KR20190076261A

KR20190076261A - 스폿 용접 방법

Info

Publication number: KR20190076261A
Application number: KR1020170177917A
Authority: KR
Inventors: 최두열; 신현정; 엄상호; 이상기
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-07-02
Also published as: KR102010073B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스폿 용접 방법은, 복수의 아연도금강판들을 중첩시키는 단계, 기 복수의 아연도금강판들이 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계, 상기 한 쌍의 전극들 간에 제1 전류(WC1)를 제1 시간(WT1) 동안 흘려 예열하는 단계 및 상기 한 쌍의 전극들 간에 제2 전류(WC2)를 제2 시간(WT2) 동안 흘려 용접하는 단계를 포함하고, 상기 제1 시간(WT1)은 아래 수학식을 만족하는 범위로 설정될 수 있다.
[수학식]
WT1(msec) = a*(tb+0.05*tc), 50≤a≤200, 여기서, tb는 모재의 총두께(mm), tc는 아연도금층의 총두께(um)임.

Description

스폿 용접 방법{SPOT WELDING METHOD}

본 발명은 스폿 용접 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 아연도금강판을 스폿 용접하는 방법에 관한 것이다.

자동차 산업에서 차체 경량화 및 충돌 안정성 향상의 강력한 요구에 의해 적용 소재가 점점 고강도화되었고, 최근에는 인장강도 1000MPa급의 강재 적용이 크게 증가하고 있다. 이와 함께 차량 수명 향상 및 보증기간 증가로 인한 내식성 향상 목적의 아연도금강판의 적용 비율이 크게 증가하고 있다. 따라서 아연도금 초고강도강 개발도 동시에 진행되고 있다. 일반적으로 자동차 부품 조립에는 저항용접의 일종인 스폿용접(Spot welding)이 가장 널리 적용되고 있다.

아연도금 초고강도강은 소재 차제의 높은 탄소당량으로 인한 용접부 취성도 문제가 되지만, 저융점의 아연에 의해 발생되는 액상금속취화(LME, Liquid Metal Embrittlement)에 의한 균열이 기존의 연강이나 고강도저합금(HSLA) 강에 비해 쉽게 발생하는 문제가 있다. 최근에는 TRIP(TRansformation Induced Plasticity) 강과 같은 잔류 오스테나이트 분율을 높여서 고강도와 연신율을 동시에 확보할 수 있는 소재의 개발이 진행되고 있다. 일반적으로 페라이트상 보다 오스테나이트상이 LME에 민감하다고 알려져 있다.

종래의 스폿용접 방법은 도 2와 같이 일정한 가압력하에서 일정한 전류로 단일 펄스 용접을 실시하거나 2펄스 이상의 다펄스 용접을 실시하는 경우가 많았다.

등록특허 10-1744427호

본 발명의 일 실시예에서 해결하고자 하는 과제는, 액상금속취화(LME, Liquid Metal Embrittlement)에 의한 균열이 발생하지 않는 스폿 용접 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스폿 용접 방법은 복수의 아연도금강판들을 중첩시키는 단계, 기 복수의 아연도금강판들이 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계, 상기 한 쌍의 전극들 간에 제1 전류(WC1)를 제1 시간(WT1) 동안 흘려 예열하는 단계 및 상기 한 쌍의 전극들 간에 제2 전류(WC2)를 제2 시간(WT2) 동안 흘려 용접하는 단계를 포함하고, 상기 제1 시간(WT1)은 아래 수학식을 만족하는 범위로 설정될 수 있다.

[수학식]

WT1(msec) = a*(tb+0.05*tc), 50≤a≤200, 여기서, tb는 모재의 총두께(mm), tc는 아연도금층의 총두께(μm)임.

상기 제1 전류(WC1)의 크기는 상기 제2 전류(WC2)의 크기의 0.6배 이상이고, 0.9배 이하일 수 있다.

