KR101242939B1 - 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법 - Google Patents

고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접금속부의 연화현상을 개선함으로써 용접부의 가공성을 향상시킨 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 모재 및 용접부를 포함하는 고주파용접 강관으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 1.5%이하, Mn: 5~35%, Al: 0.01~3%, Si: 3%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 상기 용접부 내·외면의 비드 돌출량이 0.1~ 0.3mm인 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 생산성과 용접부의 가공성을 동시에 확보하여, 자동차용 심가공 용도인 하이드로포밍 용접강관으로 적용이 가능한 980MPa급 오스테나이트계 고주파용접 강관을 제공할 수 있다.

Description

고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH AUSTENITIC HIGH FREQUENCY WELDING STEEL PIPE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접금속부의 연화현상을 개선함으로써 용접부의 가공성을 향상시킨 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업은 환경규제의 강화에 따른 차체 경량화를 목적으로 고강도 강재의 채용이 증가하고 있다. 또한, 가공방법 측면에서도 테일러드 블랭크(TWB, Tailor Welded Blank), 하이드로포밍(Hydroforming) 등이 적극 검토되어 기존의 프레스공정을 대체하고 있다.
테일러드 블랭크 가공방법은 두께, 강도, 재질이 서로 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 블랭크를 용접하고 그 블랭크를 프레스가공(Stamping)하여 부품으로 가공하는 방법이다. 하이드로포밍 기술은 튜브(tube) 내부에 고압을 작용하여 부품을 성형하는 기술로써, 다수의 부품을 하나의 부품으로 제작하여 부품 조립공정을 줄여 공정비 절감, 부품 경량화 및 재료 가격 감소 등의 효과를 볼 수 있는 장점이 있다. 자동차용 용접강관은 대체로 롤(roll)성형 후 용접하여 제조되며, 연속적으로 제조되고 있으며, 여기에 적용되는 용접의 종류로는 TIG, 플라즈마, 고주파, 레이저용접 등이 있다.
TIG용접 강관은 생산성은 낮지만 초기설치비가 적고, 설비운용이 타 용접조관에 비하여 쉽기 때문에 소형제조업체에서 많이 적용하고 있다. 레이저용접 강관은 고밀도 열원인 레이저를 이용하여 용접이 이루어지지 때문에 용접부 품질이 우수하다. 그러나, 레이저열원의 특징에 기인하여 소재의 절단면, 용접심부 등의 정밀한 관리 및 제어가 필요하다. 고주파용접 방법은 유도코일에 의해 가열된 용접심부가 스퀴징롤(Sqeezing Roll)에 의해 가압되어 용융금속부가 외부로 방출되고, 최종적으로 모재의 고상조직이 잔존하는 용접 방법이다. 타 용접에 비해 용접속도가 매우 빨라 생산성 측면에서 유리하지만 고강도강에서의 품질확보가 곤란한 단점도 있다.
이와 같은 신가공법의 특징은 용접부가 소재와 같이 동일한 조건에서 성형이 이루어지기 때문에 부품재로 적용되기 위해서는 용접부의 품질확보가 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히, 고강도 강재의 경우 통상적으로 합금원소가 다량 첨가되므로 용접시에 경화능이 증가하여 용접부의 가공성이 저하되는 문제점이 있다. 더욱이, 980MPa급 이상의 고강도강의 경우에는 용접부의 경화현상이 현저하게 나타난다.
