KR101281294B1 - 강판의 플래시버트 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강판의 플래시버트 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접부에 형성되는 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있는 강판의 플래시버트 용접방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면은 전극을 이용하여 강판을 플래시버트 용접하는 방법에 있어서, 강판에 7.0~7.5톤의 클램프 가압력을 가하는 단계; 상기 강판에 70~80%의 용접 전류를 가하는 단계; 및 상기 강판에 7.8~10톤의 업셋력을 가하는 단계를 포함하는 강판의 플래시버트 용접방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 용접부에 형성되는 미세균열을 감소시킴으로써 HAZ 연화가 상대적으로 작은 자동차 휠 림 등의 부품을 제조할 수 있다.

Description

강판의 플래시버트 용접방법{FLASH BUTT WELDING METHOD OF STEEL SHEET}

본 발명은 강판의 플래시버트 용접방법에 관한 것이다.

최근 자동차산업에 있어서 크게 요구되는 부분으로는 환경규제로 인한 이산화탄소 등의 배기가스 저감, 경량화에 의한 연비향상, 충돌 안정성 등이 있다. 이에 따라, 자동차 제조사들은 현재 보편적으로 사용되고 있는 590MPa급 강종을 대신하여 두께가 더 얇으면서도 고강도를 갖는 780MPa급의 강재를 자동차용으로 사용하려는 경향이 있으며, 이는 자동차 휠 림(Rim) 등과 같은 자동차용 부품에 대한 연구로 연결되고 있다.

자동차 휠 림 부품은 자동차 바퀴의 외주(外周)로서 타이어를 끼우는 부분인데, 일반적으로 일정사이즈의 폭으로 절단한 소재를 원형모양으로 코일링한 후, 용접된다. 상기 휠 림은 용접 후, 내외부 비드 트리밍을 실시한 뒤, 롤 포밍 설비를 이용하여 단계적으로 에지(Edge)부를 확장하는 플레어링(Flaring) 성형, 원하는 림 형상을 만드는 드롭(Drop) 성형, 최종적인 진원도를 갖도록 확장(Expending) 성형을 거쳐서 최종 제품으로 제조된다.

상기 휠 림을 용접하는 방법의 대표적인 예로는 플래시버트 용접이 있는데, 플래시버트 용접이란 피용접재의 맞대기 단면을 접촉시켜 용접이음부에 흐르는 전류에 의해 생기는 저항열이나 접촉부가 용융 비산한 후 발생하는 아크열을 이용하여 맞대기 단면을 가열함과 동시에 그 단면을 용융 및 압착시키는 용접방법이며, 일반적인 플래시버트 용접방법의 원리에 관해서는 일본 특개소 59-118282호에 소개되어 있다.

한편, 상기 플래시버트 용접은 피용접재의 접합계면에 형성되는 잔존 산화물의 제어가 매우 중요시 되는데, 이러한 잔존 산화물 저감에 관한 대표적인 기술로는 일본 특개소 62-275581호가 있다. 그러나, 상기 기술이 제시하는 용접 방법은 인장강도가 590MPa 이상인 강재의 용접 이음부의 기계적 성질에 대해 신뢰성이 저하된다. 더욱이, 780MPa급 고강도강의 용접이음부는 냉각 중에 마르텐사이트 혹은 베이나이트 조직을 형성하여 균열감수성이 높고, Si, Mn, Al 등의 산화물이 용접 후 맞대기 계면에 어느 정도 잔존하게 되어, 이를 기점으로 용접부 미세균열(Hair Crack)을 발생시킨다는 문제점이 있다.

또한, 기존 연구결과를 참고하면, 고강도강의 용접부의 잔존 산화물에 의한 페니트레이터(Penetrator) 균열발생율은 Mn/Si비와 깊은 관련이 있는데, 그 값이 범위가 5~20일 때, 균열발생율이 감소하는 경향이 있다. 그러나, 상기 조건을 만족시키기 위해서는 대상 강종이 너무 제한된다는 문제점이 있다.

본 발명의 일측면은 고강도강의 플래시버트 용접시 잔존하게 되는 Mn, Si 등의 산화물을 효과적으로 배출함으로써, 용접부에 형성되는 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있는 강판의 플래시버트 용접방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일측면은 전극을 이용하여 강판을 플래시버트 용접하는 방법에 있어서, 강판에 7.0~7.5톤의 클램프 가압력을 가하는 단계; 상기 강판에 70~80%의 용접 전류를 가하는 단계; 및 상기 강판에 7.8~10톤의 업셋력을 가하는 단계를 포함하는 강판의 플래시버트 용접방법을 제공한다.

