KR20130124472A - 감마제닉 원소 및 10％ 미만의 질소 또는 산소를 함유하는 기체를 사용한 알루미늄 도금 강철 부품의 하이브리드 아크/레이저-용접 방법 - Google Patents

감마제닉 원소 및 10％ 미만의 질소 또는 산소를 함유하는 기체를 사용한 알루미늄 도금 강철 부품의 하이브리드 아크/레이저-용접 방법 Download PDF

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KR1020137000581A
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프랑시 브리앙
올리비에 뒤베
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
에어 리키드 웰딩 프랑스
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Abstract

본 발명은, 알루미늄 표면 코팅을 포함하는 적어도 하나의 강철 부품 상에 제공되고 필러 와이어의 용융에 의해 용접 금속이 공급되는 단일 용접 용융물 내에 함께 조합되는 전기 아크 및 레이저 빔을 사용하고, 보호 가스를 사용하며, 필러 와이어는 3 중량％ 이상의 1종 이상의 감마제닉 원소(gammagenic element), 특히 C, Mn, Ni 및 N 중에서 선택된 감마제닉 원소를 함유하고, 보호 가스는 10 부피％ 미만의 질소 또는 산소가 첨가된 헬륨 및/또는 아르곤으로 이루어지는, 하이브리드 레이저/아크 용접 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 자동차 제작 분야에 사용되는 엔드-웰디드 플랭크(end-welded flank)의 용접 또는 튜브 용접에 특히 적합하다.

Description

감마제닉 원소 및 10％ 미만의 질소 또는 산소를 함유하는 기체를 사용한 알루미늄 도금 강철 부품의 하이브리드 아크/레이저-용접 방법{HYBRID ARC/LASER-WELDING METHOD FOR ALUMINIZED STEEL PARTS USING GAMMAGENIC ELEMENTS AND A GAS CONTAINING LESS THAN 10％ OF NITROGEN OR OXYGEN}
본 발명은 1종 이상의 감마제닉 원소(gammagenic element)를 함유하는 와이어(wire) 및 바람직하게는 아르곤 및/또는 헬륨 및 낮은 비율의 질소 또는 산소로 형성된 보호 가스(shielding gas)를 사용하는, 알루미늄-기재 표면 코팅, 특히 알루미늄/규소 코팅을 포함하는 강철 작업편을 용접하기 위한 레이저/아크 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.
알루미늄 또는 알루미늄-기재 합금으로 코팅되었다고 하여 알루미늄 도금 강철로도 지칭되는 특정 강철, 예를 들어 USIBOR™ 강철은 열간 드로잉(hot-drawing) 후에 매우 높은 기계적 특성을 가지므로 감량이 요망되는 자동차 제작 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다.
특히, 이 강철은 열간 드로잉 작업 동안 열처리된 후 급랭되도록 설계되며, 이렇게 얻어진 기계적 특성은 표준 고항복강도강에 비해 차량 중량의 매우 현저한 감소를 가능하게 한다. 이 강철은 주로 범퍼 빔, 도어 강화재, 센터 필러, 윈도우 필러 등에 주로 사용된다.
문헌 EP-A-1878531은 레이저/아크 하이브리드 용접 공정을 이용한 상기 타입의 알루미늄 도금 강철의 용접을 제안한다. 레이저/아크 하이브리드 용접 원리는 종래 업계에 주지되어 있다.
그러나 실행 시에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 특히 Al/Si 합금으로 코팅된 강철 작업편이 He/Ar 혼합물로 형성된 보호 공기를 사용한 하이브리드 용접 작업 및 920℃에서의 열간 드로잉에 이은 공구 내에서의 급랭(30℃/s)을 포함하는 용접후 열처리에 노출 후, 기재 금속보다 및 용접-금속 구역보다 낮은 인장강도를 가지는 상(phase)이 용접된 접합부에 종종 출현하는 것이 관찰되었다.
특히, 이 저인장강도 상은 이하 설명하는 바와 같이 이렇게 얻어진 용접에서 취성 영역을 형성한다. 보다 취성인 이 영역은 마텐자이트(martensite) 구역에서 표층으로부터의 알루미늄 응집체를 함유하는 백색상 섬(white-phase islands)의 형태로 출현한다.
