KR20170142670A - 접종제에 의한 금속 박판 점용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 알루미늄 합금으로 형성되어질 2개의 박판의 점용접 방법에 관한 것으로서, 다음의 단계들을 포함한다: 용접점이 형성되는, 서로 접촉하는 2개의 박판의 위치 영역을 미리 결정하는 단계; 상기 2개의 박판 중 적어도 1개의 상기 위치 영역의 중앙에 작은 구멍을 형성하는 단계; 상기 구멍 내로 접종제 입자를 도입하는 단계; 한쌍의 전극을 거쳐 상기 박판을 통해 전류를 통과시킴으로써 상기 2개의 박판을 점용접하는 단계, 여기서 상기 입자는 (a) Al+Ti 및 (b) Al+C로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 재료를 포함한다.

Description

접종제에 의한 금속 박판 점용접{METAL SHEETS SPOT WELDING WITH INOCULATION AGENTS}

본 발명은 일반적으로 점용접(spot welding) 영역 및 금속 접종(inoculation) 영역에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 용접부 결정(grain) 구조를 개선하기 위해서, 금속 박판(sheet)에 너깃 접종(nugget inoculating)과 결합된 점용접을 하여, 이와 같이 향상된 기계적 성질을 갖는 금속 용접부를 얻는 방법에 관한 것이다.

저항 점용접(resistance spot welding: RSW)은 저항으로부터 얻어지는 열에 의해 접촉하는 금속 표면이 연결되는 공정이다. 전극에 의해 가해지는 압력 하에서 피삭재(work-pieces)가 함께 지탱된다. 전형적으로, 상기 박판은 0.5 내지 3 mm(0.020 내지 0.118 in) 두께 범위에 있다. 상기 공정은 2개의 성형 구리 합금 전극을 사용하여 용접 전류를 작은 "점"으로 집중시켜 상기 박판을 함께 동시에 고정시킨다. 점을 통해 큰 전류를 가하는 것은 금속을 용융시키고, 용접부를 형성할 것이다. 점용접의 매력적인 특징은 매우 짧은 시간(대략 10 내지 100 밀리초)에 많은 에너지가 점으로 전달될 수 있는 것이다. 이는 박판의 잔여물의 과도한 가열 없이 용접이 일어나는 것을 허용한다.

점에 전달되는 열량(에너지)은 전극과, 전류의 규모 및 지속 시간 사이의 저항에 의해 결정된다. 박판의 물성, 그 두께, 및 전극의 종류에 맞도록 에너지양이 선택된다. 너무 작은 에너지를 적용하는 것은 금속을 용융시키지 않을 것이고, 또는 불량한 용접부를 형성하게 될 것이다. 너무 많은 에너지를 적용하는 것은 너무 많은 금속을 용융시키고, 용융된 재료를 배출하여 용접부보다는 구멍을 형성할 것이다. 점용접의 다른 특징은 점으로 전달되는 에너지를 제어하여 신뢰성 있는 용접부를 생성할 수 있는 것이다.

점용접의 가장 일반적인 응용은 자동차 및 비행기 제조 산업에 있어서이며, 박판 금속을 용접하여 자동차 및 비행기를 형성하는데 거의 일반적으로 사용된다. 점용접은 또한 치과 교정 클리닉에서 사용되며, 치과 교정에 사용되는 금속 "어금니 밴드(molar band)의 크기 조절 시에 작은 규모의 점용접 장치가 사용된다.

다른 응용은 배터리를 제작하기 위한 니켈-카드뮴 또는 니켈-금속 수소 전지에 대한 점용접 스트랩이다. 상기 전지는 얇은 니켈 스트랩을 배터리 말단에 점용접함으로써 연결된다. 점용접은 종래의 납땜이 완료되면 항상 있을 수 있는, 배터리가 너무 뜨거워지는 것으로부터 보호할 수 있다.

우수한 설계 실천은 항상 충분한 접근성을 허용해야 한다. 접촉하는 표면들은 오염 물질, 예를 들면 물때, 유분, 및 먼지가 없어 양질의 용접부를 보장해야 한다. 금속의 두께는 일반적으로 우수한 용접부를 결정하는 요인은 아니다.

