KR20170141031A - 접종 에이전트들을 가진 금속 시트들 스폿 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법에 관한 것으로서, 다음 단계들을 포함한다: 서로 접촉되는 두 시트들에서 용접 스폿이 형성되는 위치 영역을 미리 결정하는 단계; 앞에 말한 위치 영역에 두 시트들 중 적어도 하나의 표면 상에 접종 입자들을 포함하는 물질들을 적용하는 단계; 한 쌍의 전극들을 거쳐 시트들을 통해 전류가 흐르게 하여 앞에 말한 두 시트들을 스폿 용접하는 단계, 여기서 입자들은 (a) C + Ti-B 합금, (b) Al-Ti-B-Re 합금 + C 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.

Description

접종 에이전트들을 가진 금속 시트들 스폿 용접{METAL SHEETS SPOT WELDING WITH INOCULATION AGENTS}

본 발명은 일반적으로 스폿 용접 영역과 금속 접종 영역, 그리고 더 구체적으로 용접 결정 구조를 정제하기 위하여 금속 시트들 내에 접종하는 덩어리들과 결합된 스폿 용접 방법, 그리고 이에 따라 강화된 기계적인 성질을 갖는 금속 용접들을 얻는 것에 관한 것이다.

저항 스폿 용접(RSW)은 접촉하는 금속 표면들이 저항으로부터 얻어진 열에 의해 결합되는 프로세스이다. 공작물들은 전극들에 의해 가해진 압력 하에서 함께 홀드된다. 일반적으로 시트들은 0.5에서 3mm(0.020에서 0.118 in) 두께 범위 내이다. 프로세스는 작은 "스폿" 안에 용접 전류를 집중시키고 동시에 두 시트들을 함께 꽉 붙잡기 위해 두 형태의 구리 합금 전극을 사용한다. 스폿을 통해 큰 전류를 가하는 것은 금속을 녹이고 용접을 형성할 것이다. 스폿 용접의 매력적인 특징은 많은 에너지가 매우 짧은 시간 (대략적으로 10-100 ms) 동안 스폿으로 전달될 수 있다는 것이다. 그것은 시트의 나머지의 과도한 가열 없이 용접이 발생하는 것을 허용한다.

스폿으로 전달되는 열(에너지)의 양은 전극들 사이의 저항과 전류의 크기 및 시간에 의해 결정된다. 에너지의 양은 시트의 물질적인 성질, 그것의 두께, 그리고 전극들의 유형에 맞도록 선택된다. 너무 작은 에너지를 적용하는 것은 금속을 녹일 수 없거나 나쁜 용접을 만들 것이다. 너무 많은 에너지를 적용하는 것은 금속을 너무 많이 녹이거나, 녹은 물질을 배출하거나, 그리고 용접보다 오히려 구멍을 만들 것이다. 스폿 용접의 다른 특징은 스폿에 전달되는 에너지가 신뢰성있는 용접들을 프로듀스하도록 컨트롤될 수 있다는 것이다.

스폿 용접의 가장 일반적인 적용은, 스폿 용접이 자동차와 항공기를 형성하는 시트 금속을 용접하기 위해 거의 전세계적으로 사용되는, 자동차와 항공기 제조 산업이다. 스폿 용접은 또한, 작은 크기의 스폿 용접 장비가 치과 교정술에서 사용되는 금속 "어금니 밴드"를 리사이즈할 때 사용되는, 치과 교정 전문의의 병원에서 사용된다.

다른 적용은 배터리들을 만들기 위한 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지들에서 스폿 용접 스트랩들이다. 전지들은 스폿 용접에 의해 배터리 단말들에 얇은 니켈 스트랩들이 결합된다. 스폿 용접은, 일반적인 솔더링이 된다면 일어날 수 있는, 배터리가 너무 뜨거워지지 않도록 한다.

좋은 설계 방식은 적절한 접근성을 항상 허용해야만 한다. 표면들을 연결하는 것은 양질의 용접들을 보장하기 위하여, 스케일, 오일, 그리고 먼지 등과 같은 오염들로부터 자유로워야만 한다. 금속 두께는 일반적으로 좋은 용접들을 판단함에 있어서 요소가 되지 않는다.

자동차 애플리케이션들은 오랜 시간 동안에 걸쳐 바디 구성요소들에 주기적인 스트레스들을 부과하기 때문에, 금속 용접들이 적절한 금속적인 강도와 피로에 대한 저항성을 갖는 것이 중요하다.

