KR20180019955A - 접종 물질을 이용한 금속 시트 스포트 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 알루미늄-도금 스틸로 형성되는 2개의 시트를 스포트 용접하는 방법에 관한 것으로: 2개의 시트에서 스포트 용접이 형성되어 서로 접촉되는 위치 영역을 미리 결정하는 단계; 상기 2개의 시트 중 적어도 하나의 상기 위치 영역의 표면 상에 접종 입자를 포함하는 재료를 제공하는 단계; 상기 2개의 시트를 한 쌍의 전극을 통해 상기 시트에 흐르는 전류에 의해 스포트 용접하는 단계를 포함하며, 상기 입자는 (a)Ba+Zr; (b)Si+C로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.

Description

접종 물질을 이용한 금속 시트 스포트 용접{Metal Sheets Spot Welding with inoculation agents}

본 발명은 개괄적으로 스포트 용접 영역(spot welding area) 및 금속 접종 영역(metal inoculation area)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접 입자 구조를 정제(refine)하기 위한, 금속 시트(metal sheet)에 접종된 너겟(nugget)과 결합된 스포트 용접 방법에 관한 것이며, 이에 따라 개선된 기계적 특성을 갖는 금속 용접을 획득하기 위한 것이다.

저항 스포트 용접(Resistance　spot welding, RSW)은 접촉하는 금속 표면들이 저항에서 얻어지는 열에 의해 접합되는 프로세스이다. 워크 피스들은 전극에 의해 가해지는 압력하에 서로 지탱된다. 일반적으로 시트들은 0.5 내지 3 mm(0.020 내지 0.118 in) 두께 범위 내이다. 프로세스는 작은 "스포트"에 용접 전류가 집중되도록, 그리고 동시에 시트들을 함께 고정하기 위해 2개의 성형 구리 합금 전극을 사용한다. 스포트에 큰 전류가 흐르도록 강제하는 것은 금속을 녹이고 용접을 형성할 것이다. 스포트 용접의 가장 매력적인 특징은 아주 짧은 시간(대략 10-100 ms) 내에 스포트에 많은 양의 에너지가 전달될 수 있다는 것이다. 그것은 시트의 나머지 부분의 과열 없이 용접을 가능하게 한다.

스포트에 전달되는 열(에너지)의 양은 전극 사이의 저항 및 전류의 크기와 지속시간에 의해 결정된다. 에너지의 양은 시트의 소재 특성, 그것의 두께, 및 전극의 종류에 맞춰지도록 선택된다. 너무 적은 에너지 인가는 금속을 녹일 수 없거나, 형편없는 용접을 만들어낼 것이다. 너무 많은 에너지 인가는 너무 많은 금속을 녹이고, 녹은 재료들이 토출되게 하고, 그리고 용접보다는 구멍을 형성하게 할 것이다. 스포트 용접의 또 다른 특징은 신뢰성 있는 용접을 생성하도록 스포트에 전달되는 에너지를 제어할 수 있다는 것이다.

스포트 용접의 가장 일반적인 응용으로는, 자동차 및 비행기 제조 산업에서 자동차 및 항공기를 형성하기 위한 시트 금속을 용접하는 것으로 가장 보편적으로 사용된다. 또한, 스포트 용접은 치열 교정 의사(orthodontist)의 병원에서 사용되며, 그곳에서는 치열 교정에 사용되는 금속 "어금니 밴드(molar band)"의 크기를 조정할 때 작은 면적의 스포트 용접 장비가 사용된다.

또 다른 응용은 전지를 만들기 위해 스트랩(strap)을 니켈-카드뮴 또는 니켈-금속 수소화물 셀에 스포트 용접하는 것이다. 셀들은 얇은 니켈 스트랩을 전지 단자에 스포트 용접함으로써 결합된다. 스포트 용접은, 기존의 납땜이 수행된 경우와 같이 전지가 너무 뜨거워지는 것으로부터 보호할 수 있다.

좋은 설계 실례는 항상 적절한 접근성을 허용해야 한다. 용접 품질의 보장을 위해, 연결되는 표면은 스케일(scale), 기름, 및 먼지와 같은 오염 물질이 없어야 한다. 일반적으로 금속 두께는 좋은 용접을 결정하는 요소는 아니다.

