KR102020927B1

KR102020927B1 - 필릿 아크 용접 조인트 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102020927B1
Application number: KR1020187001820A
Authority: KR
Inventors: 신지 고다마; 유지로 다츠미; 쇼코 오아미; 야스아키 나이토
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2019-09-11
Also published as: MX2018001077A; US20180207751A1; JPWO2017018492A1; JP6515299B2; WO2017018492A1; US10786873B2; KR20180019214A; CN108025401A; CN108025401B

Abstract

용접 지단부의 표층의 경도를 높여 균열의 발생을 억제함과 함께, 판 두께 방향의 열 영향부를 좁게 하여, 균열의 진전이 억제된 피로 강도가 우수한 아크 용접 조인트 및 그 제조 방법을 제공한다. 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 아크 용접함으로써 형성된 필릿 아크 용접 조인트이며, 적어도 하나의 금속 부재의 상기 필릿 아크 용접의 용접 지단부와, 당해 금속 부재의 표면의 상기 필릿 아크 용접에 의해 발생한 열 영향부의 경계를 포함하는 영역에, 레이저 조사에 의한 재용융부를 갖고, 상기 재용융부는, 상기 금속 부재의 표면으로부터 당해 금속 부재의 판 두께의 1/2 이하의 깊이까지의 범위이며, 상기 금속 부재의 표면에 있어서의 상기 재용융부의 경계인 재용융 경계부로부터 상기 금속 부재의 판 두께 방향으로 0.1㎜의 깊이에서의 열 영향부에 있어서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경이 20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

필릿 아크 용접 조인트 및 그 제조 방법

본 발명은, 필릿 아크 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 자동차 강판 등의 박강판의 필릿 아크 용접 조인트의 제조에 적합한 것이다.

종래부터, 자동차 분야에서는, 환경 보전을 위해, 차체의 경량화에 의한 연비의 향상과 함께, 충돌 안전성의 향상이 요구되고 있다. 그 때문에, 고강도 강판을 사용하여 박육화함과 함께 차체 구조를 최적화하여, 차체의 경량화와 충돌 안전성의 향상을 도모하기 위해, 지금까지 다양한 대처가 이루어져 왔다.

차체의 경량화를 도모하는 고강도 강판에는, 큰 피로 강도도 요구된다. 특히, 서스펜션 아암이나 서브 프레임 등의 섀시 부재는, 용접 부분의 피로 강도가 더 중요해진다. 용접 부분에는 응력 집중, 잔류 응력이 존재하기 때문에, 모재의 강도가 증가해도 피로 강도는 증가하지 않는다고 여겨진다.

이러한 과제에 대해, 특허문헌 1, 2에는, TIG 아크 열원이나 플라스마 열원에 의해 용접 비드를 재용융하여, 형상을 조정함으로써 응력 집중의 저감을 도모하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이들 기술은 기능을 필요로 하기 때문에, 안정적으로 비드 형상을 제어하는 것이 곤란하다.

또한, TIG 아크 열원이나 플라스마 열원에 의해 용접 비드를 재용융하면, 박판 부재에서는 입열 과다가 되기 때문에 HAZ의 재질이 열화되어 피로 강도를 저하시킨다고 하는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 레이저 열원을 사용하여, 용접 금속이 용융되지 않을 정도의 온도까지 용접 지단부를 가열함으로써, 용접 금속측을 경화시켜 용접 금속에만 집중되는 변형을 저감하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 레이저 열원을 사용하여, 강판이 용융되지 않을 정도의 온도까지 용접 지단부를 가열함으로써, 잔류 응력 저감을 도모하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 3, 4의 가열 온도는 용접 금속의 융점 이하의 온도이며, ?칭이 불충분해지므로 박판 용접 조인트에 대해 충분한 피로 강도 향상 효과가 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 5에 개시된 박강판의 겹침 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법은, 하판 표면 상의 용접 비드 지단부가 피로 파괴의 기점이며, 그 경도에 따라 용접 조인트의 피로 강도가 변화되는 것에 착안한 기술이다. 이 제조 방법은, 겹침 필릿 용접 비드의 지단부가 형성되는 개소를 상정하고, 미리 당해 개소에, TIG 아크 등의 고에너지 조사 수단에 의해 고에너지를 조사하여 용융·응고부를 형성한 후, 상기 용융·응고부에 지단부가 겹치도록 겹침 필릿 아크 용접함으로써, 용접 비드 지단부 경도를 상승시키고, 피로 강도를 향상시키는 것을 겨냥하고 있다. 그러나, 사전에 지단부에 상당하는 개소를 고에너지 열원의 조사에 의해 경화시켜도, 겹침 필릿 아크 용접 시의 재열에 의한 지단부가 연화되는 경우가 있어, 충분한 피로 강도 향상 효과를 얻지 못하는 경우가 있다.

또한, 특허문헌 6은, 용접 조인트의 용접 비드 지단부를 중심으로 하여 용접 비드와 강판을 플라스마를 사용하여 재용융함으로써, 상기 지단부 부근을 완만하게 형성하여, 반복 응력에 의한 응력 집중이 억제되는 것을 개시하고 있다. 그러나, 재용융된 부분 및 그 근방에 있어서의 금속 조직은, 재용융 전후에서 변화되기 때문에, 피로 특성을 충분히 개선할 수 없을 우려가 있다.

