KR20250091772A

KR20250091772A - 열간성형부재의 저항 점 용접 방법

Info

Publication number: KR20250091772A
Application number: KR1020230182073A
Authority: KR
Inventors: 한도경
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2023-12-14
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2025-06-23

Abstract

본 발명의 일측면은, 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로 적합한 열간성형부재의 저항 점 용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

열간성형부재의 저항 점 용접 방법{METHOD FOR RESISTANCE SPOT WELDING OF HOT PRESS FORMED MEMBER}

본 발명은 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로 적합한 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 한정적인 화석연료와 환경오염문제가 대두되면서 지속 가능한 발전 또는 탄소 배출에 대한 규제, 대체 에너지 개발 등 탄소중립을 목적으로 한 친환경 정책 및 규제가 강화되고 있다. 이러한 흐름에 발맞추어 자동차 제조사는 배기가스 배출 저감 및 연비 개선을 위해 고강도 경량소재 적용을 강력히 추진 중에 있다.

이러한 목적을 위해 개발된 자동차용 초고강도 강판의 경우, 소성가공 후 원래의 상태로 돌아가고자 하는 특성인 스프링백(SPRING BACK) 현상과 낮은 연신율로 인하여 복잡한 형상의 자동차 차체 및 그 부품 등 실제 산업에 적용하기에는 현실적으로 많은 어려움이 존재한다.

한편, 자동차용 소재로 그 사용이 점차적으로 증가되고 있는 열간성형용 강판의 경우, 경화능이 우수한 보론강을 850~950℃ 영역의 고온 오스테나이트화 열처리한 후 급속 냉각을 통해 탄소의 과포화에 따른 마르텐사이트 상을 확보함으로써 요구되는 고강도의 물성 및 재질이 확보가능하다는 특징이 있다. 부가적으로, 상대적으로 연질상인 고온 상태의 오스테나이트 상에서 소재를 압연 또는 성형함으로써 앞서 언급한 초고강도 강판의 한계점인 자동차 부품에 요구되는 복잡한 구조의 부품 형상을 얻을 수 있으며, 상온에서 가공 시 소재가 변형 이전 상태로 돌아가고자 하는 현상인 스프링 백[SPRING BACK] 또한 억제할 수 있어, 열간성형용 강판은 자동차용 부품 제조에 큰 장점이 있다고 할 수 있다.

다만, 열간성형용 강판의 성형을 위해 고온으로 열처리하는 과정에서 극표층 탄소가 외부로 빠져나가는 현상인 탈탄(DECARBONATION)이 일어나는 바, 이를 방지하기 위해서는 강판 표면에 금속재질의 도금이 요구되며, 상대적으로 융점이 높은 알루미늄 도금이 상업용 열간성형용 강판에 주로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 알루미늄 도금이 행해진 열간성형용 강판의 성형을 위한 고온 열처리 시, 도금층 내로 Fe 확산이 이루어져 Fe-Al계 금속간화합물층이 형성되며, 동시에 열처리가 행해지는 로 내 분위기가 주로 대기 분위기로 조성됨에 따라 표면에서 산화층이 발생하는 것을 피할 수 없으며, 이는 소재의 저항 용접성을 열위하게 만드는 주요 인자라고 볼 수 있다.

또한, 최근 열간성형강을 자동차 차체 및 그 부품 등 실제 산업에 적용하기 위해 향상된 단면부 내식성 및 수소취화저항성에 대한 요구가 더욱 증가함에 따라, 기존 알루미늄 도금계에서 특정 원소를 추가한 알루미늄 합금 도금계를 개발하여 이러한 자동차 산업의 요구 및 흐름에 발맞추어 나가고 있으며, 일례로 알루미늄 도금층 내 아연을 일정수준 이상 첨가함으로써 이러한 목적을 달성할 수 있다.

