KR101809442B1

KR101809442B1 - 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템

Info

Publication number: KR101809442B1
Application number: KR1020160052459A
Authority: KR
Inventors: 김정섭; 이윤교
Original assignee: 서진산업(주)
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-12-18
Also published as: KR20170123408A

Abstract

본 발명은 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 아연도금강판을 용접하기 위한 시스템에 있어서, 상기 아연도금강판의 용접부 라인을 따라 이동되며 상기 용접부의 아연도금강판의 아연층을 용융, 증기화하여 제어하는 선행용접기; 및 상기 선행용접기에 대하여 후단측으로 특정간격 이격되어 배치되고, 상기 아연층이 제거된 용접부에 대해 용접와이어를 공급하여 용접하는 후행용접기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템에 관한 것이다.

Description

복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템{System for welding galvanized steel using multiple heat source}

본 발명은 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템에 대한 것이다.

일반적으로, 자동차의 차체 또는 서브 프레임, 프레임 레일 등 구성부품은 열연강판 또는 냉연강판을 용접 특히, 아크 용접을 이용하여 접합 생산하였으며, 최근 자동차의 방청성 향상 요구에 따라 도금강판이 주로 사용되고 있다.

이때, 용접품질을 향상시키기 위해서는 소재에 대한 최적의 용접 특성을 알아야하며, 이를 토대로 최적의 용접환경을 조성하는 것이 필요하다.

도 1은 종래 도금강판 용접시 기공 발생을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 아크 용접시 용접와이어(8)와 아연도금강판(1) 사이에서 비산되는 금속입자인 스패터(9)와 함께 도금층(3)에서 금속증기가 발생된다.

특히, 최근 자동차 생산시, 통상 부식이 잘 발생되지 않으며 외관이 미려하여 주로 사용되는 아연도금강판(1)은 아연의 기화온도가 900℃ 내외로 강판의 액화점인 약 1500℃에 비하여 상당히 낮기 때문에, 용접 과정 중 아연증기(ZF)가 쉽게 발생된다.

이러한, 아연증기가 배출되지 않으면, 아연증기가 용접부위의 내부에 기공(Blow hole, 6)이 형성하여 용접결함으로 이어진다.

즉, 아연도금강판(1) 용접시 발생되는 기공(6)은 용접시 가해지는 고온의 아크열에 의하여 표면의 도금층(3)의 아연이 기화하여 아연증기를 발생시고, 발생된 아연증기가 소재 사이에서 외부로 원활하게 배출되지 않으며, 용접 중 발생되는 아연 가스가 고압의 아연 증기압을 형성한다.

이때, 아연 증기압이 용융되는 용접금속 즉, 비드(7)의 표면장력보다 커지는 경우 비드(7)에 기공(6)을 발생시키게 된다.

도 2는 기공량과 인장강도 사이 관계를 보여주는 도면이고, 도 3은 기공발생으로 인한 용접부의 파단을 보여주는 도면이다.도 2 내지 3에 도시된 바와 같이, 60K급 고장력강판에서 120㎜당 8개 이상의 기공이 발생된 경우 용접부의 인장강도가 저하된다.

또한, 도 4는 단독열원용접기(CMT, 5)을 이용하여 아연도금강판(1)을 용접하는 상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이고, 도 5, 도 6a 내지 도 6c 는 도 4의 단독열원에 의해 경우 용융 풀 아연증기 침투로 인한 기공(피트홀, 블로우홀, 6)이 발생된 사진을 도시한 것이다.

일반적으로 기공(6)이 발생되지 않은 정상 용접인 경우, 열영향으로 인하여 강도저하가 발생된 HAZ(Heataffected zone) 또는 모제에서 파단이 발생된다.

반면, 용접부에 기공(6)이 다량 발생된 경우, 도 3과 같이 용접부(W)에서 파단이 발생되는 문제를 가지고 있었다.

종래, 아연도금강판 용접시 소재를 진동시켜 발생되는 아연증기를 강제로 배출시켜 용접부에 기공이 발생되는것을 방지한 용접방법에 대해서는 "아연도금 강판의 아크용접 방법 (한국 공개특허공보 10-2000-0031415)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.

그러나, 소재 진동을 이용하는 경우, 아연증기를 원활하게 소통시키는 효과가 실제로는 미비하여 용접부위에서의 기공 형성을 완전하게 방지하는 것이 어려운 것이었다.

