KR101949053B1

KR101949053B1 - 초고강도 강의 용접 방법

Info

Publication number: KR101949053B1
Application number: KR1020170179019A
Authority: KR
Inventors: 엄상호; 김청하; 주관철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-02-15

Abstract

본 발명은 초고강도 강의 용접 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 Mn: 4~10중량% 및 C: 0.3~0.7중량% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 포함하는 강판을 준비하는 단계; 상기 강판에 상기 강판과 동종 또는 이종의 강판을 접촉시키는 단계; 상기 접촉된 강판을 통전하여 용접하는 단계; 및 상기 용접된 강판을 후열처리하는 단계를 포함하고, 상기 후열처리는 강판의 용접부가 냉각되어 상기 용접부에 마르텐사이트가 적어도 50% 이상 형성되는 시점에 이루어지는 초고강도 강의 용접 방법을 제공한다.

Description

초고강도 강의 용접 방법{METHOD OF WELDING STEEL HAVING ULTAR HIGH STRENGTH}

본 발명은 초고강도 강의 용접 방법에 관한 것이다.

글로벌 환경규제 강화에 따른 자동차의 경량화 요구로 인해, 초고강도강에 대한 니즈가 증가하고 있으며, 이에 따라 여러 철강업체들이 다양한 초고강도강을 개발하고 있다. 이러한 소재 강도의 증가를 위해서는 합금첨가량, 즉 탄소당량의 증가가 필연적이다. 이러한 탄소당량의 증가는 자동차 제작을 위한 저항 점 용접의 적용시 용접부에 매우 취성이 강한 마르텐사이트와 같은 저온조직이 형성되도록 하며, 충돌특성에 중요한 십자인장강도(CTS, Cross tension strength)의 열위를 야기시킨다.

도 1은 모재의 인장강도와 용접부의 하중모드에 따른 파단강도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 용접부의 전단인장강도(TSS, Tensile shear strength)의 경우 모재 강도에 비례하여 증가하는 반면, 십자인장강도는 모재 강도가 1GPa인 경우에는 오히려 모재 강도에 반비례하는 경향이 관찰된다.

한편, 최근 자동차업체의 니즈에 따라 Mn을 중량%로 4~10% 포함하고, 미세조직은 부피분율로 12% 이상의 잔류 오스테나이트와 60% 이상의 소둔 마르텐사이트 및 잔부 알파 마르텐사이트 및 입실론 마르텐사이트를 포함하며, 인장강도와 연신율의 곱이 23,000MPa% 이상인 초고강도 고연성 냉연강판, 용융도금강판 및 합금화 용융도금강판이 개발되고 있으며, C를 중량%로 0.3~0.7% 포함하고, 잔류 오스테나이트를 함유하며, 인장강도가 1.2GPa 이상인 냉간성형용 초고강도강도 개발되어 있다. 이러한 강종들은 많은 Mn 또는 C 함유에 의해 통상적인 저항 점 용접시 기존의 자동차용 강판보다 상당히 열위한 용접부 십자인장강도를 가지게 된다. 이러한 중Mn강 및 고탄소강의 십자인장강도가 도 1에 표기되어 있다.

이러한 인장강도 1GPa 이상의 강종은 저항 점 용접 중 통전 패턴의 제어를 통해 응고편석 저감 또는 형성된 마르텐사이트의 템퍼링 등을 행함으로써 용접부의 인성 향상 및 십자인장강도를 개선할 수 있으나, 통상적인 용접보다 500ms 이상 공정시간이 증가하는 문제가 있다. 아울러, 소재의 마르텐사이트 변태온도가 낮아짐에 따라 상기 공정시간이 더욱 증가하여 생산성이 크게 저하되는 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제10-1798771호

본 발명의 일측면은 인장강도 1GPa 이상의 초고강도강의 용접시 용접부의 인성 향상 및 십자인장강도를 개선함은 물론, 공정 시간의 증가를 최소화할 수 있는 초고강도 강의 용접 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 Mn: 4~10중량% 및 C: 0.3~0.7중량% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 포함하는 강판을 준비하는 단계; 상기 강판에 상기 강판과 동종 또는 이종의 강판을 접촉시키는 단계; 상기 접촉된 강판을 통전하여 용접하는 단계; 및 상기 용접된 강판을 후열처리하는 단계를 포함하고, 상기 후열처리는 강판의 용접부가 냉각되어 상기 용접부에 마르텐사이트가 적어도 50% 이상 형성되는 시점에 이루어지는 초고강도 강의 용접 방법을 제공한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 인장강도 1GPa 이상의 초고강도강의 용접시 용접부의 인성 향상 및 십자인장강도를 개선함은 물론, 공정 시간의 증가를 최소화할 수 있는 초고강도 강의 용접 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 모재의 인장강도와 용접부의 하중모드에 따른 파단강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