도 1은, 상판(1) 및 하판(2)을 사용한 종래의 겹침 필릿 용접 조인트의 균열 발생 위치를 나타내는 부분의 확대 단면도이다. 용접 비드(3)에는, 불연속인 형상에 기인하는 응력 집중이나 용접 금속의 수축에 의해 발생하는 인장 잔류 응력이 존재하기 때문에, 도 1에 도시한 바와 같이, 균열이 발생하는 부위는 용접 지단부(3b)이고, 균열(4)의 대부분은 HAZ(5)로 전반된다. 특허문헌 1∼5는 모두, HAZ의 재질 열화에 기인하는 피로 강도의 저하의 억제 혹은 HAZ에 있어서의 균열 진전의 억제를 의도한 것이 아니며, 인장 강도가 780㎫ 이상인 고강도 강판을 사용한 아크 용접 조인트의 피로 강도를 향상시키기 위해서는 충분한 효과를 얻지 못한다.

일반적으로, 용접 조인트의 피로 수명은 균열의 발생 수명으로 정리되지만, 용접 조인트에 있어서의 균열의 발생 상황은 침투 탐상 시험이나 변형 게이지값의 변화량으로 판단되기 때문에, 순수한 균열 발생 타이밍을 판정할 수 없어, 균열의 전파를 포함한 수명으로 피로 강도가 평가되고 있다. 이 때문에, HAZ에 있어서의 균열 진전을 억제함으로써, 용접 조인트의 실용적인 피로 강도를 향상시킬 수 있을 가능성이 있다.

특히, 상기 고강도 강판의 경우, 인장 강도가 높으면, HAZ에 있어서의 균열 진전 속도가 증가하고, 용접 지단부의 피로 강도가 낮아지는 경향이 있으므로, HAZ의 균열 진전 억제에 의한 피로 강도 향상의 효과가 커진다고 생각된다.

일본 특허 공개 소59-110490호 공보 일본 특허 공개 소51-90946호 공보 일본 특허 공개 평7-118757호 공보 일본 특허 공개 평10-193164호 공보 일본 특허 공개 제2011-62718호 공보 일본 특허 공개 제2014-4609호 공보

전술한 바와 같이, 상기 고강도 강판의 용접부의 피로 강도의 저하의 요인은, 필릿 아크 용접에 의해 발생한 HAZ의 재질 열화에 의한 용접부 피로 강도에의 악영향이라고 생각된다. 그래서, 인장 강도가 440∼980Mp급인 강판에 용접 시의 열 사이클을 부여하고, 모재 재질 그대로의 피로 강도와 용접 열 영향부의 피로 강도를 비교, 조사하였다. 또한, HAZ를 재현하기 위한 열처리 조건은, 최고 도달 온도 1200℃로 하고, 1200℃∼800℃, 800℃∼500℃, 500℃∼실온에 있어서의 냉각 속도를 각각 80℃/s, 50℃/s, 10℃/s로 하였다. 또한, 용접부의 응력 집중을 상정하여, 피로 시험편에 응력 집중 계수(Kt)가 3이 되는 노치를 마련하였다.

도 2에 피로 시험 결과를 나타낸다. 피로 시험은 응력비(R)＝0.1의 축력 피로 시험으로 하고, 200만회를 반복 수의 상한으로 하여 피로 강도(응력 범위로 표시)를 구하였다. 모재의 인장 강도의 증가에 따라서 모재의 피로 강도는 증가하지만, HAZ의 피로 강도는 590∼780㎫를 경계로 저하되는 경향을 나타낸다.

이와 같이, 고강도 강판에서는 모재에 비해 HAZ의 피로 강도가 저하된다. 바꾸어 말하면, 균열이 진전되어 가는 HAZ의 영역을 좁게 하여, 균열의 진전을 억제함으로써 용접부의 피로 강도를 증가시키는 것이 가능하다고 생각된다.

즉, 본 발명에서는, 균열의 진전 방향인 판 두께 방향의 열 영향부(HAZ) 영역을 좁게 하여, 균열의 진전이 억제된 피로 강도가 우수한 필릿 아크 용접 조인트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는, 필릿 아크 용접의 지단부의 처리에 레이저광을 활용하기로 하였다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는, 용접 지단부와, 상기 필릿 아크 용접에 의해 발생한 열 영향부의 경계를 포함하는 영역을 레이저광에 의해 재용융하여 국소적으로 ?칭하여 경화(이하, 「레이저에 의한 국소 ?칭」이라고 함)시킨다. 본 발명자들은, 레이저광을 사용한 상기 재용융에 의해, 필릿 아크 용접 지단부로부터의 균열을 억제함과 함께, 레이저 조사 후의 균열 발생 위치가 되는 재용융된 영역(재용융부)(6)의 용융 경계(6b)에 있어서의 HAZ(6a)를 좁게 함으로써 균열(4)의 진전을 억제하는 것이 가능해져, 대폭의 용접부 피로 강도의 향상을 달성할 수 있는 것을 알아냈다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것이며, 그 요지는 이하와 같다.

본 발명의 필릿 아크 용접 조인트는, 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 아크 용접함으로써 형성된 필릿 아크 용접 조인트이며, 적어도 하나의 금속 부재의 상기 필릿 아크 용접의 용접 지단부와, 당해 금속 부재의 표면의 상기 필릿 아크 용접에 의해 발생한 열 영향부의 경계를 포함하는 영역에, 레이저 조사에 의한 재용융부를 갖고, 상기 재용융부는, 상기 금속 부재의 표면으로부터 당해 금속 부재의 판 두께의 1/2 이하의 깊이까지의 범위이며, 상기 금속 부재의 표면에 있어서의 상기 재용융부의 경계인 재용융 경계부로부터 상기 금속 부재의 판 두께 방향의 0.1㎜의 깊이에서의 열 영향부에 있어서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경은, 20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 다른 예에서는, 상기 재용융부가, 금속 부재의 표면으로부터 당해 금속 부재의 판 두께의 1/3 이하의 깊이까지의 범위여도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 다른 예에서는, 상기 재용융부의 용접 금속이, 이하의 식(1)로 정의되는 Ceq값이 0.3 이상이어도 된다.

