44 연구논문 전정상 *, 이세헌 ** * 한양대학교기계공학부 ** 한양대학교기계공학부 A Study of Spot Welding Process to Reduce Spatter with the Hollow Tip Jungsang Jun*, and Sehun Rhee** *Dept. of Mechatronics System Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea **School of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea Corresponding author : weldjun@hanmail.net (Received January 2, 9 ; Revised March 31, 9 ; Accepted June 23, 9) Abstract In automotive company, a lot of researchers have investigated for the spatterless welding process during last two decades. A spatter influences on the product quality such as strength and surface states. In this paper, a hollow tip is proposed for spatterless process. An optimal size of electrode hole is obtained from a weldability evaluation of each hole diameter. Through the cross section analysis, a phenomenon that molten metal moves in the hole which located between two workpiece is observed, and this makes spatterless welding process even though current is higher. Finally, widely acceptable weld area in lobe curve is obtained by using hollow tip as compare with conventional no hollow tip. In this paper, spatterless resistance spot welding with improvement weldability and productivity is proposed by using hollow tip. Key Words : Hollow cap tip, Spatterless, Resistance spot welding 1. 서론 저항점용접은두전극사이의재료에대전류를흘려서재료의접촉저항으로발생한저항열을이용하여용접하는공정이다. 자동차차체의조립공정에서저항점용접은단순한용접장치와낮은설비비때문에가장널리쓰이는용접법이다. 대개차체 1대당 3, 5, 점의저항점용접이수행되고있으나현재의차체공장은용접강도를안정적으로확보하기위하여조금과도한전류를사용함으로써스패터로인한문제점을안고있다. 따라서자동차업체의용접연구자들은용접품질을만족하면서도스패터없는용접공정을이룩하기위한연구가수행하고있다. 저항점용접공정에서는용접 시용접전류가낮으면발열량이부족하여충분한너깃형성이이루어지지않아강도가떨어지며, 반대로용접전류가높으면판넬표면에오목자국이크게형성되고스패터가발생하게된다 1). 스패터란용접중용착금속주위로비산하는일부용융물질의미립자를말하는것으로중간날림 (expulsion) 과표면날림 (surface flash) 을포괄하는슬래그 (slag) 및금속입자를말한다 2). 이러한스패터는차체외관에달라붙어도장공정에서심각한품질문제를야기시키며, 추가적인제거공정으로인한생산성저하와분진발생으로인한작업환경악화를초래한다. 또한스패터의다량발생은점용접부의용입두께 (penetration thickness) 를감소시키기때문에점용접부에응력집중이발생하여용접강도를저하시키는원인이되고있다 3). 최근자 388 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 9
45 동차차체용접공정에서는스패터가차체외판에달라붙는것을방지하기위하여외판에냉각및윤활효과를가지는스패터고착방지오일을도포하여용접중발생된스패터가외판에용융고착되지않게하는공법이사용되고있으나이또한작업환경을악화시키는원인이되고있다. Rhyu와 Gedeon 등은아연도금강판에서용접시간과용접전류에따른너깃의크기와도금된아연의영향에대해연구하였으며 4,5), Gedeon 과 Min등은일반적으로자동차판넬로많이사용되는전기도금강판이나유기피복강판의저항점용접에관한연구를하였다 6,7). 또한 Park 등은자동차충돌규제의강화로사용이증가되고있는고장력강판에대한연구를수행하였으며 8), Eager 등은새로운강종을자동차차체조립공정에서사용되고있는기존의시스템에적용하기위해로브곡선을이용한적정용접조건범위설정을수행하였다 9,1). 기존의연구들은새로운강종에대한점용접조건과용접성평가에대한연구로써강종에따른로브곡선을산출하고, 스패터가발생하지않는용접조건을용접공정에적용하고자하는것이다. 