KR101277886B1 - 인장강도 1ＧＰａ급 고장력강 및 상기 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법 - Google Patents

인장강도 1ＧＰａ급 고장력강 및 상기 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인장강도 1GPa급 고장력강은 중량%로, 탄소(C): 0.07 ~ 0.13%, 망간(Mn): 1.4 ~ 1.9%, 인(P): 0.014% ~ 0.01, 황(S): 0.004 ~ 0.006%, 규소(Si): 0.03 ~ 0.1%, 알루미늄(Al): 0.04 ~ 0.06%, 세륨(Ce): 0.27 ~ 0.47%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

Description

인장강도 1ＧＰａ급 고장력강 및 상기 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법{1GPa GRADE HIGH TENSION STEEL AND WELDING METHOD FOR SOFTENED REGION REDUCTION OF THE STEEL}
본 발명의 실시예들은 연화부 감소를 위한 용접 조건을 구현할 수 있는 인장강도 1GPa급 고장력강 및 상기 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법에 관한 것이다.
지구 온난화 문제가 급부상하면서 차량의 대기가스 배출규제도 강화되고 있다. 차량의 대기가스를 감소하려는 노력으로 대두되는 차량 경량화는 여러 가지 방안들이 실현되고 있는데, 그 중에서 차량에 사용되는 강판의 무게를 감량하면서 동시에 자동차 강판의 강도를 상승시키는 시도가 함께 이뤄지고 있다.
자동차 강판의 강도 향상을 위하여, 각종 고장력 강판 개발이 활성화 되고 있으며, 최근에는 차량 한대에 소요되는 고장력 강판의 비율이 50%을 상회하는 추세에 이르고 있다. 그리고 차량의 안정성을 요구하는 특성을 만족하기 위하여 고장력 자동차 강판의 수요는 더욱 더 급격하게 증가되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 고장력강 용접 시, 용접 속도 증가에 의한 입열량 감소(마르텐사이트의 템퍼링 정도 감소)를 통해 열영향부(HAZ)를 감소 혹은 소멸시킬 수 있으며, 이를 통해 열영향부 폭 및 연화정도를 감소시킬 수 있는 인장강도 1GPa급 고장력강 및 상기 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 빠른 용접 속도를 통해 제품 생산성을 향상시킬 수 있는 인장강도 1GPa급 고장력강 및 상기 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인장강도 1GPa급 고장력강은 중량%로, 탄소(C): 0.07 ~ 0.13%, 망간(Mn): 1.4 ~ 1.9%, 인(P): 0.014% ~ 0.01, 황(S): 0.004 ~ 0.006%, 규소(Si): 0.03 ~ 0.1%, 알루미늄(Al): 0.04 ~ 0.06%, 세륨(Ce): 0.27 ~ 0.47%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
상기 고장력강은 중량%로, 크롬(Cr): 0.2 ~ 0.5%를 더 포함할 수 있다.
상기 고장력강은 중량%로, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.3%를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법은 레이저 파워 출력: 3.2 ~ 3.8kW, 초점 거리: 0mm로 고정 후, 완전 용입이 일어나는 용접 속도 범위 내에서 용접 속도를 변화시켜, 상기 인장강도 1GPa급 고장력강에 대한 비드 온 플레이트 용접(Bead On Plate Welding)을 실시한다.
상기 완전 용입이 일어나는 용접 속도 범위는 1.5 ~ 5.4m/min인 것이 바람직하다.
상기 비드 온 플레이트 용접은 Nd:YAG 레이저에 의해 수행될 수 있다.
상기 용접 방법은 보호가스를 사용하지 않는 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고장력강 용접 시, 용접 속도 증가에 의한 입열량 감소(마르텐사이트의 템퍼링 정도 감소)를 통해 열영향부(HAZ)를 감소 혹은 소멸시킬 수 있으며, 이를 통해 열영향부 폭 및 연화정도를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 빠른 용접 속도를 통해 제품 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 용접 속도를 변화시키면서 용접을 실시한 실험 사진이다.
이하에서는 본 발명을 상세히 설명한다.
최근, 자동차용 소재로 상용화되고 있는 고장력강인 DP, TRIP강 등은 높은 강도와 우수한 가공성 때문에 차세대 자동차용 소재로 각광을 받고 있다. 한편, 레이저 용접은 열변형이 적고 용접속도가 빠르기 때문에 자동차 조립 및 부품 제조 공정에서의 적용이 증가하고 있다.
