KR20220038491A - 저항 스폿 용접 방법 및 용접 부재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

외란의 영향이 큰 경우라도, 날림의 발생 없이, 안정적으로 소망하는 너깃 지름을 얻을 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제공한다. 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값 R_A에 따라서, 당해 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를 설정한다.

Description

저항 스폿 용접 방법 및 용접 부재의 제조 방법

본 발명은 저항 스폿 용접 방법에 관한 것으로, 특히 외란의 영향이 큰 경우라도, 날림(expulsion)을 발생시키는 일 없이 안정적으로 소망하는 너깃(nugget) 지름을 확보하는 것을 가능하게 하고자 하는 것이다.

일반적으로, 서로 겹친 금속판끼리, 특히는 서로 겹친 강판끼리의 접합에는, 겹침 저항 용접법의 일종인 저항 스폿 용접법이 이용되고 있다.

이 용접법은, 서로 겹친 2매 이상의 강판을 사이에 끼우고 그의 상하로부터 한 쌍의 전극으로 가압하면서, 상하 전극 간에 고전류의 용접 전류를 단시간 통전하여 접합하는 방법이다. 이 용접법에서는, 고전류의 용접 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 저항 발열을 이용하여, 점 형상의 용접부를 형성한다. 이 점 형상의 용접부는 너깃이라고 불린다. 너깃은, 서로 겹친 강판에 전류를 흐르게 했을 때에 강판의 접촉 개소에서 양 강판이 용융하여, 응고된 부분이다. 이 너깃에 의해, 강판끼리가 점 형상으로 접합된다.

양호한 용접부 품질을 얻기 위해서는, 너깃 지름이 적정한 범위에서 형성되는 것이 중요하다. 너깃 지름은, 용접 전류, 통전 시간, 전극 형상 및 가압력 등의 용접 조건에 의해 정해진다. 따라서, 적절한 너깃 지름을 형성하기 위해서는, 피용접재의 재질, 판두께 및 겹침 매수 등의 피용접재 조건에 따라서, 상기의 용접 조건을 적정하게 설정할 필요가 있다.

예를 들면, 자동차의 제조 시에 있어서는, 1대당 수천점이나 스폿 용접이 실시되고, 연이어서 흘러 들어오는 피처리재(워크)를 용접할 필요가 있다. 이 때, 각 용접 개소에 있어서의 피용접재의 재질, 판두께 및 겹침 매수 등의 피용접재의 상태가 동일하면, 용접 전류, 통전 시간 및 가압력 등의 용접 조건도 동일한 조건으로 동일한 너깃 지름을 얻을 수 있다. 그러나, 연속한 용접에서는, 전극의 피용접재 접촉면이 점차 마모되어 접촉 면적이 초기 상태보다도 점차 넓어진다. 이와 같이 접촉 면적이 넓어진 상태로, 초기 상태와 동일한 값의 용접 전류를 흐르게 하면, 피용접재 중의 전류 밀도가 저하한다. 그 결과, 용접부의 온도 상승이 낮아져, 너깃 지름이 작아진다. 이 때문에, 수백∼수천점의 용접마다, 전극의 연마 또는 교환을 행하여, 전극의 선단 지름이 지나치게 확대되지 않도록 하고 있다.

그 외, 미리 정한 횟수의 용접을 행하면 용접 전류값을 증가시켜, 전극의 마모에 수반하는 전류 밀도의 저하를 보상하는 기능(스텝퍼 기능)을 구비한 저항 용접 장치가, 종래부터 사용되고 있다. 이 스텝퍼 기능을 사용하려면, 전술한 용접 전류 변화 패턴을 미리 적정하게 설정해 둘 필요가 있다. 그러나, 수많은 용접 조건 및 피용접재 조건에 대응한 용접 전류 변화 패턴을, 시험 등에 의해 도출하려면, 많은 시간과 비용이 필요하게 된다. 또한, 실제의 시공에 있어서는, 전극 마모의 진행 상태에는 편차가 있기 때문에, 미리 정한 용접 전류 변화 패턴이 항상 적정하다고는 할 수 없다.

또한, 용접 시에 있어서 외란이 존재하는 경우, 예를 들면, 용접하는 점의 근처에 이미 용접한 점(기(旣)용접점)이 있는 경우나, 피용접재의 표면 요철이 커 용접하는 점의 근처에 피용접재의 접촉점이 존재하는 경우에는, 용접 시에 기용접점이나 접촉점에 전류가 분류(shunt)한다. 이러한 상태에서는, 소정의 조건으로 용접해도, 전극 바로 아래의 용접하고 싶은 위치에 있어서의 전류 밀도는 저하한다. 그 때문에, 역시 필요한 지름의 너깃은 얻어지지 않게 된다. 이 발열량 부족을 보상하여, 필요한 지름의 너깃을 얻으려면, 미리 높은 용접 전류를 설정하는 것이 필요해진다.

