KR20240123410A - 스폿 용접 장치, 스폿 용접 장치의 제어 방법, 스폿 용접 조인트, 및 스폿 용접 조인트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 스폿 용접 장치는, 한 쌍의 전극에 의해 중첩한 복수의 강판을 끼우고, 가압하면서, 통전함으로써, 상기 복수의 강판을 스폿 용접할 수 있는 스폿 용접 장치이며, 통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 상기 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치이다.

Description

스폿 용접 장치, 스폿 용접 장치의 제어 방법, 스폿 용접 조인트, 및 스폿 용접 조인트의 제조 방법

본 발명은, 스폿 용접 장치, 스폿 용접 장치의 제어 방법, 스폿 용접 조인트, 및 스폿 용접 조인트의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2022년 2월 9일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2022-018764호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

예를 들어 특허문헌 1 및 2에 기재되어 있는 바와 같이, 가압력 제어를 행하는 스폿 용접 장치가 알려져 있다. 스폿 용접 장치를 사용한 스폿 용접 조인트의 제조 방법에서는, 대향하는 한 쌍의 전극에 판조를 끼워 넣고, 당해 전극을 사용한 통전 가열에 의해 강판 겹침면을 가열 및 용융하고, 강판 중첩부의 계면 부근에 용융 응고된 부분(너깃)을 형성시킴으로써 강판끼리를 접합한다(도 1). 근년, 고강도 강판의 적용 확대에 수반하여 조인트 강도의 향상이 필요해져, 큰 너깃 직경으로의 용접이 요구되어 왔다.

일본 특허 공개 평7-96376호 공보 일본 특허 공개 제2001-300738호 공보

그러나, 너깃 직경을 확대하면 강판 겹침면의 너깃 단부로부터 강판이 국부적으로 과열되어 용융 비산되기 쉬워진다(도 2). 용융 비산된 금속은, 스폿 용접 시의 「스플래시」라고 불리며, 용접 품질 저하의 원인이 된다. 또한, 「스플래시의 유무」는, 통전 기간의 용접 현상을 육안 검사함으로써 확인할 수 있다. 스플래시 발생 시에는 용접부로부터(보다 구체적으로는 강판끼리의 간극으로부터) 미소한 용융 금속이 비산하기 때문에, 육안 검사에 의해 용이하게 확인할 수 있다. 스플래시가 발생하면, 강판 내부의 용융 금속이 감소하기 때문에, 전극에 의한 강판 표면의 압입량이 커져, 강판 표면에 큰 오목부(인덴테이션)가 발생한다. 이 오목부에 의해 너깃 주변의 강판 두께가 감소하기 때문에, 조인트 강도가 저하된다. 또한, 오목부에는 큰 인장 응력이 발생하기 때문에, 강판을 아연 도금 강판으로 한 경우에 액체 금속 취화(LME) 균열이 발생하는 경우가 있다.

스플래시를 억제하여 인덴테이션을 작게 할 수 있다면, 조인트 강도의 저하나 LME 균열을 억제할 수 있지만, 강판 간의 간극(판 틈)이나 가압 전극의 기울기(타각), 판단부에의 용접 타점 등의 실생산 시의 여러가지 시공 외란을 근거로 하면, 완전히 스플래시를 방지하는 것은 곤란하다. 한편, 스플래시가 발생해도 인덴테이션을 작게 할 수 있다면, 조인트 강도의 저하나 아연 도금 강판의 스폿 용접 조인트에서의 LME 균열을 억제할 수 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 너깃 직경을 크게 하는 경우에도, 인덴테이션을 작게 하고, 나아가서는 용접 조인트의 강도를 높이고, 아연 도금 강판의 스폿 용접 조인트에서의 LME 균열을 방지하는 것이 가능한, 스폿 용접 장치, 스폿 용접 장치의 제어 방법, 스폿 용접 조인트 및 스폿 용접 조인트의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

표준적인 스폿 용접 프로세스에서는, 통전 개시에 의해 강판 내부의 열팽창에 의해 판 두께가 증가하기 때문에, 통전 전기에는, 전극의 가압 반력이 증가하고, 전극은 강판으로부터 이격되는 방향으로 변위한다(도 3의 (a)). 통전 후기에는, 강판 내부의 가열 영역이 확대되기 때문에 강판이 연화되고, 너깃이 성장하고, 전극의 가압 반력이 저하된다. 이 때문에, 전극이 서로 접근하면서 강판을 압입한다(도 3의 (b)). 또한 용접 후기의 종반에는, 용융 직경(너깃 직경)의 확대에 의해 용융 금속이 너깃 단부로부터 주위에 스플래시가 되어 비산하고, 전극의 가압 반력이 급감하고, 전극이 급속하게 강판을 압입하고, 큰 인덴테이션과 큰 스플래시가 발생한다(도 3의 (c)). 그래서, 발명자는, 스플래시 발생 시의 전극의 변위 속도(전극 접근 속도)를 저하시킴으로써, 전극이 강판 표면을 강하게 압입하기 전에 너깃을 응고시킬 수 있다면, 인덴테이션과 스플래시의 저감이 가능해진다고 생각하였다.

종래의 전극 가압의 제어 방법은, 용접 현상의 안정성을 목적으로, 전극 가압의 응답성을 높게 하는 것이 대부분이었다. 예를 들어, 전극 가압의 응답성이 극도로 작으면, 통전 후기의 전반의 강판 연화 시에 전극의 압입 동작이 지연되고, 전극 가압력이 너무 낮아져 전극 선단과 강판 표면의 접촉 면적이 저하되고, 강판 표면에서의 국소 발열에 의한 너깃 형성 불량이 발생한다. 이 때문에, 전극 가압의 응답성을 높여 통전 기간 중의 가압력을 일정하게 유지하는 것이 종래 방법의 트렌드였다.

이러한 종래 기술을 적용하여 전극 가압의 응답성을 높이면, 전극 가압력은 설정값으로 일정하게 유지되지만, 상술한 바와 같이, 강판의 연화 시나 스플래시 발생 시에 급속하게 전극으로 강판의 표면을 압궤하기 때문에, 오목부의 확대를 초래하고, 인덴테이션이 발생하는 결과가 된다. 즉, 상기한 발명자가 생각한 전극 근접 속도를 저하시킨다는 아이디어는, 종래 방법과는 전혀 다른 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 한 쌍의 전극에 의해 중첩한 복수의 강판을 끼우고, 가압하면서, 통전함으로써, 상기 복수의 강판을 스폿 용접할 수 있는 스폿 용접 장치이며,

통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 상기 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치.

여기서, 「한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도」는, 한 쌍의 전극이 후술하는 실시 형태와 같이 가동 전극과 고정 전극으로 구성되는 경우, 가동 전극의 이동 속도 또는 변위 속도로 바꿔 말할 수 있다. 특히, 가동 전극이 고정 전극의 상방에 위치하고 있는 경우, 「한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도」는, 가동 전극의 하강 속도로 바꿔 말할 수 있다.

(2) 통전 종료로부터 가압력 유지 시간의 종료까지의 동안에 있어서, 상기 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 스폿 용접 장치.

(3) 대향하는 한 쌍의 전극에 의해 중첩한 복수의 강판을 끼우고, 가압하면서, 통전함으로써, 상기 복수의 강판을 스폿 용접하는 스폿 용접 장치의 제어 방법이며,

통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 상기 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치의 제어 방법.

(4) 통전 종료로부터 가압력 유지 시간의 종료까지의 동안에 있어서, 상기 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 스폿 용접 장치의 제어 방법.

(5) 인장 강도가 980MPa 이상인 복수의 강판을 중첩하여 스폿 용접함으로써 제조된 스폿 용접 조인트이며, 상기 인장 강도 980MPa 이상의 복수의 강판의 최소의 두께를 t라고 했을 때, 상기 스폿 용접에 의해 형성된 너깃 직경이 5.0√t 이상이며,

상기 스폿 용접 조인트의 최소 두께가, 상기 복수의 강판의 두께의 합계의 0.70배 이상이며,

용접부의 X선 투과 화상에서 측정된 스플래시부의 면적이, 압접부의 면적의 30 내지 160％인 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트.

(6) 상기 너깃 직경이 5.5√t 이상인 것을 특징으로 하는 (5)에 기재된 스폿 용접 조인트.

(7) 상기 스폿 용접 조인트에 균열이 없는 것을 특징으로 하는 (5) 또는 (6)에 기재된 스폿 용접 조인트.

