KR101999820B1

KR101999820B1 - 경화가능한 강으로 만들어지며 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 기반의 코팅을 포함하고 있는 시트 금속 반제품을 제조하기 위한 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR101999820B1
Application number: KR1020187007897A
Authority: KR
Inventors: 아른트 브로이어; 크리스티안 보트
Original assignee: 위스코 테일러드 블랑크스 게엠베하
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2019-07-12
Also published as: HUE057186T2; ZA201800658B; PT3352940T; CA2999105C; US20180326538A1; KR20180033593A; US10543565B2; EP3352940B1; RU2680485C1; CA2999105A1; DE102015115915A1; KR20190026985A; BR112018002126A2; PL3352940T3; EP3352940A1; BR112018002126B1; MX2018001700A; JP2018534143A; JP6430070B2; CN108025400B

Abstract

본 발명은 열간 성형가능한 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상이한 재료 등급 및/또는 두께를 갖는 적어도 두 개의 강판(1. 2')이 레이저 용접에 의해 맞대기 이음으로 함께 결합된다. 적어도 하나의 시트는 프레스-경화가능한 강으로 제조되고 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 기반의 금속 코팅(1.1, 2.1)을 구비한다. 본 발명에 따라, 함께 용접될 시트 에지에 의해 한정되는 적어도 0.15 mm의 평균 폭(b)을 가진 간극(G)을 두고 강판(1, 2')이 서로 용접된다. 레이저 빔에 의해 용융되는 강판 재료의 체적에 대한 상기 간극(G)에 도입되는 필러 와이어 체적의 비율이 적어도 20%가 되도록, 필러 와이어(8) 재료가 상기 간극(G)에 도입된다. 본 발명에 따른 방법은 서로 용접될 시트의 에지로부터 코팅을 미리 제거할 필요가 없으며, 따라서 비용면에서 상당한 이점을 제공한다.

Description

경화가능한 강으로 만들어지며 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 기반의 코팅을 포함하고 있는 시트 금속 반제품을 제조하기 위한 레이저 용접 방법

본 발명은 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품(tailor-made semi-finished sheet metal product)을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 방법에서 상이한 재료 등급 및/또는 두께를 갖는 적어도 두 개의 강판이 맞대기 이음으로 레이저 용접에 의해 접합되고, 상기 시트 금속 중 적어도 하나는 프레스-경화가능한 강으로 제조되고 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 기반의 금속 코팅을 포함하며, 상기 레이저 용접은 오직 적어도 하나의 레이저 빔에 의해서만 생성되는 용접 용융물에 필러 와이어가 공급되면서 실행되고, 필러 와이어는 실질적으로 알루미늄이 없으며 오스테나이트의 형성을 촉진하고 프레스-경화가능한 강에 있는 것보다 적어도 0.1 중량% 많은 함량으로 필러 와이어 내에 존재하는 적어도 하나의 합금 원소를 함유하며, 필러 와이어는 상기 용접 용융물에 공급되기 전에 가열 장치에 의해 가열된다.

강판으로 만들어진 맞춤형 블랭크("테일러드 블랭크"로 지칭함)는 차체 중량을 가능한 한 낮게 유지하면서 충돌 안전과 관련된 높은 요건을 충족시키기 위하여 자동차 제조에 사용된다. 이 목적을 위해, 상이한 재료 등급 및/또는 시트 두께의 개별 블랭크 또는 스트립이 맞대기 이음으로 레이저 용접에 의해 서로 결합된다. 이 방식으로, 차체 구성요소의 상이한 지점들이 상이한 하중에 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 두꺼운 또는 고강도 강판은 높은 하중을 받는 지점에 사용될 수 있으며 얇은 시트 또는 상대적으로 낮은 딥 드로잉 등급의 시트는 나머지 지점에 사용될 수 있다. 이러한 유형의 맞춤형 강판 블랭크로 인해, 추가적인 보강 부품이 차체에 필요하지 않다. 이것은 재료를 절약하고 차체의 전체 중량을 감소시키는 것을 가능하게 한다.

현대의 차체 제조에서, 열간 성형 및 급냉 중에 높은 강도, 예를 들어 1,500 내지 2,000 MPa 범위의 인장 강도를 달성하는 망간-붕소 강이 사용된다. 초기 상태에서, 망간-붕소 강은 전형적으로 페라이트-펄라이트 미세조직을 갖고 있으며 약 600 MPa의 인장 강도를 나타낸다. 그러나, 프레스 경화에 의해, 즉 강을 오스테나이트화 온도로 가열하고 후속해서 급속 냉각시킴으로써 마르텐사이트 미세조직이 생성될 수 있으므로, 이러한 방식으로 처리된 강은 1,500 내지 2,000 MPa 범위의 인장 강도에 도달할 수 있다.

