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**, Kwang-Geun Chin* and Chung-Yun Kang*, *Dept. of Material Science and Engineering, Pusan National University, Busan 09-3, Korea **POSCO Technical Research Laboratories, Gwangyang -11, Korea Corresponding author : kangcy@pusan.ac.kr (Received October 19, 2011, Revised October 2, 2011, Accepted October 2, 2011) Abstract In this study, effect of Si content on nugget diameter in electric resistance spot welded dual-phase(dp) steel was investigated. The cold rolled DP steels with different Si content (0., 1.0, 1., 2.0 wt.%) were used and thickness of those sheet was 1.2mm. With increasing Si content, nugget diameter was increased at the same welding current. This is attributed to increase of heat input result from high resistivity. Also, nugget diameter was increased with an increase in Si content for the same heat input. For this reason, the melting point of DP steel is lowered with an increase in the Si content. And solid DP steel can easily be transformed to a liquid phase because the low melting point. Finally, a prediction formula for the nugget diameter(n.d.) could be obtained in terms of heat input(q) and melting point(m.p) as follows: N.D.(mm) = 0.11Q(J) - 0.0031 M.P.( ) + 0.32 Key Words : Electric resistance spot welding, Si content, Nugget diameter, Resistivity, Melting point, Yield strength 1. 서론 전기저항점용접 은모재또는도금층의저항이상당히중요한인자중하나이며 저항값은합금성분에영향을받는다 일반적으로첨단고강장력강은연강과비교하여첨가원소의함량이많아전기저항이크고 열전도율은작은경향을가지고있어비교적저항열이높은특징을가지고있다 따라서첨단고장력강은동일용접조건에서연강에비해너깃직경이더클것으로예상된다 지금까지너깃직경에대한선행연구결과로 등은용접공정중에계측할수있는신호중의하나인동저항 신호를계측하여동저항신호와너깃형성의관계에관한연구를수행한바있다 또한 등은용접공정중의너깃형성을고속카메라를이용하여확인한바있고 등은너깃직경에미치는용접전류와용접시간의영향을연구한바있다 이처럼대부분선행연구는용접공정과용접변수에따라너깃직경과의관계를많이검토하여왔다 그러나첨단고장력강에서합금원소및함량변화에따른저항점용접에서너깃직경변화에관한체계적인연구는전무한상태이다 한편첨단고장력판강은합금원소에따라미세조직및기계적성질이달라진다 특히 는 강에서 함량증가할수록 페라이트의고용강화를증가시켜강도를향상시킨다고알려져있다 또한
공종판 강길모 한태교 진광근 강정윤 등의연구결과에서의하면 강에서 함량증가에따라페라이트크기를감소시키고 잔류오스테라이트분율을증가시켜강도와연신율를동시에향상시킨다고보고하고있다 이처럼 강에서 함량변화에따라모재의미세조직및기계적성질뿐만아니라전기적성질등도변할것으로예상된다 따라서 함량변화에따라모재의성질도변화하게되어 너깃직경에도영향을미칠것으로예상되어 본연구에서는 강의전기저항점용접부에서너깃직경에미치는 함량의영향을검토하였다 l 2. 사용재료및실험방법 실험에사용된강재는두께가 인 함유량이다른냉연 강을사용하였다 기본조성에 함량을 에서 까지 간격으로변화하여너깃직경을검토하였다 용접은공기압축식 전기저항접기를사용하였으며 용접시사용한전극은 의전극선단경을가지는 합금인 형태를사용하였다 시편은가로 세로 로절단한다음 표면을아세톤과메탈알코올로세척후겹침점용접을실시하였다 표 는용접조건을나타낸것으로가압력 용접시간 유지시간등은 에서추천하는용접조건으로고정한상태에서용접전류만 범위에서 간격으로변화하여너깃직경을검토하였다 너깃직경은너깃중앙부에정밀컷팅기를이용하여절단후 에칭액 을사용하여너깃를현출하였다 그리고각조건당 개씩현출후 프로그램을이용해너깃직경을측정후평균하였다 3. 