(8) 상기 스폿 용접 조인트의 최소 두께가, 상기 복수의 강판의 두께의 합계의 0.90배 이하인 것을 특징으로 하는 (5) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 조인트.

(9) (5) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 조인트의 제조 방법이며,

통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 스폿 용접 장치에 구비되는 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트의 제조 방법.

(10) 통전 종료로부터 가압력 유지 시간의 종료까지의 동안에 있어서, 상기 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 (9)에 기재된 스폿 용접 조인트의 제조 방법.

본 발명의 상기 관점에 의하면, 너깃 직경을 크게 하는 경우에도, 인덴테이션을 작게 하고, 나아가서는 용접 조인트의 강도를 높여, 아연 도금 강판의 스폿 용접 조인트에서의 LME 균열을 방지하는 것이 가능해진다.

도 1은 너깃 및 그 주변의 구조를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 인덴테이션의 예를 나타내는 측단면도이다.
도 3은 통전 기간에 있어서의 전극의 변위를 나타내는 측단면도이다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 장치의 외관을 도시하는 측면도이다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 장치의 기능 블록도이다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 장치에 의한 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 종래 기술과 본 실시 형태의 용접 기간을 대비하여 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 조인트의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 9는 X선 단면 화상의 일례이다.
도 10은 평면에서 볼 때의 X선 투과 화상의 일례이다.

다음으로, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 「스폿 용접」, 「용접 시간」, 「초기 가압 시간」, 「가압력 유지 시간」, 「너깃」, 「너깃 직경」 및 「압흔」의 정의는 JIS Z3001-6:2013 「용접 용어-제6부: 저항 용접」에 의한다. 구체적으로는 이하와 같다.

·「스폿 용접(spot welding)」: 중첩시킨 모재를, 선단을 적정하게 정형한 전극의 선단에 끼우고, 비교적 작은 부분에 전류 및 가압력을 집중하여 국부적으로 가열하고, 동시에 전극으로 가압하여 행하는 저항 용접.

·「용접 시간(weld time 또는 welding time)」: 저항 용접에 있어서 전류를 통하게 하는 시간. 웰드 타임이라고도 한다.

·「초기 가압 시간(squeeze time)」: 겹침 저항 용접에 있어서, 전극 가압 지령 신호를 내고 나서, 용접 전류가 흐르기 시작할 때까지의 시간. 스퀴즈 시간이라고도 한다.

·「가압력 유지 시간(force maintenance time)」: 가압력이 미리 결정된 값으로 유지되고 있는 시간. 가압력의 상승 시간 및 강하 시간은 제외한다.

·「스플래시(expulsion 또는 splash)」: 겹침 저항 용접에 있어서, 모재가 국부적으로 과열되어 용융 비산하는 현상 또는 그 금속

·「너깃(nugget)」: 겹침 저항 용접에 있어서, 용접부에 발생하는 용융 응고된 부분

·「너깃 직경(nugget diameter)」: 스폿 용접부 또는 프로젝션 용접부의 단면 시험에 의해 접합 계면에서 측정되는 너깃부의 직경.

·「압흔(indentation)」: 겹침 저항 용접에 있어서, 용접의 결과, 전극 팁 및 원판 전극에 의해 발생한 모재 표면이 움푹 파인 곳. 오목부라고도 한다.

본 발명자들은, 스폿 용접 시의 스플래시 발생 현상 및 그에 수반하는 인덴테이션을 상세하게 조사한바, 스폿 용접의 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도(이하, 「전극 접근 속도」 또는 「접근 속도」라고도 함)를 극단적으로 낮게 하지 않으면 스플래시 발생 현상에 악영향을 미치지 않는 것, 스플래시 발생 시의 전극 접근 속도의 상한을 제한함으로써, 스플래시 발생 시의 인덴테이션(오목부)을 작게 하는 것이 가능해지며, 그 결과, 용접 조인트의 강도를 높여, 아연 도금 강판의 스폿 용접 조인트에서의 LME 균열을 방지할 수 있는 것을 발견하였다. 한편, 종래의 스폿 용접 장치에서는, 발열에 의한 팽창이나 용융에 수반하는 가압 시의 반력 저감 등에 수반하는 강판의 표면 간 거리의 급격한 변동에 추종하여, 미리 결정된 소정의 가압력을 유지하기 위해, 전극의 이동에는 높은 응답성이 필요하다고 생각되고 있었다. 이 때문에, 전극의 변위 속도(한 쌍의 전극이 접근 또는 이격되는 속도)를 매우 높게 하는 것은 있어도, 전극 접근 속도를 포함하는 전극 변위 속도를 굳이 저속도로 설정한 것은 없었다. 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 장치, 스폿 용접 장치의 제어 방법, 스폿 용접 조인트, 및 스폿 용접 조인트의 제조 방법은, 상기 지견 하에서 이루어진 것이다. 본 실시 형태에 따르면, 특히 용접부(스폿 용접 장치에 의해 접합된 부분. 너깃과 그 상하가 오목해진 강판 부분을 포함함)의 견부(용접부 표면 요부의 단부)의 LME 균열의 발생을 방지할 수 있어, 건전한 조인트 강도를 갖는 저항 스폿 용접 조인트를 얻을 수 있다.

<1. 스폿 용접 장치의 전체 구성>

먼저, 도 4 및 도 5에 기초하여, 스폿 용접 장치(10)의 전체 구성에 대하여 설명한다. 도 4는 스폿 용접 장치(10)의 외관을 도시하는 측면도이며, 도 5는 스폿 용접 장치(10)의 기능 블록도이다. 또한, 이하의 예에서는 서보 모터식의 스폿 용접 장치인 경우를 일례로서 설명하지만, 전극을 구동하는 장치는 서보 모터에 한정되지 않는다. 다른 예로서는 에어 실린더 등을 들 수 있다. 또한, 도 4에서는, 접합 대상의 판조를 2매의 강판(100a, 100b)으로 하고 있지만, 더 많은 강판을 접합시켜도 된다. 강판(100a, 100b)의 종류도 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 이들 접합 대상의 판조 중 적어도 한쪽의 표면에 배치되는 강판(이 예에서는, 강판(100a, 100b) 중 어느 것 또는 양쪽)이 인장 강도 980MPa 이상의 아연계 도금 고강도 강판이어도 된다. 이 경우, LME 균열이 염려되지만, 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면 LME 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 강판(100a, 100b)의 판 두께도 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 1.2 내지 2.3mm 정도여도 된다. 중첩한 강판의 판 두께의 합계를 특별히 제한할 필요는 없지만, 예를 들어, 2.4 내지 5.0mm 또는 2.4 내지 4.5mm 정도여도 된다. 이 경우, 본 실시 형태에 따르면, 오목량의 총합(스폿 용접 조인트의 표리 양면의 오목량의 총합)을, 중첩한 강판의 판 두께(원래 두께)의 합계의 30％ 이하로 할 수 있다. 즉, 스폿 용접 조인트의 최소 두께(인덴테이션부의 강판 표면 간 거리의 최솟값)를 중첩한 강판의 두께(원래 두께)의 합계의 0.70배 이상으로 할 수 있다. 따라서, 판 두께에 대하여 오목량의 총합을 작게 할 수 있으므로, 인덴테이션을 작게 할 수 있다. 또한, 강판(100a, 100b)(접합하는 강판이 3매 이상이 되는 경우에는, 이들 3매 이상의 강판) 중 판 두께가 얇은 쪽(강판이 3매 이상인 경우에는, 가장 얇은 강판)의 판 두께를 t(mm)라고 했을 때, 스폿 용접에 의해 형성된 너깃 직경을 5.0√t(mm) 이상 또는 5.5√t(mm) 이상으로 할 수 있다. 이렇게 본 실시 형태에서는, 비교적 큰 너깃을 형성한다. 이러한 경우, 스플래시가 발생하기 쉽고, 결과적으로 인덴테이션이 발생하기 쉽다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 스폿 용접 시에 전극(가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b))이 서로 접근하는 속도(전극 접근 속도)를 의도적으로 어떤 특정한 값(12.0mm/s) 이하로 제한한다. 이에 의해, 스플래시가 발생해도 인덴테이션을 작게 하고, 오목량의 총합을 중첩한 강판의 판 두께(원래 두께)의 합계의 30％ 이하로 할 수 있다. 그 결과, 용접 조인트의 강도를 높이고, LME 균열을 방지할 수 있다. 또한, 상기와 같이 가장 얇은 강판의 판 두께를 t(mm)로 하지 않고, 용접 조인트의 강도 부재로서의 역할을 담당하는 강판(예를 들어, 인장 강도가 980MPa 이상인 고강도 강판) 중에서 최소가 되는 판 두께를t(mm)라고 하고, 너깃 직경을 5.0√t(mm) 이상 또는 5.5√t(mm) 이상으로 한다. 본 실시 형태에 있어서, 스폿 용접에 제공되는 강판은, 평탄한 강판에 한정되지 않는다. 전극으로 끼우는 부분이 강판 형상이라면, 스폿 용접을 할 수 있다. 이 때문에, 강판 형상이란, 전극으로 끼울 수 있는 부분이 있다는 것을 의미한다. 구체적으로는, 냉간 가공된 강판(예를 들어, 강판을 롤 또는 프레스에 의한 굽힘 가공이나 드로잉 가공 등에 의해 가공한 강재), 강판을 핫 스탬프(열간 가열 후의 프레스 성형)함으로써 제조된 강재(핫 스탬프 성형체 등이라고 하는 경우도 있음) 등이어도 된다.

