KR20120085911A - 저탄소강에 대해 트윕강을 레이저 용접하기 위한 방법 - Google Patents

저탄소강에 대해 트윕강을 레이저 용접하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 다른 강종을 가진 구조물들을 함께 레이저 용접하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제 1 강종 및 조성으로 제조된 제 1 구조물을 제공하는 단계; 및 제 2 강종 및 조성으로 제조된 제 2 구조물을 제공하는 단계;를 포함한다. 상기 제 1 구조물은 당해 제 1 구조물의 적어도 일부가 제 2 구조물의 적어도 일부에 중첩하는 용접부 영역을 생성하기 위해 상기 제 2 구조물에 인접하여 위치된다. 상기 제 1 구조물, 상기 제 2 구조물 및 당해 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하는 조성을 가진 충진재가 선택되며, 이에 따라, 상기 용접 조인트는 미리 결정된 미세조직을 갖는다. 상기 용접부 영역에 인접하여 충진재가 위치된다. 상기 제 1 구조물, 상기 제 2 구조물 및 상기 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하기 위해 상기 용접부 영역에 레이저 빔이 조사되고, 상기 용접 조인트는 미리 결정된 미세조직을 갖는다.

Description

저탄소강에 대해 트윕강을 레이저 용접하기 위한 방법{A METHOD OF LASER WELDING TWIP STEEL TO LOW CARBON STEEL}
본원은 2009년 11월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원번호 제 61/261,483 호를 우선권 주장하며, 이 출원은 인용에 의해 본 명세서에 통합되었다.
본 발명은 일반적으로 서로 다른 특징과 특성을 가진 금속 재료를 함께 용접한 다음 용접된 피스(pieces)들을 다양한 응용분야에서 사용하기 위한 레이저 용접 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 트윕강과 상대적으로 저탄소의 스틸을 함께 용접하기 위한 레이저 용접에 관한 것이다.
레이저 용접은 스틸과 같은 둘 또는 그 초과의 금속 피스를 함께 결합함에 있어서 충진재를 필요로 하지도 않고 사용하지도 않는다. 레이저 빔이 피스의 재료(스틸)를 용융한 다음, 용융된 금속이 응고되도록 함으로써, 피스들 간에 견고한 조인트, 커플링 또는 본드를 생성한다. 레이저에 의해 스틸이 유동가능한 (비교적 액체) 상태로 가열되었을 때, 용접되는 둘 또는 그 초과의 부품(또는 피스)들은, 용접되는 각각의 개별 재료의 특성(즉, 재료들의 최초 조성)과 용접된 조인트에 존재하는 최종 특성에 따라, 합금 등과 같은 새로운 재료를 생성할 수 있다. 따라서, 상이한 재료들의 레이저 용접은 액체 용접부(weld zone)에서 둘 또는 그 초과의 재료들로 이루어진 합금이 생성되도록 하는 결과를 낳는다. 용접부가 응고할 때, 새로 생성된 합금은 그의 새로운 화학적 성질에 기초한 미세조직을 발생시킬 것이고, 그 특성은 용접된 조인트의 특징을 결정하게 될 것이다.
통상적으로, 스테인레스강은 그들의 기본 미세조직와 크롬의 질량 함량에 의해 적어도 부분적으로 특정된다. 일반적으로, 스테인레스강은 일반 탄소강과 같이 용이하게 얼룩지거나 부식되거나 녹슬지 않지만, 본질적으로 방오재(stain proof)는 아니다. 스테인레스강은 오스테나이트 미세조직, 페라이트 미세조직, 듀플렉스(오스테나이트 및 페라이트) 미세조직, 마르텐사이트 미세조직, 또는 오스테나이트와 마르텐사이트 미세조직들의 혼합물로서 이용가능하다. 통상적으로, 트윕(Twinning Induced Plasticity: TWIP)강은 오스테나이트 미세조직을 갖는다. 트윕강이 스테인레스강으로 분류되지는 않지만, 이는 오스테나이트 스테이레스강과 유사한 오스테나이트 미세조직을 갖는다. 오스테나이트 구조는 특수한 응용예에서 매우 우수한 강도와 극히 예외적인 연성을 스틸에 제공한다. 오스테나이트 스테인레스강과 마찬가지로, (특히, 레이저 용접을 포함한) 용접을 이용하여 재료들을 함께 결합하려 시도하면, 일반적으로, 트윕강의 화학적 성질과 미세조직로 인해 중저 탄소강과는 함께 사용할 수 없게 된다.
따라서, 다른 강종(steel grade)에 대해 트윕강을 레이저 용접하기 위한 개선된 방법을 제공하고자 하는 계속된 요구가 있다.
따라서, 본 발명은 서로 다른 강종을 가진 구조물들을 함께 레이저 용접하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제 1 강종 및 조성으로 제조된 제 1 구조물을 제공하는 단계; 및 제 2 강종 및 조성으로 제조된 제 2 구조물을 제공하는 단계;를 포함한다. 상기 제 1 구조물은 당해 제 1 구조물의 적어도 일부가 제 2 구조물의 적어도 일부에 중첩하는 용접부 영역을 생성하기 위해 상기 제 2 구조물에 인접하여 위치된다. 상기 제 1 구조물, 상기 제 2 구조물 및 당해 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하는 조성을 가진 충진재가 선택되며, 이에 따라, 상기 용접 조인트는 미리 결정된 미세조직을 갖는다. 상기 용접부 영역에 인접하여 충진재가 위치된다. 상기 제 1 구조물, 상기 제 2 구조물 및 상기 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하기 위해 상기 용접부 영역에 레이저 빔이 조사되고, 상기 용접 조인트는 미리 결정된 미세조직을 갖는다.
