KR930004995B1

KR930004995B1 - 용접관동(罐胴)

Info

Publication number: KR930004995B1
Application number: KR1019900011900A
Authority: KR
Inventors: 도시오 미노; 히사시 훗다; 요이찌 기다무라; 요시데루 아까에; 슈조 니시다; 요시로 도고
Original assignee: 도요 세이깐 가부시기가이샤; 다까사끼 요시로
Priority date: 1989-08-09
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1993-06-11
Also published as: DE69006971D1; KR910004293A; JPH0372099A; EP0412735A1; JPH072998B2; EP0412735B1

Abstract

내용 없음.

Description

용접관동(罐胴)

제1도는 본원 발명의 용접관동을 용접하기 직전의 상태의 예를 도시한 설명용 종단면도.

제2도는 본원 발명의 용접관동의 예의 용접부의 수직방향 단면의 금속현미경사진.

제3도는 제2도의 용접부의 Ⅲ-Ⅲ선에 의한 용접부길이방향 단면의 금속현미경사진.

제4도는 부동태화전류를 구하기 위한 양극전압-양극전류선도의 예.

본원 발명은 맥주캔, 탄산음료캔, 커피음료캔, 쥬스캔, 일반 식품캔 등의 통조림용의 캔체에 사용되는 틴프리스틸(tinfree steel)로 이루어지는 용접관동(罐胴)에 관한 것이다.

최근 주석도금강판의 블랭크로 이루어지는 관동 프리폼(preform)의 겹침부를 1쌍의 전극롤의 사이에서 동선(銅線) 전극을 통해 압접전기저항용접(mash-seam electric resistance welding)하여 이루어지는 용접 관동이 통조림용의 캔체에 대해 널리 실용화되기에 이르렀다.

틴프리스틸은 양면에 금속크롬층 및 그 위의 크롬수화(水和) 산화물층으로 이루어지는 표면처리층(이하 크롬층이라 함)을 가진 표면처리강판이지만, 주석도금강판보다 저렴하며, 또한 주석도금강판보다 도료밀착성등의 캔체 특성이 우수하므로 틴프리스틸로 이루어지는 용접관동의 출현이 바람직하지만, 주석도금강판용 접관체보다 실용화는 늦어지고 있다.

그 주된 이유는 크롬수화산화물층의 전기절연성 및 금속크롬층의 융점이 비교적 높으므로, 통상의 틴프리스틸의 전기저항용접이 곤란하다는 점에 있다.

그 대책으로서 겹침부가 될 끝에지부의 표면크롬층을 미리 제거하고나서 용접하는 방법이 제안되고 있으나, 이와 같이 제조된 용접관동은 제조코스트가 높을 뿐만 아니라, 용접부의 내식성이나 보수도막의 밀착성 등의 특성이 떨어지므로 상업적으로 매력이 없다.

최근 이와 같은 크롬층의 제거없이, 틴프리스틸로 용접관동을 제조하는 기술이 제안되어 있다(일본국 특공소 57(1982)-19752호 공보). 상기 기술은 틴프리스틸로서 금속크롬층의 3∼40mg/㎡(평면량, 이하 동일함), 크롬수화산화물층이 2∼15mg/㎡이며, 또한 금속크롬층이 포러스(porous)형의 것을 사용하는 것이다.

이 방법은 융점이 높고(약 1900℃), 철끼리의 고상(固相)확산에 의한 용접을 방해하는 금속크롬층을 가급적 얇게 하고, 또한 포러스로 하여 철의 노출면적을 크게 함으로써, 철끼리가 용이하게 고상확산하기 쉽고, 즉 용접하기 용이해지도록 한 것이다.

그러나, 본 발명자들의 식견에 따르면, 상기 타입의 틴프리스틸은 도료의 도포베이킹(baking)(통상 약 200℃, 20분)의 가열이력(履歷)을 거치지 않고 받아들인 채로의 상태에서는 용접성은 양호하지만, 상기 가열이력을 부여한 후의 용접성은 떨어진다는 것이 판명되었다. 상기 공보의 실시예에는 용접전에 도료를 도포하여 베이킹한 요지의 기재가 없으므로, 그 용접성 평가는 상기 가열이력을 거치지 않은 틴프리스틸판에 대해 행한 것으로 보인다.

도료의 베이킹은 통상 오븐내에서 행하지만, 그때 상기 타입의 틴프리스틸에서 공기중의 산소가 포러스한 표면크롬층으로부터 노출된 철면을 산화하고, 비교적 전기절연성이 높은 산화철층이 발달된다. 이 산화철층은 수화물이 아니므로, 크롬수화산화물층보다 전기 저항이 크다고도 추측된다.

