고주파 전기 저항 용접법에 대한 연구는 매우 초보적인 단계에 머무르고 있어, 국내 강관 제조 업체의 국제 경쟁력을 확보하는데 장애가 되고 있는 상황이다. 그러나 최근 국내 강관제조 업체들이 많은 연구 노력을 경주하고 있고, 고주파 전기 저항 용접 공정의 모사 장치를 설치하여 연구 환경이 개선되고 있는 상황이다. 고주파 전기 저항 용접 공정의 신뢰성을 증가시키기 위해서는 고주파 전기 저항 용접 현상에 대한 기초적인 연구가 진행되고, 이에 근거한 공정의 자동화가 필수적으로 요구된다 하겠다.
자동차 공업에서의 용접은 주로 차체조립공정에서 많은 사용되고 있으며 전기저항용접, ARC 용접, GAS용접등이 쓰이고 있지만 특히 전기저항용접의 SPOT WELDING이 그 대부분을 차 지하고 있다. 자사의 경우 AUTO GUN이나 ROBOT의 적용으로 차종에 따라 자동화가 거의 90%에 이르며 이 수치는 향후 더욱 증가 되리라 본다. 최근의 연비향상을 위한 경량화와 장 기방청성 요구추세에 따른 새로운 소재 즉 Al, 2층도금강판등의 채택에 따라 자사실정에 맞는 적합한 용접기술개발이 필요하다. 본론에서는 점용접의 검사 방법과 검사기준, 용접 신뢰성 확 보를 위한 제시도와 신소재 적용에 대응한 개발의 필요성, 용접 자동화등의 현황들을 자사를 중심으로 실례를 들어 소개하고자 한다.
동(CU)은 전기전자부품에 널리 사용되어 왔는데, 특히 점 저항용접된 동은 콘덴서나 저항의 리드부분에 사용되고 있다. 그러나 일반적으로 동은 전기 저항이 낮아 저항용접이 어렵다. 본 연구에서는 동의 점 용접성을 개선하기 위하여, 상대적으로 전기 저항이 높은 Sn-37%Pb 솔더를 동 표면에 도금하였다. 실험변수로, 가 압력은 100kgf에서 200kgf, 용접시간은 20ms에서 50ms, 용접전류는 100A에서 2500A까지 변화시켰다. 실험결과, 솔더 도금된 동박판은 용접전류 400~2200A, 가압력 100~200kgf, 용접시간 20~50ms범위에서 저항용접이 가능하였다. 점 용접부의 인장전단 강도는 임계 전류값까지는 용접전류가 증가함에 따라 증가하고, 임계 전류값 이후부터는 용접전류에 따라 인장전단 강도가 감소하였다.
본 연구에서는 에너지절감 및 최적의 용접결과(최소 스패터 등), 변압기 소형화를 위해 16비트 마이크로컨트롤러를 적용한 고주파 인버터식 저항용접기 시스템을 구성하였으며, 용접파라미터의 순시 피드백과 통전시간 제어를 통해 용접조건에 맞는 최적의 용접전력을 모재에 공급할 수 있는 저항용접기를 구현하여 그 특성파악을 행하였다.
자동차의 경량화, 안전성 그리고 내식성 향상을 위하여 고강도 강판 및 도금 강판의 적용이 증가하면서 자동차 산업의 많은 부분에서 적용되는 저항 점용접에서도 고강도 강판과 도금강판의 적용이 증가하는 추세이다. 이에 따라 고강도 강판과 도금 강판의 낮은 용접성을 개선하기 위하여 기존의 단상 AC 용접기에서 전류 파형의 형태를 개선한 인버터 DC 용접기가 차체 조립라인에서 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 고강도 강판의 저항 점용접의 연속타점 시 단상 AC용접기와 인버터 DC용접기의 전극의 연속타점 수명의 차이를 비교하고 분석하기 위해 590MPa 급 전기아연도금강판을 이용하여 AWS 규격에 연속타점실험을 기준으로 단상 AC 와 인버터 DC 용접기의 연속타점 실험을 실시하였다. 연속타점실험 중에 전극의 형상관찰을 위해 100타점 간격으로 carbon paper를 이용해 전극 직경 변화를 관찰 하였으며, 100 타점간격으로 동저항을 측정하고 인장 전단 시편과 Peel test 시편을 제작하여 연속타점 시 단상 AC와 인버터 DC 용접기의 저항 점용접 연속타점 수명을 비교 분석하였다. 그리고 연속타점 실험 후 사용된 전극의 표면과 단면 형상을 각각 OM, SEM, EDX로 분석하여 전극 표면의 Zn과 합금화 된 전극의 합금층을 분석하였다. 그 결과 590MPa급 전기아연도금강판의 저항 점용점 연속타점 수명평가에서 인버터 DC 용접기가 단상 AC 용접기보다 200타점 더 우수한 연속타점 수명을 보유하였다. 특히 인장강도 기준 측면에서는 인버터 DC 용접기의 전극 연속타점수명은 매우 우수하다.
