1 연구논문 Mg 합금판재의서보가압식 DC 점용접에관한연구 (1) 정선녀 * 장희석 **, 이목영 *** * 명지대학교기계공학과대학원 ** 명지대학교공과대학기계공학과 *** 포항산업과학연구원 (RIST) 용접센터 A Study on Servo DC Resistance Spot Welding of Mg Alloy Sheet(1) Sun Nyeo Jung*, Hee Seok Chang**, and Mok-Young Lee*** *Graduate School, Myongji University **Department of Mechanical Engineering, Myongji University, Yong-In, 449-78, Korea ***Welding Center, RIST, Pohang, 79-33, Korea Corresponding author : hschang@mju.ac.kr (Received January 3, 9 ; Revised February 16, 9 ; Accepted February 1, 9) Abstract Weldability of Mg alloy was investigated using servo-actuated DC resistance spot welder. Due to its uncommon electrical and mechanical properties, lots of voids and cracks were observed inside nugget with conventional weld schedule. Lobe curve was proposed to clarify proper electrode force and weld current, which guarantee reasonable weld strength and fatigue life. Macro structure of sectioned specimen was examined to count total number of void and crack. Post weld schedule is also proposed to reduce micro vickers hardness value of weld zone. Key Words : Mg alloy, Servo-actuated resistance Spot welder, Lobe curve, Dynamic resistance 1. 서론 최근자동차의경량화를위해알루미늄, 마그네슘, 강화플라스틱등많은재료가사용되고있고그중에서도최근에 Mg합금판재의사용이급증하는추세이다. Mg합금판재는밀도가알루미늄합금의 /3, 철강의1/5 수준으로현재까지개발된합금중가장낮은밀도를가지고있으며여타경량재료와비교하여손색이없는강도를갖고있다. 이외에진동, 충격, 전자파동에대한흡진성이탁월하고전기, 열전도도, 가공성및고온에서의피로, 충격특설이우수하여자동차, 항공기, 방위산업및일반기계등에경량화소재로서요구되는여러우수한특성을지니고있다. 이러한마그네슘합금판재는여타경량재료에밀려그사용량이미미했지만, 세계적으로에너지절약및환경공해규제가대폭강화됨에따라자동차, 항공기수송수단의소재경량화가매 우긴박한과제로떠오르면서마그네슘합금판재의사용이증가하고있는추세이다 1). Mg합금판재는경량이고전자파차폐기능이뛰어나자동차산업에서는고가이며점용접이까다로운알루미늄판재를대체할가능성이높다. 또한컴퓨터및 IT관련휴대용기기 / 장비의케이스재료로각광을받고있는바, Mg합금판재에대한접합기법으로염가이며생산성이높은저항점용접공정을검증할필요가있다. 현재까지개발된전신재 Mg합금의상온성형성은매우낮은수준으로자동차산업을비롯한각종산업에서요구하는부품형상을성형할수없다. 따라서성형보다는생산성이높으며공정비용이저렴한저항점용접을적용할필요가있다. 그런데 Mg합금에비저항 (specific resistivity) 이철강판재의 6~7% 수준이므로 Joule heating 이쉽지않고, 또한선팽창계수가강판의 배이상으로알루미늄판재와비슷하여너깃생성후, 단조가 1 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 1, February, 9