그 중에서도 부식 방지와 관련한 이유로, 강판은 금속 부식 방지층으로 코팅되어 있다. 테일러드 블랭크를 제조하기 위한 프레스-경화가능한 강판에는 일반적으로 알루미늄-실리콘에 기초한 금속 코팅이 제공된다. 이 경우, 금속 코팅은 금속 간 합금으로 만들어진 내층과 금속 합금으로 만들어진 외층으로 구성된다. 그러나, 이러한 종류의 코팅된 강판의 사용과 관련한 중요한 곤란성이 있다. 이것은 코팅된 강 블랭크를 용접할 때 일부 AlSi 코팅이 맞대기 이음에서 생성된 용접 용융물에 들어갈 수 있고, 블랭크가 오스테나이트화 되고 담금질한 후에도 여전히 존재하는 취성의 금속간 상 또는 페라이트 영역을 형성할 수 있기 때문이다. 정적 또는 동적 조건 하에서 이후의 역학적 하중은, 때때로 상기 금속간 상 또는 페라이트 영역들에서 용접 이음매 파손 또는 파괴를 초래한다. AlSi 코팅의 일부가 용접 용융물에 유입되는 것을 방지하기 위해, 용접이 실행되기 전에 용접할 블랭크 에지의 테두리 영역으로부터 코팅을 제거하는 것이 이미 제안되었다. 그러나, 이러한 추가 공정 단계는 비용과 시간이 많이 소요된다.

EP 2 007 545 B1은 AlSi 코팅으로부터 외부의 금속 합금 층만을 제거하는 것을 제안하는데, 이 외층은 브러시 또는 레이저 빔에 의해 비교적 간단한 방식으로 박리될 수 있다. 이 경우에, 대조적으로 상당히 얇고 제거하기 어려운 금속간 합금 층은 용접될 강판에 남아있게 된다. 그러나, 코팅의 이러한 부분적인 제거는 또한 비용이 많이 들고 시간 소모적이다. 또한, EP 2 007 545 B1에 따라 코팅이 부분적으로 제거된 강 블랭크를 용접하는 경우, 용접 용융물에 유입되는 금속간 합금 층으로부터의 알루미늄의 양은 용접 이음매의 경화능의 감소가 때때로 확인되기에 여전히 충분히 높은 것일 수 있다.

또한, 테일러드 블랭크의 레이저 용접은 하중을 지탱하는 시트 금속 단면의 감소를 때때로 초래한다. 용접될 강판이 소정 크기로 절단될 때 발생하는 절단 간극으로 인해, 용접 이음매에서 상부층이 가끔 수축 및/또는 용접 밑부분이 때때로 오목하게 된다. 이 문제는 동일한 시트 두께 및 상이한 재료 등급을 갖는 시트의 조합에서 주로 나타난다. 냉간 성형을 위한 테일러드 블랭크와는 달리, 노에서 열처리하고 담금질한 후, 열간 성형을 위한 테일러드 블랭크의 용접 이음매는 시트의 강 재료와 비교하여 증가된 강도를 갖지 않는다. 냉간 성형을 위한 테일러드 블랭크에서, 강도의 증가는 감소한 시트 금속 단면의 영향을 보상할 수 있다. 이것은 열간 성형을 위한 테일러드 블랭크에서 통상적으로 가능하지 않다.

EP 1 878 531 B1은 망간-붕소 강으로 제조되고 알루미늄을 함유한 코팅을 갖는 블랭크들이 맞대기 이음으로 상호 연결되는 레이저 아크 하이브리드 용접 방법을 개시하고 있으며, 맞대기 이음부에서 금속을 용융시키고 블랭크를 서로 용접하기 위해서 레이저 빔은 적어도 하나의 전기 아크와 조합된다. 이 경우에, 아크는 텅스텐 용접 전극에 의해 방전되거나 필러 와이어의 단부에서 MIG 용접 토치를 사용하여 형성된다. 필러 와이어는 용접 이음매 미세조직의 오스테나이트 변태를 촉진하고 경화능을 촉진하는 합금 원소(예컨대 Mn 및 Ni)를 함유할 수 있다. 이 하이브리드 용접 방법은 망간-붕소 강으로 만들어지고, 열간 성형할 수 있으며 알루미늄-실리콘을 기초로 하는 코팅을 구비한 블랭크를 생성될 용접 이음매의 영역에서 사전에 코팅을 제거하지 않은 채 용접하는 것을 가능하게 하며, 동시에 블랭크의 맞닿는 에지의 알루미늄이 용접 이음매에서 부품의 인장 강도를 감소시키지 않는 것을 보장한다. 레이저 빔 후에 전기 아크를 제공하는 것은 용접 용융물을 균질화하고 따라서 페라이트 미세조직을 생성하는 1.2 중량% 이상의 국소적인 알루미늄 농도가 제거된다.

그러나, 레이저 빔 아크 하이브리드 용접 방법은 상대적으로 느리고 추가 아크가 발생하기 때문에 에너지 소비 측면에서 비용이 많이 든다. 또한, 이 방법은 두꺼운 이음매 및 연장된 밑부분을 갖는 매우 넓은 용접 이음매를 생성한다.