실험결과및고찰 3.1 Si 함량과용접전류에따른너깃직경의변화 은 함량과용접전류에따른너깃 의단면조직사진을나타낸것이다 에서두시편사이에둥근형태의용접된부분은너깃을나타낸다 에서알수있듯이용접전류가증가함에따라너깃의크기는증가하는경향을보이고있다 한편 의동일용접전류에서 함량이증가할수록너깃의크기역시약간증가하는경향을보인다 너깃직경을정확히정의하기위해 에칭액으로용접부조직을현출한후광학현미경을이용하여자세히관찰하였다 는 의용접전류로용접한대표적인용접부단면광학현미경사진을나타낸것이다 에서알수있듯이너깃주변에흰색띠가관찰된다 그리고 는 의 부분을확대한광학현미경사진으로다각형태의구 Si Si Si Si 2mm.kA.kA.2kA.2kA.kA.kA.kA.0kA.kA.0kA.0kA.kA.2kA.kA.kA.0kA.kA.2kA.0kA.kA
강의전기저항점용접부너깃직경에미치는 함량의영향 (a) 의너깃직경을만족하는하한용접전류는저전류쪽으 로이동하는것을알수있다 (b) (c) 3.2 Si 함량과용접전류에따른너깃직경사이의상관관계고찰 Nugget diameter (mm) 10 9 3 Expulsion N.D min. = t 1/2 N.D min. = t 1/2 9 10 Welding current(ka) 오스테나이트입계가나타난다 반면에흰색띠경계의 조직사진을나타낸 에서알수있듯이흰색 띠경계에서 의결정립을모체로하여결정립이성 장한에피택셜성장 이나타 난다 이결과로부터흰색띠는용융부 의경계를나타내는본드라인 임을알수 있다 따라서너깃직경은너깃중앙에서본드라인인흰 색띠사이의폭으로정의하였다 은 함량과용접전류에따른너깃직경을정 량화한결과를나타낸것이다 또한최소너깃경이 모재두께 는파선으로표시하였고 는점선으로표시하였다 이결과로부터 너깃직경은용접전류가증가할수록점차적으로증가하 는것을알수있다 그리고동일한용접전류에서 함 량증가에따라서너깃직경이증가하고 과 이상결과로부터용접전류가증가할수록너깃직경은직선적으로증가하고 동일한용접전류에서 함량증가에따라너깃직경역시증가하는것을알수있다 일반적으로너깃직경은용접변수 용접전류 용접시간 가압력등 모재의저항과접촉저항등에따라달라진다 그리고용접변수와저항은입열량에직접적으로영향을미치는인자이고 선행연구자의결과에따르면입열량과너깃직경사이에밀접한관계가있다고보고된바있다 한편본연구에서는용접시간 가압력등과같은기타용접변수들은고정하였기때문에결국용접전류와 함량변화에따른모재의성질 전기적 열적성질등 이입열량에영향을미치고 결국너깃직경에영향을미칠것으로판단된다 특히 함량변화이변화하면 모재의고유저항이변화하게되고 따라서입열량도변화할것으로예상된다 그래서 함량과용접전류에따른입열량을계산하여 너깃직경과의상관관계를검토하였다 일반적으로전기저항점용접에서의입열량은전극팁과모재 모재와모재사이의접촉저항과모재의고유저항등에따라달라진다 그러나용접초기에는접촉저항이중요하지만 너깃의형성과정에서는모재의고유저항이지배적으로입열량에영향을미칠것으로예상된다 그리고본연구에서사용된강재는도금되지않은냉연강판을사용하였기때문에접촉저항보다모재의고유저항이입열량에직접적으로영향을미칠것으로판단된다 따라서전기저항점용접에서의입열량은개략적으로수식 과같이표현할수있다 여기서 는입열량 는용접전류 은저항 μω 는용접시간 를나타낸다 저항은수식 와같이표현할수있다 ρ 여기서 ρ는모재의고유저항 μω 은전극팁사이의거리 는압흔폭의면적으로나타낸다 한편입열량 정의에서용접전류 와용접시간 는고정변수이나 그러나저항은연속적으로변하는변수이다
공종판 강길모 한태교 진광근 강정윤 즉너깃형성과정중에전극팁사이의거리 와압흔 폭의면적 은연속적으로변하기때문으로저항을정 의하기상당히어렵다 그러나대부분전극팁사이의 거리와압흔폭은너깃이가장최대가될때생성되고 이때의저항이결국입열량에직접적으로관계 가있을것으로예상된다 따라서최종적인압흔폭과 압흔깊이를측정하면저항을예측할수있고 이저항 을이용하면입열량계산이가능하다 는압흔폭 면적 압흔깊이 전극과전극사이 의거리등을정의하기위한모식도를나타낸것이다 이모식도로부터팁사이의거리 와압흔폭 은각 각 식 과 식으로표현할수있다 π t Upper electrode I.W. L Lower electrode S I.D. 여기서 는모재의두께 는압흔깊이 는압흔폭 을나타낸다 따라서입열량을계산 하기위하여 고유저항 압흔깊이와압흔폭을실험통 하여측정하였다 는 포인터프로브를이용하여 함량에 따른고유저항을측정한결과를나타낸것이다 에서알수있듯이고유저항은 함량이증가함에따 라직선적으로증가하는경향을보인다 고유저항과 함량과의관계는통계소프트웨어인 을이용하 여구한결과 식으로얻어졌다 ρ μω Indentation width (cm) 10-1 9 10 Welding current(ka) 과 은 함량과용접전류에따른압흔 폭과압흔깊이의변화를각각나타낸것이다 과 에서알수있듯이압흔폭과압흔깊이는용접전 류증가에따라직선적으로증가하는경향이보이고 또한동일한용접전류에서 함량증가에따라증가하 는경향이나타난다 한편압흔폭과압흔깊이변화는전극팁이용접부에 가해지는하중에따라소성변형에의해생기므로재료 2.0 Resistivity(μΩ cm) 100 0 0 0 20 Pure Fe At RT( ) Indentation depth (cm) 10-2 1. 1.2 0. 0. 0 0. 1.0 1. 2.0 Si contents(wt.%) 0 9 10 Welding current(ka)
