스폿 용접 101: 기본 사항 이해

저항 용접의 분류 및 특성

용접 방법의 분류

용접 방법에 따라 분류됩니다, 스폿 용접 는 그림 1-1과 같이 저항 용접의 한 유형이며 압력 용접의 범주에 속합니다.

용접 방법의 분류

저항 용접의 장점:

1) 열이 집중되고 가열 시간이 짧으며 용접 변형이 적습니다.

2) 야금 공정은 비교적 간단합니다.

3) 여러 유형의 유사 및 이종 용접에 적응할 수 있습니다. 금속.

4) 프로세스가 간단하고 기계화 및 자동화가 용이합니다.

5) 용접 생산성은 높고 비용은 낮습니다.

6) 작업 환경이 양호하고 오염이 최소화되어 있습니다.

단점:

1) 초기 장비 투자 비용이 높고, 장비가 복잡하며, 유지보수 인력이 높은 기술 전문성을 필요로 합니다.

2) 대용량의 전력이 필요하며, 단상인 경우가 많아 전력망의 불균형을 초래할 수 있습니다.

3) 간단하고 실용적인 비파괴 검사 방법이 부족합니다.

자동차 생산에서 저항 용접의 적용에 대한 개요입니다.

자동차 부품 생산에는 스폿 용접, 프로젝션 용접, 심 용접, 플래시 버트 용접 등 다양한 용접 공정이 널리 사용됩니다. 예를 들어 스폿 용접은 자동차 차체 스폿 용접, 크로스빔 조립 브래킷 스폿 용접, 구동축 밸런스 피스 프로젝션 용접, 자동차 연료 탱크 심 용접, 자동차 휠 림의 연속 플래시 버트 용접에 사용됩니다.

특히 스폿 용접은 기밀성이 필요하지 않은 랩 조인트 및 조인트는 물론 스탬핑 또는 압연으로 생산되는 두께 4mm 미만의 얇은 벽 부품에 적합한 고속의 비용 효율적인 접합 방법으로 금속의 가소성이 우수해야 합니다.

이 책은 다음과 같은 적용에 중점을 둡니다. 스폿 용접 로봇 및 자동차 생산 시스템(동봉된 CD 동영상 - (11) 로봇 제조 기업의 장비 성능 전시 참조).

스폿 용접의 기본 원리

스폿 용접에서 용접 너겟의 형성 과정

저항 스폿 용접은 그림 1-2와 같이 저항 가열을 사용하여 모재를 녹이고 용접점을 형성하기 위해 조립된 공작물을 랩 조인트로 결합하고 두 전극 사이에서 압축하는 용접 방법으로, 약칭 RSW라고 합니다.

스폿 용접 시 두 공작물 사이의 접촉 지점에서 저항이 높기 때문에 충분히 큰 전류가 플레이트에 통과하면 접촉 지점에서 상당한 양의 저항 열이 발생합니다. 이렇게 하면 중앙의 가장 뜨거운 영역에 있는 금속이 빠르게 가소성 또는 용융 상태로 가열되어 렌즈 모양의 액체 용접 덩어리가 형성됩니다.

용융 영역의 온도는 내부에서 외부로 점차 낮아집니다. 전원이 차단된 후 압력이 유지되거나 증가하여 그림 1-3과 같이 용접 너겟이 압력 하에서 응고 및 결정화되어 조밀하게 구조화된 용접 지점을 형성합니다.

전극과 공작물 사이의 접촉점에서 발생하는 열은 구리(또는 구리 합금) 전극의 우수한 열전도율과 냉각수에 의해 전도되어 온도 상승이 제한되고 달라붙는 것을 방지합니다. 스폿 용접에서 용접점이 형성되는 과정은 그림 1-4에 나와 있습니다.

그림 1-3: 스폿 용접 너겟 성장 및 단면의 개략도

요약하면 스폿 용접의 두 가지 기본 요소는 내부 열원과 외부 압력입니다.

스폿 용접 공정은 상호 연결된 4단계로 요약할 수 있습니다. 1단계에서는 전극 사이에서 공작물을 사전 압축하고, 2단계에서는 전류가 인가된 후 용접 부위를 일정 온도로 가열하고, 3단계에서는 중앙 부분이 용접 너겟을 형성하며, 4단계에서는 전극의 압력으로 용접이 냉각 및 결정화되어 용접점을 형성합니다.

