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저항용접
점·프로젝션·시임·플래시·업셋·퍼커션 6종과 너깃 형성 메커니즘
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저항용접의 발열 원리 — Joule's Law
저항용접은 2개의 금속을 가압한 상태에서 대전류를 흘려, 접촉저항과 모재 고유저항에 의한 Joule열로 용융·접합하는 방법입니다. 발열량은 다음 식으로 계산됩니다.
Q = 0.24 × I² × R × T (cal) 또는 Q = I² × R × T (J)
- Q: 발열량(cal 또는 J)
- I: 전류(A) — 통상 2,000~수십만 A
- R: 저항(Ω) — 접촉저항 + 모재 고유저항
- T: 통전 시간(s) — 통상 수 cycle~수 초
3대 변수(A·S·P): Amperage(전류) · Squeeze pressure(가압력) · Pulse time(통전시간)
전압은 1~10V로 낮고 전류는 매우 큰(저전압·대전류) 방식이며, 이는 가열부 금속 저항이 매우 작기 때문입니다. 전극은 수냉되어 전극-모재 접촉부는 식고, 두 모재 사이의 접촉면(가장 높은 저항점)에서 용융이 일어나 원형 너깃(Nugget)을 형성합니다.
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저항용접 6종 분류
| 구분 | 종류 | 원리 요약 | 대표 적용 |
|---|---|---|---|
| 겹치기 | 점용접(Spot) | 2전극 사이에 판 끼우고 단시간 대전류 통전 | 자동차 차체 |
| 프로젝션(Projection) | 한쪽에 돌기를 만들고 그 부위에 대전류 집중 | 너트·볼트 부착 | |
| 시임(Seam) | 원판 롤러 전극으로 연속 점용접 | 연료탱크, 유밀 이음 | |
| 맞대기 | 플래시(Flash) | 예열→플래시→업셋 3단계, 단면에서 비산 | 레일·파이프 |
| 업셋(Upset) | 단면을 가압한 채 통전하여 가열 후 압접 | 와이어, 체인링크 | |
| 퍼커션(Percussion) | 콘덴서 방전으로 순간 아크 발생 후 가압 | 0.5~2mm 전자단자 |
점용접의 너깃 형성 5단계
1. 초기 접촉저항 R₁ 부위에서 발열 최대
2. 통전 진행 → 접촉저항 감소·모재 고유저항 증가
3. 모재 융점 도달 시점에 용융 개시
4. 용융 면적 확대 → 다른 부분으로 열 이동
5. 통전 종료 후 전극을 통해 냉각 응고 → 너깃 완성
저항 순서: R₁(접촉저항) > R₂(모재) > R₃(전극저항)
전류 파형 제어법: 보통파형 · SLOP 제어(업슬롭/다운슬롭으로 예열·후열) · 어닐링 제어
**계산 예제** — 0.8mm 강판 점용접 시 전류 8,000A, 접촉저항 100µΩ, 통전시간 0.2s에서 발열량은? Q = I²RT = 8000² × 100×10⁻⁶ × 0.2 = **1,280 J** ≈ 306 cal 이 정도 열로 강의 융점 1,500℃에 도달시키려면 가압력·열전도·전극냉각이 정밀하게 조합되어야 합니다.
