KR20180101744A - 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 핫스탬핑 강판에 대한 프로젝션 하드웨어 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주통전단계 이전에 도금층 제거를 촉진하기 위한 예비통전단계를 더 포함하여 진행하는 2단 통전을 통한 용접 너겟의 확대 및 용접강도를 향상시키는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법에 관한 것이다.

Description

핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법{HOT STAMPING STEEL SHEET PROJECTION HARDWARE WELDING METHOD}

본 발명은, 핫스탬핑 강판에 대한 프로젝션 하드웨어 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주통전단계 이전에 도금층 제거를 촉진하기 위한 예비통전단계를 더 포함하여 진행하는 2단통전을 통한 용접너겟의 확대 및 용접강도를 향상시키는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법에 관한 것이다.

핫스탬핑 기술은 기존의 프레스 성형이 냉간 상태에서 이루어지는 것과 달리 고온에서 이뤄진다.

고온에서는 소재의 연신율이 대폭 증가하기 때문에 성형성에 특별한 제약을 받지 않으며 또한 열처리효과에 의해 초고강도를 달성할 수 있는 장점이 있다.

그런데, 핫 스탬핑은 대부분 900℃이상의 고온에서 이루어지므로, 소재의 고온안전성이 매우 중요하며, 이를 위해 일반적으로 도금강판을 사용한다.

자동차용 강판은 주로 아연도금강판이 적용되나, 핫스탬핑용 강판의 경우에는 표면에 Al-Si 합금을 포함하는 도금층이 형성된 Al-Si계 도금강판이 주로 사용된다. 이는 Al의 기화온도는 2467℃로 Zn의 기화온도 907℃보다 매우 높기 때문에, 고온 열처리 중 도금층의 기화를 막기 위함이다.

전기저항 용접이란, 용접할 물제에 전류를 통하여 접촉부에 발생되는 전기 저항열로서 모재를 용융 상태로 만들고 외력을 가하여 접합하는 용접이 전기 저항 용접법으로 이 때에 발생하는 저항열은 줄의 법칙에 따르며 다음 식으로 표시된다.

Q=0.24I*IRt

(여기서 Q:열량(cal), I:전류(A), R:전기저항(Ω), t:시간(sec)이다) 프로젝션 용접이란 이러한 전기저항 용접방식의 하나로, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 부재의 접합부에 만들어진 돌기부를 접촉시켜 압력을 가하고 여기에 전류를 통하여 저항열의 발생을 비교적 작은 특정 부분에 한정시켜 접합하는 일종의 저항 용접법이다.

그런데, Al-Si계 핫스탬핑강판을 대상으로 프로젝션 용접방식으로 용접너트를 용접하는 경우, Al-Si 도금층 때문에 양호한 용접 너겟이 형성되지 않는 문제점이 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 용융된 Al-Si도금층이 너트와 강판 계면에 존재하여 너트 방향으로의 용융풀 성장을 방해하여 폭방향만으로 너겟이 성장하고, 결국 모재부에 편방향 너겟이 형성되는 것이다.

즉, 비도금강판 및 아연도금강판에 비해 양호용접범위가 가장협소하고, 용착강도가 낮아, 핫스탬핑강판의 용접성이 매우 열위한 문제점이 있는 것이다.

이러한 부족한 용접강도의 보강을 위해 CO2 추가용접 공정이나, 스패터로 인한 나사산부 오염으로 추가 탭핑 공정등 추가적인 공정이 필요한 문제점이 있었다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

대한민국 공개특허 제 10-2003-0090610호 (2003.11.28)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 주통전단계 이전에 도금층 제거를 촉진하기 위한 예비통전단계를 더 포함하여 진행하는 2단 통전을 통한 용접너겟의 확대 및 용접강도를 향상시키는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법은 핫스탬핑용 도금강판에 대한 하드웨어 프로젝션 용접방법에 있어서, 하드웨어에 형성된 용접돌기와 도금강판이 접촉된 상태에서 가압하는 단계, 가압된 상태에서 상기 하드웨어 및 강판에 1차 전류를 공급하는 예비통전 단계, 상기 하드웨어 및 도금강판에 2차 전류를 공급하는 주통전 단계를 포함한다.

