KR20120031857A - 이종재 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스틸과 알루미늄을 저입열 용접을 이용해 접합하는 방법에 관한 것으로, 용융아연도금강판(GI)을 이용하여 제1 접합부재를 제조하는 제1 단계와, 알루미늄재질의 제2 접합부재를 제조하는 제2 단계와, 상기 제1 접합부재와 제2 접합부재의 단부가 겹치도록 배치시킨 후, 보호가스로서 아르곤 가스를 사용하여 저입열(CMT) 용접으로 접합하는 접합단계를 포함하는 이종재 접합방법에 관한 것이다.

Description

이종재 접합방법{Junction method of each other different quality of material}

본 발명은 이종재 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스틸과 알루미늄을 저입열 용접을 이용해 접합하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 스틸과 알루미늄과 같은 서로 다른 두 소재를 접합시키는 방법은 대부분 클린칭이나 스크류잉, 리베팅 등과 같은 기계적인 방법을 이용하였다.

그 이유는 열에 의한 접합은 금속간 상이 형성되고, 상기와 같은 금속간의 상은 취성이 높기 때문에 접합부의 물성을 약화시키는 문제가 있기 때문이다.

특히, 자동차 업계에서는 알루미늄과 스틸을 용융 접합할 때 알루미늄이 스틸보다 광흡수율이 낮고, 열전도가 높을 뿐만 아니라 용융 접합 후 변형이나 균열이 잦아 자동차 경량 부품 개발에 한계가 있었다.

특히, 강판의 경우 강판 표면에 발생하는 산화 피막이 접합을 어렵게 하기 때문에 접합시 발생하는 강판의 산화를 방지할 수 있는 방법을 모색해야 한다.

한편, 저입열(CMT) 용접은 와이어의 공급제어를 치밀하게 해 용접전류치를 낮추고 모재의 과열을 억제하는 용접 방법으로서, MIG용접에 비해 용접 품질이 좋고 가공으로 인한 변형이 적으며 다른 소재의 접합이 가능하다.

본 발명의 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스틸과 알루미늄과 같은 이질적인 금속 간의 접합을 가능케 하여 자동차 산업 등에서 산업용 부품을 특성을 향상시킬 수 있는 이종재 접합 방법을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이종재 접합 방법은, 용융아연도금강판(GI)을 이용하여 제1 접합부재를 제조하는 제1 단계와, 알루미늄재질의 제2 접합부재를 제조하는 제2 단계와, 상기 제1 접합부재와 제2 접합부재의 단부가 겹치도록 배치시킨 후, 보호가스로서 아르곤 가스를 사용하여 저입열(CMT) 용접으로 접합하는 접합단계를 포함하는 이종재 접합방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 스틸과 알루미늄과 같은 이종재의 접합이 가능하게 되어, 자동차 산업 등에서 산업용 부품의 특성을 향상시킬 수 있고, 자동차 차체뿐만 아니라 경량화가 요구되는 고속전철, 조선, 항공기 산업분야 등에도 확대 적용이 가능하며, 저입열 용접방식을 적용하여 접합시 소모되는 에너지량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존에 제시된 이질 금속의 접합방식에 비해 생산 비용 및 시간을 현저히 감소할 수 있고 동일한 재질 금속의 용접과 대비하여 동등한 강도와 내구성이 확보될 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

도 1은 제1 접합부재와 제2 접합부재의 형상을 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 제1 접합부재와 제2 접합부재가 접합된 모습을 보인 도면,
도 3은 제1 접합부재의 도금재질 및 도금유무에 따른 용접결과를 비교한 도면,
도 4 내지 도 5는 제1 접합부재의 도금두께에 따른 용접결과를 비교한 도면,
도 6은 용접 토오치의 용접점의 위치에 따른 용접결과를 비교한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 제1 접합부재와 제2 접합부재의 형상을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 제1 접합부재와 제2 접합부재가 접합된 모습을 보인 도면으로서, 상기한 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 이종재 접합 방법은 용융아연도금강판(GI)을 이용하여 제1 접합부재를 제조하는 제1 단계와, 알루미늄재질의 제2 접합부재를 제조하는 제2 단계 및 상기 제1 접합부재와 제2 접합부재의 단부가 겹치도록 배치시킨 후, 보호가스로서 아르곤 가스를 사용하여 저입열(CMT) 용접으로 접합하는 접합단계를 포함하여 구성된다.