본 발명의 장점은 트윕강이 취성 용접의 우려없이 다른 강종들과 함께 레이저 용접될 수 있다는 것이다. 본 발명의 다른 장점은 상기 방법이 강하고 연성이 있는 오스테나이트 미세조직을 가진 레이저 용접부를 생성한다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 상기 방법이 용접된 시트 프레임, 시트 백, 시트 베이스 등과 같은 내하중 부재를 가진 시트 구조물의 성능을 향상시킨다는 것이다.
본 발명의 다른 특징과 장점을 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 첨부도면과 함께 하기된 상세한 설명을 참조하면 보다 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 차량의 사시도이고,
도 2a는 예시적 실시예에 따른 차량용 시트 조립체의 사시도이며,
도 2b는 예시적 실시예에 따른 차량용 시트 프레임의 사시도이고,
도 3은 스테인레스강의 용접 미세조직을 예측하기 위한 세플러 조직도이며,
도 4는 예시적 실시예에 따른 트윕/저탄소강 조합에서 레이저 용접 조인트를 도시한 개략도이고,
도 5는 트윕과 340XF 스틸로 이루어진 스테인레스강의 용접 미세조직을 예측하기 위한 세플러 조직도이며,
도 6은 예시적 실시예에 따라 용접 충진재를 도입함으로써 생성되는 레이저 용접 조인트를 도시한 개략도이고,
도 7은 충진재가 사용되었을 때 용접 미세조직에 대한 영향을 나타낸 세플러 조직도이며,
도 8은 레이저 용접 후 오스테나이트 구조가 얻어지도록 합금화되는 레이저 용접부를 생성하기 위한 개략도이고,
도 9는 레이저 용접 후 오스테나이트 구조가 얻어지도록 합금화되는 레이저 용접부를 생성하기 위한 개략도이며,
도 10은 레이저 용접 후 오스테나이트 구조가 얻어지도록 합금화되는 레이저 용접부를 생성하기 위한 개략도이고,
도 11은 예시적 실시예에 따라 용접부에서 주어진 트윕강 농도를 위해 필요한 니켈과 크롬을 포함하는 충진재의 비율을 나타낸 개략도이며,
도 12는 예시적 실시예에 따라 용접부에서 주어진 트윕강 농도를 위해 필요한 니켈을 포함하는 충진재의 비율을 나타낸 개략도이고,
도 13은 예시적 실시예에 따라 트윕강으로 제조된 제 1 구조물, 저탄소강으로 제조된 제 2 구조물 및 충진재를 레이저 용접하기 위한 방법을 구체적으로 나타낸 흐름도이며,
도 14는 예시적 실시예에 따라 트윕강으로 제조된 제 1 구조물, 저탄소강으로 제조된 제 2 구조물 및 H-214 합금 삽입체 사이의 레이저 용접부의 현미경 사진이고,
도 15는 도 14의 H-214 삽입체 스톡(stock)이 사용되었을 때 용접 미세조직에 대한 영향을 나타낸 세플러 조직도이며,
도 16은 예시적 실시예에 따라 트윕강으로 제조된 제 1 구조물, 저탄소강으로 제조된 제 2 구조물 및 Ni-Fe 합금 삽입체 사이의 레이저 용접부의 현미경 사진이고,
도 17은 도 16의 Ni-Fe 합금 삽입체 스톡이 사용되었을 때 용접 미세조직에 대한 영향을 나타낸 세플러 조직도이며,
도 18은 도 14 및 도 16의 레이저 용접부의 중첩 전단 강도를 나타낸 그래프이고,
도 19는 다른 예시적 실시예에 따라 트윕강으로 제조된 제 1 구조물, 저탄소강으로 제조된 제 2 구조물 및 STS310 충진재 사이의 레이저 용접부의 현미경 사진이며,
도 20은 도 20의 STS310 충진재가 사용되었을 때 용접 미세조직에 대한 영향을 나타낸 세플러 조직도이며,
도 21은 도 19의 레이저 용접부의 중첩 전단 강도를 나타낸 그래피이다.
일반적으로 도면들을 참조하고, 특히 도 1을 참조하면, 예시적 실시예에 따른 차량(10)이 도시되어 있다. 차량(10)은 차량(10)의 탑승자(들)을 위해 제공된 하나 또는 그 초과의 시트 조립체(12)를 포함할 수 있다. 차량(10)이 4도어 세단으로 도시되어 있지만, 시트 조립체(12)가 미니-밴, 스포츠 유틸리티 차량, 항공기, 보트 또는 임의의 다른 유형의 차량에서도 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이하, 도 2a를 참조하면, 시트 조립체(12)가 도시되어 있다. 시트 조립체(12)는 착석한 탑승자에게 안락함, 지지 및 보호를 제공하기 위한 시트 백(14)을 포함한다. 시트 베이스(20)는 시트 백에 기능적으로 연결되며, 마찬가지로, 착석한 탑승자에게 안락함, 지지 및 보호를 제공한다. 시트 백(14)의 상단에는 헤드 구속체(18)가 위치된다. 시트 조립체(12)는 시트 백(14)과 시트 베이스(20)에 기능적으로 연결된 리클라이너 기구(22)를 포함하며, 이는 시트 베이스(20)에 대한 시트 백(14)의 회전가능한 조절성을 제공한다. 또한, 시트 조립체(12)는 트랙 조립체(24)를 사용하여 차량(10)에 고정된다. 본 예의 트랙 조립체(24)는 착석한 탑승자의 안락함 또는 유용성을 위해 시트 조립체(12)의 상대적 위치의 조절 또는 이동을 제공한다. 시트 조립체(12)는 트랙 조립체(24)에 의해 모터 구동식으로 또는 수동식으로 선택적으로 이동할 수 있다. 또한, 시트 백(14)은, 예컨대, 발포 패드(30), 트림 커버(32) 등을 포함할 수 있다. 또한, 시트 백은 제 1 및 제 2 사이드 볼스터(26,28)를 포함할 수 있다. 또한, 시트 베이스(20)는, 예컨대, 발포 패드, 트림 커버(32) 등을 포함할 수 있다. 트림 커버(32)는 가죽, 비닐, 패브릭 등과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 시트 조립체(12)가 차량의 앞 열에 통상적으로 사용되는 1인용 시트로 도시되어 있으나, 제 2 열 벤치, 3열 절첩식 플랫 시트 등과 같은 임의의 시트 조립체에 합체될 수 있으며, 임의의 차량 내에서 사용하기 위한 임의의 유형의 시트 기능을 이용할 수 있다.