다만, 해당 알루미늄-아연계 도금층을 갖는 열간성형강의 경우 앞서 언급한 Fe-Al계 금속간화합물층과 Fe계 산화층 외, 부가적으로 도금층 내 아연의 높은 산소 친화도(OXIGEN AFFINITY)로 인해 발생하는 다공성 구조의 두터운 표면산화층이 발생함과 동시에, 기존대비 도금층의 융점 하락에 따른 용접 시 전극의 오염발생에 따른 저항점용접성의 하락이 예상되며, 또한 용접부 액화금속취성(LIQUID METAL EMBRITTLEMENT)에 의한 균열 발생 등 자동차 실부품에 적용하기 위해 요구되는 일정수준 이상의 용접부 강건성을 확보하는데 많은 어려움이 있다.

이에 따라, 저항 점용접성을 향상시키기 위해 용접 전 사전 열처리(PRE HEAT TREATMENT)를 행하는 방안, 물리적으로 해당 도금층을 용접 전 제거(ABLATION)를 행하는 방안 등이 고안되었으나, 해당 소재의 단가를 상승시키지 않는 추가적인 공정 없이 저항 용접 특성 향상과 더불어 요구되는 강건한 용접부를 확보할 수 있는 저항 용접방법의 개발이 절실히 요구된다고 볼 수 있다.

한국 등록특허공보 제10-1696121호

본 발명의 다른 측면은, 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재의 저항 점용접 시 용접 가능한 전류범위를 비약적으로 증대시킴과 동시에, 보다 안정적인 용접부 인장물성을 확보할 수 있는 열간성형부재의 저항 점 용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재를 2개 이상 준비하는 단계; 상기 열간성형부재의 용접 대상 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계; 상기 전극이 가압된 열간성형부재에 선행 통전을 행하는 단계; 상기 선행 통전된 열간성형부재를 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 열간성형부재에 본용접 통전을 행하는 단계;를 포함하며, 상기 선행 통전시, 하기 [식 1] 및 [식 4]를 만족하는 것을 특징으로 하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법을 제공한다.

[식 1]

[식 4]

(단, 상기 [식 1]에서 상기 [Ceq]는 소지강판의 탄소당량, T_P는 열간성형부재의 도금층 편면 평균 두께(㎛), T_D는 열간성형부재의 Fe-Al계 금속간화합물층 편면 평균 두께(㎛), I는 선행 통전 전류(kA), d는 용접전극의 선단경(mm), t_w는 선행 통전 시간(ms), t_c는 선행 통전 후 냉각시간(ms), T는 2개 이상의 열간성형부재의 총 두께를 상기 열간성형부재의 개수로 나눈 값(mm)을 의미하며, 상기 [Ceq]는 상기 [식 4]로 표현되며, 상기 [식 4]에서 C, Si, Mn, P 및 S는 각 합금원소의 중량%를 의미함.)

상기 소지강판은 중량%로, 탄소(C): 0.19~0.25%, 망간(Mn): 1.10~1.40%, 실리콘(Si): 0.001~0.40%, 인(P): 0.001~0.025%, 황(S): 0.001~0.015%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

상기 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층은 편면 기준 5~35㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.

상기 전극의 가압은 1.0~10.0kN의 가압력으로 행할 수 있다.

상기 선행 통전시, 하기 [식 2]를 만족할 수 있다.

[식 2]

상기 선행 통전시, 하기 [식 3]을 만족할 수 있다.

[식 3]

상기 선행 통전은 30~120ms 동안 행할 수 있다.

상기 냉각은 1~40사이클(cycle) 동안 행할 수 있다.

상기 본용접 통전은 6.0~7.5kA의 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행할 수 있다.

상기 본용접 통전 후, 전극이 가압된 상태를 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 열간성형부재의 저항 점 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 소재로 적합한 열간성형부재의 저항 점 용접 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재의 저항 점용접 시 용접 가능한 전류범위를 비약적으로 증대시킴과 동시에, 보다 안정적인 용접부 인장물성을 확보할 수 있는 열간성형부재의 저항 점 용접 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 저항 점 용접 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간성형부재의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 1 내지 3의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이며, (a)는 발명예 1, (b)는 발명예 2, (c)는 발명예 3의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교예 1 내지 3의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이며, (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 비교예 3의 사진이다.