하지만본연구에서는적정용접범위를찾아내는것에서한단계더나아가동일강판에서스패터를발생시키지않는방법을찾아내고자하였다. 스패터저감효과를얻기위하여기존설비교체없이적용할수있는중공전극 (hollow tip) 에대한연구를수행하였다. 홀이없는기존의일반전극을이용한용접에서는열팽창된용융금속의이동경로가확보되지않아스패터가발생된다. 이러한스패터발생의원인을해결하기위해전극선단에중공이있는전극을제안하였으며, 중공이있는전극을통하여용접중에스패터를억제하는방안을고찰하고자한다. 일반전극과전극선단에홀이있는중공전극에대한인장전단강도와스패터의유. 무에대한실험을수행하였으며, 최적의홀지름을제안하였다. 또한일반전극과중공전극에대한가압력- 전류로브곡선을이용하여스패터발생영역과양호한용접강도를나타내는영역및강도부족영역으로비교하였다. 본연구를통하여기존에사용하고있는타이머와공압용접건을그대로사용하면서도용접강도를만족하면서스패터를근본적으로억제시킬수있는친환경저항점용접공법을제시하고자한다. ø16mm ø6mm variable Fig. 1 Design of the hollow tip 재질의 D형전극을사용하였으며, 이때전극지름은 16mm, 전극선단의지름은 6mm를사용하였고, 중공전극은기존전극선단중앙에원형의홀을만들었으며일정한단면적을가진다. 또한용접건에서전극은상부와하부로구분되어있으므로중공전극또한상부와하부로구분하였다. Fig. 1은중공전극의형상과제작된전극의사진이다. 2.2 실험방법 전극의선단에홀이있을경우의홀의지름에따라용접결과가차이가발생할것으로판단하여이에따른실험을수행하였다. 본연구에사용된시편의형상은 KS B 851 점용접인장전단시험방법에준하였다. Fig. 2는시편의형상을보여주며주요치수는 Table 1과같다. 본연구에사용된시편은자동차재료로널리사용되는 GA(galvannealed) 양면도금강판을사용하였으며, 도금량은 6g/m 2, 시편두께.7mm 2매로실험을수행 Table 1 Size of specimen T(mm) W(mm) L(mm) Less than.8 2 75.8 ~ 1.3 3 1.3 ~ 2.5 4 125 W/2 W 2. 전극및실험방법 W/2 2.1 전극 L L 전극은일반적으로가장많이사용하고있는 Cr-Cu Fig. 2 Shape of specimen 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 9 年 8 月 389
46 전정상 이세헌 Factors Current [ka] Levels 6., 6.5, 7., 7.5, 8., 8.5, 9., 9.5, 1., 1.5, 11., 11.5, 12. Welding time [cycle] 1 Welding force [kgf] Diameter of the hole [mm] Table 2 Welding conditions 3, 3.5, 4 tensile shear strength(kgf) 4 spatter spatter 6. 7. 8. 9. 1. 11. 12. Normal Tip φ3.mm φ3.5mm φ4.mm Standard 하였다 11). 실험장비로는교류 SCR 타이머와공압건을사용하였고, 측정장비로는순간전류계, 가압력측정기, 인장전단강도측정을위한만능시험기를사용하였다. 용접조건은 Table 2와같이가압력을 kgf, 용접시간을 1cycle로고정시키고전류를 6kA부터 12kA까지.5kA씩변경하면서홀지름의변화에따른용접성을평가하였다. 이때용접성은인장전단강도와스패터유. 무로판단하였고, 인장전단강도의허용기준은현재자동차에서사용되는기준강도인 285kgf로하였다 12). 공압건에서전극은상부와하부로구분되어있으므로본연구에서도전극의구성은상부- 하부로구분하여일반- 일반, 중공- 일반, 중공- 중공의 3가지조건으로실험을수행하였으며, 중공전극의홀의지름을 3mm, 3.5mm, 4mm로변경하면서중공전극의홀크기에대한용접성을평가하여최적의중공전극형상을찾아내고자하였다. tensile shear strength(kgf) 4 (a) Hollow tip - normal tip 6. 7. 8. 9. 1. 11. 12. spatter (b) Hollow tip - hollow tip Normal Tip φ3.mm φ3.5mm φ4.mm Standard Fig. 3 Tensile shear strength as a function of the electrode hole sizes 3. 실험결과및고찰 Fig. 3은중공전극의홀크기에따른인장전단강도를나타낸것이다. 일반전극을사용한경우전류증가에따라강도가상승하며 8.5kA부터허용인장강도를만족하는것을알수있다. 한편용접전류1kA 이상에서스패터가발생하여용융금속이너깃의외부로빠져나가면서인장강도가감소하는것을알수있으며, 일반전극에서강도를만족하면서스패터가발생하지않는전류영역은 8.5kA 9.5kA 로형성되었다. Fig. 3(a) 는상부에만중공전극을사용하고하부는일반전극을사용한결과를나타낸것으로약 1kA 이상의전류를사용할경우허용인장강도를만족하는것을알수있다. 여기서특징적인것은일반전극과달리용접전류가추가적으로상승하더라도스패터가발생하지않는다는것이다. Fig. 3(b) 에서와같이상, 하부모두중공전극을사용한경우에도역시 1kA 이상의전류에서스패터가발생하지않고허용인장강도를만족하는것을알수있다. Fig. 4 Section images of welding nugget depending on the welding currents Fig. 4는홀의지름이 4mm인중공전극을상부에, 일반전극을하부에사용한경우, 전류증가에따른너깃의단면을보여주고있다. 중공전극을사용하게되면사진에서보는바와같이용접이진행됨에따라전극 39 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 9