한편, 최근에는 망간, 탄소 등의 다량 첨가로 변형중 쌍정을 유도하여 가공경화율을 증가시켜 높은 연신율을 가지는 오스테나이트 조직의 고강도강인 TWIP(Twinning Induced Plasticity)강과 같은 강종이 개발되고 있는데, TWIP강은 기존의 고강도강(DP, TRIP 등)과 다르게 단상의 오스테나이트 조직을 가지고 있으며, 용접후에도 상변태가 발생하지 않는 강종이다. 그러나, TWIP강의 용접부는 모재에 비하여 결정립이 조대화되고, TWIP효과가 소실되기 때문에 연화현상이 발생되는 문제점이 있다. 하이드로포밍용 용접강관의 경우, 용접전에 롤 성형에 의해 소재가 가공되어 용접부의 경도가 상승하기 때문에 판재 용접부에 비해서 연화현상이 현저하다는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 개선하기 위한 대표적인 기술로는 일본 공개특허공보 특개평8-134609호가 있는데, 상기 특허에는 780MPa급 고Mn 비자성 강재의 용접열영향부(HAZ)의 연화현상을 개선할 목적으로, 고온에서도 HAZ에 안정한 탄질화물을 형성하기 위해 Ti, Nb를 복합 첨가하는 기술이 제시되어 있다. 다른 기술로는, 일본 공개특허공보 특개평8-013092호가 있는데, 상기 기술에는 용접성 및 피삭성이 우수한 고Mn 비자성강으로 Ca 및 S를 엄격하게 제어한 기술이 제시되어 있다. 그러나, 상기 기술들은 내수소취화특성을 개선하지 못하고 있다는 단점이 있다.
또한, 일본 공개특허공보 특개평6-192788호는 고Mn 비자성강 용접이음부의 건전한 용접금속을 고효율로 확보하기 위한 아크용접방법이 개시되어 있는데, 여기에서는 산소량을 제한하고, C, Si, Mn, Cr, Ni, N량을 특정한 용접와이어와 PbO를 포함하고 CaF2, CaO, MgO, SiO2, Al2O3의 양을 특정한 플럭스를 제안하고 있다. 그러나, 상기 기술은 후판 고Mn강에 적용되는 서브머지드아크용접용 용접와이어 및 플럭스에 관한 것으로, 박물 용접강관에 적용하기는 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 일본 공개특허공보 제2000-084614호에는 용접부 인성이 우수한 인장강도 690~1180MPa의 고강도 고주파용접 강관을 제조하는 방법에 관해 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 박물 용접강관에서는 용접와이어 및 플럭스의 적용이 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 일본 공개특허공보 특개평11-172376호에는 자동차 구조용 부품의 소재에 이용되는 하이드로포밍 성형성이 우수한 고주파용접 강관을 제조하는 방법에 관해 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 조관용접전에 700~1200℃로 예열을 실시하고 있어, 예열에 따른 추가 설비가 필요하며 관리 또한 용이하지 못하다는 단점이 있다.
또한, 일본 공개특허공보 특개평10-183292호에는 자동차용 고강도 고주파용접 강관 및 그 제조방법에 관하여 개시되어 있으며, 일본 공개특허공보 특개평08-319517호에는 후물 고주파용접 강관의 용접부에 고주파유도가열장치에 의해 연속적으로 2회 열처리하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술들은 고주파용접 강관을 제조하고, 후열처리를 하기 때문에 후열처리에 필요한 추가 설비 및 관리가 필요하다.
본 발명의 일측면은 용접부의 입열량 및 용접내외면의 비드 돌출량을 적정 수준으로 제어함으로써, 용접부의 가공성을 향상시킨 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 모재 및 용접부를 포함하는 고주파용접 강관으로서, 상기 모재는 중량%로, C: 1.5%이하, Mn: 5~35%, Al: 0.01~3%, Si: 3%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 상기 용접부 내·외면의 비드 돌출량이 0.1~ 0.3mm인 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관을 제공한다.
이 때, 상기 강관의 용접부와 모재의 강도비가 1이상인 것이 바람직하며, 상기 강관의 확관율은 30%이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 고주파용접에 의해 모재를 강관으로 용접하여, 용접부를 포함하는 고주파용접 강관을 제조하는 방법으로서, 상기 모재로서 중량%로, C: 1.5%이하, Mn: 5~35%, Al: 0.01~3%, Si: 3%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강재를 사용하고, 상기 고주파용접시 용접입열량이 1.16~1.2KW·min/m가 되도록 하고, 상기 용접에 의해 형성되는 용접부 내·외면 비드 각각의 돌출량이 0.1~0.3mm가 되도록 바이트 등의 절삭공구를 이용하여 비드를 절삭하는 고강도 고주파용접 강관의 제조방법을 제공한다.
