39 연구논문 페라이트계스테인리스강 / 용융아연도금강이종저항점용접부의특성 김정길 * 우인수 * 정보영 * 이종봉 * * POSCO 기술연구소 Resistance Spot Weldability of Ferritic Stainless Steel and Galvanized Steel Jeong-Kil Kim*, In-Su Woo*, Boyoung Jeong* and Jong-Bong Lee* *POSCO Technical Research Lab., Pohang 790-785, Korea Abstract A ferritic stainless steel,, and a galvanized steel for case and frame of electronic goods are welded by resistance spot welding and resistance projection welding methods. In this study, resistance spot welding has been performed to investigate the weldability of dissimilar materials such as a ferritic stainless steel and a galvanized steel. Tensile load of the spot weld without heat treatment was 196 kn and brittle fracture occurred at interface between and nugget due to the high hardness, 380 Hv, in nugget. It was found that the hardness of as-welded nugget increased with higher cooling rate during resistance spot welding by comparing with GTA weld of same materials. Heat treatment by applying second current made nugget softened. Tensile load of heat treated weld increased and reached to 303 kn and fracture occurred at base metal, a galvanized steel. *Corresponding author : jkkim95@posco.com (Received November 8, 6) Key Words : Resistance spot welding, Ferritic stainless steel, Galvanized steel, Nugget 1. 서론 은 Cr을약 16 % 함유하는페라이트계스테인리스강종으로써, 오스테나이트계스테인리강대비상대적으로낮은가격과우수한내식성, 심가공특성그리고표면품질등을특징으로한다. 또한용융아연도금강판 ( : Galvanized steel) 은탄소강에용융아연도금공정을거쳐생산되는강재로써, 우수한내식성및표면품질등이그특징이다. 이들강재들은전술한특성들때문에그사용량이증가되고있는추세이며, 특히전자레인지, 세탁기, 냉장고와같은가전제품의외판재로널리사용되고있다. 가전제품의생산라인에서 과용융아연도금강판이종재료간의조립공정에는주로저항점용접 (Resistance spot welding) 과저항프로젝션용접 (Resistance projection welding) 이적용되고있다. 이러한저항용접부에대한요구특성으로는용접부의인장강도, 용접부외관품질, 연속타점전극수명등이있으며, 그중특히제품의내구성과수명에직결되는용접부인장강도는엄격히관리되는품질특성중하나이다. 따라서본연구에서는전자레인지외판재로사용되고있는 과용융아연도금강판의저항점용접특성을조사하였으며, 특히용접을위한 1단통전완료후용접부열처리를위해실시하는 2단통전이용접부의미세조직및인장강도에미치는영향에대해서검토하였다. 또한, 저항점용접보다냉각속도가느린 GTAW 로두이종재료를맛대기용접하여용접특성에미치는냉각속도에대한영향을검토하였다. 2. 실험방법 본연구에서사용된페라이트계스테인리스강은 Cr 을 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 6 年 12 月 475
40 김정길 우인수 정보영 이종봉 약 16 %, C를약 0.04 % 함유한 이다. STS 430 과용융아연도금강판의기계적특성은표 1과같다. 저항점용접은최대출력 220 kva, 최대전류 27 ka, 최대가압력 7.84 kn 사양의 AC type 저항점용접기를사용하여겹치기용접을실시하였으며, 전극은 Dome형태의 KS B ISO 5184 F type Cu-Cr 전극을사용하였다. 용접조건은가압력을 2.25 ~ 2.45 kn 으로변화시켰으며, 용접즉너깃형성을위한위한 1단통전전류를 4 ~ 6 ka ( 통전시간 7 cycle), 열처리를위한 2단통전전류를 5 ~ 9.5 ka (2 nd current, 통전시간 11 cycle) 로변화시켰다. 그림 1에본연구의용접파라메터운용모식도를나타내었다. 표 1. Mechanical properties of and galvanized steel Materials Tickness (mm) Y.S (MPa) T.S (MPa) El. (%) 0.5 290 460 30 Galcanized Steel 0.6 170 280 50 가압 1 차통전 유지 2 차통전 유지 저항점용접과의비교를위해실시한 GTA 용접조건은, 보호가스를 Ar ( 유량 15 l/min), 용접전류를 20 A, 용접속도는 0.32 m/min으로하였다. 용접부미세조직은 Viller 용액 ( 피크린산 3 g+ 염산 3 ml + 에탄올 100 ml) 을사용하여약 3분간부식시킨후광학현미경 (OM) 및주사식전자현미경 (SEM) 으로관찰하였다. 본용접전적정용접조건도출을위해서는 Peel test 법을이용하였으며, 용접부의기계적특성은미소경도측정및인장시험을통해평가하였다. 3. 