또한, 표면 요철이나 부재의 형상 등에 의해 용접하는 점의 주위가 강하게 구속되어 있는 경우나, 용접점 주위의 강판 간에 이물이 끼어 있거나 하는 경우에는, 강판 간의 극간이 커진다. 이에 따라, 강판끼리의 접촉 지름이 좁아져, 날림이 발생하기 쉬워지는 경우도 있다.

상기의 문제를 해결하는 것으로서, 이하에 서술하는 바와 같은 기술이 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 고장력 강판으로의 통전 전류를 점변(漸變)적으로 상승시킴으로써 너깃 생성을 행하는 제1 스텝과, 상기 제1 스텝의 후에 전류 하강시키는 제2 스텝과, 상기 제2 스텝 후에 전류 상승시켜 본(本)용접함과 함께, 점변적으로 통전 전류를 하강시키는 제3 스텝을 구비한 공정에 의해 스폿 용접을 행함으로써, 통전 초기의 적응 불량에 기인하는 날림을 억제하고자 하는 고장력 강판의 스폿 용접 방법이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는, 통전 시간의 초기에 스퍼터의 발생을 억제할 수 있는 정도의 전류값으로 소정 시간 유지하여 피용접물의 표면을 연화시키고, 그 후에 전류값을 소정 시간 높게 유지하여 스퍼터의 발생을 억제하면서 너깃을 성장시키는 스폿 용접의 통전 제어 방법이 기재되어 있다.

특허문헌 3에는, 추산한 용접부의 온도 분포와 목표 너깃을 비교하여 용접기의 출력을 제어함으로써, 설정한 너깃 지름을 얻고자 하는 저항 용접기의 제어 장치가 기재되어 있다.

특허문헌 4에는, 용접 전류와 팁 간 전압을 검출하고, 열전도 계산에 의해 용접부의 시뮬레이션을 행하여, 용접 중에 있어서의 용접부의 너깃의 형성 상태를 추정함으로써, 양호한 용접을 행하고자 하는 저항 용접기의 용접 조건 제어 방법이 기재되어 있다.

특허문헌 5에는, 피용접물의 판두께와 통전 시간으로부터, 그 피용접물을 양호하게 용접할 수 있는 단위 체적당의 누적 발열량을 계산하고, 계산된 단위 체적·단위 시간당의 발열량을 발생시키는 용접 전류 또는 전압으로 조정하는 처리를 행하는 용접 시스템을 이용함으로써, 피용접물의 종류나 전극의 마모 상태에 의하지 않고 양호한 용접을 행하고자 하는 저항 용접 시스템이 기재되어 있다.

일본공개특허공보 2003-236674호 일본공개특허공보 2006-43731호 일본공개특허공보 평9-216071호 일본공개특허공보 평10-94883호 일본공개특허공보 평11-33743호

그러나, 외란의 유무 및 대소에 따라 적정이 되는 용접 조건은 변화한다. 그 때문에, 특허문헌 1 및 2에 기재된 기술에서는, 상정 이상의 외란, 예를 들면, 피용접재가 되는 금속판 간의 극간이나 분류가 생겼을 때에는, 날림을 발생시키는 일 없이 소망하는 너깃 지름을 확보할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 3 및 4에 기재된 기술에서는, 열전도 모델(열전도 시뮬레이션) 등에 기초하여 너깃의 온도를 추정하기 때문에, 복잡한 계산 처리가 필요하고, 용접 제어 장치의 구성이 복잡해진다는 문제가 있었다. 또한, 용접 제어 장치 자체가 고가가 된다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 5에 기재된 기술에서는, 누적 발열량을 목표값으로 제어함으로써, 전극이 일정량 마모되어 있었다고 해도 양호한 용접을 행할 수 있는 것이라고 생각된다.

그러나, 설정한 피용접재 조건과 실제의 피용접재 조건이 크게 상이한 경우도 있다. 예를 들면, 피용접재가 되는 금속판 간에 큰 극간이 존재하고 있는 경우 등에는, 최종적인 누적 발열량을 목표값에 맞출 수 있어도, 발열의 형태, 즉 용접부의 온도 분포의 시간 변화가 목표로 하는 양호한 용접부가 얻어지는 열량 패턴으로부터 벗어난다. 그 결과, 필요로 하는 너깃 지름이 얻어지지 않거나, 날림이 발생하거나 한다.

본 발명은, 상기의 현상을 감안하여 개발된 것으로서, 외란의 영향이 큰 경우라도, 날림의 발생 없이, 안정적으로 소망하는 너깃 지름을 얻을 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기의 저항 스폿 용접 방법에 의해, 서로 겹친 복수매의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그래서, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위해, 예의 검토를 거듭하여, 이하의 인식을 얻었다.

