KR20180006154A - 접종제를 이용한 금속 시트의 스팟 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 스테인리스강으로 형성된 두 개의 시트들을 스팟 용접하는 방법으로서, 서로 접촉하는 두 개의 시트에서 용접 점이 형성될 위치 영역을 미리 결정하는 단계와. 상기 두 개의 시트들 중 적어도 하나의 위치 영역의 표면상에 접종 입자를 포함하는 물질을 도포하는 단계와; 한 쌍의 전극을 통해 상기 두 개의 시트들의 사이에 전류를 통과시켜서 상기 두 개의 시트들을 스팟 용접하는 단계들을 포함하고, 상기 입자는 하기의 것들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인, 방법에 관한 것이다: (a)Zr+Al; (b) Na+Al.

Description

접종제를 이용한 금속 시트의 스팟 용접{Metal Sheets Spot Welding with Inoculation Agents}

본 발명은 일반적으로는 스팟 용접(spot welding) 분야 및 금속 접종(metal inoculation) 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접 결정립 구조를 미세화하여 기계적 특성이 향상된 금속 용접 부위를 얻기 위하여 금속 시트의 너깃(nugget) 접종과 병행하여 스팟 용접하는 방법에 관한 것이다.

저항 스팟 용접(RSW)은 저항으로부터 얻어지는 열을 이용하여 접촉한 금속 표면들을 접합하는 방법이다. 작업편들은 전극에 의해 인가된 압력하에서 일제히 유지된다. 대표적으로, 그 시트들은 두께가 0.5 내지 3　mm (0.020 내지 0.118　인치) 범위이다. 상기 방법은 두 개의 구리 합금 전극을 이용하여 용접 전류를 작은 스팟(spot)에 집중시키고 그 시트들을 동시에 일제히 고정시킨다. 그 스팟을 통해 대전류를 인가하면, 금속이 녹아서 용접 부위가 형성된다. 스팟 용접의 매력적인 특징은 많은 에너지가 매우 짧은 시간(약 10 내지 100 밀리초)내에 그 스팟에 전달될 수 있다는 것이다. 따라서, 그 시트의 나머지 부분의 과도한 가열이 없이 용접이 일어날 수 있다.

그 스팟에 전달된 열(에너지)의 양은 전극들 사이의 저항 및 전류의 크기 및 지속기간에 의해 결정된다. 에너지의 양은 시트의 물질 특성, 그의 두께 및 전극의 형태에 따라 선택된다. 너무 적은 양의 에너지를 인가하면, 금속이 녹지 않거나 불량한 용접 부위가 얻어지게 된다. 너무 많은 양의 에너지를 인가하면, 너무 많은 금속이 녹고, 용융 물질이 배출되고, 용접 부위보다는 구멍이 형성된다. 스팟 용접의 또 다른 특징은 스팟에 전달된 에너지가 신뢰가능한 용접 부위를 생성하도록 제어될 수 있다는 것이다.

스팟 용접은 자동차 및 항공기 제작 산업에서 가장 일반적으로 적용되는데, 자동차 및 항공기를 형성하기 위한 판재 금속을 용접하는데 거의 전세계적으로 사용되고 있다. 또한, 스팟 용접은 치아 교정에서도 사용되는데, 치아교정용 금속 구치 밴드(molar band)를 크기 조정하는 때 소규모 스팟 용접 장치가 사용된다.

또 다른 적용은 배터리를 제조하기 위해 니켈-카드뮴 또는 니켈-금속 수소 전지(hydride cell)에 스트랩(strap)을 스팟 용접하는 것이다. 상기 전지들은 배터리 단자에 얇은 니켈 스트랩을 스팟 용접함으로써 접합된다. 스팟 용접은 통상적인 납땜이 실시되는 경우에 발생할 수 있는 배터리의 과도한 뜨거워짐을 방지할 수 있다.

양호한 설계 실무는 충분한 접근성(accessibility)이 항상 가능하도록 하여야 한다. 용접 품질을 확보하기 위하여 연결 표면들은 스케일(scale), 오일 및 먼지와 같은 오염물이 없어야 한다. 일반적으로 금속 두께는 양호한 용접을 결정하는데 있어서 고려되는 요인이 아니다.

