포스먼트 등의 고강도화, 후육화가 진행되고 있다. 그 때문에, 외측에 판 두께가 얇은 아우터 (박판) 를 배치하고, 내측에 판 두께가 두꺼운 이너, 리인포스먼트 (후판) 를 조합한 판 조합을 스폿 용접하는 것이 필요해지는 경우도 많다. 또한, 여기서는, 판 조합된 강판 중, 판 두께가 상대적으로 작은 강판을 박판, 판 두께가 상대적으로 큰 강판을 후판으로 각각 기재하는 것으로 한다. 이하도 마찬가지이다.

이와 같은 판 두께비 (판 조합의 전체 두께/판 조합을 구성하는 가장 얇은 강판의 판 두께) 가 큰 3 장 중첩 이상의 판 조합에 있어서, 종래와 같은, 가압력, 용접 전류를 일정한 값으로 한 채로 하는 스폿 용접을 실시한 경우에는 가장 외측 (전극 팁과 접촉하는 측) 의 박판과 후판 사이에 필요한 사이즈의 너깃이 잘 형성되지 않는 것이 알려져 있다. 판 두께비가 3 초과, 나아가서는 5 이상이 되는 판 조합에서는, 이 경향이 강하다.

이것은, 전극 팁에 의한 냉각에 의해 가장 외측의 박판과 후판 사이에서는 온도가 잘 오르지 않는 것이 원인이다.

즉, 통상적으로 너깃은, 전극간의 중앙 부근으로부터 강판의 고유 저항에 의해 체적 저항 발열에 의해 형성된다. 그러나, 너깃이 박판으로 성장하기 까지, 전극간 중앙부에 가까운 부분에 위치하는 후판-후판 사이에서 크게 너깃이 성장하므로, 전극에 의한 가압으로는 전부 억제할 수 없어 스플래싱이 발생한다. 이 때문에, 이와 같은 판 조합인 경우에는, 스플래싱의 발생없이 필요한 사이즈의 너깃을 박판-후판 사이에 얻는 것이 곤란해진다.

또, 가장 외측에 배치되는 박판이 아우터인 경우에는, 강도보다 성형성이 중요해지기 때문에, 사용되는 강판은 연강이 되는 경우가 많다. 한편, 후판은 강도 보강 부재로, 고장력 강판이 사용되는 경우가 많다. 이와 같은 판 조합에서는, 발열하는 위치는, 고유 저항이 높은 고장력 강판측으로 치우친다. 그것에 의해, 후판-박판 (연강) 사이에는 더욱 너깃이 잘 형성되지 않게 된다. 또한, 사용되는 강판이 도금 강판이 되면, 저온에서 용융된 도금층이 강판 사이의 통전 경로를 확대하기 때문에 전류 밀도가 감소하여, 박판측에서의 너깃의 형성이 더욱 곤란해진다.

이와 같이, 상기와 같은 판 두께비가 큰 3 장 중첩 이상의 판 조합에서는, 박판과 후판 사이에 필요한 사이즈의 너깃이 잘 형성되지 않는다. 따라서, 적정한 너깃 직경을 얻기 위한 용접 조건의 범위가 매우 좁아진다.

이에 더하여, 용접시에 외란이 존재하는 경우, 예를 들어, 용접하는 점의 근방에 이미 용접한 점 (기용접점) 이 있는 경우나, 피용접재의 표면 요철이 크고 용접하는 점의 근방에 피용접재의 접촉점이 존재하거나 하는 경우에는, 용접시에 기용접점이나 접촉점에 전류가 분류된다. 이와 같은 상태에서는, 소정의 조건으로 통전해도, 전극 바로 아래의 용접하고자 하는 위치에 있어서의 전류 밀도는 저하되기 때문에, 역시 필요한 직경의 너깃은 얻어지지 않게 된다. 이 때문에, 이 발열량 부족을 보상하고, 필요한 직경의 너깃을 얻으려면, 미리 높은 용접 전류를 설정하는 것이 필요해진다.

또, 표면 요철이나 부재의 형상 등에 의해 용접하는 점의 주위가 강하게 구속되어 있는 경우에는, 강판 사이의 판극이 커짐으로써 강판끼리의 접촉 직경이 좁아져, 역시 필요한 직경의 너깃이 얻어지지 않거나, 스플래싱이 발생하기 쉬워지는 경우도 있다.

상기 서술한 바와 같이, 판 두께비가 큰 3 장 중첩 이상의 판 조합에서는 적정한 너깃 직경을 얻기 위한 용접 조건의 범위가 매우 좁아지는 점에서, 이들 외란의 영향이 현저해지는 경우가 있다.

