KR100651782B1 - 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법 및 그용접이음부 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법은, 자동차용 고강도 강판의 제조과정에서, 열연코일의 연속작업을 위해 코일과 코일 사이를 용접하게 되는 데, 이 용접이음부에서 균열 및 파단이 발생되는 것을 방지하는 것으로서, wt%로 C: 0.14%, Si: 0.15%, Mn: 1.0%, 및 기타 미량의 첨가원소를 함유하며 TS가 590Mpa인 자동차용 고강도강 강판의 끝을 맞대는 단계, 상기 강판의 끝이 마주하는 맞대기 이음부 주위에 입자 크기가 1㎛ 이하인 탄소분말을 30% 이하 함유한 그리스를 도포하는 단계, 및 상기 맞대기 이음부를 플래시 버트 용접하는 단계를 포함한다.

용접, 플래시 버트, 에릭슨, 맞대기, 용접이음부

Description

자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법 및 그 용접이음부 {flash butt welding method of high strength steel for automobile and welding joint of the same}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법에 따라, 용접이음부 경화를 저감하기 위한 용접 후 열처리의 개념에 대한 열 사이클을 나타낸 그래프이다.

도2는 그리스(grease)에 첨가물을 혼합하여 도포하고 용접한 경우, 용접이음부에서 에릭슨(Erichsen) 값의 변화를 나타낸 그래프이다.

도3은 용접 후 열처리에 의한 용접이음부의 에릭슨 시험 합격율의 변화를 나타낸 그래프이다.

도4는 그리스 도포 및 용접 후 열처리의 적용 유무에 따른 용접이음부의 에릭슨 시험 합격율의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법 및 그 용접이음부에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차용 고강도 강판의 제조과정에서, 열연코 일의 연속작업을 위해 코일 사이를 용접하는 데, 이 용접이음부에서 균열 및 파단이 발생되는 것을 방지하는 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법 및 그 용접이음부에 관한 것이다.

일반적으로, 플래시 버트 용접은 피용접재의 맞대기 단면을 접촉시켜 용접이음부에 흐르는 전류에 의해 생기는 주울열 및 접촉부가 용융 비산한 후 발생하는 아크 열을 이용하여 맞대기 단면을 가열하여, 그 단면을 압착시키는 용접방법이다.

이 플래시 버트 용접방법의 원리에 관해서는 일본 특개소５9－１１８２８２호에 개시되어 있다. 일본 특개소６２－２７５５８１호에 개시되어 있는 것과 같이, 철강 재료의 연속산세 등 제조 프로세스에 적용되는 용접에서, 그 피용접재의 맞대기 부 근방에 오일을 도포하여 용접 중에 용접부 주위를 대기로부터 차단하여, 접합계면에 잔존 산화물을 저감하는 것이 행해져 오고 있다.

또한, 일본 특개소６３－２０３２８１호에 개시된 바와 같은 오일 도포방법도 개발되어 있다. 일본 특개소５９－１１８２８２호에는 아연 혹은 아연 분말 함유물, 또는 칼슘, 마그네슘을 함유한 합금 혹은 금속간 화합물 또는 그 함유물을 맞대기 부 근방에 부착시켜 오일과 동일한 효과를 가져다 주는 용접방법이 개시되어 있다.

일본 특개소５０－５１９４１호에 개시된 바와 같이, 플래시 버트 용접이음부의 열처리가 행해지고 있다. 스트립 형상의 철강재료를 용접하고 용접이음부의 덧 살을 제거한 후, 고주파유도가열에 의해 어닐링 처리를 하는 경우가 많다. 일본 특개소５５－３６０１７호 및 특개소５５－３６０１８호에는 용접 전원을 써서 열 처리하는 방법이 개시되어 있다.