단, 식(1) 중, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V는, 원소의 함유량(질량％)을 나타내고, 무첨가 원소의 경우, 0이 대입된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 다른 예에서는, 상기 재용융부의 상기 금속 부재의 판 두께 방향의 깊이가, 상기 금속 부재의 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/5 이상이고, 강판 표면으로부터 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 레이저 재용융부와 열 영향부의 경계부의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.2배 이상이며, 상기 경계부의 수직 하부 방향에 있어서 강판 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/4 깊이에 있어서의 상기 금속 부재의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.1배 이하여도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 다른 예에서는, 금속 부재가 판 두께의 4.5㎜ 이하의 강판이어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 다른 예에서는, 미리 구한 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 하나의 개소에, 재용융부가 형성되어 있어도 된다.

본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법은, 적어도 2개의 금속 부재를 필릿 아크 용접하고, 적어도 하나의 금속 부재의 상기 필릿 아크 용접의 용접 지단부와, 당해 금속 부재의 표면의 상기 필릿 아크 용접에 의해 발생한 열 영향부의 경계를 포함하는 영역을 레이저 조사에 의해 재용융하고, 상기 금속 부재의 표면으로부터 금속 부재의 판 두께의 1/2 이하의 깊이까지 재용융부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 상기 재용융 경계부로부터 상기 금속 부재의 판 두께 방향으로 0.1㎜의 깊이에서의 열 영향부에 있어서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경이, 20㎛ 이하여도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 상기 재용융된 영역이, 상기 금속 부재의 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/3 이하의 깊이까지의 범위여도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 상기 재용융되어 있는 금속 부재의 이하의 식(1)로 정의되는 Ceq값이 0.3 이상이어도 된다.

단, 식(1) 중, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V는, 원소의 함유량(질량％)을 나타내고, 무첨가 원소 경우, 0이 대입된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 상기 재용융부의 상기 금속 부재의 표면으로부터의 깊이는 상기 금속 부재의 판 두께의 1/5 이상이고, 강판 표면으로부터 판 두께 방향으로 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 레이저 재용융부와 열 영향부의 경계부에 있어서의 경도가, 금속 부재의 모재의 경도의 1.2배 이상이며, 상기 경계부의 수직 하부 방향에 있어서 강판 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/4의 깊이에 있어서의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.1배 이하로 되도록 레이저 조사를 행해도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 금속 부재가 판 두께의 4.5㎜ 이하의 강판이어도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 미리 구한 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 하나의 개소를, 레이저 조사에 의해 재용융해도 된다.

또한, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법의 다른 예에서는, 상기 레이저 조사는, 이동 속도(m/min)에 대한 레이저 출력(kJ/sec)의 비가 45∼80(kJ/m)이어도 된다.

본 발명에 따르면, 인장 강도 980㎫의 고장력강의 용접 지단부의 피로 강도를 향상시켜, 판 두께 방향의 HAZ를 좁게 할 수 있다. 그로 인해, 자동차 강판 등의 박강판의 아크 용접 조인트의 피로 강도를 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 겹침 필릿 용접 조인트의 균열 발생 위치를 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 2는 모재와 HAZ의 피로 강도를 비교하는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 있어서의 레이저 처리를 실시한 용접 조인트의 균열 발생 위치를 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 4는 레이저 ?칭 조건 (A), (B) 및 (C)마다의 용접부 단면 용융 형상을 나타낸다.
도 5는 피로 시험의 반복 수, 변형의 변화율 및 균열의 진전의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 재용융부 깊이를 변화시킨 용접 시험편을 제작하고, 재용융부 용입 깊이와 조인트 피로 강도의 관계를 실험적으로 구한 그래프이다.
도 6b는 도 6a의 실험에 사용한 시험편의 용접 지단부 또는 레이저 용융 단부의 금속 조직의 관찰에 의해 얻어진, 열 영향부에 있어서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경과 피로 강도 향상률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 레이저 조사에 의한, 종래의 필릿 아크 용접 조인트 및 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 용접 지단부에 있어서의 판 두께 방향의 비커스 경도를 나타내는 그래프이다. 또한, 비커스 경도는 모재의 비커스 경도에 대한 비로 나타내고 있다.
도 8은 도 7의 그래프에 나타내는 비커스 경도가 측정된 개소를 나타내는 확대 단면도이며, (A)는 도 7의 「종래」의 그래프에 대응하고 있고, (B)는 도 7의 「본 발명」에 대응한다.

본 발명은, 판 두께 방향의 HAZ를 좁게 함으로써 균열의 진전을 억제하는 것을 겨냥한 기술이므로, 레이저 ?칭 조건에 따라 피로 강도 향상 효과가 변화된다.

그래서, 예비 평가로서, 레이저 조사 조건과 피로 강도의 관계를 조사하였다. 공시재는 판 두께 2.3㎜의 980㎫급 강판으로 하고, 아크 용접 재료에는 780㎫급 강용의 용접 재료(JIS Z3312 G78A4UMN5C1M3T)를 사용하였다. 아크 용접은, 펄스 머그 용접이며, 실드 가스를 Ar＋20％CO₂로 하고, 용접 전류 190A, 아크 전압 24V, 용접 속도 80㎝/min의 조건으로 하였다.

