KR102164134B1 - 고탄소 박강판의 레이저 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량%로, C: 0.1~0.5% 을 포함하고, 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 박강판을 준비하는 단계; 상기 박강판에 상기 박강판과 동종 또는 이종의 박강판을 접촉시키는 단계; 및 접촉된 상기 박강판을 레이저 용접하는 단계; 를 포함하고, 용접종단부 10% 전단부터 용접입열을 50% 이상 상향시키는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법을 제공한다.

Description

고탄소 박강판의 레이저 용접 방법{LASER WELDING METHOD FOR HIGH CARBON THIN STEEL SHEET}

본 발명은 최소 0.1wt% 이상의 탄소를 포함하고, 탄소당량(Ceq)이 0.8% 이상인 고탄소 박강판의 레이저 용접에서 발생하는 수소지연균열을 방지할 수 있는 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

글로벌 환경규제 강화에 따른 자동차의 경량화 요구로 인해, 초고강도강에 대한 니즈가 증가하고 있으며, 이에 따라 여러 철강업체들이 초고강도/고성형성을 갖는 다양한 강을 개발하고 있다. 이러한 강들은 주로 저항 점용접에 의해 조립되고 있으나, 차체 강성 향상 및 경량화 등의 이슈 등으로 레이저 용접의 적용이 점차 확대되고 있다.

통상 용접부 저온균열은 높은 탄소당량을 갖는 열연강판 또는 후강판에서 주로 문제되고 있으며, 이를 방지하기 위한 방법으로 용접입열량의 최소화, 예열 또는 후열 처리 등이 제안되어 산업계에 적용되고 있다.

그러나 두께 2.0mm 이하의 박강판에서는 최근 자동차 강판의 고강도화에 따른 탄소함량 증가로 간헐적인 저온균열 발생이 보고되고 있을 뿐, 용접 특히 레이저 용접부에서의 저온균열은 크게 보고되고 있지 않다.

따라서 2.0mm 이하의 박강판에서의 저온균열 발생을 억제할 수 있는 레이저 용접방법의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 0.1~0.5wt%의 탄소를 포함하고, 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 고탄소 박강판의 레이저 용접 부재를 제조할 때 발생할 수 있는 수소지연균열을 방지하기 위한 용접방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.1~0.5% 을 포함하고, 하기 식 1 로 표현되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 박강판을 준비하는 단계; 상기 박강판에 상기 박강판과 동종 또는 이종의 박강판을 접촉시키는 단계; 및 접촉된 상기 박강판을 레이저 용접하는 단계;를 포함하고, 용접종단부 10% 전단부터 용접입열을 50% 이상 100% 이하 상향시키는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법이다.

[식 1] Ceq(%)=[C]+([Mn]+[Si])/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15

(여기서, [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo], [V], [Cu], [Ni]은 각 원소의 중량% 이며, 상기 성분들 중 강판에 포함되지 않은 성분의 값은 0으로 한다.)

상기 고강도 박강판의 레이저 용접 방법에서 용접종단부 10% 전단부터 레이저 용접 출력을 50% 이상 상향시켜 용접할 수 있다.

상기 고강도 박강판의 레이저 용접 방법에서 용접종단부 10% 전단부터 용접속도를 50% 이하로 감소시켜 용접할 수 있다.

상기 박강판을 레이저 용접하기 전에 박강판 표면의 방청유를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방청유는 물리적 방법, 화학적 방법 및 용접 전 박강판을 가열하는 방법 중 어느 하나에 의해 제거될 수 있다.

상기 박강판의 두께가 2.0mm 이하일 수 있다.