따라서, 상기 타입의 베이킹한 틴프리스틸은 용접작업시 용접부에 따라 국부적으로 과열부분이 생기며, 보수도막에 의한 보수를 곤란하게 하는 스플래시(splash)가 발생하기 쉽다.

이 스플래시의 발생을 방지하려고 용접전류를 내리면 고상확산이 충분히 진행되지 않아서, 용접강도가 저하되므로, 상업적으로 만족한 용접부를 안정되게 형성하기 위한 용접가능한 전류범위(available current range, 이하 ACR이라 함)가 거의 없어지는 것으로 생각된다.

또한, 상기 타입의 틴프리스틸은 금속크롬층이 포러스이므로 내식성이 떨어진다는 결점이 있다.

본원 발명의 목적은 보수도막의 보수성이 우수하고, 실용적으로 만족한 용접강도를 가진 용접부를 구비하고, 또한 전체로서 내식성이 우수한 베이킹도막으로 피복된 틴프리스틸의 압접전기저항 용접관동을 제공하는 것이다.

본원 발명의 용접관동은 베이킹도막으로 피복된, 40∼130mg/㎡의 금속크롬층 및 3∼20mg/㎡(금속크롬환산)의 크롬수화산화물층을 가지며, 금속크롬층의 철면(鐵面) 노출면적이 부동태화(不動態化)전류로 15mA/㎠ 이하이고, 또한 크롬수화산화물층에 있어서의 S 원자수/Cr 원자수가 0.05 이하인 틴프리스틸로 이루어진다.

또한, S/Cr에 있이서의 S 및 Cr은 각각 크롬수화산화물층에 포함되는 S 및 Cr의 상대적 원자수를 표시하고, 따라서 S/Cr은 원자의 존재비를 표시한다.

S/Cr은 0.03 이하가 더욱 바람직하고, 크롬수화산화물층은 3∼15mg/㎡인 것이 더욱 바람직하다. 후술하는 방법으로 측정한 부동태화전류는 10mA/㎠ 이하가 바람직하다. 또한, 금속크롬층은 실질적으로 균일한 두께로 평활한 것이 바람직하다.

틴프리스틸의 부동태화전류는 15mA/㎠ 이하, 더욱 바람직한 것은 10mA/㎠ 이하이며, 금속크롬층은 실질적으로 철면노출부를 갖지 않으므로, 베이킹도막을 형성하기 위한 오븐내에서의 도료베이킹을 위한 가열(예를들면 약 200℃, 20분)시 전기절연성이 비교적 높은 산화철층이 실질적으로 형성되지 않는다.

크롬수화산화물층에 S/Cr 0.05이하, 더욱 바람직하게는 0.03 이하이며, 크롬수화산화물층에 있어서의 황의 양은 극히 적다. 황은 황산기(SO₄ ^2-)의 형태로 크롬수화산화물층의 OH기의 일부와 치환하여 존재하는 것으로 추측된다.

그러나, SO₄ ^2-의 이온반경은 2.36Å이고, OH^-의 이온반경 1.40Å에 비해서 훨신 크므로, S/Cr의 값이 클 경우는 같은 크롬량으로서 S/Cr의 값이 작은 경우에 비해 크롬수화산화물층이 두꺼워지는 그리고 Cr-OH 결합의 부분에 비해 Cr-SO₄결합부분쪽이 비저항(比抵抗)이 크다고 생각되는 것 등으로, 본원 발명에 있어서는 크롬수화산화물층의 양이 상한인 20mg/㎡ 라도 그 전기절연성은 비교적 작은 것으로 추측된다.

그래서, 상기 틴프리스틸은 용접작업시 용접될 끝에지부에 표면 크롬층이 그대로 남아 있어도 만족한 용접강도를 얻기 충분한 용접전류에서 발열량이 비교적 적으므로 스플래시가 발생하기 어렵다.

통상의 틴프리스틸은 조제(助劑)를 첨가한 H₂SO₄가 포함된 크롬산전해조로 제조되며, 크롬수화산화물층의 S/Cr 은 0.15이상이다.

그러나, S/Cr가 0.05이하인 틴프리스틸은 불화물(不化物)을 조제로 하는 H₂SO₄를 실질적으로 함유하지 않은 크롬산전해조로 제조되며, 이로 인해 크롬수화산화물층에 약간의 F 이온이 포함되지만(F/Cr이 약 0.2∼0.4), F^1-의 이온반경은 1.36Å이며, OH^-이온반경과 대략 같으므로, F^1-의 존재는 크롬수화산화물층의 두께에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다.

