KR20160077325A - 용접부 피로 특성이 우수한 용접부재 및 그 제조방법 - Google Patents

용접부 피로 특성이 우수한 용접부재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

용접부 피로 특성이 우수한 용접부재 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면은, 제 1 부재; 상기 제 1 부재 상에 적어도 일부가 겹치도록 적층된 제 2 부재; 및 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 겹치기 아크 용접에 의해 형성된 용접금속부를 포함하고, 상기 용접금속부의 토우각은 35° 이하(0° 제외)인 용접부재를 제공한다.

Description

용접부 피로 특성이 우수한 용접부재 및 그 제조방법{WELDING MEMBER HAVING EXCELLENT WELDED PORTION FATIGUE CHARACTERISTIC AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 용접부 피로 특성이 우수한 용접부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업 분야에서는 지구 온난화 문제 등으로 인한 연비규제 및 충돌 안전성 정책으로 인해 자동차 차체 및 그 부품의 고강도화 및 경량화가 큰 이슈로 부상하고 있다. 이러한 기조에 따라 자동차의 샤시 부품류에도 고강도 열연강재가 적용되고 있는 추세이며, 이러한 고강도 열연강재는 일반적으로 아크 용접에 의해 접합되어 샤시 부품으로 이용된다. 그런데, 이때 아크 용접에 의해 형성된 용접금속부가 반복 피로응력 집중부(노치효과)로 작용하여 파단 기점이 되며, 결과적으로 샤시 부품류의 내구성능 저하를 초래하므로, 고강도 열연강재 적용의 이점이 상실되는 한계가 있었다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 용접 비드의 끝단부를 치퍼(타격핀)으로 연속적으로 타격하여 소성변형 영역을 형성함으로써 압축 응력 부여를 통해 피로 특성을 향상시키는 기술을 개시하고 있으며, 특허문헌 2는 용접 후 플라즈마 열원을 통해 용접 비드 끝단부를 재용융함으로써 피로 특성을 향상시키는 기술을 개시하고 있다. 그런데, 이들 기술은 용접 후 별도의 공정이 추가로 요구되는 바, 공정 시간 및 비용의 증가가 불가피한 한계가 있다.
일본 공개특허공보 특개2014-014831호 일본 공개특허공보 특개2014-004609호
본 발명은, 용접부 피로 특성이 우수한 용접부재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기재되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 제 1 부재; 상기 제 1 부재 상에 적어도 일부가 겹치도록 적층된 제 2 부재; 및 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 겹치기 아크 용접에 의해 형성된 용접금속부를 포함하고, 상기 용접금속부의 토우각은 35° 이하(0° 제외)인 용접부재를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 제 1 부재 및 제 2 부재를 준비하는 단계; 상기 제 1 부재 상에 제 2 부재를 적어도 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인을 형성하는 단계; 상기 형성된 용접라인을 따라 보호가스를 제공하면서 MIG(Metal Inert Gas) 용접하는 단계를 포함하고, 상기 MIG 용접시, 용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리: 1.5~2.0mm, 토치각: 35~45°, 푸쉬각: 5~25°, 용접 전류: 82t~90t(여기서, 용접 전류의 단위는 A(암페어)이고, t는 제 2 부재의 두께(mm)를 의미함)의 조건으로 용접하는 것을 특징으로 하는 용접부재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용접부재는 피로 특성이 매우 우수한 장점이 있다.
본 발명에 따른 용접부재의 제조방법은, 용접 후 별도의 추가적인 공정을 요구되지 아니하므로 공정 시간 및 비용이 절감되는 장점이 있다.
도 1은 용접금속부의 토우각을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 토치각을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 푸쉬각을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 용접 부재의 용접라인에 수직한 단면을 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 발명예 2에 따라 제조된 용접 부재의 상온 인장시험 후 파단 위치를 관찰한 사진이다.
이하, 본 발명의 일 측면인 용접부 피로 특성이 우수한 용접부재에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 용접부재는, 제 1 부재; 상기 제 1 부재 상에 적어도 일부가 겹치도록 적층된 제 2 부재; 및 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 겹치기 아크 용접에 의해 형성된 용접금속부를 포함한다.