이 용접방법들은 TS 600MPa을 초과하는 철강재료의 용접에서 용접이음부의 기계적 성질에 대하여 충분한 신뢰성을 가지지 못한다. 즉 특개소５９－１１８２８２호에 개시된 용접방법은 용접이음부의 경도가 너무 높아 기계적 성질이 나쁜 문제점을 가진다. 특개소５０－５１９４１호에 개시된 용접방법은 용접계면에 개재물이 잔존하는 문제점을 가진다. 따라서 이러한 용접이음부들을 산세라인이나 압연라인에 통판하는 경우, 통판 도중에 용접이음부가 파단되어 제조 코스트가 상승된다.

이 문제점들을 보다 구체적으로 설명하면, 오일, 아연, 칼슘, 또는 마그네슘을 피용접재의 맞대기 부 근방에 도포하여 용접을 진행할 경우에도, 용접 도중에 용접이음부의 주변을 대기로부터 완전히 차단하지 못한다.

이로 인하여, TS 590-780MPa급 고강도강에 많이 포함된 규소(Si), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등의 산화물은 용접 후, 맞대기 계면에 어느 정도 잔존하게 된다.

또한, 이 고강도강의 용접이음부는 탄소량이 높기 때문에 냉각 중에 마르텐사이트 혹은 베이나이트 조직으로 된다. 이들 조직은, 균열 감수성이 높고 접합계면에 산화물이 잔존할 경우, 이를 기점으로 균열을 발생시키므로 통판 중 용접이음부의 파단을 발생시킨다.

한편, 플래시 버트 용접을 진행하고, 그 용접이음부에 열처리를 적용하여도 접합계면의 산화물들은 완전히 사라지지 않는다. 따라서, 통판 시 이 산화물을 기점으로 하는 작은 균열이 전파되어, 용접이음부가 파단된다.

또한, 일본 특개평７－１３２３７８호에 개시된 바와 같이, 400℃-A1 온도에 서 수십 초간 가열하는 열처리 방법은 철강재료의 제조라인에서 생산성을 저하시키며, 용접이음부의 품질을 저하시킨다.

이러한 이유로 인하여, 철강재료의 제조라인에서 TS 590-780MPa의 고강도 철강재료는 플래시 버트 용접에 의한 연속적인 통판을 어렵게 하며, 이로 인하여 연강에 용접되어 통판된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 자동차용 고강도 강판의 제조과정에서, 열연코일의 연속작업을 위해 코일과 코일 사이를 용접하게 되는 데, 이 용접이음부에서 균열 및 파단이 발생되는 것을 방지하는 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법 및 그 용접이음부를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법은, 피용접재의 맞대기 부 근방에 입자 크기가 1㎛ 이하인 탄소분말 0-50wt% 함유된 그리스를 도포하여 용접하며(도1의 용접 열 사이클 라인 AA 참조), 용접계면에서의 산화물 생성을 억제하고, 용접 후 용접기 자체 열원을 이용하여 A1 온도 이상으로 3-10초간 후 열처리를 실시하여 용접이음부 경도를 저감하여, 용접이음부의 취성을 감소시켜 용접이음부의 특성을 향상시킨다.

상기 용접이음부의 근방에 도포된 그리스는 용접 중에 연소되어 용접이음부 주위를 대기 중의 산소로부터 차단한다. 용접 중 그리스 도포효과에 의해 접합계면 에 잔존하는 산화물량은 적어지고 미세하게 된다. 따라서 이 접합계면의 산화물에 의한 균열 발생이 적어지고, 또한, 용접 후 열처리를 통해 이들 산화물의 분해 및 소실 효과가 있다.

이때 사용되는 그리스는 일례로서, 일반 공업용 그리스가 사용될 수 있으며, 인화성이 높기 때문에 폭발의 위험이 적을 수록 좋다.

이 플래시 버트 용접에서, 플래시를 발생시키기 위해 공급되는 전류밀도가 클수록 크고 거친 플래시가 발생되며, 용접계면에서 미접합부 및 산화물 등의 결함 발생율이 증가된다.

그러나, 1㎛ 이하의 입자크기를 가진 탄소분말을 혼합한 그리스를 맞대기 부 근방에 도포하고 플래시 버트 용접을 진행하게 되면, 그리스에 의한 연소가스가 발생하고, 혼합된 탄소분말이 맞대기 용접부에서 전기 전도도를 향상시킨다. 따라서 비교적 낮은 전류에서 용접이 가능하게 된다.