Mg 합금판재의서보가압식 DC 점용접에관한연구 (1) 13 압을적절히하지않으면많은수축기공 (shrinkage void) 이발생할가능성이높다 -3). 본연구에서는 POSCO 에서제시한 Mg합금의기초물성에근거하여효과적으로원하는크기와품질의너깃을보장하기위한서보가압식 DC 점용접시스템을구성하여가압및통전스케줄을개발하고자한다.. 실험장치및실험방법.1 실험장치및재료 일반적으로정치식저항점용접기에서는상부전극에연결되어 차회로를구성하며용접전류가흐르는온스동판의탄성에의하여항상편심하중이발생한다. 본연구에서는이를방지하기위해온스동판을상부전극에대하여대칭형상으로설계, 제작하였다 (Fig. 1). 용접전류제어기는 Bosch사제품 (1kHz MFDC, 최대 3kA) 을, 서보제어기는나우테크사의 NSC-을사용하였다. 전극팁은 R= mm인 RWMA class II dome type을사용하였다. 용접시편은 POSCO에서제공된두께 1.4mm의 Mg합금판재를별도의표면처리없이사용하였고조성wt% 는 Al:3.1~9.1, Zn:.85~1., Mn:.15~.4, Si:.5~.1,Cu:.1~.1,Ni:.5~.1, Fe:.13~.1이고나머지는 Mg 이다.. 실험방법..1 용접조건의설정 Mg판재의저항점용접에서너깃형성에미치는인자로는융점, 비열, 비저항 (specific resistivity), 열전도도, 경도등이다. 그리고 Mg판재의표면에산화피막이존 Servo motor Ball screw unit Upper electrode Lower electrode 재하므로 Mg판재의저항점용접은가압및전원장치의특성, 용접조건, 피용접물의전처리, 전극팁의드레싱상태등에따라용접상태가심하게변하므로연강에비해매우까다롭다. 또한 Mg판재는연성이풍부하지만, 강도가낮기때문에여러종류의합금원소를첨가하여, 물성이개선된 Mg합금으로사용되므로용접성판단이쉽지않다. Mg합금에서온도에대한저항증가율은연강에비교해매우작고다른재료에배해고온강도가낮기때문에저항용접을적용하기에적절한재료는아닌것으로알려져있다. Mg판재의저항점용접성은높은열전도도와낮은고유저항때문에아연도금강판용접조건에준한전류를흘려도발열량이작고전극으로전도되는열손실량이크므로 Mg판재에서는대전류와짧은용접시간을적용해야할필요가있다. 본연구에서는먼저 Mg판재의열전도도, 열팽창계수등을고려하여용접부의균열과기공발생여부, 그리고인장전단강도시험, 피로강도시험, 그리고경도시험을통하여 Mg판재의점용접성을평가한다. 먼저가압시간 5ms하고, 유지시간 5ms 로고정하여용접시간과전극가압력을변화시키고인장전단실험을통하여용접조건을구한다음, 마크로조직검사, 피로시험, 경도측정을통하여이를검증하여적정용접조건을선정하였다. 피로특성을파악하기위하여위에서구한적정용접조건에서용접한시편으로피로특성을분석하였다. 피로실험은응력비 (R=, fz=1 Hz) 인완전평진인장조건의하중제어방식으로시험하였다. 피로수명 (Nf) 은피로균열이내부에서발생, 성장하여너겟의직경을초과하는시점으로설정하였다 4)... 동저항 (dynamic resistance) 파형측정동저항파형을샘플링하기위하여 Miyachi 社의 MM- 36B weld checker를사용하였다. 용접전류와전압이각각 toroid coil과 voltage-pick-up 단자로측정되어용접이끝난후, 반사이클단위로출력되는전류와전압의 rms값을사용하여동저항파형을구하였다. 여기서사용한용접전원은 SCR제어방식이아닌 1kHz 스위칭주파수를가진 MFDC 전원이지만측정편의상 6Hz 기준반사이클단위로동저항값을샘플링하여파형을구하였다. Fig. 1 Servo-actuated resistance spot welder (Courtesy of NAWOOTEC CO.)..3 용융부크기측정에탄올과질산을 95:5의비율로혼합하여만든용액에 1분정도담갔다가흐르는물에씻는작업을 ~3회정도반복한후 1% 의에탄올에 5분정도담갔다가다시흐르는물에씻는작업을반복한후건조하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 9 年 月 13
14 정선녀 장희석 이목영 4.36 Fig. Measurement of nugget and void size 에칭작업을통해나타난절단부의조작을현미경과디지털카메라로촬영하고, Fig. 에서는이미지데이터는소프트웨어를이용하여용융부판독이용이하도록처리한후, 그크기를픽셀단위로측정한다. 용융부는타원형상의너깃장경을용융부의직경으로, 단경을용융부의깊이로측정하였다...4 인장 / 피로시험및경도측정본연구에서는 INSTRON 881을사용하였고, 인장실험시 Cross Head속도는 5 mm/min, 샘플속도는 sample/sec로하였다. 시편은 Mitutoyo 사의 Micro Vickers hardness tester HM-11을사용하여모재, HAZ, 너깃부위의경도를각각측정하였다. Fig. 3에나타난바와같이 3kgf의하중을가하여압흔사이즈를측정한후, 내장소프트웨어를이용하여경도 (Hv) 를출하였다 3. 