또한, 본 출원인에 의한 DE 10 2012 111 118 B3은 망간-붕소 강(MnB 강)으로 만들어진 피용접재를 레이저 용접하기 위한 방법을 개시하고 있다는, 이 방법에서 피용접재는 두께가 적어도 1.8 mm이고 및/또는 맞대기 이음부에서 적어도 0.4 mm의 두께 차이가 있으며, 레이저 용접은 오직 레이저 빔에 의해서만 생성되는 용접 용융물에 필러 와이어가 공급되는 동안 실행된다. 이 방법에서, 용접 이음매가 마르텐사이트 미세조직을 갖도록 열간 성형 중에 확실하게 경화될 수 있는 것을 보장하기 위하여, 필러 와이어는 용접 용융물에서 오스테나이트의 형성을 촉진하는 망간, 크롬, 몰리브덴, 실리콘 및/또는 몰리브덴을 포함하는 그룹으로부터 적어도 하나의 합금 원소를 함유하며, 상기 합금 원소는 피용접재의 프레스-경화가능한 강의 함량보다 적어도 0.1 중량% 높은 함량으로 필러 와이어에 존재한다. 이 경우, 피용접재는 레이저 용접이 실행되기 전에 용접될 인접하는 에지를 따라 테두리로부터 제거되는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘에 기초한 금속 코팅을 포함할 수 있다. 또한, 이 방법에서 필러 와이어는 용접 용융물에 공급되기 전에, 적어도 길이 방향 부분에서 적어도 50℃의 온도로 가열된다. 이 방법은 실제로 성공적으로 입증되었다. 그러나, 용접될 강판의 테두리에서 금속 코팅을 제거하기 위해 레이저 방사 또는 기계적 삭마를 이용하는 것은 매우 고비용이며 시간 소모적이다.

본 발명의 목적은 상이한 재료 등급 및/또는 두께의 강판들을 레이저 용접하는 방법을 제공하는 것이며, 강판들 중의 적어도 하나의 시트는 경화가능한 강으로 제조되고, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘에 기초한 금속 코팅을 포함하고 있고, 맞대기 이음으로 결합될 수 있으며, 용접 이음매는 열간 성형(프레스 경화) 중에 마르텐사이트 미세조직으로(예컨대 MnB-MnB 연결에서) 또는 혼합된 미세조직으로(예컨대 MnB 강과 마이크로 합금 강 연결에서) 확실하게 변태할 수 있고, 이 용접 방법은 비교적 비용 효과적이며 최적화된 용접 이음매 형상을 제공하도록 의도한 것이다.

이 목적을 달성하기 위해, 청구항 제1항에 기재된 특징을 갖는 방법이 제안된다. 본 발명에 따른 방법의 바람직하고 유리한 실시예들은 종속항들에서 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하기 위해 사용된다. 이 방법에서, 상이한 재료 등급 및/또는 두께를 갖는 적어도 두 개의 강판이 레이저 용접에 의해 맞대기 이음으로 결합되고, 강판들 중 적어도 하나는 프레스-경화가능한 강, 바람직하게는 망간-붕소 강으로부터 제조되며 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘을 기반으로 하는 금속 코팅을 포함하고 있다. 레이저 용접은 적어도 하나의 레이저 빔에 의해서만 생성되는 용접 용융물에 필러 와이어를 공급하면서 수행되며, 필러 와이어는 실질적으로 알루미늄이 없으며 오스테나이트의 형성을 촉진하고 프레스-경화가능한 강에 있는 것보다 적어도 0.1 중량% 많은 함량으로 필러 와이어 내에 존재하는 적어도 하나의 합금 원소를 함유하며, 필러 와이어는 상기 용접 용융물에 공급되기 전에 가열 장치에 의해 가열된다. 추가로 본 발명에 따른 방법은 용접되는 강판들의 에지에 의해 한정되고 그 평균 폭이 적어도 0.15mm 인 간극이 존재하도록 강판들이 서로 용접되며, 상기 적어도 하나의 레이저 빔에 의해 용융되는 강판 재료의 체적에 대한 상기 간극에 삽입되는 필러 와이어의 체적의 비율이 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30%가 되도록 상기 필러 와이어의 재료의 양이 상기 간극에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명과 관련하여, 알루미늄이 없거나 실질적으로 알루미늄을 함유하지 않는 필러 와이어는, 불가피한 불순물 또는 불가피한 미량을 제외하고 알루미늄을 전혀 함유하지 않는 필러 와이어를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 레이저 용접 방법에서, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘에 기초한 금속 코팅은 상기 코팅을 포함하는 강판의 테두리로부터 반드시 미리 제거할 필요는 없으며, 따라서 상기 코팅은 상기 에지로부터 미리 제거되지 않는다. 테두리로부터 금속 코팅의 제거(삭마)를 생략한 결과로서, 본 발명에 따른 방법은 EP 2 007 545 B1에 따른 공지된 방법보다 현저히 비용 효율적이다.

