9 연구논문 Process Tape 를사용한마그네슘합금의저항점용접특성 최동순 * 김동철 *, 강문진 * * 한국생산기술연구원용접접합연구그룹 Resistance Spot Welding Characteristics of Mg Alloy Using Process Tape Dong-Soon Choi*, Dong-Cheol Kim*, and Moon-Jin Kang* *Korea Institute of Industrial Technology, Incheon -79, Korea Corresponding author : dckim@kitech.re.kr (Received March, ; Revised June, ; Accepted June, ) Abstract Recently, studies about application of magnesium alloy sheet to automotive bodies are on the increase. For application to automotive bodies, researches about characteristics of resistance spot welding of magnesium alloy sheet are essential. Electrode life of resistance spot welding of magnesium alloy is very short due to sticking of magnesium alloy to copper alloy electrode. To increase electrode life, most effective method is inserting cover plate between electrode and magnesium sheet. But application of cover plate to actual process is difficult and decreases welding productivity. Process tape supplied automatically as cover plate can minimize lose of productivity and increase welding quality. In this study, resistance spot welding of magnesium alloy is carried out with applying process tape. Acceptable welding current region according to electrode force and welding time is determined. Key Words : Resistance spot welding, Mg alloy, Process tape, Cover plate, Electrode life. 서론 마그네슘합금은상용가능한금속중가장가볍고비강도가높아경량화가중요한항공기부품에주조제품이일부적용되어왔다 ). 최근에는휴대용전자기기, 자전거등의경량화소재로도적용되면서, 기존의주조제품에서판재성형및접합기술에관한수요가증대되고있다 ). 이에따라연비향상및 CO 배출저감목적으로자동차차체의경량화추세에맞추어마그네슘을차체에적용시키기위한연구가진행되고있으나, 마그네슘합금은성형성과용접성에문제가많아상용화하는데걸림돌이되고있다. 마그네슘합금의물리적성질은대체적으로알루미늄과비슷하다. 다만알루미늄합금보다는비저항이더높고열전도도가낮아모재가용융되기쉬워저항점용접시용접전류대가낮게형성된다. 그러나용융금 속의표면장력과기화점이낮고증기압이높아모재가쉽게증발해버리며이로인해일반적인아크용접은불가능한것으로알려져왔다 ). 저항점용접의경우전극으로너깃주위를가압하여용융금속을가두기때문에용접은쉽게이루어지나전극형상, 인가전류에따라액상또는기화된마그네슘이전극과모재표면사이나모재와모재사이로날리는현상이쉽게발생한다. 또한너깃내의균열과기공이쉽게발생하여이를제어하기위한연구가필요한실정이다 ). 무엇보다도, 마그네슘은고온에서구리와부착및합금화되는성질이있어전극의마모가매우빠르게진행된다,). 이로인하여, 국내저항점용접현장에서주로사용되는돔형전극사용시전극수명은 타점이내밖에되지않는다 6). 이에대한대책으로모재의표면처리를통해산화막을최대한제거하여전극과의접촉면의저항발열을낮추는방법이있으나 7,8), 전극과모재사이에커버플레 Journal of KWJS Vol. No.() pp9- http://dx.doi.org/.78/kwjs...9
