KR20180056029A - 접종제를 이용한 금속 시트 스폿 용접 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 스폿이 형성될 서로 접촉하고 있는 두 개의 시트의 위치 영역(location area)을 미리 결정하는 단계; 상기 위치 영역에서 두 개의 시트 중 적어도 하나의 표면상에 접종제 입자(inoculant particle)를 포함하는 물질을 도포하는 단계; 한 쌍의 전극을 통하여 시트 사이로 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개의 시트를 스폿 용접하는 단계를 포함하는 주로 티탄 합금(titanium alloy)으로 형성된 두 개의 시트의 스폿 용접 방법을 제공하며, 여기에서 상기 입자들은 (a) Al + Si, (b) Si + Ba로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.

Description

접종제를 이용한 금속 시트 스폿 용접{METAL SHEETS SPOT WELDING WITH INOCULATION AGENTS}

본 발명은 일반적으로 스폿 용접 부위(spot welding area) 및 금속 접종 부위(metal inoculation area)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접 결정립 구조(weld grain structure)를 개선하기 위해 금속 시트에서의 너깃 접종(nugget incoulating)과 결합된 스폿 용접 방법에 관한 것이며, 그 결과 개선된 기계적 물성을 가진 금속 용접을 얻을 수 있다.

저항 스폿 용접(Resistance Spot Welding, RSW)은 저항으로부터 얻어진 열에 의해 접촉 금속 표면이 연결되는 공정이다. 피삭재(work-pieces)는 전극에 의해 가해진 압력하에 결합된다. 전형적으로, 시트(sheet)는 0.5 내지 3 mm(0.020 내지 0.118 인치) 두께 범위 내이다. 상기 공정은 용접 전류를 작은 "스폿(spot)"으로 집중시키고, 동시에 시트들을 서로 고정 시키기 위해 두 가지 형태의 구리 합금 전극(copper alloy electrode)을 사용한다. 스폿을 통 큰 전류를 가하는 것은 금속을 녹여 용접 부위를 형성할 수 있게 한다. 스폿 용접의 매력적인 특징은 많은 에너지가 매우 짧은 시간(대략 10 - 100 밀리세컨드) 내에 스폿에 전달될 수 있다는 점이다. 이는 시트의 나머지 부분의 과열(excessive heating) 없이 용접이 일어날 수 있게 한다.

상기 스폿에 전달되는 열(에너지)의 양은 전극들 사이의 저항 및 전류의 양 및 지속 시간에 의해 정해질 수 있다. 에너지의 양은 시트의 재질 특성, 이의 두께 및 전극의 종류에 맞게 선택될 수 있다. 너무 적은 에너지를 적용하는 것은 금속을 녹이지 못하거나 저질의 용접을 만들 것이다. 너무 많은 에너지를 적용하는 것은 금속을 너무 많이 녹일 것이고, 용융 재료를 분출하고, 용접이라기 보다 구멍을 만들 것이다. 스폿 용접의 또 다른 특징은 믿을 수 있는 용접을 생산하기 위하여 스폿에 전달되는 에너지가 조절될 수 있다는 것이다.

스폿 용접의 가장 일반적인 적용은 자동차 및 비행기 제조 산업에서 이루어지며, 여기에서는 이는 거의 일반적으로 자동차 및 항공기를 만들기 위해 시트 금속을 용접하는데 사용된다. 스폿 용접은 또한 치열 교정 전문의의 클리닉에서도 사용되며, 여기에서 소규모 스폿 용접 기구는 치과 교정술에서 사용되는 금속 "어금니 밴드(molar bands)"의 치수를 조절할 때 사용된다.

또 다른 적용은 니켈-카드뮴(nickel-cadmium) 또는 니켈-금속수소화물(nickel-metal hydride) 셀(cell)을 배터리로 만들기 위한 스폿 용접 스트랩(strap)이다. 상기 셀은 얇은 니켈 스트랩을 배터리 단자(battery terminal)에 스폿 용접함으로써 연결된다. 스폿 용접은 만약 기존의 납땜(soldering)이 되어있는 경우에도 배터리가 너무 뜨거워지지 않게 할 수 있다.

우수한 디자인 실례(practice)는 항상 충분한 접근성을 감안하여야만 한다. 접촉 표면은 용접의 품질을 보장하기 위해 스케일(scale), 오일(oil) 및 먼지(dirt)와 같은 오염물질이 없어야 한다. 금속 두께는 일반적으로 우수한 용접을 결정짓는 요인이 아니다.