차량 응용은 긴 시간에 걸쳐 본체 부품에 대하여 반복 응력을 가하기 때문에, 금속 용접부는 충분한 기계적 강도 및 피로에 대한 저항을 갖는 것이 중요하다.

금속의 박판들 사이에 저항형 점용접부를 형성하기 위해서, 한쌍의 용접 전극, 전형적으로는 구리 사이에 압력 하에서 박판을 함께 고정시키고, 상기 전극 사이에 전류를 통과시켜 박판 상의 영역 또는 "점"을 관류한다. 이 전류의 흐름은 점에서 금속재를 그 용융 온도까지 가열시키고, 용융된 용접 너깃을 생성하며, 2개의 박판으로부터의 금속은 서로를 향해 이동하여 용융된 너깃이 냉각 및 응고되었을 때에 용융 용접부를 형성한다. 응고 공정은 용접 너깃 내의 전진하는 고체/액체 접점에서의 신규한 상(고체)의 핵 생성 및 성장이 원인이다. 용융된 용접 너깃 내의 고체상은 일반적으로 용접되는 재료의 표면으로부터 에피택시얼 성장(epitaxial growth)에 의해 개시되고, 용접부의 중심선을 향한 경쟁적 성장에 의해 진행한다. 즉, 열 흐름 방향 기울기를 따라 가장 우선적으로 향하는 용이한 성장 방향을 갖는 결정은 용이한 성장 방향이 적합하게 향해지지 않는 결정을 밀어내는 경향이 있다. 얻어진 용접부의 결정 구조는 고체상의 핵 생성 및 성장의 종류에 의해 결정된다. 용접 너깃이 냉각되기 때문에, 기판의 벽에서 시작되는 응고가 열 유속에 대하여 성장하는 결정의 형성을 야기하며; 이들 결정은 원주형(columnar) 결정으로 알려져 있다. 결국, 응고 조건에 따라, 등축 결정이 중심 영역에 용접 너깃을 형성한다. 원주형 결정 구조, 즉 결정이 길어지려 하고, 서로 평행이 되려는 경향이 있는 구조는 결정의 크기가 균일하고, 불규칙 방위로 배열된 등축 결정 구조를 갖는 용접부와 비교하여 보다 작은 기계적 강도를 갖는 용접부를 야기한다. 또한, 원주형 결정 구조가 용접 너깃과 박판의 구멍의 교차점에 형성되는 고응력 영역 부근에 있으면, 용접부의 기계적 강도가 한층 더 저하될 것이다. 응고된 용접부는 보통 원주형 결정과 등축 결정을 모두 갖고, 상기 등축 결정은 용접부의 중앙에 배치되며, 원주형 결정의 외측 경계층에 의해 둘러싸인다. 용접부의 기계적 강도뿐만 아니라 그 피로에 대한 저항을 증가시키기 위해서, 원주형 결정의 부피와 비교하여 등축 결정의 부피를 최대화하는 것이 요구될 것이다. 본 발명은 이 목적을 달성하는 것을 지향한다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 주로 알루미늄 합금으로 형성되는 2개의 박판의 점용접 방법이 제공되고, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:

용접점이 형성되어질, 서로 접촉하는 2개의 박판의 위치 영역을 미리 결정하는 단계;

상기 2개의 박판 중 적어도 1개의 상기 위치 영역의 중앙에 작은 구멍을 형성하는 단계;

상기 구멍 내로 접종제(inoculant) 입자를 도입하는 단계;

한쌍의 전극을 거쳐 상기 박판을 통해 전류를 통과시킴으로써 상기 2개의 박판을 점용접하는 단계,

여기서 상기 입자는,

(a) Al+Ti,

(b) Al+C

로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 재료를 포함한다.

본 발명의 현저한 이점은 금속 용접부의 기계적 성질을 강화시킬 뿐만 아니라, 용접 너깃에 대해 상대적으로 비싸지 않은 접종제를 도입함으로써 용접부 품질의 일관성을 향상시키는 능력에 있다.

본 발명의 다른 이점은 본 발명의 방법을 실행하는데 용접 사이클 시간을 증가시키는 일 없이 종래의 저항 용접 장치가 사용될 수 있는 점이다.

