KR100711454B1 - 연속압연을 위한 레이저 용접방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접으로 압연재들을 접합한 다음 용접부의 경화조직을 저감시켜 용접부의 용접품질을 안정적으로 제공할 수 있는 연속압연을 위한 레이저 용접방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명은 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재를 상호 맞대는 단계; 상기 압연재의 맞댄 부분에 대하여 레이저 용접기로 용접하여 용접부를 형성하는 단계; 상기 압연재의 용접부에 대하여 가압기로 강제압하하는 단계; 및 상기 압연재를 연속압연하는 단계; 를 포함하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법을 제공한다.

경화조직, 연속압연, 용접재료, 레이저용접, 용접부, 강제압하, 열처리

Description

연속압연을 위한 레이저 용접방법 및 그 장치{LASER WELDING METHOD FOR ENDLESS HOT ROLLING AND THE APPARATUS THEREFOR}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접부의 경도분포를 나타내는 그래프이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치를 나타내는 개념도이다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접부의 열싸이클을 나타내는 그래프이다.

도4는 본 발명의 일 실시예에서 레이저 용접후에 강제압하를 실시하고 강제압하의 가압력의 변화에 따른 경도 변화를 나타내는 그래프이다.

도5는 본 발명의 일 실시예에서 SK85강의 압연재에 대한 PCM 연속압연 이후의 레이저 용접부를 나타내는 사진이다.

본 발명은 압연 공정에서 압연재를 상호 접합하여 연속적으로 압연하는 압연재의 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 용접으로 압연재들을 접합한 다음 용접부의 경화조직을 저감시켜 용접부의 용접품질을 안정적으로 제공할 수 있는 연속압연을 위한 레이저 용접방법 및 그 장치에 관한 것이다.

금속판재를 생산하는 기술분야에서 압연을 연속화 함으로서 생산성과 품질의 향상 그리고 제품 제조가능 사이즈의 확대에 대한 요구가 강하게 일어나고 있다.

이러한 연속압연은 전기강판이나 페라이트계 스테인리스강판과 같은 고급강종에까지 그 적용이 확장되고 있다.

열연코일로부터 얻어지는 냉연코일은 산세와 연속압연 (Tandem cold rolling mill)을 각각 시행하는 방법과 산세와 연속압연이 연결되어 동시 진행하는 PCM(Pickling & Tandem cold rolling mill)공정으로 제조될 수 있다. PCM공정은 산세와 TCM을 각각 시행하는 공정에 비하여 생산성이 크게 향상시킬 수 있기 때문에 최근 들어 많이 적용되고 있다.

이와 같은 연속압연분야에서 중요한 점은 선행하는 압연판재의 후단과 후행하는 압연판재를 상호 접합하는 압연판재의 접합기술에 있다.

연속압연을 위해 압연판재를 접합하는 기술로는 고상접합방법과 용접에 의한접합방법이 있다.

용접에 의한 접합방법은 연속압연라인의 입구측에서 선행하는 압연판재의 후단과 후행하는 압연판재를 상호 용접하여 용접부를 형성한 다음 계속해서 후속 압연라인을 통과하게 된다.

이 경우 만약, 용접부의 품질이 좋지 않은 경우에는 후속 압연라인을 통과하는 중에 용접부가 판파단하고 생산이 전면 중단되는 심각한 문제를 발생시킨다.

따라서 연속압연을 위해서는 열연, 냉연코일의 용접부 품질특성을 확보하는 것 이 중요한 기술이라고 볼 수 있다.

특히, PCM라인에서는 기존의 산세라인과 TCM라인에 비하여 생산라인이 길고 코일을 담아두는 루퍼의 수가 많기 때문에 기존라인에 비하여 엄격한 용접품질을 요구하고 있다.

연속압연라인에 적용되는 용접방법으로는 단락과 플래싱(Flashing)이 반복적으로 발생하는 플래시 버트 용접(Flash butt welding)과 고밀도의 열원을 이용하는 레이저용접이 있다.

플래시 버트 용접은 입열량이 크기 때문에 피용접재 선택에 한계가 있다. 그 일례로서 전기강판, 페라이트계 스테인리스강, 고탄소강 등에 대해서는 접합강도가 확보되지 않고 냉간압연중에 판파단이 발생하는 경우가 있다. 특히, 고탄소강과 같이 탄소(C) 함유량이 높은 강종은 플래시 버트 용접이 매우 어려운 재료로 평가되고 있다. 또한, 용접일정 및 용접조건을 일정하게 설정하여 반복작업을 실시한 경우에도, 개개의 용접부 품질특성에 편차를 나타내는 등 재현성에도 문제가 있는 것으로 지적되고 있다.

레이저용접은 에너지밀도가 높고, 입열량이 적어 기존의 플래시 버트 용접에 비하여 우수한 품질특성을 얻을 수 있는 것으로 알려지고 있다.

그러나, 레이저 용접으로 고탄소강을 용접하여 연속압연을 할 경우 용접금속부의 기공과 핀홀이 발생하고 용접금속과 용접열영향부에 균열이 발생하는 문제점이 있다.

기공과 핀홀은 소재내의 탄소함량과 밀접한 관계를 갖고 있다. 용접시 용융금 속내의 탄소가 대기중의 산소와 반응하고 CO가스를 만들면서 미처 외부로 방출되지 못한 가스가 응고시에 잔류되어 기공이 발생되는 것으로 알려져 있다.

