금속가구 가공성능향상 기술

4장 접합 및 절단

4.1 용접

4.1.1 저항 용접

4.1.2 아아크 용접

4.1.3 레이저용접

4.1.1 저항 용접

(a) 점 용접( spot welding)

금속가구 제작에 있어서 저항 용접중에서 가장 일반적으로 사용되는 용접이 점 저항 용접이다. 그림 4.1.1은 금속가구의 제작회사에서 캐비닛외판 제작에 사용되는 점 저항용접을 실시하고 있는 모습을 나타낸 것이다.

그림 4.1.1 저항 점 용접

그림 4.1.2에는 한번의 용접으로 여러 점의 접합할 수 있는 다점 점 저항 용접기이다. 금속가구의 캐비닛의 보강부를 한번에 용접하는 경우에 사용한다.
 

그림 4.1.2 다점 저항 점 용접기

점 용접은 그림 4.1.3에서 보듯이 2개 또는 그 이상의 금속을 두 전극 사이에 끼워 넣고 전류를 통하면 접촉부는 금속의 요철에 의하여 큰 접촉저항이 일어나고 이 저항으로 발열이 되고 용접부의 온도는 급격히 올라가 금속은 녹게 된다. 여기에 수직의 압력을 가하면 접촉부는 변형되어 접촉저항이 감소된다. 그러나 처음의 접촉저항에 의해 온도가 상승되어 용접부의 고유저항은 더둑 증가되고 온도가 상승되어 용융 또는 반 용융 상태에 달하게 된다.이러한 방법으로 알맞은 용접 온도에 달하면 상하의 전극으로 압력을 가하여 용접부를 밀착시킨 다음 전극을 용접부에서 떼면 전류의 흐름이 정지되어 용접이 완료된다. 이때 전류를 통하는 통전시간은 재료에 따라 1/400 에서부터 수 초 동안으로 되어있다.
 

그림 4.1.3 저항 점 용접의 원리
 

그림 4.1.4 저항 점 용접의 온도 분포
 

점 용접중 온도분포의 경향은 그림 4.1.4와 같으며 접합면의 일부는 녹아 바둑돌 모양의 단면으로 용접이 된다. 이 부분을 너겟이라 부른다. 그리고 점용접 뿐만 아니라 저항용접에 미치는 요인으로는 용접전류,통전시간,가압력,모재 표면의 상태,전극의 재질 및 형상,용접 피치등 여러 가지가 있으나 이 중 가장 큰 영향을 미치는 것으로는 용접전류,통전시간,가압력 등인 데 이들을 저항용접의 3대 요소라 하고 냉각을 고려하여 4대 요소라 하기도 한다. 

점용접의 용접조건을 살펴보면 표 4.1.1과 같다.
 

표 4.1.1 연강판 스폿 용접 조건의 예(보통)
 

용접이 진행되는 과정을 그림 4.1.5에 나타낸다.
WELD CYCLE DIAGRAM 
 

그림 4.1.5  WELD CYCLE DIAGRAM

① SQUEEZE TIME(초기가압시간)

압착시간이라고 하며 전극을 통하여 용접전류가 피용접물체를 통하여 전기가 흐르기 전에 피용접물체를 적당한 가압력으로 압착시켜주는 시간.

 ② WELD TIME(통전시간)

전극을 통하여 용접전류가 피용접물체를 통하여 전류가 흐르는 시간.

③ HODL TIME(유지냉각시간)

WELD TIME에 의해 용융용접된 것을 전극으로 일정한 압력을 유지하며 계속 압착시켜 주는 시간.

④ OFF TIME(휴지시간)

정지시간이라고도 하며 연속반복 작업에서 SQUEEZE TIME으로 다시 원위치하는 시간

그리고 이러한 용접이 진행되는 과장에서 고려해야할 사항중 표 4.1.5 에는 용접조건설정을,표4.1.6에는 고려해야할 사항들을  나타낸다.
 

표 4.1.2 Spot 용접의 4대조건 설정 및 확인방법
 

표 4.1.3 용접품질 특성요인도

실제 LINE에서는 많은 수의 熔接点을 全數檢査 하거나 파괴검사하는데는 시간이나 비용상 큰 제약이 따르므로 용접조건의 信賴性을 통한 熔接性 보장 즉 信賴性있는 고품질 熔接裝備를 사용, 熔接條件의 DATA BASE化 확립의 필요성이 대두된다. 또한 최근의 연비향상을 위한 경량화와 장기방청성 요구 추세에 따른 새로운 소재 즉 AL, 2층도금강판, 유기피막강판, 고Mn강 等의 채택에 따를 현장의 용접조건 선택이 더욱 까다로와 지고 있는 실정이며 더욱이 용접의 자동화수준은 급격히 향상되고 있어 용접에 대한 신뢰성은 더욱 절실한 실정이다.  점용접부에 대한 검사법은 그림 4.1.6에 나타난 바와 같다.
 