스폿 용접 장치(10)는, 중첩된 2매 이상의 강판(예를 들어 도 4에 나타내는 강판(100a, 100b))을 스폿 용접하는 것이며, 제어부(11)와, 기억부(12)와, 가압력 측정부(13)와, 서보 모터(14)(전극의 구동 장치)와, 통전부(15)와, 가동 전극(16a)과, 고정 전극(16b)과, 입력부(17)를 구비한다. 스폿 용접 장치(10)는, CPU, ROM, RAM, 가압력 측정 장치(예를 들어, 내장된 로드셀에 의한 가압력 측정이나 서보 모터의 부하 전류에 의한 가압력 추정을 행하는 장치), 서보 모터, 통전 장치, 전극 및 전극 구동 기구, 입력 장치(키보드, 입력 스위치 등)를 구비한다. 스폿 용접 장치(10)는, 이들의 하드웨어 구성을 사용하여, 상술한 제어부(11)와, 기억부(12)와, 가압력 측정부(13)와, 서보 모터(14)와, 통전부(15)와, 가동 전극(16a)과, 고정 전극(16b)과, 입력부(17)를 실현한다.

기억부(12)는, 스폿 용접 장치(10)가 행하는 처리에 필요한 데이터를 기억한다. 당해 데이터로서는, 예를 들어, 서보 모터의 토크와 전극에 의한 가압력의 상관을 나타내는 데이터, 서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율과 전극의 변위 속도의 상관을 나타내는 데이터, 제어부(11)의 동작에 필요한 프로그램 등을 들 수 있다. 여기서, 서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율(시간 변화율)과 전극의 변위 속도의 상관을 나타내는 데이터에 대하여 상세하게 설명한다. 전극의 변위 속도는, 가동 전극(16a)의 변위 속도이다. 여기서, 고정 전극(16b)은 고정되고, 가동 전극(16a)이 고정 전극(16b)의 상방에 있기 때문에, 한 쌍의 전극을 구성하는 가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)이 서로 접근하는 속도(전극 접근 속도)는, 가동 전극(16a)의 하강 속도로 바꿔 말할 수도 있다. 당해 데이터가 나타내는 바와 같이, 서보 모터(14)의 토크 변화율도 전극의 변위 속도에 영향을 미친다. 그 이유는 이하와 같다. 가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)의 건(한 쌍의 전극을 포함하는 프레임을 포함한다. 이하 마찬가지.)의 강성이 낮은 경우에는, 이들 전극에 강한 토크를 걸었을 때 건이 휘는 경우가 있다. 그리고, 스플래시가 발생할 때에는 강판(100a, 100b)으로부터의 가압 반력이 작아지므로 건의 휨이 해방되어, 스프링과 같이 건이 신장된다, 즉 가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)이 고속으로 이동한다. 이 결과, 서보 모터(14)의 회전 속도를 저속으로 해도 가동 전극(16a)의 전극 접근 속도(가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)이 서로 접근하는 속도)가 상한값인12.0mm/s를 초과하는 경우가 있다. 이에 의해, 가동 전극(16a)이 급격하게 강판(100a, 100b)을 압입하여, 인덴테이션이 발생한다.

즉, 서보 모터(14)의 회전 속도만을 사용한 단순한 피드백 제어에서는, 가동 전극(16a)의 변위 속도를 정확하게 특정할 수 없는 경우가 있다. 그래서, 이러한 경우에 있어서는, 본 실시 형태에서는, 서보 모터(14)의 회전 속도뿐만 아니라, 토크의 변화율도 고려하여 가동 전극(16a)의 변위 속도를 특정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 스플래시가 발생한 순간의 토크 급속한 저하를 검지하여, 토크의 저하율(시간 변화율)이 소정의 값을 초과한 경우에는, 전극의 변위 속도를 작게 한다. 또한, 건 강성의 저하에 수반하는 전극의 급속한 변위를 방지하기 위해서는, 서보 모터의 토크가 낮은 상태를 유지하는 것이 바람직하기 때문에, 경우에 따라서는, 전극의 변위 속도의 방향이 상향이 되는 경우도 있다. 스폿 용접 장치(10)의 건의 강성이 높은 경우에는, 상술에서 (후술하는)토크의 변화율도 고려하여 가동 전극(16a)의 변위 속도를 특정할 필요는 없다.

통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 가동 전극(16a)의 하강 속도(전극 접근 속도)의 상한값(V_D)은 12.0mm/s 이하의 범위 내이다. 또한, 여기에서의 하강 속도는 하향을 양으로 한다. 보다 상세하게 설명하면, 도 4에 있어서 연직 하측 방향이 양의 방향이 된다. 따라서, 가동 전극(16a)이 강판(100a, 100b)을 압입하는 경우, 가동 전극(16a)은 양의 방향으로 변위한다. 이 경우, 가동 전극(16a)의 하강 속도는 양의 값을 갖는다. 제어부(11)는, 가동 전극(16a)의 하강 속도와 상술한 상한값을 비교하여, 가동 전극(16a)의 하강 속도가 상술한 상한값인12.0mm/s를 초과하지 않도록 후술과 같은 제어를 행한다. 또한, 통전 개시부터 통전 종료까지의 동안이란, 상술한 용접 시간의 개시 시간으로부터 용접 시간의 종료시간의 사이이기도 하다.

본 실시 형태에서는, 조작자에 의한 입력 조작(입력부(17)를 사용한 입력 조작)에 의해, 당해 상한값을 더 낮은 임의의 상한값으로 임의로 설정 가능하다. 상술한 건의 강성에 기인하는 인자 등도 있으며, 필요로 하는 인덴테이션의 크기, 용접 조인트의 강도의 높이, 내LME 균열성에 더해, 기타 인자(예를 들어, 스플래시의 크기 등)를 고려하고, 필요에 따라서 실시하는 예비 시험 결과 등을 근거로 하여, 그 상한값을 12.0mm/s보다 작은 속도로 제한해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 가동 전극(16a)의 변위 속도를 통전 전기와 통전 후기에서 다른 값으로 해도 된다. 예를 들어, 통전 전기의 하강 속도의 상한값을 적어도 12.0mm/s로 하고 통전 후기의 하강 속도의 상한값을 적어도 8.0mm/s로 해도 된다. 통전 전기, 통전 후기는 가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)으로부터 강판(100a, 100b)으로의 입열량(여기서는, 전류값을 통전 기간으로 적분한 것으로 함)으로 구별된다. 예를 들어, 통전 개시부터 전체 입열량의 1/3의 입열을 행한 시점까지를 통전 전기, 나머지의 기간을 통전 후기로 해도 된다. 통전의 기간이나 전류값은 용접 조건으로서 미리 설정되지만, 통전 중의 피드백 제어로 전류값이 축차 변경되는 경우도 있다. 본 실시 형태에서는 미리 설정되는 용접 전류값의 값을 바탕으로 통전 전기와 통전 후기를 판별하였다.