최동순 김동철 강문진 이트 (cover plate) 를삽입하고용접하여전극과모재의직접적인접촉을차단하는방법이전극수명의측면에서는가장효과적이라할수있다 9). 그러나실제제작공정에적용하는것은추가적인공정이많이필요하므로생산성을저하시킨다. 이러한측면에서, 프로세스테입 (process tape) 의형식으로커버플레이트를자동적으로연속공급할수있는저항점용접기는마그네슘합금의용접에최적이라할수있다. 본연구에서는, 프로세스테입을사용한저항점용접기를사용하여마그네슘합금을용접하기위한기초적연구를수행하였다. 먼저, 다양한재질의프로세스테입을사용하여마그네슘합금의용접에적합한프로세스테입을선정하였다. 그리고선정된프로세스테입을사용하여가압력, 용접전류, 용접시간의공정변수에따라마그네슘합금을용접하였다. 인장전단하중과단면분석, 경도분포분석을통하여마그네슘합금의용접성을평가하였다.. 사용소재및장비. 사용소재 본연구에서는상용마그네슘합금중성형성, 용접성이비교적우수한 AZ.t 의판재를사용하였다. Table, 에 AZ의화학성분과물리적성질을나타내었다. 시험편은 KS B8 에따라 mm의사이즈를사용하였다.. 용접장비프로세스테입을적용한 Fronius 사 ( 社 ) 의저항점용접기를사용하였다. 용접전원은인버터 DC 방식이며, 서보가압방식을채택하여다단가압시응답속도가빠른장점이있다. 서론에서언급한바와같이프로세스테입을적용하면마그네슘합금의용접시모재와전극의직접접촉을차단하여전극의마모가거의 Table Chemical compositions of AZ (wt%) Mg Al Zn 96...7 Table Mechanical properties of AZ Y.S. (MPa) T.S. (MPa) EL. (%) 6 electrode Process tape Fig. Inverter DC resistance spot welding machine using process tape Table Process tapes Process tape No. Tape material Heat input PT Cu low PT7 steel medium PT CrNi high 없게된다. 용접타점진행에따라프로세스테입이자동적으로감겨, 커버플레이트의적용으로인한공정추가와생산속도저하를최대한감소시켰다. 프로세스테입와그가이드가전극을감싼형상이되므로전극의크기는기존저항점용접기의전극에비해다소커지며, 가이드로인해구석진부위의타점의용접등에접근성이저하할수있다. Fig. 은본실험에사용한용접기시스템의개략도이다. 프로세스테입에는여러종류가있지만, 용접중프로세스테입의저항으로인해발생하는입열량측면에서봤을때, 입열량이적은순서대로구리, 강, CrNi 의크게세재질의프로세스테입이있다. 따라서본연구에서는각재질별프로세스테입을 Table 과같이한종씩선정하여적정프로세스테입선정실험에사용하였다.. 실험방법. 적정프로세스테입선정실험. 에서선정한바와같이 PT( 구리 ), PT7 ( 강 ), PT(CrNi) 의세종류의프로세스테입을실험에사용하였다. 프로세스테입의저항으로인한입열량은 PT 이가장크고, 구리재질인 PT 은가장작다. 적정프로세스테입의선정실험은가압력을 kg f, 용접시간을 7cycle 로고정하고인장전단 8 Journal of KWJS, Vol., No., June,
Process tape 를사용한마그네슘합금의저항점용접특성 하중과너깃사이즈의적정전류범위를선정하여비교, 분석후결정하였다. 적정인장전단하중은 KS B 8 의알루미늄의최소요구인장전단하중값이상으로결정하였다. 아직마그네슘판재의저항점용접에관한연구가세계적으로도표준화할정도로진행되지않아마그네슘합금과그물성이비슷한알루미늄합금의표준을기준으로하였다. 너깃사이즈또한 KS B ISO 89 의알루미늄합금의요구값을따랐다. 그리하여 AZ.t 의최소인장전단하중요구값은.kN, 최소너깃사이즈요구값은 mm로결정하였다.. 마그네슘합금용접성평가. 에서결정한적정프로세스테입을사용하여마그네슘합금의용접성평가를실시하였다. 가압력은현장에서일반적으로사용하는가압력범위인 kg f 와 kg f 를적용하였다. 용접시간은 ~ 9cycle 범위를사용하였으며, 용접전류는 ~ka 였다. 이용접조건들을 Table 에나타내었다. 적정인장전단하중값은. 에서결정한최소인장전단하중값인.kN 이상이고, 날림이발생하지않는범위를적정인장전단하중범위로결정하였다. 너깃사이즈또한.에서결정한최소너깃사이즈값인 mm 이상이면서날림이발생하지않는범위를적정너깃사이즈범위로결정하였다. 경도시험은적정용접조건을가지는시험편의용접부단면을사용하여비커스경도분포분석을수행하였다. 시험하중은 g f 였으며,.mm 타점간간격으로총 타점을너깃의왼쪽위부터오른쪽아래까지비스듬히내려오며측정하였다.. 결과및분석. 적정프로세스테입의선정 Fig. 에적정프로세스테입선정실험의결과를나타내었다. 