전기 동저항 제어실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 점용접 과정에서 동 저항이 용접질(용접강도)을 잘 나타내 준다. 1) 동저항 곡선의 peak가 발생하는 시간이 이르면 일반적으로 늦게 나타난 것보다 용접질이 좋다. (단, expulsion이 발생하지 않을 때까지). 2) peak에서의 저항값과 용접시간 끝에서의 저항값 차이가 클수록 일반적으로 용접질이 좋다. (2) 한 동 저항곡선에 다른 동 저항곡선을 맞추려는 제어를 할 때는 다음과 같은 관계가 있다. 1) P-control로는 동저항을 추적하는 효과를 충분히 얻을 수 없고 적분제어기를 추가한 PI-control을 하면 잘 추적한다. 2) 용접질의 관점으로 볼 때 원하는 용접강도를 얻으려고 PI제어를 하면 그 용접 평균강도에 아주 근사한 강도를 얻을 수 있다.
최근의 산업사회에서 각종 구조물접합 등에서 점용접의 사용이 점차 증가하고 있는 실정이다. 점용접은 전기저항용접(Resistance Welding)의 한 분야로 가압 효과에 의하여 용접 후의 금속 조직이 양호하고, 변형과 잔류응력이 모재에 미치는 영향 등이 타 용접 방법에 비하여 적은 것으로 알려져 있어 주로 박판의 이음 중 리벳 조인트를 대신하고 있다.(중략)
저항 점 용접시 발생하는 어려운 문제점의 하나는 아무리 동일한 용접조건 하에서 용접을 한다하 더라도 균일한 용접품질을 얻을 수 없다는 점이다. 이는 주로 용접중의 전원에서의 변화로 인한 용접전류 및 전압변동, 용접모재의 표면상태 및 두께의 불균일, 두 전극의 마멸 및 맞춤상태 등의 인자 때문에 기인한다고 볼 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 용접하는 도중에 수시 로 인자 때문에 기인한다고 볼 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 용접하는 도중에 수 시로 용접 상태를 점검하여 용접조건을 그때 그때에 적합하게 변화시켜 주는 것이 바람직한데 우 선 용접상태를 판별하기 위해서는 용접품질(weld quality)을 잘 대변할 수 있는 용접법 변수를 찾 아내는 것이 중요한 일이다. 따라서 본 논문에서는 용접품질에 관련되는 변수중, 전기동저항과 전 극분리현상을 측정해서 마이크로 컴퓨터를 사용하여 관련되는 특정값들을 구했고 이들과 인장실 험에서 얻은 용접강도와의 상관관계를 얻음으로써 과연 어떠한 공정변수가 용접품질을 잘 대변해 줄 수 있는가를 실험적으로 조사하였다.
Spot 용접의 역사는 1877년에 E. Thomson이 발명한 것이지만 1886년 처음으로 저항 용접기의 특허를 취득할 때까지는 거의 실용화 되지 못하였다. 그 후 Thomson의 전기 용접기 회사가 저항 용접의 특허를 거의 독점한 관계로 커다란 발전없이 spot 용접에 관한 특허 분쟁이 해소된 1920년 이후 보급되기 시작하여 1935년경 부터 증가 하였다. 초기에는 주로 맞대기 용접에 이용되고 전선의 접합이나 크게는 rail의 용접 에까지 이르렀다. 금세기에 들어와서부터 spot 용접이나 seam 용접이 실용화되고 관련 용접 장치도 개발되었다. Spot 용접은 자동차 공업과 더불어 크게 발전하였으며 오늘 날에는 spot 용접 생산의 약 2/3를 자동차 공업이 점유하고 있다. Spot 용접은 고온 압접의 일종으로 각종 압접 방법중에서 가장 많이 사용되고 있는 것이다. 접합하고저 하는 부분에 직접 고전류를 통하고 그 전류에 의한 저항 발열로 용접부의 온도를 상승 시켜 용접하는 것으로서 극히 짧은 시간에 용접이 가능하고 고속, 고능률이므로 특히 다량 생산에 적합하다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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