실험결과및고찰 그림 4는 과용융아연도금강판이종용접의경우와용융아연도금강판간동종용접을했을경우적정용접조건범위를측정, 비교한결과이다. 평가는일반적으로저항점용접의용접조건도출시사용되는용접부 peel test를실시하였으며, 평가후모재에서파단이발생되는조건을적정용접조건으로하였다. 이종용접의경우동종에비해모든가압력범위전체적으로전류값이낮으며, 또한적정전류범위가좁은것을볼수있다. 그림 5는가압력을 2.45 kn, 용접전류를 6 ka로하여용접한점용접부의마크로조직을보여주고있으며, 과도금강판이용융되어형성된너깃이관 전류 Fig. 1 Schematic diagram of spot welding Fig. 3 Schematic drawings of specimen for tensile test / / Pressure(kgf) 230 Interface fracture Acceptable Current range Splash 210 Fig. 2 Schematic drawings of specimen for peel test and test method 3 4 5 6 7 8 Welding current(ka) Fig. 4 Acceptable current range of and galvanized steel 476 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 6
페라이트계스테인리스강 / 용융아연도금강이종저항점용접부의특성 41 Fig. 5 Macrostructure of spot weld between STS 430 and galvanized steel Fig. 6 Appearance of tensile specimen tested 찰된다. 그림 6은동일한용접조건으로제작한인장시험편을시험후그외관을관찰한것이다. 모재에서파단이일어난것을알수있으며파단시인장하중은 1.96 kn 정도로, 용융아연도금강판의인장강도를고려했을때낮은값이었다. 점용접부의파단형상을분석하기위해파단면을주사식전자현미경으로관찰하였고, 그단면을광학현미경으로관찰하였다. 관찰결과는그림 7과같다. 점용접부의파단면은거의취성파면으로이루어져있는것을알수있으며, 그파단부부근의단면광학현미경으로관찰한결과취성파단은너깃과 모재의경계에서일어난것임을알수있다. 그림 8은용접부의미소경도분포를측정한결과로서, 모재의경우경도가약 175 Hv인것에비해, 너깃과열영향부의경도가상승해있는것을볼수있다. 또한너깃에서멀리떨어질수록열영향부의경도는감소한다. 특히너깃의경도는약 390 Hv정도로경도가매우높으며, 이러한너깃부의급격한경도상승이취성파괴의원인으로판단된다. 그림 9는 As-welded 상태인너깃의미세조직은광학현미경과주사식전자현미경으로관찰한결과로써, 상당히빠른속도로응고된조직인것을알수있다. 그림 10은 C 0.04 % 일경우의평형 Fe-Cr 상태도이다. 따라서 Cr를 16 % 함유한 의경우 Line A를따라응고하게된다. 약 900 ~ 1 의온도구간에서페라이트와오스테나이트의 2상영역이존재하는것을알수있으며, 냉각속도가아주느린경우에는이영역에서존재하던오스테나이트가페라이트로모두변태하여상온의 모재내에서는페라이트이외의조직은관찰할수없다. 하지만반대로이구간에서빠른속도로냉각이일어날경우, 일부오스테나이트가마르텐사이트로변태하여 동종저항용접시에도너깃내에는일부마르텐사이트가존재할것으로예상된다. 그러나본연구와같이 과탄소강의이종용접너깃의경우에는 Cr의함유량이원모재 에비해감소하게되므로 Line B를따라서응고된다고가정할수 400 350 Nugget HAZ Base metal 0 1 2 3 4 5 Fig. 8 Hardness distribution of spot weld (c) (d) Fig. 7 SEM fractographs and optical micro structure of cross section : fracture facet, A region on, (c) B region on, (d) Optical microstructure of cross - section Fig. 9 Microstructure of as-welded nugget : OM, SEM 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 6 年 12 月 477
42 김정길 우인수 정보영 이종봉 있으며, 이때더욱확대된페라이트와오스테나이트의 2상영역을통과하게된다. 따라서본연구의이종용접너깃내부의조직형성과정을예상해보면다음과같다. 1 차통전에의해형성된너깃은원모재인 보다낮은 Cr를함유하게되어페라이트와오스테나이트 2 상영역이확대된 Line B를따라응고를시작하게된다. 이때저항점용접특유의빠른냉각속도에의해페라이트와오스테나이트 2상존재구간을급속한속도로통과하게되어너깃부의마르텐사이트의생성량은 동종간용접시보다더욱증가할것으로예상된다. 이와같은결과로부터너깃부의상온조직은페라이트와마르텐사이트의혼합조직을것으로예상된다. 그러므로화학조성변화와점용접시빠른냉각속도에의한마르텐사이트의생성이경도상승의한원인인것으로사료된다. 그림 11은저항점용접보다냉각속도가느린 GTAW 로두이종소재를맛대기용접하여그용접부의미세조직을관찰한결과및그경도를측정한결과를나타낸것이다. 저항점용접보다냉각속도는느리므로상분율의차이가예상되지만, GTA 용접금속도저항점용접과마찬가지로마르텐사이트와페라이트의혼합조직일것으로추측된다. 용접금속의경도값은약 290 Hv 정도로 모재보다약 100 Hv 이상높지만, 저항점용접부의너깃부에비교하면그경도값이상당히낮은것을알수있다. 따라서저항점용접부너깃과 GTA 용접금속의화학성분이유사하다고가정한다면, 점용접특유의냉각속도및용접도중가해지는가압력에의한응력또한너깃부경도상승의원인인것으로생각된다. 그림 12는 1단통전전류를 6 ka로용접한후 2단통전전류를 5, 8, 9 ka로하여열처리한점용접부의경도분포를측정한결과이다. 100 50 HAZ Weld metal HAZ STS 430 0 2 4 6 8 10 Fig. 11 Optical microstructure and hardness distribution of GTA weld 400 350 Weld metal As welded 5kA 8kA 9kA 0 1 2 3 4 5 Fig. 12 Hardness distribution of spot weld with various 2 nd curren Temp.