KR101438778B1

KR101438778B1 - 압연판재의 모서리 균열 방지 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101438778B1
Application number: KR1020120157432A
Authority: KR
Inventors: 이목영; 이흥규
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-09-17
Also published as: KR20140094037A

Abstract

본 발명은 주조 혹은 압연공정에서 발생한 판재의 모서리 균열을 제거하고, 후속의 압연과정에서 모서리 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해 개선된 압연판재의 모서리 균열 방지 장치 및 그 방법이다.
본 발명은 주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열이 발생된 판재를 압연하는 적어도 한 쌍의 압연롤과; 상기 판재가 상기 압연롤로 통과되기 전, 상기 판재의 모서리에 레이저빔을 출사하여 상기 모서리를 가열하여 균열이 제거되도록 하는 레이저빔 집속장치와; 상기 레이저빔 집속장치에서 레이저빔이 출사되게 하는 레이저 발생장치;를 포함하되, 상기 레이저빔 집속장치에 의해 상기 판재의 모서리는 용융 온도 이상으로 가열되는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치를 제공한다.

Description

압연판재의 모서리 균열 방지 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR METHOD FOR PROTECTING CRACKS ON THE EDGE OF ROLLING SHEET}

본 발명은 압연판재의 모서리 균열 방지 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주조 혹은 압연공정에서 발생한 판재의 모서리 균열을 제거하고, 후속의 압연과정에서 모서리 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해 개선된 압연판재의 모서리 균열 방지 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

판재의 압연 과정에서 판폭의 내측은 연속된 인접부의 재료에 의한 구속으로 균열이 발생하지 않는 반면, 양측 모서리 부위는 자유계면에 노출된다. 이때 압연에 의한 소성 유동과정에서 재료의 연신이 발생하는데, 이러한 연신량이 재료 고유의 연성 한계를 초과하는 경우 모서리 균열이 발생하게 된다.

또한 압연량을 증가시키기 위하여 온간 혹은 열간압연을 하는 경우 모서리는 상대적으로 냉각이 빠르기 때문에 내부에 비하여 온도가 낮으므로, 모서리 균열이 발생하기 쉽다. 특히 마그네슘 등과 같이 연성이 낮은 경우 온간압연을 행하는데, 열용량이 작고 열전달이 빠른 재료 고유의 특성으로 인하여 모서리 온도 감소가 심하여 모서리 균열이 매우 심각하다.

도 1은 마그네슘 온간압연 과정에서 형성된 모서리 균열의 일 예를 나타내었다.

도 1에 보이는 바와 같이, 압연판재의 모서리에 균열(C)이 생기면 압연, 굽힘 등 후속의 소성가공이 어렵기 때문에 사용 전 제거를 하여야 하며, 그로 인한 실수율 감소로 제조원가가 상승하고 사용 가능한 판재의 최대 폭이 감소하는 문제가 발생한다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 미국특허 4,627,259에서는 유도가열에 의한 모서리 예열 방법을 제안하였다.

그런데, 상기한 미국특허의 유도가열 방식은 철강, 스테인리스강 등과 같이 재료의 비저항이 높고, 열전달이 늦은 경우 효율적인 방식이긴 하지만, 마그네슘합금, 알루미늄합금 등과 같이 비저항이 낮고 열전달이 빠른 소재에 적용하기는 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 주조 혹은 압연공정에서 발생한 판재의 모서리 균열을 제거하기 위해 모서리에 레이저빔을 출사하여 가열하고, 후속의 압연공정에서 모서리 균열이 발생되지 않도록 한 압연판재의 모서리 균열 방지 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압연판재의 모서리 균열 방지 장치는, 주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열이 발생된 판재를 압연하는 적어도 한 쌍의 압연롤과; 상기 판재가 상기 압연롤로 통과되기 전, 상기 판재의 모서리에 레이저빔을 출사하여 상기 모서리를 가열하여 균열이 제거되도록 하는 레이저빔 집속장치와; 상기 레이저빔 집속장치에서 레이저빔이 출사되게 하는 레이저 발생장치;를 포함하되,

상기 레이저빔 집속장치에 의해 상기 판재의 모서리는 용융 온도 이상으로 가열되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 레이저빔 집속장치의 레이저빔의 직경은, 상기 판재 두께의 50~120%이고, 상기 판재의 두께는 1~100mm이고, 상기 레이저빔의 직경은 0.5~120mm이다.