(1) 전술한 바와 같이, 외란의 영향이 크면, 날림의 발생 없이, 안정적으로 소망하는 너깃 지름을 얻을 수 없는 경우가 있다.

예를 들면, 분류의 영향이 크면, 충분한 발열량이 얻어지지 않아, 너깃 지름이나 너깃 두께가 불충분해지는 경우가 있다.

또한, 피용접재를 구성하는 금속판 간의 극간(이하, 「판극」이라고도 함)이 큰 경우에, 피용접재를 전극으로 과도하게 가압하면, 금속판이 크게 휜다. 이에 따라, 금속판과 전극의 접촉 면적이 과도하게 증대하여 전극으로의 발열이 촉진되고, 결과적으로, 너깃 지름이나 너깃 두께가 작아지는 경우가 있다.

또한, 판극이 큰 경우, 피용접재를 구성하는 금속판(이하, 간단히 「금속판」이라고도 함) 간의 접촉 면적이 작기 때문에, 날림이 발생하기 쉽다.

(2) 이러한 판극이나 분류와 같은 외란의 영향을 완화하려면, 외란의 상태(판극이나 분류의 정도)에 따라서, 적절한 가압력을 설정하는 것이 유효하다.

(3) 그러나, 자동차의 제조 공정 등의 실작업에 있어서는, 연이어서 흘러 들어오는 피처리재를 연속적으로 용접한다. 외란의 상태는, 시공 조건이나 피처리재의 치수 오차 등에 따라, 용접 위치나 피처리재마다 변동한다. 그 때문에, 실제로 용접을 개시하는 시점에서, 당해 피처리재의 외란의 상태를 정확하게 파악하여, 최적인 가압력을 선택하는 것은 곤란하다.

상기의 인식에 기초하여, 발명자들이 추가로 검토를 거듭한 결과,

(4) 통전 개시 시점에서 설정한 가압력이, 적절한지 아닌지, 환언하면, 외란의 영향의 완화라는 점에서 충분한 것인지 아닌지는, 통전 개시에서 일정 시간이 경과할 때까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값으로부터 판단하는 것이 가능하고,

(5) 또한, 가령, 통전 개시 시점에서 설정한 가압력이 외란의 영향을 완화하는 데에 있어서는 충분하지 않아도, 통전 개시에서 일정 시간이 경과할 때까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값에 따라서, 그 후의 가압력을 설정함으로써, 리커버리가 가능하고,

즉, 통전 개시 시점에서 설정한 가압력의 적절한지 아닌지를 판정하는 타이밍(이하, 중간 통전 시간 T_a라고도 함)을 적정화하고, 그 후에, 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값에 따라서, 중간 통전 시간 T_a 이후의 가압력을 설정(변경)함으로써, 외란에 의하지 않고, 날림의 발생 없이 소망하는 너깃 지름을 얻는 것이 가능해진다

는 인식을 얻었다.

본 발명은, 상기의 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 복수매의 금속판을 서로 겹친 피용접재를, 한 쌍의 전극에 의해 사이에 끼우고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서,

본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값 R_A에 따라서, 당해 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를 설정하는, 저항 스폿 용접 방법.

여기에서, 중간 통전 시간 T_a는,

0.1×T_m≤T_a≤0.8×T_m

을 만족한다.

또한, T_m은, 본통전의 합계 통전 시간이다.

2. 상기 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를, 다음식 (1)∼(3)을 만족하도록 설정하는, 상기 1에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

·－0.1≤(R_A－R₀)/R₀≤0.1의 경우

0.9×F₀≤F_A≤1.1×F₀ ···(1)

·(R_A－R₀)/R₀＜－0.1의 경우

F₀＜F_A＜F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)···(2)

·0.1＜(R_A－R₀)/R₀의 경우

F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)＜F_A＜F₀ ···(3)

여기에서,

F₀: 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력

R_A: 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값

R₀: 피용접재에 외란이 없는 경우에 본통전과 동일한 조건으로 통전을 행했을 때에 얻어지는, 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값

이다.

3. 상기 본통전을 행하는 본용접 공정과, 당해 본용접 공정에 앞서는 테스트 용접 공정을 구비하고,

상기 테스트 용접 공정의 본통전에서는, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극 간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량, 추가로 전극 간 저항의 시간 적분값을 기억시키고,

추가로, 상기 본용접 공정의 본통전에서는, 상기 테스트 용접의 본통전에 있어서의 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로 설정하고, 당해 목표값에 따라 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 행하는, 상기 1 또는 2에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

4. 상기 1∼3 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 서로 겹친 복수매의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 외란의 영향에 의하지 않고, 날림의 발생 없이, 안정적으로 소망하는 너깃 지름을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 자동차의 제조 등의 실작업에 있어서 연이어서 흘러 들어오는 피처리재를 연속적으로 용접하는(용접 위치나 피처리재마다 외란의 상태가 변동하는) 경우라도, 외란의 상태의 변동에 유효하게 대응하여 소망하는 너깃 지름을 안정적으로 확보하는 것이 가능해진다. 그 결과, 작업 효율이나 수율의 향상이라는 점에서도 매우 유리해진다.