이 때, 상기 비드 절삭은 용접 후 1~2초 내에 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 비드 절삭과 동시에 노즐을 통해 냉각수를 분사할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 생산성과 용접부의 가공성을 동시에 확보하여, 자동차용 심가공 용도인 하이드로포밍 용접강관으로 적용이 가능한 980MPa급 오스테나이트계 고주파용접 강관을 제공할 수 있다.
도 1은 고주파용접 강관의 용접부에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관 용접부의 가공성을 확보하기 위해서는 침입결함(Penetrator), 냉접 등과 같은 용접결함이 없는 이음부를 확보할 필요가 있다는 점을 인지하게 되었으며, 특히, 고주파용접 강관의 경우, 타 용접강관과 달리 압접에 의해 접합되기 때문에 이러한 압접에 의해 돌출되는 비드를 바이트 등의 절삭공구를 이용하여 적절한 범위로 절삭함으로써 용접부의 가공성을 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되었고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 강관은 모재와 용접부를 포함한다.
본 발명의 용접 강관의 모재는 C: 1.5중량%이하, Mn: 5~35중량%, Al: 0.01~3중량%, Si: 3중량%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 조성성분을 갖는 것이 바람직한데, 상기 언급한 조성성분은 통상의 TWIP강의 조성성분이며, 본 발명에서는 상기 성분계를 지니는 TWIP강 즉, 통상의 TWIP강이라면 모두 적용이 가능하다.
본 발명이 대상으로 하고 있는 TWIP(Twinning Induced Plasticity)강은 망간, 탄소 등의 다량 첨가로 변형중 쌍정을 유도하여 가공경화율을 증가시켜 높은 연신율을 가지는 오스테나이트 조직의 고강도강으로서, 기존의 고강도강(DP강, TRIP강 등)과 다르게 단상의 오스테나이트 조직을 가지고 있으며, 용접후에도 상변태가 발생하지 않는 강종이다.
도 1은 고주파용접 강관의 용접부에 대한 모식도를 나타낸 것이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 제안하는 오스테나이트계 고주파용접 강관은 저항열을 이용해서 용접심부를 가열하여 용융시키고 이후 스퀴징(Sqeezing Roll)을 이용하여 모재(1)가 용접되며, 이러한 압접에 의해 용접부 내·외면에 비드가 돌출하게 된다. 용접부 내·외면 비드 돌출량(2)은 상기 용접 내면 비드(3)의 돌출량 및 용접 외면 비드(4)의 돌출량으로 정의된다. 본 발명에서는 상기 언급한 용접부 내·외면 각각의 비드 돌출량을 제어하는 것에 큰 중점을 두게 되는데, 상기 비드 돌출량 제어가 적절하게 이루어지지 않으면 강관의 확관시 용접부 계면(5) 또는 용접열영향부(6)에서 파단이 발생하게 된다.
보다 상세하게는, 상기 용접부 내·외면의 비드 돌출량을 0.1~0.3mm가 되도록 제어하는 것이 바람직한데, 상기와 같이 비드 돌출량을 제어함으로써 연성을 일정 수준 이상으로 확보할 수 있으며, 용접 강관의 확관가공시에는 파단이 모재에서 일어나게 할 수 있다. 다만, 비드 돌출량이 0.1mm미만인 경우에는 용접부가 모재에 비하여 강도가 감소하게 되어 확관가공시에 용접부 계면 등에서 파단이 일어나게 될 수 있으며, 0.3mm를 초과하게 되는 경우에는 노치효과에 의해 용접열영향부 근방에서 균열이 발생할 수 있고, 하이드로포밍 공정에 적용하기 곤란하다는 단점이 있다.
본 발명의 강관은 상기와 같이, 비드 돌출량을 제어함으로써 우수한 강도와 연성 즉, 용접부와 모재의 강도비를 1이상의 범위로 확보할 수 있고, 확관율 또한 30%이상을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에서는 상기 TWIP강을 이용하여 용접을 할 때, 용접결함이 없는 건전한 이음부를 확보하기 위하여, 용접입열량이 1.16~1.2KW·min/m이 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 1.16KW·min/m 미만일 경우, 용접입열량이 부족하게 되어 냉접 결함이 발생할 여지가 있으며, 1.2KW·min/m를 초과하게 될 경우에는 입열량 과다 적용에 따라 조관시에 스플래쉬(Splash)가 발생하거나, 용접부에 칩입결함(Penetrator)이 발생할 가능성이 높다는 문제점이 있다. 본 발명에서는 상기 용접입열량을 용접출력/용접속도로 정의한다.
