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동엽 호
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특집 : 철강용접의재료과학적접근 자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산 현상 of Electric Resistance Spot Welding in Advanced High Strength Steels for Automobile Jong-Pan Kong and Chung-Yun Kang 1.

1 특집 : 철강용접의재료과학적접근 자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산 현상 of Electric Resistance Spot Welding in Advanced High Strength Steels for Automobile Jong-Pan Kong and Chung-Yun Kang 1. 서언 자동차산업에서승객과보행자의안전규제강화에따른차체고강도화및 등의가스배출저감을위한차체경량화가필수적으로요구됨에따라첨단고강도강 의적용이급격히증가하고있다 첨단고강도강을차체에적용하기위해서는용접이필수적이며 원가측면에서유리한전기저항점용접 이차체용접에서 이상으로가장많이적용되고있다 일반적으로비산 은저항열에의해모재가녹은용융금속 이너깃 밖으로빠져나가는현상을말하며 전기저항용접성을좌우하는중요한인자중하나이다 또한비산은용접변수와원소재의기계적 전기적 열적성질등의복합적인인자에의해발생되기때문에비산예측과제어는상당히어렵다 한편첨단고강도강은기존의연강 과비교하여첨가원소의함량이많아전기저항이상당히높고 열전도율이낮은특징이있어너깃직경이크고 비산발생이쉽다 지금까지보고된대부분의연구는비산에미치는공정변수 가압력 용접전류 용접시간 전류형태 의영향에대한연구가대부분이고 합금원소및함량의영향에대한체계적인연구는거의없는실정이다 본해설에서는자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산현상과비산의예측과제어에대한연구결과를소개하고자한다 또한최근자동차산업에서가장이슈 가되고있는핫스탬핑 용 용융도금된보론강판의전기저항점용접시비산제어에대한최신연구결과를소개하고자한다 2. 본론 2.1 비산에대한일반적인현상 비산이란전기저항점용접시저항열에의해모재가녹은용융금속이너깃밖으로빠져나가는현상을말한다 비산은주로두모재사이의접합면에서고상접합된코로나본드 사이로용융금속이빠져나가며발생이되고 일부전극과모재표면에서도발생하기도한다 은 강의전기저항점용접시비산이발생된용접부의대표적인광학현미경단면조직사진을나타낸것이다 에서알수있듯이가장큰특징은용융금속이너깃밖으로빠져나감에따라너깃의중심부에기공 이발생하고 압흔 또는오목한자국의깊이가상당히깊게나타난다 너깃의중심부에발생된기공은용접부의결합력을약하게하여계면파단 이잘일어나게하는원인이되며 이로인해접합부강도및충돌안정성을상당히저하시킨다 그리고깊은압흔은외부의힘이가해질때응력이집중되기때문에접합강도와피로강도등을저하시키며 전극선단부의마모가가속화되어팁 을자주교체해야하는문제가있

의로브곡선을나타낸것이다 는가압력을 로 는가압력을 로고정했을시각각의로브 곡선을나타낸다 이결과로부터첨단고강도강은연강 에비해비산이저전류에서발생이되고 적정용접폭 이좁으며 특히가압력이낮을시아주좁다 즉 첨단 고강도강의전기저항점용접시비산발생이연강에비 해상당히쉽다는것을알수있다 의연구결 과에따르면첨단고강도강판이연강보다비산발생이 쉬운이유는첨가된합금원소의함량이많아전기저항

