[논문]용융아연도금 강판 저항 점 용접 시 정전류 및 적응제어 적용에 따른 연속타점 특성 평가 및 고찰

서정철; 최일동; 손홍래; 지창욱; 김치호; 서성부; 서진석; 박영도

doi:10.5781/jwj.2015.33.2.47

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With using adaptive control of the resistance spot welding machine, the advantage on electrode life time for galvanized steels has been addressed. This study was aimed to evaluate the electrode life time of galvanized steels with applying the constant current control and the adaptive control resista...

With using adaptive control of the resistance spot welding machine, the advantage on electrode life time for galvanized steels has been addressed. This study was aimed to evaluate the electrode life time of galvanized steels with applying the constant current control and the adaptive control resistance spot welding process for a comparison purpose. The growth in diameter of electrode face was similar for both the constant current and the adaptive control up to 2000 welds. The button diameter was decreased with weld numbers, however, sudden increase in button diameter with use of the adaptive control after 1500 welds was observed. The peak load was continuously decreased with increasing number of welds for both the constant current and the adaptive control. The current compensation during a weld was observed with using the adaptive control after 1800 welds since the ${\beta}$-peak on dynamic resistance curve was detected at later weld time. The current compensation with adaptive control during resistance spot welding enhanced the nugget diameter at the faying interface of steel sheets and improved the penetration to thinner steel sheet.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 정전류 및 적응제어 방식의 적용에 따른 저항 점용접 전극의 연속타점 수명 비교평가 및 원인 분석을 실시하였다. 특히 용융아연도금 이종강판 조합에서의 연속타점 수에 따른 전단인장강도 및 버튼 파단 시험을 실시하여 연속타점 수명을 확인하였으며, 적응제어 적용에 따른 연속타점 시 변화하는 동저항 거동과 함께 전류 제어 보상 원리를 고찰하였다.

가설 설정

3은 정전류 제어와 적응제어를 각각 적용했을 때의 연속타점 수에 따른 전극 선단 직경 변화이다. 정전류 제어와 적응제어 두 조건에서 연속 2000타점까지의 전극 선단 직경 성장에는 큰 차이가 없었다. 두 방식 모두 약 1200타점 까지 지속적인 전극의 성장이 발생하는 Primary 영역과 이후 전극성장의 구배가 완만한 Secondary 영역으로 구분이 가능하다.

제안 방법

강판조합의 연속타점 수명평가를 위해 1타점 이후 100타점 간격으로 전단인장강도 시험 및 버튼 파단 변화 시험을 실시하였으며, 각 시험편은 길이 100 mm, 폭 40mm의 동일한 규격으로 절단하여 사용하였다. Fig.
Boo¹¹⁾ 등은 연속타점이 진행 될 때 전극 선단 직경이 증가하는 현상에 의해 전류밀도는 낮아지게 되며, 동일한 조건에서 계속된 용접 시 전류밀도의 감소는 용융부의 발열량 감소와 밀접한 관계가 있다고 보고한 바 있다. 본 연구는 MFDC 용접 시스템을 바탕으로 적응제어의 적용 유무에 따른 연속타점 결과를 비교 고찰하는 것이 목적이므로, 각기 다른 두 조건에서 연속적으로 2000 타점까지의 전극 선단 직경 변화 경향을 관찰하였다. 적응제어를 적용한 경우 2000타점에서 연속 용접 1000 타점을 추가 실시하여 적응제어 적용에 따른 특성 변화를 추가적으로 관찰하였다.
전극 선단 직경의 변화를 Carbon paper를 이용하여 100타점 간격마다 관찰하기 위해 전극 선단부의 드레싱과 전극 교체 작업은 제외되었다. 실험 종료 후 연속타점 수에 따른 너깃 형성 거동을 비교 분석하기 위해 용접부 단면을 버튼의 수직방향으로 절단한 후 마운팅하여 연마하고, picric acid 용액에서 수초간 에칭으로 용접부의 너깃 형상을 실체현미경과 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
지그에 고정된 강판을 연속 점용접 할 시, 이미 용접된 곳으로 부가된 전류의 일부분이 유실되므로 용접품질이 저하되는 shunt effect를 고려하여 25 mm 간격을 고려하였다¹²⁾. 위와 같은 반복 작업으로 한 강판 조합에 100타점씩 점용접 하게 되며, 전극의 과도한 열화를 고려하여 5타점마다 3초, 25타점마다 10초씩 휴지시간을 각각 설정하였다. 연속타점 기준은 AWS D 8.
따라서 본 연구에서는 정전류 및 적응제어 방식의 적용에 따른 저항 점용접 전극의 연속타점 수명 비교평가 및 원인 분석을 실시하였다. 특히 용융아연도금 이종강판 조합에서의 연속타점 수에 따른 전단인장강도 및 버튼 파단 시험을 실시하여 연속타점 수명을 확인하였으며, 적응제어 적용에 따른 연속타점 시 변화하는 동저항 거동과 함께 전류 제어 보상 원리를 고찰하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 강판은 약 340 MPa급의 인장강 도를 만족하고 1.4 mm 두께의 용융아연도금강판 (SGARC 340E)과 약 270 MPa급의 인장강도를 만 족하는 0.7 mm 두께의 용융아연도금 강판(SGACUD P60/60)을 사용하였다. 정전류 제어의 MFDC 용접 시스템을 바탕으로 적응제어 시스템 적용 유무에 따른 결과를 비교 고찰하기 위해 용접기는 동일하게 서보건 (Sevro-gun-HX200-Hi4a) 용접기를 사용하였다.
7 mm 두께의 용융아연도금 강판(SGACUD P60/60)을 사용하였다. 정전류 제어의 MFDC 용접 시스템을 바탕으로 적응제어 시스템 적용 유무에 따른 결과를 비교 고찰하기 위해 용접기는 동일하게 서보건 (Sevro-gun-HX200-Hi4a) 용접기를 사용하였다. 냉각수의 공급은 9.