도 1은 외란이 없는 상태로 용접을 행하는 경우의 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 판극(sheet gap)이 있는 판조(sheet combination)에 대하여 용접을 행하는 경우의 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 기용접점이 있는 판조에 대하여 용접을 행하는 경우의 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명을, 이하의 실시 형태에 기초하여 설명한다.

본 발명의 일 실시 형태는, 복수매의 금속판을 서로 겹친 피용접재를, 한 쌍의 전극에 의해 사이에 끼우고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서,

본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값 R_A에 따라서, 당해 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를 설정한다는 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 저항 스폿 용접 방법에서 사용 가능한 용접 장치로서는, 상하 한 쌍의 전극을 구비하고, 용접 중에 가압력 및 용접 전류를 각각 임의로 제어 가능하면 좋고, 형식(정치(stationary)식, 로봇 건 등), 전극 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 저항 스폿 용접 방법에 대해서, 설명한다.

(A) 본통전(후술하는 테스트 용접 공정에 있어서의 본통전과 구별하기 위해, 본용접(공정)에 있어서의 본통전이라고도 함. 또한, 간단히 「본통전」이라고 하는 경우에는, 테스트 용접 공정에 있어서의 본통전이 아니고, 본용접 공정에 있어서의 본통전을 의미하는 것으로 함. 여기에서, 「본통전」은 너깃을 형성하기 위한 통전을 의미함. 또한, 「본용접 공정」이란, 대상으로 하는 피용접재를 실제로 용접하는 공정을 의미하고, 후술하는 테스트 용접 공정과 구별하기 위해 사용함)

전술한 바와 같이, 판극이나 분류와 같은 외란의 영향을 완화하려면, 외란의 상태(판극이나 분류의 크기)에 따라서, 적절한 가압력을 설정하는 것이 유효해진다. 그러나, 실제로 용접을 개시하는 시점에서, 피처리재의 외란의 상태를 정확하게 파악하여, 그 외란의 상태에 따른 적절한 가압력을 설정하는 것은 곤란하다.

그 때문에, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 저항 스폿 용접 방법에서는, 너깃을 형성하기 위한 본통전을 행함에 있어서, 소정의 가압력으로 통전을 개시하고, 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값에 따라서, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력을 설정하는 것이 중요하다.

예를 들면, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를, 다음식 (1)∼(3)을 만족하도록 설정하는 것이 적합하다.

·－0.1≤(R_A－R₀)/R₀≤0.1의 경우

0.9×F₀≤F_A≤1.1×F₀ ···(1)

·(R_A－R₀)/R₀＜－0.1의 경우

F₀＜F_A＜F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)···(2)

·0.1＜(R_A－R₀)/R₀의 경우

F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)＜F_A＜F₀ ···(3)

여기에서,

F₀: 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력

R_A: 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값

R₀: 피용접재에 외란이 없는 경우에 본통전과 동일한 조건으로 통전을 행했을 때에 얻어지는, 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값

이다.

또한, R_A를, 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값으로 하는 경우에는, R₀도, 피용접재에 외란이 없는 경우에 본통전과 동일한 조건으로 통전을 행했을 때에 얻어지는, 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값으로 한다. 마찬가지로, R_A를, 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 시간 적분값으로 하는 경우에는, R₀도, 피용접재에 외란이 없는 경우에 본통전과 동일한 조건으로 통전을 행했을 때에 얻어지는, 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 시간 적분값으로 한다.

여기에서, (R_A－R₀)/R₀이 마이너스(특히는 ―0.1 미만)가 되는 경우, 즉, R_A가, R₀과 비교하여 일정량 작아지는 경우에는, 예를 들면, 다음의 상태에 있다고 생각된다.

즉, 판극의 영향에 의해 강판 간의 접촉 면적이 충분히 확보되어 있지 않기 때문에, 통전 초기에 너깃이 급성장하여 통전 면적이 급확대된다. 이에 따라, R_A가 R₀보다도 작아지고, 그대로의 가압력에서는 날림이 발생하기 쉬운 상태에 있다고 생각된다.

또는, 분류의 영향에 의해 전극 간 저항이 저하하고 있어, 너깃 지름이나 너깃 두께가 작아지기 쉬운 상태에 있다고 생각된다.