실험결과 3.1 동저항파형 Fig. 4는용접시간에따른동저항변화를보여준다. 용접초기에, 시편접촉면의표면산화막때문에절연저항이수 mega ohm정도로나타난다. 보통이러한현상은전압이인가된후접촉절연상태가파괴되기이전까지계속된다. 전류가흐르기시작하면접촉면절연상태가급격히파괴되어동저항의매우빠른감소현상이일어난다. 이구간에서는시편표면의산화막종류와두께및전극가압력의크기, 산화피막의유무에따라초기 Dynamic resistance(mω) Electrode force : kg, Weld current : 15kA.14.1.1.8.6.4..5 1. 1.5..5 3. 3.5 4. 4.5 5. 5.5 6. Weld cycle(6hz) Fig. 4 Typical dynamic resistance patterns 저항치와저항감소율이달라지는현상을보인다. 동저항의변화율은연성이풍부한 Mg판재이므로초기가압력에의하여아연도금강판의경우보다표면돌기의붕괴가쉽게일어나서용접중동저항의변화는전체적으로완만하게진행된다. 전류가흐르면온도가상승하여접촉면의연성이증가하고접촉면적이증가하면서, 또한너깃자체의저항값은 이므로너깃이성장하면서나타나는수축 (contraction) 저항은감소하나온도상승에의한체적 (bulk) 저항은증가하는것이일반적인현상이다. 강판용접시동저항파형은두상반된효과가서로교대로지배적으로발생하여동저항파형에서최고값이나타난후계속감소한다. 그런데 Mg판재의경우높은열전도때문에용접부에서전극등주위로전도되는열손실이크므로용융부온도상승으로인한체적저항증가효과보다너깃이성장하며나타나는수축 (contraction) 저항감소효과가지배적으로나타나므로동저항은계속감소한다. 이러한동저항파형은알루미늄합금의저항용접에서도관찰되는데이는두재료의물성이유사하기때문인것으로판단된다. 3. Mg합금판재의 Lobe선도 Mg판재의 Lobe선도를구하기위한실험결과는가압력별용접가능전류로 Fig. 5에나타내었다. 낮은열입력으로인한계면파괴 (interface failure) 의경우와피용접물계면사이에서비산이발생하는경우를제외한조건을양호한용접 (good weld) 조건으로선정하였다. 3.3 인장전단강도 (TS strength) Fig. 3 Indentation mark (Hv) 용접전류를변화시키며용접한시편의인장전단강도를측정한결과가 Fig. 6에있고, 가압력을변화시키며인장전단강도를구한실험결과를 Fig. 7에나타내었다. Fig. 6에서 kgf의가압력과 1msec 용접시간조 14 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 1, February, 9
TSstrength(kN). Mg 합금판재의서보가압식 DC 점용접에관한연구 (1) 15 4.5 Fig. 5 Lobe curve for Mg alloy sheet 3.kN 으로최대값을보인다. 최대강도를주는조건이상의과다한가압력은모재표면에깊은함입을발생시켜너깃두께의감소와전극과모재및모재와모재사이의통전면적증가로인한입열량이감소하여용접부강도는점차감소하는경향을보인다. 적정용접시간 ( 통전시간 ) 을찾기위한실험으로 8~ 1 msec에서구한인장전단강도를 Fig. 8에나타내었다. 용접시간 8msec 까지는인장전단강도의산포도가적게나타난다. 1msec에서는강도의산포도가커지지만강도는증가한다. 1msec까지용접시간을증가시키면비산이심하게발생하므로강도는낮아진다. 따라서 1msec 근방이적정용접시간임을알수있다. 3.4 너깃의마크로조직 TS strength(kn) 4 3.5 3.5 1.5 1 적정가압력 kgf 에서최적용접전류를구하기위하여전류별단면형상과너깃사이즈를 Fig. 9에나타내었다. 전류가 15kA에서 3kA까지증가함에따라너깃사이즈가증가함을알수있다. 이러한결과는 Fig. 6에도시된전류증가에따른인장전단강도의증가경향과일치한다..5 15 17 19 1 3 4.5 4 Weld current(ka) Fig. 6 TS strength vs weld current(electrode force: kgf, Weld time: 1msec) TS strength(kn) 3.5 3.5 1.5 1.5 15kA 19kA 3kA 1 15 5 3 Electrode force(kgf) Fig. 7 TS strength vs electrode force (Weld time: 1msec) TS strength(kn) 3.5 3.5 1.5 1.5 8 1 1 Weld time(m Sec) Fig. 8 TS strength vs weld time (Electrode force: kgf, Current: 3kA) Current cross section Depth Nugget of size Fusion.1mm void count 15kA 4.14 1.78 1 crack 건에서용접전류를 15kA에서 3kA까지증가시킨결과전반적으로인장전단강도가향상되는경향을보이는데이는충분한용융부가형성되어너깃사이즈가증가한다는사실을의미한다. 