따라서, 인장강도 400 ~ 800MPa급 DP강을 비롯하여, TRIP, TWIP, 석출경화형 강과 같은 고장력 강판에 대한 CO2, Diode, Nd:YAG 레이저 용접에 관한 연구는 지속적으로 진행되어 왔다.
최근에는 인장강도 1GPa급 이상의 고강도강의 자동차 부품 적용 및 이들 소재의 용접법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이들 결과 중, 1GPa급 고장력강의 Nd:YAG 레이저 용접 시 발생하는 연화부에 대한 보고가 있다. 연화부의 경우, DP강, TRIP의 인장강도 증가에 따른 템퍼링 가능한 마르텐사이트 분율의 증가에 연유한 것이라 판단된다.
그러나 연화부의 존재가 당장 기계적 성질의 저하를 야기하지는 않으나, 연화부에 수직한 방향으로 하중 작용 시 이들 연화부에서 파단이 발생하기 때문에 실제 이들 소재가 자동차 등의 부품에 적용되었을 때에 적잖은 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 인장강도 1GPa급 고장력강 및 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해, 본 발명의 인장강도 1GPa급 고장력강은 중량%로, 탄소(C): 0.07 ~ 0.13%, 망간(Mn): 1.4 ~ 1.9%, 인(P): 0.014% ~ 0.01, 황(S): 0.004 ~ 0.006%, 규소(Si): 0.03 ~ 0.1%, 알루미늄(Al): 0.04 ~ 0.06%, 세륨(Ce): 0.27 ~ 0.47%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
또한, 본 발명의 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법은 보호가스를 사용하지 않고, 레이저 파워 출력: 3.2 ~ 3.8kW, 초점 거리: 0mm로 고정 후, 완전 용입이 일어나는 용접 속도 범위 내에서 용접 속도를 변화시켜, 상기 인장강도 1GPa급 고장력강에 대한 비드 온 플레이트 용접(Bead On Plate Welding)을 실시하는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 상기와 같은 조성을 갖는 고장력강 용접 시, 용접 속도 증가에 의한 입열량 감소(마르텐사이트의 템퍼링 정도 감소)를 통해 열영향부(HAZ)를 감소 혹은 소멸시킬 수 있으며, 이를 통해 열영향부 폭 및 연화정도를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 빠른 용접 속도를 통해 제품 생산성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 인장강도 1GPa급 고장력강의 조성범위에 대하여 구체적으로 설명한다.
탄소(C)의 함량은 0.07 ~ 0.13 중량%가 바람직하다.
상기 탄소는 강중의 고용 원소로서, 강도의 증가에 필수적인 원소이지만, 그 함량이 0.13 중량%를 초과할 경우에는 포정역 성분계로 분류되어 연주의 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 상기 탄소의 함량은 최대 0.13 중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
상기 탄소는 함량이 0.07 중량% 미만의 경우에는 원하는 인장강도를 확보하기 어려워진다. 따라서, 상기 탄소의 함량은 강도 확보에 필요한 최소량인 0.07 중량% 이상인 것이 바람직하다.
망간(Mn)의 함량은 1.4 ~ 1.9 중량%가 바람직하다.
상기 망간은 강중의 고용 원소로, 탄소와 함께 판재의 기계적 성질을 향상 시키는데 사용되며, 주로 인장 강도의 증가와 연관이 깊다.
상기 망간의 함량이 1.4 중량% 미만일 때는 원하는 강도(1GPa) 이상을 얻기가 어렵다. 따라서, 상기 망간의 함량은 최소 1.4 중량% 이상인 것이 바람직하다.
상기 망간의 함량이 1.9 중량%를 초과하여 과잉 첨가되면 강의 가공성에 영향을 준다. 따라서, 상기 망간의 함량은 1.9 중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 망간의 함량 범위는 1.4 ~ 1.9 중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
인(P)의 함량은 0.01 ~ 0.014 중량%가 바람직하다.