구리재질의 PT 은날림이발생하지않아도 ka 이상에서용접시프로세스테입과모재가 Table Experimental welding conditions Electrode force (kgf), Welding current (ka),,, 7, 9, Welding time (cycle),,, 7, 9 PT Tensile shear load(kn)...9.6.7 Nugget size(mm).9.88 6.7 7. 8.9 Current(kA) 7 9 PT7 Expulsion Acceptable region Under min. req. Tensile shear load(kn)...8..7. Nugget size(mm).7.9.6 6. 6.6 6.7 Current(kA) 9 7 9 PT Tensile shear load(kn)...6. Nugget size(mm).66.68.8 6. Current(kA) 7 9 Fig. Acceptable current regions according to type of process tapes 융착하는문제점이나타났다. 강재질의 PT7 은모재와의융착현상도적고가장넓은적정용접범위를확보할수있었다. CrNi합금재질의 PT은프로세스테입의과도한저항열발생으로인해낮고좁은적정전류범위를나타내었다. 이결과들을종합하여, 강재질의 PT7 을마그네슘합금의용접에적합한프로세스테입으로선정하였다... 적정용접조건범위 Fig. 은가압력 kg f 와 kg f 에서의인장전단하중값을그래프로나타낸것이다. 에서 cycle 로용접시간이길어지면서인장전단하중값또한증가하다가 보다긴용접시간에서는인장전단하중값의증가폭이그리크지않다는것을알수있다. 이로미루어, 정도에서너깃의성장은거의완료가됨을짐작할수있다. 따라서 AZ.t 의적정한용접사이클범위는 ~ 이라할수있다. 가압력의측면에서비교하면 kg f 는 ~ ka, kg f 는 ~7kA로 kg f 가 kg f 에비해 ka 정도높은적정전류범위를보였다. 이는가압력이높아지면서모재의접촉저항이감소하고, 이로인해동일한저항열을발생시키기위해전류를더높게인가하여야하기때문이다. Fig. 는각가압력의너깃사이즈값을그래프로나타낸것이다. 인장전단하중값과같이너깃사이즈도 ~ 에서는용접시간에따른너깃사이즈성장 大韓熔接 接合學會誌第 卷第 號, 年 6 月 9
최동순 김동철 강문진 Tensile shear load(kn) min. req. 7 9 7 9 Time [cycle] 9 7 Expulsion Acceptable region Under min. req. Interfacial fracture Button fracture (a) Electrode force: kg f Tensile shear load(kn) min. req. 9 7 9 (b) Electrode force: kg f Time [cycle] 9 7 9 7 9 Current(kA) (a) Electrode force: kg f Fig. Tensile shear load distribution according to welding current (with PT7) Nugget size(mm) Nugget size(mm) 8 6 7 9 7 9 8 6 (a) Electrode force: kg f 9 7 9 (b) Electrode force: kg f Fig. Nugget size distribution according to welding current (with PT7) 7 9 Current(kA) (b) Electrode force: kg f Fig. Weld lobe diagram according to welding current 하중값을기준으로작성한그림이다. kg f 와 kg f 둘다약 6kA 정도의적정용접범위를보여서가압력에따른적정용접범위는큰차이가없는것으로분석되었다. 다만, kg f 쪽이적정용접조건내에서버튼파단이발생한경우가많고더낮은전류값으로용접이가능하므로 AZ.t 의경우 kg f 로용접하는것이더적절하다고볼수있다. Fig. 6과같이경도분포분석결과, 모재경도는 6~68Hv, 너깃내경도는 ~6Hv 정도로용접부가조금더낮았다. AZ 은온도분포에따라상이변하지않으므로너깃과모재의경도분포에큰차이는없다. 너깃의경도가소폭하락한것은용융후급랭하는과정에서결정립이조대화하고너깃내결정구조가수지상으로재결정하였기때문이다 ). H.C.P. 결합구조와합금금속조성자체는변하지않으므로큰경도차이는없지만, 결정립의변화로인해용접부의강도가소폭하락한것으로생각된다. 이느려짐을알수있다. 적정너깃사이즈의범위도인장전단하중분석과유사하였다. Fig. 는두가압력조건의로브그래프를인장전단. 결론 프로세스테입을사용하면마그네슘합금의저항점 Journal of KWJS, Vol., No., June,
