KR20180014597A - 접종제를 이용하는 금속 시트 스팟 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하기 단계들을 포함하는, 마일드 스틸(mild steel)로 주로 형성된 두 개 시트의 스팟 용접(spot welding)의 방법에 관한 것이다: 서로 접촉된 두 개 시트들의 용접점 스팟(weld spot)이 형성될 위치 영역을 미리 결정하고, 접종제 입자들(inoculant particles)을 포함하는 물질을 상기 두 개 시트들 중 적어도 하나의 표면 상의 상기 위치에서 적용하고, 한 쌍의 전극을 통해 상기 시트들에 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트를 스팟 용접함; 여기서 상기 입자들은 하기 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것임: (a) Ti+C; (b) Ti-B 합금+Al.

Description

접종제를 이용하는 금속 시트 스팟 용접{METAL SHEETS SPOT WELDING WITH INOCULATION AGENTS}

본 발명은 전체적으로 스팟 용접 영역(spot welding area) 및 금속 접종 영역(metal inoculation area)에 관한 것으로서, 더 구체적으로 용접점 그레인(weld grain) 구조를 개선하고, 이에 따라 향상된 기계적 특성을 가지는 금속 용접을 수득하기 위해 금속 시트들에 너겟 접종(nugget inoculating)과 조합된 스팟 용접(spot welding)의 방법에 관한 것이다.

저항 스팟 용접(resistance spot welding, RSW)은 접촉하는 금속 표면들이 저항으로부터 수득되는 열에 의해 접착되는 프로세스이다. 전극들에 의해 가해진 압력 하에서 작업-피스들(work-pieces)은 함께 홀드(hold)되어 있다. 전형적으로 시트들은 0.5 mm 내지 3 mm(0.020 내지 0.118 인치) 두께 범위 내에 있다. 상기 프로세스는 두 개의 성형된 구리 합금 전극을 사용하여 용접 전류를 작은 "스팟"으로 집중시키며 동시에 상기 시트들을 함께 고정시킨다. 상기 스팟을 통해 큰 전류를 가하는 것은 상기 금속을 용융시키고 용접점(weld)을 형성할 것이다. 상기 스팟 용접의 매력적인 특징은 많은 에너지가 매우 짧은 시간(약 10-100 ms) 내에 상기 스팟으로 전달될 수 있는 점이다. 그것은, 용접이 상기 시트들의 나머지 부분(remainder)에 초과 가열 없이 상기 용접이 일어나도록 한다.

상기 스팟에 전달되는 열(에너지)의 양은 상기 전극들 사이의 저항 및 전류의 크기 및 시간(duration)에 의해 결정된다. 상기 에너지의 양은 상기 시트의 물질적 특성, 그것의 두께, 및 전극의 타입에 맞추어 선택된다. 너무 적은 에너지를 인가하는 것은 상기 금속을 용융하지 않거나 또는 열악한 용접점을 형성할 것이다. 너무 큰 에너지를 인가하는 것은 상기 금속을 너무 많이 용융시켜, 용융된 물질을 방출하고, 용접점이 아닌 홀(hole)을 형성할 것이다. 스팟 용접의 다른 특징은 상기 스팟에 전달되는 상기 에너지가 신뢰성있는 용접점들을 제조하도록 조절될 수 있다는 점이다.

스팟 용접의 가장 통상적인 응용은 자동차 및 항공기 제조 산업이며, 여기서 상기 스팟 용접은 자동차 및 항공기를 형성하기 위한 시트 금속을 용접하기 위해 거의 범용적으로 사용된다. 스팟 용접은 또한 치아 교정 클리닉에서도 사용되는데, 여기서 치아 교정에 사용되는 금속 "어금니 밴드(molar bands)"를 리사이징(resizing)할 때 작은-스케일의 스팟 용접 장비가 사용된다.

다른 응용은 배터리 제조를 위한 니켈-카드뮴 또는 니켈-금속 하이드라이드(nickel-metal hydride) 전지들에 대한 스트랩들(straps)을 스팟 용접하는 것이다. 상기 전지들은 상기 배터리 말단에 얇은 니켈 스트랩들을 스팟 용접함으로써 접합된다. 스팟 용접은, 종래 솔더링(soldering)이 수행되었다면 발생할 수 있는 것과 같은, 상기 베터리가 과열되는 것을 방지할 수 있다.

