KR20180019435A - 접종제를 이용하는 금속 시트 스팟 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하기 단계들을 포함하는, 스테인리스 스틸(stainless steel)로 주로 형성된 두 개 시트들의 스팟 용접(spot welding)의 방법에 관한 것이다: 서로 접촉된 상기 두 개 시트들의 용접점 스팟(weld spot)이 형성될 위치 영역을 미리 결정하는 것, 상기 두 개 시트들 중 적어도 하나의 상기 위치 영역의 중심에 작은 홀(hole)을 형성하는 것, 접종제 입자들(inoculant particles)을 상기 홀 내로 주입하는 것, 한 쌍의 전극들을 통해 상기 시트들에 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트들을 스팟 용접함; 여기서 상기 입자들은 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것임: (a) Zr+Al; (b) Na+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, 더욱 구체적으로는 용접점 그레인(weld grain) 구조를 개선하고, 이에 따라 개선된 기계적 특성들을 가지는 금속 용접들을 수득하기 위하여, 금속 시트들에서 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 공정이다. 전극들에 의해 가해진 압력 하에서 작업-피스들(work-pieces)은 함께 홀드(hold)되어 있다. 전형적으로 상기 시트들은 0.5 mm 내지 3 mm(0.020 인치 내지 0.118 인치) 두께 범위 내에 있다. 상기 공정은 두 개의 성형된 구리 합금 전극들을 사용하여 용접 전류를 작은 "스팟"으로 집중시키며 동시에 상기 시트들을 함께 고정시킨다. 상기 스팟을 통해 큰 전류를 인가하는 것은 상기 금속을 용융시키고 상기 용접점(weld)을 형성할 것이다. 상기 스팟 용접의 매력적인 특징은 많은 에너지가 매우 짧은 시간(약 10 ms 내지 100 ms) 내에 상기 스팟으로 전달될 수 있는 점이다. 이는, 상기 시트의 나머지 부분(remainder)에 과도한 가열 없이 상기 용접이 일어나도록 한다.

상기 스팟에 전달되는 열(에너지)의 양은 상기 전극들 사이의 상기 저항 및 상기 전류의 크기 및 지속시간(duration)에 의해 결정된다. 상기 에너지의 양은 상기 시트의 물질적 특성들, 그것의 두께, 및 전극들의 유형에 맞게 선택된다. 너무 적은 에너지를 인가하는 것은 상기 금속을 용융시키지 않거나 또는 열악한 용접점을 형성할 것이다. 너무 큰 에너지를 인가하는 것은 너무 많은 금속을 용융시켜, 용융된 물질을 방출하여, 용접점이 아닌 홀(hole)을 형성할 것이다. 스팟 용접의 다른 특징은 상기 스팟에 전달되는 상기 에너지가 신뢰성 있는 용접점들을 형성하도록 조절될 수 있다는 점이다.

스팟 용접의 가장 통상적인 적용은 자동차 및 항공기 제조 산업에 있으며, 여기서 상기 스팟 용접은 자동차 및 항공기를 형성하기 위하여 상기 시트 금속을 용접하기 위하여 거의 범용적으로 사용된다. 스팟 용접은 또한 치아 교정 클리닉에서도 사용되는데, 여기서 치아 교정에서 사용되는 금속 "어금니 밴드들(molar bands)"을 리사이징(resizing)할 때 작은-스케일의 스팟 용접 장비가 사용된다.

다른 적용은 배터리들을 제조하기 위하여 니켈-카드뮴 또는 니켈-금속 하이드라이드(nickel-metal hydride) 전지들에 스트랩들(straps)을 스팟 용접하는 것이다. 상기 전지들은 상기 배터리 터미널들에 얇은 니켈 스트랩들을 스팟 용접함으로써 접합된다. 스팟 용접은, 종래의 솔더링(soldering)이 수행되었다면 발생할 수 있는 것과 같은, 상기 배터리가 과열되는 것을 방지할 수 있다.

우수한 디자인 실시가 충분한 접근성을 위하여 항상 허용되어야 한다. 고품질의 용접점들을 확보하기 위하여, 표면들을 연결하는 것은 스케일(scale), 오일, 및 먼지와 같은 오염물들이 없어야 한다.

금속 두께는 일반적으로 우수한 용접점들을 결정하는 요소가 아니다.

차량 적용들은 장시간에 걸쳐 바디 성분들(body components)에 주기적인 스트레스들을 부과하므로, 상기 금속 용접점들이 충분한 기계적 강도 및 피로(fatigue)에 대한 저항성을 가지는 것이 중요하다.