본 발명의 발명자들은 자동차용 소재로 그 사용이 점차 증가되고 있는 열간성형용 강판, 그 중에서도 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재의 저항 점용접시 저항 점용접성을 획기적으로 향상시킴과 동시에 강건한 용접부 강도를 확보할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다. 특히, 본 발명은 저항 점용접 공정 이외의 도금층 제거 등 추가적인 타 공정을 행하지 않으면서, 용접성 향상과 더불어 요구되는 용접부 물성을 확보할 수 있는 용접 방법을 제공함에 기술적 의의가 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열간성형부재의 저항 점용접 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재를 2개 이상 준비한다. 본 발명에서는 상기 소지강판의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 자동차용 소재로서 적용 가능한 탄소강이라면 어떠한 강(steel)도 무방하다. 다만, 일례로서, 상기 탄소강은 탄소(C), 망간(Mn) 등을 일정량 함유하고, 일정수준 이상의 인장강도를 갖는 변태유기소성(TRIP)강, 복합조직(CP)강, 이상조직(DP)강 등일 수 있다. 보다 구체적인 예시로서, 합금조성이 중량%로, 탄소(C): 0.19~0.25%, 망간(Mn): 1.10~1.40%, 실리콘(Si): 0.001~0.40%, 인(P): 0.001~0.025%, 황(S): 0.001~0.015%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 아울러, 본 발명에서는 상기 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층의 종류 및 두께에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 모든 것을 이용할 수 있다. 다만, 일례로서, 상기 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층은 편면 기준 5~35㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 한편, 본 발명에서는 소지강판에 알루미늄-아연계 도금층이 형성된 도금강판을 이용하는 것을 특징으로 하며, 다만, 상기 알루미늄-아연계 도금층은 비교적 고온에서 형성되기 때문에 도금층의 일부 또는 전부가 합금화되어 알루미늄-아연 합금계 도금층으로 변화될 수도 있다.

이후, 상기 열간성형부재의 용접 대상 부위에 전극을 접촉 및 가압한다. 본 발명에서는 상기 전극의 가압시 가압력에 대해 당해 기술분야에서 이용되는 통상의 조건을 적용할 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다. 다만, 일례로서, 상기 가압은 1.0~10.0kN의 가압력으로 행할 수 있다. 또한, 상기 전극은 저항 점 용접시 사용되는 통상의 전극인 것으로서, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.

한편, 상기 열간성형부재의 용접 부위에 전극을 접촉함에 있어서, 상기 전극은 상기 열간성형부재의 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층이 형성된 면에 접촉되는 것이 바람직하다.

한 가지 예로서, 2개 이상의 특정 형상으로 열간성형된 열간성형부재를 적층하여 저항 점 용접을 행하는 경우, 최 상부에 적층된 부재는 상면(전극이 접촉하는 면)에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하며, 상기 전극이 접촉하지 않는 면(예컨대, 하면)에도 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함할 수 있다.

더불어, 상기 적층된 2개 이상의 열간성형부재에서 최 하부에 적층된 강판 역시 그 상면(상부에 적층된 열간성형부재와 닿는 면)에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함할 수 있으며, 상기 상면 이외의 하면(전극이 접촉하는 면)에도 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함할 수 있다.

이때, 최 상부에 적층된 열간성형부재의 상면에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층이 포함되는 것이라면, 상기 적층되는 열간성형부재는 2개를 초과하더라도 무방함을 밝혀둔다.

이후, 상기 전극이 가압된 열간성형부재에 선행 통전을 행한다. 상기 선행 통전은 상기 전극에 전류를 인가함으로써 수행될 수 있다. 본 발명은 후술하는 바와 같이 상기 선행 통전 이후 일정 수준 이상의 용융물을 확보하기 위한 본용접 통전을 수행할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 열간성형용 강판은 저항 점용접 이전에 복잡한 형상으로의 부품화를 위해 열처리 공정을 포함한 성형 단계를 거치게 되며, 이러한 열처리 공정 과정에서 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층 내로 Fe가 확산함에 따라 Fe-Al계 금속간화합물층과 함께, 열처리 로 내 분위기에 의해 표면 산화물층이 두껍게 형성된다. 이와 같이, Fe-Al계 금속간화합물층과 표면 산화물층이 형성된 상태로 저항 점용접을 행할 경우, 낮은 용접 전류를 인가하더라도 과도한 입열이 발생함에 따라 용융물이 외부로 비산되는 날림(EXPULSION)이 빈번하게 발생하고, 이로 인해, 경도가 높은 금속간화합물층에서는 취화에 의한 취성파단이 일어나는 문제가 있다. 더욱이, 알루미늄계 도금층을 갖는 열간성형용 강판 대비 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 갖는 열간성형용 강판의 경우, 상기 언급한 표면 산화물층이 두텁게 생성되는 특징이 존재하기 때문에 이러한 문제가 더 가속화된다는 특징이 있다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같은 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재에 대해 저항 점용접 시, 통전 단계를 분리하여 행함에 기술적 의의가 있다(도 1).