따라서 용융금속부의 탄소함량을 저감시키는 것이 중요하며 적절한 용접재료를 사용함으로써 기공 발생을 저감시킬 수 있다.

용접부의 균열은 경화조직과 관련성이 있으며 고탄소강에서는 용접시 급가열과 급냉각과정에서 생성되는 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직이 주요한 원인으로 밝혀지고 있다.

용접부의 경화조직은 용접금속부와 용접열향부 동시에 발생하기 때문에 그 개선방안 또한 복잡하고 다양하다.

이상과 같이 경화조직이 발생하는 강재를 연속압연하기 위한 선행 기술로는 다음과 같은 기술이 있다.

먼저 일본국 특허공개공보 평5-50276호는 용접부를 열처리하는 것에 관한 것으로 고정식 열원을 사용하여 압연재의 탄소함유량에 따라서 특정 열처리 온도에서 일정시간 유지하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 이 방법은 열처리 유지시간에 따라서 전체 용접시공시간이 증가하는 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 일본국 특허공개공보 평5-132719호가 있으며 이 기술은 용접부를 레이저용접으로 용접한 다음 1분 이내에 400℃이상, Ac1점 이하의 온도범위에서 열처리하는 방법에 관한 것이다. 그러나 이 기술은 400℃이상, Ac1점 이하에서 경화조직을 완전히 제거시키기 위해서는 매우 오래 동안 유지하여야 하고, 또한 레이저용접과 같이 급냉각되는 경우에는 용접후 수초이내에 용접부를 급가열하여 열처리해야 되기 때문에 열처리시공방법이 매우 복잡해 지는 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 일본국 특허공개공보 평8-57502호가 있으며 이 기술은 고탄소강판의 이음부 사이에 용접성이 우수한 저탄소강을 삽입하여 용접하는 방법에 관한 것이다. 이 기술은 다른 용접법에 비하여 용접공정수가 2배 이상 증가하며, 리더 스트립(Leader strip)을 매번 준비해야 되는 문제점이 있어 대량생산에는 적합하지 않다.

또 다른 선행기술로는 일본국 특허공개공보 평8-215872호가 있으며, 이 기술은 레이저용접부가 페라이트와 퍼얼라이트의 혼합 영역을 통과하면서 냉각되도록 열처리하는 방법에 관한 것이다. 이 기술은 레이저용접에 관한 것으로 아크용접에 비하여 급가열되고 급냉각되기 때문에 페라이트와 퍼얼라이트가 혼재하는 영역으로 변태시키기 어렵다는 문제가 있다. 특히 고탄소강에 대하여 용접을 할 경우 경화현상이 현저하게 발생한다는 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 일본국 특허공개공보 제2000-317642호가 있으며, 이 기술은 접합부에 대하여 레이저용접을 완료한 다음 압연재를 열처리하는 방법에 관한 것이다. 그러나 이 기술 역시 레이저용접을 적용하기 때문에 용접부가 급냉각되어 열처리를 행하기 직전에 마르텐사이트 조직으로 변태가 완료되어 미세균열이 발생한다는 문제점이 있다. 따라서 이 기술은 PCM과 같이 고품질을 요구하는 생산라인에서는 적용하기 어렵다.

또 다른 선행기술로는 일본국 특허공개공보 제2001-353587호가 있으며, 이 기술은 고탄소강과 저탄소강의 이종 이음부에서 필러 와이어(Filler wire)를 사용하고 열처리를 행하지 않으며 저탄소강측에 레이저빔을 조사하여 용접부의 균열을 방지하는 방법에 관한 것이다. 그러나 이 기술은 용융되지 않는 고탄소강측의 용접열영향부에서 발생하는 경화조직을 제거할 수 없다는 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 일본국 특허공개공보 제2000-317642호가 있으며, 이 기술은 플래시 버트 용접에 관한 것으로 용접부에 열처리를 실시하는 방법에 관한 것이다. 용접 방법은 다르지만 용접부에 열처리를 실시하는 상기 기술과 유사한 기술로는 일본국 특허공개공보 평5-132719호와 제2000-317642호 그리고 제2004-76159호가 있으나 이들 기술들은 모두 탄소가 0.5%이상이 포함되어 있는 고탄소강판의 용접부에 대한 품질을 안정적으로 확보하기 어렵다는 문제점이 있다.

이상과 같이 연속압연을 위한 강판의 접합기술들은 많이 있지만, 대부분 탄소의 함유량이 비교적 낮은 고탄소강이나 용접품질이 크게 요구되지 않는 생산라인에 서 적용할 수 있는 방법들이다.

따라서 탄소 함유량이 0.5 % 이상이 되는 고탄소강이나 소재의 강도가 450MPa 이상인 강종 예를 들면 자동차용 고강도강과 같이 레이저 용접을 수행하고 난 다음 냉각 중에 경화조직인 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경화조직이 발생하는 강종에 대해서도 연속압연 수행하는데 적합할 정도의 용접이음부에 대한 품질특성을 확보하기 위한 기술이 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명 의 목적은 레이저용접부의 경화조직을 저감시켜 용접부의 품질을 안정적으로 확보하여 연속압연에 대한 생산성을 큰 폭으로 개선할 수 있는 레이저 용접방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저용접부의 경화조직을 저감시켜 용접부의 품질을 안정적으로 확보하여 연속압연에 대한 생산성을 큰 폭으로 개선할 수 있는 연속압연을 위한 레이저 용접장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재를 상호 맞대는 단계; 상기 압연재의 맞댄 부분에 대하여 레이저 용접기로 용접하여 용접부를 형성하는 단계; 상기 압연재의 용접부에 대하여 가압기로 강제압하하는 단계; 및 상기 압연재를 연속압연하는 단계; 를 포함하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법을 제공한다.

