79 연구논문 김기홍 * 최영민 ** 김영석 *** 임영목 **** 유지훈 **** 강남현 ***** 박영도 * * 동의대학교신소재공학과 ** POSCO 기술연구소자동차소재연구그룹 *** 한국생산기술연구원 **** 한국기계연구원 ***** 부산대학교재료공학과 Evaluation on Resistance Spot Weldability and Nugget Formation of Surface Roughness Treated Steel Sheet Ki-Hong Kim*, Yung-Min Choi**, Young-Seok Kim***, Young-Mok Rhym****, Ji-Hun Yu****, Nam-Hyun Kang***** and Yeong-Do Park* *Dept. of Advanced Material Engineering, Dong-eui University, Busan 614-714, Korea **Automotive Steel Products Research Group, Technical Research Labs., POSCO, Gwangyang 545-090, Korea ***Korea Institute of Industrial Technology, Jisa 618-230, Korea ****Korea Institute of Materials Science, Changwon 641-010, Korea *****Division of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, Korea *Corresponding author : ypark@deu.ac.kr (Received July 9, 2008 ; Revised August 18, 2008 ; Accepted October 6, 2008) Abstract With the increased use of surface textured steel sheet in body-in-white assembly, resistance spot weldability of these steels is considered to be an important subject. This study evaluated nugget formation and weldability by measuring dynamic resistance with various weld pressure, current, and weld time for steel sheet with two different surface roughnesses. The surface roughness for steel (R a =1.79 μm ) was higher than that for steel (R a =1.33 μm ), and resulted in increased contact resistance and heating for steel spot welding. Therefore, at low weld current and weld cycle ranges, the steel showed better weldability over the steel. The evaluations of weld interface showed that the fusion zone in the steel sheet was continuous in contrast to discontinuous fusion zone for steel sheet at the same welding conditions. A comparison of dynamic resistance and tensile-shear strength (TSS) between and steel sheet suggested that high surface roughness provided larger heating at early cycle of welding and larger TSS. Key Words : Resistance spot welding, Weld nugget, Surface roughness, Dynamic resistance, Cold rolled steel sheet 1. 서론 냉연강판은거의모든산업에걸쳐사용되고있으며, 최근에는냉연강판에아연이나아연합금등의표면처리를적용한도금강판의수요가급증하고있다. 이러한냉연및도금강판은가공기술의발전으로가공파단의경우는점차감소되고있으나, 도장후의도장면불량, 선영성에관한문제점은여전히지적되고있다. 이러한문제는강판의표면조도와밀접한관련을가지고있기때문에표면조도관리의정밀도가점차적으로중요시되고있다. 따라서최근에자 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 511