그림 4.1.6 검사의 종류
 

각 시험법을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

< 비파괴 검사법 >

 비파괴 검사법은 용접부의 외관을 보고 양, 부를 판단하는 방법이다.

 1) 균열의 유무

용접부 표면에 균열이 있는가 없는가를 육안으로 검사한다
 

육안으로 보아 균열이 있으면 불합격

2) 핏트

용접부 표면에 구멍모양의 파임
 

용접표면에 핏트가 있는가 없는가를 육안으로 검사한다
 

직경 1.5mm의 핏트가 있으면 불합격

3) 파임
 

용접부 파인면의 중심과 중심에서 떨어진 점의 판표면과의 높이차 측정
 

파임 깊이(t)가 철판 두께(T)의 10%이하여야 한다.

4) 칩
 

육안으로 검사한다.
 

용접부에 칩이 있으면 불합격

 5) 용접부 위치(피치, 끝단 물림)
 

피치(P) 및 플랜지 끝단거리(f)를 측정한다.
 

철판두께에 따라 규정거리 이상이어야 한다.

< 파괴 검사법 >

1) 인장전단, 인장시험
 

인장시험기를 사용하여 측정
 

강도기준에 의한 판정

2) 비틀림 시험
 

철판과 철판을 비틀어 분리했을 때 구멍(너겟경)을 측정
 

측정 너겟경(d)가 4√t 이상이면 합격( 단, t는 철판 두께이고, 두께가 다른 철판일 경우는 얇은 판을 기준으로 한다. )

3) 드라이버 체크
 

용접부 사이에 정을 넣어 망치로 친다.
 

용접부가 분리되지 않아야 한다.

특히 현장에서의 熔接檢査방식은 금속가구조립, LINE에서 工程別, 주기적으로 破壞檢査의 일종으로 DRIVE CHK를 실시하거나 양산中인 B.I.W에 대한 주기적 파괴 및 새로운 금속가구의 경우 P試 단계에서 파괴시험을 하고 있는 실정이다.

DRIVE CHK의 경우는 ① CHK하는 사람의 주관에 따라 결과가 달라질 수 있고 ②작업자의 부주의에 의한 FLANGE변형의 소지가 있으며 B.I.W 破壞檢査의 경우는 소요 B.I.W의 폐기 및 투입 M/H로 인한 비용 증대와 파괴시 일시적, 한정적 확인 가능한 문제점이 있다.

비파괴검사의 경우 육안에 의한 검사로써 정확한 용접강도를 확인하기 힘들다. 따라서 X선, 초음파, 자계 등을 이용한 비파괴 장비도 개발되어 있으나 대량생산 LINE의 현장에서 수많은 용접점을 전수검사하기는 힘든 실정이다. 최근 외국 자동차 MAKER의 경우 비파괴장비를 탑재한 ROBOT로 조립공정에서 검사할 수 있는 SYSTEM개발도 추진되고 있다고 하지만 LINE적용에는 많은 난제가 있다고 판단된다.
 표 4.1.4에는 검사내용에 대하여 정리하였다.
 

표 4.1.4 용접품질 검사내용
 

(b) 돌기용접 ( Projection Welding )

1. 돌기용접의 원리와 특징

돌기 용접은 피용접재를 서로 밀착시킨 상태에서 용접 전류를 인가할 때 발생하는 에너지를 열원으로 하여 접합한다는 측면에서 점 용접과 같은 저항용접에 해당한다. 통상의 저항 용접에서는 소정의 전극을 사용하여 평면상의 용접부에 전류를 흘리는 것이나, 돌기 용접은 용접을 실시하기 전에 피용접재의 한쪽 혹은 양쪽에 돌기(projection)를 가공하고 그 돌기를 통하여 전류를 집중시킨다는 점에서 점 용접 혹은 심 용접과 구별된다.[그림 4.1.7]  
 

그림 4.1.7. 돌기용접의 용접부 조인트 예

그림 4.1.8은 전형적인 저항 점용접과 돌기용접의 단면을 나타내는 것으로, 점용접에서는 상,하 용접부의 열변형이 심하고 표면에 흠집(Dent)이 발생하는 반면에, 돌기용접에서는 하부 용접부의 열변형은 없고 용접부 표면에 흠집이 없는 깨끗한 용접이 이루어 짐을 알 수 있다
 

