KR20230001145A - 열간성형부재의 저항 점 용접 방법 - Google Patents

열간성형부재의 저항 점 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관하 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로 적합한 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것이다.

Description

열간성형부재의 저항 점 용접 방법 {METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING OF HOT PRESS FORMED MEMBER}
본 발명은 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로 적합한 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것이다.
산업혁명 이후, 인류는 지속적으로 화석연료를 사용함으로써 배출되는 공해물질 및 온실가스로 인한 지구 온난화 현상이 가속화되고 있다. 이로 인해, 전 세계적으로 유해 오염물질, 특히 온실가스 저감을 위해 탄소 배출에 대한 규제강화 및 대체 에너지 개발 등 친환경 협약 등을 계속적으로 발의 중이다.
화석연료를 구동 에너지원으로 사용하는 자동차의 경우, 이와 같은 트렌드에 맞춰 연료 소비 효율을 향상시키기 위하여, 차체 강판의 두께를 극한으로 줄여 경량화를 도모하고 있다. 자동차의 차체를 경량화하더라도 탑승자의 충돌 안정성 보증이 반드시 요구되므로, 국내외 자동차사는 적용되는 소재의 초고강도화를 강력하게 요구하고 있는 실정이다.
철강 소재의 강도 향상 전략은 일반적으로 소재 내에 경화능을 향상시키는 합금(주로 탄소, 망간, 실리콘 등)의 함량을 높임으로써 달성할 수 있는데, 이러한 고합금 강재는 실제 산업분야에 적용함에 있어서 용접성을 저해하는 주된 요인으로 알려져 있다.
구체적으로, 소재의 성분에 따라 경화능을 나타내는 척도인 탄소당량(Carbon Equivalent, Ceq)의 증가는 저항 용접을 실시한 후 용융부(weldment)의 취화 및 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 강도 하락 즉, 연화 현상을 야기하는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 합금소재 자체의 저항을 높임으로써 낮은 용접 조건임에도 불구하고 과입열에 따른 표면날림(surface splash) 또는 내부터짐(internal expulsion) 등의 현상을 일으킬 위험성이 존재한다. 이와 같이, 고합금 강재의 경우 자동차 부품에서 요구되는 건전한 용접부 확보에 많은 어려움이 있다.
한편, 자동차용 소재로서 그 사용이 증가되고 있는 열간성형용 강판의 경우, 소재의 강도 상승을 위해 투입되는 합금량을 최소화하되, 고온의 오스테나이트 상에서 급속 냉각을 통해 탄소의 과포화에 따른 마르텐사이트 상을 확보함으로써 요구되는 고강도 물성 및 재질을 확보하는 특징이 있다.
이러한 열간성형용 강판을 고온의 오스테나이트 상에서 압연 또는 성형함으로써 복잡한 구조의 부품 형상을 얻을 수 있으며, 상온에서 가공시에는 소재가 변형 전으로 돌아가고자 하는 현상인 스프링 백(Spring Back) 현상을 억제하는 효과가 있어, 자동차용 부품 제조에 큰 장점이 되는 소재 중 하나이다.
다만, 열간성형용 강판의 성형을 위해 고온에서 열처리하는 과정에서 극표층 탄소가 빠져나가는 현상인 탈탄(Decarbonation)이 일어나므로, 이를 방지하기 위해서는 강판 표면에 금속 도금이 요구되며, 이때 아연 도금 대비 상대적으로 융점이 높은 알루미늄도금 또는 알루미늄합금도금이 열간성형용 강판에 주로 사용되고 있다.
그런데, 알루미늄계 도금이 행해진 열간성형용 강판은 성형을 위한 고온 열처리시 도금층 내로 Fe 확산이 이루어져 Fe-Al계 금속간화합물층이 형성되며, 열처리가 행해지는 로(furnace) 내 분위기가 주로 대기 분위기로 조성됨에 따라 표면에서 산화층이 두껍게 발생하는 것 또한 피할 수 없다 (도 1).
Fe-Al계 금속간화합물층 및 도금 표면의 금속 산화층이 두껍게 형성된 도금강재는 저항 용접시 타 강종 대비 높은 저항값을 가지게 됨에 따라 낮은 용접 전류를 인가하더라도 과도한 입열 발생을 피할 수 없게 된다. 이는, 표면부에서의 날림(surface splash) 및 내부 용융물이 외부로 비산되는 터짐(internal expulsion)이 빈번하게 발생되는 원인이 된다.