그러나, 소재를 진동시켜 아연증기를 배출하는 방법은 실제로 용접중 발생되는 아연증기를 원활하게 배출시키지 못하여 기공발생을 완전히 방지하지 못하였다.

이는, 용접부 품질이 ISO 5817 국제 기공규제 기준을 만족시키지 못하는 문제점을 가지고 있었다.

한국 공개특허공보 10-2000-0031415

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 선행용접기와 후행용접기를 갖는 복합열원을 적용하게 됨으로써, 선행용접기는 아연도금강판의 아연만을 증기화하여 제거하는 기능을 실시하고, 선행용접기의 후단으로 특정간격 이격되어 이동되는 후행용접기는 아연이 제거된 상태에서 용접을 실시하게 됨으로써, 피트홀, 블로우홀 등의 기공발생을 차단시키고, 스패터의 발생을 억제하여 용접부의 강도를 확보할 수 있는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예 따른 실드가스 조성에 따르면, 용접금속의 기계적 강도를 저하시키지 않으면서, 동시에 용접부에 블로우 홀, 피트홀의 발생을 억제할 수 있는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 용접와이어 구성에 따르면, 피트나 블로우홀과 같은 기공결함 및 스패터의 발생을 억제할 수 있음과 동시에 비드외관을 우수하게 할 수 있는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 아연도금강판의 소지 구성에 따르면, 액상금속취화 등의 현상에 의해 용접부의 성형성이 불량해지는 것을 방지할 수 있는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은, 아연도금강판을 용접하기 위한 시스템에 있어서, 상기 아연도금강판의 용접부 라인을 따라 이동되며 상기 용접부의 아연도금강판의 아연층을 용융, 증기화하여 제어하는 선행용접기; 및 상기 선행용접기에 대하여 후단측으로 특정간격 이격되어 배치되고, 상기 아연층이 제거된 용접부에 대해 용접와이어를 공급하여 용접하는 후행용접기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고, 전단부 일측에 선행용접기가 결합되고, 후단부 일측에 후행용접기가 결합되는 연결단과, 연결단 일측에 구비되어 상기 선행용접기와 상기 후행용접기의 이격거리를 조절하는 간격조절부를 더 포함하고, 상기 선행용접기는, 선행토치를 포함하고, 상기 선행토치의 각도를 조절하는 제1각도조절부와, 상기 선행토치 끝단과 상기 용접부 간의 거리를 조절하는 제1거리조절부와, 상기 용접부 측으로 실드가스를 공급하는 선행실드가스공급부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하고, \상기 후행용접기는, 후행토치를 포함하고, 상기 후행토치의 각도를 조절하는 제2각도조절부와, 상기 후행토치 끝단과 상기 용접부 간의 거리를 조절하는 제2거리조절부와, 상기 용접부 측으로 실드가스를 공급하는 후행실드가스공급부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 실드가스는, 25 ~ 40%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성되거나, 또는, 0.4 ~ 2%의 수소와, 0.3 ~ 2%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성되거나, 또는 13 ~18%의 산소가스, 5 ~ 15%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 용접와이어는, C: 0.15질량% 이하, Si: 0.40∼0.90질량%, Mn: 0.20∼1.50질량%, P: 0.0500질량% 이하, S: 0.0080질량% 이하, O: 0.0100질량% 이하, Cr: 1.00질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 1.0 ≤ (Si질량%+Mn질량%)/{100(S질량%+O질량%)} ≤ 4.0, 0.50 ≤ Mn질량%/Si질량% ≤ 2.00을 만족하는 범위로 구성되거나, 또는 표면에 평균입경이 0.001 ~ 2㎛인 절연성 무기질 분말 및 평균입경이 0.01 ~ 5㎛인 도전성 무기질 분말 중 적어도 어느 하나와, 수용성고분자와 함께, 용접와이어 10kg 당 0.001~2g의 비율로 부착되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 아연도금강판의 소지는, 고망간 강판이며 조직은 오스테나이트로 구성되거나, 또는 탄소(C) : 0.05~0.17%, 실리콘(Si) : 0.01~0.55%, 망간(Mn) : 1.0~2.3%, 인(P) : 0% 초과~0.04% 이하, 황(S) : 0% 초과~0.015% 이하, 크롬(Cr) : 0.01~0.38%, 몰리브덴(Mo) : 0.001~0.25%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1%, 및 니오븀(Nb) : 0.004~0.1%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 선행용접기와 후행용접기를 갖는 복합열원을 적용하게 됨으로써, 선행용접기는 아연도금강판의 아연만을 증기화하여 제거하는 기능을 실시하고, 선행용접기의 후단으로 특정간격 이격되어 이동되는 후행용접기는 아연이 제거된 상태에서 용접을 실시하게 됨으로써, 피트홀, 블로우홀 등의 기공발생을 차단시키고, 스패터의 발생을 억제하여 용접부의 강도를 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예 따른 실드가스 조성에 따르면, 용접금속의 기계적 강도를 저하시키지 않으면서, 동시에 용접부에 블로우 홀, 피트홀의 발생을 억제할 수 있는 효과를 갖는다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 용접와이어 구성에 따르면, 피트나 블로우홀과 같은 기공결함 및 스패터의 발생을 억제할 수 있음과 동시에 비드외관을 우수한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 아연도금강판의 소지 구성에 따르면, 액상금속취화 등의 현상에 의해 용접부의 성형성이 불량해지는 것을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 도금강판 용접시 기공 발생을 설명하기 위한 도면,
도 2는 기공량과 인장강도 사이 관계를 보여주는 도면,
도 3은 기공발생으로 인한 용접부의 파단을 보여주는 도면,
도 4는 단독 열원(CMT)을 이용하여 아연도금강판을 용접하는 상태를 나타낸 모식도,
도 5, 도 6a 내지 도 6c 는 도 4의 단독열원에 의해 경우 용융 풀 아연증기 침투로 인한 기공(피트홀, 블로우홀)이 발생된 사진,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템의 구성도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템을 적용한 용접 상태를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템을 적용하여 용접된 용접면 사진,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열을 나타낸 모식도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 용접 시스템에 레이저 용접이 적용된 경우 레이저 빔의 이동경로를 나타낸 사시도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 경사면을 이용하여 아연증기 배출구조를 적용한 용접방법을 설명하기 위한 도면,
도 14는 종래 단독열원에 의한 용접 후 용접면과, 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 적용하여 용접된 용접면의 대비 사진,
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일실시예에 따른 용접시스템에 의해 용접이 적용가능한 로워암과 서브프레임의 사시도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템(100)을 적용한 용접 상태를 나타낸 도면을 도시한 것이다. 또한, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템(100)을 적용하여 용접된 용접면 사진을 도시한 것이다. 그리고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(50)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 또한, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 유도가열을 나타낸 모식도를 도시한 것이다.