적어도 0.15 ㎜, 바람직하게는 적어도 0.18 ㎜, 특히 바람직하게는 적어도 0.2 ㎜의 평균 폭을 갖는 간극이 존재하도록 강판들이 본 발명에 따라 접합되는 경우, 레이저 빔 직경 또는 레이저 빔 폭은 상기 레이저가 접합부에 충돌하는 지점에서 표준 레이저 빔 직경과 비교하여 실질적으로 변하지 않고 남아 있고, 강판의 적은 재료와 그에 따라 알루미늄 함유 코팅의 적은 체적이 용융되고 상기 용접 용융물에 유입되는 것이 보장된다. 시트를 위치 결정하는 것에 의해 조정되는 간극은 실질적으로 알루미늄이 없는 필러 와이어의 용융된 재료로 채워진다. 또한, 필러 와이어의 삽입은 용접 용융물의 향상된 균질화를 유발 즉, 금속 코팅으로부터 용융물 내로 유입하는 알루미늄 체적이 상당히 감소되고 매우 균일하거나 거의 균질한 방식으로 분포된다. 본 발명에 따라, 레이저 빔에 의해 용융되는 강판 재료의 체적에 대한 상기 간극에 삽입되는 필러 와이어의 체적의 비율이 적어도 20% 또는 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 35%, 특히 바람직하게는 적어도 40%가 되도록 상기 필러 와이어의 재료의 양이 상기 간극에 삽입된다.

간극의 평균 폭은 바람직하게는 0.5 mm 이하로 설정되어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 전형적인 레이저 빔 용접 광학 장치를 사용하여 수행될 수 있는데, 이는 레이저가 접합부에 충돌하는 지점에서 레이저 빔의 직경 또는 폭이 가능한 변하지 않은 상태로 유지되기 때문이다. 간극의 평균 폭이 더 작고, 레이저 방사선에 의해서만 용접되는 것은 레이저 아크 하이브리드 용접에서의 상대적으로 넓은 용접 이음매와 비교하여 작은 이음매 및 루트 연장부를 갖는 좁은 용접 이음 매를 제공한다. 동일한 이유로, 적어도 하나의 레이저 빔에 의해 용융되는 강판 재료의 체적에 대한 간극에 삽입되는 필러 와이어의 체적의 비율은 60% 이하이어야 한다.

본 발명에 따른 방법에 사용되는 필러 와이어는 실질적으로 알루미늄을 함유하지 않으며, 오스테나이트의 형성을 촉진하고 프레스 경화가능한 강에 함유된 것보다 적어도 0.1 중량%, 바람직하게는 적어도 0.2 중량% 높은 함량으로 필러 와이어에 존재하는 적어도 하나의 합금 원소를 함유한다. 오스테나이트의 형성을 촉진시키는 하나 이상의 합금 원소를 첨가함으로써, 용접 이음매의 경화능이 향상된다. 바람직하게는 필러 와이어는 오스테나이트의 형성을 촉진하거나 오스테나이트를 안정화시키는 합금 원소로서 적어도 망간 및/또는 니켈을 함유한다.

본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 이 방법에 사용되는 필러 와이어는 다음과 같은 조성을 갖는다. C : 0.05 내지 0.15 중량%, Si : 0.5 내지 2.0 중량%, Mn : 1.0 내지 3.0 중량%, Cr + Mo : 0.5 내지 2.0 중량%, Ni : 1.0 내지 4.0 중량%, 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다. 내부적인 테스트에서 본 발명에 따른 방법을 사용하여 이러한 유형의 필러 와이어에 의해, 테일러드 블랭크를 후속해서 열간 성형(프레스 경화)할 때 용접 이음매가 마르텐사이트 미세조직(예를 들어, MnB-MnB 연결에서) 또는 혼합된 미세조직(예를 들어, MnB 강과 마이크로 합금 강의 연결에서)으로 매우 신뢰성 있게 완전히 변태하는 것이 보장될 수 있다는 것이 확인되었다.

본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에 따라, 이 방법에 사용되는 필러 와이어는 서로 용접될 적어도 하나의 시트의 프레스-경화가능한 강에 함유된 것보다 적어도 0.1 중량% 낮은 탄소 함량을 갖는다. 이것은 용접 이음매가 취성을 나타내는 것을 방지한다. 특히, 필러 와이어의 상대적으로 낮은 탄소 함량은 용접 이음매의 매우 높은 잔류 연성을 초래한다.

본 발명에 따라, 필러 와이어는 용접 용융물에 공급되기 전에 가열 장치에 의해 가열된다. 예를 들어, 필러 와이어는 용융물에 공급(유입) 되기 전에 가열 장치에 의해 적어도 60℃, 바람직하게는 적어도 100℃, 특히 바람직하게는 적어도 150℃, 특히 적어도 180℃의 온도로 가열된다. 이것은 가열되지 않은 필러 와이어를 사용하는 것과 비교하여 훨씬 더 빠른 용접 속도를 가능하게 한다. 이는 가열된 필러 와이어의 단부가 레이저 빔에 의해 더 신속하게 용융될 수 있기 때문이다. 또한, 필러 와이어가 용접 용융물에 공급되기 전에 가열되는 결과로서, 용접 공정이 더욱 안정적으로 이루어진다.