(a) 돌기 용접부 단면
 

(b) 점 용접부 단면

그림 4.1.8. 돌기용접과 점용접의 단면 비교

점 용접이 둥근 막대 모양의 전극을 사용하는 것에 대하여 돌기 용접에서는 돌기를 가공한 피용접재의 상하에서 블록 모양의 전극으로 용접전류와 가압력을 인가한다. 돌기 용접이 진행되는 동안 돌기는 용융 및 붕괴 되므로 적당한 용접부를 형성시키기 위하여는 가압력, 용접전류, 및 통전시간의 관리가 중요하다. 뿐만 아니라, 돌기 용접에서는 돌기의 형상과 크기가 용접성에 영향을 미친다.

돌기 용접의 장점을 열거하면 다음과 같다.
 

 - 용접부 외관이 깨끗하며 열변형이 적다. 

 - 좁은 공간에 많은 점을 용접할 수 있다.

 - 피용접재의 특성 즉, 두께, 강도, 재질이 현저히 다른 경우도 양호한 용접부를 얻을 수 있다.

 - 너깃의 크기 및 간격이 작은 용접이 가능하다.

 - 여러 점을 동시에 용접할 수 있으므로 생산성이 높다.

  - 전극의 형상이 복잡하지 않으며 수명이 길다.

  
한편, 돌기 용접법의 단점은

 - 용접기의 용량이 커야 하므로 설비비가 높아진다.

 - 용접할 부위에 일정한 형상의 돌기를 미리 가공하여야 하기 때문에 공정의 수가 증가 하며 제조 원가의 상승 요인이 된다.

 - 전극의 가격이 고가이며 교환이 다소 번거롭다.

돌기 용접은 피용접재의 형상에 따라 겹치기 돌기 용접과 맞대기 돌기 용접으로 분류할 수 있다. 겹치기 돌기 용접은 주로 판재의 용접에 이용되는데 피용접재의 용접할 부위에 일정한 형상의 돌기를 미리 가공하여야 하고, 맞대기 돌기 용접은 피용접재의 한쪽 혹은 양쪽이 일정한 형상을 갖는 부품으로 구성되어 있다. 여기에서는 용접 공정상의 중요도가 상대적으로 높은 겹치기 돌기 용접을 위주로 서술한다.

 2. 돌기 성형조건과 용접성
 

 (1) 돌기 성형
 

 전술한 바와 같이 돌기는 전류를 집중시키는 역할을 하며 용접이 진행되는 동안에도 가압력 및 전류의 통로가 되므로 우수한 용접부를 확보하기 위하여 적당한 돌기의 형상을 선정하여야 한다. 일반적으로 돌기의 형상을 결정하기 위하여는 아래의 조건을 검토하여야 한다.
 

 - 용접 전류를 흘리기 전에 인가되는 예비 압력에서도 어느 정도의 형상을 유지하도록 강성이 있어야 한다.

 - 돌기의 체적은 다른 용접재와 열평형이 유지되도록 충분하여야 한다.

 - 용접중에 발생하는 용융 금속의 비산이 최소화되는 형상이어야 한다.

 - 돌기의 성형이 용이하고 금형의 마모가 적어야 한다.

 - 돌기 성형시 판의 비틀림이 발생하지 않아야 한다.

 박판강재에 사용되는 돌기의 형상은 AWS(American Welding Society), H&R(Harris and Riley) 및 IIW(International Institute of Welding)에 의하여 제안된 것이 주로 사용되고 있다.

그림3은 그러한 돌기의 단면도와 펀치 및 다이의 형상을 나타낸 것이다. 또한, 각각의 펀치 및 다이의 치수를 판 두께별로 나타낸 것이 표 4.1.5, 표 4.1.6 및 표 4.1.7 이다.
 

(a) AWS 방법 (b) H&R방법 (c) IIW 방법
 

그림 4.1.9 펀치 및 다이 형식과 성형후 돌기의 모양
 

표 4.1.5. AWS 형 펀치와 다이 치수(단위:mm)표 4.1.6 H&R 형 펀치와 다이 치수(단위:mm)
 

표 4.1.6 H&R 형 펀치와 다이 치수(단위:mm)
 

표 4.1.7  IIW형 펀치와 다이 치수(단위:mm)
 

IIW형 돌기를 사용하면 높은 성형성을 나타내는 압연 강재는 접촉 저항이 낮으므로 상대적으로 높은 용접 전류가 필요하여 너깃의 형성이 어렵고 스패터가 쉽게 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개량된 것이 H&R형 돌기이다.