80 김기홍 최영민 김영석 임영목 유지훈 강남현 박영도 동차용소재로표면조도처리강판이개발되었으며, 이강판은표면의내마모성이우수하고, 가공성, 도장후의밀착성및선영성이향상되는장점이있다. 이러한표면조도처리강판의표면조도는롤에 Shot Blast, Laser, Electron Beam, Electro Discharge texturing 등의방법으로조도를부여하여 1% 정도의압하율을주는조질압연 (skin pass or temper rolling) 공정에의해서강판표면에전사시킨다. 표면조도처리된강판은가공성및표면외관이우수하며, 평균표면조도가증가할수록표면에윤활유가균일하게도포되어딥드로잉마찰계수가감소하는것으로보고되고있다. 이러한표면조도처리강판은주로자동차차체에적용되지만, 차체용접공정에서가장많이적용되는저항점용접에관한연구가부족한실정이다 1). 저항점용접의원리는압력을가한상태에서통전전금속간계면의접촉면에서발생하는접촉저항과통전시금속의고유저항에의한발열로접합이이루어진다. 초기통전전에존재하는접촉저항은두피용접재사이의전기저항으로서온도가상승하면소멸한다. 이때온도상승에따라피용접재의고유저항이증가하게되고, 이러한저항증가에기인하여온도는급상승하게된다 2). 특히용접전극들사이에존재하는계면저항및모재저항에의한발열은최종적으로용접성에영향을미친다. 재료의전기저항은온도의존적이며, 시간에따라변하게되는데이러한현상을일반적으로동저항 (Dynamic Resistance) 이라고한다 3). Kaiser 등은점용접시너깃형성에대한동저항의영향을분석을통해, 통전초기에는접촉저항이고유저항에비해상대적으로발열에영향을주며용접이진행되면서온도상승으로인한고유저항의영향이증가하는것으로보고하였다 4). 따라서본연구에서는동저항분석을통해접촉저항에따른초기발열량변화를관찰하여용접성을평가하였다. 동저항은초기접촉저항과는달리용접시간진행에따라변화하는너깃의형성정보를지니고있는인자이기때문에동저항분석결과를적절히활용하면용접부의실시간용접품질예측도가능하다 5-6). 표면조도처리강판의초기연구결과에서연속타점용접성은표면조도가높은강판의용접성이표면조도가낮은강판보다열위한것으로나타났다 7). 그러나표면조도처리강판에서표면조도차이에따른단일타점용접성평가는규명되지않았다. 따라서, 본연구에서는표면조도처리강판의점용접시동저항분석을활용하여표면조도에따른접합부의버튼직경및인장전단강도와너깃형성과정의차이를비교하고자한다. Table 1 Chemical composition of surface roughness textured cold-rolled steel sheet(unit : wt%) Ti C Si Mn P (ppm) Ni Mo B (ppm) Chemical 0.002 0.06 0.51 0.047 5 compositions Table 2 Mechanical properties of surface roughness textured cold-rolled steel sheet Mechanical properties Yield strength (kgf/mm 2 ) 2. 실험방법 본연구에서는 AC 단상공압정치식 (75 kva) 을사용하였다. 전극은 6 mm 직경의 Cu-Cr 재 Dome type 을사용하였으며, 냉각수는 8 l/min 로일정하게공급되었다. 2.1 사용재료 0.7 mm 두께의냉연강판에 Precision Texturing 방법으로표면조도를부여한 T강판에서조질압연롤의크기에따라표면조도가낮은 L과표면조도가높은 H 로나누어각각 강판, 강판으로분류하였다. 실험에사용된강판의화학조성과기계적특성을 Table 1, 2에나타내었다. 2.2 로브곡선및용접조건 과 강판의로브곡선은고정가압력 250 kgf 에서전류와시간을변화시켜도출하였다. 로브곡선에서의하한곡선은 peel test 에의해측정된버튼크기를이용하여최소버튼직경을 5 t로적용하였고, 상한곡선은중간날림이발생한조건으로용접부주변의날림흔적을관찰하여판별하였다. 점용접에서가장중요한용접변수는전류, 가압력그리고통전시간이므로, 본연구에서는전류, 가압력, 통전시간을각각 9~11 ka, 150~400 kgf, 2~13 cycle 로변화시켜용접을실시하였다. 2.3 표면조도및접촉저항측정 표면조도측정은 Wyko DMEMS NT3300 장비를이용하여비접촉모드에서 0.55 배율로압연방향 (0 ), 수직방향 (90 ) 그리고 45 방향의평균값을 3차원형상으로측정하여강판의평균조도 (R a) 를분석하였다. Tensile strength (kgf/mm 2 ) Elongation (%) 16.7 26.3 45 512 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008
