KR102178723B1 - 휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접부재 및 플래시벗 용접방법 - Google Patents

Abstract

휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접부재 및 플래시벗 용접방법이 제공된다.
본 발명의 플래시벗 용접부재는, 용접부의 경도가 220~270Hv이며, 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine-grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하고, 그리고 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족한다.

Description

휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접부재 및 플래시벗 용접방법{Flash butt weld members having excellent formability for wheel applications, and flash butt weding method}

본 발명은 자동차 경량 스틸 휠 등에 적용되는 인장강도 780MPa 이상 및 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 용접부 강도 및 성형성을 향상시킬 수 있는 플래시벗 용접부재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, Flash butt 용접시 Pre-/Upset-/Post-heat 최적화 패턴을 도입하여 용접부 경도를 220Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어할 수 있고, 나아가 용접부의 인성저하의 요인이 되는 조대 결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone)의 영역을 미세 결정립 열영향부(Fine-Grained Heat Affected Zone)로 보완하여 부품 제조시 용접부의 인성향상을 통한 성형성 확보가 가능한 플래시벗 용접부재 및 용접방법에 관한 것이다.

자동차 분야는 지구 온난화 문제 등 환경보호에 따른 연비규제 정책으로 차체 및 부품류의 경량화 기술 연구가 큰 이슈로 부상하고 있다. 자동차 주행 성능에 중요한 샤시부품류 또한 이러한 기조에 따라 경량화를 위한 고강도강재 적용이 필요한 실정이다. 부품 경량화 달성을 위해서는 소재의 고강도화가 필수적이며, 특히 부품 제조를 위해 용접후 성형을 하는 경우 용접부의 성형성 확보가 중요한 요소라 할 수 있다.

자동차 휠림 조립 시 주로 이용되는 플래시벗 용접의 경우, 플래시 아크에 의해 접합 대상면의 용융 비산 및 용융부 업셋을 통해 접합이 이루지는 공정으로 용접부의 성형성 확보를 위한 최적 조건의 선정이 중요하다. 특히 고강도강의 경우 상대적으로 높은 탄소당량으로 인하여 접합부의 경화에 따른 취성조직의 발달이 성형성 저하의 요인이 되므로 접합부의 상변태를 제어할 수 있는 공정 조건 개발이 필요하다. 실제 휠림 제조라인에서 용접부의 성형크랙 불량이 높을시 양산 적용이 어려운 실정이므로 이를 위한 해결안 도출이 중요하다.

이를 해소하기 위한 종래기술의 일예로 특허문헌 1에 기재된 발명을 들 수 있다. 상기 특허문헌 1에 따르면 플래시벗 용접시 고온에서 형성된 산화개재물의 효과적인 배출을 위해 접합 단계에서 업셋량 증대가 제시된 바 있다. 또한 특허문헌 2에서는 고장력강의 플래시벗 용접시 산화개재물 형성 억제를 위한 오일도포장치가 제시되었다.

그러나 종래기술은 전술한 고강도강 플래시벗 용접부 조직제어를 위한 방안이 제시되어 있지 않아 부품 제조시 용접부 성형성 향상을 위한 근본적인 해결책을 제시하고 있지 못하다는 한계를 지니고 있다.

대한민국 등록특허 10-1281294호 대한민국 등록특허 10-0711459호

본 발명의 일측면은, 자동차 경량 스틸 휠 등에 적용되는 인장강도 780MPa 이상 및 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 용접 시 상변태 조직 제어의 방안으로서, 비커스 경도 300Hv 이상의 마르텐사이트 상 발달에 따른 용접부 인성저하를 방지하기 위해, Flash butt 용접 시 Pre-/Upset-/Post-heat 패턴을 도입함으로써,용접부 경도를 220Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어할 수 있음과 아울러, 용접부의 인성저하의 요인이 되는 조대 결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone)의 영역을 미세 결정립 열영향부(Fine-Grained Heat Affected Zone)로 보완하여 용접부의 인성과 성형성을 확보할 수 있는 휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접부재 및 용접방법을 제공함을 목적으로 한다.

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

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

전극을 이용하여 2개의 강판을 플래시벗 용접함으로써 얻어지는 용접부를 갖는 용접부재에 있어서,

상기 용접부의 경도가 220~270Hv이며,

상기 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine -grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하고, 그리고

상기 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 용접부재에 관한 것이다.

상기 용접부는 d <0.13T를 만족하는 것을 바람직하다.

상기 용접부는 3< L/T <4를 만족하는 것이 바람직하다.