먼저, 제1 단계는 용융아연도금강판(GI)을 이용하여 제1 접합부재를 제조하는 단계로서, 상기 용융아연도금강판(GI)은 냉간압연강판(Cold Rolled Carbon Steel Sheet, CR)을 연속용융 도금라인에서 열처리하여 소정의 재질을 확보한 후 아연을 용융도금한 것이다.

일반적으로 강판의 경우 용접을 통합 접합을 시도하였을 때, 강판 표면에 발생하는 산화 피막이 강판의 접합을 어렵게 하기 때문에 접합시 발생하는 강판의 산화를 방지하기 위해 상기와 같이 강판의 표면에 아연도금을 실시한다.

상기와 같은 용융아연도금강판을 이용해서 제1 접합부재를 제조하는 공정은 다양한 가공방법이 적용될 수 있다. 특히, 프레스 가공, 드로잉(Drawing) 가공, 피어싱(Piercing) 가공, 트리밍(Trimming) 가공, 레이저 커팅과 같은 가공방법을 통해 제1 접합부재를 제작할 수 있다.

도 3은 제1 접합부재의 도금재질 및 도금유무에 따른 용접결과를 비교한 도면으로서, 각각 합금화용융아연도금강판(GA), 용융아연도금강판(GI), 아연이 도금되지 않은 스틸(CR)과 알루미늄을 겹친 상태에서 보호가스로 100% 아르곤(Ar)을 사용하여 저입열(CMT) 용접을 시행하여 용접상태를 비교하였다.

이때, 용접와이어는 AlSi3Mn 1.2mm를 사용하고, 팁과 모재간 거리는 14mm이며, 토오치 각도는 10°로 전진법을 사용했다. 용접속도는 60~150cm/min, 용접전류는 55~127A로 저입열(CMT) 용접을 시행하였다.

그 결과, 합금화용융아연도금강판(GA)과 아연이 도금되지 않은 스틸(CR)은 용융아연도금강판(GI)에 비해 매우 불안정한 용접성의 보여 저입열(CMT) 용접이 적합하지 않다는 결과를 얻을 수 있었다.

제2 단계는 알루미늄재질의 제2 접합부재를 제조하는 단계로서, 상기 제1 접합부재와 마찬가지로 알루미늄판에 프레스 가공, 드로잉(Drawing) 가공과 같은 다양한 가공방법을 적용하여 제2 접합부재를 제조한다.

제 3단계는 상기 제1 접합부재와 제2 접합부재의 단부가 겹치도록 배치시킨 후, 보호가스로서 아르곤 가스를 사용하여 저입열(CMT) 용접으로 접합하는 단계이다. 여기서 상기 접합 단계는 스폿(Spot), 리니어(Linear)를 비롯한 다양한 용접 방식이 적용될 수 있다.

일반적으로 재질의 특성상 알루미늄은 박판의 형태로 각 분야에 적용되고 있으며, 상기와 같은 알루미늄을 접합하는 방법은 MIG 용접, TIG 용접 및 레이저 용접이 주를 이룬다. 그러나 박판 형태의 알루미늄에 용접을 시행할 경우, 비열과 열 전도도가 크기 때문에 고온의 열원이 필요하고, 열변형이 매우 크며, 균열이 생기기 쉽고, 융착 금속에 기공이 발생하는 등의 다양한 문제점이 발생한다.

따라서, 상기와 같은 알루미늄의 용접에서 발생되는 문제점을 해결하기 위해 저입열(CMT, Cold Metal Transfer)용접을 실시한다.

