KR20190076784A

KR20190076784A - 저항 용접용 전극의 제조방법

Info

Publication number: KR20190076784A
Application number: KR1020170178848A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 박서정; 윤상훈; 배규열
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-07-02

Abstract

본 발명에 의하면, 중량%로, WC: 70%이상 및 나머지 Co, Ni 및 CoCr 중 1종 이상을 함유하는 용사코팅재를 준비하는 단계; 상기 용사코팅재를 저항 용접용 전극에 용사 분사하여 10 ~ 200㎛의 두께의 용사 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리하거나 또는 용사 코팅층을 표면 실링하는 단계를 포함하는 저항 용접용 전극의 제조 방법이 제공된다.

Description

저항 용접용 전극의 제조방법 {Manufacturing methods for the coating electrodes of the resistance welding}

본 발명은 스팟 저항용접, 프로젝션 저항용접 등과 같은 저항 용접 시 사용되는 저항 용접용 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 우수한 내마모성 및 전기 전도성을 갖는 저항 용접용 전극의 제조방법에 관한 것이다.

전기 저항 용접은 널리 사용되는 용접 방법으로서, 특히 박판 용접에 널리 사용된다. 저항 용접은 구리계 합금으로 만들어진 전극 (주로 Cu-Cr 합금)을 사용하여 두 전극 사이에 용접하고자 하는 소재를 두고 두 전극에 전류를 흘려주면 소재에서 발생한 전기 저항에 기인한 열로 용접을 하게 된다.

저항 용접은 여러 번 용접을 하게 되면 구리계 합금으로 이루어진 전극은 마모 및 열화에 의하여 용접이 불량하게 되어, 전극을 교체하거나 전극 표면을 연마하여 사용하게 된다. 따라서, 전극의 수명 증가는 생산성 향상에 직결되게 된다.

저융점 합금을 포함한 Zn계 도금강판이나 Al계 도금강판 용접 시는 저융점 도금소재가 전극과 반응하여 전극 수명이 단축되며, 특히 자동차용 강판으로 널리 사용되는 Zn계 합금을 이용한 도금강판 용접 시는 전극 수명이 일반 강판 사용시보다 10% 이하로 급격하게 저하하여 문제가 되고 있다. 따라서, 자주 용접을 중단하여 전극을 연마하게 되어 생산성이 저하하고, 전극 사용 비용 또한 증대된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 전극 표면에 코팅을 시도하고 있다.

대표적으로 전도성이 우수한 탄소계 코팅을 하거나 (특허문헌 1), TiB2-TiC 복합 소재를 electric spark deposition 공법으로 코팅하는 (특허문헌 2) 방법을 제시하고 있다. 또는 Ni-TiC 복합 코팅을 electro slag deposition 공정으로 제조하여 상업적으로 판매하고 있다.

국제공개특허공보 제2011-092713호 중국공개특허공보 제103801858호

본 발명의 바람직한 일 측면은 Zn, Al 등의 저융점 도금소재와 반응을 최소화하면서, 우수한 내마모성 및 전기 전도성을 확보할 수 있는 저항 용접용 전극의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 바람직한 일 측면에 의하면,

중량%로, WC: 70%이상 및 나머지 Co, Ni 및 CoCr 중 1종 이상을 함유하는 용사코팅재를 준비하는 단계;

상기 용사코팅재를 저항 용접용 전극에 용사 분사하여 10 ~ 200㎛의 두께의 용사 코팅층을 형성하는 단계; 및

상기 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리하거나 또는 용사 코팅층을 표면 실링하는 단계를 포함하는 저항 용접용 전극의 제조 방법이 제공된다.

상기 저항 용접용 전극의 제조방법에 있어서, 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리한 다음, 후 열처리된 용사 코팅층을 표면 실링할 수 있다.

본 발명의 바람직한 측면에 따르면, 전극 수명 증대, 용접 품질 향상 및 전극 연마 주기 연장에 의한 용접 생산성 증대와 함께 전극 수명 증대로 전극 소비 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 비교예 1의 코팅층 연마 전의 단면을 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 측면에 따르는 저항 용접용 전극의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 바람직한 일 측면에 따르는 저항 용접용 전극의 제조방법은 중량%로, WC: 70%이상 및 나머지 Co, Ni 및 CoCr 중 1종 이상을 함유하는 용사코팅재를 준비하는 단계;

상기 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리하거나 또는 용사 코팅층을 표면 실링하는 단계를 포함한다.