2 자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산 현상 다 일반적으로자동차업체에따라최소압흔깊이 허용범위는조금씩다르지만 의규정에서 는최소압흔깊이를모재의두께에 이하로제한 하고있다 2.2 첨단고강도강판전기저항점용접의로브곡선 (lobe curve) 로브곡선 은자동차산업에서전기저항점 용접성을평가하는지표로사용되고있다 일반적으로 로브곡선은전극의가압력을고정한상태에서용접전류 와용접시간에따라최소너깃직경 또는 또는최소인장강도를만족하는하한전류와비산이발 생되는상한전류 또는비산한계전류 사이의폭을이 용하여용접성을평가한다 는연강 과첨단고강도강 의로브곡선을나타낸것이다 는가압력을 로 는가압력을 로고정했을시각각의로브 곡선을나타낸다 이결과로부터첨단고강도강은연강 에비해비산이저전류에서발생이되고 적정용접폭 이좁으며 특히가압력이낮을시아주좁다 즉 첨단 고강도강의전기저항점용접시비산발생이연강에비 해상당히쉽다는것을알수있다 의연구결 과에따르면첨단고강도강판이연강보다비산발생이 쉬운이유는첨가된합금원소의함량이많아전기저항 이높아져 과도한저항열이발생되기때문에비산이 잘일어난다고하였다 그러나첨단고강도강판이연강 보다비산발생이쉬운이유에대해체계적으로검토한 연구결과는거의없는실정이다 이에따라첨단고강 도강전기저항점용접의비산에대한연구가절실히필 요하다 2.3 비산예측 일반적으로비산은용접변수와원소재의기계적 전 기적 열적성질등의복합적인인자에의해발생되기 때문에비산예측시고려해야할사항이많다 일 반적으로비산예측은크게합금원소에따라변하는물 성들을이용하여이론적으로예측하는방법과용접과정 중에비산발생시특정신호를이용한방법으로나누어 진다 이론적계산을통한비산예측 의연구결과에따르면비산은전극의가압 력과너깃내에서발생하는압력과의밸런스 에의해발생한다고제안하였다 는 이제안한모델의모식도를나타낸것이다 즉 비산은 너깃내에서발생하는압력 이전극의가압력 보다클때발생한다 너깃내에서발생하는총압력은 수식 로표현할수있다 Exp 여기서 는모재가저항열에의해고상이용융됨 에따라발생되는액상의압력을나타내고 은 너깃내에서용융된액상이팽창함에따라발생되는압 력을나타내며 또한 은액상이증발됨에따라 발생되는압력을나타낸다 그러나너깃내에서액상의 증발은거의없기때문에 항은무시해도된다 따라서 은수식 로표현할수있다 수식 에서 왼쪽항은 를나타내고 오른쪽항은 을나 타낸다 Weld time, cycle 3 2 (a) Nd min. =t 1/2 Mild Steel (b) Nd min. =t 1/2 Mild Steel Corona bond F E Weld current, ka F E P N < F E : Weld contained P N F E : occur

Effective electron force (kn), F E,applied 2 No expulsion P N < F E P N F E F S < F N 2 Force from nugget(kn), P N Resistance, ρ(μω cm) 5 3 2 C :.1~.12% Si : tr~.3% Mn :.3~.% Nb : tr~.1% Cr : tr~.

2 여기서 는압축계수 은액상의몰랄부피 는고상의몰랄부피 는열팽창계수 는너깃내의평균온도 는융점 을나타낸다 그리고용접부에가해지는실제전극의가압력 은외부에서가해주는전극의가압력 보다약 정도낮다고하였다 는실제전극의가압력과이론적으로계산한너깃내의총압력사이의상관관계를통해비산을예측한결과를나타낸것이다 에서알수있듯이너깃내의총압력이실제전극의가압력보다큰영역에서비산이나타난다

3 Effective electron force (kn), F E,applied 2 No expulsion P N < F E P N F E F S < F N 2 Force from nugget(kn), P N Resistance, ρ(μω cm) C :.1~.12% Si : tr~.3% Mn :.3~.% Nb : tr~.1% Cr : tr~.9% Mo : tr~.% R sp =Si+.25(Mn+Cr) 2.2 여기서 는압축계수 은액상의몰랄부피 는고상의몰랄부피 는열팽창계수 는너깃내의평균온도 는융점 을나타낸다 그리고용접부에가해지는실제전극의가압력 은외부에서가해주는전극의가압력 보다약 정도낮다고하였다 는실제전극의가압력과이론적으로계산한너깃내의총압력사이의상관관계를통해비산을예측한결과를나타낸것이다 에서알수있듯이너깃내의총압력이실제전극의가압력보다큰영역에서비산이나타난다 따라서이론적으로너깃내의총압력을계산할수있다면 비산을예측할수있으며 또한비산발생을제어할수있는최적전극의가압력을제시할수있다 비산에미치는합금원소의영향첨단고강도강판의기계적 전기적 열적성질등은합금원소에지배적으로영향을받고 이로인해전기저항점용접의비산에영향을미치게된다 따라서비산을예측하기위해서는우선적으로첨단고강도강전기저항점용접의비산에미치는합금원소의영향에대한체계적인연구가필요하다 는저항과비산한계전류사이에상관관계를나타낸것이다 에서 로갈수록 함량이증가하고 이로인해저항도증가한다 에서알수있듯이 함량증가에따라저항이증가하고이로인해비산한계전류는직선적으로감소한다 즉저항과비산한계전류사이에밀접한관계가있음을알수있다 은 함량의비율과저항사이에상관관계를나타낸것이다 에서알수있듯이 Current(kA) P : 2kg Si (%) A: <.1 B: <.1 C :. D :.13 E :.13 F :.7 G :.91 H : 1.2 A B C D E F G H 2 3 Resistance, ρ(μω cm) zone 함량의비율이증가함따라저항은직선 적으로증가하고 는가로축의 관계에서 과 보다저항증가에대한기여도가 배높음을알수 있다 는두께가 인냉연 강에 와 함 량변화에따른전기저항점용접의로브곡선을나타낸 것이다 위의실선은비산한계전류를나타내고 아래 의점선은최소너깃직경 을만족하는하한전류 를나타낸다 에서알수있듯이 와 함량의 증가에따라비산한계전류는감소하고 함량증가에 따른비산한계전류의감소폭이더크다 그리고 와 함량증가에따라최소너깃직경을만족하는하한전 류는감소하나 이는비산한계전류감소폭보다작다 일반적으로저항과융점은너깃내의액상의양에영 향을미치며 저항이높고 융점이낮으면액상이되기 쉽기때문에너깃내의액상양은많다 또한액상의 점성이낮을수록액상의유동성은증가한다 은 와 함량의증가에따른비산한계전류