구체적으로, 본 발명에서 선행 통전은 통전 과정에서 제조공정 상 불가피하게 발생된 높은 표면저항을 강제적으로 낮추어주는 공정이며, 동시에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층 표면에 존재하는 산화층과 Fe-Al계 금속간화합물층을 용접부 외부로 배출 및 제거될 수 있는 환경을 만드는 역할도 동시에 수행할 수 있다. 특히, 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 갖는 열간성형용 강재의 경우, 아연계 산화층의 성장으로 인하여 아연이 부재한 도금층을 갖는 열간성형용 강재 대비 저항이 상대적으로 더욱 높은 상태이기에 용융물의 비산억제 및 강건한 용접부 기계적 물성 확보를 위해서는 선행 통전에 대한 제어가 필요하다.

따라서, 상기 선행 통전은 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 갖는 도금강판이 일정 수준 이상 용융되도록 하고, 용접되는 부위의 표면 산화층 및 Fe-Al계 금속간화합물층이 용융되도록 함과 동시에, 상기 용융을 통해 형성된 용융물이 의도적으로 배출될 수 있는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 선행 통전은 하기 [식 1] 및 [식 4]를 만족하는 조건으로 행하는 것이 바람직하다.

[식 1]

[식 4]

단, 상기 [식 1]에서 상기 [Ceq]는 소지강판의 탄소당량, T_P는 열간성형부재의 도금층 편면 평균 두께(㎛), T_D는 열간성형부재의 Fe-Al계 금속간화합물층 편면 평균 두께(㎛), I는 선행 통전 전류(kA), d는 용접전극의 선단경(mm), t_w는 선행 통전 시간(ms), t_c는 선행 통전 후 냉각시간(ms), T는 2개 이상의 열간성형부재의 총 두께를 상기 열간성형부재의 개수로 나눈 값(mm)을 의미하며, 상기 [Ceq]는 상기 [식 4]로 표현되며, 상기 [식 4]에서 C, Si, Mn, P 및 S는 각 합금원소의 중량%를 의미한다. 한편, 상기 용접전극은 끝단부, 즉, 용접 대상 부위에 접촉되는 부분이 평평한 형태로 되어 있으며, 상기 용접전극의 선단경이란 상기 용접전극 끝단부의 단면 직경을 의미한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 상기 [식 1]을 만족하는 선행 통전 조건은 열간성형부재의 표면 저항을 낮추는 효과가 존재하며, 후속되는 본용접 통전을 통해 일정수준 이상의 용융물이 발생되도록 하고 날림(EXPULSION)을 억제하여 안정적인 본용접 전류범위의 확보 및 우수한 점용접부 물성의 확보가 가능하도록 한다.