저항 용접시 날림 또는 터짐 현상은 사용자로 하여금 미관상 좋지 않으며, 필요시 제거해야하는 추가 공정이 요구됨과 동시에, 용접부 내 용융물의 감소와 직접적인 관계가 있기 때문에, 일정 수준 이상의 용융부를 확보하기 어렵고, 용접부 강도 또한 확보하기 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서, 도금된 열간성형용 강판의 열처리시 사용되는 로 내 분위기를 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 조성하거나, 이슬점을 제어하는 방법을 통해 표면 산화층의 성장을 억제하는 방안, 높은 저항에 따른 과도한 입열 현상을 제어하기 위해 표층 산화물과 Fe-Al계 금속간화합물층을 물리적으로 제거하는 방안(Ablation) 등이 제시된 바 있다. 하지만, 부가적인 생산 공정에 의한 제조비용의 상승으로 실제 현장에서 적용하기에는 제약이 있다.
그럼에도 불구하고, 최근 인장강도가 2.0GPa에 달하는 알루미늄도금 또는 알루미늄합금도금된 열간성형용 강판이 개발되고 있고, 이들 강에는 탄소를 포함한 경화용 합금원소가 더 많이 첨가될 뿐만 아니라, 열간성형을 위한 열처리시 상대적으로 고온 및 장시간이 요구되는 가혹한 열처리 조건을 피할 수 없는 실정이다.
따라서, 알루미늄도금 또는 알루미늄합금도금된 열간성형용 강판을 고온에서 열처리 및 성형한 후 얻은 열간성형부재의 저항 용접시 별도의 추가 공정없이 용접성의 향상과 더불어, 표면날림 및 내부터짐 등의 현상을 억제함으로써 용접부 물성을 확보할 수 있는 방안의 개발이 요구된다.
한국 등록특허공보 제10-1696121호
본 발명의 일 측면은, 알루미늄도금 또는 알루미늄합금도금된 열간성형용 강판을 고온에서 열처리 및 성형함으로써 얻은 열간성형부재의 저항 용접시 소재 표면에서의 날림 및 내부에서의 터짐 현상을 효과적으로 억제함으로써 안정적인 용융부를 확보하면서, 용접부 내 공공(void) 또는 기공(pore)을 효과적으로 저감시켜 일정 수준 이상의 용접부 물성을 확보할 수 있는 저항 점 용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄계 도금층을 포함하는 열간성형용 강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재를 2매 이상 준비하는 단계; 상기 열간성형부재의 용접 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계; 상기 전극이 가압된 상태에서 1차 통전을 행하는 단계; 상기 1차 통전을 완료한 후 냉각하는 단계; 및 상기 냉각 후 2차 통전을 행하는 단계를 포함하며,
상기 열간성형부재는 상기 전극이 접촉하는 면에 알루미늄계 도금층을 포함하고, 상기 1차 통전은 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 열간성형부재의 저항 점 용접 방법을 제공한다.
[식(1)]
Figure pat00001
(여기서, Ceq는 상기 소지강판의 탄소당량으로 하기 식 (2)로 나타내며, t는 1차 통전 시간[cycle], I는 1차 통전시 용접 전류[kA]이다.
또한 tSi, tAl 및 tFe는 알루미늄계 도금층 내에서 각 원소의 농화영역의 두께[㎛]를 의미하며, 다음과 같다.
tSi : 알루미늄계 도금층 내 Si 농화영역으로, 중량 비율로 Si 함량이 1.6% 초과, Al 함량이 30% 이하인 영역의 두께
tAl : 알루미늄계 도금층 내 Al 농화영역으로, 중량 비율로 Al 함량이 30% 이상인 영역의 두께
tFe : 알루미늄계 도금층 내 Fe 농화영역으로, 중량 비율로 Fe 함량이 70% 초과, Al 함량이 1% 이상, Si 함량이 1.6% 이하인 영역의 두께)
[식(2)]
Figure pat00002
(여기서, 탄소당량(Ceq)은 상기 소지강판의 탄소당량(Ceq)으로서, 각 원소는 중량 함량을 의미한다.)