자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산 현상.7C-XSi-2.3Mn-YCr-.1P-.S 15.7C-XSi-2.3Mn-YCr-.1P-.C Si 9 12 Welding current(ka) 7 5 Si-steel Nd min. =t 1/2 Content(wt.%) Cr-steel 1 2 3 T M.P ( ) C EXP.

4 자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산 현상.7C-XSi-2.3Mn-YCr-.1P-.S 15.7C-XSi-2.3Mn-YCr-.1P-.C Si 9 12 Welding current(ka) 7 5 Si-steel Nd min. =t 1/2 Content(wt.%) Cr-steel T M.P ( ) C EXP. (ka) R(μΩ cm) Viscosity Liq. (mpa s) (a1) (b1) (c1) R (μω) of pure Fe (d1) Melting point 153 (a2) (b2) R (μω) of pure Fe (c2) (d2) Melting point Si content Cr content 저항 융점 과액상의점성 를나타낸것이다 의 의결과로부터 보다 함량증가에따른 저항증가폭과융점감소폭이더크기때문에너깃내 에액상의량은많다 그리고 의 과 의 결과로부터액상의점성은 함량의증가에따라급격 히감소하는반면 함량의증가에따른액상의점성 은소폭증가한다 따라서 함량의증가에따른액상 의유동성향상은 함량보다더크다 결론적으로 Total P N (MPa) 9 3 Cr Content(wt.%) 보다 함량증가에따라비산한계전류가더감소하는 것은저항과융점변화에따른너깃내의액상의양과 액상의유동성의차이에의한것임을알수있다 따라 서비산은합금원소의종류와함량에따라변하는저 항 융점과액상의점성등과밀접한관계가있음을알 수있다 은 와 함량변화에따른 강의전기저 항점용부너깃내의총압력변화를나타낸것이다 너 깃내의총압력은수식 를이용하여계산이가능하며 이때필요한물성들은 소프트웨어 로부터얻을수있다 는재료의물리적 열 역학적성질 다성분금속시스템의거동에대한계산과 일반적으로 곡선을작성하기위한 형의 소프트웨어팩키지이다 한편 에서알수있듯이 와 함량증가에 따라너깃내의총압력은증가하고 보다 함량증 가에따라급격히증가한다 따라서동일한가압력을 가하더라도 보다 함량이너깃내의총압력이높 기때문에 가 보다비산발생확률더높다는것 을의미한다 이상 의결과로부터비산은합금원소에따 라변하는저항 융점 액상의점성등과너깃내의압력 과밀접한관계가있음을알수있다 따라서합금원소 에따라변하는첨단고강도강판의저항 융점 액상의 점성등과전기저항점용접부너깃내의압력을계산한다 면 비산을예측할수있을것으로생각된다 전극의변위를이용한비산예측 일반적으로비산발생시 에서알수있듯이 액상이너깃밖으로빠져나가기때문에압흔이상당히 깊고 이로인해위에서가해주는전극의변위는급격

Work piece Lower electrode Electrode holder Electrode holder S ensor fixture Nugget thermal expansion Sensor fixture Electrode displacement( μm ) 25 2 15 5 Maximum displacement drop 2 12 1 Time (ms)