또한, 시트 조립체는 도 2b에 도시된 바와 같은 시트 프레임(13)을 포함한다. 시트 프레임(13)은 시트 백 프레임(28)과 시트 베이스 프레임(30)을 포함한다. 시트 프레임(13)은 시트 백 프레임(28)과 시트 베이스 프레임(30)을 포함한다. 시트 백 프레임(28)은 상부 교차 부재(32), 대향 하부 교차 부재(34), 제 1 시트 백 측부 부재(36) 및 대향 제 2 시트 백 측부 부재(38)를 포함한다. 상부 교차 부재(32)는 제 1 및 제 2 단부(40,42)를 포함하고, 하부 교차 부재(34)는 제 1 및 제 2 단부(44,46)를 포함한다. 제 1 시트 백 측부 부재(36)는 상단부(48)와 대향 하단부(50)를 포함하고, 제 2 시트 백 측부 부재(38)는 상단부(52)와 대향 하단부(54)를 포함한다. 제 1 및 제 2 시트 백 측부 부재의 상단부(48,52)들은 상부 교차 부재(32)에 의해 함께 커플링되고, 제 1 및 제 2 시트 백 측부 부재의 하단부(50,54)들은 하부 교차 부재(34)에 의해 함께 커플링됨으로써, 실질적으로 직사각형의 프레임 구조물이 형성된다. 시트 베이스 프레임(30)은 제 1 시트 베이스 측부 부재(56), 대향 제 2 시트 베이스 측부 부재(58), 전방 교차 부재(60) 및 대향 후방 교차 부재(62)를 포함한다. 제 1 시트 베이스 측부 부재(56)는 전방 단부(64)와 후방 단부(66)를 포함하고, 제 2 시트 베이스 측부 부재(58)는 전방 단부(68)와 대향 후방 단부(70)를 포함한다. 전방 교차 부재(60)는 제 1 단부(72)와 제 2 단부(74)를 포함하고, 후방 교차 부재(62)는 제 1 단부(76)와 제 2 단부(78)를 포함한다. 제 1 및 제 2 시트 베이스 측부 부재의 전방 단부(64,68)들은 전방 교차 부재(60)에 의해 함께 커플링되고, 제 1 및 제 2 시트 베이스 측부 부재의 후방 단부(66,70)들은 후방 교차 튜브 부재(30)에 의해 함께 커플링됨으로써, 실질적으로 직사각형의 프레임 구조물이 형성된다. 단일-피스 백 프레임 또는 단일-피스 시트 베이스 프레임 등과 같은 다른 시트 프레임 디자인이 본 발명과 함께 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 시트 프레임(13)은 금속, 알루미늄, 복합 재료 등과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 다중-피스 시트 백 프레임과 시트 베이스 프레임이 도시되어 있으나, 단일-피스 시트 백 프레임, 튜브 프레임 등과 같은 임의의 유형의 시트 백 프레임과 시트 베이스 프레임이 본 명세서에 개시된 혁신적인 발명과 함께 사용될 수 있다. 또한, 시트 조립체를 구성하는 프레임과 (리클라이너 기구, 보강 브라켓 등과 같은) 다른 부품들은 하기된 방법과 같은 다양한 기술을 사용하여 함께 커플링되는 서로 다른 (강종, 조성 등과 같은) 특징을 가진 다양한 여러 가지 재료로 형성될 수 있다.
저탄소강에 대한 트윕강의 레이저 용접을 용이하게 하고, 서로 다른 스틸로 제조된 시트 구조물들이 강도 및 성능 요건을 충족하도록 보장하는 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 상기 방법은 도 13에 개괄적으로 개시되어 있다.
상기 방법은 트윕강과 같은 제 1 강종 및 조성으로 제조된 제 1 구조물(152)을 제공하는 단계(210)로 시작한다. 제 1 구조물(152)은 제 1 시트 백 측부 부재(36) 등과 같이 도 2b에 도시된 시트 프레임(13)의 부품일 수 있다.
상기 방법은 중저 탄소강(340XF HSLA)과 같은 제 2 강종 및 조성으로 제조된 제 2 구조물(154)을 제공하는 단계(220)로 진행된다. 제 2 구조물(154)은 상부 교차 부재(32) 등과 같이 도 2b에 도시된 시트 프레임(13)의 다른 부품일 수 있다.
상기 방법은 상기 제 1 구조물(152)의 적어도 일부가 제 2 구조물(154)의 적어도 일부에 중첩하는 용접부 영역(153)이 생성되도록, 상기 제 2 구조물(154)에 인접하여 제 1 구조물(152)을 위치시키는 단계(230)로 진행된다.