상기 용접부를 이루는 조대 결정립 HAZ부의 평균 결정입경은 100㎛ 이하이고, 상기 미세 결정입 HAZ부의 평균 결정입경은 10㎛ 이하일 수 있다

또한 본 발명은, 전극을 이용하여 2개의 강판의 용접 대상면을 플래시벗 용접한 후, 업셋 가열하는 플래시벗 용접방법에 있어서,

상기 플래시벗 용접 이전에, 상기 강판의 용접 대상면을 예비가열하고, 그리고 상기 업셋 가열된 용접부를 냉각한 후, 그 용접부를 후가열처리하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접방법에 관한 것이다.

상기 후가열처리에 의해 얻어지는 용접부는 경도가 220~270Hv이며, 상기 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine-grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하고, 그리고 상기 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명에 의하면, 인장강도 780MPa 이상 및 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 Flash butt용접부 미세조직 최적화를 통해 용접부 인성향상이 가능하여 자동차용 경량 스틸휠림 제조시 용접부 강도 및 성형성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서 본 솔루션으로 상용차 경량 스틸 휠림 등에 적용하여 철강재 신수요 창출 및 판매 확대가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예 따른 Flash butt 용접 패턴(Pre-heat, Upset-heat, Post-heat 단계)을 모식적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일실시예 따라 제조된 용접부의 단면 형상을 보이는 그림이다.
도 3(a-b)는 Flash butt 용접부 단면조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 비교예 5에, (b)는 발명예 1에 대한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 발명예 2에 대한 PO 780CP Flash butt 용접부 인장 및 3점 굽힘 벤딩(4R) 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 발명예 3에 대한 PO 780CP Flash butt 용접부 인장 및 3점 굽힘 벤딩(4R) 결과를 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 Flash butt 용접 시 Pre-/Upset-/Post-heat 패턴을 도입함으로써,용접부 경도를 220Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어할 수 있음과 아울러, 용접부의 인성저하의 요인이 되는 조대 결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone)의 영역을 미세 결정립 열영향부(Fine-Grained Heat Affected Zone)로 보완하여 용접부의 인성을 향상시킬수 있는 기술을 제공함을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은, 전극을 이용하여 2개의 강판을 플래시벗 용접함으로써 얻어지는 용접부를 갖는 용접부재에 있어서, 상기 용접부의 경도가 220~270Hv이며, 상기 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine -grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하고, 그리고 상기 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접부재를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예 따른 Flash butt 용접 패턴(Pre-heat, Upset-heat, Post-heat 단계)을 모식적으로 나타낸 그림이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 Flash butt 용접 공정은 크게 1) Burn off (소재의 접합 대상면을 용융 비산), 2) Preheat (접합 대상면을 고르게 예열), 3) Flash (접합 대상면을 높은 아크열로 용융 비산), 4) Upset (접합 대상면을 일정 힘으로 가압하여 용융부 배출 및 접합[이때, Upset heat 도입을 통하여 접합부의 급랭 완화]) 및 5) Post-heat (접합부의 상변태후 저온변태 취성조직 tempering을 위한 후열처리)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명은, 전극을 이용하여 2개의 강판의 용접 대상면을 플래시벗 용접한 후, 업셋 가열하는 플래시벗 용접방법에 있어서, 상기 플래시벗 용접 이전에, 상기 강판의 용접 대상면을 예비가열하고, 그리고 상기 업셋 가열된 용접부를 냉각한 후, 그 용접부를 후가열처리하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접방법을 제공한다.

이와 같은, 용접공정을 이용함으로써 얻어진 용접부는 그 용접부 인성 및 성형성이 보다 개선될 수 있다. 즉, Pre-hea(예비 가열), Flash, Upset-heat, Post-heat(후가열) 등을 순차적으로 이용함으로써 인성 및 성형성이 우수한 용접부를 얻을 수 있다. 이때, 본 발명에서는 상기 공정에서의 구체적인 공정 조건들에 제한되지 않는다.

다만 단락 전류를 100%로 했을 때, 예열 30~40%, 플래시 60~70%, 업셋열 30~40%, 후열 10~15%의 범위로 전류를 인가함이 바람직하다.

또한 예열시간은 1.5~4.0초, 업셋 가열 시간 0.17~0.3초, 그리고 후열시간 0.1~0.3초 범위로 관리함이 바람직하다.

그리고 업셋 가열 시, 업셋력 7.0~11.0톤, 업셋길이 7.0~7.5mm 범위로 함이 바람직하다.