가압력 측정부(13)는, 적어도 통전 기간 중의 서보 모터(14)의 토크 및 서보 모터(14)의 회전 속도 등을 검출하여, 제어부(11)에 출력한다. 바람직하게는, 통전 기간뿐만 아니라, 초기 가압 시간, 통전 기간, 및 가압력 유지 시간을 포함하는 용접 기간 중의 서보 모터(14)의 토크, 및 서보 모터(14)의 회전 속도 등을 검출하여, 제어부(11)에 출력한다. 서보 모터(14)는, 가동 전극(16a)을 구동함(하강시킴)으로써, 강판(100a, 100b)을 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)으로 가압한다. 통전부(15)는, 제어부(11)에 의한 제어에 의해 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)을 통전한다. 이에 의해, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)을 통해 강판(100a, 100b)의 겹침면을 가열하여, 용융시킨다. 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)은 중첩된 2매 이상의 강판(예를 들어 도 4에 나타내는 강판(100a, 100b))을 끼움 지지하고, 이들의 겹침면을 통전함으로써 당해 겹침면을 가열하고, 용융시킨다. 입력부(17)는, 조작자에 의한 입력 조작이 가능하며, 조작자는, 입력부(17)를 사용하여 각종 정보(예를 들어 가동 전극(16a)의 변위 속도의 상한값)를 입력한다.

제어부(11)는, 스폿 용접 장치(10)의 각 구성 요소를 제어하는 것 이외에, 이하의 처리를 행한다. 즉, 제어부(11)는, 초기 가압 시간, 통전 기간, 및 가압력 유지 시간을 포함하는 용접 기간을 설정한다. 초기 가압 시간에서는, 제어부(11)는, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)이 일정한 가압력으로 강판(100a, 100b)을 가압하도록 서보 모터(14)를 제어한다. 구체적으로는, 제어부(11)는, 서보 모터(14)에 구동 개시 정보를 출력한다. 서보 모터(14)는, 구동 개시 정보에 기초하여, 구동을 개시한다. 이에 의해, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)이 강판(100a, 100b)을 압입한다. 가압력 측정부(13)는, 이때의 서보 모터(14)의 토크를 검출하여, 측정 정보를 제어부(11)에 출력한다. 제어부(11)는, 얻어진 측정 정보와 기억부(12)에 기억된 데이터(서보 모터의 토크와 전극에 의한 가압력의 상관을 나타내는 데이터)에 기초하여, 서보 모터(14)에 의한 가압력이 소정의 값이 되도록, 서보 모터(14)의 토크를 제어한다. 즉, 제어부는, 가압력 측정부(13)에 의해 측정된 전극에 의한 측정 가압력과 설정 가압력(가압력의 설정값)의 차분값 등을 서보 모터(14)에 피드백하여, 측정 가압력이 설정 가압력 부근으로 유지되도록 피드백 제어를 행한다.

또한, 가압력 측정부(13)는, 서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율을 검출하여, 제어부(11)에 측정 정보를 출력한다. 제어부(11)는, 기억부에 기억된 데이터(서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율과 전극의 변위 속도의 상관을 나타내는 데이터)에 기초하여, 가동 전극(16a)의 변위 속도를 특정한다. 계속해서, 제어부(11)는, 특정된 가동 전극(16a)의 변위 속도가 미리 설정된 변위 속도(여기서는, 전극 접근 속도(하강 속도)이다)의 상한값을 초과하지 않도록 서보 모터(14)를 피드백 제어한다. 즉, 제어부(11)는, 특정된 가동 전극(16a)의 하강 속도가 미리 설정된 상한값을 초과하는 경우에는, 전극의 하강 속도가 당해 상한값 이하가 되도록, 서보 모터(14)의 회전 속도를 재계산한다. 그리고, 제어부(11)는, 산출된 회전 속도로 서보 모터(14)를 구동시킨다. 한편, 제어부(11)는, 특정된 전극의 하강 속도가 미리 설정된 상한값 이하가 되는 경우, 서보 모터(14)의 구동을 유지한다. 여기서, 가령 가동 전극(16a)의 하강 속도가 상한값을 초과하는 것을 제한하지 않은 경우, 스플래시가 발생하여, 강판(100a, 100b)으로부터의 가압 반력이 급격하게 저하된다. 그리고, 가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)이 강판(100a, 100b)을 급격하게 압입한다. 이 결과, 인덴테이션이 발생한다.

여기서, 상술한 바와 같이, 하강 속도(전극 접근 속도)의 상한값은, 12.0mm/s 이하의 범위 내에서 미리 설정된다. 바람직하게는, 예를 들어 10.0mm/s 이하, 8.0mm/s 이하 또는 6.0mm/s로 해도 된다. 필요에 따라, 상술한 바와 같이, 그 상한값을 통전 전기와 통전 후기에서 다른 수치로 해도 된다. 단, 이 경우, 통전 후기의 상한값은 통전 전기의 상한값보다 작은 편이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 조작자에 의한 입력 조작(입력부(17)를 사용한 입력 조작)에 의해, 당해 상한값을 상기 범위 내에서 임의로 설정 가능하다. 또한, 이 상한값은, 예를 들어, 예비 시험 등을 행하여 결정하면 된다. 즉, 강판(100a, 100b)에 상당하는 시험편을 준비하고, 이들을 스폿 용접한다. 이때, 스플래시가 발생할 때의 가동 전극(16a)의 하강 속도를 특정하고, 이를 상한값으로 하면 된다. 또한, 「스플래시의 유무」는, 예를 들어, 통전 기간의 용접 현상을 육안으로 봄으로써 확인할 수 있다. 스플래시 발생 시에는 용접부로부터(보다 구체적으로는 강판끼리의 간극으로부터) 미소한 용융 금속이 강판의 간극으로부터 비산하기 때문에, 육안 검사에 의해 용이하게 확인할 수 있다. 스플래시의 유무가 아닌, 필요에 따라, 예비 시험으로 얻어진 인덴테이션의 크기, 용접 조인트의 강도의 높이, 내LME 균열성 등의 시험 결과에 의해, 상한값을 결정해도 된다.

통전 전기는, 강판 간이나 강판/전극 간의 양호한 접촉 상태를 형성하는 기간이며, 변위 속도를 비교적 높게 설정하여 강판의 열팽창에 맞춰 응답성 좋게 전극을 추종시키는 것이 바람직하다. 단, 통전 전기에서도 스플래시가 발생하는 경우가 있으므로, 제어부(11)는, 가동 전극(16a)의 하강 속도(전극 접근 속도)가 미리 설정된 상한값을 초과하는 경우에는, 하강 속도가 당해 상한값 이하가 되도록 피드백 제어를 행한다. 통전 후기는, 스플래시가 발생하기 쉬운 기간이기 때문에, 하강 속도를 느리게 설정하여 과도한 오목부(인덴테이션)를 방지하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 용접 후기의 종반에서는, 용융 직경(너깃 직경)의 확대에 의해 용융 금속이 너깃 단부로부터 주위에 스플래시가 되어 비산하고, 전극의 가압 반력이 급감한다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 통전 후기의 종반에 강판(100a, 100b)의 가압 반력이 급감해도, 가동 전극(16a)을 천천히 하강시킨다(즉, 제어부(11)는, 가동 전극(16a)의 하강 속도가 미리 설정된 상한값을 초과하지 않도록 서보 모터(14)를 피드백 제어함). 그리고, 가동 전극(16a)이 천천히 하강하고 있는 동안에, 너깃이 응고된다. 따라서, 인덴테이션을 작게 할 수 있다. 이 결과, 강판(100a, 100b) 중 어느 것 또는 양쪽이 아연계 도금 고강도 강판이었다고 해도, LME 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 전극의 구동 장치가 서보 모터(14)가 아닌 에어 실린더인 경우, 에어 실린더 용량을 조금 낮게 설정함으로써 전극 변위의 응답성을 저하시켜, 변위 속도를 조금 낮게(즉, 12.0mm/s 이하로) 설정해도 된다. 또한, 에어 실린더 용량의 조정에 의해서도 가동 전극(16a)의 변위 속도를 12.0mm/s 이하로 조정하는 것이 어려운 경우, 에어 실린더 대신에 서보 모터(14)를 사용하면 된다. 또한, 서보 모터(14)를 사용한 제어에 있어서도, 하강 속도를 축차 연산하지 않고, 서보 모터의 응답성을 조금 낮게 설정함으로써, 하강 속도를 규정값으로(즉 상술한 하강 속도의 상한값 이하의 값에) 설정해도 된다. 또한, 필요에 따라, 전극의 구동 장치가 에어 실린더인 스폿 용접 장치를 제외해도 된다.