(단, 상기 용접 전류는 용접시 단락 전류의 비율 %를 의미함.)

본 발명의 일측면에 따르면, 용접부에 형성되는 미세균열의 발생을 감소시킴으로써 HAZ 연화가 상대적으로 작은 자동차 휠 림 등의 부품을 제조할 수 있다.

도 1은 강판을 플래시버트 용접하는 모습의 일례를 도시한 모식도이다.
도 2는 플래시버트 용접되는 강판의 용접부 단면을 나타내는 모식도이다.
도 3은 50Kg급의 고강도 탄소강에 대하여 Mn/Si비와 용접부의 균열발생율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 플래시버트 용접시 초기전극간격과 최종전극간격을 나타내는 모식도이다.
도 5는 용접 비드의 높이에 따른 산화물 배출을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 업셋력 증가와 미세균열 발생율의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 일정사이즈로 절단한 강판의 양 끝 또는 두 개의 강판을 서로 맞댄 채 플래시버트 용접하는 방법에 관한 것이다. 도 1은 강판을 플래시버트 용접하는 모습의 일례를 도시한 모식도이다. 이하, 도 1을 통해 일반적인 플래시버트 용접방법에 대하여 설명한다.

일반적으로, 플래시버트 용접을 위한 용접기는 Cu재질의 전극, 가압장치, 피용접재의 고정대, 이송대, 파워 서플라이(전원) 및 기타 구성 요소를 포함한다. 플래시버트 용접은 이러한 장치를 이용하여, 도 1에 나타난 바와 같이, 고정대에 의하여 강판(1a)이 고정되도록 하고, 상기 강판(1a)에 이송대 및 가압장치에 의해 이동하는 강판(1b)을 압착시키면서 이루어진다. 이 때, 상기 강판(1a, 1b)은 전극(2)이 접촉하게 되고, 이 전극(2)은 파워 서플라이(전원)(3)에 연결되는데, 상기 파워 서플라이에서 제공되는 전류에 의해 용접부는 가열되게 된다.

도 2는 플래시버트 용접되는 강판의 용접부 단면을 나타내는 모식도이다. 도 2에 나타나는 바와 같이, 상기와 같이 용접되는 강판은 업셋에 따라 접합계면(weld line)을 기준으로 좌우에 용융 금속의 플로우(metal flow) 현상, 즉, 재료의 소성유동이 일어나게 된다. 이러한 현상에 의하여, 용접부의 내외부에는 비드가 볼록하게 형성되게 되고, 이 비드는 용접 후에 트리밍 장치에 의해 제거된다.

그러나, 이와 같이 용접되는 강판은 성분조성상 그 내부에 Si나 Mn 등과 같은 원소들이 포함되며, 이러한 원소들이 산화물을 형성하게 되는데, 이 산화물이 용접부의 접합계면 혹은 이 주위에 잔존하게 되면, 미세 균열을 발생하여 용접부의 품질을 저하시킬 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들이 연구한 결과, 용접조건을 적절히 제어하게 되면, 용접부에 잔존하는 산화물을 효과적으로 배출시킬 수 있다는 식견에 근거하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 일태양이 제공하는 플래시버트 용접방법은 업셋력을 7.8ton 이상으로 제어하는 것이 바람직하며, 이를 통해, 용접이음부 내에 잔존하는 Si나 Mn 등의 산화물들을 외부로 효과적으로 배출할 수 있다. 그러나, 7.8ton 미만인 경우에는 잔존 산화물의 배출이 용이하게 이루어지지 않아, 용접부에 미세 균열이 발생하여 용접부 품질이 저하될 수 있다. 여기서, 업셋력이란 피용접재가 서로 압착되는 힘을 의미하며, 이 때 용융된 피용접재가 서로 압착되어 버(burr)가 형성된다. 한편, 상기 업셋력은 높은 값일수록 바람직하나, 공정상의 한계로 10톤을 초과하기는 어렵다.