용사코팅재를 준비하는 단계

본 발명의 바람직한 일 측면에 따르는 저항 용접용 전극의 제조방법에 따라 저항 용접용 전극의 제조하기 위하여 중량%로, WC: 70%이상 및 나머지 Co, Ni 및 CoCr 중 1종 이상을 함유하는 용사코팅재를 준비한다.

상기 용사코팅재는 Zn, Al 등의 저융점 도금소재와 반응을 최소화하면서, 내마모성도 우수하고, 전기 전도성도 우수한 용사코팅층을 제공할 수 있다.

상기 WC는 우수한 내마모성, 전기전도성 및 내반응성을 부여하는 역할을 하며, 그 함량은 중량%로 최소 70% 이상이어야 한다. WC의 함량이 70% 미만인 경우에는 금속과 Zn 등 저융점 도금층과의 반응이 증대하여 전극 수명 증대 효과를 볼 수 없다. 상기 Co, Ni, CoCr 는 바인더로서 역할을 하는 성분으로서, 그 함량은 중량%로 30% 미만이 바람직하며, 30%이상인 경우에는 내마모성, 내반응성, 전기전도성 등이 감소하여 충분한 수명 증대 효과를 얻을 수 없다.

상기 용사 코팅재는 분말의 형태일 수 있으며, 분말의 평균 크기는 1~100㎛일 수 있고, 보다 바람직한 분말의 평균 크기는 5~50㎛일 수 있다.

상기 분말의 평균 크기가 5㎛ 미만인 경우에는 분말 송급이 불균일하게 될 수 있고, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 분말 용융이 부족하게 될 수 있다.

용사 코팅층을 형성하는 단계

상기 용사코팅재를 저항 용접용 전극에 용사 분사하여 10 ~ 200㎛의 두께의 용사 코팅층을 형성한다.

상기 용사코팅 방법으로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 코팅 두께 조절이 용이하고 비교적 저렴한 공정인 대기중 용사코팅 (thermal spray) 공정이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용사 코팅공정중에서 고속용사 (HVOF, High Velocity Oxygen Fuel) 코팅공정이 바람직하게 적용될 수 있고, WC의 탈탄을 방지하기 위하여 저온 분사 (cold spray)법, 웜 스프레이(warm spray) 법 등이 사용될 수 있다.

상기 저항 용접용 전극으로는 스팟 저항용접 용접 시 사용되는 전극 및 프로젝션 저항용접 시 사용되는 전극 등을 들 수 있다. 상기 저항 용접용 전극으로는 저융점 합금을 포함한 Zn계 도금강판이나 Al계 도금강판 용접 시 사용되는 저항 용접용 전극 등을 들 수 있다.

상기 용사 코팅층의 두께는 10 ~ 200㎛(마이크로미터)로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 용사 코팅층의 두께가 10㎛ 미만인 경우에는 충분한 코팅 효과를 얻기 어려우며, 200㎛를 초과하는 경우에는 전기 저항 증대로 인한 용접 불량 및 코팅 박리 가능성이 증대될 수 있다.

상기 용사 코팅층 형성단계 전에, 전극 표면에 조도를 부여하는 단계를 추가할 수 있다. 상기 조도 부여는 블라스팅(blasting)하여 실시될 수 있다. 예를 들면, 알루미나 등으로 블라스팅(blasting)하여 실시될 수 있다.

상기 블라스팅은 모재와 코팅간의 결합력을 주기 위하여 실시될 수 있으며, 조대한 블라스팅 입자를 사용할수록 결합력은 향상되지만, 코팅 표면 조도는 증가된다. 따라서 수십 마이크로의 작은 코팅 두께는 미세 블라스팅 입자를 사용하고, 수백 마이크로 코팅 두께에서는 조대한 블라스팅 입자를 사용하는 것이 바람직하다.