전술한 바와 같이, 고주파 용접의 특성상 압접에 의해 모재가 접합되므로, 용접부 내부에 존재하던 용융금속이 비드로서 돌출하게 되며, 상기 모재를 포함하는 강관의 경우에는 파이프의 형상의 유지하기 위해서 용접 중에 용접부 내·외면에 돌출된 비드를 바이트등과 같은 절삭공구를 이용하여 절삭하는 공정이 필요하게 되며, 이 때 내·외면 비드 각각의 돌출량은 0.1~0.3mm가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 비드 절삭은 용접 직후, 즉, 용접 후 1~2초 내에 이루어지는 것이 바람직한데, 상기와 같이 용접 직후에 비드를 제거함으로써, 고온 상태인 용접 비드가 보다 쉽게 절삭될 수 있다.
상기와 같이 비드를 절삭함에 있어, TWIP강과 같은 경우에는 타 고강도강에 비해 우수한 고온강도와 연성을 갖고 있기 때문에 통상적으로 절삭하는 경우에는 바이트 등과 같은 절삭공구의 마모 또는 파손이 심각하다. 이에 따라, 상기 문제점들을 해결하기 위해 상기한 비드 절삭과 동시에 노즐을 통해 냉각수를 분사할 수 있다. 상기 냉각수로서는 물 또는 절삭유를 사용하는 것이 바람직하며, 노즐로서는 외경이 약 5mm정도인 동관을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 냉각수는 비드 또는 절삭공구 각각에 분사될 수 있지만, 비드와 절삭공구 모두에 분사되는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
(실시예)
하기 표 1의 조성 및 기계적 성질을 갖는 980MPa급 TWIP강을 열간압연, 냉간압연 및 소둔공정을 통해 두께 1.45mm의 강판을 제조하였다.
화학조성(중량%)
C Si Mn P S Cr Ni Al Ti V N
0.57 0.282 18.31 0.026 0.007 0.346 0.09 1.26 0.021 0.10 0.005
기계적 성질
경도(Hv) 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신율(%)
240 993 520 60
고주파용접 조관방법으로는 일반적으로 자동차용 용접강관에 적용되고 있는 연속 롤 성형 방식을 채용하였으며, 성형, 고주파용접, 교정, 절단의 공정을 통하여 외경 34mm의 용접 강관을 제조하였다. 이 때, 용접속도는 25L/min였으며, 용접출력을 하기 표 2와 같이 28~31kW로 변경하면서 강관을 제조하였다. 상기 강관 제조 후 용접부의 결함 및 가공성 평가를 실시하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
상기 용접부의 결함은 용접부 단면 5개소에 대하여 광학현미경을 이용하여 조사하였으며, 이후 용접부 비드의 돌출량을 측정하였고, 강관의 모재 및 용접부의 인장시험은 JIS Z2201_13B에 따라 시험편을 제작하여 인장특성을 평가하였으며, 이 때 인장속도는 20mm/min였다. 용접강관의 가공성평가는 플레어링(Flaring) 확관시험에 의해 균열발생시점까지의 최대 확관율을 측정하였다.
또한, 냉각방법에 의한 바이트 수명향상 효과를 검토하기 위하여, 하기 표 2에 나타난 바와 같이, 냉각 처리를 하지 않은 경우(A 타입), 바이트에만 냉각 처리를 한 경우(B 타입), 용접부 및 바이트에 냉각 처리를 한 경우(C 타입)으로 나누어 냉각처리를 행하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 상기 냉각 처리는 스퀴징롤과 내면바이트 상에 직경 5mm의 노즐을 설치하고 용접부의 내면 및 바이트에 냉각수를 분사하는 것으로 이루어졌다.