금속의 시트들 사이에서 저항성 타입 스폿 용접들을 형성하기 위하여, 시트들은 한 쌍의 용접 전극들, 일반적으로 구리, 사이에서 압력 하에 함께 클램프된다, 그리고 전류가 시트들 상의 영역 또는 "스폿"을 통해 흐르기 위하여 전극들 사이에서 통과된다. 이러한 전류 흐름은 스폿에서 금속 물질을 그것의 녹는 온도로 가열한다, 녹은 용접 덩어리를 생산한다, 그 녹은 덩어리들이 차가워지고 고체화될 때 퓨전 용접을 형성하여 두 시트들로부터 금속이 서로를 향해 합쳐진다. 응고 과정은 용접 덩어리 내에서 고체/액체 인터페이스 진전에서 빙정 형성과 새로운 단계(고체)의 성장이 원인이다. 녹은 용접 덩어리에서 고체 단계는 일반적으로 용접된 물질의 표면들로부터 에피택시의 성장에 의해 초래된다, 그리고 용접의 중심라인으로의 경쟁적인 성장에 의해 진행된다. 그것은, 열 흐름 방향 경사도에 따라 가장 우선적으로 지향하는 그것들의 쉬운 성장 방향을 갖는 결정들이, 그것들의 쉬운 성장 방향들이 적합하게 지향되지 않는 결정들을 밀어내는 경향이 있다(That is, grains with their easy growth direction oriented most preferentially along the heat flow direction gradient, tend to crowd out those grains whose easy growth directions are not as suitably oriented). 용접 결과로 초래된 결정 구조는 빙정 형성의 유형과 고체 단계의 성장에 의해 결정된다. 용접 덩어리가 차가워질수록, 기판의 벽들에서 시작하는 고체화는 열 유동에 대항하여 성장하는 결정들의 형태를 초래한다; 이러한 결정들은 주형 결정들로 알려져 있다. 결국, 그리고 고체화 상태들에 의존하여, 등축정들은 중심 영역에서 용접 덩어리를 형성한다. 주형 결정 구조들, 즉, 결정들이 길게 늘어지고 서로 평행하게 달리는 경향이 있는 구조들은, 결정들이 크기가 균일하고 임의의 방향으로 배열되는 등축정 구조를 갖는 용접에 비하여 더 낮은 기계적인 강도를 갖는 용접을 초래한다. 게다가, 용접의 기계적인 강도는 주형 결정 구조가 용접 덩어리의 교차 지점과 시트들의 구멍(opening)에서 높은 스트레스 영역들의 근처에 형성되더라도 감소될 것이다. 고체화된 용접은 보통 용접의 중앙에 배열된 등축정들과 주형 결정들의 외부의 경계층에 의해 둘러싸인, 주형 결정들과 등축정들을 모두 포함한다. 피로에 대한 저항뿐만 아니라 용접의 기계적인 강도를 증가시키기 위하여, 주형 결정들의 양에 비하여, 등축정들의 양을 극대화하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명은 이러한 목적을 달성하는 방향으로 향해진다.

발명의 일 측면에 따르면, 다음 단계들을 포함하는, 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법이 제공된다:

서로 접촉되는 두 시트들에서 용접 스폿이 형성되는 위치 영역을 미리 결정하는 단계;

앞에 말한 위치 영역에 두 시트들 중 적어도 하나의 표면 상에 접종 입자들을 포함하는 물질들을 적용하는 단계;

한 쌍의 전극들을 거쳐 시트들을 통해 전류가 흐르게 하여 앞에 말한 두 시트들을 스폿 용접하는 단계,

여기서 입자들은 (a) C + Ti-B 합금, (b) Al-Ti-B-Re 합금 + C 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.

발명의 중요한 이점은 금속 용접의 기계적인 특성들을 증가시키는 것뿐만 아니라, 용접 덩어리로 상대적으로 저렴한 접종을 소개함에 의하여 용접 품질의 일관성을 향상시키는 데 있다.

발명의 다른 이점은 일반적인 저항 용접 장비가 용접 사이클 시간을 증가시키지 않고 발명을 실행하기 위해 사용될 수 있는 것이다.

발명의 이러한 그리고 다른 이점들 그리고 특징들은 본 발명의 바람직한 실시예의 다음 설명의 과정을 통해 명확해지거나 명백해질 것이다.

