WO2018117459A1 - 고강도 아연도금 강판의 점 용접 방법 - Google Patents

고강도 아연도금 강판의 점 용접 방법 Download PDF

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WO2018117459A1
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steel sheet
spot welding
indenter
welding
high strength
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곽재현
조항식
김동완
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주식회사 포스코
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    • B21D17/00—Forming single grooves in sheet metal or tubular or hollow articles
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    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/34—Preliminary treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method of spot welding parts processed with advanced high strength steels (AHSS) without fine cracks in order to fabricate an automobile body, and more particularly, to indent a spot welder having a nugget size or more.
  • the present invention relates to a method of spot welding of a high strength galvanized steel sheet, which has advantages of increasing welding strength and fatigue life because cracking does not occur in the welded portion by compressing and deforming after welding.
  • AHSS galvanized steel sheet has a transformation structure formed at low temperature, so both strength and ductility are excellent, and at the same time, it is widely used in automobile bodies because it has excellent corrosion resistance due to sacrificial anode corrosion of zinc.
  • a large amount of alloying elements are added to secure the strength.
  • spot welding cracks frequently occur during spot welding in galvanized steel sheet containing a large amount of carbon or manganese.
  • the conventional spot welding technique of AHSS steel sheet is the method of controlling the welding current pattern (KR 2005-0132959, KR 2006-0112701, JP 2008-093726) in order to improve the welding strength.
  • the hot metal crack Liquid Metal Embrittlement
  • Prerequisites for LME development are subcritical loads or deformations, molten metal and austenite appearance.
  • spot welding as the current is applied, the temperature of the steel rises due to resistance heat, and zinc with low melting point starts to melt. The steel is then transformed into austenite. The lower the austenite formation temperature, the longer the contact time between the molten zinc and the austenitic structure of the steel is at the surface.
  • FIG. 1 is a result of analysis of large cracks and microcracks generated when welding a 1200MPa grade AHSS alloyed galvanized steel sheet on the market. As shown in the above analysis, a significant amount of zinc is detected in the cracks.
  • the second method is to reduce the plating thickness in order to increase the melting temperature of zinc or reduce the amount of molten zinc, which has a close relationship with corrosion resistance and workability of the steel sheet, and is not easy due to the problem of rising plating cost. Finally, the external stress is reduced, but the joint strength and quality of the weld are not easy.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-0722130;
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Publication No. 10-0804943;
  • Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-093726;
  • Patent Document 4 Republic of Korea Patent Publication No. 10-1674772;
  • Patent Document 5 Korean Unexamined Patent Publication No. 2011-0071941
  • Non-Patent Document 1 Coline Beal; Dissertation at INSA Lyon University, “Mechanical behavior of a new automotive high manganese TWIP steel in the presence of liquid zinc”
  • Non-Patent Document 2 Zhang, H.-Senkara, J .: Resistance welding: Fundamentals and Applications, Taylor & Francis, New York, 2006
  • Non-Patent Document 3 C. Jiang et al; Americal welding society, Liquid Metal Embrittlement in Resistance Spot Welds of AHSS Steels
  • One aspect of the present invention in order to prevent the micro-cracks due to the molten metal embrittlement (LME) of the AHSS galvanized steel sheet in the press forming process by compressing the weld in a press with an indenter having a diameter of more than a nugget size to destroy or deform the plating After that, it is to provide a point welding method of high strength steel having the advantage that the crack welding does not occur by the spot welding to increase the welding strength and fatigue life.
  • LME molten metal embrittlement
  • One aspect of the present invention for achieving the above object, in order to prevent the micro-cracks caused by the molten metal embrittlement (LME) of the AHSS galvanized steel sheet in the press forming process using a indenter having a diameter more than the nugget size
  • LME molten metal embrittlement
  • welding accelerates the melting of the broken zinc plated layer, promotes the discharge of molten zinc, and greatly reduces the amount of molten zinc remaining in the weld zone. Therefore, cracks do not occur in the weld zone, which increases weld strength and fatigue life.
  • the present invention relates to a method for welding micro-cracks of high-strength high strength steels.
  • It relates to a spot welding method of a high-strength galvanized steel sheet comprising a; spot welding the indented portion of the galvanized layer is deformed or broken.