본 발명에서는 상기 제 1 부재 및 제 2 부재의 종류, 물성 및 두께 등에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재가 동일한 종류, 물성 및 두께 등을 가지는 경우 뿐만 아니라, 서로 상이한 종류, 물성 및 두께 등을 가지는 경우에도 본 발명의 적용이 가능하다. 다만, 상기 용접부재를 자동차의 샤시 부품류에 바람직하게 적용하기 위해서는, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재는 인장강도 780MPa 이상 및 두께 6mm 이하의 열연강판인 것이 바람직하다.
용접부재의 피로 특성을 증대하는 방법은 크게 잔류 응력을 이용하는 방법과 비드 형상을 제어하는 방법으로 나눌 수 있다. 본 발명의 경우, 비드 형상의 제어를 통해 용접부재의 피로 특성을 향상시키는 것을 그 목적으로 하며, 이를 위해 용접금속부의 토우각(toe angle)을 35° 이하(0° 제외)로, 보다 바람직하게는 25° 이하(0° 제외)로, 보다 더 바람직하게는 20° 이하(0° 제외)로 제어하는 것을 하나의 기술적 특징으로 한다. 이때, 토우각이란, 용접라인에 수직한 단면에서 제 1 부재 및 제 2 부재의 경계선과 용접금속부가 만나는 접점을 용접 토우(Weld Toe)라고 정의할 때, 상기 용접 토우를 기준점으로 하여 제 1 부재 및 제 2 부재의 경계선과 상기 용접금속부의 용접 토우에 최인접한 비드 곡률부의 접선이 이루는 각을 의미한다. 이해를 돕기 위해 도 1에 용접금속부의 토우각을 설명하기 위한 개념도를 나타내었다.
한편, 상기와 같이 용접금속부의 토우각를 제어하는 것만으로도 용접부 피로 특성을 향상시킬 수 있으나, 그 효과를 보다 극대화하기 위해서는 용접금속부의 용입깊이를 적절히 제어하는 것이 보다 바람직하며, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용접금속부의 용입 깊이를 제 2 부재의 두께 대비 20% 이상으로 제어하는 것이 바람직하며, 30% 이상으로 제어하는 것이 보다 바람직하다. 만약, 용접금속부의 용입 깊이가 부족할 경우, 반복 피로 하중에 의해 비드루트를 기점으로 용접금속부의 파단이 발생할 우려가 있기 때문이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 용접 부재는, 피로 강도가 250MPa 이상이고, 반복 피로하중 10kN(최소/최대 하중비, R=0.1 및 주파수, f=20Hz)에서 피로 수명 2,000,000cycles 이상으로 용접부 피로 특성이 매우 우수한 장점이 있다. 이때, 상기 피로 강도(또는 피로한, Fatigue Limit)란, 피로 수명이 2,000,000cycles 이상이 되는 최대 피로 하중치를 부재의 단면적으로 나눈 값으로 정의된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 용접 부재는, 용접금속부의 인장강도가 제 1 부재 및 제 2 부재의 인장강도 대비 100% 이상으로 용접금속부의 강도가 매우 우수한 장점이 있다. 이때, 100% 이상이란, 용접금속부의 인장강도가, 제 1 부재의 인장강도 그리고 제 2 부재의 인장강도보다 높다는 것을 의미한다.
이상에서 설명한 용접부재는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 그 일 구현예로써 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 용접부 피로 특성이 우수한 용접부재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 제 1 부재 및 제 2 부재를 준비한 후, 상기 제 1 부재 상에 제 2 부재를 적어도 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인(welding line)을 형성한다. 여기서, 용접라인이란 제 1 부재와 제 2 부재가 겹쳐져 있는 영역 중 제 2 부재의 끝단부를 의미한다.