상기 인은 강중의 강도를 향상 시킬 수 있는 고용 원소로서, 그 함량이 증대 됨에 따라 강의 강도는 증가한다. 그러나, 상기 인의 함량이 상기 범위(0.01 ~ 0.014 중량%)를 벗어나면 강중의 편석이 증대하여, 중심 편석 및 미세 편석을 발생시켜, 재질에 좋지 않은 영향을 주며, 성형 후 일정 시간이 지난 후에 파괴가 지연되는 지연 파괴의 원인이 되기도 한다.
황(S)의 함량은 0.004 ~ 0.006 중량%가 바람직하다.
황(S)은 Mn와 반응하여 미세한 MnS의 석출물을 형성한다. 이러한 황의 함량이 0.004 중량% 미만의 경우에는 상기한 석출물의 석출량이 적을 뿐만 아니라 석출되는 석출물의 숫자가 매우 적다. 따라서, 상기 황의 함량은 0.004 중량% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 Mn의 함량이 적으므로 황의 함량이 0.006 중량% 초과의 경우에는 고용된 황의 함량이 많아 연성 및 성형성이 크게 낮아지며, 적열취성의 우려가 있다. 따라서, 상기 황의 함량은 0.006 중량% 이하인 것이 바람직하다.
규소(Si)의 함량은 0.03 ~ 0.1 중량%인 것이 바람직하다.
상기 규소는 상기 탄소(C) 및 상기 망간(Mn)과 함께 강의 강도를 확보해주는 중요한 원소로서, 그 함량은 0.03 ~ 0.1 중량%로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 함량의 규소를 첨가 시, 상기 고장력강의 강도를 확보해줄 뿐만 아니라 템퍼링시 연화저장항을 증대시켜줄 수도 있다.
알루미늄(Al)의 함량은 0.04 ~ 0.06 중량%인 것이 바람직하다.
상기 알루미늄은 질소(N)과 반응하여 미세한 AlN 석출물을 형성하여 결정립 미세화와 더불어 석출 강화에 의한 강도 향상 효과를 가질 수 있다.
상기 알루미늄의 함량이 0.04% 미만의 경우에는 AlN 석출물의 양이 줄어들어 충분히 강도를 확보할 수 없다. 따라서, 상기 알루미늄의 함량은 0.04% 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 알루미늄의 함량이 0.06% 초과의 경우에는 연주에 어려움이 있어 생산성을 떨어뜨리며 항복강도가 지나치게 상승할 수 있다. 따라서, 상기 알루미늄의 함량은 0.06% 이하인 것이 바람직하다.
세륨(Ce)의 함량은 0.27 ~ 0.47 중량%인 것이 바람직하다.
상기 세륨은 용접금속 내부에 비금속 개재물의 형성 및 조직 미세화 효과로 용착금속내의 확산성 수소를 트래핑(Trapping)할 뿐만 아니라, 아크 길이를 제어해 아크중 와이어 및 용적으로부터 확산성 수소의 방출을 용이하게 하여 확산성수소량을 줄이는데 0.27% 이상이 효과적이지만 0.47%를 초과하면 아크가 불안정해지고 아크 길이도 너무 길어져 용접작업성에 악영향을 미치고 확산성 수소량도 증가한다. 따라서, 상기 세륨의 함량은 0.27 ~ 0.47 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)의 함량은 0.2 ~ 0.5 중량%인 것이 바람직하다.
상기 크롬은 강도와 인성을 지배하는 원소로서, 탄소의 활동도를 저하함으로써 탈탄을 방지한다. 하지만, 상기 크롬의 함량이 0.5%를 초과하면 강의 열처리후 소려연화특성을 조장하기 때문에, 그 상한은 0.5%로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 상기 크롬의 함량을 0.2 ~ 0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)의 함량은 0.2 ~ 0.3 중량%인 것이 바람직하다.
상기 몰리브덴은 0.2% 이상 첨가됨으로써 고온강도를 높이고 뜨임취성에 대한 저항성을 높인다. 그러나, 몰리브덴은 그 함량이 0.3%를 초과할 때에는 용접성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 몰리브덴의 함량은 0.2 ~ 0.3%로 제한하는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 단계(110)에서 레이저의 파워 출력을 3.2 ~ 3.8kW 범위 내의 값으로 고정하고, 초점 거리를 0mm로 고정한다. 이때, 상기 레이저로는 Nd:YAG 레이저가 사용될 수 있다.