본 발명에서 제공하는 용접 방법에 의해 자동차용 소재로 적합한 고강도 소재, 특히 알루미늄도금 또는 알루미늄합금도금된 열간성형용 강판을 고온에서 열처리 및 성형하여 얻은 열간성형부재를 저항 점 용접하는 경우, 도금 표층에서의 과입열 발생에 따른 표면날림 및 내부터짐을 방지할 수 있다. 그에 따라, 용접부 표면에 스플래시(splash)에 의한 스파이크의 형성을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 용융물의 외부 방출을 억제하면서 용접시 안정적인 용접전류의 공급이 가능하므로, 양호한 용접부의 확보 및 건전한 기계적 물성을 갖는 용접부를 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 점 용접시 피용접재인 알루미늄계 도금층을 갖는 열간성형부재의 단면 미세조직을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 점 용접시 피용접재인 알루미늄계 도금층을 갖는 열간성형부재의 도금층 단면을 두께 방향으로 관찰하여, 도금층 구성 원소들의 함량을 무게당 비율로 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 발명자들은 자동차용 소재로 그 사용이 점차 증가되고 있는 열간성형용 강판, 예컨대 알루미늄도금 또는 알루미늄합금도금된 열간성형용 강판을 고온에서 열처리 및 성형하여 얻은 열간성형부재의 저항 점 용접시 표면날림 및 내부터짐 등의 발생으로 저항 용접의 한계점을 발견함에 따라, 이에 수반되는 용접부 불량, 강도 저하 현상 등을 최소화할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다.
특히, 본 발명은 저항 점 용접 공정 이외의 비용의 상승이 예상되는 추가적인 공정을 행하지 않으면서, 용접성의 향상과 함께 요구되는 용접부 물성을 확보할 수 있는 용접 방법을 제공함에 기술적 의의가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재의 저항 점 용접 방법은 알루미늄계 도금층을 포함하는 고강도 열간성형부재를 2매 이상 준비하는 단계; 상기 열간성형부재의 용접 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계; 상기 전극이 가압된 상태에서 1차 통전을 행하는 단계; 상기 1차 통전을 완료한 후 냉각하는 단계; 및 상기 냉각 후 2차 통전을 행하는 단계를 포함할 수 있다.
하기에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
우선, 저항 점 용접을 행하고자 하는 피용접재로서 고강도 소재, 특별히 알루미늄계 도금층을 포함하는 고강도 열간성형부재를 2매 이상 준비한다.
상기 고강도 열간성형부재는 인장강도 1.0GPa 이상을 가지는 강으로서, 보다 바람직하게 상기 고강도 열간성형부재는 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄계 도금층이 형성된 열간성형용 강판을 열간성형하여 얻어진 것일 수 있다.
상기 알루미늄계 도금층을 형성하기 위한 소지강판은 자동차용 소재로서 적용 가능한 탄소강이라면 어떠한 강(steel)도 무방하나, 한 가지 예로서, 상기 탄소강은 탄소(C), 망간(Mn) 등을 일정량으로 함유하고, 대략 1.05GPa 이상의 인장강도를 갖는 변태유기소성(TRIP)강, 복합조직(CP)강, 이상조직(DP)강 등일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아님을 밝혀둔다.
본 발명에서는 합금조성이 중량%로 탄소(C): 0.20~0.25%, 망간(Mn): 0.3~1.4%, 실리콘(Si): 0.01~0.40%, 인(P): 0.001~0.025%, 황(S): 0.001~0.010%, 보론(B): 0.001~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 보론 첨가강을 이용할 수 있음을 밝혀둔다.
상기 알루미늄계 도금층은 통상의 알루미늄 도금 방법에 의해 형성할 수 있으므로, 도금 조건에 대해서는 특별히 한정하지 아니한다. 다만, 상기 알루미늄계 도금층은 도금층 내 위치에 따라서 중량%로, 철(Fe): 2~98%, 실리콘(Si): 0.25~7.0%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있으며, 이러한 알루미늄계 도금층은 편면 기준 10~50㎛의 두께를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 알루미늄계 도금층은 아래에서 설명하는 고온 열처리 및 성형 공정을 거침에 의해 소지강판으로부터 확산된 Fe를 함유함에 따라, 상대적으로 Fe의 함량이 높은 영역이 존재할 수 있다.
여기서, 상기 열간성형은 통상의 열간성형부재를 얻기 위해 행해지는 [고온 열처리 공정 - 성형 공정]을 일컬으며, 일 예로서 상기 고온 열처리는 오스테나이트로의 역변태가 가능한 온도 영역에서 행할 수 있으며, 상기 성형은 특정 형상을 가지는 금형을 이용하여 프레스(press)하는 공정일 수 있다.
