KR20130124471A - 질소 및/또는 산소를 포함한 가스를 사용하는 알루미늄 도금 강 부품의 하이브리드 아크/레이저-용접 방법 - Google Patents

질소 및/또는 산소를 포함한 가스를 사용하는 알루미늄 도금 강 부품의 하이브리드 아크/레이저-용접 방법 Download PDF

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은, 알루미늄 표면 코팅물을 포함하는 적어도 하나의 강철 부품 위에 용접 풀을 제공하고, 충진 와이어를 용융시킴으로써 용융 금속을 제공하고, 보호 가스를 사용하며, 보호 가스가 아르곤 및 헬륨으로부터 선택된 적어도 하나의 주 화합물 및 질소 및 산소로부터 선택된 적어도 하나의 추가 화합물로 구성됨을 특징으로 하는, 단일 용접 풀 내에서 함께 조합된 전기 아크 및 레이저 빔을 사용하는 하이브리드 레이저/아크 용접 방법에 관한 것이다.

Description

질소 및/또는 산소를 포함한 가스를 사용하는 알루미늄 도금 강 부품의 하이브리드 아크/레이저-용접 방법{HYBRID ARC/LASER-WELDING METHOD FOR ALUMINIZED STEEL PART USING A GAS INCLUDING NITROGEN AND/OR OXYGEN}
본 발명은 소량의 질소 또는 산소가 첨가된 아르곤 및/또는 헬륨으로 형성된 보호 가스를 사용하여 알루미늄 기재의 표면 코팅물, 특히 알루미늄 및 규소의 코팅물을 포함하는 강철 부품의 레이저/아크 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.
알루미늄 또는 알루미늄 기재의 합금으로 코팅되기 때문에 알루미늄 도금 강이라 불리는 특정한 강철, 예컨대 유시보르(USIBOR)TM강철은 열간 인발(hot-drawing) 후에 매우 높은 기계적 특징을 갖고, 따라서 자동차의 제작 분야에서 중량 감소가 요망될 때 점점 더 사용되고 있다.
사실상, 이러한 강철은 열간 인발 공정 동안에 열 처리된 다음 급냉되도록 설계되고, 그로부터 얻어지는 기계적 특징은 일반적인 고 항복 강도 강철에 비하여 자동차의 중량을 매우 상당히 경량화시킬 수 있다. 이들은 범퍼 비임, 문 보강재, 센터 필러, 윈도우 필러 등의 제조를 위해 주로 사용된다.
EP-A-1878531은 레이저/아크 하이브리드 용접 공정을 사용하여 이러한 유형의 알루미늄 도금 강을 용접하는 것을 제안하고 있다. 레이저/아크 하이브리드 용접 원리는 선행 기술에 잘 공지되어 있다.
그러나, He/Ar 혼합물로 이루어진 보호 대기와 함께, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 특히 Al/Si 유형의 합금으로 코팅된 강철 부품을 하이브리드 용접하고 용접-후 920 ℃에서 열간-인발을 포함한 열 처리한 다음, 도구에서 급냉 (30 ℃/s)한 후에, 기본 금속에 비해, 그리고 용접된 조인트에서 종종 나타나는 용융 금속 부분에 비해 더 낮은 인장 강도를 가진 상이 실제로 관찰되었다.
그러나, 낮은 인장 강도를 가진 이러한 상은, 이하 설명되는 바와 같이, 이렇게 수득된 용접의 부서지기 쉬운 부분을 구성한다. 이러한 더욱 부서지기 쉬운 부분은 표면 층에서 유래된 알루미늄의 응집물을 함유하는 백색 상의 섬 형태로 마르텐사이트 대역 내에 나타난다.
분석 후에, 이러한 상은 상당한 퍼센트의 알루미늄 (2% 초과)을 함유하는 것으로 결정되었으며, 이것은 인발 전에 열 처리 동안 강철의 오스테나이트 변형을 유발하지 않고, 다시 말해서 이러한 상은 델타 페라이트 형태로 남아있고, 그 결과 마르텐사이트/베이나이트 변형을 겪은 부품의 나머지에 비해 더 낮은 경도이다.
그러나, 혼입된 알루미늄을 갖는 부분은 침착된 금속의 부분에 비해 낮은 용접 저항성을 갖기 때문에, 마르텐사이트 상으로 변형되지 않은 상은, 용접 및 인발에 이어서 열 처리 후 조인트의 기계적 특징화 동안에, 용접된 조인트의 전단에 의해 균열되거나 심지어 파열될 수도 있다.
