KR20000036060A - 단시간 열처리법을 사용한 경화성 강의 빔용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단시간 열처리법으로 경화성 강(steel)의 빔용접 방법에 관한 것이다. 본 발명의 주된 응용 분야는 자동차 공업과 기계 공업이다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 규정된 방법으로 예비 열처리하는 단시간 열처리를 하고 빔용접을 시작하고 최종적으로 규정된 냉각 시간에 따라서 마무리 한다.

Description

단시간 열처리법을 사용한 경화성 강의 빔용접 방법{METHOD FOR BEAM WELDING OF HARDENABLE STEELS BY MEANS OF SHORT-TIME HEAT TREATMENT}

탄소 함량이 0.25% 이상인 탄소강(carbon steel)과 탄소함량이 0.2% 이상인 저탄소강(low-carbon steel)은 재래식 방법으로만 용접할 수 있다. 탄소와 여러 가지 합금 원소의 작용에 의하여 경화(hardening)가 심해지고 용접부와 열작용 부위에는 균열이 발생한다. 낮은 변형 특성, 자체 발생 마르텐사이트 또는 베이나이트, 냉각 과정에서의 높은 전이 장력에 의해서 경화와 후속 균열이 발생한다.

경화 및 이에 의한 균열 발생의 억제 방법은 부품을 철저히 예열하는 재래식 용접법에서 사용한다. 탄소함량이 0.3%-0.45%인 탄소강의 예열온도는 150-275℃를 권장한다〔예, J. Ruge, "Handbuch der Schweiβtechnik", band 1, "Werkstoffe", 3판, Springer-Verlag, Heidelberg, 1991, IBSN-3-540-52697-8, p.126, p.144〕. 저탄소강인 경우에는 필요한 예열온 도를 400℃까지 높인다〔예, Qualitats- und Edelstahle der DDR, Leipzig, 1972, band 1〕.

많은 부품, 특히 대량생산 부품에서는 재래식 용접법의 단점인 용접 속도, 부품 지체, 제작물 가격 및 후처리 비용 등과 같은 것이 나타난다. 이러한 현상의 원인으로는 상대적으로 낮은 가열속도, 큰 열수용력 및 큰 용접선 부피에 의해서 발생하는 상대적으로 낮은 사용 성능밀도이다.

레이저빔 용접 또는 전자빔 용접과 같은 빔용접법은 성능밀도를 몇 배까지 사용하여서 이러한 단점을 방지할 수 있다. 이러한 용접 방법의 주된 결함은 용융 영역과 열작용 영역에서 경화가 높아져서 용접선에 균열 발생률이 높아지는 것이다. 균열이 생기지 않도록 하는 탄소 및 합금원소 함량의 한계치를 낮추기 때문에, 이러한 결함은 빔용접 가능한 강(steel)의 조성에 따라서 민감하게 달라진다.

재래식 방법에서 사용하는 철저한 예열 처리를 자동 빔용접장치에 잘 설치하지 않으면 이러한 결함의 결과는 더욱 심해진다. 이것은 짧은 주기 시간이 너무 낭비이고 접합부의 산화에 의한 용접부 품질의 저하를 초래하기 때문이다.

이러한 결함의 원인은 t_8/5-시간을 확실히 초과하는 아주 높은 급냉속도이다.

기존의 특허 PS J-1-40194(접합 재료용 레이저빔 용접법)에는 레이저 용접할 때 공정에 설치한 재가열을 사용하여 급냉 속도를 저하시키기 위한 경화하지 않는 박판의 레이저 용접 방법이 잘 알려져 있다. 이를 위하여 레이저빔의 초점 간격과 표면에 대한 기하학적 배치로 결정한 간격에 레이저 용접 속도를 가진 고주파 유도기를 설치한다. 고주파의 여기(exciting)에 의해서 용접한 판의 용접선의 양쪽 좁은 선을 가열하고 이로 인하여 급냉 속도가 낮아진다. 이 방법의 목적은 인성 향상과 판의 변형특성 향상이다.