이후, 상기 형성된 용접라인을 따라 보호가스를 제공하면서 MIG(Metal Inert Gas) 용접한다. 본 발명에서 상기와 같이 용접 방법을 MIG 용접으로 한정하는 까닭은, 아크의 길이와 폭이 상대적으로 크기 때문에 용접시 용융풀의 퍼짐성 및 젖음성이 우수하고, 용접금속부의 강도가 우수한 장점이 있기 때문이다.
이때, 목적하는 비드 형상을 얻기 위해서는, MIG 용접시, 용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리, 토치각 및 푸쉬각은 다음과 같이 제어하는 것이 바람직하다.
용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리: 1.5~2.0mm
도 2는 용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리를 설명하기 위한 개념도로, 용접시 용접 와이어의 첨단의 위치를 나타낸 것이다. 이러한 용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리는 용접금속부의 토우각과 밀접한 관련을 가지며, 만약, 그 거리가 1.5mm 미만인 경우에는 용융풀이 제 1 부재로 유동되는 특성이 제한되어 토우각 저감 효과가 감소하는 문제가 있으며, 반면, 2.0mm를 초과하는 경우에는 제 2 부재의 용융 및 용착량 부족으로 비드루트부의 강도가 저하되는 문제가 있다.
토치각: 35~45°
도 2는 토치각을 설명하기 위한 개념도이다. 토치각 역시 용접금속부의 토우각과 밀접한 관련을 가지며, 만약, 토치각이 35° 미만인 경우, 비드 퍼짐성, 즉 토우각 저감효과가 감소하는 문제가 있으며, 반면, 45°를 초과하는 경우, 단위 면적당 아크 열 핀치력이 감소하여 용접금속의 용입이 줄어들게 되어 비드루트부의 강도가 저하되는 문제가 있다.
푸쉬각: 5~25°
도 3은 푸쉬각을 설명하기 위한 개념도이다. 푸쉬각 역시 토치각과 마찬가지로 용접금속부의 토우각과 밀접한 관련을 가지며, 만약, 푸쉬각이 5° 미만인 경우, 비드 퍼짐성, 즉 토우각 저감효과가 감소하는 문제가 있으며, 반면, 25°를 초과하는 경우 단위 면적당 아크 열 핀치력이 감소하여 용접금속의 용입이 줄어들게 되어 비드루트부의 강도가 저하되는 문제가 있다.
용접 전류: 82t~90t(여기서, 용접 전류의 단위는 A(암페어)이고, t는 제 2 부재의 두께(mm)를 의미함)
용접 전류는 용접금속부의 토우각 및 용입깊이와 밀접한 관련을 가지는 것으로, 만약 용접 전류가 지나치게 낮을 경우, 용접부 강도가 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 용접 전류는 82t 이상인 것이 바람직하다. 다만, 용접 전류가 지나치게 높을 경우, 과입열에 따른 용접부 경화능 감소 및 과용착에 따른 볼록한 비드 형성에 의해 피로특성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 용접 전류는 90t 이하인 것이 바람직하며, 88t 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
한편, 용접부 피로 특성 향상 효과를 보다 극대화하기 위한 한가지 수단으로써, 아크(GMA, Gas Metal Arc) 용접시, 보호가스의 종류, 용접 와이어의 직경, 용접 와이어의 돌출길이 및 용접 속도에 대해 다음과 같이 제어할 수 있다.
보호가스의 종류: 100% 아르곤(Ar) 가스
일반적으로 아크 용접에 사용되는 보호가스의 종류로는 아르곤(Ar) 가스, 아르곤(Ar) 및 산소(O2) 혼합가스, 아르곤(Ar) 및 이산화탄소(CO2) 혼합가스 등이 있다. 본 발명에서는 이 중 100% 아르곤(Ar) 가스를 사용함이 바람직하며, 이는 산소(O2) 또는 이산화탄소(CO2) 등과의 혼합가스 사용시 발생할 수 있는 아크의 열수축을 제한하여, 아크 폭 확대에 따른 비드 퍼짐성 및 젖음성을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 이와 동시에, 강재 내의 경화성 원소들의 산화가 효과적으로 억제되어 용접금속부의 강도 확보에 유리하다는 장점이 있기 때문이다.
