KR20170124132A - 프로젝션 용접방법 - Google Patents

Abstract

590Mpa 이상의 고강도 차량 바디 부품의 제조에 적용하기 위한 프로젝션 용접방법으로서, 용접 가압력은 140~250kgf, 전류는 8,000~15,000A이며, 돌기는 패널의 두께를 T라고 할 때, 높이(H) 0.5~0.8T로 돌출되어 길이(L) 13~16mm, 폭(W) 0.5~3.0mm를 갖는 길쭉하고 실질적으로 플랫한 선단면을 갖는다.

Description

프로젝션 용접방법{PROJECTION WELDING METHOD}

본 발명은 프로젝션 용접방법, 특히 590Mpa 이상의 고강도 차량 바디 부품의 제조에 적용하기 위한 프로젝션 용접방법에 관한 것이다.

본 발명은 산업통상자원부(MOTIE)의 재원으로 한국산업기술평가관리원(Keit)의 지원을 받아 수행한 "성형기술 솔루션을 통한 저코스트형 경량 차체 부품 개발" 과제의 결과물이다.

프로젝션 용접은 겹치기 저항용접의 하나로, 접합 대상 중 어느 일방 또는 쌍방에 형성된 돌기를 전극으로 가압하고 전류를 집중시켜 재료 자체의 저항발열로 용접이 이루어지도록 한다.

프로젝션 용접은 높은 성능의 용접기와 상당히 높은 치수 정밀도의 돌기가 요구되는 단점이 있으나, 신뢰성이 높을 뿐만 아니라 열용량이 다르거나 다양한 재료의 접합에 유용하며 또 복수의 위치에 동시적인 용접이 가능하다는 등의 많은 장점이 있다.

한국공개특허 제1997-0064804호에는 "자동차의 바디 오픈닝 부품의 헤밍플랜지 용접방법"이라는 제목으로 프로젝션 용접의 적용 예가 소개되어 있다. 이 특허에서 소개하듯이 프로젝션 용접은 아우터패널의 용접면에 압흔을 남기지 않을 수 있다는 장점도 있다.

통상적으로 차량의 바디 부품은 냉연강판의 절단, 절단된 블랭크의 프레스 성형, 그리고 성형된 블랭크를 타 부품과 접합하는 과정을 통해 제조된다. 위 한국공개특허는 이들 과정 중 세 번째의 접합과정을 소개한 것이고, 프로젝션 용접을 위한 돌기는, 용접 전에, 별도의 돌기 성형장치를 이용하여 만들어진다.

연비 규제 및 안전법규의 강화 등으로 고장력 강판의 개발 및 적용이 계속 증가하고 있다. 또한 최근 각광을 받고 있는 핫스탬핑 공법은 보론강판을 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 성형과 동시에 급냉각하며, 이를 통해 마르텐사이트 조직의 고강도 바디 부품을 제조할 수 있다.

핫스탬핑된 고강도 성형품은 가장자리의 마진을 트리밍 후 타 부품과 접합하여 하나의 부품, 예를 들어 패널 인너와 아우터가 접합된 도어나 트링크리드 등의 바디 부품으로 만들어진다. 트리밍에는 레이저가 이용되며, 접합에는 스폿 용접이 이용된다. 핫스탬핑 강판 외의 고장력 강판의 접합에도 스폿용접이 이용된다.

스폿용접은 차량 바디 부품의 제조과정에 가장 널리 사용되는 접합방법이다. 그러나 스폿용접은 타점수 증가를 동반하며 따라서 전극 수명이나 에너지 소모면에서 불리하다. 또한 스폿용접은, 스킨(skin) 패널에 적용할 경우, 용접 흔적으로 인해 외관 품질이 떨어진다는 문제점이 있다.