상술한 바와 같은 용접 조건을 적용할 시, 용접부의 d 및 L/T의 적정 값을 만족할 수 있음과 동시에 용접부의 가열 및 냉각 속도의 적정한 제어를 통해 최종 연속 냉각 상변태 조직의 경도를 200Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어하여 용접부의 인성 향상을 통한 우수한 성형성 확보가 가능해 진다.

본 발명에서는 상기 플래시 용접공정의 최적화를 통한 적정한 Upset으로 용융부의 배출을 적정화하여 고온 열이력을 통해 생성된 조대 결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone:CGHAZ)의 영역을 최소화함과 동시에 접합 대상면 양측에 형성된 미세 결정립 열영향부(Fine-Grained Heat Affected Zone:FGHAZ)의 영역 간의 거리를 최소화하여 부품 가공시 크랙 발생을 방지할 수 있다. 한편 본 발명에서 조대 결정립 열열향부(CGHAZ)는 1200℃ 이상으로 가열되어 형성되는 취성이 큰 조대화 결정립 열영향부를 말하며, 미세 결정립 열영향부(FGHAZ)는 850~1000℃로 가열되어 형성되는 세립화 결정립 열영향부를 말하며, 재결정으로 미세화되며, 인성 등 기계적 성질 양호한 특성이 있다. 　　　　　　　　　　　　　　

이때, 본 발명에서는 상기 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine-grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하는 것을 특징으로 한다. 만일 d값이 0.25T를 초과하면 용접부의 인성 및 성형성을 담보할 수 없다. 도 2는 본 발명의 일실시예 따라 제조된 용접부의 단면 형상을 모식적으로 나타낸 그림이다.

보다 바람직하게는, 상기 용접부는 d <0.13T를 만족하는 것이다.

나아가, 본 발명에서는 상기 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족하는 것을 특징으로 한다. 만일 상기 L/T값이 2 이하이면 접합 계면에 형성된 용융부 및 산화물의 충분한 배출이 부족하여 접합강도 하락의 요인이 되며 이와 함께 상기 d<0.25T를 만족할 수 없어 용접부의 우수한 인성 및 성형성을 확보할 수 없는 문제가 있다.

보다 바람직하게는, 상기 용접부는 3< L/T <4를 만족하는 것이다.

또한 본 발명에서는 Pre-heat, Upset-heat, Post-heat을 적정하게 도입하여 용접부의 상변태 후 경도를 220Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어할 수 있으므로 취성에 따른 가공크랙을 방지할 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 용접부를 이루는 조대 결정립 HAZ부의 평균 결정립경은 100㎛ 이하이고, 상기 미세 결정립 HAZ부의 평균 결정입경은 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이는 용접전 모재의 평균 결정립경이 약 4㎛ 수준으로 본 발명의 기술사상을 통해 얻어진 용접부의 우수한 성형성 확보를 위해 요구되는 용접부의 결정립경이며, 만일 Flash butt 용접 열량이 과다할 경우 결정립 성장에 따른 HAZ부의 결정립경이 전반적으로 증가하여 용접부 물성 하락의 요인이 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

두께 4.2mmt의 PO 780CP강 용접 모재를 마련하였다. 이후, 상기 PO 780CP 강 용접모재를 하기 표 1과 같은 용접조건으로 플래시벗 용접을 각각 실시한 후 얻어진 각각의 용접부재를 이루는 용접부에 대하여 경도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 또한 나타내었다.

	구분	예열 (%)	예열 시간 (sec)	플래시 (%)	업셋열 (%)	업셋열 시간 (sec)	업셋력 (Ton)	업셋 길이 (mm)	후열 (%)	후열 시간 (sec)	용접부 경도 (Hv)
1	발명예	30	4.0	60	30	0.25	7.0	7.2	15	0.3	220~245
2	발명예	30	3.0	70	40	0.17	11.0	7.0	10	0.1	220~265
3	발명예	40	1.5	70	35	0.30	11.0	7.5	12	0.2	220~255
4	비교예	0	0	60	30	0.33	10.0	6.0	0	0.0	275~300
5	비교예	25	2.0	55	10	0.25	7.0	1.0	0	0.0	277~305
6	비교예	0	0	60	30	0.17	10.0	3.0	0	0.0	285~310
7	비교예	25	1.6	55	10	0.08	7.0	6.0	0	0.0	280~307

*상기 표 1에서 전류%는 단락전류의 비율임

또한 상기 얻어진 각각의 용접부재를 이루는 용접부에 대하여, 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine-grained HAZ) 간의 최근접 거리 d, L(용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이)/T(용접 모재의 두께)를 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 또한 상기와 같이 얻어진 용접부를 갖는 각각의 용접부재에 대하여, 하기 표 2에 나타난 바와 같이, 인장시험을 행하여 파단이 발생하는 위치를 평가하였으며, 아울러 3점 굽힘시험 (4R)을 실시하여 벤딩 크렉이 발생하는 유무를 평가하였다.