이와 같은 판 두께비가 큰 3 장 중첩 이상의 판 조합에 대한 저항 스폿 용접 방법으로서, 예를 들어, 특허문헌 1 에서는, 다음과 같은 기술이 제안되어 있다. 즉, 중첩된 2 장의 후판에 추가로 박판이 중첩된 판 두께비가 큰 판 조합에 있어서, 박판의 용접해야 할 위치에 부분적으로 일반부보다 일단 높은 시트면을 형성시킴과 함께, 박판에 대항하는 전극은 선단을 구면으로 형성한다. 그리고, 용접 초기에는 저가압력으로 박판의 시트면을 눌려 찌부러지게 하여, 박판과 이것과 이웃하는 후판을 용접하고, 그 후, 고가압력으로 2 장의 후판끼리를 용접한다. 이로써, 박판-후판 사이에 필요한 너깃을 형성하는 기술이다.

또, 특허문헌 2 에서는, 다음과 같은 기술이 제안되어 있다. 즉, 강성이 높은 2 장의 후판 상에 강성이 낮은 박판을 중첩한 워크를, 1 쌍의 전극 팁에 의해 사이에 두고 스폿 용접하는 방법에 있어서, 강성이 가장 작은 박판에 맞닿는 전극 팁의 워크에 대한 가압력을, 후판과 맞닿는 전극 팁 워크에 대한 가압력보다 작게 한다. 이로써, 박판-후판 사이에 너깃을 형성하고, 워크의 용접 강도를 높이는 기술이다.

또한, 특허문헌 3 에서는, 다음과 같은 기술이 제안되어 있다. 즉, 판 두께비가 큰 피용접체를 스폿 용접하는 방법에 있어서, 피용접체에 제 1 가압력을 부하하여 용접 전류를 흘린 후, 일단 통전을 정지시키고, 피용접체를 사이에 둔 채로, 상기 제 1 가압력보다 큰 제 2 가압력을 부하하여 다시 용접 전류를 흘린다. 그리고, 바람직하게는, 상기 제 1 공정에 있어서의 용접 전류의 전류값을, 제 1 단계 ∼ 제 3 단계의 3 단계로 변화시킴과 함께, 제 2 단계의 전류값을 제 1 단계 및 제 3 단계의 전류값보다 작게 한다. 이로써, 판 두께비가 큰 피용접체의 접합 강도를 향상시킨다는 기술이다.

일본 공개특허공보 2003-071569호 일본 공개특허공보 2003-251469호 일본 공개특허공보 2004-358500호 일본 공개특허공보 평11-33743호

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 저항 스폿 용접 방법에서는, 너깃은 형성되지만, 박판의 용접하는 부분에 미리 일반부보다 일단 높은 시트면을 프레스 등으로 형성하는 공정이 필요해진다는 문제가 있다.

또, 특허문헌 2 에 기재된 저항 스폿 용접 방법에서는, 강성이 가장 작은 박판에 맞닿는 전극 팁의 워크에 대한 가압력을, 후판과 맞닿는 전극 팁의 워크에 대한 가압력보다 작게 함으로써, 박판-후판 사이에도 너깃을 형성시키고 있다. 그러나, 박판과 맞닿는 전극 팁의 워크에 대한 가압력이 작기 때문에, 박판과 전극 팁의 접촉 면적이 작아진다. 그 결과, 전극에 의해 가압되는 범위가 좁아져, 후판-후판 사이에 큰 너깃을 형성하고자 하면 스플래싱이 발생하기 쉬워진다. 이에 더하여, 워크를 전극 사이에 둔 후, 전극이 장착되어 있는 용접 건 본체를 강제적으로 움직이게 함으로써 가압력에 차이를 발생시키고 있기 때문에, 워크에 큰 변형이 발생할 가능성도 있다.

또한, 특허문헌 3 에 기재된 저항 스폿 용접 방법에서는, 초기에 가압력이 낮은 상태로 통전시킬 필요가 있다. 그 때, 강판 사이에 판극이 존재하면, 강판 사이의 접촉 면적이 현저하게 좁아져, 실시공상 곤란한 경우가 많다.

이에 더하여, 특허문헌 1 ∼ 3 에 공통되는 과제로서, 판 두께비가 큰 판 조합에서는 적정한 너깃 직경이 얻어지는 용접 조건의 범위가 매우 좁아진다. 이 때문에, 예를 들어, 판극이나 기용접점과 같은 외란이 존재하는 경우에는, 판극의 크기나 주위의 기용접점과의 거리 등에 따라 적절한 용접 조건을 도출하여, 모든 용접점마다 적절한 용접 조건을 설정할 필요가 있다. 이것들을 시험 등에 의해 도출하려면, 많은 시간과 비용이 필요하게 된다.

본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 개발된 것으로서, 중첩한 2 장 이상의 후판에 박판을 중첩한 판 두께비가 큰 판 조합에 있어서, 판극이나 분류 등의 외란의 정도에 상관없이, 스플래싱의 발생없이 적절한 직경의 너깃을 얻을 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은, 상기의 저항 스폿 용접 방법에 의해, 저항 스폿 용접 조인트를 제작하는, 저항 스폿 용접 조인트의 제조 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

그래서, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 예의 검토를 거듭하였다.