본 발명에 따른 방법에서, 맞대기 이음으로 서로 용접될 강판이 레이저 빔에 대해 이동되는 속도 또는 용접 속도는 3 m/min(미터/분) 이상, 바람직하게는 6 m/min 이상, 특히 바람직하게는 9 m/min 이상이다.

필러 와이어를 신속하고 효율적인 방식으로 가열하기 위해, 본 발명에 따른 방법에서 바람직하게는, 와이어가 용접 용융물에 공급되기 전에 필러 와이어를 유도적으로, 전기적으로, 전도적으로 또는 열 방사에 의해 가열하는 가열 장치가 사용된다. 이 경우에, 바람직하게는 필러 와이어의 전기 가열은 전류가 접촉에 의해 필러 와이어를 통해 전도되도록 일어난다. 필러 와이어가 공급되는 속도는 바람직하게는 레이저 용접 속도의 70 내지 100% 범위이다.

맞대기 이음으로 용접될 코팅 강판의 테두리로부터 코팅이 미리 제거된 후에 실행되는 레이저 빔 용접과 비교하여, 본 발명에 따른 방법은 최적화된 용접 이음매, 특히 시트 에지에서의 더욱 큰 하중 지탱 단면을 달성한다. 이것은 특히 용접 이음매가 추후에 동적으로 하중을 받을 경우에 유리하다.

바람직하게는 망간-붕소 강이 프레스-경화가능한 강으로 사용된다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 맞대기 이음으로 서로 용접될 적어도 하나의 강판은 이하에 설명하는 조성을 갖는 프레스-경화가능한 강을 포함하도록 선택된다. 0.10 내지 0.50 중량% C, 최대 0.40 중량%의 Si, 0.50 내지 2.00 중량%의 Mn, 최대 0.025 중량%의 P, 최대 0.010 중량%의 S, 최대 0.60 중량%의 Cr, 최대 0.50 중량%의 Mo, 최대 0.050 중량%의 Ti, 0.0008 내지 0.0070 중량%의 B, 최소 0.010 중량%의 Al, 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물이다. 이러한 유형의 강판으로부터 제조된 부품은 프레스 경화된 후에 비교적 높은 인장 강도를 갖는다. 상이한 또는 동일한 망간-붕소 강으로 만들어진 시트들이 프레스 경화에 의해 최대화되는 강도를 갖는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제공하기 위하여 본 발명에 따른 방법에 의해 또한 용접될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 다른 유리한 실시예는 강판들 중 적어도 하나가 프레스 경화될 수 없고 예를 들어 마이크로 합금 강으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 망간-붕소 강과 같은 프레스-경화가능한 강으로 제조된 시트를 마이크로 합금 강으로 제조된 시트와 결합시킴으로써, 특수한 구역의 차체 부품 예를 들어 B 필러에서 매우 상이한 인장 강도 또는 연성을 얻는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 바람직하게는 마이크로 합금 강은 이하에 설명하는 조성을 갖는다. 0.05 내지 0.15 중량%의 C, 0.35 중량% 이하의 Si, 0.40 내지 1.20 중량%의 Mn, 0.030 중량% 이하의 P, 0.025 중량% 이하의 S, 0.01 내지 0.12 중량%의 Nb, 0.02 내지 0.18 중량%의 Ti, 0.0008 내지 0.0070 중량%의 B, 적어도 0.010 중량%의 Al, 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물이다. 이러한 유형의 강은 적어도 21%의 높은 파단 연신율(A₈₀)을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방법에 사용된 강판은 예를 들어 0.6 내지 3.0mm 범위의 금속 코팅을 포함하는 시트 두께를 갖는다.

본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 레이저 빔은 서로 용접되는 강판의 에지를 향하여 보내지는 라인 포커스 빔(line focus beam)이며, 에지들에 입사하는 라인 포커스 빔의 종축이 상기 에지들과 실질적으로 평행하게 연장한다. 초점 라인 때문에 용접 용융물은 응고되기 전에 오랫동안 액체 상태로 남아 있다. 이것은 또한 용접 용융물의 향상된 혼합(균질화)에 기여한다. 초점 라인의 길이는 예를 들어 1.2 내지 2.0 mm 범위일 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서, 용접 이음매가 취성을 나타내는 것은 방지하기 위해, 레이저 용접 동안에 보호 가스(불활성 가스)가 용접 용융물에 공급된다. 이 경우, 바람직하게는 순수한 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 아르곤, 헬륨, 질소 및/또는 이산화탄소 및/또는 산소의 혼합물이 보호 가스로서 사용된다.

본 발명은 실시예를 도시하는 도면에 기초하여 더 상세하게 아래에서 설명될 것이다.