상기 방법은 용접 조인트(150)가 미리 결정된 미세조직을 갖도록, 상기 제 1 구조물(152), 상기 제 2 구조물(154) 및 충진재(158) 사이에 용접 조인트(150)를 생성하는 조성을 가진 충진재(158)를 선택하는 단계(240)로 진행된다.
상기 방법은 상기 용접부 영역(153)에 인접하여 충진재(158)를 위치시키는 단계(250)로 진행된다. 상기 충진재(158)는 STS310 충진재 등과 같은 미리 결정된 다양한 재료일 수 있다. 충진재(158)는 미리 결정된 다양한 방식으로 용접부 영역(153)에 위치될 수 있다. 예를 들어, 충진재(158)는 제 1 구조물(152)과 제 2 구조물(154) 사이에; 제 1 구조물(152)과 제 2 구조물(154) 사이와 제 1 구조물(152) 및/또는 제 2 구조물(154)의 표면에 위치된 표면 그루브(169) 내에; 제 1 구조물(152) 및/또는 제 2 구조물(154) 등의 외표면 상에; 위치될 수 있다.
상기 방법은 상기 제 1 구조물(152), 상기 제 2 구조물(154) 및 상기 충진재(158) 사이에 용접 조인트(150)를 생성하기 위해 상기 용접부 영역(153)에 레이저 빔(L)을 조사하는 단계(260)로 진행되고, 상기 용접 조인트(150)는 오스테나이트 미세조직와 같은 미리 결정된 미세조직을 갖는다. 상기 레이저 빔(L)은 고상 레이저, 가스 레이저, 섬유 레이저 등과 같은 다양한 레이저 용접 기계에 의해 발생될 수 있다. 이하에서, 레이저 용접 기술과 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 스테인레스강의 용접 미세조직을 예측하기 위한 세플러 조직도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 당량을 계산하기 위해 스틸의 화학적 조성이 사용되었다. 니켈과 크롬의 당량이 도면에 도시되어 있으며, 예상 미세조직을 예측할 수 있다. 도 3의 세플러 조직도는 용접부에 대해 다양한 충진재를 사용한 스테인레스강과 저탄소강의 용접부의 미세조직을 확인하기 위해 사용될 수 있다. 오스테나이트이며, 따라서, 강하고 연성을 나타내는 용접 미세조직을 얻기 위해, 충진재 내에서 니켈과 크롬의 당량이 조절될 수 있다. 트윕강이 스테인레스강으로 분류되지는 않지만, 트윕강은 오스테나이트 스테이레스강과 유사한 특징을 공유한다. 따라서, 상기 세플러 조직도는 다른 스틸 합금에 대한 그의 임의의 용접부뿐만 아니라 기재의 미세조직을 예측하기 위해서도 사용된다. 저탄소강에 트윕강을 용접함에 있어서, 결합되는 재료들의 최초 화학적 조성과 그들의 추정되는 특성에 기초하여 형성될 미세조직을 예측하기 위해 상기 세플러 조직도가 사용된다. 조성이 마르텐사이트 영역 내에 있으면, 용접부는 특정 응용예에 대해 취성을 나타낼 것이다. 오스테나이트 영역 내에 있으면, 용접부는 차량용 시트 프레임 구조물에서와 같은 특정 응용예에서 강하고 연성을 나타낼 것이다. 2상 또는 3상 영역 내에 있으면, 취성은 형성되는 마르텐사이트의 상대량에 따라 좌우될 것이다. 충진재는 스테인레스강에 대한 저탄소의 금속 불활성 가스(MIG)와 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접을 위해 상업적으로 이용가능하다. 오스테나이트 미세조직을 얻기 위해 충진재의 조성이 선택된다.
이하, 도 4를 참조하면, 제 1 구조물 또는 워크 피스(32)와 제 2 구조물 또는 워크 피스(34) 간의 레이저 용접부 또는 조인트(30)의 개략도가 도시되어 있다. 이 예에서, 제 1 구조물은 트윕강 피스이고, 제 2 구조물은 340XF 고강도 저합금(HSLA)강 등과 같은 저탄소강 피스이다. 용접부(33)에 레이저 빔(36)이 조사되며, 트윕강과 340XF HSLA강을 모두 함께 용융시킨다. 레이저 에너지가 제거될 때, 혼합물은 응고된다. 이 용접부(30)의 미세조직은 상기 세플러 조직도에서 용접 혼합물을 표시(plotting)함으로써 예측될 수 있다. 완성된 용접부(30)의 미세조직은 취성의 마르텐사이트 구조를 초래하였다.
이하, 도 5를 참조하면, 트윕강과 340XF HSLA강의 용접 미세조직을 예측하기 위한, 트윕강과 340XF HSLA강 모두에 대해 니켈과 크롬의 당량이 표시된 세플러 조직도가 도시되어 있다. 니켈과 크롬의 당량은 트윕강을 조직도의 오스테나이트 미세조직 영역 내에 위치시킨다. HSLA 합금강, SAE J2340 340XF HSLA강 등과 같은 저탄소강의 조성은 조직도의 2상 페라이트 및 마르텐사이트 영역 내에 속한다(HSLA의 경우에서, 이는 페라이트 99%를 초과한다). 2개의 합금이 레이저 용접에 의한 것과 같이 함께 용접되면, 용접부는 대략 50%의 트윕강과 50%의 340XF의 새로운 혼합물이 된다. 이러한 50:50 혼합물의 니켈과 크롬의 당량을 세플러 조직도에 표시하면 조직도의 마르텐사이트 영역 내에 속하게 된다. 함께 레이저 용접되면(50:50 혼합으로 가정하면), 트윕강과 저탄소강의 조합은 100%의 마르텐사이트 미세조직을 생성할 것이다. 이러한 미세조직을 가진 용접부는 취성일 것이고, (예컨대, 차량용 시트, 시트 프레임, 시트 베이스, 시트 백 등) 시트 구조물과 같은 특정 응용예 또는 구조물이 내하 부재로서 디자인된 다른 응용예에서 불량한 성능을 나타낼 것이며, 따라서, 그러한 구조물에 응용하기에 적합하지 않을 것이다.