따라서, 직면한 문제점은, 알루미늄을 포함한 층으로 코팅된 강철 부품을 용접하기 위한 작업 동안에, 용접된 조인트의 기계적 성질을 개선시키는 아크/레이저 하이브리드 용접 방법을 제안하는 것이다. 더욱 구체적으로, 문제점은, 전형적으로 약 920 ℃에서 열간-인발하고 전형적으로 800 ℃ 내지 500 ℃ 사이에서 30 ℃/s의 냉각 속도로 인발 도구에서 급냉한 후에 용융 금속 부분, 즉 용접 조인트에서 마르텐사이트 유형의 균질한 미세구조를 수득할 수 있는 것이다.
본 발명의 해결책은, 특히 단일 용접 풀(weld pool) 내에서 함께 조합된 전기 아크 및 레이저 빔을 사용하는 레이저/아크 하이브리드 용접 방법이고, 이 방법에서 소모성 와이어를 용융시킴으로써 용융 금속을 제공하고, 알루미늄-기재 표면 코팅물을 포함하는 적어도 하나의 강철 부품 위에 용접 풀을 생성하고, 또한 보호 가스를 사용하며, 보호 가스가 아르곤 및 헬륨으로부터 선택된 적어도 하나의 주 화합물 및 질소 및 산소로부터 선택된 적어도 하나의 추가 화합물로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 용접하고자 하는 부품을 특히 말단끼리 접촉시킴으로써 형성된 조인트 면에서, 용접하고자 하는 부품 또는 부품들의 금속을 용융시키기 위해 서로 조합된 레이저 빔 및 전기 아크의 동시 작용 하에서 부품의 구성요소인 강철을 용융시킴으로써 용접 풀 및 이어서 용접 조인트가 수득되고, 바람직하게는 전기 아크에 의해 용융되는 소모성 와이어에 의하여 용융 금속을 추가로 준비하고, 이렇게 수득된 용융 금속을 조립하고자 하는 부품 또는 부품들 위에 형성된 용접 풀에 침착시킨다.
상기 언급된 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, 용접 부분, 특히 용접 풀의 보호 대기로서, Ar/N2, Ar/O2, He/O2 또는 He/N2 유형의 이원 기체 혼합물, 또는 Ar/He/N2 또는 Ar/He/O2 유형의 삼원 기체 혼합물, 또는 심지어 Ar/He/O2/N2 유형의 사원 기체 혼합물을 구성하기 위하여 한편으로는 기체 혼합물의 주 화합물(들)로서 아르곤, 헬륨 또는 이둘 모두, 및 다른 한편으로는 추가 화합물(들)로서 질소 또는 산소 또는 이둘 모두로 이루어진 기체 혼합물을 사용한다. 모든 경우에, 기체 혼합물에 존재하는 주 화합물 (즉, Ar 또는 He)의 비율 또는 주 화합물 (즉, Ar 및 He)의 비율의 합은 추가 화합물 (즉, N2 또는 O2)의 비율 또는 추가 화합물 (즉, N2 및 O2)의 비율의 합보다 더 크다.
사용될 수 있는 이러한 다양한 기체 혼합물 중에서, 하기 설명되는 바와 같이, 기껏해야 10% (부피%)의 질소 및 유리하게는 대략 3% 내지 7%의 질소를 함유하는 2개의 기체 혼합물, 즉 Ar/N2 또는 Ar/He/N2 혼합물이 매우 양호한 결과를 가져올 수 있기 때문에 특히 바람직하다. 일반적으로, 본 발명의 내용에서, 달리 나타내지 않는 한, 주어진 모든 퍼센트(%)는 부피 퍼센트 (부피%)임을 주지해야 한다.
사실상, 한편으로는 아르곤 및/또는 헬륨, 다른 한편으로는 질소 및/또는 산소로 이루어진 보호 가스 혼합물을 사용하는 아크/레이저 하이브리드 용접 공정의 실행은, O2 또는 N2의 첨가가 표면 층으로부터 유래되고 아크 및 레이저 빔의 영향 하에서 상기 층의 용융 동안에 방출되는 알루미늄을 포획할 수 있도록 하기 때문에, 알루미늄 도금 강 부품의 조립 동안에, 백색 페라이트 섬을 갖지 않거나 실질적으로 갖지 않는 마르텐사이트 미세구조의 용접 조인트를 수득할 수 있도록 한다.