도 1은 실질적으로 동일한 두께이며 재료 등급이 다른 두 개의 강 블랭크가 맞대기 이음으로 서로 용접되는, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법을 수행하기 위한 장치의 일부 사시도.
도 2는 서로 용접되는 도 1의 강 블랭크 부분의 단면도.
도 3은 상이한 두께 및 상이한 재료 등급의 두 개의 강 블랭크가 맞대기 이음으로 서로 용접되는, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법을 수행하기 위한 장치의 일부 사시도.
도 4는 서로 용접되는 도 3의 강 블랭크 부분의 단면도.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 용접 방법이 수행될 수 있는 레이저 용접 장치의 일부를 개략적으로 도시한다. 상기 장치는 상이한 재료 등급의 강으로 제조된 두 개의 블랭크 또는 시트(1, 2)가 그 위에 배치되는 기부 또는 가동 지지 플레이트(도시되지 않음)를 포함한다. 시트(1, 2)들 중의 하나는 프레스-경화가능한 강, 바람직하게는 망간-붕소 강으로 제조되는 반면에, 다른 하나의 시트(2 또는 1)는 비교적 낮은 딥 드로잉 등급, 바람직하게는 마이크로 합금 강으로 제조된다.

프레스-경화가능한 강은 예를 들어 다음과 같은 화학적 조성을 가질 수 있다.

최대 0.4 중량%의 C,

최대 0.4 중량%의 Si,

최대 2.0 중량%의 Mn,

최대 0.025 중량% P,

최대 0.010 중량%의 S,

최대 0.8 중량%의 Cr + Mo,

최대 0.05 중량%의 Ti,

최대 0.007 중량%의 B,

최소 0.015 중량%의 Al, 및

잔부 Fe 및 불가피한 불순물.

인도된 상태, 즉 열처리 및 급냉 전의 상태에서 프레스-경화가능한 강(1 또는 2)의 항복점 Re는 바람직하게는 300 MPa 이상이고, 인장 강도 Rm은 480 MPa 이상이며, 파단 연신율 A₈₀은 10 내지 15%이다. 열간 성형(프레스 경화) 후, 즉 약 900 내지 920℃의 오스테나이트화 온도로 가열하고 후속해서 급냉한 후, 상기 강 시트(1 또는 2)는 항복점 Re가 약 1,100 MPa, 인장 강도 Rm이 약 1,500 내지 2,000 MPa, 파단 연신율 A₈₀이 약 5%이다.

대조적으로, 비교적 낮은 딥 드로잉 등급 또는 마이크로 합금 강의 강 시트(2 또는 1)는 예를 들어 다음과 같은 화학적 조성을 갖는다.

최대 0.1 중량%의 C,

최대 0.35 중량%의 Si,

최대 1.0 중량%의 Mn,

최대 0.030 중량% P,

최대 0.025 중량%의 S,

최대 0.10 중량%의 Nb,

최대 0.15 중량%의 Ti,

최대 0.007 중량%의 B,

최소 0.015 중량%의 Al, 및

잔부 Fe 및 불가피한 불순물.

시트(1, 2) 중 적어도 하나는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 기반의 금속 코팅(1.1, 2.1)을 포함한다. 도 1에 도시된 예에서, 두 시트(1, 2)에는 이러한 유형의 코팅(1.1, 2.1)이 제공된다. 코팅(1.1, 2.1)은 전형적으로 연속적인 용융 도금 공정에 의해 강 스트립에 적용될 수 있으며, 이 스트립으로부터 시트(1, 2)는 후속해서 소정 크기로 절단됨으로써 얻어진다.

도 1에 도시된 시트(1, 2)는 실질적으로 동일한 두께이다. 코팅(1.1, 2.1)을 포함하는 시트(1, 2)의 두께는 예를 들어 0.6 내지 3.0 mm 범위이다. 시트(1, 2)의 관련 상면 또는 하면에서 코팅(1.1, 2.1)의 두께는 예를 들어 약 10 내지 120 ㎛의 범위이고, 바람직하게는 50 ㎛ 이하이다.

시트(1, 2)의 위에 도시된 것은 레이저 용접 헤드(3)의 일부분이며, 레이저 용접 헤드(3)에는 레이저 빔(4)을 공급하기 위한 광학 장치(도시되지 않음) 및 레이저 빔(4)을 집중시키기 위한 포커싱 장치가 제공된다. 또한, 보호 가스는 공급하기 위한 라인(5)이 레이저 용접 헤드(3) 상에 배열된다. 보호 가스 라인(5)은 레이저 빔(4)의 초점 영역 또는 레이저 빔(4)에 의해 생성된 용접 용융물(6) 내로 실질적으로 개방되어 있다. 순수 아르곤 또는, 아르곤 및 헬륨 및/또는 이산화탄소의 혼합물이 바람직하게는 보호 가스로서 사용된다.

또한, 레이저 용접 헤드(3)에는 레이저 빔(4)에 의해 용융되는 와이어(8) 형태의 특정한 필러 재료를 용접 용융물(6)에 공급하는 와이어 공급 장치(7)가 할당된다. 도면 부호 9는 용접 이음매이다. 필러 와이어(8)는 실질적으로 알루미늄이 없으며 오스테나이트의 형성을 촉진하거나 오스테나이트를 안정화시키는 적어도 하나의 합금 원소, 바람직하게는 망간 및/또는 니켈을 함유한다.