본 발명은 금속으로 형성된 두 개의 공작물들 사이의 용접과 같은 융합 결합을 포함한다. 용접은 일반적으로 기술분야에서 잘 알려진 일반적인 저항 용접 장비를 사용하여 생산될 수 있는 스폿 용접으로서 언급된다. 그러한 장비는 일반적으로 전원을 포함한다, 그리고 그 사이에서 두 시트들이 미리 정해진 힘으로 클램프되는 한 쌍의 전극들을 포함한다. 압력 하에서 마주보며 접촉하는 시트들과 함께, 전원은 전극들로 녹은 용접 덩어리를 생산하기 위하여 시트들의 마주보고 접촉하는 표면들을 통해 흐르는 전류를 공급한다. 이러한 용접 덩어리는 고체화되고 차가워져 이상적으로 금속 시트 물질 그 자체의 기계적인 강도에 근접하는 기계적인 강도를 갖는 용접을 형성한다.

용접 덩어리가 차가워짐에 따라, 녹은 금속은 액체로부터 고체로 상태를 변함에 따라 결정화된다. 차가워지는 과정 동안, 외부 경계층의 결정화가 먼저 발생한다, 그리고 고체화는 용접이 완전히 결정화될 때까지 용접의 중심을 향해 안쪽으로 진행된다. 용접 덩어리에서 외부 경계층의 결정화는 개별적인 결정들이 서로 평행하게 연장하며 세로 축들로 길게 연장되고 열 유동의 방향을 지향하는 경향이 있는 주형 결정 구조를 초래한다. 결정 구조가 등축정 구조인 중앙 영역으로의 외부 경계 전이들은, 즉, 개별적인 결정들이 길게 늘어나는 것보다 오히려 동일한 크기들을 갖고, 서로 상대적으로 무작위로 지향하는 그것들의 축들을 갖는다. 뒤에서 논의되는 것처럼, 중앙 영역의 등축정 구조는 주형 결정 구조가 용접 덩어리에서 우세한 용접에 비하여 우월한 기계적인 강도와 피로 저항성을 갖는 용접을 제공하는 경향이 있다.

본 발명에 따르면, 공작물들 사이에 형성된 용접의 강도가 덩어리가 고체화됨에 따라 등축정들의 빙정 형성을 촉진하기에 특히 효과적인 경향이 있는 특정 물질들을 갖는 녹은 용접 덩어리를 접종함에 의하여 개선될 수 있는 것이 발견된다.

접종은 공작물들의 마주보는 표면들이 용접되는 경우에 하나 또는 모두에게 적용된다. 접종은 공작물 표면 상에 뿌려지거나 브러쉬되는 액체 또는 페이스트(paste)의 형태일 수 있다, 또는 접종은 그것들이 클램프되고 용접되기 전에 공작물 표면들 사이에 끼어드는 필름 또는 호일로 형성된 캐리어에 포함될 수 있다.

금속 시트들의 공작물들은 적어도 연강, 아연 도금 강판, 켄칭 강(quenched steel), 스테인리스강, 알루미늄도금 강, 구리 합금, 티타늄 합금 및 알루미늄 합금들을 포함하는 스폿 용접에 적합한 다양한 물질로 형성될 수 있다. 본 발명은 또한 다른 금속 시트들 스폿 용접에 적용될 수 있다.

예를 들어, 용접 스폿이 형성된 서로 접촉하는 두 시트들의 위치 영역이 미리 결정된다. 작은 구멍이 두 시트들 중 적어도 하나의 위치 영역의 중앙에 형성될 수 있다. 접종 입자들은 그 구멍에 놓여질 수 있다. 두 시트들은 한 쌍의 전극들을 거쳐 시트들을 통해 전류를 흐르게 하여 결합된다. 입자들은 (a) Al+Ti, (b) Al+C, (c) Ti+C, (d) Ti-B 합금+Al, (e) C+Ti-B 합금, (f) Al-Ti-B-Re 합금+C, (h) Al+Ca, (i) Sr+Zr, (j) Ba+Zr, (k) Si+C, (l) Zr+Al, (m) Na+Al, (n) Si+Na, (o) Al+Ba, (p) Al+Si, (q) Si+Ba 으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.

구멍의 직경은 0.1-1mm 일 수 있다. 구멍의 깊이는 시트의 1/20-1/5 일 수 있다. 입자들은 분말 형태일 수 있다. 두 시트들은 동일하거나 다른 깊이들을 가질 수 있다.