판은 약 1000℃로 가열한다. 고주파를 이용하는 방법의 사용 범위는 박판으로 제한된다. 유도기의 공급(feed)속도를 변화시켜서 다른 기준에 따라서 고정한 레이저 용접속도를 변화시킬 수 있는 것처럼 동일한 크기로만 최고 온도 및 유도기 길이와 폭은 냉각속도를 상대적으로 좁은 범위 내에서 변화시킬 수 있다.

이 방법의 단점은 박판과 아주 제한된 범위의 경화성 강에만 사용할 수 있고, 힘이 부과되는 부품 또는 기계적 기능 부품에는 전혀 사용할 수 없다는 것이다.

이러한 단점의 발생 원인으로는 경화성 강의 빔용접 시에 경화(hardening)를 방지하기 위하여 용접선 범위 내에서 유도 재가열의 중첩된 온도-시간 주기 또는 모든 깊이 범위로 조절할 수 없는 것이다. 그래서 각각 단독으로 가열 깊이가 필요 용접선 깊이에 맞도록 하고, 냉각 속도를 전체 용접선 깊이에 대하여 충분하도록 선택하고, 후속 가열 주기의 높은 최고온도를 조절한다. 고주파를 사용한 유도 에너지를 수용하는 가열 깊이가 너무 적고, 용접 공정을 종료한 후에 열에너지를 수용하고, 부품에서의 열수용 속도가 레이저 용접 속도에 비하여 작으며, 경계 등온이 충분히 높은 사용 온도에 도달하면 용접선의 깊이 영역은 일정한 시간이 지난 후에 이미 M_s-온도를 초과하고 이로 인하여 경화가 발생한다. 오스테나이트화 온도 이상인 약 1000℃의 높은 최고온도, 부품 두께를 기준으로 낮은 상대적 가열 깊이 및 높은 공급 속도는 상대적으로 큰 급냉 속도를 가져오고, 용접 구역의 외부도 새로운 경화 위험을 초래하는 영역에 놓이게 된다.

본 발명은 단시간 열처리법을 사용한 경화성 강(steel)으로 이루어진 기계 부품을 빔용접(beam welding)하는 것에 관한 것이다. 사용 가능하고 목적에 적합한 물체를 빔용접법을 사용하여 접합할 수 있고, 기계적, 주기적 또는 동력학적 고부하 부품은 국부적인 마모 부하 때문에 최소한 국부적으로 경화성 강을 사용하거나 높은 기계적 부하 때문에 고급강을 사용한다. 본 발명은 다양한 부품, 특히 회전 대칭성의 동력 전달 부품, 고압 튜브, 유압 피스톤, 밸브 등에 사용하는 부품에 적용할 수 있는 장점을 지니고 있다. 본 발명의 주요 응용 분야는 자동차와 기계 제작 공업, 특히 자동차 제작 공업이다.

도 1은 용접한 부품을 도식적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 목적은 빔용접을 사용하여 경화성 강을 효율적으로 용접하고 방해가 되는 경화없이 균열이 생기지 않도록 용접하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 단속적인 온도 구역과 이를 발생시키는 방법을 제공하고, 양호한 공정을 완료하고, 상대적으로 큰 임계 냉각 시간과 상대적으로 깊은 용접선을 가진 경화성 강에 있어서 전체 용접선을 냉각 속도가 충분히 적도록 하고 용접부와 가열부 외부의 원상태의 기본 조직이 손상되지 않도록 조정할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 이러한 문제점들은 청구항 제1항에서 제7항에 나타낸 것과 같은 단시간 열처리를 통한 경화성 강의 무균열 발생 빔용접의 방법을 사용하여 해소한다.

단시간 열처리는 예열 처리하는 것이다. 청구항 제1항과 같이 가열 깊이, 가열 시간, 온도-시간 주기의 최고온도 및 급냉속도를 선택하는 것이 가능하다. 빔용접 개시 전의 가열 깊이(t_i2)는 용접선 깊이의 1-5배가 되도록 선택한다. 가열 깊이(t_i2)를 조정하기 위한 자유 인자로는 에너지 작용 기간, 유도 주파수 및 예열 주기의 최고 온도(T_max)가 작용한다.

최고 온도는 620K≤T_max≤T_z-30K의 온도 범위에서 선택하고, 여기에서 온도(T_z)는 접합된 재료의 초기 조직에 따라서 달라진다. 퍼얼라이트(pearlite) 상태에서 오도(T_z)가 되면 1초에서 100초 이내에 세멘타이트(cementite)로 뚜렷하게 변형한다.