상기 강제압하 단계에서 상기 압연재의 강제압하는 상기 용접부의 온도가 Ac1-Ac3의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 용접부의 강제압하는 80MPa 이하의 가압력으로 실시하는 것이 바람직하다.

또한 상기 용접부의 강제압하는 강제압하에 의하여 용접부의 두께감소율이 5.8%이하인 것이 바람직하다.

그리고 상기 용접부의 강제압하는 상기 압연재의 상하에서 평탄롤을 이용하여 실시하는 것이 바람직하다.

또한 상기 용접단계에서 Fe 또는 Ni 주성분에 C ≤ 0.1 %, Cr ≤ 1.22 % 함유되어 있고 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용접재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 용접재료는 선재 또는 분말 또는 박막 중 어느 한 형태의 것을 사용할 수 있다.

그리고 상기 용접단계 이전에 상기 압연재의 맞댄부분을 600℃ 내지 800℃의 범위에서 예열처리하거나, 상기 용접단계 이후에 상기 용접부를 700 내지 1100℃의 범위로 가열하여 후열처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 연속압연 또는 연속통판은 PCM (Pickling & Tandem Cold Rolling Mill), TCM (Tandem Cold Rolling Mill), APL(Annealing & Pickling Line), CGL(Continuous Galvanizing Line), PGL(Pickling & Galvanizing Line) 또는 POL (Pickling & Oiling Line) 중 어느 하나의 연속 압연라인 또는 연속통판라인에서 이루어진다.

또한 본 발명은 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재에 대하여, 연속압연에 의하여 압연재의 용접부와 용접부 인근의 압연재 사이의 경도 편차가 90Hv 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 압연판재를 제공한다.

또한 본 발명은 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재를 레이저 용접하는 장치에 있어서, 상기 압연재를 용접하는 레이저 용접기와, 상기 압연재의 용접부를 예열하는예열기와, 상기 압연재의 용접부를 후열하는 후열기 그리고 상기 압연재의 용접부를 강제압하하는 압하기 로 이루어지며, 상기 레이저 용접기와 상기 예열기와 상기 후열기 그리고 상기 압하기가 모두 일체로 이루어진 연속압연을 위한 고탄소강판의 용접장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 "경화조직"이란 판재를 레이저 용접방법으로 상호 접합시켜 용접부를 형성시킨 다음 냉각시 용접부의 조직이 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물등과 같이 취성이 강한 취화조직으로 상변태한 조직을 의미한다.

이러한 경화조직이 발생하는 강종으로는 탄소 함유량이 0.5중량% 이상의 고탄소강과 소재의 강도가 450MPa 이상인 자동차용 고강도강(High Tensile Strength Steel)이 있다.

이와 같이 경화조직이 발생하는 고탄소강은 중량%(이하 본 발명에서 %는 특별한 언급이 없는 한 중량 %를 의미한다.)로 C: 0.5%이상, Si:0.1~0.5%, Mn:0.3~0.6%, P:0.05%이하, S:0.05%이하, Cu: 0.5%이하, Ni:3%이하, Cr:0.05~0.5%, Al:0.05%이하를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강을 기본적으로 의미하며, 탄소함유량의 측면에서 C가 0.5% 이상이 포함되어 있는 고탄소강이라면 특수한 기능을 부여하기 위하여 Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 첨가되어 있는지 여부를 불문하고 모두 본 발명에서 의미하는 고탄소강에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.

그리고 경화조직이 발생하는 자동차용 고강도강으로는 DP강(Dual Phase강)과 TRIP(Transformation Induced Plasticity, 변태유기소성)강 그리고 CP강(Composite Phase 강) 등이 있다. DP강은 연한 페라이트와 강도가 높은 마르텐사이트의 두가 지 성질이 다른 상이 혼합된 강으로 적은 합금원소를 가지고 우수한 가공성과 높은 강도를 동시에 확보할 수 있는 강종이다. 그리고 TRIP 강은 강중에 연성이 우수한 페라이트상과 강도가 우수한 베이나이트상 그리고 고온에서 존재하는 준 안정 오스테나이트상으로 구성된 것으로 준 안정 오스테나이트상이 변형을 받으면 강도가 우수한 마르텐사이트상으로 변하는 강종이다.

이와 같이 경화조직이 발생하는 강종은 연속압연을 위하여 레이저 용접방법으로 접합한 다음 냉각시 용접부가 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물과 같은 취성이 강한 조직을 상변태가 일어나게 된다.

이와 같이 경화조직이 발생하게 되면 연속압연 공정에서 용접부에 균열이 발생하거나 판 파단이 일어나는 등 많은 문제점이 발생한다.

또한 본 발명에서 "용접부"라 함은, 연속압연을 위하여 선행하는 압연판재의 후단과 후행하는 압연판재를 상호 레이저 용접기로 용접하여 형성되는 접합부로서, 레이저에 의하여 용융된 다음 응고하는 용융금속부와 용융되지는 않지만 레이저의 열원에 의하여 열영향을 받는 용접열영향부 (HAZ: Heat Affected Zone)를 포함하는 것을 의미한다.