본 발명에서는 상기와 같이 업셋을 행하는 경우, 충분한 용접 입열량을 부여하는 것이 바람직하다. 강판에 인가되는 용접 전류는 용접 입열량을 좌우하는 인자인데, 통상적으로 전류값은 수치적으로 기록되지 않으며, 용접시 단락 전류의 비율 %로 표시된다. 상기 용접 전류가 70% 미만인 경우에는 입열량이 부족하게 되어 용접이 이루어지지 않을 수 있고, 80%를 초과하는 경우에는 입열량이 과다하여 HAZ연화폭이 커질 수 있으므로 적정 범위내에서 충분한 입열량이 부여되도록 용접이 행하여지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 플래시버트 용접을 위한 용접기는 용접 전원에 따라 크게 AC와 DC로 구분할 수 있다. 일반적으로, AC는 아크열을 이용하기 때문에 용접 과정 중 재료의 비산량과 흄이 많아 작업환경이 그다지 좋지 않고, 용접시간이 길며, 용접 품질이 낮다. 이에 비해, DC는 용접장비는 고가이지만, 저항열을 이용하기 때문에 환경친화적이고, 용접시간이 단축되며, 정밀제어로 용접품질의 재현성이 좋다는 장점이 있다. 본 발명에서는 상기 용접 전류에 대하여 AC 전원 또는 DC전원 모두를 사용할 수 있으나, 저항열을 이용하는 DC 전원을 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 업셋을 행하기 전, 즉 상기와 같이 업셋력을 부여하기 전에 7.0~7.5톤(ton)의 클램프 가압력을 부여하는 것이 바람직하다. 클램프 가압력란 용접시 전류를 흘리기 전에 피접합재를 클램프로 고정하여 용접하는 면을 서로 맞대어 재료를 밀어붙이는 힘을 의미하여, 고강도강일수록 가압력을 충분히 주어야 한다. 상기 클램프 가압력은 7.0~7.5톤의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 7.0톤 미만인 경우에는 피접합재를 밀어붙이는 힘이 충분치 않아 용접시에 접촉면적의 감소로 인해, 저항발열의 밸런스가 좋지 안하 용접부 품질이 저하될 우려가 있다. 이와 반대로 7.5톤을 초과하는 경우에는 생산공정상의 효율이 저하될 수 있으므로, 상기 클램프 가압력은 7.0~7.5톤의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

도 4는 플래시버트 용접시 초기전극간격과 최종전극간격을 나타내는 모식도이며, 도 5는 용접 비드의 높이에 따른 산화물 배출을 나타낸 모식도인데, 용접부 내에 잔존하는 산화물을 효과적으로 배출하기 위해서는 상기 용접 조건의 제어외에 도 4와 같이, 초기전극간격(ID)과 최종전극간격(ED)의 차이를 크게 둠으로써 용접 비드를 높게 형성시키는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 용접개시 시점과 용접완료 시점에서 전극간 간격, 즉, 피용접재(4a)에 연결된 전극(2)과 다른 피용접재(4b)에 연결된 전극(2)간 간격을 크게 함으로써, 피용접재(4a, 4b)가 압착되는 양을 증가시키고 이를 통해 용접 비드를 높게 형성시키면 도 5와 같이, 금속 플로우에 의해 산화물이 외부로 배출되는 양이 증가된다. 상기 효과를 위해서는 초기전극간격과 최종전극간격의 차이가 8mm이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명이 대상으로 하는 강종은 고강도강이므로, 공정상의 한계로 인하여 초기전극간격과 최종전극간격의 차이가 9mm를 초과하기는 어렵다. 여기서, 용접 비드는 맞대기이음부의 길이방향 전범위에 걸쳐서 내외부에 형성된 것을 의미한다.

이 때, 상기 강판은 인장강도가 780MPa이상인 것이 바람직하며, 이를 위해서는 미세조직은 페라이트+베이나이트 2상 조직을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명자들은 50Kg급의 고강도 탄소강에 대하여 Mn/Si비와 용접부의 균열발생율의 관계를 조사하였고, 그 결과는 도 3과 같다. 도 3에 나타난 바와 같이, 통상적으로 고강도 강판을 플래시버트 용접하는 경우에는 Mn/Si비가 5~20인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우, 페니트레이터(Penetrator)에 의한 용접부 균열발생율 즉, 균열감수성이 증가하는 것을 알 수 있다. 상기 페니트레이터(Penetrator)는 플래시 용접 또는 전기저항 용접 등에서 부적당한 용접조건 때문에, 접합된 단면이 산화된 상태에서 압접됨으로써 용접부에 잔류하게 되는 내부 결함을 의미하며, 이것이 적을수록 용접부 품질이 향상된다. 그러나, 본 발명에서는 상기와 같은 Mn/Si비를 만족하지 않아도, 전술한 바와 같이, 최적의 용접조건을 설정함으로써, 대상 강재가 한정되지 않는다는 장점이 있으며, 상기 강판 조성성분의 바람직한 일례로서 중량%로, C: 0.04~0.1%, Si: 0.5~1.0%, Mn: 1.7~1.9%, Cr: 0.7%이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 가지며, 페라이트-베이나이트 2상조직을 갖는 780MPa급 열연강판을 2.25mm의 두께로 제조하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	Nb	Ti	N
PO 780FB	0.04	1.0	1.7	0.01	0.003	0.7	0.03	0.03	0.06	0.007