이러한 상태의 경우, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를, 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력 F₀보다도 증가시키는, 특히는, 상기식 (2)를 만족하는 값으로 설정하는 것이 유효하다.

한편, (R_A－R₀)/R₀이 플러스(특히는 0.1 초과)가 되는 경우, 즉, R_A가, R₀과 비교하여 일정량 커지는 경우에는, 예를 들면, 다음의 상태에 있다고 생각된다.

즉, 외측에 Zn 도금 강판을 갖는 판조에서의 연속 타점 용접에 있어서, 전극이 Zn이나 Fe와 합금화함으로써 표면 저항이 증가하는 한편, 전극과 강판 간의 접촉 면적이 증가함으로써 전류 밀도가 저하하여, 너깃 지름이 작아지기 쉬운 상태에 있다고 생각된다.

이러한 상태의 경우, 용접 중의 통전 경로의 확대가 적어, R_A가 R₀보다도 커진다. 그 때문에, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를, 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력 F₀보다도 감소시키는, 특히는, 상기식 (3)을 만족하는 값으로 설정하는 것이 유효하다.

단, －0.1≤(R_A－R₀)/R₀≤0.1이면, 외란의 영향이 그다지 크다고는 할 수 없기 때문에, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를, 상기식 (1)을 만족하는 값으로 설정하면 좋다.

이와 같이, 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값 R_A에 따라서, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를 여러 가지로 변화시키는, 특히는, 상기식 (1)∼(3)을 만족시키는 것이, 외란에 의하지 않고, 날림의 발생 없이 소망하는 너깃 지름을 얻기 위해, 유효해진다.

또한, 상기식 (1)∼(3)은 각각, 다음식 (1)'∼(3)'로 하는 것이 보다 바람직하다.

·－0.1≤(R_A－R₀)/R₀≤0.1의 경우

0.95×F₀≤F_A≤1.05×F₀ ···(1)'

·(R_A－R₀)/R₀＜－0.1의 경우

1.05×F₀＜F_A＜F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)···(2) '

·0.1＜(R_A－R₀)/R₀의 경우

F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)＜F_A＜0.95×F₀···(3)'

(또한, 상기식 (3) 및 (3)'의 하한값에 대해서, F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)이 F₀×0.1 이하가 되는 경우, 당해 식의 하한값은 F₀×0.1로 함)

또한, 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력 F₀은, 피용접재를 구성하는 금속판의 재질이나 두께 등에 따라서, 적절히, 설정하면 좋다.

예를 들면, 일반적인 2매 겹침의 판조를 사용하는 경우, 초기 설정 가압력은 1.0∼7.0kN으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 3매 겹침 이상의 판조(예를 들면, 동일한 판두께의 강판(두께: 0.5∼3.0㎜의 소위 연강 또는 490∼2000㎫급의 Zn계 도금 강판 혹은 도금 없는 강판) 3매를 서로 겹친 판조나, 후판(두께: 0.8∼3.0㎜의 소위 연강 또는 490∼2000㎫급의 Zn계 도금 강판 혹은 도금 없는 강판) 2매와, 박판(두께: 0.5∼2.0㎜의 Zn계 도금 강판 또는 도금 없는 강판(연강)) 1매를 서로 겹친 판조)를 사용하는 경우, 초기 설정 가압력은 2.0∼10.0kN으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 후술하는 테스트 용접을 행하는 경우에는, 당해 테스트 용접의 본통전에 있어서의 가압력을, 본용접의 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력 F₀으로 해도 좋다.

또한, 피용접재에 외란이 없는 경우에 본통전과 동일한 조건으로 통전을 행했을 때에 얻어지는, 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값 R₀은, 예를 들면, 본통전과 동일한 판두께, 재질의 금속판으로 구성되는 외란이 없는 피용접재를 별도 준비하고, 본통전과 동일한 조건으로, 당해 피용접재를 용접하는 예비 용접 시험을 행하여, 구하면 좋다.

또한, 후술하는 테스트 용접을 행하는 경우에는, 당해 테스트 용접의, 본통전에 있어서의 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값을, R₀으로 해도 좋다.

또한, 중간 통전 시간 T_a(㎳)는, 본통전의 합계 통전 시간 T_m(㎳)을 이용하여,

0.1×T_m≤T_a≤0.8×T_m

을 만족하도록 설정한다.

그 이유는, 중간 통전 시간 T_a(㎳)가 0.1×T_m 미만이 되면, 피처리재의 외란의 상태를 정확하게 파악하여, 적절한 가압력을 설정하는 것이 곤란해진다. 한편, 중간 통전 시간 T_a(㎳)가 0.8×T_m 초과가 되면, 통전 개시 시점에서 설정한 가압력이 외란의 영향을 완화하는 데에 있어서는 충분하지 않은 경우에, 그의 리커버리가 곤란해진다.