저입열(CMT) 용접은 주변부의 열영향부가 좁은 특징과 함께, 저입열(CMT) 용접은 기존의 MIG 용접방법에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 금속이행이 이루어진다.

기존의 MIG 용접방식은 단락단계에서 전류가 증가하였지만, 저입열(CMT) 용접방식은 단락단계에서 와이어가 역인(retraction)되고, 전류가 낮게 유지된다. 이에 따른 용적이행 결과는 용적의 표면장력을 높여주거 저전류에서도 안정적인 아크유지 가능하고, 스패터가 거의 나타나지 않아 박판의 알루미늄의 용접에도 적합한 접합방법으로 채택가능하다.

도 4 내지 도 5는 제1 접합부재의 도금두께에 따른 용접결과를 비교한 도면으로서, 상기한 도면에 도시된 것과 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1 접합부재는 스틸 표면에 7 ~ 35㎛의 아연이 도금된 것을 특징으로 한다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 7㎛의 두께로 아연도금된 용융아연도금강판(GI) 시편과 알루미늄 시편에 겹치기 방식으로 저입열(CMT) 용접을 실시하였다.이때, 제1 접합부재는 1.2t의 용융아연도금강판(GI), 제2 접합부재는 2.0t의 알루미늄이고, 전류(와이어 공급속도)는 79A이고, 용접속도는 0.75 m/min, 토오치의 기울기는 25°로 저입열(CMT) 용접을 시행하였다.

그 결과, 7㎛의 두께로 도금된 용융아연도금강판(GI)과 알루미늄은 저입열(CMT) 용접을 통해 접합 가능함을 확인할 수 있었다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 도금 두께가 각각 11.3㎛, 14.8㎛, 21.6㎛, 30.3㎛, 35.4㎛인 용융아연도금강판(GI) 시편를 알루미늄 시편에 겹치기 방식으로 저입열(CMT) 용접을 실시하였다.

그 결과, 도금 두께에 따라 차이가 있지만 양호한 용접성을 보였으며, 각 용접부의 단면에 기공이 존재했다. 상기와 같이 용접부에 기공이 발생된 이유는 알루미늄 용접 시 발생하는 기공뿐만 아니라, 용융아연도금강판(GI)의 아연 기화에 따른 결과이기도 하다.

일반적으로 표면이 아닌 겹침 경계에 발생된 기공은 인장강도 시험시, 용접부의 파단 가능성을 높인다. 상기 다양한 도금두께를 갖는 용융아연도금강판(GI) 시편의 용접부 단면을 확인한 결과, 35.4㎛의 도금두께를 갖는 용융아연도금강판(GI)의 겹침 경계에 가장 많은 기공이 발생되었다. 따라서 상기 제1 접합부재의 소재인 용융아연도금강판(GI) 아연도금 두께는 7 ~ 35㎛로 한정한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제2 접합부재는 상기 제1 접합부재의 상부에 위치된다.

상기와 같이 알루미늄이 상단에 위치해야 하는 이유를 설명하면 다음과 같다. 일반적으로, 알루미늄과 스틸의 용융용접의 경우 Fe_xAl_x형태의 IMC(금속간화합물) 생성으로 용융용접이 어렵다. 이러한 한계에 대응하기 위하여 스틸모재 표면에 알루미늄을 브레이징형태로 접합시켜야만 한다. 이때 스틸표면은 알루미늄과 친화성이 있는 성분(Zn, Al, Ag 등)으로 도금되어 있어야 하는데, 이는 스틸에서 Fe원소 발생을 최소화 하여 금속간화합물층을 최소화하기 위함이다. 상기 알루미늄-스틸간의 Weld-braze형태의 용접에 사용되는 필러와이어(용가재, 용접봉)는 4000계열 알루미늄을 사용하였는데, 특히 Fronius社 의 Special wire로 가능하나 4047 wire로도 가능함을 확인할 수 있었다.