자동차에서의 적용은 오랜 기간에 걸쳐 차체 부품에 반복 응력(cyclic stress)을 부과하기 때문에, 금속 용접 부위가 피로(fatique)에 대해 충분한 기계적 강도와 저항을 가지는 것이 중요하다.

금속 시트들 사이에 저항형 스폿 용접 부위(resistance type spot weld)를 형성하기 위하여, 시트들은 전형적으로 구리인 한 쌍의 용접 전극 사이에서 압력하에 서로 고정되고, 전류는 시트 상의 부위 또는 "스폿"을 통해 흐르도록 전극들 사이를 통과한다. 이 전류 흐름은 스폿에서 금속 물질을 그것의 용융 온도로 가열하고, 용융된 너깃을 냉각 및 응고(solidified)시킬 때 용융 용접(fusion weld)을 형성하도록 두 개의 시트로부터 유래된 금속이 서로를 향하여 이동하는 용융된 용접 너깃(molten weld nugget)을 만들어 낸다. 응고 공정은 용접 너깃 내에 증가하는 고체/액체 경계면에서의 새로운 상(고체)의 핵 생성(nucleation) 및 성장으로 인해 이루어진다. 용융 용접 너깃 내의 고체상(solid phase)은 일반적으로 용융될 물질의 표면으로부터 적층 성장(epitaxial growth)에 의해 개시되고, 용접 부위의 중심으로 향하는 경쟁 성장(competitive growth)에 의해 진행된다. 즉, 가장 우선적으로 열 흐름 방향 기울기(heat flow direction gradient)를 따르는 경향이 있는 쉬운 성장 방향을 가진 결정립은 쉬운 성장 방향이 그렇게 적절하게 방향 지어지지 않은 결정립을 밀어내는 경향이 있다. 그 결과 얻어진 용접 부위의 결정립 구조는 고체상의 핵 생성 및 성장의 형태에 의해 결정된다. 용접 너깃이 냉각됨에 따라, 기판의 벽에서 시작되는 응고(solidificatioin)는 열 플럭스(heat flux)에 대해 증가하는 결정립을 형성하며; 이들 결정립은 주형 결정립(columnar grain)으로 알려져 있다. 결국, 그리고 응고 조건에 따라, 등축 결정립(equiaxed grain)은 용접 너깃의 중심 영역에서 형성된다. 주형 결정립 구조, 즉 결정립이 연장되고 서로 병행하는 경향이 있는 구조는 결정립의 크기가 균일하며 랜덤 방향으로 배열되어 있는 등축 결정립 구조를 가지는 용접 부위에 비해 더 적은 기계적 강도를 가지는 용접 부위가 된다. 게다가, 만약 주형 결정립 구조가 용접 너깃 및 시트의 개구(opening)의 교차 지점에 형성된 높은 응력 부위 부근에 있다면, 용접 부위의 기계적 강도는 더욱 저하될 것이다. 응고된 용접 부위는 일반적으로 주형 및 등축 결정립을 모두 가지며, 등축 결정립은 용접 부위의 중심에 있는 경향이 있으며 주형 결정립의 외부 경계층에 의해 둘러싸여 있다. 피로에 대한 저항성뿐만 아니라 용접의 기계적 강도도 증가시키기 위해서는, 주형 결정립의 양에 비해 등축 결정립의 양을 최대화시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하는 것이다.

발명의 요약

본 발명의 일 양상에 따르면, 본 발명은 용접 스폿이 형성될 서로 접촉하고 있는 두 개의 시트의 위치 영역(location area)을 미리 결정하는 단계; 상기 위치 영역에서 두 개의 시트 중 적어도 하나의 표면상에 접종제 입자(inoculant particle)를 포함하는 물질을 도포하는 단계; 한 쌍의 전극을 통하여 시트 사이로 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개의 시트를 스폿 용접하는 단계를 포함하는 주로 티탄 합금(titanium alloy)으로 형성된 두 개의 시트의 스폿 용접 방법을 제공하며, 여기에서 상기 입자들은 (a) Al + Si, (b) Si + Ba로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.