그리고 상기 레이저빔의 직경을 증감시키기 위한 레이저빔 집속광학계를 더 포함하여 되고, 상기 판재는 마그네슘합금으로 이루어지고, 상기 마그네슘합금은, 알루미늄 1~10중량% 및 아연 0.5~5중량%를 함유하여 된다.

또한 상기 레이저빔 집속장치의 레이저빔의 강도범위는 60~600W/mm³ㆍs이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압연판재의 모서리 균열 방지 방법은, (a) 주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열이 발생된 판재를 압연하기 위해 적어도 하나의 압연롤에 집입을 준비하는 단계와; (b) 상기 판재의 상기 모서리에 레이저빔을 출사하여 상기 모서리를 가열하여 균열이 제거되도록 하는 단계와; (c) 상기 모서리 가열이 완료된 상기 판재를 상기 압연롤에 통과시키는 단계;를 포함하되, 상기 단계 (b)에서, 상기 모서리는 용융온도 이상으로 가열하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 판재의 두께는 1~100mm, 상기 레이저빔의 직경은 0.5~120mm가 적용되고, 상기 단계 (b)에서, 상기 레이저빔의 직경은 상기 판재의 두께에 따라 증감시키며, 상기 레이저빔의 직경을 증감시키기 위해 레이저빔 집속광학계를 이용한다.

그리고 상기 레이저빔 집속광학계를 통해 상기 레이저빔의 출사 형태를 변경하고, 상기 레이저빔 직경의 증감은, 상기 레이저빔의 초점을 오조준하여 상기 판재의 표면에서 상기 레이저빔의 직경을 증가시키며, 상기 레이저빔을 일정 시간 동안 진동시켜 상기 레이저빔의 직경을 증가시킨다.

또한 상기 판재의 표면 혹은 모서리면에서 레이저빔의 강도범위는 60~600W/mm³ㆍs로 조사한다.

그리고 상기 판재의 가열 혹은 용융 부위에 불활성가스를 송급하여 산화를 방지한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 압연시 판재의 모서리 균열을 방지할 수 있어, 제조 가능한 판재 폭을 확대할 수 있고, 실수율이 향상되어 압연판재의 제조원가를 낮출 수 있다.

그리고 마그네슘 합금의 경우 압연특성이 열악하여 모서리 균열에 의한 판재 폭 감소 및 실수율이 크게 저하하는 문제를 방지할 수 있어, 판재 폭이 증대되고, 제조원가 절감이 가능하다.

도 1은 마그네슘 온간압연 과정에서 형성된 모서리 균열의 일 예의를 나타내 보인 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 압연판재의 모서리 균열 방지 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 온도에 따른 파단 연신율 증가를 나타내 보인 그래프이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 적용된 레이저빔 형태 및 크기 변경 방법의 여러 실시예룰 나타내 보인 개략도이다.
도 8은 본 발명을 적용하여 판재의 이송속도에 따른 용융깊이를 나타내 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 압연판재의 모서리 균열 방지 장치의 구성을 나타낸 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 압연판재의 모서리 균열 방지 장치는, 주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열(11)이 발생된 판재(10)를 압연하는 적어도 한 쌍의 압연롤(21,22)과, 상기 판재(10)가 압연롤로 통과되기 전, 판재(10)의 모서리에 레이저빔을 출사하여 판재(10)의 모서리에 레이저빔을 집속하며 가열하여 균열(11)이 제거되도록 하는 레이저빔 집속장치(33)와, 이 레이저빔 집속장치(33)와 연결되어 레이저빔 집속장치(33)에서 레이저빔이 출사되게 하는 레이저 발생장치(31)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 레이저 발생장치(31)와 레이저빔 집속장치(33)는 빔전송계(35)가 연결되어 판재(10)의 모서리 인근으로 레이저빔이 유도된다.