이하, 도 6를 참조하면, 용접 충진재(48)를 도입함으로써 생성되는 레이저 용접부 또는 조인트(40)의 개략도가 도시되어 있다. 레이저 용접부(40)는 제 1 구조물 또는 워크 피스(42)와 제 2 구조물 또는 워크 피스(44) 사이에 있다. 이 예에서, 제 1 구조물(42)은 트윕강 피스이고, 제 2 구조물(44)은 340XF HSLA강 피스이며, 레이저 에너지가 용접부 영역(43)에 인가될 때, 용접 충진재(48)가 용접부 영역(43)에 도입된다. 레이저 빔(46)의 에너지는 트윕강, 340XF HSLA강 및 용접 충진재(48)를 함께 용융시킨다. 레이저 에너지가 제거될 때, 혼합물이 응고하며 미세조직을 형성하게 된다. 일 예시적 실시예에서, 높은 니켈 및/또는 크롬 함량을 가진 용접부(40)가 만들어짐으로써, 상기 미세조직은 (예컨대, 차량용 시트, 시트 프레임, 시트 베이스, 시트 백 등) 시트 구조물과 같은 특정 응용예 또는 구조물이 내하 부재로서 디자인된 다른 응용예에 대해 보다 유리한 미세조직을 제공하도록 변화될 것이다. 이 재료가 33:33:33(트윕강:HSLA:STS310)의 비율로 용접부에 추가되면, 용접부의 조성은 완전 오스테나이트일 것이고, 용접부(40)는 강도면에서 베이스 트윕강 및 HSLA강과 함께 사용할 수 있게 될 것이다. 이 프로세스가 갖는 어려움은 실제 용접부의 화학적 특성(조성)이 추가되는 충진재(48)의 양에 의해 영향을 받을 것이라는 점이다. 적절한 희석이 이루어지지 않으면, 오스테나이트가 필요할 때 마르텐사이트를 형성함으로써 용접부(40)가 부서지기 쉬워질 것이다.
이하, 도 7을 참조하면, 충진재(48)가 사용되었을 때 용접 미세조직에 대한 영향을 나타낸 세플러 조직도가 도시되어 있다. 여기서, 충진재(48)는 33:33:33의 희석률로 용접부에 도입된 제 3 합금이다. 여기서, 제 3 합금은 당해 합금을 세플러 조직도의 오스테나이트 영역에 위치시키는 니켈과 크롬의 당량을 가진 STS310 충진재로서 확인된다. 따라서, 용접부(40)는 트윕강, 340XF HSLA강 및 STS310의 희석물이 될 것이고, 오스테나이트 미세조직을 초래하게 될 것이다. 오스테나이트 미세조직은 강하고 연성이며, (예컨대, 용접된 시트 프레임, 시트 백, 시트 베이스 등) 시트 구조물과 같은 내하 부재에 이상적으로 적합하다.
충진재(48)가 적절한 속도로 공급되고 레이저 빔(46)이 완전히 동조하여 이를 횡단할 때, 레이저 빔(46)은 워크 피스(42,44)와 충진재(48) 모두에 대해 동시에 열(에너지)을 제공한다. 구조물이 대부분 마르텐사이트로 되지 않고 수용할 수 없는 취성의 용접부를 초래하지 않도록 보장하기 위하여, 용접부 또는 풀(pool)(43)에서 스틸 재료들의 33:33:33의 비율이 구현된다. 조인트(40)에 대한 충진재(48)의 운동에 적합하게, 용접 속도는 필요에 따라 저속화된다. 충진재(48)는 제 1 구조물(트윕강)(42)과 제 2 구조물(저탄소강)(44) 사이에 혼합물로서 추가된다. 용접이 완료된 후 용접부(40)가 조직도의 오스테나이트 영역 내에 속하도록 보장하기 위해 충분한 니켈 및/크롬을 추가하는 것이 중요하다. 이는 사용되는 니켈 및/또는 크롬의 적절한 양과 순도를 이용하여 조절될 수 있다. 세플러 조직도에 따르면, 영역이 단상을 가지면, 미세조직의 100%가 그 단상일 것이다. 영역이 2상을 가지면, 각각의 상대적 비율을 조직도로부터 즉시 알 수 없을 것이다. 그러나, 일반적으로, 미세조직이 조직도 상에서 특정 경계 영역(예컨대, 오스테나이트, 오스테나이트+마르텐사이트, 오스테나이트+페라이트 등)에 인접하여 표시되면, 그 미세조직은 해당 경계 영역에 대응하는 상을 더 많은 백분율로 갖게 될 것이다.