5 Work piece Lower electrode Electrode holder Electrode holder S ensor fixture Nugget thermal expansion Sensor fixture Electrode displacement( μm ) Maximum displacement drop Time (ms) Grating displacement sensor Residual height 히변하게된다 따라서 전극변위의드롭 신호 를이용하여비산을예측하는방법이가장많이사용되 고있다 은전기저항용접시전극의변위를측정하는 장비의대표적인모식도를나타낸것이다 각전극에 변위센서를고정하고 용접시전극변위를측정한다 는비산이발생한경우용접시간에따른전극 변위변화를나타낸것이다 에서알수있 듯이비산발생시전극의변위가급격히감소한다 따 라서이러한전극변위의드롭을이용하여비산을예측 할수있다 한편 등은스테인리스강의 에서전압과전극의변위를감지하여비산사이와 의상관관계를검토한연구결과를보고한바있다 또한 등은두께가 인 오스테 나이트스테이리스강의 에서 를이용해전극변위를정확히측정할수있 는모델을제안한바있다 그리고 등은 용융도 금된 의전기저항점용접에서용접시의동저항 변화를이용하여비산예측에 대한연구결과를보고한바있다 이외에도전극의변위를이용한방법은아니지만 과 등은통계적인방법과뉴럴네트워크 방법을이용하여비산예측모델을제안한바있다 2. 비산제어방안 비산은용접변수 전류의형태 모재의표 면상태 도금유 무 합금성분등에따라달라지기때 문에제어가상당히어렵다 특히 내식성향상을위해 또는 용융도금된첨단고강도강판은첨가된 합금원소의함량이높고 도금층이용융부로혼입됨에 따라비산발생민감도가높아 비산제어가상당히어 렵다 한편 최근자동차산업에서가장이슈 가되 고있는핫스탬핑 용 용융도금 된보론강판의전기저항점용접시비산제어에대한최 신연구결과를소개하고자한다 은인버터 점용접시의일반적인용접전 류파형 과새롭게설계된펄스 Force Current Force Current A a 1 a 2 a n Welding Heat Cool Heat Cool Heat time time time time time 전류파형 에대한모식도를나타낸것이다 펄스용접전류파형은 동일한가압력에서 펄스당 이다르다 과 은핫스탬핑열처리된두께가 인 용융도금된보론강판 의인버터 점용접시일반적인용접전류파형을이용했을때의 로브곡선 과펄스용접전류파형을이용했을때의로 브곡선 을나타낸것이다 펄스용접전류파형조건 에서는 펄스당 은 초 은 초로하여총 펄스로용접을실시하였다 에서오른쪽의실선은비산한계전류를나타내고 왼 쪽의점선은최소인장강도를만족하는하한전류나타

$F fracture kgf/cm 2, 15pluse 2 3 5 7 9 Current(kA) Pull out fracture 낸다 의 와 에서알수있듯이최소인 장강도를만족하는하한전류는거의비슷하지만 비산 한계전류는펄스용접전류파형을사용했을경우오른쪽 으로이동한다 즉펄스용접전류파형을사용시적정 용접구간이넓어진다는것을의미한다 따라서펄스용 접전류파형을잘이용한다면$

6 자동차용첨단고강도강전기저항점용접의비산 현상 Welding time(cycle) Welding time(cycle) (a) kgf/cm 2 (b) Min. Shear tension strength Min. Shear tension strength I.F fracture kgf/cm 2, 15pluse Current(kA) Pull out fracture 낸다 의 와 에서알수있듯이최소인 장강도를만족하는하한전류는거의비슷하지만 비산 한계전류는펄스용접전류파형을사용했을경우오른쪽 으로이동한다 즉펄스용접전류파형을사용시적정 용접구간이넓어진다는것을의미한다 따라서펄스용 접전류파형을잘이용한다면 용융도금된보론강 판의전기점용접시쉽게발생되는비산을충분히제어 가가능할것으로생각된다 이상 와 의결과로부터비산은용 접변수와합금원소와함량조절에따라첨단고강도강 전기저항점용접의비산을제어할수있을것으로생각 된다 3. 결언 자동차산업에서는승객과보행자의안전규제강화에 따른차체고강도화와경량화를통한연비향상을위해 등함량이높은 등의 개발이활발히진행되고있다 최근 에는자동차차체의성형성을획기적으로향상시키기 위해핫스템핑공정이개발되고있으며 소입성이우 수한 용융도금된보론강판의적용이급격히확 대되고있다 이러한새로운강종들은첨가된합금원 소와도금층에의해기존의 보다전기적 열적 기계적성질등의변화가클것으로예상되며 전기저 항점용접시비산발생확률이높아져용접성이상당히 떨어질것으로예상된다 따라서전기저항용접성이우 수한새로운강을개발하기위해서는우선적으로비산 에미치는합금원소의영향에대한데이터베이스구축 이절실히요구된다 후 기 본연구는한국연구재단을통해교육과학기술부의선 도연구센터육성사업학제간융합분야 로부터지 원받아수행되고있는연구결과입니다 참고문헌

7 공종판 년생 부산대학교대학원생 박사과정 용접야금 강정윤 년생 부산대학교재료공학과정교수 용접야금

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DBPIA-NURIMEDIA 연구논문 강의전기저항점용접부너깃직경에미치는 함량의영향 공종판 강길모 한태교 진광근 강정윤 부산대학교재료공학부 기술연구원 Effect of Si content on Nugget Diameter of Electric Resistance Spot Welded Dual Phase Steel Jong-Pan Kong*, Gil Mo Kang*, Tae-Kyo Han**,