열처리한 초기 상태에서 이 온도는 사전에 처리한 탬퍼링 처리 온도에 해당한다. 이 온도를 선택하는 것은 다음에 실시하는 냉각 주기에서 조직 손상없이 실시할 수 있는 최상의 조건이 되도록 한다.

부품의 자연 냉각 성능을 이용하여 급냉 시간(τ_k)을 조정하는 것은 용접 결과와 특히 공정 처리에 많은 장점을 제공하게 된다. 급냉 시간(τ_k)의 구체적인 값을 조정하기 위한 인자로는 예열 영역의 상대적 깊이와 폭이 그 역할을 한다.

본 발명의 제2항에 따른 장점을 지닌 방법에서는 레이저를 사용한 빔용접을 실행하고 유도 장치를 사용하여 예열을 실시한다.

본 발명의 제5항에 따른 방법을 실시하여 얻어지는 장점으로는 유도 발생기의 주파수를 사용하여 에너지 작용 주기가 끝난 후에 가열 깊이(t_i1)를 조정할 수 있다는 것이다. 이로 인하여 에너지 작용기간(τ_S)과 냉각시간(τ_A)을 줄일 수 있다. 또한 주기 시간 최적화에 아주 중요한 제8항에 해당하는 용접 시간(τ_L)에 대한 에너지 작용기간(τ_S)을 맞추기 위한 추가 자유도를 얻는다.

본 발명에 따른 에너지 작용기간(τ_S), 최고온도(T_max), 냉각 시간(τ_A) 및 예열 영역의 기하학적 크기(b_i1과 t_i1)를 선택하여서, 제6항에 기재된 것과 같은 예열 주기를 용접 주기 전에 완전히 종료하는 것이 가능해 진다. 해당 용접기계 형태를 고려할 때 더 많은 자유 공간을 허용한다.

본 발명의 특수한 형상은 제9항에 따라서 예열 온도 영역의 최고는 부품의 벽두께의 1-3배 떨어진 곳에 놓인다. 이로 인하여 예열 주기의 최고 온도가 일정할 때 큰 t_8/5-시간을 가진 임계 재료에서는 접합부위의 냉각 속도가 유별나게 낮아진다.

본 발명의 제10항에 따른 방법의 장점으로는 폐쇄된 중공체 내에서 높은 공기압으로 예열함으로서 접합 틈새를 통한 탈리(escape)를 방지할 수 있다는 것이다. 이로 인하여 흔히 불필요한 추가 통기구와 추가 제작비 없이도 아주 우수한 용접 품질을 얻고 용접선 표면에 많이 생기는 호스 기공(hose pore)을 방지할 수 있다는 것이다.

본 발명의 제11항에 따른 방법의 장점으로는 용접 작업에 관련되어 필요한 경화 처리 또는 열처리가 공정 기술적으로 간단하고 용접의 열처리 주기를 에지지 측면에서 최적으로 실시할 수 있는 것이다.

본 발명의 제12항과 제13항에 다른 방법의 장점으로는 제작 기술적 원인으로부터 전체 용접 구조물보다도 접합한 단일 부품을 더욱 간단하게 경화시킬 수 있다는 것이다.

본 발명의 내용을 다음과 같은 실시예를 통하여 더욱 자세하게 설명한다.

여기에 첨부된 도면(도 1)은 용접한 부품을 도식적으로 도면으로 나타낸 것이다.

실시예 1

도1에 따른 두 개의 부품 1과 2를 원형축방향으로 용접한다. 두 부품의 외경은 45mm이다. 부품 2의 내경은 35mm이다. 부품(1)에는 용접선 스포트(3)가 설치되어 있고 두께는 3mm이다. 부품은 0.05-0.13mm의 여분을 두고 접합한다. 두 부품은 C45로 이루어져 있으며 표준 상태에 놓여 있다. 이들의 경도는 225HV_0.05이다.

