KR102402239B1 - 내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법 - Google Patents

내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내식성 및 내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법 {WELDED STRUCTURAL MEMBER HAVING EXCELLENT CRACK RESISTANCE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
아연계 도금 강판은 내식성이 우수하여 자동차용 부재, 가전기기의 내외판용 부재, 건축용 부재 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 그 중에서도, Zn-Al-Mg계 도금 강판은 오랜 시간 동안 우수한 내식성의 확보가 가능하여, 종래의 아연계 도금 강판 및 스테인리스 스틸 대체용으로서 그 수요가 증가하고 있다.
이러한 Zn-Al-Mg계 도금 강판이 종래의 아연계 도금 강판에 비해 도금층의 내식성이 향상되는 요인으로는 도금층 표면에서 Mg의 작용에 의한 치밀하고 안정적인 부식 생성물이 균일하게 형성되기 때문으로 추정된다.
한편, 종래 기술의 하나로서 용접 구조 부재를 제조할 때에 고주파 저항 용접법이 사용되기도 하였다. 그러나, 이러한 용접법의 경우, 모재를 용융 및 압접함으로써 2 이상의 모재를 결합시키므로 추가적인 설비의 필요성으로 인해 비용이 증가하는 문제가 있을 뿐만 아니라, 파이프 형상 및 H형강에만 적용 가능한 문제가 있었다.
이에 따라, 아크 용접 사용의 필요성이 대두되었고, 특히 Zn-Al-Mg계 도금 강판을 이용하여 용접 구조 부재를 제조할 때에는 대형의 설비 투자 없이 용접기 및 용접 재료만으로도 다양한 형상 및 구조물에도 적용이 가능한 기술에 대한 수요로 인해 아크 용접법을 이용하고 있었다. 그러나, 이러한 Zn-Mg-Al계 도금 강판에 아크 용접을 가하면, Mg의 함유에 의해 도금층의 액상선 온도가 저하되어 잔존하는 도금층에 균열이 발생하는 문제가 있었다.
특허 제 3149129호 공보 특허 제 3179401호 공보 특허 제 4475787호 공보 특허 제 3715220호 공보 특개2005-230912호 공보
본 발명의 일 측면에 따르면, 내식성 및 내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은,
제1 강판;
제2 강판; 및
상기 제1 강판과 제2 강판을 결합하는 용접 이음부;
를 포함하고,
상기 제1 강판 및 제2 강판 중 적어도 하나가 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금 강판이고,
상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 면적분율로, Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 포함하는, 용접 구조 부재를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은,
제1 강판 및 제2 강판을 준비하는 단계;
솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어 및 피복아크 용접봉 중에서 선택된 어느 하나의 용접재료를 이용하여, 상기 제1 강판 및 제2 강판을 아크 용접함으로써 용접 이음부를 형성하는 단계; 및
상기 용접 이음부의 표면 온도를 기준으로, 25~110℃/s의 평균 냉각 속도가 되도록 수냉하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 강판 및 제2 강판 중 적어도 하나는 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금강판인, 용접 구조 부재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내식성 및 내균열성이 우수한 용접 구조 부재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 아크 용접 중, 토치 및 모재의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 필렛 용접 이음부의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 나타낸 비드 토우부의 부근에 해당하는 단면 구조를 확대하여 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 종래 Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용하여 제조되는 용접 구조 부재에 대한 비드 토우부의 부근에 해당하는 단면 구조를 확대하여 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 3의 상태에서 용접 이음부의 표면 온도를 기준으로 특정 냉각 속도를 갖도록 수냉을 적용하고, 본 발명의 Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용하여 제조되는 용접 구조 부재의 단면도를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 시험편에서의 용접 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본원 비교예 10에 대한 용접 이음부에 최인접하는 도금층의 미세조직을 광학 현미경(OM) 500배 배율로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
도 8은 본원 발명예 2에 대한 용접 이음부에 최인접하는 도금층의 미세조직을 광학 현미경(OM) 500배 배율로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.
종래에 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비하는 도금강판을 이용하여 용접 구조 부재를 제조할 때에는 아크 용접법을 통상적으로 사용하였다. 그런데, 이러한 아크 용접법을 사용할 때에는 Zn-Al-Mg계 도금층이 형성된 도금강판 중에 Mg 함유에 의해 도금층의 액상선 온도가 저하되어 균열이 쉽게 발생하는 문제가 있었다.
즉, 도금강판의 아크 용접 시에는 도금층을 통과하는 아크 열에 의해 표면 상에서 도금층이 용융된다. 그런데, Zn의 융점이 약 420℃에 비해 Zn-Al-Mg계 도금층은 액상선의 온도가 낮기 때문에, 비교적 오랜 시간 동안 용융 상태를 유지한다.
이에 따라, Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금강판의 경우, 아연 도금강판과 비교해서 아크 용접 시에 용융된 도금층의 금속이 액상을 유지한 채로 소지강판의 표면 상에 체류하는 시간이 길어진다.
따라서, 아크 용접 직후의 냉각 시에 인장 응력 상태가 되어 있는 소지강판의 표면이 용융된 도금층에 장시간 노출되면, 그 용융된 도금층은 소지강판의 결정립계에 침입하여 균열을 일으키는 원인이 된다. 이러한 용융된 도금층의 침입에 의한 균열의 발생 시, 구조물의 강도, 내피로 특성, 내식성 등이 저하하는 문제가 발생한다.
이에, 본 발명자들은 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금강판을 이용하여 용접 구조 부재의 제조 시, 아크 용접법으로서, 특히 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어, 피복아크 용접봉을 사용하여 용접할 때 균열이 쉽게 발생하는 문제를 해결하기 위해 예의 검토하였다.
그 결과, Zn-Al-Mg계 도금강판을 사용하여 용접을 실시한 후, 냉각 조건과, 용접 이음부의 조성을 정밀하게 제어함으로써, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직으로서, 면적분율로, Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 포함하도록 제어할 수 있고, 이를 통해, 용융 도금층의 침입에 의한 균열을 억제할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
우선, 용접 구조 부재의 제조방법에 대하여 먼저 설명한다. 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따른 용접 구조 부재의 제조방법은, 제1 강판 및 제2 강판을 준비하는 단계를 포함하고, 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 적어도 하나는 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금강판(혹은, Zn-Al-Mg계 도금강판)이다. 여기서, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금강판이라 함은, 소지강판; 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 Zn-Al-Mg계 도금층이 형성된 것을 의미할 수 있다. 이 때, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 안에서 추가의 층을 더 포함할 수 도 있다.