또한 본 발명에서 "연속압연"이라는 용어는, 열간압연이나 냉간압연라에서 연속적으로 압연재를 압연하는 공정을 의미하는 것일 뿐만이 아니라, 압연재를 상호 접합하여 2개 이상의 코일이 연결된 상태로 연마공정 또는 용융아연도금공정 또는 소둔공정 등과 같이 연속적으로 통판하는 모든 연속라인을 포함하는 의미로 사용된다.

먼저, 본 발명에 의한 목적을 달성하기 위하여 경화조직이 발생하는 레이저용접부의 조직검사 및 에릭슨(Erichsen)시험을 통하여 확인된 용접부에서 경화현상이 발생하는 원인에 대하여 검토해 본다.

본 발명의 발명자들에 의하여 확인된 결과에 따르면, 용접부의 경화현상은 용접금속 및 용접열영향부에서 각각 발생하였으며, 마르텐사이트와 베이나이트 그리고 탄화물 등이 주요한 원인으로 작용하는 것을 확인하였다.

이러한 경화조직은 용접부에 강제압하 기술을 적용하거나, 용접부의 화학조성과 열처리를 일정 수준으로 제어함으로서 제거할 수 있다.

본 발명은 이를 위하여 용접부에 대하여 후속공정에서 강제압하를 수행하는 방법과, 탄소 함유량이 압연재 보다 낮은 용접재료를 사용하여 용접금속부의 탄소함유량을 저감시키는 방법 그리고 용접부 전체를 열처리하여 경도를 감소시키는 방법을 제공한다.

그리고 경화조직이 발생하는 용접부의 품질특성은 상기와 같이 용접부의 경도에 의해서도 영향을 받지만 용접부 전체의 경도분포에도 영향을 받는다.

즉, 예를 들어 고탄소강에서는 열처리에 의해서 용접부의 경도를 어느 정도 낮출 수는 있지만, 도1에서 나타나 있는 것과 같이 용접부와 압연재 사이에 경도의 노치현상이 발생하고 이로 인하여 용접부의 품질이 통판을 만족할 만한 수준으로 확보하기 어렵게 된다.

따라서 본 발명에서는 용접부를 열처리함과 아울러 용접부를 강제압하하는 기술을 제공하여 용접부의 경도를 감소시키면서도 용접부 전체의 경도분포를 도1에 서 화살표 방향과 같이 완화시켜 경화조직이 발생하는 강종에 대하여 레이저용접부의 품질을 안정적으로 확보할 수 있게 한다.

또한 PCM과 같은 연속라인에서는 용접과 열처리를 분리하여 실시하게 되면 용접시공시간이 길어지기 때문에 전체 생산속도가 저하될 수 있다. 그리고 압연재의 탄소 함유량이 증가함에 따라서 열처리 시간도 증가하게 된다.

따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도2에서와 같이 열처리 장치와 강제압하 장치를 용접기와 함께 일체형으로 구성하여 압연재의 용접부가 용접과 동시에 열처리되면서 강제압하가 될 수 있도록 용접장치를 구성한다.

도2를 참고하여 본 발명에 따른 용접장치를 설명하면, 본 발명에 따른 용접장치는 크게 용접기(10)와 열처리기(20) 그리고 압하기(30)으로 이루어져 있으며 이들 3개의 장치는 모두 일체로 형성된다. 도2에서는 본 발명에 따른 용접장치를 개략적으로 도시한 것이므로 이들 3개의 장치가 일체로 형성되는 구성은 나타나 있지 않지만 이와 같이 3개의 장치를 일체로 구성하는 기술은 통상의 설비기술에 의하여 실시할 수 있는 것이므로 이들 장치를 일체로 구성하기 위한 기술적 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 용접기(10)는 레이저(14)를 발진시키는 레이저발생기(12)와 용접재료를 공급하는 필러공급기(16)로 이루어진다. 또한 열처리기(20)는 이동하는 압연재를 가열시키기 위한 열원으로 신속하게 가열할 수 있는 수단이라면 모두 적용이 가능하며 고주파 유도코일을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 열처리기(20)는 용접부 이전에 설치되어 용접되기 이전에 압연재(40)를 가열하는 예열기(22)와 용접이후에 압연재(50)를 가열하는 후열기(24)로 이루어져 있다. 그리고 압하기(30)는 용접된 압연재를 용접이 이루어진 직후에 가압하는 것으로 평탄롤(Planishing roll)을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용접장치를 이용하여 이동하는 압연재를 상호 용접할 경우 먼저 후행 압연재(40)의 선단과 선행 압연재(50)의 후단과 맞댄 다음 예열기(22)로 가열한 상태에서 용접기(10)로 용접하고 상호 접합된 용접부(60)는 후열기(24)에 의하여 후열된다. 이후 후열기(24)를 통과한 용접부는 냉각이 되면서 후열기(24) 직후에 설치된 압하기(30)를 통과하면서 강제압하(PWHD: Post Welding Hot Deformation)가 이루어지게 된다.

본 발명에서는 용접부의 열처리와 강제압하가 함께 이루어지는 것이 바람직하지만 이러한 공정이 별개로 선택적으로 적용될 수도 있다.