한 가지 예로서, 상기 성형 공정시 금형을 이용함에 있어서, 상기 금형 내부에 냉각을 목적으로 물 또는 오일을 순환시킬 수 있는 프레스 금형을 적용할 수 있으며, 이 경우 상기 성형 및 냉각이 함께 진행된다. 즉, 고온 열처리에 의해 가공이 용이한 오스테나이트 단상에서 성형함과 동시에 냉각이 이루어져, 복잡한 형태의 저온변태상을 얻을 수 있다.
상기에 따라 준비된 고강도 열간성형부재의 용접 부위에 전극을 접촉시킨 후 가압할 수 있다. 상기 전극의 가압력은 통상의 조건에 의할 수 있는 바, 특별히 한정하지 아니하나, 한 가지 예로서 1.0~6.0kN의 가압력으로 행할 수 있다.
또한, 상기 전극은 저항 점 용접시 사용되는 통상의 전극인 것으로서, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.
한편, 상기 고강도 열간성형부재의 용접 부위에 전극을 접촉함에 있어서, 상기 전극은 상기 고강도 열간성형부재의 알루미늄계 도금층이 형성된 면에 접촉되는 것이 바람직하다.
한 가지 예로서, 2매 이상의 특정 형상으로 열간성형된 고강도 열간성형부재를 적층하여 저항 점 용접을 행하는 경우, 최 상부에 적층된 부재는 상면(전극이 접촉하는 면)에 알루미늄계 도금층을 포함하며, 상기 전극이 접촉하지 않는 면(예컨대, 하면)에도 알루미늄계 도금층을 포함할 수 있다.
더불어, 상기 적층된 2매 이상의 열간성형부재에서 최 하부에 적층된 강판 역시 그 상면(상부에 적층된 열간성형부재와 닿는 면)에 알루미늄계 도금층을 포함할 수 있으며, 상기 상면 이외의 하면에도 알루미늄계 도금층을 포함할 수 있다.
이때, 최 상부에 적층된 열간성형부재의 상면에 알루미늄계 도금층이 포함되는 것이라면, 상기 적층되는 열간성형부재는 2매를 초과하더라도 무방함을 밝혀둔다.
이후, 상기 고강도 열간성형부재의 용접 부위를 가압하는 전극에 전류를 인가함으로써 통전을 수행할 수 있다.
본 발명은 상기 공정에 대해 1차 통전이라 칭할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 1차 통전 이후 2차 통전을 행할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 고강도 열간성형부재는 고강도 열간성형용 강판을 복잡한 형상으로의 부품화를 위해 고온에서 열처리 및 성형 과정을 거쳐 얻어지는 것으로, 이러한 열처리 공정을 수행하는 과정에서 알루미늄계 도금층을 구성하는 금속 원소들의 확산계수의 차이에 따라 크게 3가지 층으로 구분된다. 특별히, 본 발명의 열간성형부재는 철(Fe), 실리콘(Si), 알루미늄(Al)으로 구성된 알루미늄계 도금층을 가지는 것으로, Fe 농화층(tFe), Si 농화층(tSi) 및 Al 농화층(tAl)으로 구분될 수 있다 (도 2).
본 발명자들은 연구를 거듭한 결과, 열간성형부재의 도금층 내에서 각 원소들의 농화층 두께와 열간성형부재의 탄소당량, 바람직하게는 소지강판의 탄소당량(Ceq)이 상기 열간성형부재의 저항 점 용접시 표면날림 또는 내부터짐 등의 결함 발생에 영향을 미침을 발견하였다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 고강도 열간성형부재의 저항 점 용접시 통전 단계 중 1차 통전의 조건을 특정함에 기술적 의의가 있다.
구체적으로, 본 발명에서 1차 통전은 통전 과정에서 불가피하게 발생된 높은 저항을 갖는 영역을 파괴 및 용융시킴과 동시에, 표면날림 및 내부터짐 발생 가능성을 억제할 수 있는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 1차 통전은 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 조건으로 행하는 것이 바람직하며, 이러한 조건을 만족하도록 1차 통전을 행함으로써 피용접재 간 일정량 이상으로 용융을 유도하는 것과, 도금층 내 상기 3 원소 농화층들의 용융을 안정적으로 확보할 수 있다.