다음으로, 단계(120)에서 완전 용입이 일어나는 용접 속도 범위 내에서 용접 속도를 변화시킨다. 즉, 1.5 ~ 5.4m/min 범위에서 용접 속도를 변화시킨다. 이처럼 용접 속도를 변화시킴으로써, 용접 속도 증가에 의한 입열량 감소(마르텐사이트의 템퍼링 정도 감소) 등의 효과를 얻을 수 있어, 열영향부(HAZ) 및 연화부의 감소를 위한 용접 조건을 구현할 수 있다.
다음으로, 단계(130)에서 상기 인장강도 1GPa급 고장력강에 대한 비드 온 플레이트 용접((Bead On Plate Welding)을 실시한다. 이때, 용접은 상기 용접 속도를 변화시키면서 실시할 수 있는데, 그에 따른 용접 실험 결과는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같다.
즉, 도 2 내지 도 7에서는 용접 속도를 1.5m/min에서부터 3.6m/min까지 변화시키면서 비드 온 플레이트 용접을 실시하였다. 상기 실험 결과, 용접 속도가 증가됨에 따라 입열량이 감소하여 고장력강의 열영향부 감소 효과를 얻을 수 있으며, 이를 통해 열영향부 폭 및 연화정도 감소를 꾀할 수 있게 된다.
참고로, 도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 용접 속도를 변화시키면서 용접을 실시한 실험 사진이다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
아래의 표 1에서와 같은 조성을 갖는 3종류의 강재를 제조하였다.
[표 1]
Figure 112011049466465-pat00001
상기 표 1에서 보이는 바와 같은 성분계별 조성을 가지는 고장력 강판의 시편 F1, F2, F3에 대해 하기와 같은 용접 조건에 따라 용접을 실시하였다.
용접 조건
- Laser system: Nd:YAG Laser(Max. 4kW)
- Shielding gas: Non-shielded
- Laser power: 3.5kW
- Focus distance: 0mm
- Laser welding speed: 1.5, 1.8, 2.1, 2.4, 3.0, 3.6, 4.5, 5.4m/min
-Bead on plate welding
상기와 같은 용접 실시 결과, 표 1에서 보이는 바와 같이, 각각의 시편은 인장강도(Hardness)가 증가하고, 인장강도 증가에 따른 템퍼링 가능한 마르텐사이트 분율(fMart)이 증가하였음을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 고장력강 용접 시, 용접 속도 증가에 의한 입열량 감소(마르텐사이트의 템퍼링 정도 감소)를 통해 열영향부(HAZ)를 감소 혹은 소멸시킬 수 있으며, 이를 통해 열영향부 폭 및 연화정도를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 빠른 용접 속도를 통해 제품 생산성을 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 레이저 파워 출력 및 초점 거리 고정 단계
120: 용접 속도 변화 단계
130: 비드 온 플레이트 용접 실시 단계

Claims (7)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.07 ~ 0.13%, 망간(Mn): 1.4 ~ 1.9%, 인(P): 0.014% ~ 0.01, 황(S): 0.004 ~ 0.006%, 규소(Si): 0.03 ~ 0.1%, 알루미늄(Al): 0.04 ~ 0.06%, 세륨(Ce): 0.27 ~ 0.47%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고장력강은
    중량%로, 크롬(Cr): 0.2 ~ 0.5%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고장력강은
    중량%로, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.3%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 인장강도 1GPa급 고장력강의 용접 방법에 있어서,
    레이저 파워 출력: 3.2 ~ 3.8kW, 초점 거리: 0mm로 고정 후, 완전 용입이 일어나는 용접 속도 범위 내에서 용접 속도를 변화시켜, 상기 인장강도 1GPa급 고장력강에 대한 비드 온 플레이트 용접(Bead On Plate Welding)을 실시하는 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 완전 용입이 일어나는 용접 속도 범위는
    1.5 ~ 5.4m/min인 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 비드 온 플레이트 용접은
    Nd:YAG 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 용접 방법은
    보호가스를 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 인장강도 1GPa급 고장력강의 연화부 감소를 위한 용접 방법.
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Title
장진영, 1000MPa급 DP강의 Nd:YAG 레이저 용접부의 기계적 성질과 성형성에 미치는 용접 속도의 영향, 대한용접접합학회지 제27권 제2호, 2009.04. *

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