자동차 용도의 경우 장기간에 걸쳐서 몸체 부품에 주기적인 응력이 가해지기 때문에, 금속 용접 부위는 충분한 기계적 강도 및 내피로성을 갖는 것이 중요하다.

금속 시트들 사이에 저항형 스팟 용접 부위를 형성하기 위하여, 그 시트들은 한쌍의 용접 전극(대표적으로 구리)들 사이에 압력하에서 일제히 고정되고, 전류가 그 시트들 상의 부위 또는 스팟을 통해 흐르도록 전극들 사이에 전류가 인가된다. 이러한 전류는 그 스팟에서의 금속 물질을 이의 녹는점까지 가열하여 용융 용접 너깃(nugget)을 생성하는데, 그 용융 너깃이 냉각 및 응고하는 때 두 시트들의 금속이 서로를 향해 이동하여 융합 용접 부위를 형성한다. 그 응고 과정은 용접 너깃 내의 고/액 계면에서 새로운 상(고체)의 핵형성 및 성장의 결과로서 발생한다. 일반적으로, 용융 용접 너깃 내의 고체상은 용접되는 물질의 표면으로부터 에피택셜 성장하기 시작하고, 용접부위의 중심부를 향해 경쟁 성장한다. 즉, 그의 우선 성장 방향(easy growth direction)이 열 흐름 방향 구배를 따라 가장 우선적으로 배향된 결정립들은, 그의 우선 성장 방향이 적당히 배향되지 않는 결정립들을 밀어내는 경향이 있다. 얻어지는 용접 부위의 결정립 구조는 고체상(solid phase)의 핵형성 및 성장의 유형에 따라 결정된다. 용접 너깃이 냉각됨에 따라, 기재(substrate)의 벽에서 시작되는 응고로 인해, 열류에 대하여 성장하는 결정립이 형성되는데, 이들 결정립은 주상정 결정립(columnar grain)으로 알려져 있다. 궁극적으로 응고 조건에 따라, 등축 결정립(equiaxed grain)이 중심부에서 용접 너깃을 형성한다. 상기 주상정 결정립 구조, 즉 그 결정립들이 서로 평행하게 길게 성장하는 경향이 있는 구조는, 결정립들이 균일한 크기를 갖고 무작위로 배향되는 등축 결정립 구조를 갖는 용접부위와 비교하여 낮은 기계적 강도를 갖는 용접부위를 결과한다. 또한, 그 주상정 결정립 구조가 용접부위 너깃과 시트들의 개구부(opening)의 교점에서 형성된 고응력 영역에 근접하여 위치하는 경우 그 용접부위의 기계적 강도는 더욱더 저하된다. 일반적으로, 응고된 용접부위는 주상정 결정립 및 등축 결정립 모두를 가지는데, 그 등축 결정립은 용접부위의 중심부에 배치되고 주상정 결정립의 외측 경계층에 의해 둘려싸여 진다.

그 용접부위의 기계적 강도뿐만 아니라 그의 내피로성을 증가시키기 위하여, 주상정 결정립의 체적과 비교하여 등축 결정립의 체적을 최대화하는 것이 바람직하다. 본 발명은 이러한 목적의 달성에 관한 것이다.

본 발명의 한 측면에 따라, 주로 스테인리스강으로 형성된 두 개의 시트들을 스팟 용접하는 방법으로서, 서로 접촉하는 두 개의 시트에서 용접 점이 형성될 위치 영역(location region)을 미리 결정하는 단계와. 상기 두 개의 시트들 중 적어도 하나의 위치 영역의 표면상에 접종 입자(inoculant particle)를 포함하는 물질을 도포하는 단계와; 한 쌍의 전극을 통해 상기 두 개의 시트들의 사이에 전류를 통과시켜서 상기 두 개의 시트들을 스팟 용접하는 단계들을 포함하고, 상기 입자는 하기의 것들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인, 방법이 제공된다:

(a)Zr+Al

(b) Na+Al.