이 상은 그의 드로잉전 열처리 동안 강철의 오스테나이트 변형을 방해하는 현저한 비율의 알루미늄(>2％)을 함유하는 것으로 분석되었다 - 즉, 이 상은 델타 페라이트 형태로 잔류하며, 그 결과 작업편의 나머지보다 연성이며, 마텐자이트/베이나이트 변형을 일으킨다.
용접, 드로잉 및 후속 열처리 후 접합부의 기계적 시험 동안, 마텐자이트 변형을 일으키지 않은 상은 용접된 접합부의 균열 또는 심지어 전단을 유발할 수 있는데, 이는 용접의 이 영역이 알루미늄을 함유하기 때문에 퇴적된 금속보다 더 약하기 때문이다.
알루미늄-포함 층으로 코팅된 강철 작업편의 용접 작업에서 생성된 용접의 기계적 특성을 향상시키는 아크/레이저 하이브리드 용접 공정을 제공하는 것이 당면 과제이다. 더 구체적으로는, 전형적으로 약 920℃에서의 열간 드로잉 및 전형적으로 800℃에서 500℃까지 냉각 속도가 약 30℃/s인 드로잉 공구 내에서의 급랭 후, 용접-금속 구역 내, 즉 용접부 내에서 균일한 마텐자이트 미세구조를 얻는 것이 과제이다.
따라서 본 발명의 해결책은 알루미늄-기재 표면 코팅을 포함하는 적어도 하나의 강철 작업편에 생성되고 소모성 와이어(consumable wire)의 용융에 의해 용접 금속이 제공되는 단일 용접 풀(weld pool)에 전기 아크 및 레이저 빔을 조합으로 함께 사용하고, 보호 가스를 사용하며, 소모성 와이어는 3 중량％ 이상의 1종 이상의 감마제닉 원소를 함유하고, 보호 가스는 헬륨 및/또는 아르곤 및 추가 성분(들)으로서 10 부피％ 미만의 질소 또는 산소로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저/아크 하이브리드 용접 방법이다.
상황에 따라서는, 본 발명의 방법은 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 감마제닉 원소는 탄소(C), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 질소(N)로부터 선택되고;
- 소모성 와이어는 적어도 Mn을 포함하고;
- 감마제닉 원소는 금속 또는 합금의 형태로 제공될 수 있으며, 탄소의 경우 예를 들어 탄소-함유 합금철(ferroalloy) 또는 흑연, 망간의 경우 전해질 망간 또는 합금철, 원소 니켈, 또는 질소의 경우 특히 금속-코어를 갖는 와이어의 경우 질소-함유 크롬철이고;
- 소모성 와이어는 C, Mn, Ni 및 N으로부터 선택된 복수의 감마제닉 원소를 함유한다.
- 소모성 와이어는 5 중량％ 이상의 1종 이상의 감마제닉 원소를 함유하고;
- 와이어는 약 20 중량％ 이하의 감마제닉 원소를 함유하고;
- 소모성 와이어는 추가로 철을 함유하고;
- 와이어는 코어를 갖는 와이어, 특히 금속-코어를 갖는 와이어, 또는 솔리드(solid) 와이어이고;
- 보호 가스는 헬륨과 아르곤의 혼합물을 함유하고;
- 보호 가스는 헬륨 및/또는 아르곤 및 9 부피％ 미만의 질소 또는 산소, 바람직하게는 질소(가스 중 질소의 존재는 특히 추가의 감마제닉 원소를 제공하기 때문)로 형성되고;
- 보호 가스는 2 부피％ 이상의 상기 적어도 1종의 추가적인 O2 또는 N2 성분을 함유하고;
- 보호 가스는 4 부피％ 이상의 질소를 추가 성분으로서 함유하고;
- 보호 가스는 5 부피％ 이상의 질소를 추가 성분으로서 함유하고;
- 보호 가스는 8 부피％ 이하의 질소를 추가 성분으로서 함유하고;
- 보호 가스는 5.5 부피％ 이상의 질소 및 7.5 부피％ 이하의 질소를 함유하고;
- 사용되는 보호 가스 중의 질소 함량은 아르곤 중 또는 헬륨/아르곤 혼합물 중 약 6 내지 7％ 질소이고;
- 산소 함량은 아르곤 중 또는 아르곤/헬륨 중 8 부피％ 미만이고;