81 접촉저항측정은특허번호 10-0685015 의접촉저항시험법에의해측정하였다. 접촉저항측정시프로브에 15.5 mm 직경의평평한 Cu합금전극을상하부에설치하여가압력 3 kg/ cm2, 전류 10 A로적용하였고, 통전시발생한전압값을이용하여저항을측정하였다. 이때측정된저항은전극과모재의고유저항및전극과판재, 판재와판재사이의계면저항을모두합한값으로나타내어진다. 2.4 동저항측정 0 45 90 동저항측정은 Monitech 사의 WSM-2000N 모니터링시스템을사용하였고, Hall 센서와전압측정장치를이용하여계측하였다. 그리고계측된전류와전압파형에서 1 cycle 단위로평균동저항을측정하였다. 0 45 90 2.5 용접너깃형성관찰용접후단면을절단하여연마후 3% nital 로에칭하였고, 광학현미경을이용하여용접너깃을관찰하였다. 그리고관찰된너깃용융부의접합계면을분석하여표면조도차이에따른너깃형성및성장을비교분석하였다. 2.6 SPCC 강판의표면조도측정과동저항분석표면조도처리강판에서표면조도에따른용접성차이를분석하기위해 1 mm 두께의 SPCC 강판에인위적으로표면조도를부여하여용접을실시하였다. SPCC 강판에각각 #400과 #0 SiC paper를이용하여표면연마를실시하였다. 그리고표면조도처리된 SPCC 강판은표면조도측정기를이용하여각각의표면조도를측정하였고, 점용접을실시하여표면조도에따른동저항을비교하였다. 3. 결과및고찰 3.1 표면조도에따른접촉저항 Fig. 1은 3차원표면조도측정기를이용하여 과 강판의표면조도를측정한결과이다. 강판의표면조도는 1.33 μm인반면, 강판의평균표면조도는 1.79 μm로 강판의표면조도가 0.46 μm높게나타났다. 강판에서는표면조도가낮고균일하게형성된반면, 강판에서는부분적으로높은표면조도구간이관찰되었다. 그리고 강판과 강판모두에서의표면조도는압연방향 (0 ) 의경우수직방향 Fig. 1 Surface roughness of and steel sheets 0, 45 and 90 directions (90 ) 보다약 10 μm정도높게형성되었다. 방향에따른표면조도의차이는표면조도처리시압연방향과상관관계가있을것으로사료된다. 각각의강판에대한접촉저항의측정결과 강판은 0.87 mω, 강판은 1.14 mω으로 강판의접촉저항이 0.27 mω 높게나타났다. 실험에사용된판재의화학조성과기계적성질이동일하고, 표면조도의차이만존재하므로이러한접촉저항의차이는표면조도의차이에기인한것으로판단된다. 점용접공정에서접촉저항은전극과판재의접촉저항 (Interface resistance) 과판재와판재의접촉저항 (Faying surface resistance) 으로분류되는데, 일반적으로전극과판재의접촉저항보다판재와판재의접촉저항이더큰것으로보고되고있다 8). 표면조도차이에기인한접촉저항은점용접시초기발열에큰영향을미치게되고, 초기발열량증가는용접부너깃형성에기여하므로최종적으로용접부의접합품질에영향을미친다. 그러나이러한초기발열의증가는용접너깃형성과정에서급격한용융을야기시켜중간날림발생의가능성이존재할것으로사료된다. 3.2 과 강판의로브곡선비교 표면조도처리강판의적정용접조건을얻기위해로브곡선을작성하여 Fig. 2에나타내었다. 과 강판의로브곡선에서용접시간이 10 cycle 이상일때에는적정용접전류범위가유사하지만, 용접시간이 10 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 513
82 김기홍 최영민 김영석 임영목 유지훈 강남현 박영도 18 R max Weld time (cycle) 16 14 12 10 8 6 Dynamic resistance α-peak R slope (β-peak) R max -R min 4 R max location Cycle Time 2 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Current (ka) Fig. 2 Weld lobe diagram of and steel sheets. Electrode force was hold at 250kgf for all welding condition cycle 미만일때에는 강판보다 강판의적정전류범위가더넓은것이관찰되었다. 과 강판의적정용접범위차이는 8 cycle 에서 0.5 ka, 6 cycle 에서 1 ka 그리고 4 cycle 에서 1.5 ka로용접시간이감소함에따라적정용접범위의차이가증가하는것을관찰하였다. 그리고하한곡선에서동일한용접시간을적용할경우 강판은더낮은용접전류인 8 ~ 9 ka에서도 5 t 이상의버튼직경을보이지만, 강판은계면파단혹은버튼직경이 5 t 미만으로나타난다. 강판의용접시저전류조건에서용접이가능하다는것은모재혹은계면의저항에따른발열이높다는것을의미한다. 과 강판의모재저항은동일하며, 강판의표면조도와접촉저항이 강판에비해더크기때문에발열이증가하여저전류조건에서도양호한용접성을보이는것으로판단된다. 