도 7, 도 8, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템(100)은 전체적으로 선행용접기(10)와 후행용접기(20)를 포함하여 구성된다. 이러한 선행용접기(10)와 후행용접기(20)는 서로 특정간격 이격되어 배치되며, 본 발명의 일실시예에서는 각각 1개를 구비한 것으로 도시되었으나, 사용상태, 용도에 따라 2개 이상을 포함하여 구성될 수도 있다.

이러한 선행용접기(10)와 후행용접기(20) 각각은 연결단(40)에 결합되며, 이동수단(60)은 이러한 연결단(40)을 이동시키게 되며, 선행용접기(10)는 연결단(40)의 전단부에 결합되고, 후행용접기(20)는 연결단(40)의 후단부에 결합되게 된다. 또한, 연결단(40) 일측에는 연결단(40)를 구비하여, 선행용접기(10)와 후행용접기(20) 간의 이격거리를 조절할 수 있게 된다.

선행용접기(10)는 아연도금강판(1)을 용접함에 있어서, 아연도금을 용융, 증기화하여 선행적으로 제거함으로써, 기화를 통한 용융풀 내 아연증기 침투를 방지하게 된다(기공발생 차단).

이러한 선행용접기(10)는 선행토치(11), 선행실드가스공급부(12), 제1각도조절부(13), 제1거리조절부(14) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 선행토치(11)는 본 발명의 일실시예에서는 TIG 용접기 또는 MAG 용접기를 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 선행용접기(10)에 의해 아연도금강판(1)을 가열하게 되는 온도는 약 900 ~1200℃이다. 즉, 아연도금(3)만을 용융, 증기화하여 제거하기 위하여, 철의 용융점(약 1200℃)보다는 낮고, 아연의 증발온도(약900℃)보다는 높게 가열하게 된다. 또한, 이러한 선행용접기(10)에 의한 용접에는 용접와이어 없이 선행토치(11)의 끝단이 모재인 아연도금강판(1)의 용접부와 특정간격 이격되어 화염을 분사시키게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 선행용접기(10)는 용접의 기능이 아닌 도금 층인 아연만을 증기화하여 제거하기 위해 적용되는 것이다.