한편, 상기 소지강판으로는 본 발명의 용도에 맞게 다양한 강종을 채용할 수 있고, 일례로, 고장력 강판을 사용할 수도 있고, 소지강판의 전체 평균 두께가 1~6mm 범위인 것을 사용할 수도 있다(이 때, 상기 두께를 측정하는 두께방향은 압연방향과 수직인 방향을 의미한다). 특별히 한정하는 것은 아니나, 대표적인 예로서, 상기 소지강판으로는 94.5Zn-6.4Al-3.1Mg의 조성을 가지는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 강판 및 제2 강판 중 Zn-Al-Mg계 도금강판과 접합하는 상대 강판(즉, 나머지 강판)은 Zn-Al-Mg계 도금강판일 수도 있고, Zn-Al-Mg계 도금강판 이외의 모든 강판에도 적용 가능하다. 즉, 상기 상대 강판 역시 용도에 따라 다양한 강종을 채용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접 구조 부재의 제조방법은, 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어 및 피복아크 용접봉 중에서 선택된 어느 하나의 용접재료를 이용하여, 상기 제1 강판 및 제2 강판을 아크 용접함으로써 용접 이음부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 아크 용접을 이용하는 경우에는, 모재에 해당하는 제1 강판 및 제2 강판 이외에, 추가의 용접 재료를 사용하여 용접 이음부를 형성한다. 따라서, 미세한 용접 이음부의 조성 변화에 따라 용접 이음부의 물성이 변화하므로, 전술한 바와 같이, 내식성 및 내균열성이 우수한 용접 구조 부재를 얻기 위해서는, 아크 용접법의 이용 시에는 용접 이음부의 조성 역시 정밀한 제어가 필요하다.
이에, 상기 아크 용접 시, 용접재료로서 솔리드 와이어를 사용하는 경우에는, 상기 용접 이음부가 중량%로, C: 0.09~0.15%, Si: 0.35~0.39%, Mn: 0.87~0.90%, P: 0.004~0.022%, S: 0.002~0.014%, Cr: 0.01~0.11%, Ni: 0.01~0.08%, Cu: 0.01~0.06%, Mo: 0.01% 이하, Al: 0.01 ~ 0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 아크 용접 시, 용접재료로서 플럭스 코어드 와이어를 사용하는 경우에는, 상기 용접 이음부가 중량%로, C: 0.05~0.10%, Si: 0.47~0.53%, Mn: 1.10~1.16%, P: 0.009~0.025%, S: 0.007~0.018%, Cr: 0.03~0.13%, Ni: 0.02~0.11%, Cu: 0.02~0.08%, Mo: 0.02~0.07%, Al: 0.005~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 아크 용접 시, 용접재료로서 피복아크 용접봉을 사용하는 경우에는, 상기 용접 이음부가 중량%로, C: 0.06~0.14%, Si: 0.42~0.49%, Mn: 0.83~0.91%, P: 0.015~0.035%, S: 0.010~0.022%, Cr: 0.07~0.20%, Ni: 0.06~0.15%, Cu: 0.05~0.12%, Mo: 0.05~0.10%, Al: 0.01~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
이렇듯, 상기 아크 용접 시, 각 용접재료를 사용함에 따른 용접 이음부의 조성이 전술한 조건을 충족하도록 제어함으로써, 용융 금속취화 균열성을 효과적으로 억제할 수 있고, 용접 이음부의 내식성이 우수함과 동시에, 내균열성 및 결합성이 우수한 용접 구조 부재를 제공할 수 있다.
이 때, 상기 아크 용접, 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어, 피복아크 용접봉에 대해서는 전술한 설명을 제외하고, 당해 기술분야에서 통상적으로 알려진 사항을 본 발명에도 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접 이음부를 형성하는 단계는, 5~8kJ/cm의 입열량으로 수행될 수 있다. 상기 입열량이 5kJ/cm 미만이면 용접비드 불균일 형성 혹은 용입 불량의 문제가 생길 수 있고, 상기 입열량이 8kJ/cm 초과이면 오버랩 혹은 용략이 생기는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 아크 용접 중의 토치 및 용접되는 강판의 단면을 도 1에 모식적으로 나타내었다. 구체적으로, 용접 토치는 용접 강판(1)의 표면 상의 용접 부위(3)에 아크(4)를 형성하면서 화살표 방향으로 진행되고 있다. 용접 토치의 중심부에 위치하는 전극과 용접 와이어의 주위인 가스 노즐에서 실드 가스(2)가 분출하고, 이로 인해 아크(4) 및 고온에 노출되는 용접 강판(1)의 표면을 대기로부터 보호한다. 아크(4)로부터의 입열에 의해 용접 부위(3)의 일부는 용접 토치가 통과한 후, 급속히 응고하여 용접 금속으로 구성되는 용접 비드(용접 이음부)를 형성한다.
도 2에는 용접 구조 부재의 제조 과정에서 형성되는 용접 이음부의 단면 구조를 모식적으로 나타낸 것으로서, 건설, 자동차 구조물 등에는 아크 용접에 의한 다양한 종류의 용접 조인트가 사용된다.
즉, 도 2에 있어서, 용접되는 2개의 강판(즉, 제1 강판 및 제2 강판; 10, 10')이 겹쳐져서 배치되고, 상기 2개의 강판 중 어느 하나의 강판(10)의 표면과 다른 하나의 강판(10')의 단면에 용접 비드(11)가 형성되어 양 강판이 서로 접합한다. 이 때, 상기 2개의 강판(10, 10')의 표면과 용접 비드(11)의 표면이 만나서 형성하는 가장자리 교점을 비드토우(toe)부(12)라고 한다.
한편, 통상 아크 용접을 이용하여, Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용한 용접 구조 부재를 제조할 때에는 전술한 비드토우부(12) 부근에서 대부분의 균열의 문제가 발생한다.
이에, 도 3 내지 5에는 도 2에 나타낸 비드토우부(12)의 인근에 해당하는 부분을 확대한 모식적인 단면도를 나타내었다. 구체적으로, 도 3은 Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용한 용접 구조 부재를 제조할 때, 아크 용접 시 아크 열이 통과한 직후의 고온 용접부 근방의 단면 상태를 모식적으로 나타낸 것이다. 용접 전 강판(10)의 표면은 균일한 도금층으로 덮여 있지만, 아크의 통과에 의해 비드토우부(12) 근처에서는 도금층의 금속이 증발하여 소실된 상태가 되고, 이에 따라 도금층 증발 구간(15)를 형성한다. 이에 비해, 상기 비드토우부(12)로부터 어느 정도 거리가 있는 부분에서는 원래의 Zn-Al-Mg계 도금층이 용융되어, Zn-Al-Mg계 용융 도금층(13)으로서 존재한다. 또한, 상기 비드토우부(12)로부터 거리가 먼 부분에서는 원래의 Zn-Al-Mg계 도금층이 용융되지 않은 상태(14)로서 존재한다.
도 4는 종래에, Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용하여 제조되는 용접 구조 부재의 단면도를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 4의 경우, 용접 시에 아크 열이 통과한 직후의 고온 용접부 근방에서는 Zn-Al-Mg계 도금층이 소실되고, 이에 따라 도 3과 마찬가지로 도금층 증발 구간(15)을 형성한다. 이후, 상기 도금층 증발 구간(15)에 Zn-Al-Mg계 용융 도금층(13)이 젖음 확산이 일어나게 되고, 이에 따라 강판(10)의 표면은 비드토우부(12)까지 전체가 Zn-Al-Mg계 용융 도금층(13)으로 덮힌다.