[식(1)]
Figure pat00003
(여기서, Ceq는 상기 소지강판의 탄소당량(Ceq)으로 하기 식 (2)로 나타내며, t는 1차 통전 시간[cycle], I는 1차 통전시 용접 전류[kA]이다.
또한 tSi, tAl 및 tFe는 알루미늄계 도금층 내에서 각 원소의 농화영역의 두께[㎛]를 의미하며, 다음과 같다.
tSi : 알루미늄계 도금층 내 Si 농화영역으로, 중량 비율로 Si 함량이 1.6% 초과, Al 함량이 30% 이하인 영역의 두께
tAl : 알루미늄계 도금층 내 Al 농화영역으로, 중량 비율로 Al 함량이 30% 이상인 영역의 두께
tFe : 알루미늄계 도금층 내 Fe 농화영역으로, 중량 비율로 Fe 함량이 70% 초과, Al 함량이 1% 이상, Si 함량이 1.6% 이하인 영역의 두께)
[식(2)]
Figure pat00004
(여기서, 탄소당량(Ceq)은 상기 소지강판의 탄소당량(Ceq)으로서, 각 원소는 중량 함량을 의미한다.)
본 발명에서 상기 식(1)을 만족하는 통전 조건은 상기 고강도 열간성형부재의 도금층 내 농화층 두께, 탄소당량(Ceq)에 따라 표면날림 또는 용융부 터짐 등의 결함이 발생하지 않는 조건을 의미하며, 상술한 결함을 억제함으로써 용융부의 안정성을 높일 뿐만 아니라, 우수한 용접부 물성을 확보할 수 있다.
상기 식(1)의 값이 [1.6×Ceq×tsi×tAl×tFe] 값 이하이면 피용접재의 용융을 발생시키되 용융물이 외부로 비산(expulsion)되지 않는 수준의 열적에너지를 전달할 수는 있는 반면, 그 값을 초과하게 되면 1차 통전단계에서부터 용융물 비산이 과도하게 발생하여 용접부 용융량의 불필요한 감소 및 용접부 물성이 열위해지는 문제가 있다. 한편, 그 값이 [1.0×Ceq×tsi×tAl×tFe] 값 보다 낮으면 피용접재의 용융에 기여할 수 있는 충분한 열적에너지를 가지지 못하며, 용접이 어려울 뿐만 아니라, 후속하는 통전 공정의 효과를 전혀 얻을 수 없게 된다.
다시 말해서, 피용접재인 고강도 열간성형부재의 점 용접시 용융은 소재(소지강판)가 갖는 성분함량에 비례하는 저항과, 도금층을 구성하는 원소들이 도금층 내에서 농화된 두께에 직접적인 영향을 받으므로, 상기 고강도 열간성형부재의 1차 통전시 상술한 조건이 고려될 필요가 있는 것이다.
이로부터, 연속적으로 진행되는 2차 통전에서 발생할 수 있는 용접부 불량 현상을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 작업자의 안정도의 향상과 더불어 용융물의 외부 배출 억제 효과로 인해 강건한 용접부의 확보가 가능하고, 용접부 강도 향상 또한 도모하는 효과가 있다.
한편, 특별히 한정하는 것은 아니하나, 상기 식(1)에서 각 원소의 농화층 두께(㎛)는 백열광 방전 광방사 분광기(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry)를 이용하여 도금층 표층에서부터 두께 방향으로 각 원소의 함량을 측정한 후, 도 2와 같은 그래프를 통해 농화층에 해당하는 함량에 부합하는 영역의 두께를 측정할 수 있다.
보다 유리하게, 상기 1차 통전은 상술한 식(1)을 만족하는 조건으로 행하되, 11~17사이클(cycle) 동안 행할 수 있다.
상기 1차 통전을 완료한 후에는 인가된 전류를 차단시켜 용융된 도금층을 일정 시간 동안 냉각시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 냉각 공정을 통해 후속되는 2차 통전시 용접부 내 결함 발생을 최소화시키면서 충분한 전류를 인가시킬 수 있다.
본 발명은 용접부 강도를 더욱 향상시키기 위한 목적에서, 상기 1차 통전이 완료된 후 남은 잠열이 열원으로 사용될 수 있도록, 상기 냉각을 상온까지 완전 냉각하는 것이 아닌 최대 2사이클(cycle) 동안 행하는 것이 바람직하다. 상기 냉각 시간의 하한은 특별히 한정하지 아니하나, 0.01사이클(cycle) 이상으로 행할 수 있음을 밝혀둔다.