제어부(11)는, 가압력 유지 시간에는, 상술한 가압력 일정의 피드백 제어를 행한다. 이에 의해, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)은, 일정한 가압력으로 강판(100a, 100b)을 압입한다. 이에 의해, LME 균열을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 통전 종료 후의 가압력 유지 시간에도 스플래시가 발생하여, 가동 전극(16a) 및 고정 전극(16b)이 급격하게 강판(100a, 100b)을 압입하는 경우가 있다. 그래서, 제어부(11)는, 통전 종료 후의 가압력 유지 시간에도, 상술한 가동 전극(16a)의 변위 속도의 피드백 제어(가동 전극(16a)의 변위 속도를 상한값 이하로 유지하는 제어)를 행하는 것이 바람직하다.

또한, 본 단락의 후단에 기재한 하강 속도의 저속화에 수반하는 문제는, 종래부터 널리 알려져 있었으며, 종래부터 하한이 제한되어 있었다. 이 때문에, 본 발명에 있어서, 굳이 하강 속도의 하한을 제한할 필요는 없다. 그러나, 종래 지견에 기초하여, 하강 속도의 하한을 제한해도 된다. 예를 들어, 1.0mm/s 이상, 1.8mm/s 이상 또는 2.5mm/s 이상으로 해도 된다. 하강 속도가 작으면, 통전 종료 시의 열수축에 수반하는 가압력의 변동에 전극의 변위가 추종할 수 없고, 용접 시의 스플래시의 증가나 용접 금속의 내부 결함을 초래할 가능성이 있기 때문이다. 또한, 전극 가압의 응답성이 극도로 작으면, 통전 후기의 전반의 강판 연화 시에 전극의 압입 동작이 지연되고, 전극의 가압력이 지나치게 낮아져 전극 선단과 강판 표면과의 접촉 면적이 저하되고, 강판 표면에서의 국소 발열에 의한 너깃 형성 불량이 발생할 가능성이 있다.

<2. 스폿 용접 장치에 의한 처리(스폿 용접 장치의 제어 방법, 스폿 용접 조인트의 제조 방법)>

다음으로, 스폿 용접 장치(10)에 의한 용접 처리의 수순의 일례를 도 6에 나타내는 흐름도에 따라 설명한다. 또한, 원하는 너깃 직경을 갖는 너깃 등을 형성하기 위하여, 초기 가압 시간, 통전 기간, 및 가압력 유지 시간을 포함하는 용접 기간을 미리 예비 시험에 의해 결정해 둔다. 예비 시험에서는, 통전 패턴, 가압력 등도 결정해 둔다. 예비 시험에서는, 접합 대상이 되는 강판끼리를 중첩하여 실제로 스폿 용접을 행하고, 너깃을 형성한다. 그리고, 너깃 직경 등이 원하는 값이 되도록 상술한 각 파라미터를 결정한다.

스텝 S10의 초기 가압 시간에는, 제어부(11)는, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)이 일정한 가압력으로 강판(100a, 100b)을 가압하도록 서보 모터(14)를 제어한다. 구체적으로는, 제어부(11)는, 서보 모터(14)에 구동 개시 정보를 출력한다. 서보 모터(14)는, 구동 개시 정보에 기초하여, 구동을 개시한다. 이에 의해, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)이 강판(100a, 100b)을 압입한다. 가압력 측정부(13)는, 이때의 서보 모터(14)의 토크를 검출하여, 측정 정보를 제어부(11)에 출력한다. 제어부(11)는, 얻어진 측정 정보와 기억부(12)에 기억된 데이터(서보 모터의 토크와 전극에 의한 가압력의 상관을 나타내는 데이터)에 기초하여, 서보 모터(14)에 의한 가압력이 일정해지도록, 서보 모터(14)의 토크를 제어한다. 즉, 제어부는, 가압력 측정부(13)에 의해 측정된 측정 가압력과 설정 가압력의 차분값을 서보 모터(14)에 피드백한다.

스텝 S20에 있어서, 제어부(11)는, 통전부(15)에 통전 개시 정보를 출력한다. 통전부(15)는, 통전 개시 정보에 기초하여, 미리 설정된 통전 패턴(원하는 너깃 등을 얻기 위한 통전 패턴)에 따라, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)의 통전을 개시한다. 통전부(15)는, 입열량(여기서는, 전류값을 통전 기간으로 적분한 것으로 함)에 관한 입열량 정보를 제어부(11)에 출력한다. 제어부(11)는, 입열량 정보에 기초하여 통전 전기, 통전 후기를 식별한다. 구체적으로는, 제어부(11)는, 통전 개시부터 전체 입열량의 1/3의 입열을 행한 시점까지를 통전 전기, 나머지 기간을 통전 후기로 해도 된다. 물론, 통전 전기, 통전 후기의 구분 방법은 이 방법에 한정되지 않는다.

스텝 S30에 있어서, 가압력 측정부(13)는, 서보 모터(14)의 토크를 검출(검지)하고, 측정 정보를 제어부(11)에 출력한다.

스텝 S40에 있어서, 제어부(11)는, 얻어진 측정 정보와 기억부(12)에 기억된 데이터(서보 모터의 토크와 전극에 의한 가압력의 상관을 나타내는 데이터)에 기초하여, 서보 모터(14)에 의한 가압력을 특정한다. 계속해서, 제어부(11)는, 서보 모터(14)에 의한 가압력과 미리 설정된 가압력(설정 가압력, 원하는 너깃 등을 얻기 위한 가압력)을 비교한다.

스텝 S50에 있어서, 제어부(11)는, 서보 모터(14)에 의한 가압력과 미리 설정된 가압력의 차분이 제로가 되도록(즉 양자가 일치하도록) 하기 위한 서보 모터(14)의 출력값을 연산한다. 즉, 제어부(11)는, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)에 의한 가압력이 일정해지도록, 서보 모터(14)의 토크를 제어한다.

스텝 S60에 있어서, 제어부(11)는, 통전 기간과 소정의 시간(원하는 너깃 등을 얻기 위한 시간)을 대비하여, 통전 기간이 소정의 시간에 도달했다고 판정한 경우에는 스텝 S80으로 진행하고, 도달하지 않았다고 판정한 경우에는 스텝 S70으로 진행한다. 또한, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)으로의 입열량이 미리 설정된 전체 입열량에 일치했는지의 여부를 판정할 수도 있다. 제어부(11)는, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)으로의 입열량이 미리 설정된 전체 입열량에 일치했다고 판정한 경우에는 스텝 S80으로 진행하고, 양자가 일치하지 않았다고 판정한 경우에는 스텝 S70으로 진행한다.

스텝 S70에 있어서, 가압력 측정부(13)는, 서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율을 검출하고, 제어부(11)에 측정 정보를 출력한다. 제어부(11)는, 기억부에 기억된 데이터(서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율과 전극의 변위 속도의 상관을 나타내는 데이터)에 기초하여, 가동 전극(16a)의 변위 속도를 특정한다. 계속해서, 제어부(11)는, 특정된 가동 전극(16a)의 하강 속도가 미리 설정된 상한값을 초과하지 않도록 서보 모터(14)를 피드백 제어한다. 즉, 제어부(11)는, 특정된 가동 전극(16a)의 변위 속도가 미리 설정된 하강 속도의 상한값을 초과하는 경우에는, 가동 전극(16a)의 하강 속도가 당해 상한값 이하가 되도록, 서보 모터(14)의 회전 속도를 재계산한다. 그리고, 제어부(11)는, 산출된 회전 속도로 서보 모터(14)를 구동시킨다. 한편, 제어부(11)는, 특정된 가동 전극(16a)의 하강 속도가 미리 설정된 상한값 이하가 되는 경우, 서보 모터(14)의 구동을 유지한다. 그 후, 스폿 용접 장치(10)는, 스텝 S30으로 되돌아간다.

또한, 필요에 따라, 가동 전극(16a)과 고정 전극(16b)의 거리를 직접 측정하고, 측정 거리로부터 가동 전극(16a)의 변위 속도를 구해도 된다. 이 경우, 서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율 제어부(11)에 측정 정보에의 출력에 더해, 제어부(11)에서의 기억부에 기억된 데이터에 기초하여 가동 전극(16a)의 변위 속도를 특정하는 것은, 불필요해진다.