따라서, 종래의 Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용하여 제조되는 용접 구조 부재의 경우, 도 4와 같이, 비드토우부(12) 인근까지 모두 Zn-Al-Mg계 용융 도금층의 응고 영역(15)이 되어버린다. 이 경우에는 전술한 바와 같이, Zn-Al-Mg계 용융 도금층의 금속 액상선의 온도가 낮기 때문에, 냉각 후의 응고 영역이 되는 강판(10)의 표면 부분은 용접 후 냉각 과정으로 인해, Zn-Al-Mg계 용융 도금층과 접촉하는 시간이 비교적 길어진다. 따라서, 강판(10)의 상기 비드토우부(12)에 가까운 부근에서는 용접 후의 냉각으로 인장 응력이 발생하고 있으므로, 강판(10)의 결정립계 중에 Zn-Al-Mg계 용융 도금층 중의 성분이 침입하기 쉽다. 이로 인해, 결정립계에 침입한 상기 성분은 용접 이음부에 균열을 일으키는 요인이 된다.
이에, 본 발명자들은, 상기 용접 후, 냉각 조건을 정밀하게 제어하면서 수냉을 실시함으로써, 내식성이 우수함과 동시에, 균열 발생을 억제 가능한 용접 구조 부재를 제조 가능함을 발견하였다. 예를 들어, 상기 용접 후, 용접 이음부의 표면 온도를 기준으로, 25~110℃/s의 평균 냉각 속도가 되도록 수냉을 실시할 수 있다. 이 때, 상기 평균 냉각 속도가 25℃/s 미만일 때에는 도금 용융층의 단시간 응고 효과가 없어 LME가 발생하는 문제가 생길 수 있다. 반면, 용접 이음부의 표면 온도를 기준으로, 상기 평균 냉각 속도가 110℃/s를 초과하면 소재 금속의 마르텐사이트 변태로 인성 저하의 문제가 생길 수 있다.
한편, 도 5에는 도 3의 상태에서 본 발명의 조성을 갖는 용접 이음부를 갖도록 용접을 실시한 후, 냉각 시 용접 이음부의 표면 온도를 정밀히 제어함과 동시에, 특정 냉각 속도를 갖도록 수냉을 적용함으로써, 본 발명의 Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용하여 제조되는 용접 구조 부재의 단면도를 모식적으로 나타낸 것이다.
이로 인해, 용접 직후 Zn-Al-Mg계 도금층이 증발되어 소실됨으로써 도금층 증발 구간(15)의 강판 표면까지 도달하지 않은 상태로 Zn-Al-Mg계 용융 도금층이 응고됨으로써, 응력이 집중되는 비드토우부(12)까지의 Zn-Al-Mg계 용융 도금층에 의한 젖음 확산이 억제된다. 그 결과, 냉각 후에도 도금층 증발 구간(15)이 유지된다. 즉, 상기 비드토우부(12) 부근의 강판 표면은 Zn-Al-Mg계 용융 도금층과 접촉하지 않은 상태로 냉각이 종료되고, 이에 따라 상기 비드토우부(12)로부터 Zn-Al-Mg계 용융 도금층의 응고 영역(17) 사이에 일정 구간의 도금층 증발 구간(15)이 확보된다.
따라서, 상기 비드토우부(12) 부근에서는 강판으로의 용융 금속 성분의 침입이 방지되고, 이에 따라 강판의 강종에 의존하지 않고, 우수한 내균열성을 확보한 용접 구조 부재를 얻을 수 있다. 또한, Zn-Al-Mg계 용융 도금 금속층에 있어서, 이러한 용융 도금층의 높이 위치가 변하는 어떠한 용접 자세에 있어서도, 전술한 효과에 의해 젖음 확산이 억제될 수 있다. 예를 들어, 아래보기 자세를 비롯한, 수평보기 용접, 수직보기 용접, 위보기 용접 등에서도 동일하게 적용될 수 있다.
즉, Zn-Al-Mg계 도금강판을 이용하여 용접 구조 부재를 제조할 때에, 아크 용접 시 형성된 용접 비드의 인근에서는 Zn-Al-Mg계 도금층이 증발하여 소실되는데, 종래에는 용접에 의한 아크 열이 통과한 후에는 상기 용접 비드에서 수mm 떨어진 위치에서 Zn-Al-Mg계 도금층이 용융되어 형성된 용융 도금층이 즉시 용접 비드 부근으로 젖음 확산이 일어났다.
그러나, 본 발명에서는 전술한 증발하여 소실된 상태를 유지한 채로 냉각이 완료됨과 동시에, 용접 이음부의 조성을 정밀하게 제어하거나, 및/또는 용접 이음부에 최인접한 도금층의 미세조직을 제어함으로써, 용접 비드 인근으로의 용융 금속층의 침입을 억제함으로서 균열을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
구체적으로, 본 발명에서는 용접 토치 통과 후 임계 시간 이내에 최적화된 수냉의 방법을 적용함으로써, Zn-Al-Mg계 도금 강판 부재의 젖음 확산이 방지되는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명은 적어도 하나가 Zn-Al-Mg계 도금강판인 2개의 강판을 용접하여 얻어지는 용접 구조 부재의 제조방법에 있어서, 용접 직후(즉, 용접 토치 통과 후) 수초 이내에 수냉을 적용함으로써 내균열성이 우수한 용접 구조 부재를 효과적으로 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 균열이 발생하기 쉬운 아크 용접 시에도, 내균열성이 우수함과 동시에, 내식성 및 결합성도 우수한 용접 구조 부재를 효과적으로 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 도금층의 원소 제한이나 추가 없이도 비교적 경제적으로 전술한 특성이 우수한 용접 구조 부재를 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 측면에 따르면, Zn-Al-Mg계 도금강판의 소지강판에 대하여 별다른 강종의 제약없이도 효율적으로 내균열성이 우수한 용접 구조 부재를 제공할 수 있어, 고장력 강판에도 적용 가능하고, 부품의 형상이나 크기에도 제약없이 적용할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 수냉은 용접 토치 통과 후 3~10초 이내에 개시할 수 있고, 보다 바람직하게는 3~9초 이내에 개시할 수 있다. 이러한 수냉의 개시 시간을 용접 토치 통과 후 3초 이상으로 함으로써, 진행하는 토치에 영향을 미치지 않는 임계 시간이므로 용접 성능을 확보할 수 있다. 또한, 상기 수냉의 개시 시간을 용접 토치 통과 후 10초 이하로 함으로써, 용접 토치 통과 후 생성되는 용융 도금층이 용접 비드 부근까지 진행하는 것을 방지함으로써 내균열성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 수냉의 유량은 15~60mm3/hr일 수 있다. 상기 수냉의 유량을 15mm3/hr 이상으로 함으로써, 용접 토치 통과 후 생성되는 용융 도금층의 냉각 효과를 충분히 확보할 수 있다. 또한, 상기 수냉의 유량을 60 mm3/hr 이하로 함으로써, 불필요한 유량 공급으로 인한 작업 환경의 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 과도한 냉각으로 인해 발생하는 문제를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 수냉은 5~15초간 유지될 수 있다. 상기 수냉의 유지 시간을 5초 이상으로 함으로써, 수냉에 의한 용융 도금층의 냉각 효과를 충분히 확보하여 내균열성이 향상되는 효과를 확보할 수 있다. 상기 수냉의 유지 시간을 15초 이하로 함으로써, 불필요한 유량 공급으로 인한 작업 환경의 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 과도한 냉각으로 인해 발생하는 문제를 억제할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 수냉은 용접 토치 통과 후 3~10초 이내에, 15~60mm3/hr의 수냉 유량을 5~15초간 토치 통과 부위에 공급하는 것이 가장 바람직하다.
혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 바와 같이, 용접 이음부의 냉각 속도를 제어하기 위해서는, 전술한 다양한 냉각 조건의 제어와 동시에, 용접 토치 통과 후, 3~10초 이내에 5~38℃ 범위의 온도로 제어되는 물을 용접 이음부 표면에 분사할 수 있다. 이 때, 상기 용접 이음부에 분사되는 물의 액적 크기는 20~100㎛ 범위로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접 구조 부재는, 제1 강판; 제2 강판; 및 상기 제1 강판과 제2 강판을 결합하는 용접 이음부를 포함한다. 여기서, 상기 제1 강판, 제2 강판, 용접 이음부에 대해서는, 전술한 용접 구조 부재의 제조방법에 대한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 상기 용접 구조에 있어서, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 면적분율로, Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분이라 함은, 도금층 증발 구간(15)에 해당하는 '용접 이음부의 비드토우부로부터 도금층이 존재하지 않는 영역'까지를 제외하고, Zn-Al-Mg계 도금층 중에 용접 이음부에 최인접한 영역에서부터 강판의 압연방향으로 10mm가 되는 지점까지의 영역을 의미할 수 있다.
따라서, 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 전술한 Zn-Al-Mg계 도금층 중에 용접 이음부에 최인접한 영역에서부터 강판의 압연방향으로 10mm가 되는 지점까지의 영역에 대하여 두께방향(즉, 강판의 압연방향과 수직인 방향)으로의 절단면을 광학 현미경(OM) 500배 배율로 관찰하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Mg계 금속간 화합물이라 함은, 본 발명에서 아크 용접 직후 형성된 Zn-Al-Mg계 용융 도금층이 후속하는 수냉 공정에 의해 급속 냉각되면서, 기지 조직에 해당하는 Zn 단상 이외에 형성되는 2차상인 Zn 및 Mg을 포함하는 금속간 화합물을 의미한다. 이 때, 상기 Zn-Mg계 금속간 화합물이라 함은, Zn 및 Mg 외에 Al 등의 성분을 추가로 더 포함할 수 있고, 예를 들어, Zn/MgZn2 2원상 및 Zn/MgZn2/Al 3원상 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 면적분율로, 전술한 Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40%(보다 바람직하게는 24~38%) 포함한다. 본 발명에 있어서, 상기 Zn-Mg계 금속간 화합물의 면적분율이 20% 미만이면 LME 방지의 효과를 기대하기 어렵고, 40%를 초과하면 내식성과 내균열성이 모두 우수한 본 발명에서 목적하는 용접 구조 부재를 제조할 수 없게 된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 면적분율로, Zn 단상을 기지조직으로서 포함할 수 있고, 예를 들어 상기 Zn 단상을 60% 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직이, 처음부터 용융되지 않은 Zn-Al-Mg계 도금층(즉, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분 이외의 부분)의 미세조직과는 상이하게 형성된다.
즉, 전술한 아크 용접 직후 형성된 Zn-Al-Mg계 용융 도금층은 전술한 바와 같이 냉각 조건을 정밀하게 제어한 수냉 공정에 의해 급속 냉각되어 처음부터 용융되지 않았던 Zn-Al-Mg계 도금층과는 상이한 미세조직을 형성한다. 이 때, 상기 상기 용접 이음부에 최인접한 부분에 있어서, Zn-Mg계 금속간 화합물의 평균 직경은, 두께방향(강판의 압연방향과 수직인 방향을 의미함)으로의 절단면을 기준으로, 1~30㎛ 범위일 수 있다. 이러한 냉각의 영향으로 형성된 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직이 전술한 특징을 충족함으로써, 용융 금속취화 균열성을 효과적으로 억제할 수 있고, 이로 인해 내식성이 우수함과 동시에, 내균열성 및 결합성이 우수한 용접 구조 부재를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 경도는 용접 전 도금층 경도 대비 69.5% 이상 (100% 이하)일 수 있다. 여기서, 상기 용접 이음부에서 최인접한 도금층의 경도란, 비드토우부(12)에서 가장 가까운 지점에서의 도금층에 대한 경도를 측정한 값을 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 용접이음부의 비드토우부(12)로부터 도금층 사이의 거리(도금층 증발 구간(15)에 해당)는 3~10mm일 수 있고, 이러한 도금층 증발 구간(15)의 길이는 용접 직후 특정 범위의 평균 냉각 속도를 충족하도록 수냉의 방식을 적용함으로써 제어할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 도금층의 증발 구간(15)의 길이를 3mm 이상으로 함으로써, 비드토우부(12) 부근에서의 용융 도금 금속층에 의한 균열의 발생을 방지하여 내균열성을 확보할 수 있다. 상기 도금층의 증발 구간(15)의 길이를 10mm 이하로 함으로써, 도금층의 형성에 의한 내식성 확보의 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층은 중량%로, Al: 1~20.9%, Al: 1~20.9%, Mg: 0.04~10%, Ti: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.05% 이하(0%포함), Si: 2% 이하(0% 포함), Fe: 2.5% 이하(0% 포함), 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 도금층의 조성을 전술한 바와 같이 함으로써, 용접 시 내균열성 확보라는 본 발명의 목적을 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Zn-Al-Mg계 도금층의 편면 당 도금 부착량은 50~250g/m2일 수 있다. 상기 도금층의 편면당 도금 부착량을 50g/m2 이상으로 함으로써 도금강판의 내식성을 확보할 수 있고, 250g/m2 이하로 함으로써 용접 시에 블로우홀이 발생하는 것을 방지하여 용접부의 강도를 확보할 수 있다.
즉, 도금층의 편면당 도금 부착량을 적정량 이상으로 제어함으로써, 도금층의 내식성 효과를 충분히 확보할 수 있고, 도금층의 희생 작용에 의한 방식의 효과를 충분히 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명과 같이, 용접 토치 통과 후 발생한 용접 비드의 근방에 도금층 증발 구간이 생기게 될 경우에는 상기 도금층의 편면당 도금 부착량을 50~250g/m2으로 제어하는 것이 바람직하고, 50~200g/m2으로 제어하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 전술한 도금층의 조성은 용융 도금용 조성을 거의 반영한 것으로써, 용융 도금의 방법을 특별히 한정하지는 않으나, 일반적으로 알려진 인라인 소둔형 용융 도금 설비를 사용하는 것이 경제적인 관점에서 바람직하다.
이하에서는 도금층의 성분계에 대하여 우선적으로 설명한다. 이 때, 하기 각 성분의 함량 단위는 중량%이다.
Al: 1~20.9%
Al은 도금 강판의 내식성을 향상시키고 또한 도금욕에 있어서 Mg 산화물계 드로스 발생을 억제한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 1% 이상의 Al함량을 확보할 필요가 있다. 1% 이상으로 함으로써, 내식성 확보 및 드로스 방지효과를 확보할 수 있고, 20.9% 이하로 함으로써, 도금층의 하지에 무른 Fe-Al 합금층의 과성장을 방지하여 도금 밀착성을 확보할 수 있다.