다만 3kA에서는심한비산이발생하는경우가있어용접상태가불안정해진다고볼수있다. Fig. 7에서가압력이 1kgf에서부터 3kgf까지변화할때, 용접부의강도는가압력이 kgf일때평균 17kA 5.1 1.68 8 4 19kA 6.8 1.44 1 1kA 6.75 1.67 3 1 3kA 7.38 1.55 3 Fig. 9 Nugget size vs weld current (Electrode force: kgf, Weld time: 1msec) 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 9 年 月 15
16 정선녀 장희석 이목영 그런데 Fig. 1에서가압력이높아질수록모재와모재사이의계면에서소성변형량이증가하여너깃의형상과크기에서약간증감이있는결과를얻었으나, 기공과크랙은일관된경향으로감소한결과를얻을수있었다. 그런데인장전단강도는너깃의사이즈추세와기공과크랙의추세와일관성있는경향을찾을수없는데 Fig. 7에서용접전류 3kA 경우의그래프에나타나있다. 여기서전극가압력이너깃형상에미치는영향은용접전류처럼일관성있는것이아님을알수있다. Fig. 11은가압력과전류변화에따른기공 (void) 총갯수의변화를보여준다. 너깃내부에서직경.1mm 이상의기공을찾아서총갯수를나타낸결과이다. 적정전류 (19kA) 까지전류를높일수록기공갯수가줄어드는경향을보이다가그이상전류값에서는큰차이없이나타난다. 전반적으로가압력을충분히 5kgf 이상으로높이면기공개수가현저히감소함을알수있다. Mg 합금판재의물성을고려할때열팽창계수가강판보다 배이상이므로가압력이충분히가해지지않으면상당히많은기공이발생할위험이있다는사실을확인할수있었다. 이상의실험에서 Mg합금판재 (1.4t+1.4t) 의적정가압력, 전류그리고용접시간을구하였다. 가압력 kgf, 전 electrode force cross section Nugget size Depth.1mm of Fusion void count crack kgf 6.73 1.8 3 5kgf 6.38 1.55 3kgf 7.5 1.55 1 Fig. 1 Nugget size vs electrode force (Weld current : 3kA, Weld time: 1msec) 류 3kA 용접시간 1ms에서용접이진행되면, 인장전단강도는평균 3.1478kN을가지며최대 3.934kN의값을나타내었다. 평균너깃사이즈는 7mm 정도이며용입깊이는평균 1.44mm 로관측되었다. 3.5 용접부의경도 선정된용접조건의평가를위해용융부주위의경도를마이크로비커스경도계를이용해측정하였다. Fig. 1에서모재부위는평균경도값 6.8 Hv를보이며너깃중심부의경도가 51 Hv 부근으로가장낮고 HAZ부위가 7 Hv 정도로가장높게측정되었다. 이러한용융부의경도분포경향은강판의경우와유사하게나타나므로 Mg판재에서도 HAZ 부위의취성을감소시키기위한후열처리가필요한것으로판단된다. 후열처리에따른경도변화를살펴보기위해본통전후 1초 ( 냉각시간 ) 경과한후, 본통전전류의약 3% 인 7kA의전류로 ms동안후열처리한시편의경도를 Fig. 13에나타내었다. 후열처리후전체적인경도가후열처리를하기전보다낮게나타난것을알수있으며 Hardness(Hv) 8 7 6 5 4 3..5 1. 1.5..5 3. 1 3.5 4. 4.5 5. 5.5 6. 6.5 The position of measuring points from nugget center(mm) Fig. 1 Micro vickers hardness around nugget (Weld time:1ms, Electrode force: kgf, Weld current: 3kA) 8 Void count 1 1 8 6 4 15kA 19kA 3kA 1kgf 15kgf kgf 5kgf 3kgf Electrode force Fig. 11 Variation of void count in nugget (Weld time:1msec) Hardness(Hv) 7 6 5 4 3 1 Post heat No post heat Base metal HAZ nugget Fig. 13 Effect of post heat treatment on hardness (Weld time:1ms, Electrode force: kgf, Weld current: 3kA, Post heat time: ms, Post weld heat: 7kA) 16 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 1, February, 9