상기에 따른 냉각 공정을 완료한 후, 본 통전에 해당하는 2차 통전을 행함으로써 목적하는 물성을 가지는 용접부를 제조할 수 있다.
상기 2차 통전은 통상적인 점 용접 조건을 적용할 수 있겠으나, 충분한 크기의 너깃(nugget)을 확보할 수 있는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.
보다 유리하게, 상기 2차 통전은 6.0~8.0kA의 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행하는 것이 바람직하다. 상기 용접 전류가 8.0kA를 초과하거나 용접 시간이 30사이클을 초과하게 되면 날림 현상이 과다해져 용접부 물성이 열위할 우려가 있다. 반면, 상기 용접 전류가 6.0kA 미만이거나 용접 시간이 12사이클 미만이면 충분한 크기의 너깃으로 성장시키기에 부족하여 실사용이 불가능하게 될 우려가 있다.
상기 2차 통전이 완료된 후에, 통전된 전류는 차단시킨 상태에서 일정 시간 동안 전극이 가압된 상태를 유지하는 공정을 행할 수 있다.
이때, 유지 공정은 2차 통전시 형성된 너깃이 충분히 응고되면서, 추가적인 저온 상변태가 발생하지 않는 정도의 시간 동안 행할 수 있는 바, 그 조건에 대해서는 특별히 한정하지는 않는다.
본 발명에서 언급하는 고강도 열간성형부재는 자동차용 소재로서 적합한 강재로서, 자동차 부품 등을 제작하기 위해서는 열간 성형을 위한 고온 열처리 및 성형과 더불어 용접이 필수로 행해진다. 이때, 본 발명에 따른 저항 점 용접 방법을 적용함에 의해 고온 열처리 과정에서 행성된 표면 산화물층과 Fe-Al계 금속간화합물층에 의해 발생할 수 있는 표면날림(surface splash) 또는 내부터짐(internal expulsion) 현상을 효과적으로 억제할 수 있으며, 이로부터 강건한 용접부의 확보, 그리고 요구되는 물성을 가지는 용접부를 제공하는 효과가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
소지강판이 인장강도 1500MPa, 두께 1.5mm의 22MnB5계이고, 알루미늄계 도금층을 갖는 열간성형부재(양면에 도금층 포함, 도금층 두께(편면) 35㎛, 소지강판의 탄소당량(Ceq) 0.28)를 2매 준비한 다음, 상기 열간성형부재를 적층한 후 용접할 부위에 전극을 가압한 후 하기 표 1에 따른 조건으로 [1차 통전 - 냉각 - 2차 통전 - 가압 유지]를 행하였다. 여기서, 상기 알루미늄계 도금층은 도금층 전체 두께에 걸쳐 도 2에 나타낸 바와 같은 조성을 갖는다 (중량%로, Fe: 2.09(min)~97.87(max)%, Si: 0.26(min)~6.58(max)%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물).
상기에 따른 저항 점 용접을 완료한 후, 표면날림 및 내부터짐 현상을 관찰한 후, 용접부 강건성의 확인을 위해 각 점 용접 조건 하에 따른 시험편을 제작한 후 용융부 단면을 측정하였다. 그리고, 동일한 시험편에 대해 십자인장강도(CTS, kN)를 측정한 후, 그 결과들을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 가압 조건 1차 통전 냉각
(cycle)		 2차 통전 유지
(cycle)
전극 가압력
(kN)		 전류
(kA)		 시간
(cycle)		 tSi
(㎛)		 tAl
(㎛)		 tFe
(㎛)		 식(1) 전류
(kA)		 시간
(cycle)
비교예
1		 ISO 5821 (2009) 규격
6 mm
Dome type 전극		 2.8 0 0 9.3 11.2 12.0 0 1.0 7.8 20 15.0
비교예
2		 5.8 2 62.7
비교예
3		 20 627.2
발명예
1		 12 376.3
발명예
2		 13 407.7
발명예
3		 16 501.8
비교예
4		 5.4 10 270.4
발명예
4		 15 405.6
비교예
5		 21 567.8
비교예
6		 6.2 3 108.0
발명예
5		 13 468.0
비교예
7		 17 612.0
구분 용접부 직경
(㎛)		 십자 인장강도
(kN)		 결함 발생 여부
(표면날림 및 내부터짐)
비교예 1 4464 6.50 ○
비교예 2 4856 6.80 ○
비교예 3 4960 6.37 ○
발명예 1 6166 8.50 ×
발명예 2 6484 8.80 ×
발명예 3 7548 9.48 ×
비교예 4 5122 6.99 ○
발명예 4 6413 8.76 ×
비교예 5 4933 6.84 ○
비교예 6 4789 6.71 ○
발명예 5 7072 9.19 ×
비교예 7 4619 6.68 ○
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 전극 가압 후 1차 통전없이 2차 통전이 행해진 비교예 1은 용접부 물성이 매우 열위한 것을 확인할 수 있다.