이론/모형

위와 같은 반복 작업으로 한 강판 조합에 100타점씩 점용접 하게 되며, 전극의 과도한 열화를 고려하여 5타점마다 3초, 25타점마다 10초씩 휴지시간을 각각 설정하였다. 연속타점 기준은 AWS D 8.9 규격을 적용하여 실시하였다. 전류조건은 중간날림이나 융착이 발생하는 전류보다 200 A 낮은 조건으로 8.

성능/효과

1) 정전류 제어와 적응제어 두 조건에서 연속타점 수에 따른 전극 선단 직경의 성장에 큰 차이가 없었다. 각 조건에서 동일하게 1200타점까지 급격한 전극 선단 직경이 성장한 Primary 구간과 이 후 타점부터 전극 선단 직경이 균일한 Secondary 구간이 관찰되었다.
2) 정전류 제어와 적응제어 모두 연속타점 수에 따른 버튼 직경의 감소가 1500타점까지 지속적으로 발생한다. 적응제어의 경우 버튼직경이 1600타점까지 감소되었다가 2400타점까지 오히려 증가한 이후 다시 감소하는 현상이 관찰 되며, 이러한 결과는 적응제어 적용에 따른 전류 세기 보상 영향으로 사료된다.
3) 연속타점 수에 따른 전단인장 강도의 감소가 정전류 제어의 경우, 최종 2000타점까지 지속적으로 발생 하나 적응제어에서는 1500타점 부근까지 전단인장강도의 감소가 후 3000타점까지 3.0 kN 보다 높거나 낮은 불규칙적 거동을 보인다. 이는 점용접부 버튼직경의 변화 거동과 거의 일치하고 있으므로 앞서 버튼직경과 전단인장강도의 상관관계가 유효한 것으로 사료된다.
4) 적응제어의 경우 연속타점 과정에서 용접시간에 따른 β-peak의 위치 차이에 따라 전류 제어 보상 이 적용 되었으며, 동저항 거동 차이에 따른 보상으로 1800 타점 수에서 전류 세기 상승이 발생하였다.
5) 점용접부 단면의 최대 너겟직경이 정전류 제어 및 적응제어에서 유사하다고 하여도 계면에서의 유효너겟 직경의 차이는 분명히 존재하며, 이는 적응제어의 적용에 따른 전류 보상 결과로 계면에서의 하부판재 방향으로의 용입이 향상 되었으며, 최종적으로 점용접부 버튼 직경 및 전단인장 강도 상승의 주원인으로 판단된다.
2) 정전류 제어와 적응제어 모두 연속타점 수에 따른 버튼 직경의 감소가 1500타점까지 지속적으로 발생한다. 적응제어의 경우 버튼직경이 1600타점까지 감소되었다가 2400타점까지 오히려 증가한 이후 다시 감소하는 현상이 관찰 되며, 이러한 결과는 적응제어 적용에 따른 전류 세기 보상 영향으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 차체 부문에 아연도금강판의 사용이 증가되는 이유는?	최근까지 자동차 차체의 내식성과 내마모성 등의 향상을 위해 강판표면에 표면처리를 실시한 아연도금강판의 사용이 증가하고 있다1). 그러나 자동차 차체 조립 공정의 대부분에 적용되는 저항 점용접 시 아연도금강 판의 적용은 비도금 강판과의 가용용접전류 및 용접 전 극의 마모 등에 차이가 존재하는 것으로 알려져 있다2).
	아연 도금층의 존재로 인해 높은 전류조건의 사용이 적용될 때 생기는 문제는?	아연도금강판의 경우 아연 도금층의 존재로 인한 용접 전류 밀도의 하락 및 전기전도도의 향상으로 비도금강판 대비 발열량이 부족하게 되어 비교적 높은 전류조건의 사용이 적용 되고 있다. 이러한 높은 용접 전류로 인한 전극의 열화 그리고 도금층 표면과 전극의 합금화 현상은 저항 점용접에서 전극의 수명을 단축시키는 원인으로 작용한다3-7).
	적응제어 방식의 장점은 무엇인가?	Lee 등은 연속타점 수명을 연장하기 위해 기존의 정전류 (Constant Current) 제어로 설정된 일정량의 전력을 공급하기만 하는 MFDC (Median Frequency DC)용접 시스템 대신 적응제어 용접 시스템을 제안한 바 있다10). 정전류 제어 방식과 달리 적응제어 방식은 용접 작업시의 용융량의 상태, 전극의 가압, 표면 상태 등에 따른 동저항 변화 패턴을 기억하고 이후 진행되는 용접에 대하여 정상 동저항 패턴과의 차이를 감지 이를 용접전류와 시간으로 보상하므로 고품질의 용접성을 보장하는 것으로 알려져 있다 11). 정전류 제어 방식의 경우 용접공정 조건이 과입열로 설정 된 경우 용접품질의 보장이 어렵고 전극의 열화가 매우 빠르게 발생 할 가능성이 높은 반면 적응제어 방식은 동저항 거동에 따른 적절한 전류 및 시간 제어에 따라 과다 입열의 가능성이 낮은 것으로 알려져 있다.

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