스폿용접은 용접부 플랜지의 크기가 용접팁 크기에 의존한다. 용접강도의 확보를 위해 용접팁 직경(통상 16~20mm)을 크게 하는 경우 용접부 플랜지의 크기도 커져야 한다. 플랜지 크기의 축소가 불가하며, 용접부위의 폭이 작거나 공간확보가 어려운 경우 스폿용접을 할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 고강도 차량 바디 부품의 제조에 적용하기 위한 프로젝션 용접방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 외관이 노출되는 아우터패널의 접합에 적용 가능한 프로젝션 용접방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 스폿용접 대비 동등 또는 그 이상 수준으로 접합강도가 우수한 프로젝션 용접방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 위 목적의 달성을 위한 것으로, 프로젝션 용접을 위한 돌기가 형성된 패널을 접합대상과 적층하는 제1 단계; 및 전극으로 140~250kgf의 가압력과 8,000~15,000A의 전류를 가하면서 서로 용접하는 제2 단계;를 포함한다.

또한 본 발명에 의하면 프로젝션 용접을 위한 돌기는, 패널의 두께를 T라고 할 때, 높이(H) 0.5~0.8T로 돌출되어 길이(L) 13~16mm, 폭(W) 0.5~3.0mm를 갖는 길쭉하고 실질적으로 플랫한 선단면을 갖는다.

돌기의 선단면이 실질적으로 플랫하다는 것은 접합대상과 면접촉할 수 있도록 의도된 면을 갖는다는 의미이다. 용접과정에 돌기 선단면의 길이방향 양단에 전류밀도가 집중되어 융용이 시작되면서 큰 너겟의 용접부를 안정적으로 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 프로젝션 용접은 가압력에 변화를 주면서 다단계로 수행하는 것이 바람직하다. 실시예에 의하면 프로젝션 용접은 3개의 과정(W1~W3)으로 구성되며, 가압력은 W1 ≥ W3 > W2인 것이 바람직하며, 용접전류는 8,000~15,000A의 범위에서 설정된다.

실시예에 의하면 제1 과정(W1)은 가압력 150~250kgf, 전류 8,000~15,000A, 제2 과정(W2)은 가압력 140~200kgf, 전류 9,500~15,000A, 그리고 제3 과정(W3)은 가압력 150~220kgf, 전류 9,500~15,000A의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

제1 과정(W1)에 돌기 선단면의 길이방향 양단에서 먼저 용융이 발생되며, 제2 과정(W2)에 중앙측으로 용융면적이 점차 넓어지면서 돌기가 붕괴된다(collapsed). 제3 과정(W3)에서 돌기의 용융 및 붕괴가 완료된다. 제3 과정(W3) 후 용접부를 냉각 및 응고시킨다.

본 발명에 따른 돌기 구조와 용접 조건으로 프로젝션 용접 시, 특히 590Mpa 이상의 고강도 강판에 대해 기존의 스폿용접보다 우수한 융착강도를 가지며 외관 품질이 우수한 용접부를 얻을 수 있다.

종래에 고강도의 차량 바디 부품 제조 시 강판들 간의 접합에 스폿용접이 이용될 뿐, 프로젝션 용접의 양산 적용은 이루어지지 못했다.

프로젝션 용접을 위해서는 돌기 성형을 위해 추가적인 설비가 필요하고, 고강도 강판은 가공성이 좋지 않아 돌기 성형장치로 가공할 수 있는 돌기의 형상에 제약이 있고 또 불완전 성형이 발생할 수 있다는 문제가 있다.

본 발명에 의하면 프로젝션 용접용 돌기는 강판의 프레스 성형과정에 함께 가공될 수 있다. 프레스 금형으로 돌기가 성형되므로 형상 동결성이 우수하며 품질 신뢰도가 높다.