상기 서술한 바와 같이, 중첩한 2 장 이상의 후판에 박판을 중첩한 판 두께비가 큰 판 조합에 대한 저항 스폿 용접에 있어서, 스플래싱이 발생하거나, 적정한 너깃 직경의 확보가 곤란해지는 원인은, 특히 박판-후판 사이에 적정한 너깃 직경이 얻어지는 조건 범위가 매우 좁은 것, 및 판극이나 분류 등의 외란에 의해 그 조건 범위가 변동되기 쉬운 것에 있다. 그러한 관점에서 검토를 실시한 결과, 발명자들은 이하의 지견을 얻었다.

(1) 적정한 너깃 직경을 얻는 조건 범위가 외란에 의해 변동되는 경우, 피용접물의 판 두께와 통전 시간으로부터 그 피용접물을 양호하게 용접할 수 있는 단위 체적·단위 시간당의 발열량을 테스트 용접에 의해 계산하고, 계속되는 본용접에 있어서, 계산된 단위 체적·단위 시간당의 발열량을 발생시키는 용접 전류 또는 전압으로 조정하는 적응 제어 용접을 실시하는 것이 유효하다.

(2) 그러나, 이러한 적응 제어 용접을 실시하였다고 해도, 특히, 상기한 바와 같은 판 조합을 용접할 때의 통전 초기에 있어서는, 판극이나 분류 등의 외란에 의해 강판 사이의 접촉 상태가 변동되기 쉽다. 이 때문에, 전극간 전압 등으로부터 산출된 발열량이 실제의 발열량과 대응하지 않고, 실제의 발열량이 과잉이 되어, 스플래싱이 발생하는 경우가 있었다.

(3) 그래서, 발명자들은, 이와 같은 스플래싱의 발생을 방지하기 위하여, 더욱 검토를 거듭하였다.

그 결과, 본용접의 통전 패턴을 2 단 이상의 다단 통전 스텝으로 분할하고, 통전 초기의 제 1 통전 스텝에서는, 스플래싱이 발생하지 않는 전류값을 선정하여 정전류 제어에 의한 용접을 실시한다. 한편, 제 2 통전 스텝 이후에서는, 테스트 용접에서 구한 단위 체적·단위 시간당의 발열량을 발생시키는 용접 전류 또는 전압으로 조정하는 적응 제어 용접을 실시한다. 이것에 의해, 중첩한 2 장 이상의 후판에 박판을 중첩한 판 두께비가 큰 판 조합에 있어서도, 판극이나 분류 등의 외란의 정도에 상관없이, 스플래싱의 발생없이 적절한 직경의 너깃이 얻어진다.

본 발명은, 상기의 지견에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 중첩한 2 장 이상의 후판의 적어도 일방에 박판을 중첩한 판 조합을, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법에 있어서,

본용접 공정과, 그 본용접 공정에 앞선 테스트 용접 공정을 구비하고,

상기 본용접 공정 및 상기 테스트 용접 공정에서는, 통전 패턴을 2 단 이상의 다단 통전 스텝으로 분할하고,

또, 상기 테스트 용접 공정에서는, 통전 스텝마다, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키고,

상기 본용접 공정에서는, 제 1 통전 스텝에 있어서, 스플래싱이 발생하지 않는 전류값을 선정하여 정전류 제어에 의해 용접을 실시하고, 그 후의 제 2 통전 스텝 이후에 있어서, 상기 테스트 용접 공정에서 목표값으로서 기억시킨 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 하여 용접을 실시하고, 어느 통전 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에, 그 벗어난 양을 당해 통전 스텝의 나머지의 통전 시간 내에서 보상하기 위하여, 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량이 상기 테스트 용접 공정에서 미리 구한 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실시하는, 저항 스폿 용접 방법.

2. 상기 제 1 통전 스텝의 전류값을 I1, 상기 제 1 통전 스텝에 있어서 외란이 없는 상태에서 스플래싱 발생의 우려가 있는 최소 전류값을 Is 로 했을 때,

0.6 Is ≤ I1 ≤ 0.95 Is

의 관계를 만족시키는, 상기 1 에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

3. 상기 본용접 공정의 가압 패턴을 2 단 이상의 다단 가압 스텝으로 분할하여, 용접을 실시하는 것으로 하고, 그 때, 적어도 제 1 가압 스텝 및 제 2 가압 스텝에 대해서는, 이들 스텝에 있어서의 가압력을 각각 F1, F2 로 했을 때,

F1 ＜ F2

의 관계를 만족시키는, 상기 1 또는 2 에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

4. 상기 테스트 용접 공정의 적어도 제 1 통전 스텝 및 제 2 통전 스텝에 대해서는, 이들 스텝에 있어서의 전류값을 각각 I1', I2' 로 했을 때,

I1' ＞ I2'

의 관계를 만족시키는, 상기 1 ∼ 3 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

5. 상기 1 ∼ 4 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 저항 스폿 용접 조인트를 제작하는, 저항 스폿 용접 조인트의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 판 두께비가 큰 3 장 중첩 이상의 판 조합에 있어서, 분류나 판극 등의 외란의 유무에 상관없이, 스플래싱의 발생없이 양호한 너깃을 얻을 수 있다.