47 접촉부에용융이발생하게되어고리형상의너깃이형성되게된다. 이때용접전류가높으면전극의접촉부에서용융된용융금속이팽창되면서중공전극내부로확산된다. 이때중공내부는거의진공과같은상태이므로압력이낮아용융금속이내부로흘러들어올수있는환경을제공하게되어전류가증가할수록용융금속이용접부의중공내로채워지는것을볼수있다. 따라서중공전극의경우, 전류증가에따라스패터로발생하는용융금속이중공내부로흡수되어스패터의발생을근본적으로억제하는것으로판단된다. 한편, Fig. 3에서홀의지름이 3mm에서 4mm로커지면서인장전단강도가증가하는것을볼수있다. 이는일반전극에서와마찬가지로홀의지름이커짐에따라전극의접촉면적이상대적으로작아지기때문에동일전류에서발열량이커져서용접강도가커지는것으로판단된다. 선단경 6mm의전극을사용할경우에는홀의지름이 4mm를넘게되면, 전극가공이나연속타점성과같은내구성측면에서불리하게되어현재로서는 4mm가최적이라생각된다. Fig. 5는용접너깃의단면을나타낸것으로서, a는너깃외부직경 (nugget outer diameter) 즉용접부전체지름을나타낸것이고, b는내부홀직경 (inner hole diameter) 으로용접부내부홀의지름을의미한다. 또한용접영역직경 (weld zone diameter) 은접합영역직경에서내부홀직경을뺀값이다. Fig. 6은중공 - 일반전극을사용한경우, 용접전류에따른너깃의크기를나타낸것이다. 이때중공전극의홀지름은 4mm를사용하였다. Fig.6에서보는바와같이전류증가와함께너깃외부직경은커지게된다. 이와는반대로내부홀직경은전류증가와반비례하여작아지게되고, 이에따라용접영역직경은증가하게됨을알수있다. 전류에따른인장전단강도와의상관관계를살펴보면, 너깃외부직경이.67, 내부홀직경이 -.71, 그리고용접영역직경이.72를나타내어용접영역직경이가장높은상관성을갖는것을알수있다. 따라서중공전극을사용할경우에도접합된용접영역직경을확보할수있으 Fig. 5 Section of the welding nugget Nugget size(mm) 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. outer diameter inner hole diameter. 8. 8.5 9. 9.5 1. 1.5 11. 11.5 12. weld zone diameter tensile shear strength Fig. 6 Analysis of nugget sizes depending on the welding current Welding force(kgf) Welding force(kgf) Fig. 7 Minimum tensile shear strength Acceptable 7 8 9 1 11 current (ka) spatter (a) Normal tip - normal tip Minimum tensile shear strength 7 8 9 1 11 12 current (ka) (b) Hollow tip - normal tip Acceptable Tensile shear strength(kgf) Comparison of welding lobes for normal tip and hollow tip 면스패터발생없이충분한용접강도를얻을수있음을알수있다. 적정용접범위를알아보기위하여 Fig. 7과같이용접시간을고정하고전류- 가압력로브곡선을도출하였다. 이때시간과전류는 Table 2에나타낸용접조건을사용하여시간은 1cycle로고정하였고, 전류는 6kA에서 12kA 까지.5kA씩증가시켰으며, 가압력은,, kgf으로변경하면서실험을진행하였다. Fig. 7(a) 는일반전극을사용하여실험한결과로가압력 kgf에서는전류7.5ka 8.5kA 사이에서양호한강도를얻었으며, 7.5kA 이하에서는강도가부족하였고, 12 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 9 年 8 月 391
48 전정상 이세헌 8.5kA 이상에서는스패터가발생하였다. 가압력 kgf 에서는전류 8kA 9kA 사이에서양호한강도를나타내었고, 이영역이하의전류에서는강도가부족하였으며, 이상의전류에서는스패터가발생하였다. 반면에 Fig. 7(b) 에서상부중공 - 하부일반전극을사용하여실험한결과를보면일반전극에비해높은전류를사용하여야허용인장강도기준을만족시킬수있지만전영역에서스패터는발생하지않았다. 앞서고찰한 kgf 에서뿐만아니라더낮은가압력에서도스패터가발생하지않으므로전극의홀이스패터발생억제에상당히효과적임을알수있다. 중공전극을사용할경우에 Fig. 4의단면사진에서와같이중공전극쪽으로용접부가올라오는현상이발생하므로외관품질이중요시되는부위에는적용하기어렵다. 그러나현재자동차차체공장의중요이슈중의하나인용접시스패터발생의경우, 최근에단층 GA 를사용하면서부터스패터가차체외판에고착되어후공정에서사상을해야하는문제를안고있다. 