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문제 정의
- 본 연구는 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재의 이종금속판재간의 전기저항 이중스폿용접 특성을 파악하기 위하여 가열금형을 사용하는 전기저항 이중스폿용접기를 이용하여 이중스폿용접된 시편결과를 필테스트에 의하여 용접가능 전류조건을 파악하고 인장전단실험을 통하여 용접강도를 측정하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구는 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재의이종금속판재로 구성된 이중복합판재의 프레스 드로잉가공과 동시에 전기저항 스폿용접을 수행 할 수 있는 새로운 공정을 산업체에 적용하기 위한 기초 연구로 수행되었다.
- 본 연구의 목적은 이러한 드로잉금형 구조내에서 스폿용접의 용접강도의 문제를 해결하기 위하여 강철금속판재와 알루미늄 금속판재를 가열금형과 구리전극으로 스폿용접할 때 그 용접특성을 파악할 필요가 있다.
제안 방법
- Table 1 은 실험에 사용된 가열금형과 구리전극의 제원을 나타내고 있으며 상부의 강철 금속판재와 접촉하는 가열금형의 내경이 6mm, 외경이 12mm일 때 그리고 하부의 알루미늄 금속판재와 접촉하는 가열금형의 내경이 6mm, 외경이 14mm 로 한 상태에서 전류조건 변화에 따른 이중스폿용접의 용접성능실험을 하였다.
- 가열금형에 의한 이중스폿용접용 실험장비는 기본적으로 Fig. 4와 같은 AC 전류를 사용하는 스폿용접기를 개조하여 사용하였다. 기존의 전극부분을 교체하여 자체 설계제작된 가열금형에 삽입된 구리전극을 장착하여 사용하였다[9].
- 4와 같은 AC 전류를 사용하는 스폿용접기를 개조하여 사용하였다. 기존의 전극부분을 교체하여 자체 설계제작된 가열금형에 삽입된 구리전극을 장착하여 사용하였다[9].
- 선행실험을 바탕으로 얻은 용접전류의 세기범위를 이용하여 가열금형을 사용하는 이중스폿용접의 용접강도의 효과를 분석하였다. 두 금속판재의 종류에 따라 가열금형과 각 금속판재의 접촉면적을 다르게 하여 각각의 금속판재의 용접부에 공급되는 열량에 차이를 두면서 가열금형과 구리전극에 가해지는 전류의 크기를 변화하여 용접가능한 전류 범위를 찾았다.
- 산업체에 적용하기 위한 스폿용접강도를 만족하는 지를 판단하기 위해서 KSB ISO 18595의 식 (1)의 최소 용접전단강도와 비교하였다.
- 상기 목적에 따라 철계 드로잉금형에 구리전극을 삽입하고 전류공급에 의해 드로잉금형을 가열하여 이종금속판재를 드로잉가공한 다음 전기저항 스폿용접을 통하여 이종금속판재로 된 드로잉 제품을 가공하고자 한다.
- 선행실험을 바탕으로 얻은 용접전류의 세기범위를 이용하여 가열금형을 사용하는 이중스폿용접의 용접강도의 효과를 분석하였다.
- 실험에 사용되는 두 종류의 이중스폿용접 변수인 가열금형과 구리전극에 가해지는 용접전류(welding current)와 가열금형의 외경(ring O.D.)의 크기의 두 용접변수에 따라 이중스폿용접실험을 통해 용접가능 조건을 정하였다.
- 용접가능 적합 전류조건 실험은 이중스폿용접실험 후 필(peel) 테스트를 통하여 버튼 너겟(button nugget)의 발생유무와 용접부표면의 외관 상태를 보고 전류의 범위와 가압력을 정하였다.
- 이 때 가열금형에 삽입되는 구리전극의 직경은 각각 6mm로 같게 하고 구리전극과 각각의 소재와 접촉하는 구리전극의 선단모양은 평면형(flat edge)로 하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 용접용 금속판재는 일반 SPCE 2010 압연강과 알루미늄 5052합금 소재를 사용하였다. 실험소재에 사용되는 금속판재의 두께는 모두 1.0mm를 사용하였다.
- 실험에 사용된 용접용 금속판재는 일반 SPCE 2010 압연강과 알루미늄 5052합금 소재를 사용하였다. 실험소재에 사용되는 금속판재의 두께는 모두 1.
성능/효과
- (1) 가열금형에 통전된 전류에 의하여 전기저항으로 발열된 철계 가열금형이 각각의 금속판재표면과 접촉하는 면적과 가열금형재질의 차이로 인하여 중첩된 금속판재의 양면에 각각 다른 전도열을 공급하여 용융점이 다른 이종금속판재에 각각 필요한 열량공급을 다르게 공급하게 되면 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재의 이종금속판재간의 접촉면에서 각각의 용융온도에 근접하는 온도를 유지하여 비교적 넓은 접촉영역에서 용융용접(fusion welding)이 발생함을 알 수 있었다.