금속 시트들 간에 저항 유형 스팟 용접점들을 형성하기 위하여, 상기 시트들은 일반적으로 구리인 한 쌍의 용접 전극들 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, 이는 상기 두 개 시트들로부터 금속이 서로를 향하여 이동하여 상기 용융된 너겟이 냉각 및 고체화될 때 융합 용접점(fusion weld)을 형성하는 용융된 용접점 너겟을 생성한다. 상기 고체화 공정은 상기 용접점 너겟 내에서 발달하는 고체/액체 계면에서 새로운 상(고체)의 핵형성(nucleation) 및 성장으로부터 기인한다. 상기 용융된 용접점 너겟 내의 고체 상은 용접되는 상기 물질의 표면들로부터 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 방향들이 적절하게 배향되지 않은 그레인들을 밀어내는 경향이 있다. 상기 수득되는 용접점의 상기 그레인 구조는 상기 고체 상의 핵형성 및 성장의 유형에 의해 결정된다. 상기 용접점 너겟이 냉각됨에 따라, 기재의 벽(wall)들에서 시작되는 상기 고체화는 상기 열 플럭스(flux)에 대항하여 성장하는 그레인들의 형성의 결과를 가져오며; 상기 그레인들은 컬럼형(columnar) 그레인들로서 알려져 있다. 궁극적으로, 및 상기 고체화의 조건들에 따라, 등축(equiaxed) 그레인들이 상기 중심 영역에서 상기 용접점 너겟을 형성한다. 상기 컬럼형 그레인 구조들, 즉, 상기 구조들 내에서 상기 그레인들이 연장되어 서로 평행하게 되는 경향이 있는 구조들은, 그레인들이 크기가 균일하고 랜덤한 방향으로 배열되어 있는 등축 그레인 구조를 가지는 용접점에 비해 더 적은 기계적 강도를 가지는 용접점의 결과를 낳는다. 또한, 상기 컬럼형 그레인 구조가 상기 용접점 너겟의 교차점(intersection) 및 상기 시트들의 오프닝(opening)에서 형성되는 높은 스트레스 영역들 근처에 있는 경우, 상기 용접점의 상기 기계적 강도는 훨씬 더 저하될 수 있다. 고체화된 용접점은 일반적으로 컬럼형 및 등축 그레인들을 둘 다 보유하며, 상기 등축 그레인들은 상기 용접점의 중심에 배치되고 컬럼형 그레인들의 바깥 경계 층에 의해 둘러싸인다. 상기 용접점의 피로 저항성(fatigue resistance) 뿐만 아니라 상기 기계적 강도도 증가시키기 위하여, 상기 컬럼형 그레인들의 부피에 비해, 상기 등축 그레인들의 부피를 최대화하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명은 이러한 목적을 달성하고자 하는 것이다.

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

서로 접촉된 상기 두 개 시트들의 용접점 스팟(weld spot)이 형성될 위치 영역을 미리 결정하는 것,

상기 두 개 시트들 중 적어도 하나의 상기 위치 영역의 중심에 작은 홀(hole)을 형성하는 것,

접종제 입자들(inoculant particles)을 상기 홀 내로 주입하는 것,

한 쌍의 전극들을 통해 상기 시트들에 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트들을 스팟 용접함;

여기서 상기 입자들은 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것임:

(a) Zr+Al

(b) Na+Al.

본 발명의 현저한 이점은 금속 용접점의 상기 기계적 특성들을 증가시키는 것뿐만 아니라, 상기 용접점 너겟에 상대적으로 저가의 접종제(inoculant)를 주입함으로써 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)에 관한 것이다. 상기 용접점은 본 기술분야에서 잘 알려진 종래의 저항 용접 장비를 이용하여 제조될 수 있는 스팟 용접점으로서 통상 나타내어진다. 상기 장비는 전형적으로 전원 공급부, 및 전극들 사이에서 상기 시트들이 미리 결정된 힘에 의해 부착된 한 쌍의 전극들을 포함한다. 압력 하에서 서로 마주하여 접촉되어 있는 상기 시트들을 이용하여, 상기 전원 공급부가 상기 시트들의 상기 마주하여 접촉하는 표면들을 통하여 흐르는 전기적 전류를 상기 전극들에 전달하여 용융된(molten) 용접점 너겟을 제조한다. 상기 용접점 너겟은 고체화되고 냉각되어 상기 금속 시트 물질 그 자체의 기계적 강도에 근접한 기계적 강도를 이상적으로 가지는 용접점을 형성한다.