Mg: 0.04~10%
Mg는 도금 층표면에 균일한 부식 생성물을 생성시켜 도금 강판의 내식성을 현저하게 높이는 작용을 나타낸다. 한편, 상기 Mg의 함량을 0.04% 이상으로 함으로써 내식성 향상의 효과를 확보할 수 있고, 10% 이하로 함으로써 Mg 산화물계 드로스 발생을 억제하여 도금층의 품질을 확보할 수 있다. 또한, 상기 Mg함량은 1%~5%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Ti: 0~0.1%
용융 도금욕 중에 Ti 를 함유시키면, 용융 도금 시의 타성분의 합금 범위를 증대시켜 제조 조건의 자유도가 확대하는 장점이 있다. 한편, Ti을 0.1% 이하로 함유함으로써, 타성분의 합금범위 증대의 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 상기 Ti 함량은 0.0005~0.005%로 하는 것이 보다 효과적이고, 상기 Ti 함량을 0.005% 이상으로 함으로써 타성분 합금범위의 증대 효과가 있다. 반면, 상기 Ti 함량을 0.005% 이하로 함으로써 석출물의 생성으로 인한 도금층 표면의 외관 불량을 억제할 수 있다.
B: 0~0.05%
용융 도금욕 중에 B 첨가 또한 용융 도금 시의 타성분의 합금범위를 증대시켜 제조 조건의 자유도가 확대하는 장점이 있다. 한편, B를 0.1% 이하로 함유함으로써, 타성분의 합금범위 증대의 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 상기 B 함량은 0.0001~0.005%로 하는 것이 보다 효과적이고, 상기 B 함량을 0.0001% 이상으로 함으로써 타성분 합금범위의 증대 효과가 있다, 반면, 상기 B 함량을 0.05% 이하로 함으로써 석출물의 생성으로 인한 도금층 표면의 외관 불량을 억제할 수 있다.
Si: 0~2%
용융 도금욕 중에 Si를 함유시키면, 도금 원판 표면과 도금층의 계면에 생성하는 Fe-Al합금층이 과도한 성장이 억제되고 용융 Zn-Al-Mg계 도금 강판의 가공성을 향상시키는데 있어서 유리하다. 따라서, 상기 Si 함량을 2% 이하로 함으로써, 전술한 도금 강판 가공성 향상의 효과를 발휘할 수 있다. 한편, 상기 Si함량은 0.005~2%로 하는 것이 보다 효과적이고, 상기 Si 함량을 0.005% 이상으로 함으로써 Fe-Al 합금층의 과도 성장 억제의 효과가 발휘되고, 상기 Si 함량을 2% 이하로 함으로써 용융 도금욕 중의 도로스량의 증대를 억제할 수 있다.
Fe: 0~2.5%
용융 도금욕 중에는 강판을 침지 통과시키는 특성상, Fe가 혼입하기 쉽다. 따라서, 도금층 중에는 Fe가 2.5% 이하로 포함될 수 있고, Fe 함량을 2.5% 이하로 함으로써 도금강판의 내식성 및 품질을 확보할 수 있다. 한편, 보다 바람직하게는 상기 Fe 함량은 0.0001~2.5%일 수 있고, 상기 Fe 함량을 0.0001% 이상으로 함으로써 추가적인 청정비용이 발생하지 않아 경제적이다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 도금강판에 대하여 자세히 설명한다. 본 발명에서 각 원소의 함량을 나타낼 때에는 특별히 달리 정의하지 않는 한, 중량%를 의미한다.
(실시예)
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허 청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실험예 1)
표 1의 조성을 가지는 판 두께 1.5㎜, 판 폭 1000㎜의 냉연강대를 표 3의 조성을 나타내는 용융 도금 라인에 통판하여, 다양한 도금층 조성을 가지는 용융 Zn-Al-Mg계 도금 강판을 제조하였다.
이어서, 하기 표 2에 나타내는 용접 조건으로 아크 용접을 하고, 내용융 금속취화 균열성을 조사했다. 또한, 도금층 조성, 도금 부착량, 수냉 조건, 경도값은 표 3 및 4에 나타내었다.
성분 (중량%) C Si Mn Al Ni Cr Mo 특성
400MPa급 고장력강
강재 0.17 0.01 0.5 0.03 0.015 0.03 0.003
용융 Zn-Al-Mg계
합금도금
강판		 도금층 조성 65%이상의Zn 합금조성을 가지는 도금
(추가 조성범위Al:1.0~20.0%, Mg:0.05~10.0%, Ti:0~0.10%, B:0~0.05%, Si:0~2.0%, Fe:0~2.5%)
도금용 강판 저탄소강
사이즈 판두께 1.5mm, 판폭 200mm, 판길이 200mm
도금부착량 편면 50 ~ 250g/㎡
용접 프로세스 가스 금속 아크용접 플럭스 코어드 용접 피복 아크 용접
용접와이어 종류 솔리드 와이어 플럭스 코어드 와이어 피복아크 용접봉
용접와이어명 / 직경 KC-25M / 1.2 mmΨ K-71T / 1. 2 mmΨ KR-3000 / 2.6 mmΨ
용접가스 80% Ar + 20% CO2 80% Ar + 20% CO2 -
용접가스 유량 15 L/min 15 L/min -
용접전류 150A 180A 150A
용접전압 20V 20V -
용접속도 0.5 m/min 0.5 m/min 0.8 m/min
비드길이 300 ㎜ 300 ㎜ 300 ㎜
용접 입엽량 3.6 kJ/cm 4.3 kJ/cm 3.9 kJ/cm
전술한 실험에 대한 균열 발생 여부 및 경도값 변화율의 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 본 발명에서 규정하는 조건을 만족할 때 도금층 증발 구간(15)의 길이가 3~10mm로 확보되고, 액화 금속취화 균열이 방지되는 것을 확인할 수 있다.
[내용융 금속취화 균열성 시험 방법]
도 6에 나타난 바와 같이, 200㎜×200㎜의 시험편(용융 Zn-Al-Mg계 도금 강판 부재)의 중앙부에 표 2에 나타난 용접 조건에서 아크 용접을 하여 시험편간 용접을 하였다. 구체적으로는 용접 개시점 S에서 시계 방향으로 용접 개시점 S를 지난 후도 또한 비드를 겹치고 용접을 진행시켜 용접 비드의 겹침부 분을 생성한 후의 용접 종료점 E까지 용접을 했다. 용접 중, 시험편(22)는 평판상에 구속된 상태로 했다. 이 시험은 구속조건을 주어 용융금속 취화균열 발생이 용이한 상황으로 하였다.
용접 후, 방사성 비파괴검사를 실시하여 「용융 금속취화 균열」 유무를 판단하여, 하기와 같은 기준으로 그 결과를 표 4에 나타내었다.
◎ : 균열이 발생하지 않음
○ : 표면균열 5㎛ 이하의 균열 흔적만 있고 거의 발생하지 않음
× : 표면균열 5㎛ 초과 및 전파된 균열이 발생함
[도금층 증발 구간 의 길이 및 경도값 변화율 측정 방법]
용접 비드 및 그 인근의 강판을 포함한 비드 방향으로 수직의 단면에 대해서 경면 연마 및 질산 농도 0.2 체적% 나이탈 용액에서의 식각을 실시한 후, 주사형 전자현미경으로 관찰하였다. 비드토우부(12) 근방을 관찰함으로써 도 5에 나타낸 도금층 증발 구간(15)의 길이를 측정하였고, 또한 용접 후 비드토우부(12) 근방의 도금층 경도와 용접 전의 도금층 경도를 측정하여, 그 변화율을 하기 표 4에 나타내었다.