또한 본 발명에 의하면 돌기의 성형을 위한 별도의 장치가 필요하지 않으며. 종래 사용되던 생산라인을 거의 그대로 이용하여 고강도의 차량 바디 부품에 프로젝션 용접을 적용할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 프레스 성형과정에 가공된 돌기는 이후 트리밍이나 홀가공 등 후가공 공정에서 대상물의 위치 조정용으로 사용될 수 있다. 트리밍 작업대에 돌기에 대응하는 형상의 요소가 마련되며 이들을 이용하여 트리밍 대상을 정위치시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 프로젝션 용접방법을 이용하여 590Mpa 이상 고강도의 차량 바디 부품을 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 프로젝션 용접방법에 의하면 고강도 강판에 대해 기존의 스폿용접과 동등 이상 수준의 우수한 접합강도를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 외관 노출이 있는 부위의 접합에 적용하더라도 용접 흔적이 없고 외관 품질이 우수한 용접부를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따른 프로젝션 용접용 돌기는 기존 차량 바디 부품 제조라인의 프레스 성형기로 가공될 수 있어, 기존 차량 부품 생산라인에 신규의 장비 추가를 최소화할 수 있으며, 또한 형상 동결성이 우수하여 균일한 용접 품질을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 용접용 돌기를 갖는 패널의 평면도,
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서의 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 돌기의 성형에 사용되는 펀칭툴의 모식도,
도 4는 도 3에 도시된 펀칭툴의 펀칭각에 따른 인장하중 실험 결과를 보인 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 용접부의 인장하중 시험 결과를 보인 도면이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.

도 1에서 보듯이, 실시예에 따른 프로젝션 용접용 돌기(10)는 길쭉하게 형성되며 실질적으로 플랫한 선단면(11)을 갖는다. 플랫한 선단면(11)은 돌기(10)에서 용접대상물 간에 어느 정도의 면접촉이 가능하도록 하여, 적정한 가압력으로 전류밀도 및 입열량이 집중될 수 있도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 돌기 선단면(11)은 길이(L) 13~16mm로 형성되며, 패널(1) 두께를 T라고 할 때, 돌출 높이(H) 0.5~0.8T, 폭(W) 0.5~3.0mm로 형성된다. 선단면(11)으로부터 패널(1) 표면(1a)으로 이어지는 곡면 구간(12)의 곡률반경(R)은 2~5mm인 것이 바람직하다.

위와 같은 돌기(10) 구조에 의할 때 590Mpa 이상 수준의 고강도 강판에 대해 우수한 접합강도와 외관 품질의 접합부를 얻을 수 있다. 돌기 선단면(11)의 길이(L)가 13mm 미만일 경우 적정한 접합강도를 얻기 어려우며, 16mm를 초과하는 경우 외관 품질의 관리가 어렵다.

또한 선단면(11)의 폭(W)이 0.5~3.0mm를 벗어난 경우, 돌기 선단면(11)에서의 면접촉량이 충분하지 않거나 너무 과다하여, 돌기(10)가 너무 빨리 붕괴되거나 가압력 대비 다른 용접조건의 최적화가 어렵다.

실시예에 의하면 돌기(10)는 패널(1)의 프레스 성형과정에 함께 성형된다. 도 3을 참조하면, 프레스 금형(미도시)의 상형에는 돌기(10)의 성형을 위한 펀칭툴(20)이 마련되며, 하형에는 돌기(10)에 대응하는 형상의 홈이 마련된다.

돌기(10) 성형을 위한 펀칭툴(20)은 펀칭각(θ)은 65~90도, 바람직하게는 68~75도 설정된다. 펀칭각(θ) 65도 미만에서 용입 불량이 발생하며, 75도 초과에서는 용입량은 크나 용접부에서의 전류밀도가 낮아지는 문제가 있다.

펀칭각(θ)은 펀칭툴(20) 선단의 가공면(21)과 패널(1) 간의 접촉각 혹은 펀칭툴(20)과 패널(1) 간의 사잇각으로 표현될 수 있다. 도면부호 22는 펀칭툴 측부이다.

도 4에는 펀칭각(θ)에 따른 인장하중 실험 결과가 도시되어 있다. 도 4에서 가로축은 변위이며, 세로축은 인장하중(N)을 나타낸다.