용접 와이어의 직경(Φ): 1.0~1.2mm
용접 와이어의 직경은 아크의 안정성과 밀접한 관련을 가지는 것으로, 만약, 만약, 1.0mm 미만이거나, 1.2mm를 초과하는 경우, 판두께 대비 적정 입열량 도출이 곤란할 수 있다.
용접 와이어의 돌출길이: 12~15mm
용접 와이어의 돌출길이는 저항열 및 와이어의 용융속도와 밀접한 관련을 가지는 것으로, 만약, 12mm 미만인 경우, 노즐에 스패터가 부착하기 쉽고 이로 인해 용접금속부의 외관이 열화될 우려가 있으며, 반면, 15mm를 초과하는 경우, 보호가스에 의한 보호 효과가 저하되고 아크가 불안정해질 우려가 있다.
용접 속도: 0.6~0.8m/min
용접 속도는 용접금속부의 용착량 및 용입 깊이와 밀접한 관련을 가지는 것으로, 만약, 용접 속도가 지나치게 느릴 경우, 과입열에 따른 용접부 경화능 감소 및 과용착에 따른 볼록한 비드 형성에 의해 피로 특성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 용접 속도는 0.6m/min 이상인 것이 바람직하고, 0.7m/min 이상인 것이 보다 바람직하다. 다만, 용접 속도가 지나치게 빠를 경우, 비드 언더컷 발생 등으로 인해 용접부 강도 및 피로 특성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 용접 속도는 0.8m/min 이하인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
용접 모재로써, 자동차용 열연강재로 널리 사용되는 FB780 강판(두께: 3.4mm) 총 8쌍을 준비하였다. 이후, 총 8쌍의 FB780 강판을 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인을 형성한 후, 하기 표 1의 조건으로 MIG 용접을 실시하였다. 한편, 상기 MIG 용접시, 보호가스는 100% 아르곤(Ar), 용접 와이어의 직경은 1.2mm, 용접 와이어의 돌출길이는 15mm로 일정하게 하였다. 이후, 제조된 각각의 용접 부재의 용접라인에 수직한 단면을 관찰하여 이를 도 5에 나타내었으며, 토우각을 측정하여 이를 하기 표 1에 함께 나타내었다. 한편, 하기 표 1에서 용입 깊이란, 제 1 부재의 두께 대비 용입 깊이를 의미한다.
No. 용접 조건 토우각
(°)		 용입 깊이
(%)		 비고
전류
(A)		 속도
(m/min)		 토치각
(°)		 푸쉬각
(°)		 용접 와이어의 첨단과
용접라인과의 거리(mm)
1 280 0.8 25 5 0 54 54 비교예1
2 280 0.8 35 5 0 43 42 비교예2
3 280 0.8 45 5 0 54 44 비교예3
4 280 0.8 35 25 0 42 34 비교예4
5 280 0.8 45 25 0 42 27 비교예5
6 280 0.8 45 25 2.0 20 36 발명예1
7 280 0.6 45 25 2.0 24 44 발명예2
8 300 0.8 45 25 2.0 35 37 발명예3
상기 표 1은 용접 조건 변경에 따른 토우각 변화를 보여주고 있다. 먼저, 비교예 1 내지 3을 비교해 보면, 푸쉬각이 5 °로 고정된 상태에서 토치각을 25°에서 35°로 증가시, 토우각이 54°에서 43°로 저감되나, 토치각을 35°에서 45°로 증가시, 되려 토우각이 43°에서 54°로 증가됨을 알 수 있다. 이는, 용융풀 유동 및 용착이 상대적으로 겹침부 상판(제 2 부재)측으로 쏠리면서 하판(제 1 부재)으로 유동하지 못한 결과 비드폭이 좁아지고, 오히려 토우각이 증가한 것으로 추정된다.
다음으로, 비교예 2 및 4 그리고 비교예 3 및 5를 비교해 보면, 토치각이 고정된 상태에서 푸쉬각을 5°에서 25°로 증가시, 토우각이 소폭 감소함을 알 수 있다.