또한, Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직을 관찰하기 위하여, 두께방향으로의 단면 시편에 대해 광학 현미경(OM) 500배 배율로 촬영한 후, Zn/MgZn2 2원상 및 Zn/MgZn2/Al 3원상을 포함하는 Zn-Mg계 금속간 화합물과, Zn 단상(Zn을 70% 이상 포함)의 면적분율을 측정하였다. 또한, 용접 이음부에 대한 인장강도(YS)를 측정하여 하기 표 5에 나타내었다.
구분 Zn-Al-Mg계 도금층 조성 (질량%, 잔부 Zn)
Al Mg Si Ti B Fe
발명예 1 4.5 0.05
발명예 2 4.5 0.05
발명예 3 4.5 0.05
비교예1 6.4 3.1 0.5 0.05 0.02
비교예2 19.1 8.9 0.5 0.3
비교예3 4.4 1.2 0.5
구분 용접전
도금층
경도
(Hv)		 도금
부착량
(g/m2)		 테스트 조건
용접와이어
종류		 평균 냉각
속도
(℃/s)
발명예 1 114.2 50 솔리드 와이어 85.8
발명예 2 114.2 50 플럭스 코어드 와이어 85.2
발명예 3 114.2 50 피복아크 용접봉 106.9
비교예1 148.4 135 솔리드 와이어 14.8
비교예2 205.9 135 플럭스 코어드 와이어 12.8
비교예3 130.6 183 피복아크 용접봉 11.3
구분 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분 균열 발생
여부		 용접후 도금층
경도 변화율
(%)
Zn-Mg계 금속간 화합물의 면적분율 (%) Zn 단상의 면적분율(%)
발명예 1 35.1 64.9 ◎ 87.2
발명예 2 28.3 71.7 ◎ 75.5
발명예 3 25.7 74.3 ◎ 73.7
비교예1 11.2 88.8 X 55.2
비교예2 8.7 91.3 X 53.1
비교예3 5.3 94.7 X 53.2
상기 표 3~5에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 규정하는 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 포함하고, Zn 단상을 60% 이상 포함하는 발명예 1~3의 경우, 이를 충족하지 않는 비교예 1~3에 비해, 내균열성이 보다 우수하였고, 또한 용접 전후의 경도값 변화율 역시 69.5% 이상으로서 내식성도 우수함을 확인하였다.
(실험예 2)
하기 표 5~8에 기재된 조건으로 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 평가하였다. 또한, 하기의 방법을 통해 얻어지는 용접 구조 부재에 있어서, 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어 및 피복아크 용접봉을 사용한 각 경우에 대한 용접 이음부의 조성범위를 발광분광 분석기 장치로 측정하여 하기 표 6에 나타내었다.
성분
(중량%)		 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Al
솔리드
와이어		 0.13 0.40 0.87 0.012 0.01 0.021 0.013 0.015 - 0.02
플럭스
코어드
와이어		 0.09 0.48 1.15 0.022 0.009 0.042 0.028 0.021 0.02 0.012
피복아크
용접봉		 0.08 0.45 0.91 0.02 0.02 0.09 0.08 0.05 0.05 0.01
(잔부: Fe 및 기타 불가피한 불순물)
구분 Zn-Al-Mg계 도금층 조성 (질량%, 잔부 Zn)
Al Mg Si Ti B Fe
발명예 4 6.4 3.1 0.5 0.05 0.02
발명예 5 19.9 9.8 0.5 0.02 0.01 0.6
발명예 6 6.7 3.1 1.5 0.4
발명예 7 6.5 3.3 0.5 0.04 0.01
발명예 8 14.8 7.6 1.5 2
발명예 9 18.1 8.3 2 2.3
발명예 10 19.1 8.9 0.5 0.3
발명예 11 4.8 0.06 0.8 0.1 0.02
발명예 12 14.3 5.1 0.05
발명예 13 0.5 1.6
발명예 14 6.2 2.9 0.1
발명예 15 20.5 9.5 0.3
발명예 16 4.5 1.1 0.5
발명예 17 8.3 2.5 2.7
발명예 18 21 9.9 0.11 0.01
발명예 19 6.3 3 0.5 0.12 0.01
발명예 20 15.3 6.8 1.5
발명예 21 5.5 0.9
발명예 22 21.5 8.1 2.7
발명예 23 18 9.2 1.3 0.15 1.2
발명예 24 6.4 3.1 0.5 0.05 0.02
발명예 25 4.5 0.04 0.3 0.5
발명예 26 6.7 3.1 1.5 0.4
발명예 27 6.5 3.3 0.5 0.04 0.01
발명예 28 11.2 2.8 0.2
발명예 29 14.3 5.1 0.05
발명예 30 14.8 7.6 1.5 2
발명예 31 4.8 0.06 0.8 0.1 0.02
발명예 32 13.8 9.3
발명예 33 20.9 9.8 0.5 0.02 0.01 0.6
발명예 34 18.1 8.3 2 2.3
발명예 35 0.5 1.6
발명예 36 6.2 2.9 0.1
발명예 37 20.5 9.5 0.3
발명예 38 4.5 1.1 0.5
발명예 39 8.3 2.5 2.7
발명예 40 21 9.9 0.11 0.01
발명예 41 6.3 3 0.5 0.12 0.01
발명예 42 15.3 6.8 1.5
발명예 43 5.5 0.9
발명예 44 21.5 8.1 2.7
발명예 45 18 9.2 1.3 0.15 1.2
발명예 46 4.5 0.04 0.3 0.5
발명예 47 6.5 3.3 0.5 0.04 0.01
발명예 48 11.2 2.8 0.2
발명예 49 4.8 0.06 0.8 0.1 0.02
발명예 50 12 4.9 2 2.3
발명예 51 11.5 4.1 0.5 0.02 0.01 0.6
발명예 52 10.3 3.9 0.05
발명예 53 0.5 1.6
발명예 54 20.5 9.5 0.3
발명예 55 4.5 1.1 0.5
발명예 56 8.3 2.5 2.7
발명예 57 15.3 6.8 1.5
발명예 58 5.5 0.9
발명예 59 21.5 8.1 2.7
비교예4 17.5 7.1
비교예5 12.5 0.04 0.3 0.03
비교예6 6.7 1.2 1.5 0.4
비교예7 6.5 3.3 0.5 0.04 0.01
비교예8 6.3 2.5 1.2 0.04 0.01
비교예9 4.4 1.2 0.5
비교예10 6.3 2.5 1.2 0.04 0.01
비교예11 21.5 8.1 2.7
비교예12 14.3 5.1 0.05
비교예13 6.3 3 0.5 0.12 0.01
비교예14 4.8 0.06 0.8 0.1 0.02
비교예15 6.7 1.2 1.5 0.4
비교예16 6.5 3.3 0.5 0.04 0.01
비교예17 6.7 3.1 1.5 0.4
비교예18 20.5 9.5 0.3
비교예19 14.3 5.1 0.05
비교예20 5.5 0.9
비교예21 17.5 7.1
테스트 조건
구분 용접전
도금층
경도
(Hv)		 도금
부착량
(g/m2)		 용접
와이어
종류		 용접후
수냉
개시
소요
시간
(초)		 유량
(mm3/
hr)		 수냉
지속
시간
(초)		 냉각
속도
(℃/s)		 균열
발생
여부		 용접후
도금층