본 발명의 중요한 이점은 용접 너깃에 상대적으로 비싸지 않은 접종제를 도입함으로써 용접의 질의 일관성을 향상시킬 뿐만 아니라, 금속 용접 부위의 기계적 특성을 증가시키는 그 능력에 있다.

본 발명의 다른 이점은 용접 사이클 타임을 증가시키는 일 없이 본 발명의 방법을 실행하는데 기존의 저항 용접 장비가 사용될 수 있다는 점이다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 이점들 및 특징들은 본 발명의 바람직한 구현들을 아래에 서술하는 동안 명백해질 것이다.

본 발명에 의하면 강화된 기계적 특성을 가진 금속 용접을 얻을 수 있다.

본 발명은 금속으로 만들어진 두 개의 피삭재들 사이에 용접(weld)과 같은 융합(fusion bond)을 포함한다. 용접은 보통 당업계에 잘 알려져 있는 기존의 저항 용접 장비를 사용하여 생산될 수 있는 스폿 용접(spot weld)으로 일컬어진다. 이러한 장비는 전형적으로 전력 공급기구(power supply) 및 그 사이에 시트가 미리 정해진 힘으로 고정되어 있는 한 쌍의 전극을 포함한다. 시트가 압력하에 서로 마주보게 접촉하고 있는 채로, 전력 공급기구는 전류를 전극에 운반하며, 그것은 용융 용접 너깃을 생성하기 위해 시트의 표면을 대면하고 접촉시키는 것을 통해 흐른다. 이 용접 너깃은 이상적으로 금속 시트 물질 그 자체의 기계적 강도에 근접하는 기계적 강도를 가지는 용접 부위를 형성하도록 굳어지고 냉각된다.

용접 너깃이 냉각됨에 따라 상태는 액체에서 고체로 변화되므로, 용융 금속이 결정체를 이룬다. 냉각 공정 동안, 외부 경계층의 응고가 먼저 일어나고, 응고는 용접 부위가 완전히 결정화될 때까지 용접 부위의 중심부 안쪽을 향해 진행된다. 용접 너깃에서 외부 경계층의 응고는 각각의 결정립들이 서로 평행하게 확장되는 그것들의 세로축으로 신장되며 열 흐름의 방향을 지향하는 경향을 가지는 주형 결정립 구조를 생성한다. 외부 경계는 중심 영역으로 전환되며, 여기에서 결정립 구조는 등방상(equiaxed), 즉 각각의 결정립이 신장되기보다는 동일한 크기를 가지며, 그것들의 축은 서로에 대해 임의의 방향성을 가진다. 후에 논의할 것이지만, 중심 영역의 등축 결정립 구조는 주형 결정립 구조가 용접 너깃 내에 우세한 용접 부위에 비해 더 우수한 기계적 강도 및 피로 저항성을 가지는 용접 부위를 제공하는 경향이 있다.

본 발명에 따라, 피삭재들 사이에 형성된 용접 부위의 강도는 너깃 응고와 같은 등축 결정립의 핵 생성을 촉진하는데 특히 효과적인 경향이 있는 어떤 물질과 함께 용융 용접 너깃을 접종함으로써 향상될 수 있다.

만약 피삭재의 접합 표면(facing surface)이 용접된다면, 접종제는 한쪽 또는 양쪽 모두에 도포된다. 접종제는 피삭재의 표면상에 분무되거나 붓질되는(brushed) 액체 또는 페이스트의 형태일 수 있고, 또는 접종제는 피삭재의 표면들이 고정되고 용접되기 전 피삭재의 표면들 사이에 밀어 넣어지는 필름 또는 포일을 형성하는 운반구(carrier) 안으로 혼입될 수 있다.

금속 시트의 피삭재는 적어도 연강(mild steel), 아연도금강(galvanized steel), 조질강(quenched steel), 스테인리스강(stainless steel), 알루미늄도금강(aluminum-plated steel), 구리합금(copper alloy), 티타늄합금(titanium alloy) 및 알루미늄합금(aluminum alloy)을 포함하는 스폿 용접에 적합한 다양한 물질들로 만들어질 수 있다. 본 발명은 또한 다른 금속 시트 스폿 용접에도 적용될 수 있다.

