전지 가압력 및 용접 전류 제어를 통한 차세대 저항 점 용접(RSW) 공정 개발

Development of Advanced Resistance Spot Welding Process Using Control of Electrode Force and Welding Current during Welding

본 연구는 자동차 차체 조립 시 사용되는 저항 점 용접(Resistance Spot Welding, RSW)에서 박판-후판-후판(Thin-Thick-Thick)의 3매 겹침 조인트와 같이 판 두께 비율(Total thickness/Thin sheet thickness)이 큰 경우 발생하는 접합 불량 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 기존의 일정 가압 방식으로는 박판과 인접한 후판 사이의 너깃(Nugget) 형성이 매우 어려웠으나, 본 연구에서는 전기 서보 모터 용접 건의 정밀 제어 능력을 활용한 ‘2단계 가압 및 2단계 전류(2-step force, 2-step current)’ 공정을 제안하였습니다. 1단계에서는 낮은 가압력과 단시간 고전류를 적용하여 박판과 후판 사이에 초기 너깃을 확실히 형성시키고, 2단계에서는 높은 가압력과 장시간 통전을 통해 후판들 사이의 결합을 완성하는 방식입니다. 실험 결과, 780MPa급 초고장력 강판을 포함한 조인트에서 적정한 너깃 크기와 십자 인장 강도(CTS)를 안정적으로 확보할 수 있는 넓은 용접 전류 범위를 확인하였으며, 판 두께 비율 10 이상의 극한 조건에서도 공정의 유효성을 입증하였습니다.

Metadata and Keywords

Fig. 1 Schematic diagram of process of nugget formation in resistance spot welding of t

Paper Metadata

Field: 자동차 생산 공학 (Automotive Production Engineering), 접합 공학 (Joining Technology)
Subject: 고판 두께비 겹침 조인트의 저항 점 용접 최적화
Method: 2단계 가압/전류 제어(2-step control), 고속 비디오 카메라 직접 관찰
Control Parameters: 전극 가압력 (0.5~6.37kN), 용접 전류, 통전 시간
Institution: JFE 스틸 주식회사(JFE Steel Corporation), 큐슈 공업 대학교
Publication: 용접학회 논문집 (Journal of Japan Welding Society), Vol. 28, No. 1, 2010.

Keywords

저항 점 용접 (Resistance Spot Welding, RSW)
전극 가압력 (Electrode Force)
용접 전류 (Welding Current)
너깃 형성 (Nugget Formation)
판 두께비 (Sheet Thickness Ratio)
3매 겹침 조인트 (Three Sheet Joint)

Executive Summary

Scientific Objective

차체 경량화 및 충돌 안전성 향상을 위해 고장력 강판(High Strength Steel)의 적용이 늘어남에 따라, 보강재와 외판이 겹치는 부위에서 발생하는 ‘고판 두께비’ 조인트의 용접 신뢰성을 확보하는 것을 최우선 목표로 합니다.

Research Methodology

1. 신공정 제안: 서보 모터 구동 용접 건을 사용하여 ‘1단계(저압/고전류) -> 2단계(고압/적정전류)’로 이어지는 동적 제어 시퀀스 수립.
2. 직접 관찰: 용접부 단면을 고속 비디오 카메라(1000fps)로 촬영하여 통전 중 실제 금속의 용융 및 너깃 성장 과정을 실시간으로 분석.
3. 평가: 너깃 지름(4√t 기준), 십자 인장 강도(CTS), 적정 전류 범위(Weld Lobe) 측정을 통해 기존 공정과의 성능 비교.

Key Findings

1. 너깃 형성 메커니즘(Fig. 3): 1단계에서 가압력을 낮추면 전극 하부의 접촉 면적이 제한되어 전류 밀도가 급상승하며, 이 때 발생하는 열팽창력이 판 사이의 틈새를 벌려(Sheet separation) 박판 쪽의 용융을 가속화함.
2. Weld Lobe 확대(Fig. 7): 일반적인 일정 가압 방식은 적정 전류 범위가 0.4kA로 매우 좁아 실용성이 낮았으나, 2단계 공정 적용 시 2.6kA까지 확대되어 공정 안정성이 비약적으로 향상됨.
3. 복합 다층 용접 성공: 판 두께비 10.9에 달하는 4매 겹침 용접에서도 모든 계면에 건전한 너깃 형성이 가능함을 확인(Fig. 9).