도 1 은, 통전 스텝을 2 단으로 분할한 경우에 있어서의 통전 시간과, 전극간 전압 등으로부터 산출한 누적 발열량의 관계의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에 있어서의, 제 1 통전 스텝에서의 너깃의 형성 상황의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에 있어서의, 제 2 통전 스텝에서의 너깃의 형성 상황의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4 는, 본 발명의 실시예에 있어서, 판극이 있는 판 조합에 대해 용접을 실시하는 경우를 모식적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은, 중첩한 2 장 이상의 후판의 적어도 일방에 박판을 중첩한 판 조합을, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법이다. 특히, 스플래싱의 발생없이 필요한 사이즈의 너깃을 박판-후판 사이에 얻는 것이 곤란하였던 판 두께비 (판 조합의 전체 두께/판 조합을 구성하는 가장 얇은 강판 (금속판) 의 판 두께) 가 3 초과, 나아가서는 5 이상으로 한 판 조합을 대상으로 하는 것이다. 또한, 판 두께비의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상 12 이다.

또한, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서 사용 가능한 용접 장치로는, 상하 1 쌍의 전극을 구비하고, 용접 중에 가압력 및 용접 전류를 각각 임의로 제어 가능하면 되고, 가압 기구 (에어 실린더나 서보 모터 등), 형식 (정치 (定置) 식, 로봇 건 등), 전극 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.

또, 박판이란, 판 조합에 사용되는 강판 중, 판 두께가 상대적으로 작은 강판을 의미하고, 후판이란, 판 두께가 상대적으로 큰 강판을 의미한다. 또한, 통상적으로 박판의 판 두께는, 가장 판 두께가 큰 강판 (후판) 의 3/4 이하 정도의 판 두께가 된다.

또, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서는, 본용접 공정의 통전 패턴을 2 단 이상의 다단 통전 스텝으로 분할하여, 용접을 실시한다.

또한, 본용접 공정에 앞서, 본용접 공정과 마찬가지로 다단 통전 스텝으로 분할하여, 테스트 용접을 실시한다. 테스트 용접 공정에서는, 통전 스텝마다, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로서 기억시킨다.

또, 이 테스트 용접 공정에서는, 피용접재와 동일한 강종, 판 두께의 용접 시험을, 기용접점으로의 분류나 판극이 없는 상태에서, 정전류 제어로 여러 가지의 조건에서 실시하고, 테스트 용접에 있어서의 최적 조건을 찾아낸다.

그리고, 각 통전 스텝에 대하여, 상기의 조건에서 용접을 실시했을 때의 용접 중에 있어서의, 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로서 기억시킨다. 여기서, 전극간의 전기 특성이란, 전극간 저항 혹은 전극간 전압을 의미한다.

또한, 통전 패턴의 스텝 분리를 실시하는 타이밍으로는, 예를 들어, 2 단계에서 너깃을 형성하는 경우에는, 적어도 박판-후판 사이가 충분히 가압·가열되어, 스플래싱이 발생하지 않을 정도로, 판끼리의 접촉 직경이 확보된 시점으로 하면 된다.

상기 테스트 용접 공정 후, 본용접을 실시한다. 도 1 에, 통전 스텝을 2 단으로 분할한 경우에 있어서의 통전 시간과, 전극간 전압 등으로부터 산출한 누적 발열량의 관계의 일례를 나타낸다. 도면 중, 실선은 본용접에 있어서 전극간 전압 등으로부터 산출한 누적 발열량, 파선은 테스트 용접에 의해 목표값으로서 기억시킨 누적 발열량을 나타내는 것이다.

먼저, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에서는, 스플래싱이 발생하지 않는 전류값을 선정하여 정전류 제어에 의해 용접을 실시한다. 또한, 전류값 이외의 통전 시간이나 가압력 등의 조건에 대해서는, 테스트 용접 공정에서 구한 조건을 사용하면 된다.

또, 계속되는 제 2 통전 스텝 이후에서는, 상기 테스트 용접 공정에서 목표값으로서 기억시킨 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 하여 용접을 실시한다. 그리고, 어느 통전 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에, 그 벗어난 양을 당해 통전 스텝의 나머지의 통전 시간 내에서 보상하기 위하여, 본용접 공정의 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량이 테스트 용접으로 미리 구한 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실시한다.