( ) 1600 1400 1 1000 800 B : Nugget(/) Austenite Liquid Austenist Ferrite 0 10 20 30 Cr content(%) A: Liquid +Ferrite Fig. 10 Phase diagram of (C : 0.04 %) 2단전류가 5 ka인경우는 2단통전을하지않은 As-welded 너깃부와유사한경도값을가지지만, 2단통전전류 8 ka에서는경도값이약 350 Hv로감소하고, 9 ka의경우는약 Hv 정도까지감소하여 GTA 용접금속과비슷한경도값을가진다. 그림 13은 6 ka로용접을한후 2단통전전류를 9 ka로열처리한너깃미세조직의광학현미경과주사식전자현미경사진으로써, 좀더자세한분석이필요하겠으나, As-welded 상태의너깃내에서는관찰되지않았던, 결정립계가관찰되는것으로보아결정립조대화등의미세조직변화가상당히진행된것으로보이며, 용접시부가되었던응력도열처리에의해감소하였을것으로추측된다. 478 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 6
페라이트계스테인리스강 / 용융아연도금강이종저항점용접부의특성 43 4. 결론 Fig. 13 Microstructure of nugget with heat treatment using 2 nd current : OM, SEM (2 nd current : 9 ka) Tensile load(kn) 3.5 3.0 2.5 2.0 페라이트계스테인리스강 과용융아연도금강판이종이음부저항점용접특성에대한연구결과는다음과같다. 1) 동종용접에비해이종용접은적정용접조건이좁고, 모든가압력에서적정용접전류가낮았다. 2) As-welded 상태의저항점용접부의경도상승원인은너깃의화학조성변화그리고급냉응고에의한마르텐사이트생성및점용접특유의급냉및용접중가압에의한응력증가때문인것으로판단된다 3) 2단통전열처리에의해너깃의경도는감소하였으며, 용접부의인장강도는크게향상되었다. 이것은 2 단통전에의한냉각속도감소와열처리에의한미세조직변화및응력감소효과에의한것으로사료된다. 참고문헌 1.5 9kA, 3.03kN 0 9 Current(Ka) Fracture Fig. 14 Tensile load of tensile specimen heat treated and appearance of tensile specimen tested, (2nd current : 9 ka) 따라서 2단통전열처리에의한너깃부의경도감소는미세조직변화그리고급냉및용접도중가해졌던가압력에의한응력이감소하여나타난결과로사료된다. 그림 14는 1단통전전류를 6 ka로하고, 2단통전전류를 9 ka로하여제작한인장시험편의시험후외관및인장시험결과를나타낸것이다. 2단통전을하지않은시험편에서는 모재에서파단이일어난것과는달리용융아연도금강판모재에서파단이일어난것을볼수있으며, 인장하중또한 3.03 kn로크게향상되었다. 1. Shoji Inoue, Katsuhito Fukumura and Satoshi Soga : Spot welding of Aluminum alloy sheets to coated steel sheets, Nippon steel technical report, 69,(1994) 2. U. Bernabai, A. Brotzu and F. Felli : Analysis of the problems in spot welding AISI 301 high strength austenitic stainless steel and galvanized steel plates, W J, 11 (1997) 3. Assessment of the torsion test for resistance spot welds : K.I. Johnson, The welding institute (1999) 4. Norman A. Freytag : A comprehensive study of spot welding galvanized steel, Welding research supplement, April, (1965) 5. Kinya Ichikawa : Spot welding and projection welding, J of JWS, 64-2 (1995) (in Japanese) 6. Murat Vural, Ahmet Akkus : On the resistance spot weldability of galvanized interstitial free steel sheet with austenitic stainless steel sheet, Journal of materials processing technology, 1-6 (4) 7. Riei Ichikawa, Teruo Ohashi : Resistance Spot Welding of Dissimilar Metals-Commercial Pure Titanium to Some Aluminum Alloys, J of JWS, 48-10 (1979) (in Japanese) 8.H.I. Shin and S.S Kang : A study on the spot weldability of high strength steel sheet and two stories galvannealed high strength steel sheet, J. of KWS, 12-3 (1994) (in Korean) 9. I.H Heu, C.K Lee and B.D Chae : The quality evaluation on resistance spot welding of 2024 aluminum alloy and zinc coated steel, J of KWS, 12-4 (1) (in Korean) 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 6 年 12 月 479