연구논문 박태규 윤상만 이세헌 한양대학교대학원기계공학과 한양대학교기계공학부 A Study for Resistance Spot Weldability of Sheet Steel for Automobile Body by Using Pre-current Taegyu Park*, Sangman Yun* and Sehun Rhee**, *Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul, 133-791, Korea **Division of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul, 133-791, Korea Corresponding author : srhee@hanyang.ac.kr (Received August 25, 29 ; Revised September 16, 29 ; Accepted October 14, 29) Abstract In the present day, new performances are demanded for automobile body steel sheet for example, light weight, durability, resistance corrosion and environmental protection. For an improvement of resistance corrosion, European automobile companies developed pre-sealed steel in 199 s. steel have organic coated layer upper zinc coated layer. Evaluating a resistance spot weldability of pre-sealed steel plate is important because resistance spot welding is used mainly in automobile body joining process. In this study, evaluating a weldability of pre-sealed steel plate was carried out using lobe diagram, dynamic resistance and high-speed image. Usually, steel has poor weldability than steel s. To improve a weldability of pre-sealed steel sheet, pre-current was applied to welding process. Pre-current is applied prior to base-current. In conclusion, the weldability of pre-sealed steel has been improved than steel s by applying pre-current. Key Words : Dynamic resistance, Lobe diagram, High-speed image, Pre-current,, Resistance spot welding, Weldability 1. 서론 자동차산업이발전함에따라차량의성능뿐만아니라안정성 내구성 친환경성등이요구되기시작했으며 이를위해다양한자동차차체신강종들이개발되어왔다 그중에서도도금강판이차체의방청성향상을위해많이사용되고있다 하지만 차체의플랜지부나도어 펜더 같은부식에취약한부위는도금강판의적용에도불구하고 방청성이크게향상되지못하였고 이로인해발생하는부식은차량의 외관품질을떨어뜨리고 내구성을저하시키는요인으로작용하고있다 이와같은문제점을해결하기위해유럽의자동차회사들은프리실드강판을개발하여차체에적용하고있다 프리실드강판은아연도금된강판위에전도성안료 가다량함유된유기피막을도포한강판으로써 년대부터다임러크라이슬러를중심으로연구개발이진행되어왔고 라고도불리고있다 프리실드강판을사용함으로써얻을수있는효과는방청수명이약 년정도향상된다는점과차체도장공정중의 차부식방지공정을생
략할수있다는점을들수있다 따라서차체에적용하기위하여요구되는중요한성질중의하나인저항점용접특성에대한연구도활발히진행되었다 등은로브곡선을이용하여저항점용접공정의적정용접조건제시에관한연구를수행하였고 등은용접공정중에계측할수있는신호중의하나인동저항신호를계측하여동저항신호와너깃형성의관계에관한연구를수행하였다 등은용접공정중의너깃형성을고속카메라를이용하여확인하였고 등은아연도금강판의도금층이저항점용접성에주는영향에대한연구를수행하였다 하지만프리실드강판의저항점용접성에관한연구는많이수행되지않고있다 본연구에서는프리실드강판의저항점용접성을로브곡선과동저항신호를이용하여분석하였다 또한프리실드강판의용접성을향상시키기위하여주전류 이전에예비전류 를주어용접성을향상시켰다 2. 