또한, 선행용접기(10)는 도 7에 도시된 바와 같이, 선행용접기(10)와 연결단(40)의 전단부 사이에 제1각도조절부(13)가 구비되어 선행용접기(10)의 각도를 조절할 수 있도록 구성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 제1거리조절부(14)를 구비하여, 용접부와 선행토치(11) 끝단과의 거리를 조절할 수 있게 된다.

그리고, 선행용접기(10)는 용접부 측으로 실드가스를 분사, 공급하는 선행실드가스공급부(12)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 실드가스는 이산화탄소와 아르곤이 혼합된 가스를 적용할 수 있다. 보다 구체적으로 실드가스는 25 ~ 40%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성된다.

또는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실드가스는 0.4 ~ 2%의 수소와, 0.3 ~ 2%의 이산화탄소 및 나머지 아르곤 가스로 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에서 실드가스로서, 산소 가스 13 ~18%, CO2 가스 5 ~ 15% 나머지를 아르곤 가스로 하여 3종 혼합가스로 구성될 수 있다. 이러한 수치 조성에 따른 3종 혼합 실드가스를 적용하게 됨으로써, 용접금속의 기계적 강도를 저하시키지 않으면서, 동시에 용접부에 블로우 홀, 피트홀의 발생을 억제할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 후행용접기(20)는 연결단(40)의 후단측에 결합되며, 선행용접기(10)에 의해 아연도금강판(1)의 아연층(3)이 증기화되어 제거된 후, 모재를 서로 용접시키게 된다. 이러한 후행용접기(20)는 후행토치(21), 후행실드가스공급부(22), 제2각도조절부(23), 제2거리조절부(24)를 포함하며, 용접을 위해 용접와이어가 공급되게 된다. 이러한 후행용접기(20)는 실시예에선 MAG 용접기로 구성될 수 있으며, 모재면을 서로 융착하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 선행용접기(10)에 의해 아연층만을 완전히 증기화하여 제거한 후, 진행되므로, 용융풀에 기공이 발생되지 않게 된다. 이러한 후행용접기(20)에 공급되는 전압은 약 16 ~ 18V 정도이며, 전류는 160 ~ 170A 정도이다. 또한, 가열되는 온도는 약 2800 ~ 3200℃정도 이다.

또한, 후행용접기(20)는 도 7에 도시된 바와 같이, 후행용접기(20)와 연결단(40)의 후단부 사이에 제2각도조절부(23)가 구비되어 후행용접기(20)의 각도를 조절할 수 있도록 구성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 제2거리조절부(24)를 구비하여, 용접부와 후행토치(21) 끝단과의 거리를 조절할 수 있게 된다.

그리고, 후행용접기(20) 역시 용접부 측으로 실드가스를 분사, 공급하는 후행실드가스공급부(22)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 실드가스는 이산화탄소와 아르곤이 혼합된 가스를 적용할 수 있다. 보다 구체적으로 실드가스는 25 ~ 40%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성된다.

또한, 후행용접기(20)는 모재간의 용접을 위하여 용접와이어가 공급되게 된다. 본 발명의 일실시예에 따라 적용되는 용접와이어는, 저점성 솔리드 와이어에 해당한다.

본 발명의 일실시예에 따른 용접와이어는 전체 질량에 대하여, C, Si, Mn, P, S, O, Cr을 소정량 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, C: 0.15질량% 이하, Si: 0.40∼0.90질량%, Mn: 0.20∼1.50질량%, P: 0.0500질량% 이하, S: 0.0080질량% 이하, O: 0.0100질량% 이하, Cr: 1.00질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 1.0 ≤ (Si질량%+Mn질량%)/{100(S질량%+O질량%)} ≤ 4.0, 0.50 ≤ Mn질량%/Si질량% ≤ 2.00을 만족하는 범위로 구성될 수 있다.