도 4을 참조하면, 펀칭각(θ) 70도에서 용입량 및 전류밀도가 가장 크며 인장강도가 우수하다. 그러나 펀칭각(θ)이 80도, 90도로 증가할수록 인장강도가 낮아진다. 바람직한 펀칭각(θ)은 70도 정도이다.

실시예에 의하면 위와 같은 돌기(10)가 형성된 패널('제1 패널'이라 한다)을 접합대상('2 패널'이라 한다)과 겹친 후, 전극으로 140~250kgf의 가압력과 8,000~15,000A의 전류를 가하면서 용접한다. 용접 중에 가압력은 동일하게 유지되기보다는 변경된다. 용접은 3개의 과정(W1~W3)으로 구분될 수 있다. 가압력은 W1 ≥ W3 > W2로 설정된다.

제1 과정(W1)의 용접은 가압력 150~250kgf, 좋게는 180~250kgf, 전류 8,000~15,000A의 범위에서 수행된다. 이때 가압력은 돌기(10)에서 패널들이 서로 충분히 접촉되어 전류가 통하면서도 접촉저항이 너무 낮아지지 않은 수준으로 설정된다.

제1 과정(W1)의 용접 중에 돌기 선단면(11)의 길이방향 양단에 전류밀도가 집중되어 먼저 용용이 발생된다. 제1 과정(W1)에서 돌기(10)는 약 10% 붕괴되는 수준으로 수행된다. 돌기(10)가 이보다 더 빨리 붕괴되는 경우 용접너겟이 작아지고 외관 품질이 열악해질 수 있다.

제2 과정(W2)은 가압력 140~200kgf, 전류 9,500~15,000A의 범위에서 수행된다. 제2 과정(W2)에서 용융면적이 점차 넓어져 선단면(11)을 포함하여 돌기(10)가 전체적으로 용융된다.

제2 과정(W2)에서, 접촉저항을 줄여 용융면적을 넓히는 것은 물론 용융물이 중앙 측으로 모일 수 있도록, 가압력을 제1 과정(W1)에서보다 감소시킬 필요가 있다. 제2 과정(W2)에서 용접조건은 돌기(10)가 약 70% 붕괴되는 수준으로 설정되는 것이 바람직하다.

제3 과정(W3)은 가압력 150~220kgf, 좋게는 180~220kgf, 전류 9,500~15,000A의 범위에서 수행되며, 돌기(10)는 완전히 용융 및 붕괴된다. 제3 과정(W3)에서 용접부의 강도 확보를 위해 용접부는 전극으로 견고하게 가압된다. 가압력은 제2 과정(W2)에서보다 증가될 필요가 있다.

제3 과정(W3)의 용접 후, 전류 공급을 중단한 상태에서 전극으로 지속적으로 가압하면서 용접부를 냉각 및 응고시킨다. 용접장치에는 전극의 냉각을 위한 냉각수단이 마련된다.

아래 표 1 및 도 5에는 실시예에 따른 돌기가 성형된 고강도 강판에 대한 프로젝션 용접의 예가 소개되어 있다. 표 1에는 실시예별로 프로젝션 용접 조건이 기재되어 있다.

실험에 사용된 강판은 두께 1.2mm의 SGAFC DP강으로, 실시예 1은 590 Mpa, 실시예 2는 780Mpa, 실시예 3은 980Mpa, 실시예 4는 1180Mpa, 실시예 5는 1470Mpa이다. 하중시험은 KS 규격에 따른다.