한편상한곡선의중간날림경계에서는용접시간 4 cycle 이하의범위를제외하고는서로유사한전류조건을나타내었다. 중간날림은높은전류에의한과도한발열이발생한것으로서전류값에의한영향이크며, 높은전류조건에서는 0.4 μm수준의표면조도차이에기인한발열차이에는접촉저항의영향이크지않을것으로사료된다. 3.3 전류변화에따른동저항 용접시간에따른동저항변화는접촉저항과발열에영향을미치며, 최종적으로용접부의접합강도를변화시킨다. Cho 등은 9) 동저항변화와용접품질간의상관관계를통계적방법으로분석하여몇가지인자들로분류하였으며, 이를 Fig. 3에나타내었다. Fig. 3에서 α- peak 는초기통전시판재의소성변형에따른최소동저항이고, 동저항의최대값 β-peak(r max ) 는너깃생성 Fig. 3 Analysis of the geometrical parameters for dynamic resistance which represent characteristics of resistance during spot welding 9) 과정에서나타나는동저항의최대값을의미하며, β- peak 의위치 (R max location ) 는너깃의생성시점을나타낸다. 그리고동저항상승기울기 (R slope ) 와동저항의최대 / 최소값차이 (R max -R min ) 는각각너깃의생성및성장속도와관련된다. 이외에도더많은기하학적인인자들이있으나위 5가지의인자들이저항점용접성에가장큰영향을미치는것으로알려져있다. Fig. 4는가압력 250 kgf, 통전시간 13 cycle에서전류조건을 9~11 ka로변화시켜용접하였을때 과 강판의동저항변화를나타낸것이다. 전류가증가함에따라 과 강판모두에서 α-peak의감소가관찰되었다. 전류에따른발열의증가는접합계면의온도상승과함께접촉저항을감소시키는것으로해석된다. 그리고, 통전전류값이 9 ka에서 10 ka, 11 ka로증가함에따라 β-peak 이 3 cycle 에서 2 cycle 로이동하였다. 그러나 강판과 강판의표면조도차이에따른동저항변화는모든전류조건에서유사한형태로나타났다. 이러한원인은동일한용접시간조건에서발열량에가장큰영향을미치는인자는전류이므로, 높은전류의용접조건에서는표면조도에따른접촉저항의차이가발열에큰영향을미치지않는것으로판단된다. 마찬가지로로브곡선의상한곡선결과에서도, 높은전류조건에서는서로유사한경향을보이며, 표면조도의영향이크지않은것으로관찰되었다 (Fig. 2). 3.4 가압력변화에따른동저항 점용접공정에서전극가압시전극과판재그리고판재와판재의접촉부에존재하는표면부의미세한요철이소성변형을시작한다. 그러나가압이진행되면서판재접촉부의소성변형에의한접촉면적은증가하다가일정한계치에이르면더이상증가하지않고, 가압력 514 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008
83 9kA 10kA 11kA 150kgf 250kgf 350kgf 90 0 2 4 6 8 10 12 14 90 0 2 4 6 8 10 12 14 9kA 10kA 11kA 150kgf 250kgf 350kgf 90 0 2 4 6 8 10 12 14 Fig. 4 Dynamic resistance of and steel sheets with current changes from 9kA to 11kA. (weld force : 250kgf, weld time : 13cycle) 90 0 2 4 6 8 10 12 14 Fig. 5 Dynamic resistance of and steel sheets with weld force changes from 150kgf to 350kgf. (weld current : 10kA, weld time : 13cycle) 을감소시키더라도변형된부분이다시회복되진않는다. 따라서점용접에서의접촉저항은이러한소성변형정도에의해큰영향을받으므로전극가압력과밀접한관련이있다. 높은가압력의경우판재접촉부의소성변형이크며접촉면적은증가한다. 이러한접촉면적의증가에따라접촉저항의감소와함께전류밀도또한감소되어용접부의발열량감소로귀결된다. 여기서접촉면적과접촉저항, 전류밀도의상관관계를살펴보면접촉면적은접촉저항과전류밀도에반비례하며, 접촉저항과전류밀도는서로비례하는것을알수있다. 이러한이유로표면조도처리가되지않은일반냉연강판에비해표면조도처리강판에서는가압력에의한영향이크게작용할것으로사료된다. Fig. 5는전류 10 ka와통전시간 13 cycle에서가압력을 150 kgf부터 400 kgf까지 50 kgf 단위로변화시켜동저항을모니터링한결과이다. 가압력변화에따른 (Fig. 5a) 과 (Fig. 5b) 강판의동저항관찰결과에서는가압력이감소함에따라 α-peak는상 승한다. 