그 때문에, 중간 통전 시간 T_a(㎳)는, 본통전의 합계 통전 시간 T_m(㎳)을 이용하여,

0.1×T_m≤T_a≤0.8×T_m

을 만족하도록 설정한다.

중간 통전 시간 T_a(㎳)는, 바람직하게는 0.15×T_m 이상, 보다 바람직하게는 0.2×T_m 이상이다. 또한, 중간 통전 시간 T_a(㎳)는, 바람직하게는 0.7×T_m 이하, 보다 바람직하게는 0.6×T_m 이하이다.

또한, 본통전은, 정전류 제어에 의해 행해도 좋고, 후술하는 테스트 용접을 행한 후에, 당해 테스트 용접에서 설정한 목표값에 따라, 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 행해도 좋다.

정전류 제어의 경우, 용접 전류 및 통전 시간은, 피용접재를 구성하는 금속판의 재질이나 두께 등에 따라서, 적절히, 설정하면 좋다.

예를 들면, 일반적인 2매 겹침의 판조를 사용하는 경우, 전류값은 4.0∼12.0㎄, 통전 시간은 80∼800㎳로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 3매 겹침 이상의 판조를 사용하는 경우, 전류값은 4.0∼12.0㎄, 통전 시간은 120∼1000㎳로 하는 것이 바람직하다.

더하여, 본통전을 2단 이상의 다단 스텝으로 분할하여, 스텝마다의 정전류 제어를 행해도 좋다. 이 경우, 각 스텝의 전류값은 상이한 값으로 해도 좋다. 또한, 각 스텝 간에 통전 휴지 시간을 형성해도 좋다. 또한, 본통전의 각 스텝 간에 통전 휴지 시간을 형성하는 경우, 본통전의 합계 통전 시간에는, 당해 통전 휴지 시간도 포함된다.

적응 제어 용접의 경우, 후술하는 테스트 용접에 의해 얻은 목표값(단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량)을 기준으로 하여 용접을 행하고, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선을 따르고 있는 경우에는, 그대로 용접을 행하여 용접을 종료한다. 단, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에는, 그 벗어남량을 나머지의 통전 시간 내에서 보상하기 위해, 본용접에서의 단위 체적당의 누적 발열량이 목표값으로서 설정한 단위 체적당의 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어한다.

또한, 본통전을 2단 이상의 스텝으로 분할하고, 스텝마다의 적응 제어 용접을 행해도 좋다.

즉, 본용접에 있어서의 본통전 및, 후술하는 테스트 용접의 본통전을, 서로 대응하도록 2단 이상의 스텝으로 분할한다.

그리고, 테스트 용접에 의해 얻은 스텝마다의 목표값(단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량)을 기준으로 하여 용접을 행한다. 그리고, 어느 스텝에 있어서, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 벗어난 경우에는, 그 벗어남량을 당해 스텝의 나머지의 통전 시간 내에 보상하기 위해, 당해 스텝에서의 단위 체적당의 누적 발열량이, 테스트 용접의 당해 스텝에서의 단위 체적당의 누적 발열량과 일치하도록, 통전량을 제어한다.

또한, 발열량의 산출 방법에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 특허문헌 5에 그의 일 예가 개시되어 있고, 본 발명에서도 이 방법을 채용할 수 있다. 이 방법에 의한 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q 및 단위 체적당의 누적 발열량 Q의 산출 요령은 다음과 같다.

피용접재의 합계 두께를 t, 피용접재의 전기 저항률을 r, 전극 간 전압을 V, 용접 전류를 I로 하고, 전극과 피용접재가 접촉하는 면적을 S로 한다. 이 경우, 용접 전류는 횡단면적이 S이고, 두께 t의 기둥 형상 부분을 통과하여 저항 발열을 발생시킨다. 이 기둥 형상 부분에 있어서의 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q는 다음식 (4)로 구해진다.

q＝(V·I)/(S·t) --- (4)

또한, 이 기둥 형상 부분의 전기 저항 R은, 다음식 (5)로 구해진다.

R＝(r·t)/S --- (5)

(5)식을 S에 대해서 풀어 이를 (4)식에 대입하면, 발열량 q는 다음식 (6)

q＝(V·I·R)/(r·t²)

＝(V²)/(r·t²) --- (6)

이 된다.