레이저 ?칭을 위한 레이저 조사 조건은, 레이저 출력 3㎾, 이동 속도 3m/min으로 하고, 필릿 아크 용접의 지단부를 겨냥하여, +10㎜ 디포커스, +15㎜ 디포커스의 2 수준으로 하였다.

도 4에 (A) 레이저 조사 없음, (B) +10㎜ 디포커스 및 (C) +15㎜ 디포커스로 ?칭한 경우의 용접부의 단면 용융 형상을 나타낸다. 레이저 ?칭 없음에서의 용융 경계부의 비커스 경도는 250HV였지만, 레이저 ?칭을 행함으로써 해당 개소의 경도가 382HV로 상승하였다. 또한, 재용융된 영역(도 4의 (B), (C)의 화살표로 나타난 부분이며, 도 3의 재용융부(6)에 해당되는 영역)은, 시료를 절단, 연마하여, 에칭함으로써 관찰할 수 있다.

표 1에, 상기 국소 ?칭 후의 시험편의 피로 수명을 나타낸다. 또한, 시험편의 피로 수명은, 응력 진폭 250㎫의 편진동 굽힘 시험을 상기 시험편의 용접 지단부에 대해 행함으로써 측정되었다.

[표 1]

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저에 의한 국소 ?칭이 행해진 조건 No.B, C에서는, 용접 그대로인 경우에 비해, 피로 수명이 5배∼20배 정도 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 용접 지단부를 레이저에 의해 용융함으로써 당해 지단부가 ?칭되어 경화되어, 용접 부분의 피로 강도가 상승하지만, 레이저 조사 조건, 즉 용융 형상의 차이에 의해서도 큰 피로 강도차가 발생하는 것을 알 수 있다.

그래서, 표 1의 조건 A∼C의 예를 대상으로, 피로 시험의 반복 수에 대한 균열 발생부 근방의 변형 이력의 변화를 조사하였다. 지단부로부터 1㎜ 정도 이격된 위치에 변형 게이지를 부착하고, 반복 응력에 기인하는 주기적인 변형 진폭을 측정한다. 지단부에 균열이 발생하면, 변형 게이지에 의해 측정되는 변형 진폭이 저하된다. 상기 조건 A∼C에 있어서의 최초의 변형 진폭을 모두 규격화하여 동일한 크기로 하고, 피로 시험의 반복 수와 규격화된 변형(진폭)의 관계를 도 5에 나타낸다. 또한, 상기 조건 A∼C를 용접 단면 형상으로 분류하면, 이하의 용융 형상에 대응한다.

조건 A: 아크 용접만을 행한 경우;

조건 B: 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 1/2 정도로 되도록 한 경우;

조건 C: 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 1/3 정도로 되도록 한 경우

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 조건 A의 경우에 비해, 상기 조건 B의 경우는 균열의 발생이 느려지지만, 균열의 진전 속도는 차이가 없는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 조건 B는 레이저에 의한 재용융에 의해 균열 발생부가 단단해져 균열의 발생을 지연시키는 것이 가능해졌지만, 레이저에 의한 입열 영역의 확대에 수반하여 조립의 조직으로 이루어지는 HAZ가 비교적 광범위하게 확대되었다고 생각된다. 그 때문에, 균열이 HAZ에 있어서 진전되고, 균열 진전 속도가 통상의 아크 용접의 경우와 큰 차이가 없어, 충분한 피로 수명의 향상으로 이어지지 않았다고 생각된다.

또한, 상기 조건 A에 비해 상기 조건 C는, 균열의 발생이 느리고, 또한 균열의 진전 속도도 느려지는 것을 알 수 있다. 균열의 진전 속도가 느려지는 원인으로서, 균열의 진전 경로가 HAZ가 아닌 미립의 조직으로 이루어지는 모재로 된 것이 생각된다. 한편, 균열 발생부의 경도가 동등한 상기 조건 B에 비해서도 상기 조건 C의 경우, 균열의 발생이 지연되었다는 점에서, 레이저에 의한 용융 영역의 축소에 수반하여 입열 영역이 축소된 결과, 인장 잔류 응력이 저하되었기 때문이라고 생각된다.

피로 강도를 향상 가능한 재용융부 깊이를 구하는 것을 목적으로 하여, 도 4와 마찬가지의 요령으로 재용융부 깊이를 변화시킨 용접 시험편을 제작하고, 아크 용접 단독(즉, 아크 용접 그대로)의 피로 강도를 1.0으로 하여, 재용융부 용입 깊이와 조인트 피로 강도의 향상률의 관계를 실험적으로 구하였다. 그 결과를 도 6a에 나타낸다. 도 6a에 나타낸 바와 같이 균열 발생부 깊이가 1/2t(판 두께 t의 1/2 두께)보다 커지면, 티그 드레싱을 행한 경우와 동등한 효과로 되었다. 또한, 재용융부의 용입 깊이가 얕으면, 당해 재용융부의 표면이 요철 형상으로 되기 때문에, 재용융 깊이는 1/5 이상 1/2t 이하로 하고, 바람직하게는 1/5 이상 1/3t 이하이다.

또한, 본 발명에 있어서의 피로 강도 향상의 메커니즘을 밝히기 위해, 도 6a의 실험 결과를 얻기 위해 사용한 시험편의 레이저 용융부의 열 영향부 및 그 근방의 금속 조직을 관찰하였다.