본 발명의 중요한 이점은 금속 용접부위의 기계적 특성을 향상시키는 능력뿐만 아니라, 용접 너깃에 비교적 값싼 접종제를 도입함으로써 용접 품질의 일관성을 개선하는 능력이다.

본 발명의 또 다른 이점은 통상적인 저항 용접 장치가 용접 사이클 시간을 증가시키지 않고 본 발명의 실시에 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 이점 및 특징은 하기의 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 통해 명백하게 된다.

본 발명은 금속으로 형성된 두 개의 작업편들 사이의 용접과 같은 융합 결합(fusion bond)을 포함한다. 그 용접은 당업계에 잘 알려진 통상적인 저항 용접 장치를 이용하여 생성될 수 있는 스팟 용접이라고 일반적으로 나타낸다. 일반적으로 이러한 장치는 전원과, 그 사이에서 시트들이 소정의 힘으로 고정되는 한 쌍의 전극을 포함한다. 압력하에서 면대면 접촉하는 시트들의 경우, 전원은 전극에 전류를 전달하고, 그 전류는 상기 시트들의 마주하는 접촉면들을 통해 흘러서 용융 용접 너깃을 생성한다. 이러한 용접 너깃은 응고 및 냉각되어, 금속 시트 물질 그 자체의 것에 근접하는 기계적 강도를 갖는 용접 부위가 형성된다.

용접 너깃이 냉각됨에 따라, 용융 금속이 액체 상태에서 고체 상태로 변화하면서 결정화된다. 그 냉각 과정 동안에, 외측 경계층들의 결정화가 우선 일어나고, 용접 부위가 완전히 결정화될 때까지 그 용접부위의 중심을 향해 내측으로 응고가 진행된다. 그 용접 너깃에서 외측 경계층의 결정화의 결과, 개개 결정립들이 길게 성장하는 경향이 있으면서 그의 장축이 서로 평행하게 연장되고 열류의 방향으로 배향되는 주상정 결정립 구조가 생성된다. 그 외측 경계는 중심 영역으로 전이하는데, 그 중심 영역에서의 결정립 구조는 등축이고(즉, 개개의 결정립들은 기다랗기 보다는 동일한 치수를 가짐) 그들의 축이 서로에 대하여 무작위로 배향되어 있다. 이후에 기재하는 바와 같이, 그 중심 영역의 등축 결정 구조는, 용접 너깃내에서 주상정 결정립 구조가 두드러져 있는 용접부위와 비교하여 우수한 기계적 강도 및 내피로성을 갖는 용접부위를 제공하는 경향이 있다.

본 발명에 따르면, 작업편들의 사이에 형성된 용접 부위의 강도는, 너깃이 응고됨에 따라 등축 결정립의 핵형성을 촉진하는데 있어서 특히 효과적인 경향이 있는 특정 물질을 용융 용접 너깃(nugget)에 접종함으로써 개선될 수 있다는 것이 확인되었다.

상기 접종제는 용접될 작업편들의 마주하는 표면들의 하나 또는 두 표면에 도포된다. 상기 접종제는 작업편 표면에 분무 또는 브러시로 도포되는 액체 또는 페이스트의 형태일 수 있거나, 그 접종제는 작업편 표면들의 고정 및 용접 이전에 작업편 표면들의 사이에 배치되는 필름 또는 호일로 성형되는 담체(carrier)내로 혼입될 수 있다.

금속 시트들의 작업편은 적어도 하나의 연강, 아연도금강, 열처리강(quenched steel), 스테인리스강, 알루미늄 도금강, 구리 합금, 티타늄 합금 및 알루미늄 합금을 비롯한, 스팟 용접에 적당한 여러 가지 물질로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명은 다른 금속 시트의 스팟 용접에도 적용될 수 있다.

일 실시예에서, 용접 스팟을 형성하고자 하는 서로 접촉한 두 개의 시트들의 위치 영역이 미리 결정된다. 두 개의 시트들 중 적어도 하나의 위치 영역의 중심부에 작은 구멍이 형성될 수 있다. 그 구멍에 접종 입자들이 위치할 수 있다. 그 두개의 시트들은 한 쌍의 전극들을 통해 그 시트들에 전류를 통과시킴으로써 서로 접합된다. 그 입자들은 하기의 것들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 한 종의 물질을 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.