본 발명의 이들 이점과 다른 이점 및 특징은 명백해질 것이며, 또는 다음의 본 발명의 바람직한 실시형태의 설명의 과정 동안에 분명해질 것이다.

본 발명은 용융 결합, 예를 들면 금속으로 형성되는 2개의 피삭재 사이의 용접부를 포함한다. 용접부는 일반적으로 당업계의 종래 공지의 저항 용접 장치를 사용하여 생성될 수 있는 점용접부를 일컫는다. 이러한 장치는 전형적으로 전원 장치, 및 미리 결정된 힘으로 박판들이 고정된 사이의 한쌍의 전극을 포함한다. 압력 하에서 대향하여 접촉하는 박판들에 대하여, 전원 장치는 박판의 표면과 대향 및 접촉함으로써 흐르는 전류를 전극에 전달하여 용융 용접 너깃을 생성한다. 이 용접 너깃을 응고 및 냉각시켜 금속 박판 재료 그 자체의 기계적 강도에 근접한, 이상적인 기계적 강도를 갖는 용접부를 형성한다.

용접 너깃이 냉각되기 때문에, 액체로부터 고체로 상태가 변화되는 것과 같이 용융 금속이 결정화된다. 냉각 공정 시에, 외측 경계층의 결정화가 먼저 발생하고, 용접부가 완전히 결정화될 때까지 용접부의 중앙을 향해 내부로 응고가 진행된다. 용접 너깃 중의 외측 경계층의 결정화는, 서로 평행하게 연장되며, 열 흐름의 방향을 향하는 세로 방향 축으로 개개의 결정이 길어지려는 경향이 있는 원주형 결정 구조를 야기한다. 외측 경계는 결정 구조가 등방상인, 즉 길어지는 것 보다는 개개의 결정이 동일한 크기를 갖고, 그 축들이 서로에 대해 임의로(randomly) 향하는 중심 영역으로 이동한다. 이후에 논의되는 바와 같이, 중심 영역의 등축 결정 구조는 용접 너깃 내에서 원주형 결정 구조가 지배적인 용접부와 비교하여 우수한 기계적 강도 및 피로 저항을 갖는 용접부를 제공하려는 경향이 있다.

본 발명에 따라, 너깃을 고체화시키는 등의, 등축 결정의 핵 생성을 촉진시키는데 특히 효과적인 경향이 있는 특정 재료와 용융 용접 너깃을 주입함으로써 피삭재 사이에 형성되는 용접부의 강도를 향상시킬 수 있는 것을 발견했다.

피삭재의 대향하는 표면이 용접될 경우에 접종제가 하나 또는 양방에 적용된다. 접종제는 액체 또는 페이스트 형태일 수 있고, 피삭재 표면 상에 분무되거나 또는 브러싱되고, 또는 고정 및 용접 되기 전에 피삭재 표면 사이에 삽입되는 필름 또는 포일로 형성되는 캐리어로 접종제가 포함될 수 있다.

금속 박판의 피삭재는 점용접에 적합한 각종 재료로 형성될 수 있고, 적어도 연강, 아연 도금강(galvanized steel), 조질강(quenched steel), 스테인레스강, 알루미늄 도금강, 구리 합금, 티탄 합금, 및 알루미늄 합금을 포함한다. 본 발명은 또한 다른 재료 박판 점용접에 적용될 수 있다.

하나의 실시예에 있어서, 용접점이 형성되어질 서로 접촉하는 2개의 박판의 위치 영역이 미리 결정된다. 2개의 박판 중 적어도 1개의 위치 영역의 중심에 작은 구멍이 형성될 수 있다. 접종제 입자를 구멍에 넣을 수 있다. 한쌍의 전극을 통해 박판 사이에 전류를 통과시킴으로써 2개의 박판이 연결된다. 상기 입자는 다음의 것들로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함한다:

(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

상기 구멍의 직경은 0.1 내지 1mm일 수 있다. 상기 구멍의 깊이는 박판의 1/20 내지 1/5일 수 있다. 상기 입자는 분말 형태일 수 있다. 2개의 박판은 동일하거나 또는 상이한 깊이를 가질 수 있다.