- 산소 함량은 아르곤 중 또는 아르곤/헬륨 중 약 3 내지 5％ 산소이고;
- 보호 가스는 헬륨 및/또는 아르곤 및 4 내지 8 부피％의 질소로 형성되고;
- 하나 이상의 강철 작업편은 두께가 5 내지 100 ㎛, 및 바람직하게는 50 ㎛ 이하인 알루미늄-기재 표면 코팅을 포함하고;
- 하나 이상의 금속 작업편은 알루미늄 및 규소에 기초한 표면 코팅을 가지는 강철로 이루어지고, 표면 코팅은 바람직하게는 70 중량％ 초과의 알루미늄을 함유하고;
- 하나 이상의 금속 작업편은 탄소강으로 이루어지고;
- 소모성 와이어는 전기 아크, 바람직하게는 MIG 용접 토치(welding torch)에 의해 얻어지는 아크에 의해 용융되고;
- 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치는 CO2, 섬유 또는 디스크 타입의 것이고;
- 용접 대상인 하나 이상의 작업편은 테일러드 블랭크(tailored blank) 및 튜브로부터 선택되고;
- 복수의 작업편, 특히 2개의 작업편이 함께 용접되고;
- 작업편이 I형맞대기 형태(square butt configuration)로 배치 및 용접되고;
- 용접 대상인 하나 이상의 작업편의 두께는 0.2 mm 내지 3 mm이고, 이 두께는 생성하고자 하는 용접면에서의 두께, 즉, 금속이 용융되어 용접부를 형성하는 위치에서의 두께, 예를 들어 작업편 또는 용접되는 작업편들의 엣지면에서의 높이인 것으로 간주되고;
- 코팅은 하나 이상의 작업편의 적어도 한 표면을 피복하지만, 바람직하게는 하나 이상의 작업편의 말단 림(rim) 상에는, 즉, 예를 들어 강판의 엣지면 상에는 알루미늄-기재 코팅이 전혀 또는 거의 존재하지 않고;
- 하나 이상의 작업편은 규소 비율보다 5 내지 100배 더 많은 비율의 알루미늄을 함유하는, 예를 들어 알루미늄 비율이 90 중량％이고 규소 비율 10 중량％인, 즉, 표면 코팅 층이 규소보다 9배 더 많은 알루미늄을 포함하는, 알루미늄 및 규소에 기초한 표면 코팅을 포함하고;
- 하나 이상의 작업편은 규소 비율보다 5 내지 50배 더 많은 비율의 알루미늄을 함유하는, 특히 알루미늄 비율이 규소 비율보다 5 내지 30배 더 높은, 특히 알루미늄 비율이 규소 비율보다 5 내지 20배 더 높은, 알루미늄 및 규소에 기초한 표면 코팅을 포함하고;
- 복수의 작업편, 전형적으로는 2개의 작업편을 함께 용접하며, 상기 작업편은 특히 모양, 두께 등에서 동일하거나 상이할 수 있고;
- 강철 작업편은 예를 들어 고합금강(합금 원소가 5 중량％ 초과), 저합금강(합금 원소가 5중량％ 미만), 또는 비합금강, 탄소강으로 이루어지고;
- 용접 와이어는 직경이 0.5 내지 5 mm 및 전형적으로 약 0.8 내지 2.5 mm인 솔리드 와이어 또는 코어를 갖는 와이어이고;
- 용접 동안, 용접 방향을 고려할 때, 레이저가 MIG 아크보다 선행하고;
- MIG 용접 체계는 단락 아크(short arc) 타입이고;
- 용접 전압은 20 V 미만 및 전형적으로는 11 내지 16 V이고;
- 용접 전류는 200 A 미만 및 전형적으로는 118 내지 166 A이고;
- 용접 속도는 20 m/min 미만 및 전형적으로는 4 내지 6 m/min이고;
- 가스 압력은 2 내지 15 bar 및 예를 들어 약 4 bar이고;
- 가스의 유속은 5 내지 40 ℓ/min 및 전형적으로는 약 25 ℓ/min이고;
- 레이저 빔의 초점은 용접 대상 작업편 위, 바람직하게는 3 내지 6 mm의 거리에 맞추어지고;
- 필러 와이어와 레이저 빔 사이의 거리는 약 2 내지 3 mm이어야 한다.
이제 본 발명은 본 발명에 따른 레이저/아크 하이브리드 용접 방법의 효과를 입증하기 위한 하기 실시예에 의해 보다 잘 이해될 것이다.