또한 상기 레이저 발생장치(31)에 적용 가능한 레이저는, 파장이 긴 CO2 레이저, 근적외선 파장대의 Nd:YAG 레이저, 디스크 레이저, 화이버 레이저 및 다이오드 레이저 등이 모두 가능하다.

그러나, 레이저빔의 광섬유 전송이 가능한 근적외선 파장대의 레이저가 가열효율 및 시스템 구축 등에서 보다 유용하다.

그리고 본 발명에 따른 압연판재의 모서리 균열 방지 장치에는, 레이저빔에 의해 가열 혹은 용융되는 부위의 산화를 방지하기 위해 아르곤, 헬륨, 질소 등을 송급하기 위해 불활성가스 송급장치(50)가 구비된다.

그리고 후술하는 바와 같이, 상기 판재(10)의 모서리 표면의 레이저빔 집속 위치에서 레이저빔의 직경은 판재(10)의 두께에 따라 가변하는 것이 바람직한데, 그 이유는 판재(10)의 모서리 균열(11)을 충분히 용융시키고, 압연과정에서 모서리 부위의 예열온도를 충분히 확보하기 위해서이다.

또한 상기 레이저빔 집속장치(33)에 의해 판재(10)의 모서리는 용융 온도 이상으로 가열된다. 그 이유는 용융온도 이상으로 가열된 영역의 잠열은 열전달에 의하여 모서리 및 인접부를 예열하여 압연 과정에서의 균열(11)을 방지하기 때문이다.

그리고 온도에 따른 파단 연신율 증가를 나타내 보인 도 3의 그래프를 보면 알 수 있는 것과 같이, 온도가 증가하면 균열(11)이 발생하지 않는 유효 소성변형량이 증가하기 때문이다.

그리고 상기 레이저빔 집속장치(33)의 레이저빔의 직경은, 판재(10) 두께의 50~120%이다.

이와 같이 적정한 레이저빔의 직경은 판재(10) 두께의 50~120%인데, 그 이유는 레이저빔 직경이 판재(10) 두께의 50% 미만인 경우, 모서리 균열(11)을 완전하게 용융시켜 제거하기 어렵기 때문이다.

반면, 레이저빔 직경이 판재(10) 두께의 120%를 초과하는 경우, 레이저빔의 손실이 크고, 반사 빔에 의하여 주변 장비 혹은 인체를 손상시키고, 과도한 용융에 의하여 판재(10)의 품질을 저하시키기 때문이다.

그러나, 판재(10)의 모서리 균열(11)이 발생하지 않은 경우, 혹은 모서리 균열(11)이 압연에 영향을 별로 받지 않는 경우에는, 레이저빔 직경을 판재(10) 두께의 50% 미만으로 사용하는 것도 가능하다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치를 적용하여, 본 발명에 따른 압연판재의 모서리 균열 방지 방법을 설명한다.

본 발명에 따른 압연판재의 모서리 균열 방지 방법은, 우선, 주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열(11)이 발생된 판재(10)를 압연하기 위해 적어도 한 쌍의 압연롤(21 및 22)에 집입을 준비한다.(단계 110)

이어서, 상기 판재(10)의 모서리에 전술한 레이저 발생장치(31)와 연결된 레이저빔 집속장치(33)를 통해 레이저빔을 출사하여 모서리를 가열하여 균열(11)이 제거되도록 한다.(단계 120)

이때, 상기 판재(10)의 모서리는 전술한 바와 같이, 용융온도 이상으로 가열한다.