본 발명에 따른 용접장치를 이용하여 이동하는 압연재를 용접할 경우 압연재도 이동하지만 이와 함께 용접장치도 이동하게 된다. 이 때 압연재의 이동방향과 용접장치의 이동방향이 동일할 수도 있고 반대일 수도 있다. 압연재의 이동방향과 용접장치의 이동방향이 동일할 경우에는 압연재의 이동속도가 용접장치의 이동속도와 같거나 보다 빠르게 이동하는 것이 바람직하다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 이동식 용접장치와 이를 이용하여 용접할 경우압연재의 용접부에 대한 열싸이클 이열 및 이에 따른 조직상태를 모식적으로 나타내고 있다.

이하에서는 고탄소강을 일 예로들어 연속압연에서의 용접부의 경화현상를 제어 하기 위한 방법으로서 용접부의 화학조성을 제어하는 방법과 용접부의 열처리 방법 그리고 용접부의 강제압하 방법을 차례로 설명한다.

먼저, 용접부의 화학조성을 제어하는 방법에 대하여 설명한다.

이 방법은 용접부에서 대부분의 용융금속을 형성하는 용접재료를 제어하는 방법이다.용접재료는 필러공급기(16)로부터 용접부(60)에 공급되며 기본적으로 탄소강과 고인성 재료인 Ni합금이 모두 적용 가능하나 탄소강 계열이 보다 안정적으로 용접품질을 확보할 수 있어 바람직하다.

스테인리스강 및 Ni합금으로 이루어진 용접재료는 최적의 용접파라메타가 도출되지 않은 경우에는 모재인 고탄소강과의 젖음성이 저하되고 융점차이로 인하여 모재성분이 완전히 희석되지 않기 때문에 간헐적으로 용접부가 취화되는 현상이 발생한다.

본 발명에서 용접금속부의 조성은 탄소의 함유량이 0.4%이하가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 이것은 레이저용접의 경우에는 극소량의 용접재료를 용융시켜 용접부에 채워 넣기 때문에 통상의 아크용접에 비하여 모재의 희석율이 매우 크기 때문이다.

예를 들어, 압연재내의 탄소 함유량이 0.85 %이상인 고탄소강 압연재의 경우에 희석율을 최대 30%로 설정하고 용접금속부의 탄소 함유량을 0.4%이하로 유지하려면 용접재료의 탄소 함유량은 약 0.1wt% 이하가 되어야 한다.

또한 크롬(Cr)은 압연재내의 탄소와 반응하여 용접금속과 용접열영향부 부근에서 크롬탄화물을 형성하기 때문에 크롬(Cr)의 함유량은 1.22 %이하로 제어하는 것 이 바람직하다.

따라서 본 발명에서는 용접기에서 공급되는 용접재료는 Fe 또는 Ni 주성분에 C ≤ 0.1 %, Cr ≤ 1.22 % 함유되어 있고 기타 불가피한 불순물이 포함된 용접재료를 사용하는 것이 바람직하며 그 형상은 선재가 바람직하지만 분말이나 박막 형태의 용접재료도 사용이 가능하다.

다음, 용접부의 열처리 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에서 용접부 열처리는 용접이음부의 균열을 방지하기 위하여 용접전에 실시하는 예열처리와 용접후 용접이음부의 경화현상을 완화시켜 주기 위하여 실시하는 후열처리가 있다.

만약, 탄소 함유량이 0.85 %인 고탄소강에 대하여 레이저용접을 실시하고 접합된 용접부에 대하여 후열처리만 실시할 경우, 용접 이후의 용접부는 후열처리를 하기 이전에 급냉각 되어 용접부에 균열이 발생하게 된다.

따라서 탄소 함유량이 높은 고탄소강에 대하여 레이저 용접으로 인한 급냉각 열싸이클을 완화 시켜주기 위해서 용접전에 예열처리를 실시하는 것이 바람직하다.

이와 같은 예열처리 온도는 본 발명의 일실시예에서와 같이 이동식 열처리기를 적용할 경우 마르텐사이트 변태온도(Ms) 직상에서는 충분한 예열효과를 얻을 수 없으므로 이보다 높은 온도로 예열하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 고탄소강의 용접부에 대하여 예열할 경우 예열처리 온도는 600℃ 내지 800℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 예열처리 온도가 600℃ 이하에서 예열처리를 하게 되면 이동하는 압연재에 대하여 예열을 위한 충분한 시간을 확보할 수 없어서 용접부에 충분한 품질특성을 확보할 수 없으며, 예열온도가 800℃이상이 되면 과다한 입열에 의하여 용접부에 변형이 발생하여 안전한 용접부를 확보할 수 없다.

그리고 본 발명에서 용접부의 후열처리는 크게 두 가지 개념으로 실시한다.

첫 번째 개념은 Ac1이하에서 비교적 장시간 유지하여 용접부의 마르텐사이트 조직을 템퍼드(tempered) 마르텐사이트로 변화시켜 연성을 확보하는 뜨임(Tempering)처리 방법이다.

두 번째 개념은 레이저용접시 냉각열싸이클을 적극적으로 제어하여 페라이트와 퍼얼라이트 조직으로 변태시키는 방법이다.