Mg 합금판재의서보가압식 DC 점용접에관한연구 (1) 17 점용접시편의취성을감소시켜서풀림처리효과를볼수있었다. 3.6 용접부의피로특성 Mg 합금판재용접시편의피로성능평가를위하여응력비 R=, fz=1hz인완전평진인장조건의하중제어방식으로피로시험을수행하였다. 시험중하중, 변위및스트레인값을데이터메모리수집장치를이용하여관찰하였다. 피로시험은시편이완전파단될때까지실시하였고, 파단되지않는경우는 1 6 cycle까지계속하였다. 이경우의반복하중은약 75N 이며이는정적인장강도의 4% 정도이다.(Fig 14.) 고하중에서는일부시편에서는계면파단이발생하기도하였으나전반적으로하중의크기에따라외부균열이발생하는지점은동일하게관찰되었다. Fig. 15는파괴시편의단면을촬영한사진이다. 위그림은하중범위 ~18N로서피로수명 37,55 cycle의파괴단면을나타낸사진이고아래그림은하중범위 ~75N으로피로수명 964,796 cycle의파괴단면사진이다. 고하중에서더많은굽힘현상이나타났으며너깃의내면에서는파면이관측되지않았다. 위그림좌측을살펴보면균열이두판재사이코로나본드에서시작되어내부기공부분까지파단면이진행된것을알수있다. 응력집중현상이내부기공때문에발생하므로피로특 Load range(kn) 18 16 14 1 1 8 6 4.1.375.87.955.19.5 9.64 Fatigue life 1 5 (cycle) Fig. 14 Fatigue failure life Fig. 15 Specimen with fatigue failure (Upper: ~ 18N, Lower:~75N) 성에영향을준것으로판단된다. 4. 결론 Mg합금판재의서보가압식 DC 점용접성에관한연구결과는다음과같다. 1) 동저항의변화는알루미늄의경우와유사하게용접초기에 1μΩ 가량으로높게나타났으나, 통전시간경과에따라급격하게감소하였다. ) 용접변수에서통전시간을 1ms 로고정한경우, 가압력은 16~6kgf, 용접전류 19~3kA의범위에서적절한용접부가형성되었다. 3) 적정한용접조건범위에서용접부의인장강도는.3~3.5kN 범위에서변화하였다. 4) 용접부단면의너깃은용접전류혹은통전시간에비례하여증가하였으며, 일부기공혹은균열이형성되었다. 5) 용접부경도는 5Hv가량으로모재의경도 (6Hv가량 ) 에비하여감소하였으며, 후열처리에의해서도다소감소하였다. 6) 용접부를포함한시편의피로한계는 75N( 인장강도의 4%) 가량이었으며, 기공혹은균열을따라전파되었다. 7) 용접부내부에형성된기공혹은균열에의하여용접부성능특히동적성능이저하되었다. 그러나산세에의한표면세정과통전및가압스케쥴제어에의하여기공혹은균열형성을방지하면충분한용접부성능확보가가능할것으로판단되었다. 후 기 이논문은 7년도 POSCO 지원연구비에의해수행되었습니다. 관계자여러분께감사의뜻을표합니다. 참고문헌 1. B. H. Yoon, Woong-Seong Chang Welding Technology of Magnesium Alloy for Automobile Industry Journal of KWS -3, June 4, 3-31. Joong-Suk Noh, Heung-Ju Kim, Woong-Seong Chang and Kook-Soo Bang Evaluation of Joint Properties of Friction Stir Welded AZ31B Mg Alloy Journal of KWS -3, June 4, 56-61 3. Chang-Shik Lim and Hee-Seok Chang Spot Welding of Aluminum Alloys Using Servogun Journal of KWS -4, August 4, 43-49 4. Kwang-Sun Shin, Hee-Chul Jung, Young-Ki Na : State-of-the-art application of Mg Alloy in auto and auto parts industry, The 1th Symposium on Steel Technology, The Korean Institute of Metals and Materials, Korea 3, 63-8 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 9 年 月 17