상기식 (6)으로부터 분명한 바와 같이, 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q는, 전극 간 전압 V와 피용접물의 합계 두께 t와 피용접물의 전기 저항률 r로부터 산출할 수 있고, 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, (6)식은 전극 간 전압 V로부터 발열량을 계산하고 있지만, 전극 간 전류 I로부터 발열량 q를 계산할 수도 있고, 이 때에도 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S를 이용할 필요가 없다. 그리고, 단위 체적·단위 시간당의 발열량 q를 통전 기간에 걸쳐 누적하면, 용접에 더해지는 단위 체적당의 누적 발열량 Q가 얻어진다. (6)식으로부터 분명한 바와 같이, 이 단위 체적당의 누적 발열량 Q도 또한 전극과 피용접재가 접촉하는 면적 S를 이용하지 않고 산출할 수 있다.

이상, 특허문헌 5 기재의 방법에 의해, 누적 발열량 Q를 산출하는 경우에 대해서 설명했지만, 그 외의 산출식을 이용해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

(B) 테스트 용접 공정

상기의 본용접의 본통전을 적응 제어 용접에 의해 행하는 경우에는, 본용접에 앞서, 테스트 용접을 행한다. 당해 테스트 용접의 본통전에 있어서, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극 간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 기억시킨다.

즉, 테스트 용접에서는, 본용접에서 사용하는 피용접재와 동일한 강종, 두께의 예비 용접 시험을, 기용접점으로의 분류나 판극이 없는 상태로, 정전류 제어에서 여러 가지의 조건으로 행하여, 테스트 용접에 있어서의 최적 조건을 찾는다.

그리고, 상기의 조건으로 통전을 행하고, 이 통전 시의 전극 간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을, 본용접에 있어서의 목표값으로서, 기억시킨다. 또한, 전극 간의 전기 특성이란, 전극 간 저항 또는 전극 간 전압을 의미한다.

또한, 전술한 바와 같이, 테스트 용접에 있어서의 본통전을 2단 이상의 스텝으로 분할하고, 본용접에 있어서, 스텝마다의 적응 제어 용접을 행해도 좋다.

(C) 그 외

너깃을 형성하기 위한 본통전(본용접 및/또는 테스트 용접의 본통전)의 전에, 접촉 지름을 안정화시키기 위한 예비 통전을 행해도 좋고, 후(後)열처리를 위한 후통전을 행해도 좋다. 이들 예비 통전 및 후통전은, 정전류 제어에 의해 행해도, 업 슬로프 형상이나 다운 슬로프 형상의 통전 패턴으로 해도 좋다.

또한, 예비 통전과 본통전의 사이 및, 본통전과 후통전의 사이에 각각 통전 휴지 시간을 형성해도 좋다.

또한, 사용하는 피용접재는 특별히 제한은 없고, 연강에서 초고장력 강판까지의 각종 강도를 갖는 강판 및 도금 강판, 알루미늄 합금 등의 경금속판의 용접에도 적용할 수 있고, 3매 이상의 강판을 겹친 판조에도 적용할 수 있다.

그리고, 상기한 저항 스폿 용접 방법을 이용하여 서로 겹친 복수매의 금속판을 접합함으로써, 외란의 상태의 변동에 유효하게 대응하여 소망하는 너깃 지름을 안정적으로 확보하면서, 여러 가지의 용접 부재, 특히는, 자동차 부품 등의 용접 부재를 제조할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이고, 본 발명은, 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 여러 가지의 조건을 채용할 수 있는 것이다.

표 1에 나타내는 금속판의 판조에 대해서, 도 1∼3의 상태로, 표 2에 나타내는 조건에 의한 본용접(본통전)을 행하여, 용접 조인트를 제작했다.

또한, 도 2는, 금속판 간에 스페이서(15)를 삽입하고, 상하로부터 클램프함으로써(도시하지 않음), 여러 가지의 두께의 판극을 형성한 것이다(3매 겹침의 판조의 경우, 금속판(11, 12)의 사이의 판극 두께 tg와, 금속판(12, 13)의 사이의 판극 두께 tg는, 동일한 값임). 또한, 스페이서 간 거리는, 2매 겹침의 판조에서는 40㎜, 3매 겹침의 판조에서는 60㎜로 했다.

또한, 도 3은, 기용접점(16)을 2점 형성한 것이고, 용접 위치(전극 간 중심)가 기용접점끼리의 중간(기용접점과의 거리 L이 각각 동일)이 되도록 조정했다. 또한, 기용접점의 너깃 지름은, 4√t'(t': 판조 중 가장 얇은 금속판의 판두께(㎜))로 했다.

또한, No.10-2에서는, (외측에 Zn 도금 강판을 갖는 판조에 대하여 연속 타점 용접을 행했을 때에 생기는) 전극과 Zn의 합금화 상태를 모의하기 위해, 별도 준비한 외측에 Zn 도금 강판을 갖는 판조에 대하여, 1000점에서 저항 스폿 용접을 행했다. 이어서, 당해 1000점에서의 저항 스폿 용접에 이용한 전극을 사용하여, 본용접을 행했다.