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 레이저 용접 후 오스테나이트 구조가 얻어지도록 합금화되는 레이저 용접부를 생성하기 위해 사용되는 기술의 개략도가 도시되어 있다. 도 6에 도시되고 전술한 기술을 사용하여 용접 충진재를 용이하게 제공하는 것은 어렵다. 예를 들어, 리클라이너 등과 같은 시트 구조물을 시트 백 측부 구조물과 같은 다른 시트 구조물에 용접할 때, 용접부 주위의 영역이 매우 작은 간극을 제공하므로, 레이저 용접 위치로 충진재를 도입할 공간이 불충분하게 된다. 용접부가 응고되어 오스테나이트 미세조직을 생성할 때, 이는 적당한 니켈과 크롬의 당량을 가져야만 한다. 마르텐사이트 미세조직은 취성일 것이며, 구조적 요건을 충족하지 못할 것이다. 그러나, 도 8 내지 도 10에 도시된 기술들은 용접 프로세스가 실시되기 전에 용접될 위치(예컨대, 조인트 내부, 위, 사이, 부근 등)에 충진재를 위치시킴으로써, 충진재가 용접부 생성 시점에 존재할 수 있도록 한다.
이하, 도 8을 참조하면, 상기 방법은 제 1 구조물(152)과 제 2 구조물(154) 사이에 충진재(158)를 증착하는 단계를 또한 포함한다. 이 예에서, 제 1 구조물(152)은 트윕강이고, 제 2 구조물(154)은 HSLA와 같은 중저 탄소강이며, 충진재(158)는 STS310 등과 같은 고니켈 고크롬 충진재 합금층이다. 충진재(158)는 테이프, 화학 기상 증착, 레이저 금속 증착, 분사, 페인팅, 또는 임의의 다른 적당한 코팅 방법을 사용하여 미리 결정된 다양한 증착 방법으로 용접부(153)에 도입될 수 있다. 충진재(158)는 제 1 구조물(152)(트윕강)의 표면, 제 2 구조물(154)(HSLA)의 표면 또는 이들 모두에 위치될 수 있다. 증착층의 폭과 두께는, 레이저 빔(L)이 트윕/HSLA와 함께 코팅을 완전히 용융시키고 완전 오스테나이트이며 기재와 함께 사용할 수 있는 용접 조인트(150)를 형성하도록 하는, 크기와 위치로 된다.
이하, 도 9를 참조하면, 상기 방법은 제 1 구조물(162)과 제 2 구조물(164) 사이의 개구(169)에 충진재(168)를 증착하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 상기 개구(169)는 제 1 구조물(162), 제 2 구조물(164) 또는 이들 모두에 위치된 표면 그루브, 홈부, 링, 홀 등일 수 있다. 이 예에서, 제 1 구조물(162)은 트윕강이고, 제 2 구조물(164)은 HSLA와 같은 중저 탄소강이며, 충진재(168)는 제 2 구조물(164)의 표면 그루브에 증착되는 STS310 등과 같은 고니켈 고크롬 충진재 합금층이다. 이 실시예의 장점은, 이전 실시예(도 8)에서 도시된 바와 같이 간극을 갖는 대신 부품들의 표면이 (동일 평면에서) 서로 직접 접촉하기 때문에, 제 1 구조물(162)(트윕강)과 제 2 구조물(164)(HSLA) 부품들 간의 결합이 용접 후 더 우수하다는 것이다. 개략도들이 프로세스를 도시하고 있으나, 니켈/크롬 층이 도입될 수 있는 모든 방식을 제안하고 있는 것은 아님을 이해하여야 한다. 또한, 니켈/크롬 층이 용접부(160)를 넘어서 과다하게 있지 않고 용접시 모두 소모되는 것이 가장 효율적이다. 그러나, 개략적으로 표현하기 위해 최종 레이저 용접부를 넘어서 연장하는 것으로 도시되어 있다.
이하, 도 10을 참조하면, 상기 방법은 제 1 구조물(172) 및/또는 제 2 구조물(174)의 상부면에 충진재(178)를 증착하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 이 예에서, 제 1 구조물(172)은 트윕강이고, 제 2 구조물(174)은 HSLA와 같은 중저 탄소강이며, 충진재(178)는 STS310 등과 같은 고니켈 고크롬 충진재 합금층이다. 제 1 구조물(172)이 제 2 구조물(174)에 바로 인접하여 위치되고, 충진재(178)가 특정 용접부 영역에서 용접되는 제 1 구조물(172)의 상부면에 증착됨으로써, 충진재는 용접되는 양 부품들 위에 위치하게 된다.