이러한결과는가압력이감소함에따라접촉저항이증가함을의미하고, 가압력의변화는용접부의초기발열에영향이있음을보여준다. 또한가압력이증가함에따라 β-peak (R max ) 는감소하며, 이는전체적인발열이감소했음을의미한다. 그러나낮은가압력에서발생하는급격한발열은중간날림을발생시키며, 동저항계측에서도날림현상을판별할수있는저항의급격한감소가관찰되었다. 그리고 강판은 6 cycle 에서중간날림이발생한반면 강판은 4 cycle 에서중간날림이발생하였고, 이러한결과는 강판의발열이더크다는것을의미한다. 반대로가압력이증가할경우접촉저항이낮아져용접부발열이감소되며최종적으로용접부의품질이저하된다. Song 등의연구에서도, 점용접시가압력이증가하면동저항곡선의기울기가완만해지고, 온도변화가적으며, 발열량이감소한다고보고하였다 10). 이는가압력이증가함에따라판재표면의요철에소성변형이쉽게일어나접촉면적이증가하고, 표면의박막저항 (film resistance) 이넓은범위에걸쳐제거되기때문에저항의변화가감소하 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 515
84 김기홍 최영민 김영석 임영목 유지훈 강남현 박영도 는것이다. Fig. 6 와 의결과에서가압력이증가함에따라 과 강판의버튼직경과인장전단강도가감소하였고, 150 kgf 가압력에서는모재의날림에의해인장전단강도와버튼직경이감소하는것으로판단된다. 그리고 400 kgf 의가압력에서는인장전단강도와버튼직경이유사한값으로나타났다. 이것은가압력이일정한계치인 400 kgf 에이르면높은가압력에의해표면조도가거의소멸되어 과 강판의접촉저항에차이가사라지는것으로판단된다. Fig. 7은가압력에따른 과 강판의동저항거동을 Fig. 3에설명된 α-peak와 β-peak(r max ), R slope, 그리고 R max-r min 에대하여나타내었다. 과 강판을비교한결과에서표면조도의영향은관찰되지않았으나, 가압력이증가할수록 α-peak와 β- peak(r max), R slope, R max-r min 이모두감소하는것으로관찰되었다. Fig.7 와 에서가압력증가에따른 α-peak 의감소는접촉저항의감소를의미하고, β- peak(r max) 의감소는너깃생성에필요한최대발열량 Butten diameter (mm) Tensile-shear strength (kgf) 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 340 320 300 280 150 200 250 300 350 400 Electrode Force (kgf) 260 150 200 250 300 350 400 450 Electrode Force (kgf) Fig. 6 Comparison of button diameter and tensile shear strength for and steel sheets with electrode force changes from 150kgf to 400kgf. (weld current : 10kA, weld time : 13cycle) 이감소하는것으로해석된다. 그리고 Fig. 7(c) 와 (d) 에서가압력증가에따른 R slope 와 R max -R min 의감소는각각너깃의생성및성장속도가감소하는것을의미한다. 결국 Fig. 6과 Fig. 7의결과를종합해보면접합강도 (TSS) 는동저항패턴의기하학적인자들과상관성이있음을알수있다. 그리고 Fig. 7의가압력 200 kgf ~ 300 kgf 구간에서는동저항패턴의기하학적인자들이가압력에무관하게일정한값을가지는것으로관찰되었다. 200 kgf 와 300 kgf 의전극가압력구간에서소성변형에따른모재의표면조도감소가크지않기때문으로판단된다. 위의실험결과로부터 (Fig. 4) 250 kgf 의가압력에서높은전류조건인 9 ka~11 ka 구간의경우표면조도크기에따른동저항의변화가유사한형태로관찰되어용접성에대한표면조도의영향을명확히판단하기에어려움이있다. 따라서 13 cycle 의용접시간조건에서가압력을 200 kgf 로전류를 7 ka와 8 ka로각각감소시켜표면조도의영향을관찰하였고측정한동저항결과를 Fig. 8에나타내었다. 낮은전류조건인 7 ka와 8 ka에서 과 강판의동저항을비교한결과, 강판의 α-peak 와 β-peak 가모두높게나타났다. 그리고전류증가에따른 강판의 α-peak 는유사한값을가지나, 강판의 α-peak는큰폭으로감소하는것을관찰하였다. α-peak 가감소하는것은판재표면의소성변형에기인하는것으로전류가증가함에따라판재표면의요철부에서연화현상 (softening) 이발생하여소성변형이증가하기때문이다. 200 kgf 가압력에서표면조도가낮은 강판은전류가증가함에따라판재표면의소성변형이일정하지만, 강판은전류증가에따라소성변형도증가하여 α-peak가큰폭으로감소한것으로판단된다. 하지만 Fig. 6의가압력증가에따른동저항결과와마찬가지로, 일정한가압력에서전류가계속증가할경우연화현상에의해표면조도가거의소멸되어 과 강판의 α-peak 는큰변화가없을것으로사료된다. 이는 Fig. 4의결과에서관찰되었듯이적정용접조건범위내에서는표면조도의영향이관찰되지않은것과동일한결과이다. 3.5 통전시간변화에따른동저항앞서실험한로브곡선결과와전류변화에따른동저항결과에서는높은전류 (9~11 ka) 와일정통전시간 (10~16 cycle) 이상의조건에서점용접시표면조도 516 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008