본 발명자들은 인장강도가 1GPa 이상인 초고강도 강판의 저항 점 용접 통 패턴 제어를 통한 십자인장강도 개선에 대한 연구를 수행함에 있어, 본 통전에 이은 후통전을 통해 템퍼링을 수행하는 경우 후통전을 위한 대기시간으로 인해 공정시간이 증가한다는 문제를 해결하기 위해서는 용접 공정과 템퍼링 공정을 실질적으로 분리하여 행함으로써 전체 공정 시간을 단축할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, Mn: 4~10중량% 및 C: 0.3~0.7중량% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 포함하는 강판(100)을 준비한다. 이 때, 상기 Mn을 4~10중량% 포함하는 강판은 부피분율로 12% 이상의 잔류 오스테나이트, 60% 이상의 소둔 마르텐사이트 및 잔부 알파 마르텐사이트 및 입실론 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있다. 아울러, 인장강도와 연신율의 곱이 23,000MPa% 이상일 수 있다. 상기 C을 0.3~0.7중량% 포함하는 강판은 잔류 오스테나이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있으며, 인장강도 1.2GPa 이상일 수 있다.

이후, 상기 강판(100)에 상기 강판(100)과 동종 또는 이종의 강판(이하, '상대재(200)'라고도 함)을 접촉시킨다. 이 때, 상기 이종의 강판은 자동차용 강판으로 사용 가능한 강종이라면 어느 것이나 적용 가능하며, 따라서, 본 발명에서는 상기 상대재(200)의 종류에 대하여 특별히 한정하지 않는다.

이후, 상기 접촉된 통전하여 용접한다. 상기 용접으로는 저항 점 용접기(300)을 이용한 저항 점 용접을 적용하는 것이 바람직하다. 한편, 도 2에는 상기 저항 점 용접기(300)가 강판(100)과 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 강판(100)과 접촉되어 용접이 이루어지게 된다. 본 발명에서는 상기 통전시 전류 혹은 시간 등을 특별히 한정하지 않으며, 통상의 기술자라면 강판의 종류 및 두께를 고려하여 통전 전류 및 시간을 적절히 설정하여 적용할 수 있다.

이후, 상기 용접된 강판을 후열처리한다. 이 때, 상기 후열처리는 강판의 용접부가 냉각되어 상기 용접부에 마르텐사이트가 적어도 50% 이상 형성되는 시점에 이루어지는 것이 바람직하다. 초고강도 강판을 용접하여 부재를 제조하는 경우, 수십 타점 이상의 저항 점 용접이 진행되기 때문에, 각각의 타점마다 용접부 강도 개선을 위해 통전 패턴을 제어할 경우 공정시간이 기하급수적으로 증가하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 강판을 저항 점 용접한 뒤, 용접부가 특정 조건에 도달할 때, 연속적으로 후열처리를 통한 템퍼링 공정을 행함으로써 용접부의 인성과 및 십자인장강도를 향상시킴은 물론, 전체 공정 시간을 감소시킬 수 있다.

상기 특정 조건이란 용접 후, 용접부가 냉각되어 상기 용접부에 마르텐사이트가 적어도 50% 이상 형성되는 시점을 의미한다. 만일, 상기 마르텐사이트가 50% 미만으로 형성되었을 때 후열처리하게 되면 용접부의 십자인장강도 개선 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, 상기 용접부에 마르텐사이트가 적어도 50% 이상 형성되는 시점은 강재의 조성에 따른 Ms 및 Mf 온도를 고려하여 도출할 수 있으며, 예를 들면, 상기 용접부에 마르텐사이트가 50% 이상 형성되는 시점은 용접부의 온도가 (Ms-Mf)/2가 되는 시점으로 유추할 수 있다.

보다 상세하세는, 상기 후열처리는 상기 용접 후 2.4초 이상 지난 뒤 행하여지는 것이 바람직하다. 상기 후열처리가 용접 후 2.4초 미만인 시점에 행하여지는 경우에는 용접부에 마르텐사이트가 충분히 형성되지 않아 십자인장강도를 향상시키기 곤란하다는 단점이 있다. 본 발명에서는 용접부에서 마르텐사이트의 형성이 50% 이상 이루어지기만 하면 상기 얻고자 하는 효과를 충분히 확보할 수 있으므로, 상한에 대해서 특별히 한정하지 않는다. 다만, 상기 후열처리의 개시시간은 짧을수록 유리하므로, 상기 후열처리 개시는 4초 이내에 행하여지는 것이 바람직하다.

