[논문]DC 인버터 저항 스폿 용접에서 후전류 효과에 관한 연구

이희준; 이세헌

DC 인버터 저항 스폿 용접에서 후전류 효과에 관한 연구
A Study of Post-current Effect in DC Inverter Resistance Spot Welding 원문보기

한국공작기계학회지 = Journal of the Korean society of machine tool engineers, v.18 no.6, 2009년, pp.598 - 603

Abstract ▼ AI-Helper

Resistance spot welding has been investigated to apply for manufacturing car bodies because of its high productivity. So quality of resistance spot weld is one of the major concerns for both automobile and aerospace industry. Current design trends in automotive manufacture have shifted emphasis to alternative lightweight materials in order to aid in producing vehicles with higher fuel efficiency and lower down the vehicle emission level for environmental control. There is increasing emphasis to provide lighter cars. Therefore there is an effort to use high strength steels such as HSLA, dual phase, in car body. However there is used in restricted because of difficulty in producing consistently high quality resistance spot welds. In this study, resistance spot welding schedules were developed to achieve acceptable welds with improved static mechanical properties. Improved resistance spot welding schedules were developed using post heating current to reduce the cooling rate, or in-process tempering to reduce the hardness of the weld produced. The effects of resistance spot welding process parameter on hardening fracture mode and static mechanical properties of the joints were determined.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이는 용접부에 템퍼링(tempering) 이나 어닐링 (annealing) 같은 효과를 주게 된다. 본 연구에서는 0.7t GA 강과 1.4t DP 강에서의 후전류의 변화에 따른 용접성을 연구하였다.
기존의 용접 공정으로는 용접 강도를 만족시키기 어렵기 때문에 적정 용접 조건을 도출하기는 어려웠다. 본 연구에서는 스폿 용접 공정에 후전류를 통전하여 신강종들의 용접성을 향상시키는 연구를 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 저항 스폿 용접 공정 스케쥴의 변화에 따른 용접성을 연구하였다. 제안한 용접 공정 스케쥴은 후전류 (post-current) 를 흘려주어 발생된 열로 용접부의 냉각 속도 에 변화를 준다.
따라서 열영향부 (heat affected zone) 에서는 결함이 발생하거나 취성 조직이 생성된다. 본 연구에서는 후전류를 이용하여 용접 후 냉각 속도에 변화를 주어 이러한 요인을 제거하고자 한다.

제안 방법

(1) 기존의 저항 스폿 용접 공정 사이클을 세분화하여 후전류를 줄 수 있는 DC 인버터를 개발하여 DSP 통해 통전 전류를 제어하였다.
7t GA 강의 용접 조건은 아래의 Table 1과 같다. 가압 력을 250kgf로, 주전류와 통전시간은 I2와 T2로 9kA, 75ms로 고정하여 실험하였다.
실험 2번과 4번은 후전류의 크기와 시간은 같지만 주전류와 후전류 사이의 휴지 시간이 다른 경우이며, 실험 3번과 5번도 후전류의 크기와 시간은 같지만 역시 주전류와 후전류 사이의 휴지 시간이 다른 경우를 보여주고 있다. 각 실험 조건으로 용접하여 용접부의 강도와 경도를 측정하여 비교하였다.
7t GA 강과 같이 실험 2번과 4번은 후전류의 크기와 시간은 같지만 주전류와 후전류 사이의 휴지 시간이 다른 경우이며, 실험 3번과 5번도 후전류의 크기와 시간은 같지만 역시 주전류와 후전류 사이의 휴지 시간이 다른 경우를 보여주고 있다. 각 실험 조건으로 용접하여 용접성을 비교하였다.
용접 가압력은 250kgf로 고정하였다. 본 연구에서는 후전류의 영향을 보기 위해서 후전류의 통전 시간과 전류만을 변화시켰으며, 전전류와 주전류의 조건은 실험 1번과 같이 7kA, 180ms로 하였다.
실험 1 번은 전전류와 주전류만 있어 기존의 용접 공정과 같으며 후전류를 포함한 다른 실험 조건과 비교를 하였다. 실험 2번과 4번은 후전류의 크기와 시간은 같지만 주전류와 후전류 사이의 휴지 시간이 다른 경우이며, 실험 3번과 5번도 후전류의 크기와 시간은 같지만 역시 주전류와 후전류 사이의 휴지 시간이 다른 경우를 보여주고 있다.
용접된 시편은 만능시험기를 이용하여 전단 인장 강도를 측정하였으며, 비커스 경도계를 이용하여 경도를 측정하였다.
위의 결과를 확인하기 위하여 용접부 너깃의 경도를 측정하였다. 아래의 Fig.
이는 휴지 시간이 어느 일정한 값을 초과하지 말아야 함을 알 수 있었다. 이런 현상의 원인을 살펴보기 위하여 용접부 너깃의 경도를 측정하였다. 아래의 Fig.
3은 자체 제작된 제어기와 조립된 용접기의 사진이다. 자체 제작된 용접기는 전류와 가압력을 PC 프로그램으로 사용자가 자유롭게 조절 가능하도록 하였다.
전류의 계측은 DC 로고스키코일을 이용하였고, 전압은 전극의 끝단에서 측정하였다. 측정된 전압과 전류를 이용하여 동저항을 계측하였다.
본 연구에서는 저항 스폿 용접 공정 스케쥴의 변화에 따른 용접성을 연구하였다. 제안한 용접 공정 스케쥴은 후전류 (post-current) 를 흘려주어 발생된 열로 용접부의 냉각 속도 에 변화를 준다. 이는 용접부에 템퍼링(tempering) 이나 어닐링 (annealing) 같은 효과를 주게 된다.
전류의 계측은 DC 로고스키코일을 이용하였고, 전압은 전극의 끝단에서 측정하였다. 측정된 전압과 전류를 이용하여 동저항을 계측하였다.