그리고, 상기 예열하는 단계와 상기 용접하는 단계 사이에, 상기 한 쌍의 전극들에 전기를 흘리지 않는 냉각 단계를 더 포함하고, 상기 냉각 단계의 유지 시간은 50msec 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 액상금속취화(LME, Liquid Metal Embrittlement)에 의한 균열이 발생하지 않는 스폿 용접 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 스폿 용점 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 종래의 스폿 용접 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 종래의 스폿 용접 방법에 의해 형성된 용접 금속부의 단면 사진이다.
도 4는 액상금속취화(Liquid Metal Embrittlement, LME) 균열 발생에 필요한 3가지 기본 요소들을 나타내는 도면이다.
도 5는 Fe-Zn의 평형 상태도이다.
도 6은 본 발명에 의한 스폿 용접 방법을 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 1은 스폿 용점 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 우선, 피용접재인 2매의 강판(1A, 1B)을 중첩시킨다. 그리고, 강판(1A, 1B)의 중첩 부분에 대해 양측으로부터, 즉, 도 1에 도시하는 바와 같이 상하 방향으로부터 구리 합금으로 이루어진 전극(2A, 2B)을 가압하면서 통전함으로써, 2매의 강판(1A, 1B)의 사이에 용융 금속부를 형성시킨다. 이 용융 금속부는 용접 통전이 종료된 후, 수냉되는 전극(2A, 2B)에 의한 열전도 및 강판(1A, 1B) 자체에 의한 열전도에 의해 급속하게 냉각되어 응고되고, 2매의 강판(1A, 1B)의 사이에 너깃(3)이 형성된다. 이와 같은 너깃(3)이 형성됨으로써, 2매의 강판(1A, 1B)이 용접된다. 전극(2A, 2B)에 의해 가압되어 강판(1A, 1B)의 표면에는 인텐테이션(오목부)(4)이 형성될 수 있다. 스폿 용접에 의해 형성된 스폿 용접부(10)은 너깃(3) 뿐만 아니라 너깃(3) 주위의 열영향부(HAZ)를 포함한다.

도 3은 종래의 스폿 용접 방법에 의해 형성된 용접 금속부의 단면 사진이다.

도 3은 아연도금 TRIP강(위 쪽)과 연강(아래 쪽)과의 스폿용접 단면을 보여주는 것으로, 너깃 왼쪽 가장자리의 TRIP강 열영향부(HAZ) 표면에 발생된 LME 균열을 보여주고 있다. 연강에서는 발생하지 않았지만, 고강도의 TRIP강에서는 이와 같은 균열이 쉽게 관찰되고 있다. 이러한 LME 균열은 용접 중에 소재의 온도가 올라가면서 저융점의 아연도금층이 용융이 일어나고, 전극 가압과 용접 열이력에 의한 열변형으로 인한 인장응력이 발생하는 부분에서 용융 아연이 결정립계를 따라서 침투하면서 균열로 발전하는 것으로 알려져 있다. 이러한 표면 균열들은 자동차사에서 허용되지 않고 있다.

도 4는 액상금속취화(Liquid Metal Embrittlement, LME) 균열 발생에 필요한 3가지 기본 요소들을 나타내는 도면이다.

LME 균열 발생에 필요한 3가지 기본요소를 보여주고 있다. 모재의 민감성, 액상금속, 그리고 인장응력의 3요소가 동시에 충족될 경우에만 LME 균열이 발생한다. 다시 말하면, LME 균열을 방지하기 위해서는 이들 3요소 중에 한가지 요소만이라도 LME 균열이 발생하지 않는 조건으로 변화를 주면 된다는 것이다. 만약, 주어진 모재에서 LME 균열을 방지하기 위해서는 액상금속의 속성을 변경시키거나 용접부의 인장응력을 최소화하는 방법이 있을 것이다.

그 중에서 액상금속의 속성을 변경을 주는 방법 중의 하나로 액상금속의 융점을 증가시키는 것이다. 액상금속, 즉 아연도금층의 융점을 증가시키기 위해서는 Fe, Al, Ni 등의 합금원소를 첨가할 수 있지만, 내식성, 밀착성, 환경문제 등의 이유로 자동차사의 기준을 만족시키지 못하고 있다. 따라서 합금도금 이외의 주어진 아연도금 조건에서 도금층의 융점을 증가시키는 방법이 필요하다.

도 5는 Fe-Zn의 평형 상태도이다.

도금강판의 경우, 가열에 의해 모재의 Fe가 도금층으로 확산이 일어남으로써 다양한 합금상이 만들어진다. 도 5는 Fe-Zn의 평형 상태도로서 다양한 금속간 화합물이 존재하며, 각 화합물들은 순 Zn상(η) 보다 융점이 높아진다. Fe 확산량이 증가함에 따라 화합물의 융점은 증가하여 순 Zn의 420℃ 보다 거의 2배 가까운 780℃까지 올라간다. Fe 확산은 온도와 시간의 함수이다. 온도가 높고 가열시간이 증가하면 도금층의 합금화가 급속히 진행될 것이다. 그러나 도금강판 전체를 합금화 처리를 하게 되면 내식성 및 밀착성 저하 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 용접이 되는 부분만 국부적으로 예열하여 도금층의 융점을 증가시키는 방법이 효과적일 것이다. 국부 예열 방법으로는 부가 가열장치를 활용할 수 있는 방법이 있지만, 자동차 조립라인에서 부가 가열장치를 붙이는 것이 용이하지 않다는 문제가 있다.