저항점용접성 2.1 로브곡선, 동저항 로브곡선이란저항점용접의주요공정변수인전류 통전시간 가압력에따른적정용접범위를나타낸곡선이다 일반적으로전류 통전시간에따른로브곡선을많이이용하지만경우에따라서전류 가압력에따른로브곡선을이용하기도한다 로브곡선에서하한선은최소인장전단강도 강판의종류두께에따라다름 나최소너깃크기로결정된다 최소너깃크기는모재두께t 의 나 로결정된다 로브곡선의상한선은날림발생의유무로결정되는데 날림이란과도한입열에의해용융된금속이용융부바깥으로이탈하는현상으로용접품질을저하시킨다 동저항은용접공정중의저항점용접기의 차측전압과전류를계측함으로써구할수있는값으로 용접부의너깃형성과정을간접적으로확인할수있는중요한공정값이다 너깃형성은저항점용접성과밀접한연관을가지고있으므로 동저항을이용하여저항점용접품질모니터링에관한연구가진행이되었고 강종별각기다른동저항파형값을데이터베이스화하여 이를이용하여저항점용접기지능형제어에도사용하고있다 2.2 실험양면프리실드강판과아연도금강의일종인 강판의저항점용접성을비교하였다 두강종모두모재는차량도어의내판으로쓰이는 이고 두께는 로동일하다 프리실드강판은양면으로 강판위에 의유기피복막이도포되어있다 사용된용접기는 정치식단상교류저항점용접기이다 전극팁으로는선단경 인 구리전극팁을사용하였다 로브곡선은전류 가압력에대한로브곡선을구하였고 각공정변수값은 과같다 각각의조건에대하여 회반복실험을통해전단인장시편을만들어전단인장강도값을기준으로로브곡선을작성하였다 전단인장시편은 규격에따른표준인장시험편을사용하였고 그규격은 와같다 로브곡선의하한선은국내자동차회사 강판의최소요구강도인 으로정하였고 상한선은날림현상의발생유무로정하였다 동저항을계측하기위하여 와같이계측시스템을구성하였다 상부전극과하부전극에연결된전선에의하여전압을계측하였고 저항점용접기암 에설치된로고스키코일에의하여전류를계측하였다 계측된신호는샘플링 과 변환을거쳐서최종신호값을얻었다 계측한전압과전류를이용하여동저항을구하였다 V R = I peak 여기서 은동저항 는전류의반사이클별피크 치 는전류피크치에서의전압값을나
박태규 윤상만 이세헌 타낸다 electrode 2.3 실험결과 Current path Current path 실험을수행한결과는 과같다 그래프의가 로축은전류 세로축은가압력이다 실험시 로브영역 경계조건에서는같은조건이라도용접결과는다소다 르게나오는경우를발견할수있었고 이는팁의마모 와전극의온도등과같은주변환경의영향이원인이 라고판단된다 그렇기때문에전류의간격을 로 실험했을시 회모두건전용접이나오지않은경우는 이전전류값과의중간값을로브영역의경계로설정하 였다 따라서 강의경우가압력이증가하면적정영 역이증가하는경향과는다소다르게나타난것을확인 할수있었지만전반적으로양면프리실드강판이 강판에비하여더낮은전류에서용접이가능함을알 수있다 하지만날림현상이 강판에비하여더낮 은전류에서발생하였고 그결과용접가능한전류범 위는 강판에비하여더좁게나타난다 아연도금강의경우비도금강에비하여상대적으로 더높은전류에서용접이가능하다 그이유는 에서아연이철에비하여전기전도성이높기때문인 데 통전초기에아연은철에비하여낮은용융점으로 인해먼저용융되어일부는기화되고 일부는접합부에 남게된다 이아연으로인하여전류가용융부에집중 적으로흐르지못하고 와같이용융부의테두리 Electrode force(kgf) 35 2 15 Bare steel 방향으로전류가흐르게된다 이로인해용융부의전류밀도가아연도금강이비도금강보다작게되고저항점용접에는더높은전류를요구하게된다 하지만양면프리실드강판은전기전도도가낮은유기피복제로인하여상대적으로 강판에비하여접촉저항이높기때문에같은전류에서더많은열이생성되므로상대적으로더낮은전류에서용접이가능함을 을통해확인할수있었다 그리고동저항을계측한결과는 와같다 는가압력 에서 의전류조건으로 강판과양면프리실드강판을실험했을때나타나는동저항그래프이다 높은접촉저항으로인하여프리실드강판이 강판에비하여통전초기동저항의값이높게나타난다 그리고동저항의파형도 강판의경우약 부근에서동저항피크값을가지고감소하는형태이나 이상의전류에서프리실드강판의경우피크값없이통전시작부터계속감소함을보인다 높은생성열로인해서통전초기부터접합부로의전극용입이많이일어나기때문이며 식에의하여 L R = r A 는비저항 는접촉면적 은통전길이
5.E-.5 4.5E-.5 4.E-.5 3.5E-.5 3.E-.5 2.5E-.5 2.E-.5 2 4 6 8 1 12 14 16 5.E-.5 4.5E-.5 4.E-.5 3.5E-.5 3.E-.5 2.5E-.5 2.E-.5 5.E-.5 4.5E-.5 4.E-.5 3.5E-.5 3.E-.5 2.5E-.5 2 4 6 8 1 12 14 16 2.E-.5 2 4 6 8 1 12 14 16 Tensile-shear strength(kn) 4.6 4.4 4.2 4 3.8 3.5 3.4 기때문에 처럼프리실드강판의경우상대적으 로높은전단인장강도를얻기가힘들다 더큰너깃을 얻기위해전류를증가시킬경우 생성되는너깃이날 림현상으로인해더이상증가하지않으므로 더높은 전단인장강도값을얻을수없다 3. 