- (2) 강철 금속판재와 접촉하는 연강으로 된 가열금형의 내경은 6mm, 외경은 12mm, 알루미늄 금속판재와 접촉하는 동종의 가열금형의 내경은 6mm, 외경은 14mm로 하여 각각의 이종금속판재와 접촉하는 면적에 차이를 둔 상태에서, 가열금형에 공급하는 1차 전류의 크기를 11kA, 통전시간 9cycle로 하여 이종금속판재를 각각 다른 온도로 예비가열하고, 이어서 가열금형과 구리전극에 전류 11kA 통전시간 60cycle의 2차전류와, 전류 7kA 통전시간 60cycle의 3차 전류를 연속적으로 공급할 때 이종금속판재간의 전기저항 이중스폿용접이 가능하였음을 확인할 수 있었고 이 조건하에 세 그룹의 연속타점 이중스폿용접 실험을 수행하여 규격에서 요구하는 용접강도와 용접부에서의 현미경 단면사진을 얻을 수 있었다.
- (3) 연속타점으로 실험한 결과 무드레싱 연속타점의 수가 10 회 이하인 경우는 3 그룹의 A,B,C 연속타점 시편 몇 개를 제외하고 거의 모두에서 최소 용접전단강도를 만족하고 있으나 연속타점이 10 회를 넘어가면서 용접강도가 작게 나왔다. 따라서 냉각을 고려하지 않은 실험임을 고려할 때 향후 냉각효과를 추가하게 되면 최소 용접전단강도를 만족하는 연속타점의 수가 많아질 수 있음을 알 수 있었다.
- (4) 1 차전류 11kA(9cycle), 2 차전류 11kA(60cycle), 3차전류 7kA(60cycle) 의 전류공급을 3 차 연속적으로 반복하는 용접가능 전류조건에서 얻어진 연속타점 10 회 이하의 경우에서의 용접강도를 살펴보면 몇 개의 시편을 제외하고 세 그룹 실험 거의 모두에서 KS B ISO 18595 규격에서 요구하는 최소 용접전단강도를 초과하고 있음을 알 수 있었다.
- (5) 용접된 시편의 표면외관의 압흔 흔적은 양호하였고 용접부 금속현미경 단면사진을 통하여 용접계면상에 뚜렷한 균열은 관찰되지 않았다. 그리고 실험그룹 C의 너겟형상을 보면 알루미늄 금속판재로부터 떨어져 나온 너겟이 평균직경 5.
- 가열금형과 구리전극에 가해지는 가압력 2500N 하에서 전류의 크기는 같게 하고 이중스폿용접부에 1 타점당 3회의 전류를 연속적으로 공급하는 것을 1 타점으로 하고 1차 11kA (9cycle), 2차 11 kA(60cycle), 3차 7 kA(60cycle)의 전류를 연속적으로 공급할 때 가열금형을 사용하는 전기저항 이중스폿용접방법에 의한 이종금속판재간의 전기저항 스폿용접이 가능함을 알 수 있었다.
- 그러나 인장시험결과 용접강도의 크기가 평균 2750N으로서 산업체에서 요구하는 상기 식(1)에서 알루미늄과 강철 금속판재의 두께 t = 1mm이고, d 는 측정된 알루미늄 너겟 평균직경인 5.12mm, 여기서 Rm은 알루미늄 5052의 최대인장강도인193MPa을 적용하여 계산한 알루미늄 최소 용접 전단강도인 2570N과 비교하여 A2 용접시편의 용접강도 2503N을 제외하고 다른 시편은 최소 전단강도값을 만족하였다.
- (5) 용접된 시편의 표면외관의 압흔 흔적은 양호하였고 용접부 금속현미경 단면사진을 통하여 용접계면상에 뚜렷한 균열은 관찰되지 않았다. 그리고 실험그룹 C의 너겟형상을 보면 알루미늄 금속판재로부터 떨어져 나온 너겟이 평균직경 5.12mm의 크기로 형성되어 강철 금속판재에 융착되어 있는 것을 관찰할 수 있었으며 규격에서 요구하는 최소 너겟크기(5√t)를 만족하는 것을 알 수 있었다.
- 그리고 인장시험결과 용접강도의 크기가 C3 시편의 용접강도 2241N은 최소 용접전단강도를 만족하지 못하나 평균 3047N으로서 산업체에서 요구하는 알루미늄 스폿용접의 최소전단강도인 2570N을 초과하는 이중스폿 용접강도를 얻을 수 있었다.