여기서, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에 있어서는, 스플래싱의 발생을 확실하게 방지할 수 있는 전류값을 선정하여 정전류 제어를 실시하는 것이 중요하다. 그렇다는 것은, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝을 적응 제어 용접으로 하면, 특히 통전 초기에 있어서는 판극이나 분류 등의 외란에 의해 판 사이의 접촉 상태가 크게 변동하고, 전극간 전압 등으로부터 산출한 발열량이 실제의 발열량과 대응하지 않고, 실제의 발열량이 과잉이 되어, 스플래싱이 발생할 우려가 있기 때문이다.

이 때문에, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에서는, 스플래싱이 발생하지 않는 전류값을 선정하여 정전류 제어에 의해 용접을 실시하는 것으로 한다. 이로 인해, 강판 사이의 접촉 상태가 확보되고, 또 전극간 전압 등의 파라미터로부터의 발열량의 추정이 용이해져, 그 후의 제 2 통전 스텝 이후에 있어서, 상기한 적용 제어 용접을 실시함으로써, 적정한 너깃 직경을 확보하는 것이 가능해진다.

또, 발명자들은, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에서 스플래싱의 발생을 확실하게 방지할 수 있는 한편, 박판-후판 사이에 원하는 발열량을 얻을 수 있는 전류값을 선택하기 위해, 판극이나 기용접점 등과 같은 외란이 있는 여러 가지의 조건에서, 여러 가지의 판 두께의 강판을 용접하는 실험을 실시하였다.

그 결과, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에 있어서의 전류값 I1 을, 제 1 통전 스텝에 있어서 외란이 없는 상태에서 스플래싱 발생의 우려가 있는 최소 전류값 Is 의 0.95 배 이하로 함으로써, 외란 등의 조건에 상관없이, 제 1 통전 스텝에 있어서의 스플래싱의 발생을 방지할 수 있는 것을 알아내었다. 단, I1 이 Is 의 0.6 배 미만이 되면, 발열량이 불충분해져서, 원하는 너깃 직경을 얻는 것이 곤란해진다.

이 때문에, 이 Is 와 I1 에 대하여,

0.6 × Is ≤ I1 ≤ 0.95 × Is

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는, I1 은 Is 의 0.65 배 이상, 0.9 배 이하이다. 더욱 바람직하게는, I1 은 Is 의 0.7 배 이상, 0.9 배 이하이다.

또한, 제 1 통전 스텝에 있어서 외란이 없는 상태에서의 스플래싱 발생의 우려가 있는 최소 전류값 Is 는, 예를 들어, 이하와 같이 하여 구할 수 있다.

먼저, 통전 시간이나 가압력과 같은 조건을, 본용접의 제 1 통전 스텝에 대해 설정되는 조건으로 하여 테스트 용접에 의해 구한다. 다음으로, 이 조건 하에서, 정전류 제어에 의해, 외란이 없는 상태의 판 조합을 여러 가지 용접하고, 이 때, 설정하는 용접 전류값을 서서히 올려 가, 최초로 스플래싱의 발생을 확인한 용접 전류값으로서 구할 수 있다.

또한, 설정하는 용접 전류값을 올려 갈 때의 증분 폭은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.5 A 정도로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 1 통전 스텝 후, 제 2 통전 스텝 이후의 용접에서는, 테스트 용접 공정에서 얻어진 스텝마다의 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 하여 용접을 실시하고, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선을 따르고 있는 경우에는, 그대로 용접을 실시하여 용접을 종료한다. 단, 어느 통전 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에는, 그 때의 벗어난 양에 따라 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실시하고, 본용접 공정에 있어서의 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량이 테스트 용접 공정에서 미리 구한 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량과 일치하도록, 당해 통전 스텝의 나머지의 통전 시간 내에서 보상한다.

또한, 단위 체적당의 누적 발열량의 산출 방법에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 특허문헌 4 에 그 일례가 개시되어 있고, 본 발명에서도 이 방법을 채용할 수 있다. 이 방법에 의한 단위 체적당의 누적 발열량 Q 의 산출 요령은 다음과 같다.

피용접재의 합계 두께를 t, 피용접재의 전기 저항률을 r, 전극간 전압을 V, 용접 전류를 I 로 하고, 전극과 피용접재가 접촉하는 면적을 S 로 한다. 이 경우, 용접 전류는 횡단면적이 S 이고, 두께 t 의 기둥상 부분을 통과하여 저항 발열을 발생시킨다. 이 기둥상 부분에 있어서의 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q 는 다음 식 (1) 로 구해진다.

q = (V·I)/(S·t) --- (1)

또, 이 기둥상 부분의 전기 저항 R 은, 다음 식 (2) 로 구해진다.

R = (r·t)/S --- (2)

(2) 식을 S 에 대해 풀고 이것을 (1) 식에 대입하면, 발열량 q 는 다음 식 (3)

q = (V·I·R)/(r·t²)

= (V²)/(r·t²) --- (3)

이 된다.

