점용접 및 심용접 이해: 기술, 응용 분야 및 장비

저항 점용접(RSW): 공정 개요

저항 점 용접은 겹침 이음매의 접합면을 전기 저항에 의해 발생하는 압력과 열을 이용하여 접합하는 공정입니다. 발생된 열은 구리 합금 또는 구리-텅스텐 복합재로 제작된 마주보는 전극에 의해 용접 부위에 집중됩니다. 구리 합금은 높은 전도성 때문에 널리 사용되며, 구리-텅스텐 복합재는 내마모성이 뛰어나 까다로운 환경에서 사용하기에 적합합니다.

용접봉은 기본적으로 용접 품질과 크기를 좌우합니다. 용접봉 끝부분이 둥근 모양이 가장 흔하게 사용되지만, 육각형이나 사각형과 같은 다양한 모양의 용접봉도 특수한 용도를 위해 개발되었습니다. 또한, 용접봉 내부에 수냉 통로가 있어 용접 중 발생하는 열을 줄여 수명을 연장하는 용접봉도 있습니다.

저항 점 용접은 자동차 제조와 같은 산업 분야에서 폭넓게 활용됩니다. 자동차 차체 하나를 제작하는 데 약 10,000개의 점 용접이 필요하며, 가전제품, 금속 가구, 기타 판금 제품 생산에도 일반적으로 사용됩니다. 전 세계적으로 매년 수천만 대의 자동차가 생산되는 만큼, 대량 생산에서의 활용도는 저항 점 용접의 경제적, 산업적 중요성을 보여줍니다.

스폿 용접 장비

점용접 장비에는 크게 로커암 용접기, 프레스형 용접기, 휴대용 점용접기의 세 가지 유형이 있습니다. 각 유형은 특정 용도에 가장 적합합니다.

아래 그림과 같은 로커암 스폿 용접기는 비교적 작은 공작물을 용접하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 이 용접기는 고정된 하부 전극과 로커암에 장착된 부유식 상부 전극으로 구성됩니다. 상부 전극의 움직임은 발 페달로 제어되며, 작업자는 페달을 밟아 전극을 올리거나 내리면서 공작물을 적재 및 하역하는 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 용접기는 가벼운 작업에 적합하며, 최신 모델에는 용접 주기 동안 힘과 전류를 제어하는 ​​프로그래밍 가능한 제어 장치가 포함되어 있는 경우가 많습니다.

                   로커 암 머신

크고 무거운 공작물에는 프레스형 스폿 용접기가 최적의 선택입니다. 이 장비는 고정식이며, 공압식 또는 유압식으로 구동되는 수직 프레스를 사용하여 상부 전극을 직선으로 이동시킵니다. 이러한 설계 덕분에 더 높은 힘을 가할 수 있고 더욱 복잡한 용접 사이클을 수행할 수 있어 대규모 산업 현장에 필수적입니다.

고정식 스폿 용접기를 사용하여 크고 무거운 부품을 용접하기 어려운 상황에서는 수동식 휴대용 용접기가 효과적인 해결책이 될 수 있습니다. 이 경량 용접기는 집게형 메커니즘에 마주 보는 전극이 장착되어 있어 작업자나 산업용 로봇이 쉽게 조작할 수 있습니다. 휴대용 용접기는 유연한 케이블과 호스를 통해 전원 및 제어 시스템에 연결되며, 전극 냉각을 위한 수냉식 시스템을 추가할 수도 있습니다. 이러한 뛰어난 적응성 덕분에 자동차 조립 공장에서도 널리 사용되며, 특히 로봇 제어 하에 차체 용접에 많이 활용됩니다.

스폿 용접 공정

점 용접 공정은 용접 사이클이라고 불리는 일련의 단계로 구성되며, 부품 삽입, 힘 적용, 용접 시간 제어 및 냉각을 포함합니다. 사이클의 각 단계는 견고하고 신뢰할 수 있는 용접을 얻는 데 중요합니다. 점 용접 사이클의 단계는 아래 그림에 나와 있습니다.

용접 주기 
1. 부품 침수 및 주요 접촉
금속 부품은 두 개의 구리 전극 사이에 놓입니다. 그런 다음 전극에 약간의 압력을 가하여 금속 표면에 살짝 접촉시킵니다. 미세한 수준에서 금속 표면은 결코 매끄럽지 않으므로 처음에는 돌출된 부분만 접촉하게 됩니다. 이러한 지점에서 적절한 접촉 압력이 가해지면 산화층이 파괴되고 금속 간 연결부가 형성됩니다. 용접 일정은 전류가 흐르기 전에 전극에 가해지는 힘이 목표 용접력의 95%에 도달할 수 있도록 충분한 시간을 확보하여 일관성과 정확성을 보장합니다.