또, 그림 4.1.10은 Humpage형 돌기 가공법으로 IIW형과 펀치의 형상은 유사하나 다이의 모양이 평판에 둥근 구멍을 가공한 것과 같은 형상을 하고 있는 것이 다르다. 이렇게 함으로써 용접시 스태터 발생의 원인이 되는 국부적 전류 밀도의 상승을 억제 한다.
 

그림 4.1.10. Humpage 형 펀치와 다이의 형상
 

즉, 성형 과정에서 돌기의 벽두께가 지나치게 감소하는 것을 막아 줌으로써 이 부분에서의 전류 밀도를 낮추는 효과가 있다. Humpage형에서 소재의 두께에 따른 다이 및 펀치의 치수는 표 4.1.8과 같다.
 

표 4.1.8 Humpage형 펀치와 다이 치수(단위:mm)
 

(2) 돌기의 형상과 용접성

돌기 용접에서 통전면은 돌기의 직경과 직접적인 관계가 있으며, 이러한 통전면의 변화는 전류밀도를 변화시켜 결과적으로 용접부 형성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

용접 후 너깃의 직경은 돌기의 초기 냉간 붕괴면 직경과 상당히 유사하고 초기 너깃의 형성에 필요한 임계 전류치도 냉간 붕괴면의 증가에 따라 증가한다. 이와 같이 돌기 용접에서 돌기의 형상 및 변형과정은 용접부의 형성과 밀접한 관계를 갖는다.

3 용접 공정변수

돌기 용접과 같은 저항 용접은 판고 판을 밀착시킨 후 전류를 인가하여 발생하는 주울 발열을 접합 에너지로 이용하는 공정이므로 촉면의 상태와 면적은 용접부의 형성에 큰 영향을 준다. 그러나, 돌기 용접은 돌기와 판의 접촉 부위가 용융되므로, 점 용접과는 달리 돌기의 변형 과정이 용접성에 영향을 미친다. 주요 용접 공정 변수와 그들의 영향을 간단히 기술하면 다음과 같다.

(1) 용접 전류

돌기 용접시 각각의 돌기에 투입되는 용접 에너지는 동일한 재질 및 두께에 대한 점 용접 필요 에너지보다 적다. 돌기 용접에서는 발열이 진행되어 돌기가 완전히 붕괴되기 전에 용융부를 형성하도록 하여야 한다. 일정한 조건에서 용접 전류의 증가는 용융부의 크기 증가와 함께 용접부의 강도를 상승시킨다. 그러나, 과도한 전류는 돌기와 판 사이에서 스패터가 발생하는 것을 조장하고 그 결과 용접에 쓰일 용융 금속의 양을 낮추어 용접품질에 악영향을 끼치므로 주의하여야 한다.

(2) 용접 시간

 돌기 용접에서 통전 시간은 같은 모양의 돌기를 가진 조건에서는 돌기의 수에 무관하다. 생산성을 고려하여 짧은 용접 시간의 부여가 바람직하다면 그만큼 높은 용접 전류를 필요로 하나, 이것은 과열에 의한 스패터의 발생을 야기시킬 가능성이 높아진다. 일반적으로 하나의 용접부를 대상으로 할 때 점 용접에서 보다 돌기 용접에서 더 긴 용접 시간과 낮은 용접에서 보다 돌기 용접에서 더 긴 용접 시간과 낮은 용접 전류를 사용한다. 다중 펄스 용접 방법은 용접 입열량의 제어가 용이하고 두꺼운 소재, 낮은 열전도도를 가진 재료를 용접하는데 유리하다.

(3) 전극 가압력

돌기 용접에 사용되는 전극 가압력도 용접의 대상이 되는 재료, 돌기의 모양 및 수에 의하여 결정된다. 또, 돌기 용접시의 전류 밀도는 통전 전의 돌기 붕괴 정도에 따라 변화한다. 피용접재의 재질, 두께 및 돌기 형상이 정해졌다면 통전이 시작되기 전의 돌기 붕괴 형태는 전극 가압력에 직접 영향을 받는다. 통전 과정에서 발열에 의한 돌기의 용융이 시작되면 돌기는 급격히 붕괴되며 이 때에도 적당한 가압력이 유지되어야 한다. 적정영역 내에서 가압력을 높이면 피용접재 상호간의 초기통전면이 확대되고 그 결과 스패터의 발생이 없는 너깃을 얻을 수 있다. 그러나, 가압력이 지나치게 높으면 너깃 형성의 임계 전류치도 함께 증가하여 양호한 용접부를 얻기 어렵게 되며 경우에 따라서는 냉접이 된다.