상기 게재된 식 (3) 으로부터 명확한 바와 같이, 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q 는, 전극간 전압 V 와 피용접물의 합계 두께 t 와 피용접물의 전기 저항률 r 로부터 산출할 수 있고, 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S 에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, (3) 식은 전극간 전압 V 로부터 발열량을 계산하고 있는데, 전극간 전류 I 로부터 발열량 q 를 계산할 수도 있고, 이 때에도 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S 를 사용할 필요가 없다. 그리고, 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q 를 통전 기간에 걸쳐 누적하면, 용접에 가해지는 단위 체적당의 누적 발열량 Q 가 얻어진다. (3) 식으로부터 명확한 바와 같이, 이 단위 체적당의 누적 발열량 Q 도 또한 전극과 피용접재가 접촉하는 면적 S 를 사용하지 않고 산출할 수 있다.

이상, 특허문헌 4 에 기재된 방법에 의해, 누적 발열량 Q 를 산출하는 경우에 대해 설명했지만, 그 밖의 산출식을 사용해도 되는 것은 말할 필요도 없다.

또, 본용접 공정에서는, 통상적으로, 원하는 용접 위치에서 판 조합을 상하 1 쌍의 전극 사이에 두고, 가압을 개시하여, 가압력이 가해지기 시작한 후, 통전을 개시한다.

그리고, 통전 초기가 되는 제 1 통전 스텝에서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 박판 (11)-후판 (12) 사이의 접촉을 안정화시킴과 함께, 원하는 접촉 저항 발열을 확보하기 위해서, 저가압력으로 고용접 전류를 단시간 가한다. 이로 인해, 박판 (11)-후판 (12) 사이는 통전 경로가 좁고 전류 밀도가 높아져, 도금의 용융 등에 의한 통전 경로의 확대의 영향도 적고, 발생하는 접촉 저항 발열을 유효하게 박판 (11)-후판 (12) 사이의 너깃 (N1) 형성에 작용시키는 것이 가능해진다. 한편, 제 2 통전 스텝에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 고가압력으로 저용접 전류를 장시간 가하고, 이로 인해, 박판 (11)-후판 (12) 사이 및 후판 (12)-후판 (13) 사이에 원하는 직경의 너깃 (N1, N2) 을 형성한다.

또한, 상기한 도 2 의 예에서는, 제 1 통전 스텝에 있어서 박판 (11)-후판 (12) 사이에 너깃 (N1) 이 형성되어 있지만, 강판 사이의 판극이 큰 경우 등은, 반드시 너깃이 형성될 필요는 없다. 판극이나 분류에 관계없이, 박판 (11)-후판 (12) 사이에 너깃을 형성하기 위해서는, 과도하게 고전류가 되는 조건을 선정해야만 하여, 스플래싱 발생 리스크가 높아진다. 이 점에서, 상기에 나타낸 용접 조건에 의해 용접을 실시하면, 제 1 통전 스텝에서 너깃이 형성되지 않았다고 해도, 박판 (11)-후판 (12) 사이의 온도는, 통상적인 저항 스폿 용접보다 높아진다. 그 결과, 제 2 통전 스텝 이후의 적응 제어 용접에 있어서, 후판 (12)-후판 (13) 사이와 함께, 박판 (11)-후판 (12) 사이를 용융시키는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서는, 제 1 통전 스텝에서 박판-후판 사이에 너깃 (N1) 을, 제 2 스텝 이후에 후판-후판 사이에 너깃 (N2) 을 형성해도 되고, 제 2 스텝 이후에 박판-후판 사이 및 후판-후판 사이에 너깃 (N1, N2) 을 동시 형성시켜도 된다.

또, 본용접 공정에서는, 가압 패턴을 2 단 이상의 다단 스텝으로 분할할 수도 있고, 이 경우, 제 1 가압 스텝의 가압력을 F1, 제 2 가압 스텝의 가압력을 F2 로 했을 때,

F1 ＜ F2

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

그렇다는 것은, F1 을 F2 보다 낮게 설정함으로써, 제 1 스텝에 있어서의 통전로가 좁아져서, 전류 밀도가 높아지기 때문에, 박판 (11)-후판 (12) 사이의 접촉 저항에 의한 발열을 촉진할 수 있기 때문이다.

또한, 제 1 가압 스텝의 가압력 F1 (kN) 은, 판 조합을 구성하는 강판 중, 가장 얇은 강판의 판 두께를 t_m (㎜) (도 2 에서는 박판 (11) 의 판 두께가 된다) 과의 관계에서,

0.8t_m ≤ F1 ≤ 7t_m

을 만족시키는 것이 바람직하다.