O2 또는 N2 화합물에 의한 알루미늄의 포획은 Al2O3 또는 AlN 유형의 화합물을 형성하도록 하고, 따라서 페라이트 또는 기타 유해한 금속간 화합물의 형성을 피할 수 있다. 사실상, 이렇게 형성된 알루미늄 옥사이드 또는 니트라이드는 용접 풀의 표면에서 부유하여 용접 풀에서 알루미늄의 용해를 방해한다.
이것의 결과는 용접 내에 알루미늄의 혼입을 억제하거나 적어도 상당히 감소시키고, 따라서 통상적으로 관찰되는 백색 델타 페라이트 상의 완전한 또는 실질적으로 완전한 소실에 기인하여 인장 강도가 개선된다.
경우에 따라서, 본 발명의 방법은 하나 이상의 하기 특징을 포함할 수도 있다:
- 보호 가스는 1 내지 20 부피%의 상기 적어도 하나의 추가 화합물을 함유한다.
- 보호 가스는 1 내지 15 부피%의 상기 적어도 하나의 추가 화합물을 함유한다.
- 보호 가스는 적어도 2 부피%의 상기 적어도 하나의 추가 화합물을 함유한다.
- 보호 가스는 기껏해야 10 부피%의 상기 적어도 하나의 추가 화합물을 함유한다.
- 보호 가스는 추가 화합물로서 단지 질소 만을 함유한다.
- 보호 가스는 적어도 4 부피%의 질소를 추가 화합물로서 함유한다.
- 보호 가스는 적어도 5 부피%의 질소를 추가 화합물로서 함유한다.
- 보호 가스는 기껏해야 8 부피%의 질소를 추가 화합물로서 함유한다.
- 보호 가스는 기껏해야 7 부피%의 질소를 추가 화합물로서 함유한다.
- 보호 가스는 적어도 5.5 부피%의 질소 및 기껏해야 6.5 부피%의 질소를 함유한다.
- 보호 가스는 He/Ar/N2 또는 Ar/N2 혼합물이다.
- 강철 부품 또는 부품들은 5 내지 100 ㎛, 바람직하게는 50 ㎛ 이하의 두께를 가진 알루미늄-기재 표면 코팅물을 포함한다. 코팅물은 부품 또는 부품들의 적어도 하나의 표면을 도포하지만, 바람직하게는 상기 부품 또는 부품들의 말단의 가장자리, 다시 말해서 예를 들어 시트의 가장자리에 알루미늄-기재 코팅물이 전혀 또는 실질적으로 전혀 존재하지 않는다.
- 금속 부품 또는 부품들은 알루미늄 및 규소 기재의 표면 코팅물을 가진 강철로 만들어지고, 바람직하게는 표면 코팅물은 70 중량% 초과의 알루미늄을 함유한다.
- 금속 부품 또는 부품들은 알루미늄 및 규소 (Al/Si)로 필수적으로 구성된 표면 코팅물을 가진 강철로 만들어진다.
- 금속 부품 또는 부품들은 규소보다 5 내지 100배 더 큰 알루미늄 비율, 예를 들어 90 중량%의 알루미늄의 비율 및 10 중량%의 규소의 비율을 함유하는 알루미늄 및 규소 기재의 표면 코팅물을 포함하고, 즉 표면 코팅 층이 규소에 비해 9배 더 많은 알루미늄을 포함한다.
- 금속 부품 또는 부품들은 규소보다 5 내지 50배 큰 알루미늄 비율, 특히 규소보다 5 내지 30배 큰 알루미늄 비율, 특히 규소보다 5 내지 20배 큰 알루미늄 비율을 함유하는 알루미늄 및 규소 기재의 표면 코팅물을 포함한다.
- 몇 개의 부품들을 서로, 전형적으로 2개의 부품을 용접하고; 상기 부품들이 특히 형태, 두께 등의 측면에서 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
- 부품들이 고 합금 강 (5 중량% 초과의 합금 요소), 약 합금 강 (5 중량% 미만의 합금 요소) 또는 비합금 강, 예를 들어 탄소 강으로 만들어진다.
- 용접 와이어는 솔리드 와이어 또는 플럭스-코어 와이어이다.
- 용접 와이어는 0.5 내지 5 mm, 전형적으로 약 0.8 내지 2.5 mm의 직경을 갖는다.
- 소모성 와이어는 전기 아크, 바람직하게는 MIG 용접 토치에 의해 수득되는 아크에 의해 용융된다.