85 115 α-peak (μω) 105 (μω) R max 95 150 200 250 300 350 400 150 200 250 300 350 400 Electrode Force (kgf) Electrode force (kgf) 10 40 R slope 8 6 4 R max -R min (μω) 30 20 2 10 150 200 250 300 350 400 Electrode force (kgf) (c) 150 200 250 300 350 400 Electrode force (kgf) (d) Fig. 7 Analysis of geometrical factors of dynamic resistance for and steel sheets with weld force changes from 150kgf to 400kgf; α-peak resistance, R max(β-peak) resistance, (c) R slope, (d) R max-r max. (weld current : 10kA, weld time : 13cycle) 의영향이크지않음을알수있었다. 양호한용접품질을확보하기위해서는로브곡선의적정용접범위내의조건에서대부분용접이이루어지지만, 실제점용접을 180 170 160 150 7kA 8kA 7kA 8kA 0 2 4 6 8 10 12 14 Fig. 8 Dynamic resistance of and steel sheets with weld current changes from 7kA to 8kA. (weld force : 200kgf, weld time : 13cycle) 이용한생산공정에서는최적용접품질을확보할수있는최소전류와용접시간이중요시되고있다. 따라서본연구에서는 8 ka의전류조건과 10 cycle 이하의짧은통전시간에서표면조도의차이가점용접성에미치는영향에대한실험을진행하였다. Fig. 9는가압력 250 kgf 과전류 8 ka에서통전시간을 3~6 cycle 로변화시켜점용접하였을때 과 강판의동저항변화를나타낸것이다. 모든통전시간조건에서높은표면조도를가진 강판은 강판보다더높은 α-peak 와 β-peak 를가진다. 이러한원인은주울의발열식 ( 식1) 에서알수있듯이낮은전류와짧은용접시간일경우통전전류와시간이발열에미치는영향은감소하고, 접촉저항이발열에미치는영향이증가한다. 즉, 식 (1) 에서모든인자가일정할경우표면조도차이에따른 R C 의변화가발열량변화의주요인자가된다. (1) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 517
86 김기홍 최영민 김영석 임영목 유지훈 강남현 박영도 여기서 Q는발열량 (J), I는통전전류 (ka), R B 는모재저항 (Ω), R C 는접촉저항 (Ω), t는용접시간 (cycle) 이다. 통전시간에따른용융부의접합상태변화를 Fig.10 에나타내었다. 접합부를관찰한결과 과 강판의용융부에서미세한차이가관찰되었다. 강판은판재의모든접촉계면에서용융이일어난반면, 표면조도가낮은 강판은접촉저항이높은부분에서만부 150 145 135 125 3cycle 5cycle 0 1 2 3 4 5 6 150 145 135 125 3cycle 5cycle 4cycle 6cycle 4cycle 6cycle 분적용융이일어나는것으로관찰되었다. 이는낮은전류, 짧은통전시간에서 강판의경우높은표면조도에의한국부적인접촉부분에서급격한전류밀도상승에따른발열의증가가원인으로사료된다. 그리고 Fig. 10의 3 cycle 과 4 cycle 용접조직에서삼각형으로표기된부분은미접합부를나타내는것으로 강판의낮은표면조도에기인하여용융에필요한발열이충분하지않았기때문으로사료된다. 이러한미접합부형성기구를도식화하여 Fig.11 에나타내었다. 모식도에서 강판의용접계면은높은접촉저항에의해발열이증가하여전체적으로균일한용융이발생할수있으며, 강판은낮은표면조도에따른불충분한발열로인하여부분적인접합불량이발생할수있음을보여준다. Fig. 12는 강판을전류 10 ka에서통전시간 2 cycle 부터 6 cycle 까지변화시켜점용접한부분의 Macro 조직사진이다. 