  • the shape of the indenter is preferably a dome shape, a spherical shape or a rounded corner cylinder, but the geometric shape is not limited as long as the indenter has an effect of breaking or modifying the plating layer by applying compressive deformation to the part to be welded with the indenter.
  • the compressive load may press-fit the weld at a pressure at which a thickness reduction of at least 1/2 of the thickness of the total plating layer is achieved.
  • the compression load may press-fit the weld with a compression load of 1 ton or more.
  • the size of the indenter may be equal to or larger than the size of the nugget.
  • the modification of the galvanized layer is made by mechanical compression equipment such as a press, the productivity and the cost reduction effect are more remarkable than the welding current control or the plating layer component and thickness control method.
  • 1 is a view showing the results of analysis of large cracks and micro cracks that appear when welding commercially available 1200MPa grade AHSS galvanized steel sheet.
  • Figure 3 is an example of the indenter of the present invention and a diagram showing the indentation of the zinc plated steel sheet.
  • FIG. 4 is a view showing the displacement of the indenter according to the compression load during the indentation and the thickness change indented after deformation of the galvanized steel sheet in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a spot welding cycle applied in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a photograph showing a weld cross-sectional structure and a fine crack length according to a reference welding method.
  • Figure 7 is a photograph showing the weld cross-sectional structure and the micro crack length in accordance with the welding method of the present invention.
  • the point welding method of the high-strength galvanized steel sheet which can prevent the spot welding crack generation by LME, which is an aspect of the present invention, presses the galvanized steel sheet to be spot welded using an indenter having a diameter larger than the required nugget size.
  • the detailed conditions will be described below by applying a compression load of at least 1 ton during the forming process or before welding to deform or break the plated layer of the galvanized steel sheet and then spot weld the indentation.
  • a high strength galvanized steel sheet is prepared.
  • the present invention is not limited to the specific steel sheet type and its steel composition of the high-strength galvanized steel sheet described above, it is possible to use a high-strength AHSS galvanized steel sheet as described above.
  • the present invention is not limited to the composition, thickness and properties of the galvanized layer constituting the galvanized steel sheet, it is possible to use a high strength galvanized steel sheet formed a well-known general galvanized layer without limitation.
  • the galvanized layer of the steel sheet is deformed or broken by applying compressive deformation to the site to be spot welded of the high strength galvanized steel sheet by using an indenter so as to prevent spot welding cracking due to liquid metal embrittlement.
  • the indenter having a cross section larger than the weld nugget size is subjected to a compressive load of at least 1 ton per indenter during press forming or before welding.
  • a compressive load of at least 1 ton per indenter during press forming or before welding.
  • the diameter of the nugget portion to obtain the required weld strength is 5 ⁇ t (where t is the thickness of the plating material)
  • the indenter should have a diameter of 5 ⁇ t or more.
  • the opposite side of the indenter may be flat or face symmetrical, but is preferably flat.
  • the opposite side of the indenter, the flat part becomes slightly convex due to the deformation of the indenter, which makes it more effective to join it.
  • Figure 3 is an example of the indenter of the present invention and a diagram showing the indentation of the zinc plated steel sheet.
  • the reason why the deformation with the indenter in the press process is effective for the LME is as follows. Deforming the plating layer with an indenter destroys or deforms the plating layer.
  • the melting point of zinc is about 450 ° C, which melts much lower than the temperature at which austenite appears, and the resistance is increased in the deformed or broken galvanized layer, which results in faster melting and faster air expansion of broken cracks.
  • molten zinc that melts easily squeezes out of the weld. That is, the present inventors have found that the LME problem is solved because little or no molten metal remains in the three elements causing LME.
  • the diameter of the indenter in the present invention is larger than the nugget portion because fusion occurs as much as the nugget portion.
  • An example of the actually produced indenter is shown in FIG. 3.
  • the tool steel (SKD-11) can be used as a indenter by processing into a bullet shape having a diameter of 8mm, the diameter of the tip flat portion 4mm.
  • the steel plate may have a thickness of 1.6 mm, a nugget diameter of 7 mm, an indenter diameter of 8 mm, and a flat portion of the tip portion of 4 mm.
