[논문]가공 전극 팁을 이용한 스테인레스 저항 용접 외판 변형 저감

허동운; 이세헌

가공 전극 팁을 이용한 스테인레스 저항 용접 외판 변형 저감
A Study on the Sheet Separation Reduction of Stainless Steel using Hollow Spot Electrode Tip for Resistance Spot Welding 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.20 no.6, 2011년, pp.679 - 684

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Recently, STS 301L joints of side panels to frames for stainless steel rolling stock have been made out by using existing welding methods including Resistance Spot Welding, Laser Welding and Arc Welding. Most of the processes were jointed by spot welding because it is faster at welding and comparatively less expensive for investment in welding facilities than other methods. During spot welding, however, indentation of the metal surface was made due to pressure and melting property of welding. Moreover, since the melting metal was forced to periphery of the plate as indentation was made, sheet separation, which cracked apart between jointed sheets, was carried out. A slight deformation which resulted from sheet separation deteriorated the emotional quality of railway vehicles. This paper suggests that by processing conventional spot electrode tip appropriately, melting metal is able to push up around the processed part (Hollow Spot Electrode Tip) and prevent from being dislodged from first place to periphery. Consequently, sheet separation is remarkably decreased. Also, the emotional quality of appearance of stainless steel rolling stock is enhanced considerably.

주제어

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문제 정의

이러한 현상에 의해 철도 차량 의 스폿 용접된 외판부는 변형이 생기게 되고, 그 결과 외관 미려도가 저하된다*). 본 논문에서는 외판 변형의 주 원인이 되는 sheet separation 현상을 방지하기 위해 전극 팁을 적절히가공하여 가공된 부분으로 용융 금속의 이동을 유도하여 외관 품질을 향상시켰다.

제안 방법

(2) 가공 전극 팁을 사용한 결과 sheet separation이 저감되었 고, Lobe curve 영역 도출을 통해 기존 전극 대비 용접 품 질의 차이가 없음을 확인하였다. 가공 전극팁 내구성 평가 와 품질 평가용 피로 시험을 통해 기존 전극 팁 대비 동등 또는 이상의 성능을 확인하였다.
구체적으로 03 가공 전극 팁의 외판 변형과 용접 품질은 어 떠한 특징을 나타내는지 확인하기 위해 Lobe curve를 도출해 보았다. 일반적으로 사용하고 있는 스폿 용접 대표 용접 이음(t2.
스폿 용접 시 발생하는 외판 변형을 저감시키기 위해 기존의 전극 팁 선단을 적절히 가공하여 용접 주변부로 밀려나가게 되는 용융금속을 팁 중앙부로 이동을 유도하여 문제를 해결하였 다. 또한 우려되는 문제점들은 다양한 실험을 통하여 그 효과를 검증, 확인하였다. 본 연구에서는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
스폿 용접 시 발생하는 외판 변형을 저감시키기 위해 기존의 전극 팁 선단을 적절히 가공하여 용접 주변부로 밀려나가게 되는 용융금속을 팁 중앙부로 이동을 유도하여 문제를 해결하였 다. 또한 우려되는 문제점들은 다양한 실험을 통하여 그 효과를 검증, 확인하였다.
8과 같이 기존 전극 팁과 비교 하였을 때 동등 혹은 이상의 성능이 확보되 었다6F. 이 결과를 통해 우려 되었던 품질 저하 를 입증, 검증하였다.
아래 Table 4, 5, 6은 가공 전극 팁을 이용하여 도출된 인장 전단강도, 너 깃 사이즈, sheet separation 결과 Lobe cuwve이다.저전류 영역인 6kA 이하 조건에서는 기준 용접 품질을 충족하 지 않았기 때문에 실험을 생략하였으며 기존 전극 팁과 동일한 용접 장비와 조건으로 실험하였다.
Table 3은 기존 전극으 로 용접했을 경우 정성적 판 분리 현상 발생 정도를 0〜3 Level 로 정량화 시켜 측정한 데이터이다. 판 분리 현상이 발생하지않은 결과는 Level 0, 판 분리 현상이 심한 결과는 Level 3으로 규정하였으며, Level 1을 초과하는 조건은 외판 변형에 영향을 미칠 것으로 판단하여 따로 구분하였다.
현장에서 제작되는 side block lea당 기존 전극 팁은 전극 팁 선단의 마모에 따른 용접품질의 저하가 발생하지 않는 400 타점 이하의 연속 용접 후 tip dressing을 실시한다. 따라서 가 공 전극 팁 역시 최소 400타점 이상 연속 용접했을 경우 기존 전극 팁과 비교해 동등 혹은 그 이상의 용접 품질이 확보되는지 검증해 볼 필요가 있다.