블랭크 또는 시트(1, 2)는 간극(G)이 있도록 맞대기 이음으로 결합하는데, 간극의 폭은 적어도 0.15mm, 바람직하게는 적어도 0.2mm 이다. 서로 용접될 시트 에지들에 의해 범위가 정해지는 간극(G)의 평균 폭(b)은 0.15 내지 0.5 mm 범위이다. 코팅 강 시트(1 및/또는 2)에서, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 코팅(1.1, 2.1)은 맞대기 이음으로 용접될 시트 에지까지 연장된다. 따라서, 시트(1, 2)는 용접될 시트 에지의 테두리로부터 코팅이 (사전에) 제거되지 않고 용접된다.

포커싱 장치는 실질적으로 점 형상 또는 원형의 초점을 형성하도록, 또는 바람직하게 초점 라인을 형성하도록 레이저 빔(4)을 집중시킨다. 레이저 빔(4)이 시트(1, 2)에 충돌하는 지점에서, 레이저 빔(4)의 지름 또는 폭은 약 0.7 내지 0.9 mm의 범위이다. 폭(b)이 적어도 0.15 mm 이며 예를 들어 0.25 내지 0.5 mm의 범위일 수 있는 상대적으로 넓은 간극(G)은, 적은 시트(1, 2) 재료 및 적은 용적의 알루미늄 함유층 함유 코팅(1.1, 2.1)이 용융되어 용융물(6) 내로 유입되는 것을 보장한다. 간극(G)은 고체 상태에서 약 0.8 내지 1.2 mm 범위의 직경을 갖는 필러 와이어(8)의 용융 물질로 채워진다. 필러 재료가 간극(G) 내로 충전되는 것은 코팅(1.1, 2.1)의 용융된 테두리로부터 용융물(6)에 유입되는 알루미늄의 현저하게 묽고 균일한 분포를 초래한다. 레이저 빔(4)에 의해 용융된 강 시트 재료의 용적에 대한 간극(G) 내에 채워진 필러 와이어의 용적의 비는 적어도 20%이고, 바람직하게는 대략 30 내지 60%의 범위이다.

필러 와이어(8)는 예를 들어 다음과 같은 화학적 조성을 갖는다.

0.1 중량%의 C,

0.9 중량%의 Si,

2.2 중량%의 Mn,

0.4 중량%의 Cr,

0.6 중량%의 Mo,

2.2 중량%의 Ni, 및

잔부 Fe 및 불가피한 불순물.

이 경우에, 필러 와이어(8)의 망간 함량은 프레스-경화가능한 강 시트의 망간 함량보다 크다. 바람직하게는 필러 와이어(8)의 망간 함량은 프레스-경화가능한 강 시트의 망간 함량보다 적어도 0.2 중량% 더 크다. 또한, 필러 와이어(8)의 크롬 및 몰리브덴 함량이 프레스-경화가능한 강 시트(1 또는 2)의 크롬 및 몰리브덴 함량보다 큰 것이 유리하다. 바람직하게는 필러 와이어(8)의 크롬-몰리브덴 합계 함량이 프레스-경화가능한 강 시트(1 또는 2)의 크롬-몰리브덴 합계 함량보다 적어도 0.1 중량% 크다. 필러 와이어(8)의 니켈 함량은 바람직하게는 1.0 내지 4.0 중량% 범위, 특히 2.0 내지 2.5 중량%의 범위이다. 또한, 바람직하게는 필러 와이어(8)는 프레스-경화가능한 강 시트(1 또는 2)보다 낮은 탄소 함량을 갖는다. 필러 와이어(8)의 탄소 함량은 바람직하게는 0.05 내지 0.15 중량% 범위이다.

필러 와이어(8)는 레이저 빔(4)에 의해 생성된 용융물(6)에 가열된 상태로 공급된다. 이를 위해, 와이어 공급 장치(7)에는 필러 와이어(8)를 바람직하게는 유도적으로, 전기적으로, 전도성으로 또는 열방사 수단에 의해 가열하는 가열 장치(도시하지 않음)가 구비된다. 이러한 방식으로 가열된 필러 와이어(8)의 부분은 예를 들어 적어도 60℃, 바람직하게는 적어도 150℃, 특히 바람직하게는 적어도 180℃의 온도를 나타낸다.

레이저 용접 장치의 레이저 소스와 관련하여, 그 레이저 유형은 예를 들어 CO₂ 레이저, 다이오드 레이저 또는 파이버 레이저이다. 용접 공정 중에 레이저 소스는 적어도 0.3 kJ/cm의 단위 길이당 에너지 입력을 제공하며, 레이저 출력은 7 kW 이상이다. 용접 속도는 예를 들어 3 내지 9 미터/분의 범위, 또는 바람직하게는 8 미터/분 이상이다. 이 경우, 필러 와이어(8)는 레이저 용접 속도의 70 내지 100% 범위의 속도로 공급된다.