또는 본 발명의 일실시예에 따른 용접와이어는 표면에 평균입경이 0.001 ~ 2㎛인 절연성 무기질 분말 및 평균입경이 0.01 ~ 5㎛인 도전성 무기질 분말 중 적어도 어느 하나와, 수용성고분자와 함께, 용접와이어 10kg 당 0.001~2g의 비율로 부착되어 구성될 수 있다.

이러한 구성에 따른 용접와이어의 적용에 의하여 피트나 블로우홀과 같은 기공결함 및 스패터의 발생을 억제할 수 있음과 동시에 비드외관을 우수하게 할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 용접의 대상이 되는 아연도금강판(1)의 소지(2)는 고망간 강판이며 조직은 오스테나이트로 구성되어, 종래 용접시 액상금속취화(Liquid Metal Embrittlement, 간략히 LME) 등의 현상에 의해 용접부의 성형성이 불량해지는 것을 방지할 수 있게 된다.

보다 구체적으로, 소지강판(2)으로 고망간강을 사용하는 것이 보다 바람직하며, 통상 고망간 강이라 함은 망간이 다량 포함된 강을 말한다. LME 방지 효과를 보다 크게 누릴 수 있는 망간의 함량은 13중량% 이상이다. 그 함량의 상한은 특별히 정할 필요는 없으나, 본 발명자들의 연구결과에 따르면 18중량%까지는 효과적으로 액상금속취화를 방지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 고망간 강 중 나머지 원소는 특별히 제한하지 않는다. 이들은 통상적으로 강판(2) 내에 포함될 수 있는 원소들일 뿐만 아니라, 이들 원소들의 추가나 배제에 의해 특별한 효과상의 차이는 없기 때문이다. 다만, 본 발명자들이 확인한 바로는 0.4~0.8중량%의 C를 함유한 강재에서 액상금속취화 방지의 효과가 우수하였다. 상술한 고망간강은 통상적으로 오스테나이트계 조직을 가지며 고강도와 성형성 확보에 유리할 수 있다.

또는 본 발명의 일실시예에 따른 아연도금강판(1)의 소지(2)는, 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.17%, 실리콘(Si) : 0.01~0.55%, 망간(Mn) : 1.0~2.3%, 인(P) : 0% 초과~0.04% 이하, 황(S) : 0% 초과~0.015% 이하, 크롬(Cr) : 0.01~0.38%, 몰리브덴(Mo) : 0.001~0.25%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1%, 니오븀(Nb) : 0.004~0.1%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 탄소(C)는 강의 강도 확보를 위해 첨가한다. 또한 탄소는 오스테나이트 상에 농화되는 양에 따라 오스테나이트 상을 안정화시키는 역할을 한다. 상기 탄소는 강판(2) 전체 중량의 0.05~0.17중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.05중량% 미만일 경우 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소의 함량이 0.17중량%를 초과하면 강도는 증가하나 인성 및 용접성이 크게 저하될 수 있다.

그리고, 실리콘(Si)은 강의 강도 및 연신율 향상에 기여한다. 상기 실리콘은 강판(2) 전체 중량의 0.01~0.55중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.55중량%를 초과하는 경우, 용접성 및 도금 특성이 저하될 수 있다. 망간(Mn)은 오스테나이트 안정화에 기여하며, 또한 강도 향상에 기여한다. [0036] 상기 망간은 강판(2) 전체 중량의 1.0~2.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 1.0중량% 미만일 경우 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 2.3중량%를 초과하는 경우, 용접성이 저하되고 인성이열화되는 문제점이 있다.

인(P)은 과다 함유될 경우, 연신율을 크게 저하시킨다. 이에 본 발명에서는 인의 함량을 강판(2) 전체 중량의 0%초과~0.04중량% 이하로 제한하였다. 또한, 황(S)은 과다 함유될 경우 MnS 개재물의 과다 생성하여 취성을 유발한다. 이에, 본 발명에서는 황의 함량을 강판(2) 전체 중량의 0% 초과~0.015중량% 이하로 제한하였다.

크롬(Cr)은 페라이트 결정립을 안정화하여 연신율을 향상시키며, 오스테나이트 상 내 탄소 농화량을 증진하여 오스테나이트 상을 안정화시킴으로써 강도 향상에 기여한다. 상기 크롬은 강판(2) 전체 중량의 0.01~0.38중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 0.38중량%를 초과하면, 강도가 지나치게 증가하여 충격흡수능을 저해시킬 수 있다.