자동차 응용은 장시간 동안 차체 구성요소들에 순환 응력(cyclic stress)을 유발하기 때문에, 금속 용접은 적당한 기계적 강도 및 피로(fatigue)에 대한 저항성을 보유하는 것이 중요하다.

금속 시트 사이에 저항형 스포트 용접을 형성하기 위해, 시트들은 일반적으로 구리인 한 쌍의 용접 전극 사이에서 압력을 받아 서로 고정되고, 시트 상의 여역 또는 "스포트"를 통해 흐르기 위해 전류가 전극들 사이로 통한다. 이러한 전류는 금속 재료의 스포트를 그것의 녹는점까지 가열하여, 서로를 향해 마이그레이션되는 2개의 시트로부터 용융된 용접 너겟(nugget)을 생성하여 용융된 용접 너겟이 냉각 및 고화되면 융합 용접이 생성되도록 한다. 고화 프로세스는 용접 너겟 내에서 진행중인 고체/액체 계면에서의 새로운 상태(고체)의 성장 및 핵화(nucleation)로부터 초래된다. 용융된 용접 너겟 내의 고체 상태는 일반적으로 용접되는 재료의 표면으로부터의 에피택셜 성장에 의해 개시되고, 용접의 중심선으로의 경쟁 성장에 의해 진행된다. 즉, 용이한 성장 방향의 입자들은 열 흐름 방향 그래디언트(direction gradient)를 따라 우선적으로 지향되며, 용이한 성장 방향으로 적절히 지향되지 않는 입자들은 빠져나오는 경향이 있다. 용접의 결과로 얻어진 입자 구조는 고체 상태의 성장 및 핵화의 유형에 의해 결정된다. 용접 너겟이 냉각됨에 따라, 기판의 벽에서 시작되는 고화는 열 흐름에 맞서 성장하는 입자의 형성을 초래하고; 이 입자들은 주형 입자(columnar grain)로 알려져 있다. 결과적으로, 그리고 고화 조건에 따라, 등방(equiaxed) 입자가 용접 너겟의 중앙 영역에 형성된다. 주형 입자 구조, 즉 늘어져서 서로 평행하게 되는 경향이 있는 입자의 구조는, 무작위의 방향으로 배열되고 크기가 균일한 입자를 갖는 등방 입자와 비교하여 작은 기계적 강도를 보유하는 용접을 초래한다. 또한, 용접의 기계적 강도는 주형 입자구조가 용접 너겟의 교차점과 시트의 개구에 형성되는 높은 응력 영역 근처에 있다면 더욱 감소할 것이다. 고화 용접은 일반적으로 주형 및 등방 입자 모두를 보유하며, 등방 입자는 용접 중심부에 배치되고 주형 입자의 외측 경계층으로 둘러싸인다. 피로에 대한 저항성뿐만 아니라 용접의 기계적 강도를 증가시키기 위해, 주형 입자의 부피와 비교하였을 때 등방 입자의 부피를 최대화시키는 것이 바람직하다. 본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위한 것이다.

본 발명은 금속 용접의 기계적 특성을 개선시키는 것뿐만 아니라, 상대적으로 저렴한 접종물을 사용함으로써 용접 품질의 일관성을 개선시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 실시하는 데에 용접 사이클 시간의 증가 없이도 종래의 저항 용접 장비를 이용할 수 있도록 하는것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 주로 알루미늄-도금 스틸로 형성된 2개의 시트를 스포트 용접하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:

2개의 시트에서 스포트 용접이 형성되도록 서로 접촉되는 위치 영역을 미리 결정하는 단계;

상기 2개의 시트 중 적어도 하나의 상기 위치 영역의 표면상에 접종 입자를 포함하는 재료를 제공하는 단계;

상기 2개의 시트를 한 쌍의 전극을 통해 상기 시트에 흐르는 전류에 의해 스포트 용접하는 단계를 포함하며,

상기 입자는 (a)Ba+Zr; (b)Si+C로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다.