그리고 상기 모서리 가열이 완료된 판재(10)를 압연롤에 통과시킨다.(단계 130)

또한 본 발명에 적용되는 판재(10)의 두께는 1~100mm이며, 레이저빔 집속장치(33)에서 출사되는 레이저빔의 직경은 0.5~120mm가 적용된다.

그리고 상기 불활성가스 송급장치(50)를 통해, 아르곤, 헬륨, 질소 등의 불활성가스를 송급하여 판재(10) 중 가열 혹은 용융 부위의 산화를 방지한다.

한편, 일반적으로 레이저 용접에 사용하는 레이저빔의 집속 위치에서 레이저빔의 직경이 0.6mm 이하이므로, 본 발명에 적용하기 위해서는 레이저빔의 직경의 가공 혹은 증가가 필요하다.

본 발명에 적합하도록 레이저빔을 가공 혹은 증가시키는 방법을 설명하기로 한다.

우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저빔(L1)의 초점을 오조준하여 소재(101)의 표면에서 레이저빔(L1)의 직경을 증가시킨다.

그리고 도 5의 경우에는, 반사거울(121)과 렌즈(122) 등이 구비된 레이저빔 집속광학계인 빔진동기를 이용하여 레이저빔 집속장치(120)로부터 출사되는 레이저빔을 진동시켜 순간적으로는 레이저빔(L2)의 직경이 작지만, 일정한 시간 동안에는 빔 직경을 증가시킨다.

또한 도 6에 도시된 바와 같이, 특수한 광학계(151)를 사용하여 레이저빔의 크기 혹은 형태를 바꾸는 방법도 있다. 즉, 레이저빔 집속광학계를 통해 레이저빔의 출사 크기 및 형태(예컨대, 사각형 또는 원형 등)를 변경할 수 있다.

그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 다이오드 레이저(161)의 경우에는 사각형의 레이저빔(L)이 소재(10)에 출사되므로, 다이오드 레이저(161)에 광학계(171)를 장착한 직접조사 방식은 적은 투자비 및 가열효율 향상의 장점이 있다.

한편, 가열 혹은 용융은 판재(10) 양측면의 모서리 및 균열(11)이 발생한 표면을 가열 혹은 용융시키는 것도 가능하다.

또한 본 발명에 의한 모서리 균열(11) 방지를 위해서는 판재(10) 모서리의 표면에 조사되는 레이저빔의 강도는 60~600W/mm³ㆍs가 적당하다. 그 이유는, 조사되는 레이저빔의 강도 60W/mm³ㆍs 보다 작은 경우 모서리의 가열온도가 낮기 때문에 모서리 균열(11) 방지 효과가 매우 적고, 반면에 레이저빔의 강도가 600W/mm³ㆍs을 초과하는 경우 과도한 가열에 의하여 모서리의 가열부의 소재 특성이 저하되기 때문이다.

그리고 레이저빔의 적정한 강도범위를 압연속도 10m/min을 기준으로 예시하면, 10~100kW/mm²이다.

실시 예

도 8은, 집속점에서 레이저빔 직경 0.6mm, 레이저 출력 2kW인 경우에 마그네슘 소재의 최대 용융깊이를 나타내 보인 것이다.

도 8을 참조하면, 최대 용융깊이는 판재의 이송속도가 2m/min인 경우에 4mm 이상이었으며, 이송속도 증가에 반비례하여 감소하여 이송속도가 5m/min에서는 1.7mm로 감소하였다.

그리고 판재의 이송속도 3m/min에서 용융깊이는 2.2mm 가량이었는데, 이것은 모서리의 균열 길이 2.2mm까지 제거가 가능한 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 재료의 소성유동성은 온도 증가에 비례하여 증가한다는 점에 착안을 하였다.

전술한 도 3은 용접부를 포함하는 마그네슘 판재의 연신율을 시험온도에 따라 나타낸 것인데, 시험온도에 비례하여 파단연신율이 증가하는 것을 알 수 있다.

그러나, 350도 이상이 되면 소재의 재결정에 의하여 연신율의 편차가 증가하였다.