레이저 조사에 의한 재용융이 행해진 시험편에 대해, 강판 표면 상의 상기 재용융부와 당해 재용융부의 열 영향부의 경계부(이하, 「재용융 경계부」라고 함)로부터 강판의 판 두께 방향으로 0.1㎜의 깊이에 있어서의 금속 조직을 관찰하였다. 또한, 아크 용접 그대로의 시험편의 금속 조직과 티그 드레싱의 시험편에 대해, 강판 표면에 있어서의 용접 금속과 열 영향부의 경계부를 기점으로 판 두께 방향으로 0.1㎜ 깊이에 있어서의, 상기 재용융부를 제외한 금속 조직을 관찰하였다. 전술한 위치를 중심으로 500㎛×500㎛의 범위의 금속 조직을 EBSD 해석하고, 결정 방위차 15°로 구획하였을 때의 결정립 사이즈로부터 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경을 구하였다. 유효 결정 입경의 측정 대상으로 되는 구 오스테나이트는, 상기 재용융부에 포함되는 것이 아니라, 상기 레이저 조사에 의한 재용융부의 열 영향부에 포함되는 것이다.

도 6b에 열 영향부의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경과 피로 강도 향상률의 관계를 나타낸다. 또한, 아크 용접 단독의 피로 강도를 1.0으로 하였다. 도 6a에서는 용입 깊이의 저하와 함께 피로 강도가 증가하였지만, 도 6b에서는 결정 입경의 저하에 의해 피로 강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 아크 용접 단독에서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경은 37㎛이고, 티그 드레싱을 실시한 경우의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경은 32㎛였다. 이에 비해, 레이저 처리에 의해, 당해 레이저 처리에 의한 재용융부의 열 영향부에 포함되는 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경을 20㎛ 이하로 함으로써 티그 드레싱 이상의 피로 강도 향상률이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 티그 드레싱에서는 결정 입경이 비교적 큼에도 불구하고 1.2배의 피로 강도 향상률이 얻어졌지만, 이것은, 용접 지단부를 비교적 큰 열량으로 재용융시켰기 때문에 용융 단부의 형상이 매끄러워져, 응력 집중 계수가 더 작은 값으로 되었기 때문이라고 생각된다. 즉, 종래의 티그 드레싱이나 플라스마 처리 기술은, 용융 단부의 형상을 매끄럽게 함으로써 균열 발생부인 용접 지단부에의 응력 집중을 저감시킨다고 하는 작용 메커니즘을 특징으로 한다. 이에 비해, 본 발명은, 레이저 가공 처리에 의해 균열 발생부의 금속 조직을 세립화하여 피로 강도를 향상시킨다고 하는 작용 메커니즘을 특징으로 하고 있고, 기술적 사상에 있어서 티그 드레싱 등의 종래 기술로부터 상이한 것이다.

또한, 레이저의 입열에 의해 HAZ가 확대되는 것을 방지할 필요가 있다. 또한, 용접 입열이 증가하면 용융 단부의 인장 잔류 응력 증가의 요인이 되어, 균열의 진전이 빨라지므로, 용접 지단부에 있어서의 표층만, 경도를 향상시키는 것이 바람직하다. 그 때문에, 도 7의 「본 발명」의 그래프가 나타내는 바와 같이, 상기 레이저 조사는, 이하의 (i) 및 (ii)를 만족시키도록 레이저 조사 강도, 레이저 조사 시간 및 조사 범위 등의 조사 조건을 조정하는 것이 바람직하다. 즉,

(i) 강판의 표면으로부터 판 두께 방향으로 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 레이저 재용융에 의해 새롭게 형성되는 용융 경계의 경도를 모재의 경도의 1.2배 이상으로 높인다 ;

(ii) 강판의 표면으로부터 판 두께 방향으로 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 상기 용융 경계의 수직 하부 방향에 있어서, 강판의 표면으로부터 상기 강판의 약 1/4의 깊이 위치에 있어서의 경도를 모재의 경도의 1.1배 이하로 한다.

강판 표면으로부터 0.1㎜ 두께의 영역의 경도가 크면, 균열의 발생이 억제되고, 강판 표면으로부터 1/4 두께의 영역의 경도가 작으면(즉, 강재가 연질인 경우), 균열의 진전이 억제된다. 도 7의 「종래」의 그래프가 나타내는 바와 같이, 종래의 필릿 아크 용접 조인트는, 경도 분포가, 0.1㎜ 두께의 영역에서 경도가 크게 되어 있지 않고, 1/4 두께의 영역에서 경도가 연화되도록 되어 있지 않다. 한편, 도 7의 「본 발명」의 그래프가 나타내는 바와 같이, 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트에서는, 경도의 두께 방향의 분포가, 균열의 억제에 대해 바람직한 분포가 된다.

또한, 도 7의 그래프에 나타내는 비커스 경도가 측정된 개소를 도 8의 (A) 및 (B)에 나타낸다. 도 8의 (A)는, 레이저 조사에 의한 재용융부가 행해지지 않은 아크 용접 부분의 확대 단면도이고, 도 8의 (B)는 본 발명의 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법에 기초하는 아크 용접이 행해진 개소의 확대 단면도이다. 도 8의 (A)에 있어서는, 강판 표면으로부터 0.1㎜ 아래에 있어서의 용접 금속(3)과 열 영향부(5)의 경계부를 기점으로 화살표 방향을 따라, 판 두께 방향의 경도 분포를 측정하였다. 도 8의 (B)에 있어서는, 강판 표면으로부터 0.1㎜ 아래에 있어서의 레이저 재용융부(6)와 열 영향부(6a)의 경계부를 기점으로 화살표 방향을 따라, 판 두께 방향의 경도 분포를 측정하였다.