후 열처리 및 표면실링단계

상기 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리하거나 또는 용사 코팅층을 표면 실링한다.

전극에 용사 코팅층을 형성한 후, 후처리를 통해 용사 코팅층의 물성을 향상시켜 전극의 수명을 향상시킨다.

본 발명에서는 용사 코팅층을 후 처리하는 방법의 하나로서, 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리하는 공정을 실시한다.

상기 후열처리 분위기로는 산화 방지를 위하여 불활성 분위기, 환원 분위기, 진공 분위기를 들 수 있다.

상기 불활성 분위기는 예를 들면, 질소가스, 아르곤 가스 또는 질소와 아르곤 혼합 가스를 포함할 수 있다.

상기 환원 분위기는 질소나 아르곤에 5% 이하 수소를 포함하는 혼합 가스를 포함할 수 있다.

상기 후 열처리 온도는 300~700℃로 설정할 수 있다. 상기 후열처리 온도가 700℃를 초과하는 경우에는 코팅뿐만 아니라 Cu-Cr 합금과 같은 Cu계 합금으로 이루어진 전극의 강도가 저하하여 오히려 전극 수명이 단축될 수 있다. 한편, 상기 후열처리 온도가 300℃미만인 경우에는 충분한 열처리 효과를 얻기 어렵다. 상기 후 열처리 시간은 30분 ~ 8시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 후 열처리 시간이 30분 미만인 경우에는 열처리 효과를 충분히 얻을 수 없고, 8시간을 초과하는 경우에는 경제성이 저하된다.

본 발명에서는 용사 코팅층을 후 처리하는 방법의 다른 하나로서, 용사 코팅층을 표면 실링하는 공정을 실시한다.

상기 실링 공정은 예를 들면, 도 1에서와 같은 코팅층의 미세 기공이나 미세 균열 등에 수지 등이 스며들게 한 후 경화시키는 공정이다.

상기 수지로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 온도 및 환경 등의 적용 목적에 따라 다양한 수지 류가 시용될 수 있다.

예를 들면, 에폭시계 수지, 에폭시-벤젠-알코올 혼합 수지 등을 들 수 있다. 상기 수지 경화 시 경화온도는 특별히 한정되는 것은 아니며, 상온~ 200℃일 수 있다.

수지 등의 도포 방식은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 스프레이법, 붓질 혹은 디핑(dipping)법 등을 사용할 수 있다. 도포 양은 코팅 내 기공에 침투할 정도이면 충분하며, 붓질로 도포하는 경우에는 붓질을 3~4회 정도 실시할 수 있다.

본 발명의 저항 용접용 전극의 제조방법에서는 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700^oC의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리한 다음, 후 열처리된 용사 코팅층을 표면 실링할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

스팟 용접을 위한 Cu-Cr계 합금 전극을 준비하였다. 상기 전극에 WC-12Co 용사 코팅재를 고속 용사하여 120㎛의 코팅층 두께를 갖는 용사코팅층을 형성하였다. 다음에, 상기 용사 코팅층의 후처리로서, 후 열처리 및 실링처리를 각각 실시하였다.

상기 용사 코팅재는 분말의 형태로 사용되었으며, 분말의 평균 크기는 20㎛이였다.

상기 용사 코팅층의 후열처리는 용사 코팅층이 형성된 전극을 질소 분위기, 500℃에서 1시간 실시후 노냉한 것이다. 상기 용사 코팅층의 실링처리는 에폭시-벤젠-알코올 혼합 수지를 코팅 표면에 붓질을 4회한 후 200℃에서 3시간 후 상온에서 24시간 경화한 것이다.

무코팅전극(종래예), 용사 코팅층을 형성하였지만 후처리를 실시하지 않은 전극(비교예 1), 용사 코팅층의 후처리로서, 후열처리를 실시한 전극(발명예 1) 및 용사 코팅층의 후처리로서, 실링처리를 실시한 전극(발명예 2)에 대하여 단면경도(비커스 경도) 및 전극수명을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

하기 표 1의 전극 수명은 상기와 같이 제조된 전극을 연마 없이 그대로 사용하여 하기 표 2의 스팟 용접 조건으로, 두께 0.9 mm인 Zn-Mg-Al 합금 도금강판을 저항 용접한 다음, 파단하여 용접부 직경이 4 mm 이상을 유지하는 타점을 조사하여 그 결과로 나타낸 것이다.