본 발명에 의하면 고탄소 박강판 레이저 용접부에서의 저온균열을 방지할 수 있어 차체 충돌안전성 등의 확보에 기여할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 은 레이저 용접 시 용접종단부에서 저온균열이 발생된 것을 표시한 사진이다.
도 2 는 도 1 에서 저온균열이 발생된 지점의 균열파면을 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 사진이다.
도 3 은 도 2 에 표시한 (a), (b), (c) 영역을 각각 확대하여 관찰한 사진이다. (a) 및 (b) 에서 응고균열이 발생한 영역을 점선원으로 표시하였다.

본 발명자들은 먼저 고탄소 박강판의 레이저 용접 특성에 대해 연구하였다. 본 발명자들은 다양한 자동차 강판의 레이저 용접 특성을 고찰하던 중, 최소 0.1wt%의 탄소를 포함하고 탄소당량(Ceq)이 0.8% 이상인 고탄소 박강판의 레이저 용접 시 용접종단부에서 도 1 에 표시한 부분과 같은 간헐적인 균열이 발생되는 것을 확인하였다.

상기 균열이 발생된 지점의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 균열파면을 분석해본 결과, 도 2 및 도 3 에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 균열은 용접종단부의 Crater 균열(응고균열)과 연결된 취성 균열의 형태인 것을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 용접부 균열은 용접 후 시간 경과와 함께 진전되는 것이 외관 관찰을 통해 확인되었으며, 좀 더 깊이 연구한 결과 상기 용접종단부에서 발생하는 균열은 용접 중 방청유의 분해에 의한 수소혼입으로부터 기인된 수소지연균열인 것을 알 수 있었다.

이에 따라 본 발명자들은 수소지연균열의 원인이 되는 방청유에 의한 수소 혼입을 차단하는 동시에 저온균열의 기점이 되는 Crater 균열 발생을 방지하면, 레이저 용접부에서의 저온 균열을 효과적으로 방지할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.

이하에서는 본 발명자들이 연구한 결과에 기초하여 이루어진 본 발명의 고탄소 박강판의 레이저 용접 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.1~0.5% 을 포함하고, 하기 식 1 로 표현되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 박강판을 준비하는 단계; 상기 박강판에 상기 박강판과 동종 또는 이종의 박강판을 접촉시키는 단계; 및 접촉된 상기 박강판을 레이저 용접하는 단계; 를 포함하고, 용접종단부 10% 전단부터 용접입열을 50% 이상 100% 이하 상향시키는 고탄소 박강판의 용접방법을 제공한다.

[식 1] Ceq(%)=[C]+([Mn]+[Si])/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15

(여기서, [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo], [V], [Cu], [Ni]은 각 원소의 중량% 이며, 상기 성분들 중 강판에 포함되지 않은 성분의 값은 0으로 한다.)

먼저 중량%로 C: 0.1~0.5% 을 포함하고, 상기 식 1 로 표현되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 박강판을 준비하고, 상기 박강판에 상기 박강판과 동종 또는 이종의 박강판(이하, '상대재'라고도 함)을 접촉시킨다. 상기 박강판의 두께는 2.0mm 이하일 수 있다. 상기 박강판 및 상기 상대재는 자동차용 강판으로 사용 가능한 강종이라면 어느 것이나 적용 가능하며, 이에 따라 본 발명에서는 상기 박강판 및 상기 상대재의 종류에 대하여 특별히 한정하지 않는다.

다만 본 발명은 C: 0.1~0.5% 을 포함하고, 상기 식 1 로 표현되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 박강판을 대상으로 한다. 상기 탄소함량이 0.1% 미만이고 탄소당량이 0.8% 미만인 박강판의 경우 용접 중 수소 침입에 의한 수소지연균열이 발생하지 않는다. 반면에 상기 탄소함량이 0.5% 초과이고 탄소당량이 1.5% 초과인 박강판의 경우 냉간압연 등의 문제로 생산이 용이하지 않은 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제점을 고려하여 본 발명에서는 본 발명의 용접방법이 적용되는 박강판의 탄소량과 탄소당량의 범위를 상기와 같이 한정하였다.