위치 영역에서 2개의 박판 중 적어도 하나의 표면 상에 접종제 입자가 적용될 수 있다. 표면 상에 필름 형태로 재료가 적용될 수 있다. 표면 상에 페이스트 형태로 재료가 적용될 수 있다. 상기 필름의 두께는 0.01 내지 0.1mm의 범위일 수 있다. 상기 2개의 박판은 동일하거나 또는 상이한 깊이를 가질 수 있다.

본 발명의 방법은 청구된 것이 바람직하지만, 상기 열거된 접종제 입자 중 임의의 것을 사용할 수 있다.

일련의 테스트를 행하여 본 발명의 방법에 따른 접종을 하고, 또한 하지 않고 생성되는 용접부의 성질을 비교한다. 이들 테스트 결과는 접종된 용접부의 기계적 성질이 접종제를 받지 않은 것에 대하여 우수한 것을 명백하게 나타낸다.

접종제를 갖거나 갖지 않는 각종 금속 박판의 기계적 성질

박판 재료	박판 두께(mm)	전극 압력(KN)	전류(KA)	시간 (사이클)	접종제	전단 강도(KN)
알루미늄 합금	1	3	30	2	없음	1.2
					Al+Ti,	1.8
					Al+C,	1.6
연강	1	2.25	8.8	8	없음	5.7
					Ti+C	6.5
					Ti-B 합금+Al	6.6
아연 도금강	1	3	11	9	없음	5.9
					C+Ti-B 합금	6.7
					Al-Ti-B-Re 합금 +C	6.8
조질강	1	1.5	6	25	없음	6
					Al+Ca	6.5
					Sr+Zr	6.4
알루미늄 도금강	1	2.5	10.5	11	없음	3.9
					Ba+Zr	4.6
					Si+C	4.5
스테인레스강	1	4	6	7	없음	5.2
					Zr+Al	5.9
					Na+Al,	6
구리 합금	1	3	23	6	없음	1.4
					Si+Na	1.75
					Al+Ba	1.8
티탄 합금	1	5	5.5	7	없음	7
					Al+Si	7.8
					Si+Ba	7.9

이들 테스트의 결과는 표 1에 나타내어지고, 본 발명의 방법에 따라 접종된 용접부의 기계적 성질이 접종을 갖지 않는 용접부의 기계적 성질에 대해 현저히 우수한 것을 명백하게 나타낸다. 또한, 본 발명에 따라 접종된 용접부는 접종되지 않은 용접부와 비교하여 우수한 전단 강도를 나타내는 것을 알 수 있다.

이상으로부터, 상기 기재된 용접부 너깃 접종은 이전의 용접 방법에 비해 이점을 제공할 뿐만 아니라, 특히 효과적이고 경제적인 방법인 것을 이해할 수 있다. 물론, 당업자는 당업계에 대한 본 발명의 기여의 정신 또는 범위를 벗어나는 일 없이 본 발명을 설명하기 위해 선택되는 각종 변형 또는 추가를 할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 명세서에 의해 모색 및 제공되는 보호는 주장된 주제로 확장되는 것으로 간주되어야 하고, 그것의 모든 등가물은 본 발명의 범위 내에서 공정한 것이 이해될 수 있다.

Claims (5)

1. 다음의 단계들을 포함하는, 주로 알루미늄 합금으로 형성되는 2개의 박판의 점용접(spot welding) 방법으로서:
   용접점이 형성되어질, 서로 접촉하는 2개의 박판의 위치 영역을 미리 결정하는 단계;
   상기 2개의 박판 중 적어도 1개의 상기 위치 영역의 중앙에 작은 구멍을 형성하는 단계;
   상기 구멍 내로 접종제(inoculant) 입자를 도입하는 단계;
   한쌍의 전극을 거쳐 상기 박판을 통해 전류를 통과시킴으로써 상기 2개의 박판을 점용접하는 단계,
   여기서 상기 입자는,
   (a) Al+Ti,
   (b) Al+C
   로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 재료를 포함하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 구멍의 직경은 0.1 내지 1mm인 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 구멍의 깊이는 상기 박판의 1/20 내지 1/5인 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 입자는 분말의 형태인 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 2개의 박판은 동일하거나 또는 상이한 깊이를 갖는 방법.