대상 데이터

5~2mm 정도가 일반적으로 사용된다. 본 연구에서는 자동차용 강재로 사용되는 0.7t GA 강과 1.4t DP 강판을 사용하였다. 인장 전단 강도 평가를 위한 용접 시험편은 길이 75mm, 폭 20mm 로 절단하여 두 판재를 20mm 겹쳐서 실험하였다.
4t DP 강판을 사용하였다. 인장 전단 강도 평가를 위한 용접 시험편은 길이 75mm, 폭 20mm 로 절단하여 두 판재를 20mm 겹쳐서 실험하였다. 아래의 Fig.

성능/효과

(2) 적절한 후전류는 용접 열영향부에 대한 템퍼링효과에 의하여 결함을 발생시킬 확률을 저감시키며, 열영향부의 취성화를 방지하여 용접 강도가 향상되는 결과를 얻었다. 강종에 따라 적절한 후전류를 통전함으로써 GA 강은 약 3%정도의 인장 강도가 향상이 되었고, DP 강은 약 30%정도의 인장 강도 향상을 가져왔다.
(3) 경도의 변화가 급격한 경우에는 인장 강도가 낮아지는 현상을 보여주고 있다. 후전류를 통전하여 용접하면 용 접부 경도의 변화가 완만하게 되어 인장 강도가 향상되었다.
(2) 적절한 후전류는 용접 열영향부에 대한 템퍼링효과에 의하여 결함을 발생시킬 확률을 저감시키며, 열영향부의 취성화를 방지하여 용접 강도가 향상되는 결과를 얻었다. 강종에 따라 적절한 후전류를 통전함으로써 GA 강은 약 3%정도의 인장 강도가 향상이 되었고, DP 강은 약 30%정도의 인장 강도 향상을 가져왔다. 제안된 용접 공정 스케쥴로 용접을 하면 용접부의 너깃은 커지고, 인장 강도는 향상되었다.
본 연구에서 제안된 용접 공정 스케쥴을 이용하면, 고장력 강(HSS) 이나 초고장력강(AHSS) 강일수록 기존의 용접보다 더 좋은 용접 강도를 얻을 수 있었다. 새로운 초고장력강은 기존 용접 공정 스케쥴이 아닌 본 연구에서 제안된 용접 공정 스케쥴을 필요하는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서 제안된 용접 공정 스케쥴을 이용하면, 고장력 강(HSS) 이나 초고장력강(AHSS) 강일수록 기존의 용접보다 더 좋은 용접 강도를 얻을 수 있었다. 새로운 초고장력강은 기존 용접 공정 스케쥴이 아닌 본 연구에서 제안된 용접 공정 스케쥴을 필요하는 것을 알 수 있었다.
후전류를 통전하여 얻은 강도가 기존 강도보다 평균적으로 27%, 최대 35% 정도 증가함을 알 수가 있었다. 실험 조건 2, 4와 3, 5번을 보면 휴지 시간이 짧으면 큰 후전류를, 휴지 시간이 길면 작은 후전류에서 용접성이 향상되는 것을 보여주었다. GA 강과 다른 경향을 보여주는 것은 강재에 따라 후전류의 적정 조건도 달라짐을 알 수 있었다.
강종에 따라 적절한 후전류를 통전함으로써 GA 강은 약 3%정도의 인장 강도가 향상이 되었고, DP 강은 약 30%정도의 인장 강도 향상을 가져왔다. 제안된 용접 공정 스케쥴로 용접을 하면 용접부의 너깃은 커지고, 인장 강도는 향상되었다.
8%와 최대 6%의 인장 강도가 향상되었다. 특히 25ms 의 휴지 시간을 주고 4kA 로 22ms 의 전류를 주었을 때 가장 강도가 향상되었다. 동일한 후전류를 통전하고, 휴지시간이 25ms인 경우가 50ms인 경우에 비하여 오히려 인장 강도가 높게 나타남을 알 수 있었다.
초고장력강이거나 후판일수록 후전 류를 통전하면 강도가 높아지는 경향을 보인다. 후전류를 통전하여 얻은 강도가 기존 강도보다 평균적으로 27%, 최대 35% 정도 증가함을 알 수가 있었다. 실험 조건 2, 4와 3, 5번을 보면 휴지 시간이 짧으면 큰 후전류를, 휴지 시간이 길면 작은 후전류에서 용접성이 향상되는 것을 보여주었다.
후전류를 흘려주면 후전류가 없을 때보다 평균적으로 2.8%와 최대 6%의 인장 강도가 향상되었다. 특히 25ms 의 휴지 시간을 주고 4kA 로 22ms 의 전류를 주었을 때 가장 강도가 향상되었다.
너깃의 크기가 작은 것은 인장 강도가 작을 수밖에 없다. 후판 재료에서는 후전류를 통전하여 너깃도 커짐으로써 강도를 향상시키는 효과가 있음을 보여주고 있다. 또한 대부분의 파단은 용접 열영향부에서 발생된다.