도 6은 본 발명에 의한 스폿 용접 방법을 설명하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 스폿 용접 방법은 스폿 용접 중의 본 용접 전에 도금층을 가열, 즉 예열(pre-heating)을 하기 위해서, 펄스를 2개 이상으로 구성할 수 있다. 본 발명의 스폿 용접 방법은 용접 펄스(Weld2) 전에 도금층의 합금화를 위한 예열 펄스(Weld1)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 예열 펄스(weld1)를 가해 예열하는 단계와 용접 펄스(Weld2)를 가해 용접하는 단계 동안에 가압력은 일정하게 유지될 수 있다. 예열 펄스(Weld1)의 시간(WT1)과 전류크기(WC1)에 따라서 도금층의 합금화 정도가 달라진다. 따라서 모재의 총두께(tb) 및 도금층의 총두께(tc) 등에 따라서 적정한 예열 펄스의 조건이 정해질 필요가 있다.

본 발명의 스폿 용접 방법은 모재 인장강도 800Mpa 이상의 모재의 총두께 tb(mm)와 아연도금층의 총두께 tc(μm)를 용접하는데 있어서 아래의 조건을 만족시키는 용접 방법이다. 2매의 도금강판들이 용접되는 경우, 모재의 총두께 tb(mm)는 2매의 모재의 두께를 합한 값이고, 아연도금층의 총두께 tc(μm)은 2매의 모재에 도금된 아연도금층들의 두께를 합한 값이다. 모재 예열 펄스(Weld1)과 용접 펄스(Weld2) 사이에 냉각 단계를 더 포함하고, 상기 냉각 단계의 유지 시간(CT)는 아래와 같다.

WT1(msec) = a*(tb+0.05*tc), 50≤a≤200 [수학식 1]

WC1(A) = b*WC2, 0.6≤b≤0.9 [수학식 2]

CT(msec) ≥ 50

본 발명에 의하면, 부가 가열장치의 추가 없이, 스폿 용접 공정 내에서 본 용접 전에 상기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 예열 조건으로 도금층을 예열시킴으로써 LME 균열을 저감시킬 수 있다.

실시예

양면 도금두께 18μm의 전기아연도금(EG) 1200Mpa급 고강도강 (두께, 1.2mm) 2겹에 대하여 DC 용접기를 사용하여 다양한 예열조건을 부가하면서 스폿 용접을 실시하였으며, 용접 후에 단면조직 분석을 통하여 최대 LME 균열을 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.

	예열 펄스		냉각 시간 (msec)	본 용접 펄스		용접 펄스 후 가압 유지 (msec)	최대 LME 균열(μm)
	제1 시간 (msec)	제1 전류 (kA)	냉각 시간 (msec)	제2 시간 (msec)	제2 전류 (kA)	용접 펄스 후 가압 유지 (msec)
비교예 1	-	-	-	280	6.2	200	42
비교예 2	160	3.2	100	280	6.2	200	38
비교예 3	320	3.2	100	280	6.2	200	36
비교예 4	480	3.2	100	280	6.2	200	37
비교예 5	160	4.5	100	280	6.2	200	40
실시예 1	320	4.5	100	280	6.2	200	0
실시예 2	480	4.5	100	280	6.2	200	0
비교예 6	50	9.5	100	280	6.2	200	60
비교예 7	100	9.5	100	280	6.2	200	70

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1A, 1B: 강판, 2A, 2B: 전극, 3: 너깃, 4: 인텐테이션(오목부), 10: 스폿 용접부, HAZ: 열영향부

Claims

복수의 아연도금강판들을 중첩시키는 단계;
상기 복수의 아연도금강판들이 중첩된 영역을 한 쌍의 전극들로 가압하는 단계;
상기 한 쌍의 전극들 간에 제1 전류(WC1)를 제1 시간(WT1) 동안 흘려 예열하는 단계; 및
상기 한 쌍의 전극들 간에 제2 전류(WC2)를 제2 시간(WT2) 동안 흘려 용접하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 시간(WT1)은 아래 수학식을 만족하는 범위로 설정되는 스폿 용접 방법.

[수학식]
WT1(msec) = a*(tb+0.05*tc), 50≤a≤200, 여기서, tb는 모재의 총두께(mm), tc는 아연도금층의 총두께(μm)임.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전류(WC1)의 크기는 상기 제2 전류(WC2)의 크기의 0.6배 이상이고, 0.9배 이하인 스폿 용접 방법.
제2 항에 있어서,
상기 예열하는 단계와 상기 용접하는 단계 사이에,
상기 한 쌍의 전극들에 전기를 흘리지 않는 냉각 단계를 더 포함하고,
상기 냉각 단계의 유지 시간은 50msec 이상인 스폿 용접 방법.
제1 항에 있어서,
상기 예열하는 단계와 상기 용접하는 단계 동안에 가압력은 일정하게 유지되는 스폿 용접 방법.