우수한 디자인 실시가 충분한 접근성을 위해 항상 허용될 것이다. 표면들의 연결은 스케일(scale), 오일, 및 먼지와 같은 오염물로부터 자유롭게 하여, 고품질의 용접을 보장한다.

금속 두께는 일반적으로 우수한 용접점을 결정하는 요소는 아니다.

차량용 응용은 장기간의 시간에 걸쳐 바디 성분들(body components)에 주기적인 스트레스를 부과하므로, 상기 금속 용접점이 충분한 기계적 강도 및 피로(fatigue)에 대한 저항성을 가지는 것이 중요하다.

금속 시트들 간에 저항 타입 스팟 용접점을 형성하기 위해서, 상기 시트들은 일반적으로 구리인 한 쌍의 용접 전극 사이의 압력 하에서 서로 고정되며, 전기적 전류가 상기 전극들 사이를 통과하여 상기 시트들 상의 영역 또는 "스팟"을 통하여 흐르게 된다. 상기 전류 흐름은 상기 스팟에서 상기 금속 물질을 그것의 용융 온도까지 가열하며, 이것은 상기 두 개 시트로부터의 금속이 서로를 향하여 이동하여 상기 용융된 너겟이 냉각 및 고체화될 때 융합 용접점(fusion weld)을 형성하여 용융된 용접점 너겟을 생성한다. 상기 고체화 과정은 상기 용접점 너겟 내에서 발달하는 고체/액체 계면에서 새로운 상(phase)(고체)의 핵 형성 및 성장으로부터 기인한다. 상기 용융된 용접점 너겟 내의 고체 상은 용접되는 물질의 표면으로부터 에피텍셜 성장에 의해 일반적으로 개시되며, 상기 용접점의 중앙선을 향한 경쟁적 성장에 의해 진행된다. 즉, 열 흐름 방향 변화도(gradient)를 따라 가장 우선적으로 배향되는 그들의 용이한 성장 방향을 가지는 그레인(grain)들은, 용이한 성장 방향이 적절하지 않은 그레인들을 밀어내는 경향이 있다. 상기 용접의 결과로서 수득되는 상기 그레인 구조는 상기 고체 상의 핵 형성 및 성장의 타입에 의해 결정된다. 상기 용접점 너겟이 냉각됨에 따라, 기재의 벽(wall)에서 시작되는 상기 고체화는 상기 열 플럭스(flux)에 대항하여 성장하는 그레인들의 형성의 결과를 가져오며; 상기 그레인들은 컬럼형(columnar) 그레인으로서 알려져있다. 결국, 그리고 상기 고체화의 조건에 따라서, 등축(equiaxed) 그레인들이 상기 중심 영역에서 상기 용접점 너겟을 형성한다. 상기 컬럼형 그레인 구조는, 즉, 상기 구조 내에서 상기 그레인들이 연장되어 서로 평행하게 되는 경향이 있는 구조는, 그레인들이 크기가 균일하고 랜덤한 방향으로 배열되어 있는 등축 그레인 구조를 가지는 용접점에 비해 더 적은 기계적 강도를 가지는 용접점을 수득한다. 또한, 상기 용접점의 기계적 강도는, 상기 컬럼형 그레인 구조가 상기 용접점 너겟의 교차점(intersection) 및 상기 시트의 오프닝(opening)에서 형성되는 고 스트레스 영역 근처에 있는 경우, 훨씬 더 저하될 수 있다. 고체화된 용접점은 일반적으로 컬럼형 및 등축 그레인들을 둘 다 보유하며, 상기 등축 그레인들은 상기 용접점의 중심에 배치되어 컬럼형 그레인들의 바깥 경계 층에 의해 둘러싸이는 경향이 있다. 상기 용접점의 피로 저항성(fatigue resistance) 뿐만 아니라 기계적 강도를 향상시키기 위해, 상기 컬럼형 그레인의 부피에 비해, 상기 등축 그레인의 부피를 최대화하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명은 이러한 목표를 달성하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 단계들을 포함하는, 마일드 스틸(mild steel)로 주로 형성된 두 개 시트의 스팟 용접(spot welding)의 방법이 제공된다:

서로 접촉된 두 개 시트의 용접점 스팟(weld spot)이 형성될 위치 영역을 미리 결정하고,

접종제 입자들(inoculant particles)을 포함하는 물질을 두 개 시트 중 적어도 하나의 표면 상의 상기 위치에서 적용하고(applying),

한 쌍의 전극을 통해 상기 시트들에 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트를 스팟 용접함;

여기서 상기 입자들은 하기 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것임:

(a) Ti+C

(b) Ti-B 합금+Al.