구분 용접
출력
(kW)		 용접
입열량
(kW·min/m)		 비드
돌출량
(mm)		 냉각
타입		 용접
결함
유무		 강도비
(용접부/모재)		 확관율
(%)		 파단
위치		 바이트
수명
비교예1 28 1.12 0.2 C 유(C) - 20 계면 양호
기존예 29 1.16 0 C 무 0.98 27 HAZ 양호
발명예1 29 1.16 0.1 C 무 1.01 32 모재 양호
발명예2 29 1.16 0.3 A 무 1.05 33 모재 불량
발명예3 29 1.16 0.2 B 무 1.03 32 모재 불량
발명예4 29 1.16 0.3 C 무 1.04 32 모재 양호
비교예2 29 1.16 0.5 C 무 1.03 25 HAZ 양호
발명예5 30 1.20 0.1 C 무 1.04 32 모재 양호
발명예6 30 1.20 0.3 C 무 1.04 32 모재 양호
비교예3 31 1.24 0.1 C 유(P) - 24 HAZ 양호
단, 용접결함 판단에 있어, C는 냉접결함, P는 침입결함을 의미함.
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 용접 입열량 범위를 만족하는 발명예 1 내지 6은 용접결함이 없는 양호한 이음부가 얻어졌으나, 비교예 1은 입열량 부족으로 인하여 냉접 결함이, 비교예 3은 입열량 과다로 인하여 스플래쉬에 의한 침입결함이 발생되었음을 알 수 있다. 이와 같이, 용접결함이 발생한 비교예 1 및 3에 대해서는 강도비를 측정하지 않았으며, 확관율 또한 낮은 수준을 이루고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명예들은 적절한 범위의 비드 돌출량을 확보함으로써, 1 이상의 용접부/모재 강도비와 30%이상의 확관율을 확보할 수 있음을 알 수 있으나, 비드 돌출량이 적은 기존예의 경우에는 충분한 강도비와 확관율을 확보할 수 없었으며, 비드 돌출량이 많은 비교예 2의 경우에는 강도비는 확보할 수 있었으나, 확관율을 30%이상으로 확보할 수 없었다.
또한, 본 발명예들은 강관의 파단위치가 모재로 나타났으며, 이러한 결과를 통해 용접부와 모재의 기계적 특성이 유사하여 우수한 가공특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 그러나, 파단위치가 계면 또는 용접열영향부(HAZ)인 비교예 1 내지 3과 기존예의 경우에는 용접부의 특성이 모재에 비하여 상당히 열화되어 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 냉각처리를 하지 않은 경우(A 타입)나, 바이트에만 냉각 처리를 한 경우(B 타입)보다는, 용접부 및 바이트에 냉각 처리를 한 경우인 C 타입이 바이트 수명향상에는 효과적이라는 사실을 알 수 있다.
1 : 모재 2 : 내·외면 비드 돌출량
3 : 용접 내면 비드 4 : 용접 외면 비드
5 : 용접부 계면 6 : 용접열영향부

Claims (6)

  1. 모재 및 용접부를 포함하는 고주파용접 강관으로서,
    상기 모재는 TWIP강이며, 상기 용접부 내·외면의 비드 돌출량이 0.1~ 0.3mm인 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접부와 모재의 강도비가 1이상인 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 강관의 확관율이 30%이상인 고강도 오스테나이트계 고주파용접 강관.
  4. 고주파용접에 의해 모재를 강관으로 용접하여, 용접부를 포함하는 고주파용접 강관을 제조하는 방법으로서,
    상기 모재로서 TWIP강을 사용하고, 상기 고주파용접시 용접입열량이 1.16~1.2KW·min/m가 되도록 하고, 상기 용접에 의해 형성되는 용접부 내·외면 비드 각각의 돌출량이 0.1~0.3mm가 되도록 바이트를 이용하여 비드를 절삭하는 고강도 고주파용접 강관의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비드 절삭은 용접 후 1~2초 내에 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 고주파용접 강관의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비드 절삭과 동시에 노즐을 통해 비드와 바이트에 냉각수를 분사하는 것을 특징으로 하는 고강도 고주파용접 강관의 제조방법.
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