그리고, 몰리브덴(Mo)은 크롬과 함께 첨가되어 강의 강도 향상에 기여한다. 상기 몰리브덴은 강판(2) 전체 중량의 0.001~0.25중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.001중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.25중량%를 초과하는 경우, 용접성을 저하시킬 수 있다.

티타늄(Ti)은 강중 탄소함량을 저감시킴으로써 강의 연신율 향상에 기여한다. 상기 티타늄은 강판(2) 전체 중량의 0.03~0.1중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄의 첨가량이 0.03중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 티타늄의 첨가량이 0.1 중량%를 초과하면 인성 저하를 초래할 수 있다.

니오븀(Nb)은 석출물을 형성하여 결정립을 미세화시키고 파괴인성을 향상시키며, 탄화물을 석출하여 강중 고용탄소함량을 저감하여 연신율 향상에 기여한다. 상기 니오븀은 강판(2) 전체 중량의 0.004~0.1중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀의 첨가량이 0.004중량%미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 니오븀의 첨가량이 0.1중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 항복강도가 과다하게 증가하고, 인성을 저하시키는 문제가 있다.

니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화 원소로 오스테나이트 변태제어로 연신율 향상에 기여할 수 있다. 상기 니켈이 첨가될 경우, 그 첨가량은 강판(2) 전체 중량의 0.25중량% 이하인 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.25중량%를 초과하는 경우, 냉간가공성을 저하시키며, 특히 강 제품 제조 비용을 크게 상승시킬 수 있다. 텅스텐(W)은 마르텐사이트 분율 증가를 통한 강도 향상에 기여한다. 상기 텅스텐이 첨가될 경우, 그 첨가량은 강판(2) 전체 중량의 0.05중량% 이하인 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 상기의 니오븀과 함께 석출물 형성에 의한 석출강화 효과를 통하여 강의 강도 향상에 기여한다.상기 바나듐이 첨가될 경우, 그 첨가량은 강판(2) 전체 중량의 0.05중량% 이하인 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.05중량%를 초과하는 경우, 저온 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 보론(B)은 오스테나이트 입계에 석출되어 상변태를 지연시킴으로써 강의 경화능을 향상시킨다. 상기 보론이 첨가될 경우, 그 첨가량은 강판(2) 전체 중량의 0.001중량% 이하인 것이 바람직하다. 보론의 첨가량이 0.001중량%를 초과하는 경우, 과도한 소입성 상승으로 인성이 크게 저하되는 문제점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 용접 시스템(100)은 도 10에 도시된 바와 같이, 제어부(50)를 포함하여 시스템(100)을 총체적으로 제어하게 된다. 제어부(50)는 선행용접기(10)를 제어하는 제1제어부(%1)와, 후행용접기(20)를 제어하는 제2제어부(52)로 별로도 구성될 수도 있고, 하나의 제어부(50)에 의해 전체를 제어하도록 구성될 수도 있다.

제어부(50)는 이동수단(60)을 제어하여, 용접속도를 조절할 수 있게 된다. 그리고, 연결단(40)를 제어하게 됨으로써, 선행용접기(10)와 후행용접기(20)의 간격을 조절할 수 있게 된다. 또한, 제어부(50)는 제1각도조절부(13)를 제어하여 선행토치(11)의 각도를 조절할 수 있다.

그리고, 제어부(50)는 제1거리조절부(14)를 제어하게 됨으로써, 선행토치(11) 끝단과 용접부 간의 거리를 조절할 수 있게 된다. 또한, 선행토치(11)를 제어하여 용접, 가열온도를 조절할 수 있으며, 선행실드가스공급부(12)를 제어하여 공급되는 실드가스의 분사량을 조절할 수 있게 된다.

또한, 제어부(50)는 제2각도조절부(23)를 제어하여 후행토치(21)의 각도를 조절할 수 있다. 그리고, 제어부(50)는 제2거리조절부(24)를 제어하게 됨으로써, 후행토치(21) 끝단과 용접부 간의 거리를 조절할 수 있게 된다. 또한, 후행토치(21)를 제어하여 용접, 가열온도를 조절할 수 있으며, 후행실드가스공급부(22)를 제어하여 공급되는 실드가스의 분사량을 조절할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 선행용접기(10) 및 후행용접기(20) 중 적어도 어느 하나에는 레이저 용접기가 적용될 수 있다. 선행용접기(10)로서 레이저 용접기를 적용하게 되는 경우, 레이저 용접기는 아연증기를 기화시켜 제거하기 위한 기능을 수행하고, 후행용접기(20)로서 레이저 용접기를 적용하게 되는 경우, 레이저 용접기는 모재를 서로 용접하기 위해 적용되게 된다.