이와 같이, 낮은 전류밀도는 부드럽고 미세한 플래시를 발생시켜 용접이음부의 결함 발생율을 저감시킨다. 또한 탄소분말의 양은 전체 혼합 도포량의 30wt% 이하가 바람직하다. 이와 같은 혼합 그리스를 도포해도 통상의 플래시 버트 용접 조건으로 피용접재의 용접이 가능하다.

이 용접이음부의 열처리 방법은, 200℃-Ａ1 변태점 사이에서 템퍼링하거나, A3 변태점 이상에서 일정 시간 유지 후 냉각속도를 관리하여, 최종 용접이음부 조직의 경도를 저감하는 방법으로 구분된다.

상기와 같이 탬퍼링하는 방법은 용접 후 냉각시 생성된 마르텐사이트 혹은 베이나이트 조직을 페라이트와 탄화물로 분해하여 경도를 저감시킨다. 이 방법은 열처리 시, 정확한 유지 온도 설정을 위한 보조 열처리장치를 필요로 한다.

그리고 냉각속도를 관리하는 방법은 A3 온도 이상에서 일정시간 유지한 후, 냉각속도를 제어하지 않을 경우, 다시 취약한 마르텐사이트 혹은 베이나이트 조직이 생성되므로 냉각속도를 늦추어야 한다. 그러므로 이 방법은 전체적으로 공정완료시간을 길게 한다.

따라서, 본 발명은 용접설비 자체의 전원을 이용하여 용접이음부에 직접 통전하는 방식을 이용한다. 직접 통전을 이용한 열처리 효과는 이 기술분야에서 알려져 있다.

그러나, A1 온도 이하에서 템퍼링 열처리를 실시하는 방법은 공급하는 전원을 제어하여 용접이음부를 A1 온도 이상으로 반복 가열하는 방법으로 열처리한다.

한편, 열연코일의 용접이음부에서 덧 살을 제거한 후 전류를 공급하는 경우, 열연코일의 폭이 1000mm 이상이므로 직접 통전을 통해 용접부 전체를 균일한 온도로 가열하는 것이 어렵다.

만일, 열연코일의 폭 방향 중앙부를 원하는 온도로 상승시킬 경우, 용접이음부의 끝 가장자리에 전류가 집속되어 이 끝 가장자리가 녹아 내리게 된다. 따라서, 본 발명에서는 열연코일의 끝 전체를 가열하기 위하여, 전류를 일정 시간 단속적으로 공급한다.

A1 온도 이상으로 가열하여 냉각시키는 경우, 냉각시 변태조직인 마르텐사이트가 생성되지만, 이 A1 온도로 반복 가열하는 경우 용접이음부는 그 끝에서 중앙 부까지 균일한 온도로 상승된다. 결과적으로 용접이음부의 냉각속도가 일정 시간 늦추어지게 된다.

그 결과, 냉각시 마르텐사이트 생성 변태구역을 벗어나도록 냉각속도가 조절된다. 결국, 용접이음부 조직에서 취약한 마르텐사이트 조직이 거의 나타나지 않고 페라이트와 탄화물로 이루어진 조직으로 된다(도1의 용접 후 열 처리사이클 라인 BB 참조)

이하, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

일 실시예에 따른 플래시 버트 용접방법은, wt%로 C: 0.14%, Si: 0.15%, Mn: 1.0%, 기타 미량의 첨가원소를 함유하며, 코일 두께가 2.6mm이고, TS가 590MPa인 고강도 강판을 플래시 버트 용접한다.

이 용접시 맞대기 이음부 주위에 탄소분말을 30wt% 함유한 그리스를 도포한다. 이때 용접조건으로써, 플래시 시간이 12초이고, 플래시 길이가 17mm이며, 업세트 길이가 4.2mm이다.