본 발명의 현저한 이점은 금속 용접점의 기계적 특성을 증가시키는 것뿐만 아니라, 상기 용접점 너겟에 상대적으로 저가의 접종제(inoculant)를 도입함으로써 용접점 품질의 일관성(consistancy)을 향상시키는 능력에 있다.

본 발명의 다른 이점은 용접 사이클 시간의 증가 없이 종래의 저항 용접 장비가 본 발명의 방법을 실시하는데 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 이점들 및 특징들은 본 발명의 바람직한 구현예의 하기 설명 과정 동안 명백해지거나 분명해질 것이다.

본 발명은 금속으로서 형성된 두 개의 작업 피스들 간의 용접점(weld)과 같은 융합 결합(fusion bond)을 포함한다. 상기 용접점은 본 기술분야에서 잘 알려진 종래의 저항 용접 장비를 이용하여 제조될 수 있는 스팟 용접점으로서 통상 나타낸다. 상기 장비는 일반적으로 전원 공급, 및 그 사이에 상기 시트들이 미리 결정된 힘에 의해 부착된 한 쌍의 전극을 포함한다. 압력 하에서 서로 마주하여 접촉되어 있는 상기 시트들을 이용하여, 상기 전원 공급부가 상기 시트들의 상기 마주하여 접촉하는 표면들을 통하여 흐르는 전류를 상기 전극에 전달하여 용융된(molten) 용접점 너겟을 제조한다. 상기 용접점 너겟은 고체화되고 냉각되어 이상적으로 상기 금속 시트 물질 그 자체의 기계적 강도에 근접한 기계적 강도를 가지는 용접점을 형성한다.

용접점 너겟이 냉각됨에 따라, 상기 용융된 금속은 결정화되어 액체에서 고체로 그 상태가 변한다. 상기 냉각 과정 동안, 바깥 경계 층들의 결정화가 먼저 발생하고, 상기 용접점이 완전히 결정화될 때까지 상기 용접점의 중심을 향해 고체화가 내부적으로 진행된다. 상기 용접점 너겟에서 바깥 경계 층의 결정화는 컬럼형(columnar) 그레인 구조를 형성하며, 상기 구조에서 상기 개별 그레인들이 세로 축(longitudinal axes)으로 연장되어 서로 평행하게 연장되며 상기 열 흐름의 방향으로 배향되는 경향이 있다. 그레인 구조가 등축인, 즉, 상기 개별 그레인들이 연장되기 보다는 동일한 크기(dimensions)를 가지며, 서로 상대적으로 랜덤하게 배향된 그들의 축을 가지는 중심 영역으로 상기 바깥 경계가 전이된다. 이후 논의 되겠지만, 상기 등축(equiaxed) 그레인 구조는 상기 용접점 너겟 내에서 컬럼형 그레인 구조가 지배적인 용접점에 비해 우수한 기계적 강도와 피로 저항성을 가지는 용접점을 제공하는 경향이 있다.

본 발명에 따라, 작업 피스들 사이에 형성된 용접점의 강도는 상기 용융된 용접점 너겟을 상기 너겟이 고체화함에 따라, 등축 그레인들의 상기 핵 형성을 촉진시키는데 특별히 효과적인 경향이 있는 특정 물질을 접종함으로써 향상될 수 있는 것이 발견되었다.

상기 접종제는 용접되는 상기 작업 피스들의 마주보는 표면들 중 하나 또는 둘 다에 적용된다. 상기 접종제는 상기 작업 피스 표면 상에 스프레이 되거나 브러쉬될 수 있는 액체 또는 페이스트의 형태일 수 있으며, 또는 상기 접종제는 상기 작업 피스 표면들이 부착 및 용접되기 전에 이들 사이에 삽입되는 필름 또는 호일로 형성된 캐리어(carrier) 내로 혼입될 수 있다.

금속 시트들인 작업 피스들은 마일드 스틸(mild steel), 아연 도금된 스틸(galvanized steel), 급냉 스틸(quenched steel), 스테인리스 스틸, 알루미늄-판금 스틸(aluminium-plated steel), 구리 합금, 티타늄 합금, 및 알루미늄 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 스팟 용접에 적합한 다양한 물질로서 형성될 수 있다.