이를해결하기위해외판에안티스패터오일을도포하고있으나이또한환경문제를발생시키고있는실정이다. 중공전극을사용할경우의외관품질문제는상부중공 - 하부일반전극을적용하여차체내부로보이지않는면에중공전극이, 외부로나타나는면에일반전극이접촉되게되면해결할수있을것으로판단된다. 따라서중공전극을사용하여스패터를발생시키지않으면서기준강도를만족할수있으면차체공장에상당히유용하게사용될수있을것이다. 4. 결론 본연구에서는자동차차체공장에크게문제가되고있는스패터의발생을제거하여 Spatterless Factory 라는이상적인공장을실현하기위하여전극선단에홀이있는중공전극을제안하였으며이에대한실험결과를정리하면다음과같다. 1) 저항점용접의기존전극에서는전류가높을경우스패터가발생하지만, 중공전극을사용하게되면홀내부로용융금속이채워져스패터의발생을억제할수있다. 2) 현재의 6mm 선단경의전극에적용할수있는중공전극홀지름에대한최적의조건을도출하였다. 3) 제안된중공전극을사용하여적정용접조건을위한로브곡선을도출하였으며, 기존전극에비해 2배이상넓은용접영역을얻을수있었다. 후 기 본연구는 8년도 BK21의연구비및서울시산학연클러스터사업의지원을받아수행되었음. 참고문헌 1. I. W. Johnson : Spot Welding of Carbon Steel, Welding Research Supplement, Mar. (196), 89-96 2. D. W Seo. H. C Yoon. Y. B Jeon. J. K Lim : Effect of Spot Welding Conditions on Spatter and Mechanical Strength Properties, Journal of KWS. 21-2 (3), -25 (in Korean) 3. S. M Cho : Principle of Resistance Welding and Analysis of Monitoring Results, Journal of KWS. 15-2 (1997), 1-1 (in Korean) 4. K. Rhyu and C. S. Kang : A Study on the Weldability of Galvannealed Steel in Spot Welding Process, Journal of KWS, 5-1 (1987), 64-72 (in Korean) 5. S. A Gedeon, D. Schrock, J. Lapointe, and T. W. Eagar : Metallurgical and process Variables Affecting the Resistance Spot Weldability of Galvanized Sheet Steels, SAE Technical Paper 84113 (1984) 6. S. A Gedeon and T. W. Eager : Resistance Spot Welding of Galvanized Steel: Part Ⅰ. Material Variations and Process Modifications, Metallurgical Transactions B, 17B (1986), 879-885 7. J. K. Min, Y. K Oh and G. S. Kim : A Study on the Spot Weldability of Automotive Steel Sheets, Journal of KWS, 14-3 (1996), 41-47 (in Korean) 8. H. Park, T. Kim and S. Rhee : Optimization of Welding Parameters for Resistance Spot Welding of TRIP Steel using Response Surface Methodology, Journal of KWS, 21-2 (3), 76-81 (in Korean) 9. E. W. Kim and T. W. Eager : Parametric Analysis of Resistance Spot Welding Love Curve, SAE Technical Paper 88278 (1988) 1. M. Calva and W. Eager : Enhancement of the Weldability in Resistance Spot Welding, Sheet Metal Welding Conference Ⅳ, Southfield. Mich, 199) 11. KS B 851, Spot weld specimen for tensile shear test, Korean Standard Association, (198) 12. Hyundai Motor Company Standard Specification SPECS NO: MS 111-1A. 13. J. S. Jun. H. S. Park and S. Rhee : A Study on the Spatterless Resistance Spot Welding with Hollow Cap Tip, KWJS (8)-spring, 24 392 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 9