레이저 용접은 레이저빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀 용접(Keyhole Welding)이 주를 이루며, 이러한 키홀 용접은 레이저빔이 렌즈에 의해 집적되어 소재에 대하여 에너지 다중반사 및 다중흡수가 일어나는 약 2mm 이내의 초점구간에서 이루어진다.

즉, 키홀 용접의 경우에는 레이저빔의 전자기파 에너지가 집적된 초점위치에서 소재의 표면에 충돌하고, 그 충돌에너지는 열에너지를 발산하면서 전자기파의 연속적인 현상인 키홀 현상을 유지한다. 이러한 키홀 현상을 과학적으로 서술하면, 고출력 레이저 용접에서 용융 풀에 증기압 등의 작용으로 작은 구멍을 만들면서 용접이 이루어지는 상태를 말한다.

레이저 용접은 대부분 고출력의 키홀 용접으로 이루어져 용접의 용접패턴 끝단부에 키홀을 메울 용융 풀이 모자라 미세기공의 형상으로 핀홀(Pin Hole)을 남기게 되며, 이러한 핀홀(PH)은 용접부의 외관품질을 떨어트리고, 용접부에서 계면 파단 등의 원인이 되어 용접강도를 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 일실시예에서 후행용접기(20)로서 레이져용접기를 적용하게 되는 경우, 메인레이저용접기(31)와 미세레이저용접기(32)를 포함하여 구성되게 된다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 용접 시스템(100)에 레이저 용접이 적용된 경우 레이저 빔의 이동경로를 나타낸 사시도를 도시한 것이다.

메인레이저용접기(31)는 상부 아연도금강판(1)과 하부 아연도금강판(1) 사이의 용접부를 직선상으로 레이저빔을 조사하여 용접우 사이에 용융풀을 형성하여 용접하게 된다. 그리고, 미세레이저용접기(32)는 메인레이저용접기(31)의 후방으로 특정간격 이격되어 배치되며, 메인레이저용접기(31)가 용접한 용접부에 대하여 지그재그 모양의 미세용접패턴을 따라 초점구간의 레이저빔을 고속조사하여 메인 용접패턴의 끝단에 형성되는 키홀의 주변부를 용융하여 용접하게 된다.

따라서 메인 용접패턴 끝단부에 고속으로 이루러지는 미세용접패턴을 추가하여 용접하게 됨으로써, 용접부의 끝단에 형성되는 키홀의 주변부를 추가로 용융하여 핀홀의 발생을 저감하고, 용접부의 외관품질 및 용접강도를 확보할 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 용접시스템(100)은 용접을 진행하기 전에 용접의 대상이 되는 한 쌍의 아연도금강판(1) 중 어느 하나의 아연도금강판(1)의 용접라인을 따라 경사면(4)을 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 따라서 이러한 경사면(4)을 형성하게 됨으로써, 선행용접기(10)에 의해 아연도금을 증기화한 상태에서 아연증기를 보다 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 경사면(4)을 이용하여 아연증기 배출구조를 적용한 용접방법을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 하부 아연도금강판(1)은 용접라인을 따라 형성되는 경사면(4)을 구비하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 이러한 하부 아연도금강판(1)의 상부로 상부 아연도금강판(1)을 배치시킨 후, 용접라인을 따라 앞서 언급한 용접시스템(100)에 의해 용접을 진행하게 된다.

이러한 경사면(4)은 약 3 ~ 17°로 형성됨이 바람직하다. 그리고, 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 용접과정에서 증기화된 기체를 보다 용이하게 배출하기 위하여, 산화 방지를 위해 공급되는 실드가스를 공급하게 된다. 즉, 13에 도시된 바와 같이, 실드가스를 경사면(4) 측으로 분사하여, 증기화된 기체가 경사면(4) 방향으로 배출될 수 있게 된다.