강판의경우통전시간 2 cycle 에서 4 cycle 까지는너깃의용융부면적이급격히증가하지만 4 cycle 이후에는용융부면적의증가가관찰되지않았다. Gould 등의연구결과에따르면점용접시통전초기에판재와판재계면에발생하는열의온도가용융점의 90% 에이른다고보고하였다. 통전초기에 3 cycle 0 1 2 3 4 5 6 150 145 135 125 4cycle 5cycle 4cycle 5cycle 4 cycle 5 cycle 0 1 2 3 4 5 (c) Fig. 9 Dynamic resistance of and steel sheets with weld time changes from 3cycle to 6cycle, and (c) comparison of dynamic resistance of and steel sheets at low weld cycles. (weld force : 250kgf, weld current : 8kA) 6 cycle Fig. 10 Microstructure at fusion zone near interface of and steel sheets with weld time changes from 3cycle to 6cycle 518 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008
87 Before Weld T- L T- H After Weld Force Force Fig. 11 Schematic drawings of comparison in fusion zone between and steel sheets with same welding conditions 2 cycle 3 cycle 4 cycle 5 cycle 3.6 표면조도에따른 SPCC 강판의동저항앞선연구결과에서표면조도처리강판의표면조도는접촉저항과발열량에중요한영향이있는것으로나타났다. 이를검증하기위해 SPCC 강판에서표면조도를인위적으로변화시킨후표면조도의영향을체계적으로관찰하기위한추가실험을실시하였다. SPCC 강판에서 as-received 상태의표면조도는 1.12 μm이며, SiC paper 를이용하여인위적으로표면조도를부여한 SPCC 강판의표면조도는각각 0.7 μm와 0.3 μm로나타났다. 표면조도가다른각각의시편을점용접후측정한동저항결과를 Fig. 13에나타내었다. Fig. 13의동저항에서표면조도가가장높은강판 (1.12 μm ) 의 α-peak 가가장높게나타났으며, β-peak 는가장빠른시점인 2 cycle 에서형성되었다. 반면표면조도가 0.7 μm와 0.3 μm인강판에서 α-peak 가점차적으로감소하는것을관찰하였고, β-peak는 4 cycle에서형성되었다. Fig. 14는표면조도크기에따른동저항의기하학적인인자들을나타낸것이다. 표면조도처리강판과유사하게 SPCC 강판에서도표면조도가증가할수록 α-peak 와 β-peak 그리고 R slope 모두증가하였다. SPCC 강판의실험결과에서도보이듯이강판표면에존재하는비교적높은표면조도는접촉저항과초기발열을증가시켜최종용접성을향상시키는것으로판단된다. 그러나표면조도크기에따른용접성의향상은전극의연속타점수명과는연관성이없으며, 이러한전극수명의영향에대한연구는본연구진들에의해진행된바가있다 7). 6 cycle Fig. 12 Macro photographs of resistance spot welds for steel with changes of weld cycles. (weld force : 250kgf, weld current : 10kA) 발열온도가높은이유는접촉저항에기인한발열의증가가원인이며, 온도가증가할수록판재와판재계면의접촉저항은감소하기때문에발열은점차적으로감소한다고설명하였다 11). 따라서표면조도처리강판의점용접시짧은용접시간에초기발열을증가시켜양호한용접부를얻을수있으며, 이러한초기발열은표면조도에따른접촉저항의영향이크게작용할것으로사료된다. 0 2 4 6 8 10 12 Ra 1.12 Ra 0.7 Ra 0.3 Fig. 13 Dynamic resistance during spot welds of SPCC steels with various surface roughness. (weld force : 250kgf, weld current : 10kA) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 519