상기 [식 1]의 상한값인 1.5×{(T_P+15×T_D}²×(1+[Ceq])}/T 이하이면 용접 초기에 피용접물의 용융을 소량만 진행시켜 표면 저항의 하락에 기여할 수 있는 충분한 열적 에너지를 소재에 전달할 수는 있는 반면, 이 값을 초과하는 경우 선행 통전 단계에서부터 본 발명에서 의도한 바와 다르게 용융물 비산이 과도하게 발생하여 용접부 용융량의 불필요한 감소 및 용접부 물성이 열위해지는 문제가 있다. 상기 [식 1]의 하한값인 0.20×{(T_P+15×T_D}²×(1+[Ceq])}/T 미만이면 용접 초기에 피용접물의 용융을 소량만 진행시켜 표면 저항의 하락에 기여할 수 있는 충분한 열적 에너지를 갖지 못하며, 표면 산화물층과 Fe-Al계 금속간화합물층을 배출시킬 수 있는 열적 에너지가 충분하지 못할 우려가 있다. 다시 말해서, 피용접물인 열간성형부재의 점 용접시 용융은 소재(소지강판)가 갖는 성분함량에 비례하는 저항과, 열간성형부재의 두께에 직접적인 영향을 받으므로, 상기 열간성형부재의 선행 통전시 상술한 조건이 고려될 필요가 있다. 한편, 본 발명에서는 도금층 두께와 Fe-Al계 금속간화합물층의 두께는 별도의 층으로 간주할 수 있다. 상기 [식 1]의 하한값은 0.21×{(T_P+15×T_D}²×(1+[Ceq])}/T인 것이 보다 유리하고, 0.22×{(T_P+15×T_D}²×(1+[Ceq])}/T인 것이 보다 더 유리하다. 상기 [식 1]의 상한값은 1.4×{(T_P+15×T_D}²×(1+[Ceq])}/T인 것이 보다 유리하고, 1.3×{(T_P+15×T_D}²×(1+[Ceq])}/T인 것이 보다 더 유리하다.

아울러, 상기 선행통전시 하기 [식 2] 및 [식 3]을 만족할 수 있다.

[식 2]

[식 3]

한편, 본 발명에서는 선행 통전시 전류범위나 통전시간에 대해 당해 기술분야에서 이용되는 통상의 조건을 적용할 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다. 다만, 일례로서, 상기 선행 통전은 30~120ms 동안 행할 수 있다.

이후, 상기 선행 통전된 열간성형부재를 냉각한다. 즉, 상기 선행 통전을 완료한 후에는 인가된 전류를 차단시켜 용융된 도금층을 일정 시간 동안 냉각시켜 줌으로써 선행 통전 중 발생된 용융물을 안정시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 냉각 공정을 통해 후속되는 본 통전 시 용접부 내 결함 발생을 최소화시키면서 충분한 넓은 범위의 용접전류를 인가시킬 수 있다.

본 발명에서는 용접부 강도를 더욱 향상시키기 위하여 상기 선행 통전이 완료된 후 남은 잠열이 열원으로 사용될 수 있도록, 상기 냉각을 상온까지 완전히 냉각하는 것이 아닌 최대 40사이클(cycle) 동안 행할 수 있다. 이때, 냉각 시간의 하한은 특별히 한정하지 아니하나, 1사이클 이상으로 행할 수 있다. 한편, 상기 1사이클은 16.67ms에 해당할 수 있다.

이후, 상기 냉각된 열간성형부재에 본용접 통전을 행한다. 이를 통해, 본 발명이 목적으로 하는 물성을 갖는 용접부를 얻을 수 있다. 상기 본용접시 적용되는 통전은 선행 통전과는 완전히 독립적인 관계이며, 당해 기술분야에서 통상적으로 행하여지는 저항 점용접 방법을 적용할 수 있으며, 충분한 크기의 너깃(nugget)을 확보할 수 있는 조건으로 행하는 것이 바람직하다. 일례로서, 상기 본용접 통전은 6.0~7.5kA 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행할 수 있다. 상기 본용접 통전시 용접 전류가 7.5kA를 초과하거나 용접 시간이 30사이클을 초과하게 되면 날림 현상이 과다해져 본 발명에서 제시한 선행 통전의 효과를 얻지 못하고, 용접부 내 결함이 다수 발생하며, 이로 인해 용접부 물성이 열위해질 수 있다. 반면, 상기 용접 전류가 6.0kA 미만이거나 용접 시간이 12사이클 미만일 경우 충분한 크기의 너깃을 확보하기 어려우므로 실제 부품으로 사용되기 어려울 수 있다.

상기 본용접 통전 후, 통전된 전류를 차단시킨 상태에서 일정 시간 동안 전극이 가압된 상태를 유지하는 공정을 행할 수 있다. 이때, 상기 유지 공정은 본 통전시 형성된 너깃이 충분히 응고될 수 있는 정도의 시간 동안 행하면 족하므로, 그 조건에 대해서는 특별히 한정하지는 않는다.