- 그리고 인장시험결과 용접강도의 크기가 평균 2457N으로서 산업체에서 요구하는 알루미늄 스폿용접의 최소 용접전단강도인 2570N에 근접하는 이중스폿 용접강도를 얻을 수 있었다.
- 다만 연속타점 초반 10 회중 B2, B3 시편의 용접 강도가 최소용접강도 2570N에 미치지 못하나 10회의 평균용접강도 2919N는 최소 용접전단강도를 만족함을 알 수 있다.
- 두께 t =1.0mm 일 때 규격에서 요구하는 최소 용접전단강도(minimum shear strength)인 Ps =2,570N을기준으로 비교하면 연속타점 A그룹은 총7회(sequence number)중 1회를 제외한 6개의 시편이 최소 용접전단강도를 만족하였고, 연속타점 B그룹 실험에서는33회의 시편중 10개의 시편이 용접전단강도를 만족하고 있음을 알 수 있다.
- (3) 연속타점으로 실험한 결과 무드레싱 연속타점의 수가 10 회 이하인 경우는 3 그룹의 A,B,C 연속타점 시편 몇 개를 제외하고 거의 모두에서 최소 용접전단강도를 만족하고 있으나 연속타점이 10 회를 넘어가면서 용접강도가 작게 나왔다. 따라서 냉각을 고려하지 않은 실험임을 고려할 때 향후 냉각효과를 추가하게 되면 최소 용접전단강도를 만족하는 연속타점의 수가 많아질 수 있음을 알 수 있었다.
- 상기와 같이 철계 가열금형과 가열금형에 삽입된 구리전극을 사용하여 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재의 이종금속판재간의 전기저항 이중스폿용접에 대하여 용접강도를 조사한 결과 기 제안된 보조가열전극이 부착된 전기저항 스폿용접법을 이용하여 이종금속판재간의 전기저항 이중스폿용접에 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
- 5 는 가열금형을 사용하는 전기저항 이중스폿용접된 판재소재의 용접부형상을 보여주고 있다. 외관상으로 알루미늄 금속판재의 표면에서 가열금형과 구리전극의 압흔을 확인할 수 있었고 강철 금속판재의 표면상에는 가열금형에 의한 검은 색의 가열흔적을 볼 수 있었다.
후속연구
- 용접계면상에서 별다른 균열은 보이지 않았으나 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재간의 이중스폿용접시 발생하는 금속간 화합물의 형성에 대해서는 차후 연구에서 보다 구체적으로 고찰될 것으로 보여진다. 그리고 이중스폿용접후 피로시험등 기타의 용접성능과 관련된 시험은 차후 진행되는 연구에서 상보될 것으로 보여진다.
- 따라서 모든 용접변수에 대해서 최적의 용접조건을 찾는 단계는 향후 지속적으로 보완 되어야 할 것으로 사료된다.
- 다만 연속타점 초반 10 회중 B2, B3 시편의 용접 강도가 최소용접강도 2570N에 미치지 못하나 10회의 평균용접강도 2919N는 최소 용접전단강도를 만족함을 알 수 있다. 따라서 적당한 전극팁 드레싱과 용접봉 냉각을 추가로 고려하면 충분한 용접강도를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 따라서 향후 드로잉금형을 이용하여 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재의 중첩된 이종금속판재의 프레스 드로잉가공과 동시에 두 장의 이종금속판재를 전기저항 스폿용접할 수 있는 드로잉가공동시 전기저항 스폿용접가공에 응용될 수 있음을 알 수 있었다.
- 또한 가열금형을 사용하는 전기저항 이중스폿용접의 실험 결과에 대한 자료가 모든 용접가능조건을 찾기에는 미흡하나 현 연구단계에서는 가열금형을 사용하는 이종금속판재의 전기저항 이중스폿용접의 용접가능성 여부를 판단하고 용접변수의 변화에 따른 이중스폿용접 성능변화는 향후 스폿용접기의 표준화가 진행되면 용접변수의 표준화도 진행 될 것으로 사료된다.
- 실험시편에 대한 용접강도가 최소용접전단강도에 미치지 못하는 시편에 대하여서는 향후 연속타점실험의 보완 개선으로 같은 실험조건하에서는 같은 용접강도를 얻을 수 있는 신뢰성확보에 필요한 냉각장치의 사용이 필요함을 알 수 있었다.
- 용접계면상에서 별다른 균열은 보이지 않았으나 강철 금속판재와 알루미늄 금속판재간의 이중스폿용접시 발생하는 금속간 화합물의 형성에 대해서는 차후 연구에서 보다 구체적으로 고찰될 것으로 보여진다. 그리고 이중스폿용접후 피로시험등 기타의 용접성능과 관련된 시험은 차후 진행되는 연구에서 상보될 것으로 보여진다.
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