구분	용접조건	제1 과정(W1)	2 과정(W2)	3 과정(W3)
실시예1	시간(ms)	17	50	34
	전류(A)	10,000	12,000	12,000
	가압력(kgf)	160	180	200
실시예2	시간(ms)	17	50	33.3
	전류(A)	10,000	12,000	12,000
	가압력(kgf)	200	180	200
실시예3	시간(ms)	17	50	34
	전류(A)	10,000	12,000	12,000
	가압력(kgf	250	180	200
실시예4	시간(ms)	17	50	34
	전류(A)	10,000	12,000	12,000
	가압력(kgf)	250	180	200
실시예5	시간(ms)	34	50	34
	전류(A)	15,000	12,000	12,000
	가압력(kgf)	250	180	200

위의 표 1을 참조하면, 실시예 1의 590 강판이 경우, 제1 과정(W1)의 가압력은 제 3과정(W3)의 가압력보다 낮게 유지되었다. 600Mpa 미만 강판의 경우, 제1 과정(W1)에 돌기가 10%를 초과하여 붕괴되며, 이에 따라 용접 불량이나 강도 저하가 발생된다.

600Mpa 미만 강판의 경우, 제1 및 제2 과정(W1,W2)의 가압력은 200kgf 이하로 관리될 필요가 있으며, 과정별 가압력 조건은 W1 < W2 < W3으로 설정된다. 바람직하게는 제1 과정(W1)에서의 가압력은 150~190kgf, 제2 과정(W2)에서의 가압력은 180~200kgf, 제3 과정(W3)에서의 가압력은 190~220kgf이다. 전류는 600~1500Mpa 강판에서와 동등한 수준으로 유지된다.

도 5는 위 실시예들에 대한 인장하중 시험 결과를 기존 스폿용접의 결과와 비교한 그래프이다. 도 5에서 가로축은 실시예들의 강판을 나타내며, 세로축은 인장하중(kN)을 나타낸다.

도 5에서 보듯이, 모든 실시예에서 기준값보다 월등히 높으며, 기존의 스폿용접에 의한 결과보다 우수한 인장강도를 갖는 용접부를 얻을 수 있었다. 또한 실시예들 모두에서 프로젝션 용접된 아우터 스킨 측의 외관은 모두 양호하였다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 돌기 11: 선단면
20: 펀칭툴

Claims (6)

1. 돌기가 형성된 패널을 용접대상에 적층하는 제1 단계; 및
   전극으로 140~250kgf의 가압력과 8,000~15,000A의 전류를 가하면서 패널을 접합대상에 용접하는 제2 단계;를 포함하며,
   돌기는, 패널의 두께를 T라고 할 때, 높이(H) 0.5~0.8T로 돌출되어 길이(L) 13~16mm, 폭(W) 0.5~3.0mm를 갖는 길쭉하고 실질적으로 플랫한 선단면을 갖는 것을 특징으로 하는 프로젝션 용접방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기는 선단면으로부터 패널의 표면으로 이어지는 곡면 구간을 가지며, 이 곡면 구간의 곡률반경(R)은 2~5인 것을 특징으로 하는 프로젝션 용접방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 돌기는 펀칭각 65~75도의 펀칭툴이 장착된 프레스 금형을 이용하여 성형된 것을 특징으로 하는 프로젝션 용접방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 단계는,
   가압력 조건이 서로 다른 복수의 용접과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 용접방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 과정은,
   150~250kgf의 가압력과 8,000~15,000A의 전류를 공급하며 용접하는 제1 과정(W1);
   140~200kgf의 가압력과 9,500~15,000A의 전류를 공급하며 용접하는 제2 과정(W2); 및
   150~220kgf의 가압력과 9,500~15,000A의 전류를 공급하며 용접하는 제3 과정(W3);을 포함하며,
   가압력은 W1 ≥ W3 > W2인 것을 특징으로 하는 프로젝션 용접방법.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 과정은,
   150~190kgf의 가압력과 8,000~15,000A의 전류를 공급하며 용접하는 제1 과정(W1);
   180~200kgf의 가압력과 9,500~15,000A의 전류를 공급하며 용접하는 제2 과정(W2); 및
   190~220kgf의 가압력과 9,500~15,000A의 전류를 공급하며 용접하는 제3 과정(W3);을 포함하며,
   블랭크는 580~600Mpa의 강도를 가지며, 가압력은 W1 < W2 < W3인 것을 특징으로 하는 프로젝션 용접방법.

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