  • the size of the indenter is preferably equal to or larger than the size of the required nugget, because when the diameter of the indenter is smaller than the nugget diameter, the unbroken plating layer remains, resulting in slow melting and ineffective discharge of molten zinc.
  • the compression load is preferably 1 ton or more, but the load may vary depending on the shape of the indenter, and it is sufficient if the thickness is reduced by 1/2 or more of the thickness of the total plating layer by compression. This corresponds to 1.1 tons in the indenter of the present invention with a deformation rate of 50%. If the indentation amount is less than this, the deformation is not sufficient and the amount of fine crack formation in the plating layer is not sufficient, so that the molten zinc discharge of the weld portion is not easy.
  • FIG. 4 is a diagram showing the stress change and the thickness change indented after deformation of AHSS when pressed to 1.5 tons.
  • Commercial presses can typically apply hundreds to thousands of tons of pressure, so even if there are many welds, a pressure of more than 1 ton is not a problem for creating surface strain indentations.
  • the thickness of the one-side plating layer was 8 ⁇ m, and more plastic deformation occurred than the thickness of the total plating layer, which was 16 ⁇ m, the thickness of the double-side plating layer.
  • the yield strength of the steel used in the test is about 100kgf / mm 2 , and it can be seen that the plastic deformation of the steel is almost absent and the plastic deformation of the plating layer occurs mainly from the change of displacement according to the compressive load.
  • the galvanized layer is spot welded to the deformed or broken indentation portion.
  • the melting point of zinc is about 450 ° C., which melts at temperatures much lower than the temperature at which austenite appears, which increases the resistance of the deformed or broken zinc plated layer, resulting in faster melt rates and expansion of air in the cracks. Since it is also made, the molten zinc first melting at low temperature is easily squeezed out of the weld. That is, the LME problem can be effectively solved because little or no molten metal remains in the three elements causing LME.
  • a commercially manufactured 1200MPa grade AHSS alloyed galvanized steel sheet having a thickness of 1.6 mm was used as a welding target, and the thickness of the one-side galvanized layer was 8 ⁇ m.
  • the tool steel (SKD-11) was processed into a bullet shape having a diameter of 8 mm and a diameter of the flat end portion of 4 mm and used as an indenter.
  • the welding part was pressed at a pressure of 1.5 tons with an indenter to make an indentation mark, and then spot welding was performed with the slightly convex protruding part of FIG. 2.
  • the electrode used for spot welding a 6 mm domed copper electrode was used.
  • the pressing force was 6 kN
  • the welding current was 8.5 kA, which is 1 kA higher than 7.5 kA of flying.
  • the reason why the welding current is increased is that LME cracking occurs more severely in overcurrent.
  • the energization time was made into normal conditions (500ms).
  • the specimen was welded at 5 ° from the welding electrode to increase the effect of non-uniform external force and external stress concentration for easier LME generation.
  • the existing method without indentation was also spot welded under the same conditions.
  • FIG. 6 is a photograph showing the weld cross-sectional structure and the micro crack length in accordance with the standard welding method
  • Figure 7 is a photograph showing the weld cross-section structure and the micro crack length in accordance with the welding method of the present invention.
  • the shoulder microcracks were not completely removed, but the average crack depth of the conventional method was 48.9 ⁇ m, while the present invention was able to reduce the average crack depth to 14.1 ⁇ m or less, and the number of occurrences was less than half.
  • the welding conditions of the present invention have a higher current than normal welding conditions, and in particular, the external stress is large because the welding is performed by twisting 5 °. Therefore, if normal welding is carried out under the conditions of the present invention, micro cracks caused by LME can be sufficiently suppressed.

Abstract

고강도 아연도금 강판의 점 용접 방법이 제공된다. 본 발명의 점 용접 방법은, 고강도 아연도금 강판을 준비하는 단계; 액체금속취성에 의한 점용접 균열을 방지할 수 있도록 상기 고강도 아연도금 강판의 점 용접될 부위에 압자를 이용하여 압축 변형을 가함으로써 강판의 아연도금층을 변형하거나 파괴하는 단계; 및 상기 아연도금층이 변형되거나 파괴된 압흔 부분을 점 용접하는 단계;를 포함한다.