이후, 상기 강판을 피용접재로 사용하고, 하기 표 2와 같이 업셋량을 변경하여 DC 플래시버트 용접을 행하였고, 이를 통해 직경 14인치, 길이 200.5mm의 림 부품을 제조하였다. 이 때, 용접되는 상기 강판의 두께 편차는 5/100mm이하였다. 또한, 용접 전류는 77%, 클램프 가압력은 7.0톤이었으며, 초기전극간격은 14mm, 최종전극간격은 6mm로서, 그 차이가 8mm가 되도록 하였다. 이와 같이 제조된 제품에 대하여 미세균열(Hair Crack)의 존재여부에 대한 판단을 하기 위하여, 용접부에 헬륨 가스를 취입하는 누수검사를 행하였고, 미세균열이 검출되는 경우를 불량으로 간주하였다.

구분	업셋력(ton)	테스트 제품 개수	미세균열이 발생한 제품 개수 / 발생율
비교예 1	6.3	282개	25개 / 8.9%
발명예 1	7.8	241개	2개 / 0.8%
발명예 2	8.1	283개	2개 / 0.7%

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명이 대상재로 사용한 강판은 Mn/Si비가 1.7로서, 통상의 용접조건에서는 페니트레이터(Penetrator)에 의한 용접부 균열발생율이 높을 것으로 추정된다.

그러나, 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 업셋력을 만족하는 발명예 1 및 2의 경우, 각각 미세균열 발생율이 0.8%, 0.7%로 낮은 수준을 나타내었으며, 결국, Mn/Si비가 5~20의 범위를 만족하지 않더라도, 산화물의 배출이 효과적으로 이루어졌음을 알 수 있다.

한편, 비교예 1의 경우에는 충분한 업셋력이 가해지지 않아, 미세균열 발생량이 8.9%로 높은 수준을 나타났고, 결국 제품의 불량률이 높은 것을 알 수 있다.

도 6은 상기 표 2에 나타난 결과, 즉, 업셋력 증가와 미세균열 발생율의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타나 있듯이, 미세균열 발생율과 업셋력과는 상관관계가 인정되는 것을 알 수 있으며, 업셋력이 증가함에 따라 미세균열 발생율을 점차 감소됨을 정량적으로 알 수 있다. 또한, 본 발명이 제안하는 바와 같이, 적정 업셋력 범위는 7.8 ton 이상임을 알 수 있다.

1a, 1b : 강판 2 : 전극
3: 파위 서플라이(전원) 4a, 4b : 피용접재

Claims (6)

1. 전극을 이용하여 강판을 플래시버트 용접하는 방법에 있어서,
   강판에 7.0~7.5톤의 클램프 가압력을 가하는 단계;
   상기 강판에 70~80%의 용접 전류를 가하는 단계; 및
   상기 강판에 7.8~10톤의 업셋력을 가하는 단계를 포함하는 강판의 플래시버트 용접방법.
   (단, 상기 용접 전류는 용접시 단락 전류의 비율 %를 의미함.)
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 용접은 초기전극간격과 최종전극간격의 차이가 8~9mm가 되도록 행하여지는 강판의 플래시버트 용접방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 용접 전류는 DC전원에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 강판의 플래시버트 용접방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 강판은 미세조직이 페라이트+베이나이트 2상조직인 강판의 플래시버트 용접방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 강판은 인장강도가 780MPa이상인 강판의 플래시버트 용접방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 강판은 중량%로, C: 0.04~0.1%, Si: 0.5~1.0%, Mn: 1.7~1.9%, Cr: 0.7%이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판의 플래시버트 용접방법.

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