2. 용접 전류 적용
필요한 압력에 도달하면 매우 짧은 시간 동안 전극을 통해 높은 전류를 흘려보냅니다. 금속 전체를 통과하는 전류는 넓은 영역으로 퍼지지만, 금속이 서로 접촉하는 계면에서는 금속 브리지를 통해 전류가 흐르게 되며, 이 지점의 전류 밀도가 매우 높아집니다. 이 지점의 높은 전류 밀도는 금속 브리지를 녹일 만큼 충분한 열을 발생시킵니다.

초기 연결부가 녹아 무너지면 금속 표면의 다른 돌출부가 서로 접촉하여 새로운 연결부를 형성합니다. 용융 금속의 저항은 새로 형성된 연결부보다 높기 때문에 전류는 새로 형성된 경로로 이동합니다. 이러한 연결부 간의 전이 과정은 전체 계면이 녹고 너깃이 형성될 때까지 반복됩니다.

용접 부위에 가해지는 에너지량은 재료의 저항, 전류의 크기, 용접 시간에 따라 달라집니다. 에너지량 사이에는 균형이 필요합니다. 에너지량이 너무 적으면 불완전한 용융으로 인해 용접 부위가 약해지고, 에너지가 과도하면 과용융이 발생하여 용융된 재료가 분출되거나 심지어 용접 부위에 구멍이 뚫릴 수도 있습니다.

3. 냉각 및 응고

전류가 차단되면 용융 금속이 냉각되어 압력 하에서 응고될 수 있도록 짧은 시간 동안 전극에 압력이 유지됩니다. 대부분의 용접 시스템에서 전극에는 냉각 구멍이 있어 공작물을 국부적으로 냉각시켜 냉각 속도를 높입니다.

이 공정 단계가 끝나면 직경 4~7mm의 둥근 너깃이 형성됩니다. 이러한 너깃은 판재 양면에 용접 비드가 생기지 않고 견고한 접합부를 만들어 가공물의 구조적 무결성과 표면 외관을 유지합니다.

저항 솔기 용접(RSEW)

저항심용접(RSEW)은 막대 모양의 전극 대신 회전하는 휠을 사용하는 저항점용접의 더욱 발전된 형태입니다(아래 그림 참조). 이러한 방식은 겹침 이음매에 여러 개의 용접부를 형성하여 견고하고 누출 없는 이음매를 보장합니다. 저항심용접은 탱크 제작, 자동차 머플러 제조, 기타 판금 용기 제조에 널리 사용됩니다. 또한 여러 산업 분야에서 내구성이 뛰어나고 밀폐된 부품을 제조하는 데 매우 중요한 접합 공정으로 자리매김하고 있습니다.

주요 프로세스 세부 정보

이음매 용접 작업은 일반적으로 연속적으로 수행되며, 날카로운 모서리나 불연속부로 인해 발생하는 문제를 방지하기 위해 이음매는 직선이거나 균일한 곡률을 가져야 합니다. 용접 작업 시 주요 문제점인 뒤틀림을 방지하고 공작물의 위치를 ​​고정하기 위해서는 지그가 필요합니다.
아래 그림은 RSEW의 세 가지 변형(연속 동작 용접, 롤 스폿 용접 및 연속 심 용접)을 도식적으로 나타낸 것입니다.

이러한 기법들은 해당 과정의 유연성을 보여줍니다.

연속 동작 용접이 공정은 전극 휠이 일정한 속도로 연속적으로 회전하고 용접 전류가 규칙적인 간격으로 맥동하는 주요 과정입니다. 이러한 타이밍 조절을 통해 겹치는 용접 너깃이 생성되어 일관되고 견고한 용접 이음매가 만들어집니다.
구름저항 점용접이 방법은 용접 전류 펄스 주파수를 낮춰 용접 너깃 사이에 간격을 두는 것을 포함합니다. 따라서 이음매를 따라 간헐적인 용접점이 생성되며, 용접 연속성이 덜 필요한 경우에 가장 적합합니다.
연속 이음매 용접이 방식에서는 용접 전류가 연속적으로 흐르므로 접합부를 따라 완전히 끊김 없는 이음매가 생성됩니다.
또 다른 방법인 간헐 동작 용접은 전극 휠을 주기적으로 멈추면서 용접을 진행합니다. 휠은 멈추는 동안 회전하므로 용접 너깃 사이의 간격이 위 그림 a)와 b)와 같은 패턴을 만들 수 있습니다.

장비 및 냉각

심 용접기는 프레스형 점 용접기와 유사하지만, 전극이 막대 모양이 아닌 바퀴 모양이라는 점이 다릅니다. RSEW(회전식 심 용접)에서는 공작물과 전극 휠의 과열을 방지하기 위해 냉각이 필수적입니다. 이는 전극 휠에 인접한 공작물 표면의 위쪽과 아래쪽에 물을 분사함으로써 가능합니다.

점용접과 심용접의 비교 요약