용접점 너겟이 냉각됨에 따라, 상기 용융된 금속은 결정화되어 액체에서 고체로 그 상태가 변한다. 상기 냉각 공정 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 수득하며, 상기 구조에서 상기 개별 그레인들이 그들의 세로 축들(longitudinal axes)과 연장되어 서로 평행하게 연장되며 상기 열 흐름의 방향으로 배향되는 경향이 있다. 상기 그레인 구조가 등축인(equiaxed), 즉, 상기 개별 그레인들이 연장되기 보다는 동일한 크기들(dimensions)을 가지며, 서로 상대적으로 랜덤하게 배향된 그들의 축들을 가지는 중심 영역으로 상기 바깥 경계가 전이된다. 후술하는 바와 같이, 상기 중심 영역의 상기 등축 그레인 구조는 상기 용접점 너겟 내에서 컬럼형 그레인 구조가 지배적인 용접점에 비해 우수한 기계적 강도 및 피로 저항성을 가지는 상기 용접점을 제공하는 경향이 있다.

본 발명에 따르면, 작업 피스들 사이에 형성된 용접점의 상기 강도는 상기 너겟이 고체화함에 따라 등축 그레인들의 상기 핵형성을 촉진시키는데 특별히 효과적인 경향이 있는 특정 물질들을 이용하여 상기 용융된 용접점 너겟을 접종함으로써 향상될 수 있음이 발견되었다.

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

금속 시트들의 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 합금들 중 적어도 하나를 포함하는, 스팟 용접에 적합한 다양한 물질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 서로 접촉된 상기 두 개 시트들의 용접점 스팟이 형성될 상기 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. 한 쌍의 전극들을 통해 상기 시트들을 통하여 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트들은 접합된다. 상기 입자들은 하기로 이루어진 그룹으로부터 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 깊이를 가질 수 있다.

상기 접종제 입자들은 상기 위치 영역에서 상기 두 개 시트들 중 적어도 하나의 표면 상에 적용될 수 있다. 상기 물질들은 상기 표면 상에 필름의 형태로서 적용될 수 있다. 상기 물질들은 상기 표면 상에 페이스트의 형태로서 적용될 수 있다. 상기 필름의 두께는 0.01 mm 내지 0.1 mm의 범위 일 수 있다. 상기 두 개 시트들은 동일하거나 상이한 깊이를 가질 수 있다.

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

일련의 시험들이 본 발명의 방법에 따라 접종의 유무에 따라 제조된 용접점들의 특성들을 비교하기 위해 수행되었다. 이들 시험 결과들은 접종된 용접점들의 기계적 특성들이 접종제들을 수용하지 않은 용접점들에 비해 우수함을 분명히 나타낸다.

[표 1] 상기 접종제들의 유무에 따른 다양한 금속 시트들의 기계적 특성

상기 표 1에서 상기 시험들의 결과들은 본 발명의 방법에 따라 접종된 용접점들의 기계적 특성들이 접종을 받지 않은 용접점들의 기계적 특성들에 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 확인할 수 있다.

앞서 말한 것으로부터, 상기 기재된 용접점 너겟 접종은 선행기술의 용접 방법들에 비하여 이점들을 제공할 뿐만 아니라, 특히 효율적이고 경제적인 측면에서도 이점들을 제공한다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 물론, 본 기술분야에 기여하는 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않는 범위에서 본 발명을 설명하기 위하여 본 기술분야의 통상의 기술자들이 다양한 변형들 또는 추가들을 할 수 있다는 것이 인식된다. 이에 따라, 본 발명에 의해 청구되고 제공되는 보호범위는 명백히 본 발명의 범위 내에서 청구되는 내용 및 이의 모든 균등물들까지 확장되는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (5)

1. 하기 단계들을 포함하는, 스테인리스 스틸(stainless steel)로 주로 형성된 두 개 시트들의 스팟 용접(spot welding)의 방법:
   서로 접촉된 상기 두 개 시트들의 용접점 스팟(weld spot)이 형성될 위치 영역을 미리 결정하는 것,
   상기 두 개 시트들 중 적어도 하나의 상기 위치 영역의 중심에 작은 홀(hole)을 형성하는 것,
   접종제 입자들(inoculant particles)을 상기 홀 내로 주입하는 것,
   한 쌍의 전극들을 통해 상기 시트들에 전기적 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개 시트들을 스팟 용접함;
   여기서 상기 입자들은 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것임:
   (a) Zr+Al
   (b) Na+Al.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 홀의 직경은 0.1 mm 내지 1 mm인 것인, 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 홀의 깊이는 상기 시트의 1/20 내지 1/5인 것인, 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 입자들은 분말의 형태인 것인, 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 두 개 시트들은 동일하거나 상이한 깊이를 가지는 것인, 방법.