단, 모재 경도는, 도 8의 (A), (B) 중의 화살표선으로부터 충분히 이격된 개소에 있어서 측정하였다.

본 발명은, 전술한 바와 같이, 레이저 조사에 의해 용접 지단부를 국소적으로 ?칭한다. 이 ?칭 효과를 높이기 위해, 식(1)로 정의되는 Ceq값이 0.3 이상으로 되는 조성을 갖는 강제 부재를 사용하는 것이 바람직하다.

단, 식(1) 중, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V는, 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

마찬가지로, 레이저 조사에 의해 용접 지단부를 국소적으로 ?칭하는 효과를 높이기 위해, 용접 재료는, 상기 식(1)로 정의되는 Ceq값이 0.3 이상으로 되는 조성을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 외부로부터의 부하가 직접적으로 가해지는 용접 구조 부재에 부가된다고 상정되는 반복 하중을 당해 용접 구조 부재에 부가하였을 때에 피로 균열이 최초로 발생하는 영역에, 본 발명에 있어서의 재용융부를 형성해도 된다. 혹은, 최대 주 응력의 방향도 미리 지견할 수 있는 경우, 그 최대 주 응력이 발생하는 용접 개소에, 본 발명에 있어서의 재용융부를 형성해도 된다. 이와 같이, 미리 구한 높은 응력이 부하되는 개소 중 적어도 하나의 개소에 재용융부를 형성하는 것은, 피로 강도 향상에 유효하다.

실시예

레이저에 의한 용접 지단부의 국소 ?칭의 범위와 용접 부분의 피로 강도 향상의 관계를 명확하게 하기 위해, 이하와 같이 시험편을 제작하여, 상기 시험편의 아크 용접 비드의 용접 지단부에 레이저 빔 조사하고, 레이저 조사 후의 시험편에 대해, 비커스 경도, 피로 강도, 피로 강도 향상률 및 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경을 측정하였다.

표 2-1에, 공시 강판의 성분(질량％)을 나타낸다. 강판 A는 980㎫급, 강판 B는 780㎫급의 열연 강판이며, 모두 Ceq가 0.3 이상이다. 또한, 강판 A의 판 두께는 2.3㎜, 강판 B의 판 두께는 2.9㎜이다.

[표 2-1]

표 2-2에, 용접 와이어의 성분을 나타낸다. w1은 490㎫급 강판용, w2는 780㎫급 강판용 용접 와이어이고, w1의 Ceq는 0.3 미만, w2의 Ceq는 0.3 이상이다. 와이어의 외경은, 모두 1.2㎜이다.

[표 2-2]

이들 강판 및 용접 와이어를 사용하여 펄스 머그 용접으로 겹침 필릿 조인트를 제작하였다. 용접 조건은, 용접 전류: 190A, 아크 전압: 24V로 하고, 판 두께 2.3㎜의 조인트에서는 용접 속도: 0.8m/min, 판 두께 2.9㎜의 조인트에서는 용접 속도: 0.6m/min으로 하였다.

이어서, 제작된 상기 시험편의 아크 용접 비드의 용접 지단부에 대해, 표 2-3에 나타내는 레이저 조사 조건으로 용접 지단부의 용융 처리를 행하였다. 조건 I는 레이저 처리를 실시하지 않는 경우, 조건 II∼VI는 YAG 레이저 가공 장치를 사용하여, 레이저 출력 3∼4㎾, 디포커스 길이 +5∼+15㎜, 이동 속도 3∼4m/min으로 하였다. 상기 레이저 가공 장치의 렌즈는, 집광 직경이 0.6㎜, 초점 거리가 200㎜이다. 참고 정보로서, 판 두께 2.3㎜의 강판에 대한 용입 깊이의 비의 경우, 조건 III는 판 두께의 1/2 정도의 용입 깊이, 조건 IV∼VI는 판 두께의 1/3 정도의 용입 깊이였다.

[표 2-3]

표 2-1의 강판, 표 2-2의 용접 와이어, 표 2-3의 레이저 처리 조건을 조합하여 표 3-1의 조건으로 굽힘 피로 시험편 No.1∼11을 제작하고, 피로 강도 및 피로 강도 향상률을 측정하였다. 또한, 피로 시험편 No.1∼11 각각에 대해, 비커스 경도, 피로 강도, 피로 강도 향상률 및 용접 부분 근방의 금속 조직의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경을 측정하였다.

(피로 강도 측정)

피로 강도 측정 시험은, 섕크식 피로 시험기를 사용하여 완전 편진동으로 실시하고, 반복 수는 200만회까지로 하고, 상기 피로 시험편 각각에 대해, 균열의 발생 개소와, 200만회 피로 강도(응력 진폭)를 측정하였다. 그 결과를 표 3-2에 나타낸다.

(피로 강도 향상률 측정)

피로 시험편 No.1은, 980㎫급 열연 강판 A와 490㎫급 강판용 용접 와이어 w1의 조합에 의한 종래의 겹침 필릿 아크 용접 조인트에 상당하는 것이며, 그 피로 강도는 170㎫였다. 또한, 피로 시험편 No.7은, 780㎫급의 열연 강판 B와 490㎫급 강판용 용접 와이어 w1의 조합에 의한 종래의 겹침 필릿 아크 용접 조인트에 상당하는 것이며, 그 피로 강도는 160㎫였다. 사용한 모재가 피로 시험편 No.1과 동일한 피로 시험편 No.2∼6에 대해서는, 피로 시험편 No.1의 피로 강도를 기준으로 한 피로 강도 향상률을 산출하였다. 또한, 사용한 모재가 피로 시험편 No.7과 동일한 피로 시험편 No.8∼11에 대해서는, 피로 시험편 No.7의 피로 강도를 기준으로 한 피로 강도 향상률을 산출하였다. 이와 같이 산출된 각 피로 시험편의 피로 강도 향상률의 결과로부터, 레이저 지단 처리에 의한 피로 강도 향상 효과를 평가하였다.