다음으로, 상기 비교예 1 내지 5 중 가장 개선된 조건인 비교예 5의 조건에서 용융풀 유동 및 용착을 상대적으로 하판(제 1 부재) 측으로 제어하는 개념에 착안하여, 용접 와이어의 첨단의 위치를 용접라인으로부터 2.0mm 이격하여 용접을 실시하였다. 비교예 5 및 발명예 1을 비교해 보면, 토우각이 현저히 저감되었음을 알 수 있다. 한편, 발명예 2 및 3은 용접 전류 또는 용접 속도를 다소 변경하여 용접을 실시한 경우이다.
이후, 비교예 1 및 발명예 1에 따라 얻어진 용접 부재를 대상으로 피로특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 피로 시험은 인장피로 R(최소/최대 하중 비)=0.1 및 f(주파수)=20Hz로 수행되었으며, 최대 2,000,000cycles까지 평가하였다.
최대 하중(kN) 피로수명(cycles)
비교예 1 발명예 1
8.0 2,000,000 2,000,000
8.5 1,257,617 2,000,000
9.0 369,197 2,000,000
9.5 330,195 2,000,000
10.0 282,479 2,000,000
표 2를 참조할 때, 발명예 1은 비교예 1에 비해 용접부 피로 특성이 현저히 향상되었음을 확인할 수 있다.
이후, 발명예 2에 따라 얻어진 용접 부재를 대상으로 JIS 13B의 기준에 의거하여 시험편을 제작하고, 상온 인장시험을 실시하였다.
도 6은 본 발명의 발명예 2에 따라 제조된 용접 부재의 상온 인장시험 후 파단 위치를 관찰한 사진이다. 도 6을 참조할 때, 용접금속부가 아닌 모재부(제 1 부재 또는 제 2 부재)에서 먼저 파단이 발생하였다는 점에서, 용접금속부의 인장강도가 모재부의 인장강도 대비 100% 이상임을 확인할 수 있다.
1: 용접부재
10: 제 1 부재
20: 제 2 부재
30: 용접금속부
100: 용접 와이어

Claims (9)

  1. 제 1 부재;
    상기 제 1 부재 상에 적어도 일부가 겹치도록 적층된 제 2 부재; 및
    상기 제 1 부재와 제 2 부재의 겹치기 아크 용접에 의해 형성된 용접금속부를 포함하고,
    상기 용접금속부의 토우각은 35° 이하(0° 제외)인 용접부재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 용접금속부의 용입 깊이는 제 1 부재의 두께 대비 20% 이상인 용접부재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 부재 및 제 2 부재는 인장강도 780MPa 이상 및 두께 6mm 이하의 열연강판인 용접부재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 용접금속부의 인장강도가 제 1 부재 및 제 2 부재의 인장강도 대비 100% 이상인 용접부재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 용접부재는, 피로 강도가 250MPa 이상이고, 반복 피로하중 10kN(최소/최대 하중비, R=0.1)에서 피로 수명 2,000,000cycles 이상인 것을 특징으로 하는 용접부재.
  6. 제 1 부재 및 제 2 부재를 준비하는 단계;
    상기 제 1 부재 상에 제 2 부재를 적어도 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인을 형성하는 단계;
    상기 형성된 용접라인을 따라 보호가스를 제공하면서 MIG(Metal Inert Gas) 용접하는 단계를 포함하고,
    상기 MIG 용접시, 용접 와이어의 첨단과 용접라인과의 거리: 1.5~2.0mm, 토치각: 35~45°, 푸쉬각: 5~25°, 용접 전류: 82t~90t(여기서, 용접 전류의 단위는 A(암페어)이고, t는 제 2 부재의 두께(mm)를 의미함)의 조건으로 용접하는 것을 특징으로 하는 용접부재의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 보호가스는, 100% 아르곤(Ar) 가스인 용접부재의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 용접 와이어의 직경은 1.0~1.2mm이고, 돌출길이는 12~15mm인 용접부재의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 MIG 용접시, 용접 속도는 0.6~0.8m/min인 용접부재의 제조방법.
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