Description

고강도 아연도금 강판의 점 용접 방법
본 발명은 자동차 차체를 제작하기 위하여 첨단 고강도강(이하 AHSS: Advanced High Strength Steels)으로 가공된 부품을 미세 크랙 없이 점 용접하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 점 용접부를 너겟크기 이상의 압자를 이용하여 압축하여 변형시킨 후 용접함으로써 용접부에 크랙이 발생하지 않아 용접강도와 피로수명이 증가하는 장점을 가진 고강도 아연도금강판의 점 용접방법에 관한 것이다.
AHSS 아연도금강판는 저온에서 형성된 변태조직을 가지므로 강도와 연성이 모두 우수하며, 동시에 아연의 희생양극 부식으로 인하여 우수한 내식성을 가지므로 자동차 차체에 널리 사용되고 있다. 그러나 강도를 확보하기 위하여 다량의 합금원소를 첨가하게 된다. 특히 탄소나 망간을 다량 첨가하는 아연도금 강판에서 점용접 시 점용접부 균열이 자주 발생한다. 지금까지의 AHSS 강판의 점용접 기술은 용접강도를 향상하기 위하여, 용접 전류패턴을 제어하는 방법이 (KR 2005-0132959, KR 2006-0112701, JP 2008-093726) 가장 일반적이다. 그러나 최근 인장강도 1000MPa이상의 초고강도 강판이 개발되면서 용융아연에 의한 용접 균열이 문제가 되고 있지만 이를 해결하는 적절한 수단이 아직 없으며, 과거의 방법과 유사하게 용접시 가압력 및 용접 전류 패턴 제어(KR 2014-0190199, 2011-0071941, 2013-0169656 )에 의존하고 있지만 근원적 해결이 되지 못하고 있다.
기존의 문헌과 실험을 통해 고합금 AHSS 아연도금강판의 균열원인을 조사한 결과, 고합금 AHSS 아연도금강판에 있어서 점용접 균열이 일어나는 주된 원인은 용융금속에 의한 고온 균열 (Liquid Metal Embrittlement, 이하 LME)에 있다. LME가 발생하기 위한 필요 조건은 임계 이상의 하중이나 변형, 용용금속 그리고 오스테나이트 출현이다. 점용접을 하면 전류가 인가됨에 따라 저항열에 의해 강의 온도가 상승하며 먼저 융점이 낮은 아연이 녹기 시작한다. 이후 강은 오스테나이트로 변태하게 되는데, 오스테나이트 형성온도가 낮을수록 용융아연과 강의 오스테나이트 조직이 표면에서 접촉하는 시간이 길어진다. 이때 열응력, 외부응력이 가해지면 응력이 집중되는 부분의 오스테나이트 입계가 미끄러지면서(gliding) 변형하게 된다. 이때 강과 용융아연의 계면 에너지가 오스테나이트 입계에너지 보다 낮으면, 오스테나이트 입계로 용융아연이 침투하면서 입계 균열이 발생하게 된다.
도 1은 시중의 1200MPa급 AHSS 합금화 아연도금강판을 용접하였을 때 나타나는 대형 균열과 미세 균열을 분석한 결과로서, 상기의 분석과 같이 균열부에는 상당량의 아연이 검출 되고 있다.
한편 LME에 의한 용접 미세 균열을 제거하기 위해서는 상기 3가지 인자중 하나만 제거하면 된다. 첫째는 오스테나이트 출현의 억제이다. 용접온도가 융점까지 올라가므로 강에서 오스테나이트 출현은 결코 막을 수가 없다. 오히려 C, Mn과 같은 합금원소가 많을수록 A3온도는 감소한다. 따라서 AHSS는 좀더 낮은 온도에서 오스테나이트가 출현하므로 LME에 의한 균열이 보다 쉽게 발생한다. 두번째는 아연의 용융온도를 올리거나 용융아연량을 줄이기 위해 도금두께를 줄이는 방법인데 내식성 및 강판의 가공성과 밀접한 관계를 가지며, 아울러 도금 비용이 상승하는 문제로 쉽지는 않다. 마지막으로 외부 응력을 줄이는 것이지만, 용접부의 접합강도와 품질이 관련되어 쉽지 않다.