본 발명에서 언급하는 열간성형용 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판은 자동차용 소재에 적합한 강재로서, 자동차 부품 등을 제작하기 위해서는 열간 성형을 위한 열처리와 더불어 용접이 필수로 행해진다. 이때, 본 발명에 따른 저항 점용접 방법을 적용함에 따라 열간성형 열처리 과정에서 생성된 표면 산화물층과 Fe-Al계 금속간화합물층에 의한 표면 저항을 효과적으로 하향시킬 수 있으며, 이로부터 후속 적용되는 본용접 단계에서 보다 넓은 전류범위 확보가 가능하기에 강건한 용접부 확보, 그리고 요구되는 물성을 가지는 용접부를 제공하는 효과가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

중량%로, 탄소(C): 0.19%, 망간(Mn): 1.13%, 실리콘(Si): 0.25%, 인(P): 0.010%, 황(S): 0.002%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함(Ceq: 0.28)하며, 인장강도가 1500MPa이고, 두께가 1.2mm인 소지강판을 2매 준비하였다. 이후, 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄-아연계 도금층을 형성시킨 뒤, 열간성형함으로써 열간성형부재(양면에 도금층 포함)를 제조하였다(도 2 참조). 이 때, 상기 열간성형부재의 두께는 1.2mm였으며, Fe-Al계 금속간화합물층의 편면 평균 두께는 6.5㎛였으며, 알루미늄-아연계 도금층의 편면 평균 두께는 25㎛였다. 이와 같이 얻어진 열간성형부재 2개를 적층한 뒤, 하기 표 1에 기재된 조건으로 전극을 접촉 및 가압한 뒤, 선행 통전-냉각-본용접 통전하였다.

상기 저항 점용접을 통해 용접전류범위(kA)를 얻고, 용접부 강건성의 확인을 위해 동일 저항 용접 조건 하에서 시험편을 제작한 후 용접부 인장강도(kN)을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 용접전류범위(kA)는 날림이 발생하는 시점의 전류를 상한으로 정하고, 너깃 직경이 4.0√t 미만인 시점의 전류를 하한으로 정하여, 이들의 차이를 계산하여 나타내었다.

구분	가압조건		선행 통전		냉각 (ms)	본용접 통전	유지 (ms)	[식 1] 만족 여부	용접전류 범위 (kA)	용접부 강도 (kN)
구분	용접 전극	가압력 (kN)	전류 (kA)	시간 (ms)	냉각 (ms)	시간 (ms)	유지 (ms)	[식 1] 만족 여부	용접전류 범위 (kA)	용접부 강도 (kN)
비교예1	ISO 5821 규격 F1 선단경 6mm	4.0	0	0	0	320	140	×	0.2	10.7
비교예2			7.0	30	10		100	×	0.0	11.3
비교예3			8.0	150	30		100	×	0.2	10.6
발명예1			6.0	30	30		140	○	1.6	21.5
발명예2			5.5	120	30		100	○	1.6	22.9
발명예3			8.0	60	40		100	○	1.4	21.2
[식 1] [식 2] [식 3] [식 4] (단, 상기 [식 1]에서 상기 [Ceq]는 소지강판의 탄소당량, T_P는 열간성형부재의 도금층 편면 평균 두께(㎛), T_D는 열간성형부재의 Fe-Al계 금속간화합물층 편면 평균 두께(㎛), I는 선행 통전 전류(kA), d는 용접전극의 선단경(mm), t_w는 선행 통전 시간(ms), t_c는 선행 통전 후 냉각시간(ms), T는 2개 이상의 열간성형부재의 총 두께를 상기 열간성형부재의 개수로 나눈 값(mm)을 의미하며, 상기 t_w는 하기 [식 2]의 조건을 만족하고, 상기 t_c는 하기 [식 3]의 조건을 만족하고, 상기 [Ceq]는 상기 [식 4]로 표현되며, 상기 [식 4]에서 C, Si, Mn, P 및 S는 각 합금원소의 중량%를 의미함.)