스폿 용접 중에는 특정 직경의 전극이 가하는 압력으로 인해 공작물이 변형되고 밀접하게 접촉된 용접 영역에만 전류 경로가 형성되어 전류 밀도가 매우 높아집니다. 따라서 가해지는 압력은 공작물의 강성과 관련이 있습니다.

공작물을 통과하는 전류의 흐름 방향에 따라 스폿 용접은 일반적으로 양면 스폿 용접과 단면 스폿 용접의 두 가지 범주로 나뉩니다. 양면 스폿 용접에서는 두 전극이 공작물의 양쪽에 위치하며 전류가 공작물의 양쪽을 통과하여 용접점을 형성하며, 그림 1-5와 같이 스폿 용접 로봇에 일반적으로 사용되는 용접 방식입니다.

단면 스폿 용접은 두 전극이 공작물의 한쪽에 위치하며 전극이 양쪽에서 공작물에 접근하기 어렵거나 공작물의 한쪽에 얕은 홈이 필요한 경우에 사용됩니다.

스폿 용접의 열원 및 가열에 영향을 미치는 요인

(1) 스폿 용접의 열원

저항 스폿 용접의 열원은 줄의 법칙(Q=I)에 따라 저항 열입니다.²Rt(여기서 Q는 줄 단위의 열 발생량, I는 암페어 단위의 용접 전류, R은 옴 단위의 저항, t는 초 단위의 용접 시간).

용접 전류, 두 전극 사이의 저항, 용접 시간은 스폿 용접에서 열 발생(내부 열원)을 결정하는 세 가지 주요 요소이며, 대부분의 열은 용접 덩어리를 형성하는 데 사용됩니다.

필요한 용접 전류와 용접 시간은 특정 용접 덩어리의 형성과 관련이 있으며, 용접 시간이 매우 짧으면 그림 1-6과 같이 스폿 용접 시 필요한 용접 전류가 증가합니다.

(2) 열 균형 및 열 발산

스폿 용접 중에는 그림 1-7과 같이 발생된 열의 일부만 용접 너겟을 형성하는 데 사용되며, 대부분은 인접 재료로의 전도 및 복사를 통해 손실됩니다.

참고: Q₁ 는 가열된 용접 영역에 용융 풀을 형성하기 위한 열 입력이며, Q₂ 는 전극을 통한 열 전도로 인한 열 손실, Q₃ 는 용접 영역의 주변 금속에서 열 전도를 통한 열 손실, Q₄ 는 대류와 복사를 통한 주변 공기 매체로의 열 손실입니다.

열 균형 방정식은 Q(총 열) = Q입니다.₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄에서 유효 열 Q₁ 는 용접 조건과 무관하게 금속의 열적 특성과 용융 금속의 양에 따라 달라지며, 기준값은 Q입니다.₁≈10%~30%Q.

저항률이 낮고 열전도율이 좋은 금속(알루미늄, 구리 합금 등)의 경우 Q₁ 를 하한값으로 하고, 저항률이 높고 열전도율이 낮은 금속(스테인리스강, 고온 합금 등)의 경우 Q₁ 는 상한값을 사용합니다.

손실되는 열에는 주로 전극을 통해 전도되는 열(Q₂≈30%~50%Q), 공작물을 통해 전도되는 열(Q₃≈20%Q), 대기 중으로 방출되는 열(Q₄총 열량의 약 5%). 스폿 용접의 특성은 주로 다음 세 가지 측면에 반영됩니다:

1) 빠르고 집중적인 가열.
2) 합리적인 온도 분포를 달성하려면 용접 영역의 효과적인 방열이 중요합니다.
3) 가열 공정은 용접되는 금속의 열적 특성과 밀접한 관련이 있습니다.

스폿 용접의 전류 전환 현상

실제 스폿 용접 중에는 전류의 일부가 주변 용접 지점을 통해 흐르면서 전류 경로를 형성하고 주변 금속으로 소산됩니다. 스폿 용접 중 전류 전환 현상은 그림 1-8에 설명되어 있습니다.