그리고, 상기 예비통전 단계 및 주통전 단계 사이에는 예비통전 단계를 통해 가열된 상기 도금강판 및 하드웨어를 냉각하는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 1차 전류의 전류값은 상기 2차 전류의 전류값 이상인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 1차 전류의 전류값은 상기 2차 전류의 전류값의 100%~150%인 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 1차 전류의 전류값은 상기 2차 전류의 전류값의 110%인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 1차 전류의 인가는 상기 용접돌기가 가열에 의해 붕괴되어 도금층이 밀려나 제거되는 시점까지 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 1차 전류의 인가시간은 5사이클 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도금강판은 Al-Si계 도금강판인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 냉각단계는 상기 1차 전류의 공급을 중단 후, 서냉하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각단계는, 상기 하드웨어와 상기 도금강판이 열적 균형을 이루는 시점까지 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 주통전 단계 전에 예비통전단계를 포함하여 접합부의 용융풀의 성장을 방해하는 알루미늄 도금층을 제거하여, 용융풀의 성장을 확보하는 효과가 있다.

또한, 알루미늄 도금층을 제거함으로써 접합부의 용접너겟 내에 알루미늄이 고용되거나 합금화로 인한 용착강도의 감소를 방지하는 효과가 있다.

또한, 예비통전 단계에서 가열된 하드웨어 및 강판을 냉각하여 열적 균형 상태를 형성함으로써 너트의 열화를 방지하는 효과가 있다.

또한, 별도의 추가공정 없이 도금층 제거를 통해 용착강도를 증대시킴으로써 공정상의 효율성을 확보하는 효과가 있다.

도 1은 핫스탬핑 강판에 대한 하드웨어(너트) 프로젝션 용접방법을 보여주는 사진.
도 2는 종래기술에 따른 핫스탬핑 강판에 대한 하드웨어 프로젝션 용접시 문제점을 보여주는 사진.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 강판에 대한 하드웨어 프로젝션 용접방법을 보여주는 사진.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 강판 하드웨어 프로젝션 용접시 도금층의 제거를 통한 용접너겟의 양호한 성장을 단일통전과 비교한 사진.
도 5는 본 발명의 예비통전단계에서, 인가된 전류에 따른 용착강도를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 예비통전단계에서, 통전시간에 따른 용착강도를 보여주는 그래프.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법을 개략적으로 보여주는 그래프이다.

본 발명에서는 차체 패널을 구성하는 강판에 복수개의 용접돌기가 형성된 하드웨어 즉 용접너트(이하 하드웨어)를 프로젝션 용접방법으로 접합시키되, 표면에 Al-Si 도금층이 형성된 핫스탬핑용 강판을 사용하면서도, 주통전 단계 이전에 예비통전 단계 즉, 용융풀의 성장을 방해하는 Al-Si 도금층(이하 도금층)을 제거하는 단계를 포함함으로써 우수한 용접강도를 확보하는 것을 기술적 특징으로 한다.

도 3을 참고하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법은 핫스탬핑용 도금강판에 대한 하드웨어 프로젝션 용접방법에 있어서, 하드웨어에 형성된 용접돌기와 도금강판이 접촉된 상태에서 가압하는 단계; 가압된 상태에서 상기 하드웨어 및 강판에 1차 전류를 공급하는 예비통전 단계; 상기 하드웨어 및 도금강판에 2차 전류를 공급하는 주통전 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

먼저 가압하는 단계는 도 1에 도시된 바와 같이, 강판과 하드웨어에 형성된 복수개의 용접돌기가 접촉된 상태에서 강판 가압팁과 하드웨어 가압팁으로 각각 가압함으로써 용접돌기가 강판과 강하게 접하고 있는 상태를 형성하게 된다. 이어 후술 할 바와 같이, 이 상태에서 전극 역할을 하는 각각의 가압팁을 통해 하드웨어와 강판에 전류를 공급하여 전류가 용접돌기에 집중되도록 하여 용접돌기와 이에 접촉되는 강판부분이 서로 용융되어 하드웨어의 용접돌기가 강판에 접합되도록 하는 것이다.