또한, 피로 강도 향상 효과에 관하여, 특별히 정해진 기준은 없지만, 일반적으로 피로 강도 시험은 결과가 변동되기 쉽다고 여겨지고 있으므로, 확실한 효과를 얻기 위해, 종래의 피로 강도에 대해 2할 이상의 효과가 있었던 것을 발명으로 하였다.

(비커스 경도의 측정)

조건 II∼VI에서 레이저 처리된 시험편에 대해, 강판 표면으로부터 판 두께 방향으로 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 재용융 경계부에 있어서의 비커스 경도를 측정하였다. 또한, 조건 I 혹은 티그 드레싱에 의한 용접이 행해진 시험편에 대해, 강판 표면에 있어서의 용접 금속과 열 영향부의 경계부를 기점으로 판 두께 방향으로 0.1㎜ 깊이에 있어서의 비커스 경도를 측정하였다. 각 시험편의 측정값을 표 3-2의 「강판 표면으로부터 0.1㎜ 깊이에 있어서의 비커스 경도(Hv-B)」의 란에 나타낸다. 또한, 열 영향부, 용접부 및 재용융부로부터 충분히 이격된 개소에 있어서의 강판 표면 경도를 측정하였다. 또한, 표 3-2의 「모재의 비커스 경도(Hv-A)」는, 용접, 티그 드레싱에 의한 용접 및 레이저에 의한 재용융이 행해지기 전의 강판의 표면 경도의 측정값이다.

또한, 조건 II∼VI에서 레이저 처리된 시험편에 대해, 상기 비커스 경도(Hv-B)의 측정점의 수직 하부 방향에 있어서, 강판 표면으로부터 강판의 판 두께의 1/4의 깊이에 있어서의 비커스 경도를 측정하였다. 각 시험편의 측정값을 표 3-2의 「강판 표면으로부터 t/4 깊이에 있어서의 비커스 경도(Hv-C)」의 란에 나타낸다.

(용접 부분 근방의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경의 측정)

조건 II∼VI에서 레이저 처리된 시험편에 대해, 강판 표면 상의 재용융 경계부로부터 강판의 판 두께 방향으로 0.1㎜의 깊이에 있어서의 금속 조직을 관찰하였다. 조건 I 혹은 티그 드레싱에 의한 용접이 행해진 시험편에 대해, 강판 표면에 있어서의 용접 금속과 열 영향부의 경계부를 기점으로 판 두께 방향으로 0.1㎜ 깊이에 있어서의 금속 조직을 관찰하였다. 전술한 위치를 중심으로 500㎛×500㎛의 범위의 금속 조직을 EBSD 해석하고, 결정 방위차 15°로 구획하였을 때의 결정립 사이즈로부터 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경을 구하였다. 이 측정 결과를, 표 3-2의 항목 「구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경(㎛)」의 란에 나타낸다.

[표 3-1]

[표 3-2]

(980㎫급 열연 강판 A를 사용한 본 발명예)

피로 시험편 2, 3은 본 발명의 가장 적합한 조건을 만족시키고 있고, 피로 강도 혹은 피로 강도 향상률이 가장 양호한 결과가 얻어졌다. 피로 시험편 4는 피로 강도 및 피로 강도 향상률 모두 종래예에 비해 양호하지만, 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 1/3 초과로 용입이 깊기 때문에, 균열이 HAZ를 따라 진전하는 경향을 나타내어, 피로 시험편 2, 3에 비하면 피로 강도 및 피로 강도 향상률이 약간 떨어진다. 또한, 피로 시험편 5도 피로 강도 및 피로 강도 향상률 모두 종래예에 비해 양호하지만, Ceq가 0.3 미만인 용접 와이어를 사용하여 제작되었기 때문에, 강판 표면으로부터 0.1㎜ 깊이에 있어서의 상기 국소 ?칭이 불충분해졌다. 그 때문에, 피로 시험편 2, 3에 비하면 피로 강도 및 피로 강도 향상률이 약간 떨어진다.

(980㎫급 열연 강판 A를 사용한 비교예)

굽힘 피로 시험편 6은, 디포커스 길이가 가장 짧고, 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 1/2 초과에 달하였기 때문에, 균열이 HAZ 내를 진전하였다. 그 결과, 피로 강도가 향상되지 않아 충분한 피로 강도 향상 효과를 얻지 못하였다.

(780㎫급의 열연 강판 B를 사용한 본 발명예)

피로 시험편 8은, 피로 강도 및 피로 강도 향상률 모두, 종래예로서의 피로 시험편 7, 11 및 비교예로서의 피로 시험편 10에 비해 양호하다. 또한, 피로 시험편 11은 종래 기술의 티그 드레싱을 사용하여 제작된 종래의 겹침 필릿 아크 용접 조인트에 상당하는 것이며, 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 70％를 초과할 정도로 용입이 깊고, 균열이 HAZ 내를 진전하였기 때문에, 충분한 피로 강도 향상 효과를 얻지 못하였다. 피로 시험편 11은, 용입 깊이가 커, 즉, 입열이 크기 때문에, HAZ가 커져, 균열이 HAZ 내만을 진전하므로 피로 강도가 불충분해졌다.