경도
변화율
(%)
발명예 4 148.4 135 솔리드 와이어 9 31 10 45.4 ◎ 71.4
발명예 5 218.2 60 솔리드 와이어 8 28 5 49.5 ◎ 73.5
발명예 6 166.1 110 솔리드 와이어 3 55 13 85.7 ◎ 88.1
발명예 7 149.9 85 솔리드 와이어 5 45 8 66.9 ◎ 83.2
발명예 8 228.7 65 솔리드 와이어 10 21 9 41.8 ◎ 73.4
발명예 9 246.6 125 솔리드 와이어 8 15 5 49.3 ◎ 70.1
발명예 10 205.9 67 솔리드 와이어 6 60 8 60.2 ◎ 71.0
발명예 11 126.6 148 솔리드 와이어 10 12 3 41.6 ○ 69.0
발명예 12 161.7 175 솔리드 와이어 5 48 11 66.9 ◎ 76.3
발명예 13 125.8 34 솔리드 와이어 8 13 15 49.5 ○ 65.2
발명예 14 140.5 92 솔리드 와이어 15 35 11 29.6 ○ 54.0
발명예 15 204.9 180 솔리드 와이어 5 33 1 66.8 ○ 61.3
발명예 16 129.8 45 솔리드 와이어 8 11 4 49.4 ○ 63.3
발명예 17 172.2 80 솔리드 와이어 13 35 8 33.6 ○ 62.1
발명예 18 206.1 40 솔리드 와이어 3 5 11 83.4 ○ 69.3
발명예 19 148.3 25 솔리드 와이어 4 31 3 75.3 ○ 68.1
발명예 20 195.7 290 솔리드 와이어 12 38 7 36.1 ○ 61.0
발명예 21 121.9 240 솔리드 와이어 12 50 10 36.0 ○ 57.3
발명예 22 225.1 155 솔리드 와이어 8 35 1 49.5 ○ 65.2
발명예 23 232.4 180 솔리드 와이어 4 32 3 75.0 ○ 59.1
발명예 24 148.4 135 플럭스 코어드 와이어 5 31 10 66.7 ◎ 70.2
발명예 25 124.7 89 플럭스 코어드 와이어 6 35 15 59.4 ◎ 70.5
발명예 26 166.1 110 플럭스 코어드 와이어 3 55 13 85.4 ◎ 75.9
발명예 27 149.9 85 플럭스 코어드 와이어 5 45 8 66.5 ◎ 72.5
발명예 28 142.9 55 플럭스 코어드 와이어 7 38 10 53.8 ◎ 70.0
발명예 29 161.7 175 플럭스 코어드 와이어 5 48 11 66.9 ◎ 70.7
발명예 30 228.7 65 플럭스 코어드 와이어 6 21 9 58.2 ◎ 69.6
발명예 31 126.6 148 플럭스 코어드 와이어 10 12 3 40.0 ○ 60.7
발명예 32 196.5 161 플럭스 코어드 와이어 6 31 7 57.7 ◎ 70.3
발명예 33 218.6 60 플럭스 코어드 와이어 8 28 5 47.3 ◎ 70.2
발명예 34 246.6 125 플럭스 코어드 와이어 8 15 5 48.1 ◎ 69.5
발명예 35 125.8 34 플럭스 코어드 와이어 8 13 15 47.4 ○ 67.1
발명예 36 140.5 92 플럭스 코어드 와이어 15 35 11 28.0 ○ 57.4
발명예 37 204.9 180 플럭스 코어드 와이어 5 33 1 64.4 ○ 68.8
발명예 38 129.8 45 플럭스 코어드 와이어 8 11 4 47.6 ○ 66.2
발명예 39 172.2 80 플럭스 코어드 와이어 13 35 8 32.0 ○ 60.4
발명예 40 206.1 40 플럭스 코어드 와이어 7 5 11 55.4 ○ 67.5
발명예 41 148.3 25 플럭스 코어드 와이어 7 20 3 55.3 ○ 68.8
발명예 42 195.7 290 플럭스 코어드 와이어 12 38 7 34.4 ○ 56.8
발명예 43 121.9 240 플럭스 코어드 와이어 12 50 10 34.6 ○ 59.2
발명예 44 225.1 155 플럭스 코어드 와이어 8 35 1 47.6 ○ 65.3
발명예 45 232.4 180 플럭스 코어드 와이어 4 20 3 72.7 ○ 69.2
발명예 46 124.7 89 피복아크 용접봉 4 35 15 80.6 ◎ 70.3
발명예 47 149.9 85 피복아크 용접봉 5 50 12 72.3 ◎ 70.2
발명예 48 142.9 55 피복아크 용접봉 5 35 10 72.6 ◎ 69.5
발명예 49 126.6 148 피복아크 용접봉 3 35 10 92.9 ◎ 70.0
발명예 50 215.2 125 피복아크 용접봉 3 38 15 92.6 ◎ 71.1
발명예 51 166.3 60 피복아크 용접봉 5 70 12 72.3 ○ 65
발명예 52 149.9 175 피복아크 용접봉 5 70 11 72.2 ○ 68
발명예 53 125.8 34 피복아크 용접봉 8 13 15 53.9 ○ 67.1
발명예 54 204.9 180 피복아크 용접봉 5 30 1 71.7 ○ 68.5
발명예 55 129.8 45 피복아크 용접봉 8 11 4 53.5 ○ 66.2
발명예 56 172.2 80 피복아크 용접봉 13 35 8 36.4 ○ 60.4
발명예 57 195.7 290 피복아크 용접봉 12 38 7 39.0 ○ 56.8
발명예 58 121.9 240 피복아크 용접봉 12 50 10 39.3 ○ 59.2
발명예 59 225.1 155 피복아크 용접봉 8 35 1 52.5 ○ 65.3
비교예4 179.4 280 솔리드 와이어 16.3 X 56.8
비교예5 121.7 120 솔리드 와이어 15.5 X 55.0
비교예6 150.0 230 솔리드 와이어 14.4 X 56.9
비교예7 149.9 85 솔리드 와이어 16.2 X 55.3
비교예8 152.3 200 솔리드 와이어 16.3 X 54.8
비교예9 130.6 183 솔리드 와이어 16.9 X 56.9
비교예10 152.3 200 플럭스 코어드 와이어 13.1 X 55.4
비교예11 225.1 120 플럭스 코어드 와이어 13.8 X 50.8
비교예12 161.7 215 플럭스 코어드 와이어 12..6 X 52.0
비교예13 148.3 200 플럭스 코어드 와이어 12.1 X 51.3
비교예14 126.6 183 플럭스 코어드 와이어 12.4 X 55.4
비교예15 150.0 230 플럭스 코어드 와이어 12.7 X 53.3
비교예16 149.9 85 피복아크 용접봉 10.9 X 52.7
비교예17 166.1 180 피복아크 용접봉 11.2 X 52.3
비교예18 204.9 210 피복아크 용접봉 11.1 X 53.3
비교예19 161.7 215 피복아크 용접봉 11.2 X 53.1
비교예20 121.9 181 피복아크 용접봉 11.4 X 55.5
비교예21 179.4 280 피복아크 용접봉 11.2 X 55.8
삭제
상기 표 6~9에 나타난 결과와 같이, 본 발명에서 규정하는 상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직 및 아크 용접 후 냉각 조건을 충족하는 발명예 4~59의 경우에는, 용접 후 냉각 시, 용접 토치 통과 후 3~10초 이내에 30℃ 범위의 온도로 제어되는 물을 용접 이음부 표면에 분사하였고, 액적의 크기는 50 ㎛ 범위로 제어하였다. 이 때, 용접부에 균열이 관측되지 않았고, 용접 전후의 경도값 변화율 역시 69.5% 이상을 확보할 수 있었다.