또한, 가압한 상태에서 예비통전 단계를 진행함으로써 후술할 바와 같이, 용융된 도금층을 용접돌기의 외측으로 밀어낼 수 있게 된다.

이러한, 가압 상태는 후술할 주통전 단계까지 계속 될 수 있으며, 가압의 세기 또는 시간은 필요에 따라 조절할 수 있다.

다음으로, 저항발열방식으로 용접돌기 및 강판을 용융시키기 위해 전류를 공급하는 통전단계가 진행되는데, 본 발명에서는 주통전 단계 및 예비통전 단계로 구성되는 2단계의 통전 방식(이하 다단 통전)을 제안한다.

주통전 단계 이전에 예비통전 단계를 포함할 수 있는데, 이는 주통전 단계에 앞서 상기 도금층을 제거하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서의 예비통전 단계에서는 하드웨어와 강판이 가압되는 상태에서 각각의 가압팁을 통해 1차 전류를 하드웨어 및 강판에 공급하게 된다. 이때, 1차 전류값의 크기는 주통전 단계에서 공급되는 2차 전류값 이상인 것이 바람직하다.

Al-Si의 합금으로 형성된 도금층을 용융시키기 위해서는 열전도율이 높은 알루미늄으로 인해 적어도 이후 주통전단계에서 용접너겟을 성장시킬 수 있을 만큼의 전류세기 이상이 되어야 하므로, 2차 전류값 미만의 전류가 공급되는 경우에는 열전도율이 높은 알루미늄 도금층을 용융시킬 수 없기 때문이다. 다만, 지나치게 높은 전류를 공급하는 경우에는 과입열로 인한 하드웨어의 열화 문제가 있으므로, 예비통전 단계에서는 2차 전류값의 100%~150%의 전류를 공급하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 주통전 단계에서 공급되는 2차 전류값의 110%의 전류를 공급하는 것이 바람직하다.

구체적으로는 도 5에 도시된 바와 같이 2차 전류값의 110% 미만에서는 도금층이 제거되지 않아 융착 강도가 매우 낮고, 그 이상의 전류에서 도금층이 충분히 용융되어 제거됨으로써 높은 용착 강도를 보이는 것을 확인할 수 있다.

또한, 예비통전 단계에서의 통전시간은 적어도 용접돌기가 용융되어 붕괴되는 시점까지는 이루어지는 것이 바람직하다. 1차 전류가 공급되어 강판의 표면에 형성된 도금층의 용융이 이루어지고, 용접돌기 또한 도금층과의 접촉면에서부터 발열이 일어나 용융이 진행되면서 붕괴되고, 가압상태에서 붕괴되는 돌기에 의해 용융된 도금층이 접합부 즉 하드웨어의 외측으로 밀려남으로써 제거되기 때문이다.

그리고, 도 6은 인가되는 전류별 통전시간에 따른 용착 강도를 보여주는 그래프로서, 1차 전류의 크기가 2차 전류의 110% 이상(I_D, I_E, I_F)에서 통전시간이 5사이클을 초과하여 용접돌기가 용융되어 붕괴한 이후까지 통전시간이 길어지더라도 강도개선의 효과는 미미한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 돌기의 붕괴가 진행되어 용융된 도금층을 밀어내어 제거되는 시점까지 1차 전류를 공급함이 바람직하고, 본 발명에서는 2차 전류의 110% 이상의 전류인 경우의 통전시간은 3사이클 이상 및 5사이클 이하로 이루어짐이 바람직하다. (본 발명에서의 통전시간은 사이클(cycle)로 설명하고, 1 사이클(cycle)은 1/60s 로 설명한다.)

다만, 예비통전단계에서의 1차 전류공급을 통해 강판과 하드웨어의 용접돌기간의 접촉면에서의 접촉저항에 의한 발열로 인해 강판과 하드웨어 역시 온도가 증가하게 되고, 온도가 증가함에 따라 강판과 하드웨어의 고유 저항 역시 증가하게 된다. 본 발명에서는 강판의 고유 저항이 더 높기 때문에 강판의 발열량이 더 크게 되어 강판과 하드웨어 간에 발열 불균형이 발생하게 되고, 이러한 발열 불균형 문제를 최소화하기 위해 예비 통전단계 이후 주 통전단계 이전에, 가열되었던 강판과 하드웨어간의 열적 균형 상태를 이룰 필요가 있다.