	구분	d	L/T	인장파단 위치	벤딩크랙
1	발명예	0.12	2.8	모재	X
2	발명예	0.23	3.6	모재	X
3	발명예	0.24	3.4	모재	X
4	비교예	0.31	1.9	용접부	O
5	비교예	0.46	2.0	용접부	O
6	비교예	0.95	1.8	용접부	O
7	비교예	0.92	1.7	용접부	O

상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, Pre-heat, Upset-heat, Post-heat 공정을 순차적으로 이용하여 플래시벗 용접함으로써, 얻어진 용접부의 d값, L/T값이 소정 범위를 만족하는 본 발명예 1-3은 모두 인장시험 시 모재에서 파단이 발생하고, 벤딩시험시 벤딩크랙이 발생하지 않음을 알 수 있다.

이에 반하여, 예열, 업셋열, 업셋력 및 업셋길이가 적정하지 않거나 후열 처리공정 등을 이용하지 않은 비교예 4-7의 경우에는 모두 얻어진 용접부의 d값, L/T값이 본 발명의 범위를 벗어나, 인장시험 시 용접부에서 파단이 발생하고, 벤딩시험시 벤딩크랙이 발생함을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 5와 같이, 예열 공정을 적용하더라도 업셋길이가 1.0mm로 적정치를 벗어난 경우, d 및 L/T 값이 본 발명에서 제안한 적정 범위에서 벗어나고 또한 후열 공정도 부재하여 용접부의 최대 경도치가 300Hv까지 도달하여 취성이 증가하는 문제가 있음을 알 수 있다.

도 3(a-b)는 Flash butt 용접부 단면조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 비교예 5에, (b)는 발명예 1에 대한 것이다. 도 3에 나타난 바와같이, 용접부의 d (Fine-Grained HAZ 간 거리) 값이 모재 두께 T의 13% 이내이고, L/T가 2를 초과할때 용접부의 인장파단 발생이 방지되고, 벤딩크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

한편 도 4는 본 발명의 실시예에서 발명예 2에 대한 PO 780CP Flash butt 용접부 인장 및 3점 굽힘 벤딩(4R) 결과를 나타내는 사진이며, 도 5는 본 발명의 실시예에서 발명예 3에 대한 PO 780CP Flash butt 용접부 인장 및 3점 굽힘 벤딩(4R) 결과를 나타내는 사진으로서, 모두 d 값이 T 값의 25% 미만으로 그 인장특성 및 벤딩특성이 우수함을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 전극을 이용하여 2개의 강판을 플래시벗 용접함으로써 얻어지는 용접부를 갖는 용접부재에 있어서,
   상기 용접부의 경도가 220~270Hv이며,
   상기 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine-grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하고, 그리고
   상기 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 용접부재.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 용접부는 d <0.13T를 만족하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 용접부재.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 용접부는 3< L/T <4를 만족하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 용접부재.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 용접부를 이루는 조대 결정립 HAZ부의 평균 결정입경은 100㎛ 이하이고, 상기 미세 결정립 HAZ부의 평균 결정입경은 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 용접부재.
   
5. 전극을 이용하여 2개의 강판의 용접 대상면을 플래시벗 용접한 후, 업셋 가열하는 플래시벗 용접방법에 있어서,
   상기 플래시벗 용접 이전에, 상기 강판의 용접 대상면을 예비가열하고, 그리고 상기 업셋 가열된 용접부를 냉각한 후, 그 용접부를 후가열처리하며,
   상기 후가열처리에 의해 얻어지는 용접부는 경도가 220~270Hv이며, 상기 용접부의 좌우에 마주보며 형성된 미세 결정립 HAZ부(fine -grained HAZ) 간의 최근접 거리를 d라 하고, 용접 모재의 두께를 T라 할 때, d <0.25T 를 만족하고, 그리고 상기 용접부를 이루는 업셋부의 전체 길이를 L이라 할 때, L/T >2 를 만족하는 것을 특징으로 하는 휠림 용접부 성형성이 우수한 플래시벗 용접방법.
   
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