본 발명의 주요 이점은 금속 용접의 기계적 특성을 개선시키는 것뿐만 아니라, 상대적으로 저렴한 접종물을 사용함으로써 용접 품질의 일관성을 개선시킬 수 있는 기능에 있다.

본 발명의 또 다른 이점은 실시하는 데에 용접 사이클 시간의 증가 없이도 종래의 저항 용접 장비를 이용할 수 있다는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 이점 및 특징들은 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예들에 의해 명백해지거나 자명해질 것이다.

본 발명은 금속으로 형성된 2개의 워크피스 사이의 용접과 같은 융합 결합을 포함한다. 용접은 보통 본 기술 분야에서 자명한 종래의 저항 용접 장비를 이용하여 생성되는 스포트 용접으로 지칭된다. 이러한 장비는 일반적으로 전원 공급부, 및 미리-결정된 힘으로 고정된 시트들 사이의 한 쌍의 전극을 포함한다. 압력하에 면대면 접촉된 시트를 가지며, 전원 공급부는 전극에 용융된 용접 너겟을 생성하기 위해, 시트의 대면한, 접촉된 표면으로 흐르는 전류를 전달한다. 이러한 용접 너겟은 고화되고 냉각되어, 이상적으로는 그것 자체의 금속 시트 재료에 가까운 기계적 강도를 보유하는 용접을 형성한다.

용접 너겟이 냉각됨에 따라, 용융된 금속은 그것이 액체에서 고체로 상태가 변화함에 따라 결정화된다. 냉각 프로세스 동안, 외측 경계 층의 결정화가 먼저 발생하고, 그리고 용접이 완전히 결정화될 때까지 용접의 중앙부 방향으로 내측으로 고화가 진행된다. 용접 너겟에서 외측 경계 층의 결정화는 각각의 입자들이 그것들의 길이 방향으로 서로 평행하게 연장되고 열 흐름의 방향으로 배향된 축으로 신장된 주형 입자 구조를 야기한다. 외측 경계부에서 입자 구조가 등방상인, 즉 각각의 입자는 신장되는 대신에 동일한 치수를 가지고, 그것들의 축이 서로에 대해 상대적으로 무작위로 배향된 중앙 영역으로 전이된다. 후술하는 바와 같이, 중앙 영역의 등방 입자 구조는, 용접 너겟에서 지배적인 주형 입자 구조를 갖는 용접과 비교하여 우수한 기계적 강도 및 피로 저항성을 갖는 용접을 제공한다.

본 발명에 따르면, 워크피스 사이에 형성된 용접의 강도는, 너겟이 고화됨에 따라 등방 입자의 핵화를 촉진하는 데 특히 효과적인 특정 재료들이 접종된 용융된 용접 너겟에 의해 개선될 수 있음이 제공된다.

워크피스들의 대향하는 표면이 용접되는 경우에, 하나 또는 양쪽 모두에 접종이 이루어진다. 접종은 워크피스 표면에 분사 또는 브러시(brush)되는 액체 또는 페이스트(paste)의 형태일 수 있으며, 또는 접종은 워크피스 표면 사이에 그것들이 고정되고 용접되기 전에 삽입되는 필름 또는 포일(foil) 형태의 캐리어(carrier)에 혼입될 수 있다.

금속 시트 워크피스는, 적어도 연철(mild steel), 아연도금 스틸(glalvanized　steel), 담금질된 스틸(quenched steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄-도금 스틸(Aluminium-plated Steel), 구리합금, 티타늄합금, 및 알루미늄합금을 포함하는 다양한 적합한 재료들로 형성될 수 있다. 또한 본 발명은 다른 금속 시트 스포트 용접에도 적용될 수 있다.

예를 들면, 2개의 시트의 서로 접촉되어 용접 스포트가 형성될 위치 영역은 미리 결정된다. 2개의 시트 중 적어도 하나의 위치 영역의 중앙부에 작은 구멍이 형성된다. 접종 입자는 구멍에 투입될 수 있다. 2개의 시트는 한 쌍의 전극을 통해 시트에 흐르는 전류에 의해서 결합될 수 있다. 입자들은 다음 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다: (a)Al+Ti, (b)Al+C, (c)Ti+C (d)Ti-B합금+Al, (e)C+Ti-B합금, (f)Al-Ti-B-Re합금+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

구멍의 직경은 0.1-1mm일 수 있다. 구멍의 깊이는 시트의 1/20-1/5일 수 있다. 입자들은 파우더 형태일 수 있다. 2개의 시트는 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다.