한편, 전극 가압 후 1차 통전을 행하더라도 본 발명에서 제안하는 식(1)을 만족하지 못하는 조건으로 1차 통전이 행해진 비교예 2 내지 7은 비교예 1 대비 용접부 직경이 더 크기는 하나, 표면날림 및 내부터짐의 발생은 피할 수 없었다.
반면, 본 발명에서 제안하는 조건으로 점 용접이 행해진 발명예 1 내지 5의 경우에는 용접부가 안정적으로 성장하였으며, 용접부 강도가 높고, 결함 발생이 억제된 것을 확인할 수 있다.
도 3 및 4는 각각 발명예 1 내지 5, 비교예 1 내지 7의 용접부 단면조직을 채취하여 광학현미경(OM)으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 3에서와 같이 발명예들의 경우 공공(void) 또는 기공(pore)이 억제되어 건전한 너깃이 형성되었다. 반면, 도 4에서와 같이 비교예들의 경우 용접부 내 과입열에 의한 표면날림(surface splash) 및 내부터짐(internal expulsion)의 발생과 동시에 용융물 불안정에 의한 공공 및 기공 결함이 크게 발생한 것을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄계 도금층을 포함하는 열간성형용 강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재를 2매 이상 준비하는 단계;
    상기 열간성형부재의 용접 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계;
    상기 전극이 가압된 상태에서 1차 통전을 행하는 단계;
    상기 1차 통전을 완료한 후 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각 후 2차 통전을 행하는 단계를 포함하며,
    상기 열간성형부재는 상기 전극이 접촉하는 면에 알루미늄계 도금층을 포함하고,
    상기 1차 통전은 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 열간성형부재의 저항 점 용접 방법.

    [식(1)]
    Figure pat00005

    (여기서, Ceq는 상기 소지강판의 탄소당량으로 하기 식 (2)로 나타내며, t는 1차 통전 시간[cycle], I는 1차 통전시 용접 전류[kA]이다.
    또한 tSi, tAl 및 tFe는 알루미늄계 도금층 내에서 각 원소의 농화영역의 두께[㎛]를 의미하며, 다음과 같다.
    tSi : 알루미늄계 도금층 내 Si 농화영역으로, 중량 비율로 Si 함량이 1.6% 초과, Al 함량이 30% 이하인 영역의 두께
    tAl : 알루미늄계 도금층 내 Al 농화영역으로, 중량 비율로 Al 함량이 30% 이상인 영역의 두께
    tFe : 알루미늄계 도금층 내 Fe 농화영역으로, 중량 비율로 Fe 함량이 70% 초과, Al 함량이 1% 이상, Si 함량이 1.6% 이하인 영역의 두께)

    [식(2)]
    Figure pat00006

    (여기서, 탄소당량(Ceq)은 상기 소지강판의 탄소당량(Ceq)으로서, 각 원소는 중량 함량을 의미한다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극의 가압은 1.0~6.0kN의 가압력으로 행하는 것인 저항 점 용접 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 통전은 11~17사이클(cycle) 동안 행하는 것인 저항 점 용접 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각은 0.01~2사이클(cycle) 동안 행하는 것인 저항 점 용접 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 통전은 6.0~8.0kA의 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행하는 것인 저항 점 용접 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 통전 후 유지하는 단계를 더 포함하는 저항 점 용접 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄계 도금층은 중량%로 철(Fe): 2~98%, 실리콘(Si): 0.25~7.0%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하며, 두께가 편면 기준 10~50㎛인 저항 점 용접 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 소지강판은 인장강도 1.0GPa 이상의 탄소강이며,
    중량%로 탄소(C): 0.20~0.25%, 망간(Mn): 0.3~1.4%, 실리콘(Si): 0.01~0.40%, 인(P): 0.001~0.025%, 황(S): 0.001~0.010%, 보론(B): 0.001~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것인 저항 점 용접 방법.
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