제 1 가압 스텝에 있어서의 가압력 (F1) 이 7t_m (kN) 초과에서는, 가압력이 지나치게 높아져서, 박판 (11)-후판 (12) 사이의 접촉 저항에 의한 발열이 작아진다. 한편, 제 1 가압 스텝에 있어서의 가압력 (F1) 이 0.8t_m 미만이 되면, 전극 팁과 박판 (11) 사이에서의 접촉 저항이 커져, 스파크가 발생하기 쉬워짐과 함께, 박판 (11)-후판 (12) 으로부터도 스플래싱이 발생하기 쉬워진다. 보다 바람직하게는, F1 은 t_m 의 0.9 배 이상, 6.5 배 이하이다.

또한, 가압력과 전류값의 스텝을 분할하는 타이밍은 반드시 일치시킬 필요는 없다. 특히, 가압력을 변화시키는 타이밍에서는, 서보 모터의 응답성의 문제에 의해, 가압이 불안정화되는 경우가 있기 때문에, 스플래싱이 발생할 우려도 있다. 이 때문에, 본용접 공정에서는, 각 통전 스텝 사이에 냉각 시간을 형성하고, 그 때에 가압력을 변화시키는 것이 바람직하다. 여기에, 냉각 시간은, 1 cycle 이상 10 cycles 미만으로 하는 것이 바람직하다. 냉각 시간이 1 cycle 미만에서는, 상기한 스플래싱 억제 효과가 얻어지지 않고, 한편 10 cycles 이상에서는, 발열 효율의 저하를 초래한다. 보다 바람직하게는, 2 cycles 이상, 9 cycles 이하이다. 또한, 1 cycle 은 20 ms 이다.

또, 테스트 용접에 있어서의 제 1 통전 스텝의 전류값을 I1', 제 2 통전 스텝의 전류값을 I2' 로 했을 때, 접촉 저항에 의한 발열을 제 1 통전 스텝에서 유효하게 활용하기 위해,

I1' ＞ I2'

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

또한, 본용접 공정의 제 1 통전 스텝의 통전 시간 TI1, 제 2 통전 스텝의 통전 시간 TI2 로 했을 때,

TI1 ＜ TI2

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

제 1 통전 스텝을 비교적 고전류의 정전류 제어로 함으로써, 박판 (11)-후판 (12) 사이의 전류 밀도를 높여, 접촉 저항에 의한 발열을 보다 유효하게 활용할 수 있는 반면, 이러한 정전류 제어로 장시간의 통전을 실시하면 스플래싱이 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 스플래싱 억제의 관점에서는, TI1 ＜ TI2 로 하는 것이 효과적이다.

또, 제 1 통전 스텝의 통전 시간 (TI1) 은, 박판-후판 사이에 충분한 발열량을 얻는 관점에서, 2 cycles 이상으로 하는 한편, 스플래싱 발생을 방지한다는 관점에서 10 cycles 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 3 cycles 이상, 9 cycles 이하이다.

또한, 제 2 통전 스텝의 통전 시간 (TI2) 은, 일정 이상의 너깃 직경을 확보한다는 관점에서, 5 cycles 이상, 30 cycles 이하 정도로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 7 cycles 이상, 28 cycles 이하이다.

또한, 전류값·가압력 모두, 제 3 스텝 이후의 패턴은 특별히 제한되지 않는다. 그렇다는 것은, 제 3 스텝 이후의 통전·가압 패턴으로는, 조인트의 후열 처리나 잔류 응력 제어, 스플래싱을 억제하면서의 너깃 확대를 목적으로 한 통전·가압을 실시하는 것을 생각할 수 있지만, 이것에는 여러 가지 패턴이 상정되고, 그 이전의 스텝의 전류값·가압력과의 상관은 특별히 발생하지 않기 때문이다. 또, 제 2 스텝 이후의 각 스텝 사이의 통전에 냉각 시간의 유무는 따지지 않는다.

또, 본 발명에 있어서의 피용접 재료는 특별히 제한은 없고, 연강으로부터 초고장력 강판까지의 각종 강도를 갖는 강판 및 도금 강판, 알루미늄 합금 등의 경금속판의 용접에도 적용할 수 있고, 4 장 이상의 강판을 중첩한 판 조합에도 적용할 수 있다.

실시예

표 1 및 도 2 ∼ 4 에 나타내는 바와 같은 3 장 중첩의 강판의 판 조합에 대하여, 표 2 에 나타내는 조건으로 저항 스폿 용접을 실시하고, 조인트를 제작하였다.

여기서, 표 2 의 제어 모드가 「정전류」인 경우에는, 표에 나타낸 용접 조건으로 정전류 제어에 의해 용접했을 때의 결과를 나타내고 있다. 한편, 제어 모드가 「적응 제어」인 경우에는, 표에 나타낸 용접 조건으로 판극 등의 외란이 없는 상태에서 정전류 제어에 의해 테스트 용접을 실시하고, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화를 기억시킨 후, 테스트 용접으로 얻어진 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 하여 전류값을 추종시키는 적응 제어 용접을 실시했을 때의 결과를 나타내고 있다. 또한, 통전 시간이나 가압력 등과 같은 조건은, 테스트 용접과 본용접에서 동일하다.