접종 입자는 2개의 시트 중 적어도 하나의 위치 영역의 표면에 제공될 수 있다. 재료는 표면상에 필름 형태로 제공될 수 있다. 재료는 표면상에 페이스트 형태로 제공될 수 있다. 필름의 두께는 0.01-0.1mm 범위 내일 수 있다. 2개의 시트는 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다.

청구범위의 것들이 더 바람직하긴 하지만, 본 발명의 방법은 상기 나열된 접종 입자들 중 어느 것도 사용할 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 접종이 수행된, 그리고 접종이 수행되지 않고 생성된 용접의 특성을 비교하기 위한 일련의 실험을 수행하였다. 본 실험은 접종이 수행된 용접이 접종을 하지 않은 경우보다 우수한 기계적 특성을 나타냄을 명백하게 결과로 나타낸다.

시트 재료	시트 두께(mm)	전극 압력(KN)	전류(KA)	시간(cycle)	접종 물질	전단 강도(KN)
알루미늄 합금	1	3	30	2	없음	1.2
					Al+Ti,	1.8
					Al+C,	1.6
연철	1	2.25	8.8	8	no	5.7
					Ti+C	6.5
					Ti-B 합금+Al	6.6
아연도금 스틸	1	3	11	9	없음	5.9
					C+Ti-B 합금	6.7
					Al-Ti-B-Re 합금 +C	6.8
담금질된 스틸	1	1.5	6	25	없음	6
					Al+Ca	6.5
					Sr+Zr	6.4
알루미늄-도금 스틸	1	2.5	10.5	11	없음	3.9
					Ba+Zr	4.6
					Si+C	4.5
스테인리스 스틸	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

표 1은 물질 접종이 이루어진, 또는 이루어지지 않은 다양한 금속 시트의 기계적 특성을 나타낸다.

본 실험의 결과는 표에 나타내져 있으며, 본 발명의 방법에 따른 접종 용접의 기계적 특성이 접종을 하지 않은 용접보다 현저하게 우수함을 명백히 보여준다. 다시말해, 본 발명에 따라 접종을 제공하는 용접이 접종이 없는 용접과 비교하여 우수한 전단 강도를 나타낸다.

상기로부터, 용접 너겟 접종은 종래의 용접 방법보다 이점들을 제공할 뿐만 아니라, 특히 효율적이고 경제적인 방법으로 수행됨이 이해될 것이다. 물론, 본 발명이 제공하는 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 실시하기 위해 다양한 변형 또는 부가가 선택될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본원에 제공되고 보호되는 것들은 청구된 발명 및 본 발명 범위 내의 합리적인 등가물까지 확장되는 것으로 간주된다.

Claims (5)

1. 주로 알루미늄-도금 스틸로 형성된 2개의 시트를 스포트 용접(spot welding)하는 방법에 관한 것으로:
   2개의 시트에서 스포트 용접이 형성되는 서로 접촉되는 위치 영역을 미리 결정하는 단계;
   상기 2개의 시트 중 적어도 하나의 상기 위치 영역의 표면상에 접종(inoculation) 입자를 포함하는 재료를 제공하는 단계;
   한 쌍의 전극을 통해 상기 시트에 흐르는 전류에 의해 상기 2개의 시트를 스포트 용접하는 단계를 포함하며,
   상기 입자는 (a)Ba+Zr, 및 (b)Si+C로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는 스포트 용접 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 재료는 상기 표면상에 필름 형태로 제공되는 스포트 용접 방법.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 재료는 상기 표면상에 페이스트(paste) 형태로 제공되는 스포트 용접 방법.
   
4. 제2 항에 있어서,
   상기 필름의 두께는 0.01-0.1mm 범위 내인 스포트 용접 방법.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 2개의 시트는 동일하거나 상이한 두께를 갖는 스포트 용접 방법.