88 김기홍 최영민 김영석 임영목 유지훈 강남현 박영도 α-peak resistance (μω) β-peak resistance (μω) R slope 114 112 108 106 104 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 125 124 123 122 121 Surface roughness of SPCC ( μm ) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 12 10 8 6 Surface roughness of SPCC ( μm ) 4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Surface roughness of SPCC ( μm ) (c) Fig. 14 α-peak resistance, β-peak resistnace, and (c) Rslope for the resistance spot welds of the SPCC steels with various surface roughness. 4. 결론 1) 강판의높은표면조도는접촉저항및발열을증가시켜최종적으로용접성을향상시키며, 따라서접촉저항과밀접한관련이있는표면조도가발열량에영향을미치는인자로작용한다. 2) 과 강판의로브곡선비교를통해하한곡 선에서는 강판에비해 강판이저전류조건에서양호한용접품질을얻을수있고, 이는표면조도크기의차이에기인한다. 그리고상한곡선에서는유사한형태의곡선이관찰되었고, 이는통전전류가높은경우전체발열이전류에크게의존하는것에기인한다. 3) 가압력이증가함에따라접촉저항은감소하고, 발열량또한감소하여최종용접품질을저하시킨다. 그리고가압력증가에따라동저항의기하학적인인자들모두가감소하며, 이러한인자들은용접부의접합강도와상관성이있음을알수있다. 4) 짧은통전시간과저전류용접조건에서의발열은접촉저항에크게의존하므로, 동일한용접조건에서용접할경우표면조도가높은판재는접촉저항에기인한발열량이크므로양호한접합부품질및접합강도를가진다. 5) 인위적으로표면조도처리한 SPCC 강판에서는 과 강판의결과와마찬가지로높은표면조도가접촉저항과초기발열을증가시켜최종접합품질을향상시키는것으로관찰되었다. 참고문헌 1. K.S. Kim, Surface Roughness and Image Clarity for Automotive Sheet Steels, Proceedings of the 1996 Spring Annual Meeting of Korean Society of Automotive Engineers, (1996), 265-272 2. S.M. Cho, Principle of Resistance Welding and Analysis of Monitoring Results, Journal of The Korean Welding and Joining Society, 15-2, (1997), 1-10 3. N.T. Williams and J.D. Parker, Review of resistance spot welding of steel sheets: Part 1. Modelling and control of weld nugget formation, International Materials Reviews, 49-2, (2004), 45-75 4. J.G. Kaiser, G.J. Dunn, and T.W. Eaga, The Effect of Electrical Resistnace on Nugget Formation During Spot Welding, Welding Journal, 62-6, (1982), 167s-174s 5. D.W. Dickinson, J.E. Franklin, and A. Stanya, Characterization of Spot Welding Behavior by Dtnamic Electrical Parameter Monitoring, Welding Journal, 59-6, (1980), 170s-176s 6. P.H. Thornton, A.R. Krause and R.G. Davies, Contact Resistances in Spot Welding, Welding Journal, 75-12, (1996), 402s-412s 7. K.H. Kim, S.S. Park and Y.D. Park, The Resistance Spot Weldability of surface roughess textured cold-rolled steel sheet. Proceedings of the 2007 Autumn Annual Meeting of Korean Welding and Joining Society, Vol 48, (2007), 342-344 (in Korean) 520 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008
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