따라서, 본 발명에서는 예비 통전단계 이후 예비 통전단계를 통해 가열된 강판 및 하드웨어를 냉각하는 냉각단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 냉각은 전류의 공급을 차단함으로써 서냉하는 방식으로 이루어 질 수 있고, 또한 전극의 역할을 하는 각 가압팁 내부에 수용되어 있는 냉각수에 의해 냉각될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 강판 하드웨어 프로젝션 용접시 도금층의 제거를 통한 용접 너겟의 양호한 성장을 종래의 단일통전과 비교 도시한 것이다.

도 4에서 참조되는 바와 같이, 본 발명의 다단통전은 I₁의 전류를 3 내지 5사이클 동안 진행하고, I₁보다 작은 I₂에 의해 주통전을 실시함으로써 강판표면의 도금층이 제거되고, 접합부에서 용융풀의 성장을 방해하는 이러한 도금층이 제거됨에 따라 용융풀은 강판뿐만 아니라 하드웨어 방향으로도 성장할 수 있게 되는 것이다. 이후 냉각 단계를 거치면서 용접 너겟이 형성된다. 그러나, 용접부의 용착 강도의 향상을 위해서는 용접 너겟의 크기가 충분히 성장할 필요가 있다.

반면, 종래기술에 의한 단일통전의 경우는 I₃에 의한 단일 통전 과정을 거침에 따라 도금층이 잔류하여 편방향 너겟이 형성됨을 알 수 있다.

여기서, I₃는 I₂와 같거나 작을 수 있으나, I₁보다는 작은 값에 해당한다.

따라서, 본 발명에서는 냉각 단계를 거치면서 강판과 하드웨어간 열적 균형을 이룬 상태에서, 다시 주통전 단계를 통해 2차 전류를 각 가압팁을 통해 강판 및 하드웨어에 공급하게 된다. 이 단계에서는 상기 형성된 용접너겟의 성장이 이루어 지게 되므로, 전류값이 클수록 발열량이 커지게 되고, 과입열로 인한 용접시 스패터가 발생할 수 있으므로, 스패터 발생을 최소화하는 범위 내에서 공정 효율화를 위해 고 전류를 공급하는 것이 바람직하다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

100: 가압팁
200: 하드웨어
300: 핫스탬핑용 강판

Claims (10)

1. 핫스탬핑용 도금강판에 대한 하드웨어 프로젝션 용접방법에 있어서,
   하드웨어에 형성된 용접돌기와 도금강판이 접촉된 상태에서 가압하는 단계;
   가압된 상태에서 상기 하드웨어 및 강판에 1차 전류를 공급하는 예비통전 단계;
   상기 하드웨어 및 도금강판에 2차 전류를 공급하는 주통전 단계;를 포함하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 예비통전 단계 및 주통전 단계 사이에는 예비통전 단계를 통해 가열된 상기 도금강판 및 하드웨어를 냉각하는 냉각 단계를 더 포함하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 1차 전류의 전류값은 상기 2차 전류의 전류값 이상인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 1차 전류의 전류값은 상기 2차 전류의 전류값의 100%~150%인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 1차 전류의 전류값은 상기 2차 전류의 전류값의 110%인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 1차 전류의 인가는 상기 용접돌기가 가열에 의해 붕괴되어 도금층이 밀려나 제거되는 시점까지 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 1차 전류의 인가시간은 5사이클 이하인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 도금강판은 Al-Si계 도금강판인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
9. 제 2항에 있어서,
   상기 냉각단계는 상기 1차 전류의 공급을 중단 후, 서냉하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.
10. 제 2항에 있어서,
    상기 냉각단계는, 상기 하드웨어와 상기 도금강판이 열적 균형을 이루는 시점까지 행하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 강판 프로젝션 하드웨어 용접방법.

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