스텝 S80에 있어서, 제어부(11)는, 통전 기간을 종료한다. 스텝 S90에 있어서, 가압력 유지 시간의 처리를 행한다. 본 스텝에 있어서도, 상술한 가압력이 일정한 피드백 제어 및 변위 속도(하강 속도)의 제어를 행하는 것이 바람직하다(스텝 S30 내지 S70의 처리). 구체적으로는, 제어부(11)는, 스텝 S90의 처리와 병행하여 스텝 S30 내지 S50의 처리를 행한다. 스텝 S90-1에 있어서, 제어부(11)는, 소정 시간이 경과했는지를 판단하여, 소정 시간이 경과했다고 판단한 경우에는 스텝 S90-2로 진행하고, 가압력 유지 시간의 처리를 종료한다. 스텝 S90-1에 있어서, 제어부(11)는, 소정 시간이 경과하지 않았다고 판단한 경우에는, 스텝 S90-3으로 진행하고, 스텝 S70과 마찬가지의 처리를 행한다. 그 후, 제어부(11)는, 스텝 S90으로 되돌아간다. 이에 의해, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)은, 일정한 가압력으로 강판(100a, 100b)을 압입한다. 이에 의해, LME 균열을 억제하는 것이 가능해진다.

스텝 S100에 있어서, 제어부(11)는, 가동 전극(16a), 고정 전극(16b)을 개방한다. 스폿 용접 장치(10)는, 이상의 처리에 의해, 용접 처리를 종료한다. 또한, 통전 기간의 통전 조건은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전류값은 5 내지 12kA, 가압력은 3 내지 8kN, 통전 기간 15 내지 100ms여도 된다. 구체적인 값은 상술한 바와 같이 예비 시험으로 결정하면 된다.

상술한 방법은 일례이며, 전극 접근 속도의 상한을 제한하는 스폿 용접 방법이라면, 상술한 방법을 변경해도 된다.

<3. 본 실시 형태와 종래 기술의 비교>

다음으로, 도 7의 (a), (b)에 기초하여, 본 실시 형태와 종래 기술의 비교에 대하여 설명한다. 도 7의 (a)는 종래 기술(즉, 하강 속도의 상한을 제한하지 않는 기술)에 있어서의 용접 기간의 각 시점의 전극 위치, 전류값 및 전압값을 나타내는 그래프이다. 도 7의 (b)는 본 실시 형태에 있어서의 용접 기간의 각 시점의 전극 위치, 전류값 및 전압값을 나타내는 그래프이다. 또한, 전극 위치는 상측의 전극(도 4와 같이 상측의 전극이 가동 전극(16a)이며, 하측의 전극이 고정 전극(16b)인 경우)의 위치를 나타낸다. 위치 0는 (복수의 강판이 없으며,) 전극끼리가 (직접) 접촉하고 있는 위치로 한다. 도 7의 (a), (b) 중 어느 것에 있어서도 너깃 직경 확대(5.5√t 목표)(t: 판조에 포함되는 강판 중 가장 얇은 강판의 판 두께)를 위해 용접 전류를 증가시킨 조건으로 용접을 행하였다.

도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 종래 기술의 통전 초기에서는 상측 전극이 상승하지만, 통전 후기의 종반에 스플래시가 발생하여 급속하게 상측 전극이 강하한다. 원래 판 두께에 대한 최종적인 전극 압입량도 커진다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는, 스플래시 발생 시의 하강 속도가 작아져, 최종적인 전극 압입량도 작아진다.

이상 설명한 대로, 용접 후기의 종반에서는, 용융 직경(너깃 직경)의 확대에 의해 용융 금속이 너깃 단부로부터 주위에 스플래시가 되어 비산하여, 전극의 가압 반력이 급감한다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 통전 후기의 종반에 강판(100a, 100b)의 가압 반력이 급감해도, 가동 전극(16a)을 천천히 하강시킨다. 그리고, 가동 전극(16a)이 천천히 하강하고 있는 동안에, 너깃이 응고된다. 따라서, 인덴테이션을 작게 할 수 있다. 이 결과, 강판(100a, 100b) 중 어느 것 또는 양쪽이 아연계 도금 고강도 강판이었다고 해도, LME 균열의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

<4. 스폿 용접 조인트>

다음으로, 도 8 및 도 9에 기초하여, 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 조인트(100)의 구성에 대하여 설명한다. 또한, 도 8은 너깃(120)의 중심을 지나고, 또한 스폿 용접 조인트(100)의 두께 방향에 평행한 평면으로 스폿 용접 조인트(100)를 절단했을 때의 단면도이다. 도 10은 당해 용접부를 강판 표면으로부터 X선 투과 촬영한 X선 화상이다. 스폿 용접 조인트(100)는, 강판(100a, 100b) 및 용접부(110)를 구비한다. 또한, 도 8에서는 2매의 강판(100a, 100b)을 스폿 용접하고 있지만, 3매 이상의 강판을 스폿 용접해도 된다.

강판(100a, 100b)은, 상술한 강판과 마찬가지의 강판이다. 강판(100a, 100b) 중 적어도 어느 한쪽은 인장 강도 980MPa 이상의 강판이어도 된다. 양쪽이 인장 강도 980MPa 이상의 강판이어도 된다. 특히, 인장 강도가 980MPa 이상의 복수의 강판을 중첩하여 스폿 용접하는 경우, 더 높은 조인트 강도로 하기 위해, 보다 큰 너깃 직경이 필요하다고 여겨지는 경우가 많다. 그래서, 이하에서는, 인장 강도가 980MPa 이상인 복수의 강판을 중첩하여 스폿 용접함으로써 제조되어, 보다 큰 너깃 직경을 갖는 스폿 용접 조인트에 대하여 설명한다.

용접부(110)는, 스폿 용접 장치(10)에 의해 접합된 부분이며, 너깃(120)과 그 상하가 오목해진 강판 부분(요부)(110a, 110b)을 포함한다. 또한, 너깃(120)의 근방에는 스플래시부(200)가 형성되어 있다. 여기서, 강판(100a, 100b)은, 모두 인장 강도가 980MPa 이상이다. 또한, 3매 이상의 강판이 스폿 용접되어 있는 경우, 적어도 2매의 강판의 인장 강도가 980MPa 이상이다.

너깃 직경(도 8에 나타내는 단면에 있어서, 너깃(200)의 중심을 지나고, 또한 용접부(110)의 두께 방향에 수직한 방향으로 연장되는 너깃(200)의 직경. 도 9 참조)은, 강판(100a, 100b) 중 최소의 판 두께(3매 이상의 강판이 스폿 용접되어 있는 경우에는, 인장 강도가 980MPa 이상인 복수의 강판 중에서 최소가 되는 판 두께)를 t(mm)라고 했을 때, 5.0√t(mm) 이상이 된다. 바람직하게는 5.5√t(mm) 이상이다. 여기서, 가장 얇은 강판의 판 두께를 t(mm)로 하는 것이 아닌, 용접 조인트의 강도 부재로서의 역할을 담당하는 강판(예를 들어, 인장 강도가 980MPa 이상인 고강도 강판) 중에서 최소가 되는 판 두께를 t(mm)라고 하고, 너깃 직경을 5.0√t(mm) 이상 또는 5.5√t(mm) 이상으로 한다. 이와 같이, 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 조인트(100)는, 비교적 큰 너깃(120)을 포함하고 있다. 이러한 큰 너깃(120)이 용접부(110)에 형성되어 있는 경우, 스플래시(200)가 발생하기 쉽다. 또한, 너깃 직경에 유사한 길이로서, 압접 직경도 정의할 수 있다. 압접 직경은 압접부(121)의 직경이다. 압접부(121)는, 너깃의 주위에 형성된다. 압접부(121)에서는, 강판(100a, 100b)을 구성하는 고체의 금속이 소성 유동하여 서로 압접하고 있다. 압접 직경은, 너깃의 중앙을 지나 압접부(121)의 단부(단부는 판 틈에 형성됨)간을 연결하는 선분의 길이이다(도 9 참조). 또한, 너깃 직경을 크게 하기 위해서는, 대전류 또는 대입열로 스폿 용접하면 되며, 예를 들어, 5.0√t(mm) 이상 또는 5.5√t(mm) 이상의 너깃 직경을 얻기 위한 스폿 용접 방법은, 예비 시험 등을 행함으로써, 용이하게 얻어진다.