저항점용접성향상 온도에의해증가하는 의영향에비하여높은가압력으로인한전극용입으로 의감소에의한영향이크기때문에피크값없이동저항의감소가나타난다 에서양면프리실드강판은과도한입열에의한날림현상으로인해 부근에서동저항의급격한감소가나타난다 2.4 프리실드강판의저항점용접성의문제점 의로브곡선에서도알수있듯이프리실드강판의경우저전류에서용접이가능하지만 과도한생성열로인해비교적낮은전류에서날림현상이발생하여용접가능범위가좁다 그리고고전류에서는프리실드강판표면의높은저항으로인하여전극팁과부재의표면사이에서표면날림이발생하여 과같이그을림이생긴다 이는도장공정을생략하는프리실드강판의특성상용접불량으로이어질수있다 그렇 3.1 예비전류적용을통한용접성향상프리실드강판의유기피복제는방청성의향상을가져오지만앞서언급한바와같이저항점용접성에서몇가지문제점을가지고있다 그러므로이러한문제점의개선을위해예비전류를적용하여보았다 즉 주전류이전에소량의전류인예비전류를주어유기피복제를제거한다음 용접을수행하였다 예비전류의통전시간을정하기위해너깃형성과정을고속카메라로촬영하여관측하였다 통전초기의 동안유기피복제가파괴되어날아가는결과를확인할수있었고 이를통해예비전류의통전시간을 로정하였다 예비전류의세기는 에서와같이유기피복층이가장많이제거되는조건으로정하였다 가압력 통전시간 에서전류의세기를 로변화시켜가면서실험을하여모재와전극팁 모재와모재사이의상태를분석하였다
박태규 윤상만 이세헌 을통해알수있듯이 예비전류를적용함으로써로브곡선의상한치가더오른쪽으로이동하여결과적으로용접가능범위가넓어졌다 그이유는본용접이전에유기피복제의제거로인하여본용접시의접촉저항이감소하여통전초기의생성열을감소시켜주기때문이다 이는 의동저항그래프에서도확인할수있다 본용접시작시점의동저항을살펴보면저항이낮게형 35 Electrode force(kgf) 25 2 (pre-pulse) 은주전류와예비전류사이의휴지시간 을의미하는것으로 에서와같이가압력 의예비전류조건으로 의 을주고실험을하여 이중인장강도가가장높게나오는조건인 을선 정하였다 이와같은실험을통해얻은예비전류에대한조건은 과같다 결국예비전류를적용한후에본전 류의적용은 의조건으로실험을수행하여전 체통전시간은 이증가하였다 아울러 이를바 탕으로로브곡선및동저항그래프를구하였다 3.2 실험결과 하한 상한 15 5.E-.5 4.E-.5 3.E-.5 2.E-.5 (normal) (pre-pulse) 2 4 6 8 1 12 14 16 5.E-.5 4.5E-.5 4.E-.5 3.5E-.5 3.E-.5 2.5E-.5 2.E-.5 (normal) (pre-pulse) 2 4 6 8 1 12 14 16 5.E-.5 4.5E-.5 4.E-.5 3.5E-.5 3.E-.5 2.5E-.5 2.E-.5 (normal) (pre-pulse) 2 4 6 8 1 12 14 16
Tensile-shear strength(kn) 4.6 4.4 4.2 4 3.8 3.5 3.4 (normal) (pre-pulse) Electrode force(kgf) 35 25 2 15 (pre-pulse) 성이되어 시간이지날수록증가하는양상을보이다가 이후에감소하는경향을보이는것이예비 전류적용이전과큰차이점이다 그리고예비전류적용 이전에는날림이발생한조건이었던 에서날림없이용접 이가능하였다 적정의 을두어유기피복층 이파괴될때발생하였던고열이어느정도냉각된후 본용접이수행됨으로써용접후반부의과열을방지하 여고전류영역에서도용접이가능해졌다 결과적으로 에서와같이예비전류를적용하 여이전에얻을수없었던 이상의높은전단인 장강도를얻을수있었다 본용접시간은 로 동일하나예비전류를적용한경우는 의시간이 증가된다 에서는프리실드강에서예비전류를적용한 로브영역과적용하지않은로브영역 그리고 강의 로브영역을비교하여나타내었다 예비전류를적용하였 을시 프리실드강의용접영역이고전류영역으로확대 되어기존의용접보다영역이넓어짐을확인할수있었 고 이렇게넓어진영역을 강의용접영역과비교하 여보면 그영역의넓이가유사함을확인할수있겠다 4. 결론 자동차차체의방청성향상을위해개발된프리실드 강판은방청성이약 년정도로향상되지만 차체에 적용하기위하여요구되는성질중하나인저항점용 접성은 강판보다떨어진다 양면프리실드강판은 강판보다더낮은전류에서용접이가능하였으나 상대적으로높은접촉저항으로인해발생되는과도한 생성열로날림현상이비교적낮은전류에서발생하여 적정용접범위는 강판에비하여더좁아졌다 그 렇기때문에높은전단인장강도를얻기가어려웠으며 표면날림현상도 강판보다낮은전류에서쉽게관찰 되었다 이러한문제점을해결하고자본연구에서는프리실드 강판의본용접이전에예비전류를적용하여저항점 용접실험을수행하였다 예비전류적용으로인해적정 용접범위가증가되었고 더높은전류에서용접이가능 해짐에따라전단인장강도도향상되었다 아울러기존 의표면날림으로인한미관상의문제점도표면날림이 저감되어양호한외관을얻을수있게되었다 결국프 리실드강에서예비전류를적용하여용접성이개선되었 고 강과비교하여유사한용접영역을확보할수있 게되었다 참고문헌
박태규 윤상만 이세헌