또한, 일부의 실시예에 대해서는, 본용접의 전에, 도 1에 나타내는 외란이 없는 상태로, 표 2에 나타내는 조건에 의한 테스트 용접을 행하여, 테스트 용접의 본통전에 있어서의, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 기억시켰다. 또한, 당해 테스트 용접의 본통전에 있어서의 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값을 측정하고, 이 측정값을 R₀으로 했다.

또한, 정전류 제어에 의한 통전을 행한 것에 대해서는, 별도, 본통전에서 사용하는 것과 동일한 판두께, 재질의 금속판으로 구성되는 외란이 없는 피용접재를 준비하고, 본용접과 동일한 조건으로, 당해 피용접재를 용접하는 예비 용접 시험을 행하여, R₀을 구했다.

상기와 같이 하여 구한 R₀을 표 2에 병기한다.

또한, 제작한 각 용접 조인트에 대해서, 용접부를 절단하고, 단면을 에칭 후, 광학 현미경에 의해 관찰하여, 너깃 지름 및 날림 발생의 유무로부터, 이하의 3단계로 평가했다. 또한, 3매 겹침의 판조의 경우는, 가장 얇은 외측의 금속판(11)과, 이에 인접하는 금속판(12)의 사이에 형성된 너깃의 지름(너깃 지름)에 의해, 평가를 행했다.

A: 외란에 의하지 않고, 너깃 지름이 5√t' 이상(t': 판조 중 가장 얇은 금속판의 판두께(㎜)), 또한 날림의 발생 없음

B: 외란에 의하지 않고, 너깃 지름이 4.5√t' 이상, 또한 날림의 발생 없음(A의 경우를 제외함)

C: 외란에 의하지 않고, 너깃 지름이 4√t' 이상, 또한 날림의 발생 없음(A 및 B의 경우를 제외함)

F: 외란에 의해서는, 너깃 지름이 4√t' 미만, 또는 날림의 발생 있음

발명예에서는 모두, 외란에 의하지 않고, 날림의 발생 없이, 충분한 크기의 너깃 지름이 얻어졌다.

한편, 비교예에서는, 외란에 의해서는, 충분한 너깃 지름이 얻어지지 않거나, 날림이 발생하거나 했다.

또한, 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 시간 적분값에 따라서, 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를 설정한 경우에도 마찬가지의 결과가 얻어졌다.

11, 12, 13 : 금속판
14 : 전극
15 : 스페이서
16 : 기용접점

Claims (4)

1. 복수매의 금속판을 서로 겹친 피용접재를, 한 쌍의 전극에 의해 사이에 끼우고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서,
   본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값 R_A에 따라서, 당해 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를 설정하는, 저항 스폿 용접 방법.
   여기에서, 중간 통전 시간 T_a는,
   0.1×T_m≤T_a≤0.8×T_m
   을 만족한다.
   또한, T_m은, 본통전의 합계 통전 시간이다.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중간 통전 시간 T_a 이후의 본통전의 가압력 F_A를, 다음식 (1)∼(3)을 만족하도록 설정하는, 저항 스폿 용접 방법.
   ·－0.1≤(R_A－R₀)/R₀≤0.1의 경우
   0.9×F₀≤F_A≤1.1×F₀ ···(1)
   ·(R_A－R₀)/R₀＜－0.1의 경우
   F₀＜F_A＜F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)···(2)
   ·0.1＜(R_A－R₀)/R₀의 경우
   F₀×(1－5.0×(R_A－R₀)/R₀)＜F_A＜F₀ ···(3)
   여기에서,
   F₀: 본통전에 있어서의 초기 설정 가압력
   R_A: 본통전의 통전 개시에서 중간 통전 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값
   R₀: 피용접재에 외란이 없는 경우에 본통전과 동일한 조건으로 통전을 행했을 때에 얻어지는, 통전 개시에서 중간 가압 시간 T_a까지의 전극 간 저항의 평균값 또는 시간 적분값
   이다.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 본통전을 행하는 본용접 공정과, 당해 본용접 공정에 앞서는 테스트 용접 공정을 구비하고,
   상기 테스트 용접 공정의 본통전에서는, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극 간의 전기 특성으로부터 산출되는, 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량, 추가로 전극 간 저항의 시간 적분값을 기억시키고,
   추가로, 상기 본용접 공정의 본통전에서는, 상기 테스트 용접의 본통전에 있어서의 단위 체적당의 순간 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당의 누적 발열량을 목표값으로 설정하고, 당해 목표값에 따라 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 행하는, 저항 스폿 용접 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 저항 스폿 용접 방법에 의해, 서로 겹친 복수매의 금속판을 접합하는, 용접 부재의 제조 방법.

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