도 14는 종래 단독열원에 의한 용접 후 용접면과, 본 발명의 일실시예에 따른 복합열원을 적용하여 용접된 용접면의 대비 사진을 도시한 것이다. 도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일실시예에 따른 용접시스템(100)에 의해 용접이 적용가능한 로워암과 서브프레임의 사시도를 도시한 것이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 종래 기술과 대비하여 본 발명의 일실시예에 따른 용접시스템(100)을 적용하면 비드 내에 기공이 발생되지 않음을 알 수 있다. 또한, 이러한 아연도금강판 용접시스템(100)은 그 적용분야가 제한되지 않으나, 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이 주 적용예로서, 로워암, 서브프레임과 같은 차량부재에 적용될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:아연도금강판
2:강판
3:도금층
4:경사면
5:단독열원용접기
6:기공
7:비드
8:용접와이어
9:스패터
10:선행용접기
11:선행토치
12:선행실드가스공급부
13:제1각도조절부
14:제1거리조절부
20:후행용접기
21:후행토치
22:후행실드가스공급부
23:제2각도조절부
24:제2거리조절부
31:메인레이저용접기
32:미세레이저용접기
40:연결단
41:간격조절부
50:제어부
51:제1제어부
52:제2제어부
60:이동수단
100:복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템

Claims

아연도금강판을 용접하기 위한 시스템에 있어서,
상기 아연도금강판의 용접부 라인을 따라 이동되며 상기 용접부의 아연도금강판의 아연층을 용융, 증기화하는 선행용접기;
상기 선행용접기에 대하여 후단측으로 특정간격 이격되어 배치되고, 상기 아연층이 제거된 용접부에 대해 용접와이어를 공급하여 용접하는 후행용접기; 및
전단부 일측에 선행용접기가 결합되고, 후단부 일측에 후행용접기가 결합되는 연결단과, 연결단 일측에 구비되어 상기 선행용접기와 상기 후행용접기의 이격거리를 조절하는 간격조절부를 포함하고,
상기 선행용접기는, 선행토치, 상기 선행토치의 각도를 조절하는 제1각도조절부와, 상기 선행토치 끝단과 상기 용접부 간의 거리를 조절하는 제1거리조절부와, 상기 용접부 측으로 실드가스를 공급하는 선행실드가스공급부를 포함하며,
상기 후행용접기는, 후행토치, 상기 후행토치의 각도를 조절하는 제2각도조절부와, 상기 후행토치 끝단과 상기 용접부 간의 거리를 조절하는 제2거리조절부와, 상기 용접부 측으로 실드가스를 공급하는 후행실드가스공급부를 포함하고,
상기 실드가스는,
25 ~ 40%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성되거나, 또는,
0.4 ~ 2%의 수소와, 0.3 ~ 2%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성되거나, 또는
13 ~18%의 산소가스, 5 ~ 15%의 CO₂ 가스를 포함하는 아르곤 가스로 구성되고,
상기 용접와이어는,
C: 0.15질량% 이하, Si: 0.40∼0.90질량%, Mn: 0.20∼1.50질량%, P: 0.0500질량% 이하, S: 0.0080질량% 이하, O: 0.0100질량% 이하, Cr: 1.00질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 1.0 ≤ (Si질량%+Mn질량%)/{100(S질량%+O질량%)} ≤ 4.0, 0.50 ≤ Mn질량%/Si질량% ≤ 2.00을 만족하는 범위로 구성되거나, 또는
표면에 평균입경이 0.001 ~ 2㎛인 절연성 무기질 분말 및 평균입경이 0.01 ~ 5㎛인 도전성 무기질 분말 중 적어도 어느 하나와, 수용성고분자와 함께, 용접와이어 10kg 당 0.001~2g의 비율로 부착되어 구성되며,
상기 아연도금강판의 소지는,
고망간 강판이며 조직은 오스테나이트로 구성되거나, 또는
탄소(C) : 0.05~0.17%, 실리콘(Si) : 0.01~0.55%, 망간(Mn) : 1.0~2.3%, 인(P) : 0% 초과~0.04% 이하, 황(S) : 0% 초과~0.015% 이하, 크롬(Cr) : 0.01~0.38%, 몰리브덴(Mo) : 0.001~0.25%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1%, 및 니오븀(Nb) : 0.004~0.1%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합열원을 이용한 아연도금강판 용접 시스템.
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