한편, 금속크롬층은 두께가 130mg/㎡ 이하로 비교적 얇고, 더욱이 취약하므로, 용접작업시 전극에 의해 가해지는 가압력으로 그 위의 크롬수화산화물층과 함께 크랙이 발생된다.

겹침부에 있어서의 대향하는 끝에지부의 이 크랙에서 본 철면끼리의 상호접촉이 용이하다. 이 상호접촉한 철면끼리는 가압하에 있어서의 온도상승으로 인해 용이하게 고상확산하여 일체적으로 접합(즉 용접)되고, 동시에 얇고, 양이 극히 적은 금속크롬도 신속하게 철내로 확산되는 것이라고 생각된다. 그 때문이라고 추측되지만, 본원 발명에 있어서의 틴프리스틸은 비교적 낮은 용접전류레벨 및 넓은 ACR에서 용접을 행할 수 있다.

또한, 금속크롬층이 40mg/㎡보다 적은 것은 철면노출부를 형성하기 쉬워지고, 그에 따라 용접관동의 내식성이 저하되므로 바람직하지 않다. 또한, 크롬수화산화물층이 30mg/㎡보다 얇은 것은 용접부에 도막밀착성이 저하되므로 바람직하지 않다.

또한, 금속크롬층이 130mg/㎡보다 많은 것 및 크롬수화산화물층이 20mg/㎡보다 많은 것은 모두 스플래시의 발생이 현저해지고, 또한 용접강도가 저하하므로 바람직하지 않다.

다음에, 본원 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라서 설명한다.

틴프리스틸은 극저탄소강(極低炭素鋼)스트립을 전해크롬산 처리함으로써 제조되지만, 40∼130mg/㎡로 얇고, 실질적으로 15mA/㎠ 이하의 부동태화전류로 철면노출부가 없는 금속크롬층을 형성하기 위해서는 전해크롬산처리 직전의 스틸스트립 표면이 실질적으로 완전히 청정한 즉 표면에 유지막(油脂膜)이나 산화철 피막등의 이물질이 실질적으로 전혀 없어야 한다는 것이 중요하다.

이를 위해 소둔노(燒鈍爐)(바람직하게는 연속소둔노)에서 나올때의 스트립온도를 가급적 저온(바람직하게는 100℃이하)으로 하고, 소둔 후 코일형으로 보관중의 산화철피막의 발달을 방지하는 것, 스킨패스(skinpass)압연시 스트립표면에 유지막이 부착하는 것을 완전히 방지하는 것, 스킨패스압연 후 전해크롬산 처리까지의 일수를 극히 짧게 하여(바람직하게는 5일 이내), 그 동안의 부식(腐蝕)이나 산화철피막의 생성을 방지하는 것 및 전해크롬산 처리라인에 있어서의 전해탈지(電解脫脂), 전해산세(電解酸洗)를 강화하는 등의 처치를 하는 것이 바람직하다.

S/Cr이 0.05이하(바람직하게는 0.03이하)인 크롬수화산화물층을 가진 틴프리스틸을 제조하기 위해서는 전해크롬산 처리라인에 있어서의 크롬산전해조는 불화물(예를들면 NaF, NH₄F)을 조제로 하는 H₂SO₄를 실질적으로 포함하지 않는 저농도 크롬산조인 것이 바람직하다. 그리고, 크롬산조에 주제(主劑)인 CrO₃중에 불순물로서 함유되는 H₂SO₄에 의한 SO₄ ^2-가 크롬수화산화물층에 잔류하는 양을 가급적 적게 하기 위해 전해크롬산 처리후의 수세를 고온(예를들면 약 70℃ 이상)의 세척수를 사용하여 충분히 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 틴프리스틸에 상용사이즈(예를들면 약 1m×1m)의 상태에서 용접부가 될 대향하는 끝에지부(용접부로 되는 겹침부가 될 부분의 근방을 포함)에 대응하는 부분 및 바람직하게는 그 직각방향의 플랜지부가 될 부분에 대응하는 부분을 제외하고, 내면도료 및 외면도료(인쇄잉크를 포함)를 소위 마진도포, 베이킹건조(가열이력 약 200℃, 20분)한 후, 이것을 소정 사이즈의 블랭크로 절단한다.