이를 위해, CO2 레이저 소스 및 MIG 아크 용접 토치를 사용하여, 각각 90 중량％ 및 10 중량％ 비율의 알루미늄/규소 합금의 약 30 ㎛ 층으로 코팅된 강철 작업편상에 레이저/아크 하이브리드 용접 시험을 행하였다. 보다 정확하게는, 하기 실시예 1 내지 3에서, 용접 대상 작업편은 I형맞대기 형태로 배치된 알루미늄 도금(Al/Si) Usibor 1500™ 강철로 이루어진 테일러드 블랭크였다.
실시예 1 내지 3에서, 보호 가스를 25 ℓ/min의 유속 및 4 bar의 압력으로 살포하였고, 용접 속도는 4 m/min였다. Air Liquide Welding France에서 판매하는, 상승작용 모드(EN 131)의 Digi@wave 500 (단락 아크/단락 아크 +)에 의해 약 15 V의 용접 전압 및 약 139 A의 전류를 얻었다.
실시예 1
이 실시예에서 작업편은 두께가 1.7 mm였다.
사용된 가스는 3 부피％의 O2가 첨가된 ARCAL 37 혼합물(조성: 70 부피％ He + 30 부피％ Ar)이었고, ARCAL 37 가스 혼합물은 Air Liquide로부터 입수 가능하다.
사용된 토치는 OTC에서 판매하는 MIG 토치였으며, 여기에 3 m/min의 속도로 투입되는, 철 외에 약 20 중량％의 망간(Mn)을 함유하는 1.2 mm 직경의 필러 와이어를 공급하였다.
레이저 소스는 CO2 레이저 발진기였고, 사용된 전력은 8 kW였다.
얻어진 결과는, 얻어진 용접 비드가 균일한 미세구조를 가지는 경우, 용접 구역 중 고비율의 망간(즉, 약 20 중량％ Mn)의 존재는 용접 비드 중에 소량(즉, 약 2％ Mn)의 망간을 사용한 시험에 비해 훨씬 우수한 결과를 유발하였음을 보여주었다.
급랭 열처리(800℃에서 500℃까지 약 30℃/sec의 냉각 속도) 후, 접합부의 인장강도는 급랭후 기재 금속의 인장강도와 동등한 반면, 비드가 단지 2％의 망간을 함유한 경우 인장강도는 1000 MPa (Rm)을 초과하지 않았다.
이 첫번째 실시예는, 와이어 중의 감마제닉 원소, 즉 여기에서는 20％ Mn의 존재가 급랭 후 용접 금속 구역에서 균일한 마텐자이트 미세구조를 가지는 용접 비드를 촉진하였음을 입증하였다.
실시예 2
이 실시예에서 작업편은 두께가 2.3 mm였고, 사용된 가스는 ARCAL 37 및 3 부피％ O2로 형성된 혼합물이었다.
사용된 토치는 철 및 감마제닉 원소로서 0.7％ 탄소(C) 및 2％ 망간(Mn)을 포함하는 1.2 mm 직경 Nic 535 (솔리드 와이어) 필러 와이어가 공급된 OTC MIG 토치였으며, 상기 와이어는 3 m/min의 속도로 투입되었다.
레이저 소스는 12 kW CO2 레이저 발진기였다.
얻어진 결과는 와이어 중 상기 양의 감마제닉 원소, 즉 Mn 및 C가 용접-금속 구역 중 알루미늄의 존재로 인해 초래되는 오스테나이트 변형 억제 효과를 상쇄하기에 충분하였음을 보여주었다. 구체적으로, 현미경 사진은 백색상이 완전히 사라졌거나 크게 감소되었음을 보여주었다.
뿐만 아니라, 접합부의 인장강도는, 오스테나이트화 및 급랭 후, 기재 금속의 인장강도와 등등한 것으로 관찰되었다.
이 두번째 실시예 역시, 와이어 중 감마제닉 원소, 즉 여기에서는 C 및 Mn의 존재가 급랭 후 용접-금속 구역 중에 균일한 마르텐자이트 미세구조를 가지는 용접 비드를 촉진하였음을 입증하였다.
실시예 3
실시예 3은, 보호 가스로서 70％ 헬륨 및 30％ 아르곤으로 형성된 ARCAL 37 혼합물 및 6％의 추가적인 N2를 사용한 본 발명에 따른 레이저/아크 하이브리드 용접 방법을 사용하여 2.3 mm 두께의 작업편을 용접한 것 이외에는 실시예 2와 유사하였다.