이에 따라 고에너지 밀도를 갖는 레이저빔을 이용하여 필요한 부위만을 선택적으로 급속히 가열하였다.

이렇게 레이저빔을 이용하여 판재의 모서리를 가열하면, 선행공정에서 발생한 모서리의 균열을 재용융에 의하여 제거하는 것이 가능하고, 그 잠열에 따른 모서리 부분의 예열로 재료의 소성유동성을 향상시켜 압연과정에서 균열 발생을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 판재의 모서리 균열 방지 장치 및 방법은, 알루미늄합금, 마그네슘합금 및 티타늄 혹은 그 합금 등과 같이 열전도가 빠른 소재에 특히 효과적이다.

특히, 상기 마그네슘합금은 알루미늄 1~10중량% 및 아연 0.5~5중량%를 포함한 것이 적용된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10 : 판재
11 : 균열
21,22 : 압연롤
31 : 레이저 발생장치
33 : 레이저빔 집속장치
35 : 빔전송계
50 : 불활성가스 송급장치

Claims

주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열이 발생된 판재를 압연하는 적어도 한 쌍의 압연롤과;
상기 판재가 상기 압연롤로 통과되기 전, 상기 판재의 모서리에 레이저빔을 출사하여 상기 모서리를 가열하여 균열이 제거되도록 하는 레이저빔 집속장치와;
상기 레이저빔 집속장치에서 레이저빔이 출사되게 하는 레이저 발생장치;를 포함하되,
상기 레이저빔 집속장치에 의해 상기 판재의 모서리는 용융 온도 이상으로 가열되고,
상기 레이저빔 집속장치의 레이저빔의 직경은, 상기 판재 두께의 50~120%인 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 판재의 두께는 1~100mm이고, 상기 레이저빔의 직경은 0.5~120mm인 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저빔의 직경을 증감시키기 위한 레이저빔 집속광학계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치.
제1항에 있어서,
상기 판재는 마그네슘합금으로 이루어지고,
상기 마그네슘합금은, 알루미늄 1~10중량% 및 아연 0.5~5중량%를 함유하여 된 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저빔 집속장치의 레이저빔의 강도범위는 60~600W/mm³ㆍs인 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 장치.
(a) 주조 혹은 압연단계에서 모서리에 균열이 발생된 판재를 압연하기 위해 적어도 하나의 압연롤에 집입을 준비하는 단계;
(b) 상기 판재의 상기 모서리에 레이저빔을 출사하여 상기 모서리를 가열하여 균열이 제거되도록 하는 단계와;
(c) 상기 모서리 가열이 완료된 상기 판재를 상기 압연롤에 통과시키는 단계;를 포함하되,
상기 단계 (b)에서, 상기 모서리는 용융온도 이상으로 가열하고, 상기 레이저빔의 직경은 상기 판재의 두께에 따라 증감시키는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
제7항에 있어서,
상기 판재의 두께는 1~100mm, 상기 레이저빔의 직경은 0.5~120mm가 적용되는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
삭제
제7항에 있어서,
상기 레이저빔의 직경을 증감시키기 위해 레이저빔 집속광학계를 이용하는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
제7항에 있어서,
상기 레이저빔 집속광학계를 통해 상기 레이저빔의 출사 형태를 변경하는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
제7항에 있어서,
상기 레이저빔 직경의 증감은, 상기 레이저빔의 초점을 오조준하여 상기 판재의 표면에서 상기 레이저빔의 직경을 증가시키는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
제7항에 있어서,
상기 레이저빔을 일정 시간 동안 진동시켜 상기 레이저빔의 직경을 증가시키는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
제7항에 있어서,
상기 판재의 표면 혹은 모서리면에서 레이저빔의 강도범위는 60~600W/mm³ㆍs로 조사하는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.
제7항에 있어서,
상기 판재의 가열 혹은 용융 부위에 불활성가스를 송급하여 산화를 방지하는 것을 특징으로 하는 압연판재의 모서리 균열 방지 방법.