이 플래시 버트 용접을 실시한 후, 용접이음부의 덧 살을 제거하고, 용접설비 자체의 전원을 이용하여 1회 전류 공급시 고강도 강판의 용접이음부를 A1 온도 이상으로 가열 가능한 전류를 설정하며, 용접이음부에 대해 총 시간 약 10초에 걸쳐 열처리를 실시한다. 이때, 열처리는 전류를 흘려 1초간 가열하고 전류를 차단하여 0.5초간 냉각하기를 7회 반복하여 실시한다.

상기 플래시 버트 용접 효과를 평가하기 위해, 제1 비교예는 용접시 그리스를 도포하지 않은 상태로 용접을 실시하고, 제2 비교예는 그리스만을 도포한 상태 로 용접을 실시하며, 제3 비교예는 Zr산화물을 첨가한 그리스를 도포한 상태로 용접을 실시하고, 실시예 1은 탄소분말을 첨가한 그리스를 도포한 상태로 용접을 실시한다(도2 참조).

또한, 플래시 버트 용접 후 열처리 효과를 평가하기 위하여, 제4 비교예는 플래시 버트 용접만을 실시하고, 제5 비교예는 후 열처리 시간을 3초로하며, 제2 실시예는 후 열처리 시간을 10초로 한다(도3 참조).

그리고 각 용접이음부의 경도를 측정하고, 미세조직을 관찰한다. 또한, 이 시험재들의 기계적 성질을 측정하기 위하여, 용접이음부에 대해 에릭슨 시험을 실시한다. 이 용접이음부 균열 발생에 대한 저항성은 균열이 발생하기 직전까지 성형된 높이(에릭슨 값)로 평가한다.

즉, 도2는 용접시 그리스 도포효과를 나타낸다. 이 용접이음부에 그리스 도포를 실시하지 않은 제1 비교예에서, 용접이음부의 에릭슨 값은 3.2mm이다. 그러나, 그리스를 도포한 제2 비교예에서, 용접이음부는 그리스에 의한 쉴딩 효과에 의해 에릭슨 값이 7.8mm까지 상승한다.

또한, 그리스에 Zr산화물을 첨가한 제3 비교예에서, 용접이음부는 에릭슨 값이 6.2mm로써, 제2 비교예에 비해 오히려 더 낮게 나타난다. 제3 비교예에서, 용접열 영향부의 크기는 더 넓은 것으로 나타나고, 산화물에 첨가에 의한 엑티브 플럭스(active flux) 효과로 용접이음부의 입열량이 증가하지만, 용접 완료시 접합계면에 산화물이 잔존하게 되어 에릭슨 값이 저하되는 것을 알 수 있다.

한편, 실시예 1에서와 같이, 그리스에 탄소분말을 첨가한 경우, 에릭슨 값은 10.4mm까지 상승하는 것을 알 수 있다. 이는 피용접재인 고강도 강판의 에릭슨 값 12.8mm에 가장 접근한다.

도3은 후 열처리 조건에 따라 형성된 용접이음부에서 측정한 경도를 하나의 그래프에 도시한다. 에릭슨 시험 합격율은 에릭슨 시험 시 크랙이 발생하는 양상을 판단한 것으로 용접선에 따라 파단이 발생한 경우 불량으로 판정하고, 그 외 용접선 직각방향으로 파단하거나 피용접재에서 파단이 일어난 경우의 비율을 나타낸다.

일례로서, 냉간압연라인에서는 에릭슨 시험 합격율이 70%이상이 되어야 통판 가능하다.

도3을 참조하면, 비교예 4는 용접만을 실시하고 후 열처리를 하지 않을 경우로써, 용접이음부의 경도를 340Hv 이상, 에릭슨 시험 합격율은 20% 정도로 형성한다.

비교예 5는 용접 후 열처리를 3초간 실시한 경우로써, 용접이음부의 경도를 300Hv로 낮게 형성하지만, 에릭슨 시험 합격율을 50% 수준으로 형성한다.