토치, 필러 와이어 및 기타 용접 조건은 실시예 2의 것과 동일하였다.
비교를 위해, ARCAL 37 혼합물 단독으로, 즉, N2를 첨가하지 않고 또한 시험하였다.
얻어진 결과는, 감마제닉 원소를 함유하는 와이어와, 30％ 아르곤 및 70％ 헬륨을 포함하는 혼합물(즉, ARCAL 37)에 6％ N2를 첨가하여 형성한 보호 가스를 조합으로 사용하는 것이, 보호 가스가 질소를 함유하지 않고 와이어는 동일한 경우보다 더 우수한 결과를 유발하였음을 보여주었다.
구체적으로, 질소가 혼합물 중에 존재하는 경우, 결과의 현저한 향상이 있었고, 이는 혼합물 중 N2 함량에 비례하여 향상되었다. 즉, 현미경 사진은 백색상이 완전히 사라졌으며, 나아가 접합부의 인장강도는, 오스테나이트화 및 급랭 후, 기재 금속의 인장강도와 동등하였음을 보여주었다.
향상은 질소 함량이 클수록 더 현저하였으나 최적값은 10 부피％ 미만이었으며, 이는 아르곤 중 또는 아르곤/헬륨 혼합물 중 약 6 내지 7％ 질소의 사용을 제안할 것이다.
일반적으로, 시험(실시예 1 내지 3)에서 얻어진 결과는 소모성 와이어 중 감마제닉 원소의 존재는 알루미늄/규소 합금으로 이루어진 표층으로 코팅된 강철의 용접 품질을 실질적으로 향상시키고, 특히 용접-금속 구역 내에 균일한 마텐자이트 미세구조가 얻어지게 한다는 것을 명확히 보여준다.
하기의 경우 향상이 더욱 현저하다는 것을 알 수 있을 것이다:
- 보호 가스 중의 질소 함량을 동시에 증가시키되 최적값을 10 부피％ 미만으로 하는 경우(이는 아르곤 또는 아르곤/헬륨 중 약 6 내지 7％ 질소의 사용을 제안할 것임);
- 또는 산소 함량을 증가시키되 최적값을 10 부피％ 미만으로 하는 경우(이는 아르곤 또는 아르곤/헬륨 중 약 3 내지 5％ 산소의 사용을 제안할 것임).
본 발명의 방법은 자동차 제작 분야에 사용되는 테일러드 블랭크의 용접 또는 튜브의 용접에 특히 적합하다.

Claims (15)

  1. 알루미늄-기재 표면 코팅을 포함하는 적어도 하나의 강철 작업편에 생성되고 소모성 와이어(consumable wire)의 용융에 의해 용접 금속이 제공되는 단일 용접 풀(weld pool)에 전기 아크 및 레이저 빔을 조합으로 함께 사용하고, 보호 가스(shielding gas)를 사용하며, 소모성 와이어는 3 중량％ 이상의 1종 이상의 감마제닉 원소(gammagenic element)를 함유하고, 보호 가스는 헬륨 및/또는 아르곤 및 10 부피％ 미만의 질소 또는 산소로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저/아크 하이브리드 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 감마제닉 원소가 C, Mn, Ni 및 N 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 와이어가 20 중량％ 이하의 감마제닉 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스가 헬륨 및/또는 아르곤 및 10 부피％ 미만의 질소로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 강철 작업편이 두께 5 내지 100 ㎛의 알루미늄-기재 표면 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 강철 작업편이 두께 50 ㎛ 이하의 알루미늄-기재 표면 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 금속 작업편이 알루미늄 및 규소(Al/Si)에 기초한 표면 코팅을 가지는 강철로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 금속 작업편이 알루미늄 및 규소에 기초한 표면 코팅을 가지는 강철로 이루어지고, 표면 코팅은 70 중량％ 초과의 알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 전기 아크, 바람직하게는 MIG 용접 토치(welding torch)에 의해 얻어진 아크에 의해 용융되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치가 CO2, 섬유 또는 디스크 타입인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 용접 대상인 하나 이상의 작업편이 테일러드 블랭크(tailored blank) 및 배기 파이프 또는 튜브인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 C, Mn, Ni 및 N 중에서 선택된 복수의 감마제닉 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 5 중량％ 이상의 1종 이상의 감마제닉 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 적어도 Mn을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 소모성 와이어가 추가로 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
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