각각의 기술(도 8 내지 도 10 참조)들은 레이저 용접 고유의 신속한 용접 속도의 장점을 갖고, 별도의 충진재 추가로 인해 발생할 수 있는 부적절한 희석률의 가능성이 없다. 예를 들어, 적절한 희석률 또는 혼합물은 세플러 조직도의 오스테나이트 영역에 있고, 부적절한 희석률 또는 혼합물은 마르텐사이트 영역에 있다. 레이저 용접부 영역의 크기(예컨대, 레이저 입력 파워, 용접 속도 등에 기초한 용접부의 폭과 깊이)는 잘 알 수 있으며 고도로 재현가능하다. 이러한 재현가능성으로 인하여, 트윕강과 HSLA강 사이에 니켈/크롬 합금의 층을 제공하는 것이 가능하며, 이는 균일한 희석물(레이저 용접될 때 오스테나이트 범위 내에 속하게 될 혼합물)을 제공하게 될 것이며, 높은 용접 속도에서 구현될 수 있다. 순수 니켈이 오스테나이트 용접부를 얻기에 충분한 층으로 증착될 수 있다. 또한, 순수 니켈과 순수 크롬이 오스테나이트 미세조직을 얻기 위해 용접부로 합금화될 수 있다. 순수 니켈, 또는 대부분 니켈로 이루어진 합금들이 바람직하지만, 최대 60%의 니켈과 40%의 크롬으로 이루어진 합금 등과 같은 다른 조성물도 허용될 수 있다. AWS E310 등과 같은 상업용 합금은 다른 합금 원소를 갖지만 또한 허용될 수 있다. 순수 크롬도 오스테나이트 용접 미세조직을 얻기 위해 도포될 수 있다. 오스테나이트 용접 미세조직이 얻어지는 한, 순수 극치 사이의 니켈/크롬 비율이 제공될 수 있다. 가장 좋은 비율은 최저의 비용으로 오스테나이트 미세조직을 얻는 것이다. 이는 얼마나 많은 충진재가 그 조성물(예컨대, 순수 니켈 또는 합금)에 기초하여 필요할 것인지를 계산함으로써 예상할 수 있다. 일반적으로, 니켈을 더 많이 함유한 합금이 바람직하며, 저탄소강과 트윕강의 혼합물은 트윕강의 농도를 높이는 쪽으로 편중되어야 한다. 트윕강을 관통하여 용접하고 용접부가 저탄소강 속으로 침투하지 못하도록 제한함으로써, 최소량의 충진재를 필요로 하는 오스테나이트 용접부가 생성될 것이다. 니켈/크롬 및 철/니켈/크롬의 합금들은 용접 속도와 조건을 향상시키기 위하여 물리적 야금학적 특징을 이용하기 위해 최적화될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 충진재가 추가되지 않는 다른 결합 프로세스로서 스팟 용접이 채용될 수 있다. 이 개념을 트윕강 또는 HSLA강에 적용함으로써, 그렇지 않았더라면 어려웠을 부위에, 충분한 용접부가 생성될 수 있다. 용접될 2개의 부품들 사이의 충진재는 용접될 2개의 부품들과 혼합됨으로써 스팟 용접 강도를 향상시킬 것이다.
이하, 도 11을 참조하면, 용접부에서 주어진 트윕강 농도를 위해 필요한 니켈과 크롬(50%의 니켈과 50%의 크롬)을 포함하는 충진재의 비율을 나타낸 개략도가 도시되어 있다. 이 도면은 희망하는 용접 조인트 오스테나이트 미세조직을 생성하기 위해 적절한 충진재를 선택하기 위한 상기 방법의 단계(240)에서 사용될 수 있다. 용접부에서 충진재의 비율은 주로 충진재의 두께에 의해 설정되고, 부차적으로, 용접 조건(예컨대, 파워 레벨, 속도 등)에 의해 설정된다. 용접부에서 트윕강에 대한 저탄소강의 비율은 용접 조건(예컨대, 파워 레벨, 속도 등)에 의해 설정된다. 일반적으로, 용접부에서 트윕강 농도가 높으면 더 낮은 비율의 충진재가 필요하다(예컨대, 0%의 트윕강(100%의 340XF HSLA)에서 100%의 트윕강(0%의 340XF HSLA)으로 이동). 용접부에서 충진재가 26% 또는 그 초과이면, 용접부는 당해 용접부에서 트윕강의 비율과는 관계없이 오스테나이트가 될 것이다.
도 12를 참조하면, 용접부에서 주어진 트윕강 농도를 위해 필요한 니켈(100% 니켈)을 포함하는 충진재의 비율을 나타낸 개략도가 도시되어 있다. 이 도면은 희망하는 용접 조인트 오스테나이트 미세조직을 생성하기 위해 적절한 충진재를 선택하기 위한 상기 방법의 단계(240)에서 사용될 수 있다. 용접부에서 충진재의 비율은 주로 충진재의 두께에 의해 설정되고, 부차적으로, 용접 조건(예컨대, 파워 레벨, 속도 등)에 의해 설정된다. 용접부에서 트윕강에 대한 저탄소강의 비율은 용접 조건(예컨대, 파워 레벨, 속도 등)에 의해 설정된다. 일반적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 용접부에서 트윕강 농도가 높으면 더 낮은 비율의 충진재가 필요하다(예컨대, 0%의 트윕강(100%의 340XF HSLA)에서 100%의 트윕강(0%의 340XF HSLA)으로 이동). 용접부에서 충진재의 체적이 24% 또는 그 초과이면, 용접부는 당해 용접부에서 트윕강의 비율과는 관계없이 오스테나이트가 될 것이다.
이하, 도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 제 1 구조물(302), 제 2 구조물(303) 및 삽입체(304) 사이의 레이저 용접부(300)가 도시되어 있다. 이 예에서, 제 1 구조물(302)은 트윕강 피스이고, 제 2 구조물(304)은 340XF강 피스이며, 삽입체(304)는 H-214 합금 삽입체 스톡이다. H-214 삽입체 스톡(304)은 도 15에 도시된 바와 같이 오스테나이트 및 마르텐사이트의 조합 미세조직을 가진 용접부(300)를 만들 것으로 예상된다.
이하, 도 16 및 도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 제 1 구조물(402), 제 2 구조물(404) 및 삽입체(403) 사이의 레이저 용접부(400)가 도시되어 있다. 이 예에서, 제 1 구조물(402)은 트윕강 피스를 사용하여 형성되고, 제 2 구조물(404)은 340XF강 피스를 사용하여 형성되며, 삽입체(403)는 니켈-철 합금 삽입체 스톡을 사용하여 형성된다. 니켈-철 삽입체 스톡(403)은 도 15에 도시된 바와 같이 오스테나이트 및 마르텐사이트의 조합 미세조직을 가진 용접부(400)를 만들 것으로 예상된다.