한편, 제2 실시예는 용접 후 10초간 열처리를 실시한 경우로써, 용접이음부의 경도를 240Hv까지 감소하여 형성하고, 에릭슨 시험 합격율을 80% 이상으로 형성한다. 이때 용접이음부의 미세 조직을 관찰해 보면 페라이트 분율이 30% 정도인 것을 알 수 있다. 실제로 실시하지는 않았지만 경도가 250Hv 인 경우에도 에릭슨 시험 함격율이 80%에 근접할 수 있다는 것을 도3으로부터 예측할 수 있다.

도4는 탄소분말을 함유한 그리스를 도포하고, 용접 후의 열처리 효과를 같이 나타낸 그래프다.

제6 비교예는 통상의 플래시 버트 용접만을 실시한 경우로써, 에릭슨 시험 합격율은 20% 이하이다.

제3 실시예는 탄소분말을 함유한 그리스를 도포했을 경우로써, 에릭슨 시험 합격율은 70%까지 상승한다.

제4 실시예는 통상의 플래시 버트 용접만을 실시한 후, 열처리를 한 경우로써, 에릭슨 시험 함격뮬은 80%까지 상승한다.

또한, 제5 실시예는 탄소분말을 함유한 그리스를 도포하여 플래시 버트 용접을 실시하고, 용접 후 열처리를 동시에 한 경우로써, 에릭슨 시험 합격율이 95%수준이다.

따라서, 탄소분말을 함유한 그리스를 도포하여 플래시 버트 용접을 실시하고, 용접 후 열처리를 동시에 적용했을 경우, 안정적으로 압연 라인을 통판할 수 있는 조건이 얻어지는 것을 알 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 플래시 버트 용접을 이용한 고강도 강판의 제조라인에서, 용접이음부 근방에 탄소분말을 함유한 그리스를 도포하여 플래시 버트 용접을 실시하고, 용접 후 열처리를 동시한 적용함으로써, 용접이음부 의 균열 발생이 적은 우수한 용접이음부 품질 특성을 확보하는 효과가 있다. 이를 통하여, 산세 및 냉간압연 라인의 조업안정성 및 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. wt%로 C: 0.14%, Si: 0.15%, Mn: 1.0%, 및 기타 미량의 첨가원소를 함유하며 TS가 590Mpa인 자동차용 고강도강 강판의 끝을 맞대는 단계,

   상기 강판의 끝이 마주하는 맞대기 이음부 주위에 입자 크기가 1㎛ 이하인 탄소분말을 30% 이하 함유한 그리스를 도포하는 단계, 및

   상기 맞대기 이음부를 플래시 버트 용접하는 단계를 포함하는 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 플래시 버트 용접시,

   플래시 시간이 9-15초이고,

   플래시 길이가 14-20mm이며, 및

   업세트 길이가 4.0-4.4mm인

   상기 용접조건을 만족하는 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 플래시 시간은 12초이고,

   상기 플래시 길이가 17mm이며,

   상기 업세트 길이 4.2mm인 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 플래시 버트 용접 후,

   상기 용접이음부의 덧 살을 제거하는 단계,

   상기 덧 살 제거 단계에 이어, 1회 전류 공급 시, 상기 용접이음부를 상기 A1 온도 이상으로 가열 가능한 전류를 설정하는 단계, 및

   상기 용접이음부에 대하여 기설정된 기간 동안 제1 시간으로 가열하고 제2 시간으로 냉각하는 열처리를 반복하는 단계를 포함하는 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 제1 시간은 상기 제2 시간보다 긴 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 용접이음부에 대해 열처리 총 시간은 8-12초이고,

   상기 제1 시간은 0.9-1.1초이며,

   상기 제2 시간은 0.4-0.7초인 자동차용 고강도 강판의 플래시 버트 용접방법.
7. wt%로 C: 0.14%, Si: 0.15%, Mn: 1.0%, 및 기타 미량의 첨가원소를 함유하며, TS가 590Mpa인 자동차용 고강도강 강판의 양 끝 사이에 형성되고, 그 경도가 250Hv 이하인 자동차용 고강도 강판의 플래시 용접이음부.

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