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전극 재료의 야금학적 분류
전극은 큰 가압력과 대전류를 견디며 열을 빠르게 흡수해야 합니다. RWMA에서 5등급으로 분류:
| RWMA Class | 재질 | 전기전도도(IACS) | 경도 | 연화온도 | 용도 |
|---|---|---|---|---|---|
| Class 1 | Cu-Cd / 순동 | 90% | HRB 60 | 250℃ | AL, 동합금 등 고전도재 |
| Class 2 | Cu-Cr (가장 보편) | 80% | HRB 80 | 500℃ | 저탄소강 (자동차 차체) |
| Class 3 | Cu-Cr-Zr | 75% | HRB 95 | 530℃ | STS·도금강판 |
| Class 4 | Cu-Be(BeryCo) | 50% | HRC 30 | 540℃ | 고온강·내열강 |
| Class 5 | W·Mo 소결 | 30% | HRC 40 | 1000℃+ | 프로젝션 페이싱 |
전극 손실 4유형
1. 열적 악화 — Joule열·너깃 열전도로 전극 변형 (단위시간당 용접횟수에 좌우)
2. 기계적 손실 — 가압 변동, 편심하중에 의한 마모·휨
3. 전기적 손실 — 표면 거칠음·국부 가열·비산에 의한 손실
4. 화학적 손실 — 도금재(Zn 등) 픽업, 전극 합금화 (AL은 가장 심함)
AL 용접 시 전극 드레싱(Dressing) 주기를 짧게 가져야 PICK-UP 현상을 방지할 수 있습니다.
**플래시 vs 업셋 — 헷갈리기 쉬운 구분** - **플래시 용접**: 예열→**플래시(비산)**→업셋 3단계. 단면 자체 청정 효과(SURFACE PREPARATION 불필요). 전류 능력 업셋의 **2배** 필요. 레일·자동차 샤프트. - **업셋 용접**: 단면을 처음부터 가압한 채 통전, **비산 없음**. 단면 평행도 필수. 지름 10mm 이하 한도. 와이어·체인링크. 플래시가 가열속도 빠르고 HAZ가 좁으나 비산물 처리가 필요하고, 업셋은 가열 느리고 HAZ가 넓으나 작업 환경이 깨끗합니다.
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저항용접 영향 인자 (A·S·P 외 추가)
| 인자 | 과소 시 | 과대 시 |
|---|---|---|
| 용접전류 | 융착 불가, 너깃 미생성 | 기공, 강도 저하, 비산 |
| 가압력 | 기포·균열, 단압 부족 | 접촉저항↓ → 발열 부족, 압흔 |
| 통전시간 | 가열 부족, 국부 용융 | 모재 부풀음, 재질 변화, 열손실 |
| 표면 상태 | 산화막 → 국부 과열 | (사전 청정 필수) |
| 전극 형상 | 변형 시 전류밀도 변화 | 접촉면적 확대로 발열 분산 |
장점: 자동화 용이, 작업속도 빠름, 작업자 숙련도 불필요, 표면 돌기 없음, 자외선 무.
단점: 대용량 설비비, 비파괴검사법 없음(파괴시험만 가능), 전원설비 비용, 두께·재질에 따른 조건 설정 필요.
저항용접의 비파괴검사 불가는 시험 빈출 단점입니다. 따라서 양산 라인에서는 파괴시험 샘플링 + 통전 모니터링으로 품질을 관리합니다.
1
용접 조건 설정
재질·두께에 따라 A(전류), S(가압력), P(통전시간)을 결정합니다. 알루미늄은 대전류·단시간, 연강은 중간 전류·중간 시간이 기본입니다. SLOP 제어 필요 시 업슬롭·다운슬롭 시간도 설정합니다.
2
표면 청정 및 전극 점검
모재의 산화막·기름·도장을 제거하고, 전극 팁의 변형·오염을 확인합니다. AL 용접 시 전극 드레싱 주기를 짧게 유지합니다. 전극 수냉수 흐름을 확인합니다.
3
통전 및 너깃 형성
가압 → 스퀴즈 시간 → 통전 → 유지 → 개방 사이클로 진행됩니다. 너깃은 두 판 사이 접촉면에서 형성되어 양측으로 확대됩니다. 비산(Flash)이 발생하면 가압 부족 또는 전류 과다입니다.
4
품질 확인 — 파괴시험
비파괴검사가 불가하므로 샘플링 박리(Peel) 시험·전단 시험으로 너깃 직경·강도를 확인합니다. 일반적으로 너깃 직경은 **5√t (t=판두께)** 이상을 목표로 합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
저항용접의 발열량 식 Q = I²RT에서 시간 0.2초·전류 8,000A·접촉저항 100µΩ일 때 발열량은?