예열 방법으로는 유도식 에너지 수용을 선택하였다. 유도 주파수는 10kHz이다. 유도기(4)는 쌍코일식 핼프 셀(half shell) 유도기이다. 핼프 셀 유도기를 사용함으로서 자동 공급이 간단하고 접합한 부품 1과 2를 가열실에 넣거나 빼낼 수 있다. 유도기(4)는 부품 1의 반대쪽에 놓인 코일 자장 플레이트(5)에 지지되고, 부품 1의 벽두께가 큼에도 불구하고 평균 온도가 T₂인 유도 예열 영역(7)에서 보다도 유도 예열 영역(6) 내에서 평균 온도(T₂)평균 온도(T1)가 더 높게 유지되다. 커플링(coupling) 간격(a)은 5mm이다. 유도기는 전체가 l_g= l₁+ c + l₂= 30mm폭이다. 전체 폭(l_g= 30mm)을 선택하면 냉각 시간이 충분해 진다. l_g= 30mm인 유도기는 냉각 시간이 짧고 경도는 동일한 최고 온도에서 높아지지만 허용 범위가 정해져 있다. 두 유도기 코일 사이의 간격(c)은 4mm이다. 접합부에 비하여 상대적으로 큰 코일 간격을 선택하여 가장자리 과열이 휘어진다. 동시에 유도 예열기의 두 최고 온도는 접합부에서 각각 약 7mm 떨어져 있다. 에너지 작용기간의 끝과 용접 시작 시간 사이의 냉각 시간(τ_A)에서 도 접합부 쪽으로 추가 열이 흐르게 되어서 온도는 용접이 시작될 때까지 특히 서서히 낮아지고 필요한 최고 온도(T_max)를 낮게 선택할 수 있게 된다.

용접 방법으로는 레이저 용접을 선택한다. 용접에는 5.0kW-CO₂레이저를 사용하고 레이저 용접 속도는 1.7m/min이다. 레이저 빔(11)의 초점은 부품 표면에 1.0mm에 놓인다.

접합 부품 1과 2를 끼운 후에 이것을 300U/min의 회전 속도로 바꾼다. 유도 발생기는 62kW의 성능으로 조정한다. 7초의 에너지 작용기간(τ_S)의 끝이 지난 후에 부품 1과 부품 2를 각각 655℃와 610℃의 최고 온도로 한다. 가열 깊이(t_i1)는 약 4.5mm이고 가열 폭은 약 34mm이다. 8초의 냉각 시간(τ_a) 후에 레이저 용접을 시작한다. 이 시점에서의 표면 온도(T_O1, T_O2)는 590℃ 및 570℃이다. 부품 1의 평균 온도가 부품 2의 평균 온도보다도 약간 더 높다. 가열 영역은 t_i2= 5.0mm, t_i3= 8.0mm, b_i2= 42mm의 크기로 넓어진다. 외경(8)과 내경(9) 간의 온도차는 아주 작고 최고 20K이다.

4.0kW 성능으로 용접한다. 중첩 부위의 용접에 걸리는 레이저 용접의 용접 시간(τ_L)은 5.4초이다. 레이저 용접선(10)의 용접 깊이는 약 6.0mm이고 용접 영역과 열작용 영역에서의 시간(t_8/5≥t_k)은 약 19초이고, 이것은 마르텐사이트 형성을 위한 임계 냉각 시간보다도 아주 큰 것이고, C45에서는 약 2초이다.

레이저 용접선(10)은 평균 경도가 280HV_0.05이고 거의 페라이트와 퍼얼라이트로 구성되어 있고 균열이 완전히 없다. 반대로 예열을 실시하지 않고 용접하게 되면, 용접 영역의 평균 경도가 665HV_0.05가 된다. 또한 용접 영역 뿐 만 아니라 열작용 영역의 내부 가장자리도 완전히 마르텐사이트화 되고 중간(9)에 균열이 발생한다.

본 발명은 다양한 부품, 특히 회전 대칭성의 동력 전달 부품, 고압 튜브, 유압 피스톤, 밸브 등에 사용하는 부품에 적용할 수 있는 장점을 지니고 있다. 본 발명의 주요 응용 분야는 자동차와 기계 제작 공업, 특히 자동차 제작 공업이다.