지금까지 공지된 기술의 대부분이 오스테나이트 출현 속도와, 응력을 저감하기 위하여 용접 전류 패턴을 제어하거나, 외부 응력을 줄이기 위하여 가압력을 조절하거마, 또는 내식성을 향상시킨 대신 도금층의 두께를 낮추어 용융금속의 량을 줄이고자 하였지만, 실질적으로 LME에 의한 미세균열을 충분히 억제하지 못하고 있다.
[선행기술문헌]
{특허문헌}
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 10-0722130호;
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허공보 10-0804943호;
(특허문헌 3) 일본 공개특허공보 2008-093726호;
(특허문헌 4) 대한민국 등록특허공보 10-1674772호;
(특허문헌 5) 대한민국 공개특허공보 2011-0071941호
{비특허문헌}
(비특허문헌 1)Coline Beal; INSA Lyon대 학위논문, “Mechanical behaviour of a new automotive high manganese TWIP steel in the presence of liquid zinc”
(비특허문헌 2)Zhang, H.-Senkara, J.: Resistance welding: Fundamentals and Applications, Taylor & Francis, New York, 2006
(비특허문헌 3)C. Jiang et al; Americal welding society, Liquid Metal Embrittlement in Resistance Spot Welds of AHSS Steels
본 발명의 일 측면은, AHSS 아연도금 강판의 용융금속 취성(LME)에 의한 미세 균열을 방지하기 위하여 프레스 성형 공정 중 용접부를 너겟크기 이상의 직경을 가진 압자로 프레스에서 압축하여 도금막을 파괴하거나 변형시킨 후, 점 용접함으로써 용접부에 크랙이 발생하지 않아 용접강도와 피로수명이 증가하는 장점을 가진 고강도강의 점 용접방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, AHSS 아연도금 강판의 용융금속 취성(LME)에 의한 미세 균열을 방지하기 위하여 프레스 성형 공정 중 용접부를 너겟크기 이상의 직경을 가진 압자를 이용하여 프레스로 압축하여 도금막을 파괴하거나 변형시킨 후, 용접하면 깨진 아연 도금층의 용용이 빨라지고, 용융아연의 배출이 촉진되어 용접부의 용융아연 잔류량이 매우 감소하게 되므로 용접부에 크랙이 발생하지 않아 용접강도와 피로수명이 증가하는 장점을 가진 첨단고강도강의 미세균열 방지 점 용접방법에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면은,
고강도 아연도금 강판을 준비하는 단계;
액체금속취성에 의한 점용접 균열을 방지할 수 있도록 상기 고강도 아연도금 강판의 점 용접될 부위에 압자를 이용하여 압축 변형을 가함으로써 강판의 아연도금층을 변형하거나 파괴하는 단계; 및
상기 아연도금층이 변형되거나 파괴된 압흔 부분을 점 용접하는 단계;를 포함하는 고강도 아연도금 강판의 점용접 방법에 관한 것이다.
상기 압자의 형태는 돔형, 구형 또는 모서리가 둥근 원통형이 바람직하지만, 용접할 부분에 압자로 압축 변형을 가하여 도금층을 파괴하거나 변형시키는 효과를 가진 압자이면 기하학적 형태는 제한하지 않는다.
상기 압축 변형 시, 압축 하중은 총 도금층의 두께의 1/2이상 두께 감소가 이뤄지는 압력으로 용접부를 압입할 수 있다.
상기 압축 변형 시, 압축 하중은 1톤 이상의 압축 하중으로 용접부를 압입할 수 있다.
상기 압자의 크기는 너겟의 크기와 같거나 너겟의 크기 보다 큰 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 아연도금 층의 개질이 프레스와 같은 기계적 압축 장비에 의해 이루어므로 용접 전류 제어나 도금층 성분 및 두께 제어 방법 보다, 생산성이 및 비용 절감효과가 현저하다.
또한 기존의 기가급 AHSS 아연도금강판에서 빈번하게 발생하는 LME에 의한 미세 균열을 억제함으로써 자동차 차체의 용접강도와 피로성능을 현저히 개선할 수 있으며, 기가급 AHSS 아연도금강판 적용 확대를 통하여 차체의 경량화를 극대화 시키고, 나아가, 차체의 안전성과 내구성을 현저히 향상시키는 이점이 있다.