- 소모성 와이어는 탄소 및/또는 망간을 함유한다 (최소 0.1% C 및 최소 2% Mn).
- 용접되는 부품 또는 부품들은 테일러드 블랭크 및 파이프로부터 선택된다.
- 용접되는 부품 또는 부품들은 머플러의 구성요소이다.
- 부품들을 스퀘어 버트 배열로 배치하고 용접한다.
- MIG (금속 불활성 가스) 유형의 용접 토치에 의하여 전기 아크를 발생시킨다.
- 레이저 발생장치 또는 CO2, YAG, 섬유, 특히 이터븀 또는 에르븀 섬유, 또는 디스크 형태의 장치에 의해 레이저 빔을 발생시킨다.
- 용접 방향을 고려할 때 레이저 빔은 용접 동안에 MIG 아크보다 먼저 일어난다.
- MIG 용접 방법은 단-아크 유형이다.
- 용접 전압은 20V 미만, 전형적으로 11 내지 16V이다.
- 용접 강도는 200A 미만, 전형적으로 118 내지 166A이다.
- 용접 속도는 20 m/분 미만, 전형적으로 4 내지 6 m/분이다.
- 용접되어지는 부품 또는 부품들은 0.8 내지 2.5 mm, 바람직하게는 1.8 내지 2.3 mm의 두께를 갖는다. 두께는 제조되는 조인트 면에서 고려되고, 다시 말해서 용접 조인트를 형성하기 위해 금속이 용융되는 위치, 예를 들어 용접되는 부품 또는 부품들의 말단 가장자리에서 고려된다.
- 용접 조인트는 마르텐사이트 유형의 구조를 갖는다.
- 가스의 압력은 2 내지 15 바아, 예를 들어 4 바아 정도이다.
- 가스의 유동 속도는 10 내지 40 l/분, 전형적으로 25 l/분의 정도이다.
- 레이저 빔의 국소 지점을 용접되어지는 부품 위에 3 내지 6 mm 범위에 촛점을 맞춘다.
- 충진 와이어와 레이저 빔 사이의 거리는 2 내지 3 mm이어야 한다.
- 몇 개의 부품들을 서로, 전형적으로 2개의 부품을 용접한다.
- 본 발명의 내용에서 사용되는 가스 혼합물을 가스 혼합기를 사용하여 원하는 비율로 혼합물의 성분들을 혼합함으로써 제 위치에서 직접 제조하거나, 또는 미리포장된 형태로, 다시 말해서 포장 공장에서 제조한 다음 이어서 적절한 가스 용기, 예컨대 용접 가스 실린더에서 사용 장소로 옮긴다.
본 발명은 하기 상세한 설명 및 본 발명의 아크/레이저 하이브리드 용접 공정의 효율성을 나타내기 위해 수행된 실시예에 의해 더욱 잘 이해될 것이다.
실시예
본 발명에 따른 레이저/아크 하이브리드 용접 공정은, CO2 유형의 레이저 원 및 MIG 아크 용접 토치를 사용하여 90 중량% 및 10 중량%의 각각의 비율로 약 30 ㎛의 알루미늄/규소 합금의 층으로 코팅된 강철 부품의 하이브리드 용접을 수행하기 위한 실행 동안에 양호한 결과를 제공하였다.
용접된 부품은 2.3 mm의 두께를 갖는다.
수행된 시험의 내용에서, 25 l/분의 유동 속도 및 4바아의 압력에서 배분된, 사용된 기체는 다음과 같다:
- 시험 A (비교): 70% 헬륨 및 30% 아르곤으로 이루어진 ARCAL 37 혼합물
- 시험 B : 6% N2가 첨가된 ARCAL 37 혼합물
- 시험 C: 3% O2가 첨가된 ARCAL 37 혼합물
ARCAL 37 혼합물은 에어 리퀴드(Air Liquide)에 의해 판매된다.
사용된 토치는 1.2 mm의 직경을 가진 Nic 535 유형 (0.7% C 및 2% Mn)의 충진 와이어에 의해 공급되는 참조 OTC의 MIG 토치이고, 3 m/분의 속도로 전달된다.
용접 전압은 대략 15 V이고, 강도는 대략 139A이고, 에어 리퀴드 웰딩 프랑스(Air Liquide Welding France)에 의해 시판되는 공동작용 방식(EN 131)으로 Digi@wave 500 유형 (단 아크/단 아크 +)의 발생장치에 의해 수득된다.