Claims (13)

1. 단시간 열처리법을 사용한 경화성 강의 무균열 빔용접 방법에 있어서,

   a. 단독 예열하여 단시간 열처리하고,

   b. 에너지 작용 기간(τ_S)이 끝난 후에 가열 깊이(t_i1)를 용접선 깊이(t_S)의 0.3-5배가 되도록 선택하고,

   c. 예열의 온도-시간 주기를 0.3초-20초의 에너지 작용 기간(τ_S)이 끝난 후에 620K≤T_max≤T_z-30K의 최고 온도(T_max)에 도달하게 하고, 열처리한 초기 상태에서 온도(T_z)가 사전 처리한 탬퍼링 처리 온도에 해당하고, 페라이트-퍼얼라이트 초기 상태에서 해당 강이 1초-100초 이내에 뚜렷하게 세멘타이트 구조로 변하는 온도(T_z)가 되게 하고,

   d. 빔용접이 늦어도 0.01초-30초의 냉각 시간(τ_A) 범위에서 시작되고 이 시간에서의 가열 깊이(t_i2)가 1.0t_S-5t_S에 도달하도록 하고,

   e. 용접 영역과 열작용 영역에서의 급냉 시간(t_8/5)이 t_8/5≥τ_K의 값으로 조정하고, 여기에서 τ_K값은 급냉 시간에 해당하고, 여기에서 페라이트, 퍼얼라이트의 함량은 용접 영역과 영작용 영역의 중간 단계에서 최소한 70%에 해당하거나 용접 영역과 영작용 영역에서의 경도는 350HV_0.05보다도 작으며,

   f. τ_K값을 조절하기 위하여 예열 영역의 폭(b_i1)과 부품의 벽두께(d)를 기준으로한 상대적 깊이(t_i1/d)를 τ_K값에 도달하거나 이를 초과하도록 냉각을 느리게 진행할 때까지 크게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 따른 방법에 있어서, 레이저를 사용한 빔용접을 실행하고 유도 장치를 사용하여 예열하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 따른 방법에 있어서, 전자빔을 사용한 빔용접을 실행하고 유도 장치식 또는 전자빔 직접식 예열하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 따른 방법에 있어서, 레이저를 사용한 빔용접을 실행하고 한 개 또는 여러 개의 적당히 배치된 고성능 다이오드 레이저 스택을 사용하여 예열하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항과 제2항 또는 제3항에 따른 방법에 있어서, 유도 발생기의 고주파를 사용하여 에너지 작용 주기(t_i1)가 끝난 후에 가열 깊이를 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 따른 방법에 있어서, 빔용접을 시작하기 전에 예열을 완전히 종료하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 따른 방법에 있어서, 용접 영역의 앞부분을 집중적으로 예열하고 동일한 공급 속도로 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항과 제6항에 따른 방법에 있어서, 에너지 작용기간(τ_S)을 용접 시간(τ_L)과 거의 동일한 시간으로 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항과 제6항에 따른 방법에 있어서, 예열 주기의 온도 영역을 예열 주기의 최고 온도가 부품 벽두께(d)의 1-3배 떨어져서 생기도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항에 따른 방법에 있어서, 폐쇄된 중공체를 용접할 때 용접선 스포트(3)가 있는 접합부(10)를 완성하고, 이것은 프레스 피팅이 있는 용접 부분(1과 2)에 두 개를 설치하고, 프레스 피팅은 예열하는 동안과 용접 과정이 종료될 때까지 지지되도록 하고, 부품(2)에서 생긴 중간 온도(T₂)와 같이 예열과 용접이 진행되는 동안에 용접선 스포트(3)로 설치한 부품(1)에서 중간 온도(T₁)가 항상 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 따른 방법에 있어서, 빔용접을 실시하여서 서로 용접된 부품을 연결하거나, 전체 또는 가장자리층의 부분을 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항에 따른 방법에 있어서, 한 개 또는 두 개의 용접한 부품을 예열하기 전에 경화, 가장자리층 경화 또는 삽입부 경화 처리한 부분을 만들고 용접한 후에 예열의 잔류열을 사용하여 즉시 열처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항과 제12항에 따른 방법에 있어서, 내마모성 부품에서 국부적인 액체 냉각 또는 가스 냉각을 실시하여서 열처리 온도를 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.