도 1은 시중의 1200MPa급 AHSS 합금화 아연도금강판을 용접하였을 때 나타나는 대형 균열과 미세 균열을 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 용접부 압입 가공 방법의 일예를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 압자의 일예와 압입가공된 아연도금강판의 압흔을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 압입시 압축하중에 따른 압자의 변위와 아연도금 강판의 변형 후 압입된 두께변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 적용된 점 용접 싸이클을 나타낸 도면이다.
도 6은 기준 용접 방법에 따른 용접 단면 조직과 미세 균열 길이를 나타내는 사진이다.
도7은 본 발명 용접 방법에 따른 용접 단면 조직과 미세 균열 길이를 나타내는 사진이다.
본 발명자들은 기가급 강도를 갖는 AHSS 아연도금 강판을 점용접함에 있어서, 기존의 용접 방법보다 효과적으로 LME에 의한 미세 균열을 제거하기 위하여 용융금속을 쉽게 제거하는 방법을 강구 하던 중 압자를 이용한 아연도금층의 파괴 및/또는 변형이 용접 중 강 표면의 용융금속을 용이하게 제거하는 수단임을 밝혀내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면인 LME에 의한 점용접 균열 발생을 방지할 수 있는 첨단 고강도 아연도금 강판의 점 용접방법은, 점 용접될 아연도금강판 부위를 요구되는 너겟 크기 이상의 직경을 가진 압자를 이용하여 프레스 성형 공정 중 또는 용접 전 프레스 공정에서 1톤 이상의 압축하중을 가하여 아연도금강판의 도금층을 변형하거나 파괴한 후, 압흔 부분을 점용접 하는 것으로 이하 상세 조건에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명에서는 고강도 아연도금 강판을 준비한다.
본 발명에서는 상술한 고강도 아연도금강판의 구체적인 소지강판 종류 및 그 강 조성성분에 제한되지 않지만, 앞서와 같이 고강도 AHSS 아연도금강판을 이용할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 아연도금강판을 이루는 아연도금층의 조성, 두께 및 성상 등에 제한되지 않으며, 잘 알려진 일반적인 아연도금층을 형성한 고강도 아연도금강판을 제한없이 이용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서는, 액체금속취성에 의한 점용접 균열을 방지할 수 있도록 상기 고강도 아연도금 강판의 점 용접될 부위에 압자를 이용하여 압축 변형을 가함으로써 강판의 아연도금층을 변형하거나 파괴한다.
도 2는 본 발명의 용접부 압입 가공 방법의 일예를 나타낸 모식도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 용접 너겟부 크기이상의 단면을 가진 압자를 프레스 성형중이나 접 용접 전에 압자 당 1톤 이상의 압축하중을 가한다. 예를 들어, 요구하는 용접 강도를 얻기 위한 너겟부의 직경이 5√t(여기에서 t는 도금 소재의 두께)라하면 압자의 직경은 5√t 이상이면 된다.
압자의 반대면은 평판으로 하거나 면 대칭되게 할수 있지만 평평한 것이 바람직하다. 압자를 누른 반대편, 즉 평평한 부분은 압자의 변형에 의해 약간 볼록하게 되는데 이 부분을 접합되게 하는 것이 더 효과적이다. 도 3은 본 발명의 압자의 일예와 압입가공된 아연도금강판의 압흔을 나타낸 도면이다.
이와 같이, 프레스 공정에서 압자로 변형시키는 것이 LME에 효과적인 이유는 다음과 같다. 압자로 도금 층을 변형시키면 도금 층이 파괴되거나 변형된다. 아연의 융점은 약 450℃로 오스테나이트가 출현하는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 녹게 되는데, 변형 받거나 깨진 아연 도금층에는 저항이 증가하여 그렇지 않은 경우 보다 용융 속도가 빠르고 깨진 틈새의 공기 팽창도 이루어지므로, 저온에서 먼저 녹는 용융아연이 쉽게 용접부 밖으로 짜져서 나가게 된다. 즉, LME를 일으키는 3 요소중 용융금속이 거의 남아있지 않거나, 소량 잔류하므로 LME문제가 해결되는 것을 본 발명자들은 발견하였다.