레이저 원은 12 kW의 전력을 가진 CO2 레이저 진동자이다.
달성된 용접 속도는 4 m/분이다.
용접되는 부품은 유시보(Usibor) 1500TM 유형의 알루미늄 도금 강 (Al/Si)으로 만들어진 스퀘어 버트-배치된 테일러드 블랭크이다.
수득된 결과는 아르곤/헬륨 혼합물 중에 N2의 존재가 보호 가스 중에 질소를 갖지 않는 시험에 비해 훨씬 더 양호한 결과를 가져온다는 것을 보여준다.
유사하게, 아르곤/헬륨 혼합물 중에서 소량의 O2의 존재는, 용융 금속 부분에서 알루미늄의 존재에 의해 유발되는 오스테나이트 변형의 억제 효과를 거스를 수 있다.
사실상, 본 발명에 따른 Ar 및/또는 He 및 N2 및/또는 O2 혼합물을 사용함으로써, 결과의 현저한 개선이 관찰되고, 이러한 개선은 혼합물 중의 N2 또는 O2 함량을 비례적으로 증가시킨다. 현미경사진은, 양쪽 경우에서, 백색 상이 완전히 소실되는 반면 ARCAL 37 혼합물 단독의 경우에서는 그렇지 않다는 것을 보여준다.
또한, O2 또는 N2의 첨가에 의하여, 오스테나이트화 및 급냉 후에 조인트의 파열 저항성이 기본 금속의 저항성과 동등하다.
시험 동안에 수득된 결과는, 아르곤 및/또는 헬륨에 질소를 첨가하면, 알루미늄/규소 합금의 표면 층, 특히 용융 금속 부분에서 마르텐사이트 유형의 균질한 미세구조로 코팅된 강철의 용접 품질을 상당히 개선시킬 수 있음을 보여준다.
질소 함량이 증가함에 따라, 그러나 10 부피% 미만의 최적치에서 개선이 더 현저하고, 이것은 아르곤 또는 아르곤/헬륨 중 약 6% 내지 7%의 질소의 사용을 권장한다.
또한, 산소 함량이 증가함에 따라, 그러나 10 부피% 미만의 최적치에서 개선이 더 현저하고, 이것은 아르곤 또는 아르곤/헬륨 중 약 3% 내지 5%의 질소의 사용을 권장한다.
본 발명의 방법은, 자동차 제작, 특히 차량을 위한 머플러의 구성요소 분야에서 사용되는 테일러드 블랭크의 용접을 위해, 그리고 파이프의 용접을 위해 특히 적절하다.

Claims (12)

  1. 보호 가스가 아르곤 및 헬륨으로부터 선택된 적어도 하나의 주 화합물 및 질소 및 산소로부터 선택된 적어도 하나의 추가 화합물로 구성됨을 특징으로 하는, 알루미늄-기재 표면 코팅물을 포함하는 적어도 하나의 강철 부품 위에 용접 풀(weld pool)을 생성하고, 소모성 와이어를 용융시킴으로써 용융 금속을 제공하며, 또한 보호 가스를 사용하는, 서로 조합된 전기 아크 및 레이저 빔을 사용한 레이저/아크 하이브리드 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 보호 가스가 1 내지 20 부피%의 상기 적어도 하나의 추가 화합물을 함유함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보호 가스가 2 내지 10 부피%의 상기 적어도 하나의 추가 화합물을 함유함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스가 추가 화합물로서 단지 질소를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스가 추가 화합물로서 4 내지 7 부피%의 질소를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스가 He/Ar/N2 또는 Ar/N2 혼합물임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 강철 부품 또는 부품들이 5 내지 100 ㎛, 바람직하게는 50 ㎛ 이하의 두께를 가진 알루미늄-기재 표면 코팅물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 부품 또는 부품들이 알루미늄 및 규소를 기재로 한 표면 코팅물을 가진 강철로 만들어지고, 바람직하게는 표면 코팅물이 70 중량% 초과의 알루미늄을 함유함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 전기 아크, 바람직하게는 MIG 용접 토치에 의해 수득되는 아크에 의해 용융됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 탄소 및/또는 망간 (최소 0.1% C 및 최소 2% Mn)을 함유함을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 용접되는 부품 또는 부품들이 테일러드 블랭크, 파이프 또는 머플러의 구성요소로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 부품들이 스퀘어 버트 배열로 배치되고 용접됨을 특징으로 하는 방법.
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