접종 입자들은 위치 영역에서 두 시트들 중 적어도 하나의 표면 상에 적용될 수 있다. 물질들은 표면 상에 필름의 형태로 적용될 수 있다. 물질들은 표면 상에 페이스트(paste)의 형태로 적용될 수 있다. 필름의 두께는 0.01-0.1mm의 범위 내일 수 있다. 두 시트들은 동일하거나 다른 깊이들을 가질 수 있다.

발명의 방법은, 비록 청구항에 기재된 것들이 선호되지만, 위에서 리스트된 접종 입자들 중 어느 것이든 사용될 수 있다.

테스트 시리즈가 독창적인 방법에 따른 접종을 가지고 생산된 용접들의 특성들과 접종을 가지지 않고 생산된 용접들의 특성들을 비교하기 위해 수행되었다. 이러한 테스트 결과들은 명확하게 접종된 용접들의 기계적인 특성들이 접종들을 받지 않은 것들에 비하여 우월한 것을 보여준다.

시트들 물질	시트 두께(mm)	전극 압력(KN)	전류(KA)	시간(cycle)	접종 에이전트들	전단 강도(KN)
알루미늄 합금들	1	3	30	2	no	1.2
					Al+Ti	1.8
					Al+C	1.6
연강들	1	2.25	8.8	8	no	5.7
					Ti+C	6.5
					Ti-B합금+Al	6.6
아연 도금 강판들	1	3	11	9	no	5.9
					C+Ti-B합금	6.7
					Al-Ti-B-Re합금+C	6.8
켄칭 강들	1	1.5	6	25	no	6
					Al+Ca	6.5
					Sr+Zr	6.4
알루미늄 도금 강들	1	2.5	10.5	11	no	3.9
					Ba+Zr	4.6
					Si+C	4.5
스테인리스 강들	1	4	6	7	no	5.2
					Zr+Al	5.9
					Na+Al	6
구리 합금들	1	3	23	6	no	1.4
					Si+Na	1.75
					Al+Ba	1.8
티타늄 합금들	1	5	5.5	7	no	7
					Al+Si	7.8
					Si+Ba	7.9

표 1 접종 에이전트들을 가지거나 가지지 않은 다양한 금속 시트들의 기계적인 특성.

이러한 테스트들의 결과들은 본 발명의 방법에 따른 접종된 용접들의 기계적인 특성들이 접종을 가지지 않은 용접들보다 현저하게 우월한 것을 명확하게 보여주는 표 1에서 보여진다. 다시, 본 발명에 따른 접종이 제공된 용접들이 접종을 가지지 않은 용접들에 비하여 우월한 전단 강도를 나타내는 것이 보여질 수 있다.

전술한 것으로부터, 앞에 설명된 용접 덩어리 접종은 이전의 용접 방법들보다 이점들을 제공할 뿐만 아니라, 특히 효과적이고 경제적인 방법으로 이점들을 제공하는 것이 이해될 수 있다. 그 기술에 숙련된 자들이 그 기술에 대한 본 기여의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 발명을 설명하기 위해 선택된 다양한 변형들 또는 추가들을 만들 수 있는 것은, 물론, 인식된다. 따라서, 구하는 보호와 여기서 주어지는 것은 청구된 주제와 본 발명의 범위 내에서 상당히 그것의 모든 균등물들로 확장되는 것으로 간주되어야만 하는 것이 이해될 것이다.

Claims (5)

1. 서로 접촉되는 두 시트들에서 용접 스폿이 형성되는 위치 영역을 미리 결정하는 단계;
   앞에 말한 위치 영역에서 두 시트들 중 적어도 하나의 표면 상에 접종 입자들을 포함하는 물질들을 적용하는 단계;
   한 쌍의 전극들을 거쳐 시트들을 통해 전류가 흐르게 하여 앞에 말한 두 시트들을 스폿 용접하는 단계를 포함하고,
   입자들은 (a) C + Ti-B 합금, (b) Al-Ti-B-Re 합금 + C 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법.
2. 제1항에 있어서,
   물질들은 앞에 말한 표면 상에 필름의 형태로 적용되는 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법.
3. 제1항에 있어서,
   물질들은 앞에 말한 표면 상에 페이스트(paste)의 형태로 적용되는 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법.
4. 제2항에 있어서,
   필름의 두께는 0.01-0.1mm의 범위 내인 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법.
5. 제1항에 있어서,
   두 시트들은 동일하거나 다른 깊이들을 갖는 주로 아연 도금 강판들로 형성되는 두 시트들의 스폿 용접 방법.