이 블랭크는 바람직하게는 수드로닉(Soudronic)사 제품의 동선전극을 외측전극롤과 내측전극롤 사이에 삽입하여 용접하는 타입의 압전전기저항용접기로 보내서, 상기 대향하는 끝에지부를 겹쳐서 겹침부를 가진 관통(罐胴) 프리폼으로 형성되고, 이 겹침부를 압접용접함으로써 용접관동이 제조된다.

동선선극으로서는 통상의 양면이 평탄한 다면형상을 가진 것을 사용해도 되지만, 더욱 바람직한 것은 미합중국 특히 제4,652,715호 공보에 지재되고, 제1도에 도시된 바와 같은 겹침부(10)와 접촉하는 측의 용접면에 측에지돌출부(14a)를 가진 타입의 선전극(14x), (14y)이 사용된다. 또한, 제1도에 있어서, (11)은 관동프리폼, (12)는 내측전극롤, (13)은 외측전극롤, (15)는 겹침부의 접촉면, (16)은 크롬층, (17)은 내면도막, (18)은 외면도막이다.

측에지돌출부(14a)와, 끝에지부(9)의 철이 노출된 끝면(9a)을 통한 통전이 용이해지기 위한 것이라고 추측되지만, 이와 같이 함으로써 ACR이 커지는 것 및 용접부의 단차부(段差部)가 완만해져서 보수 도료에 의한 보수효과가 향상되기 때문이다.

내측선전극(14x), 외측선전극(14y)의 어느 한쪽만(이 경우 통상은 내측선전극(14x)만)에 겹침부(10)와 접촉하는 쪽의 면에 측에지돌출부(14a)가 배설되도록 해도 된다.

동선전극이 주석등이 피복되지 않은 것이며, 또한 주석도금강판의 용접의 경우와 같은 정도(통상 약 40∼50kgf)의 용접가압하에서도 상당히 큰 ACR 하에서 주석도금강판의 경우보다 작은 용접전류로 피팅(pitting)을 야기하지 않고 측에지돌출부(14a)를 가진 선전극으로 틴프리스틸의 용접이 가능하다.

판두께 0.22mm, 템퍼도(度) T₄, 금속크롬층의 두께 52mg/㎡, 부동태화전류치 8mA/㎠, 크롬수화산화물층의 두께 9mg/㎡(금속크롬환산), S/Cr가 0.03의 틴프리스틸에 200℃, 20분의 베이킹이력을 부여하여 내면도막(17) 및 외면도막(18)을 형성한다.

틴프리스틸로부터 절단된 블랭크를 겹침부폭 0.4㎜의 관동프리폼을 형성하고, 수드로닉사 제품 용접기(형식 FBB540)로 전극롤(12), (13)의 직후의 통로에 질소가스를 흐르게 하면서, 용접속도 55m/분(용접전류주파수 540Hz), 용접전류는 ACR의 범위내에서 그 하한근방, 용접가압력 45kgf의 조건으로 용접하여 용접관동(외경 52㎜, 높이 136㎜)을 제조했다.

내측선전극(14x)의 측에지돌출부(14a)의 돌출높이 h(제1도)는 0.04㎜이고, 외측선전극(14y)의 겹침부(10)와 접촉하는 쪽의 면은 평탄하며, 측에지돌출부가 없다.

이와 같이, 제조된 용접관동의 용접부의 금속현미경조직이 제2도에는 배율 62.5, 제3도에는 배율 31로(피크랄(picral)로 2분간 에치) 도시되어 있다.

이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 이 용접부는 그 전체길이에 따라서 침상(針狀)스플래시는 전혀 없으며, 또한 후기하는 테어링 테스트(tearing test)로 용접부의 어느 부분에도 박리를 일으키지 않았다.

용접부의 내면에 에폭시페놀계 도료를 도포 건조 후(평균 도막두께는 약 16μm)의 하기 방법으로 측정했다. 에나멜레이터치는 0.5mA 였다.

제1표에 나타낸 각종 틴프리스틸에 대해서, 상기와 같은 용접조건(용접전류를 제외)으로 용접시험을 한 결과를 제1표에 나타낸다. 또한, 제1표의 샘플 No1∼6은 CrO₃50g/l, NaF 2.4g/l로 이루어진 전해액, 샘플 No7∼9는 CrO₃50g/l, H₂SO₄0.5g/l로 이루어진 전해액중에서 음극전해하여 제작했다.

[표 1]

주 :^*1 샘플 No.1∼4는 본원 발명의 관동이고, 샘플 No.5∼9는 비교예에 의한 관동임.