참고: Is=Iges-In에서 Is는 용접 전류, Iges는 총 전극 전류, In은 전환 전류입니다.

스폿 거리가 작을수록, 플레이트가 두꺼울수록, 재료의 전기 전도도가 좋을수록 전환이 더 심해집니다. 전환이 심하면 에너지 손실이 발생하고 용접 품질을 보장하기 어려울 수 있습니다.

또한 공작물의 표면 상태도 전환에 큰 영향을 미칩니다. 표면 처리가 불량하면 오일 얼룩과 산화막이 접촉 저항을 증가시켜 용접 영역의 총 저항이 증가하고 전환 저항이 상대적으로 감소하여 전환이 증가합니다.용접 영역의 저항과 그 변화

접촉 저항의 형성은 용접 표면의 미세한 거칠기와 열악한 전도성 층의 존재로 인해 발생합니다. 스폿 용접 중 전류선의 분포와 공작물의 접촉 지점을 통과하는 전류의 상황은 그림 1-9에 나와 있습니다.

a) 스폿 용접 중 전류 라인 분배
b) 공작물 사이의 접촉점을 통과하는 전류의 상황

스폿 용접 중에는 용접 영역에 세 가지 유형의 저항이 존재하며 두 전극 사이의 저항 R은 서로 다른 저항에 따라 달라집니다. 용접 방법그림 1-10과 같이

참고: R은 용접 영역의 총 저항을, R은 공작물의 내부 저항을, R은 공작물 사이의 접촉 저항을, R은 전극과 공작물 사이의 접촉 저항을 나타냅니다.

스폿 용접 영역의 총 저항 R은 내부 저항 R로 구성됩니다._w 용접된 두 부품의 접촉 저항 R_c 와 두 용접된 부품 사이의 접촉 저항 R_cw 전극과 공작물 사이의 거리, 즉 R=2R_w+R_c+2R_cw. 각 부품의 저항 값 계산 방법은 다음과 같습니다:

1) 용접 부품의 내부 저항(R_w): 용접된 부품을 통과하는 전류에 의해 생성되는 저항은 부품 자체의 저항과 관련이 있습니다. 이 저항을 계산하는 공식은 다음과 같습니다:

어디에:

• ρ = 용접 영역의 금속 저항률
• δ1, δ2 = 두 용접 부품의 두께(mm)
• S = 전극 접촉 면적(mm)에 해당합니다.²)
• K₁ = 전류장의 확장을 일으키는 에지 효과로 인한 계수(0.82~0.84 범위)입니다.
• K₂ = 전류장의 확장을 유발하는 바이패스 효과에 따른 계수(0.8~0.9 범위)로, 하드 사양일수록 값이 낮고 소프트 사양일수록 값이 높습니다.

ρ는 일반적으로 온도에 따라 증가하기 때문에 가열 시간이 길수록 저항이 커져 더 많은 열이 발생하고 용접을 형성하는 데 더 큰 기여를 합니다.

2) 접촉 저항(R_c+2R_cw): 접촉 저항은 일반적으로 스폿 용접 전극의 압력 하에서 접촉면(용접 부품-용접 부품 접촉면, 용접 부품-전극 접촉면)에서 측정된 저항 값을 나타내는 추가 저항입니다.

접촉 저항에 영향을 미치는 주요 요인은 표면 상태와 전극 압력입니다. 강철의 경우 600°C, 알루미늄의 경우 350°C의 가열 온도에서 접촉 저항은 0에 가깝습니다.

용접된 부품 사이의 접촉 저항(R_c), 전극과 공작물 사이의 접촉 저항(R_cw), 용접된 두 부품의 내부 저항(R_w), 스폿 용접 중 전류 전환, 용접 전류, 통전 시간 및 전극 압력은 모두 스폿 용접 중 가열에 큰 영향을 미칩니다.

용접 공정 중 공작물 내부 저항의 변화 곡선은 그림 1-11에 나와 있습니다.

참고: R_w 는 공작물의 고유 저항을 나타내고, Rct는 접촉 저항(R_ct=R_c+2R_cw); R은 용접 영역의 총 저항을 나타냅니다(R=R_w+R_ct).

접촉 저항과 전극 압력의 관계는 그림 1-12에 나와 있습니다.