또한, 스폿 용접 조인트(100)의 최소 두께(용접부(110)의 최소 두께)(구체적으로는, 요부(110a, 110b)의 저부끼리를 연결하는 선분의 길이)는, 강판(100a, 100b)의 두께의 합계(3매 이상의 강판을 스폿 용접하는 경우에는 이들 강판의 두께의 합계)의 0.70배 이상이다. 스폿 용접 조인트(100)의 최소 두께는, 강판(100a, 100b)의 두께의 합계(3매 이상의 강판을 스폿 용접하는 경우에는 이들 강판의 두께의 합계)의 0.73배 이상, 0.75배 이상, 0.78배 이상, 0.81배 이상 또는 0.84배 이상으로 해도 된다. 여기서, 용접부(110)의 최소 두께는, 강판(100b)의 접지면에 수직인 방향에서의, 용접부(110) 표면과 용접부(110) 이면의 최소 두께이다. 구체적인 측정 방법은 이하이다. 즉, 용접부(110)의 압흔 개소의 표리면을 캘리퍼 게이지로 끼우고, 표시되는 두께가 최소가 되는 값을 스폿 용접 조인트(100)의 최소 두께(용접부(110)의 최소 두께)로 한다. 예를 들어, 2매의 강판의 용접에서는, 상측 강판 압흔부의 표면으로부터 하측 강판 압흔부의 이면까지의 최소 거리, 3매 이상의 강판의 용접에서는, 압흔부 표리면 간의 최소 거리를 용접 조인트의 최소 두께로 하였다. 본 실시 형태에서는, 인덴테이션을 작게 억제하고 있으므로, 너깃 직경이 5.0√t 이상이어도, 스폿 용접 조인트(100)의 최소 두께를 충분히 두껍게 할 수 있다. 바꿔 말하면, 요부(110a, 110b)의 깊이가 얕다. 또한, 스폿 용접 조인트(100)의 최소 두께의 상한값은 특별히 제한되지 않지만, 강판(100a, 100b)끼리의 접합 강도를 확보하는 관점에서, 강판(100a, 100b)의 두께의 합계의 0.95배 이하, 0.90배 이하 또는 0.88배 이하여도 된다.

또한, 용접부(110)의 X선 투과 화상에 있어서, 스플래시부(200)의 면적이 압접부(121)의 면적의 30 내지 160％이다. 즉, 스플래시 면적률이 30 내지 160％이다. 여기서, 스플래시 면적률은 이하의 방법으로 구한다. 먼저, 평면에서 볼 때의 X선 투과 화상을 취득한다. 도 10은 평면에서 볼 때의 X선 투과 화상의 일례를 나타낸다. 색이 진한 대략 원형 부분이 너깃(120)이다. 너깃(120)의 주위에 압접부(121)가 형성되어 있으며, 또한, 압접부(121)로부터는 스플래시부(200)가 연장되어 있다. 계속해서, 이 X선 투과 화상으로부터 너깃의 중앙을 지나 너깃 직경이 최소가 되는 직선을 결정한다. 계속해서, 그 결정된 직선과 판 두께 방향을 포함하는 면이 관찰 면이 되도록, 스폿 용접 조인트를 절단·기계 가공·연마한다. 그 절단면을 관찰하고, 압접부(121)의 직경인 압접 직경을 측정한다. 다음으로, 측정된 압접 직경으로부터, 압접부(121)의 면적(=π×(압접 직경/2)²)을 구한다. 당해 단면 관찰로 너깃 직경도 결정한다. 한편, X선 투과 화상에 기초하여, 스플래시부(200)의 면적을 구한다. 또한, 스플래시부의 면적은, X선 투과 화상으로부터 스플래시 및 압접부로 둘러싸이는 영역의 면적을 구하고, 그 면적으로부터 상술한 압접부 면적을 차감한 값으로 한다.

계속해서, 스플래시부(200)의 면적을 압접부(121)의 면적으로 제산하고, 이에 의해 얻어진 값을 스플래시 면적률로 한다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 스플래시부(200)의 면적이 압접부(121)의 면적의 160％ 이하로 억제되어 있다. 스플래시부(200)의 면적이 압접부(121)의 면적의 160％를 초과하면(즉, 스플래시 면적률이 160％를 초과하면), 용접부(110)의 두께가 부족하여, 충분한 조인트 강도를 얻을 수 없게 된다. 필요에 따라, 스폿 용접 조인트의 스플래시 면적률을 140％ 이하, 120％ 이하, 100％ 이하, 80％ 이하, 70％ 이하, 60％ 이하 또는 55％ 이하로 해도 된다. 필요에 따라, 스플래시 면적률을 35％ 이상, 40％ 이상, 45％ 이상 또는 50％ 이상으로 해도 된다.

또한, 스폿 용접 조인트(100)에는 균열이 없는 것이 바람직하다. 여기서, 균열이 없다는 것은, X선 검사 및 (상기한 너깃의 중앙을 지나는 직선과 판 두께 방향을 포함함) 단면의 육안 검사에 있어서, 균열이나 공동이 없는 것을 의미한다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 비교적 큰 너깃(120)을 형성함에도 불구하고, 균열의 발생을 억제할 수 있다.

실시예

다음으로, 본 실시 형태의 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예에서는, 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위하여, 표 1에 나타내는 조건으로 1조의 강판을 스폿 용접하였다. 강판은, 인장 강도 1180MPa급(1180 내지 1330MPa)의 고강도 강판 A(CR1180 강, 판 두께 1.6mm),

인장 강도 980MPa급(980 내지 1130MPa)의 용융 아연계 도금 강판 B(GA980 강, 판 두께 1.6mm),

인장 강도 270MPa급(270 내지 330MPa)의 용융 아연계 도금 강판 C(GA270 강, 판 두께 0.6mm),

인장 강도 980MPa급(980 내지 1130MPa)의 용융 아연 도금 강판 D(GI980 강, 판 두께 1.2mm),

인장 강도 1.5GPa급(1500 내지 1650MPa)의 용융 Al 도금 강판을 사용한 핫 스탬프 성형체 E(판 두께 2.0mm)를 사용하였다. 이들 강판의 조합은 표 1에 나타내는 대로이다. 예를 들어 A/A의 조합에서는 1조의 강판 A를 스폿 용접하였다.

초기 가압 시간 및 가압력 유지 시간에는, 표 1에 나타내는 가압력으로 각각 0.5s, 0.2s의 시간에 강판의 조를 가압하였다. 또한, 비교예 6을 제외하고, 가압력 유지 시간에도 가동 전극의 전극 접근 속도를 12.0mm/s 이하로 제어하였다.

통전 기간의 통전 패턴은, 본 통전만의 패턴 외에, 예비 통전+본 통전의 패턴도 실시하였다. 여기서, 본 통전의 조건은 표 1에 나타내는 대로이며, 예비 통전의 용접 전류는 9kA, 용접 시간은 40ms로 하고, 가압력은 본 통전과 같은 가압력으로 하였다. 예비 통전의 조건은 9kA, 40ms로 하였다.

본 통전의 조건에 있어서, 「용접 전류」는, 통전 기간 내에 전극 간에 흐른 전류값을 나타낸다. 여기서의 전류값은, 너깃 직경이 5.0√t(t: 스폿 용접의 대상이 되는 복수의 강판의 판 두께 중, 최소의 판 두께(mm))(발명예 7, 8에서는 5.5√t, 발명예 9, 비교예 5에서는 4.0√t)를 목표로 한 값이다. 「가압력」은, 용접 기간에 있어서 강판의 조에 가한 설정 가압력을 나타낸다. 「용접 시간」은 통전 기간의 길이를 나타낸다. 「판 틈」은, 강판 겹침면(스폿 용접되는 부분)에 있어서의 강판끼리의 간극을 의미한다.

표 1의 전극 접근 속도 상한값 V_D는, 가동 전극의 하강 속도에 관하여 설정된 상한값이며, 통전 기간과 가압력 유지 시간의 상한값을 각각 기재하였다. 괄호로 둘러싸인 수치가 있는 예는, 상한값이 설정되어 있지 않은 예이며, 그 전극 접근 속도의 실적값의 최댓값이 괄호 내에 기재되어 있다.