한편, 돌기 용접장치는 기계적인 강성과 함께 운동부의 감응도도 높아야 한다. 즉, 용접 과정에서 돌기가 붕괴되는 속도에 대한 전극의 이동 능력이 동등 이상이 되지 않으면 피용접재를 적절히 압착시킬 수 없기 때문에 용접부의 형성 직전에 이미 용융된 금속의 비산을 일으켜 용접 품질을 떨어뜨린다.

그림 4.1.11은 돌기 용접부가 형성되는 과정을 개략적으로 나타낸 것으로, (a)에서는 돌기가 결합될 판과 접촉하고 있는 것을 나타내고 있다. 또, 그림의 (b)는 용접 전류가 인가되어 돌기의 선단부가 가열되기 시작하는 모양을 보인다. 전극의 가압력은 이렇게 가열 및 용융된 부분을 신속하게 뭉그러뜨려서 열간 압착 과정을 일으켜야 (c)에서 보는 바와 같이 건전한 너깃을 만들 수 있다. 그림 4.1.11(d)는 용접이 완료되었을 때의 모습이다.

(a)     예비압력과정 (b) 통전시작 (c) 통전 및 압착과정 (d) 용접완료
 

그림 4.1.11 돌기용접 과정
 

(4) 전극의 재질

전극으로 쓰이는 재료는 높은 전기 전도도와 강도를 요구하지만, 통상의 돌기 용접에서 사용되는 전극은 편평하고 체적이 크기 때문에, 점 용접에 쓰이는 전극 재료에 비하여 특성이 다소 낮아도 용접성에 큰 영향은 없는 것으로 알려져 있다.

그림 4.1.12는 몇 종류의 전극 재료를 사용하여 두께 1mm의 강재를 용접한 경우의 너깃 직경과 용접 전류와의 관계를 보인 예이다. 그림에서 RWMA class 12의 경도는 HRв 100이며 class 3과 class 2는 각각 95 및 80이다. 또, 각 전극의 도전률은 약 25, 50 및 80으로 class 12 재질의 도전률이 가장 낮고 class 2 재질이 가장 양호하다. 실제로 용접부 형성에 기여하는 열량은 전극의 자체 발열, 전극 및 피용접재 방향으로의 열전달 손실을 뺀 나머지 에너지라고 생각할 수 있는데, 그림 4.1.12에서도 전기 및 열 전도도가 좋은 RWMA Group A class 2 전극을 사용한 경우는 다른 전극을 사용한 경우보다도 동일한 너깃 직경을 얻기에 필요한 전류가 큰 것을 알 수 있다

그림 4.1.12 돌기 용접성에 미치는 전극 재질의 영향

(c) 심 용접(seam welding)

심 용접은 그림 4.1.13과 같이  원판상의 롤러전극 사이에 2장의 판을 끼워서 가압통전하고 전극을 회전시켜 판을 이동시키면서 연속적으로 점용접을 반복하는 방법으로 하나의 연속된 선모양의 접합부가 얻어지는 것으로 주로 기밀,수밀,유밀을 요하는 이음부에 이용된다. 용접전류의 통전방법에는 단속통전법,연속통전법,맥동 통전법의 3가지 방법이 있다
 

그림 4.1.13 심 용접
 

(e) 고주파 용접 

금속가구중 파티션과 같은 채널 또는 파이프 구조를 제작하는 경우에 고주파 용접을 이용하여 제품을 제작한다. 고주파용접은 고주파 표피효과와 근접효과를 이용하여 금속을 가열하여 압접하는 방법으로유도가열 용접법과 직접 통전 가열 용접법이 있다.그림 4.1.14는 고주파전류를 짖접 소재에 통전해서 용접하는 고주파 용접법으로 강관을 맞대기 심용접을 하기 위하여 개발한 것이다. 이 방법은 직접 고주파를 통전하므로써 전류가 집중되어 소재를 국부적으로 유효하게 발열 시키고 접촉자를 압접위치의 앞쪽에 두어 심에 따라서 압접을 진행해 나가는 것이다.
 

그림 4.1.14 고주파 용접

이러한 제품의 사례로 2000년에 출시되어 세계적인 관심을 끈 Herman miller의 Resolve series 의 파티션이 있다. (그림 4.1.15)
 

그림 4.1.15 Herman miller의 Resolve series