참고: 판 두께는 1mm이며, 1은 저탄소강, 2는 알루미늄 합금을 나타냅니다.

스폿 용접 전극

스폿 용접 전극의 기능

스폿 용접 전극은 스폿 용접의 품질을 보장하는 데 중요한 구성 요소입니다. 주요 기능으로는 공작물에 전류를 전달하고, 공작물에 압력을 전달하며, 용접 영역에서 열을 빠르게 발산하는 것이 있습니다. 일반적인 형태의 스폿 용접 전극은 그림 1-13에 나와 있습니다.

a) 표준 직선 전극 b) 구부러진 전극 c) 캡 전극 d) 나사산 전극 e) 복합 전극

전극 재료에 대한 요구 사항

앞서 언급한 전극의 기능에 따라 전극 제조에 사용되는 재료는 충분히 높은 전기 전도도, 열 전도도 및 고온 경도를 가져야 합니다.

전극의 구조는 충분한 냉각 조건뿐만 아니라 적절한 강도와 강성을 가져야 합니다. 또한 전극과 공작물 사이의 접촉 저항은 공작물의 표면이 녹거나 전극과 공작물 표면 사이의 합금을 방지할 수 있을 정도로 충분히 낮아야 합니다.

일반적인 전극 재료

중국 항공우주산업부의 항공 산업 표준 HB5420 1989의 규정에 따르면 전극 재료는 네 가지 범주로 분류되며, 일반적으로 세 가지 범주가 사용됩니다.

(1) 카테고리 1 재료는 전기 전도성이 높고 중간 경도의 구리 및 구리 합금으로, 주로 냉간 가공을 통해 경도 요구 사항을 달성합니다. 알루미늄 및 알루미늄 합금 용접용 전극 제조에 적합하며 스폿 용접 코팅 강판에도 사용할 수 있지만 성능은 카테고리 2 합금만큼 우수하지는 않습니다.

카테고리 1 합금은 무응력 또는 저응력 전도성 부품을 제조하는 데에도 일반적으로 사용됩니다. 세 가지 종류의 합금 중 크롬-니오븀 구리, 크롬-지르코늄-니오븀 구리, 코발트-크롬-실리콘 구리는 우수한 성능을 나타내며 널리 사용되고 있습니다. 각각의 등급은 표 1-1에 표시된 것처럼 DJ70, DJ85, DJ100으로 불립니다.

표 1-1: 일반적인 머티리얼 속성

또한 텅스텐-구리 복합 소결 재료가 있어 고열, 긴 용접 시간, 불충분한 냉각 또는 고압이 있는 상황에 적합합니다.

동판 스폿 용접용 복합 전극, 프로젝션 용접용 임베디드 전극 또는 와이어 교차 용접 전극에 사용됩니다. 텅스텐 함량이 증가하면 재료의 강도와 경도는 증가하지만 전기 전도도와 열 전도도는 모두 감소합니다.

2) 두 번째 범주의 재료는 첫 번째 범주의 합금에 비해 전기 전도도와 경도가 더 높습니다. 이러한 합금은 냉간 가공과 열처리의 조합을 통해 성능 요구 사항을 달성할 수 있습니다. 첫 번째 범주의 합금에 비해 기계적 성능이 높고 전기 전도도가 적당하며 적당한 압력 하에서 변형 저항성이 강합니다.

따라서 가장 일반적으로 사용되는 전극 재료이며 저탄소강, 저합금강, 스테인리스강, 고온 합금, 저전도도 구리 합금 및 코팅강 스폿 용접에 널리 사용됩니다. 카테고리 2 합금은 저항 용접기의 샤프트, 클램프, 플래튼, 전극 홀더 및 다양한 전도성 부품을 제조하는 데에도 적합합니다.

3) 세 번째 범주의 재료는 첫 번째 및 두 번째 범주보다 전기 전도도가 낮고 범주 2 합금보다 경도가 높습니다. 이러한 합금은 열처리 또는 냉간 가공과 열처리의 조합을 통해 성능 요구 사항을 달성할 수 있습니다. 기계적 성능이 높고 내마모성이 우수하며 연화 온도가 높으며 전기 전도도가 낮습니다.