대상 데이터

따라서 가 공 전극 팁 역시 최소 400타점 이상 연속 용접했을 경우 기존 전극 팁과 비교해 동등 혹은 그 이상의 용접 품질이 확보되는지 검증해 볼 필요가 있다. 실험은 Lobe curve의 적정 용접 조건 인 전류 7.5kA, 용접 시간 35cycle, 가압력 7.65kN으로 1타점 부터 매 50타점 마다 인장 전단강도 시편 3ea, 너깃 사이즈 시 편 3ea씩 제작하여 측정하였다. 그 결과는 Fig.
외판 변형 최소화 및 용접품질을 최대화 할 수 있는 적정 가 공 전극 팁을 도출하기 위해 스테인레스 철도차량에서 주로 사용되는 STS 301L 소재를 사용하여 019 전극 중심을 가공(0 2, 03, 04, 05 가공, 가공 깊이 5mm)하여 실험하였다. 02의 경우 외판 변형의 원인인 압흔부 용융 금속을 가공 홀 부분 으로 충분히 유도하지 못하고 외판 변형 및 스패터가 발생하였 다.

성능/효과

(2) 가공 전극 팁을 사용한 결과 sheet separation이 저감되었 고, Lobe curve 영역 도출을 통해 기존 전극 대비 용접 품 질의 차이가 없음을 확인하였다. 가공 전극팁 내구성 평가 와 품질 평가용 피로 시험을 통해 기존 전극 팁 대비 동등 또는 이상의 성능을 확인하였다.
04, 05의 경우 가공 홀의 직경이 적정치를 초과하여 용 접 후 용융 금속의 홀 부분으로의 돌출로 인한 외판 함몰이 발 생하였고 용접품질은 기존 용접에 비해 저하되었다. 03 가공 전극 팁은 전극 마모 정도도 양호하고 외판 변형 저감 효과, 용접 품질 모두 우수한 결과를 나타내었다. 가공 직경 별 외판 변형 결과는 Fig.
반면, 가공 전극 팁의 경우 외판 변형이 저감되어 외관 품질 이 향상 되는 것을 확인하였다. 외관 품질은 측정자의 주관적인 판단에 의해 평가될 수 있기 때문에 변형의 정도를 좀 더 정량 화하여 판단할 필요가 있다.
대부분의 용접 전극은 전류 밀도, 용접면 형상 등의이유로 전극 선단이 R-type 또는 Dome-type이 주로 사용되는데 통전 시 용접부 중앙에서 처음 용융이 되고 외판 변형을 저 감시키기 위해선 처음 형성되는 너깃 용융 금속의 팽창력을 적 절히 상쇄시킬 수 있는 방법이 필요하다. 이를 위해 전극 선단 의 중앙에 홀을 가공하여 용융 금속의 팽창력을 상쇄시키고 밀 려나가는 금속을 가공 홀 부분으로 유도하였다⑷ 그 결과 Fig. 4 와 같이 가공 전극 팁을 이용하여 외판의 변형이 줄어든 것을 시편상으로 확인하였다.

참고문헌 (9)

Caiping, L., and Liu, X., 2009, "Strength Prediction of Sheet to Tube Single Sided Resistance Spot Welding," Material & Design, Vol. 30, No. 10, pp. 4328-4334.

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Trigwell, S., and Selvaduray, G., 2005, "Effects of Welding on the Passive Oxide Film of Electropolished 316L Stainless Steel," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 166, No. 1, pp. 30-43.

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Zhang, H., and Senkara, J., 2006, Resitance Spot Welding Fundamental and Applications, Taylor & Francis, Boca Raton, London, New York, pp. 41-189.
Jun, J., and Rhee, S., 2009, "A Study of Spot Welding Process to Reduce Spatter with the Hollow Tip," KWJS, Vol. 27, No. 4, pp. 44-48.
Kim, T., Cho, Y., and Rhee, S., 2000, "In-Process Time Quality Estimation Method during Resistance Spot Welding," KSAE Spring conference proceedings, No. 3, pp. 459-462.
Yu, H., Yang, S., and Kim, K., 2008, "Fatigue Life Analysis of Spot Weldment of Cold Rolled and High Strength Steel using FEM," Transaction of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 17, No. 5, pp. 58-63.
Vural, M., Akkus A., and Eryurek, B., 2006, "Effect on Welding Nugget Diameter on the Fatigue Strength of the Resistance Spot Welded Joints of Different Steel Sheets," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 176, pp. 127-132.

상세보기
Bae, D., and Son, I., 1999, "Evaluation of Fatigue Life and Fatigue Design of Spot Welded Lap Joint," KSAE conference proceedings, Vol. B, pp. 72-79.
Cha, B., and Na, S., 2003, "A Study on the Relationship between Welding Conditions and Residual Stress of Resistance Spot Welded 304-type Stainless Steels", Journal of Manufacturing Systems, Vol. 22, No. 3, pp. 181-189.

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