참고문헌 (11)

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Gedeon, S. A., Schrock, D., Lapointe, J., and Eagar, T. W., 1984, "Metallurgical and process Variables Affecting the Resistance Spot Weldability of Galvanized Sheet Steels," SAE Technical Paper 840113.
Gedeon, S. A. and Eager, T. W., 1986, "Resistance Spot Welding of Galvanized Steel : Part I. Material Variations and Process Modifications," Metallurgical Transactions B, 17B, pp. 879-885.
Min, J. K., Oh, Y. K., and Kim, G. S., 1996, "A Study on the Spot Weldability of Automotive Steel Sheets," Journal of KWS, Vol. 14, No. 3, pp. 41-47 (in Korean).
Kim, S. P., Hong, T. M., and Chang, H. S., 1994, "A Study on the Resistance Spot Welding of Aluminium Alloy(I)," Journal of KWS, Vol. 12, No. 4, pp. 127-140 (in Korean).
Son, B. C., Woo, S. Y., J. B. Lee, Y. B. Choi, and H. S. Chang, 1997, "A Study on Resistance Spot Welding of Dissimilar Sheet Metals(Aluminium Alloy- Steel Sheets)," Journal of KWS, Vol. 15, No. 4, pp. 42-62 (in Korean).
Park, J. C., Jung, W. W., and Kang, S. S., 1999, "A Study on the Weldability and the Fatigue Characteristics in Resistance Spot Welding of 5128-O/6061-T6 Dissimilar Aluminium Alloy Sheets," Journal of KWS, Vol. 17, No. 2, pp. 44-52 (in Korean)
Park, H., Kim, T., and Rhee, S., 2003, "Optimization of Welding Parameters for Resistance Spot Welding of TRIP Steel using Response Surface Methodology," Journal of KWS, Vol. 21, No. 2, pp. 76-81 (in Korean).
Kim, E. W. and Eager, T. W., 1998, "Parametric Analysis of Resistance Spot Welding Love Curve," SAE Technical Paper 880278.
Calva, M. and Eager, W., 1990, "Enhancement of the Weldability in Resistance Spot Welding," Sheet Metal Welding Conference IV, Southfield. Mich.
Kim, T. H., Lee, D. O., and Rhee, S., 2005, "Development of Resistance Spot Weldability Estimation Using Lobe Diagram for Steel Plate of Automobiles," Journal of KWS, Vol. 23, No. 4, pp. 369-375 (in Korean).

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