따라서 크롬 지르코늄 구리와 같이 저항이 높고 온도와 강도가 높은 스폿 용접 재료에 적합합니다. 이러한 금속은 전기 전도성, 열 전도성, 높은 경도, 내마모성, 내파괴성, 높은 연화 온도를 가지고 있습니다. 용접 시 전극의 마모가 최소화되고 용접 속도가 빠르며 전체 용접 비용이 낮습니다.

산업 생산의 요구로 인해 저항 용접은 고속, 고속 생산 공정에서 강도, 연화점 및 전기 전도성 측면에서 전극 재료에 대한 요구가 높아졌습니다. 입자 강화 구리 기반 복합 재료(분산 강화 구리라고도 함)는 새로운 유형의 전극 재료로 주목받으며 널리 사용되고 있습니다.

여기에는 열 안정성이 우수한 구리 매트릭스에서 미세하고 분산된 2상 입자를 생성하기 위해 특정 공정 방법을 추가하거나 사용하는 것이 포함됩니다. 이러한 입자는 전위 이동을 방해하여 재료의 실온 강도를 향상시키는 동시에 재결정을 억제하여 고온 강도를 향상시킬 수 있습니다(예: Al₂O₃-Cu 및 TiB₂-Cu 복합 재료.

일반적인 분산 강화 구리 저항 용접 전극 재료의 구성과 특성은 표 1-2에 나와 있습니다.

표 1-2 일반적인 분산 강화 구리 저항 용접 전극 재료의 구성 및 성능

스폿 용접 전극의 구조

스폿 용접 전극의 구조는 표준 직선 전극, 구부러진 전극, 캡 전극, 나사산 전극, 복합 전극의 다섯 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

스폿 용접 전극은 팁, 몸체, 꼬리, 냉각수 구멍의 네 부분으로 구성됩니다. 표준 직선 전극은 스폿 용접에서 가장 널리 사용되는 전극 유형이며, 전극 부품의 이름은 그림 1-14에 나와 있습니다.

스폿 용접 전극의 다양한 작업 표면에 따라 그림 1-15와 같이 표준 전극(즉, 직선 전극)의 명칭과 형태에는 6가지 유형이 있습니다.

a) 뾰족한 전극(코드 J)
b) 구형 전극(코드 H)
c) 원뿔형 전극(코드 Y)
d) 오프셋 쐐기형 전극(코드 EF)
e) 플랫 전극(코드 M)
f) 구형 캡 전극(코드 Q)

전극 팁은 고온의 공작물 표면에 직접 접촉하며 용접 생산 과정에서 고온과 고압을 반복적으로 견뎌내야 합니다. 따라서 접착력, 합금, 변형은 전극 설계의 핵심 고려 사항입니다.

스폿 용접 전극의 주요 파라미터

1) 주요 물리적 파라미터: 표 1-3에 표시된 대로 경도 75 HRB 이상, 전기 전도도 75% IACS 이상, 연화 온도 550°C 이상이어야 합니다.

2) 표 1-4에 표시된 주요 화학 성분.

표 1-3: 주요 물리적 매개변수

표 1-4: 주요 화학 성분

스폿 용접 전극의 품질 요구 사항

1) 와전류 전도도 측정기를 사용하여 측정한 전기 전도도로, 세 지점의 평균이 44 MS/m 이상이어야 합니다.

2) 로크웰 경도 표준을 사용하여 측정한 경도로, 세 점의 평균이 78 HRB 이상이어야 합니다.

3) 연화 온도 실험에서 550°C의 용광로 온도를 2시간 동안 유지한 후 물에 담금질해도 경도가 15% 이상 감소하지 않아야 합니다.

저항 용접 전극은 일반적으로 성능을 보장하기 위해 열처리와 냉간 가공을 조합하여 사용합니다. 이 접근 방식은 최적의 기계적 및 물리적 특성을 제공합니다. 크롬 지르코늄 구리는 주로 저탄소강 및 도금 강판의 스폿 용접 또는 심 용접에 사용되는 범용 저항 용접 전극으로 사용됩니다.

또한 저탄소강 용접 시 전극 홀더, 샤프트 및 라이너 재료로 사용하거나 대형 금형, 프로젝션 용접기용 고정 장치, 스테인리스강 및 내열강용 전극으로도 사용할 수 있습니다.