알루미늄 필러와이어와 알루미늄 모재간의 용융이 스틸계면부에 브레이징형태로 스며들어 접합되나 스틸이 상판에 위치하였을 경우 스틸모재에서 Fe원소 발생으로 IMC층이 발생하였으며, 상기 IMC가 10um이상의 층이 생성된 경우 접합이 되지 않았다. 한편, 하판에 알루미늄을 두고 필러와이어를 하판에서 조사하여 상판으로 용융금속을 이동하는 방법도 실험하였으나, 중력의 작용으로 용융풀이 상판으로 이동이 어려웠으며, 스틸-알루미늄 계면부에도 잘 스며들지 않아 접합이 매우 불량하였다.

도 6은 용접 토오치의 용접점의 위치에 따른 용접결과를 비교한 도면으로서, 상기 도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 접합단계는 용접 토오치가 상기 제1 접합부재의 선단부를 향하도록 배치된 상태에서 용접을 시행한다.

먼저, 첫 번째(a)의 경우 용접 토오치를 알루미늄의 선단부에서 1mm 이격된 위치를 용접점으로 저입열(CMT) 용접을 실시한 결과이고, 두 번째(b)의 경우는 용접 토오치를 알루미늄의 선단부를 용접점으로 저입열(CMT) 용접을 실시한 결과이다. 세 번째(c)의 경우 용접 토오치를 알루미늄과 용융아연도금강판(GI)의 경계를 용접점으로 저입열(CMT) 용접을 실시한 결과이고, 네 번째(d)의 경우는 용접 토오치를 알루미늄과 용융아연도금강판(GI)의 경계에서 용융아연도금강판(GI)방향으로 1mm 이격된 위치를 접점으로 저입열(CMT) 용접을 실시한 결과이다.

그 결과, 두 번째(b)의 경우, 즉 용접 토오치를 알루미늄의 선단부를 용접점으로 저입열(CMT) 용접을 시행했을 때 가장 좋은 용접결과가 나왔다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1 접합부재는 자동차용 팩키지트레이(Package Tray)이고, 상기 제2 접합부재는 자동차용 파티션 패널(Partition Panel)이다.

즉, 용융아연도금강판(GI)으로 제1 접합 부재인 자동차용 팩키지트레이(Package Tray)를 제조하고, 알루미으로 제2 접합 부재인 자동차용 파티션 패널(Partition Panel)을 제조한다.

그 후, 알루미늄 재질의 자동차용 파티션 패널(Partition Panel)을 용융아연도금강판(GI) 재질의 자동차용 팩키지트레이(Package Tray)의 상부에 위치시킨 후, 보호 가스로서 아르곤 가스를 100% 사용하여 저입열(CMT) 용접으로 접합한다. 이때, 접합 형상은 스팟 또는 리니어 형상 등일 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

Claims (5)

1. 용융아연도금강판(GI)을 이용하여 제1 접합부재를 제조하는 제1 단계;
   알루미늄재질의 제2 접합부재를 제조하는 제2 단계;
   상기 제1 접합부재와 제2 접합부재의 단부가 겹치도록 배치시킨 후, 보호가스로서 아르곤 가스를 사용하여 저입열(CMT) 용접으로 접합하는 접합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재 접합방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 접합부재는
   스틸 표면에 7 ~ 35㎛의 아연이 도금된 것을 특징으로 하는 이종재 접합방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 접합부재는
   상기 제1 접합부재의 상부에 위치되는 것을 특징으로 하는 이종재 접합방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 접합단계는
   용접 토오치가 상기 제1접합부재의 선단부를 향하도록 배치된 상태에서 용접을 시행하는 것을 특징으로 하는 이종재 접합방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 접합부재는 자동차용 팩키지트레이(Package Tray)이고, 상기 제2 접합부재는 자동차용 파티션 패널(Partition Panel)인 것을 특징으로 하는 이종재 접합방법.

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