본 발명에서 압자의 직경을 너겟부 이상으로 한 것은 너겟 부분만큼 융착이 일어나기 때문이다. 실제 제작된 압자의 일 예를 도 3에 나타내었다. 본 발명에서는 공구강(SKD-11)을 직경 8mm, 선단 평평부 직경 4mm의 탄환 형태로 가공하여 압자로 사용할 수 있다. 그리고 강판의 두께는 1.6mm, 너겟 직경을 7mm, 압자의 직경은 8mm, 선단부의 평평한 부분은 4mm로 할 수 있다.
본 발명에서 고강도 아연도금 강판의 점용접 중 LME에 의해 발생하는 미세 균열을 제거하기 위하여, 용융 아연의 량을 최소화 하기 위하여 도 3과 같은 압자로 도금층에 변형을 가함에 있어서 압자의 형태는 도 3과 같은 돔형, 구형 또는 모서리가 둥근 원통형이 바람직하지만, 원통형 또는 다각형이거나, 끝이 뾰족한 원뿔형 등 형태는 제한하지 않는다. 용접할 부분에 압자로 압축 변형을 가하여 도금층을 파괴하거나 변형시키는 목적이다.
그리고 압자의 크기는 요구되는 너겟의 크기와 같거나 보다 크게 하는 것이 바람직하며, 이는 압자의 직경이 너겟 직경보다 작을 경우 파괴되지 않은 도금층이 남아서 용융이 느리고 용융아연의 배출이 효과적이지 않기 때문이다.
또한 압축 하중은 1톤 이상이 바람직하나 압자의 형태에 따라 하중을 달리할수 있으며, 압축에 의해 총 도금층의 두께의 1/2이상 두께 감소가 이뤄지면 충분하다. 이는 50%의 변형량으로 본 발명의 압자로 보면 1.1톤에 해당한다. 압입량이 이보다 적으면, 변형이 충분하지 않아 도금층에 미세 크랙 형성량이 충분하지 않아 용접부의 용융아연 배출이 용이하지 않다.
도 4는 1.5톤으로 눌렀을 때 변형에 따른 응력 변화와 AHSS의 변형 후 압입된 두께변화를 나타내는 그림이다. 통상 상업용 프레스는 수백 톤에서 수천 톤의 압력을 가할 수 있기 때문에 용접 부위가 많다 하더라도 1톤 이상의 압력이면 표면 변형 압흔을 만드는데 문제 되지 않는다. 도 4의 분석에 따르면, 압자를 1.5톤의 압력으로 가압하였을 때 도금층은 완전히 파괴됨을 알 수 있다. 편측 도금층의 두께는 8㎛로 양면 도금층의 두께인 16㎛인 총 도금층의 두께보다 더 많은 소성변형이 일어났다. 시험에 사용된 강의 항복강도가 약 100kgf/mm2으로 압축 하중에 따른 변위의 변화를 통해서 볼 때 강의 소성변형은 거의 없고 도금층의 소성변형이 주로 일어나는 것을 알 수 있다.
이어, 본 발명에서는 상기 아연도금층이 변형되거나 파괴된 압흔 부분을 점 용접한다. 전술한 바와 같이, 아연의 융점은 약 450℃로 오스테나이트가 출현하는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 녹게 되는데, 변형 받거나 깨진 아연 도금층에는 저항이 증가하여 그렇지 않은 경우 보다 용융 속도가 빠르고 깨진 틈새의 공기 팽창도 이루어지므로, 저온에서 먼저 녹는 용융아연이 쉽게 용접부 밖으로 짜져서 나가게 된다. 즉, LME를 일으키는 3 요소중 용융금속이 거의 남아있지 않거나, 소량 잔류하므로 LME문제가 효과적으로 해결될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예 1)
본 발명의 효과를 검증하기 위하여 시중에 제조되는 두께 1.6mm의 1200MPa급 AHSS 합금화 아연도강판을 용접 대상으로 하였고, 편측 아연 도금층의 두께는 8㎛였다. 도 3와 같이 공구강(SKD-11)을 직경 8mm, 선단 평편부 직경 4mm의 탄환 형태로 가공하여 압자로 사용하였다. 용접부를 압자로 1.5톤의 압력으로 눌러서 압입 자국을 만든 다음 도 2의 약간 볼록하게 튀어나온 부분을 맞대고 점용접을 실시하였다. 점용접에 사용된 전극은 6mm 돔형 구리 전극을 사용하였다. 점용접 싸이클은 도 5에 나타낸 바와 같이 가압력을 6kN으로 하고 용접 전류는 날림이 발생하는 7.5kA보다 1kA 높은 8.5kA로 하였다. 이와 같이 용접 전류를 높인 이유는 과전류에서 LME 균열이 더 심하게 발생하기 때문이다. 통전시간은 통상의 조건(500ms)으로 하였다. 또한 LME발생을 보다 용이하게 하기 위하여 불균일한 외력과 외응력 집중 효과를 증대시키기 위하여 시편을 용접 전극으로부터 5°틀어서 용접하였다. LME에 의한 균열 발생정도를 비교하기 위하여 압입가공 없는 기존의 방법도 동일한 조건으로 점 용접을 실시하였다.