그 구멍의 직경은 0.1 내지 1 mm 일 수 있다. 그 구멍의 깊이는 그 시트의 1/20 내지 1/5일 수 있다. 그 입자들은 분말의 형태일 수 있다. 상기 두 개의 시트는 동일 또는 서로 다른 깊이를 가질 수 있다.

상기 접종 입자는 두 개의 시트들의 적어도 하나의 표면의 위치 영역에 도포될 수 있다. 그 물질은 표면에 막(film)의 형태로 도포될 수 있다. 그 물질은 표면에 페이스트의 형태로 도포될 수 있다. 그 막의 두께는 0.01 내지 0.1 mm의 범위일 수 있다. 상기 두개의 시트들은 동일 또는 서로 다른 깊이를 가질 수 있다.

본 발명의 방법은 상기 나열한 접종 입자들 중 어느 하나를 이용할 수 있지만, 특허청구범위에서 기재한 것을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법에 따른 접종을 이용하거나 이용하지 않고 형성한 용접 부위의 특성들을 비교하기 위하여 일련의 테스트를 수행했다. 이들 테스트의 결과는 접종된 용접부위의 기계적 특성이 접종물질을 받지않은 것들에 비해 우수하다는 것을 명백히 나타낸다.

접종제를 갖거나 갖지않는 여러 금속 시트들의 기계적 특성

시트의 재료	시트 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
아연도금강	1	3	11	9	없음	5.9
					C+Ti-B 합금	6.7
					Al-Ti-B-Re 합금 +C	6.8
열처리 강	1	1.5	6	25	없음	6
					Al+Ca	6.5
					Sr+Zr	6.4
알루미늄 도금 강	1	2.5	10.5	11	없음	3.9
					Ba+Zr	4.6
					Si+C	4.5
스테인리스 강	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
티타늄 합금	1	5	5.5	7	없음	7
					Al+Si	7.8
					Si+Ba	7.9

이들 테스트의 결과는 본 발명의 방법에 따른 접종된 용접 부위의 기계적 특성이 접종이 없는 용접부위보다 현저히 우수하다는 것을 명백히 나타내는 상기 표 1에서 확인된다. 게다가, 본 발명에 따른 접종을 이용하여 제공된 용접부위는 접종이 없는 용접부위와 비교하여 우수한 전단 강도를 나타냈다는 것을 확인할 수 있다.

상기로부터, 전술한 용접 너깃 접종은 종래의 용접 방법에 비해 장점을 제공할 뿐만 아니라 특히 효과적이고 경제적인 방법으로 수행된다는 것을 알 수 있다. 물론, 당업자는 기술에 대한 본 발명의 공헌의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 예시하도록 선택된 여러 가지 변형 또는 추가를 이룰 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호받고자 하는 사항은 청구된 주제 및 본 발명의 범위에 속하는 이의 모든 등가물로 연장되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (5)

1. 주로 스테인리스강으로 형성된 두 개의 시트들을 스팟 용접하는 방법으로서, 서로 접촉하는 두 개의 시트에서 용접 점이 형성될 위치 영역을 미리 결정하는 단계와. 상기 두 개의 시트들 중 적어도 하나의 위치 영역의 표면상에 접종 입자를 포함하는 물질을 도포하는 단계와; 한 쌍의 전극을 통해 상기 두 개의 시트들의 사이에 전류를 통과시켜서 상기 두 개의 시트들을 스팟 용접하는 단계들을 포함하고, 상기 입자는 하기의 것들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인, 방법:
   (a)Zr+Al
   (b) Na+Al.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 물질이 상기 표면상에 막의 형태로 도포되는, 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 물질이 상기 표면상에 페이스트의 형태로 도포되는, 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서, 상기 막의 두께가 0.01 내지 0.1 mm의 범위인, 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 두 개의 시트들이 동일 또는 서로 다른 깊이를 갖는 것인, 방법.