Process tape 를사용한마그네슘합금의저항점용접특성 참고문헌 Hardness(Hv.) 8 7 6 6 7 8 Distance(mm) Fig. 6 Hardness distribution analysis of nugget (kg f, 7cycles, ka) 용접의가장큰문제라할수있는전극수명문제를해결할수있고, 커버플레이트적용에서기인하는작업성저하를최소화할수있다. 마그네슘합금 AZ.t 로프로세스테입을적용한인버터 DC 저항점용접기의용접성을평가한결과, ) 마그네슘합금의용접에적합한프로세스테입은강재질인 PT7 이었다. ) AZ.t에 kg f, kg f 로용접을수행한결과, 인장전단하중값분석시 ka 정도의적정용접전류범위를나타내었다. 이상에서정상적인너깃형상및강도를나타내었다. ) 프로세스테입을연속공급하여전극수명을극대화할수있는저항점용접기는마그네슘합금용접현장적용에가장근접한장비이다. 그러나높은장비가격은현장도입시문제가될수있기때문에, 일반적인저항점용접장비로도마그네슘합금의용접성과전극수명을확보하기위한연구가필요하다.. Phenomenon and Application of Resistance Spot Welding (), JWS bulletin No.8, 98.. T.W. Yoon, R.H. Kim, M.Y. Lee and K.H. Lee : The Development of Car Body Part Using Mg AZ, The Korea Society of Automotive Engineers, Autumn Annual Meeting (), 97-. B.H. Yoon and Y.S. Chang : Welding Technology of Magnesium alloy for Automotive Industry, KWJS -(), -. S.N. Jung, H.S. Chang, and M.Y. Lee : A Study on Servo DC Resistance Spot Welding of Mg Alloy Sheet, KWJS 7-(9), -7. L. Xiao, L. Liu, Y. Zhou, and S. Esmaeiri : Resistance- Spot-Welded AZ Magnesium Alloys: Part I. Dependence of Fusion Zone Microstructures on Second- Phase Particles, Metallurgical and Materials Transactions A, A(), - 6. D.S. Choi, I.S. Hwang, D.C. Kim, M.J. Kang : Electrode life test of Resistance Spot Welding on Mg Alloy Using Dome Type Electrode, KWJS, in review 7. L. Liu, S. Q. Zhou, Y. H. Tian, J. C. Feng, J. P. Jung and Y. N. Zhou : Effects of Surface Conditions on Resistance Spot Welding of Mg Alloy AZ, Science and Technology of Welding and Joining, - (9), 6-6 8. I.S. Hwang, D.C. Kim, M.J. Kang : Inverter DC Resistance Spot Welding of Magnesium Alloy AZ, Archive of Material Science and Engineering, 8- (), -7 9. Hongxin Shi, Ranfeng Qiu, Jinhong Zhu, Keke Zhang, Hua Yu and Gaojian Ding : Effects of Welding Parameters on the Characteristics of Magnesium Alloy Joint Welded by Resistance Spot Welding with Cover Plates, Materials and Design, - (), 8-87. N. Kishore Babua, S. Brauser, M. Rethmeier, and C.E. Cross : Characterization of microstructure and deformation behaviour of resistance spot welded AZ magnesium alloy, Materials Science and Engineering A, 9(), 9-6 大韓熔接 接合學會誌第 卷第 號, 年 6 月