이하, 도 18을 참조하면, 340XF에 대한 트윕강의 자생(삽입체 스톡이 없는) 레이저 용접부와 도 14 및 도 16의 레이저 용접부의 중첩 전단 강도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 340XF에 대한 트윕강의 자생(삽입체 스톡이 없는) 레이저 용접부와 비교하면, H-214 삽입체 스톡(303)과 니켈-철 삽입체 스톡(403)을 사용하였을 때 중첩 전단 강도와 연성이 모두 향상되었다.
이하, 도 19 내지 도 21을 참조하면, 이전에 도 6 및 도 7에 도시한 방법을 사용한 제 1 구조물(502), 제 2 구조물(504) 및 충진재(503) 간의 하이브리드 레이저 용접이 도시되어 있다. 이 예에서, 제 1 구조물은 트윕강 피스를 사용하여 형성되고, 제 2 구조물은 340XF강 피스를 사용하여 형성되며, 삽입체(503)는 STS310 충진재를 사용하여 형성된다. STS310 충진재의 추가는 도 20에 도시된 바와 같이 오스테나이트 미세조직을 가진 용접부(500)를 만들 것으로 예상된다. 340XF에 대한 트윕강의 자생(삽입체 스톡이 없는) 레이저 용접부와 비교하면, STS310 충진재를 사용한 하이브리드 용접 프로세스에 의해 중첩 전단 강도와 연성이 향상되었다.
전술한 교시 내용에 비추어볼 때, 본 발명의 많은 변경과 변형이 가능할 것이다. 따라서, 특허청구범위에서 청구된 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기술된 것과 달리 실시될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 서로 다른 강종을 가진 차량용 시트를 함께 레이저 용접하기 위한 방법으로서,
    제 1 강종으로 제조되고, 제 1 단부, 대향 제 2 단부, 외표면 및 내표면을 가진 제 1 시트 구조물을 제공하는 단계;
    제 2 강종으로 제조되고, 제 1 단부, 대향 제 2 단부, 외표면 및 내표면을 가진 제 2 시트 구조물을 제공하는 단계;
    상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부의 적어도 일부가 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부의 적어도 일부에 중첩하는 용접부 영역을 생성하기 위해, 상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부를 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부에 인접하여 위치시키는 단계;
    용접 조인트가 미리 결정된 미세조직을 갖도록, 상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부, 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부 및 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하는 조성을 가진 충진재를 선택하는 단계;
    상기 용접부 영역에 인접하여 상기 충진재를 위치시키는 단계; 및
    상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부, 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부 및 상기 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하기 위해 상기 용접부 영역에 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    상기 용접 조인트가 차량용 시트를 형성하기 위한 미리 결정된 미세조직을 가지는,
    레이저 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 미세조직은 적어도 부분적으로 오스테나이트인,
    레이저 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물은 트윕강으로 제조된,
    레이저 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 시트 구조물은 중저 탄소강으로 제조된,
    레이저 용접 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 시트 구조물은 340XF 고강도 저합금강으로 제조된,
    레이저 용접 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 오스테나이트인 니켈과 크롬의 당량을 가진 STS310 충진재인,
    레이저 용접 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부와 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부 사이의 용접부 영역에 충진재를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    레이저 용접 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부와 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부 사이의 용접부 영역에서, 상기 제 1 시트 구조물의 제 1 단부와 상기 제 2 시트 구조물의 제 1 단부 중 적어도 하나의 표면 개구 내에 상기 충진재를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    레이저 용접 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물과 상기 제 2 시트 구조물 중 적어도 하나의 외표면 상의 용접부 영역에 상기 충진재를 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    레이저 용접 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물, 상기 제 2 시트 구조물 및 상기 충진재가 오스테나이트 미세조직을 만들어내는 33:33:33의 희석률을 가진 용접 조인트를 형성하는,
    레이저 용접 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 제 1 시트 구조물과 제 2 시트 구조물 사이의 용접부 영역에 위치되는 H-214 합금 삽입체 스톡인,
    레이저 용접 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 제 1 시트 구조물과 제 2 시트 구조물 사이의 용접부 영역에 위치되는 니켈-철 합금 삽입체 스톡인,
    레이저 용접 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물과 상기 제 2 시트 구조물은 시트 프레임을 형성하기 위해 결합되는,
    레이저 용접 방법.
  14. 서로 다른 강종을 가진 차량용 시트 구조물을 함께 레이저 용접하기 위한 방법으로서,
    트윕강으로 제조된 제 1 시트 구조물을 제공하는 단계;
    340XF 고강도 저합금강으로 제조된 제 2 시트 구조물을 제공하는 단계;
    상기 제 1 시트 구조물의 적어도 일부가 상기 제 2 시트 구조물의 적어도 일부에 중첩하는 용접부 영역을 생성하기 위해, 상기 제 1 시트 구조물을 상기 제 2 시트 구조물에 인접하여 위치시키는 단계;
    용접 조인트가 오스테나이트 미세조직을 갖도록, 상기 제 1 시트 구조물, 상기 제 2 시트 구조물 및 충진재 사이에 용접 조인트를 생성하는 조성을 가진 STS310 충진재를 선택하는 단계;
    상기 용접부 영역에 인접하여 상기 충진재를 위치시키는 단계; 및
    상기 제 1 시트 구조물, 상기 제 2 시트 구조물 및 상기 충진재 사이에 용접 조인트를 형성하기 위해 상기 용접부 영역에 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    상기 용접 조인트가 오스테나이트 미세조직을 가지는,
    레이저 용접 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 시트 구조물, 상기 제 2 시트 구조물 및 상기 충진재가 오스테나이트 미세조직을 만들어내는 33:33:33의 희석률을 가진 용접 조인트를 형성하는,
    레이저 용접 방법.
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