여기서 뜨임처리 방법은 비교적 장시간 동안 열처리를 하여야 하므로 이에 따른 충분한 연성을 확보할 수 있는 것이 장점이지만 생산속도가 빠른 코일생산라인에서는 후열처리에 장시간 소요되면 생산성을 저하시킬 수 있다. 따라서 이동식 열원을 이용한 레이저용접시스템에서는 후자인 레이저용접후 냉각싸이클을 완화시켜 주는 방법이 보다 바람직하다.

용접부의 후열처리 온도는 700 내지 1100℃의 범위로 가열하는 것이 바람직하고 보다 바람직하게는 950~1100℃의 범위이다. 또한 용접부의 후열처리는 가열후 유지시간 없이 자연 냉각하는 것이 바람직하다.

용접부의 후열처리 온도가 700℃이하일 경우에는 입열량이 부족하여 냉각 후 용접부의 조직에 마르텐사이트 조직이 형성되어 경도저감 효과가 없고, 후열처리의 온도가 1100℃이상일 경우에는 입열량이 과다하여 용접부의 조직이 조대화 되며, 일부분은 냉각시 다시 경화조직인 마르텐사이트 조직이 재생성되어 용접부의 물리적 특성이 악화된다.

마지막으로 용접부의 강제압하 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에서와 같이 용접부의 고온영역을 강제압하하면 열처리를 적용한 경우보다 경도를 현저히 감소시킬 수 있다.

강제압하는 냉각중인 용접부를 Ac1-Ac3 온도 범위에서 강제압하하는 것으로서 이러한 온도 범위에서 강제압하를 실시하게 되면 오스테나이트의 입경이 축소되고, 페라이트와 퍼얼라이트 조직으로 변태가 촉진된다.

또한 Ac1이하의 온도 범위에서는 용접열영향부가 가공경화되어 경도가 일정 수준으로 상승되기 때문에 이음부 전체의 경도분포가 완화될 수 있다.

그리고 강제압하는 압연재를 냉각하는 중에 Ac1-Ac3 온도 범위에서 가압력 80MPa 이하로 실시하는 것이 바람직하다. 가압력이 80MPa이상이되면 용접부에 변형이 발생하고 저온영역에서는 일부 미세한 균열이 발생하게 된다.

또한 용접부가 경화조직인 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직으로 변태하는 강종에 대하여, 용접후 냉각중에 Ac1-Ac3 온도 범위에서 강제압하할 경우 용접부의 두께감소율을 5.8%이하로 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 본 발명에 따른 고탄소강 용접부의 경화현상를 제어하기 위한 방법을 최적으로 적용할 용접부와 용접부에 인접한 압연재(모재) 사이의 경도편차는 비이커스 경도(Hv)로 90Hv 이하를 나타나게 된다. 이와 같이 용접부와 모재 사이의 경도편차를 90Hv 이하로 유지할 경우 이러한 용접부를 갖는 압연재를 연속하 게 되면 후속하는 고장력상태의 연속압연라인에서 판파단이 발생하지 않고도 연속적으로 압연을 실시할 수 있으며, 용접부에서 변형도 발생하지 않게 된다. 이러한 본 발명은 압연재의 판두께가 0.5내지 6mm 에서 적용하는 것이 바람직하다.

그리고 이상 설명한 본 발명에 따른 경화조직이 발생하는 강종의 연속압연 또는 연속통판을 위한 압연재 접합방법은 코일상태의 압연재를 PCM (Pickling & Tandem Cold Rolling Mill), TCM (Tandem Cold Rolling Mill), APL(Annealing & Pickling Line), CGL(Continuous Galvanizing Line), PGL(Pickling & Galvanizing Line) 또는 POL (Pickling & Oiling Line) 등의 연속압연라인 또는 연속통판라인에 적용하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

이하에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예는 경화조직이 발생하는 강종 중에 하나인 고탄소강에 대하여 설명하지만 본 발명의 사상이 고탄소강에 국한되는 것으로 해석되는 것은 아니라는 점은 본 발명의 전 취지상 당연할 것이다.

[실시예]

본 실시예에서는 표1에서와 같은 조성을 갖는 고탄소강 열간압연재를 사용하였고 압연재의 두께는 2.0 mm 이였다. 이러한 압연재는 최대출력 12KW의 CO₂레이저용접기를 이용하여 상호 용접하였다. 이때 용접재료로는 와이어 상태((0.9mm)의 필러를 사용하였으며 그 화학조성은 표1에 나타나 있는 것과 같이 저탄소계이다.

구분		C	Si	Mn	P	S	S-Al	Ni	Cr	N
압연재	SK85	0.8572	0.193	0.410	0.013	0.003	0.010	0.01	0.16	0.0049
	S50C	0.5043	0.192	0.704	0.020	0.003	0.016	0.01	0.09	0.0026
용접재료	ER70S-G	0.07	0.50	1.05	0.012	0.016	-	-	-	-

압연재를 레이저용접기로 용접할 때 레이저 용접조건은 용접부의 기공 언더필(Underfill)과 같은 용접결함이 발생되지 않는 조건으로 하였으며, 레이저의 출력은 8.4kW이고 용접속도는 4.5m/min이며, 이음부의 간격은 0.15mm로 하였다.

용접부에 대한 열처리는 고주파 유도가열로를 사용하였으며, 출력을 변경하면서 20w×200lmm의 크기로 용접선을 따라 이동하면서 열처리하였다.