「스플래시의 유무」는, 통전 기간의 용접 현상을 육안으로 봄으로써 확인하였다. 스플래시 발생 시에는 용접부로부터(보다 구체적으로는 강판끼리의 간극으로부터) 미소한 용융 금속이 비산하기 때문에, 육안으로 용이하게 확인할 수 있다. 「스플래시 면적률」은 상술한 방법에 의해 측정하였다. 30 내지 160％가 합격 레벨이다. 「너깃 직경」은, 용접 단면 사진으로부터 특정하였다. 또한, 「너깃 직경」의 항에는, 너깃 직경을 √t로 제산한 X값(X=너깃 직경/√t)을 나타낸다. 5.0√t 이상의 너깃 직경이 본 발명의 용접 조인트의 기준을 충족한다. 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」는, 용접부의 두께 최솟값(mm)을 용접 전의 강판의 총 두께로 제산한 값이며, 인덴테이션에 상당하는 파라미터이다. 강도 저하가 적은 0.70 이상이 합격 레벨이다. 박리 강도는, JIS Z3137:1999에 기재되는 십자 인장 시험에 의해 측정된, 시험편이 파단할 때까지의 최대 하중이다. 본 실시예에서는 4.0kN 이상이 합격 레벨이다. 박리 강도는 보다 높은 편이 바람직하며, 예를 들어, 5.0kN 이상이 보다 바람직하다. 「LME 균열」의 유무는, 스폿 용접 조인트를 적당한 사이즈로 잘라내고, 너깃을 횡단하는 방향으로 절단한 단면을 광학 현미경으로 관찰함으로써 판정하였다.

먼저, 발명예 1 내지 15를 검토한다. 어느 발명예에 있어서도, 「스플래시 면적률」, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」 및 「박리 강도」가 합격 레벨이며, LME 균열도 확인되지 않았다. 또한, 발명예 1은, 전극 접근 속도의 상한값에 대응하는 예이다. 발명예 2는, 전극 접근 속도의 (바람직한) 하한값 부근에 대응하는 예이다. 발명예 3은, 가압력 유지 시간에서의 가압력을 실측한 예이다. 발명예 4는 예비 통전에서 판 틈을 압궤했기 때문에, 스플래시가 발생하지 않은 예이다. 또한, 전극 접근 속도의 상한값이 낮기 때문에, 인덴테이션이 작아졌다. 발명예 5는 저가압 조건의 예이다. 발명예 6은 고가압 조건의 예이다.

발명예 7, 8은 너깃 직경이 5.5√t를 초과하는 예이다. 또한, 발명예 7에서는 3매의 강판을 스폿 용접하였다. 이렇게 큰 너깃을 형성하는 경우에도 인덴테이션이 작아지고, LME 균열도 관찰되지 않았다. 발명예 9는 너깃 직경이 4.0√t 정도가 되는 예이다. 이렇게 너깃 직경이 작아지는 경우에도, 목표로 하는 4.0kN 이상의 박리 강도를 확보할 수 있었지만, 다른 발명예보다 박리 강도가 약간 낮아, 5.0kN 미만이었다. 발명예 10은 가압력 유지 시간에 스플래시가 발생한 예이다. 발명예 10에서는, 가압력 유지 시간에도 가동 전극의 전극 접근 속도를 12.0mm/s 이하로 제어했으므로, 인덴테이션이 작아져, LME 균열도 관찰되지 않았다. 발명예 11, 12는 강판의 판 두께를 변경한 예이다. 발명예 11, 12에서 사용한 판 두께로도, 양호한 결과가 얻어졌다. 발명예 13은 건 강성이 낮은 예이다. 본 실시 형태에 관한 스폿 용접 장치에서는, 서보 모터(14)의 회전 속도 및 토크의 변화율(시간 변화율)과 전극의 전극 접근 속도의 상관을 나타내는 데이터에 기초하여 가동 전극의 전극 접근 속도를 제어한다(즉, 건의 휨을 고려한 제어를 행함). 따라서, 인덴테이션이 작아지고, LME 균열도 관찰되지 않았다. 발명예 14, 15는 큰 너깃을 형성한 예이다. 이들의 예에 있어서도 인덴테이션이 작아지고, LME 균열도 관찰되지 않았다.

다음으로, 비교예 1 내지 8에 대하여 검토한다. 비교예 1에서는, 전극 접근 속도의 상한값을 설정하지 않고 에어 실린더를 사용한 가압을 행하였다. 가동 전극의 전극 접근 속도의 최댓값은 21.7mm/s였다. 따라서, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커)졌다. 또한, 스플래시 발생 시에 너깃이 축소되었기 때문에 「박리 강도」도 특히 낮은 값이 되었다. LME 균열도 확인되었다. 비교예 2에서는, 전극 접근 속도의 상한값이 12.0mm/s를 초과했기 때문에, LME 균열이 발생하였다. 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」도 불합격 레벨이었다. 비교예 3은, 통전 기간의 전극 접근 속도의 상한값이 12.0mm/s를 초과한 예이다. 예비 통전을 행했기 때문에 육안으로 스플래시는 확인할 수 없었다. 단, X선 관찰에서 스플래시가 관찰되었다. 또한, 통전 후기의 전극 접근 속도가 커졌기 때문에, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커)졌다. 또한, LME 균열도 발생하였다.

비교예 4는, 전극 접근 속도의 상한값을 설정하지 않은 예이다. LME 균열은 관찰되지 않았지만, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아져(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커져), 박리 강도가 불합격 레벨이었다. 비교예 5는 너깃 직경이 4√t를 목표로 한 예이다. 이 예에서도 통전 기간의 전극 접근 속도가 12.0mm/s를 초과하였다. 이 때문에, LME 균열이 관찰되고, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아지고(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커지고), 박리 강도도 불합격 레벨이었다. 비교예 6은 가압력 유지 시간에 스플래시가 발생한 예이다. 비교예 6에서는 전극 접근 속도의 상한값이 컸기 때문에, 스플래시의 발생과 함께 가동 전극이 빠른 속도로 하강하였다. 이 결과, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아져(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커져), 박리 강도가 불합격 레벨이었다. 비교예 7은 전극 접근 속도의 상한값이 12.0mm/s를 초과하였다. 이 때문에, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아지고(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커지고), LME 균열이 관찰되었다. 비교예 8에서도 전극 접근 속도의 상한값이 12.0mm/s를 초과하였다. 이 때문에, 「용접부 두께의 원래 판 두께 비」가 작아지고(바꿔 말하면, 인덴테이션이 커지고), 박리 강도가 불합격 레벨이 되고, LME 균열도 관찰되었다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

10: 스폿 용접 장치
11: 제어부
12: 기억부
13: 가압력 측정부
14: 서보 모터
15: 통전부
16a: 가동 전극
16b: 고정 전극
17: 입력부

Claims (10)

1. 한 쌍의 전극에 의해 중첩한 복수의 강판을 끼우고, 가압하면서, 통전함으로써, 상기 복수의 강판을 스폿 용접할 수 있는 스폿 용접 장치이며,
   통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 상기 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치.
2. 제1항에 있어서,
   통전 종료로부터 가압력 유지 시간의 종료까지의 동안에 있어서, 상기 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치.
3. 대향하는 한 쌍의 전극에 의해 중첩한 복수의 강판을 끼우고, 가압하면서, 통전함으로써, 상기 복수의 강판을 스폿 용접하는 스폿 용접 장치의 제어 방법이며,
   통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 상기 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치의 제어 방법.
4. 제3항에 있어서,
   통전 개시부터 가압력 유지 시간의 종료까지의 동안에 있어서, 상기 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 장치의 제어 방법.
5. 인장 강도가 980MPa 이상인 복수의 강판을 중첩하여 스폿 용접함으로써 제조된 스폿 용접 조인트이며,
   상기 인장 강도 980MPa 이상의 복수의 강판의 최소의 두께를 t라고 했을 때, 상기 스폿 용접에 의해 형성된 너깃 직경이 5.0√t 이상이고,
   상기 스폿 용접 조인트의 최소 두께가, 상기 복수의 강판의 두께의 합계의 0.70배 이상이고,
   용접부의 X선 투과 화상에서 측정된 스플래시부의 면적이, 압접부의 면적의 30 내지 160％인 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트.
6. 제5항에 있어서,
   상기 너깃 직경이 5.5√t 이상인 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 스폿 용접 조인트에 균열이 없는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스폿 용접 조인트의 최소 두께가, 상기 복수의 강판의 두께 합계의 0.90배 이하인 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 스폿 용접 조인트의 제조 방법이며,
   통전 개시부터 통전 종료까지의 동안에 있어서, 스폿 용접 장치에 구비되는 한 쌍의 전극이 서로 접근하는 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,
    통전 종료로부터 가압력 유지 시간의 종료까지의 동안에 있어서, 상기 속도를 적어도 12.0mm/s 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 조인트의 제조 방법.

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