이후 접촉된 상기 박강판을 레이저 용접한다. 종래 알려진 레이저 용접 방법이면 본 발명에 제한 없이 적용될 수 있고, 또한 실제 용접조건은 소재의 두께에 따라 달라지므로, 본 발명에서 레이저 용접 종류 및 용접 조건에 대해서는 특별히 제한하지 않는다.

본 발명은 레이저 용접 시에 각 용접부의 용접종단부 10% 전단부터 용접입열을 50% 이상 상향(ramping up)시킬 수 있다. 용접종단부 10% 전단부터 용접입열을 50% 이상 상향시켜 용융부를 확대시킴으로써, 저온균열의 기점이 되는 Crater 균열(응고균열)을 효과적으로 방지할 수 있다. 용접입열을 상향시키는 방법으로는 용접종단부 10% 전단부터 레이저 출력을 50% 이상으로 증가시키거나, 용접속도를 50% 이하로 늦추는 방법을 적용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

용접종단부 10% 전단에서부터 상향되는 용접입열의 상향폭이 50% 미만이면 용융부가 충분히 확대되지 않아 응고균열이 발생될 수 있고, 그에 따라 저온균열이 발생할 수 있다. 용융부가 크게 확대될수록 응고균열 방지에 유리하므로 그 상한은 특별히 제한하지 않을 수 있으나, 용접입열의 상향폭이 100%를 초과하는 경우 레이저 용접기의 용량에 따른 생산성 저하 문제가 발생할 수 있으므로 100% 이하를 상한으로 제한할 수 있다.

한편, 용접부의 저온균열 원인이 되는 확산성 수소의 혼입을 방지하기 위해 용접 전 용접할 위치에서 수소의 근원인 방청유를 제거할 수 있다. 본 발명에서 방청유를 제거하는 방법은 특별히 제한하지 않으며, 비제한적인 일 구현례로서 헝겊 등을 이용한 물리적 방법, 알코올 등을 이용한 화학적 방법 또는 용접 전 강판을 가열하여 방청유를 기화시키는 방법 등 어떠한 방법으로도 가능하다. 비제한적인 일 구현례로서 100~250℃ 온도에서 5~20분 가열하여 방청유를 기화시킬 수 있다.

상술한 본 발명에 따라 고탄소 박강판을 레이저 용접하면 응고균열의 발생이 억제되어 저온 균열이 효과적으로 방지될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

먼저 방청유가 도포된 0.17wt%C, 탄소당량(ceq) 0.85%의 인장강도 1.2GPa급의 잔류오스테나이트를 함유한 1.6mm 두께의 자동차 강판으로부터 용접시편을 준비하고 이 상태의 용접시편을 비교예로 하였다. 용접은 겹침부 6mm의 Lap joint에 대해 25mm 길이를 용접하였으며, 이때 용접조건은 레이저 출력 4kW, 용접속도 2.6m/min을 적용하였다.

용접시편 중 하나에 대해 용접 종단부 10%전단에서 레이저 용접 출력을 50%상향(Ramping up)시켜 용접하였으며, 이를 발명예 1 로 하였다. 또한 용접시편 중 하나에 대해서는 알코올로 세척하여 방청유를 제거하여 이를 발명예 2 로 하고, 다른 하나에 대해서는 170℃에서 15분 동안 열처리(baking)하여 이를 발명예 3 으로 하였다. 또한 레이저 용접 출력 상향과 방청유 제거를 모두 적용한 시편을 발명예 4 로 하였다.

용접 후 용접부 균열 발생여부를 실체현미경을 통해 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 1 에 정리하였다.