단, 피로 시험편 8은, Ceq가 0.3 미만인 용접 와이어를 사용하여 제작되었기 때문에, 강판 표면으로부터 0.1㎜ 깊이에 있어서의 상기 국소 ?칭이, 피로 시험편 9에 비해 1할 정도 낮은 강도로 되어 있다. 피로 시험편 9는, 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 1/3 미만으로 되도록 제작되어 있고, 피로 강도 및 피로 강도 향상률 모두 피로 시험편 8보다 양호한 결과가 얻어졌다.

(780㎫급의 열연 강판 B를 사용한 비교예)

피로 시험편 10은 디포커스 길이가 가장 짧고, 레이저에 의한 재용융 깊이가 판 두께의 1/2 초과에 달하고 있고, 용입이 깊고, 균열이 HAZ 내를 진전하였기 때문에, 충분한 피로 강도 향상 효과를 얻지 못하였다.

본 발명은, 고강도의 박판 강판을 사용한 용접 산업에 있어서 이용 가능성이 높은 것이다.

1 : 상판
2 : 하판
3 : 용접 비드
4 : 균열
5 : HAZ(열 영향부)
6 : 레이저 재용융부
6a : 레이저 용융에 의한 HAZ

Claims

적어도 2개의 금속 부재를 필릿 아크 용접함으로써 형성된 필릿 아크 용접 조인트이며,
적어도 하나의 금속 부재의 상기 필릿 아크 용접의 용접 지단부와, 당해 금속 부재의 표면의 상기 필릿 아크 용접에 의해 발생한 열 영향부의 경계를 포함하는 영역에, 레이저 조사에 의한 재용융부를 갖고,
상기 재용융부는, 상기 금속 부재의 표면으로부터 당해 금속 부재의 판 두께의 1/2 이하의 깊이까지의 범위이며,
상기 금속 부재의 표면에 있어서의 상기 재용융부의 경계인 재용융 경계부로부터 상기 금속 부재의 판 두께 방향으로 0.1㎜의 깊이에서의 열 영향부에 있어서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경은 20㎛ 이하이며,
상기 재용융부의 상기 금속 부재의 판 두께 방향의 깊이는, 상기 금속 부재의 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/5 이상이고,
강판 표면으로부터 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 레이저 재용융부와 열 영향부의 경계부의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.2배 이상이며, 상기 경계부의 수직 하부 방향에 있어서 강판 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/4 깊이에 있어서의 상기 금속 부재의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.1배 이하인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트.
제1항에 있어서,
상기 재용융부가, 상기 금속 부재의 표면으로부터 당해 금속 부재의 판 두께의 1/3 이하의 깊이까지의 범위인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트.
제1항에 있어서,
상기 재용융부의 용접 금속은, 이하의 식(1)로 정의되는 Ceq값이 0.3 이상인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트.

단, 식(1) 중, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V는, 원소의 함유량(질량％)을 나타냄.
제1항에 있어서,
상기 금속 부재는, 판 두께가 4.5㎜ 이하의 강판인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
응력이 집중되거나 최대 주 응력이 부하되는 개소 중 적어도 하나의 개소에, 재용융부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트.
적어도 2개의 금속 부재를 필릿 아크 용접하고,
적어도 하나의 금속 부재의 상기 필릿 아크 용접의 용접 지단부와, 당해 금속 부재의 표면의 상기 필릿 아크 용접에 의해 발생한 열 영향부의 경계를 포함하는 영역을 레이저 조사에 의해 재용융하고, 상기 금속 부재의 표면으로부터 금속 부재의 판 두께의 1/2 이하의 깊이까지 재용융부를 형성하며,
상기 재용융부의 상기 금속 부재의 표면으로부터의 깊이는 상기 금속 부재의 판 두께의 1/5 이상이고,
강판 표면으로부터 판 두께 방향으로 0.1㎜ 아래의 위치에 있어서의 레이저 재용융부와 열 영향부의 경계부에 있어서의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.2배 이상이며, 상기 경계부의 수직 하부 방향에 있어서 강판 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/4 깊이에 있어서의 경도가, 상기 금속 부재의 모재의 경도의 1.1배 이하로 되도록 레이저 조사를 행하는 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 금속 부재의 표면에 있어서의 상기 재용융부의 경계인 재용융 경계부로부터 상기 금속 부재의 판 두께 방향으로 0.1㎜의 깊이에서의 열 영향부에 있어서의 구 오스테나이트의 평균 유효 결정 입경이 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 재용융된 영역이, 상기 금속 부재의 표면으로부터 상기 금속 부재의 판 두께의 1/3 이하의 깊이까지의 범위인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 재용융되어 있는 금속 부재는, 이하의 식(1)로 정의되는 Ceq값이 0.3 이상인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.

단, 식(1) 중, C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V는, 원소의 함유량(질량％)을 나타냄.
제6항에 있어서,
상기 금속 부재는, 판 두께가 4.5㎜ 이하의 강판인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.
제6항에 있어서,
응력이 집중되거나 최대 주 응력이 부하되는 개소 중 적어도 하나의 개소를, 레이저 조사에 의해 재용융하는 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.
제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 조사는, 이동 속도(m/min)에 대한 레이저 출력(kJ/sec)의 비가 45∼80(kJ/m)인 것을 특징으로 하는, 필릿 아크 용접 조인트의 제조 방법.
삭제
삭제