강의전기저항점용접부너깃직경에미치는 함량의영향 의고온항복강도와밀접한관계가있고 또한 함량변화에따라고온항복강도는변할것으로예상된다 은 소프트웨어를이용하여 함량변화에따른 에서의항복강도를계산한결과를나타낸것이다 이결과로부터 함량증가에따라고온항복강도가감소하기때문에동일한전극팁의하중이가해지더라도소성변형이잘되어압흔폭이넓어지고 압흔깊이가깊어지는것으로판단된다 따라서동일한용접전류에서 함량증가에따라압흔폭과압흔깊이가증가하는이유는입열량의증가와고온항복강도의감소에의한것으로판단된다 이상결과로부터압흔폭과압흔깊이는 함량과용접전류사이의관계로부터각각의실험식 과 을얻었다 Nugget diameter (mm) 3 0 0 90 100 110 Heat input(j) R 2 =0.9 따라서수식 과 의실험식으로부터고유저항 압흔폭과압흔깊이를예측할수있고 이값을수식 과 에대입하게되면저항을구할수있다 최종적으로수식 에대입하면입열량을구할수있다 은입열량과너깃직경사이의상관관계를플롯 한것이다 에서알수있듯이상관계수 가 로부터너깃직경과입열량사이에밀접한관계가있음을알수있다 그리고너깃직경과입열량사이의상관식은 식과같이표현할수있다 Yield strength (MPa) 10 (Fe-0.0C-2.3Mn-0.01P-0.003S-1.0Cr-XSi) At 1200 At 130 2 0 0. 1.0 1. 2.0 Si contents(wt.%) 따라서용접전류가증가에따른너깃직경이증가한이유는 식의관계로부터 용접전류가증가함에따라입열량이증가하기때문에너깃직경이증가한것으로일반적인결과임을알수있다 그리고동일한용접전류에서 함량증가에따라너깃직경이증가한이유는고유저항변화에따라입열량이증가하기때문으로판단된다 그러나점선과화살표로표시된부분을보면동일또는비슷한입열량임에도불구하고 함량증가에따라너깃직경이조금큰것을알수있다 따라서 함량변함에따라입열량외에도너깃직경에영향을미치는인자가있을것으로예상된다 한편너깃은입열량에의해모재가녹아액상이응고된것으로액상의성질에영향을받을것으로예상된다 특히액상의성질중융점 은너깃직경에추가적으로영향을미칠것으로예상된다 이이유는융점이낮을수록액상이되기쉽기때문이다 열역학소프트웨어인 를이용하여상태도를작성하고 함량에따른융점을측정한검토한결과를 에나타낸다 이결과로부터 의함량과융점과는양호한직선관계가있으며 다음 식으로표현할수있다 이것은 의함량이증가할수록융점이감소함으로 동일한입열량임에서도더낮은온도에서액상으로되기때문에 함량이높을수록더많은액상이형성되므로 너깃직경이좀더클수잇는것을의미한다
공종판 강길모 한태교 진광근 강정윤 10 (Fe-0.0C-2.3Mn-0.01P-0.003S-1.0Cr-XSi). 결론 Temperature_celsius 120 100 10 Liquid Melting point Liquid+α-Fe γ-fe +α-fe γ-fe 10 0. 1.0 1. 2.0 Mass_percent Si Nugget diameter (mm) R 2 =0.9 Calculated diameter (mm) 너깃직경과입열량과의관계식인 식에융점을반 영한새로운너깃직경예측식을구하면다음 식과 같다 은 식의예측식으로부터구한너깃직경과 실제측정한너깃직경사이의상관관계를플롯한것이 다 식의상관계수 가 인반면융점을고려 한 식의상관계수가 인것으로부터 입열량과 융점을복합적으로고려한너깃직경예측식인 식이 더정확성이높은것을알수있다 강의전기저항점용접부에서너깃직경에미치는 함량과용접조건의영향을검토한결과 다음과같은 결론을얻었다 용접전류의증가에따라너깃직경이직선적으로 증가하고 그 록컸다 증가하는기울기는 의함량이높을수 의함량이증가할수록전기저항은직선적으로 증가하였고 반면에융점은직선적으로감소하였다 고유저항 ρ 통전면적 및통전거리 를실 험으로측정하여저항 ρ 을구하고 입열 량 계산하여너깃직경과상관관계를검 토한결과 계를나타내었다 상관계수 가 인양호한직선관 의함량증가에따라융점이변화하는것을착 안하여입열량과융점을고려한너깃직경예측식 은상관계수가 인양호한직선관계가있음을확 인하였다 후 기 본연구는 주 와한국연구재단을통해교육 과학기술부의선도연구센터육성사업학제간융합분야 로부터지원받아수행되었으며 이에감사드립 니다 참고문헌
강의전기저항점용접부너깃직경에미치는 함량의영향