Conclusion

본 연구에서 개발된 ‘2단계 가압-전류 제어’ 기술은 고장력 강판이 다수 포함된 복잡한 차체 구조물의 용접 설계 자유도를 획기적으로 높여줍니다. 이는 전기 서보 용접 시스템의 제어 지능(Intelligent)을 극대화하여 소재 한계를 극복한 사례로 평가됩니다.

Paper Details

1. Overview

Title: Development of Advanced Resistance Spot Welding Process Using Control of Electrode Force and Welding Current during Welding
Authors: R. Ikeda, Y. Okita, M. Ono, K. Yasuda, T. Terasaki
Journal: Journal of Japan Welding Society, Vol. 28, No. 1, pp. 141-148, 2010.

2. Abstract

판 두께 비율이 큰 3매 겹침 조인트의 저항 점 용접 시 박판과 후판 사이의 너깃 형성을 제어하기 위한 최적 공정을 조사하였습니다. 새롭게 개발된 ‘2단계 가압-2단계 전류’ 공정을 통해 박판 접합부의 너깃을 안정적으로 확보하고 용접 전류 범위를 대폭 확대하는 데 성공하였습니다.

3. Main Content Summary

3.1. 실험 결과(Fig. 2): 가압력이 높을수록(4.90kN) 박판 부위에는 열이 전달되지 않아 너깃이 형성되지 않으나, 저가압(1.96kN) 시에는 전극-강판 간 접촉 저항 및 전류 밀도 증가로 박판 쪽 용융이 시작됨을 발견.

3.2. 신공정 개념(Fig. 4): 1단계(Step 1)는 박판 접합을 위한 ‘Trigger’ 역할을 수행하며, 2단계(Step 2)에서 전체 용융부를 키우고 응고시키는 전략적 배분을 구현함.

3.3. 성능 검증: 0.7mm(연강)+2.3mm(780MPa 강판)+2.3mm(780MPa 강판) 조인트에서 십자 인장 시험 후 플러그 파단(Plug failure)을 유도하여 높은 조인트 신뢰성 입증.

Technical Q&A

Q: 왜 ‘1단계’에서 가압력을 낮추는 것이 박판 용접에 유리한가요?

A: 저항 점 용접의 발열량(Q)은 I²Rt에 비례합니다. 가압력을 낮추면 전극과 판 사이의 접촉 면적이 작아져 접촉 저항(R)이 커지고 전류 밀도가 높아집니다. 특히 박판은 열용량이 작아 전극에 의한 냉각 효과(Heat sink)가 큰데, 가압력을 낮춤으로써 전극과의 접촉을 느슨하게 하여 열 손실을 줄이고 동시에 발열량을 극대화하여 빠르게 용융점에 도달하게 만드는 것입니다.

Q: 2단계에서 다시 가압력을 높이는 이유는 무엇입니까?

A: 1단계의 저가압 상태를 오래 유지하면 용융된 금속이 밖으로 튀어나가는 ‘날림(Expulsion/Splash)’ 현상이 발생하여 품질이 저하됩니다. 또한 후판들 사이의 건전한 너깃 형성을 위해서는 강한 압력으로 지지하면서 열을 가두는 과정이 필요하기 때문에, 2단계에서는 가압력을 높여 안정한 상태에서 너깃을 성장시키고 내부 결함을 억제하는 것입니다.

Q: 이 기술을 현장에서 바로 적용할 때 가장 중요한 설비 사양은 무엇입니까?

A: 가장 핵심은 ‘전기 서보 모터 용접 건(Electric Servo Gun)’입니다. 공기압 실린더 방식은 가압력을 순식간에 바꾸는 응답 속도가 느려 1단계와 2단계의 구분이 모호해집니다. 반면 서보 모터는 수십 밀리초(ms) 단위로 가압력을 정밀하게 제어할 수 있어 본 연구의 알고리즘을 완벽하게 수행할 수 있습니다.

Conclusion

본 논문은 차체 조립 공정의 난제 중 하나인 ‘고판 두께비 조인트’ 용접 문제를 하드웨어의 지능적 제어로 해결한 연구입니다.

제시된 2단계 공법은 고장력 강판 적용 확대로 인해 더욱 복잡해지는 미래 자동차 차체 생산 라인에서 불량률을 획기적으로 낮출 수 있는 실질적인 솔루션을 제공합니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Ikeda, R., et al. (2010). Development of Advanced Resistance Spot Welding Process Using Control of Electrode Force and Welding Current during Welding . Journal of Japan Welding Society, 28(1), 141-148.

DOI/Link: https://doi.org/10.2207/qjjws.28.141

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