예를 들어, 서로 접촉된 두 개 시트들의 용접점 스팟이 형성될 위치 영역이 미리 결정된다. 작은 홀(hole)이 상기 두 개 시트들의 적어도 하나의 상기 위치 영역의 중심에 형성될 수 있다. 상기 접종제 입자들이 상기 홀 내에 놓여질 수 있다. 상기 두 개 시트들은 한 쌍의 전극들에 의해 상기 시트들을 통하여 전기적 전류를 통과시킴으로써 접합된다. 상기 입자들은 하기로 이루러진 그룹들로부터 선택되는 적어도 하나의 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.

상기 홀의 직경은 0.1 mm 내지 1 mm일 수 있다. 상기 홀의 깊이(depth)는 상기 시트의 1/20 내지 1/5일 수 있다. 상기 입자들은 파우더 형태일 수 있다. 상기 두 개 시트들은 동일하거나 상이한 두께 또는 깊이를 가질 수 있다.

상기 접종제 입자들은 상기 위치 영역에서 상기 두 개 시트들의 적어도 하나의 표면 상에 적용될 수 있다. 상기 물질은 상기 표면 상에 필름의 형태로서 정용될 수 있다. 상기 물질은 상기 표면 상에 페이스트의 형태로서 적용될 수 있다. 상기 필름의 두께는 0.01 mm 내지 0.1 mm의 범위일 수 있다. 상기 두 개 시트들은 동일하거나 상이한 두께 또는 깊이를 가질 수 있다.

청구된 것들이 바람직하지만, 본 발명의 상기 방법은 상기 열거된 접종제 입자들의 임의의 것을 사용할 수 있다.

상기 본 발명의 방법에 따라 일련의 테스트가 접종의 유무에 따라 제조된 용접점의 특성을 비교하기 위해 수행되었다. 이들 테스트는 접종된 용접점의 기계적 특성이 접종제를 수용 않은 용접점에 비해 우수한 것임을 분명히 나타낸다.

표 1 접종제 유무에 따른 다양한 금속 시트들의 기계적 특성

상기 표 1에서 상기 테스트들의 결과는 본 발명의 방법에 따라 접종된 용접점의 기계적 특성이 접종을 받지 않은 용접점에 비해 현저히 우수함을 분명히 나타낸다. 다시 말해, 본 발명에 따라 접종이 제공된 용접점들은 접종되지 않은 용접점들에 비해 우수한 전단 강도(shear strength)를 나타내는 것을 알 수 있다.

앞서 말한 것으로부터, 상기 기재된 용접점 너겟 접종은 선행기술의 용접 방법에 비하여 이점들을 제공할 뿐만 아니라 특히 효율적이고 경제적인 측면에서도 이점을 나타낸다. 물론, 통상의 기술자들은 다양한 변형들 또는 첨가들을 본 기술 분야에 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 본 발명을 설명하기 위해 선택될 수 있음을 이해할 것이다. 이에 따라, 본 발명에 의해 청구되고 제공되는 보호범위는 명백히 본 발명의 범위 내에서 청구되는 내용 및 그의 모든 균등물까지 확장되는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (5)

1. 하기 단계들을 포함하는, 마일드 스틸(mild steel)로 주로 형성된 두 개 시트의 스팟 용접(spot welding)의 방법:
   서로 접촉된 두 개 시트들의 용접점 스팟(weld spot)이 형성될 위치 영역을 미리 결정하고,
   접종제 입자들(inoculant particles)을 포함하는 물질을 상기 두 개 시트들 중 적어도 하나의 표면 상의 상기 위치에서 적용하고,
   한 쌍의 전극을 통해 상기 시트들에 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트를 스팟 용접함;
   여기서 상기 입자들은 하기 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것임:
   (a) Ti+C
   (b) Ti-B 합금+Al.
   
2. 제 1 항 있어서,
   상기 접종제 입자들을 포함하는 물질은 상기 표면 상에 필름의 형태로 적용되는 것인, 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 접종제 입자들을 포함하는 물질은 상기 표면 상에 페이스트의 형태로 적용되는 것인, 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 필름의 두께는 0.01 mm 내지 0.1 mm의 범위인 것인, 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 두 개 시트는 동일하거나 상이한 깊이를 가지는 것인, 방법.