도 3 및 도 4에 도시된 실시예는, 강 시트(1, 2')가 상이한 두께이고 따라서 맞대기 이음 부에서 두께가 적어도 0.2mm의 두께 차이(d)가 존재한다는 점에서, 도 1 및 도 2의 실시예와 상이하다. 예를 들어, 프레스-경화가능한 강 시트(1)는 0.5 mm 내지 1.2 mm 범위의 시트 두께를 갖는 반면에, 마이크로 합금 강 또는 상대적으로 연성의 강으로 만들어진 시트(2')는 1.4 mm 내지 3.0 mm 범위의 시트 두께를 갖는다.

Claims

상이한 재료 등급 및/또는 두께를 갖는 적어도 두 개의 강판(1, 2, 2')이 레이저 용접에 의해 맞대기 이음으로 결합되는, 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법으로서, 강판(1, 2, 2') 중 적어도 하나는 프레스-경화가능한 강으로 제조되고 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘에 기초한 금속 코팅(1.1, 2.1)을 포함하며, 레이저 용접은 전적으로 적어도 하나의 레이저 빔(4)에 의해서만 생성되는 용접 용융물(6)에 필러 와이어(8)를 공급하면서 실행되고, 필러 와이어(8)는 실질적으로 알루미늄이 없고, 오스테나이트의 형성을 촉진하고 프레스-경화가능한 강에 존재하는 함량보다 적어도 0.1 중량% 높은 함량으로 상기 필러 와이어(8)에 존재하는 적어도 하나의 합금 원소를 포함하며, 상기 필러 와이어(8)는 용접 용융물(6)로 공급되기 전에 가열 장치에 의해 가열되는, 상기 레이저 용접 방법에 있어서,
맞대기 이음으로 서로 용접될 강판의 에지에 의해 한정되는 적어도 0.15 mm의 평균 폭(b)을 갖는 간극(G)이 존재하도록 강판(1, 2, 2')이 서로 용접되고,
레이저 빔(4)에 의해 용융되는 강판 재료의 체적에 대한 상기 간극(G)에 삽입되는 필러 와이어(8)의 체적의 비율이 30% 내지 60% 범위가 되도록, 상기 필러 와이어(8)의 재료의 양이 상기 간극(G)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
강판(1, 2, 2')의 에지에 의해 한정되는 간극(G)이 0.15 내지 0.5 mm 범위의 평균 폭(b)을 갖도록 상기 강판들이 위치되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
가열 장치는, 와이어가 용접 용융물(6)에 공급되기 전에 필러 와이어(8)를 유도적으로, 전기적으로, 전도적으로 또는 열 방사에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
필러 와이어(8)는 용접 용융물(6)에 공급되기 전에 상기 가열 장치에 의해 적어도 100℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
프레스-경화가능한 강은 망간-붕소 강인 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
프레스-경화가능한 강은,
0.10 내지 0.50 중량% C,
최대 0.40 중량%의 Si,
0.50 내지 2.0 중량%의 Mn,
최대 0.025 중량%의 P,
최대 0.010 중량%의 S,
최대 0.60 중량%의 Cr,
최대 0.50 중량%의 Mo,
최대 0.050 중량%의 Ti,
0.0008 내지 0.0070 중량%의 B,
최소 0.010 중량%의 Al, 및
잔부 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 강판(1, 2, 2')은 마이크로 합금 강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제7항에 있어서,
마이크로 합금 강은,
0.05 내지 0.15 중량%의 C,
최대 0.35 중량%의 Si,
0.40 내지 1.20 중량%의 Mn,
최대 0.030 중량% P,
최대 0.025 중량%의 S,
0.01 내지 0.12 중량%의 Nb,
0.02 내지 0.18 중량%의 Ti,
0.0008 내지 0.0070 중량% B,
최소 0.010 중량%의 Al, 및
잔부 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
에지들에 입사하는 라인 포커스 빔의 종축이 상기 에지들과 실질적으로 평행하게 연장하도록, 라인 포커스 빔의 형태인 적어도 하나의 레이저 빔(4)이 강판(1, 2, 2')의 에지를 향하여 보내지는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
필러 와이어(8)는 오스테나이트의 형성을 촉진시키는 합금 원소로서 적어도 망간 및/또는 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
필러 와이어(8)는,
0.05 내지 0.15 중량%의 C,
0.5 내지 2.0 중량%의 Si,
1.0 내지 3.0 중량%의 Mn,
0.5 내지 2.0 중량%의 Cr + Mo,
1.0 내지 4.0 중량%의 Ni, 및
잔부 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
필러 와이어(8)는 프레스-경화가능한 강의 탄소 함량보다 적어도 0.1 중량% 낮은 탄소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
필러 와이어(8)는 레이저 용접 속도의 70 내지 100% 범위의 속도로 공급되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
보호 가스가 레이저 용접 동안 용접 용융물(6)에 공급되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
제14항에 있어서,
순수한 아르곤 또는 아르곤과 이산화탄소의 혼합물이 보호 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 열간 성형될 수 있는 맞춤형 시트 금속 반제품을 제조하는 레이저 용접 방법.
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