예를 들면, 7중량%의 Mn을 포함하고, 인장강도 1.2GPa이며, 두께가 1.2mm인 중Mn강을 당해 기술분야에서 통상적으로 적용되는 ISO 18278-2에 따라 저항 점 용접을 이용하여 한 타점을 용접할 경우 공정시간은 520ms이며, 용접부의 십자인장강도는 1.5kN 수준으로 자동차사 등에서 일반적으로 요구하는 수준인 3.5kN보다 매우 낮은 강도를 보인다. 이에 따라, 십자인장강도를 향상시키기 위하여, 통전 패턴을 제어하고자 한다면 용접 후 용접부에 충분한 마르텐사이트를 형성시키기 위해 약 2000ms의 통전대기시간과 200ms의 후통전 시간, 총 2200ms의 용접공정시간이 필요하게 된다. 만약 부품 생산을 위하여 20타점의 저항 점 용접이 행해진다면, 통상적인 조건에서의 순수 용접시간은 10.4s인데 비해 통전 패턴 제어에 의한 용접시간을 총 54.4s로 약 5배의 시간이 필요하게 된다.

한편, 저항 점 용접을 이용한 통전 패턴 제어시 통전대기시간이 본 발명보다 짧은 이유는 통상적으로 전극 내부에는 냉각수가 흐르는데 본 통전 후 후통전을 위하여 상기 전극이 용접부에 접촉하게 됨에 따라 상기 냉각수에 의해 용접부가 빨리 냉각되기 때문이다.

그러나, 상기 저항 점 용접시, 본 통전을 행한 뒤, 후통전이 아닌 본 발명에 따른 별도의 후열처리 즉, 템퍼링 공정을 행하게 되는 경우, 통상적인 용접조건에서 용접부에 충분한 마르텐사이트를 형성시키기 위해 필요한 공냉시간이 약 2400ms이라고 가정하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 4타점의 저항 점 용접 후 5번째 용접을 행할 즈음이면 첫번째 용접부에는 충분한 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 예를 들면, 한 타점의 저항 점 용접에 걸리는 시간이 약 520ms임을 고려하면 4타점의 저항 점 용접에 걸리는 시간은 총 2080ms이고, 각 타점의 용접을 위한 전극의 이동시간을 고려하면 5번째 타점을 용접할 때 즈음이면 2400ms의 공냉대기시간을 충족시킬 수 있다. 따라서, 저항 점 용접은 계속적으로 진행하되, 마르텐사이트의 형성 시간을 고려하여 첫 번째 타점의 용접부에 후열처리를 행한다면 전체적인 제조공정시간을 크게 단축시킬 수 있다. 즉, 20타점의 용접을 행할 경우, 통상적인 용접에 의한 공정시간 10.4sec에 마지막 4타점의 후열처리 시간만 추가하면 본 발명의 총 용접 시간이 된다.

한편, 상기 후열처리는 가열기(400)를 활용한 고주파 가열 또는 레이저 가열을 통해 이루어질 수 있다. 특히, 레이저 가열의 경우 광학계의 조정에 의한 원거리 용접 및 열처리가 가능한 리모트 레이저를 활용하면 설비 간섭없이 원활한 공정설계가 가능하다.

상기 후열처리는 150~600℃에서 행하여지는 것이 바람직하다. 상기 후열처리 온도가 150℃ 미만일 경우에는 충분한 후열처리효과가 나타나지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 600℃를 초과하는 경우에는 과잉 후열처리 또는 상변태에 의한 재(再)취화와 같은 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 후열처리 시간은 0.2~1초인 것이 바람직하다. 상기 후열처리 시간이 0.2초 미만인 경우에는 열처리 시간 부족으로 인해 후열처리 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 1초를 초과하는 경우에는 과잉 열처리에 의한 강도 저하가 발생할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.

(실시예)

7중량%의 Mn을 포함하며 인장강도가 1.2GPa인 강판(A), 0.6중량%의 C을 포함하며 인장강도가 1.5GPa인 강판(B) 및 980MPa급 TRIP강(C)을 준비한 뒤, 하기 표 1의 조건으로 상기 강판 A, B 및 C에 대하여 동종 또는 이종 저항 점 용접을 행한 뒤, 후열처리를 행하였다. 각각의 저항 점 용접은 ISO18278-2에 규정된 용접조건에 의해 실시하였으며, 용접전류는 각 소재의 용접시 날림(Expulsion)이 발생하지 않는 최대 전류를 이용하였다. 상기와 같은 용접 및 후열처리 후 용접부의 십자인장강도(CTS)와 파단모드를 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 파단모드는 IF(계면파단), PP(부분 플러그파단) 및 FP(완전 플러그파단)으로 구분하였다.