^*2 ○표는 용접부 전체길이에 걸쳐서 박리나 파단없이 대략 같은 폭으로 찢을 수 있음.

△표는 큰 스플래시 또는 피팅등으로 인해 찢는 도중에 파단.

^*3 실금모양부식이 ○표는 소, △표는 중, ×표는 대를 표시함.

다음에, 여러가지 성질의 측정법에 대하여 설명한다.

(a) S/Cr 의 측정법

형광 X선법(측정실은 진공실)이며, 샘플표면에서 방사되는 SㆍKα선 및 CrㆍKα선의 강도를 카운트하고, 검량선(檢量線)에 의해 S량, Cr량(mg/㎡)을 구한다.

마찬가지로 비등하거나 7.5몰의 NaOH 수용액중에 상기 샘플을 5분간 침지(浸漬)하여 크롬수화산화물층을 제거한 후의 S량, Cr량(mg/㎡)을 구한다.

전자의 양에서 후자의 양을 감산하여 크롬수화산화물층중의 S량, Cr량을 구한다.

이 크롬수화산화물층중의 S량, Cr량을 각각 S, Cr의 원자량으로 나누어 1㎡당, S, Cr의 몰수를 구하고, 그들의 비 S/Cr를 구한다.

(b) 부동태화전류의 측정법

전술한 (a)의 방법과 같이 크롬수화산화물층을 제거한 후, 면적 30㎜ø의 원형측정부를 제외하고 시일 테이프로 시험편을 시일하였다.

상기 시험편을 1몰의 NaH₂PO₄(실온) 용액에 침지하여, 포텐쇼미터로 250mV/분의 분근속도로 양분극(陽分極)하고, 부동태영역 P에 이르기 직전 Q(제4도)에 있어서의 양극전류 i(A)를 독출하고, 이것을 단위면적(㎠)당 값 즉 3cm×3cm×0.785으로 환산한 것을 부동태화전류로 한다.

또한, 분극시험전에 측정액과 같은 용액에 시험편을 5분간 예비침지하여 측정부 표면을 충분히 용액에 적셔두는 것이 바람직하다.

(c) 에나멜레이터치의 측정방법

용접부를 중심으로 캔축방향으로 폭 약 20mm의 시험편을 절단하고, 내면측의 캔축방향으로 100mm 및 폭방향 중앙에 단차부 근방의 부분을 제외하고 나머지 부분을 완전히 왁스등으로 시일한다.

이것을 1중량% 염화나트륨에 계면활성제 0.02중량%를 첨가한 수용액을 전해액으로서 비커내에서 스테인레스스틸봉을 대극(對極)으로 하여, 일정전압(+6.3VㆍDC)으로 일정시간(4초) 전해하고, mA의 전해 전류를 측정한다. 얻어진 에나멜레이터치의 전해전류는 금속노출면적에 비례한다.

(d) 테어링테스트법

용접부의 한쪽 끝부의 양측에 근접한 원래의 끝에지부의 부분에 노치를 만들고, 이 내측 끝부를 핀서(pincers)로 끌어당겨서, 용접부를 용접캔동체의 노치로부터 찢어서 분리하는 용접부의 시험법을 말한다.

이 시험시 용접부의 어느 부분에도 박리 내지 파단(커다란 스플래시나 피팅등에 의함)을 일으키지 않는 용접관동은 통조림의 캔체용으로서 실용화할 수 있다.

(e) 내식성

양편에 에폭시페놀도막으로 형성된 시험편을 롤링방향에 대하여 45°방향 수직으로 평행으로 칼로 가로로 절단하고, 동체깊이가 5mm가 될 때까지 에릭센(Erichsen) 시험을 하였다.

시험편은 한시간동안 1kgf/㎠의 압력하에 38℃에서 5중량%의 NaOH 수용액을 분무하고, 25℃의 온도 및 85%의 상대 습도에서 항온항습실에 놓아 둔다. 실내에 있는 시험편의 실금모양의 부식진행을 관찰하였다.

Claims

베이킹도막으로 피복된, 40∼130mg/㎡의 금속크롬층 및 3∼20mg/㎡(금속크롬환산)의 크롬수화산화물층을 가지며, 금속크롬층의 철면(鐵面) 노출면적이 부동태화(不動態化) 전류로 15mA/㎠이하이고, 또한 크롬수화산화물층에 있어서의 S 원자수/Cr 원자수가 0.05이하인 틴프리스틸로 이루어지는 압접전기저항용접관동.