또, 제 1 통전 스텝에 있어서 외란이 없는 상태에서 스플래싱 발생의 우려가 있는 최소 전류값 Is 를 다음과 같이 하여 구하였다. 즉, 통전 시간이나 가압력과 같은 조건을 본용접 공정의 제 1 통전 스텝에 대해 설정되는 조건으로 하여 테스트 용접에 의해 구하였다. 다음으로 이 조건 하에서, 정전류 제어에 의해 외란이 없는 상태의 판 조합을 여러 가지 용접하고, 이 때, 설정하는 용접 전류값을 4.0 kA 로부터 0.5 A 증분으로 서서히 올려 가, 최초로 스플래싱의 발생을 확인한 용접 전류값을, 제 1 통전 스텝에 있어서 외란이 없는 상태에서 스플래싱 발생의 우려가 있는 최소 전류값 Is 로 하였다.

또한, 일부의 조인트를 작성하는 데에 있어서는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 후판 (12)-후판 (13) 간에 스페이서 (15) (스페이서간 거리 60 ㎜) 를 삽입하고, 상하로부터 클램프함으로써 (도시 생략), 여러 가지의 판극 두께가 되는 판극을 형성하였다.

또한, 용접기에는 인버터 직류 저항 스폿 용접기를 사용하고, 전극에는 DR 형 선단 직경 6 ㎜ 의 크롬 구리 전극을 사용하였다.

얻어진 각 조인트에 대하여, 용접부를 절단하고 단면을 에칭 후, 광학 현미경에 의해 관찰하여, 박판-후판 사이의 너깃 직경 d1 및 후판-후판 사이의 너깃 직경 d2 (㎜) 를 각각 계측하고, 너깃 직경 d1, d2 가 모두

이상 (t' : 이웃하는 2 장의 강판 중 얇은 쪽의 강판의 판 두께 (㎜)) 이고, 또한 스플래싱이 발생하지 않은 경우를 ○ 로 평가하였다. 또, 너깃 직경 d1, d2 가

미만 혹은 스플래싱이 발생한 경우를 × 로 평가하였다.

발명예에서는 모두 스플래싱의 발생은 없고,

이상의 직경을 갖는 너깃이 박판-후판 사이 및 후판-후판 사이에서 얻어졌다.

한편, 비교예에서는 모두, 스플래싱이 발생하거나, 혹은 충분한 너깃이 형성되지 않았다.

11 : 강판 (박판)
12, 13 : 강판 (후판)
14 : 전극
15 : 스페이서

Claims (5)

1. 중첩한 2 장 이상의 후판의 적어도 일방에 박판을 중첩한 판 조합을, 1 쌍의 전극에 의해 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법에 있어서,
   본용접 공정과, 그 본용접 공정에 앞선 테스트 용접 공정을 구비하고,
   상기 본용접 공정 및 상기 테스트 용접 공정에서는, 통전 패턴을 2 단 이상의 다단 통전 스텝으로 분할하고,
   또, 상기 테스트 용접 공정에서는, 통전 스텝마다, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키고,
   상기 본용접 공정에서는, 제 1 통전 스텝에 있어서, 스플래싱이 발생하지 않는 전류값을 선정하여 정전류 제어에 의해 용접을 실시하고, 그 후의 제 2 통전 스텝 이후에 있어서, 상기 테스트 용접 공정에서 목표값으로서 기억시킨 단위 체적당의 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 하여 용접을 실시하고, 어느 통전 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에, 그 벗어난 양을 당해 통전 스텝의 나머지의 통전 시간 내에서 보상하기 위하여, 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량이 상기 테스트 용접 공정에서 미리 구한 당해 통전 스텝에서의 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실시하는, 저항 스폿 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 통전 스텝의 전류값을 I1, 상기 제 1 통전 스텝에 있어서 외란이 없는 상태에서 스플래싱 발생의 우려가 있는 최소 전류값을 Is 로 했을 때,
   0.6 Is ≤ I1 ≤ 0.95 Is
   의 관계를 만족시키는, 저항 스폿 용접 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 본용접 공정의 가압 패턴을 2 단 이상의 다단 가압 스텝으로 분할하여, 용접을 실시하는 것으로 하고, 그 때, 적어도 제 1 가압 스텝 및 제 2 가압 스텝에 대해서는, 이들 스텝에 있어서의 가압력을 각각 F1, F2 로 했을 때,
   F1 ＜ F2
   의 관계를 만족시키는, 저항 스폿 용접 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 테스트 용접 공정의 적어도 제 1 통전 스텝 및 제 2 통전 스텝에 대해서는, 이들 스텝에 있어서의 전류값을 각각 I1', I2' 로 했을 때,
   I1' ＞ I2'
   의 관계를 만족시키는, 저항 스폿 용접 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 저항 스폿 용접 조인트를 제작하는, 저항 스폿 용접 조인트의 제조 방법.

Images