일 예시로, 용접 스폿이 형성될 서로 접촉하고 있는 두 개의 시트의 위치 영역은 미리 결정된다. 작은 구멍(hole)이 두 개의 시트 중 적어도 하나의 위치 영역의 중심에 형성될 수 있다. 접종제 입자는 그 구멍 안으로 넣어질 수 있다. 두 개의 시트는 한 쌍의 전극을 통하여 시트를 통해 전류를 통과시킴으로써 결합된다. 입자들은 (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+Ba로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.

상기 구멍의 지름은 0.1 - 1 mm일 수 있다. 상기 구멍의 깊이는 시트의 1/20 - 1/5일 수 있다. 입자들은 파우더의 형태일 수 있다. 두 개의 시트는 동일하거나 서로 다른 깊이를 가질 수 있다.

접종제 입자는 위치 영역에서 두 개의 시트 중 적어도 하나의 표면상에 도포될 수 있다. 물질은 표면상에 필름의 형태로 도포될 수 있다. 물질은 표면상에 페이스트의 형태로 도포될 수 있다. 필름의 두께는 0.01 - 0.1 mm의 범위일 수 있다. 두 개의 시트는 동일하거나 서로 다른 깊이를 가질 수 있다.

본 발명의 방법은 청구된 것들이 바람직하기는 하지만, 상기 열거된 임의의 접종제 입자들을 사용할 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 접종제를 사용 및 사용하지 않고 생성된 용접 부위의 특성을 비교하기 위하여 일련의 테스트를 수행하였다. 이들 테스트는 접종된 용접 부위의 기계적 특성이 접종제가 사용되지 않은 것들보다 더 우수하다는 것을 명확하게 보여주었다.

시트 물질	시트 두께 (mm)	전극 압력 (KN)	전류 (KA)	시간 (cycle)	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-B합금	6.7
					Al-Ti-B-Re합금+C	6.8
조질강	1	1.5	6	25	없음	6
					Al+Ca	6.5
					Sr+Zr	6.4
알류미늄도금강	1	2.5	10.5	11	없음	3.9
					Ba+Zr	4.6
					Si+C	4.5
스테인리스강	1	4	6	7	없음	5.2
					Zr+Al	5.9
					Na+Al	6
구리합금	1	3	23	6	없음	1.4
					Si+Na	1.75
					Al+Ba	1.8
티타늄합금	1	5	5.5	7	없음	7
					Al+Si	7.8
					Si+Ba	7.9

표 1은 접종제를 사용하거나 사용하지 않은 다양한 금속 시트의 기계적 특성을 나타낸 것이다.

이들 테스트의 결과를 표 1에 나타내었으며, 이는 본 발명의 방법에 따른 접종된 용접 부위의 기계적 특성이 접종제를 가지지 않은 용접 부위보다 현저하게 더 우수하다는 것을 명확하게 보여준다. 다시 한 번, 본 발명에 따른 접종제를 사용하여 제공된 용접 부위는 접종제를 사용하지 않은 용접 부위에 비해 우수한 전단 강도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

이것으로 미루어 보아, 상기 기술된 용접 너깃 접종제는 선행하는 용접 방법들에 비해 이점을 제공할 뿐만 아니라 특히 효과적이고 경제적인 방식이라는 것을 알 수 있다. 물론 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 설명하기 위해 선택된 여러 변경 또는 부가가 이루어질 수 있음을 당업자들은 이해할 것이다. 따라서, 여기에 요구되고 제공될 보호 범위는 본 발명의 범위 내에 청구된 대상 및 그것들의 모든 동등물로 확대하여 간주하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 용접 스폿이 형성될 서로 접촉하고 있는 두 개의 시트의 위치 영역(location area)을 미리 결정하는 단계;
   상기 위치 영역에서 두 개의 시트 중 적어도 하나의 표면상에 접종제 입자(inoculant particle)를 포함하는 물질을 도포하는 단계; 및
   한 쌍의 전극을 통하여 시트 사이로 전류를 통과시킴으로써 상기 두 개의 시트를 스폿 용접하는 단계;
   를 포함하며, 여기에서 상기 입자들은 (a) Al + Si, (b) Si + Ba로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   주로 티탄 합금(titanium alloy)으로 형성된 두 개의 시트의 스폿 용접 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 물질은 상기 표면상에 필름의 형태로 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 물질은 상기 표면상에 페이스트의 형태로 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 필름의 두께는 0.01 - 0.1 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 두 개의 시트는 동일하거나 서로 다른 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.