도 6은 기준 용접 방법에 따른 용접 단면 조직과 미세 균열 길이를 나타내는 사진이며, 도 7은 본 발명 용접 방법에 따른 용접 단면 조직과 미세 균열 길이를 나타내는 사진이다. 너겟이 강판방향에 대해 틀어진 것은 5°틀어서 용접하였기 때문으로 너겟의 크기나 모양은 차이가 없다. 그러나 LME에 의한 미세 균열에는 큰 차이를 보였다. E나 F부분과 같은 접합부 균열이 본 발명의 압입 가공시편에는 관찰 되지 않은 반면, 기존의 방법은 8~18㎛의 균열이 발생하였다. E나 F부분의 내부 미세 균열은 용접 강도는 물론 용접부 피로 수명에 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 자동차 부품은 용접으로 접합되어 있는 부분에 응력이 집중되기 때문이다.
또한, 기준 용접 방법 및 본 발명에 따른 용접 방법에서, 용접 어깨부분인 A, B, C, D에는 다수의 미세 균열이 관찰되었고, 미세 균열의 깊이는 다음 표 1과 같다.
위치 A (μm) B (μm) C (μm) D (μm) 균열 평균 깊이(μm) 표준편차
기존 22.4 74.7 55.9 17.7 48.9 27.5
본 발명 14.5 12.2 13.1 16.5 14.1 3.5
본 발명에서도 어깨부분 미세 균열은 완전히 제거하지는 못했지만, 기존의 방법의 평균 균열 깊이가 48.9㎛ 임에 비해 본 발명은 14.1㎛로 평균 균열 깊이를 1/3이하로 줄일 수 있었고 발생 개수도 절반 이하로 감소시킬 수 있었다. 본 발명의 용접 조건이 통상의 용접 조건보다 전류도 높고, 특히 5° 비틀어서 용접했기 때문에 외부응력이 크다. 따라서 본 발명의 조건으로 통상의 용접을 하면 LME에 의한 미세 균열은 충분히 억제가 가능하다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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.

Claims (5)

  1. 고강도 아연도금 강판을 준비하는 단계;
    액체금속취성에 의한 점용접 균열을 방지할 수 있도록 상기 고강도 아연도금 강판의 점 용접될 부위에 압자를 이용하여 압축 변형을 가함으로써 강판의 아연도금층을 변형하거나 파괴하는 단계; 및
    상기 아연도금층이 변형되거나 파괴된 압흔 부분을 점 용접하는 단계;를 포함하는 고강도 아연도금 강판의 점용접 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압자의 형태는 돔형, 구형 또는 모서리가 둥근 원통형인 것을 특징으로 하는 고강도 아연도금강판의 점용접 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압축 변형 시, 압축 하중은 총 도금층의 두께의 1/2이상 두께 감소가 이루어지는 압력으로 용접부를 압입하는 것을 특징으로 하는 고강도 아연도금강판의 점용접 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 압축 변형 시, 1톤 이상의 압축 하중으로 용접부를 압입하는 것을 특징으로 하는 고강도 아연도금강판의 점용접 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 압자의 크기는 너겟의 크기와 같거나 너겟의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 고강도 아연도금강판의 점용접 방법.
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