상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 용접 조건을 만족하는 발명예 1 내지 3의 경우에는 용접부 강도가 모두 21.0kN 이상으로서, 용접부의 기계적 물성이 우수할 뿐만 아니라, 용접이 가능한 전류범위 또한 확장됨으로써 용접을 행함에 있어 매우 안정적인 조건을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

반면, 전극 가압 후 선행 통전없이 본 용접 통전이 행해진 비교예 1은 용접부 강도가 열위한 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명이 제안하는 [식 1]과 [식 2] 또는 [식 3]를 만족하지 않는 비교예 2 및 3의 경우에는 용접이 가능한 전류범위가 매우 협소할 뿐만 아니라, 용융물 비산 발생으로 인하여 용접부 강도가 낮은 수준임을 확인할 수 있다.

도 3은 발명예 1 내지 3의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이며, (a)는 발명예 1, (b)는 발명예 2, (c)는 발명예 3의 사진이다. 도 4는 비교예 1 내지 3의 용접부 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이며, (a)는 비교예 1, (b)는 비교예 2, (c)는 비교예 3의 사진이다. 도 3 및 4를 통해 알 수 있듯이, 발명예 1 내지 3의 경우 일정수준 이상의 용융량을 안정적으로 확보하는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 반면, 비교예 1 내지 3의 경우 용접부 내 과입열에 의한 날림(expulsion) 현상으로 인하여 일정수준 이상의 용융량을 확보하는 것이 불가함을 확인할 수 있다.

1: 소지강판
2: Fe-Al계 금속간화합물층
3: 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층

Claims

소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층을 포함하는 도금강판을 열간성형하여 얻은 열간성형부재를 2개 이상 준비하는 단계;
상기 열간성형부재의 용접 대상 부위에 전극을 접촉 및 가압하는 단계;
상기 전극이 가압된 열간성형부재에 선행 통전을 행하는 단계;
상기 선행 통전된 열간성형부재를 냉각하는 단계; 및
상기 냉각된 열간성형부재에 본용접 통전을 행하는 단계;를 포함하며,
상기 선행 통전시, 하기 [식 1] 및 [식 4]를 만족하는 것을 특징으로 하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
[식 1]

[식 4]

(단, 상기 [식 1]에서 상기 [Ceq]는 소지강판의 탄소당량, T_P는 열간성형부재의 도금층 편면 평균 두께(㎛), T_D는 열간성형부재의 Fe-Al계 금속간화합물층 편면 평균 두께(㎛), I는 선행 통전 전류(kA), d는 용접전극의 선단경(mm), t_w는 선행 통전 시간(ms), t_c는 선행 통전 후 냉각시간(ms), T는 2개 이상의 열간성형부재의 총 두께를 상기 열간성형부재의 개수로 나눈 값(mm)을 의미하며, 상기 [Ceq]는 상기 [식 4]로 표현되며, 상기 [식 4]에서 C, Si, Mn, P 및 S는 각 합금원소의 중량%를 의미함.)
청구항 1에 있어서,
상기 소지강판은 중량%로, 탄소(C): 0.19~0.25%, 망간(Mn): 1.10~1.40%, 실리콘(Si): 0.001~0.40%, 인(P): 0.001~0.025%, 황(S): 0.001~0.015%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄-아연계 또는 알루미늄-아연 합금계 도금층은 편면 기준 5~35㎛의 평균 두께를 갖는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전극의 가압은 1.0~10.0kN의 가압력으로 행하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 선행 통전시, 하기 [식 2]를 만족하는 것을 특징으로 하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
[식 2]
청구항 1에 있어서,
상기 선행 통전시, 하기 [식 3]을 만족하는 것을 특징으로 하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
[식 3]
청구항 1에 있어서,
상기 선행 통전은 30~120ms 동안 행하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각은 1~40사이클(cycle) 동안 행하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 본용접 통전은 6.0~7.5kA의 전류 범위로 12~30사이클(cycle) 동안 행하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 본용접 통전 후, 전극이 가압된 상태를 유지하는 단계를 더 포함하는 열간성형부재의 저항 점용접 방법.