상기 비교예 1에 대하여 코팅층 연마 전의 단면을 사진 관찰하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

	코팅 방법	코팅 소재	코팅 두께 (㎛)	단면 경도 (비커스 경도)	전극 수명 (타점 수)
종래예	무코팅	-	-	155	600
비교예 1	고속용사	WC-12Co	120	1223	1200
발명예 1	고속용사 + 후열처리	WC-12Co	120	1350	1400
발명예 2	고속용사 + 실링	WC-12Co	120	1308	1350
발명예 3	고속용사 + 후열처리+ 실링	WC-12Co	120	1370	1500

종류	가압력(kN)	전류(kA)	통전시간 (cycle)
AC 용접기	2.5	9.2~9.8	13

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 용사 코팅층을 형성한 후, 후처리로서 후열처리한 전극(발명예 1) 및 용사 코팅층의 표면을 실링처리한 전극(발명예 2)이 무코팅전극(종래예) 및 후처리를 실시하지 않은 전극(비교예 1)에 비하여 단면 경도 및 전극수명이 우수함을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 용사 코팅층을 형성한 후, 후처리로서 후열처리를 실시한 다음, 후열처리된 용사 코팅층의 표면을 실링처리한 전극(발명예 3)도 무코팅전극(종래예) 및 후처리를 실시하지 않은 전극(비교예 1)에 비하여 단면 경도 및 전극수명이 우수하고, 발명예 1 및 2보다 단면 경도 및 전극수명이 우수함을 알 수 있다.

한편, 도 1에도 나타난 바와 같이, 후처리를 실시하지 않은 전극(비교예 1)의 코팅층에는 미세 기공이나 미세 균열이 존재하게 된다.

Claims

중량%로, WC: 70%이상 및 나머지 Co, Ni 및 CoCr 중 1종 이상을 함유하는 용사코팅재를 준비하는 단계;
상기 용사코팅재를 저항 용접용 전극에 용사 분사하여 10 ~ 200㎛의 두께의 용사 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 용사 코팅층을 표면 실링하는 단계를 포함하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 용사코팅재는 분말형태를 갖고, 분말의 평균크기는 5~50㎛인 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 용사 코팅층 형성단계 전에, 전극 표면에 조도를 부여하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 전극 표면에 조도를 부여하는 단계는 블라스팅(blasting)에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 용사 코팅층 형성단계는 대기중 용사 코팅법, 고속용사법, 저온 분사 (cold spray)법 및 웜 스프레이법 중 어느 하나의 방법에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 용사 코팅층을 표면 실링하는 단계는 에폭시계 수지를 용사 코팅층의 표면에 도포한 후, 상온 ~ 200℃의 온도범위에서 경화처리하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
중량%로, WC: 70%이상 및 나머지 Co, Ni 및 CoCr 중 1종 이상을 함유하는 용사코팅재를 준비하는 단계;
상기 용사코팅재를 저항 용접용 전극에 용사 분사하여 10 ~ 200㎛의 두께의 용사 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리하는 단계를 포함하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 용사코팅재는 분말형태를 갖고, 분말의 평균크기는 5~50㎛인 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 용사 코팅층 형성단계 전에, 전극 표면에 조도를 부여하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 전극 표면에 조도를 부여하는 단계는 블라스팅(blasting)에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 용사 코팅층을, 불활성 분위기, 환원 분위기 및 진공 분위기 중 어느 하나의 분위기하에서 300~700℃의 온도에서 30분 ~ 8시간 동안 후 열처리한 다음, 후 열처리된 용사 코팅층을 표면 실링하는 저항 용접용 전극의 코팅방법
제11항에 있어서, 상기 용사 코팅층의 표면 실링은 에폭시계 수지를 용사 코팅층의 표면에 도포한 후, 상온 ~ 200℃의 온도범위에서 경화처리하는 것으로 실시되는 것을 특징으로 하는 저항 용접용 전극의 제조방법.