열처리 조건은 가열속도는 약 100℃/s이며, 예열처리의 온도는 723℃이고, 후열처리의 온도 1005℃으로 가열한 다음 자연냉각 (공냉)하였다.

용접부를 열처리할 때 고주파 유도로에 의하여 가열된 용접부의 온도는 R-type의 열전대를 융융 경계선에 점용접하고 용접에 따른 온도이력을 측정하였으며, 온도이력 곡선으로부터 최고 도달온도를 구하였다.

강제압하는 후열처리기 후측에 장착된 폭 20mm의 이동식 롤(roll)을 이용하였으며 용접 및 열처리와 동시에 용접부를 가압하였다.

이상과 같은 조건으로 용접된 용접부에 대하여 PCM 라인의 통판기준(에릭슨높이 4mm 이상)으로 통판한 다음 에릭슨 시험기(Erichsen)를 이용하여 품질특성을 평가하였다. 용접부 품질특성 평가 방법은 용접부의 균열발생 시점까지의 소성변형된 높이를 측정하여 평가하였다.

먼저, 탄소 함유량이 0.85% 인 SK85강에 대한 품질평과 결과를 아래 표2에 나타내었다.

열처리 조건	가압력(MPa)	용접부 최고경도(Hv)	경도편차(Hv) (용접부-모재)	Erichsen높이, (mm)	비고
As welded		836	626	0	불합격
723℃예열처리만 실시	0	649	439	1.75	불합격
	80	635	425	1.79	불합격
1005℃후열처리만 실시	0	400	190	2.83	불합격
	80	342	132	3.87	불합격
723℃예열처리와 1005℃후열처리를 모두 실시	0	313	103	4.43	부분합격
	30	300	90	5.45	합격
	60	285	75	6.01	합격
	80	275	65	6.72	합격

표2에서 알 수 있듯이 SK85강의 용접부에 대하여 열처리를 실시하지 않은 경우에는 용접직후에 용접부에서 용접균열이 발생하여 통판이 가능한 용접이음부를 얻을 수 없었다.

또한 예열처리 또는 후열처리만을 단독으로 실시한 경우에도 통판이 가능할할 정도의 용접부 품질특성을 확보할 수 없었다.

이에 비하여 본 발명과 같이 예열처리와 후열처리를 모두 실시한 경우에는 다른 실시예에 비하여 용접부의 품질이 개선된다는 것을 알 수 있다.

이상과 같은 처리를 한 용접부에 대하여 용접을 완료한 직후에 가압량을 변화시키면서 강제압하를 실시하였다.

도4에는 SK85강의 용접부에 대하여 강제압하를 실시할 경우 용접부 길이방향에 따른 경도분포를 나타내고 있다.

강제압하를 실시할 경우 압하량의 증가에 따라서 에릭슨 높이가 증가하고 품질특성이 개선되었다.

도4에서 알 수 있듯이 용접부의 최고경도와 경도편차는 강제압하에 의해서 감소하여 용접부 전체의 경도분포가 완만해 지는 것을 볼 수 있다.

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또한 도4에서 알 수 있듯이 가압량이 0MPa 일 경우 용융금속부에서의 경도는 매우 높고 용접열영향부에서는 경도가 상대적으로 낮게 나타나지만, 가압량을 30MPa와 75MPa로 점차 증가시킴에 따라서 용접부의 경도 편차가 완화된다는 것을 알 수 있어서 용접부의 길이 방향 전체적으로 경도분포가 완만해진다는 결과를 확인할 수 있다.

다음 탄소 함유량이 0.5% 인 S50C강에 대한 품질평과 결과를 아래 표3에 나타내었다.

열처리	가압력 (MPa)	용접부 두께감소율(%)	용접부 최고경도(Hv)	경도편차(Hv) (용접부-모재)	Erichsen높이(mm)	비고
As welded	0	0	635	445	0.94	불합격
723℃예열처리만 실시	0	0	412	222	1.97	불합격
	75	4.4	390	200	2.59	불합격
1005℃후열처리만 실시	0	0	273	83	4.18	부분합격
	75	4.7	261	71	4.78	합격
723℃예열처리와 1005℃후열처리를 모두 실시	0	0	253	63	5.43	합격
	30	2.0	245	55	6.35	합격
	60	5.5	242	52	6.85	합격
	75	5.9	235	45	7.28	합격

표3에서 알 수 있듯이 S50C강의 레이저 용접부의 품질특성은 SK85강 레이저용접부에 비하여 열처리방법에 관계없이 전반적으로 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한 표3에서 알 수 있듯이, 용접부가 경화조직인 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직으로 변태하는 강종에 대하여, 용접후 냉각중에 Ac1-Ac3 온도 범위에서 강제압하하여 용접부의 두께감소율을 5.8%이하로 할 경우 우수한 용접부의 품질특성을 나타내고 있다.

이러한 결과는 강재내의 탄소 함유량의 감소에 따라 경화현상이 저감된 것에 기인한 것으로 보인다.

이 강종에 대하여 용접을 실시한 다음 강제압하를 한 경우에는 SK85강에서와 같이 에릭슨 높이가 증가하고, 용접부의 최고경도와 경도편차가 감소되어 용접부 품질특성이 크게 개선되는 결과를 확인하였다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이상과 같은 실시예에 나타난 고탄소강의 연속압연시 용접에서의 용접조건에 특정되는 것이 아니라 본 발명의 사상이 적용되는 고탄소강의 연속압연에 필요한 다양한 용접조건에 적용하는 것이 가능하다.