특히, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 발명예 4~59로부터 얻어지는 도금 강판에 대하여, Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직을 관찰하였고, 발명예 4~59의 경우, Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직이 Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 및 Zn 단상을 60% 이상(즉, 잔부 Zn 단상) 포함함을 확인하였다.
반면, 본 발명에서 규정하는 도금층의 조성을 만족하지만 본 발명에서 규정하는 냉각조건을 충족하지 않고, 또한 용접 이음부에 최인접하는 도금층의 미세조직이 본 발명에서 규정하는 조건을 충족하지 못하는 비교예 4~21의 경우에는, 모두 용접부에 균열이 발생하였고, 용접 전후의 경도값 변화율 역시 69.5% 미만이었다.
또한, 비교예 4~21의 경우, 모두 시험편에서의 도금층 증발 구간(15)의 길이가 3㎜ 미만이었고, 가장 깊은 용융 도금 금속층에 의한 균열은 대부분의 시료에 있어서 비드토우부(12)로부터의 거리가 3 ㎜ 이내의 부위에 발생하였다.
반면, 본 발명예들에서는 용융금속 취화균열이 관측되지 않았고, 또한 도금층 증발 구간(15)의 길이 역시 모두 3㎜ 이상 10mm 이하이었다.
특히, 용접 이음부에 최인접하는 도금층의 미세조직을 전술한 명세서의 측정방법과 동일하게 측정하였고, 광학 현미경(OM)을 이용한 사진을 도 7 및 8에 나타내었다.
도 7은 본원 비교예 10에 대한 용접 이음부에 최인접하는 도금층의 미세조직을 나타내고, 서냉 조건 하에서 미세조직의 균질화(도 7의 A에 해당)가 이루어짐을 확인하였다.
반면, 도 8은 본원 발명예 2에 대한 용접 이음부에 최인접하는 도금층의 미세조직을 나타내고, 본 발명에 의한 급냉으로 인해 Zn 단상으로 이루어지는 기지 조직(도 8의 B에 해당)과 2차상인 Zn-Mg계 금속간 화합물(2원상 및 3원상을 포함; 도 8의 C에 해당)로 이루어지고, 상기 Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 범위로 포함하고, 상기 Zn 단상을 60% 이상 포함함을 확인하였다. 이 때, 상기 Zn-Mg계 금속간 화합물은 두께방향으로의 절단면을 기준으로, 1~30㎛의 평균 직경을 가짐을 확인하였다.
1: 용접 강판
2: 실드 가스
3: 용접 부위
4: 아크
5: 용접 와이어
6: 전극
7: 용접 토치
10, 10': 용접되는 2개의 강판
11: 용접 비드
12: 비드토우부
13: Zn-Al-Mg계 용융 도금 금속층
14: 용융되지 않은 Zn-Al-Mg계 도금층
15: 도금층 증발 구간
16: Zn-Al-Mg계 용융 도금 금속층의 응고 영역
17: Zn-Al-Mg계 용융 도금 금속층의 응고 영역
18: 기존 도금 금속층
20: 강관
21: 도금 금속층
22: 시험편
23: 용접 비드
24: 비드 겹침부
S: 용접 개시점
E: 용접 종료점

Claims (13)

  1. 제1 강판;
    제2 강판; 및
    상기 제1 강판과 제2 강판을 결합하는 용접 이음부;
    를 포함하고,
    상기 제1 강판 및 제2 강판 중 적어도 하나가 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금 강판이고,
    상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 면적분율로, Zn-Mg계 금속간 화합물을 20~40% 포함하는, 용접 구조 부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 미세조직은 면적분율로, Zn 단상을 60% 이상 더 포함하는, 용접 구조 부재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 이음부의 비드토우부로부터 도금층 사이의 거리가 3~10mm인, 용접 구조 부재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zn-Al-Mg계 도금층 중 상기 용접 이음부에 최인접한 부분의 경도는 용접 전 도금층 경도 대비 69.5% 이상인, 용접 구조 부재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zn-Mg계 금속간 화합물의 평균 직경은 1~30㎛ 범위인, 용접 구조 부재.
  6. 제1 강판 및 제2 강판을 준비하는 단계;
    솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어 및 피복아크 용접봉 중에서 선택된 어느 하나의 용접재료를 이용하여, 상기 제1 강판 및 제2 강판을 아크 용접함으로써 용접 이음부를 형성하는 단계; 및
    상기 용접 이음부의 표면 온도를 기준으로, 25~110℃/s의 평균 냉각 속도가 되도록 수냉하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 강판 및 제2 강판 중 적어도 하나는 Zn-Al-Mg계 도금층을 구비한 도금강판이고,
    상기 수냉하는 단계는 용접 이음부에서 수냉이 시작된 시점으로부터 5~15초간 수냉이 지속되도록 수행되는, 용접 구조 부재의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 용접 재료는 솔리드 와이어이고,
    상기 용접 이음부는 중량%로, C: 0.09~0.15%, Si: 0.35~0.39%, Mn: 0.87~0.90%, P: 0.004~0.022%, S: 0.002~0.014%, Cr: 0.01~0.11%, Ni: 0.01~0.08%, Cu: 0.01~0.06%, Mo: 0.01% 이하(0% 포함), Al: 0.01 ~ 0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 용접 구조 부재의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 용접 재료는 플럭스 코어드 와이어이고,
    상기 용접 이음부는 중량%로, C: 0.05~0.10%, Si: 0.47~0.53%, Mn: 1.10~1.16%, P: 0.009~0.025%, S: 0.007~0.018%, Cr: 0.03~0.13%, Ni: 0.02~0.11%, Cu: 0.02~0.08%, Mo: 0.02~0.07%, Al: 0.005~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 용접 구조 부재의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 용접 재료는 피복아크 용접봉이고,
    상기 용접 이음부는 중량%로, C: 0.06~0.14%, Si: 0.42~0.49%, Mn: 0.83~0.91%, P: 0.015~0.035%, S: 0.010~0.022%, Cr: 0.07~0.20%, Ni: 0.06~0.15%, Cu: 0.05~0.12%, Mo: 0.05~0.10%, Al: 0.01~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 용접 구조 부재의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 수냉하는 단계는 용접 토치 통과 후, 3~10초 이내에 냉각을 개시하는, 용접 구조 부재의 제조방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 수냉하는 단계는 15~60mm3/hr의 유량으로 수행되는, 용접 구조 부재의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 6에 있어서,
    상기 용접 이음부를 형성하는 단계는 3~8kJ/cm의 입열량으로 수행되는, 용접 구조 부재의 제조방법.
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