구분	방청유 제거 여부	Ramping UP 유무	총 용접부 개수	균열 발생 용접부 개수	균열발생율 (%)
비교예	X	X	15	8	53.3
발명예1	X	O	15	0	0
발명예2	O	X	15	0	0
발명예3	O	X	15	0	0
발명예4	O	O	15	0	0

상기 표 1 에서 확인할 수 있는 바와 같이 방청유가 도포된 상태에 대한 비교예의 용접시편의 경우, 총 15개의 용접부 중 8개에서 균열이 발생한 반면, 방청유를 제거한 시편에 대한 용접부(발명예 2, 3) 및 용접입열을 종단부 근처에서 상향한 용접부의 경우(발명예 1), 그리고 이 두 가지를 모두 적용한 경우(발명예 4)에서는 균열이 전혀 발생하지 않았다.

한편, 방청유에 의한 수소혼입 확인을 위하여 용접시편에 대한 확산성 수소량을 측정하였다. 원재료 강판, 용접 후의 비교예 및 발명예 1 내지 3 의 용접부 중 2~3 부위를 10×30mm로 절단(용접부 길이 30mm)하여 샘플을 얻은 후, 열탈착 분광법(TDS, Thermal desorption spectroscope)으로 확산성 수소량을 측정하였다. 상세하게는 400℃까지 200℃/hr의 속도로 가열하면서 방출되는 수소량을 측정하였으며, 그 결과를 표 2 에 나타내었다.

구분	확산성 수소 함량 (ppm/g)
	1	2	3	평균
원재료 강판	0.049	0.034	-	0.042
비교예	0.181	0.144	0.166	0.163
발명예1	0.155	0.165	0.178	0.166
발명예2	0.105	0.125	0.114	0.115
발명예3	0.120	0.110	0.125	0.118
발명예4	0.122	0.102	0.120	0.115

표 2 의 결과를 살펴보면, 비교예의 용접시편의 경우, 용접부 외에 모재를 포함하고 있음에도 불구하고 원소재 대비 확산성 수소가 3~4배 증가한 것을 알 수 있다. 한편 시편별로 편차가 있는 것은 방청유 도포의 비균질성과 관계된 것으로 보이며, 이는 용접부 균열발생율과도 관계가 있는 것으로 판단된다.

반면에 발명예 1의 경우, 비교예와 유사하게 용접전 방청유 제거를 하지 않아 용접부 수소량이 높음에도 불구하고 레이저 출력 상향(입열상향) 효과로 인해 표 1 에서 볼 수 있는 바와 같이 용접부 균열이 발생하지 않았다.

또한 방청유를 사전 제거한 발명예 2 내지 4 의 경우, 방청유를 사전 제거하지 않은 비교예 및 발명예 1 대비 용접시편의 수소량이 크게 감소하여 용접부 균열이 억제된 것을 확인할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의기술자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 중량%로, C: 0.1~0.5% 을 포함하고, 하기 식 1 로 표현되는 탄소당량(Ceq)이 0.8~1.5% 인 박강판을 준비하는 단계;
   상기 박강판에 상기 박강판과 동종 또는 이종의 박강판을 접촉시키는 단계; 및
   접촉된 상기 박강판을 레이저 용접하는 단계;
   를 포함하고,
   용접종단부 10% 전단부터 용접입열을 50% 이상 100% 이하 상향시키는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법.
   [식 1] Ceq(%)=[C]+([Mn]+[Si])/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15
   (여기서, [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo], [V], [Cu], [Ni]은 각 원소의 중량% 이며, 상기 성분들 중 강판에 포함되지 않은 성분의 값은 0으로 한다.)
   
2. 제 1 항에 있어서,
   용접종단부 10% 전단부터 레이저 용접 출력을 50% 이상 상향시키는 것을 특징으로 하는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   용접종단부 10% 전단부터 용접속도를 50% 이하로 감소시키는 것을 특징으로 하는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 박강판을 레이저 용접하기 전에 박강판 표면의 방청유를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 방청유는 물리적 방법, 화학적 방법 및 용접 전 박강판을 가열하는 방법 중 어느 하나에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 박강판의 두께가 2.0mm 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 박강판의 레이저 용접 방법.

Images