구분	강판1	강판2	용접 후 후열처리까지의 대기시간(s)	후열처리 방법	후열처리 온도 (℃)	후열처리 시간 (s)	십자 인장강도 (kN)	파단 모드
비교예1	A	A	-	-	-	-	1.2	IF
비교예2	B	B	-	-	-	-	0.8	IF
비교예3	A	C	-	-	-	-	2	FP
비교예4	B	C	-	-	-	-	1.5	FP
비교예5	A	B	-	-	-	-	0.8	IF
발명예1	A	A	2.5	레이저	500	0.5	5	PP
비교예6	A	A	2	레이저	500	0.5	3.3	PP
비교예7	A	A	1	레이저	600	0.2	1.2	IF
발명예2	A	A	2.5	고주파	400	0.3	4.3	PP
발명예3	A	A	3	레이저	150	0.5	3.6	PP
발명예4	A	A	3	고주파	200	0.5	4.5	PP
발명예5	A	A	3	레이저	600	0.2	4.2	PP
비교예8	B	B	2	레이저	500	0.5	1.4	IF
비교예9	B	B	3	고주파	500	2	3.2	IF
발명예6	B	B	3	레이저	500	0.2	3.7	PP
발명예7	B	B	3	레이저	200	0.5	4	PP
비교예10	B	B	4	고주파	800	0.2	0.8	IF
비교예11	B	B	3	레이저	130	0.5	0.9	IF
발명예8	A	C	3	고주파	200	0.5	4	FP
비교예12	A	C	2	고주파	200	0.1	2.5	FP
발명예9	A	C	2.5	레이저	500	0.3	5.2	FP
비교예13	B	C	3	레이저	500	0.1	3.4	FP
발명예10	B	C	3	고주파	200	1	4.7	FP
비교예14	B	C	2	레이저	500	0.1	1.5	FP
발명예11	A	B	3	고주파	500	0.5	4.1	PP

상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 용접 후 마르텐사이트가 충분히 형성되는 시점 즉, 2.4초 이상의 후열처리 대기시간과 후열처리시 온도 및 시간을 만족하는 발명예 1 내지 11의 경우에는 부분 플러그 파단 또는 완전 플러그 파단이 일어났으며, 본 발명이 얻고자 하는 수준인 3.5kN 이상의 우수한 십자인장강도를 확보하고 있음을 알 수 있다.

비교예 1 내지 5는 후열처리를 행하지 않는 종래의 저항 점 용접을 실시한 경우로서, 십자인장강도가 발명예 1 내지 10에 비하여 매우 낮은 수준임을 알 수 있다.

비교예 6 내지 8은 본 발명이 제안하는 용접 후 마르텐사이트가 충분히 형성되는 시점 즉, 2.4초 이상의 후열처리 대기시간을 만족하지 않아 십자인장강도가 낮은 수준임을 알 수 있다.

비교예 9 및 13은 본 발명이 제안하는 후열처리 시간을 만족하지 않아 계면에서의 파단이 일어났음은 물론, 십자인장강도가 낮은 수준임을 알 수 있다.

비교예 10 및 11은 본 발명이 제안하는 후열처리 온도를 만족하지 않아 계면에서의 파단이 일어났음은 물론, 십자인장강도가 낮은 수준임을 알 수 있다.

비교예 12 및 14는 본 발명이 제안하는 용접 후 2.4초 이상의 후열처리 대기시간과 후열처리 시간을 만족하지 않은 경우로서, 십자인장강도가 낮은 수준임을 알 수 있다.

100: 강판
200: 상대재
300: 저항 점 용접기
400: 가열기

Claims

Mn: 4~10중량% 및 C: 0.3~0.7중량% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 포함하는 강판을 준비하는 단계;
상기 강판에 상기 강판과 동종 또는 이종의 강판을 접촉시키는 단계;
상기 접촉된 강판을 통전하여 용접하는 단계; 및
상기 용접된 강판을 후열처리하는 단계를 포함하고,
상기 후열처리는 강판의 용접부가 냉각되어 상기 용접부에 마르텐사이트가 적어도 50% 이상 형성되는 시점에 이루어지는 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 Mn을 4~10중량% 포함하는 강판은 부피분율로 12% 이상의 잔류 오스테나이트, 60% 이상의 소둔 마르텐사이트 및 잔부 알파 마르텐사이트 및 입실론 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 갖는 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 Mn을 4~10중량% 포함하는 강판은 인장강도와 연신율의 곱이 23,000MPa%이상인 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 C을 0.3~0.7중량% 포함하는 강판은 잔류 오스테나이트를 포함하는 미세조직을 갖는 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 C을 0.3~0.7중량% 포함하는 강판은 인장강도 1.2GPa 이상인 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 후열처리는 상기 용접 후 2.4초 이후에 행하여지는 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 후열처리는 고주파 가열 또는 레이저 가열을 통해 이루어지는 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 후열처리는 150~600℃에서 행하여지는 초고강도 강의 용접 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 후열처리는 0.2~1초 동안 행하여지는 초고강도 강의 용접 방법.