따라서 본원 발명은 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 경화조직이 발생하는 강종의 연속압연을 위한 레이저 용접방법은 지금까지 적용되지 않았던 용접조건을 제공하여 PCM (Pickling & Tandem Cold Rolling Mill), TCM (Tandem Cold Rolling Mill), APL(Annealing & Pickling Line), CGL(Continuous Galvanizing Line), PGL(Pickling & Galvanizing Line) 또는 POL (Pickling & Oiling Line) 등과 같은 연속 압연라인 또는 연속통판라인에서도 적용할 수 있게 하는 기술적 효과가 있다.

또한, 본 발명은 실시예 중 하나로 제시한 바와 같이 0.5% 이상의 고탄소강을 연속압연하기 위하여 압연재를 용접할 경우 용접결함이 없는 건전한 레이저 용접이음부를 얻을 수 있으며, 도5에서와 같이 레이저용접부가 판파단이 발생하지 않고도 연속작업을 가능하게 하는 기술적 효과를 제공한다.

또한 본 발명은 강재의 탄소 함유량에 관계없이 용접시공시간을 일반강 수준인 25초 범위로 단축함으로써 연속압연에서의 강재 생산성을 큰폭으로 향상시키는 기술적 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명의 용접조건을 적용하면 경화조직이 발생하는 강종 이라고 하더라도 연속압연라인에 인가되는 강한 압축하중과 스탠드 사이에 걸리는 인장하중에도 견딜 수 있어서 연속압연 중에도 용접부의 파단이 일어나지 않는 연속압연을 수행할 수 있게 한다.

Claims (15)

1. 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재를 상호 맞대는 단계;

   상기 압연재의 맞댄 부분에 대하여 레이저 용접기로 용접하여 용접부를 형성하는 단계;

   상기 압연재의 용접부에 대하여 가압기로 강제압하하는 단계; 및

   상기 압연재를 연속압연하는 단계;

   를 포함하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
2. 제1항에서

   상기 강제압하 단계에서 상기 압연재의 강제압하는 상기 용접부의 온도가 Ac1-Ac3의 범위에서 이루어지는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
3. 제2항에서

   상기 용접부의 강제압하는 80MPa 이하의 가압력으로 실시하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서

   상기 용접부의 강제압하는 강제압하에 의하여 용접부의 두께감소율이 5.8%이 하인 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
5. 제1항에서

   상기 용접부의 강제압하는 상기 압연재의 상하에서 평탄롤을 이용하여 실시하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
6. 제1항에서

   상기 경화조직이 발생하는 강종은 중량%로 C: 0.5%이상, Si:0.1~0.5%, Mn:0.3~0.6%, P:0.05%이하, S:0.05%이하, Cu: 0.5%이하, Ni:3%이하, Cr:0.05~0.5%, Al:0.05%이하를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강인 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
7. 제1항 또는 제6항에서

   상기 용접단계에서 Fe 또는 Ni 주성분에 C ≤ 0.1 %, Cr ≤ 1.22 % 함유되어 있고 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용접재료를 사용하여 용접하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
8. 제7항에서

   상기 용접재료는 선재 또는 분말 또는 박막 중 어느 한 형태인 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
9. 제1항 또는 제6항에서

   상기 용접단계 이전에 상기 압연재의 맞댄부분을 600℃ 내지 800℃의 범위에서 예열처리하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
10. 제9항에서

    상기 용접단계 이후에 상기 용접부를 700 내지 1100℃의 범위로 가열하여 후열처리하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
11. 제10항에서

    상기 강제압하는 80MPa 이하의 가압력으로 상기 용접부의 온도가 Ac1-Ac3의 범위에서 이루어지는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
12. 제1항에서

    상기 연속압연은 PCM (Pickling & Tandem Cold Rolling Mill), TCM (Tandem Cold Rolling Mill), APL(Annealing & Pickling Line), CGL(Continuous Galvanizing Line), PGL(Pickling & Galvanizing Line) 또는 POL (Pickling & Oiling Line) 중 어느 하나의 연속 압연라인 또는 연속통판라인에서 이루어지는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
13. 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재에 대하여, 연속압연에 의하여 압연재의 용접부와 용접부 인근의 압연재 사이의 경도 편차가 90Hv 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 압연판재.
14. 제13항에서

    상기 경화조직이 발생하는 강종은 중량%로 C: 0.5%이상, Si:0.1~0.5%, Mn:0.3~0.6%, P:0.05%이하, S:0.05%이하, Cu: 0.5%이하, Ni:3%이하, Cr:0.05~0.5%, Al:0.05%이하를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강인 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 압연판재.
15. 마르텐사이트나 베이나이트 또는 석출물에 의하여 경화조직이 발생하는 강종의 압연재를 레이저 용접하는 장치에 있어서,

    상기 압연재를 용접하는 레이저 용접기와, 상기 압연재의 용접부를 예열하는예열기와, 상기 압연재의 용접부를 후열하는 후열기 그리고 상기 압연재의 용접부를 강제압하하는 압하기로 이루어지며, 상기 레이저 용접기와 